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