Tìm hiểu công nghệ DWDM và triển khai trong mạng đường trục của ngành điện

Trong khi, dung lượng của một sợi quang rất lớn thì các hệ thống truyền dẫn quang TDM, với một tín hiệu quang trên mỗi sợi quang, chỉ khai thách một phần nhỏ trong băng tần rộng lớn của

BÙI ĐĂNG KHOA

TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ DWDM

VÀ TRIỂN KHAI TRONG MẠNG ĐƯỜNG TRỤC

CỦA NGÀNH ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRƯƠNG THỊ DIỆU LINH

HÀ NỘI - 2010

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Trương Thị Diệu Linh, người đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo và đưa ra những đóng góp hết sức

quý báu để tôi hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo công tác tại Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã trang bị cho tôi những kiến thức trong suốt thời gian học tập

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các anh, chị đồng nghiệp tại đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện bản luận văn

Trân trọng cảm ơn!

Hà nội ngày 10 tháng 04 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Bùi Đăng Khoa

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

TÓM TẮT LUẬN VĂN 5

ABSTRACT 6

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐÔ THỊ 11

DANH MỤC CÁC BẢNG 13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DWDM 16

1.1 Giới thiệu chung 16

1.2 Sự cần thiết của công nghệ DWDM 18

1.2.1 Sự thách thức của mạng thông tin trong tương lai 18

1.2.2 Sự khủng hoảng băng thông 19

1.2.3 Khả năng mở rộng của công nghệ DWDM 19

1.3 Sự cần thiết phải triển khai công nghệ DWDM tại Việt Nam nói chung và của ngành điện nói riêng 20

1.4 Nội dung và mục tiêu của đề tài 21

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH QUANG DWDM 22

2.1 Giới thiệu hệ thống thông tin quang 22

2.2 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng DWDM và các tham số cơ bản: 26

2.2.1 Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng: 26

2.2.2 Các tham số cơ bản: 29

CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC HỆ THỐNG DWMD 33

3.1 Laser phát 33

3.2 Bộ điều chỉnh công suất 36

3.3 Các bộ tách ghép bước sóng 36

3.3.1 Nhóm dựa trên nguyên lý tán sắc góc: 36

3.3.2 Nhóm dựa trên nguyên lý giao thoa 39

3.3.3 Ghép tách kênh sử dụng ống dẫn sóng kiểu cách tử ống dẫn sóng quang (AWG) 42

3.3.4 Bộ ghép tách kênh sử dụng bộ lọc quang 43

3.4 Bộ khuyếch đại đường quang 49

3.4.1 Lý thuyết khuếch đại trong EDFA 49

3.4.2 Cấu trúc EDFA 53

3.4.3 Phổ khuếch đại 53

3.5 Bộ xen rẽ quang 56

3.6 Bộ nối chéo quang 58

3.7 Thiết bị bù tán sắc 59

3.7.1 Tán sắc 59

3.7.2 Sợi bù tán sắc 62

3.7.3 Cách tử Bragg 63

3.8 Sợi quang 64

3.8.1 Sợi quang G.652 64

3.8.2 Sợi quang G.653 65

3.8.3 Sợi quang G.654 66

3.8.4 Sợi quang G.655 66

3 9 Bộ thu quang 67

CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG DWDM TRONG MẠNG ĐƯỜNG TRỤC CỦA NGÀNH ĐIỆN 68

4.1 Hiện trạng mạng đường trục 68

4.1.1 Hệ thống cáp quang 68

4.1.2 Hệ thống thiết bị truyền dẫn đường trục Bắc – Nam 70

4.2 Giải pháp triển khai mạng đường trục DWDM 72

4.2.1 Yêu cầu chung 72

4.2.2 Tính toán dung lượng cho hệ thống truyền dẫn đường trục DWDM Bắc - Nam 74

4.2.3 Cầu trúc hệ thống mạng đường trục 79

4.2.4 Tính toán suy hao cho các tuyến cáp .81

4.3 Hệ thống quản lý mạng 85

4.4 Một số thiết bị mạng DWDM của các nhà cung cấp 86

4.4.1 Thiết bị Optix BWS 1600G của Huawei 86

4.4.2 Thiết bị ZXWM M900 của ZTE 88

KẾT LUẬN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu

3R Re-sharp, Re- time, Re-amplify Bù tán sắc, định thời, khuyếch đại APD Avalanche photodiode Đi ốt tách sóng quang thác

ASE Amplified spontaneous emission Phát xạ tự phát được khuyếch đại ATM Asynchronous Transfer Module Chế độ truyền không đồng bộ AWG Arrayed Waveguide Grating Ma trận ống dẫn sóng kiểu lưới

B-ISDN Broadband – Intergrated Service

Digital Network

Mạng số tích hợp đa dịch vụ

CGS Cross Gain Saturation Bão hòa khuyếch đại chéo

DBR Distributed Bragg Refection Phản hồi tán xạ Bragg phân bố DCM Dispersion Compensating Module Bộ phận bù tán sắc

DFB Distributed Feedback Phản hồi phân bố

DGT Dynamic Gain Tilt Dải rộng khuyếch đại

HDTV High Definition Television Truyền hình độ phân giải cao DISP-C Dispersion Compesation Bù tán sắc

DRA Distributed Raman Amplier Bộ khuyếch đại Raman phân bố DST Discrete Since Transform Biến đổ rời rạc

DWDM Desen Walength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao

DX Digital Cross Connect Kết nối chéo số

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Khuyếch đại sợi pha tạp erbium

ESCON Enterprise systems Connection Mạng kết nối công ty

ESI External Synchorous Interface Khối giao tiếp đồng bộ ngoài

FBG Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước

FWM Four – Wave Mixing Trộn bốn bước sóng

IM-DD Intensity Modulation – Direct

Detection

Điều chế cường độ - tách trực tiếp

ITU-T International Telecommunication

Union

Liên minh viễn thông quốc tế

MPI Multi Path Interface Xuyên nhiễu đa kênh

Attenuator

Bộ giám sát và điều chỉnh suy hao quang

MZI Mach Zehnder Interferometer Bộ giao thoa Mach Zehnder

NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau

NZDSF None Zero Dispersion Shifted

Fiber

Sợi quang dịch chuyển tán sác khác không

OADM Optical Add Drop Multiplexer Bộ xen rẽ sóng quang

ODMUX Optical Demultiplexer Bộ tách sóng quang

OMUX Optical Multiplexer Bộ ghép sóng quang

OSNCP Optical Sub Network Connection

Protection

Cơ chế bảo vệ mạng kết nối quang

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

OXC Optical Cross Connect Nối chéo quang

PDH Plesiochronous Digital Hierachy Phân cấp số cận đồng bộ

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

PRC Primary Reference Clock Đồng hồ tham chiếu chính

SASE Stand Alone Synchoronization

Equipment

Thiết bị khôi phục đồng bộ chuẩn

SBS Stimulated Brillouin Scatting Tán xạ Brillouin kích thích

SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha

SRS Stimulated Raman Scatting Tán xạ Raman kích thích

SSG Super Structure Grating Kết cấu lưới siêu chu kỳ

SSU Synchoronization Supply Unit Thiết bị cung cấp đồng bộ

STM Synchorous Transmision Mode Chế độ chuyển giao đồng bộ TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia thời gian TFF Thin Film Filters Bộ lọc màng mòng điện môi VOA Variable Optical Attenuator Bộ suy hoa điều chỉnh được

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

Multiplexing

Ghép kênh phân chia bước sóng

WT Wavelength Trasponder Chuyển đổi bước sóng

XPM Corss Phase Modulation Điều chế pha chéo

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐÔ THỊ

Hình 1 1: Cấu trúc tổng quát của DWDM và phổ tín hiệu ghép ………… 16

Hình 2 1: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang 23

Hình 2 2: Độ rộng phổ nguồn quang và dải thông của sợi quang 25

Hình 2 3: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên sợi quang 27

Hình 2 4: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang 28

Hình 2 5: Mô tả thiết bị tách ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX) 29

Hình 3 1: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn DWDM điểm- điểm 33

Hình 3 2: Phương pháp điều chế gián tiếp 35

Hình 3 3: Sử dụng cách tử nhiễu xạ phẳng để tách bước sóng 36

Hình 3 4: Bộ tách Littrow .37

Hình 3 5: Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar và gương lòng chảo 38

Hình 3 6: Cách tử hình lòng chảo 38

Hình 3 7: Sơ đồ cấu trúc bộ tách sử dụng cách tử hình lòng chảo 39

Hình 3 8: Bộ tách kênh sử dụng chuỗi lọc giao thoa MZI 39

Hình 3 9: Cấu trúc cách tử Bragg 40

Hình 3 10: Bộ tách kênh sử dụng cách tử sợi quang 41

Hình 3 11: Bộ tách kênh sử dụng AWG 42

Hình 3 12: Bộ lọc màng mỏng điện môi 43

Hình 3 13: Cấu trúc bộ tách kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng điện môi 44

Hình 3 14:Phân bổ công suất đầu ra của bộ lọc màng mỏng điện môi 44

Hình 3 15: Hàm truyền đạt của bộ lọc màng mỏng điện môi 45

Hình 3 16: Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa 46

Hình 3 17: Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều bước sóng 47

Hình 3 18: Bộ tách vi quang 5 kênh thực tế 47

Hình 3 19: Bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn trực tiếp vào sợi 48

Hình 3 20: Giản đồ phân bố năng lượng của Er3+ 49

Hình 3 21: Sơ đồ chuyển đổi trạng thái của Er3+ 52

Hình 3 22: Cấu trúc EDFA 53

Hình 3 23: Phổ khuyếch đại EDFA 54

Hình 3 24: Bộ khuyếch đại EDFA hai tầng 56

Hình 3 25: Bộ xen rẽ quang OADM 56

Hình 3 26: Bộ xen rẽ quang sử dụng cách tử Bragg 57

Hình 3 27: Sơ đồ OADM điều khiển 58

Hình 3 28: Sơ đồ bộ nối chéo quang 59

Hình 3 29: Nguyên lý bù tán sắc bằng cách tử Bragg 63

Hình 3 30: Tán sắc của sợi NZ-DSF 67

Hình 4 1: Sơ đồ hiện trạng truyền dẫn ngành điện 72

Hình 4 2: Phương án nâng cấp hệ thống truyền dẫn đường trục lên DWDM 81

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1: Các thành tựu cơ bản của thông tin quang 18

Bảng 3 1: So sánh tính chất của EDFA trong băng C và băng L 55

Bảng 3 2: Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp 60

Bảng 3 3: Giới hạn độ dài tuyến truyền dẫn bởi tán sắc 62

Bảng 3 4: So sánh sợi bù tán sắc DCF và cách tử Bragg 64

Bảng 4.1: Tính toán dung lượng cho hệ thống truyền dẫn đường trục DWDM ……….….82

Bảng 4.2: Tính toán suy hao tán sắc đối với hệ thống DWDM ……… …87

Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật thiết bị Optix BWS 1600G……… 92

LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, thị trường viễn thông thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đã có những bước phát triển mạnh mẽ Hàng loạt dịch vụ mới được triển khai cung cấp như Internet băng rộng, dịch vụ di động, Wifi, Wimax, video theo yêu cầu, dịch vụ mạng riêng ảo VPN … với yêu cầu về dung lượng đường truyền ngày một nâng cao

Tập đoàn Điện lực Việt Nam đã sớm tham gia vào thị trường viễn thông trong nước và có những bước tiến đáng kể Cho đến nay dịch vụ điện thoại dựa trên công nghệ CDMA do EVN Telecom cung cấp đã có trên 3 triệu thuê bao Các dịch vụ khác như Internet, kênh thuê riêng, điện thoại cố định, kênh thuê riêng, dịch vụ VoIp… cũng đã có những thành công nhất định Với mục tiêu đa dạng hóa các dịch vụ nhằm thỏa mãn tối đa nhu cầu của khách hàng, trong thời gian tới Tập đoàn Điện lực Việt Nam sẽ triển khai cung cấp nhiều dịch vụ mới như Wimax, IPTV, Video on demand, dịch vụ điện thoại di động thế hệ 3 Điều

đó đòi hỏi cơ sở hạ tầng mạng truyền dẫn phải đi trước một bước sẵn sàng đáp ứng dung lượng đường truyền ngày một tăng cao

Tuy nhiên dung lượng mạng truyền dẫn đường trục Bắc Nam hiện nay mới có 5Gbps sử dụng công nghệ truyền dẫn SDH được tổ chức trên các tuyến cáp quang của đường dây 500KV Dung lượng như vậy là còn nhỏ và chưa đủ đáp ứng nhu cầu truyền dẫn trong thời gian tới

Hiện nay công nghệ DWDM là một công nghệ mới có khả năng nâng cao dung lượng truyền dẫn gấp nhiều lần trong khi vẫn tận dụng được các tuyến cáp quang hiện có Việc ứng dụng công nghệ DWDM sẽ giúp Tập đoàn Điện lực Việt Nam làm chủ được công nghệ truyền dẫn tiên tiến nhất hiện nay đồng thời tiết kiệm vốn đầu tư trong khi vẫn đảm bảo đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn

trong thời gian tiếp theo Vì vậy là một cán bộ đang làm việc cho ngành Điện, tôi tập trung nghiên cứu về công nghệ DWDM

Luận văn được nghiên cứu nhằm mục tiêu trình bày một cách hệ thống quá trình phát triển của thông tin quang nói chung và công nghệ DWDM nói riêng Đồng thời chỉ ra những lợi ích khi áp dụng vào mạng truyền dẫn ngành Điện và phương án cụ thể nâng cấp mạng cáp quang đường trục ngành Điện Nội

dung luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về DWDM

Giới thiệu lộ trình phát triển của thông tin quang, nhu cầu và sự cần thiết triển khai hệ thống DWDM tại Việt Nam và cụ thể trong hệ thống thông tin ngành Điện

Chương 2: Hệ thống thông tin quang và phương pháp ghép kênh DWDM

Tìm hiểu nguyên lý cơ bản kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM Những tham số cơ bản của hệ thống DWDM

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DWDM

1.1 Giới thiệu chung

Sự tăng nhanh yêu cầu về dung lượng, khoảng cách và sự đa dạng

về định dạng truyền tin làm cho các hệ thống ghép kênh theo thời gian (TDM) và việc tăng số lượng sợi quang không đáp ứng được Trong khi, dung lượng của một sợi quang rất lớn thì các hệ thống truyền dẫn quang TDM, với một tín hiệu quang trên mỗi sợi quang, chỉ khai thách một phần nhỏ trong băng tần rộng lớn của sợi quang Do đó, đã nảy sinh nhu cầu cần một hệ thống có khả năng tăng dung lượng truyền dẫn trên một sợi quang bằng cách tận dụng băng thông rộng của sợi, tăng khoảng cách truyền dẫn và đáp ứng đồng thời nhiều định dạng thông tin Đây là động lực phát triển hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM

Hệ thống WDM cho phép tăng dung lượng truyền dẫn trên một sợi quang,

mà không tăng tốc độ xung, bằng cách tận dụng băng thông rộng của sợi quang

Có thể ghép các luồng số liệu có tốc độ và định dạng khác nhau Do đó, hệ thống đáp ứng được các yêu cầu kể trên

Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ ghép nhiều kênh có bước sóng khác nhau để truyền đi trên cùng một sợi quang Các bộ ghép và tách kênh được sử dụng là các thiết bị quang thụ động Ghép kênh theo bước sóng hoàn toàn trong suốt đối với dữ liệu được truyền Vì thế, tốc độ và chuẩn dữ liệu của các kênh được ghép không cần phải giống nhau

Cấu trúc tổng quát của một tuyến WDM đơn hướng, n kênh như hình 1.1

Hình 1.1: Cấu trúc tổng quát của WDM và phổ của tín hiệu ghép

Các luồng thông tin cần truyền được đưa tới khối phát của từng kênh Các khối này làm nhiệm vụ phát đáp với bước sóng khác nhau Đầu ra của các khối phát được đưa tới bộ ghép kênh theo bước sóng để ghép thành một luồng tổng được khuyếch đại và phát lên sợi quang Trên đường truyền, có thể đặt các bộ khuyếch đại nhằm đảm bảo về công suất để tăng khoảng cách truyền Tại đầu thu, tín hiệu này được khuyếch đại để tín hiệu đủ lớn và được đưa tới bộ tách kênh theo bước sóng để tách thành các kênh tương tự như đầu phát Các kênh bước sóng riêng được đưa tới các khối phát tương ứng để chuyển từng kênh thành các luồng tín hiệu riêng tương ứng với phía phát

Hiện tại, có hai hệ thống ghép kênh theo bước sóng được biết là hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM – Dense Wavelength Division

X

D E M U

Rx- Rx- Rx-

λ1λ2

λk

λn

λ1λ2

Mutiplexing) và hệ thống ghép kênh theo bước sóng thô (CWDM – Coarse Wavelength Division Mutiplexing)

Bảng 1 1: Phân chia băng tần quang

Băng C Conventional – băng thông thường 1530 đến 1565

Băng U Ultra-long – băng cực dài 1625 đến 1675

DWDM là một công nghệ ghép kênh theo bước sóng với số bước sóng lớn trong một băng tần hạn chế Hệ thống ghép kênh DWDM hiện tại hoạt động ở băng C hoặc băng L (bảng 1-1), dung lượng 32 hoặc 40 kênh, khoảng kênh 0,4

nm và tốc độ tới 10G Các bước sóng được chuẩn hóa theo khuyến nghị ITU-T G.692 (bảng 1-2) Hiện tại, hệ thống DWDM đã nghiên cứu thử nghiệm với

dung lượng kênh được nâng đến 40G hoặc số lượng kênh được nâng đến 80

1.2 Sự cần thiết của công nghệ DWDM

1.2.1 Sự thách thức của mạng thông tin trong tương lai

Với sự bùng nổ nhu cầu băng thông của khách hàng, rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ đã và đang bắt đầu cạn kiệt nguồn tài nguyên sợi quang Một vấn đề này sinh khách nữa là việc phát triển và tích hợp các công nghệ khác nhau trên cùng một cơ sở hạ tầng Nhu cầu của khách hàng và sức ép của sự cạnh tranh đã buộc các nhà cung cấp dịch vụ phải cung cấp nhiều loại hình dịch vụ khác nhau

trên một hệ thống mạng hiện hữu Công nghệ DWDM giúp cho nhà cung cấp dịch vụ giải quyết được nhu cầu này Các dịch vụ IP như email, video, và các dịch vụ đa phương tiện thông qua nền ATM và cung cấp các dịch vụ voice trên nền SONET/SDH Mặc dù trên thực tế các công nghệ IP, ATM, SONET/SDH cho ta khả năng quản lý băng thông khác nhau nhưng chúng đều có thể truyền tải được trên cùng một nền truyền dẫn quang sử dụng công nghệ DWDM Sự hợp nhất hệ thống mạng này cho phép các nhà cung cấp dịch vụ đáp ứng nhu cầu khách hàng trên cùng một hệ thống mạng một cách mềm dẻo

1.2.2 Sự khủng hoảng băng thông

Để đối mặt với thách thức trong việc tăng trưởng dịch vụ, sự cạn kiệt sợi quang nhu cầu băng thông, các nhà cung cấp dịch vụ cần phải xem xét đến các giải pháp có tính kinh tế Một trong các giải pháp nhằm làm giảm sự cạn kiện sợi quang là xây dựng các tuyến cáp quang mới Tuy nhiên việc xây dựng các tuyến cáp quang mới là một giải pháp tốn kém

Một lựa chọn khác là tăng tốc độ truyền dẫn sử dụng công nghệ ghép kênh theo thời gian Tuy nhiên khi sử dụng phương pháp này cần có một sự đột biến trong tốc độ truyền dẫn Cần phải chi phí cho một băng thông lớn hơn phần băng thông họ thực sự cần Trên cơ sở phân cấp tốc độ truyền dẫn SONET/SDH cần thiết phải xây dựng một hệ thống truyền dẫn tốc độ 40Gbps nếu ta muốn nâng dung lượng truyền dẫn lên trên 10Gbps

1.2.3 Khả năng mở rộng của công nghệ DWDM

Một lựa chọn thứ 3 cho các nhà cung cấp dịch vụ trong việc mở rộng băng thông là sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng DWDM Trong đó, để tăng băng thông, ta sẽ ghép theo bước sóng DWDM Trong đó để tăng băng thông ta sẽ gán các tín hiệu quang với các bước sóng xác định và ghép các tín hiệu đầu ra để truyền trên cùng một tuyến thông tin quang duy nhất

DWDM kết hợp một nhóm các tín hiệu quang với nhau để truyền trên một tuyến thông tin quang duy nhất nhằm tăng dung lượng truyền dẫn Mỗi tín hiệu đầu vào có thể ở các tốc độ truyền dẫn khác nhau (STM-n) và có thể kết hợp các tín hiệu đầu này với nhau nhưng vẫn đảm bảo đựoc hiệu suất cũng như

độ tin cậy với hệ thống hiện hữu và thậm chí là vượt trội hơn hệ thống hiện hữu Hiện nay, các thiết bị ghép kênh quang theo bước sóng DWDM có thể truyền dẫn được đến 40 bước sóng, mỗi bước sóng có tốc đọ 10Gbps Như vây tổng băng thông trên một tuyến có thể tới 400Gbps tương đương với băng thông cần thiết để truyên 90 000 bộ bách khoa toàn thư trong một giây

Kỹ thuật sử dụng trong công nghệ DWDM nhằm đảm bảo truyền dẫn trong tin tốc độ cao là các bộ khuyếch đại quang – quang Các bộ khuyếch đại quang có thể khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải chuyển đổi ngược lại tín hiệu điện Các bộ khuyếch đại quang này còn có thể đồng thời khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang gồm hàng trăm bước sóng được truyền trên

nó

1.3 Sự cần thiết phải triển khai công nghệ DWDM tại Việt Nam nói chung

và của ngành điện nói riêng

Hiện nay tại Việt Nam các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn đường trục đều đang sử dụng công nghệ truyền dẫn quang SDH Với nhu cầu sử dụng các dịch vụ viễn thông yêu cầu băng thông rộng như các dịch vụ Internet băng rộng, các dịch vụ di động, Wifi, Wimax, video theo yêu cầu , VPN …đang tăng lên ngày càng mạnh thì tài nguyên băng thông và sợi quang trên mạng đường trục đã trở nên cạn kiệt

Trong bối cảnh bùng nổ về nhu cầu viễn thông trong nước, trong khu vực

và thế giới, đặc biệt là các dịch vụ băng rộng, đồng bộ với việc triển khai cung cấp các dịch vụ, xây dựng mạng liên tỉnh, liên vùng, mạng nội hạt, mạng truy nhập tốc

độ cao, việc sử dụng công nghệ DWDM trong các tuyến thông tin huyết mạch để tối đa hóa khả năng sử dụng băng thông của sợi quang là hết sức cần thiết

Cùng với sự phát triển của thị trường viễn thông trong nược, ngành Điện cũng tham gia vào cung cấp các dịch vụ viễn thông và đã có những bước tiến đáng kể Cuối năm 2005 dịch vụ điện thoại di động CDMA được chính thức triển khai trên toàn quốc Cho đến cuối năm 2007 đã đạt được con số 2 triệu thuê bao Các dịch vụ khác như Internet, kênh thuê riêng, điện thoại cố định, VoIP cũng đã có những bước phát triển nhất định và đang dần dần xây dựng được thương hiệu Trong thời gian tới ngành Điện tiếp túc mở rộng thị trường, phát triển số lượng thuê bao cho dịch vụ CDMA cũng như các loại hình dịch vụ mới 3G, Wimax, IPTV, video on demand Vì vậy nhu cầu về dung lượng đường truyền sẽ ngày một tăng cao

Tuy nhiên dung lượng đường trục Bắc Nam hiện nay của ngành Điện mới

có 5Gbps, sử dụng công nghệ truyền dẫn quang SDH và các tuyến cáp quang treo trên đường dây 500KV Dung lượng như vậy là còn nhỏ Vì vậy việc xây dựng các tuyến thông tin đường trục với dung lượng lớn, sử dụng công nghệ truyền dẫn hiện đại có khả năng nâng cấp dung lượng đáp ứng được nhu cầu sử dụng trong tương lai là cần thiết Do đó ngành điện hiện nay đã và đang đầu tư

hệ thống thông tin quang đường trục Bắc Nam sử dụng công nghệ DWDM nhằm đáp ứng nhu cầu truyền dẫn hiện tại cũng như trong tương lai

1.4 Nội dung và mục tiêu của đề tài

Luận văn này tập trung nghiên cứu về công nghệ DWDM và tổ chức thiết

kế hệ thống mạng DWDM dựa trên hạ tầng mạng cáp quang và truyền dẫn quang hiện có của ngành Điện, đảm bảo được nhu cầu về băng thông, khả năng mở rộng cũng như tính linh hoạt của hệ thống đáp ứng nhu cầu điều hành sản xuất điện cũng kinh doanh viễn thông của ngành Điện trên phạm vi cả nước

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

VÀ PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH QUANG DWDM

2.1 Giới thiệu hệ thống thông tin quang

Trong vòng 10 năm trở lại đây, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của của công nghệ điện tử - viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại Dưới đây là những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các môi trường truyền dẫn khác,

đó là:

Suy hao truyền dẫn nhỏ

Băng tần truyền dẫn rất lớn

Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao

Có kích thước và trọng lượng nhỏ

Sợi có tính cách điện tốt

Độ tin cậy cao

Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có

Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh mẽ các nhà khai thác viễn thông Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, và tuyến trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại

và tương lai

Nguồn phát quang

Mạch điều khiển

Phát quangTrạm lặp

Khuếch đại quang

Đầu thu quang

Khôi phục tín hiệu Khuếch đại

Mạch điện

Tín hiệu điện ra

Mối hàn

Bộ nối

Mô hình chung của một tuyến thông tin quang như sau:

Hình 2 1: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi 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 (xem hình 2.2):

Hình 2 2: Độ rộng phổ nguồn quang và dải thông của sợi quang

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 DWDM ra đời từ ý tưởng này

2.2 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng DWDM và các tham số cơ bản:

2.2.1 Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng:

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang (DWDM)

là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất Ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ nào đó người ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn 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 Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên

Hệ thống DWDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang Công nghệ DWDM phát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất

nhỏ của 1 nm hay 10-9 m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM) Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử

lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET) Các nhà cung cấp DWDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưa vào

sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc

độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn Có hai hình thức cấu thành hệ thống DWDM

đó là:

a) Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi:

Hệ thống DWDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 2.3), ở đầu phát các tín hiệu có bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế λ1, λ2 , ,

Hình 2 3: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên sợi quang

Máy phát

quang Máy phát

quang Máy thu

quang Máy thu

quang

Bộ ghép kênh

Bộ tách kênh

Bộ khuếch đại sợi

Bộ khuếch đại sợi

Bộ tách kênh

Bộ ghép kênh

Máy thu quang Máy thu quang Máy phát quang Máy phát quang

b) Truyền dẫn hai chiều trên một sợi:

Hệ thống DWDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng λ1, λ2, , λn qua bộ ghép/tách kênh được tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng λn+1, λn+2, , λ2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xem hình 2.4) Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (song công)

Hình 2 4: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang

Hệ thống DWDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển tương đối rộng rãi Hệ thống DWDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghép kênh Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng quang Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế các bộ tách kênh thật chính xác, các

bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải làm việc ổn định

Hệ thống DWDM được thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây

ra suy hao truyền dẫn Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của các thiết bị thấp, cần phải tối thiểu hoá thành phần công suất có thể gây ra phản xạ tại các phần tử

Máy phát quang

Bộ khuếch đại sợi

Máy thu quang Máy thu quang Máy phát quang Máy phát quang

ghép, hoặc tại các điểm ghép nối các module, các mối hàn , bởi chúng có thể làm gia tăng vấn đề xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suy giảm nghiêm trọng tỉ số S/N của hệ thống Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêm trọng đối với hệ thống DWDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do đó hệ thống này

có khả năng ít được lựa chọn khi thiết kế tuyến

Ở một mức độ nào đó, để đơn giản ta có thể xem xét bộ tách bước sóng như bộ ghép bước sóng chỉ bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng Như vậy hiểu đơn giản, từ “bộ ghép - multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng

ở dạng chung để xét cho cả bộ ghép và bộ tách; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng Người ta chia loại thiết bị ODWDM làm ba loại: Các bộ ghép (MUX), các bộ tách (DEMUX) và các bộ ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX) Các bộ MUX và DEMUX được sử dụng trong các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn loại thứ ba MUX-DEMUX được sử dụng cho các phương án truyền dẫn theo hai hướng Hình 2.5 mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp

Hình 2 5: Mô tả thiết bị tách ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX)

2.2.2 Các tham số cơ bản:

Các tham số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép/tách hỗn hợp là suy hao xen, suy hao xuyên kênh và độ rộng kênh Để đơn giản, ta hãy phân biệt ra thành thiết bị một hướng (gồm các bộ ghép kênh và tách kênh độc lập) và thiết bị

Sợi dẫn quang

hai hướng (bộ ghép/tách hỗn hợp) Các ký hiệu I(λi) và O(λk) tương ứng là các tín hiệu được ghép đang có mặt ở đường chung Ký hiệu Ik(λk) là tín hiệu đầu vào được ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k

Ký hiệu Oi(λi) là tín hiệu có bước sóng λi đã được tách và đi ra cửa thứ i Nhìn chung, các tín hiệu quang không phát một lượng công suất đáng kể nào ở ngoài

độ rộng phổ kênh đã định trước của chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh là không đáng lưu tâm ở đầu phát Bây giờ ta xem xét các thông số:

a) Suy hao xen:

được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị truyền dẫn quang DWDM Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị DWDM với sợi và suy hao do bản thân thiết bị ghép gây ra Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ ghép coupler chung, nhưng cần lưu ý là ở DWDM là xét cho một bước sóng đặc trưng:

Li(MUX) = -10log ( )

( )i

i

i I

O

λ

λ

(2.2) Với Li là suy hao tại bước sóng λi khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn Các tham số này luôn phải được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị

Hình 2 6: Xuyên kênh ở bộ tách kênh (a) và ở bộ ghép – tách hỗn hợp (b)

DEMUX I(λ 1) I(λ k)

Oi(λ i) + Ui(λ k)

Sợi quang O(λ j)

b) Suy hao xuyên kênh:

Mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này được ghép sang kênh khác Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc vào trường hợp áp dụng Nhưng nhìn chung, phải đảm bảo mức xuyên kênh nhỏ hơn (-30dB) trong mọi trường hợp

Trong một bộ tách kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng λi sang các kênh khác có bước sóng khác với λi Nhưng trong thực tế, luôn luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, và làm giảm chất lượng truyền dẫn của thiết bị Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB như sau:

Di(λk) = -10log [Ui(λk)/I(λk)] (2.3) Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ tách kênh ở hình 2.6 a) thì Ui(λk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λk do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng λi Trong thiết bị ghép/tách hỗn hợp như ở hình 1.6 b), việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được xác định như ở bộ tách

Ở trường hợp này, phải xem xét cả hai loại xuyên kênh “Xuyên kênh đầu xa” là

do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I(λk) sinh ra Ui(λk) “Xuyên kênh đầu gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị, như Ui(λj) Khi cho ra các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị

truyền dẫn khác nhau sẽ có độ rộng phổ mỗi kênh là khác nhau, và có độ chính xác khác nhau Theo quy định của ITU-T G.692 thì độ rộng kênh và độ di tân như sau:

Trong hệ thống DWDM các kênh bước sóng có mật độ rất cao Thực vậy, mỗi kênh có độ rộng vài nm thậm chí dưới 1nm Đó là lý do tại sao các LD sử dụng trong hệ thống DWDM phải có sự ổn định bước sóng phát xạ Mặ khác, khoảng cách giữa hai trạm lặp trong hệ thống truyền dẫn DWDM lớn hơn so với

hệ thống truyền dẫn đơn kênh SDH Vì vậy laser trong hệ thống DWDM đặc biệt hơn so với loại laser thông thường về công nghệ và khả năng hạn chế các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống truyền dẫn

Có hai phương thức điều chế laser ứng dụng trong hệ thống DWDM là điều chế trực tiếp và gián tiếp

a) Điều chế trực tiếp

Điều chế trực tiếp hay còn goi là điều biến trong Dòng tín hiệu đi vào laser phát được biến đổi thành nguồn sáng laser đầu ra Một đặc trưng của điều biến trực tiếp là công suất đầu ra phụ thuộc vào dòng điện điều chế Nó đặc biệt hiệu quả đối với hệ thống DWDM đơn hướng (giá thành rẻ và đơn giản) Chỉ cần thay đổi độ dài hốc cộng hưởng của laser , sự biến đổi dòng điều chế sẽ gây ra sự biến đổi tuyến phát ra bước sóng laser tương ứng Sự biến đổi này sinh ra hiện tượng chirp Chirp tần số sẽ mở rộng băng tần của phổ laser phát xạ và gây ra ảnh hưởng tới tốc độ cũng như khoảng cách truyền dẫn của hệ thống Ví dụ như đối với sợi quang G.652 khoảng cách truyền dẫn ≤100 km và tốc độ truyền dẫn ≤ 2.5GHz

Đối với hệ thống DWDM mà không cần khuyếch đại quang (khoảng cách truyền dẫn nhỏ) hoặc tốc độ thấp, điều biến trực tiếp có thể sử dụng vì giá thành rẻ

b) Điều chế gián tiếp

Điều chế gián tiếp hay còn gọi là phương pháp điều biến ngoài Trong điêu chế gián tiếp module điều chế nằm ở đầu ra của bộ tạo bước sóng quang như chỉ ra ở hình sau:

Hình 3 2: Phương pháp điều chế gián tiếp

Nguồn laser là nguồn phát xạ liên tục ổn định cao với công suất và tần số

cố định Tùy theo mức độ khác nhau của dòng điện đem điều chế thì bộ điều chế quang sẽ xử lý ánh sáng từ nguồn laser, cho ánh sáng laser phát xạ đi qua hay không đi qua Trong suốt quá trình điều chế phổ phát xạ của laser đầu ra không thay đổi để đảm bảo chất lượng yêu cầu của hệ thống

Điều chế gián tiếp có tổn hao về công suất giá thành cao nhưng bù lại có

độ dịch tần số nhỏ Nó được ứng dụng cho các hệ thống có tốc độ truyền dẫn ≥ 2.5GHZ và khoảng cách truyền dẫn ≥300 km

Thông thường các phưong thức điều chế ngoài sử dụng các phưong thức như biến đổi quang điện, dẫn sóng ở module điều chế quang

Nguyên lý cơ bản của điều chế quang điện là hiệu ứng quang điện tuyến tính của tinh thể Hiện tượng trường điện từ là nguyên nhân gây ra sự thay đổi góc khúc xạ của tinh thể Tinh thể cho ánh sáng đi qua hoặc không cho khi thay đổi góc khúc xạ (hiệu ứng tinh thể quang điện)

Điều chế quang học thực chất là sử dụng hiệu ứng quang học của bán dẫn

Đó là hiện tượng chiết suất của chất bán dẫn thay đổi khi sóng quang truyền qua chất bán dẫn đó Sự thay đổi chiết suất đó làm thay đổi góc khúc xạ và cũng là một nét đặc trưng khi truyền sóng qua môi trường bán dẫn

Điều chế ống dẫn sóng được chế tạo từ vật liệu là Titan (Ti) pha trộn LiNbO2 Ống dẫn sóng có những ưu điểm như kích thước nhỏ gọn và đạt được

độ chính xác cao nhất

3.2 Bộ điều chỉnh công suất

Bộ điều chỉnh công suất thường nằm trước bộ ghép kênh và nằm sau bộ phát quang, trước bộ khuyếch đại, bộ tách kênh Bộ điều chỉnh công suất điều chỉnh công suất quang phù hợp với bộ ghép/ tách kênh và bộ khuyếch đại EDFA

3.3 Các bộ tách ghép bước sóng

3.3.1 Nhóm dựa trên nguyên lý tán sắc góc:

Cách tử được cấu tạo gồm nhiều rãnh (như răng cưa), được khắc bằng dụng

cụ kim cương, trên bề mặt của các rãnh này được phủ một lớp phản xạ, số lượng rãnh trên cách tử có thể lên tới vài nghìn rãnh trên 1 mm Cách tử có khả năng truyền hoặc tán xạ ánh sáng theo những hướng nhất định tuỳ thuộc vào bước sóng của ánh sáng đó Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng cách rãnh (gọi là bước cách tử) và góc tới

Hình 3 3: Sử dụng cách tử nhiễu xạ phẳng để tách bước sóng

Người ta chứng minh được

nd(sinα + sinα’) = kλ (3.1) Trong đó

Cách

λ1, λ2, ,

λ1 λ2

λn

α - góc tới của tia sáng với N

Khi tách kênh (tách bước sóng) bằng cách tử, nguồn sáng tới gồm nhiều bước sóng từ sợi quang sẽ được tách ra thành các tia đơn sắc tương ứng với các bước sóng được truyền trên sợi theo các góc khác nhau Ngược lại khi ghép kênh, một số kênh bước sóng λ1, λ2, , λn đến từ các hướng khác nhau có thể được kết hợp thành một hướng và được đưa tới truyền dẫn trên cùng một sợi quang

Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc tách kênh sử dụng cách tử bao gồm 3 phần chính: các phần tử vào và ra (là mảng sợi hoặc một sợi truyền dẫn với các thành phần thu - phát); phần tử hội tụ quang; phần tử tán sắc góc grating

Trên hình 3.4 a) và 3.4 b) là bộ tách Littrow với a) là cấu trúc cơ bản còn b) là cấu trúc thực tế sử dụng lăng kính GRIN-rod của bộ tách 2 kênh

Hình 3 4: Bộ tách Littrow: a) Cấu trúc cơ bản,

Lăng kính chuẩn Cách tử

λ1λ2

λ1,λ2

Cách tử

Lăng kính Grin λ1

λ2λ1 ,λ2

a)

b)

b) Cấu trúc thực tế sử dụng lăng kính GRIN-rod của bộ tách 2 kênh

Trên hình 3.5, đầu mảng các sợi quang được đặt trước một khe đã được quang khắc trên mặt cách tử phản xạ phẳng đặt vuông góc với các rãnh cách tử Gương cầu lõm có tách dụng làm thay đổi hướng của bất kì một tia đa bước sóng phân kỳ nào thành một tia song song quay trở lại cách tử, tia này khi đến cách tử, sẽ bị tán sắc và phản xạ trở lại gương, phản xạ một lần nữa, tạo ảnh trên vùng mảng sợi quang tuỳ thuộc vào giá trị từng bước sóng Cấu trúc này có hệ số hội tụ và truyền đạt bằng 1; vì vậy, hiệu suất ghép khá cao, đặc biệt nếu sử dụng gương parabol thì quang sai rất nhỏ, gần bằng 0

Hình 3 5: Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar và gương lòng chảo

A

B C N

phẳng Theo thuyết vô hướng thì góc nghiêng của rãnh phải thay đổi liên tục để duy trì đường phân giác của góc hợp bởi tia tới và tia phản xạ ABC luôn vuông góc với bề mặt của răng cưa

Một ứng dụng của cách tử hình lòng chảo như chỉ ra trên hình 3.7, thiết bị loại này có vẻ như đơn giản hơn vì không sử dụng phần tử hội tụ quang (thấu kính hoặc lăng kính) Thiết bị loại này đã thực hiện ghép 4 kênh, suy hao 2,6 dB;

nó có nhược diểm là quang sai không ổn định trong giải phổ rộng

Hình 3 7: Sơ đồ cấu trúc bộ tách sử dụng cách tử hình lòng chảo

Tóm lại thiết bị DWDM dùng cách tử như phần tử tán sắc góc để tách/ghép bước sóng thường sử dụng theo cách như chỉ ra trên các hình 3.4 đến hình 3.7; trong hình 3.5 nếu thay gương lòng chảo bằng gương parabol thì có thể hiệu chỉnh quang sai

3.3.2 Nhóm dựa trên nguyên lý giao thoa

a) Các bộ lọc giao thoa MZI

Các bộ tách sóng dựa trên nguyên lý gioa thoa sử dụng các bộ lọc giao thoa MZI

Hình 3 8: Bộ tách kênh sử dụng chuỗi lọc giao thoa MZI

Cách tử lòng chảo

Sợi vào Các sợi đầu ra

Bộ lọc này gồm 3 mắt lọc MZI Mỗi nhánh của từng MZI được dài hơn nhanhs còn lại để hình thành sự lệch pha độc lập đối với nhánh còn lại Sự sai lệch giữa hai nhánh được chọn sao cho tổng công suất đầu vào hai nhánh của từng bước sóng khác nhau chỉ xuất hiện ở một đầu ra, đầu ra còn lại có công suất xấp xỉ bằng không

b) Cách tử Bragg:

Sự phát minh ra cách tử Bragg trong sợi được xếp ngang với phát minh ra laser trong lĩnh vực thông tin quang Một FBG là một bộ lọc lựa chọn bước sóng rất đơn giản, giá thành cực thấp Nó có phạm vi ứng dụng rộng cải thiện chất lượng và giảm chi phí kết nối mạng quang

Hình 3 9: Cấu trúc cách tử Bragg

Cách tử Bragg là cách tử được chế tạo ngay bên trong sợi quang Một cách

tử sợi Bragg chỉ là một mẩu sợi đơn mode thông thường dài vài cm Cách tử được chế tạo từ việc biến đổi chỉ số khúc xạ của lõi dọc theo chiều dài của sợi Ánh sáng có bước sóng nhất định lan truyền dọc sợi bị phản xạ ngược từ cách tử theo hướng mà nó tới Các bước sóng không được chọn được cho qua mà không

có hoặc rất ít suy hao Đây là đặc tính quan trọng nhất của FBG – các bước sóng cộng hưởng bị phản xạ ngược trở lại nguồn và các bước sóng không cộng hưởng được truyền qua mà không bị tổn hao

Khi ánh sáng di chuyển dọc theo sợi và gặp sự thay đổi về chỉ số khúc xạ, một lượng nhỏ ánh sáng bị phản xạ tại mỗi biên Khi chu kỳ cách tử và bước sóng ánh sáng bằng nhau thì có sự tăng cường và công suất được ghép từ hướng

đi sáng hướng về Ánh sáng có các bước sóng khác gặp phải giao thoa từ các phản xạ lệch pha nên không thể truyền tiếp

Cách tử sợi Bragg thông thường trước đây khó sản xuất được với độ dài sợi quá 15 cm do hạn chế về chiều dài sợi cách tử đối với bán kính chùm tia laser hoặc do chiều dài của mặt nạ phase Hiện nay công nghệ chế tạo hiện đại đã cho phép thay đổi các thông số như độ dài cách tử, chiết suất có thể được điều biến theo yêu cầu, tạo nên cách tử sợi dạng nhiều bậc như bước ren; nhờ đó một số lớn các bộ lọc được tạo ra với các thông số khá hoàn thiện

Ngoài ra còn chế tạo các bộ tách ghép bước sóng bằng kỹ thuật phối hợp

bộ quay pha bước sóng (circulator) và các cách tử sợi quang (Fiber Grating) Nguyên lý hoạt động mô tả ở hình 3.10:

Hình 3 10: Bộ tách kênh sử dụng cách tử sợi quang

Trong cấu hình này, bộ quay pha được thiết kế gần giống với bộ cách ly quang Nó có nhiệm vụ quay pha các bước sóng cần được tách/ ghép Các bước sóng còn lại không bị ảnh hưởng Sau đó bước sóng nào đã quay pha được sẽ được bộ cách tử sợi quang phản xạ lại đưa đến đầu ra khác của bộ quay pha Các bước sóng khác vẫn đi qua cách tử sợi quang bình thường

Kết hợp bộ quay pha và cách tử sợi quang có thể thực hiện tách ghép kênh tại bước sóng tại nút xen rẽ với suy hao rất nhỏ (2dB) Tuy nhiên giá thành của các bộ quay pha hiện còn đắt nên nó chỉ đước sử dụng trong các tuyến cáp quang biển cự ly dài