He Thong Ghep Kenh Quang Theo Buoc Song WDM
-
Upload
trung-nguyen-duc -
Category
Documents
-
view
97 -
download
5
Transcript of He Thong Ghep Kenh Quang Theo Buoc Song WDM
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG********************
CHUYÊN ĐÊ
THÔNG TIN QUANG
Nội dung:HỆ THỐNG GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM
GV Hướng dẫn : Cao Hồng Sơn
Lớp : B10CQVT01
Thực hiện : Nhóm 3
Phùng Huy Đạt (c)
Nguyễn Đức Trung
Nguyễn Thị Băng Tâm
Hà Nội – 2013
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
MỤC LỤC
Trang
Lời nói đầu …………………………………………………………………………………………..
Các thuật ngữ viết tắt …………………………………………………………………………...
Danh mục các hình vẽ ……………………………………………………………......................
Chương 1: Tông quan vê hệ thống WDM ……….………………………………….....
1.1. Giơi thiêu chung về WDM ………………..…….…..…………………....
…..
1.1.1. Định nghĩa về WDM .…….……………………...…..…….................
1.1.2. Đặc điểm WDM …………………...…………………………………..
1.2. Nguyên lý ghép kênh quang theo bươc sóng WDM ………….….
…..
1.2.1. Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hương ...…………………
1.2.2. Phương pháp truyền dẫn WDM song hương ...……………..…
1.3. Các tham số cơ bản của hê thống ………………….........…...
……………..
1.4. Phân loại và các chuẩn của hê thống WDM …………………………….
1.4.1. Hê thống WDM băng tần rộng (BWDM – Broad passband WDM) …………………………………………………………………….
1.4.2. Hê thống WDM ghép mật độ thấp (CWDM – Coarse WDM) ………………………………………………………………….….
1.4.3. Hê thống WDM ghép mật độ cao (DWMD – Dense WDM) ……………………………………………………………………..
1.5. Kêt luận chương 1 ……………………..……………………..
…………………
Chương 2: Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM ……………………..........
2.1. Bộ phát quang …......................................…..........………………….…….…..…
2.1.1. Nguyên lý phản xạ Bragg ……………………….………………...
2.1.2. Bộ phát quang DFB ……………………………….………………...
2.1.3. Bộ phát quang điều chỉnh bươc sóng ………………………….
2.2. Bộ thu quang …...............................................…….………………..…………….
2.2.1. Photodiode PIN …………………………………….………………...
2.2.2. Diode quang thác APD ……………………..................…………...
2.3. Bộ tách/ghép kênh quang ..................................................................................
2.3.1. Chức năng các bộ tách/ghép ………………………………............
2.3.2. Nguyên tắc làm viêc của lăng kính ……………………………...
2.3.3. Nguyên tắc làm viêc của cách tử tán xạ ………………………..
2.3.4. Bộ tách ghép kênh quang …………………………………...……...
3
4
5
6
6
6
6
7
8
9
10
11
11
11
11
12
13
13
13
14
15
16
16
17
17
17
18
18
20
20
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 1
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
2.4. Sợi quang ……………………...…………………………………………………...
2.5. Bộ khuêch đại quang …………………………………………………………...
2.5.1. Bơm thuận ……………………………………………………………...
2.5.2. Bơm ngược ……………………………………..……………………...
2.5.3. Bơm hai hương ………………………………..……………………...
2.5.4. Nguyên lý hoạt động của EDFA ………………………………...
2.5. Kêt luận chương 2 ……………............……….………..………….……………
Kết luận …………………………………………....…………………………………………………
Tài liệu tham khảo ……………………………………....................…………………………….
21
22
22
23
23
24
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 2
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
Lời nói đầu
Xã hội phát triển kéo theo nhiều ngành khác phát triển mạnh mẽ, trong đó có viễn
thông và công nghê 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 mơi vơi chất
lượng và tốc độ được cải tiên. Điều đó đồng nghĩa vơi viêc các nhà cung cấp phải cải
thiên các công nghê cũ và nghiên cứu các công nghê mơi 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 nghê ghép kênh theo bươc sóng (công nghê ghép kênh
quang WDM). Ghép bươc 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 tê và vấn đề quản lý mạng.
Chính vì vậy mà phạm vi ứng dụng của nó đã mở rộng một cách nhanh chóng. Hiên
ghép bươc sóng quang đã được ứng dụng rộng rãi trên các mạng truyền dẫn như hê
thống truyền hình cáp, trong mạng nội hạt, trong mạng truy nhập thuê bao và chủ yêu
là trong các hê thống cáp quang biển.
Băng tần truyền dẫn của sợi đơn mode rất rộng. Vì vậy giải pháp ghép kênh theo
bươc sóng sẽ làm tăng dung lượng và giá thành lại thấp. Hơn nữa ghép kênh theo bươc
sóng còn được áp dụng trong định tuyên và chuyển mạch quang.
Để triển khai một hê thống truyền dẫn WDM cần phải giải quyêt rất nhiều các vấn
đề đặt ra như là định cấu hình mạng, thiêt kê tuyên, bảo vê mạng, định tuyên và phân
bổ bươc sóng… Từ những nhận định trên nhóm em sẽ tìm hiểu hiểu về “Hê thống
ghép kênh quang theo bươc 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: Tông quan vê hệ thống WDM
Chương 2: Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM
Mặc dù đã hêt 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 khiêm khuyêt. Rất mong
Thầy chỉ bảo.
Em xin được cảm ơn sâu sắc Thầy giáo Cao Hồng Sơn, người Thầy đã tạo điều kiên
giúp đỡ, hương dẫn, chỉ bảo, giúp nhóm em hoàn thành báo cáo này.
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 3
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
Các thuật ngữ viết tắt
Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt
APD
ASE
BWDM
CWDM
IM/DD
DEMUX
DFB
DSF
DWDM
EDFA
ISDN
ITU
LAN
LASER
LED
NZ-DSF
PIN
ODEMUX
OMUX
SE
STM
TDM
WDM
WDMA
Avalanche Photo Diode
Amplified Spontaneuos Emision
Broadpassband Wavelength Divi-
sion Multiplexing
Coarse Wavelength Division Mul-
tiplexing
Intensity Modulation with Direct
Detection
Demultiplexing
Distributed Feedback Laser
Dispersion Shifted Fiber
Dense Wavelength Division Mul-
tiplexing
Erbium Doped Fiber Amplifier
Integrated Services Digital Network
International Telecommunication
Union
Local Area Network
Light Amplification by Stimula-ted
Emission Radiation
Light Emitting Diode
Non-Zero Dispersion Shifted Fiber
Positive Intrinsic Negative
Optical Demultiplexing
Optical Multiplexing
Spontaneuos Emision
Synchronous Transport Module
Time Division Multiplexing
Wavelength Division Multiplex-ing
Wavelength Division Multiplex-ing
Access
Diode quang thác
Bức xạ tự phát được khuêch đại
Ghép kênh theo bươc sóng băng
tần rộng
Ghép kênh theo bươc sóng mật
độ thấp
Điều chê cường độ, tách sóng
trực tiêp
Bộ tách kênh
Laser hồi tiêp phân bố
Sợi dịch tán sắc
Ghép kênh theo bươc sóng mật
độ cao
Bộ khuêch đại quang sợi
Mạng tích hợp số
Liên hiêp viễn thông quốc tê
Mạng cục bộ
Khuêch 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 bươc sóng
Truy nhập ghép kênh quang theo
bươc sóng
Danh mục các hình vẽ
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 4
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
TT Tên hình Trang
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
Nguyên lý ghép kênh quang theo bươc song
Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hương
Phương pháp truyền dẫn WDM song hương
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 bươc sóng
Sử dụng lăng kính để tách bươc sóng
Sử dụng cách tử tán xạ để ghép kênh
Cấu trúc tổng quát của bộ khuêch đại quang EDFA
Sơ đồ bơm thuận
Sơ đồ bơm ngược
Sơ đồ bơm hai hương
Quá trình khuêch đại tín hiêu xảy ra trong EDFA vơi hai
bươc sóng bơm 980 nm và 1480 nm
7
9
9
14
14
15
17
17
18
19
20
20
21
22
22
23
23
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 5
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
CHƯƠNG ITỔNG QUAN VÊ HỆ THỐNG WDM
1.1. Giới thiệu chung vê WDM
1.1.1. Định nghĩa WDM
Ghép kênh quang theo bươc sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) là
một hê thống thông tin quang mà ở đó nhiều kênh bươc sóng được ghép lại và truyền
chung trên một đường truyền quang. Ở đầu phát, nhiều tín hiêu quang có bươc sóng
khác nhau được tổ hợp lại để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiêu tổ hợp
đó được phân giải ra rồi khôi phục lại tín hiêu gốc đưa vào các đầu cuối khác nhau.
1.1.2. Đặc điểm của WDM
Thực chất có thể hiểu hê thống WDM như một hê thống ghép kênh theo tần số
FDM. Điều khác biêt ở đây chỉ là các tần số hoạt động nằm trong vùng bươc sóng ánh
sáng.
Ý tưởng về hê thống truyền dẫn đa kênh bươc sóng đã được đề ra khá sơm. Nó xuất
phát từ hai loại điểm chính sau đây:
- Vùng phổ của một kênh truyền dẫn được giơi hạn bởi tốc độ 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 hiêu sử dụng, tuy nhiên cũng không thể vượt xa cách quá
một vài lần.
- Băng tần truyền dẫn của quang sợi là rất lơn. Vùng phổ mà ở đó suy hao của sợi
quang vẫn cho phép truyền dẫn cự ly xa có thể lên tơi 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 nghê WDM đã cho thấy những ưu điểm nổi trội.
- Dung lượng truyền dẫn lơn: Sử dụng công nghê WDM có nghĩa là trong một
sợi quang có thể ghép rất nhiều kênh quang có bươc sóng khác nhau để truyền
đi, mỗi kênh quang lại ứng vơi một tốc độ bít nào đó. Hiên nay đã thử nghiêm
thành công hê thống WDM 80 bươc sóng vơi mỗi bươc sóng mang tín hiêu
TDM tốc độ 2,5 Gbit/s, tổng dung lượng hê thống sẽ là 200 Gbit/s. Trong khi
đó vơi hê thống TDM tốc độ bít mơi chỉ đạt tơi STM - 256 (dung lượng 40
Gbit/s).
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 6
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
- Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải vơi hê thống
TDM đơn kênh tốc độ cao. Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liêu khi
lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiêu, mỗi tín hiêu tương
ứng vơi mỗi bươc sóng riêng (kênh quang).
- Đáp ứng linh hoạt viêc nâng cấp dung lượng hê thống, kỹ thuật WDM cho phép
tăng dung lượng của mạng hiên có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang.
Viêc nâng cấp dung lượng đơn giản là cắm thêm card mơi trong khi hê thống
vẫn hoạt động.
- Quản lý băng tần và cấu hình mềm dẻo linh hoạt nhờ viêc định tuyên và phân
bố bươc sóng trong mạng WDM nên có khả năng quản lý hiêu quả băng tần
truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hê thống.
- Ứng dụng để truyền nhiều chương trình truyền hình chất lượng cao, cự ly dài.
b, Nhược điểm
Bên cạnh những ưu điểm đạt được hê thống WDM vẫn còn những nhược điểm tồn
tại:
- Vẫn chưa khai thác hêt băng tần hoạt động có thể của sợi quang (mơi tận dụng
băng C và băng L).
- Chi phí cho khai thác bảo dưỡng tăng do có nhiều hê thống cùng hoạt động.
1.2. Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM
Nguyên lý hoạt động của hê thống ghép kênh quang theo bươc sóng:
Do các nguồn phát quang có độ rộng phổ khá hẹp, các hê 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 tiên hành ghép các luồng ánh sáng có bươc sóng khác nhau
và truyền đi trên một sợi quang. Về lý thuyêt, có thể truyền một dung lượng rất lơn
trên một sợi quang từ nhiều nguồn phát quang khác nhau hoạt động ở các bươc sóng
khác nhau. Ở phía thu có thể thu được các tín hiêu quang riêng biêt nhờ quá trình lọc
các bươc sóng khác nhau này.
Kỹ thuật ghép kênh theo bươc 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 nghê ghép kênh quang theo bươc sóng:
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 7
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
Hình 1.1: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng
Hê thống thông tin quang WDM về cơ bản bao gồm 3 phần chính: Khối phát quang,
khối thu quang và phần truyền dẫn quang. Ngoài ra còn có các bộ ghép/tách, các bộ
khuêch đại tín hiêu.
Phần phát tín hiêu: Hê thống WDM sử dụng các nguồn phát quang là các Laser có
độ rộng phổ hẹp, phát ra các bươc sóng ổn định, mức công suất đỉnh, bươc sóng trung
tâm, độ rộng phổ, độ rộng dịch tần phải nằm trong giơi hạn cho phép.
Các bộ ghép/tách tín hiêu: Bộ ghép các bươc sóng quang OMUX có nhiêm vụ ghép
các bươc sóng khác nhau … 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 hiêu ở đầu ra của bộ ghép kênh ít bị suy hao, giữa các kênh phải có
khoảng bảo vê nhất định để tránh nhiễu sang nhau. Bộ tách tín hiêu quang ODEMUX
có nhiêm vụ phân luồng tín hiêu thu được thành các kênh có bươc sóng khác nhau và
đi đên đầu thu riêng.
Truyền dẫn tín hiêu: Quá trình truyền tín hiêu trong sợi quang chịu ảnh hưởng của
nhiều yêu tố: suy hao, tán sắc hay các hiêu ứng phi tuyên mà mức độ ảnh hưởng của
mỗi yêu tố phụ thuộc vào loại sợi được sử dụng trong hê thống.
Khuêch đại tín hiêu: Hê thống WDM chủ yêu sử dụng các bộ khuêch đại quang là
các bộ khuêch đại quang sợi EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) hoặc các bộ
khuêch đại Ranma.
Phần thu tín hiêu: Các hê 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 biên đổi tín hiêu quang thành tín hiêu điên, nó phải tương thích vơi bộ phát
cả về bươc sóng và đặc tính điều chê.
Khi N kênh tại tốc độ bit B1, B2... BN được truyền đồng thời qua sợi có độ dài L thì
B.L = (B1+ B2 + …+ BN).L. Khi tốc độ bít đồng đều, tức là B1 = B2 = …= BN thì dung
lượng của hê thống sẽ tăng lên vơi hê số N.
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 8
Phát tín hiêu
MUXDE
MUX
Tx1
Tx2
TxN
Rx1
Rx2
RxN
Ghép tín hiêu
Tách tín hiêu
Thu tín hiêu
Khuêch đại tín hiêu
Sợi quang
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
Dung lượng cực đại của các tuyên 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 hê thống WDM đã được chuẩn hóa bởi ITU-T thì khoảng cách
giữa các kênh bươc sóng là 100 GHz, hê thống WDM hiên tại (có sử dụng bộ khuêch
đại quang sợi pha tạp EDFA) hoạt động trong băng C (1530 - 1565) và băng L (1565 -
1625) thì sẽ có 32 kênh bươc sóng hoạt động trên mỗi băng. Như vậy, nêu giữ nguyên
tốc độ bít thì trên mỗi kênh truyền mà sử dụng công nghê WDM thì cũng đủ làm tăng
băng thông truyền trên một sợi quang lên 64 lần.
1.2.1. Phương pháp truyên dẫn WDM đơn hướng
Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hương là: Tất cả các kênh quang trên cùng một
sợi quang được ghép lại thành một luồng tín hiêu và được truyền theo cùng một
hương. Ở hương đi, các kênh quang tương ứng vơi các bươc sóng , ,…, qua bộ
ghép kênh được ghép lại vơi nhau thành một luồng tín hiêu và truyền dẫn theo một
chiều trên một sợi quang đên đầu thu. Ở đầu thu, bộ giải ghép bươc sóng quang tách
các tín hiêu có bươc sóng khác nhau trong luồng tín hiêu thu được để đên các đầu thu
riêng rẽ. Ở hương ngược lại, có nguyên lý truyền giống nguyên lý truyền ở hương đi
nhưng truyền trên một sợi quang riêng biêt khác.
Hình 1.2: Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng
1.2.2. Phương pháp truyên dẫn WDM song hướng
Phương pháp truyền dẫn WDM song hương là: ở hương đi các kênh quang tương
ứng vơi các bươc sóng , ,…,N qua bộ ghép/tách kênh được ghép lại vơi nhau
thành một luồng tín hiêu truyền dẫn theo một chiều trên một sợi. Cũng sợi quang đó, ở
hương về các bươc sóng ’1, ’2,..., ’N được truyền dẫn theo chiều ngược lại. Phương
pháp này chỉ cần sử dụng một sợi quang cũng có thể thiêt lập được một hê thống
truyền dẫn cho cả hai chiều đi và chiều về.
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 9
DEMUX
Tx1
Tx2
TxN
MUX
Rx1
Rx2
RxN
λ1, λ2,…, λN
EDFAλ1, λ2,…, λNEDFA
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
Hình 1.3: Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng
Hai phương pháp truyền dẫn WDM đơn hương và song hương để có những ưu
nhược điểm riêng. Giả sử công nghê hiên tại cho phép truyền N bươc sóng trên một
sợi quang thì có thể so sánh hai phương pháp như sau:
Về dung lượng: Phương pháp truyền hai hương trên hai sợi có dung lượng cao gấp
đôi so vơi phương pháp truyền hai hương trên một sợi, nhưng số sợi quang cần dùng
lại nhiều gấp đôi.
Tiêp theo là khi có sự cố đứt cáp thì hê thống truyền hai hương trên hai sợi không
cần cơ chê chuyển mạch bảo vê tự động vì cả hai đầu liên kêt đều có khả năng nhận
biêt tức thời sự cố. Bên cạnh đó, khi thiêt kê mạng thì hê thống song hương khó thiêt
kê hơn do phải xét đên các yêu tố xuyên nhiễu do có nhiều bươc sóng truyền trên một
sợi quang hơn hê thống đơn hương, đảm bảo định tuyên và phân bố bươc sóng sao cho
hai chiều trên sợi quang không sử dụng chung một bươc sóng.
Xét đên bộ khuêch đại trong hê thống song hương thường có cấu trúc phức tạp hơn
trong hê thống đơn hương. Nhưng do số bươc sóng khuêch đại trong hê thống song
hương giảm một nửa theo mỗi chiều, nên các bộ khuêch đại của hê thống song hương
sẽ cho công suất quang ra lơn hơn so vơi hê thống đơn hương.
1.3. Các tham số cơ bản của hệ thống WDM
Hê thống thông tin quang cũng có một số các tham số nhất định để cho quá trình thu
cũng như phát tín hiêu quang được đảm bảo. Thông thường người ta quan tâm tơi các
tham số chính như sau:
a) Số lượng kênh bươc sóng (N): Là số kênh bươc sóng trên một sợi được sử dụng
trong hê thống WDM.
b) Khoảng cách giữa các kênh bươc sóng (Dl): Khoảng cách giữa các bươc sóng
trong một sợi quang. Nó đảm bảo không có sự chồng lấn giữa các bươc sóng.
c) Băng thông sử dụng của hê thống (NxDl): Là tích giữa số lượng kênh bươc
sóng và khoảng cách giữa các kênh bươc sóng. Băng thông của hê thống WDM
là không cố định.
d) Tốc độ truyền tin trên mỗi kênh bươc sóng (B): là tốc độ để truyền thông tin
trên một sợi, tính bằng Gbit/s.
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 10
Tx1
Tx2
TxN
DEMUXMUX
Rx1
Rx2
RxN
λ1, λ2,…, λi
λi+1, λi+2,…, λN
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
e) Dung lượng của hê thống (NxB): Là tích của số lượng kênh bươc sóng và tốc
dộ truyền tin trên mỗi kênh, nó cũng được tính theo Gbit/s.
f) Dung lượng truyền dẫn của hê thống (NxBxL): Là tích giữa số lượng kênh
truyền dẫn vơi băng thông hê thống và vơi khoảng cách đường truyền. Đơn vị
được thường được tính theo Tbit/s-km.
g) Hiêu suất sử dụng kênh bươc sóng (B/Dl): Là hiêu suất sử dụng kênh đối vơi
toàn hê thống.
Trong tất cả những tham số trên thì được quan tâm chủ yêu là: Số lượng kênh,
khoảng cách truyền dẫn và dung lượng truyền dẫn của hê thống.
Ví dụ, một hê thống WDM hoạt động ở băng C, gồm 32 kênh, vơi 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 hê thống như sau:
- N = 32
- = 100 GHz = 0,8 nm
- Băng thông sử dụng của hê thống là 3200 GHz = 25,6 nm.
- Tốc độ truyền tin trên mỗi kênh B = 10 Gbit/s.
- Dung lượng của hê thống = 32x10 = 320 Gbit/s.
- Dung lượng truyền dẫn của hê thống = 32x10x500 = 160 Tbit/s.
- Hiêu suất sử dụng kênh bươc sóng = 10%.
Các tham số chính của một hê thống WDM hiên đang được khai thác trên thê giơi:
- Vơi mạng đường trục DWDM backbone VNPT (2010): Số kênh bươc sóng 8 –
4, tốc độ kênh 10 - 40 Gbit/s, khoảng cách truyền dẫn 1700, dung lượng truyền
dẫn thu được là 0.4 Pb/s-km.
- Mạng liên lục địa SEAMEWE3 (2007): Số kênh bươc sóng là 48, tốc độ 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 liên lục địa SEAMEWE4 (2008): Số kênh bươc sóng 64, tốc độ kênh là
10 gbit/s, khoảng cách truyền dẫn 18800 km, dung lượng truyền dẫn là 12 Pb/s-
km.
1.4. Phân loại và các chuẩn của hệ thống WDM
Có rất nhiều cách phân loại hê thống WDM, tuy nhiên phổ biên nhất là phân loại
theo khoảng cách các kênh bươc sóng sử dụng hê thống.
1.4.1. Hệ thống WDM băng tần rộng (BWDM – Broad passband WDM)
Hê thống này ra đời sơm nhất trong lịch sử phát triển của WDM. Nó thực hiên
truyền dẫn 2 kênh bươc sóng trong đó mỗi kênh bươc sóng thuộc một cửa sổ truyền
dẫn (vùng 850 nm, 1310 nm hoặc vùng 1550 nm). Như vậy khoảng cách giữa các kênh
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 11
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
trong hê thống này cỡ vào trăm nm. Đặc điểm của hê thống này là chi phí hê thống
thấp, tuy nhiên dung lượng và khoảng cách truyền dẫn bị giơi hạn.
1.4.2. Hệ thống WDM ghép mật độ thấp (CWDM – Coarxe WDM)
Hê thống này ra đời từ đầu những năm 1990, nó cho phép ghép nhiều hơn 2 bươc
sóng trên hê thống. Khoảng cách giữa các bươc sóng khá lơn cỡ 20 nm.
ITU-T đã đưa ra chuẩn G.694.2 quy định về khoảng cách các kênh, bươc sóng trung
tâm của hê thống này:
- Độ rộng phổ của 1 kênh là 2500 GHz.
- Bươc sóng trung tâm: 1552.52 nm.
- Dải bươc sóng hoạt động từ 1270 – 1610 nm.
Bươc sóng của Laser thay đổi theo nhiêt độ nhưng đối vơi kỹ thuật này không cần
bộ làm mát vì khoảng cách giữa các kênh liền nhau lơn. Kỹ thuật CWDM mang lại
hiêu quả kinh tê cao đối vơi hê thống cần ít bươc sóng.
1.4.3. Hệ thống WDM ghép mật độ cao (DWDM-Dense WDM)
Đây là hê thống ra đời từ giữa những năm 1990 và cũng chính là các hê thống
WDM hiên tại đang khai thác trên thê giơi. Hê thống này cho phép ghép rất nhiều các
bươc sóng trên hê 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, bươc sóng trung
tâm của hê thống DWDM:
- Khoảng cách các kênh: 100 GHz.
- Bươc sóng trung tâm: 1552.52 nm.
- Vùng bươc sóng hoạt động: Băng S, C,L,U.
Hiên nay người ta còn có thê ghép được các bươc sóng mà khoảng cách giữa các
kênh là 0,4 và 0,2 nm vơi độ rộng phổ lần lượt là 50 và 20 GHz. Khi độ rộng phổ của
bươc sóng giảm xuống thì có nhiều yêu cầu cần giải quyêt như: Nhiêt độ Laser phải ổn
định, các thiêt bị tách/ghép phải hoạt động chính xác hơn. Những yêu cầu này làm cho
giá thành của các thiêt bị DWDM tăng lên rất nhiều so vơi các thiêt bị của hê thống
CWDM.
1.5. Kết luận chương 1
Hê thống WDM dựa trên cơ sở băng tần của sợi quang để mang đi nhiều bươc sóng
ánh sáng khác nhau, điều thiêt yêu là viêc truyền đồng thời nhiều bươc sóng cùng một
lúc này không gây nhiễu lần nhau mà vẫn đáp ứng được dung lượng truyền dẫn lơn.
Mục tiêu của viêc ghép kênh quang là làm tăng dung lượng và tốc độ truyền dẫn của
hê thống quang.
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 12
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
CHƯƠNG IICÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG WDM
Hê thống ghép bươc sóng thường gồm các phần tử: máy phát quang, máy thu
quang, sợi quang, bộ tách/ghép kênh quang, bộ khuêch đại quang sợi.
2.1. Bộ phát quang
Máy phát quang là một bộ phận không thể thiêu của một hê thống thông tin quang.
Có chức năng chuyển tín hiêu điên thành tín hiêu quang. Ánh sáng phát ra từ nguồn
này được bơm vào sợi quang để truyền đi. Có hai linh kiên dùng làm nguồn phát
quang hiên 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 hợp vơi kích thươc sợi quang.
- Bơm đủ công suất vào sợi quang để đảm bảo tín hiêu có thể được phát hiên ở
đầu thu vơi suy hao biêt trươc.
- Phát ra ánh sáng ở bươc sóng có suy hao và tán xạ thấp. Độ rộng phổ hẹp để
giảm thiểu tán xạ.
- Duy trì đặc tính ổn định trong điều kiên môi trường thay đổi.
- Cho phép điều chê trực tiêp công suất quang phát ra.
- Giá thành thấp và độ tin cậy cao.
LEDs là nguồn phát lý tưởng cho các hê 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 lơn.
LASER là nguồn phát ánh sáng được sử dụng phổ biên nhất trong các hê thống
truyền dẫn quang. Hầu hêt các hê thống phát laser được thiêt kê để làm viêc vơi những
bươc sóng được quy định bởi ITU-T. Đối vơi các hê thống WDM, người ta thường
dùng loại nguồn laser có thể điều chỉnh được đên các bươc sóng khác nhau nhằm tiêt
kiêm chi phí. Hoặc dùng laser cố định bươc sóng DFB làm viêc rất tốt vơi các ứng
dụng hiên nay, nguyên lý hoạt động cơ bản của DFB là dựa trên nguyên lý phản xạ
Bragg.
2.1.1. Nguyên lý phản xạ Bragg
Cách tử Bragg được sử dụng rộng rãi trong hê thống thông tin quang. Mọi sự biên
đổi tuần hoàn trong môi trường truyền sóng (thường là biên đổi tuần hoàn chiêt suất
môi trường) đều có thể hình thành cách tử Bragg.
Khi chiêu ánh sáng lên mặt tiêp giáp của 2 môi trường có phản xạ mang tính chu kỳ
sẽ xuất hiên phản xạ chu kỳ, được gọi là phản xạ Bragg.
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 13
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
Hình 2.1: Phản xạ Bragg
Nêu sai pha giữa các tia phản xạ 1, 1’, 1’’ là bội số nguyên lần của n , tức là:
A + B = m n (2.1)
Trong đó: A là số chu kỳ cách tử
m là số nguyên chẵn, thông thường m = 1
n = B/n là bươc sóng trong chất môi giơi
B là bươc sóng quang trong không khí, còn gọi là bươc sóng Bragg
n là chiêt suất vật liêu
Khi đó sẽ xảy ra hiên tượng giao thoa. Theo hình ra có : B = A.(1+sin ) nên (2.1)
trở thành :
A.(1+sin ) = m n (2.2)
Khi A và nhất định, khi có một n thỏa mãn (2.2) thì sóng quang có bươc sóng n
sẽ giao thoa cùng vơi sóng quang phản xạ. Đây là điều kiên phản xạ Bragg.
2.1.2. Bộ phát quang DFB
a. Cấu tạo
DFB gồm một cách tử có cấu trúc chu kỳ đặt cạnh lơp hoạt tính gây ra phản xạ ánh
sáng suốt cả chiều dài khoang cộng hưởng để loại bỏ các mode không mong muốn.
Hình 2.2: Mặt cắt dọc của laser DFB
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 14
B
B1
1’
1’’
θ θA A
Tín hiêu điên
Lơp nền N-InPLơp kim loại tiêp xúc và tỏa nhiêt
Đầu ra quang
Màng AR
Lơp hoạt tính
Cách tử
Lơp kim loại
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
DFB chỉ phát ra một mode sóng có độ rộng phổ rất hẹp. Vơi đặc điểm như vậy laser
DFB đã và đang được sử dụng trong các hê thống thông tin quang có cự ly truyền dẫn
dài, tốc độ cao.
b. Nguyên lý hoạt động
Khi có dòng điên vào bộ phát quang, các điên tử và lỗ trống trong lơp 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 = /2 nên lúc
này:
A = (2.3)
Tín hiêu quang có bươc sóng thỏa mãn (2.3) mơi phản xạ mạnh và khuêch đại đủ
lơn, nêu không thỏa mãn sẽ bị dập và không phát xạ. Đây là điều kiên phân bố phản
hồi.
c. Ưu điểm của bộ phát quang DFB
- Dao động đơn mode dọc dải hẹp: do chu kỳ cách tử trong bộ phát quang DFB rất
nhỏ nên hình thành khoang cộng hưởng kiểu nhỏ, làm tăng hê số tăng ích của mode
chính và mode biên, từ đó được dải phổ nguồn quang rất hẹp.
- Bươc sóng có tính ổn định rất cao.
2.1.3. Bộ phát quang điêu chỉnh bước sóng
Bộ phát quang đơn mode có thể điều chỉnh được bươc sóng là linh kiên quang then
chốt của hê thống WDM và mạng chuyển mạch quang. Chỉ tiêu tính năng của nó là
điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh phạm vi bươc sóng.
Bươc sóng đầu ra bộ phát quang kk (bươc sóng trong không khí) quan hê vơi bươc
sóng trong môi trường chất bán dẫn bd theo công thức:
kk = bd n
Khi thay đổi chiêt suất của vật liêu bán dẫn n thì kk sẽ thay đổi, tức là có thể thay
đổi và điều khiển được bươc sóng đầu ra của bộ phát quang trong phạm vi nhất định.
* Bộ phát quang có thể điêu chỉnh ngoài khoang
a. Cấu tạo
Người ta thực hiên 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.
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 15
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
Hình 2.3: Bộ phát quang có điều chỉnh ngoài khoang
b. Nguyên lý hoạt động
Các tia sáng đi qua màng tăng thấu, qua thấu kính biên thành chùm tia sáng song
song đập vào cách tử. Ở đây cách tử sẽ đóng vai trò gương phản xạ kiêm bộ lọc băng
hẹp. Nêu ta quay cách tử thì có thể điều chỉnh thô bươc sóng quang đầu ra. Còn nêu ra
điều chỉnh cách tử theo chiều dọc thì có thể tinh chỉnh được bươc sóng quang đầu ra.
c. Ưu điểm, nhược điểm
Ưu điểm chính là độ rộng phổ phát cực hẹp và có thể điều chỉnh bươc sóng trong
phạm vi rộng.
Nhược điểm là tốc độ điều chỉnh thấp, thể tích tương đối lơn, độ ổn định không cao.
2.2. Bộ thu quang
Bộ thu quang thực hiên chức năng biên đổi tín hiêu quang thành điên. Bộ thu phải
tương thích vơi bộ phát cả về bươc sóng và phương thức điều chê đồng thời bộ thu
phải thiêt kê sao cho đưa ra mức tín hiêu 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 khuêch 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 khuêch
đại ở trươc. ADP thường sử dụng cho các tuyên thông tin đường dài.
Thành phần cấu tạo chính của Photodiode là lơp tiêp giáp P-N phân cực ngược.
Thông qua hiêu ứng quang điên một số lơp tiêp giáp sẽ kích thích và tách ra một cặp
điên tử - lỗ trống trong miền p hoặc miền n của hê thống. Các điên tử được giải phóng
trong miền p sẽ chạy sang miền n hoặc các lỗ trống trong miền n sẽ chạy sang miền p.
Kêt quả sẽ tồn tại một dòng điên chạy trên mạch ngoài.
2.2.1. Photodiode PIN
Cấu tạo của PIN bao gồm:
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 16
Đầu ra quang
Màng ARLD
Cách tử
Thấu kính
Điều chỉnh thô (50-240nm)
Điều chỉnh nhỏ (GHz)
Tăng ích Chọn bươc sóng
5,25 cm
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
- Một tiêp giáp gồm 2 bán dẫn tốt là P+ và N+ làm nền, ở giữa có một lơp mỏng bán
dẫn yêu loại N hay một lơp tự dẫn I (Intrisic).
- Trên bề mặt của lơp bán dẫn P+ là một điên cực vòng (ở giữa để cho ánh sáng
thâm nhập vào miền I).
- Đồng thời trên lơp bán dẫn P+ có phủ một lơp mỏng chất chống phản xạ để tránh
tổn hao ánh sáng vào.
Hình 2.4: Cấu tạo Photodiode PIN
2.2.2. Diode quang thác APD
Cấu tạo của APD cơ bản giống như PIN. Ngoài ra trong APD còn có một lơp bán
dẫn yêu P được xen giữa lơp I và lơp N+. Bên trái lơp I bị giơi hạn bởi lơp P+, còn bên
phải lơp I bị giơi hạn bởi tiêp giáp PN+.
Điên áp phân cực ngược đặt vào APD rất lơn.
Hình 2.5: Cấu tạo của APD
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 17
Điên cực vòng
Ánh sáng tơi
Lơp chống phản xạ
P+ N N+
Điên cực
Điên cực
Điên cực vòng
Ánh sáng tơi
Lơp chống phản xạ
P+ I P
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
2.3. Bộ tách/ghép kênh quang
2.3.1. Chức năng của các bộ tách/ghép
Chức năng của một bộ tách kênh quang là nhận tín hiêu từ sợi quang. Tín hiêu từ
sợi quang này là một tia sáng bao gồm nhiều tần số sóng quang khác nhau và bộ tách
kênh quang có nhiêm vụ tách tín hiêu nhận được thành các tín hiêu tại các tần số khác
nhau. Còn nhiêm vụ của bộ ghép kênh quang thì ngược lại, nó nhận tín hiêu từ nhiều
nguồn khác nhau và kêt hợp chúng lại vào một tia sáng để truyền vào một sợi quang
duy nhất. Có hai loại thiêt bị tách/ghép kênh là: thiêt bị tách/ghép kênh tích cực và
thiêt bị tách/ghép kênh thụ động. Thiêt bị tách/ghép kênh thụ động hoạt động dựa trên
nguyên lý của lăng kính, các tử nhiễu xạ và lọc phổ. Còn các thiêt bị tách/ghép kênh
tích cực hoạt động dựa trên nguyên tắc kêt hợp các thiêt bị thụ động vơi các bộ lọc
điều hương trong đó mỗi một bộ lọc cộng hưởng vơi một tần số nhất định.
2.3.2. Nguyên tắc làm 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 hiên tượng chiêt suất phụ thuộc vào bươc sóng ánh sáng tức là n =
. Nên các chùm tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hương khác nhau ở đầu ra
theo định luật Snell (sự phụ thuộc của chiêt suất vật liêu làm lăng kính theo bươc
sóng).
Hình 2.6: Tán sắc góc dùng lăng kính
Vơi: = x (2.1)
Trong đó: i là góc tơi
i’ là góc ló
A là góc đỉnh của lăng kính.
R là góc khúc xạ của tia sáng đi vào lăng kính.
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 bươc sóng gần nhau. Vì vậy ta chỉ có thể dùng
lăng kính trong trường hợp tách các bươc sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau.
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 18
A
i’
C
ri
B
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
2.3.3. Nguyên lý làm việc của cách tử tán xạ
Do nhược điểm không tách được các tia sáng có bươc sóng gần nhau nên lăng kính
ngày nay không được sử dụng trong công nghê 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 lơp phản xạ, số lượng rãnh trên cách tử có thể
tơi vài nghìn rãnh trên 1 mm. Cách tử có khả năng nhiễu xạ ánh sáng theo một hương
nhất định phụ thuộc vào bươc sóng. Như vậy mỗi tia sáng có nhiều bươc sóng khác
nhau chiêu vào cách tử thì mỗi bươc sóng sẽ nhiễu xạ một hương khác nhau. Ngược
lại, các bươc sóng đi tơi cách tử từ các hương khác nhau có thể kêt hợp theo cùng một
hương. Góc nhiễu xạ phụ thuộc khoảng cách các rãnh và các góc tơi.
Khi rọi ánh sáng lên trên bề mặt cách tử, ngoài hiên tượng nhiễu xạ tức là hiên
tượng giao thoa của các tia sáng bị nhiễu xạ theo các góc riêng biêt thỏa mãn phương
trình:
Sin + sim = m (2.2)
Trong đó: n là chiêt suất của lơp phản xạ phủ trên bề mặt cách tử.
Góc cách tử.
Góc nhiễu xạ tương tự
d là bươc cách tử
bươc sóng của tia sáng
M là bậc nhiễu xạ.
Phương trình (2.2) cho thấy rõ ràng góc nhiễu xạ phụ thuộc vào bươc sóng của ánh
sáng tơi. 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 vơi lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho các góc tán xạ lơn hơn.
Hình 2.7: Sử dụng cách tử để tách bước sóng
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 19
Các tia nhiễu xạ
Các sợi quang
1
23
++…+
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
Khi giải ghép kênh bằng cách tử, nguồn sáng tơi gồm gồm nhiều bươc sóng từ sợi
quang sẽ được tách ra thành các tia đơn sắc tương ứng vơi các bươc sóng được truyền
trên sợi theo các bươc sóng khác nhau. Ngược lại khi ghép kênh, một số kênh ứng vơi
các bươc sóng λ1, λ2, λ3, … λn đên từ các hương khác nhau có thể được kêt hợp thành
một hương và được truyền dẫn trên cùng một sợi quang.
2.3.4. Bộ tách ghép kênh quang
Hình 2.8: Sử dụng lăng kính để tách bước sóng
Thông thường bộ ghép kênh quang bao gồm một số đầu vào mang các tín hiêu tại
các bươc sóng khác nhau. Tất cả các bươc sóng đó được tập trung vào một điểm và
truyền vào một sợi quang duy nhất. Hầu hêt các bộ tách kênh quang thụ động cũng có
thể sử dụng như một bộ ghép kênh quang. Chúng có thể hoạt động dựa trên nguyên lý
làm viêc của lăng kính hoặc cũng có thể làm viêc theo nguyên tắc tán xạ khi sử dụng
cách tử.
Hình 2.9: Sử dụng cách tử tán xạ để ghép kênh
2.4. Sợi quang
Sợi quang được chọn làm môi trường truyền dẫn tín hiêu trong các mạng tốc độ cao
do nó sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so vơi các môi trường truyền dẫn truyền thống
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 20
A
Cn2
n1
n2>n1
12
n++…+
Lăng kính Thấu kínhThấu kínhSợi quang
Các tia nhiễu xạ
Thấu kính Cách tử nhiễu xạ
Các sợi quang
1
23
++…+
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
như: phổ tần sử dụng rộng, suy hao thấp, tiêu thụ công suất ít, không bị gây nhiễu bởi
điên từ trường bên ngoài, sử dụng vật liêu chê tạo ít, nhỏ gọn và giá thành rẻ hơn.
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 khuyên 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
chê tạo tối ưu cho vùng 1310 nm, có tán sắc bằng 0 tại chính bươc sóng 1310 nm, và
gần 20 ps/nm.Km ở bươc sóng 1550 nm.
DSF (ITU-T G.653): là loại sợi quang được thiêt kê tối ưu cho vùng 1500-
1600 nm, có hê số tán sắc xấp xỉ 3,3 ps/nm.Km tại cửa sổ 1550 nm và gần bằng 0 tại
bươc sóng 1550 nm. Loại sợi quang này không phù hợp cho mạng WDM do ảnh
hưởng các hiêu ứng phi tuyên.
1550 nm Loss Minimized Fiber (ITU-T G.654): đây là loại sợi quang đơn
mode chuẩn đặc biêt, có tổn hao rất thấp tại vùng cửa sổ 1550 nm. ITU G.654 được
thiêt kê tối ưu cho vùng 1500-1600 nm. Tổn hao thấp là nhờ sử dụng lõi thủy tinh tinh
khiêt. Sản xuất G.654 tốn kém, giá thành cao nên nó ít được sử dụng. Loại sợi này phù
hợp nhất cho hê thống cáp quang biển hoặc mạng cáp quang đường trục.
NZ-DSF (ITU-T G.655): là loại sợi quang SMF có hê số tán sắc lơn hơn một
giá trị khác không ở cả vùng 1500 nm. Hiên tượng tán sắc này làm giảm ảnh hưởng
của các hiêu ứng phi tuyên xuất hiên trong các hê thống DWDM. Loại sợi quang này
phù hợp nhất, hoạt động tối ưu nhất tại vùng 1500-1600 nm.
2.5. Bộ khuếch đại quang
Các bộ khuêch đại quang đóng vai trò cực kỳ quang trọng trong mạng cáp quang
đường dài. EDFA đã thực hiên thành công viêc khuêch đại trực tiêp tín hiêu quang mà
không cần phải thông qua bất kỳ một quá trình biên đổi về điên nào. Bộ khuêch đại
EDFA khắc phục được nhiều hạn chê của trạm lặp như: hạn chê về băng tần truyền
dẫn, cấu trúc phức tạp,… thể hiên rõ tính ưu viêt của kỹ thuật dẫn trên cáp sợi quang.
Vơi hê thống WDM, khuêch đại tín hiêu cho phép khuêch đại đồng thời các kênh
quang trong toàn bộ dải bươc sóng. Do đó bộ khuêch đại quang chính là chìa khóa cho
sự phát triển của tất cả các mạng quang dung lượng lơn và có cự li xa.
Hình 2.10: Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại quang EDFA
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 21
Nguồn bơm
Sợi quang
Tín hiêu ra
Bộ cách ly Bộ cách ly
Tín hiêu vàoBộ ghép quang
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
EDFA được cấu tạo từ một đoạn sợi quang ngắn có lõi pha trộn 0,1% nguyên tố đất
hiêm Erbium. Sợi quang pha đất hiêm EDF (Erbium Doped Fiber) là nơi xảy ra quá
trình khuêch đại. Môi trường khuêch đại quang là sợi dẫn pha thủy tinh có pha tạp Ion
Er3+ vơi các nồng độ khác nhau. Được chia làm hai loại: Sợi quang đa mode pha tạp
Er3+ có cấu trúc lõi dẫn sang đường kính 50 , đường kính lơp vỏ 125 , khẩu độ số
NA = 0,2 1,25, người ta pha tạp ion Er3+ tại tâm sợi quang vơi đường kính vùng pha
tạp từ 1,5 30 , nồng độ pha tạp từ 0,1 1,2% mod. Sợi quang đơn mode pha tạp ion
Er3+ có cấu trúc lõi dẫn sang đường kính 9 , đường kính lơp vỏ 125 , đường kính
vùng pha tạp từ 2 3 .
Nguồn bơm phát ra ánh sáng có bươc 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 được cấu tạo phù hợp vơi cấu hình và bươc sóng bơm.
Bộ ghép quang dùng để ghép tính hiêu quang cần khuêch đại và ánh sáng bơm vào
trong sợi quang.
Bộ cách ly quang có chức năng ngăn không cho tín hiêu quang được khuêch đại
phản xạ ngược về phía đầu phát và các tín hiêu quang trên đường truyền phản xạ
ngược về EDFA. Vì thê bộ cách ly có thể làm tăng đặc tính khuêch đại và giảm nhiễu.
Trong thực tê, EDFA được phân thành ba loại chính theo các cấu hình bơm.
2.5.1. Bơm thuận
Hình 2.11: Sơ đồ bơm thuận
Cấu hình khuêch đại bơm đồng hương có đặc điểm là súng bơm và súng tín hiêu
cùng chiều nên có tạp âm thấp. Tuy nhiên công suất lối ra có thể bị suy giảm do hấp
thụ ngược.
2.5.2. Bơm ngược
Hình 2.12: Sơ đồ bơm ngược
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 22
Nguồn bơm
Sợi quang
Tín hiêu ra
Bộ cách ly Bộ cách ly
Tín hiêu vàoBộ ghép quang
Nguồn bơm
Sợi quang
Tín hiêu ra
Bộ cách ly Bộ cách ly
Tín hiêu vàoBộ ghép quang
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
Súng bơm và súng tín hiêu ngược hương nhau. Ưu điểm của cấu hình này là công
suất quang lối ra cao, không bị ảnh hưởng bởi hấp thụ ngược và rất tiên lợi trong viêc
tăng cường công suất tín hiêu vào tuyên cáp quang. Nhược điểm của cấu hình này là
tạp âm khá lơn do khuêch đại bức xạ tự phát.
2.5.3. Bơm hai hướng
Hình 2.13: Sơ đồ bơm hai hướng
Khi kêt hợp cả hai cấu hình trên ta sẽ được các ưu điểm nổi bật như công suất
quang ở lối ra cao và tạp âm tương đối thấp.
2.5.4. Nguyên lý hoạt động của EDFA
Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA có thể được phân cấp thành bức xạ kích thích
và bức xạ tự phát.
Hình 2.14: Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra trong EDFA với hai bước sóng bơm
980 nm và 1480 nm.
Khi các ion Er3+ được kích thích từ trạng thái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng
bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ ở các mức năng lượng cao hơn cho tơi khi tiên tơi
trạng thái siêu bền (trạng thái 4I13/2). Tín hiêu quang tơi đầu vào sợi EDFA sẽ gặp vơi
các ion Erbium đã được kích thích và được phân bố theo dọc lõi sợi. Quá trình bức xạ
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 23
Tín hiêu vào Tín hiêu ra
Nguồn bơm
Bộ cách lySợi quang
Nguồn bơm
Bộ cách ly
Bộ ghép quang Bộ ghép quang
1 2
3
4
5 6 7
4I15/2
4I13/2
4I11/2
Vùng bơm
Phân rã không bức xạ nhanh
Phân rã xuống trạng thái năng lượng thấp Vùng giả bền
tiêp
bơm
Phát xạ
kích thích
chuy
ển ti
êp b
ơm
Vùng nền
980 nm photon
1400 nm photon 1550 nm 1550 nm 1550 nm
photon
hấp
thụ
Phá
t xạ
tự p
hát
chuy
ển
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
kích thích sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hương quang như tín hiêu tơi, chính
vì thê mà ta thu được tín hiêu tại đầu ra EDFA lơn hơn đầu vào. Như vậy đã đạt được
quá trình khuêch đại trong EDFA. Các ion đã được kích thích mà không tương tác vơi
ánh sáng tơi sẽ phân rã tự phát tơi trạng thái nền vơi hằng số thời gian xấp xỉ 10 ms.
Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emision) có pha và hương 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 khuêch đại và tạo ra bức xạ tự phát được khuêch 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 hiêu
trên nhiễu của tín hiêu qua bộ khuêch đại quang.
2.6. Kết luận chương 2
Các phần tử cơ bản của hê thống WDM đóng vai trò quyêt định trong viêc mang lại
chất lượng tốt nhất cho truyền dẫn tín hiêu. Lựa chọn những phần tử thích hợp vơi
những giơi hạn yêu cầu nhất định sẽ giúp cho hê thống hoạt động tốt nhất và đảm bảo
được dung lượng truyền dẫn lơn.
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 24
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
Kết luận chung
Truyền dẫn dung lượng cao theo hương sử dụng công nghê WDM đang có một sức
hút mạnh đối vơi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông hàng đầu thê giơi. Đã có hàng
loạt tuyên truyền dẫn đang vận hành và khai thác theo công nghê này, bởi vì chi phí
đầu tư và tính ổn định của nó có nhiều điểm hơn hẳn so vơi ghép kênh truyền thống
TDM, nhất là khi mà nhu cầu về dung lượng ngày càng cao như hiên nay.
Khi nâng cấp một hê thống thông tin quang theo công nghê 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 đên các yêu tố hê thống. Các phần tử cơ bản trong hê thống có
những đặc trưng riêng về tính chất cũng như độ phù hợp vơi hê thống do đó lựa chọn
các phần tử vơi thông số thích hợp giúp hê thống hoạt động tốt hơn.
WDM vơi những ưu điểm của mình đã được ứng dụng trong nhiều hê thống đặc
biêt là trong các hê thống truy nhập, trong mạng chuyển mạch quang. Vơi khả năng
của mình WDM sẽ đóng góp một phần không nhỏ vào viêc xây dựng hê thống mạng
truyền tải quang và có thể xa hơn nữa là mạng chuyển mạch gói.
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 25
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM GV: Cao Hồng Sơn
Tài liệu tham khảo
1. Bài giảng Học phần mạng truyển tải quang - Th.S. Nguyễn Thị Thu Nga, TSHK.
Nguyễn Thành Nam, Th.S. Cao Hồng Sơn.
2. Kỹ thuật thông tin quang 1 - HVCNBCVT 2009, TS. Lê Quốc Cường, Th.S. Đỗ
Văn Viêt 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 quang - nguyên lý cơ bản kỹ thuật tiên tiên - NXB Khoa học Kỹ
thuật 1997, TS. Vũ Văn San.
Nhóm 2 – Lớp B10CQVT1 Trang 26