2.2.3. Chức năng
Một hệ thống WDM có các chức năng cơ bản sau:
Phát tắn hiệu: trong hệ thống WDM, nguồn phát quang ựược dùng là laser. Hiện tại đã có một số nguồn như laser điều chỉnh ựược bước sóng (tunable laser), laser ựa bước sóng (multiwavelength laser),ẦYêu cầu ựối với nguồn laser là ựộ rộng phổ phải hẹp, bước sóng phát ra phải ổn ựịnh, mức công suất phát ựỉnh, ựộ rộng phổ phải nằm trong giới hạn cho phép.
Ghép/tách tắn hiệu: Ghép tắn hiệu WDM là sự kết hợp của một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tắn hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang.
Tách tắn hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tắn hiệu ánh sáng riêng biệt tại mỗi cổng ựầu ra bộ tách. Hiện đã có các bộ ghép/tách tắn hiệu như: bộ lọc màng mỏng ựiện môi, cách tử Bagg, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-PerotẦ Khi xét ựến các bộ ghép/tách WDM ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, ựộ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tắnh đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bagg, xuyên âm gần ựầu raẦ
Truyền dẫn tắn hiệu: quá trình truyền dẫn tắn hiệu trong sợi quang chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn ựề liên quan tới khuếch đại tắn hiệuẦ Mỗi vấn đề kể trên ựều phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi).
Khuếch đại tắn hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch ựại quang sợi EDFA (Erbium Ờ Doped Fiber Amplifier). Tuy nhiên bộ khuếch ựại Raman hiện nay cũng ựã ựược sử dụng trên thực tế. Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại cơng suất, khuếch đại đường và tiền khuếch ựạị Khi dùng bộ khuếch ựại EDFA cho hệ thống WDM phải ựảm bảo những yêu cầu sau:
+ độ lợi khuếch ựại ựồng ựều ựối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch khơng q 1dB)
+ Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc khơng được gây ảnh hưởng đến cơng suất đầu ra của các kênh.
+ Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức cơng suất đầu vào để ựiều chỉnh lại các hệ số khuếch ựại nhằm ựảm bảo ựược tuyến khuếch ựại là bằng phẳng ựối với tất cả các kênh.
Thu tắn hiệu: thu tắn hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thơng tin thơng thường: PIN, APD.
2.2.4. Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng
Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang ựể mang ựi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, ựiều thiết yếu là việc truyền ựồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này khơng gây nhiễu lẫn nhaụ Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang. Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1nm hay 10-9 m, ựiều này dẫn ựến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM). Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 ựến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng
dữ liệu ựồng bộ tốc ựộ 2,5 Gbit/s cho tắn hiệu mạng quang phân cấp số ựồng bộ (SDH/SONET). Các nhà cung cấp DWDM ựã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang. Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ ựây ựã sẵn sàng ựược ựưa vào sử dụng, cung cấp một tốc ựộ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới ựạt tốc ựộ Tbit/s truyền trên một sợi đơn. Có hai hình thức cấu thành hệ thống WDM đó là:
2.2.4.1. Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là tất cả các kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 2.5), ở đầu phát các tắn hiệu có các bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế λ1, λ2, ẦẦ, λn thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang.Vì các tắn hiệu được mang thơng qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ khơng bị lẫn lộn. Ở ựầu thu, bộ tách kênh quang tách các tắn hiệu có bước sóng khác nhau, hồn thành truyền dẫn tắn hiệu quang nhiều kênh. Ở chiều ngược lại truyền dẫn trên một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên.
2.2.4.2. Truyền dẫn hai chiều trên một sợi
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi là ở hướng ựi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng λ1, λ2, ẦẦ, λn qua bộ ghép/tách kênh ựược tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợị Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng λn+1, λn+2, ẦẦ, λ2n ựược truyền dẫn theo chiều ngược lại (như hình 2.6) Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thơng tin hai chiều (song cơng).
Hình 2.6: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang
Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi ựược ứng dụng và phát triển tương ựối rộng rãị Hệ thống WDM hai chiều trên cùng một sợi thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, địi hỏi u cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt. Ở phắa phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới ựầu ra của bộ ghép kênh. Ở phắa thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng thiết kế các bộ tách kênh thật chắnh xác, các bộ lọc quang nếu ựược sử dụng phải có bước sóng cắt chắnh xác, dải làm việc ổn ựịnh.
Hệ thống WDM ựược thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây ra suy hao truyền dẫn. Ngồi việc đảm bảo suy hao xen của các phần tử ghép, hoặc tại các ựiểm ghép nối các module, các mối hànẦ, bởi chúng có thể làm gia tăng vấn ựề xun kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suy giảm nghiêm trọng tỷ số S/N của hệ thống. Các hiệu ứng trên ựặc biệt nghiêm trọng ựối với hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do đó hệ thống này có khả năng ắt được lựa chọn khi thiết kế tuyến.
Ở một mức ựộ nào ựó, ựể ựơn giản ta có thể xem xét bộ tách bước sóng như bộ ghép bước sóng chỉ bằng cách biến đổi chiều tắn hiệu ánh sáng. Như vậy hiểu đơn giản, từ bộ ghép (multiplexer) trong trường hợp này thường ựược sử dụng ở dạng chung ựể xét cho cả bộ ghép và bộ tách.
Thiết bị WDM ựược chia làm ba loại: + Các bộ ghép ((MUX)
+ Các bộ tách (DEMUX)
Các bộ MUX và DEMUX ựược sử dụng trong các phương án truyền dẫn theo một hướng, cịn MUX-DEMUX được sử dụng cho các phương án truyền dẫn theo hai hướng. Hình 2.7 mơ tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp.
Hình 2.7: Mơ tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX)
2.2.5. Những vấn ựề kỹ thuật trong hệ thống ghép kênh quang WDM 2.2.5.1. Ổn định bước sóng và ựộ rộng phổ của nguồn quang
Trong hệ thống WDM cần phải quy ựịnh và điều chỉnh chắnh xác bước sóng của nguồn quang ựể tránh sự trơi bước sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thống khơng ổn định hay kém tin cậy vì khoảng cách giữa các bước sóng là rất gần nhaụ Hiện nay dùng hai phương pháp ựiều khiển nguồn quang:
+ Phương pháp ựiều khiển phản hồi thông qua nhiệt ựộ chip của bộ phát quang ựể ựiều khiển bước sóng và ổn định bước sóng.
+ Phương pháp 2: Việc ựiều khiển phản hồi thông qua việc giám sát bước sóng tắn hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự chênh lệch trị số giữa ựiện áp ựầu ra và ựiện áp tham khảo tiêu chuẩn ựể ựiều khiển nhiệt độ của bộ kắch quang, hình thành kết cấu khép kắn chốt vào bước sóng tung tâm.
Việc chọn ựộ rộng phổ của nguồn phát nhằm ựảm bảo cho các kênh hoạt ựộng một cách ựộc lập với nhau hay nói cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phắa thu giữa các kênh lân cận. Băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng ghép kênh ựược rất lớn. Tuy nhiên trong thực tế các hệ thống WDM thường ựi liền với các hệ thống khuếch ựại quang sợi, chỉ làm việc ở vùng cửa sổ 1550nm, nên băng tần của hệ thống WDM bị giới hạn bởi băng tần của hệ thống khuếch ựạị Như vậy vấn ựề ựặt ra khi ghép là khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải thỏa mãn những yêu cầu, tránh chồng phổ của các kênh lân cận ở phắa thu, khoảng cách này phụ thuộc vào ựộ rộng phổ của nguồn phát, phụ thuộc vào các ảnh hưởng như: tán sắc, các hiệu ứng phi tuyếnẦ
2.2.5.2. Số kênh ựược sử dụng
Một trong các yếu tố quan trọng phải xem xét là hệ thống sẽ sử dụng bao nhiêu kênh và số kênh cực ựại có thể sử dụng là bao nhiêụ
Số kênh cực ựại của hệ thống phụ thuộc vào:
+ Khả năng cơng nghệ có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là: băng tần của sợi quang, khả năng tách/ghép của thiết bị WDM.
+ Khoảng cách giữa các kênh
Một số yếu tố ảnh hưởng tới khoảng cách giữa các kênh là: tốc ựộ truyền dẫn của từng kênh, quỹ công xuất, ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến, ựộ rộng phổ của nguồn phát, khả năng tách/ghép của thiết bị WDM.
Khoảng cách kênh là ựộ rộng tần số tiêu chuẩn giữa các kênh gần nhaụ Việc phân bổ kênh một cách hợp lý trong giải băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên giải tần và giảm ảnh hưởng phi tuyến tắnh giữa các kênh gần nhaụ Sử dụng khoảng cách kênh khơng đồng ựều nhau ựể hạn chế hiệu ứng trộn tần bốn sóng trong sợi quang.
Cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550nm có độ rộng khoảng 100nm, nhưng dải khuếch ựại của các bộ khuếch đại quang chỉ có ựộ rộng khoảng 35nm (Theo khuyến nghị của ITU-T thì dải khuếch đại này là từ bước sóng 1530nm đến 1565nm ựối với băng C, hoặc từ 1570nm ựến 1603nm ựối với băng L). Do ựó trong thực tế các hệ thống WDM khơng thể tận dụng hết tồn bộ băng tần của sợi quang, nói cách khác hệ thống WDM chỉ làm việc với dải bước sóng nhỏ hơn nhiều so với tồn bộ dải tần bằng phẳng có ựộ tổn hao thấp của sợi quang.
2.2.5.3. Khoảng cách giữa các kênh
Khoảng cách kênh là ựộ rộng tần số tiêu chuẩn giữa các kênh gần nhaụ Việc phân bổ kênh một cách hợp lý trong dải băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên dải tần và giảm ảnh hưởng phi tuyến tắnh giữa các kênh gần nhaụ Sử dụng khoảng cách kênh khơng đều nhau ựể hạn chế hiệu ứng trộn tần bốn sóng trong sợi quang. Dưới ựây chỉ ựề cập ựến hệ thống có khoảng cách kênh ựều nhaụ Một số yếu tố ảnh hưởng ựến khoảng cách giữa các kênh là:
+ Tốc ựộ truyền dẫn của từng kênh + Quỹ công suất chung
+ Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến + độ rộng phổ của nguồn phát
Quan hệ giữa khoảng cách giữa các kênh và số kênh sử dụng:
Nếu gọi ∆λ là khoảng cách giữa các kênh, ta có: ∆f = c 2
λ λ ∆
(Với ∆f là tần số trung tâm danh ựịnh)
Như vậy, tại bước sóng λ = 1550nm, với ∆λ = 35nm, xét ựối với riêng băng C ta sẽ có ∆f = 4,37.1012 Hz = 4370 Ghz
Giả sử tốc ựộ truyền dẫn của từng kênh là 2,5 Ghz, theo ựịnh lý Nyquist, phổ cơ sở của tắn hiệu là: 2 x 2,5 = 5 Ghz.
Khi ựó số kênh bước sóng cực ựại có thể ựạt ựược là: N = ∆f /5 = 874 kênh trong dải băng tần của bộ khuếch ựại quang.
đây là số kênh cực đại tắnh theo lý thuyết ựối với băng C. Tuy nhiên với mật ựộ kênh càng lớn địi hỏi các thành phần quang trong tuyến phải có chất lượng càng caọ để tránh xuyên âm giữa các kênh, cần phải có các nguồn phát quang rất ổn ựịnh và các bộ thu quang có độ chọn lọc bước sóng cao, bất cứ sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm giãn phổ sang kênh lân cận.
Tần số trung tâm danh ựịnh là tần số tương ứng với mỗi kênh quang trong hệ thống ghép kênh quang. để ựảm bảo tắnh tương thắch giữa các hệ thống WDM khác nhau, cần phải chuẩn hố tần số tung tâm của các kênh, ITU-T đã ựưa ra quy ựịnh về khoảng cách tối thiểu giữa các kênh là 100 Ghz (xấp xỉ bằng 0,8 nm) với tần số chuẩn là 193,1 THz.
Trong một hệ thống WDM, số lượng bước sóng khơng thể quá nhiều bởi vì việc điều khiển và giám sát đối với các bước sóng này là một vấn đề phức tạp, có thể quy ựịnh trị số lớn nhất ựối với số lượng bước sóng của hệ thống từ góc độ kinh tế và công nghệ. Tất cả các bước sóng đều phải nằm ở phần tương ựối bằng phẳng trên đường cong tăng ắch của bộ khuếch đại quang, ựể cho hệ số tăng ắch của các kênh khi ựi qua bộ khuếch ựại quang là gần như nhau, ựiều này tiện lợi cho thiết kế hệ thống. đối với bộ khuếch ựại quang EDFA, phần tương ựối bằng phẳng của ựường cong tăng ắch là từ 1540 nm ựến 1560 nm.
Một ựiểm cần lưu ý là với mật ựộ kênh càng lớn ựòi hỏi các thành phần quang trên tuyến truyền dẫn quang phải có chất lượng và độ ổn định caọ để tránh xuyên âm giữa các kênh này cần phải có nguồn phát quang rất ổn ựịnh (nguồn laser DFB) và các bộ thu quang có độ chọn lọc cao, bất kì sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm giãn phổ sang kênh lân cận.
2.2.5.4. Ổn ựịnh bước sóng của nguồn quang.
Trong hệ thống WDM, phải quy định và điều chỉnh chắnh xác bước sóng của nguồn quang, nếu khơng thì sự trơi bước sóng do nhiều nguyên nhân sẽ làm cho hệ thống khơng ổn định hoặc kém tin cậỵ Hiện nay chủ yếu dùng hai phương pháp ựiều khiển nguồn quang:
+ Phương pháp điều khiển phản hồi thơng qua nhiệt độ chắp của bộ kắch quang ựể ựiều khiển giám sát mạch ựiện điều nhiệt, với mục đắch điều khiển bước sóng và ổn định bước sóng.
+ Phương pháp ựiều khiển phản hồi thơng qua việc giám sát bước sóng tắn hiệu quang ở ựầu ra, dựa vào sự chênh lệch trị số ựiện áp ựầu ra và ựiện áp tham khảo tiêu chuẩn ựể ựiều khiển nhiệt độ của bộ kắch quang, hình thành kết cấu khép kắn chốt vào bước sóng trung tâm.
2.2.5.5. Yêu cầu ựộ rộng phổ của nguồn phát
Việc chọn ựộ rộng phổ của nguồn phát nhằm bảo ựảm cho các kênh hoạt ựộng một cách độc lập với nhau, hay nói cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phắa thu giữa các kênh lân cận. Băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênh ghép ựược rất lớn. Tuy nhiên trong thực tế, các hệ thống WDM thường ựi liền với các bộ khuếch ựại quang sợi, làm việc chỉ ở vùng cửa sổ 1550 nm, nên băng tần của hệ thống WDM bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch ựại (từ 1530 nm ựến 1565 nm cho băng C, từ 1570 nm ựến 1603 nm cho băng L). Như vậy một vấn ựề ựặt ra khi ghép là khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải thảo mãn ựược yêu cầu tránh chồng phổ của các kênh lân cận ở phắa thu, khoảng cách này phụ thuộc vào ựộ rộng phổ của nguồn phát và các yếu tố ảnh hưởng như tán sắc sợi, các hiệu ứng phi tuyến, Ầ
Hệ thống WDM có thể được xem xét như là sự xếp chồng của các hệ thống truyền dẫn ựơn kênh khi khoảng cách giữa các kênh đủ lớn và cơng suất phát hợp lý. Mối quan hệ giữa phổ của tắn hiệu phắa thu với phổ của tắn hiệu phắa phát được thể