Tổng quan về hệ thống thông tin quang và công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM
MỤC LỤC
CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1. Sợi quang
Cấu tạo và phân loại sợi quang 1) Cấu tạo
Cỏc tia sỏng từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khỏc nhau trong lừi: tại điểm đến sẽ nhận cỏc chựm tia riờng lẻ, vỡ vậy xung dễ bị méo dạng. Sợi GI cú dạng phõn bố chiết suất lừi hỡnh parabol, lừi cú chỉ số khỳc xạ giảm dần từ trong ra ngoài vỏ (cladding). Vỡ chiết suất lừi thay đổi một cỏch liờn tục nờn tia sỏng truyền trong lừi bị uốn cong dần. Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng lại có vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng lại có vận tốc truyền nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất, các tia gần trục truyền chậm hơn các tia gần cladding. Các tia lan truyền theo đường cong, và chùm tia hội tụ tại 1 điểm, vì vậy xung ít bị méo dạng. Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đường parabol thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau. Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI. c) Phân loại theo mode truyền lan - Khái niệm mode.
Nguyên lý truyền dẫn sóng ánh sáng 1. Lý thuyết quang hình
Song vỡ kớch thước lừi sợi đơn mode quỏ nhỏ nờn đũi hỏi kớch thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao. Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến.
Đặc tính truyền dẫn của sợi quang
Tán sắc thể mode (dmod) thay đổi theo dạng chiết suất. b) Tán sắc thể (chromatic dispersion). Do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải là đơn sắc mà gồm một khoảng bước sóng nhất định. Mỗi bước sóng lại có vận tốc truyền khác nhau nên thời gian truyền cũng khác nhau. c) Tán sắc chất liệu. Đú là do có những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không đồng nhất về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi quang.
Bộ phát quang
Để có thể tăng nhiều kênh trên một dải tần cho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng đường phổ càng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận (ICI) xảy ra khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lượng. Nếu công suất nền gửi trên đường truyền quá lớn sẽ không có lợi cho hệ thống, vì như đã biết công suất quang truyền dẫn trên sợi (tổng công suất của các bước sóng ghép) càng lớn thì ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến càng lớn, sẽ ảnh hưởng xấu tới chất lượng hệ thống.
Bộ thu quang
Hiê ̣n nay được dùng phổ biến là photodiode-PIN và photodiode- thác APD hoạt động theo nguyên lý biến đổi quang điện. Đối với phương pháp Coherent thì khối giải điều chế là một khối riêng biệt kết hợp sử du ̣ng các mạch điện tử nhằm duy trì điều chế kết hợp giữa thu và phát, duy trì việc đồng bô ̣ sóng mang quang.
Các trạm lặp
Ví dụ như tín hiệu tiếng nói được chuyển đổi từ micro hoặc tín hiệu hình ảnh được chuyển đổi từ camera. Tuy nhiên mạng thông tin hầu như đã được số hóa nên chủ yếu hiện nay sử dụng hệ thống thông tin quang số chỉ còn một số mạng đặc thù là vẫn còn dùng hệ thống thông tin quang tương tự.
Phân loại theo chuẩn ghép kênh
Tuy nhiên cũng có thể thực hiện ghép kênh TDM và FDM trong miền quang với tên gọi là OTDM (optical TDM), OFDM ( optical FDM) và WDM (wavelength division multiplexing) để phân biệt với ghép kênh trong miền điện. Dưới đây chúng ta sẽ khảo sát một số hệ thống được phân loại theo phương pháp ghép kênh. a) Ghép kênh theo bước sóng WDM. Do các nguồn phát quang có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống thông tin cáp sợi quang thường chỉ sử dụng phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi quang. Để tận dụng băng thông, người ta đã tiến hành ghép các luồng ánh sáng có bước sóng khác nhau và truyền đi trên một sợi quang. Về lý thuyết, có thể truyền một dung lượng rất lớn trên một sợi quang từ nhiều nguồn phát quang khác nhau hoạt động ở các bước sóng khác nhau. Ở phía thu có thể thu được các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng khác nhau này. Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng cho phép tăng dung lượng truyền dẫn quang mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và cũng không cần tăng thêm số sợi quang. b) Kỹ thuật ghép kênh theo tần số quang OFDM. Tần số của các nguồn phát quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo tần số quang (OFDM) phải rất ổn định, các bộ khuyếch đại quang dải rộng phải đảm bảo khuyếch đại đồng đều tất cả các kênh. Các thiết bị quang thụ động dùng để kết hợp các tín hiệu OFDM riêng rẽ cũng rất quan trọng, thường phải. sử dụng các bộ lọc quang thật chính xác. Phổ biến hiện nay là các bộ lọc quang 100 kênh có thể tạo ra khoảng cách kênh từ 5 đến 10 GHz dựa trên hiệu ứng quang phi tuyến của các loại vật liệu bán dẫn hay các vật liệu điện môi. Dải dịch tần số quang hiện nay có thể đạt được khoảng 1000 GHz. c) Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM.
Phân loa ̣i theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu quang
Với các tốc độ nhỏ hơn 10 Gb/s, các đặc tính chủ yếu của sợi quang ít ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn, còn với các hệ thống hoạt động ở tốc độ lớn hơn 10 Gb/s thì phải quan tâm đến những ảnh hưởng của các đặc tính của sợi quang. Mặc dù các hệ thống 40 Gb/s sẽ nhanh chóng được sử dụng rộng 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.
ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI 1. Ưu điểm
Nhược điểm
Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp. Khi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiên nào phát hiện mảnh thủy tinh trong cơ thể.
PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN
- Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM
Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng (DE-MUX). Hình 2.1 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM đơn hướng. Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghép kênh. Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải. nhạy với độ rộng của các bước sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải thực hiện cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng bằng cách thiết kế các bộ giải ghép kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải làm việc thật ổn định. Hệ thống ghép WDM song hướng. Phần trên trình bày phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang đơn hướng, tức là tín hiệu được ghép tại một đầu và tách tại đầu kia, tín hiệu truyền trên sợi quang theo một hướng. Ngoài ra người ta có thể thực hiện truyền dẫn ghép bước sóng quang song hướng trên cùng một sợi quang. 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 λ’1, λ’2, …, λ’N được ghép lại và truyền đi theo hướng ngược lại trên cùng sợi quang. Phương pháp này yêu cầu rất nghiêm ngặt về độ rộng phổ của từng kênh và chất lượng của bộ tách kênh. So sánh hai hệ thống. Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:. - Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng. TxN RxN TxN TxN. Kênh1 Kênh 1Kênh2. - Ðứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng. - Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm ẵ theo mỗi chiều nờn ở hệ thống song hướng, cỏc bộ khuyếch đại sẽ cho cụng suấtquang ngừ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng. Đặc điểm của hệ thống WDM a) Ưu điểm của công nghệ WDM. Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc thuê sợi hoặc cáp. - Quản lý băng tần hiệu quả và tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt. Nhờ việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM nên nó có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần đi lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại. b) Nhược điểm của công nghệ WDM.
BỘ GHÉP VÀ BỘ TÁCH KÊNH QUANG
Bộ lọc quang
Trong phương pháp dùng nhiều khoang cộng hưởng mắc nối tiếp hình 3.7B, độ mịn của 2 khoang cộng hưởng được lựa chọn bằng nhau và bằng F, độ rộng phổ tự do FSR tỉ lệ k:l (trong đó k, l là các số nguyên và (k,l)=1). Bộ lọc Mach-Zender. a) Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc Mach-Zender. Bộ lọc Mach-Zender làm việc dựa trên sự giao thoa của hai tia sáng xuất phát từ cùng một nguồn và đi theo hai đường khác nhau. Hình 3.8 là cấu trúc của bộ lọc Mach-Zender. Bộ lọc được cấu tạo từ 2 coupler 3dB 2x2 và hai nhánh ống dẫn sóng. Nhánh trên có lắp thêm bộ quay pha 90o và bộ trễ. Cấu trúc này tạo ra khả năng điều chỉnh bước sóng cuả bộ lọc. Nguyên lí hoạt động của bộ lọc như sau. Tín hiệu WDM được đưa vào cổng 1 của bộ lọc. Khi qua coupler 3dB thứ nhất, ánh sáng được tách ra thành hai luồng đi vào hai nhánh khác nhau của thiết bị. Sau đó, chúng được kết hợp lại tại coupler 3dB thứ hai. Tín hiệu WDM gồm nhiều bước sóng khác nhau. Khi đi qua bộ trễ, mỗi bước sóng có một độ trễ riêng. Kết quả là tại coupler 3dB thứ hai, hai tín hiệu đi theo hai nhánh khác nhau có độ lệch pha là một hàm phụ thuộc vào bước sóng. Tại bước sóng có độ lệch pha này bằng 0 sẽ có công suất ra lớn nhất. Các bước sóng khác có độ lệch pha khác 0 cho công suất đầu ra nhỏ. b) Một số đặc tính của bộ lọc quang Mach-Zender. Khi cần thiết kế bộ tách kênh quang cho hệ thống WDM có N kênh (N=2M), ta cần sử dụng N-1 bộ lọc Mach-Zender 2x2 , ghép với nhau thành hình cây M tầng. c) Bộ lọc quang khả chỉnh Giới thiệu chung.
Bộ tách kênh trong miền không gian
Ra khỏi thấu kính sẽ là một chùm sáng trắng song song chiếu vào bề mặt một lăng kính, mỗi bước sóng thành phần khúc xạ theo một góc khác nhau do chiết suất lăng kính phụ thuộc vào bước sóng. Cách tử được cấu tạo bao gồm nhiều rãnh (như răng cưa), trên bề mặt của các rãnh này được phủ một lớp phản xạ, số lượng rãnh trên cách tử có thể lên tới vài nghìn rãnh trên 1 mm.
BỘ XEN RẼ QUANG OADM
Khi đầu vào (a) chỉ có một cổng thì AWG được dùng như bộ tách sóng quang, nếu đi theo chiều ngược lại thì nó trở thành bộ ghép bước sóng. Phần tử thứ hai là các bộ tách ghép bước sóng sử dụng phối hợp bộ quay pha bước sóng (circulator) và cách tử sợi quang (fiber grating)-cách tử Bragg.
BỘ NỐI CHÉO QUANG OXC
Các OXCR hoạt động theo nguyên tắc tách các bước sóng quang từ các tín hiệu quang đầu vào rồi chuyển mạch không gian (chuyển mạch sợi quang), sau đó ghép các bước sóng lại, không có sự chuyển đổi bước sóng. Bộ chuyển mạch quang có suy hao và nhiễu xuyên nhỏ sẽ kết nối các bước sóng quang tới các vị trí mong muốn tại đầu vào của bộ ghép bước sóng để ghép các bước sóng này tới sợi quang đầu ra.
BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG
Bộ khuếch đại quang sợi EDFA
Với các tín hiệu ở các bước sóng khác nhau, sự xuyên âm đa kênh trong bộ khuếch đại rất thấp do thời gian sống ở các trạng thái kích thích dài, mật độ hạt ở trạng thái kích thích không thể đáp ứng với những thay đổi tín hiệu quá nhanh từ bưóc sóng này xuyên qua bước sóng khác, để mang năng lượng từ bước sóng này sang bước sóng khác. Sử dụng các LA liên tiếp có thể làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng hệ thống do các hiện tượng như: tích luỹ tạp âm, ảnh hưởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến, đặc biệt là hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bước sóng nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của LA.
ỨNG DỤNG TRONG MẠNG TRUYỀN DẪN
Tuyến truyền dẫn điểm - điểm dung lượng cao
Tuy nhiên, hạn chế của cấu trúc này là băng tần của mỗi kênh bước sóng không được sử dụng hiệu quả vì hạn chế tốc độ của các thiết bị điện tử làm gây ra hiện tượng nghẽn cổ chai điện - quang. Nếu một tuyến thông tin không sử dụng trạm lặp điện hoặc bộ khuếch đại quang thì khoảng cách truyền dẫn là 80km, BL hiệu dụng là 240Tb/s-km.
Mạng quảng bá
Nếu hệ thống thông tin quang sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent thì phía thu có thể lựa chọn kênh bằng cách thay đổi băng thông bộ lọc trung tần hoặc điều chỉnh tần số dao động nội. Ngoài ra còn một số thí nghiệm khác sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent, thực hiện ghép 10 kênh quang 70Gb/s, và khoảng cách kênh 6GHz.
ỨNG DỤNG CỦA WDM TRONG MẠNG ĐA TRUY NHẬP 1 Mở đầu
Mạng WDMA đơn chặng
Có bốn loại mạng WDMA phát quảng bá thu lựa chọn, phát thay đổi thu cố định (TT-FR), phát cố định thu thay đổi (FT-TR), cả phát và thu cùng thay đổi (TT-TR) và cả phát và thu cố dịnh (FT-FR). Mục đích của việc này là cung cấp khả năng truy nhập băng thông rộng của mỗi khách hàng và phân phát tín hiệu hình ảnh video, dữ liệu theo yêu cầu mà vẫn đảm bảo giá thành thấp.
Mạng WDMA đa chặng
Một ưu điểm cơ bản của mạng đa chặng so với mạng đơn chặng là không nhất thiết phải có thiết bị điều khiển kênh vì mỗi nút mạng hoạt động như một trạm lặp và có nhiệm vụ quyết định nhận gói tin hay chuyển gói tin đi tiếp tới các nút khác trong mạng. Kết nối trong mạng đa chặng được thực hiện linh hoạt bằng nhiều cách khác nhau, bằng những con đường khác nhau.
ỨNG DỤNG CỦA WDM TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH QUANG
Chuyển mạch điện có nhược điểm là các linh kiện điện không cho phép kết nối dải băng rộng của sợi quang và tạo thêm trễ do có biến đổi quang điện tại các nút trung gian. Do tác dụng của linh kiện logic quang còn rất đơn giản, không thể hoàn thành chức năng xử lí logic phức tạp của bộ phận điều khiển, nên bộ chuyển mạch quang điện hiện nay vẫn còn phải điều khiển bằng tín hiệu điện.
ỨNG DỤNG WDM CHO CÁC TUYẾN CÁP QUANG ĐƯỜNG DÀI Nói chung WDM đã được ứng dụng rất nhiều cho các tuyến truyền dẫn
Dung lương của tuyến này là 8 x 2,5 Gbps, sử dụng công nghệ WDM truyền đồng thời 8 bước sóng (mỗi bước sóng mang dung lượng 2,5 Gbps) trên hai đôi sợi quang. Phần mở rộng của SEA-ME-WE 3 triển khai tại Châu á nhằm kết nối hơn 10 quốc gia từ Singapore tới Nhật Bản và Hàn Quốc với các nhánh xen rẽ là Malaysia, Brunei, Việt Nam, Hồng Kông, Ma Cao, Đài Loan, Trung Quốc và Philippines.
