Hỡnh 3.1: Sơ đồ tuyến thụng tin quang dựng kỹ thuật OTDM ghộp 4 kờnh quang
Sợi quang Tớn hệu Nguồn phát Chia quang Điều chế Điều chế Điều chế Phát xung nhịp Tác h kênh KĐ quang Ghép quang Trễ quang qquaquang Điều chế KĐ quang
Hệ thống thụng tin quang sử dụng kỹ thuật ghộp kờnh OTDM ỏp dụng hai kỹ thuật phỏt tớn hiệu chủ yếu sau:
- Tạo luồng số liệu quang số RZ thụng qua việc sử lý quang luồng NRZ - Dựa vào việc điều chế ngoài của cỏc xung quang.
Trong kỹ thuật tạo luồng số liệu quang số RZ thụng qua việc sử lý quang luồng NRZ, từ luồng NRZ ta thực hiện biến đổi chỳng để đưa về dạng tớn hiệu RZ bằng cỏch cho luồng tớn hiệu NRZ qua phần tử xử lý quang cú cỏc đặc tớnh chuyển đổi phự hợp. Quỏ trỡnh biển đổi ỏnh sỏng liờn tục (CW) thành cỏc xung dựa vào bộ khuếch đại điện - quang. Đầu vào CW là luồng tớn hiệu quang NRZ và thường thỡ mỗi luồng NRZ yờu cầy một phần tử xử lý quang riờng. Nhưng với cỏc hệ thống tiờn tiến hơn sẽ cho phộp đồng thời thực hiện cả biến đổi và xen quang NRZ thành NZ nhờ một thiết bị chuyển mạch tớch cực điện - quang 2 x 2. Vỡ vậy, chựm tớn hiệu ban đầu NRZ tốc độ B Gbit/s sẽ được lấy mẫu nhờ bộ điều chế Mach - Zehnder, bộ điều chế này được điều khiển với một súng hỡnh sin với tần số B GHz và được làm bằng biờn độ cho đến giỏ trị điện ỏp chuyển mạch. Tớn hiệu quang số này sẽ được biến đổi thành dạng RZ ở tốc độ B Gbit/s với độ rộng xung bằng một nửa chu kỳ bit và việc này nhằm mục đớch tạo ra một khoảng để xen vào một luồng tớn hiệu dạng RZ thứ hai. Việc xen kờnh thứ hai được thực hiện nhờ bộ ghộp.
Cụng nghệ nguồn phỏt quang trong ghộp kờnh cũng được lưu ý, đú là Cỏc Laser cú thể phỏt xung rất hẹp ở tốc độ cao và đầu ra của nguồn là cỏc bộ chia quang thụ động, cỏc bộ điều chế ngoài và tiếp đú là cỏc bộ trễ thời gian, cỏc bộ tỏi hợp vẫn sử dụng couple. Cỏc sản phẩm của phớa phỏt OTDM được phỏt hầu như dựa vào cỏc cụng nghệ tổ hợp mạch lai ghộp và điều này đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp hành nghiờn cứu.
Đối với hệ thống sử dụng kỹ thuật OTDM, khi lựa chọn tuyến quang cho hệ thống ta cần quan tõm đến tỷ lệ “đỏnh điểm - khoảng trống” và nú tuỳ thuộc vào mức độ ghộp kờnh đặt ra. Trong hệ thống OTDM 4 kờnh, tỷ lệ “đỏnh điểm - khoảng trống” lớn hơn đối với nguồn phỏt xung quanh. Khi tuyến truyền dẫn rất xa thỡ tỷ lệ này sẽ yờu cầu cao hơn. Cỏc nguồn phỏt xung phự hợp với hệ thống OTDM đang được sử dụng rộng rói:
1. Cỏc Laser hốc cộng hưởng ngoài gừ mode 4 x 5 Gbit/s. 2. Cỏc Laser DFB chuyển mạch khuếch đại 8 x 6,25 Gbit/s.
3. Cỏc Laser vũng sợi khoỏ mode 4 x 10 Gbit/s và 16 x 6,25 Gbit/s. 4. Cỏc nguồn phỏt liờn tục 16 x 6,25 Gbit/s.
Nguồn phỏt liờn tục 16 x 6,25 Gbit/s là một cụng cụ thực hiện linh hoạt dựa trờn sự mở rộng quang phổ bằng cỏch truyền những xung năng lượng cao trờn dõy cỏp quang.
3.2.3. Giải ghộp và xen rẽ kờnh trong hệ thống OTDM * Giải ghộp
Khi xem xột cỏc hệ thống thụng tin quang sử dụng cụng nghệ OTDM người ta quan tõm đến việc ghộp và giải ghộp trong vựng thời gian quang. Với hệ thống thụng tin quang cú cấu hỡnh điểm-điểm thỡ cụng việc giải ghộp ở phớa thu là việc tỏch hoàn toàn cỏc kờnh quang tương ứng đó được phỏt ở đầu phỏt. Nhưng đối với mạng thụng tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM thỡ việc giải ghộp ở phớa thu khụng chỉ đơn thuần là tỏch cỏc kờnh quang mà cũn thực hiện việc xen và rẽ kờnh từ luồng truyền dẫn.
Đối với cỏc bộ giải ghộp kờnh cần phải xem xột cỏc thụng số cơ bản về tỏch kờnh kể cả tỷ số phõn biệt quang, suy hao quang, suy hao xen và mặt cắt cửa sổ chuyển mạch cú thể đạt được. Tỷ số phõn biệt cú ảnh hưởng rất lớn đến mức độ xuyờn õm.
EX =10log10 AB (4.1) với A: Mức cụng suất quang trung bỡnh ở mức logic 1.
B: Mức cụng suất quang trung bỡnh ở mức logic 0.
Ngoài ra, xuyờn kờnh cũng sẽ bị tăng do sự phủ chờm giữa cỏc kờnh lõn cận với nhau tạo thành cửa sổ chuyển mạch. Và kết quả là độ rộng của cửa sổ chuyển mạch sẽ cú ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ đường truyền do đú ta phải đặt ra cỏc yờu cầu về độ rộng xung tớn hiệu sau khi truyền dẫn để giảm nhỏ xuyờn kờnh.
Bảng 3.1. Bảng túm tắt cỏc phương phỏp giải ghộp kờnh OTDM.
Loại chuyển mạch Tớn hiệu điều khiển
Cỏc đặc tớnh và cửa sổ chuyển mạch nhỏ nhất
-Bộ điều chế Niobate ghộp tầng
- Bộ điều khiển băng rộng
- Bộ điều khiển điện- hấp thụ
- Quang Kerr: sợi - Trộn súng: sợi - Gương vũng: Sợi - Trộn súng: bỏn dẫn - Quang Kerr: bỏn dẫn -Gương vũng: bỏn dẫn Súng điện hỡnh sin Súng điện 2 tần số Súng điện hỡnh sin Xung quang Xung quang Xung quang Xung quang Xung quang Xung quang 40 > 10Gbit/s cửa sổ 19 ps 40 > 10Gbit/s cửa sổ 22 ps. Rẽ và xen kờnh Khụng nhạy cảm phõn cực 40 > 10 Gbit/s cửa sổ 10ps 40 Gbit/s 5 Gbit/s 100 > 6,25 Gbit/s 40 > 20Gbit/s 100 > 6,25 Gbit/s, cửa sổ 6 ps Rẽ và xen kờnh 40 Gbit/s*10 Gbit/s 20 > 5 Gbit/s 20 > 10 Gbit/s 40 > 10 Gbit/s 250 >1 Gbit/s cửa sổ 4 ps
Cú hai loại sơ đồ giải ghộp chớnh là điều khiển điện và điều khiển quang được trỡnh bày trong Hỡnh 3.4. Trong thời gian đầu, cơ bản tập trung vào hướng sử dụng cỏc bộ điều chế Mach-Zehnder Lithium niobate, nú cho phộp khai thỏc đỏp ứng hỡnh sin để giải ghộp bốn lần tốc độ tớn hiệu cơ bản. Nhưng gần đõy, người ta lại quan tõm đến việc ứng dụng cỏc cụng nghệ xử lý quang hoàn toàn cho giải ghộp với cỏc đặc tớnh nổi bật sau:
Cho phộp thoả món về cỏc mức độ giải ghộp kờnh.
Lấy được kờnh, truy cập đến cỏc kờnh dạng truyền để thực hiện việc xen và rẽ kờnh.
Cỏc cửa sổ chuyển mạch cú cỏc ưu điểm nổi bật cho hệ thống OTDM, điều này cho phộp sử dụng cỏc xung tớn hiệu rộng hơn trước khi cỏc kờnh kề nhau gõy ra xuyờn kờnh.
Hiệu ứng Kerr là hiệu ứng mà trong đú đặc tớnh phõn cực của sợi quang phụ thuộc vào sự đồng nhất theo hỡnh trụ của chỉ số chiết suất. Sự ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến lờn sự đồng nhất này và cỏc hiệu ứng truyền dẫn sảy ra sau đú thường được gọi chung là hiệu ứng Kerr.
Hỡnh 3.3. Nguyờn lý của bộ giải ghộp thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển mạch phõn cực quang.
* Xen rẽ kờnh
Tớn hiệu đến bộ chia 3dB chia ra giữa cỏc nhỏnh của gương vũng. Sau khi lan truyền vũng quanh vài km sợi trong vũng thỡ hai chuụi xung sẽ giao thoa, tỏi hợp với nhau và được phản xạ từ gương vũng dưới cỏc điều kiện tương thớch. Chu trỡnh hoạt động cơ bản này là động và tuyến tớnh. Tuy nhiờn, nếu cú chuỗi xung clock cụng suất cao hơn được đưa vào vũng mà trựng hợp với tớn hiệu số nhưng chỉ lan truyền theo một hướng thỡ cỏc xung clock sẽ biến đổi chỉ số chiết suất của lừi sợi. Việc điều chế ngang pha vừa đủ đó cú thể cú trong cỏc xung tớn hiệu để tạo ra cỏc xung phự hợp được chuyển mạch qua phớa đối diện của gương vũng. Kết quả là tớn hiệu cần thiết lấy ra ở nỳt được thiết bị phản xạ trong khi đú cỏc kờnh cũn lại sẽ đi qua và tỏi hợp tại chỗ với tớn hiệu được phỏt cho hướng truyền dẫn phớa trước cửa sổ chuyển mạch của thiết bị và cửa sổ này được xỏc định khụng chỉ bằng dạng của cỏc xung điều khiển mà cũn bằng cả cỏc vận tốc tương đối của cỏc tớn hiệu. Do đú, sự sắp xếp của cỏc xung tớn hiệu và xung điều khiển một cỏch đối xứng ở hai phớa của tỏn sắc sợi bằng khụng mà cửa sổ chuyển mạch sẽ thu được từ cỏc xung tớn hiệu và điều khiển là tương hợp về vận tốc.
Cỏc gương vũng phi tuyến (NOLM: Nonlinear Loop Mirror) cũng cú thể được cấu trỳc từ thiết bị Laser bỏn dẫn thay cho sợi trong một số trường hợp. Nhược điểm chớnh của NOLM là do độ dài của sợi (khoảng 10km), mà cần phải lựa chon việc tỏn sắc bằng khụng và bước súng tớn hiệu điều khiển để đạt được cửa sổ chuyển mạch hợp lý.
3.2.4. Đồng bộ quang trong hệ thống OTDM
Bộ ĐK gương vũng phi tuyến clock Coupler 3dB 3 x 100Gbit/s+xen 10Gbit/s Coupler 3dB
Rẽ 10 Gbit/s xen 10 Gbit/s
Coupler 3dB 40Gbit/s data
Coupler WDM 10 GHz clock
Hỡnh 3.4: Sơ đồ đồng bộ lựa chọn kờnh quang bằng gương vũng phi tuyến để rẽ và xen kờnh với cỏc bộ coupler 3dB.
Kỹ thuật tỏch lấy tớn hiệu clock là một quỏ trỡnh khụng thể thiếu được để tạo ra tớn hiệu định thời với tốc độ của tớn hiệu thu được là một quỏ trỡnh khụng thể thiếu khi thực hiện sử lý tớn hiệu PCM tốc độ cao. Trong cỏc hệ thống thụng tin quang hiện nay đang khai thỏc, việc trớch lấy thời gian được thực hiện trờn cỏc mạch khoỏ pha PLL điện (Phase-locked-loop) sau khi tớn hiệu quang thu được đó được biển đổi thành tớn hiệu điện thỡ cỏc thiết bị truyền dẫn như cỏc thiết bị đầu cuối quang, thiết bị xen rẽ kờnh và cả cỏc trạm lặp đều cú PLL. Việc trớch lấy xung clock đũi hỏi phải thực hiện một cỏch chớnh xỏc.
Cỏc mạch PLL điện chỉ đỏp ứng được cỏc hệ thống truyền dẫn với tốc độ bớt nhỏ, khi tốc độ truyền dẫn tăng lờn thỡ chỳng khụng cũn phự hợp nữa. Nú sẽ bị hạn chế vỡ băng tần của cỏc bộ biến đổi quang-điện và mạch điện tử khụng đỏp ứng kịp. Đối với cỏc hệ thống OTDM tốc độ làm việc rất cao và tớnh chất quang hoỏ của cỏc hệ thống này thể hiện rõt rừ cho nờn cần phải sử dụng việc tỏch tớn hiệu clock dựa trờn cụng nghệ quang. Cỏc mạch PLL quang đó đỏp ứng được tốc độ cực nhanh của tớn hiệu trờn hệ thống OTDM cũng
Trong cấu hỡnh mạch PLL quang, bộ khuếch đại Laser LDA cú chức năng như một mạch kết hợp ngang quang cú tốc độ cực nhanh. Khi cú cả tớn hiệu quang và xung từ clock đi tới, bộ khuếch đại LDA sẽ kết hợp hai tớn hiệu này và cho ra tớn hiệu kết hợp tần số thấp cú chứa thành phần ∆f với ∆f là sự lệch tần số của hai tớn hiệu này, sau đú tổ hợp tớn hiệu này được tỏch súng và lọc để cho ra tớn hiệu ∆f tương ứng với tớn hiệu dao động nội so sỏnh. Dịch pha này được kiểm tra nhờ mạch so pha, kết quả so pha sẽ được đưa vào bộ dao động điều khiển điện ỏp VCO để phỏt ra tần số f0. Mạch phỏt tớn hiệu quang sẽ biến đổi tớn hiệu điện cú tần số f0 +∆f thành tớn hiệu quang tương ứng. Tớn hiệu clock quang sẽ được lấy ra từ bộ biến đổi điện-quang E/O và cấp vào thiết bị giải ghộp quang trong hệ thụng OTDM.
3.2.5. Đặc tớnh truyền dẫn của OTDM
Do ỏnh sỏng truyền trong sợi quang bị gión rộng ra do sự tỏn sắc của sợi quang, trong khi đú cỏc hệ thống thụng tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM hoạt động với tốc độ rất cao, điều đú đũi hỏi cỏc xung phỏt ra phải rất ngắn. Ta cú thể đưa truyền dẫn Soliton vào hệ thống để khắc phục vấn đề tỏn sắc. Tuy vậy vẫn phải quan tõm đến vấn đề tạo ra xung cực hẹp. Giả sử cỏc bộ khuếch đại quang thường được sử dụng để tăng cỏc mức tớn hiệu dọc theo tuyến thụng tin quang khi cần.
Trong truyền dẫn tuyến tớnh tớn hiệu RZ trờn sợi cú tỏn sắc, vấn đề bự cho hệ thống theo nghĩa bự trừ tỏn sắc chỉ thiết lập khi cỏc xung tớn hiệu bị mất năng lượng vào cỏc khe thời gian lõn cận. Tuy vậy, một khi điều này xảy ra thỡ hệ thống bị suy giảm nhanh nờn để tăng cực đại khoảng cỏch truyền dẫn thỡ phải đưa cỏc hệ thống truyền dẫn ODTM vào cỏc tuyến tỏn sắc tiến tới khụng. Giải phỏp đầu tiờn là nguồn phỏt phải làm việc tại bước súng gần với bước súng của tỏn sắc sợi bằng khụng và điều này rất khú thực hiện vỡ giảm cụng suất tớn hiệu để trỏnh gión xung cần thiết nhưng điều này cú thể làm cho
đặc tớnh của hệ thống bị giới hạn do tỷ lệ S/N. Giải phỏp thứ hai là cỏc kỹ thuật điều tiết tỏn sắc ỏnh sỏng cú thể được sử dụng để duy trỡ hỡnh thức truyền dẫn tuyến tớnh của tuyến.
Hệ thống sử dụng cỏc bộ phỏt OTDM trong truyền dẫn số phi tuyến cú ưu điểm lớn. Cỏc dạng xung ngắn phự hợp với truyền dẫn Soliton để khắc phục tỏn sắc của sợi dẫn quang. Với hệ thống Soliton thỡ khoảng lặp của hệ thống OTDM phi tuyến cú thể được tăng lờn rất lớn bằng cỏch thực hiện kỹ thuật điều khiển Soliton, thụng qua việc sử dụng cỏc bộ lọc dẫn hoặc định thời tớch cực. Cỏc bộ lọc dẫn rất thuận lợi khi ỏp dụng vào mụi trường cú hiệu ứng Gordon - Haus gõy ra Jitter, cũn lại việc định lại thời gian tớch cực sẽ loại bỏ Jitter đối với bất kỳ một cơ chế hoạt động nào. Nhờ cỏc cụng nghệ này người ta cú thể thực hiện một trạm lặp bao gồm khối khụi phục clock điện để điều khiển thiết bị điện-quang hoặc quang hoàn toàn nhằm đưa ra dịch pha cho tớn hiệu quang.
3.3. Nguyờn lý ghộp kờnh quang theo bước súng WDM
3.3.1. 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.
3.3.2. 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 đơn hướng cú thể minh hoạ như Hỡnh 3.7.