CƠ SỞ KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG Trong kỹ thuật truyền dẫn số, chúng ta đã quen với ghép kênh tín hiệu điện, các luồng tín hiệu ở cấp thấp sẽ đƣợc ghép lại với nhau tạo nên các luồng tín hiệu cấp cao hơn. Những năm gần đây, công nghệ thông tin quang đã đạt đƣợc nhiều tiến bộ đáng kể trong đó phải kể đến đến kỹ thuật ghép kênh quang, nó thực hiện ghép các tín hiệu ánh sáng để truyền trên sợi dẫn quang với mục đích:
- Tăng dung lƣợng kênh truyền dẫn.
- Xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao.
Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức nào đó người ta đã thấy các hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn. Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s, bản thân các mạch điện sẽ không thể đảm bảo đáp ứng đƣợc xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao. Do đó kỹ thuật ghép kênh quang đã ra đời, khắc phục đƣợc những hạn chế trên.
Các phần tử quang trong thiết bị sẽ đóng vai trò chủ đạo trong việc thay thế hoạt động của các phần tử điện ở các vị trí xung yếu đòi hỏi kỹ thuật xử lý tín hiệu nhanh. Kỹ thuật ghép kênh quang còn tận dụng đƣợc phổ hẹp của laser, lợi dụng được các bước sóng khác nhau để thực hiện truyền đồng thời nhiều luồng ánh sáng mang tín hiệu trên một sợi dẫn quang.
1.1 Kỹ thuật ghép bước sóng quang
Với các hệ thống thông tin sợi quang thông thường, mỗi sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu quang từ một nguồn phát tới một bộ tách quang tại đầu thu vì vậy các tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau đòi hỏi các sợi xác định riêng biệt. Tuy nhiên từ thực tế thấy rằng nguồn quang có độ rộng phổ tương đối hẹp vì vậy phương pháp này chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần vốn có rất lớn của sợi quang, không tận dụng được hiệu suất của đường truyền.
Về lý thuyết ta có thể làm tăng đáng kể dung lƣợng truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu
được các tín hiệu quang riêng biệt nếu phần thu có các bộ tách bước sóng, đây chính là cơ sở của kỹ thuật ghép bước sóng [2,5].
1.2 Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang
Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh hoạ như ở hình 1.1. Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng 1 , 2 ,... , n . Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi dẫn quang. Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh; bộ ghép bước sóng phải bảo đảm có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi ghép sẽ đƣợc truyền dọc theo sợi để tới phía thu. Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng.
Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang - WDM là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lƣợng truyền dẫn của hệ thống, đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất. Ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào.
Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau. 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 1 nm hay 10 -9 m, điều này dẫn đến 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 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET).
Các nhà cung cấp WDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc
Hình 1. 1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng
Hình 1.1 1 Hình 1.1 2
DEMUX
O( 1 ) O( n ) MUX
Sợi quang
O( 1 ... n ) I( 1 ... n ) I( 1 )
I( n )
truyền nhiều hơn các kênh quang. Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng đƣợc đƣa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn. Có hai hình thức cấu thành hệ thống WDM đó là: hệ thống ghép bước sóng cùng hướng và hệ thống ghép bước sóng song hướng [3,4].
Ở hình 1.2 là hệ thống ghép bước sóng cùng hướng. Trong hệ thống này thiết bị ghép bước sóng được dùng để kết hợp các bước sóng khác nhau sau đó truyền trên cùng một sợi và tách chúng ở đầu kia thành các tia riêng rẽ trước khi đưa vào bộ thu quang tương ứng.
Hệ thống ghép bước sóng song hướng được trình bày ở hình 1.3. Ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng 1 , 2 , ..., n qua bộ ghép/tách kênh đƣợc tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi. Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng n+1, n+2 ,..., 2n được truyền dẫn theo chiều ngƣợc lại
Ghé p / Tá c h k ê nh
Một sợi dẫn quang Nguồn
Nguồn
Thu
n
2n
Khuếch đại
Ghé p / Tá c h k ê nh
Thu n+1
n
n n n
Thu
Thu n
2n
n+1
Nguồn
Nguồn Ghép
kênh Tách
kênh Một sợi dẫn quang
n Nguồn
Nguồn
Nguồn
n
Thu Thu
Thu
n
Khuếch đại
Hình 1. 2 :Hệ thống ghép bước sóng cùng hướng
Hình 1. 3: Hệ thống ghép bước sóng song hướng
Để thực hiện một hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng cùng hướng thì cần phải có bộ ghép kênh ở đầu phát để kết hợp các tín hiệu quang từ các nguồn phát quang khác nhau đƣa vào một sợi dẫn quang chung. Tại đầu thu, cần phải có bộ tách kênh để tách các kênh quang tương ứng. Nhìn chung, các tín hiệu quang không phát một lƣợng công suất đáng kể nào ở ngoài độ rộng phổ kênh đã định trước của chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh là không đáng lưu tâm ở đầu phát. Mà vấn đề đáng lưu tâm là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép kênh ít bị suy hao. Đối với bộ tách kênh, vì các bộ tách sóng quang thường nhạy cảm trên cả một vùng rộng các bước sóng cho nên nó có thể thu được toàn bộ các bước sóng được phát đi, như vậy để ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả thì phải có biện pháp cách ly tốt các kênh quang. Để thực hiện tốt điều này, cần thiết kế các bộ giải ghép thật chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định có bước sóng cắt chính xác. Do đó hệ thống WDM cùng hướng được ứng dụng và phát triển tương đối rộng rãi.
Hệ thống WDM song hướng thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, có cơ cấu phức tạp hơn đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt. Có rất nhiều vấn đề cần lưu ý như là phản xạ quang, xuyên âm giữa các kênh, mức điện của công suất truyền dẫn. Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghép kênh. Ở phía 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 cách thiết kế các bộ tách kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu đƣợc sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải làm việc ổn định. Do sử dụng bộ khuếch đại quang hai chiều nên hệ thống song hướng giảm được số lượng bộ khuếch đại và tiết kiệm đƣợc sợi quang.
Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép bước sóng nào cũng có thể được dùng làm bộ giải ghép bước sóng. Như vậy, hiểu đơn giản từ “bộ ghép- Multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để tương thích cho cả bộ ghép và bộ giải ghép, trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị này.
Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành ba loại: các bộ ghép (MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ ghép và giải ghép hỗn
hợp (MUX-DEMUX). Các bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương án truyền dẫn cùng hướng, còn loại hỗn hợp được sử dụng cho phương án truyền dẫn song hướng [7].
Các bộ ghép bước sóng trong kỹ thuật ghép bước sóng được phân loại nhƣ hình 1.5.
vật liệu
Các bộ ghép b-ớc sóng
Thụ động Tích cực
Các bộ phát thu nhiÒu b-íc Tổ hợp sóng
GhÐp sợi Vi
quang
Tán sắc
Bé lọc
Tán xạ Cách tử
Bé ghÐp hai h-íng
Cách tử Quang tổ
hợp
Phi tuyÕn
Giao thoa
Ph©n cùc O ( k )
( i ) I k ( k )
O i ( i )
Các tín hiệu
đ-ợc ghép
Các tín hiệu
đ-ợc giải ghép
Hình 1. 4 : Mô tả thiết bị ghép- giải ghép hỗn hợp(MUX-DEMUX)
Các bộ ghép bước sóng thụ động được sử dụng hiện nay thường là các bộ vi quang học (microoptic) và bộ ghép sợi kiểu dẫn sóng (guided wave fibre coupler). Mỗi loại đều có ƣu nhƣợc điểm của mình.
Các bộ vi quang học thường đòi hỏi hệ thống ghép nối các thấu kính để ghép vào sợi quang. Các khó khăn trong việc định vị và ghép nối làm hạn chế các đặc tính kỹ thuật đặc biệt là đối với các sợi đơn mode. Tuy nhiên việc sử dụng các bộ vi quang học cho phép lựa chọn đặc tính của bộ lọc rộng rãi hơn.
Các bộ ghép sợi ít chịu ảnh hưởng của các khó khăn nêu trên nhưng lại bị hạn chế trong việc lựa chọn các đặc tính cần có của bộ lọc, chẳng hạn nhƣ mức độ bằng phẳng của băng thông.
Có 3 tiêu chuẩn cơ bản để xác định đặc tính của các bộ ghép bước sóng là:
- Suy hao xen - Xuyên âm
- Độ rộng phổ của kênh a) Suy hao xen:
Suy hao xen ở đây đƣợc xác định nhƣ lƣợng tổn hao công suất trên tuyến truyền dẫn quang do việc thêm vào các bộ ghép bước sóng. Khác với các coupler thông thường, ở đây suy hao xen được xem xét đối với từng bước sóng:
L k = -10log O( k )/I k ( k ) MUX (1.1) L i = -10log O i ( i )/I( i ) DEMUX (1.2) Trong đó:
I( i ), O( k ) là công suất tín hiệu được ghép ở trên đường chung
I k ( k ) là công suất tín hiệu bước sóng k đi vào cửa thứ k của bộ ghép, tín hiệu này đƣợc phát từ nguồn phát quang thứ k.
O i ( i ) là công suất tín hiệu bước sóng i đi khỏi cổng thứ i của bộ tách.
Suy hao này bao gồm suy hao sinh ra tại các điểm ghép nối của các bộ ghép bước sóng mà nguyên nhân chủ yếu là do hấp thụ hoặc phản xạ. Mức độ ảnh hưởng tương đối của hai nguồn suy hao trên đến hệ thống còn tùy thuộc vào loại công nghệ được lựa chọn để chế tạo bộ ghép bước sóng.
b) Xuyên âm:
Xuyên âm là sự rò tín hiệu từ kênh này sang kênh kia. Nó làm tăng nền nhiễu và do vậy làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Hiện tƣợng này đƣợc sinh ra do các yếu tố sau:
- Do các đặc tính của bộ lọc không hoàn thiện.
- Do phản xạ hay hội tụ không hoàn toàn làm các tia sáng bị tản mát.
- Do phổ của các nguồn phát lấn lên nhau.
- Do các hiệu ứng phi tuyến xảy ra khi đƣa công suất cao vào sợi quang Trong một bộ giải ghép kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng i sang các kênh khác có bước sóng khác với
i . Nhƣng trong thực tế luôn luôn tồn tại một mức xuyên âm nào đó, và làm giảm chất lƣợng truyền dẫn của thiết bị. Khả năng để tách các kênh khác nhau dƣợc diễn giải bằng suy hao xuyên âm và đƣợc tính bằng dB nhƣ sau:
D i ( k ) = -10log U i ( k )/I( k ) (1.3) Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ giải ghép kênh ở hình 1.6 thì U i ( k ) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng k do có sự dò tín hiệu ở cửa thứ i sang, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng i .
Hình 1. 6: Xuyên kênh ở bộ giải ghép kênh
Hình 1. 7: Xuyên kênh ở bộ ghép - giải ghép kênh hỗn hợp (MULDEX)
MULDEX MULDEX
Sợi quang
I ( ) O 2 ( ) + U 2 ( )+ U 1 ( )
I ( )
Xuyên kênh
®Çu xa
Xuyên kênh
®Çu gÇn
DEMU X
Sợi quang
I( 1 ) I( 2 ) ... I( n) O i ( i ) + U i ( k )
n 1 2 i
Trong thiết bị ghép-giải hỗn hợp nhƣ hình 1.7, việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng như bộ giải ghép. Ở trường hợp này phải xem xét cả 2 loại xuyên kênh, xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác đƣợc ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I( k ) sinh ra U i ( k ). Xuyên kênh đầu gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó đƣợc ghép ở bên trong thiết bị nhƣ U i ( i ).
Khi cho các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng thiết bị.
c) Độ rộng phổ của kênh:
Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho mỗi một kênh. Độ rộng này phải đảm bảo để tránh nhiễu giữa các kênh, do đó đƣợc xác định tuỳ theo từng loại nguồn phát. Đối với các nguồn phát sử dụng laser độ rộng phổ của nguồn chỉ vài nm, đặc biệt đối với laser đơn mode độ rộng phổ chỉ 0,1nm, thì yêu cầu độ rộng của kênh chỉ cần nhỏ. Còn đối với các nguồn phát sử dụng led thì độ rộng phổ của nguồn cỡ vài chục nm, do đó yêu cầu độ rộng kênh lớn.