He Thong Ghep Kenh Quang Theo Buoc Song WDM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ********************

CHUYÊN ĐỀ

THÔNG TIN QUANG Nội dung: HỆ THỐNG GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM GV Hướng ớng dẫn dẫn : Cao Hồ Hồng ng Sơn Sơn Lớp : B10CQVT01 Thực hiện : Nhóm 3 Phùng Huy Đạt (c) Nguyễn Đức Trung Nguyễn Thị Băng Tâm

Hệ thống ghép kênh quang quang theo bước sóng WDM

GV: Cao Hồng Hồng Sơn

Hà Nội – 2013

MỤC LỤC Trang Lời nói đầu 3 ………………………………………………………………………………………….. 4 Các thuật ngữ viết tắt …………………………………………………………………………... 5 Danh mục các hình vẽ ……………………………………………………………...................... 6 Chương 1: Tổng quan về hệ thống WDM ……….…………………………………..... 6 1.1. Giới Giới thiêụụ chung về WDM ………………..…….…..………………….... 6 ….. 1.1.1. 1.1.1. Định Định nghĩ nghĩaa về WDM WDM .…….……………………...…..……................. 6 1.1. 1.1.2. 2. Đặc Đặc điểm điểm WDM WDM …………………...………………………………….. 7 1.2. Nguyên lý ghép kênh quang theo bước bước sóng WDM ………….…. 8 ….. 9 1.2.1. Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng ...………………… 10 1.2.2. Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng ...……………..… 11 1.3. Các tham số cơ bản của của hệ thố thống ………………….........…... ……………..

1.4.

Phân

loại

và

các

chuẩn

của

hệ

thống

WDM

11

…………………………….

1.5.

1.4.1. Hệ thống WDM băng tần rộng (BWDM – Broad passband WDM) ……………………………………………………………………. 1.4.2. Hệ thống WDM ghép mật độ thấp (CWDM – Coarse WDM) ………………………………………………………………….…. 1.4.3. Hệ thống WDM ghép mật độ cao (DWMD – Dense WDM) …………………………………………………………………….. Kết Kết luâṇ chương 1 ……………………..…………………….. …………………

Chương Chương 2: Các Các phần phần tử tử cơ bản trong trong hệ hệ thống thống WDM WDM …………………….......... 2.1. Bộ phát quang …......................................…..........………………….…….…..… 2.1. 2.1.1. 1. Nguy Nguyên ên lý ph phản ản xạ Brag Braggg ……………………….………………... 2.1.2 .1.2.. Bộ phát quang ang DFB DFB ……………………………….………………... 2.1.3. 2.1.3. Bộ ph phát át qu quang ang điều điều chỉnh chỉnh bư bước ớc sóng sóng …………………………. 2.2. Bộ thu quang …...............................................…….………………..……………. 2.2.1 .2.1.. Pho hottod odiiode PIN PIN …………………………………….………………... 2.2. 2.2.2. 2. Diod Diodee qua quang ng thác thác APD APD ……………………..................…………... 2.3. 2.3. Bộ tách tách/g /ghé hépp kênh kênh qu quan angg .................................................................................. Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 B10CQVT1

11 11 12 13 13 13 14 15 16 16 17 17 17 18 18 20

Trang 2


2.4. 2.5.


2.3.1. Chức năng các bộ tách/ghép ………………………………............ 2.3.2. Nguyên tắc làm việc của lăng kính ……………………………... 2.3.3. Nguyên tắc làm việc của cách tử tán xạ ……………………….. 2.3.4. Bộ tách ghép kênh quang …………………………………...……... Sợi quang ……………………...…………………………………………………... Bộ kh khuếch đạ đại qu quang …………………………………………………………... 2.5.1. Bơm thuận ……………………………………………………………... 2.5.2. Bơm ngược ……………………………………..……………………... 2.5.3. Bơm ha hai hư hướng ………………………………..……………………... 2.5. 2.5.4. 4. Nguy Nguyên ên lý ho hoạt ạt độ động ng của của EDF EDFA A ………………………………... Kếết luâṇṇ chương 2 ……………............……….………..………….……………

20 21 22 22 23 23 24

2.5. Kết luận …………………………………………....………………………………………………… Tài liệu tham khảo ……………………………………....................…………………………….

Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 B10CQVT1

Trang 3



Lời nói nói đầu Xã hội phát triển kéo theo nhiều ngành khác phát triển mạnh mẽ, trong đó có viễn thông và công nghệ thông tin nhằm đáp ứng những nhu cầu ngày càng nhiều và càng cao của con người. Khách hàng ngày càng được cung cấp nhiều dịch vụ mới với chất lượng và tốc độ được cải tiến. Điều đó đồng nghĩa với việc các nhà cung cấp phải cải thiện các công nghệ cũ và nghiên cứu các công nghệ mới để đảm bảo cung cấp cho khách hàng các dịch vụ: đảm bảo chất lượng mà giá thành thấp. Một trong các giải pháp được đưa ra là công nghệ ghép kênh theo bước sóng (công nghệ ghép kênh quang WDM). Ghép bước sóng quang hay còn gọi là ghép kênh quang theo tần số là một phương thức truyền dẫn mang lại nhiều lợi ích về kinh tế và vấn đề quản lý mạng. Chính vì vậy mà phạm vi ứng dụng của nó đã mở rộng một cách nhanh chóng. Hiện ghép bước sóng quang đã được ứng dụng rộng rãi trên các mạng truyền dẫn như hệ thống truyền hình cáp, trong mạng nội hạt, trong mạng truy nhập thuê bao và chủ yếu là trong các hệ thống cáp quang biển. Băng tần truyền dẫn của sợi đơn mode rất rộng. Vì vậy giải pháp ghép kênh theo bước sóng sẽ làm tăng dung dung lượng và giá thành lại thấp. Hơn Hơn nữa ghép kênh theo bước bước sóng còn được áp dụng trong định tuyến và chuyển mạch quang. Để triển khai một hệ thống truyền dẫn WDM cần phải giải quyết rất nhiều các vấn đề đặt ra như là định cấu hình mạng, thiết kế tuyến, bảo vệ mạng, định tuyến và phân bổ bước sóng… Từ những nhận định trên nhóm em sẽ tìm hiểu hiểu về “Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM ”. Để đạt được mục tiêu đó trong bài chuyên đề thì nhóm em đi vào tìm hiểu những vấn đề chính: Chương 1: Tổng quan về hệ thống WDM Chương 2: Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM Mặc dù đã hết sức cố gắng, nhưng chắc hẳn các vấn đề nêu ra trong phạm vi bài chuyên đề này chưa thể hoàn chỉnh về mọi điểm. Nội dung của đề tài vẫn còn có các vấn đề cần phải xem xét thêm và không thể tránh khỏi những khiếm khuyết. Rất mong Thầy chỉ bảo. Em xin được cảm ơn sâu sắc Thầy giáo Cao Hồng Sơn, người Thầy đã tạo điều kiện giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo, giúp nhóm em hoàn thành báo cáo này.


Trang 4



Các thuật ngữ viết tắt Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh APD Avalanche Photo Diode ASE Amplified Spontaneuos Emision BWDM Broadpassband Wavelength Division Multiplexing CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing IM/DD Intensity Modulation with Direct Detection DEMUX Demultiplexing DFB Distributed Feedback Laser DSF Dispersion Shifted Fiber DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier ISDN Integrated Services Digital Network ITU International Telecommunication Union LAN Local Area Network LASER Light Amplification by Stimula-ted Emission Radiation LED Light Emitting Diode NZ-DSF Non-Zero Dispersion Dispersion Shifted Fiber PIN ODEMUX OMUX SE STM TDM WDM WDMA

Positive Intrinsic Negative Optical Demultiplexing Optical Multiplexing Spontaneuos Emision Synchronous Transport Module Time Division Multiplexing Wavelength Division Multiplex-ing Wavelength Division Multiplex-ing Access

Nghĩa tiếng Việt Diode quang thác Bức xạ tự phát được khuếch đại Ghép kênh theo bước sóng băng tần rộng Ghép kênh theo bước sóng mật độ thấp Điều chế cường độ, tách sóng trực tiếp Bộ tách kênh Laser hồi tiếp phân bố Sợi dịch tán sắc Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao Bộ khuếch đại quang sợi Mạng tích hợp số Liên hiệp viễn thông quốc tế Mạng cục bộ Khuếch đại ánh sáng bởi bức xạ phát xạ tự phát Điốt phát quang Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không Phủ định tính dương tính Bộ tách kênh quang Bộ ghép kênh quang Phát xạ tự phát Modun vận chuyển đồng bộ Ghép kênh theo thời gian Ghép kênh quang theo bước sóng Truy nhập ghép kênh quang theo bước sóng sóng

Danh mục các hình vẽ Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 B10CQVT1

Trang 5

Hệ thống ghép kênh quang quang theo bước sóng WDM TT H1.1 H1.2 H1.3 H2.1 H2.2 H2.3 H2.4 H2.5 H2.6 H2.7 H2.8 H2.9 H2.10 H2.11 H2.12 H2.13 H2.14


Tên hình Nguyên lý ghép kênh quang quang theo bước song Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng Phản xạ Bragg Mặt cắt dọc của laser DFB Bộ phát quang có điều chỉnh ngoài khoang Cấu tạo Photodiode PIN Cấu tạo của APD Tán sắc góc dùng lăng kính Sử dụng cách tử để tách bước sóng Sử dụng lăng kính để tách bước sóng Sử dụng cách tử tán xạ để ghép kênh Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại quang EDFA Sơ đồ bơm thuận Sơ đồ bơm ngược Sơ đồ bơm hai hướng Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra trong EDFA với hai bước sóng bơm 980 nm nm và 1480 nm


Trang 7 9 9 14 14 15 17 17 18 19 20 20 21 22 22 23 23

Trang 6



CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WDM 1.1. 1.1. Giới Giới thi thiệu ệu chu chung ng về về WDM WDM 1.1.1 1.1.1.. Định Định nghĩ nghĩaa WDM WDM Ghép kênh quang theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) là một hệ thống thông tin quang mà ở đó nhiều kênh bước sóng được ghép lại và truyền chung trên một đường truyền quang. Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra rồi khôi phục lại tín hiệu gốc đưa vào các đầu cuối khác nhau. 1.1.2 1.1.2.. Đặc Đặc điểm điểm của WDM Thực chất có thể hiểu hệ thống WDM như một hệ thống ghép kênh theo tần số FDM. Điều khác biệt ở đây chỉ là các tần số hoạt động nằm trong vùng bước sóng ánh sáng. Ý tưởng về hệ thống truyền dẫn đa kênh bước sóng đã được đề ra khá sớm. Nó xuất phát từ hai hai loại điểm điểm chính sau đây: - Vùng phổ của của một kênh truyền truyền dẫn được giới hạn bởi tốc độ truyền truyền dẫn. Ví dụ một kênh truyền dẫn 10 Gbit/s sẽ có vùng phổ cỡ khoảng 10 GHz. Giá trị này có thể thay đổi tùy theo dạng mã tín hiệu sử dụng, tuy nhiên cũng không thể vượt xa cách quá một vài lần. - Băng tần truyền truyền dẫn của quang sợi sợi là rất lớn. Vùng phổ phổ mà ở đó suy hao của của sợi quang vẫn cho phép truyền dẫn cự ly xa có thể lên tới vài chục THz. Ví dụ, cùng phổ của băng S, C, L là cỡ 15 THz, vùng phổ của băng O cỡ 12 THz. a, Ưu điểm Trải qua quá 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 Dung lượng lượng truy truyền ền dẫn lớn: lớn: Sử Sử dụng dụng công công nghệ nghệ WDM có nghĩ nghĩaa là trong trong một 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 bít nào đó. Hiện nay đã thử nghiệm thành công 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 bít mới chỉ đạt tới STM - 256 (dung lượng 40 Gbit/s). Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 B10CQVT1

Trang 7



- Loại Loại bỏ yêu yêu cầu khắt khắt khe khe cũng cũng như nhữn nhữngg khó khăn khăn gặp gặp phải phải với hệ thốn thốngg TDM đơn kênh tốc độ cao. Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu tương ứng với mỗi bước sóng riêng (kênh quang). - Đáp ứng ứng linh linh hoạt hoạt việc việc nâng nâng cấp dung lượng lượng hệ thống, thống, kỹ thuật thuật WDM WDM cho cho phép phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang. Việc nâng cấp dung lượng đơn giản là cắm thêm card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động. - Quản Quản lý băng băng tần tần và cấu cấu hình hình mềm dẻo dẻo linh linh hoạt hoạt nhờ nhờ việc việc định định tuyến tuyến và phân phân bố bước sóng trong mạng WDM nên có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống. - Ứng dụng dụng để để truyền truyền nhiều nhiều chươn chươngg trình trình truyền truyền hình hình chất chất lượng lượng cao, cao, cự ly dài. dài. b, Nhược điểm Bên cạnh những ưu điểm đạt được hệ thống WDM vẫn còn những nhược điểm tồn tại: - Vẫn Vẫn chưa chưa khai khai thác thác hết băng băng tần tần hoạt hoạt động động có thể thể của của sợi quan quangg (mới (mới tận dụng dụng băng C và băng L). - Chi phí phí cho cho khai khai thác thác bảo bảo dưỡng dưỡng tăng do có nhiều nhiều hệ thống thống cùng cùng hoạt hoạt động. động. 1.2. Nguyên Nguyên lý ghép ghép kênh kênh quang quang theo theo bước bước sóng WDM Nguyên lý lý hoạt động động của hệ thống thống ghép kênh quang theo bước sóng: sóng: Do các nguồn phát quang có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống thông tin cáp sợi quang thường chỉ sử dụng phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi quang. Để tận dụng băng thông, người ta tiến hành ghép các luồng ánh sáng có bước sóng khác nhau và truyền đi trên một sợi quang. Về lý thuyết, có thể truyền một dung lượng rất lớn trên một sợi quang từ nhiều nguồn phát quang khác nhau hoạt động ở các bước sóng khác nhau. Ở phía thu có thể thu được các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng khác nhau này. Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng cho phép tăng dung lượng truyền dẫn quang mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và cũng không cần tăng thêm số sợi quang. Mô hình nguyên lý hoạt động của công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng:


Trang 8


Tx1


Hình 1.1: Nguyên lý ghép gSợi hép kênh quang quang theo bước sóng Sợ i quang

R x1

Tx2 thông tin quang WDM về cơ bản bao gồm 3 phần chính: KhốiR x2phát quang, Hệ thống DE MUX truyền dẫn quang. Ngoài ra còn có MUX khối thu quang và phần các bộ ghép/tách, các bộ khuếch đại tín hiệu. TxN tín hiệu: Hệ thốngKhuếch Khuế ch đại đạsử i tín tíndụng hiêụụ các nguồn phát quang là R Phần phát WDM các Laser có xN độ rộng trung Phát Pháphổ t tín tín hẹp, phát Tásuất ch tín tínđỉnh, bước Ghé pratín tíncác bước sóng ổn định, mức côngTách Thu tín tísóng n hiêụụ hiêu ụụ tâm, độ rộng phổ, độhiê rộng dịch tần phải nằm trong giới hạn chọụ phép. hiêụụ

Các bộ ghép/tách tín hiệu: Bộ ghép các bước sóng quang OMUX có nhiệm vụ ghép các bước sóng khác nhau λ 1 , λ , … λ từ các nguồn quang khác nhau thành một luồng ánh sánh chung để truyền qua sợi quang. Bộ ghép kênh quang này phải có suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu ở đầu ra của bộ ghép kênh ít bị suy hao, giữa các kênh phải có khoảng bảo vệ nhất định để tránh nhiễu sang nhau. Bộ tách tín hiệu quang ODEMUX có nhiệm vụ phân luồng tín hiệu thu được thành các kênh có bước sóng khác nhau và đi đến đầu thu riêng. 2

n

Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền tín hiệu trong sợi quang chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao, tán sắc hay các hiệu ứng phi tuyến mà mức độ ảnh hưởng của mỗi yếu tố phụ thuộc vào loại sợi được sử dụng trong hệ thống. Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng các bộ khuếch đại quang là các bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) hoặc các bộ khuếch đại Ranma. Phần thu tín hiệu: Các hệ thống WDM sử dụng các bộ tách sóng quang là các bộ PIN (Positive Intrinsic Negative) hoặc Diode quang thác APD (Avalanche Photo Diode) để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, nó phải tương thích với bộ phát cả về bước sóng và đặc tính điều chế. Khi N kênh tại tốc độ bit B 1, B2... B N được truyền đồng thời qua sợi có độ dài L thì B.L = (B1+ B2 + …+ B N).L. Khi tốc độ bít đồng đều, tức là B 1 = B2 = …= B N thì dung lượng của hệ thống sẽ tăng lên với hệ số N.


Trang 9



Dung lượng cực đại của các tuyến WDM phụ thuộc vào khoảng cách cho phép giữa các kênh. Khoảng cách tối thiểu là khoảng cách mà đảm bảo được khả năng chống nhiễu xuyên kênh giữa các kênh. Các kênh tần số của hệ thống WDM đã được chuẩn hóa bởi ITU-T thì khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 GHz, hệ thống WDM hiện tại (có sử dụng bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA) hoạt động trong băng C (1530 - 1565) và băng L (1565 1625) thì sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt động trên mỗi băng. Như vậy, nếu giữ nguyên tốc độ bít thì trên mỗi kênh truyền mà sử dụng công nghệ WDM thì cũng đủ làm tăng băng thông thông truyền trên trên một sợi quang lên 64 lần. 1.2.1. 1.2.1. Phương Phương pháp pháp truyền truyền dẫn WDM WDM đơn đơn hướng hướng Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng là: Tất cả các kênh quang trên cùng một sợi quang được ghép lại thành một luồng tín hiệu và được truyền theo cùng một hướng. Ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng λ 1 , λ ,…, λ qua bộ ghép kênh được ghép lại với nhau thành một luồng tín hiệu hiệu và truyền dẫn theo một chiều trên một sợi quang đến đầu thu. Ở đầu thu, bộ giải ghép bước sóng quang tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau trong luồng tín hiệu thu được để đến các đầu thu riêng rẽ. Ở hướng ngược lại, có nguyên lý truyền giống nguyên lý truyền ở hướng đi nhưng truyền trên một sợi quang riêng biệt khác. n

2

Tx1

λ1, λ2,…, λ N

Hình 1.2: Phương pháp pháp truyền dẫn WDM đơn đơn hướng

Tx2 1.2.2. 1.2.2. Phương Phươ ng pháp pháp truyền truyền dẫn WDM WDM song song hướng hướng

R x1 R x2

DE

Phương pháp MUX truyền dẫn WDM song hướng là: ở hướng đi các kênh quang tương MUX ứng với các bước sóng λ 1 , λ 2 ,…,λ N qua bộ ghép/tách kênh được ghép lại với nhau thành một luồng tín hiệu truyền EDFAdẫn theo trênEDFA một sợi. Cũng sợi quang đó, ở λ1, λmột ,…, λchiều 2 N R xN Phương hướng TvềxN các bước sóng λ’1, λ’2,..., λ’ N được truyền dẫn theo chiều ngược lại. pháp này chỉ cần sử dụng một sợi quang cũng có thể thiết lập được một hệ thống truyền dẫn cho cả hai chiều đi và chiều về.


Trang 10


Tx1


R

x1 Hình 1.3: Phương pháp pháp truyền dẫn dẫn WDM song song hướng λ1, λ2,…, λi T Haix2phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng và song hướng để cóR x2những ưu DE MUX Giả sử công nghệ hiện tại cho phép truyền N nhược điểm riêng. bước sóng trên một MUX λi+1, λpháp ,…, như λ N sau: sợi quang thì có thể so sánh hai phương i+2 Về dung lượng: Phương pháp truyền hai hướng trên hai sợi có dung lượng cao gấp T R đôi so xNvới phương pháp truyền hai hướng trên một sợi, nhưng số sợi quangxN cần dùng lại nhiều gấp đôi. Tiếp theo là khi có sự cố đứt cáp thì hệ thống truyền hai hướng trên hai sợi không cần cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động vì cả hai đầu liên kết đều có khả năng nhận biết tức thời sự cố. Bên cạnh đó, khi thiết kế mạng thì hệ thống song hướng khó thiết kế hơn do phải xét đến các yếu tố xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng truyền trên một sợi quang hơn hệ thống đơn hướng, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không sử dụng chung một bước sóng. Xét đến bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng. Nhưng do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm một nửa theo mỗi chiều, nên các bộ khuếch đại của hệ thống song hướng sẽ cho công suất quang ra lớn hơn so với hệ thống đơn hướng. 1.3. Các tham tham số số cơ bản của của hệ thống thống WDM Hệ thống thông tin quang cũng có một số các tham số nhất định để cho quá trình thu cũng như phát tín hiệu quang được đảm bảo. Thông thường người ta quan tâm tới các tham số chính như sau: a) Số lượng kênh bước bước sóng (N): (N): Là số kênh kênh bước sóng sóng trên một sợi được được sử dụng dụng trong hệ thống WDM. b) Khoảng cách giữa các kênh bước sóng (Dl): Khoảng cách giữa các bước sóng trong một sợi quang. Nó đảm bảo không có sự chồng lấn giữa các bước sóng. c) Băng Băng thông thông sử dụng dụng của hệ thống thống (NxDl (NxDl): ): Là tích tích giữa giữa số lượng lượng kênh bước bước sóng và khoảng cách giữa các kênh bước sóng. Băng thông của hệ thống WDM là không cố định. d) Tốc Tốc độ truyền truyền tin tin trên mỗi kênh bước bước sóng sóng (B): là tốc độ để truyền truyền thông thông tin trên một sợi, tính bằng Gbit/s. e) Dung lượng lượng của của hệ thống (NxB): (NxB): Là tích tích của số lượng lượng kênh kênh bước sóng sóng và tốc dộ truyền tin trên mỗi kênh, nó cũng được tính theo Gbit/s.


Trang 11



f) Dung Dung lượng lượng truyền truyền dẫn của hệ thống thống (NxBxL (NxBxL): ): Là tích giữa giữa số lượng lượng kênh kênh truyền dẫn với băng thông hệ thống và với khoảng cách đường truyền. Đơn vị được thường được tính theo Tbit/s-km. g) Hiệu suất suất sử dụng kênh kênh bước sóng sóng (B/Dl): (B/Dl): Là hiệu suất sử dụng dụng kênh đối đối với toàn hệ thống. Trong tất cả những tham số trên thì được quan tâm chủ yếu là: Số lượng kênh, khoảng cách truyền dẫn và dung lượng truyền dẫn của hệ thống. Ví dụ, một hệ thống WDM hoạt động ở băng C, gồm 32 kênh, với khoảng cách kênh 100 GHz, tốc độ truyền dẫn mỗi kênh là 10 Gbit/s, khoảng cách truyền dẫn là 500 km. Ta sẽ có đựợc các tham số của hệ thống như sau: - N = 32 - ∆λ = 100 GHz = 0,8 nm - Băng Băng thông thông sử dụng dụng của hệ thốn thốngg là 320 32000 GHz GHz = 25,6 25,6 nm. nm. - Tốc Tốc độ truyền truyền tin tin trên trên mỗi mỗi kênh kênh B = 10 Gbit/ Gbit/s. s. - Dung Dung lượ lượng ng của hệ thốn thốngg = 32 32x10 x10 = 320 320 Gbi Gbit/s t/s.. - Dung lượng lượng truyền truyền dẫn của hệ hệ thống thống = 32x10x 32x10x500 500 = 160 160 Tbit/ Tbit/s. s. - Hiệu Hiệu suấ suấtt sử sử dụn dụngg kên kênhh bướ bướcc sóng sóng = 10 10%. %. Các tham số chính của một hệ thống WDM hiện đang được khai thác trên thế giới: - Với Với mạng mạng đường đường trục trục DWDM DWDM back backbon bonee VNPT VNPT (2010 (2010): ): Số kênh kênh bước bước sóng sóng 8 – 4, tốc độ kênh 10 - 40 Gbit/s, Gbit/s, khoảng cách truyền dẫn dẫn 1700, dung lượng lượng truyền dẫn thu được là 0.4 Pb/s-km. - Mạng Mạng liên liên lục địa địa SEAMEW SEAMEWE3 E3 (200 (2007): 7): Số kênh kênh bướ bướcc sóng sóng là 48, tốc tốc độ kênh kênh là 10 Gbit/s, khoảng cách truyền dẫn la 39.000 km, dung lượng truyền dẫn thu được là 18,7 Pb/s-km. - Mạng Mạng liên liên lục địa địa SEAMEW SEAMEWE4 E4 (200 (2008): 8): Số kênh kênh bướ bướcc sóng sóng 64, tốc tốc độ kênh kênh là 10 gbit/s, khoảng cách truyền dẫn 18800 km, dung lượng truyền dẫn là 12 Pb/skm. 1.4. Phân loại và các chuẩn của của hệ thống WDM WDM Có rất nhiều cách phân loại hệ thống WDM, tuy nhiên phổ biến nhất là phân loại theo khoảng cách các kênh bước sóng sử dụng hệ thống. 1.4.1. Hệ thống WDM băng tần rộng (BWDM – Broad passband WDM) Hệ thống này ra đời sớm nhất trong lịch sử phát triển của WDM. Nó thực hiện truyền dẫn 2 kênh bước sóng trong đó mỗi kênh bước sóng thuộc một cửa sổ truyền dẫn (vùng 850 nm, 1310 nm hoặc vùng 1550 nm). Như vậy khoảng cách giữa các kênh trong trong hệ thống thống này cỡ vào trăm nm. Đặc điểm điểm của hệ thống này là chi phí hệ thống thống thấp, tuy nhiên dung lượng và khoảng cách truyền dẫn bị giới hạn. 1.4.2. Hệ thống WDM ghép mật độ thấp (CWDM – Coarxe WDM) Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 B10CQVT1

Trang 12



Hệ thống này ra đời từ đầu những năm 1990, nó cho phép ghép nhiều hơn 2 bước sóng trên hệ thống. Khoảng cách giữa các bước sóng khá lớn cỡ 20 nm. ITU-T đã đưa ra chuẩn G.694.2 quy định về khoảng cách các kênh, bước sóng trung tâm của hệ thống này: - Độ rộng rộng ph phổổ của của 1 kên kênhh là là 250 25000 GHz GHz.. - Bước Bước sóng sóng trun trungg tâm tâm:: 155 1552. 2.52 52 nm nm.. - Dải Dải bướ bướcc són sóngg hoạt hoạt động động từ từ 1270 1270 – 161 16100 nm. nm. Bước sóng của Laser thay đổi theo nhiệt độ nhưng đối với kỹ thuật này không cần bộ làm mát vì khoảng cách giữa các kênh liền nhau lớn. Kỹ thuật CWDM mang lại hiệu quả kinh tế cao đối với hệ thống cần ít bước sóng. 1.4.3. Hệ thống WDM ghép mật độ cao (DWDM-Dense WDM) Đây là hệ thống ra đời từ giữa những năm 1990 và cũng chính là các hệ thống WDM hiện tại đang khai thác trên thế giới. Hệ thống này cho phép ghép rất nhiều các bước sóng trên hệ thống. Khoảng cách giữa các kênh quang liền nhau truyền trên sợi quang là 0.8 nm. ITU-T đã đưa ra chuẩn G.692 quy định về khoảng cách các kênh, bước sóng trung tâm của hệ thống DWDM: - Kho Khoảng ảng các cáchh các các kênh kênh:: 100 100 GHz. GHz. - Bước Bước sóng sóng trun trungg tâm tâm:: 155 1552. 2.52 52 nm nm.. - Vùng Vùng bướ bướcc són sóngg hoạ hoạtt động động:: Băng Băng S, C,L, C,L,U. U. Hiện nay người ta còn có thế ghép được các bước sóng mà khoảng cách giữa các kênh là 0,4 và 0,2 nm với độ rộng phổ lần lượt là 50 và 20 GHz. Khi độ rộng phổ của bước sóng giảm xuống thì có nhiều yêu cầu cần giải giải quyết như: như: Nhiệt độ độ Laser phải ổn định, các thiết bị tách/ghép phải hoạt động chính xác hơn. Những yêu cầu này làm cho giá thành của các thiết bị DWDM tăng lên rất nhiều so với các thiết bị của hệ thống CWDM. 1.5. Kết luận chương 1 Hệ thống WDM dựa trên cơ sở 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 lần nhau mà vẫn đáp ứng được dung lượng truyền dẫn lớn. Mục tiêu của việc ghép kênh quang là làm tăng dung lượng và tốc độ truyền dẫn của hệ thống quang.

CHƯƠNG II CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG WDM Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 B10CQVT1

Trang 13



Hệ thống ghép bước sóng thường gồm các phần tử: máy phát quang, máy thu quang, sợi quang, bộ tách/ghép kênh quang, bộ khuếch đại quang sợi. 2.1. 2.1. Bộ phát phát qua quang ng Máy phát quang là một bộ phận không thể thiếu của một hệ thống thông tin quang. Có chức năng chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang. Ánh sáng phát ra từ nguồn này được bơm vào sợi quang để truyền đi. Có hai linh kiện dùng làm nguồn phát quang hiện là LED (Light Emitting Diode) và LASER (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation). Các nguồn phát quang cần có các tính chất vật lý sau: - Phù Phù hợp hợp với với kíc kíchh thư thước ớc sợi sợi qua quang ng.. - Bơm đủ đủ công công suất suất vào sợi sợi quang quang để để đảm bảo bảo tín tín hiệu hiệu có thể thể được được phát phát hiện hiện ở đầu thu với suy hao biết trước. - Phát Phát ra ánh ánh sáng sáng ở bước bước sóng sóng có suy suy hao và và tán xạ xạ thấp thấp.. Độ rộng rộng phổ phổ hẹp hẹp để giảm thiểu tán xạ. - Duy trì đặc đặc tính tính ổn định định trong trong điều điều kiện kiện môi môi trườn trườngg thay thay đổi. đổi. - Cho ph phép ép điều điều chế trực trực tiếp tiếp công công suất suất qua quang ng phát phát ra. - Giá Giá thà thành nh thấp thấp và độ tin tin cậy cậy cao. cao. LEDs là nguồn phát lý tưởng cho các hệ thống quang đa mode sử dụng trong mạng LAN hoặc các mạng truy cập. Tuy nhiên LEDs không thể cung cấp đủ ánh sáng vào sợi quang đơn mode trên một khoảng cách truyền dẫn lớn. LASER là nguồn phát ánh sáng được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống truyền dẫn quang. Hầu hết các hệ thống phát laser được thiết kế để làm việc với những bước sóng được quy định bởi ITU-T. Đối với các hệ thống WDM, người ta thường dùng loại nguồn laser có thể điều chỉnh được đến các bước sóng khác nhau nhằm tiết kiệm chi phí. Hoặc dùng laser cố định bước sóng DFB làm việc rất tốt với các ứng dụng hiện nay, nguyên lý hoạt động cơ bản của DFB là dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg. 2.1.1 2.1.1.. Nguyên Nguyên lý lý phản phản xạ Brag Braggg Cách tử Bragg được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin quang. Mọi sự biến đổi tuần hoàn trong môi trường truyền sóng (thường là biến đổi tuần hoàn chiết suất môi trường) đều có thể hình thành cách tử Bragg. Khi chiếu ánh sáng lên mặt tiếp giáp của 2 môi trường có phản xạ mang tính chu kỳ sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, được gọi là phản xạ Bragg.


Trang 14



Hình 2.1: Phản xạ Bragg Bragg 1’’ Nếu sai pha pha giữa các tia tia phản xạ 1, 1, 1’, 1’’ là bội bội số nguyên nguyên lần của λ n , tức là: B ’ 1 A + B = m λ n (2.1) B Trong Trong đó: A là số chu kỳ kỳ cách cách tử 1 θ θ m là số nguyên chẵn, thông thường m = 1A A λ n = λ B/n là bước sóng trong chất môi giới λ B là bước sóng quang trong không khí, còn gọi là bước sóng Bragg n là chiết suất vật liệu Khi Khi đó sẽ xảy xảy ra hiện hiện tượ tượng ng giao giao thoa thoa.. Theo Theo hình hình ra có có : B = A.(1+si A.(1+sinn ) nên (2.1 (2.1)) trở thành : A.(1+sin ) = m λ n (2.2) Khi A và nhất định, khi có một λ n thỏa mãn (2.2) thì sóng quang có bước sóng λ n sẽ giao thoa cùng với sóng quang phản xạ. Đây là điều kiện phản xạ Bragg. 2.1.2 2.1.2.. Bộ phát phát quang quang DFB DFB a. Cấu Cấu tạo tạo DFB gồm một cách tử 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.

Tín hiệu điện Lớp kim loại

Hình 2.2: Mặt cắt dọc dọc của laser laser DFB

Màng AR

DFB chỉ phát ra một điểm như vậy laser Cách tử mode sóng có độ rộng phổ rất hẹp. Với đặc Đầu ra quang DFB đã và đang được sử dụng các hệ thống thông tin quang có cự ly truyền dẫn Lớptrong nền N-InP Lớp kim loại Lớp hoạt tính dài, tốc độ tiếpcao. xúc và tỏa nhiệt

b. Nguyên lý hoạt hoạt động động


Trang 15



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 trên, chỉ khác là trong sự phân bố phản xạ Bragg của DFB có θ = π /2 nên lúc này: A=

λ

m

(2.3)

n

Tín hiệu quang có bước sóng thỏa mãn (2.3) mới phản xạ mạnh và khuếch đại đủ lớn, nếu không thỏa mãn sẽ bị dập và không phát xạ. Đây là điều kiện phân bố phản hồi. c. Ưu điểm của bộ phát phát quang DFB DFB - Dao động đơn mode mode dọc dải hẹp: do chu kỳ cách tử trong trong bộ phát quang DFB 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 nguồn quang rất hẹp. - Bước sóng có tính ổn định rất cao. 2.1.3. 2.1.3. Bộ phát phát quang quang điều điều chỉnh chỉnh bước sóng Bộ phát quang đơn mode có thể điều chỉnh được bước sóng là linh kiện quang then chốt của hệ thống WDM và mạng chuyển mạch quang. Chỉ tiêu tính năng của nó là điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh phạm vi bước sóng. Bước sóng đầu ra bộ phát quang λ kk (bước sóng trong không khí) quan hệ với bước sóng trong môi trường chất bán dẫn λ bd theo công thức: λ kk

=

λ bd ×

n

Khi thay đổi chiết suất của vật liệu bán dẫn n thì λ kk sẽ thay đổi, tức là có thể thay đổi và điều khiển được bước sóng đầu ra của bộ phát quang trong phạm vi nhất định. * Bộ phát quang có thể điều chỉnh ngoài khoang a. Cấu tạo Người ta thực hiện mạ trên mặt cắt ở phía sau của khoang cộng hưởng một màng tăng thấu (AR), sau đó ở ngoài đưa vào bộ lọc có thể điều chỉnh để tạo thành bộ phát quang có thể điều chỉnh ở ngoài khoang.


Trang 16



5,25 cm Màng AR Cách tử

LDphát quang Hình 2.3: Bộ quang có điều điều chỉnh ngoài ngoài khoang khoang ra b. NguyênĐầu lý hoạt ho ạt động động quang

Điều chỉnh thô (50-240nm)

Các tia sáng đi qua màng tăng thấu, qua thấu kính biến thành chùm tia sáng song Điều chỉnh Thấuvai kínhtrò gương phản xạ song đập vào cách tử. Ở đây cách tử sẽ đóng bộ lọc băng nhỏkiêm (GHz) hẹp. Nếu ta quay cách tử thì Tăncó g íthể ch điều chỉnhChthô ọn bước bước ssóng óng quang đầu ra. Còn nếu ra điều chỉnh cách tử theo chiều dọc thì có thể tinh chỉnh được bước sóng quang đầu ra. c. Ưu điểm, nhược điểm Ưu điểm chính là độ rộng phổ phát cực hẹp và có thể điều chỉnh bước sóng trong phạm vi rộng. rộng. Nhược điểm điểm là tốc độ điều chỉnh thấp, thể tích tương tương đối lớn, lớn, độ ổn định định không cao. cao. 2.2. 2.2. Bộ thu thu qua quang ng Bộ thu quang thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu quang thành điện. Bộ thu phải tương thích với bộ phát cả về bước sóng và phương thức điều chế đồng thời bộ thu phải thiết kế sao cho đưa đưa ra mức tín tín hiệu phù hợp. Bộ thu quang thường sử dụng Photodiode làm phần tử tách sóng quang. Ngoài ra còn có bộ làm phẳng đáp ứng tần số, bộ khuếch đại, bộ lọc… Các loại Photodiode thông dụng là PIN và ADP. Photodiode PIN có yêu cầu công suất thấp, kém nhạy cảm, chỉ hoạt động trên một giải tần số hẹp và cần có bộ khuếch đại ở trước. ADP thường sử dụng cho các tuyến thông tin đường dài. Thành phần cấu tạo chính của Photodiode là lớp tiếp giáp P-N phân cực ngược. Thông qua hiệu ứng quang điện một số lớp tiếp giáp sẽ kích thích và tách ra một cặp điện tử - lỗ trống trong miền p hoặc miền n của hệ thống. Các điện tử được giải phóng trong miền p sẽ chạy sang miền n hoặc các lỗ trống trong miền n sẽ chạy sang miền p. Kết quả sẽ tồn tại một dòng điện chạy trên mạch ngoài. 2.2.1 2.2.1.. Photod Photodiod iodee PIN Cấu tạo của PIN bao gồm: - Một tiếp giáp gồm 2 bán dẫn tốt là P + và N+ làm nền, ở giữa có một lớp mỏng bán dẫn yếu loại N hay một lớp tự dẫn I (Intrisic). Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 B10CQVT1

Trang 17



- Trên bề bề mặt của của lớp bán bán dẫn P + là một điện cực vòng (ở giữa để cho ánh sáng thâm nhập vào miền I). - Đồng thời thời trên lớp lớp bán dẫn dẫn P + có phủ một lớp mỏng chất chống phản xạ để tránh tổn hao ánh sáng vào.

Điện cực vòng

Hình 2.4: Cấu tạo Photodiod Photodiodee PIN Điện cực 2.2.2 2.2.2.. Diode Diode quan quangg thác thác APD APD Cấu tạo của APD cơ bản giống +như PIN. Ngoài ra trong APD còn có một lớp bán + Ánh sáng N trái lớp N dẫn yếu P đượctớixen giữa lớp I và Plớp N +. Bên I bị giới hạn bởi lớp P +, còn bên phải lớp I bị giới hạn bởi tiếp tiếp giáp PN +. Lớp chống Điện áp phản phânxạcực ngược đặt vào APD rất lớn.

Điện cực vòng

Hình 2.5: 2.5: Cấu tạo của APD

2.3. .3. Bộ tÁnh ách/ ch/sáng ghép hép kên kênh h qua quang ng + P hépI 2.3.1. 2.3.1. Chức năng bộ tách/g tách/ghép tới của các bộ Lớp chống Nhóm 2 – phản Lớpxạ B10CQVT1 B10CQVT1

Điện cực P

Trang 18



Chức năng của một bộ tách kênh quang là nhận tín hiệu từ sợi quang. Tín hiệu từ sợi quang này là một tia sáng bao gồm nhiều tần số sóng quang khác nhau và bộ tách kênh quang có nhiệm vụ tách tín hiệu nhận được thành các tín hiệu tại các tần số khác nhau. Còn nhiệm vụ của bộ ghép kênh quang thì ngược lại, nó nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau và kết hợp chúng lại vào một tia sáng để truyền vào một sợi quang duy nhất. Có hai loại thiết bị tách/ghép kênh là: thiết bị tách/ghép kênh tích cực và thiết bị tách/ghép kênh thụ động. Thiết bị tách/ghép kênh thụ động hoạt động dựa trên nguyên lý của lăng kính, các tử nhiễu xạ và lọc phổ. Còn các thiết bị tách/ghép kênh tích cực hoạt động dựa trên nguyên tắc kết hợp các thiết bị thụ động với các bộ lọc điều hướng trong đó mỗi một bộ lọc cộng hưởng với một tần số nhất định. 2.3.2. 2.3.2. Nguyên Nguyên tắc làm làm việc việc của lăng kính Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM người ta thường dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc. Do hiện tượng chiết suất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tức là n = n(λ ) . Nên các chùm tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hướng khác nhau ở đầu ra theo định luật Snell (sự phụ thuộc của chiết suất vật liệu làm lăng kính theo bước sóng).

A

Hình 2.6: Tán Tán sắc góc dùng lăng lăng kính sin A Với: = x (2.1) Trong đó: i là góc tới i’ i r i’ là góc ló A là góc đỉnh của lăng kính. R là góc khúc xạ của tia sáng đi vào lăng kính. C B Nó cũng có những nhược điểm là: Tán sắc góc dùng lăng kính là mức độ tán sắc thấp nên khó tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau. Vì vậy ta chỉ có thể dùng lăng kính trong trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau. 2.3.3. 2.3.3. Nguyên Nguyên lý làm làm việc việc của cách tử tử tán xạ xạ di

dn


Trang 19



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. Cách tử là một mặt phẳng quang có nhiều rãnh cách đều nhau và có khả năng truyền hoặc nhiễu xạ ánh sáng. Cách tử được cấu tạo bao gồm nhiều rãnh (như răng cưa), trên bề mặt của các rãnh này được phủ một lớp phản xạ, số lượng rãnh trên cách tử có thể tới vài nghìn rãnh trên 1 mm. Cách tử có khả năng nhiễu xạ ánh sáng theo một hướng nhất định phụ thuộc vào bước sóng. Như vậy mỗi tia sáng có nhiều bước sóng khác nhau chiếu vào cách tử thì mỗi bước sóng sẽ nhiễu xạ một hướng khác nhau. Ngược lại, các bước sóng đi tới cách tử từ các hướng khác nhau có thể kết hợp theo cùng một hướng. Góc nhiễu xạ phụ thuộc khoảng cách các rãnh và các góc tới. Khi rọi ánh sáng lên trên bề mặt cách tử, ngoài hiện tượng nhiễu xạ tức là hiện tượng giao thoa của các tia sáng bị nhiễu xạ theo các góc riêng biệt thỏa mãn phương trình: Sin + sim = m (2.2) Trong đó: n là chiết suất của lớp phản xạ phủ trên bề mặt cách tử. Góc cách tử. Góc nhiễu xạ tương tự d là bước cách tử λ bước sóng của tia sáng M là bậc nhiễu xạ. Phương trình (2.2) cho thấy rõ ràng góc nhiễu xạ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới. Như vậy, 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.

Các sợi quang

Cácsóng Hình 2.7: 2.7: Sử dụng cách cách tử để tách tách bước sótiang nhiễu xạ λ Khi giải ghép kênh bằng cách tử, nguồn sáng tới gồm gồm nhiều bước sóng từ sợi quang sẽ λ được tách ra thành các tia đơn sắc tương ứng với các bước sóng được truyền 1

2

λ 3

Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 B10CQVT1 ++…+

Trang 20

Thấu kính

Cách tử nhiễu xạ



trên sợi theo các bước sóng khác nhau. Ngược lại khi ghép kênh, một số kênh ứng với các bước sóng λ1, λ2, λ3, … λn đến từ các hướng khác nhau có thể được kết hợp thành một hướng và được truyền dẫn trên cùng một sợi quang. 2.3.4 2.3.4.. Bộ tách tách ghép ghép kênh kênh quan quangg

A

Hình 2.8: Sử dụng lăng lăng kính để để tách bước sóng Thông thường bộ ghépn kênh >n1 quang bao gồm một số đầu vào mang các tín hiệu tại 2 các bước sóng khác nhau. Tất cả các bước sóng đó được tập trung vào một điểmλ và n1 truyền vào một sợi quang duy nhất. Hầu hết các bộ tách kênh quang thụ động cũng λ có thể sử dụng như một bộ ghép kênh quang. Chúng có thể hoạt động dựa trên nguyên lý làm++…+ việc của lăng kính hoặc cũng có thể làm việc theo nguyên tắc tán xạ khi sử λ dụng n2 cách tử. C 1

2

n

Sợi quang

Thấu kính

Lăng kính

Thấu kính

Các sợi quang

Các kênh tia Hình 2.9: Sử dụng cách cách tử tán xạ để ghép nhiễu xạ

2.4. Sợi λ qu quang λ được chọn làm môi trường truyền dẫn tín hiệu trong các mạng tốc độ cao Sợi quang do nó sở λ hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với các môi trường truyền dẫn truyền thống như: phổ tần sử dụng rộng, suy hao thấp, tiêu thụ công suất ít, không bị gây nhiễu bởi ++…+ điện từ trường bên ngoài, sử dụng vật liệu chế tạo ít, nhỏ gọn và giá thành rẻ hơn. 1

2

3


Thấu kính

Cách tử nhiễTrang u xạ 21



Có hai loại sợi quang là sợi quang đơn mode (SMF) và sợi quang đa mode (MMF). Một số loại sợi quang đơn mode chuẩn do ITU-T khuyến nghị hay được dùng trong các mạng truyền dẫn quang gồm: NDSF (ITU-T G.652): là loại sợi quang được sử dụng nhiều nhất. Nó được  chế tạo tối ưu cho vùng 1310 nm, có tán sắc bằng 0 tại chính bước sóng 1310 nm, và gần 20 ps/nm.Km ở bước sóng 1550 nm.  DSF (ITU-T G.653): là loại sợi quang được thiết kế tối ưu cho vùng 15001600 nm, có hệ số tán sắc xấp xỉ 3,3 ps/nm.Km tại cửa sổ 1550 nm và gần bằng 0 tại bước sóng 1550 nm. Loại sợi quang này không phù hợp cho mạng WDM do ảnh hưởng các hiệu ứng phi tuyến. 1550 nm Loss Minimized Fiber (ITU-T G.654): đây là loại sợi quang đơn  mode chuẩn đặc biệt, có tổn hao rất thấp tại vùng cửa sổ 1550 nm. ITU G.654 được thiết kế tối ưu cho vùng 1500-1600 nm. Tổn hao thấp là nhờ sử dụng lõi thủy tinh tinh khiết. Sản xuất G.654 tốn kém, giá thành cao nên nó ít được sử dụng. Loại sợi này phù hợp nhất cho hệ thống cáp quang biển hoặc mạng cáp quang đường trục. NZ-DSF (ITU-T G.655): là loại sợi quang SMF có hệ số tán sắc lớn hơn một  giá trị khác không ở cả vùng 1500 nm. Hiện tượng tán sắc này làm giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến xuất hiện trong các hệ thống DWDM. Loại sợi quang này phù hợp nhất, nhất, hoạt động động tối ưu ưu nhất tại vùng 1500-1600 1500-1600 nm. nm. 2.5. 2.5. Bộ khuế khuếch ch đại đại qua quang ng Các bộ khuếch đại quang đóng vai trò cực kỳ quang trọng trong mạng cáp quang đường dài. EDFA đã thực hiện thành công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua bất kỳ một quá trình biến đổi về điện nào. Bộ khuếch đại EDFA khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp như: hạn chế về băng tần truyền dẫn, cấu trúc phức tạp,… thể hiện rõ tính ưu việt của kỹ thuật dẫn trên cáp sợi quang. Với hệ thống WDM, khuếch đại tín hiệu cho phép khuếch đại đồng thời các kênh quang trong toàn bộ dải bước sóng. Do đó bộ khuếch đại quang chính là chìa khóa cho sự phát triển của tất cả các mạng quang dung lượng lớn và có cự li xa.

Bộ ghép quang Hình 2.10: Cấu trúc tổng tổng quát của bộ khuếch khuếch đại quang quang EDFA Tín hiệu vào2.10: Tín hiệu ra

EDFA được cấu tạo từ một đoạn sợi quang ngắn có lõi pha trộn 0,1% nguyên tố đất Sợi quang hiếm Erbium. Sợi quang pha đất hiếm EDF (Erbium Doped Fiber) là nơi xảy ra quá Bộ cách ly Bộ cách ly trình khuếch đại. Môi trường khuếch đại quang là sợi dẫn pha thủy tinh có pha tạp Ion Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 B10CQVT1

Nguồn bơm

Trang 22



Er 3+ với các nồng độ khác nhau. Được chia làm hai loại: Sợi quang đa mode pha tạp Er 3+ có cấu trúc lõi dẫn sang đường kính 50 µ m , đường kính lớp vỏ 125 µ m , khẩu độ số NA = 0,2 ÷ 1,25, người ta pha tạp ion Er 3+ tại tâm sợi quang với đường kính vùng pha tạp từ 1,5 ÷ 30 µ m , nồng độ pha tạp từ 0,1 ÷ 1,2% mod. Sợi quang đơn mode pha tạp ion Er 3+ có cấu trúc lõi dẫn sang đường kính 9 µ m , đường kính lớp vỏ 125 µ m , đường kính vùng pha tạp từ 2 ÷ 3 µ m . Nguồn bơm phát ra ánh sáng có bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm, dùng để cung cấp năng lượng ánh sáng tạo ra trạng thái nghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực. Công suất bơm tiêu biểu là 10 mW ÷ 100 mW. Các diode laser LD dùng làm nguồn bơm thường thường được cấu tạo phù hợp hợp với cấu hình và bước bước sóng bơm. bơm. Bộ ghép quang dùng để ghép tính hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng bơm vào trong sợi quang. Bộ cách ly quang có chức năng ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát và các tín hiệu quang trên đường truyền phản xạ ngược về EDFA. Vì thế bộ cách ly có thể làm tăng đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu. Trong thực tế, EDFA được phân thành ba loại chính theo các cấu hình bơm. 2.5. 2.5.1. 1. Bơm Bơm thuậ thuận n

Bộ ghép Hình 2.11: 2.11quang : Sơ đồ bơm thuận Tín hiệu ra Cấu hình khuếch đại bơm đồng hướng có đặc điểm là súng bơm và súng tín hiệu Sợi suất quanglối ra có thể bị suy giảm do hấp cùng chiều nên có tạp âm thấp. Tuy nhiên công Bộ cách ly Bộ cách ly thụ ngược. 2.5. 2.5.2. 2. Bơm Bơm ngượ ngượcc Nguồn bơm Tín hiệu vào

Bộ ghép quang

Hình 2.12: 2.12: Sơ đồ bơm ngược Tín hiệu ra Súng bơm và súng tín hiệu ngược hướng nhau. Ưu điểm của cấu hình này là công Sợi quang suất quang lối ra cao, không bị ảnh hưởng bởi hấp thụ ngược và rất tiện lợi trong việc Tín hiệu vào

Bộ cách ly


Bộ cách ly

Nguồn bơm

Trang 23



tăng cường công suất tín hiệu vào tuyến cáp quang. Nhược điểm của cấu hình này là tạp âm khá lớn do khuếch đại bức xạ tự phát. 2.5. 2.5.3. 3. Bơm Bơm hai hai hướn hướngg

Bộ ghép quang

Bộ ghép quang Hình 2.13: 2.13 : Sơ đồ bơm hai hướng Tín hiệu ra Tín hiệu vào Khi kết hợp cả hai cấu hình trên taSợi sẽquang được các ưu điểm nổi bật như công suất Bộvà cách Bộ cách ly quang ở lối ra cao tạplyâm tương đối thấp.

2.5.4. 2.5.4. Nguyên Nguyên lý hoạt động của EDFA Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA có thể được phân cấp thành bức xạ kích thích Nguồn bơm Nguồn bơm và bức xạ tự phát.

m Vùng bơmh khuếch đại Hình 2.14: 2.14: b Quá trình trìn đại tín hiệu hi ệu xảy ra trong trong EDFA EDFA với hai bước bước sóng bơm bơm ơ Phân rã xuống trạng 4 I11/2 p 980 nm 1480 nm.thấp ế tháivà năng lượng i Phân rã không t 1 n 23+ bức xạ nhanh Vùng giả bền Khi các ể ion y Er được kích thích từ trạng thái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng u 4 nó sẽ h bơm, phân rã không phát m xạ ở các mức năng lượng cao hơn cho tới khi tiến tới c I13/2 4 ơ b4 ụ trạng thái siêu bền (trạng3thái quang tới đầu h sẽ gặp với p I13/2). Tín5 hiệu h vào sợi7EDFA 6 ạ t ế t n i á x ạ x ể t c í h t h p lõi sợi. Quá y thích và được t các ion Erbium đã được kích phân dọc trình bức xạ p bố theo ấ á t á u h ự h h h P t c P kích thích sẽ tạo980 ra các có nm cùng pha và hướng quang như h tín c hiệu í k tới, chính nm photon phụ 1400 vì thế mà ta thu photon được tín hiệu tại photon đầu ra EDFA15lớn 50 nhơn m đầu 1vào. 550 nNhư m vậy đã15đạt 50 nđược m 4

I15/2


photon Vùng nền

Trang 24



quá trình khuếch đại trong EDFA. Các ion đã được kích thích mà không tương tác với ánh sáng tới sẽ phân rã tự phát tới trạng thái nền với hằng số thời gian xấp xỉ 10 ms. Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emision) có pha và hướng ngẫu nhiên. Thông thường thì có ít hơn 1% SE được giữ lại trong sợi mode quang và nó trở thành nguồn nhiễu quang. Nhiễu này sẽ được khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emision). Ở trạng thái nền, khi có sự hấp thụ photon bơm hoạt động trở lại, quá trình này sẽ tự lặp lại. ASE sẽ làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu qua bộ khuếch đại quang. 2.6. Kết luâṇṇ chương 2 Các phần tử cơ bản của hệ thống WDM đóng vai trò quyết định trong việc mang lại chất lượng tốt nhất cho truyền dẫn tín hiệu. Lựa chọn những phần tử thích hợp với những giới hạn yêu cầu nhất định sẽ giúp cho hệ thống hoạt động tốt nhất và đảm bảo được dung lượng truyền dẫn lớn.


Trang 25



Kết luâṇ chung 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, các vấn đề liên quan đến các yếu tố hệ thống. Các phần tử cơ bản trong hệ thống có những đặc trưng riêng về tính chất cũng như độ phù hợp với hệ thống do đó lựa chọn các phần tử với thông số thích hợp giúp hệ thống hoạt động tốt hơn. WDM với những ưu điểm của mình đã được ứng dụng trong nhiều hệ thống đặc biệt là trong các hệ thống truy nhập, trong mạng chuyển mạch quang. Với khả năng của mình WDM sẽ đóng góp một phần không nhỏ vào việc xây dựng hệ thống mạng truyền tải quang và có thể xa hơn nữa là mạng chuyển mạch gói.


Trang 26



Tài liệu tham khảo 1. Bài giảng Học phần mạng truyển tải quang - Th.S. Nguyễn Thị Thu Nga, TSHK.

Nguyễn Thành Thành Nam, Th.S. Th.S. Cao Hồng Hồng Sơn. 2. Kỹ thuật thông thông tin quang 1 - HVCNBCVT HVCNBCVT 2009, TS. Lê Quốc Quốc Cường, Th.S. Đỗ Văn Việt Em, Th.S. Phạm Quốc Hợp. 3. Kỹ thuật thông tin quang - KS. Vũ Văn San, PTS. Hoàng Văn Võ, 1997. 4. Kỹ thuật thông tin tin quang - nguyên lý cơ bản kỹ thuật tiên tiên tiến - NXB Khoa học Kỹ thuật 1997, TS. Vũ Văn San.


Trang 27

He Thong Ghep Kenh Quang Theo Buoc Song WDM

Recommend Documents