tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng wdm

Label Swithched PathLabel Swithching RouterLeast UsedMax-Sum MeshMulti Protocol Label SwithchingSubset of class NP problem completeNon-Zero Dispersion Shifted Fiber Optical add/drop mult

Đại học Công Nghệ Thông Tin Đại học Quốc Gia Tp.HCM

Đề tài:

Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang

theo bước sóng WDM

Các thành viên trong nhóm Nguyễn Tiến Thành – 08520354 Phạm Ngọc Sơn – 08520317 Nguyễn Vũ An – 08520517 Hoàng Mạnh Hưng – 08520165 Dương Sơn Thông – 08520391

Giáo viên ThS Ngô Hán Chiêu

Mục lục

Mục lục 2

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 6

Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM 10

I: Sự phát triển của công nghệ WDM 10

II: Giới thiệu về hệ thống thông tin quang 11

III: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng và các tham số cơ bản 15

1: Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng 15

1.1: Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: 15

1.2: Truyền dẫn hai chiều trên một sợi 16

2: Các tham số cơ bản 18

Chương II: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDM 20

I: Các thiết bị WDM vi quang 21

1: Các bộ lọc thiết bị 22

1.1 Bộ tách hai bước sóng 24

1.2: Bộ tách lớn hơn hai bước sóng 25

1.3: Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (MUX-DEMUX): 26

2: Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc: 29

2.1 Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc: 29

2.2 Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc: 30

2.2.1 Mở đầu 30

2.2.2 Cách tử nhiễu xạ phẳng 31

2.2.3 Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng: 33

2.2.4 Cách tử hình long chảo 35

2.2.5 Cách tử Bragg: 36

II CÁC THIẾT BỊ WDM GHÉP SỢI 38

III MỘT SỐ KỸ THUẬT KHÁC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG GHÉP WDM 41

1 Bộ ghép bước sóng dùng công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT 41

1.1 Nguyên lý chung 41

1.2 Bộ ghép nhân kênh dùng cách tử: 42

1.3 Thiết kế bộ ghép n bước sóng 43

2 AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM 46

Chương III: MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỶ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 49

I: Số kênh sử dụng và khoảng cách giữa các kênh 50

1: Khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là 50

2: Khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này là: 50

II: Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng của nguồn phát 57

1: Ổn định bước sóng của nguồn quang 57

2: Yêu cầu độ rộng của nguồn phát 57

III: Xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang 58

IV: Suy hao – Quỹ công suất của hệ thông WDM 58

V: Tán sắc – Bù tán sắc 59

IV: Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 62

1 Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering): 63

2 Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering): 64

3 Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation): 65

4 Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation): 67

5 Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing): 67

6 Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến: 69

VII: Bộ khuếch đại EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM 69

1 Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA: 70

2 Tăng ích bằng phẳng của EDFA: 72

3 Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA: 73

Chương IV: CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG WDM 74

I 1 Công nghệ bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang pha trộn ERBIUM (EDFA) 74

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA 74

2: Đặc tính của EDFA 77

2.1: Đặc tính khuếch đại 77

2.2: Đặc tính tạp âm nhiễu 78

2.3: EDAF trong hệ thống ghép kệnh theo bước sóng 82

Chương V: Mạng WDM 84

I: Phân cấp mạng WDM 84

II Hai kiểu chuyển mạch của WDM 86

1 Mạng WDM chuyển mạch kênh quang 86

2 Mạng WDM chuyểm mạch gói: 87

III Điểm mút của mạng WDM 88

1 Điểm nút OXC: 88

2 Điểm nút OADM: 91

IV Phân phối và định tuyến bước sóng trong mạng WDM 93

1 Kênh bước sóng và kênh bước sóng ảo 93

2 Chọn đường trong mạng WDM 95

V: Bảo vệ mạng WDM 96

1 Bảo vệ kiểu 1+1 trên lớp SDH 96

2 Bảo vệ đoạn ghép kênh: 97

VI WDM và SDH 97

VII Mạng quang và hỗn hợp quang điện 98

VIII Vấn đề phi tuyến trong mạng quang WDM 99

IX Thiết kế cấu trúc mạng WDM 99

V Mạng Ring tự phục hồi ghép bước sóng 101

1 Mở đầu 101

2 Cấu trúc SHR/WDM đơn hướng 101

2.1 Cấu trúc mạng Ring có 4 nút: 101

2.2 Cấu trúc nút: 102

2.3: Quan hệ giữa số lượng nút và số lượng bước sóng 104

3 Cấu trúc SHR/WDM hai hướng 104

4 So sánh SHR/ADM và SHR/WDM 106

KẾT LUẬN 108

Acousto OpticBộ lọc thanh quangTurnable Filtercó điều chỉnhAvalanche PhotodiodeĐiốt quang thácArrayed - WavelengthBộ ghép kênh lưới quangGrating Multiplexerdẫn sóng kiểu dàn

Asynchronous Transfer ModePhương thức truyền không đồng bộ

Avalanche Photo DiodeĐiốt quang thácAvailable WavelengthBước sóng khả dụngCoreĐường trục

Distinct Channel AssignmentGán kênh riêng biệtDemultiplexerBộ giải ghép kênh

Dispersion Shifted FiberSợi dịch tán sắcDigital Cross ConnectNối chéo sốDynamic Lightpath EstablishmentThiết lập luồng quangDifferential WavelengthGhép kênh chia bước

Division Multiplexersóng vi saiFibre GratingLưới sợi quangErbium doped fiber ampliferKhuếch đại sợi quang trộn erbium

Frequency Division MultiplexingGhép kênh phân chia tần sốFirst Fit Wavelength FirstThuật toán gán bước sóng

theo thứ tự bước sóngGeneralized Multiple ProtocolChuyển mạch nhãn đaLabel Swithchinggiao thức tổng quát

GatewayCổngInternet ProtocolGiao thức internetIntegrated service digital networkMạng số liên kết dịch vụLocal Area NetworkMạng cục bộ

Logical ConnectionKết nối logicLeast Congested PathĐịnh tuyến đường nghẽn ít nhấtLogical Connection GraphHướng kết nối logíc biểu đồ

Label Swithched PathLabel Swithching RouterLeast Used

Max-Sum

MeshMulti Protocol Label SwithchingSubset of class NP

problem completeNon-Zero Dispersion Shifted Fiber

Optical add/drop multiplexerOptical Circulator

Optical/Electrical/ OpticalOptical Channel

Optical Line AmplifierOptical Cross ConnectOptical Time Division Multiplex

Routing and WavelengthAssignment

Synchronous Digital HierarchySequential Graph ColoringSynchronous Optical NetworkSub-Network ConnectionProtection

Synchronous Transport ModuleStatic Wavelength RoutingSpace Optical Switch

Total wavelength and Availablewavelength

Thuật toán gán bước sóng

từ bậc lớn nhấtChuyển đổi bước sóngtheo thứ tự cao nhấtThuật toán gán bướcsóng dựa trên tải ít nhấtLuồng chuyển mạch nhãn

Bộ định tuyến chuyểnmạch nhãn

Gán bước sóng dựa trênbước sóng sử dụng ít nhấtThuật toán gán bước sóng dựatrên tổng dung lượng lớn nhấtDạng lưới

Chuyển mạch nhãn đa giao thứcTập hợp con của lớp các bàitoán NP mà nó được xem làkhó giải

Sợi quang dịch chuyển tán sắckhác không

Bộ ghép kênh xen/rẽ quang

Bộ đấu vòng quangQuang/ Điện/ QuangKênh quang

Khuếch đại đường quangNối chéo quang

Ghép kênh quang phân chiathời gian

Định tuyến và gán bước sóng

Phân cấp số đồng bộ

Tô màu đồ thị tuần tựMạng quang đồng bộBảo vệ kết nối mạng con

Modun truyền tải đồng bộ

Bộ định tuyến bước sóng tĩnhChuyển mạch quang khônggian

Tổng bước sóng của cácbước sóng khả dụng

Wavelegth ConverterWavelength Division MultiplexWaveguide Grating Router

Wavelength PathWavelength RouterWavelength Router SwitchOptical Supervision ChanelDispersion Shifted FiberDispersion Flattened FiberSingle Mode Fiber

Dispersion Compensating FiberChirper Bargg Fiber GratingOptical Amplifier

Optical Add Drop MultiplexerOptical Cross Connect

Optical Multiplexer SectionDedicated ProtectionOptical Multiplexer SectionShared Protection

Optical Multiplexer SectionRouting and WavelengthAssignment

Static Lightpath EstablishmentWavelength conveter AwaveRelative Capacity LossRouting and Channel AssignmentWavelength Reservation

Wavelength Router Network

Ghép kênh phân chia theothời gian

Ngưỡng bảo vệTrao đổi khe thời gian

Bộ xen tách quangKết nối chéo quangBảo vệ dùng riêng mức đoạnghép kênh quang

Bảo vệ dùng chung mức đoạnghép kênh quang

Đoạn ghép kênh quangĐịnh tuyến gán bước sóng

Thiết lập luồng quang tĩnh

Bộ chuyển đổi bước sóngTổn thất dung lượng tương đốiĐịnh tuyến và gán kênhGán bước sóng đặt trướcMạng định tuyến bước sóng

LỜI NÓI ĐẦU

Thời gian gần đây, nhu cầu lưu lượng tăng mạnh do sự phát triển bùng nổ của các

loại hình dịch vụ Internet và các dịch vụ băng thông đã tác động không nhỏ tới việc

xậy dựng cấu trúc mạng viễn thông Việc xây dựng mạng viễn thông thế hệ sau NGN

đang được quan tâm như một giải pháp hữu hiệu nhằm thoả mãn nhu cầu mạng lưới

trong thời gian tới Trong cấu trúc NGN mang truyền tải lưu lượng là khâu quan trọng

nhất có nhiệm vụ truyền thông suốt lưu lượng lớn trên mạng, trong đó mạng truyền

dẫn được xem là huyết mạch chính Để thoả mãn việc thông suốt lưu lượng và băng

tần lớn, các hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM được xem là ứng cử

quan trọng cho đường truyền dẫn Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho mạng

lưới truyền dẫn cao trên băng tần lơn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng

thời trên một sợi, trong đó mỗi kênh tương đương với một hệ thống truyền dẫn độc

lập tốc độ cao Công nghệ WDM cho phép các nhà thiết kế mạng lựa chọn được

phương án tối ưu nhất để tăng dung lượng đường truyền với chi phí thấp nhất Cho

đến nay hầu hết các hệ thống thông tin quang đường trục có dung lượng cao đều sử

dụng công nghệ WDM Ban đầu từ những tuyến WDM điểm – điểm đến nay đã xuất

hiện các mạng với nhiều cấu trúc phức tạp

Với nhận thức ấy đề tài “Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng

WDM” sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn Báo cáo gồm có 5 chương với nội dung tóm tắt

cụ thể như sau:

Chương I : Giới thiệu chung về thông tin quang, các nguyên lý ghép kênh trên hệ

thống truyền dẫn hai chiều trên hai sợi và một sợi

Chương II: Giới thiệu về các thiết bị quang thụ động trong WDM, các thiết bị

WDM ghép sợi, một số kỷ thuật SOFT, AWG và những nét mới về công nghệ trong

thiết bị

Chương III: Giới thiệu về các vấn đề kỷ thuật cần quan tâm đối với hệ thống

quang WDM như: Vấn đề ổn định bước sóng, vấn đề xuyên kênh, nhiễu kênh, suy

hao, tán sắc-bù sắc và ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

Chương IV: Các công nghệ then chốt của hệ thống WDM như: Công nghệ lọc

quang có điều chỉnh bước sóng, công nghệ bộ chuyển phát quang (OTU), công nghệ

bộ khuếch đại quan sử dụng sợi quang, công nghệ sợi quang và công nghệ điều khiển

giám sát hệ thông WDM

Chương V: Giới thiệu chung về mạng WDM

Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM

I: Sự phát triển của công nghệ WDM

Công nghệ mạng quang đã trở thành nhân tố quan trọng trong sự phát triển của

mạng viễn thông Yêu cầu băng tần sử dụng lớn là hệ quả tất yếu của nhu cầu truyền

thông dữ liệu ngày nay Trong hai thập kỷ qua, công nghệ truyền tải quang WDM đã

có sự phát triển vượt bậc Sự phát triển này có được là nhờ công nghệ chế tạo linh

kiện quang Những thành tựu của công nghệ này đã góp phần tạo nên hệ thống WDM

dung lượng lớn như ngày nay Theo thời gian, xuất phát từ những nhu cầu thực tế, các

hệ thống WDM ngày càng trở nên phức tạp Ở một góc độ nào, sự phức tạp trong hệ

thống WDM là trong những chức năng của thiết bị Nhờ có chức năng này mà cấu

hình hệ thống WDM chuyển từ đơn giản như cấu hình điểm- điểm sang cấu hình phức

tạp như Ring và Mesh Các hệ thống WDM đầu tiên xuất hiện từ cuối những năm

1980 sử dụng hai kênh bước sóng trong các vùng 1310nm và 1550nm và thường được

gọi là hệ thống WDM băng rộng Đầu những năm 1990 xuất hiện các hệ thống WDM

thế hệ hai sử dụng các phần tử WDM thụ động, được gọi là hệ thống WDM băng hẹp

từ 2 đến 8 kênh Các kênh này nằm trong cửa sổ 1550nm và với khoảng cách kênh

400GHz Đến giữa những năm 1990 đã có hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) sử

dụng từ 16 đến 40 kênh với khoảng cách kênh từ 100 đến 200 GHz Các hệ thống này

đã tích hợp các chức năng xen rẽ và quản lý mạng Các hệ thống WDM ban đầu sử

dụng với khoảng cách kênh lớn Việc lắp đặt hệ thống WDM chi phối bởi những lý do

kinh tế Việc nâng cấp thiết bị đầu cuối để khai thác các năng lực của WDM có chi

phi thấp hơn việc lắp đặt cáp sợi quang mới Sự xuất hiện bộ khuếch đại quang

EDFA đã chuyển hầu hết các hệ thống WDM sang cửa sổ 1530 nm đến 1565nm Các

hệ thống WDM mới lắp đặt gần đây đã sử dụng các kênh quang có khoảng cách giữa

các kênh hẹp từ 25 GHz đến 50 GHz Nhu cầu về băng tần mạng đang tăng gần

100%/một năm sẽ tiếp tục gia tăng ít nhất là trong vài chục năm tiếp theo Việc giảm

giá thành của các nhà cung cấp và trên hết là ứng dụng phổ cập của Internet đòi hỏi

băng tần lớn sẽ được tiếp tục đẩy mạnh

Các giải pháp thực tế đối với các vấn đề giới hạn ảnh hưởng của tán sắc mode

phân cực, hiệu ứng phi tuyến, sẽ làm tăng cả số lượng kênh và tốc độ bít của hệ thống

WDM Số lượng các kênh tăng đòi hỏi yêu cầu khắt khe hơn đối với độ ổn định của

laser, độ chính xác của bộ lọc và vấn đề liên quan đến quản lý tán sắc, hiệu ứng phi

tuyến Mạng tiến dần tới mô hình toàn quang, do đó sẽ xuất hiện các hệ thống thiết

bị quang mới có khả năng thực hiện các chức năng mà các thiết bị điện tử đang đảm

nhận Việc loại bỏ các yêu cầu khôi phục và tái tạo lưu lượng qua thiết bị điện tử làm

giảm đáng kể tính phức tạp phần cứng của mạng, nhưng sẽ làm tăng các hiệu ứng

quang khác Mặc dù trên khía cạnh nào đó các kỹ thuật WDM mật độ cao sẽ đạt tới

giới hạn của nó Sự truyền dẫn của vài trăm kênh trên một sợi quang cũng đã được

kiểm chứng Nhờ có sự phát triển của công nghệ WDM, trong tương lai không xa sẽ

xuất hiện các dịch vụ thông tin quang giá thành thấp tốc độ cao

II: Giới thiệu về hệ thống thông tin quang

Ngay từ xa xưa để thông tin cho nhau, con người đã biết sử dụng ánh sáng để báo

hiệu Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong

phú dần và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại như

ngày nay, tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và

nhanh chóng Cách đây 20 năm, từ khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang được

chính thức đưa vào khai thác trên mang viễn thông, mọi người đều thừa nhận rằng

phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc chuyển tải các

dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại Trong vòng 10

năm trở lại đây, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của của công nghệ điện tử - viễn thông,

công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc Các nhà sản

xuất đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154

dB/km tại bước sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi

quang trong hơn hai thập niên qua Cùng với đó là sự tiến bộ lớn trong công nghệ chế

tạo các nguồn phát quang và thu quang, để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang

với nhiều ưu điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại Dưới đây là

những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các môi trường truyền

Độ tin cậy cao

Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có

Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh mẽ

các nhà khai thác viễn thông Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp

với các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, và tuyến trung kế mà còn có

tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin

cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai

Mô hình chung của một tuyến thông tin quang như sau:

Hình 1.1: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang

Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần

thu quang Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch

điện điều khiển liên kết với nhau Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp

vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài

Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp

thành Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối

quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một

tuyến thông tin quang hoàn chỉnh

Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy

hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm Ba vùng

bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa

sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang,

cửa sổ thứ nhất được sử dụng Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển

mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày

nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba

Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc

Laser bán dẫn (LD) Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông

tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của

dòng điều biến Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng

tương tự Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương

ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều

biến Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu

tạo Đoạn sợi quang ra (pigtail) của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang

được khai thác trên tuyến

Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo

sợi dẫn quang để tới phần thu quang Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng

thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên Bộ tách sóng

quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa

tới Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện Các photodiode PIN và

photodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các hệ

thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ

chuyển đổi nhanh Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định

bước sóng làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang

cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt Đặc tính quan

trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ

nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép

của hệ thống

Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi

bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến Cấu trúc của

thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào

nhau Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín

hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang Thiết bị

phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào

đường truyền Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay

thế một phần các thiết bị trạm lặp quang

Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi quang

sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Các

nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và

phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ

sợi này Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi

quang Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế

rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao

nhỏ (xem hình 1.2):

Hình 1.2: Độ rộng của nguồn quang và dải thông của sợi quang

III: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng và các tham số cơ bản

1: Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là tận

dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang

đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thành

của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có

quá trình biến đổi điện nào Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung

lượng truyền dẫn Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây

dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao Khi tốc độ đường truyền đạt tới một

mức độ nào đó người ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc

nâng cao tốc độ truyền dẫn Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch

điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó,

chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi

công nghệ rất cao Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục

được những hạn chế trên

Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi

nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều

bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau Mỗi bước sóng đại diện cho

một kênh quang trong sợi quang Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà sự

riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1 nm hay 10-9 m, điều này

dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM) Các thành

phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng

dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ

(SDH/SONET) Các nhà cung cấp DWDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ

cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây

đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm

Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn Có hai hình thức cấu thành

hệ thống WDM đó là:

1.1: Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi:

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quang cùng trên

một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 1.3), ở đầu phát các tín hiệu

có bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế l1 , l 2 , , l n thông qua bộ ghép

kênh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang Vì các tín hiệu

được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn Ở đầu thu, bộ

tách kênh quang tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín

hiệu quang nhiều kênh Ở chiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên

lý giống như trên

Hình 1.3: Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi1.2: Truyền dẫn hai chiều trên một sợi

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hướng đi, các kênh quang

tương ứng với các bước sóng l1, l2, , ln qua bộ ghép/tách kênh được tổ hợp lại với

nhau truyền dẫn trên một sợi Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng ln+1,

ln+2, , l2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xem hình 1.4) Nói cách khác ta

dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (song công)

Hình 1.4: Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên cùng 1 sợi quang

Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển tương đối rộng

rãi Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn,

đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải

có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghép kênh Ở phía thu, các bộ

tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng quang Khi thực hiện tách

kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế

các bộ tách kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước

sóng cắt chính xác, dải làm việc ổn định

Hệ thống WDM được thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây ra suy hao

truyền dẫn Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của các thiết bị thấp, cần phải tối thiểu

hoá thành phần công suất có thể gây ra phản xạ tại các phần tử ghép, hoặc tại các

điểm ghép nối các module, các mối hàn , bởi chúng có thể làm gia tăng vấn đề

xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suy giảm nghiêm trọng tỉ số S/N của hệ

thống Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêm trọng đối với hệ thống WDM truyền dẫn hai

chiều trên một sợi, do đó hệ thống này có khả năng ít được lựa chọn khi thiết kế

tuyến

Ở một mức độ nào đó, để đơn giản ta có thể xem xét bộ tách bước sóng như bộ

ghép bước sóng chỉ bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng Như vậy hiểu đơn giản, từ

“bộ ghép - multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để

xét cho cả bộ ghép và bộ tách; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị

hoặc hai chức năng Người ta chia loại thiết bị OWDM làm ba loại: Các bộ ghép

(MUX), các bộ tách (DEMUX) và các bộ ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX) Các

bộ MUX và DEMUX được sử dụng trong các phương án truyền dẫn theo một hướng,

còn loại thứ ba MUX-DEMUX được sử dụng cho các phương án truyền dẫn theo hai

hướng Hình 1.5 mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp

Hỡnh 1.5 Mụ tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX)

2: Các tham số cơ bản

Các tham số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép/tách hỗn hợp là suy hao

xen, suy hao xuyên kênh và độ rộng kênh Để đơn giản, ta hãy phân biệt ra thành thiết

bị một hướng (gồm các bộ ghép kênh và tách kênh độc lập) và thiết bị hai hướng (bộ

ghép/tách hỗn hợp) Các ký hiệu I(li) và O(lk) tương ứng là các tín hiệu được ghép

đang có mặt ở đường chung Ký hiệu Ik(lk) là tín hiệu đầu vào được ghép vào cửa thứ

k, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k Ký hiệu Oi(li) là tín hiệu có

bước sóng li đã được tách và đi ra cửa thứ i Nhìn chung, các tín hiệu quang không

phát một lượng công suất đáng kể nào ở ngoài độ rộng phổ kênh đã định trước của

chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh là không đáng lưu tâm ở đầu phát Bây giờ ta xem

xét các thông số:

·Suy hao xen: được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến

truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị truyền dẫn quang WDM Suy hao này

bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản

thân thiết bị ghép gây ra Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các

bộ ghép coupler chung, nhưng cần lưu ý là ở WDM là xét cho một bước sóng đặc

Với Li là suy hao tại bước sóng li khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền

dẫn Các tham số này luôn phải được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh

quang của thiết bị

Hình 1.6 Xuyên kênh ở bộ tách kênh (a)

và ở bộ ghép - tách hỗn hợp (b) ·Suy hao xuyên kênh: mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này được ghép

sang kênh khác Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc vào

trường hợp áp dụng Nhưng nhìn chung, phải đảm bảo mức xuyên kênh nhỏ hơn

(-30dB) trong mọi trường hợp

Trong một bộ tách kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ

i có bước sóng li sang các kênh khác có bước sóng khác với li Nhưng trong thực tế,

luôn luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, và làm giảm chất lượng truyền dẫn của

thiết bị Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên

kênh và được tính bằng dB như sau:

Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ tách kênh ở hình 1.6 a) thì Ui(lk) là lượng tín hiệu

không mong muốn ở bước sóng lk do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà đúng ra chỉ

có tín hiệu ở bước sóng li Trong thiết bị ghép/tách hỗn hợp như ở hình 1.6 b), việc

xác định suy hao xuyên kênh cũng được xác định như ở bộ tách Ở trường hợp này,

phải xem xét cả hai loại xuyên kênh “Xuyên kênh đầu xa” là do các kênh khác được

ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I(lk) sinh ra Ui(lk) “Xuyên kênh đầu

gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị, như

Ui(lj) Khi cho ra các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối

với từng kênh của thiết bị

· Độ rộng kênh: là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang riêng

Nếu nguồn phát quang là các diode Laser thì độ rộng kênh được yêu cầu vào khoảng

vài chục nanomet để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các

nguồn phát gây ra (ví dụ khi nhiệt độ làm việc thay đổi sẽ làm trôi bước sóng đỉnh

hoạt động) Đối với nguồn phát quang là diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng

kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi vì độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn

Chương II: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDM

Trong chương trước, chúng ta đã có tầm nhìn bao quát về một tuyến truyền dẫn

quang và công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM Các thiết bị OWDM rất

đa dạng, có thể thực hiện qua các phần tử tích cực hay thu động, nguồn quang phổ

hẹp, các thiết bị vi quang, các thiết bị phân cực quang, quay pha, cách tử quang, ghép

sợi Nhưng tưu trung lại, chúng làm việc chủ yếu theo hai nguyên tắc chính:

nguyên tắc tán sắc góc và nguyên tắc lọc quang Ngày nay, cùng với những tiến bộ

không ngừng trong nhiều lĩnh vực khác của ngành công nghiệp truyền thông, đặc biệt

là với công nghệ mới đầy hấp dẫn này, các thiết bị WDM không ngừng được đổi mới

và cải tiến cho phù hợp nhằm vươn tới những ngưỡng dung lượng truyền dẫn khổng

lồ với chi phí đầu tư thấp Chương này nhằm đề cập đến các vấn đề kỹ thuật từ cơ bản

đến phức tạp đã và đang được sử dụng trong các thiết bị WDM

Các phần tử sử dụng trong hệ thống OWDM rất đa dạng, nhưng có thể phân loại ra

như hình 2.1:

Hình 2.1: Phân loại thiết bị

Để đơn giản khi xem xét các thiết bị WDM, chúng ta chủ yếu lấy bộ tách kênh

theo bước sóng để phân tích, bởi vì nếu xét ở một mức độ nào đó thì nguyên lý các

thiết bị WDM có tính thuận nghịch về cấu trúc, do đó hoạt động của các bộ ghép kênh

cũng được giải thích tương tự bằng cách đơn giản là thay đổi hướng tín hiệu đầu vào

Ở loại thứ nhất, việc tách/ghép kênh dựa trên cơ sở các thành phần vi quang Các

thiết bị này được thiết kế chủ yếu sử dụng cho các tuyến thông tin quang dùng sợi đa

mode, chúng có những hạn chế đối với sợi dẫn quang đơn mode Loại thứ hai dựa vào

việc ghép giữa các trường lan truyền trong các lõi sợi kề nhau Kỹ thuật này phù hợp

với các tuyến sử dụng sợi đơn mode

I: Các thiết bị WDM vi quang

Các thiết bị WDM vi quang được chế tạo dựa trên hai phương pháp công nghệ

khác nhau là: các thiết bị có bộ lọc và các thiết bị phân tán góc Thiết bị lọc chỉ hoạt

động mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm các bước sóng) tại một thời điểm, nhằm

để tách ra một bước sóng trong nhiều bước sóng Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh,

người ta phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng Còn thiết bị phân tán góc lại đồng thời đưa

ra tất cả các bước sóng

1: Các bộ lọc thiết bị

Trong thiết bị ghép-tách bước sóng vi quang thường sử dụng bộ lọc bước sóng

bằng màng mỏng Thí dụ bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng thể hiện như

hình 2.2

Hình 2.2 Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng

Bộ lọc có cấu trúc đa lớp gồm các lớp điện môi rất mỏng, có chiết suất cao và thấp

đặt xen kẽ nhau Bộ lọc làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot,

gồm hai gương phản xạ một phần đặt song song cách nhau chỉ bởi một lớp điện môi

trong suốt

Hình 2.3 Cấu trúc của bộ lọc điện môi

Bề dày các lớp bằng 1/4 bước sóng truyền đối với bộ lọc bậc 0 và bằng 3/4l0 đối

với bộ lọc bậc 1 và được chế tạo từ vật liệu có hệ số chiết suất thấp như MgF2 có n =

1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46 và vật liệu có chỉ số chiết suất cao như TiO2 có n = 2,2

Khi chùm tia sáng đi vào thiết bị, thì hiện tượng giao thoa ánh sáng xảy ra do phản

xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên lần của

nửa bước sóng ánh sáng tới thì giao thoa xếp chồng xảy ra và công suất quang của

bước sóng đạt giá trị cực đại và bước sóng đó sẽ được truyền dẫn thông suốt nhất Các

chùm ánh sáng ở những bước sóng khác trong buồng cộng hưởng hầu như bị phản xạ

hoàn toàn Đường cong phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc có dạng như hình 2.4:

Hình 2.4 Phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc

Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao có bước sóng cắt lc (hình 2.5a là thông cao và

hình 2.5b là thông thấp) Bộ lọc thông giải có bước sóng trung tâm l0 và độ rộng giải

Dl (hình 2.5c) T là hàm truyền đạt của bộ lọc

Hình 2.5 Các đặc tính phổ truyền dẫn của các loại bộ lọc giao thoa cắt (a)(b) và

băng thông (c)

Các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao thường được sử dụng để tách 2 bước sóng

có khoảng cách xa nhau, chẳng hạn 850 nm và 1300 nm hoặc 1300 nm và 1550 nm

Loại bộ lọc như vậy, thích hợp cho hệ thống WDM sử dụng nguồn quang có dải phổ

rộng (LED) Bộ lọc thông giải được sử dụng trong WDM khi nguồn quang có phổ hẹp

(LASER) Đối với bộ lọc thông giải có một vài yêu cầu: đó là độ dốc sườn đường

cong hàm truyền đạt phải đủ lớn để tránh xuyên âm giữa các kênh kề nhau, mặt khác

độ rộng giải Dl có dung sai cho phép để đề phòng dịch bước sóng trung tâm của

nguồn quang khi nhiệt độ thay đổi

Dưới đây ta xem xét một số thiết bị tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng:

1.1 Bộ tách hai bước sóng

Cấu trúc cơ bản của bộ tách hai kênh như ở hình 2.6a, trong khi đó việc thực hiện

thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như ở hình 2.6b Các phần tử chuẩn trực và hội tụ là

các lăng kính GRIN 1/4 chu kỳ P Bộ lọc được thiết kế để phát đi l1 và phản xạ l2 sẽ

được đặt giữa hai lăng kính

Hình 2.6 Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoaa) Cấu hình cơ bản và b) Cấu hình khi thực hiện trong thực tế

Các thiết bị tách bước sóng này có sẵn trên thị trường thương mại và được sử dụng

rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bước sóng 850

nm và 1300 nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bước sóng như:

800 nm và 830 nm; 800 nm và 890 nm; 1200 nm và 1300 nm; hoặc 1300nm và 1550

nm vv , với suy hao xen nhỏ hơn 3dB (cho mỗi cặp) và suy hao xuyên kênh cao hơn

25dB

1.2: Bộ tách lớn hơn hai bước sóng

Thiết bị này sử dụng các bộ lọc nối tiếp nhau, và mỗi bộ lọc cho đi qua một bước

sóng và phản xạ các bước sóng còn lại (xem hình 2.7):

Hình 2.7 Cấu trúc cơ bản của một bộ tách nhiều bước sóng

Trong thực tế, thiết bị tách nhiều bước sóng ngoài các bộ lọc còn có thấu kính, các

sợi quang vv

Hình 2.8 là bộ tách 5 bước sóng dùng thấu kính GRIN và khối thuỷ tinh trong

suốt

Hình 2.8 Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế.

Đôi khi có thể thực hiện tạo ra bộ tách kênh mà không cần sử dụng đến các phần

tử chuẩn trực Ví dụ như ở hình 2.9, thiết bị không có lăng kính, mà các bộ lọc giao

thoa ở đây được đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi được mài nhẵn

Hình 2.9 Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn

trực tiếp vào sợi

1.3: Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (MUX-DEMUX):

Hình 2.10 thể hiện thiết bị MUX-DEMUX 4 bước sóng Các bước sóng 0,81 mm

và 0,89 mm từ hai nguồn quang khác nhau được ghép thành một tia chung để truyền

qua sợi quang Các bước sóng 1,2 mm và 1,3 mm từ sợi quang đến được tách thành hai

tia ứng với mỗi bước sóng để đưa đến diode tách quang Thấu kính GRIN tại cổng

vào dùng loại 1/4P phân kì, tại cổng ra dùng loại 1/4P hội tụ

Hình 2.10 Thiết bị MUX-DEMUX 4 bước sóng

Trong đó:

LWPF - Bộ lọc thông thấpSWPF - Bộ lọc thông cao

Độ rộng của kênh là 25 nm và 32 nm trong cửa sổ thứ nhất; 47 nm và 50 nm trong

cửa sổ thứ hai của sợi quang Suy hao xen là 1,4 dB cho bước sóng 0,89 mm; 2,6 dB

cho bước sóng 1,2 mm; 2,2 dB cho bước sóng 1,3 mm khi dùng Laser diode và 5,2 dB

cho bước sóng 0,81 mm khi dùng LED Suy hao xuyên âm bằng -18 dB cho bước

sóng ngắn dùng LED, còn nếu dùng Laser diode thì suy hao xuyên âm bằng -3,9 dB

Một thí dụ khác của bộ MUX-DEMUX dùng gương cầu lõm như hình 2.11

Hình 2.11 Thiết bị MUX-DEMUX 3 bước sóng

Các đầu sợi quang đặt trên mặt phẳng tiêu D Gương cầu lõm A phản xạ bước

sóng 0,825 mm tới đầu ra Gương cầu lõm B phản xạ bước sóng 0,870 mm từ sợi

chung vào và tới sợi ra Gương cầu lõm C phản xạ bước sóng 1,3 mm từ sợi chung vào

và tới sợi ra khác Suy hao xen và suy hao xuyên âm như bảng dưới đây:

0,82

5 mmSuy hao xen (dB)

Suy hao xuyên âm đầu gần (dB)

Suy hao xuyên âm đầu xa (dB)

0,4

0,87

0 mm0,75-0,6-78

1,3mm1,3-40-120

2: Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc:

Thiết bị WDM sử dụng bộ lọc màng mỏng không thích hợp cho hệ thống có quá

nhiều bước sóng hoặc khi bước sóng này quá gần nhau Trong trường hợp này phải sử

dụng phần tử tán sắc góc Ưu điểm của phần tử tán sắc góc là tán xạ đồng thời tất cả

các bước sóng

2.1 Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc:

Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM người ta thường dùng lăng kính làm phần

tử tán sắc góc (hình 2.12) Do hiện tượng chiết suất phụ thuộc vào bước sóng ánh

sáng tức là n = n(l) nên chùm tia sáng có các bước sóng khác nhau ở đầu vào sẽ bị

lăng kính phân thành các tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hướng khác nhau ở đầu

ra theo định luật Sneel (sự phụ thuộc của chiết suất vật liệu làm lăng kính theo bước

sóng)

di dnsin A =´

dll cos r / cos i

(2.1)Với:

i

i’An

Nhược điểm: tán sắc dùng lăng kính có mức độ tán sắc thấp, nên khó tách được

các bước sóng gần nhau Vì vậy người ta chỉ có thể dùng lăng kính trong trường hợp

tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ bước sóng l1 ở cửa sổ

1300 nm; bước sóng l2 ở cửa sổ 1550 nm) Do nhược điểm không tách được các tia

sáng có bước sóng gần nhau nên lăng kính ngày nay không được sử dụng trong công

nghệ WDM nữa, thay vào đó người ta sử dụng cách tử nhiễu xạ làm phần tử tán sắc

góc

2.2 Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc:

2.2.1 Mở đầu

Cách tử được cấu tạo gồm nhiều rãnh (như răng cưa), được khắc bằng dụng cụ

kim cương, trên bề mặt của các rãnh này được ơhủ một lớp phản xạ, số lượng rãnh

trên cách tử có thể lên tới vài nghìn rãnh trên 1 mm Cách tử có khả năng truyền hoặc

tán xạ ánh sáng theo những hướng nhất định tuỳ thuộc vào bước sóng của ánh sáng

đó Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng cách rãnh (gọi là bước cách tử) và góc tới

Hình 2.13: Sử dụng cách tử để tách bước sóng

Cũng giống như lăng kính, ánh sáng không đơn sắc ở đầu vào, sau khi qua cách tử

sẽ được tách thành các tia sáng đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau Khác với

lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho các góc tán xạ lớn hơn

Khi tách kênh (tách bước sóng) bằng cách tử, nguồn sáng tới gồm nhiều bước

sóng từ sợi quang sẽ được tách ra thành các tia đơn sắc tương ứng với các bước sóng

được truyền trên sợi theo các góc khác nhau Ngược lại khi ghép kênh, một số kênh

bước sóng l1, l2, , ln đến từ các hướng khác nhau có thể được kết hợp thành một

hướng và được đưa tới truyền dẫn trên cùng một sợi quang

2.2.2 Cách tử nhiễu xạ phẳng

Hình 2.14 Cách tử nhiễu xạ phẳng

Trong đó:

N - đường vuông góc với mặt đáy của cách tử

M - đường vuông góc với cạnh của rãnh

a - góc tới của tia sáng với N

Từ hình 2.14 và theo kết quả chứng minh thì khi chiếu hai tia sáng vào rãnh cách

tử sẽ tạo ra các tia nhiễu xạ cùng pha nếu hiệu số đường đi hai tia sáng thoả mãn điều

Theo quy tắc phản xạ thì góc tới bằng góc phản xạ, nghĩa là i = i’, rút ra:

f = (a + a’)/2Công thức (2.1) có thể viết dưới dạng:

(2.4)

a +a 'a -a '

2d sincos= kl 22

a -a '

2d sin F cos= kl 2

(2.5)

Đối với cách tử phản xạ thì f được tính theo điều kiện của Liittrow (khi a=a’)

Theo điều kiện này tìm được l ứng với tán xạ bậc 1 là:

l1 = 2dsinfKhi a ¹ a’

a -a '

l1 = 2dsinfcos 2

(2.6)

(2.7)Theo điều kiện Littrow và ứng với bậc 2 của tán xạ có:

sin pd / l sin i + sin i '

A = Al n sin pd / l sin i - sin i '

( (

I l é sin(k p - p n l n / l ) ù =êú

I l n ë k p - p n l n / l û

2

(2.12)

Từ biểu thức trên, xây dựng đường cong phân bố phổ của năng lượng nhiễu xạ bậc

một như hình 2.15 a) Trong trường hợp d nhỏ hơn bước sóng thì phân bố phổ của

năng lượng nhiễu xạ phụ thuộc vào f và có dạng như hình 2.15 b)

Hình 1.16 Phân bố phổ năng lượng nhiễu xạ bậc một

2.2.3 Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng:

Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc tách kênh sử dụng cách tử bao gồm 3 phần

chính: các phần tử vào và ra (là mảng sợi hoặc một sợi truyền dẫn với các thành phần

thu - phát); phần tử hội tụ quang; phần tử tán sắc góc grating

Hình 2.17 Sơ đồ bộ ghép kênh Grating của Finke

Hình 2.17 là cấu hình đơn giản của một bộ ghép kênh của Finke Trong đó, mảng

đầu sợi quang được đặt tại tiêu cự của một thấu kính tròn, phần tử tán sắc góc grating

được đặt tại tiêu cự bên kia của thấu kính đó Bộ tách kênh thực tế loại này đã thực

hiện tách từ 4 đến 6 kênh với suy hao khoảng 1,2 đến 1,7 dB (triển vọng có thể tách

được 10 kênh)

Hình 2.18 Bộ tách Littrow: a) Cấu trúc cơ bản, b) Cấu trúc thực tế sử dụng lăng

kính GRIN-rod của bộ tách 2 kênh

Trên hình 2.19, đầu mảng các sợi quang được đặt trước một khe đã được quang

khắc trên mặt cách tử phản xạ phẳng đặt vuông góc với các rãnh cách tử Gương cầu

lõm có tách dụng làm thay đổi hướng của bất kì một tia đa bước sóng phân kỳ nào

thành một tia song song quay trở lại cách tử, tia này khi đến cách tử, sẽ bị tán sắc và

phản xạ trở lại gương, phản xạ một lần nữa, tạo ảnh trên vùng mảng sợi quang tuỳ

thuộc vào giá trị từng bước sóng Cấu trúc này có hệ số hội tụ và truyền đạt bằng 1; vì

vậy, hiệu suất ghép khá cao, đặc biệt nếu sử dụng gương parabol thì quang sai rất nhỏ,

gần bằng 0

Số lượng các kênh có thể ghép trong thiết bị phụ thuộc nhiều vào phổ của nguồn

quang: từ năm 1993, đã có thể ghép được 6 kênh (đối với nguốn LED), 22 kênh (đối

với nguồn Laser); nếu sử dụng kỹ thuật cắt phổ của nguồn phát LED để nâng cao số

kênh ghép thì có thể ghép tới 49 kênh Đối với nguồn đơn sắc, suy hao xen của thiết

bị ghép rất nhỏ (< 2 dB), và có thể đạt đến 0,5 dB cho thiết bị đơn mode vùng bước

sóng 1540 nm đến 1560 nm

Hình 2.19 Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar và gương lòng chảo.

2.2.4 Cách tử hình long chảo

Hình 2.20 Cách tử hình lòng chảo

Cách tử hình lòng chảo được sử dụng để phản xạ ánh sáng, vì vậy góc nghiêng của

rãnh cách tử được tính toán giống như cách tử phản xạ phẳng Theo thuyết vô hướng

thì góc nghiêng của rãnh phải thay đổi liên tục để duy trì đường phân giác của góc

hợp bởi tia tới và tia phản xạ ABC luôn vuông góc với bề mặt của răng cưa

Một ứng dụng của cách tử hình lòng chảo như chỉ ra trên hình 2.21, thiết bị loại

này có vẻ như đơn giản hơn vì không sử dụng phần tử hội tụ quang (thấu kính hoặc

lăng kính) Thiết bị loại này đã thực hiện ghép 4 kênh, suy hao 2,6 dB; nó có nhược

diểm là quang sai không ổn định trong giải phổ rộng

Hình 2.21 Sơ đồ cấu trúc bộ tách sử dụng cách tử lòng chảo.

Tóm lại thiết bị WDM dùng cách tử như phần tử tán sắc góc để tách/ghép bước

sóng thường sử dụng theo cách như chỉ ra trên các hình 2.17 đến 2.21; trong hình 2.19

nếu thay gương lòng chảo bằng gương parabol thì có thể hiệu chỉnh quang sai

2.2.5 Cách tử Bragg:

Cách tử Bragg là cách tử được chế tạo ngay bên trong sợi quang Cáh tử sợi Bragg

thông thường trước đây khó sản xuất được với độ dài sợi quá 15 cm do hạn chế về

chiều dài sợi cách tử đối với bán kính chùm tia laser hoặc do chiều dài của mạt nạ

phase Hiện nay công nghệ chế tạo hiện đại đã cho phép thay đổi các thông số như độ

dài cách tử, chiết suất có thể được điều biến theo yêu cầu, tạo nên cách tử sợi dạng

nhiều bậc như bước ren; nhờ đó một số lớn các bộ lọc được tạo ra voiư các thông số

khá hoàn thiện

ứng dụng của cách tử sợi Bragg trong module xen/rẽ bước sóng như sau: điều

chỉnh bước sóng xen/rẽ dùng cách tử sợi Bragg mạng lại nhiều ưu điểm cho thiết bị

OADM Trong đó, đặc biệt là suy hao xen của thiết bị thấp, đặc tính phổ của bộ lọc có

dạng bộ lọc băng thông BPF với khả năng đạt được khoảng cách kênh bước sóng là

50 GHz, đó là một tính năng hoàn toàn thuyết phục Có hai phương pháp điều khiển

bước sóng xen/rẽ đối với thiết bị sử dụng sợi cách tử Bragg, đó là: điều khiển nhiệt

hoặc thay đổi độ nén dãn của sợi bằng tải cơ, song cách thứ hai đạt được tốc độ điều

chỉnh cao hơn

ứng dụng cách tử sợi Bragg trong bù tán sắc: phổ của xung quang chứa nhiều

thành phần bước sóng khác nhau, khi truyền xung dọc sợi quang, thành phần bước

sóng ngắn sẽ đi nhanh hơn thành phần bước sóng dài, đây chính là hiệu ứng tán sắc,

làm dãn phổ xung quang đó và có thể gây xuyên nhiễu lên các xung quang lân cận

Trước đây đã có nhiều giải pháp bù tán sắc, như sử dụng sợi bù tán sắc DCF, nhưng

cách này thực ra còn nhiều nhược điểm như: gây suy hao lớn, gây ra các hiệu ứng phi

tuyến khác Gần đây, cách tử bù tán sắc đã được xem là giải pháp có nhiều hứa hẹn

Bước cách tử trong cách tử bù tán sắc được dịch đi để phản xạ các bước sóng chậm

(bước sóng dài) trước khi các thành phần bước sóng nhanh (bước sóng ngắn) đi đến

cuối cách tử và bị phản xạ trở lại (xem hình 2.22), module bù tán sắc kiểu này cũng sẽ

làm co xung đã bị dãn rộng ra trước khi được truyền đi tiếp hoặc được xử lý Nếu sợi

cách tử càng dài, mức bù tán sắc càng lớn và phổ thiết bị có thể làm việc càng được

mở rộng Nếu quá trình chế tạo sợi không tốt, sẽ gây hiện tượng nhấp nhô (ripple) đối

với trễ nhóm tín hiệu quang, do đó có thể làm sai khác đi việc bù tán sắc của thiết bị

Hình 2.22 Nguyên lý cách tử Bragg bù tán sắc

Suy hao của module bù tán sắc kiểu này gây ra bởi: suy hao cố định của circulator

và các chỗ ghép nối (tổng suy hao này nhỏ hơn 2 dB), suy hao của cách tử sợi Bragg

phụ thuộc vào độ dài sợi, khoảng 0,3 dB/m (theo công nghệ chế tạo cảm ứng tia cực

tím) Ngoài ra, suy hao này cũng phụ thuộc dải bước sóng làm việc khoảng 0,3

dB/nm Thực nghiệm cho thấy ưu thế của module bù tán sắc dùng cáh tử sợi Bragg so

với bù tán sắc dùng sợi DCF được chỉ ra như trong bảng dưới đây:

Bảng 2.1 So sánh độ suy hao giữa các thiết bị bù tán sắc

Suy haoSuySuy hao

Với những ưu thế như vậy, thiết bị bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg đã được chế

tạo hàng loạt nhờ quá trình chế tạo cách tử điều khiển bằng phần mềm máy tính,

chúng sẽ trở thành các module không thể thiếu trong các thiết bị WDM thế hệ thứ hai

như OADM, khuếch đại EDFA hai tầng có bù tán sắc

II CÁC THIẾT BỊ WDM GHÉP SỢI

Các thiết bị WDM ghép sợi phù hợp hơn đối với các sợi đơn mode vì có thể tránh

được quang sai, giảm trễ, giảm suy hao do các quá trình xử lý chùm sáng qua các

đoạn phản xạ, chuẩn trực, hội tụ vv gây ra Thiết bị WDM ghép sợi hoạt động dựa

trên nguyên lý: khi lõi các sợi quang đặt gần nhau thì công suất quang từ một sợi sẽ

chuyển vào các sợi khác

Xét trường hợp hai lõi sợi quang đơn mode, có kích thước và đặc tính quang như

nhau nằm song song với nhau trong cùng một vỏ Khi một lõi có tín hiệu quang thì hệ

số ghép đối với lõi thứ hai được xác định theo biểu thức (2.13)

V 3 WK12

(2.13)Trong đó:

A - bán kính lõi

d - khoảng cách giữa 2 tần số

n1 - hệ số chiết suất của lõi

n2 - hệ số chiết suất của vỏ

K1 - hàm Bessel bậc nhất loại hai

b - thành phần dọc của véc tơ truyền lan mode, gọi là hằng số truyền lan

d = 1 - n2/n1- hệ số chiết suất tương đối

V = (2pa/l)(n12 - n22)1/2- tần số chuẩn hoá

U = a[(2pn1/l)2 - b2]1/2- hằng số truyền lan ngang trong lõi sợi

W = a[b2 - (2pn2/l)2]1/2- độ suy biến tốc độ của trường trong vỏ

Từ biểu thức (2.13) nhận thấy: hệ số ghép phụ thuộc vào các đặc tính hình học,

các đặc tính quang (chiết suất), và bước sóng (thông qua V, U, W) Nếu bước sóng cố

định, thì khi giảm d sẽ tăng hệ số ghép Còn nếu d cố định, thì hệ số ghép tăng khi tần

số chuẩn hoá giảm (l giảm), vì khi đó sự phân bố trường mode có xu hướng dãn rộng

tới vùng vỏ

Công suất ghép giữa hai sợi có dạng sin2(A0L) và công suất lan truyền là

cos2(A0L); trong đó L là độ dài đoạn ghép; A0 là hệ số ghép Trong thực tế ghép theo

độ dài z biến đổi, nên công suất ghép sẽ là: sin2òA(z)dz và công suất lan truyền là

cos2òA(z)dz

Các thiết bị WDM ghép sợi có thể có hai dạng như hình 2.23, đó là: nung nóng

chảy các sợi kề nhau và đánh bóng chỗ tiếp xúc giữa hai sợi Trong kỹ thuật đánh

bóng, mỗi sợi được lắp vào một thấu kính đã đục cong sẵn, có đường kính cong

thường bằng 25 cm, cho nên dạng này còn gọi là bộ ghép khối Còn trong kỹ thuật

xoắn nóng chảy, hai lõi sợi được xoắn vào nhau và được nung nóng chảy thành một

lõi chung

Khi hai sợi ghép là như nhau thì hiệu suất ghép là tuần hoàn của bước sóng,

khoảng cách kênh cực tiểu giữa hai bước sóng được phân tích là:

Trong đó: db1/dl và db2/dl là các đạo hàm của b theo mode của mỗi sợi

Hình 2.24 Hai phương pháp tạo ra các bộ ghép sợi cho thiết bị WDM

Các bước sóng tương ứng với sự đồng nhất các hàm số lan truyền của hai đường

dây này là các bước sóng mà ở đó sự truyền năng lượng được đổi chỗ từ sợi này sang