Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang (DWDM) là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất. Ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn. Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ nào đó người ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn. Khi tốc
độđạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thểđảm bảo đáp
ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở
nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao. Kỹ
thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục được những hạn chế
trên.
Hệ thống DWDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để
mang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau. Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang. Công nghệ DWDM phát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất
nhỏ của 1 nm hay 10-9 m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM). Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử
lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET). Các nhà cung cấp DWDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang. Các hệ thống với hàng trăm kênh giờđây đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc
độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn. Có hai hình thức cấu thành hệ thống DWDM
đó là:
a) Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi:
Hệ thống DWDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 2.3), ở đầu phát các tín hiệu có bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế λ1, λ2 ,....,
n
λ thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang. Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn. Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh. Ở chiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên.
Hình 2. 3: Sơđồ truyền dẫn hai chiều trên sợi quang
Máy phát quang Máy phát quang Máy thu quang Máy thu quang Bộ ghép kênh Bộ tách kênh Bộ khuếch đại sợi Bộ khuếch đại sợi Bộ tách kênh Bộ ghép kênh Máy thu quang Máy thu quang Máy phát quang Máy phát quang 1 n n 1 1 n 1 n O O O O λ1 λn λ1 λn λ1, λ2 ... λn λ1, λ2 ... λn
b) Truyền dẫn hai chiều trên một sợi:
Hệ thống DWDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng λ1, λ2, ..., λn qua bộ ghép/tách kênh
được tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi. Cũng sợi quang đó, ở hướng về
các bước sóng λn+1, λn+2,..., λ2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xem hình 2.4). Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (song công).
Hình 2. 4: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang
Hệ thống DWDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển tương
đối rộng rãi. Hệ thống DWDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triển và
ứng dụng cao hơn, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt. 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 dải rộng của các bước sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế các bộ tách kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải làm việc ổn
định.
Hệ thống DWDM được thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây ra suy hao truyền dẫn. Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của các thiết bị thấp, cần phải tối thiểu hoá thành phần công suất có thể gây ra phản xạ tại các phần tử
Máy phát quang Bộ khuếch đại sợi Bộ ghép/ tách kênh λ1, λ2 ... λn 1 Máy phát quang Máy thu quang Máy thu quang Máy thu quang Máy thu quang Máy phát quang Máy phát quang Bộ tách/ ghép kênh n 1 n 1 n 1 n O O λn+1, λn+2 ... λ2n λ1 λn λn+1 λ2n
ghép, hoặc tại các điểm ghép nối các module, các mối hàn...., bởi chúng có thể
làm gia tăng vấn đề xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suy giảm nghiêm trọng tỉ số S/N của hệ thống. Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêm trọng
đối với hệ thống DWDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do đó hệ thống này có khả năng ít được lựa chọn khi thiết kế tuyến.
Ở một mức độ nào đó, để đơn giản ta có thể xem xét bộ tách bước sóng như bộ ghép bước sóng chỉ bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng. Như vậy hiểu
đơn giản, từ “bộ ghép - multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng
ở dạng chung để xét cho cả bộ ghép và bộ tách; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng. Người ta chia loại thiết bị ODWDM làm ba loại: Các bộ ghép (MUX), các bộ tách (DEMUX) và các bộ ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX). Các bộ MUX và DEMUX được sử dụng trong các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn loại thứ ba MUX-DEMUX được sử
dụng cho các phương án truyền dẫn theo hai hướng. Hình 2.5 mô tả thiết bị
ghép/tách hỗn hợp.
Hình 2. 5: Mô tả thiết bị tách ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX)
2.2.2 Các tham số cơ bản:
Các tham số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép/tách hỗn hợp là suy hao xen, suy hao xuyên kênh và độ rộng kênh. Để đơn giản, ta hãy phân biệt ra thành thiết bị một hướng (gồm các bộ ghép kênh và tách kênh độc lập) và thiết bị
Các tín hiệu được ghép Các tín hiệu được tách Ik(λk Ii(λi) O(λk) I(λi) Sợi dẫn quang
hai hướng (bộ ghép/tách hỗn hợp). Các ký hiệu I(λi) và O(λk) tương ứng là các tín hiệu được ghép đang có mặt ở đường chung. Ký hiệu Ik(λk) là tín hiệu đầu vào được ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k. Ký hiệu Oi(λi) là tín hiệu có bước sóng λi đã được tách và đi ra cửa thứ i. Nhìn chung, các tín hiệu quang không phát một lượng công suất đáng kể nào ở ngoài
độ rộng phổ kênh đã định trước của chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh là không
đáng lưu tâm ởđầu phát. Bây giờ ta xem xét các thông số:
a) Suy hao xen:
được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị truyền dẫn quang DWDM. Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị DWDM với sợi và suy hao do bản thân thiết bị ghép gây ra. Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ ghép coupler chung, nhưng cần lưu ý là ở DWDM là xét cho một bước sóng đặc trưng: Li(MUX) = -10log ( ) ( )i i i I O λ λ (2.1) Li(DEMUX) = -10log ( ) ( )ii i I O λ λ (2.2)
Với Li là suy hao tại bước sóng λi khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn. Các tham số này luôn phải được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị.
Hình 2. 6: Xuyên kênh ở bộ tách kênh (a) và ở bộ ghép – tách hỗn hợp (b)
DEMUX I(λ1) ... I(λk) Oi(λi) + Ui(λk) Sợi quang I(λ1) ... I(λk) Sợi quang O(λj) Ij(λj) Oi(λi) + Ui(λk) + Ui(λj) a) b) λj λk
b) Suy hao xuyên kênh:
Mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này được ghép sang kênh khác. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc vào trường hợp áp dụng. Nhưng nhìn chung, phải đảm bảo mức xuyên kênh nhỏ hơn (-30dB) trong mọi trường hợp.
Trong một bộ tách kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ
kênh thứ i có bước sóng λi sang các kênh khác có bước sóng khác với λi. Nhưng trong thực tế, luôn luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, và làm giảm chất lượng truyền dẫn của thiết bị. Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB như sau:
Di(λk) = -10log [Ui(λk)/I(λk)] (2.3)
Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ tách kênh ở hình 2.6 a) thì Ui(λk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λk do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà
đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng λi. Trong thiết bị ghép/tách hỗn hợp như ở
hình 1.6 b), việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được xác định như ở bộ tách.
Ở trường hợp này, phải xem xét cả hai loại xuyên kênh. “Xuyên kênh đầu xa” là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I(λk) sinh ra Ui(λk). “Xuyên kênh đầu gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị, như Ui(λj). Khi cho ra các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị.
c) Độ rộng kênh:
Là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang riêng. Độ rộng này yêu cầu mỗi kênh có một độ rộng nhất định và khoảng các phổ giữa hai kênh kế cận nhau sao cho có một khoảng cách nhất định để tránh nhiễu giữa các kênh. Độ rộng phổ kênh phụ thuộc vào từng nguồn phát. Ứng vói mỗi tốc độ
truyền dẫn khác nhau sẽ có độ rộng phổ mỗi kênh là khác nhau, và có độ chính xác khác nhau. Theo quy định của ITU-T G.692 thì độ rộng kênh và độ di tân như sau: Độ rộng kênh. Độ di tần 25GHz ±5GHz 50GHz ±10GHz 100GHz ±20GHz 200GHz ±50GHz
CHƯƠNG 3. CẤU TRÚC HỆ THỐNG DWMD
Cấu trúc chung của một hệ thống DWDM và các phân tử cấu thành nên nên hệ thống gồm:
- LD là laser phát tạo ra sóng quang - MOD là bộ phận điều chế
- OMUX là bộ ghép sóng quang
- EQUAL là thiết bị cân bằng công suất quang - DISP-C là bộ bù tán sắc
- OADM là bộ xen rẽ sóng quang - ODMUX là bộ tách sóng quang - RX là bộ thu LD MOD LD MOD LD MOD LD MOD OM U X OA OADM
EQUAL DISP-C EQUAL
ODM UX RX RX RX λ1,λ2,... λn λ1,λ2,... λn DISP-C Hình 3. 1: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn DWDM điểm- điểm 3.1 Laser phát
Laser có chức năng biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu quang , có vai trò quan trọng trong hệ thống DWDM. Hiện tại laser được sử dụng trong hệ thống DWDM là laser đơn mode
Trong hệ thống DWDM các kênh bước sóng có mật độ rất cao. Thực vậy, mỗi kênh có độ rộng vài nm thậm chí dưới 1nm. Đó là lý do tại sao các LD sử
dụng trong hệ thống DWDM phải có sự ổn định bước sóng phát xạ. Mặ khác, khoảng cách giữa hai trạm lặp trong hệ thống truyền dẫn DWDM lớn hơn so với hệ thống truyền dẫn đơn kênh SDH. Vì vậy laser trong hệ thống DWDM đặc biệt hơn so với loại laser thông thường về công nghệ và khả năng hạn chế các hiệu
ứng phi tuyến trong hệ thống truyền dẫn.
Có hai phương thức điều chế laser ứng dụng trong hệ thống DWDM là
điều chế trực tiếp và gián tiếp.
a) Điều chế trực tiếp
Điều chế trực tiếp hay còn goi là điều biến trong. Dòng tín hiệu đi vào laser phát được biến đổi thành nguồn sáng laser đầu ra. Một đặc trưng của điều biến trực tiếp là công suất đầu ra phụ thuộc vào dòng điện điều chế. Nó đặc biệt hiệu quả đối với hệ thống DWDM đơn hướng (giá thành rẻ và đơn giản). Chỉ cần thay đổi độ dài hốc cộng hưởng của laser , sự biến đổi dòng điều chế sẽ gây ra sự
biến đổi tuyến phát ra bước sóng laser tương ứng. Sự biến đổi này sinh ra hiện tượng chirp. Chirp tần số sẽ mở rộng băng tần của phổ laser phát xạ và gây ra
ảnh hưởng tới tốc độ cũng như khoảng cách truyền dẫn của hệ thống. Ví dụ như đối với sợi quang G.652 khoảng cách truyền dẫn ≤100 km và tốc độ truyền dẫn ≤
2.5GHz
Đối với hệ thống DWDM mà không cần khuyếch đại quang (khoảng cách truyền dẫn nhỏ) hoặc tốc độ thấp, điều biến trực tiếp có thể sử dụng vì giá thành rẻ.
b) Điều chế gián tiếp
Điều chế gián tiếp hay còn gọi là phương pháp điều biến ngoài. Trong
điêu chế gián tiếp module điều chế nằm ở đầu ra của bộ tạo bước sóng quang như chỉ ra ở hình sau:
Hình 3. 2: Phương pháp điều chế gián tiếp
Nguồn laser là nguồn phát xạ liên tục ổn định cao với công suất và tần số
cố định. Tùy theo mức độ khác nhau của dòng điện đem điều chế thì bộ điều chế
quang sẽ xử lý ánh sáng từ nguồn laser, cho ánh sáng laser phát xạ đi qua hay không đi qua. Trong suốt quá trình điều chế phổ phát xạ của laser đầu ra không thay đổi đểđảm bảo chất lượng yêu cầu của hệ thống
Điều chế gián tiếp có tổn hao về công suất giá thành cao nhưng bù lại có
độ dịch tần số nhỏ. Nó được ứng dụng cho các hệ thống có tốc độ truyền dẫn ≥
2.5GHZ và khoảng cách truyền dẫn ≥300 km.
Thông thường các phưong thức điều chế ngoài sử dụng các phưong thức như biến đổi quang điện, dẫn sóng ở module điều chế quang.
Nguyên lý cơ bản của điều chế quang điện là hiệu ứng quang điện tuyến tính của tinh thể. Hiện tượng trường điện từ là nguyên nhân gây ra sự thay đổi góc khúc xạ của tinh thể . Tinh thể cho ánh sáng đi qua hoặc không cho khi thay
đổi góc khúc xạ (hiệu ứng tinh thể quang điện).
Điều chế quang học thực chất là sử dụng hiệu ứng quang học của bán dẫn.
Đó là hiện tượng chiết suất của chất bán dẫn thay đổi khi sóng quang truyền qua chất bán dẫn đó. Sự thay đổi chiết suất đó làm thay đổi góc khúc xạ và cũng là một nét đặc trưng khi truyền sóng qua môi trường bán dẫn.
Điều chế ống dẫn sóng được chế tạo từ vật liệu là Titan (Ti) pha trộn LiNbO2. Ống dẫn sóng có những ưu điểm như kích thước nhỏ gọn và đạt được
độ chính xác cao nhất
3.2 Bộ điều chỉnh công suất
Bộ điều chỉnh công suất thường nằm trước bộ ghép kênh và nằm sau bộ
phát quang, trước bộ khuyếch đại, bộ tách kênh. Bộ điều chỉnh công suất điều chỉnh công suất quang phù hợp với bộ ghép/ tách kênh và bộ khuyếch đại EDFA
3.3 Các bộ tách ghép bước sóng
3.3.1 Nhóm dựa trên nguyên lý tán sắc góc:
Cách tử được cấu tạo gồm nhiều rãnh (như răng cưa), được khắc bằng dụng cụ kim cương, 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. Cách tử có khả năng truyền hoặc tán xạ ánh sáng theo những hướng nhất định tuỳ thuộc vào bước sóng của ánh sáng đó. Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng cách rãnh (gọi là bước