Nguyên Lý Hoạt Động Của Bộ Chuyển Đổi Bước Sóng Theo Phương Pháp Cửa

Tín hiệu λs

Sóng dò λp

SLA

Bộ lọc λp

Sóng dò λp

Tín hiệu Mật độ hạt xung

Độ lợi Đầu ra sóng dò

Thời gian

Hình 2.16: Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi bước sóng theo phương pháp cửa quang.

2.3.5.3. Chế tạo bằng phương pháp giao thoa

Phương pháp giao thoa sử dụng kỹ thuật điều chế chéo pha. Khi cường độ sóng mang trong bộ khuếch đại thay đổi cùng với tín hiệu đầu vào nó sẽ làm thay đổi chiết suất của môi trường độ lợi, nên làm thay đổi pha của tín hiệu dò. Có thể chuyển từ chế độ điều pha sang chế độ điều biên bằng cách sử dụng bộ lọc MZ (Mach-Zehnder). Trong đó, hai nhánh của bộ lọc MZ có cùng chiều dài, mỗi nhánh kết hợp với bộ khuếch đại SLA. Tại đầu vào của bộ lọc MZ dùng bộ Coupler để tách tín hiệu đi theo hai nhánh của bộ lọc theo tỷ lệ không đều nhau. Do cường độ tín hiệu trên mỗi nhánh không đều nhau, nên khi đi qua các bộ SLA sẽ bị dịch pha các lượng sẽ không giống nhau. Sự lệch pha giữa hai tín hiệu này sẽ được chuyển đến một tín hiệu điều chế biên độ ở đầu ra truyền với bước sóng khác. Từ đó có thể chuyển từ một bước sóng này đến một bước sóng khác mà hệ thống cần sử dụng, được trình bày trong Hình 2.17.

γp

(CW)

1/γ

λs

Mật độ hạt mang

Pha

λp

Thời gian

Công suất λs

SLA

γ 1/γ λs

Mật độ hạt mang

Sự thay đổi pha

Công suất λp

λp

Công suất λs

Hình 2.17: Biến đổi bước sóng bằng điều chế pha sử dụng SLA có gắn bộ lọc MZ.

2.3.5.4. Chế tạo bằng phương pháp trộn bốn bước sóng

Phương pháp này sử dụng hiệu ứng trộn bốn bước sóng: nếu một sợi quang truyền đồng thời 3 bước sóng λ1, λ2, λ3 thì sẽ xuất hiện hiệu ứng phi tuyến, nên sẽ xuất hiện một sóng ánh sáng có tần số f1+f2-f3. Ứng dụng cho bộ chuyển đổi bước sóng là khi f1=f2 và đi qua bộ SLA. Giả sử, sóng vào là fs, sóng dò là fp, bộ khuếch đại SOA (Signal Optical Amplifier) được cấu hình sao cho một trong hai bước sóng được sinh ra do hiệu ứng trộn bốn bước sóng 2fp-fs và 2fs-fp nằm trong băng thông hoạt động của tín hiệu, khi đó, thực hiện được chức năng chuyển đổi bước sóng như trong Hình 2.18.

2fp-fs fs

Trộn bởi SOA

fp 2fp-fs

Bộ lọc

2fp-fs

Hình 2.18: Chuyển đổi bước sóng bằng kỹ thuật trộn bốn bước sóng.

Ưu điểm: có thể hoạt động với nhiều tốc độ bit khác nhau.

Nhược điểm: khi khoảng cách giữa fs và fp tăng thì hiệu quả chuyển đổi bước sóng giảm.

2.3.6. Bộ khuếch đại quang

Trong các tuyến truyền dẫn quang thì khi cự ly truyền dẫn xa đến một mức nào đó, suy hao tín hiệu trên đường truyền cũng như suy hao tín hiệu do các thiết bị sẽ làm cho tín hiệu tại đầu thu sẽ khó hoặc không thể khôi phục được. Khi đó, phải sử dụng các bộ khuếch đại để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền. Trước khi các bộ khuếch đại quang ra đời, thì lựa chọn duy nhất cho các tuyến truyền dẫn là sử dụng bộ lặp tái sinh để tái tạo lại tín hiệu, tức là bộ lặp nhận tín hiệu quang, chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khôi phục nó, sau đó, lại chuyển tín hiệu điện đã được khôi phục thành tín hiệu quang để phát đi. Điều này làm hạn chế tính trong suốt và tăng chi phí bảo trì hệ thống.

Kỹ thuật khuếch đại quang chiếm ưu thế hơn nhiều các bộ lặp. Bộ khuếch đại quang không phụ thuộc vào tốc độ bit và các định dạng tín hiệu. Một hệ thống sử dụng khuếch đại quang có thể dễ nâng cấp hơn nhiều, ví dụ, đến một tốc độ bit cao hơn mà không cần phải thay thế bộ khuếch đại. Hơn nữa, các bộ khuếch đại quang có băng thông lớn nên có thể được dùng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM. Nếu

không, với mỗi bước sóng phải sử dụng một bộ lặp. Kỹ thuật khuếch đại quang khắc phục được nhiều hạn chế của các trạm lặp như băng tần, cấu trúc phức tạp, tính phụ thuộc vào dạng tín hiệu, cấp nguồn hay các ảnh hưởng của nhiễu điện.

Có nhiều loại khuếch đại quang sợi như bộ khuếch đại quang SLA, bộ khuếch đại Raman, bộ khếch đại Brillouin, bộ khuếch đại EDFA. Bộ khuếch đại SLA thực hiện việc khuếch đại ánh sáng thông qua cơ chế bức xạ kích thích giống như cơ chế phát ánh sáng của các laser. Bộ khuếch đại Raman sợi lợi dụng hiệu ứng tán xạ Raman có kích thích SRS (Stimulated Raman Scattering) xảy ra trong sợi thủy tinh silic khi có một chùm sóng bơm truyền qua nó. Bộ khuếch đại Brillouin có cơ chế tương tự như bộ khuếch đại Raman sợi, nhưng có sự khác biệt là độ khuếch đại quang có từ quá trình tán xạ Brillouin có kích thích SBS (Stimulated Brillouin Scattering). Bộ khuếch đại SLA được bơm điện còn bộ khuếch đại Raman và bộ khuếch đại Brillouin được bơm quang.

Tuy nhiên, bộ khuếch đại quang được sử dụng rộng rãi trong hệ thống WDM là bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier).

Bộ khuếch đại EDFA sử dụng sợi quang có pha tạp có khả năng khuếch đại được tín hiệu ánh sáng, chúng có thể thay đổi được các đặc tính vật lý của sợi theo nhiệt độ, áp suất và có tính chất bức xạ ánh sáng. Đặc điểm của sợi này là chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu khi có kích thích phù hợp.

WDM

input

output

Bộ cách li

EDF

Bộ cách li

Hình 2.19: Bộ khuếch đại EDFA.

Ánh sáng bơm vào từ laser kết hợp với tín hiệu vào nhờ sử dụng bộ ghép WDM. Ánh sáng bơm này được truyền dọc theo sợi có pha Erbium và tín hiệu bơm này kích thích các ion Erbium lên mức năng lượng cao hơn. Sự dịch chuyển mức năng lượng của điện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra photon, được gọi là bức xạ tự phát nếu không có bất cứ tác động nào từ bên ngoài, còn được gọi là bức xạ kích thích khi có mặt của các photon chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển. Khi tín hiệu dữ

liệu được truyền đến EDFA, tín hiệu này gặp các ion Er3+ đã được kích thích ở mức

năng lượng cao. Quá trình này làm các ion chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái mức năng lượng thấp nên phát ra photon, do đó, sẽ khuếch đại công suất tín hiệu lên rồi truyền đi tiếp trong sợi quang.

Thông thường, sử dụng thêm bộ cách ly ở ngõ vào hoặc ngõ ra của bộ khuếch đại tín hiệu EDFA để ngăn chặn sự phản xạ vào trong bộ khuếch đại này.

EDFA cho hệ số khuếch đại lớn, công suất ra lớn và nhiễu thấp, nó làm việc ở vùng bước sóng 1550nm. Trong các hệ thống thông tin quang, để cho các EDFA hoạt động thì cần có nguồn bơm. Các nguồn bơm thực tế là các laser diode bán dẫn công suất cao dùng để cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA.

EDFA có các đặc điểm sau:

Một là không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi (bộ chuyển đổi O/E và E/O). Do đó, mạch sẽ trở nên linh hoạt hơn.

Hai là công suất nguồn nuôi nhỏ, nên khi áp dụng cho các tuyến thông tin vượt biển, cáp sẽ có cấu trúc nhỏ và nhẹ hơn cáp thường.

Ba là giá thành của hệ thống thấp do cấu trúc của EDFA đơn giản, trọng lượng nhỏ, khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn được nâng cao.

Ngoài ra, do EDFA có khả năng khuếch đại nhiều bước sóng trong cùng một sợi, nên nó có khả năng tăng dung lượng tốc độ lên đến 20Gbps, hoặc cao hơn khi sử dụng kỹ thuật WDM.

2.3.7. Bộ lọc

Bộ lọc quang là thiết bị chỉ cho phép một kênh bước sóng đi qua, còn tất cả các kênh bước sóng khác đều bị chặn. Nguyên lý cơ bản nhất của bộ lọc là sự giao thoa giữa các tín hiệu, bước sóng hoạt động của bộ lọc sẽ được cộng pha nhiều lần khi đi qua nó, các kênh bước sóng khác thì sẽ bị triệt tiêu về pha. Dựa vào khả năng điều chỉnh kênh bước sóng hoạt động mà bộ lọc được chia làm hai loại: bộ lọc chọn bước sóng và bộ lọc điều chỉnh được.

2.3.7.1. Bộ lọc chọn bước sóng

Bộ lọc màng mỏng có khoang cộng hưởng thuộc loại bộ lọc có bước sóng cố định. Cấu trúc gồm bộ giao thoa Fabry-Perot, trong đó, các gương tại hai phía khoang được thực hiện nhờ nhiều lớp màng mỏng điện môi phản xạ. Thiết bị này hoạt động như một bộ lọc thông dải, cho qua một bước sóng riêng và phản xạ các bước sóng khác. Bước sóng tại đầu ra của bộ lọc được xác định bởi chiều dài và chiết suất của



	Khoang 3

	Khoang 2

	Khoang 1

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 78 trang tài liệu này.

khoang cộng hưởng. Bộ lọc màng mỏng nhiều khoang cộng hưởng gồm hai hoặc nhiều khoang cách biệt với nhau bởi các màng mỏng điện môi phản xạ như trong Hình 2.20.

Bộ phản xạ điện môi

Lớp nền thuỷ tinh

Hình 2.20: Bộ lọc màng mỏng điện môi.

Thiết bị này có khả năng hình thành đỉnh trong băng thông và sườn dốc, có hàm truyền đạt ổn định khi nhiệt độ thay đổi, có suy hao thấp và không nhạy cảm phân cực với tín hiệu.

2.3.7.2. Bộ lọc điều chỉnh được

Bộ lọc điều chỉnh được tiêu biểu có thể chỉ ra là bộ lọc Fabry-Perot. Các bộ lọc điều chỉnh được thường được cấu tạo dựa trên cấu trúc laser điều chỉnh được. Bộ lọc khoang cộng hưởng Fabry-Perot được tạo thành bởi hai gương có hệ số phản xạ cao đặt song song nhau như trong Hình 2.21.

Khoang cộng hưởng Fabry-Perot

Tín hiệu vào

Phản xạ

Tín hiệu ra cùng chiều

Hình 2.21: Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Fabry-Perot.

Nguyên lý hoạt động: ánh sáng đi vào gương thứ nhất, một phần đi qua gương thứ hai, phần còn lại được phản xạ qua lại giữa hai bề mặt gương. Các photon phản xạ trở lại mặt gương thứ nhất và một phần các photon này lại tiếp tục phản xạ một lần nữa để đến mặt gương thứ hai. Chiều dài của khoang bằng bội số nguyên của nửa bước sóng truyền trong khoang, vì vậy, vòng hành trình qua khoang (tới và phản xạ) là bội số nguyên của bước sóng. Các photon truyền qua mặt gương thứ hai đồng pha với nhau, nên sóng ra khỏi khoang cộng hưởng là sóng cộng hưởng. Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc phụ thuộc vào cấu trúc của khoang và nó được tính bằng Công thức (2.5).



A 2

TFP f 

2

1 1R 

R 

2 

(2.5)

11R sin 2f 



tới.



Trong đó: A: suy hao do hấp thụ của gương.

R: độ phản xạ của gương, là tỉ số công suất sóng phản xạ so với sóng

l: chiều dài khoang cộng hưởng. τ = nl/c với c là vận tốc ánh sáng.

Dạng của hàm truyền đạt công suất của bộ lọc Fabry-Perot được đưa ra trong

Hình vẽ 2.22 với A=0 và R lần lượt bằng các giá trị 0,75; 0,9 và 0.99.

Hình 2.22: Hàm truyền đạt của bộ lọc Fabry-Parot.

Khi hệ số phản xạ của gương càng lớn thì cách ly giữa các kênh kề nhau càng tốt. Hàm truyền đạt công suất TFP(f) tuần hoàn theo f, hay nói cách khác là tuần hoàn theo λ và các đỉnh băng thông của hàm truyền đạt xảy ra tại các tần số thoả mãn điều kiện f.τ =k/2, với k là số nguyên dương. Vì vậy, trong hệ thống WDM, nếu các bước sóng cách nhau đủ xa so với mỗi dải thông hàm truyền đạt bộ lọc thì một bước sóng trùng với dải thông bộ lọc đều đi qua được bộ lọc. Phạm vi phổ nằm giữa hai dải thông kề cận của bộ lọc được gọi là phạm vi phổ tự do, kí hiệu là FSR. Độ rộng mỗi dải thông của bộ lọc là độ rộng đầy đủ tại một nửa giá trị cực đại của hàm truyền đạt (FWHM). Trong các hệ thống WDM thì cần phải chú ý đến số lượng các bước sóng sử dụng và các bước sóng này phải nằm trong một FSR của bộ lọc. Vì vậy, tỷ số FSR/FWHM là một số đo gần bằng số lượng các bước sóng thích hợp với hệ thống. Tỷ số này được gọi là hệ số phân biệt F của bộ lọc và được xác định theo Công thức (2.6).

F R

(2.6)

1R

Bộ lọc Fabry-Perot có thể điều chỉnh để lựa chọn các bước sóng khác nhau. Giải pháp đơn giản nhất là thay đổi chiều dài của khoang, hoặc thay đổi chiết suất bên trong khoang. Xét một hệ thống WDM có tất cả các bước sóng đều nằm trong một FRS của bộ lọc Fabry-Perot, thì tần số f0 mà bộ lọc cần chọn thỏa mãn điều kiện f0k /2 đối với một vài số nguyên dương của k. Vì vậy, f0 có thể thay đổi nhờ thay đổi τ là thời gian truyền theo một hướng của ánh sáng trong khoang. Nếu kí hiệu chiều dài của khoang là l, n là chiết suất của khoang thì τ =l.n/c, như vậy, τ thay đổi khi thay đổi l hoặc n.

Điều chỉnh cơ khí của bộ lọc có thể hiệu quả nếu dịch chuyển một gương phản xạ để thay đổi chiều dài của khoang cộng hưởng. Điều này chỉ cho phép điều chỉnh thời gian một vài ms. Đối với điều chỉnh cơ khí, bộ lọc Fabry-Perot phải đảm bảo độ chính xác về mặt cơ khí, nghĩa là duy trì hai gương song song với nhau khi một gương dịch chuyển. Tuy nhiên, khó có thể đảm bảo được độ chính xác này.

Một giải pháp khác là sử dụng vật liệu áp điện làm khoang. Bộ lọc áp điện chịu nén khi đặt lên nó một điện áp. Do chiều dài của khoang có vật liệu như vậy, nên có thể thay đổi nhờ điện áp, do đó, làm thay đổi tần số cộng hưởng của khoang. Tuy nhiên, vật liệu điện áp phát sinh hiệu ứng không ổn định nhiệt và từ trễ nên khó có thể ứng dụng bộ lọc như vậy trong thực tế.

CHƯƠNG 3: ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG HỆ THỐNG WDM‌‌

3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Trong mạng quang định tuyến bước sóng, người sử dụng liên lạc với nhau qua các kênh thông tin quang được gọi là các lightpath. Lightpath là một đường đi của tín hiệu ánh sáng từ nguồn đến đích dưới dạng quang thông qua các kết nối trung gian. Một lightpath có thể kéo dài qua nhiều tuyến truyền dẫn để cung cấp một kết nối chuyển mạch mạch giữa hai node mà có thể chứa một luồng lưu lượng lớn giữa chúng.

Khi các lightpath thực hiện việc mang thông tin từ một node nguồn đến một node đích nào đó thì nó cần được định tuyến và gán bước sóng. Định tuyến và gán bước sóng cho lightpath là vấn đề hết sức quan trọng và xảy ra thường xuyên trong mạng.

Chương này sẽ nói rõ về việc định tuyến và gán bước sóng cho các lightpath, các thuật toán thực hiện định tuyến và các phương pháp gán bước sóng trong mạng WDM.

3.2. GIỚI THIỆU VỀ ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG (ROUTING AND WAVELENGTH ASSIGNMENT - RWA).

Khi một lightpath được chọn và xác định, mỗi lightpath cần được định tuyến và gán bước sóng cho nó. Từ đó đặt ra bài toán định tuyến và gán bước sóng.

Định tuyến là vấn đề tìm đường giữa hai node bất kì trong mạng để thoả mãn một mục đích nào đó, thuật ngữ gọi là để tối ưu hàm mục tiêu (cost function). Vấn đề này rất quen thuộc và rất quan trọng trong mạng. Thông thường định tuyến trong IP sử dụng thuật toán tìm đường Dijkstra, với hàm mục tiêu là các metric quen thuộc như băng thông, độ trễ, chi phí tuyến, …

Trong mạng quang, tìm đường được hiểu theo hai khía cạnh, đó là tìm đường vật lí mang được mẫu lưu lượng yêu cầu (Routing) và đưa ra bước sóng phù hợp để mang lưu lượng trên mỗi link dọc path (Wavelength Assignment) trong số các bước sóng cho phép (bởi mỗi path gồm một số fiber, mà trên mỗi fiber này, bạn có thể có W sub-chanels, cũng là W bưóc sóng và W lựa chọn cho yêu cầu kết nối hiện tại). Vấn đề này được viết tắt là RWA. Khi tìm được một path vật lí và đánh dấu bước sóng trên các link dọc theo path đó, thì chúng ta có một đường quang, còn gọi là lightpath (LP). Rắc rối đặt ra đối với bài toán RWA là nó đưa ra hai điều kiện sau: