đồ án tốt nghiệp ảnh hưởng xdm lên chất lượng hệ thống - lê bật thắng

Đồ án tốt nghiệp Ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM
Mục lục
Danh mục hình vẽ ii
Thuật ngữ viết tắt iv
Lời nói đầu vi
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN WDM 1
1.1 Nguyên lý cơ bản về WDM 1
1.1.1 WDM là gì? 1
1.1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống WDM 2
2.3 Quan hệ giữa khoảng cách kênh và tán sắc với XPM 45
2.3.1 Khoảng cách kênh 45
2.3.2 Tán sắc trong sợi quang 48
2.4 Kết luận 50
CHƯƠNG III. ẢNH HƯỞNG CỦA XPM LÊN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WDM
51
3.1 Ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM tổng quát 51
3.1.1 Giới hạn khoảng cách truyền dẫn 51
3.1.2 Méo cường độ do XPM 56
3.1.4 Giảm hệ số phẩm chất Q 62
3.1.5 Xuyên kênh giữa các kênh có tốc độ bit khác nhau do XPM 65
3.1.5 Ảnh hưởng của XPM lên hệ thống WDM được quản lý về tán sắc 67
3.2 Một số giải pháp khắc phục ảnh hưởng của XPM trong hệ thống WDM 70
3.2.1 Dùng bộ triệt XPM 71
3.2.2 Các sơ đồ bù tán sắc thích hợp 74
3.3 Kết luận 77
Kết luận 78
Tài liệu tham khảo 79
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
i
Đồ án tốt nghiệp Ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM
Danh mục hình vẽ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bước sóng 1
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng hai sợi 2
Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng một sợi 3
Hình 1.4 Tách kênh sử dụng lăng kính 7
Hình 1.5 Tách /ghép các bước sóng bằng cách tử nhiễu xạ 7
Hình 1.8 Bước sóng có tán sắc bằng không, λ0 và sườn tại tán sắc không, S0 17
Hình 1.9 Tán sắc thay đổi như một hàm theo bước sóng với một vật liệu cho trước. .18
Hình 2.1 Minh hoạ một lá chắn Kerr 32
Hình 2.2 Tp thay đổi theo hàm của góc phân cực đầu vào θ với 36
Hình 2.3 Mức truyền của sợi lưỡng chiết có độ dài L=LB 38
Hình 2.4 Dạng xung và phổ của các xung bơm và dò, nét đứt là vị trí xung đầu vào. 42
Hình 2.5 Nén xung do XPM trong vùng tán sắc thường 44
Hình 2.6 Kết nối sợi quang của mạng LEANET dùng trong thí nghiệm (a) và sơ đồ
khối thí nghiệm (b) 46
Hình 2.7 Sự phụ thuộc của méo XPM vào khoảng cách kênh 48
Hình 2.8 Sơ đồ khối của thí nghiệm [4] 49
Hình 3.1 Méo xung do XPM 52
Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu XPM trong [5] 52
Hình 3.3 XPM và SPM với các kênh được điều chế tại 2,5 Gb/s, sợi DSF, có độ trễ
ban đầu khác nhau 53
Hình 3.4 Méo XPM cho kênh dò (a)sợi DSF, (b) sợi SSMF 53
Hình 3.5. Công suất giảm sau các chặng thay đổi khi thay đổi số lượng chặng 55
Hình 3.6 Phổ của kênh 2 sau 12 chặng bù trước trong thí nghiệm (a) và mô phỏng (b)
56
Hình 3.7 Hệ số Q theo tán sắc dư 63
Hình 3.8 Sự phụ thuộc của WM vào số lượng kênh 63
Hình 3.9 Xuyên kênh theo băng tần điện thu 66
Hình 3.10. Xuyên kênh theo băng tần điện thu 66
Hình 3.11 Xuyên kênh XPM phụ thuộc vào tán sắc 67
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV

ii
Đồ án tốt nghiệp Ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM
Hình 3.12 Hàm truyền đạt của sợi SMF theo các sơ đồ bù tán sắc khác nhau 68
Hình 3.13 Méo XPM theo các tỉ lệ bù tán sắc khác nhau với sơ đồ bù trước 69
Hình 3.14 Méo XPM với các tỉ lệ bù tán sắc khác nhau với sơ đồ bù sau 69
Hình 3.15 Hai cấu hình bù tán sắc khác nhau cho kết quả khác nhau 70
Hình 3.16 Ảnh hưởng của XPM thay đổi theo số chặng m 70
Hình 3.17 Ảnh hưởng của tỉ lệ bù trong hệ thống năm chặng 70
Hình 3.18 thí nghiệm với 10 kênh có và không có XS 71
Hình 3.19 Suy giảm độ nhạy cho kênh 6 73
Hình 3.20 So sánh suy giảm khi có và không có XS 73
Hình 3.21 Xuyên kênh thay đổi theo bù tán sắc 74
Hình 3.22 Hệ số mx tích luỹ sau các chặng 75
Hình 3.23 Hệ số mx tăng theo khoảng cách 76
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
iii
Đồ án tốt nghiệp Ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM
Thuật ngữ viết tắt
Thuật ngữ Tiếng Anh Tiếng Việt
ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép xen/rẽ
APD Avalanche PhotoDetector Photodiode thác
ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát được khuếch đại
AWG Arrayed Waveguide Grating Cách tử ống dẫn sóng dạng mảng
CWDM Coarse WDM WDM mật độ thấp
DBR Distributed Bragg Reflector laser Laser phản xạ Bragg phân tán
DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi quang bù tán sắc
DFB Distributed FeedBack laser Laser phản hồi phân tán
DGD Differential Group Delay Trễ nhóm vi sai
DR Distributed Reflector Phản xạ phân tán
DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc

DUT Device Under Test Thiết bị kiểm tra đo thử
DWDM Dense WDM WDM mật độ cao
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp
Erbium
FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng
GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm
HDSF Half - Dispersion Shifted Fiber Sợi quang nửa tán sắc đã dịch
ICI Inter-Channel Interference Nhiễu kênh lân cận
IFBG In-Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg trong sợi quang
IL Insertion Loss Suy hao xen
ITU International
Telecommunications Union
Liên minh Viễn thông quốc tế
MFD Mode Field Diameter Đường kính trường mode
MPI MultiPath Interference Giao thoa đa đường
NF Noise Figure Hệ số tạp âm
NZ-DSF Non-Zero Dispersion Shifted
Fiber
Sợi quang tán sắc đã dịch không về
không
OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép xen/rẽ quang
ODMUX Optical DeMultiplexer Bộ tách kênh quang
OMUX Optical Multiplexer Bộ ghép kênh quang
PDL Polarization Dependent Loss Suy hao phụ thuộc phân cực
PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực
PRBS Pseudo-Random Bit Sequence Chuỗi bit giả ngẫu nhiên
RIN Relatively Intensity Noise Nhiễu cường độ tương đối
SBS Stimulated Brillouin Scaterring Tán xạ Brillouin kích thích
SEL Surface Emitting Laser Laser phát xạ mặt
SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SONET Synchronous Optical NETwork Mạng quang đồng bộ
SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
iv
Đồ án tốt nghiệp Ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM
SRS Stimulated Raman Scaterring Tán xạ Raman kích thích
SSMF Standard Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode tiêu chuẩn
WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo bước
sóng
XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo
XS XPM Suppressor Bộ triệt XPM
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
v
Đồ án tốt nghiệp Ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM
Lời nói đầu
Sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế kéo theo xu hướng toàn cầu hóa. Thế giới đang
bước vào kỉ nguyên thông tin. Nhu cầu trao đổi thông tin giữa người với người, giữa
quốc gia vùng lãnh thổ này với các quốc gia vùng lãnh thổ khác… bức thiết hơn lúc
nào khác. Vì thế những cách thức trao đổi thông tin cũ kĩ và lạc hậu dần chìm vào quá
khứ. Thế giới luôn luôn chuyển động, phát triển và nghành viễn thông, công nghệ
thông tin cũng vậy.
Trước nhu cầu ngày càng tăng về tính đa dạng và chất lượng dịch vụ của người
dùng, mạng thế hệ sau NGN đang là xu hướng phát triển của viễn thông trên thế giới.
Trong cấu trúc NGN, mạng 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. Mạng truyền tải quang với công nghệ ghép kênh quang WDM có
những ưu điểm vượt trội được xem là ứng cử quan trọng nhất làm nền tảng cho mạng
NGN. Trên thực tế, công nghệ ghép kênh quang WDM được đánh giá là một công
nghệ đã chín muồi và có nhiều tiến bộ trong thiết kế mạng viễn thông. Công nghệ
WDM đã và đang cung cấp cho mạng lưới khả năng truyền dẫn cao trên băng tần lớn

sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng thời trên một sợi, trong đó mỗi kênh
tương đương một hệ thống truyền dẫn độc lập với tốc độ cao nhiều Gb/s. Để đáp ứng
nhu cầu dung lượng ngày càng tăng hiện nay, xu hướng của các hệ thống thông tin
quang là hướng tới tốc độ và khoảng cách không lặp lớn hơn, cũng như tăng số lượng
kênh bước sóng trên một sợi quang. Tuy nhiên khi tiến đến các giới hạn lớn về tốc độ
như vậy thì một số đặc tính của môi trường truyền dẫn trở nên càng quan trọng. Hạn
chế do suy hao gây ra không còn là vấn đề với các hệ thống truyền dẫn WDM với sự
xuất hiện của các bộ khuếch đại EDFA nhưng các hiệu ứng phi tuyến trong môi trường
sợi quang vẫn là một vấn đề lớn thách thức các nhà thiết kế. Trong đó, điều chế pha
chéo XPM là hiệu ứng phi tuyến có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng hệ thống
WDM.
Đồ án tốt nghiệp của em tập trung tìm hiểu về những hạn chế mà XPM gây ra đối
với một hệ thống truyền dẫn WDM tổng quát, bao gồm ba chương chính:
Chương I. Tổng quan về hệ thống truyền dẫn WDM
Chương II. Điều chế pha chéo XPM
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
vi
Đồ án tốt nghiệp Ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM
Chương III. Ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM
Do thời gian làm đồ án có hạn và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn đồ án còn
nhiều thiếu sót và cần bổ sung. Do vậy em rất mong các thầy cô chỉ bảo và bổ sung
thêm, các bạn đọc quan tâm đến vấn đề này đóng góp ý kiến để báo cáo này hoàn thiện
hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô giáo hướng dẫn – Ths. Nguyễn Thị Thu
Nga, người đã hết sức tận tình chỉ bảo, bổ sung kiến thức cho em, giúp em hoàn thành
tốt đồ án theo. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn thông tin
quang, các thầy cô trong Khoa Viến thông I đã hết sức tạo điều kiện giúp đỡ em trong
thời gian làm đồ án.
Hà Nội, ngày 12 tháng 11 năm 2008
Sinh viên

Lê Bật Thắng
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
vii
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN WDM
1.1 Nguyên lý cơ bản về WDM
1.1.1 WDM là gì?
WDM là từ viết tắt của Wavelength Division Multiplexing – ghép kênh phân
chia theo bước sóng.
Theo lý thuyết thì sợi quang có độ rộng băng tần cực lớn (khoảng 25 THz) trong dải
tần suy hao thấp 1550 nm; băng tần này rộng gấp 1000 lần so với độ rộng của băng tần
radio trên trái đất. Tuy nhiên tốc độ dữ liệu đạt được mới chỉ đến hàng chục Gb/s vì
tốc độ truy cập mạng của một thiết bị đầu cuối còn bị giới hạn bởi tốc độ đáp ứng của
mạch điện tử. Sự chênh lệch giữa băng tần điện và băng tần quang gây ra hiện tượng
nút cổ chai, do đó không thể tận dụng hết băng tần khổng lồ này . Các bước đột phá
mới đây (dung lượng cỡ Tb/s) là kết quả của sự kết hợp giữa WDM và EDFA.
Khái niệm về WDM cũng tương tự như FDM, các tín hiệu mang tin khác nhau
điều chế các tín hiệu quang tại các bước sóng khác nhau và kết hợp rồi truyền đi trên
một sợi quang. Lăng kính và cách tử nhiễu xạ được dùng để kết hợp (ghép) hoặc phân
chia (tách) các tín hiệu có màu (bước sóng ) khác nhau.
Nguyên lý ghép WDM như sau:
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bước sóng
Các tín hiệu quang được phát trên các bước sóng khác nhau
λ
1
,
λ
2
, ,
λ

N
sẽ
được ghép vào cùng một sợi dẫn quang nhờ bộ ghép (MUX – Multiplexer). Các bộ
ghép phải đảm bảo có suy hao nhỏ. Tín hiệu sau khi ghép được truyền trên sợi quang
tới đầu thu. Phía thu thực hiện tách các luồng tín hiệu qua bộ giải ghép DEMUX sau
đó các bộ tách sóng quang sẽ nhận lại các luồng tín hiệu từ các bước sóng riêng rẽ.
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
1
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
1.1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống WDM
Ta xem xét hai sơ đồ truyền dẫn WDM: hệ thống truyền dẫn quang ghép bước
sóng đơn hướng và hệ thống truyền dẫn quang ghép bước sóng song hướng. Sơ đồ hệ
thống hai sợi thể hiện trong hình 1.2. Tại mỗi bộ phát, tín hiệu điện của từng kênh
được điều biến với một sóng mang quang
( 1,2, )
i
i N
λ
=
có độ rộng phổ rất hẹp. Bộ
ghép OMUX thực hiện ghép các tín hiệu này rồi truyền trên một sợi quang duy nhất
đến đầu thu. Tín hiệu trên đường truyền được khuếch đại nhờ bộ khuếch đại quang. Bộ
ghép phải có suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu đến đầu ra còn đủ lớn. Giữa các kênh có
khoảng bảo vệ để tránh xuyên nhiễu. Tại phía thu, ODMUX thực hiện tách các tín hiệu
có bước sóng
( 1,2, , )
i
i N i j
λ
= ≠

khác nhau thành các kênh riêng rẽ rồi đưa đến một
máy thu. Trên mỗi sợi quang, tín hiệu phát tại một đầu và thu tại một đầu, mang tính
đơn hướng.
Ngoài hệ thống truyền dẫn ghép bước sóng sử dụng hai sợi còn có sơ đồ ghép
sử dụng một sợi như trong hình 1.3. Các sóng mang có bước sóng
λ
1
…
λ
N
được điều
biến bởi các tín hiệu điện từ N kênh và phát theo một hướng. Các sóng mang có bước
sóng
λ
N+1
…
λ
2N
cũng được điều biến bởi tín hiệu điện từ N kênh và phát theo hướng
ngược lại. Phương pháp này đòi hỏi các bộ khuếch đại quang phải có khả năng khuếch
đại trên cả hai chiều và yêu cầu nghiêm ngặt về độ rộng phổ của từng kênh và chất
lượng của bộ tách kênh.
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng hai sợi
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
2
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng một sợi
1.1.3 WDM và DWDM
Các hệ thống WDM được chia thành hai loại: WDM thông thường và DWDM
(Dense WDM – ghép mật độ cao). Các hệ thống có trên 8 bước sóng tích cực trên một

sợi quang thường được coi là DWDM còn các hệ thống có ít hơn 8 bước sóng tích cực
trên một sợi quang được coi là WDM thông thường.
WDM theo chuẩn của ITU về thuật ngữ có nghĩa là hai (hoặc nhiều hơn) tín
hiệu ghép trên cùng một sợi quang, trong đó một tín hiệu trong dải 1550 nm và một tín
hiệu trong dải 1310 nm. Mới đây, ITU đã chuẩn hoá hệ thống có khoảng cách kênh 20
nm để sử dụng cho WDM, dùng các bước sóng giữa 1310 nm và 1610 nm. Nhiều bước
sóng WDM dưới 1470 nm được coi là không thể sử dụng với sợi quang theo khuyến
nghị G.652 do có suy hao lớn trong dải 1310-1470 nm. Những sợi quang mới theo các
khuyến nghị G.652. C và G.652.D đã gần như loại bỏ được một số đỉnh suy hao và
cho phép hoạt động trên toàn bộ 20 kênh WDM của ITU trong các mạng nội thị.
Đặc điểm chính của WDM theo chuẩn ITU là các tín hiệu chưa có khoảng cách
thích hợp cho khuếch đại bằng EDFA. Nguyên nhân là do khoảng cách truyền hạn chế
của WDM, chỉ khoảng 60 km với tín hiệu 2,5 Gb/s, chỉ đủ cho các ứng dụng mạng nội
thị. Việc giảm các yêu cầu về mặt quang đã kéo theo việc giảm chi phí cho các linh
kiện WDM, xấp xỉ chi phí cho các linh kiện không WDM. WDM cũng được sử dụng
cho các mạng cáp TV, tại đó các bước sóng khác nhau được sử dụng cho các tín hiệu
luồng lên và xuống. Trong các hệ thống này, các bước sóng thường được phân chia
rộng, chẳng hạn tín hiệu luồng xuống tại 1310 nm trong khi tín hiệu luồng lên tại
1550 nm.
DWDM – WDM mật độ cao, chỉ những tín hiệu quang được ghép trong dải
1550 nm, tận dụng được khả năng khuếch đại của EDFA (hiệu quả lớn nhất với các
bước sóng từ 1530 – 1560 nm). Một hệ thống DWDM cơ bản có những thành phần
chủ yếu như sau: một bộ ghép kênh đầu cuối, bộ khuếch đại EDFA có thể tích hợp vào
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
3
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
trong bộ ghép này hoặc tách riêng, một thiết bị đầu cuối quang trung gian, còn gọi là
bộ ghép quang xen/rẽ, một bộ tách kênh đầu cuối, kênh giám sát quang. Các bước
sóng WDM được đặt trong hệ thống có khoảng cách kênh chính xác là 100GHz
(khoảng 0,8 nm), với tần số tham khảo cố định khoảng 190,10 THz (1552,52 nm). Hệ

thống chính được đặt bên trong băng tần khuếch đại sợi quang nhưng có thể mở rộng
cho các băng tần rộng hơn. Các hệ thống DWDM ngày nay sử dụng khoảng cách kênh
50 GHz hoặc thậm chí là 25 GHz và có thể có đến 160 kênh. Các hệ thống DWDM đắt
hơn rất nhiều so với WDM vì các bộ phát laser cần phải ổn định hơn so với WDM
thông thường. Các hệ thống DWDM yêu cầu điều khiển nhiệt độ chính xác trong các
laser phát để tránh sự “kéo trôi” bước sóng trung tâm rất hẹp. Thêm vào đó, DWDM
có xu hướng sử dụng trong các mức cao của hệ thống truyền thông, chẳng hạn như
đường trục Internet và do đó được kết hợp với các tốc độ điều chế cao, tuy nhiên thị
trường cho các thiết bị DWDM cũng có mức hiệu năng cao, tương ứng với giá thành
cao. Nói cách khác, các thiết bị DWDM chỉ cần với số lượng nhỏ. Những đổi mới gần
đây trong các hệ thống truyền tải DWDM bao gồm các module thu phát có khả năng
điều chỉnh phần mềm, hoạt động với 40 hoặc 80 kênh.
1.2 Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM
Ta xét các thành phần cơ bản trong hệ thống truyền dẫn WDM: bộ phát quang,
bộ thu quang, bộ lọc quang, các bộ tách/ghép kênh quang, bộ khuếch đại quang và sợi
quang.
1.2.1 Bộ phát quang
Bộ phát quang là thiết bị tích cực phía phát. Các bộ phát quang hiện nay thường sử
dụng nguồn quang là laser phản hồi phân tán DFB (Distributed Feedback laser) và
laser phản xạ Bragg phân bố (Distributed Bragg Reflector Laser). Laser sợi quang pha
tạp chất hiếm cũng đang được nghiên cứu, ưu điểm của nguồn loại này là phổ hẹp và
ổn định tần số cao. Nhìn chung các nguồn quang phải đảm bảo một số yêu cầu như
sau: độ chính xác của bước sóng phát, độ rộng đường phổ hẹp, dòng ngưỡng thấp, có
khả năng điều chỉnh được bước sóng, tính tuyến tính và nhiễu thấp. Các yêu cầu trên
đối với nguồn quang đều nhằm tránh các loại nhiễu, đảm bảo tính ổn định, giảm ảnh
hưởng của các hiệu ứng phi tuyến, tỉ lệ lỗi BER thấp và đảm bảo chất lượng truyền
dẫn của hệ thống.
Để đáp ứng các yêu cầu trên, nguồn quang sử dụng trong các bộ phát thường là
các laser đơn mode. Laser loại này có laser phát mặt (SEL – Surface Emitting Laser)
và các cấu trúc có hốc cộng hưởng lựa chọn tần số. Ở cấu trúc laser phát mặt, độ dày

vùng tích cực nhỏ hơn 10
µ
m và giống như một hốc thẳng đứng ngắn. Bức xạ quang
được hướng về phía mặt nhờ các gương 45
0
hoặc các bộ phản xạ Bragg cấp hai[14].
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
4
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
Bộ phản xạ lựa chọn tần số là các cách tử nhăn, chính là lớp ống dẫn sóng thụ
động nằm kề vùng tích cực. Sóng quang lan truyền song song với cách tử. Hoạt động
của các laser dựa trên nguyên lý bộ phản xạ cách tử Bragg phân tán. Các laser loại này
thể hiện hoạt động mode dọc đơn khá tốt, ít nhạy cảm với nhiệt độ và dòng điều khiển.
Trong loại laser phản hồi phân tán, cách tử để chọn bước sóng bao phủ toàn bộ
vùng tích cực. Tại một bước sóng cụ thể, các mode phát của laser đặt đối xứng nhau
qua bước sóng phản xạ Bragg. Biên độ của các mode phát laser cấp cao hơn giảm một
cách đáng kể so với biên độ bậc 0. Mode cấp 1 thường có biên độ giảm hơn 30 dB so
với biên độ của mode cấp 0. Cách tử của laser DFB được khắc vào một trong các lớp
để tạo ra chiết suất thay đổi theo chu kỳ. Thường tránh khắc cách tử trực tiếp vào lớp
tích cực vì nó có thể làm tăng mức độ tái hợp không bức xạ. Về mặt lý thuyết, laser
DFB có lớp chống phản xạ ở hai đầu. Hai mode bậc 0 ở hai bên bước sóng Bragg có
hệ số khuếch đại giống nhau và nếu cấu trúc hoàn toàn đối xứng thì hai đỉnh này đồng
thời được phát. Như vậy để laser làm việc ở chế độ đơn mode, đặc tính cộng hưởng là
không đối xứng. Muốn vậy có thể dịch cách tử đi khoảng 1/4 hoặc đơn giản là sử dụng
lớp vỏ phản xạ có hệ số phản xạ cao ở một đầu và đầu kia là lớp chống phản xạ.
Đối với laser phản xạ Bragg phân tán, các cách tử được đặt ở các đầu của các
lớp tích cực của laser để thay thế cho các gương được dùng trong hốc cộng hưởng
Fabry-Perot. Trong laser phản xạ phân tán (DR – Distributed Reflector) gồm có các
bộ phản xạ phân tán tích cực và thụ động. Cấu trúc này cải thiện được các đặc tính
phát laser của laser DFB và DBR thông thường, hoạt động có hiệu quả cao, công suất

đầu ra lớn.
Các loại laser này có độ rộng phổ rất hẹp (0,1 – 0,3 nm) và hoạt động rất ổn
định. Chúng thường được ổn định nhiệt độ bằng các bộ làm lạnh Peltier có điều khiển.
Tuy nhiên cần lưu ý là trong laser DFB phải có ống dẫn sóng suy hao thấp để đạt được
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 lượng 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.
Một bộ phát của một kênh (một bước sóng) thường gồm một laser DFB, sau đó
là một bộ điều chế, thường ở bên ngoài máy phát laser, đặc biệt là khi tốc độ điều chế
cao. 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 được tích hợp trong một gói. Các gói
này có thể cho công suất đầu ra là 40 dBm cho dòng kích thích khoảng 40 mA. Ánh
sáng từ nguồn quang phải được điều chế với dòng bit mang thông tin cần truyền bằng
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
5
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
phương pháp điều biến cường 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 điều biến 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
chúng cũng có một số hạn chế như độ rộng phổ hẹp làm cho chúng dễ bị ảnh hưởng
bởi nhiễu do sự phản hồi từ các liên kết.
1.2.2 Bộ tách/ghép kênh quang
Chức năng bộ tách kênh quang là nhận tín hiệu từ sợi quang – một tia sáng bao
gồm nhiều tần số sóng quang khác nhau. Bộ tách kênh quang có nhiệm vụ tách tín
hiệu nhận được thành các tín hiệu tại tần số khác nhau. Nhiệm vụ của bộ ghép kênh

quang thì ngược 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 hưởng trong đó mỗi bộ lọc cộng hưởng với một tần số
nhất định. Trong phần này ta xem xét một số kỹ thuật tách/ghép kênh quang[1] và các
bộ ghép xen/rẽ quang.
Một kỹ thuật đơn giản để tách/ghép ánh sáng là sử dụng một lăng kính (hình
1.4). Đặt chùm tia sáng gồm nhiều bước sóng ra khỏi sợi quang tại tiêu điểm một thấu
kính hội tụ. Ra khỏi thấu kính sẽ là một chùm sáng trắng song song chiếu vào bề mặt
một lăng kính, mỗi bước sóng thành phần khúc xạ theo một góc khác nhau do chiết
suất lăng kính phụ thuộc vào bước sóng. Đặt tiếp một thấu kính sau lăng kính, các tia
cùng màu khi ra khỏi lăng kính song song với nhau sẽ được hội tụ đến một điểm. Các
sợi quang riêng lẻ đặt tại tiêu điểm của thấu kính sẽ thu được ánh sáng theo các màu
khác nhau (hay có bước sóng khác nhau) mang tín hiệu. Trường hợp ghép các kênh tín
hiệu vào một sợi quang cũng sử dụng các linh kiện trên nhưng thực hiện theo quy trình
ngược lại.
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
6
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
Hình 1.4 Tách kênh sử dụng lăng kính
Một kỹ thuật khác là sử dụng cách tử nhiễu xạ, kỹ thuật này dựa trên các
nguyên lý về nhiễu xạ của giao thoa quang. Khi một nguồn sáng đa sắc chiếu vào một
cách tử nhiễu xạ, mỗi bước sóng sẽ bị nhiễu xạ theo một góc khác nhau và chiếu đến
những điểm khác nhau trong không gian. Sử dụng thấu kính hội tụ ta có thể hội tụ các
bước sóng này vào các sợi quang riêng biệt. Trên hình 1.5 biểu diễn cách tử dùng để
tách sóng.
Hình 1.5 Tách /ghép các bước sóng bằng cách tử nhiễu xạ
Ngoài hai kỹ thuật phổ biến trên, cách tử dẫn sóng dạng mảng (AWG – Arrayed

Waveguide Grating) cũng đang được sử dụng khá nhiều. Một thiết bị AWG còn gọi là
bộ định tuyến dẫn sóng quang hoặc bộ định tuyến cách tử dẫn sóng, gồm một mảng
các kênh ống dẫn sóng cong có sự khác nhau cố định trong độ dài đường đi giữa các
kênh lân cận. Các ống dẫn sóng được nối đến một khoang tại đầu vào và đầu ra. Khi
ánh sáng đi vào khoang phía đầu vào nó sẽ nhiễu xạ và đến mảng ống dẫn sóng. Tại đó
sự khác nhau về đường đi giữa các ống dẫn sóng sẽ dẫn đến sự trễ pha tại phía đầu ra.
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
7
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
Các sợi quang phía đầu ra đã được nhân lên nhiều lần. Kết quả là các bước sóng khác
nhau được giao thoa tối đa tại các vị trí khác nhau tương ứng với các cổng đầu ra.
Một kỹ thuật khác dùng các bộ lọc giao thoa trong các thiết bị và được gọi là bộ
lọc màng mỏng hoặc bộ lọc giao thoa nhiều lớp. Bằng cách định vị các bộ lọc có
những màng mỏng trong các tuyến quang có thể phân loại (tách kênh) các bước sóng.
Đặc tính của mỗi bộ lọc là nó phát một kênh (bước sóng) trong khi khúc xạ các kênh
(bước sóng khác). Bằng cách xếp tầng các thiết bị này có thể tách kênh cho nhiều bước
sóng.
Trong các kỹ thuật nói trên, AWG và các bộ lọc màng mỏng đang tăng lên đáng
kể. Các bộ lọc cho độ ổn định và độ cách ly giữa các kênh rất tốt với chi phí vừa phải,
tuy nhiên chúng có nhược điểm là suy hao xen khá cao. AWG là thiết bị phụ thuộc
phân cực (có thể bù được), cho đáp ứng phổ bằng phẳng cùng với suy hao xen thấp.
Trở ngại lớn nhất của thiết bị này là nhạy cảm với nhiệt độ nên không thể hoạt động
trong tất cả các môi trường. Ưu điểm lớn nhất là có thể được thiết kế đồng thời cho cả
ghép kênh và tách kênh. Với số lượng kênh lớn thì sử dụng AWG sẽ tốt hơn vì khi đó
việc sử dụng các bộ lọc màng mỏng xếp tầng là không thực tế.
Giữa các điểm ghép và tách kênh trong hệ thống có một vùng có nhiều bước
sóng tồn tại. Việc thêm hoặc tách một hoặc nhiều bước sóng tại một số điểm trên
đường truyền là rất cần thiết. Do đó cần có các bộ ghép xen/rẽ để thực hiện các chức
năng này. Ngoài các chức năng kết hợp hoặc phân chia các bước sóng, các OADM còn
có khả năng gỡ bỏ 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.
OADM cũng tương tự như một bộ ghép xen/rẽ SONET (ADM) về nhiều chi
tiết, ngoại trừ đặc điểm chỉ xen hoặc rẽ các bước sóng quang và không có sự chuyển
đổi quang - điện nào. Có hai loại thiết bị OADM. Thế hệ đầu tiên là một thiết bị cố
định được cấu hình vật lý để rẽ một số bước sóng cụ thể đã định trước trong khi xen
thêm các bước sóng khác. Thế hệ thứ hai có khả năng cấu hình lại và có thể chọn lựa
linh hoạt các bước sóng để xen/rẽ.
Các bộ lọc màng mỏng đã phát triển thành một công nghệ được chọn lựa cho
OADM trong các hệ thống WDM đô thị hiện nay vì chúng có giá thành thấp và độ ổn
định cao. Để phát triển thế hệ thứ hai của OADM, các công nghệ khác như cách tử và
bộ truyền vòng sợi quang khả chỉnh cũng đang được phát triển.
1.2.3 Bộ khuếch đại quang
Suy hao đã hạn chế độ dài mà sợi quang có thể truyền tín hiệu nguyên vẹn
trước khi phải tái tạo. Trước khi có các bộ khuếch đại quang người ta đã phải sử dụng
các bộ lặp cho mỗi tín hiệu phát đi. Bộ khuếch đại quang có khả năng khuếch đại tất
cả các bước sóng cùng lúc mà không cần chuyển đổi quang - điện - quang(OEO).
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
8
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
Ngoài việc sử dụng trong các kết nối quang, các bộ khuếch đại còn được dùng để
khuếch đại công suất tín hiệu sau khi ghép kênh hoặc trước khi tách kênh vì cả hai
trường hợp này đều gây ra suy hao trong hệ thống. Ngày nay trong tất cả các hệ thống
WDM đều sử dụng bộ khuếch đại EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier: bộ khuếch
đại quang sợi pha tạp Erbium). Nó đóng vai trò quan trọng giúp cho hệ thống có khả
năng mang những trọng tải lớn trên những khoảng cách dài. Phần này trình bày một số
đặc điểm cơ bản của EDFA.
Erbium là một nguyên tố đất hiếm, khi được kích thích nó phát ra ánh sáng có
bước sóng khoảng 1.54
m
µ

- là bước sóng có suy hao thấp với sợi quang sử dụng
trong các hệ thống WDM. Một tín hiệu khá yếu đến sợi quang được pha tạp Erbium,
sợi quang được bơm với bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm bằng một laser bơm. Ánh
sáng bơm này kích thích các phân tử Erbium để giải phóng năng lượng dự trữ của
chúng và phát ánh sáng có bước sóng 1550 nm. Khi quá trình này tiếp tục dọc theo sợi
quang thì tín hiệu sẽ mạnh dần lên. Bơm ở bước sóng 1480 nm có hiệu suất thấp hơn
so với bơm ở bước sóng 980 nm nhưng lại có công suất bơm cao hơn. Các phát xạ tự
phát trong EDFA cũng dẫn đến tạp âm cho tín hiệu và xác định hệ số tạp âm trong một
bộ khuếch đại.
Các tham số quan trọng trong bộ khuếch đại EDFA bao gồm: hệ số khuếch đại,
độ phẳng khuếch đại, mức tạp âm và công suất đầu ra. Các bộ khuếch đại này có khả
năng cho độ khuếch đại đến 45 dB (10500 lần) và khuếch đại dải bước sóng từ 30 nm
đến 35 nm (1535 nm – 1565 nm). Theo lý thuyết thì hệ số nhiễu của EDFA đạt được
giới hạn lượng tử (giới hạn này gây ra do phát xạ tự phát). Thực nghiệm cho thấy hệ số
nhiễu của bộ khuếch đại đạt được xấp xỉ 3 dB, giá trị thực tế từ 3.5 đến 6 dB. Một ưu
điểm của EDFA là bộ khuếch đại có độ nhạy phân cực thấp, do đó có thể mắc chuỗi
các bộ khuếch đại. EDFA có các đặc tính bão hoà tốt do công suất bão hoà tăng tuyến
tính với công suất bơm.Thời gian sống dài ở trạng thái kích thích của các ion Er
3+
là
ưu điểm lớn nhất của EDFA so với các loại bộ khuếch đại khác. Trạng thái kích thích
có thể tích luỹ công suất bơm trong một thời gian dài, do đó công suất bơm trong yêu
cầu để giữ được mức năng lượng đủ lớn trong một bộ khuếch đại thường rất thấp, chỉ
10 mW đến 20 mW để đạt đến hệ số khuếch đại tín hiệu 30 dB. Với các tín hiệu ở các
bước sóng khác nhau sự xuyên nhiễu đa kênh trong bộ khuếch đại rất thấp do thời gian
sống ở các trạng thái kích thích dài, mật độ hạt ở trạng thái kích thích không thể đáp
ứng những thay đổi tín hiệu quá nhanh từ bước sóng này xuyên qua bước sóng khác.
Cũng vì lý do này, EDFA là bộ khuếch đại không méo thậm chí trong trường hợp bão
hoà sâu. Hiển nhiên EDFA có thể tích hợp trong một mạng quang vì có cấu tạo dựa
trên một đoạn sợi Silic. Nhược điểm chính của EDFA là phổ khuếch đại không bằng

phẳng mà xuất hiện các đỉnh khuếch đại, hệ số khuếch đại không như nhau đối với
mọi bước sóng.
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
9
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
Tuỳ thuộc yêu cầu hệ thống mà bộ khuếch đại có thể ở các vị trí khác nhau trên
tuyến và có yêu cầu kỹ thuật riêng, có thể chia làm ba loại: BA, LA và PA. BA
(Booster Amplifier) là bộ khuếch đại công suất có công suất vào lớn, được sử dụng
ngay sau bộ phát để tăng mức công suất tín hiệu. Do công suất đầu ra khá cao nên có
thể bỏ qua tạp âm ASE. Bộ khuếch đại đường dây LA (Line Amplifier) là thiết bị
EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang)
để tăng chiều dài khoảng lặp. Yêu cầu đối với bộ khuếch đại loại này là có công suất
vào nhỏ, công suất ra lớn và nhiễu gây ra nhỏ nhất. Bộ tiền khuếch đại PA (Pre-
Amplifier) là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng ngay trước bộ thu để
tăng độ nhạy thu. Để đạt được mức tạp âm ASE thấp người ta sử dụng các bộ lọc
quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước sóng
nguồn phát. Bản thân bộ khuếch đại gây ra nhiễu cho hệ thống. Sau mỗi bộ khuếch đại
tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR giảm nên thông thường sau ba bộ khuếch đại phải đặt
thêm bộ lặp để khôi phục tín hiệu.
1.2.4 Bộ thu quang
Bộ thu quang thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu quang thành điện. Bộ thu
phải thích hợp với bộ phát cả về bước sóng sử dụng và phương thức điều chế, đồng
thời phải được thiết kế để đưa ra mức tín hiệu phù hợp.
Cấu trúc bộ thu quang gồm có bộ tách sóng quang, các bộ khuếch đại tín hiệu
và các mạch xử lý tín hiệu. Toàn bộ cấu trúc này thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang
phát ở đầu sợi từ phía phát tới thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này tới mức đủ
lớn để nó có thể tạo thuận lợi cho các bước xử lý tiếp theo như quá trình tái tạo tín
hiệu. Độ phức tạp của mạch giải điều chế phụ thuộc vào phương pháp điều chế được
sử dụng.
Bộ thu quang thường sử dụng photodiode làm phần tử tách sóng quang. Có hai

loại photodiode là PIN và APD. Photođioe PIN yêu cầu công suất thấp nhưng kém
nhạy cảm, chỉ hoạt động trên một dải tần số hẹp và cần có bộ khuếch đại phía trước.
APD do có hiệu ứng nhân thác nên dòng quang điện được khuếch đại ngay trong
diode, cho tín hiệu lớn nên không cần bộ tiền khuếch đại và thường được sử dụng
trong các tuyến thông tin quang đường dài.
Cấu tạo của một photodiode thông thường bao gồm một lớp tiếp giáp p-n phân
cực ngược tạo ra một vùng nghèo hấp thụ photon, sinh ra các cặp điện tử - lỗ trống đi
về hai phía p hoặc n tạo thành dòng điện chạy trên mạch ngoài. Photodiode PIN có
thêm một lớp bán dẫn i (nguyên chất) giữa hai lớp p-n, chiều rộng của lớp bán dẫn I
được xác định sao cho tất cả photon đi vào đều được 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, cho phép khuếch
đại dòng quang điện ngay trong APD.
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
10
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
Trong bộ thu có một số tham số quan trọng như đáp ứng phổ, thời gian lên, độ
rộng băng tần nguồn thu, các loại nhiễu, tỉ số tín hiệu trên tạp âm và độ nhạy máy thu.
Đáp ứng phổ là một hàm của bước sóng, liên quan mật thiết đến bộ tách sóng được
dùng. Các loại nhiễu gồm có nhiễu nhiệt và nhiễu lượng tử. Độ nhạy máy thu là mức
công suất nhỏ nhất của tín hiệu tới mà máy thu vẫn thu được tín hiệu với tỉ số lỗi bit
BER yêu cầu.
1.2.5 Sợi quang
Nhiệm vụ chính của sợi quang là dẫn sóng ánh sáng với một lượng suy hao nhỏ

nhất. Trong hệ thống truyền dẫn quang, sợi quang đóng vai trò là phương tiện truyền
dẫn. Hiện nay, sợi quang đơn mode tuân theo khuyến nghị G.652 được sử dụng nhiều
nhất. Giá trị tán sắc bằng không nằm ở bước sóng 1310 nm, tán sắc tại vùng 1550 nm
rất lớn, cỡ 18 ps/nm/km. Tuy nhiên, suy hao ở vùng bước sóng 1550 nm nhỏ hơn trong
vùng 1310 nm và bộ khuếch đại EDFA làm việc tại vùng này nên người ta sử dụng sợi
quang tán sắc đã dịch (DSF – Dispersion Shifted Fiber). Sợi quang DSF tuân theo
khuyến nghị G.653, có tán sắc bằng không tại bước sóng 1550 nm, thích hợp sử dụng
trong các hệ thống WDM thông thường. Tuy nhiên do hiệu ứng trộn bốn sóng xảy ra
mạnh nên nó không được sử dụng trong các hệ thống kênh mật độ dày đặc DWDM.
Trong các hệ thống DWDM người ta sử dụng sợi NZ-DSF (Non-zero DSF), loại sợi
này có mức tán xạ thấp tại cửa sổ thứ ba. Một loại sợi mới cũng đang được phát triển
cho truyền dẫn WDM là sợi HDSF (Half-Dispersion – shifted Single-mode Fiber).
Loại sợi này có bước sóng cắt nhỏ hơn 1500 nm, bước sóng có tán sắc bằng không lớn
hơn 1450 nm và nhỏ hơn 1500 nm, tại bước sóng hoạt động 1560 nm thì tán sắc còn
khoảng 6 đến 11 ps/nm/km.
Gần đây, tập đoàn điện tử Sumitomo của Nhật đã tuyên bố vừa phát triển được
loại sợi quang mới sử dụng cho các hệ thống WDM có tên gọi PureMetro[15]. Đây là
sợi NZ-DSF đa chức năng, có các đặc điểm rất tốt cho cả các hệ thống WDM đô thị và
các đường trung kế. Dải bước sóng sử dụng cho truyền dẫn DWDM trong các đường
trung kế là băng C (1530 nm -1565 nm) và băng L (1565 nm – 1625 nm) tại phía bước
sóng dài. Các đặc điểm về tán sắc của sợi PureMetro tại dải bước sóng này được xác
định thận trọng để cho phép sử dụng PureMetro trong các mạng WDM trung kế hiện
có. Các ứng dụng của sợi PureMetro đối với các thiết bị truyền dẫn hiện có cho phép
truyền dẫn DWDM với khoảng cách kênh 1 nm hoặc nhỏ hơn. Trong các mạng đô thị,
truyền dẫn ở khoảng cách ngắn và trung bình sử dụng WDM đã trở thành xu thế. Xuất
phát từ quan điểm của dải truyền dẫn và chi phí, các bộ khuếch đại quang và các sợi
quang bù tán sắc sẽ không được sử dụng nữa. Vì vậy đường truyền dẫn cần phải có
suy hao nhỏ và tán sắc nhỏ trên một dải rộng. Để đạt được những yêu cầu này,
PureMetro được thiết kế là sợi NZ-DSF đầu tiên có suy hao hấp thụ OH thấp và có tán
sắc thấp, cân bằng trong dải bước sóng từ 1280 nm đến 1625 nm. Đây là loại sợi

Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
11
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
quang thích hợp để xây dựng các mạng WDM đô thị. Sợi quang này có khả năng ứng
dụng trong các đường trung kế khoảng cách lớn cũng như các mạng đô thị. Người ta
dự đoán sợi quang này sẽ được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống WDM thông
thường và DWDM.
1.3 Các tham số trong hệ thống truyền dẫn WDM.
1.3.1 Các tham số trong các bộ tách ghép kênh
1.3.1.1Dải kênh
Hiệu suất của một bộ tách/ghép kênh phụ thuộc vào khả năng cách ly các kênh
đầu vào và các kênh đầu ra. Mỗi dải kênh được đặc trưng bởi các tham số sau:
a. Bước sóng trung tâm kênh
Bước sóng trung tâm đo được thường dùng để đặc trưng cho một kênh của bộ
lọc hoặc bộ tách /ghép kênh. Bước sóng trung tâm là bước sóng trung bình của bước
sóng cắt trên và dưới, không nhất thiết phải là bước sóng truyền dẫn lớn nhất.
Tham số bước sóng trung tâm rất có ý nghĩa với những bộ lọc có dạng phổ đối
xứng hoặc gần đối xứng. Nhìn chung, bước sóng trung tâm được định nghĩa như điểm
giữa của các bước sóng có sườn giảm xuống 3 dB trên hai bên của bước sóng truyền
dẫn đỉnh. Với một phân phối hoàn toàn đối xứng, bước sóng trung tâm có thể là bước
sóng truyền dẫn đỉnh nhưng đây là trường hợp hiếm có. Trong thực tế, những thay đổi
tương đối nhỏ trong hình dạng phổ cũng dẫn đến những thay đổi đáng kể trong bước
sóng trung tâm. Bộ phát của kênh hoạt động gần bước sóng nhỏ, thường là một trong
các bước sóng theo chuẩn của ITU. Do đó bước sóng trung tâm cũng phải càng gần
các bước sóng này càng tốt, chẳng hạn như các bước sóng kênh của ITU. Các bước
sóng cắt trên và dưới là các bước sóng mà tại đó suy hao xen đạt đến một giá trị nhất
định, thường là 3dB.
b. Khoảng cách kênh
Trong các hệ thống mạng hiện có, người ta sử dụng cả các kênh có khoảng cách
đều và các kênh có khoảng cách không đều. Các kênh có khoảng cách đều được dùng

nhiều nhất trong các hệ thống ITU, khoảng cách là 100GHz. Khoảng cách kênh không
đều được dùng để tối thiểu hoá và dự đoán các hiệu ứng phi tuyến như trộn bốn sóng.
FWM phát sinh khi hai hoặc nhiều hơn hai bước sóng tương tác để sinh ra bước sóng
mới. Với khoảng cách kênh đều hiện tượng FWM sẽ gây ra nhiễu giữa các kênh.
c. Băng thông tại -3 dB và một số giá trị khác
Băng thông là độ rộng phổ mà qua đó mức truyền dẫn vượt ra ngoài một số giá
trị cố định. Băng thông sẽ không còn nhiều ý nghĩa nếu không kể đến một mức
ngưỡng cụ thể. Băng thông xác định dải phổ mà qua đó thiết bị có thể hoạt động có
hiệu quả. Biết được băng tần tại hai mức hoặc nhiều hơn có thể chỉ ra dạng đường viền
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
12
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
của dải. Các giá trị có suy hao cao (-20 dB hoặc -30dB) rất có ích trong việc dự đoán
xuyên âm có thể xảy ra trong các kênh DWDM liền kề. Mức ngưỡng cụ thể được sử
dụng phụ thuộc vào sự cách ly các kênh liền kề, tuỳ theo nhu cầu của một ứng dụng
mạng cụ thể.
d. Sự cách ly và xuyên kênh
Nói một cách rộng rãi, sự cách ly kênh và xuyên âm mô tả sự loại bỏ tín hiệu từ
một kênh liền kề hoặc các kênh khác trong một thiết bị đa kênh. Phép đo thực hiện lấy
đặc điểm băng thông của mỗi kênh vào trong báo cáo và thường được ghi rõ trong các
điều kiện xấu nhất. Cách giải thích về sự cách ly và xuyên âm chỉ khác nhau rất ít.
Trong khi sự cách ly kênh mô tả sự loại bỏ công suất tín hiệu từ hoặc đến một kênh
khác thì xuyên kênh mô tả công suất bị rò gỉ qua một dải kênh từ các kênh khác. Sự
cách ly là giá trị nhỏ nhất tính theo dBm mà tại đó thiết bị đo kiểm loại bỏ các tín hiệu
bên ngoài còn xuyên kênh chỉ sự khác biệt giữa công suất đầu vào lớn nhất với công
suất rò gỉ nhỏ nhất, tính theo dB.
Ngoài việc đo đạc và đánh giá các trường hợp xuyên kênh xấu nhất giữa hai
hay nhiều kênh trong một hệ thống WDM, người dùng còn phải xác định các mức
xuyên kênh có thể chấp nhận được. Thông thường, cách ly các kênh liền kề với giá trị
25 dB trở lên là đủ. Tuy nhiên, khi mạng ngày càng trở nên phức tạp và các bộ thu cần

phải đủ độ tin cậy để đối phó với các mức công suất tín hiệu thấp thì cần phải có sự
cách ly cao hơn. Cũng vì lý do đó, sự cách ly giữa các kênh không liền kề cũng phải
được tính đến khi thiết kế hệ thống, mặc dù trước đây có thể bỏ qua tham số này.
e. Gợn sóng tại đỉnh công suất kênh theo bước sóng
Đáp ứng phổ của một thiết bị WDM không bao giờ được phẳng hoàn toàn. Các
đặc điểm về suy hao xen đã cho thấy suy hao tại một giá trị riêng lẻ nhưng không mô
tả được sự biến đổi của suy hao qua dải thông hoặc kênh ITU. Sự biến đổi hay là sự
khác biệt giữa giá trị suy hao nhỏ nhất và lớn nhất qua một dải thông, được gọi là gợn
sóng (người ta cũng dùng một đại lượng ngược lại là độ phẳng để mô tả đặc điểm
này). Độ gợn sóng trong một kênh cho người thiết kế hệ thống thông tin về những thay
đổi có thể xảy ra trong công suất phát khi bước sóng truyền dẫn thay đổi trong một dải
thông nhỏ. Trong nhiều ứng dụng, độ gợn sóng quá mức là không thể chấp nhận được.
Một tham số quan trọng khác là sườn gợn sóng lớn nhất, tính bằng sự thay đổi suy hao
trên sự thay đổi bước sóng. Sử dụng tham số này người thiết kế hệ thống có thể quyết
định công suất kênh thay đổi bao nhiêu cho một sự thay đổi nhỏ trong bước sóng phát.
1.3.1.2 Các hiệu ứng phụ thuộc phân cực
Tại một điểm bất kỳ trong mạng quang, trạng thái phân cực của năng lượng
quang về cơ bản là không được biết. Nó phụ thuộc vào hình dạng đường đi của sợi
quang, vào sự lưỡng chiết do sự không đối xứng trong môi trường truyền dẫn – do bản
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
13
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
chất hoặc do nhiệt, sức căng, sức nén - cũng như nhiều hiệu ứng quang khác trong các
thành phần mạng.
Vì các đặc điểm của nhiều thành phần được sử dụng trong các mạng quang thay
đổi như một hàm của trạng thái phân cực nên các đặc điểm của kênh như suy hao xen,
tần số trung tâm, băng tần cũng thay đổi theo phân cực. Chính vì vậy, để đảm bảo độ
tin cậy, một nhà thiết kế mạng cần phải xem xét đến trường hợp xấu nhất khi phụ
thuộc phân cực của tất cả các thành phần được sử dụng trong hệ thống. Suy hao, băng
tần và tần số trung tâm đặc biệt rất nhạy với trạng thái phân cực. Mỗi thông số trên

phải được đo tại các trạng thái phân cực khác nhau bằng cách sử dụng bộ điều khiển
phân cực. Kết quả thay đổi chính là sự phụ thuộc phân cực của mỗi thông số. Trong
trường hợp lý tưởng, quá trình đo kiểm sẽ được thực hiện cho tất cả các trạng thái
phân cực nhưng thông thường thì chỉ cần một số trường hợp ngẫu nhiên. Sau đây ta
xét một vài phép đo cụ thể.
a. Suy hao phụ thuộc phân cực PDL (Polarization Dependent Loss)
PDL là sự thay đổi của suy hao qua một dải trạng thái phân cực. Nó được xác
định giữa tỉ số truyền trong các trạng thái phân cực tốt nhất và xấu nhất và được tính
theo dB. Khi một nửa giá trị của PDL cộng với suy hao xen, mà suy hao xen được đo
trong trạng thái không phân cực thì đó là trường hợp suy hao xấu nhất trong thành
phần tại một bước sóng cụ thể (thường là bước sóng hoạt động nhỏ). Nhìn chung, PDL
có giá trị thấp nhất trong băng thông, cao hơn trong vùng chuyển tiếp và cao nhất
trong dải dừng của bộ lọc. Hầu hết các nhà sản xuất thành phần mạng và người dùng
đều thấy rằng đo PDL tại trung tâm kênh và biên dải thông là đủ. Với hầu hết các ứng
dụng thì yêu cầu đặt ra là PDL nhỏ hơn 0,1 dB. Một số tham số khác cũng thay đổi
theo phân cực là bước sóng trung tâm và băng tần. Chúng cũng được đánh giá tương
tự như PDL.
b. Tán sắc mode phân cực PMD (Polarization Mode Dispersion)
PMD là kết quả khi hai thành phần phân cực của một tín hiệu truyền trong sợi
quang với các vận tốc khác nhau và vượt ra ngoài pha dọc theo sợi. Hiệu ứng này cùng
với sự xuất hiện của PDL và chirp của bộ phát làm méo dạng và nới rộng xung tín hiệu
và ảnh hưởng đến tỉ lệ lỗi trong các hệ thống số, đồng thời có thể gây ra méo hài
nghiêm trọng trong các hệ thống tương tự như các mạng CATV. Dưới điều kiện chiếm
ưu thế trong các mạng quang, PMD tích luỹ thống kê theo hàm căn bậc hai của khoảng
cách chứ không phải là tuyến tính theo độ dài cuả sợi quang. Vì vậy mặc dù PMD tổng
quát được tính theo đơn vị thời gian (ps) nhưng hệ số của PMD (giá trị trên một đơn vị
độ dài) được tính theo trễ trên căn bậc hai của đơn vị khoảng cách (ps/km). Tuy nhiên,
với các thành phần như các bộ tách/ghép kênh thì quá trình PMD được xác định trước
nên thông thường ta chỉ quan tâm đến PMD tổng cộng của thiết bị (hoặc mỗi kênh của
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV

14
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
thiết bị). Do vậy mà thành phần PMD thường được tính đơn giản theo đơn vị thời gian
(ps).
1.3.1.3 Suy hao xen IL (Insertion Loss)
Suy hao xen của một thành phần là độ lệch giữa công suất đầu vào và đầu ra
của thành phần mạng đó. IL xác định suy hao công suất trong thiết bị tại một bước
sóng cụ thể hoặc qua một dải phổ và được tính theo công suất sau:
)/)lg((10)(
inoutin
PPPdBIL −=
(1.1)
Đối với một thành phần mạng DWDM, IL thường được tính theo băng tần
truyền dẫn của thiết bị. Tất nhiên đây là tham số có giá trị càng nhỏ càng tốt.
Phép đo hữu ích nhất của IL là giá trị tại bước sóng mà suy hao là lớn nhất. Sử
dụng giá trị này người thiết kế có thể tính toán một cách an toàn quỹ suy hao áp dụng
cho bất cứ bước sóng truyền dẫn nào. Trong thực tế, đây là cách mà hầu hết các nhà
sản xuất sử dụng để xác định suy hao xen của kênh. Cần phải chú ý rằng bước sóng
ITU đưa ra không nhất thiết phải là bước sóng trung tâm của dải thông. Phương pháp
này được áp dụng khi đã biết trước độ rộng kênh, nhưng một số linh kiện có xu hướng
sử dụng cho các ứng dụng chung nên không thể xác định trước các điều kiện làm việc
cụ thể. Trong tình huống này thì cách tốt nhất để mô tả IL là tính toán bước sóng trung
tâm của dải thông sau đó tính IL tại bước sóng đó. Phương pháp này được áp dụng
trong các thiết bị đơn kênh hoặc các thiết bị có dải thông đối xứng.
Chưa có một chuẩn nào được chấp nhận khi đưa ra định nghĩa về IL với sự có
mặt của PDL. Một định nghĩa khá hợp lý đã được các tổ chức chuẩn hoá đề xuất. Đầu
tiên cần phải đo IL với một nguồn đã được khử phân cực. PDL biến thiên từ max tới
min theo giá trị này. Khi đó IL có thể được định nghĩa như một trường hợp suy hao tốt
nhất khi trạng thái phân cực tại đầu vào thiết bị kiểm tra đo thử (DUT) của một nguồn
phân cực hoàn toàn (laser) đã được điều chỉnh. Trường hợp suy hao xấu nhất là tổng

của IL và PDL. Các số liệu quan trọng khi so sánh giá trị IL của nhiều thiết bị khác
nhau gồm có ảnh hưởng của các connector và tính đồng đều của IL qua các kênh trong
một thiết bị đa kênh.
1.3.1.4 Tính định hướng
Tính định hướng đôi khi còn được dùng để chỉ xuyên kênh đầu gần, là một
phép đo sự cách ly giữa các cổng đầu vào của một thiết bị nhiều đầu vào. Tham số này
đặc biệt quan trọng trong bộ ghép kênh vì tại đây công suất phản xạ trở lại bộ phát cần
có giá trị tối thiểu.
Người dùng phải có một kết cuối không phản xạ tại đầu ra của thiết bị để đo
tính định hướng. Nếu không đảm bảo được điều này thì các tia phản xạ tại bề mặt sợi
quang sẽ làm sai lệch kết quả đo. Thông thường chỉ cần thực hiện các phép đo tính
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
15
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
định hướng tại các bước sóng kênh nhỏ. Ta có thể chèn một tín hiệu vào một kênh tại
bước sóng được thiết kế và đo công suất phản xạ trở lại một đầu vào khác. Độ lệch
giữa công suất chèn vào và công suất phản xạ trở lại chính là tính định hướng cho một
sự kết hợp kênh cụ thể. Các phép đo có thể tiến hành với các kênh kết hợp. Tuy nhiên
điều này khiến cho việc tự động hoá các phép đo trở nên khó khăn, đặc biệt là với các
thiết bị có số kênh lớn.
1.3.1.5 Suy hao phản hồi
Khi ánh sáng được bơm vào một linh kiện quang như connector, bộ ghép kênh
hay chính là sợi quang, một phần năng lượng được truyền đi, một phần bị hấp thụ và
một phần phản xạ trở lại. Trong các hệ thống quang sợi, ánh sáng bị phản xạ do tán xạ
Rayleigh và phản xạ Fresnel. Tán xạ Rayleigh xảy ra bên trong bản thân sợi quang như
một hệ quả không thể tránh khỏi do tương tác giữa phần năng lượng ánh sáng được
phát và các phân tử sợi quang. Vì vậy tán xạ Rayleigh phụ thuộc vào thành phần cấu
tạo của thuỷ tinh, đồng thời cũng phụ thuộc vào bước sóng. Độ lớn của tán xạ
Rayleigh vào khoảng -75 dB trên mét cho sợi quang điển hình tại bước sóng 1550nm,
ảnh hưởng của tham số này có thể xem xét qua các kết nối dài. Phản xạ Fresnel xảy ra

tại các bề mặt rời rạc (connector, adapter…), là hệ quả của các lỗ hổng không khí, sự
mất liên kết và những chiết suất không phù hợp với nhau.
Người ta không mong muốn công suất quang phản hồi do một số lý do như sau:
• Tham số này đóng góp vào suy hao công suất tổng
• Các bộ phát laser hiệu suất cao dùng trong các hệ thống DWDM rất nhạy với
ánh sáng phản xạ, vì ánh sáng này có thể làm giảm nghiêm trọng độ ổn định của laser
và đến tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR của hệ thống. Trong những trường hợp nhất định,
công suất phản hồi lớn có thể phá huỷ bộ phát laser.
• Ánh sáng phản xạ có thể bị phản xạ trong hướng đi. Những phản xạ truyền theo
hướng đi này làm chậm tín hiệu ban đầu, gây ra các vấn đề tại phần giải điều chế. Hiện
tượng này được gọi là giao thoa đa đường (MPI).
• Sự phản xạ xảy ra bên trong một bộ khuếch đại EDFA có thể dẫn đến MPI cộng
và đóng góp tạp âm bộ khuếch đại rất lớn.
Xem xét đến tất cả các khía cạnh trên thì một thành phần có hệ số phản xạ -55 dB sẽ
thích hợp hơn một thành phần có hệ số phản xạ -50 dB.
1.3.2 Các tham số trong sợi quang
1.3.2.1 Tán sắc sắc thể
Tất cả thuỷ tinh, bao gồm cả thuỷ tinh dùng làm sợi quang, đều có tán sắc vật
liệu vì chiết suất thay đổi theo bước sóng. Ngoài ra, khi kéo thuỷ tinh thành sợi quang
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
16
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
đơn mode thì hình dạng và chiết suất gây ra sự phụ thuộc vào bước sóng rất lớn của sự
lan truyền các xung mang tin dọc theo sợi, và đó là tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc vật
liệu và tán sắc ống dẫn sóng được gọi chung là tán sắc sắc thể của sợi quang.
Tán sắc sắc thể không phải là một vấn đề nếu một kênh quang được đặc trưng
bởi một bước sóng, nhưng ngay cả các kênh hẹp nhất cũng có băng tần hạn chế. Thậm
chí một nguồn đơn sắc lý tưởng cũng không thể có độ rộng đường phổ bằng không khi
được điều chế vì thực tế nguồn này đang mang tín hiệu. Thêm vào đó, một số hiện
tượng trong thực tế, ví dụ như hiện tượng chirp, có thể dẫn đến việc nới rộng xung,

ảnh hưởng đến độ rộng nguồn phát.
Vì vậy mỗi một kênh cho trước được đặc trưng bởi một dải các bước sóng có
khoảng cách gần mà không phải là một bước sóng đơn lẻ. Bởi vì các bước sóng khác
nhau lan truyền theo các tốc độ khác nhau (hoặc theo vận tốc nhóm khác nhau) nên
một xung vuông tại đầu vào sẽ rộng ra khi nó đi qua nhiều kết nối quang sợi. Trong
nhiều trường hợp, xung này trộn lẫn với các xung liền kề, làm cho việc khôi phục tín
hiệu chính xác trở nên khó khăn. Khi tốc độ bit và độ dài tuyến tăng lên, ảnh hưởng
của tán sắc sắc thể cũng lớn hơn.
Hình 1.8 Bước sóng có tán sắc bằng không, λ
0
và sườn tại tán sắc không, S
0
Tán sắc sắc thể của một kết nối quang được tích luỹ theo khoảng cách và được
tính theo sự thay đổi trễ nhóm trên một đơn vị độ dài, ps/nm. Hệ số trễ là tán sắc cho
một loại sợi quang cụ thể và được tính tổng quát theo đơn vị ps/(nm.km). Tán sắc sắc
thể của một hệ thống rất nhạy với sự tăng số lượng và độ dài của span, với sự tăng tốc
độ bit. Việc giảm khoảng cách kênh và tăng số lượng kênh không ảnh hưởng nghiêm
trọng đến tán sắc sắc thể. Các hiệu ứng của tán sắc sắc thể giảm khi giảm giá trị tán
sắc sắc thể tuyệt đối của sợi quang và khi bù tán sắc. Đối với các hệ thống WDM sử
dụng sợi quang G.652 cần phải chú ý hơn đến tán sắc sắc thể vì tán sắc rất lớn trong
vùng 1550 nm.
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
17
Đồ án tốt nghiệp Chương I. Giới thiệu hệ thống truyền dẫn WDM
Hình 1.9 Tán sắc thay đổi như một hàm theo bước sóng với một vật liệu cho trước
1.3.2.2 Tán sắc mode phân cực PMD
Mô tả một sợi quang lý tưởng tương đối đơn giản: làm thế nào năng lượng
truyền dọc theo sợi, các mode phân cực mà sợi quang này có tại các bước sóng cho
trước. Tuy nhiên, khi các sợi quang thực tế kết hợp lại trong cáp và cáp được lắp đặt
thì rất khó để có được sợi quang lý tưởng. Trong suốt quá trình sản xuất sợi quang, các

tác động trong lõi và vỏ sợi được cố định lại, bao gồm cả tính lưỡng chiết không thể
dự đoán của sợi quang. Ngoài ra, các tác động cơ học của việc quấn các sợi quang
trong cáp đôi dẫn đến sức căng bất đối xứng, sức căng này tăng lên khi cáp lại được
uốn quang một trục. Mỗi lần ra khỏi phạm vi ban đầu, cáp tiếp tục chịu các sức ép lớn
hơn khi nó được lắp đặt cũng như khi tăng các khoảng trống, các connector…. Tất cả
các tác động cơ học này đều dẫn đến kết quả là xuất hiện sự biến dạng giả ngẫu nhiên
bên trong sợi quang, sự biến dạng này làm nhiễu loạn hình dạng tròn hoặc tính đồng
tâm của lõi bên trong vỏ, hoặc kéo dài hay uốn nhọn phần lõi.
Tán sắc mode phân cực là cơ chế cơ bản mà qua đó các hiện tượng trên ảnh
hưởng đến hiệu suất. Tại một điểm bất kỳ dọc theo sợi quang, một xung ánh sáng đã
được phân cực có thể bị phân chia thành các thành phần được 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 tương ứng với một trạng thái phân cực tuyến tính. Trong cáp
quang thực tế, tính định hướng của các trục này và sự khác nhau tương đối về tốc độ
truyền tương ứng với mỗi trục (liên quan trực tiếp đến độ lớn của sự lưỡng chiết bên
trong) thay đổi dọc theo đường dẫn quang. Trong mỗi đoạn của sợi quang, hướng của
các trục lưỡng chiết thay đổi (có thể coi là ghép mode). 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 hướng tương đối của các trục này trong các phần là khác nhau nên xung tín hiệu
trải rộng theo thời gian.
Lê Bật Thắng – D04VT2 HVCNBCV
18