L ỜI NĨI ĐẦU
4. 1 3 Bù tán sắc bằng quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính
4.2 Ứng dụng của FBG trong bộ tách ghép kênh OADM
4. 2. 1 Tổng quan về WDM
Ghép kênh theo bước sĩng là cơng nghệ cơ bản để tạo nên mạng quang. Kĩ thuật này sử dụng sợi quang để mang nhiều kênh quang độc lập riêng rẽ. Mỗi một bước sĩng biểu thị cho một kênh quang trong sợi.
Ghép kênh theo bước sĩng WDM là kĩ thuật truyền dẫn trên sợi quang mà sử
dụng các bước sĩng ánh sáng khác nhau để truyền dẫn số liệu song song theo bit hay nối tiếp theo kí tự.
Qua quá trình phát triển cơng nghệ khái niệm WDM được thay bằng khái niệm DWDM. Về nguyên lý khơng cĩ sự khác biệt nào lớn giữa hai cơng nghệ trên, DWDM nĩi đến khoảng cách gần giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số
lượng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống. Những kênh quang trong hệ
thống DWDM thường nằm trong cửa sổ một bước sĩng chủ yếu là 1550 nm.
Hệ thống WDM hồn tồn tương tự như hệ thống TDM truyền thống. Cấu tạo của nĩ bao gồm các bộ phát và thu ở hai phía cùng với các bộ lặp và xen rẽ ở giữa. Tuy nhiên nĩ khác ở chỗ WDM truyền dẫn đồng thời các kênh quang qua sợi. Chúng ta cĩ thể xem WDM như là một hệ thống nhiều TDM dùng chung đường truyền là sợi quang. Người ta đã chia hệ thống WDM thành hai dạng dựa trên số
lượng sợi nằm giữa phát và thu :
• Hệ thống ghép bước sĩng một hướng:
Hệ thống ghép bước sĩng một hướng sử dụng mỗi sợi quang cho từng hướng truyền dẫn:
M U X & D E M U X M U X & D E M U X O A D M R E G Tx1 Tx2 TxN Rx1 Rx2 RxN λ2 λN λ2 λN λ1,λ2….λN R E G Hình 4. 5: Hệ thống ghép bước sĩng một hướng
• Hệ thống ghép bước sĩng hai hướng:
M U X & D E M U X M U X & D E M U X OA DM R E G Tx1 Tx2 TxN Rx1 Rx2 RxN λ1 λ2 λN λ1 λ2 λN λ1,λ2….λN λ'1,λ’2….λ’N R E G
Hình 4. 6: Hệ thống ghép bước sĩng hai hướng
Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống WDM này như sau :
Mỗi tín hiệu cần truyền đi ở đầu phát được điều chế với mỗi bước sĩng khác nhau (cĩ thể là điều pha, điều tần hay điều biên), sau đĩ tất cả các tín hiệu sau điều chế này được đưa vào một bộ ghép kênh MUX, tín hiệu ra khỏi bộ ghép kênh là tín hiệu quang tổ hợp của nhiều bước sĩng đã dùng để điều chế λ1, λ2 … λN. Tín hiệu này được khuyếch đại sau đĩ đưa vào sợi quang để truyền tới bộ thu. Đối với mạng truyền dẫn quang khoảng cách lớn người ta cịn dùng thêm các trạm lặp và các bộ
tách ghép kênh quang đặt trên đường truyền nhằm tái tạo tín hiệu, tách ghép luồng
để nâng cao chất lượng truyền dẫn.
Cấu hình mạng thực tế của mạng WDM quang bao gồm các cấu hình điểm -
điểm, cấu hình Ring và cấu hình Meshed.
4.2.2. Kĩ thuật tách ghép kênh quang
Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sĩng WDM là một trong những giải pháp quan trọng nhất của các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao. Sự phát triển của các tuyến truyền dẫn quang điểm- điểm với bước sĩng đơn lên thành hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sĩng đã đưa ra nhu cầu về các bộ tách ghép kênh theo bước sĩng OADM dùng để tách ghép và định tuyến các kênh bước sĩng khác nhau. Các thiết bị này cĩ thể được sử dụng tại nhiều điểm khác nhau trên mạng dọc theo các tuyến truyền dẫn quang và cĩ chức năng ghép/tách các kênh quang với các bước sĩng đã được lựa chọn, với chức năng này độ mềm dẻo linh hoạt của hệ thống đã được cải thiện rõ rệt. Nĩ trở thành một phần rất quan trọng của các ứng dụng WDM, chẳng hạn như các khu vực khác nhau cĩ thể cùng kết nối trên một tuyến quang bằng việc tách / ghép kênh từ một đường truyền quang. Thêm vào đĩ, sự mềm dẻo trong tốc độ dữ liệu của các kênh WDM riêng biệt cho phép cung cấp tốc độ tuỳ theo nhu cầu. Mơ hình của bộ tách ghép kênh được mơ tả trong hình sau :
Hình 4. 7: Mơ hình cơ bản của OADM
fixed OADM được dùng để tách hoặc ghép các tín hiệu dữ liệu trên các kênh WDM riêng biệt cố định và OADM cĩ thể điều chỉnh vì vậy nĩ cĩ khả năng lựa chọn định tuyến được các bước sĩng khác nhau trong mạng quang. Chức năng chính của dạng thiết bị OADM thứ hai này là cung cấp định tuyến lại một cách mềm dẻo cho các luồng quang, định tuyến vịng cho các kết nối hỏng, do vậy nĩ làm cho giảm tối thiểu việc phải ngắt dịch vụ và cũng như khả năng thích ứng hay nâng cấp mạng quang với các kĩ thuật WDM khác nhau.
Các cấu hình đã giới thiệu trước đây dùng để thực hiện tách hay ghép kênh quang sử dụng cả hai cơng nghệ Planar và cơng nghệ sợi. Các thiết bị Planar cung cấp các tổ hợp giải pháp với khả năng tách và ghép nhiều kênh sử dụng duy nhất chỉ một mạch quang tích hợp sử dụng kĩ thuật dãy cách tử dẫn sĩng AWG (arrayed waveguide gratings) hoặc kĩ thuật định tuyến cách tử dẫn sĩng WGR (waveguide grating router). Mặt hạn chế chính của thiết bị Planar là suy hao xen cao, cĩ thể lên tới 7 dB và tính phụ thuộc phân cực. Mặt khác các thiết bị tồn quang là cũng là các giải pháp rất hấp dẫn bởi vì tính suy hao xen thấp, tính nhạy phân cực (phụ
thuộc vào sợi và cấu hình) và dễ dàng sử dụng cho việc ghép giữa các thiết bị đầu vào và đầu ra của mạng quang bằng việc sử dụng các ghép nối đơn giản.
Một dạng riêng của các OADM tồn quang đĩ là dựa trên cách tử Bragg đặt giữa các coupler quang. Cấu hình này đã được chứng minh là phù hợp cho việc thực hiện tách ghép kênh, bao gồm các cách tử Bragg và các dạng coupler như là coupler nửa vịng (half cycle), coupler kín (full cycle).
4. 2. 3 Các cấu hình OADM
4. 2. 3. 1 OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB
Cấu hình đảm bảo tính ổn định và thực hiện tốt chức năng tách ghép kênh được
đưa ra dựa trên thiết bị 4 cổng PW (planar waveguide) được mơ tả trong hình … Nĩ bao gồm các thiết bị : bộ chia 3 dB và cách tử ở một trong các cổng ra output của coupler làm nhiệm vụ chọn bước sĩng.
Hình 4. 8 : Mơ hình OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB
Nguyên lý hoạt động của mơ hình thiết bị này như sau: ánh sáng đưa vào cổng 1 và được chia làm 2, tại cổng ra FBG sẽ phản xạ các ánh sáng cĩ bước sĩng λ G và quay trở lại cổng Dropped 4 và được lấy ra ngồi. Cổng ra cịn lại của Coupler
được ngâm chìm vào trong vào trong chất lưu cĩ chỉ số chiết suất phù hợp để làm cho ánh sáng khơng phản xạ trở lại. Tín hiệu đã được chọn sẽ xuất hiện tại ở cả
cổng 1 và 4 (cổng In và Drop). Một thiết bị Isolator đặt tại cổng 1 của Coupler để
bảo vệ tín hiệu vào của hệ thống khơng bị ảnh hưởng bởi các tín hiệu phản xạ. Tín hiệu tách yếu hơn 6 dB so với tín hiệu gốc đưa vào. Trong truyền dẫn, một Coupler 3 dB thứ hai sẽ chia tín hiệu khơng được cách tử phản xạ. Chức năng thêm vào này
được thực hiện bằng cách đưa một tín hiệu vào cổng 3, bước sĩng của tín hiệu lựa chọn sao cho nĩ bị phản xạ bởi cách tử (λ G) và vì vậy nĩ được ghép vào tín hiệu quang ở cổng 2 theo nguyên lý hoạt động của Coupler. Một thiết bị Isolator cũng
được sử dụng và đặt tại cổng 3 để cách ly tín hiệu đưa vào và tín hiệu truyền dẫn từ
cổng vào đưa tới. Khi sử dụng hai Isolator tại cổng vào và cổng ghép thêm , cấu hình khơng giao thoa cho phép thực hiện khả năng tách ghép rất tốt. Trong cấu hình này khơng cĩ giới hạn hay điều kiện nào về độ dài, vị trí hay apodisation của cách tử. Cách tử lọc bước sĩng cĩ thể được thiết kế sử dụng phương pháp inverse scattering. Nhược điểm của cấu hình này là việc hỗ trợ mất dung lượng cho tất cả
các kênh thấp nhất 6 dB. Tuy nhiên khi so sánh nĩ với các thiết bị dựa trên cơ sở
PW (planar waveguide) cĩ độ mất tín hiệu tương tự nhưng lại cĩ sự linh hoạt hơn trong việc chế tạo và điều chỉnh bước sĩng lựa chọn của cách tử.
Một phương pháp để khắc phục việc mất tín hiệu của cấu hình trên yêu cầu thêm một cách tử giống hệt như cách tử đầu tiên và tất cả các cổng của Coupler đều sử dụng, vì vậy cấu hình này cịn gọi là cấu hình giao thoa Mach – Zehnder. Cả hai dạng thiết bị chế tạo theo cơng nghệ planar hay cơng nghệ tồn quang sử dụng cho cấu hình này đều đã được mơ tả và thực nghiệm.
Về mặt lý thuyết thiết bị này là đối xứng và cĩ thể mang lại những kết quả khả
quan trong chống mất tín hiệu, sự phản xạ ngược và chống xuyên âm.
Hình 4. 9: OADM dựa trên cấu hình giao thoa Mach-Zehnder
Nguyên lý của cấu hình này được miêu tả trong hình vẽ trên: Một Coupler 3 dB chia ánh sáng đưa vào từ cổng 1 và ánh sáng cĩ bước sĩng λGđược phản xạ bởi hai cách tử FBG giống nhau. Các tín hiệu phản xạ này được đưa trở lại vào Coupler và
được lấy ra tại cổng Drop. Tín hiệu phản hồi ngược trở lại cổng 1 được triệt tiêu hồn tồn nhờ sử dụng Coupler phù hợp (bộ chia 50%). Các bước sĩng phát được làm nhiễu trong Coupler 3 dB thứ hai vì thế chúng đến cổng ra mà khơng cĩ phần dư nào phản xạ trở lại cổng Add, tính năng này cũng do Coupler quyết định. Cấu hình này dựa trên cơ sở chia và nhiễu của ánh sáng và vì thế khá nhạy trong việc thay đổi độ dài truyền tín hiệu, đặc điểm của các cách tử giống nhau, tính chất của bộ Coupler 3 dB. Vì vậy độ ổn định của mơi trường, của các Coupler giống nhau, của các FBG quyết định việc thiết bị thực hiện các tính năng của nĩ cĩ đảm bảo hay khơng. Sự ổn định và khả năng chịu ảnh hưởng của thiết bị này trong hệ thống WDM thực tếđã được phân tích bởi Erdogan: cấu hình này nếu sử dụng các thiết bị
Nhưng mặt khác các thiết bị dựa trên sợi lõi kép tránh được yêu cầu về luồng UV sử dụng trong cấu hình giao thoa Mach – Zehnder.
4. 2. 3. 3 Cấu hình OADM sử dụng FBG và Circulator
Cấu hình này tương tự như các cấu hình 4 cổng đã nĩi ở trên, nhưng trong đĩ các Coupler được thay thế bằng các Circulator quang. Về lý thuyết, cấu hình này sử
dụng các thiết bị khơng giao thoa là lý tưởng. Các tính chất phổ theo nguyên lý phụ
thuộc vào hoạt động và tính chất của FBG và cĩ thể được thiết kế như một bộ lọc trực giao lý tưởng sử dụng kĩ thuật scattering ngược, sự mất tín hiệu và xuyên âm chủ yếu phụ thuộc vào hoạt động của các Circulator quang.
Hình 4. 10: OADM dựa trên FBG và Circulator
Nguyên lý hoạt động của OADM dạng này như sau : ánh sáng được đưa vào cổng In 1 và được định hướng tới FBG cĩ bước sĩng phản xạ là λG, ánh sáng cĩ bước sĩng này được cách tử phản xạ trở lại Circulator và được tách ra ở cổng Drop 4, các phần ánh sáng cịn lại sẽ chuyển qua cách tử và đưa tới Circulator 2. Ở
Circulator 2, một tín hiệu khác cĩ bước sĩng λGđược đưa vào cổng Add 3, tín hiệu này được cách tử phản xạ trở lại và đi ra cổng Out 2.
Nhược điểm chính của cấu hình OADM dạng này đĩ là Circulator tương đối đắt và cồng kềnh. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của các cơng nghệ Circulator giá rẻ
và mất mát tín hiệu khơng lớn, cấu hình này là một giải pháp rất tốt cho thiết bị
Tính ổn định của OADM dựa trên cấu hình của giao thoa Mach-Zehnder đã giới thiệu trong 4. 4. 4. 2 cũng cĩ thể được cải thiện nhờ sử dụng nhiễu giữa các mode của Coupler quang. Việc tạo ra một cách tử ở giữa một coupler nửa vịng (100%)
đã được chứng minh trong cả hai dạng cấu hình thiết bị Planar và thiết bị tồn quang.
Hình 4. 11: Cấu hình OADM dạng cách tử nằm giữa Coupler
Thiết bị này rất nhỏ gọn, tuy vậy về nguyên lý chỉ cĩ sựđối xứng hồn tồn khi chế tạo cách tử cĩ dạng như một bộ phản xạ điểm. Điều này chỉ cĩ khả năng thực hiện khi sử dụng các cách tử rất ngắn hoặc các coupler rất dài. Hình trên cho thấy cấu hình dạng này : ánh sáng được đưa vào cổng 1 và được truyền tới trung tâm của coupler. Một cách tử được đặt tại trung tâm của coupler nơi sự khác pha giữa các mode eigen là π/4, nơi ánh sáng được chia một cách đều nhau giữa hai các phần dẫn sĩng của coupler. Kênh cĩ bước sĩng λG dược phản xạ trở lại do cách tử và phần tín hiệu cịn lại truyền qua coupler đến cổng ra 2. Trong quá trình phản xạ, các eigenmode phản xạ trong coupler đạt đến độ khác pha tổng cộng là π/2 và vì thế
kênh cĩ bước sĩng λGđược tách ra tại cổng 4. Về nguyên lý, độổn định của thiết bị
giao thoa được cải thiện với cấu hình Mach-Zehnder bởi vì sự phản xạ điểm và nhiễu đạt được thơng qua việc truyền các eigenmode của coupler. Tuy nhiên các giới hạn của đối với độ dài cách tử và độ dài các coupler đã chế tạo địi hỏi phải cĩ các tính tốn phù hợp.
4. 2. 3. 5 Các tham số của các cấu hình OADM
Hoạt động của các OADM được mơ tả bằng cách sử dụng các kí hiệu scattering Sij cho mỗi cặp cổng. Kí hiệu đầu tiên i là kí hiệu cổng đích (cổng ra) và kí hiệu j là kí hiệu cổng vào. Một vài tham số của cĩ thể mơ tả bằng cách sử dụng các kí hiệu Scattering như là : suy hao xen, sự phân cực phụ thuộc mất tín hiệu PDL (polarisation depent loss), cách ly kênh, phản xạ ngược ….
• Cách ly và xuyên âm:
Hai tham số chính liên quan tới sự cách ly các kênh trong bộ tách ghép kênh OADM là tham số cách ly của các kênh và xuyên âm giữa các kênh trong hệ thống WDM.
Hình 4. 12: Mơ hình cách ly kênh ở OADM
Nếu năng lượng của tín hiệu quang ở cổng vào 1 là P1 và năng lượng của tín hiệu được tách từ cổng 4 là P4 và năng lượng cịn lại của tín hiệu sau tách là P2 thì hệ số cách ly được tính bằng -10 log (P1/P2).
Xuyên âm là do các tín hiệu khơng mong muốn truyền từ các kênh lân cận tới một kênh nào đĩ trong bộ lọc, nĩ cĩ tên là xuyên âm liên kênh. Dạng xuyên âm này cĩ thể xuất hiện trong các cấu hình OADM giao thoa và là kết quả của việc tỉ lệ phân chia năng lượng ánh sáng trong coupler 3 dB khơng chính xác. Tuy vậy dạng xuyên âm này khơng ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của hệ thống WDM.
của chúng được mơ tả trong hình sau, trong đĩ cả hai tín hiệu của kênh đã tách và phần tín hiệu cịn lại sau tách đều đã bị yếu đi :
Hình 4. 13: Suy hao xen trong OADM
Hệ số suy hao xen linstương ứng với hiệu suất truyền ánh sáng từ một cổng i
tới một cổng j và ảnh hưởng của nĩ lên tất cả các kênh là như nhau và được tính theo cơng thức:
Lins= 10 log (Pi /Pj) (4.4)
Trong đĩ Pi và Pj là năng lượng của tín hiệu quang tại các cổng ra của OADM và giả sử khơng xuất hiện xuyên âm hay PDL.
• Phản xạ ngược:
Mơ hình và các tham sốảnh hưởng đến quá trình phản xạ ngược được mơ tả trong hình (). Nếu OADM lựa chọn bước sĩng dựa trên cách tử Bragg với bước sĩng