Kĩ thuật Điều chế DP - QPSK

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VIỄN THÔNG II
_____________


ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
NIÊN KHÓA: 2008-2013


Đề tài:
ĐIỀU CHẾ DP-QPSK, GIẢI PHÁP NÂNG CẤP
MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT

Mã số đề tài: 12408160107


NỘI DUNG:
- CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM
- CHƢƠNG II: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM
- CHƢƠNG III: GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT


Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN CƢỜNG
MSSV: 408160107
Lớp: Đ08VTA3
Giáo viên hƣớng dẫn: ThS. ĐỖ VĂN VIỆT EM

TPHCM - 12/2012
Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang i
MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU v
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM 3
1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bƣớc sóng 3
1.2 Các thành phần cơ bản trong hệ thống DWDM 4
1.2.1 Bộ phát và thu quang 4
1.2.2 Bộ tách/ghép kênh quang 7
1.2.3 Bộ khuếch đại quang 7
1.2.4 Bộ ghép xen/rớt bƣớc sóng quang OADM 9
1.2.5 Bộ kết nối chéo quang 10
1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng hệ thống DWDM 11
1.3.1 Tán sắc màu và tán sắc phân cực mode 11
1.3.1.1 Tán sắc màu (Chromatic Dispersion – CD) 11
1.3.1.2 Tán sắc phân cực mode (Polarization Mode Dispersion – PMD) 13
1.3.2 Các hiệu ứng phi tuyến 15
1.3.3 Nhiễu trong bộ thu quang 18
1.4 Xu hƣớng nâng cao năng lực truyền dẫn trong các hệ thống DWDM 19
1.4.1 Hạn chế về năng lực truyền dẫn 19
1.4.2 Nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống 19
1.4.2.1 Mở rộng băng tần sử dụng 20
1.4.2.2 Giảm khoảng cách kênh 21

1.4.2.3 Tăng tốc độ bit trên một kênh 21
CHƢƠNG II. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM 23
2.1 Điều chế trong các hệ thống WDM 23
2.1.1 Khái niệm về điều chế 23
2.1.2 Điều chế trực tiếp và điều chế ngoài 24
2.1.2.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp 24
Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang ii
2.1.2.2 Kỹ thuật điều chế ngoài 25
2.1.3 Kỹ thuật điều chế On-Off Keying (OOK) 28
2.2 Điều chế trong hệ thống Coherent 32
2.2.1 Cơ bản về thông tin quang Coherent 32
2.2.2 Máy thu trong hệ thống Coherent hiện đại: 34
2.2.3 Một số dạng điều chế trong Coherent 36
2.3 Kỹ thuật điều chế DP-QPSK 39
2.3.1 Điều chế pha 2 trạng thái BPSK 39
2.3.2 Điều chế pha 4 trạng thái QPSK 40
2.3.3 Điều chế pha kết hợp ghép phân cực DP-QPSK 41
2.3.4 Chức năng của DSP và FEC trong hệ thống mạng 100 Gb/s 47
CHƢƠNG III. GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT 50
3.1 Tình hình thƣơng mại hóa các sản phẩm cho ứng dụng 100 Gb/s 50
3.2 Giải pháp 100 Gb/s DP-QPSK của hãng Ciena 53
3.2.1 Giới thiệu chung về mạng quang Ciena 53
3.2.2 Giải pháp mạng đƣờng dài 100 Gb/s 54
3.3 Hệ thống mạng đƣờng trục Bắc-Nam Ciena 240G 58
3.3.1 Giới thiệu về hệ thống Ciena 240G 58
3.3.2 Những vấn đề cơ bản khi nâng cấp hệ thống 63
3.3.2.1 Quy hoạch sử dụng bƣớc sóng: 63
3.3.2.2 Các module cần thiết cho việc nâng cấp mạng lƣới: 64

3.3.2.3 Nâng cấp phần mềm quản lý mạng: 65
3.3.3 Mô phỏng và thử nghiệm hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK 66
3.3.3.1 Mô hình 1 66
3.3.3.2 Mô hình 2 69
KẾT LUẬN 72
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO 75



Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang iii
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự khác nhau giữa WDM và TDM 3
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bƣớc sóng 3
Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống DWDM 4
Hình 1.4 Sơ đồ khối của bộ phát quang 5
Hình 1.5 Sơ đồ khối của bộ thu quang 6
Hình 1.6 Tách kênh sử dụng lăng kính 7
Hình 1.7 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA 8
Hình 1.8 Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman 9
Hình 1.9 OADM sử dụng FBG và Circulator 10
Hình 1.10 Cấu trúc của một ROADM hai hƣớng 10
Hình 1.11 Thiết bị nối chéo quang 11
Hình 1.12 Đặc tính tán sắc của một số loại sợi quang 12
Hình 1.13 Tán sắc phân cực mode 14
Hình 1.14 Bù PMD bằng phƣơng pháp quang và điện 15
Hình 1.15 Sự phân chia các băng sóng 20

Hình 1.16 Chồng lấn giữa các kênh 21
Hình 2.1 Dạng sóng của ASK, FSK và PSK 23
Hình 2.2 Mạch phát quang sử dụng Laser Diode 24
Hình 2.3 Sơ đồ khối của một bộ điều chế ngoài 25
Hình 2.4 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder một cực 26
Hình 2.5 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder hai cực 27
Hình 2.6 Bộ điều chế Electroabsorption 28
Hình 2.7 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu OOK 28
Hình 2.8 Sơ đồ máy thu OOK 29
Hình 2.9 Mật độ phân bố xác suất Gaussian và χ 30
Hình 2.10 Xung 66%-RZ và xung 33%-RZ 31
Hình 2.11 Sơ đồ khối máy thu quang Coherent 32
Hình 2.12 Máy thu quang Coherent hiện đại 34
Hình 2.13 Máy thu đa dạng pha kết hợp đa dạng phân cực 35
Hình 2.14 Kỹ thuật đánh giá pha Feed-forward 36
Hình 2.15 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu BPSK 39
Hình 2.16 Điều chế và giải điều chế BPSK 39
Hình 2.17 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu QPSK 40
Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang iv
Hình 2.18 Mã hóa hai bit dữ liệu vào ký tự quang 41
Hình 2.19 Điều chế và giải điều chế QPSK 41
Hình 2.20 Sự phân cực của ánh sáng 41
Hình 2.21a Sơ đồ khối máy phát DP-QPSK 42
Hình 2.21b Sơ đồ khối máy thu DP-QPSK 42
Hình 2.22a Thay đổi pha và trạng thái phân cực của tín hiệu trong máy phát 44
Hình 2.22b Thay đổi pha và trạng thái phân cực của tín hiệu trong máy thu 44
Hình 2.23 Khuyến nghị công suất LO tối đa cho phép 46
Hình 2.24 Các chức năng cơ bản của DSP 47

Hình 2.25 Biểu đồ chòm sao sau mỗi bƣớc xử lý tín hiệu 47
Hình 2.26 Khối thu phát 100 Gb/s DP-QPSK sử dụng FEC 49
Hình 3.1 Xu hƣớng phát triển tốc độ bit trên một kênh DWDM 51
Hình 3.2 Kiến trúc mạng quang của Ciena 53
Hình 3.3 Một số thiết bị quan trọng trong mạng Ciena 54
Hình 3.4 Kiến trúc mạng đƣờng dài 100 Gb/s 55
Hình 3.5 Cấu trúc khung dữ liệu trong G.709 56
Hình 3.6 Sơ đồ khối ghép tín hiệu trong ITU-T G.709 57
Hình 3.7 Sơ đồ kết nối các Ring Ciena 240G 59
Hình 3.8 Cấu hình một node mạng trong hệ thống Ciena 61
Hình 3.9 Card 100G-OCLD và 100G-OCI 64
Hình 3.10 Mô hình mô phỏng hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK 66
Hình 3.11 Phổ của tín hiệu sau máy phát 67
Hình 3.12 Biểu đồ chòm sao tín hiệu 10 Gb/s và 100 Gb/s 67
Hình 3.13 Biểu đồ chòm sao tín hiệu 100 Gb/s DP-QPSK sau 100 km 68
Hình 3.14 Tín hiệu trong miền thời gian 68
Hình 3.15 Mô hình hệ thống ghép bƣớc sóng 10 Gb/s và 100 Gb/s 69
Hình 3.16 Phổ của tín tín hiệu WDM sau bộ MUX và trƣớc bộ DEMUX 69
Hình 3.17 Phân tích tỉ lệ lỗi bit của 3 kênh bƣớc sóng 10 Gb/s 70
Hình 3.18 Phổ của tín hiệu với kênh 10 Gb/s và 100 Gb/s liền kề nhau 71
Hình 3.19 Phổ của tín hiệu sau khi gỡ bỏ 3 kênh 10 Gb/s liền kề 71





Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang v
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Ảnh hƣởng của tán sắc màu 13
Bảng 1.2 Ảnh hƣởng của của tán sắc phân cực mode 14
Bảng 1.3 Những thách thức khi tăng tốc độ bit 22
Bảng 2.1 DP-QPSK và DP-MQAM 37
Bảng 2.2 Một số dạng điều tại 100 Gb/s 37
Bảng 2.3 So sánh một số kỹ thuật điều chế tại 40 Gb/s 38
Bảng 2.4 Các kỹ thuật điều chế khác 38
Bảng 2.5 Một vài tham số trong máy phát 100 Gb/s DP-QPSK 45
Bảng 2.6 Một vài tham số trong máy thu 100 Gb/s DP-QPSK 45
Bảng 3.1 Chuẩn IEEE P802.3ba 55
Bảng 3.2 Tải trọng khung dữ liệu trong ITU-T G.709 56
Bảng 3.3 Lƣới bƣớc sóng sử dụng trong hệ thống Ciena 240G 61

Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 1
LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn WDM đã và đang đƣợc triển khai rộng khắp,
trở thành công nghệ chủ đạo trong các mạng truyền tải đƣờng dài cũng nhƣ mạng đô
thị và khu vực. Với những ƣu điểm nổi bật nhƣ tốc độ truyền tải cao và giá thành hợp
lý, công nghệ WDM vẫn sẽ là một công nghệ không thể thay thế trong nhiều năm nữa.
Tuy nhiên những năm gần đây, lƣu lƣợng trên mạng lõi IP không ngừng tăng lên một
cách nhanh chóng do những dịch vụ chiếm băng thông lớn ra đời: HD IPTV, IP VoD,
lƣu trữ trực tuyến, điện toán đám mây, 3G, 4G… Và đã gây nên một áp lực ngày càng
lớn lên các mạng WDM. Từ đó đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phải nâng cao năng lực
truyền tải của các hệ thống hiện tại đặc biệt là các tuyến đƣờng dài.
Gần đây, các nhà sản xuất thiết bị lớn nhƣ Ciena, Alcatel-Lucent, Fujitsu… đã
thử nghiệm thành công công nghệ truyền dẫn 100 Gb/s trên một bƣớc sóng, mở ra

triển vọng mới trong việc nâng cấp các hệ thống 10 Gb/s và 40 Gb/s đang sử dụng lên
100 Gb/s. Những thách thức gặp phải khi chuyển đổi từ tốc độ 10 Gb/s và 40 Gb/s lên
100 Gb/s bao gồm: ảnh hƣởng tiêu cực của tán sắc màu (CD), tán sắc phân cực mode
(PMD), hiệu ứng phi tuyến và tính tƣơng thích với hạ tầng quang đã đƣợc thiết kế cho
các hệ thống 10 Gb/s. Trƣớc những thách thức nhƣ vậy, các kỹ thuật điều chế tín hiệu
tiên tiến, kỹ thuật mã sửa lỗi trƣớc (FEC) có hiệu năng cao, kỹ thuật số xử lý tín hiệu
điện (DSP) sẽ là những công nghệ chủ chốt cho tốc độ 100 Gb/s để sử dụng lại hạ tầng
quang hiện đang dùng cho các tốc độ 10 Gb/s.
Trong số các kỹ thuật điều chế tín hiệu quang tiên tiến nhƣ DBPSK, DQPSK,
RZ-DQPSK, DP-QPSK, ITU-T thấy rằng DP-QPSK là kỹ thuật có khả năng miễn
nhiễm cao đối với CD và PMD, và có phổ tín hiệu đủ hẹp để hỗ trợ cả hai tốc độ 130
Gb/s và 112 Gb/s trên các hạ tầng quang có khoảng cách kênh 50 GHz. Diễn đàn liên
mạng quang (OIF) cũng lựa chọn DP-QPSK nhƣ là ứng cử viên sáng giá nhất cho các
sản phẩm có tốc độ 100 Gb/s. Bằng việc hỗ trợ DP-QPSK, OIF muốn kích thích thị
trƣờng cung cấp linh kiện quang và điện tử dùng cho tốc độ 100 Gb/s. Vào tháng 8
năm 2008, OIF đã công bố kế hoạch tiêu chuẩn hóa DP-QPSK nhƣ là phƣơng thức
điều chế cho tốc độ 100 Gb/s trong mạng WAN, với mục tiêu là tạo đƣợc một sự hỗ
trợ rộng lớn hơn từ các nhà cung cấp các module và linh kiện nhằm chế tạo các thiết bị
100 Gb/s với giá thành hợp lý.
Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 2
DP-QPSK (Dual Polarization – Quadrature Phase Shift Keying) hay còn gọi là
PDM-QPSK (Polarization Division Multiplexing – QPSK) hoặc PM-QPSK
(Polarization Multiplexing – QPSK), là một dạng điều chế pha 4 trạng thái kết hợp với
ghép phân cực. Hai tín hiệu QPSK đƣợc truyền đi trên hai phân cực trực giao của sóng
mang, do đó đã làm tăng gấp đôi tốc độ truyền dẫn so với dạng điều chế QPSK trong
khi vẫn sử dụng cùng một băng tần. Giải điều chế DP-QPSK sử dụng máy thu quang
Coherent (tách sóng Coherent), tín hiệu sau tách sóng đƣợc đƣa đến bộ xử lý tín hiệu
số DSP và đƣợc khôi phục về dạng chuỗi bit ban đầu. Trong công nghệ truyền dẫn tốc

độ 100 Gb/s, thƣờng sử dụng kết hợp giữa kỹ thuật điều chế DP-QPSK và mã sửa lỗi
FEC để giảm tỉ lệ lỗi bit của hệ thống [1].
Tại Việt Nam, vào tháng 2 năm 2011, VTN cùng với Ciena đã thử nghiệm thành
công công nghệ 100 Gb/s trên hệ thống mạng Ciena 240G đoạn từ Vinh đến Đà Nẵng
(dài khoảng 500 km). Điều đó cho thấy VTN hoàn toàn có thể triển khai hệ thống
mạng 100 Gb/s trên đƣờng trục Bắc Nam. Do vậy em đã chọn đề tài “Điều chế DP-
QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT” với mục đích tìm hiểu về điều chế
DP-QPSK cũng nhƣ ứng dụng của kỹ thuật điều chế này vào việc nâng cấp mạng lên
tốc độ 100 Gb/s. Nội dung chính của đề tài đƣợc trình bày trong ba chƣơng:
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM
CHƢƠNG II. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM
CHƢƠNG III. GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT
Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót,
rất mong nhận đƣợc những sự bổ sung, góp ý của thầy cô cũng nhƣ bạn đọc quan tâm
để đồ án này đƣợc hoàn thiện hơn.
Nhân đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đỗ Văn Việt Em, ngƣời đã
tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, bổ sung kiến thức cho em trong thời gian vừa qua. Em
cũng xin chân thành cảm ơn các thầy trong Khoa Viễn thông 2 đã trang bị kiến thức
cho em và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 12 năm 2012
Sinh viên

Nguyễn Văn Cƣờng
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 3
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM

1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bƣớc sóng
Wavelength Division Multiplexing (WDM) – ghép kênh phân chia theo bƣớc

sóng, là một phƣơng thức ghép kênh tƣơng tự nhƣ ghép kênh phân chia theo tần số
trong vô tuyến, đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thông tin quang. Các hệ thống WDM sử
dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng, trong khi các hệ thống
SONET/SDH sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM). Sự khác
nhau giữa hai phƣơng thức ghép kênh này đƣợc thể hiện trên hình dƣới đây [2]:
10110
11010
00110
10101
11010100101111100001
10110
11010
00110
10101
10110
11010
00110
10101
(a) Ghép kênh phân chia theo thời gian
(TDM)
(b) Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng
(WDM)

Hình 1.1 Sự khác nhau giữa WDM và TDM
WDM cho phép chúng ta tăng dung lƣợng truyền dẫn mà không cần tăng tốc độ
bit của đƣờng truyền và cũng không cần dùng thêm sợi quang. Bằng cách ghép nhiều
sóng quang có bƣớc sóng khác nhau nhờ vào bộ MUX (multiplexer) rồi truyền đi trên
1 sợi quang. Ở đầu thu ta dùng một bộ DEMUX (demultiplexer) để tách các sóng khác
nhau ra. Sau đó các bộ tách sóng quang sẽ nhận lại các luồng tín hiệu từ các bƣớc sóng
riêng rẽ. Nguyên lý của WDM nhƣ sau:

M
U
X
(λ
1
,……,λ
N
)
λ
1
λ
N
Tx1
Tx2
TxN
Rx1
Rx2
RxN
……
……
λ
1
λ
2
λ
N
λ
N
λ
2

λ
1
M
U
X
D
E
M
U
X

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bước sóng

Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 4
Trong WDM có thể chia thành hai loại: ghép kênh theo bƣớc sóng mật độ cao
(Dense Wavelength Division Mutiplexing – DWDM) và ghép kênh theo bƣớc sóng
thô (Coarse Wavelength Division Mutiplexing – CWDM). Khi khoảng cách giữa các
bƣớc sóng nhỏ hơn 1 nm thì ta gọi là ghép kênh theo bƣớc sóng mật độ cao. DWDM
chỉ những tín hiệu quang đƣợc ghép trong dải 1550 nm, tận dụng đƣợc khả năng
khuếch đại của EDFA (hiệu quả lớn nhất với các bƣớc sóng từ 1530-1560 nm). Một hệ
thống DWDM cơ bản có những thành phần chủ yếu sau: bộ phát/thu quang, bộ
ghép/tách kênh, các bộ khuếch đại, bộ ghép xen/rớt quang, bộ kết nối chéo
quang…(hình 1.3). Ƣu điểm của công nghệ DWDM so với công nghệ SONET/SDH:
 Dung lƣợng truyền dẫn rất lớn (một hệ thống 40 Gb/s, sử dụng 40 kênh thì
đã có thể truyền dẫn một dung lƣợng 1,6 Tbit/s).
 Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lƣợng hệ thống, ngay cả khi hệ
thống vẫn còn đang hoạt động.
 Quản lý băng tần hiệu quả, tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt.

 Giảm chi phí vận hành bảo dƣỡng.
MUX
DEMUX
OADM
OLA
OLA
Tx1
TxN
Tx2
Rx2
Rx1
RxN
………
………

Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống DWDM
1.2 Các thành phần cơ bản trong hệ thống DWDM
1.2.1 Bộ phát và thu quang
 Bộ phát quang
Bộ phát quang là thiết bị tích cực phía phát. Các bộ phát quang sử dụng trong hệ
thống DWDM hiện nay thƣờng sử dụng nguồn quang là laser hồi tiếp phân bố DFB
(Distributed Feedback Laser) và laser phản xạ Bragg phân bố DBR (Distributed Bragg
Reflector Laser). Laser sợi quang pha tạp chất hiếm cũng đang đƣợc nghiên cứu, ƣu
điểm của nguồn quang loại này là phổ hẹp và độ ổn định tần số cao. Nói chung các
nguồn quang phải đảm bảo một số yêu cầu nhƣ: độ chính xác của bƣớc sóng phát, độ
rộng phổ hẹp, dòng ngƣỡng thấp, có khả năng điều chỉnh đƣợc bƣớc sóng, tính tuyến
tính và nhiễu thấp. Các yêu cầu trên đối với nguồn quang nhằm tránh các loại nhiễu,
đảm bảo tính ổn định, giảm ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến, tỉ lệ lỗi bit thấp và
đảm bảo chất lƣợng truyền dẫn của hệ thống.
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM

SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 5
Các loại laser trên có độ rộng phổ rất hẹp (0,1 – 0,3 nm) và hoạt động ổn định.
Chúng thƣờng đƣợc ổn định nhiệt độ bằng các bộ làm lạnh Peltier có điều khiển. Tuy
nhiên cần lƣu ý là trong laser DFB phải có ống dẫn sóng suy hao thấp để đạt đƣợc độ
phản xạ cao, tính chọn lọc mode tốt. Hiệu suất ghép công suất giữa vùng tích cực và
thụ động là yếu tố chủ yếu quyết định đến chất lƣợng của laser. Nhìn chung, trong
laser DFB không có yêu cầu ghép công suất giữa vùng tích cực và thụ động nên vật
liệu chế tạo dễ dàng hơn laser DBR. Do cấu trúc DFB và DBR khác nhau nên chúng
có một số đặc tính khác nhau. Điểm khác biệt quan trọng giữa hai loại laser này là đặc
tính phụ thuộc nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng trong laser DBR có sự chuyển đổi từ mode
này sang mode khác, còn DFB thể hiện đặc tính ổn định trong một dải nhiệt độ rộng.
Đơn vị biến
đổi dữ liệu
Kích thích
laser
Mạch điều
khiển laser
Điều khiển điều
chế và phân cực
Điều khiển
nhiệt độ
PD LD
Dữ liệu
Xung kích
Transmitter
Giám sát
phân cực
Quang
Làm lạnh

Cảnh báo vào giám
sát công suất ra
Cảnh báo và giám
sát nhiệt độ
Giám sát
mặt sau

Hình 1.4 Sơ đồ khối của bộ phát quang
Một bộ phát của một kênh (một bƣớc sóng) thƣờng bao gồm: nguồn quang, bộ
ghép tín hiệu quang, mạch điều chế tín hiệu và mạch điều khiển công suất (hình 1.4).
Dữ liệu từ nguồn phát bên ngoài đƣợc đƣa vào bộ phát quang thông qua đơn vị biến
đổi dữ liệu nhờ tín hiệu xung kích (clock). Tại đây, dữ liệu đƣợc biến đổi về dạng phù
hợp cung cấp cho mạch kích thích điều khiển dòng phân cực cho laser. Trong trƣờng
hợp tổng quát, bộ phát quang sử dụng LED cũng bao gồm các thành phần nhƣ trên.
Nếu tín hiệu cần phát là tín hiệu tƣơng tự thì mạch điều chế tín hiệu sẽ đơn giản hơn.
Sự phát triển của các mạch quang tích hợp gần đây đã giảm giá thành của các
máy phát, trong đó chip laser, bộ khuếch đại quang đƣợc tích hợp trong một gói. Các
gói này có thể cho công suất đầu ra là 40 dBm với dòng kích thích khoảng 40 mA [3].
Ánh sáng từ nguồn quang phải đƣợc điều chế với dòng bit mang thông tin cần truyền
bằng phƣơng pháp điều biến cƣờng độ. Quá trình điều biến phải có độ tuyến tính cao
để tránh sự phát sinh các hài không cần thiết và sự méo dạng tín hiệu do sự điều biến
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 6
qua lại, gây nhiễu cho quá trình giải điều chế ở phía thu. Các gói DFB kết hợp với các
bộ điều chế trên một chip làm cho cả khối có độ di tần thấp, tốc độ điều chế cao. Tuy
nhiên cũng có một số hạn chế nhƣ độ rộng phổ hẹp làm cho chúng dễ bị ảnh hƣởng bởi
nhiễu do sự phản hồi từ các liên kết.
 Bộ thu quang
Bộ thu quang thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Bộ

thu phải thích hợp với bộ phát cả về bƣớc sóng sử dụng và phƣơng thức điều chế, đồng
thời phải đƣợc thiết kế để đƣa ra mức tín hiệu phù hợp. Cấu trúc bộ thu quang gồm có:
bộ tách sóng quang, các bộ khuếch đại tín hiệu, bộ cân bằng (Equalizer), bộ lọc, mạch
khôi phục xung đông hồ, mạch quyết định bit và các bộ xử lý tín hiệu số (hình 1.5).
Toàn bộ cấu trúc này thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu quang ở phía phát thành tín
hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này tới mức đủ lớn để nó có thể tạo thuận lợi cho các
bƣớc xử lý tiếp theo nhƣ quá trình tái tạo tín hiệu. Độ phức tạp của mạch giải điều chế
phụ thuộc vào phƣơng pháp điều chế đƣợc sử dụng.
Bộ tách sóng Bộ tiền KĐ Equalizer Bộ KĐ
Bộ
lọc
Mạch quyết
định bit
Mạch khôi phục
xung đồng hồ
Dữ liệu đƣợc
khôi phục
Tín hiệu
quang vào

Hình 1.5 Sơ đồ khối của bộ thu quang
Bộ tách sóng quang thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu quang ngõ vào
thành tín hiệu điện, do tín hiệu quang ngõ vào đã bị suy yếu trên đƣờng truyền nên tín
hiệu ở ngõ ra bộ tách sóng quang cần đƣợc đƣa đến bộ tiền khuếch đại. Yêu cầu của
bộ tiền khuếch đại là phải có nhiễu thấp. Equalizer có vai trò cân bằng lại băng thông
và giảm bớt sự chồng lấp xung do trải rộng xung. Bộ lọc đặt sau bộ khuếch đại có
chức năng loại bỏ các thành phần tần số không mong muốn sinh ra do quá trình xử lý
tín hiệu. Bộ thu quang thƣờng sử dụng photodiode làm phần tử tách sóng quang. Có
hai loại photodiode là PIN và APD. Photodiode PIN yêu cầu công suất thấp nhƣng
kém nhạy cảm, chỉ hoạt động trên một dải tần số hẹp và cần có bộ khuếch đại phía

trƣớc. APD do có hiệu ứng nhân thác lũ nên dòng quang điện đƣợc khuếch đại ngay
trong diode, cho tín hiệu lớn nên không cần bộ tiền khuếch đại và thƣờng đƣợc sử
dụng trong các tuyến thông tin quang đƣờng dài. Xét về độ ổn định thì APD kém hơn
PIN nhiều vì hệ số nhân thác lũ của APD phụ thuộc vào nhiệt độ và điện áp phân cực.
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 7
Cấu tạo của một photodiode thông thƣờng bao gồm một lớp tiếp giáp P-N hoạt
động ở chế độ dòng phân cực ngƣợc, tạo ra một vùng nghèo hấp thụ photon. Ánh sáng
tới lọt vào vùng nghèo này và bị hấp thụ và sinh ra các cặp điện tử – lỗ trống. Điện
trƣờng phân cực ngƣợc trên lớp tiếp giáp P-N sẽ làm cho cặp điện tử – lỗ trống này di
chuyển ra khỏi vùng nghèo và ra mạch ngoài tạo thành dòng điện. Photodiode PIN có
thêm một lớp bán dẫn I (nguyên chất) giữa hai lớp P-N, chiều rộng của lớp bán dẫn I
đƣợc xác định sao cho tất cả photon đi vào đều đƣợc hấp thụ tại lớp bán dẫn I. APD có
cấu tạo gồm bốn lớp P
+
-I-P-N
+
. Lớp I hấp thụ photon đi vào, lớp P-N
+
có điện trở suất
lớn nhất hình thành vùng nhân điện tử để xảy ra hiệu ứng nhân thác lũ, cho phép
khuếch đại dòng quang điện ngay trong APD.
Trong bộ thu có một số tham số quan trọng nhƣ đáp ứng phổ, thời gian lên, độ
rộng băng tần nguồn thu, các loại nhiễu, tỉ số tín hiệu trên nhiễu và độ nhạy máy thu.
Đáp ứng phổ là một hàm của bƣớc sóng, liên quan mật thiết đến bộ tách sóng đƣợc
dùng. Các loại nhiễu gồm có nhiễu nhiệt, nhiễu lƣợng tử và nhiễu dòng tối. Độ nhạy
máy thu là mức công suất nhỏ nhất của tín hiệu tới mà máy thu vẫn thu đƣợc tín hiệu
với tỉ số lỗi bit BER định trƣớc.
1.2.2 Bộ tách/ghép kênh quang

Bộ tách kênh quang có nhiệm vụ tách tín hiệu nhận đƣợc (tín hiệu quang đa bƣớc
sóng) thành các tín hiệu có tần số khác nhau. Nhiệm vụ của bộ ghép kênh quang thì
ngƣợc lại: nó nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau và kết hợp chúng vào trong một
tia sáng để truyền vào sợi quang. Có hai loại thiết bị tách/ghép kênh là thiết bị
tách/ghép kênh thụ động và thiết bị tách/ghép kênh tích cực. Thiết bị tách/ghép kênh
thụ động hoạt động dựa trên nguyên lý của lăng kính, cách tử nhiễu xạ và các bộ lọc.
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 hƣởng, trong đó mỗi bộ lọc cộng hƣởng với một tần số
nhất định. Sau đây là một ví dụ đơn giản về tách kênh sử dụng lăng kính:
Sợi
quang
Thấu
kính
Lăng kính
n
2
n
1
12
nn 
n

, ,
21
Thấu
kính
Các sợi
quang
1


2

n


Hình 1.6 Tách kênh sử dụng lăng kính
1.2.3 Bộ khuếch đại quang
Suy hao đã giới hạn khoảng cách truyền dẫn của tuyến quang, muốn khắc phục
điều này cần phải sử dụng các bộ khuếch đại. Trƣớc khi có các bộ khuếch đại quang
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 8
ngƣời ta đã sử dụng các bộ lặp quang – điện. Bộ khuếch đại quang có khả năng khuếch
đại các bƣớc sóng cùng lúc mà không cần chuyển đổi quang – điện – quang. Ngày nay
trong các hệ thống WDM thƣờng sử dụng bộ khuếch đại EDFA (Erbium Doped Fiber
Amplifier: bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium) và khuếch đại Raman.
Cấu trúc của một bộ khuếch đại EDFA đƣợc minh họa trên hình 1.7. Erbium
(Er) là một nguyên tố đất hiếm. Các ion Er
3+
khi đƣợc kích thích sẽ phát ra ánh sáng có
bƣớc sóng khoảng 1.55
m

– là bƣớc sóng có suy hao thấp đƣợc sử dụng trong các hệ
thống WDM. Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra hiện tƣợng: Các
photon tín hiệu kích thích các ion Er
3+
ở vùng giả bền, hiện tƣợng phát xạ kích thích
xảy ra. Lúc đó, các ion Er
3+

bị kích thích sẽ chuyển trạng thái năng lƣợng từ mức năng
lƣợng cao xuống mức năng lƣợng thấp ở vùng nền. Và phát xạ ra photon mới có cùng
hƣớng truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng bƣớc sóng. Nhƣ vậy tín hiệu ánh sáng
đã đƣợc khuếch đại. Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích
thích xảy ra trong khoảng bƣớc sóng 1530 – 1565 nm, đây cũng là vùng bƣớc sóng
hoạt động tốt nhất của EDFA.
Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt đƣợc sự nghịch đảo nồng
độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion Er
3+
lên trạng thái kích thích. Có hai
cách thực hiện quá trình này: bơm trực tiếp (bơm ngƣợc) tại bƣớc sóng 1480 nm hoặc
bơm gián tiếp (bơm xuôi) ở bƣớc sóng 980 nm. Có thể kết hợp cả bơm xuôi và bơm
ngƣợc để đạt đƣợc độ lợi lớn hơn. Độ lợi của EDFA thƣờng vào khoảng 20 dB đến 40
dB, tùy vào ứng dụng của nó.
Hiện nay, ngƣời ta có thể chế tạo đƣợc bộ khuếch đại hoạt động trong băng L. Về
nguyên lý hoạt động thì EDFA băng L cũng giống EDFA băng C, nhƣng cấu tạo thì có
những điểm khác biệt, ngƣời ta thƣờng thiết kế nhiều tầng và kết hợp nhiều nguồn
bơm cùng lúc. Độ lợi của EDFA băng L nhỏ hơn EDFA băng C khoảng 3 lần nhƣng
phổ độ lợi bằng phẳng hơn [4].
Bơm xuôi
980 nm
Bơm ngƣợc
1480 nm
Phổ tín hiệu quang vào
Phổ tín hiệu quang ra
Sợi pha ion Erbium

Hình 1.7 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA

Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM

SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 9
Trong những tuyến truyền dẫn có cự ly dài, ngƣời ta thƣờng sử dụng thêm bộ
khuếch đại Raman. Bộ khuếch đại Raman đƣợc chế tạo dựa trên hiệu ứng Raman do
Chandrasekhara Venkata Raman, nhà bác học ngƣời Ấn độ phát hiện vào năm 1928.
Cấu trúc của một bộ khuếch đại Raman đƣợc minh họa trên hình 1.8. Trong
khuếch đại Raman, tín hiệu quang đƣợc khuếch đại dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi
quang silic bình thƣờng. Sợi quang là nơi xảy ra quá trình khuếch đại. Bộ ghép
Coupler dùng để ghép các bƣớc sóng tín hiệu vào sóng bơm. Bộ cách ly Isolator đặt ở
hai đầu của bộ khuếch đại quang để ngăn chặn tín hiệu phản xạ ở hai đầu bộ khuếch
đại. Đồng thời nó cũng giúp loại trừ nhiễu ASE theo hƣớng ngƣợc về phía đầu vào có
thể gây ảnh hƣởng đến tín hiệu đầu vào. Laser bơm (Pump Laser) dùng để cung cấp
năng lƣợng cho các nguyên tử của sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích giúp tạo
ra sự nghịch đảo nồng độ.
Pump
Laser
Sợi quang thƣờng
Tín hiệu
vào nhỏ
Tín hiệu
ra lớn
Coupler

Hình 1.8 Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman
So với khuếch đại EDFA, khuếch đại Raman có ƣu điểm là cấu tạo đơn giản,
nhiễu thấp, dễ chọn băng tần, độ lợi lớn và phổ độ lợi bằng phẳng. Tuy nhiên khuếch
đại Raman có hiệu suất khuếch đại thấp hơn và có hiện tƣợng xuyên âm tín hiệu do
hiện tƣợng tán xạ Raman kích thích.
1.2.4 Bộ ghép xen/rớt bƣớc sóng quang OADM
Việc xen hoặc rớt một hoặc nhiều bƣớc sóng tại một số điểm trên đƣờng truyền

là rất cần thiết. Do đó cần có các bộ ghép xen/rớt để thực hiện chức năng này. Ngoài
các chức năng kết hợp hoặc phân chia các bƣớc sóng, các OADM còn có khả năng
chặn một số kênh trong khi chuyển tiếp các kênh còn lại. OADM là một phần quan
trọng để tiến đến mục tiêu của mạng toàn quang.
Có hai loại thiết bị OADM. Thế hệ đầu tiên là một thiết bị cố định đƣợc cấu hình
vật lý để rớt một số bƣớc sóng cụ thể đã định trƣớc trong khi xen thêm các bƣớc sóng
khác. Thế hệ thứ hai có khả năng cấu hình lại và có thể chọn lựa linh hoạt các bƣớc
sóng để xen/rớt (ROADM). Các công nghệ để chế tạo nên thiệt bị OADM thƣờng là:
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 10
công nghệ cách tử Bragg, công nghệ điện môi màng mỏng và cách tử ống dẫn sóng
dạng mảng.
Circulator 1 Circulator 2
FBG
Ra
Rớt
Xen
λG
λG
λ1, λ2, λ3,
A1
B1
B2A2
λG
Vào

Hình 1.9 OADM sử dụng FBG và Circulator
Trên hình 1.9 miêu tả cấu tạo của một OADM đơn giản sử dụng cách tử Bragg
sợi quang (FBG) và Circulator. Nguyên lý hoạt động của OADM dạng này nhƣ sau:

ánh sáng đƣợc đƣa vào cổng A1 và đƣợc định hƣớng tới FBG có bƣớc sóng phản xạ là
λ
G
, ánh sáng có bƣớc sóng này bị cách tử phản xạ trở lại Circulator 1 và tách ra ở cổng
A2, các phần ánh sáng còn lại sẽ chuyển qua cách tử và đƣa tới Circulator 2. Ở
Circulator 2, một tín hiệu khác có bƣớc sóng λ
G
đƣợc đƣa vào cổng B2, tín hiệu này bị
cách tử phản xạ trở lại và đi ra cổng B1.
ROADM – Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer – OADM cấu hình lại
đƣợc, hình sau đây mô tả một WSS ROADM (WSS: Wavelength Selectable Switch:
chuyển mạch có khả năng lựa chọn bƣớc sóng):
Rớt
Xen
Rớt
Xen
Khuếch đại Khuếch đại
MUX/DEMUX
MUX/DEMUX
WSS 1x9 WSS 1x9

Hình 1.10 Cấu trúc của một ROADM hai hướng
1.2.5 Bộ kết nối chéo quang
Đối với các mô hình mạng đơn giản nhƣ mô hình mạng vòng hoặc tuyến tính thì
OADM là sự lựa chọn tối ƣu xét về khía cạnh kinh tế, công nghệ chế tạo và khả năng
đáp ứng yêu cầu của mạng. Nhƣng trong tƣơng lai, khi yêu cầu về khả năng linh động
trong việc cung ứng dịch vụ, đồng thời các dịch vụ đa phƣơng tiện đòi hỏi phải đáp
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 11

ứng đƣợc sự tăng băng thông đột biến thì mô hình mạng hiện tại không đáp ứng đƣợc.
Khi đó cần phải triển khai mạng mắt lƣới với phần tử trung tâm là các bộ kết nối chéo
quang OXC.
λ1 λN
λ1 λN
λ1 λN
λ1 λN
λ1 λN
λ1 λN
M sợi
đầu vào
M sợi
đầu ra

Hình 1.11 Thiết bị nối chéo quang
Thiết bị nối chéo quang (OXC) có M sợi đầu vào, M sợi đầu ra và các cổng
xen/rẽ. Mỗi sợi đầu vào và đầu ra mang một tín hiệu ghép kênh N bƣớc sóng. Các
cổng xen/rẽ cho phép chèn và tách một số bƣớc sóng. OXC thực hiện các chức năng
sau đây: ghép và tách kênh, xen/rớt kênh quang, chuyển mạch không gian và có thể cả
chuyển đổi bƣớc sóng. Điều này cho phép thực hiện nối xuyên các tín hiệu quang giữa
các sợi đầu vào và các sợi đầu ra (và có thể nối xuyên giữa bƣớc sóng vào và bƣớc
sóng ra). Yêu cầu cơ bản đối với OXC là:
 Có khả năng tự động cung cấp thêm các kênh bƣớc sóng nếu nhu cầu băng thông
tăng lên.
 Bảo vệ đƣờng quang với các sự cố nhƣ đứt cáp, sự cố nút mạng.
 Giám sát chất lƣợng truyền dẫn: cho phép khả năng trích tín hiệu thực hiện
chức năng đo đạc, giám sát chất lƣợng truyền dẫn.
 Chuyển đổi bƣớc sóng.
 Tách, chèn và xử lý các thông tin mào đầu của truyền dẫn phân đoạn
quang.

 Ghép và nhóm tín hiệu: cho phép hoạt động với các tín hiệu có tốc độ bit không
tƣơng ứng với tốc độ bit của tín hiệu truyền trong lớp kênh quang.
1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng hệ thống DWDM
1.3.1 Tán sắc màu và tán sắc phân cực mode
1.3.1.1 Tán sắc màu (Chromatic Dispersion – CD)
Tán sắc là hiện tƣợng trải rộng xung ở ngõ ra so với ngõ vào, gây nên sự chồng
lấn xung và giao thoa giữa các ký tự. Làm tăng tỉ lệ lỗi bit dẫn đến giảm cự ly truyền
dẫn hoặc hạn chế tốc độ bit trên một kênh. Tán sắc chính là một trong những yếu tố
gây khó khăn khi tăng tốc độ bit trên 1 kênh lên 40 Gb/s và hơn nữa.
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 12
Nhƣ chúng ta đã biết, vận tốc ánh sáng truyền trong sợi quang phụ thuộc vào
chiết suất của sợi quang, mà chiết suất của sợi quang đối với các ánh sáng đơn sắc
khác nhau là không giống nhau. Các nguồn laser sử dụng trong hệ thống DWDM có
độ rộng phổ rất hẹp nhƣng ánh sáng do chúng phát ra không phải là đơn sắc, do đó lúc
truyền đi trên sợi quang sẽ có những thành phần ánh sáng di chuyển với vận tốc khác
nhau và gây ra hiện tƣợng tán sắc màu.
Mỗi loại sợi quang có độ tán sắc riêng và đƣợc đặc trƣng bởi hệ số tán sắc, đơn
vị: ps/(nm.km). Nói chung hệ số tán sắc phụ thuộc vào vật liệu chế tạo sợi quang và
bƣớc sóng của ánh sáng truyền qua. Hình 1.12 thể hiện đặc tính tán sắc của một số loại
sợi quang đơn mode [5].
 ITU G.652: Single Mode Fiber – SMF: Sợi SMF là sợi quang đang đƣợc sử
dụng phổ biến nhất hiện nay, hệ số tán sắc của sợi SMF bằng 0 tại bƣớc sóng
1310 nm và khoảng 17 ps/(nm.km) tại bƣớc sóng 1550 nm. Các hệ thống
DWDM sử dụng bƣớc sóng trong cửa sổ 1550 nm, tuy nhiên tán sắc tại cửa sổ
này là khá lớn và đây chính là một nhƣợc điểm của sợi G.652. Do vậy ngƣời ta
đã chế tạo ra sợi G.653 – sợi dịch tán sắc.
 ITU G.653: Dispersion-Shifted Fiber – DSF: Sợi này đã dịch tán sắc bằng 0 từ
cửa sổ 1310 nm lên cửa sổ 1550 nm. Tuy nhiên vấn đề gặp phải khi dịch tán sắc

bằng 0 lên cửa sổ 1550 nm là ảnh hƣởng nặng nề của hiệu ứng phi tuyến và tán
sắc phân cực mode. Nên trong thực tế sợi DSF không đƣợc sử dụng nữa, và
ngƣời ta đã phát triển một loại sợi quang mới G.655 – sợi dịch tán sắc khác 0.
 ITU G.655: Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber – NZDSF: Đặc điểm của sợi
này là có hệ số tán sắc khác 0 trong cửa sổ 1550 nm (khoảng 3 ps/(nm.km) tại
1550 nm), đã khắc phục đƣợc những hạn chế của sợi DSF, và là sợi quang tối
ƣu cho các hệ thống DWDM. Tuy nhiên do chi phí cao và do lịch sử lắp đặt cáp
quang nên hiện nay sợi SMF vẫn là sợi đƣợc sử dụng phổ biến nhất.

Hình 1.12 Đặc tính tán sắc của một số loại sợi quang

Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 13
Ảnh hưởng của tán sắc màu đến cự ly truyền dẫn:
Tán sắc màu làm tăng tỉ lệ lỗi bit và do đó hạn chế khoảng cách truyền dẫn trƣớc
khi tái tạo tín hiệu và bù tán sắc. Trong hệ thống DWDM sử sụng laser DFB, cự ly
truyền dẫn tối đa trƣớc khi bù tán sắc và tái tạo thƣờng đƣợc tính theo công thức sau
đây [5]:




, (1.1)
với CD (ps/(nm.km)) là hệ số tán sắc, B (Gb/s) là tốc độ bit của một kênh. Dựa vào
hình 1.12 và công thức (1.1), ta đƣa ra bảng so sánh sau:
Bảng 1.1 Ảnh hƣởng của tán sắc màu
Bit rate
G.652 (λ = 1550 nm)
G.655 (λ = 1550 nm)

10 Gb/s
61,2 km
346,7 km
40 Gb/s
3,8 km
21,7 km
100 Gb/s
0,6 km
3,47 km

Từ bảng trên ta nhận thấy rằng khi tốc độ bit tăng lên thì khoảng cách truyền dẫn
tối đa giảm một cách nhanh chóng, và gần nhƣ bằng 0 tại tốc độ 100 Gb/s (G.652).
Tán sắc màu là tƣơng đối ổn định và có thể đo đƣợc bằng các dụng cụ đo tán sắc, vì
vậy có thể sử dụng các phƣơng pháp bù tán sắc để loại bỏ ảnh hƣởng của chúng. Các
kỹ thuật bù tán sắc bao gồm: bù trƣớc, bù sau, sử dụng sợi DCF, cách tử Bragg sợi
quang… Các kỹ thuật bù tán sắc hiện nay có chi phí tƣơng đối cao và làm tăng thêm
suy hao cũng nhƣ tán sắc phân cực mode của tuyến quang. Nên người ta đang nghiên
cứu những kỹ thuật điều chế mới có sự miễn nhiễm cao đối với CD cũng như PMD !
1.3.1.2 Tán sắc phân cực mode (Polarization Mode Dispersion – PMD)
Ánh sáng truyền trong sợi quang gồm 2 thành phần phân cực vuông góc với nhau
mà ta gọi là 2 mode trực giao. Nếu chiết suất của sợi quang là không đồng nhất trên
phƣơng truyền của 2 mode này thì hiện tƣợng tán sắc phân cực mode xảy ra. Khác với
tán sắc màu, tán sắc phân cực mode có tính ngẫu nhiên, thay đổi theo thời gian và phụ
thuộc vào điều kiện môi trƣờng. Tán sắc phân cực mode tỷ lệ tuyến tính với căn bậc
hai chiều dài của sợi quang.
Tại một điểm bất kỳ dọc theo sợi quang, một xung ánh sáng đã đƣợc phân cực có
thể bị phân chia thành các thành phần đƣợc sắp xếp theo hai trục trực giao của sợi
quang: một trục nhanh và một trục chậm. Cần chú ý là các trục này không nhất thiết
phải tƣơng ứng với một trạng thái phân cực tuyến tính. Trong cáp quang thực tế, tính
định hƣớng của các trục này và sự khác nhau tƣơng đối về tốc độ truyền tƣơng ứng với

mỗi trục (liên quan trực tiếp đến độ lớn của sự lƣỡng chiết bên trong) thay đổi dọc
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 14
theo đƣờng dẫn quang. Trong mỗi đoạn của sợi quang, hƣớng của các trục lƣỡng chiết
thay đổi. Trong mỗi đoạn xuất hiện thời gian trễ giữa các phần của ánh sáng theo trục
nhanh và ánh sáng theo trục chậm. Vì tính hƣớng tƣơng đối của các trục này trong các
phần là khác nhau nên xung tín hiệu trải rộng theo thời gian.
Với những bƣớc sóng cụ thể, trạng thái phân cực của ánh sáng đƣợc đƣa vào sợi
quang có thể chỉnh sửa để xung không trải rộng. Trong thực tế, có hai trạng thái phân
cực trực giao tồn tại. Chúng là các trạng thái phân cực cơ bản, một tƣơng ứng với thời
gian truyền xung nhanh nhất và một ứng với thời gian lan truyền xung chậm nhất. Sự
khác biệt giữa hai thời gian truyền xung này đƣợc gọi là trễ nhóm vi sai (DGD) tƣơng
ứng với bƣớc sóng đó và PMD đƣợc xác định là giá trị trung bình theo bƣớc sóng của
DGD (hình 1.13). PMD tỉ lệ với căn bậc 2 chiều dài sợi quang: 




 , với
D
PMD
là hệ số PMD, đơn vị 

. Ví dụ: sợi G.652 có D
PMD
= 0,5 

.
Differential Group Delay - DGD

Polarization Mode Dispersion - PMD
Xung
quang

Hình 1.13 Tán sắc phân cực mode
Ảnh hưởng của tán sắc phân cực mode:
Ảnh hƣởng của tán sắc phân cực mode tăng lên khi tăng tốc độ bit trên một kênh
cũng nhƣ tăng cự ly truyền dẫn. Tuy nhiên có thể cho phép tối đa một lƣợng tán sắc
phân cực mode bằng khoảng 10% chu kỳ của một bit [5]. Bảng dƣới đây sẽ cho ta thấy
ảnh hƣởng của PMD khi tăng tốc độ bit:
Bảng 1.2 Ảnh hƣởng của của tán sắc phân cực mode
Tốc độ bit
Chu kỳ bit
Giới hạn PMD
10 Gb/s
100 ps
10 ps
40 Gb/s
25 ps
2,5 ps
100 Gb/s
10 ps
1 ps
Ngƣời ta đã phát triển các khối bù tán sắc màu DCM để thực hiện việc bù tán sắc
phân cực mode (DCMs). Hình 1.14 là một ví dụ về bù PMD bằng phƣơng pháp quang
và điện, phƣơng pháp này thƣờng sử dụng cho các tuyến cáp cũ, cự ly dài và có chỉ số
PMD cao. Tuy nhiên giá thành khá cao và không bù đƣợc triệt để.
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 15

Các mạch xử lý
tín hiệu quang
Mạch phản hồi
và điều chỉnh
Mạch đánh giá
PMD

Hình 1.14 Bù PMD bằng phương pháp quang và điện
1.3.2 Các hiệu ứng phi tuyến
Hiệu ứng quang đƣợc gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào
cƣờng độ ánh sáng (công suất). Tính phi tuyến trong sợi quang có những hiệu ứng
tƣơng tự nhƣ các hệ thống vật lý khác, là cơ học hoặc điện tử. Tính phi tuyến làm phát
sinh các hài và các tần số khác nhau. Các tín hiệu phát sinh này lại gây ra các suy hao
không mong muốn trong các mạng truyền thông quang.
Tính phi tuyến của sợi quang trở nên đáng chú ý khi cƣờng độ tín hiệu laser
(công suất trên một đơn vị diện tích) đạt đến giá trị ngƣỡng. Đồng thời, các hiệu ứng
phi tuyến cũng trở thành tất yếu sau khi các tín hiệu vƣợt qua một độ dài nào đó của
sợi quang, phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật của cấu trúc và các điều kiện hoạt động
của sợi quang. Nói chung sợi quang có diện tích hiệu dụng càng nhỏ thì càng bị ảnh
hƣởng nặng nề của các hiệu ứng phi tuyến. Do đó ngƣời ta có xu hƣớng chế tạo các
loại sợi G.655 mới có diện tích hiệu dụng lớn nhƣ TrueWave XL, LEAF… Các loại
sợi này có diện tích hiệu dụng khoảng 70-80 μm
2
, lớn hơn so với NZ-DSF (50 μm
2
).
Các hiệu ứng phi tuyến thƣờng chia thành hai loại, đó là hiện tƣợng tán xạ và
hiện tƣợng chiết suất. Với hiện tƣợng tán xạ, tín hiệu laser bị tán xạ bởi các sóng âm
(các phonon âm thanh) hoặc các dao động trong phân tử sợi quang (các phonon ánh
sáng) và sẽ bị dịch đến các bƣớc sóng dài hơn. Hai hiện tƣợng tán xạ thƣờng thấy là

tán xạ ngƣợc Brillouin kích thích (hiện tƣợng phonon âm) và tán xạ Raman kích thích
(hiện tƣợng phonon quang). Trong các hiện tƣợng chiết suất, công suất tín hiệu đủ cao
để chiết suất không thể coi là hằng số nữa mà xấp xỉ theo công thức sau:
n = n
0
+ n
2
.I , (1.2)
với n
0
là chiết suất tuyến tính, I là cƣờng độ tín hiệu, n
2
là hệ số phi tuyến (khoảng 2
đến 3.10
-16
cm
2
/W với sợi quang silic). Các hiện tƣợng chiết suất bao gồm tự điều chế
pha SPM, điều chế pha chéo XPM và hiệu ứng trộn bốn sóng FWM. Dƣới đây là
những nét cơ bản về các hiệu ứng phi tuyến nói trên.
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 16
a. Tán xạ Brillouin kích thích – SBS
Trong hiệu ứng này, tín hiệu laser tạo ra các vùng tuần hoàn hoặc thay đổi chiết
suất, có nghĩa là một cách tử tuần hoàn truyền đi nhƣ một sóng âm từ tín hiệu. Những
phản xạ do cách tử ảo này gây ra xuất hiện nhƣ ánh sáng tán xạ ngƣợc, đƣợc khuếch
đại và tác động do hiệu ứng Doppler dịch tần số thấp hơn (bƣớc sóng dài hơn). Hiệu
ứng SBS dẫn đến suy giảm tín hiệu theo hƣớng truyền và gây ra nhiễu vì có nhiều
năng lƣợng quang bị tán xạ ngƣợc.

Với các sợi quang G.653 tại bƣớc sóng 1552 nm chẳng hạn, tín hiệu bị tán xạ
ngƣợc bị dịch xuống phía dƣới khoảng 10,7 GHz (0,085 nm) với băng tần cỡ 60 MHz.
Với sợi quang G.652 trong cùng cửa sổ, tín hiệu bị tán xạ ngƣợc bị dịch xuống khoảng
11 GHz (0,088 nm) với băng tần cỡ 30 MHz [3]. Theo kinh nghiệm thì nên xem xét
SBS nhƣ một vấn đề về điện thế (potential) nếu ánh sáng đơn sắc trên 6 dBm đƣợc đƣa
vào sợi quang. Nhiều kỹ thuật đã đƣợc phát triển để khử SBS trong các hệ thống thực
tế. Kỹ thuật thông dụng nhất là rung nhanh (~50 kHz) sóng mang qua một dải tần
khoảng 1 GHz, lớn hơn rất nhiều so với băng tần SBS (30 đến 60 MHz).
b. Tán xạ Raman kích thích – SRS
Nếu đƣa vào trong sợi quang hai hay nhiều tín hiệu có bƣớc sóng khác nhau thì
SRS gây ra sự chuyển năng lƣợng từ các kênh có bƣớc sóng thấp (năng lƣợng cao)
sang các kênh có bƣớc sóng cao hơn (năng lƣợng thấp hơn). Hiện tƣợng tán xạ Raman
kích thích thƣờng đƣợc ứng dụng để chế tạo các bộ khuếch đại Raman. Hệ số tán xạ
Raman khoảng 10
-12
cm/W nhỏ hơn so với hệ số tán xạ Brillouin (10
-9
cm/W). Tuy
nhiên, tần số tín hiệu lại bị dịch đến những giá trị thấp hơn rất nhiều (từ 10 đến 15 THz
trong cửa sổ 1550 nm, hoặc tại bƣớc sóng dài hơn 100 nm) với băng tần rộng hơn
nhiều (khoảng 7 THz hay 55 nm).
Trang 72 và 73 của tài liệu [6] có đƣa ra 2 công thức tính công suất ngƣỡng cho
SBS và SRS:
 Đối với SBS: 








. (1.3)
 Đối với SRS: 





. (1.4)
Trong đó: - d: đƣờng kính lõi sợi quang (μm),
- λ: bƣớc sóng sử dụng (μm),
- α: hệ số suy hao (dB/km),
- ν: độ rộng phổ của laser (GHz).
Ví dụ: Sợi quang đơn mode có hệ số suy hao 0,5 dB/km hoạt động tại bƣớc sóng
1,3 μm, có đƣờng kính lõi 6 μm và độ rộng phổ của laser 600 MHz:
P
B
= 4,4.10
-3
.6
2
.1,3
2
.0,5.0,6 = 80,3 (mW),
P
R
= 5,9.10
-2
.6
2

.1,3.0,5 = 1,38 (W).
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 17
c. Tự điều chế pha SPM
Khi cƣờng độ tín hiệu laser trở nên quá cao, tín hiệu có thể tự điều chế pha. Việc
điều chế này nới rộng phổ của tín hiệu và tạm thời nới rộng hoặc nén tín hiệu, phụ
thuộc vào dấu (âm hay dƣơng) của tán sắc sắc thể. Một sự dịch chuyển các bƣớc sóng
ngắn xảy ra tại phần đuôi của tín hiệu và dịch chuyển các bƣớc sóng dài tại phần đầu
tín hiệu. Trong các hệ thống WDM, sự nới rộng phổ do SPM gây ra trong một kênh tín
hiệu có thể giao thoa với các tín hiệu liền kề.
SPM tăng lên khi công suất đƣa vào kênh tăng (sợi quang cố định với diện tích
hiệu dụng cố định), khi tốc độ bit của kênh tăng và trong trƣờng hợp tán sắc sắc thể
mang dấu âm (-). SPM không bị ảnh hƣởng nhiều khi giảm khoảng cách kênh và tăng
số lƣợng kênh. Hiệu ứng này giảm xuống khi tán sắc sắc thể có giá trị không hoặc giá
trị dƣơng nhỏ, khi tăng diện tích hiệu dụng của sợi quang và khi bù tán sắc.
d. Điều chế pha chéo XPM
SPM là giới hạn phi tuyến chủ yếu trong hệ thống đơn kênh. Trong hệ thống đa
kênh, độ dịch pha của một kênh phụ thuộc không những vào cƣờng độ của chính kênh
đó mà còn phụ thuộc vào cƣờng độ của những kênh khác. Nghĩa là trong trƣờng hợp
này tín hiệu của một kênh điều chế pha của tín hiệu trong kênh khác. XPM cũng nhạy
với các tham số giống nhƣ SPM, ngoài ra còn nhạy với sự tăng số lƣợng kênh. XPM
không bị ảnh hƣởng nghiêm trọng khi giảm khoảng cách kênh nhƣng giảm trong các
trƣờng hợp: tăng diện tích hiệu dụng của sợi và bù tán sắc. Trong các hệ thống sử dụng
sợi có diện tích hiệu dụng lớn thì XPM không phải là một vấn đề quá quan trọng.
e. Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM
Đây là hiệu ứng phi tuyến có tính chất phá vỡ nhiều nhất trong các hệ thống
DWDM. Khi cƣờng độ tín hiệu laser đạt đến giá trị tới hạn, các tín hiệu bóng xuất hiện
và một số có thể rơi vào các kênh có thực, gây nhiễu các kênh này. Số lƣợng kênh
bóng đƣợc tính theo công thức N

2
(N-1)/2 với N là số kênh tín hiệu [3]. Theo cách tính
này thì trong một hệ thống 4 kênh sẽ xuất hiện 24 kênh bóng, hệ thống 8 kênh xuất
hiện 224 kênh bóng, hệ thống 16 kênh xuất hiện 1920 kênh bóng. Sự giao thoa giữa
các kênh này sẽ rất ảnh hƣởng trầm trọng tại phía thu.
Hiệu ứng trộn bốn sóng rất nhạy với sự giảm khoảng cách kênh, tăng số lƣợng
kênh và giảm tán sắc màu. Hiệu ứng này đặc biệt nghiêm trọng trong hệ thống sử dụng
sợi quang dịch tán sắc G.653. Với sợi quang dịch tán sắc khác không (G.655) thì ít bị
ảnh hƣởng hơn, đặc biệt khi sợi có diện tích hiệu dụng lớn. FWM không bị ảnh hƣởng
nhiều khi tăng tốc độ bit của kênh. Khi tăng diện tích hiệu dụng của sợi quang hoặc
tăng giá trị tuyệt đối của tán sắc sắc thể thì có thể giảm FWM. Trong cửa sổ 1550 nm,
ảnh hƣởng của FWM không nghiêm trọng đối với sợi quang chƣa dịch tán sắc G.652
so với sợi quang dịch tán sắc G.653 vì tán sắc tƣơng đối phẳng trong khi sƣờn tán sắc
lại dốc hơn.
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 18
1.3.3 Nhiễu trong bộ thu quang [4]
Nhiễu trong bộ thu quang là nguyên nhân làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu và
dẫn đến giảm độ nhạy của máy thu:


















, (1.5)












. (1.6)

 Nhiễu lƣợng tử
Nhiễu lƣợng tử sinh ra do sự va đập giữa các hạt photon trong quá trình tạo ra dòng
photon (dòng điện ở ngõ ra của photodiode ứng với công suất quang tới):








. (1.7)
Trong đó:
- e là điện tích của electron,
- I
p
là dòng photon trung bình, tức là dòng điện ở ngõ ra của photodiode,
- B là băng thông của bộ thu,
- M là hệ số nhân thác lũ của APD (với PIN thì M = 1),
- F(M) = M
x
là hệ số nhiễu của APD (với PIN thì F(M) = 1).
 Nhiễu dòng tối
Dòng tối là dòng sinh ra khi không có ánh sáng tới và dòng này sinh ra nhiễu:







, với I
d
là dòng tối. (1.8)
 Nhiễu nhiệt
Nhiễu nhiệt là nhiễu sinh ra do điện trở tải của diode thu quang cũng nhƣ trở kháng
đầu vào của bộ tiền khuếch đại:










,

(1.9)
trong đó K là hằng số Boltzman, F
n
là hệ số nhiễu và R
L
là điện trở tải.
Ta có: 








, (1.10)
với R là đáp ứng của photodiode và

P
0
là công suất quang ngõ vào. Thay tất cả giá

trị vào (1.3) ta đƣợc công thức tính tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại bộ thu:

















. (1.11)
Nhiễu trong bộ thu quang đã làm ảnh hƣởng đến độ nhạy của máy thu và đây
chính là hạn chế của tách sóng trực tiếp, nếu sử dụng tách sóng Coherent sẽ hạn chế
đƣợc điều này và làm tăng độ nhạy của máy thu lên khoảng từ 10 đến 20 dB. Tách
sóng Coherent sẽ đƣợc xem xét trong chƣơng 2.
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM
SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3
Trang 19
1.4 Xu hƣớng nâng cao năng lực truyền dẫn trong các hệ thống DWDM
1.4.1 Hạn chế về năng lực truyền dẫn
Bên cạnh những ƣu điểm đã đƣợc nêu ra trong mục 1.1, thì các hệ thống DWDM
hiện nay cũng tồn tại những hạn chế. Và những hạn chế này cần đƣợc khắc phục kịp

thời trƣớc sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của ngành viễn thông. Có thể nói rằng hạn
chế lớn nhất của các hệ thống DWDM hiện nay chính là năng lực truyền dẫn. Các hệ
thống hiện nay chủ yếu vẫn đang khai thác công nghệ 10 Gb/s trên một kênh bƣớc
sóng ở băng C và một phần của băng L. Vài năm gần đây đã đƣa vào khai thác công
nghệ 40 Gb/s, nhƣng đó cũng chỉ là một giải pháp tạm thời trƣớc khi có những bƣớc
đột phá để nâng tốc độ lên 100 Gb/s và hơn thế nữa.
Có thể xem năng lực truyền dẫn của một hệ thống nhƣ thể tích của khối chữ nhật
gồm 3 chiều:
 Optical Bandwidth: băng tần quang.
 Channel density: mật độ kênh.
 Channel bit rate: tốc độ bit của một kênh.
Năng lực truyền dẫn (bit/s) = (tổng băng tần)*(mật độ kênh)*(tốc độ bit của một
kênh), trong đó:
 Tổng băng tần (Hz): phụ thuộc vào băng tần của bộ khuếch đại quang.
 Mật độ kênh (1/Hz): số kênh trên băng tần quang = 1/(khoảng cách kênh).
 Tốc độ bit của một kênh (bit/s): (bit/symbol)*(symbol/s).
Về băng tần quang: hiện nay chỉ mới sử dụng băng C và một phần của băng L
(1530 nm – 1610 nm), tức là nhỏ hơn 10 THz.
Về khoảng cách kênh: chủ yếu là 100 GHz và 50 GHz.
Về tốc độ bit: 10 Gb/s và 40 Gb/s trên một kênh bƣớc sóng.
Ngƣời ta thƣờng hay dùng khái niệm hiệu suất phổ (Spectral Efficiency – SE)
để đánh giá năng lực truyền dẫn của một hệ thống DWDM:
SE = (tốc độ bit của một kênh)/(khoảng cách kênh) = bit/s/Hz, SE càng lớn có
nghĩa là khả năng tận dụng băng tần của sợi quang càng cao. Để tăng SE thì hoặc là
tăng tốc độ bit trên một kênh, hoặc là giảm khoảng cách kênh.
Ví dụ hệ thống mạng Flashwave 7500 (FUJITSU) đang đƣợc VTN khai thác ở
khu vực phía Nam, sử dụng công nghệ 40 Gb/s, khoảng cách kênh 100 GHz [7]. Suy
ra hiệu suất phổ: SE = 40Gb/s/100GHz = 0,4 bit/s/Hz – hiệu suất phổ thấp.
1.4.2 Nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống
Để nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống DWDM, có những giải pháp sau:

 Mở rộng băng tần sử dụng.
 Tăng mật độ kênh, tức là giảm khoảng cách kênh.
 Tăng tốc độ bit trên một kênh bƣớc sóng.