Một số vấn đề công nghệ then chốt trong hệ thống WDM và ứng dụng của hệ thống WDM

Lời nói đầu:
Thời gian gần đây, nhu cầu lu lợng tăng mạnh do sự phát triển bùng nổ
của các loại hình dịch vụ Internet và các dịch vụ băng rộng đã tác động không
nhỏ tới việc xây dựng cấu trúc mạng viễn thông. Việc xây dựng mạng thế hệ sau
NGN đang đợc quan tâm nh là một giải pháp hữu hiệu nhằm thoả mãn nhu
cầu của mạng lới trong thời gian tới. Trong cấu trúc NGN, mạng truyền tải lu
lợng là khâu quan trọng nhất có nhiệm vụ truyền thông suốt lu lợng lớn trên
mạng, trong đó mạng truyền dẫn đợc xem là huyết mạch chính. Để thoả mãn
việc thông suốt lu lợng với băng tần lớn, các hệ thống thông tin quang sử dụng
công nghệ WDM đợc xem là ứng cử quan trọng nhất cho đờng truyền dẫn.
Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho mạng lới khả năng truyền dẫn cao
trên băng tần lớn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng thời trên một sợi,
trong đó mỗi kênh tơng đơng một hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ nhiều
Gbps.
Với nhận thức ấy,luận văn tốt nghiệp của em báo cáo về công nghệ WDM.
Bố cục của luận văn gồm 4 chơng:
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống WDM.
Chơng2: Các thành phần trong hệ thống WDM.
Chơng 3: Một số vấn đề công nghệ then chốt trong hệ thống WDM.
Chơng4: ứng dụng của hệ thống WDM.
Mặc dù đã hết sức cố gắng nhng chắc hẳn các vấn đề nêu ra trong phạm
vi đồ án này cha thể mang tính hoàn chỉnh về một vấn đề hết súc quan trọng
nh vậy. Nội dung của đồ án vẫn còn có các vấn đề cần phải xem xét thêm và
không thể tránh khỏi những khiếm khuyết. Rất mong đợc các Thầy Cô giáo chỉ
bảo, các bạn sinh viên và các bạn đọc quan tâm tới vấn đề này góp ý, chỉ dẫn
thêm.
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Em xin đợc cảm ơn sâu sắc Thầy giáo TS. Phùng Văn Vận, nguời Thầy đã
hớng dẫn, chỉ bảo, giúp em hoàn thành bản đồ án này. Xin gửi lời cảm ơn tới
các Thầy, Cô giáo trong bộ môn thông tin quang, khoa viễn thông I, đặc biệt là
Thầy giáo TS. Bùi Trung Hiếu, trởng bộ môn thông tin quang, đã hết sức tạo

điều kiện giúp đỡ em trong thời gian làm đồ án.
Hà Đông 24 ngày 10 tháng 10 năm 2005
Sinh viên
Nguyễn Thành Chung
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học
Nguyễn Tnành Chung D2001VT
i
Mục lục
Mục lục .............................................................................................................. i

CHƯƠNG I ............................................................................................................ 3

TổNG QUAN Về Hệ THốNG WDM ................................................................ 3

1.1 Giới thiệu chung ........................................................................................... 3

1.1.1 Khái quát về WDM ............................................................................... 3

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống tách/ghép kênh quang .................. 4

1.1.3 Đặc điểm của hệ thống WDM .............................................................. 6

1.1.3.1 Tận dụng tài nguyên .......................................................... 6

1.1.3.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu ................................. 6

1.1.3.3 Nhiều ứng dụng ................................................................... 7

1.1.3.4 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện ...................... 7

1.1.3.5 Kênh truyền dẫn IP ............................................................ 7

1.2 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM ............................................ 7

1.2.1 Suy hao xen ........................................................................................... 7

1.2.2 Suy hao xuyên kênh .............................................................................. 8

1.2.3 Độ rộng kênh và khoảng cách kênh ..................................................... 9

1.2.4 Số lợng kênh ..................................................................................... 10

1.3 ứng dụng WDM .......................................................................................... 11

CáC THàNH PHầN TRONG Hệ THốNG WDM .......................................... 14

Giới thiệu chung................................................................................................ 14

2.1 Bộ phát quang ............................................................................................. 14

2.1.1 Yêu cầu đối với nguồn quang trong WDM ........................................ 15

2.1.2 Nguyên lí Bragg .................................................................................. 16

2.1.3 LASER hồi tiếp phân bố (DFB) ......................................................... 17

2.1.4 LASER phân bố phản xạ Bragg (DBR) ............................................. 18

2.2 Bộ tách quang và bộ ghép quang ................................................................ 19

2.2.1 Bộ lọc Mach-Zender ........................................................................... 19

2.2.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc Mach-
Zender .................................................................................................... 19

2.2.1.2 Một số đặc tính của bộ lọc quang Mach-Zender ........... 21

THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
1
2.2.1.3 Bộ lọc quang khả chỉnh .................................................... 26

2.2.2Bộ lọc Fabry-Perot ............................................................................... 28

2.2.2.1 Mở đầu ............................................................................... 28

2.2.2.2 Một số tham số của bộ lọc Fabry-Perot .......................... 29

2.2.2.3 Bộ lọc Fabry-Perot khả chỉnh .......................................... 32

2.2.2.4 Mắc nối tầng các bộ lọc Fabry-Perot .............................. 35

2.2.3 Bộ tách kênh trong miền không gian .................................................. 37

2.2.3.1 Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc ......................... 37

2.2.3.2 Cách tử nhiễu xạ ................................................................ 38

2.2.3.3 Cách tử phản xạ Bragg ..................................................... 44

a. Cách tử phản xạ Bragg sợi ........................................................... 44

b) Các ứng dụng của bộ lọc phản xạ Bragg ..................................... 46

2.3.3.4 Bộ lọc quang âm phản xạ Bragg ...................................... 47

2.3 Bộ khuếch đại quang ................................................................................... 48

2.3.1 Sự cần thiết sử dụng các bộ khuếch đại quang ................................... 48

2.3.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA ......................................................... 49

2.4 Bộ thu quang ............................................................................................... 52

2.5 Sợi quang..................................................................................................... 52

Chơng iii ............................................................................................... 54

Một số vấn đề công nghệ then chốt .............................................. 54

3.1 ổn định bớc sóng của nguồn quang ........................................................ 54

3.2 ảnh hởng của tán sắc sợi quang đối với truyền dẫn ................................. 55

3.2.1 Phơng pháp bù tán sắc bằng điều chế tự dịch pha(SPM) .................. 56

3.2.3 Phơng pháp bù tán sắc PDC .............................................................. 58

3.2.4 Phơng pháp bù tán sắc bằng Pre-chirp (dịch tần trớc) .................... 59

3.3 ảnh hởng của hiệu ứng phi tuyến đến truyền dẫn .................................... 59

3.3.1 Các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM ................................... 60

3.3.2 Giải pháp khắc phục hiệu ứng phi tuyến của sợi quang .................... 63

3.4 Độ bằng phẳng của tăng ích bộ khuyếch đại quang sợi ............................. 64

3.5 Tích luỹ tạp âm khi dùng bộ khuyếch đại quang EDFA nhiều tầng .......... 64

Chơng iv ....................................................................................................... 65

THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
2
ứng dụng của hệ thống wdm .............................................................. 65

4.1 ứng dụng wdm trong mạng truyền dẫn ....................................................... 65

4.1.1 Tuyến truyền dẫn điểm - điểm dung lợng cao .................................. 65

4.1.2 Mạng quảng bá ................................................................................... 68

4.2 ứng dụng của WDM trong mạng đa truy nhập ........................................... 71

4.2.1 Mở đầu ................................................................................................ 71

4.2.2 Mạng WDMA đơn chặng ................................................................... 73

4.2.3 Mạng WDMA đa chặng ..................................................................... 75

4.3 ứng dụng của WDM trong mạng chuyển mạch quang .............................. 78

THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
3
CHƯƠNG I
TổNG QUAN Về Hệ THốNG WDM
1.1 Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại
mà đặc biệt là Internet cũng nh một số dịch vụ khác đã tạo ra một sự bùng nổ
nhu cầu về dung lợng. Điều này đặt lên vai những nhà cung cấp dịch vụ đờng
trục những khó khăn và thách thức mới. Kĩ thuật ghép kênh theo miền thời gian
TDM đã giải quyết phần nào các yêu cầu trên nhng vẫn còn rất hạn chế. Trong
thực tế, tốc độ của tín hiệu TDM thờng nhỏ hơn hoặc bằng 10Gb/s. Do ảnh
hởng của hiện tợng tán sắc, hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang và tốc độ của
các thành phần điện tử nên khi tăng tốc độ bit của một kênh TDM lên quá giới
hạn này, chất lợng hệ thống không đảm bảo. Để thích ứng với sự tăng trởng
không ngừng đó và thoả mãn yêu cầu tính linh hoạt của mạng, các công nghệ
truyền dẫn khác nhau đã đợc nghiên cứu, triển khai thử nghiệm và đa vào ứng
dụng, trong số đó phải kể đến công nghệ WDM, OTDM, Soliton Phơng pháp
ghép kênh theo bớc sóng WDM(Wavelength Division Multiplexing) đã tận
dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi

quang đơn mode. Ghép kênh theo bớc sóng WDM nâng cao dung lợng truyền
dẫn của hệ thống mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bớc
sóng. Do đó, WDM chính là giải pháp tiên tiến trong kĩ thuật thông tin quang,
đáp ứng đợc nhu cầu truyền dẫn và cả những yêu cầu về chất lợng truyền dẫn
của hệ thống.
1.1.1 Khái quát về WDM
Trong hệ thống WDM, tín hiệu điện của từng kênh quang đợc điều chế với
các sóng mang quang khác nhau. Sau đó, chúng đợc ghép lại và truyền trên
cùng một sợi quang đến đầu thu. Phía thu thực hiện quá trình tách tín hiệu quang
thành các kênh quang riêng biệt có bớc sóng khác nhau. Mỗi kênh này đợc
đa đến một máy thu riêng. Công nghệ WDM cho phép khai thác đợc tiềm
năng băng thông to lớn của sợi quang. Ví dụ, hàng trăm kênh 10Gb/s có thể
truyền trên cùng một sợi quang. Khoảng cách giữa các kênh khoảng 50GHz.
Dới đây là một tính toán cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM:
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
4
Hình 1.1 chỉ ra hai cửa sổ truyền dẫn 1,3 và 1,5 cửa sợi quang. Mỗi cửa sổ
có băng thông truyền dẫn(suy hao thấp) của sợi quang là rất lớn; Chỉ với riêng
cửa sổ quang 1550 nm thì dải bớc sóng có thể sử dụng là 1500 nm 1600 nm,
tơng ứng với dải tần rộng cỡ 12,5 THz !.

Sử dụng cho tốc độ truyền tin cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phần rất
nhỏ trong băng tần truyền dẫn này. Rõ ràng, có thể thấy dung lợng yêu cầu cỡ
hàng trăm Gbps là hoàn toàn nằm trong khả năng của hệ thống WDM. Thêm vào
đó, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử nh bộ tách ghép quang, bộ nối
chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiện lựa chọn kênh động
hoặc tĩnh

Khái niệm về WDM đã đợc biết đến từ những năm 1980, khi mà hệ thống
quang đã đợc bắt đầu thơng mại hóa. Dạng đơn giản nhất của WDM là truyền
hai kênh tín hiệu trên hai cửa sổ khác nhau. Ví dụ, truyền trên hai bớc sóng
1,3àm và 1,55àm. Khi đó, khoảng cách giữa các kênh là 250nm. Sau đó, khoảng
cách giữa các kênh giảm dần đi. Năm 1990, khoảng cách giữa các kênh chỉ còn
nhỏ hơn 0,1nm. Trong suốt thập kỉ 90, hệ thống WDM đã đợc nhiều nớc trên
thế giới quan tâm nghiên cứu. Hiện nay, kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng đã
đợc ứng dụng ở nhiều nớc trên thế giới. ở nớc ta, Tổng công ty bu chính
viễn thông Việt Nam quyết định nâng cấp tuyến truyền dẫn Bắc Nam bằng giải
pháp ghép kênh theo bớc sóng.
1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống tách/ghép kênh quang
Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống truyền dẫn quang đơn hớng ghép
kênh theo bớc sóng đợc mô tả nh hình 1.2.
0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
1,5
1,6
Hình 1.1. Băng tần truyền dẫn của sợi quang là rất lớn!
[dB]
Băng tần cửa sổ 1550
nm
[àm]
Phổ của
một nguồn
quang

THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
5

Tại mỗi bộ phát, tín hiệu điện của mỗi kênh quang đợc điều chế với sóng
mang quang có độ rộng phổ rất hẹp. Tín hiệu quang tại đầu ra của mỗi bộ phát
có bớc sóng khác nhau là
n

...,
21
. Các kênh quang này đợc ghép với nhau
nhờ bộ ghép kênh quang OMUX và truyền trên một sợi quang duy nhất đến đầu
thu. Yêu cầu của bộ ghép kênh là phải có độ suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu tới
đầu ra của bộ ghép ít bị suy hao, giữa các kênh có khoảng bảo vệ nhất định để
tránh gây nhiễu sang nhau. Tại phía thu, bộ ODMUX thực hiện quá trình tách tín
hiệu thu đợc thành các kênh khác nhau. Mỗi kênh này tơng ứng với một bớc
sóng. Mỗi kênh đợc đa đến một đầu thu riêng. Để tránh xuyên nhiễu giữa các
kênh, yêu cầu thiết kế bộ giải ghép thật chính xác.








Phần trên trình bày phơng án truyền dẫn ghép bớc sóng quang một

hớng, tức là tín hiệu đợc ghép tại một đầu và tách tại đầu kia, tín hiệu truyền
trên sợi quang theo một hớng. Ngoài ra ngời ta có thể thực hiện truyền dẫn
ghép bớc sóng quang hai hớng trên cùng một sợi quang nh hình 1.3.
Tx
Tx
OMUX ODMU
X
Rx
Rx
1 2
, ,...
n


Sợi
quang
1


n


1


n


1 1
n

n
Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống WDM đơn hớng
Tx
Tx
Rx
Rx
MUX/
DMUX
MUX/
DMUX
Rx
Rx
Tx
Tx
1
n
1
1
1
n
n
n
n

.......
21

nn 21
......

+

1


n


n
2


1
+n


1


n


1
+n


n
2

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM hai hớng
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
6
Trong hệ thống truyền dẫn hai hớng, n kênh quang có bớc sóng
1

n

đợc ghép lại và truyền đi theo một hớng, n kênh quang khác có bớc sóng

n+1

2n
đợc ghép lại và truyền đi theo hớng ngợc lại trên cùng sợi quang.
Phơng pháp này yêu cầu rất nghiêm ngặt về độ rộng phổ của từng kênh và chất
lợng của bộ tách kênh.
Trong hệ thống mà các bớc sóng của các kênh quang cách xa nhau, thờng
thuộc các cửa sổ khác nhau, đợc gọi là ghép tha SWDM (Sparse Wavelength
Division Multiplexing). Hệ thống có khoảng cách giữa các kênh quang rất nhỏ,
các kênh quang có bớc sóng gần nhau đợc gọi là hệ thống ghép kênh mật độ
cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Khi đó vấn đề trở nên
phức tạp hơn nhiều và yêu cầu về chất lợng các thành phần trong hệ thống
quang rất cao.
1.1.3 Đặc điểm của hệ thống WDM
1.1.3.1 Tận dụng tài nguyên
Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng thông truyền dẫn to lớn của sợi
quang, làm cho dung lợng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn bớc sóng

đơn tăng từ vài lần tới hàng trăm lần, từ đó tăng dung lợng của sợi quang, hạ giá
thành hệ thống. Hiện nay, dải tần truyền dẫn có suy hao thấp của sợi quang mới
chỉ đợc sử dụng một phần rất nhỏ. Nếu ứng dụng công nghệ WDM thì hiệu quả
tận dụng băng tần sợi quang trong vấn đề truyền dẫn quả là hết sức to lớn.
Dùng công nghệ WDM có thể ghép N bớc sóng truyền dẫn trong sợi
quang đơn mode và có thể truyền dẫn hoàn toàn song công. Do vậy, khi truyền
dẫn thông tin đờng dài với dung lợng lớn, có thể tiết kiệm số lợng lớn sợi
quang. Thêm vào đó là khả năng mở rộng dung lợng cho hệ thống quang đã xây
dựng. Chỉ cần hệ thống cũ có độ d công suất tơng đối lớn thì có thể tăng thêm
dung lợng mà không cần thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ.
1.1.3.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu
Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bớc sóng độc lập với nhau, do đó
có thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc
tổng hợp và phân chia các dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu
tơng tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phơng tiện
(thoại, số liệu, đồ hoạ, ảnh động).
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
7
1.1.3.3 Nhiều ứng dụng
Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng nh
trong mạng đờng trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ nhiều
đờng, nhiều địa chỉ, bởi thế nó rất quan trọng trong các ứng dụng mạng.
1.1.3.4 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện
Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng do vậy mà tốc độ xử lí tơng ứng
của nhiều linh kiện quang điện tăng lên theo nhng không đáp ứng đợc đủ. Sủ
dụng công nghệ WDM có thể giảm yêu cầu quá cao về tốc độ đối với linh kiện
mà vẫn có thể đáp ứng dung lợng lớn.

1.1.3.5 Kênh truyền dẫn IP
Ghép kênh bớc sóng đối với khuôn dạng số liệu là trong suốt, tức là không
hề có quan hệ gì với tốc độ của tín hiệu và phơng thức điều chế tín hiệu xét trên
phơng diện điện. Ghép kênh bớc sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển
mạng lí tởng, là cách thuận tiện để đa vào dịch vụ băng rộng mới (ví dụ nh
IP). Chỉ cần dùng thêm một bớc sóng là có thể tăng thêm một dịch vụ mới
hoặc dung lợng mới mong muốn .
1.2 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM
Hệ thống WDM có một số tham số chính, đó là khoảng cách kênh, số kênh
ghép, suy hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh. Trong đó, ba tham số suy
hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh là ba tham số mô tả đặc tính của bộ
ghép/tách kênh.
1.2.1 Suy hao xen
Suy hao xen đợc xác định là lợng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến
truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị tách/ghép kênh quang. Suy hao
này bao gồm suy hao do các điểm nối ghép thiết bị WDM với sợi và suy hao do
bản thân thiết bị ghép gây ra. Vì vậy, trong thực tế ngời thiết kế tuyến phải tính
cho vài dB ở mỗi đầu. Suy hao xen đợc diễn giải tơng tự nh suy hao đối với
các bộ tách/ghép hỗn hợp (MUX/DMUX) nhng cần lu ý trong WDM là xét
cho một bớc sóng đặc trng. Suy hao xen đợc xác định nh sau:
- Đối với OMUX:
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
8

)(
)(
lg10

ii
i
i
I
O
L


=
(dB) (1-1)
- Đối với ODMUX

)(
)(
lg10
i
ii
i
I
O
L


=
(dB) (1-2)
Trong đó: I(
i
) và O(
i
) tơng ứng là công suất các tín hiệu quang tại đầu

vào và đầu ra bộ ODMUX và bộ OMUX.
I
i
(
i
) là công suất tín hiệu tại đầu vào thứ i củabộ ghép
O
i
(
i
) là công suất tín hiệu tại đầu ra thứ i của bộ tách
Tham số suy hao xen luôn đợc các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh
quang của thiết bị.
1.2.2 Suy hao xuyên kênh
Khi thực hiện ghép các kênh quang có bớc sóng khác nhau để truyền trên
cùng một sợi quang thì một phần tín hiệu của kênh này ghép sang vùng phổ của
kênh khác. Do đó khi tách kênh sẽ có sự rò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có
bớc sóng thứ i có bớc sóng
i
sang các kênh có bớc sóng khác với
i
.Ngày cả
trong trờng hợp ghép kênh hoàn hảo,ở các bộ tách ghép thực tế luôn có hiện
tợng rò công suất tín hiệu từ một kênh sang kênh khác.Hiện tợng này gọi là
xuyên kênh .
1

1

2

1

N

1 2
( )...( )I I

1 1 1 2
( ) ( )O U

+
( ) ( )
i i i k
O U

+
2 2 2 1
( ) ( )O U

+
2


Hình 1.4 Xuênh âm trong hệ trong hê thuống

THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT

9
Trong thực tế luôn tồn tại hiện tợng xuyên kênh và làm giảm chất lợng
truyền dẫn. Ngời ta đa ra tham số suy hao xuyên kênh để đặc trng cho khả
năng tách các kênh khác nhau và đợc tính bằng dB nh sau:
- Đối với bộ tách kênh:

1,
( )
( ) 10log
( )
n
i k
k k i
i
i
U
D
I



=



=

(dB) (1_3)
Trong trờng hợp lý tởng, tại cửa ra thứ i chỉ có bớc sóng
i
, nhng do có
hiện tợng xuyên kênh, tại cửa ra thứ i có tín hiệu rò từ các kênh khác. U
i
(
k
) và
P
i
(

j
) là công suất tín hiệu không mong muốn ở bớc sóng
k
và
j
tại cửa ra
thứ i. Trong thiết bị ghép/tách kênh hỗn hợp, việc xác định suy hao xuyên kênh
cũng đợc áp dụng nh bộ tách kênh. ở trờng hợp này phải xem xét cả hai loại
xuyên kênh, xuyên kênh đầu gần và xuyên kênh đầu xa (hình 1.4). Xuyên kênh
đầu xa là do các kênh khác đợc ghép đi vào đờng truyền gây ra. Ví dụ, U
i
(
k
)
là xuyên nhiễu do kênh quang có bớc sóng
k
tại đầu ra thứ i. Xuyên kênh đầu

gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra. Ví dụ, P
i
(

j
) là xuyên nhiễu do
kênh I
j
(

j
) gây ra trên kênh ra thứ i. Khi đa ra sản phẩm, các nhà chế tạo cũng
phải cho biết suy hao kênh đỗi với từng kênh của thiết bị.
1.2.3 Độ rộng kênh và khoảng cách kênh
Độ rộng kênh (
i
) là dải bớc sóng đợc định ra cho từng kênh quang. Độ
rộng kênh bằng tổng độ rộng phổ của nguồn và khoảng phòng vệ của kênh. Bớc
sóng trung tâm của nguồn quang phải nằm giữa dải bớc sóng này. Khoảng cách







Hình 1.5. Khoảng cách kênh và độ rộng kênh
Khoảng cách kênh

Độ rộng kênh

P

1


2


3


THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
10
kênh là khoảng cách giữa hai bớc sóng trung tâm của hai kênh quang kề nhau.
Nếu độ rộng kênh của các kênh quang bằng nhau thì độ rộng kênh chính bằng
khoảng cách kênh.
Khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bị giới hạn bởi xuyên nhiễu giữa các
kênh. Khoảng cách giữa các kênh thờng lớn hơn bốn lần tốc độ bit. Nếu nguồn
phát quang là các diode laser thì các độ rộng kênh yêu cầu khoảng nm để đảm
bảo không bị xuyên nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn của các nguồn phát gây ra.
Đối với nguồn phát quang là các diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh
phải lớn hơn 10 đến 20 lần, vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn.
1.2.4 Số lợng kênh
Trong hệ thống WDM, mỗi bớc sóng đợc coi tơng ứng với một kênh
quang. Số lợng kênh bằng số lợng các bớc sóng đợc ghép lại để truyền trên
cùng một sợi quang đến đầu thu. Tham số này phụ thuộc vào độ rộng băng tần
truyền dẫn của sợi quang mà hệ thống sử dụng và độ rộng kênh.

Giả sử các kênh quang cần truyền trong hệ thống có độ rộng phổ bằng nhau
và bằng
i
(nm) tính ở mức 3 dB. Nh trên đã nói, để tránh hiện tợng xuyên
kênh cần có một khoảng bảo vệ giữa chúng. Đặt khoảng bảo vệ này là
i
(nm).
Khi đó, độ rộng kênh của một kênh quang là:

i
=
i
+
i
(1-4)
Giả sử băng thông sử dụng cho hệ thống WDM là . Khi đó số lợng kênh
tối đa của hệ thống WDM là:







+

=

=
iii
n




'''
(1-5)
Trong các hệ thống điện, chất lợng bộ lọc rất tốt nên khoảng bảo vệ (
i
)
thờng nhỏ hơn độ rộng phổ của kênh. Nhng trong hệ thống quang, do hạn chế
của bộ lọc nên khoảng bảo vệ (
i
) yêu cầu rất lớn.
i
thờng đợc yêu cầu
lớn gấp bốn lần
i
. Theo khuyến nghị của ITU-T, độ rộng kênh khoảng
100GHz. Hiện nay một số nớc đã sản xuất đợc hệ thống thông tin quang
WDM có
i
= 50GHz mà vẫn đảm bảo chất lợng.

THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
11
Băng thông sử dụng cho hệ thống WDM () nằm trong vùng cửa sổ suy
hao thấp của sợi quang. Băng thông này cũng đợc tính ở mức suy hao 3 dB.
Trong thực tế ta không thể sử dụng đợc toàn bộ dải băng này, có rất nhiều yếu
tố hạn chế việc sử dụng toàn bộ cửa sổ suy hao thấp. Ví dụ, khi trên tuyến có sử
dụng bộ khuếch đại quang. Bộ khuếch đại có dải khuếch đại nhỏ. Điều này giới
hạn số lợng kênh truyền trên sợi quang. Băng thông của EDFA thờng là
30ữ35nm, ngay cả khi sử dụng các công nghệ làm phẳng phổ khuếch đại. Một số
yếu tố khác cũng hạn chế số lợng kênh, đó là độ ổn định và khả năng điều
chỉnh của laser, sự suy giảm của tín hiệu trong quá trình truyền dẫn gây ra bởi
hiệu ứng phi tuyến, nhiễu xuyên kênh.
Trong các hệ thống WDM số lợng kênh càng lớn thì dung lợng truyền
dẫn càng tăng, nhng hệ thống cũng trở nên phức tạp, yêu cầu chất lợng của
các thành phần trong hệ thống cao hơn và phải đặc biệt quan tâm đến hiện tợng
xuyên kênh, suy hao do thiết bị WDM gây ra. Đối với một dung lợng định
trớc, việc tăng số lợng kênh sẽ làm giảm số sợi sử dụng hoặc tốc độ truyền dẫn
nền. Đây là mối tơng quan cần quan tâm khi áp dụng xây dựng hoặc nâng cấp
các tuyến truyền dẫn quang.
1.3 ứng dụng WDM
Nói chung WDM đã đợc ứng dụng rất nhiều cho các tuyến truyền dẫn
cáp sơi quang đờng dài trong lục địa, xuyên lục địa, các tuyến quang biển nội
vùng cũng nh liên vùng, các tuyến quang xuyên châu lục Nó đợc lựa chọn
nh một giải pháp duy nhất mà cho hiệu quả cao cả về mặt kĩ thuật cũng nh
kinh tế.
Có thể kể ra rất nhiều tuyến truyền dẫn cáp sợi quang đã ứng dụng công
nghệ WDM trên thế giới (SEA-ME-WE 3, SAT, NPC). Dới đây là một số

tuyến truyền dẫn cáp sợi quang điển hình có sử dụng WDM trong khu vực Châu á:
BIMPP-GUAM: Dự án tuyến thông tin quang này nhằm kết nối Brunei,
Indonesia, Malaysia, Philippines, quần đảo Palau và Guam (Hoa Kì). Tuyến
truyền dẫn này hoạt động nh một mạng khu vực và có thể dự phòng cho các
mạng lân cận nh mạng nội vùng Malaysia, mạng SEA-ME-WE 3 mở rộng. Để
đáp ứng mục tiêu này, ngời ta đã phân bổ một số bớc sóng đảm bảo việc dự
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
12
phòng và một số bớc sóng phục vụ các kết nối giữa các quốc gia trên tuyến.
Trên hình 1.6 là sơ đồ tuyến nối của BIMPP-GUAM .

SEA-ME-WE 3 và phần mở rộng: Tuyến thông tin quang này nối từ Châu
âu xuyên qua Địa Trung Hải tới Đông Nam á (hình 1.7). Nó có 6 trạm đầu cuối
trải dài trên 38.000 km (với hơn 20.000 km biển), có 27 điểm xen rẽ (ADM) và
hơn 40 điểm cập bờ. Dung lơng của tuyến này là 8 x 2,5 Gbps, sử dụng công
nghệ WDM truyền đồng thời 8 bớc sóng (mỗi bớc sóng mang dung lợng 2,5
Gbps) trên hai đôi sợi quang. Phần mở rộng của SEA-ME-WE 3 triển khai tại
Châu á nhằm kết nối hơn 10 quốc gia từ Singapore tới Nhật Bản và Hàn Quốc
với các nhánh xen rẽ là Malaysia, Brunei, Việt Nam, Hồng Kông, Ma Cao, Đài
Loan, Trung Quốc và Philippines.

Hình 1.7 Tuyến thông tin quang SEA-ME-WE 3 và phần mở rộng
Keoja
Okinawa

Thợng hải
Ma cao

Hồngcông
Shanto
u
Fengshan
Toucheng
Batangas
Brunei
Đà
nẵng
Mersin
g
Singapore
Phần mở rộng
SEA-ME-WE
3
SEA-ME-WE 3
Palau (Quần đảo Caroline)
Guam
(USA)
Indonesia
Malaysia
Brunei
Philippin
e
Hình 1.6 Tuyến thông tin quang BIMPP-GUAM
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1. Tổng quan về hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
13

ASIA-GUAM: Dự án này kết nối Trung Quốc, Hàn Quốc và Nhật Bản tới
Guam (hình 1.8). Trong tuyến thông tin này mỗi quốc gia Trung Quốc, Hàn
Quốc và Nhật Bản sử dụng một bớc sóng riêng với dung lợng 2,5 Gbps nhằm
đảm bảo sự truy cập độc lập tới Bắc Mĩ. Đồng thời, tuyến này có thể có thêm
một số bớc sóng phụ dự phòng cho truyến thông tin SEA-ME-WE 3.

NORTH PACIFIC CABLE 2 (NPC2): Dự án này kết nối Nhật Bản, Hàn
Quốc, Trung Quốc và Liên bang Nga tới Bắc Mĩ (hình 1.6).



Guam (USA)
Nhật Bản
Trung Quốc
Hàn Quốc
Hình 1.8 Tuyến thông tin quang ASIA-GUAM
Tới Bắc Mĩ
Nhật Bản
Liên bang nga
Hàn Quốc
Trung Quốc
Hình 1.9 Tuyến thông tin quang NPC2
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
14
CHƯƠNG 2
CáC THàNH PHầN TRONG Hệ THốNG WDM
Giới thiệu chung

Các thành phần trong hệ thống WDM cần phải đợc chuẩn hóa. Thông
thờng các kênh khác nhau (bớc sóng khác nhau) trong hệ thống WDM phải
đợc truyền dẫn nh nhau trong toàn tuyến quang. Điều này có nghĩa là các
thành phần trong mạng quang (nguồn quang, bộ ghép, bộ tách, bộ khuếch đại và
bản thân sợi quang) phải có tính năng mong muốn, đạt chất lợng và đáp ứng
yêu cầu của hệ thống. Các tham số của thiết bị nh suy hao xen, suy hao trở về,
tán sắc, phân cực phải đợc đo trên toàn dải băng thông của hệ thống WDM. Các
thành phần quang có thể đợc đo kiểm tốt tại nhà máy, nhng khi lắp đặt vào hệ
thống, các tính năng của nó lại bị suy giảm đi, hoặc các tính năng của các thành
phần khác nhau tác động qua lại ảnh hởng lẫn nhau. Kết quả là chất lợng của
hệ thống không đảm bảo ngay cả khi các thành phần riêng lẻ của hệ thống hoạt
động tốt. Nh vậy các thành phần thiết bị phải tơng thích với nhau và đợc lựa
chọn cẩn thận khi đa vào lắp đặt hệ thống. Phần sau đây sẽ trình bày các thành
phần cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM.
2.1 Bộ phát quang
Trớc đây các bộ phát quang bao gồm thiết bị điện và thiết bị quang riêng
biệt, nhng hiện nay bộ phát quang đợc hình thành từ việc tích hợp các mạch
tích hợp và laser diode.Việc bổ xung thêm các vi mạch tích hợp mật độ cao cho
phép bộ phát quang đáp ứng đợc các yêu cầu về điều chế tốc độ cao và cải thiện
đợc độ tin cậy của thiết bị. Khi nhìn từ quan điểm thiết kế hệ thống ngời ta
thờng coi chúng nh một hộp đen có chức năng chuyển đổi điện sang quang.
Hiện tại có hai loại nguồn quang dang đợc ứng dụng rộng rãi là laser phân bố
hồi tiếp DFB (Distributed Feedback Laser) và laser phân bố phản xạ Bragg DBR
(Distributed Bragg Reflector Laser). Ngoài ra laser sợi quang pha tạp chất hiếm
cũng đang đợc nghiên cứu, các nguồn quang này có u điểm là phổ hẹp và độ
ổn định tần số cao. Bộ phát quang có nguồn phát quang phổ hẹp có ý nghĩa rất
lớn, đặc biệt trong hệ thống ghép kênh quang WDM.
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
15
2.1.1 Yêu cầu đối với nguồn quang trong WDM
- Độ chính xác của bớc sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho một hệ
thống WDM hoạt động tốt. Nói chung, bớc sóng đầu ra luôn bị dao động do
các yếu tố khác nhau nh nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện...
Ngoài ra, để tránh xuyên nhiễu cũng nh tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách
đúng bớc sóng thì nhất thiết độ ổn định tần số phía phát phải thật cao.
- Độ rộng đờng phổ hẹp: Độ rộng đờng phổ đợc định nghĩa là độ rộng
phổ của nguồn quang tính cho bớc cắt 3 dB. Để có thể tăng nhiều kênh trên một
dải tần cho trớc, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng
đờng phổ càng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận (ICI) xảy ra
khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lợng. Muốn đạt đợc điều
này thì nguồn phát laser phải là nguồn đơn mode (nh các loại laser hồi tiếp
phân bố, laser hai khoang cộng hởng, laser phản hồi phân bố).
- Dòng ngỡng thấp: Đối với laser , phát xạ kích thích không thể bắt đầu
cho đến khi dòng định thiên cao hơn giá trị dòng ngỡng I
th
, công suất đầu ra tỉ
lệ với (I - I
th
) với I là dòng định thiên. Do đó, dòng ngỡng thấp hơn cho phép
dòng định thiên nhỏ hơn đối với cùng một công suất đầu ra. Nhng quan trọng
hơn là nếu dòng ngỡng thấp sẽ đảm bảo công suất nền thấp. Điều này làm giảm
bớt vấn đề lãng phí công suất trong việc kích thích laser cũng nh giảm bớt đợc
công suất nền không mang tin và tránh cho máy thu chịu ảnh hởng của nhiễu
nền (phát sinh do có công suất nền lớn). Nếu công suất nền gửi trên đờng
truyền quá lớn sẽ không có lợi cho hệ thống, vì nh đã biết công suất quang
truyền dẫn trên sợi (tổng công suất của các bớc sóng ghép) càng lớn thì ảnh
hởng của hiệu ứng phi tuyến càng lớn, sẽ ảnh hởng xấu tới chất lợng hệ thống.

- Khả năng điều chỉnh đợc bớc sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần sợi
quang, nguồn quang phải có thể phát trên cả dải 100 nm. Hơn nữa, với hệ thống
lựa kênh động càng cần khả năng có thể điều chỉnh đợc bớc sóng.
- Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của
nguồn quang sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu
giữa các kênh.
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
16
- Nhiễu thấp: Có rất nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh
mode, nhiễu pha, nhiễu MPN... Nhiễu thấp rất quan trọng để đạt đợc mức BER
thấp trong truyền thông số, đảm bảo chất lợng dịch vụ tốt.
Trên cơ sở các yêu cầu nói trên, ngời ta tiến hành nghiên cứu, triển khai
thực nghiệm và đa vào ứng dụng các loại nguồn quang mà có thể đáp ứng đợc
phần nào hoặc toàn bộ các yêu cấu khắt khe đó. Các loại nguồn quang đó đợc
trình bày chi tiết trong phần (2.1.2), (2.1.3) dới đây.
2.1.2 Nguyên lí Bragg
Phản xạ Bragg là ở trên mặt tiếp giáp của 2 loại phơng tiện có phản xạ
mang tính chu kỳ, khi đợc chiếu quang sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ
này gọi là phản xạ Bragg. Bản thân mặt giao nhau có hình dạng khác nhau: hình
sin hoặc không sin (nh hình vuông góc, hình tam giác...).

Trong hình, ta thấy:
A+B=m
u

(2.1)
Trong đó m là số nguyên chẵn

A là chu kì cách tử
u

=

/
n
là bớc sóng trong chất môi giới

là bớc sóng quang trong không khí
n
là hệ số khúc xạ tơng đơng.
Biến đổi một chút ta có thể đợc:
A(1+sin)= m
u

(2.2)
A A
B
B

1 2
1
1
Hình 2.1. Nguyên lí phản xạ Bragg
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
17

Công thức (2.2) gọi là điều kiện phản xạ Bragg. ý nghĩa vật lý của công
thức là: Đối với A và nhất định, khi có một
u

tơng ứng thì sóng quang có
bớc sóng
u

sẽ can thiệp cùng với sóng quang phản xạ .
Dựa vào nguyên lí này mà ngời ta đã chế tạo ra các loại laser có thể cho
mode dọc đơn duy nhất. Đó là laser DFB và DBR.
2.1.3 LASER hồi tiếp phân bố (DFB)
a) Kết cấu: Laser DFB không phải dựa vào khoang F-P để dao động kích
quang mà dựa vào lới quang phân bố khoảng cách theo chiều dọc đều nhau,
hình thành phối ghép quang. Chu kỳ A của lới quang gọi là cự ly lới. Kết cấu
chu kì này nằm luôn trong hốc cộng hởngLaser. Hình 2.2 thể hiện mặt cắt dọc
của laser này.

Hình 2.2: Mặt cắt dọc của Laser DBF
b) Nguyên lí: Khi có dòng điện vào laser, trong khu có nguồn phức hợp điện
tử- lỗ trống bức xạ ra năng lợng tơng ứng với quang tử. Những quang tử này bị
một sợi lới quang ở bề mặt lớp có nguồn phản xạ, giống nh hình 2.1, chỉ khác
là trong sự phân bố phản hồi Bragg của laser DFB có = /2, công thức (2.2)
biến thành:
A =
2
n
m
(2.3)
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN

Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
18
Tín hiệu quang có bớc sóng thoả mãn công thức trên mới đợc phản xạ
mạnh và đợc khuếch đại đủ lớn, các bớc sóng khác không thoả mãn công thức
trên thì sẽ bị dập và không phát xạ. Công thức (2.1) gọi là điều kiện phân bố
phản hồi. Thông thờng m = 1, khi đó
n
= 2A đợc gọi là bớc sóng Bragg. Với
loại LASER này, các mode bên bị triệt khoảng 30 40 dB so với mode chính.
c) Đặc điểm: DFB so sánh với LASER F-P có 2 u điểm sau đây:
- Dao động đơn mode dọc dải hẹp: Do chu kỳ cách từ(A) trong bộ phát
quang DBF rất nhỏ,nên hình thành khoang cộng hởng kiểu nhỏ, đối với bớc
sóng có tính lựa chon tốt làm cho giới hạn tăng ích của mode chính và mode
biên tơng đối lớn, từ đó đợc dải phổ nguồn quang rất hẹp so với laser F-P.
- Tính ổn định của bớc sóng tốt: Vì lới quang trong laser DFB có giúp
cho việc chốt trên bớc sóng cho trớc, trôi nhiệt của 0,8
o

/
C

, tốt hơn
nhiều so với LASER khoang F-P.
2.1.4 LASER phân bố phản xạ Bragg (DBR)
a) Kết cấu: Kết cấu laser phân bố phản xạ Bragg (DBR- Distributed Bragg
Reflection) và kết cấu của laser DFB căn bản khác nhau (xem hình 2.3). Chỗ
khác nhau là nó có kết cấu lới phản xạ nằm ngoài hốc cộng hởng. Với sự khác
biệt này, phần điều khiển hốc cộng hởng LASER và phần điều khiển tần số

theo nguyên lí Bragg là hoàn toàn độc lập.








Hình2..3. Kết cấu LASER DBR
Phần phản xạ Bragg
Vùng hoạt tính
Hóng dọc
Điều khiển hốc
cọng hởng
Điều
khiển tần
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
19
b) Nguyên lí: Nguyên lý làm việc của laser DBR cũng dựa vào nguyên lý
phản xạ Bragg và thoả mãn chính xác công thức (2.3), đặc điểm cũng cơ bản
giống laser DFB. chỉ có một số điểm khác biệt nhỏ cần lu ý, đó là: (i)vật liệu
chế tạo của laser DBR là khó khăn hơn laser DFB vì nó không nhất thiết đòi hỏi
sự ghép công suất giữa các vùng thụ động và vùng tích cực; (ii) đặc tính phụ
thuộc nhiệt độ thì khác nhau, khi nhiệt độ tăng thì trong lasser DBR có sự
chuyển đổi từ mode này qua mode khác còn với laser DFB thì thể hiện đặc tính
ổn định nhiệt độ trong một dải rộng .

2.2 Bộ tách quang và bộ ghép quang
Tín hiệu tại đầu ra mỗi bộ phát ở một bớc sóng riêng, những tia sáng này
đợc ghép lại và truyền vào sợi quang. Thiết bị thực hiện chức năng này gọi là
bộ ghép (Multiplexer hay MUX). Ngợc lại, phía thu có một thiết bị thực hiện
tách tín hiệu quang thu đợc thành các kênh quang có bớc sóng khác nhau để
đa đến mỗi bộ thu quang riêng biệt. Thiết bị này gọi là bộ tách quang
(DeMultiplexer hay DMUX). Đây là các thành phần cốt yếu của hệ thống thông
tin quang WDM và đợc chia thành 2 nhóm lớn.Nhóm dựa trên nguyên lý giao
thoa và nhóm dựa trên nguyên lý tán sắc góc.Về mặt nguyên lý bất kỳ bộ ghép
bớc sóng nào cũng có thể làm bộ tánh bớc sóng và ngợc lại.
Bộ tách quang và bộ ghép quang đợc cấu tạo từ bộ lọc quang và coupler
quang. Các bộ lọc hiện nay hay đợc sử dụng gồm bộ lọc cộng hởng Fabry-
Perot, bộ lọc giao thoa kế Mach-Zender, bộ lọc cách tử Bragg... Nguyên lý và
đặc tính của các bộ lọc này sẽ đợc trình bày ở các phần dới đây.
2.2.1 Bộ lọc Mach-Zender
2.2.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc Mach-Zender
Bộ lọc Mach-Zender làm việc dựa trên sự giao thoa của hai tia sáng xuất
phát từ cùng một nguồn và đi theo hai đờng khác nhau. Hình 2.4 là cấu trúc của
bộ lọc Mach-Zender. Bộ lọc đợc cấu tạo từ 2 coupler 3dB 2x2 và hai nhánh
ống dẫn sóng. Nhánh trên có lắp thêm bộ quay pha 90
o
và bộ trễ. Cấu trúc này
tạo ra khả năng điều chỉnh bớc sóng cuả bộ lọc.


THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
20

Coupler
3dB
A

L/2
Bộ nung nóng
Nền
Si
Bộ nung nóng
Lõi sợi
Nền Si
Hình 2.5 Cấu tạo bộ lọc Mach-Zender đợc sản xuất theo
công nghệ tích hợp quang






Nguyên lí hoạt động của bộ lọc nh sau. Tín hiệu WDM đợc đa vào cổng
1 của bộ lọc. Khi qua coupler 3dB thứ nhất, ánh sáng đợc tách ra thành hai
luồng đi vào hai nhánh khác nhau của thiết bị. Sau đó, chúng đợc kết hợp lại tại
coupler 3dB thứ hai. Tín hiệu WDM gồm nhiều bớc sóng khác nhau. Khi đi qua
bộ trễ, mỗi bớc sóng có một độ trễ riêng. Kết quả là tại coupler 3dB thứ hai, hai
tín hiệu đi theo hai nhánh khác nhau có độ lệch pha là một hàm phụ thuộc vào
bớc sóng. Tại bớc sóng có độ lệch pha này bằng 0 sẽ có công suất ra lớn nhất.
Các bớc sóng khác có độ lệch pha khác 0 cho công suất đầu ra nhỏ.
Trong thực tế thiết bị lọc quang Mach-Zender thờng đợc chế tạo từ sợi
quang hoặc dựa trên công nghệ tích hợp quang sợi. Hình 2.5 chỉ ra một bộ lọc
quang Mach-Zender đựơc chế tạo dựa trên công nghệ tích hợp sợi quang. Bộ lọc

quang đợc tạo thành từ hai coupler quang 3dB và hai ống dẫn sóng quang. Tất
cả đợc tích hợp trên nền Silic. Quá trình tích hợp ống dẫn sóng SiO
2
trên nền
Silic sẽ đợc miêu tả chi tiết ở phần sau.









l
Trễ
Coupler
3dB
2x2
Coupler
3dB
2x2
1
2
3
4
[P] [D] [Q]
Hình 2.4 Cấu trúc bộ lọc Mach-Zender
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
21
2.2.1.2 Một số đặc tính của bộ lọc quang Mach-Zender
Bộ lọc quang Mach-Zender gồm 3 thành phần mắc nối tiếp nhau là coupler
3dB đầu vào 2 nhánh ống dẫn sóng và coupler 3dB đầu ra. Gọi [P], [D], [Q] lần
lợt là ma trận truyền tơng ứng với 3 thành phần trên. Nh vậy ma trận truyền
đạt của bộ lọc là:
31 32
41 42
( ) ( )
( ) ( )
H f H f
H f H f
=[P][D][Q] =
=
2
1 1
0
1 1
1 1
0 1
2 2
j f
j j
e
j j


+ +

+ +
=
=
2 2
2 2
( 1) 1
1
2
1 ( 1)
j f j f
j f j f
j e e
j
e j e




+
+
(2-4)
Trong đó

là thời gian trễ do bộ tạo trễ gây ra:

.
eff
L
L L n
v c c

= = =
(2-5)
Trong nhiều ứng dụng, bộ lọc Mach-Zender chỉ sử dụng một đầu vào, ví dụ
đầu vào 1. Khi đó hàm truyền đạt vector trờng điện từ của bộ lọc là:
2
31
2
41
( )
( 1)
1
( )
2
1
j f
j f
H f
j e
H f
j
e





=

+
(2-6)
Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc:

2
2
31
31
22
41
41
( )
( )
sin ( )
( )
cos ( )
( )
H f
P f
f
P f
f
H f


= =
(2-7)
Nh vậy hàm truyền đạt công suất từ cổng 1 đến cổng 4 và 3 là :
T
41

(f) = P
41
(f)= cos
2
(
f

)=cos
2
(
eff
L
f
c


) (2-8)
T
31
(f)= P
31
(f) = sin
2
(
f

) = sin
2
(
eff

L
f
c


) (2-9)
Bộ lọc quang Mach-Zender có hàm truyền đạt tuần hoàn, dải phổ tự do FSR
thoả mãn:
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2. Các thành phần trong hệ thống WDM

Nguyễn Tnành Chung D2001VT
22
. .
eff
L
FSR
c


=

.
eff
c c
FSR
L L n
= =

Khi tín hiệu quang đến gồm hai kênh quang có tần số là f
1
, f
2
, để mỗi đầu ra
3 hoặc 4 chỉ có tín hiệu của một kênh quang thì f
1
, f
2
phải thoả mãn:
1
eff
L
f k
c


=

2
(2 1)
2
eff
L
f k
c



= +

Do đó:
1 2
( )
2
eff
L
f f
c



=















0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
f

(A)
m=1
m=2
m=3
m=M=4
(B)
(C)
Hình 2.6 Chuỗi Mach-Zender (M=4)
f
f
f
f
f
f
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN