Công nghệ DWDM và ứng dụng DWDM trong mạng đường trục băc nam của VNPT

Từ giá trị suy hao này, khoảng cách bộ lặp của các tuyến sợi quang có thể so sánh với các hệ thống cáp đồng, do đó đã đưa công nghệ sóng ánh sáng vào thực tế kỹ thuật Cho đến nay, giá tr

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi, không sao chép ăn cắp bản quyền của các công trình nghiên cứu khác Mọi ý kiến, khái niệm có ý nghĩa, mang tính chất gợi ý không phải của riêng tác giả và mọi tham khảo khác được trích dẫn và chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn Không trích dẫn những kiến thức phổ biến, mọi người đều biết cũng như không làm luận văn nặng nề với những tham khảo trích dẫn Hình thức, bố cục, cách trình bày luận văn tuân thủ những quy định nghiêm ngặt Luận văn gồm hai phần: Phần lý thuyết và phần ứng dụng thực tế Phần lý thuyết được trình bày tổng hợp trên cở sở những hiểu biết chung của tác giả thông qua việc tìm hiểu các nguồn tài liệu sách, báo, tạp chí Phần ứng dụng được trình bày qua nghiên cứu và qua thực tế của tác giả

Mục lục

Trang 1……….……… 1

Lời cam đoan 2

Mục lục 3

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng 8

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8

Mở đầu 10

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin cáp sợi quang 11

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin cáp sợi quang 11

1.2 Hệ thống thông tin cáp sợi quang 11

1.3 Các kỹ thuật ghép kênh quang 16

1.3.1 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số quang (OFDM) 16

1.3.2 Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian (OTDM) 18

1.3.3 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM) 20

Chương 2: Công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM 22

2.1 Kỹ thuật DWDM 22

2.1.1 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật DWDM 22

2.1.2 Các thiết bị ghép/tách kênh 23

2.1.3 Thiết bị WDM làm việc theo nguyên tắc tán sắc góc 24

2.1.4 Thiết bị WDM sử dụng bộ lọc quang 26

2.1.5 Vị trí của hệ thống WDM trong mạng truyền dẫn 32

2.1.6 Đặc điểm của hệ thống WDM 33

2.2 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM 34

2.2.1.Khái niệm hệ thống DWDM 34

2.2.2 Các thành phần chính của hệ thống DWDM 35

2.3 Một số vấn đề cần xem xét khi tăng dung lượng của hệ thống bằng kỹ thuật DWDM 53

2.3.1 Số kênh bước sóng 53

2.3.2: Xác định độ rộng phổ yêu cầu của nguồn phát 58

2.3.3: Quỹ công suất 59

2.3.4 Xuyên âm 59

2.3.5 Tán sắc 60

2.3.6 ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 62

Chương 3: Mạng đường trục của VNPT trước khi nâng cấp lên 40Gbit/s 70

3.1 Cấu hình tuyến tuyến cáp quang 20Gbit/s Hà nội – TP HCM 70

3.1.1 Chế độ bảo vệ 74

3.1.2 Khả năng bảo vệ của tuyến khi nâng cấp lên 40Gbit/s 75

3.1.3 Các tuyến cáp quang 76

3.1.4 Hệ thống quản lý mạng: 78

3.1.5 Đồng bộ mạng 78

3.2 Sơ đồ mạng đường trục của VNPT trước khi nâng cấp lên 40Gbit/s 79

3.2.1 Vòng ring 1 Hà Nội – Vinh 79

3.2.2 Vòng ring 2 Vinh - Đà Nẵng 80

3.2.3 Vòng ring 3 Đà Nẵng - Bình Định 81

3.2.4 Vòng ring 4 Bình Định – Tp Hồ Chí Minh 82

3.2.5 Vòng ring 5 Tp Hồ Chí Minh – Cần Thơ 83

Chương 4: Mạng đường trục của VNPT sau khi nâng cấp thành 40Gbit/s 84 4.1 Bài toán nâng cấp từ 20Gbit/s lên 40Gbit/s 84

4.1.1 Quy mô mạng đường trục sau khi nâng cấp 84

4.1.2 Phương án kỹ thuật và công nghệ: 84

4.1.3 Phương án và giải pháp xây dựng 87

4.2 Mạng đường trục của VNPT sau khi nâng cấp lên 40Gbit/s 91

4.2.1 Sơ đồ tổng quan mạng đường trục 92

4.2.2 Sơ đồ các vòng ring con 92

Chương 5: Mô phỏng tính toán thiết kế tuyến thông tin quang DWDM 95

5.1 Các phương pháp thiết kế tuyến thông tin quang DWDM: 95

5.1.1 Phương pháp thiết kế truyền thống : 96

5.1.2 Phương pháp thiết kế tuyến DWDM với sự hỗ trợ của các công cụ mô phỏng: 98

5.2 Mô phỏng tính toán thiết kế tuyến thông tin quang DWDM 101

5.2.1 Nguồn laser : 101

5.2.2 Sợi quang 102

5.2.3 Bộ khuyếch đại quang 103

5.2.4 Bộ tách/ghép kênh MUX-DEMUX 105

5.2.5 Mô phỏng tính toán các thông số của tuyến thông tin quang DWDM 108

Kết luận và kiến nghị 110

Tài liệu tham khảo 111

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Avalanche Photo Diode

Arrayed Waveguide Grating

Bộ ghép kênh xen rẽ

Bộ khuyếch đại

Điốt quang thác Cách tử dẫn sóng theo hàng

BA

BER

BPF

Booster Amplifier

Bit Error Rate

Band Pass Filter

Khuyếch đại công suất

Tỷ lệ lỗi bit

Bộ lọc thông dải DCD

Bộ đấu nối chéo WDM mật độ cao

E/O

EDF

EDFA

Electrical to Optical converter

Erbium Doped Fiber

Erbium Doped Fiber Amplifier

Bộ biến đổi điện - quang Sợi quang pha Erbium

Bộ khuyếch đại quang pha Erbium

Light Emiting Diode

OPTera Long Haul

Hiệp hội viễn thông quốc tế

Khuyếch đại đường truyền

Điốt laze

Điốt phát xạ quang

Bộ khuyếch đại đường dài

LWPF Long Wavelength Pass Filter Bộ lọc bước sóng dài

OFDM

OSC

Optical Add Drop Multiplxer

Optical Frequency Division

Multiplexing

Optical Supervisory Channel

Bộ ghép quang xen rẽ Ghép kênh quang theo tần sốKênh kiểm tra tín hiệu quang

Polarization Mode Dispersion

Ghép kênh quang theo thời gian

Nghiệp vụ thoại

Bộ nối chéo quang Tiền khuyếch đại

Bộ cân bằng cống suất Tán sắc ,mode phân cực S/N

Signal to Noise ratio

Stimulated Brillouin Scattering

Synchronous Digital Hierarchy

Self Phase Modulation

Stimulated Raman Scattering

Short Wavelength Pass Filter

Tỷ số tín hiệu/tạp âm Tán xạ Brillouin Cấp truyền dẫn số đồng bộ

Tự điều chế pha Tán xạ Raman

Bộ lọc bước sóng ngắn RPT

WDM

Repeater

Wavelength Division Multiplexing

Trạm lặp Ghép kênh theo bước sóng

Danh mục các bảng

Bảng 2.1 Độ nhạy máy thu đối với các tốc độ truyền dẫn khác nhau 41

Bảng 2.2 Quy định về các kênh bước sóng của ITU - T 54

Bảng 2.3 Giá trị PMD đối với các tốc độ truyền dẫn khác nhau 62

Bảng 5.1 : Giá trị dự phòng sử dụng để tính toán quĩ công suất khi thiết kế tuyến DWDM theo phương pháp truyền thống 97

Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1: Mô hình của một hệ thống thông tin cáp sợi quang 12

Hình 1.2: Suy hao sợi quang theo bước sóng 14

Hình 1.3: Ghép kênh theo tần số quang (OFDM) 17

Hình 1.4: Hệ thống ghép kênh theo thời gian TDM 19

Hình 1.5: Công nghệ TDM 20

Hình 1.6: Hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM) 21

Hình 2.1a: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang 23

Hình 2.1b: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang 23

Hình 2.2: Bộ ghép/tách kênh 24

Hình 2.3: Tán sắc dùng lăng kính 25

Hình 2.4: Sử dụng cách tử để tách bước sóng 26

Hình 2.5: Nguyên lý của các thiết bị WDM sử dụng bộ lọc 27

Hình 2.6: Đặc tính phổ truyền dẫn của bộ lọc thông thấp 28

Hình 2.7: Bộ tách kênh đa bước sóng sử dụng bộ lọc điện môi 29

Hình 2.8 Xuyên âm trong hệ thống WDM 31

Hình 2.9: Mô hình lớp mạng viễn thông và các công nghệ mới 32

Hình 2.10: Hệ thống DWDM 35

Hình 2.11: Quang phổ và dạng đơn giản của Laser DFB 37

Hình 2.12: Mô hình bộ khoá đơn giản 38

Hình 2.13 Mô hình của bộ suy hao 39

Hình 2.14: Đặc tuyến độ nhạy máy thu 40

Hình 2.15 Sơ đồ bộ nối chéo quang 42

Hình 2.16 Sự giãn xung và bù tán sắc 43

Hình 2.18: Bơm ngược chiều 44

Hình 2.19 Bơm hai chiều 45

Hình 2.20: Phổ khuyếch đại của EDFA 47

Hình 2.21 Bộ ghép quang xen rẽ OADM 49

Hình 2.22: AWG 50

Hình 2.23 Phối hợp bộ quay pha và cách tử sợi quang 51

Hình 2.24 Cách tử sợi quang tách một kênh xác định từ tín hiệu phát 52

Hình 2.25: Tán sắc mode phân cực PMD 61

Hình 3.1: Cấu hình mạng 20Gbit/s đường trục Bắc-Nam của VNPT 71

Hình 3.2: Cấu hình trạm DWDM Hà Nội 72

Hình 3.3: Phổ tại Ninh Bình 73

Hình 3.4: Phổ tại Thanh Hóa 74

Hình 3.5: Chế độ bảo vệ MS SPRing 74

Hình 3.6: Kết nối Matched-node kiểu thiết bị 75

Hình 3.7: Ring DWDM Hà Nội – Vinh 79

Hình 3.8: Ring DWDM Vinh - Đà Nẵng 80

Hình 3.9: Ring DWDM Đà Nẵng – Bình Định 81

Hình 3.10: Ring DWDM Bình Định – Tp Hồ Chí Minh 82

Hình 3.11: Ring DWDM Tp Hồ Chí Minh – Cần Thơ 83

Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan mạng đường trục của VNPT 92

Hình 4.2: Sơ đồ vòng ring DWDM Hà Nội – Vinh 92

Hình 4.3: Sơ đồ vòng ring DWDM Vinh - Đà Nẵng 93

Hình 4.4: Sơ đồ vòng ring DWDM Đà Nẵng- Bình Định 94

Hình 4.5: Sơ đồ vòng ring DWDM Đà Nẵng – Tp Hồ Chí Minh 94

Hình 4.6: Sơ đồ vòng ring DWDM Tp Hồ Chí Minh – Cần Thơ 94

Mở đầu

Ngày nay, hệ thống thông tin quang đã trở nên rất phổ biến và dần thay thế

hệ thống thông tin viba, cáp đồng bởi có rất nhiều ưu điểm nổi bật như: Độ bảo mật cao, suy hao nhỏ, băng tần truyền dẫn lớn, chống nhiễu tốt Sợi quang lại có kích thước nhỏ và vật liệu chế tạo sợi quang sẵn có

Đối với hệ thống dung lượng thấp, công nghệ TDM thường được sử dụng để tăng dung lượng truyền dẫn của một kênh cáp quang đơn lên trên 10Gbit/s, thậm chí là 40Gbit/s Tuy nhiên việc tăng tốc độ cao hơn nữa là không dễ dàng vì các

hệ thống tốc độ cao đòi hỏi công nghệ điện tử phức tạp và đắt tiền Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng

được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao

Để nâng cao tốc độ truyền dẫn, khắc phục được những hạn chế mà các mạch

điện hiện tại chưa khắc phục được, công nghệ ghép kênh quang phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM ra đời DWDM có thể ghép một số lượng lớn bước sóng trong vùng bước sóng 1550 nm để nâng dung lượng hệ thống lên 10 Gb/s,

20 Gb/s, 40Gbit/s, 160 Gbit/s và có thể đạt tới tốc độ Tbit/s Vì thế DWDM ngày càng được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam

Trong phạm vi luận văn, em trình bày về công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM, ứng dụng DWDM trên mạng đường trục Bắc – Nam của VNPT và mô phỏng tính toán thiết kế tuyến thông tin quang DWDM

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Nam Quân đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn để em có thể hoàn thành luận văn này

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin cáp sợi quang

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin cáp sợi quang

Việc dùng ánh sáng để mã hoá thông tin đã được sử dụng từ xa xưa nhưng không đảm bảo độ tin cậy cho tuyến truyền dẫn do những hạn chế về công nghệ

Ví dụ: Khi mắt người được sử dụng như một thiết bị thu, đòi hỏi tuyến truyền dẫn phải có tầm nhìn thẳng và do các ảnh hưởng của sương mù và mưa đã làm cho tuyến truyền dẫn trở nên không tin cậy

- Năm 1917, Anhxtanh dự đoán một loại bức xạ kích thích có thể điều khiển

được

- Năm 1940, Fabrican bằng thực nghiệm đã tạo ra được bức xạ kích thích

- Năm 1960, nguồn Laser ra đời đã mở ra khả năng truyền dẫn băng rộng rất

lượng tương đương 10 triệu kênh TV Nhưng vào thời điểm đó, suy hao trên sợi quang là rất lớn (α = 100 dB/km) đã khiến chúng dường như trở nên không thực

tế

- Năm 1970, Karpon, Kerk và Maurer đã giảm được giá trị suy hao còn 20 dB/km Từ giá trị suy hao này, khoảng cách bộ lặp của các tuyến sợi quang có thể so sánh với các hệ thống cáp đồng, do đó đã đưa công nghệ sóng ánh sáng vào thực tế kỹ thuật

Cho đến nay, giá trị suy hao giảm xuống còn 0,16 dB/km tại bước sóng

1550 nm (gần với giá trị lý thuyết là 0,14 dB/km)

1.2 Hệ thống thông tin cáp sợi quang

Một tuyến truyền dẫn cáp quang thường bao gồm các phần tử được mô tả như hình vẽ 1.1:

Hình 1.1: Mô hình của một hệ thống thông tin cáp sợi quang

Nguồn phát quang

Mạch

điều khiển

Trạm lặp

Bộ tách hoặc ghép quang

Tín hiệu

điện vào Bộ phát quang

Bộ nối quang

Bộ chia quang

Sợi quang

Khuyếch đại

Khuyếch đại quang

Bộ thu quang

Khôi phục tín hiệu

Tách sóng quang

Tín hiệu

điện ra

Tín hiệu điện Tín hiệu quang

lặp Các bộ lặp làm nhiệm vụ khôi phục và khuyếch đại tín hiệu truyền dẫn trên tuyến cáp quang có khoảng cách dài

- Phần thu quang: bao gồm bộ tách sóng quang, mạch khuyếch đại điện và mạch khôi phục tín hiệu

Để phát tín hiệu vào sợi quang, nguồn ánh sáng được sử dụng thường phải tương thích với lõi sợi quang về kích thước Nguồn quang có hai loại là điốt laze

LD và điốt phát quang LED LED sử dụng phát xạ tự nhiên bằng cách phun năng lượng bên ngoài dưới dạng dòng điện, còn LD sử dụng phát xạ cưỡng bức Công suất phát xạ của LED nhỏ hơn so với LD nhưng dễ sản xuất với giá thành thấp Tín hiệu quang phát ra từ LD và LED có tham số biến đổi tương ứng với biến đổi của tín hiệu điện đầu vào Tín hiệu điện đầu vào có thể ở dạng tương tự hoặc số Thiết bị phát quang sẽ thực hiện việc biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang tương ứng bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang Công suất quang ra phụ thuộc vào sự biến đổi của cường độ tín hiệu quang Bước sóng

ánh sáng của nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát Trong vùng 800 đến 900 nm, các nguồn quang thường chế tạo từ hợp kim GaAlAs Tại các vùng bước sóng 1100 đến 1600 nm, các nguồn quang chế tạo từ hợp kim InGaAsP

Tín hiệu quang sau khi được điều chế ở phần phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi quang Trong quá trình truyền dẫn, tín hiệu quang có thể sẽ bị suy hao và méo dạng khi qua các bộ ghép nối, mối hàn sợi và trên sợi do các hiệu ứng tán xạ, hấp thụ và tán sắc Độ dài tuyến truyền dẫn phụ thuộc mức suy hao sợi quang theo bước sóng

Hình 1.2: Suy hao sợi quang theo bước sóng Suy hao sợi quang là một hàm của bước sóng Công nghệ đầu tiên mới chỉ

sử dụng băng tần có bước sóng 800 đến 900 nm, vì tại thời điểm đó, trong vùng bước sóng này, sợi quang có suy hao nhỏ nhất và các nguồn ánh sáng và photodetector có thể hoạt động tại các bước sóng này Vùng bước sóng này được

gọi là vùng cửa sổ thứ nhất có hệ số tán sắc lớn Từ những năm 1980, bằng cách

làm giảm sự tập trung của các ion hydroxyl và độ không tinh khiết của các ion kim loại trong nguyên liệu sợi quang, các nhà sản xuất đã có khả năng chế tạo sợi quang có mức suy hao rất thấp trong vùng bước sóng 1100 đến 1600 nm

Vùng bước sóng này chia làm hai vùng cửa sổ: vùng cửa sổ thứ hai có bước sóng trung tâm là 1300 nm và vùng cửa sổ thứ ba có bước sóng trung tâm là 1550 nm

Vùng cửa sổ thứ hai có bước sóng từ 1280 đến 1340 nm, là vùng cửa sổ

ps/km.nm

Vùng cửa sổ thứ ba có hệ số suy hao nhỏ nhất, tại bước sóng 1550 nm α≈0,25 dB/km Cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo, sợi đơn mode truyền ở bước sóng 1550 nm có suy hao 0,14 dB/km

rẻ vì có trong cát thường Chi phí sản xuất sợi quang phát sinh tập trung chủ yếu

ở khâu tạo thuỷ tinh tinh khiết từ nguyên liệu thô Việc lắp đặt sợi quang rất đa dạng, có thể là treo, đi trong ống dẫn, thả dưới nước hay chôn trực tiếp dưới đất

Độ dài mỗi cuộn cáp có thể lên đến một vài kilômét đối với những ứng dụng có khoảng cách truyền dẫn lớn Kích cỡ của cuộn cáp và trọng lượng cáp sẽ quyết

định độ dài thực tế của một đoạn cáp quang đơn Một tuyến truyền dẫn đường dài hoàn chỉnh thường được hình thành bằng cách ghép nhiều đoạn cáp đơn với nhau

Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang bị suy giảm nhiều thì cần phải đặt thêm các trạm lặp quang để khuyếch đại tín hiệu và bù lại phần tín hiệu

đã bị suy hao Trạm lặp bao gồm các thiết bị thu, biến đổi quang/điện, khuyếch

đại điện và phát lại quang vào đường truyền tiếp theo Các trạm lặp có thể được thay thế bằng các bộ khuyếch đại quang

Các bộ tách sóng quang tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được

từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện Bộ tách sóng quang phải đáp ứng được những yêu cầu về đặc tính rất cao do tín hiệu quang thường bị suy giảm và méo dạng khi tới đầu cuối của sợi cáp quang Một trong những yêu cầu hàng đầu là độ nhạy quang Độ nhạy quang là công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn nào đó ứng với tỷ lệ lỗi BER cho phép Ngoài ra, bộ thu quang phải có tạp âm tối thiểu đối với hệ thống và có độ rộng băng tần đủ để xử lý tốc

độ dữ liệu mong muốn

Bộ tách sóng quang phải không nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ Hai loại tách sóng quang được sử dụng chủ yếu trong các tuyến cáp quang là tách sóng quang bán dẫn loại PIN hoặc APD Cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và tốc độ chuyển đổi nhanh Khi khoảng cách truyền dẫn ngắn, tốc độ thấp (mạng thuê bao, mạng nội hạt) thì đầu phát sử dụng LED còn đầu thu sử dụng PIN Khi khoảng cách truyền dẫn lớn, tốc độ đòi hỏi cao (mạng đường trục)

thì phía phát sử dụng LD, phía thu sử dụng APD Bộ tách sóng quang phải đáp ứng được những yêu cầu về đặc tính rất cao do tín hiệu quang thường bị suy giảm

và méo dạng khi tới đầu cuối của sợi cáp quang Một trong những yêu cầu hàng

đầu là có đáp ứng cao hay độ nhạy của khoảng bước sóng phát của nguồn quang

được sử dụng, có tạp âm tối thiểu đối với hệ thống và có độ rộng băng tần đủ để

xử lý tốc độ dữ liệu mong muốn Bộ tách sóng quang phải không nhạy cảm với

sự thay đổi của nhiệt độ

1.3 Các kỹ thuật ghép kênh quang

Ngày nay, dịch vụ thông tin tăng trưởng nhanh chóng Để thích ứng với sự tăng trưởng không ngừng của dung lượng truyền dẫn thông tin và thoả mãn yêu cầu về tính linh hoạt của sự thay đổi mạng, đã xuất hiện các công nghệ ghép kênh như công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số quang OFDM, công nghệ ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM, công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM

Mỗi phương thức ghép kênh đều có những ưu và nhược điểm riêng Để ứng dụng trong những mạng lưới thực tế cần phải lựa chọn sau khi xem xét những yếu tố như xu hướng về nhu cầu, cấu hình mạng lưới, độ tin cậy của phần cứng

và khả năng mở rộng trong tương lai Các phương pháp này thường được kết hợp với nhau để tăng dung lượng hệ thống

1.3.1 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số quang (OFDM)

Phương pháp ghép kênh theo tần số quang được thực hiện bằng cách chia dải tần của sóng quang thành một số kênh thông tin riêng biệt, các kênh quang tương ứng với các tần số sóng mang khác nhau sẽ được biến đổi thành các luồng song song cùng truyền đồng thời trên một sợi quang

Nguyên lý ghép kênh theo tần số được mô tả trong hình 1.3

Hình 1.3: Ghép kênh theo tần số quang (OFDM)

Đặc tính của sợi quang là có suy hao nhỏ trong dải bước sóng từ 800 đến

1800 nm tương đương với dải tần 200000 GHz Tần số của sóng quang rất cao,

có thể trên 200000 GHz Vì vậy, có thể truyền dẫn trên sợi quang một số lượng lớn các kênh ghép có tần số khác nhau, mỗi kênh có dải tần rộng Chẳng hạn, với băng thông 200000 GHz của sợi quang có vùng tần số nằm trong dải 12500 GHz từ bước sóng 1500 nm đến 1600 nm có độ suy hao nhỏ nhất, có thể ghép tới

1000 kênh quang tốc độ lớn hơn 1 Gb/s với khoảng cách kênh 10 GHz Khi đó, dung lượng tổng cộng trên sợi quang này sẽ lớn hơn 1 Tb/s

Tần số của các nguồn phát quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo tần số quang (OFDM) phải rất ổn định, các bộ khuyếch đại quang dải rộng phải đảm bảo khuyếch đại đồng đều tất cả các kênh Các thiết bị quang thụ động dùng để

Cáp quang ∆f

∆f 1550nm

COMBINE

R

POWE

R

DIVIDER

LASER DETECTOR OPTICAL

kết hợp các tín hiệu OFDM riêng rẽ cũng rất quan trọng, thường phải sử dụng các

bộ lọc quang thật chính xác Phổ biến hiện nay là các bộ lọc quang 100 kênh có thể tạo ra khoảng cách kênh từ 5 đến 10 GHz dựa trên hiệu ứng quang phi tuyến của các loại vật liệu bán dẫn hay các vật liệu điện môi Dải dịch tần số quang hiện nay có thể đạt được khoảng 1000 GHz

1.3.2 Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian (OTDM)

Trong kỹ thuật ghép kênh theo thời gian, tín hiệu quang trên một sợi cáp

được chia sẻ với nhiều kênh thông tin thông qua việc phân chia thời gian Trong một khoảng thời gian rất ngắn gọi là khe thời gian, tín hiệu quang được điều chế lần lượt với tín hiệu từ các kênh thông tin tương ứng

Độ rộng của mỗi khe thời gian phụ thuộc vào nhiều thông số thiết kế kỹ thuật khác nhau, đặc biệt là tốc độ truyền dẫn cần thiết đối với mỗi liên kết Mỗi kênh truyền dẫn được ấn định một khe thời gian cụ thể, gọi là một kênh TDM, trong khoảng thời gian này, dữ liệu được truyền từ nguồn tới đích Dữ liệu từ các nguồn khác không được phép truyền trong suốt thời gian này Thiết bị ghép kênh

ở phía phát chèn các gói dữ liệu từ các nguồn khác nhau vào sợi cáp trong các khe thời gian tương ứng Thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ nhận dạng các khe thời gian, đưa dữ liệu dưới dạng các dòng liên tục ra các kênh quang riêng rẽ như ở

đầu vào bộ ghép kênh ở phía phát

Nguồn quang sử dụng trong kỹ thuật ghép kênh theo thời gian thường là các laser phát xung rất hẹp ở tốc độ rất cao, bước sóng làm việc thường trong vùng

1550 nm do có suy hao nhỏ nhất và phù hợp với các bộ khuyếch đại quang sợi sử dụng trong hệ thống

Hình 1.4: Hệ thống ghép kênh theo thời gian TDM Lợi ích của công nghệ TDM là tăng dung lượng truyền dẫn của một kênh cáp quang đơn lên trên 10 Gb/s Các hệ thống hoạt động ở tốc độ trên đang dần dần thay thế các hệ thống TDM 2,5 Gb/s Với các tốc độ nhỏ hơn 10 Gb/s, các

đặc tính chủ yếu của sợi quang ít ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn, còn với các hệ thống hoạt động ở tốc độ lớn hơn 10 Gb/s thì phải quan tâm đến những

ảnh hưởng của các đặc tính của sợi quang Mặc dù các hệ thống 40 Gb/s sẽ nhanh chóng được sử dụng rộng rãi và các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu

để đạt đến tốc độ 100 Gb/s, nhưng việc tăng tốc độ hơn nữa là không dễ dàng Đó

là do các hệ thống tốc độ cao đòi hỏi công nghệ điện tử phức tạp và đắt tiền

Sợi quang

Tín hiệu

Nguồn

phát

Chia quang

Điều chế

Điều chế

Điều chế

Phát xung nhịp

Tách kênh

KĐ

quang

Ghép quang

Trễ quang

Điều chế KĐ

quang

Hình 1.5: Công nghệ TDM Trong công nghệ TDM, các kênh thông tin được truyền đi trong các khe thời gian khác nhau với cùng một bước sóng và trên cùng một sợi cáp

Sự tán sắc xuất hiện do sự thay đổi chỉ số khúc xạ của sợi quang theo bước sóng Tán sắc có thể bỏ qua ở tốc độ bit thấp nhưng gây khó khăn cho việc tăng tốc độ

và khoảng cách truyền dẫn Sự tán sắc ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu (gây dãn xung) ở tốc độ 10 Gb/s lớn gấp 16 lần so với ở tốc độ 2,5 Gb/s Hiện nay, hệ thống sợi quang đơn mode chiết suất bậc 10 Gb/s có giới hạn khoảng cách truyền dẫn từ 50 đến 75 km mà không cần bù hay sửa tín hiệu Các thiết bị định thời đòi hỏi các thành phần điện tử cao cấp để điều chế laser, ghép/tách kênh ở các tần số rất cao

Để giảm tán sắc, trên đường truyền thường thực hiện truyền dẫn soliton kết hợp với các bộ khuyếch đại quang Soliton là xung không tán xạ cho phép sử dụng đặc tính phi tuyến của sợi quang để loại bỏ các hiệu ứng tán xạ màu Khi truyền dẫn soliton, khoảng lặp của hệ thống TDM tăng lên rất lớn bằng kỹ thuật

điều khiển soliton thông qua các bộ lọc dẫn hoặc định thời tích cực Người ta đã từng thực hiện truyền dẫn các xung soliton với tốc độ 4 Gb/s trên cự ly 136 km với sợi quang thông thường và đạt được mức tán xạ xấp xỉ 15 ps/nm.km Đây là một trong những loại sợi quang có tán xạ hạn chế Sử dụng sợi quang có tán xạ dịch chuyển cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn (hàng nghìn km)

1.3.3 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM)

Do các nguồn phát quang có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống thông tin cáp sợi quang thường chỉ sử dụng phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi quang Để tận dụng băng thông, người ta đã tiến hành ghép các luồng ánh sáng

có bước sóng khác nhau và truyền đi trên một sợi quang Về lý thuyết, có thể truyền một dung lượng rất lớn trên một sợi quang từ nhiều nguồn phát quang

khác nhau hoạt động ở các bước sóng khác nhau ở phía thu có thể thu được các

tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng khác nhau này

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng cho phép tăng dung lượng truyền dẫn quang mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và cũng không cần tăng thêm

số sợi quang

Nguyên lý của kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng được mô tả trong hình 1.6

Hình 1.6: Hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM)

trong cùng một sợi quang Bộ tách kênh bước sóng phải có suy hao nhỏ Tín hiệu sau khi được ghép sẽ truyền trên sợi quang tới phía thu Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng

rẽ sau khi chúng qua bộ tách kênh

Bộ ghép kênh

Bộ tách kênh

2.1 Kỹ thuật DWDM

2.1.1 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật DWDM

Trong các hệ thống thông tin điểm - điểm thông thường, mỗi sợi quang chỉ

có thể truyền tín hiệu quang từ một nguồn phát tới một bộ tách quang ở đầu thu Các tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau đòi hỏi các sợi xác định và riêng biệt Trong thực tế thì nguồn quang có độ rộng phổ tương đối hẹp, vì vậy phương pháp này chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần vốn rất lớn của sợi quang Về mặt lý thuyết, có thể làm tăng đáng kể dung lượng truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu các nguồn phát có phổ cách nhau một cách hợp lý và ở đầu thu có thể thu được các tín hiệu quang riêng biệt nếu phần thu có các bộ tách bước sóng Đây chính là cơ sở của kỹ thuật ghép bước sóng

Trên thực tế, có thể phân loại các hệ thống ghép bước sóng thành 2 loại: hệ thống ghép bước sóng theo một hướng và hệ thống ghép bước sóng theo 2 hướng:

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi có nghĩa là tín hiệu quang

WDM của hệ thống này thực hiện ghép kênh/tách kênh hỗn hợp tại mỗi đầu thu

Hình 2.1a: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi có nghĩa là ở hướng đi,

được tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi Cũng sợi quang đó, ở hướng về

khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (song công)

Hình 2.1b: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang

2.1.2 Các thiết bị ghép/tách kênh

Đầu ra của mỗi bộ phát laser trong một hệ thống WDM được quy định một trong các tần số kênh cho phép Những chùm tia này sau đó phải được ghép và chèn vào trong đoạn sợi quang đầu tiên Thiết bị làm nhiệm vụ này được gọi là

bộ ghép kênh Một thiết bị tương tự dùng để tách các kênh được ghép ở đầu thu của mỗi liên kết được gọi là bộ giải ghép kênh (tách kênh) Ghép kênh và tách kênh trong hệ thống WDM phải giải quyết vấn đề thành phần phổ của các tín hiệu Các đặc tính của các thành phần phổ này luôn được xác định trước

Hiện nay, nhiều bộ ghép/tách kênh có thể xử lý được các kênh mà khoảng cách giữa chúng là 100 GHz (0,78 nm) và sắp tới là các khoảng cách 50 Ghz,

thậm chí là với mật độ ghép dày đặc hơn

Hình 2.2: Bộ ghép/tách kênh Các thiết bị WDM làm việc chủ yếu dựa trên một trong hai nguyên tắc sau: nguyên tắc tán sắc góc và nguyên tắc lọc quang

2.1.3 Thiết bị WDM làm việc theo nguyên tắc tán sắc góc

Theo nguyên tắc này, các bước sóng khác nhau sẽ được tách thành các hướng khác nhau nhờ thiết bị tán sắc góc

Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM người ta thường dùng lăng kính để làm phần tử tán sắc góc Do hiện tượng chiết suất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng (tức là n = n(λ)) nên chùm tia sáng đơn sắc theo các hướng khác nhau ở đầu

n là chiết suất của vật liệu làm lăng kính

r là góc khúc xạ

Nhược điểm của tán sắc dùng lăng kính là mức độ tán sắc thấp nên khó tách

được các bước sóng gần nhau Vì vậy, người ta chỉ có thể dùng lăng kính trong trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau

Hình 2.3: Tán sắc dùng lăng kính

Do nhược điểm không tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau nên lăng kính ngày nay hầu như không được sử dụng nữa, thay vào đó người ta sử dụng cách tử nhiễu xạ làm phần tử tán sắc góc Cách tử nhiễu xạ là một bề mặt quang cho phép truyền qua hay phản xạ ánh sáng Trên cách tử có một số lượng lớn các khe rãnh (từ hàng chục đến hàng nghìn rãnh trên 1 mm) Cách tử có khả năng nhiễu xạ ánh sáng theo các hướng khác nhau phụ thuộc bước sóng Do đó, tia tới với các bước sóng khác nhau sẽ được tách ra các hướng khác nhau Ngược lại, các bước sóng từ các hướng khác nhau có thể được ghép lại vào cùng một hướng Bề mặt các rãnh của cách tử được phủ một lớp phản xạ Khi rọi ánh sáng lên trên bề mặt cách tử, ngoài hiện tượng nhiễu xạ tức là hiện tượng tia sáng lệch khỏi phương truyền thẳng khi gặp cách tử còn có hiện tượng giao thoa của các tia sáng bị phản xạ bởi bề mặt cách tử làm cho ánh sáng bị nhiễu xạ theo các góc riêng biệt θ thoả mãn phương trình sau:

sinθ + sinϕ = mλ/dn (2.2)

A

r

Với : n là chiết suất của lớp phản xạ phủ trên bề mặt cách tử

Hình 2.4: Sử dụng cách tử để tách bước sóng

2.1.4 Thiết bị WDM sử dụng bộ lọc quang

Bộ lọc quang sử dụng trong thiết bị WDM là bộ lọc điện môi, làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ nào đó và cho phần dải phổ còn lại đi qua Bộ lọc này được cấu tạo từ nhiều lớp có chiết suất cao (H) và lớp có chiết suất thấp xen kẽ nhau (L) trên lớp nền (S) (các lớp L và H này thường làm bằng oxit kim loại hoặc Fluoride, còn lớp nền thì thường làm bằng Si) Mỗi lớp này có

1

λ1, λ2, , λn

λ1 λ2

λn

Để tách được nhiều bước sóng người ta phải sử dụng nhiều bộ lọc nối với nhau theo cấu trúc tầng Hình 2.5 là nguyên lý của các thiết bị WDM sử dụng bộ lọc

Hình 2.5: Nguyên lý của các thiết bị WDM sử dụng bộ lọc

Các bộ lọc này hoạt động dựa trên nguyên tắc của buồng cộng hưởng Perot Đây là bộ cộng hưởng có tính chọn lọc bước sóng, sóng ánh sáng nào có thể tạo ra trong bộ cộng hưởng có một sóng đứng thì truyền dẫn đạt cực đại tại bước sóng đó Trên cơ sở đó, người ta có thể tạo ra các bộ lọc với các đặc tính khác nhau, tuỳ thuộc vào số lớp và độ dày của các lớp điện môi Để cho đường

Fabry-đặc tính của bộ lọc được dốc (tức là hệ số phản xạ đạt được R>99%, và hệ số

Tuỳ theo đặc tính phổ của bộ lọc, có thể phân các bộ lọc thành 2 họ:

- Bộ lọc thông dải, bao gồm: Bộ lọc thông thấp (SWPF) và bộ lọc thông cao

(LWPF), trong đó SWPF sử dụng cấu trúc bộ lọc bậc 0 còn LWPF sử dụng cấu

Hình 2.6: Đặc tính phổ truyền dẫn của bộ lọc thông thấp

- Bộ lọc băng (BPF) Bộ lọc này được tạo từ nhiều bộ lọc cộng hưởng, được

Các bộ lọc thông dải thường được sử dụng trong việc ghép/tách hai bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ như bước sóng 850 nm và 1300

nm hay 1300 nm và 1550 nm) Do đó, các thiết bị này có thể được sử dụng một cách có hiệu quả các nguồn sáng có độ rộng phổ lớn như LED Còn các nguồn có

độ rộng phổ hẹp như Laser người ta thường sử dụng các bộ lọc băng, yêu cầu đối với bộ lọc này là phải được thiết kế sao cho đặc tính phổ có dạng phẳng xung quanh bước sóng trung tâm và sườn của đặc tính càng dốc càng tốt để có thể ngăn ngừa sự xuyên âm giữa hai kênh gần nhau

Các bộ lọc một trang thái sử dụng trong các ứng dụng ghép kênh/tách kênh phải được đặt hơi nghiêng so với trục quang để cho ánh sáng bị phản xạ không chèn ngược trở lại vào mạng Góc này làm thay đổi độ dài hiệu dụng của các lớp

và dẫn tới thay đổi băng lọc Đó chính là hạn chế của loại bộ lọc này Trong các

bộ lọc nhiều trạng thái dùng nhiều kênh, các chùm được phản xạ từ mỗi bộ lọc là

đầu vào cho mỗi trạng thái tiếp theo Do vậy, việc sắp xếp là cực kỳ quan trọng

Hình 2.7: Bộ tách kênh đa bước sóng sử dụng bộ lọc điện môi

Trong trường hợp phải sử dụng bộ lọc có cấu trúc tầng để tách nhiều bước sóng,

do suy hao truyền dẫn bị tích luỹ dần lên (vì kênh thứ n phải đi qua ít nhất n bộ lọc) nên số lượng kênh bước sóng của thiết bị WDM sử dụng bộ lọc thường bị giới hạn bởi suy hao tại mỗi lần phản xạ Thường thì số kênh nhiều nhất là 9 - 10 kênh nếu dùng laser, và chỉ khoảng 5 kênh nếu sử dụng LED

Trong thực tế, các phần tử tách/ghép bước sóng thường được sử dụng kết hợp với các thấu kính Thấu kính này đóng vai trò hội tụ các tia sáng được đưa

đến từ các sợi quang vào các phần tử tách/ghép bước sóng, ngoài ra chúng còn

có vai trò trong việc chuẩn trực các tia sáng, việc này rất cần thiết vì các phần tử tán sắc góc và lọc quang nhạy cảm với góc tới của tia sáng

Có thể sử dụng chung thấu kính cho các cổng vào và cổng ra Tuy nhiên, trong một số thiết kế người ta cũng sử dụng các thấu kính khác nhau cho các sợi khác nhau và thấu kính được đặt vuông góc với trục của sợi Ưu điểm của cấu trúc này là làm giảm bớt quang sai của tia sáng

Ngoài ra còn có các phần tử quang khác cũng được dùng trong những ứng dụng lọc (tách/ghép) 1 hoặc 2 bước sóng có thể là cố định hoặc lựa chọn được,

đấu nối chéo các bước sóng quang

Các tham số cơ bản:

Có 3 tham số cơ bản để đánh giá một bộ tách/ ghép bước sóng bao gồm:

- Suy hao xen

- Xuyên âm

- Độ rộng phổ của kênh

Suy hao xen:

Suy hao xen ở đây được xác định như lượng tổn hao công suất trên tuyến truyền dẫn quang do việc thêm vào các bộ ghép bước sóng Khác với các thành phần quang thụ động thông thường, ở đây suy hao xen được xem xét đối với

o

i i

D

φ

φ

log 10

Xuyên kênh tổng cộng trên kênh j là:

j i ij j

Hiện tượng này sinh ra do các yếu tố sau:

- Do đặc tính của bộ lọc không hoàn thiện

- Do phổ của các nguồn phát chồng lấn lên nhau

- Do phản xạ hay hội tụ xảy ra không hoàn toàn làm các tia sáng bị tản mát

- Do các hiệu ứng phi tuyến, đặc biệt đối với trường hợp công suất của các kênh bước sóng lớn

Trong thực tế người ta có thể phân thành 2 loại xuyên âm đầu xa và xuyên

âm đầu gần như trong hình 2.8

Hình 2.8 Xuyên âm trong hệ thống WDM Trong trường hợp truyền 2 hướng trên cùng một sợi tức là mỗi đầu đều có cả

nghĩa là yêu cầu về giới hạn xuyên âm đầu gần đối với các bộ ghép bước sóng là phải rất khắt khe và phải được đánh giá trong mối tương quan với suy hao của

toàn tuyến

Độ rộng phổ của kênh:

Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh Độ rộng này phải đảm bảo đủ lớn để tránh nhiễu giữa các kênh, do đó nó được xác định tuỳ theo từng loại nguồn phát

2.1.5 Vị trí của hệ thống WDM trong mạng truyền dẫn

Vị trí hệ thống WDM trong mạng truyền dẫn như hình 1.5 Trong đó quan

hệ giữa SDH và WDM là quan hệ giữa lớp khách hàng và lớp dịch vụ Tương ứng với công nghệ WDM, tín hiệu SDH, PDH và ATM đều chỉ là tín hiệu dịch vụ mà

hệ thống WDM nhận mang Xem xét từ thứ tự lớp, hệ thống WDM tiếp cận gần với lớp phương tiện vật lý- sợi quang, và ở dưới lớp kênh SDH tạo thành mạng lớp "kênh quang"

Hình 2.9: Mô hình lớp mạng viễn thông và các công nghệ mới

Xét từ phương hướng phát triển của hệ thống WDM, kết hợp giữa các bộ xen/rẽ quang (OADM), bộ nối chéo quang (OXC) và sợi quang sẽ tạo thành một lớp mạng - mạng truyền dẫn quang Sự phát triển tiếp theo của mạng truyền dẫn

là phải xây dựng một lớp mạng ở dưới lớp điện SDH, tức là sẽ tách mạng truyền dẫn về topo thành hai lớp quang và điện mà hệ thống WDM là hạt nhân của lớp mạng quang"

2.1.6 Đặc điểm của hệ thống WDM

2.1.6.1 Ưu điểm

- Tận dụng tài nguyên rất rộng của sợi quang

Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên to lớn của sợi quang (phần tổn hao thấp), làm cho dung lượng truyền dẫn của một sợi quang so với truyền dẫn đơn bước sóng tăng vài chục lần đến vàố trăm lần, từ đó tăng dung lượng truyền dẫn hạ giá thành, có giá trị ứng dụng và kinh tế cao

- Truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu

Công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau, do đó có thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và chia các tín hiệu dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương

tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu hỗn hợp đa phương tiện (như tiếng nói, hình ảnh, số liệu, đồ hoạ, văn bản )

- Thực hiện truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang

Do nhiều phương tiện thông tin dùng phương thức hoàn toàn song công, nên dùng công nghệ WDM có thể tiết kiệm được lượng đầu tư lớn

- Nhiều ứng dụng

Căn cứ vào nhu cầu công nghệ WDM có thể rất nhiều ứng dụng, như mạng

đường trục đường dài, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ (LAN)…

- Tiết kiệm đầu tư cho mạng

Dùng công nghệ WDM có thể ghép nhiều bước sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn mode, khi truyền dẫn đường dài dung lượng lớn có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang Ngoài ra, thuận tiện cho việc mở rộng dung lượng hệ thống

thông tin sợi quang đã xây dựng, chỉ cần hệ thống cũ thì có thể tăng dung lượng

mà không cần thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ

- Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện

Do tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng, nên tốc độ xử lý tương ứng của nhiều linh kiện cũng phải tăng Sử dụng công nghệ WDM có thể giảm yêu cầu rất cao đối với tính năng của một số linh kiện

- Tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao

Sử dụng công nghệ WDM trong việc chọn đường, chuyển mạch và khôi phục mạng, từ đó có một mạng trong suốt, linh hoạt, kinh tế trong tương lai Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lý tưởng, là cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng mới (ví dụ IP )

2.1.6.2 Nhược điểm

Hệ thống WDM có rất nhiều ưu điểm nổi bật so với các hệ thống thông tin khác Tuy nhiên, do những đặc điểm riêng của mình, hệ thống WDM cũng có những hạn chế nhất định như yêu cầu cao vềchất lượng thiết bị, điều kiện làm việc, ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến… Những nhược điểm này sẽ được nghiên cứu kỹ trong phần sau của luận văn

2.2 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM

2.2.1.Khái niệm hệ thống DWDM

Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM đặc biệt có giá trị với các ứng dụng đòi hỏi băng rộng như là truyền hình cáp Công nghệ này cho phép sử dụng hiệu quả hơn hệ thống cáp quang đã được cài đặt Những ứng dụng băng rộng đã dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng số lượng bước sóng mang trên một sợi quang và thu hẹp khoảng cách giữa các kênh Đó là cơ sở cho sự ra đời của một loại công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM mới: Công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM Mặc dù về lý thuyết có thể sử dụng vô hạn các bước

sóng để truyền dẫn, nhưng do các giới hạn trên thực tế của các thiết bị truyền thông hiện tại cho phép DWDM sử dụng băng quang phổ hẹp xung quanh bước sóng 1550 nm

Một hệ thống DWDM khá giống với một hệ thống TDM truyền thống Nó cũng bao gồm thiết bị phát ở một đầu, thiết bị thu ở đầu kia và cáp quang, trạm lặp ở giữa

Hình 2.10: Hệ thống DWDM

Về cơ bản, các thiết bị quang của hệ thống DWDM bao gồm một hay nhiều máy phát laser, một bộ ghép kênh, một hay nhiều bộ khuyếch đại sợi pha Erbium EDFA, các bộ ghép kênh xen/rẽ quang, cáp quang, một bộ giải ghép kênh, máy thu (số lượng máy thu bằng số lượng máy phát) Mỗi thành phần là một thực thể cần thiết của hệ thống, thực hiện những chức năng thích hợp

2.2.2 Các thành phần chính của hệ thống DWDM

2.2.2.1 Bộ phát

Nguồn phát

Phát quang

Trạm lặp

Khuếch

đại quang

Đầu thu quang

Khôi phục tín

Bộ nối

Các thiết bị biến đổi điện quang E/O và các phần tử điện rời rạc của các bộ phát quang thuộc thế hệ trước đây đang dần dần được thay thế bởi các mạch tích hợp Việc thực hiện các mạch tích hợp cỡ lớn nhằm đáp ứng yêu cầu về tốc độ

điều chế và độ tin cậy ngày càng cao

Một bộ phát của một kênh (một bước sóng) thường gồm bộ laser hồi tiếp phân tán DFB, sau đó là một bộ điều chế, thường ở bên ngoài máy phát laser đặc biệt là khi tốc độ điều chế cao Sự phát triển các mạch quang tích hợp gần đây đã làm giảm rất nhiều giá thành của các máy phát, trong đó chip laser, bộ khuyếch

đại quang được tích hợp vào trong một gói Hiện nay, một gói phát gồm nhiều bộ phát laser, nhiều bộ ghép kênh, một bộ khuyếch đại công suất (thường dùng khuyếch đại quang bán dẫn)

Một bộ suy hao có thể thay đổi được trên toàn bộ dải điều chế có thể được

đặt gần một máy phát laser để điều khiển công suất của nó đến một giá trị cần thiết Giá trị này được chọn sao cho khớp với các đặc tính của trạm lặp đầu tiên trên đường truyền hoặc khi dùng với các máy phát hoạt động ở các bước sóng khác để đảm bảo rằng tất cả các bộ phát kết hợp với nhau để làm cho phân bố công suất phổ phẳng như nhau

Trong bộ laser hồi tiếp phân tán (DFB), hốc cộng hưởng Fabry - Perot hai gương thông thường được làm nhỏ lại và được điều khiển Việc lựa chọn bước sóng chính xác qua hồi tiếp quang được thực hiện bằng một cách tử dọc được chế tạo như một bộ phận của chip laser Cách tử này dùng để buộc việc phát xạ đơn mode, sóng truyền dọc nằm trong một khoảng rất hẹp, thông thường nhỏ hơn 100 MHz Cùng với máy phát laser Fabry - Perot, hình dạng của ống dẫn sóng đảm bảo cho đầu ra có hướng ổn định Cấu trúc hồi tiếp phân tán có thể được coi như

là một kết hợp của nhiều buồng cộng hưởng ánh sáng phân tán, cho phép lựa chọn bước sóng đỉnh của ánh sáng laser tuỳ thuộc khoảng chu kỳ của cách tử

nhiễu xạ Nhờ đó, có thể thực hiện được việc phát xạ bước sóng đơn

Hình 2.11: Quang phổ và dạng đơn giản của Laser DFB Ngoài các kết nối điện tốc độ cao, một gói DFB còn có thể có một bộ làm mát nhiệt điện, cảm biến nhiệt độ, bộ cách ly quang và điốt quang điều khiển Các gói DFB hiện nay có thể cho một công suất đầu ra là 40 dBm cho dòng kích thích khoảng 40 mA, ánh sáng từ nguồn quang phải được điều chế với dòng bit mang thông tin cần truyền dẫn bằng phương pháp biến điệu cường độ Quá trình

điều chế phải có độ tuyến tính cao để tránh sự phát sinh các hài không cần thiết

và sự méo dạng tín hiệu do điều biến qua lại, gây nhiễu cho quá trình giải điều chế ở phía thu

Các gói DFB kết hợp với các bộ điều chế trên một chip, làm cho cả khối có

độ di tần thấp, tốc độ điều chế cao Tuy nhiên, chúng cũng có một số hạn chế ví

dụ như bề rộng phổ hẹp làm cho chúng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu do sự phản hồi

từ các liên kết

2.2.2.2 Bộ khóa bước sóng

Sự hoạt động của các hệ thống WDM và DWDM có tốt hay không, điều đó phụ thuộc vào sự ổn định của nguồn tín hiệu Bộ thu, bộ lọc, bộ suy hao và bộ ghép bước sóng chỉ có thể thực hiện được chức năng của chúng khi tín hiệu mà

chúng xử lý nằm trong một sai số rất hẹp so với tần số thiết kế Bộ khoá bước sóng chính là để tạo ra sự ổn định này

Hình 2.12: Mô hình bộ khoá đơn giản Bước sóng chính xác của laser được thiết lập bởi việc điều khiển nhiệt độ hay dòng điện của nó Bộ khoá bước sóng đưa ra tín hiệu điều khiển Một bộ khoá bước sóng thông thường gồm một cặp bộ lọc quang là các lớp điện môi, làm việc với công suất nguồn hoàn toàn giống nhau Một trong hai bộ lọc làm việc với tần số lớn hơn tần số mong muốn, bộ lọc kia làm việc với khoảng tần số thấp hơn Các tín hiệu quang nằm trong dải thông của hai bộ lọc này được tách và so sánh để đưa ra tín hiệu điều khiển chỉ ra khoảng cách giữa bước sóng nguồn và giá trị được thiết kế

Các bộ lọc điện môi được chế tạo để có thể cho qua những băng thông rất hẹp và có vị trí được cố định rất chính xác, thường là rất ổn định Kết quả là các

bộ khoá bước sóng sử dụng các phần tử lọc này có thể đưa ra sự ổn định bước sóng lâu dài, đáp ứng được những yêu cầu về nguồn tín hiệu của hệ thống WDM

2.2.2.3 Bộ suy hao

Bộ suy hao thường được dùng sau bộ phát laser để biến đổi công suất đầu ra của chúng phù hợp với khả năng của bộ ghép kênh và bộ khuyếch đại EDFA

Hình 2.13 Mô hình của bộ suy hao Các bộ phát laser công suất cao có thể được dùng trong mạng để làm giảm việc cần phải có khuyếch đại nối tiếp Suy hao là cần thiết trong các phần cụ thể của mạng để giữ cho các thiết bị quang khỏi bị ảnh hưởng bởi sự bức xạ có thể

đủ lớn làm cho các phần tử này không tuyến tính

2.2.2.4 Bộ thu

Bộ thu chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện bằng việc tách tất cả các tín hiệu quang được điều chế và giải điều chế chúng Bộ thu phải hoàn toàn tương thích với bộ phát (về cả bước sóng cơ bản và các đặc tính điều chế) và phải

được thiết kế để giải quyết tất cả sự suy hao tín hiệu bởi các phần tử trên mạng Chỉ tiêu máy thu được đánh giá thông qua tỷ lệ lỗi bit BER Kết quả thu phụ thuộc vào độ nhạy máy thu, băng thông của máy thu và tạp âm tín hiệu trước khi giải điều chế Chỉ tiêu đầy đủ của một máy thu được mô tả bởi đặc tuyến độ nhạy của nó, trong đó tỷ lệ lỗi bit BER được xem như là một hàm của công suất quang thu được với một tốc độ dữ liệu cho trước

Hình 2.14: Đặc tuyến độ nhạy máy thu Năng lượng ánh sáng từ một sợi quang được đưa đến một bộ tách sóng, thường là một photo diode Tín hiệu ra phải được khuyếch đại điện, càng ít nhiễu càng tốt, trong vòng một dải thông điện thích hợp với tín hiệu mong muốn Có thể thực hiện việc lọc điện để làm phẳng tần số hiệu dụng của phần tử này Tất cả

được thực hiện trong một khối tích hợp, trong đó có khối thu mà đầu vào của nó

là ánh sáng từ sợi quang còn đầu ra là tín hiệu điện đã được điều chế thích hợp Hai loại photo diode hay được sử dụng là diode PIN và APD PIN hoạt động

ở điện áp thấp tiêu chuẩn, nguồn cung cấp là 5V nhưng có độ nhạy kém hơn và

có băng thông hẹp hơn so với APD Các PIN tốc độ cao thường được dùng trong các hệ thống có tốc độ 10 Gb/s và 40Gb/s trước khi có APD APD hay dùng trong các ứng dụng có khoảng cách lớn mà giá thành và độ phức tạp mạch là cao hơn Trong nhiều trường hợp, việc dùng chỉ một APD cho phép người dùng không cần một bộ tiền khuyếch đại Do đó, APD có tính kinh tế hơn

Các thông số lựa chọn quan trọng đối với bộ thu gồm có: đáp ứng phổ (A/W

là một hàm của bước sóng, liên quan mật thiết đến bộ tách được dùng), độ nhạy (mức đo mà tại đó nhiễu trong bộ tách át tín hiệu đến), dải thông điện và độ rộng phổ, khoảng động và tạp âm Các tiêu chuẩn phù hợp với mỗi tham số tuỳ thuộc