Nghiên cứu hệ thống thông tin quang đa kênh và một số ứng dụng tại việt nam

MỤC LỤC Lời mở đầu 1 Chương I: Khái quát về hệ thống thông tin quang 3 1.1 Khái niệm, đặc điểm và phân loại hệ thống thông tin quang 3 1.1.1 Khái niệm hệ thống thông tin quang 3 1.1.2 Đặc điểm hệ thống thông tin quang 3 1.1.3 Phân loại hệ thống thông tin quang 4 1.2 Cấu hình chung một hệ thống thông tin quang 5 1.2.1 Thiết bị phát quang 5 1.2.2 Thiết bị thu quang 7 1.2.3 Các trạm lặp 12 1.2.4 Các trạm xenrẽ kênh 13 1.3 Sợi quang 14 1.3.1 Cấu tạo và phân loại sợi quang 14 1.3.2 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 15 1.3.3 Đặc tính truyền dẫn của sợi quang 17 1.3.4 Giới thiệu một số loại sợi quang mới 22 Chương II Các kỹ thuật ghép kênh quang 26 2.1 Khái quát về các phương pháp ghép kênh quang 26 2.1.1 Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian OTDM 26 2.1.2 Kỹ thuật ghép kênh theo sóng mang thứ cấp SCM 27 2.1.3 Kỹ thuật ghép kênh theo mã CDM 28 2.1.4 Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM 29 2.2 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng quang WDM 31 2.2.1 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM 31 2.2.2 Các tham số cơ bản của thành phần thiết bị WDM 33 2.2.3 Các thành phần của hệ thống WDM 35 1. Các bộ lọc quang điều chỉnh tần số 35 2. Các bộ ghép kênh và giải ghép kênh 43 3. Các bộ ghép và lọc xenrẽ 50 4. Bộ nối ghép hình sao 51 5. Bộ định tuyến bước sóng 52 6. Bộ nối chéo quang 54 7. Bộ biến đổi bước sóng 56 8. Các máy phát và thu WDM 59 2.3 Các đặc tính của hệ thống thông tin quang WDM 61 2.3.1 Xuyên kênh tuyến tính không đồng nhất bước sóng 61 2.3.2 Xuyên kênh tuyến tính đồng nhất bước sóng 64 2.3.3 Xuyên kênh phi tuyến Raman 66 2.3.4 Tán xạ Brillouin kích thích 67 2.3.5 Điều chế pha chéo (XPM) 68 Chương III: Một số ứng dụng vào mạng thông tin đa kênh quang tại Việt Nam 73 3.1 Một số mạng thông tin đa kênh quang điển hình 72 3.1.1 Các hệ thống điểmđiểm dung lượng lớn 72 3.1.2 Mạng quảng bá và phân bố 73 3.1.3 Mạng đa truy nhập 75 3.2 Đề xuất và lựa chọn phương án tăng dung lượng tuyến cáp quang quân đội 79 3.2.1 Dự báo nhu cầu dung lượng tuyến thông tin quang quân đội 79 3.2.2 Khảo sát đánh giá tuyến cáp quang quân đội 79 3.2.3 Các phương án tăng dung lượng tuyến thông tin quang 82 3.2.4 Các vấn đề cần xem xét khi tăng dung lượng bằng WDM 84 3.3 Lựa chọn phương án tăng dung lượng hệ thống 87 3.3.1 Các phương án tăng dung lượng hệ thống lên tốc độ 20Gbs 87 3.3.2 Đánh giá và lựa chọn phương án 88 3.3.3 Đặc điểm dung lượng và phương án phân bố bước sóng 91 Kết luận 93 Tài liệu tham khảo 94

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng ta đang ở thế kỷ 21, kỷ nguyên của truyền thông Thông tin luôn

là nhu cầu không thể thiếu được trong cuộc sống xã hội hiện nay và trongtương lai Xã hội càng phát triển, mức sống càng cao thì nhu cầu của conngười đối với các dịch vụ viễn thông ngày càng cao

Thông tin quang là một trong những thành phần của hệ thống thông tincủa quốc gia và quân đội Thông tin quang đã được đưa vào ứng dụng ở nước

ta vào cuối những năm của thế kỷ trước và ngày càng cho thấy vai trò và khảnăng của nó đối với công cuộc phát triển kinh tế và quốc phòng an ninh củađất nước Hệ thống thông tin quang quân đội không chỉ làm nhiệm vụ đảmbảo cho thông tin quân sự mà còn tham gia vào công cuộc xây dựng và pháttriển nền kinh tế đất nước Với tốc độ phát triển hết sức nhanh chóng của nềnkinh tế, theo đánh giá và dự báo của các nhà chuyên môn thì các loại hìnhdịch vụ thoại và phi thoại sẽ phát triển nhanh chóng vào trong thời gian tới,đồng thời nhu cầu kết nối với các cổng quốc tế cũng rất cấp thiết Đứng trướctình hình đó, vấn đề cấp bách được đặt ra là cần phải nghiên cứu các giải phápkhả thi để tăng dung lượng cho tuyến thông tin quang hiện có nhằm đáp ứngđược các nhu cầu đó

Hiện nay để nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin quang, người tachủ yếu áp dụng các biện pháp ghép kênh Trong đó kỹ thuật ghép kênh theobước sóng (WDM) tỏ ra có nhiều ưu điểm hơn cả và được sử dụng phổ biếntrên thế giới Ở nước ta biện pháp được lựa chọn để nâng cao dung lượng hệthống thông tin quang cũng chủ yếu sử dụng kỹ thuật WDM

Chính vì vậy, em được giao đồ án: “Nghiên cứu hệ thống thông tinquang đa kênh và một số ứng dụng tại Việt Nam” Nhiệm vụ đồ án là tìm hiểu

về hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng ảnh hưởng tới chất lượng của hệthống thông tin quang đa kênh Tìm hiểu và đánh giá về hệ thống thông tinquang quân đội, đề ra giải pháp nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin

quang quân đội trên cơ sở áp dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM.Nội dung của đồ án bao gồm ba chương:

Chương I: Khái quát về hệ thống thông tin quang

Chương II: Các kỹ thuật ghép kênh quang

Chương III: Một số ứng dụng vào mạng thông tin quang đa kênh tại ViệtNam

Đồ án đã hoàn thành đúng tiến độ và cơ bản đạt được mục tiêu đặt ra.Song do khả năng bản thân còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc với các hệ thốngthông tin quang trong thực tế còn nhiều khó khăn đặc biệt là đối với các tuyếnthông tin quang quân đội có nhiều vấn đề liên quan đến bí mật an ninh quốcgia Vì thế đồ án không tránh khỏi nhiều thiếu sót, đặc biệt là ở chương III,

em rất mong nhận được sự chỉ dẫn của các thầy giáo để đồ án có chất lượngtốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Vương Tuấn Hùng, cùng toànthể các thầy giáo trong khoa Vô tuyến điện tử đã giúp đỡ em hoàn thànhnhiệm vụ đồ án

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1 Khái niệm, đặc điểm và phân loại hệ thống thông tin quang

1.1.1 Khái niệm hệ thống thông tin quang

Về cơ bản thông tin quang cũng giống như các hệ thống thông tin khácnhư: Vô tuyến, vi ba, cáp …nhưng khác chủ yếu là ở môi trường truyền dẫn

là các sợi quang Thông tin quang được sử dụng trên tần số sóng mang ở vùngnhìn thấy hoặc gần hồng ngoại của phổ sóng điện từ, các tần số sóng mangnày rất cao, tới hàng trăm THz Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thốngthông tin bằng sóng ánh sáng và dùng sợi quang làm môi trường truyền dẫn

1.1.2 Đặc điểm hệ thống thông tin quang

Đặc điểm của sợi quang là nhỏ và nhẹ hơn nhiều so với các loại cápkim loại (dk=0,125mm), đặc tính của sợi quang dễ uốn cong, tiện lợi cho việcvận chuyển cũng như lắp đặt Sợi quang được chế tạo từ SiO2 là một vật liệurất sẵn có trong tự nhiên nên giảm chi phí cho việc sản xuất, hơn nữa lại là vậtliệu không dẫn điện nên không bị các tác động điện gây ảnh hưởng tới thôngtin nên có thể lắp đặt sợi quang ở những nơi có điện từ trường mạnh SiO2 làchất trung tính với các tác động của ion H+,OH- nên khi triển khai thì không bị

ăn mòn gây tổn thất cho hệ thống cũng như gây chập mạch như các hệ thốngcáp kim loại khác, đồng thời với thông tin quang thì không bị các tác độngxuyên âm, không gây nhiễu và rất khó bị lấy trộm thông tin

Tiêu hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng công tác nên ta có thểchủ động lựa chọn sợi quang và bước sóng công tác để giảm thiểu suy haonên cự li liên lạc được tăng lên đáng kể, giảm được số trạm lặp trên đườngtruyền, giảm chi phí cho việc lắp đặt hệ thống

Băng tần công tác của sợi quang rất lớn, cho phép truyền thông tin vớitốc độ cao, dung lượng lớn, nếu băng tần công tác của sợi quang là f =1

tần số sóng mang thì tốc độ truyền dẫn của hệ thống thông tin quang có thểlên tới hàng Tb/s.

Nhưng hệ thống thông tin quang cũng có một số khó khăn trong việc

xử lí các sự cố và các tình huống Công nghệ chế tạo sợi quang cũng như cácthiết bị đảm bảo cho hệ thống là khá phức tạp nên giá thành thiết bị còn cao

1.1.3 Phân loại hệ thống thông tin quang

a Phân loại theo dạng tín hiệu đưa vào điều chế máy phát:

Tuỳ theo dạng tín hiệu điện đưa vào điều biến nguồn quang là tín hiệutương tự hay tín hiệu số mà ta có:

+ Hệ thống thông tin quang tương tự

+ Hệ thống thông tin quang số

Tuy nhiên mạng thông tin hầu như đã được số hóa nên chủ yếu hiện nay

sử dụng hệ thống thông tin quang số chỉ còn một số mạng đặc thù là vẫn còndùng hệ thống thông tin quang tương tự Ví dụ như hệ thống truyền hình cáp

b Phân loại theo phương pháp điều chế và giải điều chế:

Theo nguyên lý điều chế quang đầu phát và giải điều chế tín hiệu quang

ở đầu thu có thể chia hệ thống thông tin quang thành hai loại hệ thống sau:+ Hệ thống điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp (IM/DD): Ở đầu phátcác tín hiệu điện thực hiện điều chế trực tiếp cường độ bức xạ quang củanguồn quang Phía đầu thu photodiode thực hiện tách sóng trực tiếp tín hiệuquang nhận được tín hiệu băng gốc đã truyền đi

+ Hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent): Hệ thống này sử dụngphương pháp điều chế gián tiếp nguồn quang, ở đầu phát luồng tín hiệu điệnđưa đến điều chế nguồn bức xạ quang đơn sắc trong bộ điều chế ngoài, ở đầuthu thực hiện kỹ thuật thu đổi tần Tín hiệu quang thu được đưa vào bộ trộnquang với tín hiệu dao động nội rồi đưa đến bộ tách sóng quang để lấy ra tínhiệu điện trung tần (IF), sau đó thực hiện giải điều chế khôi phục lại tín hiệu

c Phân loại theo tốc độ và cự li truyền dẫn:

+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn nhỏ tốc độ 8Mb/s hoặc hệ thống

có dung lượng truyền dẫn tốc độ trung bình 34Mb/s, sử dụng trên mạng trung

kế giữa các tổng đài, trên mạng thuê bao (ISDN) và mạng nội bộ (LAN).+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn rất lớn, tốc độ truyền dẫn lớn hơn140Mbps sử dụng cho hệ thống thông tin đường dài, trong mạng lõi

1.2 Cấu hình chung một hệ thống thông tin quang

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang cho một hướng

Hệ thống thông tin quang cơ bản cũng có phần phát, phần thu và môi trườngtruyền dẫn Hình 1.1 mô tả một hệ thống thông tin quang cho một hướng từnguồn phát đến nguồn thu Tín hiệu điện đưa vào máy phát quang được biếnđổi thành tín hiệu quang và đưa vào sợi quang, các trạm xen rẽ kênh tuỳ theonhu cầu sử dụng mà lấy kênh thông tin cần thiết ra Các trạm lặp khôi phục lạicường độ tín hiệu quang và truyền ra sợi quang Trên thực tế hiện nay cáctrạm lặp đã được thay thế bởi các bộ khuếch đại quang Thiết bị bù tán sắcnhằm khắc phục hiện tượng tán sắc Tín hiệu sau đó được đưa vào máy thuquang và được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện

1.2.1 Thiết bị phát quang

Thiết bị phát quang là một bộ phận không thể thiếu của một hệ thốngthông tin quang Nhiệm vụ chính của nó là nhận tín hiệu điện đầu vào và biếnđổi thành tín hiệu quang ở bước sóng công tác phù hợp Sơ đồ khối của mộtmáy phát quang được miêu tả qua hình 1.2

Bù tán sắc

Máy thu quang

Bộ nối quang

Hình 1.2 Các thành phần của một máy phát quang

a Bộ điều khiển: Thực chất là một mạch điện có chức năng cung cấp

một năng lượng điện cho nguồn quang và chế độ công tác của nó Các mạchnày thường khá đơn giản đối với các thiết bị phát quang sử dụng diode phátquang (LED) nhưng lại khá phức tạp đối với các máy phát quang tốc độ cao

có sử dụng nguồn quang là bán dẫn laser, lý do là ở chỗ với nguồn phát quang

sử dụng bán dẫn laser thì mạch điều khiển cần cung cấp một thiên áp cố định

và có mạch ổn định điểm làm việc và ổn định nhiệt cho laser

b Nguồn quang: Là thành phần chủ yếu nhất của máy phát quang Các

nguồn quang được sử dụng phổ biến là diode phát quang LED và diode laserbán dẫn (LD) Đây là các nguồn phát quang có nhiều ưu điểm như kích thướcnhỏ gọn, độ tin cậy cao, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương ứngvới kích thước lõi sợi và khả năng điều chế trực tiếp tại các tần số tương đốicao

Diode phát quang LED là một nguồn phát quang sử dụng rất phù hợp vớicác hệ thống thông tin quang có tốc độ bit không quá 200Mb/s sử dụng sợiquang đa mode Có hai kiểu cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi nhất là cáccấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể kép Căn cứ vàonhiều yếu tố như năng lượng vùng cấm và bước sóng trong vùng cấm của vậtliệu chế tạo LED mà người ta sử dụng các loại vật liệu khác nhau cho cácvùng bước sóng khác nhau

Diode laser bán dẫn LD thường được sử dụng trong các hệ thống thông

Nguồn

quang Điều chế Bộ nối quang

Tín hiệu quang đầu ra

Tín hiệu điện đầu vào

Bộ điều

khiển

trong hệ thống hiện nay là các loại LD có cấu trúc dị thể Do cần phải phát tialaser nên cấu trúc của LD phức tạp hơn so với LED.

c Bộ điều chế: Thực hiện điều chế tín hiệu điện nguồn phát quang và

tuỳ theo từng hệ thống mà sử dụng điều chế IM/DD hoặc sử dụng hệ thốngđiều chế kết hợp Coherent

d Bộ nối vào kênh quang: Thông thường bộ nối vào kênh quang là một

hệ thống thấu kính hội tụ có tiêu điểm hướng tín hiệu quang vào trong sợi cápquang với hiệu quả lớn nhất có thể

1.2.2 Thiết bị thu quang

Thiết bị thu quang cũng là một thành phần không thể thiếu được trongmột hệ thống thông tin quang Nhiệm vụ chính của thiết bị thu quang là thutín hiệu trên sợi quang và biến đổi tín hiệu quang đó thành tín hiệu điện ởdạng ban đầu Do thiết bị thu quang ở tại vị trí sau cùng của một tổ chứctruyền dẫn nên nó sẽ thu nhận mọi tác động của toàn tuyến đưa tới, vì vậy màhoạt động của thiết bị thu quang ảnh hưởng chính tới chất lượng của toàn bộ

hệ thống truyền dẫn Vì vậy mà yêu cầu đối với các thiết bị thu quang là khácao, như đòi hỏi độ nhạy cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ, độ tincậy cao Cấu hình của một thiết bị thu quang được miêu tả qua hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ khối của thiết bị thu quang

a Bộ nối vào kênh: Giống như trong bộ phát quang nhưng ở đây bộ

ghép nối của thiết bị thu quang thực hiện chức năng ngược lại

b Bộ tách sóng quang: Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang nhận được

từ bộ nối vào kênh thành tín hiệu điện cùng dạng như tín hiệu đưa vào đầucủa thiết bị phát quang Các thiết bị sử dụng để làm nhiệm vụ trên thông

Các mạch điện tử

Nối vào kênh Tách sóng quang Giải điều chế Tín hiệu

thường là các photodiode, có hai loại hiện nay được dùng phổ biến trên các hệthống thông tin quang là photodiodePIN và photodiodethác APD, hai loạiphotodiode trên hoạt động theo nguyên lý biến đổi quang điện.

+ Nguyên lý chung biến đổi quang điện

Photodiode làm việc dựa trên hiệu ứng quang điện của các chất bán dẫn.Giả sử một diot quang có cấu trúc từ lớp chuyển tiếp P-N của chất bán dẫn là

Si hoặc GaAsAl được đặt dưới thiên áp ngược (áp âm vào lớp P) Khi không

có ánh sáng chiếu vào lớp chuyển tiếp thì hàng rào thế năng của lớp P-N ngăncản không cho các điện tử và lỗ trống dịch chuyển qua lớp P-N Trong diodequang không có dòng điện

Khi có ánh sáng mang năng lượng của photon lớn hơn độ rộng vùng cấm

E=h > Eg chiếu vào photodiode, trong vùng P và N của diot khi hấp thụ các

photon sẽ tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống tự do Dưới tác động của điệntrường đặt lên diode, các điện tử và lỗ trống sẽ chuyển động kéo theo qua lớpchuyển tiếp theo hai hướng ngược nhau Qua photodiode có dòng quang điệnchảy Độ lớn của dòng quang điện tỉ lệ với công suất ánh sáng chiếu vào.Dòng điện tách quang được tính theo công thức sau:

IP= RPin (1.1)Trong đó Pin là công suất ánh sáng tới

R là độ nhạy quang hoặc hệ số chuyển đổi dòng photon

R có thể được biểu diễn thông qua hiệu suất lượng tử  (hiệu suất tạo rađiện tử so với hiệu suất của photon tới)

Ở đây: q điện tích điện trở

 bước sóng ánh sáng tính theo mh=6,625.10-34js là hằng số Plank

Eg độ rộng năng lượng vùng cấm chất bán dẫnGọi hệ số hấp thụ là 

Gọi công suất ánh sáng truyền qua lớp bán dẫn là PTR=e Pin (1.3)Công suất ánh sáng được hấp thụ

PHT=PinPTR=Pin(1e ) (1.4) = (1e ) (1.5)Quá trình khảo sát các chất bán dẫn chỉ ra rằng hệ số hấp thụ là một tham

số phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu đến và vật liệu chế tạo bán dẫnnhư trên hình 1.4 Trong đó tồn tại một bước sóng cắt C, người ta nhận thấyđối với các bước sóng C thì khi đó hiệu suất lượng tử =0, khối bán dẫnkhông hấp thụ được photon nên không có dòng điện Bước sóng >C gọi làtrong suốt đối với chất bán dẫn

Hình 1.4 Hệ số hấp thụ phụ thuộc theo bước sóng quang và vật liệu

+ Photodiode-PIN: Một photodiodePIN thường có cấu trúc được chia

ra làm vùng p, vùng n và giữa hai vùng trên là vùng i (vùng có trở kháng cao)của chất bán dẫn Si, Ge hay GaAsAl như hình 1.5 Để thiết bị hoạt động cầncấp một thiên áp ngược cho nó, trong chế độ hoạt động bình thường thì thiên

áp ngược đủ lớn được đặt cắt ngang thiết bị để cho vùng bên trong đảm bảo

hoàn toàn trôi được các hạt mang Khi có một photon đi tới mang một nănglượng lớn hơn (hoặc bằng) với năng lượng vùng cấm thì photon này có thểlàm kích thích một điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Quá trình này làmphát ra các cặp điện tử và lỗ trống tự do, tạo ra dòng điện trong khối bán dẫn.Chất lượng của photodiode-PIN phụ thuộc vào nhiều yếu tố (thiên áp đặt vào,vật liệu chế tạo, bước sóng công tác) và được đánh giá qua hệ số hấp thụ  và

hệ số chuyển đổi dòng photon R Hạn chế lớn nhất của photodiode-PIN là hệ

số chuyển đổi nhỏ R, chỉ đạt giá trị lớn nhất khi hiệu suất lượng tử =1

Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo và phân bố điện trường trong photodiode-PINChất lượng thu bị giảm là do có sự tác động của các nguồn nhiễu lênthiết bị thu Bộ tách sóng photodiode-PIN cũng chịu sự tác động của một sốnguồn nhiễu, đó là nhiễu lượng tử; nhiễu dòng tối; nhiễu dòng rò bề mặt vànhiễu nhiệt Nhiễu tổng cộng tác động lên hệ thống theo thứ tự lần lượt là:

2=(i )=2eBe(Ip +Id +Il )+(4kBT/RL ) FnBe (1.6)Trong đó Ip là dòng photon, Be độ rộng băng tần nhiễu, Id là dòng tốikhối ban đầu của bộ tách sóng , kB là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệtđối, Fn là hệ số nhiễu được khuếch đại

+ Photodiode-thác APD: Photodiode-thác APD có cấu trúc như hình

1.6, trong đó vùng p+ và n+ là các vùng giầu lỗ trống và điện tử, hai vùng cách

nhau bởi vùng i hay , lớp i() là lớp vật liệu có pha tạp một chút vật liệu p từchất bán dẫn Si, Ge, hay GaAsAl.

Hình 1.6 Sự phân bố trường điện và cấu trúc diode thác APD SilicĐặc điểm làm việc của photodiode-thác APD là có hiệu ứng khuếch đạidòng Tại vùng i ánh sáng được hấp thụ sinh ra các cặp điện tử và lỗ trống.Dưới tác động của điện trường ngoài, các điện tử và lỗ trống sẽ trôi về cáccực và nếu trường ngoài đủ lớn thì tại vùng thác các điện tử sẽ được tăng tốc

và va chạm với các nguyên tử để tạo ra các điện tử thứ cấp, các điện tử này lạiđược tăng tốc tạo ra thác điện tử dẫn đến dòng tách quang Ip tăng vọt Khảnăng khuếch đại của photodiode-thác APD lớn hơn nhiều so với photodiode-PIN vì thế làm tăng độ nhạy máy thu Chất lượng của photodiode-thác APDcũng phụ thuộc vào vật liệu, bước sóng công tác, thiên áp đặt vào

Do có quá trình khuếch đại dòng nên các nhiễu cũng được khuếch đạilên theo Trong photodiode-APD thì nhiễu lượng tử và nhiễu dòng tối sẽ đượctăng lên M2 lần, dòng rò bề mặt Isl và nhiễu nhiệt không bị ảnh hưởng củahiện tượng khuếch đại thác Vì thế nhiễu tổng của photodiode-thác APD là:

 =(i )=2eBe(Ip+Id)M2FA+2eBeIl+ (4kBT/RL)FnBe (1.7)Trong đó FA là hệ số nhiễu trội của APD và có giá trị phụ thuộc vào hệ

số khuếch đại M, nó liên quan đến bản chất ngẫu nhiên của quá trình thác

FA=kAM+(1-kA)(2-1/M) (1.8)

khuếch đại

Và từ các kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng FAMx với x là tham số phân

tử gam và phụ thuộc vào vật liệu chế tạo (0 x 1)

Nhược điểm: Để xảy ra hiện tượng thác điện tử thì yêu cầu thiên ápngược cấp vào khối bán dẫn phải lớn (cỡ 100V) Để có hệ số khuếch đại M

lớn thì độ dày của lớp p cũng phải lớn do đó làm tăng thời gian trôi của điện

tử làm hạn chế tốc độ truyền Do có hiện tượng thác nên quá trình va chạmxảy ra sinh nhiệt nhiều vì vậy quá trình sử dụng cần phải ổn định nhiệt độ

c Khối giải điều chế: Thường sử dụng hai phương pháp giải điều chế là

IM/DD và tách sóng Coherent Đối với phương pháp IM/DD thì khối giảiđiều chế suy biến vào trong bộ tách sóng, khi đó không cần sử dụng các mạchđiện tử phụ bên ngoài Đối với phương pháp Coherent thì khối giải điều chế làmột khối riêng biệt kết hợp sử dụng các mạch điện tử nhằm duy trì điều chếkết hợp giữa thu và phát, duy trì việc đồng bộ sóng mang quang

d Độ nhạy của thiết bị thu quang: Là mức công suất quang trung bình

thu được nhỏ nhất có thể chấp nhận được tại điểm tham chiếu trên sợi quang

ở ngay trước bộ nối quang phía thu mà vẫn duy trì được một tỉ lệ lỗi bit(BER) xác định trước Đây là yếu tố quan trọng nhất đánh giá khả năng vàchất lượng của một hệ thống thông tin sợi quang

1.2.3 Các trạm lặp

Các trạm lặp được thiết kế và sử dụng khi cự li truyền dẫn là dài, số trạmlặp được sử dụng tuỳ theo khoảng cách của cự li truyền dẫn, loại điện quang.Hình 1.7 dưới đây thể hiện sơ đồ khối của trạm lặp

Hình 1.7 Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang

Khuếch đại

và sửa méo Biến đổi E/O

O/E

Tín hiệu quang được đưa vào bộ biến đổi quang/điện (O/E) để biến đổithành tín hiệu điện, tín hiệu điện được đưa vào bộ khuếch đại và sửa méo đểkhôi phục lại cường độ tín hiệu, sau đó tín hiệu điện được đưa qua bộ biến đổiđiện/quang (E/O) để tạo lại tín hiệu quang và đưa ra sợi quang Hình 1.8 thểhiện sơ đồ khối chức năng của một trạm lặp điện quang.

Hình1.8 Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp loại điện-quang

Trên thực tế hiện nay người ta đã sử dụng các bộ khuếch đại quang làmcác trạm lặp, chủ yếu là các bộ khuếch đại đường dây pha tạp Eribum(EDFA) Các bộ khuếch đại này có ưu điểm là không cần quá trình chuyểnđổi O/E và E/O mà thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang Chính vì thếnên cấu trúc của trạm lặp dùng bộ khuếch đại quang EDFA gọn nhẹ và đơngiản hơn rất nhiều so với các trạm lặp điện quang trước đây

1.2.4 Các trạm xen/rẽ kênh

Do nhu cầu của người sử dụng nên trên đường truyền tại một số nơi cầnlấy thông tin hoặc cần truyền thông tin đi, nên trạm xen-rẽ được sử dụng đểlấy thông tin trên luồng hoặc ghép thêm kênh thông tin cần truyền vào đườngtruyền chung Tại các trạm xen-rẽ luồng thông tin có thể được hạ xuống tốc

độ phù hợp Việc xen-rẽ kênh được thực hiện thông qua các thiết bị ghépkênh điện (ADM) Tuy nhiên thời gian gần đây người ta đã sử dụng các thiết

bị xen-rẽ kênh quang (OADM), thiết bị OADM cho phép tách ghép trực tiếp

các luồng tín hiệu quang mà không cần thông qua quá trình biến đổi O/E vàE/O như trong thiết bị ADM.

1.3 Sợi quang

Sợi quang là môi trường truyền dẫn trong thông tin quang và vì thế đây

là một thành phần quan trọng nhất của bất kì một hệ thống thông tin quangnào Thông thường trên thực tế lắp đặt và triển khai hệ thống người ta thườnglắp đặt cáp quang, tuy nhiên khi xem xét về môi trường truyền dẫn quang thì

ta chỉ cần xem xét đến sợi quang là đủ

1.3.1 Cấu tạo và phân loại sợi quang:

Sợi quang là những sợi nhỏ trong suốt chế tạo từ thuỷ tinh hoặc sợi tổnghợp để truyền ánh sáng Cấu trúc các loại sợi quang như trong hình 1.9

Hình 1.9 Cấu trúc sợi quangTuỳ theo cấu trúc, đặc tính truyền dẫn của sợi mà có thể phân loại theonhiều cách khác nhau:

+ Phân loại theo vật liệu chế tạo sợi: Sợi quang làm bằng thuỷ tinh thạch

anh, sợi quang làm bằng thuỷ tinh hỗn hợp, sợi quang làm bằng chất dẻo

+ Phân loại theo phân bố chiết suất của sợi: Sợi quang có chiết suất nhảybậc (sợi SI), sợi quang có chiết suất biến đổi (sợi GI).

+ Phân loại theo dạng mode truyền lan: Sợi quang đơn mode (SM), sợiquang đa mode (MM)

Trong hệ thống thông tin đường trục sử dụng loại sợi quang đơn mode

có chiết suất phân bậc (SMSI) Để có được sợi quang đơn mode cần thoả mãnyêu cầu sau: V<2,045

Trong đó V= là tham số cấu trúc (1.9)

Với d là đường kính lõi sợi quang, o là bước sóng truyền trong sợiquang, n1 là chiết suất lõi sợi quang, n2 là chiết suất vỏ sợi quang

1.3.2 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Hình 1.10 Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang

Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng phản

xạ ánh sáng toàn phần tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt cóchiết suất khác nhau Khi cho một tia sáng đi từ môi trường trong suốt cóchiết suất n1 vào môi trường trong suốt có chiết suất n2 (n1>n2) thì tại mặtphân cách giữa hai môi trường sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ và khúc xạ nhưhình 1.10 Dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần mà ta có thể truyền ánhsáng đi trong lõi sợi với suy hao thấp

Quan hệ giữa góc tới t và góc khúc xạ k với các chiết suất n1 và n2 tuântheo định luật khúc xạ (tia số 1):

n1.sin1=n2.sink (1.10)Khi tăng góc tới t đến một giá trị 0 nào đó thì tia khúc xạ không đi vàomôi trường có chiết suất n2 mà đi song song với mặt phân cách giữa hai môitrường (tia số 2), khi đó góc 0 được xác định tương ứng với k=900 nên ta có:

n1.sin0=n2.sink=n2.sin900=n2  sin0=n2/n1 (1.11)

 0=arcsin(n2/n1) (1.12)Nếu ta tiếp tục tăng góc tới t lên thì chỉ còn tồn tại tia phản xạ và hiệntượng phản xạ toàn phần xảy ra (tia số 3), góc 0 gọi là góc tới hạn Người ta

sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để truyền ánh sáng trong sợi quang, khi

đó ánh sáng truyền trong sợi phải phản xạ toàn phần liên tiếp trên bề mặt phâncách giữa lõi sợi và vỏ của sợi quang Để biển diễn và phân tích sự truyền ánhsáng trong sợi quang người ta có thể sử dụng phương pháp quang hình mặc

dù phương pháp này chỉ mô tả gần đúng hiện tượng mà thôi Phương phápchính xác nhất là sử dụng phương pháp quang sóng trên cơ sở các phươngtrình sóng nhưng phương pháp này rất phức tạp

Hình 1.11 Sự truyền sóng ánh sáng trong sợi chiết suất phân bậcHình 1.11 thể hiện các tia sáng được truyền trong một sợi quang có chiếtsuất phân bậc Theo định luật khúc xạ ánh sáng ta có:

n0.sini= n1sinr (1.13)Trong đó n0 là chiết suất của không khí,  là góc tới,r là góc khúc xạ, a

là bán kính lõi sợi quang Giả sử 0 là góc tới hạn, nếu >0 thì tia sáng đi vào

đi ra ngoài Theo công thức 1.13 khi đó góc khúc xạ tương ứng với góc tớihạn 0 là r0 =900-0 Do vậy góc tiếp nhận i0 tới hạn sẽ thoả mãn điều kiện:

n0sini0 = n1.sinr0=n1.sin(900-0)=n1.cos0 (1.14)

 n0sini0 = n1.cos(arcsin(n2/n1))= =NA (1.15)

vì chiết suất của không khí n0=1 nên ta có

NA được gọi là khẩu độ số của sợi quang, i0 là góc tiếp nhận cực đạicủa sợi quang, nó sẽ tạo thành một hình nón, trong đó các tia sáng đi vào tiếtdiện của sợi quang với góc i >i0 nằm ngoài hình nón sẽ không truyền tronglõi sợi mà đi ra ngoài vỏ sợi quang Như vậy chỉ các tia sáng nào nằm tronghình nón khi truyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phần liên tiếp giữa lõi sợi

và vỏ, khi đó tia sáng truyền trong lõi sợi quang theo một đường ziczac Nếugọi  là độ lệch chiết suất tương đối: = (1.17)Trên thực tế thì n1n2 và khi đó:

Như vậy điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là:

- Các tia sáng phải đi từ môi trường chiết quang hơn (chỉ số chiết suấtlớn hơn) sang môi trường chiết quang kém hơn (chỉ số chiết suất thấp hơn)

- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn

1.3.3 Đặc tính truyền dẫn của sợi quang

a Các mode trong sợi quang

Việc giải phương trình Maxwell cho ta xác định được các thành phầnsóng ánh sáng truyền trong sợi quang Nghiệm riêng của phương trình sónggần đúng với các sóng ánh sáng truyền trong sợi quang và được gọi là cácmode truyền trong sợi quang Người ta chỉ quan tâm đến các mode truyền dẫn

và mong muốn trong sợi chỉ tồn tại các mode truyền dẫn Trong một sợi

quang có rất nhiều mode sóng có thể truyền lan Số mode phụ thuộc vàođường kính lõi sợi quang, vào độ dài bước sóng và khẩu độ số NA Ta có thểxác định số cực đại mode trong sợi quang theo công thức sau:

Nmod = V2 (1.19)

b Tán sắc của sợi quang

Định nghĩa tán sắc: Hiện tượng các xung quang truyền dọc sợi quang bịgiãn rộng tại đầu thu được gọi là hiện tượng tán sắc trong sợi quang

Độ tán sắc trên một đơn vị độ dài = (1.20)

Trong đó L là chiều dài sợi quang, t1 là độ rộng xung vào ở 1/2 côngsuất, t2 là độ rộng xung ra ở mức 1/2 công suất

Các nguyên nhân gây tán sắc trong sợi quang được nhắc tới như sau:

- Tán sắc vật liệu: Do chiết suất của vật liệu phụ thuộc vào bước sóng

công tác, chiết suất là một hàm theo bước sóng n=n() Nếu nguồn quang bức

xạ ánh sáng đơn sắc thì sẽ không có tán sắc vật liệu nhưng thực tế các nguồnphát quang chính được sử dụng là LED và LD thường phát xạ ra ánh sángnằm trong một dải bước sóng, chính vì thế nên gây ra hiện tượng tán sắc vậtliệu Hình 1.14 mô tả phổ ánh sáng bức xạ của LED và LD

Hình 1.12 Quan hệ P()/Pmax phụ thuộc vào Tồn tại hệ số tán sắc vật liệu M()= (1.21)

Độ giãn xung do tán sắc vật liệu vl bởi nguồn sáng có độ rộng phổ xácđịnh  với bước sóng trung tâm 0 là:

Trong đó c là vận tốc ánh sáng trong chân không (c=3.108m/s)

- Tán sắc mode: Tán sắc này chỉ đáng kể ở sợi đa mode do các mode

truyền khác nhau qua sợi quang với khoảng thời gian khác nhau vì thế dẫnđến giãn xung đầu ra Tán sắc mode phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt làđường kính lõi sợi Độ giãn xung đối với sợi MM-SI là:

mod =

vì n1n2 nên ta có mod= (n1-n2) (1.23)

Độ giãn xung của sợi MM-GI là mod = (1.24)

- Tán sắc đường truyền: Hay còn gọi là tán sắc dẫn sóng, là sự giãn

xung đầu ra do hệ số truyền của các mode trong sợi quang phụ thuộc vào tỉ lệd/ Các mode truyền dẫn với  khác nhau gây tán sắc, khi d lớn dẫn tới tánsắc nhỏ còn khi d nhỏ tán sắc lớn Tán sắc này có ảnh hưởng lớn tới sợi SM-

SI do sợi đơn mode có đường kính lõi sợi là nhỏ

- Tán sắc mặt cắt: Trên thực tế không chỉ có chiết suất phần lõi thay đổi

theo bước sóng mà độ chênh chiết suất cũng thay đổi theo bước sóng gây ratán sắc mặt cắt Độ dãn xung do tán sắc mặt cắt phụ thuộc vào loại chất phụgia trong quá trình chế tạo sợi và phụ thuộc vào nguồn quang Tham số Pđánh giá tán sắc mặt cắt gọi là hệ số tán sắc mặt cắt

Trong đó n0 là chiết suất tại tâm sợi, nn là chiết suất nhóm

Từ đó người ta tính được tham số mặt cắt tối ưu

opt=2– –2P (1.26)

- Ảnh hưởng của tán sắc tới hệ thống thông tin quang:

Tán sắc làm cho các xung ánh sáng lan truyền trên sợi quang bị giãnrộng ra và điều này gây hiện tượng méo dạng tín hiệu và gây xuống cấp cácđặc tính của hệ thống, nếu xung tín hiệu mà dãn quá lớn sẽ dẫn tới hiện tượngphủ chờm của các xung kề nhau và khi mà hiện tượng phủ chờm vượt quámột mức nào đó thì sẽ xuất hiện tín hiệu lỗi Như vậy tán sắc đã làm giới hạntốc độ truyền dẫn của sợi quang Đối với sợi đơn mode hiện tượng tán sắc gây

ra các hiện tượng làm xung Gaussian bị lệch tần (hiện tượng chirp), làm giớihạn tốc độ truyền dẫn và làm giới hạn băng tần của sợi quang

c Suy hao sợi quang

Suy hao sợi quang là một yếu tố làm ảnh hưởng tới chất lượng thu.Trong quá trình thiết kế và triển khai hệ thống người ta quan tâm tới suy haotrong sợi quang và suy hao do uốn cong sợi quang

- Suy hao trong sợi quang: Là suy hao do bản chất của sợi quang Là

tham số đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, xác định khoảngcách giữa phía phát và phía thu Cơ chế suy hao trong sợi quang là suy hao dohấp thụ, suy hao do tán xạ và suy hao do bức xạ Suy hao sợi thường được đặctrưng bằng hệ số suy hao  và được tính theo công thức sau:

Trong đó L là chiều dài sợi dẫn quang, Pin là công suất quang đầu vào,Pout là công suất quang đầu ra,  được tính theo dB/km Suy hao trong sợiquang chủ yếu phụ thuộc vào hấp thụ vật liệu và tán xạ Rayleigh

+ Suy hao do hấp thụ vật liệu: Hấp thụ trong sợi quang là yếu tố quan

trọng trong việc tạo nên bản chất suy hao của sợi quang Hấp thụ chủ yếu do

ba cơ chế gây như sau:

+ Hấp thụ do tạp chất

+ Hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi

+ Hấp thụ cực tím hay còn gọi là hấp thụ điện tử

+ Suy hao do tán xạ: Do tính không đồng nhất trong lõi sợi gây ra mặc

dù rất nhỏ Đó là do có những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không đồngnhất về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi quang.Ánh sáng truyền trong sợi quang bị tán xạ ra các hướng và gây ra tán xạRayleigh Tán xạ Rayleigh chỉ có ý nghĩa khi bước sóng ánh sáng cùng cấpvới kích thước của cơ cấu tán xạ Suy hao Rayleigh tỉ lệ nghịch với mũ 4 củabước sóng (4)

Hình 1.13 miêu tả các dạng suy hao trong sợi quang theo bước sóng đốivới sợi quang làm bằng thuỷ tinh thạnh anh pha GeO2 Từ đó ta xác định được

ba vùng bước sóng có suy hao nhỏ gọi là ba vùng truyền dẫn

Vùng 1: Suy hao chủ yếu do tán xạ, một phần do hấp thụ, có bước sóngtrong dải =0,80,9m, =23 dB/km Được sử dụng trong các mạng LAN,các đường thuê bao số dịch vụ băng rộng Bước sóng trung tâm là =0,85m.Vùng 2: Suy hao chủ yếu do hấp thụ, có bước sóng trong dải

=1,21,35m, =0,30,5 dB/km Được sử dụng trong các đường trung kế.Bước sóng trung tâm là =1,3m

Vùng 3: Đây là vùng có suy hao thấp nhất với dải bước sóng

=1,51,7m, =0,150,25dB/km Được sử dụng trong các mạng lõi có tốc

độ truyền dẫn lớn Bước sóng trung tâm là =1,55m Đây là vùng bước sóngđược sử dụng chủ yếu trong các hệ thống thông tin quang

Hình 1.13 Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suy hao

- Suy hao do uốn cong sợi: Là suy hao ngoài bản chất của sợi Khi bất

kì một sợi quang nào bị uốn cong theo một bán kính xác định thì sẽ phát xạánh sáng ra ngoài vỏ sợi gây nên suy hao tín hiệu Có hai loại suy hao uốncong là uốn cong vĩ mô và vi mô Hiện tượng suy hao do uốn cong có thể thấy

rõ nhất khi góc tới lớn hơn góc tới hạn tại các vị trí sợi bị uốn cong

+ Uốn cong vĩ mô: Là uốn cong có bán kính uốn cong tương đương

hoặc lớn hơn đường kính sợi Bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao cànglớn

+ Uốn cong vi mô: Là hiện tượng sợi quang bị uốn cong một cách ngẫu

nhiên, trường hợp này hay xảy ra trong lúc sợi quang được bọc thành cáp

1.3.4 Giới thiệu một số loại sợi quang mới

a Nguyên tắc tạo sợi quang mới

Qua khảo sát người ta nhận thấy suy hao của các sợi quang nhỏ nhất là ởvùng bước sóng 1550nm và lớn ở vùng bước sóng 1300nm, tuy nhiên tạivùng bước sóng 1550nm thì tán sắc lại là lớn và ở vùng bước sóng 1300nm

tố trên để tạo ra một loại sợi quang có giá trị suy hao và tán sắc là tối ưu nhấtBiện pháp được lựa chọn là điều chỉnh các tham số cơ bản của sợi nhằm dịchchuyển tán sắc tối thiểu tới bước sóng có suy hao nhỏ Do chủ yếu sợi triểnkhai trên đường trục là sợi đơn mode nên người ta chỉ hướng tới nghiên cứu

về sợi đơn mode

Đối với sợi quang đơn mode thì chỉ có tác động của tán sắc vật liệu vàtán sắc dẫn sóng Tán sắc vật liệu phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và khó có thểthay đổi được nhiều, chỉ có tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào tỉ lệ giữa đườngkính với bước sóng công tác và độ chênh chiết suất Căn cứ vào đặc điểm đócùng với ý tưởng ở trên người ta nghiên cứu và đề xuất ra hai cấu tạo sợi làsợi có tán sắc dịch chuyển và sợi có tán sắc phẳng Hình 1.16 mô tả biến thiênchỉ số chiết suất của ba loại sợi đơn mode: sợi tiêu chuẩn (sợi đơn mode thôngthường G.652) có tán sắc tối ưu tại bước sóng 1300nm, sợi có tán sắc dịchchuyển và sợi có tán sắc phẳng

Hình 1.14 Các mặt cắt chỉ số chiết suất của ba loại sợi đơn mode chính

b Các loại sợi quang mới

Trên cơ sở những phân tích ở trên thì người ta đã thiết kế và chế tạođược hai loại sợi quang mới dùng khá hiệu quả trên các hệ thống thông tinquang, đó là sợi quang đơn mode có tán sắc dịch chuyển (DSF) và sợi quangđơn mode tán sắc dịch chuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyểnkhác không (NZ-DSF)

+ Sợi DSF có bước sóng trung tâm gần bước sóng 1550nm mà tại đó tánsắc bằng không Sợi này có suy hao và tán sắc rất nhỏ

+ Sợi NZ-DSF là sợi quang đơn mode có giá trị tán sắc nhỏ nhưngkhông bằng không trong vùng bước sóng 1550nm Sợi này có giá trị suy haotương tự như sợi đơn mode thông thường nhưng tán sắc rất nhỏ Ưu điểm nổitrội của NZ-DSF là giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến và giảm tánsắc phân cực mode Có hai loại sợi +NZ-DSF và –NZ-DSF

1.4 Các tham số của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang cũng có một số các tham số nhất định để choquá trình thu cũng phát tín hiệu quang được đảm bảo Thông thường người taquan tâm tới các tham số chính sau:

Các tham số điện quang:

+ (S/N)e và (C/N)e là tỉ số tín hiệu trên nhiễu và tỉ số sóng mang trênnhiễu được đo và xác định về phía điện của hệ thống điện quang, đó chính là

tỉ số của điện áp, dòng điện hoặc công suất điện Tham số tỷ lệ lỗi bit BERcủa hệ thống truyền dẫn số luôn được đo sau bộ tách sóng quang tương ứngvới tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N

+ Độ rộng băng tần điện (BW)e là khoảng tần số trong đó đáp ứng của tínhiệu như hệ số khuyếch đại, tỉ số dòng điện hay điện áp nằm trong giới hạnxác định

+ (S/N)O và (C/N)O là tỉ số tín hiệu và sóng mang trên nhiễu được đo vàxác định tại cổng quang của hệ thống tương ứng.

+ Độ rộng băng tần quang (BW)O là khoảng tần số mà tại đó mức côngsuất quang nằm trong giới hạn xác định

Vì vậy phương trình cơ bản của toàn tuyến : PSPD=L+Pdự trữ

Muốn tuyến truyền dẫn hoạt động tốt thì hiệu công suất lối ra của máyphát và độ nhạy máy thu phải lớn hơn tổng suy giảm trên toàn tuyến, ngoài racũng cần phải có một lượng đự trữ công suất cho toàn tuyến

Độ tổn hao của tuyến:

Độ tổn hao của tuyến có thể chia ra làm hai thành phần như đã đượctrình bày ở phần trước mà trong đó ta chủ yếu quan tâm tới suy hao do bảnthân sợi quang Độ suy hao được xác định qua hệ số  (dB/km)

Độ rộng băng tần của tuyến:

Trong đó người ta quan tâm đến độ rộng băng tần của sợi quang; độ rộngbăng tần của nguồn quang và các bộ kích thích; độ rộng băng tần của các bộthu quang và các bộ tách quang.

CHƯƠNG II CÁC KỸ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG 2.1 Khái quát về các phương pháp ghép kênh quang

Do sợi quang có băng tần truyền dẫn rất rộng nên có khả năng ghépnhiều kênh quang trên một sợi để truyền dẫn Để tăng dung lượng kênh, tăngtốc độ truyền dẫn trên một sợi quang, người ta dùng các kỹ thuật ghép kênhquang Điều này được thực hiện bằng các phương pháp ghép kênh quang nhưghép kênh theo bước sóng WDM hay ghép kênh theo tần số (OFDM), ghépkênh theo thời gian (OTDM), ghép kênh theo sóng mang thứ cấp (SCM),ghép kênh theo mã (CDM) Các kỹ thuật ghép kênh này đều có những ưuđiểm, nhược điểm riêng và mức độ ứng dụng khác nhau

2.1.1 Kĩ thuật ghép kênh theo thời gian OTDM

Quá trình ghép kênh trong hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuậtOTDM có thể được mô tả thông qua hình 2.1 dưới đây

Hình 2.1 Hệ thống thông tin quang sử dụng OTDM ghép 4 kênh quang

Trong ghép kênh quang OTDM chuỗi xung hẹp được phát ra từ nguồnphát laser thích hợp Các tín hiệu này có thể được đưa vào khuếch đại để nângmức tín hiệu đủ lớn đáp ứng được yêu cầu của hệ thống Sau đó tín hiệu đượcchia thành N luồng và mỗi luồng sẽ được đưa vào điều chế nhờ các bộ điềuchế ngoài với các tín hiệu nhánh tốc độ BGb/s Để thực hiện ghép các tín hiệuquang này với nhau thì các tín hiệu nhánh phải được đưa qua các bộ trễquang Tuỳ theo vị trí của từng kênh theo thời gian trong khung mà các bộ trễnày sẽ thực hiện trễ để dịch các khe thời gian quang một cách tương ứng Nhưvậy tín hiệu sau khi được ghép sẽ có tốc độ (NB)Gb/s Sau khi được truyềntrên đường truyền thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ thực hiện tách kênh và khôiphục xung clock để đưa ra từng kênh riêng biệt.

Ưu điểm: Kĩ thuật OTDM không thông qua một quá trình biến đổi vềđiện nào mà là biến đổi toàn quang chính vì thế hệ thống không bị hạn chế tốc

độ do sự hạn chế tốc độ xử lý của các linh kiện điện tử Với kĩ thuật OTDMtốc độ của hệ thống có thể lên tới hàng trăm GB/s thậm chí tới hơn 1TB/s

Nhược điểm: Cự li truyền dẫn của tín hiệu trong hệ thống OTDM bịhạn chế bởi hiện tượng tán sắc sợi là rất lớn Để khắc phục người ta phải sửdụng các biện pháp làm giảm hiện tượng tán sắc (sử dụng sợi có tán sắc tiếntới không, các biện pháp bù tán sắc) nhưng việc khắc phục cũng rất phức tạp

2.1.2 Kĩ thuật ghép kênh theo sóng mang thứ cấp SCM

Khái niệm cơ bản của ghép kênh theo sóng mang thứ cấp SCM dựatrên kỹ thuật thông tin viba Đối với thông tin viba dải thông tổng bị hạn chếthấp hơn 1GHz khi sử dụng cáp đồng để truyền tín hiệu viba nhiều kênh.Nhưng nếu tín hiệu viba nhiều kênh được truyền trong môi trường quang sửdụng các sợi quang thì dải thông tín hiệu có thể lên tới hơn 10GHz cho mỗitín hiệu quang riêng rẽ Phương thức như vậy gọi là ghép kênh theo sóngmang thứ cấp SCM, vì việc ghép kênh được thực hiện bằng cách sử dụng cácsóng mang phụ ở dải siêu cao tần chứ không phải là bằng các sóng mang

quang Sơ đồ khối mô tả một hệ thống SCM được thiết kế với sóng mangquang đơn được mô tả ở hình 2.2 Căn cứ vào đặc điểm tín hiệu mà ta phânloại hệ thống thông tin quang SCM tương tự hoặc số.

Hình 2.2 Hệ thống SCM nhiều kênhChất lượng của một hệ thống SCM phụ thuộc vào tỷ số sóng mang trênnhiễu CNR (là tỷ số công suất sóng mang RMS trên công suất nhiễu RMS tạiđầu ra của bộ tách sóng quang) CNR có thể được tính theo công thức sau:

(2.1)Trong đó m là chỉ số điều chế kênh, R là đáp ứng bộ tách sóng, <P> làcông suất quang trung bình thu được và s, T, l, IDM tương ứng là các giátrị RMS của dòng nhiễu có liên quan đến nhiễu lượng tử, nhiễu nhiệt, nhiễucường độ và nhiễu xuyên điều chế IDM

Ưu điểm: Tính linh hoạt cao và khả năng cập nhật trong cấu trúc mạngbăng rộng Có thể sử dụng điều chế tương tự hoặc điều chế số hoặc kết hợp cảhai để truyền nhiều loại tín hiệu tới nhiều người dùng Được sử dụng phổ biếntrong công nghệ truyền hình cáp (CATV) Nó cũng có thể phối hợp với các kĩthuật WDM và TDM để thực hiện với băng tần lớn hơn 1THz

2.1.3 Kĩ thuật ghép kênh theo mã CDM

Các kỹ thuật ghép kênh quang khác có một ưu điểm là việc định tuyếnđơn giản nhưng lại sử dụng không hiệu quả băng tần của kênh Vấn đề nàyđược giải quyết nhờ sử dụng kỹ thuật đa truy nhập ngẫu nhiên, với kỹ thuật

này cho phép người dùng có thể truy nhập bất kỳ một kênh nào tại bất kỳ thờiđiểm tuỳ ý Đó là kỹ thuật trải phổ hay còn được hiểu như là kỹ thuật ghépkênh theo mã CDM bởi vì mỗi một kênh được mã hóa riêng trong một tuyến,phổ trải của nó lớn hơn nhiều phổ trải của các tín hiệu truyền thống đangđược sử dụng Trên thực tế CDM không còn xa lạ bởi vì nó đã được sử dụngrất phổ biến trong các hệ thống thông tin viba (như các mạng thông tin diđộng tế bào) Kỹ thuật CDM khác với các kỹ thuật OTDM hay WDM ở chỗ

nó chia sẻ toàn bộ băng tần và toàn bộ thời gian một cách ngẫu nhiên chongười dùng còn kỹ thuật OTDM và WDM thì phân chia độ rộng kênh hoặckhe thời gian đều cho tất cả mọi người dùng

Ưu điểm nữa của kỹ thuật này là độ bảo mật thông tin cực cao, rất phùhợp với các hệ thống cần độ an toàn thông tin cao do mã được sử dụng là các

mã ngẫu nhiên Thông thường có hai phương pháp được sử dụng là kỹ thuật

mã hóa chuỗi trực tiếp và kỹ thuật mã hóa nhảy tần

2.1.4 Kĩ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM

Đây là kỹ thuật được sử dụng phổ biến rộng rãi nhất hiện nay Kỹ thuậtnày có nhiều ưu điểm nổi trội so với các kỹ thuật khác Nguyên lý ghép kênhWDM và các vấn đề khác sẽ được trình bày kỹ ở phần sau Dưới đây chỉ nhắctới các tính năng ưu việt của kỹ thuật ghép kênh WDM

a Tận dụng tài nguyên băng tần rộng lớn của sợi quang

Hiện nay hệ thống thông tin sợi quang chỉ truyền dẫn trong một kênhtín hiệu bước sóng mang quang, mà bản thân sợi quang trong các cửa sổtruyền có tổn hao thấp là rất rộng, vì thế có nhiều bước sóng có thể được sửdụng để truyền dẫn Cho nên công nghệ WDM sẽ tận dụng độ rộng băng rấtlớn của sợi quang đơn mode, do đó có thể giải quyết được vấn đề tăng tốc độ

và dung lượng truyền dẫn, vì thế giá thành hạ và lợi ích kinh tế là rất lớn

b Có khả năng truyền dẫn nhiều tín hiệu cùng lúc

Công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau và vì thế cóthể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việctổng hợp và chia các tín hiệu dịch vụ viễn thông Bao gồm nhiều loại tín hiệunhư tín hiệu số và tương tự, tín hiệu phân cấp số cận đồng bộ (PDH) và tínhiệu phân cấp số đồng bộ (SDH), có thể truyền dẫn hỗn hợp tín hiệu đaphương tiện như âm thanh, video, số liệu, văn bản…

c Có rất nhiều ứng dụng

Căn cứ vào nhu cầu thì kỹ thuật WDM có thể có rất nhiều ứng dụngnhư mạng đường trục đường dài, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng LANnhiều đường địa chỉ…, do đó rất quan trọng đối với các ứng dụng mạng

d Tiết kiệm đầu tư cho đường dây

Dùng công nghệ WDM có thể ghép kênh N bước sóng truyền dẫn trongsợi quang đơn mode, khi truyền dẫn đường dài dùng dung lượng lớn có thểtiết kiệm số lượng lớn sợi quang Ngoài ra thuận tiện cho việc mở rộng dunglượng hệ thống thông tin quang đã xây dựng, chỉ cần hệ thống cũ có độ dưcông suất đủ lớn, thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần phải thay đổinhiều

e Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện

Tốc độ của các linh kiện điện tử hiện nay không đáp ứng được nhu cầutăng tốc độ truyền dẫn Việc sử dụng công nghệ WDM có thể giảm yêu cầurất cao đối với một số linh kiện đồng thời cũng có thể truyền dẫn dung lượnglớn Đây là đặc điểm chính làm cho WDM được sử dụng phổ biến hiện nay

f Tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy của cấu hình mạng

Việc sử dụng công nghệ WDM trong việc chọn đường, chuyển mạch vàkhôi phục mạng là rất thuận tiện do đó có thể tạo ra được một mạng thông tintrong suốt, linh hoạt, kinh tế và có sức sống trong tương lai

g Kênh truyền dẫn IP

Ghép kênh bước sóng với dạng số liệu là trong suốt, tức là không cóquan hệ gì tới tốc độ của tín hiệu và phương thức điều chế điện Kỹ thuậtWDM cũng là biện pháp để mở rộng và phát triển các mạng lý tưởng, là cáchthuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng mới thông qua việc tăng thêm mộtbước sóng phụ có thể đưa vào một dịch vụ mới hoặc dung lượng mới mongmuốn, thí dụ hiện nay hoặc sau này có thể sử dụng công nghệ IP trên cácmạng thông tin quang sử dụng kỹ thuật WDM.

Căn cứ trên những ưu điểm của kỹ thuật WDM cũng như tình hình thực

tế hiện nay ở nước ta các mạng thông tin quang đa kênh đều sử dụng kỹ thuậtWDM Hơn nữa các kỹ thuật ghép kênh quang khác như OTDM, SCM hayCDM đều chưa thực sự sẵn sàng đưa vào ứng dụng trên diện rộng Chính vìnhững nguyên nhân đó nên đồ án của tôi chỉ xin tập trung vào kỹ thuật ghépkênh theo bước sóng WDM và các mạng ứng dụng của kỹ thuật này

2.2 Kĩ thuật ghép kênh theo bước sóng quang WDM

2.2.1 Nguyên lý cơ bản của kĩ thuật WDM

Hình 2.3 Mô tả nguyên lý cơ bản của ghép kênh quang theo bước sóng Nguyên lý cơ bản của quá trình ghép kênh theo bước sóng quang có thể

mô tả minh họa như hình 2.3 Giả sử phía phát có các nguồn quang làm việc ởcác bước sóng khác nhau như hình vẽ, các tín hiệu quang ở các bước sóngkhác nhau sẽ được ghép vào cùng một sợi quang nhờ một bộ ghép kênhquang Yêu cầu của bộ ghép bước sóng là cần phải có suy hao nhỏ Tín hiệusau khi được ghép xong truyền dọc theo trục sợi đưa đến đầu thu Tại đầu thu

thực hiện quá trình giải ghép kênh bằng bộ giải ghép kênh để đưa đến cáchướng thông tin khác nhau.

Có hai phương án cho việc truyền tín hiệu WDM:

Phương án 1: Kết hợp các tín hiệu WDM có bước sóng khác nhau vào

sợi quang tại một đầu, thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóngquang ở đầu kia Với phương án này để truyền thông tin song công hai phíacần phải bố trí hai sợi quang, mỗi sợi cho tuyến thu và phát riêng biệt nhưđược mô tả như hình 2.4

Để thực hiện được phương án này thì cần có bộ ghép kênh bước sóngMUX ở đầu phát các bộ giải ghép kênh DEMUX ở đầu thu Vấn đề chủ yếu

là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp và cần phải có các biện pháp cách li tốtcác kênh quang Để thực hiện được điều này ta cần sử dụng các bộ lọc quangrất ổn định và có bước sóng cắt rất chính xác

Hình 2.4 Phương án bố trí một sợi quang truyền theo một hướng

Phương án 2: Giữa hai đầu phát và thu chỉ cần bố trí một sợi quang.

Khi đó một đầu kết nối sẽ phát tín hiệu quang với các bước sóng 1, 2,… nkhác nhau và đồng thời phía đầu kết nối kia cũng phát các tín hiệu quang vớicác bước sóng ’ 1,  ’ 2,… ’ n Với phương án bố trí này ta có thể đồng thời làmviệc trên cùng một sợi quang và giảm được số lượng bộ khuếch đại quang và

số lượng sợi sử dụng cho hệ thống như hình 2.5

Hình 2.5 Phương án bố trí một sợi quang cho hai chiều cả thu và phátĐối với phương pháp này khi thiết kế và ứng dụng phải xem xét đếnnhân tố của hệ thống như để hạn chế can nhiễu nhiều kênh, cần chú ý tới cácảnh hưởng của phản xạ quang, cách li giữa các kênh theo hai hướng Thiết bịghép và giải ghép hỗn hợp MUX-DEMUX được sử dụng cho phương án này.

Dựa trên mật độ ghép bước sóng vào trong sợi quang mà người ta phânloại ra làm hai phương pháp ghép kênh theo bước sóng:

+ Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM): Đây là phươngpháp ghép sử dụng nhiều bước sóng ghép trong hai cửa sổ (1300nm và1550nm) Khoảng cách bước sóng giữa hai kênh quang lân cận  < 1nm

Ưu điểm: Phương pháp này cho hiệu suất phổ lớn (do sử dụng nhiềubước sóng) và với các bộ khuếch đại quang có thể tăng cự li liên lạc

Nhược điểm: Do ghép nhiều bước sóng trong một cửa sổ quang nênvấn đề xuyên kênh cần được lưu ý một cách đặc biệt Tuy nhiên đây vẫn làmột kĩ thuật cho hiện tại và cả tương lai

+ Ghép kênh theo bước sóng thô (CWDM): Đây là phương pháp ghépkênh sử dụng 18 bước sóng trong dải 1270nm1610nm, độ rộng băng 13nm

Độ rộng bước sóng giữa hai kênh quang lân cận  > 1nm

Ưu điểm: Sử dụng các thành phần cấu kiện rẻ, không cần các nguồnlaser ổn định nhiệt hoặc các bộ lọc quang

Nhược điểm: Suy hao lớn Trong việc triển khai thì đôi khi do nhu cầuthực tế người ta có thể chèn thêm các kênh DWDM vào mà không ảnh hưởngtới việc truyền dẫn hiện tại.

2.2.2 Các tham số cơ bản của thành phần thiết bị WDM

Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính của các bộ ghép và giải ghéphỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh Đây cũng là các tham

số để đánh giá chất lượng của một hệ thống thông tin quang

a Suy hao xen

Là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang dotuyến có thêm các thiết bị ghép bước sóng Suy hao này bao gồm suy hao docác điểm ghép nối trên tuyến và suy hao do bản thân các thiết bị ghép gây ra

Vì thế trên thực tế thiết kế tuyến phải tính cho vài dB ở mỗi đầu Suy hao xenđược diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ ghép coupler chung nhưngcần lưu ý là đối với WDM ta xét cho một bước sóng đặc trưng:

Li= 10log đối với các thiết bị MUX

Li= 10log đối với các thiết bị DEMUX

Với Li là suy hao tại bước sóng i khi thiết bị được ghép xen vào tuyếntruyền dẫn Các tham số này luôn phải được biết với từng kênh quang củatừng loại thiết bị

b Xuyên kênh

Xuyên kênh mô tả hiện tượng một năng lượng tín hiệu từ kênh này bị

rò sang kênh khác Trong một bộ giải ghép kênh lý tưởng sẽ không có sự ròcông suất nhưng trên thực tế vẫn có một mức xuyên kênh nào đó và làm giảmchất lượng hệ thống Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải

(2.2)Với Ui(k) là lượng tín hiệu không mong muốn bị rò sang Xuyên kênhđược phân loại làm xuyên kênh đầu gần do các kênh khác ở đầu vào sinh ra

và nó được ghép ở bên trong thiết bị; xuyên kênh đầu xa do các kênh khácđược ghép vào đường truyền gây ra

Xuyên kênh thường xuất hiện do các nguyên nhân: do đặc tính của bộlọc tạo ra thiết bị ghép là không hoàn thiện; do phổ của các nguồn phát chồnglấn sang nhau; do các hiệu ứng phi tuyến

c Độ rộng kênh

Độ rộng kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh mà nó định ra chotừng nguồn phát quang riêng Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì độrộng kênh được yêu cầu vào khoảng vài nm để đảm bảo không bị nhiễu giữacác kênh do sự không ổn định của các nguồn phát gây ra Còn đối với nguồnphát quang LED thì độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần Như vậy độrộng kênh phải đảm bảo đủ lớn để tránh nhiễu giữa các kênh, vì thế nó phảiđược xác định tuỳ theo từng loại nguồn phát

2.2.3 Các thành phần của hệ thống WDM

1 Các bộ lọc quang điều chỉnh tần số

Các bộ lọc quang điều chỉnh tần số có tác dụng lựa chọn một hoặcnhiều kênh mong muốn tại đầu máy thu, muốn vậy thì dải thông của bộ lọcphải đủ lớn để thông tín hiệu mong muốn và cũng phải đủ nhỏ để chặn các tínhiệu của các kênh lân cận Trong hệ thống thông tin quang WDM hiện naychủ yếu sử dụng các loại bộ lọc quang sau: Bộ lọc quang FP; bộ lọc quang sửdụng giao thoa kế MZ, bộ lọc quang Michelson sử dụng cách tử, bộ lọc quang

âm, bộ lọc quang-điện, bộ lọc quang bán dẫn và bộ lọc Brillouin

+ Bộ lọc quang điều chỉnh tần số FP (Fabry-Perot):

Bộ lọc FP dựa trên hiện tượng buồng cộng hưởng FP, cấu tạo của bộlọc được thể hiện như trên hình 2.6 Hai gương phản xạ có hệ số phản xạ caođặt song song với nhau và cách nhau một lớp điện môi trong suốt, hai tấmgương và lớp điện môi tạo nên buồng cộng hưởng FP Khi một đầu truyềnánh sáng vào trong buồng cộng hưởng và nếu sóng quang thoả mãn điều kiện

về pha thì sóng quang có thể dao động ổn định và đưa ra sóng quang có đặctrưng tần số dạng chu kỳ gọi là dải phổ tự do FSR như hình 2.7

Hình 2.6 Sơ đồ bộ lọc kiểu FP

Ta giả sử rằng ánh sáng truyền vào khoang cộng hưởng có góc tới i,chiều dài của khoang cộng hưởng là L, chiết suất của vật liệu là n thì điềukiện về pha là: Lượng biến đổi pha tổng cộng sau khi ánh sáng truyền đi mộtlần đi và về giữa hai mặt phản xạ của gương  là bội số nguyên của 2 tức là:

(2.3)

Hình 2.7 Đặc tính phổ của buồng cộng hưởng FPCăn cứ theo công thức trên ta thấy rằng điều kiện về pha của sóngquang truyền vào trong buồng cộng hưởng  sẽ phụ thuộc vào n, L, i và bước

sóng của ánh sáng , vì vậy để thoả mãn điều kiện về pha ta chỉ cần thay đổi

ba tham số trên là có thể điều chỉnh được bước sóng cần lựa chọn

Dạng đặc trưng phổ của buồng cộng hưởng với các bước sóng khácnhau thể hiện trên hình 2.7 Trong đó FSR là miền phổ tự do, đây là giãn cáchtần số giữa hai đỉnh truyền liên tiếp và được tính theo công thức sau:

L=c/(2nL) (2.4)Nếu bộ lọc được thiết kế chỉ cho một kênh thì phải thoả mãn điều kiện:

sig=Nch=NB/s<L (2.5)

Ở đây sig là phổ của tín hiệu, N là số kênh, ch là phổ của kênh, B làtốc độ bit, s là hiệu quả phổ Bộ lọc có dải thông FP cần đủ lớn để chothông toàn bộ phổ của kênh truyền Khi FPB thì số kênh được giới hạntheo công thức sau:

N<s(L/FP)=sF (2.6)

Ở đây F được gọi là độ mịn Có thể xác định độ mịn F một cách gầnđúng theo công thức F= /(1-R) với R là hệ số phản xạ của gương mà ở đâygiả thiết rằng hai gương có hệ số phản xạ như nhau Phương trình 2.6 chỉ rađược số kênh mà bộ lọc có thể lựa chọn được Số lượng kênh mà bộ lọc lựachọn được có thể thay đổi thông qua việc thay đổi độ dài của bộ lọc L mà vẫnphải đảm bảo được điều kiện L>sig

Thực tế các bộ lọc FP đều sử dụng lớp điện môi không khí, cùng vớihai tấm gương có hệ số phản xạ cao Bộ lọc FP có thuận lợi là chúng có thểkết hợp được với các hệ thống khác và không chịu suy hao do mối nối quang

Việc điều chỉnh tần số của bộ lọc FP được thực hiện bằng cách sử dụngcác vật liệu khác như các chất bán dẫn có bước sóng dịch chuyển và thuỷ tinh

Một dạng mở rộng của bộ lọc FP là các bộ lọc sử dụng màng mỏng, cácmàng mỏng thường được chế tạo từ những vật liệu có chiết suất thấp và cácmàng có chiết suất cao đặt xen kẽ với nhau Các màng mỏng làm việc giống

như là hai tấm gương có hệ số phản xạ cao, giữa các màng mỏng được ngăncách bằng một lớp điện môi

+ Bộ lọc quang sử dụng giao thoa kế MZ (Mach-Zehnder):

Một hệ thống kết hợp các giao thoa kế MZ cũng được sử dụng để tạo racác bộ lọc quang điều chỉnh tần số Cấu tạo giao thoa kế MZ được mô tả trênhình 2.8 Giao thoa kế MZ được tạo ra bằng cách kết nối giữa hai cổng đầu racủa bộ ghép quang 3dB tới hai cổng đầu vào của bộ ghép quang 3dB khác Bộghép quang đầu tiên chia các tín hiệu quang đầu vào đều ra làm hai phần bằngnhau và truyền trên hai nhánh với sự dịch pha tín hiệu khác nhau, sau đóchúng được ghép tại ở bộ ghép quang thứ hai

Hình 2.8 Sơ đồ bộ giao thoa kế MZ

Sự lệch pha giữa hai nhánh phụ thuộc vào bước sóng và được thực hiệnnhờ bộ làm trễ Hệ số truyền dẫn T(v) cũng phụ thuộc bước sóng T(v) có thểđược tính theo công thức sau:

T(v)=H()2=cos2() (2.7)Với HMZ() [1+ei] là hàm truyền của bộ lọc MZ

Ở đây =/2 là tần số và  là độ trễ tương đối giữa hai nhánh của giaothoa kế MZ Nếu sử dụng một chuỗi các giao thoa kế MZ với độ trễ tương đốithì ta có thể điều chỉnh tần số hoạt động của bộ lọc MZ bằng cách thay đổi độdài nhánh một cách thích hợp Khi đó T(v) được tính theo công thức sau:

Ở đây tham số m là độ trễ tương đối của phần tử thứ m trong chuỗi Mcác bộ giao thoa kế MZ.

Người ta thường sử dụng độ trễ tương đối trên mỗi một nhánh MZđược sắp xếp xen kẽ với các kênh liên tiếp Khi đó yêu cầu m =(2mvch)-1 chogiãn cách kênh vch Kết quả là hệ số truyền dẫn của một chuỗi 10 bộ giaothoa kế MZ có độ chọn lọc kênh rất tốt và tương đương như một bộ lọc FP có

độ mịn F=1600 Hơn nữa, bộ lọc sử dụng giao thoa kế MZ có khả năng lựachọn các kênh có khoảng giãn cách kênh khá nhỏ, điều này làm cho bộ lọc sửdụng giao thoa kế MZ được sử dụng tốt nhất cho các hệ thống DWDM Chuỗi

MZ có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các bộ ghép quang hoặc sửdụng công nghệ dẫn sóng silica-on-silicon

+ Bộ lọc sử dụng cách tử Bragg:

Cách tử Bragg cũng được sử dụng để tạo ra các bộ lọc quang điềuchỉnh tần số Cách tử Bragg cho một ví dụ đơn giản của các bộ lọc quang cơbản sử dụng cách tử Dạng đơn giản nhất là một màng cách tử làm việc giốngnhư một gương của bộ lọc quang, bước sóng trung tâm của bộ lọc có thể đượcđiều chỉnh bằng cách thay đổi chu kì của cách tử, bước sóng trung tâm của bộlọc được tính theo công thức B=2n (2.9) (với  là chu kì cách tử và n chỉ sốmode) và độ rộng băng của bộ lọc có thể thay đổi cho thích hợp bằng cáchthay đổi chất lượng của cách tử hoặc chu kì cách tử Hệ số phản xạ của màngcách tử thường được giới hạn trong thực tế và yêu cầu sử dụng của phía phát.Trong các thiết kế khác, một cách tử được chèn vào trong mỗi một nhánh của

bộ giao thoa kế MZ dự phòng cho một bộ lọc phát Các loại giao thoa kếSagnac và Michelson cũng được sử dụng để thay thế cho các bộ lọc phát

Hình 2.9 Bộ lọc Michelson sử dụng cách tử Hình 2.9 thể hiện một ví dụ của giao thoa kế Michelson tạo nên bằngcách sử dụng các bộ nối quang –3dB và hai màng cách tử hoạt động như cáctấm gương cho hai nhánh của giao thoa kế Michelson

+ Bộ lọc quang-âm:

Bộ lọc quang-âm là một mở rộng của bộ lọc sử dụng cách tử Bragg.Dải động tín hiệu của bộ lọc quang âm >100nm Nguyên tắc hoạt động của bộlọc quang âm dựa trên cơ sở của hiệu ứng đàn hồi quang thông qua một sóng

âm thanh truyền qua một lớp vật liệu quang âm tạo nên sự thay đổi định kỳtrên bề mặt khúc xạ (tương ứng với phạm vi của khu vực bị nén và giãn).Trong hiệu ứng quang âm, các sóng âm thanh tạo nên các cách tử định kì, nó

có thể giao thoa với một tia sáng chiếu tới Việc lựa chọn bước sóng xuất phát

từ các cách tử âm thanh này Khi mà một sóng điện ngang (TE) truyền theophương vector k gây ra nhiễu xạ từ các cách tử này, sự phân cực của nó có thểthay đổi từ điện ngang sang từ ngang (TM) nếu sự xung đột pha có điều kiệnk’=kKa là được thoả mãn, k và Ka theo thứ tự là các vector sóng kết hợpvới từ ngang và các sóng âm thanh