2.3.1. Nguồn quang
Các bộ phát quang thực chất là các laser diode. Laser diode có khoang cộng hưởng Fabry – Perot tạo ra nhiều mode dọc không mong muốn. Trái lại, laser đơn mode chỉ tạo ra một mode dọc chính, còn các mode bên bị loại bỏ nên được sử dụng để làm nguồn quang cho hệ thống WDM. Các loại laser đơn mode phổ biến là laser phản hồi phân bố (DFB), laser phản xạ Bragg phân bố (DBR).
Bộ phát quang DFB và DBR
Cấu tạo khoang của các bộ phát quang DFB, DBR khác với bộ phát quang F-P. Nguyên lý của chúng dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg.
a) Nguyên lý phản xạ Bragg
Khi chiếu ánh sáng lên mặt tiếp giáp của hai môi trường có phản xạ mang tính chu kỳ sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ này gọi là phản xạ Bragg. Mặt tiếp giáp có thể là hình sin hoặc không sin (chữ nhật, hình vuông, hình tam giác…). Hình 2.2 thể hiện nguyên lý phản xạ Bragg. Nếu sai pha giữa các tia phản xạ l, l’ và l” là bội số nguyên lần của λu, tức là:
A + B = mλu (2.1)
thì sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa. Từ hình 2.2 ta thấy B = Asinθ nên (2.1) trở thành: A(1+ sinθ) = mλu (2.2)
Trong đó:
+ m: là số nguyên, thông thường m = 1.
+ λn: là bước sóng trong môi trường vật liệu, λn = λB/n. + n: là chiết suất vật liệu.
+ λB: là bước sóng trong không gian tự do, còn gọi là bước sóng Bragg. + A: là chu kỳ cách tử.
Công thức (2.1) là điều kiện phản xạ Bragg. Ý nghĩa vật lý của nó là: Đối với A và θ nhất định, khi có một λn thoả mãn (2.1) thì sóng quang có bước sóng λn sẽ giao thoa cùng với sóng quang phản xạ.
b) Bộ phát quang DFB
DFB gồm một cách tử (còn gọi là lưới nhiễu xạ) có cấu trúc chu kỳ đặt cạnh lớp hoạt tính gây ra phản xạ ánh sáng suốt cả chiều dài khoang cộng hưởng để loại bỏ các mode không mong muốn. Hình 2.3 thể hiện mặt cắt dọc của loại laser này
Khi có dòng điện vào bộ phát quang, các điện tử và lỗ trống trong lớp hoạt tính tái hợp, bức xạ ra các photon ánh sáng. Các photon này sẽ phản xạ tại cách tử, giống như
Hình 2.2: Nguyên lý phản xạ Bragg. A A B B θ θ 1 1’ 1”
hình 2.2, chỉ khác là θ = π/2. Lúc này, các tia tới và tia phản xạ ngược chiều nhau và công thức (2.2) trở thành:
A = mλn/2 (2.3)
Những tín hiệu nào có bước sóng thoả mãn công thức trên mới được phản xạ mạnh. Công thức (2.3) gọi là điều kiện phân bố phản hồi.
So với bộ phát quang F-P, DFB có hai ưu điểm sau:
+ Dao động đơn mode dọc dải hẹp: do chu kỳ cách tử A trong bộ phát quang DFB rất nhỏ nên hình thành khoang cộng hưởng kiểu nhỏ, làm tăng hệ số tăng ích của mode chính và mode biên, từ đó được dải phổ rất hẹp so với bộ phát quang F-P.
+ Bước sóng có tính ổn định rất cao: vì lưới quang trong DFB giúp cho việc chốt trên bước sóng cho trước, trôi nhiệt của nó chỉ cỡ 0.8Ǻ/oC, tốt hơn nhiều so với F-P.
c) Bộ phát quang DBR
Laser DBR có cấu trúc tương tự laser DFB, chỉ khác là DBR có cấu trúc nhiễu xạ bên ngoài khoang cộng hưởng. Với cấu trúc như vậy, khoang laser và khoang phản xạ Bragg là hoàn toàn độc lập. Hình 2.4 thể hiện mặt cắt của laser loại này.
Đầu ra quang Lớp hoạt tính Tín hiệu điện Hình 2.4: Mặt cắt dọc của laser DBR. Lớp kim loại tiếp xúc và
toả nhiệt Bộ phản xạ Bragg
Lớp nền N-InP Lớp kim loại tiếp xúc và toả nhiệt Đầu ra quang Màng AR Lớp hoạt tính Cách tử Tín hiệu điện Lớp kim loại Hình 2.3: Mặt cắt dọc của laser DFB.
Bộ phát quang DBR cũng hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg và có đặc điểm tương tự như bộ phát quang DFB, chỉ có một số điểm khác biệt nhỏ cần lưu ý:
(i) Vật liệu chế tạo của DBR là khó khăn hơn DFB vì nó không nhất thiết đòi hỏi sự ghép công suất giữa các vùng thụ động và vùng tích cực.
(ii) Đặc tính phụ thuộc nhiệt độ thì khác nhau, khi nhiệt độ tăng thì trong DBR có sự chuyển đổi từ mode này qua mode khác còn DFB thì thể hiện tính ổn định nhiệt độ trong một dải rộng.
2.3.2. Bộ tách ghép bước sóng quang
Về mặt nguyên lý, cấu trúc của bộ tách ghép có tính thuận nghịch, bất kỳ bộ ghép bước sóng nào cũng có thể dùng làm bộ tách bước sóng chỉ bằng cách đơn thuần là thay đổi hướng tín hiệu đầu vào. Vì vậy, ở đây chỉ lấy bộ ghép bước sóng để phân tích.
Có nhiều cách để phân loại thiết bị ghép bước sóng. Theo công nghệ chế tạo thì chúng được chia làm hai loại chính: thiết bị vi quang và thiết bị WDM ghép sợi.
Thiết bị vi quang
Các thiết bị vi quang được chế tạo theo hai công nghệ khác nhau: các thiết bị có bộ lọc và thiết bị phân tán góc.
Các thiết bị có bộ lọc chỉ hoạt động mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm bước sóng) tại một thời điểm, nhằm để tách ra một bước sóng trong nhiều bước sóng. Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh và có thể sử dụng cho nhiều kênh thì phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng. Các loại bộ lọc này sẽ được trình bày trong phần 2.3.3.
Cấu trúc sử dụng các phần tử phân tán cho phép đồng thời đưa ra tất cả các bước sóng. Chùm tín hiệu quang đầu vào chuẩn trực sẽ đập vào thiết bị phân tán, thiết bị phân tán sẽ tách ra các kênh khác nhau tuỳ theo bước sóng của chúng tạo thành các chùm theo các góc khác nhau. Các chùm đầu ra đã tách sẽ được hội tụ nhờ một hoặc một số lăng kính và được đưa vào sợi dẫn quang riêng rẽ. Các phần tử phân tán góc được sử dụng như cách tử, lăng kính.
Hình 2.5 mô tả một bộ tách hai bước sóng quang: Tín hiệu WDM gồm hai bước sóng đi tới lăng kính trực chuẩn, sau khi được tách bởi cách tử chúng được hội tụ để đi vào hai ống dẫn sóng riêng.
Các thiết bị vi quang sử dụng phù hợp với các hệ thống truyền dẫn đa mode, chúng cho phép tách ghép đồng thời nhiều bước sóng khác nhau. Nhưng chúng lại khó
Nguyễn Thị Yến – D2001VT Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Cách tử Thấu kính λ1, λ2 λ2 λ1 19
sử dụng cho sợi đơn mode do ánh sáng phải qua các giai đoạn phản xạ, hội tụ…từ đó dẫn tới quang sai, trễ tạo suy hao tín hiệu trong thiết bị.
Thiết bị ghép sợi
Các thiết bị ghép sợi có cấu trúc dựa trên việc ghép hai trường ánh sáng phía ngoài lõi. Chúng còn được gọi là các coupler quang. Phía phát nó kết hợp các tín hiệu quang vào từ các tuyến khác nhau thành một tín hiệu quang tại đầu ra truyền trên một sợi. Phía thu, tách công suất quang của một sợi vào để phân phối cho hai hoặc nhiều sợi. Vì thế, để tách các bước sóng khác nhau thì sau mỗi một sợi phải có một bộ lọc bước sóng sẽ trình bày ở mục 2.3.3 λ1 λ2 λ3 λ4 λ1λ2 λ3λ4 λ1λ2λ3λ4 Hình 2.6: Thiết bị ghép sợi.
Chùm ánh sáng đầu ra sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: khoảng cách giữa các lõi sợi, chỉ số chiết suất vật liệu ở giữa, đường kính của lõi sợi, độ dài tương tác và bước sóng ánh sáng.
Khi số lượng kênh ghép tăng lên thì phải xử lý bằng cấu hình rẽ nhánh tách (ghép) liên tiếp. Các thiết bị ghép sợi rất phù hợp với các hệ thống truyền dẫn đơn mode. Hình 2.6 là bộ ghép bốn bước sóng sử dụng thiết bị ghép sợi.
2.3.3. Bộ lọc quang
Bộ lọc màng mỏng điện môi nhiều lớp
Bộ lọc quang sử dụng trong thiết bị WDM thường là bộ lọc màng mỏng điện môi, làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ nào đó và cho phần dải phổ còn lại đi qua, vì vậy nó thuộc loại lọc bước sóng cố định. Cấu trúc bộ lọc gồm một khoang cộng hưởng bằng điện môi trong suốt, hai đầu khoang có các gương phản xạ được thực hiện nhờ nhiều lớp màng mỏng điện môi có chiết suất cao thấp xen kẽ nhau. Vì vậy, chiết suất lớp điện môi trong suốt (n3) sẽ thấp hơn chiết suất của các lớp màng mỏng điện môi (n1 = 2.2 (TiO2), n2 = 1.35 (MgF2) hoặc 1.46 (SiO2)).
Thiết bị này như một bộ lọc băng hẹp, cho qua một bước sóng riêng và phản xạ các bước sóng khác. Bước sóng lọt qua bộ lọc được xác định bằng chiều dài khoang cộng hưởng. Chiều dài của khoang bằng bội số nguyên lần của nửa bước sóng nào thì công suất của bước sóng ấy đạt cực đại tại đầu ra của bộ lọc.
Để có thể lọc được bước sóng một cách chính xác, loại bỏ được đa số các bước sóng xung quanh thì có thể sử dụng bộ lọc nhiều khoang cộng hưởng. Bộ lọc này gồm hai hoặc nhiều khoang tách biệt nhau bởi các lớp màng mỏng điện môi phản xạ. Số khoang càng nhiều thì đỉnh hàm truyền đạt càng phẳng và sườn càng dốc. Cả hai đặc tính này của bộ lọc đều rất cần thiết. Cấu trúc bộ lọc màng mỏng điện môi nhiều khoang cộng hưởng được thể hiện trong hình 2.7.
n1 n2 n3
Khoang Khoang Khoang …
1 2 3
Bộ phản xạ điện môi Lớp điện môi trong suốt
Hình 2.7:Bộ lọc màng mỏng điện môi có nhiều khoang cộng hưởng.
Bộ lọc Fabry – Perot
Các bộ lọc bước sóng điều chỉnh được thường được ngoại suy từ cấu trúc laser điều chỉnh được (điều hưởng). Bộ lọc khoang cộng hưởng Fabry – Perot được tạo thành bởi hai gương phản xạ đặt song song với nhau như hình 2.8.
Đây là loại bộ lọc điều chỉnh được. Tia sáng đi vào qua gương thứ nhất, đầu ra ở mặt gương thứ hai. Do các thiết bị hiện nay thường được chế tạo từ các chất bán dẫn để đạt được kích thước nhỏ nhất. Khi này, các gương được tạo thành nhờ sự chênh lệch chiết suất giữa các lớp bán dẫn.Việc điều chỉnh chọn lựa bước sóng có thể thực hiện bằng cách: điều chỉnh chiều dài khoang cộng hưởng (khoảng cách giữa hai gương), chiết suất của môi trường điện môi của khoang cộng hưởng nhờ điện áp ngoài.
Tín hiệu vào Tín hiệu ra cùng pha Khoang cộng hưởng Fabry - Perot Phản xạ lần 2 Phản xạ lần 1 Hình 2.8: Bộ lọc Fabry - Perot.
2.3.4. Bộ đấu nối chéo quang OXC
● Chức năng của OXC
Chức năng của OXC tương tự như chức năng của DXC trong mạng SDH, chỉ khác là thực hiện trên miền quang, không cần chuyển đổi O/E/O và xử lý tín hiệu điện. OXC phải hoàn thành hai chức năng chính sau:
+ Chức năng nối chéo các kênh quang: thực hiện chức năng kết nối giữa N cổng đầu vào tới N cổng đầu ra.
+ Chức năng xen/rẽ đường tại chỗ: chức năng này có thể làm cho kênh quang nào đó tách ra để vào mạng địa phương hoặc sau đó trực tiếp đi vào DXC của SDH thông qua biến đổi O/E.
Có thể phân biệt chức năng đấu nối chéo với chức năng chuyển mạch là: đấu nối chéo là các kết nối bán cố định dưới sự điều khiển của nhà khai thác và thường thực hiện ở mức tín hiệu đã ghép kênh theo thời gian như các VC-n; chuyển mạch là các kết nối tạm thời dưới sự điều khiển của người sử dụng.
● Kết cấu của điểm node OXC
Cấu tạo của OXC có 3 thành phần chính:
♦ Bộ tách kênh chia bước sóng quang ở đầu vào: thực hiện tách các kênh quang theo các bước sóng khác nhau từ các sợi quang vào khác nhau.
♦ Ma trận chuyển mạch: thực hiện đấu nối chéo từ một kênh quang đầu vào tới một kênh quang đầu ra. Trường chuyển mạch có thể là chuyển mạch chia thời gian hoặc chuyển mạch chia bước sóng được trình bày ở mục sau.
♦ Bộ ghép kênh chia bước sóng quang ở đầu ra: thực hiện ghép các kênh quang từ các đầu ra tương ứng của trường chuyển mạch để truyền dẫn trên một sợi quang.
Ngoài các thành phần chính trên thì trong OXC có thể còn trang bị các bộ lọc bước sóng để loại bỏ các thành phần xuyên nhiễu xuất hiện trong quá trình truyền tín hiệu. Biến đổi bước sóng là công nghệ then chốt trong cấu tạo của OXC. Nhờ công nghệ này có thể thực hiện kết nối định tuyến ảo, do đó giảm nghẽn mạng, tận dụng tối đa tài nguyên sợi quang cũng như bước sóng…
Tuỳ theo OXC có cung cấp chức năng biến đổi bước sóng hay không mà có thể chia kênh quang thành kênh bước sóng (WP) hay kênh bước sóng ảo (VWP). WP nghĩa là các kênh quang trong từng liên kết sẽ có bước sóng giống nhau trên toàn bộ đường tuyền dẫn từ đầu cuối đến đầu cuối. Vì vậy, để có được một kết nối thì yêu cầu phải có một bước sóng rỗi chung cho tất cả các liên kết. Nếu không thoả mãn điều kiện này dù chỉ là trên một liên kết thì vẫn không tạo được kênh yêu cầu. VWP cho phép các đoạn ghép kênh bước sóng khác nhau có thể chiếm bước sóng khác nhau nhờ vào chức năng biến đổi bước sóng của OXC. Từ đó, có thể lợi dụng các bước sóng rỗi của từng đoạn ghép để tạo thành các kênh quang.
λM λ1 λ2 λ1, λ2,…, λM 1 λ1, λ2,…, λM 2 λ1, λ2,…, λM N λ 1, λ 2,…, λ M 1 λ1, λ2,…, λM 2 λ1, λ2,…, λM N Tách kênh Bộ chuyển mạch quang Ghép kênh
Added Dropped
Ưu điểm của VWP so với WP:
+ Xác suất thiết lập được kênh quang cao hơn. + Nâng cao được hiệu suất sử dụng bước sóng. + Khả năng định tuyến cao.
+ Thực hiện điều khiển đơn giản hơn do việc phân phối bước sóng có thể được thực hiện từng bước tại các điểm node. Tuy nhiên, cấu trúc mạng phức tạp, có thể có nhiều tuyến liên kết giữa hai node. Vì vậy, phải có được thuật toán chọn đường và phân phối bước sóng hữu hiệu căn cứ vào topo của mạng và trạng thái hiện hành.
● Phân loại
Điểm node OXC được chia thành: điểm node OXC tĩnh và điểm node OXC động. Trong điểm node OXC tĩnh, trạng thái nối vật lý của các tín hiệu kênh quang khác nhau là cố định. Như vậy, dễ thực hiện về mặt công nghệ nhưng mạng không linh hoạt.
Trong điểm node OXC động, trạng thái nối vật lý của các tín hiệu kênh quang có thể thay đổi tuỳ theo yêu cầu tức thời. Nó thực hiện gần giống với chức năng của chuyển mạch nhưng ở đây các yêu cầu này lại là của nhà cung cấp. Tuy khó khăn về mặt công nghệ nhưng nó chính là tiền đề tất yếu để thực hiện nhiều chức năng then chốt của mạng thông tin quang WDM như: định tuyến động, khôi phục và tái tạo cấu hình theo thời gian thực, mạng tự khôi phục…
2.3.5. Bộ xen/rẽ quang OADM
● Chức năng của OADM
OADM là một linh kiện quan trọng trong việc tổ chức mạng truyền dẫn. Chức năng chính của OADM là rẽ tín hiệu quang từ thiết bị truyền dẫn về mạng tại chỗ, đồng thời xen tín hiệu quang của thuê bao để phát đến một điểm nút khác mà không ảnh hưởng đến việc truyền dẫn các tín hiệu kênh bước sóng khác. Chức năng này tương tự như chức năng của bộ xen/rẽ kênh ADM trong mạng SDH, nhưng đối tượng thao tác trực tiếp là tín hiệu quang. Nhờ năng lực này của OADM nên nó trở thành phần tử cơ bản nhất trong các mạng hình vòng dựa trên công nghệ WDM. Mạng hình vòng WDM giữ lại đặc tính tự khôi phục của kiến trúc hình vòng, đồng thời có thể nâng cấp dung lượng đều đặn trong trường hợp không biến đổi kiến trúc của hệ thống.
● Cấu trúc của OADM
Kết cấu của OADM bao gồm phần tử tách kênh, phần tử điều khiển tách nhập và phần tử ghép kênh. Hình 2.10 trình bày kết cấu tính năng của OADM.
Kết cấu trong hình vẽ không có nghĩa là tất cả các bước sóng đều phải tách kênh trên sợi quang đầu vào. Thông thường điểm nút OADM được dùng để tách ra bước sóng