Một số vấn đề công nghệ then chốt trong hệ thống WDM và ứng dụng của hệ thống WDM

Các thành phần trong hệ thống WDM, Tổng quan về hệ thống WDM.

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 rộng đã tác động không

nhỏ tới việc xây dựng cấu trúc mạng viễn thông Việc xây dựng mạng thế hệ sau

NGN đang được quan tâm như là một giải pháp hữu hiệu nhằm thoả mãn nhu

cầu của mạng lưới trong thời gian tới Trong cấu trúc NGN, mạng 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 với băng tần lớn, các hệ thống thông tin quang sử dụng

công nghệ WDM được xem là ứng cử quan trọng nhất cho đường truyền dẫn

Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho mạng lưới khả năng truyền dẫn cao

trên băng tần lớn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng thời trên một sợi,

trong đó mỗi kênh tương đương một hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ nhiều

Gbps

Với nhận thức ấy,luận văn tốt nghiệp của em báo cáo về công nghệ WDM

Bố cục của luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống WDM

Chương2: Các thành phần trong hệ thống WDM

Chương 3: Một số vấn đề công nghệ then chốt trong hệ thống WDM

Chương4: ứng dụng của hệ thống WDM

Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc hẳn các vấn đề nêu ra trong phạm

vi đồ án này chưa thể mang tính hoàn chỉnh về một vấn đề hết súc quan trọng

như vậy Nội dung của đồ án vẫn còn có các vấn đề cần phải xem xét thêm và

không thể tránh khỏi những khiếm khuyết Rất mong được các Thầy Cô giáo chỉ

bảo, các bạn sinh viên và các bạn đọc quan tâm tới vấn đề này góp ý, chỉ dẫn

thêm

Em xin được cảm ơn sâu sắc Thầy giáo TS Phùng Văn Vận, nguời Thầy đã

hướng dẫn, chỉ bảo, giúp em hoàn thành bản đồ án này Xin gửi lời cảm ơn tới

các Thầy, Cô giáo trong bộ môn thông tin quang, khoa viễn thông I, đặc biệt là

Thầy giáo TS Bùi Trung Hiếu, trưởng bộ môn thông tin quang, đã hết sức tạo

điều kiện giúp đỡ em trong thời gian làm đồ án

Hà Đông 24 ngày 10 tháng 10 năm 2005

Sinh viên Nguyễn Thành Chung

Mục lục

Mục lục i

CHƯƠNG I 3

TổNG QUAN Về Hệ THốNG WDM 3

1.1 Giới thiệu chung 3

1.1.1 Khái quát về WDM 3

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống tách/ghép kênh quang 4

1.1.3 Đặc điểm của hệ thống WDM 6

1.1.3.1 Tận dụng tài nguyên 6

1.1.3.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu 6

1.1.3.3 Nhiều ứng dụng 7

1.1.3.4 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện 7

1.1.3.5 Kênh truyền dẫn IP 7

1.2 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM 7

1.2.1 Suy hao xen 7

1.2.2 Suy hao xuyên kênh 8

1.2.3 Độ rộng kênh và khoảng cách kênh 9

1.2.4 Số l−ợng kênh 10

1.3 ứng dụng WDM 11

CáC THàNH PHầN TRONG Hệ THốNG WDM 14

Giới thiệu chung 14

2.1 Bộ phát quang 14

2.1.1 Yêu cầu đối với nguồn quang trong WDM 15

2.1.2 Nguyên lí Bragg 16

2.1.3 LASER hồi tiếp phân bố (DFB) 17

2.1.4 LASER phân bố phản xạ Bragg (DBR) 18

2.2 Bộ tách quang và bộ ghép quang 19

2.2.1 Bộ lọc Mach-Zender 19

2.2.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc Mach-Zender 19

2.2.1.2 Một số đặc tính của bộ lọc quang Mach-Zender 21

2.2.1.3 Bộ lọc quang khả chỉnh 26

2.2.2Bộ lọc Fabry-Perot 28

2.2.2.1 Mở đầu 28

2.2.2.2 Một số tham số của bộ lọc Fabry-Perot 29

2.2.2.3 Bộ lọc Fabry-Perot khả chỉnh 32

2.2.2.4 Mắc nối tầng các bộ lọc Fabry-Perot 35

2.2.3 Bộ tách kênh trong miền không gian 37

2.2.3.1 Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc 37

2.2.3.2 Cách tử nhiễu xạ 38

2.2.3.3 Cách tử phản xạ Bragg 44

a Cách tử phản xạ Bragg sợi 44

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

2.3.3.4 Bộ lọc quang âm phản xạ Bragg 47

2.3 Bộ khuếch đại quang 48

2.3.1 Sự cần thiết sử dụng các bộ khuếch đại quang 48

2.3.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA 49

2.4 Bộ thu quang 52

2.5 Sợi quang 52

Chương iii 54

Một số vấn đề công nghệ then chốt 54

3.1 ổn định bước sóng của nguồn quang 54

3.2 ảnh hưởng của tán sắc sợi quang đối với truyền dẫn 55

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

3.2.3 Phương pháp bù tán sắc PDC 58

3.2.4 Phương pháp bù tán sắc bằng Pre-chirp (dịch tần trước) 59

3.3 ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến đến truyền dẫn 59

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 63

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 64

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 như một số dịch vụ khác đã tạo ra một sự bùng nổ

nhu cầu về dung lượng Điều này đặt lên vai những nhà cung cấp dịch vụ đường

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 nhưng vẫn còn rất hạn chế Trong

thực tế, tốc độ của tín hiệu TDM thường nhỏ hơn hoặc bằng 10Gb/s Do ảnh

hưởng của hiện tượng 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 lượng hệ thống không đảm bảo Để thích ứng với sự tăng trưởng

không ngừng đó và thoả mãn yêu cầu tính linh hoạt của mạng, các công nghệ

truyền dẫn khác nhau đã được nghiên cứu, triển khai thử nghiệm và đưa vào ứng

dụng, trong số đó phải kể đến công nghệ WDM, OTDM, Soliton… Phương pháp

ghép kênh theo bước 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 bước sóng WDM nâng cao dung lượng truyền

dẫn của hệ thống mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bước

sóng Do đó, WDM chính là giải pháp tiên tiến trong kĩ thuật thông tin quang,

đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn và cả những yêu cầu về chất lượng truyền dẫn

của hệ thống

1.1.1 Khái quát về WDM

Trong hệ thống WDM, tín hiệu điện của từng kênh quang được điều chế với

các sóng mang quang khác nhau Sau đó, chúng được 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 bước sóng khác nhau Mỗi kênh này được

đưa đến một máy thu riêng Công nghệ WDM cho phép khai thác được 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

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 bước sóng có thể sử dụng là 1500 nm – 1600 nm,

tương 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 lượng 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 như 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 được biết đến từ những năm 1980, khi mà hệ thống

quang đã được bắt đầu thương 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 bước 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 được nhiều nước trên

thế giới quan tâm nghiên cứu Hiện nay, kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng đã

được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới ở nước ta, Tổng công ty bưu chính

viễn thông Việt Nam quyết định nâng cấp tuyến truyền dẫn Bắc Nam bằng giải

pháp ghép kênh theo bước 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 hướng ghép

Tại mỗi bộ phát, tín hiệu điện của mỗi kênh quang được điều chế với sóng

mang quang có độ rộng phổ rất hẹp Tín hiệu quang tại đầu ra của mỗi bộ phát

có bước sóng khác nhau là λ1, λ2 λn Các kênh quang này được 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 được thành các kênh khác nhau Mỗi kênh này tương ứng với một bước

sóng Mỗi kênh được đưa 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 phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang một

hướng, tức là tín hiệu được ghép tại một đầu và tách tại đầu kia, tín hiệu truyền

trên sợi quang theo một hướng Ngoài ra người ta có thể thực hiện truyền dẫn

ghép bước sóng quang hai hướng trên cùng một sợi quang như hình 1.3

Trong hệ thống truyền dẫn hai hướng, n kênh quang có bước sóng λ1…λn

được ghép lại và truyền đi theo một hướng, n kênh quang khác có bước sóng

λn+1…λ2n được ghép lại và truyền đi theo hướng ngược lại trên cùng sợi quang

Phương pháp này yêu cầu rất nghiêm ngặt về độ rộng phổ của từng kênh và chất

lượng của bộ tách kênh

Trong hệ thống mà các bước sóng của các kênh quang cách xa nhau, thường

thuộc các cửa sổ khác nhau, được gọi là ghép thưa SWDM (Sparse Wavelength

Division Multiplexing) Hệ thống có khoảng cách giữa các kênh quang rất nhỏ,

các kênh quang có bước sóng gần nhau được 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 lượng 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 lượng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn bước sóng

đơn tăng từ vài lần tới hàng trăm lần, từ đó tăng dung lượng của sợi quang, hạ giá

thành hệ thống Hiện nay, dải tần truyền dẫn có suy hao thấp của sợi quang mới

chỉ được 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 bước sóng truyền dẫn trong sợi

quang đơn mode và có thể truyền dẫn hoàn toàn song công Do vậy, khi truyền

dẫn thông tin đường dài với dung lượng lớn, có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi

quang Thêm vào đó là khả năng mở rộng dung lượng cho hệ thống quang đã xây

dựng Chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công suất tương đối lớn thì có thể tăng thêm

dung lượng 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 bước 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

tương tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phương 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 như

trong mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ nhiều

đường, 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 tương ứng

của nhiều linh kiện quang điện tăng lên theo nhưng không đáp ứng được 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 lượng lớn

1.1.3.5 Kênh truyền dẫn IP

Ghép kênh bước 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 phương thức điều chế tín hiệu xét trên

phương diện điện Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển

mạng lí tưởng, là cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng mới (ví dụ như

IP…) Chỉ cần dùng thêm một bước sóng là có thể tăng thêm một dịch vụ mới

hoặc dung lượng 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 được xác định là lượng 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 người thiết kế tuyến phải tính

cho vài dB ở mỗi đầu Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với

các bộ tách/ghép hỗn hợp (MUX/DMUX) nhưng cần lưu ý trong WDM là xét

cho một bước sóng đặc trưng Suy hao xen được xác định như sau:

- Đối với OMUX:

) (

) ( lg 10

i i

i i

I

O L

) ( lg 10

i

i i i

I

O L

λ

λ

ư

Trong đó: I(λi) và O(λi) tương 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 được 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 bước 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

bước sóng thứ i có bước sóng λi sang các kênh có bước sóng khác với λi.Ngày cả

trong trường hợp ghép kênh hoàn hảo,ở các bộ tách ghép thực tế luôn có hiện

tượng rò công suất tín hiệu từ một kênh sang kênh khác.Hiện tượng này gọi là

Trong thực tế luôn tồn tại hiện tượng xuyên kênh và làm giảm chất lượng

truyền dẫn Người ta đưa ra tham số suy hao xuyên kênh để đặc trưng cho khả

i

U D

I

λ λ

Trong trường hợp lý tưởng, tại cửa ra thứ i chỉ có bước sóng λi, nhưng do có

hiện tượng xuyên kênh, tại cửa ra thứ i có tín hiệu rò từ các kênh khác Ui(λk) và

Pi (λj ) là công suất tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λk và λj tại cửa ra

thứ i Trong thiết bị ghép/tách kênh hỗn hợp, việc xác định suy hao xuyên kênh

cũng được áp dụng như bộ tách kênh ở trường hợp này phải xem xét cả hai loại

xuyên kênh, xuyên kênh đầu gần và xuyên kênh đầu xa (hình 1.4) “Xuyên kênh

đầu xa” là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra Ví dụ, Ui(λk)

là xuyên nhiễu do kênh quang có bước sóng λk tại đầu ra thứ i “Xuyên kênh đầu

gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra Ví dụ, Pi (λj ) là xuyên nhiễu do

kênh Ij (λj ) gây ra trên kênh ra thứ i Khi đưa ra sản phẩm, các nhà chế tạo cũng

phải cho biết suy hao kênh đỗi với từng kênh của thiết bị

1.2.3 Độ rộng kênh và khoảng cách kênh

Độ rộng kênh (∆λi ) là dải bước sóng được định ra cho từng kênh quang Độ

rộng kênh bằng tổng độ rộng phổ của nguồn và khoảng phòng vệ của kênh Bước

sóng trung tâm của nguồn quang phải nằm giữa dải bước sóng này Khoảng cách

Khoảng cách kênh

Độ rộng kênh

P

kênh là khoảng cách giữa hai bước 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 thường 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 lượng kênh

Trong hệ thống WDM, mỗi bước sóng được coi tương ứng với một kênh

quang Số lượng kênh bằng số lượng các bước sóng được 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 Như trên đã nói, để tránh hiện tượng 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 lượng kênh

tối đa của hệ thống WDM là:

i

n

λ λ

λ λ

λ

''

Trong các hệ thống điện, chất lượng bộ lọc rất tốt nên khoảng bảo vệ (∆’’λi)

thường nhỏ hơn độ rộng phổ của kênh Nhưng trong hệ thống quang, do hạn chế

của bộ lọc nên khoảng bảo vệ (∆’’λi) yêu cầu rất lớn ∆’’λi thường được yêu cầu

lớn gấp bốn lần ∆’λi Theo khuyến nghị của ITU-T, độ rộng kênh khoảng

100GHz Hiện nay một số nước đã sản xuất được hệ thống thông tin quang

WDM có ∆λi = 50GHz mà vẫn đảm bảo chất lượng

Băng thông sử dụng cho hệ thống WDM (∆λ) nằm trong vùng cửa sổ suy

hao thấp của sợi quang Băng thông này cũng được tính ở mức suy hao 3 dB

Trong thực tế ta không thể sử dụng được 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 lượng kênh truyền trên sợi quang Băng thông của EDFA thường là

30ữ35nm, ngay cả khi sử dụng các công nghệ làm phẳng phổ khuếch đại Một số

yếu tố khác cũng hạn chế số lượng 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 lượng kênh càng lớn thì dung lượng truyền

dẫn càng tăng, nhưng hệ thống cũng trở nên phức tạp, yêu cầu chất lượng của

các thành phần trong hệ thống cao hơn và phải đặc biệt quan tâm đến hiện tượng

xuyên kênh, suy hao do thiết bị WDM gây ra Đối với một dung lượng định

trước, việc tăng số lượng kênh sẽ làm giảm số sợi sử dụng hoặc tốc độ truyền dẫn

nền Đây là mối tương 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 được ứng dụng rất nhiều cho các tuyến truyền dẫn

cáp sơi quang đường dài trong lục địa, xuyên lục địa, các tuyến quang biển nội

vùng cũng như liên vùng, các tuyến quang xuyên châu lục… Nó được lựa chọn

như một giải pháp duy nhất mà cho hiệu quả cao cả về mặt kĩ thuật cũng như

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…) Dưới 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 như một mạng khu vực và có thể dự phòng cho các

mạng lân cận như mạng nội vùng Malaysia, mạng SEA-ME-WE 3 mở rộng Để

đáp ứng mục tiêu này, người ta đã phân bổ một số bước sóng đảm bảo việc dự

phòng và một số bước 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 lương của tuyến này là 8 x 2,5 Gbps, sử dụng công

nghệ WDM truyền đồng thời 8 bước sóng (mỗi bước sóng mang dung lượng 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

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

Palau (Quần đảo Caroline)

Guam (USA)

Indonesia

Malaysia Brunei

Philippin

e

Hình 1.6 Tuyến thông tin quang BIMPP-GUAM

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 và Nhật Bản sử dụng một bước sóng riêng với dung lượng 2,5 Gbps nhằm

đảm bảo sự truy cập độc lập tới Bắc Mĩ Đồng thời, tuyến này có thể có thêm

một số bước 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)

Guam (USA)

Nhật Bản Trung Quốc

Hình 1.9 Tuyến thông tin quang NPC2

CHƯƠNG 2 CáC THàNH PHầN TRONG Hệ THốNG WDM

Giới thiệu chung

Các thành phần trong hệ thống WDM cần phải được chuẩn hóa Thông

thường các kênh khác nhau (bước sóng khác nhau) trong hệ thống WDM phải

được truyền dẫn như 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 lượng và đáp ứng

yêu cầu của hệ thống Các tham số của thiết bị như suy hao xen, suy hao trở về,

tán sắc, phân cực phải được đo trên toàn dải băng thông của hệ thống WDM Các

thành phần quang có thể được đo kiểm tốt tại nhà máy, nhưng 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 hưởng lẫn nhau Kết quả là chất lượng của

hệ thống không đảm bảo ngay cả khi các thành phần riêng lẻ của hệ thống hoạt

động tốt Như vậy các thành phần thiết bị phải tương thích với nhau và được lựa

chọn cẩn thận khi đưa 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

Trước đây các bộ phát quang bao gồm thiết bị điện và thiết bị quang riêng

biệt, nhưng hiện nay bộ phát quang được 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 được các yêu cầu về điều chế tốc độ cao và cải thiện

được độ tin cậy của thiết bị Khi nhìn từ quan điểm thiết kế hệ thống người ta

thường coi chúng như một hộp đen có chức năng chuyển đổi điện sang quang

Hiện tại có hai loại nguồn quang dang được 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 được nghiên cứu, các nguồn quang này có ưu 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 bước sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho một hệ

thống WDM hoạt động tốt Nói chung, bước sóng đầu ra luôn bị dao động do

các yếu tố khác nhau như nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện

Ngoài ra, để tránh xuyên nhiễu cũng như tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách

đúng bước sóng thì nhất thiết độ ổn định tần số phía phát phải thật cao

- Độ rộng đường phổ hẹp: Độ rộng đường phổ được định nghĩa là độ rộng

phổ của nguồn quang tính cho bước cắt 3 dB Để có thể tăng nhiều kênh trên một

dải tần cho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng

đường 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 lượng Muốn đạt được điều

này thì nguồn phát laser phải là nguồn đơn mode (như các loại laser hồi tiếp

phân bố, laser hai khoang cộng hưởng, laser phản hồi phân bố)

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

cho đến khi dòng định thiên cao hơn giá trị dòng ngưỡng Ith, công suất đầu ra tỉ

lệ với (I - Ith) với I là dòng định thiên Do đó, dòng ngưỡng thấp hơn cho phép

dòng định thiên nhỏ hơn đối với cùng một công suất đầu ra Nhưng quan trọng

hơn là nếu dòng ngưỡng 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 như giảm bớt được

công suất nền không mang tin và tránh cho máy thu chịu ảnh hưởng của nhiễu

nền (phát sinh do có công suất nền lớn) Nếu công suất nền gửi trên đường

truyền quá lớn sẽ không có lợi cho hệ thống, vì như đã biết công suất quang

truyền dẫn trên sợi (tổng công suất của các bước sóng ghép) càng lớn thì ảnh

hưởng của hiệu ứng phi tuyến càng lớn, sẽ ảnh hưởng xấu tới chất lượng hệ thống

- Khả năng điều chỉnh được bước 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 được bước 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 được mức BER

thấp trong truyền thông số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt

Trên cơ sở các yêu cầu nói trên, người ta tiến hành nghiên cứu, triển khai

thực nghiệm và đưa vào ứng dụng các loại nguồn quang mà có thể đáp ứng được

phần nào hoặc toàn bộ các yêu cấu khắt khe đó Các loại nguồn quang đó được

trình bày chi tiết trong phần (2.1.2), (2.1.3) dưới đây

2.1.2 Nguyên lí Bragg

Phản xạ Bragg là ở trên mặt tiếp giáp của 2 loại phương tiện có phản xạ

mang tính chu kỳ, khi được 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 (như 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 tương ứng thì sóng quang có

bước sóng λusẽ can thiệp cùng với sóng quang phản xạ

Dựa vào nguyên lí này mà người 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 lưới quang phân bố khoảng cách theo chiều dọc đều nhau,

hình thành phối ghép quang Chu kỳ A của lưới quang gọi là cự ly lưới Kết cấu

chu kì này nằm luôn trong hốc cộng hưởngLaser 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 lượng tương ứng với quang tử Những quang tử này bị

một sợi lưới quang ở bề mặt lớp có nguồn phản xạ, giống như hình 2.1, chỉ khác

là trong sự phân bố phản hồi Bragg của laser DFB có θ = π/2, công thức (2.2)

Tín hiệu quang có bước sóng thoả mãn công thức trên mới được phản xạ

mạnh và được khuếch đại đủ lớn, các bước 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 thường m = 1, khi đó λn = 2A được gọi là bước 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 ưu 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 hưởng kiểu nhỏ, đối với bước

sóng có tính lựa chon tốt làm cho giới hạn tăng ích của mode chính và mode

biên tương đối lớn, từ đó được dải phổ nguồn quang rất hẹp so với laser F-P

- Tính ổn định của bước sóng tốt: Vì lưới quang trong laser DFB có giúp

cho việc chốt trên bước sóng cho trước, trôi nhiệt của 0,8 Αo /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 lưới phản xạ nằm ngoài hốc cộng hưởng Với sự khác

biệt này, phần điều khiển hốc cộng hưởng LASER và phần điều khiển tần số

theo nguyên lí Bragg là hoàn toàn độc lập

Hình2 3 Kết cấu LASER DBR

Phần phản xạ Bragg Vùng hoạt tính

Hưóng dọc

Điều khiển hốc cọng hưởng

Điều khiển tần

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 laser DFB chỉ có một số điểm khác biệt nhỏ cần lưu 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 bước sóng riêng, những tia sáng này

được ghép lại và truyền vào sợi quang Thiết bị thực hiện chức năng này gọi là

bộ ghép (Multiplexer hay MUX) Ngược lại, phía thu có một thiết bị thực hiện

tách tín hiệu quang thu được thành các kênh quang có bước sóng khác nhau để

đưa 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 được 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

bước sóng nào cũng có thể làm bộ tánh bước sóng và ngược lại

Bộ tách quang và bộ ghép quang được cấu tạo từ bộ lọc quang và coupler

quang Các bộ lọc hiện nay hay được sử dụng gồm bộ lọc cộng hưởng

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 được trình bày ở các phần dưới 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 đường khác nhau Hình 2.4 là cấu trúc của

bộ lọc Mach-Zender Bộ lọc được 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 bước sóng cuả bộ lọc

Nền Si

Hình 2.5 Cấu tạo bộ lọc Mach-Zender được sản xuất theo

công nghệ tích hợp quang

Nguyên lí hoạt động của bộ lọc như sau Tín hiệu WDM được đưa vào cổng

1 của bộ lọc Khi qua coupler 3dB thứ nhất, ánh sáng được tách ra thành hai

luồng đi vào hai nhánh khác nhau của thiết bị Sau đó, chúng được kết hợp lại tại

coupler 3dB thứ hai Tín hiệu WDM gồm nhiều bước sóng khác nhau Khi đi qua

bộ trễ, mỗi bước sóng có một độ trễ riêng Kết quả là tại coupler 3dB thứ hai, hai

tín hiệu đi theo hai nhánh khác nhau có độ lệch pha là một hàm phụ thuộc vào

bước sóng Tại bước sóng có độ lệch pha này bằng 0 sẽ có công suất ra lớn nhất

Các bước sóng khác có độ lệch pha khác 0 cho công suất đầu ra nhỏ

Trong thực tế thiết bị lọc quang Mach-Zender thường được 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 được tạo thành từ hai coupler quang 3dB và hai ống dẫn sóng quang Tất

cả được tích hợp trên nền Silic Quá trình tích hợp ống dẫn sóng SiO2 trên nền

Silic sẽ được miêu tả chi tiết ở phần sau

l

Trễ

Coupler 3dB 2x2

Coupler 3dB 2x2

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

lượt là ma trận truyền tương ứng với 3 thành phần trên Như vậy ma trận truyền

đạt của bộ lọc là:

( ) ( ) ( ) ( )

. L eff

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 trường điện từ của bộ lọc là:

2 31

2 41

2 2

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

T41(f) = P41(f)= cos2(πτf )=cos2( L eff

f c

T31(f)= P31(f) = sin2(π τf ) = sin2( 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 được xác định bởi:

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

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

π ∆ ) = cos2(π τf m) Trong đó ∆L eff m, là độ chênh lệch về chiều dài quang học giữa 2 nhánh của

bộ lọc Mach-Zender thứ m và ∆L m thoả mãn:

2

m m

v L

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

Hàm truyền đạt của bộ lọc chung là:

π π

Hình 2.6 là trường hợp riêng M=4 và cần tách một kênh quang từ luồng

tín hiệu WDM 16 kênh Từ hình vẽ cho ta thấy, khi qua tầng lọc thứ nhất các

0,4,8,12 được cho qua Khi qua tầng lọc thứ ba các kênh 0 và 8 được cho qua Và

khi qua tầng lọc thứ 4 chỉ có duy nhất kênh 0 được cho qua Hàm truyền đạt

công suất của hệ thống được biểu diễn như hình 2.6C

Hình 2.7 là đồ thị hàm truyền công suất của thiết bị lọc gồm nhiều bộ lọc

Mach-Zender được nối tầng trong trường hợp M=2, 3, 4

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

Hiện nay công nghệ tích hợp quang rất phát triển, có thể chế tạo chuỗi

Mach-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 bị gồm 7 bộ lọc quang Mach-Zender 2x2 mắc nối tiếp, có giá trị ∆L

tương ứng là: 10mm, 5mm, 2,5mm, 1,25mm, 0,63mm, 0,31mm, 0,16mm Các

bộ lọc được tích hợp trên nền Silic có kích thước 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

2.2.1.3 Bộ lọc quang khả chỉnh

a Giới thiệu chung

Bộ lọc quang khả chỉnh thực hiện chức năng lựa chọn bước 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, nhưng 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 được lựa chọn là lớn

2 Xuyên nhiễu giữa các kênh phải nhỏ nhất

3 Tốc độ điều chỉnh lớn

4 Có khả năng ổn định khi các điều kiện môi trường

xung quanh thay đổi (nhiệt độ, độ ẩm )

5 Giá thành thấp

b Bộ lọc quang Mach-Zender khả chỉnh

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

T(f)=cos2(π f.∆Leff /c) = cos2(2π f /c n∆L/2)

Bộ lọc sẽ đưa ra kênh có bước sóng thoả mãn:

f1 f2 f3 f4 frequency

Do đó, bước sóng trung tâm của bộ lọc là một hàm của chiết suất ống dẫn

sóng n và độ chênh lệch chiều dài hai ống dẫn sóng ∆L Vì ∆L là cố định nên

muốn tạo thành bộ lọc khả chỉnh, cần thay đổi chiết suất ống dẫn sóng

Có 2 phương 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 được 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 lượng:

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 bước sóng λ=1550 nm thì pha tăng lên tương ứng là π Năng lượng

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 tương 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 được 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 trước trong

chuỗi Chất nền Si có tác dụng như một bộ tản nhiệt, ổn định nhiệt độ cho thiết bị

Bộ lọc Mach-Zender khả chỉnh dựa trên hiệu ứng điện quang được 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, nhưng 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 hưởng được tạo

thành từ 2 gương 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 hưởng đến chất lượng thiết bị Song trong mục này

ta chỉ tập trung vào khoang cộng hưởng Hình 2.10 chỉ ra cấu trúc cơ bản của bộ

lọc Fabry-Perot

Trong hình vẽ chỉ đưa ra một mặt của lớp thuỷ tinh tạo nên gương phản xạ

của khoang cộng hưởng Mặt còn lại của hai lớp thuỷ tinh này cũng có thể gây

phản xạ và tạo ra cộng hưởng tại các bước sóng không mong muốn Để tránh

hiện tượng 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 được đưa vào khoang cộng hưởng Sau một số lần

phản xạ liên tiếp trên hai bề mặt gương của khoang cộng hưởng, ánh sáng được

đưa đến đầu ra Gọi x là chiều dài khoang cộng hưởng, nếu bước sóng λ thoả

mãn:

Trong đó n là chiết suất khoang cộng hưởng

i là số nguyên và được gọi là bậc cộng hưởng

thì kênh tín hiệu tại bước sóng λ được cộng hưởng Công suất đầu ra của kênh

này rất lớn Với các kênh quang có bước sóng không thoả mãn điều kiện này thì

công suất bị giảm

2.2.2.2 Một số tham số của bộ lọc Fabry-Perot

* Hàm truyền đạt

Giả sử hai gương có hệ số phản xạ bằng nhau và bằng R Do đó cường độ

trường của tín hiệu phản xạ bằng R lần cường độ trường 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 hưởng đến sợi quang đầu ra và

bằng A

Gọi Ei là biên độ trường ánh sáng đầu vào, khi qua gương thứ nhất cường độ

trường là 1 ưA R Eư i Phần công suất còn lại tại bị mất dưới dạng nhiệt hoặc do

phản xạ Giả sử khi ánh sáng truyền qua khoang cộng hưởng không bị suy hao,

và bị trễ pha một lượng bằng βx (với β là hệ số truyền)

Khi ánh sáng đến gương G2, độ lớn trường 1 ưA R Eư i.e-j βx Một phần ánh

sáng có độ lớn trường (1-A-R)Ei.e-j β x được đưa đến đầu ra, phần còn lại có độ lớn

trường 1 ưA R Eư i R.e-jβx bị phản xạ trở lại Quá trình tiếp tục như vậy và ta

được chùm ánh sáng đầu ra thứ hai có độ lớn trường là

(1-A-R)R.Eie-j3 β x Chùm ánh sáng tiếp tục phản xạ trên hai mặt gương và

cho công suất đến sợi quang đầu ra giảm dần Công suất tín hiệu tại lần ra thứ m:

Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc là:

Hàm truyền đạt của bộ loc Fabry-Perot là hàm tuần hoàn Dải phổ tự do

FSR bằng chu kì của hàm và đ−ợc xác định nh− sau:

Độ mịn của bộ lọc Fabry-Perot được 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 trưng cho độ hẹp của đỉnh hàm truyền đạt và được xác định như

Một bộ lọc Fabry-Perot đơn có số kênh tối đa là 0,65F Khi muốn tăng số

lượng kênh, người ta có nhiều hướng cải thiện khác nhau Ví dụ, dùng bộ lọc đa

khoang cộng hưởng hoặc bộ lọc đa đường (multipass)

A R

năng điều chỉnh được tăng lên) thì hệ số phản xạ R của gương phải lớn Ngoài ra

để tránh mất mát do suy hao hoặc phản xạ thì hai gương rất phẳng và đặt song

song nhau

2.2.2.3 Bộ lọc Fabry-Perot khả chỉnh

Theo công thức (2-23), đỉnh hàm truyền đạt tại vị trí có tần số thoả mãn:

4 2

f m

π τ

điều chỉnh L hoặc n Khi cần điều chỉnh từ bước sóng λ sang một bước sóng mới

Trong trường hợp cần điều chỉnh L, người ta thường sử dụng tinh thể áp

điện và nguồn điện ngoài

Bộ lọc Fabry-Perot khả chỉnh dùng tinh thể áp điện thường hay sử dụng có

cấu trúc như hình 2-12 Khoang cộng hưởng được tạo thành từ hai đầu sợi quang

đặt gần nhau Hai đầu sợi quang đóng vai trò là hai gương phản xạ Hai lớp tinh

thể áp điện được gắn vào hai đầu sợi quang như hình vẽ

Khi tăng điện áp đặt vào hai lớp tinh thể áp điện một lượng ∆v, thì chiều

dài lớp tinh thể áp điện tăng lên một lượng ∆L, xác định theo công thức:

Hình 2-12 Cấu trúc bộ lọc Fabry-Perot khả chỉnh

Tinh thể áp điện

L

∆ = = ( 2-34)

Như vậy khi muốn thay đổi bước sóng trung tâm bộ lọc từ λ lên λ+∆λ thì

cần tăng điện đặt vào tinh thể áp điện một lượng ∆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, bước sóng trung tâm của bộ lọc trước khi điều chỉnh λ=1,5àm Điện

áp đặt vào tinh thể cần thay đổi một lượng:

∆v=∆λ/kλ=1/(1500.10-2)=6,67(V)

* Điều chỉnh băng thông bộ lọc bằng cách điều chỉnh chiết suất khoang

cộng hưởng n

Trong trường hợp cần điều chỉnh chiết suất n của khoang cộng hưởng,

người ta sử dụng các vật liệu điện quang lấp đầy khoang cộng hưởng 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 được 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 hướng 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

tương tự như bộ lọc thường, nhưng khoang cộng hưởng 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 lượng kênh trong hệ thống WDM tăng lên (do nhu cầu dung lượng

tăng), yêu cầu độ mịn F hiệu dụng của bộ lọc tăng lên Có nhiều phương pháp để

tăng F của bộ lọc Thứ nhất, ta cải thiện chất lượng thiết bị như điều chỉnh hai

gương bộ lọc rất song song nhau và tăng hệ số phản xạ R của gương Thứ hai có

thể mắc nối tầng nhiều bộ lọc liên tiếp Phương án thứ hai hiệu quả và đơn giản

hơn phương án thứ nhất

Trong phần này ta sẽ nghiên cứu các phương pháp thực hiện trong phương

án hai, gồm dùng nhiều khoang cộng hưởng và cho tia sáng qua cùng một

khoang cộng hưởng nhiều lần Hình 3.13A chỉ ra đường đi của tia sáng qua hệ

thống bộ lọc Tia sáng được đi qua cùng một khoang cộng hưởng hai lần Do đó

hàm truyền đạt công suất của bộ lọc này bằng bình phương hàm truyền đạt công

suất của bộ lọc đơn

T(f)=

2 1 2 2

Trong phương pháp dùng nhiều khoang cộng hưởng mắc nối tiếp (hình

3.13B), độ mịn của 2 khoang cộng hưởng được 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 tương đương của bộ lọc là F = max (k,l)Fo

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

đạt công suất của một khoang cộng hưởng lấy làm chuẩn (để đối chiếu) có F=10

FSBB=1/3.FSR Hình 2.14C là đặc tính truyền đạt công suất của khoang cộng

hưởng thứ 2 có Fc=F=10, FSRc=1/4.FSR Bộ lọc gồm 2 khoang cộng hưởng 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 hưởng thứ hai, nhưng FSR tăng lên 4 lần so với khoang

cộng hưởng thứ hai Do đó, sđộ mịn F của bộ lọc F=4F=max(3,4)F

Trong trường hợp nối tầng nhiều khoang cộng hưởng ta cần phân biệt 2

trường hợp:

- Khi k,l là hai số nguyên liên tiếp ((k,l) vẫn đảm bảo nguyên tố cùng nhau)

thì bộ lọc đó được gọi là bộ lọc hai khoang vernier (như ví dụ trên)

TD(f)

- Khi k,l chênh lệch nhau rất lớn thì bộ lọc đó đ−ợc 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 đ−ợc 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