Đồ án MAN chuyển mạch trong mạng lựa chọn bước sóng

Mục lục
Mục lục.............................................................................................................................................i
Thuật ngữ viết tắt.............................................................................................................................i
LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................................2
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG.............................................................................................3
1.1Mục tiêu và phương pháp tiếp cận ............................................................................. 5
1.1.1 Mục tiêu ........................................................................................................... 5
1.1.2 Phương pháp tiếp cận ....................................................................................... 7
1.2 Các phần tử cơ bản của mạng MAN đơn chặng lựa chọn bước sóng dựa trên AWG . 8
1.2.1 Bộ kết hợp và bộ chia quang ............................................................................. 9
1.2.2 Coupler hình sao thụ động (PSC) .................................................................... 10
2.1.3 Cách tử ống dẫn sóng (AWG) ........................................................................ 10
1.2.4 Các máy phát và thu ....................................................................................... 14
Các nguồn quang băng thông rộng .................................................... 14
Laser ................................................................................................ 15
Các bộ lọc quang .............................................................................. 16
1.3 Các suy giảm truyền dẫn ......................................................................................... 18
1.3.1 Suy hao .......................................................................................................... 18
1.3.2 Tán sắc ........................................................................................................... 18
Tán sắc mode .................................................................................... 18
Tán sắc ống dẫn sóng ....................................................................... 19
Tán sắc màu ..................................................................................... 19
Tán sắc mode phân cực ..................................................................... 19
1.3.3 Phi tuyến ........................................................................................................ 19
Điều chế tự pha ................................................................................ 20
Điều chế chéo pha ........................................................................... 20
Hiệu ứng trộn bốn sóng ................................................................... 20
Phân bố Raman kích thích ................................................................ 20
Phân bố Brillouin kích thích ............................................................. 20
1.3.4 Xuyên âm ....................................................................................................... 21
1.3.5 Nhiễu .............................................................................................................. 21

Sự phát xạ tự phát bộ khuyếch đại .................................................... 21
Nhiễu hạt .......................................................................................... 21
Nhiễu nhiệt ....................................................................................... 22
CHƯƠNG II. CÁC MẠNG WDM NỘI THỊ...............................................................................23
2.1 Các mạng WDM nội thị ring ................................................................................... 23
2.1.1 Mạng Komnet ................................................................................................. 23
2.1.2 RINGO ........................................................................................................... 24
2.1.3 HORNET ....................................................................................................... 26
2.1.4 IEEE 802.17 RPR ........................................................................................... 27
2.2 Các mạng WDM nội thị hình sao ........................................................................... 27
2.2.1 RAINBOW ..................................................................................................... 27
2.2.2 Telstra ............................................................................................................ 28
2.2.3 NTT ................................................................................................................ 29
2.3 Các mạng WDM đơn chặng .................................................................................... 30
2.3.1 Các giao thức phân bổ trước ........................................................................... 32
Các giao thức có xung đột bộ thu ...................................................... 32
Các giao thức mà không xung đột bộ thu .......................................... 32
3.3.2 Các giao thức truy nhập ngẫu nhiên ................................................................ 33
Các giao thức có xung đột bộ thu ...................................................... 33
Các giao thức không xung đột bộ thu ................................................ 33
3.3.3 Các giao thức đặt trước ................................................................................... 34
Các giao thức có xung đột bộ thu ...................................................... 34
Các giao thức không có xung đột ở bộ thu ........................................ 37
2.3.4 Các giao thức lai ............................................................................................ 42
CHƯƠNG III. MẠNG MAN ĐƠN CHẶNG LỰA CHỌN BƯỚC SÓNG DỰA TRÊN AWG
.......................................................................................................................................................44
3.1. Các yêu cầu mạng .................................................................................................. 44
3.2. Kiến trúc mạng ..................................................................................................... 45
3.2.1. Các nguyên lý cơ bản ..................................................................................... 45
3.2.1.1. Lát phổ quang học ............................................................... 45

3.2.1.2. Trải phổ điện ....................................................................... 47
Sự lan rộng phổ điện tử .................................................................... 47
3.2.2 Kiến trúc mạng và node mạng ........................................................................ 48
3.2.3 So sánh kiến trúc mạng ................................................................................... 51
3.2.3.1. Các mạng dựa trên AWG đơn chặng và đa chặng ................ 52
* Dung lượng ......................................................................................................... 56
* Ưu nhược điểm của mạng đơn chặng .................................................................. 60
3.2.3.2. Mạng đơn chặng dựa trên AWG và PSC .............................. 63
Kiến trúc và gán bước sóng .................................................................................... 65
3.2.3.3 Phân tích ............................................................................... 70
Tính toán với một số thông số ................................................................................. 73
* Kết luận ................................................................................................................ 78
3.3. Giao thức MAC ..................................................................................................... 79
ii
3.3.1. Giao thức ....................................................................................................... 79
Thuận toán đồng bộ .......................................................................... 81
3.3.2. Một ví dụ minh họa ....................................................................................... 86
iii

Thuật ngữ viết tắt
ỏn tt ngip i hc
LI NểI U
Đô thị là nơi tập trung đông đúc dân c và các doanh nghiệp phát triển của một
quốc gia, là nơi xuất phát điểm của các nhu cầu đa dịch vụ dung lợng lớn, tốc độ cao,
tin cậy và giá thành thấp. MAN có vai trò rất quan trọng trong việc đáp ứng các yêu
cầu đó.
Sự ra đời của kĩ thuật ghép kênh theo bớc sóng WDM cho phép phát triển mạng
quang đô thị thành mạng quang băng rộng, có khả năng đáp ứng nhu cầu truyền dẫn đa
dịch vụ hỗn hợp tốc độ cao và dễ dàng triển khai các dịch vụ mới.
Đợc sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo ThS. Cao Hồng Sơn em đã tìm hiểu một số

vấn đề trong MAN chuyển mạch gói đơn chặng lựa chọn bớc sóng. Nội dung của đồ án
gồm 3 chơng:
Chơng 1: Giới thiệu chung
Chơng 2: Các mạng WDM nội thị
Chơng 3: Mạng MAN đơn chặng lựa chọn bớc sóng dựa trên AWG
Do hạn chế về khả năng cũng nh thời gian nên đồ án không tránh khỏi những hạn
chế và thiếu sót, em mong nhận đợc ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS. Cao Hồng Sơn đã quan tâm giúp đỡ tận
tình để em hoàn thành đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã giúp
đỡ em trong những năm học vừa qua.
SV. Trần Nh Cơng
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG
Mục đích ban đầu của các mạng viễn thông và Internet là cung cấp truy nhập
thông tin tới bất cứ nơi đâu vào bất cứ thời điểm nào và dưới bất cứ hình thức nào
chúng ta cần. Để đạt được mục tiêu này các công nghệ quang và không dây đóng một
vai trò quyết định trong mạng viễn thông tương lai. Các mạng quang và không dây có
tính bổ sung cho nhau. Mạng quang cho phép cung cấp một băng thông rất lớn mặc dù
nó không thể xuất hiện ở mọi chỗ. Ngược lại, các mạng không dây có khả năng xuất
hiện ở mọi chỗ nhưng lại chỉ có khả năng cung cấp các kênh truyền dẫn có băng thông
giới hạn tuỳ thuộc vào việc triển khai khác nhau. Khác với các kênh không dây, sợi
quang có một số ưu điểm về đặc tính truyền dẫn như là suy hao nhỏ, băng thông rộng và
không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ.
Các mạng quang là môi trường trung gian để cung cấp đủ băng thông khi số người
sử dụng đang tăng nhanh. Có hai thế hệ mạng quang, ở hình 1.1a, mạng quang thế hệ
thứ nhất thay thế các dây đồng bằng các sợi quang trong khi các node vẫn là điện. Trong
mạng này cách chuyển đổi tín hiệu quang - điện - quang (OEO) xảy ra ở mỗi node. Ban
đầu, mỗi sợi quang chỉ mang một bước sóng như trong các chuẩn FDDI và IEEE 802.6.
Để giải quyết khả năng tăng nhanh các lưu lượng dữ liệu và để tận dụng tối đa băng
thông của các sợi quang EDFA ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) đã ra đời

đầu những năm 90. Nhờ WDM, mỗi kết nối sẽ mang nhiều bước sóng, mỗi bước sóng
hoạt động ở một tốc độ khác nhau.
Hình 1.1 Các mạng quang: a. Thế hệ thứ nhất
b. Thế hệ thứ hai
Trong thế hệ thứ hai của mạng quang (hình 1.1b), các chuyển đổi OEO chỉ xảy ra
tại các node nguồn và node đích, trong khi tất cả các node trung gian hoàn toàn là
quang. Bằng cách sử dụng các node trung gian quang, các thắt cổ chai quang điện được
loại bỏ và số lượng các card cổng giảm đi. Kết quả là chi phí mạng giảm đáng kể. Điều
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
này là một trong các yếu tố quan trọng nhất đối với mạng quang. Hơn thế, các đường
dẫn toàn quang từ đầu cuối đến đầu cuối có thể cung cấp các kênh trong suốt cho người
sử dụng. Người sử dụng có thể tự chọn tốc độ bít, định dạng khối và giao thức. Sự trong
suốt này cho phép dễ dàng hỗ trợ các bảo mật khác nhau cũng như các dịch vụ trong
tương lai.
Hình 1.2: Các chồng giao thức:
a) IP/ATM/SONET(SDH)/WDM
b) Chi tiết cấu trúc lớp của IP/ATM/SONET/WDM
c) Chồng giao thức đơn giản IP/WDM
Trong tương lai lưu lượng trong các mạng quang sẽ chủ yếu là IP. Thường thì, các
truyền dẫn gói IP trong các mạng quang WDM được thực hiện theo kiểu trộn lẫn và
kiểu ghép. Hình 1.2 mô tả trồng giao thức IP/ATM/SONET (SDH)/WDM mà hiện nay
các mạng đang triển khai để truyền dẫn các gói IP. Các gói tin IP có kích cỡ khác nhau
được phân mảnh thành các tế bào ATM với kích thước cố định rồi được truyền trên các
khung SONET/SDH thông qua các kết nối WDM quang. Trồng giao thức này đòi hỏi
một số thao tác sắp xếp giữa các giao thức. Điều này không chỉ làm tăng chi phí và độ
phức tạp của mạng mà còn có xu hướng tạo ra các nghẽn cổ chai tính toán trong các
mạng tốc độ cao. Hơn thế, như hình 1.2 chỉ ra trồng giao thức này là không hiệu quả vì
cùng một khía cạnh quan tâm của mạng và tầng kết nối dữ liệu được đánh địa chỉ ở mỗi
giao thức. Điều này dẫn đến các chức năng thừa và các sơ đồ kết nối tầng phức tạp. Để
tránh những sự không hiệu quả này và để đơn giản sự hoạt động của mạng, cấu trúc

tầng giao thức phức tạp trên có thể được thay thế bằng chồng giao thức IP/WDM ít
phức tạp hơn nhiều. Chức năng ATM của kĩ thuật lưu lượng (QoS) sẽ được hấp thụ vào
trong tầng IP nhờ sử dụng chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS). Và các khả năng
truyền dẫn của SONET/SDH (bảo vệ và tái cấu hình) sẽ được hấp thụ bởi tầng WDM
quang. Nhờ đó các mạng WDM tương lai sẽ có trồng giao thức rất đơn giản là IP/WDM
như được mô tả trong hình 1.2c.
IP
ATM
SONET/SDH
WDM
Network
Data link
Network
Data link
Network
Data link
Physical
(WDM)
IP & MPLS
WDM & Protection/Restoration
SONET
ATM
IP
a) b) c)
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
Mạng IP WDM quang lắm các hứa hẹn rất lớn cho việc cung cấp hiệu quả một
băng thông lớn với độ phức tạp của mạng nhỏ mặc dầu các công nghệ quang hiện nay
vẫn còn một số giới hạn về tính ổn định và tính hiệu quả về mặt chi phí. Tuy nhiên,
đáng chú ý là, trong tương lai sự phức tạp và chi phí trong các mạng WDM quang có thể
được giải quyết.

1.1 Mục tiêu và phương pháp tiếp cận
1.1.1 Mục tiêu
Trong hình 1.3, mô hình của mạng truyền thông sẽ gồm các mạng đường trục,
mạng nội thị, mạng truy nhập trong đó các mạng sau sẽ thu thập/phân phối dữ liệu
từ/đến các trạm trung gian khác ví dụ như các trạm không dây và các LAN.
Các LAN gigabit Ethernet cùng với chuẩn 10 GbE IEEE 802.3ae được hoàn thiện
năm 2002 được hi vọng sẽ cung cấp đủ băng thông cho ít nhất 5 năm tới. Các công ti
điện thoại đã triển khai một số dạng của đường dây thuê bao số (DSL) và các công ti
cáp triển khai các modem cáp. Nghẽn cổ chai ở bước truy nhập đầu tiên sẽ được loại bỏ
nhờ ứng dụng chuẩn IEE802.3ab Ethernet mà được đề cập vào tháng 9 năm 2003. Các
công nghệ truy nhập băng rộng này cùng với các dịch vụ không dây thế hệ tiếp theo ví dụ
như UMTS và các LAN không dây (WLAN) và các giao thức tốc độ cao như ATM,
Mạng đường trục
WDM quang
Truy nhập không dây

(eg..UMTS,WWLAN)
xDSL,
cable
modem
ATM, FR, SDH,
IP, GbE
ESCON,
Kênh sợi
Mạng đô thị
Mạng truy nhập
(HFC, FTTx)
Kết nối
nội thị
Kết nối

nội thị
Kết nối liên
mạng
Hình 1.3. Mạng phân cấp (được định nghĩa ở phụ lục B)
Kết nối đường trục
Kết nối đường trục
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
FRAME RELAY (FR) IP, ESCON và kênh sợi quang sẽ đòi hỏi băng thông rất lớn và chất
lượng dịch vụ QoS hỗ trợ từ các mạng cao hơn.
Nằm giữa các thuê bao tốc độ cao và các đường dẫn cực lớn của mạng đường trục
là mạng truy nhập và mạng nội thị. Ban đầu các mạng truy nhập là các hệ thống HFC
trong đó chỉ có phần nguồn nuôi ở giữa tổng đài trung tâm và node ở xa của mạng là
quang còn mạng phân tán giữa node ở xa và các thuê bao vẫn là điện. Kết quả là, các
mạng truy nhập FTTx đang nhận được sự chú ý rất lớn. Các mạng FTTx, nghĩa là mạng
sợi quang tới đầu cáp FTTC hay sợi quang tới nhà FTTH, là mạng hoàn toàn quang
nghĩa là tín hiệu được truyền dẫn thông qua sợi quang từ tổng đài trung tâm hoặc tất cả
các con đường tới khách hàng. Về lí do chi phí nên các mạng truy nhập toàn quang đều
không được cấp nguồn hay còn được gọi tương ứng là các mạng quang thu động (PON).
Các PON đã được xem xét cho mạng truy nhập kể từ giữa những năm 90 trước cả khi
nhu cầu băng thông cho Internet bùng nổ. Gần đây, các PON Ethernet cải tiến đang trở
thành ứng viên đầy hứa hẹn để cung cấp đầy đủ băng thông cho truyền dẫn hiệu quả lưu
lượng dữ liệu.
Các mạng nội thị hiện nay chủ yếu là các mạng vòng SONET/SDH. Các mạng này
có một số nhược điểm:
- Việc giám sát kênh cho các mạng SONET/SDH mất quá nhiều thời gian thường
là từ 6 tuần đến 6 tháng. Do đó giám sát dịch vụ nhanh là điều không thể
- Thiết bị SONET/SDH rất đắt và làm giảm đáng kể vùng phủ trong thị trường nội
thị rất nhạy cảm với chi phí trong đó chi phí chỉ được chia sẻ bởi một lượng ít khách
hàng hơn nhiều so với mạng đường trục. Chính chi phí cao đã ngăn cản các công ti mới
tham gia vào thị trường nội thị.

- Việc nâng cấp một mạng vòng SONET/SDH ảnh hưởng tới tất cả các node chứ
không chỉ các node nguồn và node đích mong muốn truyền thông ở tốc độ dữ liệu cao
hơn.
- Cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động (APS) của SONET/SDH (bảo vệ 1+1) là
không hiệu quả về mặt băng thông bởi vì các đường bảo vệ và làm việc đều mang cùng
loại lưu lượng.
- SONET/SDH được thiết kế cho lưu lượng đối xứng. Do đó, lưu lượng IP không
đối xứng truyền dẫn không hiệu quả.
- Hoạt động TDM tập trung thoại không có khả năng hỗ trợ hiệu quả lưu lượng dữ
liệu có tính bùng nổ dẫn đến việc lãng phí băng thông.
Những nhược điểm được đề cập ở trên của các mạng vòng SONET/SDH tạo ra
một nghẽn cổ chai băng thông nghiêm trọng tại mức nội thị. Hiện tượng này được gọi là
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
Metrogap, ngăn cản các khách hàng tốc độ cao (và cũng ngăn cản các nhà cung cấp dịch
vụ) trong việc sử dụng băng thông còn rất lớn trong mạng đường trục. Nghẽn cổ chai
này có thể trở nên nghiêm trọng hơn vì thực tế lưu lượng IP tăng lên sẽ mang tính cục
bộ bằng cách đặt thêm nhiều máy chủ Proxy trong các mạng nội thị để giảm trễ mạng,
cân bằng tải máy chủ và có độ sẵn sàng cao hơn. Sự tăng cường sử dụng điện thoại tổ
ong và các thiết bị cầm tay đối với các dịch vụ Internet sẽ làm tăng lượng thông tin truy
cập nội hạt và cần được cập nhật thường xuyên đặc biệt là các ứng dụng trong nhà, trên
xe hơi, và các thiết bị điện tử khác đang bắt đầu tận dụng mạng nội thị [KWSR]. Hơn
thế, Napster đang báo trước sự xung đột về chia sẻ thông tin, các ứng dụng đồng hàng
trong tương lai trong đó mỗi đầu cuối người sử dụng sẽ hoạt động như là một máy chủ
và sẽ làm tăng đáng kể lưu lượng bên trong mạng MAN. Để vượt qua độ rộng giữa các
khách hàng tốc độ cao và tương lai của mạng đường trục thì các kiến trúc và giao thức
mạng nội thị cần phải được triển khai.
Gần đây, các nghiên cứu đã bắt đầu tập trung vào để hạn chế độ rộng nội thị. Sự
quan trọng của độ rộng nội thị cũng được phản ánh qua một số lượng lớn các hoạt động
chuẩn hoá đang được triển khai gần đây, và các diễn đàn công nghiệp như là IETF WG
IPoRPR, IEEE 802.17 RPRWG, diễn đàn Ethernet nội thị (MEF) và liên minh mạng

vòng gói mềm dẻo (RPR) bao gồm hơn 70 công ty.
Bản đồ án này sẽ tập trung vào các mạng WDM chuyển mạng gói trong đó các gói
tin được lưu trữ trong các RAM điện tử thay vì là các đường dây trễ sợi quang. Với các
kiến trúc và giao thức được giới thiệu và kiểm tra ở đây có thể cho phép các khách hàng
tốc độ cao và các nhà cung cấp dịch vụ để vượt qua độ rộng nội thị và tận dụng tối đa
băng thông rất lớn trong mạng đường trục theo một cách hiệu quả, chi phí thấp và có
tương lai.
1.1.2 Phương pháp tiếp cận
Vấn đề sẽ được tiếp cận để có thể tận dụng các lợi thế tương ứng của miền điện và
miền quang trong khi tránh các nhược điểm tương ứng của chúng: truyền dẫn sẽ được
thực hiện trong miền quang trong khi việc đệm và các phép logic sẽ được thực hiện
trong miền điện. Do sự thiếu hụt các bộ đệm quang (RAM) các mạng quang không dùng
bộ đệm sẽ được xem xét. Kiến trúc mạng không chuyển mạch hoàn toàn thụ động sẽ
được xem xét. Các mạng thụ động không chỉ khá tin cậy mà còn có thể nâng cấp tới
mạng thông minh rìa cho phép việc giảm chi phí mạng và đơn giản hoá trong duy trì,
bảo dưỡng, hoạt động của mạng. Mạng đang được xem xét là lựa chọn bước sóng.
Trong một mạng lựa chọn bước sóng tĩnh, mỗi node nguồn có khả năng tiếp cận nhiều
node đích khác nhau bằng cách thay đổi bước sóng truyền dẫn. Để làm được như vậy,
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
mô hình chuyển mạch gói lưu trữ và chuyển tiếp truyền thống phải được thay thế bằng
mô hình chuyển đổi bước sóng theo mỗi gói tin tại biên giới mạng. Trong mạng lựa
chọn bước sóng mỗi bước sóng được định tuyến chỉ trong một phần nhỏ của mạng, các
phần còn lại của mạng có thể dùng cùng các bước sóng này. Kết quả là việc tái sử dụng
bước sóng theo không gian không chỉ giảm sự trùng lặp mà còn giữ cho số lượng các
bước sóng cần dùng là hữu hạn. Một số lượng nhỏ các bước sóng sẽ đòi hỏi các bộ thu
rất nhạy bước sóng để có thể cho truyền qua một dải sóng rất hẹp. Điều này lại cho phép
ứng dụng các bộ thu chuyển đổi được mà có thời gian chuyển đổi nhỏ hơn so với các bộ
thu với các giải chuyển đổi tương đối lớn. Mạng được xem xét sẽ là mạng hình sao. Các
mạng hình sao cho thấy lợi thế về mặt công suất hơn các mạng bus. Cả mạng hình sao
và mạng bus đều chịu ảnh hưởng của suy hao do rẽ nhánh. Trong khi suy hao rẽ nhánh

tổng (tính bằng dB) ở mạng hình bus tăng tuyến tính theo số lượng node trong mạng thì
suy hao rẽ nhánh tổng (tính bằng dB) ở mạng hình sao lại chỉ tăng theo hàm logarit.
Hơn thế, cấu hình mạng sao vật lí thì dễ dàng thiết lập, cấu hình, điều khiển, và gỡ rối
hơn. Ở phía trên tầng vật lí của mạng hình sao mạng đơn chặng sẽ được xem xét. Trong
các mạng đơn chặng bất cứ một cặp node nguồn và đích nào cũng giao tiếp trực tiếp với
nhau mà không thông qua một node trung gian nào. Khác với mạng đa chặng, các mạng
đơn chặng có một số lợi thế: Khoảng cách chặng trung bình được tối thiểu hoá (tính
đồng nhất), không lãng phí băng thông vì việc chuyển tiếp tại mỗi node xảy ra ngay khi
tiếp cận được đích, mỗi node chỉ phải xử lý các gói tin được định tuyến tới chính nó do
đó giảm nhu cầu xử lý tại các node, độ trong suốt được cung cấp, và việc nâng cấp một
cặp nguồn-đích nhất định chỉ liên quan tới hai node đó khác với mạng đa chặng vì
không có node trung gian nào cần phải nâng cấp. Các mạng đơn chặng cũng giảm đáng
kể độ phức tạp của chồng giao thức bởi vì việc định tuyến và chuyển tiếp trong truyền
thông đơn chặng không xảy ra. Kết quả là, tầng mạng sẽ hoàn toàn loại bỏ được. Thêm
vào đó, các gói tin truyền thông qua đơn chặng quang thụ động duy nhất giữa chặng
nguồn và chặng đích, dẫn đến xác xuất lỗi là rất nhỏ. Do đó, phát hiện và sửa lỗi ở tầng
liên kết dữ liệu có thể loại bỏ và các lỗi truyền dẫn còn lại có thể được loại bỏ ở tầng
truyền dẫn.
1.2 Các phần tử cơ bản của mạng MAN đơn chặng lựa chọn bước sóng dựa
trên AWG
Các linh kiện sau đây là các khối cơ bản để thiết kế mạng WDM. Trong phần mô
tả dưới đây sẽ tập trung vào các linh kiện quan trọng trong phần còn lại của đồ án này.
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
1.2.1 Bộ kết hợp và bộ chia quang
Coupler là thuật ngữ chung chỉ tất cả các thiết bị thực hiện kết hợp ánh sáng vào
và/hoặc chia ánh sáng trong một sợi quang. Các bộ kết hợp là các thiết bị mà thực hiện
kết hợp ánh sáng từ các sợi quang khác nhau. Các bộ chia quang chia ánh sáng vào
nhiều sợi quang. Cả bộ kết hợp và chia quang đều là các thiết bị thụ động.
Bộ chia quang phổ biến nhất là bộ chia 1x2 như được vẽ trên hình 2.1 a). Tỉ số
công suất đầu ra được gọi là tỉ số chia quang α và có thể điều khiển được. Phần α trong

công suất đầu vào được đưa ra đầu ra, còn phần (1-α) còn lại đưa ra đầu ra còn lại. Biểu
thị tỉ số chia quang dưới dạng dB sẽ cho chúng ta suy hao do chia quang. Đối với bộ
chia quang hai cổng với tỉ lệ chia quang 50:50 là rất phổ biến, kết quả là suy hao do chia
quang sẽ là 3 dB cho mỗi cổng ra. Các bộ coupler cũng được dùng để tách một phần
công suất từ luồng ánh sáng để dùng cho các mục đích giám sát hoặc các nguyên nhân
khác. Các bộ coupler như vậy được gọi là bộ rẽ và được thiết kế với các giá trị α rất
gần với 1, thường là từ 0.90 tới 0.95.
Khi đổi chiều thì một bộ chia quang sẽ có thể được sử dụng như là bộ kết hợp
quang, như được thể hiện như hình 2.1 b). Một tín hiệu đầu vào tới bộ kết hợp 2x1 sẽ
chịu suy hao công suất là 3dB, mà đôi khi còn gọi là suy hao do ghép quang. Bằng cách
dùng bộ kết hợp cùng với bộ chia quang, các coupler có thể được tạo ra. Hình 2.1 c) mô
tả một bộ coupler 2x2 bao gồm một bộ kết hợp quang 2x1 được theo sau bởi một bộ
chia quang 1x2, có vai trò là phân bố các tín hiệu từ hai sợi quang đầu vào tới hai sợi
quang đầu ra. Để có tỉ lệ chia quang là 50:50 cần có bộ coupler 3dB trong đó tín hiệu
đầu vào được chia đều cho cả hai đầu ra. Ngoài tỉ lệ chia công suất 50:50 xảy ra trong
coupler, tín hiệu cũng chịu các suy hao chèn, suy hao thừa và suy hao phản hồi. Suy hao
chèn là một phần của công suất (thường được biểu thị dưới dạng dB) bị mất giữa các
cổng vào và cổng ra của linh kiện (coupler). Nếu như tín hiệu đi vào một coupler, một
phần nhỏ công suất sẽ bị phản hồi theo hướng ngược lại và được dẫn trở lại tới các đầu
vào của bộ coupler (suy hao phản hồi). Suy hao thừa gây ra bởi các khiếm khuyết sản
xuất trong các vùng rất nhỏ. Một bộ coupler có thể được sản xuất không phụ thuộc bước
sóng hoặc lựa chọn bước sóng, có nghĩa là tính chất của coupler phụ thuộc vào bước
sóng.
a) b) c)
Hình 2.1: a) Bộ chia b) Bộ ghép và c) coupler
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
Ưu điểm của coupler là không cần cung cấp nguồn, hoạt động tin cậy, không đắt,
mức suy hao thấp.
1.2.2 Coupler hình sao thụ động (PSC)
PSC là một thiết bị thực hiện kết hợp các tín hiệu quang từ các cổng đầu vào và

chia đều ra các cổng đầu ra. Không giống như các bộ tách ghép kênh, các PSC không
chứa các phần tử lựa chọn bước sóng. Vì vậy chúng không có khả năng tách các kênh
riêng rẽ. Trong trường hợp tổng quát, PSC có số cổng vào (N) và số cổng ra (M) không
nhất thiết bằng nhau và ký hiệu là PSC NxM.
Một PSC NxN được tạo ra từ các coupler 2x2 3dB như được vẽ trong hình 2.2.
PSC NxN là một linh kiện N đầu vào và N đầu ra với đặc tính là công suất của mỗi
cổng đầu vào P
in
sẽ được chia đều tới tất cả các cổng đầu ra. Do đó, công suất quang tại
mỗi đầu ra P
out
sẽ bằng:
P
out
=
P
in
N
Và tỉ lệ chia quang sẽ là α = 1/N hay tương ứng với suy hao do chia quang là 10
log
10
N dB. Một phương pháp để tạo ra PSC là kết nối một số các coupler 3dB. Cách này
cần (N/2. log
2
N) coupler 3 dB để tạo ra một PSC NxN.
2.1.3 Cách tử ống dẫn sóng (AWG)
Bộ AWG còn được biết đến là dãy pha (PHASAR) hay định tuyến lưới dẫn sóng.
Một AWG NxN được vẽ sơ đồ khối như trong hình 2.3, trong đó N≥2, bao gồm các bộ
dẫn sóng đầu vào đầu ra N, hai bộ dẫn sóng tấm tập trung (các vùng truyền dẫn tự do)
và một lưới dẫn sóng hàng, trong đó chiều dài của các ống dẫn sóng liền kề sai khác

nhau một hằng số. Tấm dẫn sóng tại các đường đối xứng trong linh kiện sẽ loại bỏ sự
phụ thuộc phân cực. Do vậy, có thể tạo ra các AWG không phụ thuộc phân cực, suy hao
thừa ở mức 0,4 dB. Cả hai dẫn sóng tấm đều làm việc giống như các coupler sao NxM,
M>>N, sao cho tất cả công suất ánh sáng bị khuyếch tán trong tấm đều được thu lại.
Nếu M>>N xuyên âm tại trung tâm của băng thông sẽ nhỏ hơn so với M=N. Tín hiệu
N x N PSC
1
2
N
1
2
N
Hình 2.2 Bộ coupler hình sao thụ độngN x N (PSC)
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
đến từ bất kì cổng nào trong N cổng vào cũng sẽ được chia ra M đầu ra của bộ dẫn sóng
tấm tới các đầu ra hàng. Mỗi luồng sáng đến được khuyếch tán trong tấm đầu vào, đi
qua các dẫn sóng xếp hàng, tập trung lại tại tấm đầu ra, và được ghép vào các dẫn sóng
đầu ra.
Hình 2.3 Biểu đồ sắp xếp của một AWG N x N
Các dẫn sóng xếp hàng sẽ trễ pha không phụ thuộc vào bước sóng vì chỉ các tần số
với sự khác pha số nguyên lần 2π mới gây cộng hưởng trong dẫn sóng tấm đầu ra. Do
vậy, mỗi cổng đầu ra mang các tần số vượt qua có tính tuần hoàn. Độ rộng của các tần
số vượt qua có tính tuần hoàn này được gọi là dải phổ tự do (FSR) và xấp xỉ bằng:
FSR =
C
n
g
(∆L + dsinθ
I
+dsin

0
)
[Hz] (2.2)
FSR =
λ
2
n
g
∆L
[m] (2.3)
Trong mỗi FSR, một AWG NxN chấp nhận một số lượng tổng của N bước sóng từ
mỗi cổng vào và nó truyền dẫn mỗi bước sóng tới một đầu ra nhất định. Mỗi đầu ra
nhận các bước sóng N, mỗi bước sóng từ một cổng vào riêng. Ở đây tồn tại hoán vị
bước sóng vòng lặp tại các dẫn sóng đầu ra nếu các dẫn sóng đầu vào khác nhau được
sử dụng. Trong hình 2.4 kết nối định tuyến của một AWG 8x8 được mô tả. Mỗi tần số
hoặc đơn giản hơn [Zir98]
Tấm dẫn sóng
Ống dẫn sóng vào/ra
N cổng ra
N cổng vào
tấm dẫn sóng tại trục đối xứng
Ma trận M
ống dẫn sóng
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
quang (tương ứng, chúng ta cũng có thể nói mỗi bước sóng) cho ta một chỉ dẫn định
tuyến độc lập với cổng vào. Do vậy, thông tin định tuyến của f
k
ra cổng ra, mà các cổng
(k-1) nằm dưới cổng vào tương ứng ví dụ như f
1

vào từ cổng vào 1 được ra ở cổng 1 và
từ cổng vào 5 sẽ ra ở cổng 5. Tương tự như vậy, f
3
vào ở cổng 1 sẽ đi ra ở cổng 3, trong
khi nếu f
3
vào ở cổng 5 nó sẽ đi ra ở cổng 7. Nhờ vào đặc tính tuần hoàn của AWG, tần
số quang f
9
(ví dụ như một dải phổ tự do lớn hơn f
1
) vảo ở cổng 1 và ra ở cổng 1 giống
như f
17
và các tần số khác được phân tách nhờ một số lượng nguyên FSR. Nhưng cũng
có các AWG với các phương pháp định tuyến kênh khác, ví dụ như kênh f
i
vào ở cổng j
và ra ở cổng k trong đó k = (8-i+j)
mod 8
+ 1 với i ⊆ N và j,k ⊆ {1,2,…8}.
Kiểu định tuyến bước sóng của một AWG có thể được mô tả chính thức hơn dựa
vào ma trận chuyển đổi bước sóng. Nhờ vào hoán vị bước sóng tại các cổng ra AWG
nằm trong họ các bộ định tuyến bước sóng hoán vị. Một AWG NxN cung cấp kết nối
bên trong NxN đầy đủ. Sử dụng một FSR có thể cho phép có đồng thời N
2
kết nối. Chú
ý rằng một PSC NxN chỉ có thể cho phép mang đồng thời tối đa N kênh.
Các đặc tính truyền dẫn sau của một AWG NxN đóng một vai trò quan trọng trong
các mạng WDM. Các AWG có suy hao chèn thấp vào khoảng từ 3-5 dB. Cũng như vậy,

các AWG với suy hao không thay đổi hình thức đối với tất cả các kênh cũng được xác
định. Độ rộng kênh tần số của bộ kết hợp kênh được cho bởi công thức:








∆
=








∆
=∆
−
c
g
sff
n
n
dcn
m

L
x
df
d
L
x
f
2
1
λθ
[Hz] (2.4)
Hình 2.4 Bộ kết hợp nối của một AWG 8 x 8
Độ rộng kênh thông thường là 100 hoặc 200 GHz. Một độ rộng kênh 100 GHz tại
vùng suy hao thấp ở 1,55µm tương ứng với một độ rộng kênh là 0,8µm, dẫn đến ghép
kênh phân chia theo bước sóng chặt (DWDM). Một AWG 64x64 với độ rộng kênh là
f1 f8
f4

f8 f4
f8
N=1(f1… f4…f8)
2
3
4
5
6
7
8
INPUT
1

2
3
4
5
6
7
8
OUTPUT
f1
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
0,4nm (50 GHz) đã được báo cáo trong [OMS95]. Gần đây, AWG độ rộng 25 GHz với
400 kênh đã được báo cáo trong [JJK
+
01].
Tần số đáp ứng của AWG là rất quan trọng cho các ứng dụng. Nó cũng giống như
tần số đáp ứng của các bộ lọc thông dải Gauss. Độ rộng tối đa tại nửa đỉnh (FWHM)
được cho bởi công thức:
x
f
FWHM
∆
∆
=
0
2ln2
ω
[Hz] (2.5)
Nói chung, FHWM bằng khoảng 30% độ rộng kênh. Hình dáng của bộ lọc thông
dải Gauss đặt ra các giới hạn chặt chẽ cho dung sai bước sóng của các laser diode và đòi
hỏi điều khiển nhiệt độ chính xác cho cả các AWG và các laser diode. Sự dao động tần

số trong nguồn quang sẽ dẫn tới phải giảm công suất để đạt được cùng giá trị BER tại
đầu thu. Hơn nữa, độ rộng dải thông của các AWG thác trở nên nhỏ hơn nhiều so với
của bộ lọc AWG đơn chặng. Gần đây, các bộ kết hợp kênh AWG với đáp ứng phổ
phẳng đã được công bố [OS96] [TBB
+
97] [KS01]. Băng thông 3 dB có thể nâng lên tới
124 GHz cho độ rộng kênh 200 GHz và xuyên âm liên kênh từ kênh bước sóng cho
trước đối với các kênh lân cận là nhỏ hơn -27 dB. Xuyên âm xuất hiện là do ảnh hưởng
của các tín hiệu khác lên một tín hiệu mong muốn. Hệ thống WDM có hai dạng xuyên
âm: xuyên âm liên kênh và xuyên âm đồng kênh. Xuyên âm liên kênh xảy ra khi tín hiệu
xuyên âm là tại bước sóng khác so với bước sóng tín hiệu mong muốn. Xuyên âm đồng
kênh xảy ra khi tín hiệu xuyên âm có cùng bước sóng với tín hiệu mong muốn. Nhưng
nó phải trả giá bởi suy hao chèn cao hơn khoảng 3 dB. Các AWG với đáp ứng tần số
phẳng và rộng sẽ giải quyết các hạn chế đã được đề cập ở trên. Nói chung, xuyên âm ở
vào khoảng -30dB. Do đó, giải ghép kênh là hoàn toàn có thể đối với mất công suất
không đáng kể, nghĩa là xuyên âm là đủ nhỏ để không làm tăng đáng kể BER.
Các thông số truyền dẫn quan trọng của một AWG và các giá trị thông số điển
hình được tổng kết trong bảng 2.1.
Suy hao xen ~ 3 – 5 dB
Suy hao vượt quá ~ 0.4 dB
Xuyên nhiễu khác tần số ~ -30dB
Khoảng cách kênh (25, 50, 100, 200) GHz
FWHM ~ 30% của khoảng cách kênh
Số lượng cổng 2 … 400
Bảng 2.1 Đặc tính của một AWG
Bảng 2.2 tổng kết các đặc tính của một AWG và so sánh chúng với PSC. Chú ý
rằng các AWG hỗ trợ đa truyền thông băng rộng nếu một nguồn quang băng rộng được
sử dụng ví dụ như một diode phát quang (LED). Tín hiệu đầu vào này sẽ bị chia phổ bởi
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
AWG sao cho một phần nhỏ của tín hiệu băng rộng đầu vào được truyền dẫn tới mỗi

cổng đầu ra tương ứng, như là được trình bày trong phần 1.2.4. Tính bảo mật có nghĩa
rằng các bước sóng chỉ được định tuyến tới các cổng ra tương mà chúng cần. Điều này
khác với PSC lựa chọn và quảng bá trong đó tất cả các đầu ra đều có thể nhận tất cả các
bước sóng cùng một lúc. Do vậy, nếu như cùng một bước sóng được đưa vào hai hay
nhiều các cổng đầu vào của PSC đồng thời thì xung đột kênh sẽ xảy ra tại tất cả các
cổng ra của PSC. Nói cách khác, PSC không cho phép tái sử dụng phân tập các bước
sóng tại các cổng ghép kênh đầu vào. Ngược lại, AWG định tuyến theo bước sóng cho
phép tái sử dụng bước sóng theo không gian phân tập mà không gây ra xung đột kênh
tại các cổng ra của AWG. Do đó, một PSC NxN chỉ cỏ thể hỗ trợ tối đa N truyền dẫn
đồng thời, mỗi truyền dẫn sử dụng một bước sóng khác nhau. Trong khi đó một AWG
NxN không có một yêu cầu nào đối với các tín hiệu đến và hỗ trợ tới N
2
truyền dẫn
đồng thời mà không gây nên xung đột kênh tại các đầu ra của AWG.
PSC AWG
Quảng bá yes no
Phát theo nhóm yes no
Định tuyến bước sóng no yes
Tái sử dụng bước sóng theo không gian no yes
Tính chu kỳ no yes
Suy hoa chia yes no
Tính riêng tư no yes
Nghẽn kênh yes no
Số lượng truyền dẫn đồng thời N N
2
Bảng 2.2 So sánh các đặc tính của PSC và AWG
Như vậy AWG có các ưu điểm: khoảng cách giữa các bước sóng nhỏ, số kênh lớn,
băng thông bằng phẳng ... phù hợp cho các hệ thống WDM tốc độ cao và dung lượng
lớn.
1.2.4 Các máy phát và thu

Ngoài các linh kiện đã đề cập ở trên để xây dựng được một mạng truyền thông
WDM còn cần các bộ phát và các bộ thu. Một bộ phát bao gồm một nguồn quang, một
bộ điều chế, và các thiết bị điện hỗ trợ. Một bộ thu cần một bộ lọc quang, một
photodetector, một bộ giải điều chế và các linh kiện điện hỗ trợ.
Các nguồn quang băng thông rộng
Ánh sáng đầu ra của một nguồn quang băng thông rộng có dải phổ rộng trong
khoảng từ 10-100 nm. Các LED là phổ biến nhất và rất rẻ. Vì các sản phẩm khác có
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
băng thông tương đối nhỏ nên LED được ứng dụng chủ yếu ở những nơi mà tốc độ dữ
liệu thấp hay khoảng cách truyền dẫn ngắn. Công suất đầu ra phổ biến của chúng là 10
dBm. Tuy nhiên, các diode siêu phát quang với công suất ra của sợi đơn mode là 18,0
dBm và độ rộng băng thông 3 dB là 35 nm đã có trên thị trường.
Ở tốc độ thấp, các hệ thống nhạy cảm với bước sóng có độ dự trữ nhỏ, LED cung
cấp một giải pháp rẻ so với các laser rất đắt. Hình 2.5 biểu thị một phần dải phổ của một
tín hiệu LED băng rộng qua một AWG định tuyến theo bước sóng. Tại mỗi cổng ra
AWG một phần khác nhau của tín hiệu băng rộng gốc được tách ra bởi các node, mỗi
phần như thế mang cùng một thông tin. Do đó, một LED có thể được chia sẻ bởi nhiều
bộ thu khác nhau.
Hình 2.5: Lát cắt phổ của tín hiệu băng rộng
Laser
Để nâng cao băng thông một cách đáng kể các laser thành phẩm khác nhau đã
được dùng. Thực ra, một laser là một bộ khuyếch đại quang bao gồm trong một khung
phản xạ mà tạo ra ánh sáng dao động thông qua phản hồi dương. Các laser có khả năng
tạo ra công suất đầu ra lớn, thường là từ 0 tới 10 dBm.
Các laser có thể là cố định với bước sóng danh nghĩa (mặc dù bước sóng này có
thể xê dịch do nhiệt độ hoặc thời gian) hoặc là có thể chuyển đổi được, trong đó các
laser chuyển đổi được có thể là chuyển đổi liên tục hoặc rời rạc. Chỉ có các bước sóng
phù hợp với chu kỳ và chiết suất của laser mới được khuyếch đại, một laser có thể
chuyển đổi bằng cách điều khiển chiều dài khoảng cộng hưởng và/hoặc chiết suất của
môi trường khuyếch đại. Các ví dụ phổ biến là cơ học, quang âm, quang điện, và các

laser chuyển đổi được tiêm dòng. Hầu hết các laser chuyển đổi được cơ học sử dụng
một buồng Fabry-Perot ngoài mà chiều dài của nó có thể điều chỉnh được. Các laser
chuyển đổi được cơ học cho một dải chuyển đổi khá rộng lên tới 500nm nhưng thời

3 x 3
AWG
λ
Công suất
Tín hiệu
băng rộng
Các lát cắt
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
gian chuyển đổi khá chậm khoảng 1-10ms. Trong laser quang âm và laser quang điện
chiết suất của khoảng bên ngoài được thay đổi nhờ sử dụng một cách tương ứng sóng
âm hoặc dòng điện. Một laser quang âm có một dải chuyển đổi trung bình, vào khoảng
xấp xỉ 100nm với một thời gian chuyển đổi trung bình, vào khoảng 10µs. Các laser
quang điện có thể chuyển đổi 10-15nm trong vài ns. Các laser dùng dòng tiêm hình
thành một họ các nguồn quang cho phép lựa chọn bước sóng thông qua lưới phản xạ, ví
dụ như các laser phản xạ phân bố (DFB) và các laser phản xạ Bragg phân bố (DBR).
Việc chuyển đổi được thực hiện bằng cách thay đổi mật độ dòng tiêm và do đó thay đổi
chiết suất. Kiểu laser này thường bao gồm nhiều phần để có thể cho phép điều khiển
độc lập công suất và bước sóng đầu ra của laser. Gần đây, các bộ phát đa phần chuyển
đổi nhanh có thể chuyển đổi sang bước sóng liền kề chỉ trong 4ns và trong một khoảng
rộng khoảng 30nm trong vòng 15ns đã được báo cáo. Đặc biệt, các laser SG-DBR hứa
hẹn sử dụng cho các bộ phát với dải chuyển đổi rộng và công suất đầu ra lớn.
Các dải chuyển đổi và thời gian chuyển đổi của các loại bộ phát khác nhau được
tổng kết ở trong bảng 2.3. Chú ý rằng thay vì các laser chuyển đổi được có thể sử dụng
một loạt các laser cố định hoạt động ở bước sóng khác nhau hoặc các laser đa tần số.
Kiểu bộ phát Giải điều chỉnh Thời gian điều chỉnh
Điều chỉnh cơ 500 nm 1-10 ms

Quang âm ~ 100 nm
~ 10 µs
Quang điện 10-15 nm 1-10 ns
Dòng bơm ~ 30nm 15 ns
Bảng 2.3 Các bộ phát: Giải điều chỉnh và thời gian điều chỉnh
Các bộ lọc quang
Các bộ lọc quang được sử dụng để lựa chọn một tín hiệu băng rộng hoặc một bước
sóng nằm ngoài dải răng lược WDM. Bước sóng được lựa chọn được chuyển đổi quang
điện nhờ một photodetector. Các bộ lọc quang có thể là cố định hoặc có thể chuyển đổi
được, trong khi các bộ lọc chuyển đổi được có thể là liên tục hoặc rời rạc. Các ví dụ về
bộ lọc cố định là cách tử nhiễu xạ, các bộ lọc phim mỏng điện, và các cách tử Bragg sợi
(FBGs). Các bộ lọc quang điều chỉnh được bao gồm các bộ lọc quang điện, quang âm,
nhiệt, cơ và các bộ lọc Fabry-Perot tinh thể lỏng.
Các bộ lọc điều chỉnh cơ bao gồm một hoặc nhiều hơn khoảng được hình thành
nhờ hai gương song song (các mặt). Bằng cách điều chỉnh cơ khoảng cách giữa các
gương, các bước sóng khác nhau sẽ được lựa chọn. Loại bộ lọc này có dải chuyển đổi
khoảng 500nm và thời gian chuyển đổi trong khoảng 1-10ms.
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
Máy giao thoa Mach Zehnder (MZI) là một ví dụ cho một bộ lọc điều khiển bằng
nhiệt. Trong MZI, một bộ chia quang có nhiệm vụ chia luồng sáng đến thành hai dẫn
sóng và một bộ kết hợp thực hiện kết hợp các tín hiệu tại đầu ra của dẫn sóng. Một thiết
bị trễ điều chỉnh được bằng nhiệt điều khiển chiều dài đường dẫn quang của một ống
dẫn sóng. Nhờ vào sự sai khác pha một sóng mong muốn duy nhất sẽ được lựa chọn nhờ
cộng hưởng. Một MZI cớ thể chuyển đổi lớn hơn 10 nm trong vòng vài ms.
Trong các bộ lọc điều chỉnh quang âm (AOTFs), một sóng âm thay đổi tuần hoàn
chiết suất của môi trường lọc từ đó cho phép môi trường hoạt động như là một lưới lọc.
Bằng cách thay đổi tần số của sóng âm, một bước sóng quang duy nhất được chọn trong
khi các sóng còn lại bị triệt tiêu. Nếu có nhiều hơn một sóng âm được dùng thì cũng sẽ
có nhiều sóng quang được lựa chọn. Một nhược điểm của các AOTFs là chúng không
thể loại bỏ được xuyên âm từ các kênh lân cận nếu như các kênh này quá gần nhau, do

đó giới hạn số lượng kênh. Các AOTFs có thể chuyển đổi trong dải 100nm trong vòng
10µs.
Các bộ lọc điều chỉnh quang điện (EOTFs) sử dụng các điện cực nằm ở môi
trường lọc. Các dòng điện được dùng để thay đổi chiết suất của môi trường bộ lọc, cho
phép một bước sóng mong muốn đi qua trong khi các bước sóng khác bị triệt tiêu. Thời
gian điều chỉnh chỉ bị giới hạn bởi tốc độ điện. Do đó, các EOTFs có thể chuyển đổi
trong 1-10ns. Tuy nhiên, các EOTFs cung cấp một dải điều chỉnh tương đối nhỏ,
khoảng 15 nm.
Các bộ lọc Fabry-Perot tinh thể lỏng (LC) là bộ lọc rẻ nhất với các yêu cầu công
suất thấp. Thiết kế của một bộ lọc LC là tương tự như thiết kế của một bộ lọc Fabry-
Perot, nhưng khoang là tinh thể lỏng. Chiết suất của LC có thể điều khiển được bằng
một dòng điện để lấy ra bước sóng tương ứng. Thời gian điều chỉnh là 0,5-10μs và
khoảng điều chỉnh là 30-40nm.
Các dải điều chỉnh và thời gian điều chỉnh của các loại bộ thu khác nhau được
tổng kết trong bảng 2.4. Chú ý rằng tương ứng các bộ lọc quang chuyển đổi được các
dãy bộ thu cố định hay các bộ thu đa bước sóng có thể được dùng.
Kiểu bộ thu Dải điều chỉnh Thời gian điều chỉnh
Điều chỉnh cơ 500 nm 1-10 ms
Điều chỉnh nhiệt > 10 nm 1-10 ms
Quang âm ~ 100 nm
~ 10 µs
Quang điện 10-15 nm 1-10 ns
Tinh thể lỏng 30-40 nm
0.5-10 µs
Bảng 2.5 Các bộ thu: Dải điều chỉnh và thời gian điều chỉnh
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
1.3 Các suy giảm truyền dẫn
Để xây dựng một hệ thống truyền thông các linh kiện được miêu tả ở trên được kết
nối bằng các bộ lọc. Trong các hệ thống như vậy, một tín hiệu quang truyền từ bộ phát
tới bộ thu phải gặp một số lỗi như: suy hao, tán sắc, phi tuyến, xuyên âm, nhiễu.

1.3.1 Suy hao
Ngoài tổn thất công suất quang gây ra bởi các linh kiện, bộ lọc làm giảm công suất
tín hiệu. Hình 2.6 chỉ ra suy hao của một sợi quang theo bước sóng. Đỉnh suy hao ở
vùng 1400nm gây ra do sự không tinh khiết ion hydroxyl (OH
-
) trong sợi quang. Tuy
nhiên, trong sợi Lucent đỉnh này được giảm đáng kể. Trong các hệ thống truyền thông
quang ngày nay có ba dải được sử dụng là 0,85µs, 1,3µs, 1,55µs trong đó dải băng cuối
cho suy hao thấp nhất vào khoảng 0,25 dB/km.
Hình 2.6 Suy hao trong sợi quang
1.3.2 Tán sắc
Tán sắc là bất cứ hiện tượng nào trong đó các thành phần khác nhau của tín hiệu
được truyền dẫn di chuyển với tốc độ khác nhau trong sợi quang, dẫn đến thời điểm đến
bộ thu khác nhau. Kết quả là độ rộng xung tăng lên và gây lên nhiễu giữa các kí hiệu
(ISI). Do vậy, tán sắc sẽ giới hạn khoảng cách bit tối thiểu nghĩa là tốc độ bit tối đa.
Tổng tán sắc phụ thuộc vào chiều dài tuyến nối. Các loại tán sắc quan trọng là tán sắc
mode, tán sắc màu (vật liệu), tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc mode phân cực (PMD).
Tán sắc mode
Tán sắc mode xuất hiện chỉ trong sợi đa mode trong đó các mode khác nhau truyền
ở tốc độ khác nhau. Rõ ràng là, trong các sợi đơn mode tán sắc mode là không xảy ra.
1.2
0.8
0.4
0
1000 1200 1400 1600
Bước sóng (nm)
Suy hao (dB/km)
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
Tán sắc ống dẫn sóng
Tán sắc ống dẫn sóng gây ra bởi truyền các bước sóng khác nhau phụ thuộc vào

đặc tính của bước sóng như là các chỉ số và hình dạng của lõi sợi, vỏ. Sau khi đi vào
một sợi đơn mode, một thông tin mạng xung ánh sáng được phân bố giữa lõi và vỏ.
Phần lớn sẽ di chuyển bên trong lõi, phần còn lại sẽ nằm trong vỏ. Cả hai phần này di
chuyển với tốc độ khác nhau vì lõi và vỏ có chỉ số chiết suất khác nhau.
Tán sắc màu
Tán sắc màu hay tán sắc vật liệu xuất hiện do các thành phần tần số khác nhau
trong một xung (và cũng là tín hiệu với bước sóng khác nhau) di chuyển với vận tốc
khác nhau do chỉ số chiết suất trong sợi quang là hàm của bước sóng. Thông thường nó
được đo bằng đơn vị ps/nm.km, trong đó ps biểu thị độ rộng xung theo thời gian, nm là
độ rộng phổ của xung, và km tương ứng với chiều dài tuyến. Các sợi quang đơn mode
tiêu chuẩn (SMF) có tán sắc màu có giá trị 17ps/nm.km ở vùng 1550nm.
Gần đây, các sợi quang dịch tán sắc (NZ DSF) khác không được lắp đặt nhiều hơn.
Bằng cách điều khiển tán sắc ống dẫn sóng, sợi NZ DSF có tán sắc màu nằm trong
khoảng 1 đến 8 ps/nm.km hay -1 đến -8 ps/nm.km tại 1550nm. Ví dụ như sợi quang
Alcatel's TeraLight Metro hoạt động ở khoảng cách 80-200 km mà không đòi hỏi bù tán
sắc. Một ví dụ khác là sợi Corning MetroCor. Tán sắc âm của nó cho phép sử dụng các
bộ laser DFB điều chế trực tiếp có chi phí thấp. Cả hai loại sợi quang này đều lắp đặt
cho các mạng WDM nội thị để giảm chi phí và độ phức tạp của mạng.
Tán sắc mode phân cực
PMD xuất hiện khi lõi sợi không hoàn toàn tròn, đặc biệt trong khi lắp đặt. Do
vậy, sự phân cực khác nhau của tín hiệu di chuyển với tốc độ khác nhau. PMD được
chứng minh là chướng ngại nghiêm trọng trong các hệ thống tốc độ rất cao hoạt động ở
tốc độ 10 Gb/s hoặc cao hơn.
1.3.3 Phi tuyến
Khi công suất quang trong sợi quang là nhỏ, sợi quang có thể được xem là môi
trường tuyến tính nghĩa là suy hao và chỉ số chiết suất của sợi là độc lập với công suất
tín hiệu. Tuy nhiên, khi mức công suất là cao trong hệ thống thì các đặc tính phi tuyến
sẽ tạo ra những giới hạn đáng kể trong các hệ thống tốc độ cao cũng như các hệ thống
WDM. Các đặc tính phi tuyến có thể phân làm hai loại. Loại thứ nhất xảy ra do sự phụ
thuộc của chỉ số chiết suất vào công suất. Loại này bao gồm điều chế tự pha (SPM),

điều chế chéo pha (CPM hay XPM) và hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM). Loại thứ hai do
các hiệu ứng phân bố trong môi trường sợi vì sự tương tác giữa các sóng ánh sáng vơi
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
các phono (sự dao động phân tử) trong môi trường silica. Hai hiệu ứng chính trong loại này
là phân bố Raman kích thích (SRS) và phân bố Brillouin kích thích.
Điều chế tự pha
SPM gây ra bởi sự dao động của công suất của tín hiệu quang và dẫn đến sự biến
đổi pha của tín hiệu. SPM dẫn đến việc mở rộng phổ của xung. Các biến đổi tức thời
trong pha của tín hiệu gây ra bởi sự thay đổi trong mật độ tín hiệu sẽ dẫn tới các biến
đổi tức thời của tần số quanh tần số trung tâm của tín hiệu. Đối với các xung rất ngắn,
thành phần tần số bổ sung do SPM kết hợp với các hiệu ứng tán sắc vật liệu dẫn tới mở
rộng hoặc nén xung trong miền thời gian từ đó ảnh hưởng tới tốc độ bit tối đa và tỉ lệ lỗi
bit (BER).
Điều chế chéo pha
XPM là sự dịch pha của tín hiệu gây ra bởi sự thay đổi trong mật độ của một tín
hiệu được truyền dẫn ở bước sóng khác nhau. XPM có thể dẫn tới mở rộng phổ không
đối xứng, kết hợp với SPM và tán sắc cũng có thể ảnh hưởng tới dạng xung trong miền
thời gian.
Hiệu ứng trộn bốn sóng
FWM xảy ra khi hai bước sóng hoạt động ở tần số f
1
và f
2
trộn với nhau tạo ra các
tần số như là 2f
1
-f
2
và 2f
2

-f
1
. Các tín hiệu này có thể gây nhiễu nếu chúng chồng lấn với
các tần số được sử dụng để truyền dẫn dữ liệu. Tương tự như thế, việc trộn có thể xảy ra
với ba hoặc nhiều hơn sóng.
Phân bố Raman kích thích
SRS gây ra bởi sự tương tác giữa ánh sáng với sự dao động của phân tử. Sự va
chạm của ánh sáng với các phân tử sẽ tạo ra một ánh sáng kích thích với một bước sóng
dài hơn là ánh sáng tới. Một phần của ánh sáng di chuyển với tốc độ tại mỗi tần số sẽ bị
dịch xuống qua vùng có các tần số thấp hơn. Ánh sáng tạo ra các tần số thấp hơn gọi là
sóng Stokes. Phần công suất được chuyển xuống sóng Stokes tăng nhanh khi công suất
của tín hiệu đến tăng. Trong các hệ thống đa bước sóng, các kênh sóng càng ngắn thì sẽ
mất một phần công suất của nó cho các kênh sóng dài hơn. Để giảm lượng mất mát,
công suất của mỗi kênh sóng phải nhỏ hơn một mức nhất định.
Phân bố Brillouin kích thích
SBS tương tự như SRS. Điểm khác là dịch tần bị gây ra bởi các sóng âm thay vì sự
dao động của các phân tử. Các đặc tính khác của SBS là sóng Stokes truyền theo hướng
ngược lại với sóng tới. Mật độ sóng phân bố SBS lớn hơn nhiều so với SRS, nhưng dải
Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung
tần của SBS lại thấp hơn nhiều so với SRS. Để chống lại ảnh hưởng của SBS, người ta
phải đảm bảo rằng công suất vào phải nhỏ hơn một ngưỡng nhất định. Trong các hệ
thống đa bước sóng, SBS cũng gây ra xuyên âm giữa các kênh. Xuyên âm xảy ra khi hai
sóng truyền đối nghịch khác nhau về tần số bằng đúng dịch Brillouin, khoảng 11 GHz
đối với bước sóng 1550 nm.
1.3.4 Xuyên âm
Xuyên âm làm giảm tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR từ đó dẫn đến tăng BER. Có hai
loại xuyên âm:
+ Xuyên âm liên kênh: gây ra bởi các tín hiệu có tần số khác nhau. Xuyên âm liên
kênh phải chú ý đến khi xác định độ rộng kênh. Trong một số trường hợp, xuyên âm
liên kênh có thể loại bỏ được nhờ sử dụng các bộ lọc băng hẹp thích hợp.

+ Xuyên âm đồng kênh: gây ra bởi các tín hiệu có cùng tần số trong một sợi quang
khác, do các đặc tính truyền dẫn không hoàn hảo của các linh kiện ví dụ như AWG
chẳng hạn. Xuyên âm đồng kênh xuất hiện trong các node chuyển mạch/định tuyến
trong đó các tín hiệu có cùng bước sóng được thực hiện chuyển mạch/định tuyến từ các
tín hiệu vào khác nhau tới các đầu ra khác nhau. Dạng xuyên âm này đáng lo ngại hơn
xuyên âm liên kênh vì nó không thể bị loại bỏ nhờ bộ lọc.
1.3.5 Nhiễu
SNR được định nghĩa bằng các thuật ngữ nhiễu khác nhau. Đặc biệt phải quan tâm
đến sự phát xạ tự phát bộ khuyếch đại (ASE) của các khuyếch đại sợi Erbium, nhiễu
lượng tử của photodetector và nhiễu nhiệt của các bộ khuyếch đại điện.
Sự phát xạ tự phát bộ khuyếch đại
Một bộ EDFA quang khuyếch đại ánh sáng tới nhờ phát kích thích. Ngoài phát
kích thích, phát tự phát cũng gây ra hiệu ứng xấu đối với hệ thống. Bộ khuyếch đại coi
sự phát xạ tự phát như các tín hiệu tới khác và phát xạ tự phát được khuyếch đại cùng
với luồng sáng tới. Kết quả là ASE sẽ trở thành nhiễu ở đầu ra của EDFA.
Nhiễu hạt
Một photodetector chuyển đổi tín hiệu quang thành một dòng quang điện. Khó
khăn lớn nhất trong việc tái tạo bit là cùng với dòng quang điện còn có một dòng nhiễu
hạt. Dòng nhiễu hạt xuất hiện do sự phân bố ngẫu nhiên của các electron được tạo ra bởi
quá trình thu quang ngay cả khi dòng quang đến là không đổi (chú ý rằng dòng nhiễu
hạt không cộng vào dòng quang mà chỉ xuất hiện trong sự biến đổi của dòng quang điện
được tạo ra như một thành phần riêng rẽ).