đồ án tốt nghiệp định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

Đồ án tốt nghiệp Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

1

MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 4
LỜI NÓI ĐẦU 7
Chương I 9
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM 9
1.1 Sự phát triển của công nghệ WDM 9
1.2 Kỹ thuật WDM 10
1.2.1 Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang WDM 10
1.2.2 Cấu trúc hệ thống WDM 11
1.2.3 Các phần tử cơ bản của hệ thống WDM 12
1.2.3.1 Sợi quang 12
a. Sợi quang G.652 12
b. Sợi quang G.653 13
c. Sợi quang G.654 13
d. Sợi quang G.655 14
e. Sợi quang có tiết diện hiệu dụng lớn 14
1.2.3.2 Phần phát 14
1.2.3.3 Phần thu 17
a.Nguyên lý làm việc chung của PIN và APD 18
b. PIN-Photodiode 19
c. Diode quang thác APD 20
1.2.3.4 Trạm lặp 26
1.2.3.5 Bù tán sắc 26
1.2.3.6 Khuếch đại quang OA (EDFA) 27

1.2.3.7 Bộ lọc quang 28
1.2.3.8 Bộ xen rẽ quang OADM 30
a. Cấu trúc của bộ ghép tách quang OADM 32
1.2.3.9 Bộ nối chéo quang OXC 37
a. Phân tích và so sánh kết cấu OXC 37
b. Kết cấu OXC dựa trên chuyển mạch không gian 38
c. Kết cấu OXC dựa vào chuyển mạch chia bước sóng 40
1.2.3.10 Chuyển mạch không gian 42
a. Các chuyển mạch cơ bản 42
1.3 Cấu trúc mạng WDM 46
1.3.1 Cấu trúc mạng ring 46
1.3.2 Cấu trúc mạng Mesh 47
1.3.3 Cấu trúc hình sao đơn 47
1.3.4 Cấu trúc hình sao kép 48
1.4 Các kiến trúc mạng lõi điển hình 48
1.4.1 Kiến trúc ring OMS-SP hai lớp 49

Đồ án tốt nghiệp Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

2
1.4.2 Kiến trúc Mesh - Ring hai lớp 50
1.4.3 Kiến trúc Ring - Mesh hai lớp 50
1.5 Các tham số đặc trưng của mạng quang 51
1.5.1 Đặc trưng riêng của mạng quang 51
1.5.2 Các tham số liên quan đến topo mạng 52
1.5.3 Các tham số liên quan tới những giới hạn vật lý 53
1.5.4 Các tham số liên quan đến nhu cầu lưu lượng mạng 54
1.5.5 Những tham số liên quan đến kiến trúc 55
1.5.6 Các tham số liên quan đến sự giám sát 56

Chương II 57
TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG
QUANG WDM 57

2.1 Giới thiệu chung 57
2.1.1 Giải pháp WCA trong định tuyến và gán bước sóng 59
2.2 Topo vật lý 62
2.3 Định tuyến và gán bước sóng tĩnh 62
2.4 Định tuyến và gán bước sóng với bộ chuyển đổi bước sóng 65
2.5 Định tuyến và gán bước sóng động 66
Chương III 69
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG
MẠNG QUANG WDM 69

3.1 Phương pháp định tuyến 69
3.1.1 Phương pháp định tuyến trong mạng MESH 69
3.1.1.1 Định tuyến cố định 69
3.1.1.2 Định tuyến luân phiên cố định 70
3.1.1.3 Định tuyến thích nghi 71
3.1.1.4 Định tuyến bảo vệ 72
3.1.1.5 Các hàm trọng thích nghi cho thuật toán định tuyến 72
3.1.2 Phương pháp định tuyến trong mạng cấu trúc RING WDM 76
3.1.2.1 Định tuyến trong mạng Ring đơn 77
3.1.2.1.1 Các phương pháp định tuyến tối ưu 77
3.1.2.1.2 Các phương pháp định tuyến Heuristic 78
a. Các phương pháp Heuristic không thích nghi 78
b. Các phương pháp Heuristic thích nghi 81
3.1.2.2 Định tuyến trong mạng đa Ring 81
3.2 Phương pháp gán bước sóng 83
3.2.1 Phương pháp gán bước sóng tĩnh 83

3.3.1.1 Thuật toán gán bước sóng từ bậc lớn nhất (LF – Largest First
Algorithm) 84

3.2.1.2 Phương pháp gán bước sóng trong mạng Ring 86
a. Phương pháp tô màu đồ thị 86
b. Phương pháp Heuristic 88
3.2.2 Phương pháp gán bước sóng động 89

Đồ án tốt nghiệp Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

3
3.2.2.1 Gán bước sóng ngẫu nhiên 89
3.2.2.2 Gán bước sóng theo phù hợp nhất 89
3.2.2.3 Gán bước sóng theo chiều dài luồng quang dài nhất (LF –Longest
First) 90

3.3.2.4 Gán bước sóng dựa trên bước sóng sử dụng ít nhất (LU- Least
Used) 90

3.3.2.5 Gán bước sóng theo số bước sóng sử dụng nhiều nhất (MU- Most
Used) 91

3.3.2.6 Thuật toán gán bước sóng theo tích số nhỏ nhất (MP- min-
Product) 93

3.3.2.7 Gán bước sóng đựa trên tải ít nhất (LL-Least Loaded) 94
PHỤ LỤC………………………………………………………………………96
THUẬT TOÁN DIJKSTRA 966

KẾT LUẬN 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO 100


















Đồ án tốt nghiệp Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

4
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
ADM
AG
AN

AOTF

APD
AWGM

ATM

ADP
AW
C
DCA
DEMUX
DSF
DXC
DLE
DWDM

FBG
EDFA

FDM
FFWF

GMPLS

GW
IP
ISDN
LAN
LC

LCP
LCG
LF

LEC

LL

LSP
Add/drop multiplexer
Auxiliary Graph
Acces Node
Acousto Optic
Turnable Filter
Avalanche Photodiode
Arrayed - Wavelength
Grating Multiplexer
Asynchronous Transfer Mode

Avalanche Photo Diode
Available Wavelength
Core
Distinct Channel Assignment
Demultiplexer
Dispersion Shifted Fiber
Digital Cross Connect
Dynamic Lightpath Establishment
Differential Wavelength
Division Multiplexer
Fibre Grating

Erbium doped fiber amplifer

Frequency Division Multiplexing
First Fit Wavelength First

Generalized Multiple Protocol
Label Swithching
Gateway
Internet Protocol
Integrated service digital network
Local Area Network
Logical Connection
Least Congested Path
Logical Connection Graph
Largest First

Least Converter First

Least Loaded

Label Swithched Path
Bộ ghép kênh xen kẽ
Dựng một đồ thị phụ
Nút truy nhập
Bộ lọc thanh quang
có điều chỉnh
Điốt quang thác
Bộ ghép kênh lưới quang
dẫn sóng kiểu dàn
Phương thức truyền không

đồ
ng bộ
Điốt quang thác
Bước sóng khả dụng
Đường trục
Gán kênh riêng biệt
Bộ giải ghép kênh
Sợi dịch tán sắc
Nối chéo số
Thiết lập luồng quang
Ghép kênh chia bước
sóng vi sai
Lưới sợi quang
Khuếch đại sợi quang
trộn erbium
Ghép kênh phân chia tần số
Thuật toán gán bước sóng
theo thứ tự bước sóng
Chuyển mạch nhãn đa
giao thức tổng quát
Cổng
Giao thức internet
Mạ
ng số liên kết dịch vụ
Mạng cục bộ
Kết nối logic
Định tuyến đường nghẽn ít nhất
Hướng kết nối logíc biểu đồ
Thuật toán gán bước sóng
từ bậc lớn nhất

Chuyển đổi bước sóng
theo thứ tự cao nhất
Thuật toán gán bước
sóng dựa trên tải ít nhất
Luồng chuyển mạch nhãn

Đồ án tốt nghiệp Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

5
LSR

LU

M∑

MESH
MPLS
NP-


NZ-DSF

OADM
OC
O/E/O
Och
OLA
OXC
OTDM

RWA
SDH
SGC
SONET
SNCP
STM
SWR
SOS

TAW

TDM

Thr
TSI
WADM
WC
WDM
WGR

WP
WR
WRS
OSC
DFK
Label Swithching Router

Least Used

Max-Sum

Mesh
Multi Protocol Label Swithching
Subset of class NP
problem complete

Non-Zero Dispersion Shifted Fiber

Optical add/drop multiplexer
Optical Circulator
Optical/Electrical/ Optical
Optical Channel
Optical Line Amplifier
Optical Cross Connect
Optical Time Division Multiplex

Routing and Wavelength Assignmen
t
Synchronous Digital Hierarchy
Sequential Graph Coloring
Synchronous Optical Network
Sub-Network Connection Protection
Synchronous Transport Module
Static Wavelength Routing
Space Optical Switch

Total wavelength and Available
wavelength
Time Division Multiplexing

Thr - Protecting Threshold
Time Slot Interchanger
Wavelength Add- Drop Multiplexer
Wavelegth Converter
Wavelength Division Multiplex
Waveguide Grating Router

Wavelength Path
Wavelength Router
Wavelength Router Switch
Optical Supervision Chanel
Dispersion Shifted Fiber
Bộ định tuyến chuyển
mạch nhãn
Gán bước sóng dựa trên
bước sóng sử dụng ít nhất
Thuật toán gán bước sóng dựa
trên tổng dung lượng lớn nhất
Dạng lưới
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
Tập hợp con của lớp các bài
toán NP mà nó được xem là
khó giải
Sợi quang dịch chuyển tán sắc
khác không
Bộ ghép kênh xen/rẽ quang
Bộ
đấu vòng quang
Quang/ Điện/ Quang

Kênh quang
Khuếch đại đường quang
Nối chéo quang
Ghép kênh quang phân chia
thời gian
Định tuyến và gán bước sóng
Phân cấp số đồng bộ
Tô màu đồ thị tuần tự
Mạng quang đồng bộ
Bảo vệ kết nối mạng con
Modun truyền tải đồng bộ
Bộ định tuyến bước sóng tĩnh
Chuyển mạch quang không
gian
Tổng bước sóng của các
bước sóng khả d
ụng
Ghép kênh phân chia theo
thời gian
Ngưỡng bảo vệ
Trao đổi khe thời gian
Bộ nhập tách bước sóng
Bộ chuyển đổi bước sóng
Ghép kênh chia bước sóng
Bộ định tuyến lưới quang
dẫn sóng
Đường bước sóng
Bộ định tuyến bước sóng
Khoá định tuyến bước sóng
Kênh giám sát quang

Sợi dịch tán sắc

Đồ án tốt nghiệp Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

6
DFF
SMF
DCF
CBFG
OA
OADM
OXC
OMS-DP

OMS-SP

OMS
RWA
SLE
WCA
RCL
RCA
Rsv
WRN

Dispersion Flattened Fiber
Single Mode Fiber
Dispersion Compensating Fiber
Chirper Bargg Fiber Grating

Optical Amplifier
Optical Add Drop Multiplexer
Optical Cross Connect
Optical Multiplexer Section
Dedicated Protection
Optical Multiplexer Section
Shared Protection
Optical Multiplexer Section
Routing and Wavelength Assignmen
t
Static Lightpath Establishment
Wavelength conveter Awave
Relative Capacity Loss
Routing and Channel Assignment
Wavelength Reservation
Wavelength Router Network

Sợi tán sắc phẳng
Sợi đơn mode
Sợi bù tán sắc
Cách tử Bargg
Khuếch đại quang
Bộ xen tách quang
Kết nối chéo quang
Bảo vệ dùng riêng mức đoạn
ghép kênh quang
Bảo vệ dùng chung mức đoạn
ghép kênh quang
Đoạn ghép kênh quang
Định tuyến gán bước sóng

Thiết lập luồng quang tĩnh
Bộ chuyển đổi bước sóng
Tổn thất dung lượng tương đối
Định tuyến và gán kênh
Gán bước sóng
đặt trước
Mạng định tuyến bước sóng

















Đồ án tốt nghiệp Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

7
LỜI NÓI ĐẦU

Trong hệ thống truyền tải, với sự ra đời của công nghệ mạng quang WDM
đặc biệt là công nghệ DWDM được coi như là một công nghệ tối ưu thay thế cho
công nghệ TDM truyền thống. Với sự ra đời của công nghệ WDM cho phép các
nhà thiết kế mạng lựa chọn được phương án tối ưu nhất để tăng dung lượng
đường truyền với chi phí thấp nhất. Cho đến nay hầu hết các h
ệ thống thông tin
quang đường trục có dung lượng cao đều sử dụng công nghệ WDM. Ban đầu từ
những tuyến WDM điểm – điểm đến nay đã xuất hiện các mạng với nhiều cấu
trúc phức tạp. Tuy nhiên, do hiện nay số lượng bước sóng sử dụng trong hệ
thống WDM là rất hạn chế, vấn đề đặt ra là phải làm thế nào để có thể sử dụng
nguồn tài nguyên này m
ột cách hiệu quả nhất. Giải quyết được vấn đề này tức là
nâng cao năng lực của mạng với số tối đa tải trên một bước sóng cho trước, đây
chính là vai trò của việc định truyến các bước sóng trong mạng. Việc định
truyến tốt sẽ cho phép sử dụng tối ưu các bước sóng khi xây dựng một mạng mới
và làm giảm chi phí cho thiết bị. Do đó, vai trò của việ
c định tuyến và gán bước
sóng trong mạng quang WDM là rất quan trọng. Việc sử dụng công nghệ ghép
kênh theo bước sóng WDM cho phép nâng cao đáng kể băng thông mà vẫn duy
trì hiện trạng hoạt động của mạng, nó cũng đã được chứng minh là một giải
pháp hiệu quả về mặt chi phí cho các mạng đường dài.
Vì lẽ đó đề tài “Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM
” sẽ nghiên cứu vấn đề này một cách cụ thể
hơn trong nội dung của đồ án này.
Đồ án này bao gồm có 3 chương với nội dung được tóm tắt cụ thể như sau :
Chương I : Giới thiệu chung về hệ thống ghép kênh theo bước sóng, các
kỹ thuật cơ bản, nguyên ký hoạt động của các phần tử cơ bản của hệ thống
quang WDM. Giới thiệu tổng quan cấu trúc hệ thống, các phần tử mạng WDM,
các kiến trúc của mạng lõi
điển hình, các tham số đặc trưng của mạng như tôpo

mạng, giới hạn vật lý, nhu cầu lưu lượng
Chương II : Giới thiệu một cách tổng quan về định tuyến và gán bước
sóng trong mạng quang WDM. Các giải pháp trong định truyến và gán bước
sóng, định tuyến gán bước sóng tĩnh, định truyến gán bước sóng với bộ chuyển
đổi bước sóng. Định tuyến gán bước sóng động.
Chương III :
Đưa ra một số phương pháp định tuyến và gán bước sóng
trong mạng quang WDM Bao gồm : Các phương pháp định tuyến trong mạng

Đồ án tốt nghiệp Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

8
MESH, định tuyến trong mạng cấu trúc RING WDM. Gán bước sóng tĩnh, gán
bước sóng động.
Mặc dù có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên đồ án
này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến
đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn.
Nhân đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Ths. Cao Hồng
Sơn đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ
em trong quá trình thực
hiện đồ án.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Viễn thông I
đã giúp đỡ em trong thời gian qua.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè người thân- những
người đã luôn cổ vũ động viên giúp đỡ kịp thời em trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2006
Sinh viên thực hiện

Trần Ngọc Quang















Đồ án tốt nghiệp Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

9
Chương I
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM

1.1 Sự phát triển của công nghệ WDM
Công nghệ mạng quang đã trở thành nhân tố quan trọng trong sự phát triển
của mạng viễn thông. Yêu cầu băng tần sử dụng lớn là hệ quả tất yếu của nhu
cầu truyền thông dữ liệu ngày nay. Trong hai thập kỷ qua, công nghệ truyền tải
quang WDM đã có sự phát triển vượt bậc. Sự phát triển này có được là nhờ công
nghệ chế tạo linh kiện quang. Những thành tựu của công nghệ này
đã góp phần

tạo nên hệ thống WDM dung lượng lớn như ngày nay.
Theo thời gian, xuất phát từ những nhu cầu thực tế, các hệ thống WDM ngày
càng trở nên phức tạp. Ở một góc độ nào, sự phức tạp trong hệ thống WDM là
trong những chức năng của thiết bị. Nhờ có chức năng này mà cấu hình hệ thống
WDM chuyển từ đơn giản như cấu hình điểm-
điểm sang cấu hình phức tạp như
Ring và Mesh. Các hệ thống WDM đầu tiên xuất hiện từ cuối những năm 1980
sử dụng hai kênh bước sóng trong các vùng 1310nm và 1550nm và thường được
gọi là hệ thống WDM băng rộng.
Đầu những năm 1990 xuất hiện các hệ thống WDM thế hệ hai sử dụng các
phần tử WDM thụ động, được gọi là hệ thống WDM băng hẹp từ 2 đến 8 kênh.
Các kênh này nằm trong cửa sổ 1550nm và với khoảng cách kênh 400GHz. Đến
giữa những năm 1990 đã có hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) sử dụng từ 16
đến 40 kênh với khoảng cách kênh từ 100 đến 200 GHz. Các hệ thống này đã
tích hợp các chức năng xen rẽ và quản lý mạng.
Các hệ thống WDM ban đầu sử dụng với khoảng cách kênh lớn. Việc lắp đặt
hệ thống WDM chi phối bởi những lý do kinh tế. Vi
ệc nâng cấp thiết bị đầu cuối
để khai thác các năng lực của WDM có chi phi thấp hơn việc lắp đặt cáp sợi
quang mới. Sự xuất hiện bộ khuếch đại quang EDFA đã chuyển hầu hết các hệ
thống WDM sang cửa sổ 1530 nm đến 1565nm. Các hệ thống WDM mới lắp đặt
gần đây đã sử dụng các kênh quang có khoảng cách giữa các kênh hẹp từ 25
GHz đến 50 GHz.
Nhu cầu v
ề băng tần mạng đang tăng gần 100%/một năm sẽ tiếp tục gia tăng
ít nhất là trong vài chục năm tiếp theo. Việc giảm giá thành của các nhà cung cấp
và trên hết là ứng dụng phổ cập của Internet đòi hỏi băng tần lớn sẽ được tiếp tục
đẩy mạnh.

Đồ án tốt nghiệp Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

10
Các giải pháp thực tế đối với các vấn đề giới hạn ảnh hưởng của tán sắc
mode phân cực, hiệu ứng phi tuyến, sẽ làm tăng cả số lượng kênh và tốc độ bít
của hệ thống WDM. Số lượng các kênh tăng đòi hỏi yêu cầu khắt khe hơn đối
với độ ổn định của laser, độ chính xác của bộ lọc và vấn đề liên quan đến quả
n
lý tán sắc, hiệu ứng phi tuyến
Mạng tiến dần tới mô hình toàn quang, do đó sẽ xuất hiện các hệ thống thiết
bị quang mới có khả năng thực hiện các chức năng mà các thiết bị điện tử đang
đảm nhận. Việc loại bỏ các yêu cầu khôi phục và tái tạo lưu lượng qua thiết bị
điện tử làm giảm đáng kể tính phức tạ
p phần cứng của mạng, nhưng sẽ làm tăng
các hiệu ứng quang khác. Mặc dù trên khía cạnh nào đó các kỹ thuật WDM mật
độ cao sẽ đạt tới giới hạn của nó. Sự truyền dẫn của vài trăm kênh trên một sợi
quang cũng đã được kiểm chứng. Nhờ có sự phát triển của công nghệ WDM,
trong tương lai không xa sẽ xuất hiện các dịch vụ thông tin quang giá thành thấp
tốc độ
cao.

1.2 Kỹ thuật WDM
1.2.1 Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang WDM
Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng có thể minh hoạ như hình 1.1. Giả
sử có các nguồn quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ
1
, λ
2
, λ
3

, …λ
j
,
….λ
n
. Các tín hiệu quang với các bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát
nhờ bộ ghép kênh; bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu
sau khi ghép sẽ được truyền dọc theo sợi đến phía thu. Bộ tách kênh quang ở
phía thu sẽ tách các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ.

Hình 1.1 Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng.

Có hai phương án thiết lập hệ thống WDM như hình 1.2 . Phương án
truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng như trong hình 1.2(a), là kết
hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi quang tại một đầu và thực hiện

Đồ án tốt nghiệp Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

11
tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia. Phương án truyền
dẫn ghép bước sóng quang theo hai hướng như trong hình 1.2(b) thì không quy
định phát ở một đầu và thu ở một đầu; điều này có nghĩa là có thể phát thông tin
theo một hướng tại bước sóng λ
1
và cũng đồng thời truyền thông tin theo hướng
ngược lại tại bước sóng λ
2
.

Hình 1.2 Hệ thống ghép bước sóng (a) theo một hướng
(b) theo hai hướng

Như vậy trên cùng một sợi có thể truyền đồng thời nhiều bước sóng
quang. Mỗi bước sóng quang được gọi là một kênh quang, mỗi kênh quang sẽ
mang lưu lượng từ các lớp trên như SDH, ATM …. Như vậy sử dụng công nghệ
WDM dung lượng truyền dẫn được nâng cao mà không cần lắp đặt thêm cáp.
Khi kết hợp các thuật toán
định tuyến thông minh, sự phân bổ hợp lý tài nguyên
các bước sóng sẽ nâng cao dung lượng tối đa của mạng WDM.

1.2.2 Cấu trúc hệ thống WDM
Ghép kênh theo bước sóng là kỹ thuật sử dụng các kênh bước sóng quang
để truyền tải luồng dữ liệu khác qua sợi quang trên mạng viễn thông. Trong
trường hợp một tuyến WDM điểm- điểm, một tập các kênh quang được kết hợp
lại trong bộ ghép kênh WDM, được truyền qua mộ
t tuyến sợi quang và được
tách ra qua bộ giải ghép kênh WDM.

ỏn tt nghip nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

12
Trong hỡnh 1.3 ch ra mt cu trỳc h thng chung WDM. Trong vớ d ny
cú bn kờnh quang ti cỏc bc súng
1
,
2
,
3

v
4
c ghộp vi nhau qua b
ghộp kờnh theo bc súng. B khuch i ng quang (OLA) khuch i cỏc
tớn hiu quang. B xen tỏch quang (OADM) tỏch bc súng
1
v xen mt khờnh
quang ti bc súng
5
.

Hỡnh 1.3 Cu trỳc h thng WDM c bn

Ti u thu, b gii ghộp kờnh WDM tỏch bn kờnh quang ti cỏc bc
súng
2
,
3
,
4
v
5
. Do vy cú mt kờnh t node 1 n node 2 bng
1
, ba kờnh
t node 1 n node 3 bng
2
,
3
v

4
, mt kờnh t node 2 sang node 3 bng
5
.
Lý do chớnh ca vic s dng WDM l cho phộp truyn ti dung lng rt
cao v cung cp kh nng mm do trong nh tuyn v bo v, thun li cho
quy hoch v thit k mng.

1.2.3 Cỏc phn t c bn ca h thng WDM
1.2.3.1 Si quang
Cỏc mng quang u s dng mụi trng truyn dn l cỏc si quang. Si
quang cú c tớnh l suy hao v tỏn sc thp v l mụi trng phi dn. Si quang
n mode chun cng nh si dch tỏn sc, hoc si tỏn sc phng ó c ITU-
T chun hoỏ.
a. Si quang G.652.
Đây là loại sợi quang đơn mode đợc sử dụng phổ biến trên mạng lới viễn
thông nhiều nớc hiện nay, nó có thể làm việc ở 2 cửa sổ truyền dẫn 1310 nm và
1550 nm. Khi làm việc ở cửa sổ 1310 nm, G.652 có tán sắc nhỏ nhất (xấp xỉ 0
ps/nm.km) và suy hao tơng đối lớn. Ngợc lại, khi làm việc ở cửa sổ 1550 nm,

ỏn tt nghip nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

13
G.652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắc tơng đối lớn (xấp xỉ 20
ps/nm.km).
b. Si quang G.653.
Muốn xây dựng các tuyến thông tin quang tốc độ cao, cự ly dài thì cần phải
sử dụng một loại sợi có cả suy hao và tán sắc tối u tại một bớc sóng. Hiện nay,
bằng cách thay đổi mặt cắt chiết suất có thể chế tạo đợc sợi tán sắc dịch

chuyển, tức là sợi có tán sắc và suy hao tối u ở cùng một bớc sóng. Loại sợi
này gọi là sợi DSF hay sợi G.653.
Hình 1.4 mô tả đờng cong tán sắc của sợi G.653.












Hệ số suy hao của sợi DSF thờng nhỏ hơn 0,50 dB/km ở cửa sổ 1300 nm và
nhỏ hơn 0,3 dB/km ở cửa sổ 1550 nm. Hệ số tán sắc ở vùng bớc sóng 1550 nm
khoảng 20 ps/nm.km, còn ở vùng bớc sóng 1300 nm nhỏ hơn 3,5 ps/nm.km.
Bớc sóng cắt thờng nhỏ hơn 1270 nm.
Xét về mặt kỹ thuật, sợi G.653 cho phép xây dựng các hệ thống thông tin
quang với suy hao chỉ bằng khoảng một nửa suy hao của hệ thống làm việc ở
bớc sóng 1300 nm. Nh vậy, cự ly trạm lặp của hệ thống sợi tán sắc dịch
chuyển sẽ dài gấp đôi hệ thống sử dụng sợi G.652 bớc sóng 1300 nm. Còn đối
với các tuyến hoạt động ở bớc sóng 1550 nm thì do sợi G.653 có hệ số tán sắc
rất nhỏ nên nếu chỉ xét về tán sắc thì gần nh không có sự giới hạn về tốc độ
truyền tín hiệu trong các hệ thống này. Nh vậy do giảm số trạm lặp trên tuyến
mà giá thành cao của sợi G.653 phần nào đợc dung hoà.
c. Si quang G.654.
G.654 là sợi quang đơn mode tới hạn thay đổi vị trí bớc sóng cắt. Loại sợi
này có đặc điểm: suy hao ở bớc sóng 1550 nm giảm nhng tán sắc vẫn tơng

-20
0
-10
10
20
30
-30
Tán sắc
vật liệu
Tán sắc tổng
của sợi G.652
Tán sắc tổn
g
của sợi G.653
Tán sắc dẫn són
g
1000 1600 1400 1800
Bớc són
g

[nm]
Tán sắc
[ps/nm.km]
Hỡnh 1.4 Tỏn sc ca si G653

ỏn tt nghip nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

14
đối lớn; điểm tán sắc bằng không vẫn ở bớc sóng 1310 nm; G.654 chủ yếu đợc

sử dụng ở các tuyến cáp quang biển.
d. Si quang G.655.
Sử dụng sợi quang nào thích hợp nhất cho hệ thống WDM luôn là vấn đề
đợc nhiều nhà khoa học quan tâm. Do tính chất u việt của sợi quang G.653
(DSF) ở bớc sóng 1550 nm mà nó trở thành sợi quang đợc chú ý nhất. Nhng
nghiên cứu kỹ ngời ta phát hiện ra rằng khi dùng G.653 trong hệ thống WDM
thì ở khu vực bớc sóng có tán sắc bằng không sẽ bị ảnh hởng nghiêm trọng bởi
hiệu ứng phi tuyến. Đây là nhợc điểm chính của DSF. Từ đó xuất hiện một loại
sợi quang mới - sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không (NZ-DSF), còn gọi là
sợi quang đơn mode G.655. Điểm tán sắc bằng không của nó không nằm ở 1550
nm mà dịch tới 1570nm hoặc gần 1510 - 1520 nm. Giá trị tán sắc trong phạm vi
1548 - 1565 nm là ở 1 ữ 4 ps/nm.km đủ để đảm bảo tán sắc không bằng 0, trong
khi vẫn duy trì đợc tán sắc tơng đối nhỏ.
e. Si quang cú tit din hiu dng ln.
Loại sợi này thích hợp cho ứng dụng trong hệ thống WDM có dung lợng và
cự ly truyền dẫn lớn. Tiết diện hiệu dụng là 72 m
2
, điểm tán sắc bằng không là
1510 nm, cho công suất tơng đối lớn.

1.2.3.2 Phn phỏt
Phn phỏt quan trng nht l laser diode. Yờu cu ngun quang trong h
thng WDM l phi cú rng ph hp, n nh tn s. Tuy nhiờn laser diode
cú khoang cng hng Fabry Perot cú nhiu u im hn so vi LED nhng
cha tht s l cỏc ngun n mode. Vn cũn cỏc mode khỏc ngoi mode c bn
trong ngun ny. Trong h thng WDM nht l h thng ghộp bc súng cú mt
cao DWDM cn cú nhng laser
n mode to ra mt mode dc chớnh, cũn li
cỏc mode bờn cn c loi b. Laser n mode cú nhiu loi, in hỡnh l laser
hi tip phõn tỏn (DFB )v laser phn x Bragg phõn tỏn (DBR).

Diode laser hi tip phõn tỏn(DFB)
Laser DFB gm cú mt lp cỏch t nhiu x cú cu trỳc chu k t cnh
lp hot tớnh to ra ỏnh sỏng sut chiu di khoang cng hng vi mc ớch
nộn cỏc mode bờn trong v chn lc tn s nh hỡnh 1.5.
Súng quang lan truyn song song vi cỏch t, do cỏch t cú cu trỳc hon
ton theo chu k to hin tng giao thoa gia hai súng ghộp lan truyn ngc

Đồ án tốt nghiệp Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

15
nhau. Để hiện tượng giao thoa này xảy ra thì sau một chu kỳ cách tử pha thay
đổi 2
π
m, trong đó m là số nguyên được gọi là bậc của nhiễu xạ Bragg tức là:
2
π
m = 2Λ
B
n
λ
π
2
( 1.1)
Trong đó: n triết xuất hiệu dụng của mode, Λ là chu kỳ cách tử, hệ số 2 suất hiện
trong biểu thức vì ánh sáng phản xạ hai lần để cùng pha với sóng tới. Những
điều kiện trên không thoả mãn thì ánh sáng tán xạ cách tử sẽ triệt tiêu nhau, kết
quả là chỉ có có bước sóng thoả mãn là λ
B
. Khi m = 1 thì λ

B
được gọi là bước
sóng bậc một và λ
B
= 2Λn.

Hình 1.5 Cấu trúc diode laser hồi tiếp phân tán

• Diode Laser phản xạ Bargg phân tán (DBR)
Laser phản xạ Bargg phân tán (DBR) sử dụng nguyên lý phản xạ Bargg để
chỉ tạo ra một mode dọc. Khác nhau giữa DBR và DEB là trong DBR các cách
tử chiều dài ngắn đóng vai trò bộ phản xạ chọn lọc tần số. Có cấu trúc cách tử
nằm ở hai bên vùng hoạt tính có tác dụng như hai gương phản xạ với các bước
sóng thoả mãn điều kiện phả
n xạ như hình 1.6. Như vậy có nhiều mode trong
vùng hoạt tính nhưng chỉ có một bước sóng được phản xạ trở lại và được khuếch
đại.

Hình 1.6 Cấu trúc laser phản xạ phân tán Bargg DBR

ỏn tt nghip nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

16
Hai loi laser ny cú dũng in ngng khong 20 mA, rng ph rt
hp v nh hn c 0,5nm, do ú cỏc tuyn c ly xa yờu cu tc cao thng s
dng hai loi ny.
Diode Laser điều chỉnh bớc sóng
Bộ phát quang đơn mode có thể điều chỉnh đợc bớc sóng là linh kiện
quang then chốt của hệ thống WDM và mạng chuyển mạch quang. Chỉ tiêu tính

năng của nó là điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh phạm vi bớc sóng. Mặc dù đang
còn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nhng với sự tiến bộ không ngừng của
công nghệ bán dẫn, bộ phát quang bán dẫn có thể điều chỉnh đợc bớc sóng
chất lợng cao sẽ sớm đợc sử dụng trong tơng lai.
Nh ta đã biết, bớc sóng đầu ra bộ phát quang
kk
(bớc sóng trong không
khí) quan hệ với bớc sóng trong môi trờng chất bán dẫn
bd
theo công thức:

kk
=
bd
ì n (1.2)
Từ công thức (1.2): khi thay đổi n (chiết suất của vật liệu bán dẫn) thì
kk
sẽ
thay đổi, tức là có thể thay đổi và điều khiển đợc bớc sóng đầu ra của bộ phát
quang trong phạm vi nhất định. Dới đây sẽ giới thiệu cấu tạo và nguyên lý hoạt
động của một số bộ phát quang biến đổi bớc sóng tiên tiến.
- Bộ phát quang có thể điều chỉnh ngoài khoang
Cấu tạo
Thực hiện mạ trên mặt cắt ở phía sau của khoang cộng hởng một màng tăng
thấu (AR), sau đó ở ngoài đa vào bộ lọc có thể điều chỉnh để tạo thành bộ phát
quang có thể điều chỉnh ở ngoài khoang. Hình 1.7 mô tả cấu tạo bộ phát quang
này.
Nguyên lý hoạt động
Các tia sáng đi qua màng tăng thấu, qua thấu kính biến thành chùm tia sáng
song song đập vào cách tử. ở đây cách tử sẽ đóng vai trò gơng phản xạ kiêm bộ

lọc băng hẹp. Nếu ta quay cách tử thì có thể điều chỉnh thô bớc sóng quang đầu
ra. Còn nếu ta điều chỉnh cách tử theo chiều dọc thì có thể tinh chỉnh đợc bớc
sóng quang đầu ra.
Ưu điểm, nhợc điểm
Ưu điểm chính của loại phát quang này là độ rộng phổ phát cực hẹp và có thể
điều chỉnh bớc sóng trong phạm vi rộng. Còn nhợc điểm chính là tốc độ điều
chỉnh thấp, thể tích tơng đối lớn, độ ổn định về cơ không cao.



ỏn tt nghip nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

17










- Bộ phát quang DFB 2 cực
Bộ phát quang DFB 2 cực có cấu tạo khác với bộ phát quang DFB bình
thờng ở chỗ nó có 2 điện cực để điều khiển công suất ra và điều khiển bớc
sóng phát xạ. Hình 1.8 mô tả cấu tạo của bộ phát quang loại này.
Tín hiệu điện đợc chia thành 2 thành phần: dòng vào cực thứ nhất là dòng
I

a
đặt định thiên trên ngỡng, có tác dụng chuyển tín hiệu điện đầu vào thành tín
hiệu quang; dòng vào thứ hai là dòng I
b
nhỏ hơn trị số ngỡng, có tác dụng thay
đổi chiết suất để điều chỉnh bớc sóng đầu ra bộ phát quang.









1.2.3.3 Phn thu
Bộ thu quang của hệ thống WDM cũng tơng tự nh bộ thu quang ở hệ
thống đơn kênh. Chúng thực chất là các photodiode (PD), thực hiện chức năng cơ
bản là biến đổi tín hiệu quang thu đợc thành tín hiệu điện. Bộ thu quang phải
đảm bảo yêu cầu về tốc độ lớn, độ nhạy thu cao và bớc sóng hoạt động thích

Đầu ra quang
Màn
g
AR
LD
Cách t
ử
Hỡnh 1.7 B phỏt quang cú iu chnh ngoi khoang
Thấu kính

Điều chỉnh thô
(50 - 240 nm)
Điều chỉnh
nhỏ (Ghz)
Tăn
g
ích Chọn bớc són
g

5,25 cm
Đầu ra quang
Màng AR
Cách t
ử
Tín hiệu điện
Hỡnh 1.8 B phỏt quang DFB 2 cc iu chnh bc súng
Tăng ích
Điều chỉnh
I
a
I
b

ỏn tt nghip nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

18
hợp. Hai loại photodiode đợc sử dụng rộng rãi trong bộ thu quang là photodiode
PIN và photodiode thác APD.
a. Nguyờn lý lm vic chung ca PIN v APD

Nguyên lý làm việc chung của PIN-photodiode và APD dựa trên nguyên lý
bức xạ ánh sáng của lớp tiếp giáp P-N, đợc chỉ ra ở hình 1.9.
Cả hai loại photodiode đều hoạt động dựa vào tiếp giáp p-n phân cực ngợc.
Khi ánh sáng có bớc sóng trong không gian tự do bé hơn bớc sóng cắt:

c
(m) =
(
)
()
eVE
m eV.1,24
g
(1.3)
chiếu vào Photodiode thì bán dẫn hấp thụ các photon. ở công thức (1.3), E
g
là độ
rộng dải cấm của tiếp giáp p-n.











Khi một photon đợc hấp thụ trong vùng nghèo, nó sẽ kích thích một điện tử

trong dải hoá trị nhảy lên dải dẫn và để lại trong dải hoá trị một lỗ trống. Nh
vậy mỗi photon đợc hấp thụ sẽ tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống. Điện áp phân
cực ngợc tạo ra một điện trờng mạnh trong vùng nghèo hình 1.9 (b). Dới tác
dụng của điện trờng mạnh, điện tử và lỗ trống bị quét rất nhanh ra khỏi vùng
nghèo. Lỗ trống từ vùng nghèo đi vào lớp p, điện tử từ vùng nghèo đi vào lớp n
tạo thành dòng khuyếch tán và chúng trở thành các hạt tải điện đa số trong các
vùng này. Khi điện tử đi tới điện cực bên phải hình 1.9 (a), dới tác dụng của
nguồn phân cực ngợc buộc nó phải đi qua mạch ngoài để tạo thành dòng tách
quang. Các điện tử qua mạch ngoài và đi tới điện cực bên trái đi vào vùng p, tái
hợp với lỗ trống ở vùng này.
Trong kỹ thuật thông tin quang, ngời ta thờng sử dụng các phần tử biến đổi
quan-điện: PIN-Photodiode và Diode quang thác APD.

p n
V
ánh sán
g
tới
E
ngoài
E
TX
a
)

x
E
b)

Hỡnh 1.9 Diode tỏch quang p-n

ỏn tt nghip nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

19
Dới đây ta sẽ trình bầy nguyên lý biến đổi quang-điện, cấu tạo và tính chất
của các phần tử này.
b. PIN-Photodiode
Cấu tạo
Nguyên tắc biến đổi quang-điện của PIN-Photodiode dựa vào nguyên lý biến
đổi quang-điện của lớp tiếp giáp p-n đợc phân cực ngợc. Cấu trúc cơ bản và
phân bố điện trờng của PIN-Photodiode đợc chỉ ra ở hình 1.10.
Cấu tạo của PIN-Photodiode bao gồm:
- Một tiếp giáp gồm 2 bán dẫn tốt là P
+
và N
+
làm nền, ở giữa có một lớp mỏng
bán dẫn yếu loại N hay một lớp tự dẫn I (Intrisic).
- Trên bề mặt của lớp bán dẫn P
+
là một điện cực vòng (ở giữa để cho ánh sáng
thâm nhập vào miền I).
- Trên lớp bán dẫn P
+
phủ một lớp chống phản xạ.
- Điện áp phân cực ngợc cho diode.

Hỡnh 1.10 Cu to ca PIN-Photodiode (a) v s phõn b in trng (b)

Nguyên lý hoạt động:
Khi các photon đi vào lớp P
+
có mức năng lợng lớn hơn độ rộng của dải cấm,
sẽ sinh ra trong miền P
+
, I, N
+
của PIN-Photodiode các cặp điện tử và lỗ trống
(chủ yếu ở lớp I).
P
+
N
+
I
Điện cực
Điện cực vòng
Lớp chống phản xạ

ánh sáng tới
(a)
(b)
E

ỏn tt nghip nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

20
Các điện tử và lỗ trống trong miền I vừa đợc sinh ra bị điện trờng mạnh
hút về hai phía (điện tử về phía N
+
vì có điện áp dơng, lỗ trống về miền P
+
vì có
điện áp âm).
Mặt khác, các điện tử mới sinh ra trong miền P
+
khuếch tán sang miền I
nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp P
+
I, rồi chạy về phía N
+
vì có điện áp dơng và
lỗ trống mới sinh ra trong miền N
+
khuếch tán sang miền I nhờ gradien mật độ
tại tiếp giáp N
+
I, rồi chạy về phía về miền P

+
vì có điện áp âm.
Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN-Photodiode một dòng
điện và trên tải một điện áp.
Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo ra dòng
điện ngoài, vì chúng đợc sinh ra ở miền P
+
và N
+
ở cách xa các lớp tiếp giáp P
+
I
và N
+
I không đợc khuếch tán vào miền I (do ở khoảng cách xa hơn độ dài
khuếch tán của động tử thiểu số), nên chúng lại tái hợp với nhau ngay trong các
miền P
+
và N
+
.
Trong trờng hợp lý tởng, mỗi photon chiếu vào PIN-Photodiode sẽ sinh
ra một cặp điện tử và lỗ trống và giá trị trung bình của dòng điện ra tỷ lệ với công
suất chiếu vào. Nhng thực tế không phải nh vậy, vì một phần ánh sáng bị tổn
thất do phản xạ bề mặt.
Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bớc
sóng. Vì vậy, lớp P
+
không đợc quá dầy. Miền I càng dầy thì hiệu suất lợng tử
càng lớn, vì xác suất tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống tăng lên theo độ dầy của

miền này và do đó các photon có nhiều khả năng tiếp xúc với các nguyên tử hơn.
Tuy nhiên, trong truyền dẫn số độ dài của xung ánh sáng đa vào phải đủ lớn
hơn thời gian trôi T
d
cần thiết để các phần tử mang điện chạy qua vùng trôi có độ
rộng d của miền I. Do đó, d không đợc lớn quá vì nh thế tốc độ bit sẽ bị giảm
đi.
Khi bớc sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua bán dẫn cũng tăng lên,
ánh sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Do
đó, với các vật liệu phải có một bớc sóng tới hạn.
c. Diode quang thỏc APD
Cấu tạo
Cấu trúc cơ bản của APD đợc chỉ ra ở hình 1.11(a).
Cấu tạo của APD cơ bản giống nh PIN-Photodiode. Ngoài ra trong APD
còn có một lớp bán dẫn yếu P đợc xen giữa lớp I và lớp N
+
. Bên trái lớp I bị giới
hạn bởi lớp P
+
, còn bên phải lớp I bị giới hạn bởi tiếp giáp PN
+
.

ỏn tt nghip nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

21
Điện áp phân cực ngợc đặt vào APD rất lớn, tới hàng trăm vôn.
Điện trờng thay đổi theo các lớp đợc chỉ ra bởi hình 1.11(b). Trong vùng
I, điện trờng tăng chậm, nhng trong tiếp giáp PN

+
điện trờng tăng rất nhanh.
Lớp tiếp giáp PN
+
là miền thác, ở đây xảy ra quá trình nhân điện tử.
Nguyên lý hoạt động:
Do APD đợc đặt một điện áp phân cực ngợc rất lớn, tới hàng trăm vôn,
cho nên cờng độ điện trờng ở miền điện tích không gian tăng lên rất cao. Do
đó, khi các điện tử trong miền I di chuyển đến miền thác PN
+
chúng đợc tăng
tốc, va chạm vào các nguyên tử giải phóng ra các cặp điện tử và lỗ trống mới, gọi
là sự ion hoá do va chạm. Các phần tử thứ cấp này đến lợt mình lại tạo ra sự sự
ion hoá do va chạm thêm nữa, gây lên hiệu ứng quang thác và làm cho dòng điện
tăng lên đáng kể.
Thông qua hiệu ứng quang thác này mà với cùng một số lợng photon tới,
APD giải phóng ra các điện tử nhiều hơn rất nhiều lần so với PIN-Photodiode.

Hỡnh 1.11 Cu to ca APD(a)v s phõn b in trng theo cỏc lp (b)
Dòng ra của các photodiode
Dòng ra của PIN - Photodiode
PIN- Photodiode là photodiode không có hiệu ứng quang thác, do đó dòng
ra của nó chính là dòng photo, tức là:
i
T-PIN
= i
P
= H
T
P
T
(1.4)
Trong đó:
(
a
P
P
P
+
N
+
I
Điện cực
Điện cực
vòng
Lớp chống phản
xạ

ánh sáng tới
(
b
)

E

ỏn tt nghip nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

22

hc
e
H
T


=
(1.5)
gọi là hệ số biến đổi quang - điện của photodiode.
P
T
: là công suất ánh sáng chiếu vào photodiode

Số cặp địên tử - Lỗ trống sinh ra

=
Số photon hấp thụ
là hiệu suất lợng tử hoá của APD/PIN Photodiode.

: bớc sóng của ánh sáng.
e: địên tích của điện tử (e = 1,602.10
-19
As).
h: hằng số Plank (h = 6,62.10
-34
Ws
2
).
c: vận tốc ánh sáng (c = 3.10
8
m/s).
Dòng ra của APD
Đối với APD, do có hiệu ứng quang khác mà dòng ra của APD đợc tăng
lên M lần, tức là:
i
T-APD
= Mi
P
= MH
T
P
T
,

(1.7)
Trong đó:


1

1
n
D
P
T
U
U
i
i
M









==
(1.8)
là hệ số khuyếch đại của APD,
U : địên áp đặt vào APD.
U
D
: điện áp đánh thủng của APD
n: nhận các giá trị từ 1,5 ữ 6, tuỳ thuộc vào vật liệu và cấu trúc của APD.
Nhiễu của các bộ thu quang
Theo bản chất gây nên nhiễu có: nhiễu lợng tử tính hiệu, nhiễu dòng
điện tối, nhiễu dòng rò, nhiễu nhiệt và nhiễu do hiệu ứng quang thác (trong

APD).
+ Nhiễu dòng tối
Nhiễu dòng tối là do dòng điện tối của photodiode sinh ra. Dòng điện tối
gồm rất nhiều xung không có quy luật. Ngời ta chỉ xác định đợc trị hoặc dụng của
nó, phổ biên độ của chúng bằng phẳng ở mọi tần số. Theo [6], công suất nhiễu dòng
điện tối p
NT
theo công thức :
(1.6)

ỏn tt nghip nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

23

eTNT
BIMMFep
2
)(2=
(1.9)
Trong đó, I
T
là gía trị trung bình của dòng điện tối, giá trị trung bình này
phụ thuộc chất liệu bán dẫn, diện tích bề mặt tiếp xúc P-N và nhiệt độ và B
e
là
băng tần hiệu dụng hay còn gọi là băng tần điện của photodiode.
+ Nhiễu dòng rò
Nhiễu dòng rò là do dòng điện rò của photodiode tạo ra. Dòng điện rò là do
các tia sáng phía trong và ánh sáng bên cạnh tạo ra. Trên thực tế ngời ta chỉ xác

định đợc giá trị trung bình của dòng điện rò. Theo [6], công suất nhiễu dòng rò
p
r
theo công thức :

erNr
BIMMFep
2
)(2=
(1.10)
Trong đó, I
r
là giá trị trung bình của dòng điện rò.
+ Nhiễu nhiệt
Nhiễu nhiệt của Photodiode là nhiễu xuất hiện trong điện trở lớp chắn, điện
trở tải, do chuyển động nhiệt của các điện tử trong điện trở tạo ra.
Theo [7], công suất nhiễu nhiệt p
NN
của photodiode đợc xác định theo công
thức :

eTCNN
BGGTkp )(4
+
=
(1.11)
Trong đó: G
C
=
C

R
1
là điện dẫn của điện trở lớp chắn R
C
,
G
T
=
T
R
1
là điện dẫn của điện trở tải R
T
,
k: hằng số Bolzomal,
T: Nhiệt độ tuyệt đối.
+ Nhiễu do hiệu ứng quang thác
Đối với APD, nhiễu do hiệu ứng quang thác sinh ra phụ thuộc vào hệ số
khuyếch đại và tỷ lệ với tỷ số giữa hệ số ion hoá lỗ trống và hệ số ion hoá điện tử
trong vùng khuyếch đại quang thác.
Nhiễu do hiệu ứng quang thác đợc đặc trng qua hệ số tạp âm F(M) và
nó đợc xác định gần đúng theo công thức:







++=

M
Mk
M
MF
i
1
2
1
2)(
(1.12)
Trong đó:

ỏn tt nghip nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

24
M là hệ số khuyếch đại của APD,

p
n
ki


=
(1.13)

n
là hệ số ion hoá điện tử trong vùng quang thác,

p

là hệ số ion hoá lỗ trống trong vùng quang thác.
Trong thực tế, ngời ta có thể sử dụng gần đúng F(M) bởi:
F(M) = M
X

(1.14)
Trong đó, giá trị đặc trng của x = 0,3 0,5 đối với Si APD, x = 0,7 đối
với InGaAsP-APD và x=1 đối với Ge-APD
+ Nhiễu lợng tử tín hiệu
Nhiễu lợng tử tín hiệu sinh ra trong quá trình giải phóng ra các cặp điện
tử - lỗ trống do các photon chiếu vào photodiode.
Các tạp âm dòng tối, tạp âm dòng rò và tạp âm nhiệt tạp âm là những tạp
âm không phụ thuộc tín hiệu của APD và PIN-Photodiode. Còn tạp âm lợng tử
tín hiệu là tạp âm phụ thuộc tín hiệu, cần phải đợc xem xét tín hiệu truyền dẫn
tơng tự hay số, tín hiệu truyền dẫn biến đổi nhanh hay chậm.
Theo [6], công suất nhiễu lợng tử của photodiode đợc xác định theo
công thức:

eTTNL
BPHMMFep
2
)(2=
(1.15)
Trong đó:
T
P
:Giá trị trung bình của công suất ánh sáng đến photodiode
e:điện tích của điện tử
B
e

: băng tần điện của photodiode
F(M): hệ số tạp âm phụ thêm của APD
M:hệ số khuyếch đại của APD
H
T
: hệ số biến đổi quang điện của photodiode

+ Nhiễu tổng của photodiode
Trong thực tế, các nguồn nhiễu chỉ ra ở mô hình toán học của photodiode
là không tơng quan nhau. Do đó, công suất nhiễu tổng của photodiode đợc tính
theo công thức:

NNNrNTNLN
ppppp
+
+
+=

(1.16)

ỏn tt nghip nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

25
Thay các công thức (1.9)-(1.12) và (1.15) vào (1.16), ta nhận đợc công
suất nhiễu tổng của APD theo công thức:

[]
eTCrTTTAPDN
BGGkTeIIPHMMeFp )(42)()(2

2
++++=

(1.17)
Thay công thức (1.14) vào công thức (1.17) và thực hiện biến đổi toán học,
ta nhận đợc công suất nhiễu tổng của APD dới dạng:

[]
eTCrTTT
x
APDN
BGGkTeIIPHeMp )(42)(2
2
++++=
+

(1.18)
Từ công thức (1.18) và thay M = 1 ta nhận đợc công suất nhiễu tổng của
PIN-Photodiode theo các công thức:

[]
eTCrTTTPINN
BGGkTeIIPHep )(42)(2 ++++=

(1.19)
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR)
Từ công thức (1.7), (1.18), ta nhận đợc tỷ số tín hiệu/nhiễu của APD nh
sau:

eTCrTTT

x
T
T
APD
BGGkTeIIPHeM
PMH
SNR






++++
=
+
)(42)(2
2
2
22
(1.20)
Từ công thức (1.4), (1.19), ta nhận đợc tỷ số tín hiệu/nhiễu của PIN-
photodiode nh sau:

eTCrTTT
T
T
PIN
BGGkTIIPHe
PH

SNR






++++
=
)(4)(2
2
2
(1.21)

Tỉ số lỗi bit (BER)
BER là tỉ số giữa số bit bị lỗi và số bit đợc phát đi (xác suất sai lầm bit). Lý
thuyết đã chứng minh BER là một hàm của SNR và đợc biểu diễn theo công
thức sau:

=
2
1
2
1 SNR
erfBER
(1.22)
Trong đó, erfc(x) là hàm lỗi.