fo systems ch10 wdm

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.



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



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.



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.



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



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



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



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)



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



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



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



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



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.



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



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).



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.



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.



Hình 10.14. Ví dụ một mạng switched WDM.



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.



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.

fo systems ch10 wdm

Documents