CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG WDM CHƯƠNG III MỘT SỐ VẤN ĐỀ CÔNG NGHỆ THEN CHỐT CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG WDM
Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại mà đặc biệt là Internet cũng nh một số dịch vụ khác đã tạo ra một sự bùng nổ nhu cầu về dung lợng Điều này đặt lên vai những nhà cung cấp dịch vụ đờng trục những khó khăn và thách thức mới Kĩ thuật ghép kênh theo miền thời gian TDM đã giải quyết phần nào các yêu cầu trên nhng vẫn còn rất hạn chế Trong thực tế, tốc độ của tín hiệu TDM thờng nhỏ hơn hoặc bằng 10Gb/s Do ảnh hởng của hiện tợng tán sắc, hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang và tốc độ của các thành phần điện tử nên khi tăng tốc độ bit của một kênh TDM lên quá giới hạn này, chất lợng hệ thống không đảm bảo Để thích ứng với sự tăng trởng không ngừng đó và thoả mãn yêu cầu tính linh hoạt của mạng, các công nghệ truyền dẫn khác nhau đã đợc nghiên cứu, triển khai thử nghiệm và đa vào ứng dụng, trong số đó phải kể đến công nghệ WDM, OTDM, Soliton… Ph Phơng pháp ghép kênh theo bớc sóng WDM(Wavelength Division Multiplexing) đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode Ghép kênh theo bớc sóng WDM nâng cao dung lợng truyền dẫn của hệ thống mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bớc sóng Do đó, WDM chính là giải pháp tiên tiến trong kĩ thuật thông tin quang, đáp ứng đợc nhu cầu truyền dẫn và cả những yêu cầu về chất lợng truyền dẫn của hệ thống.
Trong hệ thống WDM, tín hiệu điện của từng kênh quang đợc điều chế với các sóng mang quang khác nhau Sau đó, chúng đợc ghép lại và truyền trên cùng một sợi quang đến đầu thu Phía thu thực hiện quá trình tách tín hiệu quang thành các kênh quang riêng biệt có bớc sóng khác nhau Mỗi kênh này đợc đa đến một máy thu riêng Công nghệ WDM cho phép khai thác đợc tiềm năng băng thông to lớn của sợi quang Ví dụ, hàng trăm kênh 10Gb/s có thể truyền trên cùng một sợi quang Khoảng cách giữa các kênh khoảng 50GHz Dới đây là một tính toán cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM:
Hình 1.1 chỉ ra hai cửa sổ truyền dẫn 1,3 và 1,5 cửa sợi quang Mỗi cửa sổ có băng thông truyền dẫn(suy hao thấp) của sợi quang là rất lớn; Chỉ với riêng cửa sổ quang 1550 nm thì dải bớc sóng có thể sử dụng là 1500 nm – 1600 nm,tơng ứng với dải tần rộng cỡ 12,5 THz !
Sử dụng cho tốc độ truyền tin cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phần rất nhỏ trong băng tần truyền dẫn này Rõ ràng, có thể thấy dung lợng yêu cầu cỡ hàng trăm Gbps là hoàn toàn nằm trong khả năng của hệ thống WDM Thêm vào đó, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử nh bộ tách ghép quang, bộ nối chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiện lựa chọn kênh động hoặc tĩnh… Ph
Khái niệm về WDM đã đợc biết đến từ những năm 1980, khi mà hệ thống quang đã đợc bắt đầu thơng mại hóa Dạng đơn giản nhất của WDM là truyền hai kênh tín hiệu trên hai cửa sổ khác nhau Ví dụ, truyền trên hai bớc sóng 1,3m và 1,55m Khi đó, khoảng cách giữa các kênh là 250nm Sau đó, khoảng cách giữa các kênh giảm dần đi Năm 1990, khoảng cách giữa các kênh chỉ còn nhỏ hơn 0,1nm Trong suốt thập kỉ 90, hệ thống WDM đã đợc nhiều nớc trên thế giới quan tâm nghiên cứu Hiện nay, kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng đã đợc ứng dụng ở nhiều nớc trên thế giới ở nớc ta, Tổng công ty bu chính viễn thông Việt Nam quyết định nâng cấp tuyến truyền dẫn Bắc Nam bằng giải pháp ghép kênh theo bớc sóng.
1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống tách/ghép kênh quang
Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống truyền dẫn quang đơn hớng ghép kênh theo bớc sóng đợc mô tả nh hình 1.2.
Hình 1.1 Băng tần truyền dẫn của sợi quang là rất lớn!
Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống WDM đơn h ớng có bớc sóng khác nhau là 1 , 2 n Các kênh quang này đợc ghép với nhau nhờ bộ ghép kênh quang OMUX và truyền trên một sợi quang duy nhất đến đầu thu. Yêu cầu của bộ ghép kênh là phải có độ suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu tới đầu ra của bộ ghép ít bị suy hao, giữa các kênh có khoảng bảo vệ nhất định để tránh gây nhiễu sang nhau Tại phía thu, bộ ODMUX thực hiện quá trình tách tín hiệu thu đợc thành các kênh khác nhau Mỗi kênh này tơng ứng với một bớc sóng. Mỗi kênh đợc đa đến một đầu thu riêng Để tránh xuyên nhiễu giữa các kênh, yêu cầu thiết kế bộ giải ghép thật chính xác.
Phần trên trình bày phơng án truyền dẫn ghép bớc sóng quang một hớng, tức là tín hiệu đợc ghép tại một đầu và tách tại đầu kia, tín hiệu truyền trên sợi quang theo một hớng Ngoài ra ngời ta có thể thực hiện truyền dẫn ghép bớc sóng quang hai hớng trên cùng một sợi quang nh hình 1.3.
Trong hệ thống truyền dẫn hai hớng, n kênh quang có bớc sóng 1… Phn đợc ghép lại và truyền đi theo một hớng, n kênh quang khác có bớc sóng n+1… Ph2n đ- ợc ghép lại và truyền đi theo hớng ngợc lại trên cùng sợi quang Phơng pháp này yêu cầu rất nghiêm ngặt về độ rộng phổ của từng kênh và chất lợng của bộ tách kênh.
Trong hệ thống mà các bớc sóng của các kênh quang cách xa nhau, thờng thuộc các cửa sổ khác nhau, đợc gọi là ghép tha SWDM (Sparse Wavelength Division Multiplexing) Hệ thống có khoảng cách giữa các kênh quang rất nhỏ, các kênh quang có bớc sóng gần nhau đợc gọi là hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Khi đó vấn đề trở nên phức tạp hơn nhiều và yêu cầu về chất lợng các thành phần trong hệ thống quang rất cao.
Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM hai h ớng
Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng thông truyền dẫn to lớn của sợi quang, làm cho dung lợng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn bớc sóng đơn tăng từ vài lần tới hàng trăm lần, từ đó tăng dung lợng của sợi quang, hạ giá thành hệ thống Hiện nay, dải tần truyền dẫn có suy hao thấp của sợi quang mới chỉ đợc sử dụng một phần rất nhỏ Nếu ứng dụng công nghệ WDM thì hiệu quả tận dụng băng tần sợi quang trong vấn đề truyền dẫn quả là hết sức to lớn.
Dùng công nghệ WDM có thể ghép N bớc sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn mode và có thể truyền dẫn hoàn toàn song công Do vậy, khi truyền dẫn thông tin đờng dài với dung lợng lớn, có thể tiết kiệm số lợng lớn sợi quang. Thêm vào đó là khả năng mở rộng dung lợng cho hệ thống quang đã xây dựng. Chỉ cần hệ thống cũ có độ d công suất tơng đối lớn thì có thể tăng thêm dung l- ợng mà không cần thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ
1.1.3.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu
Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bớc sóng độc lập với nhau, do đó có thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và phân chia các dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu t- ơng tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phơng tiện (thoại, số liệu, đồ hoạ, ảnh động… Ph)
Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng nh trong mạng đờng trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ nhiều đờng, nhiều địa chỉ… Ph, bởi thế nó rất quan trọng trong các ứng dụng mạng.
1.1.3.4 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện
Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng do vậy mà tốc độ xử lí tơng ứng của nhiều linh kiện quang điện tăng lên theo nhng không đáp ứng đợc đủ Sủ dụng công nghệ WDM có thể giảm yêu cầu quá cao về tốc độ đối với linh kiện mà vẫn có thể đáp ứng dung lợng lớn.
Ghép kênh bớc sóng đối với khuôn dạng số liệu là trong suốt, tức là không hề có quan hệ gì với tốc độ của tín hiệu và phơng thức điều chế tín hiệu xét trên phơng diện điện Ghép kênh bớc sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lí tởng, là cách thuận tiện để đa vào dịch vụ băng rộng mới (ví dụ nh
IP… Ph) Chỉ cần dùng thêm một bớc sóng là có thể tăng thêm một dịch vụ mới hoặc dung lợng mới mong muốn
Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM
Suy hao xen đợc xác định là lợng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị tách/ghép kênh quang Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm nối ghép thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân thiết bị ghép gây ra Vì vậy, trong thực tế ngời thiết kế tuyến phải tính cho vài dB ở mỗi đầu Suy hao xen đợc diễn giải tơng tự nh suy hao đối với các bộ tách/ghép hỗn hợp (MUX/DMUX) nhng cần lu ý trong WDM là xét cho một bớc sóng đặc trng Suy hao xen đợc xác định nh sau:
Trong đó: I(i) và O(i) tơng ứng là công suất các tín hiệu quang tại đầu vào và đầu ra bộ ODMUX và bộ OMUX.
Ii(i) là công suất tín hiệu tại đầu vào thứ i củabộ ghép
Oi(i) là công suất tín hiệu tại đầu ra thứ i của bộ tách
Tham số suy hao xen luôn đợc các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị.
Khi thực hiện ghép các kênh quang có bớc sóng khác nhau để truyền trên cùng một sợi quang thì một phần tín hiệu của kênh này ghép sang vùng phổ của kênh khác Do đó khi tách kênh sẽ có sự rò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có b- ớc sóng thứ i có bớc sóng i sang các kênh có bớc sóng khác với i.Ngày cả trong trờng hợp ghép kênh hoàn hảo,ở các bộ tách ghép thực tế luôn có hiện tợng rò công suất tín hiệu từ một kênh sang kênh khác.Hiện tợng này gọi là xuyên kênh
Hình 1.4 Xuênh âm trong hệ trong hê thuống
Trong thực tế luôn tồn tại hiện tợng xuyên kênh và làm giảm chất lợng truyền dẫn Ngời ta đa ra tham số suy hao xuyên kênh để đặc trng cho khả năng tách các kênh khác nhau và đợc tính bằng dB nh sau:
- Đối với bộ tách kênh:
Trong trờng hợp lý tởng, tại cửa ra thứ i chỉ có bớc sóng i, nhng do có hiện tợng xuyên kênh, tại cửa ra thứ i có tín hiệu rò từ các kênh khác Ui(k) và Pi ( j ) là công suất tín hiệu không mong muốn ở bớc sóng k và j tại cửa ra thứ i. Trong thiết bị ghép/tách kênh hỗn hợp, việc xác định suy hao xuyên kênh cũng đợc áp dụng nh bộ tách kênh ở trờng hợp này phải xem xét cả hai loại xuyên kênh, xuyên kênh đầu gần và xuyên kênh đầu xa (hình 1.4) “Xuyên kênh đầu xa” là do các kênh khác đợc ghép đi vào đờng truyền gây ra Ví dụ, Ui(k) là xuyên nhiễu do kênh quang có bớc sóng k tại đầu ra thứ i “Xuyên kênh đầu gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra Ví dụ, Pi ( j ) là xuyên nhiễu do kênh Ij ( j ) gây ra trên kênh ra thứ i Khi đa ra sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đỗi với từng kênh của thiết bị.
1.2.3 Độ rộng kênh và khoảng cách kênh Độ rộng kênh (i ) là dải bớc sóng đợc định ra cho từng kênh quang Độ rộng kênh bằng tổng độ rộng phổ của nguồn và khoảng phòng vệ của kênh Bớc sóng trung tâm của nguồn quang phải nằm giữa dải bớc sóng này Khoảng cách
Hình 1.5 Khoảng cách kênh và độ rộng kênh
Khoảng cách kênh Độ rộng kênh P
Khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bị giới hạn bởi xuyên nhiễu giữa các kênh Khoảng cách giữa các kênh thờng lớn hơn bốn lần tốc độ bit Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì các độ rộng kênh yêu cầu khoảng nm để đảm bảo không bị xuyên nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn của các nguồn phát gây ra. Đối với nguồn phát quang là các diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần, vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn.
Trong hệ thống WDM, mỗi bớc sóng đợc coi tơng ứng với một kênh quang Số lợng kênh bằng số lợng các bớc sóng đợc ghép lại để truyền trên cùng một sợi quang đến đầu thu Tham số này phụ thuộc vào độ rộng băng tần truyền dẫn của sợi quang mà hệ thống sử dụng và độ rộng kênh.
Giả sử các kênh quang cần truyền trong hệ thống có độ rộng phổ bằng nhau và bằng ’i(nm) tính ở mức 3 dB Nh trên đã nói, để tránh hiện tợng xuyên kênh cần có một khoảng bảo vệ giữa chúng Đặt khoảng bảo vệ này là ’’i(nm). Khi đó, độ rộng kênh của một kênh quang là:
Giả sử băng thông sử dụng cho hệ thống WDM là Khi đó số lợng kênh tối đa của hệ thống WDM là:
Trong các hệ thống điện, chất lợng bộ lọc rất tốt nên khoảng bảo vệ (’’i) thờng nhỏ hơn độ rộng phổ của kênh Nhng trong hệ thống quang, do hạn chế của bộ lọc nên khoảng bảo vệ (’’i) yêu cầu rất lớn ’’i thờng đợc yêu cầu lớn gấp bốn lần ’i Theo khuyến nghị của ITU-T, độ rộng kênh khoảng 100GHz.
Băng thông sử dụng cho hệ thống WDM () nằm trong vùng cửa sổ suy hao thấp của sợi quang Băng thông này cũng đợc tính ở mức suy hao 3 dB. Trong thực tế ta không thể sử dụng đợc toàn bộ dải băng này, có rất nhiều yếu tố hạn chế việc sử dụng toàn bộ cửa sổ suy hao thấp Ví dụ, khi trên tuyến có sử dụng bộ khuếch đại quang Bộ khuếch đại có dải khuếch đại nhỏ Điều này giới hạn số lợng kênh truyền trên sợi quang Băng thông của EDFA thờng là 3035nm, ngay cả khi sử dụng các công nghệ làm phẳng phổ khuếch đại Một số yếu tố khác cũng hạn chế số lợng kênh, đó là độ ổn định và khả năng điều chỉnh của laser, sự suy giảm của tín hiệu trong quá trình truyền dẫn gây ra bởi hiệu ứng phi tuyến, nhiễu xuyên kênh.
Trong các hệ thống WDM số lợng kênh càng lớn thì dung lợng truyền dẫn càng tăng, nhng hệ thống cũng trở nên phức tạp, yêu cầu chất lợng của các thành phần trong hệ thống cao hơn và phải đặc biệt quan tâm đến hiện tợng xuyên kênh, suy hao do thiết bị WDM gây ra Đối với một dung lợng định trớc, việc tăng số lợng kênh sẽ làm giảm số sợi sử dụng hoặc tốc độ truyền dẫn nền Đây là mối tơng quan cần quan tâm khi áp dụng xây dựng hoặc nâng cấp các tuyến truyÒn dÉn quang.
Ứng dụng WDM
Nói chung WDM đã đợc ứng dụng rất nhiều cho các tuyến truyền dẫn cáp sơi quang đờng dài trong lục địa, xuyên lục địa, các tuyến quang biển nội vùng cũng nh liên vùng, các tuyến quang xuyên châu lục… Ph Nó đợc lựa chọn nh một giải pháp duy nhất mà cho hiệu quả cao cả về mặt kĩ thuật cũng nh kinh tế.
Có thể kể ra rất nhiều tuyến truyền dẫn cáp sợi quang đã ứng dụng công nghệ WDM trên thế giới (SEA-ME-WE 3, SAT, NPC… Ph) Dới đây là một số tuyến truyền dẫn cáp sợi quang điển hình có sử dụng WDM trong khu vực Châu á:
BIMPP-GUAM: Dự án tuyến thông tin quang này nhằm kết nối Brunei, Indonesia, Malaysia, Philippines, quần đảo Palau và Guam (Hoa Kì) Tuyến truyền dẫn này hoạt động nh một mạng khu vực và có thể dự phòng cho các mạng lân cận nh mạng nội vùng Malaysia, mạng SEA-ME-WE 3 mở rộng Để đáp ứng mục tiêu này, ngời ta đã phân bổ một số bớc sóng đảm bảo việc dự phòng và một số bớc sóng phục vụ các kết nối giữa các quốc gia trên tuyến Trên hình 1.6 là sơ đồ tuyến nối của BIMPP-GUAM
SEA-ME-WE 3 và phần mở rộng: Tuyến thông tin quang này nối từ Châu âu xuyên qua Địa Trung Hải tới Đông Nam á (hình 1.7) Nó có 6 trạm đầu cuối trải dài trên 38.000 km (với hơn 20.000 km biển), có 27 điểm xen rẽ (ADM) và hơn 40 điểm cập bờ Dung lơng của tuyến này là 8 x 2,5 Gbps, sử dụng công nghệ WDM truyền đồng thời 8 bớc sóng (mỗi bớc sóng mang dung lợng 2,5 Gbps) trên hai đôi sợi quang Phần mở rộng của SEA-ME-WE 3 triển khai tại Châu á nhằm kết nối hơn 10 quốc gia từ Singapore tới Nhật Bản và Hàn Quốc với các nhánh xen rẽ là Malaysia, Brunei, Việt Nam, Hồng Kông, Ma Cao, Đài Loan, Trung Quốc và Philippines.
ASIA-GUAM: Dự án này kết nối Trung Quốc, Hàn Quốc và Nhật Bản tới Guam (hình 1.8) Trong tuyến thông tin này mỗi quốc gia Trung Quốc, Hàn Quốc và Nhật Bản sử dụng một bớc sóng riêng với dung lợng 2,5 Gbps nhằm đảm bảo sự truy cập độc lập tới Bắc Mĩ Đồng thời, tuyến này có thể có thêm một số bớc sóng phụ dự phòng cho truyến thông tin SEA-ME-WE 3.
Hình 1.6 Tuyến thông tin quang BIMPP-GUAM
Hình 1.7 Tuyến thông tin quang SEA-ME-WE 3 và phần mở rộng
Phần mở rộng SEA-ME-WE 3
NORTH PACIFIC CABLE 2 (NPC2): Dự án này kết nối Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc và Liên bang Nga tới Bắc Mĩ (hình 1.6)
Hình 1.8 Tuyến thông tin quang ASIA-GUAM
Hình 1.9 Tuyến thông tin quang NPC2
CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG WDM
Bộ phát quang
Trớc đây các bộ phát quang bao gồm thiết bị điện và thiết bị quang riêng biệt, nhng hiện nay bộ phát quang đợc hình thành từ việc tích hợp các mạch tích hợp và laser diode.Việc bổ xung thêm các vi mạch tích hợp mật độ cao cho phép bộ phát quang đáp ứng đợc các yêu cầu về điều chế tốc độ cao và cải thiện đợc độ tin cậy của thiết bị Khi nhìn từ quan điểm thiết kế hệ thống ngời ta thờng coi chúng nh một hộp đen có chức năng chuyển đổi điện sang quang Hiện tại có hai loại nguồn quang dang đợc ứng dụng rộng rãi là laser phân bố hồi tiếp DFB (Distributed Feedback Laser) và laser phân bố phản xạ Bragg DBR (Distributed Bragg Reflector Laser) Ngoài ra laser sợi quang pha tạp chất hiếm cũng đang đ- ợc nghiên cứu, các nguồn quang này có u điểm là phổ hẹp và độ ổn định tần số cao Bộ phát quang có nguồn phát quang phổ hẹp có ý nghĩa rất lớn, đặc biệt trong hệ thống ghép kênh quang WDM.
2.1.1 Yêu cầu đối với nguồn quang trong WDM
- Độ chính xác của bớc sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho một hệ thống WDM hoạt động tốt Nói chung, bớc sóng đầu ra luôn bị dao động do các yếu tố khác nhau nh nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện Ngoài ra, để tránh xuyên nhiễu cũng nh tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách đúng b- ớc sóng thì nhất thiết độ ổn định tần số phía phát phải thật cao.
- Độ rộng đờng phổ hẹp: Độ rộng đờng phổ đợc định nghĩa là độ rộng phổ của nguồn quang tính cho bớc cắt 3 dB Để có thể tăng nhiều kênh trên một dải tần cho trớc, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng đờng phổ càng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận (ICI) xảy ra khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lợng Muốn đạt đợc điều này thì nguồn phát laser phải là nguồn đơn mode (nh các loại laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang cộng hởng, laser phản hồi phân bố).
- Dòng ngỡng thấp: Đối với laser , phát xạ kích thích không thể bắt đầu cho đến khi dòng định thiên cao hơn giá trị dòng ngỡng Ith, công suất đầu ra tỉ 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 quan trọng hơn là nếu dòng ngỡng thấp sẽ đảm bảo công suất nền thấp Điều này làm giảm bớt vấn đề lãng phí công suất trong việc kích thích laser cũng nh giảm bớt đợc công suất nền không mang tin và tránh cho máy thu chịu ảnh hởng của nhiễu nền (phát sinh do có công suất nền lớn) Nếu công suất nền gửi trên đờng truyền quá lớn sẽ không có lợi cho hệ thống, vì nh đã biết 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, sẽ ảnh hởng xấu tới chất lợng hệ thống.
- Khả năng điều chỉnh đợc bớc sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần sợi quang, nguồn quang phải có thể phát trên cả dải 100 nm Hơn nữa, với hệ thống lựa kênh động càng cần khả năng có thể điều chỉnh đợc bớc sóng
- Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của nguồn quang sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu giữa các kênh.
- Nhiễu thấp: Có rất nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh mode, nhiễu pha, nhiễu MPN Nhiễu thấp rất quan trọng để đạt đợc mức BER thấp trong truyền thông số, đảm bảo chất lợng dịch vụ tốt.
Trên cơ sở các yêu cầu nói 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 đợc phần nào hoặc toàn bộ các yêu cấu khắt khe đó Các loại nguồn quang đó đợc trình bày chi tiết trong phần (2.1.2), (2.1.3) dới đây.
Phản xạ Bragg là ở trên mặt tiếp giáp của 2 loại phơng tiện có phản xạ mang tính chu kỳ, khi đợc chiếu quang sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ này gọi là phản xạ Bragg Bản thân mặt giao nhau có hình dạng khác nhau: hình sin hoặc không sin (nh hình vuông góc, hình tam giác )
Trong đó m là số nguyên chẵn
A là chu kì cách tử
u =/ n là bớc sóng trong chất môi giới
là bớc sóng quang trong không khí n là hệ số khúc xạ tơng đơng.
Biến đổi một chút ta có thể đợc:
Công thức (2.2) gọi là điều kiện phản xạ Bragg ý nghĩa vật lý của công thức là: Đối với A và nhất định, khi có một u tơng ứng thì sóng quang có bớc sóng u sẽ can thiệp cùng với sóng quang phản xạ
Dựa vào nguyên lí này mà ngời ta đã chế tạo ra các loại laser có thể cho mode dọc đơn duy nhất Đó là laser DFB và DBR.
2.1.3 LASER hồi tiếp phân bố (DFB) a) Kết cấu: Laser DFB không phải dựa vào khoang F-P để dao động kích quang mà dựa vào lới quang phân bố khoảng cách theo chiều dọc đều nhau, hình thành phối ghép quang Chu kỳ A của lới quang gọi là cự ly lới Kết cấu chu kì này nằm luôn trong hốc cộng hởngLaser Hình 2.2 thể hiện mặt cắt dọc của laser này.
Hình 2.1 Nguyên lí phản xạ Bragg
Líp kim loại tiếp xúc và toả nhiệt
Màng AR §Çu ra quang Lớp hoạt Tính
Hình 2.2: Mặt cắt dọc của Laser DBF b) Nguyên lí: Khi có dòng điện vào laser, trong khu có nguồn phức hợp điện tử- lỗ trống bức xạ ra năng lợng tơng ứng với quang tử Những quang tử này bị một sợi lới quang ở bề mặt lớp có nguồn phản xạ, giống nh hình 2.1, chỉ khác là trong sự phân bố phản hồi Bragg của laser DFB có = /2, công thức (2.2) biến thành:
Tín hiệu quang có bớc sóng thoả mãn công thức trên mới đợc phản xạ mạnh và đợc khuếch đại đủ lớn, các bớc sóng khác không thoả mãn công thức trên thì sẽ bị dập và không phát xạ Công thức (2.1) gọi là điều kiện phân bố phản hồi. Thông thờng m = 1, khi đó n = 2A đợc gọi là bớc sóng Bragg Với loại LASER này, các mode bên bị triệt khoảng 30 – 40 dB so với mode chính. c) Đặc điểm: DFB so sánh với LASER F-P có 2 u điểm sau đây:
- Dao động đơn mode dọc dải hẹp: Do chu kỳ cách từ(A) trong bộ phát quang DBF rất nhỏ,nên hình thành khoang cộng hởng kiểu nhỏ, đối với bớc sóng có tính lựa chon tốt làm cho giới hạn tăng ích của mode chính và mode biên tơng đối lớn, từ đó đợc dải phổ nguồn quang rất hẹp so với laser F-P
- Tính ổn định của bớc sóng tốt: Vì lới quang trong laser DFB có giúp cho việc chốt trên bớc sóng cho trớc, trôi nhiệt của 0,8 o / C , tốt hơn nhiều so víi LASER khoang F-P.
2.1.4 LASER phân bố phản xạ Bragg (DBR) a) Kết cấu: Kết cấu laser phân bố phản xạ Bragg (DBR- Distributed Bragg
Bộ tách quang và bộ ghép quang
Tín hiệu tại đầu ra mỗi bộ phát ở một bớc sóng riêng, những tia sáng này đ- ợc ghép lại và truyền vào sợi quang Thiết bị thực hiện chức năng này gọi là bộ ghép (Multiplexer hay MUX) Ngợc lại, phía thu có một thiết bị thực hiện tách tín hiệu quang thu đợc thành các kênh quang có bớc sóng khác nhau để đa đến mỗi bộ thu quang riêng biệt Thiết bị này gọi là bộ tách quang (DeMultiplexer hay DMUX) Đây là các thành phần cốt yếu của hệ thống thông tin quang WDM và đợc chia thành 2 nhóm lớn.Nhóm dựa trên nguyên lý giao thoa và nhóm dựa trên nguyên lý tán sắc góc.Về mặt nguyên lý bất kỳ bộ ghép bớc sóng nào cũng có thể làm bộ tánh bớc sóng và ngợc lại.
Bộ tách quang và bộ ghép quang đợc cấu tạo từ bộ lọc quang và coupler quang Các bộ lọc hiện nay hay đợc sử dụng gồm bộ lọc cộng hởng Fabry-Perot, bộ lọc giao thoa kế Mach-Zender, bộ lọc cách tử Bragg Nguyên lý và đặc tính của các bộ lọc này sẽ đợc trình bày ở các phần dới đây.
H×nh2 3 KÕt cÊu LASER DBR
Phần phản xạ Bragg Vùng hoạt tính
H óng dọc §iÒu khiÓn hèc cọng h ởng Điều khiÓn tÇn sè
Hình 2.5 Cấu tạo bộ lọc Mach-Zender đ ợc sản xuất theo công nghệ tích hợp quang
2.2.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc Mach-Zender
Bộ lọc Mach-Zender làm việc dựa trên sự giao thoa của hai tia sáng xuất phát từ cùng một nguồn và đi theo hai đờng khác nhau Hình 2.4 là cấu trúc của bộ lọc Mach-Zender Bộ lọc đợc cấu tạo từ 2 coupler 3dB 2x2 và hai nhánh ống dẫn sóng Nhánh trên có lắp thêm bộ quay pha 90 o và bộ trễ Cấu trúc này tạo ra khả năng điều chỉnh bớc sóng cuả bộ lọc.
Nguyên lí hoạt động của bộ lọc nh sau Tín hiệu WDM đợc đa vào cổng 1 của bộ lọc Khi qua coupler 3dB thứ nhất, ánh sáng đợc tách ra thành hai luồng đi vào hai nhánh khác nhau của thiết bị Sau đó, chúng đợc kết hợp lại tại coupler 3dB thứ hai Tín hiệu WDM gồm nhiều bớc sóng khác nhau Khi đi qua bộ trễ, mỗi bớc sóng có một độ trễ riêng Kết quả là tại coupler 3dB thứ hai, hai tín hiệu đi theo hai nhánh khác nhau có độ lệch pha là một hàm phụ thuộc vào bớc sóng. Tại bớc sóng có độ lệch pha này bằng 0 sẽ có công suất ra lớn nhất Các bớc sóng khác có độ lệch pha khác 0 cho công suất đầu ra nhỏ.
Trong thực tế thiết bị lọc quang Mach-Zender thờng đợc chế tạo từ sợi quang hoặc dựa trên công nghệ tích hợp quang sợi Hình 2.5 chỉ ra một bộ lọc quang Mach-Zender đựơc chế tạo dựa trên công nghệ tích hợp sợi quang Bộ lọc quang đợc tạo thành từ hai coupler quang 3dB và hai ống dẫn sóng quang Tất cả đợc tích hợp trên nền Silic Quá trình tích hợp ống dẫn sóng SiO2 trên nền Silic sẽ đợc miêu tả chi tiết ở phần sau.
Hình 2.4 Cấu trúc bộ lọc Mach-Zender
2.2.1.2 Một số đặc tính của bộ lọc quang Mach-Zender
Bộ lọc quang Mach-Zender gồm 3 thành phần mắc nối tiếp nhau là coupler 3dB đầu vào 2 nhánh ống dẫn sóng và coupler 3dB đầu ra Gọi [dB]P], [dB]D], [dB]Q] lần l- ợt là ma trận truyền tơng ứng với 3 thành phần trên Nh vậy ma trận truyền đạt của bộ lọc là:
(2-4) Trong đó là thời gian trễ do bộ tạo trễ gây ra:
Trong nhiều ứng dụng, bộ lọc Mach-Zender chỉ sử dụng một đầu vào, ví dụ đầu vào 1 Khi đó hàm truyền đạt vector trờng điện từ của bộ lọc là:
Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc:
Nh vậy hàm truyền đạt công suất từ cổng 1 đến cổng 4 và 3 là :
Bộ lọc quang Mach-Zender có hàm truyền đạt tuần hoàn, dải phổ tự do FSR thoả mãn:
Khi tín hiệu quang đến gồm hai kênh quang có tần số là f1, f2, để mỗi đầu ra
3 hoặc 4 chỉ có tín hiệu của một kênh quang thì f1, f2 phải thoả mãn:
Khoảng cách giữa 2 tần số bộ lọc ra đợc xác định bởi:
Trong thực tế, hệ thống WDM gồm nhiều hơn hai kênh quang Ngời ta mắc nối tầng nhiều bộ lọc Mach-Zender 2x2 để tạo ra bộ lọc mong muốn
Trờng hợp cần tách 1 kênh quang từ chùm sáng N kênh (N=2 M ) thì mắc M bộ lọc Mach-Zender 2x2 nối tiếp Giả sử hàm truyền đạt của bộ lọc Mach- Zender thứ m (m=1M) là:
Trong đó L eff m , là độ chênh lệch về chiều dài quang học giữa 2 nhánh của bộ lọc Mach-Zender thứ m và L m thoả mãn: m 2 m
Trong đó: f là khoảng cách giữa các kênh của hệ thống.
Hàm truyền đạt của bộ lọc chung là:
(2-12) áp dụng công thức: cos(x) =sin(2x)/2sin(x)
Từ công thức (2.13), T(f) là hàm tuần hoàn với chu kì là N f Do đó, dải phổ tự do của bộ lọc là:
Hình 2.6 là trờng hợp riêng M=4 và cần tách một kênh quang từ luồng tín hiệu WDM 16 kênh Từ hình vẽ cho ta thấy, khi qua tầng lọc thứ nhất các kênh0,2,4,6,8,10,12,14 đợc cho qua Khi qua tầng lọc thứ hai các kênh 0,4,8,12 đợc cho qua Khi qua tầng lọc thứ ba các kênh 0 và 8 đợc cho qua Và khi qua tầng lọc thứ 4 chỉ có duy nhất kênh 0 đợc cho qua Hàm truyền đạt công suất của hệ thống đợc biểu diễn nh hình 2.6C.
Hình 2.7 là đồ thị hàm truyền công suất của thiết bị lọc gồm nhiều bộ lọc Mach-Zender đợc nối tầng trong trờng hợp M=2, 3, 4.
Hiện nay công nghệ tích hợp quang rất phát triển, có thể chế tạo chuỗi Mach-Zender rất đơn giản bằng cách tích hợp ống dẫn sóng SiO2 trên nền Silic. Hình 2.9 chỉ ra thiết bị lọc cho hệ thống gồm 128 kênh quang sử dụng công nghệ này Thiết bị gồm 7 bộ lọc quang Mach-Zender 2x2 mắc nối tiếp, có giá trị L tơng ứng là: 10mm, 5mm, 2,5mm, 1,25mm, 0,63mm, 0,31mm, 0,16mm Các bộ lọc đợc tích hợp trên nền Silic có kích thớc là 50mmx60mm Bộ lọc này có xuyên nhiễu khoảng –13dB.
Hình 2.7 Đồ thị hàm truyền công suất của thiết bị lọc gồm nhiều bộ lọc Mach-Zender mắc nối tầng
Hình 2.8 Bộ lọc 1 kênh từ 128 kênh
Khi cần thiết kế bộ tách kênh quang cho hệ thống WDM có N kênh (N=2 M ), ta cần sử dụng N-1 bộ lọc Mach-Zender 2x2 , ghép với nhau thành hình cây M tầng Tại tầng thứ m (m=1M) cần 2 m-1 bộ tách kênh có độ chênh lệch chiều dài quang học giữa 2 nhánh sợi quang là: m 2 m
Hình 2.9 chỉ ra ví dụ M=2. f
Hình 2.9 Các bộ lọc đ ợc ghép hình cây M=2 tÇng
2.2.1.3 Bộ lọc quang khả chỉnh a Giới thiệu chung
Bộ lọc quang khả chỉnh thực hiện chức năng lựa chọn bớc sóng mong muốn tại máy thu Dải băng thông bộ lọc có thể thay đổi nhờ hệ thống điều chỉnh ngoài Băng thông của bộ lọc khả chỉnh phải đủ lớn để cho qua tín hiệu mong muốn, nhng cũng phải đủ hẹp để tránh xuyên nhiễu từ các kênh khác. Các yêu cầu đối với bộ lọc quang khả chỉnh là:
1 Dải điều chỉnh rộng để số kênh đợc lựa chọn là lớn
2 Xuyên nhiễu giữa các kênh phải nhỏ nhất
3 Tốc độ điều chỉnh lớn
4 Có khả năng ổn định khi các điều kiện môi trờng xung quanh thay đổi (nhiệt độ, độ ẩm )
5 Giá thành thấp b Bộ lọc quang Mach-Zender khả chỉnh
Theo phần trớc hàm truyền đạt của bộ lọc Mach-Zender là :
Bộ lọc sẽ đa ra kênh có bớc sóng thoả mãn:
Trong đó k là số nguyên dơng.
Do đó, bớc sóng trung tâm của bộ lọc là một hàm của chiết suất ống dẫn sóng n và độ chênh lệch chiều dài hai ống dẫn sóng L Vì L là cố định nên muốn tạo thành bộ lọc khả chỉnh, cần thay đổi chiết suất ống dẫn sóng.
Có 2 phơng pháp làm thay đổi chiết suất của ống dẫn sóng quang là nhờ vào hiệu ứng nhiệt quang và nhờ vào hiệu ứng điện quang.
Hình 2.5 là cấu trúc của bộ lọc Mach-Zender khả chỉnh làm việc dựa vào hiệu ứng nhiệt quang Thiết bị này do Oda et at (1990) và Takato (1990) sản xuất Một nhánh sợi quang của bộ lọc đợc lắp thêm bộ làm nóng Cr màng mỏng Khi đặt điện áp vào hai đầu bộ nung nóng, bộ nung nóng tăng nhiệt độ. Nhiệt độ này cung cấp cho nhánh sợi quang và làm biến đổi chiết suất sợi quang. Độ dài quang học của nhánh này tăng lên một lợng: dn/dT.L.T (2-16)
Trong đó: dn/dT là hằng số nhiệt quang của ống dẫn sóng
L là chiều dài của bộ nung nóng
Víi SiO2 th× dn/dT = 1x10 -5
Ví dụ, một bộ lọc có L = 10mm, T=7,8 o C, chiều dài quang học tăng lên 0,78cm Tại bớc sóng 50 nm thì pha tăng lên tơng ứng là Năng lợng kích thích để pha tăng lên là 0,5W Thời gian đáp ứng để nâng pha hoặc hạ pha khoảng 12ms Tốc độ đáp ứng của bộ lọc Mach-Zender tơng đối chậm vì bị giới hạn bởi thời gian khuyếch tán nhiệt từ điện cực sang chất nền Tốc độ này quá chậm và không đáp ứng đợc cho hệ thống chuyển mạch gói Trong thiết bị tách kênh gồm nhiều bộ lọc Mach-Zender thì việc điều khiển rất khó khăn, việc thiết lập nhiệt độ trên một tầng phụ thuộc vào nhiệt độ của các tầng trớc trong chuỗi Chất nền Si có tác dụng nh một bộ tản nhiệt, ổn định nhiệt độ cho thiết bị.
Bộ khuếch đại quang
2.3.1 Sự cần thiết sử dụng các bộ khuếch đại quang
Các bộ khuếch đại quang đóng vai trò cực kì quan trọng trong các mạng cáp đờng dài Trớc đây khi cha có khuếch đại quang, việc đa kĩ thuật ghép bớc sóng quang WDM ứng dụng vào mạng thông tin quang nhằm tăng dung lợng hệ thống cha thực sự chứng tỏ đợc tính kinh tế của mình so với các giải pháp tăng dung lợng khác Khi đó, phơng pháp chuẩn để khắc phục suy hao của tín hiệu quang là đặt các bộ lặp điện dọc theo tuyến ở những cự ly cần thiết Bộ lặp điện nh vậy bao gồm : một photodetector để tách tín hiệu quang vào (tín hiệu này rất
Hình 2.29 Bộ lọc quang âm cách tử Bragg
yếu do suy hao đờng truyền và bị nhiễu bởi các hiệu ứng và ảnh hởng khác), một bộ khuếch đại điện, mạch định thời để duy trì định thời của tín hiệu, một Laser phát kèm theo một bộ điều khiển Các bộ lặp này bị hạn chế bởi tốc độ của các thành phần thiết bị điện, bởi vậy các hệ thống thông tin quang có dung lợng rất lớn nhng chỉ đợc sử dụng hạn chế do sự có mặt của các bộ lặp điện Với các bộ khuếch đại quang không bị giới hạn bởi bất kì băng tần điện cũng nh thiết bị điện tử nào vì bộ khuếch đại quang sẽ khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không qua bất kì chuyển đổi điện nào Khuếch đại tín hiệu quang không bị phụ thuộc bởi dạng tín hiệu và dạng điều chế do nó chỉ tác động vào thành phần biên độ chứ không tác động vào thành phần thời gian và dạng tín hiệu Khi thay đổi ph- ơng pháp điều chế tín hiệu thì cũng không cần thay đổi bộ khuếch đại Với hệ thống WDM, khuếch đại quang cho phép khuếch đại đồng thời các kênh quang trong toàn bộ dải bớc sóng.Do đó bộ khuếch đại quang sợi chính là chìa khoá cho sự phát triển của tất cả các mạng quang dung lợng lớnvà có cự li xa.
2.3.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA
Sự ra đời của khuếch đại quang sợi là một tiến bộ rất lớn trong lĩnh vực công nghệ viễn thông, đơn giản hoá rất nhiều cho việc lắp đặt các mạng cáp quang diện rộng.
Hiện nay, các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium EDFA đợc ứng dụng rộng rãi hơn cả do nó có hệ số khuếch đại cao, công suất lớn và mức nhiễu gần nh lí tởng, công tác tại bớc sóng 1550nm là bớc sóng truyền dẫn tối u ở hiện tại và tơng lai, kết hợp dễ dàng đợc với sợi quang EDFA không nhạy cảm với hiệu ứng phân cực và loại trừ đợc nhiễu xuyên âm giữa các kênh có các bớc sóng khác nhau Với những khả năng to lớn nh vậy, EDFA đợc coi nh là một trạm lặp thế hệ mới, nó đợc ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống viễn thông hiện tại và t- ơng lai. a) Cấu trúccủa EDFA
Bộ khuếch đại quang sợi EDFA đợc cấu trúc bởi một đoạn sợi quang sợi pha tạp Erbium cùng các thành phần cần thiết khác.Các thành phần này gồm các thành phần thiết bị ghép thụ động WDM, bộ cách li quang Isolator và thiết bị tích cực nh Laser bơm… Ph Có 3 loại cấu hình bơm ,bơm xuôi,bơm ngợc va bơm cả hai hớng.Hình vẽ 2.30 a,b c mô tả cấu trúc điển hình của mổi loại bộ khuếch đại quang sợi.
EDFA là một đoạn sợi quang có pha tạp Ebium, thực hiện chuyển đổi năng lợng phát xạ của nguồn bơm thành công suất tín hiệu Nguồn bơm của laser th- ờng ở hai bớc sóng 1480 nm và 980 nm Bơm ở bớc sóng 1480nm có hiệu suất thấp hơn so với bớc sóng 980 nm và mức độ đảo mật độ cũng thấp hơn Tuy nhiên, laser bơm tại bớc sóng 1480nm có công suất phát lớn hơn so với laser
980nm EDFA thờng có dải bớc sóng khuyếch đại là 30 đến 35 nm (1535 nm-
Theo lý thuyết, hệ số nhiễu của EDFA đạt đợc giới hạn lợng tử (giới hạn l- ợng tử này gây ra do phát xạ tự phát) Thực nghiệm cho thấy, hệ số nhiễu của bộ khuếch đại đạt đợc là xấp xỉ 3dB, giá trị thực tế có thể nằm trong dải 3,56 dB. Độ khuếch đại của EDFA là cực kì cao, G đạt tới 45dB (tức 10500lần) khi sử dụng một bộ khuếch đại 2 tầng EDFA lại có độ nhạy phân cực thấp, đó là một u điểm lớn của hệ thống các bộ khuếch đại mắc chuỗi Các đặc tính bão hoà tốt do công suất bão hoà tăng tuyến tính với công suất bơm
Thời gian sống dài ở trạng thái kích thích (10 ms) của các ion Er 3+ là u điểm lớn nhất của EDFA so với các loại bộ khuếch đại khác Do trạng thái kích thích có thể tích luỹ công suất bơm trong một thời gian dài, nên công suất bơm yêu cầu để giữ đợc mức năng lợng đủ lớn trong một bộ khuếch đại thờng rất thấp, chỉ 10mW đến 20 mW để đạt đợc hệ số khuếch đại tín hiệu 30 dB Với các tín hiệu ở các bớc sóng khác nhau, sự xuyên âm đa kênh trong bộ khuếch đại rất thấp do thời gian sống ở các trạng thái kích thích dài, mật độ hạt ở trạng thái kích thích không thể đáp ứng với những thay đổi tín hiệu quá nhanh từ bóc sóng này xuyên qua bớc sóng khác, để mang năng lợng từ bớc sóng này sang bớc sóng khác. Cũng vì lý do này, EDFA là bộ khuếch đại không méo, thậm chí trong trờng hợp bão hoà sâu Hiển nhiên EDFA có thể tích hợp trong một mạng quang vì nó là
Hình 2.30 Các cấu hình bơm
Dòng bơm vào vào a) Bơm cùng chiều
Dòng bơm vào b) Bơm ng ợc chiều
Dòng bơm vào c) Bơm song h ớng một thành phần có cấu tạo dựa trên một đoạn sợi Silica Nhợc điểm chính của EDFA, đó là phổ khuếch đại của EDFA không bằng phẳng mà xuất hiện các đỉnh khuếch đại, hệ số khuếch đại không nh nhau đối với mọi bớc sóng.
Tuỳ thuộc vào yêu cầu thiết kế hệ thống mà bộ khuếch đại có thể ở vị trí khác nhau trên tuyến và có yêu cầu kỹ thuật riêng (hình 2-30)
- Bộ khuếch đại công suất BA (Booster Amplifier) Là thiết bị EDFA có công suất vào lớn,đợc sử dụng ngay sau Tx để tăng mức công suất tín hiệu.Do công suất ra tơng đối cao nên có thể bỏ qua tạp âm ASE
- Bộ khuếch đại đờng dây LA (Line Amplifier)Là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, đợc sử dụng trên đờng truyền (giữa hai đoạn sợi quang) đê tăng chiều dài khoảng lặp.Yêu cầu có khả năng khuếch đại có công suất vào nhỏ, công suất ra lớn và nhiễu gây ra nhỏ nhất.
- Bộ tiền khuếch đại PA (Pre – Amplifer) Là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp,đợc sử dụng ngay trớc Rx để tăng độ nhạy thu.Để đại đợc mức tạp âm ASE thấp,ngời ta sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh b- ớc sóng trung tâm theo bớc sóng nguồn phát.
Bản thân bộ khuếch đại gây ra nhiễu cho hệ thống Sau mỗi bộ khuếch đại tỉ số tín hiệu trên tạp âm giảm Do đó, thờng sau ba bộ khuếch đại phải đặt thêm bộ lặp để phục hồi tín hiệu.
Bộ thu thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu quang thành điện Bộ thu phải thích hợp với bộ phát cả về bớc sóng sử dụng và phơng thức điều chế Đồng thời bộ thu phải đợc thiết kế sao cho đa ra mức tín hiệu phù hợp.
Bộ thu quang thờng sử dụng Photodiode làm phần tử tách sóng quang. Ngoài ra còn có bộ làm phẳng đáp ứng tần số, bộ khuếch đại, bộ lọc Độ phức tạp của mạch giải điều chế phụ thuộc vào phơng pháp điều chế sử dụng.
Hình 2.31Các vị trí của bộ khuếch đại quang trên tuyến thông tin quang
Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến đến truyền dẫn
Nhìn chung có thể chia hiệu ứng phi tuyến thành hai loại:
- Hiệu ứng tán xạ:bao gồm các hiệu ứng tán xạ Raman(SRS)và hiệu ứng tán xạ Brillouin(SRB).
- Hiệu ứng liên quan đến chiết suất phụ thuộc vào công suất quang:bao gồm các hiệu ứng tự điều chế dịch pha(SPM),điều chế pha chéo(XPM)và trộn bèn bíc sãng(FWM).
*Hiệu ứng Raman (SRS): là quá trình tán xạ không đàn hồi, 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, phần năng lợng còn lại đợc phát xạ thành ánh sáng có bớc sóng dài hơn bớc sóng tới Bớc sóng mới này đợc gọi là bớc sóng Stoke Khi ánh sáng truyền trong sợi có cờng độ lớn thì quá trình này trở thành quá trình kích thích, trong đó ánh sáng đóng vai trò sóng bơm làm cho phần năng lợng của tín hiệu chuyển vào bớc sóng Stoke Trong ghép kênh theo bớc sóng, hiệu ứng SRS hạn chế số kênh ghép, khoảng cách giữa các bớc sóng, công suất phát mỗi kênh và cự li truyền dẫn của hệ thống Ngoài ra, nếu bớc sóng Stoke trùng với các bớc sóng tín hiệu sẽ gây ra xuyên âm
Hiệu ứng SRS tỉ lệ thuận với công suất ánh sáng P và tỉ lệ nghịch với hiệu dụng của lõi sợi quang Nếu gọi SRS là ảnh hởng của hiệu ứng SRS thì SRS ~ P/Aeff
*Hiệu ứng SBS: cũng tơng tự nh hiệu ứng SRS Nghĩa là tự nó cũng hình thành các bớc sóng Stoke Điểm khác nhau giữa hai hiệu ứng này là hiệu ứng SBS liên quan tới các photon âm, còn hiệu ứng SRS lại liên quan đến các photon quang Do có sự khác nhau đó mà chúng có ảnh hởng khác nhau đến hệ thống ghép bớc sóng quang Trong tán xạ SBS, một phần ánh sáng bị tán xạ do các photon âm và dịch tới bớc sóng dài hơn Phần ánh sáng tán xạ ngợc truyền theo sợi quang và nếu các bớc sóng của tín hiệu chính trong WDM cùng truyền theo một hớng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh Tất nhiên, nếu truyền hai hớng các bớc sóng trên cùng một sợi quang thì ảnh hởng của SBS là đáng kể. ảnh hởng của SBS cũng tỉ lệ thuận với công suất tín hiệu ánh sáng và tỉ lệ nghịch với Aeff của lõi sợi Nếu gọi SBS là ảnh hởng của hiệu ứng SBS thì SBS ~ P/Aeff.
*Hiệu ứngBrillouin (SPM): Đó là hiện tợng khi cờng độ quang đa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng biến đổi theo, gây sự biến đổi pha của sóng quang Sau khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến tần phổ dãn rộng và tích luỹ theo sự tăng lên của chiều dài Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số quang cũng càng lớn, gây ảnh hởng lớn tới hệ thống tốc độ cao.
Hiệu ứng SPM là sự phụ thuộc chiết suất của lõi sợi vào cờng độ ánh sáng truyền trong đó. n = no + n2I (3.1) Với no là chiết suất tuyến tính. n2 là hệ số chiết suất phi tuyến (n2 = 3,2.10 -20 m 2 /W và phụ thuộc vào bớc sóng )
Khi cờng độ quang đủ lớn thì chiết suất phụ thuộc vào cờng độ quang tức thời Nếu ánh sáng truyền trong sợi dài L thì dịch pha của tín hiệu quang sẽ bổ sung thêm một lợng là:
NL(t) = 2n2LI(t)/ (3.2) Đạo hàm phơng trình đó theo thời gian ta nhận đợc
Biểu thức 3.2, 3 3 cho biết dịch pha phụ thuộc vào cờng độ ánh sáng và hiện tợng này gọi là tự điều chế pha Nó còn đợc xem nh hiện tợng tự điều chế tần bổ xung, hay còn gọi là chirp. 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 (nh các xung trong hệ thống thông tin số) thì pha phi tuyến sẽ thay đổi theo thời gian nh công thức 1.3 Sự thay đổi theo thời gian cũng có nghĩa là trong xung tín hiệu sẽ tồn tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm một giá trị là
Hiện tợng này gọi là hiện tợng dịch tần phi tuyến làm cho sờn sau của xung dịch đến tần số nhỏ hơn tần số trung tâm và sờn trớc dịch đến tần số lớn hơn tần số trung tâm Điều này có nghĩa là phổ của tín hiệu bị dãn rộng ra trong quá trình truyền Đối với hệ thống WDM, khi các kênh quang quá gần nhau thì hiện tợng dãn phổ do SPM gây ra sẽ dẫn tới giao thoa và nhiễu giữa các kênh ảnh h - ởng của hiệu ứng SPM cũng tỉ lệ thuận với công suất quang và tỉ lệ nghịch với tiết diện hiệu dụng của sợi quang.
*Hiệu ứng điều chế pha chéo(XPM):Đối với hệ thống WDM thì chiết suất tại một bớc sóng nào đó phụ thuộc không những vào cờng độ quang của bớc sóng đó mà còn phụ thuộc vào cờng độ quang của các bớc sóng khác Trong tr- ờng hợp này, chiết suất phi tuyến ứng với bớc sóng thứ i sẽ là:
Trong đó N là tổng số kênh quang.
I i là cờng độ của bớc sóng thứ i đang xét
I j là cờng độ quang của bớc sóng thứ j lân cận.
Trong phơng trình 3.5 ta thấy: Số hạng thứ nhất 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 Do vậy, trong hệ thống WDM sử dụng sợi đơn mode thông thờng có thể giảm hiệu ứng XPM bằng cách tăng khoảng cách giữa các bớc sóng ghép.
*Hiệu ứng trộn bốn bớc sóng (FWM): Trong hệ thống WDM, chiết suất phụ thuộc cờng độ quang không chỉ gây ra hiện tợng tự điều pha mà còn gây ra hiện tợng trộn bốn sóng Trong hiệu ứng này, 2 hoặc 3 sóng quang có tần số khác nhau sẽ tơng tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới nh 2f1 – f2, f1
+ f2 – f3, 2f2 – f3, Đây gọi là trộn bốn bớc sóng, nghĩa là từ các tần số ban đầu tạo ra tần số thứ t có tổ hợp là từ các tần số trên và nằm sát các tần số đó.
Do việc tạo ra tần số mới từ các tần số cũ nên công suất các tần số cũ sẽ giảm đi đáng kể Hơn nữa, khi khoảng cách các kênh là bằng nhau thì các tần số mới đuợc tạo ra sẽ rơi vào một trong những kênh tín hiệu và gây nhiễu, làm suy giảm chất lợng hệ thống.ảnh hởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu nh khoảng cách giữa các kênh trong hệ thốngWDM càng nhỏ cũng nh khi khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn Vì vậy, hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lợng và cự li truyền dẫn Nếu gọi FWM là ảnh hởng của hiệu ứng FWM thì FWM ~ P 2 /(Aeff 2D 2 ) với D là hệ số tán sắc của sợi quang Tổng số các thành phần mới đợc tạo ra có thể tính nh sau:
Trong đó N là số kênh ban đầu.
3.3.2 Giải pháp khắc phục hiệu ứng phi tuyến của sợi quang
Từ phân tích trên ta thấy có các giải pháp khắc phục sau:
+ Lựa chọn sợi quang phù hợp.
+Giảm công suất phát của các kênh
Khi số kênh tín hiệu ở khoảng cánh từ mời đến vài chục kênh thì ảnh hởng của hiệu ứng FWM là chính.Vì mục tiêu đặt ra là giảm ảnh hởng của hiệu ứng FWM.Có 3 phơng án: a)phơng án tạo khoảng cánh giữa các kênh tín hiệu bằng nhau:
Độ bằng phẳng của tăng ích bộ khuyếch đại quang sợi
EDFA sử dụng trong hệ thống WDM có một yêu cầu đặc biệt,đó là tăng ích bằng phẳng.Nh đã biết các bộ EDFA có tăng ích không đồng đều ,do đó các bớc sóng khác nhau sẽ đợc tăng ích với các hệ số khác nhau Qua nhiều tầng khuyếch đại ,sai lệch của tăng ích tích luỹ lại Điều đó sẽ làm giảm cấp nghiêm trọng SNR của các tín hiệu có bớc sóng ở vùng hệ số tăng ích thấp.Mặt khác nó cũnh làm tăng hiệu ứng phi tuyến của các tín hiệu có bớc sóng ở vùng có hệ số tăng ích cao.Tóm lại làm giảm chất lợng của hệ thống Do đó mục tiêu đặt ra là cần chế tạo các bộ EDFA có hệ số tăng ích phải tơng đối bằng phẳng,đảm bảo chênh lệch tăng ích trên các kênh nằm trong phạm vi cho phép.
Tích luỹ tạp âm khi dùng bộ khuyếch đại quang EDFA nhiều tầng
Về lí luận, hệ số tạp âm của bộ khuếch đại EDFA có thể đạt tới 3 dB (Th - ờng thì trong thực tế là cỡ 4 – 6 dB) Điều nàycó nghĩa là qua khuếch đại EDFA, SNR xấu đi ít nhất 1 tới 2 lần Mức độ xấu đi của SNR có quan hệ tới số lợng bộ khuếch đại EDFA nhiều tầng và khoảng cách đoạn sợi quang giữa các bộ khuếch đại với nhau Khoảng cách của đoạn sợi quang giữa các bộ khuếch đại càng lớn thì sự xấu đi của SNR càng nghiêm trọng Do đó khi xác định tổng cự li truyền dẫn không có bộ chuyển tiếp thì cần làm cho độ dài của chặng nhỏ hơn 120 km (tơng đơng với suy hao 33 dB) nhằm đảm bảo tính năng truyền dẫn về mức SNR.
ứng dụng wdm trong mạng truyền dẫn
4.1.1 Tuyến truyền dẫn điểm - điểm dung lợng cao
Trong tuyến thông tin điểm-điểm đờng dài, tốc độ của một kênh thờng nhỏ hơn 10Gb/s WDM có vai trò tăng dung lợng tuyến truyền dẫn Hình 4.1 chỉ ra sơ đồ khối một tuyến thông tin WDM Mỗi kênh tín hiệu điện đợc điều chế với một sóng mang riêng Sau đó chúng đợc ghép lại và truyền đến đầu thu Giả sử có N kênh với tốc độ B 1 ,B 2 , ,B N đợc truyền đồng thời qua sợi quang có chiều dài L Tích tổng số tốc độ và khoảng cách BL đựoc xác đinh nh sau:
Khi tốc độ của các kênh bằng nhau, dung lợng của hệ thống tăng lên N lần. Năm 1985, BL đạt đến 1,37Tb/s-km ở bớc sóng 1500nm bằng cách ghép 10 kênh 2Gb/s, chiều dài tuyến 68,3 km, khoảng cách kênh 1,35nm Do tán sắc, giá trị BL của một hệ thống đơn kênh chỉ nhỏ hơn 1Tb/s-km.
Dung lợng của một tuyến WDM phụ thuộc vào khoảng cách giữa các kênh trong miền bớc sóng Khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bị giới hạn bởi xuyên nhiễu giữa các kênh Khoảng cách giữa các kênh thờng lớn hơn bốn lần tốc độ bít ở của sổ 1500nm, vùng suy hao thấp của sợi quang khoảng 120nm (hình 1.1) Ví dụ, đối với các kênh có tốc độ 2,5Gb/s, khoảng cách tối thiểu giữa các kênh là 10GHz hoặc 0,1nm, ta có thể ghép 1200 kênh trên băng thông 120nm.
Do đó, tổng dung lợng lên tới 3Tb/s Nếu một tuyến thông tin không sử dụng trạm lặp điện hoặc bộ khuếch đại quang thì khoảng cách truyền dẫn là 80km,
BL hiệu dụng là 240Tb/s-km Trong đó một hệ thống quang đơn kênh có khả năng truyền tốc độ bit 2,5 Gb/s, chiều dài tuyến là 80 km thì BL là 0,2 Tb/s-km
Hình 4.1 Tuyến thông tin quang WDM điểm -điểm đơn h ớng dung l ợng cao
Trong thực tế, có rất nhiều yếu tố hạn chế việc sử dụng toàn bộ cửa sổ suy hao thấp của sợi quang Ví dụ, bộ khuếch đại quang có dải khuyếch đại đòng đều thấp, điều này giới hạn số lợng kênh truyền trên sợi quang Băng thông của EDFA thờng từ 30 đến 35 nm, ngay cả khi sử dung công nghệ làm phẳng hệ số khuyếch đại Một số yếu tố khác cũng làm hạn chế số lợng kênh là độ ổn định và khả năng điều chỉnh của laser phân bố hồi tiếp, sự suy giảm tín hiệu trong quá trình truyền dẫn gây ra bởi hiệu ứng phi tuyến, nhiễu xuyên kênh trong quá trình ghép kênh.
Hiện nay có rất nhiều ứng dụng của hệ thống thông tin quang WDM điểm-điểm dung lợng cao ở cấp độ thực nghiệm Dựa vào khoảng cách truyền, có thể chia hệ thống WDM thực nghiệm thành hai loại, loại có khoảng cách truyền cỡ 100 km và loại trên 1000 km.
Năm 1985 đã tồn tại hệ thống tin quang WDM thực nghiệm gồm 10 kênh 2Gb/s và khoảng cách truyền không dùng trạm lặp là 68,3 km Năm 1995 hệ thống thông tin quang WDM dung lợng 340 Gb/s ra đời bằng cách ghép 17 kênh tốc độ 20 Gb/s và khoảng cách truyền 150 km Nhng ngay trong năm này đã có ba hệ thống WDM thực nghiệm khác ra đời với dung lợng trên 1 Tb/s Thứ nhất là hệ thống WDM 55 kênh, khoảng cách giữa các kênh 0,8 nm, tốc độ mỗi kênh 20 Gb/s và khoảng cách truyền 150 km, sử dụng 2 bộ khuyếch đại Do đó, dung lợng hệ thống là 1,1 Tb/s và BL bằng 165 Tb/s-km Thứ hai là hệ thống 50 kênh, mỗi kênh có tốc độ 20 Gb/s, khoảng cách truyền là 55 km Thứ ba là hệ thống ghép 10 kênh 100Gb/s với khoảng cách truyền 55 km Hệ thống này sử dung kĩ thuật WDM kết hợp với TDM (mỗi kênh 100 Gb/s đợc tạo thành bằng cách ghép 10 kênh 10Gb/s theo kĩ thuật TDM) Đến cuối năm 1996 đã xuất hiện hệ thống có dung lợng 2,64 Tb/s bằng cách ghép 132 kênh, khoảng cách kênh 0.27 nm Bảng 4.1 liệt kê một số hệ thống WDM thực nghiệm trớc năm 1995.
Bảng 4.1 Một số hệ thống WDM thực nghiệm
Nhóm thứ hai trong hệ thống WDM thực nghiệm có khoảng cách truyền trên 1000km Nhóm này đợc chia làm hai loại, mạng đờng thẳng và mạng vòng. Năm 1994 tuyến quang đờng thẳng 40 Gb/s với khoảng cách truyền 1420 km đã ra đời Hệ thống này đợc tạo thành từ việc ghép 16 kênh 2,5 Gb/s và có khoảng cách giữa hai bộ khuyếch đại là 100km Tiếp theo đó là hàng loạt các hệ thống mới ra đời có dung lợng và khoảng cách truyền tăng lên Trong một thí nghiêm đã tạo ra hệ thống 20 Gb/s (ghép 8 kênh 2,5 Gb/s), khoảng cách truyền 6000 km, khoảng cách giữa hai bộ khuyếch đại là 75 km Một thí nghiệm khác cũng tạo ra hệ thống 40 Gb/s (ghép 8 kênh 5 Gb/s), khoảng cách truyền 4500 km và sử dụng mã RZ để cải thiện tỉ số tín hiệu trên tạp âm Năm 1996 đã cho ra đời hệ thống WDM thực nghiệm dung lợng 320 Gb/s (ghép 16 kênh 20 Gb/s) độ dài tuyến 531 km Đối với loại loop vòng sợi quang đã tồn tại hệ thống 100 Gb/s (ghép 20 kênh 5 Gb/s) truyền vợt đại dơng với khoảng cách 9100 km Hệ thống này có sử dụng thêm kĩ thuật ngẫu nhiên hoá phân cực và sửa lỗi trớc
Nh vậy với sự ra đời của hệ thống WDM, dung lợng của hệ thống thông tin quang tăng lên rất nhiều Một số hệ thống WDM đã đợc triển khai trong thực tế. Năm 1995, hệ thống WDM 4 kênh, mỗi kênh có tốc độ 2,5 Gb/s đã đợc thơng mại hoá Đến năm 1996, hệ thống WDM dung lợng 40 Gb/s (ghép 16 kênh 2,5 Gb/s) bắt đầu đợc thơng mại hoá Hệ thống này sử dụng dải băng tần 12nm ở b- ớc sóng 1550 nm và khoảng cách giữa các kênh 0,8 nm Đến năm 1997 đã tồn tại tuyến thông tin quang 80 Gb/s tiếp đó là hệ thống 160 Gb/s (ghép 16 kênh 10 Gb/s) Kĩ thuật WDM đã tạo ra một cuộc cách mạng trong hệ thống thông tin quang.
Trong mạng quảng bá, nhiều kênh tín hiệu đợc ghép lại và truyền tới một nhóm thuê bao Tại mỗi thuê bao, bộ thu thực hiện chức năng lựa chọn một kênh thích hợp thông qua việc tách kênh Mạng truyền hình cáp CATV là một ví dụ của mạng quảng bá Nhiều kênh truyền hình đợc ghép lại và đa tới một bus quang chung, sau đó phân phối tới từng thuê bao riêng biệt Hình 4.2 là sơ đồ của mạng WDM quảng bá sử dụng sao quảng bá Mỗi kênh tín hiệu đợc điều chế với một bớc sóng riêng Các kênh này đợc ghép với nhau nhờ một coupler quang thụ động và đợc phân phối đồng đều tới tất cả các bộ thu Mỗi thuê bao nhận đợc toàn bộ dung lơng của hệ thống và lựa chọn một kênh thích hợp Mạng này còn đơc gọi là mạng phát quảng bá và thu lựa chọn Nếu hệ thống thông tin quang sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent thì phía thu có thể lựa chọn kênh bằng cách thay đổi băng thông bộ lọc trung tần hoặc điều chỉnh tần số dao động nội Nếu hệ thống sử dụng kĩ thuật tách sóng trực tiếp thì ta dùng các bộ lọc quang để lựa chọn bớc sóng cần thiết.
Hiện nay tồn tại rất nhiều ứng dụng của mạng quảng bá ở cấp độ thí nghiệm. Gần đây có một thí nghiệm về sao quảng bá 8x8 để phân phối 7 kênh tín hiệu, khoảng cách các kênh 15 nm Mỗi bộ thu có một bộ lọc khả chỉnh băng thông
10 nm và dải điều chỉnh 400 nm Ngoài ra còn một số thí nghiệm khác sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent, thực hiện ghép 10 kênh quang 70Gb/s, và khoảng cách kênh 6GHz Thí nghiệm này sử dụng sao quảng bá 128 x128 để đa tín hiệu tới nhiều thuê bao khác nhau.
Trong mạng quảng bá, có hai vấn đề cần đợc quan tâm là suy hao phân bố và suy hao xen Suy hao phân bố là do tín hiệu trên đờng truyền đợc chia đều tới tất cả các thuê bao Mỗi thuê bao nhận một phần công suất của tín hiệu tổng Suy hao phân bố tăng khi N tăng, do đó nó giới hạn N nhỏ hơn 100 nếu không sử dụng các bộ khuếch đại quang để bù suy hao Đối với sao quảng bá Nx N, suy hao phân bố giảm và công suất tín hiệu mà mỗi thuê bao nhận đợc là:
Trong đó: P T là công suất truyền trung bình của tín hiệu
là suy hao xen của mỗi coupler cấu tạo nên sao quảng bá
C L là các loại suy hao khác nh suy hao sợi quang, suy hao connector
Công suất nhận đợc P R phải lớn hơn độ nhạy máy thu P rec P rec đợc xác định nh sau:
Bé thu khả chỉnh Saoquảng bá
Hình 4.2 Mạng WDM quảng bá hình sao
Trong đó: N P là số lợng photon trung bình trên một bit tại mức công suất vào bằng độ nhạy máy thu
B là tốc độ bit của mỗi kênh tín hiệu.
Từ công thức (4-2),(4-3) và giả thiết P R = P rec ta có:
Từ công thức (4-4) ta có thể dự báo dung lợng của mạng quảng bá Trong máy thu coherent N P = 1000, công suất truyền lớn nhất P T = 1mW, ở bớc sóng
1550 nm năng lợng photon h = 0,8 eV Giả sử suy hao coupler và các suy hao khác đều bằng không Khi đó, B.N = 78 Tb/s Trong trờng hợp tách sóng trực tiếp N P 0 thì B.N = 7,8 Tb/s Trong thức tế, giá trị B.N thờng nhỏ hơn vì luôn tồn tại suy hao coupler, một số suy hao khác và công suất phát quang cũng nhỏ hơn.
Ứng dụng của WDM trong mạng đa truy nhập
Trong thực tế có rất nhiều kiểu đa truy nhập khác nhau nh TDMA, CDMA, FDMA, WDMA Các kĩ thuật này dựa vào tài nguyên thời gian, không gian, tần số và bớc sóng để phân phối tín hiệu từ trạm thu tới trạm phát Mạng WDM đa truy nhập còn gọi là mạng quang đa truy nhập theo bớc sóng (WDMA) Điểm khác biệt lớn nhất giữa mạng quang đa truy nhập và mạng quảng bá là mạng đa truy nhập có khả năng đáp ứng truy nhập song hớng của một thuê bao bất kì Mỗi thuê bao có thể thu/phát tín hiệu từ/tới bất kì một thuê bao khác.
Trong mạng WDMA, băng thông rộng của sợi quang đợc chia thành các khoảng nhỏ, mỗi khoảng này mang một kênh quang riêng biệt Các kênh này đ- ợc truyền đồng thời trên cùng một sợi quang Khoảng cách tối thiểu giữa hai bớc sóng cỡ 0,4 đến 0,8 nm Mỗi bớc sóng này có thể mang một kênh tín hiệu có tốc độ lên tới Gb/s Hình 4.4 mô tả sơ đồ khối của một mạng truyền dẫn quang đa truy nhËp ph©n chia theo bíc sãng.
Hình 4.4 Sơ đồ khối mạng truyền dẫn quang ®a truy nhËp ph©n chia theo b íc sãng
Các kênh quang từ các nút khác nhau đợc ghép với nhau nhờ một coupler quang N xN Bộ ghép trộn tất cả các tín hiệu đến và chia đều công suất tới các bộ thu Kết quả là, tín hiệu từ tất cả các cổng vào có thể đợc thu từ các cổng ra bất kì Hệ thống có sự chia sẻ bớc sóng, từ một nút bất kì có thể thu đợc kênh chung trong môi trờng chia sẻ.
Tất cả các kênh đợc phát vào môi trờng chia sẻ (coupler sao) và mỗi nút thu tín hiệu của tất cả các nút còn lại trên mạng Môi trờng chia sẻ có cấu trúc mạng sao, bus hoặc mạng ring, kết nối tất cả các nút với nhau Mỗi nút thu tín hiệu mong muốn bằng phơng pháp tách sóng trực tiếp hoặc coherent Mỗi nút thu/phát tần số cố định hoặc thay đổi Do đó, việc triển khai mạng WDMA đòi hỏi các thành phần quang có khả năng điều chỉnh bớc sóng nh laser phát khả chỉnh, bộ lọc quang khả chỉnh Các thành phần này xây dựng nên các bộ thu phát quang có khả năng điều chỉnh bớc sóng ở mỗi nút mạng.
Mạng WDMA có hai vấn đề cần đợc quan tâm Đó là tốc độ điều chỉnh b- ớc sóng và giao thức mạng Tốc độ điều chỉnh bớc sóng phải nhanh để đáp ứng yêu cầu của mạng, đặc biệt trong mạng chuyển mạch gói Ngoài ra, giao thức đ- ợc triển khai trong mạng phải đảm bảo kết nối ngang hàng các kênh tín hiệu khác nhau Mạng WDMA có hai cấu hình cơ bản là WDMA đơn chặng (single hop) và WDMA đa chặng (multi hop).
Trong mạng WDMA đơn chặng mỗi nút đều có khả năng kết nối trực tiếp đến tất cả các nút khác Dữ liệu đợc phát đi dới dạng ánh sáng và đợc truyền trực tiếp đến nút đích mà không phải chuyển về dạng tín hiệu điện Để một gói dữ liệu đợc truyền, trớc hết nó đợc phát vào mạng nhờ một laser phát Tại nút đích bộ thu quang phải điều chỉnh bớc sóng sao cho trùng với bớc sóng phát. Khi đó, gói tin đợc truyền qua mạng tới nút đích Mạng WDMA đơn chặng có thể chia làm hai loại, phát quảng bá thu lựa chọn và mạng WDMA định tuyến theo bíc sãng.
Trong mạng WDMA đơn chặng phát quảng bá thu lựa chọn, dữ liệu tại các nút phát ra đợc ghép lại và phát quảng bá tới tất các nút khác trong mạng.Phía thu lựa chọn kênh tín hiệu mong muốn dựa vào bớc sóng Có bốn loại mạng WDMA phát quảng bá thu lựa chọn, phát thay đổi thu cố định (TT-FR),phát cố định thu thay đổi (FT-TR), cả phát và thu cùng thay đổi (TT-TR) và cả phát và thu cố dịnh (FT-FR) Mạng WDMA đơn chặng sử dụng các bộ định tuyến theo bớc sóng hoặc ma trận chuyển mạch không gian bớc sóng.
Trong thực tế, có rất nhiều ứng dụng của mạng WDMA đơn chặng ở cấp độ thực nghiệm hoặc thực tế Một số ứng dụng của mạng WDMA là mạng quang thụ động PON (telephone PON và Broad PON), mạng Lambdanet, mạng quang thụ động PPL, mạng Rainbow Mạng Lambdanet là mạng quang đầu tiên đợc triển khai cấp độ thí nghiệm Cấu trúc mạng này đợc cho nh hình 4.5
Mạng Lambdanet là mạng phát quảng bá thu lựa chọn hình sao FT-FR. Trong mạng này sử dụng một coupler hình sao N xN để phân phối tín hiệu tới tất cả các nút Mỗi nút có một bộ phát riêng ở bớc sóng xác định và N bộ thu hoạt động ở N bớc sóng khác nhau (N là số ngời sử dụng hay số nút), mỗi nút nhận toàn bộ lu lợng của mạng Do đó, mạng này không bị tắc nghẽn mà truyền tín hiệu trong suốt không phụ thuộc vào tốc độ bit và phơng pháp điều chế Những ngời sử dụng khác nhau có thể truyền tín hiệu có tốc độ bit khác nhau và dạng điều chế khác nhau, có thể truyền tín hiệu số hoặc tín hiệu tơng tự Vì vậy mạng Lambdanet rất linh hoạt và thích hợp cho nhiều loại ứng dụng khác nhau Ta có thể truyền tín hiệu thoại trong cùng một cơ quan Năm 1987 đã có một thí nghiệm về mạng 18 kênh tốc độ bit một kênh là 1,5 Gb/s, dung lợng hệ thống là
27 Gb/s Mỗi kênh có thể truyền ở khoảng cách 57,8 km Nhợc điểm của mạng Lambdanet là số lợng ngời sử dụng bị giới hạn bởi số lợng bớc sóng Ngoài ra, mỗi nút cần có rất nhiều bộ thu (bằng số lợng ngời sử dụng) Do đó rất tốn kém khi đầu t phần cứng cho hệ thống
Khi sử dụng bộ thu khả chỉnh vào mạng Lambdanet làm giảm giá thành và độ phức tạp của hệ thống Mạng nh vậy đợc gọi là mạng Rainbow Mạng này có khả năng kết nối 32 nút, mỗi kênh có tốc độ 1Gb/s và khoảng cách truyền từ 10 đến 20 km.
Mạng sử dụng coupler sao thụ động (hình 4.5) để kết nối nhiều máy tính.
Bộ lọc quang khả chỉnh lọc ra bớc sóng thích hợp cho mỗi nút Hạn chế của mạng Rainbow là tốc độ điều chỉnh của bộ thu chậm., không thể đáp ứng cho mạng chuyển mạch gói Các mạng WDM sử dụng coupler sao thụ động đợc gọi là mạng quang thụ động (PON) Mỗi nút thu toàn bộ lu lợng PON mang tín hiệu quang tới tận nhà Hình 4.6 chỉ ra sơ đồ khối của mạng vòng quang thụ động, bớc sóng quang đợc dùng để định tuyến tín hiệu trên mạng vòng nội hạt. Trạm trung tâm có N bộ phát ở các bớc sóng 1,, 2 N và N bộ thu hoạt động ở các bớc sóng N+1,, N+2 2N (N là số thuê bao) Tại mỗi thuê bao thu và phát ở các bớc sóng riêng Trạm xa ghép tín hiệu từ các thuê bao và gửi tới trạm trung tâm Trạm xa là thiết bị thụ động nên tốn ít chi phí bảo dỡng Bộ chuyển mạch ở trạm xa định tuyến tín hiệu dựa vào bớc sóng.
Năm 1996, mạng vòng nội hạt đợc thiết kế nh là một mạng quang thụ động PON Mục đích của việc này là cung cấp khả năng truy nhập băng thông
Hình 4.5 Cấu trúc mạng Lambdanet
N ót 2 rộng của mỗi khách hàng và phân phát tín hiệu hình ảnh video, dữ liệu theo yêu cầu mà vẫn đảm bảo giá thành thấp Ngoài ra ngời ta còn sử dụng công nghệ cắt phổ LED để tạo ra các bớc sang cho hệ thống WDM
Trong mạng đa chặng, một kênh quang đợc chuyển đi từ một nút phải đợc chuyển qua một số nút trung gian Mỗi nút thu/phát quang của mạng WDMA đa chặng có một số bộ thu phát quang có thể thu phát một vài bớc sóng nhất định.
Ứng dụng của WDM trong mạng chuyển mạch quang
Hiện nay, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại mà đặc biệt là Internet cũng nh một số dịch vụ băng rộng khác đã tạo ra sự bùng nổ nhu cầu về dung lợng Kỹ thuật WDM ra đời đã giải quyết đợc vấn đề trên Nh phần trên đã đề cập, kỹ thuật WDM đã đợc ứng dụng trong mạng truyền dẫn và mạng truy nhập Ngời ta đã sử dụng tài nguyên băng thông to lớn của sợi quang để truyền
Tõ ®Çu ra của nút khác
1 , 2 , N 1 , 2 , N §Õn đầu vào của nút khác
Hình 4.8 Sơ đồ khối chức năng của một nút trong mạng Teranet
