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 3.10. là một coupler FBT 2 x 2 cú hướng
Hỡnh 3.10. 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.
3.3.3.2 Bộ isolator/circulator 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 3.11. (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 3.10c. 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 45 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 3.10b. 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.
*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 3.11. là sơ đồ khối bộ lọc cố định và bộ lọc điều chỉnh được.
Hỡnh 3.12. 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 100oC) Độ dịch dảithụng 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.
Hỡnh 3.13. (a) cỏc thụng số đặc trưng của bộ lọc. (b) Độ gợn súng của bộ lọc
b) Thụng số cơ bản
Hỡnh 3.12. minh họa cỏc đặc tớnh đặc trưng cho một bộ lọc, cỏc đặc tớnh đú được định nghĩa như sau:
- Bước súng trung tõm: phải là bước súng tuõn theo tiờu chuẩn ITU - T - éộ rộng băng thụng (Pass Bandwidth): là độ rộng của hàm truyền đạt tại mức suy hao xen cỏch đỉnh 0.5 dB. Trong một số trường hợp, người ta cũn cú thể xột băng thụng đi qua 1 dB, 3 dB. éặc tớnh này rất quan trọng vỡ laser
trong trường hợp khụng lớ tưởng chỉ phỏt tớn hiệu cú bước súng dao động nhất định so với bước súng trung tõm được qui định theo chuẩn ITU - T.
- éộ rộng băng chặn (Stop Bandwidth): là độ rộng của hàm truyền đạt tại mức suy hao xen cỏch đỉnh 20 dB. Dải chặn của bộ lọc phải càng nhỏ càng tốt để trỏnh hiện tượng xuyờn nhiễu giữa cỏc kờnh.
- éộ cỏch li (Isolation): để chỉ cụng suất của một kờnh bước súng xuyờn nhiễu sang cỏc kờnh bước súng lõn cận.
- éộ gợn súng (Ripple): là độ chờnh lệch đỉnh - đỉnh trong phạm vi một kờnh bước súng.
- Hệ số sử dụng băng thụng BUF (Bandwidth-utilization Factor): là tỉ số của độ rộng kờnh truyền LW (Linewidth) của ỏnh sỏng được truyền đi so với ỏnh sỏng phản xạ tại một mức suy hao xỏc định. Bộ lọc lớ tưởng phải cú BUF = 1. Trờn thực tế, khi IL = -25 dB thỡ BUF ≈ 0.4. Nếu bộ lọc thuộc loại cú thể điều chỉnh bước súng được, nú cũn cú thờm cỏc đặc tớnh nữa như là:
- Khoảng điều chỉnh bước súng động: là khoảng bước súng mà trong phạm vi hoạt động của bộ lọc.
- Số kờnh bước súng cú thể xử lý: là tỉ lệ khoảng điều chỉnh bước súng động trờn khoảng cỏch giữa cỏc kờnh bước súng.
- Thời gian điều chỉnh: Thời gian điều chỉnh giữa cỏc kờnh bước súng hoạt động khỏc nhau.
- Tỉ lệ nộn biờn SSR (Sidelobe Suppression Ratio): là khoảng cỏch giữa giỏ trị cụng suất đỉnh so với giỏ trị cụng suất lớn nhất ở biờn.
- éộ phõn giải: là độ dịch bước súng nhỏ nhất bộ lọc cú thể nhận biết được.
3.3.3.4. Bộ ghộp/tỏch kờnh bước súng
Bộ ghộp/tỏch kờnh bước súng, cựng với bộ kết nối chộo quang, là thiết bị quan trọng nhất cấu thành nờn hệ thống WDM. Khi dựng kết hợp với bộ kết nối chộo quang OXC (Optical Crossconnect) sẽ hỡnh thành nờn mạng truyền tải quang, cú khả năng truyền tải đồng thời và trong suốt mọi loại hỡnh
dịch vụ, mà cụng nghệ hiện nay đang hướng tới. Tuy nhiờn, trong khi thiết bị và cụng nghệ chuyển mạch quang nhỡn chung vẫn cũn đang ở mức nghiờn cứu tại cỏc phũng thớ nghiệm thỡ cỏc thiết ghộp/tỏch kờnh bước súng đó được thương mại hoỏ rộng rói. Về cụng nghệ chế tạo, cụng nghệ chế tạo bộ lọc và cụng nghệ chế tạo bộ tỏch/ghộp kờnh hoàn toàn giống nhau. Chỉ khỏc là bộ lọc thường chỉ cú một bước súng hoạt động, cũn bộ tỏch/ghộp kờnh hoạt động trờn nhiều kờnh bước súng liờn tục. Bộ lọc chớnh là phần tử cơ bản cấu tạo nờn bộ ghộp/tỏch kờnh nờn phần này ta sẽ khụng đi sõu vào cụng nghệ chế tạo nữa.
Nguyờn lý hoạt động của bộ MUX/DEMUX cũng tương tự như bộ Coupler. Tuy nhiờn, bộ Coupler/Splitter thực hiện ghộp tỏch tớn hiệu cú cựng bước súng, cũn bộ MUX/DEMUX thực hiện ghộp tỏch tớn hiệu ở cỏc bước súng khỏc nhau. Sơ đồ khối bộ MUX/DEMUX cho trong Hỡnh 3.13a. và b.
Hỡnh 3.14. Bộ tỏch/ghộp bước súng quang. (a) Sơ đồ khối bộ ghộp kờnh bước súng (MUX). (b) Sơ đồ khối bộ tỏch kờnh bước súng (DEMUX). Cỏc thụng số
đặc trưng bộ MUX/DEMUX
3.3.3.5 Bộ chuyển mạch quang a) Cỏc bộ chuyển mạch đơn
Theo chức năng, cỏc bộ chuyển mạch đơn thường được chia làm hai loại: on/off và chuyển tiếp (passing). Bộ chuyển mạch on/off (1x1) sẽ cho phộp/hoặc khụng cho phộp tớn hiệu ỏnh sỏng đi qua Hỡnh 3.14a. Chuyển mạch chuyển tiếp 1x2 hướng tớn hiệu ỏnh sỏng từ sợi quang thứ nhất sang sợi quang thứ hai hoặc sang sợi quang thứ ba. Cấu hỡnh chuyển mạch 1x2 trong Hỡnh 3.14b. là cấu hỡnh chuyển mạch đơn giản nhất. Cỏc bộ chuyển mạch chuyển tiếp 1xN đơn mang tớnh thương mại cao. Bộ chuyển mạch chuyển tiếp 2x2 cú thể kết nối hai sợi quang này với hai sợi quang khỏc. Bộ chuyển mạch chuyển tiếp 2x2 cú thể cú hai trạng thỏi: trạng thỏi kết nối thẳng (bypass/bar) và trạng thỏi kết nối chộo (cross/inserted) Hỡnh 3.14c. Thuật ngữ khụng nghẽn dựng để chỉ một bộ chuyển mạch cú thể kết nối bất kỳ ngừ vào đến bất kỳ ngừ ra. Hỡnh 3.14.d. trỡnh bày bộ chuyển mạch 2x2 cú nghẽn vỡ bộ chuyển mạch này chỉ cú thể kết nối từ sợi quang 1 đến sợi quang 4.
Hỡnh 3.15. Cỏc loại cấu hỡnh chuyển mach quang. (a) chuyển mạch on/off (1x1). chuyển mạch chuyển tiếp (1x2) (khụng nghẽn); (c,d) chuyển mach 2x2
co nghẽn
- Nhiều vớ dụ đơn giản về cỏc ứng dụng của bộ chuyển mạch khẳng định tầm quan trọng của cỏc bộ chuyển mạch trong hệ thống thụng tin sợi quang như sau:
- Cỏc chuyển mạch on/off được dựng làm cỏc đầu phỏt và đầu thu cỏch ly trong thiết bị đo thử. Bộ chuyển mạch 1x2 cho phộp lựa chọn kờnh và được dựng cho chuyển mạch bảo vệ (để định hướng lại lưu lượng khi sợi quang bị đứt).
- Cỏc chuyển mạch 1xN được dựng để kiểm tra và đo cỏc linh kiện quang, kiểm tra từ xa cỏc hệ thống thụng tin sợi quang.
- Cỏc chuyển mạch 2x2 được dựng để kết nối thẳng nỳt trong cỏc mạng quang. Chuyển mạch 2x2 thường được ứng dụng trong cỏc mạng FDDI. Khi một trạm nào đú bị hư hỏng hoặc bị mất nguồn, bộ chuyển mạch sẽ tự động thay đổi sang trạng thỏi nghẽn, do đú đảm bảo luồng lưu lượng khụng bị ảnh hưởng khi nỳt bị hư hỏng. Cỏc chuyển mạch đơn được chế tạo theo cỏc kiểu khúa (latching) hoặc khụng khúa (nonlatching). Loại khúa sẽ giữ nguyờn trạng thỏi (vị trớ) của chuyển mạch nếu nguồn bị mất. Nguyờn lý hoạt động của cỏc chuyển mạch đơn điển hỡnh thường dựa trờn: điện - quang, quang cơ học, nhiệt quang.
3.3.3.6. Bộ chuyển đổi bước súng
Bộ chuyển đổi bước súng là thiết bị chuyển đổi tớn hiệu cú bước súng này ở đầu vào ra thành tớn hiệu cú bước súng khỏc ở đầu ra. éối với hệ thống WDM, bộ chuyển đổi bước súng cho nhiều ứng dụng hữu ớch khỏc nhau:
- Tớn hiệu cú thể đi vào mạng với bước súng khụng thớch hợp khi truyền trong mạng WDM. Chẳng hạn như hiện nay cỏc thiết bị WDM trờn thế giới đa số đều chỉ cú khả năng hoạt động trờn cỏc bước súng thuộc băng C và băng L, nhưng tớn hiệu SDH hoạt động với bước súng 1310 nm cú thể truyền trờn hệ thống WDM nhờ cỏc bộ chuyển đổi bước súng đặt ở biờn giới giữa mạng WDM và mạng SDH, chuyển đổi tớn hiệu từ bước súng 1310 nm sang tớn hiệu tương thớch với bước súng theo qui định ITU-T hoạt động ở vựng 1550 nm.
phương phỏp chế tạo bộ chuyển đổi bước súng: phương phỏp quang-điện, phương phỏp cửa quang, phương phỏp giao thoa và phương phỏp trộn bước súng. Phương phỏp trộn bước súng là phương phỏp toàn quang, hoạt động