Đề tài Tổng quan về hệ thống wdm

Mục lục CHƯƠNG I TổNG QUAN Về Hệ THốNG WDM 1.1 Giới thiệu chung Trong những năm gần đây, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại mà đặc biệt là Internet cũng như một số dịch vụ khác đã tạo ra một sự bùng nổ nhu cầu về dung lượng. Điều này đặt lên vai những nhà cung cấp dịch vụ đường trục những khó khăn và thách thức mới. Kĩ thuật ghép kênh theo miền thời gian TDM đã giải quyết phần nào các yêu cầu trên nhưng vẫn còn rất hạn chế. Trong thực tế, tốc độ của tín hiệu TDM thường nhỏ hơn hoặc bằng 10Gb/s. Do ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc, hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang và tốc độ của các thành phần điện tử nên khi tăng tốc độ bit của một kênh TDM lên quá giới hạn này, chất lượng hệ thống không đảm bảo. Để thích ứng với sự tăng trưởng không ngừng đó và thoả mãn yêu cầu tính linh hoạt của mạng, các công nghệ truyền dẫn khác nhau đã được nghiên cứu, triển khai thử nghiệm và đưa vào ứng dụng, trong số đó phải kể đến công nghệ WDM, OTDM, Soliton… Phương pháp ghép kênh theo bước sóng WDM(Wavelength Division Multiplexing) đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode. Ghép kênh theo bước sóng WDM nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bước sóng. Do đó, WDM chính là giải pháp tiên tiến trong kĩ thuật thông tin quang, đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn và cả những yêu cầu về chất lượng truyền dẫn của hệ thống. 1.1.1 Khái quát về WDM Trong hệ thống WDM, tín hiệu điện của từng kênh quang được điều chế với các sóng mang quang khác nhau. Sau đó, chúng được ghép lại và truyền trên cùng một sợi quang đến đầu thu. Phía thu thực hiện quá trình tách tín hiệu quang thành các kênh quang riêng biệt có bước sóng khác nhau. Mỗi kênh này được đưa đến một máy thu riêng. Công nghệ WDM cho phép khai thác được tiềm năng băng thông to lớn của sợi quang. Ví dụ, hàng trăm kênh 10Gb/s có thể truyền trên cùng một sợi quang. Khoảng cách giữa các kênh khoảng 50GHz. Dưới đây là một tính toán cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM: Hình 1.1 chỉ ra hai cửa sổ truyền dẫn 1,3 và 1,5 cửa sợi quang. Mỗi cửa sổ có băng thông truyền dẫn(suy hao thấp) của sợi quang là rất lớn; Chỉ với riêng cửa sổ quang 1550 nm thì dải bước sóng có thể sử dụng là 1500 nm – 1600 nm, tương ứng với dải tần rộng cỡ 12,5 THz !. 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,5 1,6 Hình 1.1. Băng tần truyền dẫn của sợi quang là rất lớn! a [dB] Băng tần cửa sổ 1550 nm l [mm] Phổ của một nguồn quang Sử dụng cho tốc độ truyền tin cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phần rất nhỏ trong băng tần truyền dẫn này. Rõ ràng, có thể thấy dung lượng yêu cầu cỡ hàng trăm Gbps là hoàn toàn nằm trong khả năng của hệ thống WDM. Thêm vào đó, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử như bộ tách ghép quang, bộ nối chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiện lựa chọn kênh động hoặc tĩnh… Khái niệm về WDM đã được biết đến từ những năm 1980, khi mà hệ thống quang đã được bắt đầu thương mại hóa. Dạng đơn giản nhất của WDM là truyền hai kênh tín hiệu trên hai cửa sổ khác nhau. Ví dụ, truyền trên hai bước sóng 1,3mm và 1,55mm. Khi đó, khoảng cách giữa các kênh là 250nm. Sau đó, khoảng cách giữa các kênh giảm dần đi. Năm 1990, khoảng cách giữa các kênh chỉ còn nhỏ hơn 0,1nm. Trong suốt thập kỉ 90, hệ thống WDM đã được nhiều nước trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Hiện nay, kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới. ở nước ta, Tổng công ty bưu chính viễn thông Việt Nam quyết định nâng cấp tuyến truyền dẫn Bắc Nam bằng giải pháp ghép kênh theo bước sóng. 1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống tách/ghép kênh quang Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống truyền dẫn quang đơn hướng ghép kênh theo bước sóng được mô tả như hình 1.2. Tx Tx OMUX ODMUX Rx Rx Sợi quang 1 1 n n Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống WDM đơn hướng Tại mỗi bộ phát, tín hiệu điện của mỗi kênh quang được điều chế với sóng mang quang có độ rộng phổ rất hẹp. Tín hiệu quang tại đầu ra của mỗi bộ phát có bước sóng khác nhau là . Các kênh quang này được ghép với nhau nhờ bộ ghép kênh quang OMUX và truyền trên một sợi quang duy nhất đến đầu thu. Yêu cầu của bộ ghép kênh là phải có độ suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu tới đầu ra của bộ ghép ít bị suy hao, giữa các kênh có khoảng bảo vệ nhất định để tránh gây nhiễu sang nhau. Tại phía thu, bộ ODMUX thực hiện quá trình tách tín hiệu thu được thành các kênh khác nhau. Mỗi kênh này tương ứng với một bước sóng. Mỗi kênh được đưa đến một đầu thu riêng. Để tránh xuyên nhiễu giữa các kênh, yêu cầu thiết kế bộ giải ghép thật chính xác. Tx Tx Rx Rx MUX/ DMUX MUX/ DMUX Rx Rx Tx Tx 1 n 1 1 1 n n n Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM hai hướng Phần trên trình bày phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang một hướng, tức là tín hiệu được ghép tại một đầu và tách tại đầu kia, tín hiệu truyền trên sợi quang theo một hướng. Ngoài ra người ta có thể thực hiện truyền dẫn ghép bước sóng quang hai hướng trên cùng một sợi quang như hình 1.3. Trong hệ thống truyền dẫn hai hướng, n kênh quang có bước sóng l1…ln được ghép lại và truyền đi theo một hướng, n kênh quang khác có bước sóng ln+1…l2n được ghép lại và truyền đi theo hướng ngược lại trên cùng sợi quang. Phương pháp này yêu cầu rất nghiêm ngặt về độ rộng phổ của từng kênh và chất lượng của bộ tách kênh. Trong hệ thống mà các bước sóng của các kênh quang cách xa nhau, thường thuộc các cửa sổ khác nhau, được gọi là ghép thưa SWDM (Sparse Wavelength Division Multiplexing). Hệ thống có khoảng cách giữa các kênh quang rất nhỏ, các kênh quang có bước sóng gần nhau được gọi là hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Khi đó vấn đề trở nên phức tạp hơn nhiều và yêu cầu về chất lượng các thành phần trong hệ thống quang rất cao. 1.1.3 Đặc điểm của hệ thống WDM 1.1.3.1 Tận dụng tài nguyên Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng thông truyền dẫn to lớn của sợi quang, làm cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần tới hàng trăm lần, từ đó tăng dung lượng của sợi quang, hạ giá thành hệ thống. Hiện nay, dải tần truyền dẫn có suy hao thấp của sợi quang mới chỉ được sử dụng một phần rất nhỏ. Nếu ứng dụng công nghệ WDM thì hiệu quả tận dụng băng tần sợi quang trong vấn đề truyền dẫn quả là hết sức to lớn. Dùng công nghệ WDM có thể ghép N bước sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn mode và có thể truyền dẫn hoàn toàn song công. Do vậy, khi truyền dẫn thông tin đường dài với dung lượng lớn, có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang. Thêm vào đó là khả năng mở rộng dung lượng cho hệ thống quang đã xây dựng. Chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công suất tương đối lớn thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ. 1.1.3.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau, do đó có thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và phân chia các dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phương tiện (thoại, số liệu, đồ hoạ, ảnh động…). 1.1.3.3 Nhiều ứng dụng Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng như trong mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ nhiều đường, nhiều địa chỉ…, bởi thế nó rất quan trọng trong các ứng dụng mạng. 1.1.3.4 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng do vậy mà tốc độ xử lí tương ứng của nhiều linh kiện quang điện tăng lên theo nhưng không đáp ứng được đủ. Sủ dụng công nghệ WDM có thể giảm yêu cầu quá cao về tốc độ đối với linh kiện mà vẫn có thể đáp ứng dung lượng lớn. 1.1.3.5 Kênh truyền dẫn IP Ghép kênh bước sóng đối với khuôn dạng số liệu là trong suốt, tức là không hề có quan hệ gì với tốc độ của tín hiệu và phương thức điều chế tín hiệu xét trên phương diện điện. Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lí tưởng, là cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng mới (ví dụ như IP…). Chỉ cần dùng thêm một bước sóng là có thể tăng thêm một dịch vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn . 1.2 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM Hệ thống WDM có một số tham số chính, đó là khoảng cách kênh, số kênh ghép, suy hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh. Trong đó, ba tham số suy hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh là ba tham số mô tả đặc tính của bộ ghép/tách kênh. 1.2.1 Suy hao xen Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị tách/ghép kênh quang. Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm nối ghép thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân thiết bị ghép gây ra. Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyến phải tính cho vài dB ở mỗi đầu. Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ tách/ghép hỗn hợp (MUX/DMUX) nhưng cần lưu ý trong WDM là xét cho một bước sóng đặc trưng. Suy hao xen được xác định như sau: - Đối với OMUX: (dB) (1-1) - Đối với ODMUX (dB) (1-2) Trong đó: I(li) và O(li) tương ứng là công suất các tín hiệu quang tại đầu vào và đầu ra bộ ODMUX và bộ OMUX. Ii(li) là công suất tín hiệu tại đầu vào thứ i củabộ ghép Oi(li) là công suất tín hiệu tại đầu ra thứ i của bộ tách Tham số suy hao xen luôn được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị. 1.2.2 Suy hao xuyên kênh Khi thực hiện ghép các kênh quang có bước sóng khác nhau để truyền trên cùng một sợi quang thì một phần tín hiệu của kênh này ghép sang vùng phổ của kênh khác. Do đó khi tách kênh sẽ có sự rò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng thứ i có bước sóng li sang các kênh có bước sóng khác với li.Ngày cả trong trường hợp ghép kênh hoàn hảo,ở các bộ tách ghép thực tế luôn có hiện tượng rò công suất tín hiệu từ một kênh sang kênh khác.Hiện tượng này gọi là xuyên kênh . Hình 1.4 Xuênh âm trong hệ trong hê thuống Trong thực tế luôn tồn tại hiện tượng xuyên kênh và làm giảm chất lượng truyền dẫn. Người ta đưa ra tham số suy hao xuyên kênh để đặc trưng cho khả năng tách các kênh khác nhau và được tính bằng dB như sau: - Đối với bộ tách kênh: (dB) (1_3) Trong trường hợp lý tưởng, tại cửa ra thứ i chỉ có bước sóng li, nhưng do có hiện tượng xuyên kênh, tại cửa ra thứ i có tín hiệu rò từ các kênh khác. Ui(lk) và Pi (j ) là công suất tín hiệu không mong muốn ở bước sóng lk và lj tại cửa ra thứ i. Trong thiết bị ghép/tách kênh hỗn hợp, việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng như bộ tách kênh. ở trường hợp này phải xem xét cả hai loại xuyên kênh, xuyên kênh đầu gần và xuyên kênh đầu xa (hình 1.4). “Xuyên kênh đầu xa” là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra. Ví dụ, Ui(lk) là xuyên nhiễu do kênh quang có bước sóng lk tại đầu ra thứ i. “Xuyên kênh đầu gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra. Ví dụ, Pi (j ) là xuyên nhiễu do kênh Ij (j ) gây ra trên kênh ra thứ i. Khi đưa ra sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đỗi với từng kênh của thiết bị. 1.2.3 Độ rộng kênh và khoảng cách kênh Hình 1.5. Khoảng cách kênh và độ rộng kênh Khoảng cách kênh Độ rộng kênh P l1 l2 l3 l Độ rộng kênh (Dli ) là dải bước sóng được định ra cho từng kênh quang. Độ rộng kênh bằng tổng độ rộng phổ của nguồn và khoảng phòng vệ của kênh. Bước sóng trung tâm của nguồn quang phải nằm giữa dải bước sóng này. Khoảng cách kênh là khoảng cách giữa hai bước sóng trung tâm của hai kênh quang kề nhau. Nếu độ rộng kênh của các kênh quang bằng nhau thì độ rộng kênh chính bằng khoảng cách kênh. Khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bị giới hạn bởi xuyên nhiễu giữa các kênh. Khoảng cách giữa các kênh thường lớn hơn bốn lần tốc độ bit. Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì các độ rộng kênh yêu cầu khoảng nm để đảm bảo không bị xuyên nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn của các nguồn phát gây ra. Đối với nguồn phát quang là các diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần, vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn. 1.2.4 Số lượng kênh Trong hệ thống WDM, mỗi bước sóng được coi tương ứng với một kênh quang. Số lượng kênh bằng số lượng các bước sóng được ghép lại để truyền trên cùng một sợi quang đến đầu thu. Tham số này phụ thuộc vào độ rộng băng tần truyền dẫn của sợi quang mà hệ thống sử dụng và độ rộng kênh. Giả sử các kênh quang cần truyền trong hệ thống có độ rộng phổ bằng nhau và bằng D’li(nm) tính ở mức 3 dB. Như trên đã nói, để tránh hiện tượng xuyên kênh cần có một khoảng bảo vệ giữa chúng. Đặt khoảng bảo vệ này là D’’li(nm). Khi đó, độ rộng kênh của một kênh quang là: Dli = D’li + D’’li (1-4) Giả sử băng thông sử dụng cho hệ thống WDM là Dl. Khi đó số lượng kênh tối đa của hệ thống WDM là: (1-5) Trong các hệ thống điện, chất lượng bộ lọc rất tốt nên khoảng bảo vệ (D’’li) thường nhỏ hơn độ rộng phổ của kênh. Nhưng trong hệ thống quang, do hạn chế của bộ lọc nên khoảng bảo vệ (D’’li) yêu cầu rất lớn. D’’li thường được yêu cầu lớn gấp bốn lần D’li. Theo khuyến nghị của ITU-T, độ rộng kênh khoảng 100GHz. Hiện nay một số nước đã sản xuất được hệ thống thông tin quang WDM có Dli = 50GHz mà vẫn đảm bảo chất lượng. Băng thông sử dụng cho hệ thống WDM (Dl) nằm trong vùng cửa sổ suy hao thấp của sợi quang. Băng thông này cũng được tính ở mức suy hao 3 dB. Trong thực tế ta không thể sử dụng được toàn bộ dải băng này, có rất nhiều yếu tố hạn chế việc sử dụng toàn bộ cửa sổ suy hao thấp. Ví dụ, khi trên tuyến có sử dụng bộ khuếch đại quang. Bộ khuếch đại có dải khuếch đại nhỏ. Điều này giới hạn số lượng kênh truyền trên sợi quang. Băng thông của EDFA thường là 30á35nm, ngay cả khi sử dụng các công nghệ làm phẳng phổ khuếch đại. Một số yếu tố khác cũng hạn chế số lượng kênh, đó là độ ổn định và khả năng điều chỉnh của laser, sự suy giảm của tín hiệu trong quá trình truyền dẫn gây ra bởi hiệu ứng phi tuyến, nhiễu xuyên kênh. Trong các hệ thống WDM số lượng kênh càng lớn thì dung lượng truyền dẫn càng tăng, nhưng hệ thống cũng trở nên phức tạp, yêu cầu chất lượng của các thành phần trong hệ thống cao hơn và phải đặc biệt quan tâm đến hiện tượng xuyên kênh, suy hao do thiết bị WDM gây ra. Đối với một dung lượng định trước, việc tăng số lượng kênh sẽ làm giảm số sợi sử dụng hoặc tốc độ truyền dẫn nền. Đây là mối tương quan cần quan tâm khi áp dụng xây dựng hoặc nâng cấp các tuyến truyền dẫn quang. 1.3 ứng dụng WDM Nói chung WDM đã được ứng dụng rất nhiều cho các tuyến truyền dẫn cáp sơi quang đường dài trong lục địa, xuyên lục địa, các tuyến quang biển nội vùng cũng như liên vùng, các tuyến quang xuyên châu lục… Nó được lựa chọn như một giải pháp duy nhất mà cho hiệu quả cao cả về mặt kĩ thuật cũng như kinh tế. Có thể kể ra rất nhiều tuyến truyền dẫn cáp sợi quang đã ứng dụng công nghệ WDM trên thế giới (SEA-ME-WE 3, SAT, NPC…). Dưới đây là một số tuyến truyền dẫn cáp sợi quang điển hình có sử dụng WDM trong khu vực Châu á: BIMPP-GUAM: Dự án tuyến thông tin quang này nhằm kết nối Brunei, Indonesia, Malaysia, Philippines, quần đảo Palau và Guam (Hoa Kì). Tuyến truyền dẫn này hoạt động như một mạng khu vực và có thể dự phòng cho các mạng lân cận như mạng nội vùng Malaysia, mạng SEA-ME-WE 3 mở rộng. Để đáp ứng mục tiêu này, người ta đã phân bổ một số bước sóng đảm bảo việc dự phòng và một số bước sóng phục vụ các kết nối giữa các quốc gia trên tuyến. Trên hình 1.6 là sơ đồ tuyến nối của BIMPP-GUAM . Palau (Quần đảo Caroline) Guam (USA) Indonesia Malaysia Brunei Philippine Hình 1.6 Tuyến thông tin quang BIMPP-GUAM SEA-ME-WE 3 và phần mở rộng: Tuyến thông tin quang này nối từ Châu âu xuyên qua Địa Trung Hải tới Đông Nam á (hình 1.7). Nó có 6 trạm đầu cuối trải dài trên 38.000 km (với hơn 20.000 km biển), có 27 điểm xen rẽ (ADM) và hơn 40 điểm cập bờ. Dung lương của tuyến này là 8 x 2,5 Gbps, sử dụng công nghệ WDM truyền đồng thời 8 bước sóng (mỗi bước sóng mang dung lượng 2,5 Gbps) trên hai đôi sợi quang. Phần mở rộng của SEA-ME-WE 3 triển khai tại Châu á nhằm kết nối hơn 10 quốc gia từ Singapore tới Nhật Bản và Hàn Quốc với các nhánh xen rẽ là Malaysia, Brunei, Việt Nam, Hồng Kông, Ma Cao, Đài Loan, Trung Quốc và Philippines. Hình 1.7 Tuyến thông tin quang SEA-ME-WE 3 và phần mở rộng Keoja Okinawa Thượng hải Ma cao Hồngcông Shantou Fengshan Toucheng Batangas Brunei Đà nẵng Mersing Singapore Phần mở rộng SEA-ME-WE 3 SEA-ME-WE 3 ASIA-GUAM: Dự án này kết nối Trung Quốc, Hàn Quốc và Nhật Bản tới Guam (hình 1.8). Trong tuyến thông tin này mỗi quốc gia Trung Quốc, Hàn Quốc và Nhật Bản sử dụng một bước sóng riêng với dung lượng 2,5 Gbps nhằm đảm bảo sự truy cập độc lập tới Bắc Mĩ. Đồng thời, tuyến này có thể có thêm một số bước sóng phụ dự phòng cho truyến thông tin SEA-ME-WE 3. Guam (USA) Nhật Bản Trung Quốc Hàn Quốc Hình 1.8 Tuyến thông tin quang ASIA-GUAM NORTH PACIFIC CABLE 2 (NPC2): Dự án này kết nối Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc và Liên bang Nga tới Bắc Mĩ (hình 1.6). Tới Bắc Mĩ Nhật Bản Liên bang nga Hàn Quốc Trung Quốc Hình 1.9 Tuyến thông tin quang NPC2 CHƯƠNG 2 CáC THàNH PHầN TRONG Hệ THốNG WDM Giới thiệu chung Các thành phần trong hệ thống WDM cần phải được chuẩn hóa. Thông thường các kênh khác nhau (bước sóng khác nhau) trong hệ thống WDM phải được truyền dẫn như nhau trong toàn tuyến quang. Điều này có nghĩa là các thành phần trong mạng quang (nguồn quang, bộ ghép, bộ tách, bộ khuếch đại và bản thân sợi quang) phải có tính năng mong muốn, đạt chất lượng và đáp ứng yêu cầu của hệ thống. Các tham số của thiết bị như suy hao xen, suy hao trở về, tán sắc, phân cực phải được đo trên toàn dải băng thông của hệ thống WDM. Các thành phần quang có thể được đo kiểm tốt tại nhà máy, nhưng khi lắp đặt vào hệ thống, các tính năng của nó lại bị suy giảm đi, hoặc các tính năng của các thành phần khác nhau tác động qua lại ảnh hưởng lẫn nhau. Kết quả là chất lượng của hệ thống không đảm bảo ngay cả khi các thành phần riêng lẻ của hệ thống hoạt động tốt. Như vậy các thành phần thiết bị phải tương thích với nhau và được lựa chọn cẩn thận khi đưa vào lắp đặt hệ thống. Phần sau đây sẽ trình bày các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM. 2.1 Bộ phát quang Trước đây các bộ phát quang bao gồm thiết bị điện và thiết bị quang riêng biệt, nhưng hiện nay bộ phát quang được hình thành từ việc tích hợp các mạch tích hợp và laser diode.Việc bổ xung thêm các vi mạch tích hợp mật độ cao cho phép bộ phát quang đáp ứng được các yêu cầu về điều chế tốc độ cao và cải thiện được độ tin cậy của thiết bị. Khi nhìn từ quan điểm thiết kế hệ thống người ta thường coi chúng như một hộp đen có chức năng chuyển đổi điện sang quang. Hiện tại có hai loại nguồn quang dang được ứng dụng rộng rãi là laser phân bố hồi tiếp DFB (Distributed Feedback Laser) và laser phân bố phản xạ Bragg DBR (Distributed Bragg Reflector Laser). Ngoài ra laser sợi quang pha tạp chất hiếm cũng đang được nghiên cứu, các nguồn quang này có ưu điểm là phổ hẹp và độ ổn định tần số cao. Bộ phát quang có nguồn phát quang phổ hẹp có ý nghĩa rất lớn, đặc biệt trong hệ thống ghép kênh quang WDM. 2.1.1 Yêu cầu đối với nguồn quang trong WDM - Độ chính xác của bước sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho một hệ thống WDM hoạt động tốt. Nói chung, bước sóng đầu ra luôn bị dao động do các yếu tố khác nhau như nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện... Ngoài ra, để tránh xuyên nhiễu cũng như tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách đúng bước sóng thì nhất thiết độ ổn định tần số phía phát phải thật cao. - Độ rộng đường phổ hẹp: Độ rộng đường phổ được định nghĩa là độ rộng phổ của nguồn quang tính cho bước cắt 3 dB. Để có thể tăng nhiều kênh trên một dải tần cho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng đường phổ càng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận (ICI) xảy ra khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lượng. Muốn đạt được điều này thì nguồn phát laser phải là nguồn đơn mode (như các loại laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang cộng hưởng, laser phản hồi phân bố). - Dòng ngưỡng thấp: Đối với laser , phát xạ kích thích không thể bắt đầu cho đến khi dòng định thiên cao hơn giá trị dòng ngưỡng Ith, công suất đầu ra tỉ lệ với (I - Ith) với I là dòng định thiên. Do đó, dòng ngưỡng thấp hơn cho phép dòng định thiên nhỏ hơn đối với cùng một công suất đầu ra. Nhưng quan trọng hơn là nếu dòng ngưỡng thấp sẽ đảm bảo công suất nền thấp. Điều này làm giảm bớt vấn đề lãng phí công suất trong việc kích thích laser cũng như giảm bớt được công suất nền không mang tin và tránh cho máy thu chịu ảnh hưởng của nhiễu nền (phát sinh do có công suất nền lớn). Nếu công suất nền gửi trên đường truyền quá lớn sẽ không có lợi cho hệ thống, vì như đã biết công suất quang truyền dẫn trên sợi (tổng công suất của các bước sóng ghép) càng lớn thì ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến càng lớn, sẽ ảnh hưởng xấu tới chất lượng hệ thống. - Khả năng điều chỉnh được bước sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần sợi quang, nguồn quang phải có thể phát trên cả dải 100 nm. Hơn nữa, với hệ thống lựa kênh động càng cần khả năng có thể điều chỉnh được bước sóng. - Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của nguồn quang sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu giữa các kênh. - Nhiễu thấp: Có rất nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh mode, nhiễu pha, nhiễu MPN... Nhiễu thấp rất quan trọng để đạt được mức BER thấp trong truyền thông số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt. Trên cơ sở các yêu cầu nói trên, người ta tiến hành nghiên cứu, triển khai thực nghiệm và đưa vào ứng dụng các loại nguồn quang mà có thể đáp ứng được phần nào hoặc toàn bộ các yêu cấu khắt khe đó. Các loại nguồn quang đó được trình bày chi tiết trong phần (2.1.2), (2.1.3) dưới đây. 2.1.2 Nguyên lí Bragg Phản xạ Bragg là ở trên mặt tiếp giáp của 2 loại phương tiện có phản xạ mang tính chu kỳ, khi được chiếu quang sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ này gọi là phản xạ Bragg. Bản thân mặt giao nhau có hình dạng khác nhau: hình sin hoặc không sin (như hình vuông góc, hình tam giác...). A a A a B B q q 1 2 1’ 1” Hình 2.1. Nguyên lí phản xạ Bragg Trong hình, ta thấy: A+B=m (2.1) Trong đó m là số nguyên chẵn A là chu kì cách tử =/ là bước sóng trong chất môi giới là bước sóng quang trong không khí là hệ số khúc xạ tương đương. Biến đổi một chút ta có thể được: A(1+sinq)= m (2.2) Công thức (2.2) gọi là điều kiện phản xạ Bragg. ý nghĩa vật lý của công thức là: Đối với A và q nhất định, khi có một tương ứng thì sóng quang có bước sóng sẽ can thiệp cùng với sóng quang phản xạ . Dựa vào nguyên lí này mà người ta đã chế tạo ra các loại laser có thể cho mode dọc đơn duy nhất. Đó là laser DFB và DBR. 2.1.3 LASER hồi tiếp phân bố (DFB) a) Kết cấu: Laser DFB không phải dựa vào khoang F-P để dao động kích quang mà dựa vào lưới quang phân bố khoảng cách theo chiều dọc đều nhau, hình thành phối ghép quang. Chu kỳ A của lưới quang gọi là cự ly lưới. Kết cấu chu kì này nằm luôn trong hốc cộng hưởngLaser. Hình 2.2 thể hiện mặt cắt dọc của laser này. Hình 2.2: Mặt cắt dọc của Laser DBF b) Nguyên lí: Khi có dòng điện vào laser, trong khu có nguồn phức hợp điện tử- lỗ trống bức xạ ra năng lượng tương ứng với quang tử. Những quang tử này bị một sợi lưới quang ở bề mặt lớp có nguồn phản xạ, giống như hình 2.1, chỉ khác là trong sự phân bố phản hồi Bragg của laser DFB có q = p/2, công thức (2.2) biến thành: A = (2.3) Tín hiệu quang có bước sóng thoả mãn công thức trên mới được phản xạ mạnh và được khuếch đại đủ lớn, các bước sóng khác không thoả mãn công thức trên thì sẽ bị dập và không phát xạ. Công thức (2.1) gọi là điều kiện phân bố phản hồi. Thông thường m = 1, khi đó ln = 2A được gọi là bước sóng Bragg. Với loại LASER này, các mode bên bị triệt khoảng 30 – 40 dB so với mode chính. c) Đặc điểm: DFB so sánh với LASER F-P có 2 ưu điểm sau đây: - Dao động đơn mode dọc dải hẹp: Do chu kỳ cách từ(A) trong bộ phát quang DBF rất nhỏ,nên hình thành khoang cộng hưởng kiểu nhỏ, đối với bước sóng có tính lựa chon tốt làm cho giới hạn tăng ích của mode chính và mode biên tương đối lớn, từ đó được dải phổ nguồn quang rất hẹp so với laser F-P. - Tính ổn định của bước sóng tốt: Vì lưới quang trong laser DFB có giúp cho việc chốt trên bước sóng cho trước, trôi nhiệt của 0,8/, tốt hơn nhiều so với LASER khoang F-P. 2.1.4 LASER phân bố phản xạ Bragg (DBR) a) Kết cấu: Kết cấu laser phân bố phản xạ Bragg (DBR- Distributed Bragg Reflection) và kết cấu của laser DFB căn bản khác nhau (xem hình 2.3). Chỗ khác nhau là nó có kết cấu lưới phản xạ nằm ngoài hốc cộng hưởng. Với sự khác biệt này, phần điều khiển hốc cộng hưởng LASER và phần điều khiển tần số theo nguyên lí Bragg là hoàn toàn độc lập. Hình2..3. Kết cấu LASER DBR Phần phản xạ Bragg Vùng hoạt tính Hưóng dọc Điều khiển hốc cọng hưởng Điều khiển tần số b) Nguyên lí: Nguyên lý làm việc của laser DBR cũng dựa vào nguyên lý phản xạ Bragg và thoả mãn chính xác công thức (2.3), đặc điểm cũng cơ bản giống laser DFB. chỉ có một số điểm khác biệt nhỏ cần lưu ý, đó là: (i)vật liệu chế tạo của laser DBR là khó khăn hơn laser DFB vì nó không nhất thiết đòi hỏi sự ghép công suất giữa các vùng thụ động và vùng tích cực; (ii) đặc tính phụ thuộc nhiệt độ thì khác nhau, khi nhiệt độ tăng thì trong lasser DBR có sự chuyển đổi từ mode này qua mode khác còn với laser DFB thì thể hiện đặc tính ổn định nhiệt độ trong một dải rộng . 2.2 Bộ tách quang và bộ ghép quang Tín hiệu tại đầu ra mỗi bộ phát ở một bước sóng riêng, những tia sáng này được ghép lại và truyền vào sợi quang. Thiết bị thực hiện chức năng này gọi là bộ ghép (Multiplexer hay MUX). Ngược lại, phía thu có một thiết bị thực hiện tách tín hiệu quang thu được thành các kênh quang có bước sóng khác nhau để đưa đến mỗi bộ thu quang riêng biệt. Thiết bị này gọi là bộ tách quang (DeMultiplexer hay DMUX). Đây là các thành phần cốt yếu của hệ thống thông tin quang WDM và được chia thành 2 nhóm lớn.Nhóm dựa trên nguyên lý giao thoa và nhóm dựa trên nguyên lý tán sắc góc.Về mặt nguyên lý bất kỳ bộ ghép bước sóng nào cũng có thể làm bộ tánh bước sóng và ngược lại. Bộ tách quang và bộ ghép quang được cấu tạo từ bộ lọc quang và coupler quang. Các bộ lọc hiện nay hay được sử dụng gồm bộ lọc cộng hưởng Fabry-Perot, bộ lọc giao thoa kế Mach-Zender, bộ lọc cách tử Bragg... Nguyên lý và đặc tính của các bộ lọc này sẽ được trình bày ở các phần dưới đây. 2.2.1 Bộ lọc Mach-Zender 2.2.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc Mach-Zender Bộ lọc Mach-Zender làm việc dựa trên sự giao thoa của hai tia sáng xuất phát từ cùng một nguồn và đi theo hai đường khác nhau. Hình 2.4 là cấu trúc của bộ lọc Mach-Zender. Bộ lọc được cấu tạo từ 2 coupler 3dB 2x2 và hai nhánh ống dẫn sóng. Nhánh trên có lắp thêm bộ quay pha 90o và bộ trễ. Cấu trúc này tạo ra khả năng điều chỉnh bước sóng cuả bộ lọc. l/v Trễ Coupler 3dB 2x2 Coupler 3dB 2x2 1 2 3 4 [P] [D] [Q] Hình 2.4 Cấu trúc bộ lọc Mach-Zender Nguyên lí hoạt động của bộ lọc như sau. Tín hiệu WDM được đưa vào cổng 1 của bộ lọc. Khi qua coupler 3dB thứ nhất, ánh sáng được tách ra thành hai luồng đi vào hai nhánh khác nhau của thiết bị. Sau đó, chúng được kết hợp lại tại coupler 3dB thứ hai. Tín hiệu WDM gồm nhiều bước sóng khác nhau. Khi đi qua bộ trễ, mỗi bước sóng có một độ trễ riêng. Kết quả là tại coupler 3dB thứ hai, hai tín hiệu đi theo hai nhánh khác nhau có độ lệch pha là một hàm phụ thuộc vào bước sóng. Tại bước sóng có độ lệch pha này bằng 0 sẽ có công suất ra lớn nhất. Các bước sóng khác có độ lệch pha khác 0 cho công suất đầu ra nhỏ. Coupler 3dB A A’ DL/2 Bộ nung nóng Nền Si Bộ nung nóng Lõi sợi quang Nền Si Hình 2.5 Cấu tạo bộ lọc Mach-Zender được sản xuất theo công nghệ tích hợp quang Trong thực tế thiết bị lọc quang Mach-Zender thường được chế tạo từ sợi quang hoặc dựa trên công nghệ tích hợp quang sợi. Hình 2.5 chỉ ra một bộ lọc quang Mach-Zender đựơc chế tạo dựa trên công nghệ tích hợp sợi quang. Bộ lọc quang được tạo thành từ hai coupler quang 3dB và hai ống dẫn sóng quang. Tất cả được tích hợp trên nền Silic. Quá trình tích hợp ống dẫn sóng SiO2 trên nền Silic sẽ được miêu tả chi tiết ở phần sau. 2.2.1.2 Một số đặc tính của bộ lọc quang Mach-Zender Bộ lọc quang Mach-Zender gồm 3 thành phần mắc nối tiếp nhau là coupler 3dB đầu vào 2 nhánh ống dẫn sóng và coupler 3dB đầu ra. Gọi [P], [D], [Q] lần lượt là ma trận truyền tương ứng với 3 thành phần trên. Như vậy ma trận truyền đạt của bộ lọc là: =[P][D][Q] = == = (2-4) Trong đó là thời gian trễ do bộ tạo trễ gây ra: (2-5) Trong nhiều ứng dụng, bộ lọc Mach-Zender chỉ sử dụng một đầu vào, ví dụ đầu vào 1. Khi đó hàm truyền đạt vector trường điện từ của bộ lọc là: (2-6) Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc: (2-7) Như vậy hàm truyền đạt công suất từ cổng 1 đến cổng 4 và 3 là : T41(f) = P41(f)= cos2()=cos2() (2-8) T31(f)= P31(f) = sin2() = sin2() (2-9) Bộ lọc quang Mach-Zender có hàm truyền đạt tuần hoàn, dải phổ tự do FSR thoả mãn: Khi tín hiệu quang đến gồm hai kênh quang có tần số là f1, f2, để mỗi đầu ra 3 hoặc 4 chỉ có tín hiệu của một kênh quang thì f1, f2 phải thoả mãn: Do đó: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (A) m=1 m=2 m=3 m=M=4 (B) (C) Hình 2.6 Chuỗi Mach-Zender (M=4) f f f f f f Khoảng cách giữa 2 tần số bộ lọc ra được xác định bởi: (2-10) Trong thực tế, hệ thống WDM gồm nhiều hơn hai kênh quang. Người ta mắc nối tầng nhiều bộ lọc Mach-Zender 2x2 để tạo ra bộ lọc mong muốn. Trường hợp cần tách 1 kênh quang từ chùm sáng N kênh (N=2M) thì mắc M bộ lọc Mach-Zender 2x2 nối tiếp. Giả sử hàm truyền đạt của bộ lọc Mach-Zender thứ m (m=1M) là: Tm(f) = cos2() = cos2() Trong đó là độ chênh lệch về chiều dài quang học giữa 2 nhánh của bộ lọc Mach-Zender thứ m và thoả mãn: hay (2-11) Trong đó: là khoảng cách giữa các kênh của hệ thống. Hàm truyền đạt của bộ lọc chung là: T(f) = Tm(f) = (2-12) áp dụng công thức: cos(x) =sin(2x)/2sin(x) Ta có: T(f) = (2-13) Từ công thức (2.13), T(f) là hàm tuần hoàn với chu kì là N. Do đó, dải phổ tự do của bộ lọc là: FSR = N (2-14) Hình 2.6 là trường hợp riêng M=4 và cần tách một kênh quang từ luồng tín hiệu WDM 16 kênh. Từ hình vẽ cho ta thấy, khi qua tầng lọc thứ nhất các kênh 0,2,4,6,8,10,12,14 được cho qua. Khi qua tầng lọc thứ hai các kênh 0,4,8,12 được cho qua. Khi qua tầng lọc thứ ba các kênh 0 và 8 được cho qua. Và khi qua tầng lọc thứ 4 chỉ có duy nhất kênh 0 được cho qua. Hàm truyền đạt công suất của hệ thống được biểu diễn như hình 2.6C. Hình 2.7 Đồ thị hàm truyền công suất của thiết bị lọc gồm nhiều bộ lọc Mach-Zender mắc nối tầng Hình 2.7 là đồ thị hàm truyền công suất của thiết bị lọc gồm nhiều bộ lọc Mach-Zender được nối tầng trong trường hợp M=2, 3, 4. Cổng vào Hình 2.8 Bộ lọc 1 kênh từ 128 kênh Hiện nay công nghệ tích hợp quang rất phát triển, có thể chế tạo chuỗi Mach-Zender rất đơn giản bằng cách tích hợp ống dẫn sóng SiO2 trên nền Silic. Hình 2.9 chỉ ra thiết bị lọc cho hệ thống gồm 128 kênh quang sử dụng công nghệ này. Thiết bị gồm 7 bộ lọc quang Mach-Zender 2x2 mắc nối tiếp, có giá trị DL tương ứng là: 10mm, 5mm, 2,5mm, 1,25mm, 0,63mm, 0,31mm, 0,16mm. Các bộ lọc được tích hợp trên nền Silic có kích thước là 50mmx60mm. Bộ lọc này có xuyên nhiễu khoảng –13dB. Khi cần thiết kế bộ tách kênh quang cho hệ thống WDM có N kênh (N=2M), ta cần sử dụng N-1 bộ lọc Mach-Zender 2x2 , ghép với nhau thành hình cây M tầng. Tại tầng thứ m (m=1M) cần 2m-1 bộ tách kênh có độ chênh lệch chiều dài quang học giữa 2 nhánh sợi quang là: Hình 2.9 chỉ ra ví dụ M=2. Df f3 f1 2Df f1 f3 2Df f2 f4 f2 f4 f1 f2 f3 f4 Bộ lọc MZ (a) Hình 2.9 Các bộ lọc được ghép hình cây M=2 tầng f1 f2 f3 f4 frequency MZ[Df] MZ[2Df] Chuỗi MZ Df (b) 2.2.1.3 Bộ lọc quang khả chỉnh a. Giới thiệu chung Bộ lọc quang khả chỉnh thực hiện chức năng lựa chọn bước sóng mong muốn tại máy thu. Dải băng thông bộ lọc có thể thay đổi nhờ hệ thống điều chỉnh ngoài. Băng thông của bộ lọc khả chỉnh phải đủ lớn để cho qua tín hiệu mong muốn, nhưng cũng phải đủ hẹp để tránh xuyên nhiễu từ các kênh khác. Các yêu cầu đối với bộ lọc quang khả chỉnh là: Dải điều chỉnh rộng để số kênh được lựa chọn là lớn Xuyên nhiễu giữa các kênh phải nhỏ nhất Tốc độ điều chỉnh lớn Có khả năng ổn định khi các điều kiện môi trường xung quanh thay đổi (nhiệt độ, độ ẩm...) Giá thành thấp b. Bộ lọc quang Mach-Zender khả chỉnh Theo phần trước hàm truyền đạt của bộ lọc Mach-Zender là : T(f)=cos2(p f.DLeff /c) = cos2(2p f /c. nDL/2) Bộ lọc sẽ đưa ra kênh có bước sóng thoả mãn: Do đó: l=n.DL /k (2-15) Trong đó k là số nguyên dương. Do đó, bước sóng trung tâm của bộ lọc là một hàm của chiết suất ống dẫn sóng n và độ chênh lệch chiều dài hai ống dẫn sóng DL. Vì DL là cố định nên muốn tạo thành bộ lọc khả chỉnh, cần thay đổi chiết suất ống dẫn sóng. Có 2 phương pháp làm thay đổi chiết suất của ống dẫn sóng quang là nhờ vào hiệu ứng nhiệt quang và nhờ vào hiệu ứng điện quang. Hình 2.5 là cấu trúc của bộ lọc Mach-Zender khả chỉnh làm việc dựa vào hiệu ứng nhiệt quang. Thiết bị này do Oda et at (1990) và Takato (1990) sản xuất. Một nhánh sợi quang của bộ lọc được lắp thêm bộ làm nóng Cr màng mỏng. Khi đặt điện áp vào hai đầu bộ nung nóng, bộ nung nóng tăng nhiệt độ. Nhiệt độ này cung cấp cho nhánh sợi quang và làm biến đổi chiết suất sợi quang. Độ dài quang học của nhánh này tăng lên một lượng: dn/dT.L.DT (2-16) Trong đó: dn/dT là hằng số nhiệt quang của ống dẫn sóng L là chiều dài của bộ nung nóng DT nhiệt độ tăng lên Với SiO2 thì dn/dT = 1x10-5 Ví dụ, một bộ lọc có L = 10mm, DT=7,8oC, chiều dài quang học tăng lên 0,78cm. Tại bước sóng l=1550 nm thì pha tăng lên tương ứng là p. Năng lượng kích thích để pha tăng lên p là 0,5W. Thời gian đáp ứng để nâng pha hoặc hạ pha khoảng 12ms. Tốc độ đáp ứng của bộ lọc Mach-Zender tương đối chậm vì bị giới hạn bởi thời gian khuyếch tán nhiệt từ điện cực sang chất nền. Tốc độ này quá chậm và không đáp ứng được cho hệ thống chuyển mạch gói. Trong thiết bị tách kênh gồm nhiều bộ lọc Mach-Zender thì việc điều khiển rất khó khăn, việc thiết lập nhiệt độ trên một tầng phụ thuộc vào nhiệt độ của các tầng trước trong chuỗi. Chất nền Si có tác dụng như một bộ tản nhiệt, ổn định nhiệt độ cho thiết bị. Bộ lọc Mach-Zender khả chỉnh dựa trên hiệu ứng điện quang được sản xuất từ các tinh thể có điện quang. Tức là chiết suất có khả năng thay đổi khi điện áp cung cấp thay đổi. Thời gian điều chỉnh của thiết bị bị giới hạn bởi tốc độ điện tử. Do đó thời gian điều chỉnh bộ lọc điện quang nhanh hơn bộ lọc dựa trên hiệu ứng nhiệt quang. Tốc độ điều chỉnh cỡ vài ns, nhưng dải điều chỉnh rất nhỏ cỡ 16 nm. 2.2.2Bộ lọc Fabry-Perot 2.2.2.1 Mở đầu Cấu trúc của bộ lọc Fabry-Perot bao gồm một khoang cộng hưởng được tạo thành từ 2 gương phản xạ đặt song song. Một thiết bị lọc quang thực tế còn có sợi quang đầu vào, sợi quang đầu ra và hệ thống thấu kính. Tại các thành phần này có thể gây ra suy hao ảnh hưởng đến chất lượng thiết bị. Song trong mục này ta chỉ tập trung vào khoang cộng hưởng. Hình 2.10 chỉ ra cấu trúc cơ bản của bộ lọc Fabry-Perot. Trong hình vẽ chỉ đưa ra một mặt của lớp thuỷ tinh tạo nên gương phản xạ của khoang cộng hưởng. Mặt còn lại của hai lớp thuỷ tinh này cũng có thể gây phản xạ và tạo ra cộng hưởng tại các bước sóng không mong muốn. Để tránh hiện tượng này, đặt hai mặt ngoài của hai lớp thuỷ tinh này hơi nghiêng so với trục thẳng đứng hoặc bọc ngoài bằng một lớp chống phản xạ. ánh sáng từ sợi quang được đưa vào khoang cộng hưởng. Sau một số lần phản xạ liên tiếp trên hai bề mặt gương của khoang cộng hưởng, ánh sáng được đưa đến đầu ra. Gọi x là chiều dài khoang cộng hưởng, nếu bước sóng l thoả mãn: x=il/2n=ic/2nf (2-17) Trong đó n là chiết suất khoang cộng hưởng i là số nguyên và được gọi là bậc cộng hưởng thì kênh tín hiệu tại bước sóng l được cộng hưởng. Công suất đầu ra của kênh này rất lớn. Với các kênh quang có bước sóng không thoả mãn điều kiện này thì công suất bị giảm. 2.2.2.2 Một số tham số của bộ lọc Fabry-Perot * Hàm truyền đạt Giả sử hai gương có hệ số phản xạ bằng nhau và bằng R. Do đó cường độ trường của tín hiệu phản xạ bằng lần cường độ trường của ánh sáng tới. Giả sử suy hao do hấp thụ khi ánh sáng đi từ sợi quang đầu vào đến khoang bằng suy hao do hấp thụ khi ánh sáng đi từ khoang cộng hưởng đến sợi quang đầu ra và bằng A Gọi Ei là biên độ trường ánh sáng đầu vào, khi qua gương thứ nhất cường độ trường là . Phần công suất còn lại tại bị mất dưới dạng nhiệt hoặc do phản xạ. Giả sử khi ánh sáng truyền qua khoang cộng hưởng không bị suy hao, và bị trễ pha một lượng bằng bx (với b là hệ số truyền). Khi ánh sáng đến gương G2, độ lớn trường .e-j bx. Một phần ánh sáng có độ lớn trường (1-A-R)Ei.e-jbx được đưa đến đầu ra, phần còn lại có độ lớn trường ..e-jbx bị phản xạ trở lại. Quá trình tiếp tục như vậy và ta được chùm ánh sáng đầu ra thứ hai có độ lớn trường là (1-A-R)R.Eie-j3bx . Chùm ánh sáng tiếp tục phản xạ trên hai mặt gương và cho công suất đến sợi quang đầu ra giảm dần. Công suất tín hiệu tại lần ra thứ m: (1-A-R).Rm-1.Ei.e-j (2m-1)bx x= (A) .e-jbx ..e-jbx ..e-j2bx .R.e-j2bx .R.e-j3bx x Ei ER G1 G2 (1-A-R) Eie-jbx (1-A-R)REie-j3bx (B) Hình 2.10 Bộ lọc Fabry - Perot x/v x/v Eo Ei ER Bộ nhân Bộ trễ Bộ nhân (C) Bộ nhân Bộ trễ Bộ nhân Hệ số truyền của khoang cộng hưởng b được xác định theo công thức sau: b=2pn/l=2pf.(n/c) hay bx=2pf(xn/c)=2pft (2-19) Hàm truyền đạt phức của độ lớn trường là: H(f) = Eo(f)/Ei(f)=(1-A-R)e-j2pftRme-4jpnft Vì R <1 nên H(f)= (2-20) Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc là: T(f)== (2-21) 1.0 0.9 o.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -2.0 -1.0 0 1 2.0 R=4% F=0.65 R=20% F=2.74 R=90% F=29.8 Hình 2.11 Đồ thị hàm truyền đạt của bộ lọc Fabry-Perot T(f)= (2-22) T(f)= (2-23) Đồ thị biểu diễn hàm truyền đạt của bộ lọc được chỉ ra trên hình 3.11 Dải phổ tự do FSR và độ mịn F Hàm truyền đạt của bộ loc Fabry-Perot là hàm tuần hoàn. Dải phổ tự do FSR bằng chu kì của hàm và được xác định như sau: suy ra FSR=1/2t=c/2nx (2-24) Độ mịn của bộ lọc Fabry-Perot được xác định bằng tỉ số của FSR và độ rộng phổ nửa công suất HPBW của bộ lọc (còn gọi là độ rộng phổ 3dB). HPBW của bộ lọc đặc trưng cho độ hẹp của đỉnh hàm truyền đạt và được xác định như sau: HPBW = c/2nx.(1-R)/ (2-25) Độ mịn có quan hệ chặt chẽ với số kênh tối đa mà bộ lọc có khả năng lựa chọn: F=FSR/HPBW=(p .)/(1-R) (2-26) Một bộ lọc Fabry-Perot đơn có số kênh tối đa là 0,65F. Khi muốn tăng số lượng kênh, người ta có nhiều hướng cải thiện khác nhau. Ví dụ, dùng bộ lọc đa khoang cộng hưởng hoặc bộ lọc đa đường (multipass). Từ công thức (2-23), (2-26) ta có: T(f) = (2-27) Độ lớn của T(f) tại đỉnh cộng hưởng: T(f)= (2-28) Tỉ số giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của bộ lọc là: (2-29) Từ công thức (2-26) để F tăng lên (tức là số lượng kênh mà bộ lọc có khả năng điều chỉnh được tăng lên) thì hệ số phản xạ R của gương phải lớn. Ngoài ra để tránh mất mát do suy hao hoặc phản xạ thì hai gương rất phẳng và đặt song song nhau. 2.2.2.3 Bộ lọc Fabry-Perot khả chỉnh Theo công thức (2-23), đỉnh hàm truyền đạt tại vị trí có tần số thoả mãn: (mẻZ) hay hay (2-30) Theo công thức (2-30) có 2 cách để điều chỉnh băng thông của bộ lọc là điều chỉnh L hoặc n. Khi cần điều chỉnh từ bước sóng l sang một bước sóng mới l+Dl, cần điều chỉnh tích Ln một lượng thoả mãn: hay (2-31) *Điều chỉnh băng thông bộ lọc bằng cách điều chỉnh L Trong trường hợp cần điều chỉnh L, người ta thường sử dụng tinh thể áp điện và nguồn điện ngoài. Hình 2-12 Cấu trúc bộ lọc Fabry-Perot khả chỉnh Tinh thể áp điện L Bộ lọc Fabry-Perot khả chỉnh dùng tinh thể áp điện thường hay sử dụng có cấu trúc như hình 2-12. Khoang cộng hưởng được tạo thành từ hai đầu sợi quang đặt gần nhau. Hai đầu sợi quang đóng vai trò là hai gương phản xạ. Hai lớp tinh thể áp điện được gắn vào hai đầu sợi quang như hình vẽ. Khi tăng điện áp đặt vào hai lớp tinh thể áp điện một lượng Dv, thì chiều dài lớp tinh thể áp điện tăng lên một lượng DL, xác định theo công thức: DL=kL.Dv (2-32) Trong đó: k là hằng số vật liệu [v-1] L chiều dài của khoang cộng hưởng Từ công thức (2-31) và (2-32) và giả thiết n cố định ta có : Dl/l=DL/L=k.Dv (2-33) hay ( 2-34) Như vậy khi muốn thay đổi bước sóng trung tâm bộ lọc từ l lên l+Dl thì cần tăng điện đặt vào tinh thể áp điện một lượng Dv thoả mãn công thức (2-34). Ví dụ, bộ lọc quang Fabry-Perot khả chỉnh có khoảng cách giữa các kênh là Dl=1nm, bước sóng trung tâm của bộ lọc trước khi điều chỉnh l=1,5m. Điện áp đặt vào tinh thể cần thay đổi một lượng: Dv=Dl/kl=1/(1500.10-2)=6,67(V) * Điều chỉnh băng thông bộ lọc bằng cách điều chỉnh chiết suất khoang cộng hưởng n. Trong trường hợp cần điều chỉnh chiết suất n của khoang cộng hưởng, người ta sử dụng các vật liệu điện quang lấp đầy khoang cộng hưởng. Các vật liệu này có chiết suất phụ thuộc vào điện áp đặt vào. Khi cần thay đổi băng thông bộ lọc, chỉ cần thay đổi điện áp đặt vào lớp vật liệu. Vật liệu điện quang hay được sử dụng trong thực tế là tinh thể lỏng. Vật liệu này giống vật liệu trong hệ thống hiển thị tinh thể lỏng. Tinh thể lỏng có tính chất dị hướng nên chiết suất của nó có khả năng thay đổi khi thay đổi điện áp đặt vào. Bộ lọc Fabry-Perot tinh thể lỏng là một công nghệ mới. Thiết kế bộ lọc tương tự như bộ lọc thường, nhưng khoang cộng hưởng của nó làm từ tinh thể lỏng. Thời gian điều chỉnh của bộ lọc cỡ , dải thông điều chỉnh khoảng 3040nm. Bộ lọc này có công suất tiêu thụ thấp và giá thành hạ. Tốc độ của bộ lọc đủ lớn, có khả năng ứng dụng trong chuyển mạch gói tốc độ cao của mạng WDM quảng bá và lựa chọn. 2.2.2.4 Mắc nối tầng các bộ lọc Fabry-Perot Khi số lượng kênh trong hệ thống WDM tăng lên (do nhu cầu dung lượng tăng), yêu cầu độ mịn F hiệu dụng của bộ lọc tăng lên. Có nhiều phương pháp để tăng F của bộ lọc. Thứ nhất, ta cải thiện chất lượng thiết bị như điều chỉnh hai gương bộ lọc rất song song nhau và tăng hệ số phản xạ R của gương. Thứ hai có thể mắc nối tầng nhiều bộ lọc liên tiếp. Phương án thứ hai hiệu quả và đơn giản hơn phương án thứ nhất. Trong phần này ta sẽ nghiên cứu các phương pháp thực hiện trong phương án hai, gồm dùng nhiều khoang cộng hưởng và cho tia sáng qua cùng một khoang cộng hưởng nhiều lần. Hình 3.13A chỉ ra đường đi của tia sáng qua hệ thống bộ lọc. Tia sáng được đi qua cùng một khoang cộng hưởng hai lần. Do đó hàm truyền đạt công suất của bộ lọc này bằng bình phương hàm truyền đạt công suất của bộ lọc đơn. T(f)= (2-35) (A) in out (B) in Hình 2.13 Mắc nối tầng , (A) two-pass (B) two-cavity Trong phương pháp dùng nhiều khoang cộng hưởng mắc nối tiếp (hình 3.13B), độ mịn của 2 khoang cộng hưởng được lựa chọn bằng nhau và bằng F, độ rộng phổ tự do FSR tỉ lệ k:l (trong đó k, l là các số nguyên và (k,l)=1). Khi đó độ mịn F tương đương của bộ lọc là F = max (k,l)Fo. Hình 2.14 là ví dụ cho trường hợp k=3 và l=4. Hình2.14A là đặc tính truyền đạt công suất của một khoang cộng hưởng lấy làm chuẩn (để đối chiếu) có F=10. Hình2.14B là đặc tính truyền đạt của khoang cộng hưởng thứ nhất, có FB=F=10, FSBB=1/3.FSR. Hình 2.14C là đặc tính truyền đạt công suất của khoang cộng hưởng thứ 2 có Fc=F=10, FSRc=1/4.FSR. Bộ lọc gồm 2 khoang cộng hưởng mắc nối tiếp có hàm truyền đạt công suất bằng tích hai hàm truyền đạt công suất thành phần. Hình 2.14D là hàm truyền đạt công suất của bộ lọc. Từ hình vẽ ta nhận thấy độ rộng băng thông của bộ lọc bằng độ rộng băng thông của khoang cộng hưởng thứ hai, nhưng FSR tăng lên 4 lần so với khoang cộng hưởng thứ hai. Do đó, sđộ mịn F của bộ lọc F=4F=max(3,4)F. i=0 1 2 3 4 5 6 7 j=0 1 2 3 4 5 6 7 8 T(f) f f f (A) (B) (C) TB(f) TC(f) Hình 2.14 Đặc tính phổ bộ lọc Fabry – Perot hai khoang f (D) TD(f) Trong trường hợp nối tầng nhiều khoang cộng hưởng ta cần phân biệt 2 trường hợp: - Khi k,l là hai số nguyên liên tiếp ((k,l) vẫn đảm bảo nguyên tố cùng nhau) thì bộ lọc đó được gọi là bộ lọc hai khoang vernier (như ví dụ trên) f f (A) j=0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 f (B) (C) Hình 2.15 Phổ của bộ lọc hai khoang Coarse-fine TB(f) TC(f) TA(f) - Khi k,l chênh lệch nhau rất lớn thì bộ lọc đó được gọi là bộ lọc hai khoang Coarse-Fine. Hình 2.15 chỉ ra một ví dụ về bộ lọc loại này có k=1, l=4. Bộ lọc thứ nhất đóng vai trò là bộ lọc thô, bộ lọc thứ hai đóng vai trò là bộ lọc tinh. 2.2.3 Bộ tách kênh trong miền không gian Bộ tách kênh trong miền không gian được cấu tạo từ các thành phần cơ bản là cách tử và lăng kính. Lăng kính làm việc dựa trên nguyên lí tán sắc góc. Cách tử hoạt động dựa trên sự giao thoa giữa các tia phản xạ (hoặc nhiễu xạ) trên một cấu trúc có chu kì. Có ba loại cách tử cơ bản là cách tử nhiễu xạ, cách tử phản xạ Bragg và cách tử Bragg quang âm. 2.2.3.1 Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc r i’ i Hình 2.16 Tán sác dùng lăng kính Trong giai đoạn đầu của kĩ thuật WDM người ta thường hay sử dụng lăng kính làm phần tử tán sắc góc (hình 2.16). Do chiết suất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng nên chùm tia sáng có nhiều bước sóng khác nhau ở đầu vào sẽ bị lăng kính phân tách thành các tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hướng khác nhau ở đầu ra. Theo định luật Snel: (2-36) Lăng kính có mức độ tán sắc thấp, khó tách được các bước sóng gần nhau. Vì vậy, người ta chỉ có thể sử dụng lăng kính trong trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ ở hai bước sóng 1300nm và 1550 nm). Do đó, hiện nay lăng kính không được sử dụng nữa. Thay vào đó người ta sử dụng cách tử làm phần tử tán sắc góc. Lăng kính có mức độ tán sắc thấp, khó tách được các bước sóng gần nhau. Vì vậy, người ta chỉ có thể sử dụng lăng kính trong trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ ở hai bước sóng 1300nm và 1550 nm). Do đó, hiện nay lăng kính không được sử dụng nữa. Thay vào đó người ta sử dụng cách tử làm phần tử tán sắc góc. 2.2.3.2 Cách tử nhiễu xạ a. Giới thiệu Cách tử được cấu tạo gồm nhiều rãnh (như răng cưa), được khắc bằng dụng cụ kim cương, trên bề mặt của các rãnh này được phủ một lớp phản xạ, số lượng rãnh có thể lên tới vài nghìn trên 1mm (gọi là mật độ in của cách tử). Cách tử có khả năng truyền hoặc tán xạ ánh sáng theo những hướng nhất định tuỳ thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới. Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng cách rãnh (gọi là bước cách tử), góc tới và bước sóng của ánh sáng tới. Cũng giống như lăng kính, ánh sáng không đơn sắc đầu vào, sau khi đi qua lăng kính sẽ được tách thành các tia đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau. Khác với lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho độ phân giải giữa các góc nhiễu xạ ở các bước sóng khác nhau lớn hơn. Hình 2.17 Sử dụng cách tử để tách bước sóng Tại một bước sóng có duy nhất một hướng ra có công suất ra lớn nhất. Các bước sóng khác nhau có hướng ra khác nhau. Do đó ta có thể tách được một bước sóng ra mong muốn bằng cách đặt sợi quang tại các vị trí có góc đón ánh sáng thích hợp. b) Nguyên lý và các tham số của cách tử nhiễu xạ Hình 3.18 minh hoạ sự phản xạ ánh sáng của một tia sáng ở bước sóng xác định. Theo hình vẽ độ chênh lệch về pha giữa hai tia phản xạ tại hai rãnh cách tử kề nhau là: (2-37) Trong đó : là góc tới là góc nhiễu xạ a b L Hình 2.18Cách tử nhiễu xạ Giả sử cách tử có N rãnh phản xạ. Công suất đầu ra tại góc nhiễu xạ tỉ lệ với: X= = (2-37) Từ công thức (2-37), ta thấy rằng X là một hàm tuần hoàn theo và có chu kì là 2, Xmax= N2 tại . Mặt khác theo công thức (2-37), là một hàm của bước sóng . Do đó tồn tại nhiều bước sóng cho công suất đầu ra lớn nhất tại cùng góc. Khoảng cách giữa các bước sóng này là độ rộng phổ tự do của bộ lọc (FSR). Như vậy FSR bằng khoảng cách giữa các bước sóng mà tại đó thay đổi một góc 2. Khi hai bước sóng cùng nằm trong một khoảng tại FSR thì chúng phản xạ ở các góc phản xạ khác nhau. Gọi là bước sóng mà tại đó . Theo công thức (2-36) ta có: = (2-38) Dải phổ tự do bậc m là khoảng cách giữa 2 bước sóng và , và được xác định như sau: FSRm= - == (2-39) Công thức (2-39) chỉ ra rằng bậc nhiễu xạ càng lớn thì FSR càng nhỏ. Để xác định độ phân giải phổ của bộ lọc ta xem xét hai kênh ở bước sóng , . Giả sử 2 bước sóng này có công suất lớn nhất tại các bước sóng có góc khúc xạ là và . Ta có: suy ra vì rất nhỏ nên hay: (2-40) Trong đó m là bậc nhiễu xạ. Hình 2.20 chỉ ra đồ thị phân bố công suất theo góc bức xạ tại hai bước sóng và . Theo tiêu chuẩn về độ phân giải Rayleigh, độ chênh lệch giữa hai đỉnh nhiễu xạ phải bằng độ chênh lệch giữa hai hướng có góc nhiễu xạ nhỏ nhất (hình 2.20). Do đó, với một bước sóng xác định thì bằng độ chênh lệch giữa hai góc nhiễu xạ có X đạt giá trị lớn nhất và nhỏ nhất đầu tiên. Hình 2.20 Cách tử Bragg khả chỉnh Theo công thức (2-37), X đạt giá trị lớn nhất tại =0 và X đạt giá trị nhỏ nhất đầu tiên tại Thay vào công thức(2-36)ta có: Do đó: Vì rất nhỏ nên : vậy : (2-41) Kết hợp công thức (2-40) và (2-41), ta có để tách được các kênh quang có khoảng cách kênh phải thoả mãn : (1-42) Theo công thức (2-42), muốn tăng độ phân giải phổ của bộ tách kênh, ta có thể tăng N hoặc giảm FSR. Tổng số kênh quang mà cách tử có khả năng phân tách là: Nch= < (2-43) Như vậy Nch tăng tỉ lệ theo N c) Các ứng dụng của cách tử nhiễu xạ Nói chung, các bộ tách kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ bao gồm ba phần chính là các phần tử vào (là một sợi truyền dẫn) và phần tử ra (là mảng sợi), phần tử hội tụ quang, phần tử tán sắc góc grating. Cách tử Thấu kính tròn đầu mảng sợi l1, l2, l3, l4 l1 l2 l3 l4 Hình2.21 Sơ đồ bộ ghép kênh Finke. Cách tử Thấu kính tròn đầu mảng sợi l1, l2, l3, l4 l1 l2 l3 l4 Hình 2.22 Sơ đồ bộ ghép kênh Finke. Hình 2.21 là cấu hình đơn giản của bộ tách kênh Finke. Trong đó, mảng đầu sợi quang được đặt tại tiêu cự của một thấu kính tròn, phần tử tán sắc góc gratting được đặt tai tiêu cự bên kia của thấu kính đó. Bộ tách kênh thực tế loại này đã thực hiện tách từ 4 đến 6 kênh với suy hao khoảng 1,2đến 1,7dB (triển vọng có thể tách được 10 kênh). Lăng kính chuẩn trực Cách tử l1 l2 l1,l2 Cách tử Lăng kính Grin l1 l2 l1,l2 a) b) Hình 2.22. Bộ tách Littrow a) Cấu trúc cơ bản, b) Cấu trúc thực tế sử dụng Hình 2.22 là bộ tách Littrow với a) là cấu trúc cơ bản, b) là cấu trúc thực tế sử dụng lăng kính GRIN. Hình 2.23 là bộ tách kênh sử dụng nhiễu xạ Planar và gương cầu lõm. Cách tử nhiễu xạ được đặt trước hệ thống đầu mảng sợi quang, phần giữa có một khe hở hẹp. Gương cầu lõm có tác dụng làm thay đổi hướng của bất kì tia đa bước sóng nào thành chùm tia song song quay trở lại cách tử. Tia này khi đã đến cách tử sẽ bị tán sắc và phản xạ trở lại gương, phản xạ một lần nữa. Các tia sáng có cùng bước sóng sẽ hội tụ trên cùng một sợi quang. Cấu trúc này có hệ số truyền đạt và hội tụ bằng 1. Vì vậy, hiệu suất ghép khá cao. Số lượng kênh có thể ghép trong thiết bị phụ thuộc nhiều vào phổ của nguồn quang. Từ năm 1993, có thể ghép được 6 kênh (đối với LED) và 22 kênh (đối với nguồn Laser). Nếu sử dụng kỹ thuật cắt phổ nguồn phát LED để nâng cao số kênh ghép thì có thể lên tới 49 kênh. Cách tử Gương lòng chảo l1, l2,..., ln l1 ln Hình 2.23 Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar và gương lòng chảo. Ngoài ra, có thể sử dụng cách tử lòng chảo để phản xạ ánh sáng. Góc nghiêng của rãnh phải thay đổi liên tục để duy trì đường phân giác của góc hợp bởi tia tới và tia phản xạ ABC luôn vuông góc bề mặt răng cưa. A B C N Hình 2.24 Cách tử hình lòng chảo. Cách tử lòng chảo Sợi vào Các sợi đầu ra Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc bộ tách sử dụng cách tử lòng chảo Một ứng dụng của cách tử lòng chảo như hình 2.25, thiết bị loại này đơn giản hơn vì không sử dụng phần tử hội tụ quang (thấu kính hoặc lăng kính). Thiết bị loại này đã thực hiện ghép 4 kênh, suy hao 3,6 dB. Tóm lại thiết bị tách kênh quang dùng các cách tử nhiễu xạ làm phần tử tán sắc góc thường được sử dụng theo các cách như chỉ ra ở trên. 2.2.3.3 Cách tử phản xạ Bragg a. Cách tử phản xạ Bragg sợi Cách tử phản xạ Bragg sợi quang là một đoạn sợi quang có chiết suất thay đổi theo chu kì dọc theo lõi sợi quang. Cách tử sợi quang Bragg thông thường trước đây khó sản xuất được với độ dài quá 15cm, do hạn chế về chiều dài của mặt nạ pha. Công nghệ chế tạo hiện đại đã cho phép thay đổi các thông số như độ dài cách tử, chiết suất có thể điều biến theo yêu cầu tạo nên cách tử sợi quang nhiều bậc. Nhờ đó, một số lớn các bộ lọc được tạo ra với các thông số khá hoàn thiện. Cách tử Bragg sợi quang được tạo ra bằng cách chiếu chùm tia tử ngoại vào sợi quang. Chùm tia tử ngoại được chiếu qua một mặt nạ pha và tạo ra các mẫu giao thoa làm thay đổi cấu trúc lõi sợi quang một cách có chu kì. Kết quả là ta nhận được một cấu trúc chiết suất lõi sợi quang ổn định và cố định. Cách tử phản xạ Bragg hoạt động dựa trên nguyên tắc sau: khi chiếu một chùm sáng đa sắc qua cách tử chỉ có duy nhất một bước sóng thoả mãn điều kiện phản xạ Bragg bị phản xạ trở lại, các bước sóng khác được truyền qua. Để xác định điều kiện phản xạ Bragg, thay vào công thức (2-38) : (2-44) trong đó n là chiết suất lõi sợi quang. Như vậy có thể coi cách tử là một khoang cộng hưởng có bước sóng thoả mãn điều kiện phản xạ Bragg. Tại các bước sóng không thoả mãn điều kiện trên thì ánh sáng không bị ảnh hưởng và truyền qua cách tử đến đầu thu. Về cơ bản cách tử Bragg hoạt động như một bộ lọc quang. Bộ lọc quang loại cách tử Bragg có suy hao xen thấp, đặc tính phổ có dạng bộ lọc băng thông (BPF) với khả năng đạt được khoảng cách giữa các kênh là 50GHz. Đó là một đặc tính hoàn toàn thuyết phục. Ta có thể tạo ra bộ lọc khả chỉnh từ một cấu trúc cách tử Bragg. Có hai phương pháp thay đổi băng thông của bộ lọc là điều khiển bằng nhiệt hoặc thay đổi độ nén dãn của sợi bằng tải cơ, song cách thứ hai đạt được tốc độ điều chỉnh cao hơn. Hình 2.26 Cách tử phản xạ Bragg sợi L Hình 2.27 Bộ lọc quang dùng cách tử Bragg 1 2 3 4 3dB Coupler 3dB Coupler Cách tử Bragg A B C b) Các ứng dụng của bộ lọc phản xạ Bragg Hình 2.27 một bộ tách kênh quang ứng dụng công nghệ trên. Thiết bị bao gồm hai coupler 3dB và hai cách tử phản xạ Bragg. Khi đưa chùm sáng đa sắc có bước sóng vào cổng 1, chùm sáng qua Coupler 3dB thứ nhất được chia thành hai luồng đến 2 cách tử. Giả sử bước sóng thoả mãn điều kiện phản xạ Bragg, ánh sáng có bước sóng bị phản xạ bởi cách tử. Hình 2.27B chỉ ra hai đường đi của ánh sáng phản xạ đến cổng 2. Cả hai luồng ánh sáng đều bị dịch pha một góc 90o nên tín hiệu ở đầu ra cổng hai rất lớn. Cổng 1 cũng có hai luồng tín hiệu đi ra. Nhưng hai luồng này ngược pha nhau nên tín hiệu tổng tại cổng 1 bằng không. Hình 2.27C chỉ ra đường đi của ánh sáng tới cổng 3 hai luồng này ngược pha nhau và bị triệt tiêu. Cổng 4 cũng có hai đường tín hiệu ra đi theo hai đường khác nhau, hai đường này đồng pha nên được cộng hưởng. Như vậy bước sóng bị phản xạ và được đưa tới cổng 2. Các bước sóng còn lại được đưa tới cổng 4. Khi ghép thêm các bộ lọc thích hợp nối tiếp vào cổng 4 sẽ tách được các bước sóng khác trong chùm sáng đa sắc. Bước sóng trung tâm của bộ lọc có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi chu kỳ cách tử. Có hai cách thực hiện: điều khiển bằng nhiệt hoặc thay đổi độ nén dãn của sợi quang bằng tải cơ. Hình 2.28 Cách tử phản xạ Bragg có cách tử hình quạt Một ứng dụng khác của cách tử phản xạ Bragg được chỉ ra trên hình 3.29. Sợi quang được đặt trên đỉnh cách tử hình quạt. Chu kỳ là . Khi bước sóng của ánh sáng tới thoả mãn điều kiện Bragg thì phản xạ xảy ra rất mạnh. Với là một bước sóng cho trước. Ta có thể tạo thành bộ lọc quang có bước sóng trung tâm là bằng cách điều chỉnh vị trí tương đối giữa cấu trúc cách tử và sợi quang để đạt được giá trị thích hợp. 2.3.3.4 Bộ lọc quang âm phản xạ Bragg Khi cho sóng âm truyền dọc theo sợi quang, chiết suất sợi quang sẽ thay đổi theo chu kì. Sợi quang hoạt động như một cách tử phản xạ Bragg chu kì L (hình 2.29) Khi cho một chùm sáng đa sắc chiếu vào sợi quang có góc tới qB (hình vẽ), thì bước sóng thoả mãn điều kiện sau sẽ phản xạ: 2n. sin(qB)L=l (2-45) Các bước sóng khác không thoả mãn điều kiện (3-48) sẽ được truyền qua trong suốt. Kết quả là ta tạo được bộ lọc quang dựa trên hiệu ứng âm quang. l2, l3, l4,... L qB l1 l1, l2, l3, l4,... Hình 2.29 Bộ lọc quang âm cách tử Bragg 2.3 Bộ khuếch đại quang 2.3.1 Sự cần thiết sử dụng các bộ khuếch đại quang Các bộ khuếch đại quang đóng vai trò cực kì quan trọng trong các mạng cáp đường dài. Trước đây khi chưa có khuếch đại quang, việc đưa kĩ thuật ghép bước sóng quang WDM ứng dụng vào mạng thông tin quang nhằm tăng dung lượng hệ thống chưa thực sự chứng tỏ được tính kinh tế của mình so với các giải pháp tăng dung lượng khác. Khi đó, phương pháp chuẩn để khắc phục suy hao của tín hiệu quang là đặt các bộ lặp điện dọc theo tuyến ở những cự ly cần thiết. Bộ lặp điện như vậy bao gồm : một photodetector để tách tín hiệu quang vào (tín hiệu này rất yếu do suy hao đường truyền và bị nhiễu bởi các hiệu ứng và ảnh hưởng khác), một bộ khuếch đại điện, mạch định thời để duy trì định thời của tín hiệu, một Laser phát kèm theo một bộ điều khiển. Các bộ lặp này bị hạn chế bởi tốc độ của các thành phần thiết bị điện, bởi vậy các hệ thống thông tin quang có dung lượng rất lớn nhưng chỉ được sử dụng hạn chế do sự có mặt của các bộ lặp điện. Với các bộ khuếch đại quang không bị giới hạn bởi bất kì băng tần điện cũng như thiết bị điện tử nào vì bộ khuếch đại quang sẽ khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không qua bất kì chuyển đổi điện nào. Khuếch đại tín hiệu quang không bị phụ thuộc bởi dạng tín hiệu và dạng điều chế do nó chỉ tác động vào thành phần biên độ chứ không tác động vào thành phần thời gian và dạng tín hiệu. Khi thay đổi phương pháp điều chế tín hiệu thì cũng không cần thay đổi bộ khuếch đại. Với hệ thống WDM, khuếch đại quang cho phép khuếch đại đồng thời các kênh quang trong toàn bộ dải bước sóng.Do đó bộ khuếch đại quang sợi chính là chìa khoá cho sự phát triển của tất cả các mạng quang dung lượng lớnvà có cự li xa. 2.3.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA Sự ra đời của khuếch đại quang sợi là một tiến bộ rất lớn trong lĩnh vực công nghệ viễn thông, đơn giản hoá rất nhiều cho việc lắp đặt các mạng cáp quang diện rộng. Hiện nay, các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium EDFA được ứng dụng rộng rãi hơn cả do nó có hệ số khuếch đại cao, công suất lớn và mức nhiễu gần như lí tưởng, công tác tại bước sóng 1550nm là bước sóng truyền dẫn tối ưu ở hiện tại và tương lai, kết hợp dễ dàng được với sợi quang. EDFA không nhạy cảm với hiệu ứng phân cực và loại trừ được nhiễu xuyên âm giữa các kênh có các bước sóng khác nhau. Với những khả năng to lớn như vậy, EDFA được coi như là một trạm lặp thế hệ mới, nó được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống viễn thông hiện tại và tương lai. a) Cấu trúccủa EDFA Bộ khuếch đại quang sợi EDFA được cấu trúc bởi một đoạn sợi quang sợi pha tạp Erbium cùng các thành phần cần thiết khác.Các thành phần này gồm các thành phần thiết bị ghép thụ động WDM, bộ cách li quang Isolator và thiết bị tích cực như Laser bơm…. Có 3 loại cấu hình bơm ,bơm xuôi,bơm ngược va bơm cả hai hướng.Hình vẽ 2.30 a,b c mô tả cấu trúc điển hình của mổi loại bộ khuếch đại quang sợi. EDFA là một đoạn sợi quang có pha tạp Ebium, thực hiện chuyển đổi năng lượng phát xạ của nguồn bơm thành công suất tín hiệu. Nguồn bơm của laser thường ở hai bước sóng 1480 nm và 980 nm. Bơm ở bước sóng 1480nm có hiệu suất thấp hơn so với bước sóng 980 nm và mức độ đảo mật độ cũng thấp hơn. Tuy nhiên, laser bơm tại bước sóng 1480nm có công suất phát lớn hơn so với laser 980nm. EDFA thường có dải bước sóng khuyếch đại là 30 đến 35 nm (1535 nm-1565 nm). Hình 2.30 Các cấu hình bơm Tín hiệu ra EDF Isolator Isolator Coupler WDM Tín hiệu vào Dòng bơm vào vào a) Bơm cùng chiều Isolator Coupler WDM EDF Tín hiệu ra Isolator Tín hiệu vào Dòng bơm vào b) Bơm ngược chiều Tín hiệu vào Coupler WDM Coupler WDM EDF Dòng bơm vào Tín hiệu ra Dòng bơm vào c) Bơm song hướng Theo lý thuyết, hệ số nhiễu của EDFA đạt được giới hạn lượng tử (giới hạn lượng tử này gây ra do phát xạ tự phát). Thực nghiệm cho thấy, hệ số nhiễu của bộ khuếch đại đạt được là xấp xỉ 3dB, giá trị thực tế có thể nằm trong dải 3,5á6 dB. Độ khuếch đại của EDFA là cực kì cao, G đạt tới 45dB (tức 10500lần) khi sử dụng một bộ khuếch đại 2 tầng. EDFA lại có độ nhạy phân cực thấp, đó là một ưu điểm lớn của hệ thống các bộ khuếch đại mắc chuỗi. Các đặc tính bão hoà tốt do công suất bão hoà tăng tuyến tính với công suất bơm. Thời gian sống dài ở trạng thái kích thích (10 ms) của các ion Er3+ là ưu điểm lớn nhất của EDFA so với các loại bộ khuếch đại khác. Do trạng thái kích thích có thể tích luỹ công suất bơm trong một thời gian dài, nên công suất bơm yêu cầu để giữ được mức năng lượng đủ lớn trong một bộ khuếch đại thường rất thấp, chỉ 10mW đến 20 mW để đạt được hệ số khuếch đại tín hiệu 30 dB. Với các tín hiệu ở các bước sóng khác nhau, sự xuyên âm đa kênh trong bộ khuếch đại rất thấp do thời gian sống ở các trạng thái kích thích dài, mật độ hạt ở trạng thái kích thích không thể đáp ứng với những thay đổi tín hiệu quá nhanh từ bưóc sóng này xuyên qua bước sóng khác, để mang năng lượng từ bước sóng này sang bước sóng khác. Cũng vì lý do này, EDFA là bộ khuếch đại không méo, thậm chí trong trường hợp bão hoà sâu. Hiển nhiên EDFA có thể tích hợp trong một mạng quang vì nó là một thành phần có cấu tạo dựa trên một đoạn sợi Silica. Nhược điểm chính của EDFA, đó là phổ khuếch đại của EDFA không bằng phẳng mà xuất hiện các đỉnh khuếch đại, hệ số khuếch đại không như nhau đối với mọi bước sóng. Tuỳ thuộc vào yêu cầu thiết kế hệ thống mà bộ khuếch đại có thể ở vị trí khác nhau trên tuyến và có yêu cầu kỹ thuật riêng (hình 2-30) - Bộ khuếch đại công suất BA (Booster Amplifier) Là thiết bị EDFA có công suất vào lớn,được sử dụng ngay sau Tx để tăng mức công suất tín hiệu.Do công suất ra tương đối cao nên có thể bỏ qua tạp âm ASE. - Bộ khuếch đại đường dây LA (Line Amplifier)Là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) đê tăng chiều dài khoảng lặp.Yêu cầu có khả năng khuếch đại có công suất vào nhỏ, công suất ra lớn và nhiễu gây ra nhỏ nhất. - Bộ tiền khuếch đại PA (Pre – Amplifer) Là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp,được sử dụng ngay trước Rx để tăng độ nhạy thu.Để đại được mức tạp âm ASE thấp,người ta sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước sóng nguồn phát. BA MUX DMUX LA PA Hình 2.31Các vị trí của bộ khuếch đại quang trên tuyến thông tin quang Bản thân bộ khuếch đại gây ra nhiễu cho hệ thống. Sau mỗi bộ khuếch đại tỉ số tín hiệu trên tạp âm giảm. Do đó, thường sau ba bộ khuếch đại phải đặt thêm bộ lặp để phục hồi tín hiệu. 2.4 Bộ thu quang Bộ thu thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu quang thành điện. Bộ thu phải thích hợp với bộ phát cả về bước sóng sử dụng và phương thức điều chế. Đồng thời bộ thu phải được thiết kế sao cho đưa ra mức tín hiệu phù hợp. Bộ thu quang thường sử dụng Photodiode làm phần tử tách sóng quang. Ngoài ra còn có bộ làm phẳng đáp ứng tần số, bộ khuếch đại, bộ lọc... Độ phức tạp của mạch giải điều chế phụ thuộc vào phương pháp điều chế sử dụng. Có hai loại Photodiode hay sử dụng là PIN và ADP. Photodiode PIN có yêu cầu công suất thấp, nhưng kém nhậy cảm chỉ hoạt động trên một dải tần số hẹp và cần có bộ khuếch đại ở trước. APD thường sử dụng cho các tuyến thông tin đường dài. Thành phần cấu tạo chính của Photodiode là một số lớp tiếp giáp p-n phân cực ngược. Thông qua hiệu ứng quang điện một photon đi qua lớp tiếp giáp sẽ kích thích và tách ra một cặp điện tử – lỗ trống trong miền p (hoặc n) của hệ thống. Các điện tử được giải phóng trong miền p sẽ chạy sang miền n (hoặc các lỗ trống trong miền n sẽ chạy sang miền p). Kết quả là sẽ tồn tại một dòng điện chạy trên mạch ngoài. Một trong những tham số quan trọng của bộ thu là độ nhạy máy thu. Nó là mức công suất nhỏ nhất của tín hiệu tới mà máy thu vẫn thu được tín hiệu và đạt được tỷ số lỗi BER yêu cầu. 2.5 Sợi quang Sợi quang là thành phần rất quan trọng. Trong hệ thống truyền dẫn quang, sợi quang đóng vai trò là phương tiện truyền dẫn. Hiện nay, sợi quang đơn mode tuân theo khuyến nghị G 652 được sử dụng nhiều nhất. Giá trị tán sắc không nằm ở bước sóng 1310 nm. ở vùng 1550nm tán sắc rất lớn, cỡ 18ps/nm.km. Tuy nhiên, suy hao ở vùng bước sóng 1550 nm thấp hơn rất nhiều so với vùng 1310nm, hơn nữa bộ khuếch đại quang EDFA làm việc tại vùng này, nên sợi quang dịch tán sắc DSF (tuân theo khuyến nghị G.653) ngày càng ứng dụng nhiều hơn. Sợi quang dịch tán sắc có tán sắc bằng không ở bước sóng 1550 nm. Sợi quang này phù hợp cho các hệ thống ghép mật độ thưa, hoặc hệ thống kênh mật độ khá cao, cự ly lớn, nhưng không thích hợp cho các hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM vì hiệu ứng trộn tần 4 sóng xảy ra rất mạnh. Sợi quang NS-DSF (tuân theo khuyến nghị G655) có mức tán xạ thấp ở cửa sổ thứ 3. Loại sợi này rất phù hợp cho công nghệ DWDM cự ly dài. 1300 1400 1500 1600 Hình 2.32 Tán sắc của một số loại sợi quang Sợi quang G.655 Sợi quang G.653 Sợi quang G.652 Bước sóng (nm) Tán sắc (ps/nm.km) 0 -10 -20 10 20 Chương iii Một số vấn đề công nghệ then chốt Hệ thống WDM có ý nghĩa to lớn đối với việc xây dựng mạng thông tin quang nhưng hiện nay vẩn còn một số vấn đề công nghệ.Ví dụ:yêu cầu đối với bước sóng và tính ổn định của nguồn quang;tính phi tuyến của sợi quang hạn chế rất nhiều công suất ra của bộ khuyếch đại,hiệu ứng trộn bốn bước sóng gây ra xuyên nhiễu giữa các kênh;khi tốc độ truyền dẫn cao phải khắc phục ảnh hưởng của tán sắc;vấn đề giám sát bộ khuyếch đại quang vv…Dưới đây đề tài sẽ giới thiệu những vấn đề chính sau. 3.1 ổn định bước sóng của nguồn quang Trong điều kiện hoạt động bình thường, các nguồn quang chịu rất nhiều điều kiện bên ngoài tác động cũng như các điều kiện từ bên trong, ví dụ như các thay đổi điều kiện nhiệt độ, sự tác động của nhiễu, độ già hoá các linh kiện...Các sự tác động đó gây nên những thay đổi không chỉ về công suất mà còn thay đổi về bước sóng nguồn quang Sự suy giảm công suất sẽ làm cho dạng hình mắt của tín hiệu ở đầu thu bị thu hẹp lại, do đó sẽ làm giảm chất lượng BER của hệ thống. Công suất tín hiệu không ổn định cũng khiến cho tuổi thọ các linh kiện làm việc trong hệ thống không đảm bảo, độ tin cậy của hệ thống giảm. Bước sóng của nguồn quang không ổn định sẽ gây ra những ảnh hưởng hết sức nghiêm trọng. Các kênh quang do không ổn định tần số sẽ dịch chuyển sang các tần số khác thuộc phạm vi của kênh quang khác gây ra xuyên âm. lúc đó, có kênh thì mất hoàn toàn tín hiệu do tần số bị lệch khỏi băng thu của kênh đó, có kênh thì bị xuyên nhiễu từ kênh khác và cũng không thể đảm bảo chất lượng. Trong trường hợp toàn bộ số kênh của hệ thống mất ổn định, hệ thống sẽ mất hoàn toàn thông tin, hoặc thông tin có được nhưng chỉ là một mớ hỗn độn. Vì vậy trong ứng dụng hệ thống WDM, yêu cầu đồng bộ giám sát bước sóng, ổn định bước sóng cũng như ổn định công suất quang từng bước sóng luôn cần phải được quan tâm đặc biệt. Điều này có nghĩa là hệ thống WDM phải quy định, điều chỉnh chính xác bước sóng của nguồn quang và công suất từng bước sóng. Nếu không, sự trôi bước sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thống không ổn định và kém tin cậy. Hiện nay có hai phương pháp chủ yếu để ổn định bước sóng của nguồn quang là: + Phương pháp điều khiển phản hồi nhiệt độ : thông qua nhiệt độ của bộ kích quang để điều khiển, giám sát mạch điện điều nhiệt với mục đích điều khiển bước sóng và ổn định bước sóng. + Phương pháp thứ hai thông qua giám sát bước sóng:thuông qua việc giám sát bước sóng tín hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự chênh lệch trị số giữa điện áp đầu ra (tách được từ tín hiệu quang đầu ra nhờ photodiode) và điện áp tham khảo tiêu chuẩn để điều khiển nhiệt độ của bộ phát quang, từ đó ổn định được nguồn quang. 3.2 ảnh hưởng của tán sắc sợi quang đối với truyền dẫn Tán sắc là hiện tượng những sóng ánh sáng có tần số khác nhau truyền dẫn với tốc độ khác nhau trong cùng một môi trường.Tán sắc là bản chất của sợi quang,tán sắc gây ra hiện tượng trải rộng(dãn xung)xung tín hiệu,làm cho biến dạng xung tín hiệu trong khi truyền và tỉ số lổi bít cao,do đó ảnh hưởng đến tốc độ truyền dẫn và khoảng cánh trạm lặp.Ví dụ như tuyến có tốc độ 10 Gbit/s sử dụng sợi G.652,công suất penalty là 1 dB tín hiệu giới hạn tán sắc của nó là 80km.Bộ khuyếch đại cải thiện khoảng cánh giữa các trạm lặp(bị giới hạn bởi suy hao)trên tuyến rất nhiều.Nhưng do nhu cầu ngày càng lớn về các dịch vụ mới có tốc độ cao nên tán sắc trở thành tham số chính giới hạn khả năng nâng cao dung lượng của tuyến cáp quang.Chính vì vậy chúng ta cần phải giảm ảnh hưởng của tán sắc. *Các giải pháp giảm ảnh hưởng của tán sắc : + Sử dụng các nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài. + Lựa chọn sợi quang phù hợp. + Sử dụng các bộ bù tán sắc... Trong phạm vi đề tài nay em chỉ đề cập đến các phương pháp bù tán sắc khả thi trên tuyến trục Bắc –Nam. 3.2.1 Phương pháp bù tán sắc bằng điều chế tự dịch pha(SPM) a)Nguyên lý của kỹ thuật bù tán sắc bằng điều chế tự dịch pha Tán sắc sẽ gây ra hiện tượng dịch tần tuyến tính trong xung.Mặt khác khi một xung tín hiệu có công suất P nằm trong ngưỡng phi tuyến của sợi (đối với trường hợp đơn kênh P>18dB,đối với trường hợp đa kênh thì P nhỏ hơn và giảm khi số kênh khi số kênh truyền dẩn tăng), sườn lên của xung bị dịch về phía bước sóng dàI có hiệu ứng SPM và hiện tượng này gọi là chirp phi tuyến. Đối với các sợi quang theo tiêu chuẩn G.652, G.653 sử dụng trên tuyến thì chirp phi tuyến này ngược với chirp tuyến tính. Xung sẽ bị chirp một lượng bằng tổng hai chirp trên. Như vậy trong trường hợp này xung phải chịu một lượng chirp bằng chirp tuyến tính trừ đi chirp phi tuyến nên xung dường như đã được hiệu ứng SPM “bù chirp do tán sắc gây ra”. Những lý luận trên đã được thử nghiệm lại bằng thực nghiệm truyền xung dạng Gauss độ rộng xung là 20ps, công suất đỉnh là 50mw. Kết quả thí nghiệm được trình bày ở hình 3.1.Hình này gồm 3 đường biểu diển độ rông xung theo thời gian truyền trong 3 trường hợp tán sắc khác nhau và ta có nhận xét:trường hợp sợi có tán sắc âm (đường nét đứt) thì đầu tiên xung co lại sau đó lại bị dãn rộng ra rất nhanh,nhanh hơn cả trường hợp tán sắc dương.Với sợi có hệ số tán sắc D=-1ps/nm.km thì tại khoảng cách cỡ 10km độ rộng xung đạt cực tiểu (cỡ 15 ps) nhưng ở khoảng cách 60 km thì độ rộng xung đạt 40 ps. Đối với tán sắc dương (đường liền nét tương ứng loại sợi G.652 và sợi G.653)thì đàu tiên xung lại và đạt cực tiểu sau một khoảng truyền dẫn dàI cỡ 60 km.Nếu tiếp tục truyền thi xung sẽ bị dãn rộng ra do các hiệu ứng tán sắc thông thường.Vậy xung th truyền ở ngưỡng hi tuyến ở một công suất nào đó có thể loại bỏ hoàn toàn tán sắc. Hình 3.1: Sự dãn xung do ảnh hưởng của hiệu ứng SPM b) Đánh giá khả năng ứng dụng của phương pháp SPM. Trong thực tế để ứng dụng hiệu ứng SPM vào việc bù tán sắc cho xung truyền dẫn phảI sử dụng kỹ thuật phân phối tán sắc tức là kết hợp cả sợi tán sắc dương và sợi tán sắc âm trên tuyến. Hình 3.2 là một ví dụ phân phối tán sắc để có thể truyền dẫn trên khoảng dài.ở đây khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại là 90 km,bao gồm 60 km sợi tán sắc âm (D=-1,75 ps/nm.km) và 30 km sợi tán sắc dương (D=2 ps/nm.km ) tốc độ truyền dẫn thông thường thì xung sẽ dãn tới độ rộng 75 ps. Hình 3.2: Phương phân phối tán sắc *Ưu điểm của phương pháp bù tán sắc điều chế tự dịch pha(SPM): - Tăng đáng kể khoảng cách trạm lặp nên giảm số trạm lặp trên tuyến. Yếu tố này cũng góp phần làm giảm giá thành thiết bị trên tuyến. - Cho phép tận dụng số sợi G.652 có sẵn trên tuyến *Nhược điểm của phương pháp bù tán sắc điều chế tự dịch pha (SPM) - Dạng xung yêu cầu là RZ trong khi hiện nay dạng xung đang sử dụng là NRZ. Như vậy muốn sử dụng kỹ thuật bù tán sắc này thì phảI thay dạng xung đang truyền trên tuyến. - Có thể xảy ra hiện tượng nén xung không mong muốn do dễ bị “bù quá” - Phương pháp này yêu cầu độ rộng phổ lase phảI tốt. 3.2.3 Phương pháp bù tán sắc PDC a) Nguyên lý của phương pháp bù tán sắc PDC: Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là sử dụng các phần tử đề bù tán sắc, chẳng hạn như dùng các sợi có thiết kế đặc biệt hoặc cách từ sợi, bộ kết hợp pha. Hiện nay phần lớn các bộ bù tán sắc mà thành phần cơ bản là sợi quang có thể bù được giá trị cỡ 1500ps ở bước sóng 1550nm. Sau đây là phương pháp bù tán sắc bằng phần tử thụ động điển hình: bù bằng bộ kết hợp pha quang (OPC). Trong phương pháp này OPC sẽ bù cho cả tán sắc dương và tán sắc âm. Quá trình bù tán sắc không phụ thuộc vào quá trình điều biến quang. Hình 3.3 phương pháp bù tán sắc OPC Hình 3.3 minh hoạ tán sắc được bù. Tín hiệu Es có công suất quang P1 được phát vào đoạn sợi có độ dài L1, tán sắc D1 và hệ số phi tuyến . Bộ bù pha sẽ thực hiện biến đổi hệ thành sóng kết hợp pha Ec (). Ec có công suất quang P2 được phát dọc theo đoạn sợi có độ dài L2, tán sắc D2 và hệ số phi tuyến . Tán sắc sẽ được bù khi tỷ số giữa tán sắc và cường độ hiệu ứng Kerr quang tại các vị trí –L1 và L2 bằng nhau. b) Đánh giá khả năng sử dụng của kỹ thuật OPC để bù tán sắc * Ưu điểm: - Thiết bị bù tán sắc hoàn toàn thụ động. - Bù được khoảng tán sắc lớn. * Nhược điểm: - Suy hao của bộ bù tán sắc lớn và phụ thuộc vào khoảng tán sắc phải bù - Phải giám sát công suất tín hiệu truyền để tránh các hiện tượng hiệu ứng. 3.2.4 Phương pháp bù tán sắc bằng Pre-chirp (dịch tần trước) a) Nguyên lý của phương pháp bù tán sắc Pre-chirp. Nguyên lý của phương pháp này thực hiện dịch phổ trong khoảng thời gian của xung quang. Nói cách khác, Pre-chirp là sự sắp đặt lai bước sóng sao cho ánh sáng có bước sóng dài hơn bước sóng trung bình tập trung ở sườn lên và ánh sáng có bước sóng ngắn hơn bước sóng trung bình tập trung ở sườn xuống của xung tín hiệu phát. Khi tín hiệu truyền trong sợi các bước sóng dàI hơn sẽ bị dịch chuyển nhiều hơn. Do vậy nếu chọn khoảng cách truyền hợp lý thì xung sẽ không bị giãn ở đầu thu, tức là tránh được ảnh hưởng của tán sắc. b) Đánh giá khả năng sử dụng của phương pháp này. Phương pháp này có nhược điểm là chỉ bù được tán sắc trong một khoảng nhỏ. Hơn nữa để sử dụng phương pháp này đòi hỏi kỹ thuật ở phía phát cao. Pre-chirp thường được kết hợp trong đầu phát để bù một phần chirp do nguồn phát gây ra, do đó nó phải kết hợp với một số phương pháp bù tán sắc như PDC, DST… Cho tín hiệu truyền trên tuyến thì mới bù hoàn toàn tán sắc gây ra trên tuyến. 3.3 ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến đến truyền dẫn Khi công suất trong sợi quang nhỏ thì sợi quang được xem là môi trường tuyến tính,tính phi tuyến của sợi quang(chủ yếu do chiết suất) có thể bỏ qua.Tuy nhiên khi công suất trong sợi quang vượt quá mức nào đó ,tính phi tuyến của sợi quang sẽ ảnh hưởng tới quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang.Khi đó xuất hiện hiệu ứng phi tuyến,nghĩa là suy hao và chiết suất phụ thuộc công suất tín hiệu quang trong sợi.Hiệu ứng phi tuyến sẽ gây ra một số hiện tượng như:xuyên âm giữa các kênh,suy giảm mức tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỉ số S/N vv... 3.3.1 Các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM Nhìn chung có thể chia hiệu ứng phi tuyến thành hai loại: - Hiệu ứng tán xạ:bao gồm các hiệu ứng tán xạ Raman(SRS)và hiệu ứng tán xạ Brillouin(SRB). - Hiệu ứng liên quan đến chiết suất phụ thuộc vào công suất quang:bao gồm các hiệu ứng tự điều chế dịch pha(SPM),điều chế pha chéo(XPM)và trộn bốn bước sóng(FWM). *Hiệu ứng Raman (SRS): là quá trình tán xạ không đàn hồi, trong đó photon ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phân tử cấu thành môi trường truyền dẫn, phần năng lượng còn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước sóng dài hơn bước sóng tới. Bước sóng mới này được gọi là bước sóng Stoke. Khi ánh sáng truyền trong sợi có cường độ lớn thì quá trình này trở thành quá trình kích thích, trong đó ánh sáng đóng vai trò sóng bơm làm cho phần năng lượng của tín hiệu chuyển vào bước sóng Stoke. Trong ghép kênh theo bước sóng, hiệu ứng SRS hạn chế số kênh ghép, khoảng cách giữa các bước sóng, công suất phát mỗi kênh và cự li truyền dẫn của hệ thống. Ngoài ra, nếu bước sóng Stoke trùng với các bước sóng tín hiệu sẽ gây ra xuyên âm. Hiệu ứng SRS tỉ lệ thuận với công suất ánh sáng P và tỉ lệ nghịch với hiệu dụng của lõi sợi quang. Nếu gọi sSRS là ảnh hưởng của hiệu ứng SRS thì sSRS ~ P/Aeff *Hiệu ứng SBS: cũng tương tự như hiệu ứng SRS. Nghĩa là tự nó cũng hình thành các bước sóng Stoke. Điểm khác nhau giữa hai hiệu ứng này là hiệu ứng SBS liên quan tới các photon âm, còn hiệu ứng SRS lại liên quan đến các photon quang. Do có sự khác nhau đó mà chúng có ảnh hưởng khác nhau đến hệ thống ghép bước sóng quang. Trong tán xạ SBS, một phần ánh sáng bị tán xạ do các photon âm và dịch tới bước sóng dài hơn. Phần ánh sáng tán xạ ngược truyền theo sợi quang và nếu các bước sóng của tín hiệu chính trong WDM cùng truyền theo một hướng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh. Tất nhiên, nếu truyền hai hướng các bước sóng trên cùng một sợi quang thì ảnh hưởng của SBS là đáng kể. ảnh hưởng của SBS cũng tỉ lệ thuận với công suất tín hiệu ánh sáng và tỉ lệ nghịch với Aeff của lõi sợi. Nếu gọi sSBS là ảnh hưởng của hiệu ứng SBS thì sSBS ~ P/Aeff. *Hiệu ứngBrillouin (SPM): Đó là hiện tượng khi cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng biến đổi theo, gây sự biến đổi pha của sóng quang. Sau khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến tần phổ dãn rộng và tích luỹ theo sự tăng lên của chiều dài. Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số quang cũng càng lớn, gây ảnh hưởng lớn tới hệ thống tốc độ cao. Hiệu ứng SPM là sự phụ thuộc chiết suất của lõi sợi vào cường độ ánh sáng truyền trong đó. n = no + n2I (3.1) Với no là chiết suất tuyến tính. n2 là hệ số chiết suất phi tuyến (n2 = 3,2.10-20 m2/W và phụ thuộc vào bước sóng ) I là cường độ quang. Khi cường độ quang đủ lớn thì chiết suất phụ thuộc vào cường độ quang tức thời. Nếu ánh sáng truyền trong sợi dài L thì dịch pha của tín hiệu quang sẽ bổ sung thêm một lượng là: fNL(t) = 2pn2LI(t)/l (3.2) Đạo hàm phương trình đó theo thời gian ta nhận được Dv(t) = df/dt = (2pn2L/l)(dI/dt) (3.3) Biểu thức 3.2, 3 .3 cho biết dịch pha phụ thuộc vào cường độ ánh sáng và hiện tượng này gọi là tự điều chế pha. Nó còn được xem như hiện tượng tự điều chế tần bổ xung, hay còn gọi là chirp. Đối với trường quang có cường độ không đổi, hiệu ứng SPM chỉ làm quay pha của trường quang do đó ít ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Tuy nhiên, đối với các trường quang có cường độ thay đổi (như các xung trong hệ thống thông tin số) thì pha phi tuyến sẽ thay đổi theo thời gian như công thức 1.3. Sự thay đổi theo thời gian cũng có nghĩa là trong xung tín hiệu sẽ tồn tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm một giá trị là Df = (-1/2p)(df/dt) (3.4) Hiện tượng này gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của xung dịch đến tần số nhỏ hơn tần số trung tâm và sườn trước dịch đến tần số lớn hơn tần số trung tâm. Điều này có nghĩa là phổ của tín hiệu bị dãn rộng ra trong quá trình truyền. Đối với hệ thống WDM, khi các kênh quang quá gần nhau thì hiện tượng dãn phổ do SPM gây ra sẽ dẫn tới giao thoa và nhiễu giữa các kênh. ảnh hưởng của hiệu ứng SPM cũng tỉ lệ thuận với công suất quang và tỉ lệ nghịch với tiết diện hiệu dụng của sợi quang. *Hiệu ứng điều chế pha chéo(XPM):Đối với hệ thống WDM thì chiết suất tại một bước sóng nào đó phụ thuộc không những vào cường độ quang của bước sóng đó mà còn phụ thuộc vào cường độ quang của các bước sóng khác. Trong trường hợp này, chiết suất phi tuyến ứng với bước sóng thứ i sẽ là: DnNL = n2(Ii + 2N IiIj) (3.5) Trong đó N là tổng số kênh quang. Ii là cường độ của bước sóng thứ i đang xét Ij là cường độ quang của bước sóng thứ j lân cận. Trong phương trình 3.5 ta thấy: Số hạng thứ nhất ứng với hiệu ứng SPM, số hạng thứ hai tương ứng với hiệu ứng XPM. Nếu giả sử công suất của các kênh là như nhau thì ảnh hưởng của hiệu ứng XPM sẽ gấp 2N lần hiệu ứng SPM. Do vậy, trong hệ thống WDM sử dụng sợi đơn mode thông thường có thể giảm hiệu ứng XPM bằng cách tăng khoảng cách giữa các bước sóng ghép. *Hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM): Trong hệ thống WDM, chiết suất phụ thuộc cường độ quang không chỉ gây ra hiện tượng tự điều pha mà còn gây ra hiện tượng trộn bốn sóng. Trong hiệu ứng này, 2 hoặc 3 sóng quang có tần số khác nhau sẽ tương tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới như 2f1 – f2, f1 + f2 – f3, 2f2 – f3,... Đây gọi là trộn bốn bước sóng, nghĩa là từ các tần số ban đầu tạo ra tần số thứ tư có tổ hợp là từ các tần số trên và nằm sát các tần số đó. Do việc tạo ra tần số mới từ các tần số cũ nên công suất các tần số cũ sẽ giảm đi đáng kể. Hơn nữa, khi khoảng cách các kênh là bằng nhau thì các tần số mới đuợc tạo ra sẽ rơi vào một trong những kênh tín hiệu và gây nhiễu, làm suy giảm chất lượng hệ thống.ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cách giữa các kênh trong hệ thốngWDM càng nhỏ cũng như khi khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn. Vì vậy, hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự li truyền dẫn. Nếu gọi sFWM là ảnh hưởng của hiệu ứng FWM thì sFWM ~ P2/(Aeff2D2). với D là hệ số tán sắc của sợi quang. Tổng số các thành phần mới được tạo ra có thể tính như sau: M = (N3 –N2)/2 (3.6) Trong đó N là số kênh ban đầu. 3.3.2 Giải pháp khắc phục hiệu ứng phi tuyến của sợi quang Từ phân tích trên ta thấy có các giải pháp khắc phục sau: + Lựa chọn sợi quang phù hợp. +Giảm công suất phát của các kênh... Khi số kênh tín hiệu ở khoảng cánh từ mười đến vài chục kênh thì ảnh hưởng của hiệu ứng FWM là chính.Vì mục tiêu đặt ra là giảm ảnh hưởng của hiệu ứng FWM.Có 3 phương án: a)phương án tạo khoảng cánh giữa các kênh tín hiệu bằng nhau: Phương án này có khoảng cánh giữa các kênh bước sóng bằng nhau và sử dụng sợi quang NZ-DSF(G.655).Như vậy vừa giảm ảnh hưởng của FWM,hỗ trợ truyền dẫn nhiều kênh,lại làm cho tán sắc ở vùng bước sóng 1550 nm không quá lớn(1-6ps/nm.km),thuận lợi cho việc truyền tín hiệu tốc độ 10 Gbit/s.Phương án này sẽ làm nền tảng cho công nghệ DWDM. b)phương án tạo khoảng cánh giữa các kênh tín hiệu không bằng nhau: Phương án này làm cho thànhphần tần số mới sinh ra bởi hiệu ứng FWM phần lớn bên ngoài băng thông của bộ lọc.Từ đó có thể giảm được rất nhiều ảnh hưởng của hiệu ứng FWM,nâng cao công suất quang tối đa của các kênh. c)Phương án tạo một phần khoảng cánh giữa các kênh tín hiệu bằng nhau Khuyết điểm chính của phương án b là chiếm dụng băng tần quá lớn,gấp 1,8lần so với phương án c.Vì băng tần của hệ thống thực tế là có hạn,do đó phương án b không thích hợp với hệ thống WDM có số kênh bước sóng tương đối nhiều.Từ đó người ta nghĩ ra phương án tạo một phần khoảng cánh giữa các kênh tín hiệu bằng nhau.Phương án này chiếm băng tần của hệ thống chỉ bằng 58% phương án b,vì vậy số lượng bước sóng có thể ghép tăng lên rất nhiều. 3.4 Độ bằng phẳng của tăng ích bộ khuyếch đại quang sợi EDFA sử dụng trong hệ thống WDM có một yêu cầu đặc biệt,đó là tăng ích bằng phẳng.Như đã biết các bộ EDFA có tăng ích không đồng đều ,do đó các bước sóng khác nhau sẽ được tăng ích với các hệ số khác nhau. Qua nhiều tầng khuyếch đại ,sai lệch của tăng ích tích luỹ lại. Điều đó sẽ làm giảm cấp nghiêm trọng SNR của các tín hiệu có bước sóng ở vùng hệ số tăng ích thấp.Mặt khác nó cũnh làm tăng hiệu ứng phi tuyến của các tín hiệu có bước sóng ở vùng có hệ số tăng ích cao.Tóm lại làm giảm chất lượng của hệ thống. Do đó mục tiêu đặt ra là cần chế tạo các bộ EDFA có hệ số tăng ích phải tương đối bằng phẳng,đảm bảo chênh lệch tăng ích trên các kênh nằm trong phạm vi cho phép. 3.5 Tích luỹ tạp âm khi dùng bộ khuyếch đại quang EDFA nhiều tầng Về lí luận, hệ số tạp âm của bộ khuếch đại EDFA có thể đạt tới 3 dB (Thường thì trong thực tế là cỡ 4 – 6 dB). Điều nàycó nghĩa là qua khuếch đại EDFA, SNR xấu đi ít nhất 1 tới 2 lần. Mức độ xấu đi của SNR có quan hệ tới số lượng bộ khuếch đại EDFA nhiều tầng và khoảng cách đoạn sợi quang giữa các bộ khuếch đại với nhau. Khoảng cách của đoạn sợi quang giữa các bộ khuếch đại càng lớn thì sự xấu đi của SNR càng nghiêm trọng. Do đó khi xác định tổng cự li truyền dẫn không có bộ chuyển tiếp thì cần làm cho độ dài của chặng nhỏ hơn 120 km (tương đương với suy hao 33 dB) nhằm đảm bảo tính năng truyền dẫn về mức SNR. Chương iv ứng dụng của hệ thống wdm 4.1 ứng dụng wdm trong mạng truyền dẫn 4.1.1 Tuyến truyền dẫn điểm - điểm dung lượng cao Trong tuyến thông tin điểm-điểm đường dài, tốc độ của một kênh thường nhỏ hơn 10Gb/s. WDM có vai trò tăng dung lượng tuyến truyền dẫn. Hình 4.1 chỉ ra sơ đồ khối một tuyến thông tin WDM. Mỗi kênh tín hiệu điện được điều chế với một sóng mang riêng. Sau đó chúng được ghép lại và truyền đến đầu thu. Giả sử có N kênh với tốc độ B1 ,B2,...,BN được truyền đồng thời qua sợi quang có chiều dài L. Tích tổng số tốc độ và khoảng cách BL đựoc xác đinh như sau: Sợi quang l1 Tx Tx Tx Rx Rx Rx l2 ln l1 l2 ln Hình 4.1 Tuyến thông tin quang WDM điểm -điểm đơn hướng dung lượng cao MUX DMUX BL= (B1 +B2+...+BN)L (4-1) Khi tốc độ của các kênh bằng nhau, dung lượng của hệ thống tăng lên N lần. Năm 1985, BL đạt đến 1,37Tb/s-km ở bước sóng 1500nm bằng cách ghép 10 kênh 2Gb/s, chiều dài tuyến 68,3 km, khoảng cách kênh 1,35nm. Do tán sắc, giá trị BL của một hệ thống đơn kênh chỉ nhỏ hơn 1Tb/s-km. Dung lượng của một tuyến WDM phụ thuộc vào khoảng cách giữa các kênh trong miền bước sóng. Khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bị giới hạn bởi xuyên nhiễu giữa các kênh. Khoảng cách giữa các kênh thường lớn hơn bốn lần tốc độ bít. ở của sổ 1500nm, vùng suy hao thấp của sợi quang khoảng 120nm (hình 1.1). Ví dụ, đối với các kênh có tốc độ 2,5Gb/s, khoảng cách tối thiểu giữa các kênh là 10GHz hoặc 0,1nm, ta có thể ghép 1200 kênh trên băng thông 120nm. Do đó, tổng dung lượng lên tới 3Tb/s. Nếu một tuyến thông tin không sử dụng trạm lặp điện hoặc bộ khuếch đại quang thì khoảng cách truyền dẫn là 80km, BL hiệu dụng là 240Tb/s-km. Trong đó một hệ thống quang đơn kênh có khả năng truyền tốc độ bit 2,5 Gb/s, chiều dài tuyến là 80 km thì BL là 0,2 Tb/s-km. Trong thực tế, có rất nhiều yếu tố hạn chế việc sử dụng toàn bộ cửa sổ suy hao thấp của sợi quang. Ví dụ, bộ khuếch đại quang có dải khuyếch đại đòng đều thấp, điều này giới hạn số lượng kênh truyền trên sợi quang. Băng thông của EDFA thường từ 30 đến 35 nm, ngay cả khi sử dung công nghệ làm phẳng hệ số khuyếch đại. Một số yếu tố khác cũng làm hạn chế số lượng kênh là độ ổn định và khả năng điều chỉnh của laser phân bố hồi tiếp, sự suy giảm tín hiệu trong quá trình truyền dẫn gây ra bởi hiệu ứng phi tuyến, nhiễu xuyên kênh trong quá trình ghép kênh. Hiện nay có rất nhiều ứng dụng của hệ thống thông tin quang WDM điểm-điểm dung lượng cao ở cấp độ thực nghiệm. Dựa vào khoảng cách truyền, có thể chia hệ thống WDM thực nghiệm thành hai loại, loại có khoảng cách truyền cỡ 100 km và loại trên 1000 km. Năm 1985 đã tồn tại hệ thống tin quang WDM thực nghiệm gồm 10 kênh 2Gb/s và khoảng cách truyền không dùng trạm lặp là 68,3 km. Năm 1995 hệ thống thông tin quang WDM dung lượng 340 Gb/s ra đời bằng cách ghép 17 kênh tốc độ 20 Gb/s và khoảng cách truyền 150 km. Nhưng ngay trong năm này đã có ba hệ thống WDM thực nghiệm khác ra đời với dung lượng trên 1 Tb/s. Thứ nhất là hệ thống WDM 55 kênh, khoảng cách giữa các kênh 0,8 nm, tốc độ mỗi kênh 20 Gb/s và khoảng cách truyền 150 km, sử dụng 2 bộ khuyếch đại. Do đó, dung lượng hệ thống là 1,1 Tb/s và BL bằng 165 Tb/s-km. Thứ hai là hệ thống 50 kênh, mỗi kênh có tốc độ 20 Gb/s, khoảng cách truyền là 55 km. Thứ ba là hệ thống ghép 10 kênh 100Gb/s với khoảng cách truyền 55 km. Hệ thống này sử dung kĩ thuật WDM kết hợp với TDM (mỗi kênh 100 Gb/s được tạo thành bằng cách ghép 10 kênh 10Gb/s theo kĩ thuật TDM). Đến cuối năm 1996 đã xuất hiện hệ thống có dung lượng 2,64 Tb/s bằng cách ghép 132 kênh, khoảng cách kênh 0.27 nm. Bảng 4.1 liệt kê một số hệ thống WDM thực nghiệm trước năm 1995. Bảng 4.1 Một số hệ thống WDM thực nghiệm Số kênh N Tốc độ bit B(Gb/s) Dung ượng N.B(Gb/s) Khoảng cách L (km) NBL (Tb/s-km) 10 100 1000 40 40 16 10 160 531 85 32 10 320 640 205 32 5 160 9300 1488 50 20 1000 55 55 55 20 1100 150 165 132 20 2640 120 317 Nhóm thứ hai trong hệ thống WDM thực nghiệm có khoảng cách truyền trên 1000km. Nhóm này được chia làm hai loại, mạng đường thẳng và mạng vòng. Năm 1994 tuyến quang đường thẳng 40 Gb/s với khoảng cách truyền 1420 km đã ra đời. Hệ thống này được tạo thành từ việc ghép 16 kênh 2,5 Gb/s và có khoảng cách giữa hai bộ khuyếch đại là 100km. Tiếp theo đó là hàng loạt các hệ thống mới ra đời có dung lượng và khoảng cách truyền tăng lên. Trong một thí nghiêm đã tạo ra hệ thống 20 Gb/s (ghép 8 kênh 2,5 Gb/s), khoảng cách truyền 6000 km, khoảng cách giữa hai bộ khuyếch đại là 75 km. Một thí nghiệm khác cũng tạo ra hệ thống 40 Gb/s (ghép 8 kênh 5 Gb/s), khoảng cách truyền 4500 km và sử dụng mã RZ để cải thiện tỉ số tín hiệu trên tạp âm. Năm 1996 đã cho ra đời hệ thống WDM thực nghiệm dung lượng 320 Gb/s (ghép 16 kênh 20 Gb/s) độ dài tuyến 531 km. Đối với loại loop vòng sợi quang đã tồn tại hệ thống 100 Gb/s (ghép 20 kênh 5 Gb/s) truyền vượt đại dương với khoảng cách 9100 km. Hệ thống này có sử dụng thêm kĩ thuật ngẫu nhiên hoá phân cực và sửa lỗi trước. Như vậy với sự ra đời của hệ thống WDM, dung lượng của hệ thống thông tin quang tăng lên rất nhiều. Một số hệ thống WDM đã được triển khai trong thực tế. Năm 1995, hệ thống WDM 4 kênh, mỗi kênh có tốc độ 2,5 Gb/s đã được thương mại hoá. Đến năm 1996, hệ thống WDM dung lượng 40 Gb/s (ghép 16 kênh 2,5 Gb/s) bắt đầu được thương mại hoá. Hệ thống này sử dụng dải băng tần 12nm ở bước sóng 1550 nm và khoảng cách giữa các kênh 0,8 nm. Đến năm 1997 đã tồn tại tuyến thông tin quang 80 Gb/s tiếp đó là hệ thống 160 Gb/s (ghép 16 kênh 10 Gb/s). Kĩ thuật WDM đã tạo ra một cuộc cách mạng trong hệ thống thông tin quang. 4.1.2 Mạng quảng bá Trong mạng quảng bá, nhiều kênh tín hiệu được ghép lại và truyền tới một nhóm thuê bao. Tại mỗi thuê bao, bộ thu thực hiện chức năng lựa chọn một kênh thích hợp thông qua việc tách kênh. Mạng truyền hình cáp CATV là một ví dụ của mạng quảng bá. Nhiều kênh truyền hình được ghép lại và đưa tới một bus quang chung, sau đó phân phối tới từng thuê bao riêng biệt. Hình 4.2 là sơ đồ của mạng WDM quảng bá sử dụng sao quảng bá. Mỗi kênh tín hiệu được điều chế với một bước sóng riêng. Các kênh này được ghép với nhau nhờ một coupler quang thụ động và được phân phối đồng đều tới tất cả các bộ thu. Mỗi thuê bao nhận được toàn bộ dung lương của hệ thống và lựa chọn một kênh thích hợp. Mạng này còn đươc gọi là mạng phát quảng bá và thu lựa chọn. Nếu hệ thống thông tin quang sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent thì phía thu có thể lựa chọn kênh bằng cách thay đổi băng thông bộ lọc trung tần hoặc điều chỉnh tần số dao động nội. Nếu hệ thống sử dụng kĩ thuật tách sóng trực tiếp thì ta dùng các bộ lọc quang để lựa chọn bước sóng cần thiết. Hiện nay tồn tại rất nhiều ứng dụng của mạng quảng bá ở cấp độ thí nghiệm. Gần đây có một thí nghiệm về sao quảng bá 8x8 để phân phối 7 kênh tín hiệu, khoảng cách các kênh 15 nm. Mỗi bộ thu có một bộ lọc khả chỉnh băng thông 10 nm và dải điều chỉnh 400 nm. Ngoài ra còn một số thí nghiệm khác sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent, thực hiện ghép 10 kênh quang 70Gb/s, và khoảng cách kênh 6GHz. Thí nghiệm này sử dụng sao quảng bá 128 x128 để đưa tín hiệu tới nhiều thuê bao khác nhau. l1 1 2 . . N l2 lN l1,l2,...lN Bộ phát Bộ thu khả chỉnh Saoquảng bá Hình 4.2 Mạng WDM quảng bá hình sao Trong mạng quảng bá, có hai vấn đề cần được quan tâm là suy hao phân bố và suy hao xen. Suy hao phân bố là do tín hiệu trên đường truyền được chia đều tới tất cả các thuê bao. Mỗi thuê bao nhận một phần công suất của tín hiệu tổng. Suy hao phân bố tăng khi N tăng, do đó nó giới hạn N nhỏ hơn 100 nếu không sử dụng các bộ khuếch đại quang để bù suy hao. Đối với sao quảng bá Nx N, suy hao phân bố giảm và công suất tín hiệu mà mỗi thuê bao nhận được là: PR =(PT /N) (1- d) log2N (1-CL) (4-2) Trong đó: PT là công suất truyền trung bình của tín hiệu d là suy hao xen của mỗi coupler cấu tạo nên sao quảng bá CL là các loại suy hao khác như suy hao sợi quang, suy hao connector Công suất nhận được PR phải lớn hơn độ nhạy máy thu Prec .Prec được xác định như sau: Prec= NP hn B (4-3) Trong đó: NP là số lượng photon trung bình trên một bit tại mức công suất vào bằng độ nhạy máy thu. B là tốc độ bit của mỗi kênh tín hiệu. Từ công thức (4-2),(4-3) và giả thiết PR = Prec ta có: (4-4) Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của BN vào số lượng kênh N Từ công thức (4-4) ta có thể dự báo dung lượng của mạng quảng bá. Trong máy thu coherent NP = 1000, công suất truyền lớn nhất PT = 1mW, ở bước sóng 1550 nm năng lượng photon hn = 0,8 eV. Giả sử suy hao coupler và các suy hao khác đều bằng không. Khi đó, B.N = 78 Tb/s. Trong trường hợp tách sóng trực tiếp NP =100 thì B.N = 7,8 Tb/s. Trong thức tế, giá trị B.N thường nhỏ hơn vì luôn tồn tại suy hao coupler, một số suy hao khác và công suất phát quang cũng nhỏ hơn. Hình 4.3 chỉ ra sự phụ thuộc của B.N vào số lượng kênh N của hai phương pháp tách sóng coherent và tách sóng trực tiếp. B.N = 10 Tb/s trong trường hợp lí tưởng không có suy hao của coupler quang (đường 1). Khi lấy d = 0.05 (suy hao của coupler bằng 0,2dB) ta được đường 2. Hai đường cong 3 và 4 biểu diễn B.N trong trường hợp thực tế. Các đường đứt nét biểu diễn B.N với các tốc độ bit cố định. Từ đồ thị ta có, khi B =622Mb/s và tách sóng trực tiếp thì B.N= 1Tb/s, N =1600. Khi tách sóng coherent thì B.N = 3 Tb/s và N =4800. Ta có thể khắc phục các ảnh hưởng của suy hao phân bố bằng cách sử dụng các bộ khuyếch đại quang. Năm 1990 có một thí nghiệm sử dụng hai bộ khuyếch đại quang EDFA trong mạng quảng bá, mạng này có dung lượng khoảng 39,5 triệu thuê bao. Bộ khuyếch đại có chức năng bù phần năng lượng bị suy hao do phân bố, đảm bảo công suất tín hiệu tại mỗi thuê bao là đủ lớn. Ngoài ra, còn một hệ thống thí nghiệm nữa có số thuê bao là 43,8 triệu, dung lượng của hệ thống 39,81Gb/s và khoảng cách truyền dẫn là 507km. 4.2 ứng dụng của WDM trong mạng đa truy nhập 4.2.1 Mở đầu Trong thực tế có rất nhiều kiểu đa truy nhập khác nhau như TDMA, CDMA, FDMA, WDMA. Các kĩ thuật này dựa vào tài nguyên thời gian, không gian, tần số và bước sóng để phân phối tín hiệu từ trạm thu tới trạm phát. Mạng WDM đa truy nhập còn gọi là mạng quang đa truy nhập theo bước sóng (WDMA). Điểm khác biệt lớn nhất giữa mạng quang đa truy nhập và mạng quảng bá là mạng đa truy nhập có khả năng đáp ứng truy nhập song hướng của một thuê bao bất kì. Mỗi thuê bao có thể thu/phát tín hiệu từ/tới bất kì một thuê bao khác. Trong mạng WDMA, băng thông rộng của sợi quang được chia thành các khoảng nhỏ, mỗi khoảng này mang một kênh quang riêng biệt. Các kênh này được truyền đồng thời trên cùng một sợi quang. Khoảng cách tối thiểu giữa hai bước sóng cỡ 0,4 đến 0,8 nm. Mỗi bước sóng này có thể mang một kênh tín hiệu có tốc độ lên tới Gb/s. Hình 4.4 mô tả sơ đồ khối của một mạng truyền dẫn quang đa truy nhập phân chia theo bước sóng. Hình 4.4 Sơ đồ khối mạng truyền dẫn quang đa truy nhập phân chia theo bước sóng Node 1 Node 3 Node 2 Node N Coupler NxN Các kênh quang từ các nút khác nhau được ghép với nhau nhờ một coupler quang N xN. Bộ ghép trộn tất cả các tín hiệu đến và chia đều công suất tới các bộ thu. Kết quả là, tín hiệu từ tất cả các cổng vào có thể được thu từ các cổng ra bất kì. Hệ thống có sự chia sẻ bước sóng, từ một nút bất kì có thể thu được kênh chung trong môi trường chia sẻ. Tất cả các kênh được phát vào môi trường chia sẻ (coupler sao) và mỗi nút thu tín hiệu của tất cả các nút còn lại trên mạng. Môi trường chia sẻ có cấu trúc mạng sao, bus hoặc mạng ring, kết nối tất cả các nút với nhau. Mỗi nút thu tín hiệu mong muốn bằng phương pháp tách sóng trực tiếp hoặc coherent. Mỗi nút thu/phát tần số cố định hoặc thay đổi. Do đó, việc triển khai mạng WDMA đòi hỏi các thành phần quang có khả năng điều chỉnh bước sóng như laser phát khả chỉnh, bộ lọc quang khả chỉnh. Các thành phần này xây dựng nên các bộ thu phát quang có khả năng điều chỉnh bước sóng ở mỗi nút mạng. Mạng WDMA có hai vấn đề cần được quan tâm. Đó là tốc độ điều chỉnh bước sóng và giao thức mạng. Tốc độ điều chỉnh bước sóng phải nhanh để đáp ứng yêu cầu của mạng, đặc biệt trong mạng chuyển mạch gói. Ngoài ra, giao thức được triển khai trong mạng phải đảm bảo kết nối ngang hàng các kênh tín hiệu khác nhau. Mạng WDMA có hai cấu hình cơ bản là WDMA đơn chặng (single hop) và WDMA đa chặng (multi hop). 4.2.2 Mạng WDMA đơn chặng Trong mạng WDMA đơn chặng mỗi nút đều có khả năng kết nối trực tiếp đến tất cả các nút khác. Dữ liệu được phát đi dưới dạng ánh sáng và được truyền trực tiếp đến nút đích mà không phải chuyển về dạng tín hiệu điện. Để một gói dữ liệu được truyền, trước hết nó được phát vào mạng nhờ một laser phát. Tại nút đích bộ thu quang phải điều chỉnh bước sóng sao cho trùng với bước sóng phát. Khi đó, gói tin được truyền qua mạng tới nút đích. Mạng WDMA đơn chặng có thể chia làm hai loại, phát quảng bá thu lựa chọn và mạng WDMA định tuyến theo bước sóng. Trong mạng WDMA đơn chặng phát quảng bá thu lựa chọn, dữ liệu tại các nút phát ra được ghép lại và phát quảng bá tới tất các nút khác trong mạng. Phía thu lựa chọn kênh tín hiệu mong muốn dựa vào bước sóng. Có bốn loại mạng WDMA phát quảng bá thu lựa chọn, phát thay đổi thu cố định (TT-FR), phát cố định thu thay đổi (FT-TR), cả phát và thu cùng thay đổi (TT-TR) và cả phát và thu cố dịnh (FT-FR). Mạng WDMA đơn chặng sử dụng các bộ định tuyến theo bước sóng hoặc ma trận chuyển mạch không gian bước sóng. Trong thực tế, có rất nhiều ứng dụng của mạng WDMA đơn chặng ở cấp độ thực nghiệm hoặc thực tế. Một số ứng dụng của mạng WDMA là mạng quang thụ động PON (telephone PON và Broad PON), mạng Lambdanet, mạng quang thụ động PPL, mạng Rainbow. Mạng Lambdanet là mạng quang đầu tiên được triển khai cấp độ thí nghiệm. Cấu trúc mạng này được cho như hình 4.5 Coupler Sao NxN Giao diện điện Laser Tx l1 Bộ thu WDM DEMUX Giao diện điện Laser Tx l2 Bộ thu WDM DEMUX Nút 4 Nút 3 Nút N Hình 4.5 Cấu trúc mạng Lambdanet Nút 1 Nút 2 Mạng Lambdanet là mạng phát quảng bá thu lựa chọn hình sao FT-FR. Trong mạng này sử dụng một coupler hình sao N xN để phân phối tín hiệu tới tất cả các nút. Mỗi nút có một bộ phát riêng ở bước sóng xác định và N bộ thu hoạt động ở N bước sóng khác nhau (N là số người sử dụng hay số nút), mỗi nút nhận toàn bộ lưu lượng của mạng. Do đó, mạng này không bị tắc nghẽn mà truyền tín hiệu trong suốt không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương pháp điều chế. Những người sử dụng khác nhau có thể truyền tín hiệu có tốc độ bit khác nhau và dạng điều chế khác nhau, có thể truyền tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự. Vì vậy mạng Lambdanet rất linh hoạt và thích hợp cho nhiều loại ứng dụng khác nhau. Ta có thể truyền tín hiệu thoại trong cùng một cơ quan. Năm 1987 đã có một thí nghiệm về mạng 18 kênh tốc độ bit một kênh là 1,5 Gb/s, dung lượng hệ thống là 27 Gb/s. Mỗi kênh có thể truyền ở khoảng cách 57,8 km. Nhược điểm của mạng Lambdanet là số lượng người sử dụng bị giới hạn bởi số lượng bước sóng. Ngoài ra, mỗi nút cần có rất nhiều bộ thu (bằng số lượng người sử dụng). Do đó rất tốn kém khi đầu tư phần cứng cho hệ thống Khi sử dụng bộ thu khả chỉnh vào mạng Lambdanet làm giảm giá thành và độ phức tạp của hệ thống. Mạng như vậy được gọi là mạng Rainbow. Mạng này có khả năng kết nối 32 nút, mỗi kênh có tốc độ 1Gb/s và khoảng cách truyền từ 10 đến 20 km. Mạng sử dụng coupler sao thụ động (hình 4.5) để kết nối nhiều máy tính. Bộ lọc quang khả chỉnh lọc ra bước sóng thích hợp cho mỗi nút. Hạn chế của mạng Rainbow là tốc độ điều chỉnh của bộ thu chậm., không thể đáp ứng cho mạng chuyển mạch gói. Các mạng WDM sử dụng coupler sao thụ động được gọi là mạng quang thụ động (PON). Mỗi nút thu toàn bộ lưu lượng. PON mang tín hiệu quang tới tận nhà. Hình 4.6 chỉ ra sơ đồ khối của mạng vòng quang thụ động, bước sóng quang được dùng để đị