Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM và ứng dụng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Hệ thống thông tin là hệ thống được sử dụng để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác cách nhau hàng trăm met hay hàng ngàn km. Thông tin được truyền là sóng điện từ có tần số khác nhau từ vài Mhz đến hàng trăm Thz. Hệ thống thông tin quang truyền tin bằng sóng ánh sáng tần số cao trong cửa sổ truyền sóng của hệ thống quang. Các hệ thống quang đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các nước trên thế giới và có khả năng hiện đại hoá mạng lưới viễn thông trên toàn thế giới. Chương này trình bày khái quát về quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang, sơ đồ nguyên lý, đặc điểm, những vấn đề còn tồn tại và xu thế phát triển của hệ thống quang hiện nay và cuối cùng là kết luận chương. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang Lịch sử thông tin đã trải qua nhiều hệ thống thông tin khác nhau với các tên gọi theo môi trường truyền dẫn hoặc tính chất dịch vụ của hệ thống như là hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh và hệ thống thông tin quang (hay nói cách khác là có các hệ thống hữu tuyến và hệ thống vô tuyến). Các hệ thống sau được phát triển dựa trên các hệ thống trước đó, nhưng được cải tiến và hoàn thiện hơn, chúng có cự ly xa hơn, tốc độ cao hơn, độ linh hoạt và chất lượng hệ thống cũng được cải thiện nhằm thoả mãn nhu cầu của con người. Các hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh có những ưu, nhược điểm riêng. Hệ thống thông tin quang là hệ thống thông tin sử dụng tín hiệu ánh sáng và sợi quang để truyền tin đi xa. Các sóng ánh sáng được sử dụng để truyền tin chủ yếu trong các cửa sổ truyền sóng của thông tin quang là 0,8÷0,9 µm, 1÷1,3 µm và 1,5÷1,7 µm. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang được khái quát như sau: Từ xưa, con người đã biết dùng ánh sáng để báo hiệu cho nhau biết như dùng lửa, ngọn hải đăng nhưng khi đó chưa có khái niệm về hệ thống thông tin quang. Đầu những năm 70 thì ra đời máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng khí quyển như một môi trường truyền dẫn, nên chịu ảnh hưởng của các điều kiện về thời tiết. Để khắc phục hạn chế này thì Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến có khả năng thực hiện trao đổi thông tin giữa người gửi và người nhận ở cách xa nhau. Sau đó, A. G.Bell đã phát minh ra Photophone, ông đã truyền tiếng nói trên một chùm ánh sáng và có thể truyền tín hiệu tiếng nói trên 213m. Đến đầu những năm 80 thì các hệ thống thông tin đường trục 45 và 90 Mbit/s sử dụng sợi quang được lắp đặt, cuối những năm 80 thì ra đời hệ thống 1,2÷2,4 Gbit/s và chuẩn SONET. Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/km ở bước sóng 1550nm, và có những loại sợi đặc biệt có suy hao rất thấp. Các hệ thống quang được ứng dụng rộng rãi trên khắp thế giới với năm thế hệ: Thế hệ 1 hoạt động ở bước sóng 800nm có tốc độ truyền dẫn là 45/95 Mb/s (ở Mỹ), 34/140 Mb/s (ở Châu Âu), 32/100Mb/s (ở Nhật) với khoảng lặp là 10km. Thế hệ 2 làm việc ở bước sóng 1300nm có tốc độ 400÷600 Mb/s và có thể đạt tới 4Gb/s với khoảng lặp là 40km. Thế hệ 3 sử dụng Laser bán dẫn hoạt động ở bước sóng 1550nm với suy hao trên sợi quang cỡ 0,2 dB/km nhưng có hệ số tán sắc cao tầm 16÷18 ps/nm.km có thể đạt đến 10Gb/s ở khoảng lặp từ 60÷70 km. Thế hệ thứ 4 sử dụng khuếch đại quang EDFA và ghép kênh quang theo bước sóng WDM để tăng khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn, có tốc độ 5Gb/s ở khoảng cách 14300km và đến năm 2000 đã có thể đạt được 100Gb/s xuyên qua Đại Tây Dương (hệ thống TPC 6). Thế hệ 5 nhằm giải quyết tán sắc của sợi quang và sử dụng công nghệ khuếch đại quang nên có thể đạt 1,2 Tb/s hay 70Gb/s ở cự ly 9400km (truyền dẫn siliton). Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin quang qua năm thế hệ có thể được minh hoạ như trong Hình 1.1. Tích tốc độ và khoảng cách (Ghz.Km) 1 10 10000 1000 1974 1982 1986 1990 1992 1978 năm 800 nm Đa mode 1300 nm Đơn mode 1500 nm Tách sóng trực tiếp 1500 nm Tách sóng Coherent Truyền dẫn Siliton 100 Hình 1.1: Quá trình phát triển của thông tin sợi quang. Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Khi công nghệ chế tạo các phần tử quang càng phát triển, hiện đại thì hệ thống thông tin quang ngày càng có khả năng ứng dụng rộng lớn hơn và trở thành một lĩnh vực quan trọng trong viễn thông. Sơ đồ nguyên lý và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin quang Một hệ thống quang được tổ chức như Hình 1.2. Nguồn tin Phần tử điện Biến đổi E/O Biến đổi O/E Phần tử điện Nguồn tin Nguồn Hình 1.1-Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang-Chu Công Cẩn Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang. Nguồn tin bao gồm những dữ liệu hình ảnh, âm thanh, tiếng nói hay văn bản Phần tử điện: có nhiệm vụ biến đổi các nguồn tin ban đầu thành các tín hiệu điện, các tín hiệu này có thể là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số. Bộ biến đổi E/O: biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để phát đi (ở đầu phát thông qua hệ thống bức xạ, điều pha, điều tần). Sợi quang: là môi trường truyền tín hiệu quang. Sợi quang có yêu cầu là phải có băng thông rộng, tốc độ cao và suy hao nhỏ. Bộ biến đổi quang điện O/E: biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện (ở đầu thu). Tải tin của hệ thống thông tin quang chính là ánh sáng có tần số rất cao: từ 1014÷1015 Hz. Chuyển tiếp tín hiệu: trên đường truyền thì tín hiệu quang bị suy giảm nên sau một khoảng cách nhất định thì phải thực hiện quá trình chuyển tiếp tín hiệu bằng cách đặt trạm lặp để khuếch đại tín hiệu quang. Khả năng truyền dẫn của hệ thống được đặc trưng bởi băng thông truyền dẫn và cự ly trạm lặp. Hệ thống thông tin quang đã vượt xa các hệ thống thông tin khác ở cả hai yêu cầu trên. Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang Các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hướng này. Từ đó, cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm: phần phát quang, phần thu quang và sợi quang được trình bày trong Hình vẽ 1.3. Phần phát quang: Gồm nguồn quang và mạch điều khiển liên kết với nhau. Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tuỳ thuộc vào các kỹ thuật điều biến. Nguồn quang tạo ra sóng mang tần số quang, còn các mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin. Có hai loại nguồn sáng được sử dụng phổ biến trong thông tin quang là LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode). Mạch điều khiển Nguồn phát quang Thu quang Các thiết bị khác Bộ chia quang Máy phát Bộ nối quang Mối hàn sợi Sợi quang Chuyển đổi tín hiệu Đầu thu quang Trạm lặp Máy thu Khuếch đại quang Tín hiệu điện vào Tín hiệu điện ra Tín hiệu điện Tín hiệu quang Bộ khuếch đại Phát quang Mạch điện Nguồn Hình 1.5-Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang-Chu Công Cẩn Hình 1.3: Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang. Cáp quang: Gồm các sợi quang và các lớp vỏ bọc xung quang để bảo vệ khỏi tác động có hại từ bên ngoài. So với các môi trường truyền dẫn khác thì truyền dẫn bằng sợi quang có nhiều ưu điểm nổi bật hơn đó là: hầu như không chịu ảnh hưởng của môi trường bên ngoài, băng thông truyền dẫn lớn và suy hao nhỏ. Với những ưu điểm đó cùng với sự tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực thông tin quang thì sợi quang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ thống xuyên đại dương. Chúng đáp ứng được yêu cầu về khoảng cách và còn có thể đáp ứng được dung lượng truyền dẫn cho phép thực hiện các mạng thông tin tốc độ cao. Sợi quang có 3 loại chính: sợi đơn mode, sợi đa mode chiết suất nhảy bậc và sợi đa mode chiết suất biến đổi. Tuỳ thuộc vào hệ thống mà sợi quang được sử dụng là loại nào. Phần thu quang có chức năng chuyển tín hiệu quang thành nguồn tin ban đầu. Nó bao gồm bộ tách sóng quang, bộ khuếch đại và bộ khôi phục tín hiệu. Bộ tách sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD. Ngoài ra nếu tuyến quang mà có cự ly dài thì còn có thêm trạm lặp: bao gồm bộ thu quang, mạch điện tử để khôi phục tái sinh hoặc khuếch đại tín hiệu điện, bộ phát quang. Các phần tử phụ: các bộ nối, mối nối, các bộ xen tách kênh. Đặc điểm của hệ thống thông tin quang Ưu điểm của hệ thống thông tin quang Hệ thống thông tin quang sử dụng môi trường truyền dẫn là các sợi quang nên nó có những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin trước đó, đó là: Thứ nhất là tiêu hao truyền dẫn thấp và băng tần truyền dẫn rộng: Sợi quang có suy hao thấp và băng tần truyền dẫn rộng đến hàng Thz cho phép phát triển các hệ thống WDM dung lượng lớn, suy hao truyền dẫn của sợi quang tương đối nhỏ, đặc biệt là trong vùng cửa sổ 1300nm và 1550nm. Điều đó có nghĩa là hệ thống thông tin quang có thể gửi đi nhiều số liệu hơn với khoảng cách lớn hơn so với các hệ thống thông tin trước đó, do đó, sẽ làm giảm số lượng sợi và giảm số lượng trạm lặp cần thiết dẫn đến giảm số lượng thiết bị và các phần tử hợp thành, giảm chi phí thiết lập mạng và sự phức tạp của hệ thống. Thứ hai là trọng lượng và kích thước nhỏ: Sợi quang có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống cáp kim loại, nhất là hệ thống cáp ngầm trong thành phố. Ngoài ra nó cũng có ý nghĩa rất lớn trong công nghệ máy bay, vệ tinh, tàu bè. Đồng thời, nó còn được ứng dụng trong quân sự, nơi mà yêu cầu cáp phải được khôi phục một cách nhanh chóng. Thứ 3 là sự miễn nhiễm ngoài: Cáp sợi quang có tính cách điện nên chúng có tính miễn nhiễm điện từ từ bên ngoài, do đó sợi quang không có sự cảm ứng điện từ từ bên ngoài và tín hiệu truyền trong sợi quang cũng không gây nhiễu ra bên ngoài. Thứ tư là tính cách điện: Sợi quang là một vật cách điện. Sợi thuỷ tinh này loại bỏ nhu cầu về các dòng điện cho đường thông tin. Cáp sợi quang làm bằng chất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và có thể cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng dụng. Nó có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi các dòng điện chạy vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên các đường dây thông tin như sét hay những trục trặc về điện. Tiếp theo là an toàn cho tín hiệu: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao. Một sợi quang không thể bị lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thường như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích để lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang. Các tia sáng truyền lan ở tâm sợi quang là rất ít hoặc không có tia nào thoát khỏi sợi quang đó. Thậm chí, nếu đã trích vào sợi quang được rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu được tại đầu cuối. Trong khi các tín hiệu thông tin vệ tinh và vi ba có thể dễ dàng thu và giải mã tín hiệu được. Cuối cùng là sự phong phú về nguyên liệu: Vật liệu chế tạo sợi chủ yếu là Silic rất phong phú và rẻ tiền. Chi phí cho việc chế tạo cáp hiện nay phát sinh chủ yếu trong việc chế tạo thuỷ tinh cực sạch từ vật liệu thô. Do phong phú về nguyên liệu nên giá thành của cáp giảm dẫn đến giá thành của hệ thống cũng giảm theo, nhất là đối với các tuyến đường dài.  Nhược điểm của hệ thống thông tin quang Thông tin quang có rất nhiều ưu điểm do sợi quang mang lại. Tuy nhiên, hệ thống thông tin quang cũng có một số nhược điểm sau: Một là khó sửa chữa khi có sự cố: Khi có sự cố thì các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng với các thiết bị thích hợp. Hai là chi phí đầu tư cao: Các hệ thống thông tin có sẵn trong hạ tầng viễn thông hầu như là cáp đồng nên muốn cải tiến hạ tầng viễn thông cần phải có chi phí lớn mà không phải quốc gia nào cũng có điều kiện để làm ngay mà cần phải làm từng bước. Ba là vấn đề an toàn lao động: Khi hàn nối sợi quang thì cần phải để các mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện được mảnh thuỷ tinh trong cơ thể. Ngoài ra, không được nhìn trực diện vào đầu sợi quang hay các khớp nối để hở để phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi chiếu trực tiếp vào mắt. Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận được, nên không thể điều tiết khi có nguồn năng lượng này, và sẽ gây nguy hại cho mắt. Bốn là vấn đề biến đổi điện-quang: Trong hệ thống thông tin quang, trước khi đưa một tín hiệu thông tin điện vào sợi quang thì tín hiệu đó phải được chuyển đổi thành sóng ánh sáng mới có thể truyền đi được. Cuối cùng là sợi quang dòn, dễ gãy, khó nối ghép khi sợi bị đứt gãy: Sợi quang được sử dụng trong viễn thông được chế tạo từ thuỷ tinh nên rất dòn và dễ gãy. Kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối sợi khi sợi bị đứt gãy là rất khó khăn, muốn hàn nối cần phải có thiết bị chuyên dụng trong khi với hệ thống cáp đồng trục thì việc đấu nối dây dễ dàng hơn nhiều. Những tồn tại và xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang Những tồn tại của hệ thống quang Ngoài những nhược điểm của hệ thống quang được nêu ở trên thì trong hệ thống thông tin quang hiện nay mà chủ yếu là hệ thống quang đơn kênh còn có những tồn tại sau: Các hệ thống quang hiện nay có dụng lượng thấp ( 1 Thz); Mạch điện trong hệ thống làm hạn chế tốc độ và cự ly truyền dẫn. Khi tốc độ hệ thống đạt đến mấy chục Gb/s thì làm cho cự ly truyền dẫn ngắn lại, bản thân các mạch điện tử không đáp ứng được xung tín hiệu cực hẹp. Việc khắc phục những nhược điểm trên đòi hỏi phải có công nghệ cao và rất tốn kém vì cấu trúc của hệ thống rất phức tạp. Hệ thống thông tin quang nhiều kênh sẽ giải quyết các tồn tại trên như sau: Thứ nhất: Các phần tử quang thay thế các phần tử điện ở những vị trí quan trọng đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, tốc độ xử lý tín hiệu cao đã khắc phục được nhược điểm về tốc độ đáp ứng xung của các mạch điện tử đã nêu ở trên. Thứ hai: Các phần tử quang tận dụng được phổ hẹp của Laser làm tăng khả năng sử dụng băng tần lớn của sợi đơn mode nên tạo ra khả năng truyền tải cho các ứng dụng tốc độ cao hiện tại và tương lai. Vì vậy, khi sử dụng hệ thống quang nhiều kênh sẽ làm tăng được dung lượng của hệ thống mà không cần tăng thêm sợi quang, tận dụng được băng tần không hạn chế của sợi. Xu hướng phát triển của hệ thống quang Với sự phát triển không ngừng của thông tin viễn thông hiện nay thì hệ thống thông tin quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới. Do có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với các hình thức thông tin khác về băng thông, suy hao và an toàn tín hiệu mà hệ thống thông tin quang hiện nay giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại dương, mạng nội hạt, mạng trung kế. Công nghệ quang phát triển như ngày nay đã là tiền đề cho hệ thống thông tin quang phát triển theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất. Hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang đơn mode có ưu điểm là không có trễ, không có can nhiễu, suy hao trên đường truyền nhỏ, quãng đường truyền là ngắn nhất so với sợi đa mode đã làm tăng được khoảng cách của tuyến truyền dẫn quang và tạm thời đáp ứng được nhu cầu sử dụng của con người. Tuy nhiên, do nhu cầu trao đổi thông tin của con người và các loại hình dịch vụ băng rộng như internet tốc độ cao, FTTX (Fiber To The Home /Building /Premises /Office /Curb/Node), IDTV (Integrated Digital Television) thì dung lượng và tốc độ của các hệ thống quang đơn mode không thể đáp ứng được, mặt khác, sợi quang đơn mode chỉ truyền được một mode tín hiệu nên không tận dụng được băng thông lớn của sợi quang, mà muốn nâng cao dung lượng của hệ thống thì lại phải sử dụng thêm sợi quang nên người ta lại nghĩ đến phương thức cải thiện nhược điểm của hệ thống quang đơn mode. Kết quả là hệ thống quang nhiều kênh ra đời, tiêu biểu là hệ thống quang ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing). Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng ra đời đã làm tăng đáng kể dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống, đặc biệt là khi sử dụng các công nghệ làm giảm các yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ thống truyền dẫn quang như suy hao, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến; các công nghệ khuếch đại quang EDFA, chuyển mạch gói quang. Các công nghệ khác như ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM (Optical Time Division Multiplexing), truyền dẫn Soliton thì dung lượng được đáp ứng rất tốt nhưng lại quá phức tạp nên giá thành của hệ thống lại trở thành vấn đề đáng quan tâm, vì vậy, hệ thống WDM đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang hiện nay. Ngoài ra, người ta còn cải tiến công nghệ WDM bằng các công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) và ghép kênh theo bước sóng lỏng CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing). Hiện nay, cuộc cách mạng quang đang được quan tâm trong tầng truyền tải của mạng viễn thông. Xu hướng phát triển của mạng quang được minh họa trong Hình 1.4. OADM MUX/DEMUX ROADM OXC HOXC WXC BXC λ1 λ2 λ3 λ1 λ3 λ2 Điều khiển tĩnh tuyến quang Điều khiển động tuyến quang Mạng vòng WDM Mạng WDM điểm-điểm Mạng tuyến quang cấu hình kiểu lưới Mạng tuyến quang đa tầng Định tuyến quang Sự phát triển của công nghệ 1990 2000 2010 Thời gian Chuyển mạch gói/burst quang Chuyển mạch tuyến quang Tách/ghép cố định tuyến quang Hình 1.4 : Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang. Như vậy, hệ thống thông tin quang đã phát triển không ngừng từ việc tách ghép cố định tuyến quang đến chuyển mạch tuyến quang và đang tiến tới các hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói quang. Ở nước ta, thông tin cáp sợi quang đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng. Các tuyến cáp quang được hình thành đặc biệt là hệ thống cáp quang Hà Nội-Thành Phố Hồ Chí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong hệ thống thông tin toàn quốc. Trong tương lai, mạng cáp quang sẽ được xây dựng rộng khắp. Tuyến cáp quang sẽ được đưa đến các tỉnh thành trong cả nước thông qua các nhà mạng cung cấp dịch vụ viễn thông. Một số nhà cung cấp dịch vụ đã triển khai các dịch vụ cáp quang FTTX như VNPT, Viettel hay EVNtelecom. Với sự phát triển mạnh của các công nghệ thiết bị quang như thiết bị chuyển mạch quang và chuyển đổi bước sóng thì hệ thống thông tin quang sẽ tiến tới mạng toàn quang chắc chắn sẽ không còn xa. Kết luận Tóm lại, Chương 1 đã trình bày 4 nội dung cơ bản của hệ thống thông tin quang cụ thể là quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang, sơ đồ nguyên lý và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang, đặc điểm của hệ thống quang, những tồn tại và xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang. Hệ thống quang đã phát huy những ưu điểm vượt trội của mình và khắc phục những điểm yếu để tạo ra được hệ thống thông tin quang hiện đại có thể đáp ứng được nhu cầu thông tin băng rộng hiện nay. Tiêu biểu của các hệ thống đó là hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng sẽ được trình bày ở Chương 2.