Mạng dữ liệu quang học

IP qua WDM, như được định nghĩa ngày nay, áp đặt một cái nhìn hạn chế về các khả năng mà mạng dữ liệu và mạng quang có thể cung cấp. Các ràng buộc, được giới thiệu bởi một ngăn xếp giao thức đơn lẻ và không sử dụng đầy đủ các khả năng kết nối mạng ở lớp quang là rất hạn chế đối với một số ứng dụng mạng.

Các xu hướng mạng được đề cập ở trên yêu cầu một nền tảng mạng quang có thể hỗ trợ nhiều loại ngăn xếp giao thức, kiến trúc mạng và các tùy chọn bảo vệ và khôi phục theo cách độc lập với tín hiệu máy khách. Lựa chọn WDM POS qua điểm-điểm là tốt nhất cho một số ứng dụng mạng trong mạng dữ liệu tốc độ cao, nhưng chắc chắn không phải cho tất cả. Ngoài ra, nền tảng quang được chọn để triển khai và triển khai các mạng dữ liệu trong tương lai này phải đảm bảo rằng các ánh xạ ngăn xếp giao thức mới, không mong đợi có thể dễ dàng được cung cấp và chúng có thể nhận được các tính năng mạng tương tự từ mạng lớp quang mà không cần chuyển đổi giao thức trung gian.

Mạng dữ liệu quang là một cách tiếp cận thay thế không cố gắng làm giảm tính không đồng nhất của ngăn xếp giao thức và kiến trúc mạng, mà khai thác tính không đồng nhất để cung cấp các giải pháp mạng phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể và phân khúc nhà cung cấp mạng. Mạng dữ liệu quang kết hợp các tính năng mạng ở cả lớp dịch vụ và lớp truyền tải.

Thành phần chính của Mạng Dữ liệu Quang học

Sự đa dạng của các ngăn xếp giao thức, được phản ánh trong sự đa dạng của các loại tín hiệu máy khách được hỗ trợ trong OTN, được đáp ứng bằng cách sử dụng các trình bao bọc kỹ thuật số. Việc sử dụng các tính năng mạng quang thực sự cung cấp thêm tính linh hoạt và mạnh mẽ thông qua định tuyến OCh, giám sát lỗi và hiệu suất, bảo vệ và khôi phục, tất cả đều được thực hiện trên cơ sở OCh có chọn lọc. Tất cả các yếu tố này kết hợp với nhau tạo nên một giải pháp mạng mạnh mẽ và linh hoạt, có thể chứng minh được trong tương lai và mở ra cho bất kỳ tầm nhìn cụ thể nào của các nhà cung cấp dịch vụ dữ liệu.

Công nghệ này tiết kiệm chi phí và linh hoạt hơn cho việc nâng cấp dung lượng kênh, thêm / bớt kênh, định tuyến lại và phân phối lưu lượng, hỗ trợ tất cả các loại cấu trúc mạng và hệ thống bảo vệ và đồng bộ hóa. Sau đây là các thành phần chính:

TP (Bộ chuyển tiếp)
VOA (Bộ suy giảm quang học biến đổi)
MUX (Bộ ghép kênh)
DEMUX (Bộ ghép kênh)
BA (Bộ khuếch đại tăng cường)
Dòng (phương tiện OFC)
LA (Bộ khuếch đại dòng)
PA (Bộ khuếch đại tiền)
OSC (Kênh giám sát quang học)

Bộ phát đáp

Thiết bị này là giao diện giữa tín hiệu quang xung rộng STM-n và thiết bị MUX / DEMUX. Tín hiệu quang học này có thể được đặt cùng vị trí hoặc đến từ các phương tiện vật lý khác nhau, các giao thức khác nhau và các loại lưu lượng. Nó chuyển đổi tín hiệu xung rộng thành bước sóng hẹp (điểm hoặc tần số màu) có bậc nano mét (nm) với khoảng cách 1,6 nm; gửi đến MUX.

Theo chiều ngược lại, đầu ra màu từ DEMUX được chuyển đổi thành tín hiệu quang xung rộng. Mức công suất đầu ra là +1 đến –3 dBm theo cả hai hướng. Sự chuyển đổi là Quang thành Điện và Điện thành Quang (O thành E & E thành O) theo phương pháp 2R hoặc 3R.

Trong 2R, tái tạo và tái định hình được thực hiện, trong khi trong 3R, tái tạo, định hình lại và định thời gian lại được thực hiện. TP có thể là màu bước sóng và tốc độ bit phụ thuộc hoặc có thể điều chỉnh được cho cả hai (tốn kém và không được sử dụng). Tuy nhiên, trong 2R, bất kỳ tốc độ bit nào, PDH, STM-4 hoặc STM-16 có thể là tốc độ kênh. Thiết bị có một hạn chế với độ nhạy máy thu và điểm quá tải.

Mặc dù giai đoạn điện trung gian không thể tiếp cận được, các byte trên không của STN-n được sử dụng cho mục đích giám sát. Thiết bị này cũng hỗ trợ hoạt động an toàn quang học (ALS) theo Khuyến nghị G.957 của ITU-T.

Bộ suy giảm quang học biến thiên (VOA)

Đây là một mạng thụ động giống như cần nhấn mạnh trước để điều chỉnh phân bố đồng đều mức tín hiệu trên băng tần EDFA sao cho công suất đầu ra quang kênh riêng lẻ của thiết bị Mux không đổi bất kể số lượng kênh được tải trong hệ thống.

Bộ suy hao quang tương tự như một chiết áp hoặc mạch đơn giản được sử dụng để giảm mức tín hiệu. Ví dụ, bộ suy giảm được sử dụng bất cứ khi nào phải chạy kiểm tra hiệu suất để xem lỗi bit bị ảnh hưởng như thế nào khi thay đổi mức tín hiệu trong liên kết. Một cách là có một thiết lập cơ học chính xác, trong đó tín hiệu quang đi qua một tấm thủy tinh với độ tối khác nhau và sau đó quay trở lại sợi quang, như thể hiện trong hình.

Tấm kính có mật độ màu xám nằm trong khoảng từ 0% ở đầu này đến 100% ở đầu kia. Khi tấm được di chuyển qua khoảng trống, ít nhiều năng lượng ánh sáng được phép đi qua. Loại bộ suy hao này rất chính xác và có thể xử lý bất kỳ bước sóng ánh sáng nào (vì tấm làm suy giảm bất kỳ năng lượng ánh sáng nào bằng cùng một lượng, bất kể bước sóng), nhưng nó đắt tiền về mặt cơ học.

Bộ ghép kênh (MUX) và Bộ phân kênh (De-MUX)

Vì hệ thống DWDM gửi tín hiệu từ một số trạm qua một sợi quang, chúng phải bao gồm một số phương tiện để kết hợp các tín hiệu đến. Điều này được thực hiện với sự trợ giúp của Bộ ghép kênh, lấy các bước sóng quang học từ nhiều sợi quang và hội tụ chúng thành một chùm. Ở đầu nhận, hệ thống phải có khả năng tách các bước sóng truyền của chùm sáng để chúng có thể được phát hiện một cách kín đáo.

Bộ tách kênh thực hiện chức năng này bằng cách tách chùm tia nhận được thành các thành phần bước sóng của nó và ghép chúng thành các sợi riêng lẻ.

Bộ ghép kênh và Bộ phân kênh có thể thụ động hoặc chủ động trong thiết kế. Thiết kế thụ động sử dụng lăng kính, cách tử nhiễu xạ hoặc bộ lọc trong khi thiết kế chủ động kết hợp thiết bị thụ động với bộ lọc có thể điều chỉnh.

Những thách thức chính trong các thiết bị này là giảm thiểu nhiễu xuyên âm và tối đa hóa khả năng tách kênh (sự chênh lệch bước sóng giữa hai kênh liền kề). Nhiễu xuyên âm là thước đo mức độ tách biệt của các kênh, trong khi phân tách kênh đề cập đến khả năng phân biệt từng bước sóng.

Các loại bộ ghép kênh / bộ phân kênh

Loại lăng kính

Một hình thức đơn giản của việc ghép kênh hoặc phân kênh các bước sóng có thể được thực hiện bằng lăng kính.

Một chùm ánh sáng đa sắc song song chiếu vào bề mặt lăng kính và mỗi bước sóng thành phần bị khúc xạ khác nhau. Đây làrainbow effect. Trong ánh sáng đầu ra, mỗi bước sóng cách nhau một góc. Sau đó, một thấu kính hội tụ từng bước sóng đến điểm mà nó cần đi vào một sợi quang. Các thành phần có thể được sử dụng ngược lại để ghép các bước sóng khác nhau trên một sợi quang.

Loại lưới nhiễu xạ

Một công nghệ khác dựa trên nguyên lý nhiễu xạ và giao thoa quang học. Khi một nguồn sáng đa sắc tác động vào cách tử nhiễu xạ, mỗi bước sóng bị nhiễu xạ theo một góc khác nhau và do đó đến một điểm khác trong không gian. Sử dụng một thấu kính, các bước sóng này có thể được hội tụ đến từng sợi, như thể hiện trong hình sau.Bragg grating, là một thành phần thụ động đơn giản, có thể được sử dụng như gương chọn lọc bước sóng và được sử dụng rộng rãi để thêm và thả kênh trong hệ thống DWDM.

Cách tử Braggs được thực hiện bằng cách sử dụng chùm tia laze cực tím để chiếu sáng lõi của sợi quang đơn mode thông qua mặt nạ pha. Sợi được pha tạp với phốt pho, germani hoặc bo để làm cho nó nhạy cảm. Sau khi ánh sáng đi qua mặt nạ, một mô hình rìa được tạo ra, được "in" vào sợi. Điều này tạo ra một sự điều biến tuần hoàn vĩnh viễn chiết suất của thủy tinh lõi sợi. Cách tử hoàn thành phản xạ ánh sáng ở bước sóng Bragg (bằng hai lần khoảng cách quang học giữa các vùng chỉ số cao và thấp) và truyền tất cả các bước sóng khác.

Có thể điều chỉnh Bragg Grating

Cách tử sợi Bragg có thể được dán vào một phần tử áp điện. Bằng cách đặt một hiệu điện thế vào phần tử, phần tử giãn ra để cách tử bị kéo dài và bước sóng Bragg chuyển sang bước sóng dài hơn. Các thiết bị hiện nay có thể cung cấp dải điều chỉnh 2 nm cho đầu vào 150v.

Lưới dẫn sóng có mảng

Máng ống dẫn sóng (AWG) cũng dựa trên nguyên lý nhiễu xạ. Thiết bị AWG, đôi khi được gọi là bộ định tuyến ống dẫn sóng quang hoặc bộ định tuyến cách tử ống dẫn sóng, bao gồm một mảng ống dẫn sóng kênh cong với sự chênh lệch cố định về độ dài đường dẫn giữa các kênh liền kề. Các ống dẫn sóng được kết nối với các hốc ở đầu vào và đầu ra.

Bộ ghép kênh quang học

Khi ánh sáng đi vào khoang đầu vào, nó bị nhiễu xạ và đi vào mảng dẫn sóng. Do đó, sự khác biệt về độ dài quang học của mỗi đường dẫn sóng tạo ra độ trễ pha trong khoang đầu ra, nơi một mảng sợi được ghép nối. Quá trình dẫn đến các bước sóng khác nhau có nhiễu cực đại tại các vị trí khác nhau, tương ứng với các cổng đầu ra.

Bộ lọc nhiễu đa lớp

Một công nghệ khác sử dụng các bộ lọc nhiễu trong các thiết bị được gọi là bộ lọc màng mỏng hoặc bộ lọc nhiễu đa lớp. Bằng cách định vị các bộ lọc, bao gồm các màng mỏng trong đường quang học, bước sóng có thể được phân kênh. Đặc tính của mỗi bộ lọc là nó truyền một bước sóng trong khi phản xạ những bước sóng khác. Bằng cách phân tầng các thiết bị này, nhiều bước sóng có thể được phân kênh.

Các bộ lọc mang lại sự ổn định và cách ly tốt giữa các kênh với chi phí vừa phải, nhưng có suy hao chèn cao (AWG thể hiện phản ứng quang phổ phẳng và suy hao chèn thấp). Hạn chế chính của bộ lọc là chúng nhạy cảm với nhiệt độ và có thể không được sử dụng thực tế trong mọi môi trường. Tuy nhiên, ưu điểm lớn của chúng là chúng có thể được thiết kế để thực hiện đồng thời các hoạt động ghép kênh và phân kênh.

Loại khớp nối của OM

Khớp nối OM là một bề mặt tương tác với hai hoặc nhiều sợi hàn với nhau. Nói chung, nó được sử dụng cho OM, và nguyên lý hoạt động của nó được minh họa trong hình sau.

Bộ ghép nối OM chỉ có thể thực hiện chức năng ghép kênh với chi phí chế tạo thấp. Thiếu sót của nó là độ hao hụt chèn cao. Hiện tại, OM được sử dụng trong thiết bị DWDM của ZTWE sử dụng khớp nối OM. OD thông qua các thành phần AWG.

Bộ khuếch đại tăng cường (Bộ khuếch đại quang học)

Do sự suy giảm, có những giới hạn về thời gian một đoạn sợi quang có thể truyền tín hiệu một cách toàn vẹn, trước khi nó phải được tái tạo. Trước khi có sự xuất hiện của Bộ khuếch đại quang (OA), phải có một bộ lặp cho mọi tín hiệu được truyền đi. OA đã làm cho nó có thể khuếch đại tất cả các bước sóng cùng một lúc và không cần chuyển đổi Quang-Điện-Quang (OEO). Bên cạnh việc được sử dụng trong các liên kết quang (như bộ lặp), bộ khuếch đại quang cũng có thể được sử dụng để tăng công suất tín hiệu sau khi ghép kênh hoặc trước khi phân kênh.

Các loại bộ khuếch đại quang học

Trong mọi tuyến quang học, bộ khuếch đại quang học được sử dụng làm bộ lặp ở chế độ đơn giản. Một sợi được sử dụng trong đường dẫn gửi và sợi thứ hai được sử dụng trong đường trở lại. Các bộ khuếch đại quang học mới nhất sẽ hoạt động theo hai hướng cùng một lúc. Chúng ta thậm chí có thể sử dụng cùng một bước sóng theo hai hướng, miễn là sử dụng hai tốc độ bit khác nhau. Do đó, một sợi quang duy nhất có thể được sử dụng cho hoạt động song công.

Bộ khuếch đại quang cũng phải có đủ băng thông để truyền một loạt tín hiệu hoạt động ở các bước sóng khác nhau. Ví dụ, một SLA có băng thông phổ 40 nm, có thể xử lý khoảng mười tín hiệu quang học.

Trong hệ thống 565 mb / s, đối với liên kết quang 500 km, cần có năm bộ khuếch đại quang SLA, đặt cách nhau 83 km. Mỗi bộ khuếch đại cung cấp mức tăng khoảng 12 dB, nhưng cũng tạo ra tiếng ồn cho hệ thống (BER là 10-9.)

Bộ khuếch đại SLA có những nhược điểm sau:

Nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ
Nhạy cảm với sự thay đổi điện áp cung cấp
Nhạy cảm với rung động cơ học
Unreliable
Dễ bị xuyên âm

Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium (EDFA)

Trong hệ thống DWDM, EDFA được sử dụng. Erbium là một nguyên tố đất hiếm, khi bị kích thích, phát ra ánh sáng xung quanh 1,54 micromet, là bước sóng suy hao thấp đối với sợi quang được sử dụng trong DWDM. Một tín hiệu yếu đi vào sợi pha tạp erbium, vào đó ánh sáng ở bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm được đưa vào bằng tia laser bơm.

Ánh sáng được đưa vào kích thích các nguyên tử erbium giải phóng năng lượng dự trữ của chúng dưới dạng ánh sáng 1550 nm bổ sung. Tín hiệu phát triển mạnh mẽ. Sự phát xạ tự phát trong EDFA cũng bổ sung thêm hình ảnh nhiễu của EDFA. EDFA có băng thông điển hình là 100 nm và cần thiết ở khoảng cách 80-120 km dọc theo tuyến quang.

EDFA cũng bị ảnh hưởng được gọi là four-wave-mixingdo sự tương tác phi tuyến tính giữa các kênh lân cận. Do đó, việc tăng công suất bộ khuếch đại để tăng khoảng cách giữa các bộ lặp dẫn đến nhiều nhiễu xuyên âm hơn.

Bộ khuếch đại Raman

Việc sử dụng các bộ khuếch đại SLA và EDFA trong WDM bị hạn chế như đã mô tả và, các hệ thống WDM hiện đại đang chuyển sang Khuếch đại Raman, có băng thông khoảng 300 nm. Ở đây, tia laser bơm nằm ở đầu nhận của sợi quang. Nhiễu xuyên âm và nhiễu được giảm đáng kể. Tuy nhiên, việc khuếch đại Raman đòi hỏi phải sử dụng tia laser bơm cao.

Sự phân tán trong sợi thực sự giúp giảm thiểu hiệu ứng “trộn bốn sóng”. Thật không may, các liên kết quang thời kỳ đầu thường sử dụng sợi quang phân tán bằng không với nỗ lực giảm thiểu sự phân tán trong khoảng cách xa, khi những sợi tương tự này được nâng cấp để mang tín hiệu WDM; chúng không phải là phương tiện lý tưởng cho tín hiệu quang băng rộng.

Các sợi chế độ đơn đặc biệt đang được phát triển để sử dụng WDM. Chúng có các phân đoạn xen kẽ của các sợi phân tán âm và dương, do đó, tổng độ phân tán cộng lại bằng không. Tuy nhiên, các phân đoạn riêng lẻ cung cấp sự phân tán để ngăn chặn sự trộn lẫn bốn sóng.

Bộ khuếch đại dòng

Nó là một bộ khuếch đại EDFA hai tầng bao gồm Bộ khuếch đại tiền (PA) và Bộ khuếch đại tăng cường (BA). Nếu không có hai giai đoạn, không thể khuếch đại tín hiệu lên đến 33 dB trên nguyên tắc EDFA (để tránh nhiễu do phát xạ tự phát). Bộ khuếch đại đường truyền (LA) bù lại tổn thất đường truyền là 22 dB hoặc 33 dB tương ứng đối với các hệ thống đường dài và rất dài. Nó hoàn toàn là một thiết bị sân khấu quang học.

Phương tiện truyền thông Line (OFC)

Đây là phương tiện cáp quang mà tín hiệu DWDM truyền qua đó. Suy hao và phân tán là các yếu tố hạn chế chính xác định khoảng cách truyền, dung lượng tốc độ bit, v.v. Thông thường, 22dB và 33dB được coi là suy hao đường truyền đối với độ dài bước sóng của hệ thống đường dài và đường dài tương ứng.

Bước sóng đường rất dài có thể là 120 km mà không cần bộ lặp (LA). Tuy nhiên, với một số bộ lặp xếp tầng, chiều dài có thể lên đến 600 km, có thể tăng lên đến 1200 km bằng cách sử dụng mô-đun bù phân tán. Sau một khoảng cách như vậy, nó cần tái tạo trong giai đoạn điện thay vì bộ lặp chỉ trong giai đoạn quang học.

Bộ tiền khuếch đại (PA)

Bộ khuếch đại này một mình được sử dụng ở đầu cuối để giao tiếp với DEMUX và đường nhận tín hiệu đến từ trạm ở xa. Do đó, tín hiệu đường truyền suy giảm được khuếch đại lên mức từ +3 dBm đến 10 dBm trước khi đưa vào thiết bị DEMUX.

Kênh giám sát quang học

Chức năng truyền dữ liệu bổ sung (2 mbps: EOW, dữ liệu cụ thể của người dùng, v.v. qua giao diện) ở bước sóng riêng biệt (1480 nm theo Khuyến nghị G-692 của ITU-T) của mức quang học thấp hơn mà không có bất kỳ cung cấp an toàn quang học nào, đi kèm với và độc lập với tín hiệu lưu lượng quang STM-n chính, được thực hiện bởi OSC. EOW (0,3 đến 3,4 KHz) cho kênh chọn lọc và đa kênh là 64 kbps ở mã PCM 8-bit.

Kênh giám sát quang học (OSC) giúp điều khiển và giám sát các thiết bị đường truyền quang cũng như quản lý vị trí lỗi, cấu hình, hiệu suất và bảo mật được thực hiện bằng LCT.