Đồ án : Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM.

Đồ án
Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM.




1
MỞ ĐẦU


WDM có khả năng cung cấp dung lượng truyền dẫn lớn bằng cách ghép nhiều
bước sóng trên cùng sợi cáp, mỗi bước sóng được coi như một liên kết vật lý giữa
các nút mạng. Theo cách này, dung lượng truyền dẫn của liên kết sẽ tăng tỷ lệ với
số bước sóng ghép trên liên kết đó, nhưng giải pháp này vẫn không đủ để giải
quyết vấn đề nghẽn cổ chai trong mạng khi lưu lượng bùng nổ.
Tuỳ thuộc vào độ lớn của mạng WDM, tổn thất lưu lượng do sự cố xảy ra trong
các thành phần của mạng cũng có mức độ nghiêm trọng khác nhau. Để khắc phục
vấn đề này, nhiều giải pháp đã được nghiên cứu trong đó có phương thức bảo vệ
và phương thức khôi phục. Phương thức bảo vệ cho phép mạng hồi phục rất
nhanh nhờ chuyển lưu lượng trên luồng quang hoạt động bị gián đoạn thông tin
sang luồng quang dự phòng, các luồng dự phòng này đã được chuẩn bị từ trước

khi sự cố xảy ra. Nhờ việc chuẩn bị trước luồng quang dự phòng mà phương thức
bảo vệ có thể đảm bảo khôi phục 100% khỏi sự cố với điều kiện 2 sự cố không
xuất hiện đồng thời. Trong khi đó, phương thức khôi phục tìm cách xác định
đường đi và bước sóng cho tuyến dự phòng sau khi sự cố xảy ra. Bởi vậy, phương
thức khôi phục có thể không khắc phục được sự cố nếu thiếu tài nguyên, chẳng
hạn không có đủ bước sóng cho tuyến dự phòng. Hơn thế nữa, phương thức khôi
phục có xu hướng tiêu tốn nhiều thời gian hơn để khắc phục sự cố nếu so sánh với
phương thức bảo vệ, đó là thời gian để xác định tuyến dự phòng.
Xác định đường đi và gán bước sóng cho tuyến hoạt động/dự phòng được gọi là
phương thức thiết kế cấu hình mạng logic. Phần lớn các cách thức thông thường
để thiết kế cấu hình mạng logic có bảo vệ/khôi phục mạng đều tập trung vào việc
giảm thiểu số bước sóng cần sử dụng hoặc giảm thiếu xác suất từ chối thiết lập
tuyến quang, trong đó xác suất này là xác suất mà các yêu cầu thiết lập tuyến
quang bị từ chối do thiếu tài nguyên mạng. Nhiều nghiên cứu đã được triển khai,
trong đó đa số tập trung vào giảm bước sóng cần thiết bằng cách cho phép các
tuyến dự phòng dùng chung tài nguyên bước sóng, hoặc đưa ra khái niệm chất
lượng dịch vụ (QoS) của khả năng hồi phục lỗi. Một số nghiên cứu dựa trên mô
hình khôi phục lỗi theo xác suất trong đó chỉ có phần lưu lượng mà người dùng đã
xác định trước mới được khôi phục sau sự cố.
Bài luận này giới thiệu chất lượng tin cậy QoR là đơn vị định lượng QoS mới để
dựa theo đó xây dựng các tuyến quang có độ tin cậy cao. Trong đề xuất QoR này,
việc xây dựng mạng có độ tin cậy cao quan trọng hơn rất nhiều so với việc sử
dụng hiệu quả tài nguyên mạng, đặc biệt khi mà số lượng bước sóng sử dụng
trong các mạng WDM hiện nay đang ngày càng tăng. Điều đó đồng nghĩa với
việc cần xây dựng một cấu hình topology logic có sử dụng tài nguyên bước sóng
thật sự hiệu quả để đảm bảo thời gian khôi phục sau sự cố cũng như đảm bảo khôi
phục 100% sự cố. Tiếp đó, bài luận đề xuất thuật toán thực nghiệm để thiết kế cấu
2
hình logic cho mạng thoả mãn yêu cầu QoR của từng kết nối và sau đó so sánh
với một vài thuật toán khác về mặt số lượng bước sóng cần thiết để xây dựng cấu

hình mạng thoả mãn yêu cầu QoR.
Trong phạm vi khuôn khổ có hạn, bài luận được tổ chức như sau:
- Chương 1 giới thiệu về nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM.
- Chương 2 trình bày sơ lược về mạng quang định tuyến theo bước sóng hiện
đang được ứng dụng rộng rãi trong mạng truyền dẫn. Trong đó đề cập đến
các phần tử cấu thành, cũng như trình bày về các vấn đề liên quan đến việc
định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM.
- Chương 3 giới thiệu về cơ chế bảo vệ nâng cao độ an toàn trong mạng
quang.
- Chương 4 giới thiệu chỉ tiêu chất lượng tin cậy dựa trên mô hình thời gian
khôi phục cực đại, xây dựng bài toán thiết kế mạng đảm bảo an toàn và
trên cơ sở đó đề xuất thuật toán giải bài toán định tuyến và gán bước sóng
trong mạng WDM thoả mãn QoR yêu cầu
Các kết quả của bài luận góp phần vào việc giải quyết vấn đề đang nổi lên, đó là
xây dựng cấu hình mạng thoả mãn tiêu chuẩn tin cậy cho trước và hy vọng kết
quả này có thể áp dụng vào thực tế trong tương lai.


3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC
SÓNG WDM
1.1. Sự phát triển của truyền dẫn sợi quang.
Truyền dẫn sợi quang bắt đầu được áp dụng từ thế kỷ 19 và đã đáp ứng được nhu
cầu truyền đưa các dịch vụ hiện tại. Các hệ thống truyền dẫn sợi quang với các ưu
điểm về dung lượng truyền tải, băng thông, cự ly truyền dẫn lớn, tỷ lệ lỗi thấp,
tránh được giao thoa điện trường, khả năng bảo mật... đã ngày càng được nghiên
cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi.
Trong truyền dẫn quang, người ta có xu hướng sử dụng những vùng phổ quang
nhất định, ở đó suy hao quang được tính toán là thấp nhất. Những vùng này,
thường được gọi là cửa sổ, nằm giữa các khu vực có độ hấp thụ ánh sáng cao. Ban

đầu, hệ thống thông tin quang hoạt động ở cửa sổ thứ nhất, khu vực bước sóng
xấp xỉ 850nm trước khi người ta nhận ra rằng ở cửa số thứ 2 (băng S), khu vực
bước sóng 1310nm, có hệ số suy hao thấp hơn và thấp hơn nữa ở khu vực cửa sổ
thứ 3 bước sóng 1550nm (băng C). Ngày nay, cửa sổ thứ tư (băng L) bước sóng
1625nm vẫn đang được nghiên cứu để ứng dụng. Bốn cửa sổ đã trình bày được
Hình 1.1. Vùng bước sóng

minh hoạ như trên hình 1.1
Công nghệ WDM được áp dụng đầu tiên vào đầu những năm 80’s sử dụng 2 bước
sóng cách nhau khá xa trong vùng 1310nm và 1550nm (hoặc 850nm hoặc
1310nm) và được gọi là WDM băng rộng. Vào đầu những năm 90’s, bắt đầu xuất
hiện công nghệ WDM thế hệ thứ 2, còn gọi là WDM băng hẹp, sử dụng từ 2 đến
8 kênh. Các kênh này thuộc cửa sổ 1550nm và cách nhau khoảng 400GHz. Đến
giữa những năm 90’s, các hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) được phát triển
với 16 đến 40 kênh và khoảng cách mỗi kênh từ 100 đến 200 GHz. Cho đến cuối
thập kỷ 90, các hệ thống DWDM đã sử dụng tới 64 đến 160 kênh với khoảng
cách mỗi kênh là 50 thậm chí 25 GHz.

4
1.2. Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM.
1.2.1. Lớp quang
Trong hệ thống phân cấp mạng theo lớp, lớp quang có chức năng cung cấp dịch
vụ cho các lớp mạng cao hơn như SONET/SDH, IP, ATM... Có thể coi các lớp
này là các lớp khách hàng (client) còn lớp quang là lớp phục vụ (server).
Lớp quang được chia nhỏ thành các lớp con. Một định nghĩa về lớp con đã được
đề xuất tại khuyến nghị G.872, theo đó, lớp quang được chia thành 3 lớp con: lớp
kênh quang OCH, lớp đoạn ghép kênh quang OMS và lớp đoạn truyền dẫn quang
OTS như được chỉ ra trên hình vẽ.
Hình 1.2 Phân cấp mạng quang theo lớp
Hình 1.3. Kiến trúc mạng truyền tải quang

[3] Lớp kênh quang xử lý toàn trình mạng và vận chuyển một cách trong suốt các
tín hiệu khách hàng dưới nhiều khuôn dạng khác nhau (SDH, ATM, IP....) Lớp
này có các chức năng sau:

Lớp khách hàng (SONET/SDH), PDH...
Lớp kênh quang (OCH)
Lớp đoạn ghép kênh quang (OMS)
Lớp đoạn truyền dẫn quang (OTS)
Giao diện quang
Lớp quang
5
• Sắp xếp lại các kết nối kênh quang để việc định tuyến trong mạng mềm
dẻo.
• Giám sát kênh quang để cho phép thực hiện các hoạt động khai thác và
quản lý ở mức mạng, chẳng hạn cung cấp kết nối, chất lượng dịch vụ
QoS....
Lớp đoạn ghép kênh quang tương ứng với một liên kết điểm-điểm trên tuyến của
1 kênh quang (bước sóng) và có các chức năng sau:
• Xử lý phần mào đầu đoạn để đảm bảo tính toàn vẹn của các thông tin đoạn
ghép kênh quang.
• Giám sát đoạn ghép kênh quang để cho phép thực hiện các hoạt động khai
thác và quản lý ở mức đoạn, chẳng hạn nâng cao an toàn đoạn ghép kênh.
Lớp đoạn truyền dẫn quang OTS tương ứng với chức năng truyền dẫn các tín hiệu
quang khác nhau trên phương tiện truyền dẫn quang.
1.2.2. Nguyên lý ghép bước sóng
a. Khái niệm
Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là kỹ thuật truyền dẫn cơ bản để tạo nên mạng
quang. Kỹ thuật này sử dụng sợi quang (linh kiện quang) để mang nhiều kênh
quang độc lập và riêng rẽ. Mỗi bước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi.

Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là kỹ thuật truyền dẫn trên sợi quang sử dụng
các bước sóng ánh sáng để truyền dẫn số liệu song song theo bit hoặc nối tiếp
theo ký tự.
Qua quá trình phát triển công nghệ khái niệm WDM được thay bằng khái niệm
DWDM. Về nguyên lý không có sự khác biệt nào giữ hai khái niệm trên, DWDM
nói đến khoảng cách gần giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số lượng
kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống. Những kênh quang trong hệ thống
DWDM thường nằm trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu là 1550 nm vì môi
trường ứng dụng hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và dung
lượng lớn. Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM
80 kênh với khoảng cách kênh rất nhỏ 0,5 nm. Hệ thống thiết bị này đã được
thương mại hoá.
Ngày nay khi nói đến WDM người ta thường liên tưởng đến DWDM bởi vì sự
hiện diện khắp nơi của những sản phẩm thiết bị loại này. Để thuận tiện chúng ta
dùng thuật ngữ WDM để chỉ chung cho cả hai khái niệm. Trong trường hợp cần
có sự phân biệt giữa hai khái niệm này sẽ có phần chú thích kèm theo.
Như đã nói ở trên các hệ thống DWDM thường được ứng dụng trong cấp mạng
đường trục (mạng trung kế) xuất phát từ nhu cầu thực tế. Tuy nhiên cho đến nay
mặc dù chưa có tác động mạnh mẽ đến thị trường mạng nội hạt nhưng DWDM đã
chiếm được vị trí chắc chắn trong kế hoạch phát triển mạng tương lai của nhiều
nhà khai thác. Điều này là bởi, thứ nhất áp lực lớn từ các dịch vụ Multimedia và
đặc biệt là Internet đòi hỏi nhà cung cấp dịch vụ phải giải quyết bài toán dung
6
lượng truyền dẫn; thứ hai công nghệ chế tạo phần tử và thiết bị truyền dẫn quang
đã gần đạt tới sự hoàn thiện, hơn nữa do ứng dụng cho mạng nội hạt (khoảng cách
truyền dẫn thường ngắn) nên không đòi hỏi các phần tử quang phẩm chất cao bởi
vậy giá thành đã hạ xuống đáng kể.
b. Hệ thống WDM và các phần tử cấu thành
Hệ thống WDM hoàn toàn tương tự như hệ thống TDM truyền thống, nó bao
gồm: các bộ phát và thu ở hai phía, sợi quang và các bộ lặp ở giữa.

Sự khác biệt là ở chỗ hệ thống WDM truyền dẫn đồng thời nhiều kênh quang qua
sợi trong khi hệ thống TDM chỉ truyền dẫn duy nhất có một kênh. Chúng ta có thể
xem hệ thống WDM như là nhiều hệ thống TDM song song dùng chung sợi
quang và thiết bị.
Về cơ bản thành phần quang của hệ thống WDM bao gồm một hoặc nhiều nguồn
phát (laser), một bộ ghép kênh, một hoặc nhiều bộ khuếch đại quang (ví dụ
EDFA), khối xen/rẽ (OADM), sợi quang, một bộ tách kênh và các bộ thu tương
ứng với phía phát. Mỗi phần tử trên đây của hệ thống đều thực hiện những chức
năng xác định một cách chính xác.
Như chúng ta đã biết hệ thống truyền dẫn là những hệ thống tương tác, nghĩa là
tại mỗi đầu sẽ thực hiện chức năng phát tín hiệu đi (hướng đi) và nhận về tín hiệu
về (hướng về). Trong hệ thống WDM, tính tương tác sẽ được thực hiện qua môi
trường sợi quang. Người ta chia hệ thống WDM thành hai kiểu:
- Hệ thống ghép bước sóng một hướng: Sử dụng mỗi sợi quang cho từng
hướng truyền dẫn.

Hình 1.4. Hệ thống ghép bước sóng một hướng
- Hệ thống ghép bước sóng hai hướng: Sử dụng một sợi quang chung cho cả
hai hướng truyền dẫn.




Hình 1.5.Hệ thống ghép bước sóng hai hướng
c. Ưu nhược điểm của công nghệ WDM
So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ưu
điểm nổi trội:
Tx1
Tx2
TxN

λ1
λ2
λN
Rx1
Rx2
RxN
λ1
λ2
λN
λ1, λ2 ... λN
MUX
DEMUX
EDFA EDFA
λ1, λ2 ... λN
Tx1
Tx2
TxN
λ1
λ2
λN
Rx1
Rx2
RxN
λ1
λ2
λN
λ1, λ2 ... λN
MUX
DEMUX
EDFA EDFA

7
- Dung lượng truyền dẫn lớn: Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh
quang, mỗi kênh quang ứng với tốc độ bit nào đó (TDM). Do đó hệ thống
WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM.
Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu
TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử
nghiệm thành công. Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit
mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s).
- Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống
TDM đơn kênh tốc độ cao: 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 một bước sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh
quang thấp. Điều này làm giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số
truyền dẫn như tán sắc… Do đó tránh được sự phức tạp của các thiết bị
TDM tốc độ cao.
- Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả
khi hệ thống vẫn đang hoạt động: Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung
lượng của các mạng hiện có mà không phải lắp đặt thêm sợi quang mới
(hay cáp quang). Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê
kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc thuê sợi hoặc cáp. Việc nâng
cấp chỉ đơn giản là gắn thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt
động (plug-n-play).
- Quản lý băng tần hiệu quả và thiết lập lại cấu hình một cách mềm dẻo và
linh hoạt: Việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM cho
phép quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và thiết lập lại cấu hình dịch vụ
mạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần thi công lại cáp hoặc
thiết kế lại mạng hiện tại.
- Giảm chi phí đầu tư mới.
Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở ngay
bản thân công nghệ. Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ này:

- Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang: Công
nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng nhưng
nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang. Cho dù
công nghệ còn phát triển những dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị
tới hạn.
- Chi phí cho khai thác tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động hơn. Tuy
nhiên, chi phí cho bảo dưỡng hệ thống WDM vẫn nhỏ hơn rất nhiều nếu so
sánh với hệ thống TDM có dung lượng tương đương.
1.2.3. Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM
1.2.3.1. Nguồn phát
a. Yêu cầu đối với nguồn phát
8
- Độ rộng phổ hẹp và phổ vạch: Nhìn chung, hệ thống WDM cũng sử dụng
các nguồn phát giống như đối với hệ thống truyền dẫn đơn kênh cự ly dài.
Tuy nhiên trong trường hợp này chúng ta sử dụng loại Laser DFB hoặc
DBR có duy nhất một vạch phổ trong dải phổ của nó. Độ rộng phổ tuỳ
thuộc vào số lượng kênh trong hệ thống và dung sai của các phần tử.
- Độ ổn định bước sóng phát: Trong hệ thống WDM cần giảm thiểu sự thay
đổi bước sóng nguồn phát trong suốt thời gian hoạt động để tránh được
những ảnh hưởng không mong muốn đến chỉ tiêu hệ thống.
- Nguyên nhân của hiện tượng này là do mức năng lượng cao trong hốc cộng
hưởng của Laser và trên bề mặt phản xạ sẽ sinh ra sự thăng giáng vật liệu
trong suốt thời gian hoạt động và gây nên sự trôi bước sóng phát.
- Khả chỉnh: Laser khả chỉnh có nghĩa rất lớn trong mạng quang tương lai,
đặc biệt trong mạng quảng bá. Khả năng điều chỉnh của bộ phát lẫn bộ thu
ảnh hưởng đến chỉ tiêu của toàn bộ hệ thống.
- Trong các hệ thống WDM hiện nay không đòi hỏi sử dụng các bộ phát thu
khả chỉnh. Tuy nhiên do các nhà máy sản xuất linh kiện này chỉ chế tạo ở
một số hữu hạn bước sóng nên để đảm bảo tính đa dạng trong việc chọn
lựa bước sóng hoạt động thì có bộ phát khả chỉnh, hơn nữa điều này còn

giải quyết được vấn đề trôi bước sóng.
- Laser đa bước sóng: Một trong những yêu cầu của mạng quang tương lai là
khả năng đáp ứng nhanh đối với những nguồn khả chỉnh. Để thực hiện điều
này có thể tích hợp nhiều Laser có bước sóng khác nhau trên cùng một nền.
Do đó kiểu Laser này cho phép hoạt động đồng thời với nhiều bước sóng
và có khả năng điều chỉnh rất nhanh (bằng cách lựa chọn bước sóng phát).
b. Các loại nguồn phát được sử dụng hiện nay
Nguồn phát quang thường được sử dụng hiện nay là điode phát quang (LED) hoặc
Laser bán dẫn (LD).
1.2.3.2.Phần tử tách ghép bước sóng
Các phần tử tách ghép bước sóng có các tham số cơ bản sau:
- Bước sóng trung tâm: Đối với cách tử là bước sóng tại trung tâm của băng
phản xạ, còn đối với các bộ lọc là bước sóng nằm giữa hai bước sóng ở 2
cạnh của băng.
- Băng tần: Băng tần đặc trưng cho dải bước sóng phản xạ đối với cách tử và
dải bước sóng lọc đặc trưng bởi khoảng cách (theo thiết kế) giữa các cạnh
bộ lọc.
- Đỉnh phản xạ: Đỉnh phản xạ định nghĩa cho cách tử, tương ứng lượng ánh
sáng phản xạ tại bước sóng trung tâm
- Bước sóng danh định: Bước sóng danh định sử dụng cho bộ lọc, được qui
định từ nhà sản xuất. Bước sóng trung tâm thực tế thường là khác bước
sóng này
9
- Suy hao xen: Suy hao xen là lượng tổn hao công suất trên tuyến truyền dẫn
quang do sự xuất hiện của các bộ ghép bước sóng. Lượng tổn hao này gồm
hai loại:
• Suy hao sinh ra tại các điểm ghép nối giữa bộ ghép bước sóng với các
phần tử quang điện
• Tổn hao do chính bản thân các bộ ghép bước sóng
Trong WDM thì tổn hao do ghép nối chiếm ưu thế đặc biệt khi sử dụng các

thiết bị vi quang học và sợi SM. Tổn hao của bộ ghép bước sóng thứ i được
tính như sau:








Φ
Φ
=
oi
ii
i
L log10
[dB] (1.1)
trong đó:
Φ
ii
là năng lượng đưa vào bộ ghép ở bước sóng thứ i

Φ
oi
là năng lượng đưa ra bộ ghép ở bước sóng thứ i
Khác với các phần tử quang thụ động thông thường, ở đây suy hao xen
được xem xét đối với từng bước sóng, tức là với bước sóng thứ i thì suy
hao xen được tính là:







−=
)(
)(
log10
ii
i
i
I
O
L
λ
λ
[dB] (1.2)






−=
)(
)(
log10
i
ii

i
I
O
L
λ
λ
[dB] (1.3)
trong đó:
• O(
λ
i
) và I(
λ
i
) là công suất tín hiệu ra và vào ở bước sóng thứ i trên kênh
chung
• I
i
(
λ
i
) và O
i
(
λ
i
) là công suất tín hiệu ở bước sóng thứ i đi vào bộ MUX
và đi ra bộ DMUX
- Xuyên kênh: Xuyên kênh là sự xuyên nhiễu tín hiệu từ kênh này sang kênh
khác, nói cách khác là sự xuất hiện của tín hiệu kênh này trong kênh lân

cận. Sự xuyên kênh này làm tăng nền nhiễu của kênh tín hiệu dẫn đến giảm
tỷ số S/N.
Nguyên nhân gây ra xuyên kênh là do :
• Phổ của kênh này lọt vào băng thông của kênh kia (khi ta coi đặc tính
của bộ lọc bước sóng và bộ cách ly là hoàn hảo)
• Do chính đặc tính (sự không hoàn hảo) của các bộ chọn lọc bước sóng
hay các bộ cách ly quang
• Do phản xạ hay hội tụ xảy ra không hoàn toàn làm các tia sáng bị tản
mát
10
• Do các hiệu ứng phi tuyến xảy ra khi đưa các công suất quang cao vào
sợi quang như: hiệu ứng SRS, SBS, FWM, XPM
Khả năng để tách các kênh cũng được mô tả bằng suy hao xuyên kênh và
được tính bằng dB như sau:






−=
)(
)(
log10)(
k
ki
ki
I
U
D

λ
λ
λ
(1.4)
với U
i
(
λ
k
) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng thứ k (
λ
k
) do có
sự dò tín hiệu ở của ra thứ i, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng
λ
i
.
Có hai loại xuyên âm:
• Xuyên âm đầu gần: là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được
ghép ở trong thiết bị, như U
i
(
λ
j
), thường xảy ra trong hệ thống ghép
bước sóng một hướng.
• Xuyên âm đầu xa: là do các kênh khác ở đầu vào gây ra trong bộ ghép,
ví dụ như I(
λ
k

) sinh ra U
i
(
λ
k
), thường xảy ra trong hệ thống ghép bước
sóng hai hướng
- Độ rộng phổ của kênh: Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho
mỗi kênh. Độ rộng phổ này phải đủ lớn để đảm bảo ngăn chặn được nhiễu
giữa các kênh, do đó nó được xác định tuỳ theo từng loại nguồn quang.
1.2.3.3.Sợi quang
a. Sợi SMF (theo ITU G.652)
Bảng 1.1. Các tham số của sợi SMF
Các tham số Giá trị
Đường kính trường mode tại 1310 nm
(9 ÷ 10 µm) ± 10%
Đường kính vỏ phản xạ
125 ± 3 µm
Độ đồng tâm của trường mode tại bước
sóng 1550 nm
≤ 1 µm
Độ không tròn đều của trường mode
Rất nhỏ, không ảnh hưởng đến lan truyền và
đấu nối tín hiệu
Độ không tròn đều của vỏ phản xạ
≤ 2%
Suy hao uốn cong ở bước sóng 1550 nm
≤ 1 dB khi uốn cong 100 vòng với bán kính
uốn cong 37.5 mm
Hệ số suy hao

≤ 0.5 ở vùng bước sóng 1310 nm
≤ 0.3 ở vùng bước sóng 1550 nm
Hệ số tán sắc
≤ 3.5 (1285 -1330 nm)
≤ 6 (1270 - 1340 nm)
≤ 20 (1550 nm)
Dạng mặt cắt chiết suất Thường có dạng mặt cắt chiết suất phân bậc
Sử dụng loại sợi SMF cho phép đạt tới cự ly ∼ 1000 km tại tốc độ STM-16 mà
không cần sử dụng các bộ bù tán sắc. Tuy nhiên với tốc độ STM-64 nếu sử dụng
loại sợi này thì chỉ đạt được khoảng cách ∼ 60 km nếu không sử dụng bù tán sắc.
11
Cũng vì tán sắc lớn tại vùng bước sóng 1550 nm nên hiệu ứng FWM không xảy
ra trong sợi SMF.
b. Sợi DSF (theo ITU G.653)
Bảng 1.2. Các tham số của sợi DSF

Các tham số Giá trị
Đường kính trường mode tại 1550nm
(7.0÷8.3) µm ± 10%
Đường kính vỏ phản xạ
125 µm ± 2,4% (± 3 µm)
Độ đồng tâm của trường mode tại 1550nm
≤ 1µm
Của trường mode
Rất nhỏ và không ảnh hưởng đến lan
truyền tín hiệu và đấu nối sợi
Độ không
tròn đều
Của vỏ phản xạ
≤ 2%

Suy hao do uốn cong ở 1550nm
≤ 0.5dB khi uốn 100 vòng với bán kính uốn
cong 37.5 mm
Hệ số suy hao
< 0.35 dB/km ở vùng 1550nm
< 0.5 dB/km ở vùng 1300nm
Hệ số tán sắc
≤ 3.5 ps/nm.km trong vùng 1525-1575nm
Tán sắc mode phân cực
Loại sợi này đặc biệt phù hợp với các hệ thống đơn kênh, cự ly dài, dung lượng
lớn. Tuy nhiên loại sợi này được khuyến nghị là không sử dụng cho các hệ thống
WDM. Trong trường hợp tuyến đang sử dụng loại sợi này, muốn nâng cấp tăng
dung lượng bằng kỹ thuật WDM thì phải chọn vùng bước sóng có tán sắc đủ lớn
để tránh hiệu ứng FWM. Điều này làm hạn chế khả năng tăng dung lượng của hệ
thống.
b. Sợi NZ-DSF (theo ITU G.655)
Bảng 1.3. Các tham số của sợi NZ-DSF

Các tham số Giá trị
Đường kính trường mode tại 1550nm
(8 ÷11) µm ± 10%
Đường kính vỏ phản xạ
125 µm ± 2µm
Độ đồng tâm của trường mode tại 1550nm
≤ 1µm
Của trường mode
Rất nhỏ và không ảnh hưởng đến lan
truyền tín hiệu và đấu nối sợi
Độ không
tròn đều

Của vỏ phản xạ
≤ 2%
Suy hao do uốn cong ở 1550nm
≤ 0.5dB khi uốn 100 vòng với bán kính
uốn cong 37.5 mm
Hệ số suy hao <0.35dB/km ở vùng 1550nm
Hệ số tán sắc
0.1ps/nm.km ≤ D
min
≤ D
max
≤ 6.0ps/nm.km
và 1530nm ≤ λ
min
≤ λ
max
≤ 1565nm
Tán sắc mode phân cực < 0.5 ps/km
Tán sắc của loại sợi này đủ nhỏ để cho phép truyền với tốc độ 10 Gb/s trên
khoảng cách 300 - 400 km mà không cần bù tán sắc nhưng cũng đủ lớn để giảm
ảnh hưởng của FWM trong dải băng của EDFA (từ 1530 - 1565 nm). Vì vậy loại
12
sợi này đặc biệt thích hợp với các hệ thống WDM tốc độ cao, cự ly truyền dẫn
lớn.
1.2.3.4.Đầu thu (bộ tách sóng quang)
a. PIN
- Hiệu suất lượng tử (QE): là tỷ lệ giữa số electron thu được tại vùng chuyển
tiếp và số photon tới. Hiệu suất lượng tử tuyệt đối là 1 nếu có 1 photon tới
thì giải phóng 1 electron. QE phụ thuộc vào bước sóng hoạt động.
- Độ đáp ứng: Độ đáp ứng quan tâm đến năng lượng photon. Nó được đo

bằng dòng photo đầu ra của thiết bị (đơn vị là A) chia cho công suất quang
đầu vào (đơn vị là W). Đối với một photodiode silic thì độ đáp ứng điển
hình ở bước sóng 900nm là 0,44.
b. Photodiode thác (APD)
Dạng cơ bản của một APD là một photodiode PIN có thế hiệu ngược rất lớn
(thường khoảng 50V).
Các tham số quan trọng của APD:
- Độ nhạy
- Tốc độ hoạt động
- Tích độ tăng ích và băng tần
- Nhiễu
1.2.3.5.Khuếch đại quang
Khuếch đại quang được sử dụng trọng các hệ thống truyền dẫn để tăng khoảng
cách trạm lặp hay tăng cự ly truyền dẫn. Khuếch đại trong các hệ thống WDM
đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Do có nhiều kênh quang cùng hoạt động nên các
yêu cầu về đặc tính khuếch đại của hệ thống WDM nghiêm ngặt hơn nhiều so với
hệ thống đơn kênh. Có nhiều kiểu khuếch đại nhưng cho đến nay người ta chủ
yếu tập trung vào hai loại sau: khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại
quang sợi (AFA). Tuy nhiên, các phẩm chất của SOA trong cửa sổ sóng 1550 nm
kém hơn AFA ở nhiều khía cạnh như: độ khuếch đại, công suất bão hoà và mức
độ phụ thuộc phân cực nên trong các ứng dụng ngày nay khuếch đại quang sợi đã
trở thành độc tôn. Công nghệ khuếch đại quang sợi đã gặt hái được rất nhiều
thành công và đến nay nó được đánh giá là công nghệ trụ cột trong tương lai của
mạng quang.
AFA bao gồm một Laser bơm, một bộ ghép kênh WDM và đoạn sợi quang tích
cực. Sợi quang tích cực được cấy ghép vật liệu đặc biệt cho phép khuếch đại dòng
photon đi qua nếu bơm công suất tại một bước sóng nào đó. Với bước sóng
1550nm thì những bộ khuyếch đại Erbium đạt được giá trị khuếch đại 25dB và
công suất đầu ra lớn nhất vào khoảng 10dB, những bộ khuếch đại như thế này đã
xuất hiện nhiều trên thị trường trong thời gian gần đây với tên gọi (EDFA). Với

bước sóng 1300nm, việc nghiên cứu vẫn tiếp tục dựa trên kích thích Neodymium
và Praseodymium.
13
a. Phân loại khuếch đại trong hệ thống
Có 3 ứng dụng chính của EDFA, đó là khuếch đại công suất (Booster Amplifier-
BA), tiền khuếch đại (Preamplifier-PA) và khuếch đại đường truyền (Line
Amplifier - LA):
- BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn được sử dụng ngay sau Tx
để tăng mức công suất tín hiệu. Do mức công suất ra tương đối cao nên tạp
âm ASE có thể bỏ qua. Vì vậy đối với BA không đòi hỏi phải có các yêu
cầu nghiêm ngặt trong việc sử dụng các bộ lọc tạp âm. BA có thể tách
riêng hoặc tích hợp với Tx (gọi là OAT).
- PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp, được sử dụng ngay trước bộ
thu (Rx) để tăng độ nhạy thu. Sử dụng PA, độ nhạy thu được tăng lên đáng
kể. Để đạt được mức tạp âm ASE thấp, trong PA người ta thường sử dụng
các bộ lọc quang băng hẹp. PA có thể tách riêng hoặc tích hợp với Rx (gọi
là OAR).
- LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp được sử dụng trên đường truyền
giữa 2 đoạn sợi quang. Tùy theo chiều dài tuyến mà LA có thể được dùng
để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến. Đối với các hệ thống
có sử dụng LA, đòi hỏi phải có một kênh thông tin riêng để thực hiện việc
cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA. Tại mỗi LA, kênh giám sát này
được chèn thêm các thông tin mới (về trạng thái của LA, các thông tin cảnh
báo), sau đó lại được phát lại vào đường truyền.
b. Yêu cầu đối với EDFA sử dụng cho WDM:
- Đặc tính khuếch đại của EDFA: Đặc tính khuếch đại của EDFA có tính phi
tuyến, tức đặc tính phổ khuếch đại không đồng nhất trong băng tần khuếch
đại. Điều này dẫn đến một số kênh được khuếch đại cao trong khi số khác
lại được khuếch đại thấp; trong trường hợp sử dụng nhiều bộ khuếch đại
này trên đường truyền sẽ ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn của hệ

thống.
Bởi vậy yêu cầu đặc tính khuếch đại của EDFA phải đồng nhất, nghĩa là
đường đặc tính phổ càng phẳng càng tốt.
- Dao động mức công suất chuyển tiếp: Trong hệ thống WDM khi tải thay
đổi đột ngột sẽ dẫn đến sự thay đổi công suất. Các bộ khuếch đại thường
làm việc ở trạng thái bão hoà do đó chỉ có một lượng năng lượng vừa đủ
trong trạng thái Erbium mức trên đối với hoạt động rất ngắn. Khi dừng
bơm một lượng công suất tín hiệu đầu vào nhỏ cũng sẽ làm mất tác dụng
hiện tượng nghịch chuyển (xảy ra cực nhanh khoảng 100µs) trong bộ
khuếch đại. Bởi vậy lượng năng lượng tích trữ trong linh kiện này vô cùng
nhỏ so với năng lượng chuyển qua nó. Điều này nghĩa là độ khuếch đại của
bộ khuếch đại thay đổi rất nhanh theo sự thay đổi của hệ thống (chẳng hạn
như trường hợp mất một kênh tín hiệu).
14
- Nhiễu của bộ khuếch đại: Nguồn nhiễu chủ yếu trong bộ khuếch đại sinh ra
bởi hiện tượng phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE). ảnh hưởng của
nhiễu này không đáng kể khi số lượng bộ khuếch đại trên tuyến nhỏ. Tuy
nhiên khi số lượng bộ khuếch đại lớn ASE tác động trực tiếp đến giá trị
OSNR.
- Ảnh hưởng phân cực: Ảnh hưởng phân cực trong EDFA là rất nhỏ và có
thể bỏ qua đối với hệ thống truyền dẫn khoảng cách ngắn. Tuy nhiên, trong
hệ thống cự ly dài ảnh hưởng này sẽ được tích luỹ qua từng bộ khuếch đại
trên đường truyền và tác động trực tiếp đến chỉ tiêu hệ thống (OSNR). Có
ba ảnh hưởng phân cực khác nhau trong bộ khuếch đại:
 Khuếch đại phụ thuộc phân cực (PDG): khi bộ khuếch đại hoạt động ở
trạng thái bão hoà, tín hiệu bị phân cực sẽ được khuếch đại cao hơn ở
trục trực giao. Điều này do bởi các phân tử Erbium riêng rẽ có xu
hướng tạo lase theo một cực nào đó hơn so với các cực khác tuỳ thuộc
hướng của chúng trong vật liệu thuỷ tinh. Trong hệ thống WDM ảnh
hưởng của PDG bị giảm đi đáng kể do sự hiện diện của nhiều kênh.

Qua thống kê cho thấy chỉ có rất ít khả năng tất cả các kênh có cùng
trạng thái phân cực tại cùng thời điểm. Xác suất xuất hiện là vẫn có
nhưng rất nhỏ. Do đó khả năng xảy ra cả hai trạng thái phân cực ứng
với mức công suất như nhau tại cùng thời điểm.
 Suy hao phụ thuộc phân cực (PDL): phần lớn các bộ EDFA khuếch
đại tín hiệu trong một trạng thái phân cực cao hơn chút xíu so với tín
hiệu phân cực trực giao. Điều này là do sự phụ thuộc phân cực của các
phần tử quang (trong đó có EDFA) và hướng phân cực của tín hiệu
bơm.
 Tán sắc mode phân cực (PMD): PMD chủ yếu xuất hiện trong sợi
quang. Đây là một hình thái khác của tán sắc. PMD hoạt động trên cơ
sở từng kênh nên không có sự khác biệt nào giữa môi trường đơn
kênh và đa kênh. Ngoài ra, ảnh hưởng này rất nhỏ trong phần lớn hệ
thống tốc độ kênh thấp dưới 10 Gbit/s.
1.3. Xuyên nhiễu
Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM là xuyên nhiễu
giữa các kênh bước sóng. Trong hệ thống WDM, xuyên nhiễu có thể do nhiều
nguyên nhân gây ra nhưng có thể chia làm 2 loại chính sau:
• Xuyên nhiễu tuyến tính: Do đặc tính không lý tưởng của các thiết bị tách
kênh. Mức độ xuyên âm chủ yếu phụ thuộc và kiểu thiết bị tách sóng được
sử dụng cũng như khoảng cách giữa các kênh. Thực tế thì khoảng cách
giữa các kênh lại được xác định bởi thiết bị tách kênh và mức xuyên âm
cho phép.
• Xuyên nhiễu phi tuyến: chủ yếu do các hiệu ứng phi tuyến gây nên.
15
1.3.1. Suy hao
[5] Năng lượng tín hiệu ánh sáng sẽ bị suy giảm theo hàm số mũ khi truyền trong
sợi cáp quang và có thể được biểu diễu dưới dạng toán học theo đơn vị logarith
như sau:
LLPP

kmdBdBmdBm /
)()0(
α
=−
(1.5)
trong đó
α
dB/km
là suy hao của sợi cáp, tính bằng [dB/km]
L là chiều dài sợi cáp [km]
P
dBm
(0) là công suất tín hiệu quang tại đầu phát [dBm]
P
dBm
(L) là công suất tín hiệu quang sau khoảng cách L [dBm]
Suy hao cáp chủ yếu do các hiện tượng hấp thụ và tán xạ gây ra. Sự hấp thụ bắt
nguồn từ sự không tinh khiết và các hiệu ứng nguyên tử của vật liệu chế tạo sợi
cáp. Còn tán xạ do nguyên nhân chiết suất của sợi cáp thay đổi theo khoảng cách
(tán xạ Rayleigh) và sự không tròn hoàn hảo của sợi cáp.
Suy hao ảnh hưởng lớn đối với bước sóng ngắn hơn là đối với bước sóng dài.
Chính vì điều này mà các bước sóng nhỏ hơn 800nm không được sử dụng trong
thông tin quang.
Thông thường, người ta tính toán giá trị suy hao theo đơn vị tuyến tính theo công
thức như sau:
kmdBkmdB //
23026.0
10
)10ln(
ααα

≈=
(1.6)
1.3.2. Tán sắc
Khi xung ánh sáng truyền trong sợi quang, các thành phần khác nhau (tần số khác
nhau hoặc mốt khác nhau) sẽ lan truyền với tốc độ không đồng nhất. Quá trình
này được gọi là tán sắc, kết quả là xung bị trải rộng và tín hiệu các bít liền kề sẽ
chồng lấn nhau. Hiện tượng này được gọi là giao thoa giữa các ký hiệu ISI.
1.3.2.1.Tán sắc vận tốc nhóm GVD
[5] Khi xung ánh sáng truyền trong sợi quang, các thành phần khác nhau (tần số
khác nhau hoặc mốt khác nhau) sẽ lan truyền với tốc độ không đồng nhất. Quá
trình này được gọi là tán sắc, kết quả là xung bị trải rộng và tín hiệu các bít liền
kề sẽ chồng lấn nhau. Có 2 kiểu tán sắc là tán sắc do vật liệu và tán sắc ống dẫn
sóng (waveguide). Khai triển hằng số truyền sóng
β
(
ω
) tại tần số ω
0
ta được:
3
03
2
02010
)(
6
1
)(
2
1
)()()(

ωωβωωβωωββ
ω
ωωβ
−+−+−+==
c
n
(1.7)
trong đó n(
ω
) là chiết suất hiệu dụng của sợi cáp quang.
c là vận tốc ánh sáng trong chân không.

0
)(
ωω
ωβ
ω
β
=
∂
∂
=
k
k
k
với k = 0,1,2,3.
16
Hệ số
β
k

, k = 0,1,2,3 được diễn dịch như sau:
•
β
0
thể hiện độ lệch pha trong quá trình truyền sóng.
•
β
1
là nghịch đảo của vận tốc nhóm v
g
xác định tốc độ của năng lượng lan
truyền trong sợi cáp.
•
β
2
mô tả sự phụ thuộc vào tần số của nghịch đảo vận tốc nhóm. Nó xác
định sự giãn rộng của xung. Hiệu ứng này được gọi là tán sắc màu hoặc tán
sắc vận tốc nhóm.
•
β
3
là độ dốc của GVD hay còn gọi là GVD bậc 2. Nó thể hiện sự phụ thuộc
vào tần số của GVD và bởi vậy thể hiện các đặc tuyến giãn rộng khác nhau
của các tín hiệu truyền ở các tần số khác nhau.
Thông thường, người ta hay xác định sự phụ thuộc của nghịch đảo vận tốc nhóm
theo bước sóng hơn là theo tần số. Sự phụ thuộc này được mô tả bởi tham số tán
sắc D và độ dốc theo bước sóng S:
2
2
21

β
λ
π
λ
c
vd
d
D
g
−==







+==
23
3
2
11)2(
β
π
β
λ
λ
π
λ
c

c
d
dD
S
(1.8)
D
cvd
d
g
π
λ
ω
β
2
1
2
2
−==

)2(
)2(
2
3
2
3
DS
c
d
d
+==

λ
π
λ
ω
β
β

D được tính bằng ps/nm.km. Nó thể hiện độ giãn rộng ∆T của xung có độ rộng
∆λ sau quãng đường z hoặc tương đương với độ lệch thời gian của 2 xung sau
khoảng cách z:
zD
vd
d
z
d
dT
T
g
λ
λ
λ
λ
λ
∆=









∆=∆≈∆
1
(1.9)
1.3.2.2.Tán sắc màu
Tán sắc màu đặc trưng cho mỗi sợi cáp, mỗi sợi cáp khác nhau có tán sắc màu
khác nhau. Điều nghịch lý là ở chỗ sợi cáp đơn mốt chế tạo từ Silic không có tán
sắc màu tại cửa sổ 1.3µm nhưng lại tán sắc đáng kể tại cửa sổ 1.55µm, nơi suy
hao là thấp nhất. Tuy nhiên tán sắc lại là hiện tượng tuyến tính và hoàn toàn có
thể bù được. Hiện nay, loại sợi dịch tán sắc DSF, ở đó bước sóng mà tán sắc bằng
0 được dịch đến cửa sổ 1.55µm đang được nghiên cứu để phục vụ mục đích trên.
DSF hoàn toàn phù hợp với các hệ thống SDH cũ tốc độ cao (10Gbps hoặc hơn)
nhưng lại không thích hợp với hệ thống WDM chủ yếu do ảnh hưởng tiêu cực của
hiệu ứng trộn bốn sóng FWM và các hiệu ứng phi tuyến khác.
1.3.2.3.Tán sắc mốt phân cực PMD
Tán sắc mốt phân cực là đặc trưng cơ bản của sợi quang đơn mốt, hiện tượng này
là do lõi sợi quang không tròn một cách hoàn hảo. Điều này làm cho các phân cực
khác nhau của một tín hiệu sẽ truyền với các vận tốc khác nhau (phân cực của ánh
sáng lan truyền trong sợi quang đơn mốt là hướng của vector điện trường trên mặt
phẳng vuông góc với phương truyền sóng). PMD làm giãn rộng xung tín hiệu và
về phương diện này ảnh hưởng của PMD cũng không khác tán sắc nói chung
17
ngoại trừ tán sắc là hiện tượng tương đối ổn định trong khi PMD của sợi đơn mốt
ở bất cứ bước sóng nào đều không ổn định.
1.3.3. Các hiệu ứng phi tuyến
Các hiệu ứng phi tuyến trong thông tin quang có thể được chia làm 2 loại. Loại
thứ nhất là hiệu ứng tán xạ kích thích (Raman và Brillouin) và loại thứ 2 là các
hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr do sự thay đổi chiết suất vật dẫn theo công
suất quang. Trong khi tán xạ kích thích là nguyên nhân gây ra tăng ích hoặc suy

hao theo cường độ trường thì chiết suất phi tuyến là nguyên nhân gây ra sự dịch
pha tỷ lệ với cường độ trường. Sự khác biệt chính giữa hiệu ứng Kerr và tán xạ
kích thích là ở chỗ tán xạ kích thích có mức công suất ngưỡng tại đó các hiệu ứng
phi tuyến bắt đầu bộc lộ trong khi hiệu ứng Kerr không có mức ngưỡng như vậy.
1.3.4.1.Hiệu ứng Kerr:
Hiệu ứng này thể hiện sự phụ thuộc của chiết suất của sợi quang n(
ω
,t) vào cường
độ điện trường I của tín hiệu quang lan truyền trong sợi:
)()(),(
20
tInntn +=
ωω
(1.10)
trong đó n
0
là chiết suất tuyến tính
n
2
là hệ số chiết suất phi tuyến
So sánh với các môi trường phi tuyến khác, n
2
rất nhỏ. Tuy nhiên, trong thông tin
quang, các hiệu ứng do sự tương tác phi tuyến giữa các xung tín hiệu có thể tích
tụ lại trong quá trình truyền dẫn và trở thành hạn chế của hệ thống.
Các hiệu ứng phi tuyến thường gặp thuộc nhóm hiệu ứng Kerr bao gồm: SPM,
XPM và FWM.
a. Self-Phase Modulation và Cross-Phase Modulation
Khi phát chuỗi xung có cường độ I(t) và pha ban đầu
φ

0
ở các tần số mang khác
nhau vào sợi cáp quang, điều chế pha của tín hiệu ở kênh m sẽ phụ thuộc vào
phân bố công suất của tất cả các kênh như sau:






++=−
∑
≠
mk
kmmmm
tIzntIznznzt )(2.)(.
2
),(
22,0,0
λ
π
φφ
(1.11)
trong đó
φ
m
(t,z) là điều chế pha của kênh m

φ
0,m

là pha ban đầu của kênh m.
n
0,m
là chiết suất tuyến tính của kênh m.
n
2
là chiết suất phi tuyến.
k là chỉ số ký hiệu cho các kênh lân cận của kênh m.
Trong ngoặc vuông, số hạng thứ nhất tương ứng với sự dịch pha tuyến tính tích tụ
trong quá trình truyền dẫn.
Số hạng thứ 2 tương ứng với sự dịch pha phi tuyến do quá trình tự điều pha SPM
của kênh m tích tụ trong quá trình truyền dẫn. Sự dịch pha do SPM tỷ lệ với
18
cường độ điện trường. Hiện tượng này làm cho phổ tín hiệu bị giãn ra hoặc co lại
trong quá trình truyền.
Số hạng thứ 3 mô tả sự dịch pha gây ra bởi sự thay đổi cường độ kênh lân cận của
kênh k, hiệu ứng này được gọi là điều pha chéo XPM.
b. Hiệu ứng FWM
Khi các sóng mang có tần số khác nhau truyền trong sợi quang, các tần số khác
nhau có thể tương tác với nhau để tạo ra thành phần có tần số mới. Hiệu ứng phi
tuyến này được gọi là trộn bốn sóng FWM. Hiệu ứng xảy ra khi 2 photon ở tần số
ω
1
và
ω
2
bị hấp thụ để tạo ra 2 photon ở tần số
ω
3
và

ω
4
sao cho:
4321
ωωωω
+=+
(1.13)
Cũng có thể coi việc này giống như trộn 3 sóng lại để tạo ra 1 sóng mới có điện
trường:
{ }
[ ]
{ }
zjtjEEEEEEE
mlkmlkmlkmlkklm
)()()(exp)(exp
*
ωβωβωβωωω
−+−−+==
(1.14)

trong đó

[]
{}
ztjEEE
iiiii
)(exp)(
ωβωω
−==
là cường độ điện trường của sóng tại tần số

ω
i
.

β
(
ω
i
) là hằng số truyền modal ở ω
i
.

ω
klm
=
ω
k
+
ω
l
-
ω
m
là tần số sóng của E
klm
.
Năng lượng của sóng E
klm
được coi là xếp chồng của các tần số trộn
ω

klm
. Cũng
cần chú ý rằng hằng số truyền sóng là phụ thuộc vào tần số.
Điều kiện hợp pha:
∆β
→ 0 với
∆β
(
ω
) =
β
(
ω
k
) +
β
(
ω
l
) -
β
(
ω
m
) -
β
(
ω
klm
) (1.15)

trong đó
∆β
mô tả sự không hợp pha giữa các điện trường. Thay thế phương trình
khai triển hệ số truyền sóng vào phương trình trên, ta có:












−
+
+−−−=∆
ω
ωω
ββωωωωωβ
2
))(()(
32
kl
mlmk
















+








−
+
+









−








−
= DS
c
Dc
klmlmk
2
2
2
2
00000
ω
π
ω
ω
ω
ωω
ω
ωω
ω

ωω
π
(1.16)
trong đó
ω
0
là tần số tham chiếu của D và S.
Năng lượng của sóng mới tạo ra tỷ lệ với năng lượng của 3 sóng tương tác:
2
2
))()()((~)( zEzEzEzE
mlkklm
η
(1.17)
trong đó
η
là hiệu suất quá trình FWM và phụ thuộc vào điều kiện hợp pha ∆
β

theo công thức:






−−
∆−
+
∆+

=
2
2
2
2
)]exp(1[
)2/sin()exp(4
1
z
zz
α
βα
βα
α
η
(1.18)
trong đó α là hệ số suy hao sợi cáp, z là chiều dài sợi.
19
Hiệu suất
η
của quá trình FWM phụ thuộc điều kiện phù hợp về pha ∆
β
. Hiệu
ứng FWM xảy ra mạnh khi và chỉ khi điều kiện này được thoả mãn (tức là động
lượng của photon được bảo toàn). Về mặt toán học, điều kiện này có thể được
biểu diễn:
)()()()(
kjiijk
ωβωβωβωβ
−+=

Vì trong sợi quang tồn tại tán sắc nên điều kiện phù hợp về pha rất khó xảy ra.
Tuy nhiên với môi trường truyền dẫn là loại sợi có tán sắc thấp và khoảng cách
truyền dẫn tương đối lớn và các kênh gần nhau thì điều kiện này có thể coi là xấp
xỉ đạt được:
• Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệu ứng
FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM.
Hơn nữa nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới
được tạo ra có thể rơi vào các kênh tín hiệu, gây xuyên âm giữa các kênh,
làm suy giảm chất lượng hệ thống.
• Sự suy giảm công suất sẽ làm cho dạng hình mắt của tín hiệu ở đầu thu bị
thu hẹp lại do đó sẽ làm giảm BER của hệ thống. Vì các hệ thống WDM
chủ yếu làm việc ở cửa sổ 1550nm và do tán sắc của sợi quang đơn mốt
thông thường G.652 tại cửa sổ này lớn hơn 0 (xấp xỉ bằng 0 đối với sợi
dịch tán sắc G.653) nên hệ thống WDM làm việc với sợi đơn mốt thông
thường sẽ ít bị ảnh hưởng bởi FWM hơn đối với làm việc trên sợi dịch tán
sắc.
• Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu khoảng cách giữa các kênh
trong hệ thống WDM càng nhỏ cũng như khoảng cách truyền dẫn và mức
công suất phát mỗi kênh lớn. Do vậy FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự ly
truyền dẫn của hệ thống WDM.
• Tổng số các thành phần mới được tạo ra có thể tính như sau:

)(
2
1
23
NNm
−=
với N là số kênh ban đầu

Để giảm ảnh hưởng do hiệu ứng FWM gây ra, có thể dùng các giải pháp:
• Khoảng cách các kênh không đều nhau: vị trí các kênh có thể lựa chọn kỹ
để các thành phần nhiễu không đè lên các kênh số liệu.
• Tăng khoảng cách giữa các kênh: Làm tăng vận tốc nhóm giữa các kênh,
nhược điểm làm tăng độ rộng băng hệ thống và do vậy yêu cầu phải có bộ
khuếch đại quang độ rộng băng khuếch đại rộng hơn.
• Sử dụng các bước sóng cao hơn 1560nm với sợi DSF do trong phạm vi này
sợi có lượng tán sắc đáng kể làm giảm FWM.
• Giảm công suất phát và giảm khoảng cách giữa các bộ khuếch đại.
1.3.4.2. Tán xạ kích thích SRS (Stimulated Raman Scattering)
20
Hiệu ứng Raman là kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó
photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ
học của các phân tử cấu thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại
được phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng cuả ánh sáng tới
(ánh sáng với bước sóng mới này được gọi là ánh sáng Stoke). Khi ánh sáng tín
hiệu truyền trong sợi quang có cường độ lớn, quá trình này trở thành quá trình
kích thích (được gọi là SRS) trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng (gọi là
bơm Raman) làm cho phần lớn năng lượng của tín hiệu được chuyển tới bước
sóng Stoke.
Nếu trong hệ thống WDM hiệu ứng này cũng hạn chế số kênh bước sóng, khoảng
cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ thống. Hơn
nữa, nếu như bước sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tín hiệu thì hiệu ứng này
cũng gây xuyên âm giữa các kênh.
1.3.4.3. Tán xạ kích thích Brillouin SBS
[6] [7] Sóng âm học và sóng quang học trong sợi quang có thể tương tác với nhau
để tạo nên tán xạ kích thích Brillouin. Chùm laser tới sẽ tán xạ theo sự thay đổi
chiết suất sợi quang cùng với sóng âm, ánh sáng tán xạ tuỳ thuộc hướng truyền
của sóng âm mà bị dịch tần theo sóng âm. Tiến trình được gọi là kích thích vì sự
giao thoa giữa sóng tới và sóng tán xạ làm cho sóng âm được khuếch đại và có xu

hướng bơm thêm năng lượng cho sóng tán xạ. Tiến trình hồi tiếp dương này có
thể tạo nên sự bùng nổ theo hàm mũ ở sóng tán xạ SBS.
Tán xạ SBS làm suy yếu tín hiệu phát vì tạo ra sự tăng ích theo hướng ngược với
phương truyền sóng ánh sáng, nghĩa là hướng ngược về phía nguồn phát.
Ngưỡng SBS được định nghĩa tỷ lệ với:








∆
+
B
s
B
th
B
v
v
g
P 1
1
~
(1.20)
trong đó g
B
là hệ số tăng ích Brillouin

∆
v
S
là độ rộng phổ tín hiệu
∆
v
B
là độ rộng băng tần tăng ích Brillouin.
Như vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng để mức công suất của từng kênh và khoảng
cách giữa các kênh trong hệ thống WDM mà không phụ thuộc vào số kênh của hệ
thống.
1.4. Vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM
1.4.1. Thiết bị trong mạng WDM
1.4.2.1.Thiết bị OADM
Trên thực tế, đôi khi người ta cần thực hiện việc tách hoặc/và ghép một số kênh
xác định nào đó trong luồng tín hiệu. Để thực hiện nhiệm vụ này phải cần đến
một loại thiết bị chuyên dụng, đó là thiết bị xen/rẽ kênh hay gọi ngắn gọn là thiết
bị xen/rẽ.
21
Thiết bị xen/rẽ kênh quang (OADM) thực hiện chức năng thêm vào và tách ra
một kênh tín hiệu từ tín hiệu WDM mà không gây ra nhiễu với những kênh khác
trong sợi. Theo thời gian chức năng xen/rẽ kênh quang của OADM đã dần hoàn
thiện và linh hoạt hơn.
1.4.2.2. Thiết bị OXC
Dưới góc độ phần tử mạng, thiết bị đấu nối chéo quang (OXC) là một phần tử
chuyển mạch quang linh hoạt cho phép chuyển mạch tín hiệu tới từ một cổng đầu
vào đến một hoặc nhiều cổng đầu ra khác nhau. Dưới góc độ mạng, đấu nối chéo
là một nút chuyển mạch mà trạng thái thay đổi theo hệ thống quản lý mạng chứ
không theo báo hiệu trong mạng. Do đó những thay đổi này thường kéo dài trong

khoảng thời gian tính bằng giây.
OXC được xem như nền móng cho lớp mạng quang, nó đem lại cho người sử
dụng khả năng lựa chọn mềm dẻo và linh hoạt cấu hình mạng (topo mạng) với độ
duy trì mạng cao. Ngày nay các thiết bị này chủ yếu xuất hiện trong môi trường
mạng đường trục. Tuy nhiên những thiết bị loại này đang được trông đợi nhiều ở
tất cả các cấp mạng bao gồm cả ở mạng nội hạt. Rào cản hiện tại của những thiết
bị này trong mạng thực tế đó là giá thành.
Chức năng chính của OXC sẽ là khả năng tái cấu hình mạng một cách linh hoạt ở
mức bước sóng cho khôi phục mạng hoặc thích ứng đối với những thay đổi nhu
cầu băng tần.
Một số chức năng của OXC hiện nay:
- Quản lý băng tần và kết nối để cung cấp kết nối cho các kênh thuê riêng và kết
nối của các kênh quang (hỗ trợ cho tải SDH), cung cấp chức năng xen/rẽ bước
sóng.
- Sắp xếp hiệu quả bước sóng để tận dụng tốt hơn cơ sở hạ tầng đã có.
- Phát triển từ từ các dịch vụ 10Gbit/s đến 40Gbit/s, đem lại một chi phí thấp
cho mạng
- Bảo vệ và khôi phục mạng ở mức bước sóng.
- Định tuyến và liên kết ở mức bước sóng.
Hiện nay, có thể phân thiết bị OXC thành hai loại chính: OXC dựa trên ma trận
chuyển mạch điện (lõi điện) và OXC dựa trên ma trận chuyển mạch quang (lõi
quang). Trước đây do công nghệ quang chưa chế tạo được chuyển mạch quang
không gian lớn nên nhiều nhà sản xuất thiết bị hướng đến sử dụng ma trận điện
trong các thiết bị đấu nối chéo quang của mình. Chính vì vậy mà phần lớn thiết bị
được quảng cáo ngày nay của một số hãng lớn như Ciena, Cisco Network,
Sycamore được phát triển trên nền này. Tín hiệu quang tới và ra khỏi OXC phải
qua giao diện O/E, tốc độ xử lý cơ sở trong kiểu OXC này thường là 2,5Gbit/s.
Tuy nhiên khi nối chéo những tốc độ lớn như 10 hoặc 40Gbit/s thì các bị OXC
này sẽ bộc lộ những nhược điểm về công nghệ của mình như xuyên kênh lớn,
kích thước chuyển mạch nhỏ (<32x32), số lượng chuyển mạch lớn, trọng lượng

22
nặng,... và hơn cả giá thành sẽ bị đẩy lên rất cao vì phải chi trả cho các công nghệ
để giải quyết những nhược điểm trên. Do đó giải pháp xây dựng OXC với lõi
quang trở nên hấp dẫn hơn cả và khắc phục được những nhược điểm nêu trên.
Hơn nữa, giá thành của các linh kiện quang (ma trận chuyển mạch quang) đã
giảm xuống rất nhiều, trong tương lai gần nó hoàn toàn có thể so sánh với OXC
dựa trên ma trận chuyển mạch điện.
Dựa vào đặc tính chuyển mạch người ta chia OXC lõi quang thành ba loại chính:
a. OXC chuyển mạch sợi (FXC)
Các nối chéo chuyển mạch sợi (FXC) thực hiện chuyển mạch tất cả kênh bước
sóng từ một sợi đầu vào tới một sợi đầu ra, nó hoạt động như một bảng đấu sợi tự
động. FXC là kiểu chuyển mạch ít phức tạp nhất trong số hai kiểu còn lại (do đó
cũng rẻ hơn).
Trong một số phần mạng mà việc bảo vệ chống đứt sợi là vấn đề chính thì FXC
có thể là một giải pháp hợp lý. Chúng tận dụng tối đa các công nghệ quang hiện
tại. Chúng có thể cung cấp các khả năng khôi phục và dự phòng đơn giản nhưng
lại không linh hoạt (nhằm hỗ trợ các dịch vụ bước sóng điểm-điểm mới).
Hình 1.6 OXC chuyển mạch sợi (a), OXC chuyển mạch lựa chọn bước sóng (b) và chuyển mạch trao đổi
bước sóng (c)

b. OXC lựa chọn bước sóng (WSXC)
WSXC chuyển mạch một nhóm các kênh bước sóng từ một sợi đầu vào đến một
sợi đầu ra. Về mặt chức năng thì chúng yêu cầu giải ghép (theo tần số) các tín
hiệu đến thành bước sóng ban đầu của chúng.
WSXC còn có tính linh hoạt trong việc khôi phục dịch vụ. Các kênh bước sóng có
thể được bảo vệ riêng biệt nhờ cơ chế bảo vệ mesh, ring hoặc kết hợp.
c. OXC trao đổi bước sóng (WIXC)

λ
1
λ
2
λ
1
λ
2

λ
1
λ
2
λ
1
λ
2

λ
1
λ
2
λ
1
λ
2

a. b.
c.
23

WIXC hoàn toàn giống như WSXC mô tả trên nhưng có thêm khả năng chuyển
đổi hoặc thay đổi tần số (hoặc bước sóng) của kênh từ tần số này đến tần số khác.
Đặc tính này làm giảm xác suất không được định tuyến từ sợi đầu vào đến sợi đầu
ra do sự cạnh tranh bước sóng. WIXC có tính linh hoạt cao nhất trong việc khôi
phục và dự phòng dịch vụ.
1.4.2. Vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM
Thiết kế kỹ thuật của hệ thống WDM là rất phức tạp, nó là sự cân bằng của nhiều
các yếu tố tác động. Nhiều hiệu ứng trong hệ thống WDM đã được biết đến trong
các hệ thống đơn kênh. Tuy nhiên còn có một số hiệu ứng khác trong truyền dẫn
WDM, bao gồm:
- Sự phân tách kênh và băng tần tín hiệu: Để giảm thiểu ảnh hưởng của SRS và
đạt được độ bằng phẳng khuếch đại tối ưu từ các bộ khuếch đại ta phải sắp xếp
các kênh càng gần nhau càng tốt. Dĩ nhiên điều này sẽ cho chúng ta có được
nhiều kênh hơn (nếu cần) và vì vậy dung lượng cũng cao hơn.Tuy nhiên,
những tác động của FWM lại không cho phép các kênh có khoảng cách quá
gần nhau.
- Độ chính xác và giá thành phần tử quang: Nói chung, các phần tử quang càng
chính xác và ổn định thì chúng càng có giá thành đắt. Độ rộng phổ nguồn laser
càng hẹp và tín hiệu của nó càng ổn định thì nó càng có giá thành cao hơn.
Những đánh giá tương tự cũng được xét cho các cách tử, bộ lọc, và phần lớn
các thiết bị khác. Đây là yếu tố quan trọng để quyết định độ rộng dải thông và
khoảng cách kênh.
- Kiểm soát tán sắc: ý nghĩa cơ bản của việc kiểm soát tán sắc là giảm nhỏ dải
thông tín hiệu và sử dụng một số phương pháp bù tán sắc. Việc sử dụng sợi
DSF tại bước sóng tán sắc 0 (zero) là không thể được do vấn đề FWM. Có thể
giảm nhỏ dải thông tín hiệu nhưng dải thông lại bị giãn rộng ra do chúng tự
điều chế và nếu ta giảm dải thông tín hiệu xuống thấp hơn 80 MHz thì lại xuất
hiện những hạn chế do các hiệu ứng SBS. Trong các hệ thống có cự ly dưới
100km tại tốc độ 2,4 Gbit/s trở lên sẽ cần đến một số phương thức quản lý tán
sắc và bù tán sắc.

- Công suất tín hiệu (cho mỗi kênh): Một trong các yếu tố để đánh giá hệ thống
là nhu cầu làm tăng khoảng cách giữa các bộ khuếch đại. Chi phí cho các bộ
khuếch đại không phải là vấn đề chính. Chi phí cho việc lắp đặt và bảo dưỡng
chúng tại các trạm dọc theo tuyến cáp cao hơn khá nhiều so với chi phí cho
các bộ khuếch đại. Vì vậy cần phải tăng tối đa công suất cho mỗi kênh. Tuy
nhiên có nhiều yếu tố ảnh hưởng làm hạn chế lượng công suất có thể được sử
dụng:
o Công suất cực đại có ở các bộ phát. Đây thực ra là công suất đầu ra lớn
nhất của một EDFA đặt tại bộ phát. Cho tới gần đây nó vẫn đạt khoảng
200 mW nhưng cùng với sự phát triển của các bộ khuếch đại EDFA
nhiều tầng, thì giới hạn công suất đạt được ngày nay là 10 W.
24
o Các hiệu ứng phi tuyến (SBS, SRS, CIP) gây ra những hạn chế lớn đối
với lượng công suất có thể dùng cho mỗi kênh tuỳ thuộc vào nhiều yếu
tố.
o Vấn đề an toàn cũng rất quan trọng. Hầu như tất cả các hệ thống WDM
đều được phân loại kỹ lưỡng theo độ nguy hiểm và cần thiết phải có
những hệ thống bảo an được đặt ở những vị trí xác định có thể truy
nhập hiệu quả chỉ riêng các dịch vụ có chất lượng.
- Tạp âm: Như đã nói ở trên, tác động của sự tích luỹ tạp ASE được đánh giá
chủ yếu là về khoảng cách bộ khuếch đại.
- Loại sợi: Để giảm tán sắc ta nên sử dụng sợi DSF. Tuy nhiên, sợi DSF lại làm
tăng đáng kể các hiệu ứng FWM và SRS. Do đó ta nên dùng cả sợi tiêu chuẩn
lẫn sợi tối ưu hoá tán sắc (DOF).
1.5. Kết cuối chương
Chương này giới thiệu tổng quan về công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM,
sơ lược về nguyên lý ghép kênh cũng như các thành phần cơ bản của mạng WDM
áp dụng trên thực tế. Chương này cũng đề cập đến các hiệu ứng ảnh hưởng đến
chất lượng truyền quang như tán sắc, suy hao và các hiệu ứng phi tuyến khác
đồng thời giới thiệu về các vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM. Chương

tiếp theo sẽ trình bày về vấn đề mạng quang định tuyến theo bước sóng.