Xem mẫu
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG
ĐỀ TÀI:
DUY TRÌ TRONG MẠNG QUANG WDM
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG
Mục đích ban đầu của các mạng viễn thông và Internet là cung cấp truy nhập thông tin tới
bất cứ nơi đâu vào bất cứ thời điểm nào và dưới bất cứ hình th ức nào chúng ta cần. Để đạt
được mục tiêu này các công nghệ quang và không dây đóng một vai trò quyết định trong
mạng viễn thông tương lai. Các mạng quang và không dây có tính bổ sung cho nhau. Mạng
quang cho phép cung cấp một băng thông rất lớn mặc dù nó không th ể xuất hiện ở mọi chỗ.
Ngược lại, các mạng không dây có khả năng xuất hiện ở mọi chỗ nhưng lại chỉ có khả năng
cung cấp các kênh truyền dẫn có băng thông giới hạn tu ỳ thuộc vào việc triển khai khác
nhau. Khác với các kênh không dây, sợi quang có một số ưu điểm về đặc tính truyền dẫn như
là suy hao nhỏ, băng thông rộng và không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ.
Các mạng quang là môi trường trung gian để cung cấp đủ băng thông khi số người sử dụng
đang tăng nhanh. Có hai th ế hệ mạng quang, ở hình 1.1a, mạng quang thế hệ thứ nhất thay
thế các dây đồng bằng các sợi quang trong khi các node vẫn là điện. Trong mạng này cách
chuyển đổi tín hiệu quang - điện - quang (OEO) xảy ra ở mỗi node. Ban đầu, mỗi sợi quang
chỉ mang một bước sóng như trong các chu ẩn FDDI và IEEE 802.6. Để giải quyết khả năng
tăng nhanh các lưu lượng dữ liệu và để tận dụng tối đa băng thông của các sợi quang EDFA
ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) đã ra đời đầu những năm 90. Nh ờ WDM, mỗi
kết nối sẽ mang nhiều bước sóng, mỗi bước sóng hoạt động ở một tốc độ khác nhau.
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
H ình 1.1 Các mạng quang: a. Thế hệ thứ nhất
b. Thế hệ thứ hai
Trong thế hệ thứ hai của mạng quang (hình 1.1b), các chuyển đổ i OEO chỉ
xảy ra tại các node nguồn và node đích, trong khi tất cả các node trung gian
hoàn toàn là quang. Bằng cách sử dụng các node trung gian q uang, các thắt cổ
chai quang đ iện được loại bỏ và số lượng các card cổ ng giảm đi. K ết quả là chi
phí mạng giảm đáng kể. Điều này là một trong các yếu tố quan trọ ng nhất đối
với mạng quang. Hơn thế, các đường dẫn toàn quang từ đầu cuối đến đầu cuối
có thể cung cấp các kênh trong suốt cho người sử d ụng. Người sử dụng có thể tự
chọ n tốc độ bít, đ ịnh dạng khối và giao thức. Sự trong suốt này cho phép dễ
dàng hỗ trợ các b ảo m ật khác nhau cũng như các dịch vụ trong tương lai.
Network
Data link
Network
IP
Data link
IP
ATM
Network
ATM
SONET
Data link IP & MPLS
SONET/SDH
Physical WDM & Protection/Restoration
a) b) c)
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
H ình 1.2: Các chồng giao thức:
a) IP/ATM/SONET(SDH)/WDM
b) Chi tiết cấu trúc lớp của IP/ATM/SONET/WDM
c) Chồng giao thức đơn giản IP/WDM
Trong tương lai lưu lượng trong các mạng quang sẽ chủ yếu là IP. Thường
thì, các truyền dẫn gói IP trong các m ạng quang WDM được thực hiện theo kiểu
trộn lẫn và kiểu ghép. Hình 1.2 mô tả trồng giao thức IP/ATM/SONET
(SDH)/WDM mà hiện nay các mạng đang triển khai để truyền dẫn các gói IP.
Các gói tin IP có kích cỡ khác nhau được phân mảnh thành các tế bào ATM với
kích thước cố định rồi được truyền trên các khung SONET/SDH thông qua các
kết nối WDM quang. Trồng giao thức này đòi hỏi một số thao tác sắp xếp giữa
các giao thức. Điều này không chỉ làm tăng chi phí và độ phức tạp của mạng mà
còn có xu hướng tạo ra các nghẽn cổ chai tính toán trong các mạng tốc độ cao.
Hơn thế, như hình 1.2 chỉ ra trồng giao thức này là không hiệu quả vì cùng một
khía cạnh quan tâm của mạng và tầng kết nối dữ liệu được đánh địa chỉ ở mỗi
giao thức. Điều này dẫn đến các chức năng thừa và các sơ đồ kết nối tầng phức
tạp. Đ ể tránh những sự không hiệu quả này và để đ ơn giản sự hoạt động của
mạng, cấu trúc tầng giao thức phức tạp trên có thể được thay thế bằng chồng
giao thức IP/WD M ít phức tạp hơn nhiều. Chức năng ATM của kĩ thuật lưu
lượng (QoS) sẽ được hấp thụ vào trong tầng IP nhờ sử dụng chuyển mạch nhãn
đa giao thức (MPLS). Và các khả năng truyền d ẫn của SONET/SDH (bảo vệ và
tái cấu hình) sẽ đ ược hấp thụ bởi tầng WDM quang. Nhờ đó các mạng WDM
tương lai sẽ có trồng giao thức rất đơn giả n là IP/WDM như được mô tả trong
hình 1.2c.
Mạng IP WDM q uang lắm các hứa hẹn rất lớn cho việc cung cấp hiệu quả
một băng thông lớn với độ phức tạp của m ạng nhỏ m ặc dầu các công nghệ
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
quang hiện nay vẫn còn mộ t số giới hạn về tính ổ n định và tính hiệu quả về mặt
chi phí. Tuy nhiên, đáng chú ý là, trong tương lai sự phức tạp và chi phí trong
các mạng WDM quang có thể được giải quyết.
1.1 Mục tiêu và phương pháp tiếp cận
1.1.1 Mục tiêu
Mạng đường trục WDM
quang
Kết nối đường trục Kết nối đường trục
Mạng đô thị
Kết nối nội Kết nối nội
thị thị
Kết nối liên
mạng
Mạng truy nhập
(HFC, FTTx)
xDSL, ESCON,
Truy nhập không dây ATM, FR, SDH,
cable modem Kênh sợi
(eg..UMTS,WWLAN) IP, GbE
Hình 1.3. Mạng phân cấp (được định nghĩa ở phụ lục B)
Trong hình 1.3, mô hình của mạng truyền thông sẽ gồm các m ạng đường
trục, mạng nội thị, mạng truy nhập trong đó các mạng sau sẽ thu thập/phân phối
dữ liệu từ/đến các trạm trung gian khác ví dụ như các trạm không dây và các
LAN.
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
Các LAN gigabit Ethernet cùng với chuẩn 10 GbE IEEE 802.3ae được
hoàn thiện năm 2002 được hi vọng sẽ cung cấp đủ băng thông cho ít nhất 5 năm
tới. Các công ti điện thoại đã triển khai một số d ạng của đường dây thuê bao số
(DSL) và các công ti cáp triển khai các modem cáp. Nghẽn cổ chai ở bước truy
nhập đầu tiên sẽ được loại bỏ nhờ ứng dụng chuẩn IEE802.3ab Ethernet mà
được đề cập vào tháng 9 năm 2003. Các công nghệ truy nhập băng rộng này cùng
với các dịch vụ không dây thế hệ tiếp theo ví dụ như UMTS và các LAN không
dây (WLAN) và các giao thức tốc độ cao như ATM, FRAME RELAY (FR) IP,
ESCON và kênh sợi quang sẽ đòi hỏi băng thông rất lớn và chất lượng dịch vụ
QoS hỗ trợ từ các mạng cao hơn.
Nằm giữa các thuê bao tốc độ cao và các đường dẫn cực lớn của mạng
đường trục là m ạng truy nhập và mạng nội thị. Ban đ ầu các mạng truy nhập là
các hệ thống HFC trong đó chỉ có phần nguồn nuôi ở giữa tổng đài trung tâm và
node ở xa của mạng là quang còn mạng phân tán giữa node ở xa và các thuê bao
vẫn là điện. K ết quả là, các mạng truy nhập FTTx đang nhận được sự chú ý rất
lớn. Các mạng FTTx, nghĩa là mạng sợi quang tới đầu cáp FTTC hay sợi quang
tới nhà FTTH, là mạng hoàn toàn quang nghĩa là tín hiệu được truyền d ẫn thông
qua sợi q uang từ tổng đài trung tâm ho ặc tất cả các con đường tới khách hàng.
Về lí do chi phí nên các mạng truy nhập toàn q uang đều không được cấp nguồn
hay còn được gọ i tương ứng là các mạng quang thu động (PON). Các PON đã
được xem xét cho mạng truy nhập kể từ giữa những năm 90 trước cả khi nhu cầu
băng thông cho Internet bùng nổ. Gần đây, các PON Ethernet cải tiến đang trở
thành ứng viên đầy hứa hẹn để cung cấp đầy đủ băng thông cho truyền dẫn hiệu
quả lưu lượng dữ liệu.
Các mạng nội thị hiện nay chủ yếu là các mạng vòng SONET/SDH. Các
mạng này có mộ t số nhược điểm:
- V iệc giám sát kênh cho các mạng SONET/SDH mất quá nhiều thời gian
thường là từ 6 tuần đến 6 tháng. Do đó giám sát dịch vụ nhanh là điều không thể
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
- Thiết bị SONET/SDH rất đắt và làm giảm đáng kể vùng p hủ trong thị
trường nội thị rất nhạy cảm với chi phí trong đó chi phí chỉ được chia sẻ b ởi một
lượng ít khách hàng hơn nhiều so với mạng đường trục. Chính chi phí cao đã
ngăn cản các công ti mới tham gia vào thị trường nộ i thị.
- V iệc nâng cấp một mạng vòng SONET/SDH ảnh hưởng tới tất cả các
node chứ không chỉ các node nguồn và node đích mong muố n truyền thông ở
tốc độ dữ liệu cao hơn.
- Cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động (APS) của SONET/SDH (bảo vệ
1+1) là không hiệu quả về m ặt băng thông bởi vì các đường bảo vệ và làm việc
đều mang cùng loại lưu lượng.
- SONET/SDH được thiết kế cho lưu lượng đối xứng. Do đó, lưu lượng IP
không đố i xứng truyền dẫn không hiệu quả.
- Hoạt động TDM tập trung thoại không có khả năng hỗ trợ hiệu quả lưu
lượng dữ liệu có tính bùng nổ d ẫn đ ến việc lãng phí băng thông.
Những nhược điểm được đề cập ở trên của các mạng vòng SONET/SDH
tạo ra một nghẽn cổ chai băng thông nghiêm trọng tại mức nội thị. Hiện tượng
này được gọi là Metrogap, ngăn cản các khách hàng tốc độ cao (và cũng ngăn
cản các nhà cung cấp dịch vụ) trong việc sử d ụng băng thông còn rất lớn trong
mạng đường trục. Nghẽn cổ chai này có thể trở nên nghiêm trọ ng hơn vì thực tế
lưu lượng IP tăng lên sẽ mang tính cục bộ bằng cách đ ặt thêm nhiều máy chủ
Proxy trong các mạng nội thị để giảm trễ mạng, cân bằng tải máy chủ và có độ
sẵn sàng cao hơn. Sự tăng cường sử dụng điện thoại tổ ong và các thiết bị cầm
tay đ ối với các d ịch vụ Internet sẽ làm tăng lượng thông tin truy cập nội hạt và
cần được cập nhật thường xuyên đặc biệt là các ứng dụng trong nhà, trên xe hơi,
và các thiết bị điện tử khác đang b ắt đầu tận d ụng mạng nội thị [KWSR]. Hơn
thế, Napster đang báo trước sự xung đột về chia sẻ thông tin, các ứng d ụng đ ồng
hàng trong tương lai trong đó mỗi đầu cuối người sử dụng sẽ hoạt động như là
một máy chủ và sẽ làm tăng đáng kể lưu lượng bên trong mạng MAN. Để vượt
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
qua độ rộng giữa các khách hàng tốc độ cao và tương lai của mạng đường trục
thì các kiến trúc và giao thức mạng nội thị cần phải được triển khai.
Gần đây, các nghiên cứu đã b ắt đầu tập trung vào để hạn chế độ rộng nội
thị. Sự quan trọng của độ rộng nội thị cũng được phản ánh qua một số lượng lớn
các hoạt động chuẩn hoá đang được triển khai gần đây, và các diễn đàn công
nghiệp như là IETF WG IPoRPR, IEEE 802.17 RPRWG, diễn đàn Ethernet nội
thị (MEF) và liên minh mạng vòng gói mềm dẻo (RPR) bao gồm hơn 70 công
ty.
Bản đồ án này sẽ tập trung vào các mạng WDM chuyển m ạng gói trong đó
các gói tin được lưu trữ trong các RAM điện tử thay vì là các đ ường dây trễ sợi
quang. V ới các kiến trúc và giao thức được giới thiệu và kiểm tra ở đây có thể
cho phép các khách hàng tốc độ cao và các nhà cung cấp dịch vụ để vượt qua độ
rộng nộ i thị và tận dụng tối đa băng thông rất lớn trong mạng đường trục theo
một cách hiệu quả, chi phí thấp và có tương lai.
1.1.2 Phương pháp tiếp cận
Vấn đề sẽ được tiếp cận để có thể tận dụng các lợi thế tương ứng của miền
điện và miền quang trong khi tránh các nhược điểm tương ứng của chúng:
truyền dẫn sẽ được thực hiện trong miền quang trong khi việc đệm và các phép
logic sẽ được thực hiện trong miền điện. Do sự thiếu hụt các bộ đ ệm quang
(RAM) các mạng quang không dùng bộ đệm sẽ được xem xét. Kiến trúc mạng
không chuyển mạch hoàn toàn thụ động sẽ được xem xét. Các mạng thụ động
không chỉ khá tin cậy mà còn có thể nâng cấp tới mạng thông minh rìa cho phép
việc giảm chi phí mạng và đơn giản hoá trong duy trì, bảo dưỡng, ho ạt độ ng của
mạng. Mạng đang được xem xét là lựa chọ n bước sóng. Trong một mạng lựa
chọ n bước sóng tĩnh, mỗi node nguồn có khả năng tiếp cận nhiều node đích khác
nhau bằng cách thay đổi bước sóng truyền dẫn. Đ ể làm được như vậy, mô hình
chuyển mạch gói lưu trữ và chuyển tiếp truyền thống phải được thay thế bằng
mô hình chuyển đổi bước sóng theo mỗi gói tin tại biên giới m ạng. Trong mạng
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
lựa chọn bước sóng mỗ i bước sóng được định tuyến chỉ trong một phần nhỏ của
mạng, các phần còn lại của mạng có thể dùng cùng các bước sóng này. Kết quả
là việc tái sử d ụng bước sóng theo không gian không chỉ giảm sự trùng lặp mà
còn giữ cho số lượng các bước sóng cần dùng là hữu hạn. Một số lượng nhỏ các
bước sóng sẽ đòi hỏi các bộ thu rất nhạy bước sóng để có thể cho truyền qua
một dải sóng rất hẹp. Điều này lại cho phép ứng dụng các bộ thu chuyển đổi
được mà có thời gian chuyển đổi nhỏ hơn so với các bộ thu với các giải chuyển
đổi tương đối lớn. Mạng được xem xét sẽ là mạng hình sao. Các mạng hình sao
cho thấy lợi thế về mặt công suất hơn các mạng bus. Cả mạng hình sao và mạng
bus đều chịu ảnh hưởng của suy hao do rẽ nhánh. Trong khi suy hao rẽ nhánh
tổng (tính bằng dB) ở m ạng hình bus tăng tuyến tính theo số lượng node trong
mạng thì suy hao rẽ nhánh tổng (tính bằng dB) ở m ạng hình sao lại chỉ tăng theo
hàm logarit. Hơn thế, cấu hình mạng sao vật lí thì dễ d àng thiết lập, cấu hình,
điều khiển, và gỡ rối hơn. Ở phía trên tầng vật lí của mạng hình sao mạng đơn
chặng sẽ đ ược xem xét. Trong các mạng đơn chặng bất cứ m ột cặp node nguồn
và đích nào cũng giao tiếp trực tiếp với nhau mà không thông qua mộ t node
trung gian nào. Khác với mạng đa chặng, các mạng đơn chặng có một số lợi thế:
Khoảng cách chặng trung bình được tối thiểu hoá (tính đồng nhất), không lãng
phí băng thông vì việc chuyển tiếp tại mỗi node x ảy ra ngay khi tiếp cận được
đích, mỗi node chỉ phải xử lý các gói tin đ ược định tuyến tới chính nó do đó
giảm nhu cầu xử lý tại các node, độ trong suốt được cung cấp, và việc nâng cấp
một cặp nguồn-đích nhất định chỉ liên quan tới hai node đó khác với mạng đa
chặng vì không có node trung gian nào cần phải nâng cấp. Các mạng đơn chặng
cũng giảm đáng kể độ phức tạp của chồng giao thức bởi vì việc định tuyến và
chuyển tiếp trong truyền thông đơn chặng không xảy ra. Kết quả là, tầng mạng
sẽ hoàn toàn loại bỏ được. Thêm vào đó, các gói tin truyền thông qua đơn chặng
quang thụ động duy nhất giữa chặng nguồn và chặng đích, d ẫn đến xác xuất lỗi
là rất nhỏ. Do đó, phát hiện và sửa lỗ i ở tầng liên kết dữ liệu có thể loại bỏ và
các lỗi truyền dẫn còn lại có thể được lo ại bỏ ở tầng truyền d ẫn.
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
1.2 Các phần tử cơ bản của mạng MAN đơn chặng lựa chọn bước
sóng dựa trên AWG
Các linh kiện sau đây là các khối cơ bản để thiết kế mạng WDM. Trong
phần mô tả dưới đây sẽ tập trung vào các linh kiện quan trọng trong phần còn lại
của đồ án này.
1.2.1 Bộ kết hợp và bộ chia quang
Coupler là thuật ngữ chung chỉ tất cả các thiết bị thực hiện kết hợp ánh
sáng vào và/ho ặc chia ánh sáng trong mộ t sợi quang. Các bộ kết hợp là các thiết
bị mà thực hiện kết hợp ánh sáng từ các sợi quang khác nhau. Các bộ chia quang
chia ánh sáng vào nhiều sợi quang. Cả bộ kết hợp và chia quang đều là các thiết
bị thụ động.
Bộ chia quang phổ b iến nhất là bộ chia 1x2 như được vẽ trên hình 2.1 a). Tỉ
số công suất đầu ra được gọ i là tỉ số chia quang α và có thể điều khiển được.
Phần α trong công suất đầu vào được đưa ra đầu ra, còn phần (1 -α) còn lại đưa
ra đầu ra còn lại. Biểu thị tỉ số chia quang dưới dạng dB sẽ cho chúng ta suy hao
do chia quang. Đối với bộ chia quang hai cổng với tỉ lệ chia quang 50:50 là rất
phổ b iến, kết quả là suy hao do chia quang sẽ là 3 dB cho mỗi cổ ng ra. Các bộ
coupler cũng đ ược dùng để tách mộ t phần công suất từ luồng ánh sáng để d ùng
cho các mục đích giám sát ho ặc các nguyên nhân khác. Các bộ coupler như vậy
được gọi là bộ rẽ và được thiết kế với các giá trị α rất gần với 1, thường là từ
0.90 tới 0.95.
a) b) c)
Hình 2.1: a) Bộ chia b) Bộ ghép và c) coupler
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
Khi đổi chiều thì một bộ chia quang sẽ có thể được sử d ụng như là bộ kết
hợp quang, như được thể hiện như hình 2.1 b). Một tín hiệu đầu vào tới b ộ kết
hợp 2x1 sẽ chịu suy hao công suất là 3dB, mà đôi khi còn gọi là suy hao do ghép
quang. Bằng cách dùng bộ kết hợp cùng với bộ chia quang, các coupler có thể
được tạo ra. Hình 2.1 c) mô tả một bộ coupler 2x2 bao gồm một bộ kết hợp
quang 2x1 được theo sau bởi mộ t bộ chia quang 1x2, có vai trò là phân bố các
tín hiệu từ hai sợi quang đầu vào tới hai sợi quang đầu ra. Đ ể có tỉ lệ chia quang
là 50:50 cần có bộ coupler 3dB trong đó tín hiệu đầu vào được chia đều cho cả
hai đ ầu ra. Ngoài tỉ lệ chia công suất 50:50 xảy ra trong coupler, tín hiệu cũng
chịu các suy hao chèn, suy hao thừa và suy hao phản hồi. Suy hao chèn là một
phần của công suất (thường được biểu thị dưới dạng dB) bị mất giữa các cổng
vào và cổng ra của linh kiện (coupler). Nếu như tín hiệu đi vào m ột coupler, một
phần nhỏ công suất sẽ bị phản hồi theo hướng ngược lại và được dẫn trở lại tới
các đầu vào của bộ coupler (suy hao phản hồ i). Suy hao thừa gây ra bởi các
khiếm khuyết sản xuất trong các vùng rất nhỏ. Một bộ coupler có thể được sản
xuất không phụ thuộ c bước sóng hoặc lựa chọn bước sóng, có nghĩa là tính chất
của coupler phụ thuộc vào bước sóng.
Ưu điểm của coupler là không cần cung cấp nguồn, hoạt động tin cậy,
không đắt, mức suy hao thấp.
1.2.2 Coupler hình sao thụ động (PSC)
PSC là một thiết b ị thực hiện kết hợp các tín hiệu quang từ các cổng đ ầu
vào và chia đều ra các cổng đầu ra. Không giố ng như các bộ tách ghép kênh, các
PSC không chứa các phần tử lựa chọn bước sóng. Vì vậy chúng không có khả
năng tách các kênh riêng rẽ. Trong trường hợp tổng quát, PSC có số cổng vào
(N) và số cổ ng ra (M) không nhất thiết bằng nhau và ký hiệu là PSC NxM.
Một PSC NxN được tạo ra từ các coupler 2x2 3dB như được vẽ trong hình
1
1
2.2.
2
2
N x N PSC
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
PSC NxN là mộ t linh kiện N đầu vào và N đầu ra với đặc tính là công suất
của mỗi cổ ng đầu vào Pin sẽ được chia đều tới tất cả các cổng đầu ra. Do đó,
công suất quang tại mỗi đ ầu ra Pout sẽ bằng:
Pout= Pin
N
Và tỉ lệ chia q uang sẽ là α = 1/N hay tương ứng với suy hao do chia quang
là 10 log10 N dB. Một phương pháp để tạo ra PSC là kết nối m ột số các coupler
3dB. Cách này cần (N/2. log2N) coupler 3 dB để tạo ra một PSC NxN.
2.1.3 Cách tử ống dẫn sóng (AWG)
Bộ AWG còn được biết đ ến là dãy pha (PHASAR) hay định tuyế n lưới dẫn
sóng. Một AWG NxN được vẽ sơ đồ khối như trong hình 2.3, trong đó N≥2, bao
gồm các bộ dẫn sóng đầu vào đầu ra N, hai bộ d ẫn sóng tấm tập trung (các vùng
truyền dẫn tự do) và một lưới d ẫn sóng hàng, trong đó chiều dài của các ống d ẫn
sóng liền kề sai khác nhau một hằng số. Tấm dẫn sóng tại các đường đố i xứng
trong linh kiện sẽ loại bỏ sự phụ thuộc phân cực. Do vậy, có thể tạo ra các AWG
không phụ thuộc phân cực, suy hao thừa ở mức 0,4 dB. Cả hai dẫn sóng tấm đ ều
làm việc giống như các coupler sao NxM, M>>N, sao cho tất cả công suất ánh
sáng b ị khuyếch tán trong tấm đều được thu lại. Nếu M>>N xuyên âm tại trung
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
tâm của băng thông sẽ nhỏ hơn so với M=N. Tín hiệu đ ến từ bất kì cổng nào
trong N cổng vào cũng sẽ được chia ra M đầu ra của bộ dẫn sóng tấm tới các đ ầu
ra hàng. Mỗi luồng sáng đến được khuyếch tán trong tấm đầu vào, đi qua các
dẫn sóng xếp hàng, tập trung lại tại tấm đầu ra, và được ghép vào các dẫn sóng
đầu ra.
Ống dẫn sóng vào/ra
N cổng vào N cổng ra
Tấm dẫn sóng
Ma trận M
ống dẫn sóng
tấm dẫn sóng tại trục đối xứng
H ình 2.3 Biểu đồ sắp xếp của một AWG N x N
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
Các dẫn sóng xếp hàng sẽ trễ pha không phụ thuộ c vào bước sóng vì chỉ
các tần số với sự khác pha số nguyên lần 2π mới gây cộng hưởng trong dẫn sóng
tấm đầu ra. Do vậy, mỗi cổ ng đầu ra mang các tần số vượt qua có tính tuần
hoàn. Độ rộng của các tần số vượt qua có tính tuần hoàn này được gọi là dải phổ
tự do (FSR) và xấp xỉ bằng:
FSR = C [Hz] (2.2)
ng(L + dsinI
+dsin0)
2
FSR = [m] (2.3)
hoặc đơn giản hơn [Zir98]
ngL
Trong mỗ i FSR, một AWG NxN chấp nhận một số lượng tổng của N bước
sóng từ m ỗi cổ ng vào và nó truyền dẫn m ỗi bước sóng tới một đầu ra nhất định.
Mỗi đầu ra nhận các bước sóng N, mỗi bước sóng từ mộ t cổng vào riêng. Ở đ ây
tồn tại hoán vị bước sóng vòng lặp tại các dẫn sóng đầu ra nếu các dẫn sóng đ ầu
vào khác nhau được sử dụng. Trong hình 2.4 kết nối đ ịnh tuyến của một AWG
8x8 được mô tả. Mỗ i tần số q uang (tương ứng, chúng ta cũng có thể nói mỗi
bước sóng) cho ta mộ t chỉ dẫn định tuyến độc lập với cổng vào. Do vậy, thông
tin định tuyến của fk ra cổng ra, mà các cổng (k-1) nằm dưới cổ ng vào tương
ứng ví d ụ như f1 vào từ cổng vào 1 được ra ở cổng 1 và từ cổng vào 5 sẽ ra ở
cổng 5. Tương tự như vậy, f3 vào ở cổng 1 sẽ đi ra ở cổng 3, trong khi nếu f3 vào
ở cổng 5 nó sẽ đi ra ở cổng 7. Nhờ vào đặc tính tuần hoàn của AWG, tần số
quang f9 (ví dụ như một dải phổ tự do lớn hơn f1) vảo ở cổng 1 và ra ở cổng 1
giống như f17 và các tần số khác được phân tách nhờ m ột số lượng nguyên FSR.
Nhưng cũng có các AWG với các phương pháp định tuyến kênh khác, ví dụ như
kênh fi vào ở cổng j và ra ở cổng k trong đó k = (8-i+j)mod 8 + 1 với i N và j,k
{1,2,…8}.
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
Kiểu định tuyến bước sóng của một AWG có thể đ ược mô tả chính thức
hơn d ựa vào ma trận chuyển đổ i bước sóng. Nhờ vào hoán vị bước sóng tại các
cổng ra AWG nằm trong họ các bộ định tuyến bước sóng hoán vị. Một AWG
NxN cung cấp kết nối bên trong NxN đầy đủ. Sử dụng mộ t FSR có thể cho phép
có đồng thời N 2 kết nối. Chú ý rằng một PSC NxN chỉ có thể cho phép mang
đồng thời tố i đa N kênh.
Các đặc tính truyền dẫn sau của một AWG NxN đóng một vai trò quan
trọng trong các mạng WDM. Các AWG có suy hao chèn thấp vào khoảng từ 3-5
dB. Cũng như vậy, các AWG với suy hao không thay đổi hình thức đố i với tất
cả các kênh cũng được xác định. Độ rộng kênh tần số của bộ kết hợp kênh được
cho bởi công thức:
1
x m2 n g
x d
[Hz] (2.4)
f
L f df L f ns dc nc
(f1… f4…f8) N=1 1
f1 f8
2 2
f1
3 3
f4
4 4
5 5
INPUT OUTPUT
6 6
7 7
8 8
f8 f4
H ình 2.4 Bộ kết hợp nối của một AWG 8 x 8
Độ rộng kênh thông thường là 100 hoặc 200 GHz. Một độ rộng kênh 100
GHz tại vùng suy hao thấp ở 1 ,55m tương ứng với một đ ộ rộng kênh là 0,8m,
dẫn đến ghép kênh phân chia theo bước sóng chặt (DWDM). Mộ t AWG 64x64
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
với độ rộng kênh là 0,4nm (50 GHz) đã được báo cáo trong [OMS95]. G ần đây,
AWG độ rộng 25 GHz với 400 kênh đã được báo cáo trong [JJK+ 01].
Tần số đáp ứng của AWG là rất quan trọng cho các ứng dụng. Nó cũng
giống như tần số đáp ứng của các bộ lọc thông dải Gauss. Độ rộng tối đa tại nửa
đỉnh (FWHM) được cho bởi công thức:
2 ln 20 f
[Hz] (2.5)
FWHM
x
Nói chung, FHWM bằng khoảng 30% độ rộng kênh. Hình dáng của bộ lọc
thông dải Gauss đặt ra các giới hạn chặt chẽ cho dung sai bước sóng của các
laser diode và đòi hỏi điều khiển nhiệt độ chính xác cho cả các AWG và các
laser diode. Sự dao động tần số trong nguồn quang sẽ dẫn tới phải giảm công
suất để đạt được cùng giá trị BER tại đầu thu. Hơn nữa, độ rộng dải thông của
các AWG thác trở nên nhỏ hơn nhiều so với của bộ lọc AWG đơn chặng. Gần
đây, các bộ kết hợp kênh AWG với đáp ứng phổ phẳng đã được công bố [OS96]
[TBB+97] [KS01]. Băng thông 3 dB có thể nâng lên tới 124 GHz cho độ rộng
kênh 200 GHz và xuyên âm liên kênh từ kênh bước sóng cho trước đố i với các
kênh lân cận là nhỏ hơn -27 dB. X uyên âm xuất hiện là do ảnh hưởng của các tín
hiệu khác lên một tín hiệu mong muốn. Hệ thống WDM có hai dạng xuyên âm:
xuyên âm liên kênh và xuyên âm đồng kênh. Xuyên âm liên kênh xảy ra khi tín
hiệu xuyên âm là tại bước sóng khác so với bước sóng tín hiệu mong muốn.
Xuyên âm đồng kênh xảy ra khi tín hiệu xuyên âm có cùng bước sóng với tín
hiệu mong muố n. Nhưng nó phải trả giá bởi suy hao chèn cao hơn khoảng 3 dB.
Các AWG với đáp ứng tần số phẳng và rộng sẽ giải quyết các hạn chế đã được
đề cập ở trên. Nói chung, xuyên âm ở vào kho ảng -30dB. Do đó, giải ghép
kênh là hoàn toàn có thể đối với m ất công suất không đáng kể, nghĩa là xuyên âm
là đủ nhỏ để không làm tăng đáng kể BER.
Các thông số truyền dẫn quan trọng của một AWG và các giá trị thông số
điển hình được tổng kết trong b ảng 2.1.
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
Suy hao xen ~ 3 – 5 dB
Suy hao vượt quá ~ 0.4 dB
X uyên nhiễu khác tần ~ -30dB
số
K hoảng cách kênh (25, 50, 100, 200) GHz
~ 30% của khoảng cách
FWHM
kênh
Số lượng cổng 2 … 400
Bảng 2.1 Đặc tính của một AWG
Bảng 2.2 tổng kết các đặc tính của m ột AWG và so sánh chúng với PSC.
Chú ý rằng các AWG hỗ trợ đa truyền thông băng rộng nếu một nguồn quang
băng rộng được sử dụng ví dụ như một diode phát quang (LED). Tín hiệu đầu
vào này sẽ bị chia phổ b ởi AWG sao cho m ột phần nhỏ của tín hiệu băng rộng
đầu vào được truyền d ẫn tới mỗi cổng đầu ra tương ứng, như là được trình bày
trong phần 1.2.4. Tính bảo mật có nghĩa rằng các bước sóng chỉ được đ ịnh tuyến
tới các cổng ra tương mà chúng cần. Điều này khác với PSC lựa chọn và quảng
bá trong đó tất cả các đầu ra đều có thể nhận tất cả các bước sóng cùng một lúc.
Do vậy, nếu như cùng một bước sóng được đưa vào hai hay nhiều các cổng đầu
vào của PSC đồng thời thì xung đột kênh sẽ xảy ra tại tất cả các cổng ra của
PSC. Nói cách khác, PSC không cho phép tái sử dụng phân tập các bước sóng
tại các cổng ghép kênh đầu vào. Ngược lại, AWG định tuyến theo bước sóng
cho phép tái sử dụng bước sóng theo không gian phân tập mà không gây ra xung
đột kênh tại các cổng ra của AWG. Do đó, mộ t PSC NxN chỉ cỏ thể hỗ trợ tối đa
N truyền d ẫn đồng thời, mỗi truyền d ẫn sử dụng một bước sóng khác nhau.
Trong khi đó một AWG NxN không có một yêu cầu nào đối với các tín hiệu đến
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
và hỗ trợ tới N2 truyền dẫn đồng thời mà không gây nên xung độ t kênh tại các
đầu ra của AWG.
PSC AWG
Q uảng bá yes no
Phát theo nhóm yes no
Đ ịnh tuyến bước sóng no yes
Tái sử d ụng bước sóng theo không no yes
gian
Tính chu kỳ no yes
Suy hoa chia yes no
Tính riêng tư no yes
N ghẽn kênh yes no
N2
Số lượng truyền dẫn đồng thời N
Bảng 2.2 So sánh các đặc tính của PSC và AWG
Như vậy AWG có các ưu điểm: khoảng cách giữa các bước sóng nhỏ , số
kênh lớn, băng thông bằng phẳng ... phù hợp cho các hệ thống WDM tốc độ cao
và dung lượng lớn.
1.2.4 Các máy phát và thu
Ngoài các linh kiện đã đề cập ở trên đ ể xây dựng được một m ạng truyền
thông WDM còn cần các bộ phát và các bộ thu. Một bộ phát bao gồm một
nguồn quang, một bộ điều chế, và các thiết bị điện hỗ trợ. Một bộ thu cần một
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
bộ lọc quang, m ột photodetector, một bộ giải điều chế và các linh kiện điện hỗ
trợ.
Các nguồn quang băng thông rộng
Ánh sáng đầu ra của m ột nguồn quang băng thông rộng có dải phổ rộng
trong khoảng từ 10 -100 nm. Các LED là phổ biến nhất và rất rẻ. Vì các sản
phẩm khác có băng thông tương đố i nhỏ nên LED được ứng d ụng chủ yếu ở
những nơi mà tốc độ dữ liệu thấp hay khoảng cách truyền dẫn ngắn. Công suất
đầu ra phổ biến của chúng là 10 dBm. Tuy nhiên, các diode siêu phát quang với
công suất ra của sợi đơn mode là 18,0 dBm và độ rộng băng thông 3 dB là 35
nm đ ã có trên thị trường.
Ở tố c độ thấp, các hệ thống nhạy cảm với bước sóng có độ dự trữ nhỏ, LED
cung cấp một giải pháp rẻ so với các laser rất đ ắt. Hình 2.5 biểu thị một phần dải
phổ của một tín hiệu LED băng rộng qua một AWG định tuyến theo bước sóng.
Tại m ỗi cổ ng ra AWG một phần khác nhau của tín hiệu băng rộng gố c được tách
ra bởi các node, mỗi phần như thế mang cùng một thông tin. Do đó, một LED có
thể được chia sẻ bởi nhiều bộ thu khác nhau.
Công suất
Các lát cắt
Tín hiệu băng
rộng
3x3
AWG
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
Hình 2.5: Lát cắt phổ của tín hiệu băng rộng
Laser
Để nâng cao băng thông một cách đáng kể các laser thành phẩm khác nhau
đã được dùng. Thực ra, một laser là một bộ khuyếch đại quang bao gồm trong
một khung phản xạ mà tạo ra ánh sáng dao động thông qua phản hồi dương. Các
laser có khả năng tạo ra công suất đầu ra lớn, thường là từ 0 tới 10 dBm.
Các laser có thể là cố định với bước sóng danh nghĩa (mặc dù bước sóng
này có thể xê d ịch do nhiệt độ hoặc thời gian) hoặc là có thể chuyển đổi được,
trong đó các laser chuyển đ ổi được có thể là chuyển đ ổi liên tục hoặc rời rạc.
Chỉ có các bước sóng phù hợp với chu kỳ và chiết suất của laser mới được
khuyếch đại, một laser có thể chuyển đổi bằng cách điều khiển chiều dài khoảng
cộng hưởng và/hoặc chiết suất của môi trường khuyếch đại. Các ví d ụ phổ b iến
là cơ học, quang âm, quang điện, và các laser chuyển đổ i được tiêm dòng. Hầu
hết các laser chuyển đổi được cơ học sử dụng một buồng Fabry-Perot ngoài mà
chiều dài của nó có thể điều chỉnh được. Các laser chuyển đổi được cơ học cho
một dải chuyển đổi khá rộng lên tới 500nm nhưng thời gian chuyển đ ổi khá
chậm khoảng 1-10ms. Trong laser quang âm và laser quang điện chiết suất của
kho ảng bên ngoài được thay đổi nhờ sử dụng một cách tương ứng sóng âm hoặc
dòng điện. Mộ t laser quang âm có một dải chuyển đổi trung bình, vào khoảng
xấp xỉ 100nm với một thời gian chuyển đổ i trung bình, vào khoảng 10s. Các
laser quang điện có thể chuyển đổ i 10-15nm trong vài ns. Các laser dùng dòng
tiêm hình thành một họ các nguồn quang cho phép lựa chọ n bước sóng thông
qua lưới phản xạ, ví dụ như các laser phản xạ phân bố (DFB) và các laser phản
xạ Bragg phân bố (DBR). Việc chuyển đổi được thực hiện bằng cách thay đổi
mật độ dòng tiêm và do đó thay đổi chiết suất. Kiểu laser này thường bao gồm
nhiều phần đ ể có thể cho phép điều khiển đ ộc lập công suất và bước sóng đầu ra
của laser. Gần đây, các bộ phát đa phần chuyển đổ i nhanh có thể chuyển đổi
sang bước sóng liền kề chỉ trong 4ns và trong một khoảng rộ ng khoảng 30nm
- Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
trong vòng 15ns đã đ ược báo cáo. Đ ặc biệt, các laser SG-DBR hứa hẹn sử dụng
cho các bộ phát với dải chuyển đổi rộng và công suất đầu ra lớn.
Các dải chuyển đổi và thời gian chuyển đổi của các loại b ộ phát khác nhau
được tổng kết ở trong b ảng 2.3. Chú ý rằng thay vì các laser chuyển đổ i được có
thể sử dụng một loạt các laser cố định hoạt động ở bước sóng khác nhau hoặc
các laser đa tần số.
Kiểu bộ phát G iải điều chỉnh Thời gian điều
chỉnh
Đ iều chỉnh cơ 500 nm 1-10 ms
Q uang âm ~ 100 nm ~ 10 s
Q uang điện 10-15 nm 1-10 ns
Dòng b ơm ~ 30nm 15 ns
Bảng 2.3 Các bộ phát: Giải điều chỉnh và th ời gian điều ch ỉnh
Các bộ lọc quang
Các bộ lọ c quang được sử dụng đ ể lựa chọn m ột tín hiệu băng rộ ng hoặc
một bước sóng nằm ngoài dải răng lược WDM. Bước sóng được lựa chọn được
chuyển đổi quang điện nhờ một photodetector. Các bộ lọc quang có thể là cố
định hoặc có thể chuyển đổi được, trong khi các bộ lọc chuyển đổi được có thể
là liên tục hoặc rời rạc. Các ví dụ về bộ lọc cố định là cách tử nhiễu xạ, các bộ
lọc phim mỏng điện, và các cách tử Bragg sợi (FBGs). Các bộ lọc quang điều
chỉnh được bao gồm các bộ lọc quang điện, quang âm, nhiệt, cơ và các b ộ lọc
Fabry-Perot tinh thể lỏng.
Các bộ lọc điều chỉnh cơ bao gồm một hoặc nhiều hơn khoảng được hình
thành nhờ hai gương song song (các mặt). Bằng cách điều chỉnh cơ khoảng cách
nguon tai.lieu . vn
