Nghiên cứu công nghệ và tuyến thông tin quang DWDM

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian cho phép và năng lực bản thân có hạn, Đề tài không tránh
khỏi những thiếu sót nhất định. Em kính mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp và
xây dựng của thầy cô giáo và các bạn để nội dung đề tài của em đƣợc hoàn
chỉnh hơn.
Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo ThS.Trƣơng
Thanh Bình – ngƣời đã hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện để em học tập, nghiên
cứu hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong khoa Điện –
Điện tử , Trƣờng Đại học Hàng Hải Việt Nam đã tận tình truyền đạt những kiến
thức quý báu cũng nhƣ tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em trong quá trình học
tập nghiên cứu, quá trình hoàn thành đồ án.
Cuối cùng , em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn động
viên, ủng hộ và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hải Phòng, ngày tháng 06 năm 2016
Sinh viên
Mai Hữu Minh Vƣơng

i


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất
cứ đồ án luận văn đã có từ trƣớc.Các nội dung, dữ liệu tham khảo đều đã đƣợc
trích đẫn đầy đủ.
Người cam đoan
Mai Hữu Minh Vƣơng

ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................... viii
LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: CÔNG NGHỆ DWDM ................................................................... 2
1.1. Kỹ thuật ghép bƣớc sóng quang................................................................ 2
1.2. Nguyên lý cơ bản của ghép bƣớc sóng quang. ......................................... 2
1.3. Các tham số chính trong DWDM .............................................................. 6
1.3.1. Dải bƣớc sóng làm việc....................................................................... 6
1.3.2.Số kênh bƣớc sóng ............................................................................... 7
1.3.3 Độ rộng phổ nguồn phát....................................................................... 8
1.3.4. Qũy công suất...................................................................................... 8
1.3.5. Vấn đề ảnh hƣởng của hiệu ứng phi tuyến ......................................... 9
1.4. Các ƣu điểm của hệ thống DWDM .......................................................... 10
CHƢƠNG 2. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MẠNG DWDM............... 11
2.1 Cấu trúc truyền dẫn cơ bản của mạng DWDM và khối phát quang ......... 11
2.1.1 Cấu trúc truyền dẫn cơ bản của mạng DWDM.................................. 11
2.1.2. Khối phát đáp quang. ........................................................................ 11
2.2 Bộ tách/ghép kênh quang. ......................................................................... 12
2.2.1 Phƣơng pháp ghép kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng ........................ 13
2.2.2. Một số thiết bị tách kênh dùng bộ lọc điện môi màng mỏng ........... 14
2.2.3 Phƣơng pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ............................ 16
2.2.4 Phƣơng pháp ghép sợi ........................................................................ 17
2.3. Bộ khuếch đại quang sử dụng công nghệ EDFA .................................... 18
2.3.1 Tổng quan về bộ khếch đại quang và công nghệ EDFA .................... 18
2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA ........................................................ 19

2.3.4 Ƣu nhƣợc điểm của EDFA ................................................................. 21
iii


2.4. Bộ xen/rớt kênh quang OADM ................................................................ 22
2.4.1. Định nghĩa OADM............................................................................ 22
2.4.2 Các thuộc tính chính của OADM....................................................... 23
2.4.3 Các cấu trúc cho OADM .................................................................... 24
2.4.4 Khối bù tán sắc DCU ........................................................................ 28
2.5 Bộ kết nối chéo quang OXC .................................................................... 29
2.5.1. Định nghĩa OXC ............................................................................... 29
2.5.1.1 Yêu cầu đối với OXC ...................................................................... 31
2.5.1.2 Các cấu hình cho OXC.................................................................... 31
2.6 Khối đƣờng truyền .................................................................................... 34
CHƢƠNG 3 : CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN YÊU CẦU KỸ THUẬT .. 36
3.1 Các yếu tố ảnh hƣởng tới việc thiết kế của hệ thống ................................ 36
3.1.1 Sự suy hao .......................................................................................... 36
3.1.2 Sự tán sắc ........................................................................................... 36
3.1.3 Xuyên kênh Long-Haul: phi tuyến .................................................... 39
3.1.4 Yêu cầu quỹ công suất ....................................................................... 40
3.1.5 Quỹ thời gian lên ................................................................................ 40
3.2. Bảo vệ mạng DWDM............................................................................... 41
3.2.1. Nguyên tắc cơ bản. ............................................................................ 41
3.2.2 Bảo vệ tuyến quang 1+1..................................................................... 42
3.2.3 Bảo vệ tuyến quang 1:N ..................................................................... 43
3.2.4. Vòng bảo vệ ...................................................................................... 44
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 46

iv

DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt
APD
ASE

FWM
GI

Từ đầy đủ
Avanlanche Photodiode
Amplifier Spontaneous
Emission
Bit Error Ratio
Dispersion Compensate
Fiber
Dispersion Compensate Unit
Demultiplexer
Dispersion Division
Multiplexer
Dense Wavelenght Division
Multiplexing
Erbium Doped Fiber
Amplifier
Four Ware Mixing
Graded Index

ISI

InterSymbol Interference

ITU

International
Telecommunication Union
Local Area Network
Laser Diode
Light Emitting Diode
Metropolitan area network
Mutil Mode
Multiplexer
Non-zero Dispersion-Shift
Fiber
Optical Amplifier
Optical Add/Drop
Multiplexer
Optical Booster Amplifier

BER
DCF
DCU
DEMUX
DFS
DWDM
EDFA

LAN
LD

LED
MAN
MM
MUX
NZ-DSF
OA
OADM
OBA

v

Tiếng việt
Diode tách sóng quang thác
Nhiễu tự phát đƣợc khuếch
đại
Tỷ số lỗi bit
Sợi bù tán sắc
Khối bù tán sắc
Thiết bị tách kênh
Sợi dịch chuyển tán sắc
Ghép kênh quang theo
bƣớc sóng với mật độ dày
Khuếch đại quang sợi có
pha tạp Erbium
Hiệu ứng trộn 4 bƣớc sóng
Chỉ số Gradient(chiết suất
biến đổi
Giao thoa giữa các ký tự
gần nhau
Ủy ban viễn thông quốc tế

Mạng nội hạt
Diode Laser
Diod phát quang
Mạng đô thị
Sợi đa mode
Thiết bị ghép kênh
Sợi dịch tán sắc không trở
về 0
Bộ khuếch đại quang
Bộ ghép kênh xen/rớt
Bộ khuếch đại công suất


OFA
OFDM
OLA
OLT
OPA
OSC
OSNR
OTDM
OTU
OXC
PIN
PMD
SBS
SDH
SI
SMF
SNR

SOA
SONET
SPM
SRS

Optical Fiber Amplifier
Optical Frequency Division
Multiplexing
Optical Line Amplifier
Optical Line Terminator
Optical Pre-Amplifier
Optical Supervise Channel
Optical Signal to Noise Ratio
Optical Time Division
Multiplexing
Optical Transponder Unit
Optical Cross Connect
Positive Intrinsic Negative
Polarization Mode
Dispersion
Stimulatted Brilouin
Scattering
Synchronous Digital
Hierarchy
Sep Index
Single Mode Fiber
Signal to Noise Ratio
Optical Semiconductor
Amplifier
Synchronous Optical

Networrk
Self Phase Modulation
Stiumulatted Raman
Scattering

vi

Bộ khuếch đại quang sợi
Ghép kênh quang theo tần
số
Khuếch đại đƣờng quang
Thiết bị đầu cuối quang
Tiền khuếch đại
Kênh giám sát
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
quang
Ghép kênh quang theo thời
gian
Khối phát đáp quang
Bộ kết nối chéo quang
Cấu trúc PIN
Tán sắc mode phân cực
Tán xạ Brilouin kích thích
Phân cấp số đồng bộ
Chỉ số chiết suất phân bực
Sợi đơn mode
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
Khuếch đại quang bán dẫn
Mạng quang đồng bộ
Hiệu ứng tự điều pha

Tán xạ raman kích thích


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Độ rộng phổ của kênh ........................................................................... 5
Bảng 2.1: So sánh giữa các cấu trúc cho OADM ............................................... 27
Bảng 2.2: So sánh giữa các cấu hình OXC ......................................................... 34
Bảng 3.1: Các tham số để tính toán thiết kế cấu hình tuyến 10Gbps ................. 38

vii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bƣớc sóng .................................. 2
Hình 1.2: Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) ................... 3
Hình 1.3: Hệ thống ghép bƣớc sóng quang đơn hƣớng ........................................ 3
Hình 1.4: Hệ thống ghép bƣớc sóng quang song hƣớng....................................... 4
Hình 1.5: Sự phân chia dải bƣớc sóng làm việc tại cửa sổ 1550 nm .................... 6
Hình 2.1: Nguyên lý của bộ thu phát quang OTU .............................................. 11
Hình 2.2: Vị trí của bộ chuyển đổi bƣớc sóng OTU trong hệ thống .................. 12
Hình 2.3: Bộ tách bƣớc sóng dùng bộ lọc ........................................................... 14
Hình 2.4: Bộ tách 2 kênh dùng thấu kính phẳng và bộ lọc ................................. 15
Hình 2.5: Bộ tách 2 kênh dùng bộ lọc và lăng kính Grin ................................... 15
Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của bộ lọc nhiều bƣớc sóng........................................ 16
Hình 2.7 Bộ tách Littrow: a) Bộ tách bƣớc sóng dùng thấu kính hội tụ, b) Bộ
tách bƣớc sóng dùng thấu kính Grin ................................................................... 17
Hình 2.8: a) Phƣơng pháp ghép xoắn sợi; b) Phƣơng pháp mài ghép sợi .......... 18
Hình 2.9 : Cấu trúc của một trạm lặp quang điện ............................................... 19
Hình 2.10: Giản đồ năng lƣợng của Erbium ....................................................... 20
Hình 2.11: Cấu trúc một EDFA đơn tầng ........................................................... 20

Hình 2.12: Vai trò của OADM trong mạng ......................................................... 23
Hình 2.13: Các kiến trúc khác nhau cho OADM. ............................................... 26
Hình 2.14: Sơ đồ tán sắc khi sử dụng khối bù tán sắc ........................................ 28
Hình 2.15: OXC với ma trận chuyển mạch NxN ................................................ 29
Hình 2.16 Bộ kết nối chéo chuyển mạch không gian ........................................ 30
Hình 2.17 Các kiểu triển khai OXC khác nhau.................................................. 33
Hình 3.1: Cấu hình một hệ thống thông tin quang tiêu biểu ............................... 37
Hình 3.2:Kiểu bảo vệ 1+1 trên lớp SDH............................................................. 42
Hình 3.3: Kiểu bảo vệ 1: N trong hệ thống DWDM ........................................... 43

viii


LỜI NÓI ĐẦU
 Tính cấp thiết của đề tài:
Hiện nay sự phát triển của các dịch vụ thông tin, đặc biệt là của Word
Wide Web và Internet, điều này đòi hỏi dung lƣợng mạng lớn. Trong khi đó
mạng hiện tại khó đáp ứng đƣơc. Chính vì thế yêu cầu cần có một mạng
truyền dẫn dung lƣợng lớn. Công nghệ DWDM(Dense Wavelenght Division
Multiplexing)-ghép kênh theo bƣớc sóng quang dày đặc ra đời. Đây là giải
pháp hiệu quả tận dụng băng thông của sợi quang tốt hơn,giúp nâng dung
lƣợng của hệ thống lên đến hàng trăm Gbps đồng thời giảm giá thành cho sản
phẩm.
 Kết cấu của đề tài:
Chƣơng 1. Công nghệ DWDM
Chƣơng này tìm hiểu sơ lƣợc về nguyên lý ghép bƣớc sóng quang,các tham số
cơ bản cũng nhƣ ƣu điểm và hạn chế của hệ thống DWDM.
Chƣơng 2. Các thành phần cơ bản của mạng DWDM
Chƣơng này trình bày các thành phần cơ bản đƣợc sử dụng trong mạng DWDM.
Chƣơng 3.Các yếu tố ảnh hƣởng đến yêu cầu kỹ thuật của mạng

DWDM
Chƣơng này trình bày các yếu tố ảnh hƣởng đến mạng DWDM và một số cơ chế
bảo vệ trong mạng DWDM.

1


CHƢƠNG 1: CÔNG NGHỆ DWDM
1.1. Kỹ thuật ghép bƣớc sóng quang
Ghép kênh quang ra đời nhằm mục đích tận dụng tốt hơn băng tần của sợi
quang, tăng dung lƣợng kênh, xây dựng các tuyến truyền dẫn tốc độ cao mà các
hệ thống ghép kênh điện không đáp ứng đƣợc. Các kỹ thuật ghép kênh quang cơ
bản đƣợc sử dụng là: Ghép kênh quang theo bƣớc sóng (WDM- Wavelenght
Division Multiplexing); ghép kênh quang theo thời gian (OTDM- Optical Time
Division Multiplexing) và ghép kênh quang theo tần số (OFDM- Optical
Frequency Division Multiplexing).
Công nghệ WDM sau này đƣợc gọi là DWDM (Dense Wavelenght
Division Multiplexing). Bƣớc sóng đƣợc sử dụng trong DWDM nằm trong
khoảng 1550nm. DWDM cho phép chế tạo phần tử và hệ thống với 80 kênh và
khoảng cách rất nhỏ 0,5nm.
1.2. Nguyên lý cơ bản của ghép bƣớc sóng quang.
Nguyên lý cơ bản đƣợc mô tả nhƣ hình 1.1
I1(1)

O1(1)

MUX
In(n)

Sợi dẫn quang

DEMUX
O (1…n)

I(1…n)

On(n)

Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bƣớc sóng
Hệ thống WDM là một hệ thống ghép m bƣớc sóng 1….m , phía phát sử
dụng nguồn quang bằng LD hoặc LED. Mỗi nguồn quang có bƣớc sóng riêng.
Các tín hiệu sử dụng bƣớc sóng khác nhau sẽ đƣợc ghép vào chung và đƣợc
ghép với nhau nhờ bộ ghép kênh (MUX: multiplex) ở bên phát. MUX cần có
suy hao nhỏ,các tín hiệu sau bộ MUX sẽ truyền dọc theo sợi. Ở phía thu sử dụng
các bộ DEMUX:Demultiplex(tách sóng quang) thu lại các luồng tín hiệu này rồi
tách riêng rẽ từng bƣớc sóng. Mỗi bƣớc sóng đƣợc đƣa vào một diode tách
2


quang để tách luồng tín hiệu.Có 3 loại thiết bị ghép quang: Bộ giải ghép,bộ
ghép và bộ giải ghép hỗn hợp.
Các tín hiệu đƣợc ghép

Ik(k)
Sợi dẫn quang

Ok(k)

Các tín hiệu đƣợc giải ghép

Hình 1.2: Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX)
Các phƣơng pháp truyền dẫn ghép bƣớc sóng quang WDM
+ Phƣơng pháp truyền dẫn ghép bƣớc sóng quang đơn hƣớng
Là tất cả các kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo một chiều, ở
đầu phát mang các tín hiệu có bƣớc sóng khác nhau đã đƣợc điều chế λ1,λ2,…,λn
thông qua các bộ ghép kênh đã tổ hợp lại với nhau và truyền dẫn một chiều trên
một sợi quang. Ở đầu thu, sử dụng các bộ tách kênh có nguyên lý ngƣợc lại phía
phát.
1
.
.
n
1
.
.
n

Máy phát
quang

1

Máy phát
quang n
Máy thu
quang
Máy thu
quang

Bộ

Bộ ghép O
kênh

khuếch

O

đại sợi

Bộ tách
kênh

quang

1 2…n
Bộ tách O
kênh

Bộ
khuếch
đại sợi

n
quang
1 2…n

1
O

Bộ ghép
kênh
n

Máy thu
quang

1

Máy thu
quang

.

Máy phát
quang

n1

Máy phát
quang

.

Hình 1.3: Hệ thống ghép bƣớc sóng quang đơn hƣớng
n
3

.

.

n


+ Phƣơng pháp truyền dẫn ghép bƣớc sóng quang song hƣớng:
Nghĩa là có thể phát thông tin theo một hƣớng theo bƣớc sóng 1 và đồng
thời cũng phát thông tin theo hƣớng ngƣợc lại tại bƣớc sóng 2. Bên phát, đòi
hỏi các bộ ghép kênh có suy hao nhỏ. Bên thu, đòi hỏi độ nhạy của các bộ tách
sóng với các bƣớc sóng trong dải sóng quang .
Máy phát
quang

1
.

1

Máy phát
quang 
Máy thu n
quang

.
n
1
.

1 2…n
Bộ

ghép/tách
kênh

Máy thu
quang

.

O

Bộ
khuếch

O

đại sợi

n

Bộ
ghép/tách
kênh

1+1

quang

1+1 2+2…2n
2n

Máy thu
quang

1

Máy thu
quang

.

.

Máy phát
quang

n1

Máy phát
quang

.

.

n

n

Hình 1.4: Hệ thống ghép bƣớc
n sóng quang song hƣớng.

Ta xét đến những ƣu, nhƣợc điểm của hai hệ thống này : Giả sử trên một sợi
quang chỉ cho phép truyền M bƣớc sóng, so sánh giữa hai công nghệ này ta có
những nhận xét sau:
 Dung lƣợng : Hệ thống song hƣớng có dung lƣợng thấp hơn hệ thống
đơn hƣớng cỡ 1/2
 Trƣờng hợp đứt cáp : Hệ thống song hƣớng có khả năng nhận diện
đƣợc sự cố tức thời mà không cần cơ chế chuyển mạch tự động APS
(AutomaticProtection-Switching).


Về thiết kế mạng: hệ thống đơn hƣớng dễ thiết kế hơn. Ở hệ thống
song hƣớng các bộ khuếch đại thƣờng phúc tạp hơn.

Các tham số cơ bản của ghép kênh quang theo bƣớc sóng để miêu tả đặc tính
các bộ ghép tách hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh
 Suy hao xen:
Là suy hao về công suất tại điểm ghép nối sợi và thiết bị WDM cũng nhƣ
4


giữa các thiết bị ghép. Chính vì vậy trên thực tế thiết kế ngƣời ta phải tính cho
vài dB ở mỗi đầu. Công thức suy hao đƣợc mô tả nhƣ sau:
𝐿𝑖 = −10 𝑙𝑜𝑔
𝐿𝑖 = −10𝑙𝑜𝑔

𝑂 𝜆𝑖
𝐼𝑖 𝜆𝑖

𝑂 𝜆𝑖
𝐼𝑖 𝜆𝑖

𝑑𝐵 𝑀𝑈𝑋

1.1

𝑑𝐵 𝐷𝐸𝑀𝑈𝑋

1.2

Trong đó Li là suy hao tại bƣớc sóng 𝜆𝑖 khi thiết bị đƣợc ghép xen vào tuyến
truyền dẫn. Các tham số này đƣợc các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh
quang của thiết bị.
- Ii(i), Oi(i) tƣơng ứng là tín hiệu có bƣớc sóng 𝜆𝑖 đi vào và đi ra cửa
thứ i của bộ ghép.
- Ii(i), Oi(i) tƣơng ứng là tín hiệu có bƣớc sóng 𝜆𝑖 đi vào và đi ra cửa
thứ i của bộ tách.
 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.
 Độ rộng kênh:
Là dải bƣớc sóng dành cho mỗi kênh. Dải sóng này phải đảm bảo để tránh
nhiễu giữa các kênh. Độ rộng phổ giữa các kênh tùy thuộc vào từng nguồn phát.
Với mỗi tốc độ truyền sẽ có độ rộng phổ mỗi kênh là khác nhau và độ chính xác
khác nhau.
Bảng 1.1: Độ rộng phổ của kênh
Độ rộng kênh

Độ dịch tần

25 GHz

±5

50 GHz

± 10

100 GHz

± 20

200 GHz

± 50
5


Hiện nay trong hệ thống viễn thông dùng sợi quang thƣờng sử dụng bƣớc
sóng 1550nm và các bộ khuếch đại EDFA. Băng thông cực đại của bộ khuếch
đại sợi pha tạp EDFA khoản 30nm.
1.3. Các tham số chính trong DWDM
1.3.1. Dải bƣớc sóng làm việc
Sợi quang thạch anh có 3 cửa sổ suy hao thấp 860 nm, 1310 nm và 1550
nm, trong đó tại cửa sổ 1550 nm đặc tính suy hao của sợi quang là nhỏ nhất, cửa
sổ này đƣợc áp dụng để truyền dẫn tín hiệu SDH với khoảng cách ngắn và dài.
Bên cạnh đó các bộ khuếch đại quang EDFA sử dụng hiện nay có đặc tính độ lợi
khá bằng phẳng trong cửa sổ này, bởi vậy đây là cửa sổ hoạt động rất tốt của hệ
thống DWDM. Các bƣớc sóng làm việc trong cửa sổ 1550nm đƣợc chia thành 3
dải: băng S, băng C và băng L
1460nm

1530nm

1565nm

1625nm

Short

Conventional

Long

Band

Band

Band

460-1530nm

1530-1565nm

1565-1625nm

Hình 1.5: Sự phân chia dải bƣớc sóng làm việc tại cửa sổ 1550 nm
Trong đó:
+ Băng S (1460 nm – 1530 nm): băng S không sử dụng trong hệ thống
DWDM.
+ Băng C (1530 – 1565 nm): đây là dải bƣớc sóng làm việc của các hệ thống

DWDM sử dụng 40 bƣớc sóng (khoảng cách giữa các bƣớc sóng là 100 GHz),
hệ thống DWDM sử dụng 80 bƣớc sóng (khoảng cách giữa các bƣớc sóng là 50
6


GHz) và hệ thống SDH.
+ Băng L (1565 – 1625 nm): đây là dải bƣớc sóng làm việc của các hệ thống
DWDM sử dụng 80 bƣớc sóng (khoảng cách giữa các bƣớc sóng là 50 GHz).
1.3.2.Số kênh bƣớc sóng
Số kênh bƣớc sóng sử dụng phụ thuộc các yếu tố nhƣ:
 Khả năng của công nghệ đối với các thành phần quang nhƣ:
+ Khả năng băng tần của sợi quang.
+ Khả năng tách/ghép các kênh bƣớc sóng.
 Khoảng cách giữa các kênh gồm các yếu tố sau:
“+ Tốc độ truyền dẫn của từng kênh.
+ Quỹ công suất quang.
+ Ảnh hƣởng của hiệu ứng phi tuyến.
+ Độ rộng phổ của nguồn phát.
+ Khả năng tách/ghép của hệ thống DWDM.”(2)
Gọi ∆λ là khoảng cách giữa các kênh bƣớc sóng thì tƣơng ứng thì:
∆𝑓 = (−𝑐∆𝜆)/𝜆^2

(1.3)

Nhƣ vậy, tại bƣớc sóng λ = 1550 nm, với ∆λ = 35 nm thì ∆f = 4,37.1012Hz. Nếu
mỗi kênh có tốc độ truyền bƣớc sóng là 2.5Gbps thì theo định nghĩa Nyquist,
khi đó phổ cơ sở của tín hiệu là 2 x 2,5 = 5Gbps thì N = ∆f /5 = 874 kênh trong
dải băng tần khuếch đại quang (với N là số kênh bƣớc sóng lớn nhất có thể có).
Với khả năng đáp ứng công nghệ hiện tại ITU - T đƣa ra quy định về
khoảng cách giữa các kênh bƣớc sóng là 100 GHz (0,8 nm) hoặc 50 GHz (0,4

nm) với chuẩn tần số là 193,1 THz. DWDM chủ yếu sử dụng dải băng tần C
(1530 - 1560)nm và băng L (1560 - 1600)nm.

7


1.3.3 Độ rộng phổ nguồn phát.
Để các kênh bƣớc sóng có thể độc lập hoạt động cần phải chọn độ rộng
phổ phát thích hợp, tức là tránh chồng phổ giữa các kênh gần kề với nhau ở bên
thu..
Về bản chất, việc ghép các bƣớc sóng khác nhau trên cùng một sợi quang
là dựa trên nguyên tắc ghép kênh theo tần số. Khoảng cách giữa các bƣớc sóng
sẽ dựa vào đặc tính phổ của nguồn phát và các ảnh hƣởng khác nhau trên đƣờng
truyền nhƣ hiệu ứng phi tuyến, tán sắc sợi…..
Mối quan hệ giữa phổ công suất phía thu với phổ công suất nguồn phát
đƣợc thể hiện bởi tham số đặc trƣng cho giãn phổ, kí hiệu ∆ , băng tần tín hiệu B
và bù tán sắc D. Nếu gọi ε là hệ số đặc trƣng cho sự tƣơng tác giữa nguồn phát
và sợi quang, khi đó:
ε = D.B.∆RMS
Trong đó:D là độ tán sắc tƣơng ứng khoảng cách truyền dẫn.
∆RMSlà độ giãn rộng phổ.
B là độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn.
1.3.4. Qũy công suất.
Để duy trì công suất đến máy thu thì yếu tố quan trọng cần tính đến là quỹ
công suất.
Suy hao công suất trên toàn tuyến bao gồm: suy hao trên sợi dẫn quang,
trên các bộ nối quang và tại các mối hàn. Tổng suy hao trên toàn tuyến nhận
đƣợc từ các phân bổ suy hao liên tiếp của từng phần tử trên tuyến. Suy hao của
từng phần tử đƣợc tính:
𝐴 𝑑𝐵 = 10 𝑙𝑜𝑔

𝑃1
𝑃2

(1.4)

Trong đó: P1, P2 là các công suất quang đầu vào và đầu ra của phần tử.
Ngoài các suy hao do các phần tử trên tuyến quang gây ra nhƣ đã nêu ở
trên, ta còn phải có một lƣợng công suất quang dự phòng cho tuổi thọ của các
8


thành phần, sự thay đổi nhiệt độ và các suy hao tăng lên ở các thành phần.
Nếu gọi PS là công suất quang của nguồn phát đƣợc đƣa vào đầu ghép sợi và P R
là độ nhạy của bộ thu quang thì:
PT = PS - PR= 2lC + αf.L + dự phòng hệ thống
Trong đó: lC là suy hao bộ nối quang
αf là suy hao sợi
L là cự li truyền dẫn
Ở đây, suy hao do mối hàn lSP đƣợc gán vào trong suy hao sợi để đơn giản phép
tính.
1.3.5. Vấn đề ảnh hƣởng của hiệu ứng phi tuyến
Sợi quang có tính truyền dẫn tuyến tính nếu công suất quang nhỏ. Nếu sử
dụng EDFA thì công suất quang tăng đến một mức nhất định sẽ có đặc tính phi
tuyến, làm ảnh hƣởng đến bộ khuếch đại EDFA và khoảng cách truyền dẫn xa
khi không có chuyển tiếp.
Nhìn chung, có thể chia hiệu ứng phi tuyến thành 2 loại:
Hiệu ứng tán xạ: bao gồm tán xạ do kích thích Raman (SRS) và tán xạ do
kích thích Brillouin (SBS).
Hiệu ứng liên quan đến chiết suất phụ thuộc vào công suất quang: bao

gồm hiệu ứng tự điều chế pha (SPM), điều chế pha chéo(XPM) và trộn bốn
bƣớc sóng (FWM).

9


1.4. Các ƣu điểm của hệ thống DWDM
So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống DWDM có những
ƣu điểm nổi trội:
- Tận dụng đƣợc phần lớn băng thông của sợi quang, tạo ra đƣợc dung
lƣợng truyền dẫn lớn. Công nghệ DWDM cho phép sử dụng toàn bộ tài nguyên
băng thông rất lớn của sợi quang (khoảng 25THz) để nâng cao dung lƣợng
truyền dẫn của hệ thống.
- Khoảng cách truyền dẫn xa bằng cách sử dụng công nghệ khuếch đại
quang sợi EDFA.
- Cho phép truy nhập nhiều loại hình dịch vụ: các bƣớc sóng trong hệ
thống DWDM độc lập nhau, do đó có khả năng truyền nhiều loại hình dịch
vụ trên cùng một cáp sợi quang nhƣ: SDH, GE hay ATM…
- Hạn chế đƣợc số sợi quang cần sử dụng: hệ thống DWDM ghép nhiều
bƣớc sóng trên một sợi quang nên tiết kiệm đƣợc rất nhiều cáp quang, từ
đó có thể giảm đƣợc cho phí xây dựng đƣờng dây.
- Khả năng nâng cấp và mở rộng dễ dàng, đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung
lƣợng hệ thống. Việc nâng cấp dung lƣợng đơn giản là cắm thêm card mới trong
khi hệ thống vẫn hoạt động.
- Quản lý băng tần và cấu hình mềm dẻo, linh hoạt .
- Ngoài ra còn ứng dụng để truyền nhiều chƣơng trình truyền hình chất lƣợng
cao, cự ly dài.
 Bên cạnh những ƣu điểm trên, hệ thống WDM còn có những hạn chế:
 Chƣa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang ( chỉ mới tận
dụng đƣợc băng C và băng L)

 Chi phí cho khai thác, bảo dƣỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt
động

10


CHƢƠNG 2. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MẠNG DWDM
2.1 Cấu trúc truyền dẫn cơ bản của mạng DWDM và khối phát quang
2.1.1 Cấu trúc truyền dẫn cơ bản của mạng DWDM
Cấu trúc cơ bản của hệ thống DWDM gồm các thành phần chính sau:
 Khối phát đáp quang OTU.
 Khối tách/ ghép kênh quang MUX/DEMUX.
 Khối khuếch đại quang sợi EDFA.
 Khối xen/rẽ kênh quang OADM.
 Khối bù tán sắc.
 Khối kết nối chéo quang OXC
 Khối đƣờng truyền
2.1.2. Khối phát đáp quang.
OTU (Optical Transponder Unit) là thiết bị đƣợc sử dụng để thực hiện sửa
dạng tín hiệu. OTU thực hiện việc chuyển đổi quang - điện với các tín hiệu
quang đƣa vào ghép kênh theo khuyến nghị G.957 của ITU-T và thực hiện tái
tạo tín hiệu, khôi phục định thời và khôi phục dữ liệu đối với các tín hiệu quang
đã đƣợc chuyển đổi thành điện. Sau đó thực hiện chuyển đổi điện - quang để đƣa
ra tín hiệu kênh quang DWDM mà có bƣớc sóng, độ tán sắc và công suất phát
quang theo chuẩn G.692.
G.692

G.957
O/E
Tín hiệu

Tái tạo dạng tín hiệu,
Khôi phục định thời

E/O
Tín hiệu

quang đầu

quang đầu

vào

ra

Hình 2.1: Nguyên lý của bộ thu phát quang OTU
Phân loại và ứng dụng:
Phụ thuộc vào vị trí của OTU trong mạng DWDM mà OTU có thể đƣợc
11


chia làm 3 loại: OTUT (OTU Transmitter), OTUR (OTU Receiver) và OTUG
(OTU Generrator). Ứng dụng của chúng trong hệ thống nhƣ hình vẽ:

OTUT

OTUT

O

O
M

O

D

O

A

M
U

X

A

O
OTUG

OTUG

O

M

O

D

U

A

M
U

X

A

X

OTUR

OTUR

X

Hình 2.2: Vị trí của bộ chuyển đổi bƣớc sóng OTU trong hệ thống
“OTUT (OTU ở đầu phát): đặt giữa các thiết bị của khách hàng và
OMUX. Thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang từ phía khách hàng thành tín hiệu
quang đầu ra theo chuẩn G.692 rồi đƣa vào OMUX. Loại OTU này không chỉ
thực hiện chức năng chuyển đổi O/E và E/O mà còn thực hiện việc tái tạo dạng
tín hiệu, khôi phục định thời (chức năng 2R) và có chức năng tìm byte B1 (byte
giám sát lỗi bit từng đoạn lặp).”[2]vãi
OTUR (OTU ở đầu thu): đặt giữa ODMUX và các thiết bị của khách
hàng. Tín hiệu quang đầu ra từ ODMUX đến OTUR phải tuân theo chuẩn
G.692. Loại OTU này có chức năng giống nhƣ OTUT, nó thực hiện sửa dạng tín

hiệu, chức năng 2R và tìm kiếm byte B1.
OTUG (OTU chuyển tiếp): đặt giữa OMUX và ODMUX. Tín hiệu đầu
vào và đầu ra của OTUG phải tuân theo chuẩn G.692. OTU loại này không chỉ
có chức năng chuyển đổi O/E, E/O mà còn có chức năng tái tạo lại dạng tín hiệu,
khôi phục định thời và chức năng khôi phục dữ liệu (chức năng 3R).
2.2 Bộ tách/ghép kênh quang.
Giả sử các nguồn phát quang làm việc ở các bƣớc sóng khác nhau λ 1, λ2,
…λn. Các tín hiệu quang ở các bƣớc sóng khác nhau này sẽ đƣợc ghép vào cùng
một sợi quang ở phía phát. Bộ ghép kênh theo bƣớc song (OMUX) phải đảm
bảo có độ suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi đƣợc ghép sẽ đƣợc truyền dọc theo sợi
để tới phía thu. Tới bên thu, qua bộ giải ghép kênh (ODMUX), tín hiệu sẽ đƣợc
12


tách ra thành các bƣớc sóng riêng rẽ và đến các bộ thu thích hợp.
Có 3 loại WDM chính thức đƣợc sử dụng đó là:
 Sử dụng bộ lọc điện môi màng mỏng (Dielectric thin film filters - DTF)
dùng để lọc các bƣớc sóng riêng biệt trong dải bƣớc sóng cụ thể cũng
nhƣ dễ dàng thích ứng trong việc truyền dẫn một chiều hoặc hai chiều.
 Sử dụng cách tử nhiễu xạ dùng để ghép và tách nhiều tín hiệu trong cùng
một cửa sổ.
 Ghép định hƣớng theo phƣơng pháp hàn sợi
2.2.1 Phƣơng pháp ghép kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng
Bộ lọc điện môi sử dụng trong ghép kênh quang hoạt động dựa trên
nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ này và cho phần phổ còn lại đi qua.
Phần tử cơ bản để thực hiện ghép kênh theo bƣớc sóng là bộ lọc điện môi giao
thoa, có cấu trúc đa lớp gồm các màng mỏng có chỉ số chiết suất cao và thấp đặt
xen kẽ nhau.
Nguyên lý hoạt động của nó nhƣ sau: Khi chùm tia sáng chạm vào thiết
bị, các hiện tƣợng giao thoa sẽ tạo ra những phản xạ nhiều lần trong khoang

cộng hƣởng. Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên lần của nửa bƣớc sóng ánh
sáng thì giao thoa xếp chồng xảy ra và công suất quang của bƣớc sóng đạt giá trị
cực đại. Các tia ánh sáng của các bƣớc sóng khác với bƣớc sóng cộng hƣởng
phản xạ trọn vẹn, chỉ có một bƣớc sóng đi qua bộ lọc. Gƣơng phản xạ là các lớp
thủy tinh nằm trên lớp đệm trong suốt.

13


1,2,….,n
1

2,….,n

Bộ lọc

Hình 2.3: Bộ tách bƣớc sóng dùng bộ lọc
Theo đặc tính phổ thì thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành:
Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao có bƣớc sóng cắt 𝜆c.
Bộ lọc thông dải có bƣớc sóng trung tâm λ0 và độ rộng dải λ
Các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao thƣờng sử dụng để ghép hoặc tách 2 bƣớc
sóng khác nhau, chẳng hạn 850 nm và 1310 nm hoặc 1310 nm và1550 nm. Loại
bộ lọc nhƣ vậy thích hợp cho nguồn quang có dải phổ rộng (LED). Bộ lọc thông
dải đƣợc sử dụng trong WDM khi nguồn quang có phổ hẹp (LD). Đối với bộ lọc
thông dải có một vài yêu cầu, đó là độ dốc sƣờn đƣờng cong hàm truyền đạt
phải đủ lớn để tránh xuyên âm giữa các kênh kề nhau, mặt khác độ rộng giải ∆λ
có dung sai cho phép để đề phòng dịch bƣớc sóng trung tâm của nguồn quang do
nhiệt độ thay đổi.
2.2.2. Một số thiết bị tách kênh dùng bộ lọc điện môi màng mỏng
 Bộ tách 2 bƣớc sóng:

Thiết bị ghép và thiết bị tách bƣớc sóng có cấu trúc thuận - nghịch, nghĩa là giữa
bộ ghép và bộ tách chỉ thay đổi cổng vào và cổng ra.

14


Kính lọc

Thấu kính

1

1,
2
Sợi quang

2

Hình 2.4: Bộ tách 2 kênh dùng thấu kính phẳng và bộ lọc

1, 2

Lăng kính Grin (1/4 P)
1

2

Bộ lọc

Hình 2.5: Bộ tách 2 kênh dùng bộ lọc và lăng kính Grin

Cấu trúc cơ bản của bộ giải ghép 2 kênh nhƣ ở hình 2.4, trong khi đó việc
thực hiện trên thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản nhƣ ở hình 2.5. Các phần tử
chuẩn trực và hội tụ là các lăng kính Grin - rod 1/4 bƣớc. Bộ lọc đƣợc thiết kế để
phát đi λ1 và phản xạ λ2 sẽ đƣợc đặt giữa 2 lăng kính.
 Bộ tách lớn hơn hai bƣớc sóng:
Thiết bị này sử dụng các bộ lọc nối tiếp nhau và mỗi bộ lọc cho đi qua một bƣớc
sóng và phản xạ các bƣớc sóng còn lại

15


1, 2,….,n
Bộ lọc (1)
1
2
3
4

Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của bộ lọc nhiều bƣớc sóng
2.2.3 Phƣơng pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ
Cách tử nhiễu xạ là một thiết bị quang thụ động, nhiễu xạ chùm sáng tới
theo các hƣớng khác nhau tùy theo góc tới của chùm sáng trên bề mặt cách tử,
bƣớc sóng của ánh sáng tới, các đặc tính thiết kế của cách tử, khoảng cách giữa
các rãnh (chu kỳ cách tử), góc của rãnh cách tử Φ. Trên 1 mm của cách tử có
hàng chục hay hàng ngàn rãnh nhỏ, số rãnh trên một đơn vị chiều dài của cách
tử đƣợc gọi là hằng số cách tử.
Các bộ tách ghép bƣớc sóng sử dụng cách tử
Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc tách kênh sử dụng cách tử gồm 3 phần
chính: các phần tử vào và ra (là mảng sợi hoặc một sợi truyền dẫn với các thành
phần thu - phát), phần tử hội tụ quang, phần tử tán sắc góc.

16


Thấu kính hội tụ

Cách tử

1
1 , 2
2

a)
Lăng kính Grin

1

Cách
Cáchtửt

1 ,
 2
2

b)

Hình 2.7 Bộ tách Littrow: a) Bộ tách bƣớc sóng dùng thấu kính hội tụ, b)
Bộ tách bƣớc sóng dùng thấu kính Grin
Hình 2.7 a,b là bộ tách Littrow với cấu trúc cơ bản và cấu trúc thực tế sử
dụng thấu kính Grin của bộ tách 2 kênh. Trong cấu hình này, cả tín hiệu ánh

sáng đi vào và ánh sáng đi ra khỏi bộ ghép chỉ sử dụng một thấu kính, dùng thấu
kính chuẩn trực hoặc thấu kính Grin.
2.2.4 Phƣơng pháp ghép sợi
Để giảm thiểu suy hao ở sợi đơn mode ngƣời ta sử dụng thiết bị DWDM
ghép sợi. Nguyên lý : Công suất quang sẽ chuyển từ một sợi vào các sợi khác
khi các lõi quang đƣợc đặt gần kề nhau.
DWDM ghép sợi có 2 dạng là: giữa vị trí tiếp xúc đƣợc mài ghép hoặc
các sợi gần nhau đƣợc nung nóng chảy.
 Phƣơng pháp ghép xoắn sợi
Làm thay đổi các đặc tính của sợi bằng cách thay đổi hình dạng,kích cỡ cũng
nhƣ độ dài vùng ghép, bằng việc thay đổi nhiệt độ của vùng đƣợc đốt nóng để
bện các sợi với nhau.
17