Cach tu soi bragg trong he thong DWDM

Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM

MỞ ĐẦU

Thông tin sợi quang đã có những bước phát triển nhảy vọt trong vài thập kỷ
gần đây và đã có những vai trò quang trọng trong lĩnh vực viễn thông . Đặc biệt trong
truyền dẫn thông tin , thông tin quang đã đóng một vai trò quan trọng chủ đạo đáp ứng
nhu cầu về băng thông cũng như chất lượng truyền dẫn .
Trong thông tin quang học sử dụng phương pháp ghép kênh theo bước sóng
mật độ cao ( DWDM ) để tăng dung lượng của hệ thống . Kỹ thuật ghép các tín hiệu
có bước sóng khác nhau lại và truyền đi trên một sợi quang duy nhất làm tăng được
dung lượng truyền dẫn mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bước
sóng . Trên lí thuyết các bước sóng khác nhau hoạt động với tốc độ khác nhau .
DWDM linh hoạt về dung lượng . Kết hợp với bộ tách ghép quang OADM ,
và bộ đấu chéo quang đem lại hiệu quả cao , dung lượng lớn.trong truyền dẫn .
Trong quá trình ghép việc lựa chọn bước sóng để ghép là một vấn đề rất quan
trọng . Mặt khác trong quá trình truyền dẫn có khi cần lấy thông tin từ trong sợi quang
và ghép thông tin khác vào sợi để truyền dẫn . Khi truyền dẫn , phổ tín hiệu thường bị
giãn rộng ra nên việc cần một bộ lọc tín hiệu là rất quan trọng . Qua quá trình nghiên
cứu , thực nghiệm cho thấy cách tử sợi Bragg đã đáp ứng được yêu cầu nên đã được
ứng dụng nhiều trong hệ thống DWDM .
Sợi cách tử FBG thường được ứng dụng trong DWDM và bộ OADM . Các
ứng dụng bao gồm có bước sóng ổn định , bù tán sắc và gain phẳng . So sánh với các
bộ lọc khác cách tử sợi Bragg có tính năng vượt trội hơn hẳn vì nó có thể tách được
bất kì bước sóng nào trong dải bước sóng . Nhờ đó có thể đưa được nhiều thông tin
vào sợi quang truyền trên một sợi có thể tăng dung lượng truyền dẫn mà không cần
tăng tốc độ truyền .
Sợi cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính còn được dùng để bù tán sắc
trong mạng thông tin quang tốc độ cao . Thiết bị nhỏ gọn , dễ chế tạo và hoạt động có
hiệu quả cao . Bên cạnh đó sợi cách tử Bragg FBG còn được ứng dụng trong các hệ
thống bảo mật , hệ thống cáp quang dưới biển ...

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

1


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
Bản khoá luận có 3 chương :
Chương 1 : Khái quát chung về hệ thống DWDM
Đề cập đến các tính năng , đặc điểm của hệ thống WDM và DWDM , các thiết
bị được ứng dụng trong hệ thống gồm có bộ tách./ghép OADM , bộ đấu chéo quang
OXC , bộ khuyếch đại EDFA cùng với vai trò nhiệm vụ và ứng dụng trong hệ thống
DWDM
Chương 2 : Cách tử sợi Bragg trong hệ thống ghép kênh DWDM
Đề cập đến cách tử sợi Bragg , đặc điểm vai trò , phương pháp chế tạo , các
tính năng điều kiện và ảnh hưỏng của yếu tố nhiệt độ và sức căng đến hoạt động của
FBG , các ứng dụng trong hệ thống DWDM nói riêng và trong thông tin quang nói
chung
Chương 3 : FBG trong hệ thống ghép 8 bước sóng
Đề cập đến vấn đề FBG trong hệ thống ghép 8 bước sóng và tính toán về khả
năng bù tán sắc trong truyền dẫn

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

2


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM

Chương 1

1.1

KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG DWDM

Tổng quan về WDM

Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM ( wavelength Division
Multiplexing ) là một giải pháp lí tưởng để mở rộng dung lượng mạng quang mà
không cần thay đổi quá nhiều cơ sở hạ tầng . Bằng cách dùng phương thức ghép kênh
theo bước sóng để làm tăng dung lượng kênh truyền dẫn và có khả năng xây dựng các
tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao đem lại hiệu quả kinh tế . Xét trên phạm vi thế
giới, hệ thống thông tin sợi quang thương mại đã hoặc sẽ xây dựng, về cơ bản đều là
hệ thống thông tin sợi quang WDM , hệ thống thông tin sợi quang hiện có cũng sẽ lần
lượt cải tạo thành hệ thống WDM như ở Việt Nam .
1.1.1 Khái niệm hệ thống WDM
Ghép kênh phân chia theo bước sóng quang WDM là công nghệ ghép nhiều bước sóng
vào cùng một sợi quang .Tín hiệu có bước sóng khác nhau ở đầu phát được tổ hợp lại
(ghép kênh) nhờ bộ ghép kênh MUX. Bộ ghép kênh MUX phải đảm bảo ít suy hao và
không gây xuyên nhiễu giữa các luồng. Các luồng tín hiệu sau khi ghép được truyền
trên một sợi quang tới phía thu. Trên một tuyến đường có cự ly dài thì chùm sóng
quang được khuếch đại nhờ các bộ khuếch đại.Ở đầu thu tín hiệu các bước sóng tổ hợp
đó được phân tách ra (phân kênh) nhờ bộ tách kênh DEMUX , và tín hiệu được khôi
phục lại như tín hiệu ban đầu rồi đưa ra các đầu cuối khác nhau.Do đó độ rộng dải của
sợi tăng tới tổng tốc độ bit của mỗi bước sóng .
Hình vẽ mô tả quá trình ghép kênh :

Hình vẽ mô tả quá trình tách kênh :

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

3


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
Ta có thể mô tả cấu hình của hệ thống WDM như sau :

Hình 1.1 : Cấu hình hệ thống WDM
Phương thức truyền dẫn cơ bản của hệ thống WDM
Gồm có hai phương thức truyền dẫn cơ bản :
Truyền dẫn một chiều hai sợi
Phương thức truyền dẫn một chiều hai sợi của hệ thống WDM là phương thức
mà tất cả các kênh quang trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều.
Các hệ thống WDM một chiều truyền thống sẽ cho phép phát huy đặc trưng
của các bộ khuếch đại để tối ưu quá trình truyền dẫn. Người ta dùng một sợi để truyền
tín hiệu theo một hướng từ đầu này tới đầu kia trong hệ thống WDM. Các bộ khuếch
đại một chiều được đặt tại các nút ở giữa nhằm đảm bảo các mức công suất thích hợp.
Còn sợi thứ hai khi đó được dùng để truyền tín hiệu theo chiều ngược lại. Để đơn giản,
một số điểm WDM và thiết bị cần thiết cũng như các bộ khuếch đại cho cả hai chiều sẽ
được gộp vào cùng một nút WDM. Như vậy truyền dẫn song công hoàn toàn trên hệ
thống WDM một chiều sẽ được thực hiện bởi một đôi sợi và các bộ khuếch đại một
chiều. Tại các nút đầu cuối, một sợi sẽ được dùng để truyền và sợi kia để thu. Hiểu
theo cách đơn giản có nghĩa là :
Tại đầu phát, các tín hiệu được chuyển đổi từ tín hiệu điện thành tín hiệu
quang, các tín hiệu quang có bước sóng λ1, λ2, .... được tổ hợp lại với nhau và truyền
dẫn một chiều trên một sợi quang mà không hề xảy ra hiện tượng lẫn lộn bước sóng .

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

4

Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
Tại đầu thu , các tín hiệu sẽ được tách ra thành các tín hiệu riêng lẻ và quá
trình truyền dẫn quang được hoàn thành .
Sơ đồ truyền dẫn một chiều trên hai sợi quang

Máy
phát
quang

1

n

1

Máy
phát
quang

Máy
thu
quang

λ1

Bộ ghép
kênh

n

Bộ tách
kênh

λn

1

Máy
thu
quang

n

λ 1… λn

λ1

Bộ tách
kênh
Máy
thu
quang

Bộ
khuyếch
đại sợi
quang

Máy

thu
quang

Bộ
khuyếch
đại sợi
quang

Máy
phát
quang
1

Bộ khép
kênh
Máy
phát
quang

λn

Hình 1.2 : Sơ đồ truyền dẫn một chiều trên hai sợi quang
Phương thức này được phát triển và ứng dụng tương đối rộng rãi .
Phương thức Truyền dẫn hai chiều một sợi
Phương thức truyền dẫn hai chiều một sợi của hệ thống WDM là phương thức
mà kênh quang trên mỗi sợi truyền dẫn theo hai chiều khác nhau, dùng các bước sóng
khác nhau để thông tin hai chiều ( song song )

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

5

n


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
Cho đến nay đã có nhiều giải pháp để truyền song công với một sợi. Về cơ
bản, các tín hiệu truyền hai chiều ngược nhau trên cùng một sợi sẽ được cách ly bằng
những thiết bị thích hợp.
Kiểu cách ly đầu tiên được biết là tách băng. Đây là giải pháp được sử dụng
đầu tiên do những đòi hỏi về đặc tính của các linh kiện quang ít khắt khe hơn. Các
kênh truyền đi được chia thành 2 hoặc 4 nhóm (gọi là băng nhỏ - sub-bands) truyền
ngược nhau. Các băng được tách và hợp nhờ các thiết bị quang học được đưa dọc theo
môi trường truyền. Để ngăn ngừa các băng lân cận gây nhiễu lẫn nhau và nhằm cho
phép tách băng dễ hơn, một khe trống gọi là khe phòng vệ (guard band) được đặt vào
giữa chúng. Yêu cầu về khe phòng vệ này là nguyên nhân càng làm giảm hiệu quả phổ
tần hữu dụng đối với các hệ thống WDM hai chiều và làm hạn chế về cơ bản số lượng
kênh truyền.
Để giảm bớt khó khăn của việc tách băng, một số hãng đã cố tìm cách đưa ra
một kiểu truyền hai chiều khác. Thay vì nhóm các kênh từ các sub-band kề nhau, họ
dùng các kênh xen vào nhau trên hai chiều truyền, nghĩa là các kênh chẵn sẽ truyền
theo hướng từ đông sang tây còn các kênh lẻ thì ngược lại. Kết quả là giãn cách kênh
cho bước sóng trên cùng một chiều được tăng gấp đôi. Nhưng thêm vào đó cần có các
bộ lọc xen mới, làm tăng thêm suy hao hệ thống, giảm độ tin cậy và tăng giá thành.
Cuối cùng, việc cần thêm các phần tử quang thụ động trên đường dây sẽ đi kèm với
những ảnh hướng xấu đến quỹ công suất khả dụng của hệ thống.
Cả hai kiểu truyền này đã được dùng trước tiên cho hệ thống WDM đường
dài, tuy nhiên chúng chưa bao giờ thành công khi đối chọi với các cấu hình một chiều
truyền thống.Vì làm giảm đáng kể đặc tính hệ thống , do đó một số hãng sản xuất
WDM đang chấp nhận dùng một kiểu truyền hai chiều thứ ba. Thay vì dùng các băng

khác nhau hay các kênh xen kẽ, họ dùng cùng một bước sóng cho cả hai chiều truyền.
Tuy nhiên cũng gặp rất nhiều khó khăn như xuyên nhiễu , can nhiễu rộng hơn do tán
xạ ngược. Như đã biết, khi một tín hiệu quang đi vào một sợi quang dài gần như vô
hạn nó sẽ tạo ra hiệu ứng tán xạ ngược gây ra bởi chính chất liệu thuỷ tinh và thuộc
tính dẫn sáng của sợi. Hơn nữa, không thể bỏ qua các vấn đề về vận hành. Bất kỳ
nguồn phản xạ ngược nào được tích luỹ lại (như sự gián đoạn sợi cáp, việc nối cáp, các
đầu nối, việc uốn cong) sẽ tác động lên đặc tính tổng thể của các hệ thống. Ví dụ việc
nối lại sợi quang khi đứt: Ngoài suy hao phụ thêm do hàn nối, việc này cũng gây ra
những phản xạ ngược nào đó của tín hiệu tới, đưa đến những bất lợi tất yếu về mặt tạp
âm và công suất.

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

6


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
Như vậy phuơng thức truyền dẫn hai chiều chịu ảnh hưởng của các nhân tố
như : can nhiễu giữa các kênh , ảnh hưởng của các phản xạ quang, cách ly giữa các
kênh hai chiều , công suất truyền dẫn trên hai chiều và sự phụ thuộc vào nhau giữa
chúng…Đồng thời phải sử dụng bộ khuyếch đại hai chiều . Làm suy giảm đặc tính hệ
thống từ các hoạt động bảo dưỡng, các hệ thống WDM hai chiều sẽ không đảm bảo
được sự vận hành dài hạn.
Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang

Máy
phát
quang

1

Máy
thu
quang

1

Máy
thu
quang

n

λ1…λn

Máy
phát
Máy
quang

n

Máy
thu
quang

1

Bộ
ghép /

tách
kênh

Máy
thu
quang

Bộ
khuyếch
đại sợi
quang

λn+1…λ2n

Bộ
ghép /
tách
kênh

Máy
phát
quang
Máy
phát
quang

1

n

Hình 1.3 : Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang

Trên quan điểm kỹ thuật, các hệ thống kiểu một chiều rõ ràng tỏ ra trội hơn
kiểu hai chiều , nhưng có thể thay đổi khi mặt kinh tế được tính đến . Với hạ tầng sẵn
có khá dư sợi sẽ chẳng cần đến ưu thế đáng kể về mặt tiết kiệm sợi của các hệ thống
hai hướng .
Trên thực tế so với phương thức truyền dẫn một chiều của hệ thống WDM thì
phương thức truyền dẫn hai chiều của hệ thống WDM làm giảm được số lượng khuếch
đại sợi quang và đường dây.

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

7


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
1.1.2 Đặc điểm chính của công nghệ ghép kênh WDM
Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang
Do công nghệ khép kênh WDM là công nghệ truyền dẫn nhiều bước sóng trên
một sợi quang nên nó tận dụng tài nguyên băng rộng của sợi quang, làm cho dung
lượng truyền dẫn của sợi quang tăng từ vài lần tới vài chục lần so với truyền dẫn bước
sóng đơn , nhờ đó giá thành giảm , có giá trị ứng dụng và hiệu quả kinh tế rất lớn .
Bản thân sợi quang trong khoảng giới hạn bước sóng có khu vực suy hao thấp
rất rộng , trong đó có thể sử dụng rất nhiều bước sóng nhưng hiện nay mới sử dụng
một phần nhỏ trong khu vực đó . Mặc dù sử dụng toàn bộ dải tần khu vực khuếch đại
của bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium (EDFA) (1530 – 1565) cũng chỉ chiếm 1/6
dải tần của nó. Cho nên công nghệ WDM tận dụng độ rộng bằng tần rất lớn của sợi
quang. Nhờ đó có thể giải quyết được vấn đề dải tần truyền dẫn.
Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu
Vì trong công nghệ WDM ghép các tín hiệu có các bước sóng độc lập với

nhau, do đó có thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, nên dễ
dàng thực hiện việc tổng hợp và chia các tín hiệu của dịch vụ viễn thông gồm: tín hiệu
số, tương tự , truyền dẫn hỗn hợp tín hiệu đa phương tiện (như số liệu, văn bản, đồ
hoạ...)
Thực hiện truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang
Do nhiều phương tiện thông tin đều dùng phương thức truyền song công (như
điện thoại) , hoặc khắc phục vấn đề thiếu sợi truyền dẫn .Vì vậy dùng công nghệ
WDM có thể tiết kiệm được lượng đầu tư lớn cho đường dây.
Nhiều ứng dụng
Công nghệ WDM được sử dụng nhiều trong mạng đường trục, mạng quảng bá
, mạng cục bộ (LAN),... cho tốc độ cao , băng thông rộng , đáp ứng được nhu cầu ngày
càng cao của người sử dụng . Do đó rất quang trọng đối với các ứng dụng mạng .
Tiết kiệm đầu tư cho đường dây
Dùng công nghệ WDM không chỉ giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc mà còn
chống được tổn hao do phân cực. Các hệ thống thông tin quang hiện đại có sử dụng bộ
khuếch đại quang để ghép nhiều kênh theo WDM. Nếu với lưu lượng là 2,5Gbit/s,
ghép theo WDM từ 8 đến 16 luồng thì ta thực hiện được một đường thông tin quang

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

8


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
với lưu lượng là 20Gbit/s đến 40Gbit/s trên một sợi đơn mode mà vẫn dùng lại được
các thiết bị ghép kênh và phân kênh hiện có. Nói một cách khác, WDM cho phép tăng
tích số lưu lượng nhân với cự ly trên một sợi quang.
Như vậy khi truyền dẫn đường dài sẽ tiết kiệm được số lượng lớn sợi quang .
Ngoài ra thuận tiện cho việc mở rộng dung lượng hệ thống thông tin sợi quang đã xây
dựng, chỉ cần hệ thống cũ có độ sư công suất tương đối lớn thì có thể tăng dung lượng

hệ thống mà không cần thay đổi nhiều hệ thống cũ.
Giảm yêu cầu về tốc độ đối với các linh kiện
Vì tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng, tốc độ của các linh kiện quang sẽ
không thể đáp ứng được. Sử dụng công nghệ WDM có thể giảm rất cao yêu cầu về tốc
độ đối với một số linh kiện mà lại truyền dẫn được dung lượng lớn .
Ngoài ra cho phép khai thác một cách đơn giản và kinh tế lượng thông tin vào
một sợi quang đơn mode trên cự ly dài và tăng độ mềm dẻo của cấu trúc phân phối.
Những đường truyền dẫn thử nghiệm đã đạt được tốc độ 160Gbit/s trên hệ thống ghép
8 kênh theo bước sóng
Tính linh hoạt, kinh tế và độ tin cậy cao của cấu hình mạng
Sử dụng công nghệ WDM trong việc chọn đường, chuyển mạch và khôi phục
mạng từ đó sẽ có mạng trong suốt , linh hoạt, kinh tế.
1.1.3 Một số vấn đề cần chú ý trong công nghệ WDM
Hiện nay công nghệ WDM phát triển mạnh mẽ trong mạng đường trục của
các nhà khai thác đường dài nhưng vẫn phải đối mặt với một số vấn đề cần giải quyết :
Vấn đề ổn định bước sóng là một vấn đề cần quan tâm vì nếu bước sóng
không ổn định sẽ xảy ra hiện tượng trôi bước sóng , làm cho hệ thống không ổn định
và kém tin cậy .
Vấn đề xuyên nhiễu giữa kênh tín hiệu sẽ ảnh hưởng tới độ nhạy của máy thu
. Bên cạnh đó là ảnh hưởng của hiệu ứng tán sắc sợi quang sẽ ảnh hưởng đến tốc độ
truyền dẫn và khoảng cách truyền dẫn .
Ngoài ra do ảnh hưởng của hiệu ứng tán xạ và hiệu ứng khúc xạ , hiệu ứng phi
tuyến làm ảnh hưởng đến công suất đưa vào sợi quang .
Mặc dù các vấn đề then chốt đó đã được giải quyết như dựa vào trị số đỉnh để
tiến hành chốt các bước sóng trung tâm để giữ bước sóng ổn định , hay dùng bộ

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

9

Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
khuyếch đại EDFA để khắc phục việc suy giảm , rồi bù tán sắc phân cực để tránh ảnh
hưởng của tán sắc phân cực . Tuy nhiên nó vẫn phải đối mặt với một loạt công nghệ
tương ứng như công nghệ tách / ghép kênh , công nghệ khuyếch đại …
1.2 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM
1.2.1 Định nghĩa DWDM
Công nghệ DWDM là công nghệ với số bước sóng được ghép trong một sợi
quang lớn hơn trong hệ thống WDM .
Khi số lượng bước sóng được ghép bằng hoặc nhiều hơn 8 thì ghép kênh đựoc
coi là mật độ cao. Trong DWDM mỗi kênh sử dụng một bước sóng và truyền với tốc
độ bit khác nhau. Do mỗi kênh không chỉ có một bước sóng đơn lẻ mà là một dải hẹp
các bước sóng lân cận bước sóng trung tâm nên độ rộng phổ khoảng vài nm để tránh
hiện tượng xuyên kênh. Các hệ thống truyền dẫn sử dụng công nghệ DWDM được coi
là hệ thống truyền dẫn DWDM . Các tín hiệu như : âm thanh, hình ảnh , dữ liệu ...
cùng được truyền trên một sợi quang.

Hình 1.4 : ghép kênh DWDM
Ngày nay, có nhiều vật liệu mới ra đời, và sợi thuỷ tinh được chọn làm môi
trường truyền dẫn cho các hệ truyền thông có tốc độ cao, độ tin cậy cao với khoảng
cách dài ,lắp đặt trên mặt đất hay chôn ngầm dưới biển. Theo đó tốc độ bit có thể đạt
tới 40Gbps trong sợi đơn. Trong ghép kênh theo bước sóng, ghép kênh nhân chia theo
bước sóng mật độ cao, dải thông có thể đạt tới Tbps . Đã có hệ thống DWDM với 128
bước sóng và DWDM 40 bước sóng, mỗi bước sóng có tốc độ 10Gbps có độ rộng lên
tới 400Gbps dải thông có thể truyền trên sợi quang đơn nội dung của trên 1000 cuốn

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

10

Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
sách bách khoa toàn thư chỉ trong 1 sec. Các hệ thống DWDM tốc độ 40 Gbps cho
mỗi bước sóng đã được giới thiệu và tiếp tục gia tăng về cả mật độ bước sóng và tốc
độ bit.
1.2.2 Các tính năng của hệ thống DWDM
Công nghệ DWDM được xây dựng trên cơ sở một số thiết bị quang . Các thiết
bị này nhỏ , chất lượng tốt , có thể thương mại hoá và giá không cao . Để công nghệ
DWDM hoàn thiện thì cần phải có các tính năng cơ bản sau :
+ Sợi quang cho suy hao thấp và hiệu suất truyền dẫn tốt hơn ở phổ có bước sóng
1,3µm và 1,55µm .
+ Bộ khuyếch đại quang có hệ số khuếch đại là như nhau cho mọi bước sóng và
được ghép trên đường truyền để làm tăng tín hiệu do đó hạn chế số lượng bộ tái tạo
+ Sợi quang rất nhỏ nhẹ có thể tích hợp với các linh kiện quang học khác trên
cùng một bản mạch .
+ Nguồn laser và các bộ tách sóng quang bán dẫn được tích hợp thiết kế nhỏ gọn
+ Các bộ ghép và bộ phân kênh được thiết kế dựa trên sự nhiễu xạ ánh sáng .
+ Các bộ lọc lựa bước sóng có thể được sử dụng trong bộ ghép kênh quang
OADM ( optical add drop multiplexer ) .
+ Các thành phần của OADM sử dụng trong DWDM cho các mạng đường dài và
mạng MAN loại ring .
+ Các bộ kết nối OXC ( optical cross connect ) cùng với các công nghệ sử dụng
trong chuyển mạch quang .

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

11


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM

1.2.3 Nguyên lí hoạt động của hệ thống DWDM
Hình vẽ biểu thị sự hoạt động của DWDM :

Hình 1.5 : Nguyên lí hoạt động của DWDM
Chúng ta sẽ từng bước mô tả về hệ thống DWDM :
Bộ phát đáp chấp nhận tín hiệu vào ở dạng đơn mode hay laser đa mode.
Tín hiệu vào có thể bằng các phương tiện vật lý khác nhau và các giao
thức khác nhau với các kiểu chuyển động khác nhau
Tín hiệu vào có các bước sóng khác nhau đuợc sắp xếp thành một bước
sóng DWDM
Các bước sóng DWDM từ bộ phát đáp được ghép thành một tín hiệu
quang đơn và chuyển dần vào sợi quang . Hệ thống có khả năng chầp
nhận tín hiệu quang trực tiếp tới bộ ghép kênh , như thể tín hiệu có thể
đến trực tiếp, ví dụ đơn giản là từ node vệ tinh
Bộ khuyếch đại có nhiệm vụ làm tăng thế tín hiệu của chiều dài tín hiệu
quang vì rời khỏi hệ thống ( bộ quang ) .
Bộ khuyếch đại quang được dùng trong cả sợi quang như khẩu độ ( bộ
quang học )
Bộ khuyếch đại làm tăng thế tín hiệu trước khi nó đến hệ thống cuối ( bộ
quang ) .

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

12


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
Tín hiệu đến bộ phát đáp sẽ được tách thành các bước sóng λ riêng lẻ (
hay buớc sóng ) .

Các bước sóng λ riêng lẻ được sắp xếp phù hợp với từng lối ra ( ví dụ đơn
giản như , 48 sợi đơn mode ) và được gửi ra bộ nhận .
1.2.4 Vấn đề suy hao trong sợi quang ở trong DWDM
Sự suy hao trong sợi quang học là do nguyên nhân từ bên trong của sợi mà đầu
tiên là tán xạ và hấp thụ . Bởi các nguyên nhân bên trong bao gồm quá trình xử lí , các
tác động của môi trường , và tính mềm dẻo của chúng . Một số dạng tán xạ phổ biến là
tán xạ Releigh , nguyên nhân do tính không đồng nhất của môi trường bởi tạp chất và
chênh lệch chiết suất làm lệch phương truyền gây ra việc phân tán vật thể . ( hình vẽ ) .
Sự tán xạ ảnh hưởng đến bước sóng ngắn hơn là bước sóng dài .

Hình 1.6 :Suy hao trong sợi quang
Dựa vào suy hao quang, phổ có suy hao thấp được chia thành các phần nhỏ
hơn. Dải S hoặc của sổ quang học thứ 2 từ 1,2 µm đến 1,3µm . Dải C hoặc cửa sổ
quang học thứ 3 từ 1,51µm đến 1,561 µm gồm dải xanh và dải đỏ . Dải L hoặc cửa sổ
thứ 4 từ 1,561 đến 1,620 µm và cửa sổ thứ 5 từ 1,350 đến 1,450 µm.
Cửa sổ quang học trong khoảng 1,450 đến 1,528 µm được sử dụng trong các
mạng cự ly ngắn với sợi quang truyền dẫn đơn mode như mạng LAN. Do đó không
dùng được bộ khuếch đại pha tạp Erbium – EDFA không hoạt động trong vùng bước

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

13


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
sóng dưới 1,530 µm (EDFA hoạt động trong vùng 1,530 đến 1,560 µm có độ suy hao
nhỏ nhất là vùng 1,500 đến 1,560 µm), nhưng có thể sử dụng các bộ khuếch đại pha
tạp praseodymium để làm tăng các ứng dụng của dải này trong các mạng cự ly xa. Dải
C và S được ứng dụng trong mạng Metropolitan WDM . Dải S và L đang được nghiên
cứu và phát triển . Dải C được ứng dụng rộng rãi hơn nằm trong vùng khuếch đại của

bộ khuếch đại EDFA.
Hệ thống WDM sử dụng các bước sóng trong 2 vùng 1,310 và 1,550 µm. Một
số sợi quang được chế tạo có độ rộng phổ từ 1,310 đến 1,6 µm . Tuy nhiên , trong
công nghệ tiên tiến hiện nay chỉ sử dụng các bước sóng trong cửa sổ quang , không
phải mọi thành phần quang đều có tần suất như nhau trong toàn bộ phổ. VD: Với sợi
quang pha tạp Eb+3 hoạt động tốt nhất tại bước sóng 1,550 µm. DWDM sử dụng những
ưu điểm của công nghệ quang tiên tiến (các laser điều chỉnh được, các bộ lọc lựa giải
hẹp ....) để tạo ra nhiều bước sóng lân cận bước sóng 1,550 µm. ITU-T đưa ra chuẩn
G.692 với 43 kênh có các bước sóng trong khoảng 1,530 đến 1,560 µm cách nhau
100GHz .Tuy nhiên đã xuất hiện hệ thống với hơn 43 bước sóng được ghép và hệ
thống ghép rất nhiều bước sóng đang được thử nghiệm.
Sự suy hao trên sợi quang được bù thông qua việc sử dụng bộ khuyếch đại
quang .
Sự pha tạp vật liệu như Cu , Fe … làm cho một số bước sóng nhất định bị hấp
thụ . Do đó phải tiến hành làm sạch vật liệu , trong đó có tạp chất gốc OH rất khó làm
sạch hết tức là chúng luôn còn lại một lượng dù là rất nhỏ . Gốc OH trong cáp quang
làm tăng hấp thụ các bước sóng . Cho nên tại khoảng giữa 1,4 µm bị hấp thụ nhiều
nhất .
1.2.5 Một số thiết bị quang học trong hệ thống DWDM
Công nghệ DWDM đòi hỏi nhiều thiết bị quang đặc biệt được xây dựng dựa
trên các tính chất của ánh sáng ,tính quang , và điện cơ của các vật liệu bán dẫn .

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

14


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM

Mô tả mô hình truyền dẫn DWDM

Hình 1.7 :Mô hình truyền dẫn DWDM
Bao gồm các bộ thu/phát quang , OADM , OXC , EDFA …
Giữa bộ tách và ghép hệ thống DWDM , có 1 vùng mà trong đó thực hiện việc trộn
các bước sóng tồn tại . Nó thường được mô tả bằng khả năng bớt đi hay thêm vào một
hay nhiều bước sóng tại bất cứ một điểm nào dọc theo khẩu độ số . Một bộ tách / ghép
quang ( OADM ) thực hiện chức năng này . Hơn là việc kết hợp hay tách tất cả các
bước sóng , bộ OADM có thể bớt đi một vài bước sóng trong khi chuyển qua các bộ
quang khác . OADM là 1 vùng khoá trong mối quan hệ giữa tất cả các bộ trong mạng
quang học

Mô hình giữa OADM và OXC :

Hình 1.8 : Mô hình giữa OADM và OXC

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

15


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
1.2.5.1 Bộ đấu chéo OXC
Bộ đấu chéo OXC được dùng để chọn bước sóng phù hợp .Ở trong miền
quang học , nơi mà có thể có tới 40 kênh quang được ghép vào một sợi quang , một
yếu tố trong mạng yêu cầu có thể chấp nhận những bước sóng thay đổi ở cổng vào và
chuyển chúng đến cổng ra phù hợp với phần tử mạng . Để hoàn thành được quá trình
này thì bộ đấu chéo quang OXC cần 3 yếu tố :
Sợi chuyển mạch là sợi có khả năng chuyển tất cả các bước sóng trên một sợi
quang tới lối ra của sợi khác nhau
Dịch chuyển bước sóng là khả năng chuyển các bước sóng riêng từ lối vào

sợi quang tới lối ra bộ ghép sợi
Sự chuyển đổi bước sóng là khả năng lấy các bước sóng và chuyển đổi chúng
tới tần số quang học khác nhau phù hợp với cổng ra , đây là điều cần thiết hoàn thành
trong cấu trúc khối khi sử dụng bước sóng chuyển
Sơ đồ bộ đấu chéo quang OXC :

Hình 1.9 : Mô hình bộ đấu chéo quang OXC
1.2.5.2 Bộ ghép kênh quang OADM
OADM có vai trò rất quan trọng trong thông tin quang . OADM tách một
bước sóng từ nhiều bước sóng truyền dẫn trong sợi, thông tin được truyền trên bước
sóng này được tách ra, còn các bước sóng khác thì được truyền qua. Sau đó bước sóng
bị tách ra lại được ghép vào nhưng mang thông tin khác thông tin ban đầu.

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

16


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM

Hình 1.10 : OADM
OADM có hai thế hệ . Thế hệ đầu tiên là kiểu thiết bị cố định mà cấu hình
theo quy luật tự nhiên định trước bước sóng riêng để bớt đi trong khi thêm vào bước
sóng riêng khác . Thế hệ thứ hai được cấu hình lại và có khả năng linh hoạt trong việc
lựa chọn bước sóng nào được thêm và bớt .
OADM được sử dụng phổ biến trong các mạng truyền dẫn :

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

17

Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
Hình 1.11 : Mạng truyền dẫn OADM
Trong mạng đường trục OADM gồm có 3 loại cấu trúc . Mỗi loại được sử
dụng với các mục đích khác nhau :
Sử dụng OADM giữ nguyên số lượng kênh truyền
Có N bước sóng truyền dẫn trong sợi, khi đi qua OADM thì vẫn thu được N
bước sóng truyền trong sợi . Bước sóng được tách ra, khi ghép vào sẽ mang thông tin
khác.
Hệ thống truyền dẫn đồng bộ OADM :

N
bước
sóng

N
bước
sóng
Đầu cuối
DWDM

OADM

Đầu cuối
DWDM

Hình 1.12 : Hệ thống truyền dẫn đồng bộ OADM

Sử dụng OADM để thay đổi số lượng kênh truyền

Khi có N bước sóng truyền dẫn trong sợi, khi đi qua OADM thì chỉ có (N-2)
bước sóng truyền tiếp trong sợi, còn một bước sóng bị tách ra khỏi sợi, đồng thời sẽ
ghép vào sợi một bước sóng (từ bên ngoài) trong N bước sóng để truyền ngược lại .
Như vậy, có thể giảm dung lượng đường truyền , tuỳ thuộc vào mục đích sử
dụng.
Hệ thống không đồng bộ OADM :

N
bước
sóng
Đầu cuối
DWDM

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

N- 2
bước
sóng
OADM

18

Đầu cuối
DWDM


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
Hình 1.13 : Hệ thống không đồng bộ OADM
Sử dụng OADM thay đổi số lượng kênh truyền trong quá trình
truyền dẫn

Xét có (N-2) bước sóng truyền dẫn trong sợi .Hệ thống có 2 bộ OADM, mỗi
bộ này sẽ ghép 1 bước sóng để truyền dẫn trong sợi nên giữa 2 OADM truyền N bước
sóng. Như vậy ở giữa OADM và đầu cuối DWDM sẽ truyền (N-2) bước sóng.
Hệ thống không đồng bộ OADM :

N
bước
sóng

N- 2
bước
sóng
Đầu cuối
DWDM

OADM

N- 2
bước
sóng
OADM

Đầu cuối
DWDM

Hình 1.14 : Hệ thống không đồng bộ OADM
Như vậy, có thể tăng dung lượng đường truyền trên một khoảng cách nào đó
tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng. Trong mạng đường trục, OADM được sử dụng rất
linh hoạt để xen/rẽ các bước sóng trong quá trình truyền
1.2.5.3 Bộ khuyếch đại EDFA

Bộ khuyếch đại quang là thiết bị khuyếch đại vào bộ ghép kênh tín hiệu quang
mà không cần việc chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện.
Hình vẽ mô tả :

Bộ khuếch đại erbium còn được gọi là bộ khuếch đại quang, bộ khuếch đại
quang Erbium hoặc EDFA là một bộ lặp IR quang có thể khuếch đại một tia laser đã
được điều chế một cách trực tiếp, mà không cần đến các bộ chuyển đổi điện quang
hoặc bộ chuyển đổi quang điện.

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

19


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
Bộ khuếch đại này sử dụng một khoảng ngắn của sợi quang được nhúng với
nguyên tố erbium đất hiếm. Khi các tia laser mang tín hiệu đi qua sợi quang thì năng
lượng bên ngoài được ghép vào thường là tại các bước sóng IR.
Bộ khuyếch đại được đánh dấu bằng khả năng mang tải rộng đó là trong
DWDM cáp truyền trong khoảng cách rất lớn , EDFA đã trở thành một công nghệ có
vai trò chủ đạo . Tại cùng thời điểm như nhau , EDFA đã thúc đẩy sự phát triển của
các công nghệ mạng và trong kĩ thuật .

Hình 1.15 : EDFA
Hiệu suất đo của bộ khuyếch đại là các tham số gain , gain phẳng , mức ồn ,
công suất đầu ra . EDFA có gain đặc thù bằng 30 dB hay nhiều hơn và công suất đầu
ra là +17dB hay nhiều hơn . Đó là chỉ tiêu của các tham số khi dùng bộ EDFA , tuy
nhiên , ồn thấp hay gain phẳng . Hệ số gain nên là gain phẳng vì tất cả các tín hiệu
phải được khuyếch đại một cách thống nhất . Trong khi điều kiện của tín hiệu gain
trong công nghệ EDFA là dựa vào bước sóng sẵn có , nó có thể đúng với bộ lọc gain

phẳng . Như vậy bộ lọc thường xuyên được thiết kế vào trong EDFA hiện đại .
Tại khoảng cách lớn khoảng từ 600 dến 1000 km tín hiệu được phục hồi . Đó
là nguyên nhân bộ khuyếch đại quang chỉ khuyếch đại tín hiệu và không thực hiện
được 3 chức năng ( tạo lại dạng , định lại thời điểm , truyền ngược lại ) . EDFA có dải
tần biến thiên trong dải C và dải L .
Như vậy bộ lặp sợi quang hiện nay được gọi là bộ khuếch đại EDFA đảm bảo
cho WDM trở thành một công nghệ có chi phí hợp lý.
Như vậy hệ thống DWDM là công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ
cao , bao gồm cả bộ tách / ghép , EDFA , OADM … tuy nhiên trong quá trình
truyền dẫn với khoảng cách xa sẽ xảy ra hiện tượng giãn phổ của tín hiệu , gây
khó khăn cho việc tách bước sóng do đó qua quá trình nghiên cứu và thực

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

20


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
nghiệm cho thấy dùng cách tử Bragg sẽ khắc phuc được khó khăn đó . Vấn đề đó
sẽ đề cập đến ở chương sau .

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

21


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM

Chương 2

CÁCH TỬ SỢI BRAGG TRONG HỆ THỐNG
DWDM

2.1 Khái quát chung về cách tử
Trong hệ thống thông tin quang , khi số lượng kênh truyền quá lớn hoặc
khoảng cách giữa các bước sóng quá gần nhau nếu dùng các bộ lọc khác để tách bước
sóng thì không chính xác . Để khắc phục điều này có thể dùng cách tử vì nó có thể
tách được bất kì bước sóng nào miễn là thoả mãn điều kiện cách tử và độ chính xác
cao.
2.1.1 Khái niệm chung
Cách tử nhiễu xạ là tập hợp các khe hẹp giống nhau song song cách đều và
nằm trong cùng một mặt phẳng .
Cách tử phản xạ là một bề mặt kim loại và nhẵn bóng trên đó người ta dùng
mũi dao kim cương vạch nên những rãnh nhỏ cách đều nhau . Khi ta rọi ánh sáng lên
mặt cách tử ánh sáng sẽ nhiễu xạ trên những dải bằng phẳng giữa các rãnh và gây ra
nhiễu xạ . Còn các rãnh sẽ tán xạ ánh sáng theo các hướng khác nhau và như vậy cách
tử tách chùm sáng thành các tia khác nhau tương ứng với bước sóng khác nhau , ngược
lại các bước sóng khác nhau đến từ các hướng khác nhau có thể tập trung theo một
hướng .
Cách tử truyền là một thiết bị có hai bề mặt , khi rọi ánh sáng qua cách tử ,
những khoảng bằng phẳng giữa các rãnh để cho ánh sáng truyền qua và nhiễu xạ về
mọi phương chúng đóng vai trò các khe của cách tử , còn các rãnh là những phần
không trong suốt của cách tử nhiễu xạ . Mỗi rãnh được coi như là một lăng kính .
Sợi cách tử được tạo bởi chu kỳ phản xạ thay đổi trên lõi sợi thuỷ tinh . Sự
phản xạ thay đổi nhờ vào việc chiếu chùm tia UV vào sợi gây ra hiện tượng giao thoa
Khi tia sáng tới bề mặt cách tử , nó sẽ bị khúc xạ theo cách hướng khác nhau .
Khoảng cách giữa hai khe liên tiếp gọi là chu kỳ cách tử Λ .
Ta có hình vẽ mô tả :

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

22


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM

Hình 2.1 : Cách tử sợi Bragg
2.1.2 Nhiệm vụ của cách tử
Cách tử được sử dụng để tách chùm sáng gồm nhiều bước sóng thành các
bước sóng riêng lẻ và ngược lại kết hợp nhiều bước sóng riêng lẻ thành một chùm
sáng.
Cách tử truyền dùng để nghiên cứu các ánh sáng nhìn thấy được . Còn cách tử
phản xạ được dùng để nghiên cứu các tia tử ngoại vì các tia tử ngoại bị thuỷ tinh hấp
thụ mạnh.
Cũng giống như lăng kính khi ánh sáng qua cách tử thì ánh sáng không đơn
sắc ở đầu vào sẽ được tách thành các tia sáng đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau
. Tuy nhiên có điểm khác với lăng kính là qua cách tử nhiễu xạ sẽ cho tán sắc góc lớn
hơn . Vì vậy cách tử nhiễu xạ dùng để ghép / tách các bước sóng trong cùng một cửa
sổ truyền dẫn . Góc nhiễu xạ sẽ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới
Để tính toán chính xác , sử dụng cách tử nhiễu xạ và mặt sóng có góc tới của
mặt sóng là α , góc khúc xạ β và chu kỳ cách tử Λ .
Ta có hình vẽ mô tả cách tử nhiễu xạ sau :

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

23


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
Pháp

tuyến
cách tử

α

Mặt sóng
tới
Λsinβ

β

Mặt
sóng
khúc xạ

Λsinα

Λ

Hình 2.2 : Cách tử nhiễu xạ
Qua hình vẽ trên ta thấy hai tia kề nhau cạnh Λsinβ và Λsinα có hiệu quang lộ
bằng (Λsinβ + Λsinα ) . Để có cực đại giao thoa của hai tia thì hiệu quang lộ bằng một
số nguyên lần bước sóng λ của ánh sáng tới . Khi đó ta có :
Λsinβ + Λsinα = mλ

( 2-1)

Với :
Λ là chu kỳ cách tử
m là bậc nhiễu xạ

λ là bước sóng của ánh sáng tới
Từ công thức (2-1) ta suy ra bước sóng phù hợp phải thoả mãn điều kiện sau :
( mλ < 2 ) với tất cả cách giá trị m .
Chú ý : Khi α =β thì ta có mλ = 2Λsinα

( 2-2 )

2.2 Cách tử sợi Bragg
Sợi cách tử Bragg được chế tạo để ứng dụng trong công nghệ viễn thông . Nó
tích hợp trong sợi các chức năng rất thuận tiện như : đóng vai trò bộ lọc , bù tán sắc và
bộ lọc khuyếch đại quang học . Trong tương lai FBG trở lên mềm dẻo và sẽ đạt được
quang phổ theo yêu cầu , dẫn tới dải thông rộng .
2.2.1 Các tính năng của FBG

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

24


Cách Tử Sợi Bragg Trong Hệ Thống DWDM
+ Cách tử sợi Bragg thuộc loại bộ lọc phản xạ . Không giống như các loại bộ
lọc khác , bộ lọc này phản xạ bước sóng cần dùng thay cho sự truyền qua như các bộ
lọc truyền thống .
+ ổn định qua quá trình sử dụng và cho hiệu suất cao
+ Cách chế tạo tương đối đơn giản
+ Có kích thước nhỏ , dễ sử dụng và gỡ bỏ khi cần thiết
+ Có khả năng tách chính xác bước sóng với độ đơn sắc cao
+ Suy hao thấp , tại bước sóng 1,55µm suy hao thấp nhất
+ FBG dễ tích hợp với các sợi quang đã được sử dụng trong mạng truyền thông
2.2.2 Điều kiện bước sóng cách tử Bragg

2.2.2.1 Điều kiện phản xạ Bragg
Phản xạ Bragg xảy ra trên bề mặt tiếp giáp của hai môi trường có chiết suất
khác nhau , khi được chiếu quang sẽ xuất hiện phản xạ có tính chu kỳ và gọi là phản
xạ Bragg

Tia phản xạ

a

Λ
θ
Hình 2.3 : Phản xạ Bragg
Gọi khoảng cách giữa hai rãnh cách tử là Λ
Gọi khoảng chênh lệch giữa hai tia phản xạ liên tiếp nhau là a
Góc hợp bởi giữa tia tới và tia vuông góc là θ

Nguyễn Thị Hương Lớp k46ĐA

25