Nghiên cứu phần mềm optisystem xây dựng hệ thống thông tin quang WDM

MỤC LỤC
MỤC LỤC ...........................................................................................................................
1

Danh

mục

hình

vẽ ............................................................................................................... 4 LỜI NÓI
ĐẦU ..................................................................................................................... 7
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM ............ 8
1.1. Giới thiệu chung .................................................................................................... 8
1.2. Sơ đồ khối tổng quát ............................................................................................. 8
1.3

Phân loại hệ thống WDM ..................................................................................... 9

1.4

Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM ....................................................... 10

1.4.1

Bộ phát quang ................................................................................................ 10

1.4.2

Bộ thu quang .................................................................................................. 12

1.4.3 Sợi quang ...........................................................................................................
13
1.4.4. Bộ tách / ghép bước song: ( OMUX/ODEMUX) .............................................
14
1.4.5. Bộ xen / rẽ bước sóng: ( OADM) ...................................................................... 15
1.4.6.
1.4.7.

Bộ nối chéo quang: (OXC) ............................................................................ 17
Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier): ......................................... 18

1.4.8. Bộ chuyển đổi bước song ............................................................................... 19
1.5. Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước sóng ............................... 20
1.5.1 Suy hao xen .........................................................................................................
20
1.5.2.
1.5.3.

Xuyên kênh .................................................................................................... 20
Độ rộng kênh ..................................................................................................
22

1.5.4. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến .......................................................... 23
1.6. Cấu trúc mạng truyền tải quang .........................................................................
24
1.6.1. Cấu trúc mạng Ring ...........................................................................................
24

1

1.6.2. Cấu trúc mạng Mesh ..........................................................................................
24
1.6.3. Cấu trúc mạng hình sao .....................................................................................
25
1.6.4. Cấu trúc mạng Mesh và Ring hai lớp ................................................................
26
1.7

Ưu nhược điểm của hệ thống WDM ................................................................. 27

1.8

Bộ khuếch đại quang EDFA .............................................................................. 27

1.8.1 Các cấu trúc EDFA .............................................................................................
27
1.8.2 Lý thuyết khuếch đại trong EDFA......................................................................
29
1.8.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm................................................................................
31
1.8.4 Phổ khuếch đại ...................................................................................................
33
1.8.5. Các tính chất của EDFA ....................................................................................
34

1.8.6.

Nhiễu

trong

bộ

khuếch

đại ................................................................................. 36
1.8.7 Ưu khuyết điểm của EDFA ................................................................................
38
CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN
MỀM OPTISYSTEM .......................................................................................................
39
2.1. Tổng quan về phần mềm Optisystem ................................................................... 39
2.1.1. Lợi ích ................................................................................................................
39
2.1.2. Ứng dụng ...........................................................................................................
40
2.2. Đặc điểm và chức năng .......................................................................................... 40
2.2.1. Cấu tạo thư viện (Component Library) ..............................................................
40

2


2.2.2. Tích hợp với các công cụ phần mềm Optiwave ................................................
41
2.2.3. Các công cụ hiển thị ..........................................................................................
42
2.3. Tóm tắt hướng dẫn sử dụng phần mềm optisystem ........................................... 42
2.3.1. Yêu cầu chung ...................................................................................................

42
2.3.2
45

Hướng dẫn sử dụng phần mềm optisystem ......................................................

2.3.3 Tạo một dự án mới ..............................................................................................
50
2.3.4. Hiển thị và thay đổi tham số của các phần tử trong dự án.................................
52
2.3.5. Chạy mô phỏng ..................................................................................................
58
2.4. Mô hình mô phỏng ................................................................................................. 66
2.4.1 Yêu cầu thiết kế ...................................................................................................
66
2.4.2 Mô phỏng theo phương án thiết kế .....................................................................
68
2.4.2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA ở băng C ............... 68
2.4.2.2 Tuyến truyền dẫn quang ............................................................................... 71
2.4.4.3 Tuyến thu của hệ thống WDM ...................................................................... 74
2.4.3 Kết quả mô phỏng theo yêu cầu thiết kế ............................................................
75
2.4.4. Kết quả mô phỏng thay đổi các tham số để đạt BER=10-12 .............................. 79

3


LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ
thuật viễn thông nói riêng. Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp

lực ngày càng cao đối với tăng dung lượng thông tin. Cùng với sự phát triển của kỹ
thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng đạt được những thành tựu
to lớn, đặc biệt là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang. Tương lai cáp sợi
quang được sử dụng rộng rãi trên mạng viễn thông và được coi như là một môi trường
truyền dẫn lý tưởng mà không có một môi trường truyền dẫn nào có thể thay thế được.
Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự ly xa, không ảnh hưởng
của nhiễu và khả năng bảo mật cao ,phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa
đường trục và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội
hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Ta
có thể thấy mạng thông tin quang hiện nay vẫn còn một số hạn chế về chất lượng
truyền dẫn do băng thông còn hẹp, khoảng cách truyền dẫn ngắn, vì thế yêu cầu đặt ra
là phải tăng chất lượng cũng như cự ly đường truyền cho chế độ thông tin quang hiện
nay. Giải pháp được đưa ra ở đây là công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM, nó
cho phép ghép nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang do đó có thể tăng dung lượng
đường truyền mà không cần tăng thêm sợi quang.

4


CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM
1.1.

Giới thiệu chung

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công
nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”.
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.
1.2.

Sơ đồ khối tổng quát

Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser.
Hiện tại 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 ra ổn định, mức công
suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong
giới hạn cho phép.
Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác
nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tách
tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh
sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách. Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu
WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh
kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot... Khi xét đến các bộ tách/ghép
WDM, ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần
của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các
kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu
gần đầu xa...
Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh
hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề
liên quan đến khuếch đại tín hiệu ... Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào
yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi...).
Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại
quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier). Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman
5


hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế. Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại
công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại. Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho

hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh
lệch không quá 1 dB).
- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng
đến mức công suất đầu ra của các kênh.
- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại
các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối
với tất cả các kênh.
Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách
sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD.

Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM
1.3 Phân loại hệ thống WDM

Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng
6


Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như
minh hoạ trên hình 1.2. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do
vậy, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang. Hệ thống WDM song hướng,
ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 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 một cách tức thời.
- Ðứng 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.
1.4 Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM
1.4.1 Bộ phát quang
 Các nguồn quang cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin cáp sợi quang có thể là
Diode Laser (LD) hoặc Diode phát quang (LED).
 Laser “ Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation” Khuếch đại ánh
sáng nhờ bức xạ kích thích.Hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng chính là :
Hiện tượng bức xạ kích thích và hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền
trong Laser.
 Tín hiệu quang phát ra từ LD hoặc LED có các tham số biến đổi tương ứng với
biến đổi của tín hiệu điện vào. Tín hiệu điện vào có thể phát ở dạng số hoặc tương tự.
Thiết bị phát quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tương ứng
bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang. Bước sóng ánh sáng của nguồn
phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát. Ví dụ GaalAs phát ra bức
xạ vùng bước sóng 800 nm đến 900 nm, InGaAsP phát ra bức xạ ở vùng 1100 nm đến
1600 nm.
7


 Sử dụng bộ điều biến ngoài để giảm chirp, tốc độ điều biến cao và tạo các định
dạng tín hiệu quang khác nhau (NRZ, RZ, CS-RZ, DPSK …) và đảm bảo tín hiệu quang
có độ rộng phổ hẹp tại bớc sóng chính xác theo tiêu chuẩn.

• Mô hình điều chế ngoài

Hình 1.3 : Sơ đồ bộ điều chế ngoài
• Yêu cầu với nguồn quang:
Độ chính xác của bước sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho
một hệ thống WDM hoạt động tốt. Nói chung, bước sóng đầu ra luôn bị dao động
do các yếu tố khác nhau như nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện...
Ngoài ra, để tránh xuyên nhiễu cũng như tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách
đúng bước sóng thì nhất thiết độ ổn định tần số phía phát phải thật cao.
Độ rộng đường phổ hẹp: Độ rộng đường phổ được định nghĩa là độ
rộng phổ của nguồn quang tính cho bước cắt 3 dB. Để có thể tăng nhiều kênh trên
một dải tần cho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng
đường phổ càng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận xảy ra khiến
lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lượng. Muốn đạt được điều này thì
nguồn phát laser phải là nguồn đơn mode (như các loại laser hồi tiếp phân bố, laser
hai khoang cộng hưởng, laser phản hồi phân bố).
Dòng ngưỡng thấp: Điều này làm giảm bớt vấn đề lãng phí công suất
trong việc kích thích laser cũng như giảm bớt được công suất nền không mang tin
và tránh cho máy thu chịu ảnh hưởng của nhiễu nền (phát sinh do có công suất nền
lớn).
Khả năng điều chỉnh được bước sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần
sợi quang, nguồn quang phải có thể phát trên cả dải 100 nm. Hơn nữa, với hệ thống
lựa kênh động càng cần khả năng có thể điều chỉnh được bước sóng.
8


Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của
nguồn quang sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu
giữa các kênh.
Nhiễu thấp: Có rất nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh

mode, nhiễu pha,... Nhiễu thấp rất quan trọng để đạt được mức BER thấp trong
truyền thông số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt.
1.4.2 Bộ thu quang
Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính và kênh phục hồi. Nó
tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu
điện theo yêu cầu cụ thể. Trong phần này thường sử dụng các photodiode PIN hoặc APD.
Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang là công suất quang phải nhỏ nhất (độ nhạy
quang) có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với t lệ lỗi bít (BER) cho
phép.
Bộ thu quang trong hệ thống WDM

Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu

9


1.4.3 Sợi quang
 Cấu tạo sợi quang
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:
-

Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh có
chiết suất n1, được gọi là lõi (core) sợi.
Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc
(cladding), có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2
< n1.

Hình 1.5 : Cấu trúc tổng quát sợi quang
 Phân loại sợi quang 
Phân loại theo chiết suất:

- Sợi quang chiết suất bậc SI (Step-Index)
- Sợi quang chiết suất biến đổi GI (Graded-Index)
 Phân loại theo mode
- Sợi đơn mode (Single-Mode)
- Sợi đa mode (Multi-Mode)
 Sợi quang G652
Là sợi đơn mode được sử dụng phổ biến trên mạng lưới viễn thông nhiều nước hiện
nay. Nó có thể làm việc ở 2 cửa sổ:
- Ở cửa sổ 1310nm: G652 có tán sắc nhỏ nhất (xấp xỉ 0 ps/nm.km) và suy hao tương
đối lớn.
- Ở cửa sổ 1550nm: G652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắc tương đối
lớn (xấp xỉ 20ps/nm.km)
 Sợi quang G655
Là một chuẩn về sợi quang được đưa ra bởi ITU-T có các ưu điểm sau:
-

Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng truyền dẫn.
Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống truyền dẫn đường dài WDM dung lượng
cao.
10


-

Độ tán sắc dương của sợi G655 tránh việc trộn lẫn 4 bước sóng quang.
Vùng hiệu dụng cao của sợi G655 (vẫn nhỏ hơn sợi SMF) làm giảm thiểu các hiệu
ứng phi tuyến.
Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) khuếch đại các tín hiệu quang trong cửa sổ
C, điều này lý tưởng cho loại sợi quang NZDS (non-zero dispersion-shifted).

1.4.4. Bộ tách / ghép bước song: ( OMUX/ODEMUX)
 Định nghĩa :Bộ ghép/ tách kênh bước sóng, cùng với vộ kết nối chéo quang,
là thiết bị quan trọng nhất cấu thành nên hệ thống WDM. Khi dùng kết hợp với bộ kết
nối chéo quang OXC sẽ hình thành nên mạng truyền tải quang, có khả năng truyền tải
đồng thời và trong suốt mọi loại hình dịch vụ, mà công nghệ hiện nay đang hướng
tới.Bộ tách/ ghép kênh thực hiện ghép tách tín hiệu ở các bước sóng khác nhau.
 Bộ ghép/ tách kênh bước sóng thường được mô tả theo những thông số sau:
- Suy hao xen
- Số lượng kênh xử lý
- Bước sóng trung tâm
- Băng thông
- Giá trị lớn nhất của suy hao xen
- Độ suy hao chen giữa các kênh
(a) Sơ đồ khối bộ
ghép kênh bước sóng
(MUX)
(b) Sơ đồ khối bộ
tách kênh bước sóng
(DEMUX)
(c) Các tham
số
đặc trưng của
bộ MUX/ DEMUX

Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ ghép/ tách kênh bước sóng
 Ghép tầng để tạo bộ ghép kênh dung lượng cao:
- Ghép tầng nối tiếp đơn kênh
11

- Ghép một tầng
- Ghép tầng theo từng băng sóng
- Ghép tầng đan xen chẵn lẻ
1.4.5. Bộ xen / rẽ bước sóng: ( OADM) 
Khái niệm :
- OADM ( Optical Add/Drop Multiplexer) thường được dùng trong các mạng quang
đô thị và các mạng quang đường dài vì nó cho hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt đối với cấu
hình mạng tuyến tính, cấu hình mạng vòng.
- OADM được cấu hình để xen/ rớt một số kênh bước sóng,các kênh bước sóng còn
lại được cấu hình cho đi xuyên qua.

Các cấu trúc cho OADM :
- Cấu trúc song song : tất cả các kênh tín hiệu đều được giải ghép kênh. Sau đó một
số kênh tùy ý được cấu hình rớt, các kênh còn lại cấu hình cho đi xuyên qua một cách
thích hợp.

Hình 1.7 Cấu trúc song song
- Cấu trúc song song theo băng ( theo modun) :tạo thành bằng cách thiết kế theo
từng modun cho cấu trúc song song

Hình 1.8 : Cấu trúc song song theo băng
12


- Cấu trúc nối tiếp : Một kênh đơn được thực hiện rớt và xen từ tập hợp các kênh đi
vào OADM.

Hình 1.9 : Cấu trúc nối tiếp
- Cấu trúc xen rớt theo băng sóng : trong cấu trúc này một nhóm cố định kênh bước
sóng thực hiện xen/ rớt tại mỗi nút mạng OADM. Các kênh được thiết lập thực hiện

xen/rớt là các kênh liên tiếp nhau trong một băng sóng, sẽ được lọc bởi một bộ lọc có
băng thông là dải bước sóng. Sau đó chúng được đưa lên mức ghép kênh cao hơn và từ đó
giải ghép kênh thành các kênh bước sóng riêng lẻ

Hình 1.10 : Cấu trúc xen rớt theo băng sóng

13


1.4.6. Bộ nối chéo quang: (OXC)

Định nghĩa : OXC là thiết bị đáp ứng yêu cầu về khả năng linh động
trong việc cung ứng dịch vụ, hay đáp ứng khả năng đáp ứng được sự tăng băng
thông đột biến của các dịch vụ đa phương tiện

Hình 1.11 : Sơ đồ kết nối OXC
-


Các yêu cầu đối với OXC :
Cung cấp dịch vụ
Bảo vệ
Trong suốt đối với tốc độ truyền dẫn bit
Giám sát chất lượng truyền dẫn
Chuyển đổi bước sóng
Ghép và nhóm tín hiệu

14

1.4.7. Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier):

Bộ bù tán
sắc

λ1 ,λ2
,…,λW

OADM

Laser
Bơm
Rama
n

λO

λO

SC

SC

Máy
thu

Chặng
độ lợi

Chặng

độ lợi

Laser

Hình 1.12: Khuếch đại quang OLA

Trên thực tế hiện nay các tuyến thông tin tốc độ cao người ta sử dụng
bộ khuếch đại quang làm các trạm lặp, chủ yếu là các bộ khuếch đại đường dây pha
tạp
Eribum (EDFA). Các bộ khuếch đại này có ưu điểm là không cần quá trình chuyển đổi
O/E và E/O mà thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang.

Lợi ích:
+ Thay thế các bộ lặp đắt tiền trong hệ thống bị giới hạn bởi suy hao
+ Tăng độ nhạy của bộ thu
+ Nâng cao mức công suất phát
+ Độc lập về tốc độ và định dạng tín hiệu, khuếch đại tín hiệu đa kênh
WDM đồng thời

15


+ Nâng cấp đơn giản


Đặc tính của 1 số bộ khuếch đại quang lý tưởng

+ Hệ số khuếch đại và mức công suất đầu ra cao với hiệu suất chuyển đổi
cao.
+ Độ rộng băng tần khuếch đại lớn với hệ số khuếch đại không đổi

+ Không nhạy cảm với phân cực
+ Nhiễu thấp
+ Không gây xuyên kênh giữa các tín hiệu WDM
+ Suy hao ghép nối với sợi quang thấp.
Phân loại :
+ Vào : giống như laser bán dẫn nhưng được phân cực dưới ngưỡng
+ Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm: khuếch đại xảy ra trong sợi
quang pha tạp đất hiếm, phổ biến là bộ EDFA
+ Ra : khuếch đại xảy ra trong sợi quang nhờ mức công suất bơm cao
1.4.8. Bộ chuyển đổi bước song
 Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng này ở đầu
vào ra thành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu ra. Đối với hệ thống WDM, bộ chuyển đổi
bước sóng cho nhiều ứng dụng hữu ích khác nhau :
•

Tín hiệu có thể đi vào mạng với bước sóng không thích hợp khi truyền trong

WDM
•
Bộ chuyển đổi khi được trang bị trong các cấu hình nút mạng WDM giúp sử
dụng tài nguyên bước sóng hiệu quả hơn, linh động hơn.
•
Có 4 phương pháp chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng:
Phương pháp quang điện
Phương pháp cửa quang
Phương pháp giao thoa
Phương pháp trộn bước sóng
16

1.5.

Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước sóng

1.5.1 Suy hao xen
Được xác định là lượng công suất tổn hao trong tuyến truyền dẫn quang do các điểm
ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân các thiết bị ghép gây ra. Vì
vậy, trong thực tế thiết kế phải tính cho vài dB ở mỗi đầu. Suy hao xen được biểu diễn qua
công thức sau (xét bộ MUX-DEMUX mô tả ở hình 2.7).

Li 10log

O(

i)

dBMUX

(2.1)

i)

dBDEMUX

(2.2)

Iii
Li 10log

O(

Iii

Trong đó Li là suy hao tại bước sóng i khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền
dẫn. Các tham số này được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị.
Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ
ghép.
Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ
tách.
1.5.2. Xuyên kênh
Xuyên kênh là sự có mặt của một kênh này trong kênh kế cận làm tăng nền nhiễu và
giảm t số tín hiệu nhiễu của kênh đang xét.
Trong hệ thống ghép kênh quang, xuyên kênh xuất hiện do:
- Các viền phổ của một kênh đi vào băng thông của bộ tách kênh và bộ lọc của kênh
khác. Khi sóng mang quang được điều chế bởi một tín hiệu, sự điều chế công suất trong
các viền phổ của nó như là điều chế công suất trong băng bởi kênh kế cận.

17


- Xuất phát từ những giá trị hữu hạn thực tế về độ chọn lọc và độ cách ly của các bộ
lọc.
- Tính phi tuyến trong sợi quang ở mức công suất cao trong các hệ thống đơn mode.
Cơ chế của nó là tán xạ Raman, là hiệu ứng tán xạ kích thích phi tuyến làm cho công suất
quang ở một bước sóng tác động đến tán xạ và công suất quang, trong các bước sóng khác
cũng như vậy.
Trong một bộ tách kênh sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước
sóng i sang kênh khác có bước sóng khác với bước sóng i. Nhưng trong thực tế luôn tồn
tại một mức xuyên kênh nào đó, làm giảm chất lượng truyền dẫn của một thiết bị. Khả
năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính
bằng dB như sau:

Iii((kk))dB

Di(i) 10logU

Trong bộ giải ghép thì Ui(k) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng k bị
dò ở cửa ra thứ i mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng i, hình 2.8a.

Sợi
quang

MUX

Oi(i) ...Ui(k)

Hình 1.13: Xuyên kênh ở bộ giải ghép
Trong các thiết bị tách hỗn hợp như hình 2.8b có 2 loại xuyên âm kênh là xuyên
âm đầu gần và xuyên âm đầu xa.

Ii(i) Sợi

I(i)...I(k)

18

quang


Oi(j
Ui(k)+Ui(j

)

)

Hình 1.14: Xuyên kênh ở bộ ghép hỗn hợp
Xuyên kênh đầu gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên
trong thiết bị như Ui(j).
Xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví
dụ Ii(k) sinh ra Ui(j).
1.5.3. Độ rộng kênh
Một vấn đề quan trọng đối với hệ thống WDM là có thể sử dụng bao nhiêu bước và
việc phân chia bước sóng như thế nào.
Hiện nay trong hệ thống viễn thông dùng sợi quang thường sủ dụng bước sóng
1550nm và các bộ khuếch đại EDFA. Băng thông cực đại của bộ khuếch đại sợi pha tạp
EDFA khoản 30nm. Nếu ta muốn xếp khoảng 16 kênh trong dải bước sóng này thì độ
rộng giữa các kênh là 30nm/16 kênh hay 1,875nm. Độ rộng kênh là tiêu chuẩn trong miền
tần số hơn là bước sóng.
Mối quan hệ giữa tần số và bước sóng:

f  c c
f



df
c
 d2 2

f

c

(2.4)

Trong đó: c là vận tốc ánh sáng 3.108 m/s.
là bước sóng hoạt động.
Vì vậy 1,875nm là
tương đương với độ rộng của các kênh có tần số xấp xỉ 250GHz. Vậy độ rộng kênh là
dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang. Dải bước sóng C của các bộ


19


khuếch đại EDFA là 1530-1550nm. Nếu nguồn phát thứ nhất phát xạ tại 1530, thì nguồn
phát thứ hai phải phát xạ tại 1531,875nm và các nguồn phát khác tương tự. Nếu nguồn
phát quang là các diode laser thì độ rộng kênh yêu cầu khoảng vài chục nm. Đối với
nguồn phát quang là diode LED yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn từ 10 đến 20 lần LD
vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn.
1.5.4. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến
Trong hệ thông thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất tín
hiệu trong sợi quang vượt quá một giới hạn của hệ thống WDM thì mức công suất này
thấp hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh.
Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM có thể chia
thành hai loại là hiệu ứng tán xạ và hiệu ứng Kerr (khúc xạ).
a.

Hiệu ứng tán xạ:
Bao gồm các hiệu ứng SBS và SRS:
- Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scrattering) là hiện tượng chiếu ánh sáng

vào sợi quang sẽ gây ra dao động phân tử trong vật liệu của sợi quang, nó điều chế
tín hiệu quang đưa vào dẫn đến bước sóng ngắn trong hệ thống WDM suy giảm tín
hiệu quá lớn, hạn chế số kênh của hệ thống.
- Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scrattering) cúng có hiện tượng như
SRS nhưng gây ra dịch tần và dải tần tăng ích rất nhỏ và chỉ xuất hiện ở hướng sau
chiều tán xạ. Ảnh hưởng càn lớn thì ngưỡng công suất càng thấp.

b.

Hiệu ứng Kerr:

Gồm các hiệu ứng SPM, XPM, FWM:
- Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) là hiện tượng khi cường độ quang
đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng thay đổi theo gây ra sự
biến pha của sóng quang. Khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến phổ tần
dãn rộng và tích lũy theo sự tăng lên của chiều dài. Sự biến đổi công suất quang
càng nhanh thì biến đổi tần số quang càng lớn.

20


- Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation), có nghĩa là trong hệ thống nhiều
bước sóng vì hiệu suất khúc xạ biến đổi theo cường độ đầu vào dẫn đến pha của tín
hiệu bị điều chế bởi công suất của kênh khác.
- Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) xuất hiện khi có nhiều tín hiệu quang
truyền dẫn hồn hợp trên sợi quang làm xuất hiện bước sóng mới gây nên xuyên
nhiễu làm hạn chế số bước sóng được sử dụng. Việc nảy sinh các hiệu ứng phi
tuyến sẽ gây các hiện tượng xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức công suất tín
hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm t số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ
thống.

1.6. Cấu trúc mạng truyền tải quang
1.6.1. Cấu trúc mạng Ring

Hình 1.15 : Cấu trúc mạng Ring
Các node chỉ liên kết vật lý trực tiếp với hai node gần nhau
Kết nối này thuận lợi cho việc bảo dưỡng, hiệu năng cao ,chi phí thấp, sử dụng phần
tử mạng một cách hiệu quả

21


1.6.2. Cấu trúc mạng Mesh

Hình 1.16 : Cấu trúc mạng Mesh
Các node liên kết vật lý trực tiếp với tất cả node gần nó
Cung cấp nhiều khả năng định tuyến
Cấu trúc có độ tin cậy cao nhưng kết cấu phức tạp
Thường được sử dung trong các mang đòi hỏi độ tin cậy cao

1.6.3. Cấu trúc mạng hình sao
a. Cấu trúc mạng hình sao đơn

Hình 1.17 : Cấu trúc mạng hình sao đơn
Chọn một node làm trung tâm tín hiệu sẽ được truyền đến các node như hình trên
Cấu trúc mạng đơn giản, cho phép truyền dung lượng lớn
Node trung tâm phải có khả năng truyền và sử lý với dung lượng lớn
22


b. Cấu trúc mạng hình sao kép

Hình 1.18: Cấu trúc mạng hình sao kép
Tương tự như mang sao đơn nhưng ngoài node trung tâm còn có các thiết bị đầu xa Cấu
trúc kép cho phép sư dụng hiệu quả vì mỗi nhánh có thể có nhiều node con
Cấu trúc này có nhược điểm do sử dụng thiết bị đấu cuối nên tăng chi phí lắp đặt
Cấu hình phức tạp cũng làm giảm độ tin cậy. Khó phát triên dịch vụ băng thông rộng
c. Cấu trúc mạng hình Ring hai lớp

Hình 1.19 : Cấu trúc mạng hình Ring hai lớp
Ứng dụng cấu trúc mạng ring hai lớp được sử dụng trên thực tế để kết nối giữa các
cấu trúc ring riêng biệt tao thành một mang liên kết lớn
Tốc độ giữa các node trong mang ring thì cao, ngược lại tốc độ giữa các mang ring
tương đối chậm
23


1.6.4. Cấu trúc mạng Mesh và Ring hai lớp

Tương tự như mạng ring hai lớp mạng mesh và mang ring hai lớp tạo kết nối giữa
mang nội bộ với các mang nội bộ khác

1.7 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM
a. Ưu điểm :
 Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống TDM.
 Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng,
WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bước sóng riêng (kênh
quang)
 WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt
thêm sợi quang
b.

Nhược điểm :
 Dung lượng hệ thống còn nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi
quang.
 Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động

24


1.8 Bộ khuếch đại quang EDFA
1.8.1 Các cấu trúc EDFA

Hình 1.20: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA
Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped
FiberAmplifier) được minh họa trên hình 2.9. Trong đó bao gồm:
Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra
quátrình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA.

Hình 1.21: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium
Trong đó, vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3 -6 μm) của EDF được pha trộn
ionEr3+ là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất. Việc pha các ion Er3+
trongvùng này cung cấp sự chồng lắp của năng lượng bơm và tín hiệu với các ion
erbiumlớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn. Lớp bọc (cladding) có chiết suất thấp
25