OTU thực hiện việc chuyển đổi quang - điện (O/E) với các tín hiệu quang đưa vào ghép kênh theo khuyến nghị G.957 và thực hiện tái tạo tín hiệu, khôi phục định thời và khôi phục dữ liệu đối với các tín hiệu quang đã được chuyển đổi thành điện. Sau đó thực hiện chuyển đổi điện - quang (E/O) để đưa ra tín hiệu kênh quang DWDM mà có bước sóng, độ tán sắc và công suất phát quang theo chuẩn G.692.
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của OUT
Sau khi chuyển đổi O/E nếu chỉ thực hiện tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục định thời (thực hiện chức năng 2R: Reshape, Retiming) thì OTU thực hiện chức năng chuyển đổi bước sóng cho truyền dẫn ở khoảng cách ngắn.
O/E G.957
Tín hiệu quang
đầu ra
Tái tạo dạng tín hiệu,
khôi phục định thời E/O
Tín hiệu quang
đầu vào
Nếu sau khi chuyển đổi O/E, OTU xử lý tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục định thời và khôi phục dữ liệu (chức năng 3R: Reshape, Retiming, Regenaration) được thực hiện thì OTU đó có chức năng của một bộ repeater.
2.1.2. Phân loại và ứng dụng:
Phụ thuộc vào vị trí của OTU trong mạng DWDM mà OTU có thể được chia làm 3 loại: OTUT, OTUR và OTUG. Ứng dụng của chúng trong hệ thống như trong hình vẽ:
Hình 2.3: Ứng dụng của OUT
OTUT (OTU ở đầu phát): đặt giữa các thiết bị của khách hàng và OMUX. Thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang từ phía khách hàng thành tín hiệu quang đầu ra theo chuẩn G.692 rồi đưa vào OMUX. Loại OTU này không chỉ thực hiện chức năng chuyển đổi O/E và E/O mà còn thực hiện việc tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục định thời (chức năng 2R) và có chức năng tìm byte B1 (byte giám sát lỗi bit từng đoạn lặp). OTUR (OTU ở đầu thu): đặt giữa ODMUX và các thiết bị của khách hàng. Tín hiệu quang đầu ra từ ODMUX đến OTUR phải tuân theo chuẩn G.692. Loại OTU này có chức năng giống như OTUT, nó thực hiện chuyển đổi bước sóng, chức năng 2R và tìm kiếm byte B1.
OTUG (OTU chuyển tiếp): đặt giữa OMUX và ODMUX. Tín hiệu đầu vào và đầu ra của OTUG phải tuân theo chuẩn G.692. OTU loại này không chỉ có chức năng chuyển đổi O/E, E/O mà còn có chức năng tái tạo lại dạng tín hiệu, khôi phục định thời, và chức năng khôi phục dữ liệu (chức năng 3R). Vì vậy OTUG tương đương như một bộ lặp thông thường và cũng có chức năng tìm byte B1.
2.2. Ghép kênh quang OMUX và tách kênh quang ODMUX:
Với các hệ thống thông tin sợi quang thông thường trước đây, mỗi sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu quang từ một nguồn phát tới một bộ tách quang tại đầu thu vì vậy các tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau đòi hỏi các sợi xác định riêng biệt. Tuy nhiên các nguồn quang lại có độ rộng phổ tương đối hẹp vì vậy phương pháp này rất lãng phí tài nguyên truyền dẫn của sợi quang.
Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng quang ra đời đã cho phép tăng dung lượng truyền dẫn mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và không cần phải dùng thêm các sợi quang. Kỹ thuật này thực hiện truyền các luồng ánh sáng với các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang. Các hệ thống thông tin quang thông thường chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi sẵn có. Do đặc điểm của các nguồn phát là có độ rộng phổ khá hẹp, nếu tận dụng được thì có thể truyền được một dung lượng rất lớn trên một sợi quang từ nhiều nguồn phát quang khác nhau hoạt động ở các bước sóng khác nhau một cách hợp lý. Ở phía đầu thu có thể thực hiện thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng khác nhau. Theo những nghiên cứu mới nhất thì hiện nay trên các sợi quang đã có thể ghép được tới 160 bước sóng, dung lượng truyền trên mỗi bước sóng là 10Gb/s.
Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng quang được mô tả như trên hình 1.1. Giả sử các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ1, λ2,...., λn. Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang ở phía phát. Bộ ghép kênh theo bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi được ghép sẽ được truyền dọc theo sợi để tới phía thu. Tới bên thu, qua bộ giải ghép kênh (ODMUX), tín hiệu sẽ được tách ra thành các bước sóng riêng rẽ và đến các bộ thu thích hợp.
Có 3 loại WDM chính được sử dụng đó là:
- Bộ lọc điện môi màng mỏng (Dielectric thin film filters-DTF) dùng để lọc các bước sóng riêng biệt trong dải bước sóng cụ thể cũng như dễ dàng thích ứng
trong việc truyền dẫn một chiều hoặc hai chiều. Bộ lọc DTF được sử dụng để ghép bước sóng tại hai cửa sổ.
- Cách tử nhiễu xạ dùng để ghép và tách nhiều tín hiệu trong cùng một cửa sổ.
- Ghép định hướng theo phương pháp hàn sợi.
2.2.1. Phương pháp ghép kênh sử dụng các bộ lọc:
Các thiết bị vi quang học thường được sản xuất dựa trên hai công nghệ khác nhau, đó là bộ tán sắc góc và các bộ lọc.
Bộ lọc điện môi sử dụng trong ghép kênh quang hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ tín hiệu ở một dải phổ này và cho phần phổ còn lại đi qua. Phần tử cơ bản để thực hiện ghép kênh theo bước sóng là bộ lọc điện môi giao thoa, nó có cấu trúc đa lớp gồm các màng mỏng có chỉ số chiết xuất cao và thấp đặt xen kẽ nhau. Hầu hết các bộ lọc giao thoa làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot, gồm 2 gương phản xạ thành phần đặt song song cách nhau bởi một lớp điện môi trong suốt. Nguyên lý hoạt động của nó như sau: khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa sẽ tạo ra những phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng.
Hình 2.4: Nguyên lý ghép/tách bước sóng
Theo đặc tính phổ thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành hai họ:
- Bộ lọc thông dải: được đặc trưng bởi bước sóng cắt λc và có đáp ứng phổ thông thấp hoậc thông cao.
- Bộ lọc băng thông: được đặc trưng bởi bước sóng trung tâm λo và độ rộng băng ∆λ của bộ lọc.
Các bộ lọc thông dải được đặc trưng bởi bước sóng cắt λc, có cấu trúc bao gồm các lớp điện môi có chiết suất cao H (Ge, Si, Ta2O5...) và các lớp có chiết suất thấp L (GeF3, SiO, SiO2..) đặt xen kẽ nhau trên cùng một phiến đế. Mỗi lớp có độ dày là λ/4 đối với bộ lọc bậc 0 và độ dày 3λ/4 đối với bộ lọc bậc 1. Cấu trúc thường được sử dụng là cấu trúc (H/2 L H/2)k, yêu cầu đặt ra đối với bộ lọc loại này là đặc tuyến phải có sườn dốc và có độ phản xạ cao trong dải phổ tín hiệu và đồng thời truyền dẫn tốt phổ tín hiệu bù. Các bộ lọc thông dải được sử dụng rộng rãi cho việc ghép/tách hai bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ như 850 và 1300nm hay 1300 và 1550nm). Do đó mà thiết bị này có thể sử dụng một cách có hiệu quả đối với các nguồn sáng có độ rộng phổ lớn như LED. Còn các nguồn có độ rộng phổ hẹp như laser người ta thường sử dụng các bộ lọc băng thông. Hơn nữa để bộ lọc có khả năng đáp ứng được sự chuyển dịch bước sóng của nguồn do nhiệt độ gây ra, bộ lọc phải được thiết kế sao cho đặc tính phổ có dạng phẳng xung quanh bước sóng trung tâm và sườn của đặc tính càng dốc càng tốt để có thể ngăn ngừa sự xuyên kênh giữa hai kênh kề nhau.
Bộ lọc băng thông được đặc trưng bởi bước sóng trung tâm λ0, có độ rộng băng ∆λ, thích hợp với các nguồn phát có phổ hẹp như laser. Có thể đạt độ rộng dải thông ∆λ/λ = 0.045 với bộ lọc gồm 23 lớp điện môi và 3 hốc sử dụng các lớp chiết suất cao TiO2 = 2.45 và lớp chiết suất thấp SiO2 = 1.47 trên phiến có chiết suất n = 1.563.
Hình 2.5 là sơ đồ cấu trúc của một bộ lọc điện môi giao thoa sử dụng nhiều lớp có chiết suất cao thấp xen kẽ nhau. Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa ánh sáng tạo ra những phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng. Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên
lần của nửa bước sóng ánh sáng tới thì giao thoa xếp chồng xảy ra và bước sóng đó được truyền dẫn thông suốt nhất. Các chùm ánh sáng ở những bước sóng khác trong buồng cộng hưởng hầu như bị phản xạ hoàn toàn.
Hình 2.5: Cấu trúc của bộ lọc điện môi giao thoa
Dưới đây ta xem xét một số thiết bị tách bước sóng dùng bộ lọc điện môi màng mỏng:
Hình 2.6: Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa
Cấu trúc cơ bản của bộ tách hai kênh như ở hình 2.6a, trong khi đó thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như ở hình 2.6b. Các phần tử chuẩn trực và hội tụ các thấu
kính GRIN 1/4 chu kỳ P. Bộ lọc được thiết kế để phát đi λ1 và phản xạ λ2 sẽ được đặt giữa hai thấu kính.
Các thiết bị tách bước sóng này được sử dụng rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bước sóng 850 nm và 1300 nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bước sóng như: 800 nm và 830 nm; 800 nm và 890 nm; 1200 nm và 1300 nm; hoặc 1300nm và 1550 nm vv..., với suy hao xen nhỏ hơn 3dB và suy hao xuyên kênh cao hơn 25dB.
Bộ tách lớn hơn 2 bước sóng:
Thiết bị này sử dụng các bộ lọc nối tiếp nhau, và mỗi bộ lọc cho đi qua một bước sóng và phản xạ các bước sóng còn lại.
Hình 2.7: Cấu trúc cơ bản của một bộ tách nhiều bước sóng
Hình 2.8: Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế
kính, các sợi quang vv... Hình 2.8 là bộ tách 5 bước sóng dùng thấu kính GRIN và khối thuỷ tinh trong suốt.
Đôi khi có thể thực hiện tạo ra bộ tách kênh mà không cần sử dụng đến các phần tử chuẩn trực, thiết bị không có thấu kính, mà các bộ lọc giao thoa ở đây được đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi được mài nhẵn.
Hình 2.9: Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn trực tiếp vào sợi.
Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (OMUX-ODMUX):
Các bước sóng 0,81µm và 0,89µm từ hai nguồn quang khác nhau được ghép thành một tia chung để truyền qua sợi quang. Các bước sóng 1,2 µm và 1,3 µm từ sợi quang đến được tách thành hai tia ứng với mỗi bước sóng để đưa đến diode thu quang. Thấu kính GRIN tại cổng vào dùng loại 1/4P phân kì, tại cổng ra dùng loại 1/4 P hội tụ.
Ánh sáng phản xạ giữa các lớp phẳng song song, nơi đặt các bộ lọc nhiều lớp, ánh sáng được chia ra theo 2 vùng phổ khác nhau: bộ lọc bước sóng dài LWPF phản xạ các bước sóng 0.81µm và 0.89 µm, bộ lọc các bước sóng ngắn SWPF phản xạ các bước sóng 1.2µm và 1.3 µm. Các bộ lọc thông dải BPF sẽ chọn ra các kênh riêng biệt: 0.81 µm ra khỏi 0.89 µm và 1.2 µm ra khỏi 1.3µm. Độ rộng các kênh là 25nm và 32 nm ở cửa sổ đầu tiên và 47nm và 50 nm tại cửa sổ thứ hai.
Một thí dụ khác của bộ OMUX-ODMUX dùng gương cầu lõm như hình 2.11
Hình 2.11: Thiết bị MUX-DEMUX 3 bước sóng
Các đầu sợi quang đặt trên mặt phẳng tiêu D. Gương cầu lõm A phản xạ bước sóng 0,825 µm tới đầu ra. Gương cầu lõm B phản xạ bước sóng 0,870 µm từ sợi chung vào và tới sợi ra. Gương cầu lõm C phản xạ bước sóng 1,3 µm từ sợi chung vào và tới sợi ra khác
2.2.2. Phương pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ
Do nhược điểm không tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau nên thấu kính ngày nay hầu như không được sử dụng nữa, mà thay vào đó người ta sử dụng cách
tử nhiễu xạ là chủ yếu. Các bộ tách/ghép bước sóng sử dụng bộ lọc không thể thực hiện được khi số lượng kênh lớn và các bước sóng rất sát gần nhau. Thuận lợi chính của cách tử đó là có thể nhiễu xạ đồng thời tất cả các bước sóng và có thể thực hiện được với các bộ tách ghép nhiều kênh. Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng sử dụng cách tử đó là: dựa trên hiện tượng góc nhiễu xạ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.
Cách tử nhiễu xạ là một thiết bị quang thụ động, nhiễu xạ chùm sáng tới theo các hướng khác nhau tùy theo góc tới của chùm sáng trên bề mặt cách tử, bước sóng của ánh sáng tới, các đặc tính thiết kế của cách tử, khoảng cách giữa các rãnh d (chu kỳ cách tử), góc của rãnh cách tử . Trên 1mm của cách tử có từ hàng chục cho đến hàng nghìn rãnh nhỏ, số rãnh trên một đơn vị chiều dài của cách tử được gọi là hằng số cách tử.
Người ta chế tạo cách tử bằng cách dùng một mũi kim cương nhọn rạch những đường song song cách đều trên một tấm thuỷ tinh phẳng. Chỗ bị rạch có tác dụng như những chắn sáng, chỗ còn lại có tác dụng như những khe sáng. Cách tử thu được bằng cách đó gọi là cách tử truyền xạ. Cách tử truyền xạ ngày nay dùng rất ít vì mũi kim cương mau mòn khi rạch lên thuỷ tinh hoặc thạch anh, khiến cho các khe cuối không còn độ rộng như khe đầu. Vả lại một phần ánh sáng bị mất vì phản xạ. Thay vào đó là cách tử phản xạ, bằng cách rạch lên bề mặt kim loại phủ trên thuỷ tinh, tạo ra các chắn sáng. Phần còn lại phản xạ ánh sáng có tác dụng như các “khe”. Các lớp kim loại phủ thường là bạc hoặc nhôm, khá mềm, nên mũi kim cương rất lâu mòn.
Tùy theo các bước sóng khác nhau mà cách tử nhiễu xạ ánh sáng theo các hướng khác nhau. Do vậy, chùm tia tới với nhiều bước sóng khác nhau sẽ được tách ra theo nhiều hướng tùy thuộc vào bước sóng. Ngược lại, các ánh sáng đơn sắc từ các hướng khác nhau cũng có thể được ghép lại thành một chùm sáng truyền theo cùng một hướng.
Cách tử phản xạ:
Hình 2.12: Nguyên lý hoạt động của phương pháp sử dụng cách tử phản xạ. Cách tử truyền xạ:
Hình 2.13: Nguyên lý hoạt động của phương pháp sử dụng cách tử truyền xạ
2.2.2.1. Công thức cách tử:
Ta xét một dãy khe hở cách đều (chu kỳ cách tử là d):
Khi đó hiệu quang trình giữa hai chấn động thứ cấp từ hai khe liên tiếp là: δ = nd(sinθ - sinθ0) (2.1) Trong đó : n là chiết suất của lớp quang phủ trên bề mặt cách tử
Với cách tử phản xạ :
δ = nd(sinθ + sinθ0). (2.2) Khi tín hiệu từ hai khe liên tiếp mà cùng pha thì :
δ = mλ (2.3)
ở đây m là số nguyên (bậc nhiễu xạ). Công thức cực đại chính là:
nd(sinθ + sinθ0) = mλ (2.4)
Do mặt phẳng của mỗi khe trùng với mặt phẳng cách tử, điều đó sẽ dẫn đến sự trùng của cực đại nhiễu xạ trung tâm với cực đại chính bậc không, khiến cho phần lớn năng lượng của chùm sáng tới dồn vào quang phổ bậc không, điều đó rất bất lợi cho quan điểm sử dụng cách tử vì quang phổ bậc không (tức m=0) là vùng sáng chính giữa các bước sóng đều cho cực đại, cách tử hoạt động như một gương phẳng đối với chùm tia tới, khi đó các bước sóng sẽ không được phân tách ra nữa. Để khắc phục điều đó người ta tìm cách nghiêng mặt phẳng của các khe đi so với mặt phẳng cách tử một góc α. Nhờ thế sẽ xuất hiện một hiệu pha phụ giữa hai chấn động phản xạ (hay truyền xạ) vì vậy có tên gọi là cách tử pha.