hệ thống thông tin quang và phương pháp ghép kênh quang wdm

Nguồn phát
quang
Nguồn phát
quang
Mạch điều
khiển
Mạch điều
khiển
Tín hiệu
điện vào
Bộ phát quang


S
ợ
i

d
ẫ
n

q
u
a
n
g
Bộ chia quang
Các thiết bị khác
Thu
quang
Phát

quang
Trạm lặp
Khuếch đại
quang
Đầu thu
quang
Đầu thu
quang
Khôi phục
tín hiệu
Khôi phục
tín hiệu
Khuếch đại
Bộ thu quang
Mạch điện
Tín hiệu
điện ra
Mối hàn sợi
Bộ nối quang
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
Chơng 1
Giới thiệu hệ thống thông tin quang và phơng pháp
ghép kênh quang WDM
I. Giới thiệu hệ thống thông tin quang
Ngay từ xa xa để thông tin cho nhau, con ngời đã biết sử dụng ánh sáng để báo
hiệu. Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú
dần và ngày càng đợc phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại nh ngày nay, tạo
cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và nhanh chóng.
Cách đây 20 năm, từ khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang đợc chính thức đa vào khai

thác trên mang viễn thông, mọi ngời đều thừa nhận rằng phơng thức truyền dẫn quang đã
thể hiện khả năng to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong
phú và hiện đại của nhân loại. Trong vòng 10 năm trở lại đây, cùng với sự tiến bộ vợt bậc
của của công nghệ điện tử - viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có
những tiến bộ vợt bậc. Các nhà sản xuất đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy
hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154 dB/km tại bớc sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển
mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hơn hai thập niên qua. Cùng với đó là sự tiến bộ
lớn trong công nghệ chế tạo các nguồn phát quang và thu quang, để từ đó tạo ra các hệ
thống thông tin quang với nhiều u điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim
loại. Dới đây là những u điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các môi tr-
ờng truyền dẫn khác, đó là:
Suy hao truyền dẫn nhỏ
Băng tần truyền dẫn rất lớn
Không bị ảnh hởng của nhiễu điện từ
Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao
Có kích thớc và trọng lợng nhỏ
Sợi có tính cách điện tốt
Độ tin cậy cao
Sợi đợc chế tạo từ vật liệu rất sẵn có
Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh mẽ
các nhà khai thác viễn thông. Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp với
các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đờng trục, và tuyến trung kế mà còn có tiềm
năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy và
đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tơng lai.
Mô hình chung của một tuyến thông tin quang nh sau:
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
1
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
Hình 1.1. Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang.

Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần
thu quang. Phần phát quang đợc cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện
điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc
xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trờng bên ngoài. Phần thu
quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài
các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang (connector),
các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang
hoàn chỉnh.
Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bớc sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy
hao thấp là các vùng xung quanh bớc sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm. Ba vùng bớc
sóng này đợc sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ
nhất, thứ hai và thứ ba tơng ứng. Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ thứ
nhất đợc sử dụng. Nhng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở
hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động
ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba.
Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc
Laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin
quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tơng ứng với sự thay đổi của dòng
điều biến. Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tơng tự.
Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tơng ứng và công
suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cờng độ dòng điều biến. Bớc sóng làm
việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo. Đoạn sợi quang ra
(pigtail) của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang đợc khai thác trên tuyến.
Tín hiệu ánh sáng đã đợc điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi
dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thờng
bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở
đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hớng phát đa tới. Tín hiệu
quang đợc biến đổi trở lại thành tín hiệu điện. Các photodiode PIN và photodiode thác
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
2

đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin
quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh. Các
vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bớc sóng làm việc của
chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn
quang đợc sử dụng trên tuyến lắp đặt. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là
độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu đợc ở một tốc độ truyền
dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống.
Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi
bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến. Cấu trúc của thiết
bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào nhau. Thiết
bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện,
khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đa vào thiết bị phát quang. Thiết bị phát quang thực
hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đờng truyền. Những
năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã đợc sử dụng để thay thế một phần các thiết bị
trạm lặp quang.
Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thờng, mỗi một sợi quang sẽ
có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu. Các nguồn
phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào
sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tơng ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Nh vậy
muốn tăng dung lợng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang. Với hệ thống quang
nh vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các
sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ (xem hình 1.2):

Hình 1.2. Độ rộng phổ nguồn quang và dải thông của sợi quang.
Một ý tởng hoàn toàn có lý khi cho rằng có thể truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu
quang từ các nguồn quang có bớc sóng phát khác nhau trên cùng một sợi quang. Kỹ thuật
ghép kênh quang theo bớc sóng WDM ra đời từ ý tởng này.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT

3
O,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3O,7 1,4 1,5 1,6
(àm)
Suy hao sợi (dB/km)
0
1
2
3
4
5
6
Single mode
Multi mode
Phổ một nguồn sáng
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
II. nguyên lý ghép kênh quang theo bớc sóng WDM và các tham
số cơ bản:
II.1. Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bớc sóng:
Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bớc sóng quang (WDM) là tận
dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn
mode, nâng cao rõ rệt dung lợng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thành của kênh
dịch vụ xuống mức thấp nhất. ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có quá trình biến
đổi điện nào. Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lợng truyền dẫn.
Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin
quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đờng truyền đạt tới một mức độ nào đó ngời ta đã
thấy đợc những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn. Khi tốc
độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng đợc
xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ
cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao. Kỹ thuật ghép kênh quang theo b-

ớc sóng ra đời đã khắc phục đợc những hạn chế trên.
Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi nhiều
bớc sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều bớc sóng cùng
một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau. Mỗi bớc sóng đại diện cho một kênh quang trong
sợi quang. Công nghệ WDM phát triển theo xu hớng mà sự riêng rẽ bớc sóng của kênh có
thể là một phần rất nhỏ của 1 nm hay 10
-9
m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh
theo bớc sóng mật độ cao (DWDM). Các thành phần thiết bị trớc kia chỉ có khả năng xử
lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu
mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET). Các nhà cung cấp DWDM đã sớm phát
triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang. Các hệ thống với
hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng đợc đa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết
hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn. Có hai hình
thức cấu thành hệ thống WDM đó là:
a) Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi:
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quang cùng trên
một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (nh hình 1.3), ở đầu phát các tín hiệu có b-
ớc sóng quang khác nhau và đã đợc điều chế
1

,
2

, ,
n

thông qua bộ ghép kênh tổ
hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang. Vì các tín hiệu đợc mang
thông qua các bớc sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn. ở đầu thu, bộ tách kênh

quang tách các tín hiệu có bớc sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang
nhiều kênh. ở chiều ngợc lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống nh
trên.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
4
Máy phát
quang
Máy phát
quang
Máy thu
quang
Máy thu
quang
Bộ ghép
kênh
Bộ tách
kênh
Bộ
khuếch
đại sợi
quang
Bộ
khuếch
đại sợi
quang
Bộ tách
kênh
Bộ ghép
kênh
Máy thu

quang
Máy thu
quang
Máy phát
quang
Máy phát
quang
1
n
n
1
1
n
1
n
O
O

1

n

1

n

1
,
2

n

1
,
2

n
Hình 1.3. Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang.
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
b) Truyền dẫn hai chiều trên một sợi:
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hớng đi, các kênh quang t-
ơng ứng với các bớc sóng
1
,
2
, ,
n
qua bộ ghép/tách kênh đợc tổ hợp lại với nhau
truyền dẫn trên một sợi. Cũng sợi quang đó, ở hớng về các bớc sóng
n+1,

n+2
, ,
2n
đợc
truyền dẫn theo chiều ngợc lại (xem hình 1.4). Nói cách khác ta dùng các bớc sóng tách
rời để thông tin hai chiều (song công).
Hình 1.4. Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang.
Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi đợc ứng dụng và phát triển tơng đối rộng rãi.

Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, đòi hỏi
yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt. ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao
nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghép kênh. ở phía thu, các bộ tách sóng quang
phải nhạy với dải rộng của các bớc sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly
kênh quang thật tốt với các bớc sóng khác bằng cách thiết kế các bộ tách kênh thật chính
xác, các bộ lọc quang nếu đợc sử dụng phải có bớc sóng cắt chính xác, dải làm việc ổn
định.
Hệ thống WDM đợc thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây ra suy hao
truyền dẫn. Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của các thiết bị thấp, cần phải tối thiểu hoá
thành phần công suất có thể gây ra phản xạ tại các phần tử ghép, hoặc tại các điểm ghép
nối các module, các mối hàn , bởi chúng có thể làm gia tăng vấn đề xuyên kênh giữa
các bớc sóng, dẫn đến làm suy giảm nghiêm trọng tỉ số S/N của hệ thống. Các hiệu ứng
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
5
Máy phát
quang
Bộ
khuếch
đại sợi
quang
Bộ ghép/
tách kênh

1
,
2

n
1
Máy phát

quang
Máy thu
quang
Máy thu
quang
Máy thu
quang
Máy thu
quang
Máy phát
quang
Máy phát
quang
Bộ tách/
ghép kênh
n
1
n
1
n
1
n
O O

n+1
,
n+2

2n

1

n

n+1

2n
OO
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
trên đặc biệt nghiêm trọng đối với hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do
đó hệ thống này có khả năng ít đợc lựa chọn khi thiết kế tuyến.
ở một mức độ nào đó, để đơn giản ta có thể xem xét bộ tách bớc sóng nh bộ ghép
bớc sóng chỉ bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng. Nh vậy hiểu đơn giản, từ bộ ghép -
multiplexer trong trờng hợp này thờng đợc sử dụng ở dạng chung để xét cho cả bộ ghép
và bộ tách; loại trừ trờng hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng. Ng-
ời ta chia loại thiết bị OWDM làm ba loại: Các bộ ghép (MUX), các bộ tách (DEMUX)
và các bộ ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX). Các bộ MUX và DEMUX đợc sử dụng
trong các phơng án truyền dẫn theo một hớng, còn loại thứ ba MUX-DEMUX đợc sử
dụng cho các phơng án truyền dẫn theo hai hớng. Hình 1.5 mô tả thiết bị ghép/tách hỗn
hợp.
Hình 1.5. Mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX).
II.2. Các tham số cơ bản:
Các tham số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép/tách hỗn hợp là suy hao xen,
suy hao xuyên kênh và độ rộng kênh. Để đơn giản, ta hãy phân biệt ra thành thiết bị một
hớng (gồm các bộ ghép kênh và tách kênh độc lập) và thiết bị hai hớng (bộ ghép/tách hỗn
hợp). Các ký hiệu I(
i
) và O(
k

) tơng ứng là các tín hiệu đợc ghép đang có mặt ở đờng
chung. Ký hiệu I
k
(
k
) là tín hiệu đầu vào đợc ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này đợc phát từ
nguồn phát quang thứ k. Ký hiệu O
i
(
i
) là tín hiệu có bớc sóng
i
đã đợc tách và đi ra cửa
thứ i. Nhìn chung, các tín hiệu quang không phát một lợng công suất đáng kể nào ở ngoài
độ rộng phổ kênh đã định trớc của chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh là không đáng lu
tâm ở đầu phát. Bây giờ ta xem xét các thông số:
Suy hao xen : đợc xác định là lợng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền
dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị truyền dẫn quang WDM. Suy hao này
bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do
bản thân thiết bị ghép gây ra. Suy hao xen đợc diễn giải tơng tự nh suy hao đối
với các bộ ghép coupler chung, nhng cần lu ý là ở WDM là xét cho một bớc sóng
đặc trng:
L
i(MUX)
= -10log
( )
( )
ii
i
I

O


(1.1)
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
6
Các tín hiệu đợc ghép
Các tín hiệu đợc tách
I
k
(
k
)
I
i
(
i
)
O(
k
)
I(
i
)
Sợi dẫn quang
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
L
i(DEMUX)
= -10log

( )
( )
i
ii
I
O


(1.2)
Với L
i
là suy hao tại bớc sóng
i
khi thiết bị đợc ghép xen vào tuyến truyền dẫn.
Các tham số này luôn phải đợc các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang
của thiết bị.
Hình 1.6. Xuyên kênh ở bộ tách kênh (a)
và ở bộ ghép - tách hỗn hợp (b)
Suy hao xuyên kênh : mô tả một lợng tín hiệu từ kênh này đợc ghép sang kênh
khác. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc vào trờng hợp
áp dụng. Nhng nhìn chung, phải đảm bảo mức xuyên kênh nhỏ hơn (-30dB)
trong mọi trờng hợp.
Trong một bộ tách kênh lý tởng, sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i
có bớc sóng
i
sang các kênh khác có bớc sóng khác với
i
. Nhng trong thực tế, luôn
luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, và làm giảm chất lợng truyền dẫn của thiết
bị. Khả năng để tách các kênh khác nhau đợc diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và

đợc tính bằng dB nh sau:
D
i
(
k
) = -10log [U
i
(
k
)/I(
k
)] (1.3)
Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ tách kênh ở hình 1.6 a) thì U
i
(
k
) là lợng tín hiệu
không mong muốn ở bớc sóng
k
do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà đúng ra chỉ
có tín hiệu ở bớc sóng
i
. Trong thiết bị ghép/tách hỗn hợp nh ở hình 1.6 b), việc xác
định suy hao xuyên kênh cũng đợc xác định nh ở bộ tách. ở trờng hợp này, phải xem
xét cả hai loại xuyên kênh. Xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác đợc ghép đi
vào đờng truyền gây ra, ví dụ nh I(
k
) sinh ra U
i
(

k
). Xuyên kênh đầu gần là do
các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó đợc ghép ở bên trong thiết bị, nh U
i
(
j
). Khi cho
ra các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh
của thiết bị.
Độ rộng kênh : là dải bớc sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang riêng.
Nếu nguồn phát quang là các diode Laser thì độ rộng kênh đợc yêu cầu vào
khoảng vài chục nanomet để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn
định của các nguồn phát gây ra (ví dụ khi nhiệt độ làm việc thay đổi sẽ làm trôi
bớc sóng đỉnh hoạt động). Đối với nguồn phát quang là diode phát quang LED,
yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi vì độ rộng phổ của loại
nguồn phát này rộng hơn.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
7
DEMUX
I(
1
) I(
k
)
O
i
(
i
) + U
i

(
k
)
Sợi quang
I(
1
) I(
k
)
Sợi quang
O(
j
)
I
j
(
j
)
O
i
(
i
) + U
i
(
k
) + U
i
(
j

)
a) b)

j

k
®å ¸n tèt nghiÖp
c«ng nghÖ ghÐp kªnh quang WDM
Ch¬ng 2
C¸c thiÕt bÞ quang thô ®éng trong WDM
Sinh viªn: Phïng V¨n L¬ng - Líp D97 VT
8
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
Trong chơng trớc, chúng ta đã có tầm nhìn bao quát về một tuyến truyền dẫn quang
và công nghệ ghép kênh quang theo bớc sóng WDM. Các thiết bị OWDM rất đa dạng, có
thể thực hiện qua các phần tử tích cực hay thu động, nguồn quang phổ hẹp, các thiết bị vi
quang, các thiết bị phân cực quang, quay pha, cách tử quang, ghép sợi Nhng tu trung
lại, chúng làm việc chủ yếu theo hai nguyên tắc chính: nguyên tắc tán sắc góc và nguyên
tắc lọc quang. Ngày nay, cùng với những tiến bộ không ngừng trong nhiều lĩnh vực khác
của ngành công nghiệp truyền thông, đặc biệt là với công nghệ mới đầy hấp dẫn này, các
thiết bị WDM không ngừng đợc đổi mới và cải tiến cho phù hợp nhằm vơn tới những ng-
ỡng dung lợng truyền dẫn khổng lồ với chi phí đầu t thấp. Chơng này nhằm đề cập đến
các vấn đề kỹ thuật từ cơ bản đến phức tạp đã và đang đợc sử dụng trong các thiết bị
WDM.
Các phần tử sử dụng trong hệ thống OWDM rất đa dạng, nhng có thể phân loại ra
nh hình 2.1:
Hình 2.1. Phân loại các thiết bị WDM.
Để đơn giản khi xem xét các thiết bị WDM, chúng ta chủ yếu lấy bộ tách kênh theo
bớc sóng để phân tích, bởi vì nếu xét ở một mức độ nào đó thì nguyên lý các thiết bị

WDM có tính thuận nghịch về cấu trúc, do đó hoạt động của các bộ ghép kênh cũng đợc
giải thích tơng tự bằng cách đơn giản là thay đổi hớng tín hiệu đầu vào và đầu ra.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
9
Thiết bị WDM
Tích cựcThụ động
Thiết bị vi quang Ghép sợi
Tán sắc góc Thiết bị có bộ lọc
Tán sắc vật liệu Cách tử
Thiết bị quang
tổ hợp
Các thiết bị
khác
Các nguồn phát
quang và các bộ
tách sóng quang
nhiều b ớc sóng
Phi tuyến Giao thoa Phân cực
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
Các bộ tách (hay các bộ ghép) đợc chia ra làm hai loại chính theo công nghệ chế tạo
là:
Thiết bị WDM vi quang
Thiết bị WDM ghép sợi.
ở loại thứ nhất, việc tách/ghép kênh dựa trên cơ sở các thành phần vi quang. Các
thiết bị này đợc thiết kế chủ yếu sử dụng cho các tuyến thông tin quang dùng sợi đa
mode, chúng có những hạn chế đối với sợi dẫn quang đơn mode. Loại thứ hai dựa vào
việc ghép giữa các trờng lan truyền trong các lõi sợi kề nhau. Kỹ thuật này phù hợp với
các tuyến sử dụng sợi đơn mode.
I. Các thiết bị WDM vi quang:

Các thiết bị WDM vi quang đợc chế tạo dựa trên hai phơng pháp công nghệ khác
nhau là: các thiết bị có bộ lọc và các thiết bị phân tán góc. Thiết bị lọc chỉ hoạt động mở
cho một bớc sóng (hoặc một nhóm các bớc sóng) tại một thời điểm, nhằm để tách ra một
bớc sóng trong nhiều bớc sóng. Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh, ngời ta phải tạo ra cấu
trúc lọc theo tầng. Còn thiết bị phân tán góc lại đồng thời đa ra tất cả các bớc sóng.
I.1. Các bộ lọc trong thiết bị WDM:
Trong thiết bị ghép-tách bớc sóng vi quang thờng sử dụng bộ lọc bớc sóng bằng
màng mỏng. Thí dụ bộ tách bớc sóng dùng bộ lọc màng mỏng thể hiện nh hình 2.2.
Hình 2.2. Bộ tách bớc sóng dùng bộ lọc màng mỏng.
Bộ lọc có cấu trúc đa lớp gồm các lớp điện môi rất mỏng, có chiết suất cao và thấp
đặt xen kẽ nhau. Bộ lọc làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng hởng Fabry-Perot, gồm
hai gơng phản xạ một phần đặt song song cách nhau chỉ bởi một lớp điện môi trong suốt.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
10
Bộ lọc

1
,
2
, ,
n

2
, ,
n

1
Chiết suất cao
Chiết suất thấp
Lớp phân cách trong suốt

đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
Hình 2.3. Cấu trúc của bộ lọc điện môi.
Bề dày các lớp bằng 1/4 bớc sóng truyền đối với bộ lọc bậc 0 và bằng 3/4
0
đối với
bộ lọc bậc 1 và đợc chế tạo từ vật liệu có hệ số chiết suất thấp nh MgF
2
có n = 1,35 hoặc
SiO
2
có n = 1,46 và vật liệu có chỉ số chiết suất cao nh TiO
2
có n = 2,2.
Khi chùm tia sáng đi vào thiết bị, thì hiện tợng giao thoa ánh sáng xảy ra do phản
xạ nhiều lần trong khoang cộng hởng. Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên lần của nửa
bớc sóng ánh sáng tới thì giao thoa xếp chồng xảy ra và công suất quang của bớc sóng đạt
giá trị cực đại và bớc sóng đó sẽ đợc truyền dẫn thông suốt nhất. Các chùm ánh sáng ở
những bớc sóng khác trong buồng cộng hởng hầu nh bị phản xạ hoàn toàn. Đờng cong
phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc có dạng nh hình 2.4:
Hình 2.4. Phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc.
Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao có bớc sóng cắt
c
(hình 2.5a là thông cao và
hình 2.5b là thông thấp). Bộ lọc thông giải có bớc sóng trung tâm
0
và độ rộng giải
(hình 2.5c). T là hàm truyền đạt của bộ lọc.
Hình 2.5. Các đặc tính phổ truyền dẫn của các loại bộ lọc giao thoa cắt (a)(b) và
băng thông (c).

Các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao thờng đợc sử dụng để tách 2 bớc sóng có
khoảng cách xa nhau, chẳng hạn 850 nm và 1300 nm hoặc 1300 nm và 1550 nm. Loại bộ
lọc nh vậy, thích hợp cho hệ thống WDM sử dụng nguồn quang có dải phổ rộng (LED).
Bộ lọc thông giải đợc sử dụng trong WDM khi nguồn quang có phổ hẹp (LASER). Đối
với bộ lọc thông giải có một vài yêu cầu: đó là độ dốc sờn đờng cong hàm truyền đạt phải
đủ lớn để tránh xuyên âm giữa các kênh kề nhau, mặt khác độ rộng giải có dung sai
cho phép để đề phòng dịch bớc sóng trung tâm của nguồn quang khi nhiệt độ thay đổi.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
11
P
OUT


0
(nm)
T(%)
a) SWPF
(nm)
T(%)
a) LWPF
(nm)
T(%)
a) BPF

c

Thông cao (<
c
)

c

Thông thấp (>
c
)

0

Băng thông

0
-/2 <<
0
+/2

đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
Dới đây ta xem xét một số thiết bị tách bớc sóng dùng bộ lọc màng mỏng:
a) Bộ tách 2 bớc sóng:
Cấu trúc cơ bản của bộ tách hai kênh nh ở hình 2.6a, trong khi đó việc thực hiện
thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản nh ở hình 2.6b. Các phần tử chuẩn trực và hội tụ là các
lăng kính GRIN 1/4 chu kỳ P. Bộ lọc đợc thiết kế để phát đi
1
và phản xạ
2
sẽ đợc đặt
giữa hai lăng kính.
Hình 2.6. Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa
a) Cấu hình cơ bản và b) Cấu hình khi thực hiện trong thực tế.
Các thiết bị tách bớc sóng này có sẵn trên thị trờng thơng mại và đợc sử dụng rộng

rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bớc sóng 850 nm và
1300 nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bớc sóng nh: 800 nm và
830 nm; 800 nm và 890 nm; 1200 nm và 1300 nm; hoặc 1300nm và 1550 nm vv , với
suy hao xen nhỏ hơn 3dB (cho mỗi cặp) và suy hao xuyên kênh cao hơn 25dB.
b) Bộ tách lớn hơn 2 bớc sóng:
Thiết bị này sử dụng các bộ lọc nối tiếp nhau, và mỗi bộ lọc cho đi qua một bớc
sóng và phản xạ các bớc sóng còn lại (xem hình 2.7):
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
12
Kính lọc
Thấu kính

1

2

1
,
2
Sợi quang
a)

1
,
2

1

2
Lăng kính Grin (1/4 P)

Bộ lọc
b)
Bộ lọc (
1
)

1
,
2
, ,
n

1

3

2

4
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
Hình 2.7. Cấu trúc cơ bản của một bộ tách nhiều bớc sóng.
Trong thực tế, thiết bị tách nhiều bớc sóng ngoài các bộ lọc còn có thấu kính, các sợi
quang vv
Hình 2.8 là bộ tách 5 bớc sóng dùng thấu kính GRIN và khối thuỷ tinh trong suốt.
Đôi khi có thể thực hiện tạo ra bộ tách kênh mà không cần sử dụng đến các phần
tử chuẩn trực. Ví dụ nh ở hình 2.9, thiết bị không có lăng kính, mà các bộ lọc giao thoa ở
đây đợc đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi đợc mài nhẵn.
Hình 2.9. Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa
gắn trực tiếp vào sợi.

c) Thiết bị kết hợp ghép và tách bớc sóng (MUX-DEMUX):
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
13
Sợi quang
Lăng kính GRIN
Khối thuỷ tinh
trong suốt

1
, ,
5
Bộ lọc

1

3

5

2

4
Hình 2.8. Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế.

1
, ,
4
Bộ lọc

1

2

3

4
Sợi quang
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
Hình 2.10 thể hiện thiết bị MUX-DEMUX 4 bớc sóng. Các bớc sóng 0,81 àm và
0,89 àm từ hai nguồn quang khác nhau đợc ghép thành một tia chung để truyền qua sợi
quang. Các bớc sóng 1,2 àm và 1,3 àm từ sợi quang đến đợc tách thành hai tia ứng với
mỗi bớc sóng để đa đến diode tách quang. Thấu kính GRIN tại cổng vào dùng loại 1/4P
phân kì, tại cổng ra dùng loại 1/4P hội tụ.

Hình 2.10. Thiết bị MUX-DEMUX 4 bớc sóng.
Trong đó:
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
14
BPF 0,81àm
0,81àm
Connector
LWPF
SWPF
0,89àm
BPF 0,89àm
0,81 àm và 0,89 àm
1,2 àm và 1,3 àm
Thấu kính GRIN
BPF 1,2 àm

BPF 1,3 àm
Khối thuỷ tinh
1,2 àm
1,3 àm
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
BPF - Bộ lọc thông giải
LWPF - Bộ lọc thông thấp
SWPF - Bộ lọc thông cao.
Độ rộng của kênh là 25 nm và 32 nm trong cửa sổ thứ nhất; 47 nm và 50 nm trong
cửa sổ thứ hai của sợi quang. Suy hao xen là 1,4 dB cho bớc sóng 0,89 àm; 2,6 dB cho b-
ớc sóng 1,2 àm; 2,2 dB cho bớc sóng 1,3 àm khi dùng Laser diode và 5,2 dB cho bớc
sóng 0,81 àm khi dùng LED. Suy hao xuyên âm bằng -18 dB cho bớc sóng ngắn dùng
LED, còn nếu dùng Laser diode thì suy hao xuyên âm bằng -3,9 dB.
Một thí dụ khác của bộ MUX-DEMUX dùng gơng cầu lõm nh hình 2.11.
Hình 2.11. Thiết bị MUX-DEMUX 3 bớc sóng.
Các đầu sợi quang đặt trên mặt phẳng tiêu D. Gơng cầu lõm A phản xạ bớc sóng
0,825 àm tới đầu ra. Gơng cầu lõm B phản xạ bớc sóng 0,870 àm từ sợi chung vào và tới
sợi ra. Gơng cầu lõm C phản xạ bớc sóng 1,3 àm từ sợi chung vào và tới sợi ra khác. Suy
hao xen và suy hao xuyên âm nh bảng dới đây:
0,825 àm 0,870 àm 1,3 àm
Suy hao xen (dB) 0,4 0,75 1,3
Suy hao xuyên âm đầu gần (dB) - 0,6 - 40
Suy hao xuyên âm đầu xa (dB) - 78 - 120
I.2. Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc:
Thiết bị WDM sử dụng bộ lọc màng mỏng không thích hợp cho hệ thống có quá
nhiều bớc sóng hoặc khi bớc sóng này quá gần nhau. Trong trờng hợp này phải sử dụng
phần tử tán sắc góc. Ưu điểm của phần tử tán sắc góc là tán xạ đồng thời tất cả các bớc
sóng.
I.2.1. Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc:

Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
15
0,825 àm
0,870 àm
1,3 àm
Sợi chung
C B A D
0,825 àm
0,870 àm; 1,3 àm
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM ngời ta thờng dùng lăng kính làm phần tử
tán sắc góc (hình 2.12). Do hiện tợng chiết suất phụ thuộc vào bớc sóng ánh sáng tức là n
= n() nên chùm tia sáng có các bớc sóng khác nhau ở đầu vào sẽ bị lăng kính phân thành
các tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hớng khác nhau ở đầu ra theo định luật Sneel (sự
phụ thuộc của chiết suất vật liệu làm lăng kính theo bớc sóng).
ir
Adn
d
di
cos/cos
sin
ì=

(2.1)
Với:
i là góc tới
i

là góc ló

A là góc đỉnh của lăng kính
n là chiết suất vật liệu làm lăng kính.
Hình 2.12. Tán sắc dùng lăng kính
Nhợc điểm: tán sắc dùng lăng kính có mức độ tán sắc thấp, nên khó tách đợc các
bớc sóng gần nhau. Vì vậy ngời ta chỉ có thể dùng lăng kính trong trờng hợp tách các bớc
sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ bớc sóng
1
ở cửa sổ 1300 nm; bớc sóng
2
ở cửa sổ 1550 nm). 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.
I.2.2. Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc:
a) Mở đầu:
Cách tử đợc cấu tạo gồm nhiều rãnh (nh răng ca), đợc khắc bằng dụng cụ kim cơng,
trên bề mặt của các rãnh này đợc ơhủ một lớp phản xạ, số lợng rãnh trên cách tử có thể
lên tới vài nghìn rãnh trên 1 mm. Cách tử có khả năng truyền hoặc tán xạ ánh sáng theo
những hớng nhất định tuỳ thuộc vào bớc sóng của ánh sáng đó. Góc tán xạ phụ thuộc vào
khoảng cách rãnh (gọi là bớc cách tử) và góc tới.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
16
A
i
i
r
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
Hình 1.14. Sử dụng cách tử để tách bớc sóng.
Cũng giống nh lăng kính, ánh sáng không đơn sắc ở đầu vào, sau khi qua cách tử
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 xạ lớn hơn.
Khi tách kênh (tách bớc sóng) 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. Ngợc 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.
b) Cách tử nhiễu xạ phẳng:
Xét hoạt động của một cách tử phẳng có rãnh răng ca nh hình 1.15:
Hình 1.15. Cách tử nhiễu xạ phẳng.
Trong đó:
N - đờng vuông góc với mặt đáy của cách tử
M - đờng vuông góc với cạnh của rãnh
- góc tới của tia sáng với N


- góc nhiễu xạ với N
i - góc tới của tia sáng với M
i

- góc nhiễu xạ với M
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
17
Cách tử

1

,
2
, ,
n

1

2

n
N
M

i
i


đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
d - chu kì cách tử
- góc nghiêng của rãnh.
Từ hình 1.15 và theo kết quả chứng minh thì khi chiếu hai tia sáng vào rãnh cách
tử sẽ tạo ra các tia nhiễu xạ cùng pha nếu hiệu số đờng đi hai tia sáng thoả mãn điều kiện
sau:

0
= d(sin + sin) = k (2.2)
Với: k - số nguyên
- bớc sóng
d - chu kì cách tử

k = 0 ứng với truyền trực tiếp
k =

1 ứng với bậc 1 nhiễu xạ.
Nếu hệ số khúc xạ của môi trờng bên ngoài cách tử là n thì (2.1) có dạng:
nd(sin + sin) = k (2.3)
Cũng từ hình 1.15 ta có:
i = -
i = -
Theo quy tắc phản xạ thì góc tới bằng góc phản xạ, nghĩa là i = i, rút ra:
= ( + )/2 (2.4)
Công thức (2.1) có thể viết dới dạng:



kd
=
+
2
cos
2
sin2
''
(2.5)
Hay


kd
=

2
cossin2
'
(2.5)
Đối với cách tử phản xạ thì đợc tính theo điều kiện của Liittrow (khi =). Theo
điều kiện này tìm đợc ứng với tán xạ bậc 1 là:

1
= 2dsin (2.6)
Khi



1
= 2dsincos
2
'


(2.7)
Theo điều kiện Littrow và ứng với bậc 2 của tán xạ có:

2
= 2dsin (2.8)
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
18
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM

n
=
n
d2
sin (2.9)
Biên độ trờng nhiễu xạ mặt bên của rãnh cách tử đợc xác định theo biểu thức:
A =
( )
( )
'
'
sinsin/sin
sinsin/sin
iid
iid
A
n

+



(2.10)
Khi =
n
thì cờng độ nhiễu xạ cực đại và bằng:

( )
2
nn

AI

=
(2.11)
Phân bố phổ của nhiễu xạ đợc xác định theo biểu thức:

( )
2
/
/sin








=




n
n
nk
nk
I
I
n

(2.12)
Từ biểu thức trên, xây dựng đờng cong phân bố phổ của năng lợng nhiễu xạ bậc
một nh hình 1.16 a). Trong trờng hợp d nhỏ hơn bớc sóng thì phân bố phổ của năng lợng
nhiễu xạ phụ thuộc vào và có dạng nh hình 1.16 b).
Hình 1.16. Phân bố phổ năng lợng nhiễu xạ bậc một.
c) ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng:
Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc tách 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 2.17 là cấu hình đơn giản của một bộ ghép kênh của Finke. Trong đó, mảng
đầu 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 tách 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).
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
19

1
/

1
/
I

/I
1
I

/I
1
0,2 1 1,8

0,2
0,4
0,6
0,8
1
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0,2
1
1,5 2
a) Khi d > b) Khi d<
= 20
0
Cách tử
Thấu kính tròn
đầu mảng sợi

1
,
2
,
3,

4

1

2

3

4
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
Hình 2.17. Sơ đồ bộ ghép kênh Grating của Finke.
Trên hình 2.18 a) và 2.18 b) là bộ tách Littrow với a) là cấu trúc cơ bản còn b) là
cấu trúc thực tế sử dụng lăng kính GRIN-rod của bộ tách 2 kênh.
Hình 2.18. Bộ tách Littrow: a) Cấu trúc cơ bản, b) Cấu trúc thực tế sử dụng
lăng kính GRIN-rod của bộ tách 2 kênh.
Trên hình 2.19, 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 cầu lõm có
tách dụng làm thay đổi hớng của bất kì 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 g-
ơng, phản xạ một lần nữa, tạo ảnh trên vùng mảng sợi quang tuỳ thuộc vào giá trị từng b-
ớc 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 gơng 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 nguốn 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.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
20
Lăng kính chuẩn trực
Cách tử

1

2

1
,
2
Cách tử
Lăng kính Grin

1

2

1
,
2
a)
b)
Cách tử
G ơng lòng chảo

1
,
2
, ,
n

1

n
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
Hình 2.19. Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar và gơng lòng chảo.
d) Cách tử hình lòng chảo:
Hình 2.20. Cách tử hình lòng chảo.
Cách tử hình lòng chảo đợc sử dụng để phản xạ ánh sáng, vì vậy góc nghiêng của
rãnh cách tử đợc tính toán giống nh cách tử phản xạ phẳng. Theo thuyết vô hớng thì góc
nghiêng của rãnh phải thay đổi liên tục để duy trì đờng phân giác của góc hợp bởi tia tới
và tia phản xạ ABC luôn vuông góc với bề mặt của răng ca.
Một ứng dụng của cách tử hình lòng chảo nh chỉ ra trên hình 2.21, 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 diểm là quang sai
không ổn định trong giải phổ rộng.
Hình 2.21. Sơ đồ cấu trúc bộ tách sử dụng cách tử lòng chảo.
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 2.17 đến 2.21; trong hình 2.19 nếu thay
gơng lòng chảo bằng gơng parabol thì có thể hiệu chỉnh quang sai.
e) Cách tử Bragg:
Cách tử Bragg là cách tử đợc chế tạo ngay bên trong sợi quang. Cáh 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 mạt nạ phase. Hiện nay
công nghệ chế tạo hiện đại 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 dạng nhiều bậc nh bớc ren; nhờ đó
một số lớn các bộ lọc đợc tạo ra voi các thông số khá hoàn thiện.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
21
A
B
C

N
Cách tử lòng chảo
Sợi vào
Các sợi đầu ra
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
ứng dụng của cách tử sợi Bragg trong module xen/rẽ bớc sóng nh sau: điều chỉnh
bớc sóng xen/rẽ dùng cách tử sợi Bragg mạng 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 băng
thông BPF với khả năng đạt đợc khoảng cách kênh bớc sóng là 50 GHz, đó là một tính
năng hoàn toàn thuyết phục. Có hai phơng pháp điều khiển bớc sóng xen/rẽ đối với thiết
bị sử dụng sợi cách tử Bragg, đó là: điều khiển nhiệt hoặc thay đổi độ nén dãn của sợi
bằng tải cơ, song cách thứ hai đạt đợc tốc độ điều chỉnh cao hơn.
ứng dụng cách tử sợi Bragg trong bù tán sắc: phổ của 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 dãn phổ
xung quang đó và có thể gây xuyên nhiễu lên các xung quang lân cận. Trớc đây đã có
nhiều giải pháp bù tán sắc, nh sử dụng 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 và bị phản xạ trở lại (xem hình 2.22),
module bù tán sắc kiểu này cũng sẽ làm co xung đã bị dãn 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.
Hình 2.22. Nguyên lý cách tử Bragg bù tán sắc.
Suy hao của module bù tán sắc kiểu này gây ra bởi: suy hao cố định của circulator
và các chỗ ghép nối (tổng suy hao này nhỏ hơn 2 dB), suy hao của cách tử sợi Bragg phụ

thuộc vào độ dài sợi, khoảng 0,3 dB/m (theo công nghệ chế tạo cảm ứng tia cực tím).
Ngoài ra, suy hao này cũng phụ thuộc dải bớc sóng làm việc khoảng 0,3 dB/nm. Thực
nghiệm cho thấy u thế của module bù tán sắc dùng cáh tử sợi Bragg so với bù tán sắc
dùng sợi DCF đợc chỉ ra nh trong bảng dới đây:
Bảng 2.1. So sánh độ suy hao giữa các thiết bị bù tán sắc.
cách bù tán sắc
suy hao
cực tiểu
suy hao
thông thờng
suy hao
cực đại
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
22
B ớc sóng
dài
xung vào
xung ra
B ớc sóng
ngắn
Sợi truyền dẫn
Ciculator
Sợi cách tử Bragg
B ớc sóng dài B ớc sóng ngắn
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
Sợi DCF 40 km 4,4 dB 4,8 dB 6,2 dB
Sợi DCF 40 km 6,0 dB 6,5 dB 6,7 dB
Sợi DCF 40 km 7,7 dB 8,3 dB 8,9 dB
Sợi cách tử Bragg bù tán sắc 2,0 dB 2,5 dB 3,0 dB

Với những u thế nh vậy, thiết bị bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg đã đợc chế tạo
hàng loạt nhờ quá trình chế tạo cách tử điều khiển bằng phần mềm máy tính, chúng sẽ trở
thành các module không thể thiếu trong các thiết bị WDM thế hệ thứ hai nh OADM,
khuếch đại EDFA hai tầng có bù tán sắc.
II. Các thiết bị WDM ghép sợi
Các thiết bị WDM ghép sợi phù hợp hơn đối với các sợi đơn mode vì có thể tránh đ-
ợc quang sai, giảm trễ, giảm suy hao do các quá trình xử lý chùm sáng qua các đoạn phản
xạ, chuẩn trực, hội tụ vv gây ra. Thiết bị WDM ghép sợi hoạt động dựa trên nguyên lý:
khi lõi các sợi quang đặt gần nhau thì công suất quang từ một sợi sẽ chuyển vào các sợi
khác.
Xét trờng hợp hai lõi sợi quang đơn mode, có kích thớc và đặc tính quang nh nhau
nằm song song với nhau trong cùng một vỏ. Khi một lõi có tín hiệu quang thì hệ số ghép
đối với lõi thứ hai đợc xác định theo biểu thức (2.13).
A =
( )
aWd
e
WKV
U
/
2
1
3
2
2/1
1
Wad
2

(2.13)
Trong đó:
A - bán kính lõi
d - khoảng cách giữa 2 tần số
n
1
- hệ số chiết suất của lõi
n
2
- hệ số chiết suất của vỏ
K
1
- hàm Bessel bậc nhất loại hai
- thành phần dọc của véc tơ truyền lan mode, gọi là hằng số truyền lan.
= 1 - n
2
/n
1
- hệ số chiết suất tơng đối
V = (2a/)(n
1
2
- n
2

2
)
1/2
- tần số chuẩn hoá
U = a[(2n
1
/)
2
-
2
]
1/2
- hằng số truyền lan ngang trong lõi sợi
W = a[
2
- (2n
2
/)
2
]
1/2
- độ suy biến tốc độ của trờng trong vỏ.
Từ biểu thức (2.13) nhận thấy: hệ số ghép phụ thuộc vào các đặc tính hình học, các
đặc tính quang (chiết suất), và bớc sóng (thông qua V, U, W). Nếu bớc sóng cố định, thì
khi giảm d sẽ tăng hệ số ghép. Còn nếu d cố định, thì hệ số ghép tăng khi tần số chuẩn
hoá giảm ( giảm), vì khi đó sự phân bố trờng mode có xu hớng dãn rộng tới vùng vỏ.
Công suất ghép giữa hai sợi có dạng sin
2
(A
0

L) và công suất lan truyền là cos
2
(A
0
L);
trong đó L là độ dài đoạn ghép; A
0
là hệ số ghép. Trong thực tế ghép theo độ dài z biến
đổi, nên công suất ghép sẽ là: sin
2
A(z)dz và công suất lan truyền là cos
2
A(z)dz.
Các thiết bị WDM ghép sợi có thể có hai dạng nh hình 2.23, đó là: nung nóng chảy
các sợi kề nhau và đánh bóng chỗ tiếp xúc giữa hai sợi. Trong kỹ thuật đánh bóng, mỗi
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
23
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
sợi đợc lắp vào một thấu kính đã đục cong sẵn, có đờng kính cong thờng bằng 25 cm, cho
nên dạng này còn gọi là bộ ghép khối. Còn trong kỹ thuật xoắn nóng chảy, hai lõi sợi đợc
xoắn vào nhau và đợc nung nóng chảy thành một lõi chung.
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 tích là:
=
( )( )



/

2/
0
LA
(2.14)
Trong đó: (A
0
L)/ 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
L
21
5

(2.15)
Trong đó: d
1
/d và d
2
/d là các đạo hàm của theo mode của mỗi sợi.
Các bớc sóng tơng ứng với sự đồng nhất các hàm số lan truyền của hai đờng dây
này là các bớc sóng mà ở đó sự truyền năng lợng đợc đổi chỗ từ sợi này sang sợi kia.

Băng thông của bộ ghép sợi nóng chảy có dạng gần nh hình sin làm hạn chế việc lựa chọn
nguồn phát. Rõ ràng rằng các LED không thể đợc sử dụng vì phổ của nó rộng. Nh vậy chỉ
có các diode laser có độ rộng phổ hẹp đợc sử dụng nếu tránh đợc suy hao xen và xuyên
kênh lớn.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
24
Vùng xoắn nóng chảy

1

2
Vỏ sợi

1+2
Hình 2.24. Hai ph ơng pháp tạo ra các bộ ghép sợi cho thiết bị WDM.

1

2

1+2
Vỏ sợi
sợi quang đơn mode
1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
0,4
0,2
0,6
0,8
1,0
(nm)

Hiệu suất ghép
đồ án tốt nghiệp
công nghệ ghép kênh quang WDM
Hình 2.25. Đáp ứng của bộ tách kênh 1300/1550nm
với kỹ thuật ghép nóng chảy 2 sợi nh nhau.
Trong cấu trúc nóng chảy, 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 1300/1550nm có độ dài
ghép 20 nm, suy hao xen nhỏ khoảng 0,04 dB. Đờng cong truyền dẫn của thiết bị này nh
trên hình 2.25.
Khi cần ghép nhiều hơn hai bớc sóng, phải ghép nối tiếp các bộ ghép (cấu hình rẽ
nhánh). Trên hình 2.26 là bộ ghép gồm 3 mối ghép nối tiếp các bớc sóng:
1
= 1320nm,
2
= 1280nm,
3
= 1240nm và
4
= 1200nm.
Hình 2.26. Bộ ghép kênh 4 bớc sóng bằng ghép nóng chảy nối tiếp các sợi đơn mode
Ưu điểm chính của ghép đơn mode theo phơng pháp mài bóng so với phơng pháp
ghép nóng chảy là có thể điều hởng đợc bằng cách dịch chuyển vị trí tơng đối của hai sợi
với nhau. Ghép theo phơng pháp nóng chảy thì giá thành hạ. Có thể kết hợp cả hai phơng
pháp để đạt đợc hiệu quả tối u.
Các thiết bị WDM ghép sợi phù hợp với các bộ ghép kênh đơn, suy hao phổ biến ở
mức 4 đến 6 dB. Đối với bộ tách kênh, yêu cầu xuyên kênh phải nhỏ, thờng thích hợp với
các bộ grating vi quang.
III. Một số kỹ thuật khác đợc sử dụng trong ghép WDM.
III.1. Bộ ghép bớc sóng dùng công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT.
III.1.1. Nguyên lý chung:

Chức năng ghép hoặc ghép bớc sóng của một hệ thống quang hai hoặc ba chiều,
thờng tạo nên quan hệ giữa sợi quang truyền dẫn và một tập sợi quang đầu vào hoặc đầu
ra. Thí dụ trong coupler Y, sợi quang truyền dẫn đợc phản ảnh đến hai sợi quang khác
thông qua thiết bị chia quang và một hoặc nhiều thấu kính hội tụ. Trong thiết bị ghép bớc
sóng, sợi quang truyền dẫn đợc phản ảnh tới các vị trí khác nhau trên mặt phẳng tiêu (là
mặt phẳng nằm trên tiêu điểm của thấu kính và vuông góc với trục của thấu kính), tuỳ
thuộc vào bớc sóng khi sử dụng cách tử và các thấu kính hội tụ. Nh vậy, những dụng cụ
trên tạo nên mối quan hệ giữa chủ thể và trờng ảnh. Nếu vị trí của sợi quang trong các tr-
ờng khác nhau đợc điều khiển thích hợp thì một số coupler hoặc một số bộ ghép đợc thực
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
25

1234
Laser

1

2

3

4