Công nghệ ghép kênh quang WDM

ệ 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 chế 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 Băng tần truyền dẫn rất lớn Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao Có kích thước và trọng lượng nhỏ Sợi có tính cách điện tốt Độ tin cậy cao Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh 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 nội 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: Nguồn phát quang Mạch điều khiển Tín hiệu điện vào Bộ phát quang Sợi dẫn quang Bộ chia quang Các thiết bị khác Thu quang Phát quang Trạm lặp Khuếch đại quang Đầu thu quang Khôi phục tín hiệu Khuếch đại Bộ thu quang Mạch điện Tín hiệu điện ra Mối hàn sợi Bộ nối quang 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 phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch 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 bộ nối quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một 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 hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định 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 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 sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến. Cấu 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 từ 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 tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ (xem hình 1.2): O,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 O,7 1,4 1,5 1,6 l (mm) Suy hao sợi (dB/km) 0 1 2 3 4 5 6 Single mode Multi mode Phổ một nguồn sáng Hình 1.2. Độ rộng phổ nguồn quang và dải thông của sợi quang. Một ý tưởng hoàn toàn có lý khi cho rằng có thể truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang từ các nguồn quang có bước sóng phát khác nhau trên cùng một sợi quang. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM ra đời từ ý tưởng này. II. nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM và các tham số cơ bản: II.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 tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi 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 tới một 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 mạch 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 tạp 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 hỗ 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: a) 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 , ,...., thông qua bộ ghép 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 dẫn tín hiệu quang nhiều kênh. ở chiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên. O Hình 1.3. Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang. l1, l2 ....... ln l1, l2 ....... ln ln l1 ln l1 O n 1 n 1 1 n n 1 Máy phát quang Máy phát quang Máy thu quang Máy thu quang Bộ ghép kênh Bộ tách kênh Bộ khuếch đại sợi quang Bộ khuếch đại sợi quang Bộ tách kênh Bộ ghép kênh Máy thu quang Máy thu quang Máy phát quang Máy phát quang O O 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 l1, l2, ..., ln qua bộ ghép/tách kênh được tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi. Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng ln+1, ln+2,..., l2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xem hình 1.4). Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (song công). Máy phát quang Bộ khuếch đại sợi quang Bộ ghép/ tách kênh l1, l2 ....... ln 1 Máy phát quang Máy thu quang Máy thu quang Máy thu quang Máy thu quang Máy phát quang Máy phát quang Bộ tách/ ghép kênh n 1 n 1 n 1 n O O ln+1, ln+2 ....... l2n l1 ln ln+1 l2n Hình 1.4. Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang. Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển tương đối rộng rãi. Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, 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 kế các bộ tách kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước 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 tối thiểu hoá thành phần công suất có thể gây ra phản xạ tại các phần tử ghép, hoặc tại 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 tỉ số S/N của hệ 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 kế 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, từ “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. Sợi dẫn quang I(li) O(lk) Ii(li) Ik(lk) Các tín hiệu được tách Các tín hiệu được ghép Hình 1.5. Mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX). II.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 thiết bị một hướng (gồm các bộ ghép kênh và tách kênh độc lập) và thiết bị hai hướng (bộ 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 li đã được tách và đi ra cửa thứ i. Nhìn chung, các tín hiệu quang không 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: Li(MUX) = -10log (1.1) Li(DEMUX) = -10log (1.2) Với Li là suy hao tại bước sóng li khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn. Các tham số này luôn phải được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị. DEMUX I(l1) ....... I(lk) Oi(li) + Ui(lk) Sợi quang I(l1) ....... I(lk) Sợi quang O(lj) Ij(lj) Oi(li) + Ui(lk) + Ui(lj) a) b) lj lk 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 thuộc 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 li sang các kênh khác có bước sóng khác với li. Nhưng trong thực tế, 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 Ui(lk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng lk do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng li. Trong thiết bị ghép/tách hỗn hợp như ở hình 1.6 b), việc 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 được 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 đối 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 khoảng 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. Chương 2 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 tử 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 bộ 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 từ 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: Thiết bị WDM Tích cực Thụ động Thiết bị vi quang Ghép sợi Tán sắc góc Thiết bị có bộ lọc Tán sắc vật liệu Cách tử Thiết bị quang tổ hợp Các thiết bị khác Các nguồn phát quang và các bộ tách sóng quang nhiều bước sóng Phi tuyến Giao thoa Phân cực Hình 2.1. Phân loại các thiết bị WDM. Để đơn giản khi xem xét các thiết bị WDM, chúng ta chủ yếu lấy bộ tách kênh theo bước sóng để phân tích, bởi vì nếu xét ở một mức độ nào đó thì nguyên lý các thiết bị WDM có tính thuận nghịch về cấu trúc, do đó hoạt động của các bộ ghép kênh cũng được giải thích tương tự bằng cách đơn giản là thay đổi hướng tín hiệu đầu vào và đầu ra. Các bộ tách (hay các bộ ghép) được chia ra làm hai loại chính theo công nghệ chế tạo là: Thiết bị WDM vi quang Thiết bị WDM ghép sợi. ở loại thứ nhất, việc tách/ghép kênh dựa trên cơ sở các thành phần vi quang. Các thiết bị này được thiết kế chủ yếu sử dụng cho các tuyến thông tin quang dùng sợi đa mode, chúng có những hạn chế đối với sợi dẫn quang đơn mode. Loại thứ hai dựa vào việc ghép giữa các trường lan truyền trong các lõi sợi kề nhau. Kỹ thuật này phù hợp với các tuyến sử dụng sợi đơn mode. I. Các thiết bị WDM vi quang: Các thiết bị WDM vi quang được chế tạo dựa trên hai phương pháp công nghệ khác nhau là: các thiết bị có bộ lọc và các thiết bị phân tán góc. Thiết bị lọc chỉ hoạt động mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm các bước sóng) tại một thời điểm, nhằm để tách ra một bước sóng trong nhiều bước sóng. Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh, người ta phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng. Còn thiết bị phân tán góc lại đồng thời đưa ra tất cả các bước sóng. I.1. Các bộ lọc trong thiết bị WDM: Trong thiết bị ghép-tách bước sóng vi quang thường sử dụng bộ lọc bước sóng bằng màng mỏng. Thí dụ bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng thể hiện như hình 2.2. Bộ lọc l1, l2, ...., ln l2, ...., ln l1 Hình 2.2. Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng. Bộ lọc có cấu trúc đa lớp gồm các lớp điện môi rất mỏng, có chiết suất cao và thấp đặt xen kẽ nhau. Bộ lọc làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot, gồm hai gương phản xạ một phần đặt song song cách nhau chỉ bởi một lớp điện môi trong suốt. Chiết suất cao Chiết suất thấp Lớp phân cách trong suốt Hình 2.3. Cấu trúc của bộ lọc điện môi. Bề dày các lớp bằng 1/4 bước sóng truyền đối với bộ lọc bậc 0 và bằng 3/4l0 đối với bộ lọc bậc 1 và được chế tạo từ vật liệu có hệ số chiết suất thấp như MgF2 có n = 1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46 và vật liệu có chỉ số chiết suất cao như TiO2 có n = 2,2. Khi chùm tia sáng đi vào thiết bị, thì hiện tượng giao thoa ánh sáng xảy ra do phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng. Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên lần của nửa bước sóng ánh sáng tới thì giao thoa xếp chồng xảy ra và công suất quang của bước sóng đạt giá trị cực đại và bước sóng đó sẽ được truyền dẫn thông suốt nhất. Các chùm ánh sáng ở những bước sóng khác trong buồng cộng hưởng hầu như bị phản xạ hoàn toàn. Đường cong phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc có dạng như hình 2.4: POUT l l0 Hình 2.4. Phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc. Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao có bước sóng cắt lc (hình 2.5a là thông cao và hình 2.5b là thông thấp). Bộ lọc thông giải có bước sóng trung tâm l0 và độ rộng giải Dl (hình 2.5c). T là hàm truyền đạt của bộ lọc. l (nm) T(%) a) SWPF l (nm) T(%) a) LWPF l (nm) T(%) a) BPF lc Thông cao (l<lc) lc Thông thấp (l>lc) l0 Băng thông l0-Dl/2 <l< l0+Dl/2 Dl Hình 2.5. Các đặc tính phổ truyền dẫn của các loại bộ lọc giao thoa cắt (a)(b) và băng thông (c). Các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao thường được sử dụng để tách 2 bước sóng có khoảng cách xa nhau, chẳng hạn 850 nm và 1300 nm hoặc 1300 nm và 1550 nm. Loại bộ lọc như vậy, thích hợp cho hệ thống WDM sử dụng nguồn quang có dải phổ rộng (LED). Bộ lọc thông giải được sử dụng trong WDM khi nguồn quang có phổ hẹp (LASER). Đối với bộ lọc thông giải có một vài yêu cầu: đó là độ dốc sườn đường cong hàm truyền đạt phải đủ lớn để tránh xuyên âm giữa các kênh kề nhau, mặt khác độ rộng giải Dl có dung sai cho phép để đề phòng dịch bước sóng trung tâm của nguồn quang khi nhiệt độ thay đổi. Dưới đây ta xem xét một số thiết bị tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng: a) Bộ tách 2 bước sóng: Cấu trúc cơ bản của bộ tách hai kênh như ở hình 2.6a, trong khi đó việc thực hiện thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như ở hình 2.6b. Các phần tử chuẩn trực và hội tụ là các lăng kính GRIN 1/4 chu kỳ P. Bộ lọc được thiết kế để phát đi l1 và phản xạ l2 sẽ được đặt giữa hai lăng kính. Kính lọc Thấu kính l1 l2 l1, l2 Sợi quang a) l1, l2 l1 l2 Lăng kính Grin (1/4 P) Bộ lọc b) Hình 2.6. Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa a) Cấu hình cơ bản và b) Cấu hình khi thực hiện trong thực tế. Các thiết bị tách bước sóng này có sẵn trên thị trường thương mại và được sử dụng rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bước sóng 850 nm và 1300 nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bước sóng như: 800 nm và 830 nm; 800 nm và 890 nm; 1200 nm và 1300 nm; hoặc 1300nm và 1550 nm vv..., với suy hao xen nhỏ hơn 3dB (cho mỗi cặp) và suy hao xuyên kênh cao hơn 25dB. Bộ tách lớn hơn 2 bước sóng: Thiết bị này sử dụng các bộ lọc nối tiếp nhau, và mỗi bộ lọc cho đi qua một bước sóng và phản xạ các bước sóng còn lại (xem hình 2.7): Bộ lọc (l1) l1, l2,......, ln l1 l3 l2 l4 Hình 2.7. Cấu trúc cơ bản của một bộ tách nhiều bước sóng. Trong thực tế, thiết bị tách nhiều bước sóng ngoài các bộ lọc còn có thấu kính, các sợi quang vv... Hình 2.8 là bộ tách 5 bước sóng dùng thấu kính GRIN và khối thuỷ tinh trong suốt. Sợi quang Lăng kính GRIN Khối thuỷ tinh trong suốt l1,......, l5 Bộ lọc l1 l3 l5 l2 l4 Hình 2.8. Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế. Đôi khi có thể thực hiện tạo ra bộ tách kênh mà không cần sử dụng đến các phần tử chuẩn trực. Ví dụ như ở hình 2.9, thiết bị không có lăng kính, mà các bộ lọc giao thoa ở đây được đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi được mài nhẵn. l1,......, l4 Bộ lọc l1 l2 l3 l4 Sợi quang Hình 2.9. Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn trực tiếp vào sợi. Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (MUX-DEMUX): Hình 2.10 thể hiện thiết bị MUX-DEMUX 4 bước sóng. Các bước sóng 0,81 mm và 0,89 mm từ hai nguồn quang khác nhau được ghép thành một tia chung để truyền qua sợi quang. Các bước sóng 1,2 mm và 1,3 mm từ sợi quang đến được tách thành hai tia ứng với mỗi bước sóng để đưa đến diode tách quang. Thấu kính GRIN tại cổng vào dùng loại 1/4P phân kì, tại cổng ra dùng loại 1/4P hội tụ. BPF 0,81mm 0,81mm Connector LWPF SWPF 0,89mm BPF 0,89mm 0,81 mm và 0,89 mm 1,2 mm và 1,3 mm Thấu kính GRIN BPF 1,2 mm BPF 1,3 mm Khối thuỷ tinh 1,2 mm 1,3 mm Hình 2.10. Thiết bị MUX-DEMUX 4 bước sóng. Trong đó: BPF - Bộ lọc thông giải LWPF - Bộ lọc thông thấp SWPF - Bộ lọc thông cao. Độ rộng của kênh là 25 nm và 32 nm trong cửa sổ thứ nhất; 47 nm và 50 nm trong cửa sổ thứ hai của sợi quang. Suy hao xen là 1,4 dB cho bước sóng 0,89 mm; 2,6 dB cho bước sóng 1,2 mm; 2,2 dB cho bước sóng 1,3 mm khi dùng Laser diode và 5,2 dB cho bước sóng 0,81 mm khi dùng LED. Suy hao xuyên âm bằng -18 dB cho bước sóng ngắn dùng LED, còn nếu dùng Laser diode thì suy hao xuyên âm bằng -3,9 dB. Một thí dụ khác của bộ MUX-DEMUX dùng gương cầu lõm như hình 2.11. 0,825 mm 0,870 mm 1,3 mm Sợi chung C B A D 0,825 mm 0,870 mm; 1,3 mm Hình 2.11. Thiết bị MUX-DEMUX 3 bước sóng. Các đầu sợi quang đặt trên mặt phẳng tiêu D. Gương cầu lõm A phản xạ bước sóng 0,825 mm tới đầu ra. Gương cầu lõm B phản xạ bước sóng 0,870 mm từ sợi chung vào và tới sợi ra. Gương cầu lõm C phản xạ bước sóng 1,3 mm từ sợi chung vào và tới sợi ra khác. Suy hao xen và suy hao xuyên âm như bảng dưới đây: 0,825 mm 0,870 mm 1,3 mm Suy hao xen (dB) 0,4 0,75 1,3 Suy hao xuyên âm đầu gần (dB) - 0,6 - 40 Suy hao xuyên âm đầu xa (dB) - 78 - 120 I.2. Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc: Thiết bị WDM sử dụng bộ lọc màng mỏng không thích hợp cho hệ thống có quá nhiều bước sóng hoặc khi bước sóng này quá gần nhau. Trong trường hợp này phải sử dụng phần tử tán sắc góc. Ưu điểm của phần tử tán sắc góc là tán xạ đồng thời tất cả các bước sóng. I.2.1. Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc: Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM người ta thường dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc (hình 2.12). Do hiện tượng chiết suất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tức là n = n(l) nên chùm tia sáng có các bước sóng khác nhau ở đầu vào sẽ bị lăng kính phân thành các tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hướng khác nhau ở đầu ra theo định luật Sneel (sự phụ thuộc của chiết suất vật liệu làm lăng kính theo bước sóng). (2.1) Với: i là góc tới i’ là góc ló A là góc đỉnh của lăng kính n là chiết suất vật liệu làm lăng kính. A i i’ r Hình 2.12. Tán sắc dùng lăng kính Nhược điểm: tán sắc dùng lăng kính có mức độ tán sắc thấp, nên khó tách được các bước sóng gần nhau. Vì vậy người ta chỉ có thể dùng lăng kính trong trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ bước sóng l1 ở cửa sổ 1300 nm; bước sóng l2 ở cửa sổ 1550 nm). 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. I.2.2. Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc: a) Mở đầu: Cách tử được cấu tạo gồm nhiều rãnh (như răng cưa), được khắc bằng dụng cụ kim cương, trên bề mặt của các rãnh này được ơhủ 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 truyền hoặc tán xạ ánh sáng theo những hướng nhất định tuỳ thuộc vào bước sóng của ánh sáng đó. Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng cách rãnh (gọi là bước cách tử) và góc tới. Cách tử l1, l2,....., ln l1 l2 ln Hình 1.14. Sử dụng cách tử để tách bước sóng. 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 xạ lớn hơn. Khi tách 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 góc khác nhau. Ngược lại khi ghép kênh, một số kênh bước sóng l1, l2,....., ln đến từ các hướng khác nhau có thể được kết hợp thành một hướng và được đưa tới truyền dẫn trên cùng một sợi quang. b) Cách tử nhiễu xạ phẳng: Xét hoạt động của một cách tử phẳng có rãnh răng cưa như hình 1.15: N M f i i’ a’ a Hình 1.15. Cách tử nhiễu xạ phẳng. Trong đó: N - đường vuông góc với mặt đáy của cách tử M - đường vuông góc với cạnh của rãnh a - góc tới của tia sáng với N a’ - góc nhiễu xạ với N i - góc tới của tia sáng với M i’ - góc nhiễu xạ với M d - chu kì cách tử f - góc nghiêng của rãnh. Từ hình 1.15 và theo kết quả chứng minh thì khi chiếu hai tia sáng vào rãnh cách tử sẽ tạo ra các tia nhiễu xạ cùng pha nếu hiệu số đường đi hai tia sáng thoả mãn điều kiện sau: D0 = d(sina + sina’) = kl (2.2) Với: k - số nguyên l - bước sóng d - chu kì cách tử k = 0 ứng với truyền trực tiếp k = 1 ứng với bậc 1 nhiễu xạ. Nếu hệ số khúc xạ của môi trường bên ngoài cách tử là n thì (2.1) có dạng: nd(sina + sina’) = kl (2.3) Cũng từ hình 1.15 ta có: i = f - a i’ = a’ - f Theo quy tắc phản xạ thì góc tới bằng góc phản xạ, nghĩa là i = i’, rút ra: f = (a + a’)/2 (2.4) Công thức (2.1) có thể viết dưới dạng: (2.5) Hay (2.5’) Đối với cách tử phản xạ thì f được tính theo điều kiện của Liittrow (khi a=a’). Theo điều kiện này tìm được l ứng với tán xạ bậc 1 là: l1 = 2dsinf (2.6) Khi a a’ l1 = 2dsinfcos (2.7) Theo điều kiện Littrow và ứng với bậc 2 của tán xạ có: l2 = 2dsinf (2.8) ln = sinf (2.9) Biên độ trường nhiễu xạ mặt bên của rãnh cách tử được xác định theo biểu thức: A = (2.10) Khi l = ln thì cường độ nhiễu xạ cực đại và bằng: (2.11) Phân bố phổ của nhiễu xạ được xác định theo biểu thức: (2.12) Từ biểu thức trên, xây dựng đường cong phân bố phổ của năng lượng nhiễu xạ bậc một như hình 1.16 a). Trong trường hợp d nhỏ hơn bước sóng thì phân bố phổ của năng lượng nhiễu xạ phụ thuộc vào f và có dạng như hình 1.16 b). l1/l l1/l Il/Il1 Il/Il1 0,2 1 1,8 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,2 1 1,5 2 a) Khi d > l b) Khi d<l f = 200 Hình 1.16. Phân bố phổ năng lượng nhiễu xạ bậc một. c) ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng: Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc tách kênh sử dụng cách tử bao gồm 3 phần chính: các phần tử vào và ra (là mảng sợi hoặc một sợi truyền dẫn với các thành phần thu - phát); phần tử hội tụ quang; phần tử tán sắc góc grating. Cách tử Thấu kính tròn đầu mảng sợi l1, l2, l3, l4 l1 l2 l3 l4 Hình 2.17 là cấu hình đơn giản của một bộ ghép kênh của Finke. Trong đó, mảng đầu sợi quang được đặt tại tiêu cự của._. một thấu kính tròn, phần tử tán sắc góc grating được đặt tại tiêu cự bên kia của thấu kính đó. Bộ tách kênh thực tế loại này đã thực hiện tách từ 4 đến 6 kênh với suy hao khoảng 1,2 đến 1,7 dB (triển vọng có thể tách được 10 kênh). Hình 2.17. Sơ đồ bộ ghép kênh Grating của Finke. Trên hình 2.18 a) và 2.18 b) là bộ tách Littrow với a) là cấu trúc cơ bản còn b) là cấu trúc thực tế sử dụng lăng kính GRIN-rod của bộ tách 2 kênh. Lăng kính chuẩn trực Cách tử l1 l2 l1,l2 Cách tử Lăng kính Grin l1 l2 l1,l2 a) b) Hình 2.18. Bộ tách Littrow: a) Cấu trúc cơ bản, b) Cấu trúc thực tế sử dụng lăng kính GRIN-rod của bộ tách 2 kênh. Trên hình 2.19, đầu mảng các sợi quang được đặt trước một khe đã được quang khắc trên mặt cách tử phản xạ phẳng đặt vuông góc với các rãnh cách tử. Gương cầu lõm có tách dụng làm thay đổi hướng của bất kì một tia đa bước sóng phân kỳ nào thành một tia song song quay trở lại cách tử, tia này khi đến cách tử, sẽ bị tán sắc và phản xạ trở lại gương, phản xạ một lần nữa, tạo ảnh trên vùng mảng sợi quang tuỳ thuộc vào giá trị từng bước sóng. Cấu trúc này có hệ số hội tụ và truyền đạt bằng 1; vì vậy, hiệu suất ghép khá cao, đặc biệt nếu sử dụng gương parabol thì quang sai rất nhỏ, gần bằng 0. Số lượng các kênh có thể ghép trong thiết bị phụ thuộc nhiều vào phổ của nguồn quang: từ năm 1993, đã có thể ghép được 6 kênh (đối với nguốn LED), 22 kênh (đối với nguồn Laser); nếu sử dụng kỹ thuật cắt phổ của nguồn phát LED để nâng cao số kênh ghép thì có thể ghép tới 49 kênh. Đối với nguồn đơn sắc, suy hao xen của thiết bị ghép rất nhỏ (< 2 dB), và có thể đạt đến 0,5 dB cho thiết bị đơn mode vùng bước sóng 1540 nm đến 1560 nm. Cách tử Gương lòng chảo l1, l2,..., ln l1 ln Hình 2.19. Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar và gương lòng chảo. d) Cách tử hình lòng chảo: A B C N Hình 2.20. Cách tử hình lòng chảo. Cách tử hình lòng chảo được sử dụng để phản xạ ánh sáng, vì vậy góc nghiêng của rãnh cách tử được tính toán giống như cách tử phản xạ phẳng. Theo thuyết vô hướng thì góc nghiêng của rãnh phải thay đổi liên tục để duy trì đường phân giác của góc hợp bởi tia tới và tia phản xạ ABC luôn vuông góc với bề mặt của răng cưa. Một ứng dụng của cách tử hình lòng chảo như chỉ ra trên hình 2.21, thiết bị loại này có vẻ như đơn giản hơn vì không sử dụng phần tử hội tụ quang (thấu kính hoặc lăng kính). Thiết bị loại này đã thực hiện ghép 4 kênh, suy hao 2,6 dB; nó có nhược diểm là quang sai không ổn định trong giải phổ rộng. Cách tử lòng chảo Sợi vào Các sợi đầu ra Hình 2.21. Sơ đồ cấu trúc bộ tách sử dụng cách tử lòng chảo. Tóm lại thiết bị WDM dùng cách tử như phần tử tán sắc góc để tách/ghép bước sóng thường sử dụng theo cách như chỉ ra trên các hình 2.17 đến 2.21; trong hình 2.19 nếu thay gương lòng chảo bằng gương parabol thì có thể hiệu chỉnh quang sai. e) Cách tử Bragg: Cách tử Bragg là cách tử được chế tạo ngay bên trong sợi quang. Cáh tử sợi Bragg thông thường trước đây khó sản xuất được với độ dài sợi quá 15 cm do hạn chế về chiều dài sợi cách tử đối với bán kính chùm tia laser hoặc do chiều dài của mạt nạ phase. Hiện nay công nghệ chế tạo hiện đại đã cho phép thay đổi các thông số như độ dài cách tử, chiết suất có thể được điều biến theo yêu cầu, tạo nên cách tử sợi dạng nhiều bậc như bước ren; nhờ đó một số lớn các bộ lọc được tạo ra voiư các thông số khá hoàn thiện. ứng dụng của cách tử sợi Bragg trong module xen/rẽ bước sóng như sau: điều chỉnh bước sóng xen/rẽ dùng cách tử sợi Bragg mạng lại nhiều ưu điểm cho thiết bị OADM. Trong đó, đặc biệt là suy hao xen của thiết bị thấp, đặc tính phổ của bộ lọc có dạng bộ lọc băng thông BPF với khả năng đạt được khoảng cách kênh bước sóng là 50 GHz, đó là một tính năng hoàn toàn thuyết phục. Có hai phương pháp điều khiển bước sóng xen/rẽ đối với thiết bị sử dụng sợi cách tử Bragg, đó là: điều khiển nhiệt hoặc thay đổi độ nén dãn của sợi bằng tải cơ, song cách thứ hai đạt được tốc độ điều chỉnh cao hơn. ứng dụng cách tử sợi Bragg trong bù tán sắc: phổ của xung quang chứa nhiều thành phần bước sóng khác nhau, khi truyền xung dọc sợi quang, thành phần bước sóng ngắn sẽ đi nhanh hơn thành phần bước sóng dài, đây chính là hiệu ứng tán sắc, làm dãn phổ xung quang đó và có thể gây xuyên nhiễu lên các xung quang lân cận. Trước đây đã có nhiều giải pháp bù tán sắc, như sử dụng sợi bù tán sắc DCF, nhưng cách này thực ra còn nhiều nhược điểm như: gây suy hao lớn, gây ra các hiệu ứng phi tuyến khác... Gần đây, cách tử bù tán sắc đã được xem là giải pháp có nhiều hứa hẹn. Bước cách tử trong cách tử bù tán sắc được dịch đi để phản xạ các bước sóng chậm (bước sóng dài) trước khi các thành phần bước sóng nhanh (bước sóng ngắn) đi đến cuối cách tử và bị phản xạ trở lại (xem hình 2.22), module bù tán sắc kiểu này cũng sẽ làm co xung đã bị dãn rộng ra trước khi được truyền đi tiếp hoặc được xử lý. Nếu sợi cách tử càng dài, mức bù tán sắc càng lớn và phổ thiết bị có thể làm việc càng được mở rộng. Nếu quá trình chế tạo sợi không tốt, sẽ gây hiện tượng nhấp nhô (ripple) đối với trễ nhóm tín hiệu quang, do đó có thể làm sai khác đi việc bù tán sắc của thiết bị. Bước sóng dài xung vào xung ra Bước sóng ngắn Sợi truyền dẫn Ciculator Sợi cách tử Bragg Bước sóng dài Bước sóng ngắn Hình 2.22. Nguyên lý cách tử Bragg bù tán sắc. Suy hao của module bù tán sắc kiểu này gây ra bởi: suy hao cố định của circulator và các chỗ ghép nối (tổng suy hao này nhỏ hơn 2 dB), suy hao của cách tử sợi Bragg phụ thuộc vào độ dài sợi, khoảng 0,3 dB/m (theo công nghệ chế tạo cảm ứng tia cực tím). Ngoài ra, suy hao này cũng phụ thuộc dải bước sóng làm việc khoảng 0,3 dB/nm. Thực nghiệm cho thấy ưu thế của module bù tán sắc dùng cáh tử sợi Bragg so với bù tán sắc dùng sợi DCF được chỉ ra như trong bảng dưới đây: Bảng 2.1. So sánh độ suy hao giữa các thiết bị bù tán sắc. cách bù tán sắc suy hao cực tiểu suy hao thông thường suy hao cực đại Sợi DCF 40 km 4,4 dB 4,8 dB 6,2 dB Sợi DCF 40 km 6,0 dB 6,5 dB 6,7 dB Sợi DCF 40 km 7,7 dB 8,3 dB 8,9 dB Sợi cách tử Bragg bù tán sắc 2,0 dB 2,5 dB 3,0 dB Với những ưu thế như vậy, thiết bị bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg đã được chế tạo hàng loạt nhờ quá trình chế tạo cách tử điều khiển bằng phần mềm máy tính, chúng sẽ trở thành các module không thể thiếu trong các thiết bị WDM thế hệ thứ hai như OADM, khuếch đại EDFA hai tầng có bù tán sắc. II. Các thiết bị WDM ghép sợi Các thiết bị WDM ghép sợi phù hợp hơn đối với các sợi đơn mode vì có thể tránh được quang sai, giảm trễ, giảm suy hao do các quá trình xử lý chùm sáng qua các đoạn phản xạ, chuẩn trực, hội tụ vv... gây ra. Thiết bị WDM ghép sợi hoạt động dựa trên nguyên lý: khi lõi các sợi quang đặt gần nhau thì công suất quang từ một sợi sẽ chuyển vào các sợi khác. Xét trường hợp hai lõi sợi quang đơn mode, có kích thước và đặc tính quang như nhau nằm song song với nhau trong cùng một vỏ. Khi một lõi có tín hiệu quang thì hệ số ghép đối với lõi thứ hai được xác định theo biểu thức (2.13). A = (2.13) Trong đó: A - bán kính lõi d - khoảng cách giữa 2 tần số n1 - hệ số chiết suất của lõi n2 - hệ số chiết suất của vỏ K1 - hàm Bessel bậc nhất loại hai b - thành phần dọc của véc tơ truyền lan mode, gọi là hằng số truyền lan. d = 1 - n2/n1 - hệ số chiết suất tương đối V = (2pa/l)(n12 - n22)1/2 - tần số chuẩn hoá U = a[(2pn1/l)2 - b2]1/2 - hằng số truyền lan ngang trong lõi sợi W = a[b2 - (2pn2/l)2]1/2 - độ suy biến tốc độ của trường trong vỏ. Từ biểu thức (2.13) nhận thấy: hệ số ghép phụ thuộc vào các đặc tính hình học, các đặc tính quang (chiết suất), và bước sóng (thông qua V, U, W). Nếu bước sóng cố định, thì khi giảm d sẽ tăng hệ số ghép. Còn nếu d cố định, thì hệ số ghép tăng khi tần số chuẩn hoá giảm (l giảm), vì khi đó sự phân bố trường mode có xu hướng dãn rộng tới vùng vỏ. Công suất ghép giữa hai sợi có dạng sin2(A0L) và công suất lan truyền là cos2(A0L); trong đó L là độ dài đoạn ghép; A0 là hệ số ghép. Trong thực tế ghép theo độ dài z biến đổi, nên công suất ghép sẽ là: sin2ũA(z)dz và công suất lan truyền là cos2ũA(z)dz. Các thiết bị WDM ghép sợi có thể có hai dạng như hình 2.23, đó là: nung nóng chảy các sợi kề nhau và đánh bóng chỗ tiếp xúc giữa hai sợi. Trong kỹ thuật đánh bóng, mỗi sợi được lắp vào một thấu kính đã đục cong sẵn, có đường kính cong thường bằng 25 cm, cho nên dạng này còn gọi là bộ ghép khối. Còn trong kỹ thuật xoắn nóng chảy, hai lõi sợi được xoắn vào nhau và được nung nóng chảy thành một lõi chung. Khi hai sợi ghép là như nhau thì hiệu suất ghép là tuần hoàn của bước sóng, khoảng cách kênh cực tiểu giữa hai bước sóng được phân tích là: Dl = (2.14) Trong đó: d(A0L)/ dl là đạo hàm của hệ số ghép theo bước sóng và L là khoảng cách hiệu dụng đoạn ghép. Khi hai sợi ghép khác nhau thì hiệu suất ghép không tuần hoàn nên có Dl: Dl = (2.15) Trong đó: db1/dl và db2/dl là các đạo hàm của b theo mode của mỗi sợi. Vùng xoắn nóng chảy l1 l2 Vỏ sợi l1+l2 Hình 2.24. Hai phương pháp tạo ra các bộ ghép sợi cho thiết bị WDM. l1 l2 l1+l2 Vỏ sợi sợi quang đơn mode Các bước sóng tương ứng với sự đồng nhất các hàm số lan truyền của hai đường dây này là các bước sóng mà ở đó sự truyền năng lượng được đổi chỗ từ sợi này sang sợi kia. Băng thông của bộ ghép sợi nóng chảy có dạng gần như hình sin làm hạn chế việc lựa chọn nguồn phát. Rõ ràng rằng các LED không thể được sử dụng vì phổ của nó rộng. Như vậy chỉ có các diode laser có độ rộng phổ hẹp được sử dụng nếu tránh được suy hao xen và xuyên kênh lớn. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 0,4 0,2 0,6 0,8 1,0 l (nm) Hiệu suất ghép Hình 2.25. Đáp ứng của bộ tách kênh 1300/1550nm với kỹ thuật ghép nóng chảy 2 sợi như nhau. Trong cấu trúc nóng chảy, đoạn ghép được kéo dài cho đến khi giá trị ghép theo yêu cầu đạt được ở những bước sóng đã định. Ví dụ ghép nóng chảy 1300/1550nm có độ dài ghép 20 nm, suy hao xen nhỏ khoảng 0,04 dB. Đường cong truyền dẫn của thiết bị này như trên hình 2.25. Khi cần ghép nhiều hơn hai bước sóng, phải ghép nối tiếp các bộ ghép (cấu hình rẽ nhánh). Trên hình 2.26 là bộ ghép gồm 3 mối ghép nối tiếp các bước sóng: l1 = 1320nm, l2 = 1280nm, l3 = 1240nm và l4 = 1200nm. l1l2l3l4 Laser l1 l2 l3 l4 Hình 2.26. Bộ ghép kênh 4 bước sóng bằng ghép nóng chảy nối tiếp các sợi đơn mode Ưu điểm chính của ghép đơn mode theo phương pháp mài bóng so với phương pháp ghép nóng chảy là có thể điều hưởng được bằng cách dịch chuyển vị trí tương đối của hai sợi với nhau. Ghép theo phương pháp nóng chảy thì giá thành hạ. Có thể kết hợp cả hai phương pháp để đạt được hiệu quả tối ưu. Các thiết bị WDM ghép sợi phù hợp với các bộ ghép kênh đơn, suy hao phổ biến ở mức 4 đến 6 dB. Đối với bộ tách kênh, yêu cầu xuyên kênh phải nhỏ, thường thích hợp với các bộ grating vi quang. III. Một số kỹ thuật khác được sử dụng trong ghép WDM. III.1. Bộ ghép bước sóng dùng công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT. III.1.1. Nguyên lý chung: Chức năng ghép hoặc ghép bước sóng của một hệ thống quang hai hoặc ba chiều, thường tạo nên quan hệ giữa sợi quang truyền dẫn và một tập sợi quang đầu vào hoặc đầu ra. Thí dụ trong coupler Y, sợi quang truyền dẫn được phản ảnh đến hai sợi quang khác thông qua thiết bị chia quang và một hoặc nhiều thấu kính hội tụ. Trong thiết bị ghép bước sóng, sợi quang truyền dẫn được phản ảnh tới các vị trí khác nhau trên mặt phẳng tiêu (là mặt phẳng nằm trên tiêu điểm của thấu kính và vuông góc với trục của thấu kính), tuỳ thuộc vào bước sóng khi sử dụng cách tử và các thấu kính hội tụ. Như vậy, những dụng cụ trên tạo nên mối quan hệ giữa chủ thể và trường ảnh. Nếu vị trí của sợi quang trong các trường khác nhau được điều khiển thích hợp thì một số coupler hoặc một số bộ ghép được thực hiện ngay trên một phần tử. Những thiết bị này được gọi là những phần tử công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT. Trong một phần tử SOFT, một bộ tách quang học được sử dụng gồm một dãy P sợi quang chia thành từng tập con có n+1 sợi quang. Chẳng hạn, một dãy p = 21 sợi quang, các dụng cụ quang như nhau tách tín hiệu quang từ một sợi quang đầu vào thành n = 2 sợi quang đầu ra thì sẽ có P/n+1 = 7 tập con (nghĩa là có 7 coupler quang giống nhau trên cùng một phần tử). 7 sợi quang truyền dẫn 14 sợi quang hai bước sóng đầu ra Hình 2.27. Bộ tách SOFT 2 bước sóng (P = 21). Nguyên lý này đặc biệt thích hợp để tiết kiệm chi phí cho các mạng có một số coupler hoặc một số bộ tách/ghép bước sóng đặt ở cùng một địa điểm. Thí dụ trong một trung tâm, trong trạm đầu cuối xa, hoặc điểm rẽ nhánh của mạng thông tin video. Trên một thiết bị, mỗi tập các sợi quang đầu vào và đầu ra khác nhau có thể thích ứng với một tập hợp các bước sóng khác nhau, nghĩa là các bộ ghép không nhất thiết phải như nhau. Điều này đặc biệt quan trọng khi thiết kế máy đo quang phổ nhiều kênh hoặc bộ ghép bước sóng. III.1.2. Bộ ghép nhân kênh dùng cách tử: Hình 2.28 là bộ ghép dùng cách tử nhiễu xạ phẳng (R), thấu kính hội tụ (O) và dãy sợi đơn mode đặt trên mặt phẳng tiêu F. Sợi quang đầu ra Sợi quang đầu vào F 1 P i j O N R aj ai Hình 2.28. Bộ ghép kênh nhiều sợi dùng cách tử theo phương pháp SOFT. Sợi quang được đánh số thứ tự từ 1 đến P, i là sợi quang đầu vào và j là sợi quang đầu ra, nếu li j là bước sóng truyền trong môi trường giữa mặt phẳng tiêu và cách tử thì viết được: d(sinai + sinaj) = li j (2.16) d - chu kỳ cách tử. Nếu sợi quang trên mặt phẳng tiêu F sắp xếp sao cho sinai+1 = sinai + u, với u là hằng số, ta được: Sinaj = sinai + (j - i)u (2.17) Và d[2sinai + (j - i)u]] = li j (2.18) Có thể tìm được li j đối xứng qua đường chéo i = j và các bước sóng tương ứng với đường chéo i + j = const là như nhau. 1 2 3 ... j ... P 1 2 3 : i : P Các sợi đầu ra Các sợi đầu vào l2 l3 l4 lij l2P Hình 2.29. Ma trận chỉ rõ mối liên hệ sợi đầu vào và bước sóng tại sợi đầu ra. III.1.3. Thiết kế bộ ghép n bước sóng. Về mặt lý thuyết, một bộ tách hoặc một bộ ghép có thể tách hoặc hép n bước sóng, và nếu một tập P sợi quang thì có thể tách được P/(n+1) lần bước sóng. Nhưng P/(n+1) nhất thiết phải là số nguyên. Điều này có thể thực hiện được mà không gây suy hao phụ và các bộ tách/ghép là độc lập nhau. Có thể lựa chọn vị trí sợi đầu vào và sợi đầu ra từ ma trận theo các bước sau đây: Đi vào sợi 1, đi ra từ các sợi P, P-1, P-2, P+1-n (P là số lượng cực đại của sợi quang và n là số lượng bước sóng cần ghép hoặc tách). Vẽ các đường chéo i+j = const, chẳng hạn như i+j = P+1, i+j = P, i+j = P-1,... , i+j = P+2-n. Đi vào sợi P-n, giao điểm của đường nằm ngang P-n với đường chéo i+j = const nói trên cho ta các bước sóng tương ứng với mỗi sợi đầu ra. Đi vào sợi P-2n-1 và lặp lại cách như trên. Tiếp tục cho đến hết. Bộ tách kênh 2 bước sóng nhân 3. Cho P = 9, n = 2. Tìm mối liên hệ giữa các sợi đầu vào và đầu ra. Trước hết vẽ ma trận 9x9 như hình vẽ sau: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Các sợi đầu ra Các sợi đầu vào l l’ l l’ l’ l Hình 2.30. Ma trận xác định mối liên hệ của các sợi vào và sợi ra khi P=9,n=2 Các bước tính toán: Vào sợi 1, ra tại các sợi 8 và 9. Vẽ đường chéo i+j = 9 và i+j = 10 Vào sợi P-n = 7, giao điểm của đường nằm ngang này với đường chéo là bước sóng trên mỗi sợi đầu ra 2 và 3. Vào sợi P-2n-1 = 4 và tìm được bước sóng ra trên các sợi đầu ra 5 và 6. Kết quả tính toán được thể hiện như hình 2.31: Cáp sợi quang trên mặt phẳng tiêu l l’ l l’ l l’ Hình 2.31 Kết quả tính cho P = 9, n = 2. Bộ tách 3 bước sóng nhân 2. Cho P = 8, n = 3. Ma trận để tính toán như hình 2.32: 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 Các sợi đầu ra Các sợi đầu vào l” l’ l l l’ l” Hình 2.32. Ma trận tính cho P = 8, n = 3. Các bước tính toán: Vào sợi 1, ra trên các sợi 6, 7 và 8. Vẽ các đường chéo i+j = const = 7, 8, 9. Vào sợi P-n = 5 và giao điểm đường này với đường chéo cho ta bước sóng đầu ra các sợi 2, 3, 4. Kết quả tính toán như hình 2.33. l l’ l” l l’ l” Hình 2.33 Kết quả tính cho P = 8, n = 3. III.2. AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM. Nhìn lại suốt quá trình phát triển của WDM, ta thấy những tiến bộ vượt bậc về mặt công nghệ trong việc nghiên cứu chế tạo thiết bị WDM. Mới đầu chỉ là các thiết bị tách /ghép kênh sử dụng lăng kính hoặc cách tử đơn giản với số kênh cho phép là bốn. Đến nay, các sản phẩm thương mại của một số hãng chào mời với số kênh bước sóng là 80, trong phòng thí nghiệm người ta đã tiến hành ghép 170 bước sóng cho một tuyến WDM dung lượng 1 Tbit/s qua một sợi đơn mode chuẩn (SSMF). Khoảng cách kênh bước sóng, cũng vì thế đã giảm đi từ con số lúc đầu là 400 GHz nay chỉ còn 50 GHz. Hình 2.34. Các bước chế tạo AWG Một trong những ý tưởng để đạt được chi phí thấp nhất cho một chức năng quang là công nghệ vi mạch quang PLC (Planar Lighwave Circuit), giống như ý tưởng về IC, thực hiện tích hợp hàng loạt chức năng quang trên một đế, tạo ra một vi mạch quang. Vi mạch quang bao gồm nhiều mạch quang (optical circuits) trên một đế Silic, được sản xuất nhờ các công nghệ cực kỳ tiên tiến trong lĩnh vực công nghiệp quang bán dẫn. Nhờ vậy rất nhiều các thành phần quang có thể được chế tạo và tích hợp với nhau thành một chip có những chức năng quang hoàn chỉnh. Hình 2.34 chỉ ra quá trình chế tạo được sử dụng trong công nghiệp PLC. Đầu tiên một lớp phủ có chiết suất ncl (cladding) được lắng đọng trên đế (kỹ thuật được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn); sau đó lắng đọng tiếp một lớp được gọi là lớp lõi (core) có chiết suất nco , thường nco nhở hơn 1% của ncl. Sau đó lớp lõi này được in mẫu theo kỹ thuật in quang lito; mẫu dẫn sóng (waveguide) được chế tạo trên lớp lõi đó bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, ví dụ trên hình 2.35 “vệt” waveguide được tạo ra bằng kỹ thuật quang khắc; có thể tạo ra nhiều waveguide như vậy bằng việc phân bố hình học và tạo lớp hoặc sử dụng các kỹ thuật khắc khác nhau. Sau cùng, một lớp cladding khác sẽ được phủ lên lớp có khắc các mẫu waveguide , lớp phủ trên cùng này cũng có chiết suất như lớp cladding dưới, có chiết suất ncl. Để đánh giá sản phẩm, người ta căn cứ vào chỉ số hiệu dụng b (là hằng số truyền lan) của phần tử dẫn bước sóng waveguide. Waveguide còn tồn tại một số những nhược điểm như: bề mặt quang khắc không phẳng; do sự dao động của nhiều chỉ số như chiết suất, độ sâu quang khắc.... Từ một cấu trúc dẫn sóng waveguide như đề cập ở trên, có thể chế tạo được rất nhiều các vi mạch quang phức tạp với các chức năng khác nhau. Các chức năng đó có thể là: phần tử tách/ghép bước sóng; các coupler quang; phần tử chuyển mạch; các bộ suy giảm điều chỉnh được; các phần tử khuếch đại, hay bất cứ một phần tử cần thiết nào của một module như OADM hoặc các bộ bù tán sắc động (Dynamic Dispersion Compensator). Tín hiệu quang được dẫn bởi các phần tử dẫn sóng “waveguide” (1) tới vùng thấu kính “lens region” (2), các thấu kính trong vùng 2 này thực hiện chia công suất quang và đưa vào vùng ma trận cách tử “grating array” (3). Mỗi waveguide trong miền grating array có sai lệnh về độ dài một khoảng chính xác L so với các waveguide lân cận. Do đó, tín hiệu quang trong mỗi waveguide sẽ cực đại tại mỗi thời điểm trễ pha khác nhau tại đầu ra (4). Gọi là độ trễ pha của tín hiệu, ta có: (2.19) miền thấu kính thứ hai (5) tại đầu ra của grating array có nhiệm vụ tái hội tụ các tín hiệu quang từ đầu ra cuả các waveguide. Cuối cùng, mỗi tín hiệu tại đầu ra của waveguide sẽ được hội tụ tại các waveguide khác nhau của đầu ra (6). Để WDM hoạt động ổn định và đạt các yêu cầu như lý thuyết đề ra thì tất cả các waveguide phải được chế tạo chính xác, điều này phụ thuộc vào công nghệ in lito quang (photolithography) và công nghệ chế tạo bán dẫn. Các sản phẩm AWG thương mại có thể xử lý tới 40 bước sóng với khoảng cách giữa chúng là 100 GHz hoặc 50 GHz. Một ưu thế của AWG là suy hao xen của nó không tăng tuyến tính theo số kênh bước sóng giống như hiện tượng đã xảy ra đối với các bộ tách/ghép sử dụng bộ lọc màng mỏng hay dùng cách tử Bragg. Tại thời điểm hiện nay, AWG đang là giải pháp tốt nhất cho các sản phẩm WDM mật độ kênh cao. Chương 2 những vấn đề kỹ thuật cần quan tâm đối với hệ thống thông tin quang WDM Bất cứ một công nghệ nào cũng tồn tại những giới hạn và những vấn đề kỹ thuật. Khi triển khai công nghệ WDM vào mạng thông tin quang, cần phải lưu ý một số vấn đề sau: Số kênh được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang Vấn đề xuyên nhiễu giữa các kênh Vấn đề tán sắc, bù tán sắc Quỹ công suất của hệ thống ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM Chương này sẽ lần lượt đề cập đến từng vấn đề, đòng thời đưa ra các phương án giải quyết cho từng trường hợp. I. Số kênh được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh. Một trong các yếu tố quan trọng cần phải xem xét là hệ thống sẽ sử dụng bao nhiêu kênh và số kênh cực đại có thể sử dụng là bao nhiêu. Số kênh cực đại của hệ thống phụ thuộc vào: khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là: Băng tần của sợi quang Khả năng tách/ghép của các thiết bị WDM khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này là: Tốc độ truyền dẫn của từng kênh Quỹ công suất quang ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến Độ rộng phổ của nguồn phát Khả năng tách/ghép của các thiết bị WDM Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550 nm có độ rộng khoảng 100 nm nhưng do dải khuếch đại của các bộ khuếch đại quang chỉ có độ rọng khoảng 35 nm (theo khuyến nghị của ITU-T thì dải khuếch đại này là từ bước sóng 1530 nm đến 1565 nm đối với băng C; hoặc từ 1570 nm đến 1603 nm đối với băng L). Chính điều này làm các hệ thống WDM không thể tận dụng hết băng tần của sợi quang, nói cách khác hệ thống WDM chỉ làm việc với dải bước sóng nhỏ hơn nhiều so với toàn bộ dải tần bằng phẳng có tổn hao thấp của sợi quang. Khoảng cách kênh là độ rộng tần số tiêu chuẩn giữa các kênh gần nhau. Việc phân bổ kênh một cách hợp lý trong dải băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên dải tần và giảm ảnh hưởng phi tuyến tính giữa các kênh gần nhau. Sử dụng khoảng cách kênh không đều nhau để hạn chế hiệu ứng trộn tần bốn sóng trong sợi quang. Dưới đây chỉ đề cập đến hệ thống có khoảng cách kênh đều nhau. Nếu gọi Dl là khoảng cách giữa các kênh, ta có: = (3.1) Như vậy, tại bước sóng l = 1550 nm, với Dl = 35 nm xét đối với riêng băng C thì ta sẽ có = 4,37.1012 Hz = 4370 GHz. Giả sử tốc độ truyền dẫn của từng kênh là 2,5 GHz, theo định lý Nyquist, phổ cơ sở của tín hiệu là 2.2,5 = 5 GHz. Khi đó số kênh bước sóng cực đại có thể đạt được là N = /5 = 874 kênh trong dải băng tần của bộ khuếch đại quang (OFA). Đây là số kênh cực đại tính theo lý thuyết đối với băng C. Tuy nhiên với mật độ kênh càng lớn đòi hỏi các thành phần quang trên tuyến phải có chất lượng càng cao. Để tránh xuyên âm giữa các kênh này cần phải có các nguồn phát quang rất ổn định và các bộ thu quang có độ chọn lọc bước sóng cao, bất kỳ sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm giãn phổ sang kênh lân cận. Tần số trung tâm danh định là tần số tương ứng với mỗi kênh quang trong hệ thống ghép kênh quang. Để đảm bảo tính tương thích giữa các hệ thóng thống WDM khác nhau, cần phải chuẩn hoá tần số trung tâm của các kênh, ITU-T đưa ra quy định về khoảng cách tối thiểu giữa các kênh là 100 GHz (xấp xỉ bằng 0,8 nm) với tần số chuẩn là 193,1 THz (mặc dù đã đưa ra các sản phẩm mà khoảng cách giữa các kênh là 50 GHz, song các sản phẩm thương mại vẫn chủ yếu theo quy định của ITU-T đã nêu). Dưới đây là bảng liệt kê các tần số trung tâm danh định lấy 50 GHz và 100 GHz làm khoảng cách giữa các kênh trong khoảng bước sóng từ 1534 nm đến 1560 nm. Bảng 3.1. Tần số trung tâm danh định Số thứ tự Tần số trung tâm danh định với khoảng cách là 50GHz (THz) Tần số trung tâm danh định với khoảng cách là 100 GHz (THz) Bước sóng trung tâm danh định (nm) 1 195,40 195,40 1534,25 2 195,35 - 1534,64 3 195,30 195,30 1535,04 4 195,25 - 1535,43 5 195,20 195,20 1535,82 6 195,15 - 1536,22 7 195,10 195,10 1536,61 8 195,05 - 1537,00 9 195,00 195,00 1537,40 10 194,95 - 1537,79 11 194,90 194,90 1538,19 12 194,85 - 1538,58 13 194,80 194,80 1538,98 14 194,75 - 1539,37 15 194,70 194,70 1539,77 16 194,65 - 1540,16 17 194,60 194,60 1540,56 18 194,55 - 1540,95 19 194,50 194,50 1541,35 20 194,45 - 1541,75 21 194,40 194,40 1542,14 22 194,35 - 1542,54 23 194,30 194,30 1542,94 24 194,25 - 1543,33 25 194,20 194,20 1543,73 26 194,15 - 1543,93 27 194,10 194,10 1544,53 28 194,05 - 1544,92 29 194,00 194,00 1545,32 30 193,95 - 1545,72 31 193,90 193,90 1546,12 32 193,85 - 1546,52 33 193,80 193,80 1546,92 34 193,75 - 1547,32 35 193,70 193,70 1547,72 36 193,65 - 1548,11 37 193,60 193,60 1548,51 38 193,55 - 1548,91 39 193,50 193,50 1549,32 40 193,45 - 1549,72 41 193,40 193,40 1550,12 42 193,35 - 1550,52 43 193,30 193,30 1550,92 44 193,25 - 1551,32 45 193,20 193,20 1551,72 46 193,15 - 1552,12 47 193,10 193,10 1552,52 48 193,05 - 1552,93 49 193,00 193,00 1553,33 50 192,95 - 1553,73 51 192,90 192,90 1554,13 52 192,85 - 1554,54 53 192,80 192,80 1554,94 54 192,75 - 1555,34 55 192,70 192,70 1555,75 56 192,65 - 1556,15 57 192,60 192,60 1556,55 58 192,55 - 1556,96 59 192,50 192,50 1557,36 60 192,45 - 1557,77 61 192,40 192,40 1558,17 62 192,35 - 1558,58 63 192,30 192,30 1558,98 64 192,25 - 1559,39 65 192,20 192,20 1559,79 Trong một hệ thống WDM số lượng bước sóng không thể quá nhiều, bởi vì điều khiển và giám sát đối với các bước sóng này là một vấn đề phức tạp, có thể quy định trị số lớn nhất đối với số lượng bước sóng của hệ thống từ góc độ kinh tế và công nghệ. Tất cả các bước sóng đều phải nằm ở phần tương đối bằng phẳng trên đường cong tăng ích của bộ khuếch đại quang, để cho hệ số tăng ích của các kênh khi đi qua bộ khuếch đại quang là gần như nhau, điều này tiện lợi cho thiết kế hệ thống. Đối với bộ khuếch đại sợi quang pha trộn erbium, phần tương đối bằng phẳng của đường cong tăng ích là từ 1540 nm đến 1560 nm. Một hệ thống WDM 16 kênh và 8 kênh trên thực tế có bảng phân phối kênh như dưới đây: Bảng 3.2. Tần số trung tâm của hệ thống WDM có 16 kênh và 8 kênh Thứ tự Tần số trung tâm (THz) Bước sóng (nm) 1 192 1560,61 * 2 192 1559,79 3 192 1558,98 * 4 192 1558,17 5 192 1557,36 * 6 192 1556,55 7 192 1555,75 * 8 192 1554,94 9 192 1554,13 * 10 193 1553,33 11 193 1552,52 * 12 193 1551,72 13 193 1550,92 * 14 193 1550,12 15 193 1549,32 * 16 193 1548,51 (Bước sóng trung tâm của 8 kênh trong hệ thống 8 kênh chọn các giá trị bước sóng có dấu *) II. Vấn đề ổn đinh bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phát a) ổn định bước sóng của nguồn quang: Trong hệ thống WDM, phải quy định và điều chỉnh chính xác bước sóng của nguồn quang, nếu không, sự trôi bước sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thống không ổn định hay kém tin cậy. Hiện nay chủ yếu dùng hai phương pháp điều khiển nguồn quang: thứ nhất là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua nhiệt độ chip của bộ kích quang để điều khiển giám sát mạch điện điều nhiệt với mục đích điều khiển bước sóng và ổn định bước sóng; thứ hai là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua việc giám sát bước sóng tín hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự trênh lệnh trị số giữa điện áp đầu ra và điện áp tham khảo tiêu chuẩn để điều khiển nhiệt độ của bộ kích quang, hình thành kết cấu khép kín chốt vào bước sóng trung tâm. Yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phát: Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát nhằm đảm bảo cho các kênh hoạt động một cách độc lập với nhau hay nó cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phía thu giữa các kênh lân cận. Băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênh ghép được rất lớn (ở cả hai cửa sổ truyền dẫn). Tuy nhiên, trong thực tế các hệ thống WDM thường đi liền với các bộ khuếch đại quang sợi, làm việc chỉ ở vùng cửa sổ 1550 nm, nên băng tần của hệ thống WDM bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch đại (từ 1530 nm đến 1565 nm cho băng C; từ 1570 đến 1603 nm cho băng L). Như vậy một vấn đề đặt ra khi ghép là khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải thoả mãn được yêu cầu tránh chồng phổ của các kênh lân cận ở phía thu, khoảng cách này phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn phát, phụ thuộc vào các ảnh hưởng như: tán sắc sợi, các hiệu ứng phi tuyến... Có thể xem hệ thống WDM như là sự xếp chồng của các hệ thống truyền dẫn đơn kênh khi khoảng cách giữa các kênh đủ lớn và công suất phát hợp lý. Mối quan hệ giữa phổ của tín hiệu phía thu với phổ của tín hiệu phía phát được thể hiện bởi tham số đặc trưng cho sự giãn phổ, ký kiệu là D; độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn ký hiệu là B; độ tán sắc tương ứng với khoảng cách truyền ký hiệu là D. Gọi x là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát và sợi quang, ta có: x = B.D.D. Từ công thức trên có thể tính được độ giãn rộng phổ nguồn phát: D = x/B.D. Với độ giãn rộng phổ này và khoảng cách kênh bước sóng chọ theo bảng tần số trung tâm (bảng 3.1) ta tìm được độ rộng phổ yêu cầu của nguồn phát. III. xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang: Xuyên nhiễu giữa các kênh trong sợi quang ảnh hưởng tới độ nhạy của máy thu, chính vì vậy có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ thống WDM. Có thể chia ra làm hai loại xuyên nhiễu chính sau đây: - Xuyên nhiễu tuyến tính: do đặc tính không lý tưởng của các thiết bị tách kênh, mức xuyên nhiễu này chủ yếu phụ thuộc vào kiểu thiết bị tách kênh được sử dụng cũng như khoảng cách giữa các kênh. - Xuyên nhiễu phi tuyến: chủ yếu do các hiệu ứng phi tuyến của sợi quang gây nên (sẽ đề cập cụ thể ở phần sau). IV. suy hao - quỹ công suất của hệ thống WDM: Trong bất kỳ hệ thống số nào thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo được tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với một mức BER cho phép. Giả sử máy phát phát tín hiệu đi tới phía thu với một mức công ._. bước sóng của mạng quang có thể đơn giản hoá rất nhiều thuật toán định tuyến, điều khiển và quản lý mạng, khi chuyển mạch không cần thiết xử lý tin tức trước định tuyến, từ đó có lợi cho việc thực hiện mạng thông tin cao tốc, nâng cao tính ổn định và độ tin cậy của mạng, nhưng tính khả thi của phương án tổ chức mạng này sẽ gặp khó khăn khi số lượng bước sóng tăng lên quá cao. a) Kênh bước sóng và kênh bước sóng ảo. Có thể coi kênh quang như sự kết nối ảo của lớp kênh điện. Thiết lập hoặc giải phóng một kênh quang có ý nghĩa tăng hoặc giảm một đường kết nối ảo trên lớp kênh điện. Thông qua cơ chế khôi phục và bảo vệ của lớp kênh quang (như đấu vòng, chuyển đổi bước sóng...) trực tiếp giải quyết vấn đề gián đoạn thông tin do nguyên nhân đứt sợi quang hoặc sự cố của điểm nút.... mà không cần thay đổi kết cấu của lớp kênh điện. Kết cấu kênh quang như vậy được gọi là kết cấu logic của mạng. Kết cấu vật lý phản ảnh quan hệ kết nối sợi quang trên thực tế. Tuỳ theo điểm nút OXC có cung cấp chức năng biến đổi bước sóng hay không, có thể chia kênh quang ra thành kênh bước sóng (Wavelength Path) và kênh bước sóng ảo (Virtual Wavelength Path). Kênh bước sóng có nghĩa là: trong mạng WDM mà điểm nút OXC không có chức năng biến đổi bước sóng, một kênh quang nào đó trong các đoạn ghép kênh bước sóng khác nhau phải sử dụng cùng một bước sóng. Nhược điểm của kênh bước sóng là nếu trong tất cả đường kết nối mà nó đi qua không do thấy một đường định tuyến có chung một kênh tín hiệu bước sóng rỗi, thì sẽ phát sinh nghẽn bước sóng. Kênh bước sóng ảo có nghĩa là: nếu trong mạng WDM, điểm nút OXC có chức năng biến đổi bước sóng, một kênh quang nào đó có thể chiếm bước sóng khác nhau trong các đoạn ghép kênh bước sóng khác nhau, từ đó nâng cao được hiệu suất sử dụng bước sóng, giảm xác suất nghẽn mạch. Như hình 6.3. biểu thị A-1-6-7-C tức là một kênh bước sóng, chiếm bước sóng l1 mà D-10-9-E có thể cung cấp một kênh bước sóng ảo, đoạn nghép kênh chiếm bước sóng l2 (có thể biến đổi) Trong mạng kênh bước sóng (là mạng mà các điểm nút OXC không có chức năng biến đổi bước sóng) do mỗi kênh có quan hệ với một bước sóng cố định, yêu cầu khi chọn đường và phân phối bước sóng, phải dùng phương thức điều khiển tập trung, tức là sau khi nắm vững trạng thái của tất cả các đoạn ghép kênh trong toàn bộ mạng, thì mới có thể chọn một tuyến thích hợp cho đề nghị của cuộc gọi mới. Nhưng trong mạng kênh bước sóng ảo (là mạng mà các điểm nút OXC có chức năng biến đổi bước sóng) mỗi kênh lần lượt phân phối bước sóng cho các đường kết nối, do đó có thể điều khiển phân tán điều này sẽ làm giảm rất nhiều tính phức tạp trong việc chọn đường lớp kênh quang và thời gian cần thiết để chọn đường. Vì số bước sóng mà OXC có thể đáp ứng được là có hạn, để tối ưu hoá tính năng của mạng lưới, bất kỳ kênh quang nào của mạng đều phải căn cứ vào kết cấu vật lý và nhu cầu dịch vụ giữa các điểm nút, khi thiết kế phương án kết nối tối ưu cho mạng. 1 6 7 10 9 5 8 4 3 2 A B C D E F G H Hình 5.9. Kênh bước sóng và kênh bước sóng ảo trong mạng WDM. b) Chọn đường trong mạng WDM Hình 5.10 là kết cấu vật lý của một mạng WDM. Những khung chữ nhật thể hiện điểm đầu cuối quang, hình tròn là ma trận chuyển mạch quang (nút OXC), đường nét đậm thể hiện cho đường kết nối quang, đường nét đứt thể hiện cho kênh quang. Từ hình vẽ có thể thấy, những kênh quang không có đường kết nội dùng chung có thể dùng cùng một bước sóng, như kênh quang BđA, CđD, trong hình vẽ đều sử dụng bước sóng l3. Do đó có vấn đề sử dụng trùng lặp bước sóng trong mạng WDM. Hình 5.10. biểu thị kết cấu logic của mạng này, mỗi kênh logic trong mạng đại diện cho một kênh quang trong thực tế. A B C D l1 l2 l3 l3 B C D A Hình 5.10. Sơ đồ kênh quang và kết cấu vật lý của mạng Hình 5.11. Sơ đồ kêt cấu logíc của mạng Vấn đề phân phối bước sóng quang xét từ định nghĩa toán học có thể biểu thị bằng quan hệ tuyến tính, và hàm mục tiêu tối ưu có nhiều dạng, ví dụ trong mạng kiểu chuyền mạch gói, mục tiêu tối ưu hoá có thể là trễ nhóm bình quân nhỏ nhất, hoặc lưu lượng lớn nhất trên kênh quang bất kỳ là nhỏ nhất. Trong mạng kiểu chuyển mạch kênh, mục tiêu tối ưu hoá bao gồm số bước sóng ít nhất và mạng lớn nhất. Do vấn đề phân phối bước sóng quang gặp rất nhiều khó khăn, nhất là vấn đề đạt được tối ưu cần có thời gian tính toán tăng theo quy mô của vấn đề với hàm số mũ, vì vậy khi dùng trong mạng có quy mô tương đối lớn, thì do thời gian tính toán quá dài mà có thể mất đi ý nghĩa thực tế. V. Bảo vệ mạng WDM Có 2 phương thức chính bảo vệ đường dây WDM điểm đến điểm: một là trên lớp SDH thực hiện bảo vệ 1+1 hoặc 1: n; hai là dựa vào sự bảo vệ trên đoạn ghép kênh quang; ngoài ra còn dựa vào bảo vệ mạng vòng... a) Bảo vệ kiểu 1+1 trên lớp SDH - Bảo vệ kiểu 1+1 lớp SDH Bộ ghép kênh Bộ tách kênh LA Tx1(w) Tx1(p) Rx1(w) Rx1(p) Hệ thống WDM công tác Bộ ghép kênh Bộ tách kênh LA Tx2(w) Tx2(p) Rx2(w) Rx2(p) Hệ thống WDM bảo vệ Txn(w) Txn(p) Rxn(w) Rxn(p) Hình 5.12. Bảo vệ kiểu 1+1 trên lớp SDH ở phương thức bảo vệ này, toàn bộ thiết bị của hệ thống như: đầu cuối SDH, bộ tách/ghép kênh, bộ khuyếch đại quang, đường dây cáp quang... đều cần phải có bộ phận dự phòng, ở đầu phát tín hiệu SDH được nối bắc cầu cố định giữa hệ thống công tác và hệ thống bảo vệ, ở đầu thu giám sát trạng thái tín hiệu SDH thu được từ 2 hệ thống WDM, và chọn ra tín hiệu thích hợp hơn. Phương thức này có tính tin cậy cao nhưng giá thành cũng cao. Trong một hệ thống WDM, sự chuyển đổi các kênh SDH không có quan hệ với sự chuyển đổi của các kênh khác, tức là Tx1 trong hệ thống công tác của WDM có sự cố, chuyển đổi sang hệ thống bảo vệ của WDM. thì Tx2 có thể tiếp tục làm việc trên hệ thống công tác của WDM. Một khi phát hiện thấy thời gian khởi động việc chuyển giao, thì phải hoàn thành chuyển giao bảo vệ trong 50ms. - Bảo vệ kiểu 1: n trên lớp SDH Hệ thống WDM dựa trên một bước sóng, thực thi bảo vệ 1: n trên lớp SDH. Trong hình 5.13, Tx11, Tx21,...,Txn1 dùng chung một đoạn bảo vệ, với Tx1 cấu thành quan hệ bảo vệ 1: n. Tiếp tục như vậy, Tx1m, Tx2m,...,Txnm dùng chung một đoạn bảo vệ, với Txpm cấu thành quan hệ bảo vệ 1: n. Trong một hệ thống WDM, sự chuyển đổi lẫn nhau của kênh SDH không có quan hệ gì với sự thay đổi của các kênh khác, tức trong hệ thống công tác 1 của WDM Tx11 chuyển đổi sang hệ thống bảo vệ của WDM thì Tx12,..., Tx1m có thể tiếp tục làm việc trên hệ thống 1 của WDM. Một khi phát hiện thấy thời gian khởi động chuyển giao, thì chuyển giao bảo vệ phải hoàn thành trong 50ms. Bộ ghép kênh Bộ tách kênh LA Tx11 Tx12 Tx1m Rx11 Rx12 Rx1m Hệ thống công tác 1 của WDM Bộ ghép kênh Bộ tách kênh LA Tx21 Tx22 Tx2m Rx21 Rx22 Rx2m Hệ thống công tác 2 của WDM Bộ ghép kênh Bộ tách kênh LA Txn1 Txn2 Txnm Rxn1 Rxn2 Rxnm Hệ thống công tác n của WDM Bộ ghép kênh Bộ tách kênh LA Txp1 Txp2 Txpm Rxp1 Rxp2 Rxpm Hệ thống bảo vệ của WDM Hình 5.13. Bảo vệ kiểu 1 + n trên lớp SDH - Bảo vệ kiểu 1: n trong hệ thống WDM Một đường dây WDM có thể mang nhiều kênh SDH do đó cũng có thể sử dụng bước sóng rỗi trong cùng một hệ thống WDM để làm kênh bảo vệ. Bộ ghép kênh Bộ ghép kênh LA Tx1 Tx2 Txn Txp Rx1 Rx2 Rxn Rxp công tác công tác công tác Bảo vệ công tác công tác công tác Bảo vệ : : : : Hình 5.14. Bảo vệ kiểu 1: n trong hệ thống WDM Hình 5.14 là hệ thống ghép kênh bước sóng gồm có n+1 kênh, trong đó n bước sóng dùng làm bước sóng công tác, 1 bước sóng dùng làm kênh bảo vệ. Nhưng khi xét tới hệ thống thực tế, tính tin cậy của sợi quang và cáp quang kém hơn tính tin cậy của thiết bị, cho nên nếu chỉ bảo vệ hệ thống mà không bảo vệ đường dây thì ý nghĩa không lớn. Một khi phát hiện thấy thời gian khởi động chuyển giao, thì phải hoàn thành chuyển giao bảo vệ trong 50ms b) Bảo vệ đoạn ghép kênh: Công nghệ này chỉ bảo vệ 1 + 1 trên kênh quang, mà không bảo vệ đường dây đầu cuối. Tại đầu phát và đầu thu sử dụng bộ phân nhánh quang 1 x 2 và khoá quang. ở đầu thu chọn đường cho tín hiệu quang. Đặc điểm của khoá quang là tổn hao nhỏ, trong suốt đối với khu vực khuếch đại bước sóng và tốc độ nhanh. Bộ phân nhánh quang 1: 2 khoá quang 1x2 Bộ ghép kênh Bộ tách kênh LA LA hệ thống công tác hệ thống bảo vệ đường dây 1 của WDM đường dây 2 của WDM Tx1 Tx2 Txn Rx1 Rx2 Rxn Hình 5.15. Bảo vệ đoạn ghép kênh quang. Hình 5.15 dùng phương án bảo vệ đoạn ghép kênh quang gồm bộ phân nhánh quang và khoá quang. Trong hệ thống bảo vệ này, chỉ có hệ thống đường dây WDM là có bộ phận dự phòng, đầu cuối SDH của trạm đầu cuối hệ thống WDM và bộ ghép kênh không có dự phòng, trong thực tế, người ta dùng n: 2 bộ phối ghép để thay thế cho bộ ghép kênh và bộ phân nhánh 1:2. So với bảo vệ 1 + 1, nó hạ thấp giá thành, bảo vệ đoạn ghép kênh OMSP chỉ thực thi trong 2 sợi cáp quang độc lập mới thực sự có ý nghĩa. VI. WDM và SDH. Hiện nay tín hiệu lớp thuê bao khách hàng của hệ thống WDM ứng dụng trong thực tế đều dựa trên SDH, tức là hệ thống SDH Nx 2,5 Gbit/s, nhưng như thế không có nghĩa là hệ thống WDM chỉ có thể truyền tải tín hiệu SDH. Một đặc điểm quan trọng nhất của hệ thống WDM là không quan hệ gì với dịch vụ, nghĩa là nó trong suốt đối với dịch vụ. Nó có thể gánh tải các khuôn dạng tín hiệu, bất kể là PDH, SDH hay là tín hiệu IP, ATM trong tương lai. Điểm giống nhau giữa SDH và WDM là đều xây dựng trên một môi trường vật lý là sợi quang, sử dụng sợi quang làm phương tiện truyền dẫn. Nhưng chúng cũng khác nhau về bản chất, WDM là hệ thống gần môi trường vật lý (sợi quang, cáp quang) hơn, nó ghép kênh trên miền quang, hiện nay ứng dụng trong điểm đến điểm, nếu cộng thêm OXC, OADM có thể cấu thành một mạng hình sao, mạng vòng Ring hay mạng mắt lưới. SDH là công nghệ “mạng truyền dẫn đồng bộ quang” thực thi trên lớp mạch điện. So với công nghệ WDM, tín hiệu SDH, PDH và ATM giống nhau, đều chỉ là dich vụ mà hệ thống WDM truyền tải. Cũng tức là giữa SDH và WDM là quan hệ giữa lớp thuê bao khách hàng và lớp phục vụ. Việc ứng dụng công nghệ WDM hiện nay hầu như chỉ có một khách hàng là hệ thống SDH, nhưng trên thực tế nó có năng lực truyền tải nhiều tín hiệu khách hàng. Theo sự tiến triển và phát triển của mạng, WDM sẽ truyền tải được ngày càng nhiều tín hiệu khác nhau, càng ngày càng có nhiều khách hàng, hình thành mạng đa dịch vụ thực sự. Theo sự phát triển của mạng quang cuối cùng mạng quang cũng sẽ đối mặt trực tiếp với các mạng dịch vụ như IP, ATM hoặc các khuôn dạng tín hiệu khác có thể xuất hiện, lúc này không cần dùng SDH là phương tiện truyền dẫn. Trên cơ sở dựa vào chia gói và dựa vào giao thức tế bào, tổng đài số và bộ định tuyến cao tốc kết nối trực tiếp với tiếp thiết bị WDM thông qua mạng quang, đi vào mạng bằng tốc độ STM - 16, thiết bị đấu ghép song song SDH ứng dụng cho âm thoại và số liệu có tốc độ thấp sẽ không cần thiết. Nhưng đây chỉ là một mục tiêu lâu dài. Có thể tin tưởng rằng: SDH sẽ tiếp tục tồn tại trong thời gian dài, nhất là đối với những nước có lưu lượng không lớn, và sử dụng chuyển mạch kênh là chính. VII. Mạng quang và mạng hỗn hợp quang điện. Trong mạng quang lý tưởng, tín hiệu từ điểm nút nguồn đến điểm nút đích đều diễn ra trên miền quang, nhưng do hạn chế về công nghệ linh kiện hiện có và năng lực xử lý của các điểm nút trong mạng quang có hạn, không thể hoàn thành được việc biến đổi bước sóng quang và chức năng nhớ, những chức năng này có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc vận hành mạng quang. Do đó từ góc độ thực dụng người ta đã đề suất ra sách lược xử lý điện có hạn chế trên điểm nút, tức dùng xử lý điện để hoàn thành chức năng hiện nay việc xử lý quang không thể hoàn thành được, từ đó năng lực vận hành của mạng quang WDM và phạm vi sử dụng được mở rộng. Do đó có 2 quan điểm về phương hướng phát triển của mạng WDM. Quan điểm thứ nhất là nên phát triển theo hướng mạng thông tin toàn quang WDM, tất cả việc xử lý tín hiệu đều diễn ra hoàn toàn trên miền quang, từ đó khắc phục được hiệu ứng nghẽn, thực hiện truyền dẫn quang trong suốt. Quan điểm thứ hai nên theo hướng mạng hỗn hợp quang điện phần lớn chức năng nối chéo nhau của điểm nút và chức năng ghép kênh tách nhập do thiết bị điện tử thực hiện. Phải thừa nhận rằng, so với công nghệ điện tử, công nghệ quang hiện nay vẫn chưa phát triển hoàn thiện, còn nhiều vấn đề tồn tại, do đó đưa một phần chức năng để công nghệ điện tử thực hiện là nhanh nhất. Nhưng về cơ bản, phương án mạng hỗn hợp quang điện chưa khắc phục triệt để được hiệu ứng nghẽn, phương án đầu tiên để giải quyết nhiều vấn đề của mạng thông tin trong tương lai là mạng thông tin quang WDM. Đương nhiên ngoài việc giải quyết những vấn đề đã phát hiện, việc thực hiện mạng thông tin quang then chốt nhất là thực hiện và hoàn thiện công nghệ tái sinh tín hiệu quang một cách thực sự, ngoài ra hàm ý của trong suốt toàn quang là gì; có cần thiết truyền dẫn và xử lý tất cả các tín hiệu đều trong suốt trên miền quang hay không, loại trong suốt tuyệt đối như vậy có thể thực hiện được chăng; có phải là cần thiết như vậy không...đều là vấn đề tranh luận hiện nay. VIII. Vấn đề phi tuyến tính trong mạng quang WDM. Hạn chế về vật lý của kênh tín hiệu thông tin gồm 2 loại: hạn chế băng tần và hạn chế công suất. Xét từ tình hình hiện nay, kênh quang rõ ràng không phải là bị hạn chế về băng tần, nhưng đúng là công suất bị giới hạn chặt chẽ. Biều hiện chủ yếu của hạn chế này ở chỗ công suất tín hiệu quang vượt quá mức độ nhất định, các ảnh hưởng xấu do phi tuyến tính gây ra tăng lên rất nhanh. Hiện nay, số bước sóng của mạng WDM không phải là nhiều, thường thì trong mỗi sợi quang có khoảng 16 - 32 bước sóng tín hiệu, khoảng cách giữa các kênh vẫn tương đối lớn, nhưng ảnh hưởng của phi tuyến tính đối với tính năng của toàn hệ thống đã rõ rệt. Nếu số bước sóng vẫn tiếp tục tăng lên, sẽ xuất hiện tổng công suất của tín hiệu trong sợi quang tăng lên, khoảng cách giữa bước sóng tín hiệu giảm xuống, can nhiễu do tính phi tuyến ngày càng nghiêm trọng, công suất tín hiệu quang của các bước sóng không tăng, điều này tất nhiên dẫn đến tính năng của hệ thống giảm. Hơn nữa, vấn đề trên không những tồn tại trong đương kết nối truyền dẫn, mà còn tồn tại trong điểm nút mạng. Hiện nay giải quyết vấn đề các loại phi tuyến tính của sợi quang bằng cách tăng tiết diện hữu dụng của của sợi quang là chủ yếu nhất, cũng là trọng điểm nghiên cứu trước mắt của vấn đề này. IX. Thiết kế kết cấu mạng WDM. Kết cấu mạng WDM bao gồm 2 lớp: thức nhất là kết cấu vật lý, thứ hai là kết cấu logic. Do đó, vấn đề thiết kế toàn bộ mạng sẽ biến thành vấn đề tối ưu hoá 2 lớp này. Trong quá trình tối ưu hoá của 2 lớp này, phải xét tới sự hạn chế và hỗ trợ lẫn nhau. Nhất là thiết kế kết cấu lôgic, phải xét tới yếu tố đặc tính lớp dưới của lớp quang WDM và kết cấu vật lý, cũng cần xét tới đặc tính ứng dụng dịch vụ vận hành ở lớp trên. Nói chung trước khi xây dựng mạng đã thiết kế xong kết cấu vật lý, việc thiết kế cũng đã xét tới yếu tố lưu lượng, nhưng nói chung có tính cố định tương đối lớn, khi xây dựng sẽ không thay đổi. Dịch vụ vận hành trong mạng là không cố định, mà dịch vụ khác nhau yêu cầu đối với kết cấu mạng cũng khác nhau, do đó thiết kế kết cấu lôgic trở thành rất quan trọng. Có 2 kiểu kết cấu logic: một kiểu là coi WDM như là một kênh truyền dẫn lớn tạo thành mạng, chỉ có lưu lượng dịch vụ trên các kênh (đặc tính truyền dẫn của nó), do đó khi thiết kế kết cấu mạng chủ yếu xét đến tối ưu hoá ma trận lưu lượng, như phân bố lưu lượng đồng đều, giảm mức nghẽn... Một kiểu khác là coi WDM như là một mạng kết cấu phân lớp, mỗi lớp đều có chức năng nhất định, chức năng giữa các lớp gần như bổ trợ và tạo điều kiện cho nhau, bất kỳ lớp nào cũng ảnh hưởng đến các lớp trên dưới gần kề. Khi thiết kế kết cấu logíc cũng sẽ xem xét tới đặc tính của lớp dưới (kết cấu vật lý) và lớp trên (lớp ứng dụng). Do đó khi thiết kế kết cấu logic cần xem xét không chỉ đơn giản là lưu lượng dịch vụ mà còn cần phải xem xét sự hạn chế về số lượng bước sóng ghép của công nghệ ghép kênh. Khi thiết kế kết cấu logíc, đề cập đến rất nhiều chỉ tiêu tối ưu hoá của mạng, như hệ số sử dụng năng lực chuyển mạch của điểm nút, tỷ lệ nghẽn lớn nhất của mạng, trễ truyền dẫn bình quân, hệ số ghép kênh bước sóng... Trong nghiên cứu và thiết kế một số kết cấu logíc hiện có, chỉ xét đến một chỉ tiêu trong đó mà bỏ qua những chỉ tiêu quan trọng khác, nhất là bỏ qua chỉ tiêu đề ra đối với mạng liên quan đến ứng dụng của lớp trên. Do đó, việc nghiên cứu thiết kế kết cấu logíc khi xét đến nhiều loại chỉ tiêu tối ưu hoá dưới điều kiện một số hạn chế cố hữu của mạng WDM có ý nghĩa rất quan trọng. Khi thiết kế kết cấu, còn có quan hệ với định tuyến và phân phối bước sóng (RAW). RAW là vấn đề nghiên cứu ứng dụng cơ bản quan trọng, nó giải quyết vấn đề làm thế nào để tạo thành kênh quang chuyển tải tín hiệu thông qua kết nối chéo quang hoặc thiết bị khác, và phân phối hợp lý bước sóng cho các kênh sử dụng, làm cho với tài nguyên có hạn có thể cung cấp dung lượng thông tin lớn nhất. Vấn đề RAW do 2 bộ phận tạo thành: một là con đường mà mỗi điểm nút nguồn tìm đến điểm nút đích; hai là phân phối bước sóng trên những con đường đó, vì số bước sóng có hạn, không thể xây dựng kênh quang cho từng đôi điểm nút. Vấn đề RAW còn chia làm RAW động và RAW tĩnh. Nói chung RAW động là yêu cầu xem xét xây dựng kết nối quang đến ngẫu nhiên, RAW tĩnh là trước khi xét đến việc phân phối định tuyến và bước sóng đã biết sự kết nối quang muốn xây dựng. X. Mạng Ring tự hồi phục ghép bước sóng X.1. Mở đầu Mạng Ring trong thông tia quang, thông htường trên mỗi cặp sợi chỉ truyền được tín hiệu số có tốc độ bít 155,52 Mbit/s (STM-1), hoặc 622 Mbit/s (STM-4), hoặc 2,5 Gbit/s (STM-16). Các nút trong mạng Ring như vậy có chức năng xen/rẽ các luông nhánh PDH hoặc SDH> Liên hệ giữa các nút thông qua luồng nhánh và hệ thống quản lý phải sử dụng địa chỉ của các nút để trao đổi tin tức. Địa chỉ các nút được thể hiện trong 4 bit cuối của byte K1. Như vậy về mặt lý thuyết thì trong mạng Ring chỉ có tối đa 16 nút. Tuy nhiên trong thực tế do yêu cầu về đồng bộ nên số nút ít hơn 16. Loại mạng Ring này được ký hiệu là SHR/ADM. Muốn tăng tốc độ truyền trên cặp sợi, thí dụ nâng từ 2,5 Gbit/s lên 10 Gbit/s thì một giải pháp kinh tế nhất là dùng công nghệ ghép kênh bước sóng quang. Mạng Ring trong trường hợp này được ký hiệu là SHR/WDM. Trong phần này sẽ trìng bày cấu trúc của mạng, số bước sóng ghép quan hệ với tổng số nút của mạng và số lượng nút tối đa... X.2. Cấu trúc SHR/WDM đơn hướng. Cấu trúc mạng Ring có 4 nút: Hình 5.16 thể hiện SHR/WDM có 4 nút. Các nút nối với nhau đầy đủ. Cấu hình này có phương thức bảo vệ 1+1. * * * * * * * * * * * * * * * * lab, lcb, ldb lba, lbc, lbd lca, lcd, lda lab, lac, lbc lad lbd, lcd lda ldb, ldc lda, ldb, ldc lad lbd lcd lac lbc ldc lcd, lca, lcb lba lca lcb ldb lcb ldc lba lad lbd lac lad ldc Hình 5.16. Mạng Ring ghép bước sóng có 4 nút. ở trạng thái bình thường thì tín hiệu quang từ một nút truyền đến nút thu theo bước sóng riêng trên cả sợi hoạt động và cả sợi dự phòng. Lúc đó chuyển mạch quang của các nút đặt vào phía sợi hoạt động. Khi sợi quang bi đứt thì chuyển mạch quang của nút chuyển sang sợi dự phòng. Tổng số bước sóng được sử dụng trong mạng Ring này là 12. Cấu trúc nút: Hình 5.17 thể hiện cấu trúc của một nút (nút B). Số thiết bị sử dụng trong nút gồm: 2 bộ lọc bước sóng (MWF); 2 thiết bị ghép bước sóng (WDM); 3 thiết bị đầu cuối quang hoạt động và 1 dự phòng; 3 bộ chuyển mạch quang 12 (OS); 3 coupler tách quang; 2 bộ khuếch đại quang (OA) và một bộ điều khiển chuyển mạch quang (OSC). Tổng đài hoặc thiết bị ghép PDH O/E E/O SDH O/E E/O SDH O/E E/O SDH O/E E/O SDH OSC WDM MWF OS MWF MWF OA OA 1:N protecion Bộ chia quang (coupler) STM-Nn STM-Nn STM-Nn STM-Nn lca, lda, lcd lac, lad, ldc lab lcb ldb lbd lbc lba lbd lbc lba Hình 5.17. Cấu trúc nút. Các luồng nhánh PDH từ tổng đài hoặc từ thiết bị ghép đưa đến bộ ghép SDH để ghép thành tốc độ bit STM-N; qua bộ chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang (E/O); qua bộ tách quang để chia công suất quang trong sợi quang đầu vào thành hai sợi đầu ra, mỗi sợi chiếm một nửa công suất vào; mỗi sợi đầu ra của bộ chia công suất đi đến bộ ghép bước sóng WDM. Đầu vào WDM có 3 bước sóng khác nhau từ 3 bộ chia quang đưa đến và bước sóng thứ tư từ bộ lọc của hướng kia đưa tới. 4 bước sóng này được ghép thành luồng ánh sáng chung truyền trong sợi hoạt động và cả trong sợi dự phòng. Chuyển mạch quang OSC ở phía thu tiếp xúc với đầu ra tương ứng của bộ lọc bước sóng cuối sợi hoạt động để thu bước sóng tương ứng. Tín hiệu quang đi vào bộ chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện (O/E). Tín hiệu điện đi vào bộ tách để chuyển tốc độ bít STM-N thành tốc độ bít thấp của các luồng nhánh và đưa vào tổng đài hoặc thiết bị tách PDH. Tốc độ bít truyền trên sợi quang bằng n lần tốc độ bít của mỗi thiết bị ghép SDH, trong đó n là số lượng bước sóng đầu vào WDM. Trong trường hợp mạng Ring có 4 nút thì n = 6. Bộ khuếch đại quang được sử dụng khi khoảng cách các nút vượt quá cự ly cho phép. Bộ ghép SDH tại mối nút bằng M-1, trong đó M là tổng số nút trong mạng Ring. Trong sơ đồ mỗi nút còn phải sử dụng một bộ ghép SDH, đó là thiết bị đầu cuối quang dự phòng. Quan hệ giữa số lượng nút và số lượng bước sóng. Từ những điều đã trình bày trên đây cho thấy, khi các nút nối đầy đủ với nhau thì số bước sóng cần sử dụng m và số lượng nút trong mạng Ring M được xác định theo biểu thức sau đây: m = M(M-1) (5.1) Như vậy, khi số nút tăng thì số lượng bước sóng tăng nhanh hơn. Số lượng bước sóng ghép hoặc tách ở mỗi nút m’ được xác định theo biểu thức sau đây: m’ = 2(M-1) (5.2) Muốn giảm số lượng bước sóng dùng trong mạng Ring phải sử dụng cấu hình truyền hai hướng. X.3. Cấu trúc SHR/WDM hai hướng. Trong cấu hình này, sử dụng phương thức bảo vệ 1+1, nghĩa là hai sợi hoạt động và hai sợi dự phòng. Từ nút này nối đến nút khác trong mạng cần sử dụng một bước sóng để phát trên một sợi và thu về trên một sợi khác. Thí dụ nút A nối với nút B thì lab truyền từ A tới B trên sợi bên trong, và lba truyền từ B đến A trên sợi bên ngoài. Hai bước sóng này là như nhau. Ngoài các bước sóng xen/ rẽ còn có các bước sóng nối chuyển tiếp từ hướng nọ sang hướng kia kia. Thí dụ tại nút A có lbd nối từ hướng Tây sang hướng Đông, và ldb nối từ hướng Đông sang hướng Tây, hai bước sóng này là như nhau. * * * * * * * * * * * * * * * * Nút A Nút C Nút B Nút D lda, lca lad, lac lab lba lac, ldc lcd, lca lbc lcb lba, lbd lab, ldb lbc lcb ldb lbd lad, lbd lda, ldb Hình 5.18. Cấu hình SHR/WDM hai hướng Trong cấu hình hai hướng này, sử dụng 6 bước sóng khác nhau. Tại mối nút cần dùng 3 bước sóng để nối với 3 nút còn lại trong mạng. Để có thể chuyển mạch bảo vệ khi đứt cáp hoặc hỏng nút thì mỗi trạm phải có hệ thống chuyển mạch quang (không có trong hình vẽ) để chuyển các bước sóng trên hai sợi bị đứt sang hai sợi dự phòng của hướng bên kia của nút. Mối quan hệ giữa số bước sóng m cần sử dụng trong mạng và số nút M như sau: m = M(M-1)/2 (5.3) Hiện nay trong thiết bị WDM, nếu dùng cách tử thì số bước sóng tối đa có thể ghép được là 50. Vậy số nút cực đai trong mạng là 10. ở phía thu dùng bộ lọc điều chỉnh được để tách các bước sóng. Số lượng tối đa các bước sóng mà bộ lọc có thể tách bằng tỷ số giữa tổng phạm vi điều chỉnh của bộ lọc và khoảng cách tối thiểu giữa các kênh để đảm bảo xuyên âm bé nhất. Thí dụ tổng phạm vi điều chỉnh của bộlọc là 200 GHz (khoảng 1,5 nm quanh bước sóng 1550 nm) và khoảng các giữa các kênh là 50 GHz thì dung lượng của hệ thống là 4 kênh. Bộ lọc tại mỗi nút chỉ cần tách được M-1 bước sóng trong tổng số M(M-1)/2 bước sóng của mạng. Thí dụ SHR/WDM có 10 nút thì bộ lọc tại mỗi nút chỉ cần tách 9 bước sóng trong tổng số 45 bước sóng. Công nghệ chế tạo bộ lọc hiện nay có thể tách được hàng chục bước sóng trong số hàng trăm bước sóng của mạng. X.4. So sánh SHR/ADM và SHR/WDM Bảng 5.1 thống kê số liệu so sánh các đặc tính của hệ thống giữa SHR/ADM và SHR/WDM Danh mục so sánh SHR/ADM SHR/WDM Khối tách /xen tín hiệu STM-1 Kênh quang truyền qua sợi Số thiết bị đầu cuối ít nhiều Tốc độ phát thấp cao Nâng cấp khó khăn, đắt dễ dàng Yếu tố hạn chế số nút trong mạng bị hạn chế dung lượng ADM số lượng bước sóng có thể ghép Chuyển đổi O/E đối với tín hiệu tại các nút đi qua có không cần Trễ truyền dẫn lớn nhỏ Sự khác nhau chủ yếu giữa SHR/ADM và SHR/WDM là ở chỗ: SHR/ADM tách/ghép tín hiệu điện STM-1 hoặc các luồng nhánh, còn SHR/WDM tách/ghép trực tiếp các kênh quang (bước sóng quang). So với SHR/ADM thì SHR/WDM cần nhiều thiết bị điện tử hơn, vì SHR/WDM có chức năn giống như một mạng có cơ cấu bảo vệ 1+1. SHR/WDM có thể nâng cấp tới n2,5 Gbit/s (n là số bước sóng sử dụng trong SHR/WDM) chính ngay trên sợi quang truyền dẫn 2,5 Gbit/s mà không cần sử dụng thêm sợi. Hạn chế chủ yếu của SHR/WDM là số lượng bước sóng sử dụng, vì vậy số nút trong SHR/WDM ít hơn số nút trong SHR/ADM. Trễ truyền dẫn của SHR/WDM ngắn hơn so với SHR/ADM có cùng cự ly, vì không cần xử lý tín hiệu điện cho đến khi tách tại trạm thu cuối. Kết luận: Truyền dẫn dung lượng cao theo hướng sử dụng công nghệ WDM đang có một sức hút mạnh đối với các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông hàng đầu thế giới. Đã có hàng loạt tuyến truyền dẫn đang vận hành và khai thác theo công nghệ này, bởi vì chi phí đầu tư và tính ổn định của nó có nhiều điểm hơn hẳn so với ghép kênh truyền thống TDM, nhất là khi mà nhu cầu về dung lượng ngày càng cao như hiện nay. Khi nâng cấp một hệ thống thông tin quang theo công nghệ WDM, có rất nhiều vấn đề cần phải xem xét, như nhu cầu về dung lượng, cấu hình hợp lý và cấu hình tối ưu .... Mỗi một mục nhỏ trong bản đồ án này đều là một bài toán kỹ thuật, đòi hỏi phải có một giải pháp tối ưu và toàn diện. Vấn đề về mật độ ghép bước sóng, mặc dù ITU-T đã ban hành chuẩn về tần số và khoảng cách ghép giữa các kênh, nhưng nó đã trở nên lạc hậu so với các công nghệ tách/ghép bước sóng hiện nay, khi mà khoảng cách ghép giữa các bước sóng trong hệ thống WDM đã giảm xuống chỉ còn 25 GHz. Công nghệ khuếch đại quang sợi ra đời, đã mở ra một chặng mới cho thông tin quang nói chung và cho thông tin WDM nói riêng, giải quyết được vấn đề về suy hao, quỹ công suất mà không cần các bộ lặp 3R cồng kềnh, chi phí lớn và chỉ đáp ứng được tốc độ thông tin thấp. Thêm vào đó, các module bù tán sắc DCM được “nhúng” vào các thiết bị WDM, đã làm cho hệ thống WDM càng có thêm nhiều hứa hẹn. Khi đó mỗi kênh bước sóng có thể đạt đến tốc độ 10 Gbit/s hoặc hơn nữa, nhờ vậy có thể đạt được tốc độ Tbit/s trên một sợi đơn mode SSMF thông thường. Với thời gian nghiên cứu và tìm hiểu thực tế mạng lưới, cũng như tìm hiểu công nghệ mới WDM còn hạn chế, những gì được đề cập trong bản luận văn này thực sự rất nhỏ bế, mới chỉ mang tính chất tìm hiểu, tập dượt. Công nghệ truyền dẫn WDM thực tế chưa được triển khai ở nước sta, lại là một công nghệ còn mới, đang ở thời kỳ mà có thể có nhiều đột biến về các giải pháp, công nghệ cho từng thiết bị. Tuyến truyền dẫn quang Bắc-Nam ở nước ta giữ một vai trò quan trọng đối với nền an ninh của quốc gia và sự phát triển kinh tế, xã hội. Do vậy, việc thảo luận, nghiên cứu - triển khai phương án tăng dung lượng tuyến cáp quang trục Bắc-Nam bằng công nghệ mới như WDM có một ý nghĩa thiết thực. Từ suy nghĩ đó em mong muốn được tìm hiểu về “công nghệ ghép kênh quang WDM” để sau này đóng góp một phần công sức nhỏ bé xây dựng đất nước. Em mong rằng sẽ có cơ hội để tiếp tục được nghiên cứu sâu hơn về các vấn đề này. Mục lục Các từ viết tắt Chương 1: Giới thiệu hệ thống Thông Tin Quang và phương pháp ghép kênh quang theo bước sóng WDM: 1 I. Giới thiệu hệ thống thông tin quang: 1 II. Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng và các tham số cơ bản: 4 II.1. Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM: 4 Hệ thống truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: -------------------------------------------------------- 5 Hệ thống truyền dẫn hai chiều trên một sợi: ------------------------------------------------------- 6 II.2. Các tham số cơ bản: 7 Chương 2: Một số vấn đề kỹ thuật cần quan tâm đối với hệ thống thông tin quang WDM: 39 I. Số kênh sử dụng và khoảng cách ghép giữa các kênh: 40 II. Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phát: 43 III. Vấn đề xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang: 44 IV. vấn đề suy hao – quỹ công suất của hệ thống: 45 V. Vấn đề tán sắc - bù tán sắc: 45 VI. Vấn đề ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến: 47 VI.1. Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation): 48 VI.2. Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation): 49 VI.3. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing): 50 VI.4. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Sattering): 51 VI.5. Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Sattering): 51 VI.6. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến: 53 VII. Bộ khuếch đại EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM: 53 VII.1. Vấn đề tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA: 54 VII.2. Vấn đề tăng ích bằng phẳng của EDFA: 55 VII.3. Vấn đề tích luỹ tạp âm khi dùng bộ khuếch đại EDFA: 56 Chương 3: Mạng WDM: 86 I. Phân cấp mạng WDM: 87 II. Hai kiểu chuyển mạch của mạng WD: 88 Mạng WDM chuyển mạch lênh: 88 Mạng WDM chuyển mạch gói: 89 III. Điểm nút của mạng WDM: 90 Điểm nút OXC: 90 Điểm nút OADM: 93 IV. Phân phối và định tuyến bước sóng trong mạng WDM: 95 Kênh bước sóng và kênh bước sóng ảo: 96 Chọn đường trong mạng WDM: 97 V. Bảo vệ mạng WDM: 98 Bảo vệ kiểu 1+1 trên lớp SDH: 98 Bảo vệ đoạn ghép kênh: 100 VI. WDM và SDH: 100 VII. Mạng quang và mạng hỗn hợp quang điện: 101 VIII. Vấn đề phi tuyến tính trong mạng quang WDM.: 102 IX. Thiết kế kết cấu mạng WDM.: 102 X. Mạng Ring tự hồi phục ghép bước sóng: 103 X.1. Mở đầu: 103 X.2. Cấu trúc SHR/WDM đơn hướng: 104 Cấu trúc mạng Ring có 4 nút: 104 Cấu trúc nút: 105 Quan hệ giữa số lượng nút và số lượng bước sóng: 106 X.3. Cấu trúc SHR/WDM hai hướng: 106 X.4. So sánh SHR/ADM và SHR/WDM: 108 XI. Kết luận: 109 ._.