fo systems ch10 wdm
Post on 26-Mar-2015
110 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
167 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
Chapter 10. Wavelength-Division
Multiplexing
10.1. Introduction
In the chapter 9, we have been concerned
only with links that carry a single
wavelength. Despite the high capacity of an
optical channel, most current systems use
only one wavelength for carrying
information. In order to increase the
capacity of a link or to use innovative
wavelength addressing ideas in networks,
links utilizing multiple wavelengths are
becoming increasingly popular.
We have seen, as illustrated in Fig. 10.1, that
optical fiber have relatively broad region of
low loss that could support the operation of
the link with more than one source. Since
we have the ability to control the operating
wavelength of the semiconductor emitters
through the alloy composition or through the
grating spacing in the distributed-feedback
(DFB) lasers or distributed Bragg reflector
(DBR) lasers, it is possible to hypothesize a
link that would carry several wavelengths,
as illustrated in Fig. 10.2.
Chương 10. Ghép kênh
phân bước sóng
10.1. Giới thiệu
Trong chương 9 chúng ta đã tìm hiểu về các
đường truyền chỉ mang một bước sóng. Mặc
dù kênh truyền SDQ có khả năng rất cao,
hầu hết các hệ thống hiện nay chỉ dùng một
bước sóng để tải thông tin. Để tăng khả năng
của một đường truyền và ứng dụng các ý
tưởng mới liên quan đến bước sóng trong
các mạng, các đường truyền sử dụng đa
bước sóng đang dần dần trở thành phổ biến.
Hình 10.1 cho thấy SDQ có những vùng
tương đối rộng với suy hao thấp, có thể hổ
trợ hoạt động của đường truyền với nhiều
nguồn phát quang cùng một lúc. Với các loại
laser như DFB và DBR, người ta có thể
kiểm soát được bước sóng làm việc của nó
qua thành phần các hợp chất hoặc qua
khoảng cách của các cách tử, điều này hổ
trợ khả năng thiết lập một đường truyền
cùng lúc mang nhiều bước sóng (hình 10.2).
λ1 Channel 1
Multi-
plexer
λ2 Channel 2
λ3 Channel 3
λ4 Channel 4
Demulti-
plexer
λ1
λ2
λ3
λ4
Channel 1
Channel 2
Channel 3
Channel 4
λ1 λ2 λ3 λ4
Figure 10.2. System using wavelength dividion multiplexing
Figure 10.1. Underutilized optical
bandwidth in a single-source
multimode system.
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
168 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
At the receiving end, filters, or other
wavelength-sensitive elements, such as
gratings, would separate the wavelengths
and each carrier would fall on a separate
receiver for detection. Since the wavelengths
are used to share (or multiplex) the channel,
the technique is called wavelength-division
multiplexing (WDM). Early efforts separated
the channels by about 10nm; current efforts
have separations of 1nm or less. These
current efforts are called dense WDM to
distinguish them from the earlier, wider
separations.
Bidirectional links are also possible in
WDM systems by intermixing sources and
receivers at each end, as shown in Fig. 10.3.
The optical fiber passband extends roughly
from 800nm to 1600nm. Three fiber-optic
transmission windows are identified near
850nm, 1300nm, 1550nm.
Multimode systems operating at 850nm
have bandwidth-distance products of
1GHz.km (attained with graded-index
fibers).
As seen in Fig. 10.4, there are about
14,000GHz of low-loss bandwidth in the
1300nm region of a typical single mode
fiber. Single mode fibers operating at
1300nm have losses of about 0.4dB/km.
The dispersion of a single mode fiber
with a 10µm core and a Δ of about 0.5%
is zero at about 1300nm, with a
representative dispersion in the 1260nm
to 1360nm window of about 4ps/km/nm.
(Recall that the effects of dispersion
become apparent when the dispersion
exceeds about 20% of the bit period).
Ở đầu thu, các bộ lọc quang hoặc các thiết
bị tách bước sóng khác, như là các cách tử,
sẽ phân chia các bước sóng khác nhau ra,
định hướng mỗi ánh sáng tải tin đến một bộ
thu để được tách sóng. Bởi vì nhiều bước
sóng khác nhau được ghép vào trong một
kênh truyền, người ta gọi kỹ thuật này là
ghép kênh phân bước sóng (WDM). Trước
đây, người ta đã chế tạo được các bộ WDM
có bước sóng cách nhau khoảng 10nm,
nhưng hiện nay đã có những thiết bị ghép
kênh với các bước sóng cách nhau 1nm hay
nhỏ hơn được gọi là dense WDM (DWDM).
Các đường truyền song phương cũng hoạt
động được trong các hệ thống WDM bằng
cách phối hợp các nguồn phát quang và bộ
thu ở mỗi đầu (hình 10.3). Do đặc tính suy
hao của SDQ, có ba cửa sổ truyền dẫn được
dùng là các bước sóng lân cận của 850nm,
1300nm và 1550nm.
850nm: Các hệ thống SDQ đa mode
hoạt động ở 850nm có tích số băng
thông-khoảng cách khoảng 1GHz.km
dùng SDQ graded-index.
1300nm: Như cho thấy trong hình 10.4,
có khoảng 14000GHz dải thông trong
vùng 1300nm của một SDQ đơn mode.
Các SDQ đơn mode có suy hao ở trong
cửa sổ thứ hai này khoảng 0.4dB/km.
Tán sắc của SDQ đơn mode với đường
kính core 10µm và một độ chênh lệch
chiết suất Δ khoảng 0.5% sẽ bằng 0 ở
bước sóng 1300nm. Tán sắc trong cửa sổ
1260nm đến 1360nm trong khoảng
4ps.km-1
.nm-1
. (Nhắc lại rằng tác động
của tán sắc sẽ thấy rõ ràng khi nó vượt
quá khoảng 20% độ rộng bit dữ liệu).
Figure 10.3. Bidirectional WDM system
Tx, λ1 Channel 1
WDM
Rx, λ2 Channel 2
Rx, λ1
Tx, λ2
Channel 1
Channel 2 λ2
WDM λ1
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
169 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
As also seen in Fig. 10.4, there are about
15,000GHz of low-loss bandwidth in the
1550nm region of a typical single mode
fiber. Single mode fibers operating at
1550nm have losses of about 0.2dB/km
with a typical dispersion of 18ps/km/nm.
This dispersion can be reduced if
dispersion-shifting techniques are
applied to move the minimum-dispersion
wavelength up to the 1550nm window or
by decreasing the source linewidth.
For long-distance high-data-rate links, then,
the usable windows are from 1250 to
1350nm and from 1450 to 1600nm, allowing
a combined optical window of 250nm.
Other factors can limit the use of single
mode fibers in multi-wavelength
applications. The fiber ceases to be single
1550nm: Cũng trong hình 10.4, có
khoảng 15000GHz dải thông với suy hao
thấp trong vùng 1550nm của SDQ đơn
mode điển hình. Suy hao ở đây thấp nhất
với trị số là 0.2dB/km và tán sắc tiêu
biểu là 18ps/km/nm. Tán sắc này có thể
được giảm xuống nhờ kỹ thuật dịch tán
sắc, di chuyển bước sóng có tán sắc tối
thiểu vào vùng 1500nm, hoặc làm giảm
độ rộng phổ của nguồn phát quang.
Với các hệ thống truyền tin có tốc độ cao và
khoảng cách xa thì các khoảng bước sóng
hữu dụng là từ 1250nm đến 1350nm và từ
1450nm đến 1600nm. Phối hợp các khoảng
này cho ta một cửa sổ ánh sáng rộng 250nm.
Các vấn đề khác có thể giới hạn việc sử
dụng SDQ đơn mode trong các ứng dụng đa
bước sóng là: SDQ sẽ không hoạt động
Ví dụ. Hãy tính độ rộng của cửa sổ 1300nm và 1550nm trong hình 10.4 bằng nm.
Giải.
Ta có 𝑣 = 𝑐/𝜆 , nên 𝑑𝑣
𝑑𝜆= −
𝑐
𝜆2 , do đó Δ𝑣 =
𝑐
𝜆2 Δ𝜆 , hay Δ𝜆 =
𝜆2
𝑐 Δ𝑣
Tại λ=1300nm:
Δλ = 1300×10−9
2 14000×109
3×108= 78.9𝑛𝑚
Tại λ=1500nm:
Δλ = 1550×10−9
2 15000×109
3×108= 120.1𝑛𝑚
Figure 10.4. Spectral windows in single mode fibers.
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
170 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
mode if the wavelength of the source is
below the cutoff wavelength λc of the fiber.
At longer wavelengths, a fiber becomes
more susceptible to microbending losses.
Additionally, commercial semiconductor
laser sources do not exist over much of the
band but probably could be engineered.
10.2. Wavelength-Selective WDM vs.
Broadband WDM
Wavelength-division multiplexing can be
divided into wavelength-selective
techniques and broadband techniques.
10.2.1. Wavelength-selective WDM
The wavelength-routed WDM technique is
illustrated in Fig. 10.5a. Each source
operates at a separate, assigned wavelength.
The power from all sources is combined
(ideally) without loss. The demultiplexer at
the receiving end is wavelength-sensitive; it
separates each wavelength into a different
route to a receiver; the route being unique to
that wavelength. (The separation is, again,
ideally lossless). The multiplexing and
demultiplexing can be achieved with low
insertion loss, as all of the power at a given
wavelength is (in theory) directed along only
one path; the other wavelengths go along
separate paths. Neglecting the insertion loss
of the couplers, then we have Eq. 10.1.
The amount of light that leaks from one
channel into another is called the crosstalk.
In incoherent systems, such as we are
describing, the crosstalk CT from channel j
into channel i is expressed by Eq. 10.2,
where Pij is the power measured in channel i
when only channel j is active and Pii is the
power in channel i when it is the only
channel that is active.
The crosstalk can be expressed either pair-
wise, as just described, or in total as Eq.
10.3, where the numerator is the sum of the
power from all of the other channels as
measured in channel i.
trong chế độ đơn mode đối với bước sóng
nhỏ hơn bước sóng giới hạn λc của SDQ. Tại
các bước sóng dài hơn, SDQ trở nên nhạy
cảm hơn với microbending. Ngoài ra, các
nguồn phát laser hiện nay cũng chưa có đủ
cho cả dải tần, tuy nhiên người ta vẫn đang
tiến hành chế tạo các laser mới.
10.2. Các loại kỹ thuật WDM
WDM có thể chia thành hai loại là WDM
chọn bước sóng và WDM dải rộng.
10.2.1. WDM chọn bước sóng
Kỹ thuật WDM chọn bước sóng được giới
thiệu trong hình 10.5a. Mỗi nguồn phát
quang hoạt động ở một bước sóng xác định.
Công suất từ các nguồn phát được phối hợp
(một cách lý tưởng) không bị suy hao. Thiết
bị tách kênh ở đầu thu phân chia mỗi bước
sóng vào một đường khác nhau đến một
máy thu. Thiết bị ghép kênh và phân kênh
có thể đạt được với suy hao chèn thấp, vì tất
cả công suất tại một bước sóng chỉ hướng
theo một đường, các bước sóng còn lại đi
theo các đường khác. Bỏ qua suy hao của
các bộ ghép, ta có:
𝑃𝑜𝑢𝑡 𝜆𝑗 = 𝑃𝑖𝑛 𝜆𝑗 (10.1)
Ánh sáng rò rỉ từ kênh này sang kênh khác
gọi là nhiễu xuyên kênh. Trong các hệ thống
nhất quán (coherent) như ta đang miêu tả,
nhiễu xuyên kênh CT từ kênh j vào kênh i
được tính:
𝐶𝑇𝑖𝑗 = 10𝑙𝑜𝑔 𝑃𝑖𝑗
𝑃𝑖𝑖 (10.2)
với Pij là công suất được đo trong kênh i khi
chỉ có kênh j hoạt động và Pii là công suất
trong kênh i khi nó là kênh duy nhất làm
việc. Xuyên kênh có thể được diễn tả hoặc
là từng cặp như ta vừa mô tả, hoặc tổng
cộng như sau:
𝐶𝑇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 10𝑙𝑜𝑔 𝑃𝑖𝑗𝑗
𝑃𝑖𝑖 (10.3)
trong đó tử số là tổng công suất từ tất cả các
kênh khác đo được trong kênh i.
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
171 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
9.2.2 Broadcast- and- Select Techniques
The broadcast-and-select techniques (Fig.
10.5b) combines the powers of the sources
at the transmitting end and then divides this
total, combined signal power at the receiver
end.
In the arrangement shown each transmitter is
preassigned affixed wavelength. All
wavelengths are broadcast to all receivers;
each receiver requires its own filter to
separate the channels. The divided power
reaching each receiver is filtered for the
desired wavelength, which is then passed to
the detector (similar to commercial TV
broadcasts).
In these systems, simple splitters and
combiners are used to combine and split the
signals, resulting in a loss of 1/N for each
device. The overall loss, then, is 1/N2, as
illustrated. Hence, we have in significant
power loss in each channel, express by
(neglecting insertion losses) Eq. 10.4. The
losses of the splitter are 1/N or 10logN dB
(excluding any excess losses). While this
loss penalty can be severe without the use of
compensating optical amplifiers, the
broadband technique has some advantages.
The sources need only to be tuned within the
passband of the spectral filter, a fairly
generous spectral width. The minimum
channel spacing depends on the steepness of
the passband filter characteristics and the
amount of crostalk that can be tolerated.
Suitable receiver filtering elements include
10.2.2. Kỹ thuật Broadcast-and-Select
Kỹ thuật broadcast-and-select (hình 10.5b)
phối hợp công suất từ các nguồn tại đầu cuối
máy phát và sau đó phân chia công suất tín
hiệu phối hợp này ở đầu thu.
Trong hình này ta thấy mỗi máy phát được
dành cho một bước sóng cố định trước. Tất
cả các bước sóng được phát đến tất cả các
máy thu, mỗi máy thu cần có bộ lọc riêng
của nó để phân kênh. Công suất được phân
chia, chạy đến mỗi bộ thu, lọc lấy bước sóng
mong muốn, rồi chạy đến bộ tách sóng,
tương tự như kỹ thuật thu trong các chương
trình phát hình thương mại.
Trong các hệ thống này, các bộ combiner và
splitter được dùng để phối hợp và phân chia
các tín hiệu, đưa đến một suy hao là 1/N cho
mỗi thiết bị, nên tổng suy hao là 1/N2. Như
vậy có một suy hao đáng kể trong mỗi kênh:
𝑃𝑜𝑢𝑡 𝜆𝑗 =𝑃𝑖𝑛 𝜆𝑗
𝑁2 (10.4)
Suy hao của bộ splitter là 1/N hoặc 10logN
(dB). Mặc dù sự mất mát do suy hao này có
thể nghiêm trọng nếu không có các bộ
khuếch đại quang bù lại, kỹ thuật băng rộng
cũng có vài ưu điểm: (1) Các nguồn phát chỉ
cần được điều chỉnh để lọt vào trong dải
thông của thiết bị lọc phổ. (2) Khoảng cách
tối thiểu giữa các kênh lệ thuộc vào đặc tính
độ dốc của các thiết bị lọc dải thông. (3)
Chấp nhận xuyên kênh lớn. (4) Có các loại
bộ lọc thu thích hợp như bộ lọc Fabry-Perot,
bộ khuếch đại laser bán dẫn điều chỉnh
được, các bộ lọc tích hợp, và các bộ thu
Figure 10.5. (a) Wavelength-routed multiplexing. (b) Broadcast-and-select multiplexing.
Multi-
plexer
λ2 Demulti-
plexer
λ1
λn
λ2
λ1
λn
𝑃 = 𝑃(𝜆𝑗 )𝑗
N×1 λ2 1×N
λ1
λn
λ2
λ1
λn
𝑃 = 𝑃(𝜆𝑗 )𝑗
𝑁
Filter 1
Filter 2
Filter n
Power
combiner
Power
splitter
𝑃𝑗 ,𝑜𝑢𝑡 = 𝑃(𝜆𝑗 )𝑗
𝑁2
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
172 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
Fabry-Perot etalons, tuned semiconductor
laser amplifiers, integrated filters, and
heterodyne receivers. In addition, the
broadband system is an agile system for
military applications, since the source
wavelengths and receiver filters can be
easily switched without disturbing the
distribution system. We now want to
consider some of the optical components
used in WDM system.
10.3. Multiplexers
Broadband WDM systems use the power
splitters and combiners. The bandwidth of
wavelength-flattened fused combiner or
splitter can be as much as 400nm, which is
more than adequate for the postulated
window extending from 1250nm to 1600nm.
Wavelength-selective WDM systems require
multiplexing that can be carried out by a
variety of techniques including diffraction
gratings, spectral filters, or directional
couplers. The elements that separate the
wavelengths are of two types, angularly
dispersive devices and filter devices.
10.3.1 Angularly Dispersive devices
Angularly dispersive devices are optical
devices that transmit or reflect light at an
angle that depends on the wavelength of the
incident light. The angular dispersion of the
device is the measure of the angular spread
dθ between two beams that are spatially
coincident at the input with wavelengths
separated by dλ. The angular dispersion is
given by dθ/dλ. Angular dispersion can be
converted into lateral displacement by the
addition of a lens (Fig. 10.6). Here, the
dispersive device is placed in the front focal
plane of the rear lens and the detector inputs
are located in the back focal plane.
Hình 10.6. Thiết bị tán sắc góc.
heterodyne. (5) Hệ thống băng rộng là một
hệ thống phù hợp cho các ứng dụng trong
quân đội, an ninh,… vì các bước sóng nguồn
phát quang và các bộ lọc đầu thu có thể dễ
dàng chuyển đổi mà không ảnh hưởng đến
hệ thống phân phối kênh.
Sau đây chúng ta sẽ xem xét vài thiết bị
quang được dùng trong các hệ thống WDM.
10.3. Bộ ghép kênh quang
Các hệ thống WDM dải rộng dùng các loại
power splitter và combiner. Các loại này có
dải thông phẳng và rộng đến 400nm, rất phù
hợp với vùng bước sóng bao trùm hai cửa sổ
có suy hao thấp từ 1250nm đến 1600nm.
Còn các hệ thống WDM chọn bước sóng
cần các thiết bị multiplexer và
demultiplexer. Chúng có thể được thực hiện
bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm
cách tử nhiễu xạ, bộ lọc quang phổ, hoặc
directional coupler. Thiết bị phân chia các
bước sóng gồm hai loại: angularly
dispersive devices (thiết bị tán sắc góc) và
filter devices.
10.3.1. Thiết bị tán sắc góc
Đây là các loại thiết bị quang học mà ánh
sáng khúc xạ hay phản xạ phụ thuộc vào
bước sóng của ánh sáng tới. Ta có thể hiểu
một cách đơn giản như sau: Hai tia sáng
song song có bước sóng khác nhau một
lượng dλ sau khi qua thiết bị này sẽ cho ra
hai tia sáng lệch nhau một góc dθ . Tán sắc
góc được cho bởi dθ/dλ. Tán sắc góc có thể
được biến đổi thành sự dịch chuyển bên
(lateral) bằng việc thêm vào một thấu kính,
như trong hình 10.6. Ở đây, thiết bị tán xạ
được đặt ở mặt phẳng tiêu cự trước của thấu
kính sau và các đầu vào của bộ thu được đặt
ở mặt phẳng tiêu cự sau.
f
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
173 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
10.3.2. Filtering devices
Filtering devices reflect or transmit light
depending on the wavelength. Several types
of filtering devices can be used to separate
the wavelengths. Table 10.1 shows
representative bandwidths that can be
achieved with each type of filter.
Interference filters. Most optical filters
used in this application are multilayer
dielectric stacks to provide a sharp change in
reflectivity at the desired wavelength and to
minimize the insertion loss. The filters
typically pass one wavelength and reflect all
other wavelengths more than 10%
(typically) away from the center wavelength
of the filter. (With more complex designs,
the spacing can be made to be 1% or even
0.1% of the center wavelength). For
operation with more than two channels, a
series arrangement of several filters
becomes necessary, with increasingly large
insertion losses for the combination of
filters. Only cascades of two or three filters
are practical for use, due to their relatively
high insertion loss, limiting broadband
systems operation to five or six separate
wavelength channels.
Fabry-Perot resonator filters. The Fabry-
Perot resonator is a bandpass optical filter
that transmits a narrow band of wavelengths
and reflects others. The transmission
frequencies of the fiber occur every c/2L,
where L is the spacing between the mirrors
of the resonator. This period is called the
free spectral range, FSR, of the
interferometer. The 3dB frequency widths of
the filter passband is Δf and is related to the
FSR by the finesse F of the filter by
10.3.2. Các thiết bị lọc
Các thiết bị lọc có tính chất phản chiếu và
truyền ánh sáng phụ thuộc vào bước sóng.
Nhiều loại thiết bị lọc được dùng để tách
bước sóng. Bảng 10.1 cho thấy các dải
thông của các loại thiết bị lọc.
Interference Filter (Lọc giao thoa). Phần
lớn các thiết bị lọc quang được dùng trong
ứng dụng này gồm nhiều lớp chồng nhau
bằng điện môi để đạt được một sự thay đổi
đột ngột trong phản xạ ở các bước sóng
mong muốn và làm giảm tối thiểu suy hao
chèn. Các gương lọc thường cho đi qua một
bước sóng và phản xạ tất cả các bước sóng
khác cách xa bước sóng trung tâm của nó
hơn 10%. (Với các thiết kế phức tạp hơn,
khoảng cách này có thể đạt tới 1% hay nhỏ
đến 0.1% so với bước sóng trung tâm). Với
hoạt động nhiều hơn hai kênh, cần phải sắp
xếp nối tiếp nhiều gương lọc với nhau, và do
đó suy hao chèn cũng tăng lên đáng kể. Vì
vậy trong thực tế người ta chỉ có thể dùng
hai đến ba gương lọc tùy theo mức độ suy
hao chèn cho phép, do đó các hệ thống băng
rộng cũng bị giới hạn trong phạm vi năm
đến sáu kênh riêng lẻ.
Fabry-Perot resonator filters (lọc cộng
hưởng). Thiết bị cộng hưởng Fabry-Perot là
một gương lọc quang thông dải, truyền một
băng hẹp các bước sóng và phản xạ các
bước sóng khác. Các tần số truyền của bộ
lọc xuất hiện cứ mỗi c/2L, với L là khoảng
cách giữa các gương của bộ cộng hưởng.
Chu kỳ này được gọi là free spectral range
(FSR) của interferometer (giao thoa kế). Độ
rộng 3dB của bộ lọc thông dải là Δf và liên
quan với FSR qua độ mịn F của bộ lọc bởi:
Table 10.1. Typical channel bandwidths for different filtering techniques.
Method Typical channel bandwidth
Interference filters 5nm
Fabry-Perot filter 0.1 – 10nm
Tuned semiconductor amplifier 1 – 10GHz
Heterodyne receiver 1 – 10GHz
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
174 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
Eq. 10.5, where 𝐹 = 𝜋 𝑅/(1− 𝑅) and R is
the reflectivity of the resonator mirrors. The
minimum transmission between the peaks is
(π/2F)2.
Semiconductor amplifier filters. A diode
laser that is pumped below threshold is a
tuned bandpass amplifier with a narrow
passband. The center frequency is
determined by the composition of the
material. Using a distributed-feedback
(DFB) laser or a distributed-feedback
reflector (DFR) laser with multiple
electrodes (Fig. 10.7) allows one to adjust
the amplified wavelength. In the DFB
amplifier (Fig. 10.7a), one current input can
be used for the pump while the other is used
to control the nominal center wavelength of
the amplifier. In the DFR amplifier, the
current I1 varies the optical periodicity of the
reflector (and, hence, the center wavelength
of the amplifier), the current I2 controls the
phase of the amplifier, and the current I3
controls the pump power or gain of the
amplifier.
Coherent detection with electronic filters. Once a source with a linewidth smaller than
the signal bandwidth is possible, coherent
detection techniques become possible. In
these techniques, the signal is mixed with a
frequency-shifted reference signal from a
frequency-locked local laser. The signals
mix coherently on the detector, generating a
difference frequency (called intermediate
frequency). The channel spacing of the
Δf = FSR / F (10.5)
với 𝐹 = 𝜋 𝑅/(1− 𝑅) và R là độ phản xạ
của các gương cộng hưởng. Khoảng truyền
cực tiểu giữa các đỉnh là (π/2F)2.
Các thiết bị lọc bán dẫn khuếch đại. Một
laser diode được bơm dưới dòng ngưỡng sẽ
là một bộ khuếch đại thông dải được điều
chỉnh với một dải thông hẹp. Tần số trung
tâm được xác định bởi thành phần của vật
liệu. Sử dụng một laser DFB (distributed-
feedback) hoặc laser DFR (distributed-
feedback reflector) với nhiều điện cực (hình
10.7) ta có thể điều chỉnh được bước sóng
khuếch đại. Trong bộ khuếch đại DFB (hình
10.7a), một dòng điện vào có thể dùng để
bơm trong khi một dòng điện khác dùng để
kiểm soát bước sóng trung tâm của bộ
khuếch đại. Còn trong bộ khuếch đại DFR
dòng điện I1 thay đổi chu kỳ của gương phản
chiếu (và theo đó là bước sóng trung tâm
của bộ khuếch đại), dòng I2 kiểm soát pha,
và dòng I3 kiểm soát công suất bơm hoặc độ
lợi của bộ khuếch đại.
Tách sóng nhất quán với các bộ lọc điện
tử. Khi một nguồn phát quang có độ rộng
phổ nhỏ hơn dải thông của tín hiệu, thì kỹ
thuật coherent detection có thể được ứng
dụng. Trong kỹ thuật này, tín hiệu được trộn
với một tín hiệu chuẩn đã được dịch tần số
từ một laser nội có tần số cố định. Các tín
hiệu được trộn một cách đồng nhất trên đầu
thu, tạo ra một tần số chênh lệch, gọi là tần
số trung gian. Khoảng cách kênh của các tín
Figure 10.7. (a) A distributed-feedback (DFB) amplifier.
(b) A distributed-reflector (DFR) amplifier with multiple control electrodes.
(b) (a)
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
175 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
detected signals is determined by the
bandwidth of the modulated signal
(dependent on the type of modulation used
and the data rate) and the receiver
arrangement used. This detection method
allows the use of narrow channels that are
separated in the electronic processing
subsystem of the receiver where precision
electronic filters can be used, rather than
filtering in the optical regime where
separation filters are still fairly crude and
primitive in terms of the minimum channel
width.
10.4. Sources
To make WDM systems possible, we would
ideally have a powerful source with
sufficient stability and tunability to allow
rapid selection of the desired wavelength.
Table 10.2 illustrates some candidate
sources that we want to discuss.
LEDs: The wide bandwidth of LED is
usually considered a disadvantage, due to
the resulting fiber dispersion. It is possible,
however, to pass the output through a
spectral filter to narrow the spectral width of
this source; this technique is called spectral
slicing. This method has the advantage of
allowing use of several of the same
relatively inexpensive LEDs as the sources
and, using different filters, selecting the
operative wavelengths. The selective
filtering further reduces the already meager
power available from the source, however.
The reduction in power is proportional to
bandwidth reduction, making this technique
practical only for short-distance, low-data-
rate links.
hiệu thu được xác định bởi dải thông của tín
hiệu được điều chế (phụ thuộc vào loại điều
chế được dùng và tốc độ dữ liệu) và sự sắp
xếp của bộ thu. Phương pháp tách sóng này
cho phép sử dụng các kênh hẹp được phân
cách trong hệ thống thứ cấp xử lý điện tử
của máy thu. Sai số trong phương pháp này
phụ thuộc độ chính xác của các bộ lọc điện
tử, tốt hơn là phụ thuộc độ chính xác của các
bộ lọc quang. Các gương lọc quang hiện nay
vẫn còn tương đối thô và lạc hậu so với
khoảng cách kênh tối thiểu.
10.4. Nguồn phát quang
Để các hệ thống WDM có thể hoạt động,
chúng ta phải có một nguồn phát quang đủ
mạnh, độ ổn định công suất và bước sóng
cao, và phải có khả năng điều chỉnh cho
phép chọn lọc nhanh bước sóng mong
muốn. Bảng 10.2 giới thiệu độ rộng phổ của
vài nguồn phát.
LED. Dải thông rộng của LED thường được
xem là điểm bất lợi, do liên quan đến tính
chất tán sắc của SDQ. Tuy nhiên, người ta
có thể đạt được một độ rộng phổ hẹp hơn
khi cho tín hiệu phát ra đi qua một gương
lọc phổ ánh sáng. Kỹ thuật này được gọi là
spectral slicing. Phương pháp này có ưu
điểm là cho phép sử dụng nhiều LED (tương
đối rẽ tiền) cùng loại làm nguồn phát, rồi
dùng các gương lọc khác nhau để chọn các
bước sóng hoạt động. Tuy nhiên phương
pháp lọc chọn lọc này làm giảm đi công suất
vốn dĩ đã yếu của nguồn phát LED. Suy
giảm công suất kéo theo giảm băng thông,
do đó kỹ thuật này trong thực tế chỉ thích
hợp cho các đường truyền cự ly ngắn với tốc
độ dữ liệu thấp.
Table 10.2. Typical spectral widths for different sources.
Type Typical spectral width (m) Typical spectral width (Hz)
LED 50 – 100nm (or more) 5000 – 10000GHz
Fabry-Perot laser 3 – 6nm 300 – 600GHz
DFB laser < 0.01nm 10 – 100MHz
External cavity laser < 1MHz
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
176 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
Fabry-Perot (FP) Diode Lasers. They will
typically have 6 to 8 modes oscillating with
a spacing of c/2L between them. For these
lasers the center wavelength has a typical
tolerance of ±3nm and a typical linewidth of
6nm. A representative tolerance on the
multiplexer/demultiplexer is ±1nm, so the
best available channel spacing is about
14nm. (Note that the laser needs to be
temperature-controlled, since the center
wavelength has a temperature coefficient of
about 0.4nm/0C). Allowing a guard band
between channels that is equal to the
channel width itself, we find that we need to
allocate about 28nm per channel and that
our 100nm and 150nm wide windows can
accommodate 3 and 5 channels,
respectively, for a total of 8 channels.
DFB Diode Lasers. They allow single-
mode operation and offer a low temperature
sensitivity of about 0.08nm/0C, as well. The
typical spectral width of the output is 10 to
100MHz. This is smaller than the signal
spectral width (for high data rates) or the
wavelength “chirp” that accompanies the
output of these lasers when pulsed. (The
chirp can be as much as several 10s GHz [or
several tenths of a nm]. This chirp can be
removed by using a CW laser as a source
and using an external modulator to modulate
the data onto the light). The channel width
can be estimated from a source center
wavelength tolerance of ±0.5nm (assuming a
temperature-controlled laser), a chirp
tolerance of ±0.2nm, and a filter tolerance of
±1nm. The actual channel width is about
3.5nm and, adding a guard band equal to the
channel width, the allocated channel width
would be about 7nm. Therefore, we could
have 14 and 21 channels in our respective
fiber transmission window.
Frequency-Locked Lasers. A laser can be
phase-locked to an atomic resonance and,
with temperature and current feedback
controls, can achieve a linewidth as small as
5MHz. This small linewidth allows the
Fabry-Perot (FP) Diode Lasers. Laser FP
thông thường có từ 6 đến 8 mode dao động
với khoảng cách là c/2L giữa chúng. Các
laser này có bước sóng trung tâm với sai số
tiêu biểu là ±3nm và một độ rộng phổ là
6nm. Sai số điển hình của multiplexer và
demulti-plexer là ±1nm, như vậy khoảng
cách giữa các kênh tốt nhất là 14nm (với
điều kiện là các laser được điều chỉnh nhiệt
độ, để bước sóng trung tâm của nó không
thay đổi. Giá trị tiêu biểu của sự thay đổi
bước sóng trung tâm theo nhiệt độ là
0.4nm/0C). Nếu ta tính với một dải tần an
toàn giữa các kênh bằng với độ rộng của
kênh, ta sẽ được một khoảng cách thực tế là
28nm cho một kênh và như vậy ta sẽ được
tất cả là 8 kênh cho cả hai cửa sổ ở vùng
bước sóng 1300nm và 1550nm.
DFB Diode Lasers. Laser DFB cho phép
hoạt động đơn mode và có độ biến động
theo nhiệt độ khá độ thấp (khoảng
0.08nm/0C). Bề rộng phổ trung bình của đầu
ra từ 10 đến 100MHz, nhỏ hơn nhiều so với
độ rộng phổ của tín hiệu (đối với tốc độ dữ
liệu cao) hoặc wavelength chirp (nhảy bước
sóng) trong chế độ điều chế xung. Chirp có
thể thay đổi trong khoảng vài chục GHz
(tương đương vài chục nm). Chirp có thể
được loại bỏ bằng cách sử dụng một laser
liên tục (CW – continuous wave) làm nguồn
phát và dùng một bộ điều chế ở ngoài để
điều chế dữ liệu lên ánh sáng. Trường hợp
này, ta có độ rộng kênh có thể ước chừng từ
sai số của nguồn phát là ±0.5nm (laser đã
được điều chỉnh theo nhiệt độ), sai số của
chirp là ±0.2nm và sai số của gương lọc là
±1nm. Khoảng cách kênh trong thực tế
khoảng 3.5nm, tính thêm băng an toàn ta sẽ
được độ rộng kênh là 7nm. Như vậy ta sẽ có
được 14 và 21 kênh tương ứng cho các cửa
sổ thứ 2 và 3 của SDQ.
Frequency-Locked Lasers. Một laser có
thể được khóa pha với một cộng hưởng
nguyên tử, và với nhiệt độ và dòng điều chế
được kiểm soát, có thể đạt được một độ rộng
phổ nhỏ đến 5MHz. Độ rộng phổ nhỏ này
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
177 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
channel bandwidth to be determined only by
the signal bandwidth, independent of the
source linewidth. In this case, the
demultiplexing cannot be done by fixed
filters but must be done by a tunable,
narrow-bandwidth element to ensure
matching the passband of the filter element
precisely to the wavelength of the source.
Once frequency-locked, the laser cannot be
easily tuned.
10.5. Nonlinear effects on WDM links
Nonlinear effects, as discussed in Chapter 3,
can be deleterious on multichannel data
links. Some effects of nonlinearities on both
single-signal and multisignal fibers are:
For multisignal fiber links, the
stimulated Raman scattering would have
a negligible effect.
The effects of carrier-induced phase
noise (i.e., changes in the optical phase
of one signal due to changes in the
power in itself or in other light waves in
the link) will present problems for phase
modulated signals in a WDM link.
Broadband multiplexed links will need
to keep their power levels below 20mW
to avoid this effect; selective-wavelength
links will need to keep their power
below a few milliwatts to successfully
operate over 10 or so channels.
The effects of Brillouin scattering
depend only on the power level and are
independent of the number of channels
in the link. Power limits of 10mW are
suggested for maximum performance
links. (Generally, broadband systems
require that each source power level be
degraded by a factor of 1/N from the
maximum dictated by the nonlinearity
[where N is the number of channels in
the link]; wavelength-selective links
allow each source to achieve the power
limit dictated by the nonlinearity).
Four-photon mixing occurs when two
propagating light waves mix nonlinearly
cho phép dải thông kênh được xác định chỉ
bởi dải thông tín hiệu, độc lập với độ rộng
phổ của nguồn phát quang. Trong trường
hợp này bộ demultiplexer không thể được
làm bởi các bộ lọc cố định, mà phải thực
hiện bằng một thành phần điều chỉnh được
với dải thông hẹp để bảo đảm phù hợp chính
xác dải thông của bộ lọc với bước sóng của
nguồn phát quang. Khi đã được khóa tần số,
laser không thể điều chỉnh được nữa.
10.5. Hiệu ứng phi tuyến trên đường
truyền WDM
Các hiệu ứng phi tuyến như đã đề cập đến
trong chương 3, có thể có hại trên các đường
truyền dữ liệu đa kênh. Sau đây là một số
hiệu ứng phi tuyến trên các SDQ tải một
hoặc nhiều tín hiệu:
Đối với các đường truyền SDQ đa tín
hiệu, tác động của stimulated Raman
scattering có thể bỏ qua.
Các hiệu ứng của carrier-induced phase
noise (nghĩa là thay đổi pha ánh sáng của
một tín hiệu do thay đổi công suất của
chính nó hoặc của các ánh sáng khác
trong đường truyền) sẽ thể hiện một số
vấn đề về các tín hiệu điều chế pha trong
một đường truyền WDM. Các hệ thống
WDM băng rộng cần phải giữ mức công
suất ở dưới 20mW để tránh hiệu ứng
này. Các đường truyền chọn bước sóng
cũng cần phải giữ công suất của chúng
dưới mức vài mW để hoạt động thành
công với trên 10 kênh.
Các tác động của Brillouin scattering chỉ
lệ thuộc vào mức công suất và độc lập
với số kênh trong đường truyền. Giới
hạn công suất là 10mW được đề nghị
cho các đường truyền. (Thông thường,
các hệ thống băng rộng yêu cầu mức
công suất của mỗi nguồn phát phải thấp
hơn N lần (hệ số nhân 1/N) công suất
cực đại có thể gây ra hiệu ứng phi tuyến
này. N là số kênh trong đường truyền).
Four-photon mixing. Khi hai sóng ánh
sáng truyền lan phi tuyến trong SDQ sẽ
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
178 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
as they travel through the finer and
produce frequency complements at 2v1 –
v2 and 2v2 – v1. These sidebands grow
and, through further nonlinear
interaction, produce nine new optical
frequencies at 𝑣𝑖𝑗𝑘 = 𝑣𝑖 + 𝑣𝑗 − 𝑣𝑘 with
i, j, k = 1, 2, 3. The appearance of these
new signals and the power reduction of
original signals degrade the performance
of the link. The strength of the effect
depends on the channel separation and
the fiber dispersion. To minimize the
effect, the channel spacing will have to
be larger than 50GHz and that the region
of zero-dispersion should be avoided (a
surprising result that reduces the data
rate-distance product of the link). Source
power levels of less than a few
milliwatts are recommended.
10.6. Mutipoint, multiwavelength
networks
We now want to discuss some samples of
network implementations that use broadband
transmission and wavelength-selective
techniques.
10.6.1. Broadband transmission systems
In the broadband-and-select network (also
called a broadband network), Fig. 10.5b, any
signal transmitted by a fixed-frequency
transmitter is broadcast to all receivers
(allowing the maximum in network
flexibility). The receivers tune to the desired
transmitter. If N is the number of stations in
the array, then the power is split into 1/2N
and the overall splitting loss is 10log2N dB.
The network can be configured as either a
linear tree or a star configuration (Fig. 10.8).
10.6.2. Wavelength-routed transmission
networks
The networks combine wavelength-division
multiplexed systems in various ways. The
power transmitted at a particular wavelength
is routed to particular receiver through the
tạo ra các thành phần tần số ở 2v1 – v2 và
2v2 – v1. Các băng biên này lớn lên, và
qua tương tác phi tuyến thêm nữa, sinh
ra 9 tần số quang mới tại 𝑣𝑖𝑗𝑘 = 𝑣𝑖 +
𝑣𝑗 − 𝑣𝑘 với i, j, k = 1, 2, 3. Sự xuất hiện
của các tín hiệu mới này và việc yếu bớt
công suất của các tín hiệu gốc làm giảm
đi hiệu năng của đường truyền. Cường
độ của tác động này tùy thuộc vào sự
cách biệt các kênh và tán sắc của SDQ.
Để làm giảm đi hiệu ứng này, người ta
đã tính được là khoảng cách các kênh
phải lớn hơn 50GHz và vùng có tán sắc
bằng không phải nên tránh đi (một kết
quả đáng ngạc nhiên vì nó làm giảm đi
tích số tốc độ dữ liệu-khoảng cách của
đường truyền). Công suất của nguồn
phát quang cũng được khuyên là nên giữ
dưới mức vài mW.
10.6. Các mạng đa điểm, đa bước sóng
Chúng ta sẽ xem xét vài ví dụ về các cấu
hình mạng dùng kỹ thuật truyền dẫn băng
rộng và chọn bước sóng.
10.6.1. Các hệ thống truyền dẫn băng
rộng
Trong broadcast-and-select network (hình
10.5b) tất cả các tín hiệu được phát đi bởi
một máy phát có tần số cố định sẽ truyền
đến tất cả các máy thu (như vậy cho phép
thiết kế mạng linh động tối đa). Các máy thu
điều chỉnh để tách sóng nguồn phát mong
muốn. Nếu N là số các trạm trong dãy, thì
công suất được chia thành 1/2N và tổng suy
hao chia tách là 10log2N dB. Mạng được
thiết kế dạng bus tuyến tính hoặc hình sao
(hình 10.8).
10.6.2. Các mạng định tuyến bước sóng
(wavelength-routed)
Các mạng này phối hợp các hệ thống dồn
kênh phân bước sóng bằng nhiều cách. Công
suất phát đi với một bước sóng riêng biệt
được định tuyến tới bộ thu riêng biệt xuyên
qua mạng sử dụng các yếu tố chọn lọc bước
sóng. Khi một bước sóng đã rơi vào đầu thu
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
179 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
network through the use of wavelength
selective elements. Once a wavelength is
dropped to the desired receiver, it can be
reutilized to add another signal to the mix,
thereby conserving the number of
wavelengths required. Some networks even
envision the use of wavelength conversion
devices to change wavelengths of a signal
within the network routing device. This also
has the effect of increasing the network
efficiency. Both the wavelength spectrum
and the optical power can be utilized more
efficiently, but at a cost of decreased
network flexibility. Examples of these
networks include the star network, the chain
network, and the ring network.
mong muốn, nó có thể được sử dụng trở lại
để thêm một tín hiệu khác vào luồng dữ liệu
chung. Bằng cách đó, ta có thể giữ nguyên
số bước sóng cần thiết. Vài mạng nhắm tới
việc sử dụng các thiết bị chuyển đổi bước
sóng của một tín hiệu ở trong thiết bị định
tuyến mạng. Việc này cũng có tác động làm
tăng hiệu quả của mạng. Cả phổ bước sóng
và công suất quang có thể đạt được hiệu quả
hơn, nhưng bất lợi là giảm đi sự linh hoạt và
tính mềm dẽo của mạng. Vài ví dụ của các
mạng này bao gồm mạng hình sao, mạng
chain, và mạng vòng.
Transmitter
N×N
coupler
Demultiplexer
Demultiplexer Transmitter
Receiver
Receiver
Receiver
Receiver
𝑃(𝜆1)/𝑁2
𝑃(𝜆𝑁)/𝑁2
𝑃(𝜆1)/𝑁2
𝑃(𝜆𝑁)/𝑁2
Transmitter
N×1
coupler
Transmitter
1×P
coupler
1×Q
coupler Demultiplexer Receiver
1
P
1
Q
Receiver N
Receiver N
Receiver 1
𝑃(𝜆1)
𝑃(𝜆𝑁)
(a)
(b)
Hình 10.8. (a) Broadcast-and-select star network. (b) Broadband-transmission tree Network.
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
180 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
WDM star network. In one version of the
wavelength-selective WDM star network
(Fig. 10.9), the receivers have a set
wavelength and the sources are tunable. (A
configuration with set source-wavelengths
and tunable receivers is also possible). Any
source can talk to nay receiver by tuning to
the receiver’s preassigned wavelength. Two
possible receiver configurations are shown,
an optical WDM direct-detection receiver
that uses optical filters to pass the proper
wavelength, and a coherent FDM receiver
that uses heterodyne detection to tune to the
proper frequency of the receiver. The N×N
coupler in this arrangement is a wideband
device that combines the source power and
splits it equally among the receivers.
WDM chain network. In a wavelength-
selective WDM chain network (Fig. 10.10),
each node has a wavelength-selective
splitter that separates the wavelengths. In
this add/drop configuration, certain
wavelengths are routed to the receiver(s).
New signals are added to the network at
these wavelengths. Additional wavelengths
can also be added to the network (provided
that the output coupler or the node has
inputs for them). Data can be added and
dropped at wavelength channel as the
information traverses the network. In the
figure, we note that nodes 1 and 5 should be
co-located to have full transmit/receive
capabilities.
Mạng WDM hình sao. Trong một kiểu của
mạng hình sao WDM chọn lọc bước sóng
(hình 10.9), các đầu thu có một bộ lọc bước
sóng và các nguồn phát có thể điều chỉnh
được. Như vậy bất cứ nguồn phát nào cũng
đến được tất cả các bộ thu bằng cách điều
chỉnh đến bước sóng đã quy định trước cho
bộ thu. Có hai cấu hình khả thi cho bộ thu,
một bộ thu tách sóng trực tiếp WDM quang,
sử dụng các gương lọc để cho qua bước
sóng riêng, và một bộ thu FDM nhất quán sử
dụng heterodyne detection để chọn tần số
riêng của bộ thu. Thiết bị nối N×N trong cấu
trúc này là một thiết bị băng rộng phối hợp
công suất nguồn phát lại và phân chia nó ra
đều cho các đầu thu.
WDM Chain Network. Trong một WDM
chain network chọn bước sóng (hình 10.10),
mỗi nút có một bộ chia chọn bước sóng để
tách các bước sóng ra. Với cấu trúc
add/drop này, các bước sóng nhất định được
định tuyến đến các đầu thu. Các tín hiệu mới
được thêm vào mạng lưới tại các bước sóng
này. Các bước sóng bổ sung cũng có thể đưa
vào mạng, nếu các bộ output coupler của nút
còn có ngõ vào cho chúng. Dữ liệu có thể
được thêm vào và tách ra ở mỗi kênh bước
sóng khi dòng thông tin chạy qua mạng.
Trong hình 10.10 chúng ta ghi nhận là các
nút 1 và 5 nên hoạt động chung để đạt được
đầy đủ khả năng phát và thu.
Hình 10.9. Ví dụ một mạng WDM star với các loại bộ thu: direct và heterodyne.
Laser
Tune
Signal in
Laser
Tune
Signal in
N×N
coupler
Filter Receiver
2×1 coupler
Local
oscillator
Receiver Signal
out
Signal
out
Heterodyne detection
Direct detection
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
181 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
WDM Ring Network. In the wavelength-
selective WDM ring network (Fig. 10.11),
the configuration is similar to the chain
network with its ends tied together. In
simplest form, the number of wavelengths
added at a node are equal the number
received, so that all of the couplers and
splitters are the same. In these
configurations the basic idea is that a set of
identical WDM elements provides a fixed
optical path between transmitter and
receiver. The wavelengths can be reused in
another section of the network, thereby
decreasing the number of wavelengths
required to implement the network. It can be
shown that a set of N nodes will require only
N(N-1) optical channels, rather than the N2
wavelengths that might be expected to fully
interconnect the nodes. Fig. 10.12 illustrates
a WDM star network that can interconnect 4
nodes with 8 identical WDM units but
requires only 3 wavelengths. The
wavelength assignments are also shown.
Table 10.3 shows the minimum number of
wavelengths required to implement a WDM
network between N nodes; Fig. 10.13 plots
the relations shown in the table.
When multiplexing devices are cascaded, it
should be noted that the bandwidth of the
combination is reduced from the bandwidth
WDM Ring Network. Trong wavelength-
selective WDM ring network (hình 10.11),
cấu trúc cũng tương tự như chain network
với các đầu cuối nối với nhau. Trong dạng
thức đơn giản nhất, số lượng các bước sóng
được đưa vào ở một nút bằng với số lượng
bước sóng thu được, như vậy tất cả các
coupler và splitter là giống nhau. Trong các
cấu trúc này, ý tưởng cơ bản là một tập các
thành phần WDM giống nhau cung cấp một
tuyến quang giữa máy phát và máy thu. Các
bước sóng có thể được sử dụng lại trong một
section khác của mạng lưới, cho nên giảm
được số lượng bước sóng yêu cầu để thực
hiện mạng. Có thể chỉ ra là một tập N nút chỉ
cần đến N(N-1) kênh quang, thay vì N2 bước
sóng cần có để nối kết tất cả các nút với
nhau. Trong hình 10.12a cho thấy một
WDM star network có thể nối 4 nút với 8
đơn vị WDM giống nhau nhưng chỉ cần có 3
bước sóng, và hình 10.12b chỉ định phân
chia các bước sóng. Bảng 10.3 giới thiệu số
lượng tối thiểu các bước sóng cần có để thiết
lập một mạng WDM giữa N nút. Hình 10.13
mô tả các liên hệ trong bảng trên.
Khi các thiết bị dồn kênh được nối liên tiếp
nhau, ta chú ý là dải thông toàn bộ sẽ giảm
đi so với dải thông của một thành phần duy
nhất. Ví dụ là nếu dải thông BW của một
thành phần riêng lẽ có dạng Gaussian, thì
Hình 10.10. Mạng WDM dạng chain (WDM chain network).
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
182 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
of a single element. For example, if the
individual bandwidth of an element were
Gaussian-shaped with a bandwidth value of
BW, then a cascade of N units would be
Gaussian-shaped with a bandwidth value of
𝐵𝑊/ 𝑁, thereby reducing the bandwidth of
the combination.
Hình 10.11. WDM ring network.
Bảng 10.3. Số lượng bước sóng tối thiểu để
kết nối N kênh trong một mạng WDM.
một chuỗi N đơn vị liên tiếp có dạng
Gaussian với trị số dải thông là 𝐵𝑊/ 𝑁, do
đó làm giảm đi dải thông toàn bộ.
Hình 10.12. WDM star network
với bốn node và 3 bước sóng.
Hình 10.13. Số lượng bước sóng tối thiểu để
kết nối N node trong một mạng WDM.
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
183 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
10.6.3. Switched networks
Switching in a WDM net work can be
accomplished by changing the source or the
receiver to use a different transmitter-
receiver wavelength and, hence, a different
path through the network. Fig. 10.14 shows
an all-optical switched optical network. The
hub is totally passive, consisting only of
1×N and N×1 couplers. The receiver of each
node is assumed to be co-located with the
transmitter of that node, although shown
separately on the figure for clarity. The
switching is done by choosing a wavelength
of the transmitter to match the appropriate
receiver and then routing the traffic to that
transmitter of the node. For example, the
traffic at node 1 that is to be sent to node 2 is
routed into the laser with wavelength λ12.
The WDM coupler at node 1 combines this
wavelength with all of the other wavelengths
(i.e., all of the traffic for the other nodes)
and sends it to the hub. At the hub, the 1×N
wavelength-sensitive coupler divides the
wavelengths and sends the traffic at λ12 to
the N×1 which combines the power at all
wavelengths that are to be sent to node 2. At
node 2 the channels are split by the
wavelength-sensitive N×1 coupler and
received simultaneously. The individual
messages are time-demultiplexed and routed
to the appropriate user via the switch at node
2. It can be shown that only N wavelengths
are required to completely crossconnect N
nodes with this topology (rather than the N2
wavelengths that might seem to be
required).
We note from this arrangement that, while
the hub has been simplified, the nodes
require several sources and receivers. The
number of these sources and receivers can
be reduced to one if we can tune the source
and the receiver filter and limit ourselves to
transmitting and receiving only one message
at a time. A trade-off is made between the
number of components and the number of
simultaneous channels desired.
10.6.3. Mạng chuyển mạch
Chuyển mạch trong một mạng WDM có thể
được thực hiện bằng cách thay đổi nguồn
phát hoặc đầu thu để dùng một bước sóng
phát/thu khác, và như vậy hình thành một
tuyến khác qua mạng lưới. Hình 10.14 trình
bày một mạng quang chuyển mạch hoàn
toàn quang học. Thiết bị trung tâm hub là
thụ động hoàn toàn, bao gồm chỉ các coupler
1×N và N×1. Bộ thu của mỗi nút giả sử là
đặt chung với nguồn phát của nút đó, mặc
dù được trình bày riêng trong hình cho rõ
ràng. Việc chuyển mạch được làm bằng
cách chọn một bước sóng của máy phát để
phù hợp với đầu thu tương ứng và rồi định
tuyến lưu thông đến máy phát đó của nút. Ví
dụ rằng lưu thông tại nút số 1 phải được gởi
đến nút số 2, được định tuyến đến laser có
bước sóng λ12. Bộ coupler WDM ở nút số 1
phối hợp bước sóng này với tất cả các bước
sóng khác và gởi nó tới hub. Ở thiết bị hub,
bộ coupler 1×N nhạy với bước sóng chia các
bước sóng ra và gởi dòng vận chuyển với
bước sóng λ12 đến bộ phối hợp Nx1 để phối
hợp công suất tại tất cả bước sóng cần được
gởi đến nút số 2. Tại nút số 2 các kênh được
phân chia bởi bộ coupler N×1 nhạy với bước
sóng và thu tín hiệu đồng thời. Các tin tức
riêng được phân kênh TDM và định tuyến
đến người sử dụng thích hợp qua bộ chuyển
mạch tại nút số 2. Người ta đã chứng minh
là chỉ có N bước sóng cần cho nối kết toàn
bộ N nút với cấu trúc này, thay vì là N2
bước sóng như ta nghĩ.
Ta ghi nhận từ sắp xếp này là, trong khi hub
được đơn giản hóa đi thì các nút cần nhiều
nguồn phát và đầu thu. Số lượng các nguồn
phát và đầu thu này có thể được giảm đi còn
1 nếu chúng ta có thể điều chỉnh nguồn phát
và bộ lọc ở đầu thu, và tự hạn chế trong việc
phát và thu sao cho mỗi lần chỉ có một tin
tức được phát/thu. Một thỏa hiệp phải được
đưa ra giữa số lượng các thành phần trong
mạng và số lượng các kênh đồng thời ta
muốn có.
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
184 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
Hình 10.14. Ví dụ một mạng switched WDM.
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
185 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
10.6.4. Source Tuning
Some source tuning mechanisms for rapidly
tuning a source have been identified.
Temperature/current tuning. The source
wavelength can be changed by a modest
amount by changing the temperature of the
source (a resulting change of about
0.08nm/oC for a DFB laser) or by changing
the laser current (a resulting change of about
200MHz/mA for switching rates higher than
10MHz).
DFB and DFR tuning. Broader tuning
ranges can be achieved by combining the
DFB laser with a phase-control section or by
fabricating an integrated structure that
controllably combines the power of different
laser structures oscillating at various
wavelengths.
External element tuning. Additionally, it is
possible to use a Fabry-Perot laser with an
external cavity that has a movable grating
controlled by a piezoelectric pusher. Tuning
with this technique has been demonstrated
over 55mm, although rapid, accurate tuning
of this device still needs to be demonstrated.
10.6.5 Receiver Tuning
To tune the receivers, tunable filters can be
based on technology using multilayer filters,
Fabry-Perot interferometers, or integrated
optic devices
A tunable multilayer filter devise can be
made whose transmission properties vary
spatially across the face of the filer (e.g., by
varying layer thickness). Tuning is
accomplished by translating the filter. A
filter that uses this technique has reported
coverage of 270nm with a passband of 7nm.
Fabry-Perot interferometer filers are
tuned by changing the length of the cavity
using a piezoelectric pusher. Devices with
30-channel operation have been
demonstrated. Tuning time can be a few
microseconds.
10.6.4. Điều chỉnh nguồn phát quang
Một vài cơ chế để điều chỉnh một nguồn
phát quang nhanh đã được ứng dụng.
Điều chỉnh nhiệt độ/dòng điện. Bước sóng
của nguồn phát quang có thể được thay đổi
với một trị số vừa phải bằng cách biến đổi
nhiệt độ của nguồn (một kết quả thực tế là
thay đổi được 0.08nm/0C cho loại laser
DFB), hoặc điều chỉnh dòng điều chế laser
(một kết quả thực tế là thay đổi khoảng
200MHz/mA đối với tốc độ chuyển mạch
lớn hơn 10 MHz).
Điều chỉnh DFB và DFR. Các vùng điều
chỉnh rộng hơn có thể đạt được bằng cách
phối hợp laser DFB hoặc bằng cách chế tạo
một cấu trúc tích hợp có thể kiểm soát phối
hợp công suất của các cấu trúc laser khác
nhau dao động ở các bước sóng khác nhau.
Điều chỉnh thành phần nằm ngoài. Ngoài
ra, người ta có thể dùng một Fabry-Perot
laser với một khoang ngoài, có một cách tử
chuyển động điều khiển được bởi một vật
đẩy bằng gốm điện. Điều chỉnh với kỹ thuật
này đã đạt được thay đổi hơn 55nm, và mặc
dù hoạt động nhanh, chính xác, nhưng thiết
bị này còn cần phải được nghiên cứu thêm.
10.6.5. Điều chỉnh bộ thu
Để chỉnh các đầu thu, các bộ lọc điều chỉnh
được có thể dựa trên công nghệ sử dụng
gương lọc nhiều lớp, Fabry-Perot
interferometer, hoặc các thiết bị tích hợp
quang học.
Một bộ lọc nhiều lớp điều chỉnh được. Có
thể được làm với các đặc tính truyền thay
đổi theo không gian mặt ngang của gương
lọc (ví dụ như biến đổi bề dày các lớp). Điều
chỉnh được thực hiện bằng cách dịch chuyển
gương lọc. Một bộ lọc sử dụng kỹ thuật này
đã công bố là có thể phủ được vùng bước
sóng 270nm với một băng thông 7nm.
Bộ lọc Fabry Perot Interferometer. Được
điều chỉnh bằng cách biến đổi chiều dài của
khoang sử dụng vật đẩy bằng gốm điện.
Đại Học Công Nghệ Sài Gòn Thông Tin Quang
186 Chương 10. Ghép kênh phân bước sóng
Integrated optic tunable filters that use
TE-to-TM mode convertors (i.e., that
convert transverse electric modes to
transverse magnetic modes), have
demonstrated in the laboratory.
Distributed feedback lasers operated
below threshold (i.e., operated as amplifiers
rather than oscillators) present narrow
passbands. The devices can be tuned by
incorporating a phase-control section. The
response times are fast (on the order of
nanosecond switching times) and tuning
ranges of 71GHz (for 10-channel operation)
have been demonstrated.
Thiết bị hoạt động với 30 kênh đã được giới
thiệu, với thời gian điều chỉnh là vài ms.
Bộ lọc tích hợp quang học điều chỉnh
được. Sử dụng các bộ chuyển đổi mode TE-
to-TM đã được thử nghiệm thành công
trong phòng thí nghiệm.
DFB Laser hoạt động dưới dòng ngưỡng. Là các bộ khuếch đại thể hiện các băng
thông hẹp. Các thiết bị này có thể điều chỉnh
bằng cách thêm vào một section kiểm soát
pha. Thời gian đáp ứng khá nhanh (thời gian
chuyển mạch khoảng 1ns) và vùng điều
chỉnh là 71GHz cho hoạt động 10 kênh đã
được chứng minh.
Bài tập.
1. Khảo sát các cửa sổ bước sóng hữu dụng cho SDQ single mode:
(a) Tính độ rộng cửa sổ bước sóng từ 1250nm đến 1350nm theo Hz.
(b) Tính độ rộng cửa sổ bước sóng từ 1450nm đến 1600nm theo Hz.
(c) Tìm tổng băng thông (theo Hz) của hai cửa sổ trên.
2. Xem xét thiết bị tán sắc góc phối hợp với các thấu kính hình 10.6.
(a) Nếu các bước sóng ánh sáng tới có khoảng cách Δλ, hãy chứng tỏ rằng khoảng cách
giữa các SDQ thu là ω = f×Δλ×(dθ/dλ).
(b) Từ kết quả trên, xác định một biểu thức diễn tả đường kính ngoài cùng lớn nhất có thể
có của các SDQ.
3. (a) Khoảng cách kênh tiêu biểu của một interference filter là 5nm. Tính độ rộng phổ tần
số tương đương Δν nếu bước sóng hoạt động là 1300nm.
(b) Tính tỷ số của Δν tìm được ở câu (a) và độ rộng phổ tần số đạt được của bộ thu
heterodyne là 10GHz.
4. Tính hệ số phản xạ của một bộ lọc Fabry-Perot hoạt động tại lân cận bước sóng 1500nm
có ΔF = 1nm và khoảng cách các gương là 1cm.
5. Thiết lập một bảng phân định bước sóng giống như hình 10.12 đối với mạng chain 5 node
cho trên hình 10.10.
6. Thiết lập một bảng phân định bước sóng giống như hình 10.12 đối với mạng ring 4 node
cho trên hình 10.11.
7. Bảng 10.3 cho biết số bước sóng nhỏ nhất yêu cầu để kết nối N kênh trong một mạng hình
sao. Vẽ cấu hình mạng hình sao này khi N = 3.
top related