Nghiên cứu công nghệ và tuyến thông tin quang DWDM

Nguyên lý cơ bản được mô tả như hình 1.1 Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng Hệ thống WDM là một hệ thống ghép m bước sóng 1….m , phía phát sử dụng nguồn quang bằng

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian cho phép và năng lực bản thân có hạn, Đề tài không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Em kính mong nhận được ý kiến đóng góp và xây dựng của thầy cô giáo và các bạn để nội dung đề tài của em được hoàn chỉnh hơn

Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo ThS.Trương Thanh Bình – người đã hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện để em học tập, nghiên cứu hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong khoa Điện – Điện tử , Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em trong quá trình học tập nghiên cứu, quá trình hoàn thành đồ án

Cuối cùng , em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn !

Hải Phòng, ngày tháng 06 năm 2016

Sinh viên

Mai Hữu Minh Vương

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất

cứ đồ án luận văn đã có từ trước.Các nội dung, dữ liệu tham khảo đều đã được trích đẫn đầy đủ

Người cam đoan Mai Hữu Minh Vương

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ DWDM 2

1.1 Kỹ thuật ghép bước sóng quang 2

1.2 Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang 2

1.3 Các tham số chính trong DWDM 6

1.3.1 Dải bước sóng làm việc 6

1.3.2.Số kênh bước sóng 7

1.3.3 Độ rộng phổ nguồn phát 8

1.3.4 Qũy công suất 8

1.3.5 Vấn đề ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến 9

1.4 Các ưu điểm của hệ thống DWDM 10

CHƯƠNG 2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MẠNG DWDM 11

2.1 Cấu trúc truyền dẫn cơ bản của mạng DWDM và khối phát quang 11

2.1.1 Cấu trúc truyền dẫn cơ bản của mạng DWDM 11

2.1.2 Khối phát đáp quang 11

2.2 Bộ tách/ghép kênh quang 12

2.2.1 Phương pháp ghép kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng 13

2.2.2 Một số thiết bị tách kênh dùng bộ lọc điện môi màng mỏng 14

2.2.3 Phương pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ 16

2.2.4 Phương pháp ghép sợi 17

2.3 Bộ khuếch đại quang sử dụng công nghệ EDFA 18

2.3.1 Tổng quan về bộ khếch đại quang và công nghệ EDFA 18

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA 19

2.3.4 Ưu nhược điểm của EDFA 21

2.4 Bộ xen/rớt kênh quang OADM 22

2.4.1 Định nghĩa OADM 22

2.4.2 Các thuộc tính chính của OADM 23

2.4.3 Các cấu trúc cho OADM 24

2.4.4 Khối bù tán sắc DCU 28

2.5 Bộ kết nối chéo quang OXC 29

2.5.1 Định nghĩa OXC 29

2.5.1.1 Yêu cầu đối với OXC 31

2.5.1.2 Các cấu hình cho OXC 31

2.6 Khối đường truyền 34

CHƯƠNG 3 : CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN YÊU CẦU KỸ THUẬT 36

3.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới việc thiết kế của hệ thống 36

3.1.1 Sự suy hao 36

3.1.2 Sự tán sắc 36

3.1.3 Xuyên kênh Long-Haul: phi tuyến 39

3.1.4 Yêu cầu quỹ công suất 40

3.1.5 Quỹ thời gian lên 40

3.2 Bảo vệ mạng DWDM 41

3.2.1 Nguyên tắc cơ bản 41

3.2.2 Bảo vệ tuyến quang 1+1 42

3.2.3 Bảo vệ tuyến quang 1:N 43

3.2.4 Vòng bảo vệ 44

KẾT LUẬN 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Emission

Nhiễu tự phát đƣợc khuếch đại

Fiber

Sợi bù tán sắc

Ủy ban viễn thông quốc tế

Fiber

Sợi dịch tán sắc không trở

về 0

Multiplexer

Bộ ghép kênh xen/rớt

OFA Optical Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi

Multiplexing

Ghép kênh quang theo tần

số

Amplifier

Khuếch đại quang bán dẫn

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Độ rộng phổ của kênh 5

Bảng 2.1: So sánh giữa các cấu trúc cho OADM 27

Bảng 2.2: So sánh giữa các cấu hình OXC 34

Bảng 3.1: Các tham số để tính toán thiết kế cấu hình tuyến 10Gbps 38

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng 2

Hình 1.2: Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) 3

Hình 1.3: Hệ thống ghép bước sóng quang đơn hướng 3

Hình 1.4: Hệ thống ghép bước sóng quang song hướng 4

Hình 1.5: Sự phân chia dải bước sóng làm việc tại cửa sổ 1550 nm 6

Hình 2.1: Nguyên lý của bộ thu phát quang OTU 11

Hình 2.2: Vị trí của bộ chuyển đổi bước sóng OTU trong hệ thống 12

Hình 2.3: Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc 14

Hình 2.4: Bộ tách 2 kênh dùng thấu kính phẳng và bộ lọc 15

Hình 2.5: Bộ tách 2 kênh dùng bộ lọc và lăng kính Grin 15

Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của bộ lọc nhiều bước sóng 16

Hình 2.7 Bộ tách Littrow: a) Bộ tách bước sóng dùng thấu kính hội tụ, b) Bộ tách bước sóng dùng thấu kính Grin 17

Hình 2.8: a) Phương pháp ghép xoắn sợi; b) Phương pháp mài ghép sợi 18

Hình 2.9 : Cấu trúc của một trạm lặp quang điện 19

Hình 2.10: Giản đồ năng lượng của Erbium 20

Hình 2.11: Cấu trúc một EDFA đơn tầng 20

Hình 2.12: Vai trò của OADM trong mạng 23

Hình 2.13: Các kiến trúc khác nhau cho OADM 26

Hình 2.14: Sơ đồ tán sắc khi sử dụng khối bù tán sắc 28

Hình 2.15: OXC với ma trận chuyển mạch NxN 29

Hình 2.16 Bộ kết nối chéo chuyển mạch không gian 30

Hình 2.17 Các kiểu triển khai OXC khác nhau 33

Hình 3.1: Cấu hình một hệ thống thông tin quang tiêu biểu 37

Hình 3.2:Kiểu bảo vệ 1+1 trên lớp SDH 42

Hình 3.3: Kiểu bảo vệ 1: N trong hệ thống DWDM 43

LỜI NÓI ĐẦU

 Tính cấp thiết của đề tài:

Hiện nay sự phát triển của các dịch vụ thông tin, đặc biệt là của Word

Wide Web và Internet, điều này đòi hỏi dung lượng mạng lớn Trong khi đó mạng hiện tại khó đáp ứng đươc Chính vì thế yêu cầu cần có một mạng truyền dẫn dung lượng lớn Công nghệ DWDM(Dense Wavelenght Division Multiplexing)-ghép kênh theo bước sóng quang dày đặc ra đời Đây là giải pháp hiệu quả tận dụng băng thông của sợi quang tốt hơn,giúp nâng dung lượng của hệ thống lên đến hàng trăm Gbps đồng thời giảm giá thành cho sản phẩm

 Kết cấu của đề tài:

Chương 1 Công nghệ DWDM

Chương này tìm hiểu sơ lược về nguyên lý ghép bước sóng quang,các tham số

cơ bản cũng như ưu điểm và hạn chế của hệ thống DWDM

Chương 2 Các thành phần cơ bản của mạng DWDM

Chương này trình bày các thành phần cơ bản được sử dụng trong mạng DWDM Chương 3.Các yếu tố ảnh hưởng đến yêu cầu kỹ thuật của mạng DWDM

Chương này trình bày các yếu tố ảnh hưởng đến mạng DWDM và một số cơ chế bảo vệ trong mạng DWDM

Công nghệ WDM sau này được gọi là DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing) Bước sóng được sử dụng trong DWDM nằm trong khoảng 1550nm DWDM cho phép chế tạo phần tử và hệ thống với 80 kênh và khoảng cách rất nhỏ 0,5nm

1.2 Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang.

Nguyên lý cơ bản được mô tả như hình 1.1

Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng

Hệ thống WDM là một hệ thống ghép m bước sóng 1….m , phía phát sử dụng nguồn quang bằng LD hoặc LED Mỗi nguồn quang có bước sóng riêng Các tín hiệu sử dụng bước sóng khác nhau sẽ được ghép vào chung và được ghép với nhau nhờ bộ ghép kênh (MUX: multiplex) ở bên phát MUX cần có suy hao nhỏ,các tín hiệu sau bộ MUX sẽ truyền dọc theo sợi Ở phía thu sử dụng các bộ DEMUX:Demultiplex(tách sóng quang) thu lại các luồng tín hiệu này rồi tách riêng rẽ từng bước sóng Mỗi bước sóng được đưa vào một diode tách

quang để tách luồng tín hiệu.Có 3 loại thiết bị ghép quang: Bộ giải ghép,bộ ghép và bộ giải ghép hỗn hợp

Hình 1.2: Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX)

Các phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang WDM

+ Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang đơn hướng

Là tất cả các kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo một chiều, ở

thông qua các bộ ghép kênh đã tổ hợp lại với nhau và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang Ở đầu thu, sử dụng các bộ tách kênh có nguyên lý ngược lại phía phát

Bộ tách kênh

Bộ khuếch đại sợi

quang

Bộ khuếch đại sợi

quang

Bộ tách kênh

Bộ ghép kênh

Máy thu quang Máy thu quang

Máy phát quang

n

1

n

+ Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang song hướng:

hỏi các bộ ghép kênh có suy hao nhỏ Bên thu, đòi hỏi độ nhạy của các bộ tách sóng với các bước sóng trong dải sóng quang

Hình 1.4: Hệ thống ghép bước sóng quang song hướng

Ta xét đến những ưu, nhược điểm của hai hệ thống này : Giả sử trên một sợi quang chỉ cho phép truyền M bước sóng, so sánh giữa hai công nghệ này ta có những nhận xét sau:

đơn hướng cỡ 1/2

được sự cố tức thời mà không cần cơ chế chuyển mạch tự động APS (AutomaticProtection-Switching)

 Về thiết kế mạng: hệ thống đơn hướng dễ thiết kế hơn Ở hệ thống song hướng các bộ khuếch đại thường phúc tạp hơn

Các tham số cơ bản của ghép kênh quang theo bước sóng để miêu tả đặc tính các bộ ghép tách hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh

Máy phát

quang

Máy phát quang

Bộ khuếch đại sợi quang

Bộ ghép/tách kênh

Máy thu quang Máy thu quang

Máy phát quang

n

1

n

 1  2…  n

 n

giữa các thiết bị ghép Chính vì vậy trên thực tế thiết kế người ta phải tính cho vài dB ở mỗi đầu Công thức suy hao được mô tả như sau:

𝐿𝑖 = −10 𝑙𝑜𝑔 𝑂 𝜆𝑖

𝐼𝑖𝜆𝑖 𝑑𝐵 𝑀𝑈𝑋 1.1

𝐿𝑖 = −10𝑙𝑜𝑔𝑂 𝜆𝑖

𝐼𝑖𝜆𝑖 𝑑𝐵 𝐷𝐸𝑀𝑈𝑋 1.2

truyền dẫn Các tham số này được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị

- Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng 𝜆𝑖 đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ ghép

- Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng 𝜆𝑖 đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ tách

Hiện nay trong hệ thống viễn thông dùng sợi quang thường sử dụng bước sóng 1550nm và các bộ khuếch đại EDFA Băng thông cực đại của bộ khuếch đại sợi pha tạp EDFA khoản 30nm

1.3 Các tham số chính trong DWDM

1.3.1 Dải bước sóng làm việc

Sợi quang thạch anh có 3 cửa sổ suy hao thấp 860 nm, 1310 nm và 1550

nm, trong đó tại cửa sổ 1550 nm đặc tính suy hao của sợi quang là nhỏ nhất, cửa

sổ này được áp dụng để truyền dẫn tín hiệu SDH với khoảng cách ngắn và dài Bên cạnh đó các bộ khuếch đại quang EDFA sử dụng hiện nay có đặc tính độ lợi khá bằng phẳng trong cửa sổ này, bởi vậy đây là cửa sổ hoạt động rất tốt của hệ

thống DWDM Các bước sóng làm việc trong cửa sổ 1550nm được chia thành 3

dải: băng S, băng C và băng L

Hình 1.5: Sự phân chia dải bước sóng làm việc tại cửa sổ 1550 nm

Conventional Band 1530-1565nm

Long Band 1565-1625nm

GHz) và hệ thống SDH

+ Băng L (1565 – 1625 nm): đây là dải bước sóng làm việc của các hệ thống DWDM sử dụng 80 bước sóng (khoảng cách giữa các bước sóng là 50 GHz)

1.3.2.Số kênh bước sóng

Số kênh bước sóng sử dụng phụ thuộc các yếu tố như:

+ Khả năng băng tần của sợi quang

+ Khả năng tách/ghép các kênh bước sóng

+ Quỹ công suất quang

+ Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến

+ Độ rộng phổ của nguồn phát

Gọi ∆λ là khoảng cách giữa các kênh bước sóng thì tương ứng thì:

∆𝑓 = (−𝑐∆𝜆)/𝜆^2 (1.3)

mỗi kênh có tốc độ truyền bước sóng là 2.5Gbps thì theo định nghĩa Nyquist, khi đó phổ cơ sở của tín hiệu là 2 x 2,5 = 5Gbps thì N = ∆f /5 = 874 kênh trong dải băng tần khuếch đại quang (với N là số kênh bước sóng lớn nhất có thể có)

Với khả năng đáp ứng công nghệ hiện tại ITU - T đưa ra quy định về khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 GHz (0,8 nm) hoặc 50 GHz (0,4 nm) với chuẩn tần số là 193,1 THz DWDM chủ yếu sử dụng dải băng tần C (1530 - 1560)nm và băng L (1560 - 1600)nm

1.3.3 Độ rộng phổ nguồn phát.

Để các kênh bước sóng có thể độc lập hoạt động cần phải chọn độ rộng phổ phát thích hợp, tức là tránh chồng phổ giữa các kênh gần kề với nhau ở bên thu

Về bản chất, việc ghép các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang

là dựa trên nguyên tắc ghép kênh theo tần số Khoảng cách giữa các bước sóng

sẽ dựa vào đặc tính phổ của nguồn phát và các ảnh hưởng khác nhau trên đường truyền như hiệu ứng phi tuyến, tán sắc sợi…

Mối quan hệ giữa phổ công suất phía thu với phổ công suất nguồn phát được thể hiện bởi tham số đặc trưng cho giãn phổ, kí hiệu ∆ , băng tần tín hiệu B

và bù tán sắc D Nếu gọi ε là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát

và sợi quang, khi đó:

ε = D.B.∆RMS

Trong đó:D là độ tán sắc tương ứng khoảng cách truyền dẫn

∆RMSlà độ giãn rộng phổ

B là độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn

1.3.4 Qũy công suất.

Để duy trì công suất đến máy thu thì yếu tố quan trọng cần tính đến là quỹ công suất

Suy hao công suất trên toàn tuyến bao gồm: suy hao trên sợi dẫn quang, trên các bộ nối quang và tại các mối hàn Tổng suy hao trên toàn tuyến nhận được từ các phân bổ suy hao liên tiếp của từng phần tử trên tuyến Suy hao của từng phần tử được tính:

𝐴 𝑑𝐵 = 10 𝑙𝑜𝑔𝑃1

𝑃2 (1.4)

Ngoài các suy hao do các phần tử trên tuyến quang gây ra như đã nêu ở trên, ta còn phải có một lượng công suất quang dự phòng cho tuổi thọ của các

thành phần, sự thay đổi nhiệt độ và các suy hao tăng lên ở các thành phần

là độ nhạy của bộ thu quang thì:

PT = PS - PR= 2lC + αf.L + dự phòng hệ thống

αf là suy hao sợi

L là cự li truyền dẫn

tính

1.3.5 Vấn đề ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến

Sợi quang có tính truyền dẫn tuyến tính nếu công suất quang nhỏ Nếu sử dụng EDFA thì công suất quang tăng đến một mức nhất định sẽ có đặc tính phi tuyến, làm ảnh hưởng đến bộ khuếch đại EDFA và khoảng cách truyền dẫn xa khi không có chuyển tiếp

Nhìn chung, có thể chia hiệu ứng phi tuyến thành 2 loại:

Hiệu ứng tán xạ: bao gồm tán xạ do kích thích Raman (SRS) và tán xạ do kích thích Brillouin (SBS)

Hiệu ứng liên quan đến chiết suất phụ thuộc vào công suất quang: bao gồm hiệu ứng tự điều chế pha (SPM), điều chế pha chéo(XPM) và trộn bốn bước sóng (FWM)

1.4 Các ưu điểm của hệ thống DWDM

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống DWDM có những

ưu điểm nổi trội:

- Tận dụng được phần lớn băng thông của sợi quang, tạo ra được dung lượng truyền dẫn lớn Công nghệ DWDM cho phép sử dụng toàn bộ tài nguyên băng thông rất lớn của sợi quang (khoảng 25THz) để nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống

- Khoảng cách truyền dẫn xa bằng cách sử dụng công nghệ khuếch đại quang sợi EDFA

- Cho phép truy nhập nhiều loại hình dịch vụ: các bước sóng trong hệ thống DWDM độc lập nhau, do đó có khả năng truyền nhiều loại hình dịch

vụ trên cùng một cáp sợi quang như: SDH, GE hay ATM…

- Hạn chế được số sợi quang cần sử dụng: hệ thống DWDM ghép nhiều bước sóng trên một sợi quang nên tiết kiệm được rất nhiều cáp quang, từ

đó có thể giảm được cho phí xây dựng đường dây

- Khả năng nâng cấp và mở rộng dễ dàng, đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống Việc nâng cấp dung lượng đơn giản là cắm thêm card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động

- Quản lý băng tần và cấu hình mềm dẻo, linh hoạt

- Ngoài ra còn ứng dụng để truyền nhiều chương trình truyền hình chất lượng cao, cự ly dài

dụng được băng C và băng L)

động

CHƯƠNG 2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MẠNG DWDM

2.1 Cấu trúc truyền dẫn cơ bản của mạng DWDM và khối phát quang

2.1.1 Cấu trúc truyền dẫn cơ bản của mạng DWDM

Cấu trúc cơ bản của hệ thống DWDM gồm các thành phần chính sau:

đã được chuyển đổi thành điện Sau đó thực hiện chuyển đổi điện - quang 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 2.1: Nguyên lý của bộ thu phát quang OTU

chia làm 3 loại: OTUT (OTU Transmitter), OTUR (OTU Receiver) và OTUG (OTU Generrator) Ứng dụng của chúng trong hệ thống như hình vẽ:

Hình 2.2: Vị trí của bộ chuyển đổi bước sóng OTU trong hệ thống

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

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 sửa dạng tín hiệu, 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)

2.2 Bộ tách/ghép kênh quang.

một sợi quang ở phía phát Bộ ghép kênh theo bước song (OMUX) phải đảm bảo có độ 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 thức được sử dụng đó là:

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

một cửa sổ

2.2.1 Phương pháp ghép kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng

Bộ lọc điện môi sử dụng trong ghép kênh quang hoạt động dựa trên

nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ này và cho phần phổ còn lại đi qua Phần tử cơ bản để thực hiện ghép kênh theo bước sóng là bộ lọc điện môi giao thoa, có cấu trúc đa lớp gồm các màng mỏng có chỉ số chiết suất cao và thấp đặt xen kẽ nhau

Nguyên lý hoạt động của nó như sau: Khi chùm tia sáng chạm vào thiết

bị, các hiện tượng giao thoa sẽ 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 thì giao thoa xếp chồng xảy ra và công suất quang của bước sóng đạt giá trị cực đại Các tia ánh sáng của các bước sóng khác với bước sóng cộng hưởng phản xạ trọn vẹn, chỉ có một bước sóng đi qua bộ lọc Gương phản xạ là các lớp thủy tinh nằm trên lớp đệm trong suốt

Hình 2.3: Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc

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

Các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao thường sử dụng để ghép hoặc tách 2 bước sóng khác nhau, chẳng hạn 850 nm và 1310 nm hoặc 1310 nm và1550 nm Loại

bộ lọc như vậy thích hợp cho nguồn quang có dải phổ rộng (LED) Bộ lọc thông dải được sử dụng trong WDM khi nguồn quang có phổ hẹp (LD) Đối với bộ lọc thông dải có một vài yêu cầu, đó là độ dốc sườn đường cong hàm truyền đạt phải đủ lớn để tránh xuyên âm giữa các kênh kề nhau, mặt khác độ rộng giải ∆λ

có dung sai cho phép để đề phòng dịch bước sóng trung tâm của nguồn quang do nhiệt độ thay đổi

2.2.2 Một số thiết bị tách kênh dùng bộ lọc điện môi màng mỏng

Thiết bị ghép và thiết bị tách bước sóng có cấu trúc thuận - nghịch, nghĩa là giữa

bộ ghép và bộ tách chỉ thay đổi cổng vào và cổng ra

Bộ lọc

1

 2 ,…., n

1,2,….,n

Hình 2.4: Bộ tách 2 kênh dùng thấu kính phẳng và bộ lọc

Hình 2.5: Bộ tách 2 kênh dùng bộ lọc và lăng kính Grin

Cấu trúc cơ bản của bộ giải ghép 2 kênh như ở hình 2.4, trong khi đó việc thực hiện trên thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như ở hình 2.5 Các phần tử chuẩn trực và hội tụ là các lăng kính Grin - rod 1/4 bước Bộ lọc được thiết kế để phát đi λ1 và phản xạ λ2 sẽ được đặt giữa 2 lăng kính

Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của bộ lọc nhiều bước sóng

2.2.3 Phương pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ

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 (chu kỳ cách tử), góc của rãnh cách tử Φ Trên 1 mm của cách tử có hàng chục hay hàng ngàn rãnh nhỏ, số rãnh trên một đơn vị chiều dài của cách

Hình 2.7 Bộ tách Littrow: a) Bộ tách bước sóng dùng thấu kính hội tụ, b)

Bộ tách bước sóng dùng thấu kính Grin

Hình 2.7 a,b là bộ tách Littrow với cấu trúc cơ bản và cấu trúc thực tế sử dụng thấu kính Grin của bộ tách 2 kênh Trong cấu hình này, cả tín hiệu ánh sáng đi vào và ánh sáng đi ra khỏi bộ ghép chỉ sử dụng một thấu kính, dùng thấu kính chuẩn trực hoặc thấu kính Grin

2.2.4 Phương pháp ghép sợi

Để giảm thiểu suy hao ở sợi đơn mode người ta sử dụng thiết bị DWDM ghép sợi Nguyên lý : Công suất quang sẽ chuyển từ một sợi vào các sợi khác khi các lõi quang được đặt gần kề nhau

DWDM ghép sợi có 2 dạng là: giữa vị trí tiếp xúc được mài ghép hoặc các sợi gần nhau được nung nóng chảy

Làm thay đổi các đặc tính của sợi bằng cách thay đổi hình dạng,kích cỡ cũng như độ dài vùng ghép, bằng việc thay đổi nhiệt độ của vùng được đốt nóng để

 Phương pháp mài ghép sợi

Hai sợi quang được đặt trong hai rãnh cong nằm trong hai khối thạch anh, mài cho các lõi sợi này gần lộ ra và được đặt ghép với nhau qua một lớp đầu hay epoxy Hệ số ghép nối có thể đạt đến giá trị tùy ý bằng cách thay đổi khoảng cách giữa hai sợi hay sử dụng các vật liệu có chiết suất khác nhau giữa hai khối

Cả 2 phương pháp này có nhưng ưu điểm khác nhau.Phương pháp ghép soắn sợi bằng nung chảy có chi phí thấp,còn phương pháp mài ghép sợi là điều hướng khi thay đổi vị trí của 2 sợi

Hình 2.8: a) Phương pháp ghép xoắn sợi; b) Phương pháp mài ghép sợi

Nhược điểm của phương pháp ghép xoắn,mài sợi

Trên thực tế băng thông của các bộ ghép bước sóng dùng phương pháp ghép sợi có đặc tính gần như hình sin Dẫn tới việc lựa chọn bước sóng gặp khó khăn Chính vì thế nguồn LED không sử dụng được do nguồn LED có phổ lớn

Nguồn được chọn trong phương pháp này là ngườn Laser do có phổ hẹp

2.3 Bộ khuếch đại quang sử dụng công nghệ EDFA

2.3.1 Tổng quan về bộ khếch đại quang và công nghệ EDFA

với cự ly xa người ta dùng các trạm lặp quang (optoelectronic repeater) Đầu tiên, tín hiệu quang sẽ chuyển thành tín hiệu điện bởi bộ thu quang (optical reciver) sử dụng linh kiện tách sóng như PIN, APD Dòng quang điện thu được

sẽ tái tạo tín hiệu dạng xung, định thời và được khuếch đại bởi các mạch phục hồi tính hiệu và mạch khuếch đại.Thông qua nguồn quang trong bộ phát quang (optical transmitter) tín hiệu điện sẽ biến đổi thành tín hiệu quang Quá trình khuếch đại quang được thực hiện trên miền điện

Hình 2.9 : Cấu trúc của một trạm lặp quang điện

Để giảm chi phí do sử dụng tram lặp quang điện ,người ta sử dụng bộ khuếch đại quang( Optical Amplifier) để bù lại sự suy hao tín hiệu trên đường truyền sợi quang cũng như tại các thiết bị Khi đó tín hiệu ánh sáng được khuếch đại trực tiếp trong miền quang mà không thông qua việc biến đổi qua miền điện

Tùy theo cấu tạo vùng tích cực (active medium) có thể chia khuếch đại quang làm 2 loại chính: khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier) và khuếch đại quang sợi OFA ( Optical Fiber Amplifier) Trong các loại OFA thì EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier - khuếch đại quang sợi có pha tạp Erbium) được sử dụng phổ biến hiện nay

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Nguyên lý khuếch đại được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích

O-E

K Đ D

Bộ thu quang

Bộ khuếch đại Bộ phát quang

vào sợi quang này photon có λ=980nm hoặc λ=1480nm thì Er3+ sẽ hấp thu điện

tử và chuyển lên mức năng lƣợng từ E1 lên mức kính thích E2 Để đạt trạng thái siêu bền E2 sẽ phân rã không bức xạ xuống mức năng lƣợng E3 Sau một khoảng thời gian nó đƣợc kích thích trở lại trạng thái E1 đồng thời phát xạ ra photon Có 2 loại bức xạ là tự phát hoặc kích thích Khi có mặt của các photon

có năng lƣợng bằng năng lƣợng dịch chuyển của mức điện tử sẽ kích thích tạo

ra nhiều photon Bức xạ này thuộc vùng λ=1550 nm nên khi đi qua sợi Erbium tín hiệu sẽ đƣợc khuếch đại

Hình 2.10: Giản đồ năng lƣợng của Erbium

Hình 2.11: Cấu trúc một EDFA đơn tầng

Er3

Mức siêu bền E3

Mức kích thích E2

Phân rã không bức

xạ

Photo tới

 =980nm

= 1480nm Photon bơm

Mức cơ bản E1

Nguồn bơm