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. Với AWG có thể tách/ ghép từ hàng chục tới hàng trăm kênh quang khác nhau rất thích họp sử dụng trong hệ thống DWDM tốc độ siêu cao.
Ưu điếm của AWG như sau: Khoảng cách giữa các bước sóng nhỏ, số kênh lớn, ít chồng phố kênh, và nó trở thành trọng điểm của nghiên cứu chế tạo và ứng dụng hiện nay.
2.6.4. Bộ ghép/tách kênh sử dụng bộ lọc quang
Sóng quang đa kênh
Hình 2.23: Bộ tách kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng điện môi
Trong kĩ thuật DWDM có nhiều loại bộ lọc quang nhưng phố biến nhất là bộ lọc màng mỏng điện môi (TFF), TFF làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phố nào đó và cho phần dải phố còn lại đi qua. Bộ lọc này thuộc loại bộ lọc bước sóng cố định.
cấu trúc một bộ lọc như trên hình 2.23, gồm nhiều tầng khác nhau, mỗi tầng chỉ cho một dải sóng nhất định qua, như vậy sau khi đi qua các tầng khác nhau sẽ tách được kênh quang thành phần.
Các bộ lọc này hoạt động dựa trên nguyên tắc buồng cộng hưởng Fabry- Perot. Đây là buồng cộng hưởng có tính chọn lọc bước sóng, sóng ánh sáng nào có thể tạo ra trong buồng cộng hưởng có một sóng đứng thì truyền dẫn đạt cực đại tại bước sóng đó. Buồng cộng hưởng được làm bằng chất điện môi trong suốt, hai đầu khoang có các gương phản xạ được cấu tạo từ nhiều lớp màng mỏng điện môi có chiết suất cao (Ti02 có n = 2,2) và chiết suất thấp (MgF2 có n = 1,35 hoặc Si02 có n = 1,46) xen kẽ nhau. Mỗi lóp có bề dày n0 = Xo/4 (đối với bộ lọc bậc 0) hoặc n0 = 3Ằo/4 (đối với bộ lọc bậc 1), với Xo là bước sóng trung tâm.
Trên cơ sở đó, có thể tạo ra các bộ lọc với các đặc tính khác nhau, tùy vào số lóp và độ dày của các lóp điện môi. Đe cho đường đặc tính của bộ lọc dốc (Tức là đe hệ số phản xạ đạt được R>99%, và hệ số truyền đạt được T>99%) người ta sử dụng bộ lọc có cấu trúc (H/2 L H/2)k.
Nhận xét:
Trong hai bộ tách/ghép kênh, AWG và bộ lọc màng mỏng điện môi có nhiều ưu điểm hơn hẳn. Đối với bộ lọc thì giá thành rẻ, khả năng cố định và phân tách thành các kênh riêng biệt là rất tốt, tuy nhiên bị suy hao tách/ ghép lớn.Còn các AWG có khả năng bù phân cực lớn, và suy hao tách/ ghép nhỏ. Nhưng trở ngại chính là AWG dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, do vậy chúng khó thích nghi với mọi môi trường làm việc. AWG và bộ lọc đều là sử dụng công nghệ tiên tiến nhất, được ứng dụng trong khai thác vận hành thực tế. AWG được dùng để tách/ghép nhiều kênh quang cùng một lúc, còn bộ lọc thì chỉ có khả năng tách/ ghép với số lượng kênh hạn chế hơn.
2.7. Bộ khuếch đường quang đại
Băng tần sử dụng trong hệ thống DWDM gồm có ba băng tần chính sau: + Băng C: 1530 - 1560 nm.
+ Băng L: 1560 - 1600 nm. + Băng S: 1480- 1530 nm.
Chỉ số kĩ thuật Điều kiện Bước sóng trung tâm
p =20mW T=25°c Mức tham chiêu - 20dB Độ rộng phổ p = 20mW Mức tham chiếu - 20dB Độ ôn định và nhiệt độ 0 tới 75°c Po = 250mW Dòng điện P() = 250mW
Trong đó băng c và băng L được sử dụng hiện nay, băng s sử dụng trong tưong lai. Trong băng c và băng L, khuếch đại quang sợi là phưong pháp khuếch đại EDFA là chủ yếu. Còn băng s sử dụng phương pháp khuếch đại Raman. Tuy nhiên các băng tần c, L đều có thế sử dụng phương pháp khuếch đại Raman hoặc kết hợp Raman và EDFA. Nội dung đồ án chỉ đế cập đến khuếch đại EDFA mà không đề cập đến khuếch đại DRA.
2.7.1. Nguyên lỉ khuếch đại EDFA
EDFA được cấu tạo từ một đoạn sợi quang ngắn có lõi pha trộn 0.1% nguyên tố đất hiếm Erbium.
Cơ chế hoạt động của EDFA được minh họa trên hình 2.20. Khi một điện tử ở một trạng thái cơ bản (El) được kích thích từ một nguồn bức xạ có bước sóng phù họp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và sẽ chuyển tới mức cao hơn (E2). Từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ. Từ đây, điện tử tự phát có thế phát xạ xuống mức(El) như hình 2.24 (a) hoặc (E4) 2.24 (b).
Hình 2.24: (a) cơ chế ba phát xạ, (b) cơ chế bốn phát xạ
Neu thời gian sống của của mức (E3) đủ dài để các điện tử được nguồn bơm kích thích thì có thể xảy ra nghịch đảo tích lũy. Đây là điều kiện đế có mức điện tử siêu bền E3 nhiều hơn mức tới (E1 và E4). Một photon có năng lượng tương đương với sự chênh lệch năng lượng giũa mức E3 và E1 (đối với ba mức), hoặc giữa E3 và E4 (đối với bốn mức) khi nó va chạm trên môi trường gây ra bức xạ kích thích của các photon. Khi ở điều kiện không kích thích hầu hết các
điện tử ở trạng thái cơ bản El. Sợi pha Erbium (Er3+) cho bức xạ 1,55 và 2,7 jum. Khi các photon tín hiệu quang đi vào sợi Erbium va chạm với các điện tử đang ở trạng thái kích thích sẽ làm các điện tủ’ này chuyển xuống mức điện tủ' thấp hơn đồng thời bức xạ một photon có pha cùng với pha của tín hiệu. Do vậy tín hiệu khi đi qua sợi EDF sẽ được tăng ích là cơ chế hoạt động của khuếch quang EDFA.
2.7.2. Phuvngpháp khuếch đại EDFA
Laser bơm: Laser bơm phát xạ hai bước sóng chính là 890 nm hoặc 1480 nm, trong đó laser phát xạ bước sóng 890 nm có chất lượng khuếch đại tốt hơn và giá thành cao hơn laser 1480 nm. Khi dòng photon laser bơm đi qua sợi quang pha Ebirum thì bị các ion hấp thụ năng lượng các photon nhảy lên trạng thái có năng lượng cao hơn. Khi tín hiệu quang đi qua các phonon này nhảy về trạng thái ban đầu phát ra các phonton có mức năng lượng tương ứng bước sóng thuộc cửa sổ 1550. Các tham số của LD bơm ở bước sóng 980nm như trên bảng 2-1.
Couple: Ghép tín hiệu quang và ánh sáng laser phát trước khi vào sợi quang pha Eribum.
Sợi quang pha Erbium là nơi diễn ra quá trình khuếch đại quang.
EDFA có ba ứng dụng chính bao gồm: khuếch đại công suất (BA), khuếch đại đuờng truyền (LA) và tiền khuếch đại (PA).
BA là thiết bị EDFA có công suất bão hòa lớn, được sử dụng ngay sau Tx đế tăng mức công suất tín hiệu. Do mức công suất tín hiệu là rất cao nên bỏ qua tạp âm ASE. Vì vậy, BA không đòi hỏi phải có những yêu cầu nghiêm ngặt trong việc sử dụng các bộ lọc tạp âm. Tuy nhiên với mức công suất cao, BA có thể gây ra một số hiệu ứng phi tuyến. Các chức năng OA&M của BA có thế được tách riêng hoăc chung với Tx.
LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) đế tăng chiều dài khoảng lặp. Tùy thuộc vào chiều dài tuyến mà LA có thế được dùng đê thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến.Tuy nhiên sử dụng LA một cách hợp lí để giảm bớt tác động của tạp âm ASE.
PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp, được sử dụng ngay trước Rx để tăng độ nhạy thu. Đế đạt được mức tạp âm ASE thấp, người ta thường sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước sóng của nguồn phát.
Những vấn đề gặp phải khi sử dụng EDFA một tầng
Yêu cầu khuếch đại nói chung và khuếch đại EDFA đối với hệ thống truyền dẫn DWDM đa kênh là hệ số khuếch đại đối với mọi kênh là như nhau (tức là công suất tín hiệu mỗi kênh đầu ra bộ khuếch đại là như nhau). Gọi là đồng hệ số khuếch đại. Hình 2-25 biếu thị phố khuếch đại EDFA.
Hình 2.25: Phổ khuếch đại EDFA
Hệ số khuếch đại lại phụ thuộc vào tốc độ đảo mật độ. Đế đảm bảo đồng hệ số khuếch đại thì tốc độ đảo lộn mật độ đuợc điều chỉnh nằm trong khoảng
70% . Tuy nhiên, khi xét toàn bộ dải băng tần c gặp phải một đỉnh khuếch đại nằm tại bước sóng 1532 nm. Đó cũng chính là nguyên nhân mà toàn bộ dải băng tần c nếu dùng khuếch đại EDFA một tầng sẽ không thu được đồng hệ số khuếch đại. Tuy nhiên nếu kết họp một bộ lọc có đặc tuyến ngược lại với phố khuếch đại thì băng tần c vẫn được đảm bảo đồng hệ số khuếch đại như trên hình 2.26.
Hình 2.26: Khuếch đại EDFA vói băng tần c sử dụng bộ lọc
Đối với băng L có hệ số khuếch đại nhỏ và tương đối bằng phang. Neu sử dụng một tầng phải tăng công suất dòng bơm lên rất nhiều. Khi tăng công suất dòng bơm gặp thì một trở ngại lớn là trạng thái đảo mật độ của các ion nhanh chóng đạt đến trạng thái bão hòa làm giảm hệ số khuếch đại.
Một nhược điếm khi sử dụng EDFA đơn tầng là phải sử dụng nhiều tầng khuếch đại khác nhau trên tuyến quang. Khi đó tạp âm ASE (Amplified Spontaneous Emision) là tạp âm chính trong thông tin quang DWDM được sinh ra bởi bộ khuếch đại EDFA. Qua nhiều tầng khuếch đại khác nhau, công suất tạp âm cũng được nhân lên nhiều lần, làm ảnh hưởng đến OSNR của hệ thống. Một giải pháp đế hạn chế những nhược điếm của bộ khuếch đại một tầng là xây dựng bộ khuyếch hai tầng.
Bộ khuếch đại EDFA hai tầng
Bộ khuếch đại quang hai tầng không có sự thay đôi lớn so với bộ khuếch đại quang một tầng vì nó kết hợp hai bộ khuếch đại quang một tầng, nhưng thật ra kỹ thuật ghép kết hợp này không những giảm được nhiễu mà còn tăng được công suất quang phát ra, giảm bớt số lượng bộ khuếch đại quang làm việc độc lập. Cấu trúc bộ khuếch đại hai tầng như ở hình 2.27.
Ớ tầng thứ nhất, bộ khuyếch đại quang có chức năng như một bộ tiền khuếch đại (PA), bước sóng bơm là 980 nm mà NF xấp xỉ 4 dB ở tầng 1. Hiệu suất bơm của bước sóng 890 nm cao hơn so với bước sóng 1480 nm. Do đó, công suât quang ra của EDFA bơm ở bước sóng 890 nm có thê đạt cao như của EDFA bơm ở bước sóng 1480 nm trong khi lại có NF nhỏ hơn. Tuy nhiên ở tầng một được thiết kế như một PA nên công suất ra không cần lớn lắm, chủ yếu cần NF nhỏ.
Ó tầng thứ hai được thiết kế như một bộ khuếch đại công suất (BA), bước sóng bơm 1480 nm (hoặc 980nm). Công suất quang đầu ra BA có thế đạt cực đại