Điều chế gián tiếp hay còn gọi là phương pháp điều biến ngoài. Trong điều chế gián tiếp modul điều chế nằm ở đầu ra của bộ tạo bước sóng quang như chỉ ở hình vẽ 2.11.
Nguồn laser là nguồn phát xạ liên tục ổn định cao với công suất và tần số cố định. Tuỳ theo mức độ khác nhau của dòng điện đem điều chế thì bộ điều chế quang sẽ xử lí ánh sáng tù' nguồn laser, cho ánh sáng laser phát xạ đi qua hay không đi qua (giống như điều chế OOK). Trong suốt quá trình điều chế, phố phát xạ của laser đầu ra không thay đối đảm bảo chất lượng yêu cầu của hệ thống.
Hình 2.11: Điều chế gián tiếp
Điều chế gián tiếp có tổn hao lớn về công suất và giá thành cao nhưng đổi lại có độ dịch tần lại nhỏ. Nó được ứng dụng cho các hệ thống có tốc độ truyền dẫn > 2,5Gbps và có khoảng cách truyền dẫn dài hơn 300Km. Đó là lí do mà hệ thống DWDM tốc độ cao thường sử dụng khuếch đại đường quang và laser trong truyền dẫn thường sử dụng phương thức điều chế gián tiếp.
Thông thường các phương thức điều chế ngoài sử dụng các phương thức như biến đối quang điện, dần sóng ở modul điều chế quang.
Nguyên lí cơ bản của điều chế quang điện là hiệu ứng quang điện tuyến tính của tinh thể. Hiệu ứng quang điện đề cập đến là hiện tượng trường điện từ là nguyên nhân gây ra sự thay đổi góc khúc xạ của tinh thể. Tinh thể cho ánh sáng đi qua hoặc không khi thay đổi góc khúc xạ. Hiệu ứng trên còn được gọi là hiệu ứng tinh thể quang điện.
Điều chế quang học thực chất là sử dụng hiệu ứng quang học của bán dẫn. Hiệu ứng quang học là hiện tượng chất bán dẫn thay đổi chiết suất khi sóng quang truyền qua chất bán dẫn đó. Sự thay đôi chiết suất làm thay đôi góc khúc xạ chất và cũng là nét đặc trưng khi truyền sóng quang qua môi trường bán dẫn.
Điều chế ống dẫn sóng được chế tạo từ vật liệu là Titan (Ti) pha trộn LiNb02. Ống dẫn sóng có những ưu điểm sau như kích thước nhỏ, gọn, nhẹ, và đạt được độ chính xác cao nhất.
2.4.2. Ồn định bước sóng và điểu khiến laser
Trong hệ thống DWDM, ốn định dải sóng của laser là một vấn đề then chốt. Theo qui định của ITU-T.692, độ lệch bước sóng so với bước sóng trung tâm không thế lớn hơn 1/5 độ rộng kênh quang.
Trong hệ thống DWDM, ôn định tần số laser là vấn đề quan trọng nhất. Hiện nay laser thường sử dụng trong các vi mạch tích hợp thì việc ôn định nhiệt độ là chủ yếu. Neu nhiệt độ tăng thì độ rộng dải sóng LD phát xạ cũng tăng, cụ thế là 0.08nm/°c. Trong khai thác vận hành, nhiệt độ thông thường là 25°c.
Khoảng điều chỉnh nhiệt độ từ 15°c đến 35°c. Phưong thức điều khiến nhiệt độ bằng phương pháp hồi tiếp. Neu nhiệt độ hệ thống tăng thì phải giảm nhiệt độ hệ thống đi bằng phương pháp làm mát.
Như vậy sự ổn định bước sóng liên quan trực tiếp đến sự ổn định nhiệt độ. Đối với laser DFB (Laser thường được sử dụng trong DWDM) thì điều khiển nhiệt độ cũng cần thiết tuy laser này dải nhiệt độ hoạt động khá cao so với các laser khác. Tại dải sóng 1550nm thì độ mở rộng tần là 0.002nm/°c và nhiệt hoạt động tốt nhất là từ 15°c đến 35°c. Phương thức điều khiển nhiệt độ laser cũng là phương pháp hồi tiếp.
Ngoài ảnh hưởng bởi nhiệt độ, đối với laser cần còn bị ảnh hưởng bởi dòng điện cung cấp cho nó. Thực vậy, độ mở rộng tần là 0.0008nm/mA, độ mở rộng tần ảnh hưởng bởi dòng điện tuy nhỏ hơn độ mở rộng tần bởi nhiệt độ. Trong một số trường hợp hiệu ứng dịch tần bởi sự biến thiên dòng điện là không đáng kể.
Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống điều khiển laser
2.4.3. Các loại LD sử dụng trong hệ thống DWDM
Như đã trình bày ở trên các bộ phát quang thực chất là các laser diode (LD). Laser diode có khoang cộng hưởng F- p tạo ra nhiều mode dọc không mong muốn nên không được sử dụng. Ngược lại, laser đơn mode chỉ tạo ra một mode dọc chính, còn gọi là đơn mode nên được sử dụng để làm nguồn quang cho
hệ thống DWDM. Các loại laser đơn mode phô biến là laser phản hồi (DFB), laser phản xạ Bragg phân bố (DBR) và laser điều chỉnh bước sóng.
2.4.3.1. Bộ phát quang DFB và DBR
Cấu tạo khoang của các bộ phát quang DFB, DBR khác với bộ phát quang F- p. Nguyên lí cơ bản của chúng dựa trên nguyên lí phản xạ Bragg.
- Nguyên lí phản xạ Bragg.
Khi chiếu ánh sáng lên hai mặt tiếp giáp của hai môi trường có phản xạ mang tính chu kì sẽ xuất hiện phản xạ chu kì. Phản xạ này gọi là phản xạ Bragg. Mặt tiếp giáp có thể là hình sin hoặc không sin (chữ nhật, hình vuông, hình tam giác
Hình 2.13: Tán xạ Bragg
Neu sai pha giữa hai tia phản xạ 1, 1’ và 1” là bội số nguyên lần của Xo,
A + B = mXo (2-8)
Thì sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa. Từ hình 2.13 cho thấy B = AsinO nên phương trình (2-8) trở thành :
A(1 + sinO) = mXo (2-9)
Với: m là sổ nguyên, thông thường m=l.
Xo là bước sóng trong môi trường vật liệu, Xo = XB/n. n là chiết suất vật liệu
XB là bước sóng trong không gian tự do.
Công thức (2-9) là điều kiện phản xạ Bragg. Ỷ nghĩa vât lí: Đối với A và 0 nhất định khí có một Xo thỏa mãn (2-9) thì sóng quang có bước sóng Xo sẽ giao
+ Bộ phát quang DFB Cẩu tạo:
DBF gồm một cách tử (còn gọi là lưới nhiễu xạ) có cấu trúc chu kỳ đặt cạnh lớp hoạt tính gây ra phản xạ ánh sáng suốt cả hai chiều dài khoang cộng hưởng đế loại bỏ các mode không mong muốn.
Nguyên lí hoạt động:
Khi có dòng điện đưa vào bộ phát quang, các điện tử và lỗ trống trong lớp hoạt tính tái hợp, bức xạ ra các phonton ánh sáng. Các photon này sẽ phản xạ lại các cách tử, như hình 2.13, chỉ khác là 0 = JI/2. Lúc này các tia tới và các tia phản xạ ngược chiều nhau và công thức (2-9) trở thành:
A = mÀo/2 (2-10)
Nhũng tín hiệu nào có bước sóng thỏa mãn công thức trên mới được phản xạ mạnh. Công thức (2-10) được gọi là điều kiện phân bố phản hồi.
Đặc điêm chính của DFB:
Dao động đon mode dọc dải hẹp: Do chu kì cách tủ' (A) trong bộ phát quang DFB rất nhỏ, nên trở thành khoang cộng hưởng kiểu nhỏ, làm tăng hệ số tăng ích của mode chính và mode biên, từ đó dải phô nguồn quang rất hẹp so với bộ phát F- p. Bước sóng ổn định rất cao. Các tham sổ chính của DFB: Độ rộng phố của laser DFB là: ~20MHz. Độ ổn định tần: +\- 0.0lnm. + Bộ phát quang DBR Cấu tạo:
Laser DBR có cấu trúc tương tự laser DFB, chỉ khác là DFB có cấu trúc nhiễu xạ bên ngoài khoang cộng hưởng. Với cấu trúc như vậy, khoang laser và khoang phản xạ Bragg tách biệt nhau.
Nguyên lí hoạt động:
Bộ phát quang DBR cũng hoạt động dựa trên nguyên lí phản xạ Bragg và có đặc diêm tương tự như bộ phát quang DFB.
2.4.3.2. Bộ phát quang điều chỉnh bước sóng
Bộ phát quang đơn mode có thê điều chỉnh đuợc buớc sóng là linh kiện quang then chốt của hệ thống DWDM và mạng chuyển mạch quang. Chỉ tiêu tính năng của nó là điều chỉnh phạm vi bước sóng. Mặc dù đang còn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nhưng với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ bán dẫn, bộ phát quang bán dẫn có thế điều chỉnh được bước sóng chất lượng cao sẽ sớm được sử dụng trong tương lai.
Như đã biết, bước sóng đầu ra bộ phát quang xkk (bước sóng trong không khí) quan hệ với bước sóng trong môi trường bán dẫn ?cbd theo công thức:
^-kk ^-bđ X n (2-11)
Từ công thức (2-11) ta thấy: Khi ta thay đối chiết suất n (chiết suất của vật liệu bán dẫn) thì X đầu ra cũng thay đối, tức là có thể điều khiển được bước sóng đầu ra của bộ phát trong phạm vi nhất định. Sau đây là một số loại laser hoạt động theo nguyên lí trên:
- Bộ phát quang lưới nhiễu xạ (SSG) kết cấu siêu chu kì
|<----àà---->1 Hiệu suất Ị\AAvMA/P-*Wị
a) Chu kỳ của lói nhiễu xạ
phản xa
'1 Miền có hiệu
suất phản xạ cao
AÂ
---► Bước sóng
b) Chiều dài khoang cộng hưởng
Hình 2.14: cấu tạo luứi phản xạ siêu chu là
- Bộ phát quang có thê điêu chỉnh ngoài khoang Cấu tạo:
Thực hiện mạ trên mặt cắt ở phía sau của khoang cộng hưởng một màng tăng thấu (AR), sau đó ở ngoài đưa vào bộ lọc có thể điều chỉnh được đe tạo
thành bộ phát quang có thế điều chỉnh ngoài khoang. Hình 2.15 mô tả cấu tạo bộ phát quang này.
I---5,25 an---1
Đầu ra quanơ
Hình 2.15: Bộ phát quang có điều chỉnh ngoài khoang
Nguyên lí hoạt động:
Các tia sáng đi qua màng tăng thấu, qua thấu kính biến thành chùm tia sáng song song đập vào cách tử. Ở đây cách tử đóng vai trò gương phản xạ kiêm bộ lọc băng hẹp. Neu quay cách tử thì có thế điều chỉnh thô bước sóng quang đầu ra. Còn nếu điều chỉnh cách tử theo chiều dọc thì có thế tinh chỉnh được bước sóng quang đầu ra.
ưu điềm và nhược điêm:
Ưu điểm chính của loại phát quang này có độ rộng phổ cực hẹp và có thể điều chỉnh bước sóng trong phạm vi rộng. Còn nhược điếm là tốc độ điều chỉnh thấp, thể tích tương đối lớn, độ ốn định là không cao.
- Bộ phát quang DFB hai cực
Tín hiệu điện
r Ib
Điều chỉnh
Bộ phát quang DFB hai cực có cấu tạo khác với bộ phát quang DFB bình thuờng ở chồ nó có hai điện cực đế điều khiến công suất ra và điều khiến buớc sóng phát xạ. Hình (2.16) mô tả cấu tạo của loại này.
Tín hiệu điện được chia làm hai thành phần: Dòng vào cực thứ nhất là dòng Ia đặt định thiên trên ngường, có tác dụng chuyến tiếp tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang; dòng vào thứ hai là dòng Ib nhỏ hơn trị số ngưỡng, có tác dụng thay đổi chiết suất để điều chỉnh bước sóng đầu ra bộ phát quang [11].
2.5. Bộ điều chỉnh công suất
Bộ điều chỉnh công suất thường nằm trước bộ ghép kênh và nằm sau bộ phát quang, trước bộ khuếch đại, bộ tách kênh. Vị trí của bộ điều chỉnh công suất như trên hình 2.17. Bộ điều chỉnh công suất điều chỉnh công suất quang phù hợp với bộ ghép/tách kênh và bộ khuếch đại EDFA.
Hình 2.17: Vị trí bộ điều chỉnh công suất
2.6. Các hộ tách/ghép hước sóng
Các bộ này là thành phần chính của hệ thống DWDM và được chia thành hai nhóm lớn. Nhóm dựa trên nguyên lí tán sắc góc và nhóm dựa trên nguyên lí giao thoa. Ngoài ra, còn có những công nghệ mới về bán dẫn đưa vào chế tạo bộ tách/ghép kênh, về mặt nguyên lí, bất kì bộ ghép bước sóng nào cũng có thể dùng làm bộ tách bước sóng và ngược lại.
2.6.1. Nhóm dựa trên nguyên lỉ tán sắc góc
Cách tử được cấu tạo bao gồm nhiều rãnh (như răng cưa), trên bề mặt của các rãnh này được phủ một lớp phản xạ. Khi chùm sáng nhiều kênh rọi vào bề mặt cách tử, ngoài hiện tượng nhiễu xạ (các tia lệch khỏi phương truyền thắng) còn có hiện tượng giao thoa của các tia sáng bị phản xạ bởi bề mặt cách tử làm cho ánh sáng bị nhiễu xạ theo các góc riêng biệt 0 thỏa mãn phương trình:
Â1 Mzi
h j \ h +/-2 Mz*
^---y
J \_____y h Ưq "Ư sin0 + sinộ = ml/dn (2-12)
Với: n là chiết suất lớp phản xạ phủ trên bề mặt cách tử o là góc cách tử.
d là chu kì cách tử. m là bậc nhiễu xạ.
Từ công thức (2-12) cho thấy góc nhiễu xạ 0 phụ thuộc vào buớc sóng X, của ánh sáng tới. Như vậy, cũng giống nhu lăng kính, ánh sáng không đơn sắc sau khi đi qua cách tử sẽ được tách thành các tia sáng đơn sắc theo các góc khác nhau. Nhưng khác với lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho góc tán sắc lớn hơn.
Trong thực tế, các phần tử tách/ ghép bước sóng thường được sử dụng kết hợp với các thấu kính hoặc lăng kính Grin. Thấu kính này đóng vai trò hội tụ các tia sáng được đưa đến từ các sợi quang vào phần tử tách/ ghép bước sóng.
Hình 2.19: Bộ tách kênh sử dụng cách tủ’ kết họp lăng kính Grỉn
Hình 2.18 và 2.19 là một ví dụ về sử dụng cách tử kết hợp với các thấu kính (lăng kính Grin) để tách/ ghép bước sóng. Trong ví dụ này sử dụng chung thấu kính cho các cổng vào ra. Tuy nhiên, trong một số thiết kế cũng sử dụng các thấu kính khác nhau cho các sợi quang khác nhau và thấu kính được đặt vuông góc với trục của sợi. ưu điểm của phương pháp này là giảm bớt sự quang sai của
tia sáng.
2.6.2. Nhỏm dựa trên nguyên lí giao thoa
Các bộ tách sóng dựa trên nguyên lí giao thoa sử dụng các bộ lọc giao thoa MZI. Hình 2.20 mô tả bộ ghép bước sóng quang được cấu tạo từ một chuỗi bộ lọc MZI.
Bộ lọc này gồm ba mắt lọc MZI. Mỗi nhánh của từng MZI được chế tạo dài hơn nhánh còn lại đế hình thành sự lệch pha độc lập đối với nhánh còn lại. Sự sai lệch giữa hai nhánh được chọn sao cho tổng công suất đầu vào hai nhánh của từng bước sóng khác nhau chỉ xuất hiện ở một đầu ra, đầu ra còn lại có công suất xấp xỉ bằng không.
_ /q +A? +Ả-3 +)q
Hình 2.20: Bộ ghép kênh sử dụng chuỗi lọc MZI Ngoài ra còn chế tạo các bộ tách/ ghép bước sóng bằng kĩ thuật phối hợp bộ quay pha bước sóng (circulator) và các cách tử sợi quang (Fiber Grating). Nguyên lí hoạt động này được mô tả ở hình 2-21.
Cách tử sợi quang cho
Bộ quay pha được thiết kế gần giống với bộ cách li quang (optical isolator). Nó có nhiệm vụ quay pha của bước sóng cần được tách/ghép, các bước sóng còn lại không bị ảnh hưởng. Sau đó bước sóng nào đã bị quay pha sẽ được bộ cách tử sợi quang phản xạ lại, đưa đến đầu ra khác của bộ quay pha. Các bước sóng khác vẫn đi qua cách tử sợi quang bình thường.
Ket hợp bộ quay pha và cách tử sợi quang có thế thực hiện tách/ghép một bước sóng tại nút xen rẽ với suy hao rất nhỏ (khoảng 2dB). Tuy nhiên giá thành chế tạo bộ quay pha hiện nay còn khá đắt nên nó chỉ được sử dụng ở các tuyến cáp quang biển cự li dài.
2.6.3. Ghép/tách kênh sử (lụng ống dẫn sóng kiểu cách tử ống
(lẫn sóng
quang (A WG)
AWG là một thiết bị thụ động. Ánh sáng có thể truyền vào thiết bị từ cống bên trái hoặc bên phải, cấu trúc AWG gồm có:
+ Đầu vào ống dẫn sóng.
+ Đầu vào phân tách hình sao (star coupler). + Đầu vào bù tán sắc. + Mảng ống dẫn sóng. + Đầu ra bù tán sắc. + Đầu ra bộ phân tách. Màng ống dẫn sóng Vùng bù phân cực n
Phần lớn ống dẫn sóng làm từ vật liệu bán dẫn được xử lí trên công nghệ cao nó giống như một bộ vi xử lí (nhưng có chức năng là ống dẫn sóng). Căn cứ đặc tính của công suất phối ghép giữa đường dẫn sóng quang và bước sóng quang, khoảng cách vật liệu... có thê chế tạo được bộ ghép/ tách kênh bước sóng.
Ket cấu của ma trận dẫn sóng kiểu cách tử ống dẫn sóng (AWG: Arrayed Waveguide Grating) như hình 2.22. Khi một sợi quang đầu vào chứa tín hiệu nhiều kênh quang thì trong sợi quang đầu ra sẽ thu được các kênh quang riêng lẻ.