Phương pháp ghép sợi

3.2. Ghép kênh quang OMUX và tách kênh quang ODMUX

3.2.3. Phương pháp ghép sợi

Phần trên ta xem xét các thành phần thiết bị vi quang đã đƣợc sử dụng rộng rãi cho các loại sợi đa mode, nhƣng lại rất khó sử dụng cho sợi đơn mode bởi vì quá trình xử lý chùm sáng phải qua các giai đoạn nhƣ phản xạ, chuẩn trực, hội tụ…, từ đó dẫn tới quang sai và các vấn đề trễ khác tạo ra suy hao tín hiệu quá lớn ở thiết bị. Thiết bị DWDM ghép sợi phù hợp hơn đối với các sợi đơn mode vì có thể tránh đƣợc quang sai, giảm trễ, giảm suy hao do các quá trình xử lý chùm sáng qua các đoạn phản xạ, chuẩn trực, hội tụ v.v...

gây ra.

Nguyên lý hoạt động: 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 nhƣ 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 đƣợc xác định theo biểu thức

A 0 = e  Wd a 

WK V

U /

2 1 3 2 2 /

1 1

2 Wad  



 



 

(3.9)

d - khoảng cách giữa 2 tần số n 1 - hệ số chiết suất của lõi

n 2 - hệ số chiết suất của vỏ

K 1 2 - hàm Bessel bậc nhất loại hai

 - thành phần dọc của véc tơ truyền lan mode .  = 1 – n 2 /n Hệ số chiết suất tương đối V = (2a/)(n 1 2 – n 2 2 ) 1/2 Tần số chuẩn hoá

U = a[(2n 1 /) 2 -  2 ] 1/2 Hằng số truyền lan ngang trong lõi sợi W = a[ 2 – (2n 2 /) 2 ] 1/2 Độ suy biến tốc độ của trường trong vỏ.

Từ biểu thức (3.9) 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, vì khi đó sự phân bố trường mode có xu hướng dãn rộng tới vùng vỏ.

Các thiết bị DWDM ghép sợi có thể có hai dạng, đó là: nung nóng chảy các sợi kề nhau và mài ghép chỗ tiếp xúc giữa các sợi.

3.2.3.1. Phương pháp ghép xoắn sợi

Hình 3. 21: Phương pháp nóng chảy

Các sợi sau khi được bện với nhau được đặt dưới một nguồn nhiệt có điều khiển. Khi các sợi đã đạt tới trạng thái mềm dẻo thì dùng lực kéo và xoắn các sợi lại với nhau làm cho các lõi sợi ghép lại gần nhau. Bằng cách điều khiển các yếu tố nhƣ: nhiệt độ, vùng đƣợc đốt nóng, các lực kéo và xoắn ta có thể thay đổi đƣợc kích cỡ, hình dạng và độ dài của vùng ghép do đó làm thay đổi đƣợc đặc tính của sợi.





 Vùng xoắn nóng chảy

vỏ sợi

Đối với các bộ ghép kiểu xoắn nóng chảy, người ta nhận thấy rằng khi tăng chiều dài phần ghép lên thì có khả năng tách được các bước sóng gần nhau hơn.

Trong cấu trúc nóng chảy, đoạn ghép đƣợc 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/ 1500 nm có độ dài ghép 20nm, suy hao xen nhỏ khoảng 0.04dB 3.2.3.2. Phương pháp mài ghép

Hình 3. 22: Phương pháp mài ghép

Trong phương pháp mài ghép, hai sợi quang được đặt trong hai rãnh cong nằm trong hai khối thạch anh. Tiếp đó người ta mài cho đến khi các lõi sợi này gần lộ ra và đƣợc đặt tiếp xúc với nhau qua một lớp dầu hay epoxy.

Do đó sự ghép nối có thể thực hiện đƣợc. Ở đây hệ số ghép nối có thể đạt đến giá trị tuỳ ý bằng cách thay đổi khoảng cách giữa hai sợi hay sử dụng các vật liệu có chiết suất khác nhau giữa hai khối.

Ưu điểm chính của ghép đơn mode theo phương pháp mài ghép so với phương pháp 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.

Khi cần ghép nhiều hơn hai bước sóng thì phải ghép nối tiếp các bộ ghép. Hình 3.23 là bộ ghép gồm ba mối ghép nối tiếp ở các bước sóng 1320 nm, 1280 nm, 1240 nm và 1200 nm.

Vỏ sợi







Môi tr-ờng ghép

Hình 3. 23: Bộ ghép kênh 4 bước sóng bằng phương pháp nóng chảy nối tiếp các sợi đơn mode

3.2.3.3. Nhược điểm của phương pháp ghép sợi

Thực tế cho thấy, băng thông của các bộ ghép bước sóng dùng phương pháp ghép sợi có đặc tính gần nhƣ hình sin. Vì vậy khó khăn cho việc lựa chọn bước sóng của nguồn quang. Do đó việc sử LED đối với các phương pháp này là không thể đƣợc vì phổ của chúng quá lớn. Nhƣ vậy chỉ có các laser có độ rộng phổ hẹp đƣợc sử dụng để tránh suy hao cũng nhƣ xuyên âm giữa các kênh.

3.2.4. Các bộ tách ghép trên cơ sở mạch tổ hợp quang điện OEI

Từ mạch OEI (optoelectronic integration - mạch tổ hợp quang điện) có thể chế tạo thiết bị DWDM theo các phương pháp khác nhau: như ghép định hướng, sử dụng cách tử, buồng cộng hưởng quang học.

Các cấu trúc có chu kỳ nhƣ các cách tử là cấu trúc lựa chọn phổ, nó đƣợc dùng rất phổ biến cho các bộ lọc có tính chọn lọc cao, đặc biệt nó đã đƣợc dùng trong các cấu trúc của Laser DBR. Ngoài ra các bộ lọc cách tử cấu trúc này được dùng để tách các bước sóng khác nhau. Các bộ lọc có độ rộng băng rất hẹp đƣợc cấu tạo theo giải pháp này đƣợc gọi là cách tử dẫn sóng theo hàng AWG.

AWG là một phần tử hoàn toàn tương tự với bộ lọc ánh sáng đơn sắc dùng cách tử (grating monochrometer), nhƣng nó đƣợc làm thành một khối dẫn sóng đặc. AWG bao gồm một số luồng dẫn sóng có chiều dài khác nhau.

Sự giao thoa của ánh sáng khi đi qua bộ dẫn sóng này gây ra đặc tính lọc. Mặt khác, vì AWG là một thiết bị dẫn sóng nên nó có thể dễ dàng nối với các sợi quang hoặc các thiết bị dẫn sóng khác. Quá trình chế tạo AWG hoàn toàn

Laser

λ 1 λ 2 λ 3 λ 4

λ 1

λ 2

λ 3

λ 4

tương tự như các mạch tích hợp điện. Bộ AWG có các thành phần cố định, không nhạy cảm với các dao động bên ngoài, nhờ các đặc điểm này mà AWG đã trở thành công nghệ đƣợc sử dụng chính trong các bộ tách/ghép kênh của hệ thống DWDM.

Bộ ghép kênh bước sóng AWG bao gồm: AWG, các dẫn sóng đầu vào_

input waveguides, các dẫn sóng đầu ra_ output waveguides, hai tấm dẫn sóng hội tụ hình quạt_Slab waveguides đƣợc tích hợp trên một lớp đế đơn.

Hình 3. 24: Nguyên lý hoạt động của AWG

Đầu ra của các ống dẫn sóng AWG đều được hướng vào tiêu điểm của tấm dẫn sóng hình quạt. Cấu trúc này có đặc điểm giống như gương cầu lõm. Vì vậy, ánh sáng vào (gồm nhiều bước sóng) được nhiễu xạ thành chùm tia phân kì trong Slab thứ nhất sẽ đi vào các luồng dẫn sóng AWG ở trạng thái cùng pha. Sau khi đi qua AWG, chùm ánh sáng lại đƣợc hội tụ tại nhiều điểm trên mặt phẳng tiêu điểm của Slab thứ hai. Các ống dẫn sóng trong AWG đƣợc tách riêng hoàn toàn với nhau để tránh hiện tƣợng ghép quang và ánh sáng đƣợc truyền một cách riêng biệt. Do đó trạng thái pha của các luồng ánh sáng tại lối ra trong AWG bị dịch chuyển bởi sự khác nhau về độ dài giữa các ống dẫn sóng. Sự dịch pha này phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng và vị trí hội tụ tùy thuộc vào bước sóng ánh sáng đi vào. Vì lý do đó mà các bước sóng ở đầu vào được tách theo các ống dẫn sóng đầu ra tương ứng.

Tham số quan trọng nhất của ghép bước sóng, đó là khoảng cách kênh bước sóng . Vị trí hội tụ phụ thuộc vào bước sóng tín hiệu theo quan niệm trễ pha trong mỗi ống dẫn sóng là L/. Sự phân tán của điểm hội tụ x tương ứng với các bước sóng được biểu diễn bởi công thức 3.10:

d n

fm x

s

 



 (3.10)

Trong đó:

f: bán kính cong của quạt hay tiêu cự quạt.

n s : chiết suất hiệu dụng của vùng Slab.

d: bước xếp của các ống dẫn sóng.

L: sự khác nhau về chiều dài giữa các đường dẫn trong AWG.

x: khoảng cách giữa các ống dẫn sóng đầu vào và đầu ra.

m: bậc nhiễu xạ, biểu thị sự khác nhau trong các luồng dẫn sóng L là bội số của bước sóng và được tính toán theo công thức:

 0

n L

m  c  (3.11)

Với n c là chiết suất hiệu dụng của các kênh dẫn sóng và  0 là bước sóng trung tâm của bộ tách ghép bước sóng AWG.

Từ công thức (3.10) ta thấy rằng khoảng cách giữa các kênh sóng  tỉ lệ nghịch với tiêu cự f và tỉ lệ thuận với bước xếp các ống dẫn sóng d. Ta cũng có thể thấy rằng các tín hiệu DWDM đƣợc phân tán và hội tụ đồng thời ở các vị trí định trước.

Đặc điểm của bộ ghép bước sóng AWG là có độ phân giải bước sóng cao, khoảng cách kênh bước sóng hẹp, có thể dễ dàng đạt được bậc nhiễu xạ cao và được quy định bởi việc hiệu chỉnh chiều dài đường dẫn sóng.

Bộ ghép kênh AWG thường được chế tạo bằng cách sử dụng vật liệu dẫn sóng SiO 2 đƣợc bơm thêm Ge. Trong thực tế dẫn sóng này đƣợc sử dụng do có suy hao đường truyền thấp, suy hao ghép sợi thấp, độ bền cao và ổn định trong một thời gian dài.

Sự khác nhau về chiết suất giữa lớp lõi và lớp vỏ là 0.75% và lõi có chiều cao là 6.5m, bề rộng là 6.5m. Cấu trúc này khống chế ánh sáng một cách mạnh mẽ do vậy đường dẫn sóng có thể được uốn cong với bán kính 5mm mà không bị suy hao bức xạ rất phù hợp để sắp xếp AWG phức tạp trên một lớp đế nhỏ. Ngoài ra một máy làm lạnh kiểu nhiệt điện đƣợc sử dụng đặt dưới chip của bộ multiplexer để điều khiển nhiệt độ với bước sóng đầu ra phụ thuộc nhiệt độ với hệ số 0.0012 nm/ 0 C.

Phương pháp ghép kênh.

OMUX ODMUX

dưới 32 bước sóng

40 bướcsóng

trên 80 bước sóng

dưới 32 bước sóng

40 bước sóng

trên 80 bước sóng

Ghép sợi  - - - - -

AWG   -   -

Bộ lọc điện môi màng mỏng

  -   -

Cách tử - -  - - 

Bảng 3.1: Mối quan hệ giữa các hệ thống DWDM và phương pháp tách, ghép kênh

3.3. Các bộ khuếch đại quang

Ở các tuyến thông tin quang truyền thống, khi cự ly truyền dẫn dài tới mức phân bổ suy hao không thỏa mãn, suy hao tuyến vƣợt quá công suất dự phòng thì cần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền. Các trạm lặp này thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua các quá trình biến đổi quang - điện và điện - quang. Điều này có nghĩa là tín hiệu quang rất yếu không thể truyền xa tiếp đƣợc nữa sẽ đƣợc các trạm lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện sau đó tiến hành khuếch đại, khôi phục định thời, tái tạo lại dạng tín hiệu điện và rồi lại biến đổi về tín hiệu quang đủ lớn để phát vào đường truyền. Tuy nhiên, các bộ lặp điện chỉ phù hợp cho các hệ thống đơn kênh tốc độ thấp. Đối với các hệ thống ghép kênh DWDM thì các bộ lặp điện không đáp ứng đƣợc các yêu cầu của hệ thống vì quá phức tạp. Mỗi bộ lặp chỉ đáp ứng được cho một kênh bước sóng, do đó phải thực hiện tách các kênh quang trước khi thực hiện lặp điện và sau khi lặp từng kênh phải sử dụng bộ ghép kênh quang để ghép các kênh lại với nhau. Hơn nữa hoạt động của các bộ lặp điện phụ thuộc vào dạng điều chế của tín hiệu, phải tái tạo lại tín hiệu điện bằng phương pháp giải điều chế tương ứng. Vì vậy việc nâng cấp hệ thống sử dụng bộ lặp điện rất phức tạp.

Việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng mà không cần phải qua quá

quang không phụ thuộc vào 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 phương pháp điều chế thì hệ thống không cần thay đổi phương pháp khuếch đại. Do đó khuếch đại quang tạo điều kiện dễ dàng cho nâng cấp hệ thống. Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục đƣợc nhiều hạn chế của các trạm lặp nhƣ về băng tần, cấu trúc phức tạp, cấp nguồn, ảnh hưởng của nhiễu điện... Việc áp dụng các bộ khuếch đại quang vào các hệ thống thông tin quang còn đƣa ra một ý tưởng lớn cho quá trình phát triển các tuyến thông tin hoàn toàn dùng khuếch đại quang tiến tới xây dựng mạng toàn quang.

Hiện nay trong hệ thống DWDM, các bộ khuếch đại EDFA đƣợc sử dụng chủ yếu đối với băng C và băng L, băng S thì sử dụng khuếch đại Raman. Tuy nhiên, băng C và băng L cũng có thể sử dụng kết hợp cả khuếch đại EDFA và khuếch đại Raman.

3.3.1. Công nghệ EDFA

3.3.1.1 Tổng quan về công nghệ EDFA

Khuếch đại quang sợi hiện nay chủ yếu dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt là EDFA (Erbium – Doped Fiber Amplifier) [3,4]. Bộ khuếch đại EDFA ra đời làm cho công nghệ truyền dẫn sợi quang phát triển nhanh chóng. Cho đến nay, EDFA đã đƣợc đƣa vào khai thác và sử dụng ở hầu hết các hệ thống thông tin quang, chúng đƣợc dùng để thay thế các trạm lặp thông thường trong các trường hợp như:

Các bộ khuếch đại tăng cường để tăng công suất truyền dẫn và do đó tăng đƣợc cự ly truyền dẫn hoặc là để bù vào những tổn hao trong hệ thống truyền dẫn.

Dùng làm các bộ tiền khuếch đại để tăng độ nhạy thu. Ở đây các trạm lặp được đặt trước các bộ thu quang để tăng cường độ của tín hiệu vào bộ tách sóng. Nhƣ vậy độ nhạy thu sẽ đƣợc tăng lên và giải pháp này rất có hiệu quả trong các hệ thống truyền dẫn khoảng cách xa.

EDFA làm việc ở bước sóng 1550nm với hệ số khuếch đại cao, công suất ra lớn và nhiễu thấp. Để cho các EDFA hoạt động trên các hệ thống thông tin quang thì cần có một nguồn bơm. Các diode laser bán dẫn công

suất cao là các nguồn bơm thực tế để cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA. EDFA là một đoạn sợi quang đặc biệt mà có thể nối liền với các sợi dẫn quang truyền dẫn với suy hao do hàn nối tiếp xúc không quá 1dB.

Hệ số khuếch đại của EDFA không bị ảnh hưởng do phân cực của ánh sáng. Bởi vì bão hòa xảy ra trong EDFA tồn tại một thời gian khá dài do đó không tạo ra nhiễu xuyên âm khi truyền tín hiệu tốc độ cao.

3.3.1.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Nguyên lý khuếch đại đƣợc thực hiện nhờ cơ chế bức xạ trong 3 mức hoặc 4 mức nhƣ hình 3.25:

Er 3+

Mức kích thích E2

Mức siêu bền E3

Tín hiệu tới đ-ợc khuếch đại Phân rã không bức xạ

Mức cơ bản E1 λ=980nm;

λ=1480nm photon bơm

λ photon tíi

Hình 3. 25: Giản đồ năng lượng của Erbium

EDFA bao gồm một đoạn ngắn sợi cáp quang mà lõi của chúng đƣợc pha trộn ít hơn 0,1% erbium, là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực. Các ion erbium đƣợc bơm tới một mức năng lƣợng phía trên do sự hấp thụ ánh sáng từ một nguồn bơm, chẳng hạn bơm ở bước sóng ánh sáng 1480nm. Sự chuyển dịch của ion từ mức năng lƣợng cao này xuống mức năng lƣợng cơ bản phát ra một photon, photon này đƣợc bức xạ có thể là do hiện tƣợng bức xạ tự phát hay là bức xạ kích thích. Các photon tín hiệu trong EDFA kích thích “sự tái định cƣ” ở trạng thái kích thích và khuếch đại tín hiệu. Thời gian sống của ion ở mức năng lƣợng cao vào khoảng 10 ms đảm bảo rằng thay vì nhiễu bức xạ gây ra bởi bức xạ tự phát thì hầu hết các ion erbium đợi để đƣợc khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ kích thích.

Sự hấp thụ ánh sáng bơm kích thích các ion erbium mà chúng tích trữ năng lượng cho đến khi một cách lý tưởng là có một photon tín hiệu kích

thích sự chuyển đổi nó thành một ion tín hiệu khác. Sự hấp thụ các bước sóng 980nm và 1480nm là có hiệu quả nhất. Sợi quang có pha trộn nguyên tố erbium được nối ghép với sợi quang bình thường và có thể ghép với các tín hiệu khác. Bơm ánh sáng đƣợc kết hợp với tín hiệu vào và có sử dụng bộ ghép bước sóng. Ánh sáng bơm được truyền dọc theo sợi có pha Erbium và bị hấp thụ khi các ion Erbium đƣợc đƣa lên trạng thái kích thích.

Khi tín hiệu đƣợc truyền vào bộ EDFA nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng thái kích thích vì vậy nó khuếch đại công suất tín hiệu.

input isolator Coupler isolator output

Laser Diode Tín hiệu

vào Tín hiệu ra

Bơm b-ớc sóng 980nm hay 1480 nm

EDFA

Hình 3. 26: Cấu trúc cơ sở của bộ khuếch đại EDFA

Dựa vào đường đặc tính phổ khuếch đại của nó ta thấy nguồn laser bơm ở bước sóng 980nm hoặc 1480nm thì hiệu suất bơm là hiệu quả nhất. Các bộ cách li quang có nhiệm vụ chống phản xạ tín hiệu, chỉ cho phép truyền dẫn quang đơn hướng. Coupler WDM dùng để ghép tín hiệu bước sóng bơm và tín hiệu cần khuếch đại vào sợi Erbium.

1500 1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 0

5 10 15 20 25

Gain (dB)

Wavelength (nm) Typical Gain Curve

Hình 3. 27: Phổ khuếch đại của EDFA