2.3.1. Định nghĩa
Ghộp kờnh theo bước súng WDM (Wavelength Division Multiplexing ) là cụng
nghệ “ trong một sợi quang truyền dẫn nhiều tớn hiệu quang với nhiều bước súng khỏc nhau”. Ở đầu phỏt, nhiều tớn hiệu quang cú bước súng khỏc nhau được tổ hợp lại (ghộp kờnh) để truyền đi trờn một sợi quang. Ở đầu thu, tớn hiệu tổ hợp đú được phõn giải ra (tỏch kờnh), khụi phục lại tớn hiệu gốc rồi đưa vào cỏc đầu cuối khỏc nhau.
2.3.2. Nguyờn lý cơ bản của WDM
Do cỏc nguồn phỏt quang cú độ rộng phổ khỏ hẹp, cỏc hệ thống thụng tin cỏp
sợi quang thường chỉ sử dụng phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi quang. Để tận dụng băng thụng, người ta đó tiến hành ghộp cỏc luồng ỏnh sỏng cú bước súng khỏc nhau và truyền đi trờn một sợi quang. Về lý thuyết, cú thể truyền một dung lượng rất lớn trờn một sợi quang từ nhiều nguồn phỏt quang khỏc nhau hoạt động ở cỏc bước súng khỏc nhau. Ở phớa thu cú thể thu được cỏc tớn hiệu quang riờng biệt nhờ quỏ trỡnh lọc cỏc bước súng khỏc nhau này
Kỹ thuật ghộp kờnh theo bước súng cho phộp tăng dung lượng truyền dẫn quang mà khụng cần tăng tốc độ bit đường truyền và cũng khụng cần tăng thờm số sợi quang.
Giả sử cú cỏc nguồn quang làm việc ở cỏc bước súng khỏc nhau λ1,λ2,...,λn. Cỏc tớn hiệu quang ở cỏc bước súng khỏc nhau này sẽ được ghộp vào cựng một sợi dẫn quang. Cỏc tớn hiệu cú bước súng khỏc nhau được ghộp lại ở phớa phỏt nhờ bộ ghộp kờnh, bộ ghộp bước súng phải đảm bảo cú suy hao nhỏ và tớn hiệu sau khi ghộp sẽ được truyền dọc theo sợi tới phớa thu. Cỏc bộ tỏch súng quang khỏc nhau ở phớa đầu thu sẽ nhận lại cỏc luồng tớn hiệu với cỏc bước súng riờng rẽ này sau khi chỳng qua bộ giải ghộp bước súng. Nguyờn lý cơ bản của ghộp bước súng quang đơn hướng cú thể minh hoạ như hỡnh 2.4
Hỡnh 2.3. Sơ đồ khối hệ thống quang WDM
Ở phớa phỏt, cỏc thiết bị ghộp kờnh phải cú suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghộp kờnh. Ở phớa thu cỏc bộ tỏch súng quang phải nhạy với độ rộng của cỏc bước súng quang. Khi thực hiện tỏch kờnh cần phải thực hiện cỏch ly kờnh quang thật tốt với cỏc bước súng bằng cỏch thiết kế cỏc bộ giải ghộp kờnh thật chớnh xỏc, cỏc bộ lọc quang nếu được sử dụng phải cú bước súng cắt chớnh xỏc, dải làm việc thật ổn định.
Cú 2 phương ỏn thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghộp bước súng quang (như hỡnh 2.4 và hỡnh 2.5) Bao gồm:
Hệ thống ghộp bước súng theo 1 hướng (hỡnh 2.4): thiết bị ghộp bước súng được dựng để kết hợp cỏc bước súng quang từ cỏc nguồn quang laser diode (LD) hoặc LED khỏc nhau; sau đú cỏc tớn hiệu đa bước súng này được đi truyền trờn cựng một sợi và
Sợi dẫn quang DE M U X M U X I1(λ1) In(λn) O1(λ1) On(λn) O(λ1,... λn) I(λ1,... λn)
tại đầu thu, thiết bị tỏch bước súng quang sẽ tỏch cỏc bước súng này trước khi đưa vào cỏc bộ thu quang để thực hiện biến đổi về tớn hiệu điện.
Hệ thống ghộp bước súng theo 2 hướng (hỡnh 2.5): tớn hiệu được truyền đi theo 1 hướng tại bước súng λ1,λ2,...,λN và hướng ngược lại theo cỏc bước súng λ,
1,λ, 2, ... λ,
N, trờn cựng một sợi quang.
a. Truyền dẫn hai chiều trờn hai sợi
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trờn hai sợi là: tất cả kờnh quang cựng trờn một sợi quang truyền dẫn theo cựng một chiều (như hỡnh 2.4), ở đầu phỏt cỏc tớn hiệu cú bước súng quang khỏc nhau và đó được điều chế λ1, λ2 ,...., λn thụng qua bộ
ghộp kờnh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiều trờn một sợi quang. Vỡ cỏc tớn hiệu được mang thụng qua cỏc bước súng khỏc nhau, do đú sẽ khụng lẫn lộn. Ở đầu thu, bộ tỏch kờnh quang tỏch cỏc tớn hiệu cú bước súng khỏc nhau, hoàn thành truyền dẫn tớn hiệu quang nhiều kờnh. Ở chiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khỏc, nguyờn lý giống như trờn.
b. Truyền dẫn hai chiều trờn một sợi
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trờn một sợi là: ở hướng đi, cỏc kờnh quang tương ứng với cỏc bước súng λ1, λ2, ..., λn qua bộ ghộp/tỏch kờnh được tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trờn một sợi. Cũng sợi quang đú, ở hướng về cỏc bước súng λn+1,
λn+2,..., λ2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xem hỡnh 2.5). Núi cỏch khỏc ta dựng cỏc bước súng tỏch rời để thụng tin hai chiều (song cụng).
Hệ thống WDM hai chiều trờn hai sợi được ứng dụng và phỏt triển tương đối rộng rói. Hệ thống WDM hai chiều trờn một sợi thỡ yờu cầu phỏt triển và ứng dụng cao hơn, đũi hỏi yờu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiờm ngặt. Ở phớa phỏt, cỏc thiết bị ghộp kờnh phải cú suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghộp kờnh. Ở phớa thu, cỏc bộ tỏch súng quang phải nhạy với dải rộng của cỏc bước súng quang. Khi thực hiện tỏch kờnh cần phải cỏch ly kờnh quang thật tốt với cỏc bước súng khỏc bằng cỏch thiết kế cỏc bộ tỏch kờnh thật chớnh xỏc, cỏc bộ lọc quang nếu được sử dụng phải cú bước súng cắt chớnh xỏc, dải làm việc ổn định.
Hệ thống WDM được thiết kế phải giảm tối đa cỏc hiệu ứng cú thể gõy ra suy hao truyền dẫn. Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của cỏc thiết bị thấp, cần phải tối chiều trờn một sợi, do đú hệ thống này cú khả năng ớt được lựa chọn khi thiết kế tuyến. thiểu hoỏ thành phần cụng suất cú thể gõy ra phản xạ tại cỏc phần tử ghộp, hoặc tại cỏc điểm ghộp nối cỏc module, cỏc mối hàn...., bởi chỳng cú thể làm gia tăng vấn đề xuyờn kờnh giữa cỏc bước súng, dẫn đến làm suy giảm nghiờm trọng tỉ số S/N của hệ thống. Cỏc hiệu ứng trờn đặc biệt nghiờm trọng đối với hệ thống WDM truyền dẫn hai
Ở một mức độ nào đú, để đơn giản ta cú thể xem xột bộ tỏch bước súng như bộ ghộp bước súng chỉ bằng cỏch đổi chiều tớn hiệu ỏnh sỏng. Như vậy hiểu đơn giản, từ
“bộ ghộp - multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để xột cho cả bộ ghộp và bộ tỏch; loại trừ trường hợp cần thiết phải phõn biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng. Người ta chia loại thiết bị OWDM làm ba loại: Cỏc bộ ghộp (MUX), cỏc bộ tỏch (DEMUX) và cỏc bộ ghộp/tỏch hỗn hợp (MUX-DEMUX). Cỏc bộ MUX và DEMUX được sử dụng trong cỏc phương ỏn truyền dẫn theo một hướng, cũn loại thứ ba MUX-DEMUX được sử dụng cho cỏc phương ỏn truyền dẫn theo hai hướng. Hỡnh 2.6 mụ tả thiết bị ghộp/tỏch hỗn hợp.
2.4. Cỏc linh kiện trong hệ thống WDM
Cỏc linh kiện được sử dụng trong cỏc mạng quang hiện đại bao gồm cỏc bộ ghộp/tỏch (couplers), bộ phỏt laser (lasers), bộ tỏch quang (photodetectors), bộ khuếch đại quang (optical amplifiers), bộ chuyển mạch quang (optical switches), bộ lọc (filters) và bộ ghộp/tỏch kờnh (multiplexers).
2.4.1 Bộ ghộp/tỏch tớn hiệu (Coupler) a) Định nghĩa a) Định nghĩa
Bộ ghộp/tỏch tớn hiệu (Coupler) là thiết bị quang dựng để kết hợp cỏc tớn hiệu truyền đến từ cỏc sợi quang khỏc nhau. Nếu coupler chỉ cho phộp ỏnh sỏng truyền qua nú theo một chiều, ta gọi là coupler cú hướng (directional coupler). Nếu nú cho phộp ỏnh sỏng đi theo 2 chiều, ta gọi là coupler song hướng (bidirectional coupler). Coupler thụng dụng nhất là coupler FBT (Fused Binconical Taper). Coupler này được chế tạo bằng
cỏch đặt 2 sợi quang cạnh nhau, sau đú vừa nung chảy để chỳng kết hợp với nhau vừa kộo dón ra để tạo thành một vựng ghộp (coupling region). Một coupler 2 x 2 đặc trưng bởi tỉ số ghộp α (0<α<1). α là tỉ lệ cụng suất ỏnh sỏng ngừ vào 1 đến ngừ ra 1 so với tổng cụng suất ỏnh sỏng vào ngừ vào 1. Phần tỉ lệ 1-α cụng suất ỏnh sỏng cũn lại của ngừ vào 1 sẽ được truyền đến ngừ ra 2. Hỡnh 2.7 là một coupler FBT 2 x 2 cú hướng
Hỡnh 2.7. Cấu tạo Coupler FBT 2x2
b) Nguyờn lý hoạt động
Khi hai sợi quang được đặt cạnh nhau, ỏnh sỏng sẽ được ghộp từ sợi này sang sợi kia và ngược lại. éú là do quỏ trỡnh truyền mốt ỏnh sỏng trờn sợi quang qua vựng ghộp sẽ khỏc so với truyền trờn sợi quang đơn. Khi đú, toàn bộ ỏnh sỏng thuộc một sợi quang sẽ được ghộp hoàn toàn sang sợi quang ghộp với nú, phần ỏnh sỏng này lại tiếp tục được ghộp ngược trở lại sang sợi quang sang đầu theo một chu kỡ tuần hoàn khộp kớn. Kết quả ta cú cường độ trường điện từ ở đầu ra của mộ ghộp E , E được tớnh theo cường độ trường điện từ đầu vào E , E theo cụng thức:
trong đú:
β là hệ số pha của sự truyền ỏnh sỏng trong sợi quang.
κ là Hệ số ghộp. κ phụ thuộc vào chiều rộng của sợi quang, chiết suất của lừi sợi và đến khoảng cỏch gần nhau của hai sợi quang khi thực hiện nung chảy
c) Ứng dụng
-Coupler là linh kiện quang linh hoạt và cú thể cho nhiều ứng dụng khỏc nhau:Bộ coupler với tỉ số ghộp α ≈ 1 được dựng để trớch một phần nhỏ tớn hiệu quang, phục vụ cho mục đớch giỏm sỏt.
-Coupler cũn là bộ phận cơ bản để tạo nờn cỏc thành phần quang khỏc, chẳng hạn như: cỏc bộ chuyển mạch tĩnh, cỏc bộ điều chế, bộ giao thoa Mach-Zehnder MZI... MZI cú thể được chế tạo hoạt động như bộ lọc, MUX/DEMUX, chuyển mạch và bộ chuyển đổi bước súng.
-Thực hiện ghộp/tỏch bước súng trờn sợi quang. Nhờ điều chỉnh chiều dài ghộp thớch hợp khi chế tạo, coupler 2 x 2 ghộp 50:50 phõn bố cụng suất ỏnh sỏng từ một đầu vào ra làm 2 phần bằng nhau ở 2 ngừ ra. Coupler này cũn được gọi là coupler 3 dB, ứng dụng phổ biến nhất. Từ coupler 3 dB, cú thể tạo nờn bộ coupler n x n ghộp n tớn hiệu khỏc nhau vào một sợi quang.
2.4.2 Bộ isolator/circulator a) éịnh nghĩa a) éịnh nghĩa
Coupler và phần lớn cỏc linh kiện quang thụ động khỏc là cỏc thiết bị thuận ngược (reciprocal) theo nghĩa thiết bị sẽ hoạt động cựng một kiểu nếu đảo ngừ vào và ngừ ra với nhau.Isolator là thiết bị khụng thuận ngược (nonreciprocal). Nú chỉ truyền ỏnh sỏng qua nú theo một chiều và ngăn khụng cho truyền theo chiều ngược lại. Nú được dựng tại đầu ra của cỏc thiết bị quang (bộ khuếch đại, nguồn phỏt laser) để ngăn quỏ trỡnh phản xạ ngược trở lại cỏc thiết bị đú, gõy nhiễu và hư hại thiết bị. Hai tham số chớnh của Isolator là suy hao xen và độ cỏch ly. Circulator cũng thực hiện chức năng tương tự như bộ Isolator nhưng nú thường cú nhiều cổng, thường là 3 hoặc 4 cửa. Chớnh vỡ sự tương đồng giữa hai loại thiết bị, ta sẽ chỉ trỡnh bày hoạt động của bộ Isolator mà thụi.
Hỡnh 2.8. (a) Sơ đồ khối bộ circulator 3 cửa. (b) Sơ đồ khối của bộ circulator 4 cửa. (c) Sơ đồ khối của bộ Isolator
b) Nguyờn lý hoạt động
Trạng thỏi phõn cực của ỏnh sỏng truyền trong sợi quang được định nghĩa là chiều phõn cực của vector cường độ trường E nằm trờn mặt phẳng vuụng gúc với phương truyền ỏnh sỏng trong sợi. Ta gọi là phõn cực ngang và phõn cực dọc. Quỏ trỡnh truyền ỏnh sỏng trong sợi quang là sự kết hợp tuyến tớnh truyền cỏc súng phõn cực ngang và phõn cực dọc. Mụ hỡnh đơn giản của bộ Isolator được minh họa như trong hỡnh 2.8 (c). Giả sử ỏnh sỏng truyền là phõn cực dọc, truyền đến bộ phõn cực (Polarizer), bộ này thực hiện chức năng chỉ cho súng phõn cực dọc đi qua, khụng cho súng phõn cực ngang đi qua. Sau bộ phõn cực là bộ quay pha Faraday, thực hiện quay pha 45o
theo chiều kim đồng hồ khụng phõn biệt chiều ỏnh sỏng đến.
Tiếp theo là bộ phõn cực, bộ này thực hiện chức năng chỉ cho súng phõn cực 450
đi qua. Như vậy, bộ Isolator ta xột chỉ cho phộp súng phõn cực dọc đi qua theo chiều từ trỏi sang phải. Trong trường hợp súng phản xạ theo chiều ngược lại, nếu súng qua được bộ phõn cực thứ hai, qua tiếp theo bộ quay pha Faraday, thỡ cũng khụng thể qua được bộ phõn cực thứ nhất (do lỳc này súng phõn cực ngang).Trờn thực tế thỡ súng truyền trong sợi quang luụn là sự kết hợp tuyến tớnh của cỏc trạng
thỏi phõn cực ngang và dọc nờn thiết kế bộ Isolator phức tạp hơn. Mụ hỡnh thu nhỏ được trỡnh bày trong hỡnh 2.8 (b). Ánh sỏng truyền trong sợi quang với trạng thỏi phõn cực bất kỡ được đưa đến bộ tỏch/ghộp trạng thỏi phõn cực SWP (Spatial Walk-off Polarizer), tỏch thành hai dũng tớn hiệu phõn cực dọc và ngang theo hai đường độc lập nhau. Tiếp theo, đến bộ quay pha Faraday, quay pha 45o
theo chiều kim đồng hồ. Mặt phẳng λ/2 (Half-wave plate) thực hiện quay pha 45o
theo chiều kim đồng hồ đối với tớn hiệu truyền từ trỏi sang phải, quay pha 45o
theo chiều ngược kim đồng hồ theo chiều truyền ngược lại. Cuối cựng, tớn hiệu ở hai nhỏnh được kết hợp lại nhờ bộ SWP thứ hai. Nếu theo chiều ngược lại, hai bộ SWP sẽ khử lẫn nhau. Ánh sỏng truyền qua bộ
SWP thứ hai, qua bộ quay pha Faraday sẽ khụng thể kết hợp lại được tại bộ SWP thứ nhất.
c) Ứng dụng
Bộ Isolator và Circulator cú những ứng dụng sau:
- Bộ Isolator thường đứng trước đầu ra bộ khuếch đại quang hoặc nguồn phỏt laser để ngăn ỏnh sỏng phản xạ ngược trở lại thiết bị gõy nhiễu và cú thể làm hư thiết bị.
- Bộ Circulator được dựng như một bộ phận để chế tạo phần tử xen rớt quang OADM.
2.4.3. Bộ lọc quang a) Tổng quan a) Tổng quan éịnh nghĩa
Bộ lọc là thiết bị chỉ cho phộp một kờnh bước súng đi qua, khúa đối với tất cả cỏc kờnh bước súng khỏc. Nguyờn lý cơ bản nhất của bộ lọc là sự giao thoa giữa cỏc tớn hiệu, bước súng hoạt động của bộ lọc sẽ được cộng pha nhiều lần khi đi qua nú, cỏc kờnh bước súng khỏc, ngược lại, sẽ bị triệt tiờu về pha. Tuỳ thuộc vào khả năng điều chỉnh kờnh bước súng hoạt động, người ta chia bộ lọc làm hai loại: bộ lọc cố định (fixed filter) và bộ lọc điều chỉnh được (tunable filter). Hỡnh 2.9 là sơ đồ khối bộ lọc cố định và bộ lọc điều chỉnh được.
Hỡnh 2.9. Sơ đồ khối của bộ lọc. (a) bộ lọc cố định λk. (b) bộ lọc cú thể điều chỉnh bước súng được trong khoảng ∆λ
Yờu cầu đối với bộ lọc
Hiện nay, cú rất nhiều cụng nghệ chế tạo bộ lọc. Tuy nhiờn, yờu cầu chung đối với tất cả cỏc cụng nghệ là:
- Bộ lọc tốt phải cú giỏ trị suy hao xen IL thấp.
- Bộ lọc phải khụng phụ thuộc nhiều vào trạng thỏi phõn cực của tớn hiệu đưa vào. - Dải thụng hoạt động của bộ lọc phải khụng nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ của mụi trường. Bộ lọc phải đảm bảo trong khoảng nhiệt độ hoạt động (thường là khoảng 100o
C) Độ dịch dải thụng hoạt động phải khụng vượt quỏ khoảng cỏch giữa hai kờnh bước súng hoạt động gần nhất.
- Khi ứng dụng ghộp nối tiếp nhiều bộ lọc trong hệ thống WDM, băng thụng hoạt động sẽ bị thu hẹp lại. éể hạn chế tối đa điều này, cỏc bộ lọc phải cú hàm truyền đạt trong khoảng bước súng hoạt động là bằng phẳng.
- Hàm truyền đạt của bộ lọc phải cú độ dốc lớn để trỏnh giao nhau ở phần vạt của hai bước súng lõn cận, gõy xuyờn nhiễu giữa cỏc kờnh.
- Giảm chi phớ sản xuất. Vấn đề này lại phụ thuộc vào cụng nghệ chế tạo. Tuy nhiờn, khi vấn đề này đặt lờn hàng đầu thỡ ta sẽ cú hai lựa chọn. Thứ nhất là dựng cụng nghệ ống dẫn súng, cho phộp sản xuất trờn những vi mạch tớch hợp quang (bự lại hoạt động phụ thuộc vào trạng thỏi phõn cực của súng quang). Thứ hai là dựng cụng nghệ sản xuất cỏc thiết bị thuần quang, tuy khú khăn trong tớch hợp mạch nhưng cú nhiều ưu điểm là: khụng phụ thuộc vào trạng thỏi phõn cực của súng quang, ghộp súng từ sợi quang vào thiết bị dễ dàng.