Nghiên cứu hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Đỗ Văn Hậu

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO
BƯỚC SÓNG

Chuyên ngành :

Điện tử - Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

GS.TS. Trần Đức Hân
Hà Nội – Năm 2010

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ khoa học này chính tôi nghiên cứu và thực
hiện. Các thông tin, số liệu được sử dụng trong luận văn là hoàn toàn trung thực,
chính xác và có nguồn gốc rõ ràng.

Hà nội, ngày 28 tháng 10 năm 2010
Học viên

Đỗ Văn Hậu

ii


MỤC LỤC
Trang phụ bìa ....................................................................................................................i
Lời cam đoan....................................................................................................................ii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị...........................................................................................5
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt............................................................................9
MỞ ĐẦU........................................................................................................................11
Chương 1 - TỔNG QUAN.............................................................................................13
1.1 Hệ thống thông tin quang......................................................................................13
1.2 Hệ thống WDM.....................................................................................................16
1.2.1 Định nghĩa hệ thống WDM .............................................................................16
1.1.2 Phân loại hệ thống WDM ...............................................................................17
1.1.3 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM ...............................................................19
Chương 2 - CÁC LINH KIỆN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM VÀ NHỮNG VẤN
ĐỀ KỸ THUẬT LIÊN QUAN ......................................................................................21
2.1 Diode Laser ...........................................................................................................21
2.1.1. Tổng quan về Laser........................................................................................21
2.1.2 Cấu tạo và hoạt động của Diode Laser ..........................................................23
2.1.3 Diode Laser trong hệ thống WDM .................................................................26
2.1.3.1 Diode Laser hồi tiếp phân tán ...................................................................26
2.1.3.2 Diode Laser dùng buồng cộng hưởng ngoài.............................................28
2.1.4 Ổn định bước sóng và yêu cầu độ rộng phổ của Diode Laser .......................29
2.2 Bộ ghép/tách tín hiệu ............................................................................................31
2.2.1 Bộ lọc màng mỏng điện môi ...........................................................................31

1

2.2.2 Các thông số cơ bản của bộ ghép/tách kênh ..................................................33
2.3 Sợi quang ..............................................................................................................34
2.3.1 Tổng quan về sợi quang ..................................................................................34
2.3.2 Suy hao sợi ......................................................................................................36
2.3.3 Tán sắc trong sợi quang đơn mode.................................................................39
2.3.3.1 Tổng quan về tán sắc ................................................................................39
2.3.3.2 Tán sắc vận tốc nhóm GVD......................................................................39
2.3.3.2 Tán sắc mode phân cực PMD ...................................................................42
2.3.4 Bù tán sắc........................................................................................................45
2.3.4 Các hiệu ứng phi tuyến ...................................................................................47
2.3.4.1 Tổng quan về các hiệu ứng phi tuyến .......................................................47
2.3.4.2 Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering).........................................49
2.3.4.3 Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scattering)......................................52
2.3.4.4 Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) ..................................................55
2.3.4.5 Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation)...............................................56
2.3.4.6 Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) ......................................................56
2.3.4.7 Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến............58
2.4 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA............................................................................58
2.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi EDFA ...........58
2.4.2 Các thông số cơ bản của bộ khuếch đại quang sợi EDFA .............................60
2.4.3 Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại.........................................................62
2.5 PhotoDiode............................................................................................................63
2.5.1 Cấu tạo của PIN-PhotoDiode.........................................................................63

2


2.5.2 Nguyên lý hoạt động của PIN-PhotoDiode ....................................................64
Chương 3 - MẠNG WDM .............................................................................................66

3.1 Tổng quan .............................................................................................................66
3.2 Mạng Ring WDM .................................................................................................66
3.3 Mạng đường trục WDM........................................................................................68
3.4 Mạng WDM định tuyến bước sóng ......................................................................69
3.5 Các phần tử mạng WDM .....................................................................................71
3.5.1 Thiết bị đầu cuối OLT .....................................................................................71
3.5.2 Bộ xen rẽ quang OADM..................................................................................72
3.5.2.1 Tổng quan .................................................................................................72
3.5.2.2 Các yêu cầu đối với OADM .....................................................................74
3.5.2.3 Các cấu trúc của OADM...........................................................................75
3.5.3 Bộ kết nối chéo quang OXC............................................................................77
3.5.3.1 Tổng quan .................................................................................................77
3.5.3.2 Chức năng của OXC .................................................................................78
3.5.3.3 Các cấu trúc của OXC .............................................................................79
3.6 Sự chuyển đổi bước sóng trong mạng WDM ......................................................81
3.6 Kết hợp mạng WDM và mạng Internet ................................................................84
3.6.1 Xu hướng tích hợp IP/WDM ...........................................................................84
3.6.2 Cấu trúc mạng IP/WDM .................................................................................85
Chương 4 - MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC ĐỐI VỚI
HỆ THỐNG WDM ........................................................................................................87
4.1 Tổng quan .............................................................................................................87

3


4.2 Kết quả mô phỏng .................................................................................................89
4.2.1 Sợi quang lý tưởng không tán sắc...................................................................89
4.2.2 Sợi quang chỉ có tán sắc GVD........................................................................94
4.2.3 Sợi quang chỉ có tán sắc PMD .......................................................................96
4.2.4 Sợi quang có cả tán sắc GVD và PMD...........................................................99

KẾT LUẬN ..................................................................................................................102
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................103

4


Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang........................................................13
Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM....................................................................16
Hình 1.3 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng ....................................17
Hình 2.1 Cấu tạo cơ bản của Laser ................................................................................23
Hình 2.2 Đặc tuyến bức xạ của Diode Laser .................................................................24
Hình 2.3 Cấu trúc của một Diode Laser với buồng cộng hưởng Fabry- Perot ..............25
Hình 2.4 Cấu trúc của một Diode Laser phản hồi- phân tán..........................................27
Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động Diode Laser hồi tiếp phân tán ......................................27
Hình 2.6 Cấu trúc Diode Laser dùng buồng cộng hưởng ngoài ....................................28
Hình 2.7 a, Các mode trong Diode Laser b, Đường bao vạch phổ khi Laser hoạt động
duới mức ngưỡng c, Đường bao vạch phổ khi Laser hoạt động trên mức ngưỡng d, Phổ
phát xạ của Diode Laser.................................................................................................30
Hình 2.8 Cấu trúc bộ lọc màng mỏng điện môi .............................................................32
Hình 2.9 Hàm truyền đạt của bộ lọc điện môi màng mỏng ...........................................33
Hình 2.10 Bộ lọc quang tách bước sóng .......................................................................33
Hình 2.11 Tần số trung tâm và bước sóng tương ứng của hệ thống DWDM với khoảng
cách giữa các kênh kề nhau là 100 GHz theo khuyến nghị của ITU-T .........................34
Hình 2.12 Cấu trúc cơ bản của sợi quang ......................................................................35
Hình 2.13 Truyền ánh sáng trong sợi quang ..................................................................35
Hình 2.14 Ảnh hưởng của tán sắc ..................................................................................39

5

Hình 2.15 Một số loại tán sắc: a) Tán sắc vật liệu - chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay
đổi theo bước sóng b) Tán sắc ống dẫn sóng - hằng số truyền lan thay đổi theo tần số
góc. .................................................................................................................................41
Hình 2.16 PMD do sự không hoàn hảo của lõi sợi quang .............................................42
Hình 2.17 Tác động của PMD trên khoảng cách truyền cực đại ...................................45
Hình 2.18 Độ tán sắc của các loại sợi quang theo bước sóng........................................46
Hình 2.19 Ảnh hưởng của SRS. Năng lượng từ kênh bước sóng thấp được chuyển
sang kênh bước sóng cao hơn ........................................................................................50
Hình 2.20 Hệ số tăng ích Raman là hàm của khoảng cách kênh ...................................51
Hình 2.21 Phổ tín hiệu quang trong hệ thống WDM sử dụng 6 bước sóng khi không có
ảnh hưởng của SRS ........................................................................................................52
Hình 2.22 Phổ tín hiệu quang trong hệ thống WDM sử dụng 6 bước sóng khi có ảnh
hưởng của SRS...............................................................................................................52
Hình 2.23 Phổ tăng ích Brillouin tại bước sóng bơm λp = 1,525 µm cho: (a) sợi lõi
silic; (b) sợi vỏ nghèo; (c) sợi dịch tán sắc ....................................................................53
Hình 2.24 Ảnh hưởng của SBS khi công suất tín hiệu lớn hơn ngưỡng Brillouin ........54
Hình 2.25 Ảnh hưởng của SBS khi công suất tín hiệu nhỏ hơn ngưỡng Brillouin .......54
Hình 2.26 SPM gây ra thay đổi tín hiệu.........................................................................55
Hình 2.27 XPM gây ra sự thay đổi trong một chuỗi bit.................................................56
Hình 2.28 FWM gây biến dạng trong các hệ thống WDM:...........................................57
a) Khoảng cách kênh bằng nhau b) Khoảng cách kênh không bằng nhau. .................57
Hình 2.29 Cấu tạo bộ khuyếch đại quang sợi EDFA.....................................................59
Hình 2.30 Phổ khuếch đại của EDFA ............................................................................62
Hình 2.31 PIN-PhotoDiode: a, Cấu trúc cơ bản ; b,phân bố điện trường......................64

6


Hình 3.1 Mạng Ring WDM 2 hướng 2 sợi quang .........................................................67

Hình 3.2 Mạng Ring WDM 2 hướng 4 sợi quang .........................................................67
Hình 3.3 Cấu trúc mạng đường trục WDM ...................................................................69
Hình 3.4 Mạng WDM định tuyến bước sóng ...............................................................69
Hình 3.5 Cấu tạo của OLT .............................................................................................71
Hình 3.6 Vai trò của OADM trong mạng.......................................................................74
Hình 3.7 Cấu trúc OADM song song.............................................................................75
Hình 3.8 Cấu trúc OADM song song theo băng sóng ...................................................75
Hình 3.9 Cấu trúc OADM nối tiếp.................................................................................76
Hình 3.10 Cấu trúc OADM xen rẽ theo băng sóng........................................................76
Hình 3.11 Vị trí của OXC trong mạng WDM................................................................78
Hình 3.12 Các kiểu cấu trúc của OXC (a) Lõi chuyển mạch điện. (b) Lõi chuyển
mạch quang bao quanh bởi bộ chuyển đổi O/E/O. (c) Lõi chuyển mạch quang nối đến
các bộ chuyển đổi tín hiệu trong thiết bị WDM. (d) Lõi chuyển mạch quang nối trực
tiếp đến bộ ghép kênh bên trong OLT ...........................................................................80
Hình 3.13 Chuyển đổi bước sóng trong mạng WDM....................................................82
Hình 3.14 Các khả năng chuyển đổi bước sóng trong mạng WDM ..............................83
Hình 3.15 Xu hướng tích hợp mạng Internet và mạng WDM .......................................85
Hình 3.16 Kiến trúc tổng quát của mạng IP/WDM ......................................................86
Hình 4.1 Giao diện ban đầu của chương trình Optisystem 7.0 ......................................87
Hình 4.2 Sơ đồ bố trí linh kiện của hệ thống WDM ......................................................88
Hình 4.3 Quang phổ của kênh 1 được phát đi................................................................90
Hình 4.4 Quang phổ của kênh 1 thu được sau khi tách kênh.........................................90

7


Hình 4.5 Quang phổ sau khi ghép kênh .........................................................................91
Hình 4.6 Quang phổ ở cuối sợi quang ...........................................................................91
Hình 4.7 Dạng tín hiệu của kênh 1 được phát đi ...........................................................92
Hình 4.8 Dạng tín hiệu của kênh 1 thu được sau khi tách kênh ....................................92

Hình 4.9 Dạng tín hiệu sau khi ghép kênh.....................................................................93
Hình 4.10 Dạng tín hiệu ở cuối sợi quang .....................................................................93
Hình 4.11 Thiết lập thông số GVD ................................................................................94
Hình 4.12 Quang phổ của kênh 1 thu được sau khi tách kênh khi có GVD..................94
Hình 4.13 Quang phổ ở cuối sợi quang khi có GVD.....................................................95
Hình 4.14 Dạng tín hiệu kênh 1 sau khi tách kênh khi có GVD....................................95
Hình 4.15 Dạng tín hiệu ở cuối sợi quang khi có GVD.................................................96
Hình 4.16 Thiết lập thông số cho hiện tượng PMD.......................................................96
Hình 4.17 Quang phổ kênh 1 sau khi tách kênh khi có PMD........................................97
Hình 4.18 Quang phổ ở cuối sợi quang khi có PMD.....................................................97
Hình 4.19 Dạng tín hiệu kênh 1 sau khi tách kênh khi có PMD....................................98
Hình 4.20 Dạng tín hiệu ở cuối sợi quang khi có PMD.................................................98
Hình 4.21 Quang phổ kênh 1 sau khi tách kênh khi có GVD và PMD .........................99
Hình 4.22 Quang phổ ở cuối sợi quang khi có GVD và PMD ....................................100
Hình 4.23 Dạng tín hiệu kênh 1 sau khi tách kênh khi có GVD và PMD ...................101
Hình 4.24 Dạng tín hiệu ở cuối sợi quang khi có GVD và PMD ................................101

8


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

BER

Bit Error Ratio

Tỉ số lỗi bit

DCF

Dispersion Compensating Fiber

Sợi bù tán sắc

DCM

Dispersion Compensating Module

Module bù tán sắc

DSF

Dispersion Shifted Fiber

Sợi dịch chuyển tán sắc

WDM

Wavelength Division Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng

FWM

Four Wave Mixing

Hiệu ứng trộn bốn bước sóng

PMD

Polarization Mode Dispersion

Tán sắc mode phân cực

SBS

Stimulated Brillouin Scattering

Tán xạ do kích thích Brillouin

SRS

Stimulated Raman Scattering

Tán xạ do kích thích Raman

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SPM

Self Phase Modulation

Điều chế tự dịch pha

XPM

Cross Phase Modulation

Điều chế pha chéo

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier

Bộ khuếch đại sợi pha Ebiri

APD

Avalanche PhotoDiode

Đi ốt quang thác

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

LED

Light Emitting Diode

Đi ốt phát quang

LD

Laser Diode

Đi ốt la de

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

DEMUX

Demultiplexer

Bộ tách kênh

SMF

Single Mode Fiber

Sợi đơn mode

SSMF

Standard Single Mode Fiber

Sợi đơn mode chuẩn

ASE

Amplified Spontaneous Emission

Bức xạ tự phát được khuếch đại

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Kiểu truyền dẫn không đồng bộ

OTN

Optical Transport Network

Mạng truyền tải quang

GVD

Group Velocity Dispersion

Tán sắc vận tố nhóm

DGD

Differential Group Delay

Trễ nhóm vi sai

9


DFB

Distributed Feedback

Hồi tiếp phân tán

TFF

Thin Film Filter

Bộ lọc màng mỏng

OXC

Optical Cross Connect

Bộ kết nối chéo quang

DXC

Digital Cross Connect

Bộ kết nối chéo số

WADM

Wavelength Add/Drop Multiplexer

Bộ xen/rẽ bước sóng

OADM

Optical Add/Drop Multiplexer

Bộ xen/rẽ quang

ENNI

External Network-to-Network Interface Giao diện liên mạng

INNI

Internal Network-to-Network Interface

Giao diện nội mạng

UNI

User-to-Network Interface

Giao diện mạng - người dùng

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

Phân cấp số đồng bộ

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền bất đồng bộ

SONET

Synchronous Optical Network

Mạng quang đồng bộ

NDSF

Non-Dispersion-Shifted Fiber

Sợi không được dịch chuyển
tán sắc

NZ-DSF

Non Zero - Dipersion Shifted Fiber

Sợi dịch chuyển tán sắc khác 0

O-E-O

Optic-Electric-Optic

Quang-điện-quang

E-O-E

Electric-Optic-Electric

Điện-quang-điện

10


MỞ ĐẦU
Thế kỷ 21 là thế kỷ của công nghệ thông tin và truyền thông. Sự bùng nổ của
các loại hình dịch vụ thông tin, đặc biệt là sự phát triển nhanh chóng của Internet làm
gia tăng không ngừng nhu cầu về dung lượng mạng. Ðiều này đòi hỏi phải xây dựng
và phát triển các mạng quang mới dung lượng cao. Công nghệ ghép kênh theo bước
sóng quang (Wavelength Division Multiplexing - WDM) là một giải pháp hoàn hảo
cho phép tận dụng hữu hiệu băng thông rộng lớn của sợi quang, nâng cao rõ rệt dung
lượng truyền dẫn đồng thời hạ giá thành sản phẩm.
Ý tưởng về WDM xuất hiện vào năm 1958. Cho tới năm 1977 khi mà công
nghệ quang sợi bắt đầu có nhiều tiến bộ thì người ta mới có được giải pháp thực tế đầu
tiên. Sau đó ít lâu, vào đầu thập niên 80, các thiết bị WDM đã được thương mại hóa.
Tại Việt Nam, năm 1998 bắt đầu triển khai xây dựng tuyến cáp quang biển sử dụng kỹ
thuật WDM với dung lượng 40 Gbps nối liền các nước Đông Nam Á, Trung Đông và
Tây Âu. Đây cũng là hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (hay nói một
cách ngắn gọn là hệ thống WDM) đầu tiên tại Việt Nam. Sau đó không lâu chúng ta
tiếp tục xây đựng hệ thống WDM ứng dụng vào mạng đường trục Bắc – Nam. Cho đến

nay cả hai hệ thống đó đều hoạt động ổn định và giữ một vai trò quan trọng đối với nền
an ninh quốc gia và sự phát triển kinh tế, xã hội của đất nước.
Mặc dù các hệ thống WDM tới bây giờ không còn mới nữa, nhưng nó vẫn đang
và vẫn sẽ giữ vai trò chiến lược trong việc truyền tải thông tin từ xa, đặc biệt là ở Việt
Nam. Từ suy nghĩ đó em tập trung vào tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang trong
thong tin quang, cuốn luận văn: "Nghiên cứu hệ thống thông tin quang ghép kênh theo
bước sóng" gồm 4 chương:
¾ Chương 1: Tổng quan. Đề cập các khái niệm cơ bản và thành phần chủ yếu của
hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM).

11


¾ Chương 2: Các linh kiện cơ bản của hệ thống WDM và những vấn đề kỹ thuật
liên quan. Trình bày về các linh kiện cơ bản được sử dụng trong một hệ thống
WDM điển hình, từ đó đưa ra các nhân tố ảnh hưởng đến hệ thống thông qua
việc nghiên cứu các đặc tính và thông số kỹ thuật của các linh kiện trên.
¾ Chương 3: Mạng WDM. Tìm hiểu các cấu trúc mạng của hệ thống WDM.
¾ Chương 4: Mô phỏng ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc đối với hệ thống WDM.
Sử dụng phần mềm Optiystem 7.0 mô phỏng ảnh hưởng của hiên tượng tán sắc
đối với hệ thống WDM.
Do nội dung kiến thức của đề tài rất rộng, khả năng bản thân còn hạn chế nên
cuốn luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận
được sự chỉ bảo góp ý của các thầy cô giáo và đồng nghiệp.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS.TS. Trần Đức Hân đã tạo
mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn,
em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, bạn bè người thân - những người luôn cổ vũ động
viên giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện luận văn.

12


Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1 Hệ thống thông tin quang
Ngay từ xa xưa để thông tin cho nhau, con người đã biết sử dụng ánh sáng để
báo hiệu. Vào năm 1960, việc phát minh ra Laser để làm nguồn phát quang đã mở ra
một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải
tần số ánh sáng. Sự kiện này gây ra một sự cuốn hút đặc biệt đối với các nhà nghiên
cứu hàng đầu về thông tin trên thế giới, và tạo ra các ý tưởng tập trung tìm tòi giải pháp
sử dụng ánh sáng Laser cho thông tin quang. Đó là điểm xuất phát của sự ra đời các hệ
thống thông tin quang. Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã trở thành tuyến
truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông.
Mô hình chung của một tuyến thông tin quang như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang

Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và
phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các
mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và

13


các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên
ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu
hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối
quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một
tuyến thông tin quang hoàn chỉnh.
Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có

suy hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm. Ba
vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng
cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng. Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang,
cửa sổ thứ nhất được sử dụng. Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển
mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày
nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba.
Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng Diode phát quang (LED) hoặc
Laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông
tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của
dòng điều biến. Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng
tương tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương
ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều
biến. Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo.
Đoạn sợi quang ra (pigtail) của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được
khai thác trên tuyến.
Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo
sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng
thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng
quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa
tới. Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện. Các photoDiode PIN
(Diode có 3 tiếp giáp P-I-N - positive, intrinsic, negative) và photoDiode thác APD
(Avalanche PhotoDiode) đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các

14


hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ
chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định
bước sóng làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng
phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt. Đặc tính quan trọng

nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có
thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ
thống.
Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong
sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến. Cấu trúc
của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào
nhau. Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín
hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang. Thiết bị
phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào
đường truyền. Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay
thế một phần các thiết bị trạm lặp quang.
Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi
quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu.
Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác
nhau và phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín
hiệu từ sợi này. Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi
quang. Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế
rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao
nhỏ. Một ý tưởng hoàn toàn có lý khi cho rằng có thể truyền dẫn đồng thời nhiều tín
hiệu quang từ các nguồn quang có bước sóng phát khác nhau trên cùng một sợi quang.
Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM ra đi từ ý tưởng này.

15


1.2 Hệ thống WDM
1.2.1 Định nghĩa hệ thống WDM
Kỹ thuật 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. WDM cũng chính là ghép kênh phân chia theo tần số – FDM
(Frequency Division Multiplexing).
Một hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng được
gọi là hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng hay còn được gọi một cách
đơn giản là hệ thống WDM.
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống WDM được minh họa trong hình 1.2.

Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

Các phần tử cơ bản của hệ thống WDM bao gồm: Bộ phát tín hiệu quang, bộ
ghép tín hiệu (MUX), sợi quang, bộ tách tín hiệu (DEMUX) và bộ thu tín hiệu quang.
Các phần tử này sẽ được nghiên cứu cụ thể ở phần sau.

16


1.1.2 Phân loại hệ thống WDM
Có 3 cách để phân loại hệ thống WDM: Phân loại theo hướng truyền dẫn, phân
lọai theo phương pháp ghép kênh và phân loại theo cấu trúc hệ thống.
Phân loại hệ thống WDM theo hướng truyền dẫn
Theo cách phân loại này hệ thống WDM được chia làm 2 loại: Hệ thống đơn
hướng và hệ thống song hướng như minh hoạ trên hình 1.3. 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.

Hình 1.3 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng

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:
¾ 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.

17


¾ 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…
¾ 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 một nửa 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.
Phân loại hệ thống WDM theo phương pháp ghép kênh
Theo cách này có thể chia hệ thống WDM thành 2 loại: Hệ thống DWDM
(Dense Wavelength Division Multiplexing) và hệ thống CWDM (Coarse Wavelength
Division Multiplexing).
¾ Hệ thống DWDM ( Dense Wavelength Division Multiplexing): Là hệ thống
ghép kênh theo bước sóng với mật độ dày đặc. Khoảng cách giữa 2 bước
sóng kề nhau trong một hệ thống DWDM điển hình là 0,8 nm hay tương
đương với 100 GHz (ngoài ra cũng có các hệ thống DWDM khác với
khoảng cách giữa 2 bước sóng kề nhau là 12,5 GHz, 25 Ghz và 50 GHz).
Dải bước sóng hoạt động của hệ thống DWDM là băng C (1530 nm – 1565
nm) và băng L (1565 nm – 1625 nm). Với khoảng cách kênh là 0,8 nm thì số

kênh tối đa có thể được ghép theo lý thuyết là 119 kênh. Tốc độ điển hình
của 1 kênh trong hệ thống DWDM là 2,5 – 10 Gbps. Như vậy dung lượng
của 1 hệ thống WDM là rất lớn, có thể lên đến cỡ Tbps. Công nghệ WDM
hiện nay đã đạt được dung lượng 5,12 Tbps với 32 kênh bước sóng, mỗi
kênh có tốc độ 160 Gbps. Tuy nhiên đó chỉ là hệ thống được tạo ra trong
phòng thí nghiệm. Trên thực tế hệ thống DWDM được sử dụng rỗng rãi hiện
nay thường là mạng đường trục quốc gia và các tuyến cáp quang biển xuyên
quốc gia có thể đạt dung lượng cỡ hàng trăm Gbps. Hiện tại ở nước ta công
ty Truyền dẫn Viettel đang sử dụng hệ thống DWDM cho mạng mạng

18


đường trục Bắc - Nam với dung lượng 40 Gbps (4 kênh bước sóng, tốc độ
mỗi kênh 10 Gbps) và có thể nâng cấp lên 400 Gbps (ghép 40 bước sóng).
¾ Hệ thống CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing): Là hệ thống
ghép kênh theo bước sóng với mật độ thưa. Khoảng cách giữa 2 bước sóng
kề nhau trong một hệ thống CWDM điển hình là 20 nm. Dải bước sóng hoạt
động của hệ thống CWDM là băng O (1260 nm – 1360 nm), băng E
(1360nm – 1460 nm), băng S (1460 nm – 1530 nm), băng C (1530 nm –
1565 nm) và băng L (1565 nm – 1625 nm). Như vậy một hệ thống CWDM
điển hình chỉ có thể ghép tối đa 18 kênh bước sóng, ít hơn rất nhiều so với
hệ thống DWDM. Mặt khác tốc độ của 1 kênh đơn được sử dụng cũng khá
thấp (chỉ từ 50 Mbps – 2,5 Gbps) do vậy dung lượng của hệ thống CWDM
là rất nhỏ so với hệ thống DWDM. Tuy nhiên hệ thống CWDM lại có ưu
điểm hơn hệ thống DWDM ở chỗ sử dụng các thiết bị đơn giản hơn, công
suất tiêu thụ thấp hơn, chi phí triển khai, vận hành và mở rộng ít hơn. Do
vậy hệ thống CWDM mang lại hiệu quả kinh tế cao đối với những yêu cầu
về dung lượng không qúa lớn.
1.1.3 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM

Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đã rút ra được những ưu nhược điểm
của công nghệ WDM như sau:
Ưu điểm của hệ thống WDM:
¾ Tăng băng thông truyền trên sợi quang theo số lần tương ứng với số bước
sóng được ghép vào để truyền trên một sợi quang.
¾ Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó
có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như: Chuyển mạch kênh, ATM,
Gigabit Ethernet, IP...
¾ Khả năng mở rộng: Những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng
băng thông truyền dẫn trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu
mở rộng mạng ở nhiều cấp độ khác nhau.

19


Nhược điểm của hệ thống WDM:
¾ Số lượng kênh bước sóng được ghép vẫn còn hạn chế.
¾ Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp.
¾ Quỹ công suất quang bị giảm đi do tuyến truyền dẫn phải sử dụng các thiết
bị WDM.
¾ Do ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến nên số kênh bước sóng truyền trên
sợi là hạn chế và do đó sẽ hạn chế việc tăng dung lượng của hệ thống, nhất là
đối với các hệ thống cự ly xa.

20


Chương 2 - CÁC LINH KIỆN CƠ BẢN CỦA HỆ
THỐNG WDM VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT
LIÊN QUAN

2.1 Diode Laser
2.1.1. Tổng quan về Laser
Nguồn quang là thiết bị quan trọng nhất của bộ phát quang. Nguồn quang là linh
kiện có khả năng chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang ở dải bước sóng truyền
trong sợi quang. Có hai loại nguồn quang, đó là Diode phát xạ (LED) và Diode Laser
(LD). Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng Diode Laser .
Laser là từ viết tắt của tên gọi bằng tiếng Anh: Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation, có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích
thích". Nguyên lý hoạt động cơ bản của Laser là kết quả của 3 quá trình chủ yếu: Quá
trình hấp thụ photon, quá trình bức xạ tự phát và quá trình bức xạ kích thích.
Như đã biết, theo lý thuyết dải năng lượng của vật chất, thì thông thường các
hạt đều tồn tại ở mức cơ bản Ek vì mức này có năng lượng thấp nhất nên cũng bền
vững nhất. Chỉ cần kích thích một năng lượng nào đó, ví dụ như quang năng, điện
năng, nhiệt năng... thì các hạt ở mức cơ bản sẽ di chuyển lên mức năng lượng cao hơn,
gọi là các mức kích thích (Ei ). Các hạt chỉ tồn tại ở các mức kích thích một thời gian
rất ngắn khoảng 10-8 giây rồi nó lại dịch chuyển về các mức năng lượng thấp hơn và
phát ra ánh sáng, hay còn gọi là các photon. Photon phát ra theo định luật bảo toàn
năng lượng:
hν = Ei - Ek

(2. 1)

Từ đó tính được tần số bức xạ của ánh sáng:

21


ν = (Ei - Ek)/h

(2.2)

Trong đó h là hằng số Plank, h = 6,625.10-34 J.s = 4,16.10-15 eV.s.
Ta cũng tính được bước sóng λ của ánh sáng phát ra khi đã biết tần số ν:
λ = c/ν

(2.3)

Trong đó c là vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 299792458 m/s ≈ 3.108 m/s.
Quá trình hấp thụ là quá trình mà tại đó khi có một photon tương tác với vật
chất thì một điện tử ở mức năng lượng cơ bản Ek sẽ nhận thêm năng lượng của photon
(quang năng) và nhảy lên mức năng lượng kích thích Ei .
Bức xạ tự phát là quá trình mà các điện tử nhảy lên mức năng lượng kích thích
Ei, nhưng chúng nhanh chóng trở về mức năng lượng cơ bản Ek và phát ra photon có
năng lượng hν. Mỗi một bức xạ tự phát ta thu được một photon. Hiện tượng này xảy ra
không có sự kích thích bên ngoài nào và được gọi là quá trình bức xạ tự phát. Bức xạ
này đẳng hướng và có pha ngẫu nhiên.
Nếu có một photon có năng lượng hν tới tương tác với vật chất mà trong lúc đó
có một điện tử đang còn ở trạng thái kích thích Ei, thì điện tử này được kích thích và
ngay lập tức nó di chuyển trở về mức năng lượng cơ bản Ek và bức xạ ra một photon
khác có năng lượng cũng đúng bằng νh . Photon mới bức xạ ra này có cùng pha với
photon đi đến và được gọi là bức xạ kích thích (hay bức xạ cảm ứng).
Cấu tạo chung của một máy Laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất
Laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng là bộ phận chủ
yếu. Trên hình 2.1 là cấu tạo cơ bản của một Laser điển hình: 1 là buồng cộng hưởng
(vùng bị kích thích), 2 là nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích), 3 là
gương phản xạ toàn phần, 4 là gương bán mạ, 5 là tia Laser.

22

Hình 2.1 Cấu tạo cơ bản của Laser

Cơ chế hoạt động của Laser có thể được miêu tả như sau: Dưới sự tác động của
hiệu điện thế cao, các electron của hoạt chất Laser di chuyển từ mức năng lượng thấp
lên mức năng lương cao tạo nên trạng thái đảo nghịch mật độ của electron; ở mức năng
lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng
các hạt photon; các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử,
va phải các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh
thêm các photon cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây
chuyền khuyếch đại dòng ánh sáng; các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong
buồng cộng hưởng, nhờ các gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng; một số
photon ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu,tia sáng đi ra chính là tia
Laser.
2.1.2 Cấu tạo và hoạt động của Diode Laser
Diod Laser một loại Laser có cấu tạo tương tự như một Diode. Nó có môi
trường kích thích là chất bán dẫn dạng p-n nối tiếp của Diode. Diode Laser hoạt động
gần giống với Diode phát quang. Nó cũng được gọi là đèn Diode nội xạ và được viết
tắt là LD hay ILD.

23