Tổng quan về hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM

tr­êng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi Khoa §iÖn Tö – ViÔn Th«ng Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang sö dông c«ng nghÖ WDM Gi¸o Viªn H­íng DÉn : Sinh Viªn Thùc HiÖn : Líp : Hµ Néi. Môc lôc Trang Ch­¬ng I – Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang WDM 1.1. Giíi thiÖu chung vÒ th«ng tin quang: Th«ng tin quang lµ mét hÖ thèng truyÒn tin th«ng qua sîi quang. §iÒu ®ã cã nghÜa lµ th«ng tin ®­îc chuyÓn thµnh ¸nh s¸ng vµ sau ®ã ¸nh s¸ng ®­îc truyÒn qua sîi quang. T¹i n¬i nhËn nã l¹i ®­îc biÕn ®æi trë l¹i thµnh th«ng tin ban ®Çu. Trong thêi k× hiÖn nay, l­îng th«ng tin trao ®æi trong c¸c hÖ thèng th«ng tin t¨ng lªn rÊt nhanh. ThÕ giíi ®ang chøng kiÕn sù ph¸t triÓn nh¶y vät ch­a tõng thÊy cña m¹ng m¸y tÝnh toµn cÇu Internet, kÐo theo ®ã lµ sù ra ®êi cña c¸c øng dông vµ dÞch vô míi trªn nÒn t¶ng Internet. Sè ng­êi sö dông Internet ngµy cµng ®«ng, nhu cÇu truyÒn t¶i d÷ liÖu còng theo ®ã t¨ng lªn. Do ®ã yªu cÇu ®Æt ra lµ ph¶i t¹o ra ®­îc m¹ng l­íi cã b¨ng th«ng lín, cã tèc ®é ®­êng truyÒn cao, tin cËy vµ cã chi phÝ hîp lý. M¹ng th«ng tin quang ra ®êi ®· ®¸p øng ®­îc nhu cÇu trªn. M¹ng th«ng tin quang víi c¸c ­u ®iÓm næi bËt nh­ dung l­îng truyÒn dÉn lín, tèc ®é truyÒn t¶i nhanh, ho¹t ®éng æn ®Þnh vµ kinh tÕ,… ®· dÇn thay thÕ cho c¸c m¹ng l­íi th«ng tin truyÒn thèng. Tuy nhiªn b¨ng th«ng quang rÊt lín (kho¶ng 100Ghz-Km) sÏ rÊt hao phÝ nÕu chØ dïng cho øng dông ®¬n lÎ. V× vËy mét yªu cÇu ®Æt ra lµ ph¶i ghÐp nhiÒu kªnh trªn mét ®­êng truyÒn quang. Nh÷ng kÜ thuËt ghÐp kªnh ®­îc quan t©m nhÊt hiÖn nay lµ ghÐp kªnh ph©n chia theo thêi gian (TDM) vµ ghÐp kªnh ph©n chia b­íc sãng (WDM). Trong t­ong lai, ghÐp kªnh theo b­íc sãng sÏ ®­îc ­a chuéng h¬n v× chi phÝ kÜ thuËt vµ c¸c thiÕt bÞ ®Ó l¾p ®Æt hÖ thèng TDM t­¬ng ®èi cao. 1.2. Nguyªn lý c¬ b¶n cña hÖ thèng WDM: 1.2.1. §Þnh nghÜa: WDM (Wavelength Division Multiplexing – GhÐp kªnh theo b­íc sãng) lµ c«ng nghÖ “trong mét sîi quang truyÒn dÉn ®ång thêi nhiÒu tÝn hiÖu quang víi nhiÒu b­íc sãng kh¸c nhau”. ë ®Çu ph¸t, nhiÒu tÝn hiÖu quang cã b­íc sãng kh¸c nhau ®­îc tæ hîp l¹i (ghÐp kªnh) ®Ó truyÒn ®i trªn mét sîi quang. ë ®Çu thu, tÝn hiÖu tæ hîp ®ã ®­îc ph©n gi¶i ra (t¸ch kªnh), kh«i phôc l¹i tÝn hiÖu gèc råi ®­a vµo c¸c ®Çu cuèi kh¸c nhau. 1.2.2. Môc ®Ých: Do b¨ng th«ng quang rÊt lín (kho¶ng 100Ghz-Km) nªn nÕu chØ sö dông cho môc ®Ých ®¬n lÎ sÏ rÊt hao phÝ. V× vËy sö dông c«ng nghÖ WDM nh»m môc ®Ých tËn dông b¨ng tÇn truyÒn dÉn cña sîi quang b»ng c¸ch truyÒn ®ång thêi nhiÒu kªnh b­íc sãng trªn cïng mét sîi quang. Tuy nhiªn ®Ó tr¸nh nhiÔu xuyªn kªnh, gi÷a c¸c kªnh ph¶i cã kho¶ng c¸ch nhÊt ®Þnh. Qua nghiªn cøu ITU-T ®· ®­a ra cô thÓ c¸c kªnh b­íc sãng vµ kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c kªnh nµy cã thÓ chän ë c¸c cÊp ®é 200Ghz, 100Ghz, 50Ghz. 1.2.3. Ph©n lo¹i hÖ thèng truyÒn dÉn WDM: HÖ thèng truyÒn dÉn lµ nh÷ng hÖ thèng t­¬ng t¸c, nghÜa lµ t¹i mçi ®Çu sÏ thùc hiÖn chøc n¨ng ph¸t tÝn hiÖu ®i (h­íng ®i) vµ nhËn tÝn hiÖu vÒ (h­íng vÒ). Trong hÖ thèng WDM, tÝnh n¨ng t­¬ng t¸c ®­îc thùc hiÖn qua m«i tr­êng sîi quang. VÒ c¬ b¶n ng­êi ta chia hÖ thèng WDM thµnh hai kiÓu: HÖ thèng ghÐp b­íc sãng ®¬n h­íng vµ hÖ thèng ghÐp b­íc sãng song h­íng. 1.2.3.1. HÖ thèng ghÐp b­íc sãng ®¬n h­íng: ChØ thùc hiÖn truyÒn theo mét chiÒu trªn sîi quang. Do vËy ®Ó truyÒn th«ng tin gi÷a hai ®iÓm cÇn hai sîi quang. DE-MUX Rx1 Tx1 MUX λ1, λ2, λ3,…, λn λ λ λ Rx2 Tx2 . . . . . . . . . . . . λ1, λ2, λ3,…, λn λ λ λ EDFA EDFA Rxn Txn GhÐp tÝn hiÖu Thu tÝn hiÖu T¸ch tÝn hiÖu Ph¸t tÝn hiÖu H×nh 1.2 : HÖ thèng WDM ®¬n h­íng 1.2.3.2. HÖ thèng ghÐp b­íc sãng song h­íng: Cã thÓ truyÒn theo hai chiÒu trªn mét sîi quang nªn chØ cÇn mét sîi quang ®Ó cã thÓ trao ®æi th«ng tin gi÷a hai ®iÓm. DE -MUX Rx1 Tx1 MUX λ1, λ2, λ3,…, λn λ λ λ Rx2 Tx2 . . . . . . . . . . . . λ1, λ2, λ3,…, λn λ λ λ EDFA EDFA Rxn Txn GhÐp tÝn hiÖu Thu tÝn hiÖu T¸ch tÝn hiÖu Ph¸t tÝn hiÖu H×nh 1.3 : HÖ thèng WDM song h­íng. 1.2.4. ¦u vµ nh­îc ®iÓm cña c«ng nghÖ WDM: Tr¶i qua qu¸ tr×nh nghiªn cøu vµ triÓn khai, m¹ng th«ng tin quang còng nh­ m¹ng quang sö dông c«ng nghÖ WDM ®· cho thÊy nh÷ng ­u ®iÓm næi tréi : * Dung l­îng truyÒn dÉn lín Sö dông c«ng nghÖ WDM cã nghÜa lµ trong mét sîi quang cã thÓ ghÐp rÊt nhiÒu kªnh quang (cã b­íc sãng kh¸c nhau) ®Ó truyÒn ®i, mçi kªnh quang l¹i øng víi mét tèc ®é bit nµo ®ã (TDM). HiÖn nay ®· thö nghiÖm thµnh c«ng hÖ thèng WDM 80 b­íc sãng víi mçi b­íc sãng mang tÝn hiÖu TDM tèc ®é 2,5 Gbit/s, tæng dung l­îng hÖ thèng sÏ lµ 200 Gbit/s. Trong khi ®ã víi hÖ thèng TDM, tèc ®é bit míi chØ ®¹t tíi STM-256 (dung l­îng 40 Gbit/s). * TÝnh trong suèt cña m¹ng WDM Do c«ng nghÖ WDM thuéc kiÕn tróc líp m¹ng vËt lý nªn nã cã thÓ hç trî c¸c ®Þnh d¹ng sè liÖu vµ tho¹i nh­ chuyÓn m¹ch kªnh, ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, IP… M¹ng trong suèt : trong mét d¶i b¨ng th«ng x¸c ®Þnh, m¹ng cã thÓ truyÒn c¸c dÞch vô víi bÊt kú tèc ®é nµo vµ víi bÊt kú giao thøc nµo. Nh­ vËy nhµ cung cÊp dÞch vô cã thÓ ®¸p øng nhiÒu dÞch vô kh¸c nhau b»ng c¸ch sö dông mét c¬ së h¹ tÇng duy nhÊt. Nh­ vËy sÏ rÊt cã lîi vÒ mÆt kinh tÕ vµ vÉn cã thÓ triÓn khai c¸c dÞch vô míi mét c¸ch hiÖu qu¶, nhanh chãng mµ kh«ng lµm ¶nh h­ëng g× ®Õn c¸c dÞch vô tr­íc ®ã. * ViÖc n©ng cÊp dung l­îng hÖ thèng thùc hiÖn dÔ dµng, linh ho¹t Kü thuËt WDM cho phÐp t¨ng dung l­îng m¹ng hiÖn cã lªn ®Õn hµng Tbps, cã thÓ ®¸p øng nhu cÇu më réng ë nhiÒu cÊp ®é kh¸c nhau. Bªn c¹nh ®ã nã còng më ra mét thÞ tr­êng míi, ®ã lµ thuª kªnh quang (hay b­íc sãng quang) ngoµi viÖc sîi hay c¸p quang. ViÖc n©ng cÊp hÖ thèng ®¬n gi¶n chØ lµ c¾m thªm c¸c Card míi trong khi hÖ thèng vÉn ho¹t ®éng (Plug-and-play). * Qu¶n lý b¨ng tÇn hiÖu qu¶ vµ cÊu h×nh hÖ thèng mÒm dÎo B»ng c¸ch thay ®æi ph­¬ng thøc ®Þnh tuyÕn vµ ph©n bæ b­íc sãng trong m¹ng WDM, ta cã thÓ dÔ dµng qu¶n lý vµ cÊu h×nh l¹i hÖ thèng mét c¸ch linh ho¹t tuú theo yªu cÇu thùc tÕ. HiÖn nay WDM lµ c«ng nghÖ duy nhÊt cho phÐp x©y dùng m« h×nh m¹ng truyÒn t¶i quang OTN (Optical Transport Network) cho phÐp x©y dùng m¹ng quang trong suèt. * Sö dông c«ng nghÖ WDM cã thÓ tËn dông c¬ së h¹ tÇng cña c¸c m¹ng quang tr­íc ®ã, gi¶m ®­îc chi phÝ ®Çu t­ míi. Do vËy tiÕt kiÖm vµ kinh tÕ h¬n. Ch­¬ng II – TruyÒn tÝn hiÖu trong sîi quang 2.1. C¸c ®Æc tÝnh cña th«ng tin quang: Sîi quang lµ mét m«i tr­êng truyÒn dÉn ®Æc biÖt so víi c¸c m«i tr­êng kh¸c nh­ kh«ng gian tù do hay c¸p ®ång. Kh«ng ph¶i ngÉu nhiªn mµ sîi quang trë thµnh ph­¬ng tiÖn truyÒn dÉn th«ng tin hiÖu qu¶ vµ kinh tÕ nhÊt hiÖn nay. So víi c¸c ph­¬ng thøc truyÒn dÉn th«ng tin kh¸c sîi quang cã nh÷ng ­u ®iÓm næi bËt nh­ cã b¨ng th«ng lín, ®é suy hao truyÒn dÉn thÊp. Thªm vµo ®ã, chóng cã thÓ sö dông ®Ó thiÕt lËp c¸c ®­êng truyÒn dÉn nhÑ, kh«ng cã hiÖn t­îng xuyªn ©m gi÷a c¸c sîi quang víi nhau vµ kh«ng chÞu c¸c t¸c ®éng cña sãng ®iÖn tõ. Tr­íc hÕt v× sîi quang cã b¨ng th«ng lín nªn cã thÓ truyÒn mét khèi l­îng th«ng tin lín nh­ cÊc tÝn hiÖu ©m thanh, d÷ liÖu, vµ c¸c tÝn hiÖu hçn hîp th«ng qua mét hÖ thèng cã cù ly dÕn 100Ghz-Km. Thø hai, sîi quang nhá, nhÑ vµ kh«ng cã xuyªn ©m. Do vËy chóng cã thÓ ®­îc l¾p ®Æt dÔ dµng ë c¸c ®Þa ®iÓm mµ kh«ng cÇn l¾p thªm c¸c ®­êng èng vµ cèng c¸p. Thø ba, do sîi quang ®­îc chÕ t¹o tõ c¸c chÊt ®iÖn m«i nªn chóng kh«ng chÞu ¶nh h­ëng bëi can nhiÔu cña sãng ®iÖn tõ vµ c¸c xung ®iÖn tö. Do ®ã chóng cã thÓ ®­îc l¾p ®Æt cïng víi c¸p ®iÖn lùc (®iÒu nµy cã ý nghÜa kinh tÕ rÊt lín) vµ dïng trong c¸c m«i tr­êng cã ®iÖn tõ tr­êng cao. Thø t­, do nguyªn liÖu chñ yÕu ®Ó s¶n xuÊt sîi quang lµ c¸t (silicat-SiO2) vµ chÊt dÎo nªn cã gi¸ thµnh thÊp. Thªm vµo ®ã sîi quang cßn cã ®é an toµn, b¶o mËt cao, tuæi thä dµi vµ kh¶ n¨ng ®Ò kh¸ng víi m«i tr­êng tèt. 2.2. C¸p sîi quang: Sîi quang lµ nh÷ng d©y nhá, dÎo truyÒn ¸nh s¸ng nh×n thÊy ®­îc vµ c¸c tia hång ngo¹i. Mét sîi quang gåm cã mét lâi h×nh trô ®­îc bao quanh bëi mét líp vá. C¶ phÇn lâi vµ vá cã chØ sè khóc x¹ xÊp xØ 1,45. §Ó ¸nh s¸ng cã thÓ ph¶n x¹ mét c¸ch hoµn toµn trong lâi th× chiÕt suÊt cña lâi ph¶i lín h¬n chiÕt suÊt cña vá mét chót. Do vËy trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt sîi, mét sè t¹p chÊt ®­îc ®­a vµo trong lâi hoÆc vá, c¸c nguyªn liÖu nh­ Germani hoÆc Photpho lµm t¨ng chØ sè khóc x¹ cña SiO2 ®­îc dïng lµm chÊt cho thªm vµo phÇn lâi, trong khi Bo hoÆc Flo lµm gi¶m chØ sè khóc x¹ cña SiO2 nªn ®­îc dïng lµm t¹p chÊt cho líp vá. Sîi quang Vá bäc ë phÝa ngoµi ¸o b¶o vÖ sîi quang khái bÞ Èm vµ ¨n mßn, ®ång thêi chèng xuyªn ©m víi c¸c sîi ®i bªn c¹nh. Líp bäc ®Çu tiªn (Silicon ®Æc biÖt) TÇng c¶n bit lçi (Silicon) Líp bäc thø 2 (Nilon) PhÇn cèt lâi TÇng c¶n bit lçi Sîi quang Líp bäc ®Çu tiªn Líp bäc thø 2 (Nilon) H×nh 2.1 : CÊu tróc sîi quang Ngoµi ra sîi quang cßn ®­îc ph©n lo¹i thµnh c¸c lo¹i sîi quang ®¬n mode vµ ®a mode t­¬ng øng víi sè l­îng mode cña ¸nh s¸ng truyÒn qua sîi quang. 2.3. Nguyªn lý truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang: 2.3.1. §Þnh luËt c¬ b¶n cña ¸nh s¸ng trong sîi quang: ¸nh s¸ng cã thÓ ®­îc xem nh­ mét chïm tia truyÒn theo nh÷ng ®­êng th¼ng trong mét m«i tr­êng vµ bÞ ph¶n x¹ hay khóc x¹ ë bÒ mÆt gi÷a hai vËt liÖu kh¸c nhau. H×nh 2.2 chØ ra giao diÖn gi÷a hai m«i tr­êng cã chØ sè khóc x¹ lµ n1 vµ n2. Mét tia s¸ng tõ m«i tr­êng 1 tíi mÆt ph©n c¸ch cña m«i tr­êng 1 víi m«i tr­êng 2. Gãc tíi gi÷a tia tíi vµ ph¸p tuyÕn víi bÒ mÆt chung cña hai m«i tr­êng ®­îc biÓu thÞ lµ θ1. PhÇn n¨ng l­îng bÞ ph¶n x¹ vµo m«i tr­êng 1 lµ mét tia ph¶n x¹, phÇn cßn l¹i ®i xuyªn qua m«i tr­êng 2 lµ mét tia khóc x¹. Gãc ph¶n x¹ θ1r lµ gãc gi÷a tia ph¶n x¹ vµ ph¸p tuyÕn cña giao diÖn. T­¬ng tù, gãc khóc x¹ θ2 lµ gãc gi÷a tia khóc x¹ vµ ph¸p tuyÕn. θ 1r = θ1. Theo ®Þnh luËt Snell : n1.sin θ1 = n2.sin θ2. Khi gãc tíi θ1 t¨ng lªn, gãc khóc x¹ θ2 còng t¨ng. NÕu θ2 = 90°, th× sin θ1 = n2/n1. Lóc ®ã θ1 ®­îc gäi lµ gãc tíi h¹n cã gi¸ trÞ θc = sin(n2/n1) ; víi n1 > n2. Víi nh÷ng gi¸ trÞ θ1 > θc , sÏ kh«ng cã tia khóc x¹, vµ tÊt c¶ n¨ng l­îng tõ tia tíi ®­îc ph¶n x¹ hÕt. HiÖn t­îng nµy ®­îc gäi lµ ph¶n x¹ toµn phÇn. n2 θ2 θ1r θ1 n1 H×nh 2.2 : Sù ph¶n x¹ vµ khóc x¹ c¸c tia s¸ng t¹i mÆt ph©n c¸ch cña hai m«i tr­êng * Nh­ vËy ®iÒu kiÖn ®Ó x¶y ra ph¶n x¹ toµn phÇn lµ: - C¸c tia s¸ng ph¶i ®i tõ m«i tr­êng chiÕt quang h¬n (cã chiÕt suÊt lín h¬n) sang m«i tr­êng kÐm chiÕt quang h¬n (cã chiÕt suÊt nhá h¬n). - Gãc tíi cña tia s¸ng ph¶i lín h¬n gãc tíi h¹n. C¸c ®Þnh luËt ph¶n x¹ vµ khóc x¹ ¸nh s¸ng ë trªn lµ nguyªn lý c¬ b¶n ¸p dông cho viÖc truyÒn tÝn hiÖu ¸nh s¸ng trong sîi dÉn quang, ë sîi dÉn quang, c¸c tÝn hiÖu ¸nh s¸ng ®­îc truyÒn dùa vµo hiÖn t­îng ph¶n x¹ toµn phÇn bªn trong. 2.3.2. TruyÒn ¸nh s¸ng trong sîi dÉn quang: §Ó dÔ tiÕp cËn víi nguyªn lý truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang, ta h·y xÐt vÒ c¬ cÊu lan truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi dÉn quang ®a mode cã chØ sè chiÕt suÊt ph©n bËc, v× kÝch th­íc cña lâi lo¹i sîi nµy lín h¬n nhiÒu so víi b­íc sãng ¸nh s¸ng chóng ta ®ang xÐt tíi. §Ó ®¬n gi¶n ta chØ xÐt 1 tia s¸ng ®Æc tr­ng. Cã 2 lo¹i tia cã thÓ truyÒn trong sîi dÉn quang lµ c¸c tia kinh tuyÕn vµ c¸c tia nghiªng (minh ho¹ h×nh vÏ ……). Tia kinh tuyÕn lµ c¸c tia x¸c ®Þnh c¸c mÆt ph¼ng kinh tuyÕn víi trôc sîi. Nh­ vËy cã 2 lo¹i tia kinh tuyÕn : tia biªn – lµ tia tån t¹i trong lâi sîi vµ truyÒn theo h­íng däc theo trôc lâi sîi, tia ngoµi biªn – lµ tia bÞ khóc x¹ ra ngoµi lâi sîi. C¸c tia nghiªng cã sè l­îng nhiÒu gÊp béi lÇn tia kinh tuyÕn, nã kh«ng x¸c ®Þnh mét mÆt ph¼ng ®¬n thuÇn nµo, mµ c¸c tia nµy truyÒn theo tõng ®o¹n xo¾n èc däc theo sîi. C¸c tia nµy cã ®­êng ®i dµi h¬n vµ th­êng bÞ suy hao nhiÒu h¬n tia kinh tuyÕn. Tuy nhiªn ta kh«ng quan t©m l¾m tíi c¸c tia nghiªng nµy v× nã kh«ng ph¶n ¸nh cã ý nghÜa vÒ c¸c tia lan truyÒn trong sîi. H×nh 2.3a : Tia kinh tuyÕn Tia khóc x¹ Lâi n1 Φ Trôc sîi α α0 Gãc tiÕp nhËn Vá n2 Tia ph¶n x¹ H×nh 2.3b : Tia kinh tuyÕn trong qu¸ tr×nh tiÕp nhËn vµ lan truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi ®a mode chiÕt suÊt ph©n bËc C¸c tia kinh tuyÕn ®­îc thÓ hiÖn ë h×nh trªn lµ xÐt cho lo¹i sîi cã chØ sè chiÕt suÊt ph©n bËc. C¸c tia s¸ng ®i vµo sîi dÉn quang tõ m«i tr­êng cã chiÕt suÊt n vµ hîp víi trôc sîi mét gãc α0. C¸c tia nµy ®Ëp vµo ranh giíi gi÷a vá vµ lâi d­íi mét gãc Φ. NÕu gãc Φ lín h¬n gãc nµo ®ã ®Ó ®¶m b¶o tia ®ã bÞ ph¶n x¹ toµn phÇn th× tia kinh tuyÕn sÏ ®i theo ®­êng zich-z¨c däc theo lâi sîi vµ ®i qua trôc cña sîi sau mçi lÇn ph¶n x¹. Theo ®Þnh luËt Snell th× gãc tèi thiÓu Φmin ®Ó t¹o ra hiÖn t­îng ph¶n x¹ toµn phÇn bªn trong ®­îc x¸c ®Þnh : sinΦmin = n2/n1. (2.1) Nh­ vËy mäi tia s¸ng khi ch¹m vµo ranh giíi 2 m«i tr­êng víi gãc Φ < Φmin sÏ bÞ khóc x¹ ra ngoµi lâi sîi vµ bÞ suy hao ë líp vá ph¶n x¹. §iÒu kiÖn cña ph­¬ng tr×nh (2.1) sÏ bÞ rµng buéc víi gãc vµo (gãc tiÕp nhËn) lín nhÊt α0,max theo biÓu thøc sau : n.sinα0,max = n1.sinαc = √(n1² - n2²) (2.2) Víi αc lµ gãc tíi h¹n. Do vËy , c¸c tia cã gãc vµo α0 nhá h¬n gãc α0,max sÏ bÞ ph¶n x¹ toµn phÇn bªn trong t¹i ranh giíi lâi, vá sîi quang. BiÓu thøc (2.2) còng x¸c ®Þnh khÈu ®é (®é më) NA cña sîi cã chØ sè chiÕt suÊt ph©n bËc ®èi víi c¸c tia kinh tuyÕn : NA = n.sinα0,max = √n1² - n2² ≈ n1√2Δ Víi Δ lµ sù kh¸c nhau vÒ chØ sè chiÕt suÊt lâi vá ®­îc th«ng qua biÓu thøc sau: n2 = n1.(1-Δ) ChiÕt suÊt ph©n bËc trong thùc tÕ cã n1 th­êng b»ng 1,48 vµ n2 th­êng chän ®Ó sao cho Δ vµo kho¶ng 0,01. Nh­ vËy ta cã nhËn xÐt chØ cã c¸c tia sau khi ®i vµo lâi sîi cã gãc α nhá h¬n gãc tíi h¹n αc míi lan truyÒn däc theo sîi. 2.4. C¸c vÊn ®Ò c¬ b¶n vÒ truyÒn dÉn: 2.4.1. Suy hao trong sîi quang: Trong thùc tÕ, cù ly truyÒn dÉn cña c¸c tuyÕn th«ng tin c¸p quang th­êng lµ dµi hoÆc rÊt dµi. Do ®ã viÖc tÝnh to¸n ®Õn suy hao sîi ®ãng mét vai trß hÕt søc quan träng trong thiÕt kÕ hÖ thèng. Trªn mét tuyÕn th«ng tin quang, c¸c suy hao ghÐp nèi gi÷a nguån ph¸t quang víi sîi quang, gi÷a sîi quang víi sîi quang, gi÷a sîi quang víi ®Çu thu quang vµ gi÷a c¸c sîi quang víi c¸c thiÕt bÞ kh¸c trªn tuyÕn nh­ khuÕch ®¹i quang hay thiÕt bÞ xen rÏ kªnh v.v…, còng cã thÓ coi lµ suy hao trªn tuyÕn truyÒn dÉn. Bªn c¹nh ®ã, qu¸ tr×nh sîi bÞ uèn cong qu¸ giíi h¹n cho phÐp còng t¹o ra suy hao. C¸c suy hao nµy lµ suy hao ngoµi b¶n chÊt cña sîi, do ®ã cã thÓ lµm gi¶m chóng víi nhiÒu biÖn ph¸p kh¸c nhau. C¸i cÇn quan t©m lµ suy hao b¶n chÊt bªn trong sîi. C¬ chÕ suy hao c¬ b¶n trong sîi dÉn quang lµ suy hao do hÊp thô, suy hao do t¸n x¹ vµ c¸c suy hao do bøc x¹ n¨ng l­îng ¸nh s¸ng. Suy hao sîi (hay cßn gäi lµ suy hao tÝn hiÖu) th­êng ®­îc ®Æc tr­ng b»ng hÖ sè suy hao vµ ®­îc x¸c ®Þnh b»ng tû sè gi÷a c«ng suÊt ®Çu ra POUT cña sîi dÉn quang dµi L víi c«ng suÊt quang ®Çu vµo PIN. Tû sè c«ng suÊt nµy lµ mét hµm cña b­íc sãng, nÕu gäi α lµ hÖ sè suy hao th× §¬n vÞ cña α ®­îc tÝnh theo dB/km XÐt vÒ b¶n chÊt suy hao sîi quang th× hÊp thô trong sîi quang lµ nguyªn nh©n quan träng. HÊp thô do 3 c¬ chÕ kh¸c nhau g©y ra : HÊp thô do t¹p chÊt HÊp thô do vËt liÖu HÊp thô cùc tÝm (®iÖn tö). Ngoµi ra cßn cã c¸c nguyªn nh©ng©y ra suy hao kh¸c nh­ : suy hao do t¸n x¹ vµ suy hao do uèn cong sîi. 2.4.2. T¸n s¾c trong sîi quang: Trong truyÒn dÉn th«ng tin quang, hiÖn t­îng t¸n s¾c lµ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n quan träng g©y nªn mÐo tÝn hiÖu vµ lµm suy gi¶m c«ng suÊt. V× vËy ®©y lµ vÊn ®Ò rÊt ®­îc quan t©m khi thiÕt kÕ hÖ thèng quang. T¸n s¾c bªn trong mode lµ sù gi·n xung tÝn hiÖu ¸nh s¸ng x¶y ra ë trong mét mode. V× t¸n s¾c bªn trong mode phô thuéc vµo b­íc sãng nªn ¶nh h­ëng cña nã tíi mÐo tÝn hiÖu sÏ t¨ng lªn theo sù t¨ng cña ®é réng phæ nguån ph¸t. §é réng phæ lµ d¶i c¸c b­íc sãng mµ nguån quang ph¸t tÝn hiÖu ¸nh s¸ng trªn nã. Cã thÓ m« t¶ ®é d·n xung b»ng c«ng thøc sau : Víi L lµ ®é dµi cña sîi dÉn quang, τn lµ sù trÔ nhãm ®èi víi 1 ®¬n vÞ ®é dµi, λS lµ b­íc sãng trung t©m vµ σλ lµ ®é réng trung b×nh b×nh ph­¬ng (r.m.s) cña phæ nguån ph¸t. T¸n s¾c trªn sîi dÉn quang bao gåm t¸n s¾c mode, t¸n s¾c vËt liÖu vµ t¸n s¾c èng dÉn sãng. T¸n s¾c mode chØ tån t¹i trong truyÒn dÉn trªn sîi ®a mode. T¸n s¾c nµy phô thuéc vµo kÝch th­íc sîi, ®Æc biÖt lµ ®­êng kÝnh lâi sîi. C¸c mode sÏ lan truyÒn theo c¸c ®­êng ®i kh¸c nhau lµm cho cù ly ®­êng cña c¸c mode còng kh¸c nhau vµ do ®ã thêi gian lan truyÒn còng kh¸c nhau gi÷a c¸c mode. T¸n s¾c vËt liÖu lµ mét hµm cña b­íc sãng vµ do sù thay ®æi vÒ chØ sè chiÕt suÊt cña vËt liÖu lâi t¹o nªn. Nã lµm cho b­íc sãng lu«n phô thuéc vµo vËn tèc nhãm cña bÊt k× mode nµo. T¸n s¾c èng dÉn sãng lµ do sîi ®¬n mode chØ gi÷ ®­îc kho¶ng 80% n¨ng l­îng trong lâi, v× vËy cßn 20% ¸nh s¸ng truyÒn trong vá nhanh h¬n n¨ng l­îng trong lâi. T¸n s¾c dÉn sãng phô thuéc vµo thiÕt kÕ sîi, cô thÓ lµ phô thuéc vµo h»ng sè lan truyÒn β. Nh­ vËy cã thÓ thÊy do t¸n s¾c lµm d·n xung tÝn hiÖu ¸nh s¸ng nªn lµm gi¶m ®é nh¹y thu. Nã lµm gi¶m ®é nh¹y thu theo 2 c¸ch : thø nhÊt, mét phÇn n¨ng l­îng cña xung bÞ tr¶i réng vµ g©y nªn sù giao thoa gi÷a c¸c tÝn hiÖu (ISI). Thø hai, n¨ng l­îng xung trong mçi bit bÞ gi¶m khi xung bÞ gi·n réng. §iÒu nµy g©y nªn sù gi¶m tû sè SNR t¹i c¸c m¹ch quyÕt ®Þnh. §Ó duy tr× ®­îc SNR, ph¶i t¨ng møc c«ng suÊt trung b×nh bé thu. §©y chÝnh lµ nguyªn nh©n g©y ra sù suy hao vÒ c«ng suÊt do t¸n s¾c g©y ra. 2.4.3. B­íc sãng, tÇn sè vµ kho¶ng c¸ch kªnh: Trong hÖ thèng WDM, ph­¬ng tiÖn mang th«ng tin ®i lµ ¸nh s¸ng, do ®ã ®iÒu cÇn quan t©m lµ b­íc sãng, tÇn sè cña c¸c tÝn hiÖu nµy. B­íc sãng λ vµ tÇn sè f ®­îc liªn hÖ víi nhau qua c«ng thøc : Trong ®ã c lµ vËn tèc ¸nh s¸ng truyÒn trong kh«ng gian tù do (c ≈ 3.108 m/s), do vËy c¸c b­íc sãng còng kh¸c. Trong hÖ thèng quang, c¸c b­íc sãng chñ yÕu ®­îc dïng lµ 1310 nm, 1550 nm vµ 850 nm. C¸c b­íc sãng nµy ®Òu n»m trong d¶i hång ngo¹i, kh«ng thÓ nh×n thÊy. TÇn sè ®­îc b»ng ®¬n vÞ Hertz (b»ng sè chu k×/gi©y). Ng­êi ta th­êng dïng c¸c thø nguyªn cña Hz nh­ Megahertz (1Mhz = 106 Hz), Gigahertz (1Ghz = 109 Hz) hay Terahertz (1THz = 1012 Hz). Sö dông c = 3.108 m/s, mét b­íc sãng 1,55 μm sÏ t­¬ng øng víi mét tÇn sè xÊp xØ 193 THz. Mét sè th«ng sè ®­îc quan t©m kh¸c lµ kho¶ng c¸ch kªnh, lµ kho¶ng c¸ch gi÷a hai b­íc sãng hoÆc tÇn sè trong mét hÖ thèng WDM. Kho¶ng c¸ch kªnh cã thÓ ®­îc ®o b»ng ®¬n vÞ cña b­íc sãng hoÆc tÇn sè. NÕu gäi Δλ lµ kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c kªnh b­íc sãng th× t­¬ng øng ta sÏ cã : Nh­ vËy, t¹i b­íc sãng 1550 nm, víi Δλ = 35 nm (xÐt ®èi víi riªng b¨ng C) th× ta sÏ cã Δf = 4,37.1012 Hz. Gi¶ sö tèc ®é truyÒn dÉn cña tõng kªnh b­íc sãng lµ 2,5 GHz, theo ®Þnh lý Nyquist, víi phæ c¬ së cña tÝn hiÖu lµ 2.2,5=5 GHz, th× sè kªnh b­íc sãng cùc ®¹i cã thÓ ®¹t ®­îc lµ N = Δf / 5 = 874 kªnh trong d¶i b¨ng tÇn cña mét bé khuÕch ®¹i quang, ®©y lµ sè kªnh cùc ®¹i tÝnh theo lý thuyÕt ®èi víi b¨ng C. Dùa trªn kh¶ n¨ng cña c«ng nghÖ hiÖn nay, ITU-T ®· ®­a ra qui ®Þnh vÒ kho¶ng c¸ch tèi thiÓu gi÷a c¸c kªnh b­íc sãng lµ 0,8 nm t­¬ng øng mét kho¶ng c¸ch tÇn sè 100 GHz víi tÇn sè chuÈn lµ 193,1 THz. HiÖn nay ®· xuÊt hiÖn hÖ thèng WDM sö dông khoang c¸ch kªnh 25 GHz, tuy vËy c¸c s¶n phÈm th­¬ng m¹i chñ yÕu vÉn theo chuÈn cña ITU-T ®· nªu. CH¦¥NG III – CHøC N¡NG Vµ C¸C PHÇN Tö C¥ B¶N CñA HÖ THèNG WDM 3.1. Chøc n¨ng cña hÖ thèng WDM: Rx1 DE-MUX Tx1 MUX TruyÒn tÝn hiÖu trªn sîi quang Rx2 Tx2 . . . . . . . . . . . . KhuÕch ®¹i tÝn hiÖu KhuÕch ®¹i tÝn hiÖu Rxn Txn Thu tÝn hiÖu T¸ch tÝn hiÖu GhÐp tÝn hiÖu Ph¸t tÝn hiÖu H×nh 4.1 : S¬ ®å chøc n¨ng hÖ thèng WDM. Nh­ minh häa ë h×nh trªn, ®Ó ®¶m nhiÖm viÖc truyÒn vµ nhËn nhiÒu b­íc sãng trªn sîi quang, hÖ thèng WDM ph¶i thùc hiÖn c¸c chøc n¨ng sau : * Ph¸t tÝn hiÖu : hÖ thèng WDM sö dông nguån ph¸t quang lµ diode ph¸t quang (LED – Light Emitting Diode) hay Laser. HiÖn nay ®· cã mét sè lo¹i nguån ph¸t nh­ : laser ®iÒu chØnh b­íc sãng (Tunable laser), laser ®a b­íc sãng (Multiwavelength laser)… Yªu cÇu ®èi víi nguån ph¸t laser lµ ph¶i cã ®é réng phæ hÑp, b­íc sãng ph¸t æn ®Þnh, møc c«ng suÊt ph¸t ®Ønh, b­íc sãng trung t©m, ®é réng phæ, ®é réng chØp ph¶i n»m trong giíi h¹n cho phÐp. * GhÐp/t¸ch tÝn hiÖu : ghÐp tÝn hiÖu WDM lµ sù kÕt hîp mét sè nguån sãng kh¸c nhau thµnh mét luång tÝn hiÖu ¸nh s¸ng tæng hîp ®Ó truyÒn trong sîi quang. T¸ch tÝn hiÖu WDM lµ sù ph©n chia luång tÝn hiÖu ¸nh s¸ng tæng hîp ®ã thµnh c¸c tÝn hiÖu ¸nh s¸ng riªng lÎ t¹i mçi cæng ®Çu ra cña bé t¸ch. HiÖn nay, ®· cã c¸c bé t¸ch ghÐp tÝn hiÖu WDM nh­ : bé läc mµng máng ®iÖn m«i, c¸ch tö Bragg sîi, c¸ch tö nhiÔu x¹, linh kiÖn quang tæ hîp AWG , bé läc Fabry-Perot… C¸c tham sè cÇn quan t©m cña bé t¸ch ghÐp kªnh lµ : kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c kªnh b­íc sãng, ®é réng b¨ng tÇn cña mçi kªnh, b­íc sãng trung t©m cña kªnh, møc xuyªn ©m gi÷a c¸c kªnh, tÝnh ®ång ®Òu cña kªnh, suy hao xen, suy hao ph¶n x¹ Bragg, xuyªn ©m ®Çu gÇn - ®Çu xa,… * TruyÒn dÉn tÝn hiÖu : trong thùc tÕ viÖc tÝnh to¸n truyÒn dÉn trong th«ng tin quang lµ rÊt phøc t¹p bëi cã nhiÒu yÕu tè ¶nh h­ëng nh­ : suy hao ®­êng truyÒn, c¸c hiÖu øng phi tuyÕn , t¸n s¾c,… Kh«ng nh÷ng vËy, c¸c yÕu tè nµy còng kh¸c nhau ë nh÷ng lo¹i sîi quang kh¸c nhau. * KhuÕch ®¹i tÝn hiÖu : trong qu¸ tr×nh truyÒn dÉn, tÝn hiÖu quang sÏ bÞ suy hao khi lan truyÒn qua sîi. C¸c thiÕt bÞ trong hÖ thèng nh­ bé ghÐp kªnh, xen rÏ kªnh còng g©y nªn suy hao. Ngoµi ra cßn nhiÒu nguyªn nh©n kh¸c nh­ suy hao ghÐp nèi, suy hao do sîi bÞ uèn cong… Do vËy ®Õn mét lóc nµo ®ã, tÝn hiÖu quang sÏ suy yÕu ®Õn møc kh«ng thÓ t¸ch sãng ®­îc. Do ®ã c¸c thiÕt bÞ khuÕch ®¹i tÝn hiÖu sÏ kh«i phôc l¹i c­êng ®é tÝn hiÖu. Trong hÖ thèng WDM hiÖn t¹i chñ yÕu sö dông bé khuÕch ®¹i quang sîi EDFA. Cã 3 øng dông chÝnh cña EDFA, ®ã lµ : khuÕch ®¹i c«ng suÊt (Booster Amplifier – BA), tiÒn khuÕch ®¹i (Pre Amplifier - PA), vµ khuÕch ®¹i ®­êng truyÒn (Line Amplifier – LA). Khi dïng khuÕch ®¹i EDFA cho hÖ thèng WDM ph¶i ®¶m b¶o ®­îc c¸c yªu cÇu sau : §é lîi khuÕch ®¹i ®ång ®Òu ®èi víi tÊt c¶ c¸c kªnh b­íc sãng (møc chªnh lÖch kh«ng qu¸ 1 dB). Sù thay ®æi sè l­îng kªnh b­íc sãng lµm viÖc kh«ng lµm ¶nh h­ëng ®Õn møc c«ng suÊt ®Çu ra cña c¸c kªnh. Cã kh¶ n¨ng ph¸t hiÖn sù chªnh lÖch møc c«ng suÊt ®Çu vµo ®Ó ®iÒu chØnh l¹i c¸c hÖ sè khuÕch ®¹i nh»m ®¶m b¶o ®Æc tuyÕn khuÕch ®¹i b»ng ph¼ng ®èi víi tÊt c¶ c¸c kªnh. * Thu tÝn hiÖu : ®Ó thu tÝn hiÖu, c¸c hÖ thèng WDM còng sö dông c¸c lo¹i bé t¸ch sãng quang nh­ trong hÖ thèng th«ng tin quang th«ng th­êng : PIN, APD. 3.2. C¸c thµnh phÇn trong hÖ thèng th«ng tin quang: T­¬ng øng víi c¸c chøc n¨ng cña hÖ thèng th«ng tin quang ®· nªu ë trªn cã c¸c thµnh phÇn t­¬ng øng nh­ sau 3.2.1. Nguån ph¸t quang: Nhiªm vô cña nguån ph¸t quang lµ chuyÓn tÝn hiÖu ®iÖn thµnh tÝn hiÖu quang. ¸nh s¸ng cña nguån nµy ®­îc ghÐp vµo sîi quang ®Ó truyÒn ®i. HiÖn nay sö dông phæ biÕn 2 lo¹i linh kiÖn dïng lµm nguån ph¸t quang lµ : Diode ph¸t quang (LED – Light Emitting Diode) LASER (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation) Mét trong nh÷ng ®ãng gãp quan träng cña c¸c thiÕt bÞ ph¸t quang gióp cho viÖc th­¬ng m¹i ho¸ c¸c hÖ thèng WDM lµ viÖc chÕ t¹o thµnh c«ng c¸c LASER phæ hÑp. C¸c LASER phæ hÑp cã t¸c dông gi¶m thiÓu tèi ®a ¶nh h­ëng lÉn nhau cña c¸c b­íc sãng khi lan truyÒn trªn cïng mét sîi quang. §Ó x©y dùng ®­îc c¸c hÖ thèng th«ng tin quang. C¸c nguån ph¸t qaung ph¶i tho¶ m·n mét sè ®iÒu kiÖn nh­ : Phï hîp víi kÝch th­íc sîi quang Ph¸t ra c«ng suÊt ®ñ lín ®Ó cã thÓ kh¾c phôc mét phÇn suy hao tÝn hiÖu, gióp tÝn hiÖu truyÒn ®­îc ®Õn phÝa thu. Ph¸t ra ¸nh s¸ng ë c¸c b­íc sãng lµm tèi thiÓu ho¸ suy hao vµ t¸n x¹. C¸c nguån quang nªn cã mét bÒ réng phæ nhá ®Ó gi¶m thiÓu ®­îc t¸n x¹. Ho¹t ®éng æn ®Þnh trong ®iÒu kiÖn m«i tr­êng cã thay ®æi (nhiÖt ®é, ®é Èm,…). Cho phÐp ®iÒu chÕ trùc tiÕp c«ng suÊt quang ®Çu ra. Cã gi¸ thµnh thÊp vµ ®é tin cËy cao h¬n c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö, cho phÐp c¸c hÖ thèng th«ng tin quang cã thÓ c¹nh tranh ®­îc víi c¸c hÖ thèng th«ng tin kh¸c. 3.2.1.1. LASER: ThiÕt bÞ kÝch thÝch Dßng ¸nh s¸ng ph¸t ra M«i tr­êng ph¸t x¹ G­¬ng ph¶n x¹ G­¬ng ph¸t H×nh 4.2 : CÊu tróc tæng qu¸t cña LASER LASER ®­îc ph¸t minh vµo n¨m 1958 bëi Schalow vµ Townes. H×nh trªn thÓ hiÖn cÊu tróc tæng qu¸t cña mét LASER. VÒ c¬ b¶n cÊu tróc cña mét LASER gåm 2 tÊm g­¬ng (1 tÊm g­¬ng ph¶n x¹ vµ mét tÊm võa ph¶n x¹ ¸nh s¸ng võa cho mét phÇn ¸nh s¸ng ®i qua – g­¬ng ph¸t). Chóng t¹o nªn mét lç hèc Trong thùc tÕ 2 tÊm g­¬ng lµ c¸c líp ph¶n håi quang, ®­îc t¹o ra b»ng c¸ch “t¸ch” líp b¸n dÉn däc theo c¸c mÆt tinh thÓ cña nã. Sù kh¸c nhau râ rÖt vÒ chiÕt suÊt gi÷a tinh thÓ vµ m«i tr­êng xung quanh lµm cho c¸c mÆt t¸ch ra cã t¸c dông nh­ nh÷ng g­¬ng ph¶n x¹. . C¸c g­¬ng nµy cã ®é ph¶n x¹ rÊt cao, tíi 99% ®Ó lµm gi¶m ®é réng phæ. ë gi÷a 2 tÊm g­¬ng lµ mét m«i tr­êng ph¸t x¹ vµ mét thiÕt bÞ kÝch thÝch. ThiÕt bÞ kÝch thÝch nµy ®­a dßng ®iÖn vµo m«i tr­êng ph¸t x¹, ®­îc lµm b»ng mét lo¹i vËt chÊt gÇn nh­ æn ®Þnh. Dßng ®iÖn nµy sÏ t¹o ra mét ®iÖn tr­êng, ®iÖn tr­êng nµy kÝch thÝch c¸c nguyªn tö cã s½n trong m«i tr­êng vµ lµm cho c¸c nguyªn tö nµy chuyÓn lªn c¸c tr¹ng th¸i dõng cã møc n¨ng l­îng cao h¬n. Khi c¸c nguyªn tö chuyÓn vÒ c¸c tr¹ng th¸i dõng cã møc n¨ng l­îng thÊp, chóng sÏ ph¸t ra c¸c photon ¸nh s¸ng. Photon ¸nh s¸ng sÏ bÞ ph¶n x¹ l¹i bëi 2 tÊm g­¬ng ë 2 ®Çu hèc. HiÖn t­îng ph¸t x¹ kÝch thÝch sÏ l¹i x¶y ra nÕu 1 photon l¹i gÇn 1 nguyªn tö. Do ®ã qu¸ tr×nh cø lÆp l¹i nh­ vËy sÏ t¹o ra nhiÒu photon ¸nh s¸ng cã cïng pha vµ h­íng víi photon ®ang kÝch thÝch. Sù ph¶n chiÕu lµm cho c¸c ph¸t x¹ kÝch thÝch x¶y ra nhiÒu h¬n, do vËy cã thÓ t¹o ra c­êng ®é ¸nh s¸ng cao. TÊm g­¬ng ph¸t sÏ truyÒn dÉn mét phÇn ¸nh s¸ng nhÊt ®Þnh, v× thÕ mét sè photon sÏ tho¸t ra khái lç hèc d­íi d¹ng mét tia s¸ng héi tô. Hèc Laser cã thÓ cã nhiÒu tÇn sè céng h­ëng. §Ó thay ®æi tÇn sè cña ¸nh s¸ng ph¸t ra, ta cã thÓ ®iÒu chØnh ®é dµi cña hèc. 3.2.1.2. LED: §èi víi nh÷ng øng dông kh«ng cÇn yªu cÇu cao vÒ tèc ®é d÷ liÖu vµ cù ly truyÒn dÉn ng¾n th× viÖc sö dông diode ph¸t quang (LED) lµ hîp lý vÒ mÆt kinh tÕ. LED ®­îc ph¸t triÓn dùa trªn c¬ së cña diode b¸n dÉn, vÒ c¬ b¶n nã lµ mét tiÕp gi¸p cña b¸n dÉn lo¹i P vµ b¸n dÉn lo¹i N. Tuy vËy do ¸nh s¸ng cña LED ph¸t ra trong toµn b¨ng th«ng nªn ¸nh s¸ng ph¸t ra tõ LED cã phæ réng (kh«ng gièng nh­ LASER cã chïm s¸ng héi tô). §èi víi LED, t¨ng c­êng ®é ¸nh s¸ng ®¬n gi¶n lµ t¨ng sù tù ph¸t x¹, do ®ã kh«ng x¶y ra hiÖn t­îng ph¸t x¹ kÝch thÝch v× tÝnh kÐm ph¶n x¹ cña bÒ mÆt. V× lý do nµy, LED kh«ng cã kh¶ n¨ng t¹o c«ng suÊt ®Çu ra cao, c«ng suÊt ra tiªu biÓu cña LED kho¶ng -20 dB. 3.2.2. Bé thu quang: ThiÕt bÞ thu quang lµ mét trong nh÷ng thµnh phÇn quan träng nhÊt cña hÖ thèng th«ng tin quang. Lµ thiÕt bÞ n»m ë vÞ trÝ cuèi cïng cña hÖ thèng, bé thu quang ph¶i tiÕp nhËn vµ xö lý mäi t¸c ®éng trªn toµn tuyÕn ®­a tíi, do ®ã sù chÝnh x¸c cña hÖ thèng phô thuéc rÊt nhiÒu vµo nã. Mét sè yªu cÇu ®Æt ra víi bé thu quang lµ ph¶i cã ®é nh¹y thu cao, can nhiÔu thÊp, gi¸ thµnh h¹ vµ cã ®é tin cËy cao. H×nh # giíi thiÖu cÊu h×nh tiªu biÓu cña bé thu quang sö dông photo diode. Nã bao gåm c¸c thµnh phÇn : bé t¸ch sãng quang, bé khuÕch ®¹i ®iÖn vµ m¹ch xö lý tÝn hiÖu PhÇn tr­íc bé thu quang gåm 1 photo diode vµ bé tiÒn khuÕch ®¹i. Photo diode biÕn ®æi tÝn hiÖu bit ¸nh s¸ng thµnh tÝn hiÖu ®iÖn thay ®æi theo thêi gian. Bé tiÒn khuÕch ®¹i cã vai trß khuÕch ®¹i tÝn hiÖu cho qu¸ tr×nh xö lý tiÕp sau. T¨ng gi¸ trÞ cña RL, ®iÖn ¸p ®Çu vµo m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i cã thÓ t¨ng, nhiÔu nhiÖt gi¶m xuèng vµ do ®ã t¨ng ®­îc ®é nh¹y thu. h.v RL PD Clock ra TÝn hiÖu sè ra K§ chÝnh Pre-amp Clock Ext QuyÕt ®Þnh PhÇn tr­íc bé thu H×nh 4.3 : CÊu h×nh cña bé thu quang sè tiªu biÓu Kªnh tuyÕn tÝnh trong bé thu quang bao gåm bé khuÕch ®¹i chÝnh cã hÖ sè khuÕch ®¹i cao vµ m¹ch c©n b»ng. PhÇn kh«i phôc tÝn hiÖu sè cña bé thu quang gåm cã m¹ch quyÕt ®Þnhvµ m¹ch håi phôc xung ®ång hå. M¹ch quyÕt ®Þnh sÏ so s¸nh tÝn hiÖu ra tõ kªnh tuyÕn tÝnh víi mét møc ng­ìng t¹i thêi ®iÓm lÊy mÉu (®­îc x¸c ®Þnh bëi m¹ch håi phôc xung ®ång hå), nÕu ®iÖn ¸p cña tÝn hiÖu lín h¬n møc ng­ìng, nã sÏ mang bit “1”, nÕu thÊp h¬n sÏ lµ bit “0”. Mét sè bé thu quang hay ®­îc sö dông lµ : Bé t¸ch sãng Photo diode PIN Photo diode th¸c APD. 3.2.3. ThiÕt bÞ khuÕch ®¹i quang: NÕu kh«ng ®­îc khuÕch ®¹i, giíi h¹n cña tÝn hiÖu quang lµ chØ truyÒn tèi ®a ®­îc kho¶ng 200 km víi tèc ®é kho¶ng vµi Gbit/s . Do vËy mét m¹ng quang kh«ng thÓ tån t¹i nÕu thiÕu c¸c thiÕt bÞ khuÕch ®¹i. ë phÇn nµy chóng ta ®Ò cËp ®Õn 2 d¹ng c¬ b¶n lµ EDFA (Erbium – Doped Fiber Amplifiers) vµ SOA (Semiconductor Optical Amplifiers). 3.2.3.1. EDFA: ThiÕt bÞ khuÕch ®¹i quang sîi chñ yÕu hiÖn nay dïng sîi pha t¹p Erbium, viÕt t¾t lµ EDFA. TÇm quan träng cña EDFA trong th«ng tin quang chñ yÕu lµ do dÆc tÝnh cña Erbium t¹o nªn. C¸c thµnh phÇn chÝnh cÊu t¹o nªn EDFA gèm cã sîi ®­îc pha t¹p Erbium EDF (Erbium Dopped Fiber) th­êng cã ®é dµi b»ng hoÆc lín h¬n 10m, Laser b¬m LD, bé ghÐp b­íc sãng quang WDM vµ bé c¸ch ly quang. Sîi pha t¹p lµ silicat mµ phÇn lâi ®­îc thªm vµo c¸c ion Er3+ cña nguyªn tè ®Êt hiÕm Ebiri. Bé ghÐp b­íc sãng TÝn hiÖu khuÕch ®¹i TÝn hiÖu vµo EDF B¬m Laser H×nh 4.4 : HÖ thèng EDFA Th«ng th­êng c¸c bé khuÕch ®¹i quang ®­îc chia thµnh c¸c hÖ thèng 2, 3, hoÆc 4 møc n¨ng l­îng. Muèn thùc hiÖn khuÕch ®¹i, c¸c bé khuÕch ®¹i ®ßi hái ph¶i cã nguån n¨ng l­îng bªn ngoµi cung cÊp thªm cho tÝn hiÖu ®Çu vµo. B¬m sÏ thùc hiÖn viÖc cung cÊp c«ng suÊt nµy th«ng qua c¬ chÕ kÝch thÝch ®iÖn tö, lµm cho chóng chuyÓn tõ møc n¨ng l­îng thÊp lªn c¸c møc n¨ng l­îng cao h¬n. HÇu hÕt c¸c EDFA ®Òu ®­îc b¬m ¸nh s¸ng tõ diode laser (LD) cã b­íc sãng 980 hay 1480 nm, víi c«ng suÊt b¬m tiªu biÓu lµ tõ 10 mW tíi 100mW. ViÖc b¬m t¹i b­íc sãng λP = 1480 nm sÏ t¹o nªn hÖ thèng 2 møc, nÕu λP = 980 nm sÏ t¹o ra hÖ thèng 3 møc. C¬ chÕ ho¹t ®éng cña sîi quang pha t¹p ®Êt hiÕm ®Ó trë thµnh bé khuÕch ®¹i ®­îc minh ho¹ nh­ h×nh sau : 980 nm E3 1550 nm E2 KhuÕch ®¹i 1500-1600 Tù ph¸t E1 H×nh 4.5 : Møc n¨ng l­îng trong EDFA. * Nguyªn lý ho¹t ®éng : Trong sîi EDF, c¸c ion Er3+ lµ c¸c phÇn tö tÝch cùc trong bé khuÕch ®¹i quang. Khi mét ion Er3+ ë tr¹ng th¸i c¬ b¶n (E1) ®­îc hÊp thô c¸c photon cña Laser b¬m th× nã sÏ chuyÓn lªn c¸c tr¹ng th¸i cã møc n¨ng l­îng cao h¬n. Nghiªn cøu cho thÊy c¸c b­íc sãng 1480 nm, 980 nm, 670 nm vµ 521 nm ®Òu cã thÓ cho phÐp kÝch thÝch c¸c ion Erbium. Tõ c¸c tr¹ng th¸i cã møc n¨ng l­îng cao, ion Er3+ sÏ ph©n r· kh«ng ph¸t x¹ khi chuyÓn xuèng c¸c møc n¨ng l­îng thÊp h¬n. TÝn hiÖu quang ë ®Çu vµo sîi EDF sÏ ®Õn gÆp c¸c ion Er3+ ®· ®­îc kÝch thÝch. Qu¸ tr×nh bøc x¹ kÝch thÝch ((1) Bøc x¹ tù ph¸t : lµ sù ph©n r· tù x¶y ra mµ kh«ng cã bÊt k× mét t¸c ®éng bªn ngoµi nµo kÝch thÝch. Bøc x¹ kÝch thÝch : lµ sù ph©n r· x¶y ra do cã sù t¸c ®éng bªn ngoµi (VD : do hÊp thô mét photon chøa n¨ng l­îng). ) sÏ t¹o ra c¸c photon phô cã cïng pha vµ h­íng quang nh­ tia tíi, chÝnh v× thÕ mµ ta thu ®­îc c­êng ®é ¸nh s¸ng tÝn hiÖu t¹i ®Çu ra EDF lín h¬n ®Çu vµo. §ã chÝnh lµ b¶n chÊt sù khuÕch ®¹i trong EDFA. C¸c ion ®· ®­îc kÝch thÝch mµ kh«ng t­¬ng t¸c víi ¸nh s¸ng sÏ ph©n r· tù ph¸t tíi tr¹ng th¸i nÒn trong thêi gian xÊp xØ 10 ms. 3.2.3.2. SOA (Semiconductor Optical Amplifiers): CÊu tróc cña SOA cu·ng t­¬ng tù nh­ cña Laser b¸n dÉn. Nã lµ tiÕp gi¸p gi÷a b¸n dÉn lo¹i P vµ b¸n dÉn lo¹i N, ë gi÷a lµ mét vïng tÝch cùc (tiÕp gi¸p P-N). Nh÷ng thµnh phÇn nh­ ®iÖn tö vµ lç trèng ®ãng vai trß nh­ ion Er3+ trong EDFA. ¸nh s¸ng khi truyÒn qua vïng tÝch cùc nµy ®­îc khuÕch ®¹i bëi sù ph¸t x¹ kÝch thÝch. ¸nh s¸ng p-type n-type Vïng tÝch cùc H×nh 4.6 : CÊu tróc bé khuÕch ®¹i quang b¸n dÉn (SOA) 3.2.4. C¸c phÇn tö kÕt nèi chÐo sîi: Cïng víi nhu cÇu ngµy cµng t¨ng cña ng­êi sö dông vÒ tèc ®é, dung l­îng m¹ng th«ng tin, m¹ng quang cÇn ph¶i ®­îc quang ho¸ toµn diÖn. Song mÊu chèt cña vÊn ®Ò lµ chuyÓn m¹ch hoµn toµn quang ph¶i ®­îc hoµn thiÖn. Mét trong nh÷ng øng dông cña chuyÓn m¹ch hoµn toµn quang lµ module thiÕt bÞ kÕt nèi chÐo quang (OXC). Trong c¸c m¹ng quang hiÖn nay, hÇu hÕt viÖc ®Êu nèi chÐo vÉn ®­îc thùc hiÖn t¹i líp tÝn hiÖu ®iÖn nhê c¸c bé ®Êu chÐo sè DXC (Digital Cross Connect), sù ph¸t triÓn c¸c m¹ng th«ng tin quang WDM diÖn réng ®ßi hái viÖc ®Þnh tuyÕn b­íc sãng ®éng ®Ó cã thÓ t¸i lËp l¹i cÊu h×nh m¹ng trong khi vÉn duy trß ®­îc b¶n chÊt trong suèt cña nã. Chøc n¨ng nµy ®­îc t¹o ra nhê bé kÕt nèi chÐo quang OXC .OXC lµ mét kÕt cÊu chuyÓn m¹ch ®éng víi nhiÖm vô kÕt nèi bÊt cø mét sîi quang cña M sîi ®Çu vµo víi bÊt cø mét sîi quang nµo cña N sîi ®Çu ra trong hÖ thèng WDM. OXC sÏ ®ãng vai trß võa lµ mét thiÕt bÞ ®Þnh tuyÕn b­íc sãng quang, võa lµ thiÕt bÞ chuyÓn m¹ch b¶o vÖ m¹ch quang, kÕt nèi c¸c RING,… CÊu tróc : Bé OXC bao gåm N cæng ®Çu vµo, mçi mét cæng thu mét tÝn hiÖu WDM gåm cã M b­íc sãng (λ1,…, λM). C¸c bé gi¶i ghÐp kªnh sÏ t¸ch tÝn hiÖu thµnh c¸c b­íc sãng riªng rÏ vµ ph©n phèi tõng b­íc sãng cho M chuyÓn m¹ch, mçi chuyÓn m¹ch thu N tÝn hiÖu ®Çu vµo t¹i cïng mét b­íc sãng. C¸c chuyÓn m¹ch ®­a ®Çu ra cña chóng tíi N bé ghÐp kªnh, c¸c bé nµy sÏ phèi hîp M ®Çu vµo cña chóng ®Ó t¹o thµnh tÝn hiÖu WDM. Mét bé OXC nh­ thÕ sÏ cÇn N bé ghÐp kªnh, N bé gi¶i ghÐp kªnh vµ M(N+1)(N+1) bé chuyÓn m¹ch quang (c¸c chuyÓn m¹ch nµy lµ c¸c chuyÓn m¹ch ph©n chia theo kh«ng gian v× chóng ho¹t ®éng trªn c¬ së néi bé vïng kh«ng gian cña c¸c ®Çu vµo cña chóng). λ1 λ1 λ2 λ2 . . . . . . MUX DEMUX . . . . . . Signal out Signal in λ1, λ2,…, λn λ1, λ2,…, λn λn λn N×M Switch H×nh 4.7 : Ma trËn chuyÓn m¹ch OXC MÆc dï OXC thùc hiÖn kÕt nèi chÐo c¸c tÝn hiÖu quang, nh­ng phÇn lâi cña OXC cã thÓ lµ ®iÖn hoÆc quang tuú thuéc vµo cÊu h×nh do nhµ s¶n xuÊt quy ®Þnh. 3.2.4.1. Mét sè yªu cÇu cña OXC: - Cung cÊp dÞch vô : c¸c thiÕt bÞ OXC ph¶i cã kh¶ n¨ng tù ®éng t×m ra c¸c ®­êng liªn kÕt quang trong m¹ng, hay nãi c¸ch kh¸c lµ ph¶i thùc hiÖn chuyÓn m¹ch vµ ®Þnh tuyÕn nhanh chãng. - Tù ®éng b¶o vÖ : khi x¶y ra sù cè trong m¹ng quang, thiÕt bÞ OXC ph¶i cã kh¶ n¨ng dß t×m c¸c ®­êng quang háng, nhanh chãng ®Þnh tuyÕn l¹i c¸c ®­êng quang trong m¹ng. - Trong suèt víi mäi tèc ®é bit vµ mäi giao thøc : thùc hiÖn viÖc kÕt nèi nhanh chãng, æn ®Þnh víi mäi tèc ®é bit cña tÝn hiÖu vµ mäi dÞch vô m¹ng. - Gi¸m s¸t chÊt l­îng truyÒn dÉn : cho phÐp kh¶ n¨ng trÝch mét tÝn hiÖu ®i qua mét cæng kh¸c ®Ó thùc hiÖn chøc n¨ng ®o ®¹c, x¸c ®Þnh vµ gi¸m s¸t chÊt l­îng truyÒn dÉn. - Thùc hiÖn chuyÓn ®æi b­íc sãng : thiÕt bÞ OXC ph¶i cã kh¶ n¨ng thay ®æi b­íc sãng cña mét tÝn hiÖu khi nã ®i qua. - GhÐp kªnh vµ nhãm tÝn hiÖu : OXC vÒ c¬ b¶n xö lý tÝn hiÖu ngâ vµo vµ ngâ ra theo tèc ®é trªn ®­êng quang. Tuy vËy, chóng cã thÓ kÕt hîp kh¶ n¨ng ghÐp kªnh vµ nhãm tÝn hiÖu ®Ó chuyÓn m¹ch l­u l­îng bªn trong t¹i c¸c tèc ®é nhá h¬n, nh­ STS-1 (51 Mbps), ®Ó cho phÐp m¹ng ho¹t ®éng víi c¸c tÝn hiÖu kh¸ch hµng cã tèc ®é bit kh«ng t­¬ng xøng víi tèc ®é bit cña tÝn hiÖu truyÒn trong líp kªnh quang. Ch­¬ng IV – ChuyÓn m¹ch quang 4.1. ChuyÓn m¹ch quang lµ nhu cÇu cÊp thiÕt cña hÖ thèng th«ng tin quang: M¹ng th«ng tin quang tõ khi sö dông c«ng nghÖ WDM ®· cã sù ph¸t triÓn bïng næ vÒ dung l­îng vµ tèc ®é. HiÖn nay ®· thö nghiÖm thµnh c«ng hÖ thèng WDM 80 b­íc sãng víi tæng dung l­îng hÖ thèng lªn ®Õn 200 Gbps, trong t­¬ng lai cã thÓ lµ hµng chôc Tbps. Víi tèc ®é nh­ vËy th× nh÷ng m¹ng chuyÓn m¹ch ®iÖn-®iÖn tö vµ xö lý th«ng tin ®· ph¸t triÓn ®Õn giíi h¹n cña nã. V¶ l¹i, víi tèc ®é cao th× ®ßi hái c¸c thiÕt bÞ quang ®iÖn rÊt phøc t¹p vµ ®¾t tiÒn. Trªn thùc tÕ viÖc chÕ t¹o c¸c IC thùc hiÖn chuyÓn m¹ch ë tèc ®é kho¶ng 10 Gbps ®Õn 40 Gbps ®· lµ rÊt khã, thªm vµo ®ã víi mét m«i tr­êng m¹ng ®a líp, nhiÒu tèc ®é nh­ hiÖn nay th× còng lµm n¶y sinh nhiÒu vÊn ®Ò. §Ó cã thÓ gi¶i quyÕt ®­îc bµi to¸n víi nhiÒu vÊn ®Ò trªn, c¸c nhµ nghiªn cøu b¾t ®Çu ®­a kü thuËt quang tö vµo hÖ thèng chuyÓn m¹ch, thùc hiÖn chuyÓn m¹ch quang. ¦u ®iÓm cña chuyÓn m¹ch quang lµ tÝnh trong suèt vÒ tèc ®é bit. Cã ®­îc ®iÒu ®ã lµ do khi ®i qua phÇn tö chuyÓn m¹ch quang, kh«ng cÇn pgh¶i biÕn ®æi quang-®iÖn (®iÖn-quang), do ®ã nã kh«ng bÞ c¸c thiÕt bÞ quang ®iÖn tö nh­ m¸y ®o kiÓm, bé ®iÒu chÕ,…h¹n chÕ tèc ®é ®¸p øng. HÖ thèng quang sö dông 3 ph­¬ng thøc ghÐp kªnh lµ ghÐp kªnh chia kh«ng gian, ghÐp kªnh chia thêi gian vµ ghÐp kªnh chia b­íc sãng, t­¬ng øng còng cã 3 lo¹i chuyÓn m¹ch quang lµ : chuyÓn m¹ch chia kh«ng gian, chuyÓn m¹ch chia thêi gian vµ chuyÓn m¹ch chia b­íc sãng. Trong ®ã chuyÓn m¹ch chia b­íc sãng ®­îc xem lµ lo¹i ®Æc thï cña hÖ thèng chuyÓn m¹ch quang. 4.2. ChuyÓn m¹ch kªnh quang chia b­íc sãng: VÒ c¬ b¶n cÊu tróc cña mét phÇn tö chuyÓn m¹ch kªnh quang ph©n chia theo b­íc sãng gåm : bé Demux ®Ó t¸ch c¸c kªnh b­íc sãng tõ mét khe thêi gian ë ngâ vµo, n bé chuyÓn ®æi b­íc sãng (n lµ sè b­íc sãng ®­îc ghÐp trong cïng mét khe thêi gian) vµ bé Mux ®Ó ghÐp kªnh b­íc sãng ë ngâ ra vµo cïng mét khe thêi gian. λ1 λ1 ChuyÓn ®æi b­íc sãng . . . . . . MUX DEMUX λ2 λ2 ChuyÓn ®æi b­íc sãng . . . . . . Signal out Signal in λ1, λ2,…, λn λ1, λ2,…, λn λn λn ChuyÓn ®æi b­íc sãng C¸c bé chuyÓn ®æi b­íc sãng cã nhiÖm vô thùc hiÖn chuyÓn ®æi b­íc sãng cho c¸c kªnh tÝn hiÖu quang. B­íc sãng ho¹t ®éng cña c¸c bé chuyÓn ®æi b­íc sãng sÏ chiÕm hÇu hÕt vïng b­íc sãng cña WDM nh»m ®¶m b¶o kh¶ n¨ng chuyÓn m¹ch tuú ý gi÷a c¸c kªnh WDM. C¸c bé chuyÓn ®æi b­íc sãng cã thÓ sö dông nhiÒu lo¹i chuyÓn ®æi kh¸c nhau nh­ chuyÓn ®æi b­íc sãng quang ®iÖn, chuyÓn ®æi b­íc sãng b»ng c¸ch trén sãng, chuyÓn ®æi b­íc sãng b»ng c¸ch tö quang…