a. Cách tử phản xạ Bragg sợi
Cách tử phản xạ Bragg sợi quang là một đoạn sợi quang có chiết suất thay đổi theo chu kì dọc theo lõi sợi quang. Cách tử sợi quang Bragg thông th−ờng tr−ớc đây khó sản xuất đ−ợc với độ dài quá 15cm, do hạn chế về chiều dài của mặt nạ pha. Công nghệ chế tạo hiện đại đã cho phép thay đổi các thông số nh− độ dài cách tử, chiết suất có thể điều biến theo yêu cầu tạo nên cách tử sợi quang
A B C N Hình 2.24 Cách tử hình lòng chảo. Cách tử lòng chảo Sợi vào Các sợi đầu ra Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc bộ tách sử dụng cách tử lòng chảo
nhiều bậc. Nhờ đó, một số lớn các bộ lọc đ−ợc tạo ra với các thông số khá hoàn thiện.
Cách tử Bragg sợi quang đ−ợc tạo ra bằng cách chiếu chùm tia tử ngoại vào sợi quang. Chùm tia tử ngoại đ−ợc chiếu qua một mặt nạ pha và tạo ra các mẫu giao thoa làm thay đổi cấu trúc lõi sợi quang một cách có chu kì. Kết quả là ta nhận đ−ợc một cấu trúc chiết suất lõi sợi quang ổn định và cố định.
Cách tử phản xạ Bragg hoạt động dựa trên nguyên tắc sau: khi chiếu một chùm sáng đa sắc qua cách tử chỉ có duy nhất một b−ớc sóng thoả mãn điều kiện phản xạ Bragg bị phản xạ trở lại, các b−ớc sóng khác đ−ợc truyền qua. Để xác định điều kiện phản xạ Bragg, thay
2
π
α= −β = vào công thức (2-38) :
2Λ =n mλm (2-44)
trong đó n là chiết suất lõi sợi quang.
Nh− vậy có thể coi cách tử là một khoang cộng h−ởng có b−ớc sóng thoả mãn điều kiện phản xạ Bragg. Tại các b−ớc sóng không thoả mãn điều kiện trên thì ánh sáng không bị ảnh h−ởng và truyền qua cách tử đến đầu thu. Về cơ bản cách tử Bragg hoạt động nh− một bộ lọc quang. Bộ lọc quang loại cách tử Bragg có suy hao xen thấp, đặc tính phổ có dạng bộ lọc băng thông (BPF) với khả năng đạt đ−ợc khoảng cách giữa các kênh là 50GHz. Đó là một đặc tính hoàn toàn thuyết phục. Ta có thể tạo ra bộ lọc khả chỉnh từ một cấu trúc cách tử Bragg. Có hai ph−ơng pháp thay đổi băng thông của bộ lọc là điều khiển bằng nhiệt hoặc thay đổi độ nén dãn của sợi bằng tải cơ, song cách thứ hai đạt đ−ợc tốc độ điều chỉnh cao hơn.
Hình 2.26 Cách tử phản xạ Bragg sợi L
b) Các ứng dụng của bộ lọc phản xạ Bragg
Hình 2.27 một bộ tách kênh quang ứng dụng công nghệ trên. Thiết bị bao gồm hai coupler 3dB và hai cách tử phản xạ Bragg.
Khi đ−a chùm sáng đa sắc có b−ớc sóng λ λ1, 2,.... vào cổng 1, chùm sáng qua Coupler 3dB thứ nhất đ−ợc chia thành hai luồng đến 2 cách tử. Giả sử b−ớc sóng λ1 thoả mãn điều kiện phản xạ Bragg, ánh sáng có b−ớc sóng λ1 bị phản xạ bởi cách tử. Hình 2.27B chỉ ra hai đ−ờng đi của ánh sáng phản xạ đến cổng 2. Cả hai luồng ánh sáng đều bị dịch pha một góc 90o nên tín hiệu ở đầu ra cổng hai rất lớn. Cổng 1 cũng có hai luồng tín hiệu đi ra. Nh−ng hai luồng này ng−ợc pha nhau nên tín hiệu tổng tại cổng 1 bằng không. Hình 2.27C chỉ ra đ−ờng đi của ánh sáng tới cổng 3 hai luồng này ng−ợc pha nhau và bị triệt tiêu. Cổng 4 cũng có hai đ−ờng tín hiệu ra đi theo hai đ−ờng khác nhau, hai đ−ờng này đồng pha nên đ−ợc cộng h−ởng. 1 λ Hình 2.27 Bộ lọc quang dùng cách tử Bragg 1 2 3 4 3dB Coupler Coupler 3dB Cách tử Bragg 1 λ 1, 2,...., n λ λ λ 2,...., n λ λ A B C 1 λ
Nh− vậy b−ớc sóng λ1 bị phản xạ và đ−ợc đ−a tới cổng 2. Các b−ớc sóng còn lại đ−ợc đ−a tới cổng 4. Khi ghép thêm các bộ lọc thích hợp nối tiếp vào cổng 4 sẽ tách đ−ợc các b−ớc sóng khác trong chùm sáng đa sắc.
B−ớc sóng trung tâm của bộ lọc có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi chu kỳ cách tử. Có hai cách thực hiện: điều khiển bằng nhiệt hoặc thay đổi độ nén dãn của sợi quang bằng tải cơ.
Một ứng dụng khác của cách tử phản xạ Bragg đ−ợc chỉ ra trên hình 3.29. Sợi quang đ−ợc đặt trên đỉnh cách tử hình quạt. Chu kỳ là Λ. Khi b−ớc sóng λ của ánh sáng tới thoả mãn điều kiện Bragg thì phản xạ xảy ra rất mạnh.
Với λlà một b−ớc sóng cho tr−ớc. Ta có thể tạo thành bộ lọc quang có b−ớc sóng trung tâm là λbằng cách điều chỉnh vị trí t−ơng đối giữa cấu trúc cách tử và sợi quang để đạt đ−ợc giá trị Λthích hợp.
2.3.3.4 Bộ lọc quang âm phản xạ Bragg
Khi cho sóng âm truyền dọc theo sợi quang, chiết suất sợi quang sẽ thay đổi theo chu kì. Sợi quang hoạt động nh− một cách tử phản xạ Bragg chu kì Λ (hình 2.29)
Khi cho một chùm sáng đa sắc chiếu vào sợi quang có góc tới θB (hình vẽ), thì b−ớc sóng thoả mãn điều kiện sau sẽ phản xạ:
2n. sin(θB)Λ=λ (2-45)
Các b−ớc sóng khác không thoả mãn điều kiện (3-48) sẽ đ−ợc truyền qua trong suốt. Kết quả là ta tạo đ−ợc bộ lọc quang dựa trên hiệu ứng âm quang.
2.3 Bộ khuếch đại quang
2.3.1 Sự cần thiết sử dụng các bộ khuếch đại quang
Các bộ khuếch đại quang đóng vai trò cực kì quan trọng trong các mạng cáp đ−ờng dài. Tr−ớc đây khi ch−a có khuếch đại quang, việc đ−a kĩ thuật ghép b−ớc sóng quang WDM ứng dụng vào mạng thông tin quang nhằm tăng dung l−ợng hệ thống ch−a thực sự chứng tỏ đ−ợc tính kinh tế của mình so với các giải pháp tăng dung l−ợng khác. Khi đó, ph−ơng pháp chuẩn để khắc phục suy hao của tín hiệu quang là đặt các bộ lặp điện dọc theo tuyến ở những cự ly cần thiết. Bộ lặp điện nh− vậy bao gồm : một photodetector để tách tín hiệu quang vào (tín hiệu này rất yếu do suy hao đ−ờng truyền và bị nhiễu bởi các hiệu ứng và ảnh h−ởng khác), một bộ khuếch đại điện, mạch định thời để duy trì định thời của tín hiệu, một Laser phát kèm theo một bộ điều khiển. Các bộ lặp này bị hạn chế bởi tốc độ của các thành phần thiết bị điện, bởi vậy các hệ thống thông tin quang có dung l−ợng rất lớn nh−ng chỉ đ−ợc sử dụng hạn chế do sự có mặt của các bộ lặp điện. Với các bộ khuếch đại quang không bị giới hạn bởi bất kì băng tần điện cũng nh− thiết bị điện tử nào vì bộ khuếch đại quang sẽ khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không qua bất kì chuyển đổi điện nào. Khuếch đại tín hiệu quang không bị phụ thuộc bởi dạng tín hiệu và dạng điều chế do nó chỉ tác động vào thành phần biên độ chứ không tác động vào thành phần thời gian và dạng tín hiệu. Khi thay đổi ph−ơng pháp điều chế tín hiệu thì cũng không cần thay đổi bộ
λ2, λ3, λ4,... L λ λ1, λ2, λ3, λ4,...
khuếch đại. Với hệ thống WDM, khuếch đại quang cho phép khuếch đại đồng thời các kênh quang trong toàn bộ dải b−ớc sóng.Do đó bộ khuếch đại quang sợi chính là chìa khoá cho sự phát triển của tất cả các mạng quang dung l−ợng lớnvà có cự li xa.
2.3.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sự ra đời của khuếch đại quang sợi là một tiến bộ rất lớn trong lĩnh vực công nghệ viễn thông, đơn giản hoá rất nhiều cho việc lắp đặt các mạng cáp quang diện rộng.
Hiện nay, các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium EDFA đ−ợc ứng dụng rộng rãi hơn cả do nó có hệ số khuếch đại cao, công suất lớn và mức nhiễu gần nh− lí t−ởng, công tác tại b−ớc sóng 1550nm là b−ớc sóng truyền dẫn tối −u ở hiện tại và t−ơng lai, kết hợp dễ dàng đ−ợc với sợi quang. EDFA không nhạy cảm với hiệu ứng phân cực và loại trừ đ−ợc nhiễu xuyên âm giữa các kênh có các b−ớc sóng khác nhau. Với những khả năng to lớn nh− vậy, EDFA đ−ợc coi nh− là một trạm lặp thế hệ mới, nó đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống viễn thông hiện tại và t−ơng lai.
a) Cấu trúccủa EDFA
Bộ khuếch đại quang sợi EDFA đ−ợc cấu trúc bởi một đoạn sợi quang sợi pha tạp Erbium cùng các thành phần cần thiết khác.Các thành phần này gồm các thành phần thiết bị ghép thụ động WDM, bộ cách li quang Isolator và thiết bị tích cực nh− Laser bơm…. Có 3 loại cấu hình bơm ,bơm xuôi,bơm ng−ợc va bơm cả hai h−ớng.Hình vẽ 2.30 a,b c mô tả cấu trúc điển hình của mổi loại bộ khuếch đại quang sợi.
EDFA là một đoạn sợi quang có pha tạp Ebium, thực hiện chuyển đổi năng l−ợng phát xạ của nguồn bơm thành công suất tín hiệu. Nguồn bơm của laser th−ờng ở hai b−ớc sóng 1480 nm và 980 nm. Bơm ở b−ớc sóng 1480nm có hiệu suất thấp hơn so với b−ớc sóng 980 nm và mức độ đảo mật độ cũng thấp hơn. Tuy nhiên, laser bơm tại b−ớc sóng 1480nm có công suất phát lớn hơn so với laser 980nm. EDFA th−ờng có dải b−ớc sóng khuyếch đại là 30 đến 35 nm (1535 nm-1565 nm).
Theo lý thuyết, hệ số nhiễu của EDFA đạt đ−ợc giới hạn l−ợng tử (giới hạn l−ợng tử này gây ra do phát xạ tự phát). Thực nghiệm cho thấy, hệ số nhiễu của bộ khuếch đại đạt đ−ợc là xấp xỉ 3dB, giá trị thực tế có thể nằm trong dải 3,5ữ6 dB. Độ khuếch đại của EDFA là cực kì cao, G đạt tới 45dB (tức 10500lần) khi sử dụng một bộ khuếch đại 2 tầng. EDFA lại có độ nhạy phân cực thấp, đó là một −u điểm lớn của hệ thống các bộ khuếch đại mắc chuỗi. Các đặc tính bão hoà tốt do công suất bão hoà tăng tuyến tính với công suất bơm.
Thời gian sống dài ở trạng thái kích thích (10 ms) của các ion Er3+ là −u điểm lớn nhất của EDFA so với các loại bộ khuếch đại khác. Do trạng thái kích thích có thể tích luỹ công suất bơm trong một thời gian dài, nên công suất bơm yêu cầu để giữ đ−ợc mức năng l−ợng đủ lớn trong một bộ khuếch đại th−ờng rất thấp, chỉ 10mW đến 20 mW để đạt đ−ợc hệ số khuếch đại tín hiệu 30 dB. Với các tín hiệu ở các b−ớc sóng khác nhau, sự xuyên âm đa kênh trong bộ khuếch đại rất thấp do thời gian sống ở các trạng thái kích thích dài, mật độ hạt ở trạng thái kích thích không thể đáp ứng với những thay đổi tín hiệu quá nhanh từ b−óc
Hình 2.30 Các cấu hình bơm Tín hiệu ra EDF Isolator Isolator Coupler WDM Tín hiệu vào Dòng bơm vào a) Bơm cùng chiều Isolator Coupler WDM EDF Tín hiệu ra Isolator Tín hiệu vào Dòng bơm vào b) Bơm ng−ợc chiều Tín hiệu vào Coupler WDM Coupler WDM EDF Dòng bơm vào Tín hiệu ra Dòng bơm vào c) Bơm song h−ớng
sóng này xuyên qua b−ớc sóng khác, để mang năng l−ợng từ b−ớc sóng này sang b−ớc sóng khác. Cũng vì lý do này, EDFA là bộ khuếch đại không méo, thậm chí trong tr−ờng hợp bão hoà sâu. Hiển nhiên EDFA có thể tích hợp trong một mạng quang vì nó là một thành phần có cấu tạo dựa trên một đoạn sợi Silica. Nh−ợc điểm chính của EDFA, đó là phổ khuếch đại của EDFA không bằng phẳng mà xuất hiện các đỉnh khuếch đại, hệ số khuếch đại không nh− nhau đối với mọi b−ớc sóng.
Tuỳ thuộc vào yêu cầu thiết kế hệ thống mà bộ khuếch đại có thể ở vị trí khác nhau trên tuyến và có yêu cầu kỹ thuật riêng (hình 2-30)
- Bộ khuếch đại công suất BA (Booster Amplifier) Là thiết bị EDFA có công suất vào lớn,đ−ợc sử dụng ngay sau Tx để tăng mức công suất tín hiệu.Do công suất ra t−ơng đối cao nên có thể bỏ qua tạp âm ASE.
- Bộ khuếch đại đ−ờng dây LA (Line Amplifier)Là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, đ−ợc sử dụng trên đ−ờng truyền (giữa hai đoạn sợi quang) đê tăng chiều dài khoảng lặp.Yêu cầu có khả năng khuếch đại có công suất vào nhỏ, công suất ra lớn và nhiễu gây ra nhỏ nhất.
- Bộ tiền khuếch đại PA (Pre – Amplifer) Là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp,đ−ợc sử dụng ngay tr−ớc Rx để tăng độ nhạy thu.Để đại đ−ợc mức tạp âm ASE thấp,ng−ời ta sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh b−ớc sóng trung tâm theo b−ớc sóng nguồn phát.
n λ 1 λ 1 λ BA MUX DMU X LA PA 1 λ
Hình 2.31Các vị trí của bộ khuếch đại quang trên tuyến thông tin quang
n
Bản thân bộ khuếch đại gây ra nhiễu cho hệ thống. Sau mỗi bộ khuếch đại tỉ số tín hiệu trên tạp âm giảm. Do đó, th−ờng sau ba bộ khuếch đại phải đặt thêm bộ lặp để phục hồi tín hiệu.
2.4 Bộ thu quang
Bộ thu thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu quang thành điện. Bộ thu phải thích hợp với bộ phát cả về b−ớc sóng sử dụng và ph−ơng thức điều chế. Đồng thời bộ thu phải đ−ợc thiết kế sao cho đ−a ra mức tín hiệu phù hợp.
Bộ thu quang th−ờng sử dụng Photodiode làm phần tử tách sóng quang. Ngoài ra còn có bộ làm phẳng đáp ứng tần số, bộ khuếch đại, bộ lọc... Độ phức tạp của mạch giải điều chế phụ thuộc vào ph−ơng pháp điều chế sử dụng.
Có hai loại Photodiode hay sử dụng là PIN và ADP. Photodiode PIN có yêu cầu công suất thấp, nh−ng kém nhậy cảm chỉ hoạt động trên một dải tần số hẹp và cần có bộ khuếch đại ở tr−ớc. APD th−ờng sử dụng cho các tuyến thông tin đ−ờng dài.
Thành phần cấu tạo chính của Photodiode là một số lớp tiếp giáp p-n phân cực ng−ợc. Thông qua hiệu ứng quang điện một photon đi qua lớp tiếp giáp sẽ kích thích và tách ra một cặp điện tử – lỗ trống trong miền p (hoặc n) của hệ thống. Các điện tử đ−ợc giải phóng trong miền p sẽ chạy sang miền n (hoặc các lỗ trống trong miền n sẽ chạy sang miền p). Kết quả là sẽ tồn tại một dòng điện chạy trên mạch ngoài. Một trong những tham số quan trọng của bộ thu là độ nhạy máy thu. Nó là mức công suất nhỏ nhất của tín hiệu tới mà máy thu vẫn thu đ−ợc tín hiệu và đạt đ−ợc tỷ số lỗi BER yêu cầu.
2.5 Sợi quang
Sợi quang là thành phần rất quan trọng. Trong hệ thống truyền dẫn quang, sợi quang đóng vai trò là ph−ơng tiện truyền dẫn. Hiện nay, sợi quang đơn mode tuân theo khuyến nghị G 652 đ−ợc sử dụng nhiều nhất. Giá trị tán sắc không nằm ở b−ớc sóng 1310 nm. ở vùng 1550nm tán sắc rất lớn, cỡ 18ps/nm.km. Tuy nhiên, suy hao ở vùng b−ớc sóng 1550 nm thấp hơn rất nhiều so với vùng 1310nm, hơn nữa bộ khuếch đại quang EDFA làm việc tại vùng này, nên sợi quang dịch tán sắc DSF (tuân theo khuyến nghị G.653) ngày càng ứng dụng
nhiều hơn. Sợi quang dịch tán sắc có tán sắc bằng không ở b−ớc sóng 1550 nm. Sợi quang này phù hợp cho các hệ thống ghép mật độ th−a, hoặc hệ thống kênh mật độ khá cao, cự ly lớn, nh−ng không thích hợp cho các hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM vì hiệu ứng trộn tần 4 sóng xảy ra rất mạnh. Sợi quang NS- DSF (tuân theo khuyến nghị G655) có mức tán xạ thấp ở cửa sổ thứ 3. Loại sợi này rất phù hợp cho công nghệ DWDM cự ly dài.
1300 1400 1500 1600 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.32 Tán sắc của một số loại sợi quang Sợi quang G.655 Sợi quang G.653 Sợi quang G.652 B−ớc sóng (nm) Tán sắc (ps/nm.km) 0 -10 -20 10 20
Ch−ơng iii
Một số vấn đề công nghệ then chốt
Hệ thống WDM có ý nghĩa to lớn đối với việc xây dựng mạng thông tin quang nh−ng hiện nay vẩn còn một số vấn đề công nghệ.Ví dụ:yêu cầu đối với b−ớc sóng và tính ổn định của nguồn quang;tính phi tuyến của sợi quang hạn chế rất nhiều công suất ra của bộ khuyếch đại,hiệu ứng trộn bốn b−ớc sóng gây ra xuyên nhiễu giữa các kênh;khi tốc độ truyền dẫn cao phải khắc phục ảnh