CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG

CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG
Do hệ thống truyền dẫn thông tin quang có nhiều ưu điểm trội hơn hẳn các hình thức
thông tin khác như: băng thông rộng, tốc độ cao, không chịu ảnh hưởng của sóng điện
từ…nên thông tin quang đang giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến
đường trục và các tuyến xuyên lục địa, vượt đại dương…Công nghệ hiện nay đã tạo đà
cho thông tin quang phát triển theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất trong mạng viễn
thông. Vì vậy, các hệ thống truyền dẫn thông tin quang sẽ dần thay thế các hệ thống thông
tin theo phương pháp truyền thống.
Ngày nay, với sự xuất hiện của các hệ thống truyền dẫn thông tin quang ghép kênh
theo bước sóng (WDM) thì dung lượng, tốc độ, băng thông…của hệ thống ngày càng nâng
cao. DWDM (ghép kênh theo bước sóng mật độ cao) là bước phát triển tiếp theo của
WDM. Nguyên lý của nó tương tự như WDM chỉ khác là khoảng cách giữa các kênh bước
sóng gần hơn, tức là số kênh ghép được nhiều hơn. Thông thường khoảng cách kênh ghép
là 0.4 nm (50GHz). Hiện nay người ta dùng WDM với nghĩa rộng bao hàm cả DWDM.
Trong chương này sẽ trình bày về công nghệ ghép kênh theo bước sóng.
2.1. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM
Hiện nay, kỹ thuật thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, trong thời
gian gần đây cùng với sự phát triển của Internet do máy tính cá nhân phổ cập, sự xuất hiện
của dịch vụ đa phương tiện và cuộc cách mạng thông tin di động, thông tin cá nhân…dẫn
đến sự bùng nổ thông tin. Với các hệ thống cáp quang đã được lắp đặt từ trước thì nguồn
tài nguyên dường như đã cạn kiệt. Yêu cầu đặt ra là phải có các giải pháp để khắc phục
hiện tượng này. Nếu phải lắp thêm các đường cáp quang mới thì chi phí sẽ rất cao. Mặt
khác, sự ra đời của các loại nguồn quang laser bán dẫn có phổ hẹp cho phép phổ của tia
sáng là rất nhỏ so với băng thông của sợi quang. Về mặt lý thuyết, có thể làm tăng dung
lượng truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng
một sợi nếu các nguồn phát có phổ cách nhau hợp lý và ở đầu thu có thể thu được tín hiệu
quang riêng biệt khi sử dụng các bộ tách bước sóng. Và đây chính là cơ sở của kỹ thuật
ghép kênh theo bước sóng WDM.
Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM là các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau ở
đầu phát được ghép kênh và truyền trên cùng một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu gồm nhiều
bước sóng đến từ sợi quang đó được tách kênh để thực hiện xử lý theo yêu cầu của từng

bước sóng.
Như vậy, WDM có nghĩa là độ rộng băng quang của một liên kết được tách thành các
vùng phổ cố định, không chồng lấn. Mỗi vùng tương ứng với một kênh có bước sóng λ
i
.
Các kênh khác nhau thì độc lập với nhau và truyền với các tốc độ xác định. Điều này cho
phép WDM được xem như là hệ thống truyền dẫn mà tín hiệu được truyền trong suốt đối
với dạng mã và tốc độ bit.
Hình 2.1: a, Hệ thống WDM một hướng.
b, Hệ thống WDM hai hướng.
Hình 2.1 mô tả hai loại hệ thống WDM: hệ thống ghép kênh bước sóng hai hướng
trên hai sợi khác nhau (hệ thống WDM một hướng) và hệ thống ghép kênh bước sóng hai
hướng khác nhau trên một sợi (hệ thống WDM hai hướng).
Trong hệ thống WDM một hướng, tại đầu phát thiết bị ghép bước sóng được dùng để
kết hợp các bước sóng khác nhau sau đó truyền trên cùng một sợi quang. Tại đầu thu, thiết
bị tách bước sóng sẽ tách các bước sóng này trước khi đưa tới các bộ thu quang. Để có thể
truyền dẫn thông tin hai hướng thì cần lắp đặt hai hệ thống WDM một hướng ngược chiều
nhau.
Trong hệ thống WDM hai hướng, tín hiệu được truyền đi theo một hướng tại bước
sóng
N
λλλ
,...,,
21
và hướng ngược lại tại bước sóng
''
2
'
1
,...,,

N
λλλ
trên cùng một sợi quang.
Chúng thường thuộc hai vùng phổ khác nhau và được gọi là băng đỏ và băng xanh.
Hệ thống WDM một hướng được phát triển và ứng dụng tương đối rộng rãi. Hệ
thống WDM hai hướng yêu cầu công nghệ phát triển cao hơn vì khi thiết kế gặp phải nhiều
vấn đề như can nhiễu nhiều kênh (MPI), ảnh hưởng của phản xạ quang, cách ly giữa các
kênh hai chiều, xuyên âm…Nhưng so với hệ thống WDM một hướng, hệ thống WDM hai
hướng giảm được số lượng bộ khuếch đại sợi quang.
2.2. Các đặc điểm của công nghệ WDM
Công nghệ WDM có các đặc điểm cơ bản sau:
▪ Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang.
Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng thông truyền dẫn to lớn của sợi quang,
làm cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài
lần tới hàng trăm lần. Do đó, có thể giảm chi phí đầu tư.
Dùng công nghệ WDM có thể ghép N bước sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn
mode và có thể truyền dẫn hoàn toàn song công. Do vậy, khi truyền dẫn thông tin đường
dài với dung lượng lớn có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang. Thêm vào đó là khả năng
mở rộng dung lượng cho hệ thống quang đã xây dựng. Chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công
suất tương đối lớn thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần thay đổi nhiều đối với hệ
thống cũ.
▪ Có khả năng đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu.
Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau nên có thể truyền
dẫn nhiều tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và phân chia
các dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH và tín hiệu
SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phương tiện (thoại, số liệu, đồ hoạ, ảnh động…).
▪ Có nhiều ứng dụng.
Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng như trong mạng
đường trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ nhiều đường, nhiều địa chỉ…Bởi
thế, nó rất quan trọng trong các ứng dụng mạng.

▪ Giảm yêu cầu xử lý tốc độ cao cho một số linh liện quang điện.
Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng nên tốc độ xử lý tương ứng của nhiều linh
kiện quang điện tăng lên theo nhưng không đáp ứng được đủ. Sử dụng công nghệ WDM có
thể giảm yêu cầu quá cao về tốc độ đối với linh kiện mà vẫn có thể đáp ứng dung lượng
lớn.
▪ Có khả năng truyền dẫn IP.
Sử dụng công nghệ WDM có thể thiết lập kênh truyền dẫn số liệu (IP). Ghép kênh
bước sóng đối với khuôn dạng số liệu (IP) là trong suốt, tức là không có quan hệ gì với tốc
độ của tín hiệu và phương thức điều chế tín hiệu xét trên phương diện điện. Ghép kênh
bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lý tưởng, là cách thuận tiện để
đưa vào dịch vụ băng rộng. Chỉ cần dùng thêm một bước sóng là có thể tăng thêm một dịch
vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn.
▪ Có khả năng truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang.
▪ Cấu hình mạng có tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao.
2.3. Một số công nghệ then chốt
2.3.1. Nguồn quang
Các bộ phát quang thực chất là các laser diode. Laser diode có khoang cộng hưởng
Fabry – Perot tạo ra nhiều mode dọc không mong muốn. Trái lại, laser đơn mode chỉ tạo ra
một mode dọc chính, còn các mode bên bị loại bỏ nên được sử dụng để làm nguồn quang
cho hệ thống WDM. Các loại laser đơn mode phổ biến là laser phản hồi phân bố (DFB),
laser phản xạ Bragg phân bố (DBR).
Bộ phát quang DFB và DBR
Cấu tạo khoang của các bộ phát quang DFB, DBR khác với bộ phát quang F-P.
Nguyên lý của chúng dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg.
a) Nguyên lý phản xạ Bragg
Khi chiếu ánh sáng lên mặt tiếp giáp của hai môi trường có phản xạ mang tính chu kỳ
sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ này gọi là phản xạ Bragg. Mặt tiếp giáp có thể là hình
sin hoặc không sin (chữ nhật, hình vuông, hình tam giác…). Hình 2.2 thể hiện nguyên lý
phản xạ Bragg. Nếu sai pha giữa các tia phản xạ l, l
’

và l
”
là bội số nguyên lần của
u
λ
, tức
là:
A + B = m
u
λ
(2.1)
thì sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa. Từ hình 2.2 ta thấy B = Asinθ nên (2.1) trở thành:
A(1+ sinθ) = m
u
λ
(2.2)
Trong đó:
+ m: là số nguyên, thông thường m = 1.
+ λ
n
: là bước sóng trong môi trường vật liệu, λ
n
= λ
B
/n.
+ n: là chiết suất vật liệu.
+ λ
B
: là bước sóng trong không gian tự do, còn gọi là bước sóng Bragg.
+ A: là chu kỳ cách tử.

Hình 2.2: Nguyên lý phản xạ Bragg.
A
a
A
a
B
B
θ
θ
1
1’
1”
Công thức (2.1) là điều kiện phản xạ Bragg. Ý nghĩa vật lý của nó là: Đối với A và θ
nhất định, khi có một λ
n
thoả mãn (2.1) thì sóng quang có bước sóng λ
n
sẽ giao thoa cùng
với sóng quang phản xạ.
b) Bộ phát quang DFB
DFB gồm một cách tử (còn gọi là lưới nhiễu xạ) có cấu trúc chu kỳ đặt cạnh lớp hoạt
tính gây ra phản xạ ánh sáng suốt cả chiều dài khoang cộng hưởng để loại bỏ các mode
không mong muốn. Hình 2.3 thể hiện mặt cắt dọc của loại laser này
Khi có dòng điện vào bộ phát quang, các điện tử và lỗ trống trong lớp hoạt tính tái
hợp, bức xạ ra các photon ánh sáng. Các photon này sẽ phản xạ tại cách tử, giống như hình
2.2, chỉ khác là θ = π/2. Lúc này, các tia tới và tia phản xạ ngược chiều nhau và công thức
(2.2) trở thành:
A = mλ
n
/2 (2.3)

Lớp nền N-InP
Lớp kim loại
tiếp xúc và
toả nhiệt
Đầu ra quang
Màng AR
Lớp hoạt tính
Cách tử
Tín hiệu điện
Lớp kim loại
Hình 2.3: Mặt cắt dọc của laser DFB.
Những tín hiệu nào có bước sóng thoả mãn công thức trên mới được phản xạ mạnh.
Công thức (2.3) gọi là điều kiện phân bố phản hồi.
So với bộ phát quang F-P, DFB có hai ưu điểm sau:
+ Dao động đơn mode dọc dải hẹp: do chu kỳ cách tử A trong bộ phát quang DFB rất
nhỏ nên hình thành khoang cộng hưởng kiểu nhỏ, làm tăng hệ số tăng ích của mode chính
và mode biên, từ đó được dải phổ rất hẹp so với bộ phát quang F-P.
+ Bước sóng có tính ổn định rất cao: vì lưới quang trong DFB giúp cho việc chốt trên
bước sóng cho trước, trôi nhiệt của nó chỉ cỡ 0.8Ǻ/
o
C, tốt hơn nhiều so với F-P.
c) Bộ phát quang DBR
Laser DBR có cấu trúc tương tự laser DFB, chỉ khác là DBR có cấu trúc nhiễu xạ bên
ngoài khoang cộng hưởng. Với cấu trúc như vậy, khoang laser và khoang phản xạ Bragg là
hoàn toàn độc lập. Hình 2.4 thể hiện mặt cắt của laser loại này.
Đầu ra quang
Lớp hoạt tính
Tín hiệu điện
Hình 2.4: Mặt cắt dọc của laser DBR.
Lớp kim loại tiếp xúc và

toả nhiệt
Bộ phản xạ Bragg
Bộ phát quang DBR cũng hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg và có đặc
điểm tương tự như bộ phát quang DFB, chỉ có một số điểm khác biệt nhỏ cần lưu ý:
(i) Vật liệu chế tạo của DBR là khó khăn hơn DFB vì nó không nhất thiết đòi hỏi sự
ghép công suất giữa các vùng thụ động và vùng tích cực.
(ii) Đặc tính phụ thuộc nhiệt độ thì khác nhau, khi nhiệt độ tăng thì trong DBR có sự
chuyển đổi từ mode này qua mode khác còn DFB thì thể hiện tính ổn định nhiệt độ trong
một dải rộng.
2.3.2. Bộ tách ghép bước sóng quang
Về mặt nguyên lý, cấu trúc của bộ tách ghép có tính thuận nghịch, bất kỳ bộ ghép
bước sóng nào cũng có thể dùng làm bộ tách bước sóng chỉ bằng cách đơn thuần là thay
đổi hướng tín hiệu đầu vào. Vì vậy, ở đây chỉ lấy bộ ghép bước sóng để phân tích.
Có nhiều cách để phân loại thiết bị ghép bước sóng. Theo công nghệ chế tạo thì
chúng được chia làm hai loại chính: thiết bị vi quang và thiết bị WDM ghép sợi.
Thiết bị vi quang
Các thiết bị vi quang được chế tạo theo hai công nghệ khác nhau: các thiết bị có bộ
lọc và thiết bị phân tán góc.
Các thiết bị có bộ lọc chỉ hoạt động mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm bước
sóng) tại một thời điểm, nhằm để tách ra một bước sóng trong nhiều bước sóng. Để thực
hiện thiết bị hoàn chỉnh và có thể sử dụng cho nhiều kênh thì phải tạo ra cấu trúc lọc theo
tầng. Các loại bộ lọc này sẽ được trình bày trong phần 2.3.3.
Cấu trúc sử dụng các phần tử phân tán cho phép đồng thời đưa ra tất cả các bước
sóng. Chùm tín hiệu quang đầu vào chuẩn trực sẽ đập vào thiết bị phân tán, thiết bị phân
tán sẽ tách ra các kênh khác nhau tuỳ theo bước sóng của chúng tạo thành các chùm theo
các góc khác nhau. Các chùm đầu ra đã tách sẽ được hội tụ nhờ một hoặc một số lăng kính
và được đưa vào sợi dẫn quang riêng rẽ. Các phần tử phân tán góc được sử dụng như cách
tử, lăng kính.
Hình 2.5 mô tả một bộ tách hai bước sóng quang: Tín hiệu WDM gồm hai bước sóng
đi tới lăng kính trực chuẩn, sau khi được tách bởi cách tử chúng được hội tụ để đi vào hai

ống dẫn sóng riêng.
Cách tử
Thấu kính
λ1, λ2

Hình 2.5: Thiết bị phân tán góc.
λ2

λ1

Các thiết bị vi quang sử dụng phù hợp với các hệ thống truyền dẫn đa mode, chúng
cho phép tách ghép đồng thời nhiều bước sóng khác nhau. Nhưng chúng lại khó sử dụng
cho sợi đơn mode do ánh sáng phải qua các giai đoạn phản xạ, hội tụ…từ đó dẫn tới quang
sai, trễ tạo suy hao tín hiệu trong thiết bị.
Thiết bị ghép sợi
Các thiết bị ghép sợi có cấu trúc dựa trên việc ghép hai trường ánh sáng phía ngoài
lõi. Chúng còn được gọi là các coupler quang. Phía phát nó kết hợp các tín hiệu quang vào
từ các tuyến khác nhau thành một tín hiệu quang tại đầu ra truyền trên một sợi. Phía thu,
tách công suất quang của một sợi vào để phân phối cho hai hoặc nhiều sợi. Vì thế, để tách
các bước sóng khác nhau thì sau mỗi một sợi phải có một bộ lọc bước sóng sẽ trình bày ở
mục 2.3.3
Hình 2.6: Thiết bị ghép sợi.
Chùm ánh sáng đầu ra sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: khoảng cách giữa các lõi sợi,
chỉ số chiết suất vật liệu ở giữa, đường kính của lõi sợi, độ dài tương tác và bước sóng ánh
sáng.
Khi số lượng kênh ghép tăng lên thì phải xử lý bằng cấu hình rẽ nhánh tách (ghép)
liên tiếp. Các thiết bị ghép sợi rất phù hợp với các hệ thống truyền dẫn đơn mode. Hình 2.6
là bộ ghép bốn bước sóng sử dụng thiết bị ghép sợi.