Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin ngành viễn thông Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM

Lời nói đầu

Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu của con ngời đối với việc trao đổi thông tin ngày càng cao Để đáp ứng đợc nhu cầu đó, đòi hỏi đó mạng lới viễn thông phải có tốc độ cao, dung lợng lớn Kỹ thuật ghép kênh phân chia bớc sóng WDM ra đời đã đáp ứng đợc một phần những đòi hỏi cấp thiết đó Kỹ thuật ghép kênh bớc sóng WDM có thể nâng dung lợng truyền dẫn của sợi quang lên rất cao Đồng thời sự tăng trởng với tốc độ nhanh chóng dung lợng của hệ thống truyền dẫn là sức ép và động lực mạnh cho sự phát triển hệ thống chuyển mạch Quy mô của hệ thống chuyển mạch trong thông tin càng ngày càng lớn, tốc độ vận hành càng ngày càng cao Nhng mạng chuyển mạch điện tử và xử lý thông tin đã phát triển đến gần tốc độ giới hạn Trong đó tham số cố hữu nh RC, méo, trôi trợt, xuyên âm, tốc độ phản ứng chậm là những khuyết điểm hạn chế đến việc nâng cao tốc độ chuyển mạch Để…

giải quyết vấn đề này chuyển mạch quang với kỹ thuật quang điện tử đã ra đời.

Ưu điểm của chuyển mạch quang là ở chỗ, khi tín hiệu quang đi qua bộ chuyển mạch, không cần chuyển đổi quang điện/điện quang, do đó nó không bị các thiết bị quang điện nh máy đo kiểm, bộ điều chế hạn chế tốc độ đáp ứng, đối với tốc độ bít…

và phơng thức điều chế là trong suốt, có thể nâng rất cao thông lợng qua bộ chuyển mạch Do tác dụng của linh kiện logic quang còn rất đơn giản, không thể hoàn thành chức năng xử lý logic phức tạp của bộ phận điều khiển, nên bộ chuyển mạch quang hiện nay vẫn còn phải điều khiển bằng tín hiệu điện, tức là chuyển mạch quang điều khiển điện.

Mặt khác, mạng quang trong tơng lai cần phải hỗ trợ dịch vụ truyền số liệu Do đó, ý tởng về chuyển mạch gói quang ra đời Đây là một ý tởng mới đợc đa ra nhng đ-ợc tập chung nghiên cứu rất cẩn thận với rất nhiều u điểm nh mạng thông tin toàn quang, có tốc độ cao, dung lợng lớn, trong suốt …

Với mục đích tìm hiểu một công nghệ mới, củng cố và phát triển các kiến thức đã lĩnh hội đợc trong quá trình nghiên cứu và học tập tại Học viện công nghệ Bu chính Viễn thông em đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: Chuyển mạch gói trong mạng“

quang WDM Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu cuốn đồ án tốt nghiệp với đề”

tài đã chọn đã đợc hoàn thành với nội dung gồm 3 chơng nh sau:Chơng 1: Giới thiệu chung về WDM.

Chơng 2: Các phần tử trong hệ thống WDM.

Chơng 3: Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM.

Em xin đợc gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Bùi Trung Hiếu, ngời đã tận tình hớng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian em thực hiện đề tài này Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Viễn Thông 1, các thầy cô đang công tác tại trung tâm đào tạo Bu chính Viễn thông I đã giúp em thực hiện ớc mơ bớc vào những chân trời tri thức mới Cảm ơn bạn bè và ngời thân đã luôn ủng hộ tôi trong quá trình học tập tại mái trờng Học viện công nghệ Bu chính Viễn thông.

Mặc dù đã cố gằng rất nhiều trong thời gian hoàn thành cuốn đồ án này, nhng do thời gian và trình độ có hạn nên cuốn đồ án này chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn bè đồng nghiệp để cuốn đồ án này đợc hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2005Sinh viên

Ngô Đức Tiến

chơng 1

Giới thiệu chung về WDM1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM

1.1.1 Khái niệm về WDM

a Quá trình phát triển của WDM

Khái niệm ghép kênh quang không phải là mới Khái niệm này bắt đầu có từ những năm 1950 Có thể nói rằng ý tởng về truyền nhiều tín hiệu quang là rất đơn giản và tự nhiên nh là công nghệ truyền tín hiệu sử dụng trong viễn thông cổ điển với tín hiệu điện Nhng 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 đợc sản xuất và sử dụng ở Mỹ, Nhật, Châu Âu Năm 1977 thiết bị thụ động WDM đầu tiên đợc phát triển bởi Tomlinson và Aumiller

b WDM và TDM

Một câu hỏi đợc đặt ra là ghép tín hiệu trong miền điện (TDM: Time Division Multiplexing) hay trong miền quang (FDM: Frequency Division Multiplexing) dễ hơn? Câu trả lời cho câu hỏi này không hề dễ dàng và giải pháp tối u chỉ có thể tìm thấy với tập hợp các công nghệ phức tạp.

Với các dịch vụ tốc độ bit thấp (<2Mb/s) nói chung sẽ tốt hơn nếu ta sử dụng công nghệ TDM Với tín hiệu cha nén nh truyền hình quảng bá chất lợng cao (HDTV: High Definition TeleVision) thì WDM lại có vẻ tốt hơn Với công nghệ nén video băng tần yêu cầu đã đợc giảm xuống mức thấp nhất Tuy nhiên vào thời điểm hiện nay, CATV và HDTV vẫn yêu cầu các băng tần tơng ứng là 4 Mb/s và 25 Mb/s Các ứng dụng nh mạng video liên kết các trạm làm việc truyền tín hiệu từ trung tâm vô tuyến định tuyến các mạng video hội nghị, các hệ thống đào tạo video tơng tác, các mạng dịch vụ thông tin đa chiều và mạng truyền số liệu giữa các máy tính, mạng số đa dịch vụ tích hợp (ISDN), các mạng băng rộng sẽ tiến đến sử dụng cả ghép kênh phân chia theo thời gian và ghép kênh phân chia theo bớc sóng Dự báo nhu cầu của thuê bao vào năm 2010 sẽ vào khoảng 100 Mb/s Điều này sẽ không thể trở thành hiện thực nếu không phát triển mạng quang WDM.

Một mạng thực tế thờng đợc tạo nên bởi một tập các kiến trúc để tạo nên môi trờng vật lý của mạng giữa các trạm Cấu hình đợc gọi là ảo khi nó chỉ bao gồm các liên

kết logic giữa các trạm Một ví dụ về ứng dụng ghép kênh quang là tạo cấu hình mạng ảo theo yêu cầu Cấu hình mạng có thể đợc thay đổi phụ thuộc vào cấu hình vật lý khi thay đổi tần số quang của đầu phát hay đầu thu Trong các cấu trúc này các bộ đấu nối chéo WDM, các bộ định tuyến WDM và các bộ tách xen WDM trở nên rất quan trọng.

1.1.2 Mô hình hệ thống WDM

Nhiệm vụ của các hệ thống truyền dẫn nói chung là truyền tín hiệu qua một khoảng cách nhất định trên môi trờng truyền dẫn đã đợc lựa chọn trớc Đối với các hệ thống truyền dẫn lựa chọn sợi quang làm môi trờng 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 bớc sóng (WDM) đã ra đời và phát triển không ngừng trong nửa thế kỷ qua Các hệ thống WDM cũng lần lợt đợc giới thiệu và phát triển trong các mạng viễn thông thơng mại Mô hình của hệ thống WDM và nguyên lý hoạt động của nó đợc chỉ ra trong hình vẽ sau đây.

Hình 1.1 Hệ thống ghép kênh phân chia theo bớc sóng quang

Giả sử có các nguồn quang làm việc ở các bớc sóng khác nhau λ1, λ2, , λn Các tín hiệu quang ở các bớc sóng khác nhau này sẽ đợc ghép vào cùng một sợi dẫn quang Các tín hiệu có bớc sóng khác nhau đợc ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh (MUX), bộ ghép bớc sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi ghép sẽ đợc 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 với các bớc sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bớc 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 bớc sóng quang Khi thực hiện tách kênh cần phải thực hiện cách ly kênh quang thật tốt với các bớc sóng bằng cách thiết kế các bộ giải ghép kênh thật chính xác,

DE- MUX/

MUX

DE-Sợi dẫn quang λ1,λ2, λNλ,

1,λ,2, λ,

Kênh 1Kênh 1

Kênh NKênh N

Kênh 1Kênh 1

λN

các bộ lọc quang nếu đợc sử dụng phải có bớc sóng cắt chính xác, dải làm việc thật ổn định

Có 2 phơng án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật ghép bớc sóng quang là thiết lập hệ thống ghép kênh theo bớc sóng quang một hớng và thiết lập hệ thống ghép kênh bớc sóng quang theo hai hớng Hình vẽ 1.1 chỉ ra một hệ thống ghép kênh theo bớc sóng quang theo hai hớng, 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 nhng thuộc hai giải tần số khác nhau Còn trong trờng hợp thiết lập hệ thống ghép kênh theo bớc sóng quang một hớng thì tại các đầu cuối chỉ thực hiện một nhiệm vụ là ghép hoặc tách kênh.

Trong hệ thống thông tin quang WDM có kỹ thuật ghép kênh bớc sóng lỏng và kỹ thuật ghép kênh bớc sóng chặt hay mật độ cao.

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

Khi dung lợng 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 đợc nhu cầu và kỹ thuật ghép kênh DWDM ra đời DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo bớc sóng chặt trong đó khoảng cách giữa các bớc sóng kề nhau đợc truyền trên sợi quang là 0,8 nm Với khoảng cách này tại vùng tần số 1550 nm độ rộng phổ của mỗi kênh tơng ứng vào khoảng 100 GHz Khi độ rộng phổ của bớc sóng giảm xuống thì rất nhiều các yêu cầu đa ra cần đợc giải quyết nh: 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.

Bảng 1.1 So sánh CWDM và DWDM

Điều khiển môi trờng Không Có

1.2ảnh hởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất của tín hiệu trong sợi quang vợt 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 nh: 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 lợng 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

a Hiệu ứng SBR

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 lợng của mình cho dao động cơ học của các phân tử cấu thành môi trờng truyền dẫn và phần năng lợng còn lại đợc phát xạ thành ánh sáng có bớc sóng lớn hơn bớc sóng của ánh sáng tới (ánh sáng với bớc sóng mới này đợc gọi là ánh sáng Stoke) Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang có cờng độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích (đợc gọi là SRS) mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng bơm (gọi là bơm Raman) làm cho phần lớn năng lợng của tín hiệu đợc chuyển tới bớc sóng Stoke

Nếu gọi Ps(L) là công suất của bớc sóng Stoke trong sợi quang thì: Ps(L)= P0exp (grP0L/K.Seff) (1.5)Trong đó: P0 là công suất đa vào sợi tại bớc sóng tín hiệu.

gr là hệ số khuếch đại Raman.

K là hệ số đặc trng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bớc

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

Từ công thức 1.6 ngời ta tính toán đợc rằng, đối với hệ thống đơn kênh để hiệu ứng SRR có thể ảnh hởng đến chất lợng hệ thống thì mức công suất P0 phải lớn hơn 1W (nếu nh hệ thống không sử dụng khuếch đại quang trên đờng truyền) Tuy nhiên trong hệ thống WDM thì mức công suất này sẽ thấp hơn nhiều vì có hiện tợng khuếch đại đối với các bớc sóng lớn, trong khi đó công suất của các kênh có bớc sóng ngắn hơn lại bị giảm đi (do đã chuyển một phần năng lợng cho các bớc sóng lớn) làm suy giảm hệ số S/N, ảnh hởng đến chất lợng 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 bớc sóng.

∆f là khoảng cách giữa các kênh bớc sóng.

Nh vậy, trong hệ thống WDM hiệu ứng này cũng hạn chế số kênh bớc sóng, khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ thống Hơn nữa, nếu nh bớc 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 tơng tự nh hiệu ứng SRR, tức là có sự tạo thành của bớc sóng Stoke có bớc sóng dài hơn bớc 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 biệt này mà hai hiệu ứng có những ảnh hởng 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 bớc sóng dài hơn (tơng đơng với độ dịch tần là khoảng 11 GHz tại bớc sóng 1550 nm) Tuy nhiên chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngợc trở lại (tức là

eff ∆−

(1.7)

ngợc 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 hớng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh

Trong tất cả các hiệu ứng phi tuyến thì ngỡng công suất để xảy ra hiệu ứng SBS là thấp nhất, chỉ khoảng vài mW Tuy nhiên hiệu ứng SBS với ∆VB/∆Vlaser (∆Vb là băng tần khuếch đại Brillouin, ∆Vlaser 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 hởng bởi hiệu ứng SBS Ngời ta tính toán đợc mức công suất ngỡng đối với hiệu ứng SBS nh sau:

1.2.2 Hiệu ứng Kerr quang

Kerr là hiệu ứng trong đó chiết suất của môi trờng truyền dẫn thay đổi theo ờng độ ánh sáng truyền.

c-a Hiệu ứng SPM

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

Đối với trờng quang có cờng độ không đổi hiệu ứng SPM chỉ làm quay pha của trờng quang, do đó ít ảnh hởng đến chất lợng của hệ thống Tuy nhiên đối với các trờng quang có cờng độ thay đổi thì pha phi tuyến φNL 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 δvNL:

Hiện tợng này còn gọi là hiện tợng dịch tần phi tuyến làm cho sờn sau của xung dịch đến tần số v<v0 và sờn trớc 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 tợng dãn phổ do SPM có thể dẫn đến giao thoa gây nhiễu giữa các kênh

b Hiệu ứng XPM

Đối với hệ thống WDM, hệ số chiết suất tại một bớc sóng nào đó không chỉ phụ thuộc vào cờng độ của sóng đó mà còn phụ thuộc vào cờng độ của các bớc sóng khác lan truyền trong sợi Trong trờng hợp này chiết suất phi tuyến ứng với b-ớc sóng thứ i sẽ là:

∆nNL=n2{|Ei|2 + 2Σ|Ej|2} (1.11)Với: N là tổng số kênh quang.

Ei là cờng độ trờng quang của bớc sóng thứ i.

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

c Hiệu ứng FWM

Hiện tợng 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 tơng tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới Tơng tác này có thể xuất hiện giữa các bớc sóng của tín hiệu trong hệ thống DWDM, hoặc giữa các bớc sóng tín hiệu với tạp âm của các bộ khuếch đại quang Giả sử có ba b-

(1.9)

ớc sóng với tần số ωi, ωJ, ωk thì tổ hợp tần số mới tạo ra sẽ là những tần số ωijk thoả mãn:

Theo quan điểm cơ lợng tử, thì hiệu ứng FWM là hiệu ứng mà trong đó có sự phá huỷ photon ở một số bớc sóng và tạo ra một số photon ở các bớc sóng mới sao cho vẫn bảo toàn về năng lợng

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 đợc thoả mãn (tức là động lợng của photon đợc bảo toàn) Về mặt toán học thì điều kiện này có thể đợc biểu thị nh 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 trờng truyền dẫn là loại sợi có tán sắc thấp và khoảng cách truyền dẫn là tơng đối lớn và các kênh gần nhau thì điều kiện này có thể coi là xấp xỉ đạt đợc

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 đợc 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 lợng 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 lợng của hệ thống Vì các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở cửa sổ bớc sóng 1550 nm và do tán sắc của sợi quang đơn mode thông thờng (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 thờng sẽ ít bị ảnh hởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM làm việc trên sợi tán sắc dịch chuyển

ảnh hởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu nh khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM càng nhỏ cũng nh khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn Vì vậy hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lợng và cự ly truyền dẫn của hệ thống WDM.

1.3 Các cấu hình mạng WDM

Các mạng ghép kênh bớc sóng quang có bốn cấu hình cơ bản: WDM 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 sao, cấu hình vòng Ring với các kết nối điểm-điểm Với mỗi cấu hình sẽ có các yêu cầu riêng và nó cũng phù hợp đối với từng ứng dụng cụ thể.

điểm-1.3.1 Cấu hình điểm-điểm

Cấu hình điểm-điểm là cấu hình hay đợc sử dụng cho truyền dẫn đờng dài với tốc độ rất cao (có thể lên đến vài Tertabits/s), tín hiệu đợc truyền đi toàn vẹn, độ tin cậy cao và khả năng phục hồi lại đờng 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 thờng số lợng 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 đờng truyền Số lợng các kênh, khoảng cách giữa các kênh, loại sợi quang, phơng pháp điều chế tín hiệu và loại thiết bị đợc lựa chọn sử dụng trên mạng là các thông số quan trọng trong việc tính toán quỹ công suất của hệ thống.

Trong WDM mỗi kênh đợc mang trên một bớc sóng xác định và cũng đợc gọi là kênh quang Các kênh khác nhau có thể mang các loại dữ liệu khác nhau nh 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 nh một hay một số sợi quang, các bộ khuếch đại quang, các bộ tách ghép quang, các bộ lọc quang, coupler…

Hình 1.2 Cấu hình điểm-điểm truyền đơn hớng

ReCH 1 λ1

LD: Diode Laser Re: Bộ thu quang

A: Bộ khuyếch đại quang

1.3.2 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 bớc sóng đợc 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 1.3 Cấu hình mạng Ring

Trong mạng Ring WDM trạm hub có thể kết cuối một số loại lu lợng nh module truyền tải đồng bộ (STM: Synchronous Transport Module), IP, video Trạm hub quản lý tất cả các kênh liên kết với một đờng truyền quang giữa các node với loại lu lợng trên kênh đó Tại một node OADM một hoặc nhiều tần số quang đợc tách ra và xen vào trong khi số còn lại đợc truyền xuyên qua Mặc dù vậy khi số l-ợng 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 lợng node trong mạng Ring thông thờng nhỏ hơn số lợng bớc sóng đợc 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

λi λi

λj λjMux

λN λN

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 bớc sóng λk nh trong hình 1.4 node A chỉ ghép một số nguồn số liệu Tất cả các nguồn số liệu đợc kết thúc và trả lời bởi node B, mặc dù vậy tất cả các tín hiệu này đợc truyền trên cùng một kênh (và dĩ nhiên là cùng một bớc sóng).

Hình vẽ 1.4 Cấu hình mạng Ring có các kênh đợc quản lý bởi trạm hub

λ1 ,λ2 ,λNOADM

Fiber RingData N

Data 1Data 2

Data N

Chơng 2

Các phần tử trong hệ thống WDM

Chơng 1 của cuốn đồ án này đã trình bày tổng quan về quá trình hình thành, phát triển của kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng quang và một số khái niệm liên quan Tuy nhiên việc thực hiện ý tởng ghép kênh quang vào thời điểm đó là không hề dễ dàng do những khó khăn về công nghệ Trong những năm gần đây công nghệ vật liệu phát triển rất nhanh, đã có rất nhiều vật liệu mới đợc 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 Chơng 2 sẽ trình bày về các phần tử sử dụng trong mạng thông tin quang WDM và các kỹ thuật sử dụng trong các thiết bị đó.

Có 2 loại bộ lọc quang, đó là bộ lọc có bớc sóng cố định, hay còn gọi là bộ chọn bớc sóng và bộ lọc có bớc sóng hoặc dải bớc sóng thay đổi đợc hay còn gọi là bộ lọc điều chỉnh đợc

2.1.1 Bộ chọn bớc sóng

Yêu cầu đặt ra là phải tạo ra một trờng chuyển mạch chuẩn, trong đó khoảng cách giữa các bớc sóng là cố định, đồng thời các bớc sóng phải đợc ổn định tại máy phát Chính vì vậy mà yêu cầu bộ chọn bớc sóng Chức năng này có thể đợc thực hiện nhờ kết hợp bộ tách ghép bớc sóng và các cổng quang (SOA)

Mặc dù thiết bị có thể đợc sản xuất khi sử dụng các phần tử riêng biệt, nhng giải pháp này không giải quyết đợc giảm giá thành và kích thớc Ngời ta đang cố gắng nghiên cứu phơng 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 bớc sóng tích hợp với các SOA tạo ra bộ chọn b-ớc sóng suy hao zero, tái cấu hình nhanh và không nhạy cảm phân cực.

a Phơng pháp lọc điện môi đa lớp sử dụng trong WDM

Bộ lọc màng mỏng có khoang cộng hởng (TFF) thuộc loại bộ lọc có bớc sóng

khoang đợc thực hiện nhờ nhiều lớp màng mỏng điện môi phản xạ Thiết bị này hoạt động nh là một bộ lọc băng, cho qua một bớc sóng riêng và phản xạ các bớc sóng khác Bớc sóng tại đầu ra của bộ lọc đợc xác định bởi chiều dài và chiết suất của khoang cộng hởng

Bộ lọc màng mỏng nhiều khoang cộng hởng (TFMF) gồm hai hoặc nhiều khoang cách biệt với nhau bởi các màng mỏng điện môi phản xạ nh 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 sờn 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 thơng mại.

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

Khoang 1Khoang 2Khoang 3

Lớp nền thủy tinh

Bộ phản xạ điện môi

λ1 λ4

λ4Sợi quang

Bộ lọc

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 lỡng hớng 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 bớc sóng λ1 và cho qua các bớc sóng λ2, λ3, λ4 Bộ lọc thứ hai phản xạ bớc sóng λ2 và cho qua các bớc sóng λ3, λ4 Bộ lọc thứ ba phản xạ bớc sóng λ3 và cho qua bớc sóng λ4 Và nh vậy ta đợc kết quả là tín hiệu đầu vào mạng bốn bớc sóng λ1, λ2, λ3, λ4 còn tại đầu ra ta tách ra đợc tín hiệu ta cần đợc mang trong sóng có bớc sóng λ4 Tơng tự nh vậy ta cũng có thể tách đợc các kênh trong các bớc sóng λ1, λ2, hay λ3.

2.1.2 Bộ lọc điều chỉnh đợc

Với bộ lọc điều chỉnh đợc có thể chỉ ra hai bộ lọc tiêu biểu là thiết bị lọc

Fabry-Perot và bộ lọc âm quang điều chỉnh đợc (AOTF).

a Thiết bị lọc Fabry-Perot

Các bộ lọc bớc sóng điều chỉnh đợc thờng đợc cấu tạo dựa trên cấu trúc laser điều chỉnh đợc (điều hởng) Bộ lọc khoang cộng hởng Fabry-Perot đợc tạo thành bởi hai gơng có hệ số phản xạ cao đặt song song với nhau nh hình vẽ dới 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 ơng thứ nhất, tia sáng tại đầu ra của bộ lọc là tia sáng rời gơng thứ hai Đây là một thiết bị điển hình đã đợc sử dụng rộng rãi trong các máy đo giao thoa Nó đã đợc sử dụng nh là bộ lọc trong thiết bị WDM của mạng quang

g-Khoang cộng hưởng Fabry-Perot

Tín hiệu vào

Phản xạ Tín hiệu ra cùng chiều

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

Bộ lọc Fabry-Perot là một phần tử thơng mại u điểm vợt trội của nó so với một số thiết bị khác là nó có thể điều chỉnh đợc để chọn lọc các kênh khác nhau trong hệ thống các hệ thống thông tin quang WDM

 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của thiết bị đợc chỉ ra nh trong hình vẽ 2.3 ánh sáng tới mặt trái của khoang Sau khi qua khoang, một phần ánh sáng đi qua mặt phải của khoang và phần còn lại phản xạ trở lại khoang Các Photon phản xạ trở lại mặt gơng thứ nhất và một phần các photon này lại tiếp tục phản xạ một lần nữa để đến mặt g-ơng thứ hai Chiều dài của khoang bằng bội số nguyên của nửa bớc sóng truyền trong khoang, vì vậy vòng hành trình qua khoang (tới và phản xạ) là bội số nguyên của bớc sóng Tất cả các photon truyền qua mặt gơng thứ hai đều đồng pha Và nh vậy sóng ra khỏi khoang cộng hởng là sóng cộng hởng Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc phụ thuộc vào cấu trúc của khoang Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc đợc biểu diễn qua biểu thức sau:

Trong đó A là suy hao do hấp thụ của mỗi gơng, R là hệ số phản xạ của mỗi ơng (giả thiết hai gơng có hệ số phản xạ nh nhau), τ là thời gian truyền qua khoang theo một hớng, n là chiết suất của khoang, l là chiều dài khoang Do đó τ=nl/c, c là tốc độ ánh sáng trong chân không

g-Dạng của hàm truyền đạt công suất của bộ lọc Fabry-Perot đợc đa ra trong hình vẽ 2.4 với A=0 và R lần lợt nhận các giá trị 0,75; 0,90 và 0,99 Khi hệ số phản xạ của gơng càng lớn thì cách ly giữa các kênh kề nhau càng tốt

Hàm truyền đạt công suất TFP(f) là tuần hoàn theo f và các đỉnh băng thông của hàm truyền đạt xảy ra tại các tần số thoả mãn điều kiện fτ=k/2 khi k là số nguyên d-ơng Vì vậy trong hệ thống WDM, nếu các bớc sóng cách nhau đủ xa so với mỗi dải

(2.1)2

TFP

thông hàm truyền đạt bộ lọc thì một số bớc sóng (tần số) trùng với dải thông bộ lọc đều đi qua bộ lọc Phạm vi phổ nằm giữa hai dải thông kề cận của bộ lọc đợc gọi là phạm vi phổ tự do, ký hiệu là FSR Độ rộng mỗi dải thông của bộ lọc là độ rộng đầy đủ tại một nửa giá trị cực đại của hàm truyền đạt (FWHM) Trong các hệ thống WDM, cần chú ý số lợng các bớc sóng sử dụng và các bớc sóng này phải nằm trong một FSR của bộ lọc Vì vậy tỷ số FSR/FWHM là một số đo gần bằng số lợng các b-ớc sóng thích hợp với hệ thống Tỷ số này gọi là hệ số phân biệt F của bộ lọc và xác định theo biểu thức:

Hình 2.4 Hàm truyền đạt của bộ lọc Fabry-Perot

 Điều chỉnh

Bộ lọc Fabry-Perot có thể điều chỉnh để lựa chọn các bớc sóng khác nhau Giải pháp đơn giản nhất là thay đổi chiều dài của khoang hoặc thay đổi chiết suất bên trong khoang Xem xét một hệ thống WDM có tất cả các bớc sóng đều nằm trong một FSR của bộ lọc Fabry-Perot Tần số f0 mà bộ lọc cần chọn thoả mãn điều kiện f0τ=k/2 đối với một vài số nguyên dơng của k Vì vậy f0 có thể thay đổi nhờ thay đổi τ là thời gian truyền theo một hớng của ánh sáng trong khoang Nếu ký hiệu chiều dài của khoang là l và chiết suất của khoang là n thì τ=ln/c, trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không và nh vậy τ thay đổi khi thay đổi n hoặc l.

Điều chỉnh cơ khí của bộ lọc có thể có hiệu quả nếu dịch chuyển một gơng phản xạ để thay đổi chiều dài của khoang cộng hởng Điều này chỉ cho phép điều chỉnh thời gian một vài miligiây Đối với điều chỉnh cơ khí bộ lọc Fabry-Perot phải đảm bảo độ chính xác về mặt cơ khí, nghĩa là duy trì hai gơng song song với nhau khi một gơng dịch chuyển Tuy nhiên khó có thể đảm bảo đợc độ chính xác này

Hàm truyền

đạt công

suất (dB)

R=0,75R=0,90R=0,99

Một giải pháp khác để điều chỉnh là sử dụng vật liệu áp điện làm khoang Bộ lọc áp điện chịu nén khi đặt lên nó một điện áp Do chiều dài của khoang có vật liệu nh vậy có thể thay đổi nhờ điện áp, nên làm thay đổi tần số cộng hởng của khoang Tuy nhiên vật liệu áp điện phát sinh hiệu ứng không ổn định nhiệt và từ trễ nên khó có thể ứng dụng bộ lọc nh vậy trong thực tế.

b Bộ lọc âm quang điều chỉnh đợc (AOTF)

Bộ lọc âm quang điều chỉnh đợc (AOTF) là một thiết bị linh hoạt Nó là bộ lọc có thể điều chỉnh đợc để chọn lọc một số bớc sóng nhất định Khả năng này đợc sử dụng để cấu tạo bộ định tuyến bớc sóng

2.2Bộ 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 đợc thành các tín hiệu tại các tần số khác nhau Còn nhiệm vụ của bộ ghép kênh quang thì ngợc 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 hởng trong đó mỗi một bộ lọc cộng hởng với một tần số nhất định.

2.2.1 Nguyên tắc làm việc của lăng kính

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

Hình 2.5 Tán sắc góc dùng lăng kínhi

Trong đó: i là góc tới.i, là góc ló.

A là góc đỉnh của lăng kính.

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

Nhợc điểm: Tán sắc góc dùng lăng kính là mức độ tán sắc thấp nên khó tách ợc các tia sáng có bớc sóng gần nhau Vì vậy ta chỉ có thể dùng lăng kính trong tr-ờng hợp tách các bớc sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ: Một bớc sóng λ1 ở cửa sổ 1300 nm và một bớc sóng λ2 ở cửa sổ 1550 nm).

đ-2.2.2 Nguyên lý làm việc của cách tử tán xạ

Do nhợc điểm không tách đợc các tia sáng có bớc sóng gần nhau nên lăng kính ngày nay không đợc 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 đợc cấu tạo bao gồm nhiều rãnh (nh răng c-a), trên bề mặt của các rãnh này đợc phủ một lớp phản xạ, số lợng 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 hớng nhất định phụ thuộc vào bớc sóng Vì vậy một tia sáng có nhiều bớc sóng khác nhau chiếu vào cách tử thì mỗi bớc sóng sẽ nhiễu xạ một hớng khác nhau Ngợc lại, các bớc sóng đi tới cách tử từ các hớng khác nhau có thể kết hợp theo cùng một hớng 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 tợng nhiễu xạ tức là hiện tợng 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 phơng trình sau:

Trong đó: n là chiết suất của lớp phản xạ phủ trên bề mặt cách tử.

Hình 2.6 Sử dụng cách tử để tách bớc sóng

Khi giải ghép kênh (tách bớc sóng) bằng cách tử, nguồn sáng tới gồm nhiều ớc sóng từ sợi quang sẽ đợc tách ra thành các tia đơn sắc tơng ứng với các bớc sóng đợc truyền trên sợi theo các bớc khác nhau Ngợc lại khi ghép kênh, một số kênh ứng với các bớc sóng λ1, λ2, λ3, λn đến từ các hớng khác nhau có thể đợc kết hợp thành một hớng và đợc truyền dẫn trên cùng một sợi quang.

b-dnm λφ

λ1 + λ1 + + λNλ3

λ2

2.2.3 Bộ ghép và tách kênh quang

Hình 2.7 Sử dụng lăng kính để tách bớc sóng

Sợi quangλ1 + λ1 + + λN

Thông thờng bộ ghép kênh quang bao gồm một số đầu vào mang các tín hiệu tại các bớc sóng khác nhau Tất cả các bớc sóng đó đợc 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 nh 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 chỉ ra một ví dụ về một bộ tách kênh sử dụng cách tử tán xạ.

Hình 2.8 Sử dụng cách tử tán xạ để ghép kênh

Các bộ xen rẽ quang đợc dùng để liên kết nhiều tín hiệu vào trong một đờng truyền đơn hoặc để tách các tín hiệu sau khi truyền nh trong hình 2.9 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 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 ngợc lại Bộ xen rẽ rất cần cho mạng diện rộng và mạng thành phố khi một hay một số kênh cần đợc tách ra trong khi các kênh khác trong đờng truyền vẫn giữ nguyên.

Hình 2.9 Bộ xen rẽ quang OADM

Thấu kính

Cách tử nhiễu xạλ1

λ1 + λ1 + + λNλ3

Bộ xen rẽ quangOADM

λ1λ2 Kênh đầu vàoλn Kênh đầu ra

Xen kênhRẽ kênh

λxλx

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

Phần tử này có thể chế tạo với số lợng 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 đợc gọi là linh kiện quang tích hợp (Integrated Optics).

Hình 2.10 Nguyên lý của AWG

- Phần tử thứ hai là các bộ tách ghép bớc sóng sử dụng phối hợp bộ quay pha bớc sóng (circulator) và cách tử sợi quang (fiber grating)-cách tử Bragg.

Trong đó bộ quay pha quang có thiết kế gần giống với bộ cách ly quang (optical isolator) Các bớc sóng cần tách/xen sẽ đợc bộ cách tử sợi quang phản xạ lại đa vòng tới lối ra/vào của bộ quay pha Các bớc sóng khác vẫn đi qua bình th-ờng.

Một cách tử sợi quang là thiết bị giao thoa quang đợc thiết kế ngay bên trong một sợi quang Nếu một sợi thuỷ tinh đợc cấy thêm một chất phù hợp, thờng là Germanium, chỉ số khúc xạ của nó có thể đợc thay đổi bằng việc chiếu các tia cực tím Nếu việc chiếu các tia cực tím xảy ra trong một khoảng thời gian thích hợp, bộ lọc sẽ trở thành một cách tử Do nó chỉ là một mẩu sợi quang nhỏ nên suy hao xen có thể coi bằng 0 (một đặc tính tuyệt vời cho các bộ tách/ghép bớc sóng) Nó sẽ

λ1a λ2a λ3a λ4aλ1b λ2b λ3b λ4bλ1c λ2c λ3c λ4cλ1d λ2d λ3d λ4d

λ1a λ4b λ3c λ2dλ2a λ1b λ4c λ3dλ3a λ2b λ1c λ4dλ4a λ3b λ2c λ1dĐầu vào “a”

Đầu vào “b”Đầu vào “c”Đầu vào “d”

phản xạ bớc sóng ánh sáng gần nh hoàn toàn trong một dải xác định trớc và truyền đi các bớc sóng còn lại.

Hình 2.11 Phối hợp bộ quay pha và cách tử sợi quang

Bớc sóng trung tâm của bộ lọc cách tử sợi quang đợc xác định bằng chu kỳ của nó Băng thông này tỷ lệ nghịch với bớc sóng Cả hai thông số này đều nhạy cảm với nhiệt độ, do đó các bộ lọc này yêu cầu nhiệt độ ổn định hoặc có các cơ chế điều khiển nhiệt độ

Cách tử sợi quang là một linh kiện có rất nhiều ứng dụng trong truyền dẫn Nó có thể dùng làm bộ lọc bớc sóng băng hẹp hoặc băng rộng, bộ bù tán sắc, bộ lọc làm theo đờng đặc tuyến của EDFA và là một phần của bộ lọc quang trong phần tử tách/ghép bớc sóng Nó ít khi đợc dùng riêng nh các thành phần thụ động trong WDM

Kết hợp bộ quay pha và cách tử sợi quang theo cách nh vậy giúp ta có thể tách ghép một bớc sóng tại node xen/rẽ với suy hao rất nhỏ (2 dB) Tuy nhiên giá thành chế tạo bộ quay pha hiện nay còn khá cao nên nó mới chỉ thờng đợc dùng cho các tuyến cáp quang biển cự ly dài.

2.4Coupler 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 bớc sóng, cũng nh 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 lợng nhỏ các kênh video (khoảng 100 kênh) sẽ đợc phát cho hàng nghìn thuê bao Số lợng đầu vào và số lợng đầu ra thờng đợc chọn bằng nhau cho phát quảng bá và lựa chọn trong mạng LAN khi mỗi ngời dùng mong muốn nhận đợc thông tin từ tất cả các kênh Một coupler hình sao thụ động đợc 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

λ 1 λ1

λ2

đôi khi cũng đợc sử dụng cho các ứng dụng mạng LAN bằng cách phản xạ tín hiệu trở lại các đầu vào.

Hình 2.12 Coupler sao 8x8 sử dụng 12 coupler 2x2

Một số loại coupler hình sao đợc 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 tơng tự nh một coupler sao 2x2 Các coupler lớn hơn có thể đợc 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 tởng của công nghệ này là xoắn một số lợng lớn các sợi quang lại với nhau và dùng nhiệt độ cao đun nóng chảy Trong trờng hợp này các tín hiệu đợc trộn với nhau và chia đều tới tất cả các đầu ra.

Hình 2.13 Coupler xoắn nóng chảy

2.5Bộ định tuyến bớc sóng

Một thiết bị quan trọng trong hệ thống WDM là một bộ định tuyến bớc sóng kích thớc 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 bớc

sóng với N=5 Tín hiệu WDM vào từ N đầu vào đợc tách kênh và đa thẳng tới N đầu ra của bộ định tuyến theo cách tín hiệu WDM tại mỗi cổng ra đợc 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 đợc gọi là định tuyến tĩnh khi cấu hình định tuyến không thể thay đổi linh hoạt đợc Mặc dù nó là tĩnh nhng nó là một trong những thiết bị có nhiều ứng dụng quan trọng trong mạng WDM.

Hình 2.14 Sơ đồ minh họa định tuyến bớc sóng

Hầu hết các thiết kế của một bộ định tuyến bớc sóng sử dụng một biến thể của bộ tách kênh AWG để cung cấp nhiều đầu vào Một thiết bị định tuyến đợc gọi là định tuyến cách tử dẫn sóng (WGR: Waveguide-Grating Router) bao gồm hai coupler hình sao NxM với N đầu ra của coupler hình sao thứ nhất nối với M đầu vào của coupler hình sao còn lại thông qua một ma trận M ống dẫn sóng hoạt động nh một bộ AWG.

Việc chuyển mạch trong các tín hiệu quang trớc đây liên quan đến việc biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, và lại biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền tới các mạng khác Quá trình này là rất phức tạp, chi phí cao, làm hạn chế tốc độ chuyển mạch và giảm khả năng hoạt động của hệ thống WDM Chuyển mạch sử dụng trong các mạng WDM để dẫn tín hiệu đến các đờng khác nhau hoặc để định tuyến lại tín hiệu Tính phức tạp và tin cậy của hệ thống đòi hỏi

1 λ2 λ3 λ4 λ5

λ1 λ2 λ3 λ4 λ5λ

1 λ2 λ3 λ4 λ5λ

1 λ2 λ3 λ4 λ5

1 λ5 λ4 λ2 λ3

λ4 λ3 λ2 λ4 λ5λ

3 λ2 λ1 λ5 λ1λ

5 λ4 λ3 λ3 λ4λ

2 λ1 λ5 λ1 λ2

1 λ2 λ3 λ4 λ5

abcde

ngày càng cao Vì vậy khả năng chuyển mạch dễ dàng là yếu tố rất quan trọng đối với các mạng quang hiện đại Do đó, các bộ nối chéo quang OXC rất cần thiết trong các mạng quang hiện tại và trong tơng lai.

Bộ nối chéo quang dùng để hoán đổi các tín hiệu kênh quang giữa các sợi với nhau Bộ nối chéo quang có thể đợc mô tả nh trong hình 2.15 Trong hình này các tín hiệu quang trong bớc sóng λ2 đợc thay đổi giữa hai sợi quang với nhau, đó là hai sợi A và B.

Hình 2.15 Sơ đồ bộ nối chéo quang

Có hai loại OXC chính là:

- OXC định tuyến theo bớc sóng (Wavelength Routing OXCR).

- OXC có khả năng chuyển đổi bớc sóng (Wavelength Translating OXCT).

Các OXCR hoạt động theo nguyên tắc tách các bớc sóng quang từ các tín hiệu quang đầu vào rồi chuyển mạch không gian (chuyển mạch sợi quang), sau đó ghép các bớc sóng lại, không có sự chuyển đổi bớc sóng Mỗi tín hiệu quang tới đợc đa qua một bộ tách sóng quang để tách riêng các bớc sóng khác nhau Bộ chuyển mạch quang có suy hao và nhiễu xuyên nhỏ sẽ kết nối các bớc sóng quang tới các vị trí mong muốn tại đầu vào của bộ ghép bớc sóng để ghép các bớc sóng này tới sợi quang đầu ra Trớc khi ghép thì mỗi bớc sóng sẽ phải đi qua bộ cân bằng công suất PE để điều chỉnh công suất cho mỗi bớc sóng tới giá trị thích hợp trớc khi qua bộ ghép bớc sóng

Các OXCT hoạt động theo nguyên tắc chuyển mạch có chuyển đổi bớc sóng quang Đầu tiên, mỗi tín hiệu quang từ một sợi đợc phân chia với số nhánh bằng tổng số kênh quang cần lấy tại đầu ra nhờ bộ spliter Sau đó chúng đợc đa tới các bộ chuyển mạch quang để lấy ra tín hiệu quang cần thiết Tín hiệu quang đợc chọn ra lại tiếp tục qua bộ chọn bớc sóng, tách ra đợc kênh quang yêu cầu để đa vào đúng bớc sóng quang cần ghép ở đầu ra.

Aλ1 Aλ2 AλnBλ1 Bλ2 Bλn

Aλ1 Bλ2 AλnBλ1 Aλ2 Bλn

Việc sử dụng OXCT cho phép tận dụng tối đa quỹ bớc sóng quang Tuy nhiên, không phải tại tất cả các node mạng đều có nhu cầu chuyển đổi bớc sóng nên để khai thác có hiệu quả và kinh tế hơn, ta có thể kết hợp cả hai loại thiết bị này trong mạng.

2.7Bộ biến đổi bớc sóng

Một bộ biến đổi bớc sóng thay đổi bớc sóng đầu vào thành một bớc sóng đầu ra mới mà không thay đổi nội dung của dữ liệu truyền trên bớc sóng đó Đã có rất nhiều nguyên tắc chuyển đổi bớc sóng đã đợc phát triển trong những năm 1990 Một nguyên tắc đơn giản là sử dụng một máy tái tạo điện quang chỉ ra nh hình 2.15a Một máy thu quang trớc tiên biến đổi tín hiệu trong bớc sóng đầu vào là λ1

thành chuỗi bit điện và chuỗi bit này đợc sử dụng bởi một bộ phát để tạo ra tín hiệu quang tại bớc sóng mong muốn là bớc sóng λ2 Với thiết bị kiểu này có u điểm là t-ơng đối dễ dàng thực hiện bởi các linh kiện tiêu chuẩn Ngoài ra nó còn có các u điểm khác nh không nhạy cảm với phân cực đầu vào và có thể khuếch đại tín hiệu thuần Nhng nó cũng có nhợc điểm là hạn chế tốc độ truyền tải trên đờng truyền và dạng tín hiệu, ở đây tốc độ bị hạn chế bởi miền điện, giá thành của thiết bị khá cao.

Hình 2.15 Nguyên tắc làm việc của các bộ chuyển đổi bớc sóng

Nguyên tắc làm việc đơn giản nhất là thiết bị đợc chỉ ra trong hình 2.15b Nó dựa trên hiện tợng khuếch đại bão hoà xảy ra khi một vùng yếu đợc khuếch đại trong SOA với một vùng mạnh và sự khuếch đại của vùng yếu đợc tạo ra bởi miền mạnh Để sử dụng thiết bị này tín hiệu xung trong bớc sóng λ1 cần chuyển đổi và

(b)

phát vào SOA cùng với một tia CW công suất thấp tại bớc sóng λ2 và nó đợc chuyển sang bớc sóng mong muốn là λ2 Kết quả là tia CW đợc khuếch đại một số lợng lớn các bit 0 (không bão hoà) bởi một số lợng nhỏ hơn các bit 1 Rõ ràng là mẫu bit chuẩn của tín hiệu trong bớc sóng ban đầu sẽ đợc truyền tới bớc sóng mới với cực tính đảo ngợc và các bit 0 và 1 đợc trao đổi cho nhau Công nghệ này đã đợc sử dụng trong nhiều thí nghiệm và có thể làm việc tại các hệ thống có tốc độ lên đến 40 Gb/s.

2.8Phần tử phát và thu quang2.8.1 Bộ phát

Các thiết bị biến đổi điện quang E/O và các phần tử điện rời rạc của các bộ phát quang thuộc thế hệ trớc đây đang dần dần đợc thay thế bởi các mạch tích hợp Việc thực hiện các mạch tích hợp cỡ lớn nhằm đáp ứng yêu cầu về tốc độ điều chế và độ tin cậy ngày đợc thực hiện nhiều hơn

Trớc hết ta xét yêu cầu đối với nguồn quang trong WDM.

• Độ chính xác của bớc sóng phát: Đây là yêu cầu tiên quyết cho một hệ thống WDM hoạt động chính xác Nói chung, bớc sóng đầu ra luôn bị dao động do các yếu tố khác nh nhiệt độ, dòng định thiên Ngoài ra, để tránh xuyên nhiễu cũng…nh tạo diều kiện cho phía thu dễ dàng tách đúng bớc sóng thì độ ổn định tần số phía phát phải thật cao.

• Độ rộng phổ hẹp: Độ rộng đờng phổ đợc định nghĩa là độ rộng phổ nguồn quang tính cho bớc cắt 3 dB Để có thể tăng nhiều kênh trên một giải tần cho trớc, cộng với khoảng cách kênh nhỏ nên độ rộng phổ càng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận xảy ra khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không đợc đảm bảo chất lợng.

không thể bắt đầu cho đến khi dòng định thiên cao hơn giá trị dòng ngỡng Ith, công suất đầu ra tỷ lệ với (I- Ith) với I là dòng định thiên Do đó, dòng ngỡng thấp hơn cho phép dòng định thiên nhỏ hơn đối với cùng một công suất đầu ra Nhng quang trọng hơn là nếu dòng ngỡng thấp sẽ đảm bảo công suất nền thấp Điều này làm giả bớt vấn đề lãng phí công suất trong việc kích thích LD cũng nh giảm bớt công suất nền không mang tin và tránh cho máy thu chịu ảnh hởng của nhiễu nền ( phát sinh do có công suất nền cao) Nếu công suất nền gửi trên

đờng truyền lớn sẽ không có lợi cho hệ thống, vì công suất quang truyền dẫn trên sợi ( tổng công suất của các bớc sóng ghép) càng lớn thì ảnh hởng của hiệu ứng phi tuyến càng lớn, ảnh hởng xấu đến chất lợng hệ thống.

• Độ rộng băng tần điều chế lớn: Nh đã biết, thông tin đợc phát thông qua điều chế sóng mang Trong truyền thông quang, có hai kĩ thuật điều chế chính là điều chế trực tiếp và điều chế ngoài Vì điều chế trực tiếp đơn giản nên nó thờng đợc sử dụng trong hệ thống có tốc độ ≤ 2.5 Gbps Kĩ thuật này sử dụng tín hiệu phát kích hoạt trực tiếp LD nên nguồn sáng phải có tốc độ đáp ứng nhanhg theo tín hiệu đầu vào thay đổi theo thời gian, tơng ứng với độ rộng băng tần phải đủ lớn Với trờng hợp điều chế ngoài thì độ rộng băng tần không nhất thiết phải quá lớn vì thiết bị bên ngoài điều chế liên tục từ LD đa đến.

• Khả năng điều chỉnh đợc bớc sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần của sợi quang, nguồn quang phải có khả năng phát trên cả dải100 nm Hơn nữa, với các hệ thống lựa chọn kênh động càng cần khả năng có thể điều khiển đợc bớc sóng.• Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự phi tuyến của nguồn quang sẽ

phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo xuyên nhiễu giữa các kênh.

• Nhiễu thấp: Nhiễu rất quan trọng để đạt đợc BER thấp trong truyền thông số, đảm bảo chất lợng dịch vụ tốt.

Trên cơ sở các yêu cầu trên, ngời ta tiến hành nghiên cứu, triển khai thực nghiệm và đa vào ứng dụng các loại nguồn quang mà có thể đáp ứng phần nào hoặc toàn bộ các yêu cầu nói trên.

Một bộ phát của một kênh (một bớc sóng) thờng gồm bộ laser hồi tiếp phân bố DFB, sau đó là một bộ điều chế, thờng ở bên ngoài máy phát laser đặc biệt là khi tốc độ điều chế cao Sự phát triển các mạch quang tích hợp gần đây đã làm giảm giá thành của các máy phát, trong đó chíp laser, bộ khuếch đại quang đợc tích hợp vào trong một gói Hiện nay, một gói phát gồm nhiều bộ phát laser, nhiều bộ ghép kênh, một bộ khuếch đại công suất (thờng dùng khuếch đại quang bán dẫn).

Một bộ suy hao có thể thay đổi đợc trên toàn bộ dải điều chế có thể đợc đặt gần một máy phát laser để điều khiển công suất của máy phát đến một giá trị cần thiết Giá trị này đợc chọn sao cho khớp với các đặc tính của trạm lặp đầu tiên trên đờng truyền hoặc khi dùng với các máy phát hoạt động ở các bớc sóng khác để đảm bảo

rằng tất cả các bộ phát kết hợp với nhau để làm cho phân bố công suất phổ phẳng nh nhau.

Trong bộ laser hồi tiếp phân bố (DFB), hốc cộng hởng Fabry-Perot hai gơng thông thờng đợc làm nhỏ lại và đợc điều khiển Việc lựa chọn bớc sóng chính xác qua hồi tiếp quang đợc thực hiện bằng một cách tử dọc đợc chế tạo nh một bộ phận của chíp laser Cách tử này dùng để hỗ trợ laser phát xạ đơn mode, sóng truyền dọc nằm trong một khoảng rất hẹp, thông thờng nhỏ hơn 100 MHz Cùng với máy phát laser Fabry-Perot, hình dạng của ống dẫn sóng đảm bảo cho đầu ra có hớng ổn định Cấu trúc hồi tiếp phân bố có thể đợc coi nh là một kiểu kết hợp của nhiều buồng cộng hởng ánh sáng phân tán, cho phép lựa chọn bợc sóng đỉnh của ánh sáng laser tuỳ thuộc khoảng chu kỳ của cách tử nhiễu xạ Nhờ đó, có thể thực hiện đợc việc phát xạ bớc sóng đơn.

Ngoài các kết nối điện tốc độ cao, một gói DFB còn có thể có một bộ làm mát nhiệt điện, cảm biến nhiệt độ, bộ cách ly quang và diode quang điều khiển Các gói DFB hiện nay có thể cho một công suất đầu ra là 40 dBm cho dòng kích thích khoảng 40 mA

ánh sáng từ nguồn quang phải đợc điều chế với dòng bit mang thông tin cần truyền dẫn bằng phơng pháp điều biến cờng độ Quá trình điều biến phải có độ tuyến tính cao để tránh sự phát sinh các hài không cần thiết và sự méo dạng tín hiệu do điều biến qua lại, gây nhiễu cho quá trình giải điều chế ở phía thu

Các gói DFB kết hợp với các bộ điều chế trên một chíp, làm cho cả khối có độ di tần thấp, tốc độ điều chế cao Tuy nhiên, chúng cũng có một số hạn chế ví dụ nh bề rộng phổ hẹp làm cho chúng dễ bị ảnh hởng bởi nhiễu do sự phản hồi từ các liên kết.

2.8.2 Bộ thu

Bộ thu chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện bằng việc tách tất cả các tín hiệu quang đợc điều chế và giải điều chế chúng Bộ thu phải hoàn toàn tơng thích với bộ phát (về cả bớc sóng cơ bản và các đặc tính điều chế) và phải đợc thiết kế để giải quyết tất cả sự suy hao tín hiệu bởi các phần tử trên mạng Chỉ tiêu máy thu đợc đánh giá thông qua tỷ lệ lỗi bit BER Kết quả thu phụ thuộc vào độ nhạy máy thu, băng thông của máy thu và tạp âm tín hiệu trớc khi giải điều chế Chỉ tiêu đầy đủ của một máy thu đợc mô tả bởi đặc tuyến độ nhạy của nó, trong đó tỷ lệ lỗi

bit BER đợc xem nh là một hàm của công suất quang thu đợc với một dữ liệu cho trớc

Năng lợng ánh sáng từ một sợi quang đợc đa đến một bộ tách sóng, thờng là một photodiode Tín hiệu ra phải đợc khuếch đại điện, càng ít nhiễu càng tốt, trong vòng một dải thông điện thích hợp với tín hiệu mong muốn Có thể thực hiện việc lọc điện để làm phẳng tần số hiệu dụng của phần tử này Tất cả đợc thực hiện trong một khối tích hợp, trong đó có khối thu mà đầu vào của nó là ánh sáng từ sợi quang còn đầu ra là tín hiệu điện đã đợc điều chế thích hợp.

Hai loại photodiode hay đợc sử dụng là diode PIN và APD PIN hoạt động ở điện áp thấp tiêu chuẩn, nguồn cung cấp là 5V nhng có độ nhạy kém hơn và có băng thông hẹp hơn so với APD Các PIN có tốc độ cao thờng đợc dùng trong các hệ thống có tốc độ 10 Gb/s và 40 Gb/s trớc khi có APD APD hay dùng trong các ứng dụng có khoảng cách lớn mà giá thành và độ phức tạp mạch cao hơn Trong nhiều trờng hợp, việc dùng chỉ một APD cho phép ngời dùng không cần một bộ tiền khuếch đại Do đó, APD có tính kinh tế hơn.

Các thông số lựa chọn quan trọng đối với bộ thu gồm có: Đáp ứng phổ (A/W là một hàm của bớc sóng, liên quan mật thiết đến bộ tách đợc dùng), độ nhạy (mức đo mà tại đó nhiễu trong bộ tách át tín hiệu đến), dải thông điện và độ rộng phổ, dải động và tạp âm Các tiêu chuẩn phù hợp với mỗi tham số tuỳ thuộc vào từng ứng dụng Ví dụ nh các đặc tính của tạp âm quan trọng hơn mức công suất cao ở đầu ra trong một bộ tiền khuếch đại đợc sử dụng ngay trớc một kênh thu Ngoài ra cần phải giảm bức xạ tự phát ở bộ lọc quang trong bộ giải điều chế

Bảng 2.1 Độ nhạy máy thu với các tốc độ truyền dẫn khác nhau

Khi cha có khuếch đại quang, việc tăng dung lợng bằng giải pháp ghép bớc sóng cha thực sự chứng tỏ tính kinh tế của mình so với các giải pháp tăng dung lợng khác Đó là do để thực hiện khuếch đại điện (tại các trạm lặp) phải tách tất cả các kênh bớc sóng (nhờ thiết bị DEMUX), biến đổi các kênh bớc sóng này thành tín hiệu điện, khuếch đại từng kênh, biến đổi thành tín hiệu quang sau đó mới lại thực

hiện ghép các bớc sóng lại với nhau (nhờ thiết bị MUX) Nh vậy, không những làm cho số lợng thiết bị trên tuyến tăng lên rất nhiều mà còn làm giảm quỹ công suất của tuyến (do suy hao của các thiết bị tách/ghép bớc sóng là tơng đối lớn) Sự ra đời của bộ khuếch đại sợi quang pha Erbium (EDFA) đã làm giảm số trạm lặp trên tuyến rất nhiều, với khả năng khuếch đại đồng thời nhiều bớc sóng, EDFA đặc biệt thích hợp với các hệ thống WDM.

 EDFA có ba ứng dụng chính là: Khuếch đại công suất (BA), tiền khuếch đại

(PA) và khuếch đại đờng truyền (LA)

Đầu vào tín hiệu quang

Bộ phối

hiệu quangBơm

quang Bộ cách ly

Đầu vào tín hiệu quang

Bộ phối

hiệu quangBơm

quang Bộ cách ly

Đầu vào tín hiệu quang

Bộ phối

hiệu quang Bơm

quang Bộ cách ly

Bơm quang

Bộ phối ghép quang

- BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn đợc sử dụng ngay sau bộ phát (Tx) để tăng mức công suất tín hiệu Do mức công suất ra tơng đối cao nên BA không có các yêu cầu nghiêm ngặt đối với nhiễu và bộ lọc quang Tuy nhiên với mức công suất cao, việc sử dụng BA có thể gây nên một số hiệu ứng phi tuyến Các chức năng khai thác, quản lý và bảo dỡng (OAM) đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với thiết bị phát quang BA có thể tích hợp với Tx (gọi là OAT), hoặc tách riêng với Tx.

- PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, đợc sử dụng ngay trớc bộ thu (Rx) để tăng độ nhạy thu Sử dụng PA, độ nhạy thu đợc tăng lên đáng kể Các chức năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Rx Để đạt mức tạp âm thấp, ngời ta thờng sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp (nên sử dụng loại bộ lọc có khả năng điều chỉnh bớc sóng trung tâm theo bớc sóng của nguồn phát) PA có thể thích hợp với Rx (gọi là OAR), hoặc tách riêng với Rx.

- LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp đợc sử dụng trên đờng truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp Tuỳ theo chiều dài tuyến mà LA có thể đợc dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến Đối với các hệ thống có sử dụng LA đòi hỏi phải có một kênh thông tin riêng để thực hiện việc cảnh báo, giám sát, và điều khiển các LA (OSC) Kênh giám sát này không đợc quá gần với bớc sóng bơm cũng nh kênh tín hiệu để tránh ảnh hởng giữa các kênh này Tại mỗi LA, kênh giám sát này đợc chèn thêm các thông tin mới (về trạng thái của LA, các thông tin về cảnh báo), sau đó lại đợc phát lại vào đờng truyền Về mặt lý thuyết, khoảng cách truyền dẫn lớn (cỡ vài nghìn km) có thể đạt đợc bằng cách chèn thêm các LA vào đờng truyền Tuy nhiên, trong tr-ờng hợp trên tuyến có nhiều LA liên tiếp nhau chất lợng hệ thống có thể suy giảm nghiêm trọng do các hiện tợng nh: Tích luỹ tạp âm, ảnh hởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến Đặc biệt là việc hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bớc sóng nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ của LA.

Một trong những hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch đại không đồng đều (đợc chỉ ra trong hình 2.19), các bớc sóng khác nhau sẽ đợc khuếch đại với các hệ số khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại b-ớc sóng 1530 nm Hơn nữa, trong trờng hợp trên tuyến có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại khác xung quang bớc sóng 1558 nm Nh vậy với nhiều EDFA liên tiếp trên đờng truyền dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại

(có thể là từ 35 nm giảm xuống còn 10 nm hoặc nhỏ hơn nữa, tuỳ thuộc vào số bộ khuếch đại quang mắc liên tiếp nhau).

Hình 2.19 Phổ khuếch đại của EDFA

Hiện nay, có các phơng pháp cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA là:

Sử dụng bộ lọc để suy hao tín hiệu đỉnh khuếch đại xung quanh bớc sóng 1530 nm và xung quanh bớc sóng 1558 nm (trong trờng hợp có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đờng truyền).

Điều chỉnh mức công suất đầu vào của các bớc sóng sao cho tại đầu thu mức công suất của tất cả các bớc sóng này là nh nhau.

Ngoài ra, trong trờng hợp sử dụng EDFA liên tiếp trên đờng truyền cần phải xem xét đến tạp âm trong các bộ khuếch đại quang, tạp âm trong bộ khuếch đại quang phía trớc sẽ đợc khuếch đại bởi bộ khuếch đại quang phía sau Sự khuếch đại và tích luỹ tạp âm này làm cho tỷ số S/N của hệ thống suy giảm nghiêm trọng Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm có thể làm cho tỷ số S/N bị giảm xuống dới mức cho phép Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá cao thì tín hiệu này kết hợp với tạp âm có thể gây hiện tợng bão hoà ở bộ khuếch đại.

 Bơm Laser

Một thành phần quan trọng của bộ EDFA là bơm laser (thiết bị cung cấp nguồn năng lợng mà bộ khuếch đại cộng vào với tín hiệu) Năng lợng bơm đợc phân chia vào giữa tất cả các kênh trong bộ EDFA Do đó khi số lợng các kênh tăng lên thì

công suất bơm laser cũng phải tăng Các bộ EDFA có khả năng xử lý đợc nhiều kênh thờng đợc thiết kế để sử dụng nhiều hơn một bơm laser.

Cả laser 980 nm và 1480 nm đều phù hợp với việc bơm EDFA bởi vì cả hai bớc sóng này tơng ứng với các mức năng lợng ion kích thích và do đó đợc sợi quang pha Erbium hấp thụ dễ dàng Các hệ thống có nhiều kênh và các bộ tiền khuếch đại PA thích hợp với bơm laser ở bớc sóng 980 nm vì các laser này có tạp âm thấp hơn tại các bớc sóng 1480 nm Tuy nhiên, bớc sóng1480 nm lại cho phép công suất cao hơn và giá thành thấp hơn Việc chọn lựa hai bớc sóng này là rất khó khăn bởi vì việc bơm laser phải đợc lựa chọn lúc đầu khi xây dựng mạng, trớc khi biết số lợng kênh cuối cùng trong mạng

Một bộ EDFA bơm một trạng thái có thể cho công suất đầu ra lớn nhất khoảng +16 dBm Cả hai máy bơm có thể đợc dùng đồng thời để có công suất đầu ra cao nhất, máy bơm EDFA kép có thể cung cấp công suất +26 dBm trong vùng bơm công suất cao nhất Vùng thấp hơn, gần hệ số tạp âm giới hạn lợng tử cần cho các ứng dụng tiền khuếch đại có thể có đợc bằng việc thiết kế khuếch đại quang nhiều tầng.

Ngoài ra còn có các kỹ thuật khuếch đại quang khác nh khi khuếch đại quang sợi pha Praseodymium (PDFA), trong đó Praseo dymium thay thế Erbium để khuếch đại tín hiệu trong vùng bớc sóng 1310 nm Nó cho phép nhiễu thấp mặc dù không hiệu quả về mặt năng lợng nh EDFA Mặc dù sợi quang có sự suy hao lớn hơn ở vùng bớc sóng 1310 nm so với vùng bớc sóng 1550 nm, tán sắc thấp hơn ở vùng bớc sóng 1310 nm và có thể cho công suất laser cao hơn Tuy nhiên, sợi quang pha Praseodymium nhỏ hơn nhiều sợi quang tiêu chuẩn Điều này gây ra suy hao tại các mối ghép bởi vì khó mà có đợc ghép nối cơ khí chính xác mà không kèm theo chi phí rất cao Do vậy, việc sử dụng bộ khuếch đại này còn rất hạn chế Một loại khuếch đại khác cũng dùng việc cấy ghép thêm hoạt chất là bộ khuếch đại quang sợi pha Thulium (TDFA) Ưu điểm của nó là công suất đầu ra bão hoà cao, hệ số khuếch đại không phụ thuộc phân cực và hệ số tạp âm thấp

Mặc dù EDFA đã có rất nhiều triển vọng và ứng dụng trong mạng quang hiện nay, nhng chúng vẫn cha thể đáp ứng đợc hết các yêu cầu về độ rộng băng phổ và độ phẳng của phổ khuếch đại.