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

Tài liệu tham khảo chuyên ngành viễn thông Tổng quan về hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM

Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tinquang sö dông c«ng nghÖ WDM

Gi¸o Viªn Híng DÉn : Sinh Viªn Thùc HiÖn : Líp :

Hµ Néi

Mục lục

Trang

Chơng I Tổng quan về hệ thống thông tin quang Wdm… 3

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang 3

1.2 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM 5

1.2.1 Định nghĩa 5

1.2.2 Mục đích 5

1.2.3 Phân loại hệ thống truyền dẫn WDM: 1.2.3.1 Hệ thống ghép bớc sóng đơn hớng 6Error! Bookmark not defined. 1.2.3.2 Hệ thống ghép bớc sóng song hớng 6

1.2.4 u và nhợc điểm của công nghệ WDM Error! Bookmark not defined.7Chơng II Truyền tín hiệu trong sợi quang… 8

2.1 Các đặc tính của thông tin quang 8

2.2 Cáp sợi quang 9

2.3 Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang 10

2.3.1 Định luật cơ bản của ánh sáng trong sợi quang .10

2.3.2 Truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang 11

2.4 Các vấn đề cơ bản về truyền dẫn 13

2.4.1 Suy hao trong sợi quang 13

2.4.2 Tán sắc trong sợi quang 14

3.2.3.2 SOA 25

3.2.4 Các phần tử kết nối chéo sợi……… 25

3.2.4.1 Một số yêu cầu của OXC……… 27

Chơng IV chuyển mạch quang 28

4.1 Chuyển mạch quang là nhu cầu cấp thiết của hệ thống thông

tin quang 28

4.2 Chuyển mạch kênh quang chia bớc sóng 29

Chơng I – Tổng quan về hệ thống thông tinquang WDM

1.1 Giới thiệu chung về thông tin quang:

Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang Điều đó có nghĩa là thông tin đợc chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng đợc truyền qua sợi quang Tại nơi nhận nó lại đợc biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu.

Trong thời kì hiện nay, lợng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin tăng lên rất nhanh Thế giới đang chứng kiến sự phát triển nhảy vọt cha từng thấy của mạng máy tính toàn cầu Internet, kéo theo đó là sự ra đời của các ứng dụng và dịch vụ mới trên nền tảng Internet Số ngời sử dụng Internet ngày càng đông, nhu

cầu truyền tải dữ liệu cũng theo đó tăng lên Do đó yêu cầu đặt ra là phải tạo ra đợcmạng lới có băng thông lớn, có tốc độ đờng truyền cao, tin cậy và có chi phí hợp lý.

Mạng thông tin quang ra đời đã đáp ứng đợc nhu cầu trên Mạng thông tin quang với các u điểm nổi bật nh dung lợng truyền dẫn lớn, tốc độ truyền tải nhanh, hoạt động ổn định và kinh tế,… đã dần thay thế cho các mạng lới thông tin truyền thống Tuy nhiên băng thông quang rất lớn (khoảng 100Ghz-Km) sẽ rất hao phí nếu chỉ dùng cho ứng dụng đơn lẻ Vì vậy một yêu cầu đặt ra là phải ghép nhiều kênh trên một đờng truyền quang Những kĩ thuật ghép kênh đợc quan tâm nhất hiện nay là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) và ghép kênh phân chia bớc sóng (WDM) Trong tong lai, ghép kênh theo bớc sóng sẽ đợc a chuộng hơn vì chi phí kĩ thuật và các thiết bị để lắp đặt hệ thống TDM tơng đối cao

1.2 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM:

1.2.1 Định nghĩa:

WDM (Wavelength Division Multiplexing – Ghép kênh theo bớc sóng) là công nghệ “trong một sợi quang truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang với nhiều bớc sóng khác nhau” ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bớc sóng khác nhau đợc tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang ở đầu thu, tín hiệutổ hợp đó đợc phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đa vào các đầucuối khác nhau.

1.2.2 Mục đích:

Do băng thông quang rất lớn (khoảng 100Ghz-Km) nên nếu chỉ sử dụng cho mục đích đơn lẻ sẽ rất hao phí Vì vậy sử dụng công nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn của sợi quang bằng cách truyền đồng thời nhiều kênhbớc sóng trên cùng một sợi quang Tuy nhiên để tránh nhiễu xuyên kênh, giữa các kênh phải có khoảng cách nhất định Qua nghiên cứu ITU-T đã đa ra cụ thể các kênh bớc sóng và khoảng cách giữa các kênh này có thể chọn ở các cấp độ 200Ghz,100Ghz, 50Ghz.

1.2.3 Phân loại hệ thống truyền dẫn WDM:

Hệ thống truyền dẫn là những hệ thống tơng tác, nghĩa là tại mỗi đầu sẽ thực hiện chức năng phát tín hiệu đi (hớng đi) và nhận tín hiệu về (hớng về) Trong hệ thống WDM, tính năng tơng tác đợc thực hiện qua môi trờng sợi quang Về cơ bản

ngời ta chia hệ thống WDM thành hai kiểu: Hệ thống ghép bớc sóng đơn hớng và hệ thống ghép bớc sóng song hớng.

1.2.3.1 Hệ thống ghép b ớc sóng đơn h ớng:

Chỉ thực hiện truyền theo một chiều trên sợi quang Do vậy để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang.

Hình 1.2 : Hệ thống WDM đơn hớng1.2.3.2 Hệ thống ghép b ớc sóng song h ớng:

Có thể truyền theo hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa hai điểm.

Hình 1.3 : Hệ thống WDM song hớng.

1.2.4 Ưu và nh ợc điểm của công nghệ WDM:

DE MUX

Trải qua quá trình nghiên cứu và triển khai, mạng thông tin quang cũng nh mạng quang sử dụng công nghệ WDM đã cho thấy những u điểm nổi trội :

* Dung lợng truyền dẫn lớn

Sử dụng công nghệ WDM có nghĩa là trong một sợi quang có thể ghép rất nhiều kênh quang (có bớc sóng khác nhau) để truyền đi, mỗi kênh quang lại ứng với một tốc độ bit nào đó (TDM) Hiện nay đã thử nghiệm thành công hệ thống WDM 80 bớc sóng với mỗi bớc sóng mang tín hiệu TDM tốc độ 2,5 Gbit/s, tổng dung lợng hệ thống sẽ là 200 Gbit/s Trong khi đó với hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (dung lợng 40 Gbit/s).

* Tính trong suốt của mạng WDM

Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại nh chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, IP…

Mạng trong suốt : trong một dải băng thông xác định, mạng có thể truyền các dịch vụ với bất kỳ tốc độ nào và với bất kỳ giao thức nào Nh vậy nhà cung cấp dịch vụ có thể đáp ứng nhiềudịch vụ khác nhau bằng cách sử dụng một cơ sở hạ tầng duy nhất Nh vậy sẽ rất có lợi về mặt kinh tế và vẫn có thể triển khai các dịch vụ mới một cách hiệu quả, nhanh chóng mà không làm ảnh hởng gì đến các dịch vụ trớc đó.

* Việc nâng cấp dung lợng hệ thống thực hiện dễ dàng, linh hoạt

Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lợng mạng hiện có lên đến hàng Tbps, có thể đáp ứng nhu cầu mở rộng ở nhiều cấp độ khác nhau Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trờng mới, đó là thuê kênh quang (hay bớc sóng quang) ngoài việc sợi hay cáp quang Việc nâng cấp hệ thống đơn giản chỉ là cắm thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (Plug-and-play).

* Quản lý băng tần hiệu quả và cấu hình hệ thống mềm dẻo

Bằng cách thay đổi phơng thức định tuyến và phân bổ bớc sóng trong mạng WDM, ta có thể dễ dàng quản lý và cấu hình lại hệ thống một cách linh hoạt tuỳ theo yêu cầu thực tế Hiện nay WDM là công nghệ duy nhất cho phép xây dựng môhình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) cho phép xây dựng mạng quang trong suốt.

* Sử dụng công nghệ WDM có thể tận dụng cơ sở hạ tầng của các mạng quang trớc đó, giảm đợc chi phí đầu t mới Do vậy tiết kiệm và kinh tế hơn.

Chơng II – Truyền tín hiệu trong sợi quang

2.1 Các đặc tính của thông tin quang:

Sợi quang là một môi trờng truyền dẫn đặc biệt so với các môi trờng khác nh không gian tự do hay cáp đồng Không phải ngẫu nhiên mà sợi quang trở thành ph-ơng tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất hiện nay So với các phơng thức truyền dẫn thông tin khác sợi quang có những u điểm nổi bật nh có băng thông lớn, độ suy hao truyền dẫn thấp Thêm vào đó, chúng có thể sử dụng để thiết lập các đờng truyền dẫn nhẹ, không có hiện tợng xuyên âm giữa các sợi quang với nhau và không chịu các tác động của sóng điện từ.

Trớc hết vì sợi quang có băng thông lớn nên có thể truyền một khối lợng thông tin lớn nh cấc tín hiệu âm thanh, dữ liệu, và các tín hiệu hỗn hợp thông qua một hệ thống có cự ly dến 100Ghz-Km.

Thứ hai, sợi quang nhỏ, nhẹ và không có xuyên âm Do vậy chúng có thể đợc lắp đặt dễ dàng ở các địa điểm mà không cần lắp thêm các đờng ống và cống cáp.

Thứ ba, do sợi quang đợc chế tạo từ các chất điện môi nên chúng không chịu ảnh hởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và các xung điện tử Do đó chúng có thể đợc lắp đặt cùng với cáp điện lực (điều này có ý nghĩa kinh tế rất lớn) và dùng trong các môi trờng có điện từ trờng cao.

Thứ t, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát (silicat-SiO2) và chất dẻo nên có giá thành thấp

Thêm vào đó sợi quang còn có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi thọ dài và khả năng đề kháng với môi trờng tốt.

2.2 Cáp sợi quang:

Sợi quang là những dây nhỏ, dẻo truyền ánh sáng nhìn thấy đợc và các tia hồng ngoại Một sợi quang gồm có một lõi hình trụ đợc bao quanh bởi một lớp vỏ Cả phần lõi và vỏ có chỉ số khúc xạ xấp xỉ 1,45 Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất của vỏ một chút Do vậy trong quá trình sản xuất sợi, một số tạp chất đợc đa vào trong lõi hoặcvỏ, các nguyên liệu nh Germani hoặc Photpho làm tăng chỉ số khúc xạ của SiO2 đ-ợc dùng làm chất cho thêm vào phần lõi, trong khi Bo hoặc Flo làm giảm chỉ số khúc xạ của SiO2 nên đợc dùng làm tạp chất cho lớp vỏ.

Vỏ bọc ở phía ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các sợi đi bên cạnh.

Hình 2.1 : Cấu trúc sợi quang

Ngoài ra sợi quang còn đợc phân loại thành các loại sợi quang đơn mode và đamode tơng ứng với số lợng mode của ánh sáng truyền qua sợi quang.

2.3 Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang:

2.3.1 Định luật cơ bản của ánh sáng trong sợi quang:

ánh sáng có thể đợc xem nh một chùm tia truyền theo những đờng thẳng trong một môi trờng và bị phản xạ hay khúc xạ ở bề mặt giữa hai vật liệu khác nhau Hình 2.2 chỉ ra giao diện giữa hai môi trờng có chỉ số khúc xạ là n1 và n2 Một tia sáng từ môi trờng 1 tới mặt phân cách của môi trờng 1 với môi trờng 2 Góc tới giữa tia tới và pháp tuyến với bề mặt chung của hai môi trờng đợc biểu thị là θ1 Phần năng lợng bị phản xạ vào môi trờng 1 là một tia phản xạ, phần còn lại đixuyên qua môi trờng 2 là một tia khúc xạ Góc phản xạ θ1r là góc giữa tia phản xạ và pháp tuyến của giao diện Tơng tự, góc khúc xạ θ2 là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến θ 1r = θ1.

Theo định luật Snell : n1.sin θ1 = n2.sin θ2.

Khi góc tới θ1 tăng lên, góc khúc xạ θ2 cũng tăng Nếu θ2 = 90 , thì sin°, thì sin θ1 = n2/n1.

Lúc đó θ1 đợc gọi là góc tới hạn có giá trị θc = sin(n2/n1) ; với n1 > n2.

Với những giá trị θ1 > θc , sẽ không có tia khúc xạ, và tất cả năng lợng từ tia tới đợcphản xạ hết Hiện tợng này đợc gọi là phản xạ toàn phần.

Sợi quang

Lớp bọc đầu tiên (Silicon đặc biệt)Tầng cản bit lỗi

(Silicon)Lớp bọc thứ 2

Lớp bọc thứ 2(Nilon)Tầng cản bit lỗiLớp bọc đầu tiênPhần cốt lõi

Sợi quang

Hình 2.2 : Sự phản xạ và khúc xạ các tia sáng tại mặt phân cách của hai môi ờng

tr-* Nh vậy điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần là:

- Các tia sáng phải đi từ môi trờng chiết quang hơn (có chiết suất lớn hơn) sang môi trờng kém chiết quang hơn (có chiết suất nhỏ hơn).

- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.

Các định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng ở trên là nguyên lý cơ bản áp dụng cho việc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi dẫn quang, ở sợi dẫn quang, các tín hiệuánh sáng đợc truyền dựa vào hiện tợng phản xạ toàn phần bên trong

2.3.2 Truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang:

Để dễ tiếp cận với nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang, ta hãy xét về cơcấu lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang đa mode có chỉ số chiết suất phân bậc,vì kích thớc của lõi loại sợi này lớn hơn nhiều so với bớc sóng ánh sáng chúng ta đang xét tới Để đơn giản ta chỉ xét 1 tia sáng đặc trng.

Có 2 loại tia có thể truyền trong sợi dẫn quang là các tia kinh tuyến và các tia nghiêng (minh hoạ hình vẽ …… Tia kinh tuyến là các tia xác định các mặt phẳng )

kinh tuyến với trục sợi Nh vậy có 2 loại tia kinh tuyến : tia biên – là tia tồn tại trong lõi sợi và truyền theo hớng dọc theo trục lõi sợi, tia ngoài biên – là tia bị

khúc xạ ra ngoài lõi sợi Các tia nghiêng có số lợng nhiều gấp bội lần tia kinh tuyến, nó không xác định một mặt phẳng đơn thuần nào, mà các tia này truyền theotừng đoạn xoắn ốc dọc theo sợi Các tia này có đờng đi dài hơn và thờng bị suy hao nhiều hơn tia kinh tuyến Tuy nhiên ta không quan tâm lắm tới các tia nghiêng này vì nó không phản ánh có ý nghĩa về các tia lan truyền trong sợi.

Hình 2.3a : Tia kinh tuyến

Hình 2.3b : Tia kinh tuyến trong quá trình tiếp nhận và lan truyền ánh sáng trongsợi đa mode chiết suất phân bậc

Các tia kinh tuyến đợc thể hiện ở hình trên là xét cho loại sợi có chỉ số chiết suất phân bậc Các tia sáng đi vào sợi dẫn quang từ môi trờng có chiết suất n và hợpvới trục sợi một góc α0 Các tia này đập vào ranh giới giữa vỏ và lõi dới một góc Φ Nếu góc Φ lớn hơn góc nào đó để đảm bảo tia đó bị phản xạ toàn phần thì tia kinh tuyến sẽ đi theo đờng zich-zăc dọc theo lõi sợi và đi qua trục của sợi sau mỗi lần phản xạ.

Theo định luật Snell thì góc tối thiểu Φmin để tạo ra hiện tợng phản xạ toàn phần bên trong đợc xác định : sinΦmin = n2/n1 (2.1)

Nh vậy mọi tia sáng khi chạm vào ranh giới 2 môi trờng với góc Φ < Φmin sẽ bịkhúc xạ ra ngoài lõi sợi và bị suy hao ở lớp vỏ phản xạ Điều kiện của phơng trình (2.1) sẽ bị ràng buộc với góc vào (góc tiếp nhận) lớn nhất α0,max theo biểu thức sau :

n.sinα0,max = n1.sinαc = √(n1² - n2²) (2.2)

Với αc là góc tới hạn Do vậy , các tia có góc vào α0 nhỏ hơn góc α0,max sẽ bị phản xạ toàn phần bên trong tại ranh giới lõi, vỏ sợi quang.

Biểu thức (2.2) cũng xác định khẩu độ (độ mở) NA của sợi có chỉ số chiết suất

phân bậc đối với các tia kinh tuyến :

NA = n.sinα0,max = √n1² - n2² ≈ n1√2Δ

Với Δ là sự khác nhau về chỉ số chiết suất lõi vỏ đợc thông qua biểu thức sau:n2 = n1.(1-Δ)

Góc tiếpnhận α0

Trục sợi

Tia khúc xạ

Tia phản xạLõi n1

Vỏ n2

Chiết suất phân bậc trong thực tế có n1 thờng bằng 1,48 và n2 thờng chọn để sao cho Δ vào khoảng 0,01.

Nh vậy ta có nhận xét chỉ có các tia sau khi đi vào lõi sợi có góc α nhỏ hơn góc tới hạn αc mới lan truyền dọc theo sợi.

2.4 Các vấn đề cơ bản về truyền dẫn:

2.4.1 Suy hao trong sợi quang:

Trong thực tế, cự ly truyền dẫn của các tuyến thông tin cáp quang thờng là dàihoặc rất dài Do đó việc tính toán đến suy hao sợi đóng một vai trò hết sức quan trọng trong thiết kế hệ thống Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang, giữa sợi quang với đầu thu quang và giữa các sợi quang với các thiết bị khác trên tuyến nh khuếch đại quang hay thiết bị xen rẽ kênh v.v…, cũng có thể coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn Bên cạnh đó, quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi, do đó có thể làm giảm chúng với nhiều biện pháp khác nhau Cái cần quan tâm là suy hao bản chất bên trong sợi Cơ chế suy hao cơ bản trong sợi dẫn quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ và các suy hao do bức xạ năng lợng ánh sáng.

Suy hao sợi (hay còn gọi là suy hao tín hiệu) thờng đợc đặc trng bằng hệ số suy hao và đợc xác định bằng tỷ số giữa công suất đầu ra POUT của sợi dẫn quang dài L với công suất quang đầu vào PIN Tỷ số công suất này là một hàm của bớc sóng, nếu gọi α là hệ số suy hao thì



PPL log

- Hấp thụ cực tím (điện tử).

Ngoài ra còn có các nguyên nhângây ra suy hao khác nh : suy hao do tán xạ và suy hao do uốn cong sợi.

2.4.2 Tán sắc trong sợi quang:

Trong truyền dẫn thông tin quang, hiện tợng tán sắc là một trong những nguyên nhân quan trọng gây nên méo tín hiệu và làm suy giảm công suất Vì vậy đây là vấn đề rất đợc quan tâm khi thiết kế hệ thống quang.

Tán sắc bên trong mode là sự giãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở trong một mode Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bớc sóng nên ảnh hởng của nó tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ rộng phổ nguồn phát Độ rộng phổ là dải các bớc sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó Có thể mô tả độ dãn xung bằng công thức sau :



Với L là độ dài của sợi dẫn quang, τn là sự trễ nhóm đối với 1 đơn vị độ dài, λS

là bớc sóng trung tâm và σλ là độ rộng trung bình bình phơng (r.m.s) của phổ nguồn phát Tán sắc trên sợi dẫn quang bao gồm tán sắc mode, tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng.

Tán sắc mode chỉ tồn tại trong truyền dẫn trên sợi đa mode Tán sắc này phụ thuộc vào kích thớc sợi, đặc biệt là đờng kính lõi sợi Các mode sẽ lan truyền theo các đờng đi khác nhau làm cho cự ly đờng của các mode cũng khác nhau và do đó thời gian lan truyền cũng khác nhau giữa các mode.

Tán sắc vật liệu là một hàm của bớc sóng và do sự thay đổi về chỉ số chiết suấtcủa vật liệu lõi tạo nên Nó làm cho bớc sóng luôn phụ thuộc vào vận tốc nhóm củabất kì mode nào.

Tán sắc ống dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ đợc khoảng 80% năng lợng trong lõi, vì vậy còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lợng trong lõi Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi, cụ thể là phụ thuộc vào hằng số lan truyền β.

Nh vậy có thể thấy do tán sắc làm dãn xung tín hiệu ánh sáng nên làm giảm độ nhạy thu Nó làm giảm độ nhạy thu theo 2 cách : thứ nhất, một phần năng lợng của xung bị trải rộng và gây nên sự giao thoa giữa các tín hiệu (ISI) Thứ hai, năng lợng xung trong mỗi bit bị giảm khi xung bị giãn rộng Điều này gây nên sự giảm tỷ số SNR tại các mạch quyết định Để duy trì đợc SNR, phải tăng mức công suất