1. Tuyến truyền dẫn điểm-điểm dung lượng cao
Trong tuyến thông tin điểm-điểm đường dài, tốc độ của một kênh thường nhỏ hơn 10Gb/s. WDM có vai trò tăng dung lượng tuyến truyền dẫn. Hình 4.1 chỉ ra sơ đồ khối một tuyến thông tin WDM. Mỗi kênh tín hiệu điện được điều chế với một sóng mang riêng. Sau đó chúng được ghép lại và truyền đến đầu thu. Giả sử có N kênh với tốc độ
B1 ,B2,...,BNđược truyền đồng thời qua sợi quang có chiều dài L. Tích tổng số tốc độ và khoảng cách BL đựoc xác đinh như sau:
BL= (B1 +B2+...+BN)L
Hình 4.1: tuyến thông tin quang WDM điểm –điểm.
Khi tốc độ của các kênh bằng nhau, dung lượng của hệ thống tăng lên N lần. Năm 1985, BL đạt đến 1,37Tb/s-km ở bước sóng 1500nm bằng cách ghép 10 kênh 2Gb/s, chiều dài tuyến 68,3 km, khoảng cách kênh 1,35nm. Do tán sắc, giá trị BL của một hệ thống đơn kênh chỉ nhỏ hơn 1Tb/s-km.
Dung lượng của một tuyến WDM phụ thuộc vào khoảng cách giữa các kênh trong miền bước sóng. Khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bị giới hạn bởi xuyên nhiễu giữa các kênh. Khoảng cách giữa các kênh thường lớn hơn bốn lần tốc độ bít. ở của sổ 1500nm, vùng suy hao thấp của sợi quang khoảng 120nm (hình 1.1). Ví dụ, đối với các kênh có tốc độ 2,5Gb/s, khoảng cách tối thiểu giữa các kênh là 10GHz hoặc 0,1nm, ta có thể ghép 1200 kênh trên băng thông 120nm. Do đó, tổng dung lượng lên tới 3Tb/s. 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. Trong đó một hệ thống quang đơn kênh có khả năng truyền tốc độ bit 2,5 Gb/s, chiều dài tuyến là 80 km thì BL là 0,2 Tb/s-km.
Trong thực tế, có rất nhiều yếu tố hạn chế việc sử dụng toàn bộ cửa sổ suy hao thấp của sợi quang. Ví dụ, bộ khuếch đại quang có dải khuyếch đại đòng đều thấp, điều này giới hạn số lượng kênh truyền trên sợi quang. Băng thông của EDFA thường từ 30 đến 35 nm, ngay cả khi sử dung công nghệ làm phẳng hệ số khuyếch đại. Một số yếu tố khác cũng làm hạn chế số lượng kênh là độ ổn định và khả năng điều chỉnh của
laser phân bố hồi tiếp, sự suy giảm tín hiệu trong quá trình truyền dẫn gây ra bởi hiệu ứng phi tuyến, nhiễu xuyên kênh trong quá trình ghép kênh.
Hiện nay có rất nhiều ứng dụng của hệ thống thông tin quang WDM điểm-điểm dung lượng cao ở cấp độ thực nghiệm. Dựa vào khoảng cách truyền, có thể chia hệ thống WDM thực nghiệm thành hai loại, loại có khoảng cách truyền cỡ 100 km và loại trên 1000 km.
Năm 1985 đã tồn tại hệ thống tin quang WDM thực nghiệm gồm 10 kênh 2Gb/s và khoảng cách truyền không dùng trạm lặp là 68,3 km. Năm 1995 hệ thống thông tin quang WDM dung lượng 340 Gb/s ra đời bằng cách ghép 17 kênh tốc độ 20 Gb/s và khoảng cách truyền 150 km. Nhưng ngay trong năm này đã có ba hệ thống WDM thực nghiệm khác ra đời với dung lượng trên 1 Tb/s. Thứ nhất là hệ thống WDM 55 kênh, khoảng cách giữa các kênh 0,8 nm, tốc độ mỗi kênh 20 Gb/s và khoảng cách truyền 150 km, sử dụng 2 bộ khuyếch đại. Do đó, dung lượng hệ thống là 1,1 Tb/s và BL bằng 165 Tb/s-km. Thứ hai là hệ thống 50 kênh, mỗi kênh có tốc độ 20 Gb/s, khoảng cách truyền là 55 km. Thứ ba là hệ thống ghép 10 kênh 100Gb/s với khoảng cách truyền 55 km. Hệ thống này sử dung kĩ thuật WDM kết hợp với TDM (mỗi kênh 100 Gb/s được tạo thành bằng cách ghép 10 kênh 10Gb/s theo kĩ thuật TDM). Đến cuối năm 1996 đã xuất hiện hệ thống có dung lượng 2,64 Tb/s bằng cách ghép 132 kênh, khoảng cách kênh 0.27 nm. Bảng 4.1 liệt kê một số hệ thống WDM thực nghiệm trước năm 1995.
Bảng 4.1 Một số hệ thống WDM thực nghiệm Số kênh N Tốc độ bit B(Gb/s) Dung ượng N.B(Gb/s) Khoảng cách L (km) NBL (Tb/s-km) 10 100 1000 40 40 16 10 160 531 85 32 10 320 640 205 32 5 160 9300 1488 50 20 1000 55 55 55 20 1100 150 165 132 20 2640 120 317
Nhóm thứ hai trong hệ thống WDM thực nghiệm có khoảng cách truyền trên 1000km. Nhóm này được chia làm hai loại, mạng đường thẳng và mạng vòng. Năm
1994 tuyến quang đường thẳng 40 Gb/s với khoảng cách truyền 1420 km đã ra đời. Hệ thống này được tạo thành từ việc ghép 16 kênh 2,5 Gb/s và có khoảng cách giữa hai bộ khuyếch đại là 100km. Tiếp theo đó là hàng loạt các hệ thống mới ra đời có dung lượng và khoảng cách truyền tăng lên. Trong một thí nghiêm đã tạo ra hệ thống 20 Gb/s (ghép 8 kênh 2,5 Gb/s), khoảng cách truyền 6000 km, khoảng cách giữa hai bộ khuyếch đại là 75 km. Một thí nghiệm khác cũng tạo ra hệ thống 40 Gb/s (ghép 8 kênh 5 Gb/s), khoảng cách truyền 4500 km và sử dụng mã RZ để cải thiện tỉ số tín hiệu trên tạp âm. Năm 1996 đã cho ra đời hệ thống WDM thực nghiệm dung lượng 320 Gb/s (ghép 16 kênh 20 Gb/s) độ dài tuyến 531 km. Đối với loại loop vòng sợi quang đã tồn tại hệ thống 100 Gb/s (ghép 20 kênh 5 Gb/s) truyền vượt đại dương với khoảng cách 9100 km. Hệ thống này có sử dụng thêm kĩ thuật ngẫu nhiên hoá phân cực và sửa lỗi trước.
Như vậy với sự ra đời của hệ thống WDM, dung lượng của hệ thống thông tin quang tăng lên rất nhiều. Một số hệ thống WDM đã được triển khai trong thực tế. Năm 1995, hệ thống WDM 4 kênh, mỗi kênh có tốc độ 2,5 Gb/s đã được thương mại hoá. Đến năm 1996, hệ thống WDM dung lượng 40 Gb/s (ghép 16 kênh 2,5 Gb/s) bắt đầu được thương mại hoá. Hệ thống này sử dụng dải băng tần 12nm ở bước sóng 1550 nm và khoảng cách giữa các kênh 0,8 nm. Đến năm 1997 đã tồn tại tuyến thông tin quang 80 Gb/s tiếp đó là hệ thống 160 Gb/s (ghép 16 kênh 10 Gb/s). Kĩ thuật WDM đã tạo ra một cuộc cách mạng trong hệ thống thông tin quang.
2, Mạng quảng bá.
Trong mạng quảng bá, nhiều kênh tín hiệu được ghép lại và truyền tới một nhóm thuê bao. Tại mỗi thuê bao, bộ thu thực hiện chức năng lựa chọn một kênh thích hợp thông qua việc tách kênh. Mạng truyền hình cáp CATV là một ví dụ của mạng quảng bá. Nhiều kênh truyền hình được ghép lại và đưa tới một bus quang chung, sau đó phân phối tới từng thuê bao riêng biệt. Hình 4.2 là sơ đồ của mạng WDM quảng bá sử dụng sao quảng bá. Mỗi kênh tín hiệu được điều chế với một bước sóng riêng. Các kênh này được ghép với nhau nhờ một coupler quang thụ động và được phân phối đồng đều tới tất cả các bộ thu. Mỗi thuê bao nhận được toàn bộ dung lương của hệ thống và lựa chọn một kênh thích hợp. Mạng này còn đươc gọi là mạng phát quảng bá và thu lựa chọn. 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. Nếu hệ thống sử dụng kĩ thuật tách sóng trực tiếp thì ta dùng các bộ lọc quang để lựa chọn bước sóng cần thiết.
Hiện nay tồn tại rất nhiều ứng dụng của mạng quảng bá ở cấp độ thí nghiệm. Gần đây có một thí nghiệm về sao quảng bá 8x8 để phân phối 7 kênh tín hiệu, khoảng cách các kênh 15 nm. Mỗi bộ thu có một bộ lọc khả chỉnh băng thông 10 nm và dải điều chỉnh 400 nm. 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. Thí
nghiệm này sử dụng sao quảng bá 128 x128 để đưa tín hiệu tới nhiều thuê bao khác nhau.
Hình 4.1: Mạng WDM quảng bá hình sao.
Trong mạng quảng bá, có hai vấn đề cần được quan tâm là suy hao phân bố và suy hao xen. Suy hao phân bố là do tín hiệu trên đường truyền được chia đều tới tất cả các thuê bao. Mỗi thuê bao nhận một phần công suất của tín hiệu tổng. Suy hao phân bố tăng khi N tăng, do đó nó giới hạn N nhỏ hơn 100 nếu không sử dụng các bộ khuếch đại quang để bù suy hao. Đối với sao quảng bá Nx N, suy hao phân bố giảm và công suất tín hiệu mà mỗi thuê bao nhận được là:
PR =(PT /N) (1- δ) log
2N (1-CL) (4-2)
Trong đó: PT là công suất truyền trung bình của tín hiệu
δ là suy hao xen của mỗi coupler cấu tạo nên sao quảng bá
CLlà các loại suy hao khác như suy hao sợi quang, suy hao connector Công suất nhận được PRphải lớn hơn độ nhạy máy thu Prec .Precđược xác định như sau:
Prec= NP hν B (4-3)
Trong đó: NP là số lượng photon trung bình trên một bit tại mức công suất vào bằng độ nhạy máy thu.
B là tốc độ bit của mỗi kênh tín hiệu.
Từ công thức (4-2),(4-3) và giả thiết PR = Prec ta có: (1 )log2 (1 ) L N P T C h N P BN = ν −δ − (4-4)
Từ công thức (4-4) ta có thể dự báo dung lượng của mạng quảng bá. Trong máy thu coherent NP = 1000, công suất truyền lớn nhất PT = 1mW, ở bước sóng 1550 nm năng lượng photon hν = 0,8 eV. Giả sử suy hao coupler và các suy hao khác đều bằng không. Khi đó, B.N = 78 Tb/s. Trong trường hợp tách sóng trực tiếp NP =100 thì B.N
= 7,8 Tb/s. Trong thức tế, giá trị B.N thường nhỏ hơn vì luôn tồn tại suy hao coupler, một số suy hao khác và công suất phát quang cũng nhỏ hơn.
Hình 4.2 : Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của BN vào số lượng kênh N.
Hình 4.3 chỉ ra sự phụ thuộc của B.N vào số lượng kênh N của hai phương pháp tách sóng coherent và tách sóng trực tiếp. B.N = 10 Tb/s trong trường hợp lí tưởng không có suy hao của coupler quang (đường 1). Khi lấy δ = 0.05 (suy hao của coupler bằng 0,2dB) ta được đường 2. Hai đường cong 3 và 4 biểu diễn B.N trong trường hợp thực tế. Các đường đứt nét biểu diễn B.N với các tốc độ bit cố định. Từ đồ thị ta có, khi B =622Mb/s và tách sóng trực tiếp thì B.N= 1Tb/s, N =1600. Khi tách sóng coherent thì B.N = 3 Tb/s và N =4800.
Ta có thể khắc phục các ảnh hưởng của suy hao phân bố bằng cách sử dụng các bộ khuyếch đại quang. Năm 1990 có một thí nghiệm sử dụng hai bộ khuyếch đại quang EDFA trong mạng quảng bá, mạng này có dung lượng khoảng 39,5 triệu thuê bao. Bộ khuyếch đại có chức năng bù phần năng lượng bị suy hao do phân bố, đảm bảo công suất tín hiệu tại mỗi thuê bao là đủ lớn. Ngoài ra, còn một hệ thống thí nghiệm nữa có số thuê bao là 43,8 triệu, dung lượng của hệ thống 39,81Gb/s và khoảng cách truyền dẫn là 507km.