Dung lượng tối đa của mỗi bước sóng trên một sợi quang là bao nhiêu

ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệpLỜI NÓI ĐẦUPHẦN I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI1.2. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG1.2.1. Phân loại theo dạng tín hiệu1.2.2. Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu quang1.2.3. Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn1.3. CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG1.3.1. Sợi quang1.3.2. Thiết bị phát quang1.3.3. Thiết bị thu quang1.3.4 Các trạm lặp1.3.5 Các trạm xen/rẽ kênh1.4 CÁC THAM SỐ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANGa. Các tham số điện quangb. Các tham số quangc. Độ tổn hao của tuyếnd. Độ rộng băng tần của tuyến1.5. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI SỢI QUANG MỚIa. Nguyên tắc tạo sợi quang mớib. Các loại sợi quang mớiPHẦN 2 - CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDMCHƯƠNG I: CƠ SỞ KỸ THUẬT WDMI.1. Giới thiệuI.2. Các công nghệ dùng trong mạng thông tin quang.2.1. TDM [Time Division Multiplexing]I.2.2. SONET/SDHI.2.3. Gigabit EthernetI.3. Hệ thống thông tin quang nhiều kênhI.4. Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDMI.4.1. Định nghĩaI.4.2. Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sónga. Truyền dẫn hai chiều trên hai sợib. Truyền dẫn hai chiều trên một sợiI.4.3 Mục đíchI.5 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ WDMCHƯƠNG II: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDMI. CÁC THIẾT BỊ WDM VI QUANGI.1. Các bộ lọc trong thiết bị WDMa. Bộ tách hai bước sóngb. Bộ tách lớn hơn hai bước sóngc. Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng [MUX-DMUX]I.2.Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc gócI.2.1. Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc gócI.2.2. Dùng cách tử làm phần tử tán sắc gócII. CÁC THIẾT BỊ WDM GHÉP SỢI KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc1ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệpIII. MỘT SỐ KỸ THUẬT KHÁC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG GHÉP WDMIII.1. Bộ ghép bước sóng dùng công nghệ phân phối chức năng quang học SOFTIII.1.1. Nguyên lý chungIII.1.2. Bộ ghép nhân kênh dùng cách tửIII.1.3. Ứng dụng thiết kế bộ ghép n bước sóngIII.2. AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDMCHƯƠNG 3:NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMI. SỐ KÊNH ĐƯỢC SỬ DỤNG VÀ KHOẢNG CÁCH GIỮA CÁC KÊNH.a. khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể làb. khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này làII. VẤN ĐỀ ỔN ĐINH BƯỚC SÓNG CỦA NGUỒN QUANG VÀ YÊU CẦU ĐỘ RỘNG PHỔ CỦA NGUỒN PHÁTa] Ổn định bước sóng của nguồn quangb] Yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phátIII. XUYÊN NHIỄU GIỮA CÁC KÊNH TÍN HIỆU QUANGIV. SUY HAO - QUỸ CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG WDMV. TÁN SẮC - BÙ TÁN SẮCVI. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾNVI.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 tuyếnVII. BỘ KHUẾCH ĐẠI EDFA VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ KHI SỬ DỤNG EDFA TRONG MẠNG WDMVII.1. Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFAVII.2. Tăng ích bằng phẳng của EDFAVII.3. Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFAPHẦN 3 - TRIỂN KHAI TRUYỀN DẪN WDM TRÊN TUYẾN CÁP QUANG TRỤC BẮC NAM3.1. DỰ BÁO NHU CẦU VỀ DUNG LƯỢNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG 3.1.1 Kết quả dự báo nhu cầu thoại giai đoạn 2006 – 2010 KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc2ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệp3.1.2 Kết quả dự báo nhu cầu phi thoại giai đoạn 2006 – 20103.1.3. Kết luận3.2. KHẢO SÁT CẤU HÌNH CĂP QUANG TRỤC BẮC NAM3.2.1. Cấu hình tuyến3.2.2 Kết nối giữa các Ring – Cấu hình dự phòng3.3. THAM KHẢO MẠNG ĐƯỜNG TRỤC [BACK BONE NETWORK]3.4. ĐỀ XUẤT LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TĂNG DUNG LƯỢNG3.4.1. Phương án 1: Tăng dung lượng bằng ghép kênh TDM3.4.2. Phương án 2: Tăng dung lượng bằng ghép kênh TDM kết hợp với ghép 2 bước sóng WDM3.4.3. Phương án 3: Tăng dung lượng bằng ghép kênh WDM 8 bước sóng STM – 163.4.4. Đánh giá và lựa chọn phương án3.5. XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN TĂNG DUNG LƯỢNG THEO PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN3.5.1. Khoảng cách kênh bước sóng được ghép3.5.2. Giải pháp đói với trạm lặp khi nâng cấp tuyến3.5.3. Mô hình tham chiếu hệ thống WDM và tính toán các thông số kỹ thuật cho thiết bị3.5.4. Đặc điểm lưu lượng và phương án phân bổ bước sóng3.5.5. Xây dựng cấu hình cụ thể tuyến truyền dẫn Bắc Nama. Đề xuấtb. RING 1c. RING 2d. RING 3e. RING 4KẾT LUẬNTÀI LIỆU THAM KHẢO KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc3ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệpLỜI NÓI ĐẦUDưới sự lãnh đạo của Đảng, toàn Đảng, toàn dân ta đang phấn đấu thi đua thực hiện công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước. Bằng việc đi tắt đón đầu những công nghệ mới, tiên tiến trên thế giới, công nghệ thông tin, điện tử viễn thông là những hướng phát triển tiên phong góp phần đưa đất nước ta hướng tới một xã hội thông tin. Nghĩa vụ và trách nhiệm của một sinh viên sắp ra trường thật không nhỏ, vì đối với họ vận hội, và thách thức đang mở ra ở phía trước.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 BìnhEm 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.Sinh viên: Đỗ Đình ngọcPHẦN I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc4ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệp1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI. * 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 KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc5ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệpthấp 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 sốTuy 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.1.2.2. Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu quang.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.1.2.3. Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn.+ 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 lớn với tốc độ truyền dẫn đến 140Mb/s. KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc6ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệp+ 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. CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG.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. Hình 1.2 Cấu trúc sợi quangPhân loại theo vật liệu chế tạo sợi quang: sợi quang làm bằng thuỷ tinh thạch anh, sợi quang làm thuỷ tinh hỗn hợp, sợi quang làm bằng chất dẻo.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 < 2.045Trong đó V= odλπ..[ ]212212nn−, d là đường kính lõi sợi quang, oλlà bước sóng truyền trong sợi quang.b. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng. KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc7ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệp Hình 1.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quangNguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau. Khi cho một tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n1 vào môi trường chiết suất n2 [n1>n2] thì tại mặt phân cách giữa hai môi trường xảy ra hiện tượng phản xạ và khúc xạ như Hình 1.3. Dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần mà ta có thể truyền ánh sáng đi trong lõi sợi quang với suy hao thấp, ở đây n1 là chiết suất của lõi sợi quang n2 là chiết suất của phần vỏ sợi quang.Quan hệ giữa góc tớitθ, góc khúc xạ kθ với các chiết suất n1 và n2 tuân theo định luật khúc xạ [tia số 1] : n1.sintθ=n2.sinkθ [1.1]Khi tăng góc tới tθ đến một giá trị 0θ 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 0θ được xác định tương ứng với kθ=900, do vậy: n1.sin0θ= n2.sinkθ=n2.sin900= n2 ⇒ sin0θ=n2/n1 [1.2] 0θ=arcsin[n2/n1] [1.3]Nếu tiếp tục tăng góc tθ>0θ thì chỉ còn tồn tại tia phản xạ và hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra [tia số 3], góc 0θ 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 KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc8ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệp Hình 1.4 truyền sóng ánh sáng trong sợi SITheo định luật khúc xạ ta có: n0.siniθ = n1.sinrθ [1.4]Trong đó n0 là chiết suất của không khí, iθlà góc tới, rθlà góc khúc xạ, a là bán kính lõi sợi quang. Giả sử 0θ là góc tới hạn, nếu θ>0θ 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 0θ= arcsin[n2/n1] khi đó góc khúc xạ tương ứng với góc tới hạn 0θ là 0rθ= 900 - 0θ. Do vậy góc tiếp nhận 0iθ tới hạn sẽ thoả mãn điều kiện: n0.sin0iθ = n1.sin0rθ = n1.sin[900 - 0θ] = n1.cos0θ => n0.sin0iθ = n1.cos[arcsin[n2/n1]] =2221nn− = NA [1.5] Vì chiết suất của không khí n0 = 1, nên: NA= sin0iθ = 2221nn− [1.6]NA được gọi là mặt mở số của sợi quang, góc tiếp nhận cực đại của sợi quang 0iθ sẽ tạo thành một hình nón trong đó các tia sáng đi vào tiết diện của sợi quang với góc iθ>0iθ 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: ∆=121nnn− [1.7]Thực tế n1 ≅n2 và khi đó:∆=−≅+−=−2][2]].[[21211212121212221nnnnnnnnnnnn =>NA=n1.∆.2 [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 KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc9ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệpmuốn 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] Nmod = 21.V2 [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 =Ltt1222− [1.10]Trong đó L là chiều dài sợi quang, t1 là độ rộng xung vào ở mức 21 công suất, t2 là độ rộng xung ra ở mức 21 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[λ]. Nếu nguồn quang bức xạ phát ra ánh sáng đơn sắc với duy nhất bước sóng 0λ thì không có sự lệch thời gian truyền dẫn giữa các phần của xung ánh sáng, chúng lan truyền cùng vận tốc ν=λnc=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. λ∆λ∆λLaser 1-2 nmLED 30-40 nmP[ ]/Pmax10.5λ Hình 1.5 Quan hệ P[λ]/Pmax phụ thuộc vào λĐộ dãn xung vlτ bởi nguồn sáng có độ rộng phổ xác định λ∆ với bước sóng trung tâm 0λ là: KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc10ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệp vlτ =220][.λλλλdndcL∆ [1.11]Trong đó C là vận tốc ánh sáng trong chân không.- Tán sắc mode.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: modτ=][21nncL− [1.12]Độ dãn xung đối với sợi MM-GI là: modτ =cnL.8.21∆ [1.13] - Tán sắc đường truyền.Sự truyền dẫn các mode trong sợi phụ thuộc vào tỉ lệ d/λ. Các mode truyền dẫn với λ 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.- Tán sắc mặt cắt.Trong thực tế không chỉ chiết suất thay đổi theo λ mà độ chênh chiết suất vỏ - lõi cũng biến đổi theo λ 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 quangSuy 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.- Suy hao trong 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 α và được tính theo công thức sau:α=outinPPLlog10 [1.27]Trong đó L là chiều dài sợi dẫn quang, Pin là công suất quang đầu vào, Pout là công suất quang đầu ra, α được tính theo dB/km. Suy hao trong sợi quang chủ yếu phụ thuộc vào hấp thụ vật liệu và tán xạ Rayleigh.- Suy hao do hấp thụ vật liệu.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 KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc11ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệp- 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 [λ4]. 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 λ=0,8 ÷ 0,9µm, α=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 λ = 0,85µm.Vùng 2: Suy hao chủ yếu do hấp thụ, có bước sóng trong dải λ=1,2÷1,35µm, α=0,3÷0,5 dB/km. Được sử dụng trong các đường trung kế. Bước sóng trung tâm là λ=1,3µm.Vùng 3: Đây là vùng có suy hao thấp nhất với dải bước sóng λ=1,5÷1,7µm, α=0,15÷0,25dB/km. Được sử dụng trong các mạng lõi có tốc độ truyền dẫn lớn. Bước sóng trung tâm là λ=1,55µm. Đây là vùng bước sóng được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống thông tin quang.Suy hao [dB/Km]B­íc sãng [ ]mµThùcnghiÖmHÊp thô hångngo¹iT¸n x¹ RayleighHÊp thô cùc tÝmSù kh«ng hoµn h¶ocña sîi quang Hình 1.6 Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suy hao- Suy hao do uốn cong sợi. 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.+ Uốn cong vĩ mô: KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc12ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệpLà 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.1.3.2. Thiết bị phát quang.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. Hình 1.7 Các thành phần của một máy phát quanga. Bộ điều khiển. 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.b. Nguồn quang. 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 KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc13ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệphệ 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.c. Bộ điều chế.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.d. Bộ nối vào kênh quang.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.1.3.3. Thiết bị thu quang.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 1.8Hình 1.8 Sơ đồ khối thiết bị thu quanga. Bộ nối vào kênh.Giống như trong bộ phát quang, nhưng ở đây là bộ ghép nối của thiết bị thu quang thực hiện chức năng ngược lại.b. Bộ tách sóng quang.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.c. Khối giải điều chế.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 KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc14ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệpbộ 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.d. Độ nhạy của thiết bị thu 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.1.3.4. Các trạm lặp.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 1.9 Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quangTín hiệu quang được đưa vào bộ biến đổi quang điện [O/E] để biến đổi thành tín hiệu điện, tín hiệu điện được đưa vào bộ khuếch đại và sửa méo để khôi phục lại cường độ tín hiệu, sau đó tín hiệu điện được đưa qua bộ biến đổi điện quang [E/O] để tạo lại tín hiệu quang và đưa ra sợi quang. Hình 1.10 thể hiện sơ đồ khối chức năng của một trạm lặp điện quang.T¸i sinhbiªn ®éT¸i sinh®é réngKÝchthÝch§iÒu khiÓnLaserKh«i phôcClockKhèi nghiÖpvôK§ K§,San B»ngSQSQ Hình 1.10 Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp loại điện quang.Trên thực tế hiện nay các tuyến thông tin tốc độ cao người ta sử dụng bộ khuếch đại quang làm các trạm lặp, chủ yếu là các bộ khuếch đại đường dây pha tạp Eribum [EDFA]. Các bộ khuếch đại này có ưu điểm là không cần quá trình chuyển đổi O/E và E/O mà thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang. KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc15ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệp1.3.5 Các trạm xen/rẽ kênh.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. 1.4 CÁC THAM SỐ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG.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:a. Các tham số điện quang.+ [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]=10lgvaoraPP [1.28]Trong đó Pra và Pvao 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 Ps và độ nhạy máy thu PD thì thông thường các giá trị này được biểu diễn bằng µw có thể đưa về biểu diễn qua đại lượng dB trong thang đo logarit theo các biểu thức sau:Ps[dBm]=10lgmwwPs1][µ [1.29]PD[dBm]=10lgmwwPD1][µ [1.30]Vì vậy phương trình cơ bản của toàn tuyến : PS−PD=ΣL+Pdự trữ KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc16ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệpMuốn 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 α [dB/km].d. Độ rộng băng tần của tuyến.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.1.5. Giới thiệu một số loại sợi quang mới.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. KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc17ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệp Hình 1.11 Các mặt cắt chỉ số chiết suất của ba loại sợi đơn mode chínhb. Các loại sợi quang mới.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. KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc18ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệpPHẦN 2 - CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDMCHƯƠNG I: CƠ SỞ KỸ THUẬT WDM.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.I.2.1. TDM [Time Division Multiplexing].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 KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc19ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệptăng 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.I.2.2. SONET/SDH.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 KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc20ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệpSONET 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.I.2.3. Gigabit Ethernet.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.I.3. Hệ thống thông tin quang nhiều kênh. KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc21ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệpĐể 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. Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM.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.I.4.2. Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng.Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang [WDM] là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ 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 nghĩa 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 độ nào đó người ta đã thấy được KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc22ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệpnhững 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 bước 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 theo 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 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ [SDH/SONET]. Các nhà cung cấp DWDM 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:a. Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi:Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều [như hình 1.3], ở đầu phát các tín hiệu có bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế 1λ, 2λ ,...., nλ thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang. Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn. Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh. Ở chiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên. KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc23ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệpb. Truyền dẫn hai chiều trên một sợi:Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng λ1, λ2, ..., λn qua bộ ghép/tách kênh được tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi. Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng λn+1, λn+2,..., λ2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại [xem hình 1.4]. Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều [song công].Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển tương đối rộng rãi. Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt. Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghép kênh. Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế các bộ tách kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải làm việc ổn định.Hệ thống WDM được thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây ra suy hao truyền dẫn. Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của các thiết bị thấp, cần phải tối thiểu hoá thành phần công suất có thể gây ra phản xạ tại các phần tử ghép, hoặc tại các điểm ghép nối các module, các mối hàn...., bởi chúng có thể làm gia tăng vấn đề xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suy giảm nghiêm trọng tỉ số S/N của hệ thống. Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêm trọng đối với hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do đó hệ thống này có khả năng ít được lựa chọn khi thiết kế tuyến. Ở một mức độ nào đó, để đơn giản ta có thể xem xét bộ tách bước sóng như bộ ghép bước sóng chỉ bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng. Như vậy hiểu đơn giản, từ “bộ ghép - multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để xét cho cả bộ ghép và bộ tách; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng. Người ta chia loại thiết bị OWDM làm ba loại: Các bộ ghép [MUX], các bộ tách [DEMUX] và các bộ ghép/tách hỗn hợp [MUX-DEMUX]. Các bộ MUX và DEMUX được sử dụng trong các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn loại thứ ba MUX-DEMUX được sử dụng cho các phương án truyền dẫn theo hai hướng. Hình 1.5 mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp. KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc24ĐẠI HỌC VINH Đồ án tốt nghiệpI.4.3 Mục đích.Do băng thông quang rất lớn [khoảng 100Ghz-km] nên nếu chỉ sử dụng cho mục đích đơn lẻ sẽ rất hao phí. Vì vậy sử dụng công nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn của sợi quang bằng cách truyền đồng thời nhiều kênh bước sóng trên cùng một sợi quang. Qua nghiên cứu ITU-T đã đưa ra cụ thể các kênh bước sóng và khoảng cách giữa các kênh này có thể chọn ở các cấp độ 200Ghz, 100Ghz, 50Ghz.I.5. Ưu và nhược điểm của công nghệ WDM.Trãi qua quá trình nghiên cứu và triển khai, mạng thông tin quang cũng như mạng quang sử dụng công nghệ WDM đã cho thấy những ưu điểm nổi trội:* Dung lượng truyền dẫn lớn:Sử dụng công nghệ WDM có nghĩa là trong một sợi quang có thể ghép rất nhiều kênh quang [có bước sóng khác nhau] để truyền đi , mỗi kênh quang lại ứng với một tốc độ bit nào đó [TDM]. Hiện nay đã thử nghiệm thành công hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM tốc độ 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s. Trong khi đó với hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM -256 [dung lượng 40 Gbit/s].* Tính trong suốt của mạng WDMDo công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thư thoại chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, IP…Mạng trong suốt: Trong một dải băng thông xác định, mạng có thể truyền các dịch vụ với bất kì tốc độ nào và với bất kỳ giao thức nào. Như vậy nhà cung cấp dịch vụ có thể đáp ứng nhiều dịch vụ khác nhau bằng cách sử dụng một cơ sở hạ tầng duy nhất. Như vậy sẽ rất có lợi về mặt kinh tế và vẫn có thể triển khai các dich vụ mới một cách hiệu quả, nhanh chóng mà không làm ảnh hưởng gì đến các dịch vụ trước đó.* Việc nâng cấp dung lượng hệ thống thực hiện dễ dàng, linh hoạt.Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng mạng hiện có lên đến hàng Tbps, có thể đáp ứng nhu cầu mở rộng ở nhiều cấp độ khác nhau. Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới, đó là thuê kênh quang [hay bước sóng quang] ngoài việc sợi hay cáp quang. việc nân cấp hệ thống đơn giản chỉ là cắm thêm các card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động [Plug and Play].* Quản lý băng tần hiệu quả và cấu hình hệ thống mềm dẻo KHOA CÔNG NGHỆ SV: Đỗ Đình Ngọc25