Đề tài Tổng quan về hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ wdm

trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Khoa Điện Tử – Viễn Thông Tổng quan về hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM Giáo Viên Hướng Dẫn : Sinh Viên Thực Hiện : Lớp : Hà Nội. Mục lục Trang Chương I – Tổng quan về hệ thống thông tin quang WDM 1.1. Giới thiệu chung về thông tin quang: Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều đó có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang. Tại nơi nhận nó lại được biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu. Trong thời kì hiện nay, lượng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin tăng lên rất nhanh. Thế giới đang chứng kiến sự phát triển nhảy vọt chưa từng thấy của mạng máy tính toàn cầu Internet, kéo theo đó là sự ra đời của các ứng dụng và dịch vụ mới trên nền tảng Internet. Số người sử dụng Internet ngày càng đông, nhu cầu truyền tải dữ liệu cũng theo đó tăng lên. Do đó yêu cầu đặt ra là phải tạo ra được mạng lưới có băng thông lớn, có tốc độ đường truyền cao, tin cậy và có chi phí hợp lý. Mạng thông tin quang ra đời đã đáp ứng được nhu cầu trên. Mạng thông tin quang với các ưu điểm nổi bật như dung lượng truyền dẫn lớn, tốc độ truyền tải nhanh, hoạt động ổn định và kinh tế,… đã dần thay thế cho các mạng lưới thông tin truyền thống. Tuy nhiên băng thông quang rất lớn (khoảng 100Ghz-Km) sẽ rất hao phí nếu chỉ dùng cho ứng dụng đơn lẻ. Vì vậy một yêu cầu đặt ra là phải ghép nhiều kênh trên một đường truyền quang. Những kĩ thuật ghép kênh được quan tâm nhất hiện nay là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) và ghép kênh phân chia bước sóng (WDM). Trong tưong lai, ghép kênh theo bước sóng sẽ được ưa chuộng hơn vì chi phí kĩ thuật và các thiết bị để lắp đặt hệ thống TDM tương đối cao. 1.2. Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM: 1.2.1. Định nghĩa: WDM (Wavelength Division Multiplexing – Ghép kênh theo bước sóng) là công nghệ “trong một sợi quang truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang với nhiều bước sóng khác nhau”. ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang. ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau. 1.2.2. Mục đích: Do băng thông quang rất lớn (khoảng 100Ghz-Km) nên nếu chỉ sử dụng cho mục đích đơn lẻ sẽ rất hao phí. Vì vậy sử dụng công nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn của sợi quang bằng cách truyền đồng thời nhiều kênh bước sóng trên cùng một sợi quang. Tuy nhiên để tránh nhiễu xuyên kênh, giữa các kênh phải có khoảng cách nhất định. Qua nghiên cứu ITU-T đã đưa ra cụ thể các kênh bước sóng và khoảng cách giữa các kênh này có thể chọn ở các cấp độ 200Ghz, 100Ghz, 50Ghz. 1.2.3. Phân loại hệ thống truyền dẫn WDM: Hệ thống truyền dẫn là những hệ thống tương tác, nghĩa là tại mỗi đầu sẽ thực hiện chức năng phát tín hiệu đi (hướng đi) và nhận tín hiệu về (hướng về). Trong hệ thống WDM, tính năng tương tác được thực hiện qua môi trường sợi quang. Về cơ bản người ta chia hệ thống WDM thành hai kiểu: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và hệ thống ghép bước sóng song hướng. 1.2.3.1. Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng: Chỉ thực hiện truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang. DE-MUX Rx1 Tx1 MUX λ1, λ2, λ3,…, λn λ λ λ Rx2 Tx2 . . . . . . . . . . . . λ1, λ2, λ3,…, λn λ λ λ EDFA EDFA Rxn Txn Ghép tín hiệu Thu tín hiệu Tách tín hiệu Phát tín hiệu Hình 1.2 : Hệ thống WDM đơn hướng 1.2.3.2. Hệ thống ghép bước sóng song hướng: Có thể truyền theo hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa hai điểm. DE -MUX Rx1 Tx1 MUX λ1, λ2, λ3,…, λn λ λ λ Rx2 Tx2 . . . . . . . . . . . . λ1, λ2, λ3,…, λn λ λ λ EDFA EDFA Rxn Txn Ghép tín hiệu Thu tín hiệu Tách tín hiệu Phát tín hiệu Hình 1.3 : Hệ thống WDM song hướng. 1.2.4. Ưu và nhược điểm của công nghệ WDM: Trải qua quá trình nghiên cứu và triển khai, mạng thông tin quang cũng như mạng quang sử dụng công nghệ WDM đã cho thấy những ưu điểm nổi trội : * Dung lượng truyền dẫn lớn Sử dụng công nghệ WDM có nghĩa là trong một sợi quang có thể ghép rất nhiều kênh quang (có bước sóng khác nhau) để truyền đi, mỗi kênh quang lại ứng với một tốc độ bit nào đó (TDM). Hiện nay đã thử nghiệm thành công hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM tốc độ 2,5 Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200 Gbit/s. Trong khi đó với hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (dung lượng 40 Gbit/s). * Tính trong suốt của mạng WDM Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, IP… Mạng trong suốt : trong một dải băng thông xác định, mạng có thể truyền các dịch vụ với bất kỳ tốc độ nào và với bất kỳ giao thức nào. Như vậy nhà cung cấp dịch vụ có thể đáp ứng nhiều dịch vụ khác nhau bằng cách sử dụng một cơ sở hạ tầng duy nhất. Như vậy sẽ rất có lợi về mặt kinh tế và vẫn có thể triển khai các dịch vụ mới một cách hiệu quả, nhanh chóng mà không làm ảnh hưởng gì đến các dịch vụ trước đó. * Việc nâng cấp dung lượng hệ thống thực hiện dễ dàng, linh hoạt Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng mạng hiện có lên đến hàng Tbps, có thể đáp ứng nhu cầu mở rộng ở nhiều cấp độ khác nhau. Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới, đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc sợi hay cáp quang. Việc nâng cấp hệ thống đơn giản chỉ là cắm thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (Plug-and-play). * Quản lý băng tần hiệu quả và cấu hình hệ thống mềm dẻo Bằng cách thay đổi phương thức định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM, ta có thể dễ dàng quản lý và cấu hình lại hệ thống một cách linh hoạt tuỳ theo yêu cầu thực tế. Hiện nay WDM là công nghệ duy nhất cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) cho phép xây dựng mạng quang trong suốt. * Sử dụng công nghệ WDM có thể tận dụng cơ sở hạ tầng của các mạng quang trước đó, giảm được chi phí đầu tư mới. Do vậy tiết kiệm và kinh tế hơn. Chương II – Truyền tín hiệu trong sợi quang 2.1. Các đặc tính của thông tin quang: Sợi quang là một môi trường truyền dẫn đặc biệt so với các môi trường khác như không gian tự do hay cáp đồng. Không phải ngẫu nhiên mà sợi quang trở thành phương tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất hiện nay. So với các phương thức truyền dẫn thông tin khác sợi quang có những ưu điểm nổi bật như có băng thông lớn, độ suy hao truyền dẫn thấp. Thêm vào đó, chúng có thể sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ, không có hiện tượng xuyên âm giữa các sợi quang với nhau và không chịu các tác động của sóng điện từ. Trước hết vì sợi quang có băng thông lớn nên có thể truyền một khối lượng thông tin lớn như cấc tín hiệu âm thanh, dữ liệu, và các tín hiệu hỗn hợp thông qua một hệ thống có cự ly dến 100Ghz-Km. Thứ hai, sợi quang nhỏ, nhẹ và không có xuyên âm. Do vậy chúng có thể được lắp đặt dễ dàng ở các địa điểm mà không cần lắp thêm các đường ống và cống cáp. Thứ ba, do sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi nên chúng không chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và các xung điện tử. Do đó chúng có thể được lắp đặt cùng với cáp điện lực (điều này có ý nghĩa kinh tế rất lớn) và dùng trong các môi trường có điện từ trường cao. Thứ tư, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát (silicat-SiO2) và chất dẻo nên có giá thành thấp. Thêm vào đó sợi quang còn có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi thọ dài và khả năng đề kháng với môi trường tốt. 2.2. Cáp sợi quang: Sợi quang là những dây nhỏ, dẻo truyền ánh sáng nhìn thấy được và các tia hồng ngoại. Một sợi quang gồm có một lõi hình trụ được bao quanh bởi một lớp vỏ. Cả phần lõi và vỏ có chỉ số khúc xạ xấp xỉ 1,45. Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất của vỏ một chút. Do vậy trong quá trình sản xuất sợi, một số tạp chất được đưa vào trong lõi hoặc vỏ, các nguyên liệu như Germani hoặc Photpho làm tăng chỉ số khúc xạ của SiO2 được dùng làm chất cho thêm vào phần lõi, trong khi Bo hoặc Flo làm giảm chỉ số khúc xạ của SiO2 nên được dùng làm tạp chất cho lớp vỏ. Sợi quang Vỏ bọc ở phía ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các sợi đi bên cạnh. Lớp bọc đầu tiên (Silicon đặc biệt) Tầng cản bit lỗi (Silicon) Lớp bọc thứ 2 (Nilon) Phần cốt lõi Tầng cản bit lỗi Sợi quang Lớp bọc đầu tiên Lớp bọc thứ 2 (Nilon) Hình 2.1 : Cấu trúc sợi quang Ngoài ra sợi quang còn được phân loại thành các loại sợi quang đơn mode và đa mode tương ứng với số lượng mode của ánh sáng truyền qua sợi quang. 2.3. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang: 2.3.1. Định luật cơ bản của ánh sáng trong sợi quang: ánh sáng có thể được xem như một chùm tia truyền theo những đường thẳng trong một môi trường và bị phản xạ hay khúc xạ ở bề mặt giữa hai vật liệu khác nhau. Hình 2.2 chỉ ra giao diện giữa hai môi trường có chỉ số khúc xạ là n1 và n2. Một tia sáng từ môi trường 1 tới mặt phân cách của môi trường 1 với môi trường 2. Góc tới giữa tia tới và pháp tuyến với bề mặt chung của hai môi trường được biểu thị là θ1. Phần năng lượng bị phản xạ vào môi trường 1 là một tia phản xạ, phần còn lại đi xuyên qua môi trường 2 là một tia khúc xạ. Góc phản xạ θ1r là góc giữa tia phản xạ và pháp tuyến của giao diện. Tương tự, góc khúc xạ θ2 là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến. θ 1r = θ1. Theo định luật Snell : n1.sin θ1 = n2.sin θ2. Khi góc tới θ1 tăng lên, góc khúc xạ θ2 cũng tăng. Nếu θ2 = 90°, thì sin θ1 = n2/n1. Lúc đó θ1 được gọi là góc tới hạn có giá trị θc = sin(n2/n1) ; với n1 > n2. Với những giá trị θ1 > θc , sẽ không có tia khúc xạ, và tất cả năng lượng từ tia tới được phản xạ hết. Hiện tượng này được gọi là phản xạ toàn phần. n2 θ2 θ1r θ1 n1 Hình 2.2 : Sự phản xạ và khúc xạ các tia sáng tại mặt phân cách của hai môi trường * Như vậy điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần là: - Các tia sáng phải đi từ môi trường chiết quang hơn (có chiết suất lớn hơn) sang môi trường kém chiết quang hơn (có chiết suất nhỏ hơn). - Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn. Các định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng ở trên là nguyên lý cơ bản áp dụng cho việc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi dẫn quang, ở sợi dẫn quang, các tín hiệu ánh sáng được truyền dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong. 2.3.2. Truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang: Để dễ tiếp cận với nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang, ta hãy xét về cơ cấu lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang đa mode có chỉ số chiết suất phân bậc, vì kích thước của lõi loại sợi này lớn hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng chúng ta đang xét tới. Để đơn giản ta chỉ xét 1 tia sáng đặc trưng. Có 2 loại tia có thể truyền trong sợi dẫn quang là các tia kinh tuyến và các tia nghiêng (minh hoạ hình vẽ ……). Tia kinh tuyến là các tia xác định các mặt phẳng kinh tuyến với trục sợi. Như vậy có 2 loại tia kinh tuyến : tia biên – là tia tồn tại trong lõi sợi và truyền theo hướng dọc theo trục lõi sợi, tia ngoài biên – là tia bị khúc xạ ra ngoài lõi sợi. Các tia nghiêng có số lượng nhiều gấp bội lần tia kinh tuyến, nó không xác định một mặt phẳng đơn thuần nào, mà các tia này truyền theo từng đoạn xoắn ốc dọc theo sợi. Các tia này có đường đi dài hơn và thường bị suy hao nhiều hơn tia kinh tuyến. Tuy nhiên ta không quan tâm lắm tới các tia nghiêng này vì nó không phản ánh có ý nghĩa về các tia lan truyền trong sợi. Hình 2.3a : Tia kinh tuyến Tia khúc xạ Lõi n1 Φ Trục sợi α α0 Góc tiếp nhận Vỏ n2 Tia phản xạ Hình 2.3b : Tia kinh tuyến trong quá trình tiếp nhận và lan truyền ánh sáng trong sợi đa mode chiết suất phân bậc Các tia kinh tuyến được thể hiện ở hình trên là xét cho loại sợi có chỉ số chiết suất phân bậc. Các tia sáng đi vào sợi dẫn quang từ môi trường có chiết suất n và hợp với trục sợi một góc α0. Các tia này đập vào ranh giới giữa vỏ và lõi dưới một góc Φ. Nếu góc Φ lớn hơn góc nào đó để đảm bảo tia đó bị phản xạ toàn phần thì tia kinh tuyến sẽ đi theo đường zich-zăc dọc theo lõi sợi và đi qua trục của sợi sau mỗi lần phản xạ. Theo định luật Snell thì góc tối thiểu Φmin để tạo ra hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong được xác định : sinΦmin = n2/n1. (2.1) Như vậy mọi tia sáng khi chạm vào ranh giới 2 môi trường với góc Φ < Φmin sẽ bị khúc xạ ra ngoài lõi sợi và bị suy hao ở lớp vỏ phản xạ. Điều kiện của phương trình (2.1) sẽ bị ràng buộc với góc vào (góc tiếp nhận) lớn nhất α0,max theo biểu thức sau : n.sinα0,max = n1.sinαc = √(n1² - n2²) (2.2) Với αc là góc tới hạn. Do vậy , các tia có góc vào α0 nhỏ hơn góc α0,max sẽ bị phản xạ toàn phần bên trong tại ranh giới lõi, vỏ sợi quang. Biểu thức (2.2) cũng xác định khẩu độ (độ mở) NA của sợi có chỉ số chiết suất phân bậc đối với các tia kinh tuyến : NA = n.sinα0,max = √n1² - n2² ≈ n1√2Δ Với Δ là sự khác nhau về chỉ số chiết suất lõi vỏ được thông qua biểu thức sau: n2 = n1.(1-Δ) Chiết suất phân bậc trong thực tế có n1 thường bằng 1,48 và n2 thường chọn để sao cho Δ vào khoảng 0,01. Như vậy ta có nhận xét chỉ có các tia sau khi đi vào lõi sợi có góc α nhỏ hơn góc tới hạn αc mới lan truyền dọc theo sợi. 2.4. Các vấn đề cơ bản về truyền dẫn: 2.4.1. Suy hao trong sợi quang: Trong thực tế, cự ly truyền dẫn của các tuyến thông tin cáp quang thường là dài hoặc rất dài. Do đó việc tính toán đến suy hao sợi đóng một vai trò hết sức quan trọng trong thiết kế hệ thống. Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang, giữa sợi quang với đầu thu quang và giữa các sợi quang với các thiết bị khác trên tuyến như khuếch đại quang hay thiết bị xen rẽ kênh v.v…, cũng có thể coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn. Bên cạnh đó, quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao. Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi, do đó có thể làm giảm chúng với nhiều biện pháp khác nhau. Cái cần quan tâm là suy hao bản chất bên trong sợi. Cơ chế suy hao cơ bản trong sợi dẫn quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ và các suy hao do bức xạ năng lượng ánh sáng. Suy hao sợi (hay còn gọi là suy hao tín hiệu) thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao và được xác định bằng tỷ số giữa công suất đầu ra POUT của sợi dẫn quang dài L với công suất quang đầu vào PIN. Tỷ số công suất này là một hàm của bước sóng, nếu gọi α là hệ số suy hao thì Đơn vị của α được tính theo dB/km Xét về bản chất suy hao sợi quang thì hấp thụ trong sợi quang là nguyên nhân quan trọng. Hấp thụ do 3 cơ chế khác nhau gây ra : Hấp thụ do tạp chất Hấp thụ do vật liệu Hấp thụ cực tím (điện tử). Ngoài ra còn có các nguyên nhângây ra suy hao khác như : suy hao do tán xạ và suy hao do uốn cong sợi. 2.4.2. Tán sắc trong sợi quang: Trong truyền dẫn thông tin quang, hiện tượng tán sắc là một trong những nguyên nhân quan trọng gây nên méo tín hiệu và làm suy giảm công suất. Vì vậy đây là vấn đề rất được quan tâm khi thiết kế hệ thống quang. Tán sắc bên trong mode là sự giãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở trong một mode. Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước sóng nên ảnh hưởng của nó tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ rộng phổ nguồn phát. Độ rộng phổ là dải các bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó. Có thể mô tả độ dãn xung bằng công thức sau : Với L là độ dài của sợi dẫn quang, τn là sự trễ nhóm đối với 1 đơn vị độ dài, λS là bước sóng trung tâm và σλ là độ rộng trung bình bình phương (r.m.s) của phổ nguồn phát. Tán sắc trên sợi dẫn quang bao gồm tán sắc mode, tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc mode chỉ tồn tại trong truyền dẫn trên sợi đa mode. Tán sắc này phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính lõi sợi. Các mode sẽ lan truyền theo các đường đi khác nhau làm cho cự ly đường của các mode cũng khác nhau và do đó thời gian lan truyền cũng khác nhau giữa các mode. Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng và do sự thay đổi về chỉ số chiết suất của vật liệu lõi tạo nên. Nó làm cho bước sóng luôn phụ thuộc vào vận tốc nhóm của bất kì mode nào. Tán sắc ống dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng trong lõi, vì vậy còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi, cụ thể là phụ thuộc vào hằng số lan truyền β. Như vậy có thể thấy do tán sắc làm dãn xung tín hiệu ánh sáng nên làm giảm độ nhạy thu. Nó làm giảm độ nhạy thu theo 2 cách : thứ nhất, một phần năng lượng của xung bị trải rộng và gây nên sự giao thoa giữa các tín hiệu (ISI). Thứ hai, năng lượng xung trong mỗi bit bị giảm khi xung bị giãn rộng. Điều này gây nên sự giảm tỷ số SNR tại các mạch quyết định. Để duy trì được SNR, phải tăng mức công suất trung bình bộ thu. Đây chính là nguyên nhân gây ra sự suy hao về công suất do tán sắc gây ra. 2.4.3. Bước sóng, tần số và khoảng cách kênh: Trong hệ thống WDM, phương tiện mang thông tin đi là ánh sáng, do đó điều cần quan tâm là bước sóng, tần số của các tín hiệu này. Bước sóng λ và tần số f được liên hệ với nhau qua công thức : Trong đó c là vận tốc ánh sáng truyền trong không gian tự do (c ≈ 3.108 m/s), do vậy các bước sóng cũng khác. Trong hệ thống quang, các bước sóng chủ yếu được dùng là 1310 nm, 1550 nm và 850 nm. Các bước sóng này đều nằm trong dải hồng ngoại, không thể nhìn thấy. Tần số được bằng đơn vị Hertz (bằng số chu kì/giây). Người ta thường dùng các thứ nguyên của Hz như Megahertz (1Mhz = 106 Hz), Gigahertz (1Ghz = 109 Hz) hay Terahertz (1THz = 1012 Hz). Sử dụng c = 3.108 m/s, một bước sóng 1,55 μm sẽ tương ứng với một tần số xấp xỉ 193 THz. Một số thông số được quan tâm khác là khoảng cách kênh, là khoảng cách giữa hai bước sóng hoặc tần số trong một hệ thống WDM. Khoảng cách kênh có thể được đo bằng đơn vị của bước sóng hoặc tần số. Nếu gọi Δλ là khoảng cách giữa các kênh bước sóng thì tương ứng ta sẽ có : Như vậy, tại bước sóng 1550 nm, với Δλ = 35 nm (xét đối với riêng băng C) thì ta sẽ có Δf = 4,37.1012 Hz. Giả sử tốc độ truyền dẫn của từng kênh bước sóng là 2,5 GHz, theo định lý Nyquist, với phổ cơ sở của tín hiệu là 2.2,5=5 GHz, thì số kênh bước sóng cực đại có thể đạt được là N = Δf / 5 = 874 kênh trong dải băng tần của một bộ khuếch đại quang, đây là số kênh cực đại tính theo lý thuyết đối với băng C. Dựa trên khả năng của công nghệ hiện nay, ITU-T đã đưa ra qui định về khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bước sóng là 0,8 nm tương ứng một khoảng cách tần số 100 GHz với tần số chuẩn là 193,1 THz. Hiện nay đã xuất hiện hệ thống WDM sử dụng khoang cách kênh 25 GHz, tuy vậy các sản phẩm thương mại chủ yếu vẫn theo chuẩn của ITU-T đã nêu. CHƯƠNG III – CHứC NĂNG Và CáC PHầN Tử CƠ BảN CủA Hệ THốNG WDM 3.1. Chức năng của hệ thống WDM: Rx1 DE-MUX Tx1 MUX Truyền tín hiệu trên sợi quang Rx2 Tx2 . . . . . . . . . . . . Khuếch đại tín hiệu Khuếch đại tín hiệu Rxn Txn Thu tín hiệu Tách tín hiệu Ghép tín hiệu Phát tín hiệu Hình 4.1 : Sơ đồ chức năng hệ thống WDM. Như minh họa ở hình trên, để đảm nhiệm việc truyền và nhận nhiều bước sóng trên sợi quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau : * Phát tín hiệu : hệ thống WDM sử dụng nguồn phát quang là diode phát quang (LED – Light Emitting Diode) hay Laser. Hiện nay đã có một số loại nguồn phát như : laser điều chỉnh bước sóng (Tunable laser), laser đa bước sóng (Multiwavelength laser)… Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chỉp phải nằm trong giới hạn cho phép. * Ghép/tách tín hiệu : ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sóng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền trong sợi quang. Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng lẻ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tách. Hiện nay, đã có các bộ tách ghép tín hiệu WDM như : bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG , bộ lọc Fabry-Perot… Các tham số cần quan tâm của bộ tách ghép kênh là : khoảng cách giữa các kênh bước sóng, độ rộng băng tần của mỗi kênh, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần - đầu xa,… * Truyền dẫn tín hiệu : trong thực tế việc tính toán truyền dẫn trong thông tin quang là rất phức tạp bởi có nhiều yếu tố ảnh hưởng như : suy hao đường truyền, các hiệu ứng phi tuyến , tán sắc,… Không những vậy, các yếu tố này cũng khác nhau ở những loại sợi quang khác nhau. * Khuếch đại tín hiệu : trong quá trình truyền dẫn, tín hiệu quang sẽ bị suy hao khi lan truyền qua sợi. Các thiết bị trong hệ thống như bộ ghép kênh, xen rẽ kênh cũng gây nên suy hao. Ngoài ra còn nhiều nguyên nhân khác như suy hao ghép nối, suy hao do sợi bị uốn cong… Do vậy đến một lúc nào đó, tín hiệu quang sẽ suy yếu đến mức không thể tách sóng được. Do đó các thiết bị khuếch đại tín hiệu sẽ khôi phục lại cường độ tín hiệu. Trong hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA. Có 3 ứng dụng chính của EDFA, đó là : khuếch đại công suất (Booster Amplifier – BA), tiền khuếch đại (Pre Amplifier - PA), và khuếch đại đường truyền (Line Amplifier – LA). Khi dùng khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo được các yêu cầu sau : Độ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch không quá 1 dB). Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không làm ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh. Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại bằng phẳng đối với tất cả các kênh. * Thu tín hiệu : để thu tín hiệu, các hệ thống WDM cũng sử dụng các loại bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường : PIN, APD. 3.2. Các thành phần trong hệ thống thông tin quang: Tương ứng với các chức năng của hệ thống thông tin quang đã nêu ở trên có các thành phần tương ứng như sau 3.2.1. Nguồn phát quang: Nhiêm vụ của nguồn phát quang là chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang. ánh sáng của nguồn này được ghép vào sợi quang để truyền đi. Hiện nay sử dụng phổ biến 2 loại linh kiện dùng làm nguồn phát quang là : Diode phát quang (LED – Light Emitting Diode) LASER (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation) Một trong những đóng góp quan trọng của các thiết bị phát quang giúp cho việc thương mại hoá các hệ thống WDM là việc chế tạo thành công các LASER phổ hẹp. Các LASER phổ hẹp có tác dụng giảm thiểu tối đa ảnh hưởng lẫn nhau của các bước sóng khi lan truyền trên cùng một sợi quang. Để xây dựng được các hệ thống thông tin quang. Các nguồn phát qaung phải thoả mãn một số điều kiện như : Phù hợp với kích thước sợi quang Phát ra công suất đủ lớn để có thể khắc phục một phần suy hao tín hiệu, giúp tín hiệu truyền được đến phía thu. Phát ra ánh sáng ở các bước sóng làm tối thiểu hoá suy hao và tán xạ. Các nguồn quang nên có một bề rộng phổ nhỏ để giảm thiểu được tán xạ. Hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường có thay đổi (nhiệt độ, độ ẩm,…). Cho phép điều chế trực tiếp công suất quang đầu ra. Có giá thành thấp và độ tin cậy cao hơn các thiết bị điện tử, cho phép các hệ thống thông tin quang có thể cạnh tranh được với các hệ thống thông tin khác. 3.2.1.1. LASER: Thiết bị kích thích Dòng ánh sáng phát ra Môi trường phát xạ Gương phản xạ Gương phát Hình 4.2 : Cấu trúc tổng quát của LASER LASER được phát minh vào năm 1958 bởi Schalow và Townes. Hình trên thể hiện cấu trúc tổng quát của một LASER. Về cơ bản cấu trúc của một LASER gồm 2 tấm gương (1 tấm gương phản xạ và một tấm vừa phản xạ ánh sáng vừa cho một phần ánh sáng đi qua – gương phát). Chúng tạo nên một lỗ hốc Trong thực tế 2 tấm gương là các lớp phản hồi quang, được tạo ra bằng cách “tách” lớp bán dẫn dọc theo các mặt tinh thể của nó. Sự khác nhau rõ rệt về chiết suất giữa tinh thể và môi trường xung quanh làm cho các mặt tách ra có tác dụng như những gương phản xạ. . Các gương này có độ phản xạ rất cao, tới 99% để làm giảm độ rộng phổ. ở giữa 2 tấm gương là một môi trường phát xạ và một thiết bị kích thích. Thiết bị kích thích này đưa dòng điện vào môi trường phát xạ, được làm bằng một loại vật chất gần như ổn định. Dòng điện này sẽ tạo ra một điện trường, điện trường này kích thích các nguyên tử có sẵn trong môi trường và làm cho các nguyên tử này chuyển lên các trạng thái dừng có mức năng lượng cao hơn. Khi các nguyên tử chuyển về các trạng thái dừng có mức năng lượng thấp, chúng sẽ phát ra các photon ánh sáng. Photon ánh sáng sẽ bị phản xạ lại bởi 2 tấm gương ở 2 đầu hốc. Hiện tượng phát xạ kích thích sẽ lại xảy ra nếu 1 photon lại gần 1 nguyên tử. Do đó quá trình cứ lặp lại như vậy sẽ tạo ra nhiều photon ánh sáng có cùng pha và hướng với photon đang kích thích. Sự phản chiếu làm cho các phát xạ kích thích xảy ra nhiều hơn, do vậy có thể tạo ra cường độ ánh sáng cao. Tấm gương phát sẽ truyền dẫn một phần ánh sáng nhất định, vì thế một số photon sẽ thoát ra khỏi lỗ hốc dưới dạng một tia sáng hội tụ. Hốc Laser có thể có nhiều tần số cộng hưởng. Để thay đổi tần số của ánh sáng phát ra, ta có thể điều chỉnh độ dài của hốc. 3.2.1.2. LED: Đối với những ứng dụng không cần yêu cầu cao về tốc độ dữ liệu và cự ly truyền dẫn ngắn thì việc sử dụng diode phát quang (LED) là hợp lý về mặt kinh tế. LED được phát triển dựa trên cơ sở của diode bán dẫn, về cơ bản nó là một tiếp giáp của bán dẫn loại P và bán dẫn loại N. Tuy vậy do ánh sáng của LED phát ra trong toàn băng thông nên ánh sáng phát ra từ LED có phổ rộng (không giống như LASER có chùm sáng hội tụ). Đối với LED, tăng cường độ ánh sáng đơn giản là tăng sự tự phát xạ, do đó không xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích vì tính kém phản xạ của bề mặt. Vì lý do này, LED không có khả năng tạo công suất đầu ra cao, công suất ra tiêu biểu của LED khoảng -20 dB. 3.2.2. Bộ thu quang: Thiết bị thu quang là một trong những thành phần quan trọng nhất của hệ thống thông tin quang. Là thiết bị nằm ở vị trí cuối cùng của hệ thống, bộ thu quang phải tiếp nhận và xử lý mọi tác động trên toàn tuyến đưa tới, do đó sự chính xác của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào nó. Một số yêu cầu đặt ra với bộ thu quang là phải có độ nhạy thu cao, can nhiễu thấp, giá thành hạ và có độ tin cậy cao. Hình # giới thiệu cấu hình tiêu biểu của bộ thu quang sử dụng photo diode. Nó bao gồm các thành phần : bộ tách sóng quang, bộ khuếch đại điện và mạch xử lý tín hiệu Phần trước bộ thu quang gồm 1 photo diode và bộ tiền khuếch đại. Photo diode biến đổi tín hiệu bit ánh sáng thành tín hiệu điện thay đổi theo thời gian. Bộ tiền khuếch đại có vai trò khuếch đại tín hiệu cho quá trình xử lý tiếp sau. Tăng giá trị của RL, điện áp đầu vào mạch tiền khuếch đại có thể tăng, nhiễu nhiệt giảm xuống và do đó tăng được độ nhạy thu. h.v RL PD Clock ra Tín hiệu số ra KĐ chính Pre-amp Clock Ext Quyết định Phần trước bộ thu Hình 4.3 : Cấu hình của bộ thu quang số tiêu biểu Kênh tuyến tính trong bộ thu quang bao gồm bộ khuếch đại chính có hệ số khuếch đại cao và mạch cân bằng. Phần khôi phục tín hiệu số của bộ thu quang gồm có mạch quyết địnhvà mạch hồi phục xung đồng hồ. Mạch quyết định sẽ so sánh tín hiệu ra từ kênh tuyến tính với một mức ngưỡng tại thời điểm lấy mẫu (được xác định bởi mạch hồi phục xung đồng hồ), nếu điện áp của tín hiệu lớn hơn mức ngưỡng, nó sẽ mang bit “1”, nếu thấp hơn sẽ là bit “0”. Một số bộ thu quang hay được sử dụng là : Bộ tách sóng Photo diode PIN Photo diode thác APD. 3.2.3. Thiết bị khuếch đại quang: Nếu không được khuếch đại, giới hạn của tín hiệu quang là chỉ truyền tối đa được khoảng 200 km với tốc độ khoảng vài Gbit/s . Do vậy một mạng quang không thể tồn tại nếu thiếu các thiết bị khuếch đại. ở phần này chúng ta đề cập đến 2 dạng cơ bản là EDFA (Erbium – Doped Fiber Amplifiers) và SOA (Semiconductor Optical Amplifiers). 3.2.3.1. EDFA: Thiết bị khuếch đại quang sợi chủ yếu hiện nay dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt là EDFA. Tầm quan trọng của EDFA trong thông tin quang chủ yếu là do dặc tính của Erbium tạo nên. Các thành phần chính cấu tạo nên EDFA gốm có sợi được pha tạp Erbium EDF (Erbium Dopped Fiber) thường có độ dài bằng hoặc lớn hơn 10m, Laser bơm LD, bộ ghép bước sóng quang WDM và bộ cách ly quang. Sợi pha tạp là silicat mà phần lõi được thêm vào các ion Er3+ của nguyên tố đất hiếm Ebiri. Bộ ghép bước sóng Tín hiệu khuếch đại Tín hiệu vào EDF Bơm Laser Hình 4.4 : Hệ thống EDFA Thông thường các bộ khuếch đại quang được chia thành các hệ thống 2, 3, hoặc 4 mức năng lượng. Muốn thực hiện khuếch đại, các bộ khuếch đại đòi hỏi phải có nguồn năng lượng bên ngoài cung cấp thêm cho tín hiệu đầu vào. Bơm sẽ thực hiện việc cung cấp công suất này thông qua cơ chế kích thích điện tử, làm cho chúng chuyển từ mức năng lượng thấp lên các mức năng lượng cao hơn. Hầu hết các EDFA đều được bơm ánh sáng từ diode laser (LD) có bước sóng 980 hay 1480 nm, với công suất bơm tiêu biểu là từ 10 mW tới 100mW. Việc bơm tại bước sóng λP = 1480 nm sẽ tạo nên hệ thống 2 mức, nếu λP = 980 nm sẽ tạo ra hệ thống 3 mức. Cơ chế hoạt động của sợi quang pha tạp đất hiếm để trở thành bộ khuếch đại được minh hoạ như hình sau : 980 nm E3 1550 nm E2 Khuếch đại 1500-1600 Tự phát E1 Hình 4.5 : Mức năng lượng trong EDFA. * Nguyên lý hoạt động : Trong sợi EDF, các ion Er3+ là các phần tử tích cực trong bộ khuếch đại quang. Khi một ion Er3+ ở trạng thái cơ bản (E1) được hấp thụ các photon của Laser bơm thì nó sẽ chuyển lên các trạng thái có mức năng lượng cao hơn. Nghiên cứu cho thấy các bước sóng 1480 nm, 980 nm, 670 nm và 521 nm đều có thể cho phép kích thích các ion Erbium. Từ các trạng thái có mức năng lượng cao, ion Er3+ sẽ phân rã không phát xạ khi chuyển xuống các mức năng lượng thấp hơn. Tín hiệu quang ở đầu vào sợi EDF sẽ đến gặp các ion Er3+ đã được kích thích. Quá trình bức xạ kích thích ((1) Bức xạ tự phát : là sự phân rã tự xảy ra mà không có bất kì một tác động bên ngoài nào kích thích. Bức xạ kích thích : là sự phân rã xảy ra do có sự tác động bên ngoài (VD : do hấp thụ một photon chứa năng lượng). ) sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hướng quang như tia tới, chính vì thế mà ta thu được cường độ ánh sáng tín hiệu tại đầu ra EDF lớn hơn đầu vào. Đó chính là bản chất sự khuếch đại trong EDFA. Các ion đã được kích thích mà không tương tác với ánh sáng sẽ phân rã tự phát tới trạng thái nền trong thời gian xấp xỉ 10 ms. 3.2.3.2. SOA (Semiconductor Optical Amplifiers): Cấu trúc của SOA cuãng tương tự như của Laser bán dẫn. Nó là tiếp giáp giữa bán dẫn loại P và bán dẫn loại N, ở giữa là một vùng tích cực (tiếp giáp P-N). Những thành phần như điện tử và lỗ trống đóng vai trò như ion Er3+ trong EDFA. ánh sáng khi truyền qua vùng tích cực này được khuếch đại bởi sự phát xạ kích thích. ánh sáng p-type n-type Vùng tích cực Hình 4.6 : Cấu trúc bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) 3.2.4. Các phần tử kết nối chéo sợi: Cùng với nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng về tốc độ, dung lượng mạng thông tin, mạng quang cần phải được quang hoá toàn diện. Song mấu chốt của vấn đề là chuyển mạch hoàn toàn quang phải được hoàn thiện. Một trong những ứng dụng của chuyển mạch hoàn toàn quang là module thiết bị kết nối chéo quang (OXC). Trong các mạng quang hiện nay, hầu hết việc đấu nối chéo vẫn được thực hiện tại lớp tín hiệu điện nhờ các bộ đấu chéo số DXC (Digital Cross Connect), sự phát triển các mạng thông tin quang WDM diện rộng đòi hỏi việc định tuyến bước sóng động để có thể tái lập lại cấu hình mạng trong khi vẫn duy trò được bản chất trong suốt của nó. Chức năng này được tạo ra nhờ bộ kết nối chéo quang OXC .OXC là một kết cấu chuyển mạch động với nhiệm vụ kết nối bất cứ một sợi quang của M sợi đầu vào với bất cứ một sợi quang nào của N sợi đầu ra trong hệ thống WDM. OXC sẽ đóng vai trò vừa là một thiết bị định tuyến bước sóng quang, vừa là thiết bị chuyển mạch bảo vệ mạch quang, kết nối các RING,… Cấu trúc : Bộ OXC bao gồm N cổng đầu vào, mỗi một cổng thu một tín hiệu WDM gồm có M bước sóng (λ1,…, λM). Các bộ giải ghép kênh sẽ tách tín hiệu thành các bước sóng riêng rẽ và phân phối từng bước sóng cho M chuyển mạch, mỗi chuyển mạch thu N tín hiệu đầu vào tại cùng một bước sóng. Các chuyển mạch đưa đầu ra của chúng tới N bộ ghép kênh, các bộ này sẽ phối hợp M đầu vào của chúng để tạo thành tín hiệu WDM. Một bộ OXC như thế sẽ cần N bộ ghép kênh, N bộ giải ghép kênh và M(N+1)(N+1) bộ chuyển mạch quang (các chuyển mạch này là các chuyển mạch phân chia theo không gian vì chúng hoạt động trên cơ sở nội bộ vùng không gian của các đầu vào của chúng). λ1 λ1 λ2 λ2 . . . . . . MUX DEMUX . . . . . . Signal out Signal in λ1, λ2,…, λn λ1, λ2,…, λn λn λn NìM Switch Hình 4.7 : Ma trận chuyển mạch OXC Mặc dù OXC thực hiện kết nối chéo các tín hiệu quang, nhưng phần lõi của OXC có thể là điện hoặc quang tuỳ thuộc vào cấu hình do nhà sản xuất quy định. 3.2.4.1. Một số yêu cầu của OXC: - Cung cấp dịch vụ : các thiết bị OXC phải có khả năng tự động tìm ra các đường liên kết quang trong mạng, hay nói cách khác là phải thực hiện chuyển mạch và định tuyến nhanh chóng. - Tự động bảo vệ : khi xảy ra sự cố trong mạng quang, thiết bị OXC phải có khả năng dò tìm các đường quang hỏng, nhanh chóng định tuyến lại các đường quang trong mạng. - Trong suốt với mọi tốc độ bit và mọi giao thức : thực hiện việc kết nối nhanh chóng, ổn định với mọi tốc độ bit của tín hiệu và mọi dịch vụ mạng. - Giám sát chất lượng truyền dẫn : cho phép khả năng trích một tín hiệu đi qua một cổng khác để thực hiện chức năng đo đạc, xác định và giám sát chất lượng truyền dẫn. - Thực hiện chuyển đổi bước sóng : thiết bị OXC phải có khả năng thay đổi bước sóng của một tín hiệu khi nó đi qua. - Ghép kênh và nhóm tín hiệu : OXC về cơ bản xử lý tín hiệu ngõ vào và ngõ ra theo tốc độ trên đường quang. Tuy vậy, chúng có thể kết hợp khả năng ghép kênh và nhóm tín hiệu để chuyển mạch lưu lượng bên trong tại các tốc độ nhỏ hơn, như STS-1 (51 Mbps), để cho phép mạng hoạt động với các tín hiệu khách hàng có tốc độ bit không tương xứng với tốc độ bit của tín hiệu truyền trong lớp kênh quang. Chương IV – Chuyển mạch quang 4.1. Chuyển mạch quang là nhu cầu cấp thiết của hệ thống thông tin quang: Mạng thông tin quang từ khi sử dụng công nghệ WDM đã có sự phát triển bùng nổ về dung lượng và tốc độ. Hiện nay đã thử nghiệm thành công hệ thống WDM 80 bước sóng với tổng dung lượng hệ thống lên đến 200 Gbps, trong tương lai có thể là hàng chục Tbps. Với tốc độ như vậy thì những mạng chuyển mạch điện-điện tử và xử lý thông tin đã phát triển đến giới hạn của nó. Vả lại, với tốc độ cao thì đòi hỏi các thiết bị quang điện rất phức tạp và đắt tiền. Trên thực tế việc chế tạo các IC thực hiện chuyển mạch ở tốc độ khoảng 10 Gbps đến 40 Gbps đã là rất khó, thêm vào đó với một môi trường mạng đa lớp, nhiều tốc độ như hiện nay thì cũng làm nảy sinh nhiều vấn đề. Để có thể giải quyết được bài toán với nhiều vấn đề trên, các nhà nghiên cứu bắt đầu đưa kỹ thuật quang tử vào hệ thống chuyển mạch, thực hiện chuyển mạch quang. Ưu điểm của chuyển mạch quang là tính trong suốt về tốc độ bit. Có được điều đó là do khi đi qua phần tử chuyển mạch quang, không cần pghải biến đổi quang-điện (điện-quang), do đó nó không bị các thiết bị quang điện tử như máy đo kiểm, bộ điều chế,…hạn chế tốc độ đáp ứng. Hệ thống quang sử dụng 3 phương thức ghép kênh là ghép kênh chia không gian, ghép kênh chia thời gian và ghép kênh chia bước sóng, tương ứng cũng có 3 loại chuyển mạch quang là : chuyển mạch chia không gian, chuyển mạch chia thời gian và chuyển mạch chia bước sóng. Trong đó chuyển mạch chia bước sóng được xem là loại đặc thù của hệ thống chuyển mạch quang. 4.2. Chuyển mạch kênh quang chia bước sóng: Về cơ bản cấu trúc của một phần tử chuyển mạch kênh quang phân chia theo bước sóng gồm : bộ Demux để tách các kênh bước sóng từ một khe thời gian ở ngõ vào, n bộ chuyển đổi bước sóng (n là số bước sóng được ghép trong cùng một khe thời gian) và bộ Mux để ghép kênh bước sóng ở ngõ ra vào cùng một khe thời gian. λ1 λ1 Chuyển đổi bước sóng . . . . . . MUX DEMUX λ2 λ2 Chuyển đổi bước sóng . . . . . . Signal out Signal in λ1, λ2,…, λn λ1, λ2,…, λn λn λn Chuyển đổi bước sóng Các bộ chuyển đổi bước sóng có nhiệm vụ thực hiện chuyển đổi bước sóng cho các kênh tín hiệu quang. Bước sóng hoạt động của các bộ chuyển đổi bước sóng sẽ chiếm hầu hết vùng bước sóng của WDM nhằm đảm bảo khả năng chuyển mạch tuỳ ý giữa các kênh WDM. Các bộ chuyển đổi bước sóng có thể sử dụng nhiều loại chuyển đổi khác nhau như chuyển đổi bước sóng quang điện, chuyển đổi bước sóng bằng cách trộn sóng, chuyển đổi bước sóng bằng cách tử quang…