đồ án :Các phương pháp bù tán sắc và ứng dụng bù tán sắc trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao

Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ mạng quang WDM ra đời đã tạo nên những bước phát triển rất
lớn cho các mạng truyền tải. Với sự ra đời của công nghệ WDM đã đáp ứng được
những nhu cầu tăng lên rất lớn về băng thông. Ngày nay các hệ thống thông tin
quang đường trục, các hệ thống dung lượng lớn đều sử dụng công nghệ WDM, với
những tuyến liên kết điểm điểm, rồi đến những liên kết cấu trúc mạng phức tạp
hơn để phù hợp với những yêu cầu đáp ứng mạng được đặt ra. Tuy nhiên, do một
số những ảnh hưởng lớn tác động đến hệ thống WDM nên những nhà khai thác
mạng vẫn chưa tận dụng được hết những ưu điểm vượt trội của hệ thống này.
Những ảnh hưởng đó phải kể đến đầu tiên chính là các ảnh hưởng của tán sắc đối
với hệ thống WDM. Tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ
của hệ thống WDM, gây ra lỗi bit làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính của hệ
thống WDM. Do đó vấn đề quản lý tán sắc trong hệ thống WDM đã và đang rất
được quan tâm. Vì vậy em đã lựa chọn nội dung đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên
cứu Các phương pháp bù tán sắc và ứng dụng bù tán sắc trong các hệ thống thông
tin quang tốc độ cao.
Nội dung đồ án của em bao gồm ba chương:
Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM
Trong chương này tìm hiểu một số nguyên lý cơ bản của công nghệ WDM,
các cấu hình mạng và cơ chế bảo vệ cho mạng WDM.
Chương II: Một số ảnh hưởng đến hệ thống WDM
Tìm hiểu các loại tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến cũng như những ảnh
hưởng của tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến đối với hệ thống WDM.
Chương III: Các phương pháp bù tán sắc và ứng dụng bù tán sắc trong
hệ thống WDM
Đưa ra sự cần thiết phải quản lý tán sắc. Tìm hiểu các phương pháp bù tán
sắc như các mô hình bù trước, các kỹ thuật bù sau, các sợi bù tán sắc, các bộ lọc
quang, các cách tử Bragg sợi, sự kết hợp pha quang. Ứng dụng bù tán sắc trong
các hệ thống sóng ánh sáng đường dài, các hệ thống dung lượng lớn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên đồ án

của em không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý
Quách Bá Lâm – Đ04VT1 i
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
kiến của các thầy cô giáo và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời
cảm ơn chân thành nhất tới cô giáo Lê Thanh Thủy đã tận tình hướng dẫn, giúp
đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án.
Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2008
Sinh viên thực hiện
Quách Bá Lâm
Quách Bá Lâm – Đ04VT1 ii
Đồ án tốt nghiệp Mục lục
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU i
MỤC LỤC ii
DANH MỤC HÌNH VẼ iv
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM 10
1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM 10
1.1.1 Giới thiệu về WDM 10
1.1.2 Sự phát triển của công nghệ WDM 12
1.1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM 14
1.2 Các cấu hình mạng và cơ chế bảo vệ cho mạng WDM 16
1.2.1 Cấu hình điểm – điểm 16
1.2.2 Cấu hình vòng Ring 17
1.2.3 Cấu hình Mesh 19
CHƯƠNG II: MỘT SỐ THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ
THỐNG WDM 11
2.1 Tán sắc 11
2.1.1 Giới thiệu chung 11
2.1.2 Tán sắc vật liệu 12

2.1.3 Tán sắc dẫn sóng 14
2.1.4 Tán sắc bậc cao 16
2.1.5 Tán sắc mode phân cực PMD 18
2.2 Các hiệu ứng phi tuyến 21
2.2.1 Giới thiệu chung 21
2.2.2 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM 22
2.2.3 Hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM 23
2.4.4 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM 24
2.2.5 Hiệu ứng tán xạ Raman ( SRS ) 25
2.4.6 Hiệu ứng tán xạ Brillouin ( SBS ) 27
CHƯƠNG III: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC VÀ ỨNG DỤNG BÙ TÁN
SẮC TRONG HỆ THỐNG WDM 29
3.1 Sự cần thiết phải quản lý tán sắc 29
3.2 Các mô hình bù trước 31
3.2.1Kỹ thuật dịch tần trước 31
3.2.2 Các kỹ thuật mã hóa mới 35
3.2.3 Các kỹ thuật dịch tần trước phi tuyến 37
3.3 Các kỹ thuật bù sau 39
3.4 Các sợi bù tán sắc 41
3.5 Các bộ lọc quang 43
3.6 Các cách tử Bragg sợi 47
3.6.1 Cách tử chu kỳ đều 48
Quách Bá Lâm – Đ04VT1 ii
Đồ án tốt nghiệp Mục lục
3.6.2 Cách tử sợi dịch tần 51
3.6.3 Bộ nối mode dịch tần 55
3.7 Sự kết hợp pha quang 56
3.7.1 Nguyên lý hoạt động 56
3.7.2 Bù của tự điều chế pha SPM 57
3.7.3 Tín hiệu kết hợp pha 59

3.8 Các hệ thống sóng ánh sáng đường dài 63
3.8.1 Ánh xạ tán sắc theo chu kỳ 63
3.8.2 Nguyên lý đơn 65
3.8.3 Các hiệu ứng phi tuyến trong kênh 68
3.9 Các hệ thống dung lượng lớn 70
3.9.1 Bù tán xạ băng rộng 70
3.9.2 Bù tán sắc điều hướng 73
3.9.3 Quản lý Tán sắc Bậc Cao 76
3.9.4 Bù PMD 79
KẾT LUẬN 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

Quách Bá Lâm – Đ04VT1 iii
Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Tốc độ tăng dung lượng thoại và số liệu theo thời gian 10
Hình 1.2 Ghép kênh theo bước sóng WDM 12
Hình 1.3 Hệ thống WDM hai kênh 13
Hình 1.4 Sự phát triển của công nghệ WDM 13
Hình 1.5 Sự tăng nên của dung lượng sợi 14
Hình 1.6 Màu chức năng WDM 14
Hình 1.7 Kiến trúc điểm – điểm 17
Hình 1.8 Cấu hình mạng Ring 18
Hình 1.9 UPSR bảo vệ trên vòng ring WDM 19
Hình 1.10 Các kiến trúc vòng ring, điểm điểm, mesh 20
Hình 2.1 Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bước sóng ở sợi thủy
tinh 14
Hình 2.2 Tham số b và các vi phân của nó d(Vb)/dV và V[d2(Vb)/dV2] thay đổi
theo tham số V 15
Hình 2.3 Tán sắc tổng D và các tán sắc vật liệu DM, DW cho sợi đơn mode thông

dụng 16
Hình 2.4 Bước sóng phụ thuộc vào tham số tán sắc D đối với các sợi tiêu chuần,
sợi dịch tán sắc, và sợi tán sắc phẳng 18
Hình 2.5 Hiện tượng tán sắc mode phân cực PMD 19
Hình 2.6 : Ảnh hưởng của hiệu ứng tự điều chế pha SPM 22
Hình 2.7 Ảnh hưởng của hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM 23
Hình 2.8 Hiệu ứng FWM 24
Hình 2.9 Giản đồ năng lượng của quá trình tán xạ Raman 25
Hình 2.10 Phổ khuếch đại Raman của sợi Silic ở bước sóng bơm λp=1μm 26
Hình 2.11 Ảnh hưởng của tán xạ Raman 27
Hình 3.1 Sự thay đổi của tham số mở rộng với khoảng cách truyền cho một xung
đầu vào Gaussian dịch tần 32
Hình 3.2 Sơ đồ kỹ thuật dịch tần trước được sử dụng để bù tán sắc: (a) đầu ra FM
của laze DFB (b) dạng xung do bộ điều chế ngoài tạo ra c) xung được dịch tần
trước được sử dụng trong truyền tín hiệu 34
Hình 3.3 Bù tán sắc sử dụng mã FSK: (a)Tần số và công suất quang của tín hiệu
truyền dẫn.(b) Tần số và công suất của tín hiệu thu và dữ liệu giải mã điện 36
Hình 3.4 Các vạch tuyến dọc của tín hiệu 16 Gb/s được truyền đi 70 km chiều dài
sợi tiêu chuần: (a) có và (b) không có SOA gây ra dịch tần.Vạch tuyến đáy cho
biết mức nền trong từng trường hợp 36
Hình 3.5: Dịch tần áp dụng ngang xung khuếch đại cho một vài giá trị của
Ein/Esat. Một xung đầu vào Gaussian được thừa nhận cũng như G0 = 30 dB và βc
= 5 38
Quách Bá Lâm – Đ04VT1 iv
Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ
Hình 3.6 Tán sắc giới hạn khoảng cách truyền dẫn như là một hàm của công suất
phát đối với các xung Gaussian(m=1) và siêu Gaussian ( m=3 ) ở tốc độ bit là 4 và
8 Gb/s. Các đường ngang tương ứng với trường hợp tuyến tính 40
Hình 3.7: (a) Biểu đồ của một DCF có sử dụng sợi mode bậc cao (HOM) và hai
cách tử chu kỳ dài (LPG). (b) Phổ tán sắc của DCF 43

Hình 3.8 Quản lý tán sắc trong đường truyền sợi đường dài có sử dụng các bộ lọc
quang sau mỗi bộ khuếch đại. Các bộ lọc bù GVD và giảm nhiễu của bộ khuếch
đại 45
Hình 3.9 (a) Một mạch sóng ánh sáng phẳng sử dụng chuỗi giao thoa Mach-
Zehnder; (b) tổng quan thiết bị trải rộng 46
Hình 3.10: (a) Cường độ và (b) pha của hệ số phản xạ được mô tả thành hàm điều
hướng δ Lg trong cách tử sợi đều với κLg = 2 ( đường cong liền ) hoặc κLg = 3. 49
( đường cong đứt quãng ) 49
Hình 3.11: GVD do cách tử tạo ra được mô tả là một hàm của δ cho một vài giá trị
của hệ số ghép κ 50
Hình 3.12: Hệ số truyền (đường nét đứt ) và độ trễ thời gian (đường nét liền) là
một hàm của bước sóng đối với cách tử đều trong đó κ(z) biến thiên tuyến tính từ
0 đến 6 cm-1 trên độ dài 11 cm 51
Hình 3.13: Bù tán sắc bằng cách tử sợi dịch tần tuyến tính: (a) chỉ số n(z) dọc theo
chiều dài cách tử.(b) độ phản xạ tần số cao và thấp tại các vị trí khác nhau trong
cách tử do sự biến thiên trong bước sóng Bragg 53
Hình 3.14: Hệ số phản xạ và độ trễ thời gian của cách tử sợi dịch tần tuyến tính có
băng thông 0,12 nm 54
Hình 3.15: Mô hình bù tán sắc bằng hai bộ lọc truyền dạng sợi: (a) bộ ghép hai
mode dịch tần (b) sợi hai lõi thon 55
Hình 3.16: Thiết lập thí nghiệm để bù tán sắc thông qua biến đổi phổ giữa nhịp
trong sợi dịch tán sắc dài 21 km 60
Hình 3.17: Vòng lặp sợi xoay vòng được sử dụng để truyền tín hiện 10 Gb/s đi
10.000 km chiều dài sợi tiêu chuẩn trên cơ sở áp dụng DCF theo chu kỳ. Các bộ
phận được sử dụng bao gồm laze điốt (LD), bộ điều chế hấp thụ điện (EA), hệ
chuyển mạch quang (SW), bộ khuếch đại sợi (EDFA), sợi đơn mode (SMF), và
DCF 64
Hình 3.18: Các cách tử xếp tầng được sử dụng để bù tán sắc 72
trong hệ thống WDM 72
Hình 3.19: (a) Mô tả phổ phản xạ và (b) toàn bộ GVD như một hàm của điện áp

cho cách tử sợi với gradient nhiệt độ 75
Hình 3.20: Độ nhạy của máy thu trong thí nghiệm 160 Gb/s, là một hàm của tán
sắc dự trước có (hình vuông) và không có (hình tròn) cách tử Bragg dạng sợi
(CFBG). Sự tăng trong đồ thị theo dõi được mô tả cho 110 ps/nm ở hình bên phải.
76
Hình 3.21: Dạng xung sau khi xung đầu vào 2,6 ps được truyền đi 300 km bằng
sợi dịch tán sắc (β2 = 0). Hình trái và phải so sánh sự cải thiện thu được bằng bù
tán sắc bậc ba 77
Quách Bá Lâm – Đ04VT1 v
Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ
Hình 3.22: Mô hình của bộ bù PMD quang (a) và điện (b) 80
Hình 3.23: Bù PMD điều hưởng do cách tử sợi dịch tần lưỡng chiết 81
(a) Căn nguyên của trễ nhóm vi phân (b) Dịch dải dừng dải dừng do căng cách tử.
81
Hình 3.24: Hệ số mở rộng xung là hàm của DGD trung bình trong bốn trường hợp.
Đường chấm mô tả sự tăng do sử dụng bộ bù PMD bậc một. Các vòng tròn bôi
đen và rỗng mô tả kết quả mô phỏng số 83
Quách Bá Lâm – Đ04VT1 vi
Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ
APS
Automatic Protection
Switching
Chuyển mạch bảo vệ tự động
ATM
Asynchronous Transfer
Mode
Chế độ chuyển tải bất đồng bộ
BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit

BLSR
Bidirectional Line
Switched Ring
Vòng ring chuyển mạch đường hai chiều
BPF Bandpass filter Bộ lọc thông dải
CD Chromatic Dispersion Tán sắc sắc thể
DBR
Distributed Bragg
Reflection
Phản xạ phân bố Bragg
DCF
Dispersion Compensating
Fiber
Sợi bù tán sắc
DDF
Dispersion Decreasing
Fiber
Sợi giảm tán sắc
DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép kênh
DFB Distributed Feedback Hồi tiếp phân tán
DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc
DWDM Dense WDM WDM mật độ cao
EA
Electroabsorption
Modulator
Bộ điều chế hấp thụ điện
EDFA
Erbium Dopped Fibre
Amplifier
Bộ khuếch đại quang sợi Ebrium

FBG Fiber Gragg Grating Cách tử Bragg sợi
FM Frequency Modulation Điều tần
FP Fabry-Perot Khoang cộng hưởng
FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch pha tần số
FWM Four-Wave Mixing Trộn bốn sóng
GVD
Group Velocity
Dispersion
Tán sắc vận tốc nhóm
IOF Inter-Office Facility Thiết bị văn phòng
IP Internet Protocol Giao thức Internet
LASER
Light Amplified and
Stimulated Emission of
Radiation
Khuếch đại ánh sáng bức xạ kích thích
MESH Mesh Dạng lưới
MMF Multimode Fibre Sợi đa mode
Quách Bá Lâm – Đ04VT1 vii
Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt
MUX Multiplexer Bộ ghép kênh
MZ
Mach-Zehnder
Interferometer
Bộ giao thoa kế Mach-Zehner
NLS Nonlinear Schroedinger Schroedinger phi tuyến
NZDSF
None-Zero Dispersion
Shifted Fiber
Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác

không
OADM
Optical Add/Drop
Multiplexer
Bộ ghép kênh xen/rẽ quang
OPC
Optical Phase
Conjugation
Kết hợp pha quang
PC Polarization Controller Bộ điều khiển phân cực
PDH
Plesiochronous Digital
Hierachy
Phân cấp cận đồng bộ
PMD
Polarization Mode
Dispersion
Tán sắc mode phân cực
PSP
Principal State of
Polarization
Trạng thái phân cực chính
RING Ring Dạng vòng
RMS Root-Mean-Square Trị hiệu dụng
RZ Return to Zero Trở về không
SBS
Stimulated Brillouin
Scattering
Tán xạ Brillouin kích thích
SDH

Synchronous Digital
Hierachy
Phân cấp số đồng bộ
SMF Single Mode Fibre Sợi quang đơn mode
SOA
Semiconductor Optical
Amplifier
Bộ khuếch đại quang bán dẫn
SONET
Synchronous Optical
Network
Mạng quang đồng bộ
SOP State of Polarization Trạng thái phân cực
SPM Self of Polarization Tự điều chế pha
SRS
Stimulated Raman
Scattering
Tán xạ Raman kích thích
SW Optical Switch Hệ chuyển mạch quang
TDM
Time Division
Multiplexing
Ghép kênh theo thời gian
UPSR
Unidirectional Path
Switched Ring
Vòng ring chuyển mạch tuyến một chiều
duy nhất
WDM
Wavelength Division

Multiplexing
Ghép kênh theo bước sóng
XPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha
ZD Zero-Dispersion Tán sắc bằng không
Quách Bá Lâm – Đ04VT1 viii
Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt
Quách Bá Lâm – Đ04VT1 ix
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM
1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM
1.1.1 Giới thiệu về WDM
Phần dưới đây chúng ta sẽ tìm hiểu một vài thông tin cần thiết để biết tại
sao Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) lại là một sự đổi mới
quan trọng trong các mạng quang và những lợi ích mà nó có thể cung cấp.
- Nhu cầu về băng thông: sự bùng nổ nhu cầu băng thông mạng do sự tăng
trưởng mạnh của lưu lượng số liệu, đặc biệt là giao thức internet (IP). Cứ 6 ÷ 9
tháng dịch vụ cung cấp băng thông tăng gấp đôi trên mạng đường trục. Lưu lượng
Internet tăng 300% mỗi năm trong khi tốc độ tăng trưởng của lưu lượng thoại chỉ
khoảng 13% mỗi năm (xem hình 1.1). Ở cùng một thời điểm giá trị lưu lượng
mạng tăng cao, lưu lượng dữ liệu tự nhiên của nó là rất phức tạp. Lưu lượng trên
mạng đường trục có thể bắt nguồn dựa trên cơ sở mạch (fax và thoại TDM), cơ sở
gói (IP), hoặc cơ sở tế bào (ATM và Frame Relay). Thêm vào đó, có một phần dữ
liệu tăng nhạy cảm với trễ như thoại qua IP và luồng video.


Hình 1.1 Tốc độ tăng dung lượng thoại và số liệu theo thời gian
- Những sự lựa chọn trong việc tăng băng thông: Với thách thức tăng lên
đột ngột của dung lượng mạng trong khi chi phí bị rằng buộc, các hãng truyền
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM
thông có hai sự lựa chọn: lắp đặt sợi quang mới hoặc tăng hiệu quả băng thông của

sợi có sẵn.
Lắp đặt sợi mới là các phương pháp truyền thống được sử dụng với các
hãng truyền thông để mở rộng mạng của họ. Tuy nhiên, triển khai sợi mới là rất
tốn kém. Chi phí lắp đặt sợi mới khoảng 70000 đô trên một dặm, mà chi phí này
hầu hết là các chi phí giấy phép và xây dựng nhiều hơn là chi phí cho chính sợi
quang. Chỉ lắp đặt sợi mới khi cần phải mở rộng bao lấy mạng cơ sở.
Tăng hiệu quả dung lượng của sợi có sẵn có thể thực hiện bằng hai cách:
+ Tăng tốc độ bit của các hệ thống có sẵn.
+ Tăng số bước sóng trên một sợi.
Tăng tốc độ bit: sử dụng TDM, dữ liệu thường được truyền ở tốc độ 2,5
Gbps và tăng đến 10 Gbps; những kết quả gần đây đưa ra ở tốc độ 40 Gbps. Tuy
nhiên, các mạch điện tử muốn làm được điều này thì rất phức tạp và tốn kém, cả
về mua sắm và bảo dưỡng. Thêm nữa, có những vấn đề kỹ thuật quan trọng có thể
làm hạn chế tính ứng dụng của kỹ thuật này. Ví dụ, truyền dẫn ở 10 Gbps qua sợi
đơn mode ( SM ), bị ảnh hưởng bởi tán sắc màu nhiều hơn 16 lần tốc độ 2,5 Gbps.
Công suất truyền dẫn lớn hơn cũng yêu cầu tốc độ bit cao hơn, đưa hiệu ứng phi
tuyến có thể ảnh hưởng đến chất lượng dạng sóng. Thêm nữa tán sắc mode phân
cực tác động làm giới hạn khoảng cách xung ánh sáng có thể truyền.
Tăng số bước sóng: trong phương pháp này, nhiều bước sóng được kết
hợp lại vào trong một sợi đơn. Sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo bước
sóng ( WDM ) với một vài bước sóng, hoặc màu sắc ánh sáng có thể ghép đồng
thời mỗi tín hiệu 2,5 Gbps đến 40 Gbps trên một thành phần sợi. Không phải lắp
đặt thêm sợi mới, hiệu quả dung lượng của sợi sẵn có có thể tăng từ hệ số 16 or
32. Các hệ thống với 128 và 160 bước sóng được hoạt động ngày nay, với mật độ
cao hơn.
Ghép kênh phân chia theo bước sóng: WDM làm tăng dung lượng truyền
của môi trường vật lý ( sợi ) sử dụng phương pháp hoàn toàn khác của TDM.
WDM gán các tín hiệu quang vào trong các tần số riêng của ánh sáng ( các bước
sóng hoặc các lam đa λ ) bên trong một dải tần nào đó. Bởi vì mỗi kênh được
truyền ở một tần số khác nhau, nên chúng ta có thể lựa chọn chúng sử dụng một

Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM
bộ điều hướng. Một cách khác để nghĩ về WDM là mỗi kênh sẽ có một màu sắc
ánh sáng khác nhau; một số kênh sau đó sẽ làm nên một “ cầu vồng ”.

Hình 1.2 Ghép kênh theo bước sóng WDM
Trong hệ thống WDM, mỗi một bước sóng được truyền trong sợi, và các tín
hiệu được phân kênh ở đầu cuối thu. Giống TDM, dung lượng kết quả là kết hợp
của các tín hiệu đầu vào, nhưng WDM mang mỗi tín hiệu đầu vào độc lập khác
nhau. Điều này có nghĩa rằng mỗi kênh có băng thông của riêng mình; tất cả các
tín hiệu đi đến ở cùng một thời điểm, hơn nữa không bị chia ra và mang vào mỗi
khe thời gian.
1.1.2 Sự phát triển của công nghệ WDM
Hệ thống WDM đầu tiên được bắt đầu khoảng cuối năm 1980 sử dụng hai
bước sóng có khoảng cách rộng trong miền 1310 nm và 1550 nm ( hoặc 850 nm
và 1310 nm ), thỉnh thoảng được gọi là WDM băng rộng. Hình 1.3 miêu tả một ví
dụ về WDM khuôn mẫu đơn này. Chú ý rằng một đôi sợi được sử dụng để truyền
và một đôi sợi được sử dụng để nhận dữ liệu.
Khoảng đầu năm 1990 được thấy hệ thống WDM thế hệ hai, còn được gọi
là hệ thống WDM băng hẹp, trong hệ thống này có từ hai đến tám kênh được sử
dụng. Khoảng cách giữa các kênh này là khoảng 400 Ghz ở cửa sổ bước sóng
1550 nm. Vào giữa năm 1990, các hệ thống WDM mật độ cao ( DWDM ) được
đưa ra với 16 đến 40 kênh và khoảng cách giữa các kênh là từ 100 đến 200 Ghz.
Vào cuối năm 1990 các hệ thống DWDM đã được phát triển có dung lượng lên tới
64 đến 160 kênh song song, khoảng cách giữa các kênh có mật độ rất dày ở
khoảng 50 hoặc thậm chí 25 Ghz.
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM
Hình 1.3 Hệ thống WDM hai kênh.
Ở hình 1.4 cho thấy, quá trình phát triển của công nghệ có thể được xem
như sự tăng nên của các bước sóng, thêm vào đó là sự giảm đi của khoảng cách
giữa các bước sóng. Cùng với sự tăng lên của mật độ các bước sóng, các hệ thống

cũng được cải tiến sao cho có cấu hình mềm dẻo hơn, nhờ vào các chức năng tách
ghép, và năng lực quản lý.

Hình 1.4 Sự phát triển của công nghệ WDM.
Sự tăng trong mật độ các kênh từ công nghệ DWDM đã tạo ra một ảnh
hưởng sâu sắc đến dung lượng mang của sợi. Vào năm 1995, khi mà các hệ thống
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM
10 Gbps đầu tiên được chứng minh, tốc độ tăng lên của dung lượng sợi được đi
lên theo tính tuyến tính cho mỗi bốn năm một ( hình 1.5 ).
Hình 1.5 Sự tăng nên của dung lượng sợi.
1.1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM
a) Các chức năng của hệ thống WDM
Ở lõi của hệ thống WDM gồm có một số nhỏ các chức năng của lớp vật lý.
Điều này được miêu tả trong hình 1.6, cho thấy một WDM màu với bốn kênh
thông tin. Mỗi kênh quang chiếm một bước sóng riêng của chính nó.
Hình 1.6 Màu chức năng WDM
Hệ thống WDM thực hiện các chức năng chính sau:
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM
- Phát tín hiệu: Nguồn, các laze bán dẫn, phải được cung cấp ổn định với
mỗi kênh riêng, độ rộng phổ hẹp để mang dữ liệu số, được điều chế như
một tín hiệu tương tự.
- Kết hợp tín hiệu: các hệ thống WDM hiện đại sử dụng các bộ ghép kênh
để kết hợp các tín hiệu. Có một số các suy hao vốn có đi cùng với các bộ
ghép và tách kênh. Các suy hao này phụ thuộc vào số các kênh thông tin
nhưng có thể được bù lại bằng các bộ khuếch đại quang, cái mà khuếch đại
tất cả các bước sóng lên mà không cần phẩi biến đổi thành điện.
- Truyền dẫn tín hiệu: các ảnh hưởng của xuyên nhiễu và suy giảm hay
suy hao tín hiệu quang cần phải được tính toán trong truyền dẫn sợi quang.
Các ảnh hưởng này có thể được giảm bớt bằng cách điều chỉnh các biến
như khoảng cách kênh, khoảng bước sóng, và các mức công suất laze. Qua

một liên kết truyền dẫn, tín hiệu cần phải được khuếch đại quang lên.
- Tách các tín hiệu nhận được: Ở đầu cuối thu, các tín hiệu được ghép
phải được tách ra. Mặc dù, thao tác này được đưa ra chỉ là ngược lại của
phương pháp kết hợp tín hiệu nhưng nó thực sự lại là một công nghệ rất
khó.
- Nhận tín hiệu: Tín hiệu đã được giải ghép kênh sẽ được thu bởi các bộ
tách sóng quang.
Với các chức năng này, một hệ thống WDM cũng phải được trang bị các
giao diện khách để nhận tín hiệu vào. Chức năng này được thực hiện bởi các hệ
thống nhận và phát tín hiệu lại. Trên WDM khách là các giao diện sợi quang được
liên kết với các hệ thống WDM.
b) Các công nghệ cho phép
Mạng quang, không giống SONET/SDH, không dựa vào việc xử lý dữ liệu
điện. Được hiểu theo nghĩa thông thường, sự phát triển của nó nhiều liên kết
quang hơn liên kết điện. Trong cấu trúc đầu tiên, như miêu tả ở phần trước, WDM
có dung lượng mang các tín hiệu qua hai bước sóng với khoảng cách rộng, và
truyền với một khoảng cách tương đối ngắn. Tại thời điểm xa hơn ở trạng thái ban
đầu này, WDM cần tới cả sự tiến bộ trong các công nghệ sẵn có và cả những phát
minh công nghệ mới nữa. Sự tiến bộ trong các bộ lọc quang và các laze băng hẹp
cho phép WDM được kết hợp nhiều hơn hai bước sóng tín hiệu trên một sợi. Sự
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM
phát minh ra bộ khuếch đại quang có độ lợi phẳng, được nối trên đường truyền với
sợi truyền dẫn để khuếch đại tín hiệu quang, làm cho khả năng của các hệ thống
WDM được tăng lên rất lớn về khoảng cách truyền dẫn.
Các công nghệ khác đã góp phần rất quan trọng trong sự phát triển của hệ
thống WDM bao gồm cả các sợi quang đã được cải tiến với suy hao thấp hơn và
các đặc tính truyền dẫn quang tốt hơn, các EDFA, và các thiết bị như là cách tử
Bragg sợi được sử dụng trong các bộ ghép kênh tách/xen quang.
1.2 Các cấu hình mạng và cơ chế bảo vệ cho mạng WDM
Các kiến trúc mạng đều được dựa trên rất nhiều các nhân tố, bao gồm các

kiểu ứng dụng và các giao thức, khoảng cách, mô hình sử dụng và truy nhập, và
các cấu hình mạng sẵn có. Ví dụ xét trong mạng khu vực đô thị, cấu hình điểm
điểm phải được sử dụng để kết nối các vị trí tổ chức kinh doanh, các cấu hình
vòng ring để kết nối các thiết bị trong văn phòng ( IOFs ) và để truy cập đến các
khu dân cư, và cấu hình mesh phải được sử dụng cho các kết nối bên trong POP và
kết nối đến các mạng trục đường dài. Trong thực tế, lớp quang phải có khả năng
hỗ trợ nhiều loại cấu hình, bởi vì sự phát triển không ổn định trong các khu vực
này, các cấu hình đó phải được linh hoạt.
Ngày nay, cấu hình chính trong sự phát triển là cấu hình điểm điểm và vòng
ring. Với các liên kết điểm điểm trên WDM ở giữa các vị trí kinh doanh diện rộng,
chỉ cần có một thiết bị trước khách hàng để biến đổi lưu lượng ứng dụng thành các
bước sóng và ghép chúng. Các hãng truyền thông với các cấu hình vòng ring tuyến
tính có thể mở rộng theo hướng toàn vòng ring dựa trên cơ sở các OADM. Như
thế các chuyển mạch và kết nối chéo quang có thể trở nên phổ biến hơn, các mạng
vòng ring và điểm điểm này sẽ được kết nối đến các mesh, biến các mạng đô thị
quang thành những nền tảng khá linh động.
1.2.1 Cấu hình điểm – điểm
Cấu hình điểm điểm có thể được bổ sung hoặc không cần OADM. Các
mạng này có đặc điểm được tạo bởi các tốc độ kênh cực cao ( 10 đến 40 Gbps ),
tính toàn vẹn và đáng tin cậy của tín hiệu cao, và khả năng phục hồi tuyến nhanh.
Trong các mạng đường dài, khoảng cách giữa các bộ phát và bộ thu có thể là vài
trăm kilomet, và số các bộ khuếch đại yêu cầu giữa các điểm đầu cuối là phải nhỏ
hơn 10. Trong mạng MAN, thường không sử dụng các bộ khuếch đại.
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM
Sự bảo vệ trong các cấu hình điểm điểm có thể được cung cấp ở trong một
khoảng cách kết hợp. Trong thiết bị thế hệ đầu tiên, tính dự phòng thể hiện ở mức
hệ thống. Các liên kết song song kết nối hệ thống ở các đầu cuối. Sự chuyển giao
trong trường hợp lỗi được chịu trách nhiệm của các thiết bị khách ( ví dụ như một
thiết bị chuyển mạch hoặc một bộ định tuyến ), trong khi chính các hệ thống
WDM chỉ cung cấp dung lượng.

Trong thiết bị thế hệ hai, tính dự phòng thể hiện ở mức card. Các liên kết
song song kết nối các hệ thống đơn ở đầu cuối đó bao gồm các bộ tách sóng, các
bộ ghép và các CPU. Ở đây sự bảo vệ được chuyển đến thiết bị WDM, với các
quyết định chuyển mạch dưới sự điều khiển cục bộ. Cho ví dụ về một kiểu bổ
sung, sử dụng mô hình bảo vệ 1 + 1 dựa trên chuyển mạch bảo vệ tự động SONET
( APS ). Xem hình 1.7.
Hình 1.7 Kiến trúc điểm – điểm.
1.2.2 Cấu hình vòng Ring
Các vòng ring là kiến trúc phổ biến nhất được tìm thấy ở trong các khu vực
đô thị và các nhịp nối khoảng 10 kilomét. Các vòng ring sợi phải bao gồm ít cũng
khoảng bốn kênh bước sóng, và đặc trưng là số node ít hơn số kênh. Tốc độ bit
nằm trong dải từ 622 Mbps đến 10 Gbps trên mỗi kênh.
Cấu hình vòng ring có thể được triển khai với một hoặc nhiều hệ thống
WDM, hỗ trợ nhiều đến nhiều kiểu lưu lượng, hoặc chúng có thể có một trạm hub
và một hoặc một số các node OADM, hoặc trạm vệ tinh ( xem hình 1.8 ). Ở node
hub lưu lượng bắt đầu, được kết thúc và được quản lý, và kết nối đến các mạng
khác đã được thiết lập. Ở các node OADM, các bước sóng được lựa chọn thì được
tách và được xen, trong khi các bước sóng khác thì được truyền qua (gửi các
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM
kênh). Trong cách này, các kiến trúc vòng ring cho phép các node trên vòng ring
cung cấp truy nhập đến các phần tử mạng như các bộ định tuyến, các chuyển
mạch, hoặc các máy chủ bằng cách xen hoặc tách các kênh bước sóng trong miền
quang. Tuy nhiên với sự tăng thêm các OADM, tín hiệu tùy thuộc vào sự suy hao
và sự khuếch đại có thể được cần đến.
Hình 1.8 Cấu hình mạng Ring
Các mạng đưa ra cho ứng dụng WDM trong khu vực đô thị thường được
dựa trên các cấu trúc vòng ring SONET với 1 + 1 sự bảo vệ sợi. Do đó các mô
hình như Vòng Ring chuyển mạch tuyến một chiều duy nhất ( UPSR ) hoặc Vòng
Ring chuyển mạch đường hai chiều ( BLSR ) có thể được sử dụng lại để bổ sung
cho WDM. Hình 1.9 cho thấy mô hình UPSR với hai sợi. Ở đây, hub và các node

gửi trên hai vòng xoay ngược nhau, nhưng cùng sợi bình thường được sử dụng cho
tất cả các thiết bị nhận tín hiệu; do đó có tên một chiều. Nếu vòng ring làm việc bị
lỗi, thiết bị thu chuyển đến đôi khác. Mặc dù cách này cung cấp dự phòng, không
dùng lại băng thông có thể sử dụng, như thế sợi dự phòng phải luôn luôn sẵn sàng
để mang lưu lượng làm việc. Mô hình này được sử dụng phổ biến nhất trong các
mạng truy nhập.
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM
Hình 1.9 UPSR bảo vệ trên vòng ring WDM.
Các mô hình khác, như Vòng Ring chuyển mạch đường hai chiều ( BLSR ),
cho phép lưu lượng đi từ node gửi đến node nhận bằng tuyến tuyệt đối tốt nhất.
Bởi vì cách này, BLSR được coi là thích hợp cho các mạng lõi SONET, đặc biệt là
khi được thực hiện với bốn sợi.
1.2.3 Cấu hình Mesh
Cấu hình mesh là cấu hình tương lai của các mạng quang. Do sự mở rộng
của nhiều mạng, nên các kiến trúc mạng ring và mạng điểm – điểm sẽ vẫn được
phát triển, nhưng mesh hứa hẹn đến một cấu hình mạnh mẽ nhất. Phát triển cấu
hình này sẽ có thể cho phép được đưa vào cấu hình các kết nối chéo quang và các
chuyển mạch quang. Điều đó sẽ có trong một vài trường hợp thay thế và trong các
trường hợp khác bổ sung các thiết bị WDM cố định.
Từ quan điểm thiết kê, có một tuyến phát triển sẵn có từ cấu hình điểm
điểm đến cấu hình mesh. Bằng cách bắt đầu với các liên kết điểm điểm, được
trang bị thêm các node OADM ở nơi bắt đầu tính linh động, và rồi sau đó nối liền
chúng, mạng có thể mở rộng vào trong mesh mà không phải thiết kế hoàn toàn lại.
Thêm nữa, các cấu hình vòng ring và mesh có thể được nối bởi các liên kết điểm
điểm ( xem hình 1.10 ).
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM
Hình 1.10 Các kiến trúc vòng ring, điểm điểm, mesh.
Các mạng mesh WDM sẽ cần đến một cấp độ thông minh bậc cao để thực
hiện các chức năng bảo vệ và quản lý băng thông, kể cả sợi và chuyển mạch bước
sóng. Tuy nhiên, lợi ích trong tính linh hoạt và hiệu suất là rất lớn. Sử dụng sợi có

thể được mức thấp trong giải pháp vòng ring bởi vì nhu cầu để các sợi bảo vệ trên
mỗi ring, có thể được tận dụng trong thiết kế mesh. Sự bảo vệ và khôi phục có thể
dựa trên các tuyến thành phần, bằng cách ấy cần một ít đôi sợi cho cùng số lượng
của lưu lượng và không ảnh hưởng các bước sóng không được dùng đến.
Cuối cùng, các mạng mesh sẽ phụ thuộc lớn vào các phần mềm để quản lý.
Một giao thức dựa trên chuyển mạch nhãn đa giao thức ( MPLS ) dưới sự phát
triển để hỗ trợ chuyển các hướng qua một mạng toàn quang. Thêm vào nữa, sự
quản lý sẽ cần đến một kênh không chuẩn để mang thông tin giữa các phần tử
mạng.
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số ảnh hưởng đến hệ thống WDM
CHƯƠNG II: MỘT SỐ THAM SỐ ẢNH HƯỞNG
ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WDM
2.1 Tán sắc
2.1.1 Giới thiệu chung
Ta đã biết khi tín hiệu truyền dọc theo sợi quang sẽ bị méo. Méo này là do
tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra. Các hiệu ứng tán sắc
ở đây được giải thích nhờ việc khảo sát trạng thái các vận tốc nhóm của các mode
truyền dẫn ( vận tốc nhóm là tốc độ mà tại đó năng lượng ở trong mode riêng biệt
lan truyền dọc theo sợi ). Tán sắc bên trong mode chính là sự dãn xung tín hiệu
ánh sáng xảy ra ở trong một mode. Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước
sóng cho nên ảnh hưởng của nó tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ
rộng phổ nguồn phát ( Độ rộng phổ chính là dải các bước sóng mà nguồn quang
phát tín hiệu ánh sáng trên nó ). Nó làm cho các xung quang lan truyền trong sợi
quang bị dãn rộng ra gây méo tín hiệu và làm xuống cấp đặc tính hệ thống. Xung
tín hiệu mà dãn quá rộng sẽ gây ra hiện tượng phủ chờm nên các xung kề nhau, và
khi sự phủ chờm vượt quá một mức nào đó thì thiết bị thu quang sẽ không còn
phân biệt nổi các xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu, đã làm giới hạn
năng lực truyền dẫn.
Như vậy tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm hai thành phần chính là
tán sắc giữa các mode ( tán sắc mode ) và tán sắc bên trong mode. Tán sắc bên

trong mode bao gồm có tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng.
Tán sắc mode tồn tại trong các sợi quang đa mode (MM) khi mà các tia
sóng truyền lan trong sợi theo các đường khác nhau do đó dẫn đến thời gian lan
truyền các mode là khác nhau. Tuy nhiên trong thông tin quang chỉ sử dụng sợi
quang đơn mode (SM) nên không tồn tại tán sắc mode.
Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng do sự thay đổi chiết suất của vật
liệu làm nên lõi sợi, nên nó tạo ra sự phụ thuộc vận tốc nhóm vào bước sóng ánh
sáng.
Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng
ở trong lõi vì vậy còn lại 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng ở
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số ảnh hưởng đến hệ thống WDM
trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode
β là một hàm số của α/ λ (α là bán kính lõi ), nó thường được bỏ qua trong sợi đa
mode nhưng lại rất cần được quan tâm ở sợi đơn mode.
Tán sắc tỉ lệ thuận với chiều dài sợi quang và độ rộng phổ của nguồn
quang. Xung quang ở cuối sợi quang sẽ bị dãn ra một lượng là :
δ
T
= D.Δλ.L ( 2.1 )
Trong đó : D là tham số tán sắc, đặc trưng cho tán sắc của sợi có đơn vị là
ps/(km.nm).
Δλ là độ rộng phổ nguồn quang.
L là chiều dài sợi quang.
Có rất nhiều phương pháp để làm giảm thiểu sự ảnh hưởng của tán sắc đến
hệ thống WDM sẽ được nghiên cứu kỹ ở Chương 3 còn bây giờ ta sẽ xem xét một
số loại tán sắc có ảnh hưởng đến chất lượng các hệ thống nói chung và hệ thống
WDM nói riêng.
2.1.2 Tán sắc vật liệu
Đối với các bước sóng trong phạm vi 1550nm thì tán sắc vật liệu là nguyên
nhân chính gây nên hiện tượng tán sắc. Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi

cáp quang, ánh sáng truyền trong đó không phải đơn sắc mà có độ rộng phổ xác
định và tốc độ lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau ( do chiết suất là
hàm của bước sóng ). Vì vậy các thành phần có thời gian truyền lệch nhau gây ra
tán sắc vật liệu.
Tán sắc vật liệu D
M
xuất hiện là do chỉ số chiết suất của thủy tinh, loại vật
liệu dùng để chế tạo ra sợi quang, và những thay đổi của chúng theo tấn số quang
ω. Có thể tính tán sắc vật liệu D
M
theo công thức sau:

Với n
2g
là chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi. Dưới góc độ đơn giản, nguồn
gốc của tán sắc vật liệu có liên quan tới đặc tính tần số cộng hưởng mà tại đó vật
liệu sẽ hấp thụ sự phát xạ điện tử. Chỉ số chiết suất n(ω) được làm xấp xỉ bằng
phương trình Sellmeier:
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số ảnh hưởng đến hệ thống WDM

Với ω
j
là tần số cộng hưởng và B
j
là cường độ dao động.
n là viết thay cho cả n
1
và n
2
tùy thuộc vào đặc tính phân tán của lõi hay vỏ

sợi có được xem xét hay không.
Đối với thủy tinh trong suốt ta có chỉ số nhóm:
n
g
= n + ω.dn/dω ( 2.4 )
Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm n
g
thay đổi theo bước sóng đã gây ra tán
sắc vật liệu xem hình 2.1. Tán sắc vật liệu D
M
có rằng buộc với đường bao của n
g
bằng công thức ( 2.4 ) suy ra rằng dn
g
/dλ = 0 tại bước sóng λ = 1,27 μm. Bước
sóng này được coi như là bước sóng có tán sắc bằng không λ
ZD
, vì D
M
= 0 tại λ
= λ
ZD
. Tham số tán sắc D
M
có giá trị âm tại bước sóng dưới λ
ZD
và dương tại bước
sóng ở trên λ
ZD
. Trong vùng bước sóng 1,25 ÷ 1,66 μm, tán sắc vật liệu có thể

được xác định bằng biểu thức như sau:

Với giá trị λ
ZD
= 1,276 μm chỉ đối với sợi thủy tinh thuần khiết. Giá trị này
có thể thay đổi trong dải 1,27 ÷ 1,29 μm đối với các sợi quang có lõi và vỏ được
pha tạp để thay đổi chỉ số chiết suất. Bước sóng có tán sắc bằng không của sợi
quang cũng phụ thuộc vào bán kính lõi a và bậc chỉ số ∆ thông qua phần dẫn sóng
cho tấn sắc tổng.

Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số ảnh hưởng đến hệ thống WDM
Hình 2.1 Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm n
g
thay đổi theo bước sóng ở sợi thủy
tinh
2.1.3 Tán sắc dẫn sóng
Cũng giống như tán sắc vật liệu, ánh sáng truyền trong sợi quang không
đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định cùng với sự phụ thuộc của hằng số lan truyền
là hàm của a/λ nên vận tốc nhóm của các thành phần phổ là khác nhau. Các thành
phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc ống dẫn sóng.
Tán sắc dẫn sóng D
W
là một thành phần đóng góp vào tham số tán sắc D, nó
phụ thuộc vào tần số chuẩn hóa V ( tham số V ) của sợi quang. Tán sắc dẫn sóng
D
W
được tính theo công thức sau:

Với: n
2g

là chỉ số nhóm của vật liệu.
b là hằng số lan truyền chuẩn.

Với là chỉ số mode, có giá trị nằm trong dải