HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI

LỜI NÓI ĐẦU

PHẦN I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI

1.2 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.2.1 Phân loại theo dạng tín hiệu

1.2.2 Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệuquang

1.2.3 Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn

1.3 CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.3.1 Sợi quang

1.3.2 Thiết bị phát quang

1.3.3 Thiết bị thu quang

1.3.4 Các trạm lặp

1.3.5 Các trạm xen/rẽ kênh

1.4 CÁC THAM SỐ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

a Các tham số điện quang

b Các tham số quang

c Độ tổn hao của tuyến

d Độ rộng băng tần của tuyến

1.5 GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI SỢI QUANG MỚI

a Nguyên tắc tạo sợi quang mới

b Các loại sợi quang mới

PHẦN 2 - CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM CHƯƠNG I: CƠ SỞ KỸ THUẬT WDM

I.1 Giới thiệu

I.2 Các công nghệ dùng trong mạng thông tin quang

.2.1 TDM (Time Division Multiplexing)

I.2.2 SONET/SDH

I.2.3 Gigabit Ethernet

I.3 Hệ thống thông tin quang nhiều kênh

I.4 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM

I.4.1 Định nghĩa

I.4.2 Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng

a Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi

b Truyền dẫn hai chiều trên một sợiI.4.3 Mục đích

I.5 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ WDM

CHƯƠNG II: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDM

I CÁC THIẾT BỊ WDM VI QUANG

I.1 Các bộ lọc trong thiết bị WDM

a Bộ tách hai bước sóng

b Bộ tách lớn hơn hai bước sóng

c Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (MUX-DMUX)I.2.Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc

I.2.1 Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc gócI.2.2 Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc

II CÁC THIẾT BỊ WDM GHÉP SỢI

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

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

III.1.1 Nguyên lý chungIII.1.2 Bộ ghép nhân kênh dùng cách tửIII.1.3 Ứng dụng thiết kế bộ ghép n bước sóngIII.2 AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM

CHƯƠNG 3:NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

a khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệthống, cụ thể là

b khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảngcách này là

II VẤN ĐỀ ỔN ĐINH BƯỚC SÓNG CỦA NGUỒN QUANG VÀ YÊU CẦU ĐỘ RỘNG PHỔ CỦA NGUỒN PHÁT

a) Ổn định bước sóng của nguồn quang

b) Yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phát

III XUYÊN NHIỄU GIỮA CÁC KÊNH TÍN HIỆU QUANG

IV SUY HAO - QUỸ CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG WDM

V TÁN SẮC - BÙ TÁN SẮC

VI ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN

VI.1 Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering)

VI.2 Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering)

VI.3 Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation)

VI.4 Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation)

VI.5 Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing)

VI.6 Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

VII BỘ KHUẾCH ĐẠI EDFA VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ KHI SỬ DỤNG EDFA TRONG MẠNG WDM

VII.1 Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA

VII.2 Tăng ích bằng phẳng của EDFA

VII.3 Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA

PHẦN 3 - TRIỂN KHAI TRUYỀN DẪN WDM TRÊN TUYẾN CÁP QUANG TRỤC BẮC NAM

3.1 DỰ BÁO NHU CẦU VỀ DUNG LƯỢNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG

3.1.2 Kết quả dự báo nhu cầu phi thoại giai đoạn 2006 – 2010

3.1.3 Kết luận

3.2 KHẢO SÁT CẤU HÌNH CĂP QUANG TRỤC BẮC NAM

3.2.1 Cấu hình tuyến

3.2.2 Kết nối giữa các Ring – Cấu hình dự phòng

3.3 THAM KHẢO MẠNG ĐƯỜNG TRỤC (BACK BONE NETWORK)

3.4 ĐỀ XUẤT LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TĂNG DUNG LƯỢNG

3.4.1 Phương án 1: Tăng dung lượng bằng ghép kênh TDM

3.4.2 Phương án 2: Tăng dung lượng bằng ghép kênh TDM kết hợpvới ghép 2 bước sóng WDM

3.4.3 Phương án 3: Tăng dung lượng bằng ghép kênh WDM 8 bướcsóng STM – 16

3.4.4 Đánh giá và lựa chọn phương án

3.5 XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN TĂNG DUNG LƯỢNG THEO PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN

3.5.1 Khoảng cách kênh bước sóng được ghép

3.5.2 Giải pháp đói với trạm lặp khi nâng cấp tuyến

3.5.3 Mô hình tham chiếu hệ thống WDM và tính toán các thông số

kỹ thuật cho thiết bị

3.5.4 Đặc điểm lưu lượng và phương án phân bổ bước sóng

3.5.5 Xây dựng cấu hình cụ thể tuyến truyền dẫn Bắc Nam

LỜI NÓI ĐẦU

Dưới sự lãnh đạo của Đảng, toàn Đảng, toàn dân ta đang phấn đấu thi đuathực hiện công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước Bằng việc đi tắt đón đầunhững công nghệ mới, tiên tiến trên thế giới, công nghệ thông tin, điện tử viễnthông là những hướng phát triển tiên phong góp phần đưa đất nước ta hướngtới một xã hội thông tin Nghĩa vụ và trách nhiệm của một sinh viên sắp ratrường thật không nhỏ, vì đối với họ vận hội, và thách thức đang mở ra ở phíatrước

Với nhận thức ấy, quyển đồ án tốt nghiệp này là báo cáo tổng kết mộtphần kiến thức Khoa học Công nghệ về chuyên ngành Điện tử Viễn thông mà

em được đào tạo sau gần 5 năm học tập tại trường Đại học Đồ án trình bày vềcông nghệ mới: công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM(Wavelength Division Multiplexing) và các ứng dụng của nó trong việc pháttriển mạng thông tin quang nhằm tăng dung lượng truyền dẫn của mạng, đápứng được nhu cầu phát triển của các dịch vụ trong tương lai

Chuẩn bị trở thành một kỹ sư, với những kiến thức bổ ích, sâu rộng vềchuyên ngành điện tử - viễn thông như ngày hôm nay, đó là do em đã được sựdìu dắt, giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa công nghệ, các thầy cô giáo tạiĐại Học Bách Khoa Hà Nội, nhất là công lao hướng dẫn của thầy giáo TS

Phạm Văn Bình

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ em rất nhiềutrong qúa trình hoàn thành quyển đồ án này Em mong rằng sẽ nhận được nhiềuđóng góp của các thầy cô và bạn bè cho quyển đồ án, để các nghiên cứu sâuhơn sau này đạt kết quả tốt hơn nữa.Và em cũng rất mong rằng vẫn tiếp tụcnhận được sự dìu dắt và giúp đỡ quý báu đó trong quá trình công tác và học tậpsau khi tốt nghiệp

Sinh viên: Đỗ Đình ngọc

PHẦN I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI.

* Các hệ thống thông tin thực hiện chức năng truyền tin tức từ nơi nàyđến nơi khác Thông tin thường được truyền đi nhờ các sóng mang có tần số cóthể từ vài MHz đến hàng trăm THz Với thông tin quang từ các tần số có mangtải thông tin cao cỡ 100THz, trong dải ánh sáng nhìn thấy hoặc dải hồng ngoại

* Về cơ bản tổ chức hệ thống thông tin quang cũng tương tự như hệthống thông tin khác như vô tuyến, viba, cáp kim loại và vệ tinh chỉ khác ở các

hệ thống con về phía phần quang và môi trường truyền dẫn Một hệ thốngthông tin quang bao gồm: phần phát quang, phần truyền dẫn quang, phần thuquang

Cấu hình hệ thống thông tin quang được mô tả như Hình 1.1

Phần phát quang bao gồm nguồn phát quang và các mạch điều khiểnphát quang

Phần thu quang bao gồm bộ tách sóng quang, mạch khuếch đại điện vàmạch khôi phục tín hiệu

Phần truyền dẫn quang bao gồm sợi quang, các bộ nối, bộ chia, các trạmlặp, các trạm tách và gộp quang

Các nguồn quang cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin cáp sợi quang

có thể là Diode Laser (LD) hoặc Diode phát quang (LED) Tín hiệu quang phát

ra từ LD hoặc LED có các tham số biến đổi tương ứng với biến đổi của tín hiệuđiện vào Tín hiệu điện vào có thể phát ở dạng số hoặc tương tự Thiết bị phátquang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tương ứngbằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang Bước sóng ánh sángcủa nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát Ví

dụ GaalAs phát ra bức xạ vùng bước sóng 800 nm đến 900 nm, InGaAsP phát

ra bức xạ ở vùng 1100 nm đến 1600 nm

Tín hiệu quang sau khi đã được điều chế ở khối nguồn phát sẽ lan truyềndọc theo sợi dẫn quang Trong quá trình lan truyền, tín hiệu quang có thể bị suyhao và méo dạng qua các bộ ghép nối, mối hàn sợi và trên sợi do các yếu tố hấpthụ, tán xạ, tán sắc Độ dài của tuyến truyền dẫn tuỳ thuộc vào mức suy hao sợiquang theo bước sóng

Sợi quang được làm từ SiO2 và có ba cửa sổ truyền dẫn ứng với cácbước sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm Suy hao tại 3 vùng cửa sổ bước sóngtrên là thấp nhất Vì vậy truyền dẫn qua sợi quang chủ yếu là sử dụng các bướcsóng ở cửa sổ này.

Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang bị suy giảm nhiều thìcần phải đặt thêm các trạm lặp quang để khuếch đại tín hiệu trạm lặp gồm cácthiết bị thu, biến đổi quang - điện, khuếch đại điện và biến đổi điện - quang vàtiếp tục truyền vào sợi quang Các trạm lặp này có thể thay thế bằng các bộkhuếch đại quang

Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính và kênhphục hồi Nó tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát,biến đổi thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể Trong phần này thường sửdụng các photodiode PIN hoặc APD Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thuquang là công suất quang phải nhỏ nhất (độ nhạy quang) có thể thu được ở mộttốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít (BER) cho phép

1.2 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG.

1.2.1 Phân loại theo dạng tín hiệu.

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

+ Hệ thống thông tin quang tương tự

+ Hệ thống thông tin quang số

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

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

1.2.2 Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu quang.

Theo nguyên lý điều chế quang ở đầu phát và tách tín hiệu quang ở đầuthu có thể phân chia làm 2 loại hệ thống truyền dẫn quang:

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

+ Hệ thống điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp (IM/DD): ở đầu phátcác tín hiệu điện thực hiện điều chế trực tiếp cường độ bức xạ quang của nguồnquang Phía đầu thu photodiode thực hiện tách sóng trực tiếp tín hiệu quangnhận được thành tín hiệu băng gốc đã truyền đi

1.2.3 Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn.

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

có dung lượng truyền dẫn trung bình tốc độ 34Mb/s, sử dụng trên mạng trungkế giữa các tổng đài, trên mạng thuê bao ISDN và mạng LAN

+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn lớn với tốc độ truyền dẫn đến

a Cấu tạo, phân loại sợi quang.

Sợi quang là những sợi nhỏ trong suốt được chế tạo từ sợi thuỷ tinh hoặcsợi tổng hợp để truyền ánh sáng Cấu trúc của các loại sợi quang cho trongHình 1.2 Tuỳ theo cấu trúc, đặc tính truyền dẫn của sợi quang có thể phân loạisợi quang theo nhiều cách khác nhau

Sợi quang MMGI Đường kính lõi: 30 – 100 Đường kính vỏ: 100 – 150 Đường kính lớp vỏ ngoài: 250 – 1000

Sợi quang SMSI Đường kính lõi: 5 – 10 Đường kính vỏ: 125 Đường kính lớp vỏ ngoài: 250 - 1000

Hình 1.2 Cấu trúc sợi quang

Phân loại theo vật liệu chế tạo sợi quang: sợi quang làm bằng thuỷ tinhthạch anh, sợi quang làm thuỷ tinh hỗn hợp, sợi quang làm bằng chất dẻo

Phân loại theo phân bố chiết suất: chiết suất nhẩy bậc, chiết suất biếnđổi

Phân loại theo mode truyền lan: sợi đơn mode, sợi đa mode [6]

Trong hệ thống thông tin đường trục sợi quang thường được sử dụng làloại sợi đơn mode chiết suất bậc (SMSI) Để có được sợi đơn mode phải thoảmãn điều kiện sau: V < 2.045

1

1'

23

Hình 1.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang

Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượngphản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường trongsuốt có chiết suất khác nhau Khi cho một tia sáng đi từ môi trường có chiếtsuất n1 vào môi trường chiết suất n2 (n1>n2) thì tại mặt phân cách giữa hai môitrường xảy ra hiện tượng phản xạ và khúc xạ như Hình 1.3 Dựa vào hiệntượng phản xạ toàn phần mà ta có thể truyền ánh sáng đi trong lõi sợi quangvới suy hao thấp, ở đây n1 là chiết suất của lõi sợi quang n2 là chiết suất củaphần vỏ sợi quang

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

n1.sint=n2.sink

(1.1)

Khi tăng góc tới t đến một giá trị  0 nào đó thì tia khúc xạ không đivào môi trường có chiết suất n2 mà đi song song với mặt phân cách hai môitrường (tia số 2), góc  0 được xác định tương ứng với k =900, do vậy:

n1.sin 0= n2.sink =n2.sin900= n2  sin 0=n2/n1

(1.2)

 0=arcsin(n2/n1)(1.3)

Nếu tiếp tục tăng góc t> 0 thì chỉ còn tồn tại tia phản xạ và hiệntượng phản xạ toàn phần xảy ra (tia số 3), góc  0 gọi là góc tới hạn Người taứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để truyền ánh sáng trong sợi quang khi

đó ánh sáng truyền trong sợi quang phải phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặtphân cách giữa lõi và vỏ của sợi quang Để biểu diễn và phân tích sự truyềndẫn ánh sáng trong sợi quang người ta có thể sử dụng phương pháp quang hìnhmặc dù nó chỉ mô tả một cách gần đúng hiện tượng Chính xác nhất là sử dụngphương pháp quang sóng song rất phức tạp

Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi chiết suất nhảy bậc cho trong Hình 1.4

Hình 1.4 truyền sóng ánh sáng trong sợi SI

Theo định luật khúc xạ ta có:

n0.sini = n1.sinr

(1.4)

Trong đó n0 là chiết suất của không khí, ilà góc tới, rlà góc khúc xạ,

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

đi vào lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phần và chỉ truyền trong lõi sợi quang màkhông đi ra ngoài Theo công thức 1.3 ta có  0= arcsin(n2/n1) khi đó góc khúcxạ tương ứng với góc tới hạn  0 là r0= 900 -  0 Do vậy góc tiếp nhận i0

tới hạn sẽ thoả mãn điều kiện:

n0.sini0 = n1.sinr0 = n1.sin(900 -  0) = n1.cos 0

=> n0.sini0 = n1.cos(arcsin(n2/n1)) = 2

2 2

1 n

n  = NA(1.5)

Vì chiết suất của không khí n0 = 1, nên:

NA= sini0 = 2

2 2

ra ngoài vỏ sợi quang Như vậy chỉ các tia sáng nào nằm trong hình nón khitruyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phần liên tiếp giữa lõi và vỏ và truyềndọc theo sợi quang theo đường dịch rắc Gọi  là độ lệch chiết suất tương đối

ta có:

=

1

2 1

1

2 1 2 1 2

1

2 2

2 1

n

n n n n

n n n n n

n n

=>NA=n1 2 

(1.8)

c Đặc tính truyền dẫn của sợi quang.

* Các mode trong sợi quang.

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

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

có rất nhiều mode sóng có thể truyền lan Số mode phụ thuộc vào đường kínhlõi sợi quang, vào độ dài bước sóng và mặt mở số NA Ta có thể xác định sốcực đại mode trong sợi quang MMSI theo công thức sau [2]

Nmod = 21 V2(1.9)

2

1 công suất

Các nguyên nhân gây nên hiện tượng tán sắc trong sợi quang có thể liệt

kê như sau:

- Tán sắc vật liệu.

Trong thực tế chế tạo sợi quang chiết suất vật liệu không phải là hằng sốmà là hàm số theo bước sóng mà n = n() Nếu nguồn quang bức xạ phát raánh sáng đơn sắc với duy nhất bước sóng  0 thì không có sự lệch thời giantruyền dẫn giữa các phần của xung ánh sáng, chúng lan truyền cùng vận tốc 

P( )/Pmax 1

0.5



Hình 1.5 Quan hệ P()/Pmax phụ thuộc vào 

Độ dãn xung vl bởi nguồn sáng có độ rộng phổ xác định   với bướcsóng trung tâm  0 là:

Độ dãn xung đối với sợi MM-SI là:

8

- Tán sắc mặt cắt.

Trong thực tế không chỉ chiết suất thay đổi theo  mà độ chênh chiếtsuất vỏ - lõi cũng biến đổi theo  gây tán sắc gọi là tán sắc mặt cắt Độ dãnxung ra do tán sắc mặt cắt phụ thuộc vào loại chất phụ gia trong quá trình chếtạo sợi và phụ thuộc vào nguồn quang

* Suy hao sợi quang

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

- Suy hao trong sợi quang

Là suy hao do bản chất của sợi quang Là tham số đóng vai trò quantrọng trong việc thiết kế hệ thống, xác định khoảng cách giữa phía phát và phíathu Cơ chế suy hao trong sợi quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ vàsuy hao do bức xạ Suy hao sợi thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao  vàđược tính theo công thức sau:

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

- Suy hao do hấp thụ vật liệu.

Hấp thụ trong sợi quang là yếu tố quan trọng trong việc tạo nên bản chấtsuy hao của sợi quang Hấp thụ chủ yếu do ba cơ chế gây như sau:

+ Hấp thụ do tạp chất

+ Hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi

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

- Suy hao do tán xạ.

Do tính không đồng nhất trong lõi sợi gây ra mặc dù rất nhỏ Đó là do

có những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không đồng nhất về cấu trúc hoặccác khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi quang Ánh sáng truyền trong sợiquang bị tán xạ ra các hướng và gây ra tán xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh chỉ có

ý nghĩa khi bước sóng ánh sáng cùng cấp với kích thước của cơ cấu tán xạ Suyhao Rayleigh tỉ lệ nghịch với mũ 4 của bước sóng (4)

Hình 1.6 miêu tả các dạng suy hao trong sợi quang theo bước sóng đốivới sợi quang làm bằng thuỷ tinh thạch anh pha GeO2 Từ đó ta xác định được

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

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

Vùng 2: Suy hao chủ yếu do hấp thụ, có bước sóng trong dải

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

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

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

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

HÊp thô hång ngo¹i T¸n x¹ Rayleigh

HÊp thô cùc tÝm

Sù kh«ng hoµn h¶o cña sîi quang

Hình 1.6 Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suyhao

- Suy hao do uốn cong sợi

Là suy hao ngoài bản chất của sợi Khi bất kì một sợi quang nào bị uốncong theo một bán kính xác định thì sẽ phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi gâynên suy hao tín hiệu Có hai loại suy hao uốn cong là uốn cong vĩ mô và uốn

cong vi mô Hiện tượng suy hao do uốn cong có thể thấy rõ nhất khi góc tới lớnhơn góc tới hạn tại các vị trí sợi bị uốn cong.

+ Uốn cong vĩ mô:

Là uốn cong có bán kính uốn cong tương đương hoặc lớn hơn đườngkính sợi Bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng lớn

+ Uốn cong vi mô:

Là hiện tượng sợi quang bị uốn cong một cách ngẫu nhiên, trường hợpnày hay xảy ra trong lúc sợi quang được bọc thành cáp

1.3.2 Thiết bị phát quang.

Thiết bị phát quang là một bộ phận không thể thiếu của một hệ thốngthông tin quang Nhiệm vụ chính của nó là nhận tín hiệu đầu vào và biến đổithành tín hiệu quang ở bước sóng công tác phù hợp Sơ đồ khối máy phátquang được mô tả qua Hình 1.7

Bé ®iÒu khiÓn

§iÒu chÕ

Nguån quang

Bé nèi quang

T×n hiÖu

®Çu vµo

TÝn hiÖu quang ®Çu ra

Hình 1.7 Các thành phần của một máy phát quang

a Bộ điều khiển.

Thực chất là một mạch điện có chức năng cung cấp một năng lượngđiện cho nguồn quang và chế độ công tác của nó các mạch này thường khá đơngiản đối với các thiết bị phát quang sử dụng diode phát quang (LED) nhưng lạikhá phức tạp đối với các máy phát quang tốc độ cao có sử dụng nguồn quang làbán dẫn laser, bởi vì nguồn phát quang sử dụng bán dẫn laser thì mạch điệnđiều khiển cần cung cấp một thiên áp cố định và mạch ổn định điểm làm việcvà ổn định nhiệt cho laser

b Nguồn quang

Là thành phần chủ yếu nhất của máy phát quang Các nguồn quang được

sử dụng phổ biến là diode phát quang LED và diode laser bán dẫn (LD) Đây lànguồn phát quang có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, độ tin cậy cao,dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương ứng với kích thước lõi sợi vàkhả năng điều chế trực tiếp tại các tần số tương đối cao

Diode phát quang LED là một nguồn phát quang sử dụng rất phù hợpvới các hệ thống thông tin quang có tốc độ bít không quá 200 Mb/s sử dụng sợiquang đa mode Có hai kiểu cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi nhất là cáccấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể kép Căn cứ vào nhiềuyếu tố như năng lượng vùng cấm và bước sóng trong vùng cấm của vật liệu chế

tạo LED mà người ta sử dụng các loại vật liệu khác nhau cho các vùng bướcsóng khác nhau.

Diode laser bán dẫn LD thường được sử dụng trong hệ thống thông tinquang có tốc độ cao như các mạng thông tin đường trục Thực tế sử dụng trong

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

c Bộ điều chế.

Thực hiện điều chế tín hiệu điện nguồn phát quang và tuỳ theo từng hệthống mà sử dụng điều chế IM/DD hoặc sử dụng hệ thống điều chế ngoài

d Bộ nối vào kênh quang.

Thông thường bộ nối vào kênh quang là một hệ thống thấu kính hội tụ

có tiêu điểm hướng tín hiệu quang vào trong sợi cáp quang với hiệu quả lớnnhất có thể

1.3.3 Thiết bị thu quang.

Thiết bị thu quang cũng là một thành phần không thể thiếu được trong

hệ thống thông tin quang Nhiệm vụ chính của thiết bị thu quang là thu tín hiệutrên sợi quang và biến đổi tín hiệu quang đó thành tín hiệu điện ở dạng ban đầu

Do thiết bị thu quang ở vị trí sau cùng của mộ tổ chức truyền dẫn nên nó sẽ thunhận mọi tác động của toàn tuyến đưa tới, vì vậy mà hoạt động của thiết bị thuquang ảnh hưởng tới chính chất lượng của toàn bộ hệ thống truyền dẫn Chonên yêu cầu đối với các thiết bị thu quang là khá cao, như đòi hỏi độ nhạy cao,đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ, độ tin cậy cao Cấu hình của một thiếtbị thu quang được mô tả qua Hình 1.8

Nèi vµo kªnh

T¸ch sãng kªnh

Gi¶i ®iÒu chÕ

Hình 1.8 Sơ đồ khối thiết bị thu quang

a Bộ nối vào kênh.

Giống như trong bộ phát quang, nhưng ở đây là bộ ghép nối của thiết bịthu quang thực hiện chức năng ngược lại

b Bộ tách sóng quang.

Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang thu nhận được từ bộ nối vào kênhthành tín hiệu điện cùng dạng như tín hiệu đưa vào đầu của thiết bị phát quang.Các thiết bị sử dụng để làm nhiệm vụ trên thông thường là các photodiode.Hiện nay được dùng phổ biến là photodiode-PIN và photodiode-thác APD hoạt

c Khối giải điều chờ́.

Thường sử dụng hai phương phỏp giải điều chờ́ là IM/DD và tỏch súngCoherent Đối với phương phỏp IM/DD thỡ khối giải điều chờ́ suy biờ́n vàotrong bộ tỏch súng, khi đú khụng cần sử dụng cỏc mạch điện tử phụ bờn ngoài.Đối với phương phỏp Coherent thỡ khối giải điều chờ́ là một khối riờng biệt kờ́thợp sử dụng cỏc mạch điện tử nhằm duy trỡ điều chờ́ kờ́t hợp giữa thu và phỏt,duy trỡ việc đồng bộ súng mang quang

d Độ nhạy của thiờ́t bị thu quang.

Là mức cụng suất quang trung bỡnh thu được nhỏ nhất cú thể chấp nhậnđược tại điểm tham chiờ́u trờn sợi quang ở ngay trước bộ nối quang phía thu màvõ̃n duy trỡ được một tỷ lệ lỗi bít (BER) xỏc định trước Đõy là yờ́u tố quantrọng nhất đỏnh giỏ khả năng và chất lượng của hệ thống thụng tin quang

1.3.4 Cỏc trạm lặp.

Cỏc trạm lặp được thiờ́t kờ́ và sử dụng khi cự ly truyền dõ̃n dài, số trạmlặp tuỳ theo khoảng cỏch cự ly truyền dõ̃n, loại điện quang Ta cú sơ đồ khốicủa trạm lặp như sau:

Biến đổi O/E Khuếch đại và

sữa méo Biến đổi E/O

Hỡnh 1.9 Sơ đồ khối tổng quỏt trạm lặp điện quang

Tín hiệu quang được đưa vào bộ biờ́n đổi quang điện (O/E) để biờ́n đổithành tín hiệu điện, tín hiệu điện được đưa vào bộ khuờ́ch đại và sửa mộo đểkhụi phục lại cường độ tín hiệu, sau đú tín hiệu điện được đưa qua bộ biờ́n đổiđiện quang (E/O) để tạo lại tín hiệu quang và đưa ra sợi quang Hỡnh 1.10 thểhiện sơ đồ khối chức năng của một trạm lặp điện quang

Tái sinhbiên độ

Tái sinh

độ rộng

Kíchthích

Điều khiểnLaser

Khôi phụcClock

Khối nghiệpvụ

Trên thực tế hiện nay các tuyến thông tin tốc độ cao người ta sử dụng bộkhuếch đại quang làm các trạm lặp, chủ yếu là các bộ khuếch đại đường dâypha tạp Eribum (EDFA) Các bộ khuếch đại này có ưu điểm là không cần quátrình chuyển đổi O/E và E/O mà thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang

1.4 CÁC THAM SỐ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG.

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

a Các tham số điện quang.

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

số của điện áp, dòng điện hoặc công suất điện Tham số tỷ lệ lỗi bit BER của hệthống truyền dẫn số luôn được đo sau bộ tách sóng quang tương ứng với tỉ sốtín hiệu trên nhiễu S/N

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

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

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

Để nhận biết được mối quan hệ của công suất phát Ps và độ nhạy máythu PD thì thông thường các giá trị này được biểu diễn bằng w có thể đưa về

(1.30)

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

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

c Độ tổn hao của tuyến.

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

d Độ rộng băng tần của tuyến.

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

bộ thu quang và các bộ tách quang

1.5 Giới thiệu một số loại sợi quang mới.

a Nguyên tắc tạo sợi quang mới.

Qua khảo sát người ta nhận thấy suy hao của các sợi quang nhỏ nhất là ởvùng bước sóng 1550nm và lớn ở vùng bước sóng 1300nm, tuy nhiên tại vùngbước sóng 1550nm thì tán sắc lại là lớn và ở vùng bước sóng 1300nm thì tánsắc lại là nhỏ nhất Một câu hỏi đặt ra là tại sao không kết hợp các yếu tố trên

để tạo ra một loại sợi quang có giá trị suy hao và tán sắc là tối ưu nhất Biệnpháp được lựa chọn là điều chỉnh các tham số cơ bản của sợi nhằm dịch chuyểntán sắc tối thiểu tới bước sóng có suy hao nhỏ Do chủ yếu sợi triển khai trênđường trục là sợi đơn mode nên người ta chỉ hướng tới nghiên cứu về sợi đơnmode

Đối với sợi quang đơn mode thì chỉ có tác động của tán sắc vật liệu vàtán sắc dẫn sóng Tán sắc vật liệu phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và khó có thểthay đổi được nhiều, chỉ có tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào tỉ lệ giữa đườngkính với bước sóng công tác và độ chênh chiết suất Căn cứ vào đặc điểm đócùng với ý tưởng ở trên người ta nghiên cứu và đề xuất ra hai cấu tạo sợi là sợi

có tán sắc dịch chuyển và sợi có tán sắc phẳng Hình 1.11 mô tả biến thiên chỉ

số chiết suất của ba loại sợi đơn mode: sợi tiêu chuẩn (sợi đơn mode thôngthường G.652) có tán sắc tối ưu tại bước sóng 1300nm, sợi có tán sắc dịchchuyển và sợi có tán sắc phẳng

Hình 1.11 Các mặt cắt chỉ số chiết suất của ba loại sợi đơn mode chính

b Các loại sợi quang mới.

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

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

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

PHẦN 2 - CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC

SÓNG WDM

CHƯƠNG I: CƠ SỞ KỸ THUẬT WDM.

I.1 Giới thiệu:

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng quang(WDM: Wavelength Division Multiplexer) là tận dụng hữu hiệu nguồn tàinguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, làmtăng dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời làm giảm giá thành củakênh 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 tăngdung lượng truyền dẫn Ngoài ý đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năngxây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao Khi tốc độ đường truyềnđạt tới một mức nào đó người ta đã thấy được những hạn chế của các mạchđiện 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 hiệucực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấuhoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao Kỹ thuật ghép kênh quangtheo bươc 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 đểmang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyềnđồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau Mỗibước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang Công nghệ WDMphát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phầnrất nhỏ của 1 nm hay 10-9 m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh thepbước sóng mật độ cao (DWDM) Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khảnăng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ2,5Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET:Sychronouns Digital Hierarchy/ Sychronouns Optical Network - cấp số đồngbộ/ mạng quang đồng bộ) Các nhà cung cấp DWDM (Density WavelengthDivision Multiplexer) đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việctruyền nhiều hơn các kênh quang Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đãsẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trămGbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn Có hai hình thứccấu thành hệ thống WDM đó là:

Truyền dẫn hai chiều trên một sợi và truyền dẫn hai chiều trên hai sợi

I.2 Các công nghệ dùng trong mạng thông tin quang.

Kỹ thuật truyền dẫn sợi quang đã tiến hóa qua vài thập niên qua, từ hệthống WDM điểm nối điểm tới các hệ thống WDM điểm nối đa điểm và tiếntới mạng WDM toàn quang với các thiết bị chuyển mạch và định tuyến bướcsóng Qua đó ngày càng cung cấp tốc độ bit cao, số lượng kênh cũng lớn hơnvà khoảng cách truyền dẫn dài hơn

I.2.1 TDM (Time Division Multiplexing).

TDM là phương pháp ghép kênh phân chia theo thời gian Đây làphương pháp giúp tăng số lượng tín hiệu được gửi trên đường truyền vật lý.TDM làm tăng dung lượng đường truyền dẫn bằng cách chia thời gian thànhnhững khe nhỏ hơn, do đó các bit từ nhiều nguồn khác nhau có thể được mang

đi trên một tuyến, làm tăng hiệu quả số các bit được truyền trên giây

Trong WDM, dữ liệu vào được phục vụ theo kiểu xoay vòng Mỗi khethời gian được dự trữ ngay cả khi không có dữ liệu để gửi, do vậy hiệu quảkém Vấn đề này được giảm bớt bằng cách ghép kênh thống kê sử dụng trongmode truyền dẫn không đồng bộ (ATM) Mặc dù ATM tận dụng băng thông tốthơn, nhưng lại có những hạn chế thực tế đối với tốc độ có thể đạt được vìnhững xử lý điện tử yêu cầu cho việc phân tách và tập hợp lại các tế bào ATMmang dữ liệu

I.2.2 SONET/SDH.

SONET (Sychronous Optical Network: Mạng không đồng bộ) là mộtchuẩn của American National Standards Institute để truyền dữ liệu đồng bộtrên môi trường truyền là cáp sợi quang Tương đương với SONET về mặtquốc tế là SDH Cùng nhau, chúng đảm bảo các chuẩn sao cho các mạng số cóthể nối với nhau trên bình diện quốc tế và các hệ thống truyền quy ước đangtồn tại có thể nắm được lợi thế của môi trường cáp sợi quang

SONET/SDH lấy các luồng n bit, ghép chúng lại, điều chế quang tínhiệu và sử dụng thiết bị phát quang để gửi nó ra ngoài với một tốc độ bit tương

đương với: (tốc độ bit vào) * n Vì vậy lưu lượng đi đến bộ ghép kênh SONET

từ bốn đầu vào với tốc độ 2,5Gbps sẽ đi ra như một luồng đơn ở tốc độ 4*2,5Gbps = 10 Gbps Nguyên tắc này được minh họa trong hình 1.2

SONET cung cấp các chuẩn cho một số lượng lớn các tốc độ truyền(tốc độ truyền thực tế vào khoảng 20 Gbps) SONET định nghĩa một tốc độ cơ

sở là 51,84 Mbps và một tập tốc độ cơ sở được biết dưới tên Ocx (OpticalCarrier levels) Trong đó OC-192 là một tốc độ của SONET nối liền với mộttốc độ tải (payload rate) bằng 9,584640 Gbps, chủ yếu được sử dụng trong môitrường WAN

SONET có một số hạn chế giống như với hệ thống TDM Thứ nhất, kháiniệm về độ ưu tiên và tắc nghẽn không tồn tại trong SONET Thứ hai, việcghép kênh phân cấp khá cứng nhắc ở SONET Ví dụ như nấc tiếp theo củaSTS-192 (10 Gbps) là STS 768 (40 Gbps) Vì hệ phân cấp số được tối ưu cholưu lượng tiếng nói, nên sẽ không hiệu quả khi mang dữ liệu trong các khungSONET

I.2.3 Gigabit Ethernet.

Khởi nguồn từ hơn 25 năm qua, Ethernet đã đáp ứng được nhu cầu ngàycàng tăng cho các mạng chuyển mạch gói Do chi phí thấp, độ tin cậy đã đượcthử thách trong nhiều năm, việc cài đặt và bảo trì tương đối đơn giản, nên hiệnnay Ethernet là nghi thức được dùng cho mạng nội bộ phổ biến nhất trên thếgiới hiện nay Ethernet có tốc độ lên đến 100 Mbps, mang lại hiệu quả về mặtkinh tế cho các kết nối máy chủ và xương sống

Công nghệ Ethernet 10 Gigabit được xây dựng trên nghi thức Ethernet,nhưng có tốc độ nhanh gấp 10 lần Ethernet (1000 Mbps) Ethernet Gigabitđược triển khai như một công nghệ xương sống cho các mạng đô thị Đối vớimạng diện rộng WAN, Ethernet 10 Gigabit cho phép các ISP (Internet ServiceProvider) và NSP (Network Service Provider) tạo ra các liên kết tốc độ rất caovới giá thành thấp từ các bộ chuyển mạch và các bộ định tuyến trong phạm vicông ty cho đến thiết bị quang gán trực tiếp vào SONET/SDH Công nghệEthernet Gigabit hỗ trợ cả cáp sợi quang đơn mode và đa mode Tuy vậy, Cáckhoảng cách được hỗ trợ tùy vào các kiểu cáp sợi quang và bước sóng đượcthực thi trong ứng dụng

Tuy vậy, Ethernet Gigabit không mang lại sự đảm bảo về chất lượngdịch vụ hay khả năng chịu lỗi

I.3 Hệ thống thông tin quang nhiều kênh.

Để đáp ứng được các đòi hỏi của dịch vụ mạng, trong vài năm trở lạiđây, công nghệ thông tin đã đạt được những tiến bộ đáng chú ý, trong đó nổibật là sự xuất hiện của các hệ thống sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang Trongcác hệ thống này, tín hiệu có thể truyền đồng thời nhiều luồng trong một sợiquang nhằm tăng dung lượng của tuyến truyền dẫn Các hệ thống này được gọilà hệ thống thông tin quang nhiều kênh

Trên thực tế, sự ra đời của các hệ thống đa kênh đã giải quyết đượcnhững hạn chế của hệ thống đơn kênh, đồng thời cũng tận dụng được nhữngcông nghệ hiện có để phát triển mạnh mẽ Cụ thể là:

Thứ nhất, đối với hệ thống đơn kênh, thì tốc độ đạt tới mức khoảng vàitrục Gbit/s thì khoảng cách tuyến truyền dẫn sẽ bị rút ngắn lại, các thiết bị điện

tử sẽ đạt đến giới hạn của nó và không đáp ứng được các xung tín hiệu cực kỳhẹp; thêm vào đó chi phí dành cho các giải pháp trên tuyến truyền dẫn trở nêntốn kém vì cấu trúc, thuật toán phức tạp và đòi hỏi các thiết bị có công nghệcao Do đó, các hệ thống quang đa kênh có thể khắc phục được những nhượcđiểm đó Các phần tử quang sẽ thay thế hoạt động của các thiết bị điện tử, do

đó sẽ xử lý tín hiệu nhanh hơn

Thứ hai, kỹ thuật ghép kênh quang được sử dụng sẽ tận dụng được phổcủa laser, tận dụng được băng tần rất lớn của sợi quang Để tận dụng được băngtần rất lớn của sợi quang hiện tại hệ thống quang đa kênh chủ yếu sử dụng haicông nghệ:

- Hệ thống ghép kênh quang phân chia theo thời gian (OTDM)

- Hệ thống ghép kênh quang phân chia theo bước sóng (WDM)

Các hệ thống thông tin quang WDM đã được thương mại hóa và hoạtđộng có hiệu quả từ năm 1996 Trong tương lai, ghép kênh theo bước sóng sẽđược ưa chuộng hơn vì chi phí kỹ thuật và các thiết bị để lắp đặt hệ thống TDMtương đối cao

I.4 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM.

I.4.1 Định nghĩa.

WDM (Wavelength Division Multiplexing – Ghép kênh theo bướcsóng) là công nghệ “ trong một sợi quang truyền dẫn nhiều tín hiệu quang vớinhiều bước sóng khác nhau” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóngkhác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang Ở đầuthu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốcrồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

I.4.2 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 thấpcủa sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thốngđồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất Ở đây việc thựchiện ghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào Mục tiêu của ghépkênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn Ngoài ý nghĩa đó việc

tốc độ rất cao Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ nào đó người ta đãthấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyềndẫn Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ khôngthể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí chocác giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi côngnghệ rất cao Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phụcđược những hạn chế trên

Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang đểmang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyềnđồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau Mỗibước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang Công nghệ WDMphát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phầnrất nhỏ của 1 nm hay 10-9 m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh theobước sóng mật độ cao (DWDM) Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khảnăng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET) Các nhàcung cấp DWDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyềnnhiều hơn các kênh quang Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵnsàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trămGbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn Có hai hình thứccấu thành hệ thống WDM đó là:

a Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi:

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quangcùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 1.3), ở đầuphát các tín hiệu có bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế  1,  2

, , n thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiềutrên một sợi quang Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khácnhau, 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 Ởchiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên

b Truyền dẫn hai chiều trên một sợi:

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hướng đi, cáckênh quang tương ứng với các bước sóng 1, 2, , n qua bộ ghép/tách kênhđược tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi Cũng sợi quang đó, ở hướng

về các bước sóng n+1, n+2, , 2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xemhình 1.4) Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều(song công)

Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triểntương đối rộng rãi Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triểnvà ứng dụng cao hơn, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt Ở phíaphát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu racủa bộ ghép kênh Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộngcủa các bước sóng quang Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quangthật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế các bộ tách kênh thật chínhxác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dảilàm 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 cóthể làm gia tăng vấn đề xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suy giảmnghiêm trọng tỉ số S/N của hệ thống Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêm trọngđối 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 sóngnhư bộ ghép bước sóng chỉ bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng Như vậyhiểu đơn giản, từ “bộ ghép - multiplexer” trong trường hợp này thường được sửdụng ở dạng chung để xét cho cả bộ ghép và bộ tách; loại trừ trường hợp cầnthiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng Người ta chia loại thiết bịOWDM làm ba loại: Các bộ ghép (MUX), các bộ tách (DEMUX) và các bộghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX) Các bộ MUX và DEMUX được sử dụngtrong 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

I.4.3 Mục đích.

Do băng thông quang rất lớn (khoảng 100Ghz-km) nên nếu chỉ sử dụngcho mục đích đơn lẻ sẽ rất hao phí Vì vậy sử dụng công nghệ WDM nhằmmục đích tận dụng băng tần truyền dẫn của sợi quang bằng cách truyền đồngthời nhiều kênh bước sóng trên cùng một sợi quang Qua nghiên cứu ITU-T đãđưa ra cụ thể các kênh bước sóng và khoảng cách giữa các kênh này có thểchọn ở các cấp độ 200Ghz, 100Ghz, 50Ghz

I.5 Ưu và nhược điểm của công nghệ WDM.

Trãi qua quá trình nghiên cứu và triển khai, mạng thông tin quang cũngnhư mạng quang sử dụng công nghệ WDM đã cho thấy những ưu điểm nổitrội:

* Dung lượng truyền dẫn lớn:

Sử dụng công nghệ WDM có nghĩa là trong một sợi quang có thể ghéprất nhiều kênh quang (có bước sóng khác nhau) để truyền đi , mỗi kênh quanglại ứng với một tốc độ bit nào đó (TDM) Hiện nay đã thử nghiệm thành công

hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM tốc độ2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s Trong khi đó với hệ thốngTDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM -256 (dung lượng 40 Gbit/s)

* Tính trong suốt của mạng WDM

Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên có thể hỗ trợcác định dạng số liệu và thư thoại chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit Ethernet,ESCON, IP…

Mạng trong suốt: Trong một dải băng thông xác định, mạng có thể truyền các dịch vụ với bất kì tốc độ nào và với bất kỳ giao thức nào Như vậy nhà cung cấp dịch vụ có thể đáp ứng nhiều dịch vụ khác nhau bằng cách sử dụng một cơ sở hạ tầng duy nhất Như vậy sẽ rất có lợi về mặt kinh tế và vẫn

có thể triển khai các dich vụ mới một cách hiệu quả, nhanh chóng mà không làm ảnh hưởng gì đến các dịch vụ trước đó.

* Việc nâng cấp dung lượng hệ thống thực hiện dễ dàng, linh hoạt

Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng mạng hiện có lên đến hàngTbps, có thể đáp ứng nhu cầu mở rộng ở nhiều cấp độ khác nhau Bên cạnh đó

nó cũng mở ra một thị trường mới, đó là thuê kênh quang (hay bước sóng

quang) ngoài việc sợi hay cáp quang việc nân cấp hệ thống đơn giản chỉ làcắm thêm các card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (Plug and Play).

* Quản lý băng tần hiệu quả và cấu hình hệ thống mềm dẻo

Bằng cách thay đổi phương thức đinh tuyến và phân bổ bước sóng trongmạng WDM, ta có thể dễ dàng quản lý và cấu hình lại hệ thống một cách linhhoạt tuỳ theo yêu cầu thực tế Hiện nay WDM là công nghệ duy nhất cho phépxây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network)cho phép xây dựng mạng quang trong suốt

* Sử dụng công nghệ WDM có thể tận dụng cơ sở hạ tầng của các mạngquang trước đó, giảm được chi phí đầu tư mới Do vậy tiết kiệm và kinh tế hơn

CHƯƠNG II: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDM

Trong chương trước, chúng ta đã có tầm nhìn bao quát về một tuyếntruyền dẫn quang và công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM Cácthiết bị OWDM rất đa dạng, có thể thực hiện qua các phần tử tích cực hay thuđộng, 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 chủyếu 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 củangành công nghiệp truyền thông, đặc biệt là với công nghệ mới đầy hấp dẫnnày, các thiết bị WDM không ngừng được đổi mới và cải tiến cho phù hợpnhằm 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 phứctạp 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 thểphân loại ra như hình 2.1:

Để đơn giản khi xem xét các thiết bị WDM, chúng ta chủ yếu lấy bộtách kênh theo bước sóng để phân tích, bởi vì nếu xét ở một mức độ nào đó thìnguyên 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 thayđổi hướng tín hiệu đầu vào và đầu ra.

Các bộ tách (hay các bộ ghép) được chia ra làm hai loại chính theo côngnghệ chế tạo là:

1 Thiết bị WDM vi quang

1 Thiết bị WDM ghép sợi

Ở loại thứ nhất, việc tách/ghép kênh dựa trên cơ sở các thành phần viquang Các thiết bị này được thiết kế chủ yếu sử dụng cho các tuyến thông tinquang dùng sợi đa mode, chúng có những hạn chế đối với sợi dẫn quang đơnmode Loại thứ hai dựa vào việc ghép giữa các trường lan truyền trong các lõisợi 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 phápcông 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 bướcsóng) 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

I.1 Các bộ lọc trong thiết bị WDM.

Trong thiết bị ghép-tách bước sóng vi quang thường sử dụng bộ lọcbước sóng bằng màng mỏng Thí dụ bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màngmỏng thể hiện như hình 2.2

Bộ lọc có cấu trúc đa lớp gồm các lớp điện môi rất mỏng, có chiết suấtcao và thấp đặt xen kẽ nhau Bộ lọc làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộnghưởng Fabry-Perot, gồm hai gương phản xạ một phần đặt song song cách nhauchỉ bởi một lớp điện môi trong suốt

Bề dày các lớp bằng 1/4 bước sóng truyền đối với bộ lọc bậc 0 và bằng3/40 đối với bộ lọc bậc 1 và được chế tạo từ vật liệu có hệ số chiết suất thấpnhư MgF2 có n = 1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46 và vật liệu có chỉ số chiết suất caonhư 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 ravà công suất quang của bước sóng đạt giá trị cực đại và bước sóng đó sẽ đượctruyền dẫn thông suốt nhất Các chùm ánh sáng ở những bước sóng khác trongbuồng cộng hưởng hầu như bị phản xạ hoàn toàn Đường cong phân bố côngsuất ở đầu ra của bộ lọc có dạng như hình 2.4:

Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao có bước sóng cắt c (hình 2.5a làthông cao và hình 2.5b là thông thấp) Bộ lọc thông giải có bước sóng trungtâm 0 và độ rộng giải  (hình 2.5c) T là hàm truyền đạt của bộ lọc

Các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao thường được sử dụng để tách 2bước 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 dụngnguồn quang có dải phổ rộng (LED) Bộ lọc thông giải được sử dụng trongWDM khi nguồn quang có phổ hẹp (LASER) Đối với bộ lọc thông giải có mộtvài yêu cầu: đó là độ dốc sườn đường cong hàm truyền đạt phải đủ lớn để tránhxuyên âm giữa các kênh kề nhau, mặt khác độ rộng giải  có dung sai chophép để đề phòng dịch bước sóng trung tâm của nguồn quang khi nhiệt độ thayđổi

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

a Bộ tách hai bước sóng.

Cấu trúc cơ bản của bộ tách hai kênh như ở hình 2.6a, trong khi đó việcthực hiện thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như ở hình 2.6b Các phần tử chuẩntrực và hội tụ là các lăng kính GRIN 1/4 chu kỳ P Bộ lọc được thiết kế để phát

đi 1 và phản xạ 2 sẽ được đặt giữa hai lăng kính

Các thiết bị tách bước sóng này có sẵn trên thị trường thương mại vàđược sử dụng rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phátLED ở bước sóng 850 nm và 1300 nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹpcủa 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

b Bộ tách lớn hơn hai bước sóng.

Thiết bị này sử dụng các bộ lọc nối tiếp nhau, và mỗi bộ lọc cho đi quamột bước sóng và phản xạ các bước sóng còn lại (xem hình 2.7):

Trong thực tế, thiết bị tách nhiều bước sóng ngoài các bộ lọc còn có thấukính, các sợi quang vv

Hình 2.8 là bộ tách 5 bước sóng dùng thấu kính GRIN và khối thuỷ tinhtrong suốt

Đôi khi có thể thực hiện tạo ra bộ tách kênh mà không cần sử dụng đếncác phần tử chuẩn trực Ví dụ như ở hình 2.9, thiết bị không có lăng kính, màcác bộ lọc giao thoa ở đây được đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầusợi được mài nhẵn

c Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (MUX - DMUX)

Hình 2.10 thể hiện thiết bị MUX-DEMUX 4 bước sóng Các bước sóng0,81 m và 0,89 m từ hai nguồn quang khác nhau được ghép thành một tiachung để truyền qua sợi quang Các bước sóng 1,2 m và 1,3 m từ sợi quangđến được tách thành hai tia ứng với mỗi bước sóng để đưa đến diode táchquang Thấu kính GRIN tại cổng vào dùng loại 1/4P phân kì, tại cổng ra dùngloại 1/4P hội tụ

Trong đó:

BPF - Bộ lọc thông giảiLWPF - 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 sóng0,89 m; 2,6 dB cho bước sóng 1,2 m; 2,2 dB cho bước sóng 1,3 m khi dùngLaser diode và 5,2 dB cho bước sóng 0,81 m khi dùng LED Suy hao xuyên

âm bằng -18 dB cho bước sóng ngắn dùng LED, còn nếu dùng Laser diode thìsuy hao xuyên âm bằng -3,9 dB

Một thí dụ khác của bộ MUX-DEMUX dùng gương cầu lõm như hình2.11

Các đầu sợi quang đặt trên mặt phẳng tiêu D Gương cầu lõm A phản xạbước sóng 0,825 m tới đầu ra Gương cầu lõm B phản xạ bước sóng 0,870 mtừ sợi chung vào và tới sợi ra Gương cầu lõm C phản xạ bước sóng 1,3 m từsợi chung vào và tới sợi ra khác Suy hao xen và suy hao xuyên âm như bảngdưới đây:

0,825 m 0,870 m 1,3 m

Suy hao xuyên âm

Suy hao xuyên âm

I.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 hệthống có quá nhiều bước sóng hoặc khi bước sóng này quá gần nhau Trongtrường hợp này phải sử dụng phần tử tán sắc góc Ưu điểm của phần tử tán sắcgóc là tán xạ đồng thời tất cả các bước sóng

I.2.1 Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc.

Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM người ta thường dùng lăng kínhlàm phần tử tán sắc góc (hình 2.12) Do hiện tượng chiết suất phụ thuộc vàobước sóng ánh sáng tức là n = n() 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 theocác hướng khác nhau ở đầu ra theo định luật Sneel (sự phụ thuộc của chiết suấtvật liệu làm lăng kính theo bước sóng).

i r

A dn

d

di

cos / cos

A là góc đỉnh của lăng kính

n là chiết suất vật liệu làm lăng kính

Nhược điểm: tán sắc dùng lăng kính có mức độ tán sắc thấp, nên khótách được các bước sóng gần nhau Vì vậy người ta chỉ có thể dùng lăng kínhtrong trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụbước sóng 1 ở cửa sổ 1300 nm; bước sóng 2 ở cửa sổ 1550 nm) Do nhượcđiểm không tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau nên lăng kính ngàynay không được sử dụng trong công nghệ WDM nữa, thay vào đó người ta sửdụng cách tử nhiễu xạ làm phần tử tán sắc góc

I.2.2 Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc.

a Mở đầu.

Cách tử được cấu tạo gồm nhiều rãnh (như răng cưa), được khắc bằngdụng cụ kim cương, trên bề mặt của các rãnh này được phủ một lớp phản xạ, sốlượng rãnh trên cách tử có thể lên tới vài nghìn rãnh trên 1 mm Cách tử có khảnăng truyền hoặc tán xạ ánh sáng theo những hướng nhất định tuỳ thuộc vàobước sóng của ánh sáng đó Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng cách rãnh (gọi làbước cách tử) và góc tới

Cũng giống như lăng kính, ánh sáng không đơn sắc ở đầu vào, sau khiqua cách tử sẽ được tách thành các tia sáng đơn sắc ở đầu ra theo các góc khácnhau 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 nhiềubước sóng từ sợi quang sẽ được tách ra thành các tia đơn sắc tương ứng với cácbước sóng được truyền trên sợi theo các góc khác nhau Ngược lại khi ghépkênh, một số kênh bước sóng 1, 2, , n đến từ các hướng khác nhau có thểđược kết hợp thành một hướng và được đưa tới truyền dẫn trên cùng một sợiquang

b Cách tử nhiễu xạ phẳng.

Xét hoạt động của một cách tử phẳng có rãnh răng cưa như hình 1.15:

Trong đó:

N - đường vuông góc với mặt đáy của cách tử

M - đường vuông góc với cạnh của rãnh

 - góc tới của tia sáng với N

’ - góc nhiễu xạ với N

i - góc tới của tia sáng với M

i’ - góc nhiễu xạ với M

d - chu kì cách tử

 - góc nghiêng của rãnh

Từ hình 1.15 và theo kết quả chứng minh thì khi chiếu hai tia sáng vàorãnh cách tử sẽ tạo ra các tia nhiễu xạ cùng pha nếu hiệu số đường đi hai tiasáng thoả mãn điều kiện sau:

0 = d(sin + sin’) = k (2.2)

Với: k - số nguyên

 - bước sóng

d - chu kì cách tử

k = 0 ứng với truyền trực tiếp

k = 1 ứng với bậc 1 nhiễu xạ

Nếu hệ số khúc xạ của môi trường bên ngoài cách tử là n thì (2.1) códạng:

nd(sin + sin’) = k (2.3)

Cũng từ hình 1.15 ta có:

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

2 ' ' (2.5)

Hay d    k

2 cos sin 2

'

(2.5’)Đối với cách tử phản xạ thì  được tính theo điều kiện của Littrow (khi

=’) Theo điều kiện này tìm được  ứng với tán xạ bậc 1 là:

A =  

'

sin sin / sin

sin sin / sin

i i d

i i d

2

/

/ sin

n k I

c Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng.

Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc tách kênh sử dụng cách tử bao gồm 3phần chính: các phần tử vào và ra (là mảng sợi hoặc một sợi truyền dẫn với cácthành phần thu - phát); phần tử hội tụ quang; phần tử tán sắc góc grating

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 tánsắc góc grating được đặt tại tiêu cự bên kia của thấu kính đó Bộ tách kênh thựctế 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)

Trên hình 2.18 a) và 2.18 b) là bộ tách Littrow với a) là cấu trúc cơ bảncòn b) là 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 đượcquang khắc trên mặt cách tử phản xạ phẳng đặt vuông góc với các rãnh cách

tử Gương cầu lõm có tác dụng làm thay đổi hướng của bất kì một tia đa bướcsóng phân kỳ nào thành một tia song song quay trở lại cách tử, tia này khi đếncách tử, sẽ bị tán sắc và phản xạ trở lại gương, phản xạ một lần nữa, tạo ảnhtrên 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 biệtnếu 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 phổcủa nguồn quang: từ năm 1993, đã có thể ghép được 6 kênh (đối với nguồnLED), 22 kênh (đối với nguồn Laser); nếu sử dụng kỹ thuật cắt phổ của nguồnphát LED để nâng cao số kênh ghép thì có thể ghép tới 49 kênh Đối với nguồnđơn sắc, suy hao xen của thiết bị ghép rất nhỏ (< 2 dB), và có thể đạt đến 0,5

d Cách tử hình lòng chảo.

Cách tử hình lòng chảo được sử dụng để phản xạ ánh sáng, vì vậy gócnghiêng 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 trìđường phân giác của góc hợp bởi tia tới và tia phản xạ ABC luôn vuông gócvới bề mặt của răng cưa

Một ứng dụng của cách tử hình lòng chảo như chỉ ra trên hình 2.21, thiếtbị 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 hao2,6 dB; nó có nhược diểm là quang sai không ổn định trong giải phổ rộng

Tóm lại thiết bị WDM dùng cách tử như phần tử tán sắc góc đểtách/ghép bước sóng thường sử dụng theo cách như chỉ ra trên các hình 2.17đến 2.21; trong hình 2.19 nếu thay gương lòng chảo bằng gương parabol thì cóthể hiệu chỉnh quang sai.

e Cách tử Bragg.

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

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 dochiều dài của mặt nạ phase Hiện nay công nghệ chế tạo hiện đại đã cho phépthay đổi các thông số như độ dài cách tử, chiết suất có thể được điều biến theoyêu cầu, tạo nên cách tử sợi dạng nhiều bậc như bước ren; nhờ đó một số lớncác bộ lọc được tạo ra với các thông số khá hoàn thiện

Ứng dụng của cách tử sợi Bragg trong module xen/rẽ bước sóng nhưsau: điều chỉnh bước sóng xen/rẽ dùng cách tử sợi Bragg mang lại nhiều ưuđiểm 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 đượckhoảng cách kênh bước sóng là 50 GHz, đó là một tính năng hoàn toàn thuyếtphục Có hai phương pháp điều khiển bước sóng xen/rẽ đối với thiết bị sử dụngsợi cách tử Bragg, đó là: điều khiển nhiệt hoặc thay đổi độ nén dãn của sợibằng 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 chứanhiều thành phần bước sóng khác nhau, khi truyền xung dọc sợi quang, thànhphần bước sóng ngắn sẽ đi nhanh hơn thành phần bước sóng dài, đây chính làhiệu ứng tán sắc, làm dãn phổ xung quang đó và có thể gây xuyên nhiễu lên cácxung quang lân cận Trước đây đã có nhiều giải pháp bù tán sắc, như sử dụngsợi bù tán sắc DCF, nhưng cách này thực ra còn nhiều nhược điểm như: gâysuy 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 tánsắc được dịch đi để phản xạ các bước sóng chậm (bước sóng dài) trước khi cácthành phần bước sóng nhanh (bước sóng ngắn) đi đến cuối cách tử và bị phảnxạ trở lại (xem hình 2.22), module bù tán sắc kiểu này cũng sẽ làm co xung đãbị dãn rộng ra trước khi được truyền đi tiếp hoặc được xử lý Nếu sợi cách tửcàng dài, mức bù tán sắc càng lớn và phổ thiết bị có thể làm việc càng được mởrộng 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 sắccủa thiết bị