Bộ thu quang (tách sóng quang) thực chất là các photodiode PD được cấu tạo từ các chất bán dẫn, thực hiện chức năng cơ bản là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện. Bộ này phải đảm bảo yêu cầu sau : tốc độ lớn, độ nhạy thu cao, bước sóng hoạt động thích hợp. Hai loại photodiode được sử dụng rộng rãi là photodiode PIN và photodiode thác APD.
Hình 2.4 : Diode tách quang p – n.
2.2.3.3 Bộ tách ghép bước sóng quang
Về mặt nguyên lý, cấu trúc của bộ tách ghép có tính thuận nghịch, bất kỳ bộ ghép bước sóng nào cũng có thể dùng làm bộ tách bước sóng chỉ bằng cách đơn thuần là thay đổi hướng tín hiệu đầu vào. Vì vậy, ở đây chỉ lấy bộ ghép bước sóng để phân tích. Có nhiều cách để phân loại thiết bị ghép bước sóng. Theo công nghệ chế tạo thì chúng được chia làm hai loại chính : thiết bị vi quang và thiết bị WDM ghép sợi.
λ1 λ1, λ2 λ2 Cách tử Thấu kính + Thiết bị vi quang
Các thiết bị vi quang được chế tạo theo hai công nghệ khác nhau : công nghệ có bộ lọc và công nghệ phân tán góc. Các thiết bị có bộ lọc chỉ hoạt động mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm bước sóng) tại một thời điểm, nhằm để tách ra một bước sóng trong nhiều bước sóng. Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh và có thể sử dụng cho nhiều kênh thì phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng.
Hình 2.5 : Thiết bị phân tán góc.
Các thiết bị vi quang sử dụng phù hợp với các hệ thống truyền dẫn đa mode, chúng cho phép tách ghép đồng thời nhiều bước sóng khác nhau. Nhưng chúng lại khó sử dụng cho sợi đơn mode do ánh sáng phải qua các giai đoạn phản xạ, hội tụ… từ đó dẫn tới quang sai, trễ tạo suy hao tín hiệu trong thiết bị.
+ Thiết bị ghép sợi
Các thiết bị ghép sợi có cấu trúc dựa trên việc ghép hai trường ánh sáng phía ngoài lõi. Chúng còn được gọi là các coupler quang. Phía phát nó kết hợp các tín hiệu quang vào từ các tuyến khác nhau thành một tín hiệu quang tại đầu ra truyền trên một sợi. Phía thu, tách công suất quang của một sợi vào để phân phối cho hai hoặc nhiều sợi. Vì thế, để tách các bước sóng khác nhau thì sau mỗi một sợi phải có một bộ lọc bước sóng.
Hình 2.6 : Thiết bị ghép sợi.
Chùm ánh sáng đầu ra sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố : khoảng cách giữa các lõi sợi, chỉ số chiết suất vật liệu ở giữa, đường kính của lõi sợi, độ dài tương tác và bước sóng ánh sáng.
2.2.3.4 Bộ lọc quang
Bộ lọc quang sử dụng trong thiết bị WDM thường là bộ lọc màng mỏng điện môi, làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ nào đó và cho phần dải phổ còn lại đi qua, vì vậy nó thuộc loại lọc bước sóng cố định. Cấu trúc bộ lọc gồm một khoang cộng hưởng bằng điện môi trong suốt, hai đầu khoang có các gương phản xạ được thực hiện nhờ nhiều lớp màng mỏng điện môi có chiết suất cao thấp xen kẽ nhau. Vì vậy, chiết suất lớp điện môi trong suốt (n3) sẽ thấp hơn chiết suất của các lớp màng mỏng điện môi (n1 = 2.2 (TiO2), n2 = 1.35 (MgF2) hoặc 1.46 (SiO2)).
2.2.3.5 Bộ đấu nối chéo quang OXC
Chức năng của OXC tương tự như chức năng của DXC trong mạng SDH, chỉ khác là thực hiện trên miền quang, không cần chuyển đổi O/E/O và xử lý tín hiệu điện. OXC phải hoàn thành hai chức năng chính sau :
+ Chức năng nối chéo các kênh quang : thực hiện chức năng kết nối giữa N cổng đầu vào tới N cổng đầu ra.
+ Chức năng xen/rẽ đường tại chỗ : chức năng này có thể làm cho kênh quang nào đó tách ra để vào mạng địa phương hoặc sau đó trực tiếp đi vào DXC của SDH thông qua biến đổi O/E.
+ Kết cấu của điểm node OXC:
Hình 2.8 : Bộ đấu chéo quang OXC.
Trong đó có 4 sợi quang đầu vào và 4 sợi quang đầu ra, mỗi sợi mang một số bước sóng. Mỗi OXC có 3 thành phần chính :
- Bộ tách bước sóng : thực hiện tách các kênh quang theo các bước sóng khác nhau từ các sợi quang đầu vào.
- Cơ cấu (Fabric) hay còn gọi là trường chuyển mạch : thực hiện đấu nối chéo từ một kênh quang đầu vào tới một kênh quang đầu ra.
- Bộ ghép bước sóng : thực hiện ghép các kênh quang từ đầu ra tương ứng của cơ cấu để truyền dẫn trên sợi quang.
Ngoài các thành phần chính trên thì trong OXC có thể còn trang bị các bộ lọc bước sóng để loại bỏ các thành phần xuyên nhiễu xuất hiện trong quá trình truyền tín hiệu. Biến đổi bước sóng là công nghệ then chốt trong cấu tạo của OXC. Nhờ công nghệ này có thể thực hiện kết nối định tuyến ảo, do đó giảm nghẽn mạng, tận dụng tối đa tài nguyên sợi quang cũng như bước sóng…
2.2.3.6 Bộ xen/rẽ quang OADM
Hình 2.9 : Cấu trúc của bộ xen rẽ quang OADM.
OADM là một linh kiện quan trọng trong việc tổ chức mạng truyền dẫn. Chức năng chính của OADM là xen, rẽ và chuyển tiếp tín hiệu quang (các kênh bước sóng) tại các node mạng quang. Chức năng này tương tự như chức năng của bộ xen/rẽ kênh ADM trong mạng SDH nhưng đối tượng thao tác trực tiếp là tín hiệu quang. Nhờ năng lực này của OADM nên nó trở thành phần tử cơ bản nhất trong các mạng hình vòng dựa trên công nghệ WDM. Mạng hình vòng WDM giữ lại đặc tính tự khôi phục của kiến trúc hình vòng, đồng thời có thể nâng cấp dung lượng đều đặn trong trường hợp không biến đổi kiến trúc của hệ thống.
Các thiết bị OADM được chia làm hai loại : OADM tĩnh và OADM động. Trong OADM tĩnh, sử dụng tín hiệu kênh quang có bước sóng vào ra cố định. Vì vậy, trong kết cấu phần tử tách nhập chủ yếu dùng linh kiện thụ động như : bộ
tách ghép kênh, bộ lọc cố định. Như vậy, định tuyến của điểm node là cố định, thiếu linh hoạt nhưng không có trễ.
Trong OADM động, có thể căn cứ vào nhu cầu để chọn tín hiệu kênh quang có bước sóng vào/ra khác nhau. Vì vậy, trong kết cấu phần tử tách nhập thường dùng linh kiện khoá quang, bộ lọc có điều khiển. Như vậy, có thể phân phối tài nguyên bước sóng của mạng một cách hợp lý. Tuy nhiên, phức tạp và có trễ.
2.2.3.7 Hệ thống chuyển mạch quang
Hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch tích hợp quang (IOC) được chuyển mạch có lựa chọn từ một cáp (mạch) này tới một cáp (mạch) khác.
Mục đích xây dựng các hệ thống truyền dẫn toàn quang nhằm lợi dụng được các ưu điểm của truyền dẫn quang, nên ngoài phần truyền dẫn là các sợi quang, các thiết bị chuyển mạch cũng phải làm việc ở miền quang. Các ma trận chuyển mạch được sử dụng để cấu tạo nên các thiết bị chuyển mạch quang. Ngoài ra, các ma trận chuyển mạch quang cũng là một trong các thành phần lõi của các thiết bị điểm node trong mạng WDM.
Có 4 loại chuyển mạch quang :
1. Chuyển mạch phân chia theo không gian 2. Chuyển mạch phân chia theo thời gian 3. Chuyển mạch phân chia theo bước sóng 4. Chuyển mạch phân chia theo mã.
Trong hệ thống WDM chỉ dùng hai loại chuyển mạch là : chuyển mạch phân chia theo không gian và chuyển mạch phân chia theo bước sóng. Còn chuyển mạch quang phân chia theo thời gian và chuyển mạch quang phân chia theo mã đã được ứng dụng vào chuyển mạch gói quang ATM.
2.2.3.8 Bộ khuếch đại quang sợi
Hiện nay, công nghệ khuếch đại quang sợi cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng. Việc sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi giúp dễ dàng mở rộng dung lượng đường dây thông tin (do xử lý hoàn toàn ở miền quang mà không cần phải chuyển đổi O/E/O), tăng khoảng cách trạm lặp và hạ giá thành cho hệ thống. Mặt khác, các
bộ khuếch đại này còn có vai trò quan trọng trong các hệ thống WDM, khi mà có nhiều bước sóng cùng truyền dẫn trên một sợi quang thì công suất phát của mỗi bước sóng sẽ bị giới hạn và nhỏ hơn nhiều so với hệ thống truyền dẫn bước sóng đơn nhằm tránh các hiệu ứng phi tuyến. Trong khi đó, suy hao và tán sắc là những nhược điểm cố hữu của truyền dẫn trên sợi quang. Vì vậy, công nghệ quang sợi phát triển sẽ thúc đẩy sự phát triển và thương mại hoá của hệ thống WDM.
Khuếch đại quang sợi chính là một đoạn sợi quang nhưng khi chế tạo có pha thêm nguyên tố vi lượng Erbium (EDF) với một tỷ trọng nhỏ (0.1). Các ion Erbium (Er3+) hấp thụ ánh sáng từ một nguồn bơm để nhảy lên mức năng lượng cao hơn phía trên (các bộ khuếch đại quang sợi đạt hiệu suất cao khi làm việc ở các bước sóng bơm 980 nm hay 1480 nm). Sự dịch chuyển của ion từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn sẽ bức xạ ra một photon.
Hình 2.10 : Giản đồ năng lượng của ion Er3+ trong sợi quang Silica.
Bảng 2.1 Các bước sóng bơm quang
Bước sóng bơm quang (nm) Mức năng lượng chuyển tiếp
1480 4I15/2 → 4I13/2
980 4I15/2 → 4I11/2
807 4I15/2 → 4I9/2
EDFA có 3 ứng dụng chính bao gồm :
▪ Khuếch đại công suất BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn, được sử dụng ngay sau Tx để tăng công suất tín hiệu phát.
▪ Khuếch đại đường truyền LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp. Đối với hệ thống có sử dụng LA đòi hỏi phải có một kênh thông tin riêng (OSC) để thực hiện việc cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA. Kênh OSC này không được quá gần với bước sóng bơm cũng như kênh tín hiệu để tránh ảnh hưởng lẫn nhau. Sử dụng các LA liên tiếp có thể làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng hệ thống do các hiện tượng như : tích luỹ tạp âm, ảnh hưởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến, đặc biệt là hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bước sóng nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của LA. Vì thế, sau một số LA cần có các trạm lặp.
▪ Tiền khuếch đại PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp nhờ sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước sóng của nguồn phát. Được sử dụng ngay trước Rx để tăng độ nhạy thu.
2.2.3.9 Các chủng loại sợi quang
Hiện nay, có nhiều loại chuẩn sợi quang : G.652, G.653, G.654, G.655. Mỗi loại sợi này có các yêu nhược điểm khác nhau. Trên cơ sở phân tích từng ưu nhược của chúng, kết hợp với đặc điểm của công nghệ WDM, nhằm xác định sử dụng sợi quang nào thích hợp nhất cho hệ thống WDM là một vấn đề rất quan trọng bởi vì nó phải truyền một lúc nhiều sóng mang trên cùng một sợi quang. Do vậy, ngoài việc đáp ứng các yêu cầu như đối với sợi quang một bước sóng, nó còn phải đáp ứng nhiều yêu cầu phức tạp khác như : giảm xuyên nhiễu giữa các kênh; duy trì được sự phân bố đồng đều hệ số khúc xạ, suy hao, tán sắc cho các sóng mang…Ngoài ra, một vấn đề cũng được đặt ra là khả năng sử dụng các sợi một bước sóng đã tồn tại trên mạng cho hệ thống WDM như thế nào, các giải pháp kỹ thuật để sử dụng chúng cho hệ thống WDM.
+ Sợi quang G.652
Đây là loại sợi quang đơn mode được sử dụng phổ biến trên mạng lưới viễn thông của nhiều nước hiện nay. Loại sợi này có thể làm việc ở hai cửa sổ truyền dẫn
1310 nm và 1550 nm. Khi làm việc ở cửa sổ 1310 nm, G.652 có tán sắc nhỏ (xấp xỉ 0 ps/nm.km) và suy hao tương đối lớn. Ngược lại, khi làm việc ở cửa sổ 1550 nm, G.652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắc tương đối lớn.
+ Sợi quang G.653
Để xây dựng các tuyến thông tin quang tốc độ cao, cự ly dài thì cần phải sử dụng loại sợi có cả suy hao và tán sắc tối ưu tại một bước sóng. Hiện nay, bằng cách thay đổi mặt cắt chiết suất có thể chế tạo được sợi tán sắc dịch chuyển, loại sợi này gọi là sợi DSF hay sợi G.653.
Hệ số suy hao của sợi DSF thường nhỏ hơn 0.5 dB/km ở cửa sổ 1310 nm và nhỏ hơn 0.3 dB/km ở cửa sổ 1550 nm. Hệ số tán sắc ở vùng bước sóng 1310 nm khoảng 20 ps/nm.km, còn ở vùng bước sóng 1550 nm thì nhỏ hơn 3.5 ps/nm.km. Bước sóng cắt thường nhỏ hơn 1270 nm.
Xét về mặt kỹ thuật, sợi G.653 cho phép xây dựng các hệ thống thông tin quang với suy hao chỉ bằng khoảng một nửa suy hao của hệ thống bình thường khi làm việc ở bước sóng 1310 nm. Còn đối với các tuyến hoạt động ở bước sóng 1550 nm thì do sợi G.653 có tán sắc rất nhỏ, nên nếu chỉ xét về tán sắc thì gần như không có sự giới hạn về tốc độ truyền tín hiệu trong các hệ thống này. Do tính chất ưu việt của sợi quang G.653 (DSF) ở bước sóng 1550 nm mà nó trở thành sợi quang được chú ý nhất. Nhưng nghiên cứu kỹ người ta đã phát hiện ra rằng khi dùng G.653 trong hệ thống WDM thì ở khu vực bước sóng có tán sắc bằng 0 sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi hiệu ứng phi tuyến. Đây là nhược điểm chính của DSF.
+ Sợi quang G.654
G.654 là sợi quang đơn mode tới hạn thay đổi vị trí bước sóng cắt. Loại sợi này có đặc điểm : suy hao ở bước sóng 1550 nm giảm nhưng tán sắc vẫn tương đối cao, điểm tán sắc bằng 0 vẫn ở bước sóng 1310 nm. G.654 chủ yếu được sử dụng cho các tuyến cáp quang biển.
+ Sợi quang G.655
Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác 0 (NZ-DSF), còn gọi là sợi quang đơn mode G.655. Đối với loại sợi này, điểm tán sắc bằng 0 của nó không nằm ở 1550 nm mà dịch tới 1570 nm hoặc gần 1510 - 1520 nm. Giá trị tán sắc trong phạm vi
1548 – 1565 nm là ở 1 ÷ 4 ps/nm.km đủ để đảm bảo tán sắc khác 0, trong khi vẫn duy trì tán sắc tương đối nhỏ.
NZ-DSF có ưu điểm của cả hai loại sợi quang G.652 và G.653, đồng thời khắc phục được nhược điểm cố hữu của sợi G.652 (bị hạn chế bởi tán sắc) và sợi G.653 (bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng phi tuyến “trộn 4 bước sóng” nên khó thực hiện trong hệ thống WDM). Lý thuyết đã chứng minh rằng tốc độ truyền dẫn của sợi quang NZ-DSF có thể đạt ít nhất là 80 Gbps. Vì vậy, sợi NZ-DSF là sự lựa chọn lý tưởng để thiết kế tuyến truyền dẫn tốc độ cao, cự ly dài.
+ Sợi quang có tiết diện hiệu dụng lớn
Loại sợi này thích hợp cho ứng dụng trong hệ thống WDM có dung lượng và cự ly truyền dẫn lớn. Tiết diện hiệu dụng là 72 μm2, điểm tán sắc bằng 0 là 1510 nm, chịu được công suất tương đối lớn.
Một vấn đề lớn đặt ra khi sử dụng các sợi quang hiện nay trong hệ thống WDM là tán sắc. Để khắc phục được ảnh hưởng của tán sắc người ta sử dụng sợi quang bù tán sắc. Tức trong đường dây truyền dẫn sợi quang đã lắp đặt, cứ mỗi khoảng cách nhất định lại lắp vào sợi quang đã điều chỉnh tốt để bù tán sắc, làm cho toàn bộ chiều dài đường truyền dẫn có tổng tán sắc giảm xuống xấp xỉ bằng không.
Việc tận dụng các sợi quang hiện có chỉ là biện pháp tạm thời cho hệ thống WDM, bởi vì nó làm cho hệ thống trở nên phức tạp cũng như giảm khả năng truyền dẫn. Hướng phát triển trong tương lai là sử dụng các loại sợi quang mới dành riêng