Nghiên cứu giải pháp làm lệch hướng đi sử dụng bộ định tuyến trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM

LỜI CẢM ƠN
Thời gian trôi qua thật nhanh, chỉ mấy tháng ngắn ngủi nhưng em cũng đã
kịp hoàn thành đồ án của mình. Đạt được điều này phần lớn là do sự hướng dẫn
chi tiết, sự chỉ bảo nhiệt tình và tấm lòng nhiệt huyết của cô giáo Nguyễn Thanh
Vân -người đã dìu dắt, định hướng đề tài, và dù bận trăm công ngàn việc cô vẫn
dành thời gian chỉ dẫn cho em. Em rất trân trọng và xin gửi lời cảm ơn chân
thành nhất tự đáy lòng đến cô.
Để có được vốn kiến thức như ngày hôm nay, em cũng xin cám ơn những
người thày của ngành Điện tử viễn thông nói riêng, và các thày cô trong trường
Đại học Hàng Hải Việt Nam nói chung đã dạy dỗ em, truyền tải cho em hiểu
biết về các môn đại cương và các môn chuyên ngành để em có được cơ sở lý
thuyết vững vàng, xây dựng một nền tảng cho em có thể phát triển về sau này.
Em chân thành cảm ơn và không bao giờ quên công ơn của các thày cô.
Cuối cùng, em xin cảm ơn những người bạn bè và gia đình, đã luôn sát
cánh và giúp đỡ em những lúc khó khăn nhất, để em có thể tiến tới hoàn thiện
đồ án tốt nghiệp như ngày hôm nay./.
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Ngọc Hưng

i


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các số liệu,
kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ đồ án nào trước đây.
Sinh viên
Nguyễn Ngọc Hưng

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................I
ii


LỜI CAM ĐOAN...............................................................................................II
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN...........................IV
DANH MỤC CÁC HÌNH.................................................................................VI
MỞ ĐẦU...............................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM
...............................................................................................................................2
1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG WDM

2

1.2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG

2

1.3 CÁC THIẾT BỊ WDM

6

1.3.1 Bộ phát quang.......................................................................................6
1.3.2 Bộ tách/ghép kênh quang......................................................................7
1.3.3 Bộ khuếch đại quang.............................................................................9
1.3.4 Bộ thu quang.......................................................................................11
1.3.5 Sợi quang.............................................................................................12
CHƯƠNG II: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN THỰC HIỆN ĐỊNH TUYẾN

TRONG HỆ THỐNG WDM............................................................................14
2.1 BỘ ĐỊNH TUYẾN

14

2.2 CÁC BỘ XEN/RẼ

18

2.3 CÁC THIẾT BỊ ĐẤU CHÉO QUANG

22

2.4 CHUYỂN MẠCH QUANG

26

2.4.1. Tầm quan trọng của chuyển mạch quang..........................................26
2.4.2 Nguyên tắc chung của chuyển mạch quang........................................29
CHƯƠNG III: GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN LÀM LỆCH HƯỚNG ĐI
TRONG MẠNG WDM.....................................................................................32
3.1 KHOẢNG THỜI GIAN TRỄ OFFSET

32

3.1.1 Offset cố định......................................................................................32
3.1.2 Offset khi không có sự dự trữ..............................................................33
3.2: CÁC GIAO THỨC THIẾT LẬP KẾT NỐI

33

3.2.1 Tell And Go (TAG)..............................................................................33
iii


3.2.2 Just In Time (JIT)................................................................................34
3.2.3 Just Enough Time (JET)......................................................................35
3.3 XUNG ĐỘT TRONG MẠNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
37
3.3.1 Biến đổi bước sóng..............................................................................37
3.3.2: Bộ đệm quang:...................................................................................38
3.4: ĐI SÂU PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN LÀM LỆCH HƯỚNG ĐI: 38
3.4.1 Khái quát phương pháp:.....................................................................38
3.4.2 Thuật toán định tuyến làm lệch hướng đi:..........................................41
KẾT LUẬN........................................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................47

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

iv


Ký hiệu
OPS

Tiếng việt
Chuyển mạch gói quang

OBS
SONET

ITU
ATM
WDM
OLT
ODL
SDH
OSC
OADM
OXC
TAG
JIT
JET
FDL
ACK
IP

Chuyển mạch chùm quang
Mạng quang đồng bộ
Liên minh viễn thông quốc tế
Chế độ truyền tải không đồng bộ
Ghép kênh phân chia theo bước sóng
Thiết bị đầu cuối
Đường trễ quang
Hệ thống phân cấp số đồng bộ
Kênh giám sát quang
Bộ ghép kênh xen/rớt quang
Bộ kết nối chéo quang
Tell And Go
( tên giao thức)
Just In Time

( tên giao thức)
Just Enough Time ( tên giao thức)
Đường dây trễ quang
Gói tin báo nhận
Giao thức Internet

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

1.1

Mô quá trình ghép và giải ghép WDM

3

1.2
1.3

Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng a) và theo
hai hướng b)
Mô tả thiết bị ghép- giải ghép hỗn hợp (MUXDEMUX)

4

6

1.4

Tách kênh sử dụng lăng kính

8

1.5

Tách /ghép các bước sóng bằng cách tử nhiễu xạ

9

2.1

Sơ đồ bộ định tuyến bước sóng.

15

2.2

Thực tế bộ định tuyến cách tử dẫn sóng sử dụng 2
bộ ghép hình sao và mảng dẫn sóng plana.

15

2.3

Bộ ghép và lọc xen/ rẽ

19

2.4

Cấu hình thiết bị xen/rẽ WDM thế hệ thứ nhất.

21

2.5

Cấu hình thiết bị xen/rẽ WADM

21

2.6

Thiết bị nối chéo quang

23

2.7

Các loại thiết bị nối chéo OXC.

25

2.8

Cấu tạo bước sóng điều khiển

29

2.9

Mô hình chung của 1 node chuyển mạch quang

30

3.1

Giao thức JIT

34

3.2

Giao thức JET

36

3.3

Biến đổi bước sóng

38

3.4

Làm lệch hướng đi

40

3.5

Cấu trúc mạng chuyển mạch gói với kĩ thuật làm

41

vi


lệch
hướng đi
3.6

Lược đồ thuật toán

43

3.7

Ảnh hưởng của định lệch hướng

44

vii


MỞ ĐẦU

Trong thời đại thông tin công nghệ bùng nổ như hiện nay, lượng dữ liệu
cần trao đổi giữa các hệ thống ngày càng tăng cao. Số lượng cũng như lưu lượng
truyền thông trên mạng cũng đổi thay, trong đó internet là chủ yếu. Nhu cầu sử
dụng mạng ngày càng cao cũng như thời gian truy cập dài hơn nhiều so với một
cuộc gọi điện thoại thông thường. Băng thông lớn, đường truyền tốc độ cao và
chi phí thấp là nhu cầu tất yếu của công nghệ hiện thời. Chính vì vậy mà mạng
thông tin quang đã được ra đời. Nó có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với các hệ
thống trước đây như cung cấp băng thông cực lớn, tỉ lệ phát sinh lỗi cực thấp
cũng như suy hao tín hiệu rất nhỏ… Tuy nhiên việc giải quyết nghẽn trong
mạng khi lượng thông tin trao đổi quá lớn là cực kỳ cần thiết trong quá trình
mạng hoạt động. Chính vì vậy em đã quyết định chọn đề tài sau làm đồ án của
mình:
“Nghiên cứu giải pháp làm lệch hướng đi sử dụng bộ định tuyến trong
hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM”.
Đồ án gồm 3 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang WDM
Chương 2: Các thành phần cơ bản thực hiện định tuyến trong hệ thống
WDM
Chương 3: Giải pháp định tuyến bằng phương pháp làm lệch hướng đi
trong mạng WDM.

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
QUANG WDM
1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG WDM
Hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM là
viết tắt của từ tiếng anh Wavelength Division Multiplexing. Trong hệ thống này
tín hiệu quang gồm nhiều bước sóng được ghép để truyền dẫn đồng thời trong 1

sợi quang.
Độ rộng băng tần của sợi quang hiện tại cực lớn, vào cỡ 25 THz trong dải
tần suy hao thấp 1550nm, nó rộng hơn rất nhiều lần so với độ rộng của băng tần
radio. Nhưng do giới hạn tốc độ của linh kiện điện tử trong thiết bị đầu cuối nên
tốc độ mới chỉ đạt được cỡ chục Gb/s. Như vậy chưa tận dụng được hết băng tần
khổng lồ của sợi quang. Tuy nhiên WDM vẫn là công nghệ hoàn thiện nhất hiện
nay vì nó đã tận dụng được đến dải sóng ánh sáng để truyền tín hiệu đi cực xa
với tốc độ rất lớn thay vì dùng cáp đồng trục với các thiết bị thuần điện tử trong
quá khứ.
Bảng 1.1 Sự phân chia các băng sóng.
Băng sóng
Băng O
Băng E
Băng S

Mô tả
Gốc (Original)
Mở rộng (Extended)

Phạm vi bước sóng
(nm)
1260 - 1360
1360 - 1460

Ngắn (Short)

1460 - 1530

Băng C

Quy ước (Conventional)

1530 - 1565

Băng L

Dài (Long)

1565 - 1625

Băng U

Siêu dài (Ultra-long)

1625 - 1675

1.2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG
Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh hoạ như ở hình
1.1. Giả sử hệ thống thiết bị phía phát có các nguồn phát quang làm viêc trên
2


các bước sóng khác nhau λ1, λ2, ..., λN . Các tín hiệu quang được phát ra ở các
bước sóng này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang. Chúng được ghép lại ở
phía phát nhờ bộ ghép kênh quang; bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao
nhỏ. Tín hiệu quang sau khi ghép sẽ được truyền đồng thời dọc theo sợi để tới
phía thu. Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía thu sẽ nhận lại các luồng tín
hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép kênh bước
sóng.
Có hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng

quang WDM như ở hình 1.2. Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo
một hướng như ở hình 1.2 a) là kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào
sợi tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở
đầu kia. Như vậy, phương án này cần phải sử dụng hai sợi quang để thực hiện
truyền tín hiệu thông tin cho chiều đi và chiều về. Phương án truyền dẫn hai
hướng như ở hình 1.2 b) thì không quy định phát ở một đầu và thu ở một đầu;
điều này tức là có thể truyền thông tin theo một hướng tại các bước sóng λ1,

λ2, ..., λN và đồng thời cũng truyền thông tin khác theo hướng ngược lại tại các
bước sóng λ’1, λ’2, ..., λ’N Vì vậy, phương án này chỉ cần sử dụng một sợi cũng
có thể thiết lập được một hệ
thống truyền dẫn cho cả chiều đi và chiều về. Tất nhiên nó đòi hỏi các thiết bị
đầu cuối phả có chức năng 2 chiều.

Hình 1.1. Mô quá trình ghép và giải ghép WDM

3


Hình 1.2. Hệ thống ghép kênh bước sóng theo một hướng a), và theo hai hướng
b).
Để thực hiện một hệ thống WDM theo một hướng, thì cần phải có bộ
ghép kênh bước sóng MUX ở đầu phát để kết hợp các tín hiệu quang từ các
nguồn phát quang khác nhau đưa vào một sợi quang chung. Tại đầu thu, cần
phải có bộ giải ghép kênh bước sóng DEMUX để thực hiện tách các kênh quang
tương ứng. Nhìn chung, các laser đơn mode thường không phát một lượng công
suất đáng kể nào ở ngoài độ rộng phổ kênh đã định trước của chúng, cho nên
vấn đề xuyên kênh là không đáng lưu tâm ở đầu phát. Vấn đề đáng chú ý hơn ở

4

đây là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới
đầu ra bộ ghép ít bị suy hao. Đối với bộ giải ghép kênh, vì các bộ tách sóng
quang thường nhạy cảm trên cả một vùng rộng các bước sóng cho nên nó có thể
thu được toàn bộ các bước sóng đã được phát đi từ phía thiết bị phát. Như vậy,
để ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có biện
pháp cách ly tốt các kênh quang. Để thực hiện điều này, cần thiết kế các bộ giải
ghép thật chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định có bước sóng cắt
chính xác.
Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép bước sóng nào cũng có thể được dùng
làm bộ giải ghép bước sóng. Như vậy, hiểu đơn giản, từ “bộ ghép - Multiplexer”
trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để tương thích cho cả
bộ ghép và bộ giải ghép; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị
hoặc hai chức năng. Vì vậy rõ ràng rằng, khi các luồng tín hiệu quang được giải
ghép ở phía thu thì bộ ghép kênh trở thành bộ giải ghép và ngược lại.
Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành ba loại: Bộ ghép
(MUX), bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ ghép và giải ghép hỗn hợp (MUXDEMUX). Các bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương án truyền dẫn
theo một hướng, còn loại thứ ba (MUX-DEMUX) được sử dụng cho phương án
truyền dẫn theo hai hướng trên một sợi. Hình 1.3 mô tả cấu trúc thiết bị ghép và
giải ghép hỗn hợp. Việc phân tích chính xác thiết bị ghép phải dựa trên ma trận
chuyển đổi đối với các phần tử của ma trận là Aij(x). Các phần tử này là các hệ
số phụ thuộc vào bước sóng, nó biểu thị các tín hiệu quang đi vào cửa vào thứ i
và ra cửa ra thứ j. Cách tiếp cận phân tích này khá phức tạp khi áp dụng để thiết
kế và xây dựng các hệ thống WDM.

5


Hình 1.3. Mô tả thiết bị ghép- giải ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX)

1.3 CÁC THIẾT BỊ WDM
1.3.1 Bộ phát quang
Bộ phát quang là thiết bị tích cực phía phát. Các bộ phát quang hiện nay
thường sử dụng nguồn quang là laser phản hồi phân tán DFB (Distributed
Feedback Laser) và laser phản xạ Bragg phân bố (Distributed Bragg Reflector
Laser). Laser sợi quang pha tạp chất hiếm cũng đang được nghiên cứu, ưu điểm
của nguồn loại này là phổ hẹp và ổn định tần số cao. Nhìn chung các nguồn
quang phải đảm bảo một số yêu cầu như sau: độ chính xác của bước sóng phát,
độ rộng đường phổ hẹp, dòng ngưỡng thấp, có khả năng điều chỉnh được bước
sóng, tính tuyến tính và nhiễu thấp. Các yêu cầu trên đối với nguồn quang đều
nhằm tránh các loại nhiễu, đảm bảo tính ổn định, giảm ảnh hưởng không tốt từ
một số hiệu ứng phi tuyến, tỉ lệ lỗi BER thấp và đảm bảo chất lượng truyền dẫn
của hệ thống.
Để đáp ứng các yêu cầu trên, nguồn quang sử dụng trong các bộ phát
thường là các laser đơn mode. Laser loại này có laser phát mặt (SEL – Surface
Emitting Laser) và các cấu trúc có hốc cộng hưởng lựa chọn tần số. Ở cấu trúc
laser phát mặt, độ dày vùng tích cực nhỏ hơn 10 µ m và giống như một hốc thẳng
đứng ngắn. Bức xạ quang được hướng về phía mặt nhờ các gương 45 0 hoặc các
bộ phản xạ Bragg cấp hai.

6


Bộ phản xạ lựa chọn tần số là các cách tử nhăn, chính là lớp ống dẫn sóng
thụ động nằm kề vùng tích cực. Sóng quang lan truyền song song với cách tử.
Hoạt động của các laser dựa trên nguyên lý bộ phản xạ cách tử Bragg phân tán.
Các laser loại này thể hiện hoạt động mode dọc đơn khá tốt, ít nhạy cảm với
nhiệt độ và dòng điều khiển.
Trong loại laser phản hồi phân tán, cách tử để chọn bước sóng bao phủ
toàn bộ vùng tích cực. Tại một bước sóng cụ thể, các mode phát của laser đặt

đối xứng nhau qua bước sóng phản xạ Bragg. Biên độ của các mode phát laser
cấp cao hơn giảm một cách đáng kể so với biên độ bậc 0. Mode cấp 1 thường có
biên độ giảm hơn 30 dB so với biên độ của mode cấp 0. Cách tử của laser DFB
được khắc vào một trong các lớp để tạo ra chiết suất thay đổi theo chu kỳ.
Thường tránh khắc cách tử trực tiếp vào lớp tích cực vì nó có thể làm tăng mức
độ tái hợp không bức xạ. Về mặt lý thuyết, laser DFB có lớp chống phản xạ ở
hai đầu. Hai mode bậc 0 ở hai bên bước sóng Bragg có hệ số khuếch đại giống
nhau và nếu cấu trúc hoàn toàn đối xứng thì hai đỉnh này đồng thời được phát.
Như vậy để laser làm việc ở chế độ đơn mode, đặc tính cộng hưởng là không đối
xứng. Muốn vậy có thể dịch cách tử đi khoảng 1/4 hoặc đơn giản là sử dụng lớp
vỏ phản xạ có hệ số phản xạ cao ở một đầu và đầu kia là lớp chống phản xạ.
Đối với laser phản xạ Bragg phân tán, các cách tử được đặt ở các đầu của
các lớp tích cực của laser để thay thế cho các gương được dùng trong hốc cộng
hưởng Fabry-Perot. Trong laser phản xạ phân tán (DR – Distributed Reflector)
gồm có các bộ phản xạ phân tán tích cực và thụ động. Cấu trúc này cải thiện
được các đặc tính phát laser của laser DFB và DBR thông thường, hoạt động có
hiệu quả cao, công suất đầu ra lớn.
1.3.2 Bộ tách/ghép kênh quang
Tín hiệu từ sợi quang là một tia sáng gồm nhiều tần số sóng quang khác
nhau sẽ được đưa tới bộ tách kênh quang. Nhiệm vụ của bộ tách kênh này là
tách tín hiệu nhận được ra các tín hiệu tại tần số khác nhau. Với bộ ghép kênh
7


quang thì nó sẽ làm công việc ngược lại: nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khác
nhau, kết hợp chúng vào một tia sáng để truyền trong sợi quang. Thiết bị
tách/ghép kênh được chia thành hai loại là thiết bị tách/ghép kênh tích cực và
thiết bị tách ghép kênh thụ động. Loại thụ động hoạt động dựa trên nguyên lý
của lăng kính, cách tử nhiễu xạ và các bộ lọc. Các thiết bị tách/ghép kênh tích
cực thì hoạt động trên nguyên tắc kết hợp các thiết bị thụ động với những bộ lọc

điều hưởng trong đấy mỗi bộ cộng hưởng với một tần số nhất định. Trong phần
này ta xem xét một số kỹ thuật tách/ghép kênh quang và các bộ ghép xen/rẽ
quang.
Một kỹ thuật đơn giản để tách/ghép ánh sáng là sử dụng một lăng kính
(hình 1.4). Đặt chùm tia sáng gồm nhiều bước sóng ra khỏi sợi quang tại tiêu
điểm một thấu kính hội tụ. Ra khỏi thấu kính sẽ là một chùm sáng trắng song
song chiếu vào bề mặt một lăng kính, mỗi bước sóng thành phần khúc xạ theo
một góc khác nhau vì chiết suất lăng kính phụ thuộc bởi bước sóng. Đặt tiếp một
thấu kính sau lăng kính, các tia cùng màu khi ra khỏi lăng kính song song với
nhau sẽ được hội tụ đến một điểm. Các sợi quang riêng lẻ đặt tại tiêu điểm của
thấu kính sẽ thu được ánh sáng theo các màu khác nhau (hay có bước sóng khác
nhau) mang tín hiệu. Trường hợp ghép các kênh tín hiệu vào một sợi quang
cũng sử dụng các linh kiện trên nhưng thực hiện theo quy trình ngược lại.

Hình 1.4 Tách kênh sử dụng lăng kính

8


Một kỹ thuật khác là sử dụng cách tử nhiễu xạ, kỹ thuật này dựa trên các
nguyên lý về nhiễu xạ của giao thoa quang. Khi một nguồn sáng đa sắc chiếu
vào một cách tử nhiễu xạ, mỗi bước sóng sẽ bị nhiễu xạ theo một góc khác nhau
và chiếu đến những điểm khác nhau trong không gian. Sử dụng thấu kính hội tụ
ta có thể hội tụ các bước sóng này vào các sợi quang riêng biệt. Trên hình 1.5
biểu diễn cách tử dùng để tách sóng.

Hình 1.5 Tách /ghép các bước sóng bằng cách tử nhiễu xạ
Ngoài hai kỹ thuật phổ biến trên, cách tử dẫn sóng dạng mảng (AWG –
Arrayed Waveguide Grating) cũng đang được sử dụng khá nhiều. Một thiết bị
AWG còn gọi là bộ định tuyến dẫn sóng quang hoặc bộ định tuyến cách tử dẫn

sóng, gồm một mảng các kênh ống dẫn sóng cong có sự khác nhau cố định trong
độ dài đường đi giữa các kênh lân cận. Các ống dẫn sóng được nối đến một
khoang tại đầu vào và đầu ra. Khi ánh sáng đi vào khoang phía đầu vào nó sẽ
nhiễu xạ và đến mảng ống dẫn sóng. Tại đó sự khác nhau về đường đi giữa các
ống dẫn sóng sẽ dẫn đến sự trễ pha tại phía đầu ra. Các sợi quang phía đầu ra đã
được nhân lên nhiều lần. Kết quả là các bước sóng khác nhau được giao thoa tối
đa tại các vị trí khác nhau tương ứng với các cổng đầu ra.
1.3.3 Bộ khuếch đại quang
“Suy hao đã hạn chế độ dài mà sợi quang có thể truyền tín hiệu nguyên
vẹn trước khi phải tái tạo. Trước khi có các bộ khuếch đại quang người ta đã
9


phải sử dụng các bộ lặp cho mỗi tín hiệu phát đi. Bộ khuếch đại quang có khả
năng khuếch đại tất cả các bước sóng đồng thời mà không cần biến đổi quang điện - quang(OEO). Ngoài việc sử dụng trong các kết nối quang, các bộ khuếch
đại còn được dùng làm khuếch đại công suất tín hiệu sau khi ghép kênh hoặc
trước khi tách kênh vì cả hai trường hợp này đều gây ra suy hao trong hệ thống.
Ngày nay trong tất cả các hệ thống WDM đều sử dụng bộ khuếch đại EDFA
(Erbium Doped Fiber Amplifier: bộ KĐ quang sợi pha tạp Erbium). Nó đóng vai
trò quan trọng giúp cho hệ thống có khả năng mang những trọng tải lớn trên
những khoảng cách dài. Phần này trình bày một số đặc điểm cơ bản của EDFA:
Erbium là một nguyên tố đất hiếm, khi được kích thích nó phát ra ánh sáng có
bước sóng khoảng 1.54 µm - là bước sóng có suy hao thấp với sợi quang sử
dụng trong các hệ thống WDM. Các phát xạ tự phát trong EDFA cũng dẫn đến
tạp âm cho tín hiệu và xác định hệ số tạp âm trong một bộ khuếch đại. Các tham
số quan trọng trong bộ khuếch đại EDFA bao gồm: hệ số khuếch đại, độ phẳng
khuếch đại, mức tạp âm và công suất đầu ra. Các bộ khuếch đại này có khả năng
cho độ khuếch đại đến 45 dB (10500 lần) và khuếch đại dải bước sóng từ 30 nm
đến 35 nm (1535nm – 1565nm). Trên lý thuyết thì hệ số nhiễu của EDFA đạt
được giới hạn lượng tử (giới hạn này gây ra do phát xạ tự phát). Thực nghiệm

cho thấy hệ số nhiễu của bộ khuếch đại đạt được xấp xỉ 3 dB, giá trị thực tế từ
3.5 đến 6 dB. Một ưu điểm của EDFA là bộ khuếch đại có độ nhạy phân cực
thấp, do đó có thể mắc chuỗi các bộ khuếch đại. EDFA có các đặc tính bão hoà
tốt do công suất bão hoà tăng tuyến tính với công suất bơm.Thời gian sống dài ở
trạng thái kích thích của các ion Er 3+ là ưu điểm lớn nhất của EDFA so với các
loại bộ khuếch đại khác. Trạng thái kích thích có thể tích luỹ công suất bơm
trong một thời gian dài, do đó công suất bơm trong yêu cầu để giữ được mức
năng lượng đủ lớn trong một bộ khuếch đại thường rất thấp, chỉ 10 mW đến 20
mW để đạt đến hệ số khuếch đại tín hiệu 30 dB. Với các tín hiệu ở các bước
sóng khác nhau sự xuyên nhiễu đa kênh trong bộ khuếch đại rất thấp do thời
gian sống ở các trạng thái kích thích dài, mật độ hạt ở trạng thái kích thích
10


không thể đáp ứng những thay đổi tín hiệu quá nhanh từ bước sóng này xuyên
qua bước sóng khác. Cũng vì lý do này, EDFA là bộ khuếch đại không méo
thậm chí trong trường hợp bão hoà sâu. Hiển nhiên EDFA có thể tích hợp trong
một mạng quang vì có cấu tạo dựa trên một đoạn sợi Silic. Nhược điểm chính
của EDFA là phổ khuếch đại không bằng phẳng mà xuất hiện các đỉnh khuếch
đại, hệ số khuếch đại không như nhau đối với mọi bước sóng. Tuỳ thuộc yêu cầu
hệ thống mà bộ khuếch đại có thể ở các vị trí khác nhau trên tuyến và có yêu cầu
kỹ thuật riêng, có thể chia làm ba loại: BA, LA và PA. BA (Booster Amplifier)
là bộ khuếch đại công suất có công suất vào lớn, được sử dụng ngay sau bộ phát
để tăng mức công suất tín hiệu. Do công suất đầu ra khá cao nên có thể bỏ qua
tạp âm ASE. Bộ khuếch đại đường dây LA (Line Amplifier) là thiết bị EDFA có
mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để
tăng chiều dài khoảng lặp. Yêu cầu đối với bộ khuếch đại loại này là có công
suất vào nhỏ, công suất ra lớn và nhiễu gây ra nhỏ nhất. Bộ tiền khuếch đại PA
(Pre-Amplifier) là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng ngay trước
bộ thu để tăng độ nhạy thu. Để đạt được mức tạp âm ASE thấp người ta sử dụng

các bộ lọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh bước sóng trung tâm
theo bước sóng nguồn phát. Bản thân bộ khuếch đại gây ra nhiễu cho hệ thống.
Sau mỗi bộ khuếch đại tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR giảm nên thông thường
sau ba bộ khuếch đại phải đặt thêm bộ lặp để khôi phục tín hiệu.”[1]
1.3.4 Bộ thu quang
Chức năng của bộ thu quang là chuyển đổi tín hiệu từ dạng quang thành
điện. Những yếu tố như bước sóng truyền, cách (phương thức) điều chế đòi hỏi
bộ thu phải tương thích với bộ phát, bên cạnh đó phải được thiết kế để xuất ra
được mức tín hiệu phù hợp.
Cấu trúc bộ thu quang gồm có bộ tách sóng quang, các bộ khuếch đại tín
hiệu và các mạch xử lý tín hiệu. Toàn bộ cấu trúc này thực hiện chuyển đổi tín
hiệu quang phát ở đầu sợi từ phía phát tới thành tín hiệu điện, khuếch đại tín
hiệu này tới mức đủ lớn để nó có thể tạo thuận lợi cho các bước xử lý tiếp theo
11


như quá trình tái tạo tín hiệu. Phương thức điều chế sẽ quyết định mức độ phức
tạp của mạch giải điều chế.
Bộ phận tách sóng quang của bộ thu thường dùng photodiode. Có hai loại
photodiode là PIN và APD. Photodiode PIN chỉ cần công suất thấp nhưng kém
nhạy cảm, cần có bộ khuếch đại phía trước và chỉ hoạt động trên một dải tần số
hẹp. APD do có hiệu ứng nhân thác nên dòng quang điện được khuếch đại ngay
trong diode, cho tín hiệu lớn nên không cần bộ tiền khuếch đại và thường được
dùng trong thông tin quang đường dài.
Trong bộ thu có một số tham số quan trọng như đáp ứng phổ, thời gian
lên, độ rộng băng tần nguồn thu, các loại nhiễu, tỉ số tín hiệu/ tạp âm và độ nhạy
máy thu. Đáp ứng phổ là một hàm của bước sóng và liên quan mật thiết đến bộ
tách sóng được dùng. Các loại nhiễu gồm có nhiễu nhiệt và nhiễu lượng tử. Độ
nhạy máy thu là mức công suất thấp nhất của tín hiệu tới mà máy thu vẫn thu
được với tỉ số lỗi bit BER yêu cầu.

1.3.5 Sợi quang
Nhiệm vụ chính của sợi quang là dẫn sóng ánh sáng với một lượng suy
hao nhỏ nhất.
Trong hệ thống thông tin quang, sợi quang chính là phương tiện truyền
dẫn. Hiện tại, sợi quang đơn mode tuân theo khuyến nghị G.652 được sử dụng
nhiều nhất. Mức độ tán sắc bằng 0 nằm ở bước sóng 1310 nm, tán sắc tại bước
sóng 1550 nm rất lớn, cỡ 18 ps/nm/km. Tuy vậy, suy hao ở vùng bước sóng
1550 nm nhỏ hơn trong vùng 1310 nm và bộ khuếch đại EDFA làm việc tại
vùng bước sóng này nên người ta sử dụng sợi quang tán sắc đã dịch (DSF –
Dispersion Shifted Fiber). Sợi quang DSF tuân theo khuyến nghị G.653, có tán
sắc bằng không tại bước sóng 1550 nm, thích hợp sử dụng trong các hệ thống
WDM thông thường. Tuy nhiên do hiệu ứng trộn bốn sóng xảy ra mạnh nên nó
không được sử dụng trong các hệ thống kênh mật độ dày đặc DWDM. Trong
các hệ thống DWDM người ta sử dụng sợi NZ-DSF (Non-zero DSF), loại sợi
này có mức tán xạ thấp tại cửa sổ thứ ba. Một loại sợi mới cũng đang được phát
12


triển cho truyền dẫn WDM là sợi HDSF (Half-Dispersion – shifted Single-mode
Fiber). Loại sợi này có bước sóng cắt nhỏ hơn 1500 nm, bước sóng có tán sắc
bằng không lớn hơn 1450 nm và nhỏ hơn 1500 nm, tại bước sóng hoạt động
1560 nm thì tán sắc còn khoảng 6 đến 11 ps/nm/km.
Gần đây, tập đoàn điện tử Sumitomo của Nhật đã tuyên bố vừa phát triển
được loại sợi quang mới sử dụng cho các hệ thống WDM có tên gọi PureMetro.
Đây là sợi NZ-DSF đa chức năng, có các đặc điểm rất tốt cho cả các hệ thống
WDM đô thị và các đường trung kế. Dải bước sóng sử dụng cho truyền dẫn
DWDM trong các đường trung kế là băng C (1530 nm -1565 nm) và băng L
(1565 nm – 1625 nm) tại phía bước sóng dài. Các đặc điểm về tán sắc của sợi
PureMetro tại dải bước sóng này được xác định thận trọng để cho phép sử dụng
PureMetro trong các mạng WDM trung kế hiện có. Các ứng dụng của sợi

PureMetro đối với các thiết bị truyền dẫn hiện có cho phép truyền dẫn DWDM
với khoảng cách kênh 1 nm hoặc nhỏ hơn. Trong các mạng đô thị, truyền dẫn ở
khoảng cách ngắn và trung bình sử dụng WDM đã trở thành xu thế. Xuất phát từ
quan điểm của dải truyền dẫn và chi phí, các bộ khuếch đại quang và các sợi
quang bù tán sắc sẽ không được sử dụng nữa. Vì vậy đường truyền dẫn cần phải
có suy hao nhỏ và tán sắc nhỏ trên một dải rộng. Để đạt được những yêu cầu
này, PureMetro được thiết kế là sợi NZ-DSF đầu tiên có suy hao hấp thụ OH
thấp và có tán sắc thấp, cân bằng trong dải bước sóng từ 1280 nm đến 1625 nm.
Đây là loại sợi quang thích hợp để xây dựng các mạng WDM đô thị. Sợi quang
này có khả năng ứng dụng trong các đường trung kế khoảng cách lớn cũng như
các mạng đô thị. Người ta dự đoán sợi quang này sẽ được sử dụng rộng rãi trong
nhiều hệ thống WDM thông thường.

13


CHƯƠNG II: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN THỰC HIỆN ĐỊNH
TUYẾN TRONG HỆ THỐNG WDM
2.1 BỘ ĐỊNH TUYẾN
Các bộ định tuyến bước sóng:
Dạng thiết bị WDM quan trọng là bộ định tuyến N x N. Thiết bị này đã
tổng hợp chức năng của bộ ghép hình sao với các quá trình ghép kênh và tách
kênh. Hình 2.1 mô tả hoạt động của một bộ định tuyến bước sóng như vậy dưới
dạng sơ đồ với N = 4. Tín hiệu WDM vào từ mỗi cổng đầu vào được chia ra
thành N phần hướng về phía cổng đầu ra của bộ định tuyến. Đây là ví dụ cho
một bộ định tuyến thụ động vì việc sử dụng nó không gắn liền với phần tử tích
cực nào vốn đòi hỏi phải có năng lượng điện. Nó cũng còn được gọi là bộ định
tuyến tĩnh vì kỹ thuật định tuyến này không có khả năng tái thiết lại cấu hình
động. Mặc dù có bản chất tĩnh của nó, nhưng thiết bị WDM này vẫn có nhiều
ứng dụng trong mạng WDM.

Bộ ghép kênh N x N có thể được sử dụng như một bộ định tuyến bước
sóng. Người ta đã thiết kế cấu trúc sử dụng 2 bộ ghép hình sao N x M để sao
cho M cổng đầu ra của bộ ghép hình sao này được nối với M cổng đầu vào của
bộ ghép hình sao khác thông qua một mảng M ống dẫn sóng làm việc như một
cách tử dẫn sóng. Thiết bị như vậy được gọi là bộ định tuyến cách tử dẫn sóng
WGR (Waveguide-grating router) như được chỉ ra trong hình 2.2. Bộ ghép hình
sao N x M thứ nhất sẽ phân chia đều công suất của N kênh đầu vào cho M cổng
đầu ra. Cách tử được tạo ra từ M ống dẫn sóng sẽ tách các kênh khác nhau theo
các bước sóng của chúng. Bộ ghép hình sao N x M thứ hai sẽ phân phối các tín
hiệu đã được tách cho các cổng đầu ra. Kết quả là các tín hiệu WDM đầu vào
đến từ N nút mạng khác nhau sẽ được định tuyến tới một tập hợp khác của N
nút mạng khác, và việc phân luồng chỉ dựa vào các bưóc sóng của các kênh đầu
vào.

14


Hình 2.1. Sơ đồ bộ định tuyến bước sóng.

Hình 2.2. Thực tế bộ định tuyến cách tử dẫn sóng sử dụng 2 bộ ghép hình sao
và mảng dẫn sóng plana.
Cách tử dẫn sóng là phần tử quan trọng nhất của bộ định tuyến cách tử
dẫn sóng WGR vì nó thực hiện quá trình tách kênh. Mảng dẫn sóng được thiết
kế sao cho chênh lệch độ dài luôn không đổi từ ống dẫn sóng này đến ống dẫn
sóng tiếp theo, nhờ đó dẫn đến độ lệch pha không đổi. Do đặc tính này, mà đặc
tính truyền dẫn biên độ Tpq từ cổng đầu vào thứ p đến cổng đầu ra thứ q được
15


cho như sau:

Với np và nq là các hệ số ghép của hai bộ ghép hình sao, b là hằng số phụ thuộc
vào sự phân chia góc giữa các cổng của mảng dẫn sóng, và Pm là công suất trong
ống dẫn sóng thứ m. Rõ ràng là từ biểu thức (7-5) thấy rằng phổ truyền dẫn của
WGR là có chu kỳ. Với giá trị p cho trước, các đỉnh

tại bước sóng khác

nhau do q sẽ bị thay đổi, và thiết bị sẽ hoạt động như một bộ tách kênh 1 x N.
Do đó, WGR có thể được coi như là N bộ giải ghép kênh làm việc song song với
đặc tính sau đây. Nếu tín hiệu WDM từ cổng đầu vào đầu tiên được phân phối
cho N cổng đầu ra theo thứ tự λ1, λ2, ..., λN thì tín hiệu WDM từ cổng đầu vào
thứ hai sẽ được phân phối như sau λN, λ1 ,… λN-1 và chu kỳ tiếp theo cũng tương
tự như vậy đối với các cổng đầu vào khác. Viêc tối ưu hoá WGR nhằm giảm
xuyên kênh và tăng lớn nhất hệ số ghép đòi hỏi sự điều chỉnh chính xác nhiều
thông số thiết kế, và thiết lập một số nguyên tắc thiết kế. Ví dụ, số lượng ống
dẫn sóng làm cách tử dẫn sóng nên gần với 2N, điều đó sẽ cho phép khoảng
cách kênh tương đối nhỏ với lượng xuyên âm nhỏ nhất.
Mặc dù thiết kế phức tạp, WGR vẫn được chế tạo bằng cả hai công nghệ
silica-on- silicon và InGaAsP/InP; kết quả là có thể tạo ra thiết bị tích hợp, chắc
chắn (khoảng 1cm2). Thời gian đầu, số lượng các cổng đầu vào và đầu ra bị hạn
chế dưới 16 cổng, nhưng vào năm 1996 thì các cách tử WGR 128 x 128 có 128
cổng đầu vào và đầu ra dưới dạng mạch sóng ánh sáng hai chiều đã sẵn có.
Chúng có thể hoạt động trên các tín hiệu WDM với khoảng cách kênh nhỏ tới
0,2 nm trong khi đó mức xuyên kênh vẫn giữ được ở mức thấp hơn 16 dB. Các
WGR đều rất cần thiết cho việc định tuyến trong các mạng WDM, nhưng chúng
cũng có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác ngoài khả năng định tuyến.
16

Chúng cũng được sử dụng để làm các bộ phát và các bộ thu quang nhiều kênh,
các bộ lọc xen/rẽ có điều chỉnh, và các bộ ghép kênh xen/rẽ. Các ứng dụng của
chúng dẫn đến một kỹ thuật mới được gọi là kỹ thuật cắt lát phổ, cho phép sử
dụng LED như một nguồn đa bước sóng giá thành thấp cho các ứng dụng mạng
nội hạt. Ý tưởng cơ bản của nó khá đơn giản. Nếu đầu ra của LED được điều
chế để tạo ra một tín hiệu nối với một WGR, phổ giãn rộng của LED bị cắt
thành nhiều phần tương ứng với số lượng các cổng đầu ra WGR. Kết quả là, tín
hiệu điều chế được phân phối cho nhiều người sử dụng tại những bưóc sóng
khác nhau được xác định bằng WGR thông qua việc cắt lát phổ.
Trong thực tế, các mạng thông tin quang hiện nay hầu hết đều sử dụng
các tín hiệu quang cho việc chuyển tải thông tin giữa các nút mạng, đồng thời sử
dụng tín hiệu điện cho việc định tuyến trong các nút. Các kết nối chéo số chỉ sử
dụng tín hiệu quang như các giao diện mạng và chuyển mạch vẫn được xử lý
dưới dạng điện. Vì vậy sẽ kéo theo cả thời gian và chi phí cho việc thực hiện
một số lượng lớn các biến đổi điện/quang.
Trong tương lai, với các mạng giao thức internet IP (Internet Protocol) thì
việc bảo vệ và định tuyến quang là điều vô cùng cần thiết. Các thành phần cơ
bản của các mạng toàn quang này là các khối xen/rẽ (mà chúng có thể tách và
xen một hoặc nhiều bước sóng) và các bộ đấu chéo quang; các bộ đấu chéo này
sẽ sử dụng chuyển mạch quang nhằm cung cấp độ thông suốt về giao thức và
tốc độ bit. Trong tương lai cũng sẽ có rất nhiều các các module định tuyến
quang cho phép các hệ thống này chuyển từ giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm
thành các hệ thống thực tế.
Chuyển mạch và định tuyến hiện tại bị hạn chế bởi tốc độ xử lý của các
phần tử điện tử. Hiện nay, người ta đang phát triển một thế hệ thiết bị định
tuyến sử dụng các kỹ thuật xử lý song song nhằm mở rộng dung lượng xử lý của
các bộ định tuyến điện tử. Tuy nhiên tính khả thi của phương án này vẫn chưa
được chứng minh. Trong xu hướng thiết kế các bộ định tuyến quang dựa trên
công nghệ WDM, các nhà nghiên cứu đang quan tâm phát triển các bộ định
17

tuyến dung lượng lớn dựa trên công nghệ nội tại, ví dụ như bộ định tuyến quang
IP multi-Terabit của Alcatel. Điểm mấu chốt của công nghệ này là các thiết bị
điện tử tốc độ cao làm từ vật liệu bán dẫn nhóm III-V và Si-Ge. Sự tích hợp các
chức năng từ 2 công nghệ này có thể xây dựng nên các bộ định tuyến chuyển
mạch gói multiTerabit hoạt động tại một tốc độ mà có khả năng nâng cấp cả về
tốc độ giao diện và tổng dung lượng hệ thống.
2.2 CÁC BỘ XEN/RẼ
Các bộ ghép xen/rẽ là rất cần thiết cho các mạng WDM trong đó một hay
nhiều kênh cần được tách ra hoặc xen vào trong khi vẫn phải bảo toàn tính
nguyên vẹn của các kênh khác. Người ta có thể coi một thiết bị WDM như vậy
giống như một cặp tách kênh-ghép kênh hỗn hợp vì quy trình hoạt động của nó
đòi hỏi việc giải ghép tín hiệu WDM đầu vào, chuyển đổi nội dung dữ liệu của
một hay nhiều kênh bước sóng và rồi sau đó lại ghép chúng lại. Hình 2.3 a) mô
tả nét chung về cấu trúc của bộ ghép kênh xen/rẽ bằng sơ đồ khối. Vì một bộ
giải ghép (tách) kênh hoạt động như một bộ ghép kênh nhưng theo chiều ngược
lại, cho nên bộ ghép kênh xen/rẽ sử dụng hai bộ giải ghép kênh được bố trí một
cách hợp lý. Bất kỳ bộ tách kênh được nói đến ở phần trên đều có thể dùng để
tạo thành các bộ ghép kênh xen/rẽ. Thậm chí nó còn có thể khuếch đại tín hiệu
WDM và cân bằng các công suất kênh tại bộ ghép kênh xen/rẽ vì mỗi kênh có
thể điều khiển được một cách riêng rẽ.
Nếu như một kênh nào đó có nhu cầu tách ra và không đòi hỏi sự điều
khiển riêng rẽ, thì người ta có thể dùng một thiết bị nhiều cổng để gửi kênh này
tới một cổng trong khi toàn bộ các kênh khác được chuyển tới một cổng khác,
do đó tránh được sự cần thiết phải tách tất cả các kênh. Những thiết bị như vậy
thường được gọi là các bộ lọc xen/rẽ vì chúng lọc ra được một kênh xác định
mà không ảnh hưởng tới tín hiệu WDM. Nếu chỉ một phần nhỏ công suất kênh
được lọc ra thì thiết bị như vậy sẽ hoạt động như một “khoá quang”, vì nó bỏ
qua một lượng tín hiệu WDM không đụng tới.

18