Luận văn nghiên cứu về hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM) trong thông tin quang

Trong các hớng nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theo bớcsóng WDM là một công nghệ khai thác đợc tài nguyên của sợi quang, khắcphục đợc các khó khăn khi tăng tốc độ tín hiệu đi

Mở đầu

Thông tin liên lạc đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sự phát triểnmạnh mẽ của xã hội loài ngời, là một trong những cơ sở hạ tầng, là điều kiệnthiết yếu để phát triển kinh tế Thời gian qua nền kinh tế nớc ta đã chuyểnbiến tích cực, hoà nhịp với sự phát triển của khu vực và trên thế giới Xu thếtoàn cầu hoá về thơng mại và thông tin đòi hỏi phát triển những xa lộ thôngtin thoả mãn các nhu cầu và dịch vụ

Để tạo ra một cơ sở hạ tầng tốt làm nền tảng để phát triển dịch vụ thôngtin, hệ thống truyền dẫn cũng ngày càng đợc cải tiến và nâng cao về năng lực

Từ khi ra đời, cáp quang đã thể hiện là một môi trờng truyền dẫn lý tởng vớibăng thông gần nh vô hạn và rất nhiều u điểm khác Các hệ thống truyền dẫnhiện mới chỉ khai thác một phần rất nhỏ băng thông của sợi quang Do việcnâng cấp tuyến truyền dẫn bằng cách tăng tốc độ tín hiệu về điện gặp nhiềukhó khăn, các nhà khoa học đã tìm cách nâng cao tốc độ truyền bằng cáchtăng tốc độ tín hiệu quang

Trong các hớng nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theo bớcsóng (WDM) là một công nghệ khai thác đợc tài nguyên của sợi quang, khắcphục đợc các khó khăn khi tăng tốc độ tín hiệu điện Phơng pháp ghép kênhtheo bớc sóng còn có u điểm là rất linh hoạt trong việc tăng dung lợng, tậndụng triệt để các hệ thống cáp quang hiện tại

Với hàng loạt các u điểm đó, ghép kênh theo bớc sóng hiện đợc nghiêncứu áp dụng rất nhiều trong mạng hiện tại, đặc biệt là trên các tuyến trung kế,liên quốc gia, nhất là các tuyến luôn có nhu cầu tăng tốc độ Hiện công nghệnày đợc nghiên cứu áp dụng nhiều ở Mỹ, châu Âu và Nhật Bản, hệ thốngtruyền dẫn đờng trục Bắc - Nam của nớc ta hiện đang đợc nghiên cứu để ứngdụng công nghệ này

Ghép kênh theo bớc sóng là một công nghệ mới, đã đợc áp dụng tạimột số nơi trên thế giới Muốn áp dụng công nghệ này vào thực tiễn cần phảinắm đợc kỹ thuật cơ bản của thông tin quang, nguyên lý của việc ghép kênhtheo bớc sóng, các hệ thống của hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớcsóng và các yêu cầu của nó, các u khuyết điểm của hệ thống mới này so với hệthống truyền dẫn hiện tại Đây cũng chính là mục đích của đề tài nghiên cứu

Trong khuôn khổ của một đề tài nghiên cứu khoa học ứng dụng trongthực tế, với mong muốn giới thiệu hệ thống thông tin quang ghép kênh theo b-

ớc sóng, em đi vào phân tích nguyên nhân hình thành WDM, các tham số vàyếu tố cơ bản ảnh hởng đến chất lợng hệ thống và cuối cùng xây dựng phơng

án ghép kênh quang theo bớc sóng cho tuyến trục Bắc-Nam để giải quyết vấn

cáp sợi quang

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin cáp sợi quang

Việc dùng ánh sáng để mã hoá thông tin đã đợc sử dụng từ xa xa nhngkhông đảm bảo độ tin cậy cho tuyến truyền dẫn do những hạn chế về côngnghệ Ví dụ: Khi mắt ngời đợc sử dụng nh một thiết bị thu, đòi hỏi tuyếntruyền dẫn phải có tầm nhìn thẳng và do các ảnh hởng của sơng mù và ma đãlàm cho tuyến truyền dẫn trở nên không tin cậy

Năm 1917, Anhxtanh dự đoán một loại bức xạ kích thích có thể điềukhiển đợc

Năm 1940, Fabrican bằng thực nghiệm đã tạo ra đợc bức xạ kích thíchNăm 1960, nguồn Laser ra đời đã mở ra khả năng truyền dẫn băng rộngrất lớn Vì các tần số ánh sáng cỡ 5.1014 Hz nên về lý thuyết, nguồn laser códung lợng tơng đơng 10 triệu kênh TV Nhng vào thời điểm đó, suy hao trên

sợi quang là rất lớn ( = 100 dB/km) đã khiến chúng dờng nh trở nên khôngthực tế

Năm 1970, Karpon, Kerk và Maurer đã giảm đợc giá trị suy hao còn 20dB/km Từ giá trị suy hao này, khoảng cách bộ lặp của các tuyến sợi quang cóthể so sánh với các hệ thống cáp đồng, do đó đã đa công nghệ sóng ánh sángvào thực tế kỹ thuật

Cho đến nay, giá trị suy hao giảm xuống còn 0,16 dB/km tại bớc sóng 1550

nm (gần với giá trị lý thuyết là 0,14 dB

Thụng tin quang cú tổ chức hệ thống cũng tương tự như cỏc hệ thống thụngtin khỏc

Hỡnh 1.1 Cỏc thành phõn cơ bản của cỏc một hệ thống thụng tin quang

Tớn hiệu cần truyền đi sẽ được phỏt vào mụi trường truyền dẫn tươngứng (sợi quang ), và ở đầu thu sẽ thu lại tớn hiệu cần truyền Cựng với cụngnghệ chế tạo cỏc nguồn phỏt và nguồn thu quang, sợi dẫn quang đó tạo cho hệthống quang với nhiều ưu điểm nổi trội hơn hẳn so với cỏc hệ thống thụng tincỏp kim loại: suy hao truyền dẫn nhỏ, băng tần truyền dẫn lớn, khụng bị ảnhhưởng của nhiểu điện từ, cú tớnh bảo mật thụng tin, cú kớch thước trọng lượngnhỏ, sợi cú tớnh cỏch điện tốt, tin cậy và linh hoạt, sợi được chế tạo từ cỏc vậtliệu cú sẵn… Do đú, hệ thống thụng tin quang được ỏp dụng rộng rói trờnmạng lưới và sẽ là mũi đột phỏt về tốc độ cự ly truyền dẫn,và cấu hỡnh linhhoạt cho cỏc dịch vụ viễn thụng cấp cao

1.2 Hệ thống thông tin cáp sợi quang

Một tuyến truyền dẫn cáp quang thờng bao gồm các phần tử đợc mô tả

Mạch

điều khiển

Trạm lặp

Bộ tách hoặc ghép quang

Tín hiệu

điện vào Bộ phát quang

Bộ nối quang Bộ chiaquang

Sợi quang

điện

Khuyếch đại quang

Bộ thu quang

Khôi phục tín hiệu

Tách sóng quang

Tín hiệu

điện raTới các thiết bị khác

Phần phát quang: bao gồm nguồn phát quang và các mạch điều khiển phát quang Nguồn quang

Cỏc bộ phỏt quang thực chất là cỏc laser diode Laser diode cú khoangcộng hưởng Fabry – Perot tạo ra nhiều mode dọc khụng mong muốn Trỏi lại,laser đơn mode chỉ tạo ra một mode dọc chớnh, cũn cỏc mode bờn bị loại bỏnờn được sử dụng để làm nguồn quang cho hệ thống WDM Cỏc loại laserđơn mode phổ biến là laser phản hồi phõn bố (DFB), laser phản xạ Braggphõn bố (DBR)

- Phần truyền dẫn (sợi quang): bao gồm sợi quang, các bộ nối, bộ chia,

bộ tách hay ghép và bộ lặp, trong đó sợi quang đợc bọc cáp bảo vệ là thànhphần quan trọng nhất Ngoài việc bảo vệ cho các sợi quang trong quá trình lắp

đặt và khai thác, trong ống cáp còn có thể có dây dẫn đồng để cấp nguồn chocác bộ lặp Các bộ lặp làm nhiệm vụ khôi phục và khuyếch đại tín hiệu truyềndẫn trên tuyến cáp quang có khoảng cách dài

Sợi dẫn quang, cỏc nguyờn lý lan truyền ỏnh sỏng của sợi quang

Cỏc định luật cơ bản của ỏnh sỏng cú liờn quan đến sự truyền ỏnh sỏngtrong sợi quang là hiện tượng khỳc xạ và phản xạ ỏnh sỏng.Cỏc tia sỏng đượctruyền từ mụi trường cú chỉ số chiết suất lớn vào mụi trường cú chỉ số chiếtsuất nhỏ hơn sẽ bị thay đổi hướng truyền của chỳng tại ranh giới phõn cỏchgiữa hai mụi trường Cỏc tia sỏng khi đi qua vựng ranh giới này bị thay đổihướng nhưng tiếp tục đi vào mụi trường chiết suất mới thỡ ta núi cỏc tia đú bịkhỳc xạ cũn cỏc tia nào vựng ranh giới trở lại mụi trường ban đầu thỡ ta núi tia

bị phản xạ

Hình 1.3 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng

Tia phản xạ và tia khúc xạ có quan hệ với tia tới :

▪ Cùng nằm trong mặt phẳng tới ( mặt phẳng chứa tia tới và phát tuyếncủa mặt phân cách tại điểm tới )

này sẽ đi theo đường zich – zăc dọc theo lõi sợi và đi qua trục của sợi saumỗi lần phản xạ

Điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần là:

+ Các tia sáng phải đi từ môi trường có chiết quang lớn sang môi

trường có chiết quang nhỏ hơn

+ Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn

Sợi quang gồm một lõi hình trụ bằng thuỷ tinh có chiết suất n1, baoquanh lõi là một lớp vỏ phản xạ đồng tâm với lõi Lớp vỏ có chiết suất n2(n2<1

n )

Sợi quang có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau Nếu phânloại theo sự thay đổi chiết suất của lõi sợi thì sợi quang được chia thành hailoại Loại sợi có chiết suất đồng đều ở lõi được gọi là sợi quang chiết suấtbậc Loại sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi ra tới lớp tiếp giápgiữa lõi và vỏ phản xạ được gọi là sợi có chiết suất Gradient (GI-GradedIndex) Nếu phân chia theo mode truyền dẫn thì có loại sợi quang đa mode vàsợi đơn mode Sợi đa mode cho phép nhiều mode truyền dẫn trong nó còn sợiđơn mode chỉ cho phép một mode truyền dẫn trong nó

(c)

Hình 1.4 Cấu tạo của sợi quang

(a) Sợi quang (b) Sợi chiết suất bậc (c) Sợi chiết suất giảm dần

Một trong cỏc vật liệu được sử dụng rộng rói để chế tạo sợi quang hiệnnay là silic dioxide SiO2 Mỗi nguyờn tử trong thuỷ tinh liờn kết với cỏcnguyờn tử khỏc theo cấu trỳc tứ diện như Hỡnh 1 Trong đú mỗi nguyờn tửsilic được bao quanh bởi bốn nguyờn tử Oxygen.

O O

O O

Si

Hỡnh 1.5 Cấu trỳc tứ diện của Silic dioxide trong thuỷ tinh

Sợi quang cũng cú thể được pha tạp với nhiều chất khỏc nhau để thayđổi chỉ số chiết suất Vớ dụ GeO2 và P2O5 được pha thờm vào để tăng chiếtsuất của lừi Để giảm chiết suất của lừi, cú thể sử dụng cỏc vật liệu như làBoron (B) và Fluorine (F)…Ngoài ra một số chất khỏc như Eribium cũngđược sử dụng trong cỏc bộ khuyếch đại quang

- Phần thu quang: bao gồm bộ tách sóng quang, mạch khuyếch đại điện

và mạch khôi phục tín hiệu

Để phát tín hiệu vào sợi quang, nguồn ánh sáng đợc sử dụng thờng phảitơng thích với lõi sợi quang về kích thớc Nguồn quang có hai loại là điốt laze

LD và điốt phát quang LED LED sử dụng phát xạ tự nhiên bằng cách phunnăng lợng bên ngoài dới dạng dòng điện, còn LD sử dụng phát xạ cỡng bức.Công suất phát xạ của LED nhỏ hơn so với LD nhng dễ sản xuất với giá thànhthấp Tín hiệu quang phát ra từ LD và LED có tham số biến đổi t ơng ứng vớibiến đổi của tín hiệu điện đầu vào Tín hiệu điện đầu vào có thể ở dạng tơng tựhoặc số Thiết bị phát quang sẽ thực hiện việc biến đổi tín hiệu điện đầu vàothành tín hiệu quang tơng ứng bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn

phát quang Công suất quang ra phụ thuộc vào sự biến đổi của cờng độ tínhiệu quang Bớc sóng ánh sáng của nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vàovật liệu chế tạo phần tử phát Trong vùng 800 đến 900 nm, các nguồn quangthờng chế tạo từ hợp kim GaAlAs Tại các vùng bớc sóng 1100 đến 1600 nm,các nguồn quang chế tạo từ hợp kim InGaAsP

Tín hiệu quang sau khi đợc điều chế ở phần phát quang sẽ lan truyềndọc theo sợi quang Trong quá trình truyền dẫn, tín hiệu quang có thể sẽ bịsuy hao và méo dạng khi qua các bộ ghép nối, mối hàn sợi và trên sợi do cáchiệu ứng tán xạ, hấp thụ và tán sắc Độ dài tuyến truyền dẫn phụ thuộc mứcsuy hao sợi quang theo bớc sóng

Hình 1.6 Suy hao sợi quang theo bớc sóng

Suy hao sợi quang là một hàm của bớc sóng Công nghệ đầu tiên mớichỉ sử dụng băng tần có bớc sóng 800 đến 900 nm, vì tại thời điểm đó, trongvùng bớc sóng này, sợi quang có suy hao nhỏ nhất và các nguồn ánh sáng vàphotodetector có thể hoạt động tại các bớc sóng này Vùng bớc sóng này đợc

gọi là vùng cửa sổ thứ nhất có hệ số tán sắc lớn Từ những năm 1980, bằng

cách làm giảm sự tập trung của các ion hydroxyl và độ không tinh khiết củacác ion kim loại trong nguyên liệu sợi quang, các nhà sản xuất đã có khả năngchế tạo sợi quang có mức suy hao rất thấp trong vùng bớc sóng 1100 đến

1600 nm Vùng bớc sóng này chia làm hai vùng cửa sổ: vùng cửa sổ thứ hai

có bớc sóng trung tâm là 1300 nm và vùng cửa sổ thứ ba có bớc sóng trung

tâm là 1550 nm

Vùng cửa sổ thứ hai có bớc sóng từ 1280 đến 1340 nm, là vùng cửa sổquang rộng nhất, có hệ số suy hao =0,5 dB/km, hệ số tán sắc nhỏ

TS=3,55 ps/km.nm

Vùng cửa sổ thứ ba có hệ số suy hao nhỏ nhất, tại bớc sóng 1550 nm

0,25 dB/km Cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo, sợi đơn modetruyền ở bớc sóng 1550 nm có suy hao 0,14 dB/km

Nguyên liệu chính để chế tạo sợi quang là SiO2 Nguyên liệu này rấtsẵn và rẻ vì có trong cát thờng Chi phí sản xuất sợi quang phát sinh tập trungchủ yếu ở khâu tạo thuỷ tinh tinh khiết từ nguyên liệu thô Việc lắp đặt sợiquang rất đa dạng, có thể là treo, đi trong ống dẫn, thả dới nớc hay chôn trựctiếp dới đất Độ dài mỗi cuộn cáp có thể lên đến một vài kilômét đối vớinhững ứng dụng có khoảng cách truyền dẫn lớn Kích cỡ của cuộn cáp vàtrọng lợng cáp sẽ quyết định độ dài thực tế của một đoạn cáp quang đơn Mộttuyến truyền dẫn đờng dài hoàn chỉnh thờng đợc hình thành bằng cách ghépnhiều đoạn cáp đơn với nhau

Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang bị suy giảm nhiều thìcần phải đặt thêm các trạm lặp quang để khuyếch đại tín hiệu và bù lại phầntín hiệu đã bị suy hao Trạm lặp bao gồm các thiết bị thu, biến đổi quang/điện,khuyếch đại điện và phát lại quang vào đờng truyền tiếp theo Các trạm lặp cóthể đợc thay thế bằng các bộ khuyếch đại quang

Các bộ tách sóng quang tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu

đợc từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện Bộ tách sóng quang phải đápứng đợc những yêu cầu về đặc tính rất cao do tín hiệu quang thờng bị suygiảm và méo dạng khi tới đầu cuối của sợi cáp quang Một trong những yêucầu hàng đầu là độ nhạy quang Độ nhạy quang là công suất quang nhỏ nhất

có thể thu đợc ở một tốc độ truyền dẫn nào đó ứng với tỷ lệ lỗi BER cho phép.Ngoài ra, bộ thu quang phải có tạp âm tối thiểu đối với hệ thống và có độ rộngbăng tần đủ để xử lý tốc độ dữ liệu mong muốn

Bộ tách sóng quang phải không nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ.Hai loại tách sóng quang đợc sử dụng chủ yếu trong các tuyến cáp quang làtách sóng quang bán dẫn loại PIN hoặc APD Cả hai loại này đều có hiệu suấtlàm việc cao và tốc độ chuyển đổi nhanh Khi khoảng cách truyền dẫn ngắn,tốc độ thấp (mạng thuê bao, mạng nội hạt) thì đầu phát sử dụng LED còn đầuthu sử dụng PIN Khi khoảng cách truyền dẫn lớn, tốc độ đòi hỏi cao (mạng đ-ờng trục) thì phía phát sử dụng LD, phía thu sử dụng APD Bộ tách sóng

quang phải đáp ứng đợc những yêu cầu về đặc tính rất cao do tín hiệu quangthờng bị suy giảm và méo dạng khi tới đầu cuối của sợi cáp quang Một trongnhững yêu cầu hàng đầu là có đáp ứng cao hay độ nhạy của khoảng bớc sóngphát của nguồn quang đợc sử dụng, có tạp âm tối thiểu đối với hệ thống và có

độ rộng băng tần đủ để xử lý tốc độ dữ liệu mong muốn Bộ tách sóng quangphải không nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ

1.3 Các kỹ thuật ghép kênh quang

Ngày nay, dịch vụ thông tin tăng trởng nhanh chóng Để thích ứng với

sự tăng trởng không ngừng của dung lợng truyền dẫn thông tin và thoả mãnyêu cầu về tính linh hoạt của sự thay đổi mạng, đã xuất hiện các công nghệghép kênh nh công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số quang OFDM, côngnghệ ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM, công nghệ ghép kênhtheo bớc sóng WDM

Mỗi phơng thức ghép kênh đều có những u và nhợc điểm riêng Để ứngdụng trong những mạng lới thực tế cần phải lựa chọn sau khi xem xét nhữngyếu tố nh xu hớng về nhu cầu, cấu hình mạng lới, độ tin cậy của phần cứng vàkhả năng mở rộng trong tơng lai Các phơng pháp này thờng đợc kết hợp vớinhau để tăng dung lợng hệ thống

1.3.1 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số quang (OFDM)

Phơng pháp ghép kênh theo tần số quang đợc thực hiện bằng cách chiadải tần của sóng quang thành một số kênh thông tin riêng biệt, các kênhquang tơng ứng với các tần số sóng mang khác nhau sẽ đợc biến đổi thành cácluồng song song cùng truyền đồng thời trên một sợi quang

Nguyên lý ghép kênh theo tần số đợc mô tả trong hình 1.7

f 1550nm

COMBINER

POWERDIVIDER

LASER

OPTICAL DETECTOR

Hình 1.7 Ghép kênh theo tần số quang (OFDM)

Đặc tính của sợi quang là có suy hao nhỏ trong dải bớc sóng từ 800 đến

1800 nm tơng đơng với dải tần 200000 GHz Tần số của sóng quang rất cao,

có thể trên 200000 GHz Vì vậy, có thể truyền dẫn trên sợi quang một số l ợnglớn các kênh ghép có tần số khác nhau, mỗi kênh có dải tần rộng Chẳng hạn,với băng thông 200000 GHz của sợi quang có vùng tần số nằm trong dải

12500 GHz từ bớc sóng 1500 nm đến 1600 nm có độ suy hao nhỏ nhất, có thểghép tới 1000 kênh quang tốc độ lớn hơn 1 Gb/s với khoảng cách kênh 10GHz Khi đó, dung lợng tổng cộng trên sợi quang này sẽ lớn hơn 1 Tb/s

Tần số của các nguồn phát quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo tần

số quang (OFDM) phải rất ổn định, các bộ khuyếch đại quang dải rộng phải

đảm bảo khuyếch đại đồng đều tất cả các kênh Các thiết bị quang thụ độngdùng để kết hợp các tín hiệu OFDM riêng rẽ cũng rất quan trọng, thờng phải

sử dụng các bộ lọc quang thật chính xác Phổ biến hiện nay là các bộ lọcquang 100 kênh có thể tạo ra khoảng cách kênh từ 5 đến 10 GHz dựa trên hiệuứng quang phi tuyến của các loại vật liệu bán dẫn hay các vật liệu điện môi.Dải dịch tần số quang hiện nay có thể đạt đợc khoảng 1000 GHz

1.3.2 Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian (OTDM)

Trong kỹ thuật ghép kênh theo thời gian, tín hiệu quang trên một sợi cáp

đợc chia sẻ với nhiều kênh thông tin thông qua việc phân chia thời gian Trongmột khoảng thời gian rất ngắn gọi là khe thời gian, tín hiệu quang đợc điều chếlần lợt với tín hiệu từ các kênh thông tin tơng ứng

Độ rộng của mỗi khe thời gian phụ thuộc vào nhiều thông số thiết kế kỹthuật khác nhau, đặc biệt là tốc độ truyền dẫn cần thiết đối với mỗi liên kết.Mỗi kênh truyền dẫn đợc ấn định một khe thời gian cụ thể, gọi là một kênhTDM, trong khoảng thời gian này, dữ liệu đợc truyền từ nguồn tới đích Dữliệu từ các nguồn khác không đợc phép truyền trong suốt thời gian này Thiết

bị ghép kênh ở phía phát chèn các gói dữ liệu từ các nguồn khác nhau vào sợicáp trong các khe thời gian tơng ứng Thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ nhận

dạng các khe thời gian, đa dữ liệu dới dạng các dòng liên tục ra các kênhquang riêng rẽ nh ở đầu vào bộ ghép kênh ở phía phát

Nguồn quang sử dụng trong kỹ thuật ghép kênh theo thời gian thờng làcác laser phát xung rất hẹp ở tốc độ rất cao, bớc sóng làm việc thờng trongvùng 1550 nm do có suy hao nhỏ nhất và phù hợp với các bộ khuyếch đạiquang sợi sử dụng trong hệ thống

Hình 1.8 Hệ thống ghép kênh theo thời gian TDM

Lợi ích của công nghệ TDM là tăng dung lợng truyền dẫn của một kênhcáp quang đơn lên trên 10 Gb/s Các hệ thống hoạt động ở tốc độ trên đangdần dần thay thế các hệ thống TDM 2,5 Gb/s Với các tốc độ nhỏ hơn 10 Gb/s,các đặc tính chủ yếu của sợi quang ít ảnh hởng đến chất lợng truyền dẫn, cònvới các hệ thống hoạt động ở tốc độ lớn hơn 10 Gb/s thì phải quan tâm đếnnhững ảnh hởng của các đặc tính của sợi quang Mặc dù các hệ thống 40 Gb/s

sẽ nhanh chóng đợc sử dụng rộng rãi và các nhà khoa học cũng đang nghiêncứu để đạt đến tốc độ 100 Gb/s, nhng việc tăng tốc độ hơn nữa là không dễdàng Đó là do các hệ thống tốc độ cao đòi hỏi công nghệ điện tử phức tạp và

đắt tiền

Sợi quang

Tách kênh

KĐ

quang

Ghép quang

Trễ quang

Điều chế KĐ

quang

Hình 1.9 Trong công nghệ TDM, các kênh thông tin

đợc truyền đi trong các khe thời gian khác nhau với cùng một bớc sóng và trên cùng một sợi cáp

Sự tán sắc xuất hiện do sự thay đổi chỉ số khúc xạ của sợi quang theo

b-ớc sóng Tán sắc có thể bỏ qua ở tốc độ bit thấp nhng gây khó khăn cho việctăng tốc độ và khoảng cách truyền dẫn Sự tán sắc ảnh hởng đến chất lợng tínhiệu (gây dãn xung) ở tốc độ 10 Gb/s lớn gấp 16 lần so với ở tốc độ 2,5 Gb/s.Hiện nay, hệ thống sợi quang đơn mode chiết suất bậc 10 Gb/s có giới hạnkhoảng cách truyền dẫn từ 50 đến 75 km mà không cần bù hay sửa tín hiệu.Các thiết bị định thời đòi hỏi các thành phần điện tử cao cấp để điều chế laser,ghép/tách kênh ở các tần số rất cao

Để giảm tán sắc, trên đờng truyền thờng thực hiện truyền dẫn soliton kếthợp với các bộ khuyếch đại quang Soliton là xung không tán xạ cho phép sửdụng đặc tính phi tuyến của sợi quang để loại bỏ các hiệu ứng tán xạ màu Khitruyền dẫn soliton, khoảng lặp của hệ thống TDM tăng lên rất lớn bằng kỹthuật điều khiển soliton thông qua các bộ lọc dẫn hoặc định thời tích cực Ngời

ta đã từng thực hiện truyền dẫn các xung soliton với tốc độ 4 Gb/s trên cự ly

136 km với sợi quang thông thờng và đạt đợc mức tán xạ xấp xỉ 15 ps/nm.km

Đây là một trong những loại sợi quang có tán xạ hạn chế Sử dụng sợi quang

có tán xạ dịch chuyển cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn (hàng nghìn km)

1.3.3 Công nghệ ghép kênh theo bớc sóng (WDM)

Do các nguồn phát quang có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống thôngtin cáp sợi quang thờng chỉ sử dụng phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợiquang Để tận dụng băng thông, ngời ta đã tiến hành ghép các luồng ánh sáng

có bớc sóng khác nhau và truyền đi trên một sợi quang Về lý thuyết, có thểtruyền một dung lợng rất lớn trên một sợi quang từ nhiều nguồn phát quang

khác nhau hoạt động ở các bớc sóng khác nhau ở phía thu có thể thu đợc cáctín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bớc sóng khác nhau này

Kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng cho phép tăng dung lợng truyền dẫnquang mà không cần tăng tốc độ bit đờng truyền và cũng không cần tăng thêm

Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bớc sóng khác nhau 1,

2, , n Phía phát sẽ ghép các tín hiệu quang có các bớc sóng khác nhau vàotrong cùng một sợi quang Bộ tách kênh bớc sóng phải có suy hao nhỏ Tínhiệu sau khi đợc ghép sẽ truyền trên sợi quang tới phía thu Các bộ tách sóngquang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bớc sóngriêng rẽ sau khi chúng qua bộ tách kênh

Bộ ghép kênh

Bộ tách kênh

CHƯƠNG IITỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM

2.1 Giới thiệu

Những năm gần đây, các dịch vụ thông tin tăng trưởng ngày càngnhanh chóng, yêu cầu về dung lượng truyền dẫn ngày càng lớn, đồng thời yêucầu về chất lượng truyền dẫn cũng ngày càng khắt khe hơn

Để thích ứng với sự tăng trưởng không ngừng đó và thoả mãn yêu cầutính linh hoạt của mạng, các công nghệ truyền dẫn khác nhau đã được nghiêncứu, triển khai thử nghiệm và đưa vào ứng dụng, trong số đó phải kể đến côngnghệ TDM, WDM, OTDM, Soliton

Với công nghệ TDM, dung lượng hệ thống có thể đạt tới 5 Gbps, tuynhiên đây cũng là giới hạn dung lượng của công nghệ này Với những gìkhông đạt được của hệ thống TDM về mặt dung lượng thì hệ thống thông tinquang dựa trên công nghệ WDM lại đáp ứng được

Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM - WavelengthDivision Multiplexing) là công nghệ truyền đồng thời nhiều bước sóng khácnhau trên một sợi quang, với dung lượng trên mỗi bước sóng quang điển hình

là 2,5 Gbps Số lượng ghép thường là (2 - 16) bước sóng (trong tuơng lai, con

số này còn lớn hơn) Ở đầu vào, các bước sóng quang mang thông tin (cáckênh quang) được ghép trên cùng một sợi quang và được truyền dẫn tới đầuthu Tại đầu thu, các bước sóng ghép đó được tách ra bằng các bộ tách kênhquang Dọc theo tuyến truyền dẫn có thể có các bộ khuếch đại quang để bù lạisuy hao truyền dẫn Công nghệ này thực sự cho hiệu quả truyền dẫn rất cao

mà không quá phức tạp

Dưới đây là một tính toán cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM

Băng tần truyền dẫn của sợi quang là rất lớn; Chỉ với riêng cửa sổquang 1550 nm thì dải bước sóng có thể sử dụng là 1500 nm - 1600 nm,tương ứng với dải tần rộng cỡ 12,5 THz

Sử dụng cho tốc độ truyền tin cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phầnrất nhỏ trong băng tần truyền dẫn này Rõ ràng, có thể thấy dung lượng yêucầu cỡ hàng trăm Gbps là hoàn toàn nằm trong khả năng của hệ thống WDM.Thêm vào đó, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử như bộ tách ghépquang, bộ nối chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiệnlựa chọn kênh động hoặc tĩnh…

Các công nghệ khác như OTDM, truyền dẫn Soliton thì dung lượngđược đáp ứng rất tốt nhưng lại quá phức tạp, bởi thế mà giá thành hệ thống lạitrở thành vấn đề đáng quan tâm

Công nghệ WDM với sự nâng cấp mở rộng dung lượng phát triển dịch

vụ băng rộng, khai thác đầy đủ tiềm năng băng rộng của sợi quang, thực hiệntruyền dẫn thông tin siêu tốc, có ý nghĩa rất quan trọng trong truyền dẫn cápsợi quang nói riêng, trong công nghiệp viễn thông nói chung Thực sự, nó làcông nghệ đáng được quan tâm, nghiên cứu và triển khai ứng dụng rộng rãi

Pha của một nguồn quang

2.2.Tiến trình phát triển mạng truyền tải

Để thấy rõ được xu hướng phát triển mạng trong tương lai, trước hếtnhìn lại lịch sử phát triển của công nghệ mạng truyền tải Công nghệ mạng đãtrải qua các giai đoạn chuyển đổi từ tương tự sang số, từ phân cấp số cận đồngbộ(PDH) sang phân cáp số đồng bộ (SDH) và gần đây là từ SDH sangWDM (ghép kênh phân chia theo bước sóng) Để hỗ trợ và tương thích hoàntoàn với công nghệ cũ thì công nghệ chuyển mạch mới phải thích hợp vớicông nghệ truyền dẫn trước Chẳng hạn công nghệ PCM có chuyển mạch ởmức 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 nốichéo ở mức 155Mbit/s và truyền dẫn ở mức 10Mbit/s Còn với công nghệWDM 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 theolịch sử phát triển và nhu cầu hiện tại thì công nghệ WDM ít nhất cũng đápứng được trong một thập kỷ Trong tương lai, sớm hay muộn thì cũng cần cócông nghệ WDM phát triển hơn và có lẽ được kết hợp với các kỹ thuật xử lýtín hiệu quang như ghép kênh theo thời gian quang(OTDM) và chuyển mạchgói quang cùng với các trạm lặp quang 3R để mở rộng độ trong suốt củamạng Trong tương lai xu hướng tiến tới mạng toàn quang (photonic)

Để xây dựng nên một mạng truyền tải photonic khả thi và có lợi vềkinh tế thì ngoài thách thức ban đầu về các công nghệ đường truyền quangchất lượng cao, các bộ nối chéo, và các nút chuyển mạch quang thì còn cầnphải vượt qua thách thức về cấu trúc mạng Yêu cầu quan trọng nhất của mộtmạng truyền tải đó là nó cần có cấu trúc tốt Yêu cầu này cũng được thực hiệntương tự như của các mạng SDH hiện nay Các thành phần cấu trúc sơ bản đó

là các topo Ring và Mesh và có thể tổ hợp theo vài cách như kết hợpRing/Mesh, phân cấp đa Ring… Hình 2.2 chỉ ra xu hướng phát triển có thể

của mạng truyền tải photonic tương ứng với sự phát triển công nghệ các khối

cơ bản

Khi xây dựng mạng thì cũng cần có sự giám sát xem cái gì sẽ xảy ratrong mạng Trong khi khai thác chắc chắn sẽ gặp phải các sự kiện được dựliệu trước và các sự kiện không xác định trước và đôi khi không mong muốn

Do đó cần có hệ thống báo hiệu và giám sát cho mạng So với mạng SDH, thì

có rất nhiều vấn đề cần phải được đề cập trong mạng WDM Ví dụ giám sát tỷ

lệ lỗi bít quang rõ ràng làm dễ dàng hơn cho hoạt động của mạng WDM Cần

có các tiêu chuẩn về mào đầu và báo hiệu để phát triển các thiết bị mạngWDM

Ring WDM kết nối đầy đủ

Ring WDM kết nối tập trung

OADM OADM

Truyền dẫn WDM điểm-điểm Truyền dẫn WDM chuỗi có OADM

OADM OADM

OADM OADM

OADM

OADM OADM

OADM OADM

OADM

oxc

oxc oxc

oxc oxc

Topo Mesh và kết nối các Ring

Rào cản quan trọng tiếp theo cần vượt đó là phát triển một mô hìnhthông tin hiệu quả để trích và xử lý tất cả các trừơng thông tin nhận từ mạng.Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng áp dụng thẳng cách tiếp cận mô hình phân lớpđược phát triển cho mạng SDH đã nảy ra một số vấn đề đối với mạng WDM.Khi phát triển các hệ thống quản lý các mạng WDM có bản chất tương tự vớinhiều hiệu ứng vẫn chưa được xác định rõ đã nảy ra các thách thức mới chonghiên cứu.

2.3 Công nghệ WDM

2.3.1 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấynhững ưu điểm nổi trội:

 Dung lượng lớn truyền dẫn lớn

Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứngvới tốc độ bit nào đó (TDM) Do đó hệ thống WDM có dung lượng truyềndẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM Hiện nay hệ thống WDM 80bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng

hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử nghiệm thành công Trong khi đó thửnghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s)

 Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệthống TDM đơn kênh tốc độ cao

Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyềndẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bướcsóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp Điều này làmgiảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do

đó tránh được sự phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao

 Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chíngay cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động

Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có màkhông phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang) Bên cạnh đó nó cũng

mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoàiviệc thuê sợi hoặc cáp Việc nâng cấp chỉ đơn giản là cắm thêm các Card mớitrong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-in-play)

 Quản lý băng tần hiệu quả và tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạtNhờ việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM nên nó

có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụmạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần đi lại cáp hoặc thiết kếlại mạng hiện tại

 Giảm chi phí đầu tư mới

Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chếnằm ở ngay bản thân công nghệ Đây cũng chính là những thách thức chocông nghệ này

 Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quangCông nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dunglượng nhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang.Cho dù công nghệ còn phát triển nhưng dung lượng WDM cũng sẽ đạt đếngiá trị tới hạn

 Chi phí cho khai thác và bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùnghoạt động hơn

2.3.2 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng

Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ cơ bản để tạo nênmạng quang Kỹ thuật này tận dụng băng tần của sợi quang bằng cách truyềnnhiều kênh bước sóng quang độc lập và riêng rẽ trên cùng một sợi quang Mỗibước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi, ta có thể hiểu là mỗi mộtmàu sắc khác nhau là một kênh thông tin quang khác nhau Và như vậy tínhiệu truyền trên hệ thống WDM sẽ giống như một chiếc “cầu vồng” Mặc dù

bước sóng ứng dụng trong thông tin là những bước sóng không nhìn thấy,song đây là một cách thức rất trực quan để mô tả nguyên lý này.

Trên một sợi quang hoặc một hệ thống thông tin quang ta có thể ghépbước sóng quang theo một hướng đi hoặc cả hai hướng đi và hướng về

Theo thời gian, khái niệm WDM được thay bằng khái niệm DWDM

Về nguyên lý không có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm này, DWDM nóiđến khoảng cách gần giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số lượngkênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống Những kênh quang trong hệthống DWDM thường nằm trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu là 1550 nm

vì môi trường ứng dụng hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫndài và dung lượng truyền dẫn lớn Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạophần tử và hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách kênh rất nhỏ (xấp xỉ0,5 nm) Để thuận tiện chúng ta dùng thuật ngữ WDM để chỉ chung cho cảhai khái niệm WDM và DWDM

Nhìn bên ngoài, một hệ thống truyền dẫn WDM và một hệ thống truyềndẫn quang SDH có rất nhiều điểm tương tự Cả hai hệ thống đều có:

 Các thiết bị ghép tách kênh đầu cuối (MUX, DEMUX)

 Các thiết bị khuếch đại đường truyền hoặc lặp (Line Amplifier,Regenerator)

 Các thiết bị xen/rẽ kênh (ADM)

Hình 2.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang

WDM

.

n

.

.

12 n

12 n

M U X

D E M U X

 Các thiết bị đấu chéo (Cross-Connect Equipment).

 Sợi quang

Tuy nhiên khác biệt quan trọng giữa chúng là ở chỗ: Hệ thống truyềndẫn SDH chỉ dùng một bước sóng quang cho mỗi hướng phát, còn hệ thốngWDM thì dùng nhiều bước sóng (từ hai bước sóng trở lên); đối tượng làmviệc của hệ thống SDH là các luồng tín hiệu số PDH/SDH, còn của hệ thốngWDM là các bước sóng và các bước sóng này không nhất thiết chuyển tải tínhiệu số Mỗi bước sóng có chức năng như một sợi quang cung cấp môi trườngtruyền tín hiệu cho hệ thống khác và vì vậy gọi là sợi “quang ảo”

WDM ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tăng vọt về băng thông do sự pháttriển chưa từng thấy của mạng máy tính toàn cầu Internet, sự ra đời của cácứng dụng và dịch vụ mới trên nền tảng Internet Trước WDM, người ta tậptrung mọi nỗ lực để nâng cao tốc độ truyền dẫn của các hệ thống SDH nhưngkết quả thu được không mang tính đột phá vì công nghệ xử lý tín hiệu điện tạitốc độ cao đã dần đến giới hạn Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s bản thâncác mạch điện tử không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kì hẹp.Thêm vào đó chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt độngkhá phức tạp, đòi hỏi công nghệ rất cao Trong khi đó băng thông cực lớn củasợi quang mới được sử dụng một phần nhỏ Tuy nguyên lý ghép kênh theobước sóng WDM rất gần với nguyên lý ghép kênh theo tần số FDM, nhưngcác hệ thống WDM chỉ được thương mại hoá khi một số công nghệ xử lý tínhiệu quang trở nên chín muồi, trong đó phải kể đến thành công trong chế tạocác laser phổ hẹp, các bộ lọc quang, và đặc biệt là các bộ khuếch đại đườngtruyền quang dải rộng (khuếch đại quang sợi EDFA, khuếch đại Raman)

Các laser phổ hẹp có tác dụng giảm tối đa ảnh hưởng lẫn nhau của cácbước sóng khi lan truyền trên cùng một sợi quang Các bộ lọc quang dùng đểtách một bước sóng ra khỏi các bước sóng khác Các bộ khuếch đại đườngtruyền dải rộng cần để tăng cự ly truyền của tín hiệu quang tổng gồm nhiều

bước sóng, nếu không có các bộ khuếch đại này thì các điểm cần tăng côngsuất tín hiệu người ta phải tách các bước sóng ra từ tín hiệu tổng, sau đó hoặc

là khuếch đại riêng rẽ từng bước sóng rồi ghép chúng trở lại, hoặc là phải thựchiện các bước chuyển đổi quang- điện-quang trên từng bước sóng rồi mớighép, và như vậy thì tốn kém và làm cho hệ thống trở nên kém tin cậy

 Lớp đoạn ghép kênh quang(OMS - Optical Multiplex Section) được

sử dụng để mô tả một chặng điểm nối điểm dọc tuyến quang Mỗi OMS baogồm một số đoạn lặp nằm giữa hai bộ khuếch đại

 Lớp đoạn truyền dẫn quang, hay còn gọi là lớp khuếch đạiquang(OTS - Optical Transmission Section) Điều đó cho ta thấy mỗi đoạnghép kênh quang thuộc về lớp khuếch đại quang

Electronic Layer (Lớp điện)W

DM

OCh - Lớp kênh quangOMS - Lớp đoạn ghép kênh quangOTS - Lớp đoạn truyền dẫn quang

Trong mô hình phân lớp giao thức ở mạng truyền tải dưới đây thì quan

hệ lớp ATM; SDH với lớp WDM là quan hệ giữa lớp client và lớp server Cáctín hiệu SDH và ATM dại diên cho dịch vụ ở lớp client mà được mang trên hệthống WDM Nếu xét đến khái niệm phân lớp mạng thì hệ thống WDM đượcxem như phương tiện vật lý, cùng với sợi quang tạo thành lớp “kênh quang”

Dưới góc độ phát triển hệ thống thì WDM cùng với thiết bị xen/rẽ kênhquang (OADM) và bộ nối chéo quang (OXC) sẽ tạo thành một lớp mạngquang Sự phát triển này tiến tới một mạng truyền dẫn sử dụng kênh bướcsóng hay nói ngắn gọn là lớp mạng quang ở dưới lớp client, tức là sẽ táchmạng truyền dẫn về topo thành hai lớp quang và điện trong đó hệ thốngWDM là hạt nhân của “lớp mạng quang”

Đoạn ghép Kênh

Đoạn khuếch đại

Đoạn ghép

Đoạn khuếch đại

Nút WDM

Hình 2.4 Các lớp con trong lớp quang của mạng WDM

B]ộ định tuyến

và chuyển mạch ATM

DXC và ADM

Với sự phát triển mạnh của các thiết bị chuyển mạch quang và chuyểnđổi bước sóng thì xu hường tiến tới mạng toàn quang là không xa.

SDH

Voice, IP

Hình 2.6 Xu hướng mạng truyền tải quang trong tương lai

Hình 2.7 Cấu trúc của một hệ thống WDM đơn giản

Nói chung, hệ thống WDM bao gồm nguồn quang, bộ ghép/tách kênhquang (MUX/DEMUX), sợi quang, các bộ khuếch đại quang (EDFA), các bộnối chéo quang (OXC), các bộ tách kênh xen rẽ quang (OADM), chuyểnmạch quang và các bộ lọc, Ngoài ra, còn có thêm các hệ thống kênh tínhiệu điều khiển giám sát và hệ thống quản lý

 Nguồn phát: Nguồn phát sử dụng trong các hệ thống WDM thường

là laser như sử dụng trong các hệ thống khoảng cách lớn thông thường Tuynhiên, chúng phải đáp ứng được các yêu cầu nghiêm ngặt hơn

 Bộ thu: Bộ thu có chức năng biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu

điện và phải hoàn toàn tương thích với bộ phát cả về bước sóng và các đặctính điều chế Có 2 loại bộ thu thường được sử dụng cho các hệ thống WDM

là diode PIN và photodiode thác APD PIN hoạt động với nguồn công suấtthấp hơn (5V) nhưng lại có độ nhạy thấp và băng tần hẹp hơn APD APD phùhợp cho các ứng dụng cự ly lớn Các tham số cơ bản để đánh giá 1 bộ thugồm: đáp ứng phổ, độ nhạy, băng tần phổ và điện, dải động và nhiễu

 Sợi quang: Sợi quang là thành phần cơ bản của một mạng quang.

Sợi đơn mode chuẩn (G.652) có bước sóng tán sắc bằng 0 tại 1310nm và giátrị tán sắc lớn tại 1550nm (18ps/nm.km) hiện nay vẫn được sử dụng làm môitrường truyền dẫn cho các hệ thống WDM Mặc dù có đặc tính không tươngthích với cửa sổ EDFA tại 1550nm này nhưng các phép đánh giá gần đây đãcho thấy rằng loại sợi này có thể dùng cho các hệ thống WDM tốc độ trungbình mà không làm suy giảm chất lượng tín hiệu qua các khoảng cách đáng kểnếu hệ thống có sử dụng sợi bù tán sắc hoặc các thiết bị bù tán sắc khác Sợitán sắc dịch chuyển, DSF, (G.653) tuy có tán sắc bằng 0 tại bước sóng1550nm nhưng không được khuyến nghị dùng cho các hệ thống WDM dohiệu ứng FWM Sợi tán sắc dịch chuyển khác 0, NZ-DSF, (G.655) có giá trịtán sắc nhỏ ở vùng cửa sổ 1550nm, do vậy hạn chế được các ảnh hưởng phituyến đặc biệt là hiệu ứng trộn 4 bước sóng (FWM) đối với hệ thống là loại

sợi được thiết kế cho các hệ thống WDM Loại sợi này có lượng tán sắc nhỏtrong vùng bước sóng từ 1530nm đến 1565nm (từ hơn 3ps/nm.km tại 1530nm

và xuống còn nhỏ hơn 0,7 tại 1560nm) Giá trị này đủ để loại bỏ được hiệuứng FWM mà vẫn cho phép truyền được các kênh có tốc độ ít nhất 2,5Gbit/squa khoảng cách 1000km

 Bộ khuếch đại quang: Một trong những yếu tố tạo nên sự thành

công của WDM đã dẫn đến sự ra đời của các bộ khuếch đại quang pha erbium(EDFA) Thiết bị này sử dụng năng lượng từ 1 laser bơm để khuếch đại tất cảcác bước sóng tín hiệu có mặt tại lối vào của chúng 1 EDFA gồm 1 chiều dàisợi quang đã được pha tạp với erbium, do vậy chúng có thể biến đổi nănglượng từ phát xạ bơm riêng biệt thành các bước sóng đến, tức là đã khuếchđại các tín hiệu Với 1 thiết kế EDFA đơn giản nhất thì sự khuếch đại xảy raqua 1 vùng bước sóng tương đối hẹp từ 1525nm đến 1565nm Dải 40nm cũng

đủ để xử lý 1 số lượng lớn các kênh quang EDFA “trong suốt” với giao thức,dạng, tốc độ bit của tín hiệu, và trong giới hạn nào đó cả với bước sóng tínhiệu quang Do đó, các kênh quang có thể được xen hoặc rẽ trên tuyến tại bất

cứ thời điểm nào Việc sử dụng EDFA đã cho phép thiết lập được các hệthống truyền dẫn cự ly lớn với ít các thành phần điện tử hơn, tuy nhiên cũnglàm xuất hiện 1 số vấn đề mới Đó là vấn đề về độ khuếch đại phổ khôngđồng đều và nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại (ASE) Các nghiên cứu mới vềnguyên lý bơm EDFA công suất lớn đã tập trung vào việc mở rộng vùngkhuếch đại của các EDFA từ 1570 đến 1630nm- tức là băng L

 Các bộ ghép kênh xen rẽ quang:

Bộ OADM có các giao diện quang hai hướng Đông và Tây, cũng nhưcác cổng Xen và Rẽ cho hai hướng Đông và Tây của OADM Các luồngquang Đông-Tây và Tây-Đông bao gồm tín hiệu quang ghép kênh theo bướcsóng bao gồm N sóng mang Bộ OADM cho phép tách và chèn một sóngmang (tại bước sóng j) trong các luồng quang Đông-Tây và Tây-Đông Cácbước sóng còn lại của luồng ghép kênh sẽ được cho qua bộ OADM mà không

bị tác động gì Các cổng Xen và Rẽ có thể cần tới bộ phát đáp để chuyển đổibước sóng hoặc giao diện thích nghi quang của các hệ thống không theokhuyến nghị G.691

Hình 2.9 Các chức năng của OADM theo mô hình phân lớp

Các chức năng khác của OADM là:

 Bù tán sắc

 Điều chỉnh mức công suất (khuếch đại/suy hao)

 Chèn, tách và xử lý các thông tin mào đầu của ghép kênh phân đoạnquang (nếu cần tới giao diện thích nghi quang, ví dụ G.957 tới G.mcs)

 Chèn, tách và xử lý các thông tin mào đầu của ghép kênh phân đoạnquang

 Tách, chèn, và xử lý các thông tin mào đầu của truyền dẫn phânđoạn quang

 Hỗ trợ kênh giám sát và các kênh thông tin người sử dụng

 Kiểm soát tín hiệu quang

 Thiết bị nối chéo quang:

Thiết bị nối chéo qang (OXC) có M sợi đầu vào, M sợi đầu ra và cáccổng xen rẽ Mỗi sợi đầu vào và đầu ra mang một tín hiệu ghép kênh N bướcsóng Các cổng xen và rẽ cho phép chèn và tách một số bước sóng

OXC thực hiện các chức năng sau đây: ghép và tách kênh, ghép kênhxen rẽ, chuyển mạch không gian, và có thể là cả chuyển đổi bước sóng Điều

1  N

1  N

M sợi đầu

vào

M sợi đầu ra

này cho phép thực hiện nối xuyên các tín hiệu quang giữa các sợi đầu vào vàđầu ra (và có thể nối xuyên giữa bước sóng vào và bước sóng ra).

Các chức năng khác của OXC là:

 Bù tán sắc

 Điều chỉnh mức công suất (khuếch đại/suy hao)

 Chèn, tách và xử lý các thông tin mào đầu của ghép kênh phân đoạnquang (nếu cần tới giao diện thích nghi quang, ví dụ G.957 tới G.mcs)

 Chèn, tách và xử lý các thông tin mào đầu của ghép kênh phân đoạnquang

 Tách, chèn, và xử lý các thông tin mào đầu của truyền dẫn phânđoạn quang

 Kiểm soát tín hiệu quang

Lớp OCh

Lớp OTS

Hình 2.11 Chức năng của OXC theo mô hình phân lớp

OCh OCh

OCh OCh

 Các bộ đầu cuối ghép kênh quang: Một bộ đầu cuối ghép kênh

quang (OTM) được biểu diễn như hình 2.12

OTM là một phần tử mạng hai chiều Trong hướng truyền đi, nó có khảnăng tiếp nhận N kênh quang, mỗi kênh có một mức công suất tín hiệu quang

và tỷ số SNR theo chỉ tiêu kỹ thuật đã xác định OTM xác định bước sóng chotừng kênh quang tại đầu vào theo các bước sóng đã được định nghĩa từ trước,

và đầu ra thiết bị này chứa tín hiệu ghép kênh bao gồm N bước sóng (sóngmang) Tín hiệu đầu ra đặc trưng bởi băng tần quang tổng, công suất quangtổng, công suất mang trên mỗi sóng mang và tỷ số SNR của mỗi sóng mang

Trong hướng thu, bộ OTM nhận tín hiệu ghép kênh theo bước sóng,tách tín hiệu đó thành các sóng mang như ở đầu vào bộ ghép kênh, và đưa Nkênh quang đó tới các đầu ra riêng biệt

Ch N

.

Ch 2

Ch 1

Ch N

.

Bước sóng của từng kênh quang có thể thay đổi so với khi nó đượcchèn vào hay tách ra từ các bộ ghép/tách kênh Vì thế, trong OTM có thể cầnđến một bộ chuyển đổi bước sóng Điều này đặc biệt có ý nghĩa nếu có một số

hệ thống SDH cùng tồn tại (giao diện quang G.957) được ghép kênh cùng vớinhau, trong trường hợp đó, các bước sóng của một vài hệ thống sẽ phải thayđổi cho phù hợp để đưa vào các kênh của OTM Hiện tại với công nghệ này,việc thay đổi bước sóng được thực hiện chủ yếu nhờ bộ chuyển đổi O/E/O.Các bộ chuyển đổi bước sóng photonic ít được sử dụng hơn Thay đổi bướcsóng có thể được thực hiện nhờ bộ phát đáp đứng độc lập, tách biệt với bộghép kênh của nó

Các chức năng khác có thể có của OTM là:

 Bù tán sắc

 Điều chỉnh mức công suất (khuếch đại/ suy giảm)

 Chèn, tách, và xử lý các thông tin mào đầu của lớp kênh quang (nếucần đến giao diện thích nghi quang, ví dụ: G.957 hoặc G.mcs)

 Tách, chèn và xử lý các thông tin mào đầu của đoạn truyền dẫnquang

 Hỗ trợ các kênh giám sát và kênh thông tin người sử dụng

 Kiểm soát tín hiệu quang

Có hai cấu hình cơ bản truyền dẫn dùng cho hệ thống WDM:

 Cấu hình truyền dẫn hai hướng trên cùng một sợi quang: Ở cấu

hình này, các kênh quang ở cả hai hướng truyền dẫn (đi và về) được ghépchung chỉ trên một sợi quang Cấu hình này còn được gọi là cấu hình hệ thốngtruyền dẫn song công

 Cấu hình truyền dẫn hai hướng trên hai sợi quang: Ở cấu hình

này, theo mỗi hướng truyền dẫn, các kênh quang được ghép trên một sợiquang riêng biệt và mỗi sợi quang đó đảm nhiệm truyền dẫn chỉ theo một

hướng (đi hoặc về) Đôi khi, cấu hình này được gọi là cấu hình hệ thốngtruyền dẫn đơn công

Về mặt phát triển và ứng dụng, hệ thống WDM đơn công được sử dụngtương đối rộng rãi, còn hệ thống WDM song công thì có những yêu cầu caohơn, đó là vì trong thiết kế và ứng dụng hệ thống WDM song công cần phảixem xét đến các yếu tố then chốt của hệ thống như để hạn chế can nhiễunhiều kênh (MPI), cần chú ý đến các vấn đề ảnh hưởng của phản xạ quang,cách ly giữa các kênh hai chiều, trị số và loại hình của xuyên âm, công suấttín hiệu quang truyền dẫn trên hai chiều , đồng thời phải sử dụng bộ khuếchđại quang hai chiều Nhưng so với hệ thống WDM đơn công, hệ thống WDMhai chiều giảm được số lượng bộ khuếch đại quang và đường dây

 Băng tần của sợi quang.

 Khả năng tách - ghép của các thiết bị WDM

Khoảng cách giữa các kênh bớc sóng: Một số yếu tố ảnh hởng đếnkhoảng cách này bao gồm:

 Tốc độ truyền dẫn của từng kênh

 Quỹ công suất quang

 ảnh hởng của các hiệu ứng phi tuyến

 Độ rộng phổ của nguồn phát

 Khả năng tách - ghép của các thiết bị WDM

Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bớc sóng 1550 nm có độ rộngkhoảng 100nm nhng do dải khuyếch đại của các bộ khuyếch đại quang chỉ có

độ rộng khoảng 35nm (theo qui định của ITU-T thì dải khuyếch đại này từ

b-ớc sóng 1530nm đến 1565nm) đối với băng C; hoặc băng L từ 1570nm đến1630nm với các thiết bị WDM gần đây; nên trong thực tế các hệ thống WDMkhông thể tận dụng hết băng tần của sợi quang

Nếu gọi  là khoảng cách giữa các kênh bớc sóng thì tơng ứng ta sẽcó:

trong dải băng tần của một bộ khuyếch đại quang, đây là số kênh cực đại tínhtheo lý thuyết đối với băng C Tuy nhiên với mật độ kênh càng lớn đòi hỏi cácthành phần quang trên tuyến phải có chất lợng càng cao

Dựa trên khả năng của công nghệ hiện nay, ITU-T đa ra qui định vềkhoảng cách tối thiểu giữa các kênh bớc sóng là 100 Ghz (0,8nm) với tần sốchuẩn là 193.1 Thz Mặc dù đã công bố một số loạt sản phẩm mà khoảng cáchgiữa các kênh bớc sóng là < 50 GHz, song các sản phẩm thơng mại vẫn chủyếu theo chuẩn của ITU-T đã nêu

(*) Chirp: Là hiện tợng thay đổi đặc tích tần số quang theo thời gian.Trong hiện tợng này tần số trung tâm sẽ bị xê dịch hoặc suy giảm Việc điềuchế trực tiếp xung quang bới các bộ laser bán dẫn là nguyên nhân đáng kể gây

ra hiện tợng chirp Quá trình này gây ra sự xê dịch tần số, mở rộng phổ củaxung quang đợc điều chế tại đầu ra Có thể hiểu và dịch "chirp" là sự dịch tần,hoặc xê dịch, mở rộng phổ của xung quang Tuy nhiên trong khuôn khổ tàiliệu này, chúng tôi xin giữ nguyên bản thuật ngữ kỹ thuật này: chirp hoặcchirping

Bảng 3.1: Tiêu chuẩn ITU-TG.652 về khoảng cách kênh bớc sóng

Tần số trung tâm (THz)

Bớc sóng tơng ứng (nm)

3.1.1.2 Xác định độ rộng phổ yêu cầu của nguồn phát

Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát nhằm đảm bảo cho các kênh bớcsóng hoạt động một cách độc lập với nhau, hay nói cách khác là tránh hiện t-ợng chồng phổ ở phía thu giữa các kênh lân cận Khoảng cách giữa các kênhnày phụ thuộc vào đặc tính của các thiết bị WDM nh MUX / DEMUX, bộ lọc,