Bộ xen/rẽ quang được sử dụng trong cỏc hệ thống WDM khi hệ thống đó cần tỏch ra hoặc ghép vào một hoặc nhiều kờnh mà vẫn phải bảo toàn tớnh nguyờn vẹn của cỏc kờnh khỏc. Vai trũ của bộ xen/rẽ quang được làm rõ thụng qua vớ dụ sau:
Hỡnh 2.2. Vai trũ của bộ OADM.
Xét một mạng gồm ba nỳt A, B, C. Nỳt A trao đổi thụng tin với nỳt C thụng qua nỳt B, giả thiết rằng, cỏc tuyến liờn kết hoàn toàn song cụng. Giả sử yờu cầu
Node A Node B Node C
Add/Drop a
Add/Drop
Node A Node B Node C
lưu lượng như sau: giữa A và B có một bước sóng, giữa A và C có ba bước sóng. Cỏc hệ thống WDM điểm nối điểm được triển khai để cung cấp nhu cầu lưu lượng này. Có hai giải phỏp như trong Hỡnh 2.2.
Giải phỏp 1: Có hai hệ thống điểm nối điểm, một giữa A và B, một giữa B và C. Mỗi liờn kết điểm-điểm sử dụng một thiết bị đầu cuối OLT ở cuối liờn kết (thiết bị đầu cuối đường quang OLT-Optical Line Terminator là thiết bị được dựng ở đầu cuối của một liờn kết điểm nối điểm để ghép và giải ghép cỏc bước sóng. Mỗi nỳt có bốn bước sóng, do đó cần có bốn bộ tiếp sóng. Nhưng chỉ có một bước sóng là dành cho nỳt B, cỏc bộ tiếp sóng cũn lại dựng để liờn lạc giữa nỳt A và C. Vỡ vậy, sẽ có sỏu trong tỏm bộ tiếp sóng ở nỳt B được dựng để điều khiển lưu lượng nờn rất tốn kém. Giải phỏp 1 được trỡnh bày trong Hỡnh 2.2(a).
Giải phỏp 2: khụng sử dụng hệ thống WDM điểm nối điểm mà sử dụng mạng định tuyến bước sóng. Ở mỗi nỳt A và C sử dụng một OLT, nỳt B sử dụng thiết bị xen/rẽ quang OADM. Bộ OADM sẽ tỏch lấy một trong bốn bước sóng của node B, ba bước sóng cũn lại đi xuyờn qua miền quang mà khụng cần cỏc bộ tiếp sóng, như vậy, chỉ cần sử dụng hai bộ tiếp sóng chứ khụng cần tỏm bộ tiếp sóng như ở giải phỏp 1, nờn giảm được chi phớ. Giải phỏp 2 được minh họa trong Hỡnh 2.2(b).
Bộ OADM có nhiều kiến trỳc được đề xuất để xõy dựng, trong đó kỹ thuật đơn giản nhất là sử dụng một hoặc nhiều bộ lọc, bộ MUX/DEMUX. Nhưng có hai cấu trỳc chung sau: cấu trỳc song song và cấu trỳc nối tiếp.
Bộ ghép tớn hiệu (Coupler)
Bộ ghép tớn hiệu (Coupler) là thiết bị quang dựng để kết hợp cỏc tớn hiệu truyền đến từ cỏc sợi quang khỏc nhau. Nếu Coupler chỉ cho ỏnh sỏng truyền qua nó theo một chiều thỡ được gọi là Couper đơn hướng, nếu Coupler cho phép ỏnh sỏng đi qua nó theo hai chiều thỡ được gọi là Coupler song hướng.
Coupler thụng dụng nhất là Coupler FTB, được chế tạo bằng phương phỏp kéo nóng chảy: làm nóng chảy hai sợi quang cạnh nhau và kéo dài phần nóng chảy thành dạng cấu trỳc thắt làm hai phần, tớn hiệu từ mỗi sợi được ghép lại với nhau và chia đều đến cỏc cổng ra. Một Coupler 2ì2 đặc trưng bởi tỷ số ghép α (0<α<1), α là
tỷ lệ cụng suất ỏnh sỏng ngõ vào 1 đến ngõ ra 1 so với tổng cụng suất ỏnh sỏng vào ngõ vào 1. Phần tỷ lệ (1- α) cụng suất ỏnh sỏng cũn lại của ngõ vào 1 sẽ được truyền đến ngõ ra 2
Coupler lựa chọn bước sóng khi α phụ thuộc vào bước sóng và ngược lại, khi α khụng phụ thuộc vào bước sóng thỡ Coupler khụng phụ thuộc vào bước sóng.
Coupler hỡnh sao NìN được tạo thành bằng cỏch kết nối cỏc Coupler 3 dB (Coupler 3 dB là coupler 2ì2 khi α = 1/2, nó chia đều cụng suất tớn hiệu ngõ vào thành hai phần bằng nhau ở hai ngõ ra) như Hỡnh 2.3.
Hỡnh 2.3: Bộ ghép hỡnh sao
1.7.1 Nguyờn lý hoạt động
Khi hai sợi quang được đặt cạnh nhau, ỏnh sỏng sẽ được ghép từ sợi này sang sợi kia và ngược lại. Đó là do quỏ trỡnh truyền mode ỏnh sỏng trờn sợi quang qua vựng ghép sẽ khỏc so với truyền trờn sợi quang đơn. Khi đó, toàn bộ ỏnh sỏng thuộc một sợi quang sẽ được ghép hoàn toàn sang sợi quang ghép với nó, phần ỏnh sỏng này lại tiếp tục được ghép ngược trở lại sang sợi quang ban đầu theo chu kỳ tuần hoàn khép kớn. Kết quả là cường độ trường điện từ ở đầu ra của bộ ghép Eo1, Eo2
được tớnh theo cường độ trường điện từ đầu vào Ei1, Ei2 theo Cụng thức (2.1). ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) 1 1 2 2 cos sin sin cos o i l i o i E f kl i kl E f e E f i kl kl E f − β = ữ ữ ữ (2.1)
Trong đó: β: hệ số pha của sự truyền ỏnh sỏng trong sợi quang.
k: hệ số ghép, k phụ thuộc vào chiều rộng của sợi quang, chiết suất của lõi sợi và đến khoảng cỏch gần nhau của hai sợi quang khi thực hiện nung chảy.
5 9
1
12 8
l: độ dài Coupler.
Nếu chỉ cho ỏnh sỏng vào ngõ 1 (Eo2=0) thỡ Cụng thức (2.1) được tớnh bằng Cụng thức (2.2). ( ) 2 ( ) ( ) 2 i l i sin 1 o i E f e e kl E f π ữ − β = (2.2)
Ở hai ngõ đầu ra lệch pha nhau π/2. Với điều kiện này, có thể tớnh được hàm truyền đạt cụng suất bằng Cụng thức (2.3). ( ) ( ) ( )( ) 2 11 2 12 cos sin T f kl T f kl = ữ ữ ữ (2.3)
Hàm truyền đạt cụng suất Tij được định nghĩa như trong Cụng thức (2.4).
2 2 oj ij ii E T E = (2.4) 1.7.2 Ứng dụng
Coupler là linh kiện quang linh hoạt và có nhiều ứng dụng khỏc nhau: bộ Coupler với α ≈ 1 được dựng để trớch một phần nhỏ tớn hiệu quang, phục vụ cho mục đớch giỏm sỏt; Là bộ phận cơ bản để tạo nờn cỏc thành phần quang khỏc như cỏc bộ chuyển mạch tĩnh, cỏc bộ điều chế, cỏc bộ giao thoa và bộ chuyển đổi bước sóng; Thực hiện tỏch/ghép bước sóng trờn sợi quang. Bộ Coupler 2ì2 được ứng dụng phổ biến, tạo ra bộ Coupler NìN ghép N tớn hiệu khỏc nhau vào một sợi quang.
1.8 Bộ định tuyến bước sóng
Bộ định tuyến bước sóng NìN là một thành phần WDM quan trọng. Nó kết hợp chức năng của một bộ ghép hỡnh sao với cỏc hoạt động tỏch/ghép kờnh. Cỏc tớn hiệu WDM tới từ N cổng vào được giải ghép vào cỏc kờnh riờng và chuyển tới N cổng ra của bộ định tuyến sao cho tớn hiệu WDM tại mỗi cổng gồm cỏc kờnh từ cỏc đầu vào khỏc nhau được minh họa trong Hỡnh 2.4. Bộ ghép kờnh NìN có thể được sử dụng như một bộ định tuyến bước sóng. Ngoài ra, cũn có bộ định tuyến cỏch tử ống dẫn sóng, gồm một bộ ghép hỡnh sao NìM chia đều 6 cụng suất của N kờnh
đầu vào cho M cổng đầu ra, cỏch tử được tạo ra từ M ống dẫn sóng sẽ tỏch cỏc kờnh khỏc nhau theo bước sóng của chỳng, bộ ghép MìN thứ 2 sẽ phõn phối cỏc tớn hiệu đó được tỏch tới cỏc đầu ra, và được định tuyến tới N nỳt mạng
Hỡnh 2.4. Sơ đồ bộ định tuyến bước sóng
1.9 Thiết bị đấu nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect)
Bộ xen/rẽ quang OADM được sử dụng hiệu quả khi điều khiển cỏc cấu trỳc mạng đơn giản, như cỏc cấu trỳc tuyến tớnh hoặc cấu trỳc vũng Ring với số lượng bước sóng vừa phải. Nhưng đối với cỏc cấu trỳc mắt lưới cựng với số lượng cỏc bước sóng cần xử lý lớn hơn, đặc biệt, tại cỏc trung tõm điều khiển có lưu lượng cao, thỡ cần một phần tử khỏc gọi là bộ đấu nối chéo OXC, bộ OXC cho phép cấu hỡnh lại mạng quang. Ở đó, cỏc đường truyền có thể được thiết lập và kết thỳc khi cần thiết. Nó được cấu trỳc với mạch tớch hợp rất lớn và khả năng nối kết hàng ngàn đầu vào/ra. Về phương diện ứng dụng, có 3 loại OXC bao gồm OXC chuyển mạch sợi FXC (Fiber XC), OXC lựa chọn bước sóng WSXC (Wavelength Selected XC) và OXC trao đổi bước sóng (Wavelength Interchange XC).
1.9.1 Chức năng của bộ đấu nối chéo OXC
OXC cung cấp cỏc chức năng sau:
Thứ nhất là cung cấp dịch vụ: OXC có thể được dựng để cung cấp một cỏch tự động cỏc đường truyền trong một mạng lớn một cỏch tự động mà khụng cần phải thao tỏc bằng tay. Khả năng này rất quan trọng khi số bước sóng cần giải quyết lớn
λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ1λ2λ3λ4λ5 λ2λ1λ5λ1λ2 λ1λ5λ4λ2λ3 λ5λ4 λ3λ3λ4 λ4λ3λ2λ4λ5 λ3λ2 λ1λ5λ1 1 2 3 4 5 a b c d e
trong một nỳt hay nhiều nỳt trong mạng, nhất là khi cỏc đường truyền trong mạng cần cấu hỡnh lại để đỏp ứng với sự thay đổi lưu lượng của mạng.
Thứ hai là chuyển đổi bước sóng: ngoài khả năng chuyển mạch tớn hiệu từ cổng này đến cổng khỏc thỡ OXC cũn có khả năng chuyển đổi bước sóng.
Thứ ba là khả năng giỏm sỏt, phỏt hiện truy nhập và định vị lỗi: OXC cho thấy tham số của một tớn hiệu ở cỏc nỳt trung gian. OXC cho phép kiểm tra thiết bị và giỏm sỏt cỏc tớn hiệu đi qua nó mà khụng làm ảnh hưởng đến tớn hiệu.
Tiếp theo là bảo vệ: OXC bảo vệ cỏc đường truyền quang khụng bị đứt và trỏnh cỏc sự cố của cỏc thiết bị trong mạng. Bộ đấu nối chéo có thể phỏt hiện được sự cố trong mạng và định tuyến lại cho cỏc đường truyền một cỏch nhanh chóng.
Cuối cựng là tỏch/ghép kờnh: OXC có thể điều khiển cỏc tớn hiệu ngõ vào/ra ở tốc độ đường quang. Tuy nhiờn, nó cũn có khả năng tỏch/ghép kờnh để chuyển mạch lưu lượng nội tại.
Một OXC được phõn chia thành hai phần theo chức năng của nó là: một trung tõm chuyển mạch và một tổ hợp cỏc cổng giao diện. Trung tõm chuyển mạch chứa bộ chuyển mạch thực hiện chức năng đấu nối chéo. Tổ hợp cỏc cổng giao diện thực hiện việc giao tiếp với cỏc thiết bị khỏc thụng qua card giao tiếp. Cỏc cổng giao tiếp có thể có hoặc khụng có cỏc bộ biến đổi quang-điện hoặc biến đổi điện-quang.
1.9.2 Cấu trỳc của bộ đấu nối chéo OXC
Cấu trỳc của thiết bị OXC: có hai cỏch để thiết kế một bộ đấu nối chéo quang: Thứ nhất: Thiết bị đấu nối quang NìN sử dụng chuyển mạch phõn chia theo khụng gian: bao gồm N cổng đầu vào, N đầu ra, mỗi một cổng thu một tớn hiệu WDM có M bước sóng. Bộ giải ghép kờnh sẽ tỏch tớn hiệu thành cỏc bước sóng riờng rẽ và phõn phối bước sóng cho M bộ chuyển mạch, mỗi bộ chuyển mạch thu N tớn hiệu đầu vào tại cựng một bước sóng. Cổng đầu vào và đầu ra phụ được thờm vào chuyển mạch cho phép tỏch ra hoặc xen vào một kờnh xỏc định. Cỏc bộ chuyển mạch đưa đầu ra của chỳng tới N bộ ghép kờnh, cỏc bộ ghép kờnh này sẽ kết hợp với M đầu vào của chỳng, để tạo thành tớn hiệu WDM. Bộ chuyển mạch được sử dụng là bộ chuyển mạch phõn chia theo khụng gian như trong Hỡnh 2.5.
Hỡnh 2.5: Cấu trỳc OXC sử dụng chuyển mạch phõn chia theo khụng gian. Thứ hai: Sử dụng bộ khuếch đại Laser bỏn dẫn SLA (Semiconductor Laser Amplifier) như một chuyển mạch cổng. Hỡnh 2.6 mụ tả chuyển mạch 4ì4. Mỗi đầu vào được chia thành một số nhỏnh bằng cỏc bộ chia 3 dB, mỗi nhỏnh đi qua một SLA, LSA này có thể chặn nó lại bằng cỏch hấp thụ hoặc cho nó đi qua thụng qua quỏ trỡnh khuếch đại tớn hiệu.
Hỡnh 2.6. Bộ OXC 4ì4 sử dụng bộ SLA.
1.10 Bộ biến đổi bước sóng
Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tớn hiệu có bước sóng này ở đầu vào thành tớn hiệu có bước sóng khỏc ở đầu ra, mà khụng làm thay đổi nội dung của tớn hiệu. Bộ chuyển đổi bước sóng rất có ớch trong việc giảm xỏc suất tắc nghẽn mạng. Nếu bộ chuyển đổi bước sóng được tớch hợp vào trong bộ đấu nối chéo OXC trong mạng WDM, cỏc kết nối có thể được thiết lập giữa nguồn và đớch
1 2 N Space Switches λ1 λ2 λN 1 2 N DEMUX MUX Added Droped λ1,…,λM λ1,…,λM λ1,…,λM λ1,…,λM λ1,…,λM λ1,…,λM
ngay cả khi trờn tất cả cỏc tuyến của đường đi khụng có sẵn cựng một bước sóng. Cỏc bộ chuyển đổi bước sóng giỳp loại trừ sự bắt buộc tớnh liờn tục về bước sóng.
Trong hệ thống WDM thỡ bộ chuyển đổi bước sóng có cỏc ứng dụng sau: Tớn hiệu có thể đi vào mạng với bước sóng khụng thớch hợp khi truyền trong mạng WDM. Hiện nay, cỏc thiết bị sử dụng trong hệ thống WDM trờn thế giới đa số chỉ có khả năng hoạt động trờn cỏc bước sóng thuộc băng C và băng L, mà tớn hiệu SDH thỡ lại hoạt động ở bước sóng 1310 nm, nếu khụng có thiết bị chuyển đổi bước sóng thỡ sẽ khụng truyền được tớn hiệu vào hệ thống WDM, khi đó, bộ chuyển đổi bước sóng sẽ được đặt ở biờn giới mạng WDM và mạng SDH để chuyển đổi tớn hiệu từ bước sóng 1310 nm sang tớn hiệu tương thớch với tớn hiệu trong hệ thống WDM theo quy định của ITU_T ở vựng 1550 nm.
Khi bộ chuyển đổi bước sóng được đặt tại cỏc nỳt mạng WDM thỡ nó làm cho hệ thống có thể sử dụng tài nguyờn bước sóng hiệu quả hơn và linh động hơn.
Có nhiều phương phỏp chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng, sau đõy, sẽ tỡm hiểu về bốn phương phỏp điển hỡnh sau: phương phỏp quang-điện, phương phỏp cửa quang, phương phỏp giao thoa và phương phỏp trộn bốn bước sóng.
1.11 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA
Suy hao của sợi quang là nguyờn nhõn giới hạn cự ly truyền của cỏc hệ thống thụng tin quang. Khi chưa có khuếch đại quang, việc tăng dung lượng bằng giải phỏp ghép bước sóng chưa thực sự chứng tỏ được tớnh kinh tế của mỡnh so với cỏc giải phỏp khỏc. Sự ra đời của khuếch đại quang sợi là một tiến bộ rất lớn trong lĩnh vực cụng nghệ viễn thụng, đơn giản hoỏ rất nhiều cho việc lắp đặt cỏc mạng cỏp quang diện rộng.
Hiện nay, cỏc bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium EDFA được ứng dụng rộng rói hơn cả do nó có hệ số khuếch đại cao, cụng suất lớn và mức nhiễu gần như lớ tưởng, cụng tỏc tại bước sóng 1550nm là bước sóng truyền dẫn tối ưu ở hiện tại và tương lai, kết hợp dễ dàng được với sợi quang. EDFA khụng nhạy cảm với hiệu ứng phõn cực và loại trừ được nhiễu xuyờn õm giữa cỏc kờnh có cỏc bước sóng khỏc nhau. Với những khả năng to lớn như vậy, EDFA được coi như là một trạm lặp thế
hệ mới, nó được ứng dụng rộng rói trong cỏc hệ thống viễn thụng hiện tại và tương lai.
1.11.1 Cấu trỳc của EDFA
EDFA là một đoạn sợi quang có pha tạp Erbium, thực hiện chuyển đổi năng lượng phỏt xạ của nguồn bơm thành cụng suất tớn hiệu. Nguồn bơm của laser thường ở hai bước sóng 1480 nm và 980 nm. Bơm ở bước sóng 1480nm có hiệu suất thấp hơn so với bước sóng 980 nm và mức độ đảo mật độ cũng thấp hơn. Tuy nhiờn, laser bơm tại bước sóng 1480nm có cụng suất phỏt lớn hơn so với laser 980nm. EDFA thường có dải bước sóng khuyếch đại là 30 đến 35 nm (1535 nm- 1565 nm).
Bộ khuếch đại quang sợi EDFA được cấu trỳc bởi một đoạn sợi quang sợi pha tạp Erbium cựng cỏc thành phần cần thiết khỏc.Cỏc thành phần này gồm cỏc thành phần thiết bị ghép thụ động WDM, bộ cỏch li quang Isolator và thiết bị tớch cực như Laser bơm…. Có 3 loại cấu hỡnh bơm ,bơm xuụi, bơm ngược và bơm cả hai hướng.
Bơm cựng chiều: Tớn hiệu quang và tớn hiệu bơm được đưa vào sợi pha Erbium trờn cựng một hướng
Bơm ngược chiều: Tớn hiệu quang và tớn hiệu bơm được đưa vào sợi pha Erbium từ hai hướng khỏc nhau, cũn gọi là bơm sau
EDFA Isolator Isolator Coupler WDM Đầu vào tín hiệu quang Dùng bơm vào vào Hình 2.7. Bơm cùng chiều Đầu ra tín hiệu quang Coupler WDM EDF Đầu ra tín hiệu