Ứng dụng WDM trong mạng truyền dẫn

Đồ án tốt nghiệp đại học
Mục lục
Mục lục i
CHƯƠNG I 2
TổNG QUAN Về Hệ THốNG WDM 2
CáC THàNH PHầN TRONG Hệ THốNG WDM 12
Một số vấn đề công nghệ then chốt 47
Chơng iv 56
ứng dụng của hệ thống wdm 56
4.1 ứng dụng wdm trong mạng truyền dẫn 56
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
i
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM
CHƯƠNG I
TổNG QUAN Về Hệ THốNG WDM
1.1 Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại
mà đặc biệt là Internet cũng nh một số dịch vụ khác đã tạo ra một sự bùng nổ
nhu cầu về dung lợng. Điều này đặt lên vai những nhà cung cấp dịch vụ đờng
trục những khó khăn và thách thức mới. Kĩ thuật ghép kênh theo miền thời gian
TDM đã giải quyết phần nào các yêu cầu trên nhng vẫn còn rất hạn chế. Trong
thực tế, tốc độ của tín hiệu TDM thờng nhỏ hơn hoặc bằng 10Gb/s. Do ảnh hởng
của hiện tợng tán sắc, hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang và tốc độ của các thành
phần điện tử nên khi tăng tốc độ bit của một kênh TDM lên quá giới hạn này,
chất lợng hệ thống không đảm bảo. Để thích ứng với sự tăng trởng không ngừng
đó và thoả mãn yêu cầu tính linh hoạt của mạng, các công nghệ truyền dẫn khác
nhau đã đợc nghiên cứu, triển khai thử nghiệm và đa vào ứng dụng, trong số đó
phải kể đến công nghệ WDM, OTDM, Soliton Phơng pháp ghép kênh theo bớc
sóng WDM(Wavelength Division Multiplexing) đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài
nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode. Ghép
kênh theo bớc sóng WDM nâng cao dung lợng truyền dẫn của hệ thống mà

không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bớc sóng. Do đó, WDM
chính là giải pháp tiên tiến trong kĩ thuật thông tin quang, đáp ứng đợc nhu cầu
truyền dẫn và cả những yêu cầu về chất lợng truyền dẫn của hệ thống.
1.1.1 Khái quát về WDM
Trong hệ thống WDM, tín hiệu điện của từng kênh quang đợc điều chế với
các sóng mang quang khác nhau. Sau đó, chúng đợc ghép lại và truyền trên cùng
một sợi quang đến đầu thu. Phía thu thực hiện quá trình tách tín hiệu quang
thành các kênh quang riêng biệt có bớc sóng khác nhau. Mỗi kênh này đợc đa
đến một máy thu riêng. Công nghệ WDM cho phép khai thác đợc tiềm năng
băng thông to lớn của sợi quang. Ví dụ, hàng trăm kênh 10Gb/s có thể truyền
trên cùng một sợi quang. Khoảng cách giữa các kênh khoảng 50GHz. Dới đây là
một tính toán cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM:
Hình 1.1 chỉ ra hai cửa sổ truyền dẫn 1,3 và 1,5 cửa sợi quang. Mỗi cửa sổ
có băng thông truyền dẫn(suy hao thấp) của sợi quang là rất lớn; Chỉ với riêng
cửa sổ quang 1550 nm thì dải bớc sóng có thể sử dụng là 1500 nm 1600 nm,
tơng ứng với dải tần rộng cỡ 12,5 THz !.
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
2
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM
Sử dụng cho tốc độ truyền tin cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phần rất
nhỏ trong băng tần truyền dẫn này. Rõ ràng, có thể thấy dung lợng yêu cầu cỡ
hàng trăm Gbps là hoàn toàn nằm trong khả năng của hệ thống WDM. Thêm vào
đó, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử nh bộ tách ghép quang, bộ nối
chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiện lựa chọn kênh động
hoặc tĩnh
Khái niệm về WDM đã đợc biết đến từ những năm 1980, khi mà hệ thống
quang đã đợc bắt đầu thơng mại hóa. Dạng đơn giản nhất của WDM là truyền
hai kênh tín hiệu trên hai cửa sổ khác nhau. Ví dụ, truyền trên hai bớc sóng
1,3àm và 1,55àm. Khi đó, khoảng cách giữa các kênh là 250nm. Sau đó, khoảng
cách giữa các kênh giảm dần đi. Năm 1990, khoảng cách giữa các kênh chỉ còn

nhỏ hơn 0,1nm. Trong suốt thập kỉ 90, hệ thống WDM đã đợc nhiều nớc trên thế
giới quan tâm nghiên cứu. Hiện nay, kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng đã đợc
ứng dụng ở nhiều nớc trên thế giới. ở nớc ta, Tổng công ty bu chính viễn thông
Việt Nam quyết định nâng cấp tuyến truyền dẫn Bắc Nam bằng giải pháp ghép
kênh theo bớc sóng.
1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống tách/ghép kênh quang
Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống truyền dẫn quang đơn hớng ghép
kênh theo bớc sóng đợc mô tả nh hình 1.2.
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
1,5
1,6
Hình 1.1. Băng tần truyền dẫn của sợi quang là rất lớn!
[dB]
Băng tần cửa sổ 1550
nm
[àm]
Phổ của
một nguồn
quang
Tx
Tx
OMUX ODMU
X
Rx
Rx
1 2
, ,
n

Sợi
quang
1

n

1

n

1 1
n
n
Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống WDM đơn h ớng
3
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM
Tại mỗi bộ phát, tín hiệu điện của mỗi kênh quang đợc điều chế với sóng
mang quang có độ rộng phổ rất hẹp. Tín hiệu quang tại đầu ra của mỗi bộ phát
có bớc sóng khác nhau là
n

,
21
. Các kênh quang này đợc ghép với nhau nhờ
bộ ghép kênh quang OMUX và truyền trên một sợi quang duy nhất đến đầu thu.
Yêu cầu của bộ ghép kênh là phải có độ suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu tới đầu
ra của bộ ghép ít bị suy hao, giữa các kênh có khoảng bảo vệ nhất định để tránh
gây nhiễu sang nhau. Tại phía thu, bộ ODMUX thực hiện quá trình tách tín hiệu
thu đợc thành các kênh khác nhau. Mỗi kênh này tơng ứng với một bớc sóng.
Mỗi kênh đợc đa đến một đầu thu riêng. Để tránh xuyên nhiễu giữa các kênh,

yêu cầu thiết kế bộ giải ghép thật chính xác.


Phần trên trình bày phơng án truyền dẫn ghép bớc sóng quang một hớng,
tức là tín hiệu đợc ghép tại một đầu và tách tại đầu kia, tín hiệu truyền trên sợi
quang theo một hớng. Ngoài ra ngời ta có thể thực hiện truyền dẫn ghép bớc
sóng quang hai hớng trên cùng một sợi quang nh hình 1.3.
Trong hệ thống truyền dẫn hai hớng, n kênh quang có bớc sóng
1

n
đợc
ghép lại và truyền đi theo một hớng, n kênh quang khác có bớc sóng
n+1

2n
đ-
ợc ghép lại và truyền đi theo hớng ngợc lại trên cùng sợi quang. Phơng pháp này
yêu cầu rất nghiêm ngặt về độ rộng phổ của từng kênh và chất lợng của bộ tách
kênh.
Trong hệ thống mà các bớc sóng của các kênh quang cách xa nhau, thờng
thuộc các cửa sổ khác nhau, đợc gọi là ghép tha SWDM (Sparse Wavelength
Division Multiplexing). Hệ thống có khoảng cách giữa các kênh quang rất nhỏ,
các kênh quang có bớc sóng gần nhau đợc gọi là hệ thống ghép kênh mật độ cao
DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Khi đó vấn đề trở nên phức
tạp hơn nhiều và yêu cầu về chất lợng các thành phần trong hệ thống quang rất
cao.
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
Tx
Tx

Rx
Rx
MUX/
DMUX
MUX/
DMUX
Rx
Rx
Tx
Tx
1
n
1
1
1
n
n
n
n


21
nn 21


+
1

n

n2

1+n

1

n

1+n

n2

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM hai h ớng
4
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM
1.1.3 Đặc điểm của hệ thống WDM
1.1.3.1 Tận dụng tài nguyên
Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng thông truyền dẫn to lớn của sợi
quang, làm cho dung lợng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn bớc sóng
đơn tăng từ vài lần tới hàng trăm lần, từ đó tăng dung lợng của sợi quang, hạ giá
thành hệ thống. Hiện nay, dải tần truyền dẫn có suy hao thấp của sợi quang mới
chỉ đợc sử dụng một phần rất nhỏ. Nếu ứng dụng công nghệ WDM thì hiệu quả
tận dụng băng tần sợi quang trong vấn đề truyền dẫn quả là hết sức to lớn.
Dùng công nghệ WDM có thể ghép N bớc sóng truyền dẫn trong sợi quang
đơn mode và có thể truyền dẫn hoàn toàn song công. Do vậy, khi truyền dẫn
thông tin đờng dài với dung lợng lớn, có thể tiết kiệm số lợng lớn sợi quang.
Thêm vào đó là khả năng mở rộng dung lợng cho hệ thống quang đã xây dựng.
Chỉ cần hệ thống cũ có độ d công suất tơng đối lớn thì có thể tăng thêm dung l-
ợng mà không cần thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ.
1.1.3.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu

Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bớc sóng độc lập với nhau, do đó có
thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc
tổng hợp và phân chia các dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu t-
ơng tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phơng tiện (thoại,
số liệu, đồ hoạ, ảnh động).
1.1.3.3 Nhiều ứng dụng
Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng nh
trong mạng đờng trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ nhiều đờng,
nhiều địa chỉ, bởi thế nó rất quan trọng trong các ứng dụng mạng.
1.1.3.4 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện
Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng do vậy mà tốc độ xử lí tơng ứng
của nhiều linh kiện quang điện tăng lên theo nhng không đáp ứng đợc đủ. Sủ
dụng công nghệ WDM có thể giảm yêu cầu quá cao về tốc độ đối với linh kiện
mà vẫn có thể đáp ứng dung lợng lớn.
1.1.3.5 Kênh truyền dẫn IP
Ghép kênh bớc sóng đối với khuôn dạng số liệu là trong suốt, tức là không
hề có quan hệ gì với tốc độ của tín hiệu và phơng thức điều chế tín hiệu xét trên
phơng diện điện. Ghép kênh bớc sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển
mạng lí tởng, là cách thuận tiện để đa vào dịch vụ băng rộng mới (ví dụ nh IP).
Chỉ cần dùng thêm một bớc sóng là có thể tăng thêm một dịch vụ mới hoặc
dung lợng mới mong muốn .
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
5
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM
1.2 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM
Hệ thống WDM có một số tham số chính, đó là khoảng cách kênh, số kênh
ghép, suy hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh. Trong đó, ba tham số suy
hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh là ba tham số mô tả đặc tính của bộ
ghép/tách kênh.
1.2.1 Suy hao xen

Suy hao xen đợc xác định là lợng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến
truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị tách/ghép kênh quang. Suy hao
này bao gồm suy hao do các điểm nối ghép thiết bị WDM với sợi và suy hao do
bản thân thiết bị ghép gây ra. Vì vậy, trong thực tế ngời thiết kế tuyến phải tính
cho vài dB ở mỗi đầu. Suy hao xen đợc diễn giải tơng tự nh suy hao đối với các
bộ tách/ghép hỗn hợp (MUX/DMUX) nhng cần lu ý trong WDM là xét cho một
bớc sóng đặc trng. Suy hao xen đợc xác định nh sau:
- Đối với OMUX:

)(
)(
lg10
ii
i
i
I
O
L


=
(dB) (1-1)
- Đối với ODMUX

)(
)(
lg10
i
ii
i

I
O
L


=
(dB) (1-2)
Trong đó: I(
i
) và O(
i
) tơng ứng là công suất các tín hiệu quang tại đầu vào
và đầu ra bộ ODMUX và bộ OMUX.
I
i
(
i
) là công suất tín hiệu tại đầu vào thứ i củabộ ghép
O
i
(
i
) là công suất tín hiệu tại đầu ra thứ i của bộ tách
Tham số suy hao xen luôn đợc các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh
quang của thiết bị.
1.2.2 Suy hao xuyên kênh
Khi thực hiện ghép các kênh quang có bớc sóng khác nhau để truyền trên
cùng một sợi quang thì một phần tín hiệu của kênh này ghép sang vùng phổ của
kênh khác. Do đó khi tách kênh sẽ có sự rò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có b-
ớc sóng thứ i có bớc sóng

i
sang các kênh có bớc sóng khác với
i
.Ngày cả
trong trờng hợp ghép kênh hoàn hảo,ở các bộ tách ghép thực tế luôn có hiện tợng
rò công suất tín hiệu từ một kênh sang kênh khác.Hiện tợng này gọi là xuyên
kênh .
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
6
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM
Hình 1.4 Xuênh âm trong hệ trong hê thuống
Trong thực tế luôn tồn tại hiện tợng xuyên kênh và làm giảm chất lợng
truyền dẫn. Ngời ta đa ra tham số suy hao xuyên kênh để đặc trng cho khả năng
tách các kênh khác nhau và đợc tính bằng dB nh sau:
- Đối với bộ tách kênh:
1,
( )
( ) 10log
( )
n
i k
k k i
i
i
U
D
I

=



=




(dB) (1_3)
Trong trờng hợp lý tởng, tại cửa ra thứ i chỉ có bớc sóng
i
, nhng do có hiện
tợng xuyên kênh, tại cửa ra thứ i có tín hiệu rò từ các kênh khác. U
i
(
k
) và P
i
(

j
) là công suất tín hiệu không mong muốn ở bớc sóng
k
và
j
tại cửa ra thứ i.
Trong thiết bị ghép/tách kênh hỗn hợp, việc xác định suy hao xuyên kênh cũng
đợc áp dụng nh bộ tách kênh. ở trờng hợp này phải xem xét cả hai loại xuyên
kênh, xuyên kênh đầu gần và xuyên kênh đầu xa (hình 1.4). Xuyên kênh đầu

xa là do các kênh khác đợc ghép đi vào đờng truyền gây ra. Ví dụ, U
i
(
k
) là
xuyên nhiễu do kênh quang có bớc sóng
k
tại đầu ra thứ i. Xuyên kênh đầu
gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra. Ví dụ, P
i
(

j
) là xuyên nhiễu do
kênh I
j
(

j
) gây ra trên kênh ra thứ i. Khi đa ra sản phẩm, các nhà chế tạo cũng
phải cho biết suy hao kênh đỗi với từng kênh của thiết bị.
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
7
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM
1.2.3 Độ rộng kênh và khoảng cách kênh
Độ rộng kênh (
i
) là dải bớc sóng đợc định ra cho từng kênh quang. Độ
rộng kênh bằng tổng độ rộng phổ của nguồn và khoảng phòng vệ của kênh. Bớc
sóng trung tâm của nguồn quang phải nằm giữa dải bớc sóng này. Khoảng cách

kênh là khoảng cách giữa hai bớc sóng trung tâm của hai kênh quang kề nhau.
Nếu độ rộng kênh của các kênh quang bằng nhau thì độ rộng kênh chính bằng
khoảng cách kênh.
Khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bị giới hạn bởi xuyên nhiễu giữa các
kênh. Khoảng cách giữa các kênh thờng lớn hơn bốn lần tốc độ bit. Nếu nguồn
phát quang là các diode laser thì các độ rộng kênh yêu cầu khoảng nm để đảm
bảo không bị xuyên nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn của các nguồn phát gây ra.
Đối với nguồn phát quang là các diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh
phải lớn hơn 10 đến 20 lần, vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn.
1.2.4 Số lợng kênh
Trong hệ thống WDM, mỗi bớc sóng đợc coi tơng ứng với một kênh
quang. Số lợng kênh bằng số lợng các bớc sóng đợc ghép lại để truyền trên cùng
một sợi quang đến đầu thu. Tham số này phụ thuộc vào độ rộng băng tần truyền
dẫn của sợi quang mà hệ thống sử dụng và độ rộng kênh.
Giả sử các kênh quang cần truyền trong hệ thống có độ rộng phổ bằng nhau
và bằng
i
(nm) tính ở mức 3 dB. Nh trên đã nói, để tránh hiện tợng xuyên
kênh cần có một khoảng bảo vệ giữa chúng. Đặt khoảng bảo vệ này là
i
(nm).
Khi đó, độ rộng kênh của một kênh quang là:

i
=
i
+
i
(1-4)
Giả sử băng thông sử dụng cho hệ thống WDM là . Khi đó số lợng kênh

tối đa của hệ thống WDM là:
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
Hình 1.5. Khoảng cách kênh và độ rộng kênh
Khoảng cách kênh
Độ rộng kênh
P

1

2

3

8
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM






+

=

=
iii
n




'''
(1-5)
Trong các hệ thống điện, chất lợng bộ lọc rất tốt nên khoảng bảo vệ (
i
)
thờng nhỏ hơn độ rộng phổ của kênh. Nhng trong hệ thống quang, do hạn chế
của bộ lọc nên khoảng bảo vệ (
i
) yêu cầu rất lớn.
i
thờng đợc yêu cầu lớn
gấp bốn lần
i
. Theo khuyến nghị của ITU-T, độ rộng kênh khoảng 100GHz.
Hiện nay một số nớc đã sản xuất đợc hệ thống thông tin quang WDM có
i
=
50GHz mà vẫn đảm bảo chất lợng.
Băng thông sử dụng cho hệ thống WDM () nằm trong vùng cửa sổ suy
hao thấp của sợi quang. Băng thông này cũng đợc tính ở mức suy hao 3 dB.
Trong thực tế ta không thể sử dụng đợc toàn bộ dải băng này, có rất nhiều yếu tố

hạn chế việc sử dụng toàn bộ cửa sổ suy hao thấp. Ví dụ, khi trên tuyến có sử
dụng bộ khuếch đại quang. Bộ khuếch đại có dải khuếch đại nhỏ. Điều này giới
hạn số lợng kênh truyền trên sợi quang. Băng thông của EDFA thờng là
30ữ35nm, ngay cả khi sử dụng các công nghệ làm phẳng phổ khuếch đại. Một số
yếu tố khác cũng hạn chế số lợng kênh, đó là độ ổn định và khả năng điều chỉnh
của laser, sự suy giảm của tín hiệu trong quá trình truyền dẫn gây ra bởi hiệu ứng
phi tuyến, nhiễu xuyên kênh.
Trong các hệ thống WDM số lợng kênh càng lớn thì dung lợng truyền dẫn
càng tăng, nhng hệ thống cũng trở nên phức tạp, yêu cầu chất lợng của các thành
phần trong hệ thống cao hơn và phải đặc biệt quan tâm đến hiện tợng xuyên
kênh, suy hao do thiết bị WDM gây ra. Đối với một dung lợng định trớc, việc
tăng số lợng kênh sẽ làm giảm số sợi sử dụng hoặc tốc độ truyền dẫn nền. Đây là
mối tơng quan cần quan tâm khi áp dụng xây dựng hoặc nâng cấp các tuyến
truyền dẫn quang.
1.3 ứng dụng WDM
Nói chung WDM đã đợc ứng dụng rất nhiều cho các tuyến truyền dẫn
cáp sơi quang đờng dài trong lục địa, xuyên lục địa, các tuyến quang biển nội
vùng cũng nh liên vùng, các tuyến quang xuyên châu lục Nó đợc lựa chọn nh
một giải pháp duy nhất mà cho hiệu quả cao cả về mặt kĩ thuật cũng nh kinh tế.
Có thể kể ra rất nhiều tuyến truyền dẫn cáp sợi quang đã ứng dụng công
nghệ WDM trên thế giới (SEA-ME-WE 3, SAT, NPC). Dới đây là một số tuyến
truyền dẫn cáp sợi quang điển hình có sử dụng WDM trong khu vực Châu á:
BIMPP-GUAM: Dự án tuyến thông tin quang này nhằm kết nối Brunei,
Indonesia, Malaysia, Philippines, quần đảo Palau và Guam (Hoa Kì). Tuyến
truyền dẫn này hoạt động nh một mạng khu vực và có thể dự phòng cho các
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
9
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM
mạng lân cận nh mạng nội vùng Malaysia, mạng SEA-ME-WE 3 mở rộng. Để
đáp ứng mục tiêu này, ngời ta đã phân bổ một số bớc sóng đảm bảo việc dự

phòng và một số bớc sóng phục vụ các kết nối giữa các quốc gia trên tuyến. Trên
hình 1.6 là sơ đồ tuyến nối của BIMPP-GUAM .
SEA-ME-WE 3 và phần mở rộng: Tuyến thông tin quang này nối từ Châu
âu xuyên qua Địa Trung Hải tới Đông Nam á (hình 1.7). Nó có 6 trạm đầu cuối
trải dài trên 38.000 km (với hơn 20.000 km biển), có 27 điểm xen rẽ (ADM) và
hơn 40 điểm cập bờ. Dung lơng của tuyến này là 8 x 2,5 Gbps, sử dụng công
nghệ WDM truyền đồng thời 8 bớc sóng (mỗi bớc sóng mang dung lợng 2,5
Gbps) trên hai đôi sợi quang. Phần mở rộng của SEA-ME-WE 3 triển khai tại
Châu á nhằm kết nối hơn 10 quốc gia từ Singapore tới Nhật Bản và Hàn Quốc
với các nhánh xen rẽ là Malaysia, Brunei, Việt Nam, Hồng Kông, Ma Cao, Đài
Loan, Trung Quốc và Philippines.
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
Palau (Quần đảo Caroline)
Guam
(USA)
Indonesia
Malaysia
Brunei
Philippin
e
Hình 1.6 Tuyến thông tin quang BIMPP-GUAM
Hình 1.7 Tuyến thông tin quang SEA-ME-WE 3 và phần mở rộng
Keoja
Okinawa
Th ợng hải
Ma cao
Hồngcông
Shantou
Fengshan
Toucheng

Batangas
Brunei
Đà
nẵng
Mersin
g
Singapore
Phần mở rộng
SEA-ME-WE
3
SEA-ME-WE 3
10
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM
ASIA-GUAM: Dự án này kết nối Trung Quốc, Hàn Quốc và Nhật Bản tới
Guam (hình 1.8). Trong tuyến thông tin này mỗi quốc gia Trung Quốc, Hàn
Quốc và Nhật Bản sử dụng một bớc sóng riêng với dung lợng 2,5 Gbps nhằm
đảm bảo sự truy cập độc lập tới Bắc Mĩ. Đồng thời, tuyến này có thể có thêm
một số bớc sóng phụ dự phòng cho truyến thông tin SEA-ME-WE 3.
NORTH PACIFIC CABLE 2 (NPC2): Dự án này kết nối Nhật Bản, Hàn
Quốc, Trung Quốc và Liên bang Nga tới Bắc Mĩ (hình 1.6).
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
Guam (USA)
Nhật Bản
Trung Quốc
Hàn Quốc
Hình 1.8 Tuyến thông tin quang ASIA-GUAM
Tới Bắc Mĩ
Nhật Bản
Liên bang nga
Hàn Quốc

Trung Quốc
Hình 1.9 Tuyến thông tin quang NPC2
11
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM
CHƯƠNG 2
CáC THàNH PHầN TRONG Hệ THốNG WDM
Giới thiệu chung
Các thành phần trong hệ thống WDM cần phải đợc chuẩn hóa. Thông thờng
các kênh khác nhau (bớc sóng khác nhau) trong hệ thống WDM phải đợc truyền
dẫn nh nhau trong toàn tuyến quang. Điều này có nghĩa là các thành phần trong
mạng quang (nguồn quang, bộ ghép, bộ tách, bộ khuếch đại và bản thân sợi
quang) phải có tính năng mong muốn, đạt chất lợng và đáp ứng yêu cầu của hệ
thống. Các tham số của thiết bị nh suy hao xen, suy hao trở về, tán sắc, phân cực
phải đợc đo trên toàn dải băng thông của hệ thống WDM. Các thành phần quang
có thể đợc đo kiểm tốt tại nhà máy, nhng khi lắp đặt vào hệ thống, các tính năng
của nó lại bị suy giảm đi, hoặc các tính năng của các thành phần khác nhau tác
động qua lại ảnh hởng lẫn nhau. Kết quả là chất lợng của hệ thống không đảm
bảo ngay cả khi các thành phần riêng lẻ của hệ thống hoạt động tốt. Nh vậy các
thành phần thiết bị phải tơng thích với nhau và đợc lựa chọn cẩn thận khi đa vào
lắp đặt hệ thống. Phần sau đây sẽ trình bày các thành phần cơ bản của hệ thống
thông tin quang WDM.
2.1 Bộ phát quang
Trớc đây các bộ phát quang bao gồm thiết bị điện và thiết bị quang riêng
biệt, nhng hiện nay bộ phát quang đợc hình thành từ việc tích hợp các mạch tích
hợp và laser diode.Việc bổ xung thêm các vi mạch tích hợp mật độ cao cho phép
bộ phát quang đáp ứng đợc các yêu cầu về điều chế tốc độ cao và cải thiện đợc
độ tin cậy của thiết bị. Khi nhìn từ quan điểm thiết kế hệ thống ngời ta thờng coi
chúng nh một hộp đen có chức năng chuyển đổi điện sang quang. Hiện tại có hai
loại nguồn quang dang đợc ứng dụng rộng rãi là laser phân bố hồi tiếp DFB
(Distributed Feedback Laser) và laser phân bố phản xạ Bragg DBR (Distributed

Bragg Reflector Laser). Ngoài ra laser sợi quang pha tạp chất hiếm cũng đang đ-
ợc nghiên cứu, các nguồn quang này có u điểm là phổ hẹp và độ ổn định tần số
cao. Bộ phát quang có nguồn phát quang phổ hẹp có ý nghĩa rất lớn, đặc biệt
trong hệ thống ghép kênh quang WDM.
2.1.1 Yêu cầu đối với nguồn quang trong WDM
- Độ chính xác của bớc sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho một hệ
thống WDM hoạt động tốt. Nói chung, bớc sóng đầu ra luôn bị dao động do
các yếu tố khác nhau nh nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện Ngoài
ra, để tránh xuyên nhiễu cũng nh tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách đúng b-
ớc sóng thì nhất thiết độ ổn định tần số phía phát phải thật cao.
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
12
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM
- Độ rộng đờng phổ hẹp: Độ rộng đờng phổ đợc định nghĩa là độ rộng phổ
của nguồn quang tính cho bớc cắt 3 dB. Để có thể tăng nhiều kênh trên một dải
tần cho trớc, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng đờng
phổ càng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận (ICI) xảy ra khiến
lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lợng. Muốn đạt đợc điều này thì
nguồn phát laser phải là nguồn đơn mode (nh các loại laser hồi tiếp phân bố,
laser hai khoang cộng hởng, laser phản hồi phân bố).
- Dòng ngỡng thấp: Đối với laser , phát xạ kích thích không thể bắt đầu cho
đến khi dòng định thiên cao hơn giá trị dòng ngỡng I
th
, công suất đầu ra tỉ lệ với
(I - I
th
) với I là dòng định thiên. Do đó, dòng ngỡng thấp hơn cho phép dòng định
thiên nhỏ hơn đối với cùng một công suất đầu ra. Nhng quan trọng hơn là nếu
dòng ngỡng thấp sẽ đảm bảo công suất nền thấp. Điều này làm giảm bớt vấn đề
lãng phí công suất trong việc kích thích laser cũng nh giảm bớt đợc công suất

nền không mang tin và tránh cho máy thu chịu ảnh hởng của nhiễu nền (phát
sinh do có công suất nền lớn). Nếu công suất nền gửi trên đờng truyền quá lớn sẽ
không có lợi cho hệ thống, vì nh đã biết công suất quang truyền dẫn trên sợi
(tổng công suất của các bớc sóng ghép) càng lớn thì ảnh hởng của hiệu ứng phi
tuyến càng lớn, sẽ ảnh hởng xấu tới chất lợng hệ thống.
- Khả năng điều chỉnh đợc bớc sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần sợi
quang, nguồn quang phải có thể phát trên cả dải 100 nm. Hơn nữa, với hệ thống
lựa kênh động càng cần khả năng có thể điều chỉnh đợc bớc sóng.
- Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của
nguồn quang sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu
giữa các kênh.
- Nhiễu thấp: Có rất nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh
mode, nhiễu pha, nhiễu MPN Nhiễu thấp rất quan trọng để đạt đợc mức BER
thấp trong truyền thông số, đảm bảo chất lợng dịch vụ tốt.
Trên cơ sở các yêu cầu nói trên, ngời ta tiến hành nghiên cứu, triển khai
thực nghiệm và đa vào ứng dụng các loại nguồn quang mà có thể đáp ứng đợc
phần nào hoặc toàn bộ các yêu cấu khắt khe đó. Các loại nguồn quang đó đợc
trình bày chi tiết trong phần (2.1.2), (2.1.3) dới đây.
2.1.2 Nguyên lí Bragg
Phản xạ Bragg là ở trên mặt tiếp giáp của 2 loại phơng tiện có phản xạ
mang tính chu kỳ, khi đợc chiếu quang sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ này
gọi là phản xạ Bragg. Bản thân mặt giao nhau có hình dạng khác nhau: hình sin
hoặc không sin (nh hình vuông góc, hình tam giác ).
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
13
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM
Trong hình, ta thấy:
A+B=m
u

(2.1)
Trong đó m là số nguyên chẵn
A là chu kì cách tử
u

=

/
n
là bớc sóng trong chất môi giới

là bớc sóng quang trong không khí
n
là hệ số khúc xạ tơng đơng.
Biến đổi một chút ta có thể đợc:
A(1+sin)= m
u

(2.2)
Công thức (2.2) gọi là điều kiện phản xạ Bragg. ý nghĩa vật lý của công
thức là: Đối với A và nhất định, khi có một
u

tơng ứng thì sóng quang có bớc
sóng
u

sẽ can thiệp cùng với sóng quang phản xạ .
Dựa vào nguyên lí này mà ngời ta đã chế tạo ra các loại laser có thể cho
mode dọc đơn duy nhất. Đó là laser DFB và DBR.

2.1.3 LASER hồi tiếp phân bố (DFB)
a) Kết cấu: Laser DFB không phải dựa vào khoang F-P để dao động kích
quang mà dựa vào lới quang phân bố khoảng cách theo chiều dọc đều nhau, hình
thành phối ghép quang. Chu kỳ A của lới quang gọi là cự ly lới. Kết cấu chu kì
này nằm luôn trong hốc cộng hởngLaser. Hình 2.2 thể hiện mặt cắt dọc của laser
này.
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
A
a
A
a
B
B

1 2
1
1
Hình 2.1. Nguyên lí phản xạ Bragg
14
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM
Hình 2.2: Mặt cắt dọc của Laser DBF
b) Nguyên lí: Khi có dòng điện vào laser, trong khu có nguồn phức hợp điện
tử- lỗ trống bức xạ ra năng lợng tơng ứng với quang tử. Những quang tử này bị
một sợi lới quang ở bề mặt lớp có nguồn phản xạ, giống nh hình 2.1, chỉ khác là
trong sự phân bố phản hồi Bragg của laser DFB có = /2, công thức (2.2) biến
thành:
A =
2
n
m

(2.3)
Tín hiệu quang có bớc sóng thoả mãn công thức trên mới đợc phản xạ mạnh
và đợc khuếch đại đủ lớn, các bớc sóng khác không thoả mãn công thức trên thì
sẽ bị dập và không phát xạ. Công thức (2.1) gọi là điều kiện phân bố phản hồi.
Thông thờng m = 1, khi đó
n
= 2A đợc gọi là bớc sóng Bragg. Với loại LASER
này, các mode bên bị triệt khoảng 30 40 dB so với mode chính.
c) Đặc điểm: DFB so sánh với LASER F-P có 2 u điểm sau đây:
- Dao động đơn mode dọc dải hẹp: Do chu kỳ cách từ(A) trong bộ phát
quang DBF rất nhỏ,nên hình thành khoang cộng hởng kiểu nhỏ, đối với bớc
sóng có tính lựa chon tốt làm cho giới hạn tăng ích của mode chính và mode
biên tơng đối lớn, từ đó đợc dải phổ nguồn quang rất hẹp so với laser F-P.
- Tính ổn định của bớc sóng tốt: Vì lới quang trong laser DFB có giúp
cho việc chốt trên bớc sóng cho trớc, trôi nhiệt của 0,8
o

/
C

, tốt hơn nhiều
so với LASER khoang F-P.
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
15
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM
2.1.4 LASER phân bố phản xạ Bragg (DBR)
a) Kết cấu: Kết cấu laser phân bố phản xạ Bragg (DBR- Distributed Bragg
Reflection) và kết cấu của laser DFB căn bản khác nhau (xem hình 2.3). Chỗ
khác nhau là nó có kết cấu lới phản xạ nằm ngoài hốc cộng hởng. Với sự khác
biệt này, phần điều khiển hốc cộng hởng LASER và phần điều khiển tần số theo

nguyên lí Bragg là hoàn toàn độc lập.
b) Nguyên lí: Nguyên lý làm việc của laser DBR cũng dựa vào nguyên lý
phản xạ Bragg và thoả mãn chính xác công thức (2.3), đặc điểm cũng cơ bản
giống laser DFB. chỉ có một số điểm khác biệt nhỏ cần lu ý, đó là: (i)vật liệu chế
tạo của laser DBR là khó khăn hơn laser DFB vì nó không nhất thiết đòi hỏi sự
ghép công suất giữa các vùng thụ động và vùng tích cực; (ii) đặc tính phụ thuộc
nhiệt độ thì khác nhau, khi nhiệt độ tăng thì trong lasser DBR có sự chuyển đổi
từ mode này qua mode khác còn với laser DFB thì thể hiện đặc tính ổn định nhiệt
độ trong một dải rộng .
2.2 Bộ tách quang và bộ ghép quang
Tín hiệu tại đầu ra mỗi bộ phát ở một bớc sóng riêng, những tia sáng này đ-
ợc ghép lại và truyền vào sợi quang. Thiết bị thực hiện chức năng này gọi là bộ
ghép (Multiplexer hay MUX). Ngợc lại, phía thu có một thiết bị thực hiện tách
tín hiệu quang thu đợc thành các kênh quang có bớc sóng khác nhau để đa đến
mỗi bộ thu quang riêng biệt. Thiết bị này gọi là bộ tách quang (DeMultiplexer
hay DMUX). Đây là các thành phần cốt yếu của hệ thống thông tin quang WDM
và đợc chia thành 2 nhóm lớn.Nhóm dựa trên nguyên lý giao thoa và nhóm dựa
trên nguyên lý tán sắc góc.Về mặt nguyên lý bất kỳ bộ ghép bớc sóng nào cũng
có thể làm bộ tánh bớc sóng và ngợc lại.
Bộ tách quang và bộ ghép quang đợc cấu tạo từ bộ lọc quang và coupler
quang. Các bộ lọc hiện nay hay đợc sử dụng gồm bộ lọc cộng hởng Fabry-Perot,
bộ lọc giao thoa kế Mach-Zender, bộ lọc cách tử Bragg Nguyên lý và đặc tính
của các bộ lọc này sẽ đợc trình bày ở các phần dới đây.
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
Hình2 3. Kết cấu LASER DBR
Phần phản xạ BraggVùng hoạt tính
H óng dọc
Điều khiển hốc
cọng h ởng
Điều

khiển tần
số
16
Coupler
3dB
A
A

L/2
Bộ nung nóng
Nền Si
Bộ nung nóng
Lõi sợi
quang
Nền Si
Hình 2.5 Cấu tạo bộ lọc Mach-Zender đ ợc sản xuất theo công
nghệ tích hợp quang
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM
2.2.1 Bộ lọc Mach-Zender
2.2.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc Mach-Zender
Bộ lọc Mach-Zender làm việc dựa trên sự giao thoa của hai tia sáng xuất
phát từ cùng một nguồn và đi theo hai đờng khác nhau. Hình 2.4 là cấu trúc của
bộ lọc Mach-Zender. Bộ lọc đợc cấu tạo từ 2 coupler 3dB 2x2 và hai nhánh ống
dẫn sóng. Nhánh trên có lắp thêm bộ quay pha 90
o
và bộ trễ. Cấu trúc này tạo ra
khả năng điều chỉnh bớc sóng cuả bộ lọc.
Nguyên lí hoạt động của bộ lọc nh sau. Tín hiệu WDM đợc đa vào cổng 1
của bộ lọc. Khi qua coupler 3dB thứ nhất, ánh sáng đợc tách ra thành hai luồng
đi vào hai nhánh khác nhau của thiết bị. Sau đó, chúng đợc kết hợp lại tại coupler

3dB thứ hai. Tín hiệu WDM gồm nhiều bớc sóng khác nhau. Khi đi qua bộ trễ,
mỗi bớc sóng có một độ trễ riêng. Kết quả là tại coupler 3dB thứ hai, hai tín hiệu
đi theo hai nhánh khác nhau có độ lệch pha là một hàm phụ thuộc vào bớc sóng.
Tại bớc sóng có độ lệch pha này bằng 0 sẽ có công suất ra lớn nhất. Các bớc
sóng khác có độ lệch pha khác 0 cho công suất đầu ra nhỏ.
Trong thực tế thiết bị lọc quang Mach-Zender thờng đợc chế tạo từ sợi
quang hoặc dựa trên công nghệ tích hợp quang sợi. Hình 2.5 chỉ ra một bộ lọc
quang Mach-Zender đựơc chế tạo dựa trên công nghệ tích hợp sợi quang. Bộ lọc
quang đợc tạo thành từ hai coupler quang 3dB và hai ống dẫn sóng quang. Tất cả
đợc tích hợp trên nền Silic. Quá trình tích hợp ống dẫn sóng SiO
2
trên nền Silic
sẽ đợc miêu tả chi tiết ở phần sau.
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
2

l
/v
Trễ
Coupler
3dB
2x2
Coupler
3dB
2x2
1
2
3
4
[P] [D] [Q]

Hình 2.4 Cấu trúc bộ lọc Mach-Zender
17
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM
2.2.1.2 Một số đặc tính của bộ lọc quang Mach-Zender
Bộ lọc quang Mach-Zender gồm 3 thành phần mắc nối tiếp nhau là coupler
3dB đầu vào 2 nhánh ống dẫn sóng và coupler 3dB đầu ra. Gọi [P], [D], [Q] lần l-
ợt là ma trận truyền tơng ứng với 3 thành phần trên. Nh vậy ma trận truyền đạt
của bộ lọc là:
31 32
41 42
( ) ( )
( ) ( )
H f H f
H f H f
=[P][D][Q] =
=
2
1 1
0
1 1
1 1
0 1
2 2
j f
j j
e
j j


+ +

+ +
=
=
2 2
2 2
( 1) 1
1
2
1 ( 1)
j f j f
j f j f
j e e
j
e j e




+
+
(2-4)
Trong đó

là thời gian trễ do bộ tạo trễ gây ra:

.
eff
L
L L n
v c c

= = =
(2-5)
Trong nhiều ứng dụng, bộ lọc Mach-Zender chỉ sử dụng một đầu vào, ví dụ
đầu vào 1. Khi đó hàm truyền đạt vector trờng điện từ của bộ lọc là:
2
31
2
41
( )
( 1)
1
( )
2
1
j f
j f
H f
j e
H f
j
e





=

+
(2-6)
Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc:

2
2
31
31
22
41
41
( )
( )
sin ( )
( )
cos ( )
( )
H f
P f
f
P f
f
H f


= =
(2-7)
Nh vậy hàm truyền đạt công suất từ cổng 1 đến cổng 4 và 3 là :
T
41

(f) = P
41
(f)= cos
2
(
f

)=cos
2
(
eff
L
f
c


) (2-8)
T
31
(f)= P
31
(f) = sin
2
(
f

) = sin
2
(
eff

L
f
c


) (2-9)
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
18
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM
Bộ lọc quang Mach-Zender có hàm truyền đạt tuần hoàn, dải phổ tự do FSR
thoả mãn:
. .
eff
L
FSR
c


=
.
eff
c c
FSR
L L n
= =

Khi tín hiệu quang đến gồm hai kênh quang có tần số là f
1
, f
2

, để mỗi đầu ra
3 hoặc 4 chỉ có tín hiệu của một kênh quang thì f
1
, f
2
phải thoả mãn:
1
eff
L
f k
c


=
2
(2 1)
2
eff
L
f k
c



= +
Do đó:
1 2
( )
2
eff

L
f f
c



=
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
f

(A)
m=1
m=2
m=3
m=M=4
(B)
(C)
Hình 2.6 Chuỗi Mach-Zender (M=4)
f
f
f
f
f
f
19
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM
Khoảng cách giữa 2 tần số bộ lọc ra đợc xác định bởi:
2 2. .
FSR c

f
L n
= =

(2-10)
Trong thực tế, hệ thống WDM gồm nhiều hơn hai kênh quang. Ngời ta
mắc nối tầng nhiều bộ lọc Mach-Zender 2x2 để tạo ra bộ lọc mong muốn.
Trờng hợp cần tách 1 kênh quang từ chùm sáng N kênh (N=2
M
) thì mắc M
bộ lọc Mach-Zender 2x2 nối tiếp. Giả sử hàm truyền đạt của bộ lọc Mach-
Zender thứ m (m=1
ữ
M) là:
T
m
(f) = cos
2
(
,eff m
L
f
c


) = cos
2
(
m
f

)
Trong đó
,eff m
L
là độ chênh lệch về chiều dài quang học giữa 2 nhánh của
bộ lọc Mach-Zender thứ m và
m
L
thoả mãn:
2 .
m
m
v
L
f
=

hay
1
2 .
m
m
f

=

(2-11)
Trong đó:
f

là khoảng cách giữa các kênh của hệ thống.
Hàm truyền đạt của bộ lọc chung là:
T(f) =
1
M
m=

T
m
(f) =
2
1
cos ( )
M
m
m
f

=

(2-12)
áp dụng công thức:
cos(x) =sin(2x)/2sin(x)
Ta có:
T(f) =
2
sin( / )
sin( / )
f f
N f N f

(2-13)
Từ công thức (2.13), T(f) là hàm tuần hoàn với chu kì là N
f
. Do đó, dải
phổ tự do của bộ lọc là:
FSR = N
f
(2-14)
Hình 2.6 là trờng hợp riêng M=4 và cần tách một kênh quang từ luồng tín
hiệu WDM 16 kênh. Từ hình vẽ cho ta thấy, khi qua tầng lọc thứ nhất các kênh
0,2,4,6,8,10,12,14 đợc cho qua. Khi qua tầng lọc thứ hai các kênh 0,4,8,12 đợc
cho qua. Khi qua tầng lọc thứ ba các kênh 0 và 8 đợc cho qua. Và khi qua tầng
lọc thứ 4 chỉ có duy nhất kênh 0 đợc cho qua. Hàm truyền đạt công suất của hệ
thống đợc biểu diễn nh hình 2.6C.
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
20
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM
Hình 2.7 là đồ thị hàm truyền công suất của thiết bị lọc gồm nhiều bộ lọc
Mach-Zender đợc nối tầng trong trờng hợp M=2, 3, 4.
Hiện nay công nghệ tích hợp quang rất phát triển, có thể chế tạo chuỗi
Mach-Zender rất đơn giản bằng cách tích hợp ống dẫn sóng SiO
2
trên nền Silic.

Hình 2.9 chỉ ra thiết bị lọc cho hệ thống gồm 128 kênh quang sử dụng công nghệ
này. Thiết bị gồm 7 bộ lọc quang Mach-Zender 2x2 mắc nối tiếp, có giá trị L
tơng ứng là: 10mm, 5mm, 2,5mm, 1,25mm, 0,63mm, 0,31mm, 0,16mm. Các bộ
lọc đợc tích hợp trên nền Silic có kích thớc là 50mmx60mm. Bộ lọc này có
xuyên nhiễu khoảng 13dB.
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
Hình 2.7 Đồ thị hàm truyền công suất của thiết bị lọc gồm
nhiều bộ lọc Mach-Zender mắc nối tầng
Cổng vào
Hình 2.8 Bộ lọc 1 kênh từ 128 kênh
21
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM
Khi cần thiết kế bộ tách kênh quang cho hệ thống WDM có N kênh
(N=2
M
), ta cần sử dụng N-1 bộ lọc Mach-Zender 2x2 , ghép với nhau thành hình
cây M tầng. Tại tầng thứ m (m=1
ữ
M) cần 2
m-1
bộ tách kênh có độ chênh lệch
chiều dài quang học giữa 2 nhánh sợi quang là:
2
m
m
nc
L
f
=

Hình 2.9 chỉ ra ví dụ M=2.
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
f
1
f
2
f
3
f
4
frequency
MZ[f]
MZ[2f]
Chuỗi MZ
f
(b)

f
f
3
f
1
2

f
f
1
f
3
2

f
f
2
f
4
f
2
f
4
f
1
f
2
f
3
f
4

Bộ lọc MZ
(a)
Hình 2.9 Các bộ lọc đ ợc ghép hình cây M=2
tầng
22
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM
2.2.1.3 Bộ lọc quang khả chỉnh
a. Giới thiệu chung
Bộ lọc quang khả chỉnh thực hiện chức năng lựa chọn bớc sóng mong
muốn tại máy thu. Dải băng thông bộ lọc có thể thay đổi nhờ hệ thống điều
chỉnh ngoài. Băng thông của bộ lọc khả chỉnh phải đủ lớn để cho qua tín hiệu

mong muốn, nhng cũng phải đủ hẹp để tránh xuyên nhiễu từ các kênh khác.
Các yêu cầu đối với bộ lọc quang khả chỉnh là:
1. Dải điều chỉnh rộng để số kênh đợc lựa chọn là lớn
2. Xuyên nhiễu giữa các kênh phải nhỏ nhất
3. Tốc độ điều chỉnh lớn
4. Có khả năng ổn định khi các điều kiện môi trờng xung
quanh thay đổi (nhiệt độ, độ ẩm )
5. Giá thành thấp
b. Bộ lọc quang Mach-Zender khả chỉnh
Theo phần trớc hàm truyền đạt của bộ lọc Mach-Zender là :
T(f)=cos
2
(

f.

L
eff
/c) = cos
2
(2

f /c. n

L/2)
Bộ lọc sẽ đa ra kênh có bớc sóng thoả mãn:
.n L k

=
Do đó:


=n.

L /k (2-15)
Trong đó k là số nguyên dơng.
Do đó, bớc sóng trung tâm của bộ lọc là một hàm của chiết suất ống dẫn
sóng n và độ chênh lệch chiều dài hai ống dẫn sóng L. Vì L là cố định nên
muốn tạo thành bộ lọc khả chỉnh, cần thay đổi chiết suất ống dẫn sóng.
Có 2 phơng pháp làm thay đổi chiết suất của ống dẫn sóng quang là nhờ
vào hiệu ứng nhiệt quang và nhờ vào hiệu ứng điện quang.
Hình 2.5 là cấu trúc của bộ lọc Mach-Zender khả chỉnh làm việc dựa vào
hiệu ứng nhiệt quang. Thiết bị này do Oda et at (1990) và Takato (1990) sản
xuất. Một nhánh sợi quang của bộ lọc đợc lắp thêm bộ làm nóng Cr màng
mỏng. Khi đặt điện áp vào hai đầu bộ nung nóng, bộ nung nóng tăng nhiệt độ.
Nhiệt độ này cung cấp cho nhánh sợi quang và làm biến đổi chiết suất sợi quang.
Độ dài quang học của nhánh này tăng lên một lợng:
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
23
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM
dn/dT.L.

T (2-16)
Trong đó: dn/dT là hằng số nhiệt quang của ống dẫn sóng
L là chiều dài của bộ nung nóng


T nhiệt độ tăng lên

Với SiO
2
thì dn/dT = 1x10
-5
Ví dụ, một bộ lọc có L = 10mm, T=7,8
o
C, chiều dài quang học tăng lên
0,78cm. Tại bớc sóng =1550 nm thì pha tăng lên tơng ứng là . Năng lợng kích
thích để pha tăng lên là 0,5W. Thời gian đáp ứng để nâng pha hoặc hạ pha
khoảng 1
ữ
2ms. Tốc độ đáp ứng của bộ lọc Mach-Zender tơng đối chậm vì bị
giới hạn bởi thời gian khuyếch tán nhiệt từ điện cực sang chất nền. Tốc độ này
quá chậm và không đáp ứng đợc cho hệ thống chuyển mạch gói. Trong thiết bị
tách kênh gồm nhiều bộ lọc Mach-Zender thì việc điều khiển rất khó khăn, việc
thiết lập nhiệt độ trên một tầng phụ thuộc vào nhiệt độ của các tầng trớc trong
chuỗi. Chất nền Si có tác dụng nh một bộ tản nhiệt, ổn định nhiệt độ cho thiết bị.
Bộ lọc Mach-Zender khả chỉnh dựa trên hiệu ứng điện quang đợc sản xuất
từ các tinh thể có điện quang. Tức là chiết suất có khả năng thay đổi khi điện áp
cung cấp thay đổi. Thời gian điều chỉnh của thiết bị bị giới hạn bởi tốc độ điện tử.
Do đó thời gian điều chỉnh bộ lọc điện quang nhanh hơn bộ lọc dựa trên hiệu ứng
nhiệt quang. Tốc độ điều chỉnh cỡ vài ns, nhng dải điều chỉnh rất nhỏ cỡ 16 nm.
2.2.2Bộ lọc Fabry-Perot
2.2.2.1 Mở đầu
Cấu trúc của bộ lọc Fabry-Perot bao gồm một khoang cộng hởng đợc tạo
thành từ 2 gơng phản xạ đặt song song. Một thiết bị lọc quang thực tế còn có sợi
quang đầu vào, sợi quang đầu ra và hệ thống thấu kính. Tại các thành phần này
có thể gây ra suy hao ảnh hởng đến chất lợng thiết bị. Song trong mục này ta chỉ
tập trung vào khoang cộng hởng. Hình 2.10 chỉ ra cấu trúc cơ bản của bộ lọc
Fabry-Perot.

Trong hình vẽ chỉ đa ra một mặt của lớp thuỷ tinh tạo nên gơng phản xạ của
khoang cộng hởng. Mặt còn lại của hai lớp thuỷ tinh này cũng có thể gây phản
xạ và tạo ra cộng hởng tại các bớc sóng không mong muốn. Để tránh hiện tợng
này, đặt hai mặt ngoài của hai lớp thuỷ tinh này hơi nghiêng so với trục thẳng
đứng hoặc bọc ngoài bằng một lớp chống phản xạ.
ánh sáng từ sợi quang đợc đa vào khoang cộng hởng. Sau một số lần phản
xạ liên tiếp trên hai bề mặt gơng của khoang cộng hởng, ánh sáng đợc đa đến
đầu ra. Gọi x là chiều dài khoang cộng hởng, nếu bớc sóng thoả mãn:
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
24
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM
x=i

/2n=ic/2nf (2-17)
Trong đó n là chiết suất khoang cộng hởng
i là số nguyên và đợc gọi là bậc cộng hởng
thì kênh tín hiệu tại bớc sóng đợc cộng hởng. Công suất đầu ra của kênh này
rất lớn. Với các kênh quang có bớc sóng không thoả mãn điều kiện này thì công
suất bị giảm.
2.2.2.2 Một số tham số của bộ lọc Fabry-Perot
* Hàm truyền đạt
Giả sử hai gơng có hệ số phản xạ bằng nhau và bằng R. Do đó cờng độ tr-
ờng của tín hiệu phản xạ bằng
R
lần cờng độ trờng của ánh sáng tới. Giả sử
suy hao do hấp thụ khi ánh sáng đi từ sợi quang đầu vào đến khoang bằng suy
hao do hấp thụ khi ánh sáng đi từ khoang cộng hởng đến sợi quang đầu ra và
bằng A
Gọi E
i

là biên độ trờng ánh sáng đầu vào, khi qua gơng thứ nhất cờng độ tr-
ờng là
1 .
i
A R E
. Phần công suất còn lại tại bị mất dới dạng nhiệt hoặc do
phản xạ. Giả sử khi ánh sáng truyền qua khoang cộng hởng không bị suy hao, và
bị trễ pha một lợng bằng

x (với

là hệ số truyền).
Khi ánh sáng đến gơng G
2
, độ lớn trờng
1 .
i
A R E
.e
-j

x
. Một phần ánh
sáng có độ lớn trờng (1-A-R)E
i
.e
-j

x

đợc đa đến đầu ra, phần còn lại có độ lớn tr-
ờng
1 .
i
A R E
.
R
.e
-j

x
bị phản xạ trở lại. Quá trình tiếp tục nh vậy và ta đợc
chùm ánh sáng đầu ra thứ hai có độ lớn trờng là
(1-A-R)R.E
i
e
-j3

x
. Chùm ánh sáng tiếp tục phản xạ trên hai mặt gơng và cho
công suất đến sợi quang đầu ra giảm dần. Công suất tín hiệu tại lần ra thứ m:
(1-A-R).R
m-1
.E
i
.e
-j (2m-1)

x
Nguyễn Tnành Chung D2001VT

x=
(A)
25