- Hiện tợng phản xạ và khúc xạ:
V.1.1 Nguyên lý cơ bản của ghép bớc sóng quang
Nguyên lý cơ bản của ghép bớc sóng quang có thể minh hoạ nh hình 1. Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bớc sóng khác nhau λ1,
λ2...λn.Các tín hiệu quang ở các bớc sóng khác nhau này sẽ đợc ghép vào cùng một sợi dẫn quang. Các tín hiệu có bớc sóng khác nhau đợc ghép lại ở phía phát nhờ một bộ ghép kênh: bộ ghép bớc sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi đợc ghép sè đợc truyền dọc theo sợi để tới phias thu. Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu và và sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bớc sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bớc sóng.
ở hai phơng án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bớc sóng quang WDM. 43 i On(λn ) O1(λ1 ) In(λn) I1(λ1) MUX DMUX 0(λ1…λn) I(λ1…λn) Sợi dẫn quang
Phơng án 1: truyền dẫn ghép bớc sóng quang theo một hớng: là kết hợp các tín hiệu có bớc sóng khác nhau vào sợi tại mọt đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia.
Phơng án 2: truyền dẫn WDM hai hớng: là không qui định phát ở một đầu và thu ở một đầu; điều này có nghĩa là có thể phát thông tin theo một tại bớc sóng λ1 và đồng thời cũng phát đi thông tin khác theo hớng ngợc lại tại b- ớc sóng λ2.
Để thực hiện một hệ thống WDM theo một hớng, thì cần phải có bộ ghép kênh ở đầu phát để kết hợp các tín hiệu quang từ các nguồn phát quang khác nhau đa vào một sợi dẫn quang chung. Tại đầu thu cần phải có một bộ ghép kênh để thực hiện tách các kênh quang tơng ứng. Nhìn chung, các tín hiệu quang không phát một lợng công suất đáng kể nào ngoài độ rộng phổ
λ1, λ2…λn Nguồn λ1 Nguồn λ2 Nguồn λN Thiết bị WDM Kênh 1 Kênh 2 Kênh N Nguồn λ1 Nguồn λ2 Nguồn λN Thiết bị WDM Kênh 1 Kênh 2 Kênh N Một sợi Hình V.2: Hệ thống ghép bớc sóng theo một hớng. Kênh
vào Nguồn λ1 Thu λ2 Kênh ra
Thu λ2 Thiết bị WDM Kênh ra Một sợi Kênh vào λ1 λ2 Nguồn λ1 Thiết bị WDM
kênh đã định trớc cho của chúng cho nên vấn đề xuyên tâm là không đáng lu ý ở đầu phát. Vấn đè đáng lu tâm ở đây là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép ít bị suy hao. Đối với bộ giải ghép kênh, vì các bộ tách sóng quang thờng nhạy cảm trên cả một vùng rộng các bớc sóng cho nên nó có thể thu đợc toàn bộ các bớc sóng đợc phát đi. Nh vậy để ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có các biện pháp cách ly tốt các kênh quang. Để thực hiện điều này, cần thiết kế các bộ giải ghép thật chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định có bớc sóng cắt chính xác.
Ngời ta chia loại thiết bị ghép bớc sóng quang thành ba loại: các bộ ghép (MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ ghép và giả hỗn hợp (MUX-DEMUX).
Các bộ MUX và DEMUX đợc dùng cho các phơng án truyền dẫn theo một hớng, còn loại thứ ba (Mũ -DEMUX) đợc sử dụng cho phơng án truyền dẫn theo hai hớng. Hình 4 là sơ đồ miêu tả thiết bị giải ghép và giải ghép kênh hỗn hợp. V.1.2 Các tham số cơ bản. 45 O(λk) Ii(λi) I k(λk) Các tín hiệu được ghép
Các tín hiệu được giải ghép I(λk)
Sợi dẫn quang
Hình V.4: Mô tả thiết bị ghép và giải ghép (MUX và DMUX)
Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính của các bộ ghép – giải ghép hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh.
Các ký hiệu I(λi) và O(λk) tơng ứng là các tín hiệu đã đợc ghép dạng có mặt ở đờng chung. Ký hiệu Ik(λk) là tín hiệu đầu vào đợc ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này đợc phát từ nguồn phát quang thứ k. Ký hiệu Oi(λi) là tín hiệu có bớc sóng λi đã đợc giả ghép và đi ra cửa thứ i.
Suy hao xen đợc xác định là lợng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép bớc sóng quang ƯDM. Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao bản thân các thiêt bị ghép gây ra.
Với Li là suy hao (tại bớc sóng λi) khi thiết bị đợc ghép xen vào tuyến truyền dẫn. Các tham số này phải luôn đợc các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị.
Xuyên kênh ngụ ý mô tả một lợng tín hiệu từ kênh này đợc ghép sang kênh khác. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc vào trờng hợp áp dụng. Nhng nhìn chung phải đảm bảo nhỏ hơn(-30dB) trong mọi trờng hợp.
Khả năng để tách các kênh khác nhau đợc diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và đợc tính bằng dB nh sau:
Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ ghép kênh ở hình 5.a) thì Ui(λk) là lợng tín hiệu không mong muốn ở bớc sóng λk do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i,
MUX O(λi) Ii(λi) Li = -10log DEMUX Oi(λi) I(λi) Li = -10log Ui(λk) I(λk) Di(λk) = -10log
mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bớc sóng λi.. Trong thiết bị ghép và giải ghép hỗn hợp nh ở hình 5.b) việc xác dịnh suy hao xuyên kênh cũng đợc áp dụng nh bộ giải ghép. ở trờng hợp này phải xem xét cả hai loại xuyên kênh. “Xuyên kênh đầu ra” là do các kênh ghép đi vào đờng truyền gây ra, ví dụ nh I(λk) sinh ra Ui(λk). “Xuyên kênh đầu vào” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó đợc ghép ở bên trong thiết bị, nh Ui(λj).
Độ rộng kênh là dải bớc sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang riêng. Nếu nguồn phát quang là các điốt laser thì các độ rộng kênh đợc yêu cầu váo khoảng vài chục nanomet để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra. Đối với nguồn phát là điôt phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi vị độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn.
V.2. Ghép kênh quang theo tần số OFDM.
Trong ghép kênh OFDM, băng tần của sóng ánh sáng đợc phân chia thành một số kênh thông tin riêng biệt; ở đây, các kênh ánh sáng có các tần số quang khác nhau sẽ đợc biến đổi thành các luồng song song để cùng truyền đồng thời trên cùng một sợi quang.
Các sóng náh sáng có một tiềm năng thông tin rất lớn vì nó có tần số cao, tới hơn 200000Ghz(1Ghz =109Hz). Hơn thế nữa sợi quang vốn có suy hao nhỏ ở dải bớc sóng từ 0,8àmữ1,8àm cũng tơng đơng ở băng tần 200000Ghz. 47 I(λi)...I(λk) DEMUX Sợi quang I(λi)...I(λk) O i(λi)+U i(λi) Sợi quang Oi(λi)+Ui(λi)+Ui(λi) Ii(λi) (λj) (λk) O(λj)
Hình V.5: Xuyên kênh a) ở bộ giải ghép kênh và b) ở bộ giải ghép kênh hỗn hợp.
Nh vậy, ghép kênh quang theo tàn số đợc xem xét nh là cấp cao hơn WDM vì số kênh ghép đợc trong băng tần quang sẵn có rất lớn OFDM có thể coi nh là biện pháp ghép kênh quang có mật độ ghép dày đặc hơn. Hình 6 minh hoạ một hệ thống ghép kênh quang theo tần số ; ở đây, tín hiệu quang đợc ghép đợc xây dựng theo phơng pháp tựa nh các kỹ thuật thông thờng, nh- ng quá trìng biến đổi điện nào. Tổng số các chùm bit đợc ghép sẽ phụ thuộc vào tốc độ ghép của mỗi luồng (kênh) riêng rẽ sẽ đợc khôi phục lại.
+ Các công nghệ ban đầu của OFDM.
Các hệ thống ghép kênh quang theo tần số phải dựa trên các nguồnphát quang có các tần số ổn định, các thiết bị quang thụ động nh các bộ lọc quang, các bộ khuyếch đại quang băng tần rộng có thể khuêchs đại nhiều kênh OFDM cùng một lúc. Sợi cáp quang 1550nm Điều biến ngoài (PSK) f S 1 Mix f1 S2 Mix f2 Sn Mix fn Bộ kết hợp Laser f S 1 Mix f1 S2 Mix f2 Sn Mix fn Tách quang PLL quang Bộ chia công suất
Các nguồn phát quang ổn định về tần số là rất cần thiết để ngăn chặn xuyên kênh. Các laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp có thể dụng làm nguồn phát cho hệ thống OFDM. Tuy nhiên khi laser có độ rộng hẹp thì lại không ổn định về tần số, do đó phải dung hoà về mặt này. Để có nguồn phát laser có độ rộng phổ hẹp mà lại ổn định thì phải sử dụng loại mạch gõ tần số quang ( gõ mode) . Hiện nay các hệ thống OFDM thử nghiệm đã sử dụng các mạch gõ tần số quang có bộ lọc hiệu chỉnh đáp ứng tần số quang.
Các thiết bị quang thụ động cũng rất quan trọng để kết hợp các tín hiệu quang OFDM riêng rẽ. Đối với các sóng quang có độ rộng phổ hẹp đợc ổn định tần số, cộng hởng giao thoa và các hiện tợng khác luôn đòi hỏi phải có các bộ lọc quang chính xác. Các bộ lọc này có tíh chuẩn xác tựa nh các bộ lọc trong các hệ thống viba. Công nghệ gần đây đã cho ra đợc bộ lọc quang 100 kênh có khả năng tạo khoảng cách kênh 5ữ10Ghz.
Các bộ khuyếch đại quang sẽ thực hiện khuyếch đại các kênh quang FDM đồng thời một lúc, nó tạo ra cự ly băng tần truyền dẫn của hệ thống đợc dài hơn. Hiện nay, các bộ khuyếch đại quang cho òDM đã có khả năng khuyếch đại đợc 100 kênh quang. Điều nà mở ra một hớng ứng dụng OFDM vào các môi trờng khai thác đa dạng.
V.3. Ghép kênh quang theo thời gian OTDM.
Ghép kênh OTDM: là quá trình ghép các luồng tín hiệu quang. không thông qua 1 quá trình biến đổi về điện nào, kỹ thuật ghép ở đây có liên quan đến luồng tín hiệu ghép, dạng mã và tốc độ đờng truyền.
V.3.1 Nguyên lý ghép kênh OTDM.
Hoạt động của một hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM có thể mô tả nh hình 7.
Trong hệ thống ghép kênh quang OTDM, chuỗi xung quang hẹp đợc phát ra từ nguồn phát thích hợp. Các tín hiệu này đợc đa vào khuyếch đại để nâng mức tín hiệu đủ lớn để đáp ứng đợc yêu cầu. Sau đó đợc chia thành N luồng, mỗi luồng sẽ đa vào điều chế nhờ ngoài với tín hiệu nhánh tốc độ B Gbit/s. Để thực hiện ghép các tín hiệu quang này với nhau, các tín hiệu nhánh 49
phải đợc đa qua các bộ trễ quang. Tuỳ theo vị trí của từng kênh theo thời gian trong khung mà các bộ trễ này sẽ thực hiện trễ để dịch các khe thời gian trong khung mà các bộ trễ này sẽ thực hiện trễ để dịch các khe thời gian một cách tơng ứng. Thời gian trễ là một nửa chu kỳ của tín hiệu clock. Nh vậ, tín hiệu sau khi đợc ghép sẽ có tốc độ là N.BGbit/s. Sau khi đợc truyền trên đờng truyền, thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ thực hiện tách kênh và khôi phục xung clock và đa ra đợc từng kênh quang riêng biệt tơng ứng với các kênh quang ở đầu vào bộ ghép phía phát.
Các hệ thống ghép kênh OTDM thờng hoạt động ở vùng bớc sóng 1550nm, tại bớc sóng này sẽ có suy hao quang nhỏ, lại phù hợp với bộ khuyếch đại quang sợi có mặt trong hệ thống. Các bộ khuyếch đại sợi quang có chức năng duy trì quỹ công suất của hệ thống nhằm đảm bảo tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm (S/N) ở phía thu quang. Nguyên lý hoạt động này có thể đáp ứng xây dựng các hệ thống thông tin với tốc độ 200Gbit/s. Tuy nhiên ở tốc độ này phải xem xét tới việc bù tán sắc cho hệ thống.
Sợi dẫn quang Bộ chia quang Tín hiệu Trễ quang Thời gian Khuyếch đại quang Bộ tách kênh Bộ ghép quang
Kênh 1 2 3 4 1 2 3 4 Thời gian Kênh 1
Kênh 4
Hình V.7: Sơ đồ tuyến thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM ghép 4 kênh quang.
Bộ điều chế Bộ điều chế Bộ điều chế Bộ điều chế Nguồn phát Khuyếch đại quang EDFA Khối phát clock
V.3.2 Giải ghép và xe rẽ kênh.
Khi xem xét các hệ thống OTDM và các hệ thống thông tin quang có ghép kênh TDM, ngời taq thấy sự khác nhau chủ yếu ở đây là việc ghép và giải ghép trong vùng thời gian quang, mà nó đợc thể hiện nh một chức năng tích cực. Thực hiện việc giải ghép trong hệ thống OTDM điểm nối điểm ở phía thu chính là việc tách hoàn toàn các kênh quang. Tuy nhiên khi xem xét trên cục diện mạng OTDM thì lại phải xem xét cả khả năng xen và rẽ kênh từ luồng truyền dẫn. Đối với giải bộ ghép kênh, cần phải xem xét các tham số cơ bản về tách kênh, kể cả tỷ số phân biệt quang, suy hao xen và cắt cửa sổ chuyển mạch có thể đạt đợc. Đối với các nút xen và rẽ kênh thì phải đánh giá cả hiệu suất chuyển mạch, đo đạc phần công suất đợc lấy ra từ kênh tơng ứng.
ở đây tỷ số phân biệt rõ ràng có ảnh hởng tới mức độ xuyên kênh. (Tỷ số phân biệt EX = 10log10(A/B), với A là mức công suất quang trung bình ở mức logic 1 và B là mức công suất quang trung bình ở mức logíc 0), Ngoài ra, xuyên kênh cũng sẽ bị tăng do sự phủ chờm giữa các kênh lân cận với nhau tạo thành cửa sổ chuyển mạch. Kết quả là độ rộng của cửa sổ chuyển mạch sẽ có ảnh hởng trực tiếp đến tốc độ đờng truyền.
V.3.3 Đặc tính truyền dẫn của OTDM.
Tán sắc của sợi quang làm cho các xung ánh sáng lan truyền trên sợi bị dãn rộng ra trong khi đó các hệ thống thông tin quang OTDM có tốc độ rất cao, nh vậy đòi hỏi các xung phát ra phải rất ngắn. Mặc dù vấn đề tán sắc có thể đợc khắc phục bằng cách sử dụng truyền dẫn Soliton trong các điều kiện cho phép, nhng vẫn phải đặc biệt quan tâm tới các biện pháp tạo ra các xung cực hẹp. Giả thiết rằng các bộ khuyếch đại quang thờng đợc sử dụng để tăng các mức tín hiệu dọc theo tuyến thông tin quang khi cần thiết. Đặc biệt đối với các hệ thống truyền dẫn Soliton ở đây, việc nén các xung pháp tuyến nhằm để tạo ra các dạng xung.
Trong truyền dẫn tín hệu RZ trên sợi có tán sắc, đền bù cho hệ thống theo nghĩa bù trừ tán sắc chỉ thiết lập khi các xung tín hiệu bị mất năng lợng vào các khe thời gian lân cận. Tuy nhiên, một khi điều này xảy ra thì hệ thống bị suy giảm nhanh. Vậy. để tăng cực đại khoảng cáh truyền dẫn thì phải đa các hệ thống OTDM vào các tuyến có tán sắc tiến tới không. Giải pháp tiếp cận đầu tiên là nguồn phát phải làm việc tại bớc sóng rất gần với b- ớc sóng của tán sắc sợi bằng không. Điều này không phải dễ dàng thực hiện nh đã nói bởi vì với các điều kiện này, mức công suát mà tại đó có sự sút kém hệ thống phi tuyến xảy ra có thể hoàn toàn thấp, tức là giảm công suất tín hiệu để tránh dãn xung cần thiết nhng điều này có thể làm cho đặc tính hệ thống bị giới hạn do tỷ lệ tín hiẹu trên nhiễu. Thứ hai là các kỹ thuật điều tiết tán sắc có thể đợc sử dụng để duy trì hình thức truyền dẫn tuyến tính để tránh các giới hạn nh ở trên hoặc để bù đầy đủ tán sắc tuyến tính của tuyến. Việc thực hiện các kỹ thuật bù tán sắc trong hệ thống OTDM là một bớc kiểm tra ngặt nghèo chất lợng của sự bù vì rằng ở đây sử dụng các xung rất ngắn.
Lợi thế nổi bật của việc sử dụng các bộ phát OTDM trong truyền dẫn số phi tuyến. Các dạng xung ngắn đặc biệt phù hợp với truyền dẫn Soliton để