Tìm hiểu công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM

Đó là hệ thống thông tin quang coherent và sử dụng côngnghệ ghép kênh theo bước sóng WDM kết hợp với bộ khuếch đại quang EDFA tạonên các tuyến thông tin quang dung lượng rất lớn và tốc đ

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA CÔNG NGHỆ

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

-Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: ………

Khoá:………Khoa: Công Nghệ Ngành: Điện tử - Viễn thông 1 Đầu đề đồ án: ……… ………

……… ………

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……… ………

……… ………

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ……… ….

………

…… ….……

……… ………

4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ……… ….

………

……….

………

……… ………

5 Họ tên giảng viên hướng dẫn:

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………

7 Ngày hoàn thành đồ án: ……….

Ngày tháng năm

Trang 3

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

Trang 4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

-BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên:………

Ngành: Khoá:

Giảng viên hướng dẫn:

Cán bộ phản biện:

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

(Ký, ghi rõ họ và tên)

Trang 5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

-NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ………

………

Điểm:……….(bằng chữ: ……… )

Ngày tháng năm 2010 Giáo viên hướng dẫn:

Trang 6

Đồ án tốt nghiệp Đại học LỜI NÓI ĐẦU

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây đất nước ta với sự hội nhập toàn cầu dẫn tới nhu cầutrao đổi thông tin tăng mạnh Sự bùng nổ của mạng internet cũng như hàng loạt cácdịch vụ mới yêu cầu băng thông rộng ra đời như truyền hình cáp, truyền hình độphân giải cao, truyền hình hội nghị, mạng riêng ảo VPN, mạng WAN vvv Lĩnh vựcviễn thông đem lại lợi nhuận cao nên nhiều doanh nghiệp đầu tư, khai thác và cungcấp các dịch vụ viễn thông tạo nên một thị trường sôi động Tuy nhiên xây dựngmột mạng truyền dẫn với khoảng cách lớn và phạm vi rộng không phải nhà khaithác viễn thông nào cũng làm được Tập đoàn bưu chính viễn thông Việt NamVNPT là nhà khai thác viễn thông đầu tiên ở Việt Nam đã xây dựng được một mạnglưới viễn thông rộng khắp các tỉnh thành trong nước và mở rộng kết nối đi quốc tế.Trong đó mạng truyền dẫn quang đường trục Bắc - Nam đóng vai trò hết sức quantrọng, nơi tập trung truyền tải lưu lượng chính trong nước Lưu lượng truyền dẫnqua mạng đường trục tăng nhanh từ luồng 2,5 Gbps cơ sở đến nay đã đạt tới 240Gbps Để đáp ứng nhu cầu truyền dẫn dung lượng lớn, tốc độ cao, tuyến quangđường trục Bắc - Nam áp dụng công nghệ truyền dẫn ghép kênh theo bước sóngquang WDM

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và kỹ thuật đã hình thành rấtnhiều mạng lưới truyền dẫn thông tin với nhiều phương thức khác nhau Trong đó

hệ thống thông tin quang với việc sử dụng sợi quang để truyền dẫn đang ngày càngphổ biến, chiếm ưu thế và dần thay thế hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng bởinhững ưu điểm vượt trội của nó Hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật ghépkênh theo bước sóng (WDM) đang được sử dụng rộng rãi, và đây sẽ là công nghệthen chốt cho việc hướng tới mạng toàn quang trong tương lai Xuất phát từ điều đó

em đã chọn lĩnh vực này để nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp

Nội dung đồ án gồm có ba chương chính:

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

Trang 7

Đồ án tốt nghiệp Đại học LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG III: BẢO VỆ VÀ PHỤC HỒI TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI WDM

Qua thời gian học tập, nghiên cứu, được sự hướng dẫn tận tình của các thầy côgiáo trường Đại học Vinh, em đã hoàn thành được bản Đồ án tốt nghiệp này Tuynhiên, do sự hiểu biết và thời gian có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót

Vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và bạn bè để đồ ánđược hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa CôngNghệ trường Đại học Vinh, cùng các bạn bè trong lớp 46K – ĐTVT Đặc biệt, em

xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo KS Lê Đình Công đã tận tình chỉ bảo

hướng dẫn em hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn!

Vinh, ngày 10 tháng 05 năm 2010

Trang 8

Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang.

Chương 2: Hệ thống thông tin quang ghép kênh bước sóng WDM

Chương 3: Bảo vệ và phục hồi trong mạng truyền tải WDM

Ngày giao đề tài: …… …/………/ 2010

Ngầy nộp đồ án:…………/………/ 2010

Ngày…… tháng…… năm 2010

Giáo viên hướng dẫn:

Lê Đình Công

Trang 9

Đồ án tốt nghiệp Đại học MỤC LỤC

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 6

MỤC LỤC 9

DANH SÁCH HÌNH VẼ 12

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 13

BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 1

CHƯƠNG 1 1

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Lịch sử phát triển 1

1.3 Mô hình hệ thống thông tin quang 3

1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang 5

1.5 Phân loại hệ thống thông tin quang 5

1.5.1 Phân loại theo dạng tín hiệu 5

1.5.2 Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu quang 6

1.5.3 Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn 6

1.6 Đặc điểm của hệ thống thông tin quang 6

1.6.1 Ưu điểm 6

1.6.2 Nhược điểm 8

1.7 Ứng dụng của hệ thống thông tin quang 9

1.8 Các kỹ thuật ghép kênh quang cơ bản 10

1.8.1 Giới thiệu chung 10

1.8.2 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số quang OFDM 11

1.8.3 Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM 12

1.8.4 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM 14

1.9 Kết cuối chương 18

CHƯƠNG 2 19

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 19

2.1 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) 19

2.2 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống WDM 20

2.3 Phân loại hệ thống WDM 20

2.3.1 Hệ thống WDM đơn hướng 21

2.3.2 Hệ thống WDM song hướng 21

2.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM 22

2.4.1 Bộ phát quang 22

2.4.1.1 Yêu cầu đối với nguồn quang sử dụng trong hệ thống WDM 22

2.4.1.2 Điốt phát quang LED (Light Emitted Diode) 23

2.4.1.3 Laser điốt LD (Laser Diode) 24

2.4.1.4 LASER hồi tiếp phân bố (DFB) 27

2.4.1.5 LASER phân bố phản xạ Bragg (DBR) 29

2.4.2 Bộ thu quang 29

2.4.2.1 Photodiode PIN 30

2.4.2.2 Diode thác quang APD (Avalanche Photo Diode) 31

Trang 10

2.4.2.3 Đặc tính kỹ thuật của PIN và APD 32

2.4.3 Bộ ghép và tách kênh quang 33

2.4.3.1 Coupler (Bộ ghép/tách tín hiệu) 34

2.4.3.2 Bộ lọc quang 36

2.4.3.3 Bộ lọc Fabry-Perot 39

2.4.3.4 Bộ lọc Mach-Zehnder 42

2.4.3.5 Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF) 44

2.4.4 Bộ xen rẽ quang OADM 45

2.4.5 Bộ nối chéo quang OXC 48

2.4.6 Bộ khuếch đại quang 49

2.4.6.1 Giới thiệu chung 49

2.4.6.2 Bộ khuếch đại quang EDFA 51

2.4.6.3 Phân loại EDFA theo cấu hình bơm laser 54

2.4.6.4 Phân loại EDFA theo theo ứng dụng 55

2.4.6.5 Ưu nhược điểm của EDFA 55

2.4.7 Sợi quang 56

2.4.7.1 Cấu trúc cơ bản của sợi quang 56

2.4.7.2 Phân loại sợi quang 57

2.4.7.3 Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang 61

2.3.3.4 Các thông số cơ bản của sợi quang 64

2.5 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM 67

2.5.1 Giới thiệu chung 67

2.5.1.1 Định nghĩa 67

2.5.1.2 Phân loại ứng phi tuyến 68

2.5.2 Hiệu ứng tán xạ Raman (SRS): 68

2.5.3 Hiệu ứng tán xạ (SBS) 69

2.5.4 Hiệu ứng Brillouin tự điều pha (SPM) 69

2.5.5 Hiệu ứng điều chế xuyên pha (XPM) 70

2.5.6 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM) 71

2.5.7 Giải pháp khắc phục hiệu ứng phi tuyến của sợi quang 71

2.5.7.1 Phương án 1 - tạo khoảng cánh giữa các kênh tín hiệu bằng nhau 72 2.5.7.2 Phương án 2 - tạo khoảng cánh giữa các kênh tín hiệu không bằng nhau 72

2.5.7.3 Phương án 3 - tạo một phần khoảng cánh giữa các kênh tín hiệu bằng nhau 72

CHƯƠNG 3 73

BẢO VỆ VÀ PHỤC HỒI TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG WDM 73

3.1 Bảo vệ trong mạng truyền tải quang WDM 73

3.1.1 Mục đích bảo vệ 73

3.1.2 Sự cần thiết của việc bảo vệ lớp quang 73

3.1.3 Các khái niệm bảo vệ cơ bản 74

3.1.3.1 Bảo vệ riêng 76

3.1.3.2 Bảo vệ chia sẻ 76

3.1.3.3 Bảo vệ đoạn ghép kênh quang 77

3.1.3.4 Bảo vệ kênh quang 77

Trang 11

3.2 Các phương thức bảo vệ theo cấu hình mạng 77

3.2.1 Bảo vệ ở lớp kênh quang 78

3.2.1.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình điểm - điểm 78

3.2.1.2 Bảo vệ riêng cho cấu hình Ring (OCh - DPRing) 79

3.2.1.3 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình điểm - điểm 81

3.2.1.4 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình ring (OCh - SPRing) 82

3.2.2 Bảo vệ ở lớp đoạn ghép kênh quang 84

3.2.2.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình vòng ring (OMS - DPRing) 84

3.2.2.3 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình vòng ring (OMS – SPRing) 86

3.3 Phương pháp bảo vệ trong kiến trúc liên kết giữa các lớp quang 91

3.3.1 Các kiến trúc mạng 91

3.3.2 Liên kết giữa các mạng con và vấn đề bảo vệ 94

3.3.2.1 Bảo vệ với kiến trúc ring ảo(VRA) 94

3.3.2.2 Các kiến trúc ring ảo cải tiến 96

3.4 Phục hồi và cấp phát tài nguyên trong mạng WDM 100

3.4.1 Phục hồi 100

3.4.1.1 Phục hồi đầu cuối - tới - đầu cuối 101

3.4.1.2 Phục hồi tại nút kế cận sự cố 102

3.4.1.3 Phục hồi tại nút trung gian 102

3.4.2 Cấp phát tài nguyên 104

3.4.3 Các phương thức thực thi cấp phát tài nguyên 105

3.4.4 Cấp phát tài nguyên trong các kỹ thuật bảo vệ mạng 105

3.4.4.1 Bảo vệ trên chính bước sóng của thực thể được bảo vệ (khi chỉ có các nút WR) 106

3.4.4.2 Bảo vệ trên các bước sóng khác nhau (trường hợp có sẵn các nút WC) 106

3.4.4.3 Bảo vệ trên các tuyến đa bước sóng (trường hợp các nút WR khả dụng) 106

KẾT LUẬN 108

LỜI CẢM ƠN 110

Trang 12

Đồ án tốt nghiệp Đại học DANH SÁCH HÌNH VẼ

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Trang 13

Đồ án tốt nghiệp Đại học DANH SÁCH BẢNG BIỂU

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Trang 14

Đồ án tốt nghiệp Đại học CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Network

Mạng truyền tải toàn quang

Emission

Phát xạ tự phát được khuyếch đại

Point

Điểm đầu cuối kết nối

DP-WSHR Dedecated-Path-Switched

WDM self-healing ring Ring WDM tự hồi phục chuyển mạch bảo vệ tuyến riêng

Telecommunications Union

Liên minh viễn thông quốc tế

Ring Protection

Bảo vệ đa ring WDM tự hồi phục

Trang 15

Protection Switching Ring Ring chuyển mạch bảo vệ tuyến hai hướng

OC-DPRing

Optical Carrier-Dedicated Protection Ring

Ring bảo vệ dành riêng ở truyền tảiquang

OCh-DPRing

Optical Channel-Dedicated Protection Ring

Ring bảo vệ dành riêng ở kênh quang

OCh-SPRing

Optical Channel Shared Protection Ring

Ring bảo vệ chia sẻ kênh quang

O-E-O Optical-Enectronical-Optical Biến đổi quang-điện-quang

Bảo vệ kết nối mạng con

Trang 16

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng

Trang 17

Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1 Giới thiệu chung

Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là một hệ thống bao gồm cácphương tiện, thiết bị để truyền tải thông tin từ nơi này đến nơi khác Khoảng cáchgiữa các nơi này có thể từ vài trăm mét đến vài trăm kilômét thậm chí hàng trămngàn kilômét Về cơ bản một hệ thống truyền tin gồm có ba thành phần chính là:nguồn phát, môi trường truyền dẫn và nơi thu nhận thông tin

Hệ thống thông tin quang là hệ thống thông tin mà tín hiệu được truyền đidưới dạng sóng ánh sáng Thông tin truyền đi trong hệ thống thông tin quang đượcthực hiện ở tần số sóng mang cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy λ = (0,37÷ 0,78)

μm và vùng hồng ngoại gần của phổ sóng điện từ có dải sóng (0,78÷1,60) μm; sửdụng môi trường truyền dẫn là sợi quang Đây là hệ thống truyền dẫn thông tin hiệnđại ra đời sau nhưng có nhiều ưu việt nên phát triển nhanh và đang được ứng dụngrộng rãi

1.2 Lịch sử phát triển

Trải qua một thời gian dài kể từ khi con người sử dụng ánh sáng của lửa đểlàm phương tiện thông tin liên lạc cho đến nay lịch sử của thông tin quang đã quanhững bước phát triển và hoàn thiện được ghi nhận bằng những mốc thời gian sau:+ 1790: CLAUDE CHAPPE - kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thốngđiện báo quang (Optical Telegraph) Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với cácđèn báo hiệu di động trên đó Thời ấy tin tức được truyền bằng hệ thống này vượtchặng đường 200 km trong vòng 15 phút

+ 1870: JOHN TYNDALL - nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ rằng ánh sáng

có thể dẫn được theo vòi nước uốn cong Thí nghiệm của ông đã sử dụng nguyên lýphản xạ toàn phần, điều này vẫn còn áp dụng cho sợi quang ngày nay

+ 1880: ALEXANDER GRAHAM BELL - người Mỹ giới thiệu hệ thốngphotophone, qua đó tiếng nói có thể truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường

Trang 18

không khí mà không cần dây dẫn Tuy nhiên, hệ thống này chưa được áp dụngtrênthực tế vì còn quá nhiều nguồn nhiễu làm giảm chất lượng của đường truyền.+ 1934: NORMAN R.FRENCH - kỹ sư người Mỹ nhận được bằng sáng chế

về hệ thống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn của ông là các thanh thuỷ tinh.+ 1958: ARTHUR SCHAWLOW và CHARLES H.TOWNES xây dựng vàphát triển laser

+ 1960: THEODOR H.MAIMAN đưa laser vào hoạt động thành công

+ 1962: Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn được thừa nhận Vấn đề còn lại

là phải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp

+ 1966: CHARLES H.KAO và GEORGE A.HOCKHAM - hai kỹ sư phòngthí nghiệm Standard Telecommunications của Anh đề xuất việc dùng thuỷ tinh đểtruyền dẫn ánh sáng Nhưng do công nghệ chế tạo sợi thuỷ tinh thời ấy còn hạn chếnên suy hao của sợi quá lớn (α ~ 1000 dB/km)

+ 1970: KARPON, KERK và MAURER đã giảm được giá trị suy hao xuốngcòn 20 dB/Km Từ giá trị suy hao này, khoảng cách bộ lặp của các tuyến sợi quang

có thể so sánh với các hệ thống cáp đồng, do đó đã đưa công nghệ sóng ánh sángvào thực tế kỹ thuật Sau đó, hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợiquang loại SI (Step-Index: sợi chiết suất bước) có độ suy hao nhỏ hơn 20 dB/Km ởbước sóng 633 nm

+ 1972: Loại sợi GI(Graded-Index: sợi chiết suất phân bậc hay giảm dần)được chế tạo với độ suy hao 4 dB/Km

+ 1978: Hệ thống thông tin quang sợi thương mại thế hệ 1 ra đời, làm việc ởbước sóng λ = 0,78 μm, dùng sợi quang đa mode tốc độ bit 90 Mb/s, với cự lykhoảng lặp L = 12 km

+ 1979: Sản suất được sợi quang có suy hao thấp α = 0,2 dB/Km

+ 1983: Sợi đơn mode (SM: Single Mode) được xuất xưởng ở Mỹ

+ 1987: Hệ thống thông tin quang sợi thương mại thế hệ 2 ra đời, làm việc ởbước sóng λ = 1,3 μm, dùng sợi quang đơn mode tốc độ bit 1,7 Gb/s, với cự lykhoảng lặp L = 45 km

Trang 19

+ 1990: Hệ thống thông tin quang sợi thương mại thế hệ 3 ra đời, làm việc ởbước sóng λ = 1,55 μm, dùng sợi đơn mode tốc độ bit 2,5 Gb/s, với cự ly khoảnglặp L = 100 km

+ Từ năm 1995 đến năm 2000 hệ thống thông tin quang thương mại thứ 4được đưa vào sử dụng Đó là hệ thống thông tin quang coherent và sử dụng côngnghệ ghép kênh theo bước sóng WDM kết hợp với bộ khuếch đại quang EDFA tạonên các tuyến thông tin quang dung lượng rất lớn và tốc độ cao

Hiện nay, thế hệ thông tin quang thứ 5 đang được nghiên cứu trong phòng thínghiệm và đang được thử nghiệm Đó là hệ thống thông tin quang Soliton, ứngdụng hiệu ứng phi tuyến của sợi quang cho phép xây dựng tuyến truyền dẫn trên cự

ly siêu dài đến hàng chục nghìn km với sự trợ giúp của các bộ khuếch đại quang

1.3 Mô hình hệ thống thông tin quang

Mô hình một hệ thống thông tin quang về cơ bản được chỉ ra như hình 1.1

Hình 1 1 Mô hình tổng quan hệ thống thông tin quang

Tínhiệura

Mối hàn sợi

Bộ chia quangMạch điện

Phát quang

Khuếch đại quang

Đầu thuquang Phục hồiTìn hiệu

Mạch điều khiển Nguồn

Tín hiệu điệnTín hiệu quang

Tín

hiệu

vào

Trang 20

Trong mô hình này, tín hiệu cần truyền đi sẽ được phát vào môi trường truyềndẫn tương ứng, và ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền Do đó sợi quang sẽ thựchiện truyền ánh sáng có mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu

Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phát

quang, môi trường truyền dẫn sợi quang, và phần thu quang

 Phần phát quang: được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạchđiện điều khiển Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài Nguồn phát

quang gồm các thiết bị biến đổi điện-quang E/O (Electronic/Optical) tạo ra sóng

mang tần số quang, còn các mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạngtín hiệu phù hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin

Có hai loại nguồn sáng được dùng phổ biến trong thông tin quang là LED

(Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode).

 Phần thu quang: có chức năng để chuyển tín hiệu quang thu được thànhtín hiệu băng tần cơ sở ban đầu Nó bao gồm bộ tách sóng quang và các mạch xử lýđiện Các mạch xử lý tín hiệu điện này có thể bao gồm các mạch khuếch đại, lọc vàmạch tái sinh

Phần tử quan trọng nhất của phần thu quang là thiết bị thu quang hay bộ biếnđổi quang-điện O/E, đó là photodiode PIN và diode tháp quang APD

 Sợi quang: là môi trường truyền dẫn trong thông tin quang So với các môitrường truyền dẫn khác thì truyền dẫn bằng sợi quang có nhiều ưu điểm nổi bật đólà: hầu như không chịu ảnh hưởng của môi trường ngoài, băng tần truyền dẫn lớn,

và suy hao thấp Do đó cùng với nhiều tiến bộ trong lĩnh vực thông tin quang thì sợiquang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền thông tin đường dài tốc độ cao.Sợi quang có 3 loại chính là: sợi quang đa mode chiết suất bước, sợi đa modechiết suất phân bậc và sợi đơn mode Hệ thống thông tin quang hiện nay thường sửdụng sợi đơn mode để truyền dẫn

Với những đường truyền dẫn cự ly dài thì giữa hai trạm đầu cuối có thêm mộthoặc một vài trạm tiếp vận (hay trạm lặp) nhằm khuếch đại, tái tạo lại tín hiệu bịsuy giảm trên đường truyền

Trang 21

1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang

Tại mỗi phần tín hiệu thông tin được biến đổi như sau:

 Phía phát: Nguồn tín hiệu thông tin như tiếng nói, hình ảnh, dữ liệu… saukhi được xử lý trở thành tín hiệu điện sẽ được đưa đến bộ phát quang Các tín hiệuđiện đưa vào bộ phát quang được mã hóa, ghép kênh và điều chế quang theo nhiềuphương pháp điều biến khác nhau để thu được tín hiệu quang Tín hiệu quang này

sẽ được ghép vào sợi quang để truyền đi tới phía thu

 Môi trường sợi quang: Là môi trường truyền dẫn ánh sáng (tín hiệu đãđược điều chế quang) từ đầu phát tới đầu thu Trong quá trình truyền dẫn này, dođặc tính quang học của ánh sáng và sợi quang mà tín hiệu quang bị suy giảm (suyhao và tán sắc) Cự ly truyền dẫn càng dài thì ánh sáng bị suy giảm càng mạnh, điềunày dẫn đến khó khăn khi khôi phục tín hiệu ở phía thu Do vậy, trên tuyến truyềndẫn thông tin quang thường có các bộ khuếch đại tín hiệu quang và các trạm lặpnhằm tái tạo lại tín hiệu bị suy giảm trên đường truyền

 Phía thu: Tín hiệu thu được từ môi trường truyền dẫn sợi quang sẽ được

bộ thu quang tiếp nhận Tại đây, tín hiệu quang sẽ được khuếch đại, lọc, giải mã,giải điều chế, tách kênh và biến đổi ngược trở lại thành tín hiệu điện như tín hiệuphát ban đầu Cuối cùng ta thu được tín hiệu thông tin cần truyền

1.5 Phân loại hệ thống thông tin quang

1.5.1 Phân loại theo dạng tín hiệu

Tuỳ theo dạng tín hiệu điện đưa vào điều biến nguồn quang là tín hiệu tương

tự hay tín hiệu số mà ta có:

 Hệ thống thông tin quang tương tự

 Hệ thống thông tin quang số

Tuy nhiên mạng thông tin hầu như đã được số hóa nên chủ yếu hiện nay sửdụng hệ thống thông tin quang số Chỉ còn một số mạng đặc thù là vẫn còn dùng hệthống thông tin quang tương tự như hệ thống truyền hình cáp

Trang 22

1.5.2 Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu

quang

Theo nguyên lý điều chế quang ở đầu phát và tách tín hiệu quang ở đầu thu

có thể phân chia làm 2 loại hệ thống truyền dẫn quang:

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

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

1.5.3 Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn

 Hệ thống có dung lượng truyền dẫn nhỏ tốc độ 8Mb/s hoặc hệ thống códung lượng truyền dẫn trung bình tốc độ 34Mb/s, sử dụng trên mạng trung kế giữacác tổng đài, trên mạng thuê bao ISDN và mạng LAN

 Hệ thống có dung lượng truyền dẫn lớn với tốc độ truyền dẫn đến140Mb/s

 Hệ thống có dung lượng truyền dẫn rất lớn, tốc độ truyền dẫn lớn hơn140Mb/s sử dụng cho các hệ thống thông tin đường dài, trong mạng lõi

1.6 Đặc điểm của hệ thống thông tin quang

1.6.1 Ưu điểm

Hệ thống thông tin quang sử dụng môi trường truyền dẫn là sợi quang nên hệthống có những ưu điểm hơn các hệ thống truyền thống sử dụng cáp đồng hay hệthống thông tin vô tuyến trước đây, đó là :

 Dung lượng truyền dẫn lớn: Do làm việc ở dải sóng ánh sáng có dải tần rấtrộng, tần số rất cao (1011 ÷ 1015)Hz cho nên hệ thống thông tin quang có khả năng

Trang 23

truyền được nhiều tín hiệu và truyền số liệu tốc độ cao với băng tần truyền dẫn rấtlớn (hàng ngàn THz)

 Suy hao thấp: Suy hao truyền dẫn của sợi quang tương đối nhỏ (cỡ 0,35dB/Km), đặc biệt là trong vùng cửa sổ 1300 nm và 1550 nm Do đó có khả năngtruyền tín hiệu đi được xa hơn, giảm số trạm lặp, giảm kinh phí lắp đặt

 Kích thước và trọng lượng nhỏ: So với một cáp đồng có cùng dung lượng,cáp sợi quang có đường kính nhỏ hơn (Ølõi sợi = 8μm ÷ 10μm) và khối lượng nhẹ hơnnhiều Do đó lắp đặt, vận chuyển dễ dàng và thuận tiện hơn

 Không bị nhiễu điện: Do sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi nêntruyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ hay nhiễu tần số

vô tuyến và nó không tạo ra bất kỳ sự nhiễu nội tại nào Cho nên sợi quang có thểcung cấp một đường truyền “sạch", chất lượng thông tin rất cao Và do không bịnhiễu điện nên các đường cáp quang có thể đi dọc theo các đường dây điện cao thế

để giảm chi phí xây dựng Ngoài ra cáp sợi quang cũng không bị xuyên âm, thậmchí dù ánh sáng bị bức xạ ra từ một sợi quang thì nó không thể thâm nhập vào sợiquang khác được

Sợi quang cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng dụng, nó có thể loại bỏ đượcnhiễu gây bởi các dòng điện chạy vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểmgây bởi sự phóng điện trên các đường dây thông tin như sét hay những trục trặc vềđiện Đây thực sự là một hệ thống truyền dẫn an toàn cho những môi trường cầncách điện

 Tính bảo mật: sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao Một sợi quangkhông thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thườngnhư sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích để lấy thông tin ởdạng tín hiệu quang Các tia sáng lan truyền ở tâm sợi quang, rất ít hoặc không cótia nào thoát khỏi sợi quang đó Thậm chí nếu đã trích vào sợi quang được rồi thì nó

có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu được tại đầu cuối Trong khicác tín hiệu thông tin vệ tinh và viba có thể dễ dàng thu để giải mã được

 Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: sợi quang là một phương tiện truyền dẫnđồng nhất và không gây ra hiện tượng pha đinh Những tuyến cáp quang được thiết

kế thích hợp có thể chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm khắc

Trang 24

nghiệt và thậm chí có thể hoạt động ở dưới nước Sợi quang có thời gian hoạt độnglâu, ước tính trên 30 năm đối với một số cáp Yêu cầu về bảo dưỡng đối với một hệthống cáp quang là ít hơn so với yêu cầu của một hệ thống thông thường do cần ít

bộ lặp điện hơn trong một tuyến thông tin; mặt khác trong cáp không có dây đồng làyếu tố có thể bị mòn dần và gây ra mất hoặc lúc có lúc không có tín hiệu; và cápquang cũng không bị ảnh hưởng bởi sự ngắn mạch, sự tăng vọt điện áp nguồn haytĩnh điện

 Tính linh hoạt: Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết cácdạng thông tin số liệu, thoại và video Các hệ thống này đều có thể tương thích vớicác chuẩn RS.232, RS422, V.35, Ethernet, Arcnet, FDDI, T1, T2, T3, SONET,thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp và còn nhiều nữa

 Tính mở rộng: Các hệ thống sợi quang được thiết kế thích hợp có thể dễdàng được mở rộng khi cần thiết Một hệ thống dùng cho tốc độ số liệu thấp có thểđược nâng cấp trở thành một hệ thống tốc độ số liệu cao hơn bằng cách thay đổi cácthiết bị điện tử, hay bằng các công nghệ ghép kênh mà vẫn có thể giữ nguyên hệthống cáp sợi quang như cũ Ngày nay với công nghệ ghép/tách kênh theo bướcsóng quang, dung lượng truyền dẫn trên mỗi sợi quang được tăng lên rất nhiều lần

mà không cần tăng tốc độ bit, và có thể truyền các tín hiệu với các đặc điểm kháchẳn nhau

 Tiết kiệm nguyên vật liệu: vì sợi quang được sản xuất từ nguồn vật liệu sẵn

có và rẻ tiền trong tự nhiên là silicat, nên khi công nghệ chế tạo sợi quang đã hoànthiện thì giá thành sản xuất sợi quang rẻ

1.6.2 Nhược điểm

 Công nghệ chế tạo sợi quang và các linh kiện thu - phát rất hiện đại, nêngiá thành còn cao Tuy nhiên, hiện nay với tiến bộ của khoa học kỹ thuật khi côngnghệ chế tạo đã hoàn thành với khối lượng sản phẩm sản xuất ngày càng lớn, thì giáthành của cáp quang và các linh kiện hệ thống sẽ giảm dần

 Giòn, dễ gãy: sợi quang được chế tạo từ thủy tinh và thạch anh nên rất giòn

và dễ gãy Hơn nữa kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối gặp nhiều khó khăn Muốn

Trang 25

hàn nối cần có các thiết bị chuyên dụng đắt tiền, đòi hòi hỏi kỹ thuật cao và chínhxác

 Vấn đề sửa chữa: các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹthuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp

 Vấn đề an toàn lao động: Vì được chế tạo từ thủy tinh nên khi hàn nối sợiquang các mảnh cắt, vỡ rất nhỏ khó phát hiện có thể gây hại cho cơ thể người Bêncạnh đó ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại

mà mắt người không cảm nhận được nên có thể gây nguy hại cho mắt

Bảng 1 1 Bảng so sánh giữa cáp quang và cáp đồng

1.7 Ứng dụng của hệ thống thông tin quang

Cùng với sự phát triển không ngừng của thông tin viễn thông, hệ thống truyềndẫn quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới Do có nhiều

ưu điểm hơn hẳn các sợi dây kim loại mà sợi quang được sử dụng rộng rãi trongviệc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lục địa, xuyên đạidương Công nghệ ngày nay đã tạo ra kỹ thuật thông tin quang phát triển và thayđổi theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất

Đặc biệt công nghệ sợi quang đơn mode có suy hao nhỏ, điều này đã làm đơngiản việc tăng được chiều dài toàn tuyến thông tin quang Thêm vào đó khi côngnghệ thông tin quang kết hợp và khuếch đại quang ra đời làm tăng chiều dài đoạnlên gấp đôi hoặc gấp n lần Như vậy chất lượng tín hiệu thu cũng như dung lượngtruyền dẫn trên hệ thống này sẽ được cải thiện một cách đáng kể

Vị trí của sợi quang trong mạng thông tin giai đoạn hiện nay:

 Mạng đường trục xuyên quốc gia (Backbone)

Trang 26

 Mạng nội vùng (Metropolitan)

 Mạng riêng của các công ty đường sắt, điện lực,

 Đường trung kế

 Đường cáp thả biển liên quốc gia

 Đường truyền số liệu, mạng LAN

 Mạng truyền hình v.v

Các phương hướng phát triển của thông tin quang sợi là:

1 Tăng cường dung lượng và tốc độ bit truyền trên một tuyến sợiquang nhờ sử dụng các công nghệ mới ghép kênh trong miền tần sốquang như WDM, OTDM

2 Nâng cao độ nhạy của máy thu quang làm việc ở tốc độ bít cao nhờcông nghệ bộ khuếch đại quang

3 Phát triển công nghệ mạch tổ hợp quang điện OEIC và quang tíchphân

4 Hoàn thiện và đưa vào sử dụng trong thực tế kỹ thuật hệ thống thôngtin quang phi tuyến Soliton

5 Xây dựng các mạng thông tin toàn quang với các phần tử nút mạngđáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt ra

1.8 Các kỹ thuật ghép kênh quang cơ bản

1.8.1 Giới thiệu chung

Ghép kênh (Multiplex) là phương pháp ghép nhiều tín hiệu thành một nhóm

tín hiệu để cùng được xử lí, truyền dẫn bằng một thiết bị, một phương tiện nhưngkhông ảnh hưởng lẫn nhau

Ngày nay các nhu cầu dịch vụ thông tin phát triển nhanh chóng, đòi hỏi dunglượng và tốc độ truyền dẫn thông tin ngày càng cao Để thích ứng với sự tăngtrưởng không ngừng và thoả mãn yêu cầu về tính linh hoạt của sự thay đổi mạng, hệthống thông tin quang đã đưa các công nghệ ghép kênh vào sử dụng như:

 Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số quang OFDM

 Công nghệ ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM

Trang 27

 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM

Mỗi phương thức ghép kênh đều có những ưu và nhược điểm riêng Để ứngdụng trong những mạng lưới thực tế cần phải lựa chọn sau khi xem xét những yếu

tố như xu hướng về nhu cầu, cấu hình mạng lưới, độ tin cậy của phần cứng và khảnăng mở rộng trong tương lai Các phương pháp này thường được kết hợp với nhau

để tăng dung lượng hệ thống

1.8.2 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số quang OFDM

Phương pháp ghép kênh theo tần số quang OFDM (Optical Frequency Division Multiplexing) được thực hiện bằng cách chia dải tần của sóng quang thành

một số kênh thông tin riêng biệt, các kênh quang tương ứng với các tần số sóngmang khác nhau sẽ được biến đổi thành các luồng song song cùng truyền đồng thờitrên một sợi quang mà không chồng lẫn lên nhau

Hình 1 2 Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh theo tần số quang (OFDM)

Đặc tính của sợi quang là có suy hao nhỏ trong dải bước sóng từ 800 nm đến

1800 nm tương đương với dải tần 200000 GHz Tần số của sóng quang rất cao, cóthể trên 200000 GHz Vì vậy, có thể truyền dẫn trên sợi quang một số lượng lớn cáckênh ghép có tần số khác nhau, mỗi kênh có dải tần rộng Chẳng hạn, với băng

POWER

DIVIDER

LASER DETECTOROPTICAL

Sn

S2

S1Mixf1

f2

Mixfn

Trang 28

thông 200000 GHz của sợi quang có vùng tần số nằm trong dải 12500 GHz từ bướcsóng 1500 nm đến 1600 nm có độ suy hao nhỏ nhất, có thể ghép tới 1000 kênhquang tốc độ lớn hơn 1 Gb/s với khoảng cách kênh 10 GHz Khi đó, dung lượngtổng cộng trên sợi quang này sẽ lớn hơn 1 Tb/s

Tần số của các nguồn phát quang sử dụng kỹ thuật OFDM phải rất ổn định,các bộ khuyếch đại quang dải rộng phải đảm bảo khuếch đại đồng đều tất cả cáckênh Các thiết bị quang thụ động dùng để kết hợp các tín hiệu OFDM riêng rẽ cũngrất quan trọng, thường phải sử dụng các bộ lọc quang thật chính xác Phổ biến hiệnnay là các bộ lọc quang 100 kênh có thể tạo ra khoảng cách kênh từ (5 ÷ 10)GHzdựa trên hiệu ứng quang phi tuyến của các loại vật liệu bán dẫn hay các vật liệuđiện môi Dải dịch tần số quang hiện nay có thể đạt được khoảng 1000 GHz

Phương pháp ghép kênh theo tần số thường được sử dụng trong các hệ thốngthông tin tương tự (Analog)

1.8.3 Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM

Ghép kênh theo thời gian là phương pháp dùng để ghép nhiều tín hiệu khácnhau thành một nhóm tín hiệu, các tín hiệu không đồng thời được xử lí và truyềndẫn mà tại mỗi thời điểm chỉ có một tín hiệu được xử lí và truyền dẫn Do đó các tínhiệu có tần số giống nhau nhưng thời gian (pha) khác nhau nên không ảnh hưởnglẫn nhau

Trong kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM (Optical Times Division Multiplexing) tín hiệu quang trên một sợi cáp được chia sẻ với nhiều kênh

thông tin thông qua việc phân chia thời gian Trong một khoảng thời gian rất ngắngọi là khe thời gian, tín hiệu quang được điều chế lần lượt với tín hiệu từ các kênhthông tin tương ứng

Độ rộng của mỗi khe thời gian phụ thuộc vào nhiều thông số thiết kế kỹ thuậtkhác nhau, đặc biệt là tốc độ truyền dẫn cần thiết đối với mỗi liên kết Mỗi kênhtruyền dẫn được ấn định một khe thời gian cụ thể, gọi là một kênh TDM, trongkhoảng thời gian này, dữ liệu được truyền từ nguồn tới đích Dữ liệu từ các nguồnkhác không được phép truyền trong suốt thời gian này Thiết bị ghép kênh ở phíaphát chèn các gói dữ liệu từ các nguồn khác nhau vào sợi cáp trong các khe thời

Trang 29

gian tương ứng Thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ nhận dạng các khe thời gian, đưa

dữ liệu dưới dạng các dòng liên tục ra các kênh quang riêng rẽ như ở đầu vào bộghép kênh ở phía phát

Nguồn quang sử dụng trong kỹ thuật ghép kênh theo thời gian thường là cáclaser phát xung rất hẹp ở tốc độ rất cao, bước sóng làm việc thường trong vùng

1550 nm do có suy hao nhỏ nhất và phù hợp với các bộ khuếch đại quang sợi sửdụng trong hệ thống

Hình 1 3 Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh quang theo thời gian (OTDM)

Lợi ích của công nghệ TDM là tăng dung lượng truyền dẫn của một kênh cápquang đơn lên trên 10 Gb/s Các hệ thống hoạt động ở tốc độ trên đang dần dần thaythế các hệ thống TDM 2,5 Gb/s Với các tốc độ nhỏ hơn 10 Gb/s, các đặc tính chủyếu của sợi quang ít ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn, còn với các hệ thốnghoạt động ở tốc độ lớn hơn 10 Gb/s thì phải quan tâm đến những ảnh hưởng của cácđặc tính của sợi quang Mặc dù các hệ thống 40 Gb/s sẽ nhanh chóng được sử dụngrộng rãi và các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu để đạt đến tốc độ 100 Gb/s,nhưng việc tăng tốc độ hơn nữa là không dễ dàng Đó là do các hệ thống tốc độ caođòi hỏi công nghệ điện tử phức tạp và đắt tiền

Sợi quang

Tín hiệu

Nguồn

phát

Chia quang

Điều chế

Phát xung nhịp

Tách kênh

KĐ quang

Ghép quang

Trễ quangĐiều chế

KĐ quang

Trang 30

Trong hệ thống ghép kênh theo thời gian các thiết bị định thời đòi hỏi cácthành phần điện tử cao cấp để điều chế laser, ghép/tách kênh ở các tần số rất cao

Sự tán sắc xuất hiện do có sự thay đổi chỉ số khúc xạ của sợi quang theo bướcsóng Để giảm tán sắc trên đường truyền thường thực hiện truyền dẫn soliton kếthợp với các bộ khuếch đại quang Soliton là xung không tán xạ cho phép sử dụngđặc tính phi tuyến của sợi quang để loại bỏ các hiệu ứng tán xạ màu Khi truyền dẫnsoliton, khoảng lặp của hệ thống TDM tăng lên rất lớn bằng kỹ thuật điều khiểnsoliton thông qua các bộ lọc dẫn hoặc định thời tích cực Người ta đã từng thực hiệntruyền dẫn các xung soliton với tốc độ 4 Gb/s trên cự ly 136 km với sợi quangthông thường và đạt được mức tán xạ xấp xỉ 15 ps/nm.km Đây là một trong nhữngloại sợi quang có tán xạ hạn chế Sử dụng sợi quang có tán xạ dịch chuyển cho phéptăng khoảng cách truyền dẫn (hàng nghìn km)

Phương pháp ghép kênh theo thời gian thường được dùng trong các hệ thốngthông tin số (Digital)

1.8.4 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM

Hình 1 4 Nguyên lý kỹ thuật ghép kênh WDM

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Warelength Division Multiplexing) là công

nghệ ghép nhiều kênh tín hiệu có bước sóng khác nhau để truyền đi trên cùng mộtsợi quang Các bộ ghép và tách kênh được sử dụng là các thiết bị quang thụ động.Ghép kênh theo bước sóng hoàn toàn trong suốt đối với dữ liệu được truyền Vì thế,tốc độ và chuẩn dữ liệu của các kênh được ghép không cần phải giống nhau

λn

λ1,λ2, ,λn

MUX

DEMUX

Trang 31

Theo thời gian, với sự phát triển của khoa học và công nghệ, khái niệm WDMđược thay bằng khái niệm DWDM Về nguyên lý không có sự khác biệt nào giữa

hai khái niệm này Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Densen Wavelength Division Multiplexing) nói đến khoảng cách gần giữa các kênh và khả

năng ghép được nhiều bước sóng trong một băng tần hạn chế Những kênh quangtrong hệ thống DWDM thường nằm trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu ở băng Choặc băng L

Bảng 1 2 Phân chia băng tần quang

Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM 80kênh với khoảng cách kênh rất nhỏ (xấp xỉ 0,5 nm), bước sóng theo khuyến nghị

ITU-T G.692 (bảng 1.3) Để thuận tiện chúng ta dùng thuật ngữ WDM để chỉ chung

cho cả hai khái niệm WDM và DWDM

Ngoài ra còn có CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) là hệ

thống ghép kênh theo bước sóng thô, mật độ kênh thấp yêu cầu xử lí băng tầnkhông cao CWDM được phát triển nhằm đáp ứng các ứng dụng dung lượng nhỏ đểgiảm chi phí đầu tư Số kênh của CWDM nhỏ hơn hoặc bằng 18, với khoảng kênh

20 nm (tương đương khoảng 2,5 THz), dung lượng một kênh đến 10Gb, bước sóng theo khuyến nghị ITU-T G.694.2.

Bảng 1 3 Bước sóng chuẩn hóa DWDM theo khuyến nghị ITU-T G.692

Trang 32

TT Tần số trung tâm

(THz) cho khoảng

kênh 50 GHz

Tần số trung tâm (THz) cho khoảng kênh

100 GHz hoặc hơn

Bước sóng trung tâm (nm)

Trang 33

TT Tần số trung tâm

(THz) cho khoảng

kênh 50 GHz

Tần số trung tâm (THz) cho khoảng kênh

100 GHz hoặc hơn

Bước sóng trung tâm (nm)

kênh 50 GHz 100 GHz hoặc hơn

Trang 34

1.9 Kết cuối chương

Nội dung được trong chương 1 đã trình bày hai vấn đề chính:

Một là khái quát về hệ thống thông tin quang hiện nay, tìm hiểu cấu trúc tổng quát, nguyên lý làm việc cũng như các đặc điểm và ứng dụng của hệ thống này Hai là tìm hiểu các khái niệm kỹ thuật ghép kênh cơ bản được sử dụng trong

hệ thống thông tin quang đó là ghép kênh theo tần số quang OFDM, ghép kênh quang theo thời gian OTDM, và ghép kênh theo bước sóng WDM.

Để tìm hiểu rõ hơn về công nghệ ghép kênh WDM chúng ta đi tiếp vào chương 2.

Trang 35

Chương 2: Hệ thống thông tin quang WDM

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

Chương này sẽ đi tìm hiểu một hệ thống thông tin quang cụ thể đang được sửdụng rộng rãi đó là hệ thống WDM Nội dung chủ yếu của chương là xem xét cácthành phần chính trong cấu trúc của một hệ thống WDM, phân loại hệ thống, tìmhiểu nguyên lý hoạt động, các tham số cơ bản, và một vài yếu tố gây ảnh hưởng đếnchất lượng thông tin trong hệ thống này

2.1 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang (WDM)

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Warelength Division Multiplexing) là công

nghệ ghép nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau để cùng truyền đi trên một sợiquang mà không gây ảnh hưởng lẫn nhau Mỗi bước sóng ánh sáng được xem làmột kênh quang

Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bước sóng (WDM)

Ở đầu phát các tín hiệu điện mang thông tin được đưa biến đổi và điều chếvào các sóng mang quang khác nhau Sau đó, chúng được ghép lại và truyền đi trêncùng một sợi quang đến đầu thu Phía thu thực hiện quá trình tách tín hiệu quangthành các kênh quang tại các bước sóng khác nhau Mỗi kênh tín hiệu này được đưađến một máy thu riêng để khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khácnhau

Trang 36

2.2 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống WDM

Hình 2.2 mô tả cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin WDM.

`

Hình 2 2 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống WDM

Các thông tin cần truyền (hình ảnh, dữ liệu, âm thanh…) sau khi được biếnđổi thành tín hiệu điện sẽ được đưa vào các kênh quang riêng biệt, tại mỗi kênh nàycác tín hiệu điện sẽ được các thiết bị biến đổi điện-quang (E/O) chuyển thành cáctín hiệu quang và ghép với các bước sóng quang khác nhau tương ứng là λ1, λ2, , λN.

Sau đó các tín hiệu này sẽ được ghép lại với nhau bằng bộ ghép kênh bước sóngquang (OMUX) và truyền đi trên cùng một sợi quang đến phía thu Các bộ khuếchđại quang (EDFA) có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu quang bị suy giảm trên đườngtruyền dẫn Tại đầu thu, bộ giải ghép kênh quang (ODMUX) tách tín hiệu quangthành các kênh quang theo yêu cầu, sau đó đưa qua các thiết bị biến đổi quang-điện(O/E) để khôi phục lại tín hiệu điện ban đầu

2.3 Phân loại hệ thống WDM

Trên thực tế dựa vào phương thức truyền dẫn tín hiệu trên cùng một sợiquang người ta chia hệ thống WDM thành 2 loại: hệ thống truyền dẫn ghép bướcsóng quang đơn hướng và hệ thống truyền dẫn ghép bước sóng quang song hướng

ODMUX

Rx1Rx2

Trang 37

2.3.1 Hệ thống WDM đơn hướng

Hệ thống truyền dẫn ghép bước sóng quang đơn hướng là hệ thống mà tínhiệu được ghép tại một đầu và tách tại đầu kia, tín hiệu được truyền trên cùng một

sợi quang theo một hướng (hình 2.3).

Hình 2 3 Sơ đồ khối hệ thống WDM đơn hướng

2.3.2 Hệ thống WDM song hướng

Hệ thống truyền dẫn ghép bước sóng quang song hướng là hệ thống mà trên

cùng một sợi quang tín hiệu được truyền theo hai hướng ngược nhau (hình 2.4).

Hình 2 4 Sơ đồ hệ thống WDM song hướng

Trong hệ thống truyền dẫn song hướng, n kênh quang có bước sóng λ1, λ2,

…,λn được ghép lại và truyền đi theo một hướng, n kênh quang khác có bước sóng

λn+1, λn+2,…,λ2n được ghép lại và truyền đi theo hướng ngược lại trên cùng sợiquang Phương pháp này yêu cầu rất nghiêm ngặt về độ rộng phổ của từng kênh vàchất lượng của bộ tách kênh

n

λ λ

Trang 38

2.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM

Hệ thống truyền tin WDM bao gồm các thành phần chính được chỉ ra như

trong hình 2.2, đó là: Bộ phát quang, bộ thu quang, các bộ ghép/tách kênh quang,

bộ khuếch đại tín hiệu quang, các bộ xen rẽ tín hiệu, chuyển mạch và sợi quang…

2.4.1 Bộ phát quang

Bộ phát quang có vai trò biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang Linhkiện chính để thực hiện quá trình chuyển đổi đó là các thiết bị biến đổi điện-quang(E/O), trong thông tin quang thường dùng đó là các điốt phát quang (LED) và cáclaser bán dẫn (LD) bởi những ưu điểm của nó như: kích thước nhỏ, hiệu suấtchuyển đổi điện quang rất cao, có vùng bước sóng phát quang thích hợp với sợiquang và có thể điều biến trực tiếp bằng dòng bơm với tần số khá cao

Trong hệ thống WDM nhất là hệ thống ghép bước sóng có mật độ caoDWDM chủ yếu sử dụng những laser đơn mode tạo ra một mode dọc chính Laserđơn mode có nhiều loại, điển hình là laser hồi tiếp phân tán (DFB) và laser phản xạBragg phân tán (DBR)

2.4.1.1 Yêu cầu đối với nguồn quang sử dụng trong hệ thống WDM

- Độ chính xác của bước sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho

một hệ thống WDM hoạt động tốt Nói chung, bước sóng đầu ra luôn bị dao động

do các yếu tố khác nhau như nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện Ngoài

ra, để tránh xuyên nhiễu cũng như tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách đúngbước sóng thì nhất thiết độ ổn định tần số phía phát phải thật cao

- Độ rộng đường phổ hẹp: Độ rộng đường phổ được định nghĩa là độ

rộng phổ của nguồn quang tính cho bước cắt 3 dB Để có thể tăng nhiều kênh trênmột dải tần cho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộngđường phổ càng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận (ICI) xảy rakhiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lượng Muốn đạt được điều nàythì nguồn phát laser phải là nguồn đơn mode (như các loại laser hồi tiếp phân bố,laser hai khoang cộng hưởng, laser phản hồi phân bố)

Trang 39

- Dòng ngưỡng thấp: Đối với laser, phát xạ kích thích không thể bắt đầu

cho đến khi dòng định thiên cao hơn giá trị dòng ngưỡng Ith, công suất đầu ra tỉ lệvới (I - Ith) với I là dòng định thiên Do đó, dòng ngưỡng thấp hơn cho phép dòngđịnh thiên nhỏ hơn đối với cùng một công suất đầu ra Nhưng quan trọng hơn là nếudòng ngưỡng thấp sẽ đảm bảo công suất nền thấp Điều này làm giảm bớt vấn đềlãng phí công suất trong việc kích thích laser cũng như giảm bớt được công suất nềnkhông mang tin và tránh cho máy thu chịu ảnh hưởng của nhiễu nền (phát sinh do

có công suất nền lớn) Nếu công suất nền gửi trên đường truyền quá lớn sẽ không cólợi cho hệ thống, vì như đã biết công suất quang truyền dẫn trên sợi (tổng công suấtcủa các bước sóng ghép) càng lớn thì ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyếncàng lớn, sẽ ảnh hưởng xấu tới chất lượng hệ thống

- Khả năng điều chỉnh được bước sóng: Để tận dụng toàn bộ băng

tần sợi quang, nguồn quang phải có thể phát trên cả dải 100 nm Hơn nữa, với hệthống lựa kênh động càng cần khả năng có thể điều chỉnh được bước 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 nhiễugiữa 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 được mức BERthấp trong truyền thông số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt

Trên cơ sở các yêu cầu nói trên, người ta tiến hành nghiên cứu, triển khaithực nghiệm và đưa vào ứng dụng các loại nguồn quang mà có thể đáp ứng đượcphần nào hoặc toàn bộ các yêu cấu khắt khe đó

2.4.1.2 Điốt phát quang LED (Light Emitted Diode)

Đây là một loại nguồn phát quang phù hợp cho các hệ thống thông tin quang

có tốc độ bít không quá 200 Mb/s sử dụng sợi dẫn quang đa mode Tuy nhiên hiệnnay trong phòng thí nghiệm người ta có thể sử dụng cả ở tốc độ bít tới 556 Mb/s do

có sự cải tiến công nghệ cao Ánh sáng do LED tạo ra là ánh sáng tự nhiên, ánhsáng không đồng pha nên hiệu quả đưa ánh sáng vào nguồn quang thấp

a) Nguyên lý làm việc của LED:

Trang 40

LED là thiết bị bán dẫn làm việc dựa vào hiệu ứng phát sáng khi có hiệntượng tái hợp các điện tử và lỗ trống ở vùng tiếp giáp p-n Do vậy, LED sẽ phátsáng nếu được phân cực thuận Khi được phân cực thuận các hạt mang đa số sẽkhuếch tán ồ ạt qua tiếp giáp p-n: điện tử khuếch tán từ phía n sang phía p và ngượclại, lỗ trống khuếch tán từ phía p sang phía n, chúng gặp nhau và tái hợp phát sinhánh sáng

Để một chất bán dẫn phát sáng thì sự cân bằng nhiệt phải bị phá vỡ Tốc độtái hợp trong qúa trình tái hợp có bức xạ tỉ lệ với nồng độ điện tử trong phần bándẫn p và nồng độ lỗ trống trong bán dẫn n Đây là các hạt dẫn thiểu số trong chấtbán dẫn Để tăng tốc độ tái hợp – tức là tăng số photon bức xạ ra – thì cần phải giatăng nồng độ hạt dẫn thiểu số trong các phần bán dẫn Nồng độ hạt dẫn thiểu sốđược bơm vào các phần bán dẫn tỷ lệ với cường độ dòng điện của LED, do đócường độ phát quang của LED tỷ lệ với cường độ dòng điện qua điốt

b) Đặc tính kĩ thuật của LED:

 Dòng điện hoạt động tiêu biểu từ 50 mA đến 300 mA, điện áp sụttrên LED từ 1,5 V đến 2,5 V

 Công suất phát của LED khoảng (1 ÷ 3) mW Đối với loại phát sángcao (High - Radinnce) công suất phát có thể lên đến 10 mW

 Công suất ánh sáng do nguồn quang phát ra cực đại ở trục phátquang và giảm dần theo góc hợp với trục Góc phát quang được xácđịnh ở mức công suất phát quang giảm một nửa (3 dB) so với mứccực đại

 Thông thường LED có độ rộng phổ trong khoảng (35 ÷ 100) nm (Độ rộng phổ là khoảng bước sóng mà trong đó công suất quang không nhỏ hơn phân nửa mức công suất đỉnh).

 Bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, khi nhiệt độ môi trường tăng thì côngsuất phát giảm Tuy nhiên độ ảnh hưởng không cao

2.4.1.3 Laser điốt LD (Laser Diode)

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là một cấu trúc quang học để tạo ra và khuếch đại ánh sáng đơn sắc có

Định dạng
Số trang	127
Dung lượng	2,71 MB