Chơng I
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
1.1. Tổng quan về các phơng pháp ghép kênh quang
Mấy năm gần đây dịch vụ thông tin tăng trởng nhanh chóng, để thích ứng
với sự tăng trởng không ngừng của dung lợng truyền dẫn thông tin và thỏa mãn
yêu cầu tính linh hoạt về sự thay đổi của mạng, đã xuất hiện các công nghệ
ghép kênh. Sự xuất hiện của các công nghệ ghép kênh này đã nâng cao rất
nhiều hiệu quả truyền dẫn của mạng. Mỗi phơng thức ghép kênh đều có những -
u và nhợc điểm riêng. Để ứng dụng trong những mạng lới thực tế cần phải lựa
chọn sau khi xem xét các yếu tố nh: Nhu cầu, cấu hình mạng lới, độ tin cậy của
phần cứng và khả năng mở rộng trong tơng lai.
1.1.1. Ghép kênh phân chia theo thời gian tín hiệu quang (OTDM)
Trong kỹ thuật ghép kênh theo thời gian quang, tín hiệu quang trên một
sợi cáp đợc chia sẻ với nhiều kênh thông tin thông qua việc phân chia thời gian.
Trong một khoảng thời gian rất ngắn gọi là khe thời gian, tín hiệu quang đợc
điều chế lần lợt với tín hiệu từ các kênh thông tin tơng ứng.
Độ rộng của mỗi khe thời gian phụ thuộc vào nhiều thông số thiết kế kỹ
thuật khác nhau, đặc biệt là tốc độ truyền dẫn cần thiết đối với mỗi liên kết.
Mỗi kênh truyền dẫn đợc ấn định một khe thời gian cụ thể, gọi là một kênh
TDM, trong khoảng thời gian này, dữ liệu đợc truyền từ nguồn tới đích. Dữ liệu
từ các nguồn khác không đợc phép truyền trong suốt thời gian này. Thiết bị
ghép kênh ở phía phát chèn các gói dữ liệu từ các nguồn khác nhau vào sợi
quang trong các khe thời gian tơng ứng. Thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ nhận
dạng các khe thời gian, đa dữ liệu dới dạng các dòng liên tục ra các kênh quang
riêng rẽ nh ở đầu vào bộ ghép kênh ở phía phát.
Nguồn quang sử dụng trong kỹ thuật ghép kênh theo thời gian thờng là
các laser phát xung rất hẹp ở tốc độ rất cao, bớc sóng làm việc thờng trong vùng
1550 nm do có suy hao nhỏ nhất và phù hợp với các bộ khuếch đại quang
1
sợi sử dụng trong hệ thống.
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống quang OTDM ghép 4 kênh quang

Lợi ích của công nghệ TDM là tăng dung lợng truyền dẫn của một kênh
cáp quang đơn lên trên 10 Gb/s. Các hệ thống hoạt động ở tốc độ trên đang dần
thay thế các hệ thống TDM 2,5 Gb/s. Với các tốc độ nhỏ hơn 10 Gb/s, các đặc
tính chủ yếu của sợi quang ít ảnh hởng đến chất lợng truyền dẫn, còn với các hệ
thống hoạt động ở tốc độ lớn hơn 10 Gb/s thì phải quan tâm đến những ảnh h-
ởng của các đặc tính sợi quang. Mặc dù các hệ thống 40 Gb/s sẽ nhanh chóng
đợc sử dụng rộng rãi và các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu để đạt đến tốc
độ 160 Gb/s, nhng việc tăng tốc độ hơn nữa là không dễ dàng. Đó là do các hệ
thống tốc độ cao đòi hỏi công nghệ điện tử phức tạp và đắt tiền.
Sự tán sắc xuất hiện do sự thay đổi chiết xuất của sợi quang theo bớc
sóng. Tán sắc có thể bỏ qua ở tốc độ bit thấp nhng gây khó khăn cho việc tăng
tốc độ và khoảng cách truyền dẫn. Sự tán sắc ảnh hởng đến chất lợng tín hiệu
(gây dãn xung) ở tốc độ 10 Gb/s lớn gấp 16 lần so với ở tốc độ 2,5 Gb/s. Hiện
nay, hệ thống sợi quang đơn mode chiết suất bậc 10 Gb/s có giới hạn khoảng
cách truyền dẫn từ 50 đến 75 km mà không cần bù hay sửa tín hiệu. Các thiết bị
2
t
Bộ
chia
quang
Bộ
Ghép
Quang
Khuếch đại
quang EDFA
Khuếch đại
quang EDFA
Nguồn
phát
Bộ điều chế

Bộ điều chế
Bộ điều chế
Bộ điều chế
Bộ
tách
kênh
Khối
tách
clock
Kênh 1
Kênh 3
Kênh 4
Kênh 2
Tín hiệu
Sợi dẫn
quang
t
định thời đòi hỏi các thành phần điện tử cao cấp để điều chế laser, ghép/tách
kênh ở các tần số rất cao.
Để giảm tán sắc, trên đờng truyền thờng thực hiện truyền dẫn soliton kết
hợp với các bộ khuếch đại quang. Soliton là xung không tán sắc cho phép sử
dụng đặc tính phi tuyến của sợi quang để loại bỏ các hiệu ứng tán sắc màu. Khi
truyền dẫn soliton, khoảng lặp của hệ thống TDM tăng lên rất lớn bằng kỹ thuật
điều khiển soliton thông qua các bộ lọc dẫn hoặc định thời tích cực. Ngời ta đã
từng thực hiện truyền dẫn các xung soliton với tốc độ 4 Gb/s trên cự ly 136 km
với sợi quang thông thờng và đạt đợc mức tán sắc xấp xỉ 15 ps/nm.km. Đây là
một trong những loại sợi quang có tán sắc hạn chế. Sử dụng sợi quang có tán
sắc dịch chuyển cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn.
1.1.2. Ghép kênh phân chia theo tần số tín hiệu quang (OFDM)
Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh quang theo tần số

Phơng pháp ghép kênh theo tần số quang (OFDM) đợc thực hiện bằng
cách chia dải tần của sóng quang thành các băng tần nhỏ f, mỗi f dành để
truyền tín hiệu của một kênh quang. Các kênh quang tơng ứng với các tần số
sóng mang khác nhau sẽ đợc biến đổi thành các luồng song song cùng truyền
trên một sợi quang. Đặc tính của sợi quang là có suy hao nhỏ trong dải bớc
sóng từ 800 đến 1800 nm tơng đơng với dải tần 200000 GHz. Vì vậy, có thể
truyền dẫn trên sợi quang một số lợng lớn các kênh ghép có tần số khác nhau,
3
M
U
X
D
M
U
X
OF1
OF2
OFn
LD1
LD2
LDn
OF1
OF2
OFn
PD2
PD1
PDn
f2
f1
fn

f1
f2
fn
S
1
S
1
S
2
S
n
F=f1ữfn
S
2
S
n
.
.
.
.
.
.
mỗi kênh có dải tần rộng. Chẳng hạn trong khoảng 1,5 ữ1,6 àm đã có băng tần
khoảng 12500 GHz. Từ bớc sóng 1500nm đến 1600 nm có độ suy hao nhỏ nhất,
có thể ghép tới 1000 kênh quang tốc độ lớn hơn 1Gb/s với khoảng cách giữa hai
kênh kề nhau là 10 GHz. Khi đó dung lợng tổng cộng trên sợi quang sẽ lớn hơn
1 Tbit/s.
Các hệ thống ghép kênh quang theo tần số phải dựa trên các nguồn phát
quang có tần số ổn định, các thiết bị quang thụ động nh các bộ lọc quang, các
bộ khuếch đại quang băng rộng có thể khuếch đại nhiều kênh OFDM cùng một

lúc.
Các nguồn phát quang ổn định về tần số rất cần thiết để ngăn chặn nhiễu
xuyên kênh. Các laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp có thể đợc sử dụng làm
nguồn phát cho hệ thống OFDM. Tuy nhiên khi laser có độ rộng phổ hẹp thì lại
không ổn định về tần số, do đó cần phải dung hoà về mặt này. Để có nguồn phát
laser có độ rộng hẹp mà lại ổn định thì phải sử dụng loại mạch gõ tần số quang
(gõ mode). Hiện nay, các hệ thống thử nghiệm đã sử dụng mạch gõ tần số
quang có bộ lọc hiệu chỉnh đáp ứng tần số quang.
Các thiết bị quang thụ động cũng rất quan trọng để kết hợp các tín hiệu
quang OFDM riêng rẽ. Đối với các sóng quang có độ rộng phổ hẹp đợc ổn định
tần số, cộng hởng giao thoa và các hiện tợng khác luôn đòi hỏi phải có các bộ
lọc quang chính xác. Các bộ lọc này có tính chuẩn xác tựa nh các bộ lọc trong
các hệ thống vi ba. Công nghệ gần đây đã cho ra đợc bộ lọc quang 100 kênh có
khả năng tạo các khoảng cách 5 ữ10 GHz.
Việc biến đổi tần số quang một cách trực tiếp (không có sự biến đổi về
điện) sẽ thực hiện đợc quá trình xử lý tín hiệu quang trong vùng tần số quang.
Quá trình biến đổi này đợc thực hiện dựa vào hiệu ứng quang phi tuyến của các
vật liệu bán dẫn hoặc các vật liệu điện môi. Dải dịch tần số quang hiện tại đạt
vào khoảng 1000 GHz.
Các bộ khuếch đại quang sẽ thực hiện khuếch đại các kênh quang FDM
đồng thời một lúc, nó tạo ra cự ly truyền dẫn của hệ thống đợc dài hơn. Hiện
nay các bộ khuếch đại quang dùng cho OFDM đã có khả năng khuếch đại đợc
4
100 kênh quang. Điều này mở ra một hớng ứng dụng OFDM vào các môi trờng
khai thác đa dạng.
1.1.3. Ghép kênh phân chia theo bớc sóng (WDM)
1.1.3.1. Nguyên lý cơ bản của WDM
Giả sử có các nguồn quang làm việc ở các bớc sóng khác nhau
1
,

2
,...,

n
. Các tín hiệu quang ở các bớc sóng khác nhau này sẽ đợc ghép vào cùng một
sợi dẫn quang. Các tín hiệu có bớc sóng khác nhau đợc ghép lại ở phía phát nhờ
bộ ghép kênh, bộ ghép bớc sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau
khi ghép sẽ đợc truyền dọc theo sợi tới phía thu. Các bộ tách sóng quang khác
nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bớc sóng riêng rẽ này
sau khi chúng qua bộ giải ghép bớc sóng.
Nguyên lý cơ bản của ghép bớc sóng quang đơn hớng có thể minh hoạ
nh hình1.3.
Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ thống quang WDM
ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn
quang tới đầu ra của bộ ghép kênh. ở phía thu các bộ tách sóng quang phải
nhạy với độ rộng của các bớc sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải
thực hiện cách ly kênh quang thật tốt với các bớc sóng bằng cách thiết kế các
bộ giải ghép kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu đợc sử dụng phải có bớc
sóng cắt chính xác, dải làm việc thật ổn định.
Có 2 phơng án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bớc sóng
quang. Bao gồm:
Hệ thống ghép bớc sóng theo 1 hớng: Thiết bị ghép bớc sóng đợc dùng
để kết hợp các bớc sóng quang từ các nguồn quang laser diode (LD) hoặc LED
5
Sợi dẫn quang
DE
M
U
X
M

U
X
I
1
(
1
)
I
n
(
n
)
O
1
(
1
)
O
n
(
n
)
O(
1
,...
n
) I(
1
,...
n

)