CHƯƠNG 2 CÁC PH NT TRON GH TH NG WDM ỆỐ
2.6 B ni chộo quang OXC ộố
súng với N=5. Tớn hiệu WDM vào từ N đầu vào được tỏch kờnh và đưa thẳng tới N đầu ra của bộ định tuyến theo cỏch tớn hiệu WDM tại mỗi cổng ra được sắp xếp lại từ cỏc kờnh tớn hiệu của cỏc kờnh đầu vào khỏc nhau. Một thiết bị định tuyến thụ động là thiết bị khụng bao gồm bất cứ phần tử nào cần đến cụng suất điện. Nú cũng được gọi là định tuyến tĩnh khi cấu hỡnh định tuyến khụng thể thay đổi linh hoạt được. Mặc dự nú là tĩnh nhưng nú là một trong những thiết bị cú nhiều ứng dụng quan trọng trong mạng WDM.
Hỡnh 2.14 . Sơ đồ minh họa định tuyến bước súng
Hầu hết cỏc thiết kế của một bộ định tuyến bước súng sử dụng một biến thể của bộ tỏch kờnh AWG để cung cấp nhiều đầu vào. Một thiết bị định tuyến được gọi là định tuyến cỏch tử dẫn súng (WGR: Waveguide-Grating Router) bao gồm hai coupler hỡnh sao NxM với N đầu ra của coupler hỡnh sao thứ nhất nối với M đầu vào của coupler hỡnh sao cũn lại thụng qua một ma trận M ống dẫn súng hoạt động như một bộ AWG.
2.6 Bộ nối chộo quang OXC
Việc chuyển mạch trong cỏc tớn hiệu quang trước đõy liờn quan đến việc biến đổi tớn hiệu quang thành tớn hiệu điện, và lại biến đổi tớn hiệu điện thành tớn hiệu quang để tiếp tục truyền tới cỏc mạng khỏc. Quỏ trỡnh này là rất phức tạp, chi phớ cao, làm hạn chế tốc độ chuyển mạch và giảm khả năng hoạt động của hệ thống WDM. Chuyển mạch sử dụng trong cỏc mạng WDM để dẫn tớn hiệu đến cỏc đường
λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ 1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ 1λ 2λ 3λ 4λ 5 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ1 λ5 λ4 λ2 λ3 λ 4 λ3 λ2 λ4 λ5 λ 3λ 2λ 1λ 5λ 1 λ5 λ4 λ3 λ3 λ4 λ2 λ1 λ5 λ1 λ2 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 1 2 3 4 5 a b c d e
khỏc nhau hoặc để định tuyến lại tớn hiệu. Tớnh phức tạp và tin cậy của hệ thống đũi hỏi ngày càng cao. Vỡ vậy khả năng chuyển mạch dễ dàng là yếu tố rất quan trọng đối với cỏc mạng quang hiện đại. Do đú, cỏc bộ nối chộo quang OXC rất cần thiết trong cỏc mạng quang hiện tại và trong tương lai.
Bộ nối chộo quang dựng để hoỏn đổi cỏc tớn hiệu kờnh quang giữa cỏc sợi với nhau. Bộ nối chộo quang cú thể được mụ tả như trong hỡnh 2.15. Trong hỡnh này cỏc tớn hiệu quang trong bước súng λ2 được thay đổi giữa hai sợi quang với nhau, đú là hai sợi A và B.
Hỡnh 2.15. Sơ đồ bộ nối chộo quang
Cú hai loại OXC chớnh là:
- OXC định tuyến theo bước súng (Wavelength Routing OXCR).
- OXC cú khả năng chuyển đổi bước súng (Wavelength Translating OXCT).
Cỏc OXCR hoạt động theo nguyờn tắc tỏch cỏc bước súng quang từ cỏc tớn hiệu quang đầu vào rồi chuyển mạch khụng gian (chuyển mạch sợi quang), sau đú ghộp cỏc bước súng lại, khụng cú sự chuyển đổi bước súng. Mỗi tớn hiệu quang tới được đưa qua một bộ tỏch súng quang để tỏch riờng cỏc bước súng khỏc nhau. Bộ chuyển mạch quang cú suy hao và nhiễu xuyờn nhỏ sẽ kết nối cỏc bước súng quang tới cỏc vị trớ mong muốn tại đầu vào của bộ ghộp bước súng để ghộp cỏc bước súng này tới sợi quang đầu ra. Trước khi ghộp thỡ mỗi bước súng sẽ phải đi qua bộ cõn bằng cụng suất PE để điều chỉnh cụng suất cho mỗi bước súng tới giỏ trị thớch hợp trước khi qua bộ ghộp bước súng
Cỏc OXCT hoạt động theo nguyờn tắc chuyển mạch cú chuyển đổi bước súng quang. Đầu tiờn, mỗi tớn hiệu quang từ một sợi được phõn chia với số nhỏnh bằng tổng số kờnh quang cần lấy tại đầu ra nhờ bộ spliter. Sau đú chỳng được đưa tới cỏc bộ chuyển mạch quang để lấy ra tớn hiệu quang cần thiết. Tớn hiệu quang được chọn
Aλ1 Aλ2... Aλn Bλ1 Bλ2... Bλn
Aλ1 Bλ2... Aλn Bλ1 Aλ2... Bλn
ra lại tiếp tục qua bộ chọn bước súng, tỏch ra được kờnh quang yờu cầu để đưa vào đỳng bước súng quang cần ghộp ở đầu ra.
Việc sử dụng OXCT cho phộp tận dụng tối đa quỹ bước súng quang. Tuy nhiờn, khụng phải tại tất cả cỏc node mạng đều cú nhu cầu chuyển đổi bước súng nờn để khai thỏc cú hiệu quả và kinh tế hơn, ta cú thể kết hợp cả hai loại thiết bị này trong mạng.
2.7 Bộ biến đổi bước súng
Một bộ biến đổi bước súng thay đổi bước súng đầu vào thành một bước súng đầu ra mới mà khụng thay đổi nội dung của dữ liệu truyền trờn bước súng đú. Đó cú rất nhiều nguyờn tắc chuyển đổi bước súng đó được phỏt triển trong những năm 1990. Một nguyờn tắc đơn giản là sử dụng một mỏy tỏi tạo điện quang chỉ ra như hỡnh 2.15a. Một mỏy thu quang trước tiờn biến đổi tớn hiệu trong bước súng đầu vào là λ1 thành chuỗi bit điện và chuỗi bit này được sử dụng bởi một bộ phỏt để tạo ra tớn hiệu quang tại bước súng mong muốn là bước súng λ2. Với thiết bị kiểu này cú ưu điểm là tương đối dễ dàng thực hiện bởi cỏc linh kiện tiờu chuẩn. Ngoài ra nú cũn cú cỏc ưu điểm khỏc như khụng nhạy cảm với phõn cực đầu vào và cú thể khuếch đại tớn hiệu thuần. Nhưng nú cũng cú nhược điểm là hạn chế tốc độ truyền tải trờn đường truyền và dạng tớn hiệu, ở đõy tốc độ bị hạn chế bởi miền điện, giỏ thành của thiết bị khỏ cao.
Hỡnh 2.15. Nguyờn tắc làm việc của cỏc bộ chuyển đổi bước súng
Receiver Transmitter λ1 I(t) λ 2 λ1 λ2 λ2 Lớp tích cực Bộ lọc SLA (a) (b)
Nguyờn tắc làm việc đơn giản nhất là thiết bị được chỉ ra trong hỡnh 2.15b. Nú dựa trờn hiện tượng khuếch đại bóo hồ xảy ra khi một vựng yếu được khuếch đại trong SOA với một vựng mạnh và sự khuếch đại của vựng yếu được tạo ra bởi miền mạnh. Để sử dụng thiết bị này tớn hiệu xung trong bước súng λ1 cần chuyển đổi và phỏt vào SOA cựng với một tia CW cụng suất thấp tại bước súng λ2 và nú được chuyển sang bước súng mong muốn là λ2. Kết quả là tia CW được khuếch đại một số lượng lớn cỏc bit 0 (khụng bóo hồ) bởi một số lượng nhỏ hơn cỏc bit 1. Rừ ràng là mẫu bit chuẩn của tớn hiệu trong bước súng ban đầu sẽ được truyền tới bước súng mới với cực tớnh đảo ngược và cỏc bit 0 và 1 được trao đổi cho nhau. Cụng nghệ này đó được sử dụng trong nhiều thớ nghiệm và cú thể làm việc tại cỏc hệ thống cú tốc độ lờn đến 40 Gb/s.
2.8 Phần tử phỏt và thu quang
2.8.1 Bộ phỏt
Cỏc thiết bị biến đổi điện quang E/O và cỏc phần tử điện rời rạc của cỏc bộ phỏt quang thuộc thế hệ trước đõy đang dần dần được thay thế bởi cỏc mạch tớch hợp. Việc thực hiện cỏc mạch tớch hợp cỡ lớn nhằm đỏp ứng yờu cầu về tốc độ điều chế và độ tin cậy ngày được thực hiện nhiều hơn.
Trước hết ta xột yờu cầu đối với nguồn quang trong WDM.
• Độ chớnh xỏc của bước súng phỏt: Đõy là yờu cầu tiờn quyết cho một hệ thống WDM hoạt động chớnh xỏc. Núi chung, bước súng đầu ra luụn bị dao động do cỏc yếu tố khỏc như nhiệt độ, dũng định thiờn… Ngoài ra, để trỏnh xuyờn nhiễu cũng như tạo diều kiện cho phớa thu dễ dàng tỏch đỳng bước súng thỡ độ ổn định tần số phớa phỏt phải thật cao.
• Độ rộng phổ hẹp: Độ rộng đường phổ được định nghĩa là độ rộng phổ nguồn quang tớnh cho bước cắt 3 dB. Để cú thể tăng nhiều kờnh trờn một giải tần cho trước, cộng với khoảng cỏch kờnh nhỏ nờn độ rộng phổ càng hẹp càng tốt, nếu khụng, xuyờn nhiễu kờnh lõn cận xảy ra khiến lỗi bớt tăng cao, hệ thống khụng được đảm bảo chất lượng.
• Dũng ngưỡng thấp: Đối với Lade đi-ốt(LD-Laser Diode), phỏt xạ khớch thớch khụng thể bắt đầu cho đến khi dũng định thiờn cao hơn giỏ trị dũng ngưỡng Ith, cụng suất đầu ra tỷ lệ với (I- Ith) với I là dũng định thiờn. Do đú, dũng ngưỡng thấp hơn cho phộp dũng định thiờn nhỏ hơn đối với cựng một cụng suất đầu ra. Nhưng
quang trọng hơn là nếu dũng ngưỡng thấp sẽ đảm bảo cụng suất nền thấp. Điều này làm giả bớt vấn đề lóng phớ cụng suất trong việc kớch thớch LD cũng như giảm bớt cụng suất nền khụng mang tin và trỏnh cho mỏy thu chịu ảnh hưởng của nhiễu nền ( phỏt sinh do cú cụng suất nền cao). Nếu cụng suất nền gửi trờn đường truyền lớn sẽ khụng cú lợi cho hệ thống, vỡ cụng suất quang truyền dẫn trờn sợi ( tổng cụng suất của cỏc bước súng ghộp) càng lớn thỡ ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến càng lớn, ảnh hưởng xấu đến chất lượng hệ thống.
• Độ rộng băng tần điều chế lớn: Như đó biết, thụng tin được phỏt thụng qua điều chế súng mang. Trong truyền thụng quang, cú hai kĩ thuật điều chế chớnh là điều chế trực tiếp và điều chế ngoài. Vỡ điều chế trực tiếp đơn giản nờn nú thường được sử dụng trong hệ thống cú tốc độ ≤ 2.5 Gbps. Kĩ thuật này sử dụng tớn hiệu phỏt kớch hoạt trực tiếp LD nờn nguồn sỏng phải cú tốc độ đỏp ứng nhanhg theo tớn hiệu đầu vào thay đổi theo thời gian, tương ứng với độ rộng băng tần phải đủ lớn. Với trường hợp điều chế ngoài thỡ độ rộng băng tần khụng nhất thiết phải quỏ lớn vỡ thiết bị bờn ngoài điều chế liờn tục từ LD đưa đến.
• Khả năng điều chỉnh được bước súng: Để tận dụng toàn bộ băng tần của sợi quang, nguồn quang phải cú khả năng phỏt trờn cả dải100 nm. Hơn nữa, với cỏc hệ thống lựa chọn kờnh động càng cần khả năng cú thể điều khiển được bước súng. • Tớnh tuyến tớnh: Đối với truyền thụng quang, sự phi tuyến của nguồn quang sẽ phỏt sinh cỏc súng hài cao hơn, tạo xuyờn nhiễu giữa cỏc kờnh.
• Nhiễu thấp: Nhiễu rất quan trọng để đạt được BER thấp trong truyền thụng số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt.
Trờn cơ sở cỏc yờu cầu trờn, người ta tiến hành nghiờn cứu, triển khai thực nghiệm và đưa vào ứng dụng cỏc loại nguồn quang mà cú thể đỏp ứng phần nào hoặc toàn bộ cỏc yờu cầu núi trờn.
Một bộ phỏt của một kờnh (một bước súng) thường gồm bộ laser hồi tiếp phõn bố DFB, sau đú là một bộ điều chế, thường ở bờn ngoài mỏy phỏt laser đặc biệt là khi tốc độ điều chế cao. Sự phỏt triển cỏc mạch quang tớch hợp gần đõy đó làm giảm giỏ thành của cỏc mỏy phỏt, trong đú chớp laser, bộ khuếch đại quang được tớch hợp vào trong một gúi. Hiện nay, một gúi phỏt gồm nhiều bộ phỏt laser, nhiều bộ ghộp kờnh, một bộ khuếch đại cụng suất (thường dựng khuếch đại quang bỏn dẫn).
Một bộ suy hao cú thể thay đổi được trờn toàn bộ dải điều chế cú thể được đặt gần một mỏy phỏt laser để điều khiển cụng suất của mỏy phỏt đến một giỏ trị cần thiết. Giỏ trị này được chọn sao cho khớp với cỏc đặc tớnh của trạm lặp đầu tiờn trờn đường truyền hoặc khi dựng với cỏc mỏy phỏt hoạt động ở cỏc bước súng khỏc để đảm bảo rằng tất cả cỏc bộ phỏt kết hợp với nhau để làm cho phõn bố cụng suất phổ phẳng như nhau.
Trong bộ laser hồi tiếp phõn bố (DFB), hốc cộng hưởng Fabry-Perot hai gương thụng thường được làm nhỏ lại và được điều khiển. Việc lựa chọn bước súng chớnh xỏc qua hồi tiếp quang được thực hiện bằng một cỏch tử dọc được chế tạo như một bộ phận của chớp laser. Cỏch tử này dựng để hỗ trợ laser phỏt xạ đơn mode, súng truyền dọc nằm trong một khoảng rất hẹp, thụng thường nhỏ hơn 100 MHz. Cựng với mỏy phỏt laser Fabry-Perot, hỡnh dạng của ống dẫn súng đảm bảo cho đầu ra cú hướng ổn định. Cấu trỳc hồi tiếp phõn bố cú thể được coi như là một kiểu kết hợp của nhiều buồng cộng hưởng ỏnh sỏng phõn tỏn, cho phộp lựa chọn bược súng đỉnh của ỏnh sỏng laser tuỳ thuộc khoảng chu kỳ của cỏch tử nhiễu xạ. Nhờ đú, cú thể thực hiện được việc phỏt xạ bước súng đơn.
Ngoài cỏc kết nối điện tốc độ cao, một gúi DFB cũn cú thể cú một bộ làm mỏt nhiệt điện, cảm biến nhiệt độ, bộ cỏch ly quang và diode quang điều khiển. Cỏc gúi DFB hiện nay cú thể cho một cụng suất đầu ra là 40 dBm cho dũng kớch thớch khoảng 40 mA.
Ánh sỏng từ nguồn quang phải được điều chế với dũng bit mang thụng tin cần truyền dẫn bằng phương phỏp điều biến cường độ. Quỏ trỡnh điều biến phải cú độ tuyến tớnh cao để trỏnh sự phỏt sinh cỏc hài khụng cần thiết và sự mộo dạng tớn hiệu do điều biến qua lại, gõy nhiễu cho quỏ trỡnh giải điều chế ở phớa thu.
Cỏc gúi DFB kết hợp với cỏc bộ điều chế trờn một chớp, làm cho cả khối cú độ di tần thấp, tốc độ điều chế cao. Tuy nhiờn, chỳng cũng cú một số hạn chế vớ dụ như bề rộng phổ hẹp làm cho chỳng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu do sự phản hồi từ cỏc liờn kết.
2.8.2 Bộ thu
Bộ thu chuyển đổi tớn hiệu quang thành tớn hiệu điện bằng việc tỏch tất cả cỏc tớn hiệu quang được điều chế và giải điều chế chỳng. Bộ thu phải hoàn toàn tương thớch với bộ phỏt (về cả bước súng cơ bản và cỏc đặc tớnh điều chế) và phải được thiết kế để giải quyết tất cả sự suy hao tớn hiệu bởi cỏc phần tử trờn mạng. Chỉ tiờu
mỏy thu được đỏnh giỏ thụng qua tỷ lệ lỗi bit BER. Kết quả thu phụ thuộc vào độ nhạy mỏy thu, băng thụng của mỏy thu và tạp õm tớn hiệu trước khi giải điều chế. Chỉ tiờu đầy đủ của một mỏy thu được mụ tả bởi đặc tuyến độ nhạy của nú, trong đú tỷ lệ lỗi bit BER được xem như là một hàm của cụng suất quang thu được với một dữ liệu cho trước.
Năng lượng ỏnh sỏng từ một sợi quang được đưa đến một bộ tỏch súng, thường là một photodiode. Tớn hiệu ra phải được khuếch đại điện, càng ớt nhiễu càng tốt, trong vũng một dải thụng điện thớch hợp với tớn hiệu mong muốn. Cú thể thực hiện việc lọc điện để làm phẳng tần số hiệu dụng của phần tử này. Tất cả được thực hiện trong một khối tớch hợp, trong đú cú khối thu mà đầu vào của nú là ỏnh sỏng từ sợi quang cũn đầu ra là tớn hiệu điện đó được điều chế thớch hợp.
Hai loại photodiode hay được sử dụng là diode PIN và APD. PIN hoạt động ở điện ỏp thấp tiờu chuẩn, nguồn cung cấp là 5V nhưng cú độ nhạy kộm hơn và cú băng thụng hẹp hơn so với APD. Cỏc PIN cú tốc độ cao thường được dựng trong cỏc hệ thống cú tốc độ 10 Gb/s và 40 Gb/s trước khi cú APD. APD hay dựng trong cỏc ứng dụng cú khoảng cỏch lớn mà giỏ thành và độ phức tạp mạch cao hơn. Trong nhiều trường hợp, việc dựng chỉ một APD cho phộp người dựng khụng cần một bộ tiền khuếch đại. Do đú, APD cú tớnh kinh tế hơn.
Cỏc thụng số lựa chọn quan trọng đối với bộ thu gồm cú: Đỏp ứng phổ (A/W là một hàm của bước súng, liờn quan mật thiết đến bộ tỏch được dựng), độ nhạy (mức đo mà tại đú nhiễu trong bộ tỏch ỏt tớn hiệu đến), dải thụng điện và độ rộng phổ, dải động và tạp õm. Cỏc tiờu chuẩn phự hợp với mỗi tham số tuỳ thuộc vào từng ứng dụng. Vớ dụ như cỏc đặc tớnh của tạp õm quan trọng hơn mức cụng suất cao ở đầu ra trong một bộ tiền khuếch đại được sử dụng ngay trước một kờnh thu. Ngoài ra cần phải giảm bức xạ tự phỏt ở bộ lọc quang trong bộ giải điều chế.
Bảng 2.1. Độ nhạy mỏy thu với cỏc tốc độ truyền dẫn khỏc nhau Tốc độ truyền dẫn (Gb/s) Độ nhạy mỏy thu (dBm) Loại diode
2,5 -28 APD
10 -16 APD