Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong cửa sổ truyền sóng (tại đó suy hao của tín hiệu truyền trong sợi là nhỏ nhất) của sợi quang đơn mode, nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống. Việc thực hiện ghép kênh không có một quá trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm tăng dung lượng và tốc độ truyền dẫn lên rất lớn. Chương này sẽ tập trung vào việc tìm hiểu về kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM, các công nghệ và thiết bị, các kỹ thuật cần quan tâm trong hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng. Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng Trong hệ thống thông tin quang thì tồn tại 3 cửa sổ truyền sóng là 3 vùng bước sóng có suy hao nhỏ nhất đó là: Vùng 1: có bước sóng λ = 0.8÷0.9 nm: có hệ số suy hao αmin = 2 ÷ 3 dB/km, là vùng dành cho sợi đa mode chiết suất nhảy bậc SI (Step Index) và chiết suất biến đổi GI (Graded Index), được dùng cho các hệ thống có cự ly truyền dẫn ngắn với tốc độ truyền khoảng vài chục Mb/s. Vùng 2: có bước sóng λ = 1÷1.3 nm: có αmin = 0,35 dB/km, lúc này tán xạ vật liệu không còn, được sử dụng cho các sợi đa mode GI và các sợi đơn mode và dùng cho các hệ thống truyền dẫn cự ly xa khoảng mấy chục km với tốc độ hàng Gb/s. Vùng 3: là vùng có bước sóng nằm trong khoảng ; có hệ số suy hao αmin=0.16dB/km, được dùng chủ yếu cho sợi đơn mode, dùng cho các hệ thống có cự ly truyền dẫn hàng trăm km với tốc độ lên đến hàng ngàn Gb/s. Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng WDM có thể ghép nhiều bước sóng truyền trên một sợi quang mà không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng. Công nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm. Khoảng bước sóng này được chia ra làm các băng hoạt động như trong Bảng 2.1. Bảng 2.1: Sự phân chia các băng sóng trong WDM. Băng sóng Mô tả: Phạm vi bước sóng(nm) Băng O Ban đầu: Original 1260÷1360 Băng E Mở rộng: Extended 1360÷1460 Băng S Ngắn: Short 1460÷1530 Băng C Tiêu chuẩn: Conventional 1530÷1565 Băng L Dài: Long 1565÷1625 Băng U Cực dài: Untra-long 1625÷1675 Nguồn Bảng 1.1-Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Trong hệ thống WDM thì thường sử dụng các bước sóng nằm trong các vùng có suy hao thấp như trên được thể hiện rõ hơn trong Hình 2.1. Định nghĩa WDM (Wavelength Division Multiplexing): WDM là phương thức ghép kênh quang theo bước sóng, cho phép ghép nhiều sóng quang có bước sóng khác nhau nhờ vào một bộ ghép kênh MUX (Multiplexing) rồi truyền trên 1 sợi quang. Tại đầu thu thì các bước sóng khác nhau sẽ được tách ra nhờ vào một bộ giải ghép kênh DEMUX (Demultiplexing) ở đầu bên kia của sợi quang. Nguồn Hình 1.7-OWDM Network-Biswanath Mukherjee Hình 2.1: Các cửa sổ có suy hao thấp sử dụng trong WDM. Nguyên lý hoạt động của công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng được minh hoạ như trong Hình 2.2. Phát tín hiệu MUX DE MUX Tx1 Tx2 TxN Rx1 Rx2 RxN Ghép tín hiệu Tách tín hiệu Thu tín hiệu Khuếch đại tín hiệu Sợi quang Nguồn Hình 1.2-Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 2.2: Nguyên ‎ lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM. Phần phát tín hiệu: Hệ thống WDM sử dụng các nguồn phát quang là các Laser có độ rộng phổ hẹp, phát ra các bước sóng ổn định, mức công suất đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng dịch tần phải nằm trong giới hạn cho phép. Ghép/tách tín hiệu: Bộ ghép các bước sóng quang OMUX có nhiệm vụ ghép các bước sóng khác nhau λ1, λ2, λ3,…, λN từ các nguồn quang khác nhau thành một luồng ánh sáng chung để truyền qua sợi quang. Bộ ghép kênh quang này phải có suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu ở đầu ra của bộ ghép kênh ít bị suy hao, giữa các kênh phải có khoảng bảo vệ nhất định để tránh nhiễu sang nhau. Bộ tách tín hiệu quang ODEMUX có nhiệm vụ phân luồng tín hiệu thu được thành các kênh có bước sóng khác nhau và đi đến đầu thu riêng. Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền tín hiệu trong sợi quang chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao, tán sắc hay các hiệu ứng phi tuyến mà mức độ ảnh hưởng của mỗi yếu tố phụ thuộc vào loại sợi được sử dụng trong hệ thống. Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng các bộ khuếch đại quang là các bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) hoặc bộ khuếch đại Raman. Thu tín hiệu: Các hệ thống WDM sử dụng các bộ tách sóng quang là các bộ PIN (Positive Intrinsic Negative) hoặc Diode quang thác APD (Avalanche Photo-Diode) để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, nó phải tương thích với bộ phát cả về bước sóng và đặc tính điều chế. Khi N kênh tại tốc độ bit B1, B2, …, BN được truyền đồng thời qua sợi có độ dài L, thì B.L = (B1+ B2+…+ BN)L. Khi tốc độ bit đồng đều, tức B1=B2=…=BN thì dung lượng của hệ thống sẽ tăng lên với hệ số N. Dung lượng cực đại của các tuyến WDM phụ thuộc vào khoảng cách cho phép giữa các kênh. Khoảng cách tối thiểu là khoảng cách mà đảm bảo được khả năng chống nhiễu xuyên kênh giữa các kênh. Các kênh tần số (hay bước sóng) của các hệ thống WDM đã được chuẩn hoá bởi ITU_T thì khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 Ghz, hệ thống WDM hiện tại (có sử dụng bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA- Erbium Doped Fiber Amplifier) hoạt động trong băng C và L thì sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt động trên mỗi băng. Như vậy, nếu giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh truyền mà sử dụng công nghệ WDM thì cũng đủ làm tăng băng thông truyền trên một sợi quang lên 64 lần. Hệ thống thông tin quang WDM có kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng lỏng CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) và kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng lỏng CWDM: là kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng mà trong đó khoảng cách giữa các kênh liên tiếp nhau lớn hơn 20 nm và độ rộng phổ của một kênh là 2500 Ghz. Bước sóng của laser thay đổi theo nhiệt độ nhưng đối với kỹ thuật này không cần bộ làm mát vì khoảng cách giữa các kênh liền nhau lớn. Kỹ thuật CWDM mang lại hiệu quả kinh tế cao đối với hệ thống cần ít bước sóng. Bảng 2.2: Bảng so sánh giữa CWDM và DWDM. CWDM DWDM Khoảng cách bước sóng ≈20 nm ≈0,8nm Độ rộng phổ 2500 Ghz 100 Ghz Điều khiển môi trường Không Có Nguồn Laser DFB (không làm mát) DFB (làm mát) Tốc độ dữ liệu/ kênh 2,5 Gbit/s 10 Gbit/s Tốc độ bít tập trung 40 Gbit/s 320 Gbit/s Giá thành kênh Thấp Cao Nguồn Bảng 1.1-Chuyển mạch gói trong WDM-Ngô Đức Tiến Khi dung lượng của hệ thống tăng lên thì số kênh ghép trong sợi quang tăng lên. Điều này làm cho kỹ thuật CWDM khó có thể đáp ứng được nhu cầu. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng mật độ cao DWDM đã khắc phục điều đó. DWDM là kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng mà khoảng cách giữa các kênh quang liền nhau truyền trên sợi quang là 0,8 nm tại vùng tần số 1550 nm và độ rộng phổ của một kênh tầm 100 Ghz. Hiện nay, người ta còn có thể ghép được các bước sóng mà khoảng cách giữa các kênh là 0,4 và 0,2 nm và độ rộng phổ lần lượt là 50 và 20 Ghz. Khi độ rộng phổ của bước sóng giảm xuống thì có nhiều yêu cầu cần phải giải quyết như: nhiệt độ của Laser phát phải ổn định, các thiết bị tách ghép phải hoạt động chính xác hơn. Những yêu cầu này làm cho giá thành của các thiết bị DWDM tăng lên rất nhiều so với các thiết bị của hệ thống CWDM. Việc so sánh giữa CWDM và DWDM được minh họa như trong Bảng 2.2. Các phương pháp truyền dẫn sử dụng ghép kênh quang theo bước sóng Có hai phương pháp thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép kênh quang theo bước sóng WDM, đó là truyền dẫn WDM đơn hướng và truyền dẫn WDM song hướng. Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng là: ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng l1, l2, ..., li qua bộ ghép/tách kênh được ghép lại với nhau thành một luồng tín hiệu truyền dẫn theo một chiều trên một sợi. Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng li+1, li+2,..., lN được truyền dẫn theo chiều ngược lại. Phương pháp này chỉ cần sử dụng một sợi quang cũng có thể thiết lập được một hệ thống truyền dẫn cho cả chiều đi và chiều về. Phương pháp này được biểu diễn trong Hình 2.3. Tx1 Tx2 TxN DE MUX MUX Rx1 Rx2 RxN λ1, λ2,…, λi λi+1, λi+2,…, λN Nguồn Hình 1.3- Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 2.3: Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng. Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng là: tất cả kênh quang trên cùng một sợi quang được ghép lại thành một luồng tín hiệu và được truyền theo cùng một hướng. Ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng , ,...., λN qua bộ ghép kênh được ghép lại với nhau thành một luồng tín hiệu và truyền dẫn theo một chiều trên một sợi quang đến đầu thu. Ở đầu thu, bộ giải ghép bước sóng quang tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau trong luồng tín hiệu thu được để đến các đầu thu riêng rẽ. Ở hướng ngược lại, có nguyên lý truyền giống như nguyên lý truyền ở hướng đi nhưng truyền trên một sợi quang riêng biệt khác. Phương pháp truyền dẫn đơn hướng được biểu diễn trong Hình 2.4. DE MUX Tx1 Tx2 TxN MUX Rx1 Rx2 RxN λ1, λ2,…, λN EDFA λ1, λ2,…, λN EDFA Nguồn Hình 1.3- Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 2.4: Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng. Hai phương pháp truyền dẫn đều có ưu nhược điểm riêng. Giả sử công nghệ hiện tại cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, thì có thể so sánh hai phương pháp như sau: Đầu tiên là về dung lượng: phương pháp truyền hai hướng trên hai sợi có dung lượng cao gấp đôi so với phương pháp truyền hai hướng trên một sợi, nhưng số sợi quang cần dùng lại nhiều gấp đôi. Tiếp theo là khi có sự cố đứt cáp thì hệ thống truyền hai hướng trên hai sợi không cần cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động vì cả hai đầu liên kết đều có khả năng nhận biết tức thời sự cố. Bên cạnh đó, khi thiết kế mạng: hệ thống song hướng khó thiết kế hơn do phải xét đến các yếu tố xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng truyền trên một sợi quang hơn hệ thống đơn hướng, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không sử dụng chung một bước sóng. Cuối cùng là bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng. Nhưng do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm một nửa theo mỗi chiều, nên các bộ khuếch đại của hệ thống song hướng sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với hệ thống đơn hướng. Các công nghệ và thành phần thiết bị WDM Các công nghệ và thành phần thiết bị ghép bước sóng quang rất đa dạng, nhưng có thể phân loại chúng như Hình 2.5. Nguồn Hình 7.6-Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.5: Các thành phần thiết bị trong hệ thống WDM. Để đơn giản, lấy thiết bị giải ghép bước sóng để phân tích do các thiết bị WDM ở một mức độ nào đó có tính thuận nghịch, ví dụ như, bộ ghép bước sóng, khi đổi hướng đầu vào và đầu ra của nó thì nó sẽ trở thành bộ giải ghép bước sóng. Các bộ giải ghép bước sóng được chia ra làm hai loại chính theo công nghệ chế tạo, đó là: công nghệ WDM vi quang và công nghệ WDM ghép sợi. Công nghệ WDM vi quang Công nghệ WDM vi quang dựa trên cơ sở lắp ráp các thành phần vi quang và được ứng dụng chủ yếu trong hệ thống quang sử dụng sợi đa mode. Các thiết bị này dựa trên hai phương pháp công nghệ khác nhau, đó là các thiết bị có bộ lọc và các thiết bị phân tán góc. Phần tử lọc quang cho thiết bị WDM Thiết bị lọc quang cho WDM thường là bộ lọc điện môi làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ nào đó và cho dải phổ còn lại đi qua. Tức là, nó có có chế hoạt động mở cho một hoặc một số bước sóng tại một thời điểm để tách ra được một bước sóng trong nhiều bước sóng. Nguyên lý hoạt động của phần tử WDM với cấu trúc sử dụng lọc giao thoa như trong Hình 2.6. λ1 λ1, λ2,…, λN λ2,…, λN Bộ lọc Nguồn Hình 7.7-Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.6: Bộ tách sóng sử dụng bộ lọc giao thoa. Phần tử cơ bản của bộ tách sóng là bộ lọc điện môi giao thoa, nó có cấu trúc gồm các màng mỏng có chỉ số chiết suất cao (như TiO2 có n=2,2) và chỉ số chiết suất thấp (như MgF2 có n=1,35 hoặc SiO2 có n=1,46) đặt xen kẽ nhau như trong Hình 2.7. Bộ lọc giao thoa làm việc trên nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot, gồm hai gương phản xạ thành phần đặt cách nhau một lớp điện môi trong suốt. Các màng mỏng có độ dày bằng ¼ bước sóng truyền dẫn lớn nhất. Chiết suất cao Chiết suất thấp Lớp phân cách trong suốt Nguồn Hình 7.9- Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.7:Cấu trúc buồng lọc điện môi Fabry-Perot. Khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa sẽ tạo ra những phản xạ nhiều lần trong hốc cộng hưởng. Nếu độ dày của khoảng cách là số nguyên lần nửa bước sóng của chùm sóng tới, thì giao thoa xảy ra và bước sóng đó sẽ được truyền dẫn thông suốt nhất. Các bước sóng khác với bước sóng của buồng cộng hưởng thì sẽ bị phản xạ hoàn toàn. Đường cong công suất đầu ra của bộ lọc như trong Hình 2.8. λ λ0 Pout Nguồn Hình 7.8- Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.8: Đường cong công suất đầu ra của bộ lọc quang dùng buồng cộng hưởng Fabry-Perot. Có các loại bộ lọc giao thoa được đặc trưng bởi bước sóng cắt λc là bộ lọc thông thấp có λ λc, và bộ lọc thông dải có λ-∆λ /2< λc< λ+∆λ /2, với ∆λ là độ rộng dải băng, T là hàm truyền đạt của bộ lọc như trong Hình 2.9. T λ λc λ> λc T λ λc ∆λ λ-∆λ/2<λC<λ+∆λ/2 (2) (3) T λ λc λ< λc (1) Nguồn Hình 7.10- Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.9: Đặc tính phổ của các bộ lọc: (1): lọc thông thấp, (2): lọc thông cao, (3): lọc thông dải. Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao được sử dụng trong các thiết bị để kết hợp hoặc tách hai bước sóng cách xa nhau, hiệu quả cho các nguồn có phổ rộng. Còn bộ lọc thông dải sử dụng tốt cho các thành phần thiết bị WDM, hiệu quả cho các nguồn phổ hẹp và nó còn được sử dụng khi có sự dịch bước sóng của nguồn phát do ảnh hưởng của nhiệt độ. λ1, λ2,…, λn Bộ lọc λ1 λ3 λ2 λ4 Nguồn Hình 7.12- Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.10: Cấu trúc bộ giải ghép nhiều bước sóng. Để tạo được thiết bị hoàn chỉnh thì người ta tạo ra cấu trúc lọc theo tầng sử dụng nhiều bộ lọc, mỗi bộ lọc có khả năng lọc được một bước sóng nhất định, muốn lọc n bước sóng thì cần n bộ lọc được sắp xếp như trong Hình 2.10. Thực tế, người ta sử dụng các thấu kính GRIN, các bộ lọc cách điện như trong Hình 2.11 để tách các bước sóng quang. GRIN Lens GRIN Lens GRIN Lens GRIN Lens GRIN Lens GRIN Lens GRIN Lens λ1 λ2 … λN λ1 λ3 λ5 λ2 λ4 λ6 Các bộ lọc cách điện Thanh SiO2 Lens: thấu kính Nguồn Bài giảng thông tin quang nhiều kênh WDM-Nghiêm Xuân Anh Hình 2.11: Cấu trúc một bộ giải ghép vi quang thực tế. Thấu kính GRIN làm việc theo nguyên lý khúc xạ nội khi ánh sáng đi qua vật liệu có chiết suất biến đổi. Độ dài của thấu kính phụ thuộc vào bước sóng sử dụng, nên có thể sử dụng chúng để tách các bước sóng cần thiết. Dải bước sóng đi đến thanh SiO2 một phần sẽ đi đến thấu kính GRIN, thấu kính này sẽ lọc bước sóng công tác của nó, phần còn lại sẽ được phản xạ lại trong thanh SiO2 đến thấu kính GRIN tiếp theo. Cứ như vậy, sẽ tách được tất cả các bước sóng trong dải bước sóng tới đó. Phần tử quang phân tán góc của thiết bị WDM Phần tử quang phân tán góc sẽ tách các bước sóng khác nhau thành các chùm, hướng theo các góc khác nhau, tùy thuộc vào bước sóng của chúng. Các kênh đã được tách sẽ được hội tụ nhờ một hoặc một số các lăng kính và được đưa vào các sợi quang riêng rẽ như trong Hình 2.12. λ1, λ2,…, λN Phần tử phân tán góc λ1 λ2 λN Nguồn Hình 7.15-Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.12: Phần tử phân tán góc cho WDM. Ban đầu, sử dụng lăng kính làm phần tử phân tán góc nhưng do nó có mức độ phân tán thấp, nên khó tách được những tia sáng có bước sóng gần nhau. Sau đó, sử dụng cách tử nhiễu xạ làm phần tử phân tán góc. Cách tử nhiễu xạ được cấu tạo gồm nhiều rãnh hình răng cưa và trên rãnh có phủ một lớp phản xạ. Khi có ánh sáng đi vào bề mặt cách tử, nó sẽ được cách tử phản xạ chệch hướng theo các góc khác nhau tùy thuộc vào bước sóng như trong Hình 2.13. Có hai loại cách tử phản xạ là cách tử tuyến tính kết hợp với các phần tử hội tụ và cách tử hội tụ. Tia tới Tia phản xạ θ 0 1 2 3 Ø3 Ø2 Ø1 Ø0 Hình 2.13: Cách tử nhiễu xạ. Công nghệ WDM ghép sợi Công nghệ WDM vi quang được sử dụng hiệu quả cho sợi đa mode, nhưng không hiệu quả cho sợi đơn mode, vì phải qua các giai đoạn như phản xạ, chuẩn trực hay hội tụ trong quá trình xử lý chùm sáng, dẫn tới quang sai và trễ làm suy hao tín hiệu lớn. Bộ ghép định hướng sợi được sử dụng để chia quang và kết hợp quang. Nguyên lý hoạt động của bộ ghép sợi : Bộ ghép sợi hoạt động dựa vào việc ghép hai trường ánh sáng ngoài lõi. Các bộ ghép (Couper) có tính lựa chọn bước sóng nên có thể kết hợp hoặc tách các bước sóng khác nhau. Bộ ghép có hệ số ghép k liên quan đến lượng ánh sáng qua lại từ sợi này đến sợi kia. Chùm ánh sáng xuất hiện ở cả hai đầu ra sẽ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các lõi sợi, chỉ số khúc xạ vật liệu ở giữa, đường kính lõi sợi, độ dài tương tác và bước sóng ánh sáng. Có hai cấu trúc là bộ ghép xoắn nóng chảy và bộ ghép dựa trên việc mài bóng sợi: Bộ ghép xoắn nóng chảy: Có hai sợi được xoắn vào nhau dưới tác dụng của nhiệt độ để hai lõi sợi đủ gần để ghép vào nhau. Nhờ việc xoắn nóng chảy sợi mà chu kỳ nửa bước sóng giảm chậm (vì đoạn xoắn vuốt thon được tăng lên) nên các bước sóng sẽ được tách. Bộ ghép dựa trên việc mài bóng sợi: Cả hai sợi được giữ trong rãnh chữ V cong và được mài bóng cho đến khi các lõi sợi của chúng gần như lộ ra. Sau đó, cho chúng tiếp xúc với nhau để tạo ra bộ ghép. λ1,…, λ4 λ1 λ2 λ3 λ4 λ1, λ2 λ3, λ4 Nguồn Hình 7.23- Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.14: Bộ ghép bốn bước sóng thực hiện ghép hai tầng. Các bộ ghép sợi chỉ có thể hoạt động đồng thời được với hai bước sóng, nếu số kênh cần ghép lớn hơn hai kênh, thì phải xử lý bằng cấu hình rẽ nhánh. Hình 2.14 là một ví dụ về thiết bị ghép WDM bốn bước sóng. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống WDM Cấu trúc hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM bao gồm các thiết bị sau: phần tử phát và thu, thiết bị xen rẽ, thiết bị đấu nối chéo quang, bộ biến đổi bước sóng, bộ định tuyến, bộ khuếch đại quang. Sau đây, sẽ tìm hiểu về một số loại thiết bị được sử dụng trong hệ thống WDM. Thiết bị xen /rẽ quang OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) Bộ xen/rẽ quang được sử dụng trong các hệ thống WDM khi hệ thống đó cần tách ra hoặc ghép vào một hoặc nhiều kênh mà vẫn phải bảo toàn tính nguyên vẹn của các kênh khác. Vai trò của bộ xen/rẽ quang có thể được làm rõ thông qua ví dụ sau: Node A Node B Node C Add/Drop a Add/Drop Node A Node B Node C b Nguồn Hình 2.7-Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM Hình 2.15: Vai trò của bộ OADM. Xét một mạng gồm ba nút A, B, C. Nút A trao đổi thông tin với nút C thông qua nút B, giả thiết rằng, các tuyến liên kết hoàn toàn song công. Giả sử yêu cầu lưu lượng như sau: giữa A và B có một bước sóng, giữa A và C có ba bước sóng. Các hệ thống WDM điểm nối điểm được triển khai để cung cấp nhu cầu lưu lượng này. Có hai giải pháp như trong Hình 2.15. Giải pháp 1: Có hai hệ thống điểm nối điểm, một giữa A và B, một giữa B và C. Mỗi liên kết điểm-điểm sử dụng một thiết bị đầu cuối OLT ở cuối liên kết (thiết bị đầu cuối đường quang OLT-Optical Line Terminator là thiết bị được dùng ở đầu cuối của một liên kết điểm nối điểm để ghép và giải ghép các bước sóng. OLT gồm 3 phần tử: bộ tiếp sóng, bộ ghép các bước sóng và bộ khuếch đại). Mỗi nút có bốn bước sóng, do đó cần có bốn bộ tiếp sóng. Nhưng chỉ có một bước sóng là dành cho nút B, các bộ tiếp sóng còn lại dùng để liên lạc giữa nút A và C. Vì vậy, sẽ có sáu trong tám bộ tiếp sóng ở nút B được dùng để điều khiển lưu lượng nên rất tốn kém. Giải pháp 1 được trình bày trong Hình 2.15(a). Giải pháp 2: không sử dụng hệ thống WDM điểm nối điểm mà sử dụng mạng định tuyến bước sóng. Ở mỗi nút A và C sử dụng một OLT, nút B sử dụng thiết bị xen/rẽ quang OADM. Bộ OADM sẽ tách lấy một trong bốn bước sóng của node B, ba bước sóng còn lại đi xuyên qua miền quang mà không cần các bộ tiếp sóng, như vậy, chỉ cần sử dụng hai bộ tiếp sóng chứ không cần tám bộ tiếp sóng như ở giải pháp 1, nên giảm được chi phí. Giải pháp 2 được minh họa trong Hình 2.15(b). Bộ OADM có nhiều kiến trúc được đề xuất để xây dựng, trong đó kỹ thuật đơn giản nhất là sử dụng một hoặc nhiều bộ lọc, bộ MUX/DEMUX. Nhưng có hai cấu trúc chung sau: cấu trúc song song và cấu trúc nối tiếp. Cấu trúc song song Trong cấu trúc song song, tất cả các kênh tín hiệu đều được tách/ghép kênh, sau đó, một số kênh tùy ý được tách, những kênh còn lại được cấu hình đi qua một cách thích hợp (xem Hình 2.16(a)). Có thể tách một tập các kênh tuỳ ý, vì vậy, không có sự ràng buộc trên các kênh được xen và tách. Vì thế, cấu hình này có ít ràng buộc nhất trong việc thiết lập đường truyền ánh sáng (đường truyền: là một đường đi của tín hiệu ánh sáng từ nguồn đến đích dưới dạng quang thông qua các kết nối trung gian. Một đường truyền có thể kéo dài qua nhiều tuyến truyền dẫn để cung cấp một kết nối chuyển mạch giữa hai nút mà có thể chứa một luồng lưu lượng lớn giữa chúng) trong mạng. Ngoài ra, suy hao qua bộ OADM là cố định và độc lập với số lượng kênh được xen/tách. Tuy nhiên, cấu hình này lại không hiệu quả về mặt kinh tế trong việc điều khiển một số nhỏ các kênh được tách, vì mỗi khi cần tách một bước sóng thì toàn bộ các bước sóng khác cần được tách và ghép lại với nhau. Vì vậy, phải trả chi phí cho việc tách và ghép với tất cả các kênh đi vào, không những vậy, nó còn làm suy hao tăng cao hơn, do tất cả các kênh đều được tách và ghép ở mọi OADM, mỗi đường truyền phải đi qua nhiều bộ lọc trước khi đến đích. Nhưng cấu hình này lại có hiệu quả hơn khi có một số lượng lớn các kênh được tách và linh hoạt trong việc thêm vào hoặc lấy ra bất cứ kênh nào. λ1, λ2,…, λw λ1, λ2,…, λw λ1, λ2,…, λw λ1, λ2,…, λw λ1, …, λ4 λ1 Drop Add λw λ2 (a) (b) Dải 4 Dải 1 Nguồn Hình 2.8- Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM Hình 2.16: Cấu trúc OADM song song. Để giảm chi phí của thiết kế trên, đã thực hiện như trên Hình 2.16(b) bằng việc thực hiện hai giai đoạn: giai đoạn một là tách riêng các bước sóng thành các dải, giai đoạn hai là tách các dải đó thành những bước sóng riêng rẽ. Ví dụ như, một hệ thống có 16 kênh thì có thể được chia thành 4 dải, mỗi dải gồm 4 bước sóng. Nếu chỉ có 4 kênh được tách ở một nút thì 12 kênh còn lại có thể giữ nguyên trong các dải thay vì phải tách từng kênh riêng rẽ. Ngoài ra, việc tách kênh theo các dải cho phép tín hiệu đi qua với suy hao thấp hơn và tính đồng dạng suy hao tốt hơn. Cấu trúc nối tiếp Trong cấu trúc nối tiếp, từng kênh được xen/tách lần lượt từ một kênh chính và có thể gọi theo tên khác là bộ xen tách đơn kênh SC-OADM (Single Channel OADM). Để xen/tách nhiều kênh, các SC-OADM được nối liên tiếp nhau như trong Hình 2.17. λ1,λ2,…λw Drop Add SC-OADM SC-OADM SC-OADM λ1 λ2 λ1,λ2,…λw Nguồn Hình 2.8- Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM Hình 2.17: Cấu trúc OADM ghép nối tiếp. Cấu trúc này về nhiều mặt thì tương phản với cấu trúc song song. Việc xen/tách các kênh ảnh hưởng đến các kênh đang tồn tại. Vì thế, cần lập kế hoạch tập bước sóng nào cần được lấy ra ở từng vị trí nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng này. Cấu trúc này chỉ hiệu quả khi một số nhỏ các kênh được xen/tách, nó không hiệu quả nếu số kênh cần xen/tách lớn, chi phí có thể tăng lên một cách đáng kể vì số thiết bị riêng rẽ phải nối lại với nhau. Ngoài ra, nó còn làm tăng suy hao khi có nhiều kênh cần xen/tách nên cần thêm bộ khuếch đại, do đó, sẽ làm tăng thêm chi phí của hệ thống. Sự gia tăng suy hao với số kênh được xen/tách đóng một vai trò quan trọng đối với hệ thống OADM nối tiếp. Giả sử, quỹ đường truyền cho phép một đường truyền giữa bộ thu và bộ phát là 25 dB. Xét trường hợp một đường truyền từ nút B đến nút D được thực hiện với suy hao gần 25 dB như trong Hình 2.18(a), giả sử, cần thêm một kênh truyền có bước sóng khác từ nút A đến nút C, cần lắp thêm một OADM ở nút C để tách đường truyền mới này. Bộ OADM này gây thêm suy hao 3dB đến những kênh đi xuyên qua nút C. Việc bổ xung OADM này làm suy hao từ B đến D lên thành 28 dB như trong Hình 2.18(b), do đó, không hiệu quả. Để khắc phục vấn đề này thì tìm cách khôi phục đường truyền của C bằng cách tách nó ra, đưa qua bộ khôi phục và ghép trở lại. Điều này yêu cầu thêm một OADM ở nút C, và làm tăng suy hao thêm 3 dB cho các kênh xuyên qua nút C. Việc này có thể lần lượt phá vỡ các đường truyền khác đi qua C như trong Hình 2.18(c). Vì vậy, việc ghép vào hay lấy ra các kênh đều ảnh hưởng đến tất cả các đường truyền khác trong mạng. Sử dụng bộ khuếch đại quang cùng với việc xây dựng đường truyền cẩn thận có thể khắc phục được một phần. Trong cấu trúc nối tiếp, các kênh không phải đi qua bộ lọc nào nên mỗi đường truyền chỉ đi qua hai bộ lọc ở nút nguồn và nút đích. SC-OADM A SC-OADM B SC-OADM D C X-3 dB 25 dB SC-OADM A SC-OADM B SC-OADM D C 28 dB (a) SC-OADM C X-3 dB (b) SC-OADM A SC-OADM B SC-OADM D SC-OADM C X-6 dB (c) SC-OADM Nguồn Hình 2.8- Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM Hình 2.18: Ảnh hưởng của sự thay đổi lưu lượng mạng sử dụng OADM nối tiếp. Để tận dụng những ưu điểm của cấu trúc song song và cấu trúc nối tiếp, còn có thêm một cấu trúc kết hợp như trong Hình 2.19. OADM λ1, λ2,…, λw λ1, λ2,…, λw Drop Add λ1, λ2, λ3, λ4 Nguồn Hình 1.55-Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 2.19: Cấu trúc OADM kết hợp. Trong cấu trúc này, một nhóm kênh cố định được xen/tách từ kênh truyền chính. Nhóm này sẽ được đưa qua tầng xen/tách tiếp theo để chia thành những kênh riêng biệt. Các kênh thêm vào thường được kết hợp với các bộ ghép đơn giản và cộng vào các kênh xuyên qua. Điển hình là 4 kênh kế tiếp nhau được tách trong số 32 kênh sử dụng một bộ lọc thông dải. Cấu trúc kết hợp dung hòa giữa cấu trúc song song và cấu trúc nối tiếp. Số kênh lớn nhất có thể tách được xác định bởi bộ lọc thông dải được sử dụng. Trong vòng nhóm các kênh này thì việc xen/tách các kênh thêm vào không làm ảnh hưởng đến các đường truyền khác trong mạng. Tuy nhiên, nó có cấu trúc phức tạp và đưa ra nhiều ràng buộc trong việc gán bước sóng vì chỉ một số lượng cố định được tách ở mỗi vị trí. Ví dụ như, nếu bước sóng λ1 được cộng ở một nút và lấy ra ở một nút kế tiếp, tất cả các bước sóng khác: λ2, λ3, λ4 trong cùng băng sóng với λ1 cũng sẽ được thêm vào ở nút đó và được lấy ra ở nút tiếp theo. Khi một bước sóng được tách thuộc một băng, nó cần được tái sinh lại trước khi có thể được chèn lại vào trong mạng. Vì vậy, ở ví dụ này, các bước sóng λ2, λ3, λ4 cần được phục hồi lại ở cả hai nút. Do vậy, khó có thể xây dựng được quỹ đường truyền cho phép dung lượng quang với những bước sóng này mà không cần tái sinh lại. Vấn đề này có thể khắc phục bằng cách sử dụng nhiều loại OADM, mỗi loại tập trung một tập các bước sóng khác nhau. Đây là một việc phức tạp, nhưng nếu các bước sóng cần tách có thể được sắp xếp trước và mạng duy trì cố định, thì điều này có thể chấp nhận được, nhưng với các mạng mà lưu lượng thay đổi theo thời gian thì điều này là không dễ. Cấu trúc OADM cấu hình lại Khả năng cấu hình lại rất cần thiết cho bộ OADM. Nó cho phép lựa chọn các bước sóng để xen/tách, mà không cần phải lên kế hoạch và triển khai thiết bị sao cho phù hợp. Điều này cho phép nhà cung cấp dịch vụ linh hoạt khi lập kế hoạch trong mạng và cho phép các đường quang được thiết lập và kết thúc theo yêu cầu của người sử dụng trong mạng. Cấu trúc OADM cấu hình lại được minh họa trong Hình 2.20. OSW demux Mux λ1 λ2 λn λ1 λ2 … λn λ1 λ2 … λn R/T T/R R/T T/R Bộ chuyển tiếp (a) SC-OADM R/T T/R SC-OADM R/T T/R SC-OADM R/T T/R λ1 λ2 λn Bộ chuyển tiếp λ1 λ2 … λn λ1 λ2 … λn (b) Nguồn Hình 1.56- Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 2.20: Cấu trúc OADM có thể cấu hình lại. Hình 2.20 đưa ra 1 số cấu trúc OADM khác nhau có thể cấu hình lại. Hình 2.20(a) là một biến thể của cấu trúc song song, nó sử dụng chuyển mạch quang để xen/tách các bước sóng riêng lẻ khi cần thiết. Hình 2.20(b) là biến thể của cấu trúc nối tiếp, ở đó mỗi SC-OADM là một thiết bị điều chỉnh, chúng có khả năng xen/tách một bước sóng riêng lẻ hoặc có thể cấu hình cho chúng xuyên qua. Cả hai cấu trúc này chỉ đáp ứng một phần vấn đề cấu hình lại bởi vì các bộ chuyển đổi tín hiệu vẫn cần được thiết kế để tạo ra sự thích nghi trong lớp quang. Phân biệt sự khác nhau giữa hai loại: một là bộ chuyển đổi tín hiệu cố định bước sóng, hai là bộ chuyển đổi tín hiệu điều chỉnh bước sóng. Loại thứ nhất có khả năng truyền dẫn và nhận tín hiệu ở một bước sóng cố định đặc biệt, đây là trường hợp phổ biến nhất đối với các bộ chuyển đổi tín hiệu ngày nay. Loại thứ 2 có thể truyền và nhận bất kỳ bước sóng mong muốn nào. Loại này sử dụng một Laser WDM để điều chỉnh và một bộ thu dải rộng có khả năng nhận bất kỳ bước sóng nào. Bộ ghép tín hiệu (Coupler) Bộ ghép tín hiệu (Coupler) là thiết bị quang dùng để kết hợp các tín hiệu truyền đến từ các sợi quang khác nhau. Nếu Coupler chỉ cho ánh sáng truyền qua nó theo một chiều thì được gọi là Couper đơn hướng, nếu Coupler cho phép ánh sáng đi qua nó theo hai chiều thì được gọi là Coupler song hướng. Coupler thông dụng nhất là Coupler FTB, được chế tạo bằng phương pháp kéo nóng chảy: làm nóng chảy hai sợi quang cạnh nhau và kéo dài phần nóng chảy thành dạng cấu trúc thắt làm hai phần, tín hiệu từ mỗi sợi được ghép lại với nhau và chia đều đến các cổng ra. Một Coupler 2×2 đặc trưng bởi tỷ số ghép α (0<α<1), α là tỷ lệ công suất ánh sáng ngõ vào 1 đến ngõ ra 1 so với tổng công suất ánh sáng vào ngõ vào 1. Phần tỷ lệ (1- α) công suất ánh sáng còn lại của ngõ vào 1 sẽ được truyền đến ngõ ra 2. Coupler lựa chọn bước sóng khi α phụ thuộc vào bước sóng và ngược lại, khi α không phụ thuộc vào bước sóng thì Coupler không phụ thuộc vào bước sóng. Coupler hình sao N×N được tạo thành bằng cách kết nối các Coupler 3 dB (Coupler 3 dB là coupler 2×2 khi α = 1/2, nó chia đều công suất tín hiệu ngõ vào thành hai phần bằng nhau ở hai ngõ ra) như Hình 2.21. 1 4 5 8 9 12 Nguồn Hình 7.28-Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.21: Bộ ghép hình sao 8×8. Nguyên lý hoạt động Khi hai sợi quang được đặt cạnh nhau, ánh sáng sẽ được ghép từ sợi này sang sợi kia và ngược lại. Đó là do quá trình truyền mode ánh sáng trên sợi quang qua vùng ghép sẽ khác so với truyền trên sợi quang đơn. Khi đó, toàn bộ ánh sáng thuộc một sợi quang sẽ được ghép hoàn toàn sang sợi quang ghép với nó, phần ánh sáng này lại tiếp tục được ghép ngược trở lại sang sợi quang ban đầu theo chu kỳ tuần hoàn khép kín. Kết quả là cường độ trường điện từ ở đầu ra của bộ ghép Eo1, Eo2 được tính theo cường độ trường điện từ đầu vào Ei1, Ei2 theo Công thức (2.1). (2.1) Trong đó: β: hệ số pha của sự truyền ánh sáng trong sợi quang. k: hệ số ghép, k phụ thuộc vào chiều rộng của sợi quang, chiết suất của lõi sợi và đến khoảng cách gần nhau của hai sợi quang khi thực hiện nung chảy. l: độ dài Coupler. Nếu chỉ cho ánh sáng vào ngõ 1 (Eo2=0) thì Công thức (2.1) được tính bằng Công thức (2.2). (2.2) Ở hai ngõ đầu ra lệch pha nhau π/2. Với điều kiện này, có thể tính được hàm truyền đạt công suất bằng Công thức (2.3). (2.3) Hàm truyền đạt công suất Tij được định nghĩa như trong Công thức (2.4). (2.4) Ứng dụng Coupler là linh kiện quang linh hoạt và có nhiều ứng dụng khác nhau: bộ Coupler với α ≈ 1 được dùng để trích một phần nhỏ tín hiệu quang, phục vụ cho mục đích giám sát; Là bộ phận cơ bản để tạo nên các thành phần quang khác như các bộ chuyển mạch tĩnh, các bộ điều chế, các bộ giao thoa và bộ chuyển đổi bước sóng; Thực hiện tách/ghép bước sóng trên sợi quang. Bộ Coupler 2×2 được ứng dụng phổ biến, tạo ra bộ Coupler N×N ghép N tín hiệu khác nhau vào một sợi quang. Bộ định tuyến bước sóng Bộ định tuyến bước sóng N×N là một thành phần WDM quan trọng. Nó kết hợp chức năng của một bộ ghép hình sao với các hoạt động tách/ghép kênh. Các tín hiệu WDM tới từ N cổng vào được giải ghép vào các kênh riêng và chuyển tới N cổng ra của bộ định tuyến sao cho tín hiệu WDM tại mỗi cổng gồm các kênh từ các đầu vào khác nhau được minh họa trong Hình 2.22. Bộ ghép kênh N×N có thể được sử dụng như một bộ định tuyến bước sóng. Ngoài ra, còn có bộ định tuyến cách tử ống dẫn sóng, gồm một bộ chép hình sao N×M chia đều công suất của N kênh đầu vào cho M cổng đầu ra, cách tử được tạo ra từ M ống dẫn sóng sẽ tách các kênh khác nhau theo bước sóng của chúng, bộ ghép M×N thứ 2 sẽ phân phối các tín hiệu đã được tách tới các đầu ra, và được định tuyến tới N nút mạng. λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ2 λ1 λ5 λ1 λ2 λ1 λ5 λ4 λ2 λ3 λ5 λ4 λ3 λ3 λ4 λ4 λ3 λ2 λ4 λ5 λ3 λ2 λ1 λ5 λ1 1 2 3 4 5 a b c d e Nguồn Hình 2.14-Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM-Ngô Đức Tiến Hình 2.22: Sơ đồ bộ định tuyến bước sóng. Thiết bị đấu nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect) Bộ xen/rẽ quang OADM được sử dụng hiệu quả khi điều khiển các cấu trúc mạng đơn giản, như các cấu trúc tuyến tính hoặc cấu trúc vòng Ring với số lượng bước sóng vừa phải. Nhưng đối với các cấu trúc mắt lưới cùng với số lượng các bước sóng cần xử lý lớn hơn, đặc biệt, tại các trung tâm điều khiển có lưu lượng cao, thì cần một phần tử khác gọi là bộ đấu nối chéo OXC, bộ OXC cho phép cấu hình lại mạng quang. Ở đó, các đường truyền có thể được thiết lập và kết thúc khi cần thiết. Nó được cấu trúc với mạch tích hợp rất lớn và khả năng nối kết hàng ngàn đầu vào/ra. Chức năng của bộ đấu nối chéo OXC OXC cung cấp các chức năng sau: Thứ nhất là cung cấp dịch vụ: OXC có thể được dùng để cung cấp một cách tự động các đường truyền trong một mạng lớn một cách tự động mà không cần phải thao tác bằng tay. Khả năng này rất quan trọng khi số bước sóng cần giải quyết lớn trong một nút hay nhiều nút trong mạng, nhất là khi các đường truyền trong mạng cần cấu hình lại để đáp ứng với sự thay đổi lưu lượng của mạng. Thứ hai là chuyển đổi bước sóng: ngoài khả năng chuyển mạch tín hiệu từ cổng này đến cổng khác thì OXC còn có khả năng chuyển đổi bước sóng. Thứ ba là khả năng giám sát, phát hiện truy nhập và định vị lỗi: OXC cho thấy tham số của một tín hiệu ở các nút trung gian. OXC cho phép kiểm tra thiết bị và giám sát các tín hiệu đi qua nó mà không làm ảnh hưởng đến tín hiệu. Tiếp theo là bảo vệ: OXC bảo vệ các đường truyền quang không bị đứt và tránh các sự cố của các thiết bị trong mạng. Bộ đấu nối chéo có thể phát hiện được sự cố trong mạng và định tuyến lại cho các đường truyền một cách nhanh chóng. Cuối cùng là tách/ghép kênh: OXC có thể điều khiển các tín hiệu ngõ vào/ra ở tốc độ đường quang. Tuy nhiên, nó còn có khả năng tách/ghép kênh để chuyển mạch lưu lượng nội tại. Một OXC được phân chia thành hai phần theo chức năng của nó là: một trung tâm chuyển mạch và một tổ hợp các cổng giao diện. Trung tâm chuyển mạch chứa bộ chuyển mạch thực hiện chức năng đấu nối chéo. Tổ hợp các cổng giao diện thực hiện việc giao tiếp với các thiết bị khác thông qua card giao tiếp. Các cổng giao tiếp có thể có hoặc không có các bộ biến đổi quang-điện hoặc biến đổi điện-quang. Cấu trúc của bộ đấu nối chéo OXC Cấu trúc của thiết bị OXC: có hai cách để thiết kế một bộ đấu nối chéo quang: Thứ nhất: Thiết bị đấu nối quang N×N sử dụng chuyển mạch phân chia theo không gian: bao gồm N cổng đầu vào, N đầu ra, mỗi một cổng thu một tín hiệu WDM có M bước sóng. Bộ giải ghép kênh sẽ tách tín hiệu thành các bước sóng riêng rẽ và phân phối bước sóng cho M bộ chuyển mạch, mỗi bộ chuyển mạch thu N tín hiệu đầu vào tại cùng một bước sóng. Cổng đầu vào và đầu ra phụ được thêm vào chuyển mạch cho phép tách ra hoặc xen vào một kênh xác định. Các bộ chuyển mạch đưa đầu ra của chúng tới N bộ ghép kênh, các bộ ghép kênh này sẽ kết hợp với M đầu vào của chúng, để tạo thành tín hiệu WDM. Bộ chuyển mạch được sử dụng là bộ chuyển mạch phân chia theo không gian như trong Hình 2.23. 1 2 N Space Switches λ1 λ2 λN 1 2 N DEMUX MUX Added Droped λ1,…,λM λ1,…,λM λ1,…,λM λ1,…,λM λ1,…,λM λ1,…,λM Nguồn Hình 7.32-Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.23: Cấu trúc OXC sử dụng chuyển mạch phân chia theo không gian. Thứ hai: Sử dụng bộ khuếch đại Laser bán dẫn SLA (Semiconductor Laser Amplifier) như một chuyển mạch cổng. Hình 2.24 mô tả chuyển mạch 4×4. Mỗi đầu vào được chia thành một số nhánh bằng các bộ chia 3 dB, mỗi nhánh đi qua một SLA, LSA này có thể chặn nó lại bằng cách hấp thụ hoặc cho nó đi qua thông qua quá trình khuếch đại tín hiệu. Nguồn Hình 7.32-Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.24: Bộ OXC 4×4 sử dụng bộ SLA. Phân loại bộ đấu nối chéo OXC Về phương diện ứng dụng, có 3 loại OXC bao gồm OXC chuyển mạch sợi FXC (Fiber XC), OXC lựa chọn bước sóng WSXC (Wavelength Selected XC) và OXC trao đổi bước sóng (Wavelength Interchange XC). FXC chuyển mạch tất cả các bước sóng từ một sợi đầu vào đến một sợi đầu ra, có khả năng cung cấp khả năng khôi phục và dự phòng đơn giản, nhưng lại không có tính linh hoạt trong việc hỗ trợ các dịch vụ bước sóng điểm-điểm mới. WSXC chỉ chuyển mạch một nhóm bước sóng từ một sợi đầu vào đến một sợi đầu ra. Nó có thể hỗ trợ các dịch vụ video phân bố hoặc từ xa, có khả năng linh hoạt trong việc khôi phục dịch vụ. WIXC có khả năng chuyển đổi hoặc thay đổi bước sóng của kênh. WIXC linh hoạt nhất so với hai loại còn lại. Bộ biến đổi bước sóng. Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng này ở đầu vào thành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu ra, mà không làm thay đổi nội dung của tín hiệu. Bộ chuyển đổi bước sóng rất có ích trong việc giảm xác suất tắc nghẽn mạng. Nếu bộ chuyển đổi bước sóng được tích hợp vào trong bộ đấu nối chéo OXC trong mạng WDM, các kết nối có thể được thiết lập giữa nguồn và đích ngay cả khi trên tất cả các tuyến của đường đi không có sẵn cùng một bước sóng. Các bộ chuyển đổi bước sóng giúp loại trừ sự bắt buộc tính liên tục về bước sóng. Trong hệ thống WDM thì bộ chuyển đổi bước sóng có các ứng dụng sau: Tín hiệu có thể đi vào mạng với bước sóng không thích hợp khi truyền trong mạng WDM. Hiện nay, các thiết bị sử dụng trong hệ thống WDM trên thế giới đa số chỉ có khả năng hoạt động trên các bước sóng thuộc băng C và băng L, mà tín hiệu SDH thì lại hoạt động ở bước sóng 1310 nm, nếu không có thiết bị chuyển đổi bước sóng thì sẽ không truyền được tín hiệu vào hệ thống WDM, khi đó, bộ chuyển đổi bước sóng sẽ được đặt ở biên giới mạng WDM và mạng SDH để chuyển đổi tín hiệu từ bước sóng 1310 nm sang tín hiệu tương thích với tín hiệu trong hệ thống WDM theo quy định của ITU_T ở vùng 1550 nm. Khi bộ chuyển đổi bước sóng được đặt tại các nút mạng WDM thì nó làm cho hệ thống có thể sử dụng tài nguyên bước sóng hiệu quả hơn và linh động hơn. Có nhiều phương pháp chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng, sau đây, sẽ tìm hiểu về bốn phương pháp điển hình sau: phương pháp quang-điện, phương pháp cửa quang, phương pháp giao thoa và phương pháp trộn bốn bước sóng. Chế tạo bằng phương pháp quang-điện Phương pháp này là phương pháp đơn giản và phổ biến nhất. Tín hiệu quang có bước sóng λ1 đầu vào được chuyển thành tín hiệu điện I(t) và đi vào bộ phát Laser, Laser này có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điện I(t) này thành tín hiệu quang có bước sóng λ2. Tính trong suốt của thiết bị phụ thuộc vào kiểu tái tạo của thiết bị đối với tín hiệu: Tái tạo 1R: đầu thu chỉ chuyển đổi tín hiệu đầu vào từ dạng năng lượng các hạt photon ánh sáng sang các hạt điện tử, sau đó, các hạt điện tử được khuếch đại bởi một bộ khuếch đại tương tự RF (Radio Frequency) và phát ra tia laser với bước sóng thích hợp như minh họa trong Hình 2.25(a). Tái tạo 2R: chỉ được áp dụng khi tín hiệu đầu vào là tín hiệu số. Tín hiệu đó được sửa lại hình dạng xung bằng bộ logic mà không đồng bộ lại tín hiệu nên dễ xảy ra hiện tượng Jitter như trong Hình 2.25(b). Tái tạo 3R: tín hiệu đó được sửa lại hình dạng xung và đồng bộ lại tín hiệu. Phương pháp này có thể xoá bỏ được một số ảnh hưởng đến dạng tín hiệu do các yếu tố như phi tuyến, tán sắc trong sợi quang, nhiễu của bộ khuếch đại. Nhưng để đồng bộ lại tín hiệu, mỗi bộ chuyển đổi bước sóng chỉ hoạt động tương ứng với một luồng tín hiệu số có tốc độ bít nhất định, nên nó làm giảm tính trong suốt của thiết bị (Hình 2.25(c)). Bộ tách sóng quang Bộ khuếch đại Bộ điều khiển laser Laser Tín hiệu nhiễu Tín hiệu nhiễu được khuếch đại (a) Bộ tách sóng quang Bộ khuếch đại Bộ điều khiển laser Laser Gate Tín hiệu nhiễu Tín hiệu được tái tạo lại (do rung pha) Bộ tách sóng quang Bộ khuếch đại Bộ điều khiển laser Laser Gate Xử lý bít mào đầu giám sát đặc tính Tín hiệu nhiễu Tín hiệu được điều chỉnh thời gian và tái tạo lại Bộ phục hồi thời gian Xung đồng hồ (b) (c) Nguồn Hình 1.43-Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 2.25: Các bộ chuyển đổi bước sóng quang- điện: (a) 1R, (b) 2R, (c) 3R. Phương pháp quang điện này dễ thực hiện vì nó sử dụng các thành phần linh kiện thiết bị chuẩn, không nhạy cảm đối với phân cực đầu vào, có khả năng khuếch đại trên mạng lưới. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là bị hạn chế về tính trong suốt (thông suốt) luồng quang cho tốc độ bit và dạng dữ liệu do hạn chế từ các thiết bị điện tử, giá thành lại tương đối cao. Chế tạo bằng phương pháp cửa quang Phương pháp cửa quang tận dụng tính chất của một số thiết bị quang có đặc tính đầu ra thay đổi theo cường độ tín hiệu. Sự thay đổi này được chuyển đến tín hiệu chưa được điều chế gọi là tín hiệu dò (λp) có thể đi qua được thiết bị. Tại đầu ra, tín hiệu dò mang thông tin chứa trong tín hiệu đầu vào (λs). Phương pháp này sử dụng kỹ thuật điều chế chéo độ lợi, tận dụng hiệu ứng phi tuyến trong bộ khuếch đại laser bán dẫn SLA là có độ lợi thay đổi theo cường độ tín hiệu vào. Nguyên lý hoạt động được mô tả như trong Hình 2.26. Sóng dò λp SLA Bộ lọc λp Sóng dò λp Tín hiệu λs Tín hiệu Mật độ hạt xung Độ lợi Đầu ra sóng dò Thời gian Nguồn Hình 1.44-Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 2.26: Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi bước sóng theo phương pháp cửa quang. Chế tạo bằng phương pháp giao thoa Phương pháp giao thoa sử dụng kỹ thuật điều chế chéo pha. Khi cường độ sóng mang trong bộ khuếch đại thay đổi cùng với tín hiệu đầu vào nó sẽ làm thay đổi chiết suất của môi trường độ lợi, nên làm thay đổi pha của tín hiệu dò. Có thể chuyển từ chế độ điều pha sang chế độ điều biên bằng cách sử dụng bộ lọc MZ (Mach-Zehnder). Trong đó, hai nhánh của bộ lọc MZ có cùng chiều dài, mỗi nhánh kết hợp với bộ khuếch đại SLA. Tại đầu vào của bộ lọc MZ dùng bộ Coupler để tách tín hiệu đi theo hai nhánh của bộ lọc theo tỷ lệ không đều nhau. Do cường độ tín hiệu trên mỗi nhánh không đều nhau, nên khi đi qua các bộ SLA sẽ bị dịch pha các lượng sẽ không giống nhau. Sự lệch pha giữa hai tín hiệu này sẽ được chuyển đến một tín hiệu điều chế biên độ ở đầu ra truyền với bước sóng khác. Từ đó có thể chuyển từ một bước sóng này đến một bước sóng khác mà hệ thống cần sử dụng, được trình bày trong Hình 2.27. Mật độ hạt mang SLA SLA B A γ 1/γ γ 1/γ γp (CW) λs λp Thời gian λs Pha λp Công suất λs Công suất λs Công suất λs Công suất λp Sự thay đổi pha Mật độ hạt mang Nguồn Hình 1.45-Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 2.27: Biến đổi bước sóng bằng điều chế pha sử dụng SLA có gắn bộ lọc MZ. Chế tạo bằng phương pháp trộn bốn bước sóng Phương pháp này sử dụng hiệu ứng trộn bốn bước sóng: nếu một sợi quang truyền đồng thời 3 bước sóng λ1, λ2, λ3 thì sẽ xuất hiện hiệu ứng phi tuyến, nên sẽ xuất hiện một sóng ánh sáng có tần số f1+f2-f3. Ứng dụng cho bộ chuyển đổi bước sóng là khi f1=f2 và đi qua bộ SLA. Giả sử, sóng vào là fs, sóng dò là fp, bộ khuếch đại SOA (Signal Optical Amplifier) được cấu hình sao cho một trong hai bước sóng được sinh ra do hiệu ứng trộn bốn bước sóng 2fp-fs và 2fs-fp nằm trong băng thông hoạt động của tín hiệu, khi đó, thực hiện được chức năng chuyển đổi bước sóng như trong Hình 2.28. Trộn bởi SOA Bộ lọc fp fs 2fp-fs 2fp-fs 2fp-fs fs fp Nguồn Hình 1.46-Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 2.28: Chuyển đổi bước sóng bằng kỹ thuật trộn bốn bước sóng. Ưu điểm: có thể hoạt động với nhiều tốc độ bit khác nhau. Nhược điểm: khi khoảng cách giữa fs và fp tăng thì hiệu quả chuyển đổi bước sóng giảm. Bộ khuếch đại quang Trong các tuyến truyền dẫn quang thì khi cự ly truyền dẫn xa đến một mức nào đó, suy hao tín hiệu trên đường truyền cũng như suy hao tín hiệu do các thiết bị sẽ làm cho tín hiệu tại đầu thu sẽ khó hoặc không thể khôi phục được. Khi đó, phải sử dụng các bộ khuếch đại để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền. Trước khi các bộ khuếch đại quang ra đời, thì lựa chọn duy nhất cho các tuyến truyền dẫn là sử dụng bộ lặp tái sinh để tái tạo lại tín hiệu, tức là bộ lặp nhận tín hiệu quang, chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khôi phục nó, sau đó, lại chuyển tín hiệu điện đã được khôi phục thành tín hiệu quang để phát đi. Điều này làm hạn chế tính trong suốt và tăng chi phí bảo trì hệ thống. Kỹ thuật khuếch đại quang chiếm ưu thế hơn nhiều các bộ lặp. Bộ khuếch đại quang không phụ thuộc vào tốc độ bit và các định dạng tín hiệu. Một hệ thống sử dụng khuếch đại quang có thể dễ nâng cấp hơn nhiều, ví dụ, đến một tốc độ bit cao hơn mà không cần phải thay thế bộ khuếch đại. Hơn nữa, các bộ khuếch đại quang có băng thông lớn nên có thể được dùng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM. Nếu không, với mỗi bước sóng phải sử dụng một bộ lặp. Kỹ thuật khuếch đại quang khắc phục được nhiều hạn chế của các trạm lặp như băng tần, cấu trúc phức tạp, tính phụ thuộc vào dạng tín hiệu, cấp nguồn hay các ảnh hưởng của nhiễu điện. Có nhiều loại khuếch đại quang sợi như bộ khuếch đại quang SLA, bộ khuếch đại Raman, bộ khếch đại Brillouin, bộ khuếch đại EDFA. Bộ khuếch đại SLA thực hiện việc khuếch đại ánh sáng thông qua cơ chế bức xạ kích thích giống như cơ chế phát ánh sáng của các laser. Bộ khuếch đại Raman sợi lợi dụng hiệu ứng tán xạ Raman có kích thích SRS (Stimulated Raman Scattering) xảy ra trong sợi thủy tinh silic khi có một chùm sóng bơm truyền qua nó. Bộ khuếch đại Brillouin có cơ chế tương tự như bộ khuếch đại Raman sợi, nhưng có sự khác biệt là độ khuếch đại quang có từ quá trình tán xạ Brillouin có kích thích SBS (Stimulated Brillouin Scattering). Bộ khuếch đại SLA được bơm điện còn bộ khuếch đại Raman và bộ khuếch đại Brillouin được bơm quang. Tuy nhiên, bộ khuếch đại quang được sử dụng rộng rãi trong hệ thống WDM là bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Bộ khuếch đại EDFA sử dụng sợi quang có pha tạp có khả năng khuếch đại được tín hiệu ánh sáng, chúng có thể thay đổi được các đặc tính vật lý của sợi theo nhiệt độ, áp suất và có tính chất bức xạ ánh sáng. Đặc điểm của sợi này là chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu khi có kích thích phù hợp. input output Bộ cách li Bộ cách li EDF WDM Hình 2.29: Bộ khuếch đại EDFA. Ánh sáng bơm vào từ laser kết hợp với tín hiệu vào nhờ sử dụng bộ ghép WDM. Ánh sáng bơm này được truyền dọc theo sợi có pha Erbium và tín hiệu bơm này kích thích các ion Erbium lên mức năng lượng cao hơn. Sự dịch chuyển mức năng lượng của điện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra photon, được gọi là bức xạ tự phát nếu không có bất cứ tác động nào từ bên ngoài, còn được gọi là bức xạ kích thích khi có mặt của các photon chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển. Khi tín hiệu dữ liệu được truyền đến EDFA, tín hiệu này gặp các ion Er3+ đã được kích thích ở mức năng lượng cao. Quá trình này làm các ion chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái mức năng lượng thấp nên phát ra photon, do đó, sẽ khuếch đại công suất tín hiệu lên rồi truyền đi tiếp trong sợi quang. Thông thường, sử dụng thêm bộ cách ly ở ngõ vào hoặc ngõ ra của bộ khuếch đại tín hiệu EDFA để ngăn chặn sự phản xạ vào trong bộ khuếch đại này. EDFA cho hệ số khuếch đại lớn, công suất ra lớn và nhiễu thấp, nó làm việc ở vùng bước sóng 1550nm. Trong các hệ thống thông tin quang, để cho các EDFA hoạt động thì cần có nguồn bơm. Các nguồn bơm thực tế là các laser diode bán dẫn công suất cao dùng để cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA. EDFA có các đặc điểm sau: Một là không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi (bộ chuyển đổi O/E và E/O). Do đó, mạch sẽ trở nên linh hoạt hơn. Hai là công suất nguồn nuôi nhỏ, nên khi áp dụng cho các tuyến thông tin vượt biển, cáp sẽ có cấu trúc nhỏ và nhẹ hơn cáp thường. Ba là giá thành của hệ thống thấp do cấu trúc của EDFA đơn giản, trọng lượng nhỏ, khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn được nâng cao. Ngoài ra, do EDFA có khả năng khuếch đại nhiều bước sóng trong cùng một sợi, nên nó có khả năng tăng dung lượng tốc độ lên đến 20Gbps, hoặc cao hơn khi sử dụng kỹ thuật WDM. Bộ lọc Bộ lọc quang là thiết bị chỉ cho phép một kênh bước sóng đi qua, còn tất cả các kênh bước sóng khác đều bị chặn. Nguyên lý cơ bản nhất của bộ lọc là sự giao thoa giữa các tín hiệu, bước sóng hoạt động của bộ lọc sẽ được cộng pha nhiều lần khi đi qua nó, các kênh bước sóng khác thì sẽ bị triệt tiêu về pha. Dựa vào khả năng điều chỉnh kênh bước sóng hoạt động mà bộ lọc được chia làm hai loại: bộ lọc chọn bước sóng và bộ lọc điều chỉnh được. Bộ lọc chọn bước sóng Bộ lọc màng mỏng có khoang cộng hưởng thuộc loại bộ lọc có bước sóng cố định. Cấu trúc gồm bộ giao thoa Fabry-Perot, trong đó, các gương tại hai phía khoang được thực hiện nhờ nhiều lớp màng mỏng điện môi phản xạ. Thiết bị này hoạt động như một bộ lọc thông dải, cho qua một bước sóng riêng và phản xạ các bước sóng khác. Bước sóng tại đầu ra của bộ lọc được xác định bởi chiều dài và chiết suất của khoang cộng hưởng. Bộ lọc màng mỏng nhiều khoang cộng hưởng gồm hai hoặc nhiều khoang cách biệt với nhau bởi các màng mỏng điện môi phản xạ như trong Hình 2.30. Khoang 1 Khoang 2 Khoang 3 Bộ phản xạ điện môi Lớp nền thuỷ tinh Nguồn Hình 2.1-Chuyển mạch gói quang-Ngô Đức Tiến Hình 2.30: Bộ lọc màng mỏng điện môi. Thiết bị này có khả năng hình thành đỉnh trong băng thông và sườn dốc, có hàm truyền đạt ổn định khi nhiệt độ thay đổi, có suy hao thấp và không nhạy cảm phân cực với tín hiệu. Bộ lọc điều chỉnh được Bộ lọc điều chỉnh được tiêu biểu có thể chỉ ra là bộ lọc Fabry-Perot. Các bộ lọc điều chỉnh được thường được cấu tạo dựa trên cấu trúc laser điều chỉnh được. Bộ lọc khoang cộng hưởng Fabry-Perot được tạo thành bởi hai gương có hệ số phản xạ cao đặt song song nhau như trong Hình 2.31. Tín hiệu vào Khoang cộng hưởng Fabry-Perot Tín hiệu ra cùng chiều Phản xạ Nguồn Hình 1.21-Kỹ Thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 2.31: Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Fabry-Perot. Nguyên lý hoạt động: ánh sáng đi vào gương thứ nhất, một phần đi qua gương thứ hai, phần còn lại được phản xạ qua lại giữa hai bề mặt gương. Các photon phản xạ trở lại mặt gương thứ nhất và một phần các photon này lại tiếp tục phản xạ một lần nữa để đến mặt gương thứ hai. Chiều dài của khoang bằng bội số nguyên của nửa bước sóng truyền trong khoang, vì vậy, vòng hành trình qua khoang (tới và phản xạ) là bội số nguyên của bước sóng. Các photon truyền qua mặt gương thứ hai đồng pha với nhau, nên sóng ra khỏi khoang cộng hưởng là sóng cộng hưởng. Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc phụ thuộc vào cấu trúc của khoang và nó được tính bằng Công thức (2.5). (2.5) Trong đó: A: suy hao do hấp thụ của gương. R: độ phản xạ của gương, là tỉ số công suất sóng phản xạ so với sóng tới. l: chiều dài khoang cộng hưởng. τ = nl/c với c là vận tốc ánh sáng. Dạng của hàm truyền đạt công suất của bộ lọc Fabry-Perot được đưa ra trong Hình vẽ 2.32 với A=0 và R lần lượt bằng các giá trị 0,75; 0,9 và 0.99. Hình 2.32: Hàm truyền đạt của bộ lọc Fabry-Parot. Khi hệ số phản xạ của gương càng lớn thì cách ly giữa các kênh kề nhau càng tốt. Hàm truyền đạt công suất TFP(f) tuần hoàn theo f, hay nói cách khác là tuần hoàn theo λ và các đỉnh băng thông của hàm truyền đạt xảy ra tại các tần số thoả mãn điều kiện f.τ =k/2, với k là số nguyên dương. Vì vậy, trong hệ thống WDM, nếu các bước sóng cách nhau đủ xa so với mỗi dải thông hàm truyền đạt bộ lọc thì một bước sóng trùng với dải thông bộ lọc đều đi qua được bộ lọc. Phạm vi phổ nằm giữa hai dải thông kề cận của bộ lọc được gọi là phạm vi phổ tự do, kí hiệu là FSR. Độ rộng mỗi dải thông của bộ lọc là độ rộng đầy đủ tại một nửa giá trị cực đại của hàm truyền đạt (FWHM). Trong các hệ thống WDM thì cần phải chú ý đến số lượng các bước sóng sử dụng và các bước sóng này phải nằm trong một FSR của bộ lọc. Vì vậy, tỷ số FSR/FWHM là một số đo gần bằng số lượng các bước sóng thích hợp với hệ thống. Tỷ số này được gọi là hệ số phân biệt F của bộ lọc và được xác định theo Công thức (2.6). (2.6) Bộ lọc Fabry-Perot có thể điều chỉnh để lựa chọn các bước sóng khác nhau. Giải pháp đơn giản nhất là thay đổi chiều dài của khoang, hoặc thay đổi chiết suất bên trong khoang. Xét một hệ thống WDM có tất cả các bước sóng đều nằm trong một FRS của bộ lọc Fabry-Perot, thì tần số f0 mà bộ lọc cần chọn thỏa mãn điều kiệnđối với một vài số nguyên dương của k. Vì vậy, f0 có thể thay đổi nhờ thay đổi τ là thời gian truyền theo một hướng của ánh sáng trong khoang. Nếu kí hiệu chiều dài của khoang là l, n là chiết suất của khoang thì τ =l.n/c, như vậy, τ thay đổi khi thay đổi l hoặc n. Điều chỉnh cơ khí của bộ lọc có thể hiệu quả nếu dịch chuyển một gương phản xạ để thay đổi chiều dài của khoang cộng hưởng. Điều này chỉ cho phép điều chỉnh thời gian một vài ms. Đối với điều chỉnh cơ khí, bộ lọc Fabry-Perot phải đảm bảo độ chính xác về mặt cơ khí, nghĩa là duy trì hai gương song song với nhau khi một gương dịch chuyển. Tuy nhiên, khó có thể đảm bảo được độ chính xác này. Một giải pháp khác là sử dụng vật liệu áp điện làm khoang. Bộ lọc áp điện chịu nén khi đặt lên nó một điện áp. Do chiều dài của khoang có vật liệu như vậy, nên có thể thay đổi nhờ điện áp, do đó, làm thay đổi tần số cộng hưởng của khoang. Tuy nhiên, vật liệu điện áp phát sinh hiệu ứng không ổn định nhiệt và từ trễ nên khó có thể ứng dụng bộ lọc như vậy trong thực tế. Các vấn đề kỹ thuật cần quan tâm trong hệ thống WDM Bất cứ một hệ thống thông tin nào cũng có những tồn tại và các vấn đề kỹ thuật cần phải giải quyết. Hệ thống WDM cũng có các vấn đề kỹ thuật cần quan tâm đó là: số kênh sử dụng và khoảng cách ghép giữa các kênh; việc ổn định bước sóng của nguồn quang và độ rộng phổ của nguồn phát; nhiễu xuyên kênh; suy hao; tán sắc và cuối cùng là ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến. Số kênh sử dụng và khoảng cách ghép giữa các kênh Khi thiết kế một hệ thống thì một trong các yếu tố quan trọng cần phải xem xét là hệ thống đó sẽ sử dụng bao nhiêu kênh và số kênh cực đại có thể sử dụng là bao nhiêu? Số kênh cực đại của hệ thống phụ thuộc vào khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là: băng tần của sợi quang, khả năng tách/ghép của thiết bị WDM, khoảng cách giữa các kênh mà yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách giữa các kênh là tốc độ truyền dẫn của từng kênh, quỹ công suất quang, ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến và độ rộng phổ của nguồn phát. Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550nm có độ rộng khoảng 100 nm nhưng do dải khuếch đại của bộ khuếch đại quang chỉ có độ rộng khoảng 35nm. Điều này làm các hệ thống WDM không thể tận dụng được hết băng tần của sợi quang, hay nói cách khác, hệ thống WDM chỉ làm việc với dải bước sóng nhỏ hơn nhiều so với toàn bộ dải tần có suy hao thấp của sợi quang. Khoảng cách kênh là độ rộng tần số tiêu chuẩn giữa các kênh gần nhau. Việc phân bổ kênh một cách hợp lý trong dải băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên dải tần và giảm ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến giữa các kênh gần nhau. Sử dụng khoảng cách kênh không đều nhau để hạn chế hiệu ứng trộn bốn bước sóng. Dưới đây chỉ đề cập đến hệ thống có khoảng cách kênh gần nhau. Gọi ∆λ là khoảng cách giữa các kênh thì ∆λ được tính bằng Công thức (2.7). (2.7) Như vậy, tại bước sóng λ=1550nm, với ∆λ=35nm xét với riêng băng C sẽ có . Giả sử tốc độ truyền dẫn của từng kênh là 2,5 Ghz, theo định lý Nyquist, phổ cơ sở của tín hiệu là 2.2,5=5 Ghz. Khi đó, số kênh bước sóng cực đại có thể đạt được là N=∆f/5=874 kênh trong dải băng tần của bộ khuếch đại quang. Đây là số kênh cực đại tính theo lý thuyết đối với băng C. Tuy nhiên, với mật độ kênh càng lớn thì đòi hỏi các thành phần quang trên tuyến phải có chất lượng càng cao. Để tránh xuyên âm giữa các kênh này cần phải có các nguồn phát quang rất ổn định và các bộ thu quang có độ chọn lọc bước sóng cao, bất kỳ sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm giãn phổ sang kênh lân cận. Một hệ thống WDM 16 kênh và 8 kênh được phân phối kênh như trong Bảng 2.3. Bảng 2.3: Bảng phân phối kênh của hệ thống WDM 16 và 8 kênh. Thứ tự Tần số trung tâm (THz) Bước sóng (nm) 1 192 1560,61 * 2 192 1559,79 3 192 1558,98 * 4 192 1558,17 5 192 1557,36 * 6 192 1556,55 7 192 1555,75 * 8 192 1554,94 9 192 1554,13 * 10 193 1553,33 11 193 1552,52 * 12 193 1551,72 13 193 1550,92 * 14 193 1550,12 15 193 1549,32 * 16 193 1548,51 Nguồn Bảng 3.2-Công nghệ ghép kênh quang-Phùng Văn Lương (Bước sóng trung tâm của hệ thống 8 kênh chọn các giá trị có bước sóng đánh dấu *) Tần số trung tâm danh định là tần số tương ứng với mỗi kênh quang trong hệ thống ghép kênh quang. Để đảm bảo tính tương thích giữa các hệ thống WDM khác nhau, thì cần phải chuyển hóa tần số trung tâm của các kênh. ITU_T đưa ra quy định về khoảng cách tối thiểu giữa các kênh là 100Ghz (≈ 0,8 nm) với tần số chuẩn là 193,1 Thz (mặc dù đã có các sản phẩm có khoảng cách giữa các kênh là 50 Ghz và 25 Ghz nhưng các sản phẩm thương mại vẫn chủ yếu theo quy định của ITU_T). Trong một hệ thống WDM thì số lượng bước sóng không thể quá nhiều do giới hạn về mặt công nghệ của các thiết bị. Tất cả các bước sóng đều phải nằm ở phần tương đối bằng phẳng trên đường cong tăng ích của bộ khuếch đại quang, đối với bộ EDFA thì phần tương đối bằng phẳng của đường cong tăng ích là 1540-1560 nm. Việc ổn định bước sóng và độ rộng phổ của nguồn phát Trong hệ thống WDM, phải quy định và điều chỉnh chính xác bước sóng của nguồn quang, do có sự trôi bước sóng làm cho hệ thống không ổn định hay kém tin cậy. Hiện nay, thường sử dụng phương pháp điều khiển phản hồi thông qua nhiệt độ của bộ kích quang để điều khiển giám sát mạch điện nhằm ổn định bước sóng, ngoài ra còn sử dụng phương pháp điều khiển phản hồi thông qua việc giám sát bước sóng tín hiệu quang ở đầu ra, dựa vào chênh lệch trị số giữa điện áp đầu ra và điện áp tiêu chuẩn để điều khiển nhiệt độ của bộ kích quang, hình thành kết cấu khép kín chốt vào bước sóng trung tâm. Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát nhằm đảm bảo cho các kênh hoạt động một cách độc lập với nhau, tránh hiện tượng chồng phổ ở phía thu giữa các kênh lân cận. Băng thông của sợi quang rất rộng, nên số lượng kênh ghép được rất lớn (ở cả hai cửa sổ truyền dẫn). Tuy nhiên, trong thực tế, các hệ thống WDM thường đi liền với các bộ khuếch đại quang sợi EDFA, làm việc chỉ ở vùng cửa sổ 1550 nm, nên băng tần của hệ thống WDM bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch đại (từ 1530 nm đến 1565 nm cho băng C; từ 1565 đến 1625 nm cho băng L). Như vậy, một vấn đề đặt ra khi ghép là khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải thoả mãn được yêu cầu tránh chồng phổ của các kênh lân cận ở phía thu, khoảng cách này phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn phát, phụ thuộc vào các ảnh hưởng như tán sắc sợi hay các hiệu ứng phi tuyến. Có thể xem hệ thống WDM như là sự xếp chồng của các hệ thống truyền dẫn đơn kênh, khi khoảng cách giữa các kênh đủ lớn và công suất phát hợp lý. Mối quan hệ giữa phổ của tín hiệu phía thu với phổ của tín hiệu phía phát được thể hiện bởi tham số đặc trưng cho sự giãn phổ ký kiệu là D; độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn ký hiệu là B; độ tán sắc tương ứng với khoảng cách truyền ký hiệu là D. Gọi x là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát và sợi quang và được tính bằng Công thức (2.8). x = B.D.D. (2.8) Từ Công thức (2.8), có thể tính được độ giãn rộng phổ nguồn phát: D = x/B.D. (2.9) Nhiễu xuyên kênh Xuyên nhiễu giữa các kênh trong sợi quang ảnh hưởng tới độ nhạy của máy thu, chính vì vậy, ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ thống WDM. Có thể chia ra làm hai loại xuyên nhiễu chính sau đây: Thứ nhất là xuyên nhiễu tuyến tính: do đặc tính không lý tưởng của các thiết bị tách kênh, mức xuyên nhiễu này chủ yếu phụ thuộc vào kiểu thiết bị tách kênh được sử dụng cũng như khoảng cách giữa các kênh. Thứ hai là xuyên nhiễu phi tuyến: chủ yếu do các hiệu ứng phi tuyến của sợi quang gây nên (sẽ đề cập cụ thể ở Chương 3). Suy hao Trong bất kỳ hệ thống số nào thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo được tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N (Signal to Noise ratio) sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với một mức BER cho phép. Giả sử, máy phát phát tín hiệu đi tới phía thu với một mức công suất Pphát nhất định, công suất của tín hiệu sẽ bị suy giảm dần trên đường truyền do rất nhiều nguyên nhân như: suy hao do bản thân sợi quang gây ra và suy hao do các thành phần quang thụ động. Cự ly truyền dẫn càng dài thì công suất tín hiệu bị suy hao càng nhiều, nếu suy hao quá lớn làm cho công suất tín hiệu đến được máy thu nhỏ hơn công suất ngưỡng thu nhỏ nhất (Pthu min) thì thông tin truyền đi sẽ bị mất. Để máy thu thu được thông tin, công suất tín hiệu đến máy thu phải nằm trong dải công suất của máy thu. Pmáy phát = Pphát + Pdự trữ (2.10) Pthu min < P phát - Ptổng suy hao < Pthu max (2.11) Như vậy, để đảm bảo được thông tin thì công suất phát phải càng lớn khi cự ly truyền dẫn càng lớn. Để khắc phục điều này, các bộ khuếch đại quang ví dụ như EDFA được sử dụng trên hệ thống. Tán sắc Khi sử dụng EDFA trên tuyến thì vấn đề suy hao đã được giải quyết, cự ly truyền dẫn được nâng lên rõ rệt, nhưng tổng tán sắc cũng tăng lên. Do đó, lại yêu cầu phải giải quyết vấn đề tán sắc, nếu không, không thể thực hiện được việc truyền thông tin tốc độ cao và truyền dẫn cự ly dài. Bây giờ, ảnh hưởng của hiệu ứng tán sắc sợi quang lại là một yếu tố hạn chế chủ yếu, nhất là đối với hệ thống tốc độ cao lại càng thể hiện rõ rệt. Ví dụ, sợi quang G. 652 tán sắc ở tốc độ 2,5 Gbit/s cự ly bị hạn chế ở khoảng 928 km, nếu tốc độ tăng lên 10 Gbit/s thì cự ly truyền dẫn bị hạn chế chỉ còn 58 km. Bảng 2.4 nói về cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp. Bản chất của tán sắc là sự giãn rộng xung tín hiệu khi truyền dẫn trên sợi quang. Tán sắc ảnh hưởng đến các sợi đơn mode bao gồm: tán sắc vận tốc nhóm, tán sắc phân cực mode, tán sắc bậc cao và tán sắc dẫn sóng. Bảng 2.4: Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp (trị số lý thuyết). Tốc độ 1550 nm (G.652) 1550 nm (G.655) 1310 nm (G.652) 2,5Gbit/s 928 km 4528 km 6400 km 10 Gbit/s 58 km 283 km 400 km 20 Gbit/s 14,5 km 70 km 100 km 40 Gbit/s 3,6 km 18 km 25 km Nguồn Bảng 3.3-Công nghệ ghép kếnh quang WDM-Phùng Văn Lương Phương pháp xác định ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống thông tin quang thông qua tính toán quỹ công suất hệ thống PB bằng việc thiết kế độ dài tuyến được thiết lập theo Công thức (2.12). (2.12) Trong đó: Pt(t): công suất tín hiệu phát có tính cả ảnh hưởng chirp phi tuyến. G: độ khuếch đại của các bộ EDFA. PM: công suất dự phòng của hệ thống. PD: công suất tổn thất do tán sắc, đây chính là công suất tương đương do năng lượng phổ của xung tín hiệu bị dãn ra ngoài khe thời gian đã định sinh ra. PP: công suất đền bù lượng công suất mất mát. PS(G,NF): độ nhạy thu có tính cả ảnh hưởng của bộ khuếch đại và nhiễu của EDFA. NS và NC là số mối hàn và số mối nối quang. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến Hiệu ứng phi tuyến là các hiệu ứng quang mà các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng. Hiệu ứng quang phi tuyến có thể bỏ qua đối với hệ thống thông tin quang hoạt động ở mức công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ bit lên đến 2,5 Gbps. Tuy nhiên, ở tốc độ cao từ 10 Gbps trở lên thì việc xét các hiệu ứng phi tuyến trở nên rất quan trọng. Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia làm hai loại: Loại thứ nhất sinh ra do tác động qua lại giữa sóng ánh sáng với các photon (rung động phần tử) trong môi trường silic. Hai hiệu ứng chính trong loại này là tán xạ Brillouin kích thích SBS và tán xạ Raman kích thích SRS. Loại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động. Các hiệu ứng quan trọng trong loại này là hiệu ứng tự điều pha SPM (Self Phase Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha CPM (Cross Phase Modulation) và hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four Wave Mixing). Ưu, nhược điểm của hệ thống WDM Qua những điều đã được giới thiệu ở trên thì kỹ thuật WDM có rất nhiều ưu điểm: Một là tăng băng thông truyền trên một sợi quang tương ứng với số bước sóng được ghép vào để truyền trên một sợi quang. Hai là tính trong suốt: do công nghệ WDM thuộc lớp vật lý nên nó có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như ATM, Gigabit Ethernet, chuyển mạch kênh, IP. Ba là khả năng mở rộng: những tiến bộ trong kỹ thuật WDM có thể tăng băng thông truyền trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng ở nhiều cấp độ khác nhau. Bốn là cho phép xây dựng tuyến truyền tải toàn quang giúp truyền tải trong suốt nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động cho phép định tuyến và chuyển mạch trong vùng quang. Năm là kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của hệ thống sẵn có mà không cần tăng số lượng cáp và tốc độ, dẫn đến đơn giản cho thiết bị và tránh được việc dùng các công nghệ cao để chế tạo thiết bị tốc độ cao, do đó, giảm được giá thành hệ thống, lợi dụng được phổ hẹp của Laser và tận dụng triệt để băng thông lớn của sợi quang. Sáu là tăng tính linh hoạt của hệ thống, có thể truyền song công trên một sợi quang. Bảy là hệ thống WDM tăng dung lượng của hệ thống mà không cần tăng tốc độ truyền dẫn của kênh, nên sẽ ít bị tán sắc hơn so với tuyến truyền dẫn quang đơn kênh có cùng dung lượng truyền dẫn. Tám là quản lý băng tần và cấu hình mềm dẻo nhờ việc định tuyến và phân bố bước sóng trong mạng WDM, nên có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống. Tuy nhiên, hệ thống WDM vẫn không tránh khỏi một số nhược điểm sau: Thứ nhất, trong hệ thống WDM hiện nay, số lượng kênh quang được ghép trên một cửa sổ truyền còn hạn chế, mới chỉ tận dụng được băng C và băng L. Thứ hai, mỗi kênh quang đòi hỏi phải có nguồn phát riêng biệt và để ổn định bước sóng của nguồn phát đòi hỏi phải có sơ đồ điều khiển phức tạp. Thứ ba, các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ số khuếch đại khác nhau, do đó, chất lượng kênh không đều. Thứ tư, do đặc tính của bộ lọc là không lý tưởng, nên thường xuyên có sự xuyên kênh giữa các kênh ngắn. Thứ năm, hệ thống WDM chịu ảnh hưởng của các hiệu ứng FWM, XPM, SPM, SBS hay SRS, nên số kênh bước sóng truyền trên sợi là hạn chế, do đó, sẽ hạn chế việc tăng dung lượng của hệ thống, nhất là đối với các hệ thống cự ly xa. Thứ sáu là chi phí cho khai thác bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động. Cuối cùng là quỹ công suất quang bị giảm đi do tuyến truyền dẫn phải sử dụng các thiết bị WDM. Tuy nhiên, với nhiều ưu điểm vượt trội cùng với sự tiến bộ không ngừng của kỹ thuật chế tạo sợi, chế tạo các thiết bị giải quyết các vấn đề ảnh hưởng đến hệ thống, khi đó hệ thống WDM sẽ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều nước trên thế giới, đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin của con người. Kết luận Tóm lại, Chương 2 đã trình bày nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM bao gồm nguyên lý ghép kênh quang WDM, các phương pháp truyền dẫn WDM trong Mục 2.1. Công nghệ WDM vi quang và ghép sợi trong Mục 2.2. Tiếp theo là các thiết bị được sử dụng trong hệ thống gồm thiết bị xen/rẽ quang OADM, bộ ghép tín hiệu, bộ định tuyến bước sóng, bộ đấu nối chéo OXC, bộ biến đổi bước sóng, bộ khuếch đại quang, bộ chọn lọc bước sóng trong Mục 2.3. Kế đến là các vấn đề kỹ thuật cần quan tâm như số kênh sử dụng và khoảng cách ghép giữa các kênh, việc ổn định bước sóng của nguồn quang và độ rộng phổ của nguồn phát, nhiễu xuyên kênh, suy hao, tán sắc và ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến. Sau đó là ưu nhược điểm của hệ thống WDM. Trong hệ thống WDM thì có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống, trong đó tán sắc và hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến hệ thống nhiều nhất và điều đó sẽ được trình bày trong Chương 3.