Đề tài " Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM "

Chia sẻ: Nguyen Duc Linh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:108

Thêm vào BST

Báo xấu

491
lượt xem 186
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thời gian gần đây, nhu cầu lưu lượng tăng mạnh do sự phát triển bùng nổ của các loại hình dịch vụ Internet và các dịch vụ băng thông đã tác động không nhỏ tới việc xậy dựng cấu trúc mạng viễn thông. Việc xây dựng mạng viễn thông thế hệ sau NGN đang được quan tâm như một giải pháp hữu hiệu nhằm thoả mãn nhu cầu mạng lưới trong thời gian tới. Trong cấu trúc NGN mang truyền tải lưu lượng là khâu quan trọng nhất có nhiệm vụ truyền thông suốt lưu lượng lớn trên mạng, trong đó mạng truyền dẫn được xem...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài " Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM "

Đại học Công Nghệ Thông Tin Đại học Quốc Gia Tp.HCM Đề tài: Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM Các thành viên trong nhóm Nguyễn Tiến Thành – 08520354 Phạm Ngọc Sơn – 08520317 Nguyễn Vũ An – 08520517 Hoàng Mạnh Hưng – 08520165 Dương Sơn Thông – 08520391 Giáo viên ThS. Ngô Hán Chiêu 1
Mục lục Mục lục ................................................................................................................................................... 2 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................................................................................................................... 6 Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM .................................................................. 10 I: Sự phát triển của công nghệ WDM ................................................................................................. 10 II: Giới thiệu về hệ thống thông tin quang .......................................................................................... 11 III: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng và các tham số cơ bản .............................................. 15 1: Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng ............................................................... 15 1.1: Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: ........................................................................................ 15 1.2: Truyền dẫn hai chiều trên một sợi ........................................................................................ 16 2: Các tham số cơ bản .................................................................................................................... 18 Chương II: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDM ....................................................... 20 I: Các thiết bị WDM vi quang ............................................................................................................ 21 1: Các bộ lọc thiết bị ...................................................................................................................... 22 1.1. Bộ tách hai bước sóng ......................................................................................................... 24 1.2: Bộ tách lớn hơn hai bước sóng ............................................................................................ 25 1.3: Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (MUX-DEMUX): ................................................. 26 2: Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc: ................................................................... 29 2.1. Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc: .............................................................................. 29 2.2. Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc: ................................................................................. 30 2.2.1. Mở đầu ......................................................................................................................... 30 2.2.2. Cách tử nhiễu xạ phẳng................................................................................................. 31 2.2.3. Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng: .......................................................................... 33 2.2.4. Cách tử hình long chảo ................................................................................................. 35 2.2.5. Cách tử Bragg: .............................................................................................................. 36 2
II. CÁC THIẾT BỊ WDM GHÉP SỢI ................................................................................................ 38 III. MỘT SỐ KỸ THUẬT KHÁC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG GHÉP WDM. ................................... 41 1. Bộ ghép bước sóng dùng công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT. ............................. 41 1.1 Nguyên lý chung .................................................................................................................. 41 1.2. Bộ ghép nhân kênh dùng cách tử: ....................................................................................... 42 1.3. Thiết kế bộ ghép n bước sóng. ............................................................................................ 43 2. AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM......................................................... 46 Chương III: MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỶ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM ..................................................................................................................................... 49 I: Số kênh sử dụng và khoảng cách giữa các kênh .............................................................................. 50 1: Khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là ..................... 50 2: Khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này là: .......................... 50 II: Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng của nguồn phát ........................... 57 1: Ổn định bước sóng của nguồn quang .......................................................................................... 57 2: Yêu cầu độ rộng của nguồn phát................................................................................................. 57 III: Xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang ................................................................................... 58 IV: Suy hao – Quỹ công suất của hệ thông WDM ............................................................................. 58 V: Tán sắc – Bù tán sắc...................................................................................................................... 59 IV: Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến ........................................................................................ 62 1. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering): .......................................................................... 63 2. Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering): ...................................................................... 64 3. Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation): .................................................................................. 65 4. Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation): ................................................................................ 67 5. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing): ....................................................................................... 67 6. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến: .............................................. 69 3
VII: Bộ khuếch đại EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM ............................ 69 1. Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA: .............................................................................. 70 2. Tăng ích bằng phẳng của EDFA: ................................................................................................ 72 3. Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA: .................................................................... 73 Chương IV: CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG WDM ............................................................................ 74 Công nghệ bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang pha trộn ERBIUM (EDFA) ......................... 74 I. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA............................................................................. 74 1. 2: Đặc tính của EDFA .................................................................................................................... 77 2.1: Đặc tính khuếch đại ............................................................................................................. 77 2.2: Đặc tính tạp âm nhiễu .......................................................................................................... 78 2.3: EDAF trong hệ thống ghép kệnh theo bước sóng ................................................................. 82 Chương V: Mạng WDM ........................................................................................................................ 84 I: Phân cấp mạng WDM..................................................................................................................... 84 II. Hai kiểu chuyển mạch của WDM ................................................................................................. 86 1. Mạng WDM chuyển mạch kênh quang........................................................................................ 86 2. Mạng WDM chuyểm mạch gói: .................................................................................................. 87 III. Điểm mút của mạng WDM ......................................................................................................... 88 1. Điểm nút OXC: ......................................................................................................................... 88 2. Điểm nút OADM: ...................................................................................................................... 91 IV. Phân phối và định tuyến bước sóng trong mạng WDM ................................................................. 93 1. Kênh bước sóng và kênh bước sóng ảo. ...................................................................................... 93 2. Chọn đường trong mạng WDM .................................................................................................. 95 V: Bảo vệ mạng WDM ...................................................................................................................... 96 1. Bảo vệ kiểu 1+1 trên lớp SDH.................................................................................................... 96 2. Bảo vệ đoạn ghép kênh: ............................................................................................................. 97 4
VI. WDM và SDH. ........................................................................................................................... 97 VII. Mạng quang và hỗn hợp quang điện............................................................................................ 98 VIII. Vấn đề phi tuyến trong mạng quang WDM ................................................................................ 99 IX. Thiết kế cấu trúc mạng WDM ...................................................................................................... 99 V. Mạng Ring tự phục hồi ghép bước sóng ...................................................................................... 101 1. Mở đầu .................................................................................................................................... 101 2. Cấu trúc SHR/WDM đơn hướng.............................................................................................. 101 2.1. Cấu trúc mạng Ring có 4 nút: ............................................................................................ 101 2.2. Cấu trúc nút:...................................................................................................................... 102 2.3: Quan hệ giữa số lượng nút và số lượng bước sóng. ............................................................ 104 3. Cấu trúc SHR/WDM hai hướng................................................................................................ 104 4. So sánh SHR/ADM và SHR/WDM ......................................................................................... 106 KẾT LUẬN ......................................................................................................................................... 108 5
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Tiếng AnhTiếng Việt Viết tắt Add/drop multiplexerBộ ghép kênh xen kẽ ADM Auxiliary GraphDựng một đồ thị phụ AG Acces NodeNút truy nhập AN Acousto OpticBộ lọc thanh quang AOTF Turnable Filtercó điều chỉnh Avalanche PhotodiodeĐiốt quang thác Arrayed - WavelengthBộ ghép kênh lưới quang APD Grating Multiplexerdẫn sóng kiểu dàn AWGM Asynchronous Transfer ModePhương thức truyền không đồng bộ ATM Avalanche Photo DiodeĐiốt quang thác Available WavelengthBước sóng khả dụng CoreĐường trục ADP Distinct Channel AssignmentGán kênh riêng biệt AW DemultiplexerBộ giải ghép kênh C Dispersion Shifted FiberSợi dịch tán sắc DCA Digital Cross ConnectNối chéo số DEMUX Dynamic Lightpath EstablishmentThiết lập luồng quang DSF Differential WavelengthGhép kênh chia bước DXC Division Multiplexersóng vi sai DLE Fibre GratingLưới sợi quang DWDM Erbium doped fiber ampliferKhuếch đại sợi quang trộn erbium Frequency Division MultiplexingGhép kênh phân chia tần số FBG First Fit Wavelength FirstThuật toán gán bước sóng EDFA theo thứ tự bước sóng Generalized Multiple ProtocolChuyển mạch nhãn đa Label Swithchinggiao thức tổng quát FDM GatewayCổng FFWF Internet ProtocolGiao thức internet Integrated service digital networkMạng số liên kết dịch vụ GMPLS Local Area NetworkMạng cục bộ Logical ConnectionKết nối logic GW Least Congested PathĐịnh tuyến đường nghẽn ít nhất IP Logical Connection GraphHướng kết nối logíc biểu đồ ISDN LAN LC LCP LCG 6
Thuật toán gán bước sóng LF Largest First từ bậc lớn nhất Chuyển đổi bước sóng LEC Least Converter First theo thứ tự cao nhất Thuật toán gán bước LL Least Loaded sóng dựa trên tải ít nhất Luồng chuyển mạch nhãn LSP Label Swithched Path Bộ định tuyến chuyển LSR Label Swithching Router mạch nhãn Gán bước sóng dựa trên LU Least Used bước sóng sử dụng ít nhất Thuật toán gán bước sóng dựa M∑ Max-Sum trên tổng dung lượng lớn nhất Dạng lưới Chuyển mạch nhãn đa giao thức MESH Mesh Tập hợp con của lớp các bài MPLS Multi Protocol Label Swithching toán NP mà nó được xem là NP- Subset of class NP khó giải problem complete Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không NZ-DSF Non-Zero Dispersion Shifted Fiber Bộ ghép kênh xen/rẽ quang Bộ đấu vòng quang Quang/ Điện/ Quang OADM Optical add/drop multiplexer Kênh quang OC Optical Circulator Khuếch đại đường quang O/E/O Optical/Electrical/ Optical Nối chéo quang Och Optical Channel Ghép kênh quang phân chia OLA Optical Line Amplifier thời gian OXC Optical Cross Connect Định tuyến và gán bước sóng OTDM Optical Time Division Multiplex RWA Routing and Wavelength Assignment Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ SDH Sequential Graph Coloring Tô màu đồ thị tuần tự SGC Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ SONET Sub-Network Connection Bảo vệ kết nối mạng con SNCP Protection Synchronous Transport Module Modun truyền tải đồng bộ Static Wavelength Routing STM Bộ định tuyến bước sóng tĩnh Space Optical Switch SWR Chuyển mạch quang không SOS gian Tổng bước sóng của các TAW Total wavelength and Available bước sóng khả dụng wavelength 7
TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian Ngưỡng bảo vệ Thr Thr - Protecting Threshold Trao đổi khe thời gian TSI Time Slot Interchanger Bộ nhập tách bước sóng WADM Wavelength Add- Drop Multiplexer Bộ chuyển đổi bước sóng WC Wavelegth Converter Ghép kênh chia bước sóng WDM Wavelength Division Multiplex Bộ định tuyến lưới quang WGR Waveguide Grating Router dẫn sóng Đường bước sóng WP Wavelength Path Bộ định tuyến bước sóng WR Wavelength Router Khoá định tuyến bước sóng WRS Wavelength Router Switch Kênh giám sát quang OSC Optical Supervision Chanel Sợi dịch tán sắc DFK Dispersion Shifted Fiber Sợi tán sắc phẳng DFF Dispersion Flattened Fiber Sợi đơn mode SMF Single Mode Fiber Sợi bù tán sắc DCF Dispersion Compensating Fiber Cách tử Bargg CBFG Chirper Bargg Fiber Grating Khuếch đại quang OA Optical Amplifier Bộ xen tách quang OADM Optical Add Drop Multiplexer Kết nối chéo quang OXC Optical Cross Connect Bảo vệ dùng riêng mức đoạn OMS-DP Optical Multiplexer Section ghép kênh quang Dedicated Protection Bảo vệ dùng chung mức đoạn Optical Multiplexer Section ghép kênh quang Shared Protection Đoạn ghép kênh quang Optical Multiplexer Section OMS-SP Định tuyến gán bước sóng Routing and Wavelength Assignment OMS Static Lightpath Establishment RWA Wavelength conveter Awave Relative Capacity Loss Thiết lập luồng quang tĩnh SLE Routing and Channel Assignment Bộ chuyển đổi bước sóng WCA Wavelength Reservation Tổn thất dung lượng tương đối RCL Wavelength Router Network Định tuyến và gán kênh RCA Gán bước sóng đặt trước Rsv Mạng định tuyến bước sóng WRN LỜI NÓI ĐẦU 8
Thời gian gần đây, nhu cầu lưu lượng tăng mạnh do sự phát triển bùng nổ của các loại hình dịch vụ Internet và các dịch vụ băng thông đã tác động không nhỏ t ới việc xậy dựng cấu trúc mạng viễn thông. Việc xây dựng mạng viễn thông thế hệ sau NGN đang được quan tâm như một giải pháp hữu hiệu nhằm thoả mãn nhu cầu mạng lưới trong thời gian tới. Trong cấu trúc NGN mang truyền tải lưu lượng là khâu quan trọng nhất có nhiệm vụ truyền thông suốt lưu lượng lớn trên mạng, trong đó mạng truyền dẫn được xem là huyết mạch chính. Để thoả mãn việc thông suốt lưu lượng và băng tần lớn, các hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM được xem là ứng cử quan trọng cho đường truyền dẫn. Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho m ạng lưới truyền dẫn cao trên băng tần lơn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng thời trên một sợi, trong đó mỗi kênh tương đương với một hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ cao. Công nghệ WDM cho phép các nhà thiết kế mạng lựa chọn được phương án tối ưu nhất để tăng dung lượng đường truyền với chi phí thấp nhất. Cho đến nay hầu hết các hệ thống thông tin quang đường trục có dung lượng cao đều sử dụng công nghệ WDM. Ban đầu từ những tuyến WDM điểm – điểm đến nay đã xuất hiện các mạng với nhiều cấu trúc phức tạp Với nhận thức ấy đề tài “Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM” sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn. Báo cáo gồm có 5 chương với n ội dung tóm t ắt cụ thể như sau: Chương I : Giới thiệu chung về thông tin quang, các nguyên lý ghép kênh trên hệ thống truyền dẫn hai chiều trên hai sợi và một sợi Chương II: Giới thiệu về các thiết bị quang thụ động trong WDM, các thiết bị WDM ghép sợi, một số kỷ thuật SOFT, AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị Chương III: Giới thiệu về các vấn đề kỷ thuật cần quan tâm đối với hệ thống quang WDM như: Vấn đề ổn định bước sóng, vấn đề xuyên kênh, nhiễu kênh, suy hao, tán sắc-bù sắc và ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến Chương IV: Các công nghệ then chốt của hệ thống WDM như: Công nghệ lọc quang có điều chỉnh bước sóng, công nghệ bộ chuyển phát quang (OTU), công nghệ bộ khuếch đại quan sử dụng sợi quang, công nghệ sợi quang và công nghệ điều khiển giám sát hệ thông WDM Chương V: Giới thiệu chung về mạng WDM 9
Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM I: Sự phát triển của công nghệ WDM Công nghệ mạng quang đã trở thành nhân tố quan trọng trong sự phát triển của mạng viễn thông. Yêu cầu băng tần sử dụng lớn là hệ quả tất yếu của nhu cầu truyền thông dữ liệu ngày nay. Trong hai thập kỷ qua, công nghệ truyền tải quang WDM đã có sự phát triển vượt bậc. Sự phát triển này có được là nhờ công nghệ chế tạo linh kiện quang. Những thành tựu của công nghệ này đã góp phần tạo nên hệ thống WDM dung lượng lớn như ngày nay. Theo thời gian, xuất phát từ những nhu cầu thực tế, các hệ thống WDM ngày càng trở nên phức tạp. Ở một góc độ nào, sự phức tạp trong hệ thống WDM là trong những chức năng của thiết bị. Nhờ có chức năng này mà cấu hình hệ thống WDM chuyển từ đơn giản như cấu hình điểm- điểm sang cấu hình phức tạp như Ring và Mesh. Các hệ thống WDM đầu tiên xuất hiện từ cuối những năm 1980 sử dụng hai kênh bước sóng trong các vùng 1310nm và 1550nm và thường được gọi là hệ thống WDM băng rộng. Đầu những năm 1990 xuất hiện các hệ thống WDM thế hệ hai sử dụng các phần tử WDM thụ động, được gọi là hệ thống WDM băng hẹp từ 2 đến 8 kênh. Các kênh này nằm trong cửa sổ 1550nm và với khoảng cách kênh 400GHz. Đến giữa những năm 1990 đã có hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) s ử dụng từ 16 đến 40 kênh với khoảng cách kênh từ 100 đến 200 GHz. Các hệ thống này đã tích hợp các chức năng xen rẽ và quản lý mạng. Các hệ thống WDM ban đ ầu s ử dụng với khoảng cách kênh lớn. Việc lắp đặt hệ thống WDM chi phối bởi những lý do kinh tế. Việc nâng cấp thiết bị đầu cuối để khai thác các năng lực của WDM có chi phi thấp hơn việc lắp đặt cáp sợi quang mới. Sự xuất hiện bộ khuếch đại quang EDFA đã chuyển hầu hết các hệ thống WDM sang cửa sổ 1530 nm đến 1565nm. Các hệ thống WDM mới lắp đặt gần đây đã sử dụng các kênh quang có khoảng cách giữa các kênh hẹp từ 25 GHz đến 50 GHz. Nhu cầu về băng tần mạng đang tăng gần 100%/một năm sẽ tiếp tục gia tăng ít nhất là trong vài chục năm tiếp theo. Việc giảm giá thành của các nhà cung cấp và trên hết là ứng dụng phổ cập của Internet đòi h ỏi băng tần lớn sẽ được tiếp tục đẩy mạnh. 10
Các giải pháp thực tế đối với các vấn đề giới hạn ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực, hiệu ứng phi tuyến, sẽ làm tăng cả số lượng kênh và tốc độ bít của hệ thống WDM. Số lượng các kênh tăng đòi hỏi yêu cầu khắt khe hơn đối với độ ổn định của laser, độ chính xác của bộ lọc và vấn đề liên quan đến quản lý tán sắc, hiệu ứng phi tuyến... Mạng tiến dần tới mô hình toàn quang, do đó sẽ xuất hiện các hệ thống thiết bị quang mới có khả năng thực hiện các chức năng mà các thiết bị điện t ử đang đ ảm nhận. Việc loại bỏ các yêu cầu khôi phục và tái tạo lưu lượng qua thiết bị điện tử làm giảm đáng kể tính phức tạp phần cứng của mạng, nhưng sẽ làm tăng các hiệu ứng quang khác. Mặc dù trên khía cạnh nào đó các kỹ thuật WDM mật độ cao s ẽ đ ạt t ới giới hạn của nó. Sự truyền dẫn của vài trăm kênh trên một sợi quang cũng đã được kiểm chứng. Nhờ có sự phát triển của công nghệ WDM, trong tương lai không xa sẽ xuất hiện các dịch vụ thông tin quang giá thành thấp tốc độ cao. II: Giới thiệu về hệ thống thông tin quang Ngay từ xa xưa để thông tin cho nhau, con người đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu. Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú dần và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại như ngày nay, tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và nhanh chóng. Cách đây 20 năm, từ khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang được chính thức đưa vào khai thác trên mang viễn thông, mọi người đều thừa nhận rằng phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại. Trong vòng 10 năm trở lại đây, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của của công nghệ điện tử - viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc. Các nhà sản xuất đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154 dB/km tại bước sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hơn hai thập niên qua. Cùng với đó là sự tiến bộ lớn trong công nghệ ch ế tạo các nguồn phát quang và thu quang, để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại. Dưới đây là những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các môi trường truyền dẫn khác, đó là: Suy hao truyền dẫn nhỏ Ø Băng tần truyền dẫn rất lớn Ø Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ Ø 11
Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao Ø Có kích thước và trọng lượng nhỏ Ø Sợi có tính cách điện tốt Ø Độ tin cậy cao Ø Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có Ø Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn m ạnh mẽ các nhà khai thác viễn thông. Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, và tuyến trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng n ội hạt với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Mô hình chung của một tuyến thông tin quang như sau: Hình 1.1: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và ph ần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các m ạch 12
điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các b ộ n ối quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; t ất cả t ạo nên m ột tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm. Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng. Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ thứ nhất được sử dụng. Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba. Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến. Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều biến. Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo. Đoạn sợi quang ra (pigtail) của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên tuyến. Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa tới. Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện. Các photodiode PIN và photodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các h ệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có t ốc độ chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang s ẽ quyết đ ịnh bước sóng làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ 13
nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống. Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong s ợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến. C ấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào nhau. Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang. Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền. Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang. Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu. Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu t ừ sợi này. Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang. Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực t ế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ (xem hình 1.2): Hình 1.2: Độ rộng của nguồn quang và dải thông của sợi quang 14
III: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng và các tham số cơ bản 1: Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là t ận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của s ợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất. ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn. Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đường truyền đạt t ới m ột mức độ nào đó người ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn. Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các m ạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức t ạp đòi hỏi công nghệ rất cao. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên. Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau. Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang. Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1 nm hay 10 -9 m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM). Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET). Các nhà cung cấp DWDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm h ỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang. Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn. Có hai hình thức cấu thành hệ thống WDM đó là: 1.1: Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 1.3), ở đầu phát các tín hiệu có bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế λ , λ 2 ,...., λ n thông qua bộ ghép 1 kênh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang. Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn. Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền d ẫn tín 15
hiệu quang nhiều kênh. Ở chiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên. Hình 1.3: Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi 1.2: Truyền dẫn hai chiều trên một sợi Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng λ , λ , ..., λ qua bộ ghép/tách kênh được tổ hợp lại với 12 n nhau truyền dẫn trên một sợi. Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng λ n+1, λ ,..., λ được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xem hình 1.4). Nói cách khác ta n+2 2n dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (song công). Hình 1.4: Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên cùng 1 sợi quang 16
Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển t ương đối rộng rãi. Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triển và ứng d ụng cao h ơn, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt. Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghép kênh. Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết k ế các bộ tách kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có b ước sóng cắt chính xác, dải làm việc ổn định. Hệ thống WDM được thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây ra suy hao truyền dẫn. Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của các thiết bị thấp, cần phải t ối thiểu hoá thành phần công suất có thể gây ra phản xạ tại các phần tử ghép, hoặc t ại các điểm ghép nối các module, các mối hàn...., bởi chúng có thể làm gia tăng vấn đề xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suy giảm nghiêm trọng t ỉ số S/N của h ệ thống. Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêm trọng đối với hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do đó hệ thống này có khả năng ít được lựa chọn khi thiết k ế tuyến. Ở một mức độ nào đó, để đơn giản ta có thể xem xét bộ tách bước sóng như bộ ghép bước sóng chỉ bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng. Như vậy hiểu đơn giản, t ừ “bộ ghép - multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để xét cho cả bộ ghép và bộ tách; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng. Người ta chia loại thiết bị OWDM làm ba loại: Các bộ ghép (MUX), các bộ tách (DEMUX) và các bộ ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX). Các bộ MUX và DEMUX được sử dụng trong các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn loại thứ ba MUX-DEMUX được sử dụng cho các phương án truyền dẫn theo hai hướng. Hình 1.5 mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp. Hỡnh 1.5. Mụ tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUXDEMUX). 17
2: Các tham số cơ bản Các tham số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép/tách hỗn hợp là suy hao xen, suy hao xuyên kênh và độ rộng kênh. Để đơn giản, ta hãy phân biệt ra thành thi ết bị một hướng (gồm các bộ ghép kênh và tách kênh độc lập) và thiết bị hai hướng (b ộ ghép/tách hỗn hợp). Các ký hiệu I(li) và O(lk) tương ứng là các tín hiệu được ghép đang có mặt ở đường chung. Ký hiệu Ik(lk) là tín hiệu đầu vào được ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k. Ký hiệu Oi(li) là tín hiệu có bước sóng λ đã được tách và đi ra cửa thứ i. Nhìn chung, các tín hiệu quang không i phát một lượng công suất đáng kể nào ở ngoài độ rộng phổ kênh đã định trước của chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh là không đáng lưu tâm ở đầu phát. Bây giờ ta xem xét các thông số: •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 truyền dẫn quang WDM. Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân thiết bị ghép gây ra. Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ ghép coupler chung, nhưng cần lưu ý là ở WDM là xét cho một bước sóng đặc trưng: O(λ) i Li(MUX) = -10log (1.1) I i (λ) i Oi (λ) i Li(DEMUX) = -10log (1.2) I (λ) i Với Li là suy hao tại bước sóng λ khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền i dẫn. Các tham số này luôn phải được các nhà chế tạo cho biết đối với t ừng kênh quang của thiết bị. 18
Hình 1.6. Xuyên kênh ở bộ tách kênh (a) và ở bộ ghép tách hỗn hợp (b) •Suy hao xuyên kênh: mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này được ghép sang kênh khác. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thu ộc vào trường hợp áp dụng. Nhưng nhìn chung, phải đảm bảo mức xuyên kênh nhỏ hơn (- 30dB) trong mọi trường hợp. Trong một bộ tách kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng λ sang các kênh khác có bước sóng khác với λ. Nhưng trong thực tế, i i luôn luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, và làm giảm chất lượng truyền dẫn của thiết bị. Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB như sau: Di(lk) = -10log [Ui(lk)/I(lk)] (1.3) Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ tách kênh ở hình 1.6 a) thì U i(lk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λ do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà đúng ra chỉ k có tín hiệu ở bước sóng λ. Trong thiết bị ghép/tách hỗn hợp như ở hình 1.6 b), việc i xác định suy hao xuyên kênh cũng được xác định như ở bộ tách. Ở trường hợp này, phải xem xét cả hai loại xuyên kênh. “Xuyên kênh đầu xa” là do các kênh khác đ ược ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I(lk) sinh ra Ui(lk). “Xuyên kênh đầu gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị, như Ui(lj). Khi cho ra các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đ ối với từng kênh của thiết bị. • Độ rộng kênh: là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang riêng. Nếu nguồn phát quang là các diode Laser thì độ rộng kênh được yêu cầu vào kho ảng vài chục nanomet để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra (ví dụ khi nhiệt độ làm việc thay đổi sẽ làm trôi bước sóng đỉnh hoạt động). Đối với nguồn phát quang là diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi vì độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn. 19
Chương II: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDM Trong chương trước, chúng ta đã có tầm nhìn bao quát về một tuyến truyền dẫn quang và công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM. Các thiết bị OWDM rất đa dạng, có thể thực hiện qua các phần tử tích cực hay thu động, nguồn quang phổ hẹp, các thiết bị vi quang, các thiết bị phân cực quang, quay pha, cách t ử quang, ghép sợi .... Nhưng tưu trung lại, chúng làm việc chủ yếu theo hai nguyên tắc chính: nguyên tắc tán sắc góc và nguyên tắc lọc quang. Ngày nay, cùng với những tiến b ộ không ngừng trong nhiều lĩnh vực khác của ngành công nghiệp truyền thông, đặc biệt là với công nghệ mới đầy hấp dẫn này, các thiết bị WDM không ngừng được đổi mới và cải tiến cho phù hợp nhằm vươn tới những ngưỡng dung lượng truyền dẫn khổng lồ với chi phí đầu tư thấp. Chương này nhằm đề cập đến các vấn đề kỹ thuật t ừ cơ bản đến phức tạp đã và đang được sử dụng trong các thiết bị WDM. Các phần tử sử dụng trong hệ thống OWDM rất đa dạng, nhưng có thể phân loại ra như hình 2.1: 20