Thiết kế và mô phỏng tuyến thông tin quang wdm bằngphần mềm optiwave optisystem

Trong các bước nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theo bước sóng WDM là một công nghệ khai thác được tài nguyên của sợi quang, khắc phục được các khó khăn khi tăng tốc độ tín hi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Anh Đức Mã số sinh viên: 0951085069

Ngành: Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Khoá: 50

Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Phúc Ngọc

Cán bộ phản biện:

Nội dung đồ án tốt nghiệp:

Nhận xét của cán bộ phản biện:

Vinh, ngày tháng năm 2014

Cán bộ phản biện

(Ký, ghi rõ họ và tên)

MỤC LỤC

Trang

Lời nói đầu i

Tóm tắt đồ án iii

Danh sách hình vẽ trong đồ án iv

Thuật ngữ viết tắt vi

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WDM 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.1.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống tách/ghép kênh quang 2

1.1.2 Đặc điểm của hệ thống WDM 4

1.1.2.1 Tận dụng tài nguyên 4

1.1.2.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu 4

1.2 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM 4

1.2.1 Suy hao xen 5

1.2.2 Suy hao xuyên kênh 5

1.2.3 Độ rộng, khoảng cách và số lượng kênh 6

1.3 Ứng dụng 8

1.3.1 Ứng dụng WDM trong mạng truyền dẫn 8

1.3.2 Ứng dụng WDM trong mạng đa truy nhập 9

1.4 Kết luận chương 10

CHƯƠNG II CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG WDM 11

2.1.Giới thiệu chung 11

2.2 Bộ phát quang 11

2.2.1 Yêu cầu đối với nguồn quang trong WDM 12

2.2.2 Nguyên lí Bragg 13

2.2.3 Laser hồi tiếp phân bố (DFB) 14

2.2.4 Laser phân bố phản xạ Bragg (DBR) 15

2.3 Bộ tách và bộ ghép kênh quang 15

2.3.1 Bộ lọc Mach-Zender 16

2.3.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc Mach-Zender 16

2.3.1.2 Một số đặc tính của bộ lọc quang Mach-Zender 17

2.3.2 Bộ tách kênh trong miền không gian 21

2.3.2.1 Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc 22

2.3.2.2 Cách tử nhiễu xạ 22

2.3.2.3 Cách tử phản xạ Bragg 23

2.4 Bộ khuếch đại 24

2.4.1 Sự cần thiết sử dụng bộ khuếch đại quang 24

2.4.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA 25

2.5 Bộ thu quang 28

2.6 Sợi quang 28

2.7 Kết luận chương 29

CHƯƠNG III NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 30

3.1 Ổn định bước sóng của nguồn quang 30

3.2 Ảnh hưởng của tán sắc sợi quang đối với truyền dẫn 31

3.2.1 Phương pháp bù tán sắc bằng điều chế tự dịch pha (SPM) 31

3.2.2 Phương pháp bù tán sắc PDC 33

3.2.3 Phương pháp bù tán sắc DCF 34

3.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến đến truyền dẫn 35

3.3.1 Các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM 35

3.3.2 Giải pháp khắc phục hiệu ứng phi tuyến của sợi quang 37

3.4 Kết luận chương 37

CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 38

4.1 Tổng quan phần mềm optisystem 38

4.2 Bài toán 38

4.3 Phía phát 40

4.4 Phần truyền dẫn 44

4.5 Phía thu 45

4.6 Đặt các thiết bị đo 47

4.7 Cài đặt tham số toàn cục 48

4.8 Chạy mô phỏng 49

4.9 Xem các thông số kết quả 49

4.10 Hiệu chỉnh BER 52

4.11 Kết luận chương 55

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin liên lạc đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sự phát triển mạnh mẽ của xã hội loài người, là một trong những cơ sở hạ tầng, là điều kiện thiết yếu để phát triển kinh tế Thời gian qua nền kinh tế nước ta đã chuyển biến tích cực, hòa nhịp với sự phát triển của khu vực và trên thế giới Xu thế toàn cầu hóa về thương mại và thông tin đòi hỏi sự phát triển những xa lộ thông tin thỏa mãn nhu cầu và dịch vụ

Để tạo ra một cơ sở hạ tầng tốt làm nền tảng để phát triển dịch vụ thông tin,

hệ thống truyền dẫn cũng ngày càng được cải tiến và nâng cao về năng lực Từ khi

ra đời, cáp quang đã thể hiện là một môi trường truyền dẫn lý tưởng với băng thông gần như vô hạn và rất nhiều ưu điểm khác Các hệ thống truyền dẫn mới chỉ khai thác một phần rất nhỏ băng thông của sợi quang Do việc nâng cấp tuyến truyền dẫn bằng cách tăng tốc độ tín hiệu về điện gặp nhiều khó khăn, các nhà khoa học đã tìm cách nâng cao tốc độ truyền bằng cách tăng tốc độ tín hiệu quang

Trong các bước nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) là một công nghệ khai thác được tài nguyên của sợi quang, khắc phục được các khó khăn khi tăng tốc độ tín hiệu điện Phương pháp ghép kênh theo bước sóng còn có ưu điểm là rất linh hoạt trong việc tăng dung lượng, tận dụng triệt để các hệ thống cáp quang hiện tại

Với hàng loạt các ưu điểm đó, ghép kênh theo bước sóng hiện được nghiên cứu áp dụng rất nhiều trong mạng hiện tại, đặc biệt là trên các tuyến trung kế, liên quốc gia, nhất là các tuyến luôn có nhu cầu tăng tốc độ Muốn áp dụng công nghệ này vào thực tiễn cần phải nắm được kỹ thuật cơ bản của thông tin quang, nguyên lý của việc ghép kênh theo bước sóng, các hệ thống của hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng và các yêu cầu của nó, các ưu điểm của hệ thống này so với hệ thống truyền dẫn hiện tại Đây cũng chính là mục đích của đề tài mà em nghiên cứu

Với mục đích tìm hiểu một công nghệ mới, củng cố và phát triển các kiến thức đã lĩnh hội trong quá trình nghiên cứu và học tập tại Đại học Vinh em đã chọn

đề tài tốt nghiệp của mình là: “Thiết kế và mô phỏng tuyến thông tin quang WDM

bằngphần mềm Optiwave.Optisystem” Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu

cuốn đồ án tốt nghiệp với đề tài đã chọn đã được hoàn thành với nội dung gồm 4 chương như sau:

Chương I: Tổng quan về hệ thống WDM

Chương II: Các thành phần trong hệ thống WDM

Chương III: Những vấn đề kỹ thuật cần quan tâm đối với hệ thống thông tin

quang WDM

Chương IV: Thiết kế hệ thống WDM trên Optiwave.Optisystem

Do kiến thức còn hạn hẹp nên trong quá trình làm không thể tránh được các sai sót, em mong được các thầy cô giáo và các bạn góp ý thêm Qua đây, em xin gửi

lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo ThS Nguyễn Phúc Ngọc đã tận tình hướng dẫn

em hoàn thành tốt đồ án này!

Em xin chân thành cảm ơn ! Vinh, ngày 22 tháng 1 năm 2014

Sinh viên Nguyễn Anh Đức

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án tìm hiểu về Tổng quan công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM, và qua đó mô phỏng tuyến thông tin quang WDM bằng phần mềm optisystem Công nghệ WDM đã và đang là chìa khoá để giải quyết bài toán về truyền tải lưu lượng tốc độ cao, dung lượng lớn Với những ưu điểm nổi trội, nó đã

và đang được ứng dụng ở rất nhiều nơi, trong nhiều mạng và phục vụ rất nhiều dạng hình dịch vụ.…Tuy nhiên, khi nâng cấp một hệ thống thông tin theo công nghệ WDM có rất nhiều vấn đề cần phải xem xét Các vấn đề đáng chú ý nhất trong hệ thống WDM như chất lượng của nguồn quang, các bộ tách/ghép kênh quang, công nghệ khuyếch đại quang…cũng như các vấn đề về hiện tượng xuyên nhiễu, ảnh hưởng của hiện tượng phi tuyến và vấn đề quĩ công suất quang, có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng của hệ thống

ABSTRACT

Project Overview to learn about technology with wavelength multiplexing optical WDM and thereby simulating WDM optical communication lines with optisystem software WDM technology has been the key to solve the problem of traffic transmission speed, large capacity With these advantages, it has been applied in many places, in many networks and serve a vast variety of services However, when a system upgrade information technology there are WDM many issues to consider issues most notably in WDM systems as the quality of the optical source, the splitter/optical multiplexing, optical amplification technology as well

as the problem of interference phenomena effects of nonlinear phenomena and optical power fund problem, have a direct influence on the quality of the system

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Băng tần truyền dẫn của sợi quang 2

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống WDM đơn hướng 3

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM hai hướng 3

Hình 1.4 Xuyên âm trong hệ thống 6

Hình 1.5 Khoảng cách kênh và độ rộng kênh 7

Hình 1.6 Mạng WDM quảng bá hình sao 8

Hình 2.1 Nguyên lí phản xạ Bragg 13

Hình 2.2 Mặt cắt dọc của laser DBF 14

Hình 2.3 Kết cấu laser DBR 15

Hình 2.4 Cấu trúc bộ lọc Mach-Zender 16

Hình 2.5 Cấu trúc bộ lọc Mach-Zender được sản xuất theo công nghệ tích hơp quang 17

Hình 2.6 Chuỗi Mach-Zender (M=4) 19

Hình 2.7 Đồ thị hàm truyền công suất của thiết bị lọc gồm nhiều bộ lọc Mach-Zender mắc nối tầng 20

Hình 2.8 Bộ lọc kênh 1 từ 128 kênh 21

Hình 2.9 Tán sắc dùng lăng kính 22

Hình 2.10 Sử dụng cách tử để tách bước sóng 23

Hình 2.11 Cách tử phản xạ Bragg sợi 24

Hình 2.12 Cấu trúc hình bơm 26

Hình 2.13 Các vị trí của bộ khuếch đại quang trên tuyến thông tin quang 27

Hình 2.14 Tán sắc của một số sợi quang 29

Hình 3.1 Sự dãn xung do ảnh hưởng của hiệu ứng SPM 32

Hình 3.2 Phương pháp phân phối tán sắc 33

Hình 3.3 Phương pháp bù tán sắc OPC 34

Hình 4.1 Giao diện làm việc của chương trình 39

Hình 4.2 Cửa sổ Projec layout 39

Hình 4.3 Thư viện các phần tử 40

Hình 4.4 Đặt bộ tạo chuỗi bit vào main layout 40

Hình 4.5 Đặt bộ tạo xung vào main layout 41

Hình 4.6 Đặt bộ điều chế vào main layout 41

Hình 4.7 Đặt nguồn Laser phát vào main layout 42

Hình 4.8 Bốn kênh phát quang 42

Hình 4.9 Thay đổi dải tần công suất phát 43

Hình 4.10 Tuyến phát quang 43

Hình 4.11 Tuyến dẫn quang 45

Hình 4.12 Đặt bộ tách kênh Demux vào main layout 45

Hình 4.13 Đặt nguồn thu vào main layout 46

Hình 4.14 Đặt bộ lọc vào main layout 46

Hình 4.15 Tuyến thu WDM 47

Hình 4.16 Thiết bị đo công suất và phổ 47

Hình 4.17 Thiết bị đo Ber 48

Hình 4.18 Hộp thoại layout Parameters 48

Hình 4.19 Giao diện màn hình chạy mô phỏng 49

Hình 4.20 Chạy chương trình 49

Hình 4.21 Công suất đầu ra máy phát 49

Hình 4.22 Công suất đầu vào máy thu 50

Hình 2.23 Phổ tín hiệu 50

Hình 4.24 Đo tỉ số Ber của các kênh 51

Hình 4.25 Hộp thoại chuyển sang chế độ quét tham số 53

Hình 4.26 Hộp thoại Parameter Sweep 53

Hình 4.27 Cửa sổ Report 54

Hình 4.28 Các bước hiển thị kết quả mô phỏng 54

Hình 4.29 Kết quả mô phỏng 55

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc

DCU Dispersion Compensate Unit Khối bù tán sắc

DGD Diffirential Group Delay Trễ nhóm phân biệt

DWDM Density Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại pha tạp Erbium

FBG Fiber Bragg Grared Cách tử sợi Bragg

FWHM Full Wide Half Maximum Độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn song

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

LED Light Emitting Diode Diode phát xạ quang

MLM Muti Longitudinal Mode Laser đa mode

MPI Multi Path Interference Nhiễu đa đường

MPN Mode Partition Noise Tạp âm cạnh tranh mode

XMP Cross Modulation Phase Điều chế chéo pha

NRZ Non Return to Zero Không trở về không

OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu quang trên tạp âm TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gian OTM Optical Termination Multiplexer Bộ đầu cuối ghép kênh quang PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode

WDM Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước song

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WDM

1.1 Giới thiệu chung [1]

Trong những năm gần đây, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại

mà đặc biệt là Internet cũng như một số dịch vụ khác đã tạo ra một sự bùng nổ nhu cầu về dung lượng Điều này đặt lên vai những nhà cung cấp dịch vụ đường trục những khó khăn và thách thức mới Kĩ thuật ghép kênh theo miền thời gian TDM đã giải quyết phần nào các yêu cầu trên nhưng vẫn còn rất hạn chế Trong thực tế, tốc

độ của tín hiệu TDM thường nhỏ hơn hoặc bằng 10Gb/s Do ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc, hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang và tốc độ của các thành phần điện

tử nên khi tăng tốc độ bit của một kênh TDM lên quá giới hạn này, chất lượng hệ thống không đảm bảo Để thích ứng với sự tăng trưởng không ngừng đó và thoả mãn yêu cầu tính linh hoạt của mạng, các công nghệ truyền dẫn khác nhau đã được nghiên cứu, triển khai thử nghiệm và đưa vào ứng dụng, trong số đó phải kể đến công nghệ WDM, OTDM, Soliton… Phương pháp ghép kênh theo bước sóng WDM(Wavelength Division Multiplexing) đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode Ghép kênh theo bước sóng WDM nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bước sóng Do đó, WDM chính là giải pháp tiên tiến trong kĩ thuật thông tin quang, đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn và cả những yêu cầu về chất lượng truyền dẫn của hệ thống

Trong hệ thống WDM, tín hiệu điện của từng kênh quang được điều chế với các sóng mang quang khác nhau Sau đó, chúng được ghép lại và truyền trên cùng một sợi quang đến đầu thu Phía thu thực hiện quá trình tách tín hiệu quang thành các kênh quang riêng biệt có bước sóng khác nhau Mỗi kênh này được đưa đến một máy thu riêng Công nghệ WDM cho phép khai thác được tiềm năng băng thông rộng của sợi quang Ví dụ, hàng trăm kênh 10Gb/s có thể truyền trên cùng một sợi quang Khoảng cách giữa các kênh khoảng 50GHz Dưới đây là một tính toán cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM:

Hình 1.1 chỉ ra hai cửa sổ truyền dẫn 1.3 và 1.5 của sợi quang Mỗi cửa sổ có băng thông truyền dẫn (suy hao thấp) của sợi quang là rất lớn Chỉ với riêng cửa sổ

quang 1550 nm thì dải bước sóng có thể sử dụng là 1500 nm – 1600 nm, tương ứng với dải tần rộng cỡ 12,5 THz !

Sử dụng cho tốc độ truyền tin cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phần rất nhỏ trong băng tần truyền dẫn này Rõ ràng, có thể thấy dung lượng yêu cầu cỡ hàng trăm Gbps là hoàn toàn nằm trong khả năng của hệ thống WDM Thêm vào

đó, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử như bộ tách ghép quang, bộ nối chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiện lựa chọn kênh động hoặc tĩnh…

Khái niệm về WDM đã được biết đến từ những năm 1980, khi mà hệ thống quang đã được bắt đầu thương mại hóa Dạng đơn giản nhất của WDM là truyền hai kênh tín hiệu trên hai cửa sổ khác nhau Ví dụ, truyền trên hai bước sóng 1,3m và 1,55m Khi đó, khoảng cách giữa các kênh là 250nm Sau đó, khoảng cách giữa các kênh giảm dần đi Năm 1990, khoảng cách giữa các kênh chỉ còn nhỏ hơn 0,1nm Trong suốt thập kỉ 90, hệ thống WDM đã được nhiều nước trên thế giới quan tâm nghiên cứu Hiện nay, kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới Ở nước ta, Tổng công ty bưu chính viễn thông Việt Nam quyết định nâng cấp tuyến truyền dẫn Bắc Nam bằng giải pháp ghép kênh theo bước sóng

1.1.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống tách/ghép kênh quang [2]

Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống truyền dẫn quang đơn hướng ghép kênh theo bước sóng được mô tả như hình 1.2

Tại mỗi bộ phát, tín hiệu điện của mỗi kênh quang được điều chế với sóng mang quang có độ rộng phổ rất hẹp Tín hiệu quang tại đầu ra của mỗi bộ phát có bước sóng khác nhau là 1,2 n Các kênh quang này được ghép với nhau nhờ bộ ghép kênh quang MUX và truyền trên một sợi quang duy nhất đến đầu thu Yêu cầu của bộ ghép kênh là phải có độ suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu tới đầu ra của bộ ghép ít bị suy hao, giữa các kênh có khoảng bảo vệ nhất định để tránh gây nhiễu sang nhau Tại phía thu, bộ DMUX thực hiện quá trình tách tín hiệu thu được thành các kênh khác nhau Mỗi kênh này tương ứng với một bước sóng Mỗi kênh được đưa đến một đầu thu riêng Để tránh xuyên nhiễu giữa các kênh, yêu cầu thiết kế bộ giải ghép thật chính xác

Phần trên trình bày phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang đơn hướng, tức là tín hiệu được ghép tại một đầu và tách tại đầu kia, tín hiệu truyền trên sợi quang theo một hướng Ngoài ra người ta có thể thực hiện truyền dẫn ghép bước sóng quang song hướng trên cùng một sợi quang như hình 1.3

Trong hệ thống truyền dẫn song hướng, n kênh quang có bước sóng 1…nđược ghép lại và truyền đi theo một hướng, n kênh quang khác có bước sóng

n+1…2n được ghép lại và truyền đi theo hướng ngược lại trên cùng sợi quang Phương pháp này yêu cầu rất nghiêm ngặt về độ rộng phổ của từng kênh và chất lượng của bộ tách kênh

Trong hệ thống mà các bước sóng của các kênh quang cách xa nhau, thường thuộc các cửa sổ khác nhau, được gọi là ghép thưa SWDM (Sparse Wavelength Division Multiplexing) Hệ thống có khoảng cách giữa các kênh quang rất nhỏ, các kênh quang có bước sóng gần nhau được gọi là hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Khi đó vấn đề trở nên phức tạp hơn nhiều và yêu cầu về chất lượng các thành phần trong hệ thống quang rất cao

Dùng công nghệ WDM có thể ghép N bước sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn mode và có thể truyền dẫn hoàn toàn song công Do vậy, khi truyền dẫn thông tin đường dài với dung lượng lớn, có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang Thêm vào đó là khả năng mở rộng dung lượng cho hệ thống 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 thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ

1.1.2.2 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 phân chia các dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phương tiện (thoại, số liệu, đồ hoạ, ảnh động…)

1.2 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM [3]

Hệ thống WDM có một số tham số chính, đó là khoảng cách kênh, số kênh ghép, suy hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh Trong đó, ba tham số suy

hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh là ba tham số mô tả đặc tính của bộ ghép/tách kênh

1.2.1 Suy hao xen

Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị tách/ghép kênh quang Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm nối ghép thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân thiết bị ghép gây ra Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyến phải tính cho vài

dB ở mỗi đầu Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ tách/ghép hỗn hợp (MUX/DMUX) nhưng cần lưu ý trong WDM là xét cho một bước sóng đặc trưng Suy hao xen được xác định như sau:

- Đối với MUX:

)(

)(lg10

i i

i i

I

O L

)(lg10

i

i i i

I

O L

Ii(i) là công suất tín hiệu tại đầu vào thứ i của bộ ghép

Oi(i) là công suất tín hiệu tại đầu ra thứ i của bộ tách

Tham số suy hao xen luôn được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị

1.2.2 Suy hao xuyên kênh

Khi thực hiện ghép các kênh quang có bước sóng khác nhau để truyền trên cùng một sợi quang thì một phần tín hiệu của kênh này ghép sang vùng phổ của kênh khác Do đó khi tách kênh sẽ có sự rò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng thứ i có bước sóng i sang các kênh có bước sóng khác với i Ngay cả trong trường hợp ghép kênh hoàn hảo, ở các bộ tách ghép thực tế luôn có hiện tượng rò công suất tín hiệu từ một kênh sang kênh khác Hiện tượng này gọi là suy hao xuyên kênh



M U X

DEM UX

MUL DEX

Hình 1.4 Xuyên âm trong hệ thống

Trong thực tế luôn tồn tại hiện tượng xuyên kênh và làm giảm chất lượng truyền dẫn Người ta đưa ra tham số suy hao xuyên kênh để đặc trưng cho khả năng tách các kênh khác nhau và được tính bằng dB như sau:

- Đối với bộ tách kênh:

i

U D

và xuyên kênh đầu xa (hình 1.4) “Xuyên kênh đầu xa” là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra Ví dụ, Ui(k) là xuyên nhiễu do kênh quang có bước sóng k tại đầu ra thứ i “Xuyên kênh đầu gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra Ví dụ, Pi(j ) là xuyên nhiễu do kênh Ij (j ) gây ra trên kênh ra thứ i Khi đưa ra sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị

1.2.3 Độ rộng, khoảng cách và số lượng kênh

Độ rộng kênh là dải bước sóng được định ra cho từng kênh quang.Độ rộng kênh bằng tổng độ rộng phổ của các nguồn tín hiệu và khoảng phòng vệ của các kênh Bước sóng trung tâm của nguồn quang phải nằm giữa dải bước sóng này

Khoảng cách kênh là khoảng cách giữa hai bước sóng trung tâm của hai kênh quang kề nhau Nếu độ rộng kênh của các kênh quang bằng nhau thì độ rộng kênh chính bằng khoảng cách kênh

Khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bị giới hạn bởi xuyên nhiễu giữa các kênh Khoảng cách giữa các kênh thường lớn hơn bốn lần tốc độ bit Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì các độ rộng kênh yêu cầu khoảng nm để đảm bảo không bị xuyên nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn của các nguồn phát gây ra Đối với nguồn phát quang là các diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần, vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn

Trong hệ thống WDM, mỗi bước sóng được coi tương ứng với một kênh quang Số lượng kênh bằng số lượng các bước sóng được ghép lại để truyền trên cùng một sợi quang đến đầu thu Tham số này phụ thuộc vào độ rộng băng tần truyền dẫn của sợi quang mà hệ thống sử dụng và độ rộng kênh

Trong các hệ thống WDM số lượng kênh càng lớn thì dung lượng truyền dẫn càng tăng, nhưng hệ thống cũng trở nên phức tạp, yêu cầu chất lượng của các thành phần trong hệ thống cao hơn và phải đặc biệt quan tâm đến hiện tượng xuyên kênh, suy hao do thiết bị WDM gây ra Đối với một dung lượng định trước, việc tăng số lượng kênh sẽ làm giảm số sợi sử dụng hoặc tốc độ truyền dẫn nền Đây là mối tương quan cần quan tâm khi áp dụng xây dựng hoặc nâng cấp các tuyến truyền dẫn quang

Hình 1.5 Khoảng cách kênh và độ rộng kênh

Khoảng cách kênh

Độ rộng kênh

P

và được phân phối đồng đều tới tất cả các bộ thu Mỗi thuê bao nhận được toàn bộ dung lương của hệ thống và lựa chọn một kênh thích hợp Mạng này còn đươc gọi là mạng phát quảng bá và thu lựa chọn Nếu hệ thống thông tin quang sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent thì phía thu có thể lựa chọn kênh bằng cách thay đổi băng thông

bộ lọc trung tần hoặc điều chỉnh tần số dao động nội Nếu hệ thống sử dụng kĩ thuật tách sóng trực tiếp thì ta dùng các bộ lọc quang để lựa chọn bước sóng cần thiết

Hiện nay tồn tại rất nhiều ứng dụng của mạng quảng bá ở cấp độ thí nghiệm Gần đây có một thí nghiệm về sao quảng bá 8x8 để phân phối 7 kênh tín hiệu, khoảng cách các kênh 15 nm Mỗi bộ thu có một bộ lọc khả chỉnh băng thông 10 nm và dải điều chỉnh

400 nm Ngoài ra còn một số thí nghiệm khác sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent, thực hiện ghép 10 kênh quang 70Gb/s, và khoảng cách kênh 6GHz Thí nghiệm này sử dụng sao quảng bá 128 x128 để đưa tín hiệu tới nhiều thuê bao khác nhau



1

1

2

khả chỉnh Sao quảng bá

Hình 1.6 Mạng WDM quảng bá hình sao

Trong mạng quảng bá, có hai vấn đề cần được quan tâm là suy hao phân bố

và suy hao xen Suy hao phân bố là do tín hiệu trên đường truyền được chia đều tới tất cả các thuê bao Mỗi thuê bao nhận một phần công suất của tín hiệu tổng

Ta có thể khắc phục các ảnh hưởng của suy hao phân bố bằng cách sử dụng các bộ khuyếch đại quang Năm 1990 có một thí nghiệm sử dụng hai bộ khuyếch đại quang EDFA trong mạng quảng bá, mạng này có dung lượng khoảng 39.5 triệu thuê bao Bộ khuyếch đại có chức năng bù phần năng lượng bị suy hao do phân bố, đảm bảo công suất tín hiệu tại mỗi thuê bao là đủ lớn Ngoài ra, còn một hệ thống thí nghiệm nữa có số thuê bao là 43.8 triệu, dung lượng của hệ thống 39.81Gb/s và khoảng cách truyền dẫn là 507km

1.3.2 Ứng dụng của WDM trong mạng đa truy nhập

Trong thực tế có rất nhiều kiểu đa truy nhập khác nhau như TDMA, CDMA, FDMA, WDMA Các kĩ thuật này dựa vào tài nguyên thời gian, không gian, tần số

và bước sóng để phân phối tín hiệu từ trạm thu tới trạm phát Mạng WDM đa truy nhập còn gọi là mạng quang đa truy nhập theo bước sóng (WDMA) Điểm khác biệt lớn nhất giữa mạng quang đa truy nhập và mạng quảng bá là mạng đa truy nhập có khả năng đáp ứng truy nhập song hướng của một thuê bao bất kì Mỗi thuê bao có thể thu/phát tín hiệu từ/tới bất kì một thuê bao khác

Trong mạng WDMA, băng thông rộng của sợi quang được chia thành các khoảng nhỏ, mỗi khoảng này mang một kênh quang riêng biệt Các kênh này được truyền đồng thời trên cùng một sợi quang Khoảng cách tối thiểu giữa hai bước sóng

cỡ 0,4 đến 0,8 nm Mỗi bước sóng này có thể mang một kênh tín hiệu có tốc độ lên tới Gb/s Mạng WDMA có hai vấn đề cần được quan tâm Đó là tốc độ điều chỉnh bước sóng và giao thức mạng Tốc độ điều chỉnh bước sóng phải nhanh để đáp ứng yêu cầu của mạng, đặc biệt trong mạng chuyển mạch gói Ngoài ra, giao thức được triển khai trong mạng phải đảm bảo kết nối ngang hàng các kênh tín hiệu khác nhau Mạng WDMA có hai cấu hình cơ bản là WDMA đơn chặng và WDMA đa chặng

Trong mạng WDMA đơn chặng mỗi nút đều có khả năng kết nối trực tiếp đến tất cả các nút khác Dữ liệu được phát đi dưới dạng ánh sáng và được truyền trực tiếp đến nút đích mà không phải chuyển về dạng tín hiệu điện Để một gói dữ liệu được truyền, trước hết nó được phát vào mạng nhờ một laser phát Tại nút đích

bộ thu quang phải điều chỉnh bước sóng sao cho trùng với bước sóng phát Khi đó, gói tin được truyền qua mạng tới nút đích Mạng WDMA đơn chặng có thể chia làm hai loại, phát quảng bá thu lựa chọn và mạng WDMA định tuyến theo bước sóng

Trong mạng đa chặng, một kênh quang được chuyển đi từ một nút phải được chuyển qua một số nút trung gian Mỗi nút thu/phát quang của mạng WDMA đa chặng có một số bộ thu phát quang có thể thu phát một vài bước sóng nhất định

Kết nối trực tiếp xảy ra khi bước sóng được định trước tại nút đích trùng với một trong những bước sóng được định trước ở nút phát Kết nối giữa hai nút bất kì được định tuyến qua các nút trung gian Tại mỗi nút trung gian, dữ liệu được chuyển thành tín hiệu điện Địa chỉ đích của gói được giải mã và xử lí dưới dạng

điện Sau đó, gói tin lại được chuyển thành tín hiệu quang có bước sóng thích hợp

chuyển tới nút đích hay nút trung gian kế tiếp Quá trình được lặp lại cho tới đích

Do vậy, gói tin được chuyển qua nhiều chặng, gói tin phải qua một số nút trung gian trước khi đi tới nút đích cuối cùng Số lượng nút trung gian phụ thuộc vào thiết kế

và quy mô mạng

1.4 Kết luận chương

Chương I đã trình bày nội dung tổng quát về hệ thống WDM, đặc điểm nguyên lý hoạt động của hệ thống tách/ghép kênh, một số tham số kỹ thuật của

hệ thống và ứng dụng của hệ thống WDM trong thực tiễn Trong phạm vi đồ án

sẽ nghiên cứu sâu hơn về kỹ thuật ghép kênh theo bước song WDM và được trình bày ở chương II

CHƯƠNG II CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG WDM

2.1 Giới thiệu chung [4]

Các thành phần trong hệ thống WDM cần phải được chuẩn hóa Thông thường các kênh khác nhau (bước sóng khác nhau) trong hệ thống WDM phải được truyền dẫn như nhau trong toàn tuyến quang Điều này có nghĩa là các thành phần trong mạng quang (nguồn quang, bộ ghép, bộ tách, bộ khuếch đại và bản thân sợi quang) phải có tính năng mong muốn, đạt chất lượng và đáp ứng yêu cầu của hệ thống Các tham số của thiết bị như suy hao xen, suy hao trở về, tán sắc, phân cực phải được đo trên toàn dải băng thông của hệ thống WDM Các thành phần quang có thể được đo kiểm tốt tại nhà máy, nhưng khi lắp đặt vào hệ thống, các tính năng của nó lại bị suy giảm đi, hoặc các tính năng của các thành phần khác nhau tác động qua lại ảnh hưởng lẫn nhau Kết quả là chất lượng của hệ thống không đảm bảo ngay cả khi các thành phần riêng lẻ của hệ thống hoạt động tốt Như vậy các thành phần thiết bị phải tương thích với nhau và được lựa chọn cẩn thận khi đưa vào lắp đặt hệ thống

Chương này sẽ trình bày các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM

2.2 Bộ phát quang

Trước đây các bộ phát quang bao gồm thiết bị điện và thiết bị quang riêng biệt, nhưng hiện nay bộ phát quang được hình thành từ việc tích hợp các mạch tích hợp và laser diode Việc bổ xung thêm các vi mạch tích hợp mật độ cao cho phép bộ phát quang đáp ứng được các yêu cầu về điều chế tốc độ cao và cải thiện được độ tin cậy của thiết bị Khi nhìn từ quan điểm thiết kế hệ thống người ta thường coi chúng như một hộp đen có chức năng chuyển đổi điện sang quang Hiện tại có hai loại nguồn quang đang được ứng dụng rộng rãi là laser phân bố hồi tiếp DFB (Distributed Feedback Laser) và laser phân bố phản xạ Bragg DBR (Distributed Bragg Reflector Laser) Ngoài ra laser sợi quang pha tạp chất hiếm cũng đang được nghiên cứu, các nguồn quang này có ưu điểm là phổ hẹp và độ ổn định tần số cao

Bộ phát quang có nguồn phát quang phổ hẹp có ý nghĩa rất lớn, đặc biệt trong hệ thống ghép kênh quang WDM

2.2.1 Yêu cầu đối với nguồn quang trong WDM

- Độ chính xác của bước sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho một hệ

thống WDM hoạt động tốt Nói chung, bước sóng đầu ra luôn bị dao động do các yếu tố khác nhau như nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện Ngoài ra, để tránh xuyên nhiễu cũng như tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách đúng bước sóng thì nhất thiết độ ổn định tần số phía phát phải thật cao

- Độ rộng đường phổ hẹp: Độ rộng đường phổ được định nghĩa là độ rộng

phổ của nguồn quang tính cho bước cắt 3 dB Để có thể tăng nhiều kênh trên một dải tần cho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng đường phổ càng hẹp càng tốt, nếu không thì xuyên nhiễu kênh lân cận (ICI) xảy ra khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lượng Muốn đạt được điều này thì nguồn phát laser phải là nguồn đơn mode (như các loại laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang cộng hưởng, laser phản hồi phân bố)

- Dòng ngưỡng thấp: Đối với laser, phát xạ kích thích không thể bắt đầu cho

đến khi dòng định thiên cao hơn giá trị dòng ngưỡng Ith, công suất đầu ra tỉ lệ với (I

- Ith) với I là dòng định thiên Do đó, dòng ngưỡng thấp hơn cho phép dòng định thiên nhỏ hơn đối với cùng một công suất đầu ra Nhưng quan trọng hơn là nếu dòng ngưỡng thấp sẽ đảm bảo công suất nền thấp Điều này làm giảm bớt vấn đề lãng phí công suất trong việc kích thích laser cũng như giảm bớt được công suất nền không mang tin và tránh cho máy thu chịu ảnh hưởng của nhiễu nền (phát sinh do

có công suất nền lớn) Nếu công suất nền gửi trên đường truyền quá lớn sẽ không có lợi cho hệ thống, vì như đã biết công suất quang truyền dẫn trên sợi (tổng công suất của các bước sóng ghép) càng lớn thì ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến càng lớn, sẽ ảnh hưởng xấu tới chất lượng hệ thống

- Khả năng điều chỉnh được bước sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần sợi

quang, nguồn quang phải có thể phát trên cả dải 100 nm Hơn nữa, với hệ thống lựa kênh động càng cần khả năng có thể điều chỉnh được bước sóng

- Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của

nguồn quang sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu giữa các kênh

- Nhiễu thấp: Có rất nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh mode,

nhiễu pha, nhiễu MPN Nhiễu thấp rất quan trọng để đạt được mức BER thấp trong truyền thông số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt

Trên cơ sở các yêu cầu nói trên, người ta tiến hành nghiên cứu, triển khai thực nghiệm và đưa vào ứng dụng các loại nguồn quang mà có thể đáp ứng được phần nào hoặc toàn bộ các yêu cầu khắt khe đó Các loại nguồn quang đó được trình bày chi tiết dưới đây

2.2.2 Nguyên lí Bragg

Phản xạ Bragg là ở trên mặt tiếp giáp của 2 loại phương tiện có phản xạ mang tính chu kỳ, khi được chiếu quang sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, 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 )

Dựa vào nguyên lí này mà người ta đã chế tạo ra các loại laser có thể cho mode dọc đơn duy nhất Đó là laser DFB và DBR

2.2.3 LASER hồi tiếp phân bố (DFB)

a) Kết cấu: Laser DFB không phải dựa vào khoảng F-P để dao động kích

quang mà dựa vào lưới quang phân bố khoảng cách theo chiều dọc đều nhau, hình thành phối ghép quang Chu kỳ A của lưới quang gọi là cự ly lưới Kết cấu chu kì này nằm luôn trong hốc cộng hưởng Laser Hình 2.2 thể hiện mặt cắt dọc của laser này

Hình 2.2 Mặt cắt dọc của Laser DBF

b) Nguyên lí:

Khi có dòng điện vào laser, trong khu có nguồn phức hợp điện tử- lỗ trống bức xạ ra năng lượng tương ứng với quang tử Những quang tử này bị một sợi lưới quang ở bề mặt lớp có nguồn phản xạ, giống như hình 2.1, chỉ khác là trong phân bố phản hồi Bragg của laser DFB có  = /2, công thức (2.2) biến thành:

c) Đặc điểm:

DFB so sánh với LASER F-P có 2 ưu điểm sau đây:

- Dao động đơn mode dọc dải hẹp: Do chu kỳ cách từ (A) trong bộ phát

quang DBF rất nhỏ, nên hình thành khoang cộng hưởng kiểu nhỏ, đối với bước sóng

có tính lựa chon tốt làm cho giới hạn tăng ích của mode chính và mode biên tương đối lớn, từ đó được dải phổ nguồn quang rất hẹp so với laser F-P

- Tính ổn định của bước sóng tốt: Vì lưới quang trong laser DFB giúp cho

việc chốt trên bước sóng cho trước, trôi nhiệt của 0,8o /C, tốt hơn nhiều so với LASER khoang F-P

2.2.4 LASER phân bố phản xạ Bragg (DBR)

a) Kết cấu: Kết cấu laser phân bố phản xạ Bragg (DBR- Distributed Bragg

Reflection) và kết cấu của laser DFB căn bản khác nhau (xem hình 2.3) Khác nhau

ở chỗ nó có kết cấu lưới phản xạ nằm ngoài hốc cộng hưởng Với sự khác biệt này, phần điều khiển hốc cộng hưởng LASER và phần điều khiển tần số theo nguyên lí Bragg là hoàn toàn độc lập

b) Nguyên lí: Nguyên lý làm việc của laser DBR cũng dựa vào nguyên lý

phản xạ Bragg và thoả mãn chính xác công thức (2.3), đặc điểm cũng cơ bản giống laser DFB, chỉ có một số điểm khác biệt nhỏ cần lưu ý, đó là:

- Vật liệu chế tạo của laser DBR là khó khăn hơn laser DFB vì nó không nhất thiết đòi hỏi sự ghép công suất giữa các vùng thụ động và vùng tích cực

- Đặc tính phụ thuộc nhiệt độ khác nhau, khi nhiệt độ tăng thì trong lasser DBR có sự chuyển đổi từ mode này qua mode khác còn với laser DFB thì thể hiện đặc tính ổn định nhiệt độ trong một dải rộng

2.3 Bộ tách và bộ ghép kênh quang

Chức năng bộ tách kênh quang là nhận tín hiệu từ sợi quang – một tia sáng bao gồm nhiều tần số sóng quang khác nhau Bộ tách kênh quang có nhiệm vụ tách tín hiệu nhận được thành các tín hiệu tại tần số khác nhau Nhiệm vụ của bộ ghép kênh quang thì ngược lại: nó nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau và kết hợp

Hình 2.3 Kết cấu LASER DBR

Phần phản xạ Bragg Vùng hoạt tính

Hướng dọc

Điều khiển hốc cộng

hưởng

Điều khiển tần số

chúng vào trong một tia sáng để truyền vào sợi quang Thiết bị tách/ghép kênh hoạt động dựa trên nguyên lý của lăng kính, cách tử nhiễu xạ và các bộ lọc

2.3.1 Bộ lọc Mach-Zender [2]

2.3.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc Mach-Zender

Bộ lọc Mach-Zender làm việc dựa trên sự giao thoa của hai tia sáng xuất phát từ cùng một nguồn và đi theo hai đường khác nhau Hình 2.4 là cấu trúc của bộ lọc Mach-Zender Bộ lọc được cấu tạo từ 2 coupler 3dB 2x2 và hai nhánh ống dẫn sóng Nhánh trên có lắp thêm bộ quay pha 90o

và bộ trễ Cấu trúc này tạo ra khả năng điều chỉnh bước sóng cuả bộ lọc

Nguyên lí hoạt động của bộ lọc :

Tín hiệu WDM được đưa vào cổng 1 của bộ lọc Khi qua coupler 3dB thứ nhất, ánh sáng được tách ra thành hai luồng đi vào hai nhánh khác nhau của thiết bị Sau đó, chúng được kết hợp lại tại coupler 3dB thứ hai Tín hiệu WDM gồm nhiều bước sóng khác nhau Khi đi qua bộ trễ, mỗi bước sóng có một độ trễ riêng Kết quả là tại coupler 3dB thứ hai, hai tín hiệu đi theo hai nhánh khác nhau có độ lệch pha là một hàm phụ thuộc vào bước sóng Tại bước sóng có độ lệch pha này bằng 0 sẽ có công suất ra lớn nhất Các bước sóng khác có độ lệch pha khác 0 cho công suất đầu ra nhỏ

Trong thực tế thiết bị lọc quang Mach-Zender thường được chế tạo từ sợi quang hoặc dựa trên công nghệ tích hợp quang sợi Hình 2.5 chỉ ra một bộ lọc

2



l /v Trễ

Coupler 3dB 2x2

Coupler 3dB 2x2

2.3.1.2 Một số đặc tính của bộ lọc quang Mach-Zender

Bộ lọc quang Mach-Zender gồm 3 thành phần mắc nối tiếp nhau là coupler 3dB đầu vào 2 nhánh ống dẫn sóng và coupler 3dB đầu ra Gọi [P], [D], [Q] lần lượt

là ma trận truyền tương ứng với 3 thành phần trên Như vậy, ma trận truyền đạt của

bộ lọc là:

( ) ( )( ) ( )

Trong đó là thời gian trễ do bộ tạo trễ gây ra:

2 41

2 2

Nhƣ vậy hàm truyền đạt công suất từ cổng 1 đến cổng 4 và 3 là :

T41(f) = P41(f)= cos2(f )=cos2( L eff

f c

  ) (2.8)

T31(f)= P31(f) = sin2( f ) = sin2( L eff

f c

Khi tín hiệu quang đến gồm hai kênh quang có tần số là f1, f2, để mỗi đầu ra

3 hoặc 4 chỉ có tín hiệu của một kênh quang thì f1, f2 phải thoả mãn:

Khoảng cách giữa 2 tần số bộ lọc ra được xác định bởi:

FSR c f

Trường hợp cần tách 1 kênh quang từ chùm sáng N kênh (N=2M) thì mắc M

bộ lọc Mach-Zender 2x2 nối tiếp Giả sử hàm truyền đạt của bộ lọc Mach-Zender thứ m (m=1M) là:

T m (f) = cos 2 ( f L eff m,

c

  ) = cos2( f m) Trong đó L eff m, là độ chênh lệch về chiều dài quang học giữa 2 nhánh của

bộ lọc Mach-Zender thứ m và L m thoả mãn:

2

v L

Trong đó: f là khoảng cách giữa các kênh của hệ thống

Hàm truyền đạt của bộ lọc chung là:

Hình 2.7 là đồ thị hàm truyền công suất của thiết bị lọc gồm nhiều bộ lọc Mach-Zender được nối tầng trong trường hợp M=2, 3, 4

Hình 2.7 Đồ thị hàm truyền công suất của thiết bị lọc gồm

nhiều bộ lọc Mach-Zender mắc nối tầng.

Hiện nay công nghệ tích hợp quang rất phát triển, có thể chế tạo chuỗi Zender rất đơn giản bằng cách tích hợp ống dẫn sóng SiO2 trên nền Silic Hình 2.8 chỉ ra thiết bị lọc cho hệ thống gồm 128 kênh quang sử dụng công nghệ này Thiết

Mach-bị gồm 7 bộ lọc quang Mach-Zender 2x2 mắc nối tiếp, có giá trị L tương ứng là: 10mm, 5mm, 2,5mm, 1,25mm, 0,63mm, 0,31mm, 0,16mm Các bộ lọc được tích hợp trên nền Silic có kích thước là 50mm x 60mm Bộ lọc này có xuyên nhiễu khoảng –13dB

Khi cần thiết kế bộ tách kênh quang cho hệ thống WDM có N kênh (N=2M),

ta cần sử dụng N-1 bộ lọc Mach-Zender 2x2, ghép với nhau thành hình cây M tầng Tại tầng thứ m (m=1M) cần 2m-1

bộ tách kênh có độ chênh lệch chiều dài quang học giữa 2 nhánh sợi quang là:

2

nc L

f

2.3.2 Bộ tách kênh trong miền không gian

Bộ tách kênh trong miền không gian được cấu tạo từ các thành phần cơ bản

là cách tử và lăng kính Lăng kính làm việc dựa trên nguyên lí tán sắc góc Cách tử hoạt động dựa trên sự giao thoa giữa các tia phản xạ (hoặc nhiễu xạ) trên một cấu trúc có chu kì Có ba loại cách tử cơ bản là cách tử nhiễu xạ, cách tử phản xạ Bragg

và cách tử Bragg quang âm

Cổng vào

Hình 2.8 Bộ lọc 1 kênh từ 128 kênh

2.3.2.1 Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc

Trong giai đoạn đầu của kĩ thuật WDM người ta thường hay sử dụng lăng kính làm phần tử tán sắc góc (hình 2.9) Do chiết suất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng nên chùm tia sáng có nhiều bước sóng khác nhau ở đầu vào sẽ bị lăng kính phân tách thành các tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hướng khác nhau ở đầu ra Theo định luật Snel:

i r

A x

dn d

di

cos / cos

sin



Lăng kính có mức độ tán sắc thấp, khó tách được các bước sóng gần nhau Vì vậy, người ta chỉ có thể sử dụng lăng kính trong trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ ở hai bước sóng 1300nm và 1550 nm) Do

đó, hiện nay lăng kính không được sử dụng nữa Thay vào đó người ta sử dụng cách

tử làm phần tử tán sắc góc

2.3.2.2 Cách tử nhiễu xạ

Cách tử được cấu tạo gồm nhiều rãnh (như răng cưa), được khắc bằng dụng

cụ kim cương, trên bề mặt của các rãnh này được phủ một lớp phản xạ, số lượng rãnh có thể lên tới vài nghìn trên 1mm (gọi là mật độ in của cách tử) Cách tử có khả năng truyền hoặc tán xạ ánh sáng theo những hướng nhất định tuỳ thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng cách rãnh (gọi là bước cách tử), góc tới và bước sóng của ánh sáng tới

Cũng giống như lăng kính, ánh sáng không đơn sắc đầu vào, sau khi đi qua lăng kính sẽ được tách thành các tia đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau Khác với lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho độ phân giải giữa các góc nhiễu xạ ở các bước sóng khác nhau lớn hơn

i

Hình 2.9 Tán sắc dùng lăng kính

Tại một bước sóng có duy nhất một hướng ra có công suất ra lớn nhất Các bước sóng khác nhau có hướng ra khác nhau Do đó ta có thể tách được một bước sóng ra mong muốn bằng cách đặt sợi quang tại các vị trí có góc đón ánh sáng thích hợp Khi một nguồn sáng đa sắc chiếu vào một cách tử nhiễu xạ, mỗi bước sóng sẽ

bị nhiễu xạ theo một góc khác nhau và chiếu đến những điểm khác nhau trong không gian Sử dụng thấu kính hội tụ ta có thể hội tụ các bước sóng này vào các sợi quang riêng biệt Trên hình 2.10 biểu diễn cách tử dùng để tách sóng

Sợi quang

Các bước sóng nhiễu xạ

Thấu kính

Cách tử nhiễu xạ

tử, chiết suất có thể điều biến theo yêu cầu tạo nên cách tử sợi quang nhiều bậc Nhờ đó, một số lớn các bộ lọc được tạo ra với các thông số khá hoàn thiện

Cách tử Bragg sợi quang được tạo ra bằng cách chiếu chùm tia tử ngoại vào sợi quang Chùm tia tử ngoại được chiếu qua một mặt nạ pha và tạo ra các mẫu giao thoa làm thay đổi cấu trúc lõi sợi quang một cách có chu kì Kết quả là ta nhận được một cấu trúc chiết suất lõi sợi quang ổn định và cố định

Cách tử phản xạ Bragg hoạt động dựa trên nguyên tắc sau: Khi chiếu một chùm sáng đa sắc qua cách tử chỉ có duy nhất một bước sóng thoả mãn điều kiện phản xạ Bragg bị phản xạ trở lại, các bước sóng khác được truyền qua