TRUYỀN DẪN QUANG- ĐỒ ÁN

MụC LụC

LỜI Mở ĐẦU3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN5

1.1 Hệ thống thụng tin quang 5

1.2 Hệ thống WDM8

CHƯƠNG 2. CấU TạO CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM 13

2.1 Thiết Bị Phát Quang - Diode Laser13

2.1.1. Tổng quan về Laser13

2.1.2 Cấu tạo và hoạt động của Diode Laser

2.1.3 Diode Laser trong hệ thống WDM

2.1.4 Ổn định bước sóng và yêu cầu độ rộng phổ của Diode Laser

2.2 Bộ ghộp/tỏch tớn hiệu

2.2.1 Bộ lọc màng mỏng điện môi

2.2.2 Các thông số cơ bản của bộ ghép/tách kênh

2.3 Sợi quang

2.3.1 Tổng quan về sợi quang

2.3.2 Suy hao của sợi quang

2.3.3 Tán sắc trong sợi quang đơn mode

Nguyên nhân gây ra tỏn sắc

Tỏn sắc vận tốc nhúm GVD

Tỏn sắc mode phõn cực PMD

2.3.4 Bự tỏn sắc

2.3.5 Cỏc hiệu ứng phi tuyến

2.4 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA

2.4.1 Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi EDFA

2.4.2 Các thông số cơ bản của bộ khuếch đại quang sợi EDFA

2.4.3 Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại

2.5 Thiết bị thu - PhotoDiode

2.5.1 Cấu tạo của PIN-PhotoDiode

Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B1

2.5.2 Nguyờn lý hoạt động của PIN-PhotoDiode

CHƯƠNG 3. MẠNG WDM

3.1 Tổng quan

3.2 Mạng Ring WDM

3.3 Mạng đường trục WDM

3.4 Mạng WDM định tuyến bước sóng

3.5 Cỏc phần tử cơ bản của mạng WDM

3.5.1 Thiết bị đầu cuối OLT

3.5.2 Bộ kết nối chộo quang OXC

3.5.3 Bộ xen rẽ quang OADM

3.6 Quá trình chuyển đổi bước sóng trong mạng WDM

3.6 Mô hình kết hợp mạng WDM và mạng Internet

3.6.1 Xu hướng tích hợp IP/WDM

3.6.2 Cấu trỳc mạng IP/WDM

CÁC HèNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN80

CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN3

KẾT LUẬN5

TÀI LIỆU THAM KHẢO6


LỜI Mở ĐẦU

Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức, trong đó

thông tin là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội. Do đó, nhu cầu truyền thông ngày

càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa phương tiện trong đời sống kinh tế – xã

hội của từng quốc gia cũng như kết nối toàn cầu.

Để đáp ứng được vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin,

mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung

lượng lớn. Một trong giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn

tốc độ cao hay băng rộng với dung lượng lớn và đa dịch vụ, đó là công nghệ truyền

dẫn thông tin quang tốc độ cao.

Điều này đòi hỏi phải xây dựng và phát triển mạng quang mới dung lượng cao.

Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (Wavelength Division Multiplexing -

WDM) là một giải pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hữu hiệu băng thông rộng lớn của

sợi quang, nâng cao rừ rệt dung lượng truyền dẫn đồng thời hạ giá thành sản phẩm.

Lí tưởng về WDM xuất hiện vào năm 1958. Cho tới năm 1977 khi mà công nghệ

quang sợi bắt đầu có nhiều tiến bộ thỡ người ta mới có được giải pháp thực tế đầu tiên.

Sau đó ít lâu, vào đầu thập niên 80, các thiết bị WDM đó được thương mại hóa. Tại Việt

Nam, năm 1998 bắt đầu triển khai xây dựng tuyến cáp quang biển sử dụng kỹ thuật

WDM với dung lượng 40 Gbps nối liền các nước Đông Nam Á, Trung Đông và Tây Âu.

Đây cũng là hệ thống t hông tin quang ghép kênh theo bước sóng (hay nói một cách ngắn

gọn là hệ thống WDM) đầu tiên tại Việt Nam. Sau đó không lâu chúng ta tiếp tục xây

đựng hệ thống WDM ứng dụng vào mạng đường trục Bắc – Nam. Cho đến nay cả hai hệ

thống đó đều hoạt động ổn định và giữ một vai trũ quan trọng đối với nền an ninh quốc

gia và sự phát triển kinh tế, xã hội của đất nước.


Mặc dự cỏc hệ thống WDM tới bõy giờ khụng cũn mới nữa, nhưng nó vẫn đang và

vẫn sẽ giữ vai trũ chiến lược trong việc truyền tải thông tin từ xa, đặc biệt là ở Việt Nam.

Trên cơ sở những kiến thức tích luỹ trong những năm học tập chuyên ngành Điện

Tử - Viễn Thông tại Viện đại học Mở Hà Nội,cùng với ý tưởng tìm hiểu về công nghệ

ghép kênh theo bước sóng trong thông tin quang em muốn thông qua đồ án “ Nghiên

cứu giải pháp tăng dung lượng của hệ thống thông tin quang bằng kỹ thuật ghép

kênh theo bước sóng WDM “ để nâng cao hiểu biết của mình về công nghệ WDM

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS. Trần Đức Hân đó tạo mọi điều kiện và

tận tỡnh hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trỡnh thực hiện đồ án.

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa CN Điện Tử và Thụng

Tin- Viện Đại Học Mở Hà Nội, gia đỡnh, bạn bố người thân - những người đó luụn cổ

vũ động viên giúp đỡ em trong suốt thời gian qua.

Hà Nội, tháng năm

Sinh viờn thực hiện

Lê Phúc Sâm

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN


I. Giới thiệu hệ thống thông tin quang

Ngay từ xa xưa để thông tin cho nhau, con người đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu. Vào năm 1960, việc phát minh ra Laser để làm nguồn phát quang đó mở ra một thời kỳ mới cú ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thụng tin sử dụng dải tần số ỏnh sỏng. Sự kiện này gõy ra một sự cuốn hỳt đặc biệt đối với các nhà nghiên cứu hàng đầu về thông tin trên thế giới, và tạo ra cỏc ý tưởng tập trung tỡm tũi giải phỏp sử dụng ỏnh sỏng Laser cho thụng tin quang. Đó là điểm xuất phát của sự ra đời các hệ thống thông tin quang.Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú dần và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại như ngày nay, tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và nhanh chóng.

Dưới đây là những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các môi trường truyền dẫn khác, đó là:

Suy hao truyền dẫn nhỏ

Băng tần truyền dẫn rất lớn

Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao

Có kích thước và trọng lượng nhỏ

Sợi có tính cách điện tốt

Độ tin cậy cao

Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có

Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh mẽ các nhà khai thác viễn thông. Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, và tuyến trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.

Mô hình chung của một tuyến thông tin quang như sau:


Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang.

Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọ c xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh.

Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm. Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng. Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ thứ nhất được sử dụng. Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba.

Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến. Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự.


Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều biến. Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo. Đoạn sợi quang ra (pigtail) của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên tuyến.

Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa tới. Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện. Các photodiode PIN và photodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống

.

Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến. Cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào nhau. Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang. Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền. Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang.

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 (xem hình 1.2):


O,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3O,7 1,4 1,5 1,6 (m)

Suy hao sợi (dB/km)

0

1

2

3

4

5

6

Single mode

Multi mode

Phổ một nguồn sáng

Hình 1.2. Độ rộng phổ nguồn quang và dải thông của sợi quang.

Một ý tưởng hoàn toàn 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.

1.2 Hệ thống WDM

1.2.1 Định nghĩa hệ thống WDM

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng – WDM (Wavelength Devision Multiplexing)

là công nghệ “trong một sợi quang truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang với

nhiều bước sóng khác nhau”. Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau

được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp

đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối

khác nhau. WDM cũng chính là ghép kênh phân chia theo tần số – FDM (Frequency

Division Multiplexing).

Một hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng được

gọi là hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng hay cũn được gọi một cách

đơn giản là hệ thống WDM.


Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là tận

dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang

đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thành

của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất. ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có quá

trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng

truyền dẫn. Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các

tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ nào

đó người ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ

truyền dẫn. Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể

đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp

trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao. Kỹ thuật

ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên.

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống WDM được minh họa trong hỡnh 1.3

Hỡnh 1.3 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

Các phần tử cơ bản của hệ thống WDM bao gồm: Bộ phát tín hiệu quang, bộ ghép

tín hiệu (MUX), sợi quang, bộ tách tín hiệu (DEMUX) và bộ thu tín hiệu quang. Các

phần tử này sẽ được nghiên cứu cụ thể ở phần sau.


1.1.2 Phân loại hệ thống WDM

Có 3 cách để phân loại hệ thống WDM: Phân loại theo hướng truyền dẫn, phân

lọai theo phương pháp ghép kênh và phân loại theo cấu trúc hệ thống.

Phõn loại hệ thống WDM theo hướng truyền dẫn

Theo cách phân loại này hệ thống WDM được chia làm 2 loại: Hệ thống đơn

hướng và hệ thống song hướng như minh hoạ trên hình 1.4. Hệ thống đơn hướng chỉ

truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy, để truyền thông tin giữa 2 điểm cần 2 sợi

quang. Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên

chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm.

Hỡnh 1.4 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng

Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ

cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:

Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp

đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ

thống song hướng.


Về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn và cũng phải xét

thêm các yếu tố như: Vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi

quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang

không dùng chung một bước sóng…

Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong

hệ thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song

hướng giảm một nửa theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại

sẽ cho công suất quang ngừ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng.

Phân loại hệ thống WDM theo phương pháp ghép kênh

Theo cỏch này cú thể chia hệ thống WDM thành 2 loại: Hệ thống DWDM (Dense

Wavelength Division Multiplexing) và hệ thống CWDM (Coarse Wavelength Division

Multiplexing).

Hệ thống DWDM ( Dense Wavelength Division Multiplexing): Là hệ thống ghép

kênh theo bước sóng với mật độ dày đặc. Khoảng cách giữa 2 bước sóng kề nhau

trong một hệ thống DWDM điển hỡnh là 0,8 nm hay tương đương với 100 GHz

(ngoài ra cũng có các hệ thống DWDM khác với khoảng cách giữa 2 bước sóng kề

nhau là 12,5 GHz, 25 Ghz và 50 GHz). Dải bước sóng hoạt động của hệ thống

DWDM là băng C (1530 nm – 1565 nm) và băng L (1565 nm – 1625 nm). Với

khoảng cách kênh là 0,8 nm thì số kênh tối đa có thể được ghép theo lý thuyết là 119

kênh. Tốc độ điển hành của 1 kênh trong hệ thống DWDM là 2,5 – 10 Gbps. Như

vậy dung lượng của 1 hệ thống WDM là rất lớn, có thể lên đến cỡ Tbps. Công nghệ

WDM hiện nay đó đạt được dung lượng 5,12 Tbps với 32 kênh bước sóng, mỗi kênh

có tốc độ 160 Gbps. Tuy nhiên đó chỉ là hệ thống được tạo ra trong phòng thí

nghiệm. Trên thực tế hệ thống DWDM được sử dụng rộng rãi hiện nay thường là

mạng đường trục quốc gia và các tuyến cáp quang biển xuyên quốc gia có thể đạt

dung lượng cỡ hàng trăm Gbps. Hiện tại ở nước ta công ty Truyền dẫn Viettel đang

sử dụng hệ thống DWDM cho mạng mạng đường trục Bắc - Nam với dung lượng 40

Gbps (4 kênh bước sóng, tốc độ mỗi kênh 10 Gbps) và có thể nâng cấp lên 400 Gbps

(ghép 40 bước sóng).


Hệ thống CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing): Là hệ thống ghép

kênh theo bước sóng với mật độ thưa. Khoảng cách giữa 2 bước sóng kề nhau trong

một hệ thống CWDM điển hỡnh là 20 nm. Dải bước sóng hoạt động của hệ thống

CWDM là băng O (1260 nm – 1360 nm), băng E (1360nm – 1460 nm), băng S (1460

nm – 1530 nm), băng C (1530 nm – 1565 nm) và băng L (1565 nm – 1625 nm). Như

vậy một hệ thống CWDM điển hỡnh chỉ cú thể ghộp tối đa 18 kênh bước sóng, ít

hơn rất nhiều so với hệ thống DWDM. Mặt khác tốc độ của 1 kênh đơn được sử dụng

cũng khá thấp (chỉ từ 50 Mbps – 2,5 Gbps) do vậy dung lượng của hệ thống CWDM

là rất nhỏ so với hệ thống DWDM. Tuy nhiên hệ thống CWDM lại có ưu điểm hơn

hệ thống DWDM ở chỗ sử dụng các thiết bị đơn giản hơn, công suất tiêu thụ thấp

hơn, chi phí triển khai, vận hành và mở rộng ít hơn. Do vậy hệ thống CWDM mang

lại hiệu quả kinh tế cao đối với những yêu cầu về dung lượng không qúa lớn.

1.1.3 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM

Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đó rỳt ra được những ưu nhược điểm của

công nghệ WDM như sau:

Ưu điểm của hệ thống WDM:

Tăng băng thông truyền trên sợi quang theo số lần tương ứng với 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 nờn nú cú thể

hỗ trợ cỏc định dạng số liệu và thoại như: Chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit

Ethernet, IP...

Khả năng mở rộng: Những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thông

truyền dẫn trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng ở nhiều

cấp độ khác nhau.

Nhược điểm của hệ thống WDM:

Số lượng kênh bước sóng được ghép vẫn cũn hạn chế.

Quỏ trỡnh khai thỏc, bảo dưỡng phức tạp.

Quỹ công suất quang bị giảm đi do tuyến truyền dẫn phải sử dụng cỏc thiết bị WDM.


Do ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến nên số kênh bước sóng truyền trên sợi là

hạn chế và do đó sẽ hạn chế việc tăng dung lượng của hệ thống, nhất là đối với các hệ

thống cự ly xa.


CHƯƠNG 2: CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM

2.1 Thiết Bị Phát Quang - Diode Laser

2.1.1. Tổng quan về Laser

Nguồn quang là thiết bị quan trọng nhất của bộ phát quang. Nguồn quang là linh

kiện có khả năng chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang ở dải bước sóng truyền

trong sợi quang. Có hai loại nguồn quang, đó là Diode phát xạ (LED) và Diode Laser

(LD). Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng Diode Laser .

Laser là từ viết tắt của tờn gọi bằng tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation, cú nghĩa là "khuếch đại Ánh sáng bằng phát xạ kích thước".

Nguyên lý hoạt động cơ bản của Laser là kết quả của 3 quá trình chủ yếu: Quá trình hấp

thụ photon, bức xạ tự phát và bức xạ kích thích.

Như đó biết, theo lý thuyết dải năng lượng của vật chất, thỡ thụng thường các hạt

đều tồn tại ở mức cơ bản Ek vỡ mức này cú năng lượng thấp nhất nên cũng bền vững

nhất. Chỉ cần kích thích một năng lượng nào đó, ví dụ như quang năng, điện năng, nhiệt

năng... thỡ cỏc hạt ở mức cơ bản sẽ di chuyển lên mức năng lượng cao hơn, gọi là cỏc

mức kớch thớch (Ei ). Cỏc hạt chỉ tồn tại ở cỏc mức kớch thớch một thời gian rất ngắn

khoảng 10-8 giây rồi nó lại dịch chuyển về các mức năng lượng thấp hơn và phát ra ánh

sáng, hay cũn gọi là cỏc photon. Photon phỏt ra theo định luật bảo toàn năng lượng:

hớ = Ei - Ek (2. 1)

Từ đó tính được tần số bức xạ của ánh sáng:

ớ = (Ei - Ek)/h (2.2)

Trong đó h là hằng số Plank, h = 6,625.10-34 J.s = 4,16.10-15 eV.s.

Ta cũng tính được bước sóng ở của ánh sáng phát ra khi đó biết tần số ớ:

ở = c/ớ (2.3)


Trong đó c là vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 299792458 m/s ≈ 3.108 m/s.

Quỏ trỡnh hấp thụ là quỏ trỡnh mà tại đó khi có một photon tương tác với vật

chất thỡ một điện tử ở mức năng lượng cơ bản Ek sẽ nhận thêm năng lượng của photon

(quang năng) và nhảy lên mức năng lượng kích thích Ei .

Bức xạ tự phỏt là quỏ trỡnh mà cỏc điện tử nhảy lên mức năng lượng kích thích

Ei, nhưng chúng nhanh chóng trở về mức năng lượng cơ bản Ek và phát ra photon có

năng lượng hớ. Mỗi một bức xạ tự phát ta thu được một photon. Hiện tượng này xảy ra

không có sự kích thích bên ngoài nào và được gọi là quá trỡnh bức xạ tự phỏt. Bức xạ

này đẳng hướng và có pha ngẫu nhiên.

Nếu có một photon có năng lượng hớ tới tương tác với vật chất mà trong lúc đó có

một điện tử đang cũn ở trạng thỏi kớch thớch Ei, thỡ điện tử này được kích thích và ngay

lập tức nó di chuyển trở về mức năng lượng cơ bản Ek và bức xạ ra một photon khác có

năng lượng cũng đúng bằng ớh . Photon mới bức xạ ra này cú cựng pha với photon đi

đến và được gọi là bức xạ kích thích (hay bức xạ cảm ứng).

Cấu tạo chung của một máy Laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất

Laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng là bộ phận chủ

yếu. Trên hỡnh 2.1 là cấu tạo cơ bản của một Laser điển hỡnh: 1 là buồng cộng hưởng

(vùng bị kích thích), 2 là nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích), 3 là

gương phản xạ toàn phần, 4 là gương bán mạ, 5 là tia Laser.

Hỡnh 2.1 Cấu tạo cơ bản của Laser


Cơ chế hoạt động của Laser có thể được miêu tả như sau: Dưới sự tác động của

hiệu điện thế cao, các electron của hoạt chất Laser di chuyển từ mức năng lượng thấp lên

mức năng lương cao tạo nên trạng thái đảo nghịch mật độ của electron; ở mức năng

lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng các

hạt photon; các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, va

phải các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh

thêm các photon cùng tần số, cựng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây

chuyền khuyếch đại dũng ỏnh sỏng; cỏc hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong

buồng cộng hưởng, nhờ các gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng; một số photon

ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu,tia sáng đi ra chính là tia Laser.

2.1.2 Cấu tạo và hoạt động của Diode Laser

Diode Laser một loại Laser cú cấu tạo tương tự như một Diode. Nó có môi trường

kích thích là chất bỏn dẫn dạng p-n nối tiếp của Diode. Diode Laser hoạt động gần giống

với Diode phỏt quang. Nó cũng được gọi là đèn Diode nội xạ và được viết tắt là LD hay

ILD.

Khi ống Diode được kích ứng, ví dụ như được đặt dưới hiệu điện thế, cỏc lỗ trống

trong phần bỏn dẫn loại p chuyển qua phần bỏn dẫn loại n và cỏc electron trong phần

bỏn dẫn loại n sang phần bỏn dẫn loại p. Khi các electron gặp các lỗ trống, chúng rới

xuống mức năng lượng thấp (và bền) hơn, giải phóng năng lượng dư thừa qua photon với

năng lượng bằng với chênh lệch năng lượng trong và ngoài lỗ trống. Trong điều kiện

thích hợp, các electron và các lỗ trống có thể cùng tồn tại trong cùng một diện tớch trong

một khoảng thời gian (tính trên phần triệu giây) trước khi chúng sát nhập. Nếu photon có

cùng tần số được phát ra trong khoảng thời gian trên, nó sẽ kích thích sự phát xạ của

photon khác, cùng một hướng, cùng độ phõn cực và đồng pha với photon đầu tiên.

Quỏ trỡnh bức xạ kớch thớch sẽ chỉ trội hơn quá trỡnh hấp thụ nếu độ chiếm giữ

của các trạng thái kích thích lớn hơn độ bị chiếm giữ của các trạng thái cơ bản. Điều kiện

này được gọi là sự đảo mật độ chiếm giữ trong chất bán dẫn. Trong Diode Laser, sự đảo


mật độ chiếm giữ xảy ra trong trường hợp các hạt dẫn đa số khuếch tán ồ ạt qua tiếp xúc

P-N. Điều này chỉ xảy ra khi dũng điện thuận qua Diode phải vượt quá trị số dũng điện

ngưỡng như chỉ ra ở hỡnh 2.2. Hỡnh 2.2 biểu thị sự phụ thuộc của cụng suất phỏt của

Laser vào dũng điện chạy qua Diode.

Hỡnh 2.2 Đặc tuyến bức xạ của Diode Laser

Vật liệu bán dẫn của Diode Laser phải là bán dẫn có sự tái hợp trực tiếp và năng

lượng photon gần bằng độ rộng vùng cấm (hớ ≈ EG). Để tăng độ phát sáng của Laser

phải sử dụng chất bán dẫn được pha tạp với nồng độ tạp chất rất cao (hay cũn gọi là sự

pha tạp suy biến).

Trong thụng tin quang, cỏc Laser phải bức xạ ra ỏnh sỏng thuộc 3 cửa sổ cụng tỏc

của sợi quang là ở = 850 nm, 1300 nm, và 1550 nm. Vật liệu bán dẫn thường được chọn

trên nền GaAs. Chất Galium Asenid cho bức xạ ở nhiệt độ 3000K với ở = 900 nm, muốn

cú bức xạ ở = 800 nm ta cần phải thay đổi độ rộng vùng cấm của nó bằng cách pha thêm

nhôm vào để có chất bán dẫn GaAlAs. Để có bức xạ bước sóng từ ở = 1200 nm đến 1600

nm thỡ sử dụng hợp chất 4 thành phần InGaAsP.

Bức xạ kích thích trong Laser bán dẫn được sinh ra bên trong một hốc cộng

hưởng Fabry- Perot. Hỡnh 2.3 mụ tả một cấu trỳc cơ bản của hầu hết các loại Diode


Laser. Tuy nhiên hốc cộng hưởng rất nhỏ, kích thước chiều dài khoảng từ 250 đến

500ỡm, chiều rộng khoảng từ 5 đến 15ỡm và bề dày khoảng từ 0,1 đến 0,2ỡm. Các kích

thước này được gọi chung là kích thước chiều dọc, cạnh bên và chiều ngang của hốc

cộng hưởng.

Hỡnh 2.3 Cấu trỳc của một Diode Laser với hốc cộng hưởng Fabry- Perot

Trong hốc cộng hưởng Fabry Perot của Diode Laser, có một bộ phận các gương

phản chiếu được định hướng. Các mặt gương được tạo ra bằng 2 mặt chẻ tách tự nhiên

của tinh thể bán dẫn (mặt 110). Mục đích của các gương này là để cung cấp sự hồi tiếp

quang theo hướng chiều dài, và sẽ biến cấu kiện thành một máy phát với hệ số tăng ích

để bù lại sự tổn thất quang trong hốc cộng hưởng. Hốc cộng hưởng của Laser có thể có

nhiều tần số cộng hưởng. Cấu kiện sẽ phát ra ánh sáng tại các tần số cộng hưởng mà tại

đó hệ số tăng ích của nó đủ để vượt qua được sự mất mát. Các cạnh bên của hốc cộng

hưởng được hỡnh thành bởi cỏc cạnh thụ, xự xỡ của cấu kiện để hạn chế các bức xạ

không mong muốn trong các hướng này.


2.1.3 Diode Laser trong hệ thống WDM

2.1.3.1 Diode Laser hồi tiếp phân tán

Trong hệ thống WDM nhất là hệ thống ghép bước sóng có mật độ cao DWDM

cần có những Laser đơn mode tạo ra một mode dọc chính, cũn lại cỏc mode bờn cần

được loại bỏ. Laser đơn mode có nhiều loại, điển hỡnh là Laser hồi tiếp phõn tỏn

(Distributed Feedback ).

Cấu tạo

Đây là một loại Diode Laser không cần các mặt tách bóc tinh thể để tạo gương

phản xạ quang. Ở DFB gần như tạo được độ chọn lọc mốt ánh sáng rất tốt dựa trên sự lan

truyền sóng trong một cấu trúc tuần hoàn. Một Diode Laser loại DFB tiêu biểu được mô

tả trong hỡnh 2.4. Cấu tạo của Laser loại này cũng giống như loại Fabry Perot nhưng sự

hoạt động bức xạ được thực hiện nhờ bộ gương phản chiếu Bragg, đó là các cách tử tuần

hoàn, hoặc nhờ sự thay đổi theo chu kỳ của chiết suất mà nó được hợp thành trong cấu

trúc nhiều lớp dọc theo chiều dài của Diode Laser.

Hỡnh 2.4 Cấu trỳc của một Diode Laser phản hồi- phõn tỏn

Nguyờn lý hoạt động


Laser DFB gồm có một lớp cách tử nhiễu xạ có cấu trúc chu kỳ đặt cạnh lớp hoạt

tính để tạo ra ánh sáng suốt chiều dài khoang cộng hưởng với mục đích nén các mode

bên trong và chọn lọc tần số như hỡnh 2.5.

Hỡnh 2.5 Nguyờn lý hoạt động Diode Laser hồi tiếp phân tán

Sóng quang lan truyền song song với cách tử, do cách tử có cấu trúc hoàn toàn

theo chu kỳ tạo hiện tượng giao thoa giữa hai sóng ghép lan truyền ngược nhau. Để hiện

tượng giao thoa này xảy ra thỡ sau một chu kỳ cỏch tử pha thay đổi 2ðm (m là số nguyên

được gọi là bậc của nhiễu xạ Bragg), tức là:

2ðm = 2ậðn/ởB (2.4)

Trong đó: n triết xuất hiệu dụng của mode, ậ là chu kỳ cỏch tử, hệ số 2 suất hiện

trong biểu thức vỡ ỏnh sỏng phản xạ hai lần để cùng pha với sóng tới. Những điều kiện

trên không thoả món thỡ ỏnh sỏng tỏn xạ cỏch tử sẽ triệt tiờu nhau, kết quả là chỉ cú cú

bước sóng thoả món là ởB. Khi m = 1 thỡ ởB được gọi là bước sóng bậc một và ởB = 2ận.

Nói chung, tín hiệu quang hoàn toàn lấy ra từ mặt trước của Laser, có nghĩa là,

một mặt của nó được đặt thẳng hàng với sợi quang. Trong trường hợp này, một gương

phản chiếu bằng chất cách điện có thể được lắng đọng trên mặt sau của Laser để giảm sự

mất mát quang trong hốc cộng hưởng, để giảm mật độ dũng điện ngưỡng, và để tăng

hiệu suất lượng tử ngoài. Với gương phản chiếu 6 lớp, độ phản xạ có thể đạt tới trên 98%

.


2.1.3.2 Diode Laser dùng buồng cộng hưởng ngoài

Diode Laser có thể điều chỉnh được bước sóng là linh kiện quang then chốt của hệ

thống WDM và mạng chuyển mạch quang. Một phương pháp đơn giản để chế tạo Laser

có thể điều chỉnh được bước sóng phát ra là sử dụng bộ chọn lọc bước sóng ngoài, tức là

kết hợp Laser và một bộ lọc bước sóng. Đó chính là Diode Laser dùng buồng cộng

hưởng ngoài. Bộ lọc ngoài sẽ chọn lọc một mode sóng phù hợp với bước sóng của một

mode sóng Fabry Perot nào đó bằng cách điều chỉnh các tham số của bộ lọc.

Có rất nhiều cấu trúc của bộ lọc ngoài được áp dụng nhưng chủ yếu vẫn là

phương pháp dùng cách tử nhiễu xạ có cầu trúc như hình 2.6.

Hỡnh 2.6 Cấu trỳc Diode Laser dựng buồng cộng hưởng ngoài

Một trong những mặt cuối của Laser được phủ một lớp chống phản xạ. Các tia

sáng từ Laser đi qua lớp chống phản xạ, qua thấu kính biến thành chùm tia sáng song

song đập vào cách tử. Cách tử đóng vai trũ vừa là gương phản xạ vừa là bộ lọc bước

sóng hẹp. Khi qua cách tử tia sáng sẽ được chọn lọc bước sóng và phản xạ ngược trở lại

vào thấu kính sau đó quay trở về Laser để tạo ra tia sáng co bước sóng mong muốn. Mọi

thay đổi của cách tử đều dẫn đến thay đổi bước sóng lựa chọn. Nếu ta quay cách tử thỡ

cú thể điều chỉnh thô bước sóng quang đầu ra. Cũn nếu ta điều chỉnh cách tử theo chiều

dọc thỡ cú thể tinh chỉnh được bước sóng quang đầu ra. Với công nghệ này có thể điều

chỉnh được bước sóng trong khoảng 50-240 nm tại bước sóng 1550 nm.


Ưu điểm chính của loại phát quang này là độ rộng phổ phát cực hẹp và có thể điều

chỉnh bước sóng trong phạm vi rộng. Cũn nhược điểm chính là tốc độ điều chỉnh thấp,

thể tích tương đối lớn, độ ổn định về cơ không cao.

2.1.4 Ổn định bước sóng và yêu cầu độ rộng phổ của Diode Laser

Trong Diode Laser chỉ có một số sóng ánh sáng có bước sóng nhất định mới có

thể lan truyền được trong bộ cộng hưởng, cụ thể là những bước sóng thừa món điều kiện

sau:

ở = 2nL/m (2.5)

Trong đó m là một số nguyên, n là chiết suất của chất bán dẫn, L là chiều dài hộp cộng

hưởng.

Laser chỉ khuyếch đại những bước sóng thỏa món điều kiện (2.5). Mỗi bước sóng

đó gọi là một mode dọc, hay đơn giản là mode. Tập hợp đỉnh của các mode này tạo

thành đường bao phổ bức xạ của Diode Laser.

Hỡnh 2.7 a, Các mode trong Diode Laser b, Đường bao vạch phổ khi Laser hoạt động

duới mức ngưỡng c, Đường bao vạch phổ khi Laser hoạt động trên mức ngưỡng d, Phổ

phát xạ của Diode Laser


Từ công thức (2.5) xác định tần số cộng hưởng, cũng chính là tần số phát của Laser:

ớ = cm/(2Ln) (2.6)

Cũng từ (2.6) ta cú khoảng cỏch tần số giữa 2 mode liờn tiếp:

Äớ = c/(2Ln) (2.7)

Mặt khỏc do c = ớở nờn:

Äớ/ớ = Äở/ở (2.8)

Từ đây suy ra khoảng cách bước sóng giữa 2 mode liên tiếp:

Äở = ở2/(2Ln) (2.9)

Trong hệ thống WDM, phải quy định và điều chỉnh chính xác bước sóng của

Diode Laser, nếu không, sự trôi bước sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thống

không ổn định hay kém tin cậy. Hiện nay chủ yếu dùng hai phương pháp điều khiển

Diode Laser : Thứ nhất là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua nhiệt độ chip của

bộ kích quang để điều khiển giám sát mạch điện điều nhiệt với mục đích điều khiển bước

sóng và ổn định bước sóng; thứ hai là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua việc

giám sát bước sóng tín hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự trênh lệnh trị số giữa điện áp đầu

ra và điện áp tham khảo tiêu chuẩn để điều khiển nhiệt độ của bộ kích quang, hỡnh

thành kết cấu khộp kớn chốt vào bước sóng trung tâm.

Việc chọn độ rộng phổ của Diode Laser nhằm đảm bảo cho các kênh hoạt động

một cách độc lập với nhau hay nói cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phía thu

giữa các kênh lân cận. Băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênh ghép được

rất lớn (ở cả hai cửa sổ truyền dẫn). Tuy nhiên, trong thực tế các hệ thống WDM thường

đi liền với các bộ khuếch đại quang sợi, làm việc chỉ ở vùng cửa sổ 1550 nm, nên băng

tần của hệ thống WDM bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch đại (từ 1530 nm đến

1565 nm cho băng C; từ 1570 đến 1603 nm cho băng L). Như vậy một vấn đề đặt ra khi

ghép là khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải thoả món được yêu cầu tránh chồng

phổ của các kênh lân cận ở phía thu, khoảng cách này phụ thuộc vào độ rộng phổ của

nguồn phát, tán sắc sợi, các hiệu ứng phi tuyến...


2.2 Bộ ghộp/tách tín hiệu

Ghộp tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng

tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tách tín hiệu WDM là sự phân

chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng lẻ tại mỗi cổng đầu ra

của bộ tách. Hiện nay, đó cú cỏc bộ tỏch/ghộp tớn hiệu WDM như: Bộ lọc màng mỏng

điện môi, cách tử Bragg, linh kiện quang tổ hợp, bộ lọc Fabry-Perot...

2.2.1 Bộ lọc màng mỏng điện môi

Trong kỹ thuật WDM loại bộ lọc quang được sử dụng phổ biến nhất là bộ lọc

màng mỏng điện môi (Thin Film Filter - TFF). TFF làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín

hiệu ở một dải phổ nào đó và cho phần dải phổ cũn lại đi qua. Bộ lọc này thuộc loại bộ

lọc bước sóng cố định. Cấu trúc của nó gồm một khoang cộng hưởng bằng điện môi

trong suốt, hai đầu khoang có các gương phản xạ được cấu tạo từ nhiều lớp màng mỏng

điện môi có chiết suất cao (TiO2 cú n = 2,2) và chiết suất thấp (MgF2 cú n = 1,35 hoặc

SiO2 cú n = 1,46) xen kẽ nhau. Mỗi lớp cú bề dày ne = ở0/4 (đối với bộ lọc bậc 0) hoặc ne

= 3ở0/4 (đối với bộ lọc bậc 1), với ở0 là bước sóng trung tâm. Hỡnh 2.8 mụ tả cấu tạo bộ

lọc màng mỏng điện môi.

Hỡnh 2.8 Cấu trỳc bộ lọc màng mỏng điện môi


Các bộ lọc này hoạt động dựa trên nguyên tắc của buồng cộng hưởng Fabry-

Perot. Đây là bộ lọc cộng hưởng có tính chọn lọc bước sóng. Sóng ánh sáng nào có thể

tạo ra trong khoang cộng hưởng một sóng đứng (chiều dài khoang cộng hưởng bằng bội

số nguyên lần nửa bước sóng) thỡ sẽ lọt qua được bộ lọc và có công suất cực đại tại đầu

ra.

Trên cơ sở đó người ta chế tạo bộ lọc màng mỏng nhiều khoang cộng hưởng với

các đặc tính phổ khác nhau. Bộ lọc này có thể gồm hai hoặc nhiều khoang tách biệt nhau

bởi các lớp màng mỏng điện môi phản xạ. ảnh hưởng của nhiều khoang đến đặc tính

cộng hưởng của bộ lọc được thể hiện trong hỡnh 2.9. Số khoang càng nhiều thỡ đỉnh

hàm truyền đạt càng phẳng và sườn càng dốc. Cả hai đặc tính này của bộ lọc đều rất cần

thiết.

Hỡnh 2.9 Hàm truyền đạt của bộ lọc điện môi màng mỏng

Để tách được nhiều bước sóng người ta sử dụng nhiều bộ lọc nối với nhau theo

cấu trúc tầng như hỡnh 2.10


Hỡnh 2.10 Bộ lọc quang tỏch bước sóng

2.2.2 Các thông số cơ bản của bộ ghép/tách kênh

Các thông số cơ bản miêu tả đặc tính của các bộ ghép/tách kênh là suy hao xen,

Số lượng kênh xử lý, Băng thông (độ rộng kờnh), Khoảng cỏch kờnh và tần số trung

tõm.

Suy hao xen:Là suy hao của công suất tín hiệu ra so với công suất tín hiệu vào

tính bằng dB khi tín hiệu quang đi qua thiết bị MUX/DEMUX.

Số lượng kênh xử lý: Là số lượng kênh bước sóng ở đầu vào và đầu ra của bộ

ghép/tách kênh. Thông số này đặc trưng cho dung lượng của thiết bị.

Băng thông: Là độ rộng phổ (linewidth) của kênh bước sóng trên thực tế.

Băng thông thường được tính là độ rộng của hàm truyền đạt công suất ở các

mức cách đỉnh 1dB, 3dB, 20dB.

Khoảng cách kênh và tần số trung tâm

Khoảng cách kênh là độ rộng tần số tiêu chuẩn giữa các kênh gần nhau. Việc phân

bổ kênh một cách hợp lý trong dải băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sử

dụng tài nguyên dải tần và giảm ảnh hưởng phi tuyến tính giữa các kênh gần nhau. Sử

dụng khoảng cách kênh không đều nhau để hạn chế hiệu ứng trộn tần bốn sóng trong sợi

quang.

Để đảm bảo tính tương thích giữa các hệ thóng thống WDM khác nhau, cần phải

chuẩn hoá khoảng cách kênh và tần số trung tâm của các kênh. Đối với hệ thống


DWDM, ITU-T đưa ra quy định về khoảng cách các kênh là 100 GHz, 50 GHz, 25 Ghz

và 12,5 Ghz với tần số chuẩn là 193,1 THz.

Hỡnh 2.11 Tần số trung tõm và bước sóng tương ứng của hệ thống DWDM với khoảng

cách giữa các kênh kề nhau là 100 GHz theo khuyến nghị của ITU-T

2.3 Sợi quang

2.3.1 Tổng quan về sợi quang

Sợi quang là loại sợi điện môi có thể cho ánh sáng truyền qua dọc theo chiều dài

của sợi (giống như ống đẫn sóng). Sợi có cấu trúc hình trụ, gồm lõi (core) có chiết suất

n1 và bao quanh lõi là vỏ (cladding) có chỉ số chiết suất n2 nhỏ hơn chỉ số chiết suất của

lừi. Điều kiện cần để ánh sáng truyền được trong lừi là n1 > n2. Vỏ còn có tác dụng bảo

vệ lõi. Vật liệu cơ bản để chế tạo lừi và vỏ là Silica (SiO2). Thường dùng Germani

dioxide (GeO2) bổ sung vào Silica để làm tăng chỉ số chiết xuất của lừi. Muốn làm

giảmchỉ số chiết xuất của vỏ phải dựng chất bổ sung là Fluorine. Để tránh trầy xước vỏ

và tăng độ bền cơ học, sợi quang thường được bao bọc thêm một lớp chất dẻo tổng hợp

gọi là lớp áo (coating). Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vào sợi, gia

cường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị nứt do kéo dón hoặc xước do cọ xát bề mặt;

mặt khác tạo điều kiện bọc sợi thành cáp sau này. Cấu trúc cơ bản của một sợi quang

được minh họa trong hỡnh 2.12


Hỡnh 2.12 Cấu trỳc cơ bản của sợi quang

Ánh sáng truyền dẫn trong sợi quang dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần. Do

lừi bờn trong của sợi quang cú chiết suất cao hơn lớp vỏ bao quanh, ánh sáng đến mặt

biên giữa lừi và vỏ với một gúc tới ố lớn hơn góc tới hạn ốc (ốc = arcsin (n2/n1)) sẽ phản

xạ toàn phần. Phản xạ xảy ra tại biên (nơi bắt đầu của lớp vỏ) được lặp đi lặp lại và ánh

sáng được truyền trong lõi mà không bị thoát ra ngoài.

Hỡnh 2.13 Truyền ánh sáng trong sợi quang

Khi thực hiện ghép ánh sáng vào trong sợi quang, các tia sáng có góc tới lớn hơn

góc tới hạn là có thể truyền trong sợi quang. Có một số tia sáng nhất định thoả món điều

kiện này. Đường đi của một tia sáng như vậy qua sợi quang gọi là mode truyền dẫn. Số

mode truyền dẫn của ánh sáng qua sợi quang phụ thuộc vào đường kính lừi, chiết suất

lừi, chiết suất vỏ và bước sóng ánh sáng truyền trong sợi. Điều kiện để chỉ có một mode

cơ bản được truyền trong sợi quang là tần số chuẩn hoá V phải thoả món:

V = (2ða/ở).(n12 – n2

2)1/2 ≤ 2,405 (2.10)


Với 2a là đường kính lừi sợi quang, ở là bước sóng ánh sáng truyền trong sợi

quang. Từ đó có thể tính được đường kính sợi quang tối đa để đảm bảo điều kiện truyền

đẫn đơn mode.

Trong hệ thống WDM, sợi quang được sử dụng phổ biến là loại sợi đơn mode.

Sợi quang đơn mode điển hỡnh bao gồm lớp lừi (core) cú đường kính 9 m, lớp vỏ

(cladding) có đường kính 125 m và lớp áo (coating) có đường kính 250 m.

2.3.2 Suy hao sợi

Suy hao là hiện tượng mà cường độ ánh sáng bị suy giảm khi truyền qua môi

trường sợi quang. Mức suy hao trung bỡnh của sợi quang được đo hệ số suy hao ỏ

(dB/km).

ỏ [dB.km-1] = = 4,343ỏ [km-1] (2.11)

P0 là công suất được phát vào đầu sợi quang, PT công suất thu được sau chiều dài L (km)

sợi quang.

Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tuỳ thuộc vào loại sợi. Hỡnh dưới

cho thấy suy hao trong sợi quang như một hàm theo bước sóng. Ta thấy rằng suy hao

nhỏ nhất ở ba dải bước sóng dùng trong thông tin quang: 0,8μm

, 1,3μm

và 1,55μm

.


.Hỡnh 2.14 Phổ tổn hao của sợi quang đơn mode silica

Cỏc nguyờn nhõn gõy suy hao trờn sợi quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do

tỏn xạ và suy hao do bị uốn cong

Suy hao do hấp thụ

Sự hấp thụ ỏnh sỏng xảy ra do cỏc nguyờn nhõn sau gõy ra: suy hao do sự hấp thụ

của cỏc tạp chất kim loại, sự hấp thụ của ion OH, sự hấp thu bằng cực tớm và hồng

ngoại.

Sự hấp thụ của cỏc tạp chất kim loại: Cỏc tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là

một trong những nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng, các tạp chất thường gặp

là sắt (Fe), đồng (Cu), mangan (Mn), chromium (Cr), coban (Co), niken (Ni).

Mức độ hấp thụ của từng tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước

sóng ánh sáng truyền qua nó. Để có sợi quang có dộ suy hao nhỏ hơn 1dB/km

cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần

tỷ (10-9).

Sự hấp thụ của ion OH hay cũn gọi là sự cộng hưởng OH: Các liên kết giữa

SiO2 và các ion OH của nước cũn sút lại trong vật liệu khi chế tạo sợi quang

cũng tạo ra mật độ suy hao hấp thụ đáng kể. Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các

bước sóng gần 950nm, 1240nm và 1400 nm.

Sự hấp thu cực tím và hồng ngoại: Ngay cả khi sợi quang được chế tạo từ thuỷ

tinh có độ tinh khiết cao thỡ sự hấp thụ vẫn xảy ra. Bản thân thuỷ tinh tinh

khiết cũng hấp thụ ánh sáng vùng cực tím và hồng ngoại. Sự hấp thụ trong

vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các bước sóng dài

trong thông tin quang.

Suy hao do tán xạ

Suy hao do tán xạ bao gồm tán xạ Rayleigh, tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và

lớp vỏ không hoàn hảo.


Tán xạ Rayleigh: Khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp

những chỗ không đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xếp các phần tử thuỷ

tinh, các khuyết tật như bọt không khí, các vết nứt sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ.

Khi kích thước của vùng không đồng nhất vào khoảng một phần muời bước

sóng thỡ chỳng trở thành những nguồn điểm để tán xạ. Các tia truyền qua

những chỗ không đồng nhất này sẽ tạo ra nhiều hướng, chỉ một phần năng

lượng ánh sáng truyền theo hướng cũ, phần cũn lại truyền theo hướng khác

thậm chí cũn truyền ngược lại nguồn quang. Độ tiêu hao do tán xạ Rayleigh tỉ

lệ nghịch với luỹ thừa bậc bốn của bước sóng.

Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc không hoàn hảo: Khi tia sỏng

truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lừi và lớp bọc tia sỏng bị tỏn xạ.

Lỳc đó 1 tia tới có nhiều tia phản xạ với nhiều góc phản xạ khác nhau.

Suy hao do bị uốn cong

Suy hao do bị uốn cong bao gồm suy hao do vi uốn cong và do uốn cong.

Suy hao do vi uốn cong: sợi quang bị chốn ộp tạo nờn những chỗ uốn cong

nhỏ thỡ suy hao của sợi cũng tăng lên. Suy hao này xuất hiện do tia sáng bị

lệch trục đi qua những chỗ vi uốn cong đó. Sợi đơn mode rất nhạy với những

chỗ vi uốn cong nhất là về phía bước sóng dài.

Suy hao do uốn cong: Khi sợi quang bị uốn cong với bỏn kớnh cong càng nhỏ

thỡ suy hao càng tăng.

2.3.3 Tán sắc trong sợi quang đơn mode

Nguyên nhân gây ra tán sắc

Tán sắc là hiện tượng dón phổ tín hiệu quang đầu ra khi truyền qua sợi. Tán sắc

xảy ra do tốc độ truyền của ánh sáng qua sợi phụ thuộc vào bước sóng và mode truyền

dẫn. Sự khác nhau về tốc độ là không đáng kể, nhưng tán sắc có tính tích lũy theo

khoảng cách.


Cũng giống như suy hao, tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn của tín hiệu

qua sợi quang, nhưng theo các khác nhau. Tán sắc không làm yếu tín hiệu, nó chỉ làm

mờ tín hiệu, gây méo xung. Tín hiệu vẫn thu được ở phía đầu cuối nhưng nó bị mờ về

mặt thời gian đến mức phía thu không thể hiểu được.

Có 2 loại tán sắc ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống WDM, đặc biệt là đối với

các hệ thống tốc độ cao là tán sắc vận tốc nhóm (group velocity dispersion - GVD) và

tán sắc mode phân cực (polarization mode dispersion - PMD).

Hỡnh 2.15 Ảnh hưởng của tán sắc

Tỏn sắc vận tốc nhúm GVD

Cỏc bước sóng khác nhau sẽ lan truyền trong sợi quang với những vận tốc nhóm

khác nhau. Hệ quả là dón rộng cỏc xung đơn và giao thao giữa các xung lân cận (cũn

được gọi là nhiễu giữa các kí hiệu - ISI).

Tốc độ nhóm ừg là được cho bởi:

g = 1/(d/d) = c/ng (2.12)

Với hệ số truyền lan õ được cho như:

õ = n.k0 = nự/c (2.13)

Và thụng số chỉ số nhúm ng :

ng = n + ự(dn/dự) (2.14)

Tổng phần xung bị dón rộng (ÄT) sau khi lan truyền qua sợi quang với một chiều dài L:


(2.15)

Với Äự biểu diễn độ rộng phổ của xung được truyền và õ2 được xác định như tham số

GVD.

Vỡ ự=2ðc/ nên phương trỡnh 2.15 trở thành:

(2.16)

Ở đây: D là thông số tán sắc trong [ps/nm.km] được cho bởi:

(2.17)

Tỏn sắc D có thể được hiểu như là tổng tán sắc vật liệu và ống dẫn sóng:

Tỏn sắc vật liệu:

Tán sắc vật liệu xảy ra do bởi sự thay đổi chiết suất của sợi quang theo bước sóng.

Nguyên nhân là do sự tương tác giữa trường quang truyền lan trong sợi với các electron

và phân tử của vật liệu quang. Trong vùng bước sóng thích hợp cho truyền dẫn quang

(xung quanh 1.55m), chiết suất của lừi sợi quang cú thể được tính xấp xỉ bởi chuỗi

Sellmeier:

(2.18)

Với ựi là tần số cộng hưởng thứ i và Si là thụng số Sellmeier biểu diễn cường độ cộng

hưởng. Sự giải thích đầy đủ của n có thể đạt được nếu K=3 (2 cực tím và 1 hồng ngoại

cộng hưởng). Bước sóng phụ thuộc sự thay đổi của n dẫn đến thay đổi chỉ số mode nhóm

ng. Tỏn sắc vật liệu DM có thể được cho như sau:

DM = dng/cd (2.19)

Độ dốc của ng bằng khụng tại =1,276m. Các bước sóng này được gọi là bước sóng tán

sắc không (ZD) và phụ thuộc vào chất kớch thớch của lớp lừi và lớp vỏ, nú biển đổi giữa

1,27-1,29m. DM là õm (-) khi < ZD và là dương (+) khi > ZD .(hỡnh 2.16a).


Tỏn sắc ống dẫn súng :

Hỡnh 2.16 Một số loại tỏn sắc: a) Tỏn sắc vật liệu - chiết suất n và chỉ số nhúm ng thay đổi theo

bước sóng b) Tán sắc ống dẫn sóng - hằng số truyền lan thay đổi theo tần số góc.

Tán sắc ống đẫn sóng là hệ quả của sự phụ thuộc hằng số lan truyền mode vào tần

số tại bề mặt của lớp vỏ và lớp lừi. Ta xem xột đến hằng số lan truyền của lừi õ1=k0n1 và

lớp vỏ õ2=k0n2 với k0 là hằng số truyền súng (k0 = 2ð/ở). Trường quang tại tần số thấp lan

truyền trong lớp vỏ và với tần số cao hơn trong lớp lừi. Trong vựng tần số, ở đó sự quá

độ giữa lớp vỏ và lớp lừi diễn ra, tần số phụ thuộc hằng số truyền lan mode õmode cho biết

sự uốn cong trong chỳng, sự phõn bố của chỳng thể hiện nguồn gốc của tỏn sắc ống dẫn

súng DW (hỡnh 2.16b). Theo đó số lượng DW là phụ thuộc vào thuộc tính sợi quang và

chúng được biểu diễn bởi tham số sợi quang V:

Thừa nhận là bước sóng phụ thuộc vào chiết suất của n1 và n2.

dn1/d = dn2/d (2.18)

Tỏn sắc ống dẫn súng DW là được cho bởi :

(2.19)

V là tần số chuẩn húa. Ä là chỉ số chiết suất tương đối (Ä = (n1 – n2)/n1) và b là hằng số

truyền lan thông thường:


(2.20)

Tỏn sắc mode phõn cực PMD

Tán sắc mode phân cực miêu tả một kiểu tán sắc khác, chúng trở nên quan trọng

khi gia tăng tốc độ dữ liệu kênh. Nguồn gốc của PMD nằm trong tính chất không đối

xứng của lừi sợi quang (hỡnh 1.17). Sự suy thoỏi tự nhiờn của cỏc mode phõn cực trực

giao (cần giữa cho một lừi hỡnh trụ lý tưởng) với đường kính không đồng đều đối với

chiều dài sợi quang. Việc thực hiện một sợi quang đối xứng lý tưởng là một vấn đề giới

hạn. Tính không đối xứng sợi quang cú thể tồn tại từ trong quỏ trỡnh sản xuất hoặc ỏp

lực cơ học khi lắp đặt sợi quang và là hằng số qua thời gian, trong khi áp lực cơ học có

thể biến đổi dẫn đến hỡnh dỏng động năng của PMD. Áp lực cơ học trên sợi quang xuất

phát từ một sự biến đổi của nhiều nguyên nhân (do sự co gión theo nhiệt độ, do gần

nguồn rung động như gió hoặc đường tàu).

Hỡnh 2.17 PMD do sự khụng hoàn hảo của lừi sợi quang

Xem xét đến sự truyền lan xung trong sợi quang, nó có thể được phân biệt hai trục

phân cực trực giao được gọi là nguyên lý trạng thỏi phõn cực (PSPs- hỡnh 2.16). Cỏc

trục đó là không nhất thiết trong mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang. Trong thực tế, sự

định hướng ngẫu nhiên của chúng phụ thuộc theo áp lực trong sợi quang. Ánh sáng được

phân cực dọc theo một trong hai trục và chiết suất của một trong hai cực này là khác

nhau. Hiệu ứng này được biết như là truyền dẫn phân cực vuông góc. Khi chiết suất là


một sự đo ánh sáng di chuyển nhanh như thế nào qua vật liệu truyền lan, ánh sáng phân

cực tuyến tính là được đưa vào một trục di chuyển nhanh hơn ánh sáng đưa vào một trục

khác, nó cũng có ý nghĩa liờn hệ với pha của ỏnh sỏng trong hai trục. Sự thay khỏc biệt

pha này thay đổi tổng thể trạng thái phân cực (SOP) của ánh sáng trong sợi quang.Cho

một xung với phân cực định hướng ngẫu nhiên, một phần của xung là được truyền dọc

theo một trục chính và một phần khác là được truyền dọc theo một trục chính khác. Các

xung thu được trở nên dón rộng bởi vỡ hai phần đến với một trễ thời gian và được gọi

là trễ nhúm vi sai (DGD-hỡnh 2.17). Tổng phần dón rộng xung do bởi PMD cú thể ước

lượng từ . Trong một sợi quang với một chiều dài L, là được cho bởi:

(2.21)

Ở đây: x và y là hai mode được phân cực trực giao Äõ1 là trễ nhúm vi sai liờn hệ với phõn

cực truyền dẫn vuụng gúc. giữa cỏc trạng thỏi phõn cực trong sợi quang duy trỡ

khụng phõn cực là cú thể biến đổi ngẫu nhiên, với một giá trị trung bỡnh . Thời gian

trung bỡnh giữa hai SOPs trực giao được xác định như sau:

(2.22)

Ở đây: Chuẩn DPMD cho thông số PMD sợi quang, được đo bằng ps/km1/2 và L là chiều

dài sợi quang. Gía trị điển hỡnh của DPMD là trong giải từ 0,1-1 ps/km1/2 , mặc dự trong

sợi quang cũ >1 ps/km1/2 có thể xảy ra. Ngày nay, các nhà máy sản xuất sợi quang đưa ra

sợi quang với DPMD <0,5 ps/km1/2. Cho chiều dài sợi quang vượt quá vài km với sự hợp

lại mode phân cực ngẫu nhiên mạnh, DGD có thể được làm mô hỡnh như một sự phân

bố Maxwellian (hỡnh 1.1.10) với hàm mật độ xác suất (PDF) được xác định như sau:

(2.23)

Ở đây: thể hiện cho PMD và <> thể hiện giỏ trị trung bỡnh. Giỏ trị tức thời của

phụ thuộc vào không gian dao động của PSPs và liên hệ sự định hướng của SOP đầu vào

tới PSPs. Do bởi thống kê tự nhiên của PMD liên hệ giữa giá trị cực đại (max) cú thể


cho phộp trong hệ thống và giỏ trị cho biết xỏc suất tự nhiờn, giỏ trị (max) cho

một tuyến truyền dẫn là được xác định như một giá trị , chúng có thể không làm suy

yếu hệ thống và là nguyên nhân gây ra sự suy giảm chất lượng thu cực đại 1dB. Trong

khuyến nghị ITU, tỷ lệ giữa giỏ trị max và giỏ trị là xác định cho xác suất tổn thất

nào. Xác suất tổn thất có thể được hiểu như là xác suất quá mức trung bỡnh <> .

Phương trỡnh tớch phõn sau sẽ cho ta giỏ trị của xỏc suất tổn thất P(>=1):

(2.24)

Do bởi thống kê hoạt động của PMD, có thể thừa nhận giá trị max 1/10Tbit:

∆ Tbit / 10 (2.25)

Đặt Tbit=1/B ta cú:

L 1/100.B2.D2PMD (2.26)

Hỡnh 2.18 Cho biết hiệu ứng PMD quan trọng như thế nào trong các tuyến truyền dẫn có

thể đạt được và PMD càng trở nên quan trọng trong việc gia tăng tốc độ dữ liệu kênh.

Gía trị PMD cực đại trong hệ thống 40 Gbps phải < 0.1 ps/km1/2 để mà có thể đạt được

khoảng cách truyền dẫn tối đa L > 1000km. Nêu cùng giá trị PMD trong trường hợp 10

Gbps thỡ khoảng cỏch truyền dẫn tối đa bằng 10 lần trong 40 Gbps. Trong các hệ thống

160 Gbps, bắt buộc phải sử dụng các bộ bù PMD cho khoảng cách lớn hơn 100 km.

Hỡnh 2.18 Tác động của PMD trên khoảng cách truyền cực đại


2.3.4 Bự tỏn sắc

Các phương pháp chính có thể sử dụng để giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc là làm

hẹp độ rộng phổ nguồn phát hoặc sử dụng phương pháp bù tán sắc bằng các module bù

tán sắc DCM (Dispersion Compensating Module), sợi bù tán sắc DCF (Dispersion

Compensating Fiber) hoặc các thiết bị dịch tần trước (Pre-chirp). DCF được sử dụng

nhiều nhất trong kỹ thuật bù tán sắc trong các hệ thống WDM ngày nay.

Sợi quang đơn mốt silica chuẩn SSMF hiện nay là loại sợi không được bù tán sắc

NDSF (non-dispersion-shifted fiber). Loại sợi NDSF thường được dùng nhất là SMF-28

sản xuất bởi Corning. Các sợi NDSF có hệ số tán sắc bằng không nằm trong vùng bước

sóng 1310 nm (gọi là ZD). Các hệ thống WDM hoạt động ở 1550 nm chịu độ tán sắc khá

lớn với loại sợi này và cần được bù tán sắc (khoảng 17 ps/nm/km). Độ ảnh hưởng của

tán sắc càng lớn khi tốc độ truyền dữ liệu càng lớn, đặc biệt là với tốc độ truyền từ 10

Gbit/s trở lên.

DSF: (Dipersion Shifted Fiber), sợi quang dịch chuyển tán sắc. Để giảm thiểu độ

tán sắc cho vùng quang phổ 1550 nm, một loại sợi mới được phát minh vào đầu những

năm 80 của thế kỉ trước. Bằng cách thiết kế lại cấu trúc của sợi, ZD có thể được dịch

chuyển từ vùng quang phổ 1310 nm đến vùng quang phổ của EDFA là từ 1540 đến 1560

nm Độ tán sắc của loại sợi này được giảm thiểu, xuống cũn khoảng 0,5 ps/nm/km ở 1550

nm. Tuy nhiờn , việc đưa ZD vào gần bước sóng làm việc cũng gây hậu quả xấu, đó là sự

tăng hiệu suất của các hiện tượng phi tuyến làm biến dạng tín hiệu, đặc biệt là trộn bốn

sóng (FWM).

NZ-DSF (Non Zero - Dipersion Shifted Fiber), sợi quang dịch chuyển tán sắc

khác không, là loại sợi được phát triển để giảm thiểu hiệu suất của các hiện tượng phi

tuyến trong sợi DSF. í tưởng để thực hiện điều này là đưa ZD ra ngoài rỡa của băng tần

C. Các loại sợi phổ biến loại này là TrueWave Classic (ZD < 1530 nm), TrueWave Plus

(ZD = 1497 nm), TrueWave RS (ZD < 1452 nm) bởi Lucent, và SMF-LS (ZD > 1560


nm) sản xuất bởi Corning. Các loại sợi này được coi là giải pháp hữu hiệu cho việc giảm

độ tán sắc đồng thời hạn chế được những bất lợi của loại sợi DSF. NZ-DSF có hai loại

tương đương với hai hướng tán sắc khác nhau: tán sắc dương (+D) NZ-DSF, và tán sắc

âm (-D) NZ-DSF.

Hỡnh 2.19 miêu tả đường biến đổi độ tán sắc của các loại sợi quang theo bước sóng:

Hỡnh 2.19 Độ tán sắc của các loại sợi quang theo bước sóng


2.3.5 Cỏc hiệu ứng phi tuyến

Tổng quan về cỏc hiệu ứng phi tuyến

Nếu ta giả sử rằng chiết suất sợi quang khụng phụ thuộc vào mật độ công suất và

giả sử bước sóng tín hiệu khi truyền qua sợi quang không đổi (hoặc không sinh ra các

bước sóng mới) thỡ sợi quang cú chức năng truyền dẫn tuyến tính, tức là ánh sáng lan

truyền trong sợi quang tuân theo các định luật truyền sóng cơ học thông thường. Tuy

nhiên khi công suất phát lớn (P > 10 mW) điều đó không cũn đúng nữa, bởi vỡ lỳc này

cụng suất của nguồn Laser quỏ mạnh đó làm ion húa mụi trường truyền, từ đó sinh ra các

bước sóng mới, mặt khác cũng làm cho chiết suất của sợi thay đổi phụ thuộc vào công

suất của nguồn phát, vỡ vậy ỏnh sỏng lan truyền trong sợi khụng tuõn theo những quy

luật thụng thường nữa. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng phi tuyến. Đối với hệ thống

WDM truyền dẫn nhiều kênh với nhiều bước sóng và truyền qua cự ly dài yờu cầu cụng

suất lớn thỡ việc xử lý cỏc hiệu ứng phi tuyến là vấn đề rất cần thiết.

Cỏc hiệu ứng phi tuyến cú thể chia ra làm 2 loại: Các hiệu ứng phi tuyến đàn hồi

và các hiệu ứng phi tuyến không đàn hồi.

Loại thứ nhất sinh ra do chiết suất của mụi trường truyền dẫn thay đổi theo cường

độ điện trường hoạt động. Các hiệu ứng phi tuyến này làm dịch pha và dịch tần

(chirping) gây ra các hiện tượng như điều chế tự dịch pha (SPM - Self-Phase

Modulation), hiệu ứng điều chế pha chéo (XMP - Cross-Phase Modulation), hiệu ứng

trộn bốn súng (FWM - Four-Wave Mixing). Loại hiệu ứng này cũn được gọi là các hiệu

ứng phi tuyến KERR.

Loại thứ hai phát sinh do tác động qua lại giữa các sóng ánh sáng với các phonon

(rung động phân tử) trong môi trường silica. Hai hiệu ứng chớnh trong loại này là tỏn xạ

do kớch thớch Brillouin (Stimulated Brillouin Scattering - SBS) và tỏn xạ do kớch thớch

Raman (Stimulated Raman Scattering - SRS). Sự mô tả thể hiện của hai loại tán xạ là

này có sự chuyển đổi một phần năng lượng trường quang (gọi là sóng bơm) cho môi


trường phi tuyến ở trạng thái kích thích, làm mạnh tín hiệu sóng của môi trượng bị kích

thích (gọi là sóng Stokes). Mô tả bằng phương trỡnh toỏn học như sau:

(2.27)

Trong đó Ip là sóng bơm, Is là súng Stokes, gp là hệ số tăng ích của sóng bơm, tùy

theo tán xạ là Raman hay Brillouin.

Khi đánh giá ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến đến hệ thống WDM, chúng ta

cũng thường sử dụng chiều dài hiệu dụng và diện tớch hiệu dụng của sợi quang. Sau đây

chúng ta sẽ tỡm hiểu hai khỏi niệm này.

Sự tác động phi tuyến phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn và mặt cắt ngang của sợi

quang. Tuyến càng dài, sự tác động qua lại giữa ánh sáng và vật liệu sợi quang càng lớn

và ảnh hưởng của phi tuyến càng xấu. Tuy nhiên, khi tín hiệu lan truyền trong sợi quang,

công suất của tín hiệu giảm đi do suy hao của sợi quang. Vỡ vậy, hầu hết cỏc hiệu ứng

phi tuyến xảy ra ngay trong khoảng đầu của sợi quang và giảm đi khi tín hiệu lan truyền.

Mụ hỡnh của ảnh hưởng này có thể rất phức tạp. Trong thực tế, có thể sử dụng

một mô hỡnh đơn giản với giả thuyết năng lượng không thay đổi qua một độ dài hiệu

dụng cố định Leff . Giả sử Pin là cụng suất truyền trong sợi quang và P(z) = Pine-ỏz là công

suất tại điểm z trên tuyến, với ỏ là hệ số suy hao. L được kí hiệu là chiều dài thực của

tuyến. Chiều dài hiệu dụng của tuyến được kí hiệu là Leff được định nghĩa như sau:

PinLeff = (2.28)

Do đó,

Leff=(1–eỏL)/ỏ (2.29)

Thường thỡ tuyến đủ dài do đó L >> 1/ỏ cho nờn Leff ≈ 1/ỏ. Chẳng hạn như ỏ =

0,22 dB/km tại ở = 1,55 àm và, ta cú Leff ≈ 20 km.

Ảnh hưởng của phi tuyến cũng tăng theo cường độ năng lượng trong sợi. Với một

công suất cho trước, cường độ tỉ lệ nghịch với diện tích lừi. Do năng lượng phân bố


không đồng đều theo mặt cắt ngang của sợi, do đó để thuận tiện ta sử dụng khái niệm

diện tích vùng lừi hiệu dụng Aeff (effective cross-sectional area). Diện tích này liên quan

đến diện tích thực của lừi A và phõn bố trờn mặt cắt ngang của mode cơ bản F(x,y) như

sau [3] :

(2.30)

Diện tích hiệu dụng như được định nghĩa ở trên có một ý nghĩa là sự phụ thuộc

của hầu hết cỏc hiệu ứng phi tuyến cú thể được biểu diễn bằng diện tích hiệu dụng đối

với mode cơ bản truyền trong sợi quang cho trước. Chẳng hạn như cường độ hiệu dụng

của một xung có thể được tính Ieff = P/Aeff , với P là công suất xung, để tính toán ảnh

hưởng của các hiệu ứng phi tuyến như SPM được xem xét dưới đây. Diện tích hiệu dụng

của sợi đơn mode SMF (single mode fiber) khoảng 85 µm2 và của sợi dịch tỏn sắc DSF

(dispersion-shifted fiber) khoảng 50 àm2. Các sợi quang bù tán sắc có diện tích hiệu dụng

nhỏ hơn và do đó có ảnh hưởng phi tuyến lớn hơn.

Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering)

Hiệu ứng Raman là do quỏ trỡnh tỏn xạ mà trong đó photon của ánh sáng tới

chuyển một phần năng lượng của mỡnh cho dao động cơ học của các phần tử cấu thành

môi trường truyền dẫn và phần năng lượng cũn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước

sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tín hiệu tới (ánh sáng với bước sóng mới này được

gọi là sóng Stokes). Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang (ánh sáng này có cường

độ lớn), quá trỡnh này trở thành quỏ trỡnh kớch thớch mà trong đó ánh sáng tín hiệu

đóng vai trũ súng bơm (gọi là sóng bơm Raman) làm cho một phần năng lượng của tín

hiệu được chuyển tới sóng Stokes.

Đối với hệ thống WDM, trong sợi quang truyền dẫn nhiều tín hiệu với bước sóng

khác nhau thỡ SRS gõy ra sự chuyển năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các

kênh có bước sóng cao hơn (xem hỡnh 2.20). Sự chuyển năng lượng từ kênh tín hiệu có


bước sóng thấp sang kênh tín hiệu có bước sóng cao là một hiệu ứng cơ bản làm cơ sở

cho khuếch đại quang và Laser.

Hỡnh 2.20 Ảnh hưởng của SRS. Năng lượng từ kênh bước sóng thấp được chuyển sang

kênh bước sóng cao hơn

Công suất ngưỡng Raman là công suất tín hiệu đầu vào mà ứng với nó công suất

của bước sóng Stokes và công suất của bước sóng tín hiệu tại đầu ra là bằng nhau, đó là

mức công suất mà tại đó hiệu ứng SRS ảnh hưởng lớn đến hệ thống, có thể tính bằng

công thức sau [3]:

PthSRS = 16Aeff/(gRLeff) = (16ỏAeff)/gR (2.31)

Trong đó gR là hệ số tăng ích Raman, nó là một hàm của khoảng cỏch kờnh


Hỡnh 2.21 Hệ số tăng ích Raman là hàm của khoảng cách kênh

Gía trị đặc trưng gR ≈ 1.10-13 m/W tại ở = 1550 nm. Lấy ỏ = 0,046 km-1 = 0,2

dB/km và Aeff = 55 ỡm2, tính được PthSRS = 405 mW cho một kờnh. Con số này cho thấy

có thể bỏ qua SRS trong hệ thống đơn kênh.

Tuy nhiờn trong hệ thống WDM thỡ mức cụng suất này sẽ thấp hơn nhiều vỡ cú

hiện tượng khuếch đại đối với các bước sóng lớn, trong khi đó công suất của các kênh có

bước sóng ngắn hơn lại bị giảm đi (do đó chuyển một phần năng lượng cho các bước

sóng lớn) làm suy giảm hệ số SNR, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Ta có thể thấy

được sự ảnh hưởng của SRS qua hỡnh 2.22 và hỡnh 2.23 [7]:


Hỡnh 2.22 Phổ tín hiệu quang trong hệ thống WDM sử dụng 6 bước sóng khi không có

ảnh hưởng của SRS

Hỡnh 2.23 Phổ tín hiệu quang trong hệ thống WDM sử dụng 6 bước sóng khi có ảnh

hưởng của SRS

Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scattering)

Hiệu ứng SBS tương tự như hiệu ứng SRS, tức là có một phần ánh sáng bị tán xạ

và bị dịch tới bước sóng dài hơn bước sóng tới, ánh sáng có bước sóng dài hơn này gọi là

ánh sáng Stokes. Điểm khác nhau của hai hiệu ứng này là hiệu ứng SBS xảy ra trên dải

tần rất hẹp (Äf = 20 MHz ở bước sóng 1550 nm) và sóng Stokes chỉ xảy ra theo hướng


ngược. Trong hệ thống WDM, khoảng cách bước sóng lớn hơn 20 MHz nên SBS không

gây ra bất kỳ tác động qua lại nào giữa các bước sóng khác nhau. Tuy nhiên, SBS cũng

có thể tạo nên sự méo khá quan trọng trong một kênh đơn lẻ. Do SBS tạo ra sóng Stokes

tán xạ theo hướng ngược lại với hướng lan truyền tín hiệu, nói cách khác là hướng về

phía nguồn, nên nó làm suy giảm tín hiệu được truyền cũng như tạo ra một tín hiệu có

cường độ mạnh về hướng phát, vỡ vậy phải dựng một bộ cỏch ly để bảo vệ. Nếu trong hệ

thống WDM tất cả các kênh cùng truyền theo một hướng thỡ hiệu ứng SBS khụng gõy

xuyờn nhiễu giữa cỏc kờnh.

Tương tự hiệu ứng SRS, sự tăng cường sóng Stokes của hiệu ứng SBS được mô tả

bằng hệ số tăng ích Brillouin gB.

Hỡnh 2.24 Phổ tăng ích Brillouin tại bước sóng bơm ởp = 1,525 ỡm cho: (a) sợi lừi

silic; (b) sợi vỏ nghốo; (c) sợi dịch tỏn sắc

Người ta tính toán được mức công suất ngưỡng đối với hiệu ứng SBS như sau

[3]:

PthSBS = 21Aeff/(gBLeff) = (21ỏAeff)/gB (2.9)

Gớa trị đặc trưng gB ≈ 5.10-11 m/W tại ở = 1550 nm. Lấy ỏ = 0,046 km-1 =

0,2 dB/km và Aeff = 55 ỡm2, tớnh được PthSBS = 1 mW cho một kờnh.


Hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng đến mức công suất của từng kênh và khoảng cách

giữa các kênh trong hệ thống WDM. Ảnh hưởng của SBS có thể nhận thấy qua hỡnh 2.25

và hỡnh 2.26 [7]:

Hỡnh 2.25 Ảnh hưởng của SBS khi công suất tín hiệu lớn hơn ngưỡng Brillouin

Hỡnh 2.26 Ảnh hưởng của SBS khi công suất tín hiệu nhỏ hơn ngưỡng Brillouin

Muốn giảm ảnh hưởng của SBS thỡ phải giảm công suất phát hoặc tăng ngưỡng

Brillouin. Tuy nhiên để hệ thống WDM có thể truyền dẫn tín hiệu qua hàng trăm km mà

không cần các bộ khuyếch đại hay bộ lặp thỡ phải tăng công suất phát (chẳng hạn với

tuyến sợi hiện nay cần để truyền qua 300 km thỡ cụng suất phát phải vượt quá 50 mW).

Vỡ vậy ta phải làm cao thờm mức ngưỡng Brillouin để giảm ảnh hưởng của SBS.


Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation)

SPM là hiệu ứng xảy ra khi cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ

của sợi quang cũng biến đổi theo (nói cách khác là chiết suất của môi trường truyền dẫn

thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền trong đó), ta có [3]:

n = n0 + nNL = n0 + n2E2 (2.32)

Trong đó n0 là chiết suất tuyến tớnh, nNL là chiết suất phi tuyến, n2 là hệ số phi tuyến (n2

= 2,2–3,4.10-22 m2/W đối với sợi silica [3]), E là cường độ điện trường trong sợi quang.

Hiệu ứng này gõy ra sự dịch pha phi tuyến NL của điện trường khi lan truyền

trong sợi quang (đạo hàm của pha tức là tần số). Giả sử bỏ qua suy hao thỡ sau khoảng

cỏch L, pha của điện trường sẽ là:

(2.33)

Đối với điện trường có cường độ không đổi, hiệu ứng SPM chỉ làm quay pha của

điện trường, do đó ít ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Tuy nhiên đối với điện

trường có cường độ thay đổi thỡ dịch pha phi tuyến NL sẽ thay đổi theo thời gian.

Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thỡ sự biến đổi tần số quang cũng càng

lớn, làm ảnh hưởng lớn đối với xung hẹp, khó khăn trong việc nâng cao tốc độ trong hệ

thống.

Hỡnh 2.27 SPM gây ra thay đổi tín hiệu


Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation)

Do trong hệ thống WDM có nhiều bước sóng cùng lan truyền trên một sợi quang,

nên hệ số chiết suất tại một bước sóng nào đó không chỉ phụ thuộc vào cường độ sáng

của bản thân sóng ấy mà cũn phụ thuộc vào cường độ của các bước sóng khác lan truyền

trong sợi. Trong hệ thống này chiết suất phi tuyến ứng với bước sóng thứ i sẽ là:

(2.34)

Trong đó n2 là hệ số chiết suất phi tuyến, Ei, Ej là cường độ điện trường trong sợi quang

của bước sóng thứ i, thứ j.

Từ cụng thức trờn ta thấy: Số hạng thứ nhất ứng với hiệu ứng SPM, số hạng thứ

hai ứng với hiệu ứng XPM. Nếu giả sử công suất các kênh là như nhau thỡ ảnh hưởng

của hiệu ứng XPM sẽ gấp hai lần hiệu ứng SPM.

Hỡnh 2.28 XPM gây ra sự thay đổi trong một chuỗi bit

Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing)

Hiện tượng chiết suất phi tuyến cũn gõy ra một hiệu ứng khỏc trong sợi đơn

mode, đó là hiệu ứng FWM. Trong hiệu ứng này, nhiều tín hiệu quang có cường độ

tương đối mạnh sẽ tương tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới. Sự tương tác này

có thể xảy ra giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống WDM, hoặc giữa bước sóng

tín hiệu với bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission) của

các bộ khuếch đại quang, cũng như giữa mode chính và mode bên của một kênh tín hiệu.


Giả sử có 3 bước sóng với tần số i , j , k tương tác với nhau thỡ tần số mới tạo ra có

bước sóng là ijk:

ựijk = i± j ± k (2.35)

Hỡnh 2.29 FWM gõy biến dạng trong cỏc hệ thống WDM:

a) Khoảng cỏch kờnh bằng nhau b) Khoảng cỏch kờnh khụng bằng nhau.

Theo quan điểm cơ lượng tử thỡ FWM là hiệu ứng mà trong đó có sự phá huỷ

photon ở một số bước sóng và tạo ra một số photon ỏ các bước sóng mới sao cho vẫn

bảo toàn về động lượng.

Do việc tạo ra các tần số mới là do sự tương tác của các tần số tín hiệu, nờn hiệu

ứng FWM sẽ làm giảm cụng suất của cỏc kờnh tớn hiệu trong hệ thống WDM. Nếu

khoảng cỏch giữa cỏc kờnh là bằng nhau thỡ những tần số mới được tạo ra có thể rơi vào

các kênh tín hiệu, gây xuyên nhiễu cho kênh, làm suy giảm chất lượng của hệ thống.

Sự suy giảm công suất làm giảm tỉ số SNR dẫn đến làm tăng BER của hệ thống.

Các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở vùng cửa sổ bước sóng 1550 nm, tán sắc của sợi

quang đơn mode thông thường (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18 ps/nm.km, cũn

tỏn sắc của sợi tán sắc dịch chuyển (sợi G.653) là nhỏ hơn 3 ps/nm.km. Từ đó ta thấy, hệ

thống WDM làm việc với sợi đơn mode chuẩn thông thường (SSMF) sẽ ít bị ảnh hưởng

bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM sử dụng sợi dịch tán sắc DSF (Dispersion

Shifted Fiber).


Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cách giữa các kênh

trong hệ thống WDM càng nhỏ, và mức công suất của mỗi kênh càng lớn. Như vậy hiệu

ứng FWM sẽ làm hạn chế dung lượng truyền dẫn của hệ thống WDM.

Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

Với xu thế phát triển công nghệ và linh kiện quang học, hệ thống WDM hiện nay

đó tỡm được một số phương pháp giải quyết hữu hiệu để khắc phục ảnh hưởng của

những hiệu ứng trên đối với truyền dẫn, nhất là hệ thống WDM có số lượng kênh quang

tương đối ít (nhỏ hơn 16 kênh):

Sử dụng công nghệ điều chế ngoài của bộ kích quang và công nghệ dao động

tần số thấp làm tăng ngưỡng Brillouin có thể khắc phục ảnh hưởng của hiệu

ứng băng hẹp SBS.

Hiệu suất trộn tần bốn sóng (FWM) có quan hệ rất lớn đối với tán sắc của sợi

quang, sử dụng sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không (G.655) có thể khắc

phục được hiệu ứng FWM, hơn nữa giảm tán sắc của sợi quang, là lựa chọn

tốt trong hệ thống WDM tốc độ cao.

Điều chế pha chéo (XPM) có thể khắc phục bằng phương pháp tăng diện tích

hiệu dụng vùng lừi của sợi quang đơn mode chuẩn SSMF (G.652).

Tự điều chế pha (SPM) sẽ làm hẹp độ rộng xung quang truyền dẫn, ngược lại với

hiệu ứng dón xung của tỏn sắc, ở mức độ nhất định, có thể lợi dụng SPM để bù sự dón

xung do tỏn sắc.

2.4 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA

2.4.1 Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi EDFA

Nhằm bù lại sự suy hao tín hiệu trên đường truyền sợi quang cũng như tại các

thiết bị (như các bộ ghép kênh) thỡ cỏc bộ khuếch đại đó được sử dụng. Trước khi các

bộ khuếch đại quang ra đời thỡ lựa chọn duy nhất là tỏi tạo lại tớn hiệu, nghĩa là nhận


tớn hiệu và sau đó phát lại nó. Quá trỡnh này được thực hiện bằng các bộ lặp (điển hỡnh

là 3R). Một bộ lặp chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khôi phục sau đó chuyển

lại thành tín hiệu quang để truyền tiếp. Điều này hạn chế tính trong suốt và tăng chi phí

bảo trỡ của hệ thống.

Kỹ thuật khuếch đại quang chiếm ưu thế hơn nhiều các bộ lặp. Bộ khuếch đại

quang không phụ thuộc vào tốc độ bit và các định dạng tín hiệu. Một hệ thống sử dụng

khuếch đại quang có thể dễ nâng cấp hơn nhiều, ví dụ đến một tốc độ bit cao hơn mà

không cần phải thay thế bộ khuếch đại. Hơn nữa các bộ khuếch đại quang có băng thông

lớn nên có thể được dùng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM. Nếu không với

mỗi bước sóng ta phải sử dụng một bộ lặp.

Loại khuếch đại quang điển hỡnh là bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium

Doped Fiber Amplifier - khuếch đại quang sợi có pha tạp Erbium). EDFA được sử dụng

phổ biến hiện nay vỡ nú cú vùng ánh sáng khuếch đại (1530nm-1565nm) thích hợp với

dải tần hoạt động của hệ thống DWDM. Hỡnh... là cấu tạo bộ khuyếch đại quang sợi

EDFA

Hỡnh 2.30 Cấu tạo bộ khuyếch đại quang sợi EDFA

Phần tử quan trọng nhất của EDFA là một đoạn sợi quang có pha tạp Erbium

(Erbium Doped Fiber - EDF ) có chiều dài từ vài mét đến vài chục mét, sợi này được

xem là sợi tích cực vỡ chỳng cú khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu như có

kích thích phù hợp. Đoạn sợi có lừi SiO2 hoặc SiO2-Al2O3 pha trộnthờm Er3+ với nồng độ

từ 100 – 2000 ppm (1 ppm = 1 phần triệu). Ánh sáng bơm vào từ Laser được kết hợp với


tín hiệu vào nhờ sử dụng bộ ghép (Coupler). Ánh sáng bơm này được truyền dọc EDF và

tín hiệu bơm này kích thích các các ion Eribium lên mức năng lượng cao hơn. Sự dịch

chuyển mức năng lượng của điện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra photon, được gọi là bức

xạ tự phát nếu không có bất cứ tác động nào từ phía bên ngoài, cũn gọi là bức xạ kớch

thớch khi do sự cú mặt cỏc photon chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển. Khi

tín hiệu dữ liệu được truyền đến EDFA, tín hiệu dữ liệu này đến gặp các ion Er3+ đó được

kích thích ở mức năng lượng cao. Quá trỡnh này làm cho cỏc ion nhảy từ trạng thỏi năng

lượng cao xuống mức trạng thái năng lượng thấp nên phát ra photon, do đó sẽ khuếch đại

công suất tín hiệu lên rồi truyền đi tiếp trong sợi quang.

Trong EDFA ta cũng phải sử dụng bộ cách ly (Isolator) để ngăn không cho tín

hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên

đường truyền phản xạ về EDFA.

EDFA cho hệ số khuếch đại lớn, công suất ra lớn và nhiễu thấp, nó làm việc ở

bước sóng 1550nm. Trong các hệ thống thông tin quang, để cho các EDFA hoạt động

thỡ cần cú nguồn bơm. Các nguồn bơm thực tế là các diod Laser công suất cao dùng để

cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA. Bước sóng hoạt động của Laser bơm là 980nm

hoặc 1480nm, công suất bơm tiêu biểu là từ 10mW - 80mW

EDFA có các đặc điểm sau:

Không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi (bộ chuyển đổi O/E và E/O).

Do đó mạch sẽ trở nên linh hoặc hơn.

Công suất nguồn nuôi nhỏ nên khi áp dụng cho các tuyến thông tin vượt biển,

cáp sẽ có cấu trúc nhỏ và nhẹ hơn cáp thường.

Giá thành của hệ thống thấp do cấu trúc của EDFA đơn giản, trọng lượng nhỏ,

khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn được nâng cao.

2.4.2 Các thông số cơ bản của bộ khuếch đại quang sợi EDFA

Công suất bơm và bước sóng bơm


Bước sóng hoạt động của Laser bơm là 980nm hoặc 1480nm, công suất bơm tiêu

biểu là từ 10mW - 80mW. Diode Laser hoạt động tại bước sóng 1550nm, do đó bước

sóng bơm 1480nm thường được sử dụng phổ biến trong EDFA.

Hệ số khuếch đại G

Hệ số khuếch đại của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở

ngừ ra chia cho cụng suất quang ở ngừ vào và thương được tính theo dB.

Hệ số khuếch đại là một thông số quan trọng của bộ khuếch đại. Nó đặc trưng cho khả

năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại. Đối với hệ thống WDM, hệ số

khuyếch đại của EDFA phải cao và đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức

chênh lệch không quá 1 dB). Tuy vậy, hệ số khuếch đại của một bộ khuếch đại bị giới

hạn bởi các cơ chế bóo hũa hệ số khuếch đại. Điều này làm giới hạn công suất quang ra

cực đại của bộ khuếch đại.Hệ số khuếch đại của 1 EDFA thông thường là 20-45dB với

công suất ra từ 20-50mW.

Hệ số nhiễu NF (Noise Figure)

Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch đại quang đều tạo ra nhiễu.

Nguồn nhiễu chính trong các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát. Vỡ sự phỏt xạ

tự phỏt là cỏc sự kiện ngẫu nhiờn, pha của cỏc photon phỏt xạ tự phỏt cũng ngẫu nhiờn.

Nếu photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyền của các photon tín hiệu,

chúng sẽ tương tác với các photon tín hiệu gây nên sự dao động về pha và biên độ. Bên

cạnh đó, năng lượng do phát xạ tự phát tạo ra cũng sẽ được khuếch đại khi chúng truyền

qua bộ khuếch đại về phía ngừ ra. Do đó, tại ngừ ra của bộ khuếch đại công suất quang

thu được bao gồm cả công suất tín hiệu được khuếch đại và công suất nhiễu phát xạ tự

phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission).

Pout = G.Pin + PASE (2.36)

Ảnh hưởng của nhiễu đối với bộ khuếch quang được biểu diễn bởi hệ số nhiễu NF

(Noise Figure), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio)

do nhiễu của bộ khuếch đại thêm vào. Hệ số NF được cho bởi công thức sau:


NF = SNRin/SNRout (2.37)

Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thỡ càng tốt. Giỏ trị nhỏ nhất của NF

cú thể đạt được là 4dB tại bước sóng bơm 1480nm. Những bộ khuếch đại thỏa món hệ số

nhiễu tối thiếu này được gọi là đang hoạt động ở giới hạn lượng tử.

2.4.3 Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại

Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại rất quan trọng đối với hệ thống WDM kết

hợp EDFA. Như ta đó biết, băng tần khuếch đại là không đồng dạng về phổ và thể hiện

một vài gợn sóng, sự khác nhau về độ khuếch đại là xóy ra tại các kênh quang có khoảng

cách bước sóng lớn. Trong chuỗi các bộ khuếch đại quang, ngay cả sự khác nhau như về

phổ khuếch đại cũng có thể dẫn tới sự khác biệt lớn về công suất tín hiệu thu được, điều

này gây ra sự khác nhau lớn về BER giữa các tín hiệu thu được tới mức không thể chấp

nhận được

Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại là làm cho hệ số khuếch đại đồng đều ở

các kênh quang riêng rẽ.

Hỡnh 2.31 Phổ khuếch đại của EDFA

Các phương pháp cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA là:


Sử dụng bộ lọc để suy hao tín hiệu đỉnh khuếch đại: xung quanh bước sóng

1530nm và xung quanh bước sóng 1558nm (trong trường hợp có sử dụng

nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền).

Đặt các kênh quang tại các bước sóng mà nó cho ra các độ khuếch đại bằng

nhau ở điều kiện bơm lớn nhất.

Điều chỉnh mức công suất đầu vào của các bước sóng sao cho tại đầu thu mức

công suất của tất cả các bước sóng là như nhau.

2.5 PhotoDiode

Linh kiện quan trọng nhất của bộ thu quang là bộ tách quang PhotoDiode.

PhotoDiode thực hiện chức năng cơ bản là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín

hiệu điện. PhotoDiode được sử dụng rộng rói trong bộ thu quang là PIN-PhotoDiode và

APD. Chỳng ta sẽ tỡm hiểu PIN-PhotoDiode.

Cấu tạo của PIN-PhotoDiode

Nguyên tắc biến đổi quang-điện của PIN-PhotoDiode dựa vào nguyờn lý biến đổi

quang-điện của lớp tiếp giáp p-n được phân cực ngược. Cấu trúc cơ bản và phân bố điện

trường của PIN-PhotoDiode được chỉ ra ở hỡnh 2.32.


Hỡnh 2.32 PIN-PhotoDiode: a, Cấu trúc cơ bản ; b,phân bố điện trường

Cấu tạo của PIN-PhotoDiode bao gồm:

Một tiếp giỏp gồm 2 bỏn dẫn tốt là P+ và N+ làm nền, ở giữa cú một lớp mỏng

bỏn dẫn yếu loại N hay một lớp tự dẫn I (Intrinsic).

Trờn bề mặt của lớp bỏn dẫn P+ là một điện cực vũng (ở giữa để cho ánh sáng

thâm nhập vào miền I).

Trờn lớp bỏn dẫn P+ phủ một lớp chống phản xạ.

Nguồn một chiều tạo điện áp phân cực ngược cho Diode.

Nguyờn lý hoạt động của PIN-PhotoDiode

Khi các photon đi vào lớp P+ có mức năng lượng lớn hơn độ rộng của dải cấm,

sẽ sinh ra trong miền P+, I, N+ của PIN-PhotoDiode các cặp điện tử và lỗ trống

(chủ yếu ở lớp I).

Các điện tử và lỗ trống trong miền I vừa được sinh ra bị điện trường mạnh hút

về hai phía (điện tử về phía N+ vỡ cú điện áp dương, lỗ trống về miền P+ vỡ cú


điện áp âm). Mặt khác, các điện tử mới sinh ra trong miền P+ khuếch tán sang

miền I nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp P+I, rồi chạy về phớa N+ vỡ cú điện áp

dương và lỗ trống mới sinh ra trong miền N+ khuếch tán sang miền I nhờ

gradien mật độ tại tiếp giáp N+I, rồi chạy về phớa về miền P+ vỡ cú điện ỏp

õm.Tất cả cỏc phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN-PhotoDiode một

dũng điện và trên tải một điện áp.

Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trỡnh tạo ra dũng điện

ngoài, vỡ chỳng được sinh ra ở miền P+ và N+ ở cỏch xa cỏc lớp tiếp giỏp P+I

và N+I không được khuếch tán vào miền I (do ở khoảng cách xa hơn độ dài

khuếch tán của động tử thiểu số), nên chúng lại tái hợp với nhau ngay trong

các miền P+ và N+.

Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào PIN-PhotoDiode sẽ sinh ra

một cặp điện tử và lỗ trống và giá trị trung bỡnh của dũng điện ra tỷ lệ với

công suất chiếu vào. Nhưng thực tế không phải như vậy, vỡ một phần ỏnh

sỏng bị tổn thất do phản xạ bề mặt.

Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bước

sóng. Vỡ vậy, lớp P+ không được quá dầy. Miền I càng dầy thỡ hiệu suất

lượng tử càng lớn, vỡ xỏc suất tạo ra cỏc cặp điện tử và lỗ trống tăng lên theo

độ dầy của miền này và do đó các photon có nhiều khả năng tiếp xúc với các

nguyên tử hơn. Miền I phải dày hơn miền P+. Tuy nhiên, độ dài của xung ánh

sáng đưa vào phải đủ lớn hơn thời gian trôi cần thiết để các phần tử mang điện

chạy qua vùng trôi . Do đó, độ dày cũng không được lớn quá vỡ như thế tốc độ

bit sẽ bị giảm đi.

Khi bước sóng ánh sáng tăng thỡ khả năng đi qua bán dẫn cũng tăng lên, ánh

sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Do đó,

với các vật liệu phải có một bước sóng tới hạn.

Các thông số cơ bản của PIN-PhotoDiode là độ nhạy thu, hệ số nhiễu (bao

gồm nhiễu dũng tối, nhiễu dũng rũ và nhiễu nhiệt) và tỷ số lỗi bit (BER).


CHƯƠNG 3. MẠNG WDM

3.1 Tổng quan

Sự phỏt triển của cỏc hệ thống WDM nhỡn chung cú thể chia làm ba giai đoạn:

Hệ thống WDM thế hệ 1: Hệ thống WDM điểm - điểm với các trạm xen/rẽ

trên tuyến phải sử dụng các thiết bị MUX/DEMUX để tách/ghép tất cả các

bước sóng.

Hệ thống WDM thế hệ 2: Hệ thống WDM điểm - đa điểm với các trạm xen/rẽ

trên tuyến là các OADM cho phép tách trực tiếp bước sóng cần xen/rẽ.

Hệ thống WDM thế hệ 3: Mạng quang WDM, bao gồm mạng vũng (Ring)

WDM, mạng đường trục WDM, mạng WDM định tuyến bước sóng.

3.2 Mạng Ring WDM

Cấu trỳc vũng là một dạng topo đơn giản có thể cung cấp khả năng bảo vệ khi xảy

ra sự cố một cách có hiệu quả. Vỡ lý do này nờn mạng Ring rất thụng dụng trong cỏc

mạng sử dụng cụng nghệ SONET/SDH. Cú 2 loại mạng vũng rất phổ biến và đó được

tiêu chuẩn hoá đó là mạng vũng WDM 2 sợi quang và mạng vũng WDM 4 sợi quang.

Mạng vũng đó chứng tỏ là một giải phỏp hấp dẫn đối với các mạng kinh doanh

chuyên dùng trong tương lai. Có thể cú nhiều kiểu mạng vũng, cú nhiều phương pháp

xác định bước sóng, đồng thời cũng có nhiều cơ chế quản lý được sử dụng để bảo vệ lưu

lượng, một điều rất quan trọng trong những mạng dung lượng lớn. ưu điểm lớn nhất của

mạng Ring là cơ chế bảo vệ luồng do vậy chúng ta đi vào nghiên cứu cơ chế bảo vệ của

mạng Ring WDM 2 sợi và 4 sợi.

Hỡnh 3.1 và 3.2 là cấu trỳc của mạng Ring WDM, trong đó thiết bị cơ bản của

mạng là bộ xen rẽ bước sóng WADM (Wavelengh Add-Drop Multiplexer). Với sự xuất

hiện của DWDM khi mạng quang trở thành quang hoỏ hoàn toàn thỡ thiết bị WADM


chuyển thành thiết bị OADM (Optical add-drop multiplexer). Chỳng ta sẽ nghiờn cứu

thiết bị OADM ở phần sau.

Hỡnh 3.1 Mạng Ring WDM 2 hướng 2 sợi quang

Hỡnh 3.2 Mạng Ring WDM 2 hướng 4 sợi quang


Với mạng vũng Ring WDM 2 sợi: giả sử tớn hiệu cần truyền từ nỳt A tới nỳt C

tớn hiệu sẽ đi từ A qua B rồi đến C; cũn tớn hiệu cần truyền từ C trở về A sẽ được đi từ

C qua B rồi về A trên một sợi quang khác. Nếu trên đoạn B-C gặp sự cố, thỡ chuyển

mạch (P2) và (P1) sẽ động tác và như vậy tín hiệu đi từ A đến C sẽ được đi như sau: từ A

qua D đến C. Cũn tớn hiệu cần truyền từ C đến A sẽ được đi: từ C qua D rồi về A. Tóm

lại trong cấu hỡnh này sợi quang thứ nhất sẽ làm việc, cũn sợi quang thứ hai sẽ dự

phũng.

Với mạng vũng Ring WDM 4 sợi quang: thỡ 1 đôi sợi quang được chọn làm

mạch công tác, và đôi sợi quang kia sẽ được dùng làm mạch dự phũng.

Mạng Ring WDM 2 sợi quang có nhiều ưu điểm về mặt kinh tế hơn do sử dụng ít

sợi quang hơn. cũn mạng Ring WDM 4 sợi quang phải dùng nhiều sợi quang hơn nhưng

độ an toàn mạng không cao hơn là bao, hơn nữa sự cố xảy ra trên tuyến thỡ thường là

đứt cáp nhiều hơn là đứt sợi.

Tuy nhiờn nếu chỳng ta chỉ sử dụng cỏc mạng vũng Ring WDM như những hệ

thống độc lập thỡ nú khụng phỏt huy hết khả năng và ưu điểm của nó. Do vậy chúng ta

sẽ sử dụng nhiều Ring kết hợp lại với nhau tạo thành một mạng đường trục. Khi đó mạng

đường trục sẽ đáp ứng được hầu hết các nhu cầu, hạn chế của những mạng trước và phát

huy được tiềm năng to lớn của nó.

3.3 Mạng đường trục WDM

Từ hỡnh 3.3 là cấu trỳc mạng đường trục bao gồm rất nhiều các vũng Ring chứa

cỏc Node mạng (Tở) được nối lại với nhau bởi một hoặc hai bộ đấu nối chéo số DXC

(Digital Cross Connect). Khi mạng quang trở thành quang hoá hoàn toàn thỡ thiết bị

WADM chuyển thành thiết bị OXC (Optical Cross Connect). Chỳng ta sẽ nghiờn cứu

thiết bị OXC ở phần sau.

Với mạng loại này thông tin không chỉ trao đổi trong phạm vi một Ring mà nó

cũn cú thể trao đổi thông tin được với các Ring khác. Cơ chế bảo vệ lưu lượng trong


mạng đường trục cũng cao hơn nhiều so với mạng Ring. Với mạng đường trục, nó cho

phép trên mạng xuất hiện đồng thời hai sự cố (nếu sử dụng 2 bộ OXC).

Hỡnh 3.3 Cấu trỳc mạng đường trục WDM

Với điều kiện địa hỡnh và sự phõn bố dõn cư như ở nước ta thỡ việc đưa mạng

đường trục kiểu này vào khai thác là rất phù hợp. Hiện tại ở Việt Nam mạng đường trục

WDM tuyến Bắc – Nam đó được triển khai và đang hoạt động ổn định.

3.4 Mạng WDM định tuyến bước sóng

Hỡnh 3.4 Mạng WDM định tuyến bước sóng


Hỡnh 3.4 là một minh họa cho mạng WDM định tuyến bước sóng. Trên hỡnh cú

thể thấy cỏc đường quang giữa B và C, D và E, E và F, A và F. Trong mạng định tuyến

bước sóng này tại các nút trung gian, các đường quang được định tuyến và chuyển mạch

từ một một đường (link) đến một đường khác. Có thể xảy ra trường hợp biến đổi bước

sóng trong trường hợp này. Các phần tử chủ chốt cho liên kết mạng quang là bộ kết cuối

đường dây quang (OLT), bộ ghép kênh xen/rẽ quang (OADM) và bộ kết nối chéo quang

(OXC).

Kiến trỳc mạng phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

Tái sử dụng bước sóng: như ta thấy trên hỡnh 1.48, nhiều đường quang

(lightpath) khác nhau trong mạng không trùng với nhau có thể cùng sử dụng

một bước sóng. Khả năng tái sử dụng bước sóng giúp cho số lượng đường

quang trong mạng có thể triển khai nhiều chỉ với số lượng bước sóng giới hạn.

Ta phải hiểu rằng đáp ứng này hết sức quan trọng trong điều kiện băng thông

của thiết bị WDM hiện tại cũn hạn chế.

Chuyển đổi bước sóng: một đường quang khi được định tuyến trong mạng có

thể dùng nhiều bước sóng khác nhau để truyền tín hiệu. Khả năng chuyển đổi

bước sóng là hết sức cần thiết để có một mạng truyền tải quang linh hoạt do

hiệu quả sử dụng bước sóng cao. Hơn nữa, chuyển đổi bước sóng cũn phải

thực hiện tại cỏc giao tiếp phía mạng khách hàng để chuyển đổi thành tín hiệu

bước sóng chuẩn WDM sang tín hiệu bước sóng của mạng lớp khách hàng.

Chuyển mạch kênh: đối với lớp kênh quang, cơ chế thiết lập và xoá bỏ đường

quang tương tự như chuyển mạch kênh. Tuy rằng qua thực tế, quá trỡnh tồn tại

đường quang giữa hai điểm nút mạng có thể trong thời gian khá dài: vài tháng

hoặc vài năm. Cơ chế chuyển mạch gói đối với lớp kênh quang hiện tại vẫn

chưa được phát triển do đáp ứng chậm và khả năng chưa linh hoạt của các

thiết bị hoạt động trong lớp kênh quang. Chuyển mạch gói có thể được áp

dụng ở mạng lớp trên, mạng lớp khách hàng như IP, ATM ..., trong khi đường

quang vẫn giữ nguyên trạng thái thiết lập.


Khả năng tồn tại khi mạng gặp sự cố (Surviability): mạng phải được cấu hỡnh

sao cho khi 1 kết nối đường dây quang gặp sự cố, đường quang vẫn phải được

duy trỡ bằng cỏch định tuyến lại.

Trong suốt: có nghĩa là kiến trúc mạng phải có khả năng truyền tải các tín hiệu

khách hàng với nhiều tốc độ bit, giao thức khác nhau.

3.5 Cỏc phần tử mạng WDM

3.5.1 Thiết bị đầu cuối OLT

Thiết bị đầu cuối OLT (Optical Line Terminator) là thiết bị được dùng ở đầu cuối

của một liên kết điểm nối điểm để ghép và phân kênh các bước sóng. Thiết bị đầu cuối

gồm có ba phần tử: Bộ tiếp sóng (transponder), bộ ghép kênh các bước sóng (MUX) và

bộ khuếch đại (optical amplifier).

Bộ tiếp sóng làm nhiệm vụ thích ứng tín hiệu đi vào từ một người sử dụng mạng

thành một tín hiệu phù hợp sử dụng trong mạng. Và ở hướng ngược lại nó làm thích ứng

tín hiệu từ mạng quang thành tín hiệu phù hợp với người sử dụng. Giao diện giữa người

sử dụng và bộ tiếp sóng có thể thay đổi dựa vào người sử dụng, tốc độ bít và khoảng

cách hoặc suy hao giữa người dùng và bộ chuyển tiếp. Giao diện phổ biến nhất là giao

diện SONET/SDH.

Hỡnh 3.5 Cấu tạo của OLT

Sự thích ứng bao gồm nhiều chức năng, tín hiệu có thể được chuyển đổi thành

bước sóng thích hợp trong mạng quang, nó cũng có thể thêm vào các phần đầu header


nhằm quản lí mạng. Bộ tiếp sóng cũng có thể giám sát tỉ lệ lỗi bit của tín hiệu ở điểm đi

vào và đi ra trong mạng. Vỡ những lớ do này nờn bộ chuyển tiếp thực hiện chuyển đổi

quang- điện- quang.

Ở hỡnh trờn, sự làm thớch ứng chỉ cho theo hướng đi vào và bước sóng ở hướng

ngược lại được gởi trực tiếp đến hướng người dùng. Trong một số trường hợp, ta có thể

tránh sử dụng bộ tiếp sóng bằng cách thực hiện chức năng thích ứng bên trong thiết bị

người dùng, như phần tử mạng SONET như hỡnh trờn, điều này làm giảm được chi phí

đáng kể.

Tín hiệu ra khỏi bộ tiếp sóng được ghép kênh với các tín hiệu khác ở các bước

sóng khác nhau sử dụng bộ ghép kênh theo bước sóng trên một sợi quang. Thêm vào đó

bộ khuếch đại có thể được dùng để khuếch đại công suất lên nếu cần thiết trước khi

chúng được đưa đến bộ phân kênh. Những bước sóng này lại được kết thúc trong một bộ

tiếp sóng nếu có hoặc kết thúc trực tiếp trong thiết bị người sử dụng.

Cuối cùng OLT cũng kết thúc một kênh giám sát quang (OSC). OSC được mang bước sóng riêng lẻ, khác với các bước sóng mang lưu lượng thực sự. Nó dùng để giám sát việc thực hiện của các bộ khuếch đại dọc theo liên kết cũng như cho các chức năng quản lí khác.

3.5.2 Bộ kết nối chộo quang OXC

Tổng quan

éối với cỏc mụ hỡnh mạng đơn giản như mô hỡnh mạng tuyến tớnh hoặc mụ hỡnh

mạng vũng (Ring), OADM là sự lựa chọn tối ưu xét về khía cạnh kinh tế, công nghệ chế

tạo và khả năng đáp ứng yêu cầu của mạng. Tuy nhiên, trong tương lai khi yêu cầu về

khả năng linh động trong việc cung ứng dịch vụ, đồng thời các dịch vụ đa phương tiện

đũi hỏi phải đáp ứng được sự tăng băng thông đột biến thỡ cỏc mụ hỡnh mạng hiện tại

khụng đáp ứng được. Khi đó, cần phải triển khai mạng mắt lưới (mesh), với phần tử

trung tâm là các bộ kết nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect).


Một bộ OXC cú thể phõn làm hai phần: phần lừi chuyển mạch và phần cổng giao

diện. Phần lừi thực hiện cỏc chức năng kết nối chéo quang trong khi phần cổng giao diện

thực hiện giao tiếp với tín hiệu khách hàng. Chú ý rằng thụng thường thỡ cổng giao diện

là cỏc card chứa cỏc bộ chuyển đổi quang-điện-quang, hoặc bộ chuyển đổi quang-điện,

tuy nhiên đối với cấu hỡnh phần lừi chuyển mạch là toàn quang thỡ phần lừi được nối

trực tiếp với các bộ MUX/DEMUX hoặc OADM mà không cần qua bộ chuyển đổi

quang-điện-quang ở phần giao diện.

Hỡnh 3.6 Vị trớ của OXC trong mạng WDM

Chức năng của OXC

Một OXC thường phải đáp ứng được các chức năng cơ bản như sau:

Cung cấp dịch vụ: Một OXC có thể dùng để cung cấp các lightpath trong một

mạng lớn một cách tự động, mà không phải thao tác bằng tay. Khả năng này

trở nên quan trọng khi giải quyết số bước sóng lớn trong một nỳt hoặc với số

nỳt trong mạng lớn. Nú cũng quan trọng khi cỏc lightpath trong mạng cần cấu

hỡnh lại để đáp ứng với sự thay đổi lưu lượng của mạng.

Bảo vệ: Chức năng quan trọng của bộ kết nối chéo là bảo vệ các lightpath khi

sợi bị đứt hoặc thiết bị gặp sự cố trong mạng. Bộ OXC là phần tử mạng thông

minh mà nó có thể phát hiện sự cố trong mạng và nhanh chóng định tuyến lại

các lightpath.


Giám sát thực hiện, định vị lỗi: OXC cho thấy tham số của một tín hiệu ở

những nút trung gian, OXC cho phép kiểm tra thiết bị và giám sát các tín hiệu

đi xuyên qua nó.

Chuyển đổi bước sóng: ngoài khả năng chuyển tín hiệu từ cổng này sang cổng

khác, OXC cũn khả năng có thể chuyển đổi bước sóng bên trong.

Ghép kênh: các OXC điều khiển các tín hiệu ngừ vào và ngừ ra ở tốc độ

đường dây quang, tuy nhiên nó có khả năng ghép kênh để chuyển mạch lưu

lượng nội tại.

Cỏc cấu trỳc của OXC

Cỏc cấu hỡnh cho OXC được cho như trên hỡnh 3.7. Các kiểu cấu trúc phân biệt

nhau ở điểm bản chất chuyển mạch quang hay điện, có sử dụng các bộ chuyển đổi

quang-điện-quang hay không và cách kết nối với các thiết bị xung quanh.


Hỡnh 3.7 Cỏc kiểu cấu trỳc của OXC (a) Lừi chuyển mạch điện. (b) Lừi chuyển mạch

quang bao quanh bởi bộ chuyển đổi O/E/O. (c) Lừi chuyển mạch quang nối đến các bộ

chuyển đổi tín hiệu trong thiết bị WDM. (d) Lừi chuyển mạch quang nối trực tiếp đến bộ

ghép kênh bên trong OLT

Lừi chuyển mạch điện

Lừi chuyển mạch điện thực hiện chuyển mạch các tín hiệu điện. Nó có thể thực

hiện nhóm các luồng lưu lượng có tốc độ bit nhỏ lại thành luồng lưu lượng có tốc độ bit

là tốc độ bit truyền trên kênh bước sóng thuộc lớp kênh quang. Lừi chuyển mạch điện

thường được thiết kế với tổng lưu lượng mà nó có thể xử lý. Chẳng hạn như tổng lưu

lượng có thể xử lý của một lừi chuyển mạch điện là 1.28 Tbps, khi đó, nó có thể thực

hiện chuyển mạch tới 512 luồng STM-16 hoặc 128 luồng STM-64. Do linh kiện hoạt

động với tín hiệu điện phụ thuộc vào tốc độ bit nên về lâu dài, khi tốc độ bit cao thỡ cỏc

OXC dựng lừi chuyển mạch điện sẽ mắc hơn do các linh kiện điện tử hoạt động với tốc

độ càng cao càng khó chế tạo. Tuy nhiên, do hoạt động dựa trên các tín hiệu điện, lừi


chuyển mạch điện cho khả năng giám sát chất lượng tín hiệu tốt thông qua chỉ số BER,

kích hoạt chuyển mạch bảo vệ khi chất lượng truyền dẫn không đảm bảo. Cấu hỡnh

OXC dựng lừi chuyển mạch điện được cho trên hỡnh 3.7(a).

Lừi chuyển mạch quang

Khỏc với lừi chuyển mạch điện, lừi chuyển mạch quang thực hiện chức năng kết

nối chéo các tín hiệu quang. Do đó, lừi chuyển mạch quang trong suốt với tốc độ bit

truyền dẫn, cung cấp khả năng mở rộng cho nhu cầu tăng tốc độ truyền dẫn trong tương

lai. Tuy nhiên, ngoại trừ cấu hỡnh trờn hỡnh 3.7(b) thỡ khả năng giám sát chất lượng

truyền dẫn của OXC khi dùng lừi chuyển mạch quang khụng tốt bằng lừi chuyển mạch

điện do chỉ có khả năng giám sát thông qua công suất quang đo được ở đầu vào. Các cấu

hỡnh OXC trờn hỡnh 3.7(b), (c), (d) đều dùng lừi chuyển mạch quang. Cả ba cấu hỡnh

khỏc nhau ở chỗ nú kết nối với cỏc thiếtbị quanh nú (thường là OLT hoặc OADM). Cấu

hỡnh OXC như trên hỡnh 3.7(b) kết nối với các OLT thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu

quang-điện-quang với giao diện phía kênh quang cho phép khoảng cách giữa OXC và

OLT là ngắn hoặc cực ngắn. Cấu hỡnh OXC như trên hỡnh 3.7(c) thỡ khụng dựng cỏc

bộ chuyển đổi tín hiệu quang-điện-quang mà tận dụng bộ chuyển đổi này ở các OLT.

Cấu hỡnh OXC như trên hỡnh 3.7(d) không dùng bất cứ bộ chuyển đổi tín hiệu nào trong

kết nối giữa OXC và các OLT. Cấu hỡnh này mang tớnh kinh tế nhất nhưng trong điều

kiện hiện tại là khụng thực tế vỡ nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn cú thể mua thiết bị của

cỏc nhà sản xuất khỏc nhau, dễ dẫn đến vấn đề không tương thích bước sóng hoạt động.

3.5.3 Bộ xen rẽ quang OADM

Tổng quan

Bộ xen/rẽ quang OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) thường được dùng

trong các mạng quang đô thị và mạng quang đường dài vỡ nú cho hiệu quả kinh tế cao,

đặc biệt đối với cấu hỡnh mạng tuyến tớnh, cấu hỡnh mạng vũng (Ring).Chức năng của

bộ xen/rẽ quang là nó được cấu hỡnh để xen/rẽ một số kênh bước sóng, các kênh bước

sóng cũn lại được cấu hỡnh cho đi xuyên qua (pass through).


Bộ ghép kênh xen/rẽ quang cung cấp một phương tiện điều khiển lưu lượng trong

mạng. OADM có thể được dùng ở các vị trí khuếch đại trong các mạng đường dài nhưng

cũng có thể sử dụng ở những phần tử mạng độc lập. Để hiểu được lợi ích của bộ xen/rẽ

quang, ta xét một mạng giữa ba node A, B và C như hỡnh vẽ dưới, lưu lượng mạng giữa

A và C đi qua node B, giả thiết các tuyến liên kết hoàn toàn song công.

Giả sử yêu cầu lưu lượng như sau: một bước sóng giữa A và B, một bước sóng

giữa B và C, ba bước sóng giữa A và C. Bây giờ triển khai các hệ thống WDM điểm nối

điểm để cung cấp nhu cầu lưu lượng này (hỡnh 3.8). Với giải phỏp trong hỡnh (a), hai hệ

thống điểm nối điểm được triển khai, một giữa A và B, một giữa B và C. Mỗi liên kết

điểm nối điểm sử dụng một OLT ở cuối liên kết. Node B có hai OLT, mỗi OLT kết thúc

bốn bước sóng, vỡ thế cần yờu cầu bốn bộ tiếp súng. Tuy nhiờn chỉ cú một trong bốn

bước sóng là dành cho node B, các bộ tiếp sóng cũn lại dùng để cung cấp lưu lượng giữa

A và C. Vỡ thế sỏu trong tỏm bộ tiếp sóng ở node B được dùng để điều khiển lưu lượng.

Đây là việc rất tốn kém.

Với giải phỏp trong hỡnh (b), thay vỡ sử dụng cỏc hệ thống WDM điểm nối điểm,

ta triển khai một mạng định tuyến bước sóng. Mạng sử dụng một OLT ở node A và C,

một OADM ở node B. OADM rẽ một trong bốn bước sóng, sau đó kết thúc ở các

transponder. Ba bước sóng cũn lại đi xuyên qua trong miền quang mà không cần kết thúc

trong các transponder. Điều này thấy được hiệu quả là chỉ sử dụng hai transponder thay

vỡ sử dụng đến tám transponder như giải pháp (a), do đó giảm được chi phí đáng kể


Hỡnh 3.8 Vai trũ của OADM trong mạng

Các yêu cầu đối với OADM

Tổng số bước sóng có thể cung cấp được là bao nhiêu.

Số bước sóng lớn nhất cú thể xen/rẽ là bao nhiờu.

Có ràng buộc trên một bước sóng nào đó được xen/rẽ. Một kiến trúc chỉ cho

phép một số bước sóng xác định nào đó được xen/rẽ chứ khụng phải bất kỡ

bước sóng tuỳ ý nào cũng được.

Cú dễ dàng xen/rẽ cỏc kờnh thờm vào. Cú cần thiết phỏ vỡ một kênh đang tồn

tại để xen/rẽ cỏc kờnh thờm vào.

Tính đến chi phí.

Tớnh phức tạp của việc thiết kế OADM ở lớp vật lớ và khi thờm vào cỏc kờnh

mới thỡ ảnh hưởng đến việc thiết kế này như thế nào.

OADM cú thể cấu hỡnh lại được, theo nghĩa có thể có thể điều khiển từ xa

việc xen, rẽ hoặc nối thụng cỏc kờnh bằng phần mềm hay khụng.


Cỏc cấu trỳc của OADM

Người ta đó đưa ra nhiều cấu trúc để cấu thành OADM, trong đó phần tử cơ bản

vẫn là bộ MUX/DEMUX mà ta đó xột. Cú ba cấu trỳc cho OADM: cấu trúc song song,

cấu trúc nối tiếp và cấu trúc xen/rẽ theo băng sóng.

Hỡnh 3.9 Cấu trỳc OADM song song

Hỡnh 3.10 Cấu trúc OADM song song theo băng sóng


Hỡnh 3.11 Cấu trỳc OADM nối tiếp

Hỡnh 3.12 Cấu trúc OADM xen rẽ theo băng sóng

Cấu trỳc song song

Hỡnh 3.9, một số kênh được chọn có thể được tách ra và những kênh khác được

đi qua. Vỡ thế khụng cú sự ràng buộc trờn cỏc kờnh được rẽ và xen. Vỡ vậy cấu trỳc này

ỏp đặt những ràng buộc nhỏ nhất trong việc thiết lập các lightpath trong mạng. Ngoài ra

suy hao qua OADM cố định, độc lập với số kênh được rẽ và xen là bao nhiêu. Tuy nhiên

kiến trúc này lại không hiệu quả về chi phí trong việc điều khiển một số nhỏ các kênh

được rẽ, vỡ bất kể bao nhiờu kờnh được rẽ, tất cả các kênh đều cần phải được tách và

ghép lại với nhau. Do đó ta phải tốn chi phí cho việc tách và ghép cho tất cả những kênh

đi vào. Điều này cũng dẫn đến suy hao cao hơn. Tuy nhiên khi một số lượng lớn số kênh

được rẽ và linh hoạt trong việc thêm vào hoặc lấy ra bất cứ kênh nào thỡ cấu trỳc này

cũng cho ta hiệu quả kinh tế.

Cấu trúc song song theo băng sóng

Hỡnh 3.10 là sự cải tiến của hỡnh 3.9 nhằm giảm chi phí thiết kế trên, việc ghép và

tách kênh được thực hiện qua hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất tách riêng các bước sóng

thành những dải (bands), giai đoạn thứ hai tách những dải thành các bước sóng riêng lẻ.

Ví dụ như hệ thống 16 kênh, có thể thực hiện sử dụng bốn dải, mỗi dải gồm bốn kênh.

Nếu chỉ có bốn kênh được rẽ ở một vị trí, thỡ 12 kờnh cú thể giữ nguyờn trong cỏc dải,

thay vỡ phải tách xuống thành từng kênh riêng lẻ. Điều này cho thấy ta đó tiết kiệm được

chi phí cho bộ MUX và DEMUX. Ngoài ra, việc sử dụng các dải cho phép tín hiệu được

đi qua với suy hao quang thấp hơn.


Cấu trỳc nối tiếp

Hỡnh 3.11, một kênh riêng lẻ được tách và ghép từ một tập các kênh đi vào. Ta gọi

thiết bị này là bộ xen rẽ đơn kênh (SC - OADM). Để tách và ghép nhiều kênh thỡ cỏc SC

- OADM được nối liên tiếp nhau. Kiến trúc này bổ sung cho kiến trỳc của hỡnh 3.9. Việc

tách và ghép kênh ảnh huởng đến các kênh đang tồn tại, nên nhằm giảm tối thiểu ảnh

hưởng này thỡ lờn kế hoạch tập bước sóng nào cần được lấy ra ở từng vị trí. Tuy nhiên

nếu số kênh cần được tách ra là lớn thỡ kiến trỳc này khụng cũn phự hợp nữa, do chỳng

ta phải sử dụng nhiều thiết bị riờng lẻ nối lại với nhau. Điều đó cho thấy nó không hiệu

quả về kinh tế. Ngoài ra suy hao cũng gia tăng theo.

Cấu trúc xen/rẽ theo băng sóng

Hỡnh 3.12, một nhóm cố định kênh bước sóng được thực hiện xen/rẽ tại mỗi nút

mạng OADM. Các kênh được thiết lập thực hiện xen/rẽ là các kênh liên tiếp nhau trong

một băng sóng, sẽ được lọc bởi một bộ lọc có băng thông là dải bước sóng. Sau đó,

chúng được đưa lên mức ghép kênh cao hơn và từ đó giải ghép kênh thành các kênh

bước sóng riêng lẻ. éõy là cấu trỳc trung hũa giữa hai cấu trúc song song và cấu trúc nối

tiếp mà ta đó mụ tả ở trờn. Số lượng tối đa kênh bước sóng được xen/rẽ là tùy thuộc vào

băng thông của bộ lọc. Số lượng thực tế các kênh xen/rẽ là cũn tựy thuộc vào nhà quản

lý hệ thống trang bị bao nhiờu bộ chuyển đổi tín hiệu tại nút OADM. Tuy nhiên, số

lượng các kênh xen/rẽ là bao nhiêu cũng không ảnh hưởng đến quá trỡnh tớnh toỏn cỏc

đường quang khác truyền trong mạng và độ suy hao của tín hiệu khi đi qua OADM.

Trong một nhóm kênh, việc xen/rẽ các kênh bổ xung sẽ không làm ảnh hưởng tới các

đường quang khác trong mạng bởi vỡ suy hao nối thụng cho tất cả cỏc kờnh khụng nằm

trong nhúm xen/rẽ là cố định. Tuy nhiên cấu trúc này làm phức tạp kế hoạch hoá bước

sóng và áp đặt một số hạn chế lên việc phân bổ bước sóng.

3.6 Quá trình chuyển đổi bước sóng trong mạng WDMChuyển đổi bước sóng là khả năng chuyển tín hiệu có bước sóng này ở đầu vào

thành tín hiệu có bước sóng khác tại đầu ra. Tín hiệu có thể đi vào mạng với bước sóng

không thích hợp khi truyền trong mạng WDM. Chẳng hạn như hiện nay các thiết bị


WDM trên thế giới đa số đều chỉ có khả năng hoạt động trên các bước sóng thuộc băng

C và băng L, nhưng tín hiệu SDH hoạt động với bước sóng 1310 nm có thể truyền trên

hệ thống WDM nhờ các bộ chuyển đổi bước sóng đặt ở biên giới giữa mạng WDM và

mạng SDH, chuyển đổi tín hiệu từ bước sóng 1310 nm sang tín hiệu tương thích với

bước sóng theo qui định ITU-T hoạt động ở vùng 1550 nm. Bộ chuyển đổi rất có ích

trong việc giảm xác suất tắc nghẽn mạng. Nếu các bộ chuyển đổi được tích hợp vào

trong bộ kết nối chéo quang trong mạng WDM, các kết nối có thể được thiết lập giữa

nguồn và đích ngay cả khi trên tất cả các tuyến của đường đi không có sẵn cùng một

bước sóng. Các bộ chuyển đổi bước sóng giúp loại trừ sự bắt buộc tính liên tục về bước

sóng.

Bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ giúp cho việc giảm xác suất tắc nghẽn tốt hơn

nhưng thực tế bộ chuyển đổi này rất khó thực hiện bởi các lí do về chi phí và giới hạn kĩ

thuật. Trong một mạng có rất ít node mạng được trang bị bộ chuyển đổi bước sóng, do

đó cần phải có sự lựa chọn các node đặt các bộ chuyển đổi bước sóng ở các vị trí thích

hợp sao cho tối ưu mạng, thường đặt các bộ chuyển đổi bước sóng ở những node mà lưu

lượng mạng xảy ra cực đại.

tr--

Hỡnh 3.13 Chuyển đổi bước sóng trong mạng WDM

Ví dụ như hỡnh trờn, một lightpath được thiết lập giữa Node A và Node B trên

bước sóng λ1

, và một đường lightpath khác được thiết lập giữa Node B với Node C trên

bước sóng λ2

. Nếu có một yêu cầu ở Node A đến Node C, yêu cầu không thể thiết lập


được về sự bắt buộc tính liên tục về bước sóng. Nếu có bộ chuyển đổi bước sóng được

đặt ở Node B mà nó có khả năng chuyển đổi từ bước sóng λ1

sangλ2

, thỡ yờu cầu cú thể

thực hiện thành cụng. Rừ ràng cỏc bộ chuyển đổi bước sóng có thể cải thiện được hiệu

suất khi các bước sóng rỗi có sẵn trên các tuyến, và một bước sóng chung thỡ khụng cú.

Chuyển đổi bước sóng được chia ra làm hai loại:

Chuyển đổi bước sóng quang - điện: theo phương pháp này, tín hiệu trước tiên

được chuyển sang tín hiệu điện sử dụng bộ tách sóng. Luồng bit được lưu trữ

trong bộ đệm. Sau đó tín hiệu điện được dùng để lái ngừ ra của một tunable

Laser để tạo thành một bước sóng mong muốn ở ngừ ra. Phương pháp này

không thích hợp cho tốc độ bit cao hơn 10Gbps, tiêu hao công suất lớn và thực

hiện phức tạp hơn các phương pháp khác.

Chuyển đổi bước sóng toàn quang: quỏ trỡnh chuyển đổi bước sóng được thực

hiện hoàn toàn trong miền quang. Phương pháp này dựa vào hiệu ứng trộn

bước sóng để tạo ra một bước sóng khác.

Khả năng chuyển đổi bước sóng có thể thực hiện qua nhiều mức khác nhau.

Hỡnh dưới đây minh hoạ sự khác nhau giữa đầu vào và đầu ra, trường hợp nhiều cổng

thỡ càng phức tạp hơn nhưng cũng tương tự. Khả năng chuyển đổi bước sóng hoàn toàn

tức là có thể chuyển đổi một bước sóng ở ngừ vào thành một bước sóng bất kỡ ở ngừ ra.

Khả năng chuyển đổi bước sóng giới hạn qui định rằng mỗi bước sóng đầu vào có thể

được chuyển đổi thành một số bước sóng xác định trước ở ngừ ra. Trường hợp đặc biệt

của chuyển bước sóng giới hạn là chuyển đổi bước sóng cố định khi mà một bước sóng

đầu vào chỉ có thể chuyển đổi thành một bước sóng cố định ở đầu ra. Nếu mỗi bước sóng

được “chuyển đổi ” thành chính nó thỡ chỳng ta gọi khụng cú sự chuyển đổi nào.


Hỡnh 3.14 Cỏc khả năng chuyển đổi bước sóng trong mạng WDM

3.6 Kết hợp mạng WDM và mạng Internet

3.6.1 Xu hướng tích hợp IP/WDM

Giao thức Internet (IP) đó trở thành giao thức chuẩn phổ biến cho cỏc dịch vụ

mạng mới, do đó lưu lượng IP không ngừng tăng nhanh và dần thay thế các loại giao

thức khác. Trong khi IP được xem như công nghệ lớp mạng phổ biến thỡ cụng nghệ

WDM cung cấp khả năng dung lượng truyền dẫn lớn. Hơn nữa, khả năng cấu hỡnh mềm

dẻo của cỏc bộ OXC đó cho phộp xõy dựng mạng quang linh hoạt hơn, nhờ đó các

đường quang (lightpath) có thể được thiết lập theo nhu cầu. Một trong những thách thức

quan trọng đó là vấn đề điều khiển các lightpath này, tức là phát triển các cơ chế và

thuật toán cho phép thiết lập các lightpath nhanh và cung cấp khả năng khôi phục khi có

sự cố, trong khi vẫn đảm bảo được tính tương tác giữa các nhà cung cấp thiết bị.

Đó cú nhiều phương pháp để cung cấp dịch vụ gói IP trên mạng WDM được đề

nghị: IP/ATM/SDH/WDM, IP/SDH/WDM, v.v.v. Tuy nhiên việc quản lý mạng theo các

phương pháp trên gặp không ít khó khăn. Nguyên nhân chủ yếu gây nên sự phức tạp

trong quản lý chớnh là sự phõn lớp theo truyền thống của cỏc giao thức mạng. Cỏc mạng

truyền thống cú rất nhiều lớp độc lập, do đó có nhiều chức năng chồng chéo nhau ở các

lớp và thường xuyên có sự mâu thuẫn lẫn nhau. Vỡ vậy, một trong những giải phỏp để

giảm chi phí xây dựng và quản lý mạng một cách triệt để đó là giảm số lớp giao thức.


Hơn nữa, khi dung lượng và khả năng kết nối mạng trong cả công nghệ IP và

WDM tăng lên thỡ càng cần thiết tối ưu mạng IP và bỏ qua tất cả các công nghệ lớp

trung gian để tạo nên mạng Internet quang thật sự hiệu quả và mềm dẻo. Tuy nhiên, các

lớp trung gian cũng cung cấp một số chức năng có giá trị như kỹ thuật lưu lượng (Traffic

Engineering) và khôi phục. Những chức năng này cần phải được giữ lại trong mạng

IP/WDM bằng cách đưa chúng lên lớp IP hoặc xuống lớp quang.

Từ đó người ta mới nghĩ đến công nghệ IP/WDM. Đây là một công nghệ mới tuy

rằng cũn nhiều vấn đề chưa giải quyết nhưng với lợi ích của nó, thị trường rộng lớn và

tương lai sáng sủa, các tổ chức viễn thông quốc tế đang triển khai công tác nghiên cứu

công nghệ này. IP/WDM cung cấp khả năng truyền dẫn trực tiếp gói số liệu IP trên kênh

quang, giảm sự trùng lặp chức năng giữa các lớp mạng, giảm bộ phận trung tâm dư thừa

tại các lớp SDH/SONET, ATM, giảm thao tác thiết bị, dẫn đến giảm chi phí bảo dưỡng

và quản lý. Do khụng phải qua lớp SDH và ATM nờn gúi số liệu cú hiệu suất truyền dẫn

cao nhất, đồng nghĩa với chi phí thấp nhất. Ngoài ra cũn cú thể phối hợp với đặc tính lưu

lượng không đối xứng của IP, tận dụng băng tần nhằm giảm giá thành khai thác. Từ đó

gián tiếp giảm chi phí cho thuê bao. Rừ ràng đây là một kết cấu mạng trực tiếp nhất, đơn

giản nhất, kinh tế nhất, rất thích hợp sử dụng cho các mạng đường trục.

Hỡnh 3.15 Xu hướng tích hợp mạng Internet và mạng WDM

3.6.2 Cấu trỳc mạng IP/WDM

Kiến trúc tổng quát của các mạng quang IP/WDM (Internet quang) được mô tả

như hỡnh 3.16. Hỡnh 3.16 thể hiện nhiều mạng quang tồn tại trong miền quang, trong

đó giao diện liên mạng ENNI (External Network-to-Network Interface) được sử dụng


để báo hiệu giữa các mạng quang với nhau. Một mạng quang riêng lẻ bao gồm các mạng

quang nhỏ hơn và báo hiệu giữa chúng sử dụng giao diện nội mạng INNI (Internal

Network-to-Network Interface). Và một mạng quang nhỏ hơn đó gồm nhiều nút mạng

quang (các bộ OXC) được nối với nhau bởi sợi quang. Các mạng khách hàng như IP,

ATM, SONET giao tiếp với mạng quang thông qua giao diện UNI (User-to-Network

Interface). Các kỹ thuật chuyển mạch quang quyết định loại dịch vụ mà mạng quang có

thể cung cấp cho các mạng khách hàng

Hỡnh 3.16 Kiến trỳc tổng quỏt của mạng IP/WDM

CÁC HèNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Hỡnh 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang.........................................................6

Hỡnh 1.2 Độ rộng phổ nguồn quang và dải thông của sợi quang....................................8

Hỡnh 1.3 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM.....................................................................9


Hỡnh 1.4 Hệ thống ghộp bước sóng đơn hướng và song hướng...................................10

Hỡnh 2.1 Cấu tạo cơ bản của Laser...............................................................................16

Hỡnh 2.2 Đặc tuyến bức xạ của Diode Laser................................................................17

Hỡnh 2.3 Cấu trúc của một Diode Laser với hốc cộng hưởng Fabry- Perot.................18

Hỡnh 2.4 Cấu trỳc của một Diode Laser phản hồi- phõn tỏn........................................20

Hỡnh 2.5 Nguyờn lý hoạt động Diode Laser hồi tiếp phân tán.....................................20

Hỡnh 2.6 Cấu trỳc Diode Laser dựng buồng cộng hưởng ngoài...................................21

Hỡnh 2.7 a, Cỏc mode trong Diode Laser b, Đường bao vạch phổ khi Laser hoạt động duới mức ngưỡng c, Đường bao vạch phổ khi Laser hoạt động trên mức ngưỡng d, Phổ phát xạ của Diode Laser.................................................................................................23

Hỡnh 2.8 Cấu trỳc bộ lọc màng mỏng điện môi............................................................25

Hỡnh 2.9 Hàm truyền đạt của bộ lọc điện môi màng mỏng..........................................26

Hỡnh 2.10 Bộ lọc quang tỏch bước sóng......................................................................26

Hỡnh 2.11 Tần số trung tõm và bước sóng tương ứng của hệ thống DWDM với khoảng cách giữa các kênh kề nhau là 100 GHz theo khuyến nghị của ITU-T.........................27

Hỡnh 2.12 Cấu trỳc cơ bản của sợi quang.....................................................................28

Hỡnh 2.13 Truyền ỏnh sỏng trong sợi quang.................................................................29

Hỡnh 2.14 Phổ tổn hao của sợi quang đơn mode silica.................................................30

Hỡnh 2.15 Ảnh hưởng của tán sắc.................................................................................32

Hỡnh 2.16 Một số loại tỏn sắc: a) Tỏn sắc vật liệu - chiết suất n và chỉ số nhúm ng thay đổi theo bước sóng b) Tán sắc ống dẫn sóng - hằng số truyền lan thay đổi theo tần số

góc..............................................................................................................................3434

Hỡnh 2.17 PMD do sự khụng hoàn hảo của lừi sợi quang............................................36

Hỡnh 2.18 Tỏc động của PMD trên khoảng cách truyền cực đại..................................38

Hỡnh 2.19 Độ tán sắc của các loại sợi quang theo bước sóng.......................................40

Hỡnh 2.20 Ảnh hưởng của SRS. Năng lượng từ kênh bước sóng thấp được chuyển sang kênh bước sóng cao hơn.................................................................................................43

Hỡnh 2.21 Hệ số tăng ích Raman là hàm của khoảng cỏch kờnh..................................44

Hỡnh 2.22 Phổ tớn hiệu quang trong hệ thống WDM sử dụng 6 bước sóng khi không có ảnh hưởng của SRS........................................................................................................45

Hỡnh 2.23 Phổ tớn hiệu quang trong hệ thống WDM sử dụng 6 bước sóng khi có ảnh hưởng của SRS............................................................................................................45


Hỡnh 2.24 Phổ tăng ích Brillouin tại bước sóng bơm ởp = 1,525 ỡm cho: (a) sợi lừi silic; (b) sợi vỏ nghốo; (c) sợi dịch tỏn sắc.............................................................................46

Hỡnh 2.25 Ảnh hưởng của SBS khi công suất tín hiệu lớn hơn ngưỡng Brillouin.......47

Hỡnh 2.26 Ảnh hưởng của SBS khi công suất tín hiệu nhỏ hơn ngưỡng Brillouin.......47

Hỡnh 2.27 SPM gõy ra thay đổi tín hiệu.......................................................................48

Hỡnh 2.28 XPM gõy ra sự thay đổi trong một chuỗi bit...............................................49

Hỡnh 2.29 FWM gõy biến dạng trong cỏc hệ thống WDM:

a) Khoảng cỏch kờnh bằng nhau b) Khoảng cỏch kờnh khụng bằng nhau.................50

Hỡnh 2.30 Cấu tạo bộ khuyếch đại quang sợi EDFA....................................................52

Hỡnh 2.31 Phổ khuếch đại của EDFA...........................................................................56

Hỡnh 2.32 PIN-PhotoDiode: a, Cấu trúc cơ bản ; b,phân bố điện trường.....................57

Hỡnh 3.1 Mạng Ring WDM 2 hướng 2 sợi quang........................................................60

Hỡnh 3.2 Mạng Ring WDM 2 hướng 4 sợi quang........................................................61

Hỡnh 3.3 Cấu trỳc mạng đường trục WDM..................................................................62

Hỡnh 3.4 Mạng WDM định tuyến bước sóng...............................................................63

Hỡnh 3.5 Cấu tạo của OLT............................................................................................65

Hỡnh 3.6 Vị trí của OXC trong mạng WDM .................................................................67

Hỡnh 3.7 Cỏc kiểu cấu trỳc của OXC (a) Lừi chuyển mạch điện. (b) Lừi chuyển mạch quang bao quanh bởi bộ chuyển đổi O/E/O. (c) Lừi chuyển mạch quang nối đến các bộ

chuyển đổi tín hiệu trong thiết bị WDM. (d) Lừi chuyển mạch quang nối trực tiếp đến bộ ghép kênh bên trong OLT..............................................................................................68

Hỡnh 3.8 Vai trò của OADM trong mạng.....................................................................71

Hỡnh 3.9 Cấu trỳc OADM song song............................................................................72

Hỡnh 3.10 Cấu trỳc OADM song song theo băng súng................................................72

Hỡnh 3.11 Cấu trúc OADM nối tiếp..............................................................................73

Hỡnh 3.12 Cấu trúc OADM xen rẽ theo băng sóng......................................................73

Hỡnh 3.13 Chuyển đổi bước sóng trong mạng WDM...................................................76

Hỡnh 3.14 Cỏc khả năng chuyển đổi bước sóng trong mạng WDM.............................77

Hỡnh 3.15 Xu hướng tích hợp mạng Internet và mạng WDM......................................78

Hỡnh 3.16 Kiến trỳc tổng quỏt của mạng IP/WDM.....................................................79



CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

BER Bit Error Ratio Tỉ số lỗi bit

DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bự tỏn sắc

DCM Dispersion Compensating Module Module bự tỏn sắc

DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi dịch chuyển tỏn sắc

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước súng

PMD Polarization Mode Dispersion Tỏn sắc mode phõn cực

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tỏn xạ do kớch thớch Brillouin

SRS Stimulated Raman Scattering Tỏn xạ do kớch thớch Raman

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tớn hiệu trờn tạp õm

SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha

XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi pha Ebiri

APD Avalanche PhotoDiode Đi ốt quang thác

IP Internet Protocol Giao thức Internet

LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang

LD Laser Diode Đi ốt la de

MUX Multiplexer Thiết bị ghộp kờnh

DEMUX Demultiplexer Thiết bị tỏch kờnh

SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode

SSMF Standard Single Mode Fiber Sợi đơn mode chuẩn

ASE Amplified Spontaneous Emission Bức xạ tự phát được khuếch đại

ATM Asynchronous Transfer Mode Kiểu truyền dẫn không đồng bộ

OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang


GVD Group Velocity Dispersion Tỏn sắc vận tố nhúm

DGD Differential Group Delay Trễ nhúm vi sai

DFB Distributed Feedback Hồi tiếp phõn tỏn

TFF Thin Film Filter Bộ lọc màng mỏng

OXC Optical Cross Connect Bộ kết nối chộo quang

DXC Digital Cross Connect Bộ kết nối chộo số

WADM Wavelength Add/Drop Multiplexer Bộ xen/rẽ bước sóng

OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ xen/rẽ quang

ENNI External Network-to-Network Interface Giao diện liờn mạng

INNI Internal Network-to-Network Interface Giao diện nội mạng

UNI User-to-Network Interface Giao diện mạng - người dùng

SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền bất đồng bộ

SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

NDSF Non-Dispersion-Shifted Fiber Sợi không được bù tán sắc

NZ-DSF Non Zero - Dipersion Shifted Fiber Sợi dịch chuyển tỏn sắc khỏc 0

O-E-O Optic-Electric-Optic Quang-điện-quang

E-O-E Electric-Optic-Electric Điện-quang-điện


KếT LUậN

Ngày nay, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng thông rộng và đa phương tiện. Truyền dẫn với dung lượng cao, chi phí giảm , tốc độ ổn định theo hướng sử dụng công nghệ WDM đang là một lựa chọn của các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông hàng đầu thế giới.

Sự phát triển của hệ thống WDM cùng với công nghệ chuyển mạch quang sẽ tạo ra một mạng thông tin thế hệ mới - mạng thông tin toàn quang. Đó là mạng thông tin chứa đầy hứa hẹn trong cuộc sống của thế kỷ 21.

Đồ án tốt nghiệp đã trình bày những nét cơ bản về công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM. Do thời gian có hạn và những hạn chế không tránh khỏi của việc hiểu biết các vấn đề dựa trên lý thuyết là chính nên đồ án tốt nghiệp của em chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong có được những ý kiến đánh giá,góp ý của các thầy và các bạn để đồ án thêm hoàn thiện.

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn GS. Trần Đức Hân đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án.

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa CN Điện Tử và Thông Tin- Viện Đại Học Mở Hà Nội đã luôn giúp đỡ em trong suốt thời gian qua.


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển, Cơ sở kỹ thuật Laser, Nhà xuất bản

giỏo dục, 2005.

[2] Vũ Văn San, Hệ thống thụng tin quang, Nhà xuất bản bưu điện, 2003.

[3] Govind P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics - Third Edition, Academic

Press, 2001.

[4] Ashwin Gumaste, Tony Antony, DWDM Network Designs and

Engineering Solutions, Academic Press, 2002.

[5] Achyut K. Dutta, Niloy K. Dutta, Masahiko Fujiwara, WDM Technologies:

Optical Networks, Academic Press, 2004.

[6] Biswanath Mukherjee, Optical WDM Networks, Springer, 2006.



Documents

TRUYỀN DẪN QUANG- ĐỒ ÁN