Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang tốc độ cao sử dụng bộ khuếch đại quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Trần Quốc Hồn

THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
TỐC ĐỘ CAO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử viễn thông

LUẬN VĂN THẠC K TH ẬT
K THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. T . Bùi Việt Khôi

Hà Nội – Năm 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan tồn bộ nội dung đề cập trong luận văn “Thiết kế và mô
phỏng hệ thống thông tin quang tốc độ cao sử dụng bộ khuếch đại quang” được
viết dựa trên kết quả nghiên cứu theo đề cương bởi cá nhân tôi dưới sự hướng
dẫn của Tiến sĩ Bùi Việt Khôi. Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều được
trích dẫn đầy đủ nguồn và sử dụng theo đúng luật bản quyền quy định. Tơi xin
hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình.

Học viên cao học

TRẦN QUỐC HỒN

1

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1
MỤC LỤC ................................................................................................................... 2
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................... 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ 8
DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ............................................................................... 9
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 11
CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN GHÉP KÊNH THEO
BƯỚC SĨNG WDM ................................................................................................ 12
1.1 Giới thiệu hệ thống thơng tin quang ............................................................... 12
1.2 Các thành phần chính của một tuyến thông tin quang .................................... 13
1.3 Giới thiệu về các kĩ thuật ghép kênh quang WDM ........................................ 14
1.4 Định nghĩa WDM ........................................................................................... 14
1.5 Nguyên lý của WDM ...................................................................................... 15
1.6 Phân loại hệ thống WDM ............................................................................... 18
1.7 Chức năng của hệ thống WDM ...................................................................... 21
1.8 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM ............................................................ 22
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG ..................................... 24
2.1 Tổng quan ....................................................................................................... 24
2.1.1 Nguyên lý bộ khuếch đại quang .............................................................. 25
2.1.2 Ứng dụng của khuyếch đại quang ........................................................... 27
2.2 Các thơng số chính của bộ khuếch đại quang ................................................. 28
2.2.1 Hệ số khuếch đại ..................................................................................... 28
2.2.2 Băng thông khuếch đại ............................................................................ 30
2.2.3 Cơng suất ngõ ra bão hồ ........................................................................ 30

2

2.2.4 Hệ số nhiễu .............................................................................................. 32
2.3 Phân loại khuếch đại quang ............................................................................ 33
2.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn .................................................................... 33
2.3.2 Khuếch đại quang sợi EDFA ................................................................... 35
2.3.3 Khuếch đại Raman .................................................................................. 37
CHƯƠNG 3: BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN ............................................................. 38
3.1 Tán xạ Raman ................................................................................................. 38
3.1.1 Ánh sáng .................................................................................................. 38
3.1.2 Tương tác của ánh sáng và mơi trường ................................................... 38
3.1.3 Q trình truyền ánh sáng trong sợi quang ............................................. 40
3.1.4 Tính chất phi tuyến của sợi quang ........................................................... 43
3.1.5 Tán xạ ánh sáng ....................................................................................... 45
3.1.6 Tán xạ Raman .......................................................................................... 47
3.2 Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman ................................................... 48
3.3 Bơm và phương trình tín hiệu ......................................................................... 50
3.3.1 Phổ độ khuếch đại Raman ....................................................................... 52
3.3.2 Bộ khuếch đại Raman 01 nguồn bơm ..................................................... 56
3.3.3 Khuếch đại Raman nhiều nguồn bơm ..................................................... 63
3.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng bộ khuếch đại Raman .......................... 66
3.4.1 Tán xạ Rayleigh ....................................................................................... 66
3.4.2 Tán xạ Raman tự phát .............................................................................. 67
3.4.3 Tạp âm từ nguồn bơm ............................................................................. 67
3.4.4 Tán xạ mode phân cực ............................................................................. 68
3.5 Ưu điểm của khuếch đại Raman ..................................................................... 68
3.5.1 Cải thiện hệ số nhiễu ............................................................................... 68

3

3.5.2 Cải thiện hệ số phẳng .............................................................................. 70
3.6 Phân loại các bộ khuếch đại Raman ............................................................... 73
3.6.1 Khuếch đại Raman phân bố ..................................................................... 73
3.6.2 Khuếch đại Raman tập trung ................................................................... 75
3.6.3 Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA ......................................... 76
CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG TỐC
ĐỘ CAO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN ................................................ 77
4.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 77
4.2 Phân tích các thơng số thiết kế đầu vào .......................................................... 79
4.2.1 Cự ly tuyến .............................................................................................. 79
4.2.2 Số kênh bước sóng và khoảng cách kênh ................................................ 79
4.2.3 Tỷ số lỗi bít (BER) .................................................................................. 80
4.3 Lựa chọn các thiết bị ....................................................................................... 80
4.3.1 Bộ phát quang .......................................................................................... 80
4.3.2 Các bộ thu quang ..................................................................................... 81
4.3.3 Phương án bù tán sắc ............................................................................... 81
4.3.4 Sợi quang ................................................................................................. 81
4.3.5 Bộ khuếch đại quang ............................................................................... 82
4.4 Tính tốn các tham số ..................................................................................... 82
4.4.1 Chiều dài sợi quang ................................................................................. 82
4.4.2 Suy hao trên chặng khuếch đại ................................................................ 83
4.4.3 Bù công suất do hiệu ứng phi tuyến ........................................................ 84
4.4.4 Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại phát và tiền khuếch đại ................. 85
4.4.5 Bộ khuếch đại Raman .............................................................................. 86

4


CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ
DỤNG KHUẾCH ĐẠI RAMAN.............................................................................. 89

5.1 Mô phỏng hệ thống truyền dẫn đơn kênh ....................................................... 89
5.1.1 Mục đích mơ phỏng ................................................................................. 89
5.1.2 Các thông số thiết kế đầu vào hệ thống ................................................... 89
5.1.3 Sơ đồ hệ thống ......................................................................................... 90
5.1.4 Khảo sát G theo Δλ .................................................................................. 91
5.1.5 Khảo sát G theo L .................................................................................... 92
5.1.6 Khảo sát G theo P0 ................................................................................... 94
5.2 Thiết kế, mô phỏng hệ thống truyền dẫn đa kênh sử dụng bộ khuếch đại
Raman ................................................................................................................... 96
5.2.1 Mục đích .................................................................................................. 96
5.2.2 Các thông số thiết kế đầu vào hệ thống ................................................... 96
5.2.3 Các bộ thu phát quang ............................................................................. 96
5.2.4 Sợi quang ................................................................................................. 96
5.2.5 Suy hao và bù công suất .......................................................................... 97
5.2.6 Phương án khuếch đại quang ................................................................... 97
5.2.7 Thiết kế bộ DRA ..................................................................................... 97
5.2.8 Tổng hợp các thông số cơ bản của hệ thống đa kênh mô phỏng ............. 99
5.2.9 Sơ đồ hệ thống ....................................................................................... 100
5.2.10 Kết quả mô phỏng ............................................................................... 101
5.2.11 Nhận xét ............................................................................................... 103
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ....................................... 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 106

5


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ACI

Adjacent Crosstalk Interference

Nhiễu xuyên kênh

APD

Avalanche Photo Diode

Điốt thác lũ

ASE

Amplified Spontaneous Emission

Nhiễu tự phát

BER

Bit Error Ratio

Tỷ số lỗi bit

CW

Continuous Wave

Sóng liên tục

DCF

Dispersion Compensating Fiber

Sợi bù tán sắc

DCU

Dispersion Compensation Unit

Bộ bù tán sắc

Demultiplexer

Bộ tách kênh

Distributed Feedback

Bộ hồi tiếp phân tán

DPSK

Differiential Phase Shift Keying

Khóa dịch pha vi sai

DRA

Distributed Raman Amplifier

Bộ khuếch đại Raman phân bố

DRS

Double Rayleigh Scattering

Tán xạ Rayleigh kép

DEMUX
DFB

DWDM

Dense
Wavelength
Multiplexing

Division Ghép phân chia theo bước sóng
dày đặc

EDFA

Erbium Droped Fiber Amplifer

Khuếch đại quang sợi pha
Erbium

FWM

Four Wave Mixing

Hiệu ứng trộn bốn bước sóng

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu liên ký tự

ITU

International
Union

Liên minh viễn thông quốc tế

LED

Light Emitting Diode

Điốt phát quang

LRA

Lumped Raman Amplifier

Bộ khuếch đại Raman tập trung

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

Telecommunication

6


Noise Figure

Hệ số nhiễu

Non Return to Zero

Bộ điều chế không dần tới 0

Nonzero Dispersion Fiber

Sợi quang tán sắc khác không

Optical Fiber Amplifer

Bộ khuếch đại sợi quang

Optical Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
quang

OSA

Optical Spectrum Analyzer

Bộ phân tích phổ quang

OSC

Optical Service Channel

Kênh dịch vụ quang

PMD

Polarization Mode Dispersion

Tán sắc mode phân cực

Quality Factor

Hệ số phẩm chất

SBS

Stimulated Brilloin Scattering

Tán xạ Brilloin kích thích

SLA

Superlarge Area

Miền siêu rộng

SMF

Single Mode Fiber

Sợi đơn mode

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín trên tạp âm

SOA

Semiconductor Optical Amplifier

Bộ khuếch đại quang bán dẫn

SPM

Self Phase Modulation

Tự điều chế pha

SRS

Stimulated Raman Scattering

Hiện tượng tán xạ Raman kích
thích

WDM

Wavelength Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước
sóng

XPM

Cross Phase Modulation

Điều chế pha chéo

ZDW

Zero Dispersion Wave

Bước sóng tán sắc khơng

NF
NRZ
NZDF

OFA
ONSR

Q

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Sự phân chia các băng sóng trong WDM [2] ............................................ 15
Bảng 1.2 Bảng so sánh gi a CWDM và DWDM [1] ............................................... 20
Bảng 4.1 Giá trị bù công suất do hiệu ứng phi tuyến [6] .......................................... 84
Bảng 5.1 Bảng giá trị G theo bước sóng bơm λp ...................................................... 91
Bảng 5.2 Bảng giá trị G theo chiều dài khuếch đại L ............................................... 93
Bảng 5.3 Bảng giá trị G theo công suất bơm P0........................................................ 95
Bảng 5.4 Thông số của 02 loại sợi SMF và DCF ..................................................... 97
Bảng 5.5 Bảng tổng hợp các thông số cơ bản của hệ thống ..................................... 99
Bảng 5.6 Hệ số khuếch đại tương ứng với các tín hiệu vào ................................... 103

8


DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang [2].................. 13
Hình 1.2 Phổ của WDM [1] ...................................................................................... 15
Hình 1.3 Cấu hình hệ thống WDM [1] ..................................................................... 16
Hình 1.4 Cấu hình hệ thống WDM không quy định đầu thu phát [1] ...................... 17
Hình 1.5 Hệ thống WDM đơn hướng và song hướng [2] ......................................... 18
Hình 1.6 Cấu trúc tổng quát của WDM và phổ của tín hiệu ghép [2] ...................... 21
Hình 2.1 Bộ lặp quang điện [2] ................................................................................. 24

Hình 2.2 Các hiện tượng biến đổi quang điện [5] ..................................................... 26
Hình 2.3 Các ứng dụng khuếch đại [2] ..................................................................... 27
Hình 2.4 Mối tương quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi [2] ................................ 30
Hình 2.5 Sự phụ thuộc của cơng suất ra theo G [2] .................................................. 31
Hình 2.6 Sơ đồ khối một SOA [2] ........................................................................... 34
Hình 2.7 Các ứng dụng cơ bản của SOA [2] ............................................................ 35
Hình 2.8 Sơ đồ các mức năng lượng của ion Er3+ tự do [2]...................................... 36
Hình 3.1 Hệ số tán sắc của sợi quang SMF-28 [2] ................................................... 41
Hình 3.2 Chiều dài hiệu dụng của sợi quang [2]....................................................... 42
Hình 3.3 Quá trình tán xạ ánh sáng [2] ..................................................................... 45
Hình 3.4 Tần số của ánh sáng tán xạ [2] ................................................................... 46
Hình 3.5 Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman [3] ........................................ 47
Hình 3.6 Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman [3] ............................. 49
Hình 3.7 Cấu trúc bộ khuếch đại Raman [6]............................................................. 49
Hình 3.8 Sơ đồ minh họa tán xạ Raman từ quan điểm cơ học lượng tử [3] ............. 51
Hình 3.9 Bộ khuếch đại Raman cơ sở trong cấu hình bơm thuận [3] ....................... 52
Hình 3.10 Phổ độ khuếch đại Raman cho khối silic [3] ........................................... 53
Hình 3.11 Phổ độ khuếch đại Raman cho 3 loại sợi quang tại 1,45µm [3] .............. 55
Hình 3.12 Sự biến thiên của cơng suất tín hiệu trong bơm hai chiều [3] ................. 58
Hình 3.13 Sự cải thiện trong hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc độ khuếch đại [3] ........ 59

9


Hình 3.14 Sự biến thiên của độ khuếch đại GA theo cơng suất bơm Po [3] ............. 60
Hình 3.15 Đặc điểm độ khuếch đại bão hòa của bộ khuếch đại Raman [3] ............. 62
Hình 3.16 Sơ đồ tổng khuếch đại của bộ khuếch đại Raman được bơm với 6 laser
với bước sóng và cơng suất đầu vào khác nhau [3] .................................................. 64
Hình 3.17 Độ khuếch đại Raman của một bộ khuếch đại chiều dài 25 km được bơm
với 12 laser [3] .......................................................................................................... 65

Hình 3.18 Hệ thống khuếch đại Raman phân bố [6] ................................................. 69
Hình 3.19 Độ khuếch đại được tổng hợp từ các bước sóng riêng lẻ [3] ................... 72
Hình 3.20 Các công suất bơm khác nhau trong hệ thống khuếch đại Raman [3] ..... 72
Hình 3.21 So sánh gi a công suất bơm phát và độ khuếch đại cung cấp bởi mỗi
bước sóng bơm [3] .................................................................................................... 73
Hình 3.22 Khuếch đại tập trung và khuếch đại phân bố [6] ..................................... 73
Hình 3.23 Cơng suất tín hiệu trong hệ thống sử dụng DRA [6] .............................. 74
Hình 3.24 Khuếch đại Raman tập trung [6] .............................................................. 76
Hình 3.25 Khuếch đại quang lai ghép EDFA/Raman [6] ......................................... 76
Hình 4.1 Sơ đồ các bước thiết kế hệ thống ............................................................... 78
Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn đơn kênh sử dụng bộ khuếch đại Raman ........ 90
Hình 5.2 Sự biến thiên độ khuếch đại G theo bước sóng bơm ................................. 91
Hình 5.3 Sự biến thiên độ khuếch đại G theo chiều dài khuếch đại ......................... 92
Hình 5.4 Sự biến thiên độ khuếch đại G theo cơng suất bơm ................................... 94
Hình 5.5 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn đa kênh sử dụng khuếch đại Raman ............. 100
Hình 5.6 Phổ tín hiệu phát....................................................................................... 101
Hình 5.7 Phổ tín hiệu vào bộ khuếch đại ................................................................ 101
Hình 5.8 Phổ tín hiệu ra bộ khuếch đại ................................................................... 102
Hình 5.9 Phổ tín hiệu thu ........................................................................................ 102
Hình 5.10 BER của 01 kênh .................................................................................... 103

10


MỞ ĐẦU
Trong các mạng viễn thông hiện đại trên thế giới hiện nay, hệ thống thơng
tin quang đóng vai trị rất quan trọng trong việc truyền dẫn tín hiệu với dung
lượng lớn, chất lượng cao so với các môi trường truyền dẫn khác như cáp kim
loại hay môi trường vô tuyến. Hiện nay hàng loạt các nghiên cứu, chế tạo thử
nghiệm và đưa vào hoạt động các hệ thống truyền dẫn quang cự ly rất xa

(hang trăm tới hàng ngàn km), tốc độ bít trên kênh rất lớn (10 Gb/s đến 40Gb/s)
sử dụng các bộ khuếch đại quang như khuếch đại EDFA, khuếch đại Raman. Do
đó, em đã chọn đề tài nghiên cứu “Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin
quang tốc độ cao sử dụng bộ khuếch đại quang” với mục đích nghiên cứu, thiết
kế và mơ phỏng hệ thống truyền dẫn nêu trên, trong đó ưu tiên nghiên cứu và
ứng dụng bộ khuếch đại Raman. Đề tài này sẽ đề cập các nội dung chính như
sau: Khái quát hệ thống thông tin quang WDM; Tổng quan về khuếch đại
quang; Khuếch đại Raman; Thiết kế và mô phỏng hệ thống truyền dẫn quang
tốc độ cao sử dụng khuếch đại Raman.
Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã hoàn thành với kết quả là đã đưa ra
được quy trình thiết kế hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao sử dụng tồn
khuếch đại Raman và mơ phỏng thử nghiệm hệ thống truyền dẫn quang nêu
trên. Kết quả này hy vọng sẽ là 01 công cụ nghiên cứu, thiết kế các hệ thống
thông tin quang cho các hệ thống cáp quang biển, đường trục của Việt Nam
cũng như là nguồn tài liệu kỹ thuật tham khảo cho giảng dạy và học tập các mơn
học liên quan.
Để có được kết quả nghiên cứu đề tài này, em đã nhận được sự định
hướng, giúp đỡ quý báu của thầy Bùi Việt Khôi và sự hợp tác giúp đỡ của
các bạn đồng nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của thầy giáo
và các bạn.

11


CHƯƠNG I
KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN GHÉP KÊNH
THEO BƯỚC SĨNG WDM
1.1 Giới thiệu hệ thống thơng tin quang
Trong lịch sử của mạng viễn thơng Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói
chung,thơng tin quang đã có nh ng đóng góp quan trọng về cả qui mơ phát triển

cũng như nâng cao chất lượng mạng internet. Hệ thống thông tin bằng cáp sợi
quang là hệ thống truyền dẫn với kỹ thuật và công nghệ tiên tiến cho phép tạo ra các
tuyến truyền dẫn đường dài vượt đại dương với dung lượng lớn, tốc độ cao…Thông
tin quang sẽ đáp ứng nhu cầu phát triển mạng truyền dẫn phục vụ cho sự phát triển
các dịch vụ viễn thông đa dạng yêu cầu tốc độ cao, đặc biệt là phuc vụ cho sự phát
triển đột phá internet tốc độ cao và các dịch vụ IP. Với sự tiến bộ không ngừng của
khoa học công nghệ, nhất là sự tiến bộ vượt bậc trong ngành công nghệ điện tử viễn
thông,công nghệ sản xuất cáp sợi quang và truyền dẫn quang đã phát triển rất
nhanh. Hiện nay các nhà sản xuất đã chế tạo được nh ng sợi cáp quang có giá trị
suy hao rất nhỏ cỡ 0,15dB/km tại bước sóng 1550nm đã cho thấy sự phát triển
nhanh chóng của cơng nghệ sợi quang trong hơn hai thập niên qua. Song song với
đó cơng nghệ chế tạo các nguồn thu phát quang cũng phát rất triển đã tạo tạo ra
nh ng hệ thống thông tin quang có nhiều ưu thế vượt trội hơn so với hệ thống cáp
kim loại. Nh ng ưu điển của truyền dẫn quang so với các truyền dẫn khác là:
-

Suy hao truyền dẫn nhỏ.

-

Băng tần truyền dẫn lớn.

-

Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.

-

Có tính bảo mật cao.

-

Cách điện tốt.

-

Độ tin cậy cao.

-

Sợi quang có kích thước nhỏ, khơng bị an mịn bởi mơi trường axit,
kiềm…nên có độ bền cao.

12


-

Vật liệu chế tạo có sẵn trong tự nhiên.

-

Hệ thống truyền dẫn quang có khả năng nâng cấp dễ dàng nên tốc độ bít cao
hơn bằng cách thay đổi bước sóng làm việc và kỹ thuật ghép kênh.
Bởi nhiều có ưu thế như vậy mà truyền dẫn thông tin quan được nhiều nhà

khai thác mạng viễn thông quan tâm tới như hiện nay cũng như trong tương lai.

1.2 Các thành phần chính của một tuyến thơng tin quang
Các thành phần chính của một tuyến truyền dẫn thơng tin quang bao gồm:

các thiết bị phát quang, cáp sợi quang, các đầu nối connector và thiết bị thu quang:
-

Thiết bị phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu và các mạch điều
khiển liên kết với nhau.

-

Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ
sợi quang khỏi các tác động từ bên ngoài.

-

Thiết bị thu quang được cấu tạo từ bộ tách sóng quang và các mạch khuếch
đại, tái tạo tín hiệu điện từ các tín hiệu quang thu được.

-

Các đầu nối connector được dùng để nối các tuyến sợi quang

-

Ngoài ra trong tuyến truyền dẫn quang cịn có các mối hàn, bộ chia quang và
trạm lặp; ở các tuyến thông tin quang hiện đại cịn có thể có các bộ khuếch
đại quang, thiết bị bù tán sắc và các trạm xen kẽ kênh.
Mơ hình chung của một tuyến truyền dẫn quang:

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang [2]

13

1.3 Giới thiệu về các kĩ thuật ghép kênh quang WDM
Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi
quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía
thu. Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu
khác nhau và phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ
nhận tín hiệu từ sợi này. Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử
dụng thêm sợi quang. Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang
truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể
truyền dẫn với suy hao nhỏ.
=> hồn tồn có lý khi cho rằng có thể truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu
quang từ các nguồn quang có bước sóng phát khác nhau trên cùng một sợi quang.
Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM ra đời từ ý tưởng này.

1.4 Định nghĩa WDM
WDM là phương thức ghép kênh quang theo bước sóng (Wavelength
Division Multiplexing). Thơng thường trong tuyến thông tin quang điểm nối điểm,
mỗi một sợi dẫn quang cho một tia laser với một bước sóng ánh sáng truyền qua, tại
đầu thu, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Mỗi một sóng
laser này mang một số tín hiệu điện với một phổ nhất định. Từ nh ng năm 1980,
công nghệ sợi quang có nhiều tiến bộ nên phương thức ghép kênh quang theo bước
sóng được ứng dụng trong mạng viễn thơng đường trục và quốc tế. Ở đây, WDM
cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit của đường truyền
và cũng không dùng thêm sợi dẫn quang. Thực tế có thể hiểu đơn giản là thay vì
truyền một sóng quang trên một sợi quang, bây giờ ta ghép nhiều sóng quang có
bước sóng khác nhau nhờ vào một bộ ghép kênh (MUX - multiplexing) rồi truyền
trên một sợi quang. Ở đầu bên kia thì ta dùng một bộ tách kênh (DEMUX demultiplexing) để tách các sóng khác nhau ra.

14

1.5 Nguyên lý của WDM
Mỗi máy phát phát tín hiệu trên một bước sóng xác định. Nhiều tín hiệu sau
đó được trộn lẫn nhờ một bộ MUX vào một sợi quang. Chúng được truyền đi trên
sợi đó đến nơi tiếp nhận, được tách ra từng bước sóng và lần lượt được thu bởi các
máy thu riêng biệt.
Băng sóng

Mơ tả:

Phạm vi bước sóng(nm)

Băng O

Ban đầu: Original

1260÷1360

Băng E

Mở rộng: Extended

1360÷1460

Băng S

Ngắn: Short

1460÷1530

Băng C

Tiêu chuẩn: Conventional

1530÷1565

Băng L

Dài: Long

1565÷1625

Băng U

Cực dài: Untra-long

1625÷1675

Bảng 1.1 Sự phân chia các băng sóng trong WDM [2]

Hình 1.2 Phổ của WDM [1]
WDM là phương thức ghép kênh quang theo bước sóng (Wavelength
Division Multiplexing). Thơng thường trong tuyến thơng tin quang điểm nối điểm,

15


mỗi một sợi dẫn quang cho một tia laser với một bước sóng ánh sáng truyền qua, tại
đầu thu, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Mỗi một sóng

laser này mang một số tín hiệu điện với một phổ nhất định. Từ nh ng năm 1980,
cơng nghệ sợi quang có nhiều tiến bộ nên phương thức ghép kênh quang theo bước
sóng được ứng dụng trong mạng viễn thông đường trục và quốc tế. Ở đây, WDM
cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit của đường truyền
và cũng không dùng thêm sợi dẫn quang. Hình 1.3 minh hoạ cấu hình của hệ thống
WDM. Trong đó các luồng tín hiệu quang từ các nguồn có các bước sóng khác nhau
λ1, λ2,..., λn được ghép lại nhờ bộ ghép kênh MUX. Bộ ghép MUX phải đảm bảo ít
suy hao và khơng cho sự xuyên nhiễu gi a 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.

Hình 1.3 Cấu hình hệ thống WDM [1]
Bộ chia luồng DEM, tại đầu thu sẽ tách các luồng sóng quang λ1, λ2,..., λn tới
các bộ thu Rx tương ứng của từng luồng. Tiếp theo các bộ tách sóng quang trong
thiết bị thu Rx, khơi phục lại các tín hiệu điện của từng luồng tương ứng với phía
phát.
Như ta đã biết, ghép kênh là biện pháp ghép một số kênh tín hiệu điện thành
một luồng chung có dung lượng thơng tin lớn hơn. Trong nh ng năm 1960, nói tới
các hệ thống thơng tin nhiều kênh ta quen nói tới các tín hiệu điện và có 2 cách ghép
là ghép theo tần số FDM và ghép theo thời gian TDM.

16


Tại đây chúng ta hãy xem xét gi a WDM và FDM có gì giống nhau và khác
nhau. Ta biết rằng bước sóng dao động của ánh sáng là số nghịch đảo của tần số f
nên WDM có phần tương tự như FDM tức là phổ tín hiệu phân bố theo trục tần số.
Điểm khác nhau là các nguồn phát quang làm việc ở bước sóng nm tương ứng với
tần số rất cao (hơn 200.000GHz). Các sóng quang này bị điều chế trực tiếp bởi tín
hiệu thơng tin điện. Tín hiệu điện này có dải phổ nhất định, nhưng so với dải phổ

của nguồn phát quang thì chỉ sử dụng phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi
quang. Sơ bộ ta có thể biểu diễn các luồng tín hiệu quang như hình 1.3b.
Hệ thống truyền dẫn WDM theo hai hướng có thể như hình 1.4, khơng quy
định phát ở một đầu và thu ở một đầu. Như vậy, ta có thể phát thơng tin tại bước
sóng λ1 theo một luồng đồng thời cũng truyền thông tin theo hướng ngược lại tại
bước sóng λ2.

Hình 1.4 Cấu hình hệ thống WDM không quy định đầu thu phát [1]
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của hệ thống thơng tin quang, kỹ thuật
ghép kênh quang lại xuất hiện kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM
(Optical Time Division Multiplexing) có rất nhiều triển vọng. Một kỹ thuật ghép
kênh khác cũng được ứng dụng trong mạng thông tin quang là ghép kênh quang
theo tần số OFDM (Optical Frequency Division Multiplexing). Kỹ thuật OFDM cho
phép các luồng có tần số mang khác nhau được đồng thời truyền qua và chiếm một
dải phổ nhất định trong luồng sóng ánh sáng. Cơng nghệ OFDM đang được triển
khai thực nghiệm, số kênh có thể ghép trong một luồng quang có thể tới hàng trăm.
OFDM được coi như là biện pháp ghép quang có mật độ dày đặc. Mỗi một kênh
thơng tin có tốc độ lớn hơn 1Gbyte nhờ ghép kênh quang theo tần số OFDM ta có
thể thiết lập được tốc độ truyền dẫn cao hơn 1Tbit/s (1Tera=103Giga). Ghép theo
WDM đã ảnh hưởng sâu sắc đến cấu trúc của hệ thống thơng tin quang. Nó cho
phép khai thác một cách đơn giản và kinh tế lượng thông tin vào một sợi quang đơn

17


mode trên cự ly dài và tăng độ mềm dẻo của cấu trúc phân phối. Nh ng đường
truyền dẫn thử nghiệm đã đạt được tốc độ lưu lượng 160Gbit/s phân phối trên 8
kênh ghép theo bước sóng.
Hơn n a, ghép theo WDM không chỉ giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc mà còn
chống được tổn hao do phân cực. Các hệ thống thơng 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
thơng tin quang 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.

1.6 Phân loại hệ thống WDM
Gồm 2 loại:đơn hướng và song hướng.

Hình 1.5 Hệ thống WDM đơn hướng và song hướng [2]
-

Để hiểu rõ ta so sánh 2 loại hệ thống này (giả sử hai hệ thống cùng ghép với
số lượng lớn N bước sóng giống nhau):
 Về dung lượng: WDM song hướng < WDM đơn hướng, tuy vậy thì
WDM đơn hướng lại địi hỏi số lượng sợi quang lớn gấp 2 so với song
hướng.
 Về thiết kế: hệ thống WDM song hướng đòi hỏi sự phức tạp hơn nhiều
với nh ng vấn đề chống xuyên nhiễu (do có nhiều bước sóng trên một
sợi quang), đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai

18


chiều trên sợi quang khơng dùng chung một bước sóng (bước sóng
chẵn lẻ, bước sóng theo băng …).
 Về giải quyết vấn đề khi gặp sự cố xảy ra ở hệ thống: với WDM song
hướng thì khi có bất kỳ sự cố nào trên hệ thống, nó khơng cần đến cơ
chế APS (automatic protection switching), để chuyển mạch bảo vệ mà
nó có thể tự hiểu đồng thời cả 2 đầu hệ thống.

 Bộ khuếch đại quang EDFA ở hệ thống song hướng đơn giản hơn so
với hệ thống đơn hướng, nhưng do số bước sóng ở WDM song hướng
=1/2 WDM đơn hướng nên công suất khuếch đại ở đầu ra của hệ
thống song hướng sẽ cao hơn hệ thống đơn hướng.
=> Tính về độ tối ưu thì WDM song hướng hơn hẳn WDM đơn hướng. Tuy
nhiên trong một số trường hợp ta vẫn chỉ có thể áp dụng hệ thống đơn hương
vì một số đặc điểm tối ưu trong điều kiện hiện tại. Ví dụ: Trong điều kiện
khả năng xuyên nhiễu gi a các bước sóng là rất cao, mà hệ thống địi hỏi
phải có dung lượng truyền dẫn lớn. Lúc này ta chỉ có thể dùng WDM đơn
hướng.
-

Ngồi ra hệ thống thơng tin quang WDM cịn có hai kỹ thuật ghép kênh theo
bước sóng lỏng CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) và kỹ
thuật ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength
Division Multiplexing):
 Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng lỏng CWDM: là kỹ thuật
ghép kênh quang theo bước sóng mà trong đó khoảng cách gi a các
kênh liên tiếp nhau lớn hơn 20 nm và độ rộng phổ của một kênh là
2500 Ghz. Bước sóng của laser thay đổi theo nhiệt độ nhưng đối với
kỹ thuật này khơng cần bộ làm mát vì khoảng cách gi a các kênh liền
nhau lớn. Kỹ thuật CWDM mang lại hiệu quả kinh tế cao đối với hệ
thống cần ít bước sóng.
 Khi dung lượng của hệ thống tăng lên thì số kênh ghép trong sợi
quang tăng lên. Điều này làm cho kỹ thuật CWDM khó có thể đáp

19


ứng được nhu cầu. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng mật độ

cao DWDM đã khắc phục điều đó. DWDM là kỹ thuật ghép kênh theo
bước sóng mà khoảng cách gi a các kênh quang liền nhau truyền trên
sợi quang là 0,8 nm tại vùng tần số 1550 nm và độ rộng phổ của một
kênh tầm 100 Ghz. Hiện nay, người ta cịn có thể ghép được các bước
sóng mà khoảng cách gi a các kênh là 0,4 và 0,2 nm và độ rộng phổ
lần lượt là 50 và 20 Ghz. Khi độ rộng phổ của bước sóng giảm xuống
thì có nhiều u cầu cần phải giải quyết như: nhiệt độ của Laser phát
phải ổn định, các thiết bị tách ghép phải hoạt động chính xác hơn.
Nh ng yêu cầu này làm cho giá thành của các thiết bị DWDM tăng
lên rất nhiều so với các thiết bị của hệ thống CWDM. Việc so sánh
gi a CWDM và DWDM được minh họa như trong Bảng 1.2.
STT

Nội dung

CWDM

DWDM

≈20 nm

≈0,8nm

2500 Ghz

100 Ghz

Khơng

Có

DFB (khơng làm mát)

DFB (làm mát)

1

Khoảng cách bước sóng

2

Độ rộng phổ

3

Điều khiển môi trường

4

Nguồn Laser

5

Tốc độ d liệu/ kênh

2,5 Gbit/s

10 Gbit/s

6

Tốc độ bít tập trung

40 Gbit/s

320 Gbit/s

Bảng 1. Bảng so sánh gi a CWDM và DWDM [1]

20


1.7 Chức năng của hệ thống WDM
λ1

Giao

Tx-

tiếp

1 λ2
Tx-

với

2

phía

Tx-

phát

k

thơng

Tx-

tin

n

λ1
D
M

λk U

λ2

Rx-

G

1
Rx-

i

2

a

Rx-

o

E
OA

OA

X

OA

M

λk

U

λn

X

k
λn

Rx-

t

n

i
ế

cần
truyề

Ghép kênh

n

WDM

p

v
λk
λn
λ1 λ2
Phổ của tín hiệu ghép WDM

λk
λ
Phổ của kênh

λ

ớ
i

Hình 1.6 đơn
Cấu trúc tổng quát của WDM và phổ của tín hiệu ghép [2]
-

-

p
Phát tín hiệu: trong WDM, nguồn phát quang là các laser. Ví dụ như tunable
h
laser, multi wavelength laser…
í
Ghép/tách tín hiệu: được thực hiện bởi 1 số bộ tách/ghép tín hiệu WDM như:
a
bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện
quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot…

-

-

t
Truyền dẫn tín hiệu: có khá nhiều vấn đề phải xét đến trên q trình truyền tín
h
hiệu của sợi quang nhưng suy cho cùng, quá trình này chịu ảnh hưởng lớn nhất

u
từ yếu tố là các sợi quang.
Khuếch đại tín hiệu: hiện nay chủ yếu sử dụng khuếc đại quang sợi EDFA
t
(erbium-doped fiber amplifier) và khuếch đại Raman (mới ứng dụng hiện
h
nay). Có 3 chế độ khuếch đại: tiền khuếch đại, khuếch đại công suất, khuếch
ô
đại đường.
n

21

g

t


-

Thu tín hiệu: Cũng như các hệ thống quang thơng thường, hệ thống WDM sử
dụng các bộ tách sóng quang: PIN, APD.

1.8 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM
-

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM có nh ng ưu
điểm nổi trội:
 Dung lượng truyền dẫn lớn, hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn
hơn nhiều so với hệ thống TDM.

 Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như nh ng 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 mỗi bước sóng riêng (kênh quang).
 Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, kỹ thuật WDM cho
phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà khơng cần phải lắp đặt thêm
sợi quang. Việc nâng cấp dung lượng đơn giản là cắm thêm card mới trong
khi hệ thống vẫn hoạt động.
 Quản lý băng tần và cấu hình mềm dẻo, linh hoạt nhờ việc định tuyến và
phân bố bước sóng trong mạng WDM nên có khả năng quản lý hiệu quả
băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ
thống.
 Ngồi ra cịn ứng dụng để truyền nhiều chương trình truyền hình chất
lượng cao, cự ly dài.
 Giảm chi phí đầu tư mới.
 Tăng băng thơng truyền trên sợi quang số lần tương ứng số bước sóng
được ghép vào để truyền trên một sợi quang.
 Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên
nó có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như: ATM, Gigabit
Ethernet, ESCON, chuyển mạch kênh, IP …

22


 Khả năng mở rộng: Nh ng tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn
tăng băng thông truyền trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu
cầu mở rộng mạng ở nhiều cấp độ khác nhau.
 Hiện tại, chỉ có duy nhất cơng nghệ WDM là cho phép xây dựng mơ hình
mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải
trong suốt nhiều loại hình dịch vụ quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh

động ...
- Bên cạnh nh ng ưu điểm trên, hệ thống WDM cịn có nh ng hạn chế:
 Chi phí khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động.
 Quá trình khai thác và bảo dưỡng rất phức tạp.

23


CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
2.1 Tổng quan
Đối với tín hiệu quang, khi khoảng cách truyền dẫn lớn,sự suy giảm tín hiệu
là khơng thể tránh khỏi. Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền
của các hệ thống thông tin quang. Giới hạn về suy hao được khắc phục bằng cách sử
dụng các trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater). Trong các trạm lặp quang
điện này, q trình khuyếch đại tín hiệu quang được thực hiện qua nhiều bước. Đầu
tiên tín hiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi các bộ thu quang (optical
receiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang như PIN hay PAD. Dòng quang điện
thu được sẽ được tái tạo lại dạng xung, định thời và khuyếch đại bởi các mạch phục
hồi tín hiệu và mạch khuyếch đại. Sau đó, tín hiệu điện sẽ được biến đổi thành tín
hiệu quang thơng qua các nguồn quang trong bộ phát quang (optical transmitter) và
được truyền đi trong sợi quang. Như vậy, quá trình khuyếch đại tín hiệu được thực
hiện trên miền điện.

Hình 2.1 Bộ lặp quang điện [2]
Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền
dẫn quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH. Tuy nhiên, khi sử
dụng cho các hệ thống truyền dẫn đa bước song như hệ thống WDM, rất nhiều trạm
lặp quang điện cần được sử dụng để khuyếch đại và tái tạo các kênh quang có bước
sóng khác nhau. Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ

thống truyền dẫn quang WDM.

24