CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG Do hệ thống truyền dẫn thông tin quang có nhiều ưu điểm trội hơn hẳn các hình thức thông tin khác như: băng thông rộng, tốc độ cao, không chịu ảnh hưởng của sóng điện từ…nên thông tin quang đang giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lục địa, vượt đại dương…Công nghệ hiện nay đã tạo đà cho thông tin quang phát triển theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất trong mạng viễn thông. Vì vậy, các hệ thống truyền dẫn thông tin quang sẽ dần thay thế các hệ thống thông tin theo phương pháp truyền thống. Ngày nay, với sự xuất hiện của các hệ thống truyền dẫn thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) thì dung lượng, tốc độ, băng thông…của hệ thống ngày càng nâng cao. DWDM (ghép kênh theo bước sóng mật độ cao) là bước phát triển tiếp theo của WDM. Nguyên lý của nó tương tự như WDM chỉ khác là khoảng cách giữa các kênh bước sóng gần hơn, tức là số kênh ghép được nhiều hơn. Thông thường khoảng cách kênh ghép là 0.4 nm (50GHz). Hiện nay người ta dùng WDM với nghĩa rộng bao hàm cả DWDM. Trong chương này sẽ trình bày về công nghệ ghép kênh theo bước sóng. 2.1. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM Hiện nay, kỹ thuật thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây cùng với sự phát triển của Internet do máy tính cá nhân phổ cập, sự xuất hiện của dịch vụ đa phương tiện và cuộc cách mạng thông tin di động, thông tin cá nhân…dẫn đến sự bùng nổ thông tin. Với các hệ thống cáp quang đã được lắp đặt từ trước thì nguồn tài nguyên dường như đã cạn kiệt. Yêu cầu đặt ra là phải có các giải pháp để khắc phục hiện tượng này. Nếu phải lắp thêm các đường cáp quang mới thì chi phí sẽ rất cao. Mặt khác, sự ra đời của các loại nguồn quang laser bán dẫn có phổ hẹp cho phép phổ của tia sáng là rất nhỏ so với băng thông của sợi quang. Về mặt lý thuyết, có thể làm tăng dung lượng truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu các nguồn phát có phổ cách nhau hợp lý và ở đầu thu có thể thu được tín hiệu quang riêng biệt khi sử dụng các bộ tách bước sóng. Và đây chính là cơ sở của kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM là các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau ở đầu phát được ghép kênh và truyền trên cùng một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu gồm nhiều bước sóng đến từ sợi quang đó được tách kênh để thực hiện xử lý theo yêu cầu của từng bước sóng. Như vậy, WDM có nghĩa là độ rộng băng quang của một liên kết được tách thành các vùng phổ cố định, không chồng lấn. Mỗi vùng tương ứng với một kênh có bước sóng λ i . Các kênh khác nhau thì độc lập với nhau và truyền với các tốc độ xác định. Điều này cho phép WDM được xem như là hệ thống truyền dẫn mà tín hiệu được truyền trong suốt đối với dạng mã và tốc độ bit. Hình 2.1: a, Hệ thống WDM một hướng. b, Hệ thống WDM hai hướng. Hình 2.1 mô tả hai loại hệ thống WDM: hệ thống ghép kênh bước sóng hai hướng trên hai sợi khác nhau (hệ thống WDM một hướng) và hệ thống ghép kênh bước sóng hai hướng khác nhau trên một sợi (hệ thống WDM hai hướng). Trong hệ thống WDM một hướng, tại đầu phát thiết bị ghép bước sóng được dùng để kết hợp các bước sóng khác nhau sau đó truyền trên cùng một sợi quang. Tại đầu thu, thiết bị tách bước sóng sẽ tách các bước sóng này trước khi đưa tới các bộ thu quang. Để có thể truyền dẫn thông tin hai hướng thì cần lắp đặt hai hệ thống WDM một hướng ngược chiều nhau. Trong hệ thống WDM hai hướng, tín hiệu được truyền đi theo một hướng tại bước sóng N λλλ , .,, 21 và hướng ngược lại tại bước sóng '' 2 ' 1 , .,, N λλλ trên cùng một sợi quang. Chúng thường thuộc hai vùng phổ khác nhau và được gọi là băng đỏ và băng xanh. Hệ thống WDM một hướng được phát triển và ứng dụng tương đối rộng rãi. Hệ thống WDM hai hướng yêu cầu công nghệ phát triển cao hơn vì khi thiết kế gặp phải nhiều vấn đề như can nhiễu nhiều kênh (MPI), ảnh hưởng của phản xạ quang, cách ly giữa các kênh hai chiều, xuyên âm…Nhưng so với hệ thống WDM một hướng, hệ thống WDM hai hướng giảm được số lượng bộ khuếch đại sợi quang. 2.2. Các đặc điểm của công nghệ WDM Công nghệ WDM có các đặc điểm cơ bản sau: ▪ Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang. Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng thông truyền dẫn to lớn của sợi quang, làm cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần tới hàng trăm lần. Do đó, có thể giảm chi phí đầu tư. Dùng công nghệ WDM có thể ghép N bước sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn mode và có thể truyền dẫn hoàn toàn song công. Do vậy, khi truyền dẫn thông tin đường dài với dung lượng lớn có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang. Thêm vào đó là khả năng mở rộng dung lượng cho hệ thống quang đã xây dựng. Chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công suất tương đối lớn thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ. ▪ Có khả năng đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu. Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau nên có thể truyền dẫn nhiều tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và phân chia các dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phương tiện (thoại, số liệu, đồ hoạ, ảnh động…). ▪ Có nhiều ứng dụng. Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng như trong mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ nhiều đường, nhiều địa chỉ…Bởi thế, nó rất quan trọng trong các ứng dụng mạng. ▪ Giảm yêu cầu xử lý tốc độ cao cho một số linh liện quang điện. Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng nên tốc độ xử lý tương ứng của nhiều linh kiện quang điện tăng lên theo nhưng không đáp ứng được đủ. Sử dụng công nghệ WDM có thể giảm yêu cầu quá cao về tốc độ đối với linh kiện mà vẫn có thể đáp ứng dung lượng lớn. ▪ Có khả năng truyền dẫn IP. Sử dụng công nghệ WDM có thể thiết lập kênh truyền dẫn số liệu (IP). Ghép kênh bước sóng đối với khuôn dạng số liệu (IP) là trong suốt, tức là không có quan hệ gì với tốc độ của tín hiệu và phương thức điều chế tín hiệu xét trên phương diện điện. Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lý tưởng, là cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng. Chỉ cần dùng thêm một bước sóng là có thể tăng thêm một dịch vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn. ▪ Có khả năng truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang. ▪ Cấu hình mạng có tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao. 2.3. Một số công nghệ then chốt 2.3.1. Nguồn quang Các bộ phát quang thực chất là các laser diode. Laser diode có khoang cộng hưởng Fabry – Perot tạo ra nhiều mode dọc không mong muốn. Trái lại, laser đơn mode chỉ tạo ra một mode dọc chính, còn các mode bên bị loại bỏ nên được sử dụng để làm nguồn quang cho hệ thống WDM. Các loại laser đơn mode phổ biến là laser phản hồi phân bố (DFB), laser phản xạ Bragg phân bố (DBR). Bộ phát quang DFB và DBR Cấu tạo khoang của các bộ phát quang DFB, DBR khác với bộ phát quang F-P. Nguyên lý của chúng dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg. a) Nguyên lý phản xạ Bragg Khi chiếu ánh sáng lên mặt tiếp giáp của hai môi trường có phản xạ mang tính chu kỳ sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ này gọi là phản xạ Bragg. Mặt tiếp giáp có thể là hình sin hoặc không sin (chữ nhật, hình vuông, hình tam giác…). Hình 2.2 thể hiện nguyên lý phản xạ Bragg. Nếu sai pha giữa các tia phản xạ l, l ’ và l ” là bội số nguyên lần của u λ , tức là: A + B = m u λ (2.1) thì sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa. Từ hình 2.2 ta thấy B = Asinθ nên (2.1) trở thành: A(1+ sinθ) = m u λ (2.2) Trong đó: + m: là số nguyên, thông thường m = 1. + λ n : là bước sóng trong môi trường vật liệu, λ n = λ B /n. + n: là chiết suất vật liệu. + λ B : là bước sóng trong không gian tự do, còn gọi là bước sóng Bragg. + A: là chu kỳ cách tử. Hình 2.2: Nguyên lý phản xạ Bragg. A a A a B B θ θ 1 1’ 1” Công thức (2.1) là điều kiện phản xạ Bragg. Ý nghĩa vật lý của nó là: Đối với A và θ nhất định, khi có một λ n thoả mãn (2.1) thì sóng quang có bước sóng λ n sẽ giao thoa cùng với sóng quang phản xạ. b) Bộ phát quang DFB DFB gồm một cách tử (còn gọi là lưới nhiễu xạ) có cấu trúc chu kỳ đặt cạnh lớp hoạt tính gây ra phản xạ ánh sáng suốt cả chiều dài khoang cộng hưởng để loại bỏ các mode không mong muốn. Hình 2.3 thể hiện mặt cắt dọc của loại laser này Khi có dòng điện vào bộ phát quang, các điện tử và lỗ trống trong lớp hoạt tính tái hợp, bức xạ ra các photon ánh sáng. Các photon này sẽ phản xạ tại cách tử, giống như hình 2.2, chỉ khác là θ = π/2. Lúc này, các tia tới và tia phản xạ ngược chiều nhau và công thức (2.2) trở thành: A = mλ n /2 (2.3) Lớp nền N-InP Lớp kim loại tiếp xúc và toả nhiệt Đầu ra quang Màng AR Lớp hoạt tính Cách tử Tín hiệu điện Lớp kim loại Hình 2.3: Mặt cắt dọc của laser DFB. Những tín hiệu nào có bước sóng thoả mãn công thức trên mới được phản xạ mạnh. Công thức (2.3) gọi là điều kiện phân bố phản hồi. So với bộ phát quang F-P, DFB có hai ưu điểm sau: + Dao động đơn mode dọc dải hẹp: do chu kỳ cách tử A trong bộ phát quang DFB rất nhỏ nên hình thành khoang cộng hưởng kiểu nhỏ, làm tăng hệ số tăng ích của mode chính và mode biên, từ đó được dải phổ rất hẹp so với bộ phát quang F-P. + Bước sóng có tính ổn định rất cao: vì lưới quang trong DFB giúp cho việc chốt trên bước sóng cho trước, trôi nhiệt của nó chỉ cỡ 0.8Ǻ/ o C, tốt hơn nhiều so với F-P. c) Bộ phát quang DBR Laser DBR có cấu trúc tương tự laser DFB, chỉ khác là DBR có cấu trúc nhiễu xạ bên ngoài khoang cộng hưởng. Với cấu trúc như vậy, khoang laser và khoang phản xạ Bragg là hoàn toàn độc lập. Hình 2.4 thể hiện mặt cắt của laser loại này. Đầu ra quang Lớp hoạt tính Tín hiệu điện Hình 2.4: Mặt cắt dọc của laser DBR. Lớp kim loại tiếp xúc và toả nhiệt Bộ phản xạ Bragg Bộ phát quang DBR cũng hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg và có đặc điểm tương tự như bộ phát quang DFB, chỉ có một số điểm khác biệt nhỏ cần lưu ý: (i) Vật liệu chế tạo của DBR là khó khăn hơn DFB vì nó không nhất thiết đòi hỏi sự ghép công suất giữa các vùng thụ động và vùng tích cực. (ii) Đặc tính phụ thuộc nhiệt độ thì khác nhau, khi nhiệt độ tăng thì trong DBR có sự chuyển đổi từ mode này qua mode khác còn DFB thì thể hiện tính ổn định nhiệt độ trong một dải rộng. 2.3.2. Bộ tách ghép bước sóng quang Về mặt nguyên lý, cấu trúc của bộ tách ghép có tính thuận nghịch, bất kỳ bộ ghép bước sóng nào cũng có thể dùng làm bộ tách bước sóng chỉ bằng cách đơn thuần là thay đổi hướng tín hiệu đầu vào. Vì vậy, ở đây chỉ lấy bộ ghép bước sóng để phân tích. Có nhiều cách để phân loại thiết bị ghép bước sóng. Theo công nghệ chế tạo thì chúng được chia làm hai loại chính: thiết bị vi quang và thiết bị WDM ghép sợi. Thiết bị vi quang Các thiết bị vi quang được chế tạo theo hai công nghệ khác nhau: các thiết bị có bộ lọc và thiết bị phân tán góc. Các thiết bị có bộ lọc chỉ hoạt động mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm bước sóng) tại một thời điểm, nhằm để tách ra một bước sóng trong nhiều bước sóng. Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh và có thể sử dụng cho nhiều kênh thì phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng. Các loại bộ lọc này sẽ được trình bày trong phần 2.3.3. Cấu trúc sử dụng các phần tử phân tán cho phép đồng thời đưa ra tất cả các bước sóng. Chùm tín hiệu quang đầu vào chuẩn trực sẽ đập vào thiết bị phân tán, thiết bị phân tán sẽ tách ra các kênh khác nhau tuỳ theo bước sóng của chúng tạo thành các chùm theo các góc khác nhau. Các chùm đầu ra đã tách sẽ được hội tụ nhờ một hoặc một số lăng kính và được đưa vào sợi dẫn quang riêng rẽ. Các phần tử phân tán góc được sử dụng như cách tử, lăng kính. Hình 2.5 mô tả một bộ tách hai bước sóng quang: Tín hiệu WDM gồm hai bước sóng đi tới lăng kính trực chuẩn, sau khi được tách bởi cách tử chúng được hội tụ để đi vào hai ống dẫn sóng riêng. Cách tử Thấu kính λ1, λ2 Hình 2.5: Thiết bị phân tán góc. λ2 λ1 Các thiết bị vi quang sử dụng phù hợp với các hệ thống truyền dẫn đa mode, chúng cho phép tách ghép đồng thời nhiều bước sóng khác nhau. Nhưng chúng lại khó sử dụng cho sợi đơn mode do ánh sáng phải qua các giai đoạn phản xạ, hội tụ…từ đó dẫn tới quang sai, trễ tạo suy hao tín hiệu trong thiết bị. Thiết bị ghép sợi Các thiết bị ghép sợi có cấu trúc dựa trên việc ghép hai trường ánh sáng phía ngoài lõi. Chúng còn được gọi là các coupler quang. Phía phát nó kết hợp các tín hiệu quang vào từ các tuyến khác nhau thành một tín hiệu quang tại đầu ra truyền trên một sợi. Phía thu, tách công suất quang của một sợi vào để phân phối cho hai hoặc nhiều sợi. Vì thế, để tách các bước sóng khác nhau thì sau mỗi một sợi phải có một bộ lọc bước sóng sẽ trình bày ở mục 2.3.3 [...]... là bước sóng λi bất kỳ trong các tín hiệu ghép kênh bước sóng được biến đổi thành bước sóng λ j khác theo nhu cầu Chuyển mạch bước sóng quang cần bộ biến đổi bước sóng. Thực hiện chuyển mạch bước sóng là tách kênh để chia cắt các kênh tín hiệu về không gian, tiến hành chuyển đổi bước sóng đối với mỗi kênh rồi ghép lại và đưa ra sợi quang Cần phân biệt giữa chuyển mạch bước sóng với định tuyến bước sóng. .. ghép kênh bước sóng khác nhau có thể chiếm bước sóng khác nhau nhờ vào chức năng biến đổi bước sóng của OXC Từ đó, có thể lợi dụng các bước sóng rỗi của từng đoạn ghép để tạo thành các kênh quang Ưu điểm của VWP so với WP: + Xác suất thiết lập được kênh quang cao hơn + Nâng cao được hiệu suất sử dụng bước sóng + Khả năng định tuyến cao + Thực hiện điều khiển đơn giản hơn do việc phân phối bước sóng có... như một bộ lọc băng hẹp, cho qua một bước sóng riêng và phản xạ các bước sóng khác Bước sóng lọt qua bộ lọc được xác định bằng chiều dài khoang cộng hưởng Chiều dài của khoang bằng bội số nguyên lần của nửa bước sóng nào thì công suất của bước sóng ấy đạt cực đại tại đầu ra của bộ lọc Để có thể lọc được bước sóng một cách chính xác, loại bỏ được đa số các bước sóng xung quanh thì có thể sử dụng bộ... mạch chia bước sóng được trình bày ở mục sau ♦ Bộ ghép kênh chia bước sóng quang ở đầu ra: thực hiện ghép các kênh quang từ các đầu ra tương ứng của trường chuyển mạch để truyền dẫn trên một sợi quang Ngoài các thành phần chính trên thì trong OXC có thể còn trang bị các bộ lọc bước sóng để loại bỏ các thành phần xuyên nhiễu xuất hiện trong quá trình truyền tín hiệu Biến đổi bước sóng là công nghệ then... thành kênh bước sóng (WP) hay kênh bước sóng ảo (VWP) WP nghĩa là các kênh quang trong từng liên kết sẽ có bước sóng giống nhau trên toàn bộ đường tuyền dẫn từ đầu cuối đến đầu cuối Vì vậy, để có được một kết nối thì yêu cầu phải có một bước sóng rỗi chung cho tất cả các liên kết Nếu không thoả mãn điều kiện này dù chỉ là trên một liên kết thì vẫn không tạo được kênh yêu cầu VWP cho phép các đoạn ghép kênh. .. bước sóng với định tuyến bước sóng Định tuyến bước sóng là lợi dụng sự khác nhau giữa các bước sóng để thực hiện chọn đường tức là, chuyển mạch không gian trong đó không bao gồm chuyển đổi bước sóng Để thực hiện biến đổi bước sóng phải sử dụng các bộ biến đổi bước sóng (WC) Chức năng của bộ này là biến đổi bước sóng mang dữ liệu đầu vào thành một bước sóng đầu ra trong dải thông của hệ thống Một bộ... phần tử tách kênh, phần tử điều khiển tách nhập và phần tử ghép kênh Hình 2.10 trình bày kết cấu tính năng của OADM Kết cấu trong hình vẽ không có nghĩa là tất cả các bước sóng đều phải tách kênh trên sợi quang đầu vào Thông thường điểm nút OADM được dùng để tách ra bước sóng cần thiết của luồng đến (λd), đồng thời ghép lên sợi quang truyền dẫn bước sóng truy nhập (λ a) thông qua bộ ghép kênh Hình 2.10:... đã ghép kênh theo thời gian như các VC-n; chuyển mạch là các kết nối tạm thời dưới sự điều khiển của người sử dụng ● Kết cấu của điểm node OXC Cấu tạo của OXC có 3 thành phần chính: ♦ Bộ tách kênh chia bước sóng quang ở đầu vào: thực hiện tách các kênh quang theo các bước sóng khác nhau từ các sợi quang vào khác nhau ♦ Ma trận chuyển mạch: thực hiện đấu nối chéo từ một kênh quang đầu vào tới một kênh. .. mạch quang là: chuyển mạch phân chia theo thời gian, chuyển mạch phân chia theo không gian, chuyển mạch phân chia theo bước sóng và chuyển mạch phân chia theo mã Trong hệ thống WDM chỉ dùng hai loại chuyển mạch là: chuyển mạch phân chia theo không gian và chuyển mạch phân chia theo bước sóng Còn chuyển mạch quang phân chia theo thời gian và chuyển mạch quang phân chia theo mã đã được ứng dụng vào chuyển... phổ trong khoảng thời gian của xung quang Nói cách khác, Pre-chirp là sự sắp đặt lại bước sóng sao cho ánh sáng có bước sóng dài hơn bước sóng trung bình tập trung ở sườn lên và ánh sáng có bước sóng ngắn hơn bước sóng trung bình tập trung ở sườn xuống của xung tín hiệu phát Khi tín hiệu truyền trong sợi, các bước sóng dài hơn sẽ bị dịch chuyển nhiều hơn Do vậy, nếu chọn khoảng cách truyền hợp lý thì . chia theo bước sóng Chuyển mạch bước sóng tức là bước sóng λ i bất kỳ trong các tín hiệu ghép kênh bước sóng được biến đổi thành bước sóng λ j khác theo. đoạn ghép kênh bước sóng khác nhau có thể chiếm bước sóng khác nhau nhờ vào chức năng biến đổi bước sóng của OXC. Từ đó, có thể lợi dụng các bước sóng