Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

Đồ án tốt nghiệp

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

MỤC LỤC
MỤC LỤC.............................................................................................................1
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.....................................................................................5
LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................8
Trong hệ thống truyền tải, với sự ra đời của công nghệ mạng quang WDM đặc
biệt là công nghệ DWDM được coi như là một công nghệ tối ưu thay thế cho
công nghệ TDM truyền thống. Với sự ra đời của công nghệ WDM cho phép
các nhà thiết kế mạng lựa chọn được phương án tối ưu nhất để tăng dung
lượng đường truyền với chi phí thấp nhất. Cho đến nay hầu hết các hệ thống
thông tin quang đường trục có dung lượng cao đều sử dụng công nghệ WDM.
Ban đầu từ những tuyến WDM điểm – điểm đến nay đã xuất hiện các mạng
với nhiều cấu trúc phức tạp. Tuy nhiên, do hiện nay số lượng bước sóng sử
dụng trong hệ thống WDM là rất hạn chế, vấn đề đặt ra là phải làm thế nào để
có thể sử dụng nguồn tài nguyên này một cách hiệu quả nhất. Giải quyết
được vấn đề này tức là nâng cao năng lực của mạng với số tối đa tải trên một
bước sóng cho trước, đây chính là vai trò của việc định truyến các bước sóng
trong mạng. Việc định truyến tốt sẽ cho phép sử dụng tối ưu các bước sóng
khi xây dựng một mạng mới và làm giảm chi phí cho thiết bị. Do đó, vai trò
của việc định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM là rất quan
trọng. Việc sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM cho phép
nâng cao đáng kể băng thông mà vẫn duy trì hiện trạng hoạt động của mạng,
nó cũng đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí cho
các mạng đường dài.........................................................................................8
Vì lẽ đó đề tài “Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM ” sẽ
nghiên cứu vấn đề này một cách cụ thể hơn trong nội dung của đồ án này. Đồ
án này bao gồm có 3 chương với nội dung được tóm tắt cụ thể như sau :.......8
Chương I : Giới thiệu chung về hệ thống ghép kênh theo bước sóng, các kỹ

thuật cơ bản, nguyên ký hoạt động của các phần tử cơ bản của hệ thống
quang WDM. Giới thiệu tổng quan cấu trúc hệ thống, các phần tử mạng
WDM, các kiến trúc của mạng lõi điển hình, các tham số đặc trưng của mạng
như tôpo mạng, giới hạn vật lý, nhu cầu lưu lượng.........................................8
Chương II : Giới thiệu một cách tổng quan về định tuyến và gán bước sóng
trong mạng quang WDM. Các giải pháp trong định truyến và gán bước sóng,
định tuyến gán bước sóng tĩnh, định truyến gán bước sóng với bộ chuyển đổi
bước sóng. Định tuyến gán bước sóng động....................................................9
Chương III : Đưa ra một số phương pháp định tuyến và gán bước sóng trong
mạng quang WDM Bao gồm : Các phương pháp định tuyến trong mạng
MESH, định tuyến trong mạng cấu trúc RING WDM. Gán bước sóng tĩnh,
gán bước sóng động.........................................................................................9

Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

1


Đồ án tốt nghiệp

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

Mặc dù có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên đồ án này
không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến
đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn........................................................9
Nhân đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Ths. Cao Hồng Sơn đã
tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện
đồ án.................................................................................................................9
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Viễn thông I đã
giúp đỡ em trong thời gian qua........................................................................9

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè người thân- những người đã
luôn cổ vũ động viên giúp đỡ kịp thời em trong suốt thời gian qua................9
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2006....................................................................9
Sinh viên thực hiện...............................................................................................9
Trần Ngọc Quang.................................................................................................9
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM..............................................10
1.1 Sự phát triển của công nghệ WDM...............................................................10
1.2 Kỹ thuật WDM..............................................................................................11
1.2.1 Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang WDM.................................11
1.2.2 Cấu trúc hệ thống WDM............................................................................12
1.2.3 Các phần tử cơ bản của hệ thống WDM....................................................13
1.2.3.1 Sợi quang.................................................................................................13
a.Sợi quang G.652...............................................................................................13
b.Sợi quang G.653...............................................................................................14
c.Sợi quang G.654...............................................................................................14
d.Sợi quang G.655...............................................................................................14
1.2.3.2 Phần phát.................................................................................................15
1.2.3.3 Phần thu...................................................................................................18
a.Nguyên lý làm việc chung của PIN và APD....................................................18
b. PIN-Photodiode...............................................................................................19
c. Diode quang thác APD....................................................................................20
1.2.3.4 Trạm lặp..................................................................................................25
1.2.3.5 Bù tán sắc................................................................................................26
1.2.3.6 Khuếch đại quang OA (EDFA)...............................................................26
1.2.3.7 Bộ lọc quang............................................................................................28
1.2.3.8 Bộ xen rẽ quang OADM.........................................................................30
a. Cấu trúc của bộ ghép tách quang OADM........................................................32
1.2.3.9 Bộ nối chéo quang OXC.........................................................................37
a. Phân tích và so sánh kết cấu OXC...................................................................37
b. Kết cấu OXC dựa trên chuyển mạch không gian............................................38

c. Kết cấu OXC dựa vào chuyển mạch chia bước sóng.....................................40
1.2.3.10 Chuyển mạch không gian......................................................................42
a. Các chuyển mạch cơ bản.................................................................................42
1.3 Cấu trúc mạng WDM....................................................................................46
1.3.1 Cấu trúc mạng ring.....................................................................................46
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

2


Đồ án tốt nghiệp

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

1.3.2 Cấu trúc mạng Mesh...................................................................................47
1.3.3 Cấu trúc hình sao đơn.................................................................................47
1.3.4 Cấu trúc hình sao kép.................................................................................48
1.4 Các kiến trúc mạng lõi điển hình...................................................................48
1.4.1 Kiến trúc ring OMS-SP hai lớp..................................................................49
1.4.2 Kiến trúc Mesh - Ring hai lớp....................................................................50
1.4.3 Kiến trúc Ring - Mesh hai lớp....................................................................50
1.5 Các tham số đặc trưng của mạng quang........................................................51
1.5.1 Đặc trưng riêng của mạng quang...............................................................51
1.5.2 Các tham số liên quan đến topo mạng........................................................52
1.5.3 Các tham số liên quan tới những giới hạn vật lý........................................53
1.5.4 Các tham số liên quan đến nhu cầu lưu lượng mạng..................................54
1.5.5 Những tham số liên quan đến kiến trúc......................................................55
1.5.6 Các tham số liên quan đến sự giám sát......................................................56
Chương II............................................................................................................57
TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG

QUANG WDM..............................................................................................57
2.1 Giới thiệu chung............................................................................................57
2.1.1 Giải pháp WCA trong định tuyến và gán bước sóng.................................59
2.2 Topo vật lý.....................................................................................................62
2.3 Định tuyến và gán bước sóng tĩnh.................................................................62
2.4 Định tuyến và gán bước sóng với bộ chuyển đổi bước sóng........................65
2.5 Định tuyến và gán bước sóng động...............................................................67
Chương III...........................................................................................................69
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG
MẠNG QUANG WDM.................................................................................69
3.1 Phương pháp định tuyến................................................................................69
3.1.1 Phương pháp định tuyến trong mạng MESH.............................................69
3.1.1.1 Định tuyến cố định..................................................................................69
3.1.1.2 Định tuyến luân phiên cố định................................................................70
3.1.1.3 Định tuyến thích nghi..............................................................................71
3.1.1.4 Định tuyến bảo vệ....................................................................................72
3.1.1.5 Các hàm trọng thích nghi cho thuật toán định tuyến...............................72
3.1.2 Phương pháp định tuyến trong mạng cấu trúc RING WDM......................76
3.1.2.1 Định tuyến trong mạng Ring đơn............................................................77
3.1.2.1.1 Các phương pháp định tuyến tối ưu.....................................................77
3.1.2.1.2 Các phương pháp định tuyến Heuristic................................................78
a. Các phương pháp Heuristic không thích nghi.................................................78
b. Các phương pháp Heuristic thích nghi............................................................81
3.1.2.2 Định tuyến trong mạng đa Ring..............................................................81
3.2 Phương pháp gán bước sóng.........................................................................83
3.2.1 Phương pháp gán bước sóng tĩnh...............................................................83
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

3

Đồ án tốt nghiệp

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

3.2.1.1 Thuật toán gán bước sóng từ bậc lớn nhất (LF – Largest First Algorithm)
........................................................................................................................85
3.2.1.2 Phương pháp gán bước sóng trong mạng Ring.......................................86
a. Phương pháp tô màu đồ thị..............................................................................86
b. Phương pháp Heuristic....................................................................................88
3.2.2 Phương pháp gán bước sóng động.............................................................89
3.2.2.1 Gán bước sóng ngẫu nhiên......................................................................89
3.2.2.2 Gán bước sóng theo phù hợp nhất...........................................................89
3.2.2.3 Gán bước sóng theo chiều dài luồng quang dài nhất (LF –Longest First)
........................................................................................................................90
3.2.2.4 Gán bước sóng dựa trên bước sóng sử dụng ít nhất (LU- Least Used)...90
3.2.2.5 Gán bước sóng theo số bước sóng sử dụng nhiều nhất (MU- Most Used)
........................................................................................................................92
3.2.2.6 Thuật toán gán bước sóng theo tích số nhỏ nhất (MP- min-Product).....93
3.2.2.7 Gán bước sóng đựa trên tải ít nhất (LL-Least Loaded)...........................94
PHỤ LỤC............................................................................................................96
THUẬT TOÁN DIJKSTRA...............................................................................96
KẾT LUẬN.........................................................................................................99
Chương I: Đưa ra một cách tổng quan về hệ thống ghép kênh theo bước sóng,
các kỹ thuật cơ bản, nguyên ký hoạt động của các phần tử cơ bản của hệ
thống quang WDM. Giới thiệu tổng quan cấu trúc hệ thống, các phần tử
mạng WDM, các kiến trúc của mạng lõi điển hình, các tham số đặc trưng của
mạng như tôpo mạng, giới hạn vật lý, nhu cầu lưu lượng.............................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................100

Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

4


Đồ án tốt nghiệp

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
ADM
AG
AN
AOTF
APD
AWGM
ATM
ADP
AW
C
DCA
DEMUX
DSF
DXC
DLE
DWDM

Tiếng Anh
Add/drop multiplexer

Auxiliary Graph
Acces Node
Acousto Optic
Turnable Filter
Avalanche Photodiode
Arrayed - Wavelength
Grating Multiplexer
Asynchronous Transfer Mode

FBG
EDFA

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

FDM
FFWF

Frequency Division Multiplexing
First Fit Wavelength First

GMPLS

Generalized Multiple Protocol
Label Swithching
Gateway
Internet Protocol
Integrated service digital network
Local Area Network
Logical Connection

GW
IP
ISDN
LAN
LC

Tiếng Việt
Bộ ghép kênh xen kẽ
Dựng một đồ thị phụ
Nút truy nhập
Bộ lọc thanh quang
có điều chỉnh
Điốt quang thác
Bộ ghép kênh lưới quang
dẫn sóng kiểu dàn
Phương thức truyền không
đồng bộ
Điốt quang thác
Bước sóng khả dụng

Đường trục
Gán kênh riêng biệt
Bộ giải ghép kênh
Sợi dịch tán sắc
Nối chéo số
Thiết lập luồng quang
Ghép kênh chia bước
sóng vi sai
Lưới sợi quang
Khuếch đại sợi quang
trộn erbium
Ghép kênh phân chia tần số
Thuật toán gán bước sóng
theo thứ tự bước sóng
Chuyển mạch nhãn đa
giao thức tổng quát
Cổng
Giao thức internet
Mạng số liên kết dịch vụ
Mạng cục bộ
Kết nối logic

Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

5


Đồ án tốt nghiệp
LCP
LCG

LF
LEC
LL
LSP
LSR
LU
M∑
MESH
MPLS
NPNZ-DSF
OADM
OC
O/E/O
Och
OLA
OXC
OTDM
RWA
SDH
SGC
SONET
SNCP
STM
SWR
SOS
TAW
TDM
Thr
TSI
WADM

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

Least Congested Path
Logical Connection Graph
Largest First

Định tuyến đường nghẽn ít nhất
Hướng kết nối logíc biểu đồ
Thuật toán gán bước sóng
từ bậc lớn nhất
Least Converter First
Chuyển đổi bước sóng
theo thứ tự cao nhất
Least Loaded
Thuật toán gán bước
sóng dựa trên tải ít nhất
Label Swithched Path
Luồng chuyển mạch nhãn
Label Swithching Router
Bộ định tuyến chuyển
mạch nhãn
Least Used
Gán bước sóng dựa trên
bước sóng sử dụng ít nhất
Max-Sum
Thuật toán gán bước sóng dựa
trên tổng dung lượng lớn nhất
Mesh
Dạng lưới

Multi Protocol Label Swithching
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
Subset of class NP
Tập hợp con của lớp các bài
problem complete
toán NP mà nó được xem là
khó giải
Non-Zero Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch chuyển tán sắc
khác không
Optical add/drop multiplexer
Bộ ghép kênh xen/rẽ quang
Optical Circulator
Bộ đấu vòng quang
Optical/Electrical/ Optical
Quang/ Điện/ Quang
Optical Channel
Kênh quang
Optical Line Amplifier
Khuếch đại đường quang
Optical Cross Connect
Nối chéo quang
Optical Time Division Multiplex
Ghép kênh quang phân chia
thời gian
Routing and Wavelength Assignment Định tuyến và gán bước sóng
Synchronous Digital Hierarchy
Phân cấp số đồng bộ
Sequential Graph Coloring
Tô màu đồ thị tuần tự
Synchronous Optical Network

Mạng quang đồng bộ
Sub-Network Connection Protection Bảo vệ kết nối mạng con
Synchronous Transport Module
Modun truyền tải đồng bộ
Static Wavelength Routing
Bộ định tuyến bước sóng tĩnh
Space Optical Switch
Chuyển mạch quang không
gian
Total wavelength and Available
Tổng bước sóng của các
wavelength
bước sóng khả dụng
Time Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo
thời gian
Thr - Protecting Threshold
Ngưỡng bảo vệ
Time Slot Interchanger
Trao đổi khe thời gian
Wavelength Add- Drop Multiplexer Bộ nhập tách bước sóng

Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

6


Đồ án tốt nghiệp
WC
WDM

WGR
WP
WR
WRS
OSC
DFK
DFF
SMF
DCF
CBFG
OA
OADM
OXC
OMS-DP
OMS-SP
OMS
RWA
SLE
WCA
RCL
RCA
Rsv
WRN

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

Wavelegth Converter
Wavelength Division Multiplex
Waveguide Grating Router

Bộ chuyển đổi bước sóng
Ghép kênh chia bước sóng
Bộ định tuyến lưới quang
dẫn sóng
Wavelength Path
Đường bước sóng
Wavelength Router
Bộ định tuyến bước sóng
Wavelength Router Switch
Khoá định tuyến bước sóng
Optical Supervision Chanel
Kênh giám sát quang
Dispersion Shifted Fiber
Sợi dịch tán sắc
Dispersion Flattened Fiber
Sợi tán sắc phẳng
Single Mode Fiber
Sợi đơn mode
Dispersion Compensating Fiber
Sợi bù tán sắc
Chirper Bargg Fiber Grating
Cách tử Bargg
Optical Amplifier
Khuếch đại quang
Optical Add Drop Multiplexer
Bộ xen tách quang
Optical Cross Connect
Kết nối chéo quang
Optical Multiplexer Section
Bảo vệ dùng riêng mức đoạn

Dedicated Protection
ghép kênh quang
Optical Multiplexer Section
Bảo vệ dùng chung mức đoạn
Shared Protection
ghép kênh quang
Optical Multiplexer Section
Đoạn ghép kênh quang
Routing and Wavelength Assignment Định tuyến gán bước sóng
Static Lightpath Establishment
Thiết lập luồng quang tĩnh
Wavelength conveter Awave
Bộ chuyển đổi bước sóng
Relative Capacity Loss
Tổn thất dung lượng tương đối
Routing and Channel Assignment
Định tuyến và gán kênh
Wavelength Reservation
Gán bước sóng đặt trước
Wavelength Router Network
Mạng định tuyến bước sóng

Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

7


Đồ án tốt nghiệp

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

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

Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

8


Đồ án tốt nghiệp

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

Chương II : Giới thiệu một cách tổng quan về định tuyến và gán
bước sóng trong mạng quang WDM. Các giải pháp trong định truyến và gán
bước sóng, định tuyến gán bước sóng tĩnh, định truyến gán bước sóng với bộ
chuyển đổi bước sóng. Định tuyến gán bước sóng động.
Chương III : Đưa ra một số phương pháp định tuyến và gán bước
sóng trong mạng quang WDM Bao gồm : Các phương pháp định tuyến trong
mạng MESH, định tuyến trong mạng cấu trúc RING WDM. Gán bước sóng tĩnh,
gán bước sóng động.
Mặc dù có nhiều cố gắng song do thời gian
và trình độ có hạn nên đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất
mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn.
Nhân đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Ths. Cao
Hồng Sơn đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá
trình thực hiện đồ án.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Viễn
thông I đã giúp đỡ em trong thời gian qua.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè người thânnhững người đã luôn cổ vũ động viên giúp đỡ kịp thời em trong suốt thời gian
qua.
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2006
Sinh viên thực hiện

Trần Ngọc Quang

Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

9


Đồ án tốt nghiệp

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

Chương I
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM
1.1 Sự phát triển của công nghệ WDM
Công nghệ mạng quang đã trở thành nhân tố quan trọng trong sự phát triển
của mạng viễn thông. Yêu cầu băng tần sử dụng lớn là hệ quả tất yếu của nhu
cầu truyền thông dữ liệu ngày nay. Trong hai thập kỷ qua, công nghệ truyền tải
quang WDM đã có sự phát triển vượt bậc. Sự phát triển này có được là nhờ công
nghệ chế tạo linh kiện quang. Những thành tựu của công nghệ này đã góp phần
tạo nên hệ thống WDM dung lượng lớn như ngày nay.
Theo thời gian, xuất phát từ những nhu cầu thực tế, các hệ thống WDM ngày
càng trở nên phức tạp. Ở một góc độ nào, sự phức tạp trong hệ thống WDM là
trong những chức năng của thiết bị. Nhờ có chức năng này mà cấu hình hệ thống
WDM chuyển từ đơn giản như cấu hình điểm- điểm sang cấu hình phức tạp như
Ring và Mesh. Các hệ thống WDM đầu tiên xuất hiện từ cuối những năm 1980
sử dụng hai kênh bước sóng trong các vùng 1310nm và 1550nm và thường được
gọi là hệ thống WDM băng rộng.
Đầu những năm 1990 xuất hiện các hệ thống WDM thế hệ hai sử dụng các
phần tử WDM thụ động, được gọi là hệ thống WDM băng hẹp từ 2 đến 8 kênh.
Các kênh này nằm trong cửa sổ 1550nm và với khoảng cách kênh 400GHz. Đến
giữa những năm 1990 đã có hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) sử dụng từ 16

đến 40 kênh với khoảng cách kênh từ 100 đến 200 GHz. Các hệ thống này đã
tích hợp các chức năng xen rẽ và quản lý mạng.
Các hệ thống WDM ban đầu sử dụng với khoảng cách kênh lớn. Việc lắp đặt
hệ thống WDM chi phối bởi những lý do kinh tế. Việc nâng cấp thiết bị đầu cuối
để khai thác các năng lực của WDM có chi phi thấp hơn việc lắp đặt cáp sợi
quang mới. Sự xuất hiện bộ khuếch đại quang EDFA đã chuyển hầu hết các hệ
thống WDM sang cửa sổ 1530 nm đến 1565nm. Các hệ thống WDM mới lắp đặt
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

10


Đồ án tốt nghiệp

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

gần đây đã sử dụng các kênh quang có khoảng cách giữa các kênh hẹp từ 25
GHz đến 50 GHz.
Nhu cầu về băng tần mạng đang tăng gần 100%/một năm sẽ tiếp tục gia tăng
ít nhất là trong vài chục năm tiếp theo. Việc giảm giá thành của các nhà cung cấp
và trên hết là ứng dụng phổ cập của Internet đòi hỏi băng tần lớn sẽ được tiếp tục
đẩy mạnh.
Các giải pháp thực tế đối với các vấn đề giới hạn ảnh hưởng của tán sắc
mode phân cực, hiệu ứng phi tuyến, sẽ làm tăng cả số lượng kênh và tốc độ bít
của hệ thống WDM. Số lượng các kênh tăng đòi hỏi yêu cầu khắt khe hơn đối
với độ ổn định của laser, độ chính xác của bộ lọc và vấn đề liên quan đến quản
lý tán sắc, hiệu ứng phi tuyến...
Mạng tiến dần tới mô hình toàn quang, do đó sẽ xuất hiện các hệ thống thiết
bị quang mới có khả năng thực hiện các chức năng mà các thiết bị điện tử đang
đảm nhận. Việc loại bỏ các yêu cầu khôi phục và tái tạo lưu lượng qua thiết bị

điện tử làm giảm đáng kể tính phức tạp phần cứng của mạng, nhưng sẽ làm tăng
các hiệu ứng quang khác. Mặc dù trên khía cạnh nào đó các kỹ thuật WDM mật
độ cao sẽ đạt tới giới hạn của nó. Sự truyền dẫn của vài trăm kênh trên một sợi
quang cũng đã được kiểm chứng. Nhờ có sự phát triển của công nghệ WDM,
trong tương lai không xa sẽ xuất hiện các dịch vụ thông tin quang giá thành thấp
tốc độ cao.

1.2 Kỹ thuật WDM
1.2.1 Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang WDM
Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng có thể minh hoạ như hình 1.1. Giả
sử có các nguồn quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ 1, λ2, λ3, …λj, ….λn.
Các tín hiệu quang với các bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ
bộ ghép kênh; bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau
khi ghép sẽ được truyền dọc theo sợi đến phía thu. Bộ tách kênh quang ở phía
thu sẽ tách các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ.

Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

11


Đồ án tốt nghiệp

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

Hình 1.1 Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng.
Có hai phương án thiết lập hệ thống WDM như hình 1.2 . Phương án
truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng như trong hình 1.2(a), là kết
hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi quang tại một đầu và thực hiện
tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia. Phương án truyền

dẫn ghép bước sóng quang theo hai hướng như trong hình 1.2(b) thì không quy
định phát ở một đầu và thu ở một đầu; điều này có nghĩa là có thể phát thông tin
theo một hướng tại bước sóng λ1 và cũng đồng thời truyền thông tin theo hướng
ngược lại tại bước sóng λ2.

Hình 1.2 Hệ thống ghép bước sóng (a) theo một hướng
(b) theo hai hướng
Như vậy trên cùng một sợi có thể truyền đồng thời nhiều bước sóng
quang. Mỗi bước sóng quang được gọi là một kênh quang, mỗi kênh quang sẽ
mang lưu lượng từ các lớp trên như SDH, ATM …. Như vậy sử dụng công nghệ
WDM dung lượng truyền dẫn được nâng cao mà không cần lắp đặt thêm cáp.
Khi kết hợp các thuật toán định tuyến thông minh, sự phân bổ hợp lý tài nguyên
các bước sóng sẽ nâng cao dung lượng tối đa của mạng WDM.
1.2.2 Cấu trúc hệ thống WDM
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

12


Đồ án tốt nghiệp

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

Ghép kênh theo bước sóng là kỹ thuật sử dụng các kênh bước sóng quang
để truyền tải luồng dữ liệu khác qua sợi quang trên mạng viễn thông. Trong
trường hợp một tuyến WDM điểm- điểm, một tập các kênh quang được kết hợp
lại trong bộ ghép kênh WDM, được truyền qua một tuyến sợi quang và được
tách ra qua bộ giải ghép kênh WDM.
Trong hình 1.3 chỉ ra một cấu trúc hệ
thống chung WDM. Trong ví dụ này có bốn kênh quang tại các bước sóng λ 1, λ2,

λ3 và λ4 được ghép với nhau qua bộ ghép kênh theo bước sóng. Bộ khuếch đại
đường quang (OLA) khuếch đại các tín hiệu quang. Bộ xen tách quang (OADM)
tách bước sóng λ1 và xen một khênh quang tại bước sóng λ5.

Hình 1.3 Cấu trúc hệ thống WDM cơ bản
Tại đầu thu, bộ giải ghép kênh WDM tách bốn kênh quang tại các bước
sóng λ2, λ3, λ4 và λ5. Do vậy có một kênh từ node 1 đến node 2 bằng λ 1, ba kênh
từ node 1 đến node 3 bằng λ2, λ3 và λ4, một kênh từ node 2 sang node 3 bằng λ5.
Lý do chính của việc sử dụng WDM là cho phép truyền tải dung lượng rất
cao và cung cấp khả năng mềm dẻo trong định tuyến và bảo vệ, thuận lợi cho
quy hoạch và thiết kế mạng.
1.2.3 Các phần tử cơ bản của hệ thống WDM
1.2.3.1 Sợi quang
Các mạng quang đều sử dụng môi trường truyền dẫn là các sợi quang. Sợi
quang có đặc tính là suy hao và tán sắc thấp và là môi trường phi dẫn. Sợi quang
đơn mode chuẩn cũng như sợi dịch tán sắc, hoặc sợi tán sắc phẳng đã được ITUT chuẩn hoá.
a. Sợi quang G.652.
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

13


ỏn tt nghip

nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM

Đây là loại sợi quang đơn mode đợc sử dụng phổ biến trên mạng lới viễn
thông nhiều nớc hiện nay, nó có thể làm việc ở 2 cửa sổ truyền dẫn 1310 nm và
1550 nm. Khi làm việc ở cửa sổ 1310 nm, G.652 có tán sắc nhỏ nhất (xấp xỉ 0
ps/nm.km) và suy hao tơng đối lớn. Ngợc lại, khi làm việc ở cửa sổ 1550 nm,

G.652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắc tơng đối lớn (xấp xỉ 20
ps/nm.km).
b. Si quang G.653.
Muốn xây dựng các tuyến thông tin quang tốc độ cao, cự ly dài thì cần phải
sử dụng một loại sợi có cả suy hao và tán sắc tối u tại một bớc sóng. Hiện nay,
bằng cách thay đổi mặt cắt chiết suất có thể chế tạo đợc sợi tán sắc dịch chuyển,
tức là sợi có tán sắc và suy hao tối u ở cùng một bớc sóng. Loại sợi này gọi là sợi
DSF hay sợi G.653.
Hình 1.4 mô tả đờng cong tán sắc của sợi G.653.
Tán sắc
[ps/nm.km]

30
20
10

Tán sắc
vật liệu

1000

Tán sắc tổng
của sợi G.652

1400

1600

1800

Bớc sóng

[nm]
0
Tán sắc dẫn sóng
-10
Tán sắc tổng
-20
của sợi G.653
-30
Hệ số suy hao của sợi DSF thờng nhỏ hơn 0,50 dB/km ở cửa sổ 1300 nm và
Tỏnnm.
sc Hệ
casố
sitán
G653
nhỏ hơn 0,3 dB/km ở Hỡnh
cửa sổ1.4
1550
sắc ở vùng bớc sóng 1550 nm
khoảng 20 ps/nm.km, còn ở vùng bớc sóng 1300 nm nhỏ hơn 3,5 ps/nm.km. Bớc
sóng cắt thờng nhỏ hơn 1270 nm.
Xét về mặt kỹ thuật, sợi G.653 cho phép xây dựng các hệ thống thông tin
quang với suy hao chỉ bằng khoảng một nửa suy hao của hệ thống làm việc ở bớc
sóng 1300 nm. Nh vậy, cự ly trạm lặp của hệ thống sợi tán sắc dịch chuyển sẽ dài
gấp đôi hệ thống sử dụng sợi G.652 bớc sóng 1300 nm. Còn đối với các tuyến
hoạt động ở bớc sóng 1550 nm thì do sợi G.653 có hệ số tán sắc rất nhỏ nên nếu
chỉ xét về tán sắc thì gần nh không có sự giới hạn về tốc độ truyền tín hiệu trong
các hệ thống này. Nh vậy do giảm số trạm lặp trên tuyến mà giá thành cao của
sợi G.653 phần nào đợc dung hoà.

c. Si quang G.654.
G.654 là sợi quang đơn mode tới hạn thay đổi vị trí bớc sóng cắt. Loại sợi
này có đặc điểm: suy hao ở bớc sóng 1550 nm giảm nhng tán sắc vẫn tơng đối
lớn; điểm tán sắc bằng không vẫn ở bớc sóng 1310 nm; G.654 chủ yếu đợc sử
dụng ở các tuyến cáp quang biển.
d. Si quang G.655.
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

14


ỏn tt nghip

nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM

Sử dụng sợi quang nào thích hợp nhất cho hệ thống WDM luôn là vấn đề đợc
nhiều nhà khoa học quan tâm. Do tính chất u việt của sợi quang G.653 (DSF) ở
bớc sóng 1550 nm mà nó trở thành sợi quang đợc chú ý nhất. Nhng nghiên cứu
kỹ ngời ta phát hiện ra rằng khi dùng G.653 trong hệ thống WDM thì ở khu vực
bớc sóng có tán sắc bằng không sẽ bị ảnh hởng nghiêm trọng bởi hiệu ứng phi
tuyến. Đây là nhợc điểm chính của DSF. Từ đó xuất hiện một loại sợi quang mới
- sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không (NZ-DSF), còn gọi là sợi quang đơn
mode G.655. Điểm tán sắc bằng không của nó không nằm ở 1550 nm mà dịch tới
1570nm hoặc gần 1510 - 1520 nm. Giá trị tán sắc trong phạm vi 1548 - 1565 nm
là ở 1 ữ 4 ps/nm.km đủ để đảm bảo tán sắc không bằng 0, trong khi vẫn duy trì
đợc tán sắc tơng đối nhỏ.
e. Si quang cú tit din hiu dng ln.
Loại sợi này thích hợp cho ứng dụng trong hệ thống WDM có dung lợng và
cự ly truyền dẫn lớn. Tiết diện hiệu dụng là 72 m2, điểm tán sắc bằng không là

1510 nm, cho công suất tơng đối lớn.
1.2.3.2 Phn phỏt
Phn phỏt quan trng nht l laser diode. Yờu cu ngun quang trong h
thng WDM l phi cú rng ph hp, n nh tn s. Tuy nhiờn laser diode
cú khoang cng hng Fabry Perot cú nhiu u im hn so vi LED nhng
cha tht s l cỏc ngun n mode. Vn cũn cỏc mode khỏc ngoi mode c bn
trong ngun ny. Trong h thng WDM nht l h thng ghộp bc súng cú mt
cao DWDM cn cú nhng laser n mode to ra mt mode dc chớnh, cũn li
cỏc mode bờn cn c loi b. Laser n mode cú nhiu loi, in hỡnh l laser
hi tip phõn tỏn (DFB )v laser phn x Bragg phõn tỏn (DBR).
Diode laser hi tip phõn tỏn(DFB)
Laser DFB gm cú mt lp cỏch t nhiu x cú cu trỳc chu k t cnh
lp hot tớnh to ra ỏnh sỏng sut chiu di khoang cng hng vi mc ớch
nộn cỏc mode bờn trong v chn lc tn s nh hỡnh 1.5.
Súng quang lan truyn song song vi cỏch t, do cỏch t cú
cu trỳc hon ton theo chu k to hin tng giao thoa gia hai súng ghộp lan
truyn ngc nhau. hin tng giao thoa ny xy ra thỡ sau mt chu k cỏch
t pha thay i 2 m, trong ú m l s nguyờn c gi l bc ca nhiu x
Bragg tc l:
2n

2 m = 2
B

Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

( 1.1)

15

Đồ án tốt nghiệp

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

Trong đó: n triết xuất hiệu dụng của mode, Λ là chu kỳ cách tử, hệ số 2
suất hiện trong biểu thức vì ánh sáng phản xạ hai lần để cùng pha với sóng tới.
Những điều kiện trên không thoả mãn thì ánh sáng tán xạ cách tử sẽ triệt tiêu
nhau, kết quả là chỉ có có bước sóng thoả mãn là λB. Khi m = 1 thì λB được gọi là
bước sóng bậc một và λB = 2Λn.

Hình 1.5 Cấu trúc diode laser hồi tiếp phân tán
• Diode Laser phản xạ Bargg phân tán (DBR)
Laser phản xạ Bargg phân tán (DBR) sử dụng nguyên lý phản xạ Bargg để
chỉ tạo ra một mode dọc. Khác nhau giữa DBR và DEB là trong DBR các cách
tử chiều dài ngắn đóng vai trò bộ phản xạ chọn lọc tần số. Có cấu trúc cách tử
nằm ở hai bên vùng hoạt tính có tác dụng như hai gương phản xạ với các bước
sóng thoả mãn điều kiện phản xạ như hình 1.6. Như vậy có nhiều mode trong
vùng hoạt tính nhưng chỉ có một bước sóng được phản xạ trở lại và được khuếch
đại.

Hình 1.6 Cấu trúc laser phản xạ phân tán Bargg DBR
Hai loại laser này có dòng điện ngưỡng khoảng 20 mA, độ rộng phổ rất
hẹp và nhỏ hơn cỡ 0,5nm, do đó các tuyến cự ly xa yêu cầu tốc độ cao thường sử
dụng hai loại này.
• Diode Laser ®iÒu chØnh bíc sãng
Sinh viên thực hiện:Trần Ngọc Quang Lớp D2002 VT

16

ỏn tt nghip

nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM

Bộ phát quang đơn mode có thể điều chỉnh đợc bớc sóng là linh kiện quang
then chốt của hệ thống WDM và mạng chuyển mạch quang. Chỉ tiêu tính năng
của nó là điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh phạm vi bớc sóng. Mặc dù đang còn
nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nhng với sự tiến bộ không ngừng của công
nghệ bán dẫn, bộ phát quang bán dẫn có thể điều chỉnh đợc bớc sóng chất lợng
cao sẽ sớm đợc sử dụng trong tơng lai.
Nh ta đã biết, bớc sóng đầu ra bộ phát quang kk (bớc sóng trong không khí)
quan hệ với bớc sóng trong môi trờng chất bán dẫn bd theo công thức:
kk = bd ì n
(1.2)
Từ công thức (1.2): khi thay đổi n (chiết suất của vật liệu bán dẫn) thì kk sẽ
thay đổi, tức là có thể thay đổi và điều khiển đợc bớc sóng đầu ra của bộ phát
quang trong phạm vi nhất định. Dới đây sẽ giới thiệu cấu tạo và nguyên lý hoạt
động của một số bộ phát quang biến đổi bớc sóng tiên tiến.
- Bộ phát quang có thể điều chỉnh ngoài khoang
Cấu tạo
Thực hiện mạ trên mặt cắt ở phía sau của khoang cộng hởng một màng tăng
thấu (AR), sau đó ở ngoài đa vào bộ lọc có thể điều chỉnh để tạo thành bộ phát
quang có thể điều chỉnh ở ngoài khoang. Hình 1.7 mô tả cấu tạo bộ phát quang
này.
Nguyên lý hoạt động
Các tia sáng đi qua màng tăng thấu, qua thấu kính biến thành chùm tia sáng
song song đập vào cách tử. ở đây cách tử sẽ đóng vai trò gơng phản xạ kiêm bộ
lọc băng hẹp. Nếu ta quay cách tử thì có thể điều chỉnh thô bớc sóng quang đầu
ra. Còn nếu ta điều chỉnh cách tử theo chiều dọc thì có thể tinh chỉnh đợc bớc

sóng quang đầu ra.
Ưu điểm, nhợc điểm
Ưu điểm chính của loại phát quang này là độ rộng phổ phát cực hẹp và có thể
điều chỉnh bớc sóng trong phạm vi rộng. Còn nhợc điểm chính là tốc độ điều
chỉnh thấp, thể tích tơng đối lớn, độ ổn định về cơ không cao.

5,25 cm
Màng AR

Cách tử

LD

Điều chỉnh thô
(50 - 240 nm)

Đầu ra quang

Thấu kính
Tăng ích

Điều chỉnh
nhỏ (Ghz)

Chọn bớc sóng

Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT
Hỡnh 1.7 B phỏt quang cú iu chnh ngoi khoang

17

ỏn tt nghip

nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM

- Bộ phát quang DFB 2 cực
Bộ phát quang DFB 2 cực có cấu tạo khác với bộ phát quang DFB
bình thờng ở chỗ nó có 2 điện cực để điều khiển công suất ra và điều khiển bớc
sóng phát xạ. Hình 1.8 mô tả cấu tạo của bộ phát quang loại này.
Tín hiệu điện đợc chia thành 2 thành phần: dòng vào cực thứ nhất là dòng I a
đặt định thiên trên ngỡng, có tác dụng chuyển tín hiệu điện đầu vào thành tín
hiệu quang; dòng vào thứ hai là dòng I b nhỏ hơn trị số ngỡng, có tác dụng thay
đổi chiết suất để điều chỉnh bớc sóng đầu ra bộ phát quang.
Tín hiệu điện
I

Tănga ích

I

b
Điều chỉnh

Màng AR
Cách tử

Đầu ra quang

Hỡnh 1.8 B phỏt quang DFB 2 cc iu chnh bc súng

1.2.3.3 Phn thu
Bộ thu quang của hệ thống WDM cũng tơng tự nh bộ thu quang ở hệ thống
đơn kênh. Chúng thực chất là các photodiode (PD), thực hiện chức năng cơ bản
là biến đổi tín hiệu quang thu đợc thành tín hiệu điện. Bộ thu quang phải đảm
bảo yêu cầu về tốc độ lớn, độ nhạy thu cao và bớc sóng hoạt động thích hợp. Hai
loại photodiode đợc sử dụng rộng rãi trong bộ thu quang là photodiode PIN và
photodiode thác APD.
a. Nguyờn lý lm vic chung ca PIN v APD
Nguyên lý làm việc chung của PIN-photodiode và APD dựa trên nguyên lý
bức xạ ánh sáng của lớp tiếp giáp P-N, đợc chỉ ra ở hình 1.9.
Cả hai loại photodiode đều hoạt động dựa vào tiếp giáp p-n phân cực ngợc.
Khi ánh sáng có bớc sóng trong không gian tự do bé hơn bớc sóng cắt:
c (àm) =

1,24( eV. m)
EVg ( eV )

(1.3)

chiếu vào Photodiode thì bán dẫn hấp thụ các photon. ở công thức (1.3), E g là độ
rộng dải cấm của tiếp giáp p-n.
ánh sáng tới
E

p

n
Engoài
ETX

Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT
x
Hỡnh 1.9 Diode tỏch quang p-n

a)

b)

18


ỏn tt nghip

nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM

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

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

P+

I

N+

(a)

Lớp chống phản xạ

E
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

19
(b)


ỏn tt nghip

nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM

Hỡnh 1.10 Cu to ca PIN-Photodiode (a) v s phõn b in trng (b)
Nguyên lý hoạt động:
Khi các photon đi vào lớp P+ có mức năng lợng lớn hơn độ rộng của dải cấm,
sẽ sinh ra trong miền P+, I, N+ của PIN-Photodiode các cặp điện tử và lỗ trống
(chủ yếu ở lớp I).
Các điện tử và lỗ trống trong miền I vừa đợc sinh ra bị điện trờng mạnh hút
về hai phía (điện tử về phía N+ vì có điện áp dơng, lỗ trống về miền P+ vì có điện
áp âm).
Mặt khác, các điện tử mới sinh ra trong miền P + khuếch tán sang miền I
nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp P +I, rồi chạy về phía N+ vì có điện áp dơng và lỗ
trống mới sinh ra trong miền N+ khuếch tán sang miền I nhờ gradien mật độ tại
tiếp giáp N+I, rồi chạy về phía về miền P+ vì có điện áp âm.
Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN-Photodiode một dòng
điện và trên tải một điện áp.
Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo ra dòng
điện ngoài, vì chúng đợc sinh ra ở miền P+ và N+ ở cách xa các lớp tiếp giáp P +I
và N+I không đợc khuếch tán vào miền I (do ở khoảng cách xa hơn độ dài
khuếch tán của động tử thiểu số), nên chúng lại tái hợp với nhau ngay trong các
miền P+ và N+.
Trong trờng hợp lý tởng, mỗi photon chiếu vào PIN-Photodiode sẽ sinh ra
một cặp điện tử và lỗ trống và giá trị trung bình của dòng điện ra tỷ lệ với công
suất chiếu vào. Nhng thực tế không phải nh vậy, vì một phần ánh sáng bị tổn thất

do phản xạ bề mặt.
Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bớc
sóng. Vì vậy, lớp P+ không đợc quá dầy. Miền I càng dầy thì hiệu suất lợng tử
càng lớn, vì xác suất tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống tăng lên theo độ dầy của
miền này và do đó các photon có nhiều khả năng tiếp xúc với các nguyên tử hơn.
Tuy nhiên, trong truyền dẫn số độ dài của xung ánh sáng đa vào phải đủ lớn hơn
thời gian trôi Td cần thiết để các phần tử mang điện chạy qua vùng trôi có độ
rộng d của miền I. Do đó, d không đợc lớn quá vì nh thế tốc độ bit sẽ bị giảm đi.
Khi bớc sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua bán dẫn cũng tăng lên,
ánh sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Do
đó, với các vật liệu phải có một bớc sóng tới hạn.
c. Diode quang thỏc APD
Cấu tạo
Cấu trúc cơ bản của APD đợc chỉ ra ở hình 1.11(a).
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

20


ỏn tt nghip

nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM

Cấu tạo của APD cơ bản giống nh PIN-Photodiode. Ngoài ra trong APD
còn có một lớp bán dẫn yếu P đợc xen giữa lớp I và lớp N+. Bên trái lớp I bị giới
hạn bởi lớp P+, còn bên phải lớp I bị giới hạn bởi tiếp giáp PN+.
Điện áp phân cực ngợc đặt vào APD rất lớn, tới hàng trăm vôn.
Điện trờng thay đổi theo các lớp đợc chỉ ra bởi hình 1.11(b). Trong vùng I,
điện trờng tăng chậm, nhng trong tiếp giáp PN+ điện trờng tăng rất nhanh. Lớp
tiếp giáp PN+ là miền thác, ở đây xảy ra quá trình nhân điện tử.

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

Điện cực

ánh sáng tới

P+

I

PP

N+

Lớp chống phản
xạ

(a
)

E
(b)

Hỡnh 1.11 Cu to ca APD(a)v s phõn b in trng theo cỏc lp (b)
Dòng ra của các photodiode
Dòng ra của PIN - Photodiode
PIN- Photodiode là photodiode không có hiệu ứng quang thác, do đó dòng
ra của nó chính là dòng photo, tức là:
iT-PIN = iP = HT PT
(1.4)
Trong đó:

HT =

e
hc

Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

(1.5)
21


ỏn tt nghip

nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM
gọi là hệ số biến đổi quang - điện của photodiode.
là công suất ánh sáng chiếu vào photodiode

PT:

=

Số cặp địên tử - Lỗ trống sinh ra
Số photon hấp thụ
là hiệu suất lợng tử hoá của APD/PIN Photodiode.

(1.6)

:
bớc sóng của ánh sáng.
e:
địên tích của điện tử (e = 1,602.10-19 As).
h:
hằng số Plank (h = 6,62.10-34 Ws2).
c:
vận tốc ánh sáng (c = 3.108 m/s).
Dòng ra của APD
Đối với APD, do có hiệu ứng quang khác mà dòng ra của APD đợc tăng
lên M lần, tức là:
iT-APD = MiP = MHTPT ,
(1.7)
Trong đó:

M =

U:
UD:
n:

iT
=
iP

1
U
1
U
D

n






(1.8)

là hệ số khuyếch đại của APD,
địên áp đặt vào APD.
điện áp đánh thủng của APD

nhận các giá trị từ 1,5 ữ 6, tuỳ thuộc vào vật liệu và cấu trúc của APD.

Nhiễu của các bộ thu quang
Theo bản chất gây nên nhiễu có: nhiễu lợng tử tính hiệu, nhiễu dòng điện
tối, nhiễu dòng rò, nhiễu nhiệt và nhiễu do hiệu ứng quang thác (trong APD).
+ Nhiễu dòng tối

Nhiễu dòng tối là do dòng điện tối của photodiode sinh ra. Dòng điện tối
gồm rất nhiều xung không có quy luật. Ngời ta chỉ xác định đợc trị hoặc dụng của nó,
phổ biên độ của chúng bằng phẳng ở mọi tần số. Theo [6], công suất nhiễu dòng
điện tối pNT theo công thức :
p NT = 2e F ( M ) M 2 I T Be

(1.9)
Trong đó, IT là gía trị trung bình của dòng điện tối, giá trị trung bình này
phụ thuộc chất liệu bán dẫn, diện tích bề mặt tiếp xúc P-N và nhiệt độ và B e là
băng tần hiệu dụng hay còn gọi là băng tần điện của photodiode.

Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

22


ỏn tt nghip

nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM

+ Nhiễu dòng rò
Nhiễu dòng rò là do dòng điện rò của photodiode tạo ra. Dòng điện rò là do
các tia sáng phía trong và ánh sáng bên cạnh tạo ra. Trên thực tế ngời ta chỉ xác
định đợc giá trị trung bình của dòng điện rò. Theo [6], công suất nhiễu dòng rò pr
theo công thức :

p Nr = 2e F ( M ) M 2 I r Be
(1.10)
Trong đó, Ir là giá trị trung bình của dòng điện rò.
+ Nhiễu nhiệt

Nhiễu nhiệt của Photodiode là nhiễu xuất hiện trong điện trở lớp chắn, điện
trở tải, do chuyển động nhiệt của các điện tử trong điện trở tạo ra.
Theo [7], công suất nhiễu nhiệt pNN của photodiode đợc xác định theo công
thức :

pNN = 4 k T (GC + GT ) Be
(1.11)
Trong đó: GC =

1
là điện dẫn của điện trở lớp chắn RC,
RC

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

F (M ) = 2

1
1

+ ki M 2 +
M
M

(1.12)

Trong đó:
M là hệ số khuyếch đại của APD,


ki = n

p
(1.13)
n là hệ số ion hoá điện tử trong vùng quang thác,
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

23


ỏn tt nghip

nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM

p là hệ số ion hoá lỗ trống trong vùng quang thác.
Trong thực tế, ngời ta có thể sử dụng gần đúng F(M) bởi:
F(M) = MX
(1.14)
Trong đó, giá trị đặc trng của x = 0,3 0,5 đối với Si APD, x = 0,7 đối

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

pNL = 2e F ( M ) M 2 H T PT Be
(1.15)
Trong đó:
PT : Giá trị trung bình của công suất ánh sáng đến photodiode
e:
điện tích của điện tử
Be: băng tần điện của photodiode
F(M): hệ số tạp âm phụ thêm của APD
M: hệ số khuyếch đại của APD
HT: hệ số biến đổi quang điện của photodiode
+ Nhiễu tổng của photodiode
Trong thực tế, các nguồn nhiễu chỉ ra ở mô hình toán học của photodiode
là không tơng quan nhau. Do đó, công suất nhiễu tổng của photodiode đợc tính
theo công thức:
(1.16)

pN = pNL + pNT + pNr + pNN

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

[

]

p N APD = 2eF ( M ) M 2 ( H T PT + I T ) + 2eI r + 4kT (GC + GT ) Be

(1.17)

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

Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

24


ỏn tt nghip

nh tuyn v gỏn bc súng trong mng quang WDM

[

]

p N APD = 2eM 2+ x ( H T PT + I T ) + 2eI r + 4kT (GC + GT ) Be

(1.18)

Từ công thức (1.18) và thay M = 1 ta nhận đợc công suất nhiễu tổng của

PIN-Photodiode theo các công thức:

[

]

p N PIN = 2e( H T PT + I T ) + 2eI r + 4kT (GC + GT ) Be
(1.19)
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR)
Từ công thức (1.7), (1.18), ta nhận đợc tỷ số tín hiệu/nhiễu của APD nh
sau:
2

SNR APD =

H T2 M 2 P T



2+ x
2eM ( H T PT + I T ) + 2eI r + 4kT (GC + GT ) Be



(1.20)

Từ công thức (1.4), (1.19), ta nhận đợc tỷ số tín hiệu/nhiễu của PINphotodiode nh sau:
2

SNRPIN =

(1.21)

H T2 P T



2
e
(
H
P
+
I
+
I
)
+
4
kT
(
G
+
G
)
T
T
T
r
C
T

Be



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

1
SNR

1 erf
2
2

(1.22)

Trong đó, erfc(x) là hàm lỗi.

1.2.3.4 Trm lp
Trm lp l b chuyn i tn s quang in c bn bao gm mt b thu
quang v b phỏt quang. B thu quang chuyn i tớn hiu quang u vo thnh
tớn hiu in v c khuch i, sa dng xung, nh thi li. Tớn hiu ny sau
ú c chuyn thnh tớn hiu quang nh laser phỏt. Hu ht cỏc nh sn xut h
thng WDM tin tng vo b lp transponder nh l giao din u vo ca h
Sinh viờn thc hin:Trn Ngc Quang Lp D2002 VT

25