CÁC PHƯƠNG THỨC TÍCH HỢP IP TRÊN QUANG VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGN CỦA TỔNG CÔNG TY BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM chương 1 doc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI: CÁC PHƯƠNG THỨC TÍCH HỢP IP TRÊN QUANG VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGN CỦA TỔNG CÔNG TY BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ GHÉP KÊN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG

ĐỀ TÀI:

CÁC PHƯƠNG THỨC TÍCH HỢP IP TRÊN QUANG VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGN

CỦA TỔNG CÔNG TY BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT

NAM CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG

Do hệ thống truyền dẫn thông tin quang có nhiều ưu điểm trội hơn hẳn các hình thức thông tin khác như: băng thông rộng, tốc độ cao, không chịu ảnh hưởng của sóng điện từ…nên thông tin quang đang giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lục địa, vượt đại dương…Công nghệ hiện nay đã tạo đà cho thông tin quang phát triển theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất trong mạng viễn thông Vì vậy, các hệ thống truyền dẫn thông tin quang sẽ dần thay thế các hệ thống thông tin theo phương pháp truyền thống Ngày nay, với sự xuất hiện của các hệ thống truyền dẫn thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) thì dung lượng, tốc độ, băng thông…của hệ thống ngày càng nâng cao DWDM (ghép kênh theo bước sóng mật độ cao) là bước phát triển tiếp theo của WDM Nguyên lý của nó tương tự như WDM chỉ khác là khoảng cách giữa các kênh bước sóng gần hơn, tức là số kênh ghép được nhiều hơn Thông thường khoảng cách kênh ghép là 0.4 nm (50GHz) Hiện nay người ta dùng WDM với nghĩa rộng bao hàm cả DWDM

Trong chương này sẽ trình bày về công nghệ ghép kênh theo bước sóng

2.1 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM

Hiện nay, kỹ thuật thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên, trong thời gian gần đây cùng với sự phát triển của Internet do máy tính cá nhân phổ cập, sự xuất hiện của dịch vụ đa phương tiện và cuộc cách mạng thông tin di động, thông tin cá nhân…dẫn đến sự bùng nổ thông tin Với các hệ thống cáp quang đã được lắp đặt từ trước thì nguồn tài nguyên dường như đã cạn kiệt Yêu cầu đặt ra là phải có các giải pháp để khắc phục hiện tượng này Nếu phải lắp thêm các đường cáp quang mới thì chi phí sẽ rất cao Mặt khác, sự ra đời của các loại nguồn quang laser bán dẫn có phổ hẹp cho phép phổ của tia sáng là rất nhỏ so với băng thông của sợi quang Về mặt lý thuyết, có thể làm tăng dung lượng truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu các nguồn phát có phổ cách nhau hợp lý và ở đầu thu có thể thu được tín hiệu quang riêng biệt khi sử dụng các bộ tách bước sóng Và đây chính là cơ sở của kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM

Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM là các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau ở đầu phát được ghép kênh và truyền trên cùng một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu gồm nhiều bước sóng đến từ sợi quang đó được tách kênh để thực hiện xử lý theo yêu cầu của từng bước sóng

Như vậy, WDM có nghĩa là độ rộng băng quang của một liên kết được tách thành các vùng phổ cố định, không chồng lấn Mỗi vùng tương ứng với một kênh

có bước sóng λi Các kênh khác nhau thì độc lập với nhau và truyền với các tốc độ xác định Điều này cho phép WDM được xem như là hệ thống truyền dẫn mà tín hiệu được truyền trong suốt đối với dạng mã và tốc độ bit



N



1



N



' ' 2 '

1, , , N



N





1, 2, ,

' 1



'

N



N





1, 2, ,

1



N



1



N



1



N



1



N





1, 2, ,

' 1



'

N



Hình 2.1: a, Hệ thống WDM một hướng

b, Hệ thống WDM hai hướng

Hình 2.1 mô tả hai loại hệ thống WDM: hệ thống ghép kênh bước sóng hai hướng trên hai sợi khác nhau (hệ thống WDM một hướng) và hệ thống ghép kênh bước sóng hai hướng khác nhau trên một sợi (hệ thống WDM hai hướng)

Trong hệ thống WDM một hướng, tại đầu phát thiết bị ghép bước sóng được dùng để kết hợp các bước sóng khác nhau sau đó truyền trên cùng một sợi quang Tại đầu thu, thiết bị tách bước sóng sẽ tách các bước sóng này trước khi đưa tới các

bộ thu quang Để có thể truyền dẫn thông tin hai hướng thì cần lắp đặt hai hệ thống WDM một hướng ngược chiều nhau

Trong hệ thống WDM hai hướng, tín hiệu được truyền đi theo một hướng tại bước sóng 1,2, , Nvà hướng ngược lại tại bước sóng ' '

2 '

1, , , N

 trên cùng một sợi quang Chúng thường thuộc hai vùng phổ khác nhau và được gọi là băng đỏ và băng xanh

Hệ thống WDM một hướng được phát triển và ứng dụng tương đối rộng rãi

Hệ thống WDM hai hướng yêu cầu công nghệ phát triển cao hơn vì khi thiết kế gặp phải nhiều vấn đề như can nhiễu nhiều kênh (MPI), ảnh hưởng của phản xạ quang, cách ly giữa các kênh hai chiều, xuyên âm…Nhưng so với hệ thống WDM một hướng, hệ thống WDM hai hướng giảm được số lượng bộ khuếch đại sợi quang

2.2 Các đặc điểm của công nghệ WDM

Công nghệ WDM có các đặc điểm cơ bản sau:

▪ Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang

Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng thông truyền dẫn to lớn của sợi quang, làm cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần tới hàng trăm lần Do đó, có thể giảm chi phí đầu tư

Dùng công nghệ WDM có thể ghép N bước sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn mode và có thể truyền dẫn hoàn toàn song công Do vậy, khi truyền dẫn thông tin đường dài với dung lượng lớn có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang Thêm vào đó là khả năng mở rộng dung lượng cho hệ thống quang đã xây dựng Chỉ cần

hệ thống cũ có độ dư công suất tương đối lớn thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ

▪ Có khả năng đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu

Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau nên có thể truyền dẫn nhiều 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 tương tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phương tiện (thoại, số liệu, đồ hoạ, ảnh động…)

▪ Có nhiều ứng dụng

Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng như trong mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ nhiều đường, nhiều địa chỉ…Bởi thế, nó rất quan trọng trong các ứng dụng mạng

▪ Giảm yêu cầu xử lý tốc độ cao cho một số linh liện quang điện

Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng nên tốc độ xử lý tương ứng của nhiều linh kiện quang điện tăng lên theo nhưng không đáp ứng được đủ Sử 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 lượng lớn

▪ Có khả năng truyền dẫn IP

Sử dụng công nghệ WDM có thể thiết lập kênh truyền dẫn số liệu (IP) Ghép kênh bước sóng đối với khuôn dạng số liệu (IP) là trong suốt, tức là không có quan

hệ gì với tốc độ của tín hiệu và phương thức điều chế tín hiệu xét trên phương diện điện Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lý tưởng, là cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng Chỉ cần dùng thêm một bước sóng là có thể tăng thêm một dịch vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn

▪ Có khả năng truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang

▪ Cấu hình mạng có tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao

2.3 Một số công nghệ then chốt

2.3.1 Nguồn quang

Các bộ phát quang thực chất là các laser diode Laser diode có khoang cộng hưởng Fabry – Perot tạo ra nhiều mode dọc không mong muốn Trái lại, laser đơn mode chỉ tạo ra một mode dọc chính, còn các mode bên bị loại bỏ nên được sử dụng để làm nguồn quang cho hệ thống WDM Các loại laser đơn mode phổ biến

là laser phản hồi phân bố (DFB), laser phản xạ Bragg phân bố (DBR)

Bộ phát quang DFB và DBR

Cấu tạo khoang của các bộ phát quang DFB, DBR khác với bộ phát quang

F-P Nguyên lý của chúng dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg

a) Nguyên lý phản xạ Bragg

Khi chiếu ánh sáng lên mặt tiếp giáp của hai môi trường có phản xạ mang tính

chu kỳ sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ này gọi là phản xạ Bragg Mặt tiếp

giáp có thể là hình sin hoặc không sin (chữ nhật, hình vuông, hình tam giác…)

Hình 2.2 thể hiện nguyên lý phản xạ Bragg Nếu sai pha giữa các tia phản xạ l, l’ và

l” là bội số nguyên lần của u, tức là:

A + B = mu (2.1)

thì sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa Từ hình 2.2 ta thấy B = Asinθ nên (2.1) trở

thành:

A(1+ sinθ) = mu (2.2)

Trong đó:

+ m: là số nguyên, thông thường m = 1

+ λn: là bước sóng trong môi trường vật liệu, λn = λB/n

+ n: là chiết suất vật liệu

+ λB: là bước sóng trong không gian tự do, còn gọi là bước sóng Bragg

+ A: là chu kỳ cách tử

Công thức (2.1) là điều kiện phản xạ Bragg Ý nghĩa vật lý của nó là: Đối với

A và θ nhất định, khi có một λn thoả mãn (2.1) thì sóng quang có bước sóng λn sẽ

giao thoa cùng với sóng quang phản xạ

Hình 2.2: Nguyên lý phản xạ Bragg

B

B

1

1’

1”

b) Bộ phát quang DFB

DFB gồm một cách tử (còn gọi là lưới nhiễu xạ) có cấu trúc chu kỳ đặt cạnh lớp hoạt tính gây ra phản xạ ánh sáng suốt cả chiều dài khoang cộng hưởng để loại

bỏ các mode không mong muốn Hình 2.3 thể hiện mặt cắt dọc của loại laser này Khi có dòng điện vào bộ phát quang, các điện tử và lỗ trống trong lớp hoạt tính tái hợp, bức xạ ra các photon ánh sáng Các photon này sẽ phản xạ tại cách tử, giống như hình 2.2, chỉ khác là θ = π/2 Lúc này, các tia tới và tia phản xạ ngược chiều nhau và công thức (2.2) trở thành:

A = mλn/2 (2.3)

Những tín hiệu nào có bước sóng thoả mãn công thức trên mới được phản xạ mạnh Công thức (2.3) gọi là điều kiện phân bố phản hồi

So với bộ phát quang F-P, DFB có hai ưu điểm sau:

Lớp nền N-InP Lớp kim loại

tiếp xúc và

toả nhiệt

Đầu ra quang Màng AR

Lớp hoạt tính Cách tử

Tín hiệu điện

Lớp kim loại

Hình 2.3: Mặt cắt dọc của laser DFB

+ Dao động đơn mode dọc dải hẹp: do chu kỳ cách tử A trong bộ phát quang DFB rất nhỏ nên hình thành khoang cộng hưởng kiểu nhỏ, làm tăng hệ số tăng ích của mode chính và mode biên, từ đó được dải phổ rất hẹp so với bộ phát quang

F-P

+ Bước sóng có tính ổn định rất cao: vì lưới quang trong DFB giúp cho việc chốt trên bước sóng cho trước, trôi nhiệt của nó chỉ cỡ 0.8Ǻ/oC, tốt hơn nhiều so với F-P

c) Bộ phát quang DBR

Laser DBR có cấu trúc tương tự laser DFB, chỉ khác là DBR có cấu trúc nhiễu xạ bên ngoài khoang cộng hưởng Với cấu trúc như vậy, khoang laser và khoang phản xạ Bragg là hoàn toàn độc lập Hình 2.4 thể hiện mặt cắt của laser loại này

Bộ phát quang DBR cũng hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg và có đặc điểm tương tự như bộ phát quang DFB, chỉ có một số điểm khác biệt nhỏ cần lưu ý:

(i) Vật liệu chế tạo của DBR là khó khăn hơn DFB vì nó không nhất thiết đòi hỏi sự ghép công suất giữa các vùng thụ động và vùng tích cực

Đầu ra quang Lớp hoạt tính

Tín hiệu điện

Hình 2.4: Mặt cắt dọc của laser DBR

Lớp kim loại

tiếp xúc và

toả nhiệt Bộ phản xạ Bragg

(ii) Đặc tính phụ thuộc nhiệt độ thì khác nhau, khi nhiệt độ tăng thì trong DBR có sự chuyển đổi từ mode này qua mode khác còn DFB thì thể hiện tính ổn định nhiệt độ trong một dải rộng

2.3.2 Bộ tách ghép bước sóng quang

Về mặt nguyên lý, cấu trúc của bộ tách ghép có tính thuận nghịch, bất kỳ bộ ghép bước sóng nào cũng có thể dùng làm bộ tách bước sóng chỉ bằng cách đơn thuần là thay đổi hướng tín hiệu đầu vào Vì vậy, ở đây chỉ lấy bộ ghép bước sóng

để phân tích

Có nhiều cách để phân loại thiết bị ghép bước sóng Theo công nghệ chế tạo thì chúng được chia làm hai loại chính: thiết bị vi quang và thiết bị WDM ghép sợi

Thiết bị vi quang

Các thiết bị vi quang được chế tạo theo hai công nghệ khác nhau: các thiết bị

có bộ lọc và thiết bị phân tán góc

Các thiết bị có bộ lọc chỉ hoạt động mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm bước sóng) tại một thời điểm, nhằm để tách ra một bước sóng trong nhiều bước sóng Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh và có thể sử dụng cho nhiều kênh thì phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng Các loại bộ lọc này sẽ được trình bày trong phần 2.3.3

Cấu trúc sử dụng các phần tử phân tán cho phép đồng thời đưa ra tất cả các bước sóng Chùm tín hiệu quang đầu vào chuẩn trực sẽ đập vào thiết bị phân tán, thiết bị phân tán sẽ tách ra các kênh khác nhau tuỳ theo bước sóng của chúng tạo thành các chùm theo các góc khác nhau Các chùm đầu ra đã tách sẽ được hội tụ nhờ một hoặc một số lăng kính và được đưa vào sợi dẫn quang riêng rẽ Các phần

tử phân tán góc được sử dụng như cách tử, lăng kính

Hình 2.5 mô tả một bộ tách hai bước sóng quang: Tín hiệu WDM gồm hai bước sóng đi tới lăng kính trực chuẩn, sau khi được tách bởi cách tử chúng được hội tụ để đi vào hai ống dẫn sóng riêng

Các thiết bị vi quang sử dụng phù hợp với các hệ thống truyền dẫn đa mode, chúng cho phép tách ghép đồng thời nhiều bước sóng khác nhau Nhưng chúng lại khó sử dụng cho sợi đơn mode do ánh sáng phải qua các giai đoạn phản xạ, hội tụ…từ đó dẫn tới quang sai, trễ tạo suy hao tín hiệu trong thiết bị

Thiết bị ghép sợi

Các thiết bị ghép sợi có cấu trúc dựa trên việc ghép hai trường ánh sáng phía ngoài lõi Chúng còn được gọi là các coupler quang Phía phát nó kết hợp các tín hiệu quang vào từ các tuyến khác nhau thành một tín hiệu quang tại đầu ra truyền trên một sợi Phía thu, tách công suất quang của một sợi vào để phân phối cho hai hoặc nhiều sợi Vì thế, để tách các bước sóng khác nhau thì sau mỗi một sợi phải

có một bộ lọc bước sóng sẽ trình bày ở mục 2.3.3

Cách tử Thấu kính

1, 2

Hình 2.5: Thiết bị phân tán góc

2

1

Hình 2.6: Thiết bị ghép sợi

Chùm ánh sáng đầu ra sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: khoảng cách giữa các lõi sợi, chỉ số chiết suất vật liệu ở giữa, đường kính của lõi sợi, độ dài tương tác và bước sóng ánh sáng

Khi số lượng kênh ghép tăng lên thì phải xử lý bằng cấu hình rẽ nhánh tách (ghép) liên tiếp Các thiết bị ghép sợi rất phù hợp với các hệ thống truyền dẫn đơn mode Hình 2.6 là bộ ghép bốn bước sóng sử dụng thiết bị ghép sợi

2.3.3 Bộ lọc quang

Bộ lọc màng mỏng điện môi nhiều lớp

Bộ lọc quang sử dụng trong thiết bị WDM thường là bộ lọc màng mỏng điện môi, làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ nào đó và cho phần dải phổ còn lại đi qua, vì vậy nó thuộc loại lọc bước sóng cố định Cấu trúc bộ lọc gồm một khoang cộng hưởng bằng điện môi trong suốt, hai đầu khoang có các gương phản xạ được thực hiện nhờ nhiều lớp màng mỏng điện môi có chiết suất cao thấp xen kẽ nhau Vì vậy, chiết suất lớp điện môi trong suốt (n3) sẽ thấp hơn chiết suất của các lớp màng mỏng điện môi (n1 = 2.2 (TiO2), n2 = 1.35 (MgF2) hoặc 1.46 (SiO2))

Thiết bị này như một bộ lọc băng hẹp, cho qua một bước sóng riêng và phản

xạ các bước sóng khác Bước sóng lọt qua bộ lọc được xác định bằng chiều dài khoang cộng hưởng Chiều dài của khoang bằng bội số nguyên lần của nửa bước sóng nào thì công suất của bước sóng ấy đạt cực đại tại đầu ra của bộ lọc

Để có thể lọc được bước sóng một cách chính xác, loại bỏ được đa số các bước sóng xung quanh thì có thể sử dụng bộ lọc nhiều khoang cộng hưởng Bộ lọc này gồm hai hoặc nhiều khoang tách biệt nhau bởi các lớp màng mỏng điện môi phản xạ Số khoang càng nhiều thì đỉnh hàm truyền đạt càng phẳng và sườn càng dốc Cả hai đặc tính này của bộ lọc đều rất cần thiết Cấu trúc bộ lọc màng mỏng điện môi nhiều khoang cộng hưởng được thể hiện trong hình 2.7

n1 n2 n3

Khoang Khoang Khoang …

1 2 3