tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng wdm

Đại học Công Nghệ Thông Tin
Đại học Quốc Gia Tp.HCM
Đề tài:
Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang
theo bước sóng WDM
Các thành viên trong nhóm
Nguyễn Tiến Thành – 08520354
Phạm Ngọc Sơn – 08520317
Nguyễn Vũ An – 08520517
Hoàng Mạnh Hưng – 08520165
Dương Sơn Thông – 08520391
Giáo viên
ThS. Ngô Hán Chiêu
1
Mục lục
Mục lục 2
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 6
Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM 10
I: Sự phát triển của công nghệ WDM 10
II: Giới thiệu về hệ thống thông tin quang 11
III: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng và các tham số cơ bản 15
1: Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng 15
1.1: Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: 15
1.2: Truyền dẫn hai chiều trên một sợi 16
2: Các tham số cơ bản 18
Chương II: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDM 20
I: Các thiết bị WDM vi quang 21
1: Các bộ lọc thiết bị 22
1.1. Bộ tách hai bước sóng 24
1.2: Bộ tách lớn hơn hai bước sóng 25

1.3: Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (MUX-DEMUX): 26
2: Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc: 29
2.1. Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc: 29
2.2. Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc: 30
2.2.1. Mở đầu 30
2.2.2. Cách tử nhiễu xạ phẳng 31
2.2.3. Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng: 33
2.2.4. Cách tử hình long chảo 35
2.2.5. Cách tử Bragg: 36
2
II. CÁC THIẾT BỊ WDM GHÉP SỢI 38
III. MỘT SỐ KỸ THUẬT KHÁC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG GHÉP WDM. 41
1. Bộ ghép bước sóng dùng công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT. 41
1.1 Nguyên lý chung 41
1.2. Bộ ghép nhân kênh dùng cách tử: 42
1.3. Thiết kế bộ ghép n bước sóng. 43
2. AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM 46
Chương III: MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỶ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN
QUANG WDM 49
I: Số kênh sử dụng và khoảng cách giữa các kênh 50
1: Khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là 50
2: Khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này là: 50
II: Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng của nguồn phát 57
1: Ổn định bước sóng của nguồn quang 57
2: Yêu cầu độ rộng của nguồn phát 57
III: Xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang 58
IV: Suy hao – Quỹ công suất của hệ thông WDM 58
V: Tán sắc – Bù tán sắc 59
IV: Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 62
1. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering): 63

2. Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering): 64
3. Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation): 65
4. Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation): 67
5. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing): 67
6. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến: 69
3
VII: Bộ khuếch đại EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM 69
1. Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA: 70
2. Tăng ích bằng phẳng của EDFA: 72
3. Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA: 73
Chương IV: CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG WDM 74
I.
1.
Công nghệ bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang pha trộn ERBIUM (EDFA) 74
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA 74
2: Đặc tính của EDFA 77
2.1: Đặc tính khuếch đại 77
2.2: Đặc tính tạp âm nhiễu 78
2.3: EDAF trong hệ thống ghép kệnh theo bước sóng 82
Chương V: Mạng WDM 84
I: Phân cấp mạng WDM 84
II. Hai kiểu chuyển mạch của WDM 86
1. Mạng WDM chuyển mạch kênh quang 86
2. Mạng WDM chuyểm mạch gói: 87
III. Điểm mút của mạng WDM 88
1. Điểm nút OXC: 88
2. Điểm nút OADM: 91
IV. Phân phối và định tuyến bước sóng trong mạng WDM 93
1. Kênh bước sóng và kênh bước sóng ảo. 93
2. Chọn đường trong mạng WDM 95

V: Bảo vệ mạng WDM 96
1. Bảo vệ kiểu 1+1 trên lớp SDH 96
2. Bảo vệ đoạn ghép kênh: 97
4
VI. WDM và SDH. 97
VII. Mạng quang và hỗn hợp quang điện 98
VIII. Vấn đề phi tuyến trong mạng quang WDM 99
IX. Thiết kế cấu trúc mạng WDM 99
V. Mạng Ring tự phục hồi ghép bước sóng 101
1. Mở đầu 101
2. Cấu trúc SHR/WDM đơn hướng 101
2.1. Cấu trúc mạng Ring có 4 nút: 101
2.2. Cấu trúc nút: 102
2.3: Quan hệ giữa số lượng nút và số lượng bước sóng. 104
3. Cấu trúc SHR/WDM hai hướng 104
4. So sánh SHR/ADM và SHR/WDM 106
KẾT LUẬN 108
5
Viết tắt
ADM
AG
AN
AOTF
APD
AWGM
ATM
ADP
AW
C

DCA
DEMUX
DSF
DXC
DLE
DWDM
FBG
EDFA
FDM
FFWF
GMPLS
GW
IP
ISDN
LAN
LC
LCP
LCG
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Tiếng AnhTiếng Việt
Add/drop multiplexerBộ ghép kênh xen kẽ
Auxiliary GraphDựng một đồ thị phụ
Acces NodeNút truy nhập
Acousto OpticBộ lọc thanh quang
Turnable Filtercó điều chỉnh
Avalanche PhotodiodeĐiốt quang thác
Arrayed - WavelengthBộ ghép kênh lưới quang
Grating Multiplexerdẫn sóng kiểu dàn
Asynchronous Transfer ModePhương thức truyền không
đồng bộ

Avalanche Photo DiodeĐiốt quang thác
Available WavelengthBước sóng khả dụng
CoreĐường trục
Distinct Channel AssignmentGán kênh riêng biệt
DemultiplexerBộ giải ghép kênh
Dispersion Shifted FiberSợi dịch tán sắc
Digital Cross ConnectNối chéo số
Dynamic Lightpath EstablishmentThiết lập luồng quang
Differential WavelengthGhép kênh chia bước
Division Multiplexersóng vi sai
Fibre GratingLưới sợi quang
Erbium doped fiber ampliferKhuếch đại sợi quang
trộn erbium
Frequency Division MultiplexingGhép kênh phân chia tần số
First Fit Wavelength FirstThuật toán gán bước sóng
theo thứ tự bước sóng
Generalized Multiple ProtocolChuyển mạch nhãn đa
Label Swithchinggiao thức tổng quát
GatewayCổng
Internet ProtocolGiao thức internet
Integrated service digital networkMạng số liên kết dịch vụ
Local Area NetworkMạng cục bộ
Logical ConnectionKết nối logic
Least Congested PathĐịnh tuyến đường nghẽn ít nhất
Logical Connection GraphHướng kết nối logíc biểu đồ
6
LF
LEC
LL
LSP

LSR
LU
M∑
MESH
MPLS
NP-
Largest First
Least Converter First
Least Loaded
Label Swithched Path
Label Swithching Router
Least Used
Max-Sum
Mesh
Multi Protocol Label Swithching
Subset of class NP
problem complete
Non-Zero Dispersion Shifted Fiber
Optical add/drop multiplexer
Optical Circulator
Optical/Electrical/ Optical
Optical Channel
Optical Line Amplifier
Optical Cross Connect
Optical Time Division Multiplex
Routing and Wavelength
Assignment
Synchronous Digital Hierarchy
Sequential Graph Coloring
Synchronous Optical Network

Sub-Network Connection
Protection
Synchronous Transport Module
Static Wavelength Routing
Space Optical Switch
Total wavelength and Available
wavelength
Thuật toán gán bước sóng
từ bậc lớn nhất
Chuyển đổi bước sóng
theo thứ tự cao nhất
Thuật toán gán bước
sóng dựa trên tải ít nhất
Luồng chuyển mạch nhãn
Bộ định tuyến chuyển
mạch nhãn
Gán bước sóng dựa trên
bước sóng sử dụng ít nhất
Thuật toán gán bước sóng dựa
trên tổng dung lượng lớn nhất
Dạng lưới
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
Tập hợp con của lớp các bài
toán NP mà nó được xem là
khó giải
Sợi quang dịch chuyển tán sắc
khác không
Bộ ghép kênh xen/rẽ quang
Bộ đấu vòng quang
Quang/ Điện/ Quang

Kênh quang
Khuếch đại đường quang
Nối chéo quang
Ghép kênh quang phân chia
thời gian
Định tuyến và gán bước sóng
Phân cấp số đồng bộ
Tô màu đồ thị tuần tự
Mạng quang đồng bộ
Bảo vệ kết nối mạng con
Modun truyền tải đồng bộ
Bộ định tuyến bước sóng tĩnh
Chuyển mạch quang không
gian
Tổng bước sóng của các
bước sóng khả dụng
7
NZ-DSF
OADM
OC
O/E/O
Och
OLA
OXC
OTDM
RWA
SDH
SGC
SONET
SNCP

STM
SWR
SOS
TAW
TDM
Thr
TSI
WADM
WC
WDM
WGR
WP
WR
WRS
OSC
DFK
DFF
SMF
DCF
CBFG
OA
OADM
OXC
OMS-DP
OMS-SP
OMS
RWA
SLE
WCA
RCL

RCA
Rsv
WRN
Time Division Multiplexing
Thr - Protecting Threshold
Time Slot Interchanger
Wavelength Add- Drop Multiplexer
Wavelegth Converter
Wavelength Division Multiplex
Waveguide Grating Router
Wavelength Path
Wavelength Router
Wavelength Router Switch
Optical Supervision Chanel
Dispersion Shifted Fiber
Dispersion Flattened Fiber
Single Mode Fiber
Dispersion Compensating Fiber
Chirper Bargg Fiber Grating
Optical Amplifier
Optical Add Drop Multiplexer
Optical Cross Connect
Optical Multiplexer Section
Dedicated Protection
Optical Multiplexer Section
Shared Protection
Optical Multiplexer Section
Routing and Wavelength
Assignment
Static Lightpath Establishment

Wavelength conveter Awave
Relative Capacity Loss
Routing and Channel Assignment
Wavelength Reservation
Wavelength Router Network
Ghép kênh phân chia theo
thời gian
Ngưỡng bảo vệ
Trao đổi khe thời gian
Bộ nhập tách bước sóng
Bộ chuyển đổi bước sóng
Ghép kênh chia bước sóng
Bộ định tuyến lưới quang
dẫn sóng
Đường bước sóng
Bộ định tuyến bước sóng
Khoá định tuyến bước sóng
Kênh giám sát quang
Sợi dịch tán sắc
Sợi tán sắc phẳng
Sợi đơn mode
Sợi bù tán sắc
Cách tử Bargg
Khuếch đại quang
Bộ xen tách quang
Kết nối chéo quang
Bảo vệ dùng riêng mức đoạn
ghép kênh quang
Bảo vệ dùng chung mức đoạn
ghép kênh quang

Đoạn ghép kênh quang
Định tuyến gán bước sóng
Thiết lập luồng quang tĩnh
Bộ chuyển đổi bước sóng
Tổn thất dung lượng tương đối
Định tuyến và gán kênh
Gán bước sóng đặt trước
Mạng định tuyến bước sóng
LỜI NÓI ĐẦU
8
Thời gian gần đây, nhu cầu lưu lượng tăng mạnh do sự phát triển bùng nổ của các
loại hình dịch vụ Internet và các dịch vụ băng thông đã tác động không nhỏ tới việc
xậy dựng cấu trúc mạng viễn thông. Việc xây dựng mạng viễn thông thế hệ sau NGN
đang được quan tâm như một giải pháp hữu hiệu nhằm thoả mãn nhu cầu mạng lưới
trong thời gian tới. Trong cấu trúc NGN mang truyền tải lưu lượng là khâu quan trọng
nhất có nhiệm vụ truyền thông suốt lưu lượng lớn trên mạng, trong đó mạng truyền
dẫn được xem là huyết mạch chính. Để thoả mãn việc thông suốt lưu lượng và băng
tần lớn, các hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM được xem là ứng cử
quan trọng cho đường truyền dẫn. Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho mạng
lưới truyền dẫn cao trên băng tần lơn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng
thời trên một sợi, trong đó mỗi kênh tương đương với một hệ thống truyền dẫn độc
lập tốc độ cao. Công nghệ WDM cho phép các nhà thiết kế mạng lựa chọn được
phương án tối ưu nhất để tăng dung lượng đường truyền với chi phí thấp nhất. Cho
đến nay hầu hết các hệ thống thông tin quang đường trục có dung lượng cao đều sử
dụng công nghệ WDM. Ban đầu từ những tuyến WDM điểm – điểm đến nay đã xuất
hiện các mạng với nhiều cấu trúc phức tạp
Với nhận thức ấy đề tài “Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng
WDM” sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn. Báo cáo gồm có 5 chương với nội dung tóm tắt
cụ thể như sau:
Chương I : Giới thiệu chung về thông tin quang, các nguyên lý ghép kênh trên hệ

thống truyền dẫn hai chiều trên hai sợi và một sợi
Chương II: Giới thiệu về các thiết bị quang thụ động trong WDM, các thiết bị
WDM ghép sợi, một số kỷ thuật SOFT, AWG và những nét mới về công nghệ trong
thiết bị
Chương III: Giới thiệu về các vấn đề kỷ thuật cần quan tâm đối với hệ thống
quang WDM như: Vấn đề ổn định bước sóng, vấn đề xuyên kênh, nhiễu kênh, suy
hao, tán sắc-bù sắc và ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến
Chương IV: Các công nghệ then chốt của hệ thống WDM như: Công nghệ lọc
quang có điều chỉnh bước sóng, công nghệ bộ chuyển phát quang (OTU), công nghệ
bộ khuếch đại quan sử dụng sợi quang, công nghệ sợi quang và công nghệ điều khiển
giám sát hệ thông WDM
Chương V: Giới thiệu chung về mạng WDM
9
Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM
I: Sự phát triển của công nghệ WDM
Công nghệ mạng quang đã trở thành nhân tố quan trọng trong sự phát triển của
mạng viễn thông. Yêu cầu băng tần sử dụng lớn là hệ quả tất yếu của nhu cầu truyền
thông dữ liệu ngày nay. Trong hai thập kỷ qua, công nghệ truyền tải quang WDM đã
có sự phát triển vượt bậc. Sự phát triển này có được là nhờ công nghệ chế tạo linh
kiện quang. Những thành tựu của công nghệ này đã góp phần tạo nên hệ thống WDM
dung lượng lớn như ngày nay. Theo thời gian, xuất phát từ những nhu cầu thực tế, các
hệ thống WDM ngày càng trở nên phức tạp. Ở một góc độ nào, sự phức tạp trong hệ
thống WDM là trong những chức năng của thiết bị. Nhờ có chức năng này mà cấu
hình hệ thống WDM chuyển từ đơn giản như cấu hình điểm- điểm sang cấu hình phức
tạp như Ring và Mesh. Các hệ thống WDM đầu tiên xuất hiện từ cuối những năm
1980 sử dụng hai kênh bước sóng trong các vùng 1310nm và 1550nm và thường được
gọi là hệ thống WDM băng rộng. Đầu những năm 1990 xuất hiện các hệ thống WDM
thế hệ hai sử dụng các phần tử WDM thụ động, được gọi là hệ thống WDM băng hẹp
từ 2 đến 8 kênh. Các kênh này nằm trong cửa sổ 1550nm và với khoảng cách kênh
400GHz. Đến giữa những năm 1990 đã có hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) sử

dụng từ 16 đến 40 kênh với khoảng cách kênh từ 100 đến 200 GHz. Các hệ thống này
đã tích hợp các chức năng xen rẽ và quản lý mạng. Các hệ thống WDM ban đầu sử
dụng với khoảng cách kênh lớn. Việc lắp đặt hệ thống WDM chi phối bởi những lý do
kinh tế. Việc nâng cấp thiết bị đầu cuối để khai thác các năng lực của WDM có chi
phi thấp hơn việc lắp đặt cáp sợi quang mới. Sự xuất hiện bộ khuếch đại quang
EDFA đã chuyển hầu hết các hệ thống WDM sang cửa sổ 1530 nm đến 1565nm. Các
hệ thống WDM mới lắp đặt gần đây đã sử dụng các kênh quang có khoảng cách giữa
các kênh hẹp từ 25 GHz đến 50 GHz. Nhu cầu về băng tần mạng đang tăng gần
100%/một năm sẽ tiếp tục gia tăng ít nhất là trong vài chục năm tiếp theo. Việc giảm
giá thành của các nhà cung cấp và trên hết là ứng dụng phổ cập của Internet đòi hỏi
băng tần lớn sẽ được tiếp tục đẩy mạnh.
10
Các giải pháp thực tế đối với các vấn đề giới hạn ảnh hưởng của tán sắc mode
phân cực, hiệu ứng phi tuyến, sẽ làm tăng cả số lượng kênh và tốc độ bít của hệ thống
WDM. Số lượng các kênh tăng đòi hỏi yêu cầu khắt khe hơn đối với độ ổn định của
laser, độ chính xác của bộ lọc và vấn đề liên quan đến quản lý tán sắc, hiệu ứng phi
tuyến Mạng tiến dần tới mô hình toàn quang, do đó sẽ xuất hiện các hệ thống thiết
bị quang mới có khả năng thực hiện các chức năng mà các thiết bị điện tử đang đảm
nhận. Việc loại bỏ các yêu cầu khôi phục và tái tạo lưu lượng qua thiết bị điện tử làm
giảm đáng kể tính phức tạp phần cứng của mạng, nhưng sẽ làm tăng các hiệu ứng
quang khác. Mặc dù trên khía cạnh nào đó các kỹ thuật WDM mật độ cao sẽ đạt tới
giới hạn của nó. Sự truyền dẫn của vài trăm kênh trên một sợi quang cũng đã được
kiểm chứng. Nhờ có sự phát triển của công nghệ WDM, trong tương lai không xa sẽ
xuất hiện các dịch vụ thông tin quang giá thành thấp tốc độ cao.
II: Giới thiệu về hệ thống thông tin quang
Ngay từ xa xưa để thông tin cho nhau, con người đã biết sử dụng ánh sáng để báo
hiệu. Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong
phú dần và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại như
ngày nay, tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và
nhanh chóng. Cách đây 20 năm, từ khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang được

chính thức đưa vào khai thác trên mang viễn thông, mọi người đều thừa nhận rằng
phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc chuyển tải các
dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại. Trong vòng 10
năm trở lại đây, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của của công nghệ điện tử - viễn thông,
công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc. Các nhà sản
xuất đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154
dB/km tại bước sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi
quang trong hơn hai thập niên qua. Cùng với đó là sự tiến bộ lớn trong công nghệ chế
tạo các nguồn phát quang và thu quang, để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang
với nhiều ưu điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại. Dưới đây là
những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các môi trường truyền
dẫn khác, đó là:
Ø
Ø
Ø
Suy hao truyền dẫn nhỏ
Băng tần truyền dẫn rất lớn
Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ
11
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao
Có kích thước và trọng lượng nhỏ
Sợi có tính cách điện tốt
Độ tin cậy cao
Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có

Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh mẽ
các nhà khai thác viễn thông. Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp
với các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, và tuyến trung kế mà còn có
tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin
cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.
Mô hình chung của một tuyến thông tin quang như sau:
Hình 1.1: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang
Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần
thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch
12
điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp
vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài.
Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp
thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối
quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một
tuyến thông tin quang hoàn chỉnh.
Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy
hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm. Ba vùng
bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa
sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng. Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang,
cửa sổ thứ nhất được sử dụng. Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển
mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày
nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba.
Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc
Laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông
tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của
dòng điều biến. Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng
tương tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương
ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều
biến. Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu

tạo. Đoạn sợi quang ra (pigtail) của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang
được khai thác trên tuyến.
Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo
sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng
thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng
quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa
tới. Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện. Các photodiode PIN và
photodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các hệ
thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ
chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định
bước sóng làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang
cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt. Đặc tính quan
trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ
13
nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép
của hệ thống.
Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi
bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến. Cấu trúc của
thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào
nhau. Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín
hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang. Thiết bị
phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào
đường truyền. Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay
thế một phần các thiết bị trạm lặp quang.
Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi quang
sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu. Các
nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và
phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ
sợi này. Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi

quang. Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế
rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao
nhỏ (xem hình 1.2):
Hình 1.2: Độ rộng của nguồn quang và dải thông của sợi quang
14
III: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng và các tham số cơ bản
1: Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng
Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là tận
dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang
đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thành
của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất. ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có
quá trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung
lượng truyền dẫn. Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây
dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đường truyền đạt tới một
mức độ nào đó người ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc
nâng cao tốc độ truyền dẫn. Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch
điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó,
chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi
công nghệ rất cao. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục
được những hạn chế trên.
Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi
nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều
bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau. Mỗi bước sóng đại diện cho
một kênh quang trong sợi quang. Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà sự
riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1 nm hay 10-9 m, điều này
dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM). Các thành
phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng
dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ
(SDH/SONET). Các nhà cung cấp DWDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ
cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang. Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây

đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm
Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn. Có hai hình thức cấu thành
hệ thống WDM đó là:
1.1: Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi:
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quang cùng trên
một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 1.3), ở đầu phát các tín hiệu
có bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế l1 , l 2 , , l n thông qua bộ ghép
kênh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang. Vì các tín hiệu
được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn. Ở đầu thu, bộ
tách kênh quang tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín
15
hiệu quang nhiều kênh. Ở chiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên
lý giống như trên.
Hình 1.3: Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi
1.2: Truyền dẫn hai chiều trên một sợi
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hướng đi, các kênh quang
tương ứng với các bước sóng l1, l2, , ln qua bộ ghép/tách kênh được tổ hợp lại với
nhau truyền dẫn trên một sợi. Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng ln+1,
ln+2, , l2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xem hình 1.4). Nói cách khác ta
dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (song công).
Hình 1.4: Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên cùng 1 sợi quang
16
Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển tương đối rộng
rãi. Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn,
đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt. 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 dải rộng của các bước sóng quang. Khi thực hiện tách
kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế
các bộ tách kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước

sóng cắt chính xác, dải làm việc ổn định.
Hệ thống WDM được thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây ra suy hao
truyền dẫn. Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của các thiết bị thấp, cần phải tối thiểu
hoá thành phần công suất có thể gây ra phản xạ tại các phần tử ghép, hoặc tại các
điểm ghép nối các module, các mối hàn , bởi chúng có thể làm gia tăng vấn đề
xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suy giảm nghiêm trọng tỉ số S/N của hệ
thống. Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêm trọng đối với hệ thống WDM truyền dẫn hai
chiều trên một sợi, do đó hệ thống này có khả năng ít được lựa chọn khi thiết kế
tuyến.
Ở một mức độ nào đó, để đơn giản ta có thể xem xét bộ tách bước sóng như bộ
ghép bước sóng chỉ bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng. Như vậy hiểu đơn giản, từ
“bộ ghép - multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để
xét cho cả bộ ghép và bộ tách; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị
hoặc hai chức năng. Người ta chia loại thiết bị OWDM làm ba loại: Các bộ ghép
(MUX), các bộ tách (DEMUX) và các bộ ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX). Các
bộ MUX và DEMUX được sử dụng trong các phương án truyền dẫn theo một hướng,
còn loại thứ ba MUX-DEMUX được sử dụng cho các phương án truyền dẫn theo hai
hướng. Hình 1.5 mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp.
Hỡnh 1.5. Mụ tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX).
17
2: Các tham số cơ bản
Các tham số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép/tách hỗn hợp là suy hao
xen, suy hao xuyên kênh và độ rộng kênh. Để đơn giản, ta hãy phân biệt ra thành thiết
bị một hướng (gồm các bộ ghép kênh và tách kênh độc lập) và thiết bị hai hướng (bộ
ghép/tách hỗn hợp). Các ký hiệu I(li) và O(lk) tương ứng là các tín hiệu được ghép
đang có mặt ở đường chung. Ký hiệu Ik(lk) là tín hiệu đầu vào được ghép vào cửa thứ
k, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k. Ký hiệu Oi(li) là tín hiệu có
bước sóng li đã được tách và đi ra cửa thứ i. Nhìn chung, các tín hiệu quang không
phát một lượng công suất đáng kể nào ở ngoài độ rộng phổ kênh đã định trước của
chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh là không đáng lưu tâm ở đầu phát. Bây giờ ta xem

xét các thông số:
·Suy hao xen: được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến
truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị truyền dẫn quang WDM. Suy hao này
bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản
thân thiết bị ghép gây ra. Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các
bộ ghép coupler chung, nhưng cần lưu ý là ở WDM là xét cho một bước sóng đặc
trưng:
O(li )
I i (li )
Oi (li )
I (li )
Li(MUX) = -10log (1.1)
Li(DEMUX) = -10log (1.2)
Với Li là suy hao tại bước sóng li khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền
dẫn. Các tham số này luôn phải được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh
quang của thiết bị.
18
Hình 1.6. Xuyên kênh ở bộ tách kênh (a)
và ở bộ ghép - tách hỗn hợp (b)
·Suy hao xuyên kênh: mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này được ghép
sang kênh khác. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc vào
trường hợp áp dụng. Nhưng nhìn chung, phải đảm bảo mức xuyên kênh nhỏ hơn (-
30dB) trong mọi trường hợp.
Trong một bộ tách kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ
i có bước sóng li sang các kênh khác có bước sóng khác với li. Nhưng trong thực tế,
luôn luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, và làm giảm chất lượng truyền dẫn của
thiết bị. Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên
kênh và được tính bằng dB như sau:
Di(lk) = -10log [Ui(lk)/I(lk)] (1.3)
Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ tách kênh ở hình 1.6 a) thì Ui(lk) là lượng tín hiệu

không mong muốn ở bước sóng lk do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà đúng ra chỉ
có tín hiệu ở bước sóng li. Trong thiết bị ghép/tách hỗn hợp như ở hình 1.6 b), việc
xác định suy hao xuyên kênh cũng được xác định như ở bộ tách. Ở trường hợp này,
phải xem xét cả hai loại xuyên kênh. “Xuyên kênh đầu xa” là do các kênh khác được
ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I(lk) sinh ra Ui(lk). “Xuyên kênh đầu
gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị, như
Ui(lj). Khi cho ra các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối
với từng kênh của thiết bị.
· Độ rộng kênh: là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang riêng.
Nếu nguồn phát quang là các diode Laser thì độ rộng kênh được yêu cầu vào khoảng
vài chục nanomet để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các
nguồn phát gây ra (ví dụ khi nhiệt độ làm việc thay đổi sẽ làm trôi bước sóng đỉnh
hoạt động). Đối với nguồn phát quang là diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng
kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi vì độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn.
19
Chương II: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDM
Trong chương trước, chúng ta đã có tầm nhìn bao quát về một tuyến truyền dẫn
quang và công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM. Các thiết bị OWDM rất
đa dạng, có thể thực hiện qua các phần tử tích cực hay thu động, nguồn quang phổ
hẹp, các thiết bị vi quang, các thiết bị phân cực quang, quay pha, cách tử quang, ghép
sợi Nhưng tưu trung lại, chúng làm việc chủ yếu theo hai nguyên tắc chính:
nguyên tắc tán sắc góc và nguyên tắc lọc quang. Ngày nay, cùng với những tiến bộ
không ngừng trong nhiều lĩnh vực khác của ngành công nghiệp truyền thông, đặc biệt
là với công nghệ mới đầy hấp dẫn này, các thiết bị WDM không ngừng được đổi mới
và cải tiến cho phù hợp nhằm vươn tới những ngưỡng dung lượng truyền dẫn khổng
lồ với chi phí đầu tư thấp. Chương này nhằm đề cập đến các vấn đề kỹ thuật từ cơ bản
đến phức tạp đã và đang được sử dụng trong các thiết bị WDM.
Các phần tử sử dụng trong hệ thống OWDM rất đa dạng, nhưng có thể phân loại ra
như hình 2.1:
20

Hình 2.1: Phân loại thiết bị
Để đơn giản khi xem xét các thiết bị WDM, chúng ta chủ yếu lấy bộ tách kênh
theo bước sóng để phân tích, bởi vì nếu xét ở một mức độ nào đó thì nguyên lý các
thiết bị WDM có tính thuận nghịch về cấu trúc, do đó hoạt động của các bộ ghép kênh
cũng được giải thích tương tự bằng cách đơn giản là thay đổi hướng tín hiệu đầu vào
và đầu ra.
Các bộ tách (hay các bộ ghép) được chia ra làm hai loại chính theo công nghệ chế
tạo là:
· Thiết bị WDM vi quang
· Thiết bị WDM ghép sợi.
Ở loại thứ nhất, việc tách/ghép kênh dựa trên cơ sở các thành phần vi quang. Các
thiết bị này được thiết kế chủ yếu sử dụng cho các tuyến thông tin quang dùng sợi đa
mode, chúng có những hạn chế đối với sợi dẫn quang đơn mode. Loại thứ hai dựa vào
việc ghép giữa các trường lan truyền trong các lõi sợi kề nhau. Kỹ thuật này phù hợp
với các tuyến sử dụng sợi đơn mode.
I: Các thiết bị WDM vi quang
Các thiết bị WDM vi quang được chế tạo dựa trên hai phương pháp công nghệ
khác nhau là: các thiết bị có bộ lọc và các thiết bị phân tán góc. Thiết bị lọc chỉ hoạt
động mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm các bước sóng) tại một thời điểm, nhằm
để tách ra một bước sóng trong nhiều bước sóng. Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh,
21
người ta phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng. Còn thiết bị phân tán góc lại đồng thời đưa
ra tất cả các bước sóng.
1: Các bộ lọc thiết bị
Trong thiết bị ghép-tách bước sóng vi quang thường sử dụng bộ lọc bước sóng
bằng màng mỏng. Thí dụ bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng thể hiện như
hình 2.2.
Hình 2.2. Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng.
Bộ lọc có cấu trúc đa lớp gồm các lớp điện môi rất mỏng, có chiết suất cao và thấp

đặt xen kẽ nhau. Bộ lọc làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot,
gồm hai gương phản xạ một phần đặt song song cách nhau chỉ bởi một lớp điện môi
trong suốt.
Hình 2.3. Cấu trúc của bộ lọc điện môi.
Bề dày các lớp bằng 1/4 bước sóng truyền đối với bộ lọc bậc 0 và bằng 3/4l0 đối
với bộ lọc bậc 1 và được chế tạo từ vật liệu có hệ số chiết suất thấp như MgF2 có n =
1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46 và vật liệu có chỉ số chiết suất cao như TiO2 có n = 2,2.
Khi chùm tia sáng đi vào thiết bị, thì hiện tượng giao thoa ánh sáng xảy ra do phản
xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng. Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên lần của
nửa bước sóng ánh sáng tới thì giao thoa xếp chồng xảy ra và công suất quang của
bước sóng đạt giá trị cực đại và bước sóng đó sẽ được truyền dẫn thông suốt nhất. Các
22
chùm ánh sáng ở những bước sóng khác trong buồng cộng hưởng hầu như bị phản xạ
hoàn toàn. Đường cong phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc có dạng như hình 2.4:
Hình 2.4. Phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc.
Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao có bước sóng cắt lc (hình 2.5a là thông cao và
hình 2.5b là thông thấp). Bộ lọc thông giải có bước sóng trung tâm l0 và độ rộng giải
Dl (hình 2.5c). T là hàm truyền đạt của bộ lọc.
Hình 2.5. Các đặc tính phổ truyền dẫn của các loại bộ lọc giao thoa cắt (a)(b) và
băng thông (c).
Các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao thường được sử dụng để tách 2 bước sóng
có khoảng cách xa nhau, chẳng hạn 850 nm và 1300 nm hoặc 1300 nm và 1550 nm.
Loại bộ lọc như vậy, thích hợp cho hệ thống WDM sử dụng nguồn quang có dải phổ
rộng (LED). Bộ lọc thông giải được sử dụng trong WDM khi nguồn quang có phổ hẹp
(LASER). Đối với bộ lọc thông giải có một vài yêu cầu: đó là độ dốc sườn đường
cong hàm truyền đạt phải đủ lớn để tránh xuyên âm giữa các kênh kề nhau, mặt khác
độ rộng giải Dl có dung sai cho phép để đề phòng dịch bước sóng trung tâm của
nguồn quang khi nhiệt độ thay đổi.
23
Dưới đây ta xem xét một số thiết bị tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng:

1.1. Bộ tách hai bước sóng
Cấu trúc cơ bản của bộ tách hai kênh như ở hình 2.6a, trong khi đó việc thực hiện
thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như ở hình 2.6b. Các phần tử chuẩn trực và hội tụ là
các lăng kính GRIN 1/4 chu kỳ P. Bộ lọc được thiết kế để phát đi l1 và phản xạ l2 sẽ
được đặt giữa hai lăng kính.
Hình 2.6. Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa
a) Cấu hình cơ bản và b) Cấu hình khi thực hiện trong thực tế.
Các thiết bị tách bước sóng này có sẵn trên thị trường thương mại và được sử dụng
rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bước sóng 850
nm và 1300 nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bước sóng như:
800 nm và 830 nm; 800 nm và 890 nm; 1200 nm và 1300 nm; hoặc 1300nm và 1550
nm vv , với suy hao xen nhỏ hơn 3dB (cho mỗi cặp) và suy hao xuyên kênh cao hơn
25dB.
24