Đồ án Nghiên cứu hệ thống ghép kênh quang DWDM - Chương 2

Đồ án Nghiên cứu hệ thống ghép kênh quang DWDM - Chương 2

Chơng II Cơ sở ghép kênh theo bớc sóng quang

2.1 Điều chế quang

Mạng quang truyền dữ liệu ở dạng số, chẳng hạn dới dạng các bit 1 và

0 Các bít 1 đại diện cho các xung ánh sáng, các bit 0 đại diện cho ít hoặc không có ánh sáng Có hai dạng đợc phát triển cho điều chế quang Chúng khác nhau ở chuyển tiếp giữa các bít Điều chế không trở về zero (NRZ) phát một dãy các bít 1 liên tục của ánh sáng đầu ra và chỉ dừng phát ánh sáng khi cần truyền một lần nữa bit 0 Điều chế trở về zero (RZ) đại diện cho các bit 1 liên tiếp Mỗi bit phát ra nh một xung ánh sáng Tuy nhiên, NZ khác NRZ ở chỗ xung ánh sáng đại diện cho bít 1 chuyển tiếp về 0 tại một nửa độ rộng của bít 1(xem hình 2.1)

NRZ thờng đợc sử dụng vì đơn giản và dễ thực hiện; còn RZ có nhiều lợi thế cho các ứng dụng cự li dài vì ít bị ảnh hởng của tán sắc sắc thể và tán sắc mode phân cực

Hình 2.1 Các dạng điều chế quang

Có hai phơng pháp điều chế ánh sáng laser Chúng khác nhau ở điều chế đợc thực tiến hành khi sử dụng bản thân laser hay đợc thực hiện trong một

bộ điều chế ngoài Điều chế trực tiếp là dùng dòng điện đặc trng cho dữ liệu

số để điều khiển laser đa ra trực tiếp tín hiệu quang bằng cách chuyển mạch

đóng và mở nhanh laser Trong điều chế ngoài, ánh sáng đầu ra laser là không thay đổi Khi điều chế đợc thực hiện trong bộ điều chế ngoài thì bộ điều chế ngoài hoạt động nh một lá chắn ánh sáng để chuyển mạch đóng và mở ánh sáng đầu ra có hiệu quả

Điều chế trực tiếp đơn giản và hiệu quả về chi phí nhng chịu đựng tính năng chip kém dẫn đến tán sắc và ở tốc độ bit cao có chất lợng xấu Điều chế ngoài có chip bé và phù hợp với các ứng dụng tốc độ bit cao, nhng phơng pháp này phức tạp và tốn kém Có hai loại bộ điều chế ngoài chính đợc sử dụng

Dạng dữ liệu số

Điều chế quang

NRZ

Điều chế quang NZ

n



1



1 , , 

n

Cách tử

trong các mạng quang: bộ điều chế điện - quang và bộ điều chế hấp thụ điện

Bộ điều chế điện - quang làm việc theo cách chia ánh sáng laser thành hai đ-ờng và sau đó sử dụng dịch pha để triệt đầu ra hai sóng (để đa ra bít 0) hoặc kết hợp hai sóng (để đa ra bit 1) Các bộ điều chế hấp thụ điện là các laser

định thiên ngợc có thể hấp thụ hoặc phát ánh sáng

2.2 Giới thiệu các thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán góc

2.1.1 Dùng cách tử làm phần tử tán góc

2.2.1.1 Hiện tợng tán sắc ánh sáng trong cách tử

Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM ngời ta thờng dùng lăng kính

để làm phần tử tán sắc góc, nhng do nhợc điểm không tách đợc các tia sáng có bớc sóng gần nhau nên lăng kính ngày nay không đợc sử dụng trong công nghệ WDM nữa, thay vào đó ngời ta sử dụng cách tử nhiễu xạ làm phần tử tán sắc góc Cách tử đợc cấu tạo bao gồm nhiều rãnh (nh răng ca), trên bề mặt của các rãnh này đợc phủ một lớp phản xạ, số lợng rãnh trên cách tử có thể lên tới vài nghìn rãnh trên 1nm

Khi rọi ánh sáng lên trên bệ mặt cách tử, ngoài hiện tợng nhiễu xạ tức

là hiện tợng tia sáng lệch khỏi phơng truyền thẳng khi gặp cách tử còn có hiện tợng giao thoa của các tia sáng bị phản xạ bởi bề mặt cách tử làm cho ánh sáng bị nhiễu xạ theo các góc riêng biệt  thoả mãn phơng trình sau:

sin  + sin  = m

dn



(2-1)

Hình 2.2 Sử dụng cách tử để tách bớc sóng

Phơng trình trên cho thấy góc nhiễu xạ  phụ thuộc vào bớc sóng  của

ánh sáng tới Nh vậy, ánh sáng không đơn sắc ở đầu vào, sau khi qua cách tử

Trong đó:

+ n là chiết suất của lớp phản xạ phủ trên bề mặt cách tử

+  là góc cách tử

+  là góc nhiễu xạ tơng ứng + d là bớc cách tử

+  là bớc sóng của tia sáng + m là bậc nhiễu xạ

sẽ đợc tách thành các tia sáng đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau Khác với lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho các góc tán sắc lớn hơn

Khi giải ghép kênh bằng cách tử, nguồn sáng tới gồm nhiều bớc sóng từ sợi quang sẽ đợc tách ra thành các tia đơn sắc tơng ứng với các bớc sóng đợc truyền trên sợi theo các góc khác nhau Trái lại, khi ghép kênh, một số kênh bớc sóng 1, 2, …, , N đến từ các hớng khác nhau có thể đợc kết hợp thành một hớng và đợc đa tới truyền dẫn trên cùng một sợi quang

2.2.1.2 Cách tử vi quang

Các thiết bị ghép kênh dùng cách tử nh phần tử tách-ghép bớc sóng

có thể sử dụng cho thiết bị mà các sợi đều là đơn mode hoặc sợi vào đơn mode -sợi ra đa mode

Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc giải ghép kênh sử dụng cách tử bao gồm 3 phần chính: Các phần tử vào và ra (là mảng sợi hoặc một sợi truyền dẫn với các thành phần thu-phát), phần tử hội tụ quang, phần tử tán sắc góc grating

Hình 2.3 là cấu hình đơn giản của một bộ ghép kênh của Finke Trong

đó, đầu mảng sợi quang đợc đặt tại tiêu cự của một thấu kính tròn, phần tử tán sắc góc grating đợc đặt tại tiêu cự bên kia của thấu kính đó Bộ giải ghép kênh thực tế loại này đã thực hiện tách từ 4 đến 6 kênh với suy hao khoảng 1,2 đến 1,7 dB (triển vọng có thể tách đợc 10 kênh)

Hình 2.3 Sơ đồ bộ tách ghép kênh

Hình 2.4 là bộ tách kênh cấu tạo gồm một lăng kính chiết suất gradient

đặt trớc một phần tử tán sắc góc là một cách tử phẳng Bộ tách kênh này đã

đ-ợc chế tạo để tách 5 kênh với suy hao từ 0,9 đến 2 dB

λ 1

λ 3

λ 2

λ 4

λ 1 λ 2 λ 3 λ 4

λ 1



1 

2



1



Lăng kính Grin

Cách tử



1



1 , 

2



2

Cách tử Lăng kính chuẩn trực

Các sợi đầu ra

Cách tử lòng chảo

Sợi vào

Hình 2.4 Bộ tách – ghép kênh với lăng kính Grin và Grating ghép kênh với lăng kính Grin và Grating

Trên hình 2.5, đầu mảng các sợi quang đợc đặt trớc một khe đã đợc quang khắc trên mặt cách tử phản xạ phẳng đặt vuông góc với các rãnh cách

tử Gơng lõm có tác dụng làm thay đổi hớng của bất kỳ một tia đa bớc sóng phân kỳ nào thành một tia song song quay trở lại cách tử, tia này khi đến cách

tử sẽ bị tán sắc và phản xạ trở lại gơng, phản xạ một lần nữa, tạo ảnh trên vùng mảng sợi quang tuỳ thuộc vào giá trị từng bớc sóng Cấu trúc này có hệ số hội

tụ và truyền đạt bằng 1 vì vậy, hiệu suất ghép khá cao, đặc biệt nếu sử dụng

g-ơng parabol thì quang sai rất nhỏ, gần bằng 0

Số lợng các kênh có thể ghép trong thiết bị phụ thuộc nhiều vào phổ của nguồn quang: từ năm 1993 đã có thể ghép đợc 6 kênh (đối với nguồn LED),

22 kênh (đối với nguồn Laser) Nếu sử dụng kỹ thuật cắt phổ của nguồn phát LED để nâng cao số kênh ghép thì có thể ghép tới 49 kênh Đối với nguồn đơn sắc, suy hao xen của thiết bị ghép rất nhỏ (<2 dB), và có thể đạt đến 0,5 dB cho thiết bị đơn mode vùng bớc sóng 1540 nm đến 1560 nm

Một ứng dụng của cách tử lõm nh chỉ ra trên hình 2.6, thiết bị loại này

có vẻ nh đơn giản hơn vì không sử dụng phần tử hội tụ quang (thấu kính hoặc lăng kính) Thiết bị loại này đã thực hiện ghép 4 kênh, suy hao 2,6 dB, nó có nhợc điểm là quang sai không ổn định trong dải phổ rộng

Tóm lại, thiết bị WDM dùng cách tử nh phần tử tán sắc góc để tách-ghép bớc sóng thờng sử dụng theo cách nh chỉ ra trên các hình 2.3 đến 2.6 Sự kết hợp giữa cách tử tán sắc góc và gơng lõm phản xạ nh đề cập trên hình 2.5 Nếu dùng gơng lõm là gơng parabol thì có thể hiệu chỉnh quang sai, với hai vật liệu chế tạo có hệ số tán sắc nh nhau thì quang sai hình học có thể đợc hiệu chỉnh, không sinh ra bớc sóng mới (hiện tợng đổi màu)

2.2.1.3 Cách tử Bragg

Cách tử sợi Bragg thông thờng trớc đây khó sản xuất đợc với độ dài sợi quá 15 cm, 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

đợc sản xuất vào năm 1995 (do Raoul Stubbe, Thụy Điển chế tạo và công bố)

* ứng dụng cách tử sợi Bragg trong module xen-rẽ bớc sóng:

Cách tử sợi Bragg là cách tử đợc chế tạo ngay bên trong sợi quang Công nghệ chế tạo hiện tại đã cho phép thay đổi các thông số nh độ dài cách

tử, chiết suất có thể đợc điều biến theo yêu cầu, tạo nên cách tử sợi quang nhiều bậc nh bớc ren Nhờ đó một số lớn các bộ lọc đợc tạo ra với các thông

số khá hoàn thiện, từ cách tử điều chỉnh độ bù tán sắc (DCSG: dispersion-compen sating grating) đến cách tử dùng trong công nghệ DWDM với độ rộng kênh bớc sóng đạt đợc là 50 GHz Mặc dù có hai phơng pháp điều khiển bớc sóng xen rẽ đối với thiết bị sử dụng sợi 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 đợc tốc độ điều chỉnh cao hơn

Điều chỉnh bớc sóng xen rẽ dùng cách tử sợi Bragg mang lại nhiều u

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 đợc khoảng cách kênh bớc sóng là 50 GHz, đó là một tính năng hoàn toàn thuyết phục

Hình 2.6 Tách – ghép kênh với lăng kính Grin và Grating ghép kênh với Grating khe quang khắc và g ơng lõm

* ứng dụng cách tử sợi Bragg trong bù tán sắc:

Phổ một xung quang chứa nhiều thành phần bớc sóng khác nhau, khi truyền xung dọc sợi quang, thành phần bớc sóng ngắn sẽ đi nhanh hơn thành phần bớc sóng dài, đây chính là hiệu ứng tán sắc, làm giãn phổ xung quang đó

và có thể gây xuyên kênh lên các xung quang lân cận Trớc đây đã có nhiều giải pháp bù tán sắc nh dùng sợi bù tán sắc DCF nhng cách này thực ra còn nhiều nhợc điểm nh gây suy hao lớn, gây ra các hiệu ứng phi tuyến khác…,

Gần đây, cách tử bù tán sắc đã đợc xem là giải pháp có nhiều hứa hẹn Bớc cách tử trong cách tử bù tán sắc đợc dịch đi để phản xạ các bớc sóng chậm (bớc sóng dài) trớc khi các thành phần bớc sóng nhanh (bớc sóng ngắn)

đi đến cuối cách tử sợi và bị phản xạ trở lại (xem hình 2.7) Module bù tán sắc kiểu này cũng sẽ làm cho co xung đã bị giãn rộng ra trớc khi đợc truyền đi tiếp hoặc đợc xử lý Nếu sợi cách tử càng dài, mức bù tán sắc càng lớn và phổ thiết bị có thể làm việc càng đợc mở rộng Nếu quá trình chế tạo sợi không tốt

sẽ gây hiện tợng 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, sẽ khoảng 0,3 dB/m (theo công nghệ chế tạo cảm ứng tia cực tím UV-induced của 3M) Ngoài ra, suy hao này cũng phụ thuộc dải bớc sóng làm việc, khoảng 0,3 dB/m u thế của module bù tán sắc dùng cách tử sợi Bragg so với bù tán sắc dùng sợi DCF đợc cho thấy trong bảng 2.1

Với những u thế nh vậy, thiết bị bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg đã

đ-ợc chế tạo hàng loạt nhờ quá trình chế tạo cách tử điều khiển bằng phần mềm máy tính (computer-driven), chúng sẽ trở thành các module không thể thiếu trong các thiết bị WDM thế hệ 2 nh :OADM, khuếch đại quang EDFA 2

tầng có bù tán sắc…,

EMBED Visio.Drawing.11

Input pulse

Fiber transmitssion link

Optical circulator

Chirped fiber Bragg grating

Long wavelenglh Short wavelenglh

Reshaped pulse

Long wavelenglh

Short wavelenglh

Cách bù tán sắc Suy hao

cực tiểu

Suy hao thông thờng

Suy hao cực đại

Sợi cách tử bù tán sắc Bragg 2,0 dB 2,5 dB 3,0 dB

2.3 Các bộ lọc điện môi trong thiết bị WDM

2.3.1 Phơng pháp lọc điện môi đa lớp sử dụng trong thiết bị WDM

Các bộ lọc phân tách góc tia sáng cho một hoặc vài bớc sóng truyền qua hay phản xạ khi truyền tới một dải nhiều bớc sóng Có hai loại bộ lọc cho bớc sóng dài qua LWPF Các bộ lọc này gồm các lớp điện môi xen kẽ chiết suất cao H, thấp L trên cùng một phiến đế Mỗi lớp có bề dầy quang ne= 0/4 trong

bộ lọc bậc 0 và ne= 30/4 trong bộ lọc bậc 1 Thông thờng cấu trúc của bộ lọc

là tập các lớp xen kẽ: (H/2 L H/2)k , vần đề cơ bản là bộ lọc phải có sờn dốc và

Hình 2.7 Nguyên lý cách tử bù tán sắc Bragg

Cha hiệu chỉnh(

)

Có hiệu chỉnh lý

Hiệu chỉnh thực

phản xạ cao trong dải phổ tín hiệu tới với R>99% và truyền dẫn tốt phổ tín hiệu tách với T>99%

Đồ thị biểu diễn các đặc tính phản xạ và truyền dẫn của các bộ lọc nh trên các hình vẽ 2.8 – ghép kênh với lăng kính Grin và Grating 2.10 Trên các đặc tính có những dao động ở các biên

có thể hiệu chỉnh đợc bằng cách phối hợp dẫn nạp ở một vài lớp điện môi đầu

và cuối

Bộ lọc thông dải BPF đợc sử dụng nhiều trong WDM thế hệ 1 rất phù hợp với các nguồn phát dải hẹp nh laser Có thể đạt đợc độ rộng dải thông

/ = 0,045 nh ở bộ lọc gồm một tệp 23 lớp điện môi và 3 hốc, sử dụng các lớp chiết suất cao TiO2, n= 2,45 và chiết suất thấp SiO2, n= 1,47 trên phiến đế n= 1,563 nh trên hình 2.10

2.3.2 Các thiết bị lọc điện môi đa lớp

Thiết bị lọc điện môi đa lớp có thể ghép trực tiếp giữa các sợi quang, hoặc sử dụng hệ thống hội tụ quang Hình 2.11 là ghép sợi quang trực tiếp qua

Hình 2.8 Đặc tính truyền dẫn của bộ lọc1.3 m – ghép kênh với lăng kính Grin và Grating 1.5 m

Hình 2.9 Đặc tính phản xạ của bộ lọc LWPF cha hiệu chỉnh

Hình 2.10 Đặc tính truyền dẫn bộ lọc SWPF cha hiệu chỉnh

Cha hiệu chỉnh(

)

Có hiệu chỉnh lý

Hiệu chỉnh thực

4



3



2

Sợi quang



1 4

1

Bộ lọc

các bộ lọc lỡng hớng sắc trên bề mặt của một sợi quang Đây là cấu trúc lớp

bộ giải ghép 4 kênh sử dụng 3 bộ lọc cấp một:

S H L H H L H H L H S

2 9

2

2 2 015 1 2 2 2 2 015 ,

































Hình2.11 Cấu trúc bộ tách ghép kênh dùng bộ lọc điện môi gắn trực tiếp

trên sợi

Hình 2.12 Thiết bị lọc, tách bớc sóng sử dụng thấu kính tròn và gơng phản

xạ phẳng

Truyền bớc sóng 1 và phản xạ các bớc sóng 2,3, 4 qua các sợi đơn mode có suy hao xen khoảng 0,5 dB đến 2 dB

Hình 2.12 là bộ ghép kênh sử dụng các thấu kính tròn và phản xạ giữa các mặt phẳng song song Các thấu kính tròn hội tụ các tia song song đi ra hoặc

đi vào các sợi đơn mode có đờng kính lõi 9 m, vỏ 125m

2.4 Một số kỹ thuật khác đợc sử dụng trong ghép kênh WDM

2.4.1 Thiết bị WDM ghép sợi

Các thiết bị WDM ghép sợi phù hợp hơn đối với các sợi đơn mode vì có thể tránh đợc quang sai, suy hao do các quá trình xử lý chùm sáng qua các

đoạn phản xạ, chuẩn mực, hội tụ gây ra

Xét cho trờng hợp ghép hai sợi đơn mode giống nhau Hệ số ghép của hai mode HE11 giữa hai sợi đơn song song với khoảng cách lõi h sẽ là:

   

 v K

a vh K v

u n h

1

0 2 2 2 1

/

2  



 (2-3) Trong đó a là bán kính lõi sợi,  là bớc sóng, n1 là chiết suất lõi, K0 và

K1 là các hàm Bessel cấp 0 và cấp 1; u và v là các tham số truyền lan mode ngang sợi: v2 + u2 = V2 và V là tần số chuẩn ở tần số quang đang xét

Công suất ghép giữa hai sợi song song có dạng sin2(C0L) và công suất lan truyền là cos2(C0L); trong đó L là độ dài đoạn ghép, C0 là hệ số ghép Trong thực tế ghép theo độ dài z biến đổi nên công suất ghép sẽ là:

sin2

C(z)dz và công suất lan truyền là cos2C(z)dz.

Có thể thực hiện WDM ghép sợi bằng hai phơng pháp: nung nóng chảy các sợi kề nhau hoặc đánh bóng chỗ tiếp xúc giữa hai sợi

Trong kỹ thuật đánh bóng, mỗi sợi đợc lắp vào một thấu kính đã đục cong sẵn có đờng kính cong thờng là 25 cm nên dạng này còn gọi là ghép khối

Khi hai sợi ghép là nh nhau thì hiệu suất ghép là tuần hoàn của bớc sóng, khoảng cách kênh cực tiểu giữa hai bớc sóng đợc phân tách là:

 

 





/

2 /

0L c



Trong đó (C0L)/  là đạo hàm của hệ số ghép theo bớc sóng và L là khoảng cách hiệu dụng đoạn ghép Khi hai sợi ghép khác nhau thì hiệu suất ghép không tuần hoàn nên có :











d

d d

d

5







(2-5)

Trong đó: d1/d và d2/d là các đạo hàm theo mode của mỗi sợi Các bớc sóng tơng ứng với sự đồng nhất các hàm số lan truyền của hai

đờng dẫn này là các bớc sóng mà ở đó sự truyền năng lợng đợc đổi chỗ từ sợi này sang sợi kia

Trong cấu trúc nóng chẩy, đoạn ghép đợc kéo dài cho đến khi giá trị ghép theo yêu cầu đạt đợc ở những bớc sóng đã định Ví dụ, ghép nóng chảy 1300/1500nm có độ dài ghép 20nm, suy hao xen nhỏ khoảng 0,04dB Đờng cong truyền dẫn của thiết bị này trên hình 2.13

Khi cần ghép nhiều hơn hai bớc sóng phải ghép nối tiếp các bộ ghép, Hình 2.14 là cách ghép bốn bớc sóng: 1320, 1280, 1240 và 1200nm