hệ thống WDM

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin ngành viễn thông hệ thống WDM

Mục lục

Mục lục i

CHƯƠNG I 4

TổNG QUAN Về Hệ THốNG WDM 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.1.1 Khái quát về WDM 4

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống tách/ghép kênh quang 5

1.1.3 Đặc điểm của hệ thống WDM 7

1.1.3.1 Tận dụng tài nguyên 7

1.1.3.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu 7

1.1.3.3 Nhiều ứng dụng 8

1.1.3.4 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện 8

1.1.3.5 Kênh truyền dẫn IP 8

1.2 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM 8

1.2.1 Suy hao xen 8

1.2.2 Suy hao xuyên kênh 9

1.2.3 Độ rộng kênh và khoảng cách kênh 10

1.2.4 Số l ợng kênh 11

1.3 ứng dụng WDM 12

CáC THàNH PHầN TRONG Hệ THốNG WDM 15

Giới thiệu chung 15

2.1 Bộ phát quang 15

2.1.1 Yêu cầu đối với nguồn quang trong WDM 16

2.1.2 Nguyên lí Bragg 17

2.1.3 LASER hồi tiếp phân bố (DFB) 18

2.1.4 LASER phân bố phản xạ Bragg (DBR) 19

2.2 Bộ tách quang và bộ ghép quang 20

2.2.1 Bộ lọc Mach-Zender 20

2.2.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc Mach-Zender 20

2.2.1.2 Một số đặc tính của bộ lọc quang Mach-Zender 22

2.2.1.3 Bộ lọc quang khả chỉnh 27

2.2.2Bộ lọc Fabry-Perot 29

2.2.2.1 Mở đầu 29

2.2.2.2 Một số tham số của bộ lọc Fabry-Perot 30

2.2.2.3 Bộ lọc Fabry-Perot khả chỉnh 33

2.2.2.4 Mắc nối tầng các bộ lọc Fabry-Perot 35

2.2.3 Bộ tách kênh trong miền không gian 38

2.2.3.1 Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc 38

2.2.3.2 Cách tử nhiễu xạ 39

2.2.3.3 Cách tử phản xạ Bragg 45

a Cách tử phản xạ Bragg sợi 45

b) Các ứng dụng của bộ lọc phản xạ Bragg 46

2.3.3.4 Bộ lọc quang âm phản xạ Bragg 48

2.3 Bộ khuếch đại quang 49

2.3.1 Sự cần thiết sử dụng các bộ khuếch đại quang 49

2.3.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA 49

2.4 Bộ thu quang 52

2.5 Sợi quang 53

Ch ơng iii 55

Một số vấn đề công nghệ then chốt 55

3.1 ổn định b ớc sóng của nguồn quang 55

3.2 ảnh h ởng của tán sắc sợi quang đối với truyền dẫn 56

3.2.1 Ph ơng pháp bù tán sắc bằng điều chế tự dịch pha(SPM) 56

3.2.3 Ph ơng pháp bù tán sắc PDC 58

3.2.4 Ph ơng pháp bù tán sắc bằng Pre-chirp (dịch tần tr ớc) 59

3.3 ảnh h ởng của hiệu ứng phi tuyến đến truyền dẫn 60

3.3.1 Các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM 60

3.3.2 Giải pháp khắc phục hiệu ứng phi tuyến của sợi quang 64

3.4 Độ bằng phẳng của tăng ích bộ khuyếch đại quang sợi 64

3.5 Tích luỹ tạp âm khi dùng bộ khuyếch đại quang EDFA nhiều tầng 65

Ch ơng iv 65

ứng dụng của hệ thống wdm 65

4.1 ứng dụng wdm trong mạng truyền dẫn 65

4.1.1 Tuyến truyền dẫn điểm - điểm dung l ợng cao 65

4.1.2 Mạng quảng bá 68

4.2 ứng dụng của WDM trong mạng đa truy nhập 71

4.2.1 Mở đầu 71

4.2.2 Mạng WDMA đơn chặng 73

4.2.3 Mạng WDMA đa chặng 75

4.3 ứng dụng của WDM trong mạng chuyển mạch quang 78

CHƯƠNG I TổNG QUAN Về Hệ THốNG WDM

1.1 Giới thiệu chung

Trong những năm gần đây, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại

mà đặc biệt là Internet cũng nh một số dịch vụ khác đã tạo ra một sự bùng nổ nhu cầu về dung lợng Điều này đặt lên vai những nhà cung cấp dịch vụ đờng trục những khó khăn và thách thức mới Kĩ thuật ghép kênh theo miền thời gian TDM

đã giải quyết phần nào các yêu cầu trên nhng vẫn còn rất hạn chế Trong thực tế, tốc độ của tín hiệu TDM thờng nhỏ hơn hoặc bằng 10Gb/s Do ảnh hởng của hiện tợng tán sắc, hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang và tốc độ của các thành phần điện

tử nên khi tăng tốc độ bit của một kênh TDM lên quá giới hạn này, chất lợng hệ thống không đảm bảo Để thích ứng với sự tăng trởng không ngừng đó và thoả mãn yêu cầu tính linh hoạt của mạng, các công nghệ truyền dẫn khác nhau đã đợc nghiên cứu, triển khai thử nghiệm và đa vào ứng dụng, trong số đó phải kể đến công nghệ WDM, OTDM, Soliton Ph… ơng pháp ghép kênh theo bớc sóng WDM(Wavelength Division Multiplexing) đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode Ghép kênh theo b-

ớc sóng WDM nâng cao dung lợng truyền dẫn của hệ thống mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bớc sóng Do đó, WDM chính là giải pháp tiên tiến trong kĩ thuật thông tin quang, đáp ứng đợc nhu cầu truyền dẫn và cả những yêu cầu về chất lợng truyền dẫn của hệ thống

1.1.1 Khái quát về WDM

Trong hệ thống WDM, tín hiệu điện của từng kênh quang đợc điều chế với các sóng mang quang khác nhau Sau đó, chúng đợc ghép lại và truyền trên cùng một sợi quang đến đầu thu Phía thu thực hiện quá trình tách tín hiệu quang thành các kênh quang riêng biệt có bớc sóng khác nhau Mỗi kênh này đợc đa đến một máy thu riêng Công nghệ WDM cho phép khai thác đợc tiềm năng băng thông to lớn của sợi quang Ví dụ, hàng trăm kênh 10Gb/s có thể truyền trên cùng một sợi quang Khoảng cách giữa các kênh khoảng 50GHz Dới đây là một tính toán cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM:

Hình 1.1 chỉ ra hai cửa sổ truyền dẫn 1,3 và 1,5 cửa sợi quang Mỗi cửa sổ có băng thông truyền dẫn(suy hao thấp) của sợi quang là rất lớn; Chỉ với riêng cửa sổ quang 1550 nm thì dải bớc sóng có thể sử dụng là 1500 nm – 1600 nm, tơng ứng với dải tần rộng cỡ 12,5 THz !

Sử dụng cho tốc độ truyền tin cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phần rất nhỏ trong băng tần truyền dẫn này Rõ ràng, có thể thấy dung lợng yêu cầu cỡ hàng trăm Gbps là hoàn toàn nằm trong khả năng của hệ thống WDM Thêm vào

đó, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử nh bộ tách ghép quang, bộ nối chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiện lựa chọn kênh động hoặc tĩnh …

Khái niệm về WDM đã đợc biết đến từ những năm 1980, khi mà hệ thống quang đã đợc bắt đầu thơng mại hóa Dạng đơn giản nhất của WDM là truyền hai kênh tín hiệu trên hai cửa sổ khác nhau Ví dụ, truyền trên hai bớc sóng 1,3àm và 1,55àm Khi đó, khoảng cách giữa các kênh là 250nm Sau đó, khoảng cách giữa các kênh giảm dần đi Năm 1990, khoảng cách giữa các kênh chỉ còn nhỏ hơn 0,1nm Trong suốt thập kỉ 90, hệ thống WDM đã đợc nhiều nớc trên thế giới quan tâm nghiên cứu Hiện nay, kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng đã đợc ứng dụng ở nhiều nớc trên thế giới ở nớc ta, Tổng công ty bu chính viễn thông Việt Nam quyết định nâng cấp tuyến truyền dẫn Bắc Nam bằng giải pháp ghép kênh theo b-

ớc sóng

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống tách/ghép kênh quang

Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống truyền dẫn quang đơn hớng ghép kênh theo bớc sóng đợc mô tả nh hình 1.2

5

Tại mỗi bộ phát, tín hiệu điện của mỗi kênh quang đợc điều chế với sóng mang quang có độ rộng phổ rất hẹp Tín hiệu quang tại đầu ra của mỗi bộ phát có bớc sóng khác nhau là λ1, λ2 λn Các kênh quang này đợc ghép với nhau nhờ bộ ghép kênh quang OMUX và truyền trên một sợi quang duy nhất đến đầu thu Yêu cầu của bộ ghép kênh là phải có độ suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu tới đầu ra của

bộ ghép ít bị suy hao, giữa các kênh có khoảng bảo vệ nhất định để tránh gây nhiễu sang nhau Tại phía thu, bộ ODMUX thực hiện quá trình tách tín hiệu thu đ-

ợc thành các kênh khác nhau Mỗi kênh này tơng ứng với một bớc sóng Mỗi kênh

đợc đa đến một đầu thu riêng Để tránh xuyên nhiễu giữa các kênh, yêu cầu thiết

kế bộ giải ghép thật chính xác

Phần trên trình bày phơng án truyền dẫn ghép bớc sóng quang một hớng, tức

là tín hiệu đợc ghép tại một đầu và tách tại đầu kia, tín hiệu truyền trên sợi quang theo một hớng Ngoài ra ngời ta có thể thực hiện truyền dẫn ghép bớc sóng quang hai hớng trên cùng một sợi quang nh hình 1.3

Trong hệ thống truyền dẫn hai hớng, n kênh quang có bớc sóng λ1…λn đợc ghép lại và truyền đi theo một hớng, n kênh quang khác có bớc sóng λn+1…λ2n đợc ghép lại và truyền đi theo hớng ngợc lại trên cùng sợi quang Phơng pháp này yêu cầu rất nghiêm ngặt về độ rộng phổ của từng kênh và chất lợng của bộ tách kênh.Trong hệ thống mà các bớc sóng của các kênh quang cách xa nhau, thờng thuộc các cửa sổ khác nhau, đợc gọi là ghép tha SWDM (Sparse Wavelength Division Multiplexing) Hệ thống có khoảng cách giữa các kênh quang rất nhỏ, các kênh quang có bớc sóng gần nhau đợc gọi là hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Khi đó vấn đề trở nên phức tạp hơn nhiều và yêu cầu về chất lợng các thành phần trong hệ thống quang rất cao.

1.1.3 Đặc điểm của hệ thống WDM

1.1.3.1 Tận dụng tài nguyên

Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng thông truyền dẫn to lớn của sợi quang, làm cho dung lợng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn bớc sóng đơn tăng từ vài lần tới hàng trăm lần, từ đó tăng dung lợng của sợi quang, hạ giá thành

hệ thống Hiện nay, dải tần truyền dẫn có suy hao thấp của sợi quang mới chỉ đợc sử dụng một phần rất nhỏ Nếu ứng dụng công nghệ WDM thì hiệu quả tận dụng băng tần sợi quang trong vấn đề truyền dẫn quả là hết sức to lớn

Dùng công nghệ WDM có thể ghép N bớc sóng truyền dẫn trong sợi quang

đơn mode và có thể truyền dẫn hoàn toàn song công Do vậy, khi truyền dẫn thông tin đờng dài với dung lợng lớn, có thể tiết kiệm số lợng lớn sợi quang Thêm vào

đó là khả năng mở rộng dung lợng cho hệ thống quang đã xây dựng Chỉ cần hệ thống cũ có độ d công suất tơng đối lớn thì có thể tăng thêm dung lợng mà không cần thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ

1.1.3.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu

Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bớc sóng độc lập với nhau, do đó có thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và phân chia các dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tơng tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phơng tiện (thoại, số liệu, đồ hoạ, ảnh động ) …

1.1.3.3 Nhiều ứng dụng

Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng nh trong mạng đờng trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ nhiều đờng, nhiều

địa chỉ , bởi thế nó rất quan trọng trong các ứng dụng mạng.…

1.1.3.4 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện

Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng do vậy mà tốc độ xử lí tơng ứng của nhiều linh kiện quang điện tăng lên theo nhng không đáp ứng đợc đủ Sủ dụng công nghệ WDM có thể giảm yêu cầu quá cao về tốc độ đối với linh kiện mà vẫn

có thể đáp ứng dung lợng lớn

1.1.3.5 Kênh truyền dẫn IP

Ghép kênh bớc sóng đối với khuôn dạng số liệu là trong suốt, tức là không hề

có quan hệ gì với tốc độ của tín hiệu và phơng thức điều chế tín hiệu xét trên

ph-ơng diện điện Ghép kênh bớc sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng

lí tởng, là cách thuận tiện để đa vào dịch vụ băng rộng mới (ví dụ nh IP ) Chỉ…cần dùng thêm một bớc sóng là có thể tăng thêm một dịch vụ mới hoặc dung lợng mới mong muốn

1.2 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM

Hệ thống WDM có một số tham số chính, đó là khoảng cách kênh, số kênh ghép, suy hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh Trong đó, ba tham số suy hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh là ba tham số mô tả đặc tính của bộ ghép/tách kênh

1.2.1 Suy hao xen

Suy hao xen đợc xác định là lợng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị tách/ghép kênh quang Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm nối ghép thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân thiết bị ghép gây ra Vì vậy, trong thực tế ngời thiết kế tuyến phải tính cho vài dB ở mỗi đầu Suy hao xen đợc diễn giải tơng tự nh suy hao đối với các bộ tách/ghép hỗn hợp (MUX/DMUX) nhng cần lu ý trong WDM là xét cho một bớc sóng đặc trng Suy hao xen đợc xác định nh sau:

- Đối với OMUX:

10 lg (( ))

i i

i i

I

O L

I

O L

λ

λ

−

Trong đó: I(λi) và O(λi) tơng ứng là công suất các tín hiệu quang tại đầu vào

và đầu ra bộ ODMUX và bộ OMUX

Ii(λi) là công suất tín hiệu tại đầu vào thứ i củabộ ghép

Oi(λi) là công suất tín hiệu tại đầu ra thứ i của bộ tách

Tham số suy hao xen luôn đợc các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị

1.2.2 Suy hao xuyên kênh

Khi thực hiện ghép các kênh quang có bớc sóng khác nhau để truyền trên cùng một sợi quang thì một phần tín hiệu của kênh này ghép sang vùng phổ của kênh khác Do đó khi tách kênh sẽ có sự rò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bớc sóng thứ i có bớc sóng λi sang các kênh có bớc sóng khác với λi.Ngày cả trong tr-ờng hợp ghép kênh hoàn hảo,ở các bộ tách ghép thực tế luôn có hiện tợng rò công suất tín hiệu từ một kênh sang kênh khác.Hiện tợng này gọi là xuyên kênh

1 λ

M U X

DEM UX

MUL DEX

1 λ

2

λ

1 λ

Hình 1.4 Xuênh âm trong hệ trong hê thuống

Trong thực tế luôn tồn tại hiện tợng xuyên kênh và làm giảm chất lợng truyền dẫn Ngời ta đa ra tham số suy hao xuyên kênh để đặc trng cho khả năng tách các kênh khác nhau và đợc tính bằng dB nh sau:

- Đối với bộ tách kênh:

1,

( ) ( ) 10log

( )

n

i k

k k i i

i

U D

I

λ λ

đỗi với từng kênh của thiết bị

1.2.3 Độ rộng kênh và khoảng cách kênh

Độ rộng kênh (∆λi ) là dải bớc sóng đợc định ra cho từng kênh quang Độ rộng kênh bằng tổng độ rộng phổ của nguồn và khoảng phòng vệ của kênh Bớc sóng trung tâm của nguồn quang phải nằm giữa dải bớc sóng này Khoảng cách

Nguyễn Tnành Chung D2001VT–

Hình 1.5 Khoảng cách kênh và độ rộng kênh

Khoảng cách kênh

Độ rộng kênhP

10

kênh là khoảng cách giữa hai bớc sóng trung tâm của hai kênh quang kề nhau Nếu độ rộng kênh của các kênh quang bằng nhau thì độ rộng kênh chính bằng khoảng cách kênh.

Khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bị giới hạn bởi xuyên nhiễu giữa các kênh Khoảng cách giữa các kênh thờng lớn hơn bốn lần tốc độ bit Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì các độ rộng kênh yêu cầu khoảng nm để đảm bảo không bị xuyên nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn của các nguồn phát gây ra Đối với nguồn phát quang là các diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần, vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn

1.2.4 Số lợng kênh

Trong hệ thống WDM, mỗi bớc sóng đợc coi tơng ứng với một kênh quang

Số lợng kênh bằng số lợng các bớc sóng đợc ghép lại để truyền trên cùng một sợi quang đến đầu thu Tham số này phụ thuộc vào độ rộng băng tần truyền dẫn của sợi quang mà hệ thống sử dụng và độ rộng kênh

Giả sử các kênh quang cần truyền trong hệ thống có độ rộng phổ bằng nhau

và bằng ∆’λi(nm) tính ở mức 3 dB Nh trên đã nói, để tránh hiện tợng xuyên kênh cần có một khoảng bảo vệ giữa chúng Đặt khoảng bảo vệ này là ∆’’λi(nm) Khi

đó, độ rộng kênh của một kênh quang là:

∆λi = ∆’λi + ∆’’λi (1-4) Giả sử băng thông sử dụng cho hệ thống WDM là ∆λ Khi đó số lợng kênh tối đa của hệ thống WDM là:

i

n

λ λ

λ λ

mà vẫn đảm bảo chất lợng

Băng thông sử dụng cho hệ thống WDM (∆λ) nằm trong vùng cửa sổ suy hao thấp của sợi quang Băng thông này cũng đợc tính ở mức suy hao 3 dB Trong thực

tế ta không thể sử dụng đợc toàn bộ dải băng này, có rất nhiều yếu tố hạn chế việc

sử dụng toàn bộ cửa sổ suy hao thấp Ví dụ, khi trên tuyến có sử dụng bộ khuếch

đại quang Bộ khuếch đại có dải khuếch đại nhỏ Điều này giới hạn số lợng kênh truyền trên sợi quang Băng thông của EDFA thờng là 30ữ35nm, ngay cả khi sử dụng các công nghệ làm phẳng phổ khuếch đại Một số yếu tố khác cũng hạn chế

số lợng kênh, đó là độ ổn định và khả năng điều chỉnh của laser, sự suy giảm của tín hiệu trong quá trình truyền dẫn gây ra bởi hiệu ứng phi tuyến, nhiễu xuyên kênh

Trong các hệ thống WDM số lợng kênh càng lớn thì dung lợng truyền dẫn càng tăng, nhng hệ thống cũng trở nên phức tạp, yêu cầu chất lợng của các thành phần trong hệ thống cao hơn và phải đặc biệt quan tâm đến hiện tợng xuyên kênh, suy hao do thiết bị WDM gây ra Đối với một dung lợng định trớc, việc tăng số l-ợng kênh sẽ làm giảm số sợi sử dụng hoặc tốc độ truyền dẫn nền Đây là mối tơng quan cần quan tâm khi áp dụng xây dựng hoặc nâng cấp các tuyến truyền dẫn quang

1.3 ứng dụng WDM

Nói chung WDM đã đợc ứng dụng rất nhiều cho các tuyến truyền dẫn cáp sơi quang đờng dài trong lục địa, xuyên lục địa, các tuyến quang biển nội vùng cũng nh liên vùng, các tuyến quang xuyên châu lục Nó đ… ợc lựa chọn nh một giải pháp duy nhất mà cho hiệu quả cao cả về mặt kĩ thuật cũng nh kinh tế

Có thể kể ra rất nhiều tuyến truyền dẫn cáp sợi quang đã ứng dụng công nghệ WDM trên thế giới (SEA-ME-WE 3, SAT, NPC ) D… ới đây là một số tuyến truyền dẫn cáp sợi quang điển hình có sử dụng WDM trong khu vực Châu á:

BIMPP-GUAM: Dự án tuyến thông tin quang này nhằm kết nối Brunei, Indonesia, Malaysia, Philippines, quần đảo Palau và Guam (Hoa Kì) Tuyến truyền dẫn này hoạt động nh một mạng khu vực và có thể dự phòng cho các mạng lân cận nh mạng nội vùng Malaysia, mạng SEA-ME-WE 3 mở rộng Để đáp ứng mục tiêu này, ngời ta đã phân bổ một số bớc sóng đảm bảo việc dự phòng và một

số bớc sóng phục vụ các kết nối giữa các quốc gia trên tuyến Trên hình 1.6 là sơ

đồ tuyến nối của BIMPP-GUAM

SEA-ME-WE 3 và phần mở rộng: Tuyến thông tin quang này nối từ Châu âu xuyên qua Địa Trung Hải tới Đông Nam á (hình 1.7) Nó có 6 trạm đầu cuối trải dài trên 38.000 km (với hơn 20.000 km biển), có 27 điểm xen rẽ (ADM) và hơn

40 điểm cập bờ Dung lơng của tuyến này là 8 x 2,5 Gbps, sử dụng công nghệ WDM truyền đồng thời 8 bớc sóng (mỗi bớc sóng mang dung lợng 2,5 Gbps) trên hai đôi sợi quang Phần mở rộng của SEA-ME-WE 3 triển khai tại Châu á nhằm kết nối hơn 10 quốc gia từ Singapore tới Nhật Bản và Hàn Quốc với các nhánh xen

rẽ là Malaysia, Brunei, Việt Nam, Hồng Kông, Ma Cao, Đài Loan, Trung Quốc và Philippines

ASIA-GUAM: Dự án này kết nối Trung Quốc, Hàn Quốc và Nhật Bản tới Guam (hình 1.8) Trong tuyến thông tin này mỗi quốc gia Trung Quốc, Hàn Quốc

Nguyễn Tnành Chung D2001VT–

Palau (Quần đảo Caroline)

Guam (USA)

Indonesia

Malaysia

Brunei

Philippine

Hình 1.6 Tuyến thông tin quang BIMPP-GUAM

Hình 1.7 Tuyến thông tin quang SEA-ME-WE 3 và phần mở rộng

Keoja

Okinawa Thượng hải

Ma cao Hồngcông Shanto u

Fengshan Toucheng

Batangas

Brunei

Đà nẵng

Mersin g Singapore

Phần mở rộng SEA-ME-WE 3

SEA-ME-WE 3

13

và Nhật Bản sử dụng một bớc sóng riêng với dung lợng 2,5 Gbps nhằm đảm bảo

sự truy cập độc lập tới Bắc Mĩ Đồng thời, tuyến này có thể có thêm một số bớc sóng phụ dự phòng cho truyến thông tin SEA-ME-WE 3

NORTH PACIFIC CABLE 2 (NPC2): Dự án này kết nối Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc và Liên bang Nga tới Bắc Mĩ (hình 1.6)

Nguyễn Tnành Chung D2001VT–

Guam (USA)

Nhật BảnTrung Quốc

CHƯƠNG 2 CáC THàNH PHầN TRONG Hệ THốNG WDM

Giới thiệu chung

Các thành phần trong hệ thống WDM cần phải đợc chuẩn hóa Thông thờng các kênh khác nhau (bớc sóng khác nhau) trong hệ thống WDM phải đợc truyền dẫn nh nhau trong toàn tuyến quang Điều này có nghĩa là các thành phần trong mạng quang (nguồn quang, bộ ghép, bộ tách, bộ khuếch đại và bản thân sợi quang) phải có tính năng mong muốn, đạt chất lợng và đáp ứng yêu cầu của hệ thống Các tham số của thiết bị nh suy hao xen, suy hao trở về, tán sắc, phân cực phải đợc đo trên toàn dải băng thông của hệ thống WDM Các thành phần quang

có thể đợc đo kiểm tốt tại nhà máy, nhng khi lắp đặt vào hệ thống, các tính năng của nó lại bị suy giảm đi, hoặc các tính năng của các thành phần khác nhau tác

động qua lại ảnh hởng lẫn nhau Kết quả là chất lợng của hệ thống không đảm bảo ngay cả khi các thành phần riêng lẻ của hệ thống hoạt động tốt Nh vậy các thành phần thiết bị phải tơng thích với nhau và đợc lựa chọn cẩn thận khi đa vào lắp đặt

hệ thống Phần sau đây sẽ trình bày các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM

2.1 Bộ phát quang

Trớc đây các bộ phát quang bao gồm thiết bị điện và thiết bị quang riêng biệt, nhng hiện nay bộ phát quang đợc hình thành từ việc tích hợp các mạch tích hợp và laser diode.Việc bổ xung thêm các vi mạch tích hợp mật độ cao cho phép

bộ phát quang đáp ứng đợc các yêu cầu về điều chế tốc độ cao và cải thiện đợc độ tin cậy của thiết bị Khi nhìn từ quan điểm thiết kế hệ thống ngời ta thờng coi chúng nh một hộp đen có chức năng chuyển đổi điện sang quang Hiện tại có hai loại nguồn quang dang đợc ứng dụng rộng rãi là laser phân bố hồi tiếp DFB (Distributed Feedback Laser) và laser phân bố phản xạ Bragg DBR (Distributed Bragg Reflector Laser) Ngoài ra laser sợi quang pha tạp chất hiếm cũng đang đợc nghiên cứu, các nguồn quang này có u điểm là phổ hẹp và độ ổn định tần số cao

Bộ phát quang có nguồn phát quang phổ hẹp có ý nghĩa rất lớn, đặc biệt trong hệ thống ghép kênh quang WDM

2.1.1 Yêu cầu đối với nguồn quang trong WDM

- Độ chính xác của bớc sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho một hệ

thống WDM hoạt động tốt Nói chung, bớc sóng đầu ra luôn bị dao động do các yếu tố khác nhau nh nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện Ngoài ra,

để tránh xuyên nhiễu cũng nh tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách đúng bớc sóng thì nhất thiết độ ổn định tần số phía phát phải thật cao

- Độ rộng đờng phổ hẹp: Độ rộng đờng phổ đợc định nghĩa là độ rộng phổ

của nguồn quang tính cho bớc cắt 3 dB Để có thể tăng nhiều kênh trên một dải tần cho trớc, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng đờng phổ càng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận (ICI) xảy ra khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lợng Muốn đạt đợc điều này thì nguồn phát laser phải là nguồn đơn mode (nh các loại laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang cộng hởng, laser phản hồi phân bố)

- Dòng ngỡng thấp: Đối với laser , phát xạ kích thích không thể bắt đầu cho

đến khi dòng định thiên cao hơn giá trị dòng ngỡng Ith, công suất đầu ra tỉ lệ với (I

- Ith) với I là dòng định thiên Do đó, dòng ngỡng thấp hơn cho phép dòng định thiên nhỏ hơn đối với cùng một công suất đầu ra Nhng quan trọng hơn là nếu dòng ngỡng thấp sẽ đảm bảo công suất nền thấp Điều này làm giảm bớt vấn đề lãng phí công suất trong việc kích thích laser cũng nh giảm bớt đợc công suất nền không mang tin và tránh cho máy thu chịu ảnh hởng của nhiễu nền (phát sinh do

có công suất nền lớn) Nếu công suất nền gửi trên đờng truyền quá lớn sẽ không

có lợi cho hệ thống, vì nh đã biết công suất quang truyền dẫn trên sợi (tổng công suất của các bớc sóng ghép) càng lớn thì ảnh hởng của hiệu ứng phi tuyến càng lớn, sẽ ảnh hởng xấu tới chất lợng hệ thống

- Khả năng điều chỉnh đợc bớc sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần sợi

quang, nguồn quang phải có thể phát trên cả dải 100 nm Hơn nữa, với hệ thống lựa kênh động càng cần khả năng có thể điều chỉnh đợc bớc sóng

- Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của

nguồn quang sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu giữa các kênh

- Nhiễu thấp: Có rất nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh mode,

nhiễu pha, nhiễu MPN Nhiễu thấp rất quan trọng để đạt đợc mức BER thấp trong truyền thông số, đảm bảo chất lợng dịch vụ tốt

Trên cơ sở các yêu cầu nói trên, ngời ta tiến hành nghiên cứu, triển khai thực nghiệm và đa vào ứng dụng các loại nguồn quang mà có thể đáp ứng đợc phần nào hoặc toàn bộ các yêu cấu khắt khe đó Các loại nguồn quang đó đợc trình bày chi tiết trong phần (2.1.2), (2.1.3) dới đây

2.1.2 Nguyên lí Bragg

Phản xạ Bragg là ở trên mặt tiếp giáp của 2 loại phơng tiện có phản xạ mang tính chu kỳ, khi đợc chiếu quang sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ này gọi là phản xạ Bragg Bản thân mặt giao nhau có hình dạng khác nhau: hình sin hoặc không sin (nh hình vuông góc, hình tam giác )

Công thức (2.2) gọi là điều kiện phản xạ Bragg ý nghĩa vật lý của công thức là: Đối với A và θ nhất định, khi có một λu tơng ứng thì sóng quang có bớc sóng

λ sẽ can thiệp cùng với sóng quang phản xạ

Dựa vào nguyên lí này mà ngời ta đã chế tạo ra các loại laser có thể cho mode dọc đơn duy nhất Đó là laser DFB và DBR

2.1.3 LASER hồi tiếp phân bố (DFB)

a) Kết cấu: Laser DFB không phải dựa vào khoang F-P để dao động kích

quang mà dựa vào lới quang phân bố khoảng cách theo chiều dọc đều nhau, hình thành phối ghép quang Chu kỳ A của lới quang gọi là cự ly lới Kết cấu chu kì này nằm luôn trong hốc cộng hởngLaser Hình 2.2 thể hiện mặt cắt dọc của laser này

Hình 2.2: Mặt cắt dọc của Laser DBF b) Nguyên lí: Khi có dòng điện vào laser, trong khu có nguồn phức hợp điện

tử- lỗ trống bức xạ ra năng lợng tơng ứng với quang tử Những quang tử này bị một sợi lới quang ở bề mặt lớp có nguồn phản xạ, giống nh hình 2.1, chỉ khác là trong sự phân bố phản hồi Bragg của laser DFB có θ = π/2, công thức (2.2) biến thành:

Tín hiệu quang có bớc sóng thoả mãn công thức trên mới đợc phản xạ mạnh

và đợc khuếch đại đủ lớn, các bớc sóng khác không thoả mãn công thức trên thì sẽ

bị dập và không phát xạ Công thức (2.1) gọi là điều kiện phân bố phản hồi Thông thờng m = 1, khi đó λn = 2A đợc gọi là bớc sóng Bragg Với loại LASER này, các mode bên bị triệt khoảng 30 – 40 dB so với mode chính

c) Đặc điểm: DFB so sánh với LASER F-P có 2 u điểm sau đây:

- Dao động đơn mode dọc dải hẹp: Do chu kỳ cách từ(A) trong bộ phát

quang DBF rất nhỏ,nên hình thành khoang cộng hởng kiểu nhỏ, đối với bớc sóng có tính lựa chon tốt làm cho giới hạn tăng ích của mode chính và mode biên tơng đối lớn, từ đó đợc dải phổ nguồn quang rất hẹp so với laser F-P

- Tính ổn định của bớc sóng tốt: Vì lới quang trong laser DFB có giúp

cho việc chốt trên bớc sóng cho trớc, trôi nhiệt của 0,8 o

Α/οC, tốt hơn nhiều so

với LASER khoang F-P

2.1.4 LASER phân bố phản xạ Bragg (DBR)

a) Kết cấu: Kết cấu laser phân bố phản xạ Bragg (DBR- Distributed Bragg

Reflection) và kết cấu của laser DFB căn bản khác nhau (xem hình 2.3) Chỗ khác nhau là nó có kết cấu lới phản xạ nằm ngoài hốc cộng hởng Với sự khác biệt này, phần điều khiển hốc cộng hởng LASER và phần điều khiển tần số theo nguyên lí Bragg là hoàn toàn độc lập

b) Nguyên lí: Nguyên lý làm việc của laser DBR cũng dựa vào nguyên lý

phản xạ Bragg và thoả mãn chính xác công thức (2.3), đặc điểm cũng cơ bản giống

Nguyễn Tnành Chung D2001VT–

Hình2 3 Kết cấu LASER DBR

Phần phản xạ Bragg Vùng hoạt tính

Hưóng dọc

Điều khiển hốc cọng hưởng

Điều khiển tần

19

laser DFB chỉ có một số điểm khác biệt nhỏ cần lu ý, đó là: (i)vật liệu chế tạo của laser DBR là khó khăn hơn laser DFB vì nó không nhất thiết đòi hỏi sự ghép công suất giữa các vùng thụ động và vùng tích cực; (ii) đặc tính phụ thuộc nhiệt độ thì khác nhau, khi nhiệt độ tăng thì trong lasser DBR có sự chuyển đổi từ mode này qua mode khác còn với laser DFB thì thể hiện đặc tính ổn định nhiệt độ trong một dải rộng

2.2 Bộ tách quang và bộ ghép quang

Tín hiệu tại đầu ra mỗi bộ phát ở một bớc sóng riêng, những tia sáng này đợc ghép lại và truyền vào sợi quang Thiết bị thực hiện chức năng này gọi là bộ ghép (Multiplexer hay MUX) Ngợc lại, phía thu có một thiết bị thực hiện tách tín hiệu quang thu đợc thành các kênh quang có bớc sóng khác nhau để đa đến mỗi bộ thu quang riêng biệt Thiết bị này gọi là bộ tách quang (DeMultiplexer hay DMUX)

Đây là các thành phần cốt yếu của hệ thống thông tin quang WDM và đợc chia thành 2 nhóm lớn.Nhóm dựa trên nguyên lý giao thoa và nhóm dựa trên nguyên lý tán sắc góc.Về mặt nguyên lý bất kỳ bộ ghép bớc sóng nào cũng có thể làm bộ tánh bớc sóng và ngợc lại

Bộ tách quang và bộ ghép quang đợc cấu tạo từ bộ lọc quang và coupler quang Các bộ lọc hiện nay hay đợc sử dụng gồm bộ lọc cộng hởng Fabry-Perot,

bộ lọc giao thoa kế Mach-Zender, bộ lọc cách tử Bragg Nguyên lý và đặc tính của các bộ lọc này sẽ đợc trình bày ở các phần dới đây

2.2.1 Bộ lọc Mach-Zender

2.2.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc Mach-Zender

Bộ lọc Mach-Zender làm việc dựa trên sự giao thoa của hai tia sáng xuất phát

từ cùng một nguồn và đi theo hai đờng khác nhau Hình 2.4 là cấu trúc của bộ lọc Mach-Zender Bộ lọc đợc cấu tạo từ 2 coupler 3dB 2x2 và hai nhánh ống dẫn sóng Nhánh trên có lắp thêm bộ quay pha 90o và bộ trễ Cấu trúc này tạo ra khả năng điều chỉnh bớc sóng cuả bộ lọc

Coupler3dB2x2

12

34

Hình 2.4 Cấu trúc bộ lọc Mach-Zender

20

đi theo hai nhánh khác nhau có độ lệch pha là một hàm phụ thuộc vào bớc sóng Tại bớc sóng có độ lệch pha này bằng 0 sẽ có công suất ra lớn nhất Các bớc sóng khác có độ lệch pha khác 0 cho công suất đầu ra nhỏ.

Trong thực tế thiết bị lọc quang Mach-Zender thờng đợc chế tạo từ sợi quang hoặc dựa trên công nghệ tích hợp quang sợi Hình 2.5 chỉ ra một bộ lọc quang Mach-Zender đựơc chế tạo dựa trên công nghệ tích hợp sợi quang Bộ lọc quang

đợc tạo thành từ hai coupler quang 3dB và hai ống dẫn sóng quang Tất cả đợc tích hợp trên nền Silic Quá trình tích hợp ống dẫn sóng SiO2 trên nền Silic sẽ đợc miêu tả chi tiết ở phần sau

2.2.1.2 Một số đặc tính của bộ lọc quang Mach-Zender

Bộ lọc quang Mach-Zender gồm 3 thành phần mắc nối tiếp nhau là coupler 3dB đầu vào 2 nhánh ống dẫn sóng và coupler 3dB đầu ra Gọi [P], [D], [Q] lần lợt

là ma trận truyền tơng ứng với 3 thành phần trên Nh vậy ma trận truyền đạt của bộ lọc là:

( ) ( ) ( ) ( )

Trong nhiều ứng dụng, bộ lọc Mach-Zender chỉ sử dụng một đầu vào, ví dụ

đầu vào 1 Khi đó hàm truyền đạt vector trờng điện từ của bộ lọc là:

2 31

2 41

2 2

Nh vậy hàm truyền đạt công suất từ cổng 1 đến cổng 4 và 3 là :

T 41 (f) = P 41 (f)= cos 2 (πτf )=cos 2 ( L eff

f c

T 31 (f)= P 31 (f) = sin 2 (π τf ) = sin 2 ( L eff

f c

Bộ lọc quang Mach-Zender có hàm truyền đạt tuần hoàn, dải phổ tự do FSR thoả mãn:

Khi tín hiệu quang đến gồm hai kênh quang có tần số là f1, f2, để mỗi đầu ra

3 hoặc 4 chỉ có tín hiệu của một kênh quang thì f1, f2 phải thoả mãn:

Khoảng cách giữa 2 tần số bộ lọc ra đợc xác định bởi:

Trong thực tế, hệ thống WDM gồm nhiều hơn hai kênh quang Ngời ta

mắc nối tầng nhiều bộ lọc Mach-Zender 2x2 để tạo ra bộ lọc mong muốn

Trờng hợp cần tách 1 kênh quang từ chùm sáng N kênh (N=2M) thì mắc M bộ lọc Mach-Zender 2x2 nối tiếp Giả sử hàm truyền đạt của bộ lọc Mach-Zender thứ m (m=1ữM) là:

T m (f) = cos 2 ( L eff m,

f c

Trong đó: ∆f là khoảng cách giữa các kênh của hệ thống.

Hàm truyền đạt của bộ lọc chung là:

π π

cho qua Khi qua tầng lọc thứ ba các kênh 0 và 8 đợc cho qua Và khi qua tầng lọc thứ 4 chỉ có duy nhất kênh 0 đợc cho qua Hàm truyền đạt công suất của hệ thống

đợc biểu diễn nh hình 2.6C

Hình 2.7 là đồ thị hàm truyền công suất của thiết bị lọc gồm nhiều bộ lọc Mach-Zender đợc nối tầng trong trờng hợp M=2, 3, 4

Nguyễn Tnành Chung D2001VT–

Hình 2.7 Đồ thị hàm truyền công suất của thiết bị lọc gồm

nhiều bộ lọc Mach-Zender mắc nối tầng

Cổng vào

Hình 2.8 Bộ lọc 1 kênh từ 128 kênh

25

Hiện nay công nghệ tích hợp quang rất phát triển, có thể chế tạo chuỗi Zender rất đơn giản bằng cách tích hợp ống dẫn sóng SiO2 trên nền Silic Hình 2.9 chỉ ra thiết bị lọc cho hệ thống gồm 128 kênh quang sử dụng công nghệ này Thiết

Mach-bị gồm 7 bộ lọc quang Mach-Zender 2x2 mắc nối tiếp, có giá trị ∆L tơng ứng là: 10mm, 5mm, 2,5mm, 1,25mm, 0,63mm, 0,31mm, 0,16mm Các bộ lọc đợc tích hợp trên nền Silic có kích thớc là 50mmx60mm Bộ lọc này có xuyên nhiễu khoảng –13dB

Khi cần thiết kế bộ tách kênh quang cho hệ thống WDM có N kênh (N=2M),

ta cần sử dụng N-1 bộ lọc Mach-Zender 2x2 , ghép với nhau thành hình cây M tầng Tại tầng thứ m (m=1ữM) cần 2m-1 bộ tách kênh có độ chênh lệch chiều dài quang học giữa 2 nhánh sợi quang là:

2

m m

nc L

Hình 2.9 Các bộ lọc được ghép hình cây M=2

tầng

26

2.2.1.3 Bộ lọc quang khả chỉnh

a Giới thiệu chung

Bộ lọc quang khả chỉnh thực hiện chức năng lựa chọn bớc sóng mong muốn tại máy thu Dải băng thông bộ lọc có thể thay đổi nhờ hệ thống điều chỉnh ngoài Băng thông của bộ lọc khả chỉnh phải đủ lớn để cho qua tín hiệu mong muốn, nh-

ng cũng phải đủ hẹp để tránh xuyên nhiễu từ các kênh khác

Các yêu cầu đối với bộ lọc quang khả chỉnh là:

1 Dải điều chỉnh rộng để số kênh đợc lựa chọn là lớn

2 Xuyên nhiễu giữa các kênh phải nhỏ nhất

Theo phần trớc hàm truyền đạt của bộ lọc Mach-Zender là :

T(f)=cos 2 (π f.∆L eff /c) = cos 2 (2π f /c n∆L/2)

Có 2 phơng pháp làm thay đổi chiết suất của ống dẫn sóng quang là nhờ vào hiệu ứng nhiệt quang và nhờ vào hiệu ứng điện quang.

Hình 2.5 là cấu trúc của bộ lọc Mach-Zender khả chỉnh làm việc dựa vào hiệu ứng nhiệt quang Thiết bị này do Oda et at (1990) và Takato (1990) sản xuất Một nhánh sợi quang của bộ lọc đợc lắp thêm bộ làm nóng Cr màng mỏng Khi

đặt điện áp vào hai đầu bộ nung nóng, bộ nung nóng tăng nhiệt độ Nhiệt độ này cung cấp cho nhánh sợi quang và làm biến đổi chiết suất sợi quang Độ dài quang học của nhánh này tăng lên một lợng:

Trong đó: dn/dT là hằng số nhiệt quang của ống dẫn sóng

L là chiều dài của bộ nung nóng

∆T nhiệt độ tăng lên

Với SiO2 thì dn/dT = 1x10-5

Ví dụ, một bộ lọc có L = 10mm, ∆T=7,8oC, chiều dài quang học tăng lên 0,78cm Tại bớc sóng λ=1550 nm thì pha tăng lên tơng ứng là π Năng lợng kích thích để pha tăng lên π là 0,5W Thời gian đáp ứng để nâng pha hoặc hạ pha khoảng 1ữ2ms Tốc độ đáp ứng của bộ lọc Mach-Zender tơng đối chậm vì bị giới

hạn bởi thời gian khuyếch tán nhiệt từ điện cực sang chất nền Tốc độ này quá chậm và không đáp ứng đợc cho hệ thống chuyển mạch gói Trong thiết bị tách kênh gồm nhiều bộ lọc Mach-Zender thì việc điều khiển rất khó khăn, việc thiết

lập nhiệt độ trên một tầng phụ thuộc vào nhiệt độ của các tầng trớc trong chuỗi Chất nền Si có tác dụng nh một bộ tản nhiệt, ổn định nhiệt độ cho thiết bị.

Bộ lọc Mach-Zender khả chỉnh dựa trên hiệu ứng điện quang đợc sản xuất từ các tinh thể có điện quang Tức là chiết suất có khả năng thay đổi khi điện áp cung cấp thay đổi Thời gian điều chỉnh của thiết bị bị giới hạn bởi tốc độ điện tử Do đó thời gian điều chỉnh bộ lọc điện quang nhanh hơn bộ lọc dựa trên hiệu ứng nhiệt quang Tốc độ điều chỉnh cỡ vài ns, nhng dải điều chỉnh rất nhỏ cỡ 16 nm

2.2.2Bộ lọc Fabry-Perot

2.2.2.1 Mở đầu

Cấu trúc của bộ lọc Fabry-Perot bao gồm một khoang cộng hởng đợc tạo thành từ 2 gơng phản xạ đặt song song Một thiết bị lọc quang thực tế còn có sợi quang đầu vào, sợi quang đầu ra và hệ thống thấu kính Tại các thành phần này có thể gây ra suy hao ảnh hởng đến chất lợng thiết bị Song trong mục này ta chỉ tập trung vào khoang cộng hởng Hình 2.10 chỉ ra cấu trúc cơ bản của bộ lọc Fabry-Perot

Trong hình vẽ chỉ đa ra một mặt của lớp thuỷ tinh tạo nên gơng phản xạ của khoang cộng hởng Mặt còn lại của hai lớp thuỷ tinh này cũng có thể gây phản xạ

và tạo ra cộng hởng tại các bớc sóng không mong muốn Để tránh hiện tợng này,

đặt hai mặt ngoài của hai lớp thuỷ tinh này hơi nghiêng so với trục thẳng đứng hoặc bọc ngoài bằng một lớp chống phản xạ

ánh sáng từ sợi quang đợc đa vào khoang cộng hởng Sau một số lần phản xạ liên tiếp trên hai bề mặt gơng của khoang cộng hởng, ánh sáng đợc đa đến đầu ra Gọi x là chiều dài khoang cộng hởng, nếu bớc sóng λ thoả mãn:

2.2.2.2 Một số tham số của bộ lọc Fabry-Perot

* Hàm truyền đạt

Giả sử hai gơng có hệ số phản xạ bằng nhau và bằng R Do đó cờng độ trờng

của tín hiệu phản xạ bằng R lần cờng độ trờng của ánh sáng tới Giả sử suy hao

do hấp thụ khi ánh sáng đi từ sợi quang đầu vào đến khoang bằng suy hao do hấp thụ khi ánh sáng đi từ khoang cộng hởng đến sợi quang đầu ra và bằng A

Gọi E i là biên độ trờng ánh sáng đầu vào, khi qua gơng thứ nhất cờng độ ờng là 1 − −A R E. i Phần công suất còn lại tại bị mất dới dạng nhiệt hoặc do phản xạ Giả sử khi ánh sáng truyền qua khoang cộng hởng không bị suy hao, và bị trễ pha một lợng bằng βx (với β là hệ số truyền)

tr-Khi ánh sáng đến gơng G2, độ lớn trờng 1 − −A R E. i.e-j β x Một phần ánh sáng

có độ lớn trờng (1-A-R)E i e -jβx đợc đa đến đầu ra, phần còn lại có độ lớn trờng

ánh sáng đầu ra thứ hai có độ lớn trờng là

(1-A-R)R.E i e -j3βx Chùm ánh sáng tiếp tục phản xạ trên hai mặt gơng và cho công suất đến sợi quang đầu ra giảm dần Công suất tín hiệu tại lần ra thứ m:

Hệ số truyền của khoang cộng hởng β đợc xác định theo công thức sau:

β=2πn/λ=2πf.(n/c) hay βx=2πf(xn/c)=2πfτ (2-19)Hàm truyền đạt phức của độ lớn trờng là:

Độ mịn của bộ lọc Fabry-Perot đợc xác định bằng tỉ số của FSR và độ rộng phổ nửa công suất HPBW của bộ lọc (còn gọi là độ rộng phổ 3dB) HPBW của bộ lọc đặc trng cho độ hẹp của đỉnh hàm truyền đạt và đợc xác định nh sau:

A R

f m

đợc gắn vào hai đầu sợi quang nh hình vẽ.

Khi tăng điện áp đặt vào hai lớp tinh thể áp điện một lợng ∆v, thì chiều dài lớp tinh thể áp điện tăng lên một lợng ∆L, xác định theo công thức:

34

∆ = = ( 2-34)

Nh vậy khi muốn thay đổi bớc sóng trung tâm bộ lọc từ λ lên λ+∆λ thì cần tăng điện đặt vào tinh thể áp điện một lợng ∆v thoả mãn công thức (2-34) Ví dụ,

bộ lọc quang Fabry-Perot khả chỉnh có khoảng cách giữa các kênh là ∆λ=1nm,

b-ớc sóng trung tâm của bộ lọc trb-ớc khi điều chỉnh λ=1,5àm Điện áp đặt vào tinh

thể cần thay đổi một lợng:

∆v=∆λ/kλ=1/(1500.10-2)=6,67(V)

* Điều chỉnh băng thông bộ lọc bằng cách điều chỉnh chiết suất khoang cộng hởng n.

Trong trờng hợp cần điều chỉnh chiết suất n của khoang cộng hởng, ngời ta

sử dụng các vật liệu điện quang lấp đầy khoang cộng hởng Các vật liệu này có chiết suất phụ thuộc vào điện áp đặt vào Khi cần thay đổi băng thông bộ lọc, chỉ cần thay đổi điện áp đặt vào lớp vật liệu

Vật liệu điện quang hay đợc sử dụng trong thực tế là tinh thể lỏng Vật liệu này giống vật liệu trong hệ thống hiển thị tinh thể lỏng Tinh thể lỏng có tính chất

dị hớng nên chiết suất của nó có khả năng thay đổi khi thay đổi điện áp đặt vào

Bộ lọc Fabry-Perot tinh thể lỏng là một công nghệ mới Thiết kế bộ lọc tơng

tự nh bộ lọc thờng, nhng khoang cộng hởng của nó làm từ tinh thể lỏng Thời gian

điều chỉnh của bộ lọc cỡ às, dải thông điều chỉnh khoảng 30ữ40nm Bộ lọc này

có công suất tiêu thụ thấp và giá thành hạ Tốc độ của bộ lọc đủ lớn, có khả năng ứng dụng trong chuyển mạch gói tốc độ cao của mạng WDM quảng bá và lựa chọn

2.2.2.4 Mắc nối tầng các bộ lọc Fabry-Perot

Khi số lợng kênh trong hệ thống WDM tăng lên (do nhu cầu dung lợng tăng), yêu cầu độ mịn F hiệu dụng của bộ lọc tăng lên Có nhiều phơng pháp để tăng F của bộ lọc Thứ nhất, ta cải thiện chất lợng thiết bị nh điều chỉnh hai gơng bộ lọc rất song song nhau và tăng hệ số phản xạ R của gơng Thứ hai có thể mắc nối tầng

nhiều bộ lọc liên tiếp Phơng án thứ hai hiệu quả và đơn giản hơn phơng án thứ nhất.

Trong phần này ta sẽ nghiên cứu các phơng pháp thực hiện trong phơng án hai, gồm dùng nhiều khoang cộng hởng và cho tia sáng qua cùng một khoang cộng hởng nhiều lần Hình 3.13A chỉ ra đờng đi của tia sáng qua hệ thống bộ lọc Tia sáng đợc đi qua cùng một khoang cộng hởng hai lần Do đó hàm truyền đạt công suất của bộ lọc này bằng bình phơng hàm truyền đạt công suất của bộ lọc

đơn

T(f)=

2 1 2 2

Trong phơng pháp dùng nhiều khoang cộng hởng mắc nối tiếp (hình 3.13B),

độ mịn của 2 khoang cộng hởng đợc lựa chọn bằng nhau và bằng F, độ rộng phổ

tự do FSR tỉ lệ k:l (trong đó k, l là các số nguyên và (k,l)=1) Khi đó độ mịn F

t-ơng đt-ơng của bộ lọc là F = max (k,l)Fo

Hình 2.14 là ví dụ cho trờng hợp k=3 và l=4 Hình2.14A là đặc tính truyền

đạt công suất của một khoang cộng hởng lấy làm chuẩn (để đối chiếu) có F=10 Hình2.14B là đặc tính truyền đạt của khoang cộng hởng thứ nhất, có FB=F=10, FSBB=1/3.FSR Hình 2.14C là đặc tính truyền đạt công suất của khoang cộng hởng thứ 2 có Fc=F=10, FSRc=1/4.FSR Bộ lọc gồm 2 khoang cộng hởng mắc nối tiếp

có hàm truyền đạt công suất bằng tích hai hàm truyền đạt công suất thành phần Hình 2.14D là hàm truyền đạt công suất của bộ lọc

Từ hình vẽ ta nhận thấy độ rộng băng thông của bộ lọc bằng độ rộng băng thông của khoang cộng hởng thứ hai, nhng FSR tăng lên 4 lần so với khoang cộng hởng thứ hai Do đó, sđộ mịn F của bộ lọc F=4F=max(3,4)F.

Trong trờng hợp nối tầng nhiều khoang cộng hởng ta cần phân biệt 2 trờng hợp:

- Khi k,l là hai số nguyên liên tiếp ((k,l) vẫn đảm bảo nguyên tố cùng nhau) thì bộ lọc đó đợc gọi là bộ lọc hai khoang vernier (nh ví dụ trên)

- Khi k,l chênh lệch nhau rất lớn thì bộ lọc đó đợc gọi là bộ lọc hai khoang Coarse-Fine Hình 2.15 chỉ ra một ví dụ về bộ lọc loại này có k=1, l=4 Bộ lọc thứ nhất đóng vai trò là bộ lọc thô, bộ lọc thứ hai đóng vai trò là bộ lọc tinh

2.2.3 Bộ tách kênh trong miền không gian

Bộ tách kênh trong miền không gian đợc cấu tạo từ các thành phần cơ bản là cách tử và lăng kính Lăng kính làm việc dựa trên nguyên lí tán sắc góc Cách tử hoạt động dựa trên sự giao thoa giữa các tia phản xạ (hoặc nhiễu xạ) trên một cấu trúc có chu kì Có ba loại cách tử cơ bản là cách tử nhiễu xạ, cách tử phản xạ Bragg và cách tử Bragg quang âm

2.2.3.1 Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc

Trong giai đoạn đầu của kĩ thuật WDM ngời ta thờng hay sử dụng lăng kính làm phần tử tán sắc góc (hình 2.16) Do chiết suất phụ thuộc vào bớc sóng ánh sáng nên chùm tia sáng có nhiều bớc sóng khác nhau ở đầu vào sẽ bị lăng kính

phân tách thành các tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hớng khác nhau ở đầu ra Theo định luật Snel:

i r

A x

dn d

di

cos / cos

sin

λ

Lăng kính có mức độ tán sắc thấp, khó tách đợc các bớc sóng gần nhau Vì vậy, ngời ta chỉ có thể sử dụng lăng kính trong trờng hợp tách các bớc sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ ở hai bớc sóng 1300nm và 1550 nm) Do đó, hiện nay lăng kính không đợc sử dụng nữa Thay vào đó ngời ta sử dụng cách tử làm phần tử tán sắc góc

Lăng kính có mức độ tán sắc thấp, khó tách đợc các bớc sóng gần nhau Vì vậy, ngời ta chỉ có thể sử dụng lăng kính trong trờng hợp tách các bớc sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ ở hai bớc sóng 1300nm và 1550 nm) Do đó, hiện nay lăng kính không đợc sử dụng nữa Thay vào đó ngời ta sử dụng cách tử làm phần tử tán sắc góc

2.2.3.2 Cách tử nhiễu xạ

a Giới thiệu

Cách tử đợc cấu tạo gồm nhiều rãnh (nh răng ca), đợc khắc bằng dụng cụ kim cơng, trên bề mặt của các rãnh này đợc phủ một lớp phản xạ, số lợng rãnh có thể lên tới vài nghìn trên 1mm (gọi là mật độ in của cách tử) Cách tử có khả năng truyền hoặc tán xạ ánh sáng theo những hớng nhất định tuỳ thuộc vào bớc sóng của ánh sáng tới Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng cách rãnh (gọi là bớc cách tử), góc tới và bớc sóng của ánh sáng tới

Cũng giống nh lăng kính, ánh sáng không đơn sắc đầu vào, sau khi đi qua lăng kính sẽ đợc tách thành các tia đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau Khác với lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho độ phân giải giữa các góc nhiễu xạ ở các bớc sóng khác nhau lớn hơn