Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang tốc độ cao

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ADM Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu tự phát được khuếch đại APD Avalanche Photo-Diode Photodiode thác lũ APS Autom

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

BÙI VIỆT KHÔI

HÀ NỘI – 2010

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 5

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 6

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 7

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 10

LỜI NÓI ĐẦU 14

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG 15

1.1 Lịch sử phát triển thông tin quang: 15

1.2 Nguyên lý hoạt động của một hệ thống thông tin quang: 16

1.3 Các phương pháp ghép kênh quang: 18

1.3.1 Kỹ thuật ghép kênh quang tần số: 19

1.3.2 Kỹ thuật ghép kênh quang thời gian: 20

1.3.3 Kỹ thuật ghép phân bước sóng WDM: 22

1.4 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM: 23

1.4.1 Định nghĩa: 23

1.4.2 Mục đích: 23

1.4.3 Phân loại WDM: 24

1.4.4 Chức năng của hệ thống WDM: 25

1.4.5 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM: 27

1.4.6 Sự phát triển của WDM trong thời gian qua: 28

CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG DWDM 29

2.1 Bộ chuyển đổi bước sóng OUT: 29

2.1.1 Nguyên lý hoạt động: 30

2.1.2 Phân loại và ứng dụng: 31

2.2 Ghép kênh quang OMUX và tách kênh quang ODMUX: 32

2.2.1 Phương pháp ghép kênh sử dụng các bộ lọc: 33

2.2.2 Phương pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ 38

2.2.2.1 Công thức cách tử: 40

2.2.2.2 Các bộ tách ghép bước sóng sử dụng cách tử: 43

2.2.3 Phương pháp ghép sợi: 46

2.2.3.1 Phương pháp ghép xoắn sợi: 47

2.2.3.2 Phương pháp mài ghép: 48

2.2.3.3 Nhược điểm của phương pháp ghép sợi: 49

2.3 Các bộ khuếch đại quang: 49

2.3.1 Công nghệ EDFA: 50

2.3.1.1 Tổng quan về công nghệ EDFA: 50

2.3.1.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA: 51

2.3.1.3 Phân loại EDFA: 53

2.3.1.4 Các phương pháp khuếch đại EDFA: 55

2.3.1.5 Các vấn đề truyền dẫn trong khuếch đại EDFA: 58

2.3.2 Khuếch đại Raman: 59

2.4 Bộ xen/rẽ kênh quang OADM: 61

2.5 Các module bù tán sắc DCM: 64

2.6 Truyền dẫn sợi quang: 66

2.6.1 Phân loại sợi: 66

2.6.2 Sợi quang dịch chuyển vị trí tán sắc khác không NZ-DSF 67

2.6.2.1 Sự xuất hiện hiệu ứng phi tuyến tính khi dùng DSF và EDFA: 68

2.6.2.2 Nguyên lý và ứng dụng của sợi quang NZ-DSF: 68

2.6.3 Sợi quang bù tán sắc DCF 69

2.6.3.1 Nguyên lý cơ bản của bù tán sắc: 70

2.6.3.2 Tính năng và kết của của sợi bù tán sắc DCF: 70

2.6.4 Sợi quang tán sắc bằng phẳng DFF: 72

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠNG WDM TẠI EVN TELECOM 74

3.1 Cấu trúc hệ thống WDM: 74

3.2 Yêu cầu đối với thiết bị: 75

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế WDM: 83

3.3.1 Suy hao của sợi quang và băng thông: 83

3.3.2 Số kênh bước sóng: 84

3.3.3 Độ rộng phổ của nguồn phát: 86

3.3.4 Quỹ công suất: 87

3.3.5 Nhiễu xuyên kênh: 88

3.3.6 Tán sắc: 89

3.3.7 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến: 93

3.3.7.1 Khuếch tán tích lũy Raman SRS: 93

3.3.7.2 Hiệu ứng tán xạ Brillouin SBS: 95

3.3.7.3 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM: 97

3.3.7.4 Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM: 98

3.3.7.5 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM: 98

3.3.8 Cơ chế bảo vệ trong WDM: 100

3.3.8.1 Bảo vệ dựa trên bước sóng riêng biệt 100

3.3.8.2 Bảo vệ phiên ghép quang (OMSP) : 103

3.4 Hiện trạng hệ thống viễn thông tại EVN Telecom 104

3.5 Thiết kế hệ thống đường trục mạch 2: 107

3.5.1 Yêu cầu đối với hệ thống: 107

3.5.2 Các tuyến cáp quang sử dụng cho hệ thống DWDM mạch 2: 108

3.5.3 Thiết bị thông tin: 110

3.5.4 Sơ đồ chi tiết hệ thống DWDM trên đường trục mạch 2: 110

3.5.5 Tính toán các thông số hệ thống: 111

3.5.5.1 Tính toán tán sắc: 111

3.5.5.2 Tính toán quỹ công suất: 112

3.5.5.3 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu OSNR: 112

3.5.5.4 Tính toán thông số cho chặng từ Hà Nội đi Hà Tĩnh 114

3.5.5.5 Bảng thống kê suy hao hệ thống và tỉ số OSNR sau khi tính toán 122

3.5.6 Cấu hình thiết bị WDM: 126

3.5.6.1 Cấu hình OTM: 129

3.5.6.2 Cấu hình OADM xen rẽ 2 bước sóng: 129

3.5.6.3 Cấu hình OADM xen rẽ 1 bước sóng: 129

3.5.6.4 Cấu hình REG: 130

3.5.6.5 Cấu hình OLA: 130

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TRONG DWDM 131 4.1 Giới thiệu về OptiSystem: 131

4.2 Mô phỏng tuyến quang từ Hà Nội đến Nho Quan: 131

KẾT LUẬN 138

TÀI LIỆU THAM KHẢO 139

PHỤ LỤC 140

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được đề cập trong luận văn “Thiết kế và mô

phỏng hệ thống thông tin quang tốc độ cao” được viết dựa trên kết quả nghiên cứu

theo đề cương của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Việt Khôi cùng với kết quả thiết kế hệ thống thông tin quang thực tế của công ty viễn thông điện lực – EVN Telecom

Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều được trích dẫn dầy đủ nguồn và sử dụng đúng luật bản quyền quy định

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của minh

Học viên

Mai Hùng Tiệp

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Sự phân chia các băng sóng 23

Bảng 2.1: Suy hao của các module bù tán sắc 66

Bảng 3.1: Các thông số cơ bản đối với OM 78

Bảng 3.2 Các thông số cơ bản đối với OD 79

Bảng 3.3 Các thông số cơ bản đối với OA 80

Bảng 3.4 Bảng phân bố bước sóng band C cho hệ thống DWDM 40 kênh 81

Bảng 3.5.Tốc độ bit và dung lượng của các loại OUT 82

Bảng 3.6: Tính toán tán sắc PMD đối với đường trục mạch 1,2: 111

Bảng 3.7 Tính toán suy hao và tán sắc đối với hệ thống DWDM 122

Bảng 3.8 Bảng tính toán OSNR trên từng đoạn và trên toàn tuyến 125

Bảng 3.9 Tính toán phần suy hao hệ thống WDM 127

Bảng 4.1 Phân tích WDM Analyzer 1 133

Bảng 4.2 Phân tích WDM Analyzer 2 133

Bảng 4.3 Kết quả kênh 1 sau khi tách 134

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang 16

Hình 1.2 Sự gia tăng nhu cầu truyền thoại và truyền số liệu 19

Hình 1.3 Sơ đồ tuyến thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM 21

Hình 1.4 Minh họa kỹ thuật OTDM 21

Hình 1.5 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng song hướng và đơn hướng 25

Hình 1.6 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM 25

Hình 1.7 Sự phát triển của các hệ thống WDM .28

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống DWDM 29

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của OUT 30

Hình 2.3: Ứng dụng của OUT 31

Hình 2.4: Nguyên lý ghép/tách bước sóng 33

Hình 2.5: Cấu trúc của bộ lọc điện môi giao thoa 35

Hình 2.6: Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa 35

Hình 2.7: Cấu trúc cơ bản của một bộ tách nhiều bước sóng 36

Hình 2.8: Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế 36

Hình 2.9: Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn trực tiếp vào sợi .37

Hình 2.10: Thiết bị OMUX – ODMUX 4 bước sóng 37

Hình 2.11: Thiết bị MUX-DEMUX 3 bước sóng 38

Hình 2.12: Nguyên lý hoạt động của phương pháp sử dụng cách tử phản xạ .40

Hình 2.13: Nguyên lý hoạt động của phương pháp sử dụng cách tử truyền xạ 40

Hình 2.14: Tìm công thức cách tử 40

Hình 2.15: Cách tử pha 42

Hình 2.16 :Sơ đồ bộ ghép kênh sử dụng cách tử của Finke .43

Hình 2.17: Bộ tách Littrow 44

Hình 2.18: Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar và gương lòng chảo 45

Hình 2.19: Cách tử lòng chảo 45

Hình 2.20: Sơ đồ cấu trúc thiết bị tách kênh quang sử dụng cách tử lòng chảo 46

Hình 2.21: Phương pháp nóng chảy 47

Hình 2.22: Phương pháp mài ghép 48

Hình 2.23: Bộ ghép kênh 4 bước sóng bằng phương pháp nóng chảy nối tiếp các sợi đơn mode 49

Hình 2.24: Giản đồ năng lượng của Erbium 51

Hình 2.25: Cấu trúc cơ sở của bộ khuếch đại EDFA 52

Hình 2.26: Phổ khuếch đại của EDFA 53

Hình 2.27: Khuếch đại EDFA một tầng 55

Hình 2.28: Khuếch đại EDFA với băng tần C sử dụng bộ lọc 56

Hình 2.29: Khuếch đại EDFA hai tầng 57

Hình 2.30: Cấu trúc chung của một bộ OADM 61

Hình 2.31: OADM cố định 62

Hình 2.32: OADM có thể cấu hình lại 63

Hình 2.33: Nguyên lý bù tán sắc của cách tử Bragg 65

Hình 2.34 Tán sắc bằng phẳng của sợi quang 72

Hình 3.1: Cấu trúc hệ thống DWDM 74

Hình 3.2 Cơ chế bảo vệ 1+1 101

Hình 3.3 Cơ chế bảo vệ 1 :n được triển khai trên tầng SDH 102

Hình 3.4 Cơ chế bảo vệ 1 : n trong hệ thống DWDM tương tự 102

Hình 3.5 Bảo vệ phiên ghép quang(OMSP) 103

Hình 3.6 Sơ đồ chi tiết hệ thống đường trục DWDM 110

Hình 3.7 Cấu hình tuyến quang Hà Nội – Hà Tĩnh 119

Hình 3.8 Cấu hình tuyến quang Hà Tĩnh – Đà Nẵng và Đà Nẵng - Pleiku 120

Hình 3.9 Cấu hình tuyến quang Pleiku - HCM 120

Hình 3.10 Cấu hình chi tiết cho toàn tuyến quang mạch 2 121

Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng chặng Hà Nội – Nho Quan 132

Hình 4.2 So sánh phổ tín hiệu quang sau bộ ghép kênh và trước bộ tách kênh 134

Hình 4.3 So sánh miền thời gian quang kênh 1 trước và sau khi tách-ghép sóng 135

Hình 4.4 Phổ tín hiệu kênh 1 trước và sau khi qua bộ tách ghép kênh 136

Hình 4.5 Đồ thị mắt – Q factor 136

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADM Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh

ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu tự phát được khuếch đại APD Avalanche Photo-Diode Photodiode thác lũ

APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động

ASK Amplitude Shift Keying Khoá dịch biên độ

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không đồng

bộ AWG Arrayed-Wavegiude Grating Cách tử ống dẫn sóng ma trận

BA Booser Amplifier Bộ khuếch đại công suất đầu

phát BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi

FBG Bragg Fiber Grating Cách tử sợi Bragg

BW BandWidth Ðộ rộng dải thông

DCF Dispersion Compensated Firber Sợi bù tán sắc

DCG Dispersion Compensating Grating Cách tử bù tán sắc

DCM Dispersion Compensator Module Module bù tán sắc

DEM Dispersion-Equalization Module Module điều chỉnh tán sắc

DFA Doped-Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha

tạp chất DGD Differential Group Delay Trễ nhóm

DSF Dispersion Shifted Firber Sợi tán sắc dịch chuyển

DWDM Dense Wavelength Division

Multiplex

Ghép kênh theo bước sóng quang dày đặc

DXC Digital Cross Connect Bộ kết nối chéo số

EDF Erbium Doped Fiber Sợi quang trộn Erbium

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi trộn

Erbium

FPA Fabry-Perot Amplifier Bộ khuếch đại Fabry-Perot

FSK Frequency Shift Keying Khoá dịch tần số

FSR Free Spectral Range Dải phổ tự do

FTTH Fiber To The Home Quang hóa đến tận nhà

FWM Four Wave Mixing Trộn bốn bước sóng

IL Insertion Loss Suy hao xen

IP Internet Protocol Giao thức mạng Internet

LA Line Amplifier: Khuếch đại quang đường truyền LAN Local Area Network: Mạng nội bộ

LWPF Long Wavelength Pass Filter: Lọc thông bước sóng dài

MOR Multi-Wavelengh Optical Repeater Trạm lặp đa kênh quang

MSK Minimum Shift-Keying Khoá dịch tối thiểu

MUX Multiplexer Bộ ghép kênh

MZF Mach-Zehnder Filter Bộ lọc Mach-Zehnder

MZI Mach – Zehnder Interferometer Bộ gia thoa Mach – Zehnder

NE Network Element Phần tử mạng

NF Noise Figure Hệ số tạp âm

NL Non-Linear Phi tuyến

NrREG non-regenarative Repeater Trạm lặp quang

NRZ Non Return to Zero Mã không trở về 0

OA Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang

OADM Optical Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh quang

OC Optical Channel Kênh quang

OCh Optical Channel layer Lớp kênh quang

OCh-P Optical Chanel-Path Ðường kênh quang

OCh-S Optical Channel-Section Ðoạn kênh quang

ODM Optical Demultiplexer Bộ tách bước sóng quang

OFA Optical Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi

OLT Optical Line Terminal Bộ kết cuối đường quang

OM Optical Multiplexer Bộ ghép bước sóng quang

OMS Optical Multiplex Section Lớp đoạn ghép kênh quang

OPM Optical Performance Monitor Thiết bị giám sát mạng quang OSC Optical Supervision Channel Kênh giám sát quang

OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm quang

OTDM Optical Time Division Multiplex Ghép kênh quang phân chia thời

gian OTS Optical Transmission Section Ðoạn truyền dẫn quang

OTU Optical Transmit Unit Bộ chuyển phát quang

OXC Optical Cross-Connect Bộ kết nối chéo quang

PA Pre_Amplifier Bộ tiền khuếch đại

PDH Plesiochrounous Digital Hierachy Phân cấp số cận đồng bộ

PIN Positive Intrinsic Nagative Điốt PIN

PLL Phase - Locked Loop Vòng khoá pha PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

PSK Phase Shift Keying Khoá dịch pha

RA Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman

RL Reflectance/Return Loss Suy hao phản hồi

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ do kích thích Brillouin SCM SubCarrier Modulation Ðiều chế sóng mang phụ

SDH Synchronous Digital Hierachy Phân cấp số đồng bộ

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

SPM Self Phase Modulation Tự điều pha

SRS Stimulated Ramam Scattering Tán xạ do bị kích thích Raman STM Synchronous Transport Module Môdun truyền tải đồng bộ

SWPF Short Wavelength Pass Filter Lọc thông bước sóng ngắn

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian

TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, các hệ thống thông tin quang đã chiếm lĩnh hầu hết các tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông và được coi là phương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển, xuyên lục địa và được sử dụng như phương thức truyền dẫn chính Để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do sự bùng nổ thông tin trong xã hội, đặc biệt là sự phát triển của các dịch vụ băng thông rộng, mạng truyền dẫn đòi hỏi phải có sự phát triển mạnh cả về quy mô và trình độ công nghệ nhằm tạo ra các cấu trúc mạng bao gồm các hệ thống truyền dẫn quang hiện đại Các hệ thống thông tin quang trong thời gian tới phải đảm bảo có tốc độ cao, cự ly xa, có cấu trúc hệ thống linh hoạt, độ tin cậy cao…

Trong các hệ thống thông tin trước đây sử dụng phương pháp truyền dẫn truyền thống SDH, một sợi quang chỉ truyền dẫn một bước sóng với một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Với một hệ thống như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi quang có thể truyền dẫn Nếu muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải thêm sợi quang Thực

tế cho thấy, khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức nào đó sẽ xuất hiện các hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ cũng như kéo dài cự ly truyền dẫn Khi tốc độ đạt tới hàng trục Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được các xung điện cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí cho các giải pháp trên tuyến truyền dẫn trở nên khá tốn kém Do đó, các kỹ thuật ghép kênh quang như OTDM, OFDM, SCM, WDM đã ra đời nhằm khắc phục được các hạn chế trên Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng Trong đó nổi trội hơn cả là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng - WDM, và WDM đã mở ra hướng phát triển mới cho mạng viễn thông

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG

1.1 Lịch sử phát triển thông tin quang:

Quá trình phát triển của thông tin quang nó được bắt đầu từ các phương tiện sơ khai là khả năng nhận biết của con người là chuyển động, hình dáng ,màu sắc của sự vật thông qua đôi mắt Tiếp đó một hệ thống thông tin điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng , các đèn báo hiệu Sau đó, năm 1971 VC.Chape phát minh ra một máy điện báo quang.Thiết bị này sử dụng khí quyển như là một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện về thời tiết Để giải quyết hạn chế này, Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến có khả năng thực

hiện thông tin giữa những người gửi và người nhận ở xa nhau

Đầu năm 1880, A.G.Bell-người phát sinh ra hệ thống điện thoaị đã nghĩ ra một thiết bị quang thoại có khả năng biến đổi dao động của máy hút ánh sáng Tuy nhiên,

sự phát triển tiếp theo của hệ thông này đã bị bỏ bễ do sự xuất hiện hệ thống vô tuyến

Sự nghiên cứu hiện đại về thông tin quang được bắt đầu bằng sự phát minh thành công của Laser năm 1960 và bằng khuyến nghị của Kao và Hockham năm 1966 về việc chế tạo sợi quang có tổn thất thấp Bốn năm sau ,Kapron đã có thể chế tạo các sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20db/km Được cổ vũ bởi sự thành công này các nhà khoa học và các kỹ sư trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành các hoạt động và nghiên cứu phát triển và kết quả là các công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn , về tăng dải thông , về các Laser bán dẫn đã được phát triển thành công trong những năm 70, độ tổn thất của sợi quang đã được giảm đến 0,18db/km Hơn nữa trong những năm 70, Laser bán dẫn có khả năng thực hiện dao động ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo Tuổi thọ của nó được ước lượng khoảng hơn 100 năm Dựa trên các công nghệ sợi quang và Laser bán dẫn giờ đây đã có thể gửi một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh/dữ liệu đén các địa điểm cách xa hàng trăm km bằng một sợi quang có

độ dày như một sợi tóc , không cần đến các bộ tái tạo Hiện nay các hoạt động nghiên cứu nghiêm chỉnh đang được tiến hành trong lĩnh vực được gọi là photon học-là một lĩnh vực tối quan trọng đối với tất cả các hệ thống thông tin quang, có khả năng phát hiện, xử lí, trao đổi và truyền dẫn thông tin bằng phương tiện ánh sáng Photon học có khả năng ứng dụng rộng dãi trong lĩnh vực điện tử và viễn thông trong thế kỷ 21

Khác với thông tin hữu tuyến và vô tuyến, các loại thông tin sử dụng các môi trường truyền dẫn và không gian-thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang Điều đó có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng rồi chuyền trên sợi quang Tại nơi nhận nó lại biến đổi thành thông tin ban đầu

1.2 Nguyên lý hoạt động của một hệ thống thông tin quang:

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang

Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên

ngoài Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh

Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ thứ nhất được sử dụng Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba

Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD) Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều biến Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo Đoạn sợi quang ra (pigtail) của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên tuyến

Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên Bộ tách sóng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa tới Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện Các photodiode PIN và photodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ

chuyển đổi nhanh Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống

Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến Cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào nhau Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang

Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau

và phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp

so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ

Một ý tưởng hoàn toàn có lý khi cho rằng có thể truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang từ các nguồn quang có bước sóng phát khác nhau trên cùng một sợi quang Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM ra đời từ ý tưởng này

1.3 Các phương pháp ghép kênh quang:

Sự phát triển nhanh chóng của các mô hình truyền số liệu, đặc biệt là Internet đã làm bùng nổ nhu cầu tăng băng thông (hình 1.2) Trong bối cảnh IP (Internet Protocol)

đang nổi lên như là nền tảng chung của mọi loại nhình dịch vụ trong tương lai, các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt buộc phải xem xét lại phương thức truyền dẫn TDM truyền thống, vốn tối ưu cho truyền thoại nhưng lại kém hiệu quả trong việc tận dụng băng thông

Hình 1.2 Sự gia tăng nhu cầu truyền thoại và truyền số liệu

Tóm lại, ta phải giải quyết bài toán tăng băng thông cho viễn thông tương lai Các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt đầu xét đến các phương thức truyền dẫn sau:

1.3.1 Kỹ thuật ghép kênh quang tần số:

Như đã biết, ghép kênh là một biện pháp nhằm tập hợp một số kênh thông tin lại thành một kênh chung mang lượng thông tin lớn hơn Một kỹ thuật dùng để thông tin bằng ánh sáng là ghép kênh tần số Trong OFDM, băng tần của sóng ánh sáng được phân chia thành một số kênh thông tin riêng biệt, mà ở đây các kênh có tần số quang khác nhau sẽ được biến đổi thành các luồng song song để cùng truyền đồng thời trên một sợi quang.Các sóng ánh sáng có tiềm năng thông tin rất lớn và nó có tần số rất lớn tới hơn 200 000 GHz, hơn nữa, sợi quang vốn có suy hao rất nhỏ ở dải bước sóng từ 0,8 - 1,8 µm, cũng tương đương với băng tần 200 000 GHz Vì thế, một số lượng lớn

các kênh quang FDM sẽ được truyền trên sợi, và mỗi kênh quang riêng biệt có thể có một băng tần đủ rộng Chẳng hạn, trên sợi dẫn quang tồn tại vùng có suy hao nhỏ nằm trong khoảng 1,5 - 1,6 µm Vùng này có băng tần là 12.000 GHz và như vậy có thể ghép tới hơn 1.000 kênh quang để mang thông tin cần truyền Vì vậy có thể thiết lập được tốc độ truyền dẫn trên sợi quang khoảng 1 Tbit/s nhờ OFDM

Mặc dù công nghệ OFDM hiện nay mới chỉ ở mức triển khai thực nghiệm, nhưng người ta đã tiến hành ghép hệ thống lên tới 100 kênh quang Mặt khác, với công nghệ cáp sợi quang phát triển, các cáp có thể có tới 100 sợi đã làm cho hệ thống thông tin quang ghép kênh theo tần số không cần phải đạt hiệu suất sử dụng cao với mức khó thực hiện được như ở ghép kênh FDM đối với các hệ thống vô tuyến Về thực chất, OFDM đã khai thác khả năng băng tần rất lớn của sợi quang bằng cách ghép các kênh

ở các bước sóng khác nhau vào thành một luồng thông tin lớn Như vậy, OFDM là chung cho ghép kênh theo bước sóng OFDM và WDM cho phép chúng ta tăng dung lượng kênh mà lại vượt qua được giới hạn của tán sắc sợi dẫn quang OFDM sẽ đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin quang hiện tại và tương lai, nó là yếu tố quyết định thúc đẩy mục tiêu thực hiện quang hoá hoàn toàn

1.3.2 Kỹ thuật ghép kênh quang thời gian:

Trước sự phát triển của mạng viễn thông, vấn đề đặt ra là phải xây dựng một hệ thống truyền tốc độ cao trên nền sợi quang.Tuy nhiên, để có được thiết bị hoạt động ở tốc độ cao, công nghệ điện tử - thông tin phải sản xuất được các Chip điện tử có khả năng đáp ứng được tốc độ chuyển mạch cao hoặc làm việc ở môi trường có băng tần rộng Cho đến nay, các thiết bị này đều đã được sản xuất và sẵn có trên thị trường và thoả mãn được tốc độ 10-20 Gbit/s được dùng cho các thiết bị phát và thu quang làm việc ở băng tần cao, mặt khác nó thoả mãn được các thiết bị ghép và tách kênh

Để tiếp tục tăng tốc độ bit lên 40 Gbit/s hoặc hơn nữa cho đến nay là rất khó vì vẫn phải dựa vào nền tảng cấu trúc công nghệ hỗn hợp InP Vì vậy, kỹ thuật OTDM có thể khắc phục được hạn chế này, quá trình ghép các luồng tín hiệu quang thành các

luồng tín hiệu có tốc độ cao hơn không qua một quá trình biến đổi điện nào OTDM hứa hẹn có nhiều khả năng thành công và tiến nhanh hơn bất kỳ một sản phẩm ghép kênh điện nào, vì nó sử dụng các kỹ thuật xử lý quang tiên tiến

Hình 1.3 Sơ đồ tuyến thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM

Hình 1.4 Minh họa kỹ thuật OTDM

Trong hình vẽ 1.4 mô tả hoạt động của một hệ thống truyền dẫn quang sử dụng

kỹ thuật OTDM Trong OTDM, chuỗi xung quang hẹp phát ra từ nguồn phát thích hợp Các tín hiệu này được đưa vào khuếch đại để nâng mức tín hiệu đủ lớn nhằm đáp ứng yêu cầu Sau đó, chia thành N luồng, mỗi luồng đưa vào điều chế nhờ các bộ điều chế ngoài với tín hiệu nhánh B Gbit/s Để thực hiện ghép các tín hiệu quang này với nhau, các tín hiệu nhánh phải đưa qua bộ trễ quang Tuỳ theo vị trí từng kênh theo thời gian trong khung mà các bộ trễ này sẽ thực hiện trễ dịch các khe thời gian quang một cách

tương ứng Thời gian trễ là một nửa tín hiệu Clock Như vậy, tín hiệu quang sau khi ghép sẽ có tốc độ là NxB Gbit/s Sau khi truyền tải trên đường truyền, thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ thực hiện tách kênh, khôi phục xung Clock và đưa ra từng kênh quang riêng tương ứng với các kênh quang ở đầu vào bộ ghép phía phát Các hệ thống OTDM thường hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm, tại vùng bước sóng này, như đã biết có suy hao sợi quang nhỏ nhất, lại phù hợp với bộ khuếch đại quang sợi trong hệ thống Các bộ khuếch đại quang sợi có chức năng duy trì quỹ công suất của hệ thống nhằm đảm bảo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (S/N) ở phía thu quang Nguyên lý hoạt động này có thể đáp ứng xây dựng các hệ thống thông tin quang với tốc độ 200 Gbit/s Tuy nhiên, ở tốc độ này cần phải xem xét tới vấn đề bù tán sắc cho hệ thống

1.3.3 Kỹ thuật ghép phân bước sóng WDM:

Ghép thêm nhiều bước sóng để có thể truyền trên một sợi quang, không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng Công nghệ WDM có thể mang đến giải pháp hoàn thiện nhất trong điều kiện công nghệ hiện tại Thứ nhất nó vẫn giữ tốc độ

xử lý của các linh kiện điện tử ở mức 10 Gbps, bảo đảm thích hợp với sợi quang hiện tại Thay vào đó, công nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa

sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm Khoảng bước sóng này được chia làm nhiều băng sóng hoạt động như minh hoạ trên bảng 1.1 Thoạt tiên, hệ thống WDM hoạt động ở băng C (do EDFA hoạt động trong khoảng băng sóng này) Về sau, EDFA có khả năng hoạt động ở cả băng C và băng L nên

hệ thống WDM hiện tại dùng EDFA có thể hoạt động ở cả băng C và băng L Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 Ghz (đảm bảo khả năng chống xuyên nhiễu kênh trong điều kiện công nghệ hiện tại), sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt động trên mỗi băng

Bảng 1.1 Sự phân chia các băng sóng

Băng sóng Mô tả Bước

sóng(nm)

Băng O Băng E Băng S Băng C Băng L Băng U

Original Extended Short Conventional Long Ultra-long

1.4.2 Mục đích:

Sử dụng công nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn rất lớn của sợi quang bằng cách truyền đồng thời nhiều kênh bước sóng trên cùng một sợi quang Tuy nhiên, để tránh hiện tượng nhiễu xuyên kênh, giữa các kênh phải có khoảng cách nhất định Qua nghiên cứu, ITU-T đã đưa ra cụ thể các kênh bước sóng và khoảng cách giữa các kênh này có thể lựa chọn ở các cấp độ 200GHz, 100GHz, 50GHz

1.4.3 Phân loại WDM:

Hệ thống WDM về cơ bản chia làm 2 loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như minh hoạ trên hình 1.1 Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang Do vậy, để truyền thông tin giữa 2 điểm cần 2 sợi quang Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm

Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:

• Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng

• Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố ngay lập tức

• Về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng…

Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng

Hình 1.5 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng song hướng và đơn hướng

1.4.4 Chức năng của hệ thống WDM:

Hình 1.6 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

Như minh họa trên hình 1.2, để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trên

một sợi quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau:

Phát tín hiệu: hệ thống WDM sử dụng nguồn phát quang là laser Hiện nay, đã

có một số loại nguồn phát như: laser điều chỉnh được bước sóng (tunable laser), laser

Khuếch đại tín hiệu Khuếch đại tín hiệu

Tách tín hiệu Ghép tín hiệu Thu tín hiệu Phát tín hiệu

Truyền tín hiệu trên sợi quang EDFA

EDFA

MUX

DE- MUX

Tx1

Tx2

Rx1 Rx2

Phát tín hiệu

EDFA EDFA

MUX

DE- MUX

Tx1

Tx2

Rx1 Rx2

Tách tín hiệu Ghép tín hiệu

Phát tín hiệu

EDFA EDFA

MUX

DE- MUX

Tx1

Tx2

Rx1 Rx2

λ1, λ2, λ3,…, λN λ1, λ2, λ3,…, λi

Hệ thống WDM song hướng

đa bước sóng (multiwavelength laser) Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm,

độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép

Ghép/tách tín hiệu: ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác

nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng lẻ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tách Hiện nay, đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot Khi xét đến các bộ ghép/tách WDM, cần phải quan tâm đến các tham số như: khoảng cách giữa các kênh bước sóng, độ rộng băng tần của mỗi kênh, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần- đầu xa

Truyền dẫn tín hiệu: quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu ảnh

hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, các vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính của sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi )

Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại

quang sợi EDFA Có 3 chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Độ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch không quá 1 dB)

Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không làm ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh

Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại bằng phẳng đối với tất cả các kênh

Thu tín hiệu: để thu tín hiệu, các hệ thống WDM cũng sử dụng các loại bộ tách

sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

1.4.5 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM:

Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đã rút ra được những ưu nhược điểm của công nghệ WDM như sau:

Ưu điểm của công nghệ WDM

• Tăng băng thông truyền trên sợi quang theo số lần tương ứng với số bước sóng được ghép vào để truyền trên một sợi quang

• Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như: chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, IP

• Khả năng mở rộng: những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thông truyền dẫn trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng ở nhiều cấp độ khác nhau

• Hiện nay, WDM là công nghệ duy nhất cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải trong suốt nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động

Nhược điểm của công nghệ WDM

• Vẫn chưa khai thác hết băng tần hoạt động rất rộng của sợi quang (chỉ mới tận dụng được băng C và băng L)

• Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần

• Nếu hệ thống sợi quang đang sử dụng là sợi DSF theo chuẩn G.653 thì rất khó triển khai WDM vì khi đó, sẽ xảy ra hiện tượng trộn bốn bước sóng trong sợi quang

1.4.6 Sự phát triển của WDM trong thời gian qua:

Sự phát triển của các hệ thống WDM nhìn chung có thể chia làm ba giai đoạn (hình 1.3):

Hệ thống WDM thế hệ 1: là hệ thống WDM điểm nối điểm với các trạm xen/rẽ trên tuyến quang phải là các thiết bị MUX/DEMUX để tách/ghép tất cả các bước sóng

Hệ thống WDM thế hệ 2: là hệ thống WDM điểm nối đa điểm với các trạm xen/rẽ trên tuyến quang là các OADM cho phép tách/ghép trực tiếp những bước sóng cần xen/rẽ

Hệ thống WDM thế hệ 3: mạng WDM toàn quang với các thiết bị chuyển mạch

và định tuyến bước sóng Mạng trong trường hợp này gọi là mạng định tuyến bước sóng: mạng cung cấp các đường quang (lightpath) tới người sử dụng là các đầu cuối SDH (SONET) hay các bộ định tuyến IP Hình 1.4 là một minh họa cho mạng này Trên hình 1.4, có thể thấy các đường quang giữa B và C, D và E, E và F, A và F Trong mạng định tuyến bước sóng này, tại các nút trung gian, các đường quang được định tuyến và chuyển mạch từ một liên kết này đến một liên kết khác Có thể xảy ra trường hợp biến đổi bước sóng Các phần tử quan trọng cho kết nối mạng quang là bộ kết cuối đường dây quang (OLT), bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADM) và bộ kết nối chéo quang (OXC)

Hình 1.7 Sự phát triển của các hệ thống WDM

CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG DWDM

Chương 1 đã trình bày những nét tổng quan nhất về hệ thống thông tin quang

và công nghệ DWDM, những ưu thế nổi trội cũng như vai trò hết sức quan trọng của công nghệ này Để có thể hiểu rõ hơn về công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM, chương này sẽ phân tích cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của các phần tử trong hệ thống DWDM

Hình 2.1 là sơ đồ một tuyến DWDM điển hình với các thành phần cơ bản của

hệ thống bao gồm:

- Các bộ chuyển đổi bước sóng (OTU)

- Các bộ tách ghép kênh quang (OMUX và ODMUX)

- Các bộ khuếch đại quang (OBA, OLA, OPA)

- Bộ xen/rẽ quang (OADM)

- Các module bù tán sắc (DCM)

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống DWDM

2.1 Bộ chuyển đổi bước sóng OUT:

OTU là thiết bị được sử dụng để thực hiện chuyển đổi bước sóng Nó chuyển đổi những bước sóng của các kênh tín hiệu quang đầu vào thành các bước sóng quang chuẩn theo khuyến nghị G.692 của ITU-T để có thể truyền trên hệ thống DWDM

OTU cũng cung cấp nhiều chức năng khác:

- Cung cấp nguồn phát quang chuẩn và ổn định: Các hệ thống DWDM cần phải ghép nhiều bước sóng trong cửa sổ quang có độ suy hao thấp với khoảng cách giữa các bước sóng nhỏ, vì vậy tần số trung tâm của nguồn phát quang phải làm việc ổn định trong chuỗi tần số trung tâm chuẩn được chỉ ra bởi ITU-T

- Nguồn quang có giới hạn tán sắc khá lớn: với một nguồn quang có giới hạn tán sắc lớn sẽ làm tăng được khoảng cách truyền dẫn của tuyến mà không cần sử dụng đến các bộ bù tán sắc, đồng thời làm giảm được các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến hệ thống

- OTU cũng được sử dụng như một bộ lặp với các chức năng tái tạo dạng xung, khôi phục định thời và khôi phục dữ liệu

2.1.1 Nguyên lý hoạt động:

OTU thực hiện việc chuyển đổi quang - điện (O/E) với các tín hiệu quang đưa vào ghép kênh theo khuyến nghị G.957 và thực hiện tái tạo tín hiệu, khôi phục định thời và khôi phục dữ liệu đối với các tín hiệu quang đã được chuyển đổi thành điện Sau đó thực hiện chuyển đổi điện - quang (E/O) để đưa ra tín hiệu kênh quang DWDM mà có bước sóng, độ tán sắc và công suất phát quang theo chuẩn G.692

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của OUT

Sau khi chuyển đổi O/E nếu chỉ thực hiện tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục định

thời (thực hiện chức năng 2R: Reshape, Retiming) thì OTU thực hiện chức năng

chuyển đổi bước sóng cho truyền dẫn ở khoảng cách ngắn

O/E

G.957

Tín hiệu quang đầu ra

Tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục định thời E/O Tín hiệu quang

đầu vào

G.692

Nếu sau khi chuyển đổi O/E, OTU xử lý tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục định

thời và khôi phục dữ liệu (chức năng 3R: Reshape, Retiming, Regenaration) được

thực hiện thì OTU đó có chức năng của một bộ repeater

2.1.2 Phân loại và ứng dụng:

Phụ thuộc vào vị trí của OTU trong mạng DWDM mà OTU có thể được chia làm 3 loại: OTUT, OTUR và OTUG Ứng dụng của chúng trong hệ thống như trong hình vẽ:

Hình 2.3: Ứng dụng của OUT

OTUT (OTU ở đầu phát): đặt giữa các thiết bị của khách hàng và OMUX Thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang từ phía khách hàng thành tín hiệu quang đầu ra theo chuẩn G.692 rồi đưa vào OMUX Loại OTU này không chỉ thực hiện chức năng chuyển đổi O/E và E/O mà còn thực hiện việc tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục định thời (chức năng 2R) và có chức năng tìm byte B1 (byte giám sát lỗi bit từng đoạn lặp) OTUR (OTU ở đầu thu): đặt giữa ODMUX và các thiết bị của khách hàng Tín hiệu quang đầu ra từ ODMUX đến OTUR phải tuân theo chuẩn G.692 Loại OTU này có chức năng giống như OTUT, nó thực hiện chuyển đổi bước sóng, chức năng 2R và tìm kiếm byte B1

OTUG (OTU chuyển tiếp): đặt giữa OMUX và ODMUX Tín hiệu đầu vào và đầu ra của OTUG phải tuân theo chuẩn G.692 OTU loại này không chỉ có chức năng chuyển đổi O/E, E/O mà còn có chức năng tái tạo lại dạng tín hiệu, khôi phục định thời, và chức năng khôi phục dữ liệu (chức năng 3R) Vì vậy OTUG tương đương như một bộ lặp thông thường và cũng có chức năng tìm byte B1

2.2 Ghép kênh quang OMUX và tách kênh quang ODMUX:

Với các hệ thống thông tin sợi quang thông thường trước đây, mỗi sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu quang từ một nguồn phát tới một bộ tách quang tại đầu thu

vì vậy các tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau đòi hỏi các sợi xác định riêng biệt Tuy nhiên các nguồn quang lại có độ rộng phổ tương đối hẹp vì vậy phương pháp này rất lãng phí tài nguyên truyền dẫn của sợi quang

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng quang ra đời đã cho phép tăng dung lượng truyền dẫn mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và không cần phải dùng thêm các sợi quang Kỹ thuật này thực hiện truyền các luồng ánh sáng với các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang Các hệ thống thông tin quang thông thường chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi sẵn có Do đặc điểm của các nguồn phát là có độ rộng phổ khá hẹp, nếu tận dụng được thì có thể truyền được một dung lượng rất lớn trên một sợi quang từ nhiều nguồn phát quang khác nhau hoạt động ở các bước sóng khác nhau một cách hợp lý Ở phía đầu thu có thể thực hiện thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng khác nhau Theo những nghiên cứu mới nhất thì hiện nay trên các sợi quang đã có thể ghép được tới 160 bước sóng, dung lượng truyền trên mỗi bước sóng là 10Gb/s

Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng quang được mô tả như trên hình 1.1 Giả sử các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ1, λ2, , λn Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang ở phía phát Bộ ghép kênh theo bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi được ghép sẽ được truyền dọc theo sợi để tới phía thu Tới bên thu, qua bộ giải ghép kênh (ODMUX), tín hiệu sẽ được tách ra thành các bước sóng riêng rẽ và đến các bộ thu thích hợp

Có 3 loại WDM chính được sử dụng đó là:

- Bộ lọc điện môi màng mỏng (Dielectric thin film filters-DTF) dùng để lọc các bước sóng riêng biệt trong dải bước sóng cụ thể cũng như dễ dàng thích ứng

trong việc truyền dẫn một chiều hoặc hai chiều Bộ lọc DTF được sử dụng để ghép bước sóng tại hai cửa sổ

- Cách tử nhiễu xạ dùng để ghép và tách nhiều tín hiệu trong cùng một cửa

Hình 2.4: Nguyên lý ghép/tách bước sóng

Theo đặc tính phổ thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành hai họ:

- Bộ lọc thông dải: được đặc trưng bởi bước sóng cắt λc và có đáp ứng phổ thông thấp hoậc thông cao

- Bộ lọc băng thông: được đặc trưng bởi bước sóng trung tâm λo và độ rộng băng ∆λ của bộ lọc

Các bộ lọc thông dải được đặc trưng bởi bước sóng cắt λc, có cấu trúc bao gồm các lớp điện môi có chiết suất cao H (Ge, Si, Ta2O5 ) và các lớp có chiết suất thấp L (GeF3, SiO, SiO2 ) đặt xen kẽ nhau trên cùng một phiến đế Mỗi lớp có độ dày là λ/4 đối với bộ lọc bậc 0 và độ dày 3λ/4 đối với bộ lọc bậc 1 Cấu trúc thường được sử dụng là cấu trúc (H/2 L H/2)k, yêu cầu đặt ra đối với bộ lọc loại này là đặc tuyến phải có sườn dốc và có độ phản xạ cao trong dải phổ tín hiệu và đồng thời truyền dẫn tốt phổ tín hiệu bù Các bộ lọc thông dải được sử dụng rộng rãi cho việc ghép/tách hai bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ như 850 và 1300nm hay 1300 và 1550nm) Do đó mà thiết bị này có thể sử dụng một cách có hiệu quả đối với 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 thông Hơn nữa để bộ lọc có khả năng đáp ứng được sự chuyển dịch bước sóng của nguồn do nhiệt độ gây ra, bộ lọc 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 kênh giữa hai kênh kề nhau

Bộ lọc băng thông được đặc trưng bởi bước sóng trung tâm λ0, có độ rộng băng ∆λ, thích hợp với các nguồn phát có phổ hẹp như laser Có thể đạt độ rộng dải thông ∆λ/λ = 0.045 với bộ lọc gồm 23 lớp điện môi và 3 hốc sử dụng các lớp chiết suất cao TiO2 = 2.45 và lớp chiết suất thấp SiO2 = 1.47 trên phiến có chiết suất n = 1.563

Hình 2.5 là sơ đồ cấu trúc của một bộ lọc điện môi giao thoa sử dụng nhiều lớp

có chiết suất cao thấp xen kẽ nhau Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa ánh sáng tạo ra những phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên

lần của nửa bước sóng ánh sáng tới thì giao thoa xếp chồng xảy ra và bước sóng đó được truyền dẫn thông suốt nhất Các chùm ánh sáng ở những bước sóng khác trong buồng cộng hưởng hầu như bị phản xạ hoàn toàn

Hình 2.5: Cấu trúc của bộ lọc điện môi giao thoa

Dưới đây ta xem xét một số thiết bị tách bước sóng dùng bộ lọc điện môi màng mỏng:

Hình 2.6: Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa

Cấu trúc cơ bản của bộ tách hai kênh như ở hình 2.6a, trong khi đó thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như ở hình 2.6b Các phần tử chuẩn trực và hội tụ các thấu

kính GRIN 1/4 chu kỳ P Bộ lọc được thiết kế để phát đi λ1 và phản xạ λ2 sẽ được

đặt giữa hai thấu kính

Các thiết bị tách bước sóng này được sử dụng rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bước sóng 850 nm và 1300 nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bước sóng như: 800 nm và 830 nm; 800

nm và 890 nm; 1200 nm và 1300 nm; hoặc 1300nm và 1550 nm vv , với suy hao xen nhỏ hơn 3dB và suy hao xuyên kênh cao hơn 25dB

kính, các sợi quang vv Hình 2.8 là bộ tách 5 bước sóng dùng thấu kính GRIN và khối thuỷ tinh trong suốt

Đôi khi có thể thực hiện tạo ra bộ tách kênh mà không cần sử dụng đến các phần tử chuẩn trực, thiết bị không có thấu kính, mà các bộ lọc giao thoa ở đây được đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi được mài nhẵn

Hình 2.9: Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn

trực tiếp vào sợi

Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (OMUX-ODMUX):

Hình 2.10: Thiết bị OMUX – ODMUX 4 bước sóng

Các bước sóng 0,81µm và 0,89µm từ hai nguồn quang khác nhau được ghép thành một tia chung để truyền qua sợi quang Các bước sóng 1,2 µm và 1,3 µm từ sợi quang đến được tách thành hai tia ứng với mỗi bước sóng để đưa đến diode thu quang Thấu kính GRIN tại cổng vào dùng loại 1/4P phân kì, tại cổng ra dùng loại 1/4

P hội tụ

Ánh sáng phản xạ giữa các lớp phẳng song song, nơi đặt các bộ lọc nhiều lớp, ánh sáng được chia ra theo 2 vùng phổ khác nhau: bộ lọc bước sóng dài LWPF phản xạ các bước sóng 0.81µm và 0.89 µm, bộ lọc các bước sóng ngắn SWPF phản xạ các bước sóng 1.2µm và 1.3 µm Các bộ lọc thông dải BPF sẽ chọn ra các kênh riêng biệt: 0.81 µm ra khỏi 0.89 µm và 1.2 µm ra khỏi 1.3µm Độ rộng các kênh là 25nm và 32 nm ở cửa sổ đầu tiên và 47nm và 50 nm tại cửa sổ thứ hai

Một thí dụ khác của bộ OMUX-ODMUX dùng gương cầu lõm như hình 2.11

Hình 2.11: Thiết bị MUX-DEMUX 3 bước sóng

Các đầu sợi quang đặt trên mặt phẳng tiêu D Gương cầu lõm A phản xạ bước sóng 0,825 µm tới đầu ra Gương cầu lõm B phản xạ bước sóng 0,870 µm từ sợi chung vào và tới sợi ra Gương cầu lõm C phản xạ bước sóng 1,3 µm từ sợi chung vào và tới sợi ra khác

2.2.2 Phương pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ

Do nhược điểm không tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau nên thấu kính ngày nay hầu như không được sử dụng nữa, mà thay vào đó người ta sử dụng cách

tử nhiễu xạ là chủ yếu Các bộ tách/ghép bước sóng sử dụng bộ lọc không thể thực hiện được khi số lượng kênh lớn và các bước sóng rất sát gần nhau Thuận lợi chính của cách tử đó là có thể nhiễu xạ đồng thời tất cả các bước sóng và có thể thực hiện được với các bộ tách ghép nhiều kênh Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng sử dụng cách

tử đó là: dựa trên hiện tượng góc nhiễu xạ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng

Cách tử nhiễu xạ là một thiết bị quang thụ động, nhiễu xạ chùm sáng tới theo các hướng khác nhau tùy theo góc tới của chùm sáng trên bề mặt cách tử, bước sóng của ánh sáng tới, các đặc tính thiết kế của cách tử, khoảng cách giữa các rãnh d (chu kỳ cách tử), góc của rãnh cách tử Trên 1mm của cách tử có từ hàng chục cho đến hàng nghìn rãnh nhỏ, số rãnh trên một đơn vị chiều dài của cách tử

được gọi là hằng số cách tử

Người ta chế tạo cách tử bằng cách dùng một mũi kim cương nhọn rạch những đường song song cách đều trên một tấm thuỷ tinh phẳng Chỗ bị rạch có tác dụng như những chắn sáng, chỗ còn lại có tác dụng như những khe sáng Cách tử thu được bằng cách đó gọi là cách tử truyền xạ Cách tử truyền xạ ngày nay dùng rất ít vì mũi kim cương mau mòn khi rạch lên thuỷ tinh hoặc thạch anh, khiến cho các khe cuối không còn độ rộng như khe đầu Vả lại một phần ánh sáng bị mất vì phản xạ Thay vào đó là cách tử phản xạ, bằng cách rạch lên bề mặt kim loại phủ trên thuỷ tinh, tạo ra các chắn sáng Phần còn lại phản xạ ánh sáng có tác dụng như các “khe” Các lớp kim loại phủ thường là bạc hoặc nhôm, khá mềm, nên mũi kim cương rất lâu mòn

Tùy theo các bước sóng khác nhau mà cách tử nhiễu xạ ánh sáng theo các hướng khác nhau Do vậy, chùm tia tới với nhiều bước sóng khác nhau sẽ được tách ra theo nhiều hướng tùy thuộc vào bước sóng Ngược lại, các ánh sáng đơn sắc

từ các hướng khác nhau cũng có thể được ghép lại thành một chùm sáng truyền theo cùng một hướng