I: Các thiết bị WDM vi quang
2: Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc:
2.1. Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc:
Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM người ta thường dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc (hình 2.12). Do hiện tượng chiết suất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tức là n = n(l) nên chùm tia sáng có các bước sóng khác nhau ở đầu vào sẽ bị lăng kính phân thành các tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hướng khác nhau ở đầu ra theo định luật Sneel (sự phụ thuộc của chiết suất vật liệu làm lăng kính theo bước sóng). di dnsin A =´ dll cos r / cos i (2.1) Với: i i’ A n là góc tới là góc ló là góc đỉnh của lăng kính
là chiết suất vật liệu làm lăng kính.
Hình 2.12. Tán sắc dùng lăng kính
Nhược điểm: tán sắc dùng lăng kính có mức độ tán sắc thấp, nên khó tách được các bước sóng gần nhau. Vì vậy người ta chỉ có thể dùng lăng kính trong trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ bước sóng l1 ở cửa sổ 1300 nm; bước sóng l2 ở cửa sổ 1550 nm). Do nhược điểm không tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau nên lăng kính ngày nay không được sử dụng trong công
nghệ WDM nữa, thay vào đó người ta sử dụng cách tử nhiễu xạ làm phần tử tán sắc góc.
2.2. Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc:
2.2.1. Mở đầu
Cách tử được cấu tạo gồm nhiều rãnh (như răng cưa), được khắc bằng dụng cụ kim cương, trên bề mặt của các rãnh này được ơhủ một lớp phản xạ, số lượng rãnh trên cách tử có thể lên tới vài nghìn rãnh trên 1 mm. Cách tử có khả năng truyền hoặc tán xạ ánh sáng theo những hướng nhất định tuỳ thuộc vào bước sóng của ánh sáng đó. Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng cách rãnh (gọi là bước cách tử) và góc tới.
Hình 2.13: Sử dụng cách tử để tách bước sóng.
Cũng giống như lăng kính, ánh sáng không đơn sắc ở đầu vào, sau khi qua cách tử sẽ được tách thành các tia sáng đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau. Khác với lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho các góc tán xạ lớn hơn.
Khi tách kênh (tách bước sóng) bằng cách tử, nguồn sáng tới gồm nhiều bước sóng từ sợi quang sẽ được tách ra thành các tia đơn sắc tương ứng với các bước sóng được truyền trên sợi theo các góc khác nhau. Ngược lại khi ghép kênh, một số kênh bước sóng l1, l2,..., ln đến từ các hướng khác nhau có thể được kết hợp thành một hướng và được đưa tới truyền dẫn trên cùng một sợi quang.
2.2.2. Cách tử nhiễu xạ phẳng
Hình 2.14. Cách tử nhiễu xạ phẳng. Trong đó:
N - đường vuông góc với mặt đáy của cách tử M - đường vuông góc với cạnh của rãnh a - góc tới của tia sáng với N
a’ - góc nhiễu xạ với N i - góc tới của tia sáng với M i’ - góc nhiễu xạ với M d - chu kì cách tử f - góc nghiêng của rãnh.
Từ hình 2.14 và theo kết quả chứng minh thì khi chiếu hai tia sáng vào rãnh cách tử sẽ tạo ra các tia nhiễu xạ cùng pha nếu hiệu số đường đi hai tia sáng thoả mãn điều kiện sau:
D0 = d(sina + sina’) = kl Với: k - số nguyên
l - bước sóng d - chu kì cách tử
k = 0 ứng với truyền trực tiếp k = ± 1 ứng với bậc 1 nhiễu xạ.
Nếu hệ số khúc xạ của môi trường bên ngoài cách tử là n thì (2.1) có dạng: nd(sina + sina’) = kl Cũng từ hình 1.15 ta có: i=f-a i’ = a’ - f (2.2) (2.3)
Theo quy tắc phản xạ thì góc tới bằng góc phản xạ, nghĩa là i = i’, rút ra: f = (a + a’)/2
Công thức (2.1) có thể viết dưới dạng:
(2.4) a +a 'a -a ' 2d sincos= kl 22 a -a ' 2d sin F cos= kl 2 (2.5) Hay (2.5’)
Đối với cách tử phản xạ thì f được tính theo điều kiện của Liittrow (khi a=a’). Theo điều kiện này tìm được l ứng với tán xạ bậc 1 là:
l1 = 2dsinf Khi a ¹ a’ a -a ' l1 = 2dsinfcos 2 (2.6) (2.7) Theo điều kiện Littrow và ứng với bậc 2 của tán xạ có:
l2 = 2dsinf ln = 2d sinf n (2.8) (2.9) Biên độ trường nhiễu xạ mặt bên của rãnh cách tử được xác định theo biểu thức:
sin pd / l sin i + sin i '
A = Aln
sin pd / l sin i - sin i '
( (
)
) (2.10)
Khi l = ln thì cường độ nhiễu xạ cực đại và bằng:
I ln = A()ln 2
(2.11) Phân bố phổ của nhiễu xạ được xác định theo biểu thức:
I l é sin(kp - pnl n / l )ù =êú
I ln ë kp - pnl n / l û
2
Từ biểu thức trên, xây dựng đường cong phân bố phổ của năng lượng nhiễu xạ bậc một như hình 2.15 a). Trong trường hợp d nhỏ hơn bước sóng thì phân bố phổ của năng lượng nhiễu xạ phụ thuộc vào f và có dạng như hình 2.15 b).
Hình 1.16. Phân bố phổ năng lượng nhiễu xạ bậc một.
2.2.3. Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng:
Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc tách kênh sử dụng cách tử bao gồm 3 phần chính: các phần tử vào và ra (là mảng sợi hoặc một sợi truyền dẫn với các thành phần thu - phát); phần tử hội tụ quang; phần tử tán sắc góc grating.
Hình 2.17 là cấu hình đơn giản của một bộ ghép kênh của Finke. Trong đó, mảng đầu sợi quang được đặt tại tiêu cự của một thấu kính tròn, phần tử tán sắc góc grating được đặt tại tiêu cự bên kia của thấu kính đó. Bộ tách kênh thực tế loại này đã thực hiện tách từ 4 đến 6 kênh với suy hao khoảng 1,2 đến 1,7 dB (triển vọng có thể tách được 10 kênh).
Hình 2.18. Bộ tách Littrow: a) Cấu trúc cơ bản, b) Cấu trúc thực tế sử dụng lăng kính GRIN-rod của bộ tách 2 kênh.
Trên hình 2.19, đầu mảng các sợi quang được đặt trước một khe đã được quang khắc trên mặt cách tử phản xạ phẳng đặt vuông góc với các rãnh cách tử. Gương cầu lõm có tách dụng làm thay đổi hướng của bất kì một tia đa bước sóng phân kỳ nào thành một tia song song quay trở lại cách tử, tia này khi đến cách tử, sẽ bị tán sắc và phản xạ trở lại gương, phản xạ một lần nữa, tạo ảnh trên vùng mảng sợi quang tuỳ thuộc vào giá trị từng bước sóng. Cấu trúc này có hệ số hội tụ và truyền đạt bằng 1; vì vậy, hiệu suất ghép khá cao, đặc biệt nếu sử dụng gương parabol thì quang sai rất nhỏ, gần bằng 0.
Số lượng các kênh có thể ghép trong thiết bị phụ thuộc nhiều vào phổ của nguồn quang: từ năm 1993, đã có thể ghép được 6 kênh (đối với nguốn LED), 22 kênh (đối với nguồn Laser); nếu sử dụng kỹ thuật cắt phổ của nguồn phát LED để nâng cao số kênh ghép thì có thể ghép tới 49 kênh. Đối với nguồn đơn sắc, suy hao xen của thiết bị ghép rất nhỏ (< 2 dB), và có thể đạt đến 0,5 dB cho thiết bị đơn mode vùng bước sóng 1540 nm đến 1560 nm.
Hình 2.19. Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar và gương lòng chảo.
2.2.4. Cách tử hình long chảo
Hình 2.20. Cách tử hình lòng chảo.
Cách tử hình lòng chảo được sử dụng để phản xạ ánh sáng, vì vậy góc nghiêng của rãnh cách tử được tính toán giống như cách tử phản xạ phẳng. Theo thuyết vô hướng thì góc nghiêng của rãnh phải thay đổi liên tục để duy trì đường phân giác của góc hợp bởi tia tới và tia phản xạ ABC luôn vuông góc với bề mặt của răng cưa.
Một ứng dụng của cách tử hình lòng chảo như chỉ ra trên hình 2.21, thiết bị loại này có vẻ như đơn giản hơn vì không sử dụng phần tử hội tụ quang (thấu kính hoặc lăng kính). Thiết bị loại này đã thực hiện ghép 4 kênh, suy hao 2,6 dB; nó có nhược diểm là quang sai không ổn định trong giải phổ rộng.
Hình 2.21. Sơ đồ cấu trúc bộ tách sử dụng cách tử lòng chảo. Tóm lại thiết bị WDM dùng cách tử như phần tử tán sắc góc để tách/ghép bước sóng thường sử dụng theo cách như chỉ ra trên các hình 2.17 đến 2.21; trong hình 2.19 nếu thay gương lòng chảo bằng gương parabol thì có thể hiệu chỉnh quang sai.
2.2.5. Cách tử Bragg:
Cách tử Bragg là cách tử được chế tạo ngay bên trong sợi quang. Cáh tử sợi Bragg thông thường trước đây khó sản xuất được với độ dài sợi quá 15 cm do hạn chế về chiều dài sợi cách tử đối với bán kính chùm tia laser hoặc do chiều dài của mạt nạ phase. Hiện nay công nghệ chế tạo hiện đại đã cho phép thay đổi các thông số như độ dài cách tử, chiết suất có thể được điều biến theo yêu cầu, tạo nên cách tử sợi dạng nhiều bậc như bước ren; nhờ đó một số lớn các bộ lọc được tạo ra voiư các thông số khá hoàn thiện.
ứng dụng của cách tử sợi Bragg trong module xen/rẽ bước sóng như sau: điều chỉnh bước sóng xen/rẽ dùng cách tử sợi Bragg mạng lại nhiều ưu điểm cho thiết bị OADM. Trong đó, đặc biệt là suy hao xen của thiết bị thấp, đặc tính phổ của bộ lọc có dạng bộ lọc băng thông BPF với khả năng đạt được khoảng cách kênh bước sóng là 50 GHz, đó là một tính năng hoàn toàn thuyết phục. Có hai phương pháp điều khiển bước sóng xen/rẽ đối với thiết bị sử dụng sợi cách tử Bragg, đó là: điều khiển nhiệt hoặc thay đổi độ nén dãn của sợi bằng tải cơ, song cách thứ hai đạt được tốc độ điều chỉnh cao hơn.
ứng dụng cách tử sợi Bragg trong bù tán sắc: phổ của xung quang chứa nhiều thành phần bước sóng khác nhau, khi truyền xung dọc sợi quang, thành phần bước sóng ngắn sẽ đi nhanh hơn thành phần bước sóng dài, đây chính là hiệu ứng tán sắc, làm dãn phổ xung quang đó và có thể gây xuyên nhiễu lên các xung quang lân cận. Trước đây đã có nhiều giải pháp bù tán sắc, như sử dụng sợi bù tán sắc DCF, nhưng cách này thực ra còn nhiều nhược điểm như: gây suy hao lớn, gây ra các hiệu ứng phi tuyến khác... Gần đây, cách tử bù tán sắc đã được xem là giải pháp có nhiều hứa hẹn. Bước cách tử trong cách tử bù tán sắc được dịch đi để phản xạ các bước sóng chậm (bước sóng dài) trước khi các thành phần bước sóng nhanh (bước sóng ngắn) đi đến cuối cách tử và bị phản xạ trở lại (xem hình 2.22), module bù tán sắc kiểu này cũng sẽ làm co xung đã bị dãn rộng ra trước khi được truyền đi tiếp hoặc được xử lý. Nếu sợi
cách tử càng dài, mức bù tán sắc càng lớn và phổ thiết bị có thể làm việc càng được mở rộng. Nếu quá trình chế tạo sợi không tốt, sẽ gây hiện tượng nhấp nhô (ripple) đối với trễ nhóm tín hiệu quang, do đó có thể làm sai khác đi việc bù tán sắc của thiết bị.
Hình 2.22. Nguyên lý cách tử Bragg bù tán sắc.
Suy hao của module bù tán sắc kiểu này gây ra bởi: suy hao cố định của circulator và các chỗ ghép nối (tổng suy hao này nhỏ hơn 2 dB), suy hao của cách tử sợi Bragg phụ thuộc vào độ dài sợi, khoảng 0,3 dB/m (theo công nghệ chế tạo cảm ứng tia cực tím). Ngoài ra, suy hao này cũng phụ thuộc dải bước sóng làm việc khoảng 0,3 dB/nm. Thực nghiệm cho thấy ưu thế của module bù tán sắc dùng cáh tử sợi Bragg so với bù tán sắc dùng sợi DCF được chỉ ra như trong bảng dưới đây:
Bảng 2.1. So sánh độ suy hao giữa các thiết bị bù tán sắc. Suy haoSuySuy hao
Cách bù tán
cực tiểuhao thôngcực đại sắc thường Sợi DCF 404,4 dB4,8 dB6,2 dB km Sợi DCF 406,0 dB6,5 dB6,7 dB km Sợi DCF 407,7 dB8,3 dB8,9 dB km Sợi cách tử2,0 dB2,5 dB3,0 dB Bragg bù tán sắc
Với những ưu thế như vậy, thiết bị bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg đã được chế tạo hàng loạt nhờ quá trình chế tạo cách tử điều khiển bằng phần mềm máy tính, chúng sẽ trở thành các module không thể thiếu trong các thiết bị WDM thế hệ thứ hai như OADM, khuếch đại EDFA hai tầng có bù tán sắc.