LỜi nóI ĐẦu phần I tổng quan về HỆ thống thông tin quang sợI

ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệp

I.1. Giới thiệu

I.2. Các công nghệ dùng trong mạng thông tin quang

.2.1. TDM (Time Division Multiplexing)

I.2.2. SONET/SDH

I.2.3. Gigabit Ethernet

I.3. Hệ thống thông tin quang nhiều kênh

I.4. Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM

I.4.1. Định nghĩa

I.4.2. Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng

a. Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi

b. Truyền dẫn hai chiều trên một sợi

I.4.3 Mục đích

I.5 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ WDM

I.1. Các bộ lọc trong thiết bị WDM

a. Bộ tách hai bước sóng

b. Bộ tách lớn hơn hai bước sóng

c. Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (MUX-DMUX)

I.2.Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc

I.2.1. Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc

I.2.2. Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc

III.1. Bộ ghép bước sóng dùng công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT

III.1.1. Nguyên lý chung

III.1.2. Bộ ghép nhân kênh dùng cách tử

III.1.3. Ứng dụng thiết kế bộ ghép n bước sóng

III.2. AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM

a. khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là

b. khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này là

II. VẤN ĐỀ ỔN ĐINH BƯỚC SÓNG CỦA NGUỒN QUANG VÀ YÊU CẦU ĐỘ RỘNG PHỔ CỦA NGUỒN PHÁT

a) Ổn định bước sóng của nguồn quang

2. 
   Yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phát
   

VI.1. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering)

VI.2. Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering)

VI.3. Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation)

VI.4. Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation)

VI.5. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing)

VI.6. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

VII. BỘ KHUẾCH ĐẠI EDFA VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ KHI SỬ DỤNG EDFA TRONG MẠNG WDM

VII.1. Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA

VII.2. Tăng ích bằng phẳng của EDFA

VII.3. Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA

3.1.1 Kết quả dự báo nhu cầu thoại giai đoạn 2006 – 2010

3.1.2 Kết quả dự báo nhu cầu phi thoại giai đoạn 2006 – 2010

3.1.3. Kết luận

3.2.1. Cấu hình tuyến

3.2.2 Kết nối giữa các Ring – Cấu hình dự phòng

3.3. THAM KHẢO MẠNG ĐƯỜNG TRỤC (BACK BONE NETWORK)

3.4. ĐỀ XUẤT LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TĂNG DUNG LƯỢNG

3.4.1. Phương án 1: Tăng dung lượng bằng ghép kênh TDM

3.4.2. Phương án 2: Tăng dung lượng bằng ghép kênh TDM kết hợp với ghép 2 bước sóng WDM

3.4.3. Phương án 3: Tăng dung lượng bằng ghép kênh WDM 8 bước sóng STM – 16

3.4.4. Đánh giá và lựa chọn phương án

3.5. XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN TĂNG DUNG LƯỢNG THEO PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN

3.5.1. Khoảng cách kênh bước sóng được ghép

3.5.2. Giải pháp đói với trạm lặp khi nâng cấp tuyến

3.5.3. Mô hình tham chiếu hệ thống WDM và tính toán các thông số kỹ thuật cho thiết bị

3.5.4. Đặc điểm lưu lượng và phương án phân bổ bước sóng

3.5.5. Xây dựng cấu hình cụ thể tuyến truyền dẫn Bắc Nam

a. Đề xuất

b. RING 1

c. RING 2

d. RING 3

e. RING 4

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI NÓI ĐẦU

Với nhận thức ấy, quyển đồ án tốt nghiệp này là báo cáo tổng kết một phần kiến thức Khoa học Công nghệ về chuyên ngành Điện tử Viễn thông mà em được đào tạo sau gần 5 năm học tập tại trường Đại học. Đồ án trình bày về công nghệ mới: công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM (Wavelength Division Multiplexing) và các ứng dụng của nó trong việc phát triển mạng thông tin quang nhằm tăng dung lượng truyền dẫn của mạng, đáp ứng được nhu cầu phát triển của các dịch vụ trong tương lai.

Chuẩn bị trở thành một kỹ sư, với những kiến thức bổ ích, sâu rộng về chuyên ngành điện tử - viễn thông như ngày hôm nay, đó là do em đã được sự dìu dắt, giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa công nghệ, các thầy cô giáo tại Đại Học Bách Khoa Hà Nội, nhất là công lao hướng dẫn của thầy giáo TS. Phạm Văn Bình

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ em rất nhiều trong qúa trình hoàn thành quyển đồ án này. Em mong rằng sẽ nhận được nhiều đóng góp của các thầy cô và bạn bè cho quyển đồ án, để các nghiên cứu sâu hơn sau này đạt kết quả tốt hơn nữa.Và em cũng rất mong rằng vẫn tiếp tục nhận được sự dìu dắt và giúp đỡ quý báu đó trong quá trình công tác và học tập sau khi tốt nghiệp.

* Các hệ thống thông tin thực hiện chức năng truyền tin tức từ nơi này đến nơi khác. Thông tin thường được truyền đi nhờ các sóng mang có tần số có thể từ vài MHz đến hàng trăm THz. Với thông tin quang từ các tần số có mang tải thông tin cao cỡ 100THz, trong dải ánh sáng nhìn thấy hoặc dải hồng ngoại.

* Về cơ bản tổ chức hệ thống thông tin quang cũng tương tự như hệ thống thông tin khác như vô tuyến, viba, cáp kim loại và vệ tinh chỉ khác ở các hệ thống con về phía phần quang và môi trường truyền dẫn. Một hệ thống thông tin quang bao gồm: phần phát quang, phần truyền dẫn quang, phần thu quang.

Cấu hình hệ thống thông tin quang được mô tả như Hình 1.1

Phần phát quang bao gồm nguồn phát quang và các mạch điều khiển phát quang.

Phần thu quang bao gồm bộ tách sóng quang, mạch khuếch đại điện và mạch khôi phục tín hiệu.

Phần truyền dẫn quang bao gồm sợi quang, các bộ nối, bộ chia, các trạm lặp, các trạm tách và gộp quang.

Các nguồn quang cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin cáp sợi quang có thể là Diode Laser (LD) hoặc Diode phát quang (LED). Tín hiệu quang phát ra từ LD hoặc LED có các tham số biến đổi tương ứng với biến đổi của tín hiệu điện vào. Tín hiệu điện vào có thể phát ở dạng số hoặc tương tự. Thiết bị phát quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tương ứng bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang. Bước sóng ánh sáng của nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát. Ví dụ GaalAs phát ra bức xạ vùng bước sóng 800 nm đến 900 nm, InGaAsP phát ra bức xạ ở vùng 1100 nm đến 1600 nm.

Tín hiệu quang sau khi đã được điều chế ở khối nguồn phát sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang. Trong quá trình lan truyền, tín hiệu quang có thể bị suy hao và méo dạng qua các bộ ghép nối, mối hàn sợi và trên sợi do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc. Độ dài của tuyến truyền dẫn tuỳ thuộc vào mức suy hao sợi quang theo bước sóng.

Sợi quang được làm từ SiO₂ và có ba cửa sổ truyền dẫn ứng với các bước sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm. Suy hao tại 3 vùng cửa sổ bước sóng trên là thấp nhất. Vì vậy truyền dẫn qua sợi quang chủ yếu là sử dụng các bước sóng ở cửa sổ này.

Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang bị suy giảm nhiều thì cần phải đặt thêm các trạm lặp quang để khuếch đại tín hiệu. trạm lặp gồm các thiết bị thu, biến đổi quang - điện, khuếch đại điện và biến đổi điện - quang và tiếp tục truyền vào sợi quang. Các trạm lặp này có thể thay thế bằng các bộ khuếch đại quang.

Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính và kênh phục hồi. Nó tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể. Trong phần này thường sử dụng các photodiode PIN hoặc APD. Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang là công suất quang phải nhỏ nhất (độ nhạy quang) có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít (BER) cho phép.
1.2. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG.

1.2.1. Phân loại theo dạng tín hiệu.

Tuỳ theo dạng tín hiệu điện đưa vào điều biến nguồn quang là tín hiệu tương tự hay tín hiệu số mà ta có:

+ Hệ thống thông tin quang tương tự

+ Hệ thống thông tin quang số

Tuy nhiên mạng thông tin hầu như đã được số hóa nên chủ yếu hiện nay sử dụng hệ thống thông tin quang số chỉ còn một số mạng đặc thù là vẫn còn dùng hệ thống thông tin quang tương tự. Ví dụ như hệ thống truyền hình cáp.

Theo nguyên lý điều chế quang ở đầu phát và tách tín hiệu quang ở đầu thu có thể phân chia làm 2 loại hệ thống truyền dẫn quang:

+ Hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent): hệ thống này sử dụng phương pháp điều chế gián tiếp nguồn quang, ở đầu phát luồng tín hiệu điện đưa đến điều chế nguồn bức xạ quang đơn sắc trong bộ điều chế ngoài, ở đầu thu thực hiện kỹ thuật thu đổi tần. Tín hiệu quang thu được đưa vào bộ trộn quang trộn với tín hiệu dao động nội rồi đưa đến bộ tách sóng quang để lấy ra tín hiệu IF, sau đó thực hiện giải điều chế khôi phục lại tín hiệu cần phát đi.

+ Hệ thống điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp (IM/DD): ở đầu phát các tín hiệu điện thực hiện điều chế trực tiếp cường độ bức xạ quang của nguồn quang. Phía đầu thu photodiode thực hiện tách sóng trực tiếp tín hiệu quang nhận được thành tín hiệu băng gốc đã truyền đi.

+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn nhỏ tốc độ 8Mb/s hoặc hệ thống có dung lượng truyền dẫn trung bình tốc độ 34Mb/s, sử dụng trên mạng trung kế giữa các tổng đài, trên mạng thuê bao ISDN và mạng LAN.

+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn rất lớn, tốc độ truyền dẫn lớn hơn 140Mb/s sử dụng cho các hệ thống thông tin đường dài, trong mạng lõi.

1.3.1. Sợi quang.

a. Cấu tạo, phân loại sợi quang.

Sợi quang là những sợi nhỏ trong suốt được chế tạo từ sợi thuỷ tinh hoặc sợi tổng hợp để truyền ánh sáng. Cấu trúc của các loại sợi quang cho trong Hình 1.2. Tuỳ theo cấu trúc, đặc tính truyền dẫn của sợi quang có thể phân loại sợi quang theo nhiều cách khác nhau.

Phân loại theo phân bố chiết suất: chiết suất nhẩy bậc, chiết suất biến đổi.

Phân loại theo mode truyền lan: sợi đơn mode, sợi đa mode [6].

Trong hệ thống thông tin đường trục sợi quang thường được sử dụng là loại sợi đơn mode chiết suất bậc (SMSI). Để có được sợi đơn mode phải thoả mãn điều kiện sau: V < 2.045

Trong đó V= ., d là đường kính lõi sợi quang, là bước sóng truyền trong sợi quang.
b. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng.

Hình 1.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang

Quan hệ giữa góc tới, góc khúc xạ với các chiết suất n₁ và n₂ tuân theo định luật khúc xạ (tia số 1) :

n₁.sin=n₂.sin (1.1)

Khi tăng góc tới đến một giá trị nào đó thì tia khúc xạ không đi vào môi trường có chiết suất n₂ mà đi song song với mặt phân cách hai môi trường (tia số 2), góc được xác định tương ứng với =90, do vậy:

n₁.sin= n₂.sin=n₂.sin90⁰= n₂ sin=n₂/n₁ (1.2)

=arcsin(n₂/n₁) (1.3)

Nếu tiếp tục tăng góc > thì chỉ còn tồn tại tia phản xạ và hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra (tia số 3), góc gọi là góc tới hạn. Người ta ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để truyền ánh sáng trong sợi quang khi đó ánh sáng truyền trong sợi quang phải phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt phân cách giữa lõi và vỏ của sợi quang. Để biểu diễn và phân tích sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang người ta có thể sử dụng phương pháp quang hình mặc dù nó chỉ mô tả một cách gần đúng hiện tượng. Chính xác nhất là sử dụng phương pháp quang sóng song rất phức tạp.

Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi chiết suất nhảy bậc cho trong Hình 1.4

Hình 1.4 truyền sóng ánh sáng trong sợi SI

n₀.sin = n₁.sin (1.4)

Trong đó n₀ là chiết suất của không khí, là góc tới, là góc khúc xạ, a là bán kính lõi sợi quang. Giả sử là góc tới hạn, nếu > thì tia sáng đi vào lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phần và chỉ truyền trong lõi sợi quang mà không đi ra ngoài. Theo công thức 1.3 ta có = arcsin(n₂/n₁) khi đó góc khúc xạ tương ứng với góc tới hạn là = 90⁰ - . Do vậy góc tiếp nhận tới hạn sẽ thoả mãn điều kiện:

n₀.sin = n₁.sin = n₁.sin(90⁰ - ) = n₁.cos

=> n₀.sin = n₁.cos(arcsin(n₂/n₁)) = = NA (1.5)

Vì chiết suất của không khí n₀ = 1, nên:

NA= sin = (1.6)

NA được gọi là mặt mở số của sợi quang, góc tiếp nhận cực đại của sợi quang sẽ tạo thành một hình nón trong đó các tia sáng đi vào tiết diện của sợi quang với góc > nằm ngoài hình nón sẽ không truyền trong lõi mà đi ra ngoài vỏ sợi quang. Như vậy chỉ các tia sáng nào nằm trong hình nón khi truyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phần liên tiếp giữa lõi và vỏ và truyền dọc theo sợi quang theo đường dịch rắc .Gọi là độ lệch chiết suất tương đối ta có:

Thực tế n₁ n₂ và khi đó:

=>NA=n₁. (1.8)
c. Đặc tính truyền dẫn của sợi quang.

* Các mode trong sợi quang.

Việc giải phương trình Maxwell cho ta xác định được các thành phần sóng ánh sáng truyền trong sợi quang. Nghiệm riêng của phương trình sóng gần đúng với các sóng ánh sáng truyền trong sợi quang và được gọi là các mode truyền trong sợi quang. Người ta chỉ quan tâm đến các mode truyền dẫn và mong muốn trong sợi quang chỉ tồn tại mode truyền dẫn. Trong một sợi quang có rất nhiều mode sóng có thể truyền lan. Số mode phụ thuộc vào đường kính lõi sợi quang, vào độ dài bước sóng và mặt mở số NA. Ta có thể xác định số cực đại mode trong sợi quang MMSI theo công thức sau [2]

N = .V (1.9)
* Tán sắc sợi quang.

Khi truyền dẫn tín hiệu số qua sợi quang xuất hiện hiện tượng dãn rộng các xung ánh sáng ở đầu thu. Hiện tượng này gọi là tán sắc trong sợi quang.

Độ tán sắc trên một đơn vị dài = (1.10)

Trong đó L là chiều dài sợi quang, t1 là độ rộng xung vào ở mức công suất, t2 là độ rộng xung ra ở mức công suất.

Các nguyên nhân gây nên hiện tượng tán sắc trong sợi quang có thể liệt kê như sau:

- Tán sắc vật liệu.

Trong thực tế chế tạo sợi quang chiết suất vật liệu không phải là hằng số mà là hàm số theo bước sóng mà n = n(). Nếu nguồn quang bức xạ phát ra ánh sáng đơn sắc với duy nhất bước sóng thì không có sự lệch thời gian truyền dẫn giữa các phần của xung ánh sáng, chúng lan truyền cùng vận tốc ==const. Tuy nhiên LED và Laser diode thường bức xạ ra nhiều bước sóng khác nhau gây nên hiện tượng tán sắc vật liệu. Hình 1.5 mô tả ánh sáng bức xạ của LED và Laser diode.

Hình 1.5 Quan hệ P()/Pmax phụ thuộc vào

Trong đó C là vận tốc ánh sáng trong chân không.

Chỉ đáng kể ở sợi đa mode, tán sắc mode là do các thành phần sóng truyền theo các mode khác nhau qua sợi với khoảng thời gian khác nhau dẫn đến dãn rộng xung.

Độ dãn xung đối với sợi MM-SI là:

= (1.12)

Độ dãn xung đối với sợi MM-GI là:

Sự truyền dẫn các mode trong sợi phụ thuộc vào tỉ lệ d/. Các mode truyền dẫn với khác nhau gây tán sắc. Khi d lớn dẫn đến tán sắc nhỏ. Khi d nhỏ một phần ánh sáng còn được dẫn trên vỏ sợi quang gây tán sắc lớn. Loại tán sắc này có ảnh hưởng lớn đến sợi SM-SI.

Trong thực tế không chỉ chiết suất thay đổi theo mà độ chênh chiết suất vỏ - lõi cũng biến đổi theo gây tán sắc gọi là tán sắc mặt cắt. Độ dãn xung ra do tán sắc mặt cắt phụ thuộc vào loại chất phụ gia trong quá trình chế tạo sợi và phụ thuộc vào nguồn quang.

Suy hao sợi quang là một yếu tố làm ảnh hưởng tới chất lượng thu. Trong quá trình thiết kế và triển khai hệ thống người ta quan tâm tới suy hao trong sợi quang và suy hao do uốn cong sợi quang.

Là suy hao do bản chất của sợi quang. Là tham số đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Cơ chế suy hao trong sợi quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ và suy hao do bức xạ. Suy hao sợi thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao  và được tính theo công thức sau:

= (1.27)

Trong đó L là chiều dài sợi dẫn quang, P_in là công suất quang đầu vào, P_out là công suất quang đầu ra,  được tính theo dB/km. Suy hao trong sợi quang chủ yếu phụ thuộc vào hấp thụ vật liệu và tán xạ Rayleigh.

Hấp thụ trong sợi quang là yếu tố quan trọng trong việc tạo nên bản chất suy hao của sợi quang. Hấp thụ chủ yếu do ba cơ chế gây như sau:

+ Hấp thụ do tạp chất

+ Hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi

+ Hấp thụ cực tím hay còn gọi là hấp thụ điện tử

- Suy hao do tán xạ.

Do tính không đồng nhất trong lõi sợi gây ra mặc dù rất nhỏ. Đó là do có những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không đồng nhất về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi quang. Ánh sáng truyền trong sợi quang bị tán xạ ra các hướng và gây ra tán xạ Rayleigh. Tán xạ Rayleigh chỉ có ý nghĩa khi bước sóng ánh sáng cùng cấp với kích thước của cơ cấu tán xạ. Suy hao Rayleigh tỉ lệ nghịch với mũ 4 của bước sóng (⁴).

Hình 1.6 miêu tả các dạng suy hao trong sợi quang theo bước sóng đối với sợi quang làm bằng thuỷ tinh thạch anh pha GeO₂. Từ đó ta xác định được ba vùng bước sóng có suy hao nhỏ gọi là ba vùng truyền dẫn.

Vùng 1: Suy hao chủ yếu do tán xạ, một phần do hấp thụ, có bước sóng trong dải =0,8 0,9m, =2 3 dB/km. Được sử dụng trong các mạng LAN, các đường thuê bao số dịch vụ băng rộng. Bước sóng trung tâm là = 0,85m.

Vùng 2: Suy hao chủ yếu do hấp thụ, có bước sóng trong dải =1,21,35m, =0,30,5 dB/km. Được sử dụng trong các đường trung kế. Bước sóng trung tâm là =1,3m.

Vùng 3: Đây là vùng có suy hao thấp nhất với dải bước sóng =1,51,7m, =0,150,25dB/km. Được sử dụng trong các mạng lõi có tốc độ truyền dẫn lớn. Bước sóng trung tâm là =1,55m. Đây là vùng bước sóng được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống thông tin quang.

Hình 1.6 Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suy hao

Là suy hao ngoài bản chất của sợi. Khi bất kì một sợi quang nào bị uốn cong theo một bán kính xác định thì sẽ phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi gây nên suy hao tín hiệu. Có hai loại suy hao uốn cong là uốn cong vĩ mô và uốn cong vi mô. Hiện tượng suy hao do uốn cong có thể thấy rõ nhất khi góc tới lớn hơn góc tới hạn tại các vị trí sợi bị uốn cong.

Là uốn cong có bán kính uốn cong tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi. Bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng lớn.

+ Uốn cong vi mô:

Là hiện tượng sợi quang bị uốn cong một cách ngẫu nhiên, trường hợp này hay xảy ra trong lúc sợi quang được bọc thành cáp.

Thiết bị phát quang là một bộ phận không thể thiếu của một hệ thống thông tin quang. Nhiệm vụ chính của nó là nhận tín hiệu đầu vào và biến đổi thành tín hiệu quang ở bước sóng công tác phù hợp. Sơ đồ khối máy phát quang được mô tả qua Hình 1.7.

Thực chất là một mạch điện có chức năng cung cấp một năng lượng điện cho nguồn quang và chế độ công tác của nó. các mạch này thường khá đơn giản đối với các thiết bị phát quang sử dụng diode phát quang (LED) nhưng lại khá phức tạp đối với các máy phát quang tốc độ cao có sử dụng nguồn quang là bán dẫn laser, bởi vì nguồn phát quang sử dụng bán dẫn laser thì mạch điện điều khiển cần cung cấp một thiên áp cố định và mạch ổn định điểm làm việc và ổn định nhiệt cho laser.

Là thành phần chủ yếu nhất của máy phát quang. Các nguồn quang được sử dụng phổ biến là diode phát quang LED và diode laser bán dẫn (LD). Đây là nguồn phát quang có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, độ tin cậy cao, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương ứng với kích thước lõi sợi và khả năng điều chế trực tiếp tại các tần số tương đối cao.

Diode phát quang LED là một nguồn phát quang sử dụng rất phù hợp với các hệ thống thông tin quang có tốc độ bít không quá 200 Mb/s sử dụng sợi quang đa mode. Có hai kiểu cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi nhất là các cấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể kép. Căn cứ vào nhiều yếu tố như năng lượng vùng cấm và bước sóng trong vùng cấm của vật liệu chế tạo LED mà người ta sử dụng các loại vật liệu khác nhau cho các vùng bước sóng khác nhau.

Diode laser bán dẫn LD thường được sử dụng trong hệ thống thông tin quang có tốc độ cao như các mạng thông tin đường trục. Thực tế sử dụng trong hệ thống hiện nay là các loại LD có cấu trúc dị thể. Do nhu cầu phải phát tia laser nên cấu trúc của LD phức tạp hơn so với LED.

Thực hiện điều chế tín hiệu điện nguồn phát quang và tuỳ theo từng hệ thống mà sử dụng điều chế IM/DD hoặc sử dụng hệ thống điều chế ngoài.

Thông thường bộ nối vào kênh quang là một hệ thống thấu kính hội tụ có tiêu điểm hướng tín hiệu quang vào trong sợi cáp quang với hiệu quả lớn nhất có thể.

Thiết bị thu quang cũng là một thành phần không thể thiếu được trong hệ thống thông tin quang. Nhiệm vụ chính của thiết bị thu quang là thu tín hiệu trên sợi quang và biến đổi tín hiệu quang đó thành tín hiệu điện ở dạng ban đầu. Do thiết bị thu quang ở vị trí sau cùng của mộ tổ chức truyền dẫn nên nó sẽ thu nhận mọi tác động của toàn tuyến đưa tới, vì vậy mà hoạt động của thiết bị thu quang ảnh hưởng tới chính chất lượng của toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Cho nên yêu cầu đối với các thiết bị thu quang là khá cao, như đòi hỏi độ nhạy cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ, độ tin cậy cao. Cấu hình của một thiết bị thu quang được mô tả qua Hình 1.8

Giống như trong bộ phát quang, nhưng ở đây là bộ ghép nối của thiết bị thu quang thực hiện chức năng ngược lại.

Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang thu nhận được từ bộ nối vào kênh thành tín hiệu điện cùng dạng như tín hiệu đưa vào đầu của thiết bị phát quang. Các thiết bị sử dụng để làm nhiệm vụ trên thông thường là các photodiode. Hiện nay được dùng phổ biến là photodiode-PIN và photodiode-thác APD hoạt động theo nguyên lý biến đổi quang điện.

Thường sử dụng hai phương pháp giải điều chế là IM/DD và tách sóng Coherent. Đối với phương pháp IM/DD thì khối giải điều chế suy biến vào trong bộ tách sóng, khi đó không cần sử dụng các mạch điện tử phụ bên ngoài. Đối với phương pháp Coherent thì khối giải điều chế là một khối riêng biệt kết hợp sử dụng các mạch điện tử nhằm duy trì điều chế kết hợp giữa thu và phát, duy trì việc đồng bộ sóng mang quang.

Là mức công suất quang trung bình thu được nhỏ nhất có thể chấp nhận được tại điểm tham chiếu trên sợi quang ở ngay trước bộ nối quang phía thu mà vẫn duy trì được một tỷ lệ lỗi bít (BER) xác định trước. Đây là yếu tố quan trọng nhất đánh giá khả năng và chất lượng của hệ thống thông tin quang.

Các trạm lặp được thiết kế và sử dụng khi cự ly truyền dẫn dài, số trạm lặp tuỳ theo khoảng cách cự ly truyền dẫn, loại điện quang. Ta có sơ đồ khối của trạm lặp như sau:

Hình 1.10 Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp loại điện quang.

Do nhu cầu của người sử dụng nên trên đường truyền tại một số nơi cần lấy thông tin hoặc cần truyền thông tin đi, nên các trạm xen – rẽ được sử dụng để lấy thông tin trên luồng hoặc ghép thêm kênh thông tin cần truyền vào đường truyền chung. Tại các trạm xen/rẽ luồng thông tin có thể được hạ xuống tốc độ phù hợp. Việc xen/rẽ kênh được thực hiện thông qua các thiết bị ghép kênh điện (ADM Add/Adaptation layer – Bộ ghép kênh xen rẽ). Tuy nhiên gần đây người ta sử dụng các thiết bị xen/ rẽ kênh quang (OADM Optical Add/Drop Multiplexer – bộ ghép kênh xen/rẽ quang), thiết bị này cho phép tách ghép trực tiếp các luồng tín hiệu quang mà không cần thông qua quá trình biến đổi O/E và E/O như trong thiết bị ADM.

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 sau:

+ (S/N)_e và (C/N)_e là tỉ số tín hiệu trên nhiễu và tỉ số sóng mang trên nhiễu được đo và xác định về phía điện của hệ thống điện quang, đó chính là tỉ số của điện áp, dòng điện hoặc công suất điện. Tham số tỷ lệ lỗi bit BER của hệ thống truyền dẫn số luôn được đo sau bộ tách sóng quang tương ứng với tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N.

+ Độ rộng băng tần điện (BW)_e là khoảng tần số trong đó đáp ứng của tín hiệu như hệ số khuyếch đại, tỉ số dòng điện hay điện áp nằm trong giới hạn xác định.

+ (S/N)_O và (C/N)_O là tỉ số tín hiệu và sóng mang trên nhiễu được đo và xác định tại cổng quang của hệ thống tương ứng.

+ Độ rộng băng tần quang (BW)_O là khoảng tần số mà tại đó mức công suất quang nằm trong giới hạn xác định.
b. Các tham số quang.

+ Công suất yêu cầu tối thiểu của nguồn quang: Mỗi thiết bị trên đường truyền luôn có tổn hao nhất định và có thể biểu diễn bằng một hàm truyền:

L(dB)=10lg (1.28)

Trong đó P_ra và P_vao là công suất ra và công suất vào của từng thiết bị, độ tổn hao của toàn tuyến bằng tổng tổn hao của các thành phần trong hệ thống.

Để nhận biết được mối quan hệ của công suất phát P_s và độ nhạy máy thu P_D thì thông thường các giá trị này được biểu diễn bằng w có thể đưa về biểu diễn qua đại lượng dB trong thang đo logarit theo các biểu thức sau:

P_s(dBm)=10lg (1.29)

P_D(dBm)=10lg (1.30)

Vì vậy phương trình cơ bản của toàn tuyến : P_SP_D=L+P_{dự trữ}

Muốn tuyến truyền dẫn hoạt động tốt thì hiệu công suất lối ra của máy phát và độ nhạy máy thu phải lớn hơn tổng suy giảm trên toàn tuyến, ngoài ra cũng cần phải có một lượng đự trữ công suất cho toàn tuyến.
c. Độ tổn hao của tuyến.

Độ tổn hao của tuyến có thể chia ra làm hai thành phần như đã được trình bày ở phần trước mà trong đó ta chủ yếu quan tâm tới suy hao do bản thân sợi quang. Độ suy hao được xác định qua hệ số (dB/km).

Trong đó người ta quan tâm đến độ rộng băng tần của sợi quang; độ rộng băng tần của nguồn quang và các bộ kích thích; độ rộng băng tần của các bộ thu quang và các bộ tách quang.

a. Nguyên tắc tạo sợi quang mới.

Qua khảo sát người ta nhận thấy suy hao của các sợi quang nhỏ nhất là ở vùng bước sóng 1550nm và lớn ở vùng bước sóng 1300nm, tuy nhiên tại vùng bước sóng 1550nm thì tán sắc lại là lớn và ở vùng bước sóng 1300nm thì tán sắc lại là nhỏ nhất. Một câu hỏi đặt ra là tại sao không kết hợp các yếu tố trên để tạo ra một loại sợi quang có giá trị suy hao và tán sắc là tối ưu nhất Biện pháp được lựa chọn là điều chỉnh các tham số cơ bản của sợi nhằm dịch chuyển tán sắc tối thiểu tới bước sóng có suy hao nhỏ. Do chủ yếu sợi triển khai trên đường trục là sợi đơn mode nên người ta chỉ hướng tới nghiên cứu về sợi đơn mode.

Đối với sợi quang đơn mode thì chỉ có tác động của tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng. Tán sắc vật liệu phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và khó có thể thay đổi được nhiều, chỉ có tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào tỉ lệ giữa đường kính với bước sóng công tác và độ chênh chiết suất. Căn cứ vào đặc điểm đó cùng với ý tưởng ở trên người ta nghiên cứu và đề xuất ra hai cấu tạo sợi là sợi có tán sắc dịch chuyển và sợi có tán sắc phẳng. Hình 1.11 mô tả biến thiên chỉ số chiết suất của ba loại sợi đơn mode: sợi tiêu chuẩn (sợi đơn mode thông thường G.652) có tán sắc tối ưu tại bước sóng 1300nm, sợi có tán sắc dịch chuyển và sợi có tán sắc phẳng.

Hình 1.11 Các mặt cắt chỉ số chiết suất của ba loại sợi đơn mode chính

Trên cơ sở những phân tích ở trên thì người ta đã thiết kế và chế tạo được hai loại sợi quang mới dùng khá hiệu quả trên các hệ thống thông tin quang, đó là sợi quang đơn mode có tán sắc dịch chuyển (DSF) và sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyển khác không (NZ-DSF).

+ Sợi DSF có bước sóng trung tâm gần bước sóng 1550nm mà tại đó tán sắc bằng không. Sợi này có suy hao và tán sắc rất nhỏ.

+ Sợi NZ-DSF là sợi quang đơn mode có giá trị tán sắc nhỏ nhưng không bằng không trong vùng bước sóng 1550nm. Sợi này có giá trị suy hao tương tự như sợi đơn mode thông thường nhưng tán sắc rất nhỏ. Ưu điểm nổi trội của NZ -DSF là giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến và giảm tán sắc phân cực mode. Có hai loại sợi +NZ-DSF và –NZ-DSF.

I.1. Giới thiệu:

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng quang (WDM: Wavelength Division Multiplexer) là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, làm tăng dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời làm giảm giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất. Ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn. Ngoài ý đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức nào đó người ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn. Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bươc sóng ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên.

Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng 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 lẫn nhau. Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang. Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1 nm hay 10^-9 m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh thep bước sóng mật độ cao (DWDM). Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET: Sychronouns Digital Hierarchy/ Sychronouns Optical Network - cấp số đồng bộ/ mạng quang đồng bộ). Các nhà cung cấp DWDM (Density Wavelength Division Multiplexer) đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang. Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn. Có hai hình thức cấu thành hệ thống WDM đó là:

Truyền dẫn hai chiều trên một sợi và truyền dẫn hai chiều trên hai sợi.
I.2. Các công nghệ dùng trong mạng thông tin quang.

Kỹ thuật truyền dẫn sợi quang đã tiến hóa qua vài thập niên qua, từ hệ thống WDM điểm nối điểm tới các hệ thống WDM điểm nối đa điểm và tiến tới mạng WDM toàn quang với các thiết bị chuyển mạch và định tuyến bước sóng. Qua đó ngày càng cung cấp tốc độ bit cao, số lượng kênh cũng lớn hơn và khoảng cách truyền dẫn dài hơn.

TDM là phương pháp ghép kênh phân chia theo thời gian. Đây là phương pháp giúp tăng số lượng tín hiệu được gửi trên đường truyền vật lý. TDM làm tăng dung lượng đường truyền dẫn bằng cách chia thời gian thành những khe nhỏ hơn, do đó các bit từ nhiều nguồn khác nhau có thể được mang đi trên một tuyến, làm tăng hiệu quả số các bit được truyền trên giây.

Trong WDM, dữ liệu vào được phục vụ theo kiểu xoay vòng. Mỗi khe thời gian được dự trữ ngay cả khi không có dữ liệu để gửi, do vậy hiệu quả kém. Vấn đề này được giảm bớt bằng cách ghép kênh thống kê sử dụng trong mode truyền dẫn không đồng bộ (ATM). Mặc dù ATM tận dụng băng thông tốt hơn, nhưng lại có những hạn chế thực tế đối với tốc độ có thể đạt được vì những xử lý điện tử yêu cầu cho việc phân tách và tập hợp lại các tế bào ATM mang dữ liệu.

SONET (Sychronous Optical Network: Mạng không đồng bộ) là một chuẩn của American National Standards Institute để truyền dữ liệu đồng bộ trên môi trường truyền là cáp sợi quang. Tương đương với SONET về mặt quốc tế là SDH. Cùng nhau, chúng đảm bảo các chuẩn sao cho các mạng số có thể nối với nhau trên bình diện quốc tế và các hệ thống truyền quy ước đang tồn tại có thể nắm được lợi thế của môi trường cáp sợi quang.

SONET/SDH lấy các luồng n bit, ghép chúng lại, điều chế quang tín hiệu và sử dụng thiết bị phát quang để gửi nó ra ngoài với một tốc độ bit tương đương với: (tốc độ bit vào) * n. Vì vậy lưu lượng đi đến bộ ghép kênh SONET từ bốn đầu vào với tốc độ 2,5Gbps sẽ đi ra như một luồng đơn ở tốc độ 4*2,5 Gbps = 10 Gbps. Nguyên tắc này được minh họa trong hình 1.2


SONET cung cấp các chuẩn cho một số lượng lớn các tốc độ truyền (tốc độ truyền thực tế vào khoảng 20 Gbps). SONET định nghĩa một tốc độ cơ sở là 51,84 Mbps và một tập tốc độ cơ sở được biết dưới tên Ocx (Optical Carrier levels). Trong đó OC-192 là một tốc độ của SONET nối liền với một tốc độ tải (payload rate) bằng 9,584640 Gbps, chủ yếu được sử dụng trong môi trường WAN.

SONET có một số hạn chế giống như với hệ thống TDM. Thứ nhất, khái niệm về độ ưu tiên và tắc nghẽn không tồn tại trong SONET. Thứ hai, việc ghép kênh phân cấp khá cứng nhắc ở SONET. Ví dụ như nấc tiếp theo của STS-192 (10 Gbps) là STS 768 (40 Gbps). Vì hệ phân cấp số được tối ưu cho lưu lượng tiếng nói, nên sẽ không hiệu quả khi mang dữ liệu trong các khung SONET.

Khởi nguồn từ hơn 25 năm qua, Ethernet đã đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng cho các mạng chuyển mạch gói. Do chi phí thấp, độ tin cậy đã được thử thách trong nhiều năm, việc cài đặt và bảo trì tương đối đơn giản, nên hiện nay Ethernet là nghi thức được dùng cho mạng nội bộ phổ biến nhất trên thế giới hiện nay. Ethernet có tốc độ lên đến 100 Mbps, mang lại hiệu quả về mặt kinh tế cho các kết nối máy chủ và xương sống.

Công nghệ Ethernet 10 Gigabit được xây dựng trên nghi thức Ethernet, nhưng có tốc độ nhanh gấp 10 lần Ethernet (1000 Mbps). Ethernet Gigabit được triển khai như một công nghệ xương sống cho các mạng đô thị. Đối với mạng diện rộng WAN, Ethernet 10 Gigabit cho phép các ISP (Internet Service Provider) và NSP (Network Service Provider) tạo ra các liên kết tốc độ rất cao với giá thành thấp từ các bộ chuyển mạch và các bộ định tuyến trong phạm vi công ty cho đến thiết bị quang gán trực tiếp vào SONET/SDH. Công nghệ Ethernet Gigabit hỗ trợ cả cáp sợi quang đơn mode và đa mode. Tuy vậy, Các khoảng cách được hỗ trợ tùy vào các kiểu cáp sợi quang và bước sóng được thực thi trong ứng dụng.

Tuy vậy, Ethernet Gigabit không mang lại sự đảm bảo về chất lượng dịch vụ hay khả năng chịu lỗi.

Để đáp ứng được các đòi hỏi của dịch vụ mạng, trong vài năm trở lại đây, công nghệ thông tin đã đạt được những tiến bộ đáng chú ý, trong đó nổi bật là sự xuất hiện của các hệ thống sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang. Trong các hệ thống này, tín hiệu có thể truyền đồng thời nhiều luồng trong một sợi quang nhằm tăng dung lượng của tuyến truyền dẫn. Các hệ thống này được gọi là hệ thống thông tin quang nhiều kênh.

Trên thực tế, sự ra đời của các hệ thống đa kênh đã giải quyết được những hạn chế của hệ thống đơn kênh, đồng thời cũng tận dụng được những công nghệ hiện có để phát triển mạnh mẽ. Cụ thể là:

Thứ nhất, đối với hệ thống đơn kênh, thì tốc độ đạt tới mức khoảng vài trục Gbit/s thì khoảng cách tuyến truyền dẫn sẽ bị rút ngắn lại, các thiết bị điện tử sẽ đạt đến giới hạn của nó và không đáp ứng được các xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó chi phí dành cho các giải pháp trên tuyến truyền dẫn trở nên tốn kém vì cấu trúc, thuật toán phức tạp và đòi hỏi các thiết bị có công nghệ cao. Do đó, các hệ thống quang đa kênh có thể khắc phục được những nhược điểm đó. Các phần tử quang sẽ thay thế hoạt động của các thiết bị điện tử, do đó sẽ xử lý tín hiệu nhanh hơn.

Thứ hai, kỹ thuật ghép kênh quang được sử dụng sẽ tận dụng được phổ của laser, tận dụng được băng tần rất lớn của sợi quang. Để tận dụng được băng tần rất lớn của sợi quang hiện tại hệ thống quang đa kênh chủ yếu sử dụng hai công nghệ:

- Hệ thống ghép kênh quang phân chia theo thời gian (OTDM).

- Hệ thống ghép kênh quang phân chia theo bước sóng (WDM).

Các hệ thống thông tin quang WDM đã được thương mại hóa và hoạt động có hiệu quả từ năm 1996. Trong tương lai, ghép kênh theo bước sóng sẽ được ưa chuộng hơn vì chi phí kỹ thuật và các thiết bị để lắp đặt hệ thống TDM tương đối cao.

I.4.1. Định nghĩa.

WDM (Wavelength Division Multiplexing – Ghép kênh theo bước sóng) là công nghệ “ trong một sợi quang truyền dẫn nhiều tín hiệu quang với nhiều bước sóng khác nhau”. Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau.