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.
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 λ1, λ2,…, λM 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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
● 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 cần thiết của luồng đến (λd), đồng thời ghép lên sợi quang truyền dẫn bước sóng truy nhập (λa) thông qua bộ ghép kênh.
Hình 2.10: Kết cấu chức năng của OADM.
● Phân loại
Các thiết bị OADM được chia làm hai loại: OADM tĩnh và OADM động.
Trong OADM tĩnh, sử dụng tín hiệu kênh quang có bước sóng vào/ra cố định. Vì vậy trong kết cấu, phần tử điều khiển tách nhập chủ yếu dùng linh kiện thụ động như: bộ tách ghép kênh, bộ lọc cố định. Như vậy, định tuyến của điểm node là cố định, thiếu linh hoạt nhưng không có trễ.
Trong OADM động, có thể căn cứ vào nhu cầu để chọn tín hiệu kênh quang có bước sóng vào/ra khác nhau. Vì vậy trong kết cấu, phần tử điều khiển tách nhập thường dùng linh kiện khoá quang, bộ lọc có điều khiển. Như vậy, có thể phân phối tài nguyên bước sóng của mạng một cách hợp lý. Tuy nhiên, phức tạp và có trễ.
2.3.6. Chuyển mạch quang
♣ Khái niệm
Để xây dựng các hệ thống truyền dẫn toàn quang nhằm lợi dụng được các ưu điểm của truyền dẫn quang thì ngoài phần truyền dẫn là các sợi quang, các thiết bị chuyển
mạch cũng phải làm việc ở miền quang. Các ma trận chuyển mạch được sử dụng để cấu tạo nên các thiết bị chuyển mạch quang dùng thay thế cho các thiết bị chuyển mạch điện tử, sẽ khắc phục giới hạn “nút cổ chai” trong các mạch điện tử và làm tăng khả năng trong suốt của mạng quang. Ngoài ra, các ma trận chuyển mạch quang cũng là một trong các thành phần lõi của các thiết bị điểm node trong mạng WDM.
Hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch tích hợp quang (IOC) được chuyển mạch có lựa chọn từ một cáp (mạch) này tới một cáp (mạch) khác.
Một hệ thống chuyển mạch quang có thể được vận hành nhờ các phương tiện cơ như dịch chuyển sợi quang này tới sợi quang khác, hay nhờ các hiệu ứng điện – quang, từ - quang, hay bằng các phương pháp khác.
♣ Phân loại
Có 4 loại chuyển mạch quang là: chuyển mạch phân chia theo thời gian, chuyển mạch phân chia theo không gian, chuyển mạch phân chia theo bước sóng và chuyển mạch phân chia theo mã. Trong hệ thống WDM chỉ dùng hai loại chuyển mạch là: chuyển mạch phân chia theo không gian và chuyển mạch phân chia theo bước sóng. Còn chuyển mạch quang phân chia theo thời gian và chuyển mạch quang phân chia theo mã đã được ứng dụng vào chuyển mạch gói quang ATM.
Sau đây, ta sẽ tìm hiểu hai loại chuyển mạch này
a, Chuyển mạch quang phân chia theo không gian
Chuyển mạch quang phân chia theo không gian là loại chuyển mạch cơ bản. Nó có thể chia thành hai loại: loại sợi quang và loại không gian tự do. Trong đó, loại sợi quang là phổ biến. Cấu trúc của loại này: đầu vào và đầu ra có các sợi quang có thể hoàn thành hai trạng thái kết nối song song và kết nối chéo. Trong kết cấu kiểu này, các sợi đến và đi có thể phải giao nhau tại các điểm chuyển mạch nên phải đặt gần nhau về mặt vật lý. Hình 2.11 là một ví dụ về loại chuyển mạch này.
Đây là các chuyển mạch quang kiểu ống dẫn sóng, hoạt động nhờ sự thay đổi hiệu suất khúc xạ của ống dẫn sóng được điều khiển từ bên ngoài để chọn ống dẫn sóng đầu ra. Điều khiển hiệu suất khúc xạ bằng cách đưa điện áp bên ngoài vào để hình thành điện trường, hoặc thông qua đốt nóng.
Công nghệ hiện nay cho phép sử dụng các vi gương để tạo nên cấu trúc của ma trận chuyển mạch. Các vi gương chính là các gương có kích thước nhỏ hơn cả đầu của chân cắm IC, được chế tạo từ silicon – crystal đơn để chuyển mạch luồng tín hiệu quang. Để thực hiện chuyển mạch tín hiệu quang từ đầu vào đến đầu ra tương ứng thì góc nghiêng của các vi gương được điều chỉnh thích hợp sao cho tia sáng từ sợi đầu vào phản xạ trên gương để đến đầu ra yêu cầu. Các ma trận chuyển mạch thường được cấu tạo từ nhiều modul. Trên mỗi modul có một số lượng vi gương nhất định và bằng nhau theo nhà sản xuất, thường là 512 vi gương. Hình 2.12 là cấu tạo của modul chuyển mạch loại này.
Hình 2.12: Cấu trúc modul vi gương.
Nhược điểm của chuyển mạch quang phân chia theo không gian là khi chuyển mạch với dung lượng lớn, số lượng các giao điểm quang tăng lên nhanh và cần một số lượng lớn các sợi quang cho đầu vào và đầu ra.
b, Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chuyển mạch bước sóng tức là bước sóng λi bất kỳ trong các tín hiệu ghép kênh bước sóng được biến đổi thành bước sóng λj khác theo nhu cầu. Chuyển mạch bước sóng quang cần bộ biến đổi bước sóng.Thực hiện chuyển mạch bước sóng là tách kênh
để chia cắt các kênh tín hiệu về không gian, tiến hành chuyển đổi bước sóng đối với mỗi kênh rồi ghép lại và đưa ra sợi quang.
Cần phân biệt giữa chuyển mạch bước sóng với định tuyến bước sóng. Định tuyến bước sóng là lợi dụng sự khác nhau giữa các bước sóng để thực hiện chọn đường tức là, chuyển mạch không gian trong đó không bao gồm chuyển đổi bước sóng.
Để thực hiện biến đổi bước sóng phải sử dụng các bộ biến đổi bước sóng (WC). Chức năng của bộ này là biến đổi bước sóng mang dữ liệu đầu vào thành một bước sóng đầu ra trong dải thông của hệ thống. Một bộ WC lý tưởng sẽ trong suốt đối với tốc độ bit BR và khuôn dạng tín hiệu. Các thiết bị WC có thể là thiết bị quang - điện hay hoàn toàn là quang. Sử dụng loại thiết bị nào phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống. Tuy nhiên, WC hoàn toàn quang có nhiều ưu điểm vượt trội hơn và có xu hướng được sử dụng rộng rãi.
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu chuyển mạch quang đã đạt được nhiều thành tựu. Các loại cấu hình chuyển mạch quang đã được thử nghiệm trên các tuyến thực tế. Chuyển mạch quang theo không gian kết hợp chặt chẽ với định tuyến bước sóng đã được sử dụng vào các nút xen/rẽ quang (OADM) và nối chéo quang (OXC) trên các tuyến thông tin quang DWDM. Chuyển mạch quang sẽ đóng vai trò hết sức quan trọng trong mạng quang thế hệ sau.
2.3.7. Sợi quang
Sợi quang là một trong những thành phần quan trọng nhất của mạng. Nó là phương tiện truyền dẫn vật lý. Dưới đây sẽ trình bày một số loại sợi quang.
● Sợi quang G.652
Đây là loại sợi quang đơn mode được sử dụng phổ biến trên mạng lưới viễn thông của nhiều nước hiện nay. Loại sợi này có thể làm việc ở hai cửa sổ truyền dẫn 1310 nm và 1550 nm. Khi làm việc ở cửa sổ 1310 nm, G.652 có tán sắc nhỏ (xấp xỉ 0 ps/nm.km) và suy hao tương đối lớn. Ngược lại, khi làm việc ở cửa sổ 1550 nm, G.652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắc tương đối lớn.
● Sợi quang G.653
Để xây dựng các tuyến thông tin quang tốc độ cao, cự ly dài thì cần phải sử dụng loại sợi có cả suy hao và tán sắc tối ưu tại một bước sóng. Hiện nay, bằng cách thay đổi mặt cắt chiết suất có thể chế tạo được sợi tán sắc dịch chuyển, loại sợi này gọi là sợi DSF hay sợi G.653.
Hệ số suy hao của sợi DSF thường nhỏ hơn 0.5 dB/km ở cửa sổ 1310 nm và nhỏ hơn 0.3 dB/km ở cửa sổ 1550 nm. Hệ số tán sắc ở vùng bước sóng 1310 nm khoảng 20 ps/nm.km, còn ở vùng bước sóng 1550 nm thì nhỏ hơn 3.5 ps/nm.km. Bước sóng cắt thường nhỏ hơn 1270 nm.