Tổng quan về hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ wdm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (266.32 KB, 30 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
QUANG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ WDM
Giáo Viên Hướng Dẫn :
Sinh Viên Thực Hiện :
Lớp
:
Hà Nội.
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
MỤC LỤC
Trang
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM….................3
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang...................................3
1.2. Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM................................................5
1.2.1. Định nghĩa........................................................................................5
1.2.2. Mục đích...........................................................................................5
1.2.3. Phân loại hệ thống truyền dẫn WDM:
1.2.3.1. Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng 6Error! Bookmark not
defined.
1.2.3.2. Hệ thống ghép bước sóng song hướng .....................................6
1.2.4. Ưu và nhược điểm của công nghệ WDM ....Error! Bookmark not
defined.7
CHƯƠNG II. TRUYỀN TÍN HIỆU TRONG SỢI QUANG…....................................... 8
2.1. Các đặc tính của thông tin quang........................................................8
2.2. Cáp sợi quang........................................................................................9
2.3. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang.....................................10
2.3.1 Định luật cơ bản của ánh sáng trong sợi quang .............................10
2.3.2 Truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang..............................................11
2.4 Các vấn đề cơ bản về truyền dẫn........................................................13
2.4.1. Suy hao trong sợi quang.................................................................13
2.4.2. Tán sắc trong sợi quang..................................................................14
2.4.3. Bước sóng, tần số và khoảng cách kênh.........................................15
CHƯƠNG III. CHỨC NĂNG VÀ CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA HỆ THÔNG WDM
..................................................................................................................................................
............................................................................................................................................. 17
2
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
3.1 Chức năng của hệ thống WDM..........................................................17
3.2 Các thành phần trong hệ thống thông tin quang .............................19
3.2.1. Nguồn phát quang..........................................................................19
3.2.1.1. LASER....................................................................................20
3.2.1.2. LED.........................................................................................21
3.2.2. Bộ thu quang..................................................................................21
3.2.3. Thiết bị khuếch đại quang..............................................................22
3.2.3.1. EDFA......................................................................................23
3.2.3.2. SOA.........................................................................................25
3.2.4. Các phần tử kết nối chéo sợi…………………………………… 25
3.2.4.1. Một số yêu cầu của OXC…………………………………… 27
CHƯƠNG IV. CHUYỂN MẠCH QUANG.....................................................................28
4.1. Chuyển mạch quang là nhu cầu cấp thiết của hệ thống thơng
tin quang.....................................................................................................28
4.2. Chuyển mạch kênh quang chia bước sóng.......................................29
3
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
QUANG WDM
1.1. Giới thiệu chung về thông tin quang:
Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều đó có
nghĩa là thơng tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua
sợi quang. Tại nơi nhận nó lại được biến đổi trở lại thành thơng tin ban đầu.
Trong thời kì hiện nay, lượng thơng tin trao đổi trong các hệ thống thông tin
tăng lên rất nhanh. Thế giới đang chứng kiến sự phát triển nhảy vọt chưa từng thấy
của mạng máy tính tồn cầu Internet, kéo theo đó là sự ra đời của các ứng dụng và
dịch vụ mới trên nền tảng Internet. Số người sử dụng Internet ngày càng đông, nhu
cầu truyền tải dữ liệu cũng theo đó tăng lên. Do đó yêu cầu đặt ra là phải tạo ra
được mạng lưới có băng thơng lớn, có tốc độ đường truyền cao, tin cậy và có chi
phí hợp lý.
Mạng thơng tin quang ra đời đã đáp ứng được nhu cầu trên. Mạng thông tin
quang với các ưu điểm nổi bật như dung lượng truyền dẫn lớn, tốc độ truyền tải
nhanh, hoạt động ổn định và kinh tế,… đã dần thay thế cho các mạng lưới thông
tin truyền thống. Tuy nhiên băng thông quang rất lớn (khoảng 100Ghz-Km) sẽ rất
hao phí nếu chỉ dùng cho ứng dụng đơn lẻ. Vì vậy một yêu cầu đặt ra là phải ghép
nhiều kênh trên một đường truyền quang. Những kĩ thuật ghép kênh được quan
tâm nhất hiện nay là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) và ghép kênh phân
chia bước sóng (WDM). Trong tưong lai, ghép kênh theo bước sóng sẽ được ưa
4
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
chuộng hơn vì chi phí kĩ thuật và các thiết bị để lắp đặt hệ thống TDM tương đối
cao.
1.2. Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM:
1.2.1. Định nghĩa:
WDM (Wavelength Division Multiplexing – Ghép kênh theo bước sóng) là
cơng nghệ “trong một sợi quang truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang với
nhiều bước sóng khác nhau”. ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác
nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang. ở đầu thu, tín
hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khơi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào
các đầu cuối khác nhau.
1.2.2. Mục đích:
Do băng thơng quang rất lớn (khoảng 100Ghz-Km) nên nếu chỉ sử dụng cho
mục đích đơn lẻ sẽ rất hao phí. Vì vậy sử dụng cơng nghệ WDM nhằm mục đích
tận dụng băng tần truyền dẫn của sợi quang bằng cách truyền đồng thời nhiều kênh
bước sóng trên cùng một sợi quang. Tuy nhiên để tránh nhiễu xuyên kênh, giữa
các kênh phải có khoảng cách nhất định. Qua nghiên cứu ITU-T đã đưa ra cụ thể
các kênh bước sóng và khoảng cách giữa các kênh này có thể chọn ở các cấp độ
200Ghz, 100Ghz, 50Ghz.
1.2.3. Phân loại hệ thống truyền dẫn WDM:
Hệ thống truyền dẫn là những hệ thống tương tác, nghĩa là tại mỗi đầu sẽ thực
hiện chức năng phát tín hiệu đi (hướng đi) và nhận tín hiệu về (hướng về). Trong
hệ thống WDM, tính năng tương tác được thực hiện qua môi trường sợi quang. Về
5
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
cơ bản người ta chia hệ thống WDM thành hai kiểu: Hệ thống ghép bước sóng đơn
hướng và hệ thống ghép bước sóng song hướng.
1.2.3.1. Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng:
Chỉ thực hiện truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy để truyền thông
tin giữa hai điểm cần hai sợi quang.
Rx1
Tx1
Tx2
λ1, λ2, λ3,…, λn
MUX
DEMUX
Rx2
..
..
..
..
EDFA λ1, λ2, λ3,…, λn
EDFA
Rxn
Txn
Tách tín hiệu
Phát tín hiệu Ghép tín hiệu
Thu tín hiệu
Hình 1.2 : Hệ thống WDM đơn hướng
1.2.3.2. Hệ thống ghép bước sóng song hướng:
Có thể truyền theo hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để
có thể trao đổi thông tin giữa hai điểm.
Rx1
Tx1
Tx2
..
..
MUX
DE MUX
λ1, λ2, λ3,…, λn
EDFA
λ1, λ2, λ3,…, λn
6
Rx2
..
..
EDFA
Rxn
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
Txn
Tách tín hiệu
Phát tín hiệu Ghép tín hiệu
Thu tín hiệu
Hình 1.3 : Hệ thống WDM song hướng.
1.2.4. Ưu và nhược điểm của cơng nghệ WDM:
Trải qua q trình nghiên cứu và triển khai, mạng thông tin quang cũng như
mạng quang sử dụng công nghệ WDM đã cho thấy những ưu điểm nổi trội :
* Dung lượng truyền dẫn lớn
Sử dụng công nghệ WDM có nghĩa là trong một sợi quang có thể ghép rất
nhiều kênh quang (có bước sóng khác nhau) để truyền đi, mỗi kênh quang lại ứng
với một tốc độ bit nào đó (TDM). Hiện nay đã thử nghiệm thành cơng hệ thống
WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM tốc độ 2,5 Gbit/s,
tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200 Gbit/s. Trong khi đó với hệ thống TDM, tốc độ
bit mới chỉ đạt tới STM-256 (dung lượng 40 Gbit/s).
* Tính trong suốt của mạng WDM
Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có thể hỗ trợ các
định dạng số liệu và thoại như chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit Ethernet,
ESCON, IP…
Mạng trong suốt : trong một dải băng thông xác định, mạng có thể truyền các dịch vụ với
bất kỳ tốc độ nào và với bất kỳ giao thức nào. Như vậy nhà cung cấp dịch vụ có thể đáp ứng
nhiều dịch vụ khác nhau bằng cách sử dụng một cơ sở hạ tầng duy nhất. Như vậy sẽ rất có lợi về
mặt kinh tế và vẫn có thể triển khai các dịch vụ mới một cách hiệu quả, nhanh chóng mà khơng
làm ảnh hưởng gì đến các dịch vụ trước đó.
* Việc nâng cấp dung lượng hệ thống thực hiện dễ dàng, linh hoạt
7
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng mạng hiện có lên đến hàng Tbps,
có thể đáp ứng nhu cầu mở rộng ở nhiều cấp độ khác nhau. Bên cạnh đó nó cũng
mở ra một thị trường mới, đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngồi
việc sợi hay cáp quang. Việc nâng cấp hệ thống đơn giản chỉ là cắm thêm các Card
mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (Plug-and-play).
* Quản lý băng tần hiệu quả và cấu hình hệ thống mềm dẻo
Bằng cách thay đổi phương thức định tuyến và phân bổ bước sóng trong
mạng WDM, ta có thể dễ dàng quản lý và cấu hình lại hệ thống một cách linh hoạt
tuỳ theo yêu cầu thực tế. Hiện nay WDM là công nghệ duy nhất cho phép xây
dựng mơ hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) cho phép
xây dựng mạng quang trong suốt.
* Sử dụng cơng nghệ WDM có thể tận dụng cơ sở hạ tầng của các mạng
quang trước đó, giảm được chi phí đầu tư mới. Do vậy tiết kiệm và kinh tế hơn.
CHƯƠNG II – TRUYỀN TÍN HIỆU TRONG SỢI QUANG
2.1. Các đặc tính của thơng tin quang:
Sợi quang là một môi trường truyền dẫn đặc biệt so với các môi trường khác
như không gian tự do hay cáp đồng. Không phải ngẫu nhiên mà sợi quang trở
thành phương tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất hiện nay. So với
các phương thức truyền dẫn thông tin khác sợi quang có những ưu điểm nổi bật
như có băng thông lớn, độ suy hao truyền dẫn thấp. Thêm vào đó, chúng có thể sử
dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ, khơng có hiện tượng xun âm giữa
các sợi quang với nhau và không chịu các tác động của sóng điện từ.
8
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
Trước hết vì sợi quang có băng thơng lớn nên có thể truyền một khối lượng
thơng tin lớn như cấc tín hiệu âm thanh, dữ liệu, và các tín hiệu hỗn hợp thơng qua
một hệ thống có cự ly dến 100Ghz-Km.
Thứ hai, sợi quang nhỏ, nhẹ và khơng có xun âm. Do vậy chúng có thể
được lắp đặt dễ dàng ở các địa điểm mà không cần lắp thêm các đường ống và
cống cáp.
Thứ ba, do sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi nên chúng không chịu
ảnh hưởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và các xung điện tử. Do đó chúng có thể
được lắp đặt cùng với cáp điện lực (điều này có ý nghĩa kinh tế rất lớn) và dùng
trong các mơi trường có điện từ trường cao.
Thứ tư, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát (silicat-SiO2) và
chất dẻo nên có giá thành thấp.
Thêm vào đó sợi quang cịn có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi thọ dài và khả
năng đề kháng với môi trường tốt.
2.2. Cáp sợi quang:
Sợi quang là những dây nhỏ, dẻo truyền ánh sáng nhìn thấy được và các tia
hồng ngoại. Một sợi quang gồm có một lõi hình trụ được bao quanh bởi một lớp
vỏ. Cả phần lõi và vỏ có chỉ số khúc xạ xấp xỉ 1,45. Để ánh sáng có thể phản xạ
một cách hồn tồn trong lõi thì chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất của vỏ
một chút. Do vậy trong quá trình sản xuất sợi, một số tạp chất được đưa vào trong
lõi hoặc vỏ, các nguyên liệu như Germani hoặc Photpho làm tăng chỉ số khúc xạ
của SiO2 được dùng làm chất cho thêm vào phần lõi, trong khi Bo hoặc Flo làm
giảm chỉ số khúc xạ của SiO2 nên được dùng làm tạp chất cho lớp vỏ.
Vỏ bọc ở phía ngồi áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời
chống xuyên âm với các sợi đi bên cạnh.
Sợi quang
9
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
Lớp bọc đầu tiên
(Silicon đặc biệt)
Tầng cản bit lỗi
(Silicon)
Lớp bọc thứ 2
(Nilon)
Phần cốt lõi
Lớp bọc thứ 2
(Nilon)
Tầng cản bit lỗi
Lớp bọc đầu tiên
Sợi quang
Hình 2.1 : Cấu trúc sợi quang
Ngồi ra sợi quang còn được phân loại thành các loại sợi quang đơn mode và
đa mode tương ứng với số lượng mode của ánh sáng truyền qua sợi quang.
2.3. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang:
2.3.1. Định luật cơ bản của ánh sáng trong sợi quang:
Ánh sáng có thể được xem như một chùm tia truyền theo những đường thẳng
trong một môi trường và bị phản xạ hay khúc xạ ở bề mặt giữa hai vật liệu khác
nhau. Hình 2.2 chỉ ra giao diện giữa hai mơi trường có chỉ số khúc xạ là n1 và n2.
Một tia sáng từ môi trường 1 tới mặt phân cách của môi trường 1 với mơi trường 2.
Góc tới giữa tia tới và pháp tuyến với bề mặt chung của hai môi trường được biểu
thị là θ1. Phần năng lượng bị phản xạ vào mơi trường 1 là một tia phản xạ, phần
cịn lại đi xuyên qua môi trường 2 là một tia khúc xạ. Góc phản xạ θ1r là góc giữa
tia phản xạ và pháp tuyến của giao diện. Tương tự, góc khúc xạ θ2 là góc giữa tia
khúc xạ và pháp tuyến. θ 1r = θ1.
Theo định luật Snell :
n1.sin θ1 = n2.sin θ2.
Khi góc tới θ1 tăng lên, góc khúc xạ θ2 cũng tăng. Nếu θ2 = 90°, thì sin θ1 = n2/n1.
Lúc đó θ1 được gọi là góc tới hạn có giá trị θc = sin(n2/n1) ; với n1 > n2.
10
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
Với những giá trị θ1 > θc , sẽ khơng có tia khúc xạ, và tất cả năng lượng từ tia tới
được phản xạ hết. Hiện tượng này được gọi là phản xạ tồn phần.
n2
θ2
n1
θ1 θ1r
Hình 2.2 : Sự phản xạ và khúc xạ các tia sáng tại mặt phân cách của hai môi
trường
* Như vậy điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần là:
- Các tia sáng phải đi từ mơi trường chiết quang hơn (có chiết suất lớn hơn)
sang mơi trường kém chiết quang hơn (có chiết suất nhỏ hơn).
- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.
Các định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng ở trên là nguyên lý cơ bản áp dụng
cho việc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi dẫn quang, ở sợi dẫn quang, các tín
hiệu ánh sáng được truyền dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong.
2.3.2. Truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang:
Để dễ tiếp cận với nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang, ta hãy xét về
cơ cấu lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang đa mode có chỉ số chiết suất phân
bậc, vì kích thước của lõi loại sợi này lớn hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng
chúng ta đang xét tới. Để đơn giản ta chỉ xét 1 tia sáng đặc trưng.
Có 2 loại tia có thể truyền trong sợi dẫn quang là các tia kinh tuyến và các tia
nghiêng (minh hoạ hình vẽ ……). Tia kinh tuyến là các tia xác định các mặt phẳng
11
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
kinh tuyến với trục sợi. Như vậy có 2 loại tia kinh tuyến : tia biên – là tia tồn tại
trong lõi sợi và truyền theo hướng dọc theo trục lõi sợi, tia ngoài biên – là tia bị
khúc xạ ra ngồi lõi sợi. Các tia nghiêng có số lượng nhiều gấp bội lần tia kinh
tuyến, nó khơng xác định một mặt phẳng đơn thuần nào, mà các tia này truyền theo
từng đoạn xoắn ốc dọc theo sợi. Các tia này có đường đi dài hơn và thường bị suy
hao nhiều hơn tia kinh tuyến. Tuy nhiên ta không quan tâm lắm tới các tia nghiêng
này vì nó khơng phản ánh có ý nghĩa về các tia lan truyền trong sợi.
Hình 2.3a : Tia kinh tuyến
Tia khúc xạ
Trục sợi
Góc tiếp α0
nhận
α
Lõi n1
Φ
Tia phản xạ
Vỏ n2
Hình 2.3b : Tia kinh tuyến trong quá trình tiếp nhận và lan truyền ánh sáng trong
sợi đa mode chiết suất phân bậc
Các tia kinh tuyến được thể hiện ở hình trên là xét cho loại sợi có chỉ số chiết
suất phân bậc. Các tia sáng đi vào sợi dẫn quang từ mơi trường có chiết suất n và
hợp với trục sợi một góc α0. Các tia này đập vào ranh giới giữa vỏ và lõi dưới một
góc Φ. Nếu góc Φ lớn hơn góc nào đó để đảm bảo tia đó bị phản xạ tồn phần thì
tia kinh tuyến sẽ đi theo đường zich-zăc dọc theo lõi sợi và đi qua trục của sợi sau
mỗi lần phản xạ.
12
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
Theo định luật Snell thì góc tối thiểu Φmin để tạo ra hiện tượng phản xạ toàn
phần bên trong được xác định :
sinΦmin = n2/n1.
(2.1)
Như vậy mọi tia sáng khi chạm vào ranh giới 2 mơi trường với góc Φ < Φmin
sẽ bị khúc xạ ra ngoài lõi sợi và bị suy hao ở lớp vỏ phản xạ. Điều kiện của
phương trình (2.1) sẽ bị ràng buộc với góc vào (góc tiếp nhận) lớn nhất α0,max theo
biểu thức sau :
n.sinα0,max = n1.sinαc = √(n1² - n2²)
(2.2)
Với αc là góc tới hạn. Do vậy , các tia có góc vào α0 nhỏ hơn góc α0,max sẽ bị
phản xạ tồn phần bên trong tại ranh giới lõi, vỏ sợi quang.
Biểu thức (2.2) cũng xác định khẩu độ (độ mở) NA của sợi có chỉ số chiết
suất phân bậc đối với các tia kinh tuyến :
NA = n.sinα0,max = √n1² - n2² ≈ n1√2Δ
Với Δ là sự khác nhau về chỉ số chiết suất lõi vỏ được thông qua biểu thức
sau:
n2 = n1.(1-Δ)
Chiết suất phân bậc trong thực tế có n1 thường bằng 1,48 và n2 thường chọn
để sao cho Δ vào khoảng 0,01.
Như vậy ta có nhận xét chỉ có các tia sau khi đi vào lõi sợi có góc α nhỏ hơn
góc tới hạn αc mới lan truyền dọc theo sợi.
2.4. Các vấn đề cơ bản về truyền dẫn:
2.4.1. Suy hao trong sợi quang:
Trong thực tế, cự ly truyền dẫn của các tuyến thông tin cáp quang thường là
dài hoặc rất dài. Do đó việc tính tốn đến suy hao sợi đóng một vai trò hết sức
quan trọng trong thiết kế hệ thống. Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao
ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang, giữa
sợi quang với đầu thu quang và giữa các sợi quang với các thiết bị khác trên tuyến
như khuếch đại quang hay thiết bị xen rẽ kênh v.v…, cũng có thể coi là suy hao
13
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
trên tuyến truyền dẫn. Bên cạnh đó, q trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho
phép cũng tạo ra suy hao. Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi, do đó
có thể làm giảm chúng với nhiều biện pháp khác nhau. Cái cần quan tâm là suy
hao bản chất bên trong sợi. Cơ chế suy hao cơ bản trong sợi dẫn quang là suy hao
do hấp thụ, suy hao do tán xạ và các suy hao do bức xạ năng lượng ánh sáng.
Suy hao sợi (hay cịn gọi là suy hao tín hiệu) thường được đặc trưng bằng hệ
số suy hao và được xác định bằng tỷ số giữa công suất đầu ra POUT của sợi dẫn
quang dài L với công suất quang đầu vào PIN. Tỷ số cơng suất này là một hàm của
bước sóng, nếu gọi α là hệ số suy hao thì
P
10
log IN
L
POUT
Đơn vị của α được tính theo dB/km
Xét về bản chất suy hao sợi quang thì hấp thụ trong sợi quang là nguyên nhân
quan trọng. Hấp thụ do 3 cơ chế khác nhau gây ra :
- Hấp thụ do tạp chất
- Hấp thụ do vật liệu
- Hấp thụ cực tím (điện tử).
Ngồi ra cịn có các ngun nhângây ra suy hao khác như : suy hao do tán xạ và
suy hao do uốn cong sợi.
2.4.2. Tán sắc trong sợi quang:
Trong truyền dẫn thông tin quang, hiện tượng tán sắc là một trong những
nguyên nhân quan trọng gây nên méo tín hiệu và làm suy giảm cơng suất. Vì vậy
đây là vấn đề rất được quan tâm khi thiết kế hệ thống quang.
Tán sắc bên trong mode là sự giãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở trong một
mode. Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước sóng nên ảnh hưởng của nó
14
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ rộng phổ nguồn phát. Độ rộng phổ
là dải các bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó. Có thể mơ tả
độ dãn xung bằng cơng thức sau :
d
L n s.
d
Với L là độ dài của sợi dẫn quang, τn là sự trễ nhóm đối với 1 đơn vị độ dài,
λS là bước sóng trung tâm và σλ là độ rộng trung bình bình phương (r.m.s) của phổ
nguồn phát. Tán sắc trên sợi dẫn quang bao gồm tán sắc mode, tán sắc vật liệu và
tán sắc ống dẫn sóng.
Tán sắc mode chỉ tồn tại trong truyền dẫn trên sợi đa mode. Tán sắc này phụ
thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính lõi sợi. Các mode sẽ lan truyền
theo các đường đi khác nhau làm cho cự ly đường của các mode cũng khác nhau
và do đó thời gian lan truyền cũng khác nhau giữa các mode.
Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng và do sự thay đổi về chỉ số chiết
suất của vật liệu lõi tạo nên. Nó làm cho bước sóng ln phụ thuộc vào vận tốc
nhóm của bất kì mode nào.
Tán sắc ống dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng
lượng trong lõi, vì vậy còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng
trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi, cụ thể là phụ thuộc vào
hằng số lan truyền β.
Như vậy có thể thấy do tán sắc làm dãn xung tín hiệu ánh sáng nên làm giảm
độ nhạy thu. Nó làm giảm độ nhạy thu theo 2 cách : thứ nhất, một phần năng lượng
của xung bị trải rộng và gây nên sự giao thoa giữa các tín hiệu (ISI). Thứ hai, năng
lượng xung trong mỗi bit bị giảm khi xung bị giãn rộng. Điều này gây nên sự giảm
tỷ số SNR tại các mạch quyết định. Để duy trì được SNR, phải tăng mức cơng suất
trung bình bộ thu. Đây chính là ngun nhân gây ra sự suy hao về công suất do tán
sắc gây ra.
15
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
2.4.3. Bước sóng, tần số và khoảng cách kênh:
Trong hệ thống WDM, phương tiện mang thông tin đi là ánh sáng, do đó điều
cần quan tâm là bước sóng, tần số của các tín hiệu này. Bước sóng λ và tần số f
được liên hệ với nhau qua công thức :
c
f
Trong đó c là vận tốc ánh sáng truyền trong khơng gian tự do (c ≈ 3.108 m/s), do
vậy các bước sóng cũng khác.
Trong hệ thống quang, các bước sóng chủ yếu được dùng là 1310 nm, 1550
nm và 850 nm. Các bước sóng này đều nằm trong dải hồng ngoại, khơng thể nhìn
thấy. Tần số được bằng đơn vị Hertz (bằng số chu kì/giây). Người ta thường dùng
các thứ nguyên của Hz như Megahertz (1Mhz = 106 Hz), Gigahertz (1Ghz = 109
Hz) hay Terahertz (1THz = 1012 Hz). Sử dụng c = 3.108 m/s, một bước sóng
1,55 μm sẽ tương ứng với một tần số xấp xỉ 193 THz.m sẽ tương ứng với một tần số xấp xỉ 193 THz.
Một số thông số được quan tâm khác là khoảng cách kênh, là khoảng cách
giữa hai bước sóng hoặc tần số trong một hệ thống WDM. Khoảng cách kênh có
thể được đo bằng đơn vị của bước sóng hoặc tần số. Nếu gọi Δλ là khoảng cách
giữa các kênh bước sóng thì tương ứng ta sẽ có : f c.
2
Như vậy, tại bước sóng 1550 nm, với Δλ = 35 nm (xét đối với riêng băng C)
thì ta sẽ có Δf = 4,37.1012 Hz. Giả sử tốc độ truyền dẫn của từng kênh bước sóng là
2,5 GHz, theo định lý Nyquist, với phổ cơ sở của tín hiệu là 2.2,5=5 GHz, thì số
kênh bước sóng cực đại có thể đạt được là N = Δf / 5 = 874 kênh trong dải băng
tần của một bộ khuếch đại quang, đây là số kênh cực đại tính theo lý thuyết đối với
băng C.
Dựa trên khả năng của công nghệ hiện nay, ITU-T đã đưa ra qui định về
khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bước sóng là 0,8 nm tương ứng một khoảng
16
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
cách tần số 100 GHz với tần số chuẩn là 193,1 THz. Hiện nay đã xuất hiện hệ
thống WDM sử dụng khoang cách kênh 25 GHz, tuy vậy các sản phẩm thương mại
chủ yếu vẫn theo chuẩn của ITU-T đã nêu.
CHƯƠNG III – CHỨC NĂNG VÀ CÁC PHẦN TỬ CƠ
BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM
3.1. Chức năng của hệ thống WDM:
Rx1
Tx1
Tx2
Truyền tín hiệu
trên sợi quang
MUX
..
..
Khuếch đại
tín hiệu
Txn
DEMUX
Khuếch đại
tín hiệu
Rx2
..
..
Rxn
Tách tín hiệu Thu tín hiệu
Phát tín hiệu Ghép tín hiệu
Hình 4.1 : Sơ đồ chức năng hệ thống WDM.
Như minh họa ở hình trên, để đảm nhiệm việc truyền và nhận nhiều bước
sóng trên sợi quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau :
17
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
* Phát tín hiệu : hệ thống WDM sử dụng nguồn phát quang là diode phát
quang (LED – Light Emitting Diode) hay Laser. Hiện nay đã có một số loại nguồn
phát như : laser điều chỉnh bước sóng (Tunable laser), laser đa bước sóng
(Multiwavelength laser)… Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ
hẹp, bước sóng phát ổn định, mức cơng suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ
rộng phổ, độ rộng chỉp phải nằm trong giới hạn cho phép.
* Ghép/tách tín hiệu : ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sóng
khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền trong sợi quang.
Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp đó thành các
tín hiệu ánh sáng riêng lẻ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tách. Hiện nay, đã có các bộ
tách ghép tín hiệu WDM như : bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi,
cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG , bộ lọc Fabry-Perot… Các tham số
cần quan tâm của bộ tách ghép kênh là : khoảng cách giữa các kênh bước sóng, độ
rộng băng tần của mỗi kênh, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa
các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm
đầu gần - đầu xa,…
* Truyền dẫn tín hiệu : trong thực tế việc tính tốn truyền dẫn trong thơng tin
quang là rất phức tạp bởi có nhiều yếu tố ảnh hưởng như : suy hao đường truyền,
các hiệu ứng phi tuyến , tán sắc,… Không những vậy, các yếu tố này cũng khác
nhau ở những loại sợi quang khác nhau.
* Khuếch đại tín hiệu : trong q trình truyền dẫn, tín hiệu quang sẽ bị suy
hao khi lan truyền qua sợi. Các thiết bị trong hệ thống như bộ ghép kênh, xen rẽ
kênh cũng gây nên suy hao. Ngoài ra còn nhiều nguyên nhân khác như suy hao
ghép nối, suy hao do sợi bị uốn cong… Do vậy đến một lúc nào đó, tín hiệu quang
sẽ suy yếu đến mức khơng thể tách sóng được. Do đó các thiết bị khuếch đại tín
hiệu sẽ khơi phục lại cường độ tín hiệu. Trong hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử
18
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA. Có 3 ứng dụng chính của EDFA, đó là :
khuếch đại cơng suất (Booster Amplifier – BA), tiền khuếch đại (Pre Amplifier
- PA), và khuếch đại đường truyền (Line Amplifier – LA).
Khi dùng khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo được các yêu
cầu sau :
- Độ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức
chênh lệch không quá 1 dB).
- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc khơng làm ảnh hưởng đến
mức cơng suất đầu ra của các kênh.
- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều
chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại bằng
phẳng đối với tất cả các kênh.
* Thu tín hiệu : để thu tín hiệu, các hệ thống WDM cũng sử dụng các loại bộ
tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường : PIN, APD.
3.2. Các thành phần trong hệ thống thông tin quang:
Tương ứng với các chức năng của hệ thống thơng tin quang đã nêu ở trên có
các thành phần tương ứng như sau
3.2.1. Nguồn phát quang:
Nhiêm vụ của nguồn phát quang là chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang.
Ánh sáng của nguồn này được ghép vào sợi quang để truyền đi. Hiện nay sử dụng
phổ biến 2 loại linh kiện dùng làm nguồn phát quang là :
- Diode phát quang (LED – Light Emitting Diode)
- LASER (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation)
Một trong những đóng góp quan trọng của các thiết bị phát quang giúp cho
việc thương mại hoá các hệ thống WDM là việc chế tạo thành công các LASER
19
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
phổ hẹp. Các LASER phổ hẹp có tác dụng giảm thiểu tối đa ảnh hưởng lẫn nhau
của các bước sóng khi lan truyền trên cùng một sợi quang.
Để xây dựng được các hệ thống thông tin quang. Các nguồn phát qaung phải
thoả mãn một số điều kiện như :
- Phù hợp với kích thước sợi quang
- Phát ra cơng suất đủ lớn để có thể khắc phục một phần suy hao tín hiệu,
giúp tín hiệu truyền được đến phía thu.
- Phát ra ánh sáng ở các bước sóng làm tối thiểu hố suy hao và tán xạ. Các
nguồn quang nên có một bề rộng phổ nhỏ để giảm thiểu được tán xạ.
- Hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường có thay đổi (nhiệt độ, độ
ẩm,…).
- Cho phép điều chế trực tiếp cơng suất quang đầu ra.
- Có giá thành thấp và độ tin cậy cao hơn các thiết bị điện tử, cho phép các
hệ thống thơng tin quang có thể cạnh tranh được với các hệ thống thông
tin khác.
3.2.1.1. LASER:
Thiết bị kích thích
Dịng ánh
sáng phát ra
Mơi trường phát xạ
Gương phản xạ
Gương phát
Hình 4.2 : Cấu trúc tổng quát của LASER
20
