Tổng quan về hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ wdm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ WDM Giáo Viên Hướng Dẫn : Sinh Viên Thực Hiện : Lớp : Hà Nội Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM MỤC LỤC Trang CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM… .3 1.1 Giới thiệu chung hệ thống thông tin quang 1.2 Nguyên lý hệ thống WDM 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Mục đích 1.2.3 Phân loại hệ thống truyền dẫn WDM: 1.2.3.1 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng 6Error! Bookmark not defined 1.2.3.2 Hệ thống ghép bước sóng song hướng .6 1.2.4 Ưu nhược điểm công nghệ WDM Error! Bookmark not defined.7 CHƯƠNG II TRUYỀN TÍN HIỆU TRONG SỢI QUANG… 2.1 Các đặc tính thông tin quang 2.2 Cáp sợi quang 2.3 Nguyên lý truyền ánh sáng sợi quang 10 2.3.1 Định luật ánh sáng sợi quang .10 2.3.2 Truyền ánh sáng sợi dẫn quang 11 2.4 Các vấn đề truyền dẫn 13 2.4.1 Suy hao sợi quang .13 2.4.2 Tán sắc sợi quang 14 2.4.3 Bước sóng, tần số khoảng cách kênh .15 CHƯƠNG III CHỨC NĂNG VÀ CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA HỆ THÔNG WDM 17 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM 3.1 Chức hệ thống WDM 17 3.2 Các thành phần hệ thống thông tin quang .19 3.2.1 Nguồn phát quang 19 3.2.1.1 LASER 20 3.2.1.2 LED .21 3.2.2 Bộ thu quang 21 3.2.3 Thiết bị khuếch đại quang 22 3.2.3.1 EDFA 23 3.2.3.2 SOA .25 3.2.4 Các phần tử kết nối chéo sợi…………………………………… 25 3.2.4.1 Một số yêu cầu OXC…………………………………… 27 CHƯƠNG IV CHUYỂN MẠCH QUANG 28 4.1 Chuyển mạch quang nhu cầu cấp thiết hệ thống thông tin quang 28 4.2 Chuyển mạch kênh quang chia bước sóng .29 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.1 Giới thiệu chung thông tin quang: Thông tin quang hệ thống truyền tin thông qua sợi quang Điều có nghĩa thơng tin chuyển thành ánh sáng sau ánh sáng truyền qua sợi quang Tại nơi nhận lại biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu Trong thời kì nay, lượng thơng tin trao đổi hệ thống thông tin tăng lên nhanh Thế giới chứng kiến phát triển nhảy vọt chưa thấy mạng máy tính tồn cầu Internet, kéo theo đời ứng dụng dịch vụ tảng Internet Số người sử dụng Internet ngày đông, nhu cầu truyền tải liệu theo tăng lên Do yêu cầu đặt phải tạo mạng lưới có băng thơng lớn, có tốc độ đường truyền cao, tin cậy có chi phí hợp lý Mạng thơng tin quang đời đáp ứng nhu cầu Mạng thông tin quang với ưu điểm bật dung lượng truyền dẫn lớn, tốc độ truyền tải nhanh, hoạt động ổn định kinh tế,… dần thay cho mạng lưới thông tin truyền thống Tuy nhiên băng thông quang lớn (khoảng 100Ghz-Km) hao phí dùng cho ứng dụng đơn lẻ Vì yêu cầu đặt phải ghép nhiều kênh đường truyền quang Những kĩ thuật ghép kênh quan tâm ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) Trong tưong lai, ghép kênh theo bước sóng ưa Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM chuộng chi phí kĩ thuật thiết bị để lắp đặt hệ thống TDM tương đối cao 1.2 Nguyên lý hệ thống WDM: 1.2.1 Định nghĩa: WDM (Wavelength Division Multiplexing – Ghép kênh theo bước sóng) công nghệ “trong sợi quang truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang với nhiều bước sóng khác nhau” đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền sợi quang đầu thu, tín hiệu tổ hợp phân giải (tách kênh), khơi phục lại tín hiệu gốc đưa vào đầu cuối khác 1.2.2 Mục đích: Do băng thơng quang lớn (khoảng 100Ghz-Km) nên sử dụng cho mục đích đơn lẻ hao phí Vì sử dụng cơng nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn sợi quang cách truyền đồng thời nhiều kênh bước sóng sợi quang Tuy nhiên để tránh nhiễu xuyên kênh, kênh phải có khoảng cách định Qua nghiên cứu ITU-T đưa cụ thể kênh bước sóng khoảng cách kênh chọn cấp độ 200Ghz, 100Ghz, 50Ghz 1.2.3 Phân loại hệ thống truyền dẫn WDM: Hệ thống truyền dẫn hệ thống tương tác, nghĩa đầu thực chức phát tín hiệu (hướng đi) nhận tín hiệu (hướng về) Trong hệ thống WDM, tính tương tác thực qua môi trường sợi quang Về Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM người ta chia hệ thống WDM thành hai kiểu: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng hệ thống ghép bước sóng song hướng 1.2.3.1 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng: Chỉ thực truyền theo chiều sợi quang Do để truyền thông tin hai điểm cần hai sợi quang Rx1 Tx1 Tx2 λ1, λ2, λ3,…, λn MUX DEMUX Rx2 EDFA λ1, λ2, λ3,…, λn EDFA Rxn Txn Tách tín hiệu Phát tín hiệu Ghép tín hiệu Thu tín hiệu Hình 1.2 : Hệ thống WDM đơn hướng 1.2.3.2 Hệ thống ghép bước sóng song hướng: Có thể truyền theo hai chiều sợi quang nên cần sợi quang để trao đổi thông tin hai điểm Rx1 Tx1 Tx2 MUX DE MUX λ1, λ2, λ3,…, λn EDFA λ1, λ2, λ3,…, λn Rx2 EDFA Rxn Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM Txn Tách tín hiệu Phát tín hiệu Ghép tín hiệu Thu tín hiệu Hình 1.3 : Hệ thống WDM song hướng 1.2.4 Ưu nhược điểm công nghệ WDM: Trải qua q trình nghiên cứu triển khai, mạng thơng tin quang mạng quang sử dụng công nghệ WDM cho thấy ưu điểm trội : * Dung lượng truyền dẫn lớn Sử dụng công nghệ WDM có nghĩa sợi quang ghép nhiều kênh quang (có bước sóng khác nhau) để truyền đi, kênh quang lại ứng với tốc độ bit (TDM) Hiện thử nghiệm thành cơng hệ thống WDM 80 bước sóng với bước sóng mang tín hiệu TDM tốc độ 2,5 Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống 200 Gbit/s Trong với hệ thống TDM, tốc độ bit đạt tới STM-256 (dung lượng 40 Gbit/s) * Tính suốt mạng WDM Do cơng nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên hỗ trợ định dạng số liệu thoại chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, IP… Mạng suốt : dải băng thông xác định, mạng truyền dịch vụ với tốc độ với giao thức Như nhà cung cấp dịch vụ đáp ứng nhiều dịch vụ khác cách sử dụng sở hạ tầng Như có lợi mặt kinh tế triển khai dịch vụ cách hiệu quả, nhanh chóng mà khơng làm ảnh hưởng đến dịch vụ trước * Việc nâng cấp dung lượng hệ thống thực dễ dàng, linh hoạt Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng mạng có lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng nhiều cấp độ khác Bên cạnh mở thị trường mới, th kênh quang (hay bước sóng quang) ngồi việc sợi hay cáp quang Việc nâng cấp hệ thống đơn giản cắm thêm Card hệ thống hoạt động (Plug-and-play) * Quản lý băng tần hiệu cấu hình hệ thống mềm dẻo Bằng cách thay đổi phương thức định tuyến phân bổ bước sóng mạng WDM, ta dễ dàng quản lý cấu hình lại hệ thống cách linh hoạt tuỳ theo yêu cầu thực tế Hiện WDM công nghệ cho phép xây dựng mơ hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) cho phép xây dựng mạng quang suốt * Sử dụng cơng nghệ WDM tận dụng sở hạ tầng mạng quang trước đó, giảm chi phí đầu tư Do tiết kiệm kinh tế CHƯƠNG II – TRUYỀN TÍN HIỆU TRONG SỢI QUANG 2.1 Các đặc tính thơng tin quang: Sợi quang môi trường truyền dẫn đặc biệt so với môi trường khác không gian tự hay cáp đồng Không phải ngẫu nhiên mà sợi quang trở thành phương tiện truyền dẫn thông tin hiệu kinh tế So với phương thức truyền dẫn thông tin khác sợi quang có ưu điểm bật có băng thông lớn, độ suy hao truyền dẫn thấp Thêm vào đó, chúng sử dụng để thiết lập đường truyền dẫn nhẹ, khơng có tượng xun âm sợi quang với không chịu tác động sóng điện từ Hệ thống thơng tin quang sử dụng cơng nghệ WDM Trước hết sợi quang có băng thơng lớn nên truyền khối lượng thơng tin lớn cấc tín hiệu âm thanh, liệu, tín hiệu hỗn hợp thơng qua hệ thống có cự ly dến 100Ghz-Km Thứ hai, sợi quang nhỏ, nhẹ khơng có xun âm Do chúng lắp đặt dễ dàng địa điểm mà không cần lắp thêm đường ống cống cáp Thứ ba, sợi quang chế tạo từ chất điện môi nên chúng khơng chịu ảnh hưởng can nhiễu sóng điện từ xung điện tử Do chúng lắp đặt với cáp điện lực (điều có ý nghĩa kinh tế lớn) dùng mơi trường có điện từ trường cao Thứ tư, nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang cát (silicat-SiO2) chất dẻo nên có giá thành thấp Thêm vào sợi quang cịn có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi thọ dài khả đề kháng với môi trường tốt 2.2 Cáp sợi quang: Sợi quang dây nhỏ, dẻo truyền ánh sáng nhìn thấy tia hồng ngoại Một sợi quang gồm có lõi hình trụ bao quanh lớp vỏ Cả phần lõi vỏ có số khúc xạ xấp xỉ 1,45 Để ánh sáng phản xạ cách hồn tồn lõi chiết suất lõi phải lớn chiết suất vỏ chút Do trình sản xuất sợi, số tạp chất đưa vào lõi vỏ, nguyên liệu Germani Photpho làm tăng số khúc xạ SiO2 dùng làm chất cho thêm vào phần lõi, Bo Flo làm giảm số khúc xạ SiO2 nên dùng làm tạp chất cho lớp vỏ Vỏ bọc phía ngồi áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với sợi bên cạnh Sợi quang Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM Lớp bọc (Silicon đặc biệt) Tầng cản bit lỗi (Silicon) Lớp bọc thứ (Nilon) Phần cốt lõi Lớp bọc thứ (Nilon) Tầng cản bit lỗi Lớp bọc Sợi quang Hình 2.1 : Cấu trúc sợi quang Ngồi sợi quang cịn phân loại thành loại sợi quang đơn mode đa mode tương ứng với số lượng mode ánh sáng truyền qua sợi quang 2.3 Nguyên lý truyền ánh sáng sợi quang: 2.3.1 Định luật ánh sáng sợi quang: Ánh sáng xem chùm tia truyền theo đường thẳng môi trường bị phản xạ hay khúc xạ bề mặt hai vật liệu khác Hình 2.2 giao diện hai mơi trường có số khúc xạ n1 n2 Một tia sáng từ môi trường tới mặt phân cách mơi trường với mơi trường Góc tới tia tới pháp tuyến với bề mặt chung hai môi trường biểu thị θ1 Phần lượng bị phản xạ vào môi trường tia phản xạ, phần cịn lại xun qua mơi trường tia khúc xạ Góc phản xạ θ1r góc tia phản xạ pháp tuyến giao diện Tương tự, góc khúc xạ θ2 góc tia khúc xạ pháp tuyến θ 1r = θ1 Theo định luật Snell : n1.sin θ1 = n2.sin θ2 Khi góc tới θ1 tăng lên, góc khúc xạ θ2 tăng Nếu θ2 = 90°, sin θ1 = n2/n1 Lúc θ1 gọi góc tới hạn có giá trị θc = sin(n2/n1) ; với n1 > n2 10 Hệ thống thông tin quang sử dụng cơng nghệ WDM 2.4.3 Bước sóng, tần số khoảng cách kênh: Trong hệ thống WDM, phương tiện mang thơng tin ánh sáng, điều cần quan tâm bước sóng, tần số tín hiệu Bước sóng λ tần số f liên hệ với qua công thức :  c f Trong c vận tốc ánh sáng truyền không gian tự (c ≈ 3.108 m/s), bước sóng khác Trong hệ thống quang, bước sóng chủ yếu dùng 1310 nm, 1550 nm 850 nm Các bước sóng nằm dải hồng ngoại, khơng thể nhìn thấy Tần số đơn vị Hertz (bằng số chu kì/giây) Người ta thường dùng thứ nguyên Hz Megahertz (1Mhz = 106 Hz), Gigahertz (1Ghz = 109 Hz) hay Terahertz (1THz = 1012 Hz) Sử dụng c = 3.108 m/s, bước sóng 1,55 μm tương ứng với tần số xấp xỉ 193 THz.m tương ứng với tần số xấp xỉ 193 THz Một số thông số quan tâm khác khoảng cách kênh, khoảng cách hai bước sóng tần số hệ thống WDM Khoảng cách kênh đo đơn vị bước sóng tần số Nếu gọi Δλ khoảng cách kênh bước sóng tương ứng ta có : f c  2 Như vậy, bước sóng 1550 nm, với Δλ = 35 nm (xét riêng băng C) ta có Δf = 4,37.1012 Hz Giả sử tốc độ truyền dẫn kênh bước sóng 2,5 GHz, theo định lý Nyquist, với phổ sở tín hiệu 2.2,5=5 GHz, số kênh bước sóng cực đại đạt N = Δf / = 874 kênh dải băng tần khuếch đại quang, số kênh cực đại tính theo lý thuyết băng C Dựa khả công nghệ nay, ITU-T đưa qui định khoảng cách tối thiểu kênh bước sóng 0,8 nm tương ứng khoảng 16 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM cách tần số 100 GHz với tần số chuẩn 193,1 THz Hiện xuất hệ thống WDM sử dụng khoang cách kênh 25 GHz, sản phẩm thương mại chủ yếu theo chuẩn ITU-T nêu CHƯƠNG III – CHỨC NĂNG VÀ CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM 3.1 Chức hệ thống WDM: Rx1 Tx1 Tx2 Truyền tín hiệu sợi quang MUX Khuếch đại tín hiệu Txn DEMUX Khuếch đại tín hiệu Rx2 Rxn Tách tín hiệu Thu tín hiệu Phát tín hiệu Ghép tín hiệu Hình 4.1 : Sơ đồ chức hệ thống WDM Như minh họa hình trên, để đảm nhiệm việc truyền nhận nhiều bước sóng sợi quang, hệ thống WDM phải thực chức sau : 17 Hệ thống thông tin quang sử dụng cơng nghệ WDM * Phát tín hiệu : hệ thống WDM sử dụng nguồn phát quang diode phát quang (LED – Light Emitting Diode) hay Laser Hiện có số loại nguồn phát : laser điều chỉnh bước sóng (Tunable laser), laser đa bước sóng (Multiwavelength laser)… Yêu cầu nguồn phát laser phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức cơng suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chỉp phải nằm giới hạn cho phép * Ghép/tách tín hiệu : ghép tín hiệu WDM kết hợp số nguồn sóng khác thành luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền sợi quang Tách tín hiệu WDM phân chia luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp thành tín hiệu ánh sáng riêng lẻ cổng đầu tách Hiện nay, có tách ghép tín hiệu WDM : lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG , lọc Fabry-Perot… Các tham số cần quan tâm tách ghép kênh : khoảng cách kênh bước sóng, độ rộng băng tần kênh, bước sóng trung tâm kênh, mức xuyên âm kênh, tính đồng kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần - đầu xa,… * Truyền dẫn tín hiệu : thực tế việc tính tốn truyền dẫn thông tin quang phức tạp có nhiều yếu tố ảnh hưởng : suy hao đường truyền, hiệu ứng phi tuyến , tán sắc,… Không vậy, yếu tố khác loại sợi quang khác * Khuếch đại tín hiệu : q trình truyền dẫn, tín hiệu quang bị suy hao lan truyền qua sợi Các thiết bị hệ thống ghép kênh, xen rẽ kênh gây nên suy hao Ngoài nhiều nguyên nhân khác suy hao ghép nối, suy hao sợi bị uốn cong… Do đến lúc đó, tín hiệu quang suy yếu đến mức khơng thể tách sóng Do thiết bị khuếch đại tín hiệu khơi phục lại cường độ tín hiệu Trong hệ thống WDM chủ yếu sử 18 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM dụng khuếch đại quang sợi EDFA Có ứng dụng EDFA, : khuếch đại công suất (Booster Amplifier – BA), tiền khuếch đại (Pre Amplifier - PA), khuếch đại đường truyền (Line Amplifier – LA) Khi dùng khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo yêu cầu sau : - Độ lợi khuếch đại đồng tất kênh bước sóng (mức chênh lệch không dB) - Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc khơng làm ảnh hưởng đến mức công suất đầu kênh - Có khả phát chênh lệch mức cơng suất đầu vào để điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại phẳng tất kênh * Thu tín hiệu : để thu tín hiệu, hệ thống WDM sử dụng loại tách sóng quang hệ thống thông tin quang thông thường : PIN, APD 3.2 Các thành phần hệ thống thông tin quang: Tương ứng với chức hệ thống thơng tin quang nêu có thành phần tương ứng sau 3.2.1 Nguồn phát quang: Nhiêm vụ nguồn phát quang chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang Ánh sáng nguồn ghép vào sợi quang để truyền Hiện sử dụng phổ biến loại linh kiện dùng làm nguồn phát quang : - Diode phát quang (LED – Light Emitting Diode) - LASER (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation) Một đóng góp quan trọng thiết bị phát quang giúp cho việc thương mại hoá hệ thống WDM việc chế tạo thành công LASER 19 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM phổ hẹp Các LASER phổ hẹp có tác dụng giảm thiểu tối đa ảnh hưởng lẫn bước sóng lan truyền sợi quang Để xây dựng hệ thống thông tin quang Các nguồn phát qaung phải thoả mãn số điều kiện : - Phù hợp với kích thước sợi quang - Phát cơng suất đủ lớn để khắc phục phần suy hao tín hiệu, giúp tín hiệu truyền đến phía thu - Phát ánh sáng bước sóng làm tối thiểu hoá suy hao tán xạ Các nguồn quang nên có bề rộng phổ nhỏ để giảm thiểu tán xạ - Hoạt động ổn định điều kiện mơi trường có thay đổi (nhiệt độ, độ ẩm,…) - Cho phép điều chế trực tiếp công suất quang đầu - Có giá thành thấp độ tin cậy cao thiết bị điện tử, cho phép hệ thống thơng tin quang cạnh tranh với hệ thống thông tin khác 3.2.1.1 LASER: Thiết bị kích thích Dịng ánh sáng phát Mơi trường phát xạ Gương phản xạ Gương phát Hình 4.2 : Cấu trúc tổng quát LASER 20