Tổng quan về hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM

trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Khoa §iÖn Tö – ViÔn Th«ng
Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin
quang sö dông c«ng nghÖ WDM

Gi¸o Viªn Híng DÉn :
Sinh Viªn Thùc HiÖn :
Líp :
Hµ Néi.
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
Mục lục
Trang
Chơng 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 thông tin đợc chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng đợc truyền qua sợi
quang. Tại nơi nhận nó lại đợc biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu.
2
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
Trong thời kì hiện nay, lợng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin tăng
lên rất nhanh. Thế giới đang chứng kiến sự phát triển nhảy vọt cha từng thấy của
mạng máy tính toàn cầu Internet, kéo theo đó là sự ra đời của các ứng dụng và dịch
vụ mới trên nền tảng Internet. Số ngời 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 đợc mạng
lới có băng thông lớn, có tốc độ đờng truyền cao, tin cậy và có chi phí hợp lý.
Mạng thông tin quang ra đời đã đáp ứng đợc nhu cầu trên. Mạng thông tin
quang với các u điểm nổi bật nh dung lợng truyền dẫn lớn, tốc độ truyền tải nhanh,
hoạt động ổn định và kinh tế, đã dần thay thế cho các mạng l ới 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 đờng truyền quang. Những kĩ thuật ghép kênh đợc quan tâm nhất hiện nay
là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) và ghép kênh phân chia bớc sóng
(WDM). Trong tong lai, ghép kênh theo bớc sóng sẽ đợc a chuộng hơn vì chi phí kĩ
thuật và các thiết bị để lắp đặt hệ thống TDM tơng đối cao.
1.2. Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM:
1.2.1. Định nghĩa:
WDM (Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bớc sóng) là
công nghệ trong một sợi quang truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang với nhiều
bớc sóng khác nhau. ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bớc sóng khác nhau đợc tổ
hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang. ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó đợc
phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đa vào các đầu cuối khác
nhau.
1.2.2. Mục đích:
3
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
Do băng thông quang rất lớn (khoảng 100Ghz-Km) nên nếu chỉ sử dụng cho
mục đích đơn lẻ sẽ rất hao phí. Vì vậy sử dụng công nghệ WDM nhằm mục đích tận
dụng băng tần truyền dẫn của sợi quang bằng cách truyền đồng thời nhiều kênh bớc
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 đa ra cụ thể các kênh bớc
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 tơng tác, nghĩa là tại mỗi đầu sẽ thực
hiện chức năng phát tín hiệu đi (hớng đi) và nhận tín hiệu về (hớng về). Trong hệ
thống WDM, tính năng tơng tác đợc thực hiện qua môi trờng sợi quang. Về cơ bản
ngời ta chia hệ thống WDM thành hai kiểu: Hệ thống ghép bớc sóng đơn hớng và hệ
thống ghép bớc sóng song hớng.
1.2.3.1. Hệ thống ghép b ớc sóng đơn h ớng:
Chỉ thực hiện truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy để truyền thông tin

giữa hai điểm cần hai sợi quang.
4
MUX
Tx1
Tx2
Txn
DE-
MUX
Rx1
Rx2
Rxn
.
.
.
.
.
.
Phát tín hiệuGhép tín hiệu
EDFA
EDFA
Tách tín hiệu Thu tín hiệu

1
,
2
,
3
,,
n

1
,
2
,
3
,,
n
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
Hình 1.2 : Hệ thống WDM đơn hớng
1.2.3.2. Hệ thống ghép b ớc sóng song h ớng:
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.
Hình 1.3 : Hệ thống WDM song hớng.
1.2.4. Ưu và nh ợc điểm của công nghệ WDM:
Trải qua quá trình nghiên cứu và triển khai, mạng thông tin quang cũng nh
mạng quang sử dụng công nghệ WDM đã cho thấy những u điểm nổi trội :
* Dung lợng truyền dẫn lớn
Sử dụng công nghệ WDM có nghĩa là trong một sợi quang có thể ghép rất nhiều
kênh quang (có bớc 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 công hệ thống WDM 80 bớc
sóng với mỗi bớc sóng mang tín hiệu TDM tốc độ 2,5 Gbit/s, tổng dung lợng hệ
thống sẽ là 200 Gbit/s. Trong khi đó với hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới
STM-256 (dung lợng 40 Gbit/s).
* Tính trong suốt của mạng WDM
5
MUX
Tx1
Tx2
Txn
DE -

MUX
Rx1
Rx2
Rxn
.
.
.
.
.
.
Phát tín hiệuGhép tín hiệu
EDFA
EDFA
Tách tín hiệu Thu tín hiệu

1
,
2
,
3
,,
n

1
,
2
,
3
,,
n

Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ 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 nh 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. Nh 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. Nh 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 không làm
ảnh hởng gì đến các dịch vụ trớc đó.
* Việc nâng cấp dung lợng hệ thống thực hiện dễ dàng, linh hoạt
Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lợng 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 trờng mới, đó là thuê kênh quang (hay bớc sóng quang) ngoài 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 phơng thức định tuyến và phân bổ bớc 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 mô hình
mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) cho phép xây dựng mạng
quang trong suốt.
* Sử dụng công nghệ WDM có thể tận dụng cơ sở hạ tầng của các mạng quang
trớc đó, giảm đợc chi phí đầu t mới. Do vậy tiết kiệm và kinh tế hơn.
Chơng II Truyền tín hiệu trong sợi quang
6
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
2.1. Các đặc tính của thông tin quang:
Sợi quang là một môi trờng truyền dẫn đặc biệt so với các môi trờng khác nh
không gian tự do hay cáp đồng. Không phải ngẫu nhiên mà sợi quang trở thành ph-
ơng tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất hiện nay. So với các phơng

thức truyền dẫn thông tin khác sợi quang có những u điểm nổi bật nh có băng thông
lớn, độ suy hao truyền dẫn thấp. Thêm vào đó, chúng có thể sử dụng để thiết lập các
đờng truyền dẫn nhẹ, không có hiện tợng xuyên âm giữa các sợi quang với nhau và
không chịu các tác động của sóng điện từ.
Trớc hết vì sợi quang có băng thông lớn nên có thể truyền một khối lợng thông
tin lớn nh cấc tín hiệu âm thanh, dữ liệu, và các tín hiệu hỗn hợp thông qua một hệ
thống có cự ly dến 100Ghz-Km.
Thứ hai, sợi quang nhỏ, nhẹ và không có xuyên âm. Do vậy chúng có thể đợc
lắp đặt dễ dàng ở các địa điểm mà không cần lắp thêm các đờng ống và cống cáp.
Thứ ba, do sợi quang đợc chế tạo từ các chất điện môi nên chúng không chịu
ảnh hởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và các xung điện tử. Do đó chúng có thể đ-
ợc lắp đặt cùng với cáp điện lực (điều này có ý nghĩa kinh tế rất lớn) và dùng trong
các môi trờng có điện từ trờng cao.
Thứ t, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát (silicat-SiO
2
) và chất
dẻo nên có giá thành thấp.
Thêm vào đó sợi quang còn có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi thọ dài và khả
năng đề kháng với môi trờng tốt.
2.2. Cáp sợi quang:
Sợi quang là những dây nhỏ, dẻo truyền ánh sáng nhìn thấy đợc và các tia hồng
ngoại. Một sợi quang gồm có một lõi hình trụ đợc 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
hoàn toàn trong lõi thì chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất của vỏ một chút. Do
7
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
vậy trong quá trình sản xuất sợi, một số tạp chất đợc đa vào trong lõi hoặc vỏ, các
nguyên liệu nh Germani hoặc Photpho làm tăng chỉ số khúc xạ của SiO
2
đợc dùng

làm chất cho thêm vào phần lõi, trong khi Bo hoặc Flo làm giảm chỉ số khúc xạ của
SiO
2
nên đợc dùng làm tạp chất cho lớp vỏ.
Vỏ bọc ở phía ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời
chống xuyên âm với các sợi đi bên cạnh.
Hình 2.1 : Cấu trúc sợi quang
Ngoài ra sợi quang còn đợc phân loại thành các loại sợi quang đơn mode và đa
mode tơng ứng với số lợng 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 đợc xem nh một chùm tia truyền theo những đờng thẳng trong
một môi trờng 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 môi trờng có chỉ số khúc xạ là n
1
và n
2
. Một tia sáng từ
môi trờng 1 tới mặt phân cách của môi trờng 1 với môi trờng 2. Góc tới giữa tia tới
và pháp tuyến với bề mặt chung của hai môi trờng đợc biểu thị là
1
. Phần năng lợng
bị phản xạ vào môi trờng 1 là một tia phản xạ, phần còn lại đi xuyên qua môi trờng 2
là một tia khúc xạ. Góc phản xạ
1r
là góc giữa tia phản xạ và pháp tuyến của giao
diện. Tơng tự, góc khúc xạ
2
là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến.
1r

=
1
.
8
Sợi quang
Lớp bọc đầu tiên
(Silicon đặc biệt)
Tầng cản bit lỗi
(Silicon)
Lớp bọc thứ 2
(Nilon)
Lớp bọc thứ 2
(Nilon)
Tầng cản bit lỗi
Lớp bọc đầu tiên
Phần cốt lõi
Sợi quang
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
Theo định luật Snell : n
1
.sin
1
= n
2
.sin
2
.
Khi góc tới
1
tăng lên, góc khúc xạ

2
cũng tăng. Nếu
2
= 90 , thì sin
1
= n
2
/n
1.
Lúc đó
1
đợc gọi là góc tới hạn có giá trị
c
= sin(n
2
/n
1
) ; với n
1
> n
2
.
Với những giá trị
1
>
c
, sẽ không có tia khúc xạ, và tất cả năng lợng từ tia tới đợc
phản xạ hết. Hiện tợng này đợc gọi là phản xạ toàn phần.
Hình 2.2 : Sự phản xạ và khúc xạ các tia sáng tại mặt phân cách của hai môi tr-
ờng

* Nh vậy điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần là:
- Các tia sáng phải đi từ môi trờng chiết quang hơn (có chiết suất lớn hơn) sang
môi trờng 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 đợc truyền dựa vào hiện tợng 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,
9
n
1
n
2

1

1r

2
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
vì kích thớc của lõi loại sợi này lớn hơn nhiều so với bớc sóng ánh sáng chúng ta
đang xét tới. Để đơn giản ta chỉ xét 1 tia sáng đặc trng.
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
kinh tuyến với trục sợi. Nh vậy có 2 loại tia kinh tuyến : tia biên là tia tồn tại
trong lõi sợi và truyền theo hớng dọc theo trục lõi sợi, tia ngoài biên là tia bị khúc
xạ ra ngoài lõi sợi. Các tia nghiêng có số lợng nhiều gấp bội lần tia kinh tuyến, nó
không 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 đờng đi dài hơn và thờng bị suy hao nhiều hơn
tia kinh tuyến. Tuy nhiên ta không quan tâm lắm tới các tia nghiêng này vì nó không
phản ánh có ý nghĩa về các tia lan truyền trong sợi.
Hình 2.3a : Tia kinh tuyến
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 đợc 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 môi trờng có chiết suất n và hợp
10
Góc tiếp
nhận

0
Trục sợi


Tia khúc xạ
Tia phản xạ
Lõi n
1
Vỏ n
2
Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
với trục sợi một góc
0
. Các tia này đập vào ranh giới giữa vỏ và lõi dới một góc .
Nếu góc lớn hơn góc nào đó để đảm bảo tia đó bị phản xạ toàn phần thì tia kinh
tuyến sẽ đi theo đờng zich-zăc dọc theo lõi sợi và đi qua trục của sợi sau mỗi lần
phản xạ.
Theo định luật Snell thì góc tối thiểu

min
để tạo ra hiện tợng phản xạ toàn phần
bên trong đợc xác định : sin
min
= n
2
/n
1
. (2.1)
Nh vậy mọi tia sáng khi chạm vào ranh giới 2 môi trờng với góc <
min
sẽ bị
khúc xạ ra ngoài lõi sợi và bị suy hao ở lớp vỏ phản xạ. Điều kiện của phơng trình
(2.1) sẽ bị ràng buộc với góc vào (góc tiếp nhận) lớn nhất
0,max
theo biểu thức sau :
n.sin
0,max
= n
1
.sin
c
= (n
1
- n
2
) (2.2)
Với
c
là góc tới hạn. Do vậy , các tia có góc vào

0
nhỏ hơn góc
0,max
sẽ bị
phản xạ toàn 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.sin
0,max
= n
1
- n
2
n
1
2
Với là sự khác nhau về chỉ số chiết suất lõi vỏ đợc thông qua biểu thức sau:
n
2
= n
1
.(1-)
Chiết suất phân bậc trong thực tế có n
1
thờng bằng 1,48 và n
2
thờng chọn để sao
cho vào khoảng 0,01.
Nh vậy ta có nhận xét chỉ có các tia sau khi đi vào lõi sợi có góc nhỏ hơn góc
tới hạn

c
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 thờng là dài
hoặc rất dài. Do đó việc tính toán 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
11