luận văn thạc sĩ kỹ thuật ghép kênh quang pptx

Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1.KHÁI NIỆM WDM Kể từ khi hệ thống truyền dẫn quang được đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, với các ưu điểm của mình về băng thông, về cự ly, chất lượng th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

HỌ VÀ TÊN TÁC GIẢ: TRIỆU QUỐC KHANH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số: 102

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN NAM QUÂN

Hà Nội , năm 2011

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây chúng ta đã chứng kiến sự phát triển vượt bậc cảu khoa

học – kĩ thuật Đặc biệt là lĩnh vực Điện Tử – Viễn Thông và công nghệ thông tin

Song hành cùng đó công nghệ truyền dẫn cũng phát triển với tốc độ rất cao

Nổi trội lên là công nghệ truyền dẫn quang Với những ưu thế về công nghệ như

băng thông rộng , cự ly xa, chất lượng thông tin tốt, dung lượng cao, giảm bớt sự

ảnh hưởng của sóng điện từ…

Hiện nay thông tin quang đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể Trong đó phải

nói đến kĩ thuật ghép kênh quang Nó thực hiện ghép tín hiệu ánh sáng để truyền

dẫn trên sợi quang Ghép kênh quang nhằm mục đích tăng dung lượng giảm suy hao

của kênh truyền dẫn và có khả năng tạo ra những kênh thông tin có tốc độ rất cao ,

giảm được chi phí đầu tư

Đặc điểm chính của kĩ thuật ghép kênh quang là công nghệ ghép kênh quang

theo bước sóng WDM ( Wavelength Division Multiplexer )

Được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của TS Nguyễn Nam Quân

, sự hấp dẫn của công nghệ , cùng với những kiến thức đã học tại khoa Công nghệ

điện tử – Thông tin Viện đại học Mở Hà Nội học viên Triệu Quốc Khanh đã chon

đề tài cho luận văn tốt nghiệp của mình là “ Kĩ thuật ghép kênh quang”

Toàn bộ nội dung của luận văn được trình bày bao gồm 5 chương và phần kết

luận chung được xây dựng trên cơ sở tham khảo thêm một số tài liệu

Chương 1 – Giới thiệu những khái niệm , những nguyên lý cơ bản và những đặc

điểm chính của công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM ( Wavelength

Division Multiplexer)

Chương 2 - Đề đạt đến một số phần tử trong thiết bị WDM như kết cấu cơ bản,

nguyên lý hoạt động của hệ thống WDM Phần tử phát quang, phần tử thu quang,

các bộ ghép kênh quang

Chương 3 - Đề đạt đến một số vấn đề hạn chế của công nghệ WDM Như khoảng

cách kênh bước sóng với vấn đề xuyên âm giữa các kênh, vấn đề suy hao, vấn đề

tán sắc với bù sắc, vấn đề ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến

Chương 4 – Nói về một số thiết bị của hệ thống WDM trong đó có thiết bị OADM,

thiết bị khuếch đại sợi quang, thiết bị nối chéo OXC

Chương 5 - Đề đạt tới những ứng dụng của WDM vào mạng truyền tải trong đó có

giới thiệu qua về mạng truyền tải và quá trình phát triển của nó, cấu trúc mạng

truyền tải dựa trên công nghệ WDM, vấn đề bảo vệ và khôi phục trong mạng

WDM

Trong qua trình thực hiện luận văn này do kiến thức còn có hạn , thiếu về thực

tế , kinh nghiệm chuyên môn nên em chưa thể hiện hết và chặt chẽ mọi vấn đề

Không thể tránh khỏi những thiếu sót Kinh mong các thầy trong hội đồng của

khoa góp ý bổ xung thêm giúp em để luận văn hoàn thiện hơn và có tính thực tế

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện : Triệu Quốc Khanh

Chương 1:

GIỚI THIỆU

1.1.KHÁI NIỆM WDM

Kể từ khi hệ thống truyền dẫn quang được đưa vào khai thác trên mạng viễn

thông, với các ưu điểm của mình về băng thông, về cự ly, chất lượng thông tin không bị ảnh hưởng của sóng điện từ, v.v… Càng ngày các dịch vụ viễn thông càng trở nên đa dạng và phức tạp với một nhu cầu về lưu lượng ngày càng lớn như các dịch vụ internet, ISDN, v.v… Trong vài năm trở lại đây, công nghệ thông tin quang

đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể, trong đó phải kể đến kĩ thuật ghép kênh quang,

nó thực hiện ghép các tín hiệu ánh sáng để truyền dẫn trên sợi quang Ở đây, việc thực hiện ghép kênh sẽ không có một quá trình biến đổi điện nào Mục tiêu của ghép kênh quang nhằm tăng dung lượng kênh truyền dẫn, bên cạnh đó nó còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức nào đó người ta thấy các hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn Ví dụ khi tốc độ đạt tới hàng chục Gb/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kì hẹp, thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém do cơ cấu hoạt động đòi hỏi công nghệ rất cao Do đó, kĩ thuật ghép kênh quang đã ra đời và khắc phục được những hạn chế trên

Mặc dù vậy, trong các hệ thống thông tin điểm nối điểm thông thường trước

đây, một sợi quang chỉ truyền dẫn một bước sóng, với một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Với một hệ thống như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ(hình 1.1)

Bên cạnh đó, nếu ta muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải thêm sợi quang Để giải quyết cả hai vấn đề trên người ta nảy ra ý tưởng truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang từ các nguồn quang khác nhau với các bước sóng khác nhau cho các nguồn thông tin độc lập Kĩ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM sẽ thực hiện ý tưởng này Vậy công nghệ WDM là gì ?

Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là công nghệ trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang Nguyên lý cơ bản

là tín hiệu quang có bước sóng khác nhau ở đầu vào được tổ hợp lại (ghép kênh) và phối ghép trên cùng một sợi quang của đường dây cáp quang để truyền dẫn, ở đầu thu tín hiệu bước sóng tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh) và xử lý khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau, do đó gọi công nghệ này là ghép kênh chia bước sóng quang hay còn gọi tắt là công nghệ ghép kênh bước sóng

Công nghệ WDM ra đời nhằm khai thác đầy đủ tiềm năng băng rộng của sợi quang, thực hiện thông tin siêu cao tốc có ý nghĩa rất quan trọng nhất là hiện nay có thêm bộ khuếch đại trộn Erbium (EDFA) thì WDM càng có sức hấp dẫn to lớn với mạng thông tin hiện đại

Hấp thụ do tạp chất

Tán xạ Rayleigh Hấp thụ

điện tử

Hấp thụ Vật liệu

Hình 1 2 Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng

1.2.NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA WDM

Nguyên lý cơ bản WDM có thể minh hoạ như ở hình 1.2

Giả sử có các nguồn làm việc ở các bước sóng khác nhau λ1, λ2, λ3, , λj, ,

λn Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi dẫn quang Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ

bộ ghép kênh; bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi được ghép sẽ được truyền theo sợi tới phía thu Các bộ tách sóng khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng

Có hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng

quang WDM

* Truyền dẫn một chiều hai sợi (hình 1.3)

WDM một chiều là tất cả các kênh quang cùng trên một sợi quang truyền

dẫn theo cùng một chiều, ở đầu phát mang các tín hiệu có bước sóng khác nhau và

đã điều chế λ1, λ2, , λn thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau và truyền dẫn

một chiều trên một sợi quang Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách những tín

n

1

λn

Bộ ghép kênh

Bộ tách kênh

Máy thu quang

1

Sợi quang λ

n’

1’

Bộ tách kênh

Bộ ghép kênh

Máy phát quang

1’

n’ λ’1λ’2 λ’n

Sợi quang

Hình 1.3 Sơ đồ trruyền dẫn một chiều trên hai sợi quang

hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang, ở hướng ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên

* Truyền dẫn hai chiều một sợi (hình 1.4)

WDM hai chiều là kênh quang trên mỗi sợi cùng truyền dẫn theo hai chiều

khác nhau, dùng các bước sóng tách rời nhau để thông tin hai chiều (song công)

Về mặt phát triển và ứng dụng hệ thống WDM một chiều tương đối rộng rãi

Hệ thống WDM hai chiều thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, đó là vì khi thiết kế và ứng dụng hệ thống WDM hai chiều cần phải xem xét đến nhân tố của các hệ thống then chốt, như để hạn chế can nhiễu xuyên kênh (MPI) cần phải chú ý đến các vấn đề ảnh hưởng của phản xạ quang, cách ly giữa các kênh hai chiều, trị

số và loại hình của xuyên âm, trị số mức điện của công suất truyền dẫn trên hai chiều và sự phụ thuộc vào nhau giữa chúng, Nhưng đối với hệ thống WDM một chiều thì hệ thống WDM hai chiều giảm được số lượng bộ khuếch đại sợi quang và đường dây

Bộ ghép/tách kênh

Máy thu quang

Máy thu quang

Máy phát quang

Máy phát quang

Hình 1.4- Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang

1.3.ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA CÔNG NGHỆ WDM

1.3.1 Tận dụng được tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang

Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng rộng to lớn của sợi quang(đoạn

sóng tổn hao thấp), làm cho dung lượng truyền dẫn của một sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần đến vài chục lần, từ đó tăng dung lượng truyền dẫn của sợi quang, hạ giá thành, có giá trị ứng dụng và giá trị kinh tế rất lớn

Ví dụ, hiện nay hệ thống thông tin sợi quang chỉ truyền dẫn trong một kênh

tín hiệu bước sóng, mà bản thân sợi quang trong khu vực bước sóng có khu vực tổn hao thấp rất rộng, có rất nhiều bước sóng có thể sử dụng như hiện nay, người ta sử dụng chỉ là một bộ phận rất nhỏ trong phổ tần tổn hao thấp của sợi quang Mặc dù

sử dụng toàn bộ dải tần khu vực khuếch đại của bộ khuếch đại sợi quang trộn

Erbium (EDFA) (1530 ∼ 1565nm), cũng chỉ chiếm độ 1/6 dải tần của nó Cho nên công nghệ WDM tận dụng độ rộng băng rất lớn của sợi quang đơn mode, do đó ở mức độ rất lớn đã giải quyết vấn đề giải tần truyền dẫn

1.3.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu

Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau, do đó có

thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và chia các tín hiệu dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương

tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn hỗn hợp tín hiệu đa phương tiện(như

âm tần, thị tần, số liệu, văn bản, đồ hoạ )

1.3.3 Thực hiện truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang

Do nhiều phương tiện thông tin đều dùng phương thức hoàn toàn song

công(như điện thoại), do đó dùng công nghệ WDM có thể tiết kiệm được lượng đầu

tư lớn cho đường dây

1.3.4 Nhiều ứng dụng

Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có thể có rất nhiều ứng dụng

như: mạng đường trục đường dài, mạng phân phối kiểu quảng bá, do đó rất quan trọng đối với ứng dụng mạng

1.3.5 Tiết kiệm đầu tư cho đường dây

Do công nghệ WDM có thể ghép kênh N bước sóng truyền dẫn trong một sợi

quang đơn mode, vì vậy khi khoảng cách và dung lượng đường truyền tăng lên ta có thể tiết kiệm được số lượng lớn sợi quang Bên cạnh đó, công nghệ WDM còn thuận tiện cho việc mở rộng dung lượng hệ thống thông tin sợi quang đã xây dựng, chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công suất tương đối lớn, thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần phải thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ

1.3.6 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện

Khi tốc độ truyền dẫn tăng lên, tốc độ tương ứng của nhiều linh kiện quang

điện là không đủ Về mặt này công nghệ WDM có thể giảm yêu cầu rất cao đối với tính năng của một số linh kiện, đồng thời lại có thể truyền dẫn dung lượng lớn

1.3.7 Kênh truyền dẫn IP

Ghép kênh bước sóng đối với khuôn dạng(format) số liệu là trong suốt, tức là

không có quan hệ gì với tốc độ của tín hiệu và phương thức điều chế về điện Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lý tưởng, là cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng mới(ví dụ IP, ) Thông qua việc tăng thêm một bước sóng phụ có thể đưa vào mọi dịch vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn, thí dụ hiện nay hoặc sau này thực hiện công nghệ IP trên WDM

1.3.8 Tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao của cấu hình mạng

Sử dụng công nghệ WDM trong việc trọn đường, chuyển mạch và khôi phục

mạng, từ đó có một mạng trong suốt, linh hoạt, kinh tế và có sức sống trong tương lai

Chương 2:

MỘT SỐ PHẦN TỬ TRONG THIẾT BỊ WDM

Để thấy rõ chức năng cũng như các đặc tính của các phần tử trong thiết bị

WDM, trong chương 2 này chúng ta sẽ đi vào nghiên cứu một số phần tử cơ bản trong thiết bị WDM Để làm nổi bật, cũng như để thấy rõ nguyên lý làm việc và nhiệm vụ của từng phần tử chúng ta đặt chúng vào trong hệ thống WDM để nghiên cứu Trong thực tế các thiết bị WDM rất đa dạng và phong phú, có thể thực hiện qua các phần tử tích cực hay thụ động, nguồn quang phổ hẹp, các thiết bị vi quang, thiết bị phân cực quang, Ngày nay, cùng với những tiến bộ không ngừng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nghành công nghiệp truyền thông, đặc biệt là với công nghệ truyền dẫn mới đầy hấp dẫn này, các thiết bị WDM không ngừng được đổi mới và cải tiến cho phù hợp nhằm vươn tới dung lượng truyền dẫn khổng lồ với chi phí đầu tư thấp nhất

2.1 KẾT CẤU CƠ BẢN VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG WDM

Nói chung, hệ thống WDM do 5 bộ phận chính dưới đây tạo thành: máy phát quang, bộ khuếch đại chuyển tiếp quang, máy thu quang, kênh tín hiệu điều khiển giám sát quang và hệ thống quản lý (xem hình 2.1)

Hình 2.1 Sơ đồ kết cấu tổng thể của hệ thống WDM (một chiều)

Bộ Tách sóng quang

Bộ thu

Bộ thu

Thu/phát tín hiệu điều khiển giám sát kênh

Hệ thống quản

lý mạng

Bộ phát tín hiệu điều khiển giám sát kênh quang

Bộ phát tín hiệu điều khiển giám sát kênh quang

Máy phát quang là hạt nhân của hệ thống WDM, căn cứ vào khuyến nghị và tiêu chuẩn của ITU – T Ngoài bước sóng trung tâm trong máy phát kích quang của

hệ thống WDM có yêu cầu đặc biệt, còn cần phải căn cứ vào các ứng dụng khác nhau của hệ thống WDM (chủ yếu vào loại sợi quang truyền dẫn và cự ly trung kế không có chuyển đổi quang điện) để chọn máy phát có ngưỡng cho phép độ tán sắc nhất định Ở đầu phát, trước tiên tín hiệu đến thiết bị đầu cuối (như thiết bị đầu cuối SDH), sau đó được bộ chuyển phát quang (OTU) chuyển hoá thành tín hiệu phù hợp Bộ hợp sóng tập hợp tín hiệu nhiều kênh quang; qua bộ khuếch đại công suất (BA) khuếch đại và đưa ra tín hiệu nhiều kênh quang

Sau khi truyền dẫn qua sợi quang cự ly dài (80 ∼ 120km), cần phải khuếch đại

chuyển tiếp đối với tín hiệu quang Hiện nay thường sử dụng bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium (EDFA)

Ở đầu thu, bộ tiền khuếch đại (PA) khuếch đại tín hiệu quang kênh chủ suy giảm qua truyền dẫn, dùng bộ tách sóng tách tín hiệu quang có bước sóng nhất định

ra khỏi tín hiệu quang kênh chủ Máy thu không những phải thoả mãn yêu cầu về tham số, độ nhạy của máy thu tín hiệu quang nói chung, công suất quá tải mà còn phải chịu được tín hiệu có tạp âm quang nhất định, cần phải có tính năng băng rộng

về điện nhất định

Chức năng chính của kênh tín hiệu điều khiển giám sát là điều khiển và giám sát tình hình truyền dẫn các kênh trong hệ thống Ở đầu phát tín hiệu điều khiển giám sát bước sóng là λS (1510nm) đưa vào điểm nút này hợp với tín hiệu kênh chủ

và được đưa ra; ở đầu thu, tách tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điều khiển giám sát bước sóng λS (1510nm) và tín hiệu dịch vụ kênh quang Byte đồng bộ khung, byte nghiệp vụ và byte thông tin phụ (overhead) mà mạng quản lý sử dụng Đều được truyền đi qua kênh tín hiệu điều khiển giám sát

Hệ thống quản lý mạng thông qua lớp vật lý của kênh tín hiệu điều khiển và giám sát truyền đi byte thông tin phụ đến điểm nút khác hoặc tiếp thu byte thông tin phụ từ điểm nút khác để quản lý đối với hệ thống WDM, thực hiện quản lý cấu hình, quản lý sự cố, quản lý tính năng, quản lý an toàn và nối với hệ thống quản lý lớp trên (như TMN – mạng quản lý viễn thông)

2.2 PHẦN TỬ PHÁT QUANG

2.2.1 Light – Emitting Diodes (LED)

2.2.1.1 Cấu trúc của LED

Điôt phát quang LED là một loại nguồn phát quang dùng rất phù hợp cho các

hệ thống thông tin quang có tốc độ bít không quá 200Mbit/s sử dụng sợi dẫn quang

đa mode Tuy nhiên ngày nay trong phòng thí nghiệm người ta có thể sử dụng ở tốc

độ bít tới 565Mbít/s do có sự cải tiến công nghệ cao

Để sử dụng tốt trong các hệ thống thông tin quang, LED phải có công suất bức

xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao Chính công suất bức xạ cao sẽ tạo điều kiện cho việc ghép giữa sợi dẫn quang và LED dễ dàng và đưa ra được công suất phát ra từ đầu sợi lớn Có hai kiểu cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi là cấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc dị thể kép (không thuần nhất) Tuy nhiên trong quá trình khảo sát và tiến hành nghiên cứu điều tra, người ta thấy cấu hình dị thể kép mang lại hiệu quả nhất và được ứng dụng nhiều nhất, cấu trúc của

nó có thể mô tả như hình 2.2 Đặc điểm của cấu trúc dị thể kép là có hai lớp hợp kim khác nhau ở mỗi bên của vùng bãn dẫn tích cực, đây cũng là cấu trúc được triển khai rất sớm khi nghiên cứu diode Laser Với cấu trúc này, cả các hạt mang và trường quang đều được giữ ở trong lớp tích cực nằm ở trung tâm Sự khác nhau về giải cấm của các lớp lân cận sẽ giới hạn các hạt mang điện tích (như ở hình 2.2a) ,

trong khi đó tồn tại sự khác nhau về chỉ số chiết suất của các lớp lân cận lại giới hạn trường quang tới lớp tích cực ở trung tâm (hình 2.2b) Điều này tạo ra sự phát xạ cao rất hiệu quả Ở đây, các tham số khác có ảnh hưởng tới đặc tính của thiết bị là

Chỉ số chiết suất

2.2.1.2 Ứng dụng của LED cho hệ thống WDM

Ghép bước sóng đã giúp đưa ra các giải pháp về phát triển mạng Nhưng giá

thành của mạng liên quan đến số sợi quang và trong trường hợp yêu cầu chỉ tiêu của nguồn quang nghiêm ngặt thì giá thành của mạng cũng tăng lên đáng kể Nếu tốc độ bít của tín hiệu không quá cao và cự ly truyền ngắn thì thường dùng nguồn quang LED để hạ giá thành Nhưng bề rộng phổ của LED thường rộng hơn LD, vì thế muốn ghép nhiều bước sóng phải sử dụng kĩ thuật cắt phổ Năm 1982 trên tuyến ngắn và tốc độ thấp đã ứng dụng ghép các bước sóng từ các LED giống nhau Vào năm 1983 đã ghép các bước sóng của 20 LED giống nhau trên tuyến dài 2 km cho sợi đa mode 50/125µm Các LED giống nhau này được nối đến các đầu vào của bộ ghép Năm 1984 đã dùng kĩ thuật cắt phổ LED thành từng mảnh rộng 1nm xung quanh bước sóng 820nm truyền được 42 kênh trên sợi đa mode 100/140 Hiện nay sợi đơn mode được sử dụng phổ biên để ghép các bước sóng theo phương pháp cắt phổ LED Lần đầu tiên tại Anh đã cắt phổ của LED xung quanh bước sóng 1300nm

là 0,54nm/0C và trong hệ thống bốn kênh suy hao đã tăng thêm 3,8dB và trong hệ

thống 10 kênh suy hao tăng 4,7dB (hình 2.2)

Đặc tính của bộ ghép các mảnh của LED được thể hiện trên hình 2.3

Hình 2.3 thể hiện cho trường hợp LED hoạt động tại bước sóng 1300nm, ghép

10 kênh trên sợi đơn mode, khoảng cách giữa các kênh là 9nm, hàm truyền đạt mỗi

kênh phía ghép là 1,6nm và phía tách là 6nm Suy hao xen 5dB và suy hao xuyên kênh âm là -31dB

Trong mạch vòng thuê bao quang cũng đã sử dụng kĩ thuật cắt phổ LED Lần đầu tiên Chpuran đã thực nghiệm có kết quả trên tuyến dài 7km cho 10 kênh ở tốc độ bít 150Mb/s và 16 kênh ở tốc độ bít 50Mb/s

2.2.2 Điốt Laser

Laser (Light Amplication by Stimulate Emission of Radiation) có nhiều dạng với đủ mọi kích thước Chúng có ở dạng khí, chất lỏng, tinh thể hoặc bán dẫn Đối với các hệ thống thông tin quang, các nguồn phát Laser là các Laser bán dẫn và thường là điốt Laser (LD) Các loại Laser có thể là khác nhau nhưng nguyên lý hoạt động cơ bản là như nhau Hoạt động của Laser gồm 3 quá trình, đó là hấp thụ photon, phát xạ tự phát, và phát xạ kích thích Ba quá trình này được mô tả ở sơ đồ hai mức năng lượng đơn giản (hình 2.5) Ở đây, E1 là năng lượng trạng thái nền

(đất) và E2 là năng lượng trạng thái kích thích Theo định luật Planck thì sự chuyển

dịch giữa hai trạng thái này có liên quan tới quá trình hấp thụ hoặc phát xạ của các photon có năng lượng hv12 = E2 – E1 Bình thường, hệ thống ở trạng thái nền (đất)

Khi một photon có năng lượng hv12 tác động vào hệ thống thì một điện tử ở trạng thái E1 có thể hấp thụ năng lượng photon và được kích thích lên trạng thái E2 như ở

hình 2.5a) Vì đây là trạng thái không bền vững nên điện tử sẽ nhanh chóng quay lại trạng thái ban đầu như ở hình 2.5b), vì thế phát ra một photon có năng lượng hv12

Điều này xảy ra mà không có sự kích thích bên ngoài nào và được gọi là phát xạ tự phát Phát xạ này đẳng hướng, có pha ngẫu nhiên và xuất hiện như một đầu ra Gaussian băng hẹp

Điện tử cũng có thể được sinh ra để tạo ra một hướng chuyển dịch đi xuống từ mức kích thích tới mức nền nhờ có sự kích thích bên ngoài Trong hình 2.5c), nếu một photon có năng lượng hv12 tác động vào hệ thống trong khi điện tử vẫn còn ở

trạng thái kích thích của nó, thì điện tử sẽ được kích thích ngay lập tức để rơi xuống trạng thái nền và cho ra photon có năng lượng hv12 Photon được phát ra này có pha

là pha của photon tới, và sự bức xạ ở đây được gọi là phát xạ kích thích

Hình 2.5: Ba quá trình chuyển dịch trong hoạt động của Laser

Ở điều kiện cân bằng nhiệt, mật độ các điện tử được kích thích là rất nhỏ, cho

nên hầu hết các photon tới trên hệ thống đầu bị hấp thụ, và phát xạ kích thích hầu như không có Phát xạ kích thích sẽ vượt qua được sự hấp thụ chỉ khi nào tích luỹ ở trên trạng thái kích thích lớn hơn ở trạng thái bền Điều này được gọi là nghịch đảo tích luỹ Vì đây không phải là điều kiện cân bằng cho nên nghịch đảo tích luỹ được thực hiện bằng kĩ thuật bơm Trong Laser bán dẫn, nghịch đảo tích luỹ được tiến hành bằng cách phun các điện tử vào trong vật liệu tại tiếp điểm thiết bị để lấp các trạng thái năng lượng thấp hơn vùng dẫn

2.3 PHẦN TỬ THU QUANG

2.3.1 Bộ tách sóng Photodiot PIN

Bộ tách sóng bán dẫn được sử dụng thông dụng nhất là Photodiot PIN Cấu trúc cơ bản của Photodiot PIN gồm các vùng p và n đặt cách nhau bằng một lớp tự dẫn i rất mỏng Để thiết bị hoạt động, thì cần phải cấp một điện áp ngược để vùng bên trong (nội tại) rút hết các hạt mang Khi đó sự tập trung hạt mang n và p là nhỏ không đáng kể so với sự tập trung tạp chất trong vùng này

Khi có ánh sáng đi vào Photodiot, quá trình xảy ra sẽ như sau Nếu một photon trong chùm ánh sáng tới mang một năng lượng hv lớn hơn hoặc ngang bằng với năng lượng dải cấm của vật liệu bán dẫn trong photodiot, thì photon có thể kích thích điện tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn Quá trình sẽ làm phát ra các cặp điện tử

– lỗ trống mà đôi khi được gọi là hạt mang quang, (hình 2.6) Thông thường, bộ

tách sóng quang được thiết kế sao cho các hạt mang quang này chủ yếu được phát

ra tại vùng trôi (vùng nghèo), nơi mà hầu hết ánh sáng tới bị hấp thụ Sự có mặt trường điện cao trong vùng trôi làm cho các hạt mang tách nhau ra và được thu nhận qua tiếp giáp có thiên áp ngược Điều này làm tăng luồng dòng ở mạch ngoài, với một luồng dòng điện sẽ ứng với nhiều cặp hạt mang được phát ra Luồng dòng

này được gọi là dòng photon

Vì các hạt mang tích điện chảy qua vật liệu, cho nên một số các cặp điện tử -

lỗ trống sẽ tái kết hợp và rồi biến mất Bình thường, các hạt mang tích điện di chuyển với cự ly Ln đối với điện tử và Lp đối với lỗ trống Cự ly này được gọi là Độ

dài khuếch tán Thời gian cần thiết để cho một điện tử hoặc lỗ trống tái hợp được

Hình 2.6: Sơ đồ vùng năng lượng của photodiot PIN

gọi là tuổi thọ hạt mang và được mô tả bằng các đại lượng τn và τp tương ứng Quan

hệ giữa tuổi thọ và độ dài khuếch tán như sau:

Ln = (Dnτn)1/2 và Lp = (Dpτp)1/2

với Dn là hệ số khuếch tán điện tử và Dp là hệ số khuếch tán lỗ trống, được đo bằng

centimet vuông trên giây

Có hai đặc tính rất quan trọng của bộ tách sóng quang là hiệu suất lượng tử và tốc độ đáp ứng của nó Các tham số này phụ thuộc vào dải cấm của vật liệu, bước

sóng làm việc và độ dày của các vùng p, i và n của thiết bị Hiệu suất lượng tử η là

tỉ số giữa các cặp hạt mang điện tử – lỗ trống được phát ra trên số photon có năng

lượng hv tới

ở đây Ip là dòng photon trung bình được phát ra do công suất quang trung bình P0 đi

tới bộ tách sóng quang

Trong thực tế ở photodiot, cứ 100 photon sẽ tạo ra khoảng từ 30 đến 95 cặp điện tử

- lỗ trống, như vậy hiệu suất lượng tử tách sóng nằm trong khoảng từ 30 đến 95%

Để đạt được hiệu suất lượng tử cao, vùng trôi phải đủ dày để cho phép phần lớn ánh sáng tới được hấp thụ Tuy nhiên, vùng trôi càng dày thì nó càng tạo cho các hạt mang photon trôi qua tiếp giáp phân cực ngược càng lâu Vì thời gian trôi các hạt mang xác định tốc độ đáp ứng của photodiot cho nên cần có một sự hài hoà giữa tốc

độ đáp ứng và hiệu suất lượng tử

nhiên, ở các bộ tách sóng trực tiếp, tạp âm có thể lớn hơn do có sự phân bố tải và các bộ tiền khuếch đại Cho nên khi sử dụng các bộ tách sóng PIN thì chỉ có cách làm giảm sự phụ thuộc các phân bố này theo sự cải thiện các đặc tính bộ tiền khuếch đại Đối với các tín hiệu nhỏ, photodiot thác (APD – Avalanche Photodiode)

có đặc tính tốt hơn, sau khi biến đổi các photon thành các điện tử, nó khuếch đại ngay dòng photon ở bên trong nó trước khi dòng này đi vào mạch khuếch đại tiếp sau và điều này làm tăng mức tín hiệu, dẫn tới độ nhạy thu được tăng lên đáng kể

Để thu được hiệu ứng nhân bên trong, các hạt mang quang sẽ được tăng dần năng lượng tới mức đủ lớn để ion hoá các điện tử xung quanh do va chạm với chúng Các điện tử xung quanh được đẩy từ vùng hoá trị tới vùng dẫn, rồi tạo ra các cặp điện tử

- lỗ trống mới sẵn sàng dẫn điện Các hạt mang mới được tạo ra này sễ tiếp tục được gia tốc nhờ điện trường cao và lại có thể phát ra các cặp điện tử – lỗ trống mới khác

Hiệu tượng này được gọi là hiệu ứng thác Quá trình thác dẫn tới làm tăng dòng

Đối với photodiot Si, ngưỡng trường điện cần thiết để thu được sự nhân là ở mức

105V/cm

Về nguyên lý, cả hai quá trình hấp thụ và khuếch đại đều xảy ra ở trong cùng một vùng trôi, ở các cấu trúc pn hoặc PIN đơn giản Cấu trúc thông dụng của một Photodiot thác có thể mô tả như ở hình 2.7 Nó được cấu tạo gồm có vật liệu loại p điện trở suất cao đặt làm lớp epitaxi nền p+

Sau đó người ta khuếch tán hoặc cấy lớp n+ (loại n pha tạp nặng) Hai vùng cách nhau bởi một vùng trường điện thấp (nơi mà các photon được hấp thụ và các hạt mang quang trôi theo chiều phân cực của nó) và một vùng trường điện cao (nơi mà các hạt mang được gia tốc và chịu quá trình nhân) Đối với Si, chất kích tạp ở vùng này thường tương ứng là Bo hoặc

phôtpho Cấu trúc như vậy thường được gọi là cấu trúc cận xuyên p+ipn+ Lớp i (hay π) cơ bản là lớp vật liệu tự dẫn có pha tạp một chút p

+

-

n+ p

Bình thường, photodiot thác cận xuyên (RAPD – Reach through Avalanche Photodiode) được hoạt động theo kiểu hoàn toàn trôi Ánh sáng đi vào thiết bị xuyên qua vùng p+ và được hấp thụ trong vật liệu i, đóng vai trò như một vùng

nhận các hạt mang quang được phát ra Khi đang được hấp thụ, photon sẽ phát ra năng lượng của nó, vì thế tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống, và rồi chúng bị tách ra do tác động của trường điện trong vùng i Các điện tử được phát ra trôi qua vùng i tới tiếp giáp pn+, nơi tồn tại trường điện cao Chính tại vùng có trường điện cao sẽ xảy

ra sự nhân hạt mang quang

Số cặp điện - tử lỗ trống trung bình được hạt mang tạo ra trong một đơn vị độ

dài di chuyển được gọi là tốc độ ion hoá Hầu hết các vật liệu có tốc độ ion hoá điện

tử α khác nhau và tốc độ ion hoá lỗ trống β khác nhau Tỷ số k = β/αcủa hai giá trị

ion hoá sẽ xác định đặc tính của bộ tách sóng quang

2.4 CÁC BỘ GHÉP KÊNH QUANG

2.4.1 Các bộ lọc quang

Chiết suất thấp Chiết suất cao Lớp đệm

Hình 2.9: Cấu tạo bộ lọc

Những linh kiện chỉ cho phép bước sóng nhất định đi qua gọi là bộ lọc quang hoặc gọi là bộ lọc sóng quang Nếu bước sóng(tần số) qua nó có thể biến đổi thì gọi

là bộ lọc quang có điều chỉnh bước sóng Linh kiện này có giá trị ứng dụng rộng rãi

ở hệ thống ghép kênh theo bước sóng và hệ thống chuyển mạch quang, là linh kiện

quang rất tiên tiến

2.4.1.1 bộ lọc màng mỏng

Trong thiết bị ghép – tách bước sóng vi quang thường sử dụng bộ lọc bước

sóng bằng màng mỏng Hình 2.8 là một thí dụ về bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng

Nếu bộ lọc gồm nhiều lớp điện môi rất mỏng có hệ số chiết suất thấp và cao

xen kẽ nhau thì tạo thành bộ cộng hưởng Fabry – Perot(hình 2.9)

Bộ lọc dựa trên nguyên lý hoạt động của bộ cộng hưởng F – P Khi tia sáng

đi vào thiết bị thì hiện tượng giao thoa ánh sáng xảy ra do phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên lần của nửa bước sóng

Bộ ọ

λ 1 ÷λ n

λ 1

λ 2 ÷λ n

Hình 2.8: Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc

Pout

λ0

λHình 2.10: Phân bố công suất theo bước sóng của bộ lọc

Bề dày các lớp bằng 1/4 bước sóng truyền đối với bộ lọc bậc 0 và 3/4λ0 đối

với bộ lọc bậc 1 và được chế tạo từ các vật liệu có hệ số chiết suất thấp như MgF2

có n = 1,35 hoặc SiO2 có n =1,46 và vật liệu có hệ số chiết suất cao như TiO2 có n

= 2,2

Bộ lọc giao thoa được phân loại theo các đặc tính phổ:

- Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao có bước sóng cắt λc (hình 2.4a-thông thấp và hình 2.4b là thông cao)

Thấu kính phân kì Thấu kính hội tụ

Hình 2.12a: Bộ tách 2 kênhdùng thấu kính phẳng và bộ lọc

- Bộ lọc thông giải có bước sóng trung tâm λ0 và độ rộng giải ∆λ (hình 2.4c)

Các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao thường sử dụng để ghép hoặc tách 2

bước sóng khác nhau, chẳng hạn 850nm và 1300nm hoặc 1300nm và 1500nm Loại

bộ lọc như vậy thích hợp cho nguồn quang có giải phổ rộng (LED) Bộ lọc thông giải được sử dụng trong WDM khi nguồn quang có phổ hẹp (LD) Đối với bộ lọc thông giải có một vài yêu cầu, đó là độ dốc sườn đường cong hàm truyền đạt phải

đủ lớn để tránh xuyên âm giữa các kênh kề nhau, mặt khác độ rộng giải ∆λ có dung sai cho phép để đề phòng dịch bước sóng trung tâm của nguồn quang do nhiệt độ thay đổi

2.4.1.2 Một số thiết bị ghép bước sóng sử dụng bộ lọc màng mỏng

Do thiết bị ghép và thiết bị tách bước sóng có cấu trúc thuận – nghịch, nghĩa là giữa bộ ghép và bộ tách chỉ thay đổi cổng vào và cổng ra, cho nên trong phần này chủ yếu chỉ trình bày cấu trúc và hoạt động của các bộ tách bước sóng

a Bộ tách hai kênh

λ1 λn

Bộ lọc (λ )

Bộ lọc (λ)

Bộ lọc (λ )

Bộ lọc (λ )

sẵn trên thị trường thương mại và được sử dụng rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bước sóng 850nm và 1300nm hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bước sóng như 800nm và 830nm; 800 và 890nm; v.v…, với suy hao nhỏ hơn 3dB(cho mỗi cặp) và suy hao xuyên kênh cao

Hình 2.12b: bộ tách hai kênh dùng bộ lọc và lăng kính Grin 1/4

Hình 2.15: Cấu trúc cơ bản của bộ tách kênh sử dụng bộ lọc gắn trực

tiếp vào sợi

Các thiết bị WDM có nhiều hơn hai kênh được cấu tạo dựa trên cấu hình bộ

lọc tầng Trong mỗi tầng sẽ lựa chọn một bước sóng cho đi qua và phản xạ các bước sóng còn lại (hình 2.14)

Trên thực tế, thiết bị tách và ghép nhiều kênh sẽ có dạng như ở hình 2.14

Đôi khi, có thể thực hiện tạo ra một bộ tách kênh mà không cần sử dụng đến

các phần tử chuẩn trực Ví dụ như ở hình 2.15, thiết bị không có lăng kính, mà các

bộ lọc ở đây được đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi được đánh

bóng

2.4.1.3 Các bộ lọc quang có điều chỉnh bước sóng kiểu khoang F-P

a) Nguyên lý cơ bản và tham số tính năng của bộ lọc kiểu khoang F - P

Kết cấu cơ bản của bộ lọc quang kiểu khoang F - P là khoang cộng hưởng F –

P Khoang cộng hưởng này gồm một đôi kính song song chính xác cao và hiệu suất phản xạ cao, sóng quang thoả mãn điều kiện về pha dưới đây có thể dao động ổn định và đưa ra sóng có khoảng cách bằng nhau hình răng lược như hình 2.16

Giả thiết sóng quang chiếu vào khoang với góc nhập xạ là θi, chiều dài khoang dao động là L, hiệu suất khúc xạ của vật liệu là n, thì điều kiện pha là: lượng biến đổi pha sau khi truyền dẫn một lần đi và về giữa hai mặt gương phản xạ δ là bội số nguyên của 2π, tức là:

Trong đó m là số nguyên dương

Hình 2.16 là trường hợp chiếu thẳng góc, công thức biến thành điều kiện pha

đơn giản nhất (chiều dài khoang là bội số nguyên của 1/2 bước sóng)

Nói chung, khi m đã xác định thì 3 nhân tố n, L và θi xác định điều kiện thoả

mãn pha có trị số đỉnh và hiệu suất thấu qua của bước sóng

Mổ tả đặc tính tính năng tham số truyền dẫn khoang F – P như sau:

- Miền phổ tự do (FSR: Free spectral range): cự ly giữa các bước sóng (tần

π

= λ

θ π

=

δ 4 nLcos i n

(2.2) 2

m

L= λ

Đầu vào Đầu ra

b1 Bộ lọc quang có điều chỉnh kiểu sợi quang hình khoang F – P

Hình 2.17 cho thấy kết cấu của bộ lọc quang có điều chỉnh kiểu khe không khí

Trong bộ lọc này, tại một đầu của sợi quang mạ một lớp phản xạ cao, đầu kia

mạ lớp chống phản xạ, giữa chúng để một khoảng không khí thích hợp Do đó, chiều dài của khoang là gồm một đoạn sợi quang và khe không khí Trong hình, PZT là gốm áp điện, dưới sự tác động của tín hiệu điện PZT có thể co dãn làm biến đổi khe không khí, làm thay đổi chiều dài của khoang (L), từ đó thực hiện việc điều chỉnh bước sóng Bộ lọc quang kết cấu loại này có được cấp số lượng của FSR là 10

∼ 104

GHz, độ mịn đạt trên 300

Sợi quang đơn mốt

Kín

h

PZT PZT

Hình 2.18: Bộ lọc quang F- P có thể điều chỉnh kiểu ứng biến

Đầu vào Bộ phối ghép Đầu ra

Hình 2.19: (a)Bộ lọc quang vòng sợi quang hình khoang

(b)Kết cấu cải tiến của bộ lọc quang vòng sợi quang

Từ hình 2.17 ta thấy, thay đổi chiều dài của sợi quang cũng điều chỉnh được

chiều dài khoang, do đó hình 2.18 cho ta một kết cấu khác, tức là giữa hai lớp mặt kính lắp một sợi quang chịu ảnh hưởng bởi PZT, chiều dài toàn bộ khoang cộng hưởng do chúng cùng quyết định

Nguyên lý làm việc của kết cấu hình 2.18 như sau: dưới tác dụng của PZT,

sợi quang trong khoang cộng hưởng thay đổi theo, chiều dài thay đổi, làm cho chiều dài khoang (L) thay đổi từ đó điều chỉnh bước sóng Miền phổ tự do của bộ lọc quang có kết cấu này đạt tới vài chục KHz

b2 Bộ lọc quang vòng sợi quang kiểu khoang bằng phẳng

Dưới đây giới thiệu một bộ lọc quang khác như hình 2.19 Dùng một bộ phối

ghép phương hướng nối hai đầu sợi quang (thông qua nối nóng chảy), hình thành vòng kết cấu khoang cộng hưởng kiểu khoang bằng phẳng Nó cũng có điều kiện pha, tức là khi quang trình của nhánh quang hình tròn gây ra lệch pha bằng bội số nguyên của 2π thì bước sóng tương ứng sẽ cộng hưởng và được tăng cường, hiệu suất lưu thoát đạt tới trị số đỉnh

Kết cấu như hình 2.19a có hai vấn đề khi sử dụng: một là ở điểm nối bằng

phương pháp nóng chảy sẽ gây ra tổn hao do không hoàn thiện; hai là khó đạt đến mức độ tốt nhất khi thiết kế đường kính vòng của vòng sợi quang, đường kính lớn quá ảnh hưởng đến miền phổ tự do, đường kính nhỏ quá gây ra tổn hao uốn, ảnh hưởng đến dao động

Một loại cải tiến khác như hình 2.19b, sử dụng nguyên lý phối ghép chéo,

tức là trong bốn đầu dây sợi quang kết nối bằng bộ phối ghép phương hướng, có hai đầu mạ vàng phản xạ cao, lợi dụng 2 kính phản xạ này và chiều dài của sợi quang l1

và l4 tạo thành một khoang cộng hưởng, thực hiện chức năng chọn bước sóng Kiểu

khoang hình tròn này đơn giản dễ làm nhưng khó điều chỉnh

2.4.2 Thiết bị WDM sử dụng cách tử

2.4.2.1.Giới thiệu

Thiết bị WDM sử dụng bộ lọc màng mỏng không thích hợp cho hệ thống có

quá nhiều bước sóng hoặc khi bước sóng này quá gần nhau Trong trường hợp này phải dùng cách tử Ưu điểm của cách tử là tán xạ đồng thời tất cả các bước sóng

Cách tử có cấu tạo là một mặt phẳng quang có khả năng truyền hoặc tán xạ

ánh sáng và trên nó có nhiều rãnh (từ hàng chục đến hàng nghìn rãnh trên 1nm) được khắc bằng dụng cụ kim cương Cách tử có tính chất tán xạ ánh sáng theo hướng nhất định phụ thuộc vào bước sóng (hình 2.20)

Cách tử cũng có khả năng tách tia sáng có nhiều bươc sóng thành các tia có hướng khác nhau và mỗi tia là một bước sóng Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng cách rãnh (gọi là bước cách tử) và góc tới

2.4.2.2.Cách tử nhiễu xạ phẳng

Xét hoạt động của một cách tử phẳng có rãnh răng cưa như hình 2.21

Trong hình vẽ có các kí hiệu sau đây:

N - Là đường vuông góc với mặt đáy của cách tử

M - Là đường vuông góc với cạnh của rãnh

α - Góc tới của tia sáng với N

Từ hình 2.21 và theo kết quả chứng minh thì khi hai tia sáng liên tiếp chiếu

vào rãnh cách tử sẽ tạo ra các tia nhiễu xạ cùng pha nếu hiệu số đường đi hai tia thoả mãn điều kiện (2.3)

’

N M

Hình 2.21: Cách tử nhiễu xạ phẳng

cos

-'

λ

= α α γ

sin d 2

(2.9)

2

cos α α'γ

-=

λ1 2 d sin

0

0,2 0,4 0,6 0,8

Phân bổ của nhiễu xạ được xác định theo biểu thức:

Từ biểu thức (2.12) xây dựng đường cong phân bố phổ của năng lượng nhiễu xạ bậc

)isini(sindsinAA

'

'

n

−λ

π

+λ

π

= λ

0 0,2 0,4 0,6 0,8

1

γ = 200

Hình 2.23: phân bố phổ năng lượng nhiễu xạ bậc 1 khi d bé hơn bước sóng

2.4.2.3.Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng

a)Bộ tách bước sóng dùng thấu kính

Hình 2.24a)là thiết bị tách 2 bước sóng dùng thấu kính hội tụ và cách tử

phẳng Hình 2.24b) sử dụng thấu kính GRIN 1/ 4 chu kì

Gương lòng chảo

b)Bộ tách bước sóng dùng gương lòng chảo

Hình 2.25 là sơ đổ cấu tạo thiết bị

2.4.2.4.Cách tử hình lòng chảo

Cách tử hình lòng chảo như hình 2.26

Cách tử hình lòng chảo được sử dụng để phản xạ ánh sáng, vì vậy góc nghiêng của rãnh cách tử được tính toán giống như cách tử phản xạ phẳng Theo thuyết vô hướng thì góc nghiêng của rãnh phải thay đổi liên tục để duy trì đường phân giác của góc hợp bởi tia tới và tia phản xạ ABC luôn vuông góc với bề mặt của răng cưa

Cách tử hình lòng chảo được sử dụng làm bộ tách bốn kênh như hình 2.27

Sợi quang

λ1, λ2, λ3,

Mặt phẳng tiêu

Cách tử hình lòng chảo

2.4.2.5.Cách tử Bragg

a) Nguyên lý phản xạ Bragg

Phản xạ Bragg là ở trên mặt tiếp giáp của hai loại phương tiện có phản xạ

mang tính chu kỳ, khi được chiếu quang sẽ xuất hiện phản xạ chu kì, phản xạ này gọi là phản xạ Bragg Bản thân mặt giao nhau có hình dạng khác nhau: hình sin hoặc không sin (như hình vuông góc, hình tam giác ) Hình 2.28 minh hoạ phản xạ Bragg.

b1 Cách tử sợi Bragg thông thường

Cách tử sợi Bragg thông thường trước đây khó sản xuất được với độ dài sợi

quá 15cm, do hạn chế về chiều dài sợi cách tử đối với bán kính chùm tia laser hoặc

do chiều dài của mặt nạ pha Cách tử sợi Bragg dài có pha liên tục đã được sản xuất vào năm 1995 (do Raoul stuble, Thuỵ điển chế tạo và công bố)

b2 Ứng dụng của cách tử sợi Bragg trong module xen – rẽ bước sóng

Cách tử sợi Bragg là cách tử được chế tạo ngay bên trong sợi quang Công nghệ chế tạo hiện tại đã cho phép thay đổi các thông số như độ dài cách tử, chiết suất có thể được điều biến theo yêu cầu, tạo nên cách tử sợi dạng nhiều bậc như bước ren Nhờ đó một số lớn các bộ lọc được tạo ra với các thông số khá hoàn

n

n

λ

thiện, từ cách tử điều chỉnh độ bù tán sắc(DCGs: dispersion – compen sating gratings) đến cách tử dùng trong công nghệ DWDM với độ rộng kênh bước sóng đạt được là 50GHz Mặc dù có hai phương pháp điều khiển bước sóng xen rẽ đối với thiết bị sử dụng cách tử Bragg: bằng điều khiển nhiệt hoặc thay đổi độ nén – dãn của sợi bằng tải cơ (mechanically loading the fiber in compression or tension), song cách thứ hai đạt được tốc độ điều chỉnh cao hơn

Điều chỉnh bước sóng xen rẽ dùng cách tử sợi Bragg mang lại nhiều ưu điểm

cho thiết bị OADM Trong đó, đặc biệt là suy hao xen của thiết bị thấp, đặc tính phổ của bộ lọc có dạng bộ lọc thông BPF với khả năng đạt được khoảng cách kênh bước sóng là 50GHz, đó là một tính năng hoàn toàn thuyết phục

b3 Ứng dụng của cách tử sợi Bragg trong bù tán sắc

Phổ một xung quang chứa nhiều thành phần bước sóng khác nhau, khi truyền

xung dọc sợi quang, thành phần bước sóng ngắn sẽ đi nhanh hơn thành phần bước sóng dài, đây chính là hiệu ứng tán sắc, làm giãn phổ xung quang đó và có thể gây xuyên kênh lên các xung lân cận Trước đây đã có nhiều giải pháp bù tán sắc, như dùng sợi bù tán sắc DCF, nhưng thực ra cách này còn nhiều nhược điểm, như gây suy hao lớn, gây ra các hiệu ứng phi tuyến khác

Gần đây, cách tử bù tán sắc đã được xem là giải pháp có nhiều hứa hẹn

Bước cách tử trong cách tử bù tán sắc được dịch đi để phản xạ các bước sóng chậm (bước sóng dài) trước khi các thành phần bước sóng nhanh (bước sóng ngắn) đi đến cuối cách tử sợi và bị phản xạ trở lại (hình 2.29) Module bù tán sắc kiểu này cũng

sẽ làm co xung đã bị giãn rộng ra trước khi được truyền đi tiếp hoặc được xử lý Nếu sợi cách tử càng dài, mức bù tán sắc càng lớn và phổ thiết bị có thể làm việc càng được mở rộng Nếu quá trình sợi không tốt, sẽ gây hiện tượng nhấp nhô (ripple) đối với trễ nhóm tín hiệu quang, do đó có thể làm sai khác đi việc bù tán sắc của thiết bị

Suy hao của module bù tán sắc kiểu này gây ra bởi: suy hao cố định của circulator và chỗ ghép nối (tổng này < 2dB), suy hao do cách tử sợi Bragg phụ thuộc vào độ dài sợi, sẽ khoảng 0,3dB/m (theo công nghệ chế tạo cảm ứng tia cực tím UV – included của 3M) Ngoài ra, suy hao này cũng phụ thuộc dải bước sóng làm việc, khoảng 0,3dB/ nm Những thực nghiệm cho thấy ưu thế của module bù tán sắc dùng cách tử sợi Bragg so với bù tán sắc dùng sợi DCF được thấy rõ trong hình 2.29 và bảng 2.1

Long

Wavelengt

Long Wavelengt

Short Wavelengt

Reshaped pulse

Input pulse

Optical circulator Fiber transmission link

Chirped fiber Bragg grating Dispersion – comperssion grating period

Hình 2.29: Nguyên lý cách tử bù tán sắc Bragg

Chương 3:

MỘT SỐ VẤN ĐỀ HẠN CHẾ CỦA CÔNG NGHỆ

WDM

Hệ thống WDM có ý nghĩa to lớn đối với thiết lập mạng thông tin nhưng

hiện nay vẫn còn tồn tại một số vấn đề công nghệ Nó ảnh hưởng đến chất lượng cũng như khả năng của công nghệ WDM, ví dụ yêu cầu đối với bước sóng và tính

ổn định của bộ kích quang; tính phi tuyến của sợi quang hạn chế rất lớn đối với công suất ra của bộ khuếch đại quang, hiệu ứng trộn tần 4 sóng tạo thành xuyên nhiễu giữa các kênh; khi tốc độ của kênh nào đó tăng cao, phải khắc phục ảnh hưởng của tán sắc và vấn đề giám sát bộ khuếch đại đường dây, đặc biệt là khi công nghệ EDFA được đưa vào ứng dụng

3.1 KHOẢNG CÁCH KÊNH BƯỚC SÓNG – VẤN ĐỀ XUYÊN ÂM GIỮA CÁC

KÊNH

3.1.1 Khoảng cách kênh bước sóng

Một trong các yếu tố quan trọng cần phải xem xét là hệ thống sẽ sử dụng bao

nhiêu kênh bước sóng, và cần lưu ý rằng số kênh bước sóng cực đại có thể sử dụng được phụ thuộc vào các yếu tố sau:

3.1.1.1 Khả năng của công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là:

- Băng tần của sợi quang

- Khả năng tách – ghép của các thiết bị WDM

3.1.1.2 Khoảng cách giữa các kênh bước sóng

Một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này bao gồm:

- Tốc độ truyền dẫn của từng kênh

- Quỹ công suất quang