Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng mọi số liệu và kết quả mô phỏng trong luận văn
“Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM” là trung thực và hoàn
toàn không trùng lặp với các đề tài khác.
Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn
này đã được cảm ơn và thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Hà Nội, tháng 4 năm 2012.

Lê Trọng Việt
Học viên cao học khóa 2010 - 2012
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Viễn thông
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

-1-

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... 1
MỤC LỤC .......................................................................................................................... 2
DANH SÁCH HÌNH VẼ .................................................................................................... 4
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ............................................................................................... 6
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................... 7

LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ PHƯƠNG
PHÁP GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM. ......................................... 10
1.1.
Lịch sử phát triển của thông tin quang.............................................................. 10
1.2.
Các đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin quang.......................................... 12
1.2.1.
Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin quang. ..................................... 12
1.2.2.
Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang. ......................................... 15
1.2.2.1. Ưu điểm. .............................................................................................. 15
1.2.2.2. Nhược điểm. ........................................................................................ 16
1.3.
Ứng dụng và xu thế phát triển........................................................................... 16
1.3.1.
Ứng dụng trong viễn thông. ...................................................................... 16
1.3.2.
Ứng dụng trong dịch vụ tổng hợp. ............................................................ 17
1.4.
Các kỹ thuật ghép kênh quang. ......................................................................... 18
1.4.1.
Kỹ thuật ghép kênh quang theo tần số. ..................................................... 19
1.4.2.
Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian. ................................................ 20
1.4.3.
Kỹ thuật ghép kênh quang theo không gian.............................................. 22
1.4.4.
Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM. ................................... 22
1.5.

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM. ..................................................... 23
1.5.1.
Định nghĩa. ................................................................................................ 23
1.5.2.
Mục đích. .................................................................................................. 23
1.5.3.
Phân loại WDM. ....................................................................................... 24
1.5.4.
Chức năng của hệ thống WDM................................................................. 25
1.5.5.
Ưu nhược điểm của công nghệ WDM. ..................................................... 27
1.5.6.
Sự phát triển của WDM trong thời gian qua. ............................................ 28
1.6.
Giới thiệu về hệ thống WDM sử dụng thiết bị Huawei của EVNTelecom. ..... 28
CHƯƠNG 2. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM. ...................... 33
2.1. Bộ chuyển đổi bước sóng OUT. ....................................................................... 33
2.1.1.
Nguyên lý hoạt động. ................................................................................ 34
2.1.2.
Phân loại và ứng dụng............................................................................... 34
2.2.
Ghép kênh quang OMUX và tách kênh quang ODMUX. ................................ 35
2.2.1.
Phương pháp ghép kênh sử dụng các bộ lọc. ............................................ 37
2.2.2.
Phương pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ. .................................. 42
2.2.2.1. Công thức cách tử. ............................................................................... 44
2.2.2.2. Các bộ tách ghép bước sóng sử dụng cách tử...................................... 46
2.2.3.

Phương pháp ghép sợi. .............................................................................. 49
2.2.3.1. Phương pháp ghép xoắn sợi................................................................. 50
2.2.3.2. Phương pháp mài ghép. ....................................................................... 50
GVHD: TS Bùi Việt Khôi

-2-

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

2.2.3.3. Nhược điểm của phương pháp ghép sợi. ............................................. 51
2.3. Các bộ khuếch đại quang. ................................................................................. 51
2.3.1.
Bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA.......................................................... 54
2.3.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động. ....................................................... 54
2.3.1.2. Ưu khuyết điểm và ứng dụng của SOA. ............................................. 55
2.3.2.
Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium (EDFA) ................................. 57
2.3.2.1. Các cấu trúc EDFA. ............................................................................ 57
2.3.2.2. Lý thuyết khuếch đại trong EDFA. ..................................................... 58
2.3.2.3. Ưu khuyết điểm của EDFA. ................................................................ 62
2.3.3.
Bộ khuếch đại quang Raman (RA)........................................................... 62
2.3.3.1. Nguyên lý hoạt động. .......................................................................... 62
2.3.3.2. Ưu khuyết điểm của khuếch đại Raman. ............................................ 64
2.4. Bộ xen rẽ kênh quang OADM. ......................................................................... 65
2.5. Các modul bù tán sắc DCM.............................................................................. 67
2.6. Các loại sợi quang sử dụng trong truyền dẫn. ................................................. 70

2.6.1.
Phân loại sợi.............................................................................................. 70
2.6.2.
Sợi quang bù tán sắc DCF. ....................................................................... 71
2.6.2.1. Nguyên lý cơ bản của bù tán sắc. ........................................................ 71
2.6.2.2. Tính năng và kết cấu của sợi bù tán sắc DCF. .................................... 72
2.6.3.
Sợi quang tán sắc bằng phẳng DFF. ......................................................... 73
CHƯƠNG 3. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG
WDM. ............................................................................................................................... 76
3.1.
Tổng quan về các hiệu ứng phi tuyến. .............................................................. 76
3.2.
Tán xạ do kích thích Raman SRS. .................................................................... 78
3.3.
Tán xạ do kích thích Brillouin SBS. ................................................................. 80
3.4.
Hiệu ứng tự điều pha SPM. ............................................................................... 81
3.5.
Hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM. ................................................................. 83
3.6.
Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM. ................................................................ 83
3.7.
Hướng khắc phục ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến. ............................... 85
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN BẰNG PHẦM MỀM
OPTISYSTEM. ................................................................................................................. 87
4.1.
Giới thiệu về phần mềm OptiSystem. ............................................................... 87
4.2.
Phần mô phỏng. ................................................................................................ 88

4.2.1.
Mô phỏng hiệu ứng tán xạ kích thích Raman. .......................................... 88
4.2.2.
Mô phỏng hiệu ứng Brillouin. .................................................................. 93
4.2.3.
Mô phỏng hiệu ứng FWM. ....................................................................... 96
KẾT LUẬN ..................................................................................................................... 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 106

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

-3-

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu hình của một hệ thống thông tin quang.
Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang.
Hình 1.3: Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hướng.
Hình 1.4: Cấu trúc đơn giản của một trạm lặp quang.
Hình 1.5: Kết nối các tổng đài bằng cáp sợi quang.
Hình 1.6: Mạng truyền hình cáp quang.
Hình 1.7: Tương quan giữa nhu cầu thoại và truyền số liệu.
Hình 1.8: Sơ đồ tuyền thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM.
Hình 1.9: Minh họa kỹ thuật OTDM.
Hình 1.10: Hệ thống WDM đơn hướng và song hướng.
Hình 1.11: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM.

Hình 1.12: Sự phát triển của các hệ thống WDM.
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống WDM.
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của OUT.
Hình 2.3: Ứng dụng của OTU.
Hình 2.4: Nguyên lý ghép/tách bước sóng.
Hình 2.5: Cấu trúc của bộ lọc điện môi giao thoa.
Hình 2.6: Cấu trúc tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa.
Hình 2.7: Cấu trúc cơ bản của một bộ tách nhiều bước sóng.
Hình 2.8: Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế.
Hình 2.9: Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn
trực tiếp vào sợi.
Hình 2.10: Thiết bị OMUX – ODMUX 4 bước sóng.
Hình 2.11: Thiết bị MUX-DEMUX 3 bước sóng.
Hình 2.12: Nguyên lý hoạt động của phương pháp sử dụng cách tử phản xạ.
Hình 2.13: Nguyên lý hoạt động của phương pháp sử dụng cách tử truyền xạ.
Hình 2.14: Tìm công thức cách tử.
Hình 2.15: Cách tử pha.
Hình 2.16 :Sơ đồ bộ ghép kênh sử dụng cách tử của Finke.
Hình 2.17: Bộ tách Littrow.
Hình 2.18: Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar và gương lòng chảo.
Hình 2.19: Cách tử lòng chảo.
Hình 2.20: Sơ đồ cấu trúc thiết bị tách kênh quang sử dụng cách tử lòng chảo.
Hình 2.21: Phương pháp nóng chảy.
Hình 2.22: Phương pháp mài ghép.
Hình 2.23: Bộ ghép kênh 4 bước sóng bằng phương pháp nóng chảy nối tiếp các
sợi đơn mode.
Hình 2.24: Cấu trúc của một trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater).
Hình 2.25: Cấu trúc của bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA.
GVHD: TS Bùi Việt Khôi

-4-

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

Hình 2.26: Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA.
Hình 2.27: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium.
Hình 2.28: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er 3+ trong sợi silica.
Hình 2.29: Phổ hấp thụ (absorption spectrum) và phổ độ lợi (gain spectrum) của
EDFA có lõi pha Ge.
Hình 2.30: Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm
980 nm và 1480nm.
Hình 2.31: Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman.
Hình 2.33: Cấu trúc chung của một bộ OADM
Hình 2.34: OADM cố định.
Hình 2.35: OADM có thể cấu hình lại.
Hình 2.36: Nguyên lý bù tán sắc của cách tử Bragg.
Hình 2.37: Tán sắc bằng phẳng của sợi quang.
Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng hiệu ứng Raman.
Hình 4.2: Phổ công suất tín hiệu tại đầu vào.
Hình 4.3: Phổ công suất tín hiệu tại đầu ra.
Hình 4.4: Ảnh hưởng của hiệu ứng Raman.
Hình 4.5: Phổ công suất tín hiệu thu và tín hiệu Stock.
Hình 4.6: Ảnh hưởng của hiệu ứng Brillouin.
Hình 4.7: Sơ đồ mô phỏng hiệu ứng FWM.
Hình 4.8: Phổ công suất tín hiệu tại đầu ra.
Hình 4.9: Tỉ lệ suy giảm công suất thay đổi theo hệ số tán sắc D.
Hình 4.10: Phổ công suất tín hiệu tại đầu ra.

Hình 4.11: Tỉ lệ suy giảm công suất thay đổi theo Δf.
Hình 4.12: Phổ công suất tín hiệu tại đầu ra.
Hình 4.13: Tỉ lệ suy giảm công suất thay đổi theo công suất đầu vào.

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

-5-

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh giữa cáp quang và cáp đồng.
Bảng 1.2. Sự phân chia các băng sóng.
Bảng 2.1: Suy hao của các modul bù tán sắc.
Bảng 4.1. Bảng tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng Raman.
Bảng 4.2. Bảng tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng Brillouin.
Bảng 4.3. Bảng tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng FWM theo hệ số tán sắc.
Bảng 4.4. Bảng tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng FWM theo Δf.
Bảng 4.5. Bảng tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng FWM theo công suất phát.

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

-6-

HV: Lê Trọng Việt

Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADM
APD
APS
ASK

Add-Drop Multiplexer
Avalanche Photo-Diode
Automatic Protection Switching
Amplitude Shift Keying

ATM

Asynchronous Transfer Mode

AWG

Arrayed-Wavegiude Grating

BA

Booser Amplifier

BER
BW
CPM
DCF
DCG

DCM
DEM

Bit Error Ratio
BandWidth
Cross Phase Modulation
Dispersion Compensated Firber
Dispersion Compensating Grating
Dispersion Compensator Module
Dispersion-Equalization Module

DFA

Doped-Fiber Amplifier

DSF

DXC
EDF

Dispersion Shifted Firber
Dense Wavelength Division
Multiplex
Digital Cross Connect
Erbium Doped Fiber

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier

FBG
FPA
FTTH
FWM
LA
LAN
MUX
NE
NL
NrREG
NRZ

Fiber-Bragg Grating
Fabry-Perot Amplifier
Fiber To The Home
Four Wave Mixing
Line Amplifier:
Local Area Network:
Multiplexer
Network Element
Non-Linear
Non-regenarative Repeater
Non Return to Zero

DWDM

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

-7-

Bộ xen/rớt kênh
Photodiode thác lũ
Chuyển mạch bảo vệ tự động
Khoá dịch biên độ
Phương thức truyền không đồng
bộ
Cách tử ống dẫn sóng ma trận
Bộ khuếch đại công suất đầu
phát
Tỉ lệ lỗi
Ðộ rộng dải thông
Ðiều chế xuyên pha
Sợi bù tán sắc
Cách tử bù tán sắc
Module bù tán sắc
Module điều chỉnh tán sắc
Bộ khuếch đại quang sợi pha
tạp chất
Sợi tán sắc dịch chuyển
Ghép kênh theo bước sóng
quang dày đặc
Bộ kết nối chéo số
Sợi quang trộn Erbium
Bộ khuếch đại quang sợi trộn
Erbium
Cách tử sợi Bragg
Bộ khuếch đại Fabry-Perot
Quang hóa đến tận nhà
Trộn bốn bước sóng
Khuếch đại quang đường truyền

Mạng nội bộ
Bộ ghép kênh
Phần tử mạng
Phi tuyến
Trạm lặp quang
Mã không trở về 0
HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

OA
OADM
ODM
OFA
OLT
OM
OMS
OPM
OSC
OSNR

Optical Amplifier
Optical Add-Drop Multiplexer
Optical Demultiplexer
Optical Fiber Amplifier
Optical Line Terminal
Optical Multiplexer
Optical Multiplex Section
Optical Performance Monitor

Optical Supervision Channel
Optical Signal to Noise Ratio

OTDM

Optical Time Division Multiplex

OTS
OTU
OXC
PA
PDH
PIN
PLL
PMD
PSK
RA
RL
SBS
SCM
SDH
SNR
SOA
SONET
SPM
SPR
SRS
STM
TDM
TE

WDM
XPC

Optical Transmission Section
Optical Transmit Unit
Optical Cross-Connect
Pre_Amplifier
Plesiochrounous Digital Hierachy
Positive Intrinsic Nagative
Phase - Locked Loop
Polarization Mode Dispersion
Phase Shift Keying
Raman Amplifier
Reflectance/Return Loss
Stimulated Brillouin Scattering
SubCarrier Modulation
Synchronous Digital Hierachy
Signal to Noise Ratio
Semiconductor Optical Amplifier
Synchronous Optical Network
Self Phase Modulation
Shared Protection Ring
Stimulated Ramam Scattering
Synchronous Transport Module
Time Division Multiplexing
Terminal Equipment
Wavelength Division Multiplexing
Cross Phase Modulation

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

-8-

Bộ khuếch đại quang
Bộ xen/rớt kênh quang
Bộ tách bước sóng quang
Bộ khuếch đại quang sợi
Bộ kết cuối đường quang
Bộ ghép bước sóng quang
Lớp đoạn ghép kênh quang
Thiết bị giám sát mạng quang
Kênh giám sát quang
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm quang
Ghép kênh quang phân chia thời
gian
Ðoạn truyền dẫn quang
Bộ chuyển phát quang
Bộ kết nối chéo quang
Bộ tiền khuếch đại
Phân cấp số cận đồng bộ
Điốt PIN
Vòng khoá pha
Tán sắc mode phân cực
Khoá dịch pha
Bộ khuếch đại Raman
Suy hao phản hồi
Tán xạ do kích thích Brillouin
Ðiều chế sóng mang phụ
Phân cấp số đồng bộ
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

Bộ khuếch đại quang bán dẫn
Mạng quang đồng bộ
Tự điều pha
Vòng bảo vệ chia sẽ
Tán xạ do bị kích thích Raman
Môdun truyền tải đồng bộ
Ghép kênh theo thời gian
Thiết bị đầu cuối
Ghép kênh theo bước sóng
Ðiều chế xuyên pha

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, các hệ thống thông tin quang đã chiếm lĩnh hầu hết các tuyến
truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông và được coi là phương thức truyền
dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển, xuyên lục địa và được sử dụng như
phương thức truyền dẫn chính. Để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do sự bùng nổ
thông tin trong xã hội, đặc biệt là sự phát triển của các dịch vụ băng thông rộng,
mạng truyền dẫn đòi hỏi phải có sự phát triển mạnh cả về quy mô và trình độ công
nghệ nhằm tạo ra các cấu trúc mạng bao gồm các hệ thống truyền dẫn quang hiện
đại. Các hệ thống thông tin quang trong thời gian tới phải đảm bảo có tốc độ cao,
cự ly xa, có cấu trúc hệ thống linh hoạt, độ tin cậy cao…
Trong các hệ thống thông tin trước đây sử dụng phương pháp truyền dẫn
truyền thống SDH, một sợi quang chỉ truyền dẫn một bước sóng với một nguồn
phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu. Với một hệ thống
như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông

mà các sợi quang có thể truyền dẫn. Nếu muốn tăng dung lượng của hệ thống thì
phải thêm sợi quang. Thực tế cho thấy, khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức
nào đó sẽ xuất hiện các hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ
cũng như kéo dài cự ly truyền dẫn. Khi tốc độ đạt tới hàng trục Gbit/s, bản thân
các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được các xung điện cực kỳ hẹp,
thêm vào đó chi phí cho các giải pháp trên tuyến truyền dẫn trở nên khá tốn kém.
Do đó, các kỹ thuật ghép kênh quang như OTDM, OFDM, SCM, WDM đã ra đời
nhằm khắc phục được các hạn chế trên. Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược
điểm riêng. Trong đó nổi trội hơn cả là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước
sóng - WDM, và WDM đã mở ra hướng phát triển mới cho mạng viễn thông.

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

-9-

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG
TIN QUANG VÀ PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH
QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM.
1.1.

Lịch sử phát triển của thông tin quang.
Việc thông tin liên lạc bằng ánh sáng đã sớm xuất hiện trong sự phát triển

của xã hội loài người khi con người đã biết cách liên lạc với nhau bằng cách ra dấu
(Hand signal). Liên lạc bằng cách ra dấu cũng là một dạng của thông tin quang:

bởi vì không thể ra dấu trong bóng tối. Ban ngày, mặt trời là nguồn ánh sáng cho
hệ thống này (hệ thống “Hand signal”). Thông tin quang được mang từ người gửi
đến người nhận dựa trên bức xạ mặt trời. Mắt là thiết bị thu thông điệp này, và bộ
lão xử lý thông điệp này. Thông tin truyền theo kiểu này rất chậm, khoảng cách
lan truyền có giới hạn, và lỗi rất lớn.
Một hệ thống thông tin quang sau đó, có thể có đường truyền dài hơn, là tín
hiệu khói (Smoke signal). Thông điệp được gửi đi bằng cách thay đổi dạng khói
phát ra từ lửa. Mẫu khói này một lần nữa được mang đến phía thu bằng ánh sáng
mặt trời. Hệ thống này đòi hỏi một phương pháp mã hóa phải được đặt ra, mà
người gửi và người nhận thông điệp phải được học nó. Điều này có thể so sánh với
hệ thống mã xung (Pulse codes) sử dụng trong hệ thống số (digital system) hiện
đại.
Trải qua một thời gian dài từ khi con người sử dụng ánh sáng mặt trời để
làm thông tin liên lạc đến nay, lịch sử của thông tin quang đã qua những bước phát
triển và hoàn thiện có thể tóm tắt bằng các mốc chính sau:
•

Năm 1775: Paul Reverse đã sử dụng ánh sáng để báo hiệu quân đội Anh từ
Boston sắp kéo tới.

•

Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện
báo quang (optical telegraph). Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 10 -

HV: Lê Trọng Việt

Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

đèn báo hiệu trên đó. Thời đó, tin tức truyền đi với tín hiệu này vượt chặng
đường 200 km trong 15 phút.
•

Năm 1854: John Tyndall, nhà vật lý tự nhiên người Anh, đã thực hiện thành
công một thí nghiệm đáng chú ý nhất là ánh sáng có thể truyền qua một môi
trường điện môi trong suốt.

•

Năm 1870: cũng là John Tyndall đã chứng minh rằng ánh sáng có thể dẫn
được theo một vòi nước uốn cong dựa trên nguyên lý phản xạ toàn phần.

•

Năm 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ, đã phát minh ra hệ thống
thông tin ánh sáng, đó là hệ thống photophone. Ông đã sử dụng ánh sáng mặt
trời từ một gương phẳng mỏng đã điều chế tiếng nói để mang tiếng nói đi. Ở
máy thu, ánh sáng mặt trời đã điều chế đập vào tế bào quang dẫn làm bằng
selen, nó sẽ biến đổi tín hiệu ánh sáng thành dòng điện. Bộ thu máy điện thoại
hoàn tất hệ thống này. Hệ thống photophone chưa bao giờ đạt được thành công
trên thương mại, mặc dù nó đã làm việc tốt hơn, do nguồn nhiễu quá lớn làm
giảm chất lượng đường truyền.

•

Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về
hệ thống thông tin quang. Phương tiện truyền dẫn của ông là thanh thủy tinh.

•

Vào những năm 1950: Brian O’Brien, Harry Hopkins và Nariorger Kapany đã
phát triển sợi quang có hai lớp, bao gồm lớp lõi (Core) bên trong (ánh sáng lan
truyền trong lớp này) và lớp vỏ bọc (Cladding) bao xung quanh bên ngoài lớp
lõi, nhằm giữ ánh sáng ở trong lõi. Sợi này sau đó được các nhà khoa học trên
phát triển thành Fiberscope uốn cong (một loại kính sợi bằng sợi quang), một
thiết bị có khả năng truyền một hình ảnh từ đầu sợi đến cuối sợi. Tính uốn
cong của fiberscope cho phép ta quan sát một vùng mà ta không thể xem một
cách bình thường được. Đến nay, hệ thống fiberscope vẫn còn được sử dụng
rộng rãi, đặc biệt trong ngành y dùng để soi bên trong cơ thể con người.

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 11 -

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

•

Vào năm 1958: Charles H.Townes đã phát minh ra thiết bị phát Laser cho
phép tăng cường và tập trung nguồn sáng để phát vào sợi quang.

•

Năm 1960: Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công, làm tăng
dung lượng hệ thống thông tin quang rất cao.

•

Năm 1966: Charles K.Kao và George Hockham thuộc phòng thí nghiệm
Standard Telecommunication của Anh thực hiện nhiều thí nghiệm để chứng
minh rằng nếu thủy tinh được chế tạo trong suốt hơn bằng cách giảm tạp chất
trong thủy tinh thì sự suy hao ánh sáng sẽ được giảm tối thiểu. Và nếu sợi
quang được chế tạo đủ tinh khiết thì ánh sáng có thể truyền đi xa nhiều Km.

•

Năm 1967: suy hao sợi quang đo được là α ≈ 1000 dB/km.

•

Năm 1970: hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi SI có suy
hao α < 20 dB/km ở bước sóng λ = 633 nm.

•

Năm 1972: loại sợi GI được chế tạo với suy hao α ≈ 4 dB/km.

•

Năm 1983: sợi SM (Single mode) được sản xuất ở Mỹ.

•

Năm 1988: Công ty NEC thiết lập một mạng đường dài mới có tốc độ 10
Gbit/s trên chiều dài 80,1 km dùng sợi dịch tán sắc và laser hồi tiếp phân bố.

•

Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/km ở bước sóng 1550 nm, và có
những loại sợi đặc biệt có suy hao thấp hơn giá trị này rất nhiều.

1.2. Các đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin quang.
1.2.1. Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin quang.
Hình 1.1 biểu thị cấu hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang. Nói
chung, tín hiệu từ máy điện thoại, từ các thiết bị đầu cuối, số liệu hoặc fax được
đưa đến bộ chuyển đổi điện/quang E/O để chuyển thành tín hiệu quang, sau đó tín
hiệu quang được đưa vào cáp quang. Khi truyền qua sợi quang, công suất tín hiệu
(ánh sáng) bị suy yếu dần và dạng sóng bị rộng ra. Khi truyền tới đầu bên kia của
sợi quang, tín hiệu này được đưa đến bộ chuyển đổi quang/điện O/E để tạo lại

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 12 -

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

dạng tín hiệu điện, khôi phục lại dạng tín hiệu nguyên dạng như ban đầu mà máy
điện thoại, số liệu và fax gửi đi.

Hình 1.1: Cấu hình của một hệ thống thông tin quang.
Như vậy, cấu trúc đơn giản của một hệ thống thông tin quang có thể được
mô tả đơn giản như hình 1.2 gồm:
•

Bộ phát quang

•

Bộ thu quang

•

Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang.

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang.
Trên hình 1.2 mới chỉ minh họa tuyến truyền dẫn quang liên lạc theo một
hướng. Hình 1.3 minh họa tuyến truyền dẫn quang liên lạc theo hai hướng.

Hình 1.3: Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hướng.
Như vậy để thực hiện truyền dẫn giữa hai điểm cần phải có hai sợi quang.
GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 13 -

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

Nếu cự ly thông tin quá dài thì trên tuyến có thể có nhiều trạm lặp
(Repeater). Cấu trúc đơn giản của một trạm lặp (cho một hướng truyền dẫn) được
minh họa như hình 1.4.

•

Hình 1.4: Cấu trúc đơn giản của một trạm lặp quang.
Khối E/O: bộ phát quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện đưa đến, biến tín
hiệu điện đó thành tín hiệu quang, và đưa tín hiệu quang này lên đường truyền
(sợi quang). Đó là chức năng chính của khối E/O ở bộ phát quang. Thường
người ta gọi khối E/O là nguồn quang. Hiện nay linh kiện được sử dụng làm
nguồn quang là LED và LASER.

•

Khối O/E: khi tín hiệu quang truyền đến đầu thu, tín hiệu quang này sẽ được
thu nhận và biến trở lại thành tín hiệu điện như ở đầu phát. Đó là chức năng
của khối O/E ở bộ thu quang. Các linh kiện hiện nay được sử dụng cho chức
năng này là PIN và APD, và chúng thường được gọi là các linh kiện tách sóng
quang (photo – detector).

•

Trạm lặp: khi truyền trên sợi quang, công suất tín hiệu quang bị suy yếu dần
(do sợi quang có độ suy hao). Nếu cự ly thông tin quá dài thì tín hiệu quang
này có thể không đến được đầu thu hoặc đến đầu thu với công suất còn rất
thấp nên đầu thu không thể nhận biết được, lúc này ta phải sử dụng các trạm
lặp (hay còn gọi là trạm tiếp vận). Chức năng chính của trạm lặp là thu nhận
tín hiệu quang đã suy yếu, tái tạo chúng trở lại thành tín hiệu điện. Sau đó sửa
dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín hiệu đã sửa dạng, chuyển đổi tín hiệu đã

khuếch đại thành tín hiệu quang. Và cuối cùng đưa tín hiệu quang này lên
đường truyền để truyền tiếp đến đầu thu. Như vậy, tín hiệu ở ngõ vào và ngõ
ra của trạm lặp đều ở dạng quang, và trong trạm lặp có cả khối O/E và E/O.

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 14 -

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

1.2.2. Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang.
1.2.2.1. Ưu điểm.
• Suy hao thấp: Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền dài hơn. Nếu so
sánh với cáp đồng trong một mạng, khoảng cách lớn nhất đối với cáp đồng
được khuyến cáo là 100 m, thì đối với cáp quang khoảng cách đó là 2000 m.
Một nhược điểm cơ bản của cáp đồng là suy hao tăng theo tần số của tín hiệu.
Điều này có nghĩa là tốc độ của dữ liệu cao dẫn đến tăng suy hao công suất và
giảm khoảng cách lan truyền thực tế. Đối với cáp quang thì suy hao không
thay đổi theo tần số của tín hiệu.
•

Dải thông rộng: Sợi quang có băng thông rộng cho phép thiết lập một hệ
thống truyền dẫn số tốc độ cao. Hiện nay, băng tần của sợi quang có thể lên
đến hàng THz.

•

Trọng lượng nhẹ: Trọng lượng của cáp quang nhỏ hơn so với cáp đồng. Một
cáp quang có hai sợi quang nhẹ hơn 20% đến 50% cáp đồng Category 5 có 4
đôi. Cáp quang có trọng lượng nhẹ hơn nên cho phép lắp đặt dễ dàng hơn.

•

Kích thước nhỏ: Cáp sợi quang có kích thước nhỏ sẽ dễ dàng cho việc thiết
kế mạng chật hẹp về không gian lắp đặt cáp.

•

Không bị can nhiễu bởi sóng điện từ và điện công nghiệp.

•

Tính an toàn: Vì sợi quang là một chất điện môi nên nó không dẫn điện.

•

Tính bảo mật: Sợi quang rất khó trích tín hiệu. Vì nó không bức xạ năng
lượng điện từ nên không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương
tiện điện thông thường như sự dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất
khó trích lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang.

•

Tính linh hoạt: Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các
dạng thông tin số liệu, thoại và video.

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 15 -

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

Bảng 1.1. So sánh giữa cáp quang và cáp đồng.

1.2.2.2. Nhược điểm.
• Vấn đề biến đổi điện – quang: Trước khi đưa một tín hiệu thông tin dạng
điện vào sợi quang, tín hiệu đó phải được biến đổi thành sóng anh sáng.
•

Dòn, dễ gẫy: Sợi quang sử dụng trong viễn thông được chế tạo từ thủy tinh
nên dòn và dễ gẫy. Hơn nữa kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối gặp nhiều
khó khăn. Muốn hàn nối cần có thiết bị chuyên dụng.

•

Vấn đề sửa chữa: Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật
viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp.

•

Vấn đề an toàn lao động: Khi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọ
kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh
thủy tinh trong cơ thể. Ngoài ra, không được nhìn trực diện đầu sợi quang, hay
các khớp nối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi chiếu trực tiếp

vào mắt. Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng
ngoại, mắt người không cảm nhận được nên không thể điều tiết khi có nguồn
năng lượng này, và sẽ gây nguy hại cho mắt.

1.3. Ứng dụng và xu thế phát triển.
1.3.1. Ứng dụng trong viễn thông.
• Mạng đường trục quốc gia.
•

Đường trung kế.

•

Đường cáp biển liên quốc gia.

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 16 -

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

1.3.2. Ứng dụng trong dịch vụ tổng hợp.
• Truyền số liệu.
•

Truyền hình cáp.

Dưới đây là minh họa một vài ứng dụng sử dụng cáp sợi quang.
Cáp sợi quang hiện nay được sử dụng cho rất nhiều ứng dụng khác nhau.
Chẳng hạn, nhiều công ty điện thoại đang sử dụng các tuyến cáp quang để truyền
thông giữa các tổng đài, qua các thành phố, qua các nước khác nhau và qua những
tuyến dài trên biển (xem hình 1.5). Hiện nay ở một số nước đã có kế hoạch mở
rộng cáp quang đến các hộ gia đình để cung cấp các dịch vụ videophone, IPTV
chất lượng cao.

Hình 1.5: Kết nối các tổng đài bằng cáp sợi quang.
Các công ty truyền hình cáp đã và đang triển khai các đường cáp quang để
truyền tải những tín hiệu chất lượng cao từ trung tâm đến các vị trí trung chuyển
phân bố xung quanh các thành phố (hình 1.6). Sợi quang nâng cao được chất
lượng của các tín hiệu truyền hình và làm tăng số kênh khả dụng. Trong tương lai
cáp quang có thể được nối trực tiếp đến các hộ gia đình để cung cấp nhiều dịch vụ
mới cho người sử dụng. Những dịch vụ dựa trên cáp quang như truyền hình tương
tác, giao dịch ngân hàng tại gia, hay làm việc từ một hệ thống văn phòng tại gia đã
được đưa vào kế hoạch sử dụng trong tương lai.

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 17 -

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

Hình 1.6: Mạng truyền hình cáp quang.
Sợi quang là phương tiện lý tưởng cho truyền số liệu tốc độ cao. Tín hiệu
không bị méo bởi nhiễu từ môi xung quanh. Tính cách điện của sợi quang tạo ra

một giao tiếp an toàn giữa các máy tính, các thiết bị đầu cuối, và các trạm lặp làm
việc. Rất nhiều trung tâm máy tính đang sử dụng cáp sợi quang để cung cấp các
đường truyền số liệu tốc độ cao ở các mạng LAN.
1.4.

Các kỹ thuật ghép kênh quang.
Với sự phát triển nhanh chóng của các mô hình truyền số liệu, đặc biệt là

Internet đã làm bùng nổ nhu cầu tăng băng thông (xem hình 1.7). Trong bối cảnh
IP (Internet Protocol) đang nổi lên như là nền tảng chung của mọi loại hình dịch
vụ trong tương lai, các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn buộc phải xem xét lại
phương thức truyền dẫn TDM truyền thống, vốn tối ưu cho truyền thoại nhưng lại
kém hiệu quả trong việc tận dụng băng thông.
Tóm lại, ta cần phải giải quyết bài toán tăng băng thông cho viễn thông
tương lai. Các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt đầu xét đến các phương thức
truyền dẫn sau:

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 18 -

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

Hình 1.7: Tương quan giữa nhu cầu thoại và truyền số liệu.
1.4.1. Kỹ thuật ghép kênh quang theo tần số.
Như đã biết, ghép kênh là một biện pháp nhằm tập hợp một số kênh thông
tin lại thành một kênh chung mang lượng thông tin lớn hơn. Một kỹ thuật dùng để

thông tin bằng ánh sáng là ghép kênh tần số. Trong OFDM, băng tần của sóng ánh
sáng được phân chia thành một số kênh thông tin riêng biệt, mà ở đây các kênh có
tần số quang khác nhau sẽ được biến đổi thành các luồng song song để cùng
truyền đồng thời trên một sợi quang. Các sóng ánh sáng có tiềm năng thông tin rất
lớn và nó có tần số rất lớn tới hơn 200000 GHz. Hơn nữa, sợi quang vốn có suy
hao rất nhỏ ở dải bước sóng từ 0,8 - 1,8 µm, cũng tương đương với băng tần
200000 GHz. Vì thế, một số lượng lớn các kênh quang FDM sẽ được truyền trên
sợi, và mỗi kênh quang riêng biệt có thể có một băng tần đủ rộng. Chẳng hạn, trên
sợi dẫn quang tồn tại vùng có suy hao nhỏ nằm trong khoảng 1,5 - 1,6 µm. Vùng
này có băng tần là 12000 GHz và như vậy có thể ghép tới hơn 1000 kênh quang để
mang thông tin cần truyền. Vì vậy có thể thiết lập được tốc độ truyền dẫn trên sợi
quang khoảng 1 Tbit/s nhờ OFDM.
Mặc dù công nghệ OFDM hiện nay mới chỉ ở mức triển khai thực nghiệm,
nhưng người ta đã tiến hành ghép hệ thống lên tới 100 kênh quang. Mặt khác, với
công nghệ cáp sợi quang phát triển, các cáp có thể có tới 100 sợi đã làm cho hệ
thống thông tin quang ghép kênh theo tần số không cần phải đạt hiệu suất sử dụng
cao với mức khó thực hiện được như ở ghép kênh FDM đối với các hệ thống vô
GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 19 -

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

tuyến. Về thực chất, OFDM đã khai thác khả năng băng tần rất lớn của sợi quang
bằng cách ghép các kênh ở các bước sóng khác nhau vào thành một luồng thông
tin lớn. Như vậy, OFDM là chung cho ghép kênh theo bước sóng. OFDM và
WDM cho phép chúng ta tăng dung lượng kênh mà lại vượt qua được giới hạn của

tán sắc sợi dẫn quang. OFDM sẽ đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông
tin quang hiện tại và tương lai, nó là yếu tố quyết định thúc đẩy mục tiêu thực hiện
quang hoá hoàn toàn.
1.4.2. Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian.
Trước sự phát triển của mạng viễn thông, vấn đề đặt ra là phải xây dựng
một hệ thống truyền tốc độ cao trên nền sợi quang. Tuy nhiên, để có được thiết bị
hoạt động ở tốc độ cao, công nghệ điện tử - thông tin phải sản xuất được các Chip
điện tử có khả năng đáp ứng được tốc độ chuyển mạch cao hoặc làm việc ở môi
trường có băng tần rộng. Cho đến nay, các thiết bị này đều đã được sản xuất và sẵn
có trên thị trường và thoả mãn được tốc độ 10-20 Gbit/s được dùng cho các thiết bị
phát và thu quang làm việc ở băng tần cao, mặt khác nó thoả mãn được các thiết bị
ghép và tách kênh.
Để tiếp tục tăng tốc độ bit lên 40 Gbit/s hoặc hơn nữa cho đến nay là rất
khó vì vẫn phải dựa vào nền tảng cấu trúc công nghệ hỗn hợp InP. Vì vậy, kỹ thuật
OTDM có thể khắc phục được hạn chế này, quá trình ghép các luồng tín hiệu
quang thành các luồng tín hiệu có tốc độ cao hơn không qua một quá trình biến đổi
điện nào. OTDM hứa hẹn có nhiều khả năng thành công và tiến nhanh hơn bất kỳ
một sản phẩm ghép kênh điện nào, vì nó sử dụng các kỹ thuật xử lý quang tiên
tiến.

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 20 -

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

Hình 1.8: Sơ đồ tuyền thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM.

Hình 1.9: Minh họa kỹ thuật OTDM.
Trong hình vẽ 1.8 mô tả hoạt động của một hệ thống truyền dẫn quang sử
dụng kỹ thuật OTDM. Trong OTDM, chuỗi xung quang hẹp phát ra từ nguồn phát
thích hợp. Các tín hiệu này được đưa vào khuếch đại để nâng mức tín hiệu đủ lớn
nhằm đáp ứng yêu cầu. Sau đó, chia thành N luồng, mỗi luồng đưa vào điều chế
nhờ các bộ điều chế ngoài với tín hiệu nhánh B Gbit/s. Để thực hiện ghép các tín
hiệu quang này với nhau, các tín hiệu nhánh phải đưa qua bộ trễ quang. Tuỳ theo
vị trí từng kênh theo thời gian trong khung mà các bộ trễ này sẽ thực hiện trễ dịch
các khe thời gian quang một cách tương ứng. Thời gian trễ là một nửa tín hiệu
Clock. Như vậy, tín hiệu quang sau khi ghép sẽ có tốc độ là NxB Gbit/s. Sau khi
truyền tải trên đường truyền, thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ thực hiện tách kênh,
khôi phục xung Clock và đưa ra từng kênh quang riêng tương ứng với các kênh
quang ở đầu vào bộ ghép phía phát. Các hệ thống OTDM thường hoạt động ở
vùng bước sóng 1550 nm, tại vùng bước sóng này, như đã biết có suy hao sợi
quang nhỏ nhất, lại phù hợp với bộ khuếch đại quang sợi trong hệ thống. Các bộ

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 21 -

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

khuếch đại quang sợi có chức năng duy trì quỹ công suất của hệ thống nhằm đảm
bảo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (S/N) ở phía thu quang. Nguyên lý hoạt động này có
thể đáp ứng xây dựng các hệ thống thông tin quang với tốc độ 200 Gbit/s. Tuy
nhiên, ở tốc độ này cần phải xem xét tới vấn đề bù tán sắc cho hệ thống.

1.4.3. Kỹ thuật ghép kênh quang theo không gian.
Đây là một kỹ thuật đơn giản, không cần sự phát triển của công nghệ, chỉ
đơn thuần là tăng số lượng sợi quang, tốc độ truyền dẫn vẫn giữ nguyên. Ta có thể
chọn kỹ thuật ghép kênh theo không gian nếu trên tuyến truyền dẫn cần tăng băng
thông đã có sẵn số lượng sợi quang chưa dùng và khoảng cách tuyến truyền dẫn là
đủ ngắn để không phải sử dụng các bộ lặp, bộ khuếch đại. Nếu khoảng cách là xa,
khi đó chi phí sẽ tăng vọt do mỗi hệ thống lắp thêm đều cần một số lượng bộ lặp,
bộ khuếch đại … như hệ thống cũ.
1.4.4. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM.
Ghép thêm nhiều bước sóng để có thể truyền trên một sợi quang, không
cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng. Công nghệ WDM có thể mang
đến giải pháp hoàn thiện nhất trong điều kiện công nghệ hiện tại. Thứ nhất nó
vẫn giữ tốc độ xử lý của các linh kiện điện tử ở mức 10 Gbps, bảo đảm thích
hợp với sợi quang hiện tại. Thay vào đó, công nghệ WDM tăng băng thông
bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sóng
1260 nm đến 1675 nm. Khoảng bước sóng này được chia làm nhiều băng sóng
hoạt động như minh hoạ trên bảng 1.2. Thoạt tiên, hệ thống WDM hoạt động ở
băng C (do EDFA hoạt động trong khoảng băng sóng này). Về sau, EDFA có
khả năng hoạt động ở cả băng C và băng L nên hệ thống WDM hiện tại dùng
EDFA có thể hoạt động ở cả băng C và băng L. Nếu theo chuẩn ITU-T, xét
khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 Ghz (đảm bảo khả năng chống
xuyên nhiễu kênh trong điều kiện công nghệ hiện tại), sẽ có 32 kênh bước sóng
hoạt động trên mỗi băng. Như vậy nếu vẫn giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 22 -

HV: Lê Trọng Việt

Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

truyền, dùng công nghệ WDM cũng đủ làm tăng băng thông truyền trên một sợi
quang lên 64 lần.
Bảng 1.2. Sự phân chia các băng sóng.
Băng sóng

Mô tả

Bước sóng (nm)

Băng O

Original

1260 đến 1360

Băng E

Extended

1360 đến 1460

Băng S

Short

1460 đến 1530

Băng C

Conventional

1530 đến 1565

Băng L

Long

1565 đến 1625

Băng U

Ultra-long

1625 đến 1675

1.5. Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM.
1.5.1. Định nghĩa.
Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là
công nghệ “trong một sợi quang truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang với
nhiều bước sóng khác nhau”. Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác
nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín
hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa
vào các đầu cuối khác nhau.
1.5.2. Mục đích.
Sử dụng công nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn rất
lớn của sợi quang bằng cách truyền đồng thời nhiều kênh bước sóng trên cùng một
sợi quang. Tuy nhiên, để tránh hiện tượng nhiễu xuyên kênh, giữa các kênh phải

có khoảng cách nhất định. Qua nghiên cứu, ITU-T đã đưa ra cụ thể các kênh bước
sóng và khoảng cách giữa các kênh này có thể lựa chọn ở các cấp độ 200GHz,
100GHz, 50GHz.

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 23 -

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

1.5.3. Phân loại WDM.
Hệ thống WDM về cơ bản chia làm 2 loại: hệ thống đơn hướng và song
hướng như minh hoạ trên hình 1.10. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một
chiều trên sợi quang. Do vậy, để truyền thông tin giữa 2 điểm cần 2 sợi quang. Hệ
thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ
cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm.
Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ
hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống
ta thấy:
•

Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao
gấp đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi
so với hệ thống song hướng.

•

Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển
mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection Switching) vì cả hai đầu của
liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố ngay lập tức.

•

Về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải
xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên
một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều
trên sợi quang không dùng chung một bước sóng…
Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp

hơn trong hệ thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ
thống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ
khuyếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng.

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 24 -

HV: Lê Trọng Việt


Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

λ1, λ2, λ3,…,

Tx1
Tx2

Rx2

Tách tín hiệu

Thu tín hiệu

MUX
EDFA

Tx2
Phát tín hiệu

Rx1

DEMUX
EDFA

λ1, λ2, λ3,…,

Rx2

Ghép tín hiệu

Hệ thống WDM đơn hướng
Tx1
Tx2

Rx1

λ1, λ2, λ3,…,

DEMUX

MUX
EDFA

λ1, λ2, λ3,…,

Rx2

EDFA

Tx2
Phát tín hiệu

Rx2
Ghép tín hiệu

Hệ thống WDM song hướng

Tách tín hiệu

Thu tín hiệu

Hình 1.10: Hệ thống WDM đơn hướng và song hướng.
1.5.4. Chức năng của hệ thống WDM.
Tx1
Tx2

Rx1

DEMUX

MUX
EDFA

Tx2

Truyền tín hiệu trên
sợi quang

Khuếch đại tín hiệu

EDFA

Khuếch đại tín hiệu

Phát tín hiệu Ghép tín hiệu

Rx2

Rx2
Tách tín hiệu

Thu tín hiệu

Hình 1.11: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM.
Như minh họa trên hình 1.11, để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước
sóng trên một sợi quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau:
•

Phát tín hiệu: hệ thống WDM sử dụng nguồn phát quang là laser. Hiện nay, đã
có một số loại nguồn phát như: laser điều chỉnh được bước sóng (tunable
laser), laser đa bước sóng (multiwavelength laser)... Yêu cầu đối với nguồn
phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức công suất

GVHD: TS Bùi Việt Khôi

- 25 -

HV: Lê Trọng Việt