Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM

Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu
Lời nói đầu
Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu của con ngời đối với việc trao đổi
thông tin ngày càng cao. Để đáp ứng đợc nhu cầu đó, đòi hỏi đó mạng lới viễn thông
phải có tốc độ cao, dung lợng lớn. Kỹ thuật ghép kênh phân chia bớc sóng WDM ra
đời đã đáp ứng đợc một phần những đòi hỏi cấp thiết đó. Kỹ thuật ghép kênh bớc
sóng WDM có thể nâng dung lợng truyền dẫn của sợi quang lên rất cao. Đồng thời
sự tăng trởng với tốc độ nhanh chóng dung lợng của hệ thống truyền dẫn là sức ép và
động lực mạnh cho sự phát triển hệ thống chuyển mạch. Quy mô của hệ thống
chuyển mạch trong thông tin càng ngày càng lớn, tốc độ vận hành càng ngày càng
cao. Nhng mạng chuyển mạch điện tử và xử lý thông tin đã phát triển đến gần tốc độ
giới hạn. Trong đó tham số cố hữu nh RC, méo, trôi trợt, xuyên âm, tốc độ phản ứng
chậm là những khuyết điểm hạn chế đến việc nâng cao tốc độ chuyển mạch. Để
giải quyết vấn đề này chuyển mạch quang với kỹ thuật quang điện tử đã ra đời.
Ưu điểm của chuyển mạch quang là ở chỗ, khi tín hiệu quang đi qua bộ chuyển
mạch, không cần chuyển đổi quang điện/điện quang, do đó nó không bị các thiết bị
quang điện nh máy đo kiểm, bộ điều chế hạn chế tốc độ đáp ứng, đối với tốc độ bít
và phơng thức điều chế là trong suốt, có thể nâng rất cao thông lợng qua bộ chuyển
mạch. Do tác dụng của linh kiện logic quang còn rất đơn giản, không thể hoàn thành
chức năng xử lý logic phức tạp của bộ phận điều khiển, nên bộ chuyển mạch quang
hiện nay vẫn còn phải điều khiển bằng tín hiệu điện, tức là chuyển mạch quang điều
khiển điện.
Mặt khác, mạng quang trong tơng lai cần phải hỗ trợ dịch vụ truyền số liệu. Do
đó, ý tởng về chuyển mạch gói quang ra đời. Đây là một ý tởng mới đợc đa ra nhng đ-
ợc tập chung nghiên cứu rất cẩn thận với rất nhiều u điểm nh mạng thông tin toàn
quang, có tốc độ cao, dung lợng lớn, trong suốt .
Với mục đích tìm hiểu một công nghệ mới, củng cố và phát triển các kiến thức đã
lĩnh hội đợc trong quá trình nghiên cứu và học tập tại Học viện công nghệ Bu chính
Viễn thông em đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: Chuyển mạch gói trong mạng
quang WDM . Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu cuốn đồ án tốt nghiệp với đề
tài đã chọn đã đợc hoàn thành với nội dung gồm 3 chơng nh sau:

Chơng 1: Giới thiệu chung về WDM.
Ngô Đức Tiến, D2000VT 1
Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu
Chơng 2: Các phần tử trong hệ thống WDM.
Chơng 3: Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM.
Em xin đợc gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS. Bùi Trung Hiếu, ngời đã tận
tình hớng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian em thực hiện đề tài này. Em
xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Viễn Thông 1, các thầy cô đang công tác tại
trung tâm đào tạo Bu chính Viễn thông I đã giúp em thực hiện ớc mơ bớc vào những
chân trời tri thức mới. Cảm ơn bạn bè và ngời thân đã luôn ủng hộ tôi trong quá
trình học tập tại mái trờng Học viện công nghệ Bu chính Viễn thông.
Mặc dù đã cố gằng rất nhiều trong thời gian hoàn thành cuốn đồ án này, nhng do
thời gian và trình độ có hạn nên cuốn đồ án này chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi
những thiếu sót. Rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn bè
đồng nghiệp để cuốn đồ án này đợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2005
Sinh viên
Ngô Đức Tiến
Ngô Đức Tiến, D2000VT 2
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
chơng 1
Giới thiệu chung về WDM
1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM
1.1.1 Khái niệm về WDM
a. Quá trình phát triển của WDM
Khái niệm ghép kênh quang không phải là mới. Khái niệm này bắt đầu có từ những
năm 1950. Có thể nói rằng ý tởng về truyền nhiều tín hiệu quang là rất đơn giản và
tự nhiên nh là công nghệ truyền tín hiệu sử dụng trong viễn thông cổ điển với tín
hiệu điện. Nhng giải pháp cho các vấn đề công nghệ là rất khó khăn và nó cần thời

gian dài phát triển để giải quyết các vần đề này. Khoảng 20 năm sau các linh kiện
thực tế đầu tiên sử dụng cho ghép kênh đã đợc sản xuất và sử dụng ở Mỹ, Nhật,
Châu Âu. Năm 1977 thiết bị thụ động WDM đầu tiên đợc phát triển bởi Tomlinson
và Aumiller.
b. WDM và TDM
Một câu hỏi đợc đặt ra là ghép tín hiệu trong miền điện (TDM: Time Division
Multiplexing) hay trong miền quang (FDM: Frequency Division Multiplexing) dễ
hơn? Câu trả lời cho câu hỏi này không hề dễ dàng và giải pháp tối u chỉ có thể tìm
thấy với tập hợp các công nghệ phức tạp.
Với các dịch vụ tốc độ bit thấp (<2Mb/s) nói chung sẽ tốt hơn nếu ta sử dụng công
nghệ TDM. Với tín hiệu cha nén nh truyền hình quảng bá chất lợng cao (HDTV:
High Definition TeleVision) thì WDM lại có vẻ tốt hơn. Với công nghệ nén video
băng tần yêu cầu đã đợc giảm xuống mức thấp nhất. Tuy nhiên vào thời điểm hiện
nay, CATV và HDTV vẫn yêu cầu các băng tần tơng ứng là 4 Mb/s và 25 Mb/s. Các
ứng dụng nh mạng video liên kết các trạm làm việc truyền tín hiệu từ trung tâm vô
tuyến định tuyến các mạng video hội nghị, các hệ thống đào tạo video tơng tác, các
mạng dịch vụ thông tin đa chiều và mạng truyền số liệu giữa các máy tính, mạng số
đa dịch vụ tích hợp (ISDN), các mạng băng rộng sẽ tiến đến sử dụng cả ghép kênh
phân chia theo thời gian và ghép kênh phân chia theo bớc sóng. Dự báo nhu cầu của
thuê bao vào năm 2010 sẽ vào khoảng 100 Mb/s. Điều này sẽ không thể trở thành
hiện thực nếu không phát triển mạng quang WDM.
Một mạng thực tế thờng đợc tạo nên bởi một tập các kiến trúc để tạo nên môi trờng
vật lý của mạng giữa các trạm. Cấu hình đợc gọi là ảo khi nó chỉ bao gồm các liên
Ngô Đức Tiến, D2000VT 3
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
kết logic giữa các trạm. Một ví dụ về ứng dụng ghép kênh quang là tạo cấu hình
mạng ảo theo yêu cầu. Cấu hình mạng có thể đợc thay đổi phụ thuộc vào cấu hình
vật lý khi thay đổi tần số quang của đầu phát hay đầu thu. Trong các cấu trúc này
các bộ đấu nối chéo WDM, các bộ định tuyến WDM và các bộ tách xen WDM trở
nên rất quan trọng.

1.1.2 Mô hình hệ thống WDM
Nhiệm vụ của các hệ thống truyền dẫn nói chung là truyền tín hiệu qua một
khoảng cách nhất định trên môi trờng truyền dẫn đã đợc lựa chọn trớc. Đối với các
hệ thống truyền dẫn lựa chọn sợi quang làm môi trờng truyền dẫn sẽ là rất tốn kém
nếu không sử dụng hiệu quả băng thông của sợi quang. Để tận dụng tốt băng thông
của sợi quang kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bớc sóng (WDM) đã ra đời và phát
triển không ngừng trong nửa thế kỷ qua. Các hệ thống WDM cũng lần lợt đợc giới
thiệu và phát triển trong các mạng viễn thông thơng mại. Mô hình của hệ thống
WDM và nguyên lý hoạt động của nó đợc chỉ ra trong hình vẽ sau đây.
Hình 1.1. Hệ thống ghép kênh phân chia theo bớc sóng quang
Giả sử có các nguồn quang làm việc ở các bớc sóng khác nhau
1
,
2
, ...,
n
.
Các tín hiệu quang ở các bớc sóng khác nhau này sẽ đợc ghép vào cùng một sợi dẫn
quang. Các tín hiệu có bớc sóng khác nhau đợc ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép
kênh (MUX), bộ ghép bớc sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi
ghép sẽ đợc truyền dọc theo sợi quang tới phía thu. Các bộ tách sóng quang khác
nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bớc sóng riêng rẽ này sau
khi chúng qua bộ giải ghép bớc sóng (DE-MUX).
ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu
ra của bộ ghép kênh. ở phía thu các bộ tách sóng quang phải nhạy với độ rộng của
các bớc sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải thực hiện cách ly kênh quang
thật tốt với các bớc sóng bằng cách thiết kế các bộ giải ghép kênh thật chính xác,
Ngô Đức Tiến, D2000VT 4
Rx
N

Tx
N
Tx
N

DE-
MUX/
MUX
MUX/
DE-
MUX
Sợi dẫn quang

1
,
2
, ...
N

,
1
,
,
2
, ...
,
N
Rx
N
Kênh 1

Kênh 1
Kênh N
Kênh N

1

,
N

,
1

N
Tx
N
Kênh 1
Kênh 1
KênhN
KênhN

1

,
N

,
1
Tx
N
Rx

N
Rx
N

N
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
các bộ lọc quang nếu đợc sử dụng phải có bớc sóng cắt chính xác, dải làm việc thật
ổn định.
Có 2 phơng án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật ghép bớc sóng quang
là thiết lập hệ thống ghép kênh theo bớc sóng quang một hớng và thiết lập hệ thống
ghép kênh bớc sóng quang theo hai hớng. Hình vẽ 1.1 chỉ ra một hệ thống ghép
kênh theo bớc sóng quang theo hai hớng, trong đó tại các đầu cuối có các thiết bị
tách ghép kênh hỗn hợp. Trong hệ thống này
1
,
2
, ...,
N
và
1
,
2
, ...,
n
nằm
trên một cửa sổ truyền dẫn nhng thuộc hai giải tần số khác nhau. Còn trong trờng
hợp thiết lập hệ thống ghép kênh theo bớc sóng quang một hớng thì tại các đầu cuối
chỉ thực hiện một nhiệm vụ là ghép hoặc tách kênh.
Trong hệ thống thông tin quang WDM có kỹ thuật ghép kênh bớc sóng lỏng và kỹ
thuật ghép kênh bớc sóng chặt hay mật độ cao.

CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh quang
phân chia theo bớc sóng lỏng trong đó khoảng cách giữa các bớc sóng quang kề
nhau lớn hơn 20 nm và tơng ứng với nó là độ rộng phổ của một kênh là 2500 GHz.
Bớc sóng của laser thay đổi theo nhiệt độ nhng đối với kỹ thuật này không cần bộ
làm mát vì khoảng cách giữa các bớc sóng kề nhau lớn. Kỹ thuật CWDM mang lại
hiệu quả kinh tế cao đối với hệ thống yêu cầu ghép ít bớc sóng.
Khi dung lợng của hệ thống tăng lên thì số kênh ghép trong sợi quang tăng lên.
Điều này đã làm cho kỹ thuật ghép kênh CWDM khó có thể đáp ứng đợc nhu cầu
và kỹ thuật ghép kênh DWDM ra đời. DWDM (Dense Wavelength Division
Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo bớc sóng chặt trong đó
khoảng cách giữa các bớc sóng kề nhau đợc truyền trên sợi quang là 0,8 nm. Với
khoảng cách này tại vùng tần số 1550 nm độ rộng phổ của mỗi kênh tơng ứng vào
khoảng 100 GHz. Khi độ rộng phổ của bớc sóng giảm xuống thì rất nhiều các yêu
cầu đa ra cần đợc giải quyết nh: Nhiệt độ của laser phát phải ổn định, các thiết bị
tách ghép phải hoạt động chính xác hơn Những yêu cầu này đã làm cho giá thành
của các phần tử trong mạng tăng lên và giá thành của hệ thống DWDM tăng lên rất
nhiều so với hệ thống thông tin quang CWDM.
Bảng 1.1 So sánh CWDM và DWDM
Danh mục CWDM DWDM
Khoảng cách bớc sóng ~20 nm ~0,8 nm
Khoảng cách kênh 2500 GHz 100GHz
Ngô Đức Tiến, D2000VT 5
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
Điều khiển môi trờng Không Có
Nguồn laser DFB (không làm mát) DFB (làm mát)
Tốc độ dữ liệu/kênh 2,5 Gbit/s 10 Gbit/s
Tốc độ bit tập trung 40 Gbit/s 320 Gbit/s
Giá thành/kênh Thấp Cao
1.2ảnh hởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM
Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất

của tín hiệu trong sợi quang vợt quá một mức nào đó. Đối với các hệ thống WDM
thì mức công suất này cao hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh. Việc nảy sinh
các hiệu ứng phi tuyến sẽ gây ra một số hiện tợng nh: Xuyên âm giữa các kênh, suy
giảm mức công suất tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỷ số S/N... Các hiệu
ứng phi tuyến ảnh hởng đến chất lợng của hệ thống WDM chủ yếu gồm: Hiệu ứng
SPM, XPM, FWM, SBS và SBR. Các hiệu ứng này có thể chia thành hai loại:
Hiệu ứng tán xạ: Bao gồm các hiệu ứng SBS và SBR.
Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr: Bao gồm hiệu ứng SPM, XPM và
FWM.
1.2.1 Hiệu ứng tán xạ
a. Hiệu ứng SBR
Hiệu ứng Raman là kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó
photon ánh sáng tới chuyển một phần năng lợng của mình cho dao động cơ học của
các phân tử cấu thành môi trờng truyền dẫn và phần năng lợng còn lại đợc phát xạ
thành ánh sáng có bớc sóng lớn hơn bớc sóng của ánh sáng tới (ánh sáng với bớc
sóng mới này đợc gọi là ánh sáng Stoke). Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi
quang có cờng độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích (đợc gọi là SRS)
mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng bơm (gọi là bơm Raman) làm cho
phần lớn năng lợng của tín hiệu đợc chuyển tới bớc sóng Stoke.
Nếu gọi P
s
(L) là công suất của bớc sóng Stoke trong sợi quang thì:
P
s
(L)= P
0
exp (g
r
P
0

L/K.S
eff
) (1.5)
Trong đó: P
0
là công suất đa vào sợi tại bớc sóng tín hiệu.
g
r
là hệ số khuếch đại Raman.
K là hệ số đặc trng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bớc
sóng Stoke và phân cực của sợi. Đối với sợi thông thờng thì K2.
Ngô Đức Tiến, D2000VT 6
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
Công thức trên có thể dùng để tính toán mức công suất P
0
mà tại đó hiệu ứng
SBR ảnh hởng lớn đến hệ thống, đợc gọi là ngỡng Raman (P
0
th
) (P
0
th
là công suất của
tín hiệu đầu vào mà ứng với nó, công suất của bớc sóng Stoke và của bớc sóng tín
hiệu tại đầu ra là bằng nhau).
P
0
th
32 S
eff

.(L.g
r
) (1.6)
Từ công thức 1.6 ngời ta tính toán đợc rằng, đối với hệ thống đơn kênh để hiệu
ứng SRR có thể ảnh hởng đến chất lợng hệ thống thì mức công suất P
0
phải lớn hơn
1W (nếu nh hệ thống không sử dụng khuếch đại quang trên đờng truyền). Tuy
nhiên trong hệ thống WDM thì mức công suất này sẽ thấp hơn nhiều vì có hiện tợng
khuếch đại đối với các bớc sóng lớn, trong khi đó công suất của các kênh có bớc
sóng ngắn hơn lại bị giảm đi (do đã chuyển một phần năng lợng cho các bớc sóng
lớn) làm suy giảm hệ số S/N, ảnh hởng đến chất lợng hệ thống. Để đảm bảo suy
giảm S/N không nhỏ hơn 0,5 dB thì mức công suất của từng kênh phải thoả mãn
(theo lý thuyết của Chraplyvy).
Với N là số kênh bớc sóng.
f là khoảng cách giữa các kênh bớc sóng.
Nh vậy, trong hệ thống WDM hiệu ứng này cũng hạn chế số kênh bớc sóng,
khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ
thống. Hơn nữa, nếu nh bớc sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tín hiệu thì hiệu ứng
này cũng gây xuyên âm giữa các kênh.
b. Hiệu ứng SBS
Hiệu ứng SBS là hiệu ứng tơng tự nh hiệu ứng SRR, tức là có sự tạo thành của
bớc sóng Stoke có bớc sóng dài hơn bớc sóng tới. Điểm khác nhau chính của hai
hiệu ứng này là: Hiệu ứng SBR liên quan đến các photon âm học còn hiệu ứng SBS
liên quan đến các photon quang. Chính do sự khác biệt này mà hai hiệu ứng có
những ảnh hởng khác nhau đến hệ thống WDM. Trong hiệu ứng này, một phần ánh
sáng bị tán xạ do các photon âm học và làm cho phần ánh sáng bị tán xạ này dịch
tới bớc sóng dài hơn (tơng đơng với độ dịch tần là khoảng 11 GHz tại bớc sóng
1550 nm). Tuy nhiên chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngợc trở lại (tức là
Ngô Đức Tiến, D2000VT 7

fLNN
P
eff

ì
<
.)1(
1028,10
21
12
(1.7)
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
ngợc chiều với chiều truyền tín hiệu) mới có thể truyền đi ở trong sợi quang, vì vậy
trong hệ thống WDM khi tất cả các kênh đều cùng truyền theo một hớng thì hiệu
ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh.
Trong tất cả các hiệu ứng phi tuyến thì ngỡng công suất để xảy ra hiệu ứng SBS
là thấp nhất, chỉ khoảng vài mW. Tuy nhiên hiệu ứng SBS với V
B
/V
laser
(V
b
là
băng tần khuếch đại Brillouin, V
laser
là độ rộng phổ của laser) và băng tần khuếch
đại Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10-100 MHz) nên hiệu ứng này cũng khó xảy
ra. Chỉ các hệ thống với nguồn phát có độ rộng phổ rất hẹp thì mới có thể ảnh hởng
bởi hiệu ứng SBS. Ngời ta tính toán đợc mức công suất ngỡng đối với hiệu ứng SBS
nh sau:

Beff
pueff
VgL
VVKA
P
ì
+
<
)(
21
(1.8)
Trong đó: g là hệ số khuếch đại Brillouin.
A
eff
là vùng lõi hiệu dụng.
K đặc trng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bớc sóng
Stoke và phân cực của sợi. Đối với sợi thông thờng thì K2.
V
B
là băng tần khuếch đại Brillouin.
V
P
là độ rộng phổ của tín hiệu.
Nh vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hởng đến mức công suất của từng kênh và khoảng
cách giữa các kênh trong hệ thống WDM. Hiệu ứng này không phụ thuộc vào số
kênh của hệ thống.
1.2.2 Hiệu ứng Kerr quang
Kerr là hiệu ứng trong đó chiết suất của môi trờng truyền dẫn thay đổi theo c-
ờng độ ánh sáng truyền.
a. Hiệu ứng SPM

Hiệu ứng SPM thuộc loại hiệu ứng Kerr, tức là hiệu ứng trong đó chiết suất của
môi trờng truyền dẫn thay đổi theo cờng độ ánh sáng truyền. Hiện tợng này tạo nên
sự dịch pha phi tuyến
NL
của trờng quang khi lan truyền trong sợi quang. Giả sử bỏ
qua suy hao quang thì sau khoảng cách L, pha của trờng quang sẽ là:
Ngô Đức Tiến, D2000VT 8
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
Đối với trờng quang có cờng độ không đổi hiệu ứng SPM chỉ làm quay pha của
trờng quang, do đó ít ảnh hởng đến chất lợng của hệ thống. Tuy nhiên đối với các
trờng quang có cờng độ thay đổi thì pha phi tuyến
NL
sẽ thay đổi theo thời gian. Sự
thay đổi theo thời gian này cũng có nghĩa là trong xung tín hiệu sẽ tồn tại nhiều tần
số quang khác với tần số trung tâm v
0
một giá trị là v
NL
:
v
NL
=(1/2)(
NL
/t) (1.10)
Hiện tợng này còn gọi là hiện tợng dịch tần phi tuyến làm cho sờn sau của xung
dịch đến tần số v<v
0
và sờn trớc của xung dịch đến tần số v>v
0
. Điều này cũng có

nghĩa là phổ của tín hiệu đã bị dãn trong quá trình truyền. Trong hệ thống WDM,
đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau, hiện tợng dãn phổ do SPM có thể
dẫn đến giao thoa gây nhiễu giữa các kênh.
b. Hiệu ứng XPM
Đối với hệ thống WDM, hệ số chiết suất tại một bớc sóng nào đó không chỉ
phụ thuộc vào cờng độ của sóng đó mà còn phụ thuộc vào cờng độ của các bớc
sóng khác lan truyền trong sợi. Trong trờng hợp này chiết suất phi tuyến ứng với b-
ớc sóng thứ i sẽ là:
n
NL
=n
2
{|E
i
|
2
+ 2|E
j
|
2
} (1.11)
Với: N là tổng số kênh quang.
E
i
là cờng độ trờng quang của bớc sóng thứ i.
Số hạng thứ nhất trong công thức (1.11) ứng với hiệu ứng SPM, số hạng
thứ hai tơng ứng với hiệu ứng XPM. Nếu giả sử công suất của các kênh là nh
nhau thì ảnh hởng của hiệu ứng XPM sẽ gấp 2N lần hiệu ứng SPM.
c. Hiệu ứng FWM
Hiện tợng chiết suất phi tuyến còn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn

mode, đó là hiệu ứng FWM. Trong hiệu ứng này, hai hoặc ba sóng quang với các
tần số khác nhau sẽ tơng tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới. Tơng tác
này có thể xuất hiện giữa các bớc sóng của tín hiệu trong hệ thống DWDM, hoặc
giữa các bớc sóng tín hiệu với tạp âm của các bộ khuếch đại quang. Giả sử có ba b-
Ngô Đức Tiến, D2000VT 9
NL
const
EnnL
nL






+=
+
==
)(2
2
2
20
(1.9)
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
ớc sóng với tần số
i
,
J
,
k

thì tổ hợp tần số mới tạo ra sẽ là những tần số
ijk
thoả
mãn:

ij k
=
i
+
J
-
k
(1.12)
Theo quan điểm cơ lợng tử, thì hiệu ứng FWM là hiệu ứng mà trong đó có sự
phá huỷ photon ở một số bớc sóng và tạo ra một số photon ở các bớc sóng mới sao
cho vẫn bảo toàn về năng lợng.
Hiệu suất của quá trình FWM phụ thuộc vào điều kiện phù hợp về pha. Hiệu
ứng FWM xảy ra mạnh chỉ khi điều kiện này đợc thoả mãn (tức là động lợng của
photon đợc bảo toàn). Về mặt toán học thì điều kiện này có thể đợc biểu thị nh sau:
(
ijk
)= (
i
) + (
j
) - (
k
) (1.13)
Vì trong sợi quang tồn tại tán sắc nên điều kiện phù hợp về pha rất khó xảy ra.
Tuy nhiên, với môi trờng truyền dẫn là loại sợi có tán sắc thấp và khoảng cách

truyền dẫn là tơng đối lớn và các kênh gần nhau thì điều kiện này có thể coi là xấp
xỉ đạt đợc.
Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệu ứng
FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM. Hơn nữa,
nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới đợc tạo ra có thể
rơi vào các kênh tín hiệu với xác suất rất lớn, gây xuyên âm giữa các kênh, làm suy
giảm chất lợng của hệ thống.
Sự suy giảm công suất sẽ làm cho dạng hình cắt của tín hiệu ở đầu thu bị thu
hẹp lại do đó làm giảm chất lợng của hệ thống. Vì các hệ thống WDM chủ yếu làm
việc ở cửa sổ bớc sóng 1550 nm và do tán sắc của sợi quang đơn mode thông thờng
(sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18 ps/nm.km, còn tán sắc của sợi tán sắc dịch
chuyển (sợi G. 653) là 0 (<3ps/nm.km) nên hệ thống WDM làm việc trên sợi đơn
mode thông thờng sẽ ít bị ảnh hởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM làm
việc trên sợi tán sắc dịch chuyển.
ảnh hởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu nh khoảng cách giữa các kênh
trong hệ thống WDM càng nhỏ cũng nh khoảng cách truyền dẫn và mức công suất
của mỗi kênh lớn. Vì vậy hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lợng và cự ly truyền dẫn
của hệ thống WDM.
Ngô Đức Tiến, D2000VT 10
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
1.3 Các cấu hình mạng WDM
Các mạng ghép kênh bớc sóng quang có bốn cấu hình cơ bản: WDM điểm-
điểm có hoặc không có các bộ tách ghép, cấu hình mạng sao, cấu hình mạng Ring
với các node OADM và hub, cấu hình hỗn hợp, nó có thể bao gồm cấu hình sao,
cấu hình vòng Ring với các kết nối điểm-điểm. Với mỗi cấu hình sẽ có các yêu cầu
riêng và nó cũng phù hợp đối với từng ứng dụng cụ thể.
1.3.1 Cấu hình điểm-điểm
Cấu hình điểm-điểm là cấu hình hay đợc sử dụng cho truyền dẫn đờng dài với
tốc độ rất cao (có thể lên đến vài Tertabits/s), tín hiệu đợc truyền đi toàn vẹn, độ tin
cậy cao và khả năng phục hồi lại đờng truyền nhanh. Khoảng giữa máy phát và máy

thu có thể lên đến vài trăm km và có một số bộ khuếch đại giữa các đầu cuối và
thông thờng số lợng bộ khuếch đại nhỏ hơn 10 (phụ thuộc vào suy hao công suất và
méo tín hiệu). Cấu hình điểm-điểm với bộ tách ghép cho phép hệ thống tách và
ghép dọc theo đờng truyền. Số lợng các kênh, khoảng cách giữa các kênh, loại sợi
quang, phơng pháp điều chế tín hiệu và loại thiết bị đợc lựa chọn sử dụng trên mạng
là các thông số quan trọng trong việc tính toán quỹ công suất của hệ thống.
Trong WDM mỗi kênh đợc mang trên một bớc sóng xác định và cũng đợc gọi
là kênh quang. Các kênh khác nhau có thể mang các loại dữ liệu khác nhau nh
thoại, số liệu, video, các gói số liệu với các tốc độ khác nhau. Các liên kết giữa máy
thu và máy phát có thể có vài thiết bị quang cũng nh một hay một số sợi quang, các
bộ khuếch đại quang, các bộ tách ghép quang, các bộ lọc quang, coupler
Hình 1.2. Cấu hình điểm-điểm truyền đơn hớng
Ngô Đức Tiến, D2000VT 11
LD
Re
A
LD
LD
Re
Re
CH 1
1
CH 2
2
CH N
N

1
CH 1
.

.
.
.
Fiber
Fiber
Fiber

1
,
2
...,
N

1
,
2
...,
N

k
MUX
DeMUX
LD: Diode Laser
Re: Bộ thu quang
A: Bộ khuyếch đại quang
OADM
A

2
CH 2

N
CH N
Fiber: Sợi quang
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
1.3.2 Cấu hình vòng
Một mạng Ring bao gồm một sợi quang nối liền giữa các node, một số hệ
thống có hai sợi quang cho chức năng bảo vệ mạng (dự phòng). Một mạng Ring có
thể bao một vùng nhỏ hoặc vùng thành phố lớn với chiều dài vài chục Km. Mạng
Ring có thể gồm 4 hoặc nhiều kênh và có thể có nhiều node. Tốc độ của các kênh
có thể là 622,08 Mb/s hoặc thấp hơn hoặc 1,25 Gb/s và cao hơn. Một node trong số
các node của mạng Ring là trạm hub nơi mà các bớc sóng đợc quản lý, kết nối với
các mạng khác. Tại mỗi node đều có các bộ tách và ghép kênh quang để lấy ra hoặc
ghép vào một hoặc một số kênh.
Hình 1.3. Cấu hình mạng Ring
Trong mạng Ring WDM trạm hub có thể kết cuối một số loại lu lợng nh
module truyền tải đồng bộ (STM: Synchronous Transport Module), IP, video. Trạm
hub quản lý tất cả các kênh liên kết với một đờng truyền quang giữa các node với
loại lu lợng trên kênh đó. Tại một node OADM một hoặc nhiều tần số quang đợc
tách ra và xen vào trong khi số còn lại đợc truyền xuyên qua. Mặc dù vậy khi số l-
ợng node OADM tăng lên thì tín hiệu không thể tránh khỏi tổn hao và vì vậy sẽ yêu
cầu thêm các bộ khuếch đại. Số lợng node trong mạng Ring thông thờng nhỏ hơn số
lợng bớc sóng đợc ghép trong sợi quang.
Trong mạng Ring, trạm hub quản lý định thời kênh với một kết nối đầy đủ của
mạng với node OADM. Node hub có thể cung cấp các kết nối với các mạng khác.
Thêm vào đó một node OADM có thể kết nối với một bộ tách kênh hay ghép kênh
Ngô Đức Tiến, D2000VT 12
OADM
OADM
OADM

OADM
O/E
IP

i

i

j

j
Mux

1
,
2
...,
N

1
,
2
...,
N

1
,
2
...,
N

1

1
,
2
...,
N
1

k

k
STM

N

N
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
nơi một số nguồn dữ liệu đợc ghép. Một mạng Ring đơn giản với một hub và hai
node A và B thông tin với nhau qua bớc sóng
k
nh trong hình 1.4 node A chỉ ghép
một số nguồn số liệu. Tất cả các nguồn số liệu đợc kết thúc và trả lời bởi node B,
mặc dù vậy tất cả các tín hiệu này đợc truyền trên cùng một kênh (và dĩ nhiên là
cùng một bớc sóng).
Hình vẽ 1.4. Cấu hình mạng Ring có các kênh đợc quản lý bởi trạm hub
Ngô Đức Tiến, D2000VT 13

1
,

2
...,
N
OADM
A
OADM
B
Router
Fiber Ring
Data N
Data 1
Data 2
1
2
: Biến đổi điện quang
: Biến đổi quang điện
1
2
Data 1
Data 2
Data N
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM
Chơng 2
Các phần tử trong hệ thống WDM
Chơng 1 của cuốn đồ án này đã trình bày tổng quan về quá trình hình thành,
phát triển của kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng quang và một số khái niệm liên
quan. Tuy nhiên việc thực hiện ý tởng ghép kênh quang vào thời điểm đó là không
hề dễ dàng do những khó khăn về công nghệ. Trong những năm gần đây công nghệ
vật liệu phát triển rất nhanh, đã có rất nhiều vật liệu mới đợc tìm thấy, phát triển và
ứng dụng vào các mạng thông tin quang. Điều này đã tạo ra một cuộc cách mạng

thực sự trong quá trình phát triển của công nghệ truyền dẫn quang. Chơng 2 sẽ trình
bày về các phần tử sử dụng trong mạng thông tin quang WDM và các kỹ thuật sử
dụng trong các thiết bị đó.
2.1 Các bộ lọc quang
Có 2 loại bộ lọc quang, đó là bộ lọc có bớc sóng cố định, hay còn gọi là bộ
chọn bớc sóng và bộ lọc có bớc sóng hoặc dải bớc sóng thay đổi đợc hay còn gọi là
bộ lọc điều chỉnh đợc.
2.1.1 Bộ chọn bớc sóng
Yêu cầu đặt ra là phải tạo ra một trờng chuyển mạch chuẩn, trong đó khoảng
cách giữa các bớc sóng là cố định, đồng thời các bớc sóng phải đợc ổn định tại máy
phát. Chính vì vậy mà yêu cầu bộ chọn bớc sóng. Chức năng này có thể đợc thực
hiện nhờ kết hợp bộ tách ghép bớc sóng và các cổng quang (SOA).
Mặc dù thiết bị có thể đợc sản xuất khi sử dụng các phần tử riêng biệt, nhng
giải pháp này không giải quyết đợc giảm giá thành và kích thớc. Ngời ta đang cố
gắng nghiên cứu phơng án tích hợp các phần tử.
Các ống dẫn sóng có cấu trúc vòm mái để không nhạy cảm phân cực và suy hao
thấp, đồng thời tạo ra bán kính uốn cong nhỏ nhất cho phép thoả mãn yêu cầu liên
kết chặt của thiết bị. Sử dụng giải pháp này có thể chế tạo bộ tách bốn kênh trên
diện tích 1,5 mm
2
, thiết bị có suy hao xuyên kênh khoảng -25dB, suy hao của chíp
khoảng vài dB và độ nhạy cảm phân cực thấp hơn 0,05 nm (đối với khoảng cách
kênh 2 nm). Các phần tử tách/ghép bớc sóng tích hợp với các SOA tạo ra bộ chọn b-
ớc sóng suy hao zero, tái cấu hình nhanh và không nhạy cảm phân cực.
a. Phơng pháp lọc điện môi đa lớp sử dụng trong WDM
Bộ lọc màng mỏng có khoang cộng hởng (TFF) thuộc loại bộ lọc có bớc sóng
cố định. Cấu trúc gồm bộ giao thoa Fabry-Perot, trong đó các gơng tại hai phía
Ngô Đức Tiến, D2000VT 14
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM
khoang đợc thực hiện nhờ nhiều lớp màng mỏng điện môi phản xạ. Thiết bị này

hoạt động nh là một bộ lọc băng, cho qua một bớc sóng riêng và phản xạ các bớc
sóng khác. Bớc sóng tại đầu ra của bộ lọc đợc xác định bởi chiều dài và chiết suất
của khoang cộng hởng.
Bộ lọc màng mỏng nhiều khoang cộng hởng (TFMF) gồm hai hoặc nhiều
khoang cách biệt với nhau bởi các màng mỏng điện môi phản xạ nh hình 2.1.
Hình 2.1. Bộ lọc màng mỏng điện môi
Thiết bị này có nhiều đặc tính hấp dẫn để ứng dụng vào các hệ thống truyền
dẫn quang. Nó có khả năng hình thành đỉnh trong băng thông và sờn dốc. Thiết bị
có hàm truyền đạt ổn định khi nhiệt độ thay đổi, có suy hao thấp và không nhạy
cảm phân cực với tín hiệu. Các tham số điển hình cho bộ ghép 16 kênh sử dụng bộ
lọc màng mỏng điện môi gồm: Băng thông 1dB là 0,4 nm, băng thông 20 dB là 1,2
nm, độ cách ly là 25 dB và hệ số nhiệt độ là 0,005 nm/
0
C. Nhờ có các đặc tính này
mà hiện tại TFMF đợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang có tính
thơng mại.
Hình 2.2. Cấu trúc bộ tách/ghép kênh dùng bộ lọc điện môi gắn trực tiếp trên sợi
Ngô Đức Tiến, D2000VT 15
Khoang 1
Khoang 2
Khoang 3
Lớp nền thủy tinh
Bộ phản xạ
điện môi

1
...
4

1

2

3


4

Sợi quang
Bộ lọc
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM
Thiết bị lọc điện môi đa lớp có thể ghép trực tiếp giữa các sợi quang, hoặc sử
dụng hệ thống hội tụ quang. Hình 2.2 là một ví dụ về ghép sợi quang trực tiếp qua
các bộ lọc lỡng hớng sắc trên bề mặt của một sợi quang. Đây là cấu trúc lớp bộ giải
ghép 4 kênh sử dụng 3 bộ lọc cấp một.
Bộ lọc thứ nhất phản xạ bớc sóng
1
và cho qua các bớc sóng
2
,
3
,
4
. Bộ lọc
thứ hai phản xạ bớc sóng
2
và cho qua các bớc sóng
3
,

4
. Bộ lọc thứ ba phản xạ
bớc sóng
3
và cho qua bớc sóng
4
. Và nh vậy ta đợc kết quả là tín hiệu đầu vào
mạng bốn bớc sóng
1
,
2
,
3
,
4
còn tại đầu ra ta tách ra đợc tín hiệu ta cần đợc
mang trong sóng có bớc sóng
4
. Tơng tự nh vậy ta cũng có thể tách đợc các kênh
trong các bớc sóng
1
,
2
, hay
3
.
2.1.2 Bộ lọc điều chỉnh đợc
Với bộ lọc điều chỉnh đợc có thể chỉ ra hai bộ lọc tiêu biểu là thiết bị lọc Fabry-
Perot và bộ lọc âm quang điều chỉnh đợc (AOTF).
a. Thiết bị lọc Fabry-Perot

Các bộ lọc bớc sóng điều chỉnh đợc thờng đợc cấu tạo dựa trên cấu trúc laser
điều chỉnh đợc (điều hởng). Bộ lọc khoang cộng hởng Fabry-Perot đợc tạo thành
bởi hai gơng có hệ số phản xạ cao đặt song song với nhau nh hình vẽ dới đây.
Hình 2.3. Bộ lọc Fabry-Perot
Bộ lọc này còn gọi là bộ giao thoa Fabry-Perot. Tia sáng vào là tia sáng đi tới g-
ơng thứ nhất, tia sáng tại đầu ra của bộ lọc là tia sáng rời gơng thứ hai. Đây là một
thiết bị điển hình đã đợc sử dụng rộng rãi trong các máy đo giao thoa. Nó đã đợc sử
dụng nh là bộ lọc trong thiết bị WDM của mạng quang.
Ngô Đức Tiến, D2000VT 16
Khoang cộng hưởng
Fabry-Perot
Tín hiệu vào
Phản xạ
Tín hiệu ra
cùng chiều
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM
Hiện nay đã có bộ lọc tốt hơn, chẳng hạn bộ lọc màng mỏng nhiều khoang
cộng hởng. Có thể xem bộ lọc này nh là bộ lọc Fabry-Perot có gơng phản xạ phụ
thuộc bớc sóng. Do đó nguyên tắc hoạt động cơ bản của bộ lọc này cũng nh bộ lọc
Fabry-Perot.
Bộ lọc Fabry-Perot là một phần tử thơng mại. u điểm vợt trội của nó so với một
số thiết bị khác là nó có thể điều chỉnh đợc để chọn lọc các kênh khác nhau trong
hệ thống các hệ thống thông tin quang WDM.
Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của thiết bị đợc chỉ ra nh trong hình vẽ 2.3. ánh sáng tới
mặt trái của khoang. Sau khi qua khoang, một phần ánh sáng đi qua mặt phải của
khoang và phần còn lại phản xạ trở lại khoang. Các Photon phản xạ trở lại mặt gơng
thứ nhất và một phần các photon này lại tiếp tục phản xạ một lần nữa để đến mặt g-
ơng thứ hai. Chiều dài của khoang bằng bội số nguyên của nửa bớc sóng truyền
trong khoang, vì vậy vòng hành trình qua khoang (tới và phản xạ) là bội số nguyên

của bớc sóng. Tất cả các photon truyền qua mặt gơng thứ hai đều đồng pha. Và nh
vậy sóng ra khỏi khoang cộng hởng là sóng cộng hởng. Hàm truyền đạt công suất
của bộ lọc phụ thuộc vào cấu trúc của khoang. Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc
đợc biểu diễn qua biểu thức sau:
Trong đó A là suy hao do hấp thụ của mỗi gơng, R là hệ số phản xạ của mỗi g-
ơng (giả thiết hai gơng có hệ số phản xạ nh nhau), là thời gian truyền qua khoang
theo một hớng, n là chiết suất của khoang, l là chiều dài khoang. Do đó =nl/c, c là
tốc độ ánh sáng trong chân không.
Dạng của hàm truyền đạt công suất của bộ lọc Fabry-Perot đợc đa ra trong hình
vẽ 2.4 với A=0 và R lần lợt nhận các giá trị 0,75; 0,90 và 0,99. Khi hệ số phản xạ
của gơng càng lớn thì cách ly giữa các kênh kề nhau càng tốt.
Hàm truyền đạt công suất T
FP
(f) là tuần hoàn theo f và các đỉnh băng thông của
hàm truyền đạt xảy ra tại các tần số thoả mãn điều kiện f=k/2 khi k là số nguyên d-
ơng. Vì vậy trong hệ thống WDM, nếu các bớc sóng cách nhau đủ xa so với mỗi dải
Ngô Đức Tiến, D2000VT 17
(2.1)
2
2
)2sin(
1
2
1
1
1
)(

+








=

f
R
R
R
fT
FP
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM
thông hàm truyền đạt bộ lọc thì một số bớc sóng (tần số) trùng với dải thông bộ lọc
đều đi qua bộ lọc. Phạm vi phổ nằm giữa hai dải thông kề cận của bộ lọc đợc gọi là
phạm vi phổ tự do, ký hiệu là FSR. Độ rộng mỗi dải thông của bộ lọc là độ rộng đầy

đủ tại một nửa giá trị cực đại của hàm truyền đạt (FWHM). Trong các hệ thống
WDM, cần chú ý số lợng các bớc sóng sử dụng và các bớc sóng này phải nằm trong
một FSR của bộ lọc. Vì vậy tỷ số FSR/FWHM là một số đo gần bằng số lợng các b-
ớc sóng thích hợp với hệ thống. Tỷ số này gọi là hệ số phân biệt F của bộ lọc và xác
định theo biểu thức:
Hình 2.4. Hàm truyền đạt của bộ lọc Fabry-Perot
Điều chỉnh
Bộ lọc Fabry-Perot có thể điều chỉnh để lựa chọn các bớc sóng khác nhau.
Giải pháp đơn giản nhất là thay đổi chiều dài của khoang hoặc thay đổi chiết suất
bên trong khoang. Xem xét một hệ thống WDM có tất cả các bớc sóng đều nằm
trong một FSR của bộ lọc Fabry-Perot. Tần số f
0
mà bộ lọc cần chọn thoả mãn điều
kiện f
0
=k/2 đối với một vài số nguyên dơng của k. Vì vậy f
0
có thể thay đổi nhờ
thay đổi là thời gian truyền theo một hớng của ánh sáng trong khoang. Nếu ký
hiệu chiều dài của khoang là l và chiết suất của khoang là n thì =ln/c, trong đó c là
tốc độ ánh sáng trong chân không và nh vậy thay đổi khi thay đổi n hoặc l.
Điều chỉnh cơ khí của bộ lọc có thể có hiệu quả nếu dịch chuyển một gơng
phản xạ để thay đổi chiều dài của khoang cộng hởng. Điều này chỉ cho phép điều
chỉnh thời gian một vài miligiây. Đối với điều chỉnh cơ khí bộ lọc Fabry-Perot phải
đảm bảo độ chính xác về mặt cơ khí, nghĩa là duy trì hai gơng song song với nhau
khi một gơng dịch chuyển. Tuy nhiên khó có thể đảm bảo đợc độ chính xác này.
Ngô Đức Tiến, D2000VT 18
R
R
F

=
1

(2.2)
Hàm
truyền
đạt
công
suất
(dB)
0
-10
-20
-30
-1,5
-1
-1,5
0
0,5
1
-1,5
f/FSR
-40
R=0,75
R=0,90
R=0,99
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM
Một giải pháp khác để điều chỉnh là sử dụng vật liệu áp điện làm khoang. Bộ

lọc áp điện chịu nén khi đặt lên nó một điện áp. Do chiều dài của khoang có vật liệu
nh vậy có thể thay đổi nhờ điện áp, nên làm thay đổi tần số cộng hởng của khoang.
Tuy nhiên vật liệu áp điện phát sinh hiệu ứng không ổn định nhiệt và từ trễ nên khó
có thể ứng dụng bộ lọc nh vậy trong thực tế.
b. Bộ lọc âm quang điều chỉnh đợc (AOTF)
Bộ lọc âm quang điều chỉnh đợc (AOTF) là một thiết bị linh hoạt. Nó là bộ lọc
có thể điều chỉnh đợc để chọn lọc một số bớc sóng nhất định. Khả năng này đợc sử
dụng để cấu tạo bộ định tuyến bớc sóng.
2.2 Bộ ghép và bộ tách kênh quang
Chức năng của một bộ tách kênh quang là nhận tín hiệu từ sợi quang. Tín hiệu
từ sợi quang này là một tia sáng bao gồm nhiều tần số sóng quang khác nhau và bộ
tách kênh quang có nhiệm vụ tách tín hiệu nhận đợc thành các tín hiệu tại các tần
số khác nhau. Còn nhiệm vụ của bộ ghép kênh quang thì ngợc lại: Nó nhận tín hiệu
từ nhiều nguồn khác nhau và kết hợp chúng lại vào một tia sáng để truyền vào một
sợi quang duy nhất. Có hai loại thiết bị tách/ghép kênh là thiết bị tách/ghép kênh
tích cực và thiết bị tách/ghép kênh thụ động. Thiết bị tách/ghép kênh thụ động hoạt
động dựa trên nguyên lý của lăng kính, cách tử nhiễu xạ và lọc phổ. Còn các thiết bị
tách/ghép kênh tích cực hoạt động dựa trên nguyên tắc kết hợp các thiết bị thụ động
với các bộ lọc điều hởng trong đó mỗi một bộ lọc cộng hởng với một tần số nhất
định.
2.2.1 Nguyên tắc làm việc của lăng kính
Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM ngời ta thờng dùng lăng kính làm phần
tử tán sắc góc (hình 2.5). Do hiện tợng chiết suất phụ thuộc vào bớc sóng ánh sáng
tức là n=n(), nên các chùm tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hớng khác nhau ở
đầu ra theo định luật Snell (sự phụ thuộc của chiết suất vật liệu làm lăng kính theo
bớc sóng).
Ngô Đức Tiến, D2000VT 19
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM
Hình 2.5. Tán sắc góc dùng lăng kính
ir

Adn
d
di
coscos
sin
ì=

(2.3)
Trong đó: i là góc tới.
i
,
là góc ló.
A là góc đỉnh của lăng kính.
r là góc khúc xạ của tia sáng đi vào lăng kính.
Nhợc điểm: Tán sắc góc dùng lăng kính là mức độ tán sắc thấp nên khó tách đ-
ợc các tia sáng có bớc sóng gần nhau. Vì vậy ta chỉ có thể dùng lăng kính trong tr-
ờng hợp tách các bớc sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ: Một bớc sóng

1
ở cửa sổ 1300 nm và một bớc sóng
2
ở cửa sổ 1550 nm).
2.2.2 Nguyên lý làm việc của cách tử tán xạ
Do nhợc điểm không tách đợc các tia sáng có bớc sóng gần nhau nên lăng kính
ngày nay không đợc sử dụng trong công nghệ WDM nữa, thay vào đó ngời ta sử
dụng cách tử nhiễu xạ làm phần tử tán sắc góc (hình 2.6).
Khái niệm về cách tử
Cách tử là một mặt phẳng quang có nhiều rãnh cách đều nhau và có khả năng
truyền hoặc nhiễu xạ ánh sáng. Cách tử đợc cấu tạo bao gồm nhiều rãnh (nh răng c-
a), trên bề mặt của các rãnh này đợc phủ một lớp phản xạ, số lợng rãnh trên cách tử

có thể lên tới vài nghìn rãnh trên 1 mm. Cách tử có khả năng nhiễu xạ ánh sáng
theo một hớng nhất định phụ thuộc vào bớc sóng. Vì vậy một tia sáng có nhiều bớc
sóng khác nhau chiếu vào cách tử thì mỗi bớc sóng sẽ nhiễu xạ một hớng khác
nhau. Ngợc lại, các bớc sóng đi tới cách tử từ các hớng khác nhau có thể kết hợp
theo cùng một hớng. Góc nhiễu xạ phụ thuộc khoảng cách các rãnh và các góc tới.
Ngô Đức Tiến, D2000VT 20
A
B
C
i
r
i
'
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM
Khi rọi ánh sáng lên trên bề mặt cách tử, ngoài hiện tợng nhiễu xạ tức là hiện
tợng giao thoa của các tia sáng bị phản xạ bởi bề mặt cách tử, làm cho ánh sáng bị
nhiễu xạ theo các góc riêng biệt thoả mãn phơng trình sau:
Trong đó: n là chiết suất của lớp phản xạ phủ trên bề mặt cách tử.
là góc cách tử.
là góc nhiễu xạ tơng tự.
d là bớc cách tử.
là bớc sóng của tia sáng.
m là bậc nhiễu xạ.
Phơng trình (2.4) cho thấy rõ ràng góc nhiễu xạ phụ thuộc vào bớc sóng của
ánh sáng tới. Nh vậy, cũng giống nh lăng kính, ánh sáng không đơn sắc ở đầu vào,
sau khi qua cách tử sẽ đợc tách thành các tia sáng đơn sắc ở đầu ra theo các góc
khác nhau. Khác với lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho các góc tán sắc lớn hơn.
Hình 2.6. Sử dụng cách tử để tách bớc sóng
Khi giải ghép kênh (tách bớc sóng) bằng cách tử, nguồn sáng tới gồm nhiều b-
ớc sóng từ sợi quang sẽ đợc tách ra thành các tia đơn sắc tơng ứng với các bớc sóng

đợc truyền trên sợi theo các bớc khác nhau. Ngợc lại khi ghép kênh, một số kênh
ứng với các bớc sóng
1
,
2
,
3
, ...
n
đến từ các hớng khác nhau có thể đợc kết hợp
thành một hớng và đợc truyền dẫn trên cùng một sợi quang.
Ngô Đức Tiến, D2000VT 21
dn
m


=+ sinsin
(2.4)
Thấu kính
Các sợi quang
Các tia nhiễu
xạ
Cách tử
nhiễu xạ

1

1
+
1

+...+
N

3

2
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM
2.2.3 Bộ ghép và tách kênh quang
Hình 2.7. Sử dụng lăng kính để tách bớc sóng
Ngô Đức Tiến, D2000VT 22
Sợi quang

1
+
1
+...+
N
Thấu kính Thấu kínhLăng kính
A
B
C
Các sợi quang
n
1
n
2
n
2
>n
1

1

n

2
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM
Thông thờng bộ ghép kênh quang bao gồm một số đầu vào mang các tín hiệu
tại các bớc sóng khác nhau. Tất cả các bớc sóng đó đợc tập trung vào một điểm và
truyền vào một sợi quang duy nhất. Hầu hết các bộ tách kênh quang thụ động cũng
có thể sử dụng nh là một bộ ghép kênh quang. Chúng có thể hoạt động dựa trên
nguyên lý làm việc của lăng kính hoặc cũng có thể làm việc theo nguyên tắc tán xạ
khi sử dụng cách tử.
Hình 2.6 chỉ ra một ví dụ về một bộ tách kênh sử dụng cách tử tán xạ.
Hình 2.8. Sử dụng cách tử tán xạ để ghép kênh
2.3 Bộ xen rẽ quang (OADM)
Các bộ xen rẽ quang đợc dùng để liên kết nhiều tín hiệu vào trong một đờng
truyền đơn hoặc để tách các tín hiệu sau khi truyền nh trong hình 2.9. Trong rất
nhiều phần tử của mạng, một phần tử có thể không muốn liên kết hoặc tháo toàn bộ
cấu trúc kênh mà chỉ đơn thuần xen hoặc rẽ một hay một số kênh. Một bộ ghép
quang thực hiện chức năng này không cần phải biến đổi tín hiệu trong tất cả các
kênh thành dạng điện và ngợc lại. Bộ xen rẽ rất cần cho mạng diện rộng và mạng
thành phố khi một hay một số kênh cần đợc tách ra trong khi các kênh khác trong
đờng truyền vẫn giữ nguyên.
Hình 2.9. Bộ xen rẽ quang OADM
Ngô Đức Tiến, D2000VT 23
Thấu kính
Các sợi quang
Các tia nhiễu
xạ

Cách tử
nhiễu xạ

1

1
+
1
+...+
N

3

2
Bộ xen rẽ
quang
OADM

12
...
n
Kênh đầu vào Kênh đầu ra
Xen kênh
Rẽ kênh

12
...
n

x

x
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM
- Phần tử thứ nhất đợc sử dụng làm bộ xen rẽ quang là bộ định tuyến bớc sóng
(Wavelength routing) dựa trên nguyên lý dịch pha của các bớc sóng (AWG).
Chức năng của AWG đợc thể hiện nh trên hình 2.10. Tất cả các bớc sóng đợc đa
tới đầu vào "a" sẽ xuất hiện lần lợt tại các đầu ra. Trên cùng một đầu ra có thể
xuất hiện các bớc sóng tại các đầu vào khác nhau. Nguyên lý làm việc này khiến
AWG trở thành bộ định tuyến bớc sóng. Nếu chọn các bớc sóng đa tới đầu vào
thích hợp thì sẽ có thể lấy đợc bớc sóng đó ở đầu ra bất kỳ. Khi đầu vào (a) chỉ
có một cổng thì AWG đợc dùng nh bộ tách sóng quang, nếu đi theo chiều ngợc
lại thì nó trở thành bộ ghép bớc sóng.
Phần tử này có thể chế tạo với số lợng lớn với giá thành hạ vì về cơ bản nó đợc
chế tạo theo cách chế tạo các chíp điện tử. Do đó AWG còn đợc gọi là linh kiện
quang tích hợp (Integrated Optics).
Hình 2.10. Nguyên lý của AWG
- Phần tử thứ hai là các bộ tách ghép bớc sóng sử dụng phối hợp bộ quay pha bớc
sóng (circulator) và cách tử sợi quang (fiber grating)-cách tử Bragg.
Trong đó bộ quay pha quang có thiết kế gần giống với bộ cách ly quang
(optical isolator). Các bớc sóng cần tách/xen sẽ đợc bộ cách tử sợi quang phản xạ
lại đa vòng tới lối ra/vào của bộ quay pha. Các bớc sóng khác vẫn đi qua bình th-
ờng.
Một cách tử sợi quang là thiết bị giao thoa quang đợc thiết kế ngay bên trong
một sợi quang. Nếu một sợi thuỷ tinh đợc cấy thêm một chất phù hợp, thờng là
Germanium, chỉ số khúc xạ của nó có thể đợc thay đổi bằng việc chiếu các tia cực
tím. Nếu việc chiếu các tia cực tím xảy ra trong một khoảng thời gian thích hợp, bộ
lọc sẽ trở thành một cách tử. Do nó chỉ là một mẩu sợi quang nhỏ nên suy hao xen
có thể coi bằng 0 (một đặc tính tuyệt vời cho các bộ tách/ghép bớc sóng). Nó sẽ
Ngô Đức Tiến, D2000VT 24

1
a
2
a
3
a
4
a

1
b
2
b
3
b
4
b

1
c
2
c
3
c
4
c

1
d
2

d
3
d
4
d

1
a
4
b
3
c
2
d

2
a
1
b
4
c
3
d

3
a
2
b
1
c

4
d

4
a
3
b
2
c
1
d
Đầu vào a
Đầu vào b
Đầu vào c
Đầu vào d
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM
phản xạ bớc sóng ánh sáng gần nh hoàn toàn trong một dải xác định trớc và truyền
đi các bớc sóng còn lại.
Hình 2.11. Phối hợp bộ quay pha và cách tử sợi quang
Bớc sóng trung tâm của bộ lọc cách tử sợi quang đợc xác định bằng chu kỳ của
nó. Băng thông này tỷ lệ nghịch với bớc sóng. Cả hai thông số này đều nhạy cảm
với nhiệt độ, do đó các bộ lọc này yêu cầu nhiệt độ ổn định hoặc có các cơ chế điều
khiển nhiệt độ.
Cách tử sợi quang là một linh kiện có rất nhiều ứng dụng trong truyền dẫn. Nó
có thể dùng làm bộ lọc bớc sóng băng hẹp hoặc băng rộng, bộ bù tán sắc, bộ lọc
làm theo đờng đặc tuyến của EDFA và là một phần của bộ lọc quang trong phần tử
tách/ghép bớc sóng. Nó ít khi đợc dùng riêng nh các thành phần thụ động trong
WDM.
Kết hợp bộ quay pha và cách tử sợi quang theo cách nh vậy giúp ta có thể tách
ghép một bớc sóng tại node xen/rẽ với suy hao rất nhỏ (2 dB). Tuy nhiên giá thành

chế tạo bộ quay pha hiện nay còn khá cao nên nó mới chỉ thờng đợc dùng cho các
tuyến cáp quang biển cự ly dài.
2.4 Coupler hình sao (PSC)
Vai trò của coupler hình sao là kết hợp các tín hiệu quang khác nhau đến từ các
đầu vào khác nhau và chia chúng ra tại các đầu ra. Trái với các bộ ghép kênh,
coupler hình sao không bao gồm các phần tử lựa chọn bớc sóng, cũng nh không có
nhiệm vụ tách các kênh tín hiệu ra riêng rẽ. Số đầu vào và số đầu ra cũng không cần
phải bằng nhau. Ví dụ: Trong trờng hợp phát video phân bố, một số lợng nhỏ các
kênh video (khoảng 100 kênh) sẽ đợc phát cho hàng nghìn thuê bao. Số lợng đầu
vào và số lợng đầu ra thờng đợc chọn bằng nhau cho phát quảng bá và lựa chọn
trong mạng LAN khi mỗi ngời dùng mong muốn nhận đợc thông tin từ tất cả các
kênh. Một coupler hình sao thụ động đợc nói đến với ngụ ý là một coupler sao
quảng bá NxN trong đó N là số đầu vào và đầu ra. Một coupler hình sao phản xạ
Ngô Đức Tiến, D2000VT 25


1

1

2