Luận văn thạc sĩ CNTT: Hệ thống cáp quang biển và ứng dụng thực tiễn

i
MỤC LỤC
MỤC LỤC i
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1 4
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC
SÓNG WDM 4
1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM 4
1.1.1 Nguyên lý ghép kênh 4
1.1.2 Các thông số cơ bản của thiết bị WDM 6
1.2 Các thành phần của thiết bị WDM 7
1.2.1 Sợi quang 8
1.2.2 Thiết bị phát và thu WDM 9
1.2.3 Bộ khuếch đại quang 10
1.3 Các vấn đề thiết kế hệ thống WDM 12
1.3.1 Vấn đề suy hao và quỹ công suất quang 12
1.3.2 Vấn đề tán sắc 13
1.3.3 Vấn đề xuyên kênh 14
1.3.4 Kênh bước sóng ITU-T Grid 21
1.4 Hệ thống truyền dẫn WDM đường trục khoảng cách lớn 26
1.4.1 Các yếu tố thách thức thiết kế hệ thống 26
1.4.2 Một số công nghệ áp dụng cho các hệ thống WDM đường trục 29
1.5 Kết luận chương 34
Chương 2 35
TÁN SẮC MODE PHÂN CỰC, ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC MODE PHÂN CỰC
LÊN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO 35
2.1 Tán sắc MODE phân cực (PMD) trong sợi quang 35
2.1.1 Các mode phân cực 35
2.1.2 Bản chất vật lý của tán sắc mode phân cực 36

2.1.3 Đặc điểm, tính chất tán sắc mode phân cực trong hệ thống thông tin quang 41
2.1.4 Ảnh hưởng của PMD trong hệ thống thông tin quang 45
2.1.5 Phương pháp đo tán sắc PMD 48
2.1.6 Kết quả mô phỏng, đo xác định tán sắc PMD 51
2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của tán sắc MODE phân cực và nhiễu liên quan trong hệ
thống thông tin quang tốc độ cao 56
2.2.1 Giới thiệu chung 56
2.2.2 Thiết lập hệ thống mô phỏng ảnh hưởng của PMD 57
2.2.3 Kết quả mô phỏng và so sánh 59
2.2.4 Kết quả đo thực nghiệm 80
Chương 3 94
HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP QUANG BIỂN WDM 94
3.1 Giới thiệu chung 94
3.1.1 Sự phát triển của thông tin cáp quang biển 94
3.1.2 Một số đặc điểm của hệ thống cáp quang biển 97
3.2 Các đặc tính và các thành phần hệ thống cáp quang biển WDM 101
3.2.1 Các đặc tính và phẩm chất hệ thống 101

ii
3.2.2 Thiết bị TTE 105
3.2.3 Bộ lặp quang dưới biển (Optical Submarine Repeat-OSR) 108
3.2.4 Thiết bị rẽ nhánh (BU) 109
3.2.5 Cáp biển 112
3.3 Những tiến bộ công nghệ trong hệ thống cáp quang biển 114
3.3.1 Xu hướng phát triển các hệ thống cáp quang biển 114
3.3.2 Dung lượng 115
3.3.3 Bộ khuếch đại quang 116
3.3.4 Những tiến bộ công nghệ sợi quang đối với khoảng lặp 119
3.3.5 Những tiến bộ công nghệ đối với thiết bị đầu cuối 120
3.3.6 Thế hệ thông tin cáp quang biển 40 Gbit/s 121

3.4 Kết luận chương 3 121
Chương 4 122
CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN WDM; MỘT SỐ VẤN ĐỀ
TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN 122
4.1 Các thiết bị cáp quang biển WDM 122
4.1.1 Thiết bị của Alcatel 122
4.1.2 Thiết bị của TYCO 129
4.1.3 Thiết bị c ủa Fujitsu 136
4.1.4 Một số hệ thống cáp quang biển 141
4.2 Một số vấn đề trong nghiên cứu xây dựng tuyến truyền cáp quang biển WDM . 147
4.2.1 Chọn dung lượng, công nghệ và cấu hình hệ thống 147
4.2.2 Lựa chọn tuyến cáp 153
4.2.3 Lựa chọn hướng tuyến 154
4.2.4 Các yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống 157
4.3 Kết luận chương 4 164
TÀI LIỆU THAM KHẢO 165

iii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ADM
Add/Drop Multiplexing
Ghép kênh xen rẽ
APD
Avalance Photodiode
Photodiode thác
ASE
Amplified Spontaneous Emission
Bức xạ tự phát được khuếch đại
ASK
Amplitude Shift Keying

Khóa dịch biên độ
AWG
Array Wave Gating
Cách tử AWG
BBER
Background Block Error Ratio
Tỷ số khối lỗi nghiêm trọng
BER
Bit Error Rate
Tỷ số lỗi bit
BPF
Bandpass filter
Bộ lọc băng thông
BOL
Begin of life – BOL
Bắt đầu đời sống
BU
Branching Unit
Bộ rẽ nhánh
CD
Chromatic Dispersion
Tán sắc
CIT
Craft Interface Terminal

CWDM
Course Wave Length Multiplexing
Ghép kênh theo bước sóng thô
DA
Double Amour (cable)

(cáp) vỏ giáp kép
DBR
Distributed Bragg Reflector
Phản xạ phân bố Bragg
DEMUX
Demultiplexing
Giải ghép kênh
DFB
Distributed Feedback
Phản hồi phân bố
DFE
Decisive Feeback Equalizer
Bộ cân bằng hồi tiếp quyết định
DGD
Decisive Group Delay
Độ trễ nhóm vi phân
DLS
Digital Line Section
Phần đường truyền số
DOP
Degree of polarization
Độ phân cực
DRA
Distributed Raman Amplifier
Bộ khuếch đại Raman phân bố
DSF
Dispersion Shift Fiber
Sợi dịch chuyển tán sắc
DWDM
Dense Wave Length Multiplexing

Ghép kênh bước sóng mật đô cao
DXC
Digital Cross Connect
Đấu chéo số
E/O
Electric-Optical Converter
Bộ biến đổi điện-quang
EDFA
Erbium-Dropped Fiber Amplifer
Khuếch đại quang sợi có pha tạp
Erbium
EOL
End of life
Kết thúc đời sống
FEC
Forward Error Correction
Bộ sửa lỗi trước
FFD-BU
Full Fiber Dro BU
Bộ rẽ nhánh rẽ toàn sợi
FP
Fabry Perot
Fabry Perot
FSK
Frequency Shift Keying
Khóa dịch tần số
FWM
Four-Wave Mixing
Trộn bốn bước sóng
GI

Graded Index
Chỉ số chiết suất Gradien

iv
GVD
Group Velocity Dispersion
Tán sắc vận tốc nhóm
IDF
Inversion Dispersion Fiber
Sợi tán sắc đảo ngược
IP
Internet Protoco;
Giao thức Internet
ISI
Intersymbol Interference
Giao thoa giữa các ký tự
ITU
International Telecommunication
Union
Tổ chức viễn thông quốc tế
LD
Laser Diode
La-de diode
LDV
Link Design Value
Giá trị thiết kế tuyến
LED
Light Emitting Diode
Diode phát quang
LME

Line Monitoring Equipment
Thiết bị kiểm tra đường truyền
LTE
Line Terminal Equipment
Thiết bị đầu cuối đường truyền
LW
Light Weight (cable)
(cáp) trọng lượng nhẹ
LWP
Light Weight Protected (cable)
(cáp) trọng lượng nhẹ có bảo vệ
MUX
Multiplexing
Ghép kênh
MZ
Mach-Zehnder
Mach-Zehnder
NE
Network Element
Phần tử mạng
NRZ
Non Return To Zero
Không trở về không
O/E
Optical-Electric Converter
Bộ biến đổi quang – điện
OADM
Optical Add-Drop Multiplexer
Bộ ghép kênh xen/rẽ quang
ODXC

Optical Digital Cross-Connect
Bộ đấu nối chéo quang
OEIC
Opto-Electronic Intergrated Circuit
Mạch tích hợp quang điện tử
OSNR
Optical Signal to Noise Ratio
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu quang
OSR
Optical Submarine Repeater
Trạm lặp quang dưới biển
PANDA
Polarization-maintaining and
Absorption-reducing
Duy trì phân cực và giảm hấp thụ
PC
Polarization Control
Bộ điều khiển phân cực
PDCD
Polarization Dependent Chromatic
Dispersion
Tán sắc CD phụ thuộc phân cực
PDG
Polarazation-Dependent Gain
Độ khuếch đại phụ thuộc phân cực
PDL
Polarazation-Dependent Loss
Suy hao phụ thuộc phân cực
PDV
Polarazation Dispersion Vector

Vector tán sắc phân cực
PFE
Power Feeding Equipment
Thiết bị cấp nguồn
PHB
Polarization Hole Buring
Cháy lỗ phân cực
PM
Polarazation Mode
Mode phân cực
PMD
Polarazation Mode Dispersion
Tán sắc mode phân cực
PMF
Polarazation Maintaining Fiber
Sợi duy trì phân cực

v
PRBS
Pseudo-Random Bit Sequence
Chuỗi bit giả ngẫu nhiên
PSK
Phase Shift Keying
Khóa dịch pha
PSP
Principle State of Polarazation
Trạng thái phân cực nguyên lý
RDF
Reverse Dispersion Fiber
Sợi tán sắc ngược

RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
RFSA
Radio Frequency Spectrum Analizer
Máy phân tích phổ tần số vô tuyến
RMS
Root Mean Square
Trung bình bình phương
ROV
Remote Operation Vehicle
Máy hoạt động từ xa
RX
Receiver
Bộ thu
RZ
Return to Zero
Trở về không
SA
Single Armour (cable)
(cáp) vỏ giáp đơn
SBS
Stimulated Brillouin Scaterring
Tán xạ Raman kích thích
SDH
Synchronuos Digital Hiararchy
Phân cấp số đồng bộ
SESR
Severely Error Second Ratio
Tỷ số giây lỗi nghiêm trọng

SI
Step Index
Chỉ số chiết suất phân bậc
SLTE
Submarine Terminal Equipment
Thiết bị đầu cuối tuyến cáp biển
SM
Single Mode
Đơn mode
SNR
Signal to noise ratio
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SOP
State of polarization
Trạng thái phân cực
SPM
Self-Phase Modulation
Điều chế tự dịch pha
SRS
Stimulated Raman Scattering
Tán xạ Raman kích thích
SSE
System Surveillance Equipment
Thiết bị giám sát hệ thống
SWS
Single Wavelength System
Hệ thống một bước sóng
TSE
Terminal Stattion Equipment
Thiết bị đầu cuối trạm cáp

TTE
Transmission Terminal Equipment
Thiết bị đầu cuối truyền dẫn
TX
Transmiter
Bộ phát
VCSEL
Vertical Cavity Surface-emitting Laser
Laser phát mặt có hốc theo chiều
đứng
WDM
Wavelength Division Multiplexer
Ghép kênh theo bước sóng
WDW-
BU
Wavelength Division Mulitplexing
Branching Unit
Bộ rẽ nhánh WDM
WGR
Wavelength Grating Router
Bộ định tuyến cách tử dẫn sống
XPM
Cross phase modulation
Điều chế pha chéo


1

LỜI NÓI ĐẦU

Ở Việt Nam, từ sau chủ trương đổi mới, nghành Viễn thông đã có những bước
phát triển nhanh theo hướng hiện đại để đáp ứng cho nhu cầu phát triển kinh tế và hội
nhập quốc tế. Một cơ sở hạ tầng viễn thông hiện đại đã được thiết lập với những hệ
thống truyền dẫn bằng cáp quang trải dài đát nước và vươn ra thế giới.
Các hệ thống truyền dẫn quang với các ưu điểm vượt trội về băng thông, cự ly
và chất lượng đã trở thành một trong những phương thức truyền dẫn chủ yếu trong
mạng nộ bộ, nội hạt, mạng đường trục trong nước và quốc tế, cho phép truyền dẫn các
loại hình dịch vụ viễn thông phong phú như điện thoại, data, Internet, Multimedia,
Với tiến bộ trong công nghệ này, ngay nay năng lực của hệ thống truyền dẫn
quang là rất lớn. Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM) cho phép dung lượng
truyền dẫn tăng lên rất cao, hang Tbps. Các hệ thống truyền dẫn quang WDM được
ứng dụng rộng rãi trong các mạng Metro cũng như các mạng đường trục. Ở Việt Nam,
WDM đã được sử dụng trong truyền dẫn đường trục Bắc-Nam với dung lượng 20
Gbps [1]. Hiện nay dự án cáp quang biển nội địa đang có kế hoạch triển khai xây
dựng.
Các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng WDM đang được sử dụng rộng rãi
trong tuyến cáp quang biển đường trục quốc tế. Trong những năm gần đây, hàng loạt
tuyến cáp quang biển quốc tế với quy mô lớn đã được xây dựng để đáp ứng nhu cầu
ngày một tăng cao về dung lượng truyền dẫn, đặc biệt cho nhu cầu kết nối Internet và
các ứng dụng băng thông rộng khác.
Ở Việt Nam, mạng lưới viễn thông quốc tế bằng cáp quang thông qua hai tuyến
cáp quang biển quốc tế cập bờ vào Việt Nam là TVH và Sea-We-3 và một tuyến cáp
quang đất liền quốc tế là CSC. Bảng 0.1 là tham số cơ bản của hai tuyến này.

2
Bảng 0.1. Cáp quang biển cập bờ Việt Nam
Thông số
TVH
SMW-3
CSC

Điểm kết nối
Việt Nam (Vũng
Tàu), Hồng
Kông, Thái Lan
Việt Nam (Đà
Nẵng), 33 nước Á,
Âu từ Nhật Bản –
Đức
Việt Nam, Trung
Quốc, Lào, Thái
Lan, Malaysia,
Singapore
Dung lượng thiết kế
560 Mbps
2,3 Gbps x 8 x
2fp
2,5 Gbps
Năm đưa vào khai
thác
1996
1999
2000

Với sự phát triển có tính bùng nổ của việc sử dụng Internet tại Việt Nam, đặc
biệt là do chủ trương khuyến khích triển khai các dịch vụ băng rộng, nhu cầu về dung
lượng truyền dẫn quốc tế là rất lớn. Rõ ràng, với hai tuyến cáp biển hiện có là không
đáp ứng được nhu cầu thông tin quốc tế xét về nhu cầu dung lượng, điểm kết nối, tính
an toàn của mạng lưới. Bởi vậy, việc tiếp tục nghiên cứu phát triển tuyến cáp quang
biển hiện đại, dung dượng cao và an toàn để kết nối Việt Nam với thế giới là điều hết
sức cần thiết và cấp bách.

Hiện nay, Việt Nam đang tập trung nghiên cứu tuyến cáp quang biển nối Việt
Nam với Hồng-Kông sử dụng công nghệ WDM có dung lượng cao, hiện đại với những
tính năng kỹ thuật có hiệu quả kinh tế cao đang rất được quan tâm.
Nhìn chung, thông tin cáp quang biển được xây dựng và phát triển trên các
thành tựu của công nghệ thông tin quang, đặc biệt là các tuyến đường trục, khoảng các
xa.
Mô hình tổng quát của một hệ thống thông tin cáp quang biển được mô tả trên
hình 0.1

3

Hình 0.1 – Cấu hình tổng quát hệ thống thông tin cáp quang biển
Hệ thống cáp quang biển bao gồm các thiết bị trạm đầu cuối được kết nối với
nhau thông qua tuyến cáp quang thả dưới biển. Do khoảng cách giữa các thiết bị đầu
cuối trong thông tin quang biển là rất xa (hàng nghìn km), nên tín hiệu quang truyền
trong cáp biển được chuyển tiếp nhờ các trạm lặp được cấp nguồn từ xa (còn gọi là
tuyến cáp quang biển có trạm lặp); ngoài ra, còn có các tuyến cáp quang biển không có
trạm lặp (loại này có khoảng cách không quá 350 400 km), loại này được thiết kế để
truyền dẫn giữa các địa điểm thông tin dọc bờ biển (Festun).
Trong tài liệu này tập trung vào các nội dung chủ yếu sau:
 Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin ghép kênh theo bước sóng WDM.
 Tìm hiểu về hệ thống thông tin cáp quang biển với công nghệ WDM.
 Tìm hiểu một số thiết bị chính về thông tin quang của các hãng cung cấp lớn
trên thế giới.
 Tìm hiểu việc nghiên cứu hệ thống thông tin quang giữa Việt Nam và Hồng
Kông (HK).
Nhằm mục đích giúp sinh viên trong việc học tập, khai thác và nghiên cứu công
nghệ thông tin cáp quang biển có những kiến thức cơ bản cũng như các thông tin cần
thiết về hệ thống thông thông tin cáp quang biển.

4
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH
THEO BƯỚC SÓNG WDM

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM) là một phần cơ bản trong hệ thống
thông tin cáp quang biển hiện đại.
Chương này sẽ nghiên cứu nguyên lý ghép kênh WDM, các công nghệ hiện đại,
các tiêu chuẩn kỹ thuật đang được ứng dụng trong hệ thông thông tin cáp quang biển.
1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM
Trong các hệ thống thông tin quang thông thường, luồng tín hiệu quang được
truyền theo một hướng trên sợi quang, và hướng ngược lại trên sợi thứ hai. Hệ thống
như vậy gọi là hệ thống đơn kênh quang. Để nâng cao dung lượng truyền dẫn, hiện nay
đang sử dụng ghép kênh quang. Hệ thống sử dụng kỹ thuật này cùng một lúc truyền
nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi quang, nên gọi là hệ thống thông sợi quang
nhiều kênh. Kỹ thuật WDM tận dụng được phổ hẹp của Laser, phát huy khả năng sử
dụng băng tần rất lớn của sợi quang đơn mode. Phương thức ghép kênh quang phổ
biến hiện nay là ghép kênh theo bước sóng (WDM-Wavelength Division
Multiplexing). ITU-T đã phân thành hai loại:
 Hệ thống ghép kênh thô (CWDM- Coarse Wavelength Division
Multiplexing) có kênh rộng hơn 1000 GHz (>1000 GHz), sử dụng các linh kiện quang
giá rẻ như Laser có độ sai lệch bước sóng lớn, bộ lọc băng rộng, … và có thể ứng dụng
phù hợp với hệ thống có nhu cầu dung lượng không quá cao trong mạng truyền tải
cũng như mạng Metro.
 Hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division
Multiplexing), có bước sóng kênh hẹp hơn 1000 GHz (<1000 GHz), chỉ tiêu linh kiện
quang đòi hỏi cao hơn và thường được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn có
dung lượng rất cao như các tuyến đường trục, cáp biển quốc tế.
1.1.1 Nguyên lý ghép kênh
Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm (Point to Point) thông thường,

mỗi sợi quang sẽ có một nguồn phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu. Nguồn
phát quang sẽ mang tín hiệu và ghép vào sợi quang xác định riêng biệt; 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.
Kỹ thuật ghép kênh WDM sẽ cho phép tăng dung lượng lượng kênh mà không
cần tăng tốc độ bít đường truyền và cũng không dùng thêm sợi quang. Nó thực hiện
truyền các luồng quang với các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang. Điều
này thực hiện được là do các nguồn phát quang có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống

5
thông tin thông thường chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của mỗi sợi
quang.
Hình 1.1 mô tả các cửa sổ truyền dẫn suy hao thấp của sợi quang nằm ở các
vùng (cửa sổ) 0.85 m, 1.3 m, 1.55 m.


Hình 1.1 Các vùng bước sóng (cửa sổ) có suy hao nhỏ cho phép truyền
nhiều bước sóng

Về lý thuyết, có thể truyền một dung lượng khổng lồ trên một sợi quang từ nhiều
nguồn phát quang làm việc ở những bước sóng cách nhau một khoảng hợp lý. Tại đầu
thu, có thể thực hiện thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng
khác nhau này. Do có, mức suy hao thấp ở vùng bước sóng 1,55 m nên vùng này
được dùng rộng rãi trong ghép kênh WDM.
Hình 1.2 minh họa nguyên lý cơ bản của ghép và giải ghép kênh WDM. Giả sử
hệ thống thiết bị phía phát có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác
nhau 
1
, 
2

, …, 
n
. Các tín hiệu quang được phát ra ở các bước sóng khác nhau này sẽ
được ghép vào cùng một sợi quang nhờ một bộ ghép kênh quang (MUX). Ở đầu thu,
các bộ tách sóng quang khác nhau sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các cướng sóng
riêng rẽ này sau khi qua bộ giải WDM (DEMUX).

Hình 1.2 Mô tả quá trình ghép và giải ghép WDM


6
Hình 1.3 mô tả hệ thống truyền dẫn ghép kênh bước sóng quang WDM theo hai
chiều.

Hình 1.3 Hệ thống ghép kênh WDM điểm – điểm

Với phương án này, cần phải sử dụng hai sợi quang để thực hiện hệ thống thông
tin hai chiều.
1.1.2 Các thông số cơ bản của thiết bị WDM
Các thông số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép – giải ghép
(MUX/EMUX) hỗn hợp là: suy hao xen, xuyên kênh, độ rộng kênh. Các ký hiệu I(
i
)
và O(
k
) tương ứng là các tín hiệu đã được ghép đang có mặt ở đường chung. Ký hiệu
I
k
(
k

) là tín hiệu đầu vào có bước sóng 
k
được ghép vào cửa thứ k; ký hiệu O
i
(
i
) là
tín hiệu có bước sóng 
i
đã được giải ghép và đi ra ở cửa thứ i. Dưới đây, sẽ xem xét
ba thông số cơ bản của thiết bị WDM:
+ Suy hao xen:
Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao xảy ra trong tuyến truyền
dẫn quang do trong tuyến đó có thêm các thiết bị ghép WDM. Suy hao này gồm: suy
hao do điểm ghép nối với các thiết bị WDM với sợi quang và suy hao bởi bản than các
thiết bị ghép gây ra. Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyến phải dự trữ vài dB cho
mỗi đầu.
Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ ghép Couple
chung, nhưng cần lưu ý ở WDM là xét cho một bước sóng đặc trưng:
 Đối với thiết bị MUX:

7
()
10log
()
i
i
ii
O
L

I



(1.1)
 Đối với thiết bị DEMUX:
()
10log
()
ii
i
i
O
L
I



(1.2)
Với L
i
là suy hao tại bước sóng 
i
khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền
dẫn. Các tham số này luôn phải được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang
của thiết bị.
+ Xuyên kênh:
Xuyên kênh mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này bị rò (chuyển) sang kênh
khác lân cận. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tùy thuộc vào trường
hợp áp dụng, nhưng nhìn chung, phải đảm bảo nhỏ hơn -30 dB trong mọi trường hợp.

Trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó và điều này làm suy giảm chất
lượng truyền dẫn của hệ thống, Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải
bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB:
()
( ) 10log
()
ik
ik
k
U
D
I




(1.3)
Trong đó
()
ik
U

là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng 
k
do có rò
tín hiệu ở cưa ra thứ i, mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng 
i.
. Khi tạo ra các sản
phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao xuyên kênh đối với từng kênh của
thiết bị.

Xuyên kênh thường xuất hiện do các nguyên nhân sau: do đặc tính của bộ lọc
tạo ra thiết bị ghép kênh không hoàn thiện; do phổ của các nguồn phát chồng lấn sang
nhau; do các hiệu ứng phi tuyến, nhất là đối với trường hợp công suất các kênh bước
sóng lớn.
+ Độ rộng kênh:
Độ rộng kênh là dải sóng dành cho mỗi lênh mà nó định ra cho từng nguồn phát
quang riêng. Nếu nguồn phát quang là các nguồn phát Diode Laser thì các độ rộng
kênh yêu cầu vào khoảng vài chục nm để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự
không ổn định của các nguồn phát gây ra. Đối với nguồn phát quang là Diode LED,
yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần, bởi vì độ rộng phổ của loại nguồn
này rộng hơn. Như vậy, để tránh nhiễu do phổ nguồn phát, độ rộng kênh phải đảm bảo
đủ lớn, nghĩa là nó phải được xác định tùy theo loại nguồn phát.
1.2 Các thành phần của thiết bị WDM
Các thành phần thiết bị của hệ thống thông tin quang WDM gồm nhiều chủng
loại như sau:
 Nguồn phát quang và bộ thu quang;

8
 Cáp sợi quang;
 Thiết bị ghép và giải ghép WDM;
 Thiết bị ghép xen/rẽ OADM;
 Bộ định tuyến bước sóng;
 Thiết bị đấu nối chéo quang;
 Bộ khuếch đại quang;…
Các thành phần thiết bị này được chế tạo dựa trên những thành tựu công nghệ
thông tin quang và tùy theo đặc điểm có sự phù hợp khác nhau đối với các hệ thống
thông tin quang WDM.
Ta sẽ xem xét các thiết bị chủ yếu với những đặc điểm công nghệ mới nhất phù
hợp với ựng dụng cho các hệ thống thông tin quang WDM hiện đại.
1.2.1 Sợi quang

Chức năng chính của sợi quang là dẫn sóng quang (ánh sáng) đi xa với mức suy
hao nhỏ nhất. Sóng ánh sáng được truyền đi trong sợi quang dựa trên nguyên lý phản
xạ toàn phần bên trong sợi quang. Sợi quang là một sợi thủy tinh gồm hai lớp (core và
cladding) có chiết suất khác nhau. Hiện nay sử dụng hai loại sợi chính: sợi đơn mode
và sợi đa mode. Sợi đơn mode có core nhỏ hơn và chỉ cho một mode ánh sáng đi qua.
Do đó, độ trung thực của tín hiệu tốt hơn trong một khoảng cách truyền dẫn lớn vì
giảm hẳn tán xạ mode. Điều này làm cho sợi đơn mode có dung lượng băng thông lớn
hơn sợi đa mode. Do có khả năng truyền tải thông tin cực lớn và suy hao thấp, nên sợi
quang đơn mode được sử dụng chủ yếu trong hệ thống thông tin đường dài và dung
lượng lớn kể cả DWDM.
Việc thiết kế sợi quang đơn mode đã được phát triển mấy chục năm gần đây.
Hiện nay ITU-T đã xây dựng chỉ tiêu cho ba loại sợi quang đơn mode sau:
+ Sợi không dịch chuyển tán sắc (NDSF: Non- Dispersion – Shifted Fiber):
chuẩn NDSF được ITU-T đưa ra trong G.652 (hay còn gọi là sợi đơn mode chuẩn)
được thiết kế để sử dụng ở cửa sổ thứ hai gần 1310 nm, với tán sắc màu gần như bằng
0 ở bước sóng này.
+ Sợi chuyển dịch tán sắc (DSF: Dispersion Shifted Fiber): chuẩn DSF được
ITU-T đưa ra trong khuyến nghị G.653. Ở đây, điểm tán sắc bằng 0 được dịch chuyển
đến cửa sổ có bước sóng 1550 nm (băng C). Ở cửa sổ này, sợi quang có suy hao thấp
hơn nhiều và phù hợp với tần số làm việc của bộ khuếch đại quang sợi EDFA. Tuy
nhiên, do ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến gần điểm dịch chuyển 0 nên loại sợi này
không phù hợp sử dụng cho DWDM.
+ Sợi dịch chuyển tán sắc khác 0 (NZ-DSF: Non-Zero Dispersion-Shifted
Fiber): chuẩn của sợi NZ-DSF được ITU-T khuyến nghị trong G.655, loại này có mức
tán sắc thấp ở vùng 1550 nm, nhưng không về không (NZ) nên có thể khắc phục các

9
hiệu ứng phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM). Do đó loại sợi này được
sử dụng cho DWDM.
Bảng 1.1 giới thiệu các tham số của sợi quang đơn mode theo khuyến nghị của

ITU-T
Bảng 1.1 Các tham số của sợi quang đơn mode (theo khuyến nghị của ITU-
T G.652, G.653, G.654)

1.2.2 Thiết bị phát và thu WDM
Thiết bị phát và thu WDM được phát triển nhờ sử dụng công nghệ mạng tích
hợp quang điện (OEIC: Optic-Electronic Intergrated Circuit), trên nền InP. Đây là các
thiết bị phát và thu WDM được tích hợp nguyên khối hoạt động ở vùng bước sóng
1550 nm với khoảng cách kênh nhỏ hơn hay bằng 1 nm. Mặt khác, người ta tạo ra
được các mạch ánh sáng Plamar chế tạo bằng công nghệ Silica-on-Silicon để phát triển
các bộ phát và thu lai ghép tích hợp. Các phần tử của mạch tích hợp quang điện OEIC
là rất quan trọng cho việc thực hiện công nghệ hệ thống WDM.

10
 Có nhiều phương thức để tạo ra bộ phát WDM nguyên khối: (1) – kết hợp
đầu ra của một số nguồn Laser bán dẫn DFB hoặc DBR, có khả năng điều khiển độc
lập qua các cách tử Bragg, bằng các ống dẫn sóng thụ động. Bộ khuếch đại sẽ khuếch
đại công suất của tín hiệu để tăng công suất phát; (2) – sử dụng các nguồn Laser phát
mặt có hốc theo chiều đứng (VCSEL: Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) để tạo
ra bố phát WDM có giá thành thấp trong khi việc ghép mảng Laser hai chiều làm trải
rộng dải bước sóng; (3) – tổ hợp cách tử vào trong hốc Laser để thực hiện phát tín hiệu
tại một số bước sóng. Cách tử sử dụng loại định tuyến cách tử dẫn sóng WGR.
 Các bộ thu WDM nguyên khối thực hiện ghép mảng Photodiode với bộ giải
ghép kênh, sử dụng hai phương thức: (1) – bộ giải ghép kênh dùng cách tử lõm Plamar
được ghép với mảng bộ tách sóng quang; (2) – bộ giải ghép kênh dùng WGR tổ hợp
với mảng Photodiode.
1.2.3 Bộ khuếch đại quang
1.2.3.1 Nguyên lý hoạt động
Bộ khuếch đại quang dùng để bù lại công suất tín hiệu quang bị suy hao do
truyền dẫn qua sợi quang, nhằm để tăng khoảng cách của tuyến truyền dẫn. Các đặc

tính chủ yếu cảu bộ khuếch đại là độ khuếch đại, băng tần, công suất ra cực đại, dải
động, xuyên kênh,…
Bộ khuếch đại quang gồm hai loại chính: (1) – bộ khuếch đại quang Laser bán
dẫn; (2) – bộ khuếch đại quang sợi. Hiện nay phổ biến dùng loại sợi pha tạp Erbium,
EDFA (Erbium – Doped Fiber Amplification).
Bộ khuếch đại EDFA là một đoạn sợi quang khoảng vài mét trong lõi có cấy
các ion Erbium Er
+
với nồng độ dưới 0.1%. Khi có một nguồn photon bơm vào, các
ion Er
+
này sẽ hấp thụ các photon đó và nhả ra điện tử chuyển mức năng lượng từ mức
cơ bản E
1
lên mức kích thích E
2
. Do tồn tại một mức năng lượng siêu bền E
3
ở giữa,
nên các điện tử này chuyển xuống mức E
3
theo cơ chế phân rã không bức xạ. Sau 10
ns, điện tử được kích thích này rơi trở về mức cơ bản E
1
và phát xạ ra photon. Hiện
tượng bức xạ bình thường có thể là bức xạ tự phát hoặc bức xạ sẽ xảy ra mạnh theo cơ
chế bức xạ kích thích, tức là sự có mặt của các photon mang năng lượng bằng với năng
lượng chuyển dịch mức của các điện tử, sẽ kích thích sự phát xạ và tạo thêm nhiều
photon của chùm sáng. Nhờ vậy, tín hiệu được khuếch đại khi đi qua sợi pha tạp
Erbium.

Hình 1.4 là sơ đồ khối bộ EDFA, gồm có: Coupler, sợi trộn Erbium, Laser bơm
và hai bộ ngăn cách đặt ở hai đầu của Erbium.

11

Hình 1.4 Sơ đồ khối của EDFA
Tín hiệu qua sợi quang được nối qua bộ ngăn cách để loại các ánh sáng phản xạ
từ sợi vào. Bộ ngăn cách ở đầu ra của EDFA ngăn chặn các phản xạ từ sợi ra. Nguồn
sáng Laser từ bộ bơm được ghép vào bộ EDFA và nó sẽ kích thích sợi Erbium để trực
tiếp khuếch đại tín hiệu quang đi qua đó, ở bước sóng 1550 nm.
1.2.3.2 Khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM
+ Các ứng dụng của EDFA:
Có ba ứng dụng chính của EDFA là:
 Khuếch đại công suất (BA: Booster Amplifier): BA là bộ EDFA có công
suất bão hòa lớn được sử dụng ngay sau nguồn phát để tăng mức công suất tín hiệu.
Do mức công suất ra lớn nên yêu cầu về lọc tạp âm là không nghiêm ngặt. Tuy nhiên,
có thể gây nên một số hiệu ứng phi tuyến.
 Tiền khuếch đại PA (Pre-Amplifier): là bộ EDFA có mức tạp âm thấp, được
đặt ngay trước đầu vào bộ thu để tăng độ nhạy thu. Để có mức tạp âm thấp, phải sử
dụng các bộ lọc quang băng hẹp.
 Khuếch đại đường truyền LA (Line Amplifier): là bộ EDFA có mức tạp âm
thấp, được sử dụng trên đường truyền quang để tăng chiều dài khoảng lặp.
+ Các hạn chế của EDFA
Một trong những hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch đại
không đồng đều, các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ số khác
nhau. Đặc biệt là tồn tại đỉnh khuếch đại ở bước sóng 1530 nm. Hơn nữa, trong trường
hợp trên tuyến có sử dụng bộ EDFA thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại tại bước
sóng 1558 nm. Như vậy, với nhiều bộ EDFA liên tiếp được sử dụng trên tuyến, dải
phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (từ 35 nm xuống còn 10 nm).
Để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng các giải pháp sau:

 Sử dụng bộ lọc để làm suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại (xung quang
bước sóng 1553, 1558 nm).
 Điều chỉnh mức công suất của các bước sóng tại đầu vào sao cho ở đầu thu
mức công suất của các bước sóng đều nhau.

12
Mặc dù EDFA có rất nhiều triển vọng và ứng dụng trong mạng thông tin quang
hiện nay, nhưng vẫn chưa đáp ứng được hết các yêu cầu về độ rộng và độ phẳng của
phổ tín hiệu. Nói chung, băng thông của EDFA đạt cỡ 35 nm trong băng C (từ 1530
đến 1570 nm). Với sự phát triển của công nghệ WDM nên yêu cầu về độ rộng băng
thông ngày càng lớn. Điều đó đòi hỏi phải có các bộ EDFA có phổ rộng hơn, sự ra đời
của EDFA băng L (1585-1610 nm) đã khắc phục rào cản về băng thông và mở ra một
cửa sổ WDM mới.
Hình 1.5 mô tả phổ quang tại đầu ra của một tuyến thông tin quang DWDM
chiều dài 4000 km sử dụng bộ EDFA kết hợp băng tần C (55 kênh bước sóng) và L
(45 kênh bước sóng)

Hình 1.5 Phổ quang tại đầu ra tuyến WDM sử dụng các bộ EDFA băng C+L

1.2.3.3 Công suất phát của bộ khuếch đại EDFA
Trong khi tăng dung lượng của đường truyền gắn liền với việc tăng băng thông
của EDFA, thì một điều khác cũng rất quan tâm là phải đảm bảo được công suất phát
của EDFA để đảm bảo tỷ số SNR của mỗi kênh và tăng cự ly truyền dẫn (điều này đặc
biệt quan trọng trong các tuyến đường trục hoặc cáp biển). Các hệ thống DWDM hiện
nay có mức công suất phát của EDFA đạt tới 14 dBm (25 mW).

1.3 Các vấn đề thiết kế hệ thống WDM
Khi thiết kế hệ thống WDM phải giải quyết nhiều vấn đề nhưng tập trung chủ
yếu vào các vấn đề sau:
1.3.1 Vấn đề suy hao và quỹ công suất quang

Trong bất kỳ một hệ thống thông tin nào, thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo
được tỷ số SNR sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với mức BER cho phép.
Trước đây, khi chưa có khuếch đại quang, suy hao tín hiệu trên đường truyền dẫn (do
suy hao sợi quang, suy hao mối hàn, suy hao đầu nối,…) được bù lại thông qua việc sử

13
dụng các trạm lặp điện, quá trình này thực hiện quá phức tạp. Tuy nhiên, khi khuếch
đại quang ra đời, việc đảm bảo quỹ công suất cho hệ thống không còn khó khăn nữa,
mà vấn đề quan trọng là việc bố trí các bộ khuếch đại quang sao cho hợp lý.
1.3.2 Vấn đề tán sắc
1.3.2.1 Các dạng tán sắc
Bản chất của tán sắc là sự giãn rộng phổ của xung tín hiệu khi truyền dẫn trên
sơị quang. Tán sắc gồm: tán sắc mode, tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng.
+ Tán sắc mode
Tán sắc mode chỉ tồn tại với sợi quang đa mode, do các mode sẽ lan truyền với
các đường đi khác nhau và do đó thời gian lan truyến khác nhau giữa các mode.
+ Tán sắc vật liệu
Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng và do sự thay đổi về chỉ số chiết suất
của vật liệu lõi sợi, nên nó làm cho bước sóng phụ thuộc vào vận tốc nhóm.
+ Tán sắc dẫn sóng
Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chi giữ được khoảng 80% năng lượng
trong lõi, vì vậy còn 20% năng lượng xung lan truyền trong vỏ nhanh hơn lan truyền
trong lõi. Tán sắc này phụ thuộc vào hằng số lan truyền β, và β là hàm của a/.
1.3.2.2 Các phương pháp chính để giảm sự ảnh hưởng của sự tán sắc
Để giảm ảnh hưởng của tán sắc gồm có phương pháp làm hẹp độ rộng phổ
nguồn tín hiệu và phương pháp bù tán sắc như:
+ Sử dụng sợi quang G.653 (sợi có mức tán sắc không tại cửa sổ 1550 nm)
+ Bù tán sắc bằng phương pháp điều biến dịch pha SPM.
+ Bù tán sắc bằng các thành phần tán sắc thụ động (bộ kết hợp quay pha bước
sóng và sợi tán sắc âm).

+ Bù tán sắc bằng các thiết bị dịch tần trước (pre – chirp)
+ Bù tán sắc bằng kỹ thuật DST( Dispersion Supported Trans-mission).
+ Bù tán sắc bằng sợi DCF.
+ Bù tán sắc băng các module DCM sử dụng cách tử Bragg.
Ta cũng có thể coi kỹ thuật WDM cũng có thể coi là một phương pháp giảm
ảnh hưởng của tán sắc. Do sử dụng kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của hệ
thống mà không phải tăng tốc độ truyền dẫn của kênh tin hiệu.
Do đó, nếu không xảy ra các hiệu ứng phi tuyến làm tăng ảnh hưởng của tán
sắc, điển hình là hiệu ứng XPM, thì giới hạn khoảng cách truyền dẫn do tán sắc gây ra
đối với hệ thống WDM có thể coi giống với hệ thống TDM đơn kênh có tốc độ bằng
tốc độ của một kênh bước sóng trong hệ thống WDM.
Tóm lại, vấn đề tán sắc ảnh hưởng nghiêm trọng trong hệ thống thông tin quang
cự ly xa. Ảnh hưởng của tán sắc càng nghiêm trọng hơn khi tín hiệu quang được

14
khuếch đại nhiều lần lặp sử dụng các bộ khuếch đại đường truyền LA. Trong hệ thống
nhiều kênh WDM ảnh hưởng của tán sắc không đều giữa bước sóng (độ dốc tán sắc).
Khắc phục tán sắc là vấn đề cơ bản cần giải quyết trong thiết kế hệ thống thông tin
quang WDM cự ly lớn. Ta còn quay lại vấn đề này ở lần sau.
1.3.3 Vấn đề xuyên kênh
Vấn đề quan trong khác trong thiết kế hệ thống WDM là giải quyết xuyên kênh.
Đặc tính của hệ thống sẽ bị suy giảm khi có hiện tượng xuyên kênh, nghĩa là hiện
tượng dẫn đến một phần công suất của kênh này chuyển sang kênh khác. Có sự chuyển
đổi đó là do ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến bên trong sợi quang, hiện tượng
này được gọi là xuyên kênh phi tuyến vì nó phụ thuộc vào bản chất truyền dẫn phi
tuyến của kênh thông tin quang.
Tuy nhiên, xuyên kênh cũng xảy ra ngay cả khi kênh là tuyến tính hoàn toàn;
trường hợp này là do tính không hoàn hảo của các phần tử WDM khác nhau như: bộ
lọc quang, bộ giải ghép kênh và các bộ chuyển mạch. Dưới đây sẽ đi sâu phân tích hai
loại xuyên kênh trên.

1.3.3.1 Xuyên kênh tuyến tính
Xuyên kênh tuyến tính có thể chia thành hai loại phụ thuộc vào nguồn gốc của
nó. Các bộ lọc quang và các bộ tách kênh thường để rò một phần công suất tín hiệu
sang các kênh lân cận, xen vào qúa trình tách sóng. Xuyên kênh này gọi là xuyên kênh
không đồng nhất bước sóng (hay còn gọi là xuyên kênh ngoài băng), và do tính không
kết hợp của nó, nên nó ít ảnh hưởng hơn so với xuyên kênh đồng kênh (hay còn gọi là
xuyên kênh trong băng), xảy ra khi định tuyến tín hiệu WDM từ nhiều nút mạng. Ta sẽ
xem xét chi tiết hơn hai loại xuyên kênh tuyến tính thường gặp:
+ Xuyên kênh gây ra do bộ lọc:
Ta hãy xét trường hợp hệ thống trong đó sử dụng một bộ lọc quang có thể điều
chỉnh được để chọn ra một kênh trong số N kênh tới. Nếu bộ lọc quang cho qua kênh
thứ m, thì công suất quang tới được bộ tách sóng có thể được tính:
N
m nm n
nm
P P T P



(1.4)
Với P
m
là công suất của kênh thứ m và T
nm
là hệ số truyền dẫn của bộ lọc cho
kênh n khi kênh m được chọn, P
n
là công suất của kênh n. Xuyên kênh này xảy ra nếu
T
nm

≠ 0 với n ≠ m. Đây là loại xuyên kênh ngoài băng vì nó thuộc về tín hiệu nằm
ngoài dải phổ mà kênh được tách ra đã chiếm giữ.
Để đánh giá sự tác động của xuyên kênh lên chức năng hệ thống, ta xét việc đền
bù công suất được xác định khi tăng thêm công suất tại bộ thu để hạn chế sự ảnh
hưởng của xuyên kênh. Dòng photo được phát ra tương ứng với công suất quang tới
được xác định:

15

N
m m n nm n ch x
nm
I R P R T P I I

   

(1.5)
Với R
m
= 
m
e /hv
m
là đáp ứng bộ tách sóng quang cho kênh thứ m tại tần số v
m

và 
m
là hiệu suất lượng tử mà nó có thể khác nhau đối với các kênh khác nhau. Thành
phần I

x
biểu thị xuyên kênh thêm vào dòng I của bộ thu. Giá trị của nó phụ thuộc vào
dạng bít và đạt cực đại khi tất cả các kênh đều mang các bít “1” (đây là trường hợp xấu
nhất).
Phương pháp đơn giản để tính mức thiệt thòi công suất xuyên kênh là đưa vào
độ khép hình mắt. Thực tế, I
ch
tăng lên để duy trì chất lượng hệ thống. Hệ số tăng 
x

của I
ch
có thể được tính:

10log(1 )
x
X


(1.6)
Với
N
n nm n
nm
X R T P




Là lượng công suất xuyên kênh ngoài băng. Nói một cách khác, nó biểu thị

phần công suất bị rò vào kênh cần tách từ các kênh khác.
1.3.3.2 Xuyên kênh do bộ định tuyến cách tử dẫn sóng (WGR: Wavelength Grating
Router)
Nguồn gốc gây ra xuyên kênh trong băng do bộ định tuyến cách tử dẫn sóng
WGR N×N, tồn tại N
2
kết nối qua đó các tín hiệu WDM có N bước sóng có thể dược
chia ra. Xét tín hiệu đầu ra của một bước sóng 
m
trong N
2
-1 tín hiệu giao thoa có thể
đi cùng tín hiệu mong muốn, N-1 tín hiệu đó cùng bước sóng mang 
m
, trong khi N(N-
1) tín hiệu còn lại thuộc về các bước sóng khác và sẽ loại trừ khi chúng đi qua phần tử
WDM khác. N-1 tín hiệu xuyên kênh tại các bước song giống nhau (xuyên trong băng)
bắt nguồn từ quá trình lọc không hoàn hảo của WGR do sự chồng lấn giữa N đỉnh
truyền dẫn của nó.
Trường quang tổng chỉ bao hàm xuyên kênh trong băng được tính:

m
-i2 ct
( ) exp
N
m m m
nm
E t E E












(1.7)
Bù công suất trong trường hợp này có thể được tính:
 
m
( ) ( ) 2 ( ) ( ) os ( ) ( )
N
m m n n
nm
I t RP t R P t P t c t t


   

(1.8)
Với P
n
= E
n

2
là công suất và (t) là pha. Thực tế, P

n
<< P
m
với n≠m bởi vì
WGR được tạo ra để làm giảm xuyên kênh. Vì các pha gần như thay đổi ngẫu nhiên,
nên có thể viết lại (1.8) như là:

 
()
m
I t R P P  


16
Và có xuyên kênh là nhiễu cường độ và có thể sử dụng cách tiếp cận để tính
toán sự mất mát công suất, theo quan hệ sau:

2
10log(1 )
xx
Pr  
(1.9)

Trong đó:

2
2
2
()
( 1)

x
m
P
r X N
P

  
(1.10)
Vối X=P
n
 P
m
là mức xuyên kênh được xác định nhờ phần công suất rò qua
WGR và được coi như nhau đối với tất cả N-1 nguồn xuyên kênh, trong băng, kết hợp
với giả thiết công suất đều bằng nhau.
Việc tính toán mất mát công suất do xuyên kênh cho trường hợp định tuyến
bước sóng động thông qua kết nối chéo quang sẽ trở nên rất phức tạp do số lượng rất
nhiều các phần tử xuyên kênh mà qua đó tín hiệu có thể truyền qua, chẳng hạn như các
mạng WDM. Việc phân tích cho trường hợp xấu nhất có thể dự đoán được mức độ mất
mát công suất khá lớn (>3dB) khi số lượng phần tử xuyên kênh >25, dù cho mức
xuyên kênh của mỗi phần tử chỉ bằng -40dB. Rõ ràng là xuyên kênh tuyến tính là vấn
đề cơ bản trong thết kế mạng WDM phải được thiết kế sao cho giảm được mức xuyên
kênh càng nhiều càng tốt. Xuyên kênh này có thể giảm xuống bằng giải pháp bù thực
hiện tại bộ thu.
1.3.3.3 Xuyên kênh phi tuyến
Trong hệ thống thông tin quang, xuyên kênh phi tuyến xảy ra khi cường độ của
tín hiệu quang thay đổi vượt qua một ngưỡng nào đó. Đối với các hệ thống WDM
xuyên kênh phi tuyến làm giảm công suất từng kênh, làm tăng tỷ số SNR,… Dưới đây
sẽ xem xét một số hiệu ứng phi tuyến gây ra hiện tượng xuyên kênh:
+ Tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scatering – SRS)

SRS có ảnh hưởng lớn đến hệ thông WDM. Ở đây sợi quang hoạt động như
một bộ khuếch đại Raman sao cho các kênh có bước sóng ngắn với sự sai khác bước
sóng nằm trong dải thông của khuếch đại Raman. Phổ khuếch đại Raman của sợi Silic
bị giãn rộng khiến cho sự khuếch đại có thể xảy ra đối với những kênh có khoảng cách
khá xa tới 20nm. Kênh bước sóng ngắn nhất sẽ bị suy giảm nhiều nhất, vì có thể bơm
nhiều kênh cùng một lúc. Sự chuyển đổi năng lượng giữa các kênh này có thể gây hại
cho chất lượng của hệ thống vì nó còn phụ thuộc vào dạng bit “1” xuất hiện đồng thời
trong cả hai kênh. Sự khuếch đại phụ thuộc này sẽ làm tăng mức độ thăng giáng công
suất và làm tăng nhiễu ở bộ thu.
Có thể tránh được xuyên kênh Raman nếu công suất các kênh nhỏ sao cho
khuếch đại Raman là không đáng kể trên chiều dài sợi quang. Đây là điều rất quan
trọng cho việc đánh giá giá trị giới hạn của công suất kênh. Ta hãy khảo sát một mô

17
hình đánh giá sự suy giảm của kênh tần số cao nhất (trong trường hợp xấu nhất) mà tại
đó tất cả các kênh đều truyền đi bít “1” cùng một lúc. Hệ số khuếch đại của mỗi kênh
là:
G
i
= e
giLeft
- L
Với:
-L
1-e
eft=L



Là độ dài tương tác hiệu dụng,

eft
()
R ch
i
gP
g
A



Là hệ số khuếch đại Raman tại 
i
=
0
-
i
và P
ch
là công suất kênh. Khi giLeft
<< 1, kênh tần số cao nhất tại 
0
bị suy giảm một lượng giLeft là do khuếch đại
Raman của kênh thứ i. Tổng suy giảm xác định bởi quan hệ sau:
2
eft
( ) eft
N
R ch
i

g P L
D
A




(1.11)
Từ kết quả của biểu thức (1.11) có thể xác định được nếu phổ khuếch đại
Raman được tính xấp xỉ bằng dạng tam giác sao cho g
R
() tăng lên tuyến tính với 
tăng lên tới 17 THz và sau đó giảm xuống 0. Kết quả là:
ax
13
eft
eft.N(N-1)
1x10
M
ch R
V g L
D
A


(1.12)
Ở đây giả thiết rằng tất cả các kênh có khoảng cách không đổi V
ch
và g
R

max
là
giá trị đỉnh của bộ khuếch đại Raman. Hệ số khuếch đại giảm xuống theo hệ số D là để
tính đến sự phân cực không đồng đều xảy ra bên trong sợi quang. Sự mất mát công
suất (tính theo dB) có mối quan hệ với D được tính như sau:
10log(1 )
ch
PD  
(1.13)
Vì vậy, công suất kênh đầu vào phải tăng lên theo hệ số là (1-D) để duy trì đặc
tính hệ thống như nhau. D cần phải nhỏ hơn 5% để giữ đền bù công suất thấp hơn 0,5
dB. Biểu thức (1.13) đưa ra công suất kênh giới hạn bằng cách sử dụng D=0,05. Giới
hạn này được biểu diễn trên hình 1.6 cho sợi có đường kính core là 8m và suy hao
0,2dB tại bước sóng vùng 1550 nm. SRS giới hạn cho công suất kênh thấp 1mW khi
số lượng kênh WDM lớn hơn 80 kênh.

18


Hình 1.6. Giới hạn về công suất quang do tác động của bốn hiệu ứng phi tuyến

Việc phân tich trên đã bỏ qua một thực tế là các tín hiệu trong từng kênh bao
gồm một chuỗi ngẫu nhiên các bit “0” và “1”. Quá trình phân tích thống kê cho thấy
xuyên kênh Raman thấp hơn vào khoảng hệ số 2 khi có tính đến điều biến tín hiệu.
Một mô hình khác hoàn chỉnh hơn xem xét đến sự suy giảm của từng kênh thông qua
bơm Raman các kênh bước sóng dài hơn và khuếch đại của chính nó do bơm từ các
kênh bước sóng ngắn. Sự khuếch đại theo chu kỳ của tín hiệu WDM trong một tuyến
truyến dẫn quang khoảng cách lớn củng làm tăng ảnh hưởng của sự suy giảm SRS gây
ra. Nguyên nhân là ở chỗ các bộ khuếch đại đường truyền (LA) thêm nhiễu có mức
suy hao Raman thấp của chính tín hiệu, dẫn đến suy giảm SNR. Trong thực tế, tổng

dung lượng của hệ thống WDM bị giới hạn thấp hơn 100 Gbps với cự ly truyền dẫn từ
500 km trở lên.
+ Tán xạ Brillouin kích thích (SBS: Stimulated Brillouin Scatering)
SSB có thể chuyển năng lượng từ một kênh tần số cao xuống một kênh tần số
thấp khi khoảng cách kênh bằng độ dịch Brillouin. Tuy nhiên ngược với SRS sự
chuyển năng lượng như vậy sẽ tránh được dễ dàng bằng cách thiết kế thích hợp các hệ
thống thông tin nhiều kênh. Lý do là dải thông khuếch đại Brillouin quá hẹp (khoảng
50 Mhz) so với dải thông khuếch đại Raman (5 THz). Do đó, khoảng cách kênh phải
được điều chỉnh chính xác với độ dịch Brillouin (khoảng 1,5 m) để SBS có thể xảy
ra.
Mặc dù SSB không gây ra ảnh hưởng đến xuyên kênh trong khi tất cả các kênh
truyền xuôi theo cùng hướng, tuy nhiên nó vẫn hạn chế các công suất kênh. Nguyên
nhân là do một phần công suất kênh có thể bị chuyển thành sóng Stokes truyền theo
hướng ngược lại, sóng này được phát ra từ nhiễu khi điều kiện ngưỡng được thảo mãn.

19
Điều kiện này độc lập về số lượng và sự hiện diện của các kênh khác. Tuy nhiên
ngưỡng Brillouin đối với mỗi một kênh có thể đạt tới công suất kênh nhỏ từ 2 đến 3
mW. Đối với sợi có tiết diện hiệu dụng A
eff
= 50 m
2
và hệ số suy hao  = 0,2 dB /Km
để Left có thể bằng 1/. Giá trị này được chỉ ra trên hình 1.6. Đường cong này đã bỏ
qua các hiệu ứng điều biến tín hiệu. Nói chung ngưỡng Brillouin phụ thuộc vào dạng
điều biến tín hiệu cũng như tỷ số của tốc độ bit đối với dải thông khuếch đại Brillouin.
Hơn nữa có thể tăng lên gần 100 mW bằng cách điều biến pha của sóng mang tại tần
số 0.2  0.5 Ghz. Sự điều biến pha như vậy sẽ làm giảm độ rộng phổ nguồn phát, hạn
chế đáng kể SBS.
+ Điều biến pha chéo ( XPM: Cross- Phase Modulatom)

Một cơ chế xuyên kênh quan trọng trong hệ thống WDM là hiện tượng phi
tuyến của XPM. XPM bắt nguồn từ sự phụ thuộc vào cường độ của chỉ số chiết suất,
mà chỉ số này là nguyên nhân gây ra sự dịch pha phụ thuộc cường độ tín hiệu truyền
dọc qua sợi quang. Sự dịch pha đối với một kênh riêng biệt phụ thuộc không chỉ vào
công suất của kênh đó mà còn cả vào công suất của các kênh khác. Độ dịch pha tổng
cộng đồi với kênh thứ j có thể được xác định:
2
N
NL
j j m
mj
PP









(1.14)
Ở đây Left được thay thế bằng 1/ theo giả thiết L >> 1. Tham số  được xác
định với giá trị tiêu biểu bằng 1W
-1
Km
-1
. Đối với các hệ thống IM-DD, độ dịch pha
phi tuyến phụ thuộc vào các dạng bit của các kênh khác nhau, và có thể thay đổi từ 0
đến giá trị cực đại (

/

)(2N-1)P
j
nếu ta giả thiết các công suất kênh bằng nhau. Tuy
nhiên nó không ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống nếu các hiệu ứng tán sắc vận tốc
nhóm (Group Velocity Dispersion) là không đáng kể và bộ thu quang đáp ứng đối với
công suất tối.
Tình thế là hoàn toàn khác đối với các hệ thống đa kênh Coherent tính nhạy pha
của bộ thu. Hiệu ứng XPM phụ thuộc vào dạng điều biến. Trường hợp xấu nhất sẽ xảy
ra đối với điều biến ASK vì độ lệch pha phụ thuộc vào mẫu bit của các kênh khác
nhau. Ảnh hưởng của XPM có thể được bỏ qua bằng cách chọn công suất kênh P
ch
để
độ dịch pha cực đại là:
 
2 1 1
ch
NP



(1.15)
Công suất kênh bị giới hạn trong khoảng 1mW ngay cả đối với dung lượng là
10 kênh.
Tác động của XPM lên các hệ thống Coherem nghiêm trọng hơn đối với dạng
tín hiệu điều biến FSK và PSK vì công suất kênh không phụ thuộc vào mẫu bit. Thật
ra XPM là vô hại nếu các công suất kênh là không đổi, vì độ dịch pha không đổi trong

20

công thức (1.14) không ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Trên thực tế các công suất
kênh bị biến động là do nhiễu cường độ liên quan đến các Laser phát. XPM sẽ biến đổi
sự biến động về cường độ thăng giáng về pha của biểu thức (1.14). Nếu 
2
p
là sự biến
đổi và biến động công suất được giả thiết giống nhau cho tất cả các kênh thì thì biến
đổi pha 
2
p
có thể thu được bằng cách thêm vào các biến đổi riêng rẽ vì công suất
trong mỗi kênh biến đổi độc lập với nhau. Do đó đối với N lớn được tính xấp xỉ:
2
P
N





(1.16)
Thông thường thì 
p
= 5x10
13
P
ch
với P
ch
là công suất kênh trung bình. Ngay cả

đối với P
ch
= 100, thì 
p
< 0.1 rad một giá trị gây ra mất mát xuyên kênh có thể bỏ qua.
Sự mất mát xuyên kênh lớn hơn có thể xảy ra khi điều biên pha hay tần số được
thực hiện bằng điều biên biên độ dư. Điều này có thể xảy ra khi nguồn Lasen bán dẫn
được điều biến trực tiếp hoặc khi tán sắc sợi đủ lớn để biến đổi điều biến pha thành
điều biến biên độ. Giá trị 
p
trong trường hợp này có thể đạt 0.2 P
ch
. Hơn nữa 

tăng
lên tuyến tính với N lớn

so hơn với
N
. Để hạn chế sự thiệt hại công suất dưới 1 dB
công suất trung bình (tính bằng mW) nên nhỏ hơn 21/N với giá trị tiêu biểu của  và
. Điều này được chỉ ra trên Hình.1.6 và được so sánh với giới hạn công suất phát ra
do SBS và SRB. Hiệu ứng XPM trở thành cơ chế xuyên kênh chủ yếu đối vối các hệ
thống WDM từ 10 kênh trở lên nó hạn chế công suất thấp hơn 0.1 mW với N > 100.
+ Trộn bốn bước sóng ( FWM : Four – Wave Mixing)
Hiệu ứng FWM trở thành nguồn xuyên kênh phi tuyến chủ yếu khi khoảng cách
kênh và tán sắc sợi đủ để thỏa mãn điều kiện tương đồng về pha. Tác động của FWM
là nghiêm trọng nhất trong hệ thống WDM coherent khoảng cách kênh khoảng 10Ghz.
Đối với hệ thống WDM không kết hợp FWM trở nên có liên quan chủ yếu khi các
bước sóng kênh gần với bước sóng tán sắc bằng 0 của sợi quang. Đây là trường hợp

cho các hệ thống làm việc ở vùng bước sóng 1.5 m khi sử dụng các sợi tán sắc dịch
chuyển. Trong thực tế các sợi quang thường được chế tạo sao cho tán sắc của chúng đủ
nhỏ để tối thiểu hóa các hiệu ứng tán sắc, nhưng đồng thời cũng đủ lớn để xuyên kênh
gây ra bởi FWM cũng nhỏ nhất.
Về vất lý, hiệu ứng FWM dẫn đến suy giảm chất lượng hệ thống có thể được
hiểu là FWM phát ra một sóng mới ở tần số 
ijk
= 
i
+ 
j
+ 
k
, khi ba sóng 
i ,

j,

k

cùng truyền đi bên trong sợi. Đối với hệ thống N kênh i, j, k có thể thay đổi từ 1 đến
N, dẫn đến một tổ hợp các tần số mới phát sóng bởi FWM. Trong trường hợp khoảng
cách các kênh bằng nhau, các tần số mới trùng khớp với các tần số đang tồn tại dẫn
đến xuyên kênh trong băng kết hợp. Trong cả hai trường hợp năng lực hệ thống bị suy
giảm do suy hao về công suất kênh nhưng xuyên kênh kết hợp làm giảm chất lượng hệ
thông nhiều hơn. Vì vậy các hệ thống WDM đôi khi được thiết kế có khoảng cách