Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM luận văn tốt nghiệp đại học

Tập trung chủ yếu tìm hiểu về các hiệu ứng phi tuyến xảy ra và ảnh hưởng tới sợi quang, như các hiệu ứng tán xạ, các hiệu ứng kerr… Chương 2 sẽ trình bày sơ lược về các linh kiện, phần t

Trờng đại học vinhKhoa điện tử viễn thông

Niên khóa : 2006 - 2011

Vinh, 2011

MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật cùng với

đó là sự đòi hỏi đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người trong tất cả các lĩnh vực, đặc biệt trong vấn đề thông tin liên lạc Trong đó việc tăng dung lượng, tốc độ truyền, tăng số lượng dịch vụ số liệu tích hợp trên một đường truyền là một yêu cầu cấp thiết Với sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh bước sóng WDM đã nâng cao dung lượng và tốc độ truyền dẫn Cùng với đó sự phát triển hệ thống chuyển mạch cũng cần phải được thực hiện Những vấn đề được coi là nhược điểm làm giảm, hạn chế đến việc nâng cao tốc độ chuyển mạch như méo, trôi trượt, xuyên âm…trong hệ thống chuyển mạch được giải quyết bằng chuyển mạch quang với kỹ thuật quang điện tử đã ra đời.

Ưu điểm lớn của kĩ thuật WDM đó là khi tín hiệu quang đi qua bộ chuyển mạch, không cần chuyển đổi quang điện/điện quang, vậy nên nó không

bị các thiết bị quang điện như bộ điều chế, máy đo kiểm…làm hạn chế về tốc

độ làm việc Cùng với đó sự nâng nên rõ rệt về tốc độ bit và việc điều chế khi thông qua chuyển mạch quang Thì nhược điểm của bộ chuyển mạch quang hiện nay vẫn còn phải điều khiển bằng tín hiệu điện, hay chuyển mạch quang điều khiển điện Mà nguyên nhân chủ yếu là tác dụng của linh kiện logic quang còn rất đơn giản, không thể thực hiện chức năng xử lý logic phức tạp của bộ phận điều khiển

Hiện nay, việc chuyển mạch gói quang OPS ra đời đáp ứng được yêu cầu hỗ trợ dịch vụ truyền số liệu trong tương lai của mạng quang Đây là một trong ba kiến trúc được sử dụng trong mạng quang, đã được đưa ra và chú trọng nghiên cứu rất cẩn thận với nhiều ưu điểm như: mạng thông tin toàn quang, dung lượng lớn, trong suốt, có tốc độ cao….Được tìm hiểu kỹ hơn về công nghệ mới này dựa trên kiến thức đã tiếp thu được trong thời gian học tập tại Trường, em đã chọn đề tài tốt nghiệp: “Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM”

Nội dung đề tài gồm ba chương chính:

Chương 1: Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM và các hiệu ứng gây nhiễu lên hệ thống WDM.

Chương 2: Các linh kiện, phần tử trong mạng WDM.

Chương 3: Chuyển mạch gói trong mạng WDM.

Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Lê Văn Chương,

người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian em thực hiện đề tài Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông

và trường Đại học Vinh đã giúp em tiếp thu được nhiều kiến thức trong thời gian học tập tại trường

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế về nội dung Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn

Vinh, tháng 5 năm 2011 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Chiến

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đề Tài

CHUYỂN MẠCH GÓI TRONG MẠNG QUANG WDM

Chương 1 tập trung đi vào tìm hiểu về hai phần chính:

- Công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) Trong đó tìm hiểu về các cấu hình sử dụng trong mạng như: cấu hình vòng, điểm – điểm Các kĩ thuật ghép kênh quang cũng là ý nhỏ được tìm hiểu trong mục này

Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống quang Tập trung chủ yếu tìm hiểu về các hiệu ứng phi tuyến xảy ra và ảnh hưởng tới sợi quang, như các hiệu ứng tán xạ, các hiệu ứng kerr…

Chương 2 sẽ trình bày sơ lược về các linh kiện, phần tử được sử dụng trong mạng thông tin quang WDM như bộ chọn bước sóng, bộ xen rẽ quang (OADM)… Ngoài ra nội dụng chương này cũng nêu ra các kĩ thuật được sử dụng trong các thiết bị đó…

Chương 3 đi vào tìm hiểu kiến trúc bên trong nút mạng, định dạng gói, đồng bộ, định tuyến, trường chuyển mạch… Chương này còn đi vào tìm hiểu

về một số các dự án về chuyển mạch gói quang đã được nghiên cứu

MỤC LỤC

Trang

Mở đầu ……… 1

Tóm tắt đồ án……… 3

Mục lục……… 4

Danh sách hình vẽ……… 7

Danh sách bảng biểu……… 10

Bảng đối chiếu thuật ngữ tiếng anh……… 11

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG QUANG VÀ NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG QUANG……… 14

1.1 Công nghệ ghép kênh theo bước WDM)……… 14

1.1.1 Giới thiệu về WDM sóng quang ……… 14

1.1.2 Các cấu hình sử dụng trong mạng WDM ………18

1.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống quang ……… 21

1.2.1 Hiệu ứng tán xạ ……… 22

1.2.1.2 Hiệu ứng Kerr quang ……… 25

Kết luận chương ……… 28

CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN, PHẦN TỬ TRONG MẠNG WDM … 29 2.1 Các bộ lọc quang……… 29

2.1.1 Bộ chọn bước sóng……… 29

2.1.2 Bộ lọc điều chỉnh được ……… 31

2.2 Bộ ghép và bộ tách kênh quang ……… 33

2.2.1 Nguyên tắc làm việc của lăng kính ……… 33

2.2.2 Nguyên lý làm việc của cách tử tán xạ ……… 34

2.2.3 Bộ ghép và tách kênh quang ……… 35

2.3 Bộ xen rẽ quang (OADM) ……… 36

2.4 Coupler hình sao (PSC) ……… 37

2.5 Bộ định tuyến bước sóng ……… 39

2.6 Bộ nối chéo quang OXC ……… 40

2.7 Bộ biến đổi bước sóng ……… 41

2.8 Phần tử phát và thu quang……… 43

2.8.1 Bộ phát ……… 43

2.8.1 Bộ thu……… 46

2.9 Bộ khuếch đại quang ……… 47

Kết luận chương 2 ……… 48

CHƯƠNG 3: CHUYỂN MẠCH GÓI TRONG MẠNG QUANG WDM ……… 49

3.1 Giới thiệu chung về chuyển mạch gói quang……… 49

3.2 Mô hình mạng chuyển mạch gói quang ……… 50

3.3 Kiến trúc nút mạng ……… 50

3.3.1 Kiến trúc và hoạt động nút mạng ……… 50

3.3.2 Định dạng gói tin ………53

3.3.3 Đồng bộ và sắp xếp gói………

54 3.3.4 Xử lý tiêu đề……… 60

3.3.5 Định tuyến gói ……… 61

3.3.6 Giải pháp chống xung đột ……… 62

3.3.7 Trường chuyển mạch ……… 67

3.4 Một số dự án về chuyển mạch gói quang đã được nghiên cứu ………… 72

3.4.1 KEOPS ……… 72

3.4.2 WASPET ……… 77

Kết luận chương 3 ……… 78

Kết luận ……… 79

Tài liệu tham khảo ……… 80

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nguyên lý cơ bản hệ thống ghép kênh phân chia theo

bước sóng quang……… 15

Hình 1.2 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang hai hướng ………… 16

Hình 1.3 Cấu hình Điểm-Điểm truyền đơn hướng……… 18

Hình 1.4 Cấu hình mạng Ring……… 19

Hình 1.5 Cấu hình mạng Ring có các kênh được quản lý bởi trạm Hub … 20 Hình 2.1 Bộ lọc màng mỏng điện môi……… 30

Hình 2.2 Cấu trúc bộ tách/ghép kênh dùng bộ lọc điện môi gắn trực tiếp trên sợi ……… 31

Hình 2.3 Bộ lọc Fabry-Perot ……… 32

Hình 2.4 Tán sắc dùng lăng kính……… 33

Hình 2.5 Sử dụng cách tử để tách bước sóng ……… 35

Hình 2.6 Sử dụng lăng kính để tách bước sóng ……… 36

Hình 2.7 Sử dụng cách tử tán xạ để ghép kênh……… 36

Hình 2.8 Bộ xen rẽ quang OADM ……… 36

Hình 2.9 Nguyên Lý cơ bản của AWG ……… 37

Hình 2.10 Coupler sao 8x8 sử dụng 12 coupler 2x2……… 38

Hình 2.11 Coupler xoắn nóng chảy……… 39

Hình 2.12 Sơ đồ minh họa định tuyến bước sóng……… 39

Hình 2.13 Sơ đồ nối chéo quang ……… 40

Hình 2.14 Nguyên tắc làm việc của các bộ chuyển đổi bước sóng ……… 42

Hình 2.15 Bơm cùng chiều ……… 48

Hình 2.16 Bơm ngợc chiều ……… 48

Hình 2.17 Bơm hai chiều ……… 48

Hình 3.1 Mô hình mạng chuyển mạch gói quang ……… 49

Hình 3.2 Cấu trúc nút chuyển mạch gói quang……… 50

Hình 3.3 Định dạng gói tin……… 53

Hình 3.4 Sắp xếp gói trong khe thời gian……… 54

Hình 3.5 Tiêu đề lệch khỏi khe thời gian ……… 55

Hình 3.6 Tiêu đề và tải tin lệch khỏi khe thời gian ……… 56

Hình 3.7 Đồng bộ gói trong trường hợp lệch gói và tiêu đề được ghi lại ở khối giao diện đầu ra ……… 56

Hình 3.8 Đồng bộ trong trường hợp rung pha và tiêu đề đợc ghi lại ở khối giao diện đầu vào……… 57

Hình 3.9 Cấu trúc khối đồng bộ……… 58

Hình 3.10 Sắp xếp gói trong mạng đồng bộ ……… 60

Hình 3.11 Các công nghệ mã hóa tiêu đề trong mạng chuyển mạch gói quang……… 61

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý của WC dựa trên XGM trong SOA……… 64

Hình 3.13 Bộ biến đổi bước sóng quang hai đầu dây kiểu can thiệp Mach-Zehnder……… 65

Hình 3.14.Trường chuyển mạch không gian đơn tầng với N cổng,

W bước sóng, và D FDL……… 68

Hình 3.15 Trường chuyển mạch quảng bá và chọn lọc đơn tầngvới FDL nối tiếp ……… 69

Hình 3.16 Trường chuyển mạch định tuyến bước sóng với N cổng vào…… 70

Hình 3.17 Tầng i của trường chuyển mạch đa tầng với W bước sóng và D FDL……… 71

Hình 3.18 Cấu trúc thiết bị đồng bộ trong dự án KEOPS……… 73

Hình 3.19 Cấu trúc thiết bị tái sinh 3R trong dự án KEOPS……… 74

Hình 3.20 Trường chuyển mạch WRS trong dự án KEOPS……… 75

Hình 3.21 Định dạng gói trong KEOPS ……… 76

Hình 3.22 Trường chuyển mạch trong dự án WASPET ……… 77

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 so sánh CWDM và DWDM ……….17 Bảng 2.1 Độ nhạy máy thu với các tốc độ truyền dẫn khác nhau………… 47

BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ TIẾNG ANH

chỉnh được

Technologies and Services

Phát triển công nghệ và dịch vụ viễn thông

Multiplexing

Đa kênh quang phân chia theo bước sóng lỏng

Science Research Council

Hội đồng nghiên cứu khoa học vật lý và kỹ thuật

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại sợi có pha tạp

Erbium

Switching Project

Khó cho dự án chuyển mạch gói quang

sắp xếp gói)

OPI Optical Pulse Interval Khoảng giữa các xung quang

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo mã quang

dẫn bên trong

Amplifier

Bộ khuếch đại quang bán dẫn

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ do kích thích Brillouin

khoang cộng hưởngXPM-

SOA

Cross Phase Modulation - Semiconductor Optical Amplifier

Bộ biến đổi bước sóng dựa vào điều chế pha giao nhau

tuyến bước sóng

Và một số thuật ngữ đã trình bày bằng phiên âm tiếng việt trong đồ án

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG QUANG (WDM)

VÀ NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG

QUANG 1.1 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM)

1.1.1 Giới thiệu về WDM

a Lịch sử của WDM

Khái niệm ghép kênh quang đã bắt đầu có từ những năm 1950 Đây là ý tưởng được đưa ra với mục đích là truyền nhiều được nhiều bước sóng khác nhau trên một sợi quang với dung lượng bước sóng cao Nhưng giải pháp cho các vấn đề công nghệ là rất khó khăn và nó cần thời gian dài phát triển để giải quyết các vần đề này Khoảng 20 năm sau các linh kiện thực tế đầu tiên sử dụng cho ghép kênh đã được sản xuất và sử dụng ở Nhật, Mỹ, Châu Âu Năm

1977 thiết bị thụ động WDM đầu tiên được phát triển bởi Tomlinson và Aumiller

b Tiến trình phát triển của WDM

Để thấy rõ được xu hướng phát triển mạng trong tương lai, trước hết ta nhìn lại lịch sử phát triển của công nghệ mạng truyền tải Công nghệ mạng đã trải qua các giai đoạn chuyển đổi từ tương tự sang số, từ phân cấp số cận đồng bộ(PDH) sang phân cáp số đồng bộ (SDH) và gần đây là từ SDH sang WDM (ghép kênh phân chia theo bước sóng) Để hỗ trợ và tương thích hoàn toàn với công nghệ cũ thì công nghệ chuyển mạch mới phải thích hợp với công nghệ truyền dẫn trước Chẳng hạn công nghệ PCM có chuyển mạch ở mức 64Kbit/s

và truyền dẫn ở mức 2Mbit/s; khi chuyển lên PDH thì nối chéo ở mức 2Mbit/s

và truyền dẫn ở mức 140Mbit/s; và khi lên đến SDH thì nối chéo ở mức 155Mbit/s và truyền dẫn ở mức 10Mbit/s Còn với công nghệ WDM thì chưa được xác định rõ nhưng theo dự đoán thì tốc độ chuyển mạch cơ sở cỡ 300Gbit/s tương ứng với dung lượng truyền dẫn 10Tbit/s Dựa theo lịch sử

phát triển và nhu cầu hiện tại thì công nghệ WDM ít nhất cũng đáp ứng được trong một thập kỷ Trong tương lai, sớm hay muộn thì cũng cần có công nghệ WDM phát triển hơn và có lẽ được kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu quang như ghép kênh theo thời gian quang (OTDM) và chuyển mạch gói quang cùng với các trạm lặp quang 3R để mở rộng độ trong suốt của mạng Trong tương lai xu hướng tiến tới mạng toàn quang (photonic).

c Mô hình hệ thống WDM

Ta đã biết đối với các hệ thống truyền dẫn lựa chọn sợi quang làm môi trường truyền dẫn sẽ là rất tốn kém nếu không sử dụng hiệu quả băng thông của sợi quang Để tận dụng tốt băng thông của sợi quang kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) đã ra đời và phát triển không ngừng trong nửa thế kỷ qua Các hệ thống WDM cũng lần lượt được giới thiệu và phát triển trong các mạng viễn thông thương mại Mô hình của hệ thống WDM và nguyên lý hoạt động của nó được chỉ ra trong hình vẽ sau đây

Hìn

h 1.1 Nguyên lý cơ bản hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng quang

Các nguồn 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 dẫn quang Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh (MUX), bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ

và tín hiệu sau khi ghép sẽ được truyền dọc theo sợi quang tới phía thu Các

bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu

.

λn

.

.

λ1λ2 λn

λ1λ2 λn

MUX

DEMUX

với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng (DE-MUX)

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 độ rộng của các bước sóng quang Khi thực hiện tách kênh cần phải thực hiện cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng bằng cách thiết kế các bộ giải ghép kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải

có bước sóng cắt chính xác, dải làm việc thật ổn định

Có 2 phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật ghép bước sóng quang là thiết lập hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang “một hướng” và thiết lập hệ thống ghép kênh bước sóng quang theo “hai hướng” Hình vẽ 1.1 chỉ ra một hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang một hướng Hình vẽ tiếp theo cho ta quan sát hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang hai hướng

Hình 1.2 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang hai hướng

Trong đó tại các đầu cuối có các thiết bị tách ghép kênh hỗn hợp Trong

hệ thống này λ1, λ2, , λn và λ’1, λ’2, , λ’n nằm trên một cửa sổ truyền dẫn nhưng thuộc hai giải tần số khác nhau Còn trong trờng hợp thiết lập hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang một hướng thì tại các đầu cuối chỉ thực hiện một nhiệm vụ là ghép hoặc tách kênh

Có 2 kỹ thuật ghép kênh trong hệ thống thông tin quang WDM là “kỹ thuật ghép kênh bước sóng lỏng” và “kỹ thuật ghép kênh bước sóng chặt”

DE-MUX Sợi dẫn quang

λ1, λ2, λN

λ ,

1 , λ ,

2 , λ , N

λ , 1

λN

TxN

Kênh 1 Kênh 1

Kênh N KênhN

λ1

λ , N

λ , 1

TxN

RxN

RxN

λN

Bảng 1.1 sau đây so sánh các thông số kĩ giữa hai kĩ thuật.

Bảng 1.1 so sánh CWDM và DWDM

- CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép

kênh quang phân chia theo bước sóng lỏng trong đó khoảng cách giữa các bước sóng quang kề nhau lớn hơn 20 nm và tương ứng với nó là độ rộng phổ của một kênh là 2500 GHz Bước sóng của laser thay đổi theo nhiệt độ nhưng đối với kỹ thuật này không cần bộ làm mát vì khoảng cách giữa các bước sóng kề nhau lớn Kỹ thuật CWDM mang lại hiệu quả kinh tế cao đối với hệ thống yêu cầu ghép ít bước sóng

Khi dung lượng của hệ thống tăng lên thì số kênh ghép trong sợi quang tăng lên Điều này đã làm cho kỹ thuật ghép kênh CWDM khó có thể đáp ứng được nhu cầu và kỹ thuật ghép kênh DWDM ra đời

- DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép

kênh quang phân chia theo bước sóng chặt trong đó khoảng cách giữa các bước sóng kề nhau được truyền trên sợi quang là 0,8 nm Với khoảng cách này tại vùng tần số 1550 nm độ rộng phổ của mỗi kênh tương ứng vào khoảng

100 GHz Khi độ rộng phổ của bước sóng giảm xuống thì rất nhiều các yêu cầu đưa ra cần được giải quyết như: Nhiệt độ của laser phát phải ổn định, các thiết bị tách ghép phải hoạt động chính xác hơn… Những yêu cầu này đã làm cho giá thành của các phần tử trong mạng tăng lên và giá thành của hệ thống DWDM tăng lên rất nhiều so với hệ thống thông tin quang CWDM

1.1.2 Các cấu hình sử dụng trong mạng WDM

Các mạng ghép kênh bước sóng quang có bốn cấu hình cơ bản: WDM điểm - điểm có hoặc không có các bộ tách ghép, cấu hình mạng sao, cấu hình mạng Ring với các node OADM và hub, cấu hình hỗn hợp, nó có thể bao gồm:

- Cấu hình điểm – điểm

- Cấu hình vòng (Ring)

Với mỗi cấu hình sẽ có các yêu cầu riêng và nó cũng phù hợp đối với từng ứng dụng cụ thể

a Cấu hình điểm - điểm

Cấu hình điểm-điểm là cấu hình hay được sử dụng cho truyền dẫn đường dài với tốc độ rất cao (có thể lên đến vài Tertabits/s), tín hiệu được truyền đi toàn vẹn, độ tin cậy cao và khả năng phục hồi lại đường truyền nhanh Khoảng giữa máy phát và máy thu có thể lên đến vài trăm km và có một số bộ khuếch đại giữa các đầu cuối và thông thường số lượng bộ khuếch đại nhỏ hơn 10 (phụ thuộc vào suy hao công suất và méo tín hiệu) Cấu hình điểm - điểm với bộ tách ghép cho phép hệ thống tách và ghép dọc theo đường truyền Số lượng các kênh, khoảng cách giữa các kênh, loại sợi quang, phương pháp điều chế tín hiệu và loại thiết bị được lựa chọn sử dụng trê mạng

là các thông số quan trọng trong việc tính toán quỹ công suất của hệ thống

LD

Re A

Trong WDM mỗi kênh được mang trên một bước sóng xác định và cũng được gọi là kênh quang Các kênh khác nhau có thể mang các loại dữ liệu khác nhau như thoại, số liệu, video, các gói số liệu với các tốc độ khác nhau Các liên kết giữa máy thu và máy phát có thể có vài thiết bị quang cũng như một hay một số sợi quang, các bộ khuếch đại quang, các bộ tách ghép quang, các bộ lọc quang, coupler…

b Cấu hình vòng

Một mạng Ring bao gồm một sợi quang nối liền giữa các node, một số

hệ thống có hai sợi quang cho chức năng bảo vệ mạng (dự phòng) Một mạng Ring có thể bao một vùng nhỏ hoặc vùng thành phố lớn với chiều dài vài chục

Km Mạng Ring có thể gồm 4 hoặc nhiều kênh và có thể có nhiều node Tốc

độ của các kênh có thể là 622,08 Mb/s hoặc thấp hơn hoặc 1,25 Gb/s và cao hơn Một node trong số các node của mạng Ring là trạm hub nơi mà các bước sóng được quản lý, kết nối với các mạng khác Tại mỗi node đều có các bộ tách và ghép kênh quang để lấy ra hoặc ghép vào một hoặc một số kênh

Hình 1.4 Cấu hình mạng Ring

OADM OADM

OADM

OADM

O/E IP

λi λi

λj λjMux

λN λN

Trong mạng Ring WDM trạm hub có thể kết cuối một số loại lưu lượng như module truyền tải đồng bộ (STM: Synchronous Transport Module), IP, video Trạm hub quản lý tất cả các kênh liên kết với một đường truyền quang giữa các node với loại lưu lượng trên kênh đó Tại một node OADM một hoặc nhiều tần số quang được tách ra và xen vào trong khi số còn lại được truyền xuyên qua Mặc dù vậy khi số lượng node OADM tăng lên thì tín hiệu không thể tránh khỏi tổn hao và vì vậy sẽ yêu cầu thêm các bộ khuếch đại Số lượng node trong mạng Ring thông thường nhỏ hơn số lượng bước sóng được ghép trong sợi quang.

Trong mạng Ring, trạm hub quản lý định thời kênh với một kết nối đầy

đủ của mạng với node OADM Node hub có thể cung cấp các kết nối với các mạng khác Thêm vào đó một node OADM có thể kết nối với một bộ tách kênh hay ghép kênh nơi một số nguồn dữ liệu đợc ghép

Một mạng Ring đơn giản với một hub và hai node A và B thông tin với nhau qua bước sóng λk như ở trong hình 1.4 node A chỉ ghép một số nguồn

số liệu Tất cả các nguồn số liệu được kết thúc và trả lời bởi node B, mặc dù vậy tất cả các tín hiệu này được truyền trên cùng một kênh (và dĩ nhiên là cùng một bước sóng)

Hình 1.5 Cấu hình mạng Ring có các kênh được quản lý bởi trạm Hub

λ1 ,λ2 ,λN

1

OADM A

OADM B Router

Fiber Ring Data N

Data 1 Data 2

1 2

: Biến đổi điện quang : Biến đổi quang điện

Data 1

Data 2

Data N

1.2 M ột số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống quang.

Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của hệ thống thông tin quang

- Suy hao

- Tán sắc

- Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang

Tuy nhiên các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố cũng khác nhau, ví dụ:

- Đối với hệ thống cự ly ngắn dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao

- Đối với hệ thống cự ly tương đối lớn, tốc độ cao thì yếu tốc chủ yếu cần chú ý là suy hao và tán sắc

- Đối với hệ thống cự ly dài, tốc độ rất lớn thì ngoài 2 yếu tố trên ta cần quan tâm nhiều đến các hiệu ứng phi tuyến

Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất) Các hiện tượng phi tuyến có thể bỏ qua đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động ở mức công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ bit lên đến 2.5 Gbps Tuy nhiên, ở tốc độ bit cao hơn như

10 Gbps và cao hơn và/hay ở mức công suất truyền dẫn lớn, việc xét các hiệu ứng phi tuyến là rất quan trọng Trong các hệ thống WDM, các hiệu ứng phi tuyến có thể trở nên quan trọng thậm chí ở công suất và tốc độ bit vừa phải

Ứng với nội dung của đề tài ta sẽ tập trung vào tìm hiểu về ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất của tín hiệu trong sợi quang vượt quá một mức nào đó Đối với các

hệ thống WDM thì mức công suất này cao hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh Việc nảy sinh các hiệu ứng phi tuyến sẽ gây ra một số hiện tợng như: Xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức công suất tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỷ số S/N Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hởng đến chất lượng

của hệ thống WDM chủ yếu gồm: Hiệu ứng SPM, XPM, FWM, SBS và SBR Các hiệu ứng này có thể chia thành hai loại:

- Hiệu ứng tán xạ: Bao gồm các hiệu ứng SBS và SBR

- Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr: Bao gồm hiệu ứng SPM,XPM và FWM…

1.2.1 Hiệu ứng tán xạ

Hiệu ứng tán xạ sinh ra do tác động qua lại giữa các sóng ánh sáng với các phonon (rung động phân tử) Hai hiệu ứng chính trong loại này là tán xạ

do kích thích Brillouin (SBS) và tán xạ do kích thích Raman (SRS)

- Tán xạ Brillouin (SBS) là tán xạ sóng âm, với sự dịch tần nhỏ

- Tán xạ Rama (SRS) là tán xạ liên quan đến những trạng thái dao động của phần tử Tán xạ có thể tạo ra bước sóng mới lớn hơn hoặc nhỏ hơn bước sóng ban đầu

a Hiệu ứng SRS

Hiệu ứng Raman là kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó photon ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phân tử cấu thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tới (ánh sáng với bước sóng mới này được gọi là ánh sáng Stoke) Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang có cường độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích (được gọi là SRS) mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng bơm (gọi là bơm Raman) làm cho phần lớn năng lượng của tín hiệu được chuyển tới bước sóng Stoke

Nếu gọi Ps(L) là cụng suất của bước sóng Stoke trong sợi quang thì:

Ps(L)= P0exp (grP0L/K.Seff) (1.5)Trong đó: P0 là công suất đa vào sợi tại bước sóng tín hiệu

gr là hệ số khuếch đại Raman

K là hệ số đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu,bước sóng Stoke và phân cực của sợi Đối với sợi thông thường thì K≈2

Công thức trên có thể dùng để tính toán mức công suất P0 mà tại đó hiệu ứng SBR ảnh hưởng lớn đến hệ thống, được gọi là ngưỡng Raman (P0th) (P0thlà công suất của tín hiệu đầu vào mà ứng với nó, công suất của bước sóng Stoke và của bước sóng tín hiệu tại đầu ra là bằng nhau).

P0th ≈ 32 Seff.(L.gr) (1.6)

Từ công thức 1.6 người ta tính toán được rằng, đối với hệ thống đơn kênh để hiệu ứng SRR có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thì mức công suất P0 phải lớn hơn 1W (nếu như hệ thống không sử dụng khuếch đại quang trên đường truyền) Tuy nhiên trong hệ thống WDM thì mức công suất này sẽ thấp hơn nhiều vì có hiện tượng khuếch đại đối với các bước sóng lớn, trong khi đó công suất của các kênh có bước sóng ngắn hơn lại bị giảm đi (do

đã chuyển một phần năng lượng cho các bước sóng lớn) làm suy giảm hệ số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Để đảm bảo suy giảm S/N không nhỏ hơn 0,5 dB thì mức công suất của từng kênh phải thoả mãn (theo lý thuyết của Chraplyvy)

Với N là số kênh bước sóng

Df là khoảng cách giữa các kênh bước sóng

Như vậy, trong hệ thống WDM hiệu ứng này cũng hạn chế số kênh bước sóng, khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ thống Hơn nữa, nếu như bước sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tín hiệu thì hiệu ứng này cũng gây xuyên âm giữa các kênh

b Hiệu ứng SBS

Hiệu ứng SBS là hiệu ứng tương tự như hiệu ứng SRR, tức là có sự tạo thành của bước sóng Stoke có bước sóng dài hơn bước sóng tới Điểm khác nhau chính của hai hiệu ứng này là: Hiệu ứng SBR liên quan đến các photon

âm học còn hiệu ứng SBS liên quan đến các photon quang Chính do sự khác

f L N N

1028,1021

12

(1.7)

biệt này mà hai hiệu ứng có những ảnh hưởng khác nhau đến hệ thống WDM Trong hiệu ứng này, một phần ánh sáng bị tán xạ do các photon âm học và làm cho phần ánh sáng bị tán xạ này dịch tới bước sóng dài hơn (tương đương với độ dịch tần là khoảng 11 GHz tại bước sóng 1550 nm) Tuy nhiên chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngược trở lại (tức là ngược chiều với chiều truyền tín hiệu) mới có thể truyền đi ở trong sợi quang, vì vậy trong hệ thống WDM khi tất cả các kênh đều cùng truyền theo một hướng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh

Trong tất cả các hiệu ứng phi tuyến thì ngưỡng công suất để xảy ra hiệu ứng SBS là thấp nhất, chỉ khoảng vài mW Tuy nhiên hiệu ứng SBS với

DVB/DVlaser (DVb là băng tần khuếch đại Brillouin, DVlaser là độ rộng phổ của laser) và băng tần khuếch đại Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10-100 MHz) nên hiệu ứng này cũng khó xảy ra Chỉ các hệ thống với nguồn phát có độ rộng phổ rất hẹp thì mới có thể ảnh hưởng bởi hiệu ứng SBS Ngời ta tính toán được mức công suất ngưỡng đối với hiệu ứng SBS như sau:

B eff

p u eff

V gL

V V KA P

∆

×

∆ +

∆

Trong đó: g là hệ số khuếch đại Brillouin

Aeff là vùng lõi hiệu dụng

K đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bước sóng Stoke và phân cực của sợi Đối với sợi thông thường thì K≈2

DVB là băng tần khuếch đại Brillouin

DVP là độ rộng phổ của tín hiệu

Như vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hởng đến mức công suất của từng kênh

và khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM Hiệu ứng này không phụ thuộc vào số kênh của hệ thống

1.2.2 Hiệu ứng Kerr quang

Loại hiệu ứng này sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động, tỉ lệ với bình phương biên độ điện trường Các hiệu

ứng phi tuyến quan trọng trong loại này là hiệu ứng tự điều pha (SPM - Phase Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - Cross- Phase Modulation) và hiệu ứng trộn 4 bước sóng (FWM - Four-Wave Mixing) Loại hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Kerr.

Self-Hay ta có thể hiểu Kerr là hiệu ứng trong đó chiết suất của môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền

a Hiệu ứng SPM

Hiệu ứng SPM thuộc loại hiệu ứng Kerr, tức là hiệu ứng trong đó chiết suất của môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền Hiện tượng này tạo nên sự dịch pha phi tuyến fNL của trường quang khi lan truyền trong sợi quang Giả sử bỏ qua suy hao quang thì sau khoảng cách L, pha của trường quang sẽ là:

Đối với trường quang có cường độ không đổi hiệu ứng SPM chỉ làm quay pha của trường quang, do đó ít ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống Tuy nhiên đối với các trường quang có cường độ thay đổi thì pha phi tuyến

fNL sẽ thay đổi theo thời gian Sự thay đổi theo thời gian này cũng có nghĩa là trong xung tín hiệu sẽ tồn tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm v0 một giá trị là dvNL:

δvNL=(1/2π)(δφNL/δt) (1.10)Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của xung dịch đến tần số v<v0 và sườn trước của xung dịch đến tần số v>v0 Điều này cũng có nghĩa là phổ của tín hiệu đã bị dãn trong quá trình truyền Trong hệ thống WDM, đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau, hiện tượng dãn phổ do SPM có thể dẫn đến giao thoa gây nhiễu giữa các kênh

NL

const E

n n L

λ

π λ

π

2 2 0

(1.9)

Ei là cường độ trường quang của bước sóng thứ i.

Số hạng thứ nhất trong công thức (1.11) ứng với hiệu ứng SPM, số hạng thứ hai tương ứng với hiệu ứng XPM Nếu giả sử công suất của các kênh là như nhau thì ảnh hưởng của hiệu ứng XPM sẽ gấp 2N lần hiệu ứng SPM

c Hiệu ứng FWM

Hiện tượng chiết suất phi tuyến còn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn mode, đó là hiệu ứng FWM Trong hiệu ứng này, hai hoặc ba sóng quang với các tần số khác nhau sẽ tương tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới Tương tác này có thể xuất hiện giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống DWDM, hoặc giữa các bước sóng tín hiệu với tạp âm của các bộ khuếch đại quang Giả sử có ba bước sóng với tần số wi, wJ, wk thì tổ hợp tần

số mới tạo ra sẽ là những tần số wijk thoả mãn:

ωij k=ωi + ωJ - ωk (1.12)Theo quan điểm cơ lượng tử, thì hiệu ứng FWM là hiệu ứng mà trong

đó có sự phá huỷ photon ở một số bước sóng và tạo ra một số photon ở các bước sóng mới sao cho vẫn bảo toàn về năng lượng

Hiệu suất của quá trình FWM phụ thuộc vào điều kiện phù hợp về pha Hiệu ứng FWM xảy ra mạnh chỉ khi điều kiện này được thoả mãn (tức là động lượng của photon được bảo toàn) Về mặt toán học thì điều kiện này có thể được biểu thị như sau:

β(ωijk)= β(ωi) + β(ωj) - β(ωk) (1.13)

Vì trong sợi quang tồn tại tán sắc nên điều kiện phù hợp về pha rất khó xảy ra Tuy nhiên, với môi trường truyền dẫn là loại sợi có tán sắc thấp và khoảng cách truyền dẫn là tương đối lớn và các kênh gần nhau thì điều kiện này có thể coi là xấp xỉ đạt được

Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM Hơn nữa, nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có thể rơi vào các kênh tín hiệu với xác suất rất lớn, gây xuyên âm giữa các kênh, làm suy giảm chất lượng của hệ thống

Sự suy giảm công suất sẽ làm cho dạng hình cắt của tín hiệu ở đầu thu

bị thu hẹp lại do đó làm giảm chất lượng của hệ thống Vì các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở cửa sổ bước sóng 1550 nm và do tán sắc của sợi quang đơn mode thông thường (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18 ps/nm.km, còn tán sắc của sợi tán sắc dịch chuyển (sợi G 653) là ≈0 (<3ps/nm.km) nên

hệ thống WDM làm việc trên sợi đơn mode thông thường sẽ ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM làm việc trên sợi tán sắc dịch chuyển

Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM càng nhỏ cũng như khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn Vì vậy hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống WDM

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương này đã nêu ra được sự tiến trình lịch sử hình thành dẫn đến

việc phát triển lên mạng ghép quang theo bước sóng WDM Chương đã chỉ ra những kĩ thuật ghép kênh đang được áp dụng, cấu hình mạng quang Đặc biệt nội dung Chương 1 đã chỉ ra các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống quang và tập trung kĩ hơn việc tìm hiểu các hiệu ứng phi tuyến như các hiệu ứng tán xạ, các hiệu ứng Kerr…

CHƯƠNG 2 CÁC LINH KIỆN, PHẦN TỬ TRONG MẠNG WDM

Việc hạn chế ở những năm trước kia về khoa học kĩ thuật cũng như chưa đáp ứng được các linh kiện, vật liệu cho việc ứng dụng trong mạng quang Mặc dù ý tưởng ghép quang đã được đưa ra khá sớm từ những năm 1950

Trong thời gian gần đây công nghệ vật liệu phát triển rất nhanh, đã có rất nhiều vật liệu mới được tìm thấy, phát triển và ứng dụng vào các mạng thông tin quang Điều này đã tạo ra một cuộc cách mạng thực sự trong quá trình phát triển của công nghệ truyền dẫn quang Chương II sẽ trình bày sơ lược về các linh kiện, phần tử sử được dụng trong mạng thông tin quang WDM và các kỹ thuật sử dụng trong các thiết bị đó

2.1 Các bộ lọc quang

Có 2 loại bộ lọc quang:

- Bộ lọc có bước sóng cố định, hay còn gọi là bộ chọn bước sóng

- Bộ lọc có bước sóng hoặc dải bước sóng thay đổi được hay còn gọi là

bộ lọc điều chỉnh được

2.1.1 Bộ chọn bước sóng

Vấn đề đặt ra là phải tạo ra một trường chuyển mạch chuẩn, trong đó khoảng cách giữa các bước sóng là cố định, đồng thời các bước sóng phải được ổn định tại máy phát Đây là vấn đề chính cần bộ chọn bước sóng Chức năng này có thể được thực hiện nhờ kết hợp bộ tách/ghép bước sóng và các cổng quang (SOA)

Mặc dù thiết bị có thể được sản xuất khi sử dụng các phần tử riêng biệt, nhưng giải pháp này không giải quyết được giảm giá thành và kích thước Người ta đang cố gắng nghiên cứu phương án tích hợp các phần tử

Các ống dẫn sóng có cấu trúc vòm mái để không nhạy cảm phân cực và suy hao thấp, đồng thời tạo ra bán kính uốn cong nhỏ nhất cho phép thoả mãn yêu cầu liên kết chặt của thiết bị Sử dụng giải pháp này có thể chế tạo bộ tách bốn kênh trên diện tích 1,5 mm2, thiết bị có suy hao xuyên kênh khoảng -25dB, suy hao của chíp khoảng vài dB và độ nhạy cảm phân cực thấp hơn 0,05 nm (đối với khoảng cách kênh 2 nm) Các phần tử tách/ghép bước sóng tích hợp với các SOA tạo ra bộ chọn bước sóng suy hao zero, tái cấu hình nhanh và không nhạy cảm phân cực.

- Phương pháp lọc điện môi đa lớp sử dụng trong WDM

Bộ lọc màng mỏng có khoang cộng hưởng (TFF) thuộc loại bộ lọc có bước sóng cố định Cấu trúc gồm bộ giao thoa Fabry-Perot, trong đó các gương tại hai phía khoang được thực hiện nhờ nhiều lớp màng mỏng điện môi phản xạ Thiết bị này hoạt động như là một bộ lọc băng, cho qua một bước sóng riêng và phản xạ các bước sóng khác Bước sóng tại đầu ra của bộ lọc được xác định bởi chiều dài và chiết suất của khoang cộng hưởng

Bộ lọc màng mỏng nhiều khoang cộng hưởng (TFMF) gồm hai hoặc nhiều khoang cách biệt với nhau bởi các màng mỏng điện môi phản xạ như hình 2.1

Hình 2.1 Bộ lọc màng mỏng điện môi

Thiết bị này có nhiều đặc tính hấp dẫn để ứng dụng vào các hệ thống truyền dẫn quang Nó có khả năng hình thành đỉnh trong băng thông và sườn

Khoang 1 Khoang 2 Khoang 3

Lớp nền thủy tinh

Bộ phản xạ điện môi

dốc Thiết bị có hàm truyền đạt ổn định khi nhiệt độ thay đổi, có suy hao thấp

và không nhạy cảm phân cực với tín hiệu Các tham số điển hình cho bộ ghép

16 kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng điện môi gồm: Băng thông 1dB là 0,4

nm, băng thông 20 dB là 1,2 nm, độ cách ly là 25 dB và hệ số nhiệt độ là 0,005 nm/0C Nhờ có các đặc tính này mà hiện tại TFMF đợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang có tính thương mại

Hình 2.2 Cấu trúc bộ tách/ghép kênh dùng bộ lọc điện môi gắn trực tiếp trên sợi

Thiết bị lọc điện môi đa lớp có thể ghép trực tiếp giữa các sợi quang, hoặc sử dụng hệ thống hội tụ quang Hình 2.2 là một ví dụ về ghép sợi quang trực tiếp qua các bộ lọc lưỡng hướng sắc trên bề mặt của một sợi quang Đây

là cấu trúc lớp bộ giải ghép 4 kênh sử dụng 3 bộ lọc cấp một

Bộ lọc thứ nhất phản xạ bước sóng λ1 và cho qua các bước sóng λ2, λ3,

λ4 Bộ lọc thứ hai phản xạ bước sóng λ2 và cho qua các bước sóng λ3, λ4 Bộ lọc thứ ba phản xạ bước sóng λ 3 và cho qua bước sóng λ4 Và như vậy ta được kết quả là tín hiệu đầu vào mạng bốn bước sóng λ1, λ2, λ3, λ4 còn tại đầu ra ta tách ra được tín hiệu ta cần được mang trong sóng có bước sóng λ4 Tương tự như vậy ta cũng có thể tách được các kênh trong các bước sóng λ1, λ2, hay λ3

Bộ lọc

cấu trúc laser điều chỉnh được (điều hưởng) Bộ lọc khoang cộng hưởng Fabry-Perot được tạo thành bởi hai gương có hệ số phản xạ cao đặt song song với nhau như hình vẽ dưới đây

Hình 2.3 Bộ lọc Fabry-Perot

Bộ lọc này còn gọi là bộ giao thoa Fabry-Perot Tia sáng vào là tia sáng

đi tới gương thứ nhất, tia sáng tại đầu ra của bộ lọc là tia sáng rời gương thứ hai Đây là một thiết bị điển hình đã được sử dụng rộng rãi trong các máy đo giao thoa Nó đã được sử dụng như là bộ lọc trong thiết bị WDM của mạng quang

Hiện nay đã có bộ lọc tốt hơn, chẳng hạn bộ lọc màng mỏng nhiều khoang cộng hưởng Có thể xem bộ lọc này như là bộ lọc Fabry-Perot có gương phản xạ phụ thuộc bước sóng Do đó nguyên tắc hoạt động cơ bản của

bộ lọc này cũng như bộ lọc Fabry-Perot

Bộ lọc Fabry-Perot là một phần tử thương mại ưu điểm vượt trội của

nó so với một số thiết bị khác là nó có thể điều chỉnh được để chọn lọc các kênh khác nhau trong hệ thống các hệ thống thông tin quang WDM

b ộ lọc âm quang điều chỉnh được (AOTF)

Bộ lọc âm quang điều chỉnh được (AOTF) là một thiết bị linh hoạt Nó

là bộ lọc có thể điều chỉnh được để chọn lọc một số bước sóng nhất định Khả năng này được sử dụng để cấu tạo bộ định tuyến bước sóng

Khoang cộng hưởng

Fabry-Perot

Tín hiệu vào

Phản xạ

Tín hiệu ra cùng chiều

2.2 Bộ ghép và bộ tách kênh quang

Chức năng của một bộ tách kênh quang là nhận tín hiệu từ sợi quang Tín hiệu từ sợi quang này là một tia sáng bao gồm nhiều tần số sóng quang khác nhau và bộ tách kênh quang có nhiệm vụ tách tín hiệu nhận được thành các tín hiệu tại các tần số khác nhau Còn nhiệm vụ của bộ ghép kênh quang thì ngược lại: Nó nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau và kết hợp chúng lại vào một tia sáng để truyền vào một sợi quang duy nhất Có hai loại thiết bị tách/ghép kênh là thiết bị tách/ghép kênh tích cực và thiết bị tách/ghép kênh thụ động Thiết bị tách/ghép kênh thụ động hoạt động dựa trên nguyên lý của lăng kính, cách tử nhiễu xạ và lọc phổ Còn các thiết bị tách/ghép kênh tích cực hoạt động dựa trên nguyên tắc kết hợp các thiết bị thụ động với các bộ lọc điều hưởng trong đó mỗi một bộ lọc cộng hưởng với một tần số nhất định

2.2.1 Nguyên tắc làm việc của lăng kính

Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM người ta thường dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc (hình 2.5) Do hiện tượng chiết suất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tức là n=n(l), nên các chùm tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hướng khác nhau ở đầu ra theo định luật Snell (sự phụ thuộc của chiết suất vật liệu làm lăng kính theo bước sóng)

Hình 2.4 Tán sắc dùng lăng kính

i r

A dn

d

di

cos cos

A là góc đỉnh của lăng kính.

r là góc khúc xạ của tia sáng đi vào lăng kính

Nhược điểm: Tán sắc góc dùng lăng kính là mức độ tán sắc thấp nên khó tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau Vì vậy ta chỉ có thể dùng lăng kính trong trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ: Một bước sóng λ1 ở cửa sổ 1300 nm và một bước sóng λ2 ở cửa

sổ 1550 nm)

2.2.2 Nguyên lý làm việc của cách tử tán xạ

Do nhược điểm không tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau nên lăng kính ngày nay không được sử dụng trong công nghệ WDM nữa, thay vào đó ngời ta sử dụng cách tử nhiễu xạ làm phần tử tán sắc góc (hình 2.6)

- Khái niệm về cách tử

Cách tử là một mặt phẳng quang có nhiều rãnh cách đều nhau và có khả năng truyền hoặc nhiễu xạ ánh sáng Cách tử được cấu tạo bao gồm nhiều rãnh (như răng ca), 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 nhiễu xạ ánh sáng theo một hướng nhất định phụ thuộc vào bước sóng Vì vậy một tia sáng có nhiều bước sóng khác nhau chiếu vào cách tử thì mỗi bước sóng sẽ nhiễu xạ một hướng khác nhau Ngược lại, các bước sóng

đi tới cách tử từ các hướng khác nhau có thể kết hợp theo cùng một hướng Góc nhiễu xạ phụ thuộc khoảng cách các rãnh và các góc tới

Khi rọi ánh sáng lên trên bề mặt cách tử, ngoài hiện tượng nhiễu xạ tức

là hiện tượng giao thoa của các tia sáng bị phản xạ bởi bề mặt cách tử, làm cho ánh sáng bị nhiễu xạ theo các góc riêng biệt thoả mãn phương trình sau:

θ +sin =

ở đầu ra theo các góc khác nhau Khác với lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho các góc tán sắc lớn hơn.

Hình 2.5 Sử dụng cách tử để tách bước sóng

Khi giải ghép 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 bước khác nhau Ngược lại khi ghép kênh, một số kênh ứng với các bước sóng l1, l2, l3, ln đến từ các hướng khác nhau có thể được kết hợp thành một hướng và được truyền dẫn trên cùng một sợi quang

2.2.3 Bộ ghép và tách kênh quang

Thông thờng bộ ghép kênh quang bao gồm một số đầu vào mang các tín hiệu tại các bước sóng khác nhau Tất cả các bước sóng đó được tập trung vào một điểm và truyền vào một sợi quang duy nhất Hầu hết các bộ tách kênh quang thụ động cũng có thể sử dụng như là một bộ ghép kênh quang Chúng có thể

hoạt động dựa trên nguyên lý làm việc của lăng kính hoặc cũng có thể làm việc theo nguyên tắc tán xạ khi sử dụng cách tử.

Hình 2.6 Sử dụng lăng kính để tách bước sóng

Hình 2.7 Sử dụng cách tử tán xạ để ghép kênh

2.3 Bộ xen rẽ quang (OADM)

Các bộ xen rẽ quang được dùng để liên kết nhiều tín hiệu vào trong một đường truyền đơn hoặc để tách các tín hiệu sau khi truyền như trong hình 2.8

Trong rất nhiều phần tử của mạng, một phần tử có thể không muốn liên kết hoặc tháo toàn bộ cấu trúc kênh mà chỉ đơn thuần xen hoặc rẽ một hay một số

λ1λ2 λKênh đầu vàon Kênh đầu ra

kênh Một bộ ghép quang thực hiện chức năng này không cần phải biến đổi tín hiệu trong tất cả các kênh thành dạng điện và ngược lại Bộ xen rẽ rất cần cho mạng diện rộng và mạng thành phố khi một hay một số kênh cần được tách ra trong khi các kênh khác trong đường truyền vẫn giữ nguyên.

- Phần tử thứ nhất được sử dụng làm bộ xen rẽ quang là bộ định tuyến bước sóng (Wavelength routing) dựa trên nguyên lý dịch pha của các bước sóng (AWG) Chức năng của AWG được thể hiện như trên hình 2.10 Tất cả các bước sóng được đưa tới đầu vào "a" sẽ xuất hiện lần lượt tại các đầu ra Trên cùng một đầu ra có thể xuất hiện các bước sóng tại các đầu vào khác nhau Nguyên lý làm việc này khiến AWG trở thành bộ định tuyến bước sóng Nếu chọn các bước sóng đa tới đầu vào thích hợp thì sẽ có thể lấy được bước sóng đó ở đầu ra bất kỳ Khi đầu vào (a) chỉ có một cổng thì AWG được dùng như bộ tách sóng quang, nếu đi theo chiều ngược lại thì nó trở thành bộ ghép bước sóng

Phần tử này có thể chế tạo với số lượng lớn với giá thành hạ vì về cơ bản nó đợc chế tạo theo cách chế tạo các chíp điện tử Do đó AWG còn được gọi là linh kiện quang tích hợp (Integrated Optics)

Hình 2.9 Nguyên Lý cơ bản của AWG

2.4 Coupler hình sao (PSC)

Vai trò của coupler hình sao là kết hợp các tín hiệu quang khác nhau đến từ các đầu vào khác nhau và chia chúng ra tại các đầu ra Trái với các bộ ghép kênh, coupler hình sao không bao gồm các phần tử lựa chọn bước sóng, cũng như không có nhiệm vụ tách các kênh tín hiệu ra riêng rẽ Số đầu vào và

số đầu ra cũng không cần phải bằng nhau Ví dụ: Trong trờng hợp phát video phân bố, một số lượng nhỏ các kênh video (khoảng 100 kênh) sẽ được phát cho hàng nghìn thuê bao Số lượng đầu vào và số lượng đầu ra thường được chọn bằng nhau cho phát quảng bá và lựa chọn trong mạng LAN khi mỗi người dùng mong muốn nhận được thông tin từ tất cả các kênh Một coupler hình sao thụ động được nói đến với ngụ ý là một coupler sao quảng bá NxN trong đó N là số đầu vào và đầu ra Một coupler hình sao phản xạ đôi khi cũng được sử dụng cho các ứng dụng mạng LAN bằng cách phản xạ tín hiệu trở lại các đầu vào.

Hình 2.10 Coupler sao 8x8 sử dụng 12 coupler 2x2

Một số loại coupler hình sao được phát triển cho các ứng dụng mạng LAN Một cách tiếp cận có từ rất sớm là sử dụng coupler quang -3 dB Một coupler quang -3 dB chia hai tín hiệu đầu vào ra hai đầu ra, nó có chức năng tương tự như một coupler sao 2x2 Các coupler lớn hơn có thể được tạo ra bằng cách kết hợp nhiều coupler 2x2 Hình vẽ 2.12 chỉ ra một coupler quang 8x8 sử dụng 12 coupler quang 2x2 Độ phức tạp của coupler sao tăng lên đáng kể khi số đầu vào/ra tăng lên

Coupler xoắn nóng chảy có thể làm cho coupler sao gọn hơn, chắc chắn hơn Hình vẽ 2.13 chỉ ra dạng đơn giản của công nghệ này Ý tưởng của công nghệ này là xoắn một số lượng lớn các sợi quang lại với nhau và dùng nhiệt

độ cao đun nóng chảy Trong trờng hợp này các tín hiệu được trộn với nhau

và chia đều tới tất cả các đầu ra

Hình 2.11 Coupler xoắn nóng chảy

2.5 Bộ định tuyến bước sóng

Một thiết bị quan trọng trong hệ thống WDM là một bộ định tuyến bước sóng kích thước NxN, nó là một thiết bị kết hợp chức năng của một coupler hình sao và hoạt động tách ghép kênh Hình 2.14 chỉ ra hoạt động của một bộ định tuyến bước sóng với N=5 Tín hiệu WDM vào từ N đầu vào được tách kênh và đa thẳng tới N đầu ra của bộ định tuyến theo cách tín hiệu WDM tại mỗi cổng ra được sắp xếp lại từ các kênh tín hiệu của các kênh đầu vào khác nhau Một thiết bị định tuyến thụ động là thiết bị không bao gồm bất cứ phần tử nào cần đến công suất điện Nó cũng được gọi là định tuyến tĩnh khi cấu hình định tuyến không thể thay đổi linh hoạt được Mặc dù nó là tĩnh nhưng nó là một trong những thiết bị có nhiều ứng dụng quan trọng trong mạng WDM

Hình 2.12 Sơ đồ minh họa định tuyến bước sóng

Hầu hết các thiết kế của một bộ định tuyến bước sóng sử dụng một biến thể của bộ tách kênh AWG để cung cấp nhiều đầu vào Một thiết bị định

a b c d e