Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng wdm

Đồ án trình bày về: công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM Wavelength Division Multiplexing và các ứng dụng của nó trong việc phát triển mạng thông tin quang nhằm tăng dung lượng t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ Á N TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG

THEO BƯỚC SÓNG WDM

NGHỆ AN - 01/2012

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT ĐỒ ÁN Error! Bookmark not defined CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ CÁC BẢNG 5

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM 8

1 Giới thiệu hệ thống thông tin quang 11

1.1 Giới thiệu chung hệ thống thông tin quang sợi 11

1.2 Phân loại hệ thống thông tin quang 13

2 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM 14

2.1 Các phương pháp ghép kênh quang 14

2.2 Nguyên lý cơ bản ghép kênh quang theo bước sóng 17

2.3 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM 21

CHƯƠNG II CÁC THIẾT BỊ QUANG TRONG WDM 23

1 Các phần tử tích cực 23

1.1 Sợi quang 23

1.2 Thiết bị phát quang 31

1.3 Thiết bị thu quang 33

1.4 Các trạm lặp 34

1.5 Các trạm xen/rẽ kênh 35

2 Các thiết bị WDM vi quang 36

2.1 Các bộ lọc trong thiết bị WDM 36

2.2 Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc 43

3 Các thiết bị WDM ghép sợi 53

4 Một số kỹ thuật khác được sử dụng trong ghép WDM 57

4.1.Bộ ghép bước sóng dùng công nghệ phân phối 57

1 Ổn định bước sóng của nguồn quang 67

2 Ảnh hưởng của tán sắc sợi quang đối với truyền dẫn 67

3 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 70

3.1 Hiệu ứng SRS 70

3.2 Hiệu ứng SBS 72

3.4 Hiệu ứng XPM 74

3.5 Hiệu ứng FWM 75

3.6 Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng 76

4 Bộ khuếch đại EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA 77

4.1 Độ bằng phẳng tăng ích của EDFA 77

4.2 Tích luỹ tạp âm khi dùng bộ khuếch đại EDFA 78

CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG WDM 80

1 Ứng dụng WDM trong mạng truyền dẫn 80

1.1 Tuyến truyền dẫn điểm - điểm dung lượng cao 80

1.2 Mạng quảng bá 83

2 Ứng dụng của WDM trong mạng đa truy nhập 86

2.1 Mở đầu 86

2.2 Mạng WDMA đơn chặng 87

2.3 Mạng WDMA đa chặng 90

3.Ứng dụng của WDM trong mạng chuyển mạch quang 93

KẾT LUẬN 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

LỜI NÓI ĐẦU

Bằng việc đi tắt đón đầu những công nghệ mới, tiên tiến trên thế giới, công nghệ thông tin, điện tử viễn thông là những hướng phát triển tiên phong góp phần đưa đất nước ta hướng tới một xã hội thông tin Nghĩa vụ và trách nhiệm của một sinh viên sắp ra trường thật không nhỏ, vì đối với họ vận hội,

và thách thức đang mở ra ở phía trước

Với nhận thức ấy, quyển đồ án tốt nghiệp này là báo cáo tổng kết một phần kiến thức khoa học công nghệ về chuyên ngành Điện tử Viễn Thông mà

em được đào tạo sau gần 4 năm rưỡi học tập tại trường Đại Học Đồ án trình bày về: công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM (Wavelength Division Multiplexing) và các ứng dụng của nó trong việc phát triển mạng thông tin quang nhằm tăng dung lượng truyền dẫn của mạng, đáp ứng được nhu cầu phát triển của các dịch vụ trong tương lai

Chuẩn bị trở thành một kỹ sư, với những kiến thức bổ ích, sâu rộng về chuyên ngành điện tử - viễn thông như ngày hôm nay, đó là do em đã được sự dìu dắt, giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông, các thầy cô giáo tại Đại Học Vinh, nhất là công lao hướng dẫn của thầy giáo

ThS Lê Đình Công

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ em rất nhiều trong qúa trình hoàn thành quyển đồ án này Em mong rằng sẽ nhận được nhiều đóng góp của các thầy cô và bạn bè cho quyển đồ án, để các nghiên cứu sâu hơn sau này đạt kết quả tốt hơn nữa.Và em cũng rất mong rằng vẫn tiếp tục nhận được sự dìu dắt và giúp đỡ quý báu đó trong quá trình công tác và học tập sau khi tốt nghiệp

Sinh viên

Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM có những ưu điểm hơn hẳn so với ghép kênh TDM trong việc phát triển mạng thông tin quang nhằm tăng dung lượng truyền dẫn của mạng.Trong đồ án em đã tìm hiểu về công nghệ ghép kênh quang WDM Nội dung đồ án được trình bày trong 4 chương:

Chương I : Tổng quang về hệ thống thông tin quang và công nghệ ghép kênh quang WDM

Chương này giới thiệu về hệ thống thông tin quang, các phương pháp ghép kênh quang và nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM

Chương II : Các thiết bị quang trong WDM

Trình bày về các phần tử tích cực, các thiết bị WDM vi quang, các thiết bị WDM ghép sợi và một số kỹ thuật khác sử dụng trong WDM

Chương III : Các kỹ thuật trong thông tin quang

Trình bày về ổn định bước sóng nguồn quang, ảnh hưởng của tấn sắc sợi quang tới truyền dẫn, ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến, bộ khuếch đại sử dung EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong WDM

Chương IV : Ứng dụng của hệ thống WDM

Trình bày về ứng dụng WDM trong truyền dẫn, ứng dụng của WDM trong mảng đa truy nhập, ứng dụng của WDM trong chuyển mạch quang

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn sợi quang 12

Hình 1.2: Ví dụ hệ thống WDM sử dụng sợi đa mode 15

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh quang OFDM 16

Hình 1.4: Sơ đồ tuyến thông tin quang dùng kỹ thuật OTDM ghép 4 kênh 17

Hình 1.5: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM 17

Hình 1.6: Nguyên lý ghép kênh phân chia theo bước sóng 19

Hình 1.7: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang 20

Hình 1.8: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang 20

Hình 2.1: Phân loại các thiết bị WDM 23

Hình 2.2: Cấu trúc sợi quang 24

Hình 2.3: Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang 24

Hình 2.4: Truyền sóng ánh sáng trong sợi SI 26

Hình 2.5: Quan hệ P()/Pmax phụ thuộc vào  28

Hình 2.6: Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suy hao 31

Hình 2.7: Các thành phần của một máy phát quang 32

Hình 2.8: Sơ đồ khối thiết bị thu quang 33

Hình 2.9: Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang 35

Hình 2.10: Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp loại điện quang 35

Hình 2.11: Bộ tách bước sóng dùng thiết bị màng mỏng 36

Hình 2.12: Cấu trúc của bộ lọc điện môi 37

Hình 2.13: Phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc 37

Hình 2.14: Các đặc tính phổ truyền dẫn của các bộ lọc giao thoa cắt (a) (b) và băng thông (c) 38

Hình 2.15: Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa 39

Hình 2.16: Cấu trúc cơ bản của một bộ tách nhiều bước sóng 40

Hình 2.17: Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế 40

Hình 2.19: Mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX) 41

Hình 2.20: Thiết bị MUX-DEMUX 4 bước sóng 42

Hình 2.21: Thiết bị MUX-DEMUX 3 bước sóng 43

Hình 2.22: Tán sắc dùng lăng kính 44

Hình 2.23: Sử dụng cách tử để tách bước sóng 45

Hình 2.24: Cách tử nhiễu xạ phẳng 45

Hình 2.25: Phân bố phổ năng lượng nhiễu xạ bậc một 47

Hình 2.26: Sơ đồ bộ ghép kênh Grating của Finke 48

Hình 2.27: Bộ tách Littrow 49

Hình 2.28: Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar và gương lòng chảo 50

Hình 2.29: Cách tử hình lòng chảo 50

Hình 2.30: Sơ đồ cấu trúc bộ tách sử dụng cách tử lòng chảo 51

Hình 2.31: Nguyên lý cách tử Bragg bù tán sắc 52

Hình 2.32: Hai phương pháp tạo ra các bộ ghép sợi cho thiết bị WDM 55

Hình 2.33: Đáp ứng của bộ tách kênh 1300/1550nm với kỹ thuật ghép nóng chảy 2 sợi như nhau 56

Hình 2.34: Bộ ghép kênh 4 bước sóng bằng ghép nóng chảy nối tiếp các sợi đơn mode 56

Hình 2.35: Bộ tách SOFT 2 bước sóng (P = 21) 58

Hình 2.36: Bộ ghép kênh nhiều sợi dùng cách tử theo phương pháp SOFT 58

Hình 2.37: Ma trận chỉ rõ mối liên hệ sợi đầu vào và bước sóng tại sợi đầu ra 59

Hình 2.38: Ma trận xác định mối liên hệ của các sợi vào và sợi ra khi P=9,n=2 60

Hình 2.39: Kết quả tính cho P = 9, n = 2 61

Hình 2.40: Ma trận tính cho P = 8, n = 3 61

Hình 2.41: Kết quả tính cho P = 8, n = 3 62

Hình 2.42: Các bước chế tạo AWG 63

Hình 2.43: Cấu tạo của một waveguide trên nền đế silic 64

Hình 2.44: Các phần tử cơ bản của một AWG 65

Hình 2.45: Cấu tạo và hoạt động của một AWG 65

Hình 4.1: Tuyến thông tin quang WDM điểm -điểm 80

Hình 4.2: Mạng WDM quảng bá hình sao 83

Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của BN 85

Hình 4.4: Sơ đồ khối mạng truyền dẫn quang đa truy nhập phân chia theo bước sóng 86

Hình 4.5: Cấu trúc mạng Lambdanet 89

Hình 4.6: Sơ đồ khối của mạng vòng quang thụ động nội hạt 90

Hình 4.7: Một mạng đa chặng 8 nút 91

Hình 4.8: Sơ đồ khối chức năng của một nút trong mạng Terane 92

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A

ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ

APD Avalanche Phôt Diode Điốt quang thác APD

ASE Amplifier Spontancuons Emission Bức xạ tự phát đọc

khuếch đại ATM Asnynchronous Traner Mode Kiểu truyền dẫn không

đồng bộ AWG Aray Wave Grating Cách tử AWG

B

BA Booser Amplifier Bộ khuếch đại công

suốt đầu phát BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi

D

DCF Dispersion Compensated Firber Sợi bù tán sắc

DCG Dispersion Compensated Grating Cách tử bù tán sắc

DCM Dispersion Compensated Module Module bù tán sắc

DGD Differential Group Delay Trễ nhóm

DSF Dispersion Shifted Firber Sợi tán sắc dịch

chuyển DWDM Density Wavelengh Division Ghép kênh theo bước

Multiplexer sóng mật độ cao DXC Digital Cross Connect Bộ đấu nối chéo

E

EDFA Erbium Doped Fiber Bộ khuếch đại sợi

Amplifier quang

F

FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn

bước sóng

I

IP Intemet Protocol Giao thức IP

ISDN Intergrated Service Digital Mạng số đa dịch vụ

Network

L

LA Line Amplifier Khuếch đại quang

đường truyền LAN Local Area Network Mạng đồng bộ

LWPF Long Wavelengh Pass Filter Lọc thông bước sóng

dài

N

NF Noise Figure Hệ số tạp âm

NL Non Lincar Phi Tuyến

O

OA Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ xen/rẽ bước sóng

quang

OC Optical channel Kênh quang

ODM Optical Demultiplexer Bộ tách bước sóng

quang OMO Optical Multiplexer Bộ ghép bước sóng

OPM Optical Perfonmace Monitor Thiết bị giám sát mạng

quang OSC Optical supervesor/Service Channel Kênh giám sát quang

bộ SPM Sclf Phase Modulation Điều chế tự dịch pha SWPF Short Wavelengh Pass Filter Lọc thông bước sóng

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

VÀ CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM

1 Giới thiệu hệ thống thông tin quang

1.1 Giới thiệu chung hệ thống thông tin quang sợi

Ngày nay, các hình thức thông tin ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và nhanh chóng Trong vòng 10 năm trở lại đây, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của của công nghệ điện tử - viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang đó có những tiến bộ vượt bậc cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang Cùng với đó là sự tiến bộ lớn trong công nghệ chế tạo các nguồn phát quang và thu quang, để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại

Những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các môi trường truyền dẫn khác:

- Suy hao truyền dẫn nhỏ

- Băng tần truyền dẫn rất lớn

- Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

- Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao

- Có kích thước và trọng lượng nhỏ

- Sợi có tính cách điện tốt

- Độ tin cậy cao

- Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có

Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh mẽ các nhà khai thác viễn thông

Nguồn phỏt quang

Phát quang

Trạm lặp

Khuếch đại

quang

Đầu thu quang

Khôi phục tín hiệu

Hỡnh 1.1: Cỏc thành phần chớnh của tuyến truyền dõ̃n sợi quang

Phần phỏt quang bao gồm nguồn phỏt quang và cỏc mạch điều khiển phỏt quang

Phần thu quang bao gồm bộ tỏch súng quang, mạch khuếch đại điện và mạch khụi phục tớn hiệu

Phần truyền dẫn quang bao gồm sợi quang, cỏc bộ nối, bộ chia, cỏc trạm lặp, cỏc trạm tỏch và gộp quang

Cỏc nguồn quang cơ bản sử dụng trong hệ thống thụng tin cỏp sợi quang

cú thể là Diode Laser (LD) hoặc Diode phỏt quang (LED) Tớn hiệu quang phỏt ra từ LD hoặc LED cú cỏc tham số biến đổi tương ứng với biến đổi của tớn hiệu điện vào Tớn hiệu điện vào cú thể phỏt ở dạng số hoặc tương tự Thiết bị phỏt quang sẽ thực hiện biến đổi tớn hiệu điện vào thành tớn hiệu quang tương ứng bằng cỏch biến đổi dũng vào qua cỏc nguồn phỏt quang Bước súng ỏnh sỏng của nguồn phỏt quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần

tử phỏt Vớ dụ GaalAs phỏt ra bức xạ vựng bước súng 800 nm đến 900 nm, InGaAsP phỏt ra bức xạ ở vựng 1100 nm đến 1600 nm

Tín hiệu quang sau khi đã được điều chế ở khối nguồn phát sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang Trong quá trình lan truyền, tín hiệu quang có thể bị suy hao và méo dạng qua các bộ ghép nối, mối hàn sợi và trên sợi do các yếu

tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc Độ dài của tuyến truyền dẫn tuỳ thuộc vào mức suy hao sợi quang theo bước sóng

sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm Suy hao tại 3 vùng cửa sổ bước sóng trên

là thấp nhất Vì vậy truyền dẫn qua sợi quang chủ yếu là sử dụng các bước sóng ở cửa sổ này

Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang bị suy giảm nhiều thì cần phải đặt thêm các trạm lặp quang để khuếch đại tín hiệu trạm lặp gồm các thiết bị thu, biến đổi quang - điện, khuếch đại điện và biến đổi điện - quang và tiếp tục truyền vào sợi quang Các trạm lặp này có thể thay thế bằng các bộ khuếch đại quang

Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính và kênh phục hồi Nó tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể Trong phần này thường sử dụng các photodiode PIN hoặc APD Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang là công suất quang phải nhỏ nhất (độ nhạy quang) có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít (BER) cho phép

1.2 Phân loại hệ thống thông tin quang

1.2.1 Phân loại theo dạng tín hiệu

Tuỳ theo dạng tín hiệu điện đưa vào điều biến nguồn quang là tín hiệu tương tự hay tín hiệu số mà ta có:

+ Hệ thống thông tin quang tương tự

+ Hệ thống thông tin quang số

Tuy nhiên mạng thông tin hầu như đã được số hóa nên chủ yếu hiện nay sử

1.2.2 Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu quang

Theo nguyên lý điều chế quang ở đầu phát và tách tín hiệu quang ở đầu thu có thể phân chia làm 2 loại hệ thống truyền dẫn quang:

+ Hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent): hệ thống này sử dụng phương pháp điều chế gián tiếp nguồn quang, ở đầu phát luồng tín hiệu điện đưa đến điều chế nguồn bức xạ quang đơn sắc trong bộ điều chế ngoài, ở đầu thu thực hiện kỹ thuật thu đổi tần Tín hiệu quang thu được đưa vào bộ trộn quang trộn với tín hiệu dao động nội rồi đưa đến bộ tách sóng quang để lấy ra tín hiệu IF, sau đó thực hiện giải điều chế khôi phục lại tín hiệu cần phát đi

+ Hệ thống điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp (IM/DD): ở đầu phát các tín hiệu điện thực hiện điều chế trực tiếp cường độ bức xạ quang của nguồn quang Phía đầu thu photodiode thực hiện tách sóng trực tiếp tín hiệu quang nhận được thành tín hiệu băng gốc đã truyền đi

1.2.3 Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn

+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn nhỏ tốc độ 8Mb/s hoặc hệ thống

có dung lượng truyền dẫn trung bình tốc độ 34Mb/s, sử dụng trên mạng trung

kế giữa các tổng đài, trên mạng thuê bao ISDN và mạng LAN

+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn lớn với tốc độ truyền dẫn đến

140Mb/s

+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn rất lớn, tốc độ truyền dẫn lớn hơn 140Mb/s sử dụng cho các hệ thống thông tin đường dài, trong mạng lõi

2 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM

2.1 Các phương pháp ghép kênh quang

2.1.1 Ghép kênh quang theo bước sóng

Kỹ thuật này sử dụng sợi quang (linh kiện quang) để mang nhiều kênh quang độc lập riêng rẽ Mỗi bước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi,

sử dụng các bước sóng ánh sáng để truyền dẫn số liệu song song theo bit hoặc nối tiếp theo ký tự Có nhiều cách tạo nên một hệ thống WDM, chẳng hạn sử

dụng bước sóng 1310nm và bước sóng 1550nm hoặc sử dụng bước sóng 850nm và bước sóng 1310nm (hình 1.2)

Hình 1.2: Ví dụ hệ thống WDM sử dụng sợi đa mode

Qua quá trình phát triển của công nghệ, khái niệm WDM được thay thế bằng khái niệm DWDM Về nguyên lý không có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm nói trên DWDM nói đến khoảng cách giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số lượng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường nằm ở trong một cửa sổ bước sóng chủ yếu là 1550nm vì môi trường ứng dụng hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và dung lượng lớn Công nghệ này cho phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách rất nhỏ 0,5nm

2.1.2 Ghép kênh quang theo tần số

Ở phương pháp này, băng tần của sóng ánh sáng được phân chia thành một số kênh thông tin riêng biệt.Ở đây các kênh ánh sáng có các tần số khác nhau sẽ được biến đổi thành các luồng song song để truyền đồng thời trên một sợi quang Hình 1.3 là sơ đồ khối của hệ thống ghép kênh quang theo tần số Tại đầu thu, tín hiệu quang sẽ được tách ra, công suất quang được chia và các kênh riêng rẽ sẽ được khôi phục lại

Công nghệ OFDM mới chỉ thực nghiệm, nhưng người ta đã tiến hành được hệ thống ghép tới 100 kênh quang Như vậy ghép kênh quang OFDM

1310nm 1310nm 1310+850

1310+850 850nm 850nm

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh quang OFDM

OFDM sẽ đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin trong tương lai, nó là mục tiêu thực hiện mạng cáp quang hóa hoàn toàn Chúng đáp ứng được các chức năng như sắp xếp các kênh thông tin một cách hợp lý, cho phép truyền tín hiệu dễ dàng qua các phần tử thụ động, cho ra các hệ thống thông tin có dung lượng lớn, mềm dẻo, dễ dàng mở rộng, dễ dàng khai thác

2.1.3 Ghép kênh quang theo thời gian

Trong ghép kênh quang OTDM, chuỗi xung quang hẹp được phát ra từ nguồn phát thích hợp Các tín hiệu này được đưa vào khuếch đại để nâng mức tín hiệu đủ lớn, sau đó được chia thành nhiều luồng và mỗi luồng được đưa vào điều chế ngoài (có thể điều biên, điều pha, hoặc điều tần) với tín hiệu nhánh

Các tín hiệu này được ghép với nhau tương ứng với các thời gian trễ khác nhau và được truyền trên sợi quang Hình 1.4 miêu tả sơ đồ khối của hệ thống này Ở phía thu, thiết bị tách kênh và đưa ra từng kênh quang riêng rẽ tương ứng với các kênh quang ở đầu vào bộ ghép phía phát

Laser

f

Tách quang

Bộ chia

Hình 1.4: Sơ đồ tuyến thông tin quang dùng kỹ thuật OTDM ghép 4 kênh

Các hệ thống ghép kênh OTDM thường hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm, tại bước sóng này có suy hao nhỏ và lại phù hợp với bộ khuếch đại quang sợi có mặt trong hệ thống Các bộ khuếch đại quang sợi có chức năng duy trì quĩ công suất của hệ thống nhằm đảm bảo tỷ lệ S/N ở phía thu quang

2.2 Nguyên lý cơ bản ghép kênh quang theo bước sóng

2.2.1 Định nghĩa ghép kênh theo bước sóng WDM

a) Định Nghĩa:

Ghép kênh theo bước sóng WDM làcông nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn được nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền

đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đo được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

Bộ tách kênh

Khối phát Block

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 thời gian

thời gian

- Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là

lazer Hiện tại đó cú một số loại nguồn phát như: Lazer điều chỉnh được bước sóng (Tunable Lazer), Lazer đa bước sóng (Multiwavelength Lazer)… yêu cầu đối với nguồn lazer phải có tốc độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép

- Ghép/ tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sóng

khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có bộ tách/ ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách từ Bragg sợi, cách từ nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Febry-Perot…

- Truyền dẫn tín hiệu:: Quá trình truyền dẫn trong sợi quang chịu sự ảnh

hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quang đến khuếch đại tín hiệu… Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi…)

- Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại sử dụng bộ khuếch đại

quang sợi EDFA Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng đó được sử dụng trên thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Độ lợi khuếch đại đồng đều với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch không quá 1dB)

+ Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh

+ Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cả các kênh

- Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong hệ thống WDM cũng sự dụng các bộ tách

sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống WDM

Hình 1.6: Nguyên lý ghép kênh phân chia theo bước sóng

WDM là một hệ thống ghép n bước sóng 1 n, phía phát sử dụng nguồn quang bằng LD hoặc LED Mỗi nguồn quang có bước sóng riêng

Ánh sáng đầu ra của bộ LD hoặc LED chiếu vào thiết bị ghép bước sóng (MUX: multiplex) có thể là cách tử G và P thành một luồng chung có n bước sóng truyền qua sợi quang Tại đầu thu sử dụng bộ tách bước sóng (DEMUX: Demultiplex) để tách riêng rẽ từng bước sóng Mỗi bước sóng được đưa vào một diode tách quang để tách luồng tín hiệu số

Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng là ghép tất cả các bước sóng khác nhau của nguồn phát quang vào cùng một sợi dây dẫn quang nhờ

bộ ghép kênh MUX và truyền dẫn các bước sóng này trên cùng sợi quang Khi đến đầu thu, bộ tách kênh quang sẽ phân tách để thu nhận lại các bước sóng đó

Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang

đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau

2.2.2.1 Truyến dẫn 2 chiều trên 2 sợi

Hình 1.7: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều,ở đầu phát các tín hiệu có bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế 1, 2, , n thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh ở chiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên

2.2.2.2 Truyền dẫn 2 chiều trên 1 sợi quang

quang Máy thu

quang

Bộ ghép kênh

Bộ tách kênh

Bộ khuếch đại sợi quang

Bộ khuếch đại sợi quang

Bộ tách kênh

Bộ ghép kênh

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

Bộ khuếch đại sợi quang

Máy thu quang

Máy thu quang Máy phát quang Máy phát quang

Bộ tách/

ghépkênh

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng 1, 2, , n qua bộ ghép/tách kênh được tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi Cũng sợi quang đó, ở hướng

về các bước sóng n+1, n+2, , 2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (song công)

Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển tương đối rộng rãi Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của

bộ ghép kênh ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng quang Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế các bộ tách kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải làm việc ổn định

2.2.3 Mục đích

Do băng thông quang rất lớn (khoảng 100Ghz-km) nên nếu chỉ sử dụng cho mục đích đơn lẻ sẽ rất hao phí Vì vậy sử dụng công nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn của sợi quang bằng cách truyền đồng thời nhiều kênh bước sóng trên cùng một sợi quang Qua nghiên cứu ITU-T

đã đưa ra cụ thể các kênh bước sóng và khoảng cách giữa các kênh này có thể chọn ở các cấp độ 200Ghz, 100Ghz, 50Ghz

2.3 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM

a) Ưu điểm

+ Dung lượng truyền dẫn lớn, hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống TDM Hiện nay hệ thống có tổng dung lượng 200Gb/s đã được thực nhiệm thành công với WDM 80 bước sóng, mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gb/s

số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bước sóng riêng (kênh quang)

+ Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang Việc nâng cấp dung lượng đơn giản là cắm thêm card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động

+ Quản lý băng tần và cấu hình mềm dẻo, linh hoạt nhờ việc định tuyến và phân bố bước sóng trong mạng WDM nên có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng

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

+ Giảm chi phí đầu tư mới

CHƯƠNG II CÁC THIẾT BỊ QUANG TRONG WDM

Các phần tử sử dụng trong hệ thống OWDM rất đa dạng, nhưng có thể phân loại ra như

Hình 2.1: Phân loại các thiết bị WDM

1 Các phần tử tích cực

1.1 Sợi quang

a Cấu tạo, phân loại sợi quang

Sợi quang là những sợi nhỏ trong suốt được chế tạo từ sợi thuỷ tinh hoặc

sợi tổng hợp để truyền ánh sáng Cấu trúc của các loại sợi quang cho trong Hình 2.2 Tuỳ theo cấu trúc, đặc tính truyền dẫn của sợi quang có thể phân loại sợi quang theo nhiều cách khác nhau

Phân loại theo vật liệu chế tạo sợi quang: sợi quang làm bằng thuỷ tinh thạch anh, sợi quang làm thuỷ tinh hỗn hợp, sợi quang làm bằng chất dẻo

Phân loại theo phân bố chiết suất: chiết suất nhẩy bậc, chiết suất biến đổi Phân loại theo mode truyền lan: sợi đơn mode, sợi đa mode

Thiết bị WDM

Tích cực Thụ động

Thiết bị vi quang Ghép sợi

Phi tuyến Giao thoa Phân cực

Trong hệ thống thông tin đường trục sợi quang thường được sử dụng là loại sợi đơn mode chiết suất bậc (SMSI) Để có được sợi đơn mode phải thoả mãn điều kiện sau: V < 2.045

sóng truyền trong sợi quang

Hình 2.2: Cấu trúc sợi quang

b Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng

1

1'

2 3

Sợi quang MMGI

Ðu?ng kính lõi : 30 – 100 Ðu?ng kính vỏ : 100 – 150 Ðu?ng kính v? ngoài : 250 – 1000

Sợi quangSMSI

Ðu?ng kính lõi : 5 – 10 Ðu?ng kính v? : 125 Ðu?ng kính l?p v? ngoài : 250 - 1000

Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng phản

xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có

vào môi trường chiết suất n2 (n1>n2) thì tại mặt phân cách giữa hai môi trường xảy ra hiện tượng phản xạ và khúc xạ như Hình 2.3 Dựa vào hiện tượng phản

xạ toàn phần mà ta có thể truyền ánh sáng đi trong lõi sợi quang với suy hao thấp, ở đây n1 là chiết suất của lõi sợi quang n2 là chiết suất của phần vỏ sợi quang

Quan hệ giữa góc tớit, góc khúc xạ k với các chiết suất n1 và n2 tuân theo định luật khúc xạ (tia số 1):

n1.sint=n2.sink (2.1) Khi tăng góc tới t đến một giá trị 0 nào đó thì tia khúc xạ không đi vào

(tia số 2), góc 0 được xác định tương ứng với k=90 0 , do vậy:

n1.sin0= n2.sink= n2.sin900= n2  sin

0

 =n2/n1 (2.2)  0=arcsin(n2/n1) (2.3) Nếu tiếp tục tăng góc t>0 thì chỉ còn tồn tại tia phản xạ và hiện tượng

dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để truyền ánh sáng trong sợi quang khi đó ánh sáng truyền trong sợi quang phải phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt phân cách giữa lõi và vỏ của sợi quang Để biểu diễn và phân tích sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang người ta có thể sử dụng phương pháp quang hình mặc dù nó chỉ mô tả một cách gần đúng hiện tượng Chính xác nhất là sử dụng phương pháp quang sóng song rất phức tạp

Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi chiết suất nhảy bậc cho trong Hình 1.4

Hình 2.4: Truyền sóng ánh sáng trong sợi SI

Theo định luật khúc xạ ta có:

n0.sini = n1.sinr (2.4) Trong đó n0 là chiết suất của không khí, ilà góc tới, rlà góc khúc xạ, a

là bán kính lõi sợi quang Giả sử 0 là góc tới hạn, nếu  >0 thì tia sáng đi vào lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phần và chỉ truyền trong lõi sợi quang mà không đi ra ngoài Theo công thức 2.3 ta có 0= arcsin(n2/n1) khi đó góc khúc

xạ tương ứng với góc tới hạn 0 là r0= 900 - 0 Do vậy góc tiếp nhận i0 tới hạn sẽ thoả mãn điều kiện:

n0.sini0 = n1.sinr0 = n1.sin(900 -  0) = n1.cos 0

=> n0.sini0 = n1.cos(arcsin(n2/n1)) = 2

2 2

n  (2.6)

NA được gọi là mặt mở số của sợi quang, góc tiếp nhận cực đại của sợi quang i0 sẽ tạo thành một hình nón trong đó các tia sáng đi vào tiết diện của sợi quang với góc i>i0 nằm ngoài hình nón sẽ không truyền trong lõi mà đi

ra ngoài vỏ sợi quang Như vậy chỉ các tia sáng nào nằm trong hình nón khi truyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phần liên tiếp giữa lõi và vỏ và truyền

ta có:

=

1

2 1

n

n

(2.7)

Thực tế n1 n2 và khi đó:   (  ).(  )  2 (  ) 2

2 1

2 1 1 2

1

2 1 2 1 2

1

2 2 2 1

n

n n n n

n n n n n

n n

=>NA=n1 2  (2.8)

c Đặc tính truyền dẫn của sợi quang

* Các mode trong sợi quang

Việc giải phương trình Maxwell cho ta xác định được các thành phần sóng ánh sáng truyền trong sợi quang Nghiệm riêng của phương trình sóng gần đúng với các sóng ánh sáng truyền trong sợi quang và được gọi là các mode truyền trong sợi quang Người ta chỉ quan tâm đến các mode truyền dẫn

và mong muốn trong sợi quang chỉ tồn tại mode truyền dẫn Trong một sợi quang có rất nhiều mode sóng có thể truyền lan Số mode phụ thuộc vào đường kính lõi sợi quang, vào độ dài bước sóng và mặt mở số NA Ta có thể xác định số cực đại mode trong sợi quang MMSI theo công thức sau

Các nguyên nhân gây nên hiện tượng tán sắc trong sợi quang có thể liệt

kê như sau:

- Tán sắc vật liệu

Trong thực tế chế tạo sợi quang chiết suất vật liệu không phải là hằng số



truyền dẫn giữa các phần của xung ánh sáng, chúng lan truyền cùng vận tốc

 =



n

sóng khác nhau gây nên hiện tượng tán sắc vật liệu Hình 1.5 mô tả ánh sáng bức xạ của LED và Laser diode

P( )/Pmax 1

0.5



Hình 2.5: Quan hệ P()/Pmax phụ thuộc vào 

Độ dãn xung đối với sợi MM-SI là:

 mod= (n1 n2)

c L

 (2.12)

Độ dãn xung đối với sợi MM-GI là:

mod =

c

n L

8

. 12

(2.13)

- Tán sắc đường truyền

Sự truyền dẫn các mode trong sợi phụ thuộc vào tỉ lệ d/ Các mode

nhỏ một phần ánh sáng còn được dẫn trên vỏ sợi quang gây tán sắc lớn Loại tán sắc này có ảnh hưởng lớn đến sợi SM-SI

- Tán sắc mặt cắt

Trong thực tế không chỉ chiết suất thay đổi theo  mà độ chênh chiết suất

ra do tán sắc mặt cắt phụ thuộc vào loại chất phụ gia trong quá trình chế tạo sợi và phụ thuộc vào nguồn quang

* Suy hao sợi quang

Suy hao sợi quang là một yếu tố làm ảnh hưởng tới chất lượng thu Trong quá trình thiết kế và triển khai hệ thống người ta quan tâm tới suy hao trong sợi quang và suy hao do uốn cong sợi quang

- Suy hao trong sợi quang

Là suy hao do bản chất của sợi quang Là tham số đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu Cơ chế suy hao trong sợi quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ và suy hao do bức xạ Suy hao sợi thường được đặc trưng bằng hệ số

Pout là công suất quang đầu ra,  được tính theo dB/km Suy hao trong sợi

- Suy hao do hấp thụ vật liệu

Hấp thụ trong sợi quang là yếu tố quan trọng trong việc tạo nên bản chất suy hao của sợi quang Hấp thụ chủ yếu do ba cơ chế gây như sau:

+ Hấp thụ do tạp chất

+ Hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi

+ Hấp thụ cực tím hay còn gọi là hấp thụ điện tử

- Suy hao do tán xạ

Do tính không đồng nhất trong lõi sợi gây ra mặc dù rất nhỏ Đó là do

có những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không đồng nhất về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi quang Ánh sáng truyền trong sợi quang bị tán xạ ra các hướng và gây ra tán xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh chỉ có ý nghĩa khi bước sóng ánh sáng cùng cấp với kích thước của cơ cấu tán

)

Hình 2.6 miêu tả các dạng suy hao trong sợi quang theo bước sóng đối

ba vùng bước sóng có suy hao nhỏ gọi là ba vùng truyền dẫn

Vùng 1: Suy hao chủ yếu do tán xạ, một phần do hấp thụ, có bước sóng trong dải =0,8 0,9m, =2 3 dB/km Được sử dụng trong các mạng

0,85m

Vùng 2: Suy hao chủ yếu do hấp thụ, có bước sóng trong dải

Bước sóng trung tâm là =1,3m

Vùng 3: Đây là vùng có suy hao thấp nhất với dải bước sóng

được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống thông tin quang

HÊp thô hång ngo¹i T¸n x¹ Rayleigh

HÊp thô cùc tÝm

Sù kh«ng hoµn h¶o cña sîi quang

Hình 2.6: Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suy hao

- Suy hao do uốn cong sợi

Là suy hao ngoài bản chất của sợi Khi bất kì một sợi quang nào bị uốn cong theo một bán kính xác định thì sẽ phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi gây nên suy hao tín hiệu Có hai loại suy hao uốn cong là uốn cong vĩ mô và uốn cong vi mô Hiện tượng suy hao do uốn cong có thể thấy rõ nhất khi góc tới lớn hơn góc tới hạn tại các vị trí sợi bị uốn cong

+ Uốn cong vĩ mô:

Là uốn cong có bán kính uốn cong tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi Bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng lớn

+ Uốn cong vi mô:

Là hiện tượng sợi quang bị uốn cong một cách ngẫu nhiên, trường hợp này hay xảy ra trong lúc sợi quang được bọc thành cáp

1.2 Thiết bị phát quang

Thiết bị phát quang là một bộ phận không thể thiếu của một hệ thống thông tin quang Nhiệm vụ chính của nó là nhận tín hiệu đầu vào và biến đổi

b) Nguồn quang

Là thành phần chủ yếu nhất của máy phát quang Các nguồn quang được

sử dụng phổ biến là diode phát quang LED và diode laser bán dẫn (LD) Đây

là nguồn phát quang có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, độ tin cậy cao, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương ứng với kích thước lõi

sợi và khả năng điều chế trực tiếp tại các tần số tương đối cao

Diode phát quang LED là một nguồn phát quang sử dụng rất phù hợp với các hệ thống thông tin quang có tốc độ bít không quá 200 Mb/s sử dụng sợi quang đa mode Có hai kiểu cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi nhất là các cấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể kép Căn cứ vào nhiều yếu tố như năng lượng vùng cấm và bước sóng trong vùng cấm của vật

Bộ điều khiÓn

Điều chế

Nguồn quang

Bộ nối quang

Tín hiệu

®Çu vµo

Tín hiệu quang đầu ra

liệu chế tạo LED mà người ta sử dụng các loại vật liệu khác nhau cho các vùng bước sóng khác nhau

Diode laser bán dẫn LD thường được sử dụng trong hệ thống thông tin quang có tốc độ cao như các mạng thông tin đường trục Thực tế sử dụng trong hệ thống hiện nay là các loại LD có cấu trúc dị thể Do nhu cầu phải phát tia laser nên cấu trúc của LD phức tạp hơn so với LED

c) Bộ điều chế

Thực hiện điều chế tín hiệu điện nguồn phát quang và tuỳ theo từng hệ thống mà sử dụng điều chế IM/DD hoặc sử dụng hệ thống điều chế ngoài

d) Bộ nối vào kênh quang

Thông thường bộ nối vào kênh quang là một hệ thống thấu kính hội tụ có tiêu điểm hướng tín hiệu quang vào trong sợi cáp quang với hiệu quả lớn nhất

có thể

1.3 Thiết bị thu quang

Thiết bị thu quang cũng là một thành phần không thể thiếu được trong hệ thống thông tin quang Nhiệm vụ chính của thiết bị thu quang là thu tín hiệu trên sợi quang và biến đổi tín hiệu quang đó thành tín hiệu điện ở dạng ban đầu Do thiết bị thu quang ở vị trí sau cùng của mộ tổ chức truyền dẫn nên nó sẽ thu nhận mọi tác động của toàn tuyến đưa tới, vì vậy mà hoạt động của thiết bị thu quang ảnh hưởng tới chính chất lượng của toàn bộ hệ thống truyền dẫn Cho nên yêu cầu đối với các thiết bị thu quang là khá cao, như đòi hỏi độ nhạy cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ, độ tin cậy cao Cấu hình của một thiết bị thu quang được mô tả qua Hình 2.8

Nèi vµo kªnh

T¸ch sãng kªnh

Gi¶i ®iÒu chÕ

a) Bộ nối vào kênh

Giống như trong bộ phát quang, nhưng ở đây là bộ ghép nối của thiết bị thu quang thực hiện chức năng ngược lại

b) Bộ tách sóng quang

Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang thu nhận được từ bộ nối vào kênh thành tín hiệu điện cùng dạng như tín hiệu đưa vào đầu của thiết bị phát quang Các thiết bị sử dụng để làm nhiệm vụ trên thông thường là các photodiode Hiện nay được dùng phổ biến là photodiode-PIN và photodiode-thác APD hoạt động theo nguyên lý biến đổi quang điện

c) Khối giải điều chế

Thường sử dụng hai phương pháp giải điều chế là IM/DD và tách sóng Coherent Đối với phương pháp IM/DD thì khối giải điều chế suy biến vào trong bộ tách sóng, khi đó không cần sử dụng các mạch điện tử phụ bên ngoài Đối với phương pháp Coherent thì khối giải điều chế là một khối riêng biệt kết hợp sử dụng các mạch điện tử nhằm duy trì điều chế kết hợp giữa thu

và phát, duy trì việc đồng bộ sóng mang quang

d) Độ nhạy của thiết bị thu quang

Là mức công suất quang trung bình thu được nhỏ nhất có thể chấp nhận được tại điểm tham chiếu trên sợi quang ở ngay trước bộ nối quang phía thu mà vẫn duy trì được một tỷ lệ lỗi bít (BER) xác định trước Đây là yếu tố quan trọng nhất đánh giá khả năng và chất lượng của hệ thống thông tin quang

1.4 Các trạm lặp

Các trạm lặp được thiết kế và sử dụng khi cự ly truyền dẫn dài, số trạm lặp tuỳ theo khoảng cách cự ly truyền dẫn, loại điện quang Ta có sơ đồ khối của trạm lặp như sau:

Hỡnh 2.9: Sơ đồ khối tụ̉ng quỏt trạm lặp điợ̀n quang

Tớn hiệu quang được đưa vào bộ biến đổi quang điện (O/E) để biến đổi thành tớn hiệu điện, tớn hiệu điện được đưa vào bộ khuếch đại và sửa mộo để khụi phục lại cường độ tớn hiệu, sau đú tớn hiệu điện được đưa qua bộ biến đổi điện quang (E/O) để tạo lại tớn hiệu quang và đưa ra sợi quang Hỡnh 2.10 thể hiện sơ đồ khối chức năng của một trạm lặp điện quang

Hỡnh 2.10: Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp loại điợ̀n quang

Trờn thực tế hiện nay cỏc tuyến thụng tin tốc độ cao người ta sử dụng bộ khuếch đại quang làm cỏc trạm lặp, chủ yếu là cỏc bộ khuếch đại đường dõy pha tạp Eribum (EDFA) Cỏc bộ khuếch đại này cú ưu điểm là khụng cần quỏ trỡnh chuyển đổi O/E và E/O mà thực hiện khuếch đại trực tiếp tớn hiệu quang

1.5 Cỏc trạm xen/rẽ kờnh

Do nhu cầu của người sử dụng nờn trờn đường truyền tại một số nơi cần lấy thụng tin hoặc cần truyền thụng tin đi, nờn cỏc trạm xen – rẽ được sử dụng

Biến đổi E/O Khuếch đại

và sửa mộo Biến đổi

O/E

Tỏi sinh biờn đụTái sinhđộ rộng thíchKích

Điều khiển Laser

Khụi phuc Clock

Khối nghiệ p Vụ

KĐ KĐ, san bằng

xuống tốc độ phù hợp Việc xen/rẽ kênh được thực hiện thông qua các thiết bị ghép kênh điện (ADM – Bộ ghép kênh xen rẽ) Tuy nhiên gần đây người ta sử dụng các thiết bị xen/ rẽ kênh quang (OADM – bộ ghép kênh xen/rẽ quang), thiết bị này cho phép tách ghép trực tiếp các luồng tín hiệu quang mà không cần thông qua quá trình biến đổi O/E và E/O như trong thiết bị ADM

2 Các thiết bị WDM vi quang

Các thiết bị WDM vi quang được chế tạo dựa trên hai phương pháp công nghệ khác nhau là: các thiết bị có bộ lọc và các thiết bị phân tán góc Thiết bị lọc chỉ hoạt động mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm các bước sóng) tại một thời điểm, nhằm để tách ra một bước sóng trong nhiều bước sóng Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh, người ta phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng Còn thiết bị phân tán góc lại đồng thời đưa ra tất cả các bước sóng

2.1 Các bộ lọc trong thiết bị WDM

2.1.1 Bộ tách bước sóng dùng thiết bị màng mỏng

Trong thiết bị ghép-tách bước sóng vi quang thường sử dụng bộ lọc bước sóng bằng màng mỏng Thí dụ bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng thể hiện như hình 2.11

Hình 2.11: Bộ tách bước sóng dùng thiết bị màng mỏng

2.1.2 Bộ lọc điện môi

Bộ lọc có cấu trúc đa lớp gồm các lớp điện môi rất mỏng, có chiết suất cao

và thấp đặt xen kẽ nhau Bộ lọc làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng

Bộ lọc

 1 ,  2 , ,  n

 2 , ,  n

 1

hưởng Fabry-Perot, gồm hai gương phản xạ một phần đặt song song cách nhau chỉ bởi một lớp điện môi trong suốt

Hình 2.12: Cấu trúc của bộ lọc điện môi

Bề dày các lớp bằng 1/4 bước sóng truyền đối với bộ lọc bậc 0 và bằng 3/40 đối với bộ lọc bậc 1 và được chế tạo từ vật liệu có hệ số chiết suất thấp

cao như TiO2 có n = 2,2

2.1.3 Phân bố công suốt đầu ra của bộ lọc

Khi chùm tia sáng đi vào thiết bị, thì hiện tượng giao thoa ánh sáng xảy

ra do phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng Nếu bề dày của lớp đệm là

số nguyên lần của nửa bước sóng ánh sáng tới thì giao thoa xếp chồng xảy ra

và công suất quang của bước sóng đạt giá trị cực đại và bước sóng đó sẽ được truyền dẫn thông suốt nhất Các chùm ánh sáng ở những bước sóng khác trong buồng cộng hưởng hầu như bị phản xạ hoàn toàn Đường cong phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc có dạng như hình 2.13

Chiết suất cao Chiết suất thấp

Lớp phân cách trong suốt

P OUT





2.1.4 Bộ lọc thông thấp hoặc cao

Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao có bước sóng cắt c (hình 2.5a là thông

và độ rộng giải  (hình 2.5c) T là hàm truyền đạt của bộ lọc

Hình 2.14: Các đặc tính phổ truyền dẫn của các bộ lọc giao thoa

cắt (a) (b) và băng thông (c)

Các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao thường được sử dụng để tách 2 bước sóng có khoảng cách xa nhau, chẳng hạn 850 nm và 1300 nm hoặc 1300

nm và 1550 nm Loại bộ lọc như vậy, thích hợp cho hệ thống WDM sử dụng nguồn quang có dải phổ rộng (LED) Bộ lọc thông giải được sử dụng trong WDM khi nguồn quang có phổ hẹp (LASER) Đối với bộ lọc thông giải có một vài yêu cầu: đó là độ dốc sườn đường cong hàm truyền đạt phải đủ lớn để

cho phép để đề phòng dịch bước sóng trung tâm của nguồn quang khi nhiệt độ thay đổi

a) SWPF

 (nm) T(%)

a) LWPF

 (nm) T(%)

chuẩn trực và hội tụ là các lăng kính GRIN 1/4 chu kỳ P Bộ lọc được thiết kế

để phát đi 1 và phản xạ 2 sẽ được đặt giữa hai lăng kính

Hình 2.15: Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa

(a)Cấu hình cơ bản và (b) Cấu hình khi thực hiện trong thực tế

Các thiết bị tách bước sóng này có sẵn trên thị trường thương mại và được sử dụng rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bước sóng 850 nm và 1300 nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bước sóng như: 800 nm và 830 nm; 800 nm và 890 nm; 1200

nm và 1300 nm; hoặc 1300nm và 1550 nm vv

b) Bộ tách lớn hơn 2 bước sóng

Thiết bị này sử dụng các bộ lọc nối tiếp nhau, và mỗi bộ lọc cho đi qua một bước sóng và phản xạ các bước sóng còn lại (xem hình 2.16)

Kính lọc Thấu kính

Bộ lọc

b)