Đồ án Nghiên cứu hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM và ứng dụng

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong cửa sổ truyền sóng (tại đó suy hao của tín hiệu truyền trong sợi là nhỏ nhất) của sợi quang đơn mode, nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống. Việc thực hiện ghép kênh không có một quá trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm tăng dung lượng và tốc độ truyền dẫn lên rất lớn. Chương này sẽ tập trung vào việc tìm hiểu về kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM, các công nghệ và thiết bị, các kỹ thuật cần quan tâm trong hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng. Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng Trong hệ thống thông tin quang thì tồn tại 3 cửa sổ truyền sóng là 3 vùng bước sóng có suy hao nhỏ nhất đó là: Vùng 1: có bước sóng λ = 0.8÷0.9 nm: có hệ số suy hao αmin = 2 ÷ 3 dB/km, là vùng dành cho sợi đa mode chiết suất nhảy bậc SI (Step Index) và chiết suất biến đổi GI (Graded Index), được dùng cho các hệ thống có cự ly truyền dẫn ngắn với tốc độ truyền khoảng vài chục Mb/s. Vùng 2: có bước sóng λ = 1÷1.3 nm: có αmin = 0,35 dB/km, lúc này tán xạ vật liệu không còn, được sử dụng cho các sợi đa mode GI và các sợi đơn mode và dùng cho các hệ thống truyền dẫn cự ly xa khoảng mấy chục km với tốc độ hàng Gb/s. Vùng 3: là vùng có bước sóng nằm trong khoảng
; có hệ số suy hao αmin=0.16dB/km, được dùng chủ yếu cho sợi đơn mode, dùng cho các hệ thống có cự ly truyền dẫn hàng trăm km với tốc độ lên đến hàng ngàn Gb/s. Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng WDM có thể ghép nhiều bước sóng truyền trên một sợi quang mà không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng. Công nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm. Khoảng bước sóng này được chia ra làm các băng hoạt động như trong Bảng 2.1. Bảng 2.1: Sự phân chia các băng sóng trong WDM. Băng sóng  Mô tả:  Phạm vi bước sóng(nm)   Băng O  Ban đầu: Original  1260÷1360   Băng E  Mở rộng: Extended  1360÷1460   Băng S  Ngắn: Short  1460÷1530   Băng C  Tiêu chuẩn: Conventional  1530÷1565   Băng L  Dài: Long  1565÷1625   Băng U  Cực dài: Untra-long  1625÷1675   Nguồn Bảng 1.1-Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Trong hệ thống WDM thì thường sử dụng các bước sóng nằm trong các vùng có suy hao thấp như trên được thể hiện rõ hơn trong Hình 2.1. Định nghĩa WDM (Wavelength Division Multiplexing): WDM là phương thức ghép kênh quang theo bước sóng, cho phép ghép nhiều sóng quang có bước sóng khác nhau nhờ vào một bộ ghép kênh MUX (Multiplexing) rồi truyền trên 1 sợi quang. Tại đầu thu thì các bước sóng khác nhau sẽ được tách ra nhờ vào một bộ giải ghép kênh DEMUX (Demultiplexing) ở đầu bên kia của sợi quang.
Nguồn Hình 1.7-OWDM Network-Biswanath Mukherjee Hình 2.1: Các cửa sổ có suy hao thấp sử dụng trong WDM. Nguyên lý hoạt động của công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng được minh hoạ như trong Hình 2.2.
 Nguồn Hình 1.2-Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 2.2: Nguyên ‎ lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM. Phần phát tín hiệu: Hệ thống WDM sử dụng các nguồn phát quang là các Laser có độ rộng phổ hẹp, phát ra các bước sóng ổn định, mức công suất đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng dịch tần phải nằm trong giới hạn cho phép. Ghép/tách tín hiệu: Bộ ghép các bước sóng quang OMUX có nhiệm vụ ghép các bước sóng khác nhau λ1, λ2, λ3,…, λN từ các nguồn quang khác nhau thành một luồng ánh sáng 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. 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 bộ khuếch đại Raman. 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 B1, B2, …, BN được truyền đồng thời qua sợi có độ dài L, thì B.L = (B1+ B2+…+ BN)L. Khi tốc độ bit đồng đều, tức B1=B2=…=BN thì dung lượng của hệ thống sẽ tăng lên với hệ số N. 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 (hay bước sóng) của các hệ thống WDM đã được chuẩn hoá 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- Erbium Doped Fiber Amplifier) hoạt động trong băng C và L thì sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt động trên mỗi băng. Như vậy, nếu giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh truyền mà sử dụng công nghệ WDM thì cũng đủ làm tăng băng thông truyền trên một sợi quang lên 64 lần. Hệ thống thông tin quang WDM có kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng lỏng CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) và kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng lỏng CWDM: là kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng mà trong đó khoảng cách giữa các kênh liên tiếp nhau lớn hơn 20 nm và độ rộng phổ của một kênh là 2500 Ghz. 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. Bảng 2.2: Bảng so sánh giữa CWDM và DWDM.  CWDM  DWDM   Khoảng cách bước sóng  ≈20 nm  ≈0,8nm   Độ rộng phổ  2500 Ghz  100 Ghz   Điều khiển môi trường  Không  Có   Nguồn Laser  DFB (không làm mát)  DFB (làm mát)   Tốc độ dữ liệu/ kênh  2,5 Gbit/s  10 Gbit/s   Tốc độ bít tập trung  40 Gbit/s  320 Gbit/s   Giá thành kênh  Thấp  Cao   Nguồn Bảng 1.1-Chuyển mạch gói trong WDM-Ngô Đức Tiến Khi dung lượng của hệ thống tăng lên thì số kênh ghép trong sợi quang tăng lên. Điều này làm cho kỹ thuật CWDM khó có thể đáp ứng được nhu cầu. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng mật độ cao DWDM đã khắc phục điều đó. DWDM là kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng mà khoảng cách giữa các kênh quang liền nhau truyền trên sợi quang là 0,8 nm tại vùng tần số 1550 nm và độ rộng phổ của một kênh tầm 100 Ghz. Hiện nay, người ta còn có thể ghép được các bước sóng mà khoảng cách giữa các kênh là 0,4 và 0,2 nm và 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 phải giải quyết như: nhiệt độ của Laser phát 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. Việc so sánh giữa CWDM và DWDM được minh họa như trong Bảng 2.2. Các phương pháp truyền dẫn sử dụng ghép kênh quang theo bước sóng Có hai phương pháp thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép kênh quang theo bước sóng WDM, đó là truyền dẫn WDM đơn hướng và truyền dẫn WDM song hướng. Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng là: ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng (1, (2, ..., (i qua bộ ghép/tách kênh được ghép lại với nhau thành một luồng tín hiệu truyền dẫn theo một chiều trên một sợi. Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng (i+1, (i+2,..., (N được truyền dẫn theo chiều ngược lại. Phương pháp này chỉ cần sử dụng một sợi quang cũng có thể thiết lập được một hệ thống truyền dẫn cho cả chiều đi và chiều về. Phương pháp này được biểu diễn trong Hình 2.3.
 Nguồn Hình 1.3- Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 2.3: Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng. Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng là: tất cả 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
,
,...., λN qua bộ ghép kênh được ghép lại với nhau thành một luồng tín 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 như nguyên lý truyền ở hướng đi nhưng truyền trên một sợi quang riêng biệt khác. Phương pháp truyền dẫn đơn hướng được biểu diễn trong Hình 2.4.
 Nguồn Hình 1.3- Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 2.4: Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng. Hai phương pháp truyền dẫn đều có ưu nhược điểm riêng. Giả sử công nghệ hiện tại cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, thì có thể so sánh hai phương pháp như sau: Đầu tiên là về dung lượng: phương pháp truyền hai hướng trên hai sợi có dung lượng cao gấp đôi so với phương pháp truyền hai hướng trên một sợi, nhưng số sợi quang 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: 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. Cuối cùng là bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng 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 ngõ ra lớn hơn so với hệ thống đơn hướng. Các công nghệ và thành phần thiết bị WDM Các công nghệ và thành phần thiết bị ghép bước sóng quang rất đa dạng, nhưng có thể phân loại chúng như Hình 2.5.
Nguồn Hình 7.6-Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.5: Các thành phần thiết bị trong hệ thống WDM. Để đơn giản, lấy thiết bị giải ghép bước sóng để phân tích do các thiết bị WDM ở một mức độ nào đó có tính thuận nghịch, ví dụ như, bộ ghép bước sóng, khi đổi hướng đầu vào và đầu ra của nó thì nó sẽ trở thành bộ giải ghép bước sóng. Các bộ giải ghép bước sóng được chia ra làm hai loại chính theo công nghệ chế tạo, đó là: công nghệ WDM vi quang và công nghệ WDM ghép sợi. Công nghệ WDM vi quang Công nghệ WDM vi quang dựa trên cơ sở lắp ráp các thành phần vi quang và được ứng dụng chủ yếu trong hệ thống quang sử dụng sợi đa mode. Các thiết bị này dựa trên hai phương pháp công nghệ khác nhau, đó là các thiết bị có bộ lọc và các thiết bị phân tán góc. Phần tử lọc quang cho thiết bị WDM Thiết bị lọc quang cho WDM thường là bộ lọc điện môi làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ nào đó và cho dải phổ còn lại đi qua. Tức là, nó có có chế hoạt động mở cho một hoặc một số bước sóng tại một thời điểm để tách ra được một bước sóng trong nhiều bước sóng. Nguyên lý hoạt động của phần tử WDM với cấu trúc sử dụng lọc giao thoa như trong Hình 2.6.
 Nguồn Hình 7.7-Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.6: Bộ tách sóng sử dụng bộ lọc giao thoa. Phần tử cơ bản của bộ tách sóng là bộ lọc điện môi giao thoa, nó có cấu trúc gồm các màng mỏng có chỉ số chiết suất cao (như TiO2 có n=2,2) và chỉ số chiết suất thấp (như MgF2 có n=1,35 hoặc SiO2 có n=1,46) đặt xen kẽ nhau như trong Hình 2.7. Bộ lọc giao thoa làm việc trên nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot, gồm hai gương phản xạ thành phần đặt cách nhau một lớp điện môi trong suốt. Các màng mỏng có độ dày bằng ¼ bước sóng truyền dẫn lớn nhất.
 Nguồn Hình 7.9- Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.7:Cấu trúc buồng lọc điện môi Fabry-Perot. Khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa sẽ tạo ra những phản xạ nhiều lần trong hốc cộng hưởng. Nếu độ dày của khoảng cách là số nguyên lần nửa bước sóng của chùm sóng tới, thì giao thoa xảy ra và bước sóng đó sẽ được truyền dẫn thông suốt nhất. Các bước sóng khác với bước sóng của buồng cộng hưởng thì sẽ bị phản xạ hoàn toàn. Đường cong công suất đầu ra của bộ lọc như trong Hình 2.8.
 Nguồn Hình 7.8- Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.8: Đường cong công suất đầu ra của bộ lọc quang dùng buồng cộng hưởng Fabry-Perot. Có các loại bộ lọc giao thoa được đặc trưng bởi bước sóng cắt λc là bộ lọc thông thấp có λ λc, và bộ lọc thông dải có λ-∆λ /2< λc< λ+∆λ /2, với ∆λ là độ rộng dải băng, T là hàm truyền đạt của bộ lọc như trong Hình 2.9.
 Nguồn Hình 7.10- Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.9: Đặc tính phổ của các bộ lọc: (1): lọc thông thấp, (2): lọc thông cao, (3): lọc thông dải. Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao được sử dụng trong các thiết bị để kết hợp hoặc tách hai bước sóng cách xa nhau, hiệu quả cho các nguồn có phổ rộng. Còn bộ lọc thông dải sử dụng tốt cho các thành phần thiết bị WDM, hiệu quả cho các nguồn phổ hẹp và nó còn được sử dụng khi có sự dịch bước sóng của nguồn phát do ảnh hưởng của nhiệt độ.
 Nguồn Hình 7.12- Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.10: Cấu trúc bộ giải ghép nhiều bước sóng. Để tạo được thiết bị hoàn chỉnh thì người ta tạo ra cấu trúc lọc theo tầng sử dụng nhiều bộ lọc, mỗi bộ lọc có khả năng lọc được một bước sóng nhất định, muốn lọc n bước sóng thì cần n bộ lọc được sắp xếp như trong Hình 2.10. Thực tế, người ta sử dụng các thấu kính GRIN, các bộ lọc cách điện như trong Hình 2.11 để tách các bước sóng quang.
 Nguồn Bài giảng thông tin quang nhiều kênh WDM-Nghiêm Xuân Anh Hình 2.11: Cấu trúc một bộ giải ghép vi quang thực tế. Thấu kính GRIN làm việc theo nguyên lý khúc xạ nội khi ánh sáng đi qua vật liệu có chiết suất biến đổi. Độ dài của thấu kính phụ thuộc vào bước sóng sử dụng, nên có thể sử dụng chúng để tách các bước sóng cần thiết. Dải bước sóng đi đến thanh SiO2 một phần sẽ đi đến thấu kính GRIN, thấu kính này sẽ lọc bước sóng công tác của nó, phần còn lại sẽ được phản xạ lại trong thanh SiO2 đến thấu kính GRIN tiếp theo. Cứ như vậy, sẽ tách được tất cả các bước sóng trong dải bước sóng tới đó. Phần tử quang phân tán góc của thiết bị WDM Phần tử quang phân tán góc sẽ tách các bước sóng khác nhau thành các chùm, hướng theo các góc khác nhau, tùy thuộc vào bước sóng của chúng. Các kênh đã được tách sẽ được hội tụ nhờ một hoặc một số các lăng kính và được đưa vào các sợi quang riêng rẽ như trong Hình 2.12.
 Nguồn Hình 7.15-Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.12: Phần tử phân tán góc cho WDM. Ban đầu, sử dụng lăng kính làm phần tử phân tán góc nhưng do nó có mức độ phân tán thấp, nên khó tách được những tia sáng có bước sóng gần nhau. Sau đó, sử dụng cách tử nhiễu xạ làm phần tử phân tán góc. Cách tử nhiễu xạ được cấu tạo gồm nhiều rãnh hình răng cưa và trên rãnh có phủ một lớp phản xạ. Khi có ánh sáng đi vào bề mặt cách tử, nó sẽ được cách tử phản xạ chệch hướng theo các góc khác nhau tùy thuộc vào bước sóng như trong Hình 2.13. Có hai loại cách tử phản xạ là cách tử tuyến tính kết hợp với các phần tử hội tụ và cách tử hội tụ.
 Hình 2.13: Cách tử nhiễu xạ. Công nghệ WDM ghép sợi Công nghệ WDM vi quang được sử dụng hiệu quả cho sợi đa mode, nhưng không hiệu quả cho sợi đơn mode, vì phải qua các giai đoạn như phản xạ, chuẩn trực hay hội tụ trong quá trình xử lý chùm sáng, dẫn tới quang sai và trễ làm suy hao tín hiệu lớn. Bộ ghép định hướng sợi được sử dụng để chia quang và kết hợp quang. Nguyên lý hoạt động của bộ ghép sợi : Bộ ghép sợi hoạt động dựa vào việc ghép hai trường ánh sáng ngoài lõi. Các bộ ghép (Couper) có tính lựa chọn bước sóng nên có thể kết hợp hoặc tách các bước sóng khác nhau. Bộ ghép có hệ số ghép k liên quan đến lượng ánh sáng qua lại từ sợi này đến sợi kia. Chùm ánh sáng xuất hiện ở cả hai đầu ra sẽ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các lõi sợi, chỉ số khúc xạ vật liệu ở giữa, đường kính lõi sợi, độ dài tương tác và bước sóng ánh sáng. Có hai cấu trúc là bộ ghép xoắn nóng chảy và bộ ghép dựa trên việc mài bóng sợi: Bộ ghép xoắn nóng chảy: Có hai sợi được xoắn vào nhau dưới tác dụng của nhiệt độ để hai lõi sợi đủ gần để ghép vào nhau. Nhờ việc xoắn nóng chảy sợi mà chu kỳ nửa bước sóng giảm chậm (vì đoạn xoắn vuốt thon được tăng lên) nên các bước sóng sẽ được tách. Bộ ghép dựa trên việc mài bóng sợi: Cả hai sợi được giữ trong rãnh chữ V cong và được mài bóng cho đến khi các lõi sợi của chúng gần như lộ ra. Sau đó, cho chúng tiếp xúc với nhau để tạo ra bộ ghép.
 Nguồn Hình 7.23- Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 2.14: Bộ ghép bốn bước sóng thực hiện ghép hai tầng. Các bộ ghép sợi chỉ có thể hoạt động đồng thời được với hai bước sóng, nếu số kênh cần ghép lớn hơn hai kênh, thì phải xử lý bằng cấu hình rẽ nhánh. Hình 2.14 là một ví dụ về thiết bị ghép WDM bốn bước sóng. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống WDM Cấu trúc hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM bao gồm các thiết bị sau: phần tử phát và thu, thiết bị xen rẽ, thiết bị đấu nối chéo quang, bộ biến đổi bước sóng, bộ định tuyến, bộ khuếch đại quang. Sau đây, sẽ tìm hiểu về một số loại thiết bị được sử dụng trong hệ thống WDM. Thiết bị xen /rẽ quang OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) Bộ xen/rẽ quang được sử dụng trong các hệ thống WDM khi hệ thống đó cần tách ra hoặc ghép vào một hoặc nhiều kênh mà vẫn phải bảo toàn tính nguyên vẹn của các kênh khác. Vai trò của bộ xen/rẽ quang có thể được làm rõ thông qua ví dụ sau:
 Nguồn Hình 2.7-Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM Hình 2.1