Trong kỹ thuật ghộp kờnh theo thời gian, tớn hiệu quang trờn một sợi cỏp được chia sẻ với nhiều kờnh thụng tin thụng qua việc phõn chia thời gian. Trong một khoảng thời gian rất ngắn gọi là khe thời gian, tớn hiệu quang được điều chế lần lượt với tớn hiệu từ cỏc kờnh thụng tin tương ứng. Độ rộng của mỗi khe thời gian phụ thuộc vào nhiều thụng số thiết kế kỹ thuật khỏc nhau, đặc biệt là tốc độ truyền dẫn cần thiết đối với mỗi liờn kết. Mỗi kờnh truyền dẫn được ấn định một khe thời gian cụ thể, gọi là một kờnh TDM, trong khoảng thời gian này, dữ liệu được truyền từ nguồn tới đớch. Dữ liệu từ cỏc nguồn khỏc khụng được phộp truyền trong suốt thời gian này. Thiết bị ghộp kờnh ở phớa phỏt chốn cỏc gúi dữ liệu từ cỏc nguồn khỏc nhau vào sợi cỏp trong cỏc khe thời gian tương ứng. Thiết bị tỏch kờnh ở phớa thu sẽ nhận dạng cỏc khe thời gian, đưa dữ liệu dưới dạng cỏc dũng liờn tục ra cỏc kờnh quang riờng rẽ như ở đầu vào bộ ghộp kờnh ở phớa phỏtNguồn quang sử dụng trong kỹ thuật ghộp kờnh theo thời gian thường là cỏc laser phỏt xung rất hẹp ở tốc độ rất cao, bước súng làm việc thường trong vựng 1550 nm do cú suy hao nhỏ nhất và phự hợp với cỏc bộ khuyếch đại quang sợi sử dụng trong hệ thống. Sợi quang Tín hiệu Nguồn phát Chia quang Điều chế Điều chế Điều chế Phát xung nhịp Tách kênh KĐ quang Ghép quang KĐ quang
Hỡnh 2.1. Hệ thống ghộp kờnh phõn chia theo thời gian TDM
Lợi ớch của cụng nghệ TDM là tăng dung lượng truyền dẫn của một kờnh cỏp quang đơn lờn trờn 10 Gb/s. Cỏc hệ thống hoạt động ở tốc độ trờn đang dần dần thay thế cỏc hệ thống TDM 2,5 Gb/s. Với cỏc tốc độ nhỏ hơn 10 Gb/s, cỏc đặc tớnh chủ yếu của sợi quang ớt ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn, cũn với cỏc hệ thống hoạt động ở tốc độ lớn hơn 10 Gb/s thỡ phải quan tõm đến những ảnh hưởng của cỏc đặc tớnh của sợi quang. Mặc dự cỏc hệ thống 40 Gb/s sẽ nhanh chúng được sử dụng rộng rói và cỏc nhà khoa học cũng đang nghiờn cứu để đạt đến tốc độ 100 Gb/s, nhưng việc tăng tốc độ hơn nữa là khụng dễ dàng. Đú là do cỏc hệ thống tốc độ cao đũi hỏi cụng nghệ điện tử phức tạp và đắt tiền.
2.2.2. Mạng quang đồng bộ/phõn cấp số đồng bộ
SONET (Sychronous Optical Network: Mạng khụng đồng bộ) là một chuẩn của American National Standards Institute để truyền dữ liệu đồng bộ trờn mụi trường truyền là cỏp sợi quang. Tương đương với SONET về mặt quốc tế là SDH. Cựng nhau, chỳng đảm bảo cỏc chuẩn sao cho cỏc mạng số cú thể nối với nhau trờn bỡnh diện quốc tế và cỏc hệ thống truyền quy ước đang tồn tại cú thể nắm được lợi thế của mụi trường cỏp sợi quang.
SONET/SDH lấy cỏc luồng n bit, ghộp chỳng lại, điều chế quang tớn hiệu và sử dụng thiết bị phỏt quang để gửi nú ra ngoài với một tốc độ bit tương đương với: (tốc
độ bit vào) * n. Vỡ vậy lưu lượng đi đến bộ ghộp kờnh SONET từ bốn đầu vào với tốc
độ 2,5Gbps sẽ đi ra như một luồng đơn ở tốc độ 4*2,5 Gbps = 10 Gbps. Nguyờn tắc này được minh họa trong hỡnh 2.2
Hỡnh 2.2. Nguyờn tắc ghộp kờnh trong SONET
Đơn vị đầu tiờn được dựng trong ghộp kờnh cỏc cuộc gọi điện thoại là 64 kbps biểu thị cho một khe thời gian (Time Slot). Ghộp hai mươi bốn (ở Bắc Mỹ) hoặc ba mươi hai ở (Chõu Âu). Khe thời gian này sử dung ghộp kờnh TDM tạo thành một luồng tớn hiệu cú tốc độ bit cao hơn (1,544 Mbps hoặc 2,048 Mbps) để truyền cỏc đường T1 và E1 tương ứng .
SONET cung cấp băng thụng khổng lồ dựa trờn nhiều tốc độ từ STS – 1 ở 51,84 Mbps đến STS – 192/ STM – 64 ở 10Gbps. OC – 768 (40 Gbps) chưa được phổ biến. SONET/SDH là nền tảng của cỏc mạng MAN qua nhiều thập niờn như là một lớp chuyển vận cơ bản cho cả chuyển mạch TDM và một phần cỏc mạng dữ liệu.
SONET/SDH cú một số trở ngại. Như TDM, khỏi niệm về độ ưu tiờn và tắc nghẽn khụng tồn tại trong SONET và SDH. Ghộp kờnh phõn cấp số cũng cứng nhắc như vậy. Chẳng hạn như nấc tiếp theo của TDM 10 Gbps (STS – 192) là 40Gbps (STS – 768). Vỡ hệ phõn cấp số được tối ưu cho lưu lượng tiếng núi, nờn sẽ khụng hiệu quả khi mang lưu lượng dữ liệu với cỏc khung SONET. Hơn nữa việc lắp đặt SONET/SDH khỏ đắt tiền.
2.2.3. Gigabit Ethernet
Ethernet là nghi thức được dựng cho mạng nội bộ phổ biến nhất trờn thế giới
hiện nay. Ethernet cú tốc độ lờn đến 100 Mbps, mang lại hiệu quả về mặt kinh tế cho cỏc kết nối mỏy chủ và xương sống.
Cụng nghệ Ethernet 10 Gigabit được xõy dựng trờn nghi thức Ethernet, nhưng cú tốc độ nhanh gấp 10 lần Ethernet (1000 Mbps). Ethernet Gigabit được triển khai như một cụng nghệ xương sống cho cỏc mạng đụ thị. Đối với mạng diện rộng WAN, Ethernet 10 Gigabit cho phộp cỏc ISP (Internet Service Provider) và NSP (Network Service Provider) tạo ra cỏc liờn kết tốc độ rất cao với giỏ thành thấp từ cỏc bộ chuyển mạch và cỏc bộ định tuyến trong phạm vi cụng ty cho đến thiết bị quang gỏn trực tiếp vào SONET/SDH. Cụng nghệ Ethernet Gigabit hỗ trợ cả cỏp sợi quang đơn mode và đa mode. Tuy vậy, Cỏc khoảng cỏch được hỗ trợ tựy vào cỏc kiểu cỏp sợi quang và bước súng được thực thi trong ứng dụng. Tuy vậy, Ethernet Gigabit khụng mang lại sự đảm bảo về chất lượng dịch vụ hay khả năng chịu lỗi.
2.3. Nguyờn lý ghộp kờnh quang theo bước súng WDM2.3.1. Định nghĩa 2.3.1. Định nghĩa
Ghộp kờnh theo bước súng WDM (Wavelength Division Multiplexing ) là cụng
nghệ “ trong một sợi quang truyền dẫn nhiều tớn hiệu quang với nhiều bước súng khỏc nhau”. Ở đầu phỏt, nhiều tớn hiệu quang cú bước súng khỏc nhau được tổ hợp lại (ghộp kờnh) để truyền đi trờn một sợi quang. Ở đầu thu, tớn hiệu tổ hợp đú được phõn giải ra (tỏch kờnh), khụi phục lại tớn hiệu gốc rồi đưa vào cỏc đầu cuối khỏc nhau.
2.3.2. Nguyờn lý cơ bản của WDM
Do cỏc nguồn phỏt quang cú độ rộng phổ khỏ hẹp, cỏc hệ thống thụng tin cỏp
sợi quang thường chỉ sử dụng phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi quang. Để tận dụng băng thụng, người ta đó tiến hành ghộp cỏc luồng ỏnh sỏng cú bước súng khỏc nhau và truyền đi trờn một sợi quang. Về lý thuyết, cú thể truyền một dung lượng rất lớn trờn một sợi quang từ nhiều nguồn phỏt quang khỏc nhau hoạt động ở cỏc bước súng khỏc nhau. Ở phớa thu cú thể thu được cỏc tớn hiệu quang riờng biệt nhờ quỏ trỡnh lọc cỏc bước súng khỏc nhau này
Kỹ thuật ghộp kờnh theo bước súng cho phộp tăng dung lượng truyền dẫn quang mà khụng cần tăng tốc độ bit đường truyền và cũng khụng cần tăng thờm số sợi quang.
Giả sử cú cỏc nguồn quang làm việc ở cỏc bước súng khỏc nhau λ1,λ2,...,λn. Cỏc tớn hiệu quang ở cỏc bước súng khỏc nhau này sẽ được ghộp vào cựng một sợi dẫn quang. Cỏc tớn hiệu cú bước súng khỏc nhau được ghộp lại ở phớa phỏt nhờ bộ ghộp kờnh, bộ ghộp bước súng phải đảm bảo cú suy hao nhỏ và tớn hiệu sau khi ghộp sẽ được truyền dọc theo sợi tới phớa thu. Cỏc bộ tỏch súng quang khỏc nhau ở phớa đầu thu sẽ nhận lại cỏc luồng tớn hiệu với cỏc bước súng riờng rẽ này sau khi chỳng qua bộ giải ghộp bước súng. Nguyờn lý cơ bản của ghộp bước súng quang đơn hướng cú thể minh hoạ như hỡnh 2.4
Hỡnh 2.3. Sơ đồ khối hệ thống quang WDM
Ở phớa phỏt, cỏc thiết bị ghộp kờnh phải cú suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghộp kờnh. Ở phớa thu cỏc bộ tỏch súng quang phải nhạy với độ rộng của cỏc bước súng quang. Khi thực hiện tỏch kờnh cần phải thực hiện cỏch ly kờnh quang thật tốt với cỏc bước súng bằng cỏch thiết kế cỏc bộ giải ghộp kờnh thật chớnh xỏc, cỏc bộ lọc quang nếu được sử dụng phải cú bước súng cắt chớnh xỏc, dải làm việc thật ổn định.
Cú 2 phương ỏn thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghộp bước súng quang (như hỡnh 2.4 và hỡnh 2.5) Bao gồm:
Hệ thống ghộp bước súng theo 1 hướng (hỡnh 2.4): thiết bị ghộp bước súng được dựng để kết hợp cỏc bước súng quang từ cỏc nguồn quang laser diode (LD) hoặc LED khỏc nhau; sau đú cỏc tớn hiệu đa bước súng này được đi truyền trờn cựng một sợi và
Sợi dẫn quang DE M U X M U X I1(λ1) In(λn) O1(λ1) On(λn) O(λ1,... λn) I(λ1,... λn)
tại đầu thu, thiết bị tỏch bước súng quang sẽ tỏch cỏc bước súng này trước khi đưa vào cỏc bộ thu quang để thực hiện biến đổi về tớn hiệu điện.
Hệ thống ghộp bước súng theo 2 hướng (hỡnh 2.5): tớn hiệu được truyền đi theo 1 hướng tại bước súng λ1,λ2,...,λN và hướng ngược lại theo cỏc bước súng λ,
1,λ, 2, ... λ,
N, trờn cựng một sợi quang.
a. Truyền dẫn hai chiều trờn hai sợi
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trờn hai sợi là: tất cả kờnh quang cựng trờn một sợi quang truyền dẫn theo cựng một chiều (như hỡnh 2.4), ở đầu phỏt cỏc tớn hiệu cú bước súng quang khỏc nhau và đó được điều chế λ1, λ2 ,...., λn thụng qua bộ
ghộp kờnh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiều trờn một sợi quang. Vỡ cỏc tớn hiệu được mang thụng qua cỏc bước súng khỏc nhau, do đú sẽ khụng lẫn lộn. Ở đầu thu, bộ tỏch kờnh quang tỏch cỏc tớn hiệu cú bước súng khỏc nhau, hoàn thành truyền dẫn tớn hiệu quang nhiều kờnh. Ở chiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khỏc, nguyờn lý giống như trờn.
b. Truyền dẫn hai chiều trờn một sợi
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trờn một sợi là: ở hướng đi, cỏc kờnh quang tương ứng với cỏc bước súng λ1, λ2, ..., λn qua bộ ghộp/tỏch kờnh được tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trờn một sợi. Cũng sợi quang đú, ở hướng về cỏc bước súng λn+1,
λn+2,..., λ2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xem hỡnh 2.5). Núi cỏch khỏc ta dựng cỏc bước súng tỏch rời để thụng tin hai chiều (song cụng).
Hệ thống WDM hai chiều trờn hai sợi được ứng dụng và phỏt triển tương đối rộng rói. Hệ thống WDM hai chiều trờn một sợi thỡ yờu cầu phỏt triển và ứng dụng cao hơn, đũi hỏi yờu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiờm ngặt. Ở phớa phỏt, cỏc thiết bị ghộp kờnh phải cú suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghộp kờnh. Ở phớa thu, cỏc bộ tỏch súng quang phải nhạy với dải rộng của cỏc bước súng quang. Khi thực hiện tỏch kờnh cần phải cỏch ly kờnh quang thật tốt với cỏc bước súng khỏc bằng cỏch thiết kế cỏc bộ tỏch kờnh thật chớnh xỏc, cỏc bộ lọc quang nếu được sử dụng phải cú bước súng cắt chớnh xỏc, dải làm việc ổn định.
Hệ thống WDM được thiết kế phải giảm tối đa cỏc hiệu ứng cú thể gõy ra suy hao truyền dẫn. Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của cỏc thiết bị thấp, cần phải tối chiều trờn một sợi, do đú hệ thống này cú khả năng ớt được lựa chọn khi thiết kế tuyến. thiểu hoỏ thành phần cụng suất cú thể gõy ra phản xạ tại cỏc phần tử ghộp, hoặc tại cỏc điểm ghộp nối cỏc module, cỏc mối hàn...., bởi chỳng cú thể làm gia tăng vấn đề xuyờn kờnh giữa cỏc bước súng, dẫn đến làm suy giảm nghiờm trọng tỉ số S/N của hệ thống. Cỏc hiệu ứng trờn đặc biệt nghiờm trọng đối với hệ thống WDM truyền dẫn hai
Ở một mức độ nào đú, để đơn giản ta cú thể xem xột bộ tỏch bước súng như bộ ghộp bước súng chỉ bằng cỏch đổi chiều tớn hiệu ỏnh sỏng. Như vậy hiểu đơn giản, từ
“bộ ghộp - multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để xột cho cả bộ ghộp và bộ tỏch; loại trừ trường hợp cần thiết phải phõn biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng. Người ta chia loại thiết bị OWDM làm ba loại: Cỏc bộ ghộp (MUX), cỏc bộ tỏch (DEMUX) và cỏc bộ ghộp/tỏch hỗn hợp (MUX-DEMUX). Cỏc bộ MUX và DEMUX được sử dụng trong cỏc phương ỏn truyền dẫn theo một hướng, cũn loại thứ ba MUX-DEMUX được sử dụng cho cỏc phương ỏn truyền dẫn theo hai hướng. Hỡnh 2.6 mụ tả thiết bị ghộp/tỏch hỗn hợp.
2.4. Cỏc linh kiện trong hệ thống WDM
Cỏc linh kiện được sử dụng trong cỏc mạng quang hiện đại bao gồm cỏc bộ ghộp/tỏch (couplers), bộ phỏt laser (lasers), bộ tỏch quang (photodetectors), bộ khuếch đại quang (optical amplifiers), bộ chuyển mạch quang (optical switches), bộ lọc (filters) và bộ ghộp/tỏch kờnh (multiplexers).
2.4.1 Bộ ghộp/tỏch tớn hiệu (Coupler) a) Định nghĩa a) Định nghĩa
Bộ ghộp/tỏch tớn hiệu (Coupler) là thiết bị quang dựng để kết hợp cỏc tớn hiệu truyền đến từ cỏc sợi quang khỏc nhau. Nếu coupler chỉ cho phộp ỏnh sỏng truyền qua nú theo một chiều, ta gọi là coupler cú hướng (directional coupler). Nếu nú cho phộp ỏnh sỏng đi theo 2 chiều, ta gọi là coupler song hướng (bidirectional coupler). Coupler thụng dụng nhất là coupler FBT (Fused Binconical Taper). Coupler này được chế tạo bằng
cỏch đặt 2 sợi quang cạnh nhau, sau đú vừa nung chảy để chỳng kết hợp với nhau vừa kộo dón ra để tạo thành một vựng ghộp (coupling region). Một coupler 2 x 2 đặc trưng bởi tỉ số ghộp α (0<α<1). α là tỉ lệ cụng suất ỏnh sỏng ngừ vào 1 đến ngừ ra 1 so với tổng cụng suất ỏnh sỏng vào ngừ vào 1. Phần tỉ lệ 1-α cụng suất ỏnh sỏng cũn lại của ngừ vào 1 sẽ được truyền đến ngừ ra 2. Hỡnh 2.7 là một coupler FBT 2 x 2 cú hướng
Hỡnh 2.7. Cấu tạo Coupler FBT 2x2
b) Nguyờn lý hoạt động
Khi hai sợi quang được đặt cạnh nhau, ỏnh sỏng sẽ được ghộp từ sợi này sang sợi kia và ngược lại. éú là do quỏ trỡnh truyền mốt ỏnh sỏng trờn sợi quang qua vựng ghộp sẽ khỏc so với truyền trờn sợi quang đơn. Khi đú, toàn bộ ỏnh sỏng thuộc một sợi quang sẽ được ghộp hoàn toàn sang sợi quang ghộp với nú, phần ỏnh sỏng này lại tiếp tục được ghộp ngược trở lại sang sợi quang sang đầu theo một chu kỡ tuần hoàn khộp kớn. Kết quả ta cú cường độ trường điện từ ở đầu ra của mộ ghộp E , E được tớnh theo cường độ trường điện từ đầu vào E , E theo cụng thức:
trong đú:
β là hệ số pha của sự truyền ỏnh sỏng trong sợi quang.
κ là Hệ số ghộp. κ phụ thuộc vào chiều rộng của sợi quang, chiết suất của lừi sợi và đến khoảng cỏch gần nhau của hai sợi quang khi thực hiện nung chảy
c) Ứng dụng
-Coupler là linh kiện quang linh hoạt và cú thể cho nhiều ứng dụng khỏc nhau:Bộ coupler với tỉ số ghộp α ≈ 1 được dựng để trớch một phần nhỏ tớn hiệu quang, phục vụ cho mục đớch giỏm sỏt.
-Coupler cũn là bộ phận cơ bản để tạo nờn cỏc thành phần quang khỏc, chẳng hạn như: cỏc bộ chuyển mạch tĩnh, cỏc bộ điều chế, bộ giao thoa Mach-Zehnder MZI... MZI cú thể được chế tạo hoạt động như bộ lọc, MUX/DEMUX, chuyển mạch và bộ chuyển đổi bước súng.
-Thực hiện ghộp/tỏch bước súng trờn sợi quang. Nhờ điều chỉnh chiều dài ghộp thớch hợp khi chế tạo, coupler 2 x 2 ghộp 50:50 phõn bố cụng suất ỏnh sỏng từ một đầu vào ra làm 2 phần bằng nhau ở 2 ngừ ra. Coupler này cũn được gọi là coupler 3 dB, ứng dụng phổ biến nhất. Từ coupler 3 dB, cú thể tạo nờn bộ coupler n x n ghộp n tớn hiệu khỏc nhau vào một sợi quang.
2.4.2 Bộ isolator/circulator a) éịnh nghĩa a) éịnh nghĩa
Coupler và phần lớn cỏc linh kiện quang thụ động khỏc là cỏc thiết bị thuận ngược (reciprocal) theo nghĩa thiết bị sẽ hoạt động cựng một kiểu nếu đảo ngừ vào và ngừ ra với nhau.Isolator là thiết bị khụng thuận ngược (nonreciprocal). Nú chỉ truyền ỏnh sỏng qua nú theo một chiều và ngăn khụng cho truyền theo chiều ngược lại. Nú được dựng