¾ Khi các photon đi vào lớp P+ có mức năng lượng lớn hơn độ rộng của dải
cấm, sẽ sinh ra trong miền P+, I, N+ của PIN-PhotoDiode các cặp điện tử và lỗ trống (chủ yếu ở lớp I).
¾ Các điện tử và lỗ trống trong miền I vừa được sinh ra bị điện trường mạnh
hút về hai phía (điện tử về phía N+ vì có điện áp dương, lỗ trống về miền P+
vì có điện áp âm). Mặt khác, các điện tử mới sinh ra trong miền P+ khuếch
có điện áp dương và lỗ trống mới sinh ra trong miền N+ khuếch tán sang miền I nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp N+I, rồi chạy về phía về miền P+ vì có điện áp âm.Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN- PhotoDiode một dòng điện và trên tải một điện áp.
¾ Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo ra dòng điện
ngoài, vì chúng được sinh ra ở miền P+ và N+ ở cách xa các lớp tiếp giáp P+I và N+I không được khuếch tán vào miền I (do ở khoảng cách xa hơn độ dài khuếch tán của động tử thiểu số), nên chúng lại tái hợp với nhau ngay trong các miền P+ và N+.
¾ Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào PIN-PhotoDiode sẽ sinh
ra một cặp điện tử và lỗ trống và giá trị trung bình của dòng điện ra tỷ lệ với công suất chiếu vào. Nhưng thực tế không phải như vậy, vì một phần ánh sáng bị tổn thất do phản xạ bề mặt.
¾ Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bước
sóng. Vì vậy, lớp P+ không được quá dầy. Miền I càng dầy thì hiệu suất
lượng tử càng lớn, vì xác suất tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống tăng lên theo độ dầy của miền này và do đó các photon có nhiều khả năng tiếp xúc với các
nguyên tử hơn. Miền I phải dày hơn miền P+. Tuy nhiên, độ dài của xung
ánh sáng đưa vào phải đủ lớn hơn thời gian trôi cần thiết để các phần tử
mang điện chạy qua vùng trôi . Do đó, độ dày cũng không được lớn quá vì như thế tốc độ bit sẽ bị giảm đi.
¾ Khi bước sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua bán dẫn cũng tăng lên, ánh
sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Do đó, với các vật liệu phải có một bước sóng tới hạn.
¾ Các thông số cơ bản của PIN-PhotoDiode là độ nhạy thu, hệ số nhiễu (bao
Chương 3 - MẠNG WDM
3.1 Tổng quan
Sự phát triển của các hệ thống WDM nhìn chung có thể chia làm ba giai đoạn
¾ Hệ thống WDM thế hệ 1: Hệ thống WDM điểm - điểm với các trạm xen/rẽ
trên tuyến phải sử dụng các thiết bị MUX/DEMUX để tách/ghép tất cả các bước sóng.
¾ Hệ thống WDM thế hệ 2: Hệ thống WDM điểm - đa điểm với các trạm
xen/rẽ trên tuyến là các OADM cho phép tách trực tiếp bước sóng cần xen/rẽ.
¾ Hệ thống WDM thế hệ 3: Mạng quang WDM, bao gồm mạng vòng (Ring)
WDM, mạng đường trục WDM, mạng WDM định tuyến bước sóng.
3.2 Mạng Ring WDM
Cấu trúc vòng là một dạng topo đơn giản có thể cung cấp khả năng bảo vệ khi xảy ra sự cố một cách có hiệu quả. Vì lý do này nên mạng Ring rất thông dụng trong các mạng sử dụng công nghệ SONET/SDH. Có 2 loại mạng vòng rất phổ biến và đã được tiêu chuẩn hoá đó là mạng vòng WDM 2 sợi quang và mạng vòng WDM 4 sợi quang.
Mạng vòng đã chứng tỏ là một giải pháp hấp dẫn đối với các mạng kinh doanh chuyên dùng trong tương lai. Có thể có nhiều kiểu mạng vòng, có nhiều phương pháp xác định bước sóng, đồng thời cũng có nhiều cơ chế quản lý được sử dụng để bảo vệ
lưu lượng, một điều rất quan trọng trong những mạng dung lượng lớn. ưu điểm lớn
nhất của mạng Ring là cơ chế bảo vệ luồng do vậy chúng ta đi vào nghiên cứu cơ chế bảo vệ của mạng Ring WDM 2 sợi và 4 sợi.
Hình 3.1 và 3.2 là cấu trúc của mạng Ring WDM, trong đó thiết bị cơ bản của mạng là bộ xen rẽ bước sóng WADM (Wavelenth Add-Drop Multiplexer). Với sự xuất
hiện của DWDM khi mạng quang trở thành quang hoá hoàn toàn thì thiết bị WADM chuyển thành thiết bị OADM (Optical add-drop multiplexer). Chúng ta sẽ nghiên cứu thiết bị OADM ở phần sau.
Hình 3.1 Mạng Ring WDM 2 hướng 2 sợi quang
Với mạng vòng Ring WDM 2 sợi: giả sử tín hiệu cần truyền từ nút A tới nút C tín hiệu sẽ đi từ A qua B rồi đến C; còn tín hiệu cần truyền từ C trở về A sẽ được đi từ C qua B rồi về A trên một sợi quang khác. Nếu trên đoạn B-C gặp sự cố, thì chuyển mạch (P2) và (P1) sẽ động tác và như vậy tín hiệu đi từ A đến C sẽ được đi như sau: từ
A qua D đến C. Còn tín hiệu cần truyền từ C đến A sẽ được đi: từ C qua D rồi về A.
Tóm lại trong cấu hình này sợi quang thứ nhất sẽ làm việc, còn sợi quang thứ hai sẽ dự phòng.
Với mạng vòng Ring WDM 4 sợi quang: thì 1 đôi sợi quang được chọn làm mạch công tác, và đôi sợi quang kia sẽ được dùng làm mạch dự phòng.
Mạng Ring WDM 2 sợi quang có nhiều ưu điểm về mặt kinh tế hơn do sử dụng ít sợi quang hơn. còn mạng Ring WDM 4 sợi quang phải dùng nhiều sợi quang hơn nhưng độ an toàn mạng không cao hơn là bao, hơn nữa sự cố xảy ra trên tuyến thì thường là đứt cáp nhiều hơn là đứt sợi.
Tuy nhiên nếu chúng ta chỉ sử dụng các mạng vòng Ring WDM như những hệ thống độc lập thì nó không phát huy hết khả năng và ưu điểm của nó. Do vậy chúng ta
sẽ sử dụng nhiều Ring kết hợp lại với nhau tạo thành một mạng đường trục. Khi đó
mạng đường trục sẽ đáp ứng được hầu hết các nhu cầu, hạn chế của những mạng trước và phát huy được tiềm năng to lớn của nó.
3.3 Mạng đường trục WDM
Từ hình 3.3 là cấu trúc mạng đường trục bao gồm rất nhiều các vòng Ring chứa
các Node mạng (Tλ) được nối lại với nhau bởi một hoặc hai bộ đấu nối chéo số DXC
(Digital Cross Connect). Khi mạng quang trở thành quang hoá hoàn toàn thì thiết bị
WADM chuyển thành thiết bị OXC (Optical Cross Connect). Chúng ta sẽ nghiên cứu thiết bị OXC ở phần sau.
Với mạng loại này thông tin không chỉ trao đổi trong phạm vi một Ring mà nó còn có thể trao đổi thông tin được với các Ring khác. Cơ chế bảo vệ lưu lượng trong
mạng đường trục cũng cao hơn nhiều so với mạng Ring. Với mạng đường trục, nó cho phép trên mạng xuất hiện đồng thời hai sự cố (nếu sử dụng 2 bộ OXC).
Hình 3.3 Cấu trúc mạng đường trục WDM
Với điều kiện địa hình và sự phân bố dân cư như ở nước ta thì việc đưa mạng đường trục kiểu này vào khai thác là rất phù hợp. Hiện tại ở Việt Nam mạng đường trục WDM tuyến Bắc – Nam đã được triển khai và đang hoạt động ổn định.
3.4 Mạng WDM định tuyến bước sóng
Hình 3.4 là một minh họa cho mạng WDM định tuyến bước sóng. Trên hình có thể thấy các đường quang giữa B và C, D và E, E và F, A và F. Trong mạng định tuyến
bước sóng này tại các nút trung gian, các đường quang được định tuyến và chuyển
mạch từ một một đường (link) đến một đường khác. Có thể xảy ra trường hợp biến đổi bước sóng trong trường hợp này. Các phần tử chủ chốt cho liên kết mạng quang là bộ
kết cuối đường dây quang (OLT), bộ ghép kênh xen/rẽ quang (OADM) và bộ kết nối
chéo quang (OXC).
Kiến trúc mạng phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
¾ Tái sử dụng bước sóng: như ta thấy trên hình 1.48, nhiều đường quang
(lightpath) khác nhau trong mạng không trùng với nhau có thể cùng sử dụng một bước sóng. Khả năng tái sử dụng bước sóng giúp cho số lượng đường quang trong mạng có thể triển khai nhiều chỉ với số lượng bước sóng giới
hạn. Ta phải hiểu rằng đáp ứng này hết sức quan trọng trong điều kiện băng
thông của thiết bị WDM hiện tại còn hạn chế.
¾ Chuyển đổi bước sóng: một đường quang khi được định tuyến trong mạng
có thể dùng nhiều bước sóng khác nhau để truyền tín hiệu. Khả năng chuyển đổi bước sóng là hết sức cần thiết để có một mạng truyền tải quang linh hoạt
do hiệu quả sử dụng bước sóng cao. Hơn nữa, chuyển đổi bước sóng còn
phải thực hiện tại các giao tiếp phía mạng khách hàng để chuyển đổi thành tín hiệu bước sóng chuẩn WDM sang tín hiệu bước sóng của mạng lớp khách hàng.
¾ Chuyển mạch kênh: đối với lớp kênh quang, cơ chế thiết lập và xoá bỏ
đường quang tương tự như chuyển mạch kênh. Tuy rằng qua thực tế, quá trình tồn tại đường quang giữa hai điểm nút mạng có thể trong thời gian khá dài: vài tháng hoặc vài năm. Cơ chế chuyển mạch gói đối với lớp kênh quang hiện tại vẫn chưa được phát triển do đáp ứng chậm và khả năng chưa linh hoạt của các thiết bị hoạt động trong lớp kênh quang. Chuyển mạch gói
có thể được áp dụng ở mạng lớp trên, mạng lớp khách hàng như IP, ATM ..., trong khi đường quang vẫn giữ nguyên trạng thái thiết lập.
¾ Khả năng tồn tại khi mạng gặp sự cố (Surviability): mạng phải được cấu
hình sao cho khi 1 kết nối đường dây quang gặp sự cố, đường quang vẫn
phải được duy trì bằng cách định tuyến lại.
¾ Trong suốt: có nghĩa là kiến trúc mạng phải có khả năng truyền tải các tín
hiệu khách hàng với nhiều tốc độ bit, giao thức khác nhau.
3.5 Các phần tử mạng WDM
3.5.1 Thiết bị đầu cuối OLT
Thiết bị đầu cuối OLT (Optical Line Terminator) là thiết bị được dùng ở đầu
cuối của một liên kết điểm nối điểm để ghép và phân kênh các bước sóng. Thiết bị đầu cuối gồm có ba phần tử: Bộ tiếp sóng (transponder), bộ ghép kênh các bước sóng (MUX) và bộ khuếch đại (optical amplifier).
Bộ tiếp sóng làm nhiệm vụ thích ứng tín hiệu đi vào từ một người sử dụng mạng thành một tín hiệu phù hợp sử dụng trong mạng. Và ở hướng ngược lại nó làm thích ứng tín hiệu từ mạng quang thành tín hiệu phù hợp với người sử dụng. Giao diện giữa người sử dụng và bộ tiếp sóng có thể thay đổi dựa vào người sử dụng, tốc độ bít và khoảng cách hoặc suy hao giữa người dùng và bộ chuyển tiếp. Giao diện phổ biến nhất là giao diện SONET/SDH.
Sự thích ứng bao gồm nhiều chức năng, tín hiệu có thể được chuyển đổi thành bước sóng thích hợp trong mạng quang, nó cũng có thể thêm vào các phần đầu header nhằm quản lí mạng. Bộ tiếp sóng cũng có thể giám sát tỉ lệ lỗi bit của tín hiệu ở điểm đi vào và đi ra trong mạng. Vì những lí do này nên bộ chuyển tiếp thực hiện chuyển đổi quang- điện- quang.
Ở hình trên, sự làm thích ứng chỉ cho theo hướng đi vào và bước sóng ở hướng ngược lại được gởi trực tiếp đến hướng người dùng. Trong một số trường hợp, ta có thể tránh sử dụng bộ tiếp sóng bằng cách thực hiện chức năng thích ứng bên trong thiết bị người dùng, như phần tử mạng SONET như hình trên, điều này làm giảm được chi phí đáng kể.
Tín hiệu ra khỏi bộ tiếp sóng được ghép kênh với các tín hiệu khác ở các bước sóng khác nhau sử dụng bộ ghép kênh theo bước sóng trên một sợi quang. Thêm vào đó bộ khuếch đại có thể được dùng để khuếch đại công suất lên nếu cần thiết trước khi chúng được đưa đến bộ phân kênh. Những bước sóng này lại được kết thúc trong một bộ tiếp sóng nếu có hoặc kết thúc trực tiếp trong thiết bị người sử dụng.
Cuối cùng OLT cũng kết thúc một kênh giám sát quang (OSC). OSC được mang bước sóng riêng lẻ, khác với các bước sóng mang lưu lượng thực sự. Nó dùng để giám sát việc thực hiện của các bộ khuếch đại dọc theo liên kết cũng như cho các chức năng quản lí khác.