BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ***&*** NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THẢO HỆ THỐNG GHÉP KÊNH ĐA BƯỚC SÓNG (HỆ THỐNG DWDM) Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62.44.11.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: PGS_TS. ĐINH XUÂNKHOA Vinh, 2007 1 MỤC LỤC Trang 2 LỜI CẢM ƠN………………………………………………………… . BẢNG TỪ VIẾT TẮT………………………………………………… PHẦN MỞ ĐẦU……………………………………………………… . 1 PHẦN NỘI DUNG……………………………………………………… Chương I HỆ THỐNG THÔNG TIN CƠ BẢN…………………… 7 1.1 Truyền ánh sáng trong sợi quang………………………… . 7 1.1.1 Phương trình truyền lan . 7 1.1.2 Mode truyền lan - Số Mode truyền lan . 8 1.1.3 Điều kiện lan truyền ánh sáng trong sợi quang…………. 11 1.1.3.1 Điều kiện phản xạ toàn phần…………………………. 11 1.1.3.2 Kích thước lõi và đường kính mode………………… 14 1.1.3.3. Khẩu độ số……………………………………………… 15 1.2 Cấu tạo của hệ thống thông tin quang. 16 1.2.1 Phần tử phát xạ ánh sáng………………………………. 1.2.1.1 Diode laser (LD)………………………………………. 17 1.2.1.2 Diode phát quang(LED)……………………………… 20 1.2.2 Sợi quang 23 1.2.2.1 Cấu tạo sợi quang 23 1.2.2.2 Các loại sợi quang……………………………………… 24 1.2.2.3 Tính chất của sợi quang……………………………… 25 1.2.2.4 Điều kiện truyền dẫn đơn mode……………………………… 27 1.2.3. Phần tử thu ánh sáng…………………………………… 28 1.2.3.1 Diode quang PIN ………………………………………………… 28 1.2.3.2 Diode quang kiểu APD ………………………………………… 30 1.3 Kết luận 33 Chương II HỆ THỐNG GHÉP KÊNH ĐA BƯỚC SÓNG . 36 2.1 Giới thiệu chung về DWDM………………………………… 36 2.1.1. Khái niệm về DWDM……………………………………. 36 2.1.2. Mô hình hệ thống DWDM………………………………. 36 2.1.3. Đặc điểm chính của công nghệ DWDM…………………. 38 2.2.1. Bộ ghép và bộ tách kênh quang …………………………. 39 2.2.1.1 Nguyên lý làm việc của lăng kính……………………. 40 3 2.2.1.2 Nguyên lý làm việc của cách tử tán xạ………………. 41 2.2.1.3 Bộ ghép và tách kênh quang………………………… 43 2.2.2. Bộ xen rẽ quang (OADM)………………………………. 44 2.2.3. Bộ nối chéo quang OXC………………………………… 47 2.2.4. Bộ biến đổi bước sóng……………………………………. 49 2.2.5. Phần tử phát và thu quang……………………………… 51 2.2.5.1 Bộ phát quang…………………………………………… 51 2.2.5.2 Bộ thu quang……………………………………………. 53 2.2.6. Bộ khuếch đại quang…………………………………… 55 2.2.6.1 Bơm cùng chiều………………………………………… 55 2.2.6.2 Bơm ngược chiều……………………………………… 56 2.2.6.3 Bơm hai chiều…………………………………………… 56 2.3 Kết luận……………………………………………………… . 64 Chương3 MỘT VÀI HẠN CHẾ VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC CỦA HỆ THỐNG GHÉP KÊNH DWDM 66 3.1.1. Khoảng cách kênh bước sóng……………………………. 66 3.1.2. Vấn đề xuyên âm…………………………………………. 69 3.1.3. Vấn đề suy hao……………………………………………. 70 3.1.4. Vấn đề tán sắc và bù tán sắc…………………………… 70 PHẦN KẾT LUẬN…………………………………………………… . 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………… L Ờ I C Ả M Ơ N 4 Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của mình tới PGS-TS Đinh Xuân Khoa - Người đã định hướng đề tài và hướng dẫn tôi tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi xin cảm ơn các thầy giáo PGS.TS Hồ Quang Quý, PGS.TS Vũ Ngọc Sáu đã góp ý, chỉ dẫn cho tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo khoa Vật Lý và khoa đào tạo sau đại học trường Đại Học Vinh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập, nghiên cứu tại trường đại học Vinh. Xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Vinh, năm 2007. Nguyễn Thị Phương Thảo BẢNG TỪ VIẾT TẮT 5 ADM Add/Drop Multiplexer : Bộ ghép kênh xen rẽ APD Avalanche Photo Diode : Điốt thác lũ ASE Amplifier Spontaneous Emission : Bức xạ tự phát được khuếch đại ATM Ansynchronous Transfer Mode : Kiểu truyền dẫn không đồng bộ AWG Array Wave Grating : Cách tử AWG BA Booster Amplifier : Bộ khuếch đại công suất đầu phát BER Bit Error Ratio : Tỉ lệ lỗi bit DCF Dispersion Compensated Fiber : Sợi bù tán sắc DCG Dispersion Compensating Grating : Cách tử bù tán sắc DCM Dispersion Compensator Module : Module bù tán sắc DEM Dispersion – Equalization Module : Module điều chỉnh tán sắc DGD Differential Group Delay : Trễ nhóm DSF Dispersion Shifted fiber : Sợi tán sắc dịch chuyển DWDM Density Wavelength Division Multiplexer : Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DXC Digital Cross – connect : Bộ đấu nối chéo EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier : Khuếch đại quang Erbium FBG Fiber – Bragg Grating : Cách tử sợi Bragg FWM Four Wave Mixing : Hiệu ứng trộn bốn bước sóng IP Internet Protocol : Giao thức IP ISDN Intergrated Service Digital Network : Mạng đa dịch vụ số LA Line Amplifier : Bộ khuếch đại đường truyền LAN Local Area Network : Mạng nội bộ LTmcs Line Temination for multichannel system : Kết cuối đường truyền cho hệ thống đa kênh LWPF Long Wavelength Pass Filter : Lọc thông bước sóng dài M_nREP Multichannel non_Regenarative : Đa kênh không trạm lặp MOR Multi – Wavelength Optical Repeater : Trạm lặp đa kênh quang NAS Network access station NF Noise Figure : Hệ số tạp âm NL Non – Linear : Phi tuyến NrREG Non regenarative Repeater : Trạm lặp quang NRZ Non – Return – to – Zero : Mã không trở về 0 OA Optical Amplifier : Khuếch đại quang OADM Optical Add/Drop Multiplexer : Bộ xen/rẽ bước sóng quang OAS_m Optical Amplifier Section for multichannel system : Đoạn khuếch đại quang cho hệ thống đa kênh OC Optical Channel : Kênh quang ODM Optical Demultiplexer : Tách bước sóng quang 6 OM Optical Multiplexer : Ghép bước sóng quang OPM Optical Performance Monitor : Thiết bị giám sát mạng quang OSC Optical Supervesor/Service Channel : Kênh giám sát quang PA Preamplifer : Bộ tiền khuếch đại PDH Plesiochronous Digital Hierarchy : Phân cấp cận đồng bộ PDL Polarization Depentend Loss : Suy hao phụ thuộc phân cực PIN Positive Intrinsic Nagative : Điốt PIN PLC Planar Lightwave Circuit : Vi mạch quang PMD Polarization Mode Dispertion : Tán sắc mode phân cực RCA Routing and channel assignment REG Regenerator : Trạm lặp (3R) RS Regenerator Section : Đoạn lặp (3R) RP Reception Processor SBS Stimulated Brillouin Scattering : Tán xạ Brillouin SDH Synchronous Digital Hierarchy : Phân cấp đồng bộ số SPRING Shared protection ring SNR Signal to Noise Ratio : Tỉ số tín hiệu trên tạp âm SOFT Shared Optical Function Technology SONET Synchronous Optical NETwork : Mạng quang đồng bộ SPM Self Phase Modulation : Điều chế tự dịch pha SRS Stimulated Ramman Scattering : Tán xạ Ramman STM Synchronous Transport Module SWPF Short Wavelength Pass Filter : Lọc thông bước sóng ngắn TMN Telecommunication Management Network : Mạng quản lý viễn thông WDM Wavelength Division Multiplexer : Ghép kênh theo bước sóng XPM Cross Phase Modulation : Điều chế pha chéo MỞ ĐẦU Thế kỷ XX là thế kỷ phát triển mạnh mẽ của khoa học và kỹ thuật. Nằm trong sự phát triển đó, thông tin quang đã có những bước đột phá bằng 7 những phát minh quan trọng: phát minh về công nghệ Laser, phát minh về công nghệ truyền ánh sáng qua sợi quang học… Cùng với các phát minh và ứng dụng của điện - điện tử đã hình thành một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng mới: Hệ thống truyền thông tin sợi quang. Với những ưu điểm hết sức ưu việt mang tính đặc thù của thông tin sợi quang, hiện đây là một trong những phương án truyền thông tin đang được áp dụng rộng rãi. Tương lai sẽ là công nghệ thay thế cho các phương tiện truyền thông hữu tuyến và vô tuyến cũ. Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển động, hình dáng… của sự vật thông qua đôi mắt. Tiếp đó một hệ thống thông tin đơn giản được xuất hiện đó là đèn hải dăng và đèn hiệu. Đến năm 1791 VC.Chape phát minh ra một máy báo điện quang. Thiết bị này sử dụng khí quyển làm môi trường truyền dẫn vì vậy nên ảnh hưởng vào điều kiện thời tiết. Để khắc phục hạn chế này, Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến có khả năng thực hiện thông tin giữa người gửi và người nhận ở xa nhau. Đầu năm 1980, A.G.Bell- người phát minh ra hệ thống điện thoại đã nghĩ ra một thiết bị quang thoại có khả năng biến đổi dao động của máy hát thành ánh sáng. Tuy nhiên, sự phát triển tiếp theo của hệ thống này đã bị bỏ bê do sự xuất hiện hệ thống vô tuyến. Sự nghiên cứu hiện đại về thông tin quang được bắt đầu bằng sự phát minh thành công của Laser năm 1960 và bằng khuyến nghị của Kao và Hockham năm 1966 về chế tạo sợi quang có độ tổn thất thấp (Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền các ánh sáng nhìn thấy được và các tia hồng ngoại, lõi ở giữa và có phần bao bọc xung quanh lõi. Để ánh sáng có thể phản xạ được một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất lõi phải lớn hơn 8 chiết suất của vỏ. Lõi và áo được làm bằng thuỷ tinh hay chất dẻo (Silica), chất dẻo, kim loại, sợi quang kết tinh). Ngoài ra chúng được phân loại thành các loại sợi quang đơn mode và sợi quang đa mode tương ứng với số lượng mode của ánh sáng truyền qua sợi quang, phân loại sợi quang có chỉ số bước và chỉ số lớp tuỳ theo hình dạng và chiết suất của các phần lõi của sợi quang). Bốn năm sau, Kapron đã có thể chế tạo ra sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20 dB/km. Được cổ vũ bởi thành công này, các nhà khoa học trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành các nghiên cứu và kết quả là các công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, về tăng giải thông, về các Laser bán dẫn… đã được phát triển thành công trong những năm 70 ( Như độ tổn thất của sợi quang đã được giảm đến 0,18dB/km ). Hơn nữa trong những năm 70 Laser bán dẫn có khả năng thực hiện dao động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo. Tuổi thọ của nó ước lượng được hơn 100 năm. Dựa trên các công nghệ sợi quang và Laser bán dẫn giờ đã có thể gửi được một lượng lớn thông tin (âm thanh, dữ liệu…) đến các địa điểm cách nhau hàng 100km bằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần đến các bộ tái tạo. Hiện nay các hoạt động nghiên cứu nghiêm chỉnh đang được tiến hành trong lĩnh vực gọi là photon học- là một lĩnh vực tối quan trọng đối với tất cả các hệ thống thông tin quang, có khả năng phát hiện, xử lý, trao đổi, và truyền dẫn thông tin bằng ánh sáng. Photon học có khả năng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử và viễn thông trong thế kỷ 21. Trong thông tin sợi quang, các ưu điểm sau của sợi quang được sử dụng hiệu quả: độ suy hao truyền dẫn thấp và băng thông lớn. Thêm vào đó chúng có thể sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng nhỏ, không có xuyên âm với các đường sợi quang bên cạnh và không chịu ảnh 9 hưởng của nhiễm cảm ứng sóng điện tử trong thực tế sợi quang là phương tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất đang có hiện nay. Trước hết vì có băng thông lớn nên nó có thể truyền một khối lượng thông tin lớn như tín hiệu âm thanh, dữ liệu và các tín hiệu hỗn hợp. Bằng cách sử dụng sợi quang, các thông tin đó có thể truyền đến những địa điểm cách xa hàng 100km. Thứ hai, sợi quang nhỏ nhẹ và không xuyên âm nên có thể lắp đặt dễ dàng ở các thành phố, tàu thuỷ, máy bay, các toà nhà cao tầng mà không cần lắp đặt thêm các đường ống và bể cáp. Thứ ba, vì các sợi quang được chế tạo từ các chất điện không dẫn điện nên chúng không chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và các xung điện từ. Vì vậy chúng được sử dụng để truyền dẫn mà không có tiếng ồn. Điều đó có nghĩa là nó có thể lắp đặt cùng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi trường phản ứng hạt nhân. Thứ tư, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát và chất dẻo - là những thứ rẻ hơn đồng nhiều nên nó kinh tế hơn cáp đồng trục nhiều. Giá thành của cáp sợi quang sẽ được giảm nhanh khi công nghệ mới được đưa ra. Ngoài ra như đã đề cập ở trên do đặc trưng là có độ tổn thất thấp, giá thành lắp đặt ban đầu cũng như giá thành bảo dưỡng và sửa chữa thấp bởi vì chúng cần ít các bộ tái tạo hơn. Ngoài những ưu điểm nêu trên sợi quang có độ an toàn và tính bảo mật cao, tuổi thọ dài và có khả năng đề kháng môi trường cao. Nó cũng dễ bảo dưỡng, sửa chữa và có độ tin cậy cao. Hơn nữa, nó không bị rò rỉ tín hiệu và dễ kéo dài khi cần và có thể chế tạo với giá thành thấp. Nhờ những ưu điểm này sợi quang đã được sử dụng trong các mạng lưới điện thoại, phát thanh 10 . Chương II: " ;Hệ thống ghép kênh đa bước sóng& quot; - Giới thiệu hệ thống ghép kênh đa bước sóng (Density Wavelength Division Multiplexer _DWDM) . Chương III:. TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ***&*** NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THẢO HỆ THỐNG GHÉP KÊNH ĐA BƯỚC SÓNG (HỆ THỐNG DWDM) Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62.44.11.01 LUẬN VĂN