BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------
--------------

HỒ CÔNG LÂM

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN WDM VÀ
ỨNG DỤNG XÂY DỰNG YÊU CẦU KỸ THUẬT CHO
TUYẾN CÁP BIỂN VIỆT NAM - HỒNG KÔNG
Chuyên ngành: Điện tử Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:
Tiến sỹ PHẠM CÔNG HÙNG

Hà nội - 2004

1708330000898733d2915-795b-4c95-be2b-22b3a0947c74
1708330000898dce6a89d-c7df-49fb-b554-2126fc1254e1
17083300008989dd47a0c-5d08-458f-908f-b88bf8a0f72e


MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................................................... 2
CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................................................................... 5
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................... 7
Chương I.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO
BƯỚC SÓNG WDM...................................................................................................................... 11

I.1.
Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang WDM.......................................... 11
I.1.1. Nguyên lý ghép kênh ............................................................................................. 11
I.1.2. Các thông số cơ bản của thành phần thiết bị WDM............................................... 13
I.2.
Các thành phần thiết bị WDM ............................................................................ 14
I.2.1. Sợi quang ............................................................................................................... 15
I.2.2. Thiết bị phát và thu WDM ..................................................................................... 16
I.2.3. Bộ khuếch đại quang.............................................................................................. 17
I.3.
Các vấn đề thiết kế hệ thống WDM .................................................................... 19
I.3.1. Vấn đề suy hao và quỹ công suất quang ................................................................ 19
I.3.2. Vấn đề tán sắc ........................................................................................................ 19
I.3.3. Vấn đề xuyên kênh................................................................................................. 20
I.3.4. Kênh bước sóng – ITU-T Grid............................................................................... 27
I.4.
Hệ thống truyền dẫn WDM đường trục khoảng cách dài................................ 32
I.4.1. Các yếu tố thách thức thiết kế hệ thống ................................................................. 32
I.4.2. Một số công nghệ áp dụng cho các hệ thống WDM đường trục............................ 35
I.5.
Kết luận ................................................................................................................. 40
Chương II.
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP QUANG BIỂN WDM .......... 41
II.1. Giới thiệu chung ................................................................................................... 41
II.1.1.
Sự phát triển của thông tin cáp quang biển........................................................ 41
II.1.2.
Một số đặc điểm của hệ thống cáp quang biển .................................................. 44
II.1.3.
Cấu hình tổng quát của hệ thống cáp quang biển .............................................. 45

II.2. Các đặc tính và các thành phần của hệ thống cáp quang biển WDM............. 48
II.2.1.
Các đặc tính và phẩm chất hệ thống .................................................................. 48
II.2.2.
Thiết bị TTE ...................................................................................................... 52
II.2.3.
Bô lặp quang dưới biển (Optical Submarine Repeater – OSR) ......................... 54
II.2.4.
Thiết bị rẽ nhánh BU ......................................................................................... 56
II.2.5.
Cáp biển............................................................................................................. 58
II.3. Những tiến bộ công nghệ mới nhất trong hệ thống cáp quang biển................ 61
II.3.1.
Xu hướng phát triển các hệ thống cáp quang biển trên thế giới ........................ 61
II.3.2.
Dung lượng ........................................................................................................ 61
II.3.3.
Bộ khuếch đại khuếch đại quang ....................................................................... 62
II.3.4.
Những tiến bộ công nghệ sợi quang đối với khoảng lặp ................................... 65
II.3.5.
Những tiến bộ công nghệ đối với thiết bị trạm đầu cuối ................................... 66
II.3.6.
Thế hệ mới 40 Gbit/s ......................................................................................... 67
II.4. Kết luận ................................................................................................................. 67
Chương III. THIẾT BỊ HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN WDM........................................ 68
III.1. Thiết bị của Alcatel .............................................................................................. 68
III.2. Thiết bị của Tyco .................................................................................................. 74
III.3. Thiết bị của Fujitsu .............................................................................................. 81
III.4. Một số hệ thống cáp quang biển ......................................................................... 86

III.4.1.
Sea-Me-We 3 ..................................................................................................... 86
III.4.2.
C2C Cable Network........................................................................................... 90

2


III.5. Kết luận ................................................................................................................. 92
Chương IV. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG YÊU CẦU KỸ THUẬT CHO TUYẾN CÁP
QUANG BIỂN VIỆT NAM - HỒNG KÔNG .............................................................................. 93
IV.1. Lựa chọn dung lượng và cơng nghệ và cấu hình hệ thống ............................... 93
IV.1.1.
Nhu cầu dung lượng của Việt nam .................................................................... 93
IV.1.2.
Lựa chọn dung lượng thiết kế của hệ thống ...................................................... 94
IV.1.3.
Lựa chọn địa điểm ............................................................................................. 94
IV.1.4.
Lựa chọn cơng nghệ truyền dẫn ......................................................................... 96
IV.1.5.
Cấu hình hệ thống.............................................................................................. 97
IV.2. Lựa chọn tuyến cáp.............................................................................................. 99
IV.2.1.
Các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn tuyến cáp: ............................................... 99
IV.2.2.
Lựa chọn hướng tuyến ..................................................................................... 102
IV.3. Yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống.......................................................................... 104
IV.3.1.
Chỉ tiêu chất lượng hệ thống............................................................................ 104

IV.3.2.
Chỉ tiêu kỹ thuật thiết bị .................................................................................. 108
IV.4. Kết luận ............................................................................................................... 114
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .............................................................................................. 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................... 117

CÁC HÌNH VẼ
Hình 0-1: Cấu hình tổng qt hệ thống thơng tin cáp quang biển .................................................... 8
Hình I-1. Các vùng bước sóng có suy hao sợi nhỏ cho phép truyền nhiều bước sóng .................... 12
Hình I-2. Mơ tả q trình ghép và giải ghép WDM......................................................................... 12
Hình I-3. Hệ thống ghép kênh theo bước sóng điểm - điểm............................................................. 13
Hình I-4: Sơ đồ khối bộ khuếch đại EDFA ...................................................................................... 18
Hình I-5: Phổ quang tại đầu ra tuyến WDM sử dụng các bộ EDFA băng C+L ............................. 19
Hình I-6: Giới hạn về cơng suất kênh do tác động của bốn hiệu ứng phi tuyến.............................. 24
Hình I-7: Các thành phần FWM 3 bước sóng.................................................................................. 34
Hình I-8: Các vấn đề cần xem xét trong thiết kế hệ thống truyền dẫn dung lượng cao, khoảng cách
xa...................................................................................................................................................... 35
Hình I-9. Phẩm chất hệ thống đối với khoảng cách trạm lặp khác nhau......................................... 37
Hình I-10: Phổ quang của các phương thức điều chế khác nhau.................................................... 38
Hình I-11: Chấtlượng hệ thống của hệ thống cáp biển WDM 16-kênh, 10 Gbit/s ......................... 39
Hình II-1: Các kết quả thử nghiệm của Alcatel nhằm nâng cao dung lượng và cự ly hệ thống cáp
biển WDM ........................................................................................................................................ 44
Hình II-2: Cấu hình tổng quát hệ thống cáp quang biển có trạm lặp.............................................. 46
Hình II-3: Cấu hình hệ thống của thiết bị SLTE WDM ................................................................... 53
Hình II-4: Cấu hình của bộ lặp quang cáp biển .............................................................................. 55
Hình II-5: Cấu hình ứng dụng của bộ rẽ nhánh BU ........................................................................ 57
Hình II-6: Các loại quang cáp bỉển ................................................................................................. 59
Hình II-7: Cấu trúc của cáp biển OALC4 ........................................................................................ 59
Hình II-8:Phổ quang khả dụng ........................................................................................................ 62
Hình II-9: Cấu hình bộ lặp sử dụng khuếch đại lai EDFA + DRA.................................................. 64

Hình III-1: Khoảng cách lặp điển hình theo thực nghiệm của Alcatel ............................................ 69
Hình III-2: Cấu hình của thiết bị SLTE OALW4 của Alcatel........................................................... 71
Hình III-3: Sơ đồ khối của bộ lặp WDM và cơ chế bơm.................................................................. 72
Hình III-4: Thêm/rẽ tín hiệu và điều khiển, giám sát và xác định sự cố của BU............................. 73

3


Hình III-5: Chuyển mạch cấp nguồn của BU .................................................................................. 73
Hình III-6: Sơ đồ chức năng của thiết bị SLTE TeraWaveTM của Tyco ........................................... 75
Hình III-7: Sơ đồ chức năng của bộ TeraWave TM HPOE ................................................................ 76
Hình III-8: Phần phát của thiết bị TeraWave TM WTE...................................................................... 77
Hình III-9: Phần thu của thiết bị TeraWave TM WTE........................................................................ 78
Hình III-10: Chức năng của bộ khuếch đại TeraWave™ TLA ........................................................ 79
Hình III-11: Ví dụ của cửa số chính ứng dụng của hệ thống TEMS của Tyco ................................ 81
Hình III-12: Ví dụ của cửa sổ trạng thái chất lượng của hệ thống TEMS của Tyco ...................... 81
Hình III-13: Cấu hình mạng cáp biển 640 Gbit/s của Fujitsu ......................................................... 83
Hình III-14: Sơ đồ khối phần phát của thiết bị SLTE của Fujitsu ................................................... 84
Hình III-15: Sơ đồ khối phần thu của thiết bị SLTE của Fujitsu ..................................................... 85
Hình III-16: Sơ đồ khối của bộ lặp của Fujitsu ............................................................................... 86
Hình III-17: Bản đồ hệ thống cáp quang biển Sea-Me-We 3........................................................... 88
Hình III-18: Cấu hình hệ thống cáp quang biển Sea-Me-We 3 ....................................................... 89
Hình III-19: Cấu hình đấu nối bước sóng của Segment S2 – Sea-MeWe 3 ..................................... 89
Hình III-20: Sơ đồ cấu hình thiết bị trạm đầu cuối nhánh rẽ của Sea-Me-We 3. ............................ 90
Hình III-21: Bản đồ hệ thống cáp quang biển C2CCN.................................................................... 91
Hình III-22: Cấu hình hệ thống cáp quang biển C2CCN ................................................................ 92
Hình IV-1: Các hệ thống cáp quang biển kết cuối ở khu vực Đơng Á ............................................. 95
Hình IV-2: Cấu hình tuyến đơn cho tuyến cáp quang biển Việt nam - Hồng kông.......................... 97
Hình IV-3: Cấu hình tuyến vịng dẹt cho tuyến cáp quang biển Việt nam - Hồng kơng .................. 98
Hình IV-4: Cấu hình tuyến vịng cho tuyến cáp quang biển Việt nam - Hồng kơng........................ 98

Hình IV-5: Bản đồ tuyến dự kiến cho tuyến cáp quang biển Việt nam - Hồng kơng ..................... 103
Hình IV-6: Quan hệ giữa BER và giá trị Q.................................................................................... 106
Hình IV-7: Cấu hình cấp nguồn cho tuyến cáp biển V-H .............................................................. 109

CÁC BẢNG
Bảng 0.1: Cáp quang biển cập bờ Việt nam ...................................................................................... 7
Bảng I.1: Các tham số của một số loại sợi quang đơn mode (theo khuyến nghị của ITU-T G.652,
G.653 và G655)................................................................................................................................ 16
Bảng I.2: Lưới phân bổ tần số trung tâm của DWDM (Khuyến nghị ITU-T G.694.1 (06/2002)) ... 31
Bảng I.3: Các bước sóng trung tâm của lưới CWDM (ITU-T G.694.2 (06/2002)) ......................... 32
Bảng II.1: Các hệ thống cáp quang biển trên thế giới..................................................................... 42
Bảng II.2: Bảng mẫu tính quỹ cơng suất hệ thống cáp quang biển ................................................. 50
Bảng III.1: Các thông số của cáp OALC4 của Alcatel .................................................................... 74
Bảng III.2: Các thơng số chính của hệ thống 640 Gb/s của Fujitsu................................................ 82
Bảng III.3: Các đặc điểm chính của hệ thống cáp quang biển Sea-Me-We 3 ................................. 87
Bảng III.4: Các đặc điểm chính của hệ thống cáp quang biển C2CCN .......................................... 91
Bảng IV.1: Dự báo nhu cầu dung lượng truyền dẫn quốc tế ........................................................... 93
Bảng IV.2: Danh mục một số sự cố cáp biển ở khu vực tuyến cáp dự kiến ................................... 102
Bảng IV.3: Danh mục vị trí tuyến dự kiến cho tuyến cáp biển Việt nam - Hồng kông ................. 104
Bảng IV.4: Các thông số yêu cầu đối với trạm lặp ........................................................................ 111
Bảng IV.5: Bảng các chỉ tiêu cơ khí yêu cầu của cáp biển............................................................ 113

4


CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADM
ASE
ASK

AWG
BBER
BER
BOL
BU
CIT
CWDM
DA
DBF
DEMUX
DFB
DLS
DRA
DWDM
DXC
EFDA
EOL
FEC
FFD-BU
FP
FSK
FWM
GDV
IDF
ITU
LME
LTE
LW
LWP
MUX

NE
NRZ
ODXC
OEIC
OSR
PDG
PDL
PFE

Add/Drop Multiplexing
Amplified Spontaneous Emission
Amplitude Shift Keying
Array Wave Grating
Background Block Error Ratio
Bit Error Ratio
Bigin of Life – BOL
Branching Unit
Craft Interface Terminal
Course Wave Length Multiplexing
Double Amour (cable)
Distributed Bragg Reflecter
Demultiplexing
Distributed Feedback
Digital Line Section – DLS
Distributed Raman Amplifier
Dense Wave Length Multiplexing
Digital Cross Connect
Erbium Doped Fiber Amplifier
End of Life EOL
Forward Error Correction – FEC

Full Fiber Drop BU
Fabry Perot
Frequency Shift Keying
Four-Wave Mixing
Group Velocity Dispersion
Inversion Dispersion Fiber
International Telecommunication
Union
Line Monitoring Equipment
Line Terminal Equipment
Light Weight (cable)
Light Weight Protected (cable)
Multiplexing
Network Element
Non Return to Zero
Optical Digital Cross-Connect
Optic-Electronic Integrated Circuit
Optical Submarine Repeater
Polarization Dependent Gain
Polarization Dependent Loss
Power Feeding Equipment

Ghép kênh xen rẽ
Bức xạ tự phát được khuếch đại
Khoá dịch biên độ
Cách tử AWG
Tỷ số khối lối nghiêm trọng
Tỉ lệ lỗi bit
Bắt đầu đời sống
Bộ rẽ nhánh

Ghép kênh theo bước sóng thô
(cáp) vỏ giáp kép
Phản xạ phân bố Bragg
Giải ghép kênh
Phản hồi phân bố
Phần đường truyền số
Bộ khuếch đại Raman phân bố
Ghép kênh bước sóng mật độ cao
Đấu chéo số
Bộ khuếch đại quang Erbium
Kết thúc đời sống
Bộ sửa lỗi trước
Bộ rẽ nhánh rẽ tồn sợi
Fabry Perot
Khố dịch tần số
Trộn bốn bước sóng
Tán sắc vận tốc nhóm
Sợi tán sắc đảo ngược
Liên minh viễn thông quốc tế
Thiết bị kiểm tra đường truyền
Thiết bị đầu cuối đường truyền
(cáp) trọng lượng nhẹ
(cáp) trọng lượng nhẹ có bảo vệ
Ghép kênh
Phần tử mạng
Khơng trở về khơng
Bộ đấu nối chéo quang
Mạch tích hợp quang điện
Trạm lặp quang dưới biển
Tăng ích phụ thuộc phân cực

Suy hao phụ thuộc phân cực
Thiết bị cấp nguồn

5


PHB
PMD
PSK
RDF
ROV
RZ
SA
SBS
SDH
SESR
SLTE
SNR
SPM
SRS
SSE
SWS
TSE
TTE
VCSEL
WDM
WDM-BU
WGR
XPM


Polarization Hole Burning
Polarization Mode Dispersion
Phase Shift Keying
Reverse Dispersion Fiber
Remote Operation Vehicle
Return to Zero
Single Armour (cable)
Stimulated Brillouin Scaterring
Synchronous Digital Hiararchy
Severely Error Second Ratio
Submarine Terminal Equipment
Signal to Noise ratio
Self-Phase Modulation
Stimulated Raman Scattering
System Surveillance Equipment
Single Wavelength System
Terminal Stattion Equipment
Transmission Terminal Equipment
Vertical Cavity Surface-emitting
Laser
Wave Length Multiplexing
Wavelength Division Mulitplexing
Branching Unit
Wavelength Grating Router
Cross-Phase Modulation

Cháy lỗ phân cực
Tán sắc Mode phân cực
Khoá dịch pha
Sợi tán sắc ngược

Máy hoạt động từ xa
Trở về không
(cáp) vỏ giáp đơn
Tán xạ Brillouin kích thích
Phân cấp số đồng bộ
Tỷ số giây lỗi nghiêm trọng
Thiết bị đầu cuối tuyến cáp biển
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
Điều chế tự dịch pha
Tán xạ Raman kích thích
Thiết bị giám sát hệ thống
Hệ thống một bước sóng
Thiết bị đầu cuối trạm cáp
Thiết bị đầu cuối truyền dẫn
laser phát mặt có hốc theo chiều
đứng
Ghép kênh theo bước sóng
Bộ rẽ nhánh WDM
Bộ định tuyến cách tử dẫn sóng
Điều chế pha chéo

6


MỞ ĐẦU
Viễn thông - tin học ngày nay đang phát triển hết sức mạnh mẽ ở hầu hết các
quốc gia trên thế giới, và đã tạo nên nền tảng, động lực cho sự phát triển của nền
kinh tế xã hội, một xã hội tri thức. Ở Việt nam, kể từ công cuộc đổi mới đất nước
đến nay, ngành viễn thông đã phát triển vượt bậc theo xu hướng hiện đại hoá, đáp
ứng các nhu cầu phát triển của nền kinh tế. Một cơ sở hạ tầng viễn thông hiện đại đã

được thiết lập với những hệ thống truyền dẫn cáp quang, vi ba trải dài khắp nước,
vươn ra quốc tế. Các hệ thống truyền dẫn quang với những ưu việt vượt trội về băng
thông, cự ly và chất lượng ngày càng trở nên là phương thức truyền dẫn chủ yếu kể
cả trong các mạng nội bộ, mạng nội hạt, mạng đường trục trong nước và đường trục
quốc tế, cho phép truyền tải các loại hình dịch vụ viễn thơng phong phú như điện
thoại, data, Internet, multimedia…
Với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ, ngày nay năng lực của một hệ
thống truyền dẫn quang là rất lớn. Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM) cho
phép dung lượng truyền dẫn lên tới hàng Tbps. Các hệ thống truyền dẫn quang
WDM được ứng dụng rộng rãi trong các mạng metro cũng như các mạng đường
trục. Ở Việt nam, WDM đã được ứng dụng trong tuyến đường trục Bắc – Nam với
dung lượng 20Gbps. Hiện nay dự án cáp quang biển nội địa sử dụng công nghệ
cũng đang trong kế hoạch triển khai xây dựng.
Các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng
WDM đang được ứng dụng rộng rãi trong các tuyến cáp quang biển đường trục
quốc tế. Trong những năm gần đây, hàng loạt tuyến cáp quang biển quốc tế quy mô
lớn đã được xây dựng trên các khu vực trên thế giới, đáp ứng đầy đủ các nhu cầu
tăng vọt về dung lượng truyền dẫn quốc tế, đặc biệt cho nhu cầu kết nối Internet và
các ứng dụng băng rộng khác.
Ở Việt nam, mạng lưới viễn thông quốc tế hiện tại bao gồm hai tuyến cáp
quang biển quốc tế cập bờ vào Việt nam là TVH và Sea-Me-We-3, và một tuyến
cáp quang đất liên quốc tế là CSC. Các thông số cơ bản của hai tuyến này được
thống kê ở Bảng 1.
SMW-3

CSC

Điểm kết nối

Việt nam (Vũng Tàu) Hồng kông - Thái lan


TVH

Việt nam (Đà nẵng) - 33
nước Á, Âu từ Nhật - Đức

Dung lượng thiết kế
Năm đưa vào khai thác

560 Mbit/s
1996

2,5 Gb/s x 8λ x 2 fp
1999

Việt nam - Trung quốc
- Lào - Thái lan Malaysia - Singapore
2,5 Gbit/s
2000

Bảng 0.1: Cáp quang biển cập bờ Việt nam

Với sự phát triển có tính bùng nổ của việc sử dụng Internet ở Việt nam, đặc
biệt do chính sách khuyến khích của Nhà nước và việc triển khai thành công truy
nhập băng rộng ADSL, nhu cầu về dung lượng truyền dẫn quốc tế là rất lớn và phát

7


Mở đầu


triển ngày càng bùng nổ. Có thể dễ dàng nhận thấy rằng hai tuyến cáp biển hiện có
khơng thể đáp ứng nhu cầu dung lượng quốc tế trong những năm tới xét cả về dung
lượng, điểm kết nối, tính an tồn mạng lưới. Ngồi ra, cịn phải kể tới vấn đề hết
sức quang trọng nữa là yếu tố kinh tế. Bởi vậy, việc xây dựng tuyến cáp quang biển
mới hiện đại, dung lượng cao và an toàn để kết nố i Việt nam ra thế giới là điều hết
sức cần thiết và cấp bách.
Nghiên cứu về các hệ thống thông tin cáp biển là một lĩnh vực khá mới mẻ,
mặc dù thơng tin cáp quang biển đã có lịch sử phát triển hàng trăm năm. Đề tài này
trình bày một cách tổng quan những vấn đề kỹ thuật và công nghệ liên quan của hệ
thống thông tin cáp quang biển dung lượng WDM khoảng cách xa. Trên cơ sở
những thành tựu và xu hướng kỹ thuật và công nghệ mới nhất, đề tài nghiên cứu và
đề xuất những yêu cầu thiết kế hệ thống, các yêu cầu kỹ thuật cơ bản cho Tuyến cáp
quang biển Việt nam - Hồng kông, một hệ thống truyền dẫn quốc tế cần thiết phải
xây dựng trong tương lai. Đây sẽ là một tuyến cáp quang biển sử dụng cơng nghệ
WDM có dung lượng cao, hiện đại và được thiết kế với những tính năng kỹ thuật có
hiệu quả kinh tế cao.
Có thể nói, thông tin cáp quang biển ngày nay được xây dựng và phát triển
dựa trên các thành tựu của công nghệ thông tin quang, đặc biệt là các tuyến truyền
dẫn đường trục khoảng cách xa. Hình 0-1 dưới đây mơ tả cấu hình tổng qt của
một hệ thống thơng tin cáp quang bin.
Phần mặt đất

Phần chìm dới biển

Bộ lặp
TTE
O

CTE


Rx

S
B

A

SSE

Bộ lặp

Tx
D

Phần mặt ®Êt

Rx
A

A

Tx

BU

Bé lỈp

CTE


Bé lỈp

TTE

D
B

A

PFE

SSE

CTE

TTE

PFE
Bé lỈp

CJ
A

B

TTE:
CTE:
SSE:
PFE:
BU:

DLS:
CJ:

Terminal Transmission Equipment
Cable Terminating Equipment
System Surveillance Equipment
Power Feeding Equipment
Branching Unit (Bộ rẽ nhánh)
Digital Line Section
Cable jointing box (Hộp nối cáp)
PFE

SSE

Hình 0-1: Cấu hình tổng quát hệ thống thông tin cáp quang biển

8


Mở đầu

Hệ thống cáp quang biển bao gồm các thiết bị trạm đầu cuối được kết nối v ới
nhau thông qua tuyến cáp quang thả dưới biển. Do khoảng cách giữa các thiết bị
đầu cuối trong thông tin cáp quang biển là rất xa (hàng ngàn km), nên tín hiệu
quang truyền trong cáp biển được chuyển tiếp nhờ các trạm lặp được cấp nguồn từ
xa. Do đó, cịn gọi là hệ thống cáp quang biển có trạm lặp. Đây là hướng nghiên cứu
chính của đề tài, phù hợp với các tuyến cáp quang biển quốc tế khoảng cách xa.
Ngoài ra, cịn có hệ thống cáp quang biển khơng trạm lặp, mà khoảng cách giữa hai
thiết bị đầu cuối không vượt quá 350 – 400 km; loại này phù hợp để thiết lập hệ
thống truyền dẫn nội địa dọc bờ biển (Festun).

Nội dung luận văn gồm 4 chương:
Chương I giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin ghép kênh theo bước
sóng WDM. Ở đây trình bày một cách cơ bản nguyên lý ghép kênh WDM, các
thông số cơ bản của hệ thống WDM, các thiết bị thành phần của hệ thống WDM,
trong đó có giới thiệu về cáp sợi quang, các bộ ghép/giải ghép và bộ khuếch đại
EDFA. Chương này chú trọng phân tích những vấn đề ảnh hưởng đến thiết kế hệ
thống như số kênh bước sóng, quỹ cơng suất, vấn đề tán sắc, xuyên kênh và nhất là
các hiệu ứng phi tuyến. Ở chương này, cũng phân tích thêm các vấn đề kỹ thuật ảnh
hưởng đến việc phát triển hệ thống thông tin quang WDM dung lượng cao, đường
trục khoảng cách dài. Đây là những tiền đề cho việc xem xét tiếp theo ở những
chương sau về hệ thống cáp quang biển.
Chương II giới thiệu về hệ thống thông tin cáp quang biển WDM. Ở đây giới
thiệu vắn tắt về q trình phát triển của thơng tin cáp quang biển, trình bày những
đặc tính cơ bản và cấu hình tổng quát của hệ thống cáp quang biển. Chương này
phân tích kỹ về các thành phần thiết bị chính của hệ thống cáp quang biển như thiết
bị trạm đầu cuối, trạm lặp, cáp quang biển, bộ rẽ nhánh… Cuối chương có tổng hợp
những phát triển cơng nghệ mới nhất và xu hướng phát triển của các hệ thống cáp
quang biển trên thế giới.
Chương III giới thiệu một số thiết bị chính của các hãng cung cấp trên thế
giới, trong đó có thiết bị của Alcatel, Tyco và Fujitsu. Chương này cũng giới thiệu
những thông tin cơ bản về hai thệ thống cáp quang biển đáng quan tâm đó là hệ
thống Sea-Me-We 3, và hệ thống C2CCN. Những thông tin giới thiệu ở chương này
chủ yếu nhằm mục đích tham khảo, tuy nhiên qua đó cũng có thể thấy các vấn đề kỹ
thuật nêu lên đã được các nhà cung cấp giải quyết như thế nào.
Chương IV phân tích và đưa ra đề xuất về thiết k ế hệ thống, về l ựa chọn các
yêu cầu kỹ thuật cho Tuyến cáp quang biển Việt nam - Hồng kông. Qua việc phân
tích nhu cầu dung lượng truyền dẫn quốc tế của Việt nam, phân tích các yếu tố kỹ
thuật khác nhau để đề ra các yêu cầu hệ thống như dung lượng thiết kế, dung lượng
ban đầu, địa điểm, lựa chọn cơng nghệ và cấu hình hệ thống. Chương này cũng đưa
ra đề xuất về các yêu cầu kỹ thuật cho việc lựa chọn hướng tuyến, yêu cầu về chỉ

tiêu chất lượng hệ thống, chỉ tiêu kỹ thuật cho thiết bị trạm cáp, cáp quang biển và
các thiết bị phần chìm… Đây là phần chính và là kết quả nghiên cứu của đề tài.

9


Mở đầu

Đề tài “Nghiên cứu các hệ thống cáp quang biển WDM và ứng dụng xây
dựng yêu cầu kỹ thuật cho Tuyến cáp biển Việt nam - Hồng kơng” có ý nghĩa thực
tiễn cao vì nó có thể là tài liệu tham khảo có ích trong việc lập kế hoạch và triển
khai xây dựng hệ thống cáp quang biển quốc tế mới trong tương lai ở Việt nam.
Để hoàn thành luận án tốt nghiệp này, tôi đã được sự giúp đỡ chu đáo củ a
Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà nội. Tôi xin chân thành
cảm ơn sự hướng dẫn, sửa đổi tận tình và những ý kiến đóng góp của Tiến sỹ Phạm
Cơng Hùng để tơi hồn thành bản luận văn này.

10


Chương I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SĨNG WDM
Như đã nói ở chương mở đầu, nội dung của đề tài này là nghiên cứu hệ thống
thông tin cáp quang biển ứng dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM và
đề xuất về các yêu cầu kỹ thuật cho việc xây dựng một tuyến cáp quang biển nối
Việt nam - Hồng kông. Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng là một phần cơ bản
trong các hệ thống cáp quang biển hiện đại ngày nay. Chương này nghiên cứu
nguyên lý ghép kênh theo bước sóng, các công nghệ mới nhất, các tiêu chuẩn kỹ
thuật đang được ứng dụng trong hệ thống thông tin quang ghép kênh WDM.
I.1.


Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang WDM

Trong các hệ thống thơng tin quang thơng thường, luồng tín hiệu quang được
truyền theo một hướng trên một sợi quang, và chiều ngược lại trên sợi quang thứ
hai. Hệ thống như vậy gọi là hệ thống đơn kênh quang. Để nâng cao dung lượng
truyền dẫn, ngày nay người ta sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang. Hệ thống sử dụng
kỹ thuật này cùng một lúc truyền nhiều tín hiệu quang trên một sợi quang, nên gọi
là hệ thống thông tin quang nhiều kênh. Kỹ thuật ghép kênh quang tận dụng được
phổ hẹp của laser, phát huy khả năng sử dụng băng tần rất lớn của sợi quang đơn
mốt.
Phương thức ghép kênh quang phổ biến ngày nay là ghép kênh theo bước
sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing). ITU-T đã phân loại thành hai
loại:
- Hệ thống ghép kênh thô CWDM (Coarse Wavelength Division
Multiplexing), có bước kênh rộng hơn (> 1000 GHz), sử dụng các linh kiện quang
giá rẻ như laser có độ sai lệch bước sóng lớn, bộ lọc băng rộng… và có thể ứng
dụng phù hợp trong các hệ thống có nhu cầu dung lượng không quá cao trong mạng
truyền tải cũng như mạng metro;
- Hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division
Multiplexing), có bước kênh hẹp hơn (< 1000 GHz), chỉ tiêu linh kiện quang đòi hỏi
cao hơn và thường được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn có dung lượng rất
cao như các tuyến đường trục, cáp biển quốc tế.
I.1.1. Nguyên lý ghép kênh
Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi sợi quang
sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu.
Nguồn phát quang sẽ mang tín hiệu và ghép vào sợi quang xác định riêng biệt, 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. Kỹ thuật ghép kênh theo bước
sóng WDM sẽ cho phép tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit đường

11


Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin nhiều kênh WDM

truyền và cũng khơng dùng thêm sợi quang; nó thực hiện truyền các luồng ánh sáng
với các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang. Lý do là ở chỗ, các nguồn
phát quang có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống thông tin thông thường chỉ sử
dụng phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi quang sẵn có.
Hình I.1 mơ tả các cửa sổ truyền dẫn suy hao thấp của sợi quang nằm ở các
vùng 0,85 µm, 1,3 µm và 1,55 µm. Về lý thuyết, có thể truyền một dung lượng
khổng lồ trên một sợi quang từ nhiều nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng
cách nhau một khoảng hợp lý. Tại đầu thu có thể thực hiện thu các tín hiệu quang
riêng biệt nhờ q trình lọc các bước sóng khác nhau này. Do có mức suy hao thấp,
vùng bước sóng 1,55 µm được sử dụng rộng rãi trong ghép kênh WDM.

Hình I-1. Các vùng bước sóng có suy hao sợi nhỏ cho phép truyền nhiều bước sóng

Nguyên lý cơ bản của ghép kênh bước sóng quang có thể minh hoạ ở Hình
I.2. Giả sử hệ thống thiết bị phía phát có các nguồn phát quang làm việc ở các bước
sóng khác nhau λ1, λ2, λ3, …, λj, …, λn. Các tín hiệu quạng được phát ra ở các bước
sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang nhờ bộ ghép kênh quang
(MUX). Các bộ tách sóng quang khác nhau ở đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu
với các bước sóng riêng rẽ này sau khi qua bộ giải kênh ghép bước sóng (DEMUX).
I1 (λ1)

In (λn)

O(λ1 …λn)


O1(λ1)

I(λ1…λn )

MUX

DEMUX
Sợi quang

On(λn)

Hình I-2. Mơ tả q trình ghép và giải ghép WDM

12


Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin nhiều kênh WDM

Hình I.3 mơ tả hệ thống truyền dẫn ghép bước sóng quang WDM theo hai
chiều. Với phương án này, cần phải sử dụng hai sợi quang để thực hiện hệ thống
thông tin hai chiều.
Ch 1
Ch 1’

Ch 2
Ch 2’

Tx1
Rx’1


Tx2
Rx’2

λ1

λ1

λ ’1

λ2
λ’2

λ ’1

Thiết bị
WDM
MUX/
DEMUX

Đôi sợi quang

Thiết bị
WDM
MUX/
DEMUX

λ2
λ ’2

Rx1

Tx’ 1

Rx2
Tx’ 2

Ch 1
Ch 1 ’

Ch 2
Ch 2 ’

λ1, λ 2, … λn
Ch n
Ch n’

Txn
Rx’ n

λn

λ ’ 1, λ’2, … λ’n

λ ’n

λn
λ ’n

Ch n
Txn
Ch n ’

’

Tx n

Hình I-3. Hệ thống ghép kênh theo bước sóng điểm - điểm

I.1.2. Các thông số cơ bản của thành phần thiết bị WDM
Các thông số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép - giải ghép
(MUX/DEMUX) hỗn hợp là: suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh. Các ký
hiệu I(λ i) và O(λk ) tương ứng là các tín hiệu đã được ghép đang cso mặt ở đường
chung. Ký hiệu Ik (λk) là tín hiệu đầu vào được ghép vào cửa thứ k. Ký hiệu Oi (λi) là
tín hiệu có bước sóng λ i đã được giải ghép và đi ra ở cửa thứ i.
1) Suy hao xen:
Suy hao được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền
dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép bước sóng WDM. Suy hao này bao
gồm suy hao do điểm ghép nối với các thiết bị WDM với sợi quang và suy hao bản
thân các thiết bị ghép gây nên. Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyến phải tính
cho vài dB ở mỗi đầu. Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các
bộ ghép coupler chung, nhưng cần lưu ý ở WDM là xét cho một bước sóng đặc
trưng:

13


Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin nhiều kênh WDM

Li = −10 log

O (λi )
đối với thiết bị MUX

Ii(λ i)

(1-1)

Li = −10 log

Oi (λi )
đối với thiết bị DEMUX
I ( λi)

(1-2)

với Li là suy hao tại bước sóng λi khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền
dẫn. Các tham số này luôn phải được các nhà chế tạo cho biết đối v ới từng kênh
quang của thiết bị.
2) Xun kênh
Xun kênh mơ tả một lượng tín hiệu từ kênh này bị rò sang kênh khác. Các
mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc vào trường hợp áp dụng,
nhưng nhìn chung phải đảm bảo nhỏ hơn -30 dB trong mọi trường hợp. Trong thực
tế ln tồn tại một mức xun kênh nào đó, và điều đó làm suy giảm chất lượng
truyền dẫn của hệ thống. Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng
suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB:
Di( λk ) = −10 log

U i ( λk )
I ( λk )

(1-3)

Ui ( λk ) là lượng tín hiệu khơng mong muốn ở bước sóng Lk do có rị tín hiệu

ở cửa ra thứ i, mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng Li. Khi tạo ra các sản phẩm,
các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị.

Xuyên kênh thường xuất hiện do các nguyên nhân sau: do đặc tính của bộ
lọc tạo ra thiết bị ghép khơng hoàn thiện, do phổ của các nguồn phát chồng lấn sang
nhau, do các hiệu ứng phi tuyến nhất là đối với trường hợp cơng suất các kênh bước
sóng lớn.
3) Độ rộng kênh
Độ rộng kênh là dải sóng dành cho mỗi kênh mà nó định ra cho từng nguồn
phát quang riêng. Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì các độ rộng kênh yêu
cầu vào khoảng vài chục nanomet để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự
bất ổn định của các nguồn phát gây ra. Đối với nguồn phát quang là diode LED, yêu
cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi vì độ rộng phổ của loại nguồn phát
này rộng hơn. Như vậy, để tránh nhiễu độ rộng kênh phải đảm bảo đủ lớn, vì thế nó
được xác định tuỳ theo loại nguồn phát.
I.2.

Các thành phần thiết bị WDM

Các thành phần thiết bị của h ệ thống thông tin quang WDM bao gồm nhiều
chủng loại như:
-

Nguồn phát quang và bộ thu quang;

-

Cáp sợi quang;

14



Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin nhiều kênh WDM

-

Thiết bị ghép và giải ghép WDM;

-

Thiết bị ghép xen rẽ OADM;

-

Bộ định tuyến bước sóng;

-

Thiết bị đấu nối chéo quang;

-

Bộ khuếch đại quang…

Các thành phần thiết bị này được chế tạo dựa trên nh ững thành tựu công
nghệ thơng tin quang và tuỳ theo đặc điểm có sự phù hợp khác nhau đối với các hệ
thông tin quang WDM. Dưới đây sẽ xem xét một cách cơ bản các thiết bị chủ yếu
với những đặc điểm công nghệ mới nhất phù hợp ứng dụng cho các hệ thống thơng
tin quang WDM hiện đại.
I.2.1. Sợi quang

Chức năng chính của sợi quang là dẫn sóng ánh sáng đi xa với mức suy hao
nhỏ nhất. Sóng ánh sáng được truyền đi trong sợi quang dựa trên nguyên lý cơ bản
phản xạ ánh sáng toàn phần bên trong, với sợi quang là một sợi thuỷ tinh gồm hai
lớp (core và cladding) có chiết suất khác nhau.
Ngày nay sử dụng chính hai loại sợi quang là sợi đa mode và sợi đơn mode.
Sợi đơn mode có core nhỏ hơn và chỉ cho một mode ánh sáng đi qua. Do đó, độ
trung thực của tín hiệu tốt hơn trong khoảng cách lớn và giảm hẳn tán xạ mode.
Điều này làm cho sợi đơn mode có dung lượng băng thơng lớn hơn sợi đa mode. Do
có khả năng truyền tải thơng tin cực lớn và suy hao thấp, sợi quang đơn mode được
dùng chủ yếu trong thông tin đường dài và dung lượng lớn, kể cả DWDM.
Việc thiết kế sợi quang đơn mode đã được phát triển mấy chục năm gần đây.
Hiện nay, ITU-T đã xây dựng chỉ tiêu cho ba loại sợi quang đơn mode là:
- Sợi không dịch chuyển tán sắc – Non-Dispersion-Shifted Fiber (NDSF),
ITU-T G.652: hay còn gọi là sợi đơn mode chuẩn, được thiết kế để sử dụng ở cửa sổ
thứ hai gần 1310 nm, với tán sắc mầu gần như bằng khơng ở bước sóng này.
- Sợi dịch chuyển tán sắc – Dispersion-Shifted Fiber (DSF), ITU-T G.653:
điểm tán sắc không được dịch chuy ển đến cửa sổ 1550 nm (băng C). Ở đây sợi
quang có suy hao thấp hơn nhiều, và hợp với tần số làm việc của bộ khuêch đại
EDFA. Tuy nhiên do ảnh hưởng của hiệu ứ ng phi tuyến gần đ iểm dịch chuyển
không nên loại sợi này không phù hợp sử dụng cho DWDM.
- Sợi dịch chuyển tán sắc khác không – Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber
(NZ-DSF), ITU-T G.655: loại sợi này có mức tán sắc thấp ở vùng 1550 nm, nhưng
khơng về khơng nên có thể khăc phục các hiệu ứng phi tuyến như hiệu ứng bốn
bước sóng FWM. Do đó, loại sợi quang này được sử dụng cho DWDM.
Bảng I.1 dưới đây thống kê các tham số củ a các sợi quang đơn mode theo
khuyến nghị của ITU-T.

15



Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin nhiều kênh WDM

Các tham số

Đơn vị

Đường kính trường mode
tại 155 nm

µm

Đường kính vỏ phản xạ
Sai số đồng tâm trường
mode tại 1550 nm
trường mode
Tính
khơng
trịn đều Vỏ phản xạ
Bước sóng cắt (chưa được
bọc thành cáp)
Bước sóng cắt đã được
bọc thành cáp
Suy hao do uốn cong 100
vịng với bán kính uốn
cong 37,5 mm tại 1550 nm
Hệ số suy hao tại vùng
bước sóng 1300 nm
Hệ số suy hao tại vùng
bước sóng 1550 nm
Bước sóng có tán sắc bằng

khơng
Giá trị tán sắc bằng khơng

µm

G.652
Giá trị
Sai số
chuẩn
9-10
(1300
nm)
125

G.653
Giá trị
Sai số
chuẩn

G.655
Giá trị
Sai số
chuẩn

±10%

7-8,3

±10%


8-11

±10%

±3

125

±3

125

±3

µm

≤1

≤1

≤1

%

Đủ nhỏ để khơng
gây ảnh hưởng
<2

Đủ nhỏ để không
gây ảnh hưởng

<2

Đủ nhỏ để không
gây ảnh hưởng
<2

nm

> 1100, < 1280

Đang nghiên cứu

Đang nghiên cứu

nm

< 1270

< 1270

< 1480

dB

<1

≤ 0,5

≤ 0,5


dB/km

< 0,50

< 0,55

-

dB/km

< 0,3

< 0,35

< 0,35

nm

≥ 1295
≥ 1332

≥ 1500
≥ 1600

-

ps/
(km.nm)

0,1 ps/km.nm


Vùng λ = 1285 ÷ 1330 nm

≤ 3,5

Vùng λ = 1270 ÷ 1340 nm

≤ 6,0

Vùng λ = 1525 ÷ 1575 nm
Tán sắc vùng phân cực
mode

≤ 20

≤ 3,5

-

-

ps/km

≤ 20

≤Dmin≤Dmax ≤6,0
Và 1530
≤λmin≤λ max≤6,0
< 0.5


Bảng I.1: Các tham số của một số loại sợi quang đơn mode (theo khuyến nghị của ITU-T
G.652, G.653 và G655)

I.2.2. Thiết bị phát và thu WDM
Thiết bị phát và thu WDM được phát triển nhờ sử dụng công nghệ mạch tích
hợp quang điện OEIC (Optic-Eletronic Integrated Circuit) trên nền InP. Đây là các
thiết bị phát và thu WDM được tích hợp nguyên khối hoạt động ở vùng bước sóng
1550nm với khoảng cách kênh nhỏ hơn hoặc bằng 1nm. Mặt khác, người ta tạo ra
được các mạch ánh sáng planar chế tạo bằng công nghệ silica-on-silicon để phát
triển các bộ phát và thu lai ghép tích hợp. Các phần tử của mạch tích hợp quang
điện OEIC là rất quan trọng cho việc thực hiện công nghệ hệ thông WDM.

16


Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin nhiều kênh WDM

Có nhiều phương thức để tạo ra b ộ phát WDM nguyên khối. Phương thức
thứ nhất là kết hợp đầu ra của một số nguồn laser bán dẫn DFB hoặc DBR, có khả
năng điều chỉnh độc lập qua các cách tử Bragg, bằng các ống dẫn sóng thụ động. Bộ
khch đại sẽ khuếch đại cơng suất của tín hiệu được ghép để tăng công suất phát.
Một phương thức khác là sử dụng các nguồn laser phát mặt có hốc theo chiều
đứng VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) để tạo ra bộ phát WDM có
giá thành tháp trong khi việc ghép mảng laser hai chiều làm trải rộng dải bước sóng.
Một phương thức khác là tổ hợp cách tử vào trong hốc laser để thực hiện
phát tín hiệu tại một số bước sóng. Cách tử sử dụng loại định tuyến cách tử dẫn
sóng WGR.
Các bộ thu WDM nguyên khối thực hiện ghép mảng photodiode với bộ giải
ghép kênh, sử dụng hai phương thức: bộ giải ghép kênh dùng cách tử lõm planar
được ghép với bộ mảng bộ tách sóng quang, và bộ giải ghép dùng WGR tổ hợp với

mảng photodiode.
I.2.3. Bộ khuếch đại quang
1) Nguyên lý hoạt động
Bộ khuếch đại quang dùng để bù lại cơng suất của tín hiệu quang bị suy hao
do truyền dẫn qua sợi quang, nhằm để tăng khoảng cách của tuyến truyền dẫn. Các
đặc tính chủ yếu của bộ khuếch đại quang là độ khuếch đại, băng tần, công suất ra
cực đại, dải động, xuyên kênh…
Bộ khuếch đại quang gồm có hai loại chính: bộ khuếch đại laser quang bán
dẫn và bộ khuếch đại quang sợi. Hiện nay phổ biến sử dụng loại dùng sợi pha tạp
Erbium, viết tắt là EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier).
Bộ khuếch đại EDFA là một đoạn sợi quang khoảng vài mét lõi có cấy các
ion Erbium Er3+ với nồng độ ít hơn 0,1%. Khi có một nguồn photon bơm vào, các
ion Er 3+ này sẽ hấp thụ các photon đó và nhả ra điện tử chuyển mức năng lượng từ
mức cơ bản E1 lên mức kích thích E2. Do tồn tại một mức năng lượng siêu bền E3
ở giữa, nên các điện tử này chuyển xuống mức E3 theo cơ chế phân rã khơng bức
xạ. Sau 10 ns, điện tử được kích thích này rơi trở lại mức E1 và phát xạ ra photon.
Hiện tượng bức xạ bình thường có thể là bức xạ tự phát hoặc bức xạ sẽ xảy ra mạnh
theo cơ chế bức xạ kích thích, tức là do sự có mặt của các photon mang năng lượng
bằng với năng lượng chuyển dịch mức của các điện tử, sẽ kích thích sự phát xạ và
tạo thêm nhiều photon của chùm sáng. Nhờ vậy, tín hiệu được khuếch đại khi đi qua
sợi pha tạp Erbium.
Bộ khuếch đại EDFA gồm coupler, sợi trộn erbium, laser bơm và hai bộ
ngăn cách đặt ở hai đầu của EDFA. Tín hiệu qua sợi quang được nối qua bộ ngăn
cách để loại các ánh sáng phản xạ từ sợi vào. Bộ ngăn cách ở đầu ra của bộ EDFA
ngăn chặn các phản xạ từ sợi ra. Nguồ n sáng laser từ bộ bơ m được ghép trong bộ
EDFA và nó sẽ kích thích sợi erbium để trực tiếp khuếch đại tín hiệu quang đi qua
đó ở bước sóng trong dải 1550 nm.
17



Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin nhiều kênh WDM

Bơm Laser
980/1480nm
EDF

Tín hiệu vào

Tín hiệu khuếch đại ra

Coupler

Isolator

Isolator

Hình I-4: Sơ đồ khối bộ khuếch đại EDFA

2) Khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM
Có 3 ứng dụng chính của EDFA, đó là:
- Khuếch đại cơng suất (Booster Amplifier – BA) là bộ EDFA có cơng suất
bão hồ lớn được sử dụng ngay sau nguồn phát để tăng mức cơng suất tín hiệu. Do
mức cơng suất lớn nên u cầu về lọc tạp âm là không nghiêm ngặt, tuy nhiên có
thể gây nên một số hiệu ứng phi tuyến.
- Tiền khuếch đại (Pre-Amplifier – PA) là bộ EDFA có mức tạp âm rất
thấp, được sử dụng ngay trước bộ thu để tăng độ nhạy thu. Để đạt được mức tạp âm
thấp, người ta sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp.
- Khuếch đại đường truyền (Line Amplifier – LA) là bộ EDFA có mức tạp
âm thấp, được sử dụng trên đường truyền để tăng chiều dài khoảng lặp.
Một trong những hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khu ếch

đại khơng đồng đều, các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ số
khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại đỉnh khuếch đại ở bước sóng 1530 nm. Hơn nữa,
trong trường hợp trên tuyến có sử dụng nhiều bộ EDFA thì sẽ hình thành một đỉnh
khuếch đại tại bước sóng 1558 nm. Như thế, với nhiều bộ EDFA liên tiếp trên
tuyến, dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (từ 35 nm xuống tới dưới 10 nm).
Để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể dùng các phương pháp sau:
- Sử dụng bộ lọc để làm suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại (xung quang
bước sóng 1553, 1558 nm).
- Điều chỉnh mức cơng suất của các bước sóng tại đầu vào sao cho ở đầu
thu mức công suất của các bước sóng là đều nhau.
Mặc dù EDFA có rất nhiều triển vọng và ứng dụng trong mạng thông tin
quang hiện nay, nhưng vẫn chưa đáp ứng được hết các yêu cầu về độ rộng và độ
phẳng của phổ tín hiệu. Nói chung băng thơng của EDFA đạt cỡ 35 nm trong băng
C (1530 đến 1570 nm). Với sự phát triển của công nghệ WDM nên yêu cầu về độ
rông băng ngày càng lớn hơn. Điều đó địi hỏi phải có các bộ EDFA có phổ rộng

18


Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin nhiều kênh WDM

hơn. Sự ra đời của EDFA băng L (1585 – 1610 nm) đã khắc phục rào cản về băng
thông và mở ra một cửa sổ WDM mới. Hình I-5 mô tả phổ quang tại đầu ra của một
tuyến thông tin quang DWDM chiều dài 4000 km sử dụng các bộ khuếch đại EDFA
kết hợp băng tần C (55 kênh bước sóng) và L (45 kênh bước sóng).

Alcatel Telecommunication Review 3th Quarter 2000

Hình I-5: Phổ quang tại đầu ra tuyến WDM sử dụng các bộ EDFA băng C+L


3) Công suất phát của bộ khuếch đại EDFA
Trong khi tăng dung lượng của đường truyền gắn liền với việc tăng băng
thông của EDFA, thì điều cũng rất quan trọng là phải đảm bảo được công suất phát
của EDFA để đảm bảo tỷ số SNR của mỗi kênh và tăng cự ly truyền dẫn (điều này
đặc biệt quan trọng trong các tuyến đường trục hoặc cáp biển). Các hệ thống
DWDM ngày nay có mức công suất phát của EDFA đạt tới 14 dBm (25mW).
I.3.

Các vấn đề thiết kế hệ thống WDM

I.3.1. Vấn đề suy hao và quỹ công suất quang
Trong bất kỳ hệ thống truyền dẫn nào thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo
được tỷ số SNR sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với một mức BER cho
phép. Trước đây, khi chưa có khuếch đại quang, suy hao tín hiệu trên đường truyền
(do suy hao sợi quang, suy hao mối hàn, mối nối…) được bù lại thông qua việc sử
dụng các trạm lặp điện, quá trình này thực hiện tương đối phức tạp. Tuy nhiên, khi
khuếch đại quang ra đời, việc đảm bảo quỹ công suất cho hệ thống khơng cịn khó
khăn nữa, mà vấn đề quan trọng là thiết kế và bố trí các bộ khuếch đại quang sao
cho thích hợp.
I.3.2. Vấn đề tán sắc
Bản chất của tán sắc là sự dãn phổ của xung tín hiệu khi truyền dẫn trên sợi

19


Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin nhiều kênh WDM

quang. Tán sắc tổng cộng bao gồm: tán sắc mode, tán sắc vật liệu và tán sắc ống
dẫn sóng.
Tán sắc mode chỉ tồn tại với sợi quang đa mode, các mode sẽ lan truyền với

các đường đi khác nhau làm cho cự ly truyền dẫn và do đó thời gian lan truyền khác
nhau giữa các mode.
Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng và do sự thay đổi về chỉ số chiết
suất của vật liệu lõi sợi, nên nó làm cho bước sóng phụ thuộc vào vận tốc nhóm.
Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được 80% năng lượng ở trong
lõi, vì vậy còn 20% năng lượng xung lan truyền trong vỏ nhanh hơn lan truyền
trong lõi. Tán sắc này phụ thuộc vào hằng số lan truyền β và β là hàm của a/λ.
Các phương pháp chính có thể sử dụng để giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc
bao gồm: phương pháp làm hẹp độ rộng phổ nguồn tín hiệu và phương pháp bù tán
sắc như :
-

Sử dụng sợi quang G.653 (sợi có mức tán sắc 0 tại cửa sổ 1550 nm);

-

Bù tán sắc bằng phương pháp điều chế tự dịch pha SPM;

-

Bù tán sắc bằng các thành phần bù tán sắc thụ động (bộ kết hợp quay pha
bước sóng và sợi tán sắc âm);

-

Bù tán sắc bằng các thiết bị dịch tần trước (pre-chirp);

-

Bù tán sắc bằng kỹ thuật DST (Dispersion Supported Transmission);


-

Bù tán sắc bằng sợi DCF;

-

Bù tán sắc bằng các module DCM sử dụng cách tử Bragg.

Tuy nhiên, việc sử dụng kỹ thuật WDM cũng có thể coi là một phương pháp
giảm ảnh hưởng của tán sắc. Đó là do sử dụng kỹ thuật WDM cho phép tăng dung
lượng của hệ thống mà không phải tăng tốc độ truyền dẫn của kênh tín hiệu. Do đó,
nếu khơng xảy ra các hiệu ứng phi tuyến làm tăng ảnh hưởng của tán sắc, điển hình
là hiệu ứng XPM, thì giới hạn khoảng cách truyền dẫn do tán sắc gây ra đối với hệ
thống WDM có thể coi giống với hệ thống đơn kênh TDM có tốc độ bằng tốc độ
của một kênh bước sóng trong hệ thống WDM.
Vấn đề tán sắc là một vấn đề ảnh hưởng nghiêm trọng trong hệ thống thông
tin quang khoảng cách dài. Ảnh hưởng của tán sắc càng nghiêm trọng hơn khi tín
hiệu quang được khuếch đại nhiều lần qua các trạm lặp sử dụng các bộ khuếch đại
đưòng truyền (Line Amplifier). Trong hệ thống nhiều kênh WDM ảnh hưởng của
tán sắc không đồng đều giữa các kênh bước sóng (độ dốc tán sắc). Khắc phục tán
sắc là vấn đề cơ bản cần phải giải quyết trong thiết kế các hệ thống thông tin quang
WDM khoảng cách dài. Vấn đề này sẽ được bàn kỹ hơn ở các phần sau.
I.3.3. Vấn đề xuyên kênh
Có thể nói rằng vấn đề quan trọng nhất trong thiết kế hệ thống WDM là

20