LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian cho phép và năng lực bản thân có hạn, Đề tài không tránh
khỏi những thiếu sót nhất định. Em kính mong nhận được ý kiến đóng góp và
xây dựng của thầy cô giáo và các bạn để nội dung đề tài của em được hoàn
chỉnh hơn.
Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo ThS.Trương
Thanh Bình – người đã hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện để em học tập, nghiên
cứu hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong khoa Điện –
Điện tử , Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã tận tình truyền đạt những kiến
thức quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em trong quá trình học
tập nghiên cứu, quá trình hoàn thành đồ án.
Cuối cùng , em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn động
viên, ủng hộ và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án
này.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hải Phòng, ngày tháng 06 năm 2016
Sinh viên
Mai Hữu Minh Vương

1


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất
cứ đồ án luận văn đã có từ trước.Các nội dung, dữ liệu tham khảo đều đã được
trích đẫn đầy đủ.
Người cam đoan
Mai Hữu Minh Vương

2

MỤC LỤC

3


DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
APD
ASE

FWM
GI

Từ đầy đủ
Avanlanche Photodiode
Amplifier Spontaneous
Emission
Bit Error Ratio
Dispersion Compensate
Fiber
Dispersion Compensate Unit
Demultiplexer
Dispersion Division
Multiplexer
Dense Wavelenght Division
Multiplexing
Erbium Doped Fiber
Amplifier

Four Ware Mixing
Graded Index

ISI

InterSymbol Interference

ITU

International
Telecommunication Union
Local Area Network
Laser Diode
Light Emitting Diode
Metropolitan area network
Mutil Mode
Multiplexer
Non-zero Dispersion-Shift
Fiber
Optical Amplifier
Optical Add/Drop
Multiplexer
Optical Booster Amplifier
Optical Fiber Amplifier

BER
DCF
DCU
DEMUX
DFS

DWDM
EDFA

LAN
LD
LED
MAN
MM
MUX
NZ-DSF
OA
OADM
OBA
OFA

4

Tiếng việt
Diode tách sóng quang thác
Nhiễu tự phát được khuếch
đại
Tỷ số lỗi bit
Sợi bù tán sắc
Khối bù tán sắc
Thiết bị tách kênh
Sợi dịch chuyển tán sắc
Ghép kênh quang theo
bước sóng với mật độ dày
Khuếch đại quang sợi có
pha tạp Erbium

Hiệu ứng trộn 4 bước sóng
Chỉ số Gradient(chiết suất
biến đổi
Giao thoa giữa các ký tự
gần nhau
Ủy ban viễn thông quốc tế
Mạng nội hạt
Diode Laser
Diod phát quang
Mạng đô thị
Sợi đa mode
Thiết bị ghép kênh
Sợi dịch tán sắc không trở
về 0
Bộ khuếch đại quang
Bộ ghép kênh xen/rớt
Bộ khuếch đại công suất
Bộ khuếch đại quang sợi


OFDM
OLA
OLT
OPA
OSC
OSNR
OTDM
OTU
OXC
PIN

PMD
SBS
SDH
SI
SMF
SNR
SOA
SONET
SPM
SRS

Optical Frequency Division
Multiplexing
Optical Line Amplifier
Optical Line Terminator
Optical Pre-Amplifier
Optical Supervise Channel
Optical Signal to Noise Ratio
Optical Time Division
Multiplexing
Optical Transponder Unit
Optical Cross Connect
Positive Intrinsic Negative
Polarization Mode
Dispersion
Stimulatted Brilouin
Scattering
Synchronous Digital
Hierarchy
Sep Index

Single Mode Fiber
Signal to Noise Ratio
Optical Semiconductor
Amplifier
Synchronous Optical
Networrk
Self Phase Modulation
Stiumulatted Raman
Scattering

5

Ghép kênh quang theo tần
số
Khuếch đại đường quang
Thiết bị đầu cuối quang
Tiền khuếch đại
Kênh giám sát
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
quang
Ghép kênh quang theo thời
gian
Khối phát đáp quang
Bộ kết nối chéo quang
Cấu trúc PIN
Tán sắc mode phân cực
Tán xạ Brilouin kích thích
Phân cấp số đồng bộ
Chỉ số chiết suất phân bực
Sợi đơn mode

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
Khuếch đại quang bán dẫn
Mạng quang đồng bộ
Hiệu ứng tự điều pha
Tán xạ raman kích thích


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Độ rộng phổ của kênh
Bảng 2.1: So sánh giữa các cấu trúc cho OADM
Bảng 2.2: So sánh giữa các cấu hình OXC
Bảng 3.1: Các tham số để tính toán thiết kế cấu hình tuyến 10Gbps

6


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng
Hình 1.2: Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX)
Hình 1.3: Hệ thống ghép bước sóng quang đơn hướng
Hình 1.4: Hệ thống ghép bước sóng quang song hướng.
Hình 1.5: Sự phân chia dải bước sóng làm việc tại cửa sổ 1550 nm
Hình 2.1: Nguyên lý của bộ thu phát quang OTU
Hình 2.2: Vị trí của bộ chuyển đổi bước sóng OTU trong hệ thống
Hình 2.3: Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc
Hình 2.4: Bộ tách 2 kênh dùng thấu kính phẳng và bộ lọc
Hình 2.5: Bộ tách 2 kênh dùng bộ lọc và lăng kính Grin
Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của bộ lọc nhiều bước sóng
Hình 2.7 Bộ tách Littrow: a) Bộ tách bước sóng dùng thấu kính hội tụ, b) Bộ
tách bước sóng dùng thấu kính Grin

Hình 2.8: a) Phương pháp ghép xoắn sợi; b) Phương pháp mài ghép sợi
Hình 2.9 : Cấu trúc của một trạm lặp quang điện
Hình 2.10: Giản đồ năng lượng của Erbium
Hình 2.11: Cấu trúc một EDFA đơn tầng
Hình 2.12: Vai trò của OADM trong mạng
Hình 2.13: Các kiến trúc khác nhau cho OADM.
Hình 2.14: Sơ đồ tán sắc khi sử dụng khối bù tán sắc
Hình 2.15: OXC với ma trận chuyển mạch NxN
Hình 2.16 Bộ kết nối chéo chuyển mạch không gian
Hình 2.17 Các kiểu triển khai OXC khác nhau.
Hình 3.1: Cấu hình một hệ thống thông tin quang tiêu biểu
Hình 3.2:Kiểu bảo vệ 1+1 trên lớp SDH
Hình 3.3: Kiểu bảo vệ 1: N trong hệ thống DWDM

7


LỜI NÓI ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài:
Hiện nay sự phát triển của các dịch vụ thông tin, đặc biệt là của Word
Wide Web và Internet, điều này đòi hỏi dung lượng mạng lớn. Trong khi đó
mạng hiện tại khó đáp ứng đươc. Chính vì thế yêu cầu cần có một mạng
truyền dẫn dung lượng lớn. Công nghệ DWDM(Dense Wavelenght Division
Multiplexing)-ghép kênh theo bước sóng quang dày đặc ra đời. Đây là giải
pháp hiệu quả tận dụng băng thông của sợi quang tốt hơn,giúp nâng dung
lượng của hệ thống lên đến hàng trăm Gbps đồng thời giảm giá thành cho sản
phẩm.
•

Kết cấu của đề tài:

Chương 1. Công nghệ DWDM

Chương này tìm hiểu sơ lược về nguyên lý ghép bước sóng quang,các tham số
cơ bản cũng như ưu điểm và hạn chế của hệ thống DWDM.
Chương 2. Các thành phần cơ bản của mạng DWDM
Chương này trình bày các thành phần cơ bản được sử dụng trong mạng DWDM.
Chương 3.Các yếu tố ảnh hưởng đến yêu cầu kỹ thuật của mạng
DWDM
Chương này trình bày các yếu tố ảnh hưởng đến mạng DWDM và một số cơ chế
bảo vệ trong mạng DWDM.

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ DWDM
1.1. Kỹ thuật ghép bước sóng quang
Ghép kênh quang ra đời nhằm mục đích tận dụng tốt hơn băng tần của sợi
8


Ik(k)

Ok(k) tăng dung lượng kênh, xây dựng các tuyến truyền dẫn tốc độ cao mà các
quang,

hệ thống ghép kênh điện không đáp ứng được. Các kỹ thuật ghép kênh quang cơ
bản được sử dụng là: Ghép kênh quang theo bước sóng (WDM- Wavelenght
Division Multiplexing); ghép kênh quang theo thời gian (OTDM- Optical Time
Division Multiplexing) và ghép kênh quang theo tần số (OFDM- Optical
Sợi dẫn quang

Frequency Division Multiplexing).


Công nghệ WDM sau này được gọi là DWDM (Dense Wavelenght
Các tín hiệu được ghép

Division Multiplexing). Bước sóng được sử dụng trong DWDM nằm trong
khoảng 1550nm. DWDM cho phép chế tạo phần tử và hệ thống với 80 kênh và
khoảng cách rất nhỏ 0,5nm.

Các tín hiệu được giải ghép

1.2. Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang.
Nguyên lý cơ bản được mô tả như hình 1.1
I1(1)

O1(1)
Sợi dẫn quang

MUX

In(n)

O (1…n)

DEMUX
I(1…n)

On(n)

Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng
Hệ thống WDM là một hệ thống ghép m bước sóng 1….m , phía phát sử
dụng nguồn quang bằng LD hoặc LED. Mỗi nguồn quang có bước sóng riêng.

Các tín hiệu sử dụng bước sóng khác nhau sẽ được ghép vào chung và được
ghép với nhau nhờ bộ ghép kênh (MUX: multiplex) ở bên phát. MUX cần có
suy hao nhỏ,các tín hiệu sau bộ MUX sẽ truyền dọc theo sợi. Ở phía thu sử dụng
các bộ DEMUX:Demultiplex(tách sóng quang) thu lại các luồng tín hiệu này rồi
tách riêng rẽ từng bước sóng. Mỗi bước sóng được đưa vào một diode tách
quang để tách luồng tín hiệu.Có 3 loại thiết bị ghép quang: Bộ giải ghép,bộ
ghép và bộ giải ghép hỗn hợp.

9


Hình 1.2: Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX)
Các phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang WDM
+ Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang đơn hướng
Là tất cả các kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo một chiều, ở
đầu phát mang các tín hiệu có bước sóng khác nhau đã được điều chế λ 1,λ2,…,λn
thông qua các bộ ghép kênh đã tổ hợp lại với nhau và truyền dẫn một chiều trên
một sợi quang. Ở đầu thu, sử dụng các bộ tách kênh có nguyên lý ngược lại phía
phát.
1
Bộ khuếch đại sợi quang
Máy thu quang
1 Máy phát quang
o
o
Bộ ghép kênh
Bộ tách kênh
.
Máy thu quang
Máy phát quang

n
.
1 2…n
1
Máy
phát quang
Máy
thu
quang
Bộ khuếch đại sợi quang
1
n
oBộ ghép kênh
Bộ tách kênho
. Máy thu quang
Máy phát quang
n
.
n
1 2…n
Hình 1.3: Hệ thống ghép bước sóng quang đơn hướng
n

1
.
.
1
n
.
.

n

+ Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang song hướng:
Nghĩa là có thể phát thông tin theo một hướng theo bước sóng λ1 và đồng
n
thời cũng phát thông tin theo hướng ngược lại tại bước sóng λ2. Bên phát, đòi
hỏi các bộ ghép kênh có suy hao nhỏ. Bên thu, đòi hỏi độ nhạy của các bộ tách
sóng với các bước sóng trong dải sóng quang .
1
1 Máy phát quang
.

1 2…n

Máy thu quang 1

Bộ khuếch đại sợi quang
Máy thu quang
Máy phát quang Bộ ghép/tách kênh
o
Bộoghép/tách kênh
1+1
n
.
Máy phát quang
1 Máy thu quang
n
n
1+1
2+2…2n

10
. Máy thu quang
Máy phát quang
2n
.

.
.
1
n
.
.


n
n

Hình 1.4: Hệ thống ghép bước sóng quang song hướng.
Ta xét đến những ưu, nhược điểm của hai hệ thống này : Giả sử trên một sợi
quang chỉ cho phép truyền M bước sóng, so sánh giữa hai công nghệ này ta có
những nhận xét sau:
•

Dung lượng : Hệ thống song hướng có dung lượng thấp hơn hệ thống

•

đơn hướng cỡ 1/2
Trường hợp đứt cáp : Hệ thống song hướng có khả năng nhận diện
được sự cố tức thời mà không cần cơ chế chuyển mạch tự động APS


•

(AutomaticProtection-Switching).
Về thiết kế mạng: hệ thống đơn hướng dễ thiết kế hơn. Ở hệ thống
song hướng các bộ khuếch đại thường phúc tạp hơn.

Các tham số cơ bản của ghép kênh quang theo bước sóng để miêu tả đặc tính
các bộ ghép tách hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh
•

Suy hao xen:
Là suy hao về công suất tại điểm ghép nối sợi và thiết bị WDM cũng như

giữa các thiết bị ghép. Chính vì vậy trên thực tế thiết kế người ta phải tính cho
vài dB ở mỗi đầu. Công thức suy hao được mô tả như sau:

Trong đó Li là suy hao tại bước sóng khi thiết bị được ghép xen vào tuyến
truyền dẫn. Các tham số này được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh
quang của thiết bị.
- Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng đi vào và đi ra cửa
thứ i của bộ ghép.
- Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng đi vào và đi ra cửa
thứ i của bộ tách.

11


•


Xuyên kênh:
Xuyên kênh là sự có mặt của một kênh này trong kênh kế cận làm tăng

nền nhiễu và giảm tỷ số tín hiệu nhiễu của kênh đang xét.
•

Độ rộng kênh:

Là dải bước sóng dành cho mỗi kênh. Dải sóng này phải đảm bảo để tránh
nhiễu giữa các kênh. Độ rộng phổ giữa các kênh tùy thuộc vào từng nguồn phát.
Với mỗi tốc độ truyền sẽ có độ rộng phổ mỗi kênh là khác nhau và độ chính xác
khác nhau.
Bảng 1.1: Độ rộng phổ của kênh
Độ rộng kênh
Độ dịch tần
25 GHz
±5
50 GHz
± 10
100 GHz
± 20
200 GHz
± 50
Hiện nay trong hệ thống viễn thông dùng sợi quang thường sử dụng bước
sóng 1550nm và các bộ khuếch đại EDFA. Băng thông cực đại của bộ khuếch
đại sợi pha tạp EDFA khoản 30nm.
1.3. Các tham số chính trong DWDM
1.3.1. Dải bước sóng làm việc
Sợi quang thạch anh có 3 cửa sổ suy hao thấp 860 nm, 1310 nm và 1550
nm, trong đó tại cửa sổ 1550 nm đặc tính suy hao của sợi quang là nhỏ nhất, cửa

sổ này được áp dụng để truyền dẫn tín hiệu SDH với khoảng cách ngắn và dài.
Bên cạnh đó các bộ khuếch đại quang EDFA sử dụng hiện nay có đặc tính độ lợi
khá bằng phẳng trong cửa sổ này, bởi vậy đây là cửa sổ hoạt động rất tốt của hệ
thống DWDM. Các bước sóng làm việc trong cửa sổ 1550nm được chia thành 3
dải: băng S, băng C và băng L
1460nm

1530nm

1565nm

1625nm

Short

Conventional

Long

Band

Band

Band

460-1530nm

1530-1565nm

1565-1625nm


12


Hình 1.5: Sự phân chia dải bước sóng làm việc tại cửa sổ 1550 nm
Trong đó:
+ Băng S (1460 nm – 1530 nm): băng S không sử dụng trong hệ thống
DWDM.
+ Băng C (1530 – 1565 nm): đây là dải bước sóng làm việc của các hệ thống
DWDM sử dụng 40 bước sóng (khoảng cách giữa các bước sóng là 100 GHz),
hệ thống DWDM sử dụng 80 bước sóng (khoảng cách giữa các bước sóng là 50
GHz) và hệ thống SDH.
+ Băng L (1565 – 1625 nm): đây là dải bước sóng làm việc của các hệ thống
DWDM sử dụng 80 bước sóng (khoảng cách giữa các bước sóng là 50 GHz).
1.3.2.Số kênh bước sóng
Số kênh bước sóng sử dụng phụ thuộc các yếu tố như:
•

Khả năng của công nghệ đối với các thành phần quang như:
+ Khả năng băng tần của sợi quang.
+ Khả năng tách/ghép các kênh bước sóng.

•

Khoảng cách giữa các kênh gồm các yếu tố sau:
“+ Tốc độ truyền dẫn của từng kênh.
+ Quỹ công suất quang.
+ Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến.
+ Độ rộng phổ của nguồn phát.
+ Khả năng tách/ghép của hệ thống DWDM.”(2)


Gọi ∆λ là khoảng cách giữa các kênh bước sóng thì tương ứng thì:
Như vậy, tại bước sóng λ = 1550 nm, với ∆λ = 35 nm thì ∆f = 4,37.1012Hz. Nếu
mỗi kênh có tốc độ truyền bước sóng là 2.5Gbps thì theo định nghĩa Nyquist,
13


khi đó phổ cơ sở của tín hiệu là 2 x 2,5 = 5Gbps thì N = ∆f /5 = 874 kênh trong
dải băng tần khuếch đại quang (với N là số kênh bước sóng lớn nhất có thể có).
Với khả năng đáp ứng công nghệ hiện tại ITU - T đưa ra quy định về
khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 GHz (0,8 nm) hoặc 50 GHz (0,4
nm) với chuẩn tần số là 193,1 THz. DWDM chủ yếu sử dụng dải băng tần C
(1530 - 1560)nm và băng L (1560 - 1600)nm.
1.3.3 Độ rộng phổ nguồn phát.
Để các kênh bước sóng có thể độc lập hoạt động cần phải chọn độ rộng
phổ phát thích hợp, tức là tránh chồng phổ giữa các kênh gần kề với nhau ở bên
thu..
Về bản chất, việc ghép các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang
là dựa trên nguyên tắc ghép kênh theo tần số. Khoảng cách giữa các bước sóng
sẽ dựa vào đặc tính phổ của nguồn phát và các ảnh hưởng khác nhau trên đường
truyền như hiệu ứng phi tuyến, tán sắc sợi…..
Mối quan hệ giữa phổ công suất phía thu với phổ công suất nguồn phát
được thể hiện bởi tham số đặc trưng cho giãn phổ, kí hiệu ∆ , băng tần tín hiệu B
và bù tán sắc D. Nếu gọi ε là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát
và sợi quang, khi đó:
ε = D.B.∆RMS
Trong đó:D là độ tán sắc tương ứng khoảng cách truyền dẫn.
∆RMSlà độ giãn rộng phổ.
B là độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn.
1.3.4. Qũy công suất.

Để duy trì công suất đến máy thu thì yếu tố quan trọng cần tính đến là quỹ
công suất.
Suy hao công suất trên toàn tuyến bao gồm: suy hao trên sợi dẫn quang,
trên các bộ nối quang và tại các mối hàn. Tổng suy hao trên toàn tuyến nhận
được từ các phân bổ suy hao liên tiếp của từng phần tử trên tuyến. Suy hao của
từng phần tử được tính:
14


Trong đó: P1, P2 là các công suất quang đầu vào và đầu ra của phần tử.
Ngoài các suy hao do các phần tử trên tuyến quang gây ra như đã nêu ở
trên, ta còn phải có một lượng công suất quang dự phòng cho tuổi thọ của các
thành phần, sự thay đổi nhiệt độ và các suy hao tăng lên ở các thành phần.
Nếu gọi PS là công suất quang của nguồn phát được đưa vào đầu ghép sợi và P R
là độ nhạy của bộ thu quang thì:
PT = PS - PR= 2lC + αf.L + dự phòng hệ thống
Trong đó: lC là suy hao bộ nối quang
αf là suy hao sợi
L là cự li truyền dẫn
Ở đây, suy hao do mối hàn lSP được gán vào trong suy hao sợi để đơn giản phép
tính.
1.3.5. Vấn đề ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến
Sợi quang có tính truyền dẫn tuyến tính nếu công suất quang nhỏ. Nếu sử
dụng EDFA thì công suất quang tăng đến một mức nhất định sẽ có đặc tính phi
tuyến, làm ảnh hưởng đến bộ khuếch đại EDFA và khoảng cách truyền dẫn xa
khi không có chuyển tiếp.
Nhìn chung, có thể chia hiệu ứng phi tuyến thành 2 loại:
Hiệu ứng tán xạ: bao gồm tán xạ do kích thích Raman (SRS) và tán xạ do
kích thích Brillouin (SBS).
Hiệu ứng liên quan đến chiết suất phụ thuộc vào công suất quang: bao

gồm hiệu ứng tự điều chế pha (SPM), điều chế pha chéo(XPM) và trộn bốn
bước sóng (FWM).
1.4. Các ưu điểm của hệ thống DWDM
So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống DWDM có những
ưu điểm nổi trội:
- Tận dụng được phần lớn băng thông của sợi quang, tạo ra được dung
lượng truyền dẫn lớn. Công nghệ DWDM cho phép sử dụng toàn bộ tài nguyên
15


băng thông rất lớn của sợi quang (khoảng 25THz) để nâng cao dung lượng
truyền dẫn của hệ thống.
- Khoảng cách truyền dẫn xa bằng cách sử dụng công nghệ khuếch đại
quang sợi EDFA.
- Cho phép truy nhập nhiều loại hình dịch vụ: các bước sóng trong hệ
thống DWDM độc lập nhau, do đó có khả năng truyền nhiều loại hình dịch
vụ trên cùng một cáp sợi quang như: SDH, GE hay ATM…
- Hạn chế được số sợi quang cần sử dụng: hệ thống DWDM ghép nhiều
bước sóng trên một sợi quang nên tiết kiệm được rất nhiều cáp quang, từ
đó có thể giảm được cho phí xây dựng đường dây.
- Khả năng nâng cấp và mở rộng dễ dàng, đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung
lượng hệ thống. Việc nâng cấp dung lượng đơn giản là cắm thêm card mới trong
khi hệ thống vẫn hoạt động.
- Quản lý băng tần và cấu hình mềm dẻo, linh hoạt .
- Ngoài ra còn ứng dụng để truyền nhiều chương trình truyền hình chất lượng
cao, cự ly dài.
•

Bên cạnh những ưu điểm trên, hệ thống WDM còn có những hạn chế:


•

Chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang ( chỉ mới tận
dụng được băng C và băng L)

•

Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt
động
CHƯƠNG 2. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MẠNG DWDM

2.1 Cấu trúc truyền dẫn cơ bản của mạng DWDM và khối phát quang
2.1.1 Cấu trúc truyền dẫn cơ bản của mạng DWDM
Cấu trúc cơ bản của hệ thống DWDM gồm các thành phần chính sau:
•

Khối phát đáp quang OTU.

•

Khối tách/ ghép kênh quang MUX/DEMUX.

•

Khối khuếch đại quang sợi EDFA.

•

Khối xen/rẽ kênh quang OADM.
16



•

Khối bù tán sắc.

•

Khối kết nối chéo quang OXC

•

Khối đường truyền

2.1.2. Khối phát đáp quang.
OTU (Optical Transponder Unit) là thiết bị được sử dụng để thực hiện sửa
dạng tín hiệu. OTU thực hiện việc chuyển đổi quang - điện với các tín hiệu
quang đưa vào ghép kênh theo khuyến nghị G.957 của ITU-T và thực hiện tái
tạo tín hiệu, khôi phục định thời và khôi phục dữ liệu đối với các tín hiệu quang
đã được chuyển đổi thành điện. Sau đó thực hiện chuyển đổi điện - quang để
đưa ra tín hiệu kênh quang DWDM mà có bước sóng, độ tán sắc và công suất
phát quang theo chuẩn G.692.
G.957
O/E
Tín hiệu quang đầu vào

Tái tạo dạng tín hiệu,
Khôi phục định thời

G.692

E/O
Tín hiệu quang đầu ra

OTUR
O
D
M
U

OTUR

Hình 2.1: Nguyên lý của bộ thu phát quang OTU

Phân loại và ứng dụng:
Phụ thuộc vào vị trí của OTU trong mạng DWDM mà OTU có thể được
O

O

A

A

chia
làm 3 loại:MOTUT (OTU Transmitter), OTUR (OTU Receiver) và OTUG
X
OTUG
U
(OTU Generrator).
O


OTUG

X

Ứng dụng của chúng trong hệ thống như hình vẽ:

D
M
U
X

O

OTUT

A

O

A

OTUT

M
O
X

Hình 2.2: Vị trí của bộ chuyển đổi bước sóng OTU trong hệ thống
“OTUT (OTU ở đầu phát): đặt giữa các thiết bị của khách hàng và

OMUX. Thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang từ phía khách hàng thành tín hiệu

17


quang đầu ra theo chuẩn G.692 rồi đưa vào OMUX. Loại OTU này không chỉ
thực hiện chức năng chuyển đổi O/E và E/O mà còn thực hiện việc tái tạo dạng
tín hiệu, khôi phục định thời (chức năng 2R) và có chức năng tìm byte B1 (byte
giám sát lỗi bit từng đoạn lặp).”[2]vãi
OTUR (OTU ở đầu thu): đặt giữa ODMUX và các thiết bị của khách
hàng. Tín hiệu quang đầu ra từ ODMUX đến OTUR phải tuân theo chuẩn
G.692. Loại OTU này có chức năng giống như OTUT, nó thực hiện sửa dạng tín
hiệu, chức năng 2R và tìm kiếm byte B1.
OTUG (OTU chuyển tiếp): đặt giữa OMUX và ODMUX. Tín hiệu đầu
vào và đầu ra của OTUG phải tuân theo chuẩn G.692. OTU loại này không chỉ
có chức năng chuyển đổi O/E, E/O mà còn có chức năng tái tạo lại dạng tín hiệu,
khôi phục định thời và chức năng khôi phục dữ liệu (chức năng 3R).
2.2 Bộ tách/ghép kênh quang.
Giả sử các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ 1, λ2,
…λn. Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng
một sợi quang ở phía phát. Bộ ghép kênh theo bước song (OMUX) phải đảm
bảo có độ suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi được ghép sẽ được truyền dọc theo sợi
để tới phía thu. Tới bên thu, qua bộ giải ghép kênh (ODMUX), tín hiệu sẽ được
tách ra thành các bước sóng riêng rẽ và đến các bộ thu thích hợp.
Có 3 loại WDM chính thức được sử dụng đó là:
•

Sử dụng bộ lọc điện môi màng mỏng (Dielectric thin film filters - DTF)
dùng để lọc các bước sóng riêng biệt trong dải bước sóng cụ thể cũng
như dễ dàng thích ứng trong việc truyền dẫn một chiều hoặc hai chiều.


•

Sử dụng cách tử nhiễu xạ dùng để ghép và tách nhiều tín hiệu trong cùng
một cửa sổ.

•

Ghép định hướng theo phương pháp hàn sợi

2.2.1 Phương pháp ghép kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng
Bộ lọc điện môi sử dụng trong ghép kênh quang hoạt động dựa trên
nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ này và cho phần phổ còn lại đi qua.
18


Phần tử cơ bản để thực hiện ghép kênh theo bước sóng là bộ lọc điện môi giao
thoa, có cấu trúc đa lớp gồm các màng mỏng có chỉ số chiết suất cao và thấp đặt
xen kẽ nhau.
Nguyên lý hoạt động của nó như sau: Khi chùm tia sáng chạm vào thiết
bị, các hiện tượng giao thoa sẽ tạo ra những phản xạ nhiều lần trong khoang
cộng hưởng. Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên lần của nửa bước sóng ánh
sáng thì giao thoa xếp chồng xảy ra và công suất quang của bước sóng đạt giá trị
cực đại. Các tia ánh sáng của các bước sóng khác với bước sóng cộng hưởng
phản xạ trọn vẹn, chỉ có một bước sóng đi qua bộ lọc. Gương phản xạ là các lớp
thủy tinh nằm trên lớp đệm trong suốt.

1,2,….,n
1


Bộ lọc

2,….,n

Hình 2.3: Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc
Theo đặc tính phổ thì thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành:
Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao có bước sóng cắt c.
Bộ lọc thông dải có bước sóng trung tâm λ0 và độ rộng dải λ
Các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao thường sử dụng để ghép hoặc tách 2 bước
sóng khác nhau, chẳng hạn 850 nm và 1310 nm hoặc 1310 nm và1550 nm. Loại
bộ lọc như vậy thích hợp cho nguồn quang có dải phổ rộng (LED). Bộ lọc thông
dải được sử dụng trong WDM khi nguồn quang có phổ hẹp (LD). Đối với bộ lọc
thông dải có một vài yêu cầu, đó là độ dốc sườn đường cong hàm truyền đạt
phải đủ lớn để tránh xuyên âm giữa các kênh kề nhau, mặt khác độ rộng giải ∆λ

19


1

có dung sai cho phép để đề phòng dịch bước sóng trung tâm của nguồn quang
do nhiệt độ thay đổi.
1, 2

2

2.2.2.
Một số thiết bị tách kênh dùng bộ lọc điện môi màng mỏng
1, 2
•


Bộ tách 2 bước sóng:

Bộ lọc
Thiết bị ghép và thiết bị tách bước sóng có cấu trúc thuận - nghịch, nghĩa là giữa
bộ2 ghép và bộ tách chỉ thay đổi cổng vào và cổng ra.

1

Lăng kính Grin (1/4 P)
Sợi quang

Kính lọc

Hình 2.4: Bộ tách 2 kênh dùng thấu kính phẳng và bộ lọc

Thấu kính

Hình 2.5: Bộ tách 2 kênh dùng bộ lọc và lăng kính Grin
Cấu trúc cơ bản của bộ giải ghép 2 kênh như ở hình 2.4, trong khi đó việc
thực hiện trên thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như ở hình 2.5. Các phần tử
chuẩn trực và hội tụ là các lăng kính Grin - rod 1/4 bước. Bộ lọc được thiết kế
để phát đi λ1 và phản xạ λ2 sẽ được đặt giữa 2 lăng kính.
•

Bộ tách lớn hơn hai bước sóng:

Thiết bị này sử dụng các bộ lọc nối tiếp nhau và mỗi bộ lọc cho đi qua một bước
sóng và phản xạ các bước sóng còn lại


20


1, 2,….,n
Bộ lọc (1)
1
2
3
4

Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của bộ lọc nhiều bước sóng
2.2.3 Phương pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ
Cách tử nhiễu xạ là một thiết bị quang thụ động, nhiễu xạ chùm sáng tới
theo các hướng khác nhau tùy theo góc tới của chùm sáng trên bề mặt cách tử,
bước sóng của ánh sáng tới, các đặc tính thiết kế của cách tử, khoảng cách giữa
các rãnh (chu kỳ cách tử), góc của rãnh cách tử Φ. Trên 1 mm của cách tử có
hàng chục hay hàng ngàn rãnh nhỏ, số rãnh trên một đơn vị chiều dài của cách
tử được gọi là hằng số cách tử.
Các bộ tách ghép bước sóng sử dụng cách tử
Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc tách kênh sử dụng cách tử gồm 3 phần
chính: các phần tử vào và ra (là mảng sợi hoặc một sợi truyền dẫn với các thành
phần thu - phát), phần tử hội tụ quang, phần tử tán sắc góc.
Thấu kính hội tụ

1

Cách tử

1, 2
2

a)
Lăng kính Grin

1
1, 2
2
b)

21

CáchCách
tử tử


Hình 2.7 Bộ tách Littrow: a) Bộ tách bước sóng dùng thấu kính hội
tụ, b) Bộ tách bước sóng dùng thấu kính Grin
Hình 2.7 a,b là bộ tách Littrow với cấu trúc cơ bản và cấu trúc thực tế sử
dụng thấu kính Grin của bộ tách 2 kênh. Trong cấu hình này, cả tín hiệu ánh
sáng đi vào và ánh sáng đi ra khỏi bộ ghép chỉ sử dụng một thấu kính, dùng thấu
kính chuẩn trực hoặc thấu kính Grin.
2.2.4 Phương pháp ghép sợi
Để giảm thiểu suy hao ở sợi đơn mode người ta sử dụng thiết bị DWDM
ghép sợi. Nguyên lý : Công suất quang sẽ chuyển từ một sợi vào các sợi khác
khi các lõi quang được đặt gần kề nhau.
DWDM ghép sợi có 2 dạng là: giữa vị trí tiếp xúc được mài ghép hoặc
các sợi gần nhau được nung nóng chảy.
•

Phương pháp ghép xoắn sợi


Làm thay đổi các đặc tính của sợi bằng cách thay đổi hình dạng,kích cỡ cũng
như độ dài vùng ghép, bằng việc thay đổi nhiệt độ của vùng được đốt nóng để
bện các sợi với nhau.
•

Phương pháp mài ghép sợi
Hai sợi quang được đặt trong hai rãnh cong nằm trong hai khối thạch anh,

mài cho các lõi sợi này gần lộ ra và được đặt ghép với nhau qua một lớp đầu hay
epoxy. Hệ số ghép nối có thể đạt đến giá trị tùy ý bằng cách thay đổi khoảng
cách giữa hai sợi hay sử dụng các vật liệu có chiết suất khác nhau giữa hai khối.
Cả 2 phương pháp này có nhưng ưu điểm khác nhau.Phương pháp ghép
soắn sợi bằng nung chảy có chi phí thấp,còn phương pháp mài ghép sợi là điều
hướng khi thay đổi vị trí của 2 sợi.

22


Miền điện
Miền quang

Miền quang
thu quang
Bộ Bộ
khuếch
đạiBộ phát quang

Hình 2.8: a) Phương pháp ghép xoắn sợi; b) Phương pháp mài ghép sợi
Nhược điểm của phương pháp ghép xoắn,mài sợi
Trên thực tế băng thông của các bộ ghép bước sóng dùng phương pháp

ghép sợi có đặc tính gần như hình sin. Dẫn tới việc lựa chọn bước sóng gặp khó
khăn. Chính vì thế nguồn LED không sử dụng được do nguồn LED có phổ lớn.
Nguồn được chọn trong phương pháp này là ngườn Laser do có phổ hẹp.
2.3. Bộ khuếch đại quang sử dụng công nghệ EDFA
2.3.1 Tổng quan về bộ khếch đại quang và công nghệ EDFA
Cự ly truyền quang phụ thuộc vào suy hao sợi quang. Khi truyền quang
với cự ly xa người ta dùng các trạm lặp quang (optoelectronic repeater). Đầu
tiên, tín hiệu quang sẽ chuyển thành tín hiệu điện bởi bộ thu quang (optical
reciver) sử dụng linh kiện tách sóng như PIN, APD. Dòng quang điện thu được
sẽ tái tạo tín hiệu dạng xung, định thời và được khuếch đại bởi các mạch phục
hồi tính hiệu và mạch khuếch đại.Thông qua nguồn quang trong bộ phát quang
(optical transmitter) tín hiệu điện sẽ biến đổi thành tín hiệu quang . Quá trình
khuếch đại quang được thực hiện trên miền điện.

23


Hình 2.9 : Cấu trúc của một trạm lặp quang điện
Để giảm chi phí do sử dụng tram lặp quang điện ,người ta sử dụng bộ khuếch
đại quang( Optical Amplifier) để bù lại sự suy hao tín hiệu trên đường truyền sợi
quang cũng như tại các thiết bị. Khi đó=980nm
tín hiệu ánh sáng được khuếch đại trực
tiếp trong miền quang mà không thông qua việc biến đổi qua miền điện.
= 1480nm
Photo
tới
Tùy theo cấu tạo vùng tích cực (active medium) có thể chia khuếch
đại quang
Photon bơm
Phân rã không

làm 2 loại chính: khuếch
Mức cơđại
bảnquang
E1 bán dẫn SOA (Optical Semiconductor
Amplifier) và khuếch đại quang sợi OFA ( Optical Fiber Amplifier). Trong các
loại OFA thì EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier - khuếch đại quang sợi có
pha tạp Erbium) được sử dụng phổ biến hiện nay.

Mức kích thích

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA
Nguyên lý khuếch đại được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích

EDFA là sợi quang có lõi được cấy cấy Er3+ khoảng nhỏ 0,1%. Khi bơm
vào sợi quang này photon có λ=980nm hoặc λ=1480nm thì Er3+ sẽ hấp thu điện
tử và chuyển lên mức năng lượng từ E1 lên mức kính thích E2. Để đạt trạng thái
siêu bền E2 sẽ phân rã không bức xạ xuống mức năng lượng E3. Sau một
khoảng thời gian nó được kích thích trở lại trạng thái E1 đồng thời phát xạ ra
photon. Có 2 loại bức xạ là tự phát hoặc kích thích. Khi có mặt của các photon
có năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển của mức điện tử sẽ kích thích tạo
ra nhiều photon. Bức xạ này thuộc vùng λ=1550 nm nên khi đi qua sợi Erbium
tín hiệu sẽ được khuếch đại.

24


Hình 2.10: Giản đồ năng lượng của Erbium
EDF

WDM


Đầu vào

Đầu ra
Bộ cách ly

Bộ cách ly

Nguồn bơm
Hình 2.11: Cấu trúc một EDFA đơn tầng
Theo hình 2.11 “thì ánh sáng bơm vào từ laser được kết hợp với tín hiệu vào
nhờ sử dụng bộ ghép WDM trên hệ thống sử dụng một bộ ghép. Ánh sáng bơm
này được truyền dọc theo sợi có pha Eribium 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, còn gọi là bức xạ kích thích khi
do sự có mặt các 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 Er 3+ đã
được kích thích ở mức năng lượng cao. Quá trình này làm cho các ion nhảy từ
trạng thái 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. (”2)
Thông thường, một bộ cách li được dùng ở trước ngõ vào hoặc ngõ ra của bộ
khuếch đại tín hiệu EDFA để ngăn sự phản xạ vào trong bộ khuếch đại này.

25