nghiên cứu giải pháp tăng dung lượng của hệ thống thông tin quang bằng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng wdm

MụC LụC
LỜI Mở ĐẦU 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 5
1.1 Hệ thống thụng tin quang 5
1.2 Hệ thống WDM 8
CHƯƠNG 2. CấU TạO CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM 13
2.1 Thiết Bị Phát Quang - Diode Laser 13
2.1.1. Tổng quan về Laser 13
2.1.2 Cấu tạo và hoạt động của Diode Laser
2.1.3 Diode Laser trong hệ thống WDM
2.1.4 Ổn định bước sóng và yêu cầu độ rộng phổ của Diode Laser
2.2 Bộ ghộp/tỏch tớn hiệu
2.2.1 Bộ lọc màng mỏng điện môi
2.2.2 Các thông số cơ bản của bộ ghép/tách kênh
2.3 Sợi quang
2.3.1 Tổng quan về sợi quang
2.3.2 Suy hao của sợi quang
2.3.3 Tán sắc trong sợi quang đơn mode
Nguyên nhân gây ra tỏn sắc
Tỏn sắc vận tốc nhúm GVD
Tỏn sắc mode phõn cực PMD
2.3.4 Bự tỏn sắc
2.3.5 Cỏc hiệu ứng phi tuyến
2.4 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA
2.4.1 Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi EDFA
2.4.2 Các thông số cơ bản của bộ khuếch đại quang sợi EDFA
2.4.3 Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại
2.5 Thiết bị thu - PhotoDiode
2.5.1 Cấu tạo của PIN-PhotoDiode
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
11

2.5.2 Nguyờn lý hoạt động của PIN-PhotoDiode
CHƯƠNG 3. MẠNG WDM
3.1 Tổng quan
3.2 Mạng Ring WDM
3.3 Mạng đường trục WDM
3.4 Mạng WDM định tuyến bước sóng
3.5 Cỏc phần tử cơ bản của mạng WDM
3.5.1 Thiết bị đầu cuối OLT
3.5.2 Bộ kết nối chộo quang OXC
3.5.3 Bộ xen rẽ quang OADM
3.6 Quá trình chuyển đổi bước sóng trong mạng WDM
3.6 Mô hình kết hợp mạng WDM và mạng Internet
3.6.1 Xu hướng tích hợp IP/WDM
3.6.2 Cấu trỳc mạng IP/WDM
CÁC HèNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 80
CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 3
KẾT LUẬN 5
TÀI LIỆU THAM KHẢO 6
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
22
LỜI Mở ĐẦU
Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức, trong đó
thông tin là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội. Do đó, nhu cầu truyền thông ngày
càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa phương tiện trong đời sống kinh tế – xã
hội của từng quốc gia cũng như kết nối toàn cầu.
Để đáp ứng được vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin,
mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung
lượng lớn. Một trong giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn
tốc độ cao hay băng rộng với dung lượng lớn và đa dịch vụ, đó là công nghệ truyền
dẫn thông tin quang tốc độ cao.

Điều này đòi hỏi phải xây dựng và phát triển mạng quang mới dung lượng cao.
Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (Wavelength Division Multiplexing -
WDM) là một giải pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hữu hiệu băng thông rộng lớn của
sợi quang, nâng cao rừ rệt dung lượng truyền dẫn đồng thời hạ giá thành sản phẩm.
Lí tưởng về WDM xuất hiện vào năm 1958. Cho tới năm 1977 khi mà công nghệ
quang sợi bắt đầu có nhiều tiến bộ thỡ người ta mới có được giải pháp thực tế đầu tiên.
Sau đó ít lâu, vào đầu thập niên 80, các thiết bị WDM đó được thương mại hóa. Tại Việt
Nam, năm 1998 bắt đầu triển khai xây dựng tuyến cáp quang biển sử dụng kỹ thuật
WDM với dung lượng 40 Gbps nối liền các nước Đông Nam Á, Trung Đông và Tây Âu.
Đây cũng là hệ thống t hông tin quang ghép kênh theo bước sóng (hay nói một cách ngắn
gọn là hệ thống WDM) đầu tiên tại Việt Nam. Sau đó không lâu chúng ta tiếp tục xây
đựng hệ thống WDM ứng dụng vào mạng đường trục Bắc – Nam. Cho đến nay cả hai hệ
thống đó đều hoạt động ổn định và giữ một vai trũ quan trọng đối với nền an ninh quốc
gia và sự phát triển kinh tế, xã hội của đất nước.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
33
Mặc dự cỏc hệ thống WDM tới bõy giờ khụng cũn mới nữa, nhưng nó vẫn đang và
vẫn sẽ giữ vai trũ chiến lược trong việc truyền tải thông tin từ xa, đặc biệt là ở Việt Nam.
Trên cơ sở những kiến thức tích luỹ trong những năm học tập chuyên ngành Điện
Tử - Viễn Thông tại Viện đại học Mở Hà Nội,cùng với ý tưởng tìm hiểu về công nghệ
ghép kênh theo bước sóng trong thông tin quang em muốn thông qua đồ án “ Nghiên
cứu giải pháp tăng dung lượng của hệ thống thông tin quang bằng kỹ thuật ghép
kênh theo bước sóng WDM “ để nâng cao hiểu biết của mình về công nghệ WDM
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS. Trần Đức Hân đó tạo mọi điều kiện và
tận tỡnh hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trỡnh thực hiện đồ án.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa CN Điện Tử và Thụng
Tin- Viện Đại Học Mở Hà Nội, gia đỡnh, bạn bố người thân - những người đó luụn cổ
vũ động viên giúp đỡ em trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, tháng năm
Sinh viờn thực hiện

Lê Phúc Sâm
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
44
I. Giới thiệu hệ thống thông tin quang
Ngay từ xa xưa để thông tin cho nhau, con người đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu.
Vào năm 1960, việc phát minh ra Laser để làm nguồn phát quang đó mở ra một thời kỳ
mới cú ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thụng tin sử dụng dải tần số ỏnh
sỏng. Sự kiện này gõy ra một sự cuốn hỳt đặc biệt đối với các nhà nghiên cứu hàng đầu
về thông tin trên thế giới, và tạo ra cỏc ý tưởng tập trung tỡm tũi giải phỏp sử dụng ỏnh
sỏng Laser cho thụng tin quang. Đó là điểm xuất phát của sự ra đời các hệ thống thông
tin quang.Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin
phong phú dần và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại
như ngày nay, tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi
và nhanh chóng.
Dưới đây là những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các
môi trường truyền dẫn khác, đó là:
 Suy hao truyền dẫn nhỏ
 Băng tần truyền dẫn rất lớn
 Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ
 Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao
 Có kích thước và trọng lượng nhỏ
 Sợi có tính cách điện tốt
 Độ tin cậy cao
 Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có
Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh mẽ
các nhà khai thác viễn thông. Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp
với các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, và tuyến trung kế mà còn có
tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin
cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.

Mô hình chung của một tuyến thông tin quang như sau:
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
55
Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang.
Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần
thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện
điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọ c
xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài. Phần thu
quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài
các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang (connector),
các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang
hoàn chỉnh.
Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy
hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm. Ba vùng
bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ
thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng. Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ
thứ nhất được sử dụng. Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy
hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu
hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba.
Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc
Laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin
quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng
điều biến. Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
66
Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương ứng và công
suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều biến. Bước sóng
làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo. Đoạn sợi quang ra
(pigtail) của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên
tuyến.

Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo
sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng
thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng
quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa tới.
Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện. Các photodiode PIN và
photodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các hệ
thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển
đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng
làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù
hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt. Đặc tính quan trọng nhất của
thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu
được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống
.
Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong
sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến. Cấu trúc của
thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào
nhau. Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín
hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang. Thiết bị phát
quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường
truyền. Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một
phần các thiết bị trạm lặp quang.
Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi quang
sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu. Các
nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và
phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi
này. Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang.
Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so
với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ (xem hình
1.2):
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B

77
O,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3O,7 1,4 1,5 1,6
(m)
Suy hao sợi (dB/km)
0
1
2
3
4
5
6
Single mode
Mul# mode
Phổ một nguồn sáng

Hình 1.2. Độ rộng phổ nguồn quang và dải thông của sợi quang.
Một ý tưởng hoàn toàn có lý khi cho rằng có thể truyền dẫn đồng thời nhiều tín
hiệu quang từ các nguồn quang có bước sóng phát khác nhau trên cùng một sợi quang.
Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM ra đời từ ý tưởng này.
1.2 Hệ thống WDM
1.2.1 Định nghĩa hệ thống WDM
Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng – WDM (Wavelength Devision Multiplexing)
là công nghệ “trong một sợi quang truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang với
nhiều bước sóng khác nhau”. Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau
được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp
đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối
khác nhau. WDM cũng chính là ghép kênh phân chia theo tần số – FDM (Frequency
Division Multiplexing).
Một hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng được
gọi là hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng hay cũn được gọi một cách

đơn giản là hệ thống WDM.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
88
Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là tận
dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang
đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thành
của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất. ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có quá
trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng
truyền dẫn. Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các
tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ
nào đó người ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc
độ truyền dẫn. Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không
thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải
pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao. Kỹ
thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên.
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống WDM được minh họa trong hỡnh 1.3
Hỡnh 1.3 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM
Các phần tử cơ bản của hệ thống WDM bao gồm: Bộ phát tín hiệu quang, bộ ghép
tín hiệu (MUX), sợi quang, bộ tách tín hiệu (DEMUX) và bộ thu tín hiệu quang. Các
phần tử này sẽ được nghiên cứu cụ thể ở phần sau.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
99
1.1.2 Phân loại hệ thống WDM
Có 3 cách để phân loại hệ thống WDM: Phân loại theo hướng truyền dẫn, phân
lọai theo phương pháp ghép kênh và phân loại theo cấu trúc hệ thống.
Phõn loại hệ thống WDM theo hướng truyền dẫn
Theo cách phân loại này hệ thống WDM được chia làm 2 loại: Hệ thống đơn
hướng và hệ thống song hướng như minh hoạ trên hình 1.4. Hệ thống đơn hướng chỉ
truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy, để truyền thông tin giữa 2 điểm cần 2 sợi
quang. Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên

chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm.
Hỡnh 1.4 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng
Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ
cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:
 Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp
đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ
thống song hướng.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
1010
 Về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn và cũng phải xét
thêm các yếu tố như: Vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi
quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang
không dùng chung một bước sóng…
 Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong
hệ thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song
hướng giảm một nửa theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại
sẽ cho công suất quang ngừ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng.
Phân loại hệ thống WDM theo phương pháp ghép kênh
Theo cỏch này cú thể chia hệ thống WDM thành 2 loại: Hệ thống DWDM (Dense
Wavelength Division Multiplexing) và hệ thống CWDM (Coarse Wavelength Division
Multiplexing).
 Hệ thống DWDM ( Dense Wavelength Division Multiplexing): Là hệ thống ghép
kênh theo bước sóng với mật độ dày đặc. Khoảng cách giữa 2 bước sóng kề nhau
trong một hệ thống DWDM điển hỡnh là 0,8 nm hay tương đương với 100 GHz
(ngoài ra cũng có các hệ thống DWDM khác với khoảng cách giữa 2 bước sóng kề
nhau là 12,5 GHz, 25 Ghz và 50 GHz). Dải bước sóng hoạt động của hệ thống
DWDM là băng C (1530 nm – 1565 nm) và băng L (1565 nm – 1625 nm). Với
khoảng cách kênh là 0,8 nm thì số kênh tối đa có thể được ghép theo lý thuyết là 119
kênh. Tốc độ điển hành của 1 kênh trong hệ thống DWDM là 2,5 – 10 Gbps. Như
vậy dung lượng của 1 hệ thống WDM là rất lớn, có thể lên đến cỡ Tbps. Công nghệ

WDM hiện nay đó đạt được dung lượng 5,12 Tbps với 32 kênh bước sóng, mỗi kênh
có tốc độ 160 Gbps. Tuy nhiên đó chỉ là hệ thống được tạo ra trong phòng thí
nghiệm. Trên thực tế hệ thống DWDM được sử dụng rộng rãi hiện nay thường là
mạng đường trục quốc gia và các tuyến cáp quang biển xuyên quốc gia có thể đạt
dung lượng cỡ hàng trăm Gbps. Hiện tại ở nước ta công ty Truyền dẫn Viettel đang
sử dụng hệ thống DWDM cho mạng mạng đường trục Bắc - Nam với dung lượng 40
Gbps (4 kênh bước sóng, tốc độ mỗi kênh 10 Gbps) và có thể nâng cấp lên 400 Gbps
(ghép 40 bước sóng).
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
1111
 Hệ thống CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing): Là hệ thống ghép
kênh theo bước sóng với mật độ thưa. Khoảng cách giữa 2 bước sóng kề nhau trong
một hệ thống CWDM điển hỡnh là 20 nm. Dải bước sóng hoạt động của hệ thống
CWDM là băng O (1260 nm – 1360 nm), băng E (1360nm – 1460 nm), băng S (1460
nm – 1530 nm), băng C (1530 nm – 1565 nm) và băng L (1565 nm – 1625 nm). Như
vậy một hệ thống CWDM điển hỡnh chỉ cú thể ghộp tối đa 18 kênh bước sóng, ít
hơn rất nhiều so với hệ thống DWDM. Mặt khác tốc độ của 1 kênh đơn được sử dụng
cũng khá thấp (chỉ từ 50 Mbps – 2,5 Gbps) do vậy dung lượng của hệ thống CWDM
là rất nhỏ so với hệ thống DWDM. Tuy nhiên hệ thống CWDM lại có ưu điểm hơn
hệ thống DWDM ở chỗ sử dụng các thiết bị đơn giản hơn, công suất tiêu thụ thấp
hơn, chi phí triển khai, vận hành và mở rộng ít hơn. Do vậy hệ thống CWDM mang
lại hiệu quả kinh tế cao đối với những yêu cầu về dung lượng không qúa lớn.
1.1.3 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM
Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đó rỳt ra được những ưu nhược điểm của
công nghệ WDM như sau:
Ưu điểm của hệ thống WDM:
 Tăng băng thông truyền trên sợi quang theo số lần tương ứng với số bước sóng được
ghép vào để truyền trên một sợi quang.
 Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nờn nú cú thể
hỗ trợ cỏc định dạng số liệu và thoại như: Chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit

Ethernet, IP
 Khả năng mở rộng: Những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thông
truyền dẫn trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng ở nhiều
cấp độ khác nhau.
Nhược điểm của hệ thống WDM:
 Số lượng kênh bước sóng được ghép vẫn cũn hạn chế.
 Quỏ trỡnh khai thỏc, bảo dưỡng phức tạp.
 Quỹ công suất quang bị giảm đi do tuyến truyền dẫn phải sử dụng cỏc thiết bị WDM.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
1212
 Do ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến nên số kênh bước sóng truyền trên sợi là
hạn chế và do đó sẽ hạn chế việc tăng dung lượng của hệ thống, nhất là đối với các hệ
thống cự ly xa.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
1313
CHƯƠNG 2: CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG
WDM

2.1 Thiết Bị Phát Quang - Diode Laser
2.1.1. Tổng quan về Laser
Nguồn quang là thiết bị quan trọng nhất của bộ phát quang. Nguồn quang là linh
kiện có khả năng chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang ở dải bước sóng truyền
trong sợi quang. Có hai loại nguồn quang, đó là Diode phát xạ (LED) và Diode Laser
(LD). Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng Diode Laser .
Laser là từ viết tắt của tờn gọi bằng tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation, cú nghĩa là "khuếch đại Ánh sáng bằng phát xạ kích thước".
Nguyên lý hoạt động cơ bản của Laser là kết quả của 3 quá trình chủ yếu: Quá trình hấp
thụ photon, bức xạ tự phát và bức xạ kích thích.
Như đó biết, theo lý thuyết dải năng lượng của vật chất, thỡ thụng thường các hạt
đều tồn tại ở mức cơ bản E

k
vỡ mức này cú năng lượng thấp nhất nên cũng bền vững
nhất. Chỉ cần kích thích một năng lượng nào đó, ví dụ như quang năng, điện năng, nhiệt
năng thỡ cỏc hạt ở mức cơ bản sẽ di chuyển lên mức năng lượng cao hơn, gọi là cỏc
mức kớch thớch (E
i
). Cỏc hạt chỉ tồn tại ở cỏc mức kớch thớch một thời gian rất ngắn
khoảng 10
-8
giây rồi nó lại dịch chuyển về các mức năng lượng thấp hơn và phát ra ánh
sáng, hay cũn gọi là cỏc photon. Photon phỏt ra theo định luật bảo toàn năng lượng:
hớ = E
i
- E
k
(2. 1)
Từ đó tính được tần số bức xạ của ánh sáng:
ớ = (E
i
- E
k
)/h (2.2)
Trong đó h là hằng số Plank, h = 6,625.10
-34
J.s = 4,16.10
-15
eV.s.
Ta cũng tính được bước sóng ở của ánh sáng phát ra khi đó biết tần số ớ:
ở = c/ớ (2.3)
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B

1414
Trong đó c là vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 299792458 m/s ≈ 3.108 m/s.
Quỏ trỡnh hấp thụ là quỏ trỡnh mà tại đó khi có một photon tương tác với vật
chất thỡ một điện tử ở mức năng lượng cơ bản E
k
sẽ nhận thêm năng lượng của photon
(quang năng) và nhảy lên mức năng lượng kích thích E
i
.
Bức xạ tự phỏt là quỏ trỡnh mà cỏc điện tử nhảy lên mức năng lượng kích thích
E
i
, nhưng chúng nhanh chóng trở về mức năng lượng cơ bản E
k
và phát ra photon có
năng lượng hớ. Mỗi một bức xạ tự phát ta thu được một photon. Hiện tượng này xảy ra
không có sự kích thích bên ngoài nào và được gọi là quá trỡnh bức xạ tự phỏt. Bức xạ
này đẳng hướng và có pha ngẫu nhiên.
Nếu có một photon có năng lượng hớ tới tương tác với vật chất mà trong lúc đó
có một điện tử đang cũn ở trạng thỏi kớch thớch E
i
, thỡ điện tử này được kích thích và
ngay lập tức nó di chuyển trở về mức năng lượng cơ bản E
k
và bức xạ ra một photon
khác có năng lượng cũng đúng bằng ớh . Photon mới bức xạ ra này cú cựng pha với
photon đi đến và được gọi là bức xạ kích thích (hay bức xạ cảm ứng).
Cấu tạo chung của một máy Laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất
Laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng là bộ phận chủ
yếu. Trên hỡnh 2.1 là cấu tạo cơ bản của một Laser điển hỡnh: 1 là buồng cộng hưởng

(vùng bị kích thích), 2 là nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích), 3 là
gương phản xạ toàn phần, 4 là gương bán mạ, 5 là tia Laser.
Hỡnh 2.1 Cấu tạo cơ bản của Laser
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
1515
Cơ chế hoạt động của Laser có thể được miêu tả như sau: Dưới sự tác động của
hiệu điện thế cao, các electron của hoạt chất Laser di chuyển từ mức năng lượng thấp lên
mức năng lương cao tạo nên trạng thái đảo nghịch mật độ của electron; ở mức năng
lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng các
hạt photon; các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, va
phải các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh
thêm các photon cùng tần số, cựng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây
chuyền khuyếch đại dũng ỏnh sỏng; cỏc hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong
buồng cộng hưởng, nhờ các gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng; một số photon
ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu,tia sáng đi ra chính là tia Laser.
2.1.2 Cấu tạo và hoạt động của Diode Laser
Diode Laser một loại Laser cú cấu tạo tương tự như một Diode. Nó có môi trường
kích thích là chất bỏn dẫn dạng p-n nối tiếp của Diode. Diode Laser hoạt động gần giống
với Diode phỏt quang. Nó cũng được gọi là đèn Diode nội xạ và được viết tắt là LD hay
ILD.
Khi ống Diode được kích ứng, ví dụ như được đặt dưới hiệu điện thế, cỏc lỗ trống
trong phần bỏn dẫn loại p chuyển qua phần bỏn dẫn loại n và cỏc electron trong phần
bỏn dẫn loại n sang phần bỏn dẫn loại p. Khi các electron gặp các lỗ trống, chúng rới
xuống mức năng lượng thấp (và bền) hơn, giải phóng năng lượng dư thừa qua photon với
năng lượng bằng với chênh lệch năng lượng trong và ngoài lỗ trống. Trong điều kiện
thích hợp, các electron và các lỗ trống có thể cùng tồn tại trong cùng một diện tớch trong
một khoảng thời gian (tính trên phần triệu giây) trước khi chúng sát nhập. Nếu photon có
cùng tần số được phát ra trong khoảng thời gian trên, nó sẽ kích thích sự phát xạ của
photon khác, cùng một hướng, cùng độ phõn cực và đồng pha với photon đầu tiên.
Quỏ trỡnh bức xạ kớch thớch sẽ chỉ trội hơn quá trỡnh hấp thụ nếu độ chiếm giữ

của các trạng thái kích thích lớn hơn độ bị chiếm giữ của các trạng thái cơ bản. Điều kiện
này được gọi là sự đảo mật độ chiếm giữ trong chất bán dẫn. Trong Diode Laser, sự đảo
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
1616
mật độ chiếm giữ xảy ra trong trường hợp các hạt dẫn đa số khuếch tán ồ ạt qua tiếp xúc
P-N. Điều này chỉ xảy ra khi dũng điện thuận qua Diode phải vượt quá trị số dũng điện
ngưỡng như chỉ ra ở hỡnh 2.2. Hỡnh 2.2 biểu thị sự phụ thuộc của cụng suất phỏt của
Laser vào dũng điện chạy qua Diode.
Hỡnh 2.2 Đặc tuyến bức xạ của Diode Laser
Vật liệu bán dẫn của Diode Laser phải là bán dẫn có sự tái hợp trực tiếp và năng
lượng photon gần bằng độ rộng vùng cấm (hớ ≈ E
G
). Để tăng độ phát sáng của Laser
phải sử dụng chất bán dẫn được pha tạp với nồng độ tạp chất rất cao (hay cũn gọi là sự
pha tạp suy biến).
Trong thụng tin quang, cỏc Laser phải bức xạ ra ỏnh sỏng thuộc 3 cửa sổ cụng tỏc
của sợi quang là ở = 850 nm, 1300 nm, và 1550 nm. Vật liệu bán dẫn thường được chọn
trên nền GaAs. Chất Galium Asenid cho bức xạ ở nhiệt độ 3000K với ở = 900 nm, muốn
cú bức xạ ở = 800 nm ta cần phải thay đổi độ rộng vùng cấm của nó bằng cách pha thêm
nhôm vào để có chất bán dẫn GaAlAs. Để có bức xạ bước sóng từ ở = 1200 nm đến 1600
nm thỡ sử dụng hợp chất 4 thành phần InGaAsP.
Bức xạ kích thích trong Laser bán dẫn được sinh ra bên trong một hốc cộng
hưởng Fabry- Perot. Hỡnh 2.3 mụ tả một cấu trỳc cơ bản của hầu hết các loại Diode
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
1717
Laser. Tuy nhiên hốc cộng hưởng rất nhỏ, kích thước chiều dài khoảng từ 250 đến
500ỡm, chiều rộng khoảng từ 5 đến 15ỡm và bề dày khoảng từ 0,1 đến 0,2ỡm. Các kích
thước này được gọi chung là kích thước chiều dọc, cạnh bên và chiều ngang của hốc
cộng hưởng.
Hỡnh 2.3 Cấu trỳc của một Diode Laser với hốc cộng hưởng Fabry- Perot

Trong hốc cộng hưởng Fabry Perot của Diode Laser, có một bộ phận các gương
phản chiếu được định hướng. Các mặt gương được tạo ra bằng 2 mặt chẻ tách tự nhiên
của tinh thể bán dẫn (mặt 110). Mục đích của các gương này là để cung cấp sự hồi tiếp
quang theo hướng chiều dài, và sẽ biến cấu kiện thành một máy phát với hệ số tăng ích
để bù lại sự tổn thất quang trong hốc cộng hưởng. Hốc cộng hưởng của Laser có thể có
nhiều tần số cộng hưởng. Cấu kiện sẽ phát ra ánh sáng tại các tần số cộng hưởng mà tại
đó hệ số tăng ích của nó đủ để vượt qua được sự mất mát. Các cạnh bên của hốc cộng
hưởng được hỡnh thành bởi cỏc cạnh thụ, xự xỡ của cấu kiện để hạn chế các bức xạ
không mong muốn trong các hướng này.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
1818
2.1.3 Diode Laser trong hệ thống WDM
2.1.3.1 Diode Laser hồi tiếp phân tán
Trong hệ thống WDM nhất là hệ thống ghép bước sóng có mật độ cao DWDM
cần có những Laser đơn mode tạo ra một mode dọc chính, cũn lại cỏc mode bờn cần
được loại bỏ. Laser đơn mode có nhiều loại, điển hỡnh là Laser hồi tiếp phõn tỏn
(Distributed Feedback ).
Cấu tạo
Đây là một loại Diode Laser không cần các mặt tách bóc tinh thể để tạo gương
phản xạ quang. Ở DFB gần như tạo được độ chọn lọc mốt ánh sáng rất tốt dựa trên sự
lan truyền sóng trong một cấu trúc tuần hoàn. Một Diode Laser loại DFB tiêu biểu được
mô tả trong hỡnh 2.4. Cấu tạo của Laser loại này cũng giống như loại Fabry Perot nhưng
sự hoạt động bức xạ được thực hiện nhờ bộ gương phản chiếu Bragg, đó là các cách tử
tuần hoàn, hoặc nhờ sự thay đổi theo chu kỳ của chiết suất mà nó được hợp thành trong
cấu trúc nhiều lớp dọc theo chiều dài của Diode Laser.
Hỡnh 2.4 Cấu trỳc của một Diode Laser phản hồi- phõn tỏn
Nguyờn lý hoạt động
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
1919
Laser DFB gồm có một lớp cách tử nhiễu xạ có cấu trúc chu kỳ đặt cạnh lớp hoạt

tính để tạo ra ánh sáng suốt chiều dài khoang cộng hưởng với mục đích nén các mode
bên trong và chọn lọc tần số như hỡnh 2.5.
Hỡnh 2.5 Nguyờn lý hoạt động Diode Laser hồi tiếp phân tán
Sóng quang lan truyền song song với cách tử, do cách tử có cấu trúc hoàn toàn
theo chu kỳ tạo hiện tượng giao thoa giữa hai sóng ghép lan truyền ngược nhau. Để hiện
tượng giao thoa này xảy ra thỡ sau một chu kỳ cỏch tử pha thay đổi 2ðm (m là số nguyên
được gọi là bậc của nhiễu xạ Bragg), tức là:
2ðm = 2ậðn/ở
B
(2.4)
Trong đó: n triết xuất hiệu dụng của mode, ậ là chu kỳ cỏch tử, hệ số 2 suất hiện
trong biểu thức vỡ ỏnh sỏng phản xạ hai lần để cùng pha với sóng tới. Những điều kiện
trên không thoả món thỡ ỏnh sỏng tỏn xạ cỏch tử sẽ triệt tiờu nhau, kết quả là chỉ cú cú
bước sóng thoả món là ở
B
. Khi m = 1 thỡ ở
B
được gọi là bước sóng bậc một và ở
B
= 2ận.
Nói chung, tín hiệu quang hoàn toàn lấy ra từ mặt trước của Laser, có nghĩa là,
một mặt của nó được đặt thẳng hàng với sợi quang. Trong trường hợp này, một gương
phản chiếu bằng chất cách điện có thể được lắng đọng trên mặt sau của Laser để giảm sự
mất mát quang trong hốc cộng hưởng, để giảm mật độ dũng điện ngưỡng, và để tăng
hiệu suất lượng tử ngoài. Với gương phản chiếu 6 lớp, độ phản xạ có thể đạt tới trên 98%
.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
2020
2.1.3.2 Diode Laser dùng buồng cộng hưởng ngoài
Diode Laser có thể điều chỉnh được bước sóng là linh kiện quang then chốt của hệ

thống WDM và mạng chuyển mạch quang. Một phương pháp đơn giản để chế tạo Laser
có thể điều chỉnh được bước sóng phát ra là sử dụng bộ chọn lọc bước sóng ngoài, tức là
kết hợp Laser và một bộ lọc bước sóng. Đó chính là Diode Laser dùng buồng cộng
hưởng ngoài. Bộ lọc ngoài sẽ chọn lọc một mode sóng phù hợp với bước sóng của một
mode sóng Fabry Perot nào đó bằng cách điều chỉnh các tham số của bộ lọc.
Có rất nhiều cấu trúc của bộ lọc ngoài được áp dụng nhưng chủ yếu vẫn là
phương pháp dùng cách tử nhiễu xạ có cầu trúc như hình 2.6.
Hỡnh 2.6 Cấu trỳc Diode Laser dựng buồng cộng hưởng ngoài
Một trong những mặt cuối của Laser được phủ một lớp chống phản xạ. Các tia
sáng từ Laser đi qua lớp chống phản xạ, qua thấu kính biến thành chùm tia sáng song
song đập vào cách tử. Cách tử đóng vai trũ vừa là gương phản xạ vừa là bộ lọc bước
sóng hẹp. Khi qua cách tử tia sáng sẽ được chọn lọc bước sóng và phản xạ ngược trở lại
vào thấu kính sau đó quay trở về Laser để tạo ra tia sáng co bước sóng mong muốn. Mọi
thay đổi của cách tử đều dẫn đến thay đổi bước sóng lựa chọn. Nếu ta quay cách tử thỡ
cú thể điều chỉnh thô bước sóng quang đầu ra. Cũn nếu ta điều chỉnh cách tử theo chiều
dọc thỡ cú thể tinh chỉnh được bước sóng quang đầu ra. Với công nghệ này có thể điều
chỉnh được bước sóng trong khoảng 50-240 nm tại bước sóng 1550 nm.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
2121
Ưu điểm chính của loại phát quang này là độ rộng phổ phát cực hẹp và có thể điều
chỉnh bước sóng trong phạm vi rộng. Cũn nhược điểm chính là tốc độ điều chỉnh thấp,
thể tích tương đối lớn, độ ổn định về cơ không cao.
2.1.4 Ổn định bước sóng và yêu cầu độ rộng phổ của Diode Laser
Trong Diode Laser chỉ có một số sóng ánh sáng có bước sóng nhất định mới có
thể lan truyền được trong bộ cộng hưởng, cụ thể là những bước sóng thừa món điều kiện
sau:
ở = 2nL/m (2.5)
Trong đó m là một số nguyên, n là chiết suất của chất bán dẫn, L là chiều dài hộp cộng
hưởng.
Laser chỉ khuyếch đại những bước sóng thỏa món điều kiện (2.5). Mỗi bước sóng

đó gọi là một mode dọc, hay đơn giản là mode. Tập hợp đỉnh của các mode này tạo
thành đường bao phổ bức xạ của Diode Laser.
Hỡnh 2.7 a, Các mode trong Diode Laser b, Đường bao vạch phổ khi Laser hoạt động
duới mức ngưỡng c, Đường bao vạch phổ khi Laser hoạt động trên mức ngưỡng d, Phổ
phát xạ của Diode Laser
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
2222
Từ công thức (2.5) xác định tần số cộng hưởng, cũng chính là tần số phát của Laser:
ớ = cm/(2Ln) (2.6)
Cũng từ (2.6) ta cú khoảng cỏch tần số giữa 2 mode liờn tiếp:
Äớ = c/(2Ln) (2.7)
Mặt khỏc do c = ớở nờn:
Äớ/ớ = Äở/ở (2.8)
Từ đây suy ra khoảng cách bước sóng giữa 2 mode liên tiếp:
Äở = ở
2
/(2Ln) (2.9)
Trong hệ thống WDM, phải quy định và điều chỉnh chính xác bước sóng của
Diode Laser, nếu không, sự trôi bước sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thống
không ổn định hay kém tin cậy. Hiện nay chủ yếu dùng hai phương pháp điều khiển
Diode Laser : Thứ nhất là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua nhiệt độ chip của
bộ kích quang để điều khiển giám sát mạch điện điều nhiệt với mục đích điều khiển bước
sóng và ổn định bước sóng; thứ hai là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua việc
giám sát bước sóng tín hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự trênh lệnh trị số giữa điện áp đầu
ra và điện áp tham khảo tiêu chuẩn để điều khiển nhiệt độ của bộ kích quang, hỡnh
thành kết cấu khộp kớn chốt vào bước sóng trung tâm.
Việc chọn độ rộng phổ của Diode Laser nhằm đảm bảo cho các kênh hoạt động
một cách độc lập với nhau hay nói cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phía thu
giữa các kênh lân cận. Băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênh ghép được
rất lớn (ở cả hai cửa sổ truyền dẫn). Tuy nhiên, trong thực tế các hệ thống WDM thường

đi liền với các bộ khuếch đại quang sợi, làm việc chỉ ở vùng cửa sổ 1550 nm, nên băng
tần của hệ thống WDM bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch đại (từ 1530 nm đến
1565 nm cho băng C; từ 1570 đến 1603 nm cho băng L). Như vậy một vấn đề đặt ra khi
ghép là khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải thoả món được yêu cầu tránh chồng
phổ của các kênh lân cận ở phía thu, khoảng cách này phụ thuộc vào độ rộng phổ của
nguồn phát, tán sắc sợi, các hiệu ứng phi tuyến
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
2323
2.2 Bộ ghộp/tách tín hiệu
Ghộp tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng
tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tách tín hiệu WDM là sự phân
chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng lẻ tại mỗi cổng đầu ra
của bộ tách. Hiện nay, đó cú cỏc bộ tỏch/ghộp tớn hiệu WDM như: Bộ lọc màng mỏng
điện môi, cách tử Bragg, linh kiện quang tổ hợp, bộ lọc Fabry-Perot
2.2.1 Bộ lọc màng mỏng điện môi
Trong kỹ thuật WDM loại bộ lọc quang được sử dụng phổ biến nhất là bộ lọc
màng mỏng điện môi (Thin Film Filter - TFF). TFF làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín
hiệu ở một dải phổ nào đó và cho phần dải phổ cũn lại đi qua. Bộ lọc này thuộc loại bộ
lọc bước sóng cố định. Cấu trúc của nó gồm một khoang cộng hưởng bằng điện môi
trong suốt, hai đầu khoang có các gương phản xạ được cấu tạo từ nhiều lớp màng mỏng
điện môi có chiết suất cao (TiO
2
cú n = 2,2) và chiết suất thấp (MgF
2
cú n = 1,35 hoặc
SiO
2
cú n = 1,46) xen kẽ nhau. Mỗi lớp cú bề dày n
e
= ở

0
/4 (đối với bộ lọc bậc 0) hoặc n
e
= 3ở
0
/4 (đối với bộ lọc bậc 1), với ở
0
là bước sóng trung tâm. Hỡnh 2.8 mụ tả cấu tạo bộ
lọc màng mỏng điện môi.
Hỡnh 2.8 Cấu trỳc bộ lọc màng mỏng điện môi
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
2424
Các bộ lọc này hoạt động dựa trên nguyên tắc của buồng cộng hưởng Fabry-
Perot. Đây là bộ lọc cộng hưởng có tính chọn lọc bước sóng. Sóng ánh sáng nào có thể
tạo ra trong khoang cộng hưởng một sóng đứng (chiều dài khoang cộng hưởng bằng bội
số nguyên lần nửa bước sóng) thỡ sẽ lọt qua được bộ lọc và có công suất cực đại tại đầu
ra.
Trên cơ sở đó người ta chế tạo bộ lọc màng mỏng nhiều khoang cộng hưởng với
các đặc tính phổ khác nhau. Bộ lọc này có thể gồm hai hoặc nhiều khoang tách biệt nhau
bởi các lớp màng mỏng điện môi phản xạ. ảnh hưởng của nhiều khoang đến đặc tính
cộng hưởng của bộ lọc được thể hiện trong hỡnh 2.9. Số khoang càng nhiều thỡ đỉnh
hàm truyền đạt càng phẳng và sườn càng dốc. Cả hai đặc tính này của bộ lọc đều rất cần
thiết.
Hỡnh 2.9 Hàm truyền đạt của bộ lọc điện môi màng mỏng
Để tách được nhiều bước sóng người ta sử dụng nhiều bộ lọc nối với nhau theo
cấu trúc tầng như hỡnh 2.10
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
2525