bai giang htttq phan3

Hệ thống thông tin quang nhiều kênh WDM

Msc. –Eng. Nghiêm Xuân Anh

2/26/2007 Optic Communication Systems 2

Giới thiệu

Trong các HTTTQ số thông thường thì: Các luồng tín hiệu cấp thấp được ghép lại (FDM, TDM) thành các luồng tốc độ cao, sau đó được truyền trên sợi quang. (1 FO cho hướng đi và 1 FO cho hướng về) ⇒ Hệ thống đơn kênh quang. Trong những năm gần đây, người ta quan tâm nhiều đến HTTTQ có dung lượng cao, cự ly lớn ⇒ Ghép kênh quang (truyền nhiều tín hiệu quang trên một sợi nhằm tăng dung lượng truyền dẫn ⇒ Hệ thống thông tin quang nhiều kênh (hay đa kênh quang).


Nhược điểm của hệ thống thông tin quang đơn kênh Dung lượng thấp <10 Gb/s do ảnh hưởng của tán sắc, hiệu ứng phi tuyến sợi. Mặc dù băng tần quang rất lớn >1 THz. Mạch điện trong hệ thống làm hạn chế tốc độ truyền dẫn. Khi tốc độ đạt đến cỡ chục Gb/s, cự ly truyền ngắn lại, bản thân mạch điện tử không đáp ứng được xung tín hiệu cực hẹp. Việc khắc phục nhược điểm trên đòi hỏi công nghệ cao và tốn kém.


Ưu điểm của ghép kênh quang

Các phần tử quang thay thế các phần tử điện tử ở những vị trí quan trọng đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, tốc độ xử lý tín hiệu cao ⇒ khắc phục được nhược điểm về tốc độ đáp ứng xung của các mạch điện tử đã nêu trên. Các phần tử quang tận dụng được phổ hẹp của laser ⇒ tăng khả năng sử dụng băng tần lớn của sợi đơn mode ⇒ tạo khả năng truyền tải cho các ứng dụng tốc độ cao hiện tại và tương lai. Tiết kiệm sợi quang, tận dụng được băng tần không hạn chế của sợi.


Các kỹ thuật ghép kênh quang

Ghép kênh phân chia thời gian quang OTDM Ghép kênh phân chia bước sóng WDM hay ghép kênh phân chia tần số quang OFDM. (most interested in 1990) WDM được thương mại hóa rộng rãi và sử dụng hiệu quả từ năm 1996. Các hệ thống sử dụng các kỹ thuật OTDM và WDM ngày càng được triển khai rộng rãi.


I. Các hệ thống TTQ WDM

Thực chất, WDM là một cơ chế trong đó nhiều kênh sóng quang tại các bước sóng khác nhau được điều chế bởi các chuỗi bit điện độc lập được phát đi trên cùng một sợi quang sau khi đã được ghép kênh bằng kỹ thuật TDM hoặc FDM. Tín hiệu quang tại đầu thu được giải ghép kênh thành các kênh riêng rẽ nhờ kỹ thuật quang. Kỹ thuật WDM khai thác băng tần rộng của sợi quang. Ví dụ: hàng trăm kênh 10 Gb/s có thể được truyền qua cùng một sợi khi khoảng cách kênh giảm xuống dưới 100 GHz.


Các cửa sổ có suy hao thấp dùng cho WDM


Các hệ thống TTQ WDM(tiếp …)

Sparse WDM: Early 1980s, 2 bước sóng được ghép lại chủ yếu nằm ở 2 cửa sổ quang khác nhau (1,3 µm và 1,55 µm). Eg. Dung lượng của 1 hệ thống hiện đang hoạt động @ 1,3 µm có thể nâng cấp bằng cách bổ sung 1 kênh khác có bước sóng @ 1,5 µm (channel space ≈ 250 nm). Dense WDM: In 1990s, channel space reduced to <0.1nm. DWDM ghép được nhiều bước sóng trong một vùng cửa sổ, cửa sổ sóng tiêu biểu được sử dụng là 1,55 µm. In 1996, WDM systems @ 40 Gb/s were commercially available! In 2001, thử nghiệm đạt 10 Tb/s với cự ly <200 km.


I.1 Nguyên lý cơ bản của WDM

Hình sau minh họa một tuyến WDM điểmnốiđiểm dung lượng cao.


Nguyên lý cơ bản của WDM

Giả sử hệ thống thiết bị phía phát có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng λ 1 , λ 2 ,…, λ n . Các tín hiệu quang được phát ra ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang nhờ bộ ghép kênh quang. Bộ ghép này phải có suy hao suy hao nhỏ. Tín hiệu ghép được phóng vào sợi quang để truyền tới đầu kia, tại đây bộ giải ghép gửi mỗi kênh tới máy thu của riêng nó. Khi N kênh tại các tốc độ bit B 1 , B 2 , … B N được truyền đồng thời qua sợi có độ dài L thì tích BL tổng trở thành BL=(B 1 +B 2 +…+B N )L.


Khi tốc độ bit đồng đều, dung lượng hệ thống được cải thiện với hệ số N. Dung lượng cực đại của các tuyến WDM phụ thuộc vào khoảng cách cho phép giữa các kênh. Khoảng cách kênh tối thiểu bị giới hạn bởi xuyên âm giữa các kênh. Tiêu biểu, khoảng cách kênh ∆ν ch nên > 2B @ tốc độ bit B. Các tần số kênh (hay bước sóng) của các hệ thống WDM đã được chuẩn hóa bởi ITU trên lưới 100 GHz trong dải 186196 THz (bao trùm các băng C và L trong dải bước sóng 15301612 nm)


Hai phương án truyền dẫn

Có hai phương án cho hệ thống truyền dẫn sử dụng WDM.

Truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng (Hình bên). ⇒ hệ thống đòi hỏi 2 sợi quang để thực hiện truyền thông tin cho chiều đi và chiều về. Truyền dẫn hai hướng. Hệ thống truyền thông tin cho một hướng tại các bước sóng λ 1 , λ 2 ,…, λ n và đồng thời cũng truyền thông tin theo hướng ngược lại tại các bước sóng λ’ 1 , λ’ 2 ,…, λ’ n . ⇒ hệ thống chỉ cần 1 sợi quang cũng đủ để thiết lập tuyến truyền dẫn cho cả chiều đi và chiều về.


Hệ thống ghép kênh WDM đơn hướng (a) và song hướng (b)

(a)

(b)

Một sợi

Một sợi


Các vấn đề đáng quan tâm

Nhìn chung các laser đơn mode có mức công suất phát ngoài độ rộng phổ kênh đã định rất nhỏ nên vấn đề xuyên kênh là không đáng lưu tâm ở đầu phát. Vấn đề quan tâm là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để tín hiệu tới đầu ra của bộ ghép ít bị suy hao. Do các bộ tách sóng quang thường nhạy cảm trên một dải bước sóng rộng nên nó có thu được toàn bộ các bước sóng đi tới. Do vậy, cần phải cách ly tốt giữa các kênh quang. ⇒ phải có bộ giải ghép chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định có λ c chính xác.


Các loại ghép WDM

Dùng cho truyền dẫn đơn hướng Ghép (MUX), giải ghép (DEMUX)

Dùng cho truyền dẫn hai hướng trên một sợi Ghépgiải ghép hỗn hợp MUXDEMUX


I.1.1 Các tham số cơ bản của thành phần thiết bị WDM – Một số định nghĩa Các tham số cơ bản mô tả đặc tính của các bộ ghép giải ghép hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh. Ký hiệu I(λ i ) và O(λ k ) tương ứng là các tín hiệu đã ghép đang có mặt trên sợi quang. Ký hiệu I k (λ k ) là tín hiệu đầu vào (phát ra từ nguồn quang thứ k) được ghép vào cửa thứ k và O i (λ i ) là tín hiệu có bước sóng λ i đã được giải ghép và đi ra cửa thứ i.


Các tham số cơ bản của thành phần thiết bị WDM – Suy hao xen Suy hao xen được định nghĩa là lượng công suất tổn hao sinh ra trên tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép bước sóng quang WDM. Suy hao này gồm:

suy hao do các điểm ghép nối thiết bị WDM với sợi Suy hao do bản thân các thiết bị ghép.

Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao xen của các bộ ghép coupler, nhưng ở đây cần lưu ý với WDM thì suy hao này được định nghĩa cho một bước sóng nhất định.


Suy hao xen (tiếp …)

Đối với thiết bị MUX

Đối với thiết bị DEMUX

Với L i là suy hao tại bước sóng λ i khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn – được nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị.

) ( ) ( log 10 i i

i i I

O L λ λ

− =

) ( ) ( log 10

i

i i i I

O L λ λ

− =


Các tham số cơ bản của thành phần thiết bị WDM – Xuyên kênh Mô tả lượng tín hiệu từ kênh này bị rò sang kênh khác. Các mức xuyên kênh cho phép nằm trong một dải rất rộng tùy thuộc vào trường hợp áp dụng. Nhưng nhìn chung phải đảm bảo < 30 dB trong mọi trường hợp. Trong một bộ giải ghép lý tưởng sẽ không có sự rò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng λ i sang các kênh có bước sóng khác với λ i . Thực tế, luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, dẫn tới làm giảm chất lượng truyền dẫn của hệ thống.


Xuyên kênh (tiếp …)

Khả năng tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính theo dB.

U i (λ k ) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λ k do có sự rò tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng λ i .

− =

) ( ) ( log 10 ) (

k

k i k i I

U D λ λ λ


Xuyên kênh (tiếp …)

Đối với thiết bị ghépgiải ghép hỗn hợp, việc xác định suy hao suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng như bộ giải ghép. Trong trường hợp này phải xem xét cả hai loại xuyên kênh.

Xuyên kênh đầu xa ví dụ: I(λ k ) sinh ra U i (λ k ) Xuyên kênh đầu gần ví dụ: I j (λ j ) sinh ra U i (λ j )

Thực tế, nhà chế tạo cũng cho ta biết suy hao xuyên kênh của thiết bị.


Nguyên nhân gây ra xuyên kênh

Do đặc tính của bộ lọc tạo ra thiết bị ghép không hoàn hảo. Do phổ của các nguồn phát chồng lấn nhau, và Do các hiệu ứng phi tuyến, nhất là trong trường hợp công suất của tín hiệu trên kênh lớn.


Các tham số cơ bản của thành phần thiết bị WDM – Độ rộng kênh Độ rộng kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh được định ra cho từng nguồn phát quang riêng. Nếu nguồn phát quang là laser diode thì các độ rộng kênh được yêu cầu vào khoảng vài chục nm để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra. Chẳng hạn như khi nhiệt độ làm việc thay đổi dẫn tới trôi bước sóng đỉnh. Đối với nguồn quang là LED, độ rông kênh yêu cầu phải lớn hơn từ 1020 lần vì độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn. ⇒ độ rộng kênh phải đảm bảo đủ lớn để tránh nhiễu giữa các kênh và được xác định theo loại nguồn phát.


I.1.2. Công nghệ thành phần thiết bị WDM


Thành phần thiết bị (phần tử) ghép bước sóng quang rất đa dạng và có thể phân loại như sơ đồ trên. Trong phân loại này ta quan tâm tới các phần tử thụ động do nó được sử dụng phổ biến trong các hệ thống. Các bộ giải ghép (hay bộ ghép) được chia ra làm hai loại chính theo công nghệ chế tạo là:

Công nghệ WDM vi quang. Công nghệ WDM ghép


Công nghệ WDM vi quang/ ghép sợi

Công nghệ WDM vi quang: Việc tách/ghép kênh dựa trên cơ sở lắp ráp các thành phần vi quang. Các thiết bị này được thiết kế chủ yếu sử dụng cho các tuyến thông tin quang dùng sợi đa mode. Chúng có những hạn chế đối với sợi quang đơn mode. Công nghệ WDM ghép sợi: dựa vào việc ghép giữa các trường lan truyền trong các lõi sợi kề nhau. Kỹ thuật này phù hợp với các tuyến sử dụng sợi đơn mode.


Các công nghệ WDM vi quang

Các thiết bị WDM vi quang được chế tạo dựa trên hai phương pháp công nghệ khác nhau:

các thiết bị có bộ lọc, và các thiết bị phân tán góc

Thiết bị WDM sử dụng bộ lọc quang được sử dụng nhiều nhất và cấu trúc của nó cũng khá phức tạp. Thiết bị lọc quang cho WDM thường là bộ lọc điện môi làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ nào đó và cho dải phổ còn lại đi qua. Tức là nó có cơ chế hoạt động mở cho một bước sóng (hoặc nhóm bước sóng) tại một thời điểm nhằm tách ra một bước sóng trong nhiều bước sóng (Hình bên)


Nguyên lý hoạt động của phần tử WDM với cấu trúc sử dụng lọc điện môi. Để tạo ra được thiết bị hoàn chỉnh, người ta phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng (hình dưới)

λ 1 , …,λ n

λ 1

λ 2 , …,λ n

λ 2

λ 4 , …,λ n

λ 4

λ 3


Phần tử cơ bản của thiết bị WDM có bộ lọc là bộ lọc điện môi giao thoa, có cấu trúc nhiều lớp gồm các màng mỏng có chỉ số khúc xạ cao và thấp đặt xen kẽ. Hầu hết các bộ lọc giao thoa làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng hưởng FabryPerot, gồm hai gương phản xạ đặt song song cách nhau bởi một lớp điện môi trong suốt. Khi chùm sáng đi vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa sẽ xảy ra. Nếu khoảng cách gương là nλ/2 (λ: bước sóng của ánh sáng tới) thì giao thoa xảy ra và bước sóng đó sẽ được thông suốt nhất. Các bước sóng khác hầu như bị phản xạ hoàn toàn.


Bộ lọc FabryPerot điện môi

Trong các bộ lọc của thiết bị WDM, các gương gồm nhiều lớp vật liệu có RI khác nhau (gọi là màng mỏng) đặt xen kẽ.

Các màng mỏng có bề dày bằng 1/4 bước sóng max.


Điển hình, các màng mỏng này thường được làm từ SiO 2 (RI 1.46 – thấp) and TiO 2 (RI 2.3 cao) mặc dù các vật liệu khác đôi khi được sử dụng. Bằng cách lựa chọn cẩn thận vật liệu và số lớp màng mỏng, ta có thể tạo ra gương có hệ số phản xạ bất kỳ. Ngoài ra, độ dài “gap” trong hình trên có thể được nối chuỗi. Nhờ vậy, ta có thể kiểm soát rất chính xác băng thông và dạng đáp ứng của bộ lọc.


Theo đặc tính phổ thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành hai họ:

Các bộ lọc cắt chuẩn, được đặc trưng bởi bước sóng cắt λ c và có đáp ứng phổ thông thấp hoặc cao như sau Các bộ lọc băng thông, được đặc trưng bởi bước sóng trung tâm λ c và độ rộng băng tần FWHM= ∆λ.


Ứng dụng các bộ lọc

Bộ lọc cắt chuẩn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị 2 kênh để kết hợp (hoặc tách) hai bước sóng hoàn toàn phân cách, chẳng hạn như hai bước sóng ở hai vùng cửa sổ 850nm và 1350 nm, hoặc 1300nm và 1550 nm. Các phần tử này sử dụng khá hiệu quả cho cả các nguồn có độ rộng phổ rộng (LED hoặc laser đa mode). Bộ lọc băng thông được sử dụng tốt cho các thành phần thiết bị WDM, phù hợp với các nguồn phát có phổ hẹp như Laser. Hơn nữa, nó cho phép sử dụng cả khi có sự dịch bước sóng nguồn phát do nhiệt độ.


Một bộ ghép/giải ghép vi quang trên thực tế


THIẾT BỊ PHÂN TÁN GÓC


Thấu kính và lăng kính

Thấu kính và lăng kính rất quen thuộc trong quang hình phổ thông và chức năng cũng như vậy trong thông tin sợi quang.

Các thấu kính được sử dụng trong nhiều trường hợp như dùng để ghép ánh sáng từ laser hoặc LED vào sợi. Các lăng kính được sử dụng trong một số ứng dụng như trong bộ circulator. Đặc tính duy nhất của những thiết bị này được cho là khác thường ở chỗ chúng thường rất nhỏ.


Thấu kính GRIN (Graded Index lenses)

Các thấu kính GRIN là những đoạn thủy tinh hình trụ có chỉ số khúc xạ gradient. Về lý tưởng, chiết suất giảm theo bình phương khoảng cách từ trục của thấu kính. Về khía cạnh này chúng rất tương đồng với sợi quang chiết suất gradient. Nhưng chúng thường là khá dày (12 mm). Chúng được chế tạo từ cùng công nghệ được sử dụng để làm sợi GI.


GRIN Lenses Nguyên lý hoạt động

Thấu kính thông thường làm việc theo nguyên lý khúc xạ tại bề mặt cong của thấu kính. GRIN Lenses hoạt động nhờ khúc xạ nội khi ánh sáng đi qua vật liệu có chiết suất biến đổi. Độ dài của thấu kính này rõ ràng phụ thuộc vào bước sóng sử dụng và khá nghiêm ngặt (điển hình dao động giữa 37 mm). GRIN lenses được dùng rộng rãi trong các bộ ghép, bộ tách và thiết bị WDM. Các thấu kính Quarterpitch và halfpitch được minh họa trên hình trên.


Quarter and halfpitch lenses

Thấu kính Quarterpitch hội tụ ánh sáng chuẩn trực vào một điểm duy nhất. Tính chất này mang tính thuận nghịch, tức là một nguồn điểm (chẳng hạn như cuối sợi) có thể được chuyển đổi thành một chùm ánh sáng trực chuẩn. Một thấu kính halfpitch nhận một nguồn điểm và hội tụ nó vào một điểm khác. Tính chất hữu ích nhất của chúng: điểm hội tụ của thấu kính nằm trên bề mặt và mặt này phẳng. Ngoài ra chúng rất dễ chế tạo. Nhược điểm chính là ta không thể kiểm soát được sự thay đổi chiết suất thật chính xác để chúng có điểm hội tụ tốt như thấu kính thường.


Cách tử nhiễu xạ

Một cách tử nhiễu xạ là một thiết bị phản xạ hoặc khúc xạ ánh sáng một góc tương ứng với bước sóng. Chẳng hạn, nếu ánh sáng mặt trời chiếu vào một cách tử nhiễu xạ (ở một góc đúng) thì ánh sáng sẽ bị phân tách thành các màu thành phần của nó để hình thành nên cầu vồng. Chức năng này (nhiễu xạ) giống như chức năng của một lăng kính. Thiết bị này thực hiện chuyển đổi Fourier và tách một dạng sóng trong miền thời gian thành một số dạng sóng trong miền tần số.


Cách tử nhiễu xạ phẳng

Các cách tử làm việc theo hai phương thức là truyền (ở đó ánh sáng đi qua vật liệu có cách tử được khắc lên bề mặt của nó) và phản xạ. Trong thông tin quang chỉ có cách tử phản xạ được sử dụng rộng rãi, do đó ở đây ta sẽ chỉ hạn chế mô tả thiết bị này. (đây là các cách tử phẳngcách tử Bragg được sử dụng rộng rãi nhưng chúng khác nhau.) Một cách tử nhiễu xạ phản xạ gồm một loạt các đường song song hay khía chữ V đặt rất gần nhau được chế tạo trên một bề mặt gương của vật liệu thuần nhất.


Cách tử nhiễu xạ phẳng (tiếp)

Các cách tử phản xạ (điển hình được khắc như là các vết xước trên một bề mặt thủy tinh) không được sử dụng trong thông tin quang và không được thảo luận ở đây. Một cách tử có thể được hình thành trong hầu hết mọi vật liệu ở đó ta làm biến đổi đặc tính quang (như chỉ số khúc xạ) theo một cách có qui tắc với chu kỳ gần bằng bước sóng (thực tế chu kỳ cách tử có thể lên tới vài trăm lần độ dài bước sóng). Các cách tử phản xạ là những bộ lọc lựa chọn bước sóng.


Trong thông tin quang chúng được sử dụng để tách và /hoặc kết hợp các tín hiệu quang trong các hệ thống WDM và làm các bộ phản xạ trong các laser DBR hốc cộng hưởng ngoài. Phương trình cách tử cơ bản

gs= khoảng cách rãnh m= bậc của tia khúc xạ số nguyên

) sin (sin m gs m φ θ λ + =


Hoạt động của cách tử phản xạ

λ= bước sóng của tia tới trong không gian tự do. θ= góc tới (so với đường pháp tuyến) φ m = góc khúc xạ (so với đường pháp tuyến). Hoạt động: Một tia tới (hợp 1 góc θ với pháp tuyến) được chiếu vào cách tử. Số tia phản xạ và khúc xạ được tạo ra theo các bậc khác nhau (giá trị của m=0, 1, 2, 3 …). Khi m=0 ta nhận được phản xạ thông thường sin θ=sin φ 0 chính xác giống bất kỳ gương nào. Khi m=1 ta nhận được một tia tạo ra theo một góc khác.


Điều xảy ra là những phần của tia (chùm) được phản xạ từ những rãnh khác trong cách tử. Các hiệu ứng giao thoa ngăn ngừa những phản xạ không đồng pha với nhau khi lan truyền. Vì vậy ta nhận được các tia tổng dưới một loạt các góc tương ứng với các điểm của giao thoa mang tính xây dựng (tăng cường) giữa các chùm phản xạ. Số bậc của các tia khúc xạ được tạo ra phụ thuộc vào mối quan hệ giữa khoảng cách rãnh với bước sóng. Ta có thể thiết kế cách tử để đảm bảo rằng chỉ có bậc 0 và 1 được tạo ra bằng cách làm cho khoảng cách rãnh nhỏ hơn bước sóng.


Hình dạng của rãnh cách tử

Dạng của rãnh không có ảnh hưởng lên các góc mà các bước sóng khác nhau bị nhiễu xạ. Tuy nhiên, dạng mặt cắt rãnh quyết định cường độ tương đối của các bậc nhiễu xạ được tạo ra. Ta luôn muốn truyền càng nhiều công suất càng tốt vào chùm khúc xạ bậc một. Trong số 3 dạng mặt cắt sau, thì (b) là loại phổ biến nhất vì nó cho phép một tỷ lệ công suất rất cao được truyền vào mode bậc một. Tuy nhiên hiệu suất hoạt động cao bị hạn chế trong một dải bước sóng


Lựa chọn bước sóng

Có nhiều cách sử dụng cách tử để giải ghép (hoặc ghép) một số bước sóng khác nhau. Nhiều bước sóng khác nhau trên một sợi được tách (hoặc ghép) vào (hoặc từ) các sợi khác. Hình sau cho thấy cấu hình Littrow cho bộ ghép dùng cách tử.


Structural description

Cấu hình này sử dụng duy nhất một thấu kính (chứ không phải là 2 trong các cấu hình khác). Cần phải sử dụng thấu kính để hội tụ ánh sáng vào các đầu sợi thích hợp. ⇒ các thấu kính thường, các gương lõm và thấu kính GRIN đã được đề xuất. Bên cạnh đó, các cách tử có thể được khắc trên bề mặt của gương lõm. Trong trường hợp trên, thấu kính GRIN được sử dụng. Cách tử có thể được gắn vào thấu kính GRIN (sử dụng keo phối hợp chỉ số khúc xạ) hoặc được chế tạo ngay trên bề mặt của chính thấu kính GRIN.


Practical Devices

Các thiết bị thực tế thường sử dụng một lăng kính giữa cách tử và thấu kính GRIN với cách tử được gắn vào một mặt của lăng kính (hình dưới)

Một cấu hình khác được chỉ ra ở hình sau. Ở đây một gương lõm được dùng thay vì thấu kính GRIN nhằm hội tụ


Practical devices using concave mirror.

ánh sáng từ các đầu sợi vào cách tử Littrow. Do yêu cầu về độ chính xác cao trong chế tạo nên các thiết bị này khá đắt. Tuy nhiên các sản phẩm thương mại có các đặc tính nổi bật dùng cho các hệ thống WDM. Các thiết bị lên tới 132 kênh (bước sóng) có mặt trên thị trường.


Cách tử Bragg trong sợi (FBG)

Sự phát minh ra cách tử Bragg trong sợi được xếp ngang với phát minh ra laser trong lĩnh vực thông tin quang. Một FBG là một bộ lọc lựa chọn bước sóng rất đơn giản, giá thành cực thấp. Nó có phạm vi ứng dụng rộng cải thiện chất lượng và giảm chi phí kết nối mạng quang.


FBGs

Một cách tử sợi Bragg chỉ là một mẩu sợi đơn mode thông thường dài vài cm. Cách tử được chế tạo từ việc biến đổi chỉ số khúc xạ của lõi dọc theo chiều dài của sợi. Ánh sáng có bước sóng nhất định lan truyền dọc sợi bị phản xạ ngược từ cách tử theo hướng mà nó tới. Các bước sóng không được chọn được cho qua mà không có hoặc rất ít suy hao. Đây là đặc tính quan trọng nhất của FBG – các bước sóng cộng hưởng bị phản xạ ngược trở lại nguồn và các bước sóng không cộng hưởng được truyền qua mà không bị tổn hao. Đây là cách mà nó làm việc!


Cách tử gồm những biến đổi thông thường về chỉ số khúc xạ của lõi dọc theo chiều dài sợi. Ta không cần sự biến đổi lớn về chỉ số khúc xạ để tạo ra một cách tử tốt, mạnh. Thực ra, sự khác biệt 0.0001 về chỉ số khúc xạ là quá đủ để tạo ra hiệu ứng mong muốn. Bước sóng trung tâm của dải phản xạ (với cách tử bậc 1) được cho bởi: λ= bước sóng trung tâm của dải phản xạ N eff = chỉ số khúc xạ trung bình của vật liệu Λ= chu kỳ vật lý của cách tử sợi

Λ = eff n 2 λ


Nguyên lý hoạt động

Khi ánh sáng di chuyển dọc theo sợi và gặp sự thay đổi về chỉ số khúc xạ, một lượng nhỏ ánh sáng bị phản xạ tại mỗi biên. Khi chu kỳ cách tử và bước sóng ánh sáng bằng nhau thì có sự tăng cường và công suất được ghép từ hướng đi sáng hướng về. Ánh sáng có các bước sóng khác gặp phải giao thoa từ các phản xạ lệch pha nên không thể truyền tiếp.


InFiber Grating Filter

FBG trên gần như một bộ lọc hoàn hảo. Một FBG lấy đi bước sóng nào đó từ một luồng ánh sáng nhiều bước sóng hỗn hợp bằng cách phản xạ nó trở về hướng nguồn của nó. Để tận dụng FBG làm một bộ lọc phát ta cần một bộ Circulator như chỉ ra dưới đây.


CÁC CÔNG NGHỆ WDM GHÉP SỢI


Bộ ghép định hướng quang

Như đã đề cập ở trên, các thành phần vi quang được sử dụng rộng rãi cho các loại sợi đa mode nhưng lại không được dùng cho sợi đơn mode vì kích thước, khó lắp ráp, quá trình xử lý chùm sáng phải qua các giai đoạn như phản xạ, chuẩn trực, hội tu vv… từ đó dẫn đến quang sai và các vấn đề trễ khác và suy hao tín hiệu quá lớn trong thiết bị. Các bộ ghép định hướng sợi đã được nghiên cứu chế tạo, dùng để chia quang và kết hợp quang. Chúng thường là các thiết bị bốn cửa, hoạt động dựa vào việc ghép hai trường ánh sáng phía ngoài lõi.


Nguyên lý hoạt động của bộ ghép định hướng quang Dựa vào việc ghép hai trường ánh sáng ngoài lõi. Các bộ coupler này có tính lựa chọn bước sóng vì vậy nếu thiết kế cẩn thận các bộ ghép này thì hoàn toàn có thể sử dụng chúng để kết hợp hoặc tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau. Hệ số ghép k có liên quan đến lượng ánh sáng qua lại từ sợi này đến sợi kia. Chùm ánh sáng xuất hiện ở cả hai đầu ra sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố; đó là khoảng cách giữa các lõi sợi, chỉ số khúc xạ của vật liệu ở giữa, đường kính lõi sợi, độ dài tương tác và bước sóng ánh sáng.


Các loại cấu trúc của bộ ghép

Hai loại cấu trúc là: Bộ ghép xoắn nóng chảy, có hai sợi được xoắn vào nhau dưới tác dụng của nhiệt độ để sao cho hai lõi sợi đủ gần tới mức có thể ghép với nhau. Người ta cũng có thể đặt hai sợi đơn mode tiếp xúc trực tiếp, đốt nóng đoạn này và dùng lực kéo hai đầu sợi. Sợi bị kéo trở nên mảnh hơn ⇒ hai sợi được gắn vào nhau và hình thành nên bộ ghép. Bộ ghép dựa trên việc mài bóng các sợi; cả hai sợi được gữa trong rãnh chữ V cong và được mài bóng cho tới khi các lõi sợi của chúng gần như lộ ra. Sau đó tiến hành cho chúng tiếp xúc với nhau để tạo ra bộ ghép.



Bộ ghép nhiều kênh

Các bộ ghép sợi chỉ có thể hoạt động đồng thời với hai bước sóng, nếu số kênh nhiều hơn 2 thì phải xử lý bằng cấu hình rẽ nhánh. Ví dụ về thiết bị ghép WDM 4 bước sóng được cho dưới đây.


Các thiết bị ghép/giải ghép trong hệ thống WDM Các thiết bị ghép và giải ghép kênh trong hệ thống WDM có cấu trúc dựa trên các thành phần thiết bị cơ bản như đã mô tả trong phần trước. Các thiết bị này có thể được cấu trúc từ các bộ lọc quang hay cách tử nhiễu xạ. Bộ giải ghép sử dụng các bộ lọc giao thoa cũng được xem xét.


Bộ giao thoa MachZehnder (MZ)

Các bộ giải ghép dùng bộ giao thoa MZ (hình dưới) gây được sự chú ý nhất. Một bộ giao thoa MZ nhìn chung là sự nối chuỗi các MZ, nhưng đơn giản có thể được cấu trúc bằng việc nối 2 đầu ra của 1 bộ ghép 3dB vào 2 đầu vào của một bộ ghép 3dB thứ 2. Bộ ghép thứ nhất tách đều tín hiệu vào thành 2 phần có độ dịch pha khác nhau (khác nhau về độ dài nhánh) trước khi chúng giao thoa tại bộ ghép thứ 2.


Bộ ghép tích hợp 4 kênh sử dụng các bộ giao thoa MZ Có thể dùng kết hợp vài bộ giao thoa MZ để tạo ra bộ ghép/giải ghép WDM (hình dưới) Độ dịch pha (độ dài nhánh) được chọn sao cho công suất đầu vào tổng từ 2 cửa vào tại các bước sóng khác nhau chỉ xuất hiện ở một cửa ra.


Thiết bị ghép/lọc xen rẽ

Các bộ ghép xen/rẽ rất cần thiết cho các mạng WDM trong đó một hay nhiều kênh cần được tách ra hoặc xen vào trong khi vẫn bảo toàn tính nguyên vẹn của các kênh khác. Một thiết bị WDM như vậy giống như một cặp tách/ghép kênh hỗn hợp vì qui trình hoạt động của nó đòi hỏi việc giải ghép tín hiệu WDM đầu vào, chuyển đổi nội dung dữ liệu của một hay nhiều kênh bước sóng rồi sau đó ghép chúng lại. Sơ đồ khối của một bộ ghép xen/rẽ sử dụng chuyển mạch quang OS được cho ở hình bên.


Bộ ghép xen/rẽ sử dụng chuyển mạch quang OS Bất kỳ 1 bộ tách đã đề cập trước đây đều có thể dùng để tạo các bộ ghép kênh xen/rẽ. Thậm chí ta còn có thể khuếch đại tín hiệu và cân bằng công suất kênh tại bộ ghép kênh xen/rẽ vì mỗi kênh có thể được kiểm soát riêng rẽ.

Bộ giải ghép

Bộ ghép


Bộ lọc xen/rẽ

Nếu như một kênh nào đó có nhu cầu tách ra và không đòi hỏi sự điều khiển riêng cho từng kênh thì ta có thể dùng một thiết bị nhiều cổng để cho kênh này ra một cổng, các kênh còn lại ra một cổng khác ⇒ tránh được sự cần thiết phải tách tất cả các kênh. Bộ lọc xen/rẽ cấu trúc đơn giản nhất là sử dụng chuỗi các bộ ghép định hướng tạo thành chuỗi các MZ. Sơ đồ của bộ lọc xen/rẽ được mô tả trên hình sau.


Bộ lọc xen/rẽ bằng bộ giao thoa MZ

Hoạt động: Một kênh có bước sóng λ g rơi vào trong giới hạn của cách tử Bragg bị phản xạ toàn phần và xuất hiện tại cổng 2. Các kênh còn lại không bị phản xạ xuất hiện tại cổng 4. Ta có thể chèn vào 1 kênh bước sóng λ g này vào qua cổng 3.


Bộ ghép sao quảng bá (star coupler)

Vai trò của bộ ghép sao là kết hợp các tín hiệu quang tới từ các cổng vào của nó và chia đều tới các cổng ra. Trái với bộ giải ghép, bộ ghép quảng bá không gồm các phần tử lựa chọn bước sóng vì chúng không cần tách các kênh riêng biệt.


Số lượng các kênh vào và ra không cần phải giống nhau. Chẳng hạn như trong trường hợp truyền hình quảng bá, một số kênh được đưa tới hàng triệu thuê bao. Tuy nhiên, với mạng LAN thì số kênh đầu vào và số kênh ra là bằng nhau vì mỗi user mong muốn nhận được tất cả các kênh. Cấu trúc hình sao phản xạ đôi khi được dùng cho các mạng LAN nhằm tiết kiệm sợi quang.


Bộ ghép sao truyền dẫn sử dụng phương pháp kéo nóng chảy. Kỹ thuật này làm nóng chảy một số lượng các sợi và kéo dài phần nóng chảy thành dạng cấu trúc thắt làm hai phần. Tín hiệu từ mỗi sợi được ghép lại với nhau và chia đều tới các cổng ra. Cấu trúc này hoạt động tốt với sợi đa mode.


Các bộ định tuyến bước sóng.

Bộ định tuyến bước sóng NxN là một thành phần WDM quan trọng. Nó kết hợp chức năng của một bộ ghép sao với các hoạt động ghép/tách kênh. Các tín hiệu WDM tới từ N cổng vào được giải ghép vào các kênh riêng và chuyển tới N cổng ra của bộ router theo cách sao cho tín hiệu WDM tại mỗi cổng gồm các kênh từ các đầu vào khác nhau. Hoạt động này dẫn tới một dạng tách kênh tuần hoàn. Nó là một bộ định tuyến thụ động vì không chứa các phần tử tích cực và được gọi là bộ định tuyến tĩnh vì không thể cấu hình lại. Mặc dù bản chất tĩnh, nó có nhiều ứng dụng trong mạng WDM


Bộ định tuyến bước sóng


Đấu nối chéo quang OXC

Sự phát triển các mạng WDM đòi hỏi bộ định tuyến độ có thể cấu hình lại mạng trong khi duy trì bản chất không nghẽn. Chức năng này được cấp bởi bộ nối chéo quang OXC.


Thiết bị nối chéo quang sử dụng chuyển mạch phân chia không gian.


Bộ chuyển đổi bước sóng


Bộ chuyển đổi bước sóng điều chế pha và trộn 4 sóng.



Các bộ ghép lựa chọn bước sóng được sử dụng ở hai đầu để ghép và tách tín hiệu. Điểm đặc trưng ở đây là khoảng cách giữa các bước sóng rất rộng (khác cửa sổ chứ không phải là khác bước sóng trong cùng cửa sổ quang)

I.1 Sparse WDM


Có nhiều biến thái quanh sparse WDM, một số hệ thống sử dụng một sợi đơn song hướng trong khi một số hệ thống khác sử dụng các sợi quang riêng biệt cho mỗi hướng (Hình trên). Các hệ thống khác sử dụng các dải bước sóng khác so với mô tả trong hình trên (chẳng hạn 1310 và 1550 nm). Các hệ thống phổ biến nhất hoạt động với tốc độ dữ liệu rất thấp. Các ứng dụng thông thường là truyền video cho giám sát an ninh và điều khiển quá trình trong các nhà máy.

Sparse WDM (tiếp …)


I.2 Dense WDM

Trên đây mô tả một tuyến quang DWDM. Mỗi kênh quang được phân bổ bước sóng (hoặc dải bước sóng của riêng nó). Kênh quang điển hình có bề rộng chừng 1nm – đó là dải bước sóng mà tín hiệu phải rơi vào. Thường thì nó rộng hơn nhiều bản thân tín hiệu. Bề rộng kênh phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng phổ điều chế của máy phát, độ ổn định của nó và dung sai của các thành phần khác trong hệ thống


A. Máy phát – Transmitters

Trong TTQ, máy phát luôn là một laser. Nó phải có vạch phổ (sau điều chế) vừa vặn nằm trong băng tần đã được cung cấp. Phổ máy phát phải không được vươn ra ngoài băng tần đã ấn định vì thế nó cần phải có các đặc tính chirp và dịch tần số có thể đảm bảo chắc chắn điều này. Tùy theo độ rộng của băng tần được phân bổ, những đặc tính này không cần đạt được một cách hoàn hảo. Tuy nhiên chúng phải đảm bảo tín hiệu nằm ở vị trí đã định


B. Kết hợp tín hiệu (ghép kênh) Có một số cách kết hợp tín hiệu. Cách đơn giản nhất là sử dụng một số bộ tách 3dB hoặc khớp nối Yjunctions theo kết nối chuỗi. Prob.: mất mát 3 dB sau mỗi chặng. Nếu có 32 tín hiệu thì công suất mỗi tín hiệu sau ghép sẽ giảm xuống 1/32 lần so với mức công suất ban đầu. Số kênh càng lớn thì cường độ của mỗi tín hiệu càng giảm. Nếu số lượng kênh lớn ta cần phải khuếch đại tín hiệu sau kết hợp ngay sau khi nó được trộn. Các cách tử và cách tử dẫn sóng phẳng có tổn hao nhỏ hơn nhiều và tổn thất của chúng không phụ thuộc vào số kênh. Do đó, các cách tử này thường được sử dụng trong các hệ thống > 4 kênh.


C. Truyền dẫn và Khuếch đại Khi truyền trên sợi, vấn đề chính là kiểm soát các hiệu ứng xuyên âm. Khoảng cách kênh, độ rộng kênh và mức công suất phát là những biến hệ thống có thể được dùng để làm giảm thiểu xuyên âm. Khuếch đại là vấn đề chính. Khả năng khuếch đại tín hiệu sau trộn là một trong những yếu tố biến WDM thành hiện thực. Tuy nhiên, khi nhiều bộ KĐ được sử dụng trên 1 tuyến dài, tính phí tuyến của chúng cộng dồn lại và gây ra khó khăn đáng kể. Điều này đã được thảo luận trong phần “Đặc tính khuếch đại của EDFA”


D. Tách kênh tại máy thu

Thực hiện khó hơn việc kết hợp chúng. Có một vài kỹ thuật ta có thể sử dụng:

Cách tử phản xạ Định tuyến cách tử dẫn sóng Circulator bằng cách tử bragg trong sợi Các bộ tách dùng lọc FabryPerot


E. Nhận tín hiệu Máy thu tương đối dễ hiểu và nhìn chung giống như máy thu nonWDM. Sở dĩ như vậy do tín hiệu đã được tách ra trước khi nó đến bộ tách sóng quang detector. Rõ ràng rằng mỗi kênh quang độc lập với các kênh khác và miễn là các tín hiệu nằm trọn trong băng tần được cấp phát thì không có mối quan hệ nào giữa chúng. Ví dụ, điều này có nghĩa rằng một kênh có thể hoạt động @ 2Gb/s, 1 kênh khác @ 622 Mb/s và một số kênh khác @ 200 Mb/s.


I.3 Sử dụng chung Sparse và Dense WDM

Hình trên cho thấy phổ của một sợi được sử dụng cho cả dense WDM và sparse WDM cùng lúc. Trong ví dụ này, một kênh đơn trong băng 1300 nm và một nhóm WDM 4 kênh trong vùng 1550 nm. Phổ này được đo từ hệ thống hoạt động thực tiễn. Các tín hiệu này được ghép và tách vào sợi sử dụng mọt bộ ghép lựa chọn bước sóng.


II. Các thành phần của hệ thống WDM

Các nguồn sáng cho WDM Ghép (kết hợp) ánh sáng (ghép kênh) Đường truyền Tách ánh sáng (tách kênh) Các bộ ghép xenrẽ (adddrop multiplexers) Chuyển mạch phân chia không gian quang. Các nút chuyển mạch Các bộ chuyển đổi bước sóng


II.1 Các nguồn sáng cho WDM Các nguồn laser yêu cầu cho các hệ thống WDM rất giống các laser cho thông tin cự ly xa thông thường. Tuy nhiên, một số yêu cầu khắt khe hơn với WDM và một số yêu cầu mới trở thành hiển nhiên.

Độ rộng phổ và độ rộng vạch phổ Nhin chung, trong một hệ thống Dense WDM ta cần một laser chỉ có duy nhất 1 vạch phổ. Có nghĩa là hoặc nó là 1 DFB hoặc 1 DBR. Độ rộng vạch phụ thuộc vào số kênh trong hệ thống và dung sai của các thành phần khác (như bộ tách/ghép kênh cách tử). Rõ ràng vạch càng hẹp thì càng tốt, nhưng thường phài cân nhắc giữa chi phí và lợi nhuận.


Độ ổn định bước sóng Trong hầu hết các hệ thống cự ly xa (đơn kênh) ta cần các laser vạch phổ hẹp, ổn đinh nhằm giảm thiểu các hiệu ứng tán sắc và các vấn đề như nhiễu phân chia mode. Tuy nhiên, trong 1 hệ thống WDM ta cần giảm thiểu sự thay đổi bước sóng theo thời gian. Sự dịch 1 hoặc 2nm diễn ra trong vài giây có thể không ảnh hưởng tới một hệ thống đơn kênh thông thường nhưng nó sẽ làm hỏng một kênh WDM. Key prob là trôi bước sóng laser theo thời gian (khoảng 1 hoặc 2 năm). Các mức năng lượng cao trong hốc laser và trên các mặt gây ra sự xuống cấp vật liệu theo thời gian ⇒ dịch bước sóng.


Các laser có khả năng điều chỉnh

Các laser có khả năng điều chỉnh có lẽ rất quan trọng trong các mạng quang tương lai:

1. Trong các mạng LAN và MAN “quảng bá và lựa chon”, điều chỉnh nhanh máy thu hoặc máy phát là cần thiết cho hoạt động tổng thể của hệ thống.

2. Trong các mạng được định tuyến theo bước sóng (chủ yếu là WAN) đầu phát sẽ được báo kênh (bước sóng) nào sẽ được sử dụng trước khi 1 kết nối được thiết lập. Khi đó nó cần điều chỉnh tới bước sóng đó. Trong trường hợp này điều chỉnh không cần nhanh nhưng phải thật chính xác.


Các laser có khả năng điều chỉnh (tiếp)

3. Trong phần lớn các hệ thống WDM hiện nay, khả năng điều chỉnh hoặc ở đầu thu hoặc ở đầu phát không bị đòi hỏi. Tuy nhiên, rất khó sản xuất lasers hoạt động chính xác ở bước sóng mong muốn. Điều phải làm là sản xuất hàng loạt và lựa chọn những lasers tình cờ hoạt động tại bước sóng ta muốn. Khả năng điều chỉnh giá thấp có thể giúp khắc phục vấn đề này và cả vấn đề di tần.


Các laser có nhiều bước sóng

Một biện pháp cho phép điều chỉnh rất nhanh là đặt một số laser có bước sóng khác nhau cùng nhau trên cùng một substrate. Điều chỉnh có thể được thực hiện rất nhanh bằng cách lựa chọn laser nào phát. Mặt khác, nhiều tín hiệu có thể phát đi đồng thời. Nguyên lý này sẽ được thảo luận trong phần sau.


I.1.1. Multiwavelength Lasers (MWL)

Hình trên cho thấy thiết kế mảng laser đa bước sóng. Mục đích là tạo ra nguồn WDM giá thấp cho nhiều kênh ở tốc độ 2.4 Gb/s. Cho tới nay các thiết bị như vậy chưa có mặt trên thị trường và thực tế có một số vấn đề sau:


Khó chế tạo các laser DBR ở bước sóng yêu cầu. Điều chỉnh bằng nhiệt thường sử dụng không thể áp dụng do chúng cùng nằm trên một substrate. Khi ánh sáng được trộn, một lượng lớn bị tổn thất. Tổn thất này có thể được khắc phục bằng việc sử dụng cấu trúc cách tử dẫn sóng và chúng đang được nghiên cứu. Do sự mất mát ánh sáng nên ta cần SOA để khuếch đại tín hiệu sau ghép. Điều này nảy sinh các vấn đề xuyên âm và bão hòa khi sử dụng SOA với nhiều bước sóng

Một số vấn đề của MWL


I.1.2 Multiline Lasers

Một số phương án cho hệ thống WDM được đề xuất đòi hỏi nguồn sáng “đa vạch phổ”. Khái niệm ở đây là tạo ra nhiều bước sóng trong cùng thiết bị. Điều này có một số ưu điểm tiềm tàng đáng kể.

Trong hầu hết các thiết kế laser ta nõ lực giảm số vạch phổ xuống duy nhất 1 vạch và giảm độ rộng của vạch đó. Ở đây ta muốn sửa laser FP để tạo ra các vạch phổ có cùng biên độ với khoảng cách giữa các vạch mong muốn


Ưu điểm của laser đa vạch phổ Ta có thể tiết kiệm chi phí của việc sử dụng nhiều laser. Khi nhiều bước sóng được tạo ra từ một nguồn đơn thì có một mối quan hệ cố định giữa các bước sóng được tạo ra. Vì vậy nếu ta ổn định thiết bị cho 1 bước sóng thì ta ổn định nó cho mọi bước sóng.


Nhược điểm của laser đa vạch phổ

Ta không thể điều chế từng kênh (bước sóng) riêng bằng cách điều khiển dòng bơm của laser. Một số dạng điều chế ngoài của mỗi kênh là cần thiết.


I.1.3 Các nguồn phát xạ tự phát được Khuếch đại ASE

Khi một laser FP thông thường được bơm dưới ngưỡng phát laser thì nó tạo phổ đa vạch rất gần với phổ ta muốn. Đây được gọi là nguồn ASE. Do nó tạo ra dưới ngưỡng phát laser nên tổng công suất thấp và công suất được phân bổ cho nhiều vạch phổ.


Các nguồn phát xạ tự phát được Khuếch đại ASE (tiếp)

Ngoài ra, như thấy trên hình, các vạch tạo ra khác nhau về biên độ. Để trở thành nguồn hữu ích, tín hiệu cần được khuếch đại và lọc hoặc bù theo một số cách nào đó sao cho vạch phổ tạo ra có cùng biên độ. Nhược điểm: vạch phổ rộng ⇒ tán sắc. Khó điều chế riêng từng vạch phổ ⇒ dùng acoustic modulator. Điều chế từng vạch đang được nghiên cứu.



Các nguồn sáng cho WDM Ghép (kết hợp) ánh sáng (ghép kênh) Đường truyền Tách ánh sáng (tách kênh) Các bộ ghép xenrẽ (adddrop multiplexors) Chuyển mạch phân chia không gian quang. Các nút chuyển mạch Các bộ chuyển đổi bước sóng


I.2 Ghép (kết hợp) ánh sáng

In the electronic world, joining many different signal sourses together simply and without loss! In contrast, in optics, it just doesn’t work this way. Passive couplers: Splitters and Couplers can be used to combine light the way we want, but we lose half the light (3dB) for a coupler stage. Vd: combining 8 signals, each ind. Channel in the combined output will be 1/8 of the input level (9 dB loss). The more channel number, the more loss created!


Ghép (kết hợp) ánh sáng (tiếp …) However, if we make use of the fact that these siganls are all on different wavelengths the we can use Littrow grattings, Array waveguide Gratings (AWG) and similar devices to integrate the signal with a much lower loss! A typical commercial Littrow grating combining 32 channels has a loss (per channel) of around 6 dB (3/4 signal lost). AWGs were quoted with total loss levels of appx. 5 dB for devices up to 64 chennels!


Ghép (kết hợp) ánh sáng (tiếp …) Trong khi 5 dB dường như là lớn thì các hệ thống WDM thực tế cự ly lên tới 70 km có thể được xây dựng mà không cần KĐ. Những thiết bị này đắt (so với các bộ ghép đơn giản). Để giảm giá thành người ta xây dựng hệ thống sử dụng một thiết bị cách tử đơn cho cả ghép và tách kênh ⇒ giá thành tổng giảm. (xem Waveguide Grating Routers) Một hệ thống ít kênh (vd 4) thì ta có thể sử dụng cac bộ coupler đơn giản, còn số lượng kênh lớn ta cần thiết bị cách tử hay một bộ khuếch đại sau ghép.



Các nguồn sáng cho WDM Ghép (kết hợp) ánh sáng (ghép kênh) Truyền dẫn Tách ánh sáng (tách kênh) Các bộ ghép xenrẽ (adddrop multiplexors) Chuyển mạch phân chia không gian quang. Các nút chuyển mạch Các bộ chuyển đổi bước sóng


I.3 Truyền dẫn Trong các hệ thống WDM ta có các vấn đề thiết kế hệ thống như thường gặp trong thiết kế các tuyến quang đơn giản. Tuy nhiên có một số vấn đề riêng quan trọng hơn nhiều đối với các HT WDM, đó là

1. Điều khiển tán sắc 2. Các hiệu ứng giao thoa 3. Các vấn đề về bộ khuếch đại (EDFA) 4. Lựa chọn bước sóng


I.3.1 Điều khiển tán sắc Đối với các tuyến thông tin quang cự ly xa (cáp biển) sử dụng WDM thì điều khiển tán sắc được xem là một thành phần không thể thiếu được trong thiết kế hệ thống Trong WDM ta sử dụng các laser có độ rộng phổ tối thiểu nên ta có thể đặt các kênh chính xác và cho phép khoảng cách kênh đủ lớn. Đặc tính này cũng chính là điều ta muốn nhằm giảm thiểu tán sắc.


Điều khiển tán sắc (tiếp) Một khía cạnh của WDM là chính bản thân nó là một loại kỹ thuật điều khiển tán sắc. Tán sắc trở nên vấn đề lớn hơn khi tốc độ kênh quang tăng. Với WDM ta có thể sử dụng nhiều luồng tốc độ thấp hơn thay vì một luồng đơn tốc độ cao hơn nhiều! Vì vậy, một hệ thống WDM 4 kênh @ 2.4 Gb/s / kênh sẽ có ít vấn đề về tán sắc hơn là một hệ thống đơn kênh @ 9.6 Gb/s.


I.3.2 Các hiệu ứng can nhiễu

Một trong các vấn đề trong WDM là can nhiễu đa phương giữa các kênh quang trong các thiết bị và trong quá trình truyền dẫn. Hai hiệu ứng truyền dẫn quan trọng gọi là “Stimulated Raman Scattering” và “4way mixing”. Các hiệu ứng khác xuất hiện trong các bộ khuếch đại quang khi hoạt động gần bão hòa.


I.3.3 Các vấn đề của bộ KĐ (EDFA)

Đáp ứng không đồng đều giữa các kênh có thể là một vấn đề nghiêm trọng trong các hệ thống WDM cự ly xa.


I.3.4 Chọn lựa bước sóng

Một cách khả thi giới hạn xuyên âm (nhiễu) giữa các kênh là đặt các kênh WDM ở khoảng cách không đều nhau. Tức là, khoảng cách kênh được tính toán sao cho nhiễu tạo ra bởi hiệu ứng “4way mixing” và SRS nằm giữa các kênh chứ không rơi trực tiếp vào kênh. Điều này thường được gợi ý nhưng kỹ thuật này hiếm được sử dụng trong các hệ thống thương mại.



Các nguồn sáng cho WDM Ghép (kết hợp) ánh sáng (ghép kênh) Truyền dẫn Tách ánh sáng (tách kênh) Các bộ ghép xenrẽ (adddrop multiplexors) Chuyển mạch phân chia không gian quang. Các nút chuyển mạch Các bộ chuyển đổi bước sóng


I.4. Tách ánh sáng (tách kênh)

Có 3 phương pháp chung cho tách kênh: 1. Tách ánh sáng hỗn hợp thành nhiều đầu ra

(mixed) và sau đó lọc riêng rẽ từng cổng. 2. Tách riêng từng kênh tại mỗi thời điểm. 3. Tách toàn bộ nhóm kênh quang bằng một thao

tác. Các ví dụ sau mô tả từng phương pháp.


I.4.1 3 dB splitter array with FP filters

Trong cấu hình này, các bộ splitter 3 db nối chuỗi được sử dụng để chia tín hiệu trộn thành (số) các cổng ra đều nhau theo yêu cầu (ở đây là 8 cổng) Tiếp theo cần phân tách mỗi tín hiệu khỏi các tín hiệu khác


3 dB splitter array with FP filters (tiếp …)

⇒ sử dụng các bộ lọc FabryPerot. Ngoài ra để tăng tính chính xác của lựa chọn bước sóng thì ta có thể sử dung FBG và Circulators. Tuy nhiên giá thành sẽ cao. Các bộ tách 3 dB có thể được thay thế bởi bộ tách “fusedfiber coupler” Nhược điểm ?


Nhược điểm của cấu hình này Tổn hao công suất tín hiệu trong hệ thống tích lũy rất nhanh. Tổn hao trong cấu hình trên (giả thiết là perfect) là 9 dB / port trước 3 dB của FP filter. Trong thiết kế cho môi trường WAN có lẽ ta cần một bộ tiền khuếch đại quang để tăng mức tín hiệu trước tách. Xây dựng bộ ghép dạng sợi sẽ hỗn độ và khó quản lý còn với công nghệ phẳng thì nhược điểm này được khắc phục. Giá thành có xu hướng tuyến tính với số cổng. Với it cổng thì đây là biện pháp hấp dẫn, với nhiều cổng biện pháp khác sẽ hiệu quả kinh tế hơn.


I.4.2 Các bộ circulator với FBGs

Trong cấu hình này mỗi bước sóng được tách ra khỏi luồng chính.

1. Input gồm nhiều bước sóng ghép tới. 2. Nó vào circulator thứ nhất và được đưa tới 1 st FBG 3. FBG phản xạ bước sóng được chọn trở lại circulator nhưng

cho phép mọi bước sóng đi qua. Với nhiều loại circulator hoạt động này có thể gây ra suy hao ≤ 1 dB.


Các bộ circulator với FBGs (tiếp)

4. Bước sóng được chọn chảy quanh circulator tới cổng 3, ở đó nó được đưa ra ngoài.

Tất cả các bước sóng khác tiếp tục qua FBG tới circulator kế tiếp ở đó quá trình được lặp lại cho λ2. Các bước sóng riêng được tách ra khi ta tiến hành từ chặng này sang chặng khác.

Anything to be considered?


Các yếu tố cần xem xét đ/v t.bị này Nó có thể rất nhạy và tách riêng các kênh rất hẹp Tùy theo chất lượng circulator ta chỉ mất mát khoảng từ 1 đến 1.5 dB / chặng. Điều này khá tốt nhưng vẫn đòi hỏi khuếch đại nếu số lượng kênh lớn. Giá thành tỷ lệ tuyến tính với số cổng do đó nó là một công nghệ rất cạnh tranh nếu số lượng cổng nhỏ. Thực tế các hệ thống WDM 4 kênh sử dụng nguyên lý này.


I.4.3 Infiber Bragg Gratings with couplers

Hình cho thấy 1 cấu hình sử dụng cách tử bragg trong sợi. Do sử dụng các bộ ghép 3 dB nên chi phí thấp hơn nhiều cấu hình sử dụng circulator. Trong thực thế cấu hình này tạo ra một bộ lọc băng hẹp có dạng “flattop” rất lý tưởng cho WDM Problem: Suy hao lớn 6+10log(n) dB/kênh (n: số kênh) ⇒ input need to be amplified.

bai giang htttq phan3

Documents