Đồ án Nghiên cứu hệ thống ghép kênh quang DWDM - Chương 4

Đồ án Nghiên cứu hệ thống ghép kênh quang DWDM - Chương 4

Chơng IV Các thiết bị sử dụng trong mạng ghép kênh

theo bớc sóng dày đặc DWDM

4.1 Tổng quan hệ thống ghép kênh DWDM

Khi ghép kênh bớc sóng ở trong cùng một cửa sổ khoảng cách các kênh tơng đối nhỏ là ghép kênh bớc sóng dày đặc DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Hiện nay hệ thống này ở trong đoạn bớc sóng 1550

nm (hình 4.1), đồng thời dùng 8, 16 hoặc nhiều hơn bớc sóng tạo thành hệ thống thông tin quang trên một đôi sợi quang (cũng có thể sử dụng một sợi quang), trong đó khoảng cách giữa mỗi một bớc sóng là 1,6 nm; 0,8 nm hoặc thấp hơn, tơng ứng với khoảng 200 GHz, 100 GHz hoặc dải hẹp hẹp hơn

Hình 4.1 Sơ đồ phổ tổn hao của sợi quang

Hiện nay, các hệ thống nói chung thờng sử dụng bớc sóng của kênh tín hiệu có cùng khoảng cách, tức k x 0,8 nm (k là số nguyên dơng) Trớc đây

ng-ời ta quen dùng WDM và DWDM để phân biệt ghép kênh đơn giản 1310/1550

nm với ghép kênh dày đặc trong đoạn bớc sóng 1550, nhng hiện nay trong viễn thông đều sử dụng công nghệ DWDM, vì ghép kênh 1310/1550 nm vợt ra ngoài phạm vi của EDFA

Nguyên lý cơ bản của kĩ thuật ghép kênh quang theo bớc sóng WDM: Các nguồn phát quang làm việc ở các bớc sóng khác nhau 1, 2 , 3, ,

j, , n Các tín hiệu quang ở các bớc sóng khác nhau cùng ghép vào sợi quang ở phía phát nhờ bộ ghép kênh và tín hiệu ghép này sẽ truyền theo chiều dọc sợi quang để tới phía thu Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại luồng tín hiệu với các bớc sóng riêng rẽ này sau khi qua bộ tách bớc sóng

0 1310 1550 B ớc sóng (nm)

OMUX

I

1(

1

O1(1 )

Hình3.2 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép bớc sóng quang WDM

Hiện nay, với những thành công trong chế tạo các laser phổ hẹp, các bộ lọc quang, và đặc biệt là các bộ khuếch đại đờng truyền quang dải rộng (khuếch đại quang sợi EDFA, khuếch đại Raman) đã cho phép tăng dung lợng của các mạng hiện có và tăng cự ly truyền của tín hiệu quang tổng cộng gồm nhiều bớc sóng

Trên thực tế, có thể phân các hệ thống ghép bớc sóng thành hai loại dựa trên kỹ thuật truyền dẫn ghép bớc sóng quang một hớng và truyền dẫn ghép

b-ớc sóng quang hai hớng

* Kỹ thuật truyền dẫn ghép bớc sóng quang một hớng trong mạng DWDM:

Truyền dẫn ghép bớc sóng quang một hớng là sự kết hợp của các tín hiệu có các bớc sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và thực hiện tách chúng

để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia Để thực hiện hệ thống DWDM một hớng, cần phải có bộ ghép kênh ở đầu phát để kết hợp tín hiệu quang từ các nguồn phát quang khác nhau đa vào sợi quang Tại đầu thu, cần phải có bộ tách kênh để thực hiện tách riêng các kênh quang tơng ứng

Hình 4.3 Hệ thống truyền dẫn ghép bớc sóng quang một hớng trong mạng

DWDM

Trong truyền dẫn ghép bớc sóng quang một hớng thờng sử dụng các bộ ghép kênh (OMUX) và bộ tách ghép kênh (ODEMUX) ở đây, bộ ghép cần

có suy hao thấp để tín hiệu quang ở đầu ra của bộ ghép ít bị suy hao Các bộ tách sóng quang thờng rất nhạy cảm trên một vùng rộng các bớc sóng nên có thể tách và thu đợc toàn bộ các bớc sóng phát đi

Kênh N

Nguồn



2

Nguồn



N

Thu 

1

Thu 2

Thu 

N

Thiết bị DWD M

Thiết bị DWDM

Nguồn



1



1,

2,

,N Một sợi

Kênh 1

Kênh 2

Kênh N

Kênh 1 Kênh 2

* Kỹ thuật truyền dẫn ghép bớc sóng quang hai hớng trong mạng DWDM:

Hình 4.4 Hệ thống truyền dẫn ghép bớc sóng quang hai hớng

trong mạng DWDM

Phơng pháp truyền dẫn ghép bớc sóng quang hai hóng không quy định phát ở một đầu và thu ở một đầu, nghĩa là có thể phát thông tin theo một hớng tại bớc sóng 1 và đồng thời cũng thu thông tin theo hớng ngợc lại tại bớc sóng

2

4.2 Bộ khuếch đại sợi quang trộn ERBIUM (EDFA)

Trong lớp lõi của sợi quang thạch anh, nếu trộn vào một ít nguyên tố

đất hiếm hóa trị III nh Er, Pr, Nd sẽ hình thành sợi quang đặc biệt, loại sợi quang này có thể khuếch đại tín hiệu dới sự kích thích của bơm quang, cho nên đợc gọi là bộ khuếch đại sợi quang Hiện nay, sử dụng rộng rãi là bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium (EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier),

có nhiều u điểm nh: tăng ích đa ra cao, băng tần rộng, tạp âm thấp, đặc tính tăng ích không có quan hệ với phân cực, trong suốt đối với tốc độ số và khuôn dạng, từ đó ảnh hởng sâu rộng đối với công nghệ thông tin sợi quang

4.2.1 Nguyên lý hoạt động của EDFA

EDFA bao gồm chủ yếu là sợi quang trộn Erbium (EDF), nguồn bơm quang, bộ phối ghép, bộ cách ly

Hình 4.5 Cấu tạo cơ bản của EDFA

Kênh 1

Nguồn 

1

Thu 

2

Thu 

1

Nguồn 

2

Thiết bị OWDM

Thiết bị OWDM

Một sợi Kênh 2

Kênh 1

Kênh 2



1



2

Bơm quang



S

Bộ cách

ly quang

Tín hiệu quang đ a

vào Bộ phối ghép EDF Bộ cách

ly quang Bộ lọc quang

Tín hiệu quang đ a ra



P

Tác dụng của bộ phối ghép quang là gộp quang tín hiệu và quang bơm làm một, thờng dùng bộ ghép kênh để thực hiện

Tác dụng của bộ cách ly quang là hạn chế quang phản xạ, để đảm bảo

bộ khuếch đại quang làm việc ổn định, yêu cầu là tổn hao thấp, không có quan

hệ với phân cực, độ cách ly tốt hơn 40 dB

Khi tín hiệu quang tơng đối yếu và tín hiệu bơm tơng đối mạnh cùng đa vào EDF, bơm quang kích hoạt Erbium trong EDF, do sự cảm ứng của tín hiệu quang tử, hạt Erbium sinh ra bức xạ bị kích, đột biến sang trạng thái cơ bản đa vào trong tín hiệu quang những quang tử giống hệt nhau thực hiện việc khuếch

đại

EDFA thờng dùng hai bộ cách ly quang: Bộ thứ nhất ở đầu vào, dùng

để loại bỏ can nhiễu có thể gây ra do truyền bá tự phát ngợc chiều của bộ khuếch đại bộ thứ hai ở đầu ra, bảo vệ cho linh kiện không bị phản xạ ngợc chiều từ đoạn dới

EDFA làm việc ở cửa sổ 1550 nm, hệ số tổn hao của sợi quang ở cửa sổ này thấp hơn so với cửa sổ 1310 nm, EDFA thơng phẩm có tạp âm thấp, đờng cong tăng ích tốt, băng tần của bộ khuếch đại lớn, tơng thích đối với hệ thống ghép kênh bớc sóng, hiệu suất bơm cao, tính năng công tác ổn định, công nghệ hoàn thiện, đợc chú trọng trong hệ thống thông tin quang đờng dài cao tốc Hiện nay "Bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium (EDFA) + Ghép kênh

b-ớc sóng dày đặc (DWDM) + Sợi quang tán sắc khác không (NZ-DSF) + Tổ hợp quang tử (PIC)" đang trở thành phơng hớng công nghệ chủ yếu của tuyến thông tin cao tốc đờng dài trên thế giới

4.2.2 Vai trò của EDFA, các yêu cầu về mạng và dải rộng của EDFA đối với các ứng dụng WDM

4.2.2.1 Vai trò của EDFA trong mạng thông tin quang WDM

Công nghệ thông tin quang đang di chuyển từ các hệ thống điểm - điểm sang mạng quang EDFA có vai trò ở nhiều vị trí trong mạng quang WDM Bảng 4.1 thể hiện các dạng chức năng EDFA khác nhau sử dụng trong hệ thống truyền dẫn quang Đầu phát, nhiều kênh quang đợc kết hợp lại trong bộ ghép và tín hiệu kết hợp sẽ đợc khuếch đại bởi bộ khuếch đại công suất trớc khi đa vào sợi quang dẫn ở đầu thu, các tín hiệu WDM đến đợc khuếch đại bởi bộ tiền khuếch đại trớc khi ghép thành các kênh riêng rẽ cấp sang các bộ thu Các bộ khuếch đại đờng truyền ứng dụng để kéo dài khoảng cách truyền dẫn Mặt khác, do khả năng có thể xen/rẽ bớc sóng và kết nối chéo quang, nên

EDFA có thể phát triển để tăng chức năng mạng quang, hoặc đợc sử dụng để

bù lại đối với những suy hao của các thành phần thụ động

Bảng 4.1 Vai trò của EDFA trong các mạng quang

Chức năng/đặc

Hệ thống truyền dẫn

Khuếch đại đờng truyền

Khuếch đại tuần hoàn các tín hiệu quang bị suy hao do sợi quang dẫn Khuếch đại công

suất

Tăng cờng công suất quang sang sợi quang dẫn

Tiền khuếch đại Tăng cờng công suất tín hiệu sang

bộ thu Kết nối chéo quang Bù đối với suy hao

Xen/rẽ bớc sóng Bù đối với suy hao

Hệ thống quảng bá Tăng cờng công suất đối với phân bố

4.2.2.2 Các yêu cầu mạng đối với EDFA trong mạng thông tin quang WDM

Bảng 4.2 Khả năng có thể của đặc trng EDFA với các yêu

cầu mạng

Đặc trng bộ khuếch đại

Các hệ thống đ-ờng dài

Các mạng ngầm

Dung lợng cao

Chuyển mạch và

định tuyến

Biến thiên suy hao

Thay đổi

số lợng kênh

Một EDFA lý tởng phải có các đặc trng nh liệt kê trong cột bên trái của bảng 4.2 Bảng này cho thấy những yêu cầu chủ yếu đối với các ứng dụng mạng khác nhau Các đặc trng khuếch đại nói chung có thể phân chia thành

các tham số tĩnh và tham số động Để đạt đợc các tham số tĩnh tốt, các EDFA phải có hai hoặc nhiều tầng hơn

4.2.2.3 Kiểm soát động bộ khuếch đại trong hệ thống WDM

Ngày nay, các EDFA đợc sử dụng trong các mạng quang đa bớc sóng

để bù lại những suy hao sợi quang và các phần tử mạng Trong những ứng dụng này, các bộ khuếch đại thông thờng họat động theo chế độ bão hòa Trong trờng hợp khác nh tái cấu hình mạng hoặc sự cố, số lợng tín hiệu WDM qua các bộ khuếch đại sẽ thay đổi và công suất các kênh còn lại sẽ tăng lên hoặc giảm xuống do hiệu ứng bão hòa trong các bộ khuếch đại Các kênh tách

ra có thể làm sai lệch các kênh còn lại, vì vậy công suất của các kênh còn lại thấp dới độ nhạy thu Để loại trừ sai lệch các kênh trong mạng, phải kiểm soát những thay đổi đột biến công suất tín hiệu

50

100

150 100

200

300

400

0

1 kênh, số liệu

1 kênh, mô hình

4 kênh, số liệu

4 kênh, mô hình

7 kênh, số liệu

7 kênh, mô hình

Thời gian

s

  29

s

  34

s

  52

)

( s

Do hiệu ứng bão hòa, nên tốc độ những thay đổi động độ khuếch đại trong một EDFA nói chung phải nhanh hơn thời gian duy trì tự phát khoảng 10ms Hằng số thời gian khôi phục độ khuếch đại trong các bộ khuếch đại một tầng từ 110 tới 340 s Hằng số thời gian thay đổi động độ khuếch đại là một hàm của bão hòa gây ra bởi công suất bơm và công suất tín hiệu Với sự phát triển của các EDFA công suất cao đối với các hệ thống thông tin đa kênh,

hệ số bão hòa sẽ cao hơn và hằng số thời gian thay đổi đột biến ngắn hơn Trong những công bố mới đây, đặc tính thời gian thay đổi đột biến vào khoảng 10 s trong EDFA hai tầng Hình vẽ 4.6 cho thấy tác động thay đổi

đột biến công suất kênh còn lại trong các trờng hợp 1, 4 và 7 kênh tách ra trong một hệ thống 8 kênh Trong trờng hợp tách ra 7 kênh, hằng số thời gian

Hình4.6 Đo đạc và tính toán những thay đổi đột biến công suất còn lại

đối với các trờng hợp tách ra 1, 4 và 7 kênh trong số 8 kênh WDM

thay đổi đột biến xấp xỉ 52 s Nh đã thể hiện trên hình vẽ, thay đổi đột biến

sẽ nhanh hơn do số lợng các kênh tách ra giảm xuống Hằng số thời gian giảm xuống tới 29 s chỉ khi 1 trong 8 kênh tách ra

Phơng trình tốc độ đối với các Photon và nghịch đảo của các trạng thái cao hơn (4I13/2) và thấp hơn (4I15/2) có thể sử dụng xuất phát từ công thức gần

đúng đối với động tác thay đổi đột biến sau :

     

 

e t

e

P

P P t P



















ở đây P(0), P() là công suất quang ở thời gian t = 0 và t =  Đặc tính thời gian e là hệ số thời gian phân rã của mức cao tính trung bình trên chiều dài sợi Nó đợc sử dụng nh một tham số thích hợp để đạt đợc sự phù hợp tốt nhất với số liệu thực nghiệm Nh đã thể hiện trong hình vẽ 4.6, số liệu thực nghiệm có sự thích hợp với mô hình đáp ứng thay đổi đột biến Mô hình đợc

sử dụng để tính toán những sai lệch công suất rất nhỏ (dới dạng dB) của các kênh còn lại trong trờng hợp tách ra 1, 4 và 7 kênh Thời gian yêu cầu hạn chế sai lệch công suất tới 1 dB là 18 s và 8 s khi 4 và 7 kênh bị tách ra Kiểm soát độ khuếch đại động của EDFA có đáp ứng thời gian nhanh hơn sẽ là cần thiết để điều chỉnh những thay đổi đột biến công suất tín hiệu Những thay đổi

đột biến công suất nhanh trong chuỗi EDFA trong các nghiên cứu mới đây, đã cho thấy hiện tợng thay đổi đột biến công suất nhanh trong chuỗi EDFA ảnh hởng rẽ kênh đối với các công suất còn lại trong chuỗi khuếch đại khi có 4 trong số 8 kênh WDM đột nhiên mất đi, thì công suất đầu ra của mỗi EDFA trong chuỗi mất đi 3 dB, và công suất trong mỗi kênh còn lại tăng lên gấp đôi

để bảo toàn công suất đầu ra khuếch đại bão hòa Mặc dù những thay đổi

động độ khuếch đại của một EDFA riêng biệt không thay đổi với các chuỗi khuếch đại dài hơn Những thay đổi đột biến công suất nhanh dẫn tới ảnh h-ởng tác động kết hợp trong chuỗi các bộ khuếch đại Đầu ra của EDFA thứ nhất bị suy giảm bởi suy hao trong sợi tác động nh đầu vào của EDFA thứ hai

Để ngăn ngừa những bất lợi trong mạng WDM, các sai lệch công suất kênh còn lại phải hạn chế với giá trị xác định tùy thuộc vào dự trữ hệ thống Nghiên cứu các mạng quang đa bớc sóng (MONET), thời gian đáp ứng của các EDFA có thể phân thành 3 vùng: vùng xáo trộn ban đầu, vùng dao động trung gian và vùng trạng trạng thái không thay đổi cuối cùng Trong vùng xáo trộn ban đầu, độ khuếch đại của EDFA tăng lên tuyến tính với thời gian, độ khuếch đại và công suất đầu ra của hệ thống tăng lên tỷ lệ với số lợng EDFA

Giả thiết rằng các EDFA hoạt động dới các kiểu giống nhau, tỷ lệ thay đổi độ khuếch đại ở mỗi EDFA là giống nhau và tỷ lệ với tổng công suất tín hiệu mất

đi Hình vẽ 3.8 cho thấy độ dốc thay đổi đột biến công suất trong vùng xáo trộn Độ dốc này tăng lên tuyến tính với số lợng các EDFA trong chuỗi

2

5

8 6

10

15

25

0

4

20

0,1

0,3

0,2

4 kênh tách ra

4 kênh còn lại Sai lệch công suất 2 dB

đối với các kênh còn lại

Số l ợng các EDFA

Hình 4.7 Trễ và nghịch đảo tốc độ đối với sai lệch công suất kênh còn lại

2 dB sau khi tách ra 4 trong số 8 kênh WDM

4.3 Khối ghép/tách kênh (MUX/DEMUX)

Khối ghép/tách kênh bớc sóng quang là một bộ kiện then chốt trong công nghệ WDM, linh kiện mà kết hợp bớc sóng của nguồn quang khác nhau truyền dẫn qua một sợi quang rồi đa ra gọi là ghép kênh Ngợc lại, linh kiện tách ra từ tín hiệu nhiều bớc sóng đa đến trên cùng sợi quang thành những bớc sóng riêng rồi đa ra gọi là bộ tách kênh Xét trên nguyên lý linh kiện này là hai chiều, tức bộ tách kênh đảo ngợc lại đầu vào và ra thành đầu ra và vào sẽ thành bộ ghép kênh

Bộ ghép/tách kênh bớc sóng đóng vai trò then chốt trong hệ thống ghép kênh siêu cao tốc dung lợng lớn, tính năng tốt hay xấu có ảnh hởng quyết định

đối với chất lợng của hệ thống truyền dẫn Chỉ tiêu tính năng chính bao gồm tổn hao đa vào và xuyên nhiễu Do đó, yêu cầu của hệ thống DWDM đối với

đặc tính bộ ghép/tách kênh bớc sóng là tổn hao và sai lệch nhỏ, xuyên nhiễu giữa các kênh nhỏ, tổn hao trong băng thông bằng phẳng, tơng quan giữa phân cực thấp

4.4 Thiết bị xen/rẽ quang OADM

Chức năng chính của OADM là để truy nhập, tách hoặc chuyển tiếp các kênh bớc sóng trong mạng quang WDM Hình 4.8 đa ra cấu trúc của một

OADM Trong đó, có bốn sợi đầu vào và bốn sợi đầu ra, mỗi một sợi hỗ trợ n

bớc sóng Một tín hiệu quang đến qua sợi đầu vào đợc tách ra nhờ bộ tách bớc sóng Mỗi kênh bớc sóng phải phù hợp với một cổng Tín hiệu tách ra có thể truyền trực tiếp qua cơ cấu mà không thay đổi bớc sóng Hoặc nó có thể tách

ra trên một cổng nhờ cấu hình bộ lọc vật lý Tơng tự nh vậy, một bớc sóng có thể đa vào qua một cổng xen và đi đến một cổng bớc sóng nhờ cấu hình các

bộ lọc tơng ứng Các bớc sóng đầu ra đợc ghép lại đa tới các sợi đầu ra qua bộ ghép bớc sóng Các cổng xen/tách đại diện cho các điểm vào và ra của mạng WDM Để xử lý các khuôn dạng tín hiệu khách hàng nào đó, phải sử dụng các cạc giao diện ở các cổng xen/ tách, đó cũng là các giao diện khách hàng OADM Các giao diện khách hàng này đại diện cho việc thực hiện công nghệ tạo khung truyền dẫn tơng ứng

Hình 4.8 Cấu trúc bộ xen/rẽ quang OADM

4.5 Bộ nối chéo quang (OXC)

OADM cô lập các bớc sóng để truy nhập lựa chọn một kênh bớc sóng Tuy nhiên, chức năng hữu dụng khác đó là sắp xếp lại các bớc sóng từ một sợi tới một sợi khác trong mạng WDM Chức năng này đợc OXC cung cấp Một OXC có chuyển mạch mức bớc sóng

Hình 4.9 đa ra cấu trúc của một OXC Trong đó, có bốn sợi đầu vào và bốn sợi đầu ra, mỗi sợi có một số bớc sóng Qua bộ tách, các tín hiệu có thể tới các cổng Phụ thuộc vào cài đặt chuyển mạch, một tín hiệu trên bớc sóng nào đó từ một sợi có thể kết nối tới cùng bớc sóng nhng trên một sợi đầu ra khác Trong thực tế, có thể có nhiều tín hiệu cạnh tranh một kênh bớc sóng

sử dụng trao đổi bớc sóng, theo đó một bớc sóng có thể đa đến một sợi với tần

số quang khác nhau Trao đổi bớc sóng là tốn kém và có thể làm giảm chất l-ợng tín hiệu trong chuyển đổi bớc sóng hoàn toàn quang, vì vậy nó chỉ đợc sử dụng khi cần thiết

Ngoài chuyển mạch bớc sóng ra, OXC còn có thể cung cấp chuyển mạch băng sóng và chuyển mạch sợi Chuyển mạch băng sóng kết nối đồng thời một tập con bớc sóng từ sợi đầu vào đến sợi đầu ra Chuyển mạch sợi chuyển toàn bộ sợi bao gồm tất cả các kênh bớc sóng đến sợi đầu ra Chuyển mạch bớc sóng cung cấp chuyển mạch chi tiết hoá tốt hơn chuyển mạch băng sóng và chuyển mạch sợi

Một vấn đề khác của OXC là thiết kế kiến trúc của nó Để cung cấp một cơ cấu chuyển mạch kích thớc lớn về số lợng cổng, thì yêu cầu khả năng mở rộng cấp độ kiến trúc của OXC Khả năng mở rộng cấp độ cũng phải đợc lu ý

về tốc độ dữ liệu kết nối cho mỗi cổng

Hình 4.9 Cấu trúc bộ nối chéo quang OXC

4.6 Bộ lặp (Repeater)

Repeater vừa đóng vai trò một trạm lặp để mở rộng hệ thống, vừa đóng vai trò nh một bộ chuyển đổi bớc sóng để chuyển các tín hiệu ở bớc sóng 1310nm về dải bớc sóng thích hợp để ghép kênh

4.7 Tìm hiểu về một số thiết bị của các hãng dùng trong hệ thống DWDM

4.7.1 Một số sản phẩm khuếch đại quang của Nortel