III. Linh kiện thu quang (tách sóng quang)
Kỹ thuật khuếch đại quang
5.1.3.1. Các thiết bị WDM vi quang
Các thiết bị WDM vi quang đợc chế tạo dựa trên hai phơng pháp công nghệ khác nhau là: các thiết bị có bộ lọc và các thiết bị phân tán góc. Sơ đồ hoạt động của hai loại này đợc mô tả nh ở hình 5.6. Thiết bị lọc chỉ hoạt động mở cho một bớc sóng (hoặc một nhóm các bớc sóng) tại một thời điểm, nhằm để tách ra đợc một bớc sóng trong nhiều bớc sóng. Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh, ngời ta phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng. Còn cầu trúc phân tán góc lại đồng thời đa ra tất cả các bớc sóng.
Hình 5.6. Nguyên lý hoạt động của thiết bị WDM với cấu trúc sử dụng a) Bộ lọc giao thoa và b) Các phần tử phân tán góc
Thành phần tử cơ bản để thực hiện thiết bị WDM có bộ lọc là bộ lọc điện môi giao thoa, nó có cấu trúc đa lớp gồm các màng mỏng có chỉ số chiết suất cao và thấp đạt xen kẽ nhau. Hầu hết các bộ lọc giao thoa làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng hởng Fabry-Perot, gồm hai gơng phản xa thành phần đặt song song cách nhau bởi một lớp điện môi trong suốt. Khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tợng giao thoa sẽ tạo ra những phản xã nhiều lần trong hốc. Nếu độ dày của khoảng cách là một số nguyên lần nửa bớc sóng của chùm sang tói, thì giao thoa xảy ra và bớc sóng đó sẽ đợc truyền dẫn thông suốt nhất. Đờng cong phổ tủyền dẫn cho thiết bị hoạt động. ở đây, các chùm ánh sáng ở các bớc sóng khác trong buồn cộng hởng hầu nh bị phản xạ hoàn toàn. Trong các bộ lọc của thiết bị WDM, các gơng là các bỏ bọc nhiều lớp đợc đặt ở trên các lớp điện môi phân các trong suốt nh hình 5.7
Hình 4.9. Cấu trúc của buồng Fabry-Perot điện môi.
Thiết bị phân tán λ1 λn λ1……..λn λ1……..λn λ2……..λn λ1 Bộ lọc
Chiết suất cao Chiết suất thấp
Các bộ lọc màng mỏng thờng có độ dày bằng một phần t bớc sóng truyền dẫn lớn nhất. Chúng đợc cấu tạo từ các màng mỏng có chỉ số chiết suất thâp (nh MgF2 có n=1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46) và các màng có chỉ số chiết suất cao (TiO2 có n = 2,2) đặt xen kẽ nhau. Theo đặc tính phổ thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành hai họ.
- Các bộ lọc cắt chuẩn đợc đặc trng bởi tần số cắt λc và có đáp ứng phổ thông thấp hoặc thông cao (hình 4.10a) và b)).
- Các bộ lọc bằng thông đợc đặc trng bởi bớc sóng trung tâm bằng λo và độ rộng bằng ∆λ hình 4.10 c).
Các bộ cắt chuẩn đợc sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hai kênh để kết hợp (hoặc tách) hai bớc sóng hoàn toàn phân cách, nh 850nm và 1300nm, hoặc 1300nm và 1550nm. Các thiết bị này đợc sử dụng khá hiệu quả cho cả các nguồn có phổ rộng (nh LED chẳng hạn).
Hình 5.8. Các đặc tính phổ truyền dẫn của các bộ lọc giao thoa cắt (a) (b) và bằng thông (c)
Các bộ lọc băng thông đợc sử dụng tốt cho các thiết bị WDM, nó rất phù hợp với các nguồn phát có phổ hẹp nh laser. Hơn thế nữa, nó cho phép sử dụng khi có sự dịch bớc sóng của nguồn phát do ảnh hởng của nhiệt độ, vì vậy mà đ- ờng cong phổ truyền dẫn của bộ lọc bằng thông (nh hình 5.8c) phải có dạng vuồn vắn, có vùng xung quanh bớc sóng trung tâm phẳng. Cạnh của đờng cong
phổ truyền dẫn phải càng sắc nét càng tốt để ngăn ngừa xuyên kênh từ các kênh lân cận.
Cấu trúc cơ bản của bộ giải ghép hai kênh nh ở hình 5.9a), trong khi đo việc thực hiện trên thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản nh hình 5.9b) [10]. Các phần tử chuẩn trực và hội tụ là các lăng kính GRIN-rod 1/4 bớc. Bộ lọc đợc thiết kế để phát đi λ1 và phản xạ λ2 sẽ đợc đặt giữa hai lăng kính.
Các thiết bị giải ghép này có sẵn trên thị trờng thơng mại và đợc sử dụng rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bớc sóng 850nm và 1300nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bớc sóng (nh 800nm và 830nm; 1200nm và 1300nm và 1550nm vv..). Với suy hao xen nhỏ hơn 3dB (cho mỗi cặp) và suy hao xuyên kênh cao hơn 25dB.
Hình 5.9. Cấu trúc Bộ giải ghép 2 kênh sử dụng bộ lọc giao thoa. Cấu hình cơ bản và b) bộ giải ghép sử dụng hia lăng kính 1/4 bớc GRIN-rod.
Các thiết bị WDM có nhiều hơn 2 kênh sẽ đợc cấu tạo dựa trên cấu hình bộ lọc tầng. ở đây mỗi một bớc trong tầng sẽ lựa chọn một bớc sóng, hình 5.10 minh hoạ về thiết bị này.
Hình 5.10. Cấu trúc cơ bản của một bộ giải ghép giao thoa nhiều kênh. Sợi quang Thấu kính Kính lọc λ1 λ2 Lăng kính Grin Bộ λ1 λ1,λ2 λ1,……λn λ1 λ2 Bộ lọc λ1
Đôi khi, có thể thực hiện tạo ra bộ giải ghép mà không cần sử dụng đến các phần tử chuẩn trực. Ví dụ ở hình 5.11, thiết bị không có lăng kính, mà các bộ lọc giao thoa ở đây đợc đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi đợc đánh bóng.
Hình 5.12. Cấu trúc cơ bản của bộ giải ghép nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn trực tiếp vào sợi.
Một kỹ thuật vi quang khác để tách các bớc sóng khác nhau khá tin cậy là phơng pháp sử dụng các phần tử phân tán góc nh đã chỉ ra hình 4.7b). Chùm tín hiệu quang dầu vào chuẩn trực sẽ đạp vào thiết bị phân tán, thiết bị phân tán sẽ tách ra các kênh khác nhau tuỳ theo bớc sóng của chúng thành các chùm hớng theo các góc khác nhau. Các chùm đầu ra đã đợc tách sẽ đợc hội tụ nhờ một hoặc một số các lăng kính và đợc đa vào cacs sợi dẫn quang riêng rẽ. Các phần tử phân tán góc đợc sử dụng trong thiết bị WDM hấu hết là cách tử nhiễu xạ. Các thiết bị WDM sử dụng các cách tử này có thể đợc thiết kế theo hai kiểu cấu trúc cơ bản là:
- Cách tử tuyến tính kết hợp với các phần tử hội tụ.
- Cách tử tự hội tụ.
Các nguyên lý hoạt động của các cấu trúc này nh ở hình 5.13 và 5.14. Tr- ờng hợp thứ nhất, cấu hình theo kiểu Littrow (nh ở hình 5.15) đợc sử dụng nhiều bởi vì cấu trúc của nó chỉ có một lăng kính, và nó giảm tới mức tối thiểu tính astimatic (tính loạn thị) của hệ thống. Bộ giải ghép Litrow đặc có cấu trúc sử
Bộ lọc
Sợi quang
λ1 λ2 λ3
dụng các lăng kính GRIN-rod 1/4 bớc; ở đây cách tử đợc đặt với một góc thích hợp tại đầu của lăng kính.
Hình 5.13. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cách tử nhiễu xạ planar.
Hình 5.14. Sơ đồ cấu trúc tự hội tụ sử dụng cách tử lòng chảo.
Hình 5.15. Bộ giải ghép Litrow:
Một cấu trúc nữa có sử dụng cách tử nhiễu xạ phẳng và gơng lòng chảo đ- ợc chỉ ra nh ở hình 5.16. Trong cấu trúc này, cách tử cùng ở trong dạng cấu hình Littrow. Các sợi dẫn quang vào và ra sẽ đi qua một lỗ trống ở tâm của cách tử. Các chùm sáng phát ra từ sợi đầu vào sẽ đợc chuẩn trực nhờ gơng lòng chảo và sẽ đợc các cách tử phân tán theo góc, và cuối cùng chúng lại đợc gơng hội tụ để đa vào sợi đầu ra.
Hình 5.16. Bộ giải ghép sử dụng cách tử nhiễu xạ planar và gơng lòng chảo.
5.1.3.2 Các thiết bị WDM ghép sợi
Nh trên đã xét, ta biết rằng các thiết bị vi quang đã đợc sử dụng rộng rãi cho các loại sợi đa mode, nhng lại rất khó để sử dụng cho sợi đơn mode bởi vì quá trình sử lý chùm ánh sáng phải qua các giai đoạn nh phản xạ, chuẩn trực, hội tụ v.v... từ đó dẫn tới quang sai và các vấn đề trễ khác tạo ra suy hao tính hiệu quá lớn ở trong thiết bị.
Hiện nay, các bộ ghép hớng sợi đã có sẵn, chúng ở các bộ chi quang, và kết hợp quang. Chúng thờng là thiết bị có bốn cửa với 2 cửa vào và 2 cửa ra. Cấu trúc của chúng dựa trên việc ghép hai trờng ánh sáng phía ngoài lõi. Các bộ ghép (coupler) này có tính lựa chọn bớc sóng ở trong nó, và vì vậy nếu thiết kế cẩn thận các bộ ghép này thì hoàn toàn có thể sử dụng chúng để kết hợp hoạc tách các tín hiệu có bớc sóng khác nhau. Hệ số ghép k có liên quan đến lợng ánh sáng qua lại từ sợi này đến sọi kia. Chùm ánh sáng xuất hiện ở cả hai đầu sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố; đó là khoảng cách giữa các lõi sợi, chỉ số chiết suất vật liệu ở giữa, đờng kính các lõi sợi, độ dài tơng tác và bớc sóng ánh sáng.
Các bộ ghép hớng sợi đơn mode dùng cho WDM có thể có ở hai dạng nh ở hình 5.17. Dạng thứ nhất là dạng bộ ghép xoắn nóng chảy, có cấu trúc hai sợi xoắn vào nhau ở điều kiện đốt nóng để sao cho hai lõi đủ gần tới mức có thể ghép với nhau. Dạng thứ hai là bộ ghép dựa trên việc mài bóng các sợi; cả hai sợi đợc giữ trong rãnh chữ V cong và đợc mài bóng cho tói khi các lõi của chúng
gần nh lộ ra. Sau đó tiến hành ghép tiếp xúc vào nhau để tạo ra bộ ghép. Dạng này gọi là bộ ghép khối.
Hình 5.17. Hai phơng pháp tạo ra các bộ ghép hớng WDM cho sợi đơn mode.
ở trờng hợp bộ ghép nhờ việc nóng chảy sợi xoán, chu kỳ nửa bớc sóng giảm chậm vì độ dài đoạn vuốt thon đợc tăng lên, vì thế mà nên đa ra cho thiết bị các bớc sóng sẽ đợc tách. Ví dụ nh bộ ghép xoắn sợi nóng chảy 13../1500nm có độ dài vuốt thon khoảng 20mm, suy hao xen nhỏ hơn 0,05dB và độ cách ly bớc sóng tốt hơn (-30)dB. Bằng cách tăng độ dài vuốt thon tới vài trăm milimet sẽ giảm đợc chu kỳ nửa sóng sóng tói 2nm hoặc ít hơn. Nhng nếu nh vậy thiết bị sẽ khó thực hiện ghép băng hẹp đợc bởi vì bộ ghép dài sẽ không ổn định, nhạy giảm với tác động bên ngoài và dễ nahy cảm phân cực. Đối với bộ ghép khối, khả năng ghép có thể đợc điều chỉnh theo tỷ lệ yêu cầu bất kỳ bằng cách di chuyển các lõi sợi thích ứng với nhau, hoặc tạo ra các vật liệu có chỉ số chiết suất khác nhau ở giữa các khối. Chúng thờng có dáng to hơn bộ ghép xoắn sợi.
Băng thông của các bộ ghép sợi nh vậy (xem hình 4.20) có dạng gắn nh hình sin làm hạn chế việc lựa chọn nguồn phát. Rõ ràng rằng các LED không thể đợc sử dụng trong bộ ghép đồng bộ đơn mode vì phổ của nó rọng. Nh vậy chỉ có các diot laser có độ rộng phổ hẹp đợc sử dụng nếu tránh đợc suy hao xen và xuyên kênh lớn. Cho tới nay, chỉ có các bộ ghép đồng bộ là đợc thảo luận xem xét, dây là các bộ ghép sợi sử dụng các sợi đồng nhất. Các bộ ghép sử dụng các sợi không đồng nhất gọi là bộ ghép không đồng bộ.
Các bộ ghép sợi chỉ có thể một lúc hoạt động đợc với hai bớc sóng, nếu số kênh cần ghép lớn hơn hai thì phải sử lý bằng cấu hình rẽ nhánh. Hình 5.18 là cấu trúc bộ ghép bốn kênh sử dụng ba thiết bị WDM sợi đơn mode.
Hình 5.19. Bộ ghép bốn kênh thực hiện ghép hai tầng
λ2 λ1,,λ2 λ1…… ,λ4 λ1 λ3