Khảo sát hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh WDM

Nhóm 5

MỤC LỤC
MỤC LỤC………………………………………………………………………………………1
LỜI NÓI ĐẦU. …………………………………………………………………………………3
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM………..........4
1.1.

Giới thiệu chung………………………………………………………………………….4

1.2.

Sơ đồ khối tổng quát ……………………………………………………………………4

1.3

Phân loại hệ thống WDM

1.4

Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM………………………………………….........6

……………………………………………………………5

1.4.1

Bộ phát quang……………………………………………………………………6

1.4.2

Bộ thu quang ……………………………………………………………………8

1.4.3

Sợi quang

……………………………………………………………………9

1.4.4. Bộ tách / ghép bước sóng:( OMUX/ODEMUX)
1.4.5. Bộ xen / rẽ bước sóng ( OADM)
1.4.6. Bộ nối chéo quang (OXC)

……………………………………………11

……………………………………………………13

1.4.7. Bộ khuếch đại quang (OA - Optical Amplifier)
1.4.8. Bộ chuyển đổi bước sóng
1.5.

……………………………10

……………………………14

……………………………………………………15

Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước sóng………………………….. ……16
1.5.1 Suy hao xen

……………………………………………………………………16

1.5.2. Xuyên kênh

……………………………………………………………………16

1.5.3. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến…………………………………………..17
1.6

Ưu nhược điểm của hệ thống WDM ……………………………………………………18

1.7

Bộ khuếch đại quang EDFA …………………………………………………...……….19
1.7.1

Các cấu trúc EDFA

……………………………………………………............19

1


Nhóm 5

1.7.2

Phổ khuếch đại ……………………………………………………………. …..20

1.7.3. Các tính chất của EDFA

…………………………………………………..22

1.7.4. Nhiễu trong bộ khuếch đại………………………………………………...........23
1.7.5 Ưu khuyết điểm của EDFA

…………………………………………………..24

CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM
OPTISYSTEM
2.1.

Tổng quan về phần mềm Optisystem……………………………………………………25
2.1.1. Lợi ích …………………………………………………………………...............25
2.1.2. Ứng dụng

2.2.

…………………………………………………………………...26

Đặc điểm và chức năng

…………………………………………………………...26

2.2.1. Cấu tạo thư viện (Component Library)

…………………………………...26

2.2.2. Tích hợp với các công cụ phần mềm Optiwave

…………………………...27

2.2.3. Các công cụ hiển thị …………………………………………………………...28
2.3.

Tóm tắt hướng dẫn sử dụng phần mềm optisystem……………………………………...28

2.4.

Mô hình mô phỏng
2.4.1

……………………………………………………………………31

Sơ đồ hệ thống……………………………………………………………………31

2.4.1.1 Phía phát………………………………………………………………………….31
2.4.1.2 Tuyến truyền dẫn………………………………………….……………………...32
2.4.1.3 Phía thu

………………………………………..…………………………..32
……………………………………………………33

2.4.2

Thiết lập tham số toàn cục

2.4.3

Kết quả mô phỏng theo yêu cầu thiết kế…………………………………………34

2.4.4 Kết quả mô phỏng khi dùng NZ……………………………………….…………...39

2.4.5 So sánh……………………………………………………………………………...43
Tài Liệu Tham Khảo

……………………………………………………..……………...44

2


Nhóm 5

Lời nói đầu
Từ khi có sự ra đời của Laser vào những năm đầu thập kỷ 60 của thế kỷ 20 làm xuất hiện nhiều
lĩnh vực ứng dụng phong phú đa dạng. Trong công nghệ viễn thông thì từ khi có sự xuất hiện
của laser với sợi quang thủy tinh đã hình thành nên phương thức thông tin mới. 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. Các hệ thống thông tin quang không ngừng được hoàn thiện, ứng dụng trong
hầu hết các topo mạng từ mạng đường trục, mạng trung kế hay các mạng truy nhập, mạng đô
thị,… Với sự gia tăng của các ứng dụng số liệu nhu cầu về tốc độ truyền dẫn cao cùng với
khoảng cách truyền dẫn lớn mà không cần đến các trạm lặp, chỉ cần sử dụng các bộ khuếch đại
cần nhờ đến việc sử dụng các công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM. Nhưng với những
hệ thống WDM với tốc độ truyền dẫn cao như 40Gb/s trong một bước sóng như hiện nay thì
công nghệ bị chi phối bởi ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi.
Bài báo cáo này với chủ đề “ Khảo sát hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước
sóng WDM”. Nhóm em xin trình bày về tổng quan hệ thống thông tin quang WDM và Mô
phỏng hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM. Từ đó, khảo sát hiệu năng
hệ thống truyền dẫn qung WDM theo 2 khuôn dạng điều chế đó là NRZ và RZ.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Th.S Cao Hồng Sơn đã hướng dẫn và giúp đỡ nhóm em
trong thời gian qua để hoàn thành bài báo cáo này. Bài báo cáo có thể còn nhiều hạn chế về mặt
nội dung cũng như hình ảnh, chúng em mong thầy chỉ ra sai sót để nhóm em tiếp thu và tiến bộ

hơn trong quá trình học tập ạ.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy!
Hà Nội, ngày 05 tháng 11 năm 2017

3


Nhóm 5

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 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:

4


Nhóm 5

• 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
5


Nhóm 5

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

6


Nhóm 5

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.
❖ 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 bước 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
7


Nhóm 5

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.
✓ 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 tỷ lệ lỗi bít (BER) cho
phép.
Bộ thu quang trong hệ thống WDM

8


Nhóm 5

Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu
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 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

9


Nhóm 5

- Sợi đơn mode (Single-Mode)
- Sợi đa mode (Multi-Mode)
❖ Sợi quang G.652
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: G.652 có tán sắc nhỏ nhất (xấp xỉ 0 ps/nm.km) và suy hao
tương đối lớn.
- Ở cửa sổ 1550nm: G.652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắc tương
đối lớn (xấp xỉ 20ps/nm.km).
❖ Sợi quang G.655
Là một chuẩn về sợi quang được đưa ra bởi ITU-T có các ưu điểm sau:

- Sợi quang G.655 thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng truyền
dẫn.

- Sợi quang G.655 thích hợp cho hệ thống truyền dẫn đường dài WDM dung
lượng cao.
Độ tán sắc dương của sợi G.655 tránh việc trộn lẫn 4 bước sóng quang.

- Vùng hiệu dụng cao của sợi G.655 (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 dispersionshifted).

1.4.4. Bộ tách / ghép bước sóng ( OMUX/ODEMUX)
❖ Định nghĩa: Bộ ghép/ tách kênh bước sóng, cùng với bộ 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

10


Nhóm 5

-

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
- 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 :

11


Nhóm 5

- 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

- 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

12


Nhóm 5

- 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
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

13


Nhóm 5

❖ 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

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

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
+ Nâng cấp đơn giản

14


Nhóm 5

❖ 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 sóng
❖
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

15


Nhóm 5

Các tham số cơ bản của ghép kênh quang theo bứớc sóng

1.5.

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:

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 tỷ 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.
Xuất phát từ những giá trị hữu hạn thực tế về độ chọn lọc và độ cách ly của các bộ
lọc.

16


Nhóm 5

- 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.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 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 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:

17

Nhóm 5

- 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.
- 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 tỷ số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống.
1.6 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

18

Nhóm 5

1.7 Bộ khuếch đại quang EDFA
1.7.1 Các cấu trúc EDFA

Hình 1.13: 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 1.13. Trong đó bao gồm:
Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra
quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA.

Hình 1.14: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium

19


Nhóm 5

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 erbium
lớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn. Lớp bọc (cladding) có chiết suất thấp hơn bao
quanh vùng lõi. Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi quang
tổng cộng là 250 μm. Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớp bọc dùng để loại bỏ
bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang. Nếu không kể đến
chất pha erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn mode chuẩn trong viễn thông
1.7.2 Phổ khuếch đại
Phổ độ lợi của EDFA được trình bày trong hình 2.12 là tính chất quan trọng nhất

của EDFA khi xác định các kênh tín hiệu được khuếch đại trong hệ thống WDM. Hình
dạng của phổ khuếch đại phụ thuộc vào bản chất của sợi quang, loại tạp chất (Ge, Al)
và nồng độ tạp chất được pha trong lõi của sợi quang.
Một số biện pháp được sử dụng để khắc phục sự không bằng phẳng của phổ độ lợi:
• Công nghệ cân bằng độ lợi: dùng bộ cân bằng (equalizer) hấp thụ bớt
công suất ở bước sóng có độ lợi lớn và bộ khuếch đại để tăng công suất
của bước sóng có độ lợi nhỏ.
• Thay đổi thành phần trộn trong sợi quang: dùng sợi quang trộn thêm
nhôm, photphonhôm hay flo cùng với erbium sẽ tạo nên bộ khuếch đại có
băng tần được mở rộng và phổ khuếch đại bằng phẳng hơn.
Bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở băng C (1530-1565 nm). Tuy nhiên, độ lợi của sợi
pha tạp có đuôi trải rộng đến khoảng 1605 nm. Điều này kích thích sự phát triển của các
hệ thống hoạt động ở băng L từ 1565 đến 1625 nm. Nguyên lý hoạt động của EDFA băng
L giống như EDFA băng C. Tuy nhiên, có sự khác nhau trong việc thiết kế EDFA cho
băng C và băng L.
Các phần tử bên trong bộ khuếch đại quang như bộ cách ly (isolator) và bộ ghép
(coupler) phụ thuộc vào bước sóng nên chúng sẽ khác nhau trong băng C và băng L. Sự
so sánh các tính chất của EDFA trong băng C và băng L được thể hiện trong bảng 2.2.

20


Nhóm 5

Bảng 2.2: Bảng so sánh EDFA hoạt động trong băng C và băng L
Tính chất
Độ
lợi
Phổ độ lợi
Nhiễu ASE

Băng C
Cao hơn
Ít bằng phẳng hơn
Thấp hơn

Băng L
Nhỏ hơn khoảng 3 lần
Bằng phẳng hơn
Cao hơn

Tầng đầu tiên được bơm ở bước sóng 980nm và hoạt động như một bộ EDFA truyền
thống (sợi quang dài 20-30nm) có khả năng cung cấp độ lợi trong khoảng bước sóng
1530-1570 nm. Ngược lại, tầng thứ hai có sợi quang dài 200m và được bơm hai chiều sử
dụng laser 1480nm. Một bộ isolator được đặt giữa hai tầng này cho phép nhiễu ASE
truyền từ tầng thứ 1 sang tầng thứ 2 nhưng ngăn ASE truyền ngược về tầng thứ nhất. Với
cấu trúc nối tiếp như vậy, khuếch đại hai tầng có thể cung cấp độ lợi phẳng trên một
vùng băng thông rộng trong khi vẫn duy trì mức nhiễu thấp.

Hình 1.15 Cấu hình của một bộ khuếch băng L làm bằng phẳng độ lợi trong
khoảng bướcsóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng.

21


Nhóm 5

1.7.3 Các tính chất của EDFA
a) Độ lợi (Gain)
Độ lợi của một bộ EDFA có thể được tính theo phương trình sau:

Trong đó:
- (z), (z): mật độ ion erbium ở trạng thái kích thích và ở trạng thái nền tại vị trí
ztrong đoạn sợi quang pha erbium.
- L: chiều dài sợi pha erbium.
- (e)s σ , (a)s σ: tiết diện ngang hấp thụ và phát xạ của ion erbium tại bước sóng tín
hiệu.
Phương trình cho thấy độ lợi liên quan đến sự nghịch đảo nồng độ trung bình.
Gọi1N , 2 N lần lượt là nồng độ ion Erbium ở mức năng lượng nền và mức năng lượng
kích thích trung bình. Khi đó 1 N , 2 N sẽ được tính theo công thức sau:

Phương trình độ lợi có thể được viết lại một cách đơn giản hơn như sau:

22


Nhóm 5

1.7.4 Nhiễu trong bộ khuếch đại
Nhiễu trong bộ khuếch đại là một yếu tố giới hạn quan trọng đối với hệ thống
truyền dẫn.Đối với EDFA, ảnh hưởng của nhiễu ASE được tính thông qua thông
số hệ số nhiễu NF được cho bởi công thức [2]:
NF = 2nsp
Trong đó, nsp = N2/(N2-N1) được gọi là hệ số phát xạ tự phát, N1, N2 là nồng
độ ion Erbium ở mức năng lượng nền và mức năng lượng kích thích.
N1, N2 thay đổi dọc theo chiều dài của sợi quang và phụ thuộc vào công suất
của nguồn bơm và công suất của tín hiệu. Do đó, hệ số nhiễu NF của EDFA cũng
phụ thuộc vào chiều dài của sợi quang L và công suất bơm PP, giống như độ lợi tín
hiệu của EDFA.
Sự thay đổi của NF và độ lợi tín hiệu theo chiều dài của sợi quang với một số

giá trị của PP/Psat khi công suất tín hiệu ngõ vào 1mW tại bước sóng 1,53 μm.
Kết quả cho thấy rằng FN có thể đạt gần bằng 3dB khi công suất của nguồn bơm PP
>> Pp,sat. Với mức nhiễu tương đối thấp, EDFA là sự lựa chọn lý tưởng cho các hệ
thống thông tin quang WDM hiện nay. Dù vậy, nhiễu do bộ khuếch đại cũng làm
giới hạn chất lượng các hệ thống thông tin quang đường dài sử dụng nhiều bộ
khuếch đại EDFA. Vấn đề nhiễu trở nên nghiêm trọng khi hệ thống hoạt động trong
vùng tán sắc không của sợi quang. Khi đó các hiệu ứng phi tuyến sẽ làm tăng nhiễu
bộ khuếch đại và giảm phổ tín hiệu. Ngoài ra, nhiễu của bộ khuếch đại cũng gây
nên rung pha định thời. Vần đề này sẽ được trình ở phần sau.

Hình 1.16 (a) Hệ số nhiễu FN và (b) Độ lợi của EDFA
Không chỉ giới hạn tỉ lệ SNR trong các hệ thống sử dụng các bộ khuếch đại
quang, nhiễu ASE mà còn đặt ra những giới hạn khác lên các ứng dụng khác nhau
của các bộ khuếch đại quang trong các tuyến thông tin sợi quang. Chẳng hạn, xem

23


Nhóm 5

xét một vài bộ khuếch đại quang được ghép tầng dọc theo một khoảng truyền dẫn
như các bộ lặp tuyến tính để bù suy hao sợi quang. Công suất nhiễu ASE Pnoise sẽ
là một phần trong công suất đầu ra Pout của một bộ khuếch đại nào đó trong chuỗi
khuếch đại và trở thành đầu vào của bộ khuếch đại tiếp theo. Do sự bão hoà độ lợi
phụ thuộc vào tổng công suất đầu vào, nhiễu ASE từ đầu ra của các tầng trước
trong chuỗi khuếch đại có thể lớn đến mức nó sẽ làm bão hoà các bộ khuếch đại
phía sau. Nếu sự phản xạ tại đầu ra và đầu vào của bộ khuếch đại thấp, ASE được
phát xạ theo hướng ngược về đầu vào từ các bộ khuếch đại thuộc các tầng sau cũng
có thể vào các bộ khuếch đại ở phía trước, càng làm tăng sự bão hoà gây ra do
ASE.

Thêm vào sự suy giảm hoạt động về mặt công suất, sự lẫn tạp về pha của tín
hiệu do phát xạ tự phát cũng gây ảnh hưởng như nhiễu tần số và nhiễu biên độ,
đặc biệt là nhiễu pha do sự phản xạ tại các giao diện quang. Vì tín hiệu đến bộ
khuếch đại quang cũng có một lượng nhiễu pha do sự trải rộng phổ của nguồn
laser càng làm tăng cao nhiễu trong bộ khuếch đại. Điều này sẽ làm suy giảm hoạt
động của các hệ thống thông tin quang.
1.7.5 Ưu khuyết điểm của EDFA
a) Ưu điểm:
- Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao.
- Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống.
- Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vận
chuyển vàthay thế.
- Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin
quang vượt biển.
- Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ
khuếch đại quangbán dẫn.
- Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu.
b) Nhược điểm:
- Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng.
- Băng tần hiên nay bị giới hạn trong băng C và băng L.
- Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn.

24


Nhóm 5

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN
MỀM OPTYSYTEM
2.1.

Tổng quan về phần mềm Optisystem

Cùng với sự bùng nổ về nhu cầu thông tin, các hệ thống thông tin quang ngày càng trở
nên phức tạp. Để phân tích, thiết kế các hệ thống này bắt buộc phải sử dụng các công cụ
mô phỏng.
OptiSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang. Phần mềm này có khả
năng thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa rất nhiều loại tuyến thông tin quang,
dựa trên khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế. Bên cạnh đó,
phần mềm này cũng có thể dễ dàng mở rộng do người sử dụng có thể đưa thêm các phần
tử tự định nghĩa vào.
Phần mềm có giao diện thân thiện, khả năng hiển thị trực quan.
OptiSystem có thể giảm thiểu các yêu cầu thời gian và giảm chi phí liên quan đến thiết
kế của các hệ thống quang học, liên kết, và các thành phần. Phần mềm OptiSystem là một
sáng tạo, phát triển nhanh chóng, công cụ thiết kế hữu hiệu cho phép người dùng lập kế
hoạch, kiểm tra, và mô phỏng gần như tất cả các loại liên kết quang học trong lớp truyền
dẫn của một quang phổ rộng của các mạng quang học từ mạng LAN, SAN, MAN tới
mạng ultra-long-haul. Nó cung cấp lớp truyền dẫn,thiết kế và quy hoạch hệ thống thông
tin quang từ các thành phần tới mức hệ thống.Hội nhập của nó với các sản phẩm
Optiwave khác và các công cụ thiết kế của ngành công nghiệp điện tử hàng đầu phần
mềm thiết kế tự động góp phần vào OptiSystem đẩy nhanh tiến độ sản phẩm ra thị
trường và rút ngắn thời gian hoàn vốn.
2.1.1. Lợi ích
- Cung cấp cái nhìn toàn cầu vào hiệu năng hệ thống
- Đánh giá sự nhạy cảm tham số giúp đỡ việc thiết kế chi tiết kỹ thuật
- Trực quan trình bày các tùy chọn thiết kế và dự án khách hàng tiềm năng
- Cung cấp truy cập đơn giản để tập hợp rộng rãi các hệ thống đặc tính dữ liệu
- Cung cấp các tham số tự động quét và tối ưu hóa
- Tích hợp với họ các sản phẩm Optiwave

25