Hệ thống WDM

1. i
MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................................i
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.......................................................................................................iii
LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................................1
Chương 1 ...................................................................................................................................4
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC
SÓNG WDM .............................................................................................................................4
1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM................................................................4
1.1.1 Nguyên lý ghép kênh ................................................................................................4
1.1.2 Các thông số cơ bản của thiết bị WDM...................................................................6
1.2 Các thành phần của thiết bị WDM..............................................................................7
1.2.1 Sợi quang ..................................................................................................................8
1.2.2 Thiết bị phát và thu WDM........................................................................................9
1.2.3 Bộ khuếch đại quang..............................................................................................10
1.3 Các vấn đề thiết kế hệ thống WDM............................................................................12
1.3.1 Vấn đề suy hao và quỹ công suất quang................................................................12
1.3.2 Vấn đề tán sắc.........................................................................................................13
1.3.3 Vấn đề xuyên kênh .................................................................................................14
1.3.4 Kênh bước sóng ITU-T Grid.................................................................................21
1.4 Hệ thống truyền dẫn WDM đường trục khoảng cách lớn.......................................26
1.4.1 Các yếu tố thách thức thiết kế hệ thống ................................................................26
1.4.2 Một số công nghệ áp dụng cho các hệ thống WDM đường trục.........................29
1.5 Kết luận chương...........................................................................................................34
Chương 2 .................................................................................................................................35
TÁN SẮC MODE PHÂN CỰC, ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC MODE PHÂN CỰC
LÊN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO.................................................35
2.1 Tán sắc MODE phân cực (PMD) trong sợi quang ....................................................35
2.1.1 Các mode phân cực ................................................................................................35
2.1.2 Bản chất vật lý của tán sắc mode phân cực ..........................................................36
2.1.3 Đặc điểm, tính chất tán sắc mode phân cực trong hệ thống thông tin quang.....41
2.1.4 Ảnh hưởng của PMD trong hệ thống thông tin quang ........................................45
2.1.5 Phương pháp đo tán sắc PMD...............................................................................48
2.1.6 Kết quả mô phỏng, đo xác định tán sắc PMD.......................................................51
2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của tán sắc MODE phân cực và nhiễu liên quan trong hệ
thống thông tin quang tốc độ cao ......................................................................................56
2.2.1 Giới thiệu chung.....................................................................................................56
2.2.2 Thiết lập hệ thống mô phỏng ảnh hưởng của PMD.............................................57
2.2.3 Kết quả mô phỏng và so sánh ................................................................................59
2.2.4 Kết quả đo thực nghiệm .........................................................................................80
Chương 3 .................................................................................................................................94
HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP QUANG BIỂN WDM.....................................................94
3.1 Giới thiệu chung ...........................................................................................................94
3.1.1 Sự phát triển của thông tin cáp quang biển.........................................................94
3.1.2 Một số đặc điểm của hệ thống cáp quang biển ....................................................97
3.2 Các đặc tính và các thành phần hệ thống cáp quang biển WDM..........................101
3.2.1 Các đặc tính và phẩm chất hệ thống ...................................................................101

2. ii
3.2.2 Thiết bị TTE.........................................................................................................105
3.2.3 Bộ lặp quang dưới biển (Optical Submarine Repeat-OSR)...............................108
3.2.4 Thiết bị rẽ nhánh (BU)........................................................................................109
3.2.5 Cáp biển ...............................................................................................................112
3.3 Những tiến bộ công nghệ trong hệ thống cáp quang biển ......................................114
3.3.1 Xu hướng phát triển các hệ thống cáp quang biển.............................................114
3.3.2 Dung lượng..........................................................................................................115
3.3.3 Bộ khuếch đại quang...........................................................................................116
3.3.4 Những tiến bộ công nghệ sợi quang đối với khoảng lặp....................................119
3.3.5 Những tiến bộ công nghệ đối với thiết bị đầu cuối.............................................120
3.3.6 Thế hệ thông tin cáp quang biển 40 Gbit/s.........................................................121
3.4 Kết luận chương 3.......................................................................................................121
Chương 4 ...............................................................................................................................122
CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN WDM; MỘT SỐ VẤN ĐỀ
TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN ..................................................122
4.1 Các thiết bị cáp quang biển WDM...........................................................................122
4.1.1 Thiết bị của Alcatel...............................................................................................122
4.1.2 Thiết bị của TYCO...............................................................................................129
4.1.3 Thiết bị c ủa Fujitsu ............................................................................................136
4.1.4 Một số hệ thống cáp quang biển.........................................................................141
4.2 Một số vấn đề trong nghiên cứu xây dựng tuyến truyền cáp quang biển WDM.147
4.2.1 Chọn dung lượng, công nghệ và cấu hình hệ thống ..........................................147
4.2.2 Lựa chọn tuyến cáp .............................................................................................153
4.2.3 Lựa chọn hướng tuyến ........................................................................................154
4.2.4 Các yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống ....................................................................157
4.3 Kết luận chương 4.......................................................................................................164
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................165

3. iii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ADM Add/Drop Multiplexing Ghép kênh xen rẽ
APD Avalance Photodiode Photodiode thác
ASE Amplified Spontaneous Emission Bức xạ tự phát được khuếch đại
ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ
AWG Array Wave Gating Cách tử AWG
BBER Background Block Error Ratio Tỷ số khối lỗi nghiêm trọng
BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit
BPF Bandpass filter Bộ lọc băng thông
BOL Begin of life – BOL Bắt đầu đời sống
BU Branching Unit Bộ rẽ nhánh
CD Chromatic Dispersion Tán sắc
CIT Craft Interface Terminal
CWDM Course Wave Length Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng thô
DA Double Amour (cable) (cáp) vỏ giáp kép
DBR Distributed Bragg Reflector Phản xạ phân bố Bragg
DEMUX Demultiplexing Giải ghép kênh
DFB Distributed Feedback Phản hồi phân bố
DFE Decisive Feeback Equalizer Bộ cân bằng hồi tiếp quyết định
DGD Decisive Group Delay Độ trễ nhóm vi phân
DLS Digital Line Section Phần đường truyền số
DOP Degree of polarization Độ phân cực
DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman phân bố
DSF Dispersion Shift Fiber Sợi dịch chuyển tán sắc
DWDM Dense Wave Length Multiplexing Ghép kênh bước sóng mật đô cao
DXC Digital Cross Connect Đấu chéo số
E/O Electric-Optical Converter Bộ biến đổi điện-quang
EDFA Erbium-Dropped Fiber Amplifer Khuếch đại quang sợi có pha tạp
Erbium
EOL End of life Kết thúc đời sống
FEC Forward Error Correction Bộ sửa lỗi trước
FFD-BU Full Fiber Dro BU Bộ rẽ nhánh rẽ toàn sợi
FP Fabry Perot Fabry Perot
FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần số
FWM Four-Wave Mixing Trộn bốn bước sóng
GI Graded Index Chỉ số chiết suất Gradien

4. iv
GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm
IDF Inversion Dispersion Fiber Sợi tán sắc đảo ngược
IP Internet Protoco; Giao thức Internet
ISI Intersymbol Interference Giao thoa giữa các ký tự
ITU International Telecommunication
Union
Tổ chức viễn thông quốc tế
LD Laser Diode La-de diode
LDV Link Design Value Giá trị thiết kế tuyến
LED Light Emitting Diode Diode phát quang
LME Line Monitoring Equipment Thiết bị kiểm tra đường truyền
LTE Line Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối đường truyền
LW Light Weight (cable) (cáp) trọng lượng nhẹ
LWP Light Weight Protected (cable) (cáp) trọng lượng nhẹ có bảo vệ
MUX Multiplexing Ghép kênh
MZ Mach-Zehnder Mach-Zehnder
NE Network Element Phần tử mạng
NRZ Non Return To Zero Không trở về không
O/E Optical-Electric Converter Bộ biến đổi quang – điện
OADM Optical Add-Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang
ODXC Optical Digital Cross-Connect Bộ đấu nối chéo quang
OEIC Opto-Electronic Intergrated Circuit Mạch tích hợp quang điện tử
OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu quang
OSR Optical Submarine Repeater Trạm lặp quang dưới biển
PANDA Polarization-maintaining and
Absorption-reducing
Duy trì phân cực và giảm hấp thụ
PC Polarization Control Bộ điều khiển phân cực
PDCD Polarization Dependent Chromatic
Dispersion
Tán sắc CD phụ thuộc phân cực
PDG Polarazation-Dependent Gain Độ khuếch đại phụ thuộc phân cực
PDL Polarazation-Dependent Loss Suy hao phụ thuộc phân cực
PDV Polarazation Dispersion Vector Vector tán sắc phân cực
PFE Power Feeding Equipment Thiết bị cấp nguồn
PHB Polarization Hole Buring Cháy lỗ phân cực
PM Polarazation Mode Mode phân cực
PMD Polarazation Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực
PMF Polarazation Maintaining Fiber Sợi duy trì phân cực

5. v
PRBS Pseudo-Random Bit Sequence Chuỗi bit giả ngẫu nhiên
PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha
PSP Principle State of Polarazation Trạng thái phân cực nguyên lý
RDF Reverse Dispersion Fiber Sợi tán sắc ngược
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
RFSA Radio Frequency Spectrum Analizer Máy phân tích phổ tần số vô tuyến
RMS Root Mean Square Trung bình bình phương
ROV Remote Operation Vehicle Máy hoạt động từ xa
RX Receiver Bộ thu
RZ Return to Zero Trở về không
SA Single Armour (cable) (cáp) vỏ giáp đơn
SBS Stimulated Brillouin Scaterring Tán xạ Raman kích thích
SDH Synchronuos Digital Hiararchy Phân cấp số đồng bộ
SESR Severely Error Second Ratio Tỷ số giây lỗi nghiêm trọng
SI Step Index Chỉ số chiết suất phân bậc
SLTE Submarine Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối tuyến cáp biển
SM Single Mode Đơn mode
SNR Signal to noise ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SOP State of polarization Trạng thái phân cực
SPM Self-Phase Modulation Điều chế tự dịch pha
SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích
SSE System Surveillance Equipment Thiết bị giám sát hệ thống
SWS Single Wavelength System Hệ thống một bước sóng
TSE Terminal Stattion Equipment Thiết bị đầu cuối trạm cáp
TTE Transmission Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối truyền dẫn
TX Transmiter Bộ phát
VCSEL Vertical Cavity Surface-emitting Laser Laser phát mặt có hốc theo chiều
đứng
WDM Wavelength Division Multiplexer Ghép kênh theo bước sóng
WDW-
BU
Wavelength Division Mulitplexing
Branching Unit
Bộ rẽ nhánh WDM
WGR Wavelength Grating Router Bộ định tuyến cách tử dẫn sống
XPM Cross phase modulation Điều chế pha chéo

6. 1
LỜI NÓI ĐẦU
Ở Việt Nam, từ sau chủ trương đổi mới, nghành Viễn thông đã có những bước
phát triển nhanh theo hướng hiện đại để đáp ứng cho nhu cầu phát triển kinh tế và hội
nhập quốc tế. Một cơ sở hạ tầng viễn thông hiện đại đã được thiết lập với những hệ
thống truyền dẫn bằng cáp quang trải dài đát nước và vươn ra thế giới.
Các hệ thống truyền dẫn quang với các ưu điểm vượt trội về băng thông, cự ly
và chất lượng đã trở thành một trong những phương thức truyền dẫn chủ yếu trong
mạng nộ bộ, nội hạt, mạng đường trục trong nước và quốc tế, cho phép truyền dẫn các
loại hình dịch vụ viễn thông phong phú như điện thoại, data, Internet, Multimedia,..
Với tiến bộ trong công nghệ này, ngay nay năng lực của hệ thống truyền dẫn
quang là rất lớn. Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM) cho phép dung lượng
truyền dẫn tăng lên rất cao, hang 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 sử dụng trong truyền dẫn đường trục Bắc-Nam với dung lượng 20
Gbps [1]. Hiện nay dự án cáp quang biển nội địa đang có kế hoạch triển khai xây
dựng.
Các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng WDM đang được sử dụng rộng rãi
trong tuyến cáp quang biển đường trục quốc tế. Trong những năm gần đây, hàng loạt
tuyến cáp quang biển quốc tế với quy mô lớn đã được xây dựng để đáp ứng nhu cầu
ngày một tăng cao về dung lượng truyền dẫn, đặc biệt cho nhu cầu kết nối Internet và
các ứng dụng băng thông rộng khác.
Ở Việt Nam, mạng lưới viễn thông quốc tế bằng cáp quang thông qua hai tuyến
cáp quang biển quốc tế cập bờ vào Việt Nam là TVH và Sea-We-3 và một tuyến cáp
quang đất liền quốc tế là CSC. Bảng 0.1 là tham số cơ bản của hai tuyến này.

7. 2
Bảng 0.1. Cáp quang biển cập bờ Việt Nam
Thông số TVH SMW-3 CSC
Điểm kết nối
Việt Nam (Vũng
Tàu), Hồng
Kông, Thái Lan
Việt Nam (Đà
Nẵng), 33 nước Á,
Âu từ Nhật Bản –
Đức
Việt Nam, Trung
Quốc, Lào, Thái
Lan, Malaysia,
Singapore
Dung lượng thiết kế 560 Mbps
2,3 Gbps x 8 x
2fp
2,5 Gbps
Năm đưa vào khai
thác
1996 1999 2000
Với sự phát triển có tính bùng nổ của việc sử dụng Internet tại Việt Nam, đặc
biệt là do chủ trương khuyến khích triển khai các dịch vụ băng rộng, nhu cầu về dung
lượng truyền dẫn quốc tế là rất lớn. Rõ ràng, với hai tuyến cáp biển hiện có là không
đáp ứng được nhu cầu thông tin quốc tế xét về nhu cầu dung lượng, điểm kết nối, tính
an toàn của mạng lưới. Bởi vậy, việc tiếp tục nghiên cứu phát triển tuyến cáp quang
biển hiện đại, dung dượng cao và an toàn để kết nối Việt Nam với thế giới là điều hết
sức cần thiết và cấp bách.
Hiện nay, Việt Nam đang tập trung nghiên cứu tuyến cáp quang biển nối Việt
Nam với Hồng-Kông sử dụng công nghệ WDM có dung lượng cao, hiện đại với những
tính năng kỹ thuật có hiệu quả kinh tế cao đang rất được quan tâm.
Nhìn chung, thông tin cáp quang biển được xây dựng và phát triển trên các
thành tựu của công nghệ thông tin quang, đặc biệt là các tuyến đường trục, khoảng các
xa.
Mô hình tổng quát của một hệ thống thông tin cáp quang biển được mô tả trên
hình 0.1

8. 3
Hình 0.1 – Cấu hình tổng quát hệ thống thông tin cáp quang biển
Hệ thống cáp quang biển bao gồm các thiết bị trạm đầu cuối được kết nối với
nhau thông qua tuyến cáp quang thả dưới biển. Do khoảng cách giữa các thiết bị đầu
cuối trong thông tin quang biển là rất xa (hàng nghìn km), nên tín hiệu quang truyền
trong cáp biển được chuyển tiếp nhờ các trạm lặp được cấp nguồn từ xa (còn gọi là
tuyến cáp quang biển có trạm lặp); ngoài ra, còn có các tuyến cáp quang biển không có
trạm lặp (loại này có khoảng cách không quá 350 400 km), loại này được thiết kế để
truyền dẫn giữa các địa điểm thông tin dọc bờ biển (Festun).
Trong tài liệu này tập trung vào các nội dung chủ yếu sau:
 Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin ghép kênh theo bước sóng WDM.
 Tìm hiểu về hệ thống thông tin cáp quang biển với công nghệ WDM.
 Tìm hiểu một số thiết bị chính về thông tin quang của các hãng cung cấp lớn
trên thế giới.
 Tìm hiểu việc nghiên cứu hệ thống thông tin quang giữa Việt Nam và Hồng
Kông (HK).
Nhằm mục đích giúp sinh viên trong việc học tập, khai thác và nghiên cứu công
nghệ thông tin cáp quang biển có những kiến thức cơ bản cũng như các thông tin cần
thiết về hệ thống thông thông tin cáp quang biển.

9. 4
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH
THEO BƯỚC SÓNG WDM
Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM) là một phần cơ bản trong hệ thống
thông tin cáp quang biển hiện đại.
Chương này sẽ nghiên cứu nguyên lý ghép kênh WDM, các công nghệ hiện đại,
các tiêu chuẩn kỹ thuật đang được ứng dụng trong hệ thông thông tin cáp quang biển.
1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM
Trong các hệ thống thông tin quang thông thường, luồng tín hiệu quang được
truyền theo một hướng trên sợi quang, và hướng ngược lại trên sợi thứ hai. Hệ thống
như vậy gọi là hệ thống đơn kênh quang. Để nâng cao dung lượng truyền dẫn, hiện nay
đang sử dụng ghép kênh quang. Hệ thống sử dụng kỹ thuật này cùng một lúc truyền
nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi quang, nên gọi là hệ thống thông sợi quang
nhiều kênh. Kỹ thuật WDM tận dụng được phổ hẹp của Laser, phát huy khả năng sử
dụng băng tần rất lớn của sợi quang đơn mode. Phương thức ghép kênh quang phổ
biến hiện nay là ghép kênh theo bước sóng (WDM-Wavelength Division
Multiplexing). ITU-T đã phân thành hai loại:
 Hệ thống ghép kênh thô (CWDM- Coarse Wavelength Division
Multiplexing) có kênh rộng hơn 1000 GHz (>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 với 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 sóng kênh hẹp hơn 1000 GHz (<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.
1.1.1 Nguyên lý ghép kênh
Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm (Point to Point) thông thường,
mỗi sợi quang sẽ có một nguồn 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 WDM sẽ cho phép tăng dung lượng lượng kênh mà không
cần tăng tốc độ bít đường truyền và cũng không dùng thêm sợi quang. Nó thực hiện
truyền các luồng quang với các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang. Điều
này thực hiện được là do các nguồn phát quang có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống

10. 5
thông tin thông thường chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của mỗi sợi
quang.
Hình 1.1 mô tả các cửa sổ truyền dẫn suy hao thấp của sợi quang nằm ở các
vùng (cửa sổ) 0.85 m, 1.3 m, 1.55 m.
Hình 1.1 Các vùng bước sóng (cửa sổ) có suy hao nhỏ cho phép truyền
nhiều bước sóng
Về lý thuyết, có thể truyền một dung lượng khổng lồ trên một sợi quang từ nhiều
nguồn phát quang làm việc ở những bước sóng cách nhau một khoảng hợp lý. Tại đầu
thu, có thể thực hiện thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng
khác nhau này. Do có, mức suy hao thấp ở vùng bước sóng 1,55 m nên vùng này
được dùng rộng rãi trong ghép kênh WDM.
Hình 1.2 minh họa nguyên lý cơ bản của ghép và giải ghép kênh WDM. Giả sử
hệ thống thiết bị phía phát có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác
nhau 1, 2, …, n. Các tín hiệu quang được phát ra ở các bước sóng khác nhau này sẽ
được ghép vào cùng một sợi quang nhờ một bộ ghép kênh quang (MUX). Ở đầu thu,
các bộ tách sóng quang khác nhau sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các cướng sóng
riêng rẽ này sau khi qua bộ giải WDM (DEMUX).
Hình 1.2 Mô tả quá trình ghép và giải ghép WDM

11. 6
Hình 1.3 mô tả hệ thống truyền dẫn ghép kênh bước sóng quang WDM theo hai
chiều.
Hình 1.3 Hệ thống ghép kênh WDM điểm – điểm
Với phương án này, cần phải sử dụng hai sợi quang để thực hiện hệ thống thông
tin hai chiều.
1.1.2 Các thông số cơ bản của thiết bị WDM
Các thông số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép – giải ghép
(MUX/EMUX) hỗn hợp là: suy hao xen, xuyên kênh, độ rộng kênh. Các ký hiệu I(i)
và O(k) tương ứng là các tín hiệu đã được ghép đang có mặt ở đường chung. Ký hiệu
Ik(k) là tín hiệu đầu vào có bước sóng k được ghép vào cửa thứ k; ký hiệu Oi(i) là
tín hiệu có bước sóng i đã được giải ghép và đi ra ở cửa thứ i. Dưới đây, sẽ xem xét
ba thông số cơ bản của thiết bị WDM:
+ Suy hao xen:
Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao xảy ra trong tuyến truyền
dẫn quang do trong tuyến đó có thêm các thiết bị ghép WDM. Suy hao này gồm: suy
hao do điểm ghép nối với các thiết bị WDM với sợi quang và suy hao bởi bản than các
thiết bị ghép gây ra. Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyến phải dự trữ vài dB cho
mỗi đầu.
Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ ghép Couple
chung, nhưng cần lưu ý ở WDM là xét cho một bước sóng đặc trưng:
 Đối với thiết bị MUX:

12. 7
( )
10log
( )
i
i
i i
O
L
I


  (1.1)
 Đối với thiết bị DEMUX:
( )
10log
( )
i i
i
i
O
L
I


  (1.2)
Với Li là suy hao tại bước sóng i khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền
dẫn. Các tham số này luôn phải được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang
của thiết bị.
+ Xuyên kênh:
Xuyên kênh mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này bị rò (chuyển) sang kênh
khác lân cận. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tùy thuộc vào trường
hợp áp dụng, nhưng nhìn chung, phải đảm bảo nhỏ hơn -30 dB trong mọi trường hợp.
Trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó và điều này 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:
( )
( ) 10log
( )
i k
i k
k
U
D
I



  (1.3)
Trong đó ( )i kU  là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng k do có rò
tín hiệu ở cưa ra thứ i, mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng i.. Khi tạo ra các sản
phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao xuyên 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 kênh không hoàn thiện; do phổ của các nguồn phát chồng lấn sang
nhau; do các hiệu ứng phi tuyến, nhất là đối với trường hợp công suất các kênh bước
sóng lớn.
+ Độ rộng kênh:
Độ rộng kênh là dải sóng dành cho mỗi lênh mà nó định ra cho từng nguồn phát
quang riêng. Nếu nguồn phát quang là các nguồn phát Diode Laser thì các độ rộng
kênh yêu cầu vào khoảng vài chục nm để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự
không 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
này rộng hơn. Như vậy, để tránh nhiễu do phổ nguồn phát, độ rộng kênh phải đảm bảo
đủ lớn, nghĩa là nó phải được xác định tùy theo loại nguồn phát.
1.2 Các thành phần của thiết bị WDM
Các thành phần thiết bị của hệ thống thông tin quang WDM gồm nhiều chủng
loại như sau:
 Nguồn phát quang và bộ thu quang;

13. 8
 Cáp sợi quang;
 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 những thành tựu công nghệ
thông tin quang và tùy theo đặc điểm có sự phù hợp khác nhau đối với các hệ thống
thông tin quang WDM.
Ta sẽ xem xét các thiết bị chủ yếu với những đặc điểm công nghệ mới nhất phù
hợp với ựng dụng cho các hệ thống thông tin quang WDM hiện đại.
1.2.1 Sợi quang
Chức năng chính của sợi quang là dẫn sóng quang (ánh sáng) đi xa với mức suy
hao nhỏ nhất. Sóng ánh sáng được truyền đi trong sợi quang dựa trên nguyên lý phản
xạ toàn phần bên trong sợi quang. Sợi quang là một sợi thủy tinh gồm hai lớp (core và
cladding) có chiết suất khác nhau. Hiện nay sử dụng hai loại sợi chính: sợi đơn mode
và sợi đa 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 một khoảng cách truyền dẫn lớn vì
giảm hẳn tán xạ mode. Điều này làm cho sợi đơn mode có dung lượng băng thông lớn
hơn sợi đa mode. Do có khả năng truyền tải thông tin cực lớn và suy hao thấp, nên sợi
quang đơn mode được sử dụng chủ yếu trong hệ thống 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 sau:
+ Sợi không dịch chuyển tán sắc (NDSF: Non- Dispersion – Shifted Fiber):
chuẩn NDSF được ITU-T đưa ra trong 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 màu gần như bằng
0 ở bước sóng này.
+ Sợi chuyển dịch tán sắc (DSF: Dispersion Shifted Fiber): chuẩn DSF được
ITU-T đưa ra trong khuyến nghị G.653. Ở đây, điểm tán sắc bằng 0 được dịch chuyển
đến cửa sổ có bước sóng 1550 nm (băng C). Ở cửa sổ này, sợi quang có suy hao thấp
hơn nhiều và phù hợp với tần số làm việc của bộ khuếch đại quang sợi EDFA. Tuy
nhiên, do ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến gần điểm dịch chuyển 0 nên loại sợi này
không phù hợp sử dụng cho DWDM.
+ Sợi dịch chuyển tán sắc khác 0 (NZ-DSF: Non-Zero Dispersion-Shifted
Fiber): chuẩn của sợi NZ-DSF được ITU-T khuyến nghị trong G.655, loại này có mức
tán sắc thấp ở vùng 1550 nm, nhưng không về không (NZ) nên có thể khắc phục các

14. 9
hiệu ứng phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM). Do đó loại sợi này được
sử dụng cho DWDM.
Bảng 1.1 giới thiệu các tham số của sợi quang đơn mode theo khuyến nghị của
ITU-T
Bảng 1.1 Các tham số của sợi quang đơn mode (theo khuyến nghị của ITU-
T G.652, G.653, G.654)
1.2.2 Thiết bị phát và thu WDM
Thiết bị phát và thu WDM được phát triển nhờ sử dụng công nghệ mạng tích
hợp quang điện (OEIC: Optic-Electronic Intergrated Circuit), trên nền InP. Đây là các
thiết bị phát và thu WDM được tích hợp nguyên khối hoạt động ở vùng bước sóng
1550 nm với khoảng cách kênh nhỏ hơn hay bằng 1 nm. Mặt khác, người ta tạo ra
được các mạch ánh sáng Plamar 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 thống WDM.

15. 10
 Có nhiều phương thức để tạo ra bộ phát WDM nguyên khối: (1) – kết hợp
đầu ra của một số nguồn Laser bán dẫn DFB hoặc DBR, có khả năng điều khiển độc
lập qua các cách tử Bragg, bằng các ống dẫn sóng thụ động. Bộ khuếch đại sẽ khuếch
đại công suất của tín hiệu để tăng công suất phát; (2) – sử dụng các nguồn Laser phát
mặt có hốc theo chiều đứng (VCSEL: Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) để tạo
ra bố phát WDM có giá thành thấp trong khi việc ghép mảng Laser hai chiều làm trải
rộng dải bước sóng; (3) – 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: (1) – bộ giải ghép kênh dùng cách tử lõm Plamar
được ghép với mảng bộ tách sóng quang; (2) – bộ giải ghép kênh dùng WGR tổ hợp
với mảng Photodiode.
1.2.3 Bộ khuếch đại quang
1.2.3.1 Nguyên lý hoạt động
Bộ khuếch đại quang dùng để bù lại công suất 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 cảu bộ khuếch đại là độ khuếch đại, băng tần, công suất ra cực đại, dải
động, xuyên kênh,…
Bộ khuếch đại quang gồm hai loại chính: (1) – bộ khuếch đại quang Laser bán
dẫn; (2) – bộ khuếch đại quang sợi. Hiện nay phổ biến dùng loại sợi pha tạp Erbium,
EDFA (Erbium – Doped Fiber Amplification).
Bộ khuếch đại EDFA là một đoạn sợi quang khoảng vài mét trong lõi có cấy
các ion Erbium Er+
với nồng độ dưới 0.1%. Khi có một nguồn photon bơm vào, các
ion Er+
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 không bức xạ. Sau 10
ns, điện tử được kích thích này rơi trở về mức cơ bản 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 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.
Hình 1.4 là sơ đồ khối bộ EDFA, gồm có: Coupler, sợi trộn Erbium, Laser bơm
và hai bộ ngăn cách đặt ở hai đầu của Erbium.

16. 11
Hình 1.4 Sơ đồ khối 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 EDFA ngăn chặn các phản xạ từ sợi ra. Nguồn
sáng Laser từ bộ bơm được ghép vào bộ EDFA và nó sẽ kích thích sợi Erbium để trực
tiếp khuếch đại tín hiệu quang đi qua đó, ở bước sóng 1550 nm.
1.2.3.2 Khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM
+ Các ứng dụng của EDFA:
Có ba ứng dụng chính của EDFA là:
 Khuếch đại công suất (BA: Booster Amplifier): BA là bộ EDFA có công
suất bão hòa lớn được sử dụng ngay sau nguồn phát để tăng mức công suất tín hiệu.
Do mức công suất ra lớn nên yêu cầu về lọc tạp âm là không nghiêm ngặt. Tuy nhiên,
có thể gây nên một số hiệu ứng phi tuyến.
 Tiền khuếch đại PA (Pre-Amplifier): là bộ EDFA có mức tạp âm thấp, được
đặt ngay trước đầu vào bộ thu để tăng độ nhạy thu. Để có mức tạp âm thấp, phải sử
dụng các bộ lọc quang băng hẹp.
 Khuếch đại đường truyền LA (Line Amplifier): là bộ EDFA có mức tạp âm
thấp, được sử dụng trên đường truyền quang để tăng chiều dài khoảng lặp.
+ Các hạn chế của EDFA
Một trong những hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch đại
không đồng đều, các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ số khác
nhau. Đặc biệt là tồn tại đỉnh khuếch đại ở bước sóng 1530 nm. Hơn nữa, trong trường
hợp trên tuyến có sử dụng bộ EDFA thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại tại bước
sóng 1558 nm. Như vậy, với nhiều bộ EDFA liên tiếp được sử dụng trên tuyến, dải
phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (từ 35 nm xuống còn 10 nm).
Để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng các giải 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 công suất của các bước sóng tại đầu vào sao cho ở đầu thu
mức công suất của các bước sóng đều nhau.

17. 12
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 thông của EDFA đạt cỡ 35 nm trong băng C (từ 1530
đến 1570 nm). Với sự phát triển của công nghệ WDM nên yêu cầu về độ rộng băng
thông ngày càng lớn. Điều đó đòi hỏi phải có các bộ EDFA có phổ rộng 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 1.5 mô tả phổ quang tại đầu ra của một tuyến thông tin quang DWDM
chiều dài 4000 km sử dụng bộ EDFA kết hợp băng tần C (55 kênh bước sóng) và L
(45 kênh bước sóng)
Hình 1.5 Phổ quang tại đầu ra tuyến WDM sử dụng các bộ EDFA băng C+L
1.2.3.3 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 một điều khác cũng rất quan tâm 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 hiện
nay có mức công suất phát của EDFA đạt tới 14 dBm (25 mW).
1.3 Các vấn đề thiết kế hệ thống WDM
Khi thiết kế hệ thống WDM phải giải quyết nhiều vấn đề nhưng tập trung chủ
yếu vào các vấn đề sau:
1.3.1 Vấn đề suy hao và quỹ công suất quang
Trong bất kỳ một hệ thống thông tin 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 mức BER cho phép.
Trước đây, khi chưa có khuếch đại quang, suy hao tín hiệu trên đường truyền dẫn (do
suy hao sợi quang, suy hao mối hàn, suy hao đầu nối,…) được bù lại thông qua việc sử

18. 13
dụng các trạm lặp điện, quá trình này thực hiện quá phức tạp. Tuy nhiên, khi khuếch
đại quang ra đời, việc đảm bảo quỹ công suất cho hệ thống không còn khó khăn nữa,
mà vấn đề quan trọng là việc bố trí các bộ khuếch đại quang sao cho hợp lý.
1.3.2 Vấn đề tán sắc
1.3.2.1 Các dạng tán sắc
Bản chất của tán sắc là sự giãn rộng phổ của xung tín hiệu khi truyền dẫn trên
sơị quang. Tán sắc gồm: tán sắc mode, tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng.
+ Tán sắc mode
Tán sắc mode chỉ tồn tại với sợi quang đa mode, do các mode sẽ lan truyền với
các đường đi khác nhau và do đó thời gian lan truyến khác nhau giữa các mode.
+ Tán sắc vật liệu
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
Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chi giữ được khoảng 80% năng lượng
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/.
1.3.2.2 Các phương pháp chính để giảm sự ảnh hưởng của sự tán sắc
Để giảm ảnh hưởng của tán sắc gồm có 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 không tại cửa sổ 1550 nm)
+ Bù tán sắc bằng phương pháp điều biến dịch pha SPM.
+ Bù tán sắc bằng các thành phần 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 Trans-mission).
+ Bù tán sắc bằng sợi DCF.
+ Bù tán sắc băng các module DCM sử dụng cách tử Bragg.
Ta cũng có thể coi kỹ thuật WDM cũng có thể coi là một phương pháp giảm
ảnh hưởng của tán sắc. Do sử dụng kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của hệ
thống mà không phải tăng tốc độ truyền dẫn của kênh tin hiệu.
Do đó, nếu không 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 TDM đơn kênh có tốc độ bằng
tốc độ của một kênh bước sóng trong hệ thống WDM.
Tóm lại, vấn đề tán sắc ảnh hưởng nghiêm trọng trong hệ thống thông tin quang
cự ly xa. Ảnh hưởng của tán sắc càng nghiêm trọng hơn khi tín hiệu quang được

19. 14
khuếch đại nhiều lần lặp sử dụng các bộ khuếch đại đường truyền LA. Trong hệ thống
nhiều kênh WDM ảnh hưởng của tán sắc không đều giữa bước sóng (độ dốc tán sắc).
Khắc phục tán sắc là vấn đề cơ bản cần giải quyết trong thiết kế hệ thống thông tin
quang WDM cự ly lớn. Ta còn quay lại vấn đề này ở lần sau.
1.3.3 Vấn đề xuyên kênh
Vấn đề quan trong khác trong thiết kế hệ thống WDM là giải quyết xuyên kênh.
Đặc tính của hệ thống sẽ bị suy giảm khi có hiện tượng xuyên kênh, nghĩa là hiện
tượng dẫn đến một phần công suất của kênh này chuyển sang kênh khác. Có sự chuyển
đổi đó là do ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến bên trong sợi quang, hiện tượng
này được gọi là xuyên kênh phi tuyến vì nó phụ thuộc vào bản chất truyền dẫn phi
tuyến của kênh thông tin quang.
Tuy nhiên, xuyên kênh cũng xảy ra ngay cả khi kênh là tuyến tính hoàn toàn;
trường hợp này là do tính không hoàn hảo của các phần tử WDM khác nhau như: bộ
lọc quang, bộ giải ghép kênh và các bộ chuyển mạch. Dưới đây sẽ đi sâu phân tích hai
loại xuyên kênh trên.
1.3.3.1 Xuyên kênh tuyến tính
Xuyên kênh tuyến tính có thể chia thành hai loại phụ thuộc vào nguồn gốc của
nó. Các bộ lọc quang và các bộ tách kênh thường để rò một phần công suất tín hiệu
sang các kênh lân cận, xen vào qúa trình tách sóng. Xuyên kênh này gọi là xuyên kênh
không đồng nhất bước sóng (hay còn gọi là xuyên kênh ngoài băng), và do tính không
kết hợp của nó, nên nó ít ảnh hưởng hơn so với xuyên kênh đồng kênh (hay còn gọi là
xuyên kênh trong băng), xảy ra khi định tuyến tín hiệu WDM từ nhiều nút mạng. Ta sẽ
xem xét chi tiết hơn hai loại xuyên kênh tuyến tính thường gặp:
+ Xuyên kênh gây ra do bộ lọc:
Ta hãy xét trường hợp hệ thống trong đó sử dụng một bộ lọc quang có thể điều
chỉnh được để chọn ra một kênh trong số N kênh tới. Nếu bộ lọc quang cho qua kênh
thứ m, thì công suất quang tới được bộ tách sóng có thể được tính:
N
m nm n
n m
P P T P

   (1.4)
Với Pm là công suất của kênh thứ m và Tnm là hệ số truyền dẫn của bộ lọc cho
kênh n khi kênh m được chọn, Pn là công suất của kênh n. Xuyên kênh này xảy ra nếu
Tnm ≠ 0 với n ≠ m. Đây là loại xuyên kênh ngoài băng vì nó thuộc về tín hiệu nằm
ngoài dải phổ mà kênh được tách ra đã chiếm giữ.
Để đánh giá sự tác động của xuyên kênh lên chức năng hệ thống, ta xét việc đền
bù công suất được xác định khi tăng thêm công suất tại bộ thu để hạn chế sự ảnh
hưởng của xuyên kênh. Dòng photo được phát ra tương ứng với công suất quang tới
được xác định:

20. 15
N
m m n nm n ch x
n m
I R P R T P I I

    (1.5)
Với Rm = me /hvm là đáp ứng bộ tách sóng quang cho kênh thứ m tại tần số vm
và m là hiệu suất lượng tử mà nó có thể khác nhau đối với các kênh khác nhau. Thành
phần Ix biểu thị xuyên kênh thêm vào dòng I của bộ thu. Giá trị của nó phụ thuộc vào
dạng bít và đạt cực đại khi tất cả các kênh đều mang các bít “1” (đây là trường hợp xấu
nhất).
Phương pháp đơn giản để tính mức thiệt thòi công suất xuyên kênh là đưa vào
độ khép hình mắt. Thực tế, Ich tăng lên để duy trì chất lượng hệ thống. Hệ số tăng x
của Ich có thể được tính:
10log(1 )x X   (1.6)
Với
N
n nm n
n m
X R T P

 
Là lượng công suất xuyên kênh ngoài băng. Nói một cách khác, nó biểu thị
phần công suất bị rò vào kênh cần tách từ các kênh khác.
1.3.3.2 Xuyên kênh do bộ định tuyến cách tử dẫn sóng (WGR: Wavelength Grating
Router)
Nguồn gốc gây ra xuyên kênh trong băng do bộ định tuyến cách tử dẫn sóng
WGR N×N, tồn tại N2
kết nối qua đó các tín hiệu WDM có N bước sóng có thể dược
chia ra. Xét tín hiệu đầu ra của một bước sóng m trong N2
-1 tín hiệu giao thoa có thể
đi cùng tín hiệu mong muốn, N-1 tín hiệu đó cùng bước sóng mang m, trong khi N(N-
1) tín hiệu còn lại thuộc về các bước sóng khác và sẽ loại trừ khi chúng đi qua phần tử
WDM khác. N-1 tín hiệu xuyên kênh tại các bước song giống nhau (xuyên trong băng)
bắt nguồn từ quá trình lọc không hoàn hảo của WGR do sự chồng lấn giữa N đỉnh
truyền dẫn của nó.
Trường quang tổng chỉ bao hàm xuyên kênh trong băng được tính:
m
-i2 ct
( ) exp
N
m m m
n m
E t E E


  
    
   
 (1.7)
Bù công suất trong trường hợp này có thể được tính:
 m( ) ( ) 2 ( ) ( ) os ( ) ( )
N
m m n n
n m
I t RP t R P t P t c t t 

    (1.8)
Với Pn= En2
là công suất và (t) là pha. Thực tế, Pn << Pm với n≠m bởi vì
WGR được tạo ra để làm giảm xuyên kênh. Vì các pha gần như thay đổi ngẫu nhiên,
nên có thể viết lại (1.8) như là:
 ( ) mI t R P P  

21. 16
Và có xuyên kênh là nhiễu cường độ và có thể sử dụng cách tiếp cận để tính
toán sự mất mát công suất, theo quan hệ sau:
2
10log(1 )x xP r   (1.9)
Trong đó:
2
2
2
( )
( 1)x
m
P
r X N
P

   (1.10)
Vối X=Pn  Pm là mức xuyên kênh được xác định nhờ phần công suất rò qua
WGR và được coi như nhau đối với tất cả N-1 nguồn xuyên kênh, trong băng, kết hợp
với giả thiết công suất đều bằng nhau.
Việc tính toán mất mát công suất do xuyên kênh cho trường hợp định tuyến
bước sóng động thông qua kết nối chéo quang sẽ trở nên rất phức tạp do số lượng rất
nhiều các phần tử xuyên kênh mà qua đó tín hiệu có thể truyền qua, chẳng hạn như các
mạng WDM. Việc phân tích cho trường hợp xấu nhất có thể dự đoán được mức độ mất
mát công suất khá lớn (>3dB) khi số lượng phần tử xuyên kênh >25, dù cho mức
xuyên kênh của mỗi phần tử chỉ bằng -40dB. Rõ ràng là xuyên kênh tuyến tính là vấn
đề cơ bản trong thết kế mạng WDM phải được thiết kế sao cho giảm được mức xuyên
kênh càng nhiều càng tốt. Xuyên kênh này có thể giảm xuống bằng giải pháp bù thực
hiện tại bộ thu.
1.3.3.3 Xuyên kênh phi tuyến
Trong hệ thống thông tin quang, xuyên kênh phi tuyến xảy ra khi cường độ của
tín hiệu quang thay đổi vượt qua một ngưỡng nào đó. Đối với các hệ thống WDM
xuyên kênh phi tuyến làm giảm công suất từng kênh, làm tăng tỷ số SNR,… Dưới đây
sẽ xem xét một số hiệu ứng phi tuyến gây ra hiện tượng xuyên kênh:
+ Tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scatering – SRS)
SRS có ảnh hưởng lớn đến hệ thông WDM. Ở đây sợi quang hoạt động như
một bộ khuếch đại Raman sao cho các kênh có bước sóng ngắn với sự sai khác bước
sóng nằm trong dải thông của khuếch đại Raman. Phổ khuếch đại Raman của sợi Silic
bị giãn rộng khiến cho sự khuếch đại có thể xảy ra đối với những kênh có khoảng cách
khá xa tới 20nm. Kênh bước sóng ngắn nhất sẽ bị suy giảm nhiều nhất, vì có thể bơm
nhiều kênh cùng một lúc. Sự chuyển đổi năng lượng giữa các kênh này có thể gây hại
cho chất lượng của hệ thống vì nó còn phụ thuộc vào dạng bit “1” xuất hiện đồng thời
trong cả hai kênh. Sự khuếch đại phụ thuộc này sẽ làm tăng mức độ thăng giáng công
suất và làm tăng nhiễu ở bộ thu.
Có thể tránh được xuyên kênh Raman nếu công suất các kênh nhỏ sao cho
khuếch đại Raman là không đáng kể trên chiều dài sợi quang. Đây là điều rất quan
trọng cho việc đánh giá giá trị giới hạn của công suất kênh. Ta hãy khảo sát một mô

22. 17
hình đánh giá sự suy giảm của kênh tần số cao nhất (trong trường hợp xấu nhất) mà tại
đó tất cả các kênh đều truyền đi bít “1” cùng một lúc. Hệ số khuếch đại của mỗi kênh
là:
Gi = egiLeft
- L
Với:
- L
1-e
eft=L


Là độ dài tương tác hiệu dụng,
eft
( )R ch
i
g P
g
A


Là hệ số khuếch đại Raman tại i=0-i và Pch là công suất kênh. Khi giLeft
<< 1, kênh tần số cao nhất tại 0 bị suy giảm một lượng giLeft là do khuếch đại
Raman của kênh thứ i. Tổng suy giảm xác định bởi quan hệ sau:
2 eft
( ) eftN
R ch
i
g P L
D
A

  (1.11)
Từ kết quả của biểu thức (1.11) có thể xác định được nếu phổ khuếch đại
Raman được tính xấp xỉ bằng dạng tam giác sao cho gR() tăng lên tuyến tính với 
tăng lên tới 17 THz và sau đó giảm xuống 0. Kết quả là:
ax
13
eft
eft.N(N-1)
1x10
M
ch RV g L
D
A

 (1.12)
Ở đây giả thiết rằng tất cả các kênh có khoảng cách không đổi Vch và gR
max
là
giá trị đỉnh của bộ khuếch đại Raman. Hệ số khuếch đại giảm xuống theo hệ số D là để
tính đến sự phân cực không đồng đều xảy ra bên trong sợi quang. Sự mất mát công
suất (tính theo dB) có mối quan hệ với D được tính như sau:
10log(1 )chP D   (1.13)
Vì vậy, công suất kênh đầu vào phải tăng lên theo hệ số là (1-D) để duy trì đặc
tính hệ thống như nhau. D cần phải nhỏ hơn 5% để giữ đền bù công suất thấp hơn 0,5
dB. Biểu thức (1.13) đưa ra công suất kênh giới hạn bằng cách sử dụng D=0,05. Giới
hạn này được biểu diễn trên hình 1.6 cho sợi có đường kính core là 8m và suy hao
0,2dB tại bước sóng vùng 1550 nm. SRS giới hạn cho công suất kênh thấp 1mW khi
số lượng kênh WDM lớn hơn 80 kênh.

23. 18
Hình 1.6. Giới hạn về công suất quang do tác động của bốn hiệu ứng phi tuyến
Việc phân tich trên đã bỏ qua một thực tế là các tín hiệu trong từng kênh bao
gồm một chuỗi ngẫu nhiên các bit “0” và “1”. Quá trình phân tích thống kê cho thấy
xuyên kênh Raman thấp hơn vào khoảng hệ số 2 khi có tính đến điều biến tín hiệu.
Một mô hình khác hoàn chỉnh hơn xem xét đến sự suy giảm của từng kênh thông qua
bơm Raman các kênh bước sóng dài hơn và khuếch đại của chính nó do bơm từ các
kênh bước sóng ngắn. Sự khuếch đại theo chu kỳ của tín hiệu WDM trong một tuyến
truyến dẫn quang khoảng cách lớn củng làm tăng ảnh hưởng của sự suy giảm SRS gây
ra. Nguyên nhân là ở chỗ các bộ khuếch đại đường truyền (LA) thêm nhiễu có mức
suy hao Raman thấp của chính tín hiệu, dẫn đến suy giảm SNR. Trong thực tế, tổng
dung lượng của hệ thống WDM bị giới hạn thấp hơn 100 Gbps với cự ly truyền dẫn từ
500 km trở lên.
+ Tán xạ Brillouin kích thích (SBS: Stimulated Brillouin Scatering)
SSB có thể chuyển năng lượng từ một kênh tần số cao xuống một kênh tần số
thấp khi khoảng cách kênh bằng độ dịch Brillouin. Tuy nhiên ngược với SRS sự
chuyển năng lượng như vậy sẽ tránh được dễ dàng bằng cách thiết kế thích hợp các hệ
thống thông tin nhiều kênh. Lý do là dải thông khuếch đại Brillouin quá hẹp (khoảng
50 Mhz) so với dải thông khuếch đại Raman (5 THz). Do đó, khoảng cách kênh phải
được điều chỉnh chính xác với độ dịch Brillouin (khoảng 1,5 m) để SBS có thể xảy
ra.
Mặc dù SSB không gây ra ảnh hưởng đến xuyên kênh trong khi tất cả các kênh
truyền xuôi theo cùng hướng, tuy nhiên nó vẫn hạn chế các công suất kênh. Nguyên
nhân là do một phần công suất kênh có thể bị chuyển thành sóng Stokes truyền theo
hướng ngược lại, sóng này được phát ra từ nhiễu khi điều kiện ngưỡng được thảo mãn.

24. 19
Điều kiện này độc lập về số lượng và sự hiện diện của các kênh khác. Tuy nhiên
ngưỡng Brillouin đối với mỗi một kênh có thể đạt tới công suất kênh nhỏ từ 2 đến 3
mW. Đối với sợi có tiết diện hiệu dụng Aeff = 50 m2
và hệ số suy hao  = 0,2 dB /Km
để Left có thể bằng 1/. Giá trị này được chỉ ra trên hình 1.6. Đường cong này đã bỏ
qua các hiệu ứng điều biến tín hiệu. Nói chung ngưỡng Brillouin phụ thuộc vào dạng
điều biến tín hiệu cũng như tỷ số của tốc độ bit đối với dải thông khuếch đại Brillouin.
Hơn nữa có thể tăng lên gần 100 mW bằng cách điều biến pha của sóng mang tại tần
số 0.2  0.5 Ghz. Sự điều biến pha như vậy sẽ làm giảm độ rộng phổ nguồn phát, hạn
chế đáng kể SBS.
+ Điều biến pha chéo ( XPM: Cross- Phase Modulatom)
Một cơ chế xuyên kênh quan trọng trong hệ thống WDM là hiện tượng phi
tuyến của XPM. XPM bắt nguồn từ sự phụ thuộc vào cường độ của chỉ số chiết suất,
mà chỉ số này là nguyên nhân gây ra sự dịch pha phụ thuộc cường độ tín hiệu truyền
dọc qua sợi quang. Sự dịch pha đối với một kênh riêng biệt phụ thuộc không chỉ vào
công suất của kênh đó mà còn cả vào công suất của các kênh khác. Độ dịch pha tổng
cộng đồi với kênh thứ j có thể được xác định:
2
N
NL
j j m
m j
P P


 
 
  
 
 (1.14)
Ở đây Left được thay thế bằng 1/ theo giả thiết L >> 1. Tham số  được xác
định với giá trị tiêu biểu bằng 1W-1
Km-1
. Đối với các hệ thống IM-DD, độ dịch pha
phi tuyến phụ thuộc vào các dạng bit của các kênh khác nhau, và có thể thay đổi từ 0
đến giá trị cực đại ( /  )(2N-1)Pj nếu ta giả thiết các công suất kênh bằng nhau. Tuy
nhiên nó không ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống nếu các hiệu ứng tán sắc vận tốc
nhóm (Group Velocity Dispersion) là không đáng kể và bộ thu quang đáp ứng đối với
công suất tối.
Tình thế là hoàn toàn khác đối với các hệ thống đa kênh Coherent tính nhạy pha
của bộ thu. Hiệu ứng XPM phụ thuộc vào dạng điều biến. Trường hợp xấu nhất sẽ xảy
ra đối với điều biến ASK vì độ lệch pha phụ thuộc vào mẫu bit của các kênh khác
nhau. Ảnh hưởng của XPM có thể được bỏ qua bằng cách chọn công suất kênh Pch để
độ dịch pha cực đại là:
 2 1 1chN P


 (1.15)
Công suất kênh bị giới hạn trong khoảng 1mW ngay cả đối với dung lượng là
10 kênh.
Tác động của XPM lên các hệ thống Coherem nghiêm trọng hơn đối với dạng
tín hiệu điều biến FSK và PSK vì công suất kênh không phụ thuộc vào mẫu bit. Thật
ra XPM là vô hại nếu các công suất kênh là không đổi, vì độ dịch pha không đổi trong

25. 20
công thức (1.14) không ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Trên thực tế các công suất
kênh bị biến động là do nhiễu cường độ liên quan đến các Laser phát. XPM sẽ biến đổi
sự biến động về cường độ thăng giáng về pha của biểu thức (1.14). Nếu 2
p là sự biến
đổi và biến động công suất được giả thiết giống nhau cho tất cả các kênh thì thì biến
đổi pha 2
p có thể thu được bằng cách thêm vào các biến đổi riêng rẽ vì công suất
trong mỗi kênh biến đổi độc lập với nhau. Do đó đối với N lớn được tính xấp xỉ:
2
P N

 

 (1.16)
Thông thường thì p = 5x1013
Pch với Pch là công suất kênh trung bình. Ngay cả
đối với Pch = 100, thì p < 0.1 rad một giá trị gây ra mất mát xuyên kênh có thể bỏ qua.
Sự mất mát xuyên kênh lớn hơn có thể xảy ra khi điều biên pha hay tần số được
thực hiện bằng điều biên biên độ dư. Điều này có thể xảy ra khi nguồn Lasen bán dẫn
được điều biến trực tiếp hoặc khi tán sắc sợi đủ lớn để biến đổi điều biến pha thành
điều biến biên độ. Giá trị p trong trường hợp này có thể đạt 0.2 Pch. Hơn nữa  tăng
lên tuyến tính với N lớn so hơn với N . Để hạn chế sự thiệt hại công suất dưới 1 dB
công suất trung bình (tính bằng mW) nên nhỏ hơn 21/N với giá trị tiêu biểu của  và
. Điều này được chỉ ra trên Hình.1.6 và được so sánh với giới hạn công suất phát ra
do SBS và SRB. Hiệu ứng XPM trở thành cơ chế xuyên kênh chủ yếu đối vối các hệ
thống WDM từ 10 kênh trở lên nó hạn chế công suất thấp hơn 0.1 mW với N > 100.
+ Trộn bốn bước sóng ( FWM : Four – Wave Mixing)
Hiệu ứng FWM trở thành nguồn xuyên kênh phi tuyến chủ yếu khi khoảng cách
kênh và tán sắc sợi đủ để thỏa mãn điều kiện tương đồng về pha. Tác động của FWM
là nghiêm trọng nhất trong hệ thống WDM coherent khoảng cách kênh khoảng 10Ghz.
Đối với hệ thống WDM không kết hợp FWM trở nên có liên quan chủ yếu khi các
bước sóng kênh gần với bước sóng tán sắc bằng 0 của sợi quang. Đây là trường hợp
cho các hệ thống làm việc ở vùng bước sóng 1.5 m khi sử dụng các sợi tán sắc dịch
chuyển. Trong thực tế các sợi quang thường được chế tạo sao cho tán sắc của chúng đủ
nhỏ để tối thiểu hóa các hiệu ứng tán sắc, nhưng đồng thời cũng đủ lớn để xuyên kênh
gây ra bởi FWM cũng nhỏ nhất.
Về vất lý, hiệu ứng FWM dẫn đến suy giảm chất lượng hệ thống có thể được
hiểu là FWM phát ra một sóng mới ở tần số ijk = i + j + k, khi ba sóng i , j, k
cùng truyền đi bên trong sợi. Đối với hệ thống N kênh i, j, k có thể thay đổi từ 1 đến
N, dẫn đến một tổ hợp các tần số mới phát sóng bởi FWM. Trong trường hợp khoảng
cách các kênh bằng nhau, các tần số mới trùng khớp với các tần số đang tồn tại dẫn
đến xuyên kênh trong băng kết hợp. Trong cả hai trường hợp năng lực hệ thống bị suy
giảm do suy hao về công suất kênh nhưng xuyên kênh kết hợp làm giảm chất lượng hệ
thông nhiều hơn. Vì vậy các hệ thống WDM đôi khi được thiết kế có khoảng cách

26. 21
kênh không đều nhau và các kênh bước sóng được chọn sao cho tất cả các tần số do
FWM tạo ra rơi ra bên ngoài phổ tín hiệu.
Hiệu suất FWM thay đổi theo Pch nếu ta giả thiết công suất các kênh bằng nhau.
Nó cũng phụ thuộc vào khoảng cách kênh do yêu cầu hiệu chỉnh pha. Với khoảng cách
kênh cho trước Pch nên được giảm xuống thấp hơn một giá trị xác định nào đó nhằm
giảm tác động của FWM lên chất lượng hệ thống. Hình 1.6 mô tả hạn chế này cho
trường hợp khoảng cách kênh 100 Ghz khi sử dụng sợi tán sắc dịch chyển. Thông
thường FWM giới hạn các công suất kênh < 1 mW loại trừ trường hợp sử dụng các
khoảng cách kênh không đều. Một số đo đạc thực nghiệm đã xác định được ưu điểm
của khoảng cách kênh không đều này. Tuy nhiên đây không phải là giải pháp thực tế
vì có nhiều thiết bị WDM (như bộ lọc FP hay WGR) thường được chế tạo có khoảng
cách đều nhau.
Tóm lại, có một số các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang có ảnh hưởng đến
chất lượng hệ thống nên trong thiết kế hệ thống phải tối thiểu hóa một cách hợp lý.
1.3.4 Kênh bước sóng ITU-T Grid
1.3.4.1 Khoảng cách kênh bước sóng
Một trong những yếu tố quan trọng cần phải xem xét là số kênh bước sóng của
hệ thống thông tin quang WDM. Số kênh bước sóng lớn nhất có thể sử dụng phụ thuộc
vào:
+ Khả năng công nghệ :
Khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống cụ thể :
 Băng tần của sợi quang;
 Khả năng tách ghép của thiết bị giải ghép kênh;
+ Khoảng cách kênh bước sóng:
Khoảng cách kênh bước sóng chịu ảnh hưởng của các yếu tố:
 Tốc độ truyền dẫn của từng kênh;
 Quỹ công suất quang;
 Ảnh hưởng của xuyên kênh( tuyến tính và phi tuyến)
 Độ rộng phổ của nguồn;
 Khả năng của thiết bị quang ghép – ghép WDM
Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550 nm có độ rộng khoảng
100nm, nhưng do dải khuếch đại của các bộ khuếch đại quang chỉ có độ rộng 35 nm
đối với băng C, nên trong thực tế các hệ thông WDM không thể tận dụng hết băng tần
sợi quang.
Nếu  = 35 nm, xét riêng với băng C thì ta có f = 4370 Ghz. Giả sử tốc độ
truyền dẫn của mỗi kênh bước sóng là 2.5 Ghz theo định lý Nyquist với phổ tín hiệu là

27. 22
2x2.5 = 5 Ghz thì số kênh bước sóng cực đại có thể đạt được là N = f/5 = 874 kênh
trong dải băng tần của một bộ khuếch đại quang.
Đây là số kênh cực đại tính theo lý thuyết đối với băng C. Tuy nhiên với mật độ
kênh càng lớn thì đòi hỏi các thành phần quang của hệ thống phải có chất lượng cao.
Để tránh xuyên kênh giữa các kênh này đòi hỏi phải có nguồn phát quang ổn định và
các bộ thu quang phải có độ chọn lóc bước sóng cao. Bất kỳ sự dịch tần nào (Chirping)
của nguồn phát cũng có thể làm giãn phổ sang kênh lân cận.
Dựa trên khả năng công nghệ hiện có ITU-T đã đưa ra khuyến nghị về khoảng
cách kênh bước sóng (ITU-T Grid) cho DWDM và CWDM. Các thiết bị WDM
thương mại hiên nay đều tuân theo một trong 2 chuẩn tùy theo ứng dụng.
1.3.4.2 Ghép kênh bước sóng mật độ cao( DWDM)
Trong khuyến nghị G.649.1 của ITU-T đã đưa ra định nghĩa về lưới tần số để
hỗ trợ các ứng dụng ghép kênh DWDM
 Đối với khoảng cách kênh bước sóng 12.5 Ghz các tần số kênh cho phép là
193.1 + n x 0.0125, trong đó n là số nguyên dương hoặc âm gồm cả số 0.
 Đối với khoảng cách bước sóng 25GHz các tần số kênh cho phép là: 193.1 +
nx 0.025 trong đó n là số nguyên dương hoặc âm bao gồm cả số 0.
 Đối với khoảnh cách kênh bước sóng 50 GHz các tần số kênh cho phép là:
193.1 + nx 0.05, trong đó n là số nguyên dương hoặc âm gồm cả số 0.
 Đối với khoảng cách bước sóng 100GHz các tần số kênh cho phép là: 193.1 +
n x 0.1, trong đó n là số nguyên dương hoặc âm, bao gồm cả số 0.
Bảng 1.2 dưới đây giới thiệu các tần số trung tâm trong băng C và L dựa trên
khoảng cách kênh tối thiểu 12.5 GHz tính trong băng tần chuẩn 193.1 GHz. Bảng này
cũng bao gồm các bước tần số ứng với khoảng cách kênh 25.50 và 100 Ghz.

28. 23
Bảng 1.2 Lưới phân bố tần số trung tâm của DWDM (khuyến nghị G.694.1
của ITU-T (06/2002)

29. 24

30. 25
1.3.4.3 Ghép kênh bước sóng thô (CWDM)
Trong khuyến nghị G.694.2 của ITU-T (06/2002) đã đưa ra định nghĩa về lưới
tần số để hỗ trợ cho các ứng ghép kênh bước sóng CWDM. Lưới này được thiết kế để
cho phép phát đồng thời một số bước sóng có khoảng cách đủ lớn để có thể sử dụng
các nguồn phát không làm….
Bảng 1.3 trình bày các kênh bước sóng của lưới CWDM trong dải từ 1270 đến
1610 nm.

31. 26
Bảng 1.3 Các bước sóng trung tâm của lưới CWDM (G.694.2 của ITU-T
(06/2002)
1.4 Hệ thống truyền dẫn WDM đường trục khoảng cách lớn
1.4.1 Các yếu tố thách thức thiết kế hệ thống
Trong các tuyến truyền dẫn quang đường dài (khoảng cách lớn), tín hiệu được
phát tại của sổ suy hao nhỏ khoảng 1550 nm và sử dụng bộ khuếch đại EDFA để bù lại
suy hao quang. Để nâng cao dung lượng của hệ thống thường dùng công nghệ WDM.
Ngày nay các tuyến cáp quang đường dài đã sử dụng WDM+ ở tốc độ 10Gbit/s. Ví dụ
tuyến cáp quang biển C2CCN có dung lượng thiết kế lên tới 96 kênh với tốc độ
10Gbit/s trên mỗi đôi sợi quang.
Do sử dụng bộ EDFA nên tín hiệu truyền dẫn là tín hệu quang. Tuy nhiên khi
đó sự giảm chất lượng hệ thống được tích lũy theo tuyến làm hạn chế dung lượng và
độ dài của tuyến. Nhưng suy giảm chính của hệ thống là tạp âm khuếch đại quang tán
sắc màu và hiệu ứng phi tuyến.
1.4.1.1 Bộ khuếch đại EDFA
Bộ khuếch đại EDFA dùng để khuếch đại tín hệu quang, nhưng đồng thời cũng
tạo ra tap âm tự phát (ASE: Amplifined Spontaneous Emission Noise).
02 ( 1)n spP h g B   (1.17)
Trong đó sp là hệ số phản xạ tự phát, g là hệ số khuếch đại, Bo là băng thông
quang và hv là năng lượng photon. Hệ số g càng cao thì mức tạp âm quang cang lớn.

32. 27
trong cac hệ thống đường dài ASE tạo ra bởi các bộ EDFA được tích lũy dọc tuyến và
là một yếu tố đáng kể hạn chế tới phẩm chất hệ thống.
1.4.1.2 Tán sắc màu
Tán sắc màu gây ra tín hiệu ở những tần số khác nhau phát trong sợi quang với
tốc độ khác nhau dẫn dến méo tín hiệu ở đầu cuối tuyến truyền dẫn. Hiệu ứng tán sắc
phụ thuộc vào hệ số tán sắc của sợi quang và tăng lên với tỷ lệ với bình phương tốc độ
bít của tín hiệu, ví dụ, khoảng cách truyền dẫn bị hạn chế bởi tán sắc của sợi quang
đến mode chuẩn SFM đối với tín hiệu 10Gbit/s vào khoảng 60 km. Vì thế đối với các
hệ thống truyền dẫn đường dài cần phải có bù tán sắc.
1.4.1.3 Các hiệu ứng phi tuyến
Các hiệu ứng liên quan đến phi tuyến được chia thành 2 nhóm:
+ Hiệu ứng phi tuyến liên quan đến chiết suất:
Hiệu ứng phi tuyến liên quan đến chiết suất gồm: điều biến trị pha (SPM : Self
– Phase Modulatron) điều biến pha chéo (XPM: Cross – Phase Modunlatron) và trộn
bốn bước sóng (FWM): Four – Wave Mixing).
+ Hiệu ứng phi tuyến liên quan đến tán xạ:
Phi tuyến liên quan đến tán xạ gồm: tán xạ Brillouin kích thích (SBS) tán xạ
Ramam kích thích (SRS)
Điều biến tự pha là một hiệu ứng đơn kênh gắn liền với chiết suất phi tuyến.
Chiết suất phụ thuộc vào công suất tín hiệu như sau:
0
0 2
eff
P
n n n
A
  (1.18)
Trong đó n2 là chiết suất phi tuyến; P0 là công suất tín hiệu; Aeff là tiết diện hiệu
dụng của sợi quang. Chiết suất phi tuyến gây ra sự thay đổi pha của trường quang
truyền dẫn được tính:
0 aveff= PSPM P L L   (1.19)
Trong đó
2 0
av eff
eff
2 1 1
;P ;
L L
effn P e e
L
A L
 


  
 
 
  
Và  là hệ số phi tuyến,  là bước sóng tín hiệu  là hiệu, số suy hao sợi, Pav là công
suất tín hiệu trung bình, L là chiều dài sợi, Leff là chiều dài hiệu dụng sợi quang. Sự
thay đổi pha dẫn đến dịch tần được tính theo công thức:
0
eff
dP
dt
f L  (1.20)
Hiệu ứng dịch tần này làm rộng phổ.

33. 28
Tán sắc màu làm biến đổi độ rộng phổ làm méo tín hiệu. Sự kết hợp của hiệu
ứng tán sắc màu và SPM là một vấn đề phải quan tâm trong thiết kế hệ thống tốc độ
cao.
Cũng như SPM điều biến pha chéo (XPM) gây ra bởi sự thay đổi pha do chiết
suất phi tuyến và dịch tần. Tuy nhiên không như SPM điều biến pha chéo (XPM) được
gây ra bởi tín hiệu ở các bước sóng khác, vì thế XPM chỉ tồn tại ở các hệ thống WDM.
FWM được tạo ra bởi chiết suất phi tuyến của sợi quang tương tự như méo điều
biến tương hỗ trong hệ thống điện, sự xung đột giữa các kênh WDM tạo ra thành phần
mới với tần số:
ijk i j kf f f f   (1.21)
Hình H.1.7 mô tả các thành phần FWM được tạo ra trong hệ thống 3 bước sóng.
Khi các kênh WDM cách đều nhau, các thành phần FWM cách đều nhau; các thành
phần FWM nằm trong kênh tín hiệu và vì thế gây ra xuyên kênh phi tuyến. Hiệu ứng
FWM sẽ trở nên đáng kể khi có nhiều kênh WDM và khoảng cách là gần. FWM là
một hiệu ứng truyền dẫn chính trong các hệ thống WDM. SBS là hiệu ứng đơn kênh
gây ra bởi tương tác giữa ánh sáng với sóng âm thanh trong sợi quang. Hiệu ứng SBS
có ngưỡng cao và tăng lên theo băng thông tín hiệu. Vì thế nếu công suất tín hiệu trong
các kênh WDM không vượt quá ngưỡng thì SBS không gây ra ảnh hưởng đáng kể lên
hệ thống.
Hình 1.7 các thành phần FWM3 bước sóng
SRS là tương tác các thông số phi tuyến giữa ánh sáng và các dao động phân tử.
Nó cũng là cơ chế tạo ra hệ số khuếch đại Raman. Trong các hệ thống WDM do hiệu
ứng SRS tín hiệu ở bước sóng ngắn hơn làm việc như một nguồn bơm cho tín hiệu có
bước sóng dài hơn, vì thế tin hiệu có bước sóng dài hơn được khuếch đại. Khuếch đại
SRS có băng thông rộng và đỉnh khoảng 100 nm, nên hiệu ứng SRS trở nên đáng kể
hơn khi băng thông của WDM rộng.
Việc tăng dung lượng và khoảng cách của tuyến truyền dẫn quang dẫn đến tăng
thách thức cho thiết kế hệ thống. Hình 1.8 chỉ ra các vấn đề cần xem xét trong thiết kế
hệ thống dung lượng cao, khoảng cách xa.

34. 29
Hình 1.8 Các vấn đề cần xem xét trong thiết kế hệ thống truyền dẫn dung
lượng cao, khoảng cách xa.
Ngoài tạp âm, tán sắc màu và hiệu ứng phi tuyến khi tốc độ bít tăng lên
(10Gbit/s) thì tán sắc phân cực mode (PMD: Polarization Mode Dispersion) có thể
trở nên đáng kể. PMD làm cho tín hiệu phát đi với tốc độ khác nhau trên hai trạng thái
phân cực dẫn đến méo tín hiệu. Một vấn đề thiết kế nữa là băng thông của bộ khuếch
đại làm hạn chế số lượng kênh bước sóng, nghĩa là hạn chế dung lượng hệ thống.
Trong hệ thống WDM đường trục có rất nhiều bộ EDFA nối tiếp nhau do đó đòi hỏi
các bộ khuếch đại có độ bằng phẳng của hệ số khuếch đại trong băng thông tín hiệu để
đảm bảo duy trì tỷ số SNR đồng đều trên các bước sóng của WDM,
Bộ EDFA sử dụng bộ lọc làm đồng đều hệ số khuếch đại cho phép đạt được
băng thông 30 nm cho các tuyến cáp vượt đại dương ở băng C. Vì nhiễu của hiệu ứng
truyền dẫn và đặc tính tương tác thống kê của chúng việc thiết kế các hệ thống truyền
dẫn quang dung lượng lớn, khoảng cách xa trở nên rất phức tạp. Chi tiết hơn khi thiết
kế các hệ thống thông tin quang tốc độ 10Gbit/s sẽ xét sau.
1.4.2 Một số công nghệ áp dụng cho các hệ thống WDM đường trục
Các tác động truyền dẫn chính trong các hệ thống quang đường trục dung lượng
quang là tạp âm quang, tán sắc màu và hiệu ứng phi tuyến khác nhau. Mục đích thiết
kế hệ thống là làm giảm các tác động trên và bù lại những suy hao chất lượng hệ
thống. Do tính chất phức tạp nên việc đạt được phẩm chất hệ thống tốt nhất chỉ có thể
thực hiện được bằng cách dung hòa các tác động này.
Mặc dù để giảm các hiệu ứng phi tuyến ta có thể giảm công suất phát nhưng
điều này sẽ làm giảm SNR, dẫn đến hạn chế chất lượng của hệ thống. Tuy nhiên, khi
công suất tín hiệu cao làm tăng SNR nhưng lúc này sẽ dẫn đến xuất hiện các hiệu ứng
phi tuyến làm giảm chất lượng hệ thống. Để khắc phục điều này thường sử dụng một
số công nghệ sau:

35. 30
 Dùng tín hiệu bơm 980 nm trong bộ EDFA để nâng cao SNR;
 Sử dụng khoảng cách khuếch đại nhỏ hơn để giảm tạp âm khuếch đại;
 Sử dụng bộ sửa lỗi trước(FEC: Forward Error Correction) để nâng cao hệ số
SNR của hệ thống.
Các phương thức điều biến và kiểm soát tán sắc mới được sử dụng để làm
giảm hiệu ứng phi tuyến và nâng mức ngưỡng phi tuyến lên cao hơn, qua đó có thể
nâng cao cửa sổ làm việc của hệ thống.
Dưới đây sẽ phân tích và xem xét một số vấn đề tạp âm, công nghệ mới để
triển khai các hệ thống đường dài dung lượng cao.
1.4.2.1 Tạp âm
Lợi ích của việc giảm khoảng cách lặp trong tuyến cáp nói chung và đặc biệt
cáp biển nói riêng: Trong các tuyến đường trục khoảng cách dài (cáp biển) các bộ
khuếch đại quang được sử dụng trong những khoảng cách định kỳ (bộ lặp). Đây là một
thông số thiết kế chủ yếu. Đối với khoảng cách lặp ngắn, tăng ích của bộ khuếch đại
để bù lại suy hao sợi quang yêu cầu thấp hơn nên cho tạp âm khuếch đại thấp hơn
(xem (1.17)). Điều này cải thiện được SNR, trong khi phẩm chất lý tưởng của hệ thống
chỉ phụ thuộc vào sự suy giảm tạp âm tích lũy được xác định:
  02
20log
1 1 4
eSNR B B
Q dB
SNR
 
  
   
(1.22)
Trong đó SNR0 là tỷ số tín hiệu trên tạp âm quang và Be là băng thông điện.
Tuy nhiên, với cùng công suất ra của bộ khuếch đại, thì công suất tín hiệu bình quân
Pav lớn hơn khi khoảng cách khuếch đại ngắn hơn, dẫn đến hiệu ứng SPM cao hơn như
đã chỉ ra ở trên. Hiệu ứng phi tuyến này làm giảm độ hiệu dụng đạt được khi rút ngắn
khoảng cách khuếch đại. Các hiệu ứng phi tuyến WDM cũng tùy thuộc vào công suất
tín hiệu, mặc dù phụ thuộc phức tạp hơn vào số kênh và khoảng cách kênh. Vì thế, Pav
được xem là thước đo phù hợp để so sánh mức độ phi tuyến.
Việc nâng cao phẩm chất hệ thống bằng cách giảm khoảng cách trạm lặp cũng
được đánh giá bằng thông số Pav. Hãy xem xét cụ thể một hệ thống đường dài 10
Gbit/s có khoảng cách 7500 km. khi thay đổi khoảng cách của bộ khuếch đại, giá trị Q
lý tưởng với công suất ra của trạm lặp như nhau đều tính theo (1.22). Việc nâng cao
phẩm chất được tính bởi tỷ số SNR quang được cải thiện không đáng kể đến tác động
phi tuyến. Khi điều chỉnh công suất ra của trạm lặp tương ứng với khoảng cách trạm
lặp, phẩm chất hệ thống sẽ được tính toán đối với cùng công suất bình quân. Kết quả
so sánh cho ở hình 1.9

36. 31
Hình 1.9 Phẩm chất hệ thống đổi với khoảng cách trạm lặp khác nhau
Khi khoảng cách trạm lặp thay đổi từ 50 km xuống 40 km, tỷ số SNR được cải
thiện thêm 1,5 dB. Tuy nhiên, nếu tính thêm hiệu ứng phi tuyến, thì độ lợi quỹ công
suất chỉ là 0,8 dB. Với khoảng cách 60 km, việc cải thiện chất lượng hệ thống đạt được
bằng cách chia đôi khoảng cách trạm lặp là vào khoảng 2.4 dB. Do đó, so sánh hệ số Q
đối với cùng công suất tín hiệu bình quân cho ta đánh giá chính xác hơn lợi ích của
việc giảm khoảng cách trạm lặp, và như thế cho ta cách thiết kế khoảng cách trạm lặp
tối ưu.
1.4.2.2 Kiểm soát tán sắc
Tán sắc màu gây ra méo tín hiệu và làm giảm chất lượng hệ thống. Vì thế bù
tán sắc là thống số quyết định đến ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến, kiểm soát
tán sắc có vai trò quan trọng trong việc khắc phục hiệu ứng phi tuyến của hệ thống.
Sợi quang đơn mode tiêu chuẩn có tán sắc cao khoảng 17 ps/nm.km ở cửa sổ
1550 nm. Để khắc phục ảnh hưởng của tán sắc phải dùng sợi dịch chuyển tán sắc về 0
ở cửa sổ 1550 nm. Hiệu ứng tán sắc vì thế có thể giảm đáng kể và hiệu ứng SPM cũng
giảm. Tuy nhiên, đối với công nghệ WDM, việc tán sắc về 0 ở bước sóng tín hiệu lại
gây ra sự pha trộn giữa các bước sóng tín hiệu và làm tăng hiệu ứng FWM và XPM.
Để giải quyết vấn đề này, người ta sử dụng loại sợi dịch chuyển tán sắc không về 0
(NZ-DSF), có mức tán sắc ở cửa sổ tín hiệu rất thấp, -2 ps/nm.km.
Trong các hệ thống WDM, cần phải quan tâm đến tán sắc bậc 3 hay độ dốc tán
sắc. Độ dốc tán sắc gây ra các kênh ngoài tích lũy tán sắc dư dọc theo tuyến. Đối với
các tuyến cáp biển vượt đại dương tán sắc tích lũy trở nên rất lớn ở các kênh rìa (biên).
Băng thông tín hiệu WDM càng lớn thì tán sắc dư càng nhiều. Đối với việc kiểm soát
tán sắc này, độ dốc tán sắc hạn chế cửa sổ tín hiệu WDM. Để bù lượng tán sắc dư,
người ta áp dụng bù tán sắc trước và sau trong các thiết bị đầu cuối trong mỗi kênh
bước sóng. Vì thế, để kiểm soát tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến, cần phải có bản đồ
tán sắc với tán sắc toàn trình thấp và tán sắc nội bộ cao; hơn nữa, còn phải bù độ dốc
tán sắc trong các hệ thống truyền dẫn cực dài.

37. 32
1.4.2.3 Chọn phương thức điều biến
Phương thức điều biến tín hiệu là một yếu tố thiết kế quan trọng cần xem xét
trong việc làm giảm độ phi tuyến. Trong các hệ thống thông tin sợi quang, phương án
điều biến sâu và tách sóng trực tiếp thường được sử dụng, tức là cường độ tín hiệu
được điều biến để mang tín hiệu “1” và “0”. Ở đầu thu, tín hiệu được tách ra là các số
“1” hoặc “0” dựa vào cường độ tín hiệu lớn hay thấp hơn ngưỡng quyết định. Phương
thức tín hiệu không trở về 0 (NRZ) thường được sử dụng khi một xung quang chiếm
toàn bộ chu kỳ bít được gửi đi với số “1” và không phát quang được gửi tín hiệu RZ đi
đối với số “0”. Đối với phương thức tín hiệu trở về 0 (RZ), xung tín hiệu quang cho
“1” không chiếm toàn bộ chu kỳ bít, và vì thế tín hiệu RZ có thể có độ rộng xung khác
nhau. RZ dịch tần là một mẫu điều biến phức tạp hơn mà cường độ tín hiệu được điều
biến theo cùng cách như tín hiệu RZ, nhưng pha của tín hiệu quang được điều biến
hình sin với cùng tần số của tốc độ bít. Hình 1.10 so sánh phổ quang của các mẫu tín
hiệu khác nhau đối với tốc độ bít 10 Gbit/s.
Hình 1.10 Phổ quang của các phương thức điều chế khác nhau
NRZ có phổ hẹp, trong khi phổ tín hiệu RZ rộng hơn với băng bên. Điều biến
pha lên tín hiệu RZ dịch tần tạo ra nhiều băng bên trong phổ tín hiệu, số các băng bên
và biên độ của chúng phụ thuộc vào độ sâu điều biến.
Như đã chỉ ra, độ dốc tán sắc tạo ra tán sắc dư ở các kênh ngoài trong hệ thống
WDM, nó tác động với hiệu ứng SPM làm giảm phẩm chất hệ thống. Phương thức RZ
dịch tần có thể sử dụng để cải thiện phẩm chất hệ thống. Có thể thấy rằng, tín hiệu ở
bước sóng trung tâm ít bị ảnh hưởng của chỉ số điều biến và có thể đạt được phẩm chất
hệ thống tốt với các độ sâu điều biến khác nhau. Tuy nhiên, đối với các kênh ngoài,
cần phải có chỉ số điều biến lớn để đạt được phẩm chất hệ thống tốt hơn. Vì thế, chỉ số
điều biến cần phải được tối ưu đối với từng kênh. RZ dịch tần là một công nghệ quan
trọng để đạt được hệ thống truyền dẫn cực dài.
Trên đây đã phân tích về tầm quan trọng của kiểm soát tán sắc, hiệu quả của RZ
dịch tần, các công nghệ chính được áp dụng trong các hệ thống WDM đường dài (cáp
biển) hiện nay. Những công nghệ này cũng được ứng dụng trong các hệ thống đường
dài trên mặt đất.
Hình 1.11 mô tả chất lượng hệ thống của hệ thống cáp biển WDm 16 kênh, 10
Gbit/s

38. 33
Hình 1.11 Chất lượng hệ thống của hệ thống cáp biển WDM 16-kênh, 10 Gbit/s
Hình 1.11a mô tả kết quả mẫu của một hệ thống cáp quang biển WDM 16
kênh, 10 Gbit/s có tổng chiều dài 8550 km sử dụng tín hiệu RZ dịch tần và kiểm soát
tán sắc. Qua kết quả cho thấy, trong hầu hết các kênh, bù tán sắc 100 % ở thiết bị đầu
cuối cho chất lượng tốt nhất. Dung sai tán sắc là 5% (nếu >5% sẽ làm giảm chất lượng
hệ thống, nhất là ở các kênh ngoài). Hình 1.11 b , mô tả kết quả của một hệ thống cáp
biển WDM 16 kênh, 10 Gbit/s có tổng chiều dài 7500 km, và khoảng cách lặp là 50
km. Với tín hiệu RZ dịch tần và bù tán sắc tại thiết bị đầu cuối, chất lượng hệ thống
được xem xét với những mức công suất khác nhau của tín hiệu. Có thể thấy rằng công
suất tín hiệu 8,65 dBm (công suất mỗi kênh là -3,4 dBm) cho phẩm chất hệ thống tốt
nhất.
1.4.2.4 Các công nghệ mới
Trên đây đã trình bày về hiệu ứng truyền dẫn và những công nghệ này chủ yếu
được dùng trong hệ thống WDM đường dài hiện nay. Tuy nhiên, những tiến bộ công
nghệ vẫn cho phép ứng dụng để tăng dung lượng nghĩa là tăng hiệu quả sử dụng phổ
với nhiều bước sóng hơn trong băng C cũng như các băng khác,…
 Bộ khuếch đại Raman là một công nghệ khuếch đại chủ yếu, nó dựa trên hiệu
ứng SRS với băng thông rộng, khoảng 100 nm cách xa so với bước sóng bơm. So với
EDFA, khuếch đại Raman có tạp âm thấp. Hơn nữa, băng thông Raman có thể điều
chỉnh được bằng bước sóng nguồn bơm. Với tạp âm thấp, các bộ khuếch đại Raman có
thể được sử dụng để tăng cự ly truyền của hệ thống, khoảng cách khuếch đại và dung
lượng hệ thống WDM.
 Về vấn đề kiểm soát tán sắc cũng được tiếp tục có những nghiên cứu. Ví dụ
như việc sử dụng phương thức điều biến khác nhau với phương thức điều biến phân
cực để cải thiện hiệu suất phổ. Sợi quang có độ dốc tán sắc thấp cho phép quan sát tán
sắc tích lũy ở những kênh để nâng số kênh bước sóng đang được chế tạo. Ngoài ra,
một phương pháp kiểm soát tán sắc mới cũng đang được phát triển, theo đó mỗi
khoảng cách lặp gồm những sợi với tán sắc dương và tán sắc âm, tức là sợi SMF được
dùng làm sợi +D và sợi DCF bù độ dốc được dùng làm sợi –D, như vậy, trong khoảng

39. 34
lặp, cả tán sắc và độ dốc tán sắc đều được bù. Sử dụng phương thức kiểm soát tán sắc
này sẽ làm giảm hạn chế của hiệu ứng độ dốc tán sắc đối với truyền dẫn băng rộng.
 Các phương thức điều biến mới cũng được nghiên cứu: phương thức RZ chặn
sóng mang (Carrier Suppressed RZ-CS-RZ) rất hiệu quả để giảm các hiệu ứng phi
tuyến, lọc Vestigial Sidebank (VSB) để cải thiện hiệu suất phổ, CS-RZ có lọc. RZ-
DPSK. Phương thức NRZ đơn giản và có phổ hẹp, nhưng với sự phát triển của việc
kiểm soát tán sắc thì cũng không cần thiết những phương thức điều biến phức tạp nữa,
vì thế NRZ cũng có thể sử dụng để nâng cao hiệu suất băng tần.
1.5 Kết luận chương
Chương này trình bày các nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang
WDM và các thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống như: suy hao, xuyên kênh, độ
rộng kênh,… Ở đây cũng giới thiệu các thành phần chính của thiết bị trong hệ thống
thông tin quang, mà tập trung chủ yếu vào sợi quang, nguồn phát quang và khuếch đại
quang.
 Phân tích các vấn đề liên quan đến thiết kế hệ thống thông tin quang nhiều
kênh WDM như: tính toán quỹ công suất, tán sắc, xuyên kênh, hiệu ứng phi tuyến.
 Trình bày về các vấn đề kỹ thuật cần nghiên cứu trong hệ thống WDM đường
trục dung lượng cao và cự ly xa; những vấn đề ảnh hưởng cần được kiểm soát như tạp
âm tích lũy trên tuyến gồm các trạm lặp quang, tán sắc màu của sợi quang và các hiệu
ứng phi tuyến.
Cũng cần nhấn mạnh rằng, những tiến bộ của công nghệ đã khắc phục được
nhiều những hạn chế kỹ thuật đã cho phép phát triển các hệ thống thông tin quang
dung lượng cực lớn, tớ trên Tera bít/s và được ứng dụng trong thực tế.

40. 35
Chương 2
TÁN SẮC MODE PHÂN CỰC, ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC
MODE PHÂN CỰC LÊN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
TỐC ĐỘ CAO
Chương này sẽ nghiên cứu hai nội dung chính là bản chất của tán sắc MODE
phân cực và ảnh hưởng của tán sắc MODE phân cực với nhiễu liên quan trong hệ
thống thông tin quang WDM.
2.1 Tán sắc MODE phân cực (PMD) trong sợi quang
2.1.1 Các mode phân cực
Thực tế, trong sợi quang đơn mode vẫn tồn tại vài mode phân cực (Polirization
mode, PM) và hoàn toàn có thể nghiên cứu các mode phân cực này tương tự như đối
với các mode lan truyền trong sợi đa mode. Mode bậc thấp nhất là mode cơ bản
HE11(còn gọi là phân cực tuyến tính LP01) có trường điện truyền lan theo hướng trục x
của sợi thì phân cực trực giao là mode độc lập được mô tả trê hình 2.1.
Hình 2.1. Hai thành phần vector phân cực trường điện của mode HE11 trong sợi
quang dọc theo a) hướng trục x và b) hướng trục y
Trong sợi quang lý tưởng, vector trường điện từ truyền lan dọc theo trục z được
biểu thị bằng tổ hợp tuyến tính của hai phân cực trong mặt phẳng ngang (xy) trực giao
với trục z như trong biểu thức sau:
 ( ). ( , ) ( ). ( , ) i t
x x y yE A z E x y A z E x y e 
        (2.1.1)
Trong đó:
 ( ) xi z
x xA z E e 
 là hệ số phức biểu diễn biên độ Ex và pha x của mode phân cực
dọc theo x khi lan truyền dọc theo z.
 ( ) yi z
y yA z E e

 là hệ số phức biểu diễn biên độ Ey và pha y của mode phân cực
dọc theo y khi lan truyền theo z.
 ( , )xE x y và ( , )yE x y là các vector trường điện của mode phân cực PM dọc theo
trục x và dọc theo trục y.

41. 36
 àx x y ykn v kn   là hằng số truyền lan của sợi phân cực dọc theo hướng x (có
chỉ số khúc xạ nx, phụ thuộc  thông qua x) và hằng số truyền lan của sợi
phân cực dọc theo hướng y (có chỉ số khúc xạ ny, phụ thuộc  thông qua y).
 k=2v/c =2/ =/c là số sóng truyền lan ứng với bước sóng  trong môi
trường chân không (v là tần số quang có đơn vị là 1/s hay Hz;  là tần số góc
quang có đơn vị rad/s; c là vận tốc ánh sáng trong chân không).
Tỷ lệ phức Ax(z)/Ay(z) biểu thị trạng thái phân cực (State of Polarization SOP)
của sóng xác định trên mặt phẳng xy khi lan truyền theo z.
Đối với sợi quang lý tưởng có đối xứng tâm tuyệt đối thì x = y, khi đó hai
phân cực theo trục x và y kết hợp lại sau khi lan truyền, và hệ quả là bất kỳ một sóng
nào với trạng thái đó trong suốt quá trình lan truyền đến tận đầu ra của sợi. Tuy nhiên,
trên thực tế do sự không hoàn hảo trong quá trình sản xuất hay lắp đặt đã làm phá vỡ
tính đối xứng của sợi. Trong trường hợp này: x  y, tức kéo theo lệch về chiết suất
(nx  ny) và như vậy tạo ra sự chênh lệch về vận tốc pha v giữa chúng. Lúc này, việc
kết hợp lại của hai phân cực sẽ bị trượt đi, và trạng thái phân cực đầu ra thay đổi trong
quá trình truyền lan từ đầu vào đến đầu ra dọc theo z (do một mode truyền lan nhanh
và mode truyền lan chậm) trong sợi.
Độ lệch x và y được ký hiệu là , và được gọi là lưỡng chiết pha (đơn giản
là lưỡng chiết) có đơn vị là nghịch đảo của đơn vị chiều dài. Lưỡng chiết có thể biểu
diễn thông qua độ chênh lệch chiết suất n. Độ lệch này đối với sợi đơn mode thông
dụng thường vào khoảng 10-7
đến 10-5
. Quan hệ giữa  và n được xác định:
( )y x y xk n n k n         (2.1.2)
2.1.2 Bản chất vật lý của tán sắc mode phân cực
Để hiểu về bản chất vật lý của tán sắc mode phân cực, ta sẽ xem xét bốn vấn đề sau:
2.1.2.1 Lưỡng chiết
Trong sợi quang có cấu trúc lý tưởng (tròn đều và đối xứng) thì hai mode phân
cực trực giao (Ex và Ey) khi lan truyền trong sợi, chúng có trễ nhóm như nhau. Nhưng
thực tế, do sợi quang không thể đạt lý tưởng nên có lưỡng chiết (0) vì tính không
hoàn hảo trong quá trình sản xuất sợi, lắp đặt. Tán sắc mode phân cực được sinh ra do
lưỡng chiết của sợi, và sự thay đổi hướng một cách ngẫu nhiên của các trục lưỡng
chiết dọc theo chiều dài sợi. Do vậy, tán sắc mode phân cực (PMD: Polarization Mode
Despersion) gây ra độ trễ khác nhau đối với các phân cực khác nhau. Chính độ chênh
lệch về độ trễ đó, khi đạt đến một tỷ lệ nào đó trong chu kỳ của bít sẽ gây ra méo xung
và tất yếu dẫn đến giảm độ nhạy thu của hệ thống, nghĩa là cần phải có một lượng
công suất tín hiệu bù vào công suất mất mát (giảm) để duy trì được tỷ lệ BER mong
muốn, hay nói cách khác, là độ trễ lớn đã làm tăng lỗi bít (BER) của hệ thống.

42. 37
Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ, tác động cơ học,... cũng làm cho tán
sắc mode phân cực cũng thay đổi theo thời gian một cách ngẫu nhiên và khó kiểm
soát. Thêm vào đó, sự không đồng nhất của lưỡng chiết của các phần tử quang khác có
trong hệ thống như bộ EDFA, bộ OADM (dù chúng có lưỡng chiết không đổi) cũng
làm gia tăng ảnh hưởng phân cực toàn hệ thống.
Lưỡng chiết được sinh ra do sự phân bố không đẳng hướng của chỉ số khúc xạ
trong vùng truyền lan của sợi quang hoặc của môi trường trong phần tử quang. Để
khắc phục lưỡng chiết, người ta đã chế tạo ra loại sợi duy trì phần tử phân cực PMF
(Polarization Maintaining Fiber) như được mô tả trên hình H.2.2
Loại sợi này có lưỡng chiết lớn duy trì dọc theo chiều dài sợi bằng cách nén
một mặt phẳng truyền lan. Như vậy, hai mode phân cực không bao giờ kết hợp, vì vậy
bất kỳ một trạng thái phân cực nào được đặt dọc theo một trục của hai mode phân cực
này sẽ được duy trì đến tận cuối sợi. Tuy nhiên, hiện nay các loại sợi quang truyền
thống đang được khai thác trên mạng lưới đều có lưỡngchiết thấp nên không có khả
năng duy trì phân cực như loại sợi PMF.
2.1.2.2 Độ dài phách
Lưỡng chiết làm cho hai mode phân cực trượt pha một cách tương đối với nhau
do truyền lan với vận tốc khác nhau. Khi sự lệch pha giữa hai mode phân cực là một số
nguyên lần của 2 thì hai mode phân cực trùng nhau và như vậy trạng thái phân cực ở
đầu ra sẽ được khôi phục lại. Độ dài tương ứng với chu kỳ đó được gọi là độ dài phách
LB và được xác định:
2
BL




(2.1.3)