CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG

CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNGDo hệ thống truyền dẫn thông tin quang có nhiều ưu điểm trội hơn hẳn các hình thức thông tin khác như: băng thông rộng, tốc độ cao, không chịu ảnh hưởng

CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG

Do hệ thống truyền dẫn thông tin quang có nhiều ưu điểm trội hơn hẳn các hình thức thông tin khác như: băng thông rộng, tốc độ cao, không chịu ảnh hưởng của sóng điện từ…nên thông tin quang đang giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lục địa, vượt đại dương…Công nghệ hiện nay đã tạo đà cho thông tin quang phát triển theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất trong mạng viễn thông Vì vậy, các hệ thống truyền dẫn thông tin quang sẽ dần thay thế các hệ thống thông tin theo phương pháp truyền thống.

Ngày nay, với sự xuất hiện của các hệ thống truyền dẫn thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) thì dung lượng, tốc độ, băng thông…của hệ thống ngày càng nâng cao DWDM (ghép kênh theo bước sóng mật độ cao) là bước phát triển tiếp theo của WDM Nguyên lý của nó tương tự như WDM chỉ khác là khoảng cách giữa các kênh bước sóng gần hơn, tức là số kênh ghép được nhiều hơn Thông thường khoảng cách kênh ghép

là 0.4 nm (50GHz) Hiện nay người ta dùng WDM với nghĩa rộng bao hàm cả DWDM.

Trong chương này sẽ trình bày về công nghệ ghép kênh theo bước sóng

2.1 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM

Hiện nay, kỹ thuật thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên, trong thời gian gần đây cùng với sự phát triển của Internet do máy tính cá nhân phổ cập, sự xuất hiện của dịch vụ đa phương tiện và cuộc cách mạng thông tin di động, thông tin cá nhân…dẫn đến sự bùng nổ thông tin Với các hệ thống cáp quang đã được lắp đặt từ trước thì nguồn tài nguyên dường như đã cạn kiệt Yêu cầu đặt ra là phải có các giải pháp để khắc phục hiện tượng này Nếu phải lắp thêm các đường cáp quang mới thì chi phí sẽ rất cao Mặt khác, sự ra đời của các loại nguồn quang laser bán dẫn có phổ hẹp cho phép phổ của tia sáng là rất nhỏ so với băng thông của sợi quang Về mặt lý thuyết, có thể làm tăng dung lượng truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu các nguồn phát có phổ cách nhau hợp lý và ở đầu thu có thể thu được tín hiệu quang riêng biệt khi sử dụng các bộ tách bước sóng Và đây chính là cơ sở của kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM

Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM là các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau ở đầu phát được ghép kênh và truyền trên cùng một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu gồm nhiều

bước sóng đến từ sợi quang đó được tách kênh để thực hiện xử lý theo yêu cầu của từng bước sóng.

Như vậy, WDM có nghĩa là độ rộng băng quang của một liên kết được tách thành các vùng phổ cố định, không chồng lấn Mỗi vùng tương ứng với một kênh có bước sóng λi Các kênh khác nhau thì độc lập với nhau và truyền với các tốc độ xác định Điều này cho phép WDM được xem như là hệ thống truyền dẫn mà tín hiệu được truyền trong suốt đối với dạng mã và tốc độ bit

Hình 2.1: a, Hệ thống WDM một hướng.

b, Hệ thống WDM hai hướng.

Hình 2.1 mô tả hai loại hệ thống WDM: hệ thống ghép kênh bước sóng hai hướng trên hai sợi khác nhau (hệ thống WDM một hướng) và hệ thống ghép kênh bước sóng hai hướng khác nhau trên một sợi (hệ thống WDM hai hướng).

Trong hệ thống WDM một hướng, tại đầu phát thiết bị ghép bước sóng được dùng để kết hợp các bước sóng khác nhau sau đó truyền trên cùng một sợi quang Tại đầu thu, thiết

bị tách bước sóng sẽ tách các bước sóng này trước khi đưa tới các bộ thu quang Để có thể truyền dẫn thông tin hai hướng thì cần lắp đặt hai hệ thống WDM một hướng ngược chiều nhau

Trong hệ thống WDM hai hướng, tín hiệu được truyền đi theo một hướng tại bước

λλ

λ1, 2, ,

và hướng ngược lại tại bước sóng

' ' 2

2.2 Các đặc điểm của công nghệ WDM

Công nghệ WDM có các đặc điểm cơ bản sau:

▪ Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang.

Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng thông truyền dẫn to lớn của sợi quang, làm cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần tới hàng trăm lần Do đó, có thể giảm chi phí đầu tư

Dùng công nghệ WDM có thể ghép N bước sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn mode và có thể truyền dẫn hoàn toàn song công Do vậy, khi truyền dẫn thông tin đường dài với dung lượng lớn có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang Thêm vào đó là khả năng

mở rộng dung lượng cho hệ thống quang đã xây dựng Chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công suất tương đối lớn thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ

▪ Có khả năng đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu.

Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau nên có thể truyền dẫn nhiều tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và phân chia các dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phương tiện (thoại, số liệu, đồ hoạ, ảnh động…).

▪ Có nhiều ứng dụng.

Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng như trong mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ nhiều đường, nhiều địa chỉ…Bởi thế, nó rất quan trọng trong các ứng dụng mạng

▪ Giảm yêu cầu xử lý tốc độ cao cho một số linh liện quang điện.

Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng nên tốc độ xử lý tương ứng của nhiều linh kiện quang điện tăng lên theo nhưng không đáp ứng được đủ Sử dụng công nghệ WDM có thể giảm yêu cầu quá cao về tốc độ đối với linh kiện mà vẫn có thể đáp ứng dung lượng lớn

▪ Có khả năng truyền dẫn IP.

Sử dụng công nghệ WDM có thể thiết lập kênh truyền dẫn số liệu (IP) Ghép kênh bước sóng đối với khuôn dạng số liệu (IP) là trong suốt, tức là không có quan hệ gì với tốc

độ của tín hiệu và phương thức điều chế tín hiệu xét trên phương diện điện Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lý tưởng, là cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng Chỉ cần dùng thêm một bước sóng là có thể tăng thêm một dịch

vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn

▪ Có khả năng truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang.

▪ Cấu hình mạng có tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao.

2.3 Một số công nghệ then chốt

2.3.1 Nguồn quang

Các bộ phát quang thực chất là các laser diode Laser diode có khoang cộng hưởng Fabry – Perot tạo ra nhiều mode dọc không mong muốn Trái lại, laser đơn mode chỉ tạo ra một mode dọc chính, còn các mode bên bị loại bỏ nên được sử dụng để làm nguồn quang cho hệ thống WDM Các loại laser đơn mode phổ biến là laser phản hồi phân bố (DFB), laser phản xạ Bragg phân bố (DBR)

Bộ phát quang DFB và DBR

Cấu tạo khoang của các bộ phát quang DFB, DBR khác với bộ phát quang F-P Nguyên lý của chúng dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg

a) Nguyên lý phản xạ Bragg

Khi chiếu ánh sáng lên mặt tiếp giáp của hai môi trường có phản xạ mang tính chu kỳ

sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ này gọi là phản xạ Bragg Mặt tiếp giáp có thể là hình sin hoặc không sin (chữ nhật, hình vuông, hình tam giác…) Hình 2.2 thể hiện nguyên lý

phản xạ Bragg Nếu sai pha giữa các tia phản xạ l, l’ và l” là bội số nguyên lần của u

λ

, tức là:

A + B = m u

λ

(2.1)thì sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa Từ hình 2.2 ta thấy B = Asinθ nên (2.1) trở thành:

A(1+ sinθ) = m u

λ

(2.2)Trong đó:

+ m: là số nguyên, thông thường m = 1

+ λn: là bước sóng trong môi trường vật liệu, λn = λB/n

+ n: là chiết suất vật liệu

+ λB: là bước sóng trong không gian tự do, còn gọi là bước sóng Bragg

+ A: là chu kỳ cách tử

Hình 2.2: Nguyên lý phản xạ Bragg.

A a A a B

Công thức (2.1) là điều kiện phản xạ Bragg Ý nghĩa vật lý của nó là: Đối với A và θ nhất định, khi có một λn thoả mãn (2.1) thì sóng quang có bước sóng λn sẽ giao thoa cùng với sóng quang phản xạ.

b) Bộ phát quang DFB

DFB gồm một cách tử (còn gọi là lưới nhiễu xạ) có cấu trúc chu kỳ đặt cạnh lớp hoạt tính gây ra phản xạ ánh sáng suốt cả chiều dài khoang cộng hưởng để loại bỏ các mode không mong muốn Hình 2.3 thể hiện mặt cắt dọc của loại laser này

Khi có dòng điện vào bộ phát quang, các điện tử và lỗ trống trong lớp hoạt tính tái hợp, bức xạ ra các photon ánh sáng Các photon này sẽ phản xạ tại cách tử, giống như hình 2.2, chỉ khác là θ = π/2 Lúc này, các tia tới và tia phản xạ ngược chiều nhau và công thức (2.2) trở thành:

A = mλn/2 (2.3)

Lớp nền N-InP

Lớp kim loại tiếp xúc và toả nhiệtĐầu ra quang

Màng AR

Lớp hoạt tính

Cách tửTín hiệu điện

Lớp kim loại

Hình 2.3: Mặt cắt dọc của laser DFB.

Những tín hiệu nào có bước sóng thoả mãn công thức trên mới được phản xạ mạnh Công thức (2.3) gọi là điều kiện phân bố phản hồi.

So với bộ phát quang F-P, DFB có hai ưu điểm sau:

+ Dao động đơn mode dọc dải hẹp: do chu kỳ cách tử A trong bộ phát quang DFB rất nhỏ nên hình thành khoang cộng hưởng kiểu nhỏ, làm tăng hệ số tăng ích của mode chính

và mode biên, từ đó được dải phổ rất hẹp so với bộ phát quang F-P

+ Bước sóng có tính ổn định rất cao: vì lưới quang trong DFB giúp cho việc chốt trên bước sóng cho trước, trôi nhiệt của nó chỉ cỡ 0.8Ǻ/oC, tốt hơn nhiều so với F-P

c) Bộ phát quang DBR

Laser DBR có cấu trúc tương tự laser DFB, chỉ khác là DBR có cấu trúc nhiễu xạ bên ngoài khoang cộng hưởng Với cấu trúc như vậy, khoang laser và khoang phản xạ Bragg là hoàn toàn độc lập Hình 2.4 thể hiện mặt cắt của laser loại này

Bộ phát quang DBR cũng hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg và có đặc điểm tương tự như bộ phát quang DFB, chỉ có một số điểm khác biệt nhỏ cần lưu ý:

(i) Vật liệu chế tạo của DBR là khó khăn hơn DFB vì nó không nhất thiết đòi hỏi sự ghép công suất giữa các vùng thụ động và vùng tích cực

(ii) Đặc tính phụ thuộc nhiệt độ thì khác nhau, khi nhiệt độ tăng thì trong DBR có sự chuyển đổi từ mode này qua mode khác còn DFB thì thể hiện tính ổn định nhiệt độ trong một dải rộng

2.3.2 Bộ tách ghép bước sóng quang

Về mặt nguyên lý, cấu trúc của bộ tách ghép có tính thuận nghịch, bất kỳ bộ ghép bước sóng nào cũng có thể dùng làm bộ tách bước sóng chỉ bằng cách đơn thuần là thay đổi hướng tín hiệu đầu vào Vì vậy, ở đây chỉ lấy bộ ghép bước sóng để phân tích

Có nhiều cách để phân loại thiết bị ghép bước sóng Theo công nghệ chế tạo thì chúng được chia làm hai loại chính: thiết bị vi quang và thiết bị WDM ghép sợi

Cấu trúc sử dụng các phần tử phân tán cho phép đồng thời đưa ra tất cả các bước sóng Chùm tín hiệu quang đầu vào chuẩn trực sẽ đập vào thiết bị phân tán, thiết bị phân tán sẽ tách ra các kênh khác nhau tuỳ theo bước sóng của chúng tạo thành các chùm theo các góc khác nhau Các chùm đầu ra đã tách sẽ được hội tụ nhờ một hoặc một số lăng kính

và được đưa vào sợi dẫn quang riêng rẽ Các phần tử phân tán góc được sử dụng như cách

tử, lăng kính

Hình 2.5 mô tả một bộ tách hai bước sóng quang: Tín hiệu WDM gồm hai bước sóng

đi tới lăng kính trực chuẩn, sau khi được tách bởi cách tử chúng được hội tụ để đi vào hai ống dẫn sóng riêng

Hình 2.6: Thiết bị ghép sợi.

Chùm ánh sáng đầu ra sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: khoảng cách giữa các lõi sợi, chỉ số chiết suất vật liệu ở giữa, đường kính của lõi sợi, độ dài tương tác và bước sóng ánh sáng

Khi số lượng kênh ghép tăng lên thì phải xử lý bằng cấu hình rẽ nhánh tách (ghép) liên tiếp Các thiết bị ghép sợi rất phù hợp với các hệ thống truyền dẫn đơn mode Hình 2.6

là bộ ghép bốn bước sóng sử dụng thiết bị ghép sợi

2.3.3 Bộ lọc quang

Bộ lọc màng mỏng điện môi nhiều lớp

Bộ lọc quang sử dụng trong thiết bị WDM thường là bộ lọc màng mỏng điện môi, làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ nào đó và cho phần dải phổ còn lại đi qua, vì vậy nó thuộc loại lọc bước sóng cố định Cấu trúc bộ lọc gồm một khoang cộng hưởng bằng điện môi trong suốt, hai đầu khoang có các gương phản xạ được thực hiện nhờ nhiều lớp màng mỏng điện môi có chiết suất cao thấp xen kẽ nhau Vì vậy, chiết suất lớp điện môi trong suốt (n3) sẽ thấp hơn chiết suất của các lớp màng mỏng điện môi (n1 = 2.2 (TiO2), n2 = 1.35 (MgF2) hoặc 1.46 (SiO2))

Thiết bị này như một bộ lọc băng hẹp, cho qua một bước sóng riêng và phản xạ các bước sóng khác Bước sóng lọt qua bộ lọc được xác định bằng chiều dài khoang cộng hưởng Chiều dài của khoang bằng bội số nguyên lần của nửa bước sóng nào thì công suất của bước sóng ấy đạt cực đại tại đầu ra của bộ lọc

Để có thể lọc được bước sóng một cách chính xác, loại bỏ được đa số các bước sóng xung quanh thì có thể sử dụng bộ lọc nhiều khoang cộng hưởng Bộ lọc này gồm hai hoặc nhiều khoang tách biệt nhau bởi các lớp màng mỏng điện môi phản xạ Số khoang càng nhiều thì đỉnh hàm truyền đạt càng phẳng và sườn càng dốc Cả hai đặc tính này của bộ lọc đều rất cần thiết Cấu trúc bộ lọc màng mỏng điện môi nhiều khoang cộng hưởng được thể hiện trong hình 2.7

n1 n2 n3

Khoang Khoang Khoang …

1 2 3

Bộ phản xạ điện môi Lớp điện môi trong suốt

Hình 2.7: Bộ lọc màng mỏng điện môi có nhiều khoang cộng hưởng.

Bộ lọc Fabry – Perot

Các bộ lọc bước sóng điều chỉnh được thường được ngoại suy từ cấu trúc laser điều chỉnh được (điều hưởng) Bộ lọc khoang cộng hưởng Fabry – Perot được tạo thành bởi hai gương phản xạ đặt song song với nhau như hình 2.8

Đây là loại bộ lọc điều chỉnh được Tia sáng đi vào qua gương thứ nhất, đầu ra ở mặt gương thứ hai Do các thiết bị hiện nay thường được chế tạo từ các chất bán dẫn để đạt được kích thước nhỏ nhất Khi này, các gương được tạo thành nhờ sự chênh lệch chiết suất giữa các lớp bán dẫn.Việc điều chỉnh chọn lựa bước sóng có thể thực hiện bằng cách: điều chỉnh chiều dài khoang cộng hưởng (khoảng cách giữa hai gương), chiết suất của môi trường điện môi của khoang cộng hưởng nhờ điện áp ngoài.

Hình 2.8: Bộ lọc Fabry - Perot.

2.3.4 Bộ đấu nối chéo quang OXC

● Chức năng của OXC

Chức năng của OXC tương tự như chức năng của DXC trong mạng SDH, chỉ khác là thực hiện trên miền quang, không cần chuyển đổi O/E/O và xử lý tín hiệu điện OXC phải hoàn thành hai chức năng chính sau:

+ Chức năng nối chéo các kênh quang: thực hiện chức năng kết nối giữa N cổng đầu vào tới N cổng đầu ra

+ Chức năng xen/rẽ đường tại chỗ: chức năng này có thể làm cho kênh quang nào đó tách ra để vào mạng địa phương hoặc sau đó trực tiếp đi vào DXC của SDH thông qua biến đổi O/E

Có thể phân biệt chức năng đấu nối chéo với chức năng chuyển mạch là: đấu nối chéo là các kết nối bán cố định dưới sự điều khiển của nhà khai thác và thường thực hiện ở mức tín hiệu đã ghép kênh theo thời gian như các VC-n; chuyển mạch là các kết nối tạm thời dưới sự điều khiển của người sử dụng

● Kết cấu của điểm node OXC

Cấu tạo của OXC có 3 thành phần chính:

♦ Bộ tách kênh chia bước sóng quang ở đầu vào: thực hiện tách các kênh quang theo các bước sóng khác nhau từ các sợi quang vào khác nhau

♦ Ma trận chuyển mạch: thực hiện đấu nối chéo từ một kênh quang đầu vào tới một kênh quang đầu ra Trường chuyển mạch có thể là chuyển mạch chia thời gian hoặc chuyển mạch chia bước sóng được trình bày ở mục sau

♦ Bộ ghép kênh chia bước sóng quang ở đầu ra: thực hiện ghép các kênh quang từ các đầu ra tương ứng của trường chuyển mạch để truyền dẫn trên một sợi quang

Ngoài các thành phần chính trên thì trong OXC có thể còn trang bị các bộ lọc bước sóng để loại bỏ các thành phần xuyên nhiễu xuất hiện trong quá trình truyền tín hiệu Biến đổi bước sóng là công nghệ then chốt trong cấu tạo của OXC Nhờ công nghệ này có thể thực hiện kết nối định tuyến ảo, do đó giảm nghẽn mạng, tận dụng tối đa tài nguyên sợi quang cũng như bước sóng…

λ M

λ 1

λ 2

λ 1 , λ 2 ,…, λ M 1

λ 1 , λ 2 ,…, λ M

2

λ 1 , λ 2 ,…, λ M N

λ 1 , λ 2 ,…, λ M 1

λ 1 , λ 2 ,…, λ M

2

λ 1 , λ 2 ,…, λ M