Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM

Lời nói đầu Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu của con người đối với việc trao đổi thông tin ngày càng cao. Để đáp ứng được nhu cầu đó, đòi hỏi đó mạng lưới viễn thông phải có tốc độ cao, dung lượng lớn. Kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng WDM ra đời đã đáp ứng được một phần những đòi hỏi cấp thiết đó. Kỹ thuật ghép kênh bước sóng WDM có thể nâng dung lượng truyền dẫn của sợi quang lên rất cao. Đồng thời sự tăng trưởng với tốc độ nhanh chóng dung lượng của hệ thống truyền dẫn là sức ép và động lực mạnh cho sự phát triển hệ thống chuyển mạch. Quy mô của hệ thống chuyển mạch trong thông tin càng ngày càng lớn, tốc độ vận hành càng ngày càng cao. Nhưng mạng chuyển mạch điện tử và xử lý thông tin đã phát triển đến gần tốc độ giới hạn. Trong đó tham số cố hữu như RC, méo, trôi trượt, xuyên âm, tốc độ phản ứng chậm… là những khuyết điểm hạn chế đến việc nâng cao tốc độ chuyển mạch. Để giải quyết vấn đề này chuyển mạch quang với kỹ thuật quang điện tử đã ra đời. Ưu điểm của chuyển mạch quang là ở chỗ, khi tín hiệu quang đi qua bộ chuyển mạch, không cần chuyển đổi quang điện/điện quang, do đó nó không bị các thiết bị quang điện như máy đo kiểm, bộ điều chế… hạn chế tốc độ đáp ứng, đối với tốc độ bít và phương thức điều chế là trong suốt, có thể nâng rất cao thông lượng qua bộ chuyển mạch. Do tác dụng của linh kiện logic quang còn rất đơn giản, không thể hoàn thành chức năng xử lý logic phức tạp của bộ phận điều khiển, nên bộ chuyển mạch quang hiện nay vẫn còn phải điều khiển bằng tín hiệu điện, tức là chuyển mạch quang điều khiển điện. Mặt khác, mạng quang trong tương lai cần phải hỗ trợ dịch vụ truyền số liệu. Do đó, ý tưởng về chuyển mạch gói quang ra đời. Đây là một ý tưởng mới được đưa ra nhưng được tập chung nghiên cứu rất cẩn thận với rất nhiều ưu điểm như mạng thông tin toàn quang, có tốc độ cao, dung lượng lớn, trong suốt…. Với mục đích tìm hiểu một công nghệ mới, củng cố và phát triển các kiến thức đã lĩnh hội được trong quá trình nghiên cứu và học tập tại Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông em đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM”. Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu cuốn đồ án tốt nghiệp với đề tài đã chọn đã được hoàn thành với nội dung gồm 3 chương như sau: Chương 1: Giới thiệu chung về WDM. Chương 2: Các phần tử trong hệ thống WDM. Chương 3: Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM. chương 1 Giới thiệu chung về WDM Nguyên lý cơ bản của WDM Khái niệm về WDM a. Quá trình phát triển của WDM Khái niệm ghép kênh quang không phải là mới. Khái niệm này bắt đầu có từ những năm 1950. Có thể nói rằng ý tưởng về truyền nhiều tín hiệu quang là rất đơn giản và tự nhiên như là công nghệ truyền tín hiệu sử dụng trong viễn thông cổ điển với tín hiệu điện. Nhưng giải pháp cho các vấn đề công nghệ là rất khó khăn và nó cần thời gian dài phát triển để giải quyết các vần đề này. Khoảng 20 năm sau các linh kiện thực tế đầu tiên sử dụng cho ghép kênh đã được sản xuất và sử dụng ở Mỹ, Nhật, Châu Âu. Năm 1977 thiết bị thụ động WDM đầu tiên được phát triển bởi Tomlinson và Aumiller. b. WDM và TDM Một câu hỏi được đặt ra là ghép tín hiệu trong miền điện (TDM: Time Division Multiplexing) hay trong miền quang (FDM: Frequency Division Multiplexing) dễ hơn? Câu trả lời cho câu hỏi này không hề dễ dàng và giải pháp tối ưu chỉ có thể tìm thấy với tập hợp các công nghệ phức tạp. Với các dịch vụ tốc độ bit thấp (<2Mb/s) nói chung sẽ tốt hơn nếu ta sử dụng công nghệ TDM. Với tín hiệu chưa nén như truyền hình quảng bá chất lượng cao (HDTV: High Definition TeleVision) thì WDM lại có vẻ tốt hơn. Với công nghệ nén video băng tần yêu cầu đã được giảm xuống mức thấp nhất. Tuy nhiên vào thời điểm hiện nay, CATV và HDTV vẫn yêu cầu các băng tần tương ứng là 4 Mb/s và 25 Mb/s. Các ứng dụng như mạng video liên kết các trạm làm việc truyền tín hiệu từ trung tâm vô tuyến định tuyến các mạng video hội nghị, các hệ thống đào tạo video tương tác, các mạng dịch vụ thông tin đa chiều và mạng truyền số liệu giữa các máy tính, mạng số đa dịch vụ tích hợp (ISDN), các mạng băng rộng sẽ tiến đến sử dụng cả ghép kênh phân chia theo thời gian và ghép kênh phân chia theo bước sóng. Dự báo nhu cầu của thuê bao vào năm 2010 sẽ vào khoảng 100 Mb/s. Điều này sẽ không thể trở thành hiện thực nếu không phát triển mạng quang WDM. Một mạng thực tế thường được tạo nên bởi một tập các kiến trúc để tạo nên môi trường vật lý của mạng giữa các trạm. Cấu hình được gọi là ảo khi nó chỉ bao gồm các liên kết logic giữa các trạm. Một ví dụ về ứng dụng ghép kênh quang là tạo cấu hình mạng ảo theo yêu cầu. Cấu hình mạng có thể được thay đổi phụ thuộc vào cấu hình vật lý khi thay đổi tần số quang của đầu phát hay đầu thu. Trong các cấu trúc này các bộ đấu nối chéo WDM, các bộ định tuyến WDM và các bộ tách xen WDM trở nên rất quan trọng. Mô hình hệ thống WDM Nhiệm vụ của các hệ thống truyền dẫn nói chung là truyền tín hiệu qua một khoảng cách nhất định trên môi trường truyền dẫn đã được lựa chọn trước. Đối với các hệ thống truyền dẫn lựa chọn sợi quang làm môi trường truyền dẫn sẽ là rất tốn kém nếu không sử dụng hiệu quả băng thông của sợi quang. Để tận dụng tốt băng thông của sợi quang kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) đã ra đời và phát triển không ngừng trong nửa thế kỷ qua. Các hệ thống WDM cũng lần lượt được giới thiệu và phát triển trong các mạng viễn thông thương mại. Mô hình của hệ thống WDM và nguyên lý hoạt động của nó được chỉ ra trong hình vẽ sau đây. RxN TxN TxN DE- MUX/MUX MUX/ DE-MUX Sợi dẫn quang l1,l2, ... lN l,1,l,2, ... l,N RxN Kênh 1 Kênh 1 Kênh N Kênh N l1 l,N l,1 lN TxN Kênh 1 Kênh 1 KênhN KênhN l1 l,N l,1 TxN RxN RxN lN Hình 1.1. Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng quang Giả sử có các nguồn quang làm việc ở các bước sóng khác nhau l1, l2, ..., ln. Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi dẫn quang. Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh (MUX), bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi ghép sẽ được truyền dọc theo sợi quang tới phía thu. Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng (DE-MUX). 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 độ rộng của các bước sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải thực hiện cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng bằng cách thiết kế các bộ giải ghép kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải làm việc thật ổn định. Có 2 phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật ghép bước sóng quang là thiết lập hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang một hướng và thiết lập hệ thống ghép kênh bước sóng quang theo hai hướng. Hình vẽ 1.1 chỉ ra một hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang theo hai hướng, trong đó tại các đầu cuối có các thiết bị tách ghép kênh hỗn hợp. Trong hệ thống này l1, l2, ..., lN và l’1, l’2, ..., l’n nằm trên một cửa sổ truyền dẫn nhưng thuộc hai giải tần số khác nhau. Còn trong trường hợp thiết lập hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang một hướng thì tại các đầu cuối chỉ thực hiện một nhiệm vụ là ghép hoặc tách kênh. Trong hệ thống thông tin quang WDM có kỹ thuật ghép kênh bước sóng lỏng và kỹ thuật ghép kênh bước sóng chặt hay mật độ cao. CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo bước sóng lỏng trong đó khoảng cách giữa các bước sóng quang kề nhau lớn hơn 20 nm và tương ứng với nó là 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 bước sóng kề nhau lớn. Kỹ thuật CWDM mang lại hiệu quả kinh tế cao đối với hệ thống yêu cầu ghép ít bước sóng. Khi dung lượng của hệ thống tăng lên thì số kênh ghép trong sợi quang tăng lên. Điều này đã làm cho kỹ thuật ghép kênh CWDM khó có thể đáp ứng được nhu cầu và kỹ thuật ghép kênh DWDM ra đời. DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo bước sóng chặt trong đó khoảng cách giữa các bước sóng kề nhau được truyền trên sợi quang là 0,8 nm. Với khoảng cách này tại vùng tần số 1550 nm độ rộng phổ của mỗi kênh tương ứng vào khoảng 100 GHz. Khi độ rộng phổ của bước sóng giảm xuống thì rất nhiều các yêu cầu đưa ra cần được 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 đã làm cho giá thành của các phần tử trong mạng tăng lên và giá thành của hệ thống DWDM tăng lên rất nhiều so với hệ thống thông tin quang CWDM. Bảng 1.1 So sánh CWDM và DWDM Danh mục CWDM DWDM Khoảng cách bước sóng ~20 nm ~0,8 nm Khoảng cách kênh 2500 GHz 100GHz 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 bit tập trung 40 Gbit/s 320 Gbit/s Giá thành/kênh Thấp Cao ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất của tín hiệu trong sợi quang vượt quá một mức nào đó. Đối với các hệ thống WDM thì mức công suất này cao hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh. Việc nảy sinh các hiệu ứng phi tuyến sẽ gây ra một số hiện tượng như: Xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức công suất tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỷ số S/N... Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM chủ yếu gồm: Hiệu ứng SPM, XPM, FWM, SBS và SBR. Các hiệu ứng này có thể chia thành hai loại: Hiệu ứng tán xạ: Bao gồm các hiệu ứng SBS và SBR. Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr: Bao gồm hiệu ứng SPM, XPM và FWM. Hiệu ứng tán xạ a. Hiệu ứng SBR Hiệu ứng Raman là kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó photon ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phân tử cấu thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tới (ánh sáng với bước sóng mới này được gọi là ánh sáng Stoke). Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang có cường độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích (được gọi là SRS) mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng bơm (gọi là bơm Raman) làm cho phần lớn năng lượng của tín hiệu được chuyển tới bước sóng Stoke. Nếu gọi Ps(L) là công suất của bước sóng Stoke trong sợi quang thì: Ps(L)= P0exp (grP0L/K.Seff) (1.5) Trong đó: P0 là công suất đưa vào sợi tại bước sóng tín hiệu. gr là hệ số khuếch đại Raman. K là hệ số đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bước sóng Stoke và phân cực của sợi. Đối với sợi thông thường thì K»2. Công thức trên có thể dùng để tính toán mức công suất P0 mà tại đó hiệu ứng SBR ảnh hưởng lớn đến hệ thống, được gọi là ngưỡng Raman (P0th) (P0thlà công suất của tín hiệu đầu vào mà ứng với nó, công suất của bước sóng Stoke và của bước sóng tín hiệu tại đầu ra là bằng nhau). P0th » 32 Seff.(L.gr) (1.6) Từ công thức 1.6 người ta tính toán được rằng, đối với hệ thống đơn kênh để hiệu ứng SRR có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thì mức công suất P0 phải lớn hơn 1W (nếu như hệ thống không sử dụng khuếch đại quang trên đường truyền). Tuy nhiên trong hệ thống WDM thì mức công suất này sẽ thấp hơn nhiều vì có hiện tượng khuếch đại đối với các bước sóng lớn, trong khi đó công suất của các kênh có bước sóng ngắn hơn lại bị giảm đi (do đã chuyển một phần năng lượng cho các bước sóng lớn) làm suy giảm hệ số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Để đảm bảo suy giảm S/N không nhỏ hơn 0,5 dB thì mức công suất của từng kênh phải thoả mãn (theo lý thuyết của Chraplyvy). (1.7) Với N là số kênh bước sóng. Df là khoảng cách giữa các kênh bước sóng. Như vậy, trong hệ thống WDM hiệu ứng này cũng hạn chế số kênh bước sóng, khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ thống. Hơn nữa, nếu như bước sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tín hiệu thì hiệu ứng này cũng gây xuyên âm giữa các kênh. b. Hiệu ứng SBS Hiệu ứng SBS là hiệu ứng tương tự như hiệu ứng SRR, tức là có sự tạo thành của bước sóng Stoke có bước sóng dài hơn bước sóng tới. Điểm khác nhau chính của hai hiệu ứng này là: Hiệu ứng SBR liên quan đến các photon âm học còn hiệu ứng SBS liên quan đến các photon quang. Chính do sự khác biệt này mà hai hiệu ứng có những ảnh hưởng khác nhau đến hệ thống WDM. Trong hiệu ứng này, một phần ánh sáng bị tán xạ do các photon âm học và làm cho phần ánh sáng bị tán xạ này dịch tới bước sóng dài hơn (tương đương với độ dịch tần là khoảng 11 GHz tại bước sóng 1550 nm). Tuy nhiên chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngược trở lại (tức là ngược chiều với chiều truyền tín hiệu) mới có thể truyền đi ở trong sợi quang, vì vậy trong hệ thống WDM khi tất cả các kênh đều cùng truyền theo một hướng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh. Trong tất cả các hiệu ứng phi tuyến thì ngưỡng công suất để xảy ra hiệu ứng SBS là thấp nhất, chỉ khoảng vài mW. Tuy nhiên hiệu ứng SBS với DVB/DVlaser (DVb là băng tần khuếch đại Brillouin, DVlaser là độ rộng phổ của laser) và băng tần khuếch đại Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10-100 MHz) nên hiệu ứng này cũng khó xảy ra. Chỉ các hệ thống với nguồn phát có độ rộng phổ rất hẹp thì mới có thể ảnh hưởng bởi hiệu ứng SBS. Người ta tính toán được mức công suất ngưỡng đối với hiệu ứng SBS như sau: (1.8) Trong đó: g là hệ số khuếch đại Brillouin. Aeff là vùng lõi hiệu dụng. K đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bước sóng Stoke và phân cực của sợi. Đối với sợi thông thường thì K»2. DVB là băng tần khuếch đại Brillouin. DVP là độ rộng phổ của tín hiệu. Như vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng đến mức công suất của từng kênh và khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM. Hiệu ứng này không phụ thuộc vào số kênh của hệ thống. Hiệu ứng Kerr quang Kerr là hiệu ứng trong đó chiết suất của môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền. a. Hiệu ứng SPM Hiệu ứng SPM thuộc loại hiệu ứng Kerr, tức là hiệu ứng trong đó chiết suất của môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền. Hiện tượng này tạo nên sự dịch pha phi tuyến fNL của trường quang khi lan truyền trong sợi quang. Giả sử bỏ qua suy hao quang thì sau khoảng cách L, pha của trường quang sẽ là: (1.9) Đối với trường quang có cường độ không đổi hiệu ứng SPM chỉ làm quay pha của trường quang, do đó ít ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Tuy nhiên đối với các trường quang có cường độ thay đổi thì pha phi tuyến fNL sẽ thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi theo thời gian này cũng có nghĩa là trong xung tín hiệu sẽ tồn tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm v0 một giá trị là dvNL: dvNL=(1/2p)(df NL/dt) (1.10) Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của xung dịch đến tần số vv0. Điều này cũng có nghĩa là phổ của tín hiệu đã bị dãn trong quá trình truyền. Trong hệ thống WDM, đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau, hiện tượng dãn phổ do SPM có thể dẫn đến giao thoa gây nhiễu giữa các kênh. b. Hiệu ứng XPM Đối với hệ thống WDM, hệ số chiết suất tại một bước sóng nào đó không chỉ phụ thuộc vào cường độ của sóng đó mà còn phụ thuộc vào cường độ của các bước sóng khác lan truyền trong sợi. Trong trường hợp này chiết suất phi tuyến ứng với bước sóng thứ i sẽ là: DnNL=n2{|Ei|2 + 2S|Ej|2} (1.11) Với: N là tổng số kênh quang. Ei là cường độ trường quang của bước sóng thứ i. Số hạng thứ nhất trong công thức (1.11) ứng với hiệu ứng SPM, số hạng thứ hai tương ứng với hiệu ứng XPM. Nếu giả sử công suất của các kênh là như nhau thì ảnh hưởng của hiệu ứng XPM sẽ gấp 2N lần hiệu ứng SPM. c. Hiệu ứng FWM Hiện tượng chiết suất phi tuyến còn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn mode, đó là hiệu ứng FWM. Trong hiệu ứng này, hai hoặc ba sóng quang với các tần số khác nhau sẽ tương tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới. Tương tác này có thể xuất hiện giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống DWDM, hoặc giữa các bước sóng tín hiệu với tạp âm của các bộ khuếch đại quang. Giả sử có ba bước sóng với tần số wi, wJ, wk thì tổ hợp tần số mới tạo ra sẽ là những tần số wijk thoả mãn: wij k=wi + wJ - wk (1.12) Theo quan điểm cơ lượng tử, thì hiệu ứng FWM là hiệu ứng mà trong đó có sự phá huỷ photon ở một số bước sóng và tạo ra một số photon ở các bước sóng mới sao cho vẫn bảo toàn về năng lượng. Hiệu suất của quá trình FWM phụ thuộc vào điều kiện phù hợp về pha. Hiệu ứng FWM xảy ra mạnh chỉ khi điều kiện này được thoả mãn (tức là động lượng của photon được bảo toàn). Về mặt toán học thì điều kiện này có thể được biểu thị như sau: b(wijk)= b(wi) + b(wj) - b(wk) (1.13) Vì trong sợi quang tồn tại tán sắc nên điều kiện phù hợp về pha rất khó xảy ra. Tuy nhiên, với môi trường truyền dẫn là loại sợi có tán sắc thấp và khoảng cách truyền dẫn là tương đối lớn và các kênh gần nhau thì điều kiện này có thể coi là xấp xỉ đạt được. Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM. Hơn nữa, nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có thể rơi vào các kênh tín hiệu với xác suất rất lớn, gây xuyên âm giữa các kênh, làm suy giảm chất lượng của hệ thống. Sự suy giảm công suất sẽ làm cho dạng hình cắt của tín hiệu ở đầu thu bị thu hẹp lại do đó làm giảm chất lượng của hệ thống. Vì các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở cửa sổ bước sóng 1550 nm và do tán sắc của sợi quang đơn mode thông thường (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18 ps/nm.km, còn tán sắc của sợi tán sắc dịch chuyển (sợi G. 653) là »0 (<3ps/nm.km) nên hệ thống WDM làm việc trên sợi đơn mode thông thường sẽ ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM làm việc trên sợi tán sắc dịch chuyển. ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM càng nhỏ cũng như khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn. Vì vậy hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống WDM. Các cấu hình mạng WDM Các mạng ghép kênh bước sóng quang có bốn cấu hình cơ bản: WDM điểm-điểm có hoặc không có các bộ tách ghép, cấu hình mạng sao, cấu hình mạng Ring với các node OADM và hub, cấu hình hỗn hợp, nó có thể bao gồm cấu hình sao, cấu hình vòng Ring với các kết nối điểm-điểm. Với mỗi cấu hình sẽ có các yêu cầu riêng và nó cũng phù hợp đối với từng ứng dụng cụ thể. Cấu hình điểm-điểm Cấu hình điểm-điểm là cấu hình hay được sử dụng cho truyền dẫn đường dài với tốc độ rất cao (có thể lên đến vài Tertabits/s), tín hiệu được truyền đi toàn vẹn, độ tin cậy cao và khả năng phục hồi lại đường truyền nhanh. Khoảng giữa máy phát và máy thu có thể lên đến vài trăm km và có một số bộ khuếch đại giữa các đầu cuối và thông thường số lượng bộ khuếch đại nhỏ hơn 10 (phụ thuộc vào suy hao công suất và méo tín hiệu). Cấu hình điểm-điểm với bộ tách ghép cho phép hệ thống tách và ghép dọc theo đường truyền. Số lượng các kênh, khoảng cách giữa các kênh, loại sợi quang, phương pháp điều chế tín hiệu và loại thiết bị được lựa chọn sử dụng trên mạng là các thông số quan trọng trong việc tính toán quỹ công suất của hệ thống. Trong WDM mỗi kênh được mang trên một bước sóng xác định và cũng được gọi là kênh quang. Các kênh khác nhau có thể mang các loại dữ liệu khác nhau như thoại, số liệu, video, các gói số liệu với các tốc độ khác nhau. Các liên kết giữa máy thu và máy phát có thể có vài thiết bị quang cũng như một hay một số sợi quang, các bộ khuếch đại quang, các bộ tách ghép quang, các bộ lọc quang, coupler… LD Re A LD LD Re Re CH 1 λ1 CH 2 λ2 CH N λN λ1 CH 1 . . . . . . Fiber Fiber Fiber λ1 ,λ2 ...,λN 1 λ1 ,λ2 ...,λN 1 λk MUX DeMUX LD: Diode Laser Re: Bộ thu quang A: Bộ khuyếch đại quang OADM A λ2 CH 2 λN CH N Fiber: Sợi quang Hình 1.2. Cấu hình điểm-điểm truyền đơn hướng Cấu hình vòng Một mạng Ring bao gồm một sợi quang nối liền giữa các node, một số hệ thống có hai sợi quang cho chức năng bảo vệ mạng (dự phòng). Một mạng Ring có thể bao một vùng nhỏ hoặc vùng thành phố lớn với chiều dài vài chục Km. Mạng Ring có thể gồm 4 hoặc nhiều kênh và có thể có nhiều node. Tốc độ của các kênh có thể là 622,08 Mb/s hoặc thấp hơn hoặc 1,25 Gb/s và cao hơn. Một node trong số các node của mạng Ring là trạm hub nơi mà các bước sóng được quản lý, kết nối với các mạng khác. Tại mỗi node đều có các bộ tách và ghép kênh quang để lấy ra hoặc ghép vào một hoặc một số kênh. OADM OADM OADM OADM O/E IP λi λi λj λj Mux λ1 ,λ2 ...,λN 1 λ1 ,λ2 ...,λN 1 λ1 ,λ2 ...,λN 1 λ1 ,λ2 ...,λN 1 λk λk STM λN λN Hình 1.3. Cấu hình mạng Ring Trong mạng Ring WDM trạm hub có thể kết cuối một số loại lưu lượng như module truyền tải đồng bộ (STM: Synchronous Transport Module), IP, video. Trạm hub quản lý tất cả các kênh liên kết với một đường truyền quang giữa các node với loại lưu lượng trên kênh đó. Tại một node OADM một hoặc nhiều tần số quang được tách ra và xen vào trong khi số còn lại được truyền xuyên qua. Mặc dù vậy khi số lượng node OADM tăng lên thì tín hiệu không thể tránh khỏi tổn hao và vì vậy sẽ yêu cầu thêm các bộ khuếch đại. Số lượng node trong mạng Ring thông thường nhỏ hơn số lượng bước sóng được ghép trong sợi quang. Trong mạng Ring, trạm hub quản lý định thời kênh với một kết nối đầy đủ của mạng với node OADM. Node hub có thể cung cấp các kết nối với các mạng khác. Thêm vào đó một node OADM có thể kết nối với một bộ tách kênh hay ghép kênh nơi một số nguồn dữ liệu được ghép. Một mạng Ring đơn giản với một hub và hai node A và B thông tin với nhau qua bước sóng λk như trong hình 1.4 node A chỉ ghép một số nguồn số liệu. Tất cả các nguồn số liệu được kết thúc và trả lời bởi node B, mặc dù vậy tất cả các tín hiệu này được truyền trên cùng một kênh (và dĩ nhiên là cùng một bước sóng). λ1 ,λ2 ...,λN 1 OADM A OADM B Router Fiber Ring Data N Data 1 Data 2 1 2 : Biến đổi điện quang : Biến đổi quang điện 1 2 Data 1 Data 2 Data N Hình vẽ 1.4. Cấu hình mạng Ring có các kênh được quản lý bởi trạm hub Chương 2 Các phần tử trong hệ thống WDM Chương 1 của cuốn đồ án này đã trình bày tổng quan về quá trình hình thành, phát triển của kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng quang và một số khái niệm liên quan. Tuy nhiên việc thực hiện ý tưởng ghép kênh quang vào thời điểm đó là không hề dễ dàng do những khó khăn về công nghệ. Trong những năm gần đây công nghệ vật liệu phát triển rất nhanh, đã có rất nhiều vật liệu mới được tìm thấy, phát triển và ứng dụng vào các mạng thông tin quang. Điều này đã tạo ra một cuộc cách mạng thực sự trong quá trình phát triển của công nghệ truyền dẫn quang. Chương 2 sẽ trình bày về các phần tử sử dụng trong mạng thông tin quang WDM và các kỹ thuật sử dụng trong các thiết bị đó. Các bộ lọc quang Có 2 loại bộ lọc quang, đó là bộ lọc có bước sóng cố định, hay còn gọi là bộ chọn bước sóng và bộ lọc có bước sóng hoặc dải bước sóng thay đổi được hay còn gọi là bộ lọc điều chỉnh được. Bộ chọn bước sóng Yêu cầu đặt ra là phải tạo ra một trường chuyển mạch chuẩn, trong đó khoảng cách giữa các bước sóng là cố định, đồng thời các bước sóng phải được ổn định tại máy phát. Chính vì vậy mà yêu cầu bộ chọn bước sóng. Chức năng này có thể được thực hiện nhờ kết hợp bộ tách ghép bước sóng và các cổng quang (SOA). Mặc dù thiết bị có thể được sản xuất khi sử dụng các phần tử riêng biệt, nhưng giải pháp này không giải quyết được giảm giá thành và kích thước. Người ta đang cố gắng nghiên cứu phương án tích hợp các phần tử. Các ống dẫn sóng có cấu trúc vòm mái để không nhạy cảm phân cực và suy hao thấp, đồng thời tạo ra bán kính uốn cong nhỏ nhất cho phép thoả mãn yêu cầu liên kết chặt của thiết bị. Sử dụng giải pháp này có thể chế tạo bộ tách bốn kênh trên diện tích 1,5 mm2, thiết bị có suy hao xuyên kênh khoảng -25dB, suy hao của chíp khoảng vài dB và độ nhạy cảm phân cực thấp hơn 0,05 nm (đối với khoảng cách kênh 2 nm). Các phần tử tách/ghép bước sóng tích hợp với các SOA tạo ra bộ chọn bước sóng suy hao zero, tái cấu hình nhanh và không nhạy cảm phân cực. a. Phương pháp lọc điện môi đa lớp sử dụng trong WDM Bộ lọc màng mỏng có khoang cộng hưởng (TFF) 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 là một bộ lọc băng, 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 (TFMF) gồm hai hoặc nhiều khoang cách biệt với nhau bởi các màng mỏng điện môi phản xạ như hình 2.1. Khoang 1 Khoang 2 Khoang 3 Lớp nền thủy tinh Bộ phản xạ điện môi Hình 2.1. Bộ lọc màng mỏng điện môi Thiết bị này có nhiều đặc tính hấp dẫn để ứng dụng vào các hệ thống truyền dẫn quang. Nó có khả năng hình thành đỉnh trong băng thông và sườn dốc. Thiết bị có hàm truyền đạt ổn định khi nhiệt độ thay đổi, có suy hao thấp và không nhạy cảm phân cực với tín hiệu. Các tham số điển hình cho bộ ghép 16 kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng điện môi gồm: Băng thông 1dB là 0,4 nm, băng thông 20 dB là 1,2 nm, độ cách ly là 25 dB và hệ số nhiệt độ là 0,005 nm/0C. Nhờ có các đặc tính này mà hiện tại TFMF được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang có tính thương mại. λ1 ... λ4 λ1 λ2 λ3 λ4 Sợi quang Bộ lọc Hình 2.2. Cấu trúc bộ tách/ghép kênh dùng bộ lọc điện môi gắn trực tiếp trên sợi Thiết bị lọc điện môi đa lớp có thể ghép trực tiếp giữa các sợi quang, hoặc sử dụng hệ thống hội tụ quang. Hình 2.2 là một ví dụ về ghép sợi quang trực tiếp qua các bộ lọc lưỡng hướng sắc trên bề mặt của một sợi quang. Đây là cấu trúc lớp bộ giải ghép 4 kênh sử dụng 3 bộ lọc cấp một. Bộ lọc thứ nhất phản xạ bước sóng l1 và cho qua các bước sóng l2, l3, l4. Bộ lọc thứ hai phản xạ bước sóng l2 và cho qua các bước sóng l3, l4. Bộ lọc thứ ba phản xạ bước sóng l3 và cho qua bước sóng l4. Và như vậy ta được kết quả là tín hiệu đầu vào mạng bốn bước sóng l1, l2, l3, l4 còn tại đầu ra ta tách ra được tín hiệu ta cần được mang trong sóng có bước sóng l4. Tương tự như vậy ta cũng có thể tách được các kênh trong các bước sóng l1, l2, hay l3. Bộ lọc điều chỉnh được Với bộ lọc điều chỉnh được có thể chỉ ra hai bộ lọc tiêu biểu là thiết bị lọc Fabry-Perot và bộ lọc âm quang điều chỉnh được (AOTF). a. Thiết bị lọc Fabry-Perot Các bộ lọc bước sóng điều chỉnh được thường được cấu tạo dựa trên cấu trúc laser điều chỉnh được (điều hưởng). Bộ lọc khoang cộng hưởng Fabry-Perot được tạo thành bởi hai gương có hệ số phản xạ cao đặt song song với nhau như hình vẽ dưới đây. Khoang cộng hưởng Fabry-Perot Tín hiệu vào Phản xạ Tín hiệu ra cùng chiều Hình 2.3. Bộ lọc Fabry-Perot Bộ lọc này còn gọi là bộ giao thoa Fabry-Perot. Tia sáng vào là tia sáng đi tới gương thứ nhất, tia sáng tại đầu ra của bộ lọc là tia sáng rời gương thứ hai. Đây là một thiết bị điển hình đã được sử dụng rộng rãi trong các máy đo giao thoa. Nó đã được sử dụng như là bộ lọc trong thiết bị WDM của mạng quang. Hiện nay đã có bộ lọc tốt hơn, chẳng hạn bộ lọc màng mỏng nhiều khoang cộng hưởng. Có thể xem bộ lọc này như là bộ lọc Fabry-Perot có gương phản xạ phụ thuộc bước sóng. Do đó nguyên tắc hoạt động cơ bản của bộ lọc này cũng như bộ lọc Fabry-Perot. Bộ lọc Fabry-Perot là một phần tử thương mại. ưu điểm vượt trội của nó so với một số thiết bị khác là nó có thể điều chỉnh được để chọn lọc các kênh khác nhau trong hệ thống các hệ thống thông tin quang WDM. Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của thiết bị được chỉ ra như trong hình vẽ 2.3. ánh sáng tới mặt trái của khoang. Sau khi qua khoang, một phần ánh sáng đi qua mặt phải của khoang và phần còn lại phản xạ trở lại khoang. 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. Tất cả các photon truyền qua mặt gương thứ hai đều đồng pha. Và như vậy 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. Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc được biểu diễn qua biểu thức sau: ( FP T f R R R f p t = - - é ë ê ù û ú + - é ë ê é ë ê ê ù û ú ú ) 1 1 1 2 1 sin( 2 ) 2 2 (2.1) Trong đó A là suy hao do hấp thụ của mỗi gương, R là hệ số phản xạ của mỗi gương (giả thiết hai gương có hệ số phản xạ như nhau), t là thời gian truyền qua khoang theo một hướng, n là chiết suất của khoang, l là chiều dài khoang. Do đó t=nl/c, c là tốc độ ánh sáng trong chân không. Dạng của hàm truyền đạt công suất của bộ lọc Fabry-Perot được đưa ra trong hình vẽ 2.4 với A=0 và R lần lượt nhận các giá trị 0,75; 0,90 và 0,99. 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) là tuần hoàn theo f và các đỉnh băng thông của hàm truyền đạt xảy ra tại các tần số thoả mãn điều kiện ft=k/2 khi 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 số bước sóng (tần số) trùng với dải thông bộ lọc đều đi qua bộ lọc. Phạm vi phổ nằm giữa hai dải thông kề cận của bộ lọc được gọi là phạm vi phổ tự do, ký 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, cần chú ý 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 gọi là hệ số phân biệt F của bộ lọc và xác định theo biểu thức: (2.2) Hàm truyền đạt công suất (dB) 0 -10 -20 -30 -1,5 -1 -1,5 0 0,5 1 -1,5 f/FSR -40 R=0,75 R=0,90 R=0,99 Hình 2.4. Hàm truyền đạt của bộ lọc Fabry-Perot Điều chỉnh 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. Xem xét một hệ thống WDM có tất cả các bước sóng đều nằm trong một FSR của bộ lọc Fabry-Perot. Tần số f0 mà b._.ộ lọc cần chọn thoả mãn điều kiện f0t=k/2 đối với một vài số nguyên dương của k. Vì vậy f0 có thể thay đổi nhờ thay đổi t là thời gian truyền theo một hướng của ánh sáng trong khoang. Nếu ký hiệu chiều dài của khoang là l và chiết suất của khoang là n thì t=ln/c, trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không và như vậy t thay đổi khi thay đổi n hoặc l. Điều chỉnh cơ khí của bộ lọc có thể có 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 miligiây. 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 để điều chỉnh 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 có thể thay đổi nhờ điện áp, nên làm thay đổi tần số cộng hưởng của khoang. Tuy nhiên vật liệu áp điện phát sinh hiệu ứng không ổn định nhiệt và từ trễ nên khó có thể ứng dụng bộ lọc như vậy trong thực tế. b. Bộ lọc âm quang điều chỉnh được (AOTF) Bộ lọc âm quang điều chỉnh được (AOTF) là một thiết bị linh hoạt. Nó là bộ lọc có thể điều chỉnh được để chọn lọc một số bước sóng nhất định. Khả năng này được sử dụng để cấu tạo bộ định tuyến bước sóng. Bộ ghép và bộ tách kênh quang Chức năng của một bộ tách kênh quang là nhận tín hiệu từ sợi quang. Tín hiệu từ sợi quang này là một tia sáng bao gồm nhiều tần số sóng quang khác nhau và bộ tách kênh quang có nhiệm vụ tách tín hiệu nhận được thành các tín hiệu tại các tần số khác nhau. Còn nhiệm vụ của bộ ghép kênh quang thì ngược lại: Nó nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau và kết hợp chúng lại vào một tia sáng để truyền vào một sợi quang duy nhất. Có hai loại thiết bị tách/ghép kênh là thiết bị tách/ghép kênh tích cực và thiết bị tách/ghép kênh thụ động. Thiết bị tách/ghép kênh thụ động hoạt động dựa trên nguyên lý của lăng kính, cách tử nhiễu xạ và lọc phổ. Còn các thiết bị tách/ghép kênh tích cực hoạt động dựa trên nguyên tắc kết hợp các thiết bị thụ động với các bộ lọc điều hưởng trong đó mỗi một bộ lọc cộng hưởng với một tần số nhất định. Nguyên tắc làm việc của lăng kính Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM người ta thường dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc (hình 2.5). Do hiện tượng chiết suất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tức là n=n(l), nên các chùm tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hướng khác nhau ở đầu ra theo định luật Snell (sự phụ thuộc của chiết suất vật liệu làm lăng kính theo bước sóng). A B C i r i' Hình 2.5. Tán sắc góc dùng lăng kính (2.3) Trong đó: i là góc tới. i, là góc ló. A là góc đỉnh của lăng kính. r là góc khúc xạ của tia sáng đi vào lăng kính. Nhược điểm: Tán sắc góc dùng lăng kính là mức độ tán sắc thấp nên khó tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau. Vì vậy ta chỉ có thể dùng lăng kính trong trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ: Một bước sóng l1 ở cửa sổ 1300 nm và một bước sóng l2 ở cửa sổ 1550 nm). Nguyên lý làm việc của cách tử tán xạ Do nhược điểm không tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau nên lăng kính ngày nay không được sử dụng trong công nghệ WDM nữa, thay vào đó người ta sử dụng cách tử nhiễu xạ làm phần tử tán sắc góc (hình 2.6). Khái niệm về cách tử Cách tử là một mặt phẳng quang có nhiều rãnh cách đều nhau và có khả năng truyền hoặc nhiễu xạ ánh sáng. Cách tử được cấu tạo bao gồm nhiều rãnh (như răng cưa), trên bề mặt của các rãnh này được phủ một lớp phản xạ, số lượng rãnh trên cách tử có thể lên tới vài nghìn rãnh trên 1 mm. Cách tử có khả năng nhiễu xạ ánh sáng theo một hướng nhất định phụ thuộc vào bước sóng. Vì vậy một tia sáng có nhiều bước sóng khác nhau chiếu vào cách tử thì mỗi bước sóng sẽ nhiễu xạ một hướng khác nhau. Ngược lại, các bước sóng đi tới cách tử từ các hướng khác nhau có thể kết hợp theo cùng một hướng. Góc nhiễu xạ phụ thuộc khoảng cách các rãnh và các góc tới. Khi rọi ánh sáng lên trên bề mặt cách tử, ngoài hiện tượng nhiễu xạ tức là hiện tượng giao thoa của các tia sáng bị phản xạ bởi bề mặt cách tử, làm cho ánh sáng bị nhiễu xạ theo các góc riêng biệt thoả mãn phương trình sau: (2.4) Trong đó: n là chiết suất của lớp phản xạ phủ trên bề mặt cách tử. f là góc cách tử. q là góc nhiễu xạ tương tự. d là bước cách tử. l là bước sóng của tia sáng. m là bậc nhiễu xạ. Phương trình (2.4) cho thấy rõ ràng góc nhiễu xạ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới. Như vậy, cũng giống như lăng kính, ánh sáng không đơn sắc ở đầu vào, sau khi qua cách tử sẽ được tách thành các tia sáng đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau. Khác với lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho các góc tán sắc lớn hơn. Thấu kính Các sợi quang Các tia nhiễu xạ Cách tử nhiễu xạ λ1 λ1 + λ1 +...+ λN λ3 λ2 Hình 2.6. Sử dụng cách tử để tách bước sóng Khi giải ghép kênh (tách bước sóng) bằng cách tử, nguồn sáng tới gồm nhiều bước sóng từ sợi quang sẽ được tách ra thành các tia đơn sắc tương ứng với các bước sóng được truyền trên sợi theo các bước khác nhau. Ngược lại khi ghép kênh, một số kênh ứng với các bước sóng l1, l2, l3, ...ln đến từ các hướng khác nhau có thể được kết hợp thành một hướng và được truyền dẫn trên cùng một sợi quang. Bộ ghép và tách kênh quang Sợi quang λ1 + λ1 +...+ λN Thấu kính Thấu kính Lăng kính A B C Các sợi quang n1 n2 n2>n1 λ1 λn λ2 Hình 2.7. Sử dụng lăng kính để tách bước sóng Thông thường bộ ghép kênh quang bao gồm một số đầu vào mang các tín hiệu tại các bước sóng khác nhau. Tất cả các bước sóng đó được tập trung vào một điểm và truyền vào một sợi quang duy nhất. Hầu hết các bộ tách kênh quang thụ động cũng có thể sử dụng như là một bộ ghép kênh quang. Chúng có thể hoạt động dựa trên nguyên lý làm việc của lăng kính hoặc cũng có thể làm việc theo nguyên tắc tán xạ khi sử dụng cách tử. Hình 2.6 chỉ ra một ví dụ về một bộ tách kênh sử dụng cách tử tán xạ. Thấu kính Các sợi quang Các tia nhiễu xạ Cách tử nhiễu xạ λ1 λ1 + λ1 +...+ λN λ3 λ2 Hình 2.8. Sử dụng cách tử tán xạ để ghép kênh Bộ xen rẽ quang (OADM) Các bộ xen rẽ quang được dùng để liên kết nhiều tín hiệu vào trong một đường truyền đơn hoặc để tách các tín hiệu sau khi truyền như trong hình 2.9. Trong rất nhiều phần tử của mạng, một phần tử có thể không muốn liên kết hoặc tháo toàn bộ cấu trúc kênh mà chỉ đơn thuần xen hoặc rẽ một hay một số kênh. Một bộ ghép quang thực hiện chức năng này không cần phải biến đổi tín hiệu trong tất cả các kênh thành dạng điện và ngược lại. Bộ xen rẽ rất cần cho mạng diện rộng và mạng thành phố khi một hay một số kênh cần được tách ra trong khi các kênh khác trong đường truyền vẫn giữ nguyên. Bộ xen rẽ quang OADM l1l2...ln Kênh đầu vào Kênh đầu ra Xen kênh Rẽ kênh l1l2...ln lx lx Hình 2.9. Bộ xen rẽ quang OADM Phần tử thứ nhất được sử dụng làm bộ xen rẽ quang là bộ định tuyến bước sóng (Wavelength routing) dựa trên nguyên lý dịch pha của các bước sóng (AWG). Chức năng của AWG được thể hiện như trên hình 2.10. Tất cả các bước sóng được đưa tới đầu vào "a" sẽ xuất hiện lần lượt tại các đầu ra. Trên cùng một đầu ra có thể xuất hiện các bước sóng tại các đầu vào khác nhau. Nguyên lý làm việc này khiến AWG trở thành bộ định tuyến bước sóng. Nếu chọn các bước sóng đưa tới đầu vào thích hợp thì sẽ có thể lấy được bước sóng đó ở đầu ra bất kỳ. Khi đầu vào (a) chỉ có một cổng thì AWG được dùng như bộ tách sóng quang, nếu đi theo chiều ngược lại thì nó trở thành bộ ghép bước sóng. Phần tử này có thể chế tạo với số lượng lớn với giá thành hạ vì về cơ bản nó được chế tạo theo cách chế tạo các chíp điện tử. Do đó AWG còn được gọi là linh kiện quang tích hợp (Integrated Optics). λ1a λ2a λ3a λ4a λ1b λ2b λ3b λ4b λ1c λ2c λ3c λ4c λ1d λ2d λ3d λ4d λ1a λ4b λ3c λ2d λ2a λ1b λ4c λ3d λ3a λ2b λ1c λ4d λ4a λ3b λ2c λ1d Đầu vào “a” Đầu vào “b” Đầu vào “c” Đầu vào “d” Hình 2.10. Nguyên lý của AWG Phần tử thứ hai là các bộ tách ghép bước sóng sử dụng phối hợp bộ quay pha bước sóng (circulator) và cách tử sợi quang (fiber grating)-cách tử Bragg. Trong đó bộ quay pha quang có thiết kế gần giống với bộ cách ly quang (optical isolator). Các bước sóng cần tách/xen sẽ được bộ cách tử sợi quang phản xạ lại đa vòng tới lối ra/vào của bộ quay pha. Các bước sóng khác vẫn đi qua bình thường. Một cách tử sợi quang là thiết bị giao thoa quang được thiết kế ngay bên trong một sợi quang. Nếu một sợi thuỷ tinh được cấy thêm một chất phù hợp, thường là Germanium, chỉ số khúc xạ của nó có thể được thay đổi bằng việc chiếu các tia cực tím. Nếu việc chiếu các tia cực tím xảy ra trong một khoảng thời gian thích hợp, bộ lọc sẽ trở thành một cách tử. Do nó chỉ là một mẩu sợi quang nhỏ nên suy hao xen có thể coi bằng 0 (một đặc tính tuyệt vời cho các bộ tách/ghép bước sóng). Nó sẽ phản xạ bước sóng ánh sáng gần như hoàn toàn trong một dải xác định trước và truyền đi các bước sóng còn lại. λ1 λ2 Hình 2.11. Phối hợp bộ quay pha và cách tử sợi quang Bước sóng trung tâm của bộ lọc cách tử sợi quang được xác định bằng chu kỳ của nó. Băng thông này tỷ lệ nghịch với bước sóng. Cả hai thông số này đều nhạy cảm với nhiệt độ, do đó các bộ lọc này yêu cầu nhiệt độ ổn định hoặc có các cơ chế điều khiển nhiệt độ. Cách tử sợi quang là một linh kiện có rất nhiều ứng dụng trong truyền dẫn. Nó có thể dùng làm bộ lọc bước sóng băng hẹp hoặc băng rộng, bộ bù tán sắc, bộ lọc làm theo đường đặc tuyến của EDFA và là một phần của bộ lọc quang trong phần tử tách/ghép bước sóng. Nó ít khi được dùng riêng như các thành phần thụ động trong WDM. Kết hợp bộ quay pha và cách tử sợi quang theo cách như vậy giúp ta có thể tách ghép một bước sóng tại node xen/rẽ với suy hao rất nhỏ (2 dB). Tuy nhiên giá thành chế tạo bộ quay pha hiện nay còn khá cao nên nó mới chỉ thường được dùng cho các tuyến cáp quang biển cự ly dài. Coupler hình sao (PSC) Vai trò của coupler hình sao là kết hợp các tín hiệu quang khác nhau đến từ các đầu vào khác nhau và chia chúng ra tại các đầu ra. Trái với các bộ ghép kênh, coupler hình sao không bao gồm các phần tử lựa chọn bước sóng, cũng như không có nhiệm vụ tách các kênh tín hiệu ra riêng rẽ. Số đầu vào và số đầu ra cũng không cần phải bằng nhau. Ví dụ: Trong trường hợp phát video phân bố, một số lượng nhỏ các kênh video (khoảng 100 kênh) sẽ được phát cho hàng nghìn thuê bao. Số lượng đầu vào và số lượng đầu ra thường được chọn bằng nhau cho phát quảng bá và lựa chọn trong mạng LAN khi mỗi người dùng mong muốn nhận được thông tin từ tất cả các kênh. Một coupler hình sao thụ động được nói đến với ngụ ý là một coupler sao quảng bá NxN trong đó N là số đầu vào và đầu ra. Một coupler hình sao phản xạ đôi khi cũng được sử dụng cho các ứng dụng mạng LAN bằng cách phản xạ tín hiệu trở lại các đầu vào. Hình 2.12. Coupler sao 8x8 sử dụng 12 coupler 2x2 Một số loại coupler hình sao được phát triển cho các ứng dụng mạng LAN. Một cách tiếp cận có từ rất sớm là sử dụng coupler quang -3 dB. Một coupler quang -3 dB chia hai tín hiệu đầu vào ra hai đầu ra, nó có chức năng tương tự như một coupler sao 2x2. Các coupler lớn hơn có thể được tạo ra bằng cách kết hợp nhiều coupler 2x2. Hình vẽ 2.12 chỉ ra một coupler quang 8x8 sử dụng 12 coupler quang 2x2. Độ phức tạp của coupler sao tăng lên đáng kể khi số đầu vào/ra tăng lên. Coupler xoắn nóng chảy có thể làm cho coupler sao gọn hơn, chắc chắn hơn. Hình vẽ 2.13 chỉ ra dạng đơn giản của công nghệ này. ý tưởng của công nghệ này là xoắn một số lượng lớn các sợi quang lại với nhau và dùng nhiệt độ cao đun nóng chảy. Trong trường hợp này các tín hiệu được trộn với nhau và chia đều tới tất cả các đầu ra. Hình 2.13. Coupler xoắn nóng chảy Bộ định tuyến bước sóng Một thiết bị quan trọng trong hệ thống WDM là một bộ định tuyến bước sóng kích thước NxN, nó là một thiết bị kết hợp chức năng của một coupler hình sao và hoạt động tách ghép kênh. Hình 2.14 chỉ ra hoạt động của một bộ định tuyến bước sóng với N=5. Tín hiệu WDM vào từ N đầu vào được tách kênh và đưa thẳng tới N đầu ra của bộ định tuyến theo cách tín hiệu WDM tại mỗi cổng ra được sắp xếp lại từ các kênh tín hiệu của các kênh đầu vào khác nhau. Một thiết bị định tuyến thụ động là thiết bị không bao gồm bất cứ phần tử nào cần đến công suất điện. Nó cũng được gọi là định tuyến tĩnh khi cấu hình định tuyến không thể thay đổi linh hoạt được. Mặc dù nó là tĩnh nhưng nó là một trong những thiết bị có nhiều ứng dụng quan trọng trong mạng WDM. λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ1 λ5 λ4 λ2 λ3 λ4 λ3 λ2 λ4 λ5 λ3 λ2 λ1 λ5 λ1 λ5 λ4 λ3 λ3 λ4 λ2 λ1 λ5 λ1 λ2 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 1 2 3 4 5 a b c d e Hình 2.14 . Sơ đồ minh họa định tuyến bước sóng Hầu hết các thiết kế của một bộ định tuyến bước sóng sử dụng một biến thể của bộ tách kênh AWG để cung cấp nhiều đầu vào. Một thiết bị định tuyến được gọi là định tuyến cách tử dẫn sóng (WGR: Waveguide-Grating Router) bao gồm hai coupler hình sao NxM với N đầu ra của coupler hình sao thứ nhất nối với M đầu vào của coupler hình sao còn lại thông qua một ma trận M ống dẫn sóng hoạt động như một bộ AWG. Bộ nối chéo quang OXC Việc chuyển mạch trong các tín hiệu quang trước đây liên quan đến việc biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, và lại biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền tới các mạng khác. Quá trình này là rất phức tạp, chi phí cao, làm hạn chế tốc độ chuyển mạch và giảm khả năng hoạt động của hệ thống WDM. Chuyển mạch sử dụng trong các mạng WDM để dẫn tín hiệu đến các đường khác nhau hoặc để định tuyến lại tín hiệu. Tính phức tạp và tin cậy của hệ thống đòi hỏi ngày càng cao. Vì vậy khả năng chuyển mạch dễ dàng là yếu tố rất quan trọng đối với các mạng quang hiện đại. Do đó, các bộ nối chéo quang OXC rất cần thiết trong các mạng quang hiện tại và trong tương lai. Bộ nối chéo quang dùng để hoán đổi các tín hiệu kênh quang giữa các sợi với nhau. Bộ nối chéo quang có thể được mô tả như trong hình 2.15. Trong hình này các tín hiệu quang trong bước sóng l2 được thay đổi giữa hai sợi quang với nhau, đó là hai sợi A và B. Al1 Al2... Aln Bl1 Bl2... Bln Al1 Bl2... Aln Bl1 Al2... Bln Hình 2.15. Sơ đồ bộ nối chéo quang Có hai loại OXC chính là: - OXC định tuyến theo bước sóng (Wavelength Routing OXCR). - OXC có khả năng chuyển đổi bước sóng (Wavelength Translating OXCT). Các OXCR hoạt động theo nguyên tắc tách các bước sóng quang từ các tín hiệu quang đầu vào rồi chuyển mạch không gian (chuyển mạch sợi quang), sau đó ghép các bước sóng lại, không có sự chuyển đổi bước sóng. Mỗi tín hiệu quang tới được đưa qua một bộ tách sóng quang để tách riêng các bước sóng khác nhau. Bộ chuyển mạch quang có suy hao và nhiễu xuyên nhỏ sẽ kết nối các bước sóng quang tới các vị trí mong muốn tại đầu vào của bộ ghép bước sóng để ghép các bước sóng này tới sợi quang đầu ra. Trước khi ghép thì mỗi bước sóng sẽ phải đi qua bộ cân bằng công suất PE để điều chỉnh công suất cho mỗi bước sóng tới giá trị thích hợp trước khi qua bộ ghép bước sóng Các OXCT hoạt động theo nguyên tắc chuyển mạch có chuyển đổi bước sóng quang. Đầu tiên, mỗi tín hiệu quang từ một sợi được phân chia với số nhánh bằng tổng số kênh quang cần lấy tại đầu ra nhờ bộ spliter. Sau đó chúng được đưa tới các bộ chuyển mạch quang để lấy ra tín hiệu quang cần thiết. Tín hiệu quang được chọn ra lại tiếp tục qua bộ chọn bước sóng, tách ra được kênh quang yêu cầu để đưa vào đúng bước sóng quang cần ghép ở đầu ra. Việc sử dụng OXCT cho phép tận dụng tối đa quỹ bước sóng quang. Tuy nhiên, không phải tại tất cả các node mạng đều có nhu cầu chuyển đổi bước sóng nên để khai thác có hiệu quả và kinh tế hơn, ta có thể kết hợp cả hai loại thiết bị này trong mạng. Bộ biến đổi bước sóng Một bộ biến đổi bước sóng thay đổi bước sóng đầu vào thành một bước sóng đầu ra mới mà không thay đổi nội dung của dữ liệu truyền trên bước sóng đó. Đã có rất nhiều nguyên tắc chuyển đổi bước sóng đã được phát triển trong những năm 1990. Một nguyên tắc đơn giản là sử dụng một máy tái tạo điện quang chỉ ra như hình 2.15a. Một máy thu quang trước tiên biến đổi tín hiệu trong bước sóng đầu vào là λ1 thành chuỗi bit điện và chuỗi bit này được sử dụng bởi một bộ phát để tạo ra tín hiệu quang tại bước sóng mong muốn là bước sóng λ2. Với thiết bị kiểu này có ưu điểm là tương đối dễ dàng thực hiện bởi các linh kiện tiêu chuẩn. Ngoài ra nó còn có các ưu điểm khác như không nhạy cảm với phân cực đầu vào và có thể khuếch đại tín hiệu thuần. Nhưng nó cũng có nhược điểm là hạn chế tốc độ truyền tải trên đường truyền và dạng tín hiệu, ở đây tốc độ bị hạn chế bởi miền điện, giá thành của thiết bị khá cao. Receiver Transmitter λ1 I(t) λ2 λ1 λ2 λ2 Líp tÝch cùc Bé läc SLA (a) (b) Hình 2.15. Nguyên tắc làm việc của các bộ chuyển đổi bước sóng Nguyên tắc làm việc đơn giản nhất là thiết bị được chỉ ra trong hình 2.15b. Nó dựa trên hiện tượng khuếch đại bão hoà xảy ra khi một vùng yếu được khuếch đại trong SOA với một vùng mạnh và sự khuếch đại của vùng yếu được tạo ra bởi miền mạnh. Để sử dụng thiết bị này tín hiệu xung trong bước sóng λ1 cần chuyển đổi và phát vào SOA cùng với một tia CW công suất thấp tại bước sóng λ2 và nó được chuyển sang bước sóng mong muốn là λ2. Kết quả là tia CW được khuếch đại một số lượng lớn các bit 0 (không bão hoà) bởi một số lượng nhỏ hơn các bit 1. Rõ ràng là mẫu bit chuẩn của tín hiệu trong bước sóng ban đầu sẽ được truyền tới bước sóng mới với cực tính đảo ngược và các bit 0 và 1 được trao đổi cho nhau. Công nghệ này đã được sử dụng trong nhiều thí nghiệm và có thể làm việc tại các hệ thống có tốc độ lên đến 40 Gb/s. Phần tử phát và thu quang Bộ phát Các thiết bị biến đổi điện quang E/O và các phần tử điện rời rạc của các bộ phát quang thuộc thế hệ trước đây đang dần dần được thay thế bởi các mạch tích hợp. Việc thực hiện các mạch tích hợp cỡ lớn nhằm đáp ứng yêu cầu về tốc độ điều chế và độ tin cậy ngày được thực hiện nhiều hơn. Trước hết ta xét yêu cầu đối với nguồn quang trong WDM. Độ chính xác của bước sóng phát: Đây là yêu cầu tiên quyết cho một hệ thống WDM hoạt động chính xác. Nói chung, bước sóng đầu ra luôn bị dao động do các yếu tố khác như nhiệt độ, dòng định thiên… Ngoài ra, để tránh xuyên nhiễu cũng như tạo diều kiện cho phía thu dễ dàng tách đúng bước sóng thì độ ổn định tần số phía phát phải thật cao. Độ rộng phổ hẹp: Độ rộng đường phổ được định nghĩa là độ rộng phổ nguồn quang tính cho bước cắt 3 dB. Để có thể tăng nhiều kênh trên một giải tần cho trước, cộng với khoảng cách kênh nhỏ nên độ rộng phổ càng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận xảy ra khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không được đảm bảo chất lượng. Dòng ngưỡng thấp: Đối với Lade đi-ốt(LD-Laser Diode), phát xạ khích thích không thể bắt đầu cho đến khi dòng định thiên cao hơn giá trị dòng ngưỡng Ith, công suất đầu ra tỷ lệ với (I- Ith) với I là dòng định thiên. Do đó, dòng ngưỡng thấp hơn cho phép dòng định thiên nhỏ hơn đối với cùng một công suất đầu ra. Nhưng quang trọng hơn là nếu dòng ngưỡng thấp sẽ đảm bảo công suất nền thấp. Điều này làm giả bớt vấn đề lãng phí công suất trong việc kích thích LD cũng như giảm bớt công suất nền không mang tin và tránh cho máy thu chịu ảnh hưởng của nhiễu nền ( phát sinh do có công suất nền cao). Nếu công suất nền gửi trên đường truyền lớn sẽ không có lợi cho hệ thống, vì công suất quang truyền dẫn trên sợi ( tổng công suất của các bước sóng ghép) càng lớn thì ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến càng lớn, ảnh hưởng xấu đến chất lượng hệ thống. Độ rộng băng tần điều chế lớn: Như đã biết, thông tin được phát thông qua điều chế sóng mang. Trong truyền thông quang, có hai kĩ thuật điều chế chính là điều chế trực tiếp và điều chế ngoài. Vì điều chế trực tiếp đơn giản nên nó thường được sử dụng trong hệ thống có tốc độ ≤ 2.5 Gbps. Kĩ thuật này sử dụng tín hiệu phát kích hoạt trực tiếp LD nên nguồn sáng phải có tốc độ đáp ứng nhanhg theo tín hiệu đầu vào thay đổi theo thời gian, tương ứng với độ rộng băng tần phải đủ lớn. Với trường hợp điều chế ngoài thì độ rộng băng tần không nhất thiết phải quá lớn vì thiết bị bên ngoài điều chế liên tục từ LD đưa đến. Khả năng điều chỉnh được bước sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần của sợi quang, nguồn quang phải có khả năng phát trên cả dải100 nm. Hơn nữa, với các hệ thống lựa chọn kênh động càng cần khả năng có thể điều khiển được bước sóng. Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự phi tuyến của nguồn quang sẽ phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo xuyên nhiễu giữa các kênh. Nhiễu thấp: Nhiễu rất quan trọng để đạt được BER thấp trong truyền thông số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt. Trên cơ sở các yêu cầu trên, người ta tiến hành nghiên cứu, triển khai thực nghiệm và đưa vào ứng dụng các loại nguồn quang mà có thể đáp ứng phần nào hoặc toàn bộ các yêu cầu nói trên. Một bộ phát của một kênh (một bước sóng) thường gồm bộ laser hồi tiếp phân bố DFB, sau đó là một bộ điều chế, thường ở bên ngoài máy phát laser đặc biệt là khi tốc độ điều chế cao. Sự phát triển các mạch quang tích hợp gần đây đã làm giảm giá thành của các máy phát, trong đó chíp laser, bộ khuếch đại quang được tích hợp vào trong một gói. Hiện nay, một gói phát gồm nhiều bộ phát laser, nhiều bộ ghép kênh, một bộ khuếch đại công suất (thường dùng khuếch đại quang bán dẫn). Một bộ suy hao có thể thay đổi được trên toàn bộ dải điều chế có thể được đặt gần một máy phát laser để điều khiển công suất của máy phát đến một giá trị cần thiết. Giá trị này được chọn sao cho khớp với các đặc tính của trạm lặp đầu tiên trên đường truyền hoặc khi dùng với các máy phát hoạt động ở các bước sóng khác để đảm bảo rằng tất cả các bộ phát kết hợp với nhau để làm cho phân bố công suất phổ phẳng như nhau. Trong bộ laser hồi tiếp phân bố (DFB), hốc cộng hưởng Fabry-Perot hai gương thông thường được làm nhỏ lại và được điều khiển. Việc lựa chọn bước sóng chính xác qua hồi tiếp quang được thực hiện bằng một cách tử dọc được chế tạo như một bộ phận của chíp laser. Cách tử này dùng để hỗ trợ laser phát xạ đơn mode, sóng truyền dọc nằm trong một khoảng rất hẹp, thông thường nhỏ hơn 100 MHz. Cùng với máy phát laser Fabry-Perot, hình dạng của ống dẫn sóng đảm bảo cho đầu ra có hướng ổn định. Cấu trúc hồi tiếp phân bố có thể được coi như là một kiểu kết hợp của nhiều buồng cộng hưởng ánh sáng phân tán, cho phép lựa chọn bược sóng đỉnh của ánh sáng laser tuỳ thuộc khoảng chu kỳ của cách tử nhiễu xạ. Nhờ đó, có thể thực hiện được việc phát xạ bước sóng đơn. Ngoài các kết nối điện tốc độ cao, một gói DFB còn có thể có một bộ làm mát nhiệt điện, cảm biến nhiệt độ, bộ cách ly quang và diode quang điều khiển. Các gói DFB hiện nay có thể cho một công suất đầu ra là 40 dBm cho dòng kích thích khoảng 40 mA. ánh sáng từ nguồn quang phải được điều chế với dòng bit mang thông tin cần truyền dẫn bằng phương pháp điều biến cường độ. Quá trình điều biến phải có độ tuyến tính cao để tránh sự phát sinh các hài không cần thiết và sự méo dạng tín hiệu do điều biến qua lại, gây nhiễu cho quá trình giải điều chế ở phía thu. Các gói DFB kết hợp với các bộ điều chế trên một chíp, làm cho cả khối có độ di tần thấp, tốc độ điều chế cao. Tuy nhiên, chúng cũng có một số hạn chế ví dụ như bề rộng phổ hẹp làm cho chúng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu do sự phản hồi từ các liên kết. Bộ thu Bộ thu chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện bằng việc tách tất cả các tín hiệu quang được điều chế và giải điều chế chúng. Bộ thu phải hoàn toàn tương thích với bộ phát (về cả bước sóng cơ bản và các đặc tính điều chế) và phải được thiết kế để giải quyết tất cả sự suy hao tín hiệu bởi các phần tử trên mạng. Chỉ tiêu máy thu được đánh giá thông qua tỷ lệ lỗi bit BER. Kết quả thu phụ thuộc vào độ nhạy máy thu, băng thông của máy thu và tạp âm tín hiệu trước khi giải điều chế. Chỉ tiêu đầy đủ của một máy thu được mô tả bởi đặc tuyến độ nhạy của nó, trong đó tỷ lệ lỗi bit BER được xem như là một hàm của công suất quang thu được với một dữ liệu cho trước. Năng lượng ánh sáng từ một sợi quang được đưa đến một bộ tách sóng, thường là một photodiode. Tín hiệu ra phải được khuếch đại điện, càng ít nhiễu càng tốt, trong vòng một dải thông điện thích hợp với tín hiệu mong muốn. Có thể thực hiện việc lọc điện để làm phẳng tần số hiệu dụng của phần tử này. Tất cả được thực hiện trong một khối tích hợp, trong đó có khối thu mà đầu vào của nó là ánh sáng từ sợi quang còn đầu ra là tín hiệu điện đã được điều chế thích hợp. Hai loại photodiode hay được sử dụng là diode PIN và APD. PIN hoạt động ở điện áp thấp tiêu chuẩn, nguồn cung cấp là 5V nhưng có độ nhạy kém hơn và có băng thông hẹp hơn so với APD. Các PIN có tốc độ cao thường được dùng trong các hệ thống có tốc độ 10 Gb/s và 40 Gb/s trước khi có APD. APD hay dùng trong các ứng dụng có khoảng cách lớn mà giá thành và độ phức tạp mạch cao hơn. Trong nhiều trường hợp, việc dùng chỉ một APD cho phép người dùng không cần một bộ tiền khuếch đại. Do đó, APD có tính kinh tế hơn. Các thông số lựa chọn quan trọng đối với bộ thu gồm có: Đáp ứng phổ (A/W là một hàm của bước sóng, liên quan mật thiết đến bộ tách được dùng), độ nhạy (mức đo mà tại đó nhiễu trong bộ tách át tín hiệu đến), dải thông điện và độ rộng phổ, dải động và tạp âm. Các tiêu chuẩn phù hợp với mỗi tham số tuỳ thuộc vào từng ứng dụng. Ví dụ như các đặc tính của tạp âm quan trọng hơn mức công suất cao ở đầu ra trong một bộ tiền khuếch đại được sử dụng ngay trước một kênh thu. Ngoài ra cần phải giảm bức xạ tự phát ở bộ lọc quang trong bộ giải điều chế. Bảng 2.1. Độ nhạy máy thu với các tốc độ truyền dẫn khác nhau Tốc độ truyền dẫn (Gb/s) Độ nhạy máy thu (dBm) Loại diode 2,5 -28 APD 10 -16 APD 40 0 ¸-5 PIN Bộ khuếch đại quang Khi chưa có khuếch đại quang, việc tăng dung lượng bằng giải pháp ghép bước sóng chưa thực sự chứng tỏ tính kinh tế của mình so với các giải pháp tăng dung lượng khác. Đó là do để thực hiện khuếch đại điện (tại các trạm lặp) phải tách tất cả các kênh bước sóng (nhờ thiết bị DEMUX), biến đổi các kênh bước sóng này thành tín hiệu điện, khuếch đại từng kênh, biến đổi thành tín hiệu quang sau đó mới lại thực hiện ghép các bước sóng lại với nhau (nhờ thiết bị MUX). Như vậy, không những làm cho số lượng thiết bị trên tuyến tăng lên rất nhiều mà còn làm giảm quỹ công suất của tuyến (do suy hao của các thiết bị tách/ghép bước sóng là tương đối lớn). Sự ra đời của bộ khuếch đại sợi quang pha Erbium (EDFA) đã làm giảm số trạm lặp trên tuyến rất nhiều, với khả năng khuếch đại đồng thời nhiều bước sóng, EDFA đặc biệt thích hợp với các hệ thống WDM. EDFA có ba kết cấu cơ bản Bơm cùng chiều: Tín hiệu quang và tín hiệu bơm được đưa vào sợi quang pha Erbium trên cùng một hướng. Đầu vào tín hiệu quang Bộ phối ghép quang Đầu ra tín hiệu quang Bơm quang Bộ cách ly quang Bộ cách ly quang EDF Bộ lọc quang Hình 2.16. Bơm cùng chiều Bơm ngược chiều: Tín hiệu quang và tín hiệu bơm được đưa vào sợi quang pha Erbium từ hai hướng khác nhau, còn gọi là bơm sau. Đầu vào tín hiệu quang Bộ phối ghép quang Đầu ra tín hiệu quang Bơm quang Bộ cách ly quang Bộ cách ly quang EDF Bộ lọc quang Hình 2.17. Bơm ngược chiều Bơm hai chiều: Kết cấu đồng thời bơm cùng chiều và ngược chiều. Đầu vào tín hiệu quang Bộ phối ghép quang Đầu ra tín hiệu quang Bơm quang Bộ cách ly quang Bộ cách ly quang EDF Bộ lọc quang Bơm quang Bộ phối ghép quang Hình 2.18. Bơm hai chiều EDFA có ba ứng dụng chính là: Khuếch đại công suất (BA), tiền khuếch đại (PA) và khuếch đại đường truyền (LA). BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn được sử dụng ngay sau bộ phát (Tx) để tăng mức công suất tín hiệu. Do mức công suất ra tương đối cao nên BA không có các yêu cầu nghiêm ngặt đối với nhiễu và bộ lọc quang. Tuy nhiên với mức công suất cao, việc sử dụng BA có thể gây nên một số hiệu ứng phi tuyến. Các chức năng khai thác, quản lý và bảo dưỡng (OAM) đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với thiết bị phát quang. BA có thể tích hợp với Tx (gọi là OAT), hoặc tách riêng với Tx. PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng ngay trước bộ thu (Rx) để tăng độ nhạy thu. Sử dụng PA, độ nhạy thu được tăng lên đáng kể. Các chức năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Rx. Để đạt mức tạp âm thấp, người ta thường sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp (nên sử dụng loại bộ lọc có khả năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước sóng của nguồn phát). PA có thể thích hợp với Rx (gọi là OAR), hoặc tách riêng với Rx. LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp. Tuỳ theo chiều dài tuyến mà LA có thể được dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến. Đối với các hệ thống có sử dụng LA đòi hỏi phải có một kênh thông tin riêng để thực hiện việc cảnh báo, giám sát, và điều khiển các LA (OSC). Kênh giám sát này không được quá gần với bước sóng bơm cũng như kênh tín hiệu để tránh ảnh hưởng giữa các kênh này. Tại mỗi LA, kênh giám sát này được chèn thêm các thông tin mới (về trạng thái của LA, các thông tin về cảnh báo), sau đó lại được phát lại vào đường truyền. Về mặt lý thuyết, khoảng cách truyền dẫn lớn (cỡ vài nghìn km) có thể đạt được bằng cách chèn thêm các LA vào đường truyền. Tuy nhiên, trong trường hợp trên tuyến có nhiều LA liên tiếp nhau chất lượng hệ thống có thể suy giảm nghiêm trọng do các hiện tượng như: Tích luỹ tạp âm, ảnh hưởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến. Đặc biệt là việc hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bước sóng nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ của LA. Một trong những hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch đại không đồng đều (được chỉ ra trong hình 2.19), các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ số khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại bước sóng 1530 nm. Hơn nữa, trong trường hợp trên tuyến có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại khác xung quang bước sóng 1558 nm. Như vậy với nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền dải phổ khuếch đại sẽ bị ._.