Các thiết bị WDM ghép sợi phù hợp hơn đối với các sợi đơn mode vì có thể tránh được quang sai, giảm trễ, giảm suy hao do các quá trình xử lý chùm sáng qua các đoạn phản xạ, chuẩn trực, hội tụ vv... gây ra. Thiết bị WDM ghép sợi hoạt động dựa trên nguyên lý: khi lõi các sợi quang đặt gần nhau thì công suất quang từ một sợi sẽ chuyển vào các sợi khác.
Xét trường hợp hai lõi sợi quang đơn mode, có kích thước và đặc tính quang như nhau nằm song song với nhau trong cùng một vỏ. Khi một lõi có tín hiệu quang thì hệ số ghép đối với lõi thứ hai được xác định theo biểu thức (2.13).
æ pd ö A = 2ç÷ è Wad ø 1/ 2 U 2 1 -(Wd / a ) e V 3 WK12 (2.13) Trong đó: A - bán kính lõi d - khoảng cách giữa 2 tần số n1 - hệ số chiết suất của lõi n2 - hệ số chiết suất của vỏ K1 - hàm Bessel bậc nhất loại hai
b - thành phần dọc của véc tơ truyền lan mode, gọi là hằng số truyền lan. d = 1 - n2/n1- hệ số chiết suất tương đối
V = (2pa/l)(n12 - n22)1/2- tần số chuẩn hoá
U = a[(2pn1/l)2 - b2]1/2- hằng số truyền lan ngang trong lõi sợi W = a[b2 - (2pn2/l)2]1/2- độ suy biến tốc độ của trường trong vỏ.
Từ biểu thức (2.13) nhận thấy: hệ số ghép phụ thuộc vào các đặc tính hình học, các đặc tính quang (chiết suất), và bước sóng (thông qua V, U, W). Nếu bước sóng cố định, thì khi giảm d sẽ tăng hệ số ghép. Còn nếu d cố định, thì hệ số ghép tăng khi tần số chuẩn hoá giảm (l giảm), vì khi đó sự phân bố trường mode có xu hướng dãn rộng tới vùng vỏ.
Công suất ghép giữa hai sợi có dạng sin2(A0L) và công suất lan truyền là
cos2(A0L); trong đó L là độ dài đoạn ghép; A0 là hệ số ghép. Trong thực tế ghép theo độ dài z biến đổi, nên công suất ghép sẽ là: sin2òA(z)dz và công suất lan truyền là cos2òA(z)dz.
Các thiết bị WDM ghép sợi có thể có hai dạng như hình 2.23, đó là: nung nóng chảy các sợi kề nhau và đánh bóng chỗ tiếp xúc giữa hai sợi. Trong kỹ thuật đánh bóng, mỗi sợi được lắp vào một thấu kính đã đục cong sẵn, có đường kính cong thường bằng 25 cm, cho nên dạng này còn gọi là bộ ghép khối. Còn trong kỹ thuật xoắn nóng chảy, hai lõi sợi được xoắn vào nhau và được nung nóng chảy thành một lõi chung.
Khi hai sợi ghép là như nhau thì hiệu suất ghép là tuần hoàn của bước sóng, khoảng cách kênh cực tiểu giữa hai bước sóng được phân tích là:
Dl = p /2
(d ( A0 L ) / dl )l (2.14)
Trong đó: d(A0L)/ dl là đạo hàm của hệ số ghép theo bước sóng và L là khoảng cách hiệu dụng đoạn ghép.
Khi hai sợi ghép khác nhau thì hiệu suất ghép không tuần hoàn nên có Dl:
Dl = 5
dbdb L 1- 2
dldl
(2.15)
Trong đó: db1/dl và db2/dl là các đạo hàm của b theo mode của mỗi sợi.
Hình 2.24. Hai phương pháp tạo ra các bộ ghép sợi cho thiết bị WDM. Các bước sóng tương ứng với sự đồng nhất các hàm số lan truyền của hai đường dây này là các bước sóng mà ở đó sự truyền năng lượng được đổi chỗ từ sợi này sang
sợi kia. Băng thông của bộ ghép sợi nóng chảy có dạng gần như hình sin làm hạn chế việc lựa chọn nguồn phát. Rõ ràng rằng các LED không thể được sử dụng vì phổ của nó rộng. Như vậy chỉ có các diode laser có độ rộng phổ hẹp được sử dụng nếu tránh được suy hao xen và xuyên kênh lớn.
Hình 2.25. Đáp ứng của bộ tách kênh 1300/1550nm với kỹ thuật ghép nóng chảy 2 sợi như nhau.
Trong cấu trúc nóng chảy, đoạn ghép được kéo dài cho đến khi giá trị ghép theo yêu cầu đạt được ở những bước sóng đã định. Ví dụ ghép nóng chảy 1300/1550nm có độ dài ghép 20 nm, suy hao xen nhỏ khoảng 0,04 dB. Đường cong truyền dẫn của thiết bị này như trên hình 2.25.
Khi cần ghép nhiều hơn hai bước sóng, phải ghép nối tiếp các bộ ghép (cấu hình rẽ nhánh). Trên hình 2.26 là bộ ghép gồm 3 mối ghép nối tiếp các bước sóng: l1 = 1320nm, l2 = 1280nm, l3 = 1240nm và l4 = 1200nm.
Hình 2.26. Bộ ghép kênh 4 bước sóng bằng ghép nóng chảy nối tiếp các sợi đơn mode
Ưu điểm chính của ghép đơn mode theo phương pháp mài bóng so với phương pháp ghép nóng chảy là có thể điều hưởng được bằng cách dịch chuyển vị trí tương
đối của hai sợi với nhau. Ghép theo phương pháp nóng chảy thì giá thành hạ. Có thể kết hợp cả hai phương pháp để đạt được hiệu quả tối ưu.
Các thiết bị WDM ghép sợi phù hợp với các bộ ghép kênh đơn, suy hao phổ biến ở mức 4 đến 6 dB. Đối với bộ tách kênh, yêu cầu xuyên kênh phải nhỏ, thường thích hợp với các bộ grating vi quang.