MụC LụC
LỜI Mở ĐẦU 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 5
1.1 Hệ thống thụng tin quang 5
1.2 Hệ thống WDM 8
CHƯƠNG 2. CấU TạO CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM 13
2.1 Thiết Bị Phát Quang - Diode Laser 13
2.1.1. Tổng quan về Laser 13
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 HCKT3B
11
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.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
33
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
Mô hình chung của một tuyến thông tin quang như sau:
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
55
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.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
66
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.
77
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
Mul# 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
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.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
1010
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
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.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
1212
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.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
1313
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 E
1414
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 E
k
sẽ nhận thêm năng lượng của photon
(quang năng) và nhảy lên mức năng lượng kích thích E
i
.
Bức xạ tự phỏt là quỏ trỡnh mà cỏc điện tử nhảy lên mức năng lượng kích thích
E
i
, nhưng chúng nhanh chóng trở về mức năng lượng cơ bản E
k
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 E
i
, thỡ điện tử này được kích thích và
ngay lập tức nó di chuyển trở về mức năng lượng cơ bản E
k
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
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
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
1616
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 ≈ E
G
). 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
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
1717
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
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/ở
B
(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 ở
B
. Khi m = 1 thỡ ở
B
được gọi là bước sóng bậc một và ở
B
= 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%
.
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
2020
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
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
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
2222
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 = ở
2
/(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
0
/4 (đối với bộ lọc bậc 0) hoặc n
e
= 3ở
0
/4 (đối với bộ lọc bậc 1), với ở
0
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
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
2424
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
Lê Phúc Sâm Lớp HCKT3B
2525
Copyright: Tài liệu đại học ©