tìm hiểu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng công nghệ DWDM

Mỗi nguồn quang có bước sóng riêng.Các tín hiệu sử dụng bước sóng khác nhau sẽ được ghép vào chung và đượcghép với nhau nhờ bộ ghép kênh MUX: multiplex ở bên phát.. Máy phát quangMáy phá

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian cho phép và năng lực bản thân có hạn, Đề tài không tránhkhỏi những thiếu sót nhất định Em kính mong nhận được ý kiến đóng góp vàxây dựng của thầy cô giáo và các bạn để nội dung đề tài của em được hoànchỉnh hơn

Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo ThS.TrươngThanh Bình – người đã hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện để em học tập, nghiêncứu hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong khoa Điện –Điện tử , Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã tận tình truyền đạt những kiếnthức quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em trong quá trình họctập nghiên cứu, quá trình hoàn thành đồ án

Cuối cùng , em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn độngviên, ủng hộ và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ ánnày

Em xin chân thành cảm ơn !

Hải Phòng, ngày tháng 06 năm 2016

Sinh viên

Mai Hữu Minh Vương

1

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất

cứ đồ án luận văn đã có từ trước.Các nội dung, dữ liệu tham khảo đều đã đượctrích đẫn đầy đủ

Người cam đoan Mai Hữu Minh Vương

2

MỤC LỤC

3

DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

DCU Dispersion Compensate Unit Khối bù tán sắc

biến đổiISI InterSymbol Interference Giao thoa giữa các ký tự

gần nhau

Telecommunication Union

Ủy ban viễn thông quốc tế

NZ-DSF Non-zero Dispersion-Shift

Fiber

Sợi dịch tán sắc không trở

về 0

OFDM Optical Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh quang theo tần

số

OLT Optical Line Terminator Thiết bị đầu cuối quang

OSC Optical Supervise Channel Kênh giám sát

OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

quangOTDM Optical Time Division

Multiplexing

Ghép kênh quang theo thời gian

OTU Optical Transponder Unit Khối phát đáp quang

PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

Amplifier

Khuếch đại quang bán dẫn

SONET Synchronous Optical

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Độ rộng phổ của kênh

Bảng 2.1: So sánh giữa các cấu trúc cho OADM

Bảng 2.2: So sánh giữa các cấu hình OXC

Bảng 3.1: Các tham số để tính toán thiết kế cấu hình tuyến 10Gbps

6

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng

Hình 1.2: Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX)

Hình 1.3: Hệ thống ghép bước sóng quang đơn hướng

Hình 1.4: Hệ thống ghép bước sóng quang song hướng

Hình 1.5: Sự phân chia dải bước sóng làm việc tại cửa sổ 1550 nm

Hình 2.1: Nguyên lý của bộ thu phát quang OTU

Hình 2.2: Vị trí của bộ chuyển đổi bước sóng OTU trong hệ thống

Hình 2.3: Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc

Hình 2.4: Bộ tách 2 kênh dùng thấu kính phẳng và bộ lọc

Hình 2.5: Bộ tách 2 kênh dùng bộ lọc và lăng kính Grin

Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của bộ lọc nhiều bước sóng

Hình 2.7 Bộ tách Littrow: a) Bộ tách bước sóng dùng thấu kính hội tụ, b) Bộ tách bước sóng dùng thấu kính Grin

Hình 2.8: a) Phương pháp ghép xoắn sợi; b) Phương pháp mài ghép sợiHình 2.9 : Cấu trúc của một trạm lặp quang điện

Hình 2.10: Giản đồ năng lượng của Erbium

Hình 2.11: Cấu trúc một EDFA đơn tầng

Hình 2.12: Vai trò của OADM trong mạng

Hình 2.13: Các kiến trúc khác nhau cho OADM

Hình 2.14: Sơ đồ tán sắc khi sử dụng khối bù tán sắc

Hình 2.15: OXC với ma trận chuyển mạch NxN

Hình 2.16 Bộ kết nối chéo chuyển mạch không gian

Hình 2.17 Các kiểu triển khai OXC khác nhau

Hình 3.1: Cấu hình một hệ thống thông tin quang tiêu biểu

Hình 3.2:Kiểu bảo vệ 1+1 trên lớp SDH

Hình 3.3: Kiểu bảo vệ 1: N trong hệ thống DWDM

7

LỜI NÓI ĐẦU

• Tính cấp thiết của đề tài:

Hiện nay sự phát triển của các dịch vụ thông tin, đặc biệt là của Word

Wide Web và Internet, điều này đòi hỏi dung lượng mạng lớn Trong khi đómạng hiện tại khó đáp ứng đươc Chính vì thế yêu cầu cần có một mạngtruyền dẫn dung lượng lớn Công nghệ DWDM(Dense Wavelenght DivisionMultiplexing)-ghép kênh theo bước sóng quang dày đặc ra đời Đây là giảipháp hiệu quả tận dụng băng thông của sợi quang tốt hơn,giúp nâng dunglượng của hệ thống lên đến hàng trăm Gbps đồng thời giảm giá thành cho sảnphẩm

• Kết cấu của đề tài:

Chương 1 Công nghệ DWDM

Chương này tìm hiểu sơ lược về nguyên lý ghép bước sóng quang,các tham số

cơ bản cũng như ưu điểm và hạn chế của hệ thống DWDM

Chương 2 Các thành phần cơ bản của mạng DWDM

Chương này trình bày các thành phần cơ bản được sử dụng trong mạng DWDM

Chương 3.Các yếu tố ảnh hưởng đến yêu cầu kỹ thuật của mạng DWDM

Chương này trình bày các yếu tố ảnh hưởng đến mạng DWDM và một số cơ chếbảo vệ trong mạng DWDM

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ DWDM

1.1 Kỹ thuật ghép bước sóng quang

Ghép kênh quang ra đời nhằm mục đích tận dụng tốt hơn băng tần của sợi

8

quang, tăng dung lượng kênh, xây dựng các tuyến truyền dẫn tốc độ cao mà các

hệ thống ghép kênh điện không đáp ứng được Các kỹ thuật ghép kênh quang cơbản được sử dụng là: Ghép kênh quang theo bước sóng (WDM- WavelenghtDivision Multiplexing); ghép kênh quang theo thời gian (OTDM- Optical TimeDivision Multiplexing) và ghép kênh quang theo tần số (OFDM- OpticalFrequency Division Multiplexing)

Công nghệ WDM sau này được gọi là DWDM (Dense WavelenghtDivision Multiplexing) Bước sóng được sử dụng trong DWDM nằm trongkhoảng 1550nm DWDM cho phép chế tạo phần tử và hệ thống với 80 kênh vàkhoảng cách rất nhỏ 0,5nm

1.2 Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang.

Nguyên lý cơ bản được mô tả như hình 1.1

Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng

Hệ thống WDM là một hệ thống ghép m bước sóng 1….m , phía phát sửdụng nguồn quang bằng LD hoặc LED Mỗi nguồn quang có bước sóng riêng.Các tín hiệu sử dụng bước sóng khác nhau sẽ được ghép vào chung và đượcghép với nhau nhờ bộ ghép kênh (MUX: multiplex) ở bên phát MUX cần cósuy hao nhỏ,các tín hiệu sau bộ MUX sẽ truyền dọc theo sợi Ở phía thu sử dụngcác bộ DEMUX:Demultiplex(tách sóng quang) thu lại các luồng tín hiệu này rồitách riêng rẽ từng bước sóng Mỗi bước sóng được đưa vào một diode táchquang để tách luồng tín hiệu.Có 3 loại thiết bị ghép quang: Bộ giải ghép,bộghép và bộ giải ghép hỗn hợp

9

Máy phát quang

Máy phát quangMáy thu quang

Máy thu quang

Bộ ghép kênh

Bộ tách kênh

Bộ khuếch đại sợi quang

Bộ khuếch đại sợi quang

1 n

Máy phát quang

Máy phát quangMáy thu quang

Máy thu quang

1 n

1 2…n

n

Hình 1.2: Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX)

Các phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang WDM

+ Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang đơn hướng

Là tất cả các kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo một chiều, ởđầu phát mang các tín hiệu có bước sóng khác nhau đã được điều chế λ1,λ2,…,λn

thông qua các bộ ghép kênh đã tổ hợp lại với nhau và truyền dẫn một chiều trênmột sợi quang Ở đầu thu, sử dụng các bộ tách kênh có nguyên lý ngược lại phíaphát

Hình 1.3: Hệ thống ghép bước sóng quang đơn hướng

+ Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang song hướng:

Nghĩa là có thể phát thông tin theo một hướng theo bước sóng λ1 và đồngthời cũng phát thông tin theo hướng ngược lại tại bước sóng λ2 Bên phát, đòihỏi các bộ ghép kênh có suy hao nhỏ Bên thu, đòi hỏi độ nhạy của các bộ táchsóng với các bước sóng trong dải sóng quang

10

Hình 1.4: Hệ thống ghép bước sóng quang song hướng.

Ta xét đến những ưu, nhược điểm của hai hệ thống này : Giả sử trên một sợiquang chỉ cho phép truyền M bước sóng, so sánh giữa hai công nghệ này ta cónhững nhận xét sau:

• Dung lượng : Hệ thống song hướng có dung lượng thấp hơn hệ thốngđơn hướng cỡ 1/2

• Trường hợp đứt cáp : Hệ thống song hướng có khả năng nhận diệnđược sự cố tức thời mà không cần cơ chế chuyển mạch tự động APS(AutomaticProtection-Switching)

• Về thiết kế mạng: hệ thống đơn hướng dễ thiết kế hơn Ở hệ thốngsong hướng các bộ khuếch đại thường phúc tạp hơn

Các tham số cơ bản của ghép kênh quang theo bước sóng để miêu tả đặc tínhcác bộ ghép tách hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh

• Suy hao xen:

Là suy hao về công suất tại điểm ghép nối sợi và thiết bị WDM cũng nhưgiữa các thiết bị ghép Chính vì vậy trên thực tế thiết kế người ta phải tính chovài dB ở mỗi đầu Công thức suy hao được mô tả như sau:

Trong đó Li là suy hao tại bước sóng khi thiết bị được ghép xen vào tuyếntruyền dẫn Các tham số này được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênhquang của thiết bị

- Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng đi vào và đi ra cửathứ i của bộ ghép

- Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng đi vào và đi ra cửathứ i của bộ tách

11

1460nm 1530nm 1565nm 1625nm

Short Band 460-1530nm

Conventional Band 1530-1565nm

Long Band 1565-1625nm

1.3 Các tham số chính trong DWDM

1.3.1 Dải bước sóng làm việc

Sợi quang thạch anh có 3 cửa sổ suy hao thấp 860 nm, 1310 nm và 1550

nm, trong đó tại cửa sổ 1550 nm đặc tính suy hao của sợi quang là nhỏ nhất, cửa

sổ này được áp dụng để truyền dẫn tín hiệu SDH với khoảng cách ngắn và dài.Bên cạnh đó các bộ khuếch đại quang EDFA sử dụng hiện nay có đặc tính độ lợikhá bằng phẳng trong cửa sổ này, bởi vậy đây là cửa sổ hoạt động rất tốt của hệ

thống DWDM Các bước sóng làm việc trong cửa sổ 1550nm được chia thành 3

dải: băng S, băng C và băng L

12

Hình 1.5: Sự phân chia dải bước sóng làm việc tại cửa sổ 1550 nm

Số kênh bước sóng sử dụng phụ thuộc các yếu tố như:

• Khả năng của công nghệ đối với các thành phần quang như:

+ Khả năng băng tần của sợi quang

+ Khả năng tách/ghép các kênh bước sóng

• Khoảng cách giữa các kênh gồm các yếu tố sau:

“+ Tốc độ truyền dẫn của từng kênh

+ Quỹ công suất quang

+ Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến

+ Độ rộng phổ của nguồn phát

+ Khả năng tách/ghép của hệ thống DWDM.”(2)Gọi ∆λ là khoảng cách giữa các kênh bước sóng thì tương ứng thì:

Như vậy, tại bước sóng λ = 1550 nm, với ∆λ = 35 nm thì ∆f = 4,37.1012Hz Nếumỗi kênh có tốc độ truyền bước sóng là 2.5Gbps thì theo định nghĩa Nyquist,

13

khi đó phổ cơ sở của tín hiệu là 2 x 2,5 = 5Gbps thì N = ∆f /5 = 874 kênh trongdải băng tần khuếch đại quang (với N là số kênh bước sóng lớn nhất có thể có).

Với khả năng đáp ứng công nghệ hiện tại ITU - T đưa ra quy định vềkhoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 GHz (0,8 nm) hoặc 50 GHz (0,4nm) với chuẩn tần số là 193,1 THz DWDM chủ yếu sử dụng dải băng tần C(1530 - 1560)nm và băng L (1560 - 1600)nm

1.3.3 Độ rộng phổ nguồn phát.

Để các kênh bước sóng có thể độc lập hoạt động cần phải chọn độ rộngphổ phát thích hợp, tức là tránh chồng phổ giữa các kênh gần kề với nhau ở bênthu

Về bản chất, việc ghép các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang

là dựa trên nguyên tắc ghép kênh theo tần số Khoảng cách giữa các bước sóng

sẽ dựa vào đặc tính phổ của nguồn phát và các ảnh hưởng khác nhau trên đườngtruyền như hiệu ứng phi tuyến, tán sắc sợi…

Mối quan hệ giữa phổ công suất phía thu với phổ công suất nguồn phátđược thể hiện bởi tham số đặc trưng cho giãn phổ, kí hiệu ∆ , băng tần tín hiệu B

và bù tán sắc D Nếu gọi ε là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát

và sợi quang, khi đó:

ε = D.B.∆RMS

Trong đó:D là độ tán sắc tương ứng khoảng cách truyền dẫn

∆RMSlà độ giãn rộng phổ

B là độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn

1.3.4 Qũy công suất.

Để duy trì công suất đến máy thu thì yếu tố quan trọng cần tính đến là quỹcông suất

Suy hao công suất trên toàn tuyến bao gồm: suy hao trên sợi dẫn quang,trên các bộ nối quang và tại các mối hàn Tổng suy hao trên toàn tuyến nhậnđược từ các phân bổ suy hao liên tiếp của từng phần tử trên tuyến Suy hao củatừng phần tử được tính:

14

Trong đó: P1, P2 là các công suất quang đầu vào và đầu ra của phần tử.Ngoài các suy hao do các phần tử trên tuyến quang gây ra như đã nêu ởtrên, ta còn phải có một lượng công suất quang dự phòng cho tuổi thọ của cácthành phần, sự thay đổi nhiệt độ và các suy hao tăng lên ở các thành phần

Nếu gọi PS là công suất quang của nguồn phát được đưa vào đầu ghép sợi và PR

là độ nhạy của bộ thu quang thì:

PT = PS - PR= 2lC + αf.L + dự phòng hệ thống

Trong đó: lC là suy hao bộ nối quang

αf là suy hao sợi

L là cự li truyền dẫn

Ở đây, suy hao do mối hàn lSP được gán vào trong suy hao sợi để đơn giản phéptính

1.3.5 Vấn đề ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến

Sợi quang có tính truyền dẫn tuyến tính nếu công suất quang nhỏ Nếu sửdụng EDFA thì công suất quang tăng đến một mức nhất định sẽ có đặc tính phituyến, làm ảnh hưởng đến bộ khuếch đại EDFA và khoảng cách truyền dẫn xakhi không có chuyển tiếp

Nhìn chung, có thể chia hiệu ứng phi tuyến thành 2 loại:

Hiệu ứng tán xạ: bao gồm tán xạ do kích thích Raman (SRS) và tán xạ dokích thích Brillouin (SBS)

Hiệu ứng liên quan đến chiết suất phụ thuộc vào công suất quang: bao gồm hiệu ứng tự điều chế pha (SPM), điều chế pha chéo(XPM) và trộn bốn bước sóng (FWM)

1.4 Các ưu điểm của hệ thống DWDM

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống DWDM có những

ưu điểm nổi trội:

- Tận dụng được phần lớn băng thông của sợi quang, tạo ra được dunglượng truyền dẫn lớn Công nghệ DWDM cho phép sử dụng toàn bộ tài nguyên

15

băng thông rất lớn của sợi quang (khoảng 25THz) để nâng cao dung lượngtruyền dẫn của hệ thống.

- Khoảng cách truyền dẫn xa bằng cách sử dụng công nghệ khuếch đạiquang sợi EDFA

- Cho phép truy nhập nhiều loại hình dịch vụ: các bước sóng trong hệthống DWDM độc lập nhau, do đó có khả năng truyền nhiều loại hình dịch

vụ trên cùng một cáp sợi quang như: SDH, GE hay ATM…

- Hạn chế được số sợi quang cần sử dụng: hệ thống DWDM ghép nhiềubước sóng trên một sợi quang nên tiết kiệm được rất nhiều cáp quang, từ

đó có thể giảm được cho phí xây dựng đường dây

- Khả năng nâng cấp và mở rộng dễ dàng, đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dunglượng hệ thống Việc nâng cấp dung lượng đơn giản là cắm thêm card mới trongkhi hệ thống vẫn hoạt động

- Quản lý băng tần và cấu hình mềm dẻo, linh hoạt

- Ngoài ra còn ứng dụng để truyền nhiều chương trình truyền hình chất lượngcao, cự ly dài

• Bên cạnh những ưu điểm trên, hệ thống WDM còn có những hạn chế:

• Chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang ( chỉ mới tậndụng được băng C và băng L)

• Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạtđộng

CHƯƠNG 2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MẠNG DWDM

2.1 Cấu trúc truyền dẫn cơ bản của mạng DWDM và khối phát quang

2.1.1 Cấu trúc truyền dẫn cơ bản của mạng DWDM

Cấu trúc cơ bản của hệ thống DWDM gồm các thành phần chính sau:

• Khối phát đáp quang OTU

• Khối tách/ ghép kênh quang MUX/DEMUX

• Khối khuếch đại quang sợi EDFA

• Khối xen/rẽ kênh quang OADM

16

O/E Tái tạo dạng tín hiệu,

G.692Tín hiệu quang đầu raTín hiệu quang đầu vào

G.957

OTUT

OTUT

O M O X

• Khối kết nối chéo quang OXC

• Khối đường truyền

2.1.2 Khối phát đáp quang.

OTU (Optical Transponder Unit) là thiết bị được sử dụng để thực hiện sửadạng tín hiệu OTU thực hiện việc chuyển đổi quang - điện với các tín hiệuquang đưa vào ghép kênh theo khuyến nghị G.957 của ITU-T và thực hiện táitạo tín hiệu, khôi phục định thời và khôi phục dữ liệu đối với các tín hiệu quang

đã được chuyển đổi thành điện Sau đó thực hiện chuyển đổi điện - quang đểđưa ra tín hiệu kênh quang DWDM mà có bước sóng, độ tán sắc và công suấtphát quang theo chuẩn G.692

Hình 2.1: Nguyên lý của bộ thu phát quang OTU

Phân loại và ứng dụng:

Phụ thuộc vào vị trí của OTU trong mạng DWDM mà OTU có thể đượcchia làm 3 loại: OTUT (OTU Transmitter), OTUR (OTU Receiver) và OTUG(OTU Generrator)

Ứng dụng của chúng trong hệ thống như hình vẽ:

Hình 2.2: Vị trí của bộ chuyển đổi bước sóng OTU trong hệ thống

“OTUT (OTU ở đầu phát): đặt giữa các thiết bị của khách hàng vàOMUX Thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang từ phía khách hàng thành tín hiệu

17

quang đầu ra theo chuẩn G.692 rồi đưa vào OMUX Loại OTU này không chỉthực hiện chức năng chuyển đổi O/E và E/O mà còn thực hiện việc tái tạo dạngtín hiệu, khôi phục định thời (chức năng 2R) và có chức năng tìm byte B1 (bytegiám sát lỗi bit từng đoạn lặp).”[2]vãi

OTUR (OTU ở đầu thu): đặt giữa ODMUX và các thiết bị của kháchhàng Tín hiệu quang đầu ra từ ODMUX đến OTUR phải tuân theo chuẩnG.692 Loại OTU này có chức năng giống như OTUT, nó thực hiện sửa dạng tínhiệu, chức năng 2R và tìm kiếm byte B1

OTUG (OTU chuyển tiếp): đặt giữa OMUX và ODMUX Tín hiệu đầuvào và đầu ra của OTUG phải tuân theo chuẩn G.692 OTU loại này không chỉ

có chức năng chuyển đổi O/E, E/O mà còn có chức năng tái tạo lại dạng tín hiệu,khôi phục định thời và chức năng khôi phục dữ liệu (chức năng 3R)

2.2 Bộ tách/ghép kênh quang.

Giả sử các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ1, λ2,

…λn Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùngmột sợi quang ở phía phát Bộ ghép kênh theo bước song (OMUX) phải đảmbảo có độ suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi được ghép sẽ được truyền dọc theo sợi

để tới phía thu Tới bên thu, qua bộ giải ghép kênh (ODMUX), tín hiệu sẽ đượctách ra thành các bước sóng riêng rẽ và đến các bộ thu thích hợp

Có 3 loại WDM chính thức được sử dụng đó là:

• Sử dụng bộ lọc điện môi màng mỏng (Dielectric thin film filters - DTF)dùng để lọc các bước sóng riêng biệt trong dải bước sóng cụ thể cũngnhư dễ dàng thích ứng trong việc truyền dẫn một chiều hoặc hai chiều

• Sử dụng cách tử nhiễu xạ dùng để ghép và tách nhiều tín hiệu trong cùngmột cửa sổ

• Ghép định hướng theo phương pháp hàn sợi

2.2.1 Phương pháp ghép kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng

Bộ lọc điện môi sử dụng trong ghép kênh quang hoạt động dựa trênnguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ này và cho phần phổ còn lại đi qua

18

Bộ lọc

1

2,….,n1,2,….,n

Phần tử cơ bản để thực hiện ghép kênh theo bước sóng là bộ lọc điện môi giaothoa, có cấu trúc đa lớp gồm các màng mỏng có chỉ số chiết suất cao và thấp đặtxen kẽ nhau

Nguyên lý hoạt động của nó như sau: Khi chùm tia sáng chạm vào thiết

bị, các hiện tượng giao thoa sẽ tạo ra những phản xạ nhiều lần trong khoangcộng hưởng Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên lần của nửa bước sóng ánhsáng thì giao thoa xếp chồng xảy ra và công suất quang của bước sóng đạt giá trịcực đại Các tia ánh sáng của các bước sóng khác với bước sóng cộng hưởngphản xạ trọn vẹn, chỉ có một bước sóng đi qua bộ lọc Gương phản xạ là các lớpthủy tinh nằm trên lớp đệm trong suốt

Hình 2.3: Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc

Theo đặc tính phổ thì thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành:

Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao có bước sóng cắt c

Bộ lọc thông dải có bước sóng trung tâm λ0 và độ rộng dải λ

Các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao thường sử dụng để ghép hoặc tách 2 bướcsóng khác nhau, chẳng hạn 850 nm và 1310 nm hoặc 1310 nm và1550 nm Loại

bộ lọc như vậy thích hợp cho nguồn quang có dải phổ rộng (LED) Bộ lọc thôngdải được sử dụng trong WDM khi nguồn quang có phổ hẹp (LD) Đối với bộ lọcthông dải có một vài yêu cầu, đó là độ dốc sườn đường cong hàm truyền đạtphải đủ lớn để tránh xuyên âm giữa các kênh kề nhau, mặt khác độ rộng giải ∆λ

19

Thấu kính

Kính lọcSợi quang

1, 2 2

1

Lăng kính Grin (1/4 P)

1 2

1, 2

Bộ lọc

có dung sai cho phép để đề phòng dịch bước sóng trung tâm của nguồn quang

do nhiệt độ thay đổi

2.2.2 Một số thiết bị tách kênh dùng bộ lọc điện môi màng mỏng

• Bộ tách 2 bước sóng:

Thiết bị ghép và thiết bị tách bước sóng có cấu trúc thuận - nghịch, nghĩa là giữa

bộ ghép và bộ tách chỉ thay đổi cổng vào và cổng ra

Hình 2.4: Bộ tách 2 kênh dùng thấu kính phẳng và bộ lọc

Hình 2.5: Bộ tách 2 kênh dùng bộ lọc và lăng kính Grin

Cấu trúc cơ bản của bộ giải ghép 2 kênh như ở hình 2.4, trong khi đó việcthực hiện trên thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như ở hình 2.5 Các phần tửchuẩn trực và hội tụ là các lăng kính Grin - rod 1/4 bước Bộ lọc được thiết kế

để phát đi λ1 và phản xạ λ2 sẽ được đặt giữa 2 lăng kính

• Bộ tách lớn hơn hai bước sóng:

Thiết bị này sử dụng các bộ lọc nối tiếp nhau và mỗi bộ lọc cho đi qua một bướcsóng và phản xạ các bước sóng còn lại

20

1, 2,….,n

Bộ lọc (1)

12

4

3

Cách tửCách tửLăng kính Grin

Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của bộ lọc nhiều bước sóng

2.2.3 Phương pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ

Cách tử nhiễu xạ là một thiết bị quang thụ động, nhiễu xạ chùm sáng tớitheo các hướng khác nhau tùy theo góc tới của chùm sáng trên bề mặt cách tử,bước sóng của ánh sáng tới, các đặc tính thiết kế của cách tử, khoảng cách giữacác rãnh (chu kỳ cách tử), góc của rãnh cách tử Φ Trên 1 mm của cách tử cóhàng chục hay hàng ngàn rãnh nhỏ, số rãnh trên một đơn vị chiều dài của cách

tử được gọi là hằng số cách tử

Các bộ tách ghép bước sóng sử dụng cách tử

Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc tách kênh sử dụng cách tử gồm 3 phầnchính: các phần tử vào và ra (là mảng sợi hoặc một sợi truyền dẫn với các thànhphần thu - phát), phần tử hội tụ quang, phần tử tán sắc góc

21

Hình 2.7 Bộ tách Littrow: a) Bộ tách bước sóng dùng thấu kính hội

tụ, b) Bộ tách bước sóng dùng thấu kính Grin

Hình 2.7 a,b là bộ tách Littrow với cấu trúc cơ bản và cấu trúc thực tế sửdụng thấu kính Grin của bộ tách 2 kênh Trong cấu hình này, cả tín hiệu ánhsáng đi vào và ánh sáng đi ra khỏi bộ ghép chỉ sử dụng một thấu kính, dùng thấukính chuẩn trực hoặc thấu kính Grin

2.2.4 Phương pháp ghép sợi

Để giảm thiểu suy hao ở sợi đơn mode người ta sử dụng thiết bị DWDMghép sợi Nguyên lý : Công suất quang sẽ chuyển từ một sợi vào các sợi kháckhi các lõi quang được đặt gần kề nhau

DWDM ghép sợi có 2 dạng là: giữa vị trí tiếp xúc được mài ghép hoặc các sợi gần nhau được nung nóng chảy

• Phương pháp ghép xoắn sợi

Làm thay đổi các đặc tính của sợi bằng cách thay đổi hình dạng,kích cỡ cũngnhư độ dài vùng ghép, bằng việc thay đổi nhiệt độ của vùng được đốt nóng đểbện các sợi với nhau

• Phương pháp mài ghép sợi

Hai sợi quang được đặt trong hai rãnh cong nằm trong hai khối thạch anh,mài cho các lõi sợi này gần lộ ra và được đặt ghép với nhau qua một lớp đầu hayepoxy Hệ số ghép nối có thể đạt đến giá trị tùy ý bằng cách thay đổi khoảngcách giữa hai sợi hay sử dụng các vật liệu có chiết suất khác nhau giữa hai khối

Cả 2 phương pháp này có nhưng ưu điểm khác nhau.Phương pháp ghépsoắn sợi bằng nung chảy có chi phí thấp,còn phương pháp mài ghép sợi là điềuhướng khi thay đổi vị trí của 2 sợi

22

Bộ thu quang

Bộ khuếch đạiBộ phát quang

Hình 2.8: a) Phương pháp ghép xoắn sợi; b) Phương pháp mài ghép sợi

Nhược điểm của phương pháp ghép xoắn,mài sợi

Trên thực tế băng thông của các bộ ghép bước sóng dùng phương phápghép sợi có đặc tính gần như hình sin Dẫn tới việc lựa chọn bước sóng gặp khókhăn Chính vì thế nguồn LED không sử dụng được do nguồn LED có phổ lớn.Nguồn được chọn trong phương pháp này là ngườn Laser do có phổ hẹp

2.3 Bộ khuếch đại quang sử dụng công nghệ EDFA

2.3.1 Tổng quan về bộ khếch đại quang và công nghệ EDFA

Cự ly truyền quang phụ thuộc vào suy hao sợi quang Khi truyền quangvới cự ly xa người ta dùng các trạm lặp quang (optoelectronic repeater) Đầutiên, tín hiệu quang sẽ chuyển thành tín hiệu điện bởi bộ thu quang (opticalreciver) sử dụng linh kiện tách sóng như PIN, APD Dòng quang điện thu được

sẽ tái tạo tín hiệu dạng xung, định thời và được khuếch đại bởi các mạch phụchồi tính hiệu và mạch khuếch đại.Thông qua nguồn quang trong bộ phát quang(optical transmitter) tín hiệu điện sẽ biến đổi thành tín hiệu quang Quá trìnhkhuếch đại quang được thực hiện trên miền điện

23

Mức kích thích E2

Phân rã không bức xạPhoto tới

=980nm

= 1480nmPhoton bơmMức cơ bản E1

Hình 2.9 : Cấu trúc của một trạm lặp quang điện

Để giảm chi phí do sử dụng tram lặp quang điện ,người ta sử dụng bộ khuếch

đại quang( Optical Amplifier) để bù lại sự suy hao tín hiệu trên đường truyền sợi

quang cũng như tại các thiết bị Khi đó tín hiệu ánh sáng được khuếch đại trực

tiếp trong miền quang mà không thông qua việc biến đổi qua miền điện

Tùy theo cấu tạo vùng tích cực (active medium) có thể chia khuếch đại quang

làm 2 loại chính: khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor

Amplifier) và khuếch đại quang sợi OFA ( Optical Fiber Amplifier) Trong các

loại OFA thì EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier - khuếch đại quang sợi có

pha tạp Erbium) được sử dụng phổ biến hiện nay

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Nguyên lý khuếch đại được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích

EDFA là sợi quang có lõi được cấy cấy Er3+ khoảng nhỏ 0,1% Khi bơm

vào sợi quang này photon có λ=980nm hoặc λ=1480nm thì Er3+ sẽ hấp thu điện

tử và chuyển lên mức năng lượng từ E1 lên mức kính thích E2 Để đạt trạng thái

siêu bền E2 sẽ phân rã không bức xạ xuống mức năng lượng E3 Sau một

khoảng thời gian nó được kích thích trở lại trạng thái E1 đồng thời phát xạ ra

photon Có 2 loại bức xạ là tự phát hoặc kích thích Khi có mặt của các photon

có năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển của mức điện tử sẽ kích thích tạo

ra nhiều photon Bức xạ này thuộc vùng λ=1550 nm nên khi đi qua sợi Erbium

tín hiệu sẽ được khuếch đại

24

Hình 2.10: Giản đồ năng lượng của Erbium

Hình 2.11: Cấu trúc một EDFA đơn tầng

Theo hình 2.11 “thì ánh sáng bơm vào từ laser được kết hợp với tín hiệu vàonhờ sử dụng bộ ghép WDM trên hệ thống sử dụng một bộ ghép Ánh sáng bơmnày được truyền dọc theo sợi có pha Eribium và tín hiệu bơm này kích thích cáccác ion Eribium lên mức năng lượng cao hơn Sự dịch chuyển mức năng lượngcủa điện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra photon, được gọi là bức xạ tự phát nếukhông có bất cứ tác động nào từ phía bên ngoài, còn gọi là bức xạ kích thích khi

do sự có mặt các photon chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển Khi tínhiệu dữ liệu được truyền đến EDFA, tín hiệu dữ liệu này đến gặp các ion Er3+ đãđược kích thích ở mức năng lượng cao Quá trình này làm cho các ion nhảy từtrạng thái năng lượng cao xuống mức trạng thái năng lượng thấp nên phát raphoton, do đó sẽ khuếch đại công suất tín hiệu lên rồi truyền đi tiếp trong sợiquang (”2)

Thông thường, một bộ cách li được dùng ở trước ngõ vào hoặc ngõ ra của bộkhuếch đại tín hiệu EDFA để ngăn sự phản xạ vào trong bộ khuếch đại này

25