Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM

ỏn tt nghip i hc Li núi u


Ngụ c Tin, D2000VT
1

Li núi u
Cựng vi s phỏt trin ca xó hi thỡ nhu cu ca con ngi i vi vic trao
i thụng tin ngy cng cao. ỏp ng c nhu cu ú, ũi hi ú mng li
vin thụng phi cú tc cao, dung lng ln. K thut ghộp kờnh phõn chia bc
súng WDM ra i ó ỏp ng c mt phn nhng ũi hi cp thit ú. K thut
ghộp kờnh bc súng WDM cú th nõng dung lng truyn dn ca si quang lờn
rt cao. ng thi s tng trng vi tc nhanh chúng dung lng ca h thng
truyn dn l sc ộp v ng lc mnh cho s phỏt trin h thng chuyn mch.
Quy mụ ca h thng chuyn mch trong thụng tin cng ngy cng ln, tc vn
hnh cng ngy cng cao. Nhng mng chuyn mch in t v x lý thụng tin ó
phỏt trin n gn tc gii hn. Trong ú tham s c hu nh RC, mộo, trụi
trt, xuyờn õm, tc phn ng chm l nhng khuyt im hn ch n vic
nõng cao tc chuyn mch. gii quyt vn ny chuyn mch quang vi k
thut quang in t ó ra i.
u im ca chuyn mch quang l ch, khi tớn hiu quang i qua b chuyn
mch, khụng cn chuyn i quang in/in quang, do ú nú khụng b cỏc thit b
quang in nh mỏy o kim, b iu ch hn ch tc ỏp ng, i vi tc
bớt v phng thc iu ch l trong sut, cú th nõng rt cao thụng lng qua b
chuyn mch. Do tỏc dng ca linh kin logic quang cũn rt n gin, khụng th
hon thnh chc nng x lý logic phc tp ca b phn iu khin, nờn b chuyn
mch quang hin nay vn cũn phi iu khin bng tớn hiu in, tc l chuyn
mch quang iu khin in.
Mt khỏc, mng quang trong tng lai cn phi h tr dch v truyn s liu.
Do ú, ý tng v chuyn mch gúi quang ra i. õy l mt ý tng mi c
a ra nhng c tp chung nghiờn cu rt cn thn vi rt nhiu u im nh

mng thụng tin ton quang, cú tc cao, dung lng ln, trong sut.
Vi mc ớch tỡm hiu mt cụng ngh mi, cng c v phỏt trin cỏc kin thc
ó lnh hi c trong quỏ trỡnh nghiờn cu v hc tp ti Hc vin cụng ngh Bu
chớnh Vin thụng em ó chn ti tt nghip ca mỡnh l: Chuyn mch gúi
trong mng quang WDM. Sau mt thi gian tỡm hiu v nghiờn cu cun ỏn
tt nghip vi ti ó chn ó c hon thnh vi ni dung gm 3 chng nh
sau:
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
ỏn tt nghip i hc Li núi u


Ngụ c Tin, D2000VT
2

Chng 1: Gii thiu chung v WDM.
Chng 2: Cỏc phn t trong h thng WDM.
Chng 3: Chuyn mch gúi trong mng quang WDM.
Em xin c gi li cm n chõn thnh ti thy giỏo TS. Bựi Trung Hiu, ngi ó
tn tỡnh hng dn v giỳp em rt nhiu trong thi gian em thc hin ti
ny. Em xin cm n cỏc thy, cụ giỏo trong khoa Vin Thụng 1, cỏc thy cụ ang
cụng tỏc ti trung tõm o to Bu chớnh Vin thụng I ó giỳp em thc hin c
m bc vo nhng chõn tri tri thc mi. Cm n bn bố v ngi thõn ó luụn
ng h tụi trong quỏ trỡnh hc tp ti mỏi trng Hc vin cụng ngh Bu chớnh
Vin thụng.
Mc dự ó c gng rt nhiu trong thi gian hon thnh cun ỏn ny, nhng do
thi gian v trỡnh cú hn nờn cun ỏn ny chc chn s khụng th trỏnh khi
nhng thiu sút. Rt mong nhn c nhng ý kin úng gúp ca thy cụ v bn bố
ng nghip cun ỏn ny c hon thin hn.
Em xin chõn thnh cm n !

H Ni, ngy 25 thỏng 10 nm 2005
Sinh viờn
Ngụ c Tin
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM


Ngô Đức Tiến, D2000VT
3

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WDM
1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM
1.1.1 Khái niệm về WDM
a. Quá trình phát triển của WDM
Khái niệm ghép kênh quang không phải là mới. Khái niệm này bắt đầu có từ những
năm 1950. Có thể nói rằng ý tưởng về truyền nhiều tín hiệu quang là rất đơn giản
và tự nhiên như là công nghệ truyền tín hiệu sử dụng trong viễn thông cổ điển với
tín hiệu điện. Nhưng giải pháp cho các vấn đề công nghệ là rất khó khăn và nó cần
thời gian dài phát triển để giải quyết các vần đề này. Khoảng 20 năm sau các linh
kiện thực tế đầu tiên sử dụng cho ghép kênh đã được sản xuất và sử dụng ở Mỹ,
Nhật, Châu Âu. Năm 1977 thiết bị thụ động WDM đầu tiên được phát triển bởi
Tomlinson và Aumiller.
b. WDM và TDM
Một câu hỏi được đặt ra là ghép tín hiệu trong miền điện (TDM: Time Division
Multiplexing) hay trong miền quang (FDM: Frequency Division Multiplexing) dễ
hơn? Câu trả lời cho câu hỏi này không hề dễ dàng và giải pháp tối ưu chỉ có thể
tìm thấy với tập hợp các công nghệ phức tạp.
Với các dịch vụ tốc độ bit thấp (<2Mb/s) nói chung sẽ tốt hơn nếu ta sử dụng công
nghệ TDM. Với tín hiệu chưa nén như truyền hình quảng bá chất lượng cao

(HDTV: High Definition TeleVision) thì WDM lại có vẻ tốt hơn. Với công nghệ
nén video băng tần yêu cầu đã được giảm xuống mức thấp nhất. Tuy nhiên vào thời
điểm hiện nay, CATV và HDTV vẫn yêu cầu các băng tần tương ứng là 4 Mb/s và
25 Mb/s. Các ứng dụng như mạng video liên kết các trạm làm việc truyền tín hiệu
từ trung tâm vô tuyến định tuyến các mạng video hội nghị, các hệ thống đào tạo
video tương tác, các mạng dịch vụ thông tin đa chiều và mạng truyền số liệu giữa
các máy tính, mạng số đa dịch vụ tích hợp (ISDN), các mạng băng rộng sẽ tiến đến
sử dụng cả ghép kênh phân chia theo thời gian và ghép kênh phân chia theo bước
sóng. Dự báo nhu cầu của thuê bao vào năm 2010 sẽ vào khoảng 100 Mb/s. Điều
này sẽ không thể trở thành hiện thực nếu không phát triển mạng quang WDM.
Một mạng thực tế thường được tạo nên bởi một tập các kiến trúc để tạo nên môi
trường vật lý của mạng giữa các trạm. Cấu hình được gọi là ảo khi nó chỉ bao gồm
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM


Ngô Đức Tiến, D2000VT
4

các liên kết logic giữa các trạm. Một ví dụ về ứng dụng ghép kênh quang là tạo cấu
hình mạng ảo theo yêu cầu. Cấu hình mạng có thể được thay đổi phụ thuộc vào cấu
hình vật lý khi thay đổi tần số quang của đầu phát hay đầu thu. Trong các cấu trúc
này các bộ đấu nối chéo WDM, các bộ định tuyến WDM và các bộ tách xen WDM
trở nên rất quan trọng.
1.1.2 Mô hình hệ thống WDM
Nhiệm vụ của các hệ thống truyền dẫn nói chung là truyền tín hiệu qua một
khoảng cách nhất định trên môi trường truyền dẫn đã được lựa chọn trước. Đối với
các hệ thống truyền dẫn lựa chọn sợi quang làm môi trường truyền dẫn sẽ là rất tốn
kém nếu không sử dụng hiệu quả băng thông của sợi quang. Để tận dụng tốt băng
thông của sợi quang kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) đã ra

đời và phát triển không ngừng trong nửa thế kỷ qua. Các hệ thống WDM cũng lần
lượt được giới thiệu và phát triển trong các mạng viễn thông thương mại. Mô hình
của hệ thống WDM và nguyên lý hoạt động của nó được chỉ ra trong hình vẽ sau
đây.

Hình 1.1. Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng quang
Giả sử có các nguồn quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ
1
, λ
2
, ..., λ
n
.
Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi
dẫn quang. Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ bộ
ghép kênh (MUX), bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau
khi ghép sẽ được truyền dọc theo sợi quang tới phía thu. Các bộ tách sóng quang
khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ
này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng (DE-MUX).
Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu
ra của bộ ghép kênh. Ở phía thu các bộ tách sóng quang phải nhạy với độ rộng của
các bước sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải thực hiện cách ly kênh
Rx
N
Tx
N
Tx
N

DE-

MUX
/MU
X
MUX
/
DE-
MUX

Sợi dẫn quang


λ
1
,λ
2
, ... λ
N

λ
,
1
,λ
,
2
, ... λ
,
N

Rx
N

Kênh 1
Kênh 1

Kênh N
Kênh N

λ
1
λ
,
N
λ
,
1
λ
N
Tx
N
Kênh 1
Kênh 1

KênhN
KênhN

λ
1
λ
,
N
λ

,
1
Tx
N
Rx
N
Rx
N
λ
N
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM


Ngô Đức Tiến, D2000VT
5

quang thật tốt với các bước sóng bằng cách thiết kế các bộ giải ghép kênh thật
chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải
làm việc thật ổn định.
Có 2 phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật ghép bước sóng
quang là thiết lập hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang một hướng và thiết lập
hệ thống ghép kênh bước sóng quang theo hai hướng. Hình vẽ 1.1 chỉ ra một hệ
thống ghép kênh theo bước sóng quang theo hai hướng, trong đó tại các đầu cuối có
các thiết bị tách ghép kênh hỗn hợp. Trong hệ thống này λ
1
, λ
2
, ..., λ
N

và λ’
1
, λ’
2
,
..., λ’
n
nằm trên một cửa sổ truyền dẫn nhưng thuộc hai giải tần số khác nhau. Còn
trong trường hợp thiết lập hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang một hướng thì
tại các đầu cuối chỉ thực hiện một nhiệm vụ là ghép hoặc tách kênh.
Trong hệ thống thông tin quang WDM có kỹ thuật ghép kênh bước sóng lỏng và kỹ
thuật ghép kênh bước sóng chặt hay mật độ cao.
CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh quang
phân chia theo bước sóng lỏng trong đó khoảng cách giữa các bước sóng quang kề
nhau lớn hơn 20 nm và tương ứng với nó là độ rộng phổ của một kênh là 2500
GHz. Bước sóng của laser thay đổi theo nhiệt độ nhưng đối với kỹ thuật này không
cần bộ làm mát vì khoảng cách giữa các bước sóng kề nhau lớn. Kỹ thuật CWDM
mang lại hiệu quả kinh tế cao đối với hệ thống yêu cầu ghép ít bước sóng.
Khi dung lượng của hệ thống tăng lên thì số kênh ghép trong sợi quang tăng
lên. Điều này đã làm cho kỹ thuật ghép kênh CWDM khó có thể đáp ứng được nhu
cầu và kỹ thuật ghép kênh DWDM ra đời. DWDM (Dense Wavelength Division
Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo bước sóng chặt trong đó
khoảng cách giữa các bước sóng kề nhau được truyền trên sợi quang là 0,8 nm. Với
khoảng cách này tại vùng tần số 1550 nm độ rộng phổ của mỗi kênh tương ứng vào
khoảng 100 GHz. Khi độ rộng phổ của bước sóng giảm xuống thì rất nhiều các yêu
cầu đưa ra cần được giải quyết như: Nhiệt độ của laser phát phải ổn định, các thiết
bị tách ghép phải hoạt động chính xác hơn… Những yêu cầu này đã làm cho giá
thành của các phần tử trong mạng tăng lên và giá thành của hệ thống DWDM tăng
lên rất nhiều so với hệ thống thông tin quang CWDM.
Bảng 1.1 So sánh CWDM và DWDM

Danh mục CWDM DWDM
Khoảng cách bước sóng ~20 nm ~0,8 nm
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM


Ngô Đức Tiến, D2000VT
6

Khoảng cách kênh 2500 GHz 100GHz
Điều khiển môi trường Không Có
Nguồn laser DFB (không làm mát) DFB (làm mát)
Tốc độ dữ liệu/kênh 2,5 Gbit/s 10 Gbit/s
Tốc độ bit tập trung 40 Gbit/s 320 Gbit/s
Giá thành/kênh Thấp Cao
1.2 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM
Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất
của tín hiệu trong sợi quang vượt quá một mức nào đó. Đối với các hệ thống WDM
thì mức công suất này cao hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh. Việc nảy sinh
các hiệu ứng phi tuyến sẽ gây ra một số hiện tượng như: Xuyên âm giữa các kênh,
suy giảm mức công suất tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỷ số S/N... Các
hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM chủ yếu gồm:
Hiệu ứng SPM, XPM, FWM, SBS và SBR. Các hiệu ứng này có thể chia thành hai
loại:
- Hiệu ứng tán xạ: Bao gồm các hiệu ứng SBS và SBR.
- Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr: Bao gồm hiệu ứng SPM, XPM và
FWM.
1.2.1 Hiệu ứng tán xạ
a. Hiệu ứng SBR
Hiệu ứng Raman là kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó

photon ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học
của các phân tử cấu thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại được
phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tới (ánh sáng
với bước sóng mới này được gọi là ánh sáng Stoke). Khi ánh sáng tín hiệu truyền
trong sợi quang có cường độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích (được
gọi là SRS) mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng bơm (gọi là bơm
Raman) làm cho phần lớn năng lượng của tín hiệu được chuyển tới bước sóng
Stoke.
Nếu gọi P
s
(L) là công suất của bước sóng Stoke trong sợi quang thì:
P
s
(L)= P
0
exp (g
r
P
0
L/K.S
eff
) (1.5)
Trong đó: P
0
là công suất đưa vào sợi tại bước sóng tín hiệu.
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
ỏn tt nghip i hc Gii thiu chung v WDM


Ngụ c Tin, D2000VT

7

g
r
l h s khuch i Raman.
K l h s c trng cho mi quan h v phõn cc gia tớn hiu,
bc súng Stoke v phõn cc ca si. i vi si thụng thng thỡ K2.
Cụng thc trờn cú th dựng tớnh toỏn mc cụng sut P
0
m ti ú hiu ng
SBR nh hng ln n h thng, c gi l ngng Raman (P
0
th
) (P
0
th
l cụng
sut ca tớn hiu u vo m ng vi nú, cụng sut ca bc súng Stoke v ca
bc súng tớn hiu ti u ra l bng nhau).
P
0
th
32 S
eff
.(L.g
r
) (1.6)
T cụng thc 1.6 ngi ta tớnh toỏn c rng, i vi h thng n kờnh
hiu ng SRR cú th nh hng n cht lng h thng thỡ mc cụng sut P
0

phi
ln hn 1W (nu nh h thng khụng s dng khuch i quang trờn ng
truyn). Tuy nhiờn trong h thng WDM thỡ mc cụng sut ny s thp hn nhiu
vỡ cú hin tng khuch i i vi cỏc bc súng ln, trong khi ú cụng sut ca
cỏc kờnh cú bc súng ngn hn li b gim i (do ó chuyn mt phn nng lng
cho cỏc bc súng ln) lm suy gim h s S/N, nh hng n cht lng h
thng. m bo suy gim S/N khụng nh hn 0,5 dB thỡ mc cụng sut ca tng
kờnh phi tho món (theo lý thuyt ca Chraplyvy).

Vi N l s kờnh bc súng.
f l khong cỏch gia cỏc kờnh bc súng.
Nh vy, trong h thng WDM hiu ng ny cng hn ch s kờnh bc súng,
khong cỏch gia cỏc kờnh, cụng sut ca tng kờnh v tng chiu di ca h
thng. Hn na, nu nh bc súng mi to ra li trựng vi kờnh tớn hiu thỡ hiu
ng ny cng gõy xuyờn õm gia cỏc kờnh.
b. Hiu ng SBS
Hiu ng SBS l hiu ng tng t nh hiu ng SRR, tc l cú s to thnh
ca bc súng Stoke cú bc súng di hn bc súng ti. im khỏc nhau chớnh
ca hai hiu ng ny l: Hiu ng SBR liờn quan n cỏc photon õm hc cũn hiu
ng SBS liờn quan n cỏc photon quang. Chớnh do s khỏc bit ny m hai hiu
fLNN
P
eff

ì
<
.)1(
1028,10
21
12

(1.7)
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
ỏn tt nghip i hc Gii thiu chung v WDM


Ngụ c Tin, D2000VT
8

ng cú nhng nh hng khỏc nhau n h thng WDM. Trong hiu ng ny, mt
phn ỏnh sỏng b tỏn x do cỏc photon õm hc v lm cho phn ỏnh sỏng b tỏn x
ny dch ti bc súng di hn (tng ng vi dch tn l khong 11 GHz ti
bc súng 1550 nm). Tuy nhiờn ch cú phn ỏnh sỏng b tỏn x theo chiu ngc
tr li (tc l ngc chiu vi chiu truyn tớn hiu) mi cú th truyn i trong
si quang, vỡ vy trong h thng WDM khi tt c cỏc kờnh u cựng truyn theo
mt hng thỡ hiu ng SBS khụng gõy xuyờn õm gia cỏc kờnh.
Trong tt c cỏc hiu ng phi tuyn thỡ ngng cụng sut xy ra hiu ng
SBS l thp nht, ch khong vi mW. Tuy nhiờn hiu ng SBS vi V
B
/V
laser

(V
b
l bng tn khuch i Brillouin, V
laser
l rng ph ca laser) v bng tn
khuch i Brillouin l rt hp (ch khong 10-100 MHz) nờn hiu ng ny cng
khú xy ra. Ch cỏc h thng vi ngun phỏt cú rng ph rt hp thỡ mi cú th
nh hng bi hiu ng SBS. Ngi ta tớnh toỏn c mc cụng sut ngng i
vi hiu ng SBS nh sau:

Beff
pueff
VgL
VVKA
P
ì
+
<
)(
21
(1.8)
Trong ú: g l h s khuch i Brillouin.
A
eff
l vựng lừi hiu dng.
K c trng cho mi quan h v phõn cc gia tớn hiu, bc súng
Stoke v phõn cc ca si. i vi si thụng thng thỡ K2.
V
B
l bng tn khuch i Brillouin.
V
P
l rng ph ca tớn hiu.
Nh vy hiu ng SBS s nh hng n mc cụng sut ca tng kờnh v
khong cỏch gia cỏc kờnh trong h thng WDM. Hiu ng ny khụng ph thuc
vo s kờnh ca h thng.
1.2.2 Hiu ng Kerr quang
Kerr l hiu ng trong ú chit sut ca mụi trng truyn dn thay i theo
cng ỏnh sỏng truyn.
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN

Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM


Ngô Đức Tiến, D2000VT
9

a. Hiệu ứng SPM
Hiệu ứng SPM thuộc loại hiệu ứng Kerr, tức là hiệu ứng trong đó chiết suất của
môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền. Hiện tượng này tạo
nên sự dịch pha phi tuyến φ
NL
của trường quang khi lan truyền trong sợi quang. Giả
sử bỏ qua suy hao quang thì sau khoảng cách L, pha của trường quang sẽ là:

Đối với trường quang có cường độ không đổi hiệu ứng SPM chỉ làm quay pha
của trường quang, do đó ít ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Tuy nhiên đối
với các trường quang có cường độ thay đổi thì pha phi tuyến φ
NL
sẽ thay đổi theo
thời gian. Sự thay đổi theo thời gian này cũng có nghĩa là trong xung tín hiệu sẽ tồn
tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm v
0
một giá trị là δv
NL
:
δv
NL
=(1/2π)(δφ
NL
/δt) (1.10)

Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của
xung dịch đến tần số v<v
0
và sườn trước của xung dịch đến tần số v>v
0
. Điều này
cũng có nghĩa là phổ của tín hiệu đã bị dãn trong quá trình truyền. Trong hệ thống
WDM, đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau, hiện tượng dãn phổ do
SPM có thể dẫn đến giao thoa gây nhiễu giữa các kênh.
b. Hiệu ứng XPM
Đối với hệ thống WDM, hệ số chiết suất tại một bước sóng nào đó không chỉ
phụ thuộc vào cường độ của sóng đó mà còn phụ thuộc vào cường độ của các bước
sóng khác lan truyền trong sợi. Trong trường hợp này chiết suất phi tuyến ứng với
bước sóng thứ i sẽ là:
∆n
NL
=n
2
{|E
i
|
2
+ 2Σ|E
j
|
2
} (1.11)
Với: N là tổng số kênh quang.
E
i

là cường độ trường quang của bước sóng thứ i.
Số hạng thứ nhất trong công thức (1.11) ứng với hiệu ứng SPM, số hạng
thứ hai tương ứng với hiệu ứng XPM. Nếu giả sử công suất của các kênh là
như nhau thì ảnh hưởng của hiệu ứng XPM sẽ gấp 2N lần hiệu ứng SPM.
NL
const
EnnL
nL
φ
λ
π
λ
π
φ
+=
+
==
)(2
2
2
20
(1.9)
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM


Ngơ Đức Tiến, D2000VT
10

c. Hiệu ứng FWM

Hiện tượng chiết suất phi tuyến còn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn
mode, đó là hiệu ứng FWM. Trong hiệu ứng này, hai hoặc ba sóng quang với các
tần số khác nhau sẽ tương tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới. Tương tác
này có thể xuất hiện giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống DWDM, hoặc
giữa các bước sóng tín hiệu với tạp âm của các bộ khuếch đại quang. Giả sử có ba
bước sóng với tần số ω
i
, ω
J
, ω
k
thì tổ hợp tần số mới tạo ra sẽ là những tần số ω
ijk

thoả mãn:
ω
ij k
=ω
i
+ ω
J
- ω
k
(1.12)
Theo quan điểm cơ lượng tử, thì hiệu ứng FWM là hiệu ứng mà trong đó có sự
phá huỷ photon ở một số bước sóng và tạo ra một số photon ở các bước sóng mới
sao cho vẫn bảo tồn về năng lượng.
Hiệu suất của q trình FWM phụ thuộc vào điều kiện phù hợp về pha. Hiệu
ứng FWM xảy ra mạnh chỉ khi điều kiện này được thoả mãn (tức là động lượng của
photon được bảo tồn). Về mặt tốn học thì điều kiện này có thể được biểu thị như

sau:
β(ω
ijk
)= β(ω
i
) + β(ω
j
) - β(ω
k
) (1.13)
Vì trong sợi quang tồn tại tán sắc nên điều kiện phù hợp về pha rất khó xảy ra.
Tuy nhiên, với mơi trường truyền dẫn là loại sợi có tán sắc thấp và khoảng cách
truyền dẫn là tương đối lớn và các kênh gần nhau thì điều kiện này có thể coi là xấp
xỉ đạt được.
Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệu ứng
FWM sẽ làm giảm cơng suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM. Hơn nữa,
nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có
thể rơi vào các kênh tín hiệu với xác suất rất lớn, gây xun âm giữa các kênh, làm
suy giảm chất lượng của hệ thống.
Sự suy giảm cơng suất sẽ làm cho dạng hình cắt của tín hiệu ở đầu thu bị thu
hẹp lại do đó làm giảm chất lượng của hệ thống. Vì các hệ thống WDM chủ yếu
làm việc ở cửa sổ bước sóng 1550 nm và do tán sắc của sợi quang đơn mode thơng
thường (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18 ps/nm.km, còn tán sắc của sợi tán
sắc dịch chuyển (sợi G. 653) là ≈0 (<3ps/nm.km) nên hệ thống WDM làm việc trên
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM


Ngơ Đức Tiến, D2000VT
11

sợi đơn mode thơng thường sẽ ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống
WDM làm việc trên sợi tán sắc dịch chuyển.
Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cách giữa các kênh
trong hệ thống WDM càng nhỏ cũng như khoảng cách truyền dẫn và mức cơng suất
của mỗi kênh lớn. Vì vậy hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự ly truyền
dẫn của hệ thống WDM.
1.3 Các cấu hình mạng WDM
Các mạng ghép kênh bước sóng quang có bốn cấu hình cơ bản: WDM điểm-
điểm có hoặc khơng có các bộ tách ghép, cấu hình mạng sao, cấu hình mạng Ring
với các node OADM và hub, cấu hình hỗn hợp, nó có thể bao gồm cấu hình sao,
cấu hình vòng Ring với các kết nối điểm-điểm. Với mỗi cấu hình sẽ có các u cầu
riêng và nó cũng phù hợp đối với từng ứng dụng cụ thể.
1.3.1 Cấu hình điểm-điểm
Cấu hình điểm-điểm là cấu hình hay được sử dụng cho truyền dẫn đường dài
với tốc độ rất cao (có thể lên đến vài Tertabits/s), tín hiệu được truyền đi tồn vẹn,
độ tin cậy cao và khả năng phục hồi lại đường truyền nhanh. Khoảng giữa máy phát
và máy thu có thể lên đến vài trăm km và có một số bộ khuếch đại giữa các đầu
cuối và thơng thường số lượng bộ khuếch đại nhỏ hơn 10 (phụ thuộc vào suy hao
cơng suất và méo tín hiệu). Cấu hình điểm-điểm với bộ tách ghép cho phép hệ
thống tách và ghép dọc theo đường truyền. Số lượng các kênh, khoảng cách giữa
các kênh, loại sợi quang, phương pháp điều chế tín hiệu và loại thiết bị được lựa
chọn sử dụng trên mạng là các thơng số quan trọng trong việc tính tốn quỹ cơng
suất của hệ thống.
Trong WDM mỗi kênh được mang trên một bước sóng xác định và cũng được
gọi là kênh quang. Các kênh khác nhau có thể mang các loại dữ liệu khác nhau như
thoại, số liệu, video, các gói số liệu với các tốc độ khác nhau. Các liên kết giữa máy
thu và máy phát có thể có vài thiết bị quang cũng như một hay một số sợi quang,
các bộ khuếch đại quang, các bộ tách ghép quang, các bộ lọc quang, coupler…
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM


Ngô Đức Tiến, D2000VT
12


Hình 1.2. Cấu hình điểm-điểm truyền đơn hướng
1.3.2 Cấu hình vòng
Một mạng Ring bao gồm một sợi quang nối liền giữa các node, một số hệ
thống có hai sợi quang cho chức năng bảo vệ mạng (dự phòng). Một mạng Ring có
thể bao một vùng nhỏ hoặc vùng thành phố lớn với chiều dài vài chục Km. Mạng
Ring có thể gồm 4 hoặc nhiều kênh và có thể có nhiều node. Tốc độ của các kênh
có thể là 622,08 Mb/s hoặc thấp hơn hoặc 1,25 Gb/s và cao hơn. Một node trong số
các node của mạng Ring là trạm hub nơi mà các bước sóng được quản lý, kết nối
với các mạng khác. Tại mỗi node đều có các bộ tách và ghép kênh quang để lấy ra
hoặc ghép vào một hoặc một số kênh.

Hình 1.3. Cấu hình mạng Ring

LD

Re
A



LD
LD
Re

Re
CH 1 λ
1
CH 2 λ
2
CH N λ
N
λ
1
CH 1

.
.
.
.
.
.
Fiber
Fiber
Fiber
λ
1
,λ
2
...,λ
N
λ
1
,λ
2

...,λ
N
λ
k

MUX
DeMUX
LD: Diode Laser
Re: Bộ thu quang
A: Bộ khuyếch đại quang
OADM
A
λ
2
CH 2

λ
N
CH
Fiber: Sợi quang

OADM
OADM
OADM
OADM
O/E

IP
λ
i

λ
i

λ
j
λ
j

Mux
λ
1
,λ
2
...,λ
N
λ
1
,λ
2
...,λ
N
λ
1
,λ
2
...,λ
N
1
λ
1

,λ
2
...,λ
N
λ
k
λ
k

STM
λ
N
λ
N

THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM


Ngô Đức Tiến, D2000VT
13

Trong mạng Ring WDM trạm hub có thể kết cuối một số loại lưu lượng như
module truyền tải đồng bộ (STM: Synchronous Transport Module), IP, video. Trạm
hub quản lý tất cả các kênh liên kết với một đường truyền quang giữa các node với
loại lưu lượng trên kênh đó. Tại một node OADM một hoặc nhiều tần số quang
được tách ra và xen vào trong khi số còn lại được truyền xuyên qua. Mặc dù vậy
khi số lượng node OADM tăng lên thì tín hiệu không thể tránh khỏi tổn hao và vì
vậy sẽ yêu cầu thêm các bộ khuếch đại. Số lượng node trong mạng Ring thông
thường nhỏ hơn số lượng bước sóng được ghép trong sợi quang.

Trong mạng Ring, trạm hub quản lý định thời kênh với một kết nối đầy đủ của
mạng với node OADM. Node hub có thể cung cấp các kết nối với các mạng khác.
Thêm vào đó một node OADM có thể kết nối với một bộ tách kênh hay ghép kênh
nơi một số nguồn dữ liệu được ghép. Một mạng Ring đơn giản với một hub và hai
node A và B thông tin với nhau qua bước sóng λ
k
như trong hình 1.4 node A chỉ
ghép một số nguồn số liệu. Tất cả các nguồn số liệu được kết thúc và trả lời bởi
node B, mặc dù vậy tất cả các tín hiệu này được truyền trên cùng một kênh (và dĩ
nhiên là cùng một bước sóng).

Hình vẽ 1.4. Cấu hình mạng Ring có các kênh được quản lý bởi trạm hub




λ
1
,λ
2
...,λ
N



OADM
A
OADM
B

Router
Fiber Ring
Data N
Data 1
Data 2
1
2
: Biến đổi điện quang
: Biến đổi quang điện
1
2
Data 1
Data 2
Data N
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM


Ngô Đức Tiến, D2000VT
14

CHƯƠNG 2
CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG WDM
Chương 1 của cuốn đồ án này đã trình bày tổng quan về quá trình hình thành,
phát triển của kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng quang và một số khái niệm liên
quan. Tuy nhiên việc thực hiện ý tưởng ghép kênh quang vào thời điểm đó là
không hề dễ dàng do những khó khăn về công nghệ. Trong những năm gần đây

công nghệ vật liệu phát triển rất nhanh, đã có rất nhiều vật liệu mới được tìm thấy,
phát triển và ứng dụng vào các mạng thông tin quang. Điều này đã tạo ra một cuộc
cách mạng thực sự trong quá trình phát triển của công nghệ truyền dẫn quang.
Chương 2 sẽ trình bày về các phần tử sử dụng trong mạng thông tin quang WDM
và các kỹ thuật sử dụng trong các thiết bị đó.
2.1 Các bộ lọc quang
Có 2 loại bộ lọc quang, đó là bộ lọc có bước sóng cố định, hay còn gọi là bộ
chọn bước sóng và bộ lọc có bước sóng hoặc dải bước sóng thay đổi được hay còn
gọi là bộ lọc điều chỉnh được.
2.1.1 Bộ chọn bước sóng
Yêu cầu đặt ra là phải tạo ra một trường chuyển mạch chuẩn, trong đó khoảng
cách giữa các bước sóng là cố định, đồng thời các bước sóng phải được ổn định tại
máy phát. Chính vì vậy mà yêu cầu bộ chọn bước sóng. Chức năng này có thể được
thực hiện nhờ kết hợp bộ tách ghép bước sóng và các cổng quang (SOA).
Mặc dù thiết bị có thể được sản xuất khi sử dụng các phần tử riêng biệt, nhưng
giải pháp này không giải quyết được giảm giá thành và kích thước. Người ta đang
cố gắng nghiên cứu phương án tích hợp các phần tử.
Các ống dẫn sóng có cấu trúc vòm mái để không nhạy cảm phân cực và suy
hao thấp, đồng thời tạo ra bán kính uốn cong nhỏ nhất cho phép thoả mãn yêu cầu
liên kết chặt của thiết bị. Sử dụng giải pháp này có thể chế tạo bộ tách bốn kênh
trên diện tích 1,5 mm
2
, thiết bị có suy hao xuyên kênh khoảng -25dB, suy hao của
chíp khoảng vài dB và độ nhạy cảm phân cực thấp hơn 0,05 nm (đối với khoảng
cách kênh 2 nm). Các phần tử tách/ghép bước sóng tích hợp với các SOA tạo ra bộ
chọn bước sóng suy hao zero, tái cấu hình nhanh và không nhạy cảm phân cực.
a. Phương pháp lọc điện môi đa lớp sử dụng trong WDM
Bộ lọc màng mỏng có khoang cộng hưởng (TFF) thuộc loại bộ lọc có bước
sóng cố định. Cấu trúc gồm bộ giao thoa Fabry-Perot, trong đó các gương tại hai
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN

Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM


Ngô Đức Tiến, D2000VT
15

phía khoang được thực hiện nhờ nhiều lớp màng mỏng điện môi phản xạ. Thiết bị
này hoạt động như là một bộ lọc băng, cho qua một bước sóng riêng và phản xạ các
bước sóng khác. Bước sóng tại đầu ra của bộ lọc được xác định bởi chiều dài và
chiết suất của khoang cộng hưởng.
Bộ lọc màng mỏng nhiều khoang cộng hưởng (TFMF) gồm hai hoặc nhiều
khoang cách biệt với nhau bởi các màng mỏng điện môi phản xạ như hình 2.1.

Hình 2.1. Bộ lọc màng mỏng điện môi
Thiết bị này có nhiều đặc tính hấp dẫn để ứng dụng vào các hệ thống truyền
dẫn quang. Nó có khả năng hình thành đỉnh trong băng thông và sườn dốc. Thiết bị
có hàm truyền đạt ổn định khi nhiệt độ thay đổi, có suy hao thấp và không nhạy
cảm phân cực với tín hiệu. Các tham số điển hình cho bộ ghép 16 kênh sử dụng bộ
lọc màng mỏng điện môi gồm: Băng thông 1dB là 0,4 nm, băng thông 20 dB là 1,2
nm, độ cách ly là 25 dB và hệ số nhiệt độ là 0,005 nm/
0
C. Nhờ có các đặc tính này
mà hiện tại TFMF được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang có tính
thương mại.

Hình 2.2. Cấu trúc bộ tách/ghép kênh dùng bộ lọc điện môi gắn trực tiếp trên sợi

λ
1
... λ

4


λ
1

λ
2
λ
3

λ
4

Sợi quang
Bộ lọc
Khoang 1
Khoang 2
Khoang 3




Lớp nền thủy tinh

Bộ phản xạ
điện môi
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM

Ngô Đức Tiến, D2000VT
16

Thiết bị lọc điện môi đa lớp có thể ghép trực tiếp giữa các sợi quang, hoặc sử
dụng hệ thống hội tụ quang. Hình 2.2 là một ví dụ về ghép sợi quang trực tiếp qua
các bộ lọc lưỡng hướng sắc trên bề mặt của một sợi quang. Đây là cấu trúc lớp bộ
giải ghép 4 kênh sử dụng 3 bộ lọc cấp một.
Bộ lọc thứ nhất phản xạ bước sóng λ
1
và cho qua các bước sóng λ
2
, λ
3
, λ
4
. Bộ
lọc thứ hai phản xạ bước sóng λ
2
và cho qua các bước sóng λ
3
, λ
4
. Bộ lọc thứ ba
phản xạ bước sóng λ
3
và cho qua bước sóng λ
4
. Và như vậy ta được kết quả là tín
hiệu đầu vào mạng bốn bước sóng λ

1
, λ
2
, λ
3
, λ
4
còn tại đầu ra ta tách ra được tín
hiệu ta cần được mang trong sóng có bước sóng λ
4
. Tương tự như vậy ta cũng có
thể tách được các kênh trong các bước sóng λ
1
, λ
2
, hay λ
3
.
2.1.2 Bộ lọc điều chỉnh được
Với bộ lọc điều chỉnh được có thể chỉ ra hai bộ lọc tiêu biểu là thiết bị lọc
Fabry-Perot và bộ lọc âm quang điều chỉnh được (AOTF).
a. Thiết bị lọc Fabry-Perot
Các bộ lọc bước sóng điều chỉnh được thường được cấu tạo dựa trên cấu trúc
laser điều chỉnh được (điều hưởng). Bộ lọc khoang cộng hưởng Fabry-Perot được
tạo thành bởi hai gương có hệ số phản xạ cao đặt song song với nhau như hình vẽ
dưới đây.

Hình 2.3. Bộ lọc Fabry-Perot
Bộ lọc này còn gọi là bộ giao thoa Fabry-Perot. Tia sáng vào là tia sáng đi tới
gương thứ nhất, tia sáng tại đầu ra của bộ lọc là tia sáng rời gương thứ hai. Đây là

một thiết bị điển hình đã được sử dụng rộng rãi trong các máy đo giao thoa. Nó đã
được sử dụng như là bộ lọc trong thiết bị WDM của mạng quang.
Khoang cộng hưởng
Fabry-Perot
Tín hiệu vào
Phản xạ
Tín hiệu ra
cùng chiều
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
ỏn tt nghip i hc Cỏc phn t trong h thng WDM


Ngụ c Tin, D2000VT
17

Hin nay ó cú b lc tt hn, chng hn b lc mng mng nhiu khoang
cng hng. Cú th xem b lc ny nh l b lc Fabry-Perot cú gng phn x
ph thuc bc súng. Do ú nguyờn tc hot ng c bn ca b lc ny cng nh
b lc Fabry-Perot.
B lc Fabry-Perot l mt phn t thng mi. u im vt tri ca nú so vi
mt s thit b khỏc l nú cú th iu chnh c chn lc cỏc kờnh khỏc nhau
trong h thng cỏc h thng thụng tin quang WDM.
Nguyờn lý hot ng
Nguyờn lý hot ng ca thit b c ch ra nh trong hỡnh v 2.3. nh sỏng
ti mt trỏi ca khoang. Sau khi qua khoang, mt phn ỏnh sỏng i qua mt phi
ca khoang v phn cũn li phn x tr li khoang. Cỏc Photon phn x tr li mt
gng th nht v mt phn cỏc photon ny li tip tc phn x mt ln na n
mt gng th hai. Chiu di ca khoang bng bi s nguyờn ca na bc súng
truyn trong khoang, vỡ vy vũng hnh trỡnh qua khoang (ti v phn x) l bi s
nguyờn ca bc súng. Tt c cỏc photon truyn qua mt gng th hai u ng

pha. V nh vy súng ra khi khoang cng hng l súng cng hng. Hm truyn
t cụng sut ca b lc ph thuc vo cu trỳc ca khoang. Hm truyn t cụng
sut ca b lc c biu din qua biu thc sau:

Trong ú A l suy hao do hp th ca mi gng, R l h s phn x ca mi
gng (gi thit hai gng cú h s phn x nh nhau), l thi gian truyn qua
khoang theo mt hng, n l chit sut ca khoang, l l chiu di khoang. Do ú
=nl/c, c l tc ỏnh sỏng trong chõn khụng.
Dng ca hm truyn t cụng sut ca b lc Fabry-Perot c a ra trong
hỡnh v 2.4 vi A=0 v R ln lt nhn cỏc giỏ tr 0,75; 0,90 v 0,99. Khi h s
phn x ca gng cng ln thỡ cỏch ly gia cỏc kờnh k nhau cng tt.
Hm truyn t cụng sut T
FP
(f) l tun hon theo f v cỏc nh bng thụng ca
hm truyn t xy ra ti cỏc tn s tho món iu kin f=k/2 khi k l s nguyờn
dng. Vỡ vy trong h thng WDM, nu cỏc bc súng cỏch nhau xa so vi
(2.1)
2
2
)2sin(
1
2
1

1

1

)(

+








=




f

R
R
R

f

T


FP

THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM


Ngô Đức Tiến, D2000VT
18

mỗi dải thông hàm truyền đạt bộ lọc thì một số bước sóng (tần số) trùng với dải
thông bộ lọc đều đi qua bộ lọc. Phạm vi phổ nằm giữa hai dải thông kề cận của bộ
lọc được gọi là phạm vi phổ tự do, ký hiệu là FSR. Độ rộng mỗi dải thông của bộ
lọc là độ rộng đầy đủ tại một nửa giá trị cực đại của hàm truyền đạt (FWHM).
Trong các hệ thống WDM, cần chú ý số lượng các bước sóng sử dụng và các bước
sóng này phải nằm trong một FSR của bộ lọc. Vì vậy tỷ số FSR/FWHM là một số
đo gần bằng số lượng các bước sóng thích hợp với hệ thống. Tỷ số này gọi là hệ số
phân biệt F của bộ lọc và xác định theo biểu thức:


Hình 2.4. Hàm truyền đạt của bộ lọc Fabry-Perot
 Điều chỉnh
Bộ lọc Fabry-Perot có thể điều chỉnh để lựa chọn các bước sóng khác nhau.
Giải pháp đơn giản nhất là thay đổi chiều dài của khoang hoặc thay đổi chiết suất
bên trong khoang. Xem xét một hệ thống WDM có tất cả các bước sóng đều nằm

trong một FSR của bộ lọc Fabry-Perot. Tần số f
0
mà bộ lọc cần chọn thoả mãn điều
kiện f
0
τ=k/2 đối với một vài số nguyên dương của k. Vì vậy f
0
có thể thay đổi nhờ
thay đổi τ là thời gian truyền theo một hướng của ánh sáng trong khoang. Nếu ký
hiệu chiều dài của khoang là l và chiết suất của khoang là n thì τ=ln/c, trong đó c là
tốc độ ánh sáng trong chân không và như vậy τ thay đổi khi thay đổi n hoặc l.
Điều chỉnh cơ khí của bộ lọc có thể có hiệu quả nếu dịch chuyển một gương
phản xạ để thay đổi chiều dài của khoang cộng hưởng. Điều này chỉ cho phép điều
chỉnh thời gian một vài miligiây. Đối với điều chỉnh cơ khí bộ lọc Fabry-Perot phải
đảm bảo độ chính xác về mặt cơ khí, nghĩa là duy trì hai gương song song với nhau
khi một gương dịch chuyển. Tuy nhiên khó có thể đảm bảo được độ chính xác này.
Hàm
truyền
đạt
công
suất
(dB)
0
-10
-20
-30
-1,5
-1
-1,5
0

0,5
1
-1,5
f/FSR
-40


R=0,75
R=0,90
R=0,99
R
R
F
−
−
=
1
π
(2.2)
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM


Ngô Đức Tiến, D2000VT
19

Một giải pháp khác để điều chỉnh là sử dụng vật liệu áp điện làm khoang. Bộ
lọc áp điện chịu nén khi đặt lên nó một điện áp. Do chiều dài của khoang có vật
liệu như vậy có thể thay đổi nhờ điện áp, nên làm thay đổi tần số cộng hưởng của
khoang. Tuy nhiên vật liệu áp điện phát sinh hiệu ứng không ổn định nhiệt và từ trễ

nên khó có thể ứng dụng bộ lọc như vậy trong thực tế.
b. Bộ lọc âm quang điều chỉnh được (AOTF)
Bộ lọc âm quang điều chỉnh được (AOTF) là một thiết bị linh hoạt. Nó là bộ
lọc có thể điều chỉnh được để chọn lọc một số bước sóng nhất định. Khả năng này
được sử dụng để cấu tạo bộ định tuyến bước sóng.
2.2 Bộ ghép và bộ tách kênh quang
Chức năng của một bộ tách kênh quang là nhận tín hiệu từ sợi quang. Tín hiệu
từ sợi quang này là một tia sáng bao gồm nhiều tần số sóng quang khác nhau và bộ
tách kênh quang có nhiệm vụ tách tín hiệu nhận được thành các tín hiệu tại các tần
số khác nhau. Còn nhiệm vụ của bộ ghép kênh quang thì ngược lại: Nó nhận tín
hiệu từ nhiều nguồn khác nhau và kết hợp chúng lại vào một tia sáng để truyền vào
một sợi quang duy nhất. Có hai loại thiết bị tách/ghép kênh là thiết bị tách/ghép
kênh tích cực và thiết bị tách/ghép kênh thụ động. Thiết bị tách/ghép kênh thụ động
hoạt động dựa trên nguyên lý của lăng kính, cách tử nhiễu xạ và lọc phổ. Còn các
thiết bị tách/ghép kênh tích cực hoạt động dựa trên nguyên tắc kết hợp các thiết bị
thụ động với các bộ lọc điều hưởng trong đó mỗi một bộ lọc cộng hưởng với một
tần số nhất định.
2.2.1 Nguyên tắc làm việc của lăng kính
Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM người ta thường dùng lăng kính làm
phần tử tán sắc góc (hình 2.5). Do hiện tượng chiết suất phụ thuộc vào bước sóng
ánh sáng tức là n=n(λ), nên các chùm tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hướng
khác nhau ở đầu ra theo định luật Snell (sự phụ thuộc của chiết suất vật liệu làm
lăng kính theo bước sóng).
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM


Ngô Đức Tiến, D2000VT
20

Hình 2.5. Tán sắc góc dùng lăng kính
ir
Adn
d
di
coscos
sin
×=
λλ
(2.3)
Trong đó: i là góc tới.
i
,
là góc ló.
A là góc đỉnh của lăng kính.
r là góc khúc xạ của tia sáng đi vào lăng kính.
Nhược điểm: Tán sắc góc dùng lăng kính là mức độ tán sắc thấp nên khó tách
được các tia sáng có bước sóng gần nhau. Vì vậy ta chỉ có thể dùng lăng kính trong
trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ: Một bước
sóng λ
1
ở cửa sổ 1300 nm và một bước sóng λ
2
ở cửa sổ 1550 nm).
2.2.2 Nguyên lý làm việc của cách tử tán xạ
Do nhược điểm không tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau nên lăng
kính ngày nay không được sử dụng trong công nghệ WDM nữa, thay vào đó người
ta sử dụng cách tử nhiễu xạ làm phần tử tán sắc góc (hình 2.6).
 Khái niệm về cách tử

Cách tử là một mặt phẳng quang có nhiều rãnh cách đều nhau và có khả năng
truyền hoặc nhiễu xạ ánh sáng. Cách tử được cấu tạo bao gồm nhiều rãnh (như răng
cưa), trên bề mặt của các rãnh này được phủ một lớp phản xạ, số lượng rãnh trên
cách tử có thể lên tới vài nghìn rãnh trên 1 mm. Cách tử có khả năng nhiễu xạ ánh
sáng theo một hướng nhất định phụ thuộc vào bước sóng. Vì vậy một tia sáng có
nhiều bước sóng khác nhau chiếu vào cách tử thì mỗi bước sóng sẽ nhiễu xạ một
hướng khác nhau. Ngược lại, các bước sóng đi tới cách tử từ các hướng khác nhau
có thể kết hợp theo cùng một hướng. Góc nhiễu xạ phụ thuộc khoảng cách các rãnh
và các góc tới.

A
B
C


i
r
i
'
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
ỏn tt nghip i hc Cỏc phn t trong h thng WDM


Ngụ c Tin, D2000VT
21

Khi ri ỏnh sỏng lờn trờn b mt cỏch t, ngoi hin tng nhiu x tc l
hin tng giao thoa ca cỏc tia sỏng b phn x bi b mt cỏch t, lm cho ỏnh
sỏng b nhiu x theo cỏc gúc riờng bit tho món phng trỡnh sau:

Trong ú: n l chit sut ca lp phn x ph trờn b mt cỏch t.
l gúc cỏch t.
l gúc nhiu x tng t.
d l bc cỏch t.
l bc súng ca tia sỏng.
m l bc nhiu x.
Phng trỡnh (2.4) cho thy rừ rng gúc nhiu x ph thuc vo bc súng ca
ỏnh sỏng ti. Nh vy, cng ging nh lng kớnh, ỏnh sỏng khụng n sc u
vo, sau khi qua cỏch t s c tỏch thnh cỏc tia sỏng n sc u ra theo cỏc
gúc khỏc nhau. Khỏc vi lng kớnh, cỏch t nhiu x cho cỏc gúc tỏn sc ln hn.

Hỡnh 2.6. S dng cỏch t tỏch bc súng
Khi gii ghộp kờnh (tỏch bc súng) bng cỏch t, ngun sỏng ti gm nhiu
bc súng t si quang s c tỏch ra thnh cỏc tia n sc tng ng vi cỏc
bc súng c truyn trờn si theo cỏc bc khỏc nhau. Ngc li khi ghộp kờnh,
mt s kờnh ng vi cỏc bc súng
1
,
2
,
3
, ...
n
n t cỏc hng khỏc nhau cú
th c kt hp thnh mt hng v c truyn dn trờn cựng mt si quang.

Thu kớnh
Cỏc si quang
Cỏc tia nhiu
x
Cỏch t
nhiu x

1

1
+
1
+...+
N


3

2
dn
m


=+ sinsin
(2.4)
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM

Ngô Đức Tiến, D2000VT
22

2.2.3 Bộ ghép và tách kênh quang

Hình 2.7. Sử dụng lăng kính để tách bước sóng



Sợi
quang
λ
1
+ λ
1
+...+ λ
N

Thấu kính Thấu kính Lăng kính
A
B
C
Các sợi quang
n
1
n
2
n
2
>n

1
λ
1
λ
n
λ
2
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
ỏn tt nghip i hc Cỏc phn t trong h thng WDM


Ngụ c Tin, D2000VT
23

Thụng thng b ghộp kờnh quang bao gm mt s u vo mang cỏc tớn hiu
ti cỏc bc súng khỏc nhau. Tt c cỏc bc súng ú c tp trung vo mt im
v truyn vo mt si quang duy nht. Hu ht cỏc b tỏch kờnh quang th ng
cng cú th s dng nh l mt b ghộp kờnh quang. Chỳng cú th hot ng da
trờn nguyờn lý lm vic ca lng kớnh hoc cng cú th lm vic theo nguyờn tc
tỏn x khi s dng cỏch t.
Hỡnh 2.6 ch ra mt vớ d v mt b tỏch kờnh s dng cỏch t tỏn x.

Hỡnh 2.8. S dng cỏch t tỏn x ghộp kờnh
2.3 B xen r quang (OADM)
Cỏc b xen r quang c dựng liờn kt nhiu tớn hiu vo trong mt ng
truyn n hoc tỏch cỏc tớn hiu sau khi truyn nh trong hỡnh 2.9. Trong rt
nhiu phn t ca mng, mt phn t cú th khụng mun liờn kt hoc thỏo ton b
cu trỳc kờnh m ch n thun xen hoc r mt hay mt s kờnh. Mt b ghộp
quang thc hin chc nng ny khụng cn phi bin i tớn hiu trong tt c cỏc
kờnh thnh dng in v ngc li. B xen r rt cn cho mng din rng v mng

thnh ph khi mt hay mt s kờnh cn c tỏch ra trong khi cỏc kờnh khỏc trong
ng truyn vn gi nguyờn.

Hỡnh 2.9. B xen r quang OADM






Thu kớnh
Cỏc si quang
Cỏc tia nhiu
x
Cỏch t
nhiu x

1

1
+
1
+...+
N


3

2
B xen

r quang
OADM

1

2
...
n
Kờnh

u vo Kờnh

u ra
Xen kờnh
R kờnh

1

2
...
n

x

x
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Các phần tử trong hệ thống WDM


Ngô Đức Tiến, D2000VT

24

- Phần tử thứ nhất được sử dụng làm bộ xen rẽ quang là bộ định tuyến bước sóng
(Wavelength routing) dựa trên nguyên lý dịch pha của các bước sóng (AWG).
Chức năng của AWG được thể hiện như trên hình 2.10. Tất cả các bước sóng được
đưa tới đầu vào "a" sẽ xuất hiện lần lượt tại các đầu ra. Trên cùng một đầu ra có thể
xuất hiện các bước sóng tại các đầu vào khác nhau. Nguyên lý làm việc này khiến
AWG trở thành bộ định tuyến bước sóng. Nếu chọn các bước sóng đưa tới đầu vào
thích hợp thì sẽ có thể lấy được bước sóng đó ở đầu ra bất kỳ. Khi đầu vào (a) chỉ
có một cổng thì AWG được dùng như bộ tách sóng quang, nếu đi theo chiều ngược
lại thì nó trở thành bộ ghép bước sóng.
Phần tử này có thể chế tạo với số lượng lớn với giá thành hạ vì về cơ bản nó
được chế tạo theo cách chế tạo các chíp điện tử. Do đó AWG còn được gọi là linh
kiện quang tích hợp (Integrated Optics).

Hình 2.10. Nguyên lý của AWG
- Phần tử thứ hai là các bộ tách ghép bước sóng sử dụng phối hợp bộ quay pha
bước sóng (circulator) và cách tử sợi quang (fiber grating)-cách tử Bragg.
Trong đó bộ quay pha quang có thiết kế gần giống với bộ cách ly quang
(optical isolator). Các bước sóng cần tách/xen sẽ được bộ cách tử sợi quang phản
xạ lại đa vòng tới lối ra/vào của bộ quay pha. Các bước sóng khác vẫn đi qua bình
thường.
Một cách tử sợi quang là thiết bị giao thoa quang được thiết kế ngay bên trong
một sợi quang. Nếu một sợi thuỷ tinh được cấy thêm một chất phù hợp, thường là
Germanium, chỉ số khúc xạ của nó có thể được thay đổi bằng việc chiếu các tia cực
tím. Nếu việc chiếu các tia cực tím xảy ra trong một khoảng thời gian thích hợp, bộ
lọc sẽ trở thành một cách tử. Do nó chỉ là một mẩu sợi quang nhỏ nên suy hao xen
có thể coi bằng 0 (một đặc tính tuyệt vời cho các bộ tách/ghép bước sóng). Nó sẽ

λ
1
a λ
2
a λ
3
a λ
4
a
λ
1
b λ
2
b λ
3
b λ
4
b
λ
1
c λ
2
c λ
3
c λ
4
c
λ
1
d λ

2
d λ
3
d λ
4
d
λ
1
a λ
4
b λ
3
c λ
2
d
λ
2
a λ
1
b λ
4
c λ
3
d
λ
3
a λ
2
b λ
1

c λ
4
d
λ
4
a λ
3
b λ
2
c λ
1
d
Đầu vào “a”
Đầu vào “b”
Đầu vào “c”
Đầu vào “d”
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
ỏn tt nghip i hc Cỏc phn t trong h thng WDM


Ngụ c Tin, D2000VT
25

phn x bc súng ỏnh sỏng gn nh hon ton trong mt di xỏc nh trc v
truyn i cỏc bc súng cũn li.

Hỡnh 2.11. Phi hp b quay pha v cỏch t si quang
Bc súng trung tõm ca b lc cỏch t si quang c xỏc nh bng chu k
ca nú. Bng thụng ny t l nghch vi bc súng. C hai thụng s ny u nhy
cm vi nhit , do ú cỏc b lc ny yờu cu nhit n nh hoc cú cỏc c ch

iu khin nhit .
Cỏch t si quang l mt linh kin cú rt nhiu ng dng trong truyn dn. Nú
cú th dựng lm b lc bc súng bng hp hoc bng rng, b bự tỏn sc, b lc
lm theo ng c tuyn ca EDFA v l mt phn ca b lc quang trong phn
t tỏch/ghộp bc súng. Nú ớt khi c dựng riờng nh cỏc thnh phn th ng
trong WDM.
Kt hp b quay pha v cỏch t si quang theo cỏch nh vy giỳp ta cú th
tỏch ghộp mt bc súng ti node xen/r vi suy hao rt nh (2 dB). Tuy nhiờn giỏ
thnh ch to b quay pha hin nay cũn khỏ cao nờn nú mi ch thng c dựng
cho cỏc tuyn cỏp quang bin c ly di.
2.4 Coupler hỡnh sao (PSC)
Vai trũ ca coupler hỡnh sao l kt hp cỏc tớn hiu quang khỏc nhau n t cỏc
u vo khỏc nhau v chia chỳng ra ti cỏc u ra. Trỏi vi cỏc b ghộp kờnh,
coupler hỡnh sao khụng bao gm cỏc phn t la chn bc súng, cng nh khụng
cú nhim v tỏch cỏc kờnh tớn hiu ra riờng r. S u vo v s u ra cng khụng
cn phi bng nhau. Vớ d: Trong trng hp phỏt video phõn b, mt s lng
nh cỏc kờnh video (khong 100 kờnh) s c phỏt cho hng nghỡn thuờ bao. S
lng u vo v s lng u ra thng c chn bng nhau cho phỏt qung bỏ
v la chn trong mng LAN khi mi ngi dựng mong mun nhn c thụng tin
t tt c cỏc kờnh. Mt coupler hỡnh sao th ng c núi n vi ng ý l mt


1

2
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN