Các hệ thống thông tin quang

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

143
lượt xem 41
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Dung lượng thấp 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Các hệ thống thông tin quang

Nhược điểm của hệ thống thông tin quang đơn kênh Dung lượng thấp 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 Msc. –Eng. Nghiêm Xuân Anh xung tín hiệu cực hẹp. Việc khắc phục nhược điểm trên đòi hỏi công nghệ cao và tốn kém. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 3 Giới thiệu Ưu điểm của ghép kênh quang Các phần tử quang thay thế các phần tử điện tử ở Trong các HTTTQ số thông thường thì: những vị trí quan trọng đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, Các luồng tín hiệu cấp thấp được ghép lại (FDM, tốc độ xử lý tín hiệu cao Þ khắc phục được nhược TDM) thành các luồng tốc độ cao, sau đó được điểm v ề tốc độ đáp ứng xung của các mạch điện tử truyền trên sợi quang. (1 FO cho hướng đi và 1 FO đã nêu trên. cho hướng về) Þ Hệ thống đơn kênh quang. Các phần tử quang tận dụng được phổ hẹp của laser Trong những năm gần đây, người ta quan tâm nhiều Þ tăng khả năng sử dụng băng tần lớn của sợi đơn đến HTTTQ có dung lượng cao, cự ly lớn Þ Ghép mode Þ tạo k hả năng truyền tải cho các ứng dụng tốc độ cao hiện tại v à tương lai. kênh quang (truyền nhiều tín hiệu quang trên một sợi nhằm tăng dung lượng truyền dẫn Þ Hệ thống thông Tiết kiệm sợi quang, tận dụng được băng tần không hạn chế của sợi. tin quang nhiều kênh (hay đa kênh quang). 2/26/2007 Optic Communication S ystems 2 2/26/2007 Optic Communication S ystems 4
Các cửa sổ có suy hao thấp dùng cho Các k ỹ thuật ghép kênh quang W DM Ghép kênh phân chia thời gian quang OTDM Ghép kênh phân chia bước sóng W DM 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 v à W DM ngày càng được triển khai rộng rãi. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 5 2/26/2007 Optic Communication S ystems 7 I. Các hệ thống TTQ W DM Các hệ thống TTQ W DM(tiếp …) Sparse WDM: Early 1980s, 2 bước sóng được ghép lại Thực chất, W DM là một cơ chế trong đó nhiều kênh chủ yếu nằm ở 2 cửa sổ quang khác nhau (1,3 mm và 1,55 sóng quang tại các bước sóng khác nhau được điều mm). Eg. Dung lượng của 1 hệ thống hiện đang hoạt động chế bởi các chuỗi bit điện độc lập được phát đi trên @ 1,3 mm có thể nâng cấp bằng cách bổ sung 1 kênh khác cùng một sợi quang sau khi đã được ghép kênh có bước sóng @ 1,5 mm (channel space » 250 nm). bằng kỹ thuật TDM hoặc FDM. Dense WDM: In 1990s, channel space reduced to
I.1 Nguyên lý cơ bản của W DM Hình sau minh họa một tuyến W DM điểmnốiđiểm Khi tốc độ bit đồng đều, dung lượng hệ thống được dung lượng cao. cải thiện với hệ số N. Dung lượng cực đại của các tuyến W DM phụ thuộc vào k hoảng cách cho phép giữa các kênh. Khoảng cách kênh tối thiểu bị giới hạn bởi xuyên âm giữa các kênh. Tiêu biểu, k hoảng cách kênh Dnch 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 c ác băng C và L trong dải bước sóng 15301612 nm) 2/26/2007 Optic Communication S ystems 9 2/26/2007 Optic Communication S ystems 11 Nguyên lý cơ bản của W DM Hai phương án truyền dẫn Giả sử hệ thống thiết bị phía phát có các nguồn phát Có hai phương án cho hệ thống truyền dẫn sử dụng quang làm v iệc ở các bước sóng l1, l2,…, ln. WDM. Các tín hiệu quang được phát ra ở các bước sóng Truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng khác nhau này sẽ được ghép v ào cùng một sợi quang (Hình bên). Þ hệ thống đòi hỏi 2 sợi quang để thực nhờ bộ ghép kênh quang. Bộ ghép này phải có suy hiện truyền thông tin cho chiều đi và chiều về. hao suy hao nhỏ. Truyền dẫn hai hướng. Hệ thống truyền thông tin cho Tín hiệu ghép được phóng vào sợi quang để truyền một hướng tại các bước sóng l1, l2,…, ln và đồng thời tới đầu kia, tại đây bộ giải ghép gửi mỗi kênh tới máy cũng truyền thông tin theo hướng ngược lại tại các thu của riêng nó. bước sóng l’ , l’ ,…, l’ . Þ hệ thống chỉ cần 1 sợi 1 2 n Khi N kênh tại các tốc độ bit B , B , … B được truyền quang cũng đủ để thiết lập tuyến truyền dẫn cho cả 1 2 N đồng thời qua sợi có độ dài L thì tích BL tổng trở chiều đi và chiều về. thành BL=(B +B +…+B )L. 1 2 N 2/26/2007 Optic Communication S ystems 10 2/26/2007 Optic Communication S ystems 12
Hệ thống ghép kênh W DM đơn hướng Các loại ghép W DM (a) và song hướng (b) Dùng cho truyền dẫn đơn hướng Một sợi Ghép (MUX), giải ghép (DEMUX) Dùng cho truyền dẫn hai hướng trên một sợi Ghépgiải ghép hỗn hợp MUXDEMUX (a) Một sợi (b) 2/26/2007 Optic Communication S ystems 13 2/26/2007 Optic Communication S ystems 15 I.1.1 Các tham số cơ bản của thành Các vấn đề đáng quan tâm phần thiết bị W DM – Một số định nghĩa Nhìn chung các laser đơn mode có mức công suất Các tham số cơ bản mô tả đặc tính của các bộ ghép phát ngoài độ rộng phổ kênh đã định rất nhỏ nên v ấn giải ghép hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh v à độ đề xuyên kênh là không đáng lưu tâm ở đầu phát. rộng kênh. Vấn đề quan tâm là bộ ghép kênh cần có suy hao Ký hiệu I(li ) và O(lk) tương ứng là các tín hiệu đã thấp để tín hiệu tới đầu ra của bộ ghép ít bị suy hao. ghép đang có mặt trên sợi quang. Do các bộ tách sóng quang thường nhạy cảm trên Ký hiệu Ik(lk) là tín hiệu đầu vào (phát ra từ nguồn một dải bước sóng rộng nên nó có thu được toàn bộ quang thứ k) được ghép vào cửa thứ k và Oi (li) là tín các bước sóng đi tới. Do vậy, cần phải cách ly tốt hiệu có bước sóng li đã được giải ghép và đi ra cửa giữa các kênh quang. Þ phải có bộ giải ghép chính thứ i. xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định có lc chính xác. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 14 2/26/2007 Optic Communication S ystems 16
Các tham số cơ bản của thành phần Các tham số cơ bản của thành phần thiết bị W DM – Suy hao xen thiết bị W DM – Xuyên kênh Suy hao xen được định nghĩa là lượng công suất tổn Mô tả lượng tín hiệu từ kênh này bị rò sang kênh hao sinh ra trên tuyến truyền dẫn quang do tuyến có khác. thêm các thiết bị ghép bước sóng quang WDM. Các mức xuyên kênh cho phép nằm trong một dải rất Suy hao này gồm: rộng tùy thuộc v ào trường hợp áp dụng. Nhưng nhìn chung phải đảm bảo
Các tham số cơ bản của thành phần Xuyên kênh (tiếp …) thiết bị W DM – Độ rộng kênh Độ rộng kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh Đối với thiết bị ghépgiải ghép hỗn hợp, việc xác định suy được định ra cho từng nguồn phát quang riêng. hao suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng như bộ giải ghép. Trong trường hợp này phải xem xét cả hai loại Nếu nguồn phát quang là laser diode thì các độ rộng xuyên kênh. kênh được yêu cầu vào khoảng v ài chục nm để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định Xuyên kênh đầu xa của các nguồn phát gây ra. Chẳng hạn như khi nhiệt ví dụ: I(lk ) sinh ra U (lk ) i độ làm v iệc thay đổi dẫn tới trôi bước sóng đỉnh. Xuyên kênh đầu gần ví dụ: I (lj) sinh ra Đối với nguồn quang là LED, độ rông kênh yêu cầu j U (lj) phải lớn hơn từ 1020 lần vì độ rộng phổ của loại i nguồn phát này rộng hơn. Þ độ rộng kênh phải đảm bảo đủ lớn để tránh nhiễu Thực tế, nhà chế tạo cũng cho ta biết suy hao xuyên kênh giữa các kênh và được x ác định theo loại nguồn phát. của thiết bị. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 21 2/26/2007 Optic Communication S ystems 23 I.1.2. Công nghệ thành phần thiết bị Nguyên nhân gây ra xuyên kênh W DM 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. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 22 2/26/2007 Optic Communication S ystems 24
Các công nghệ W DM vi quang Các thiết bị WDM vi quang được chế tạo dựa trên hai Thành phần thiết bị (phần tử) g hép bước sóng quang phương pháp công nghệ khác nhau: rất đa dạng v à có thể phân loại như sơ đồ trên. các thiết bị có bộ lọc, và Trong phân loại này ta quan tâm tới c ác phần tử thụ các thiết bị phân tán góc động do nó được sử dụng phổ biến trong các hệ Thiết bị W DM sử dụng bộ lọc quang được sử dụng thống. nhiều nhất và cấu trúc của nó cũng khá phức tạp. Các bộ giải ghép (hay bộ ghép) được chia ra làm hai Thiết bị lọc quang cho W DM thường là bộ lọc điện loại chính theo công nghệ chế tạo là: môi làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một Công nghệ W DM vi quang. dải phổ nào đó và cho dải phổ còn lại đi qua. Tức là Công nghệ W DM ghép 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) 2/26/2007 Optic Communication S ystems 25 2/26/2007 Optic Communication S ystems 27 Nguyên lý hoạt động của phần tử W DM Công nghệ WDM vi quang/ ghép sợi với cấu trúc sử dụng lọc điện môi. Công nghệ WDM vi quang: Việc tách/ghép kênh Để tạo ra được thiết bị hoàn chỉnh, người ta phải tạo dựa trên cơ sở lắp ráp các thành phần vi quang. Các ra cấu trúc lọc theo tầng (hình dưới) thiết bị này được thiết kế chủ yếu sử dụng cho các l1 , …,ln tuyến thông tin quang dùng sợi đa mode. Chúng có những hạn chế đối v ới sợi quang đơn mode. l1 ,l n … l2 l 2, Công nghệ WDM ghép sợi: dựa v ào v iệc ghép giữa các trường lan truyền trong các lõi sợi kề nhau. Kỹ l3 thuật này phù hợp với các tuyến sử dụng sợi đơn ,l n … l 4, l4 mode. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 26 2/26/2007 Optic Communication S ystems 28
Điển hình, các màng mỏng này thường được làm từ SiO Phần tử cơ bản của thiết bị W DM có bộ lọc là bộ lọc 2 (RI 1.46 – thấp) and TiO (RI 2.3 cao) mặc dù các vật điện môi giao thoa, có cấu trúc nhiều lớp gồm các 2 liệu khác đôi khi được sử dụng. màng mỏng có chỉ số khúc xạ cao v à thấp đặt xen kẽ. Bằng cách lựa chọn cẩn thận vật liệu và số lớp màng Hầu hết các bộ lọc giao thoa làm việc dựa trên nguyên mỏng, ta có thể tạo ra gương có hệ số phản xạ bất kỳ. lý buồng cộng hưởng FabryPerot, gồm hai gương Ngoài ra, độ dài “gap” trong hình trên có thể được nối phản xạ đặt song song cách nhau bởi một lớp điện môi chuỗi. Nh ờ vậy, ta có thể kiểm soát rất chính xác băng trong suốt. Khi chùm sáng đi vào thiết bị, các hiện thông và dạng đáp ứng của bộ lọc. tượng giao thoa sẽ xảy ra. Nếu khoảng cách gương là nl/2 (l: bước sóng của ánh sáng tới) thì giao thoa xảy ra v à bước sóng đó sẽ được thông suốt nhất. Các bước sóng khác hầu như bị phản xạ hoàn toàn. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 29 2/26/2007 Optic Communication S ystems 31 Bộ lọc FabryPerot điện môi Theo đặc tính phổ thì có thể phân các bộ lọc giao thoa Trong các bộ lọc của thiết bị W DM, các gương gồm thành hai họ: nhiều lớp vật liệu có RI khác nhau (gọi là màng Các bộ lọc cắt chuẩn, được đặc trưng bởi bước sóng cắt lc mỏng) đặt xen kẽ. và có đáp ứng phổ thông thấp hoặc cao như sau Các bộ lọc băng thông, được đặc trưng bởi bước sóng trung tâm lc và độ rộng băng tần FW HM= Dl. Các màng mỏng có bề dày bằng 1/4 bước sóng max. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 30 2/26/2007 Optic Communication S ystems 32
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 v ùng cửa sổ 850nm v à 1350 nm, hoặc 1300nm và 1550 nm. Các phần tử này sử dụng khá hiệu quả THIẾT BỊ PHÂN TÁN GÓC 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 W DM, 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. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 33 2/26/2007 Optic Communication S ystems 35 Một bộ ghép/giải ghép vi quang trên thực Thấu kính và lăng kính tế Thấu kính và lăng k ính 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. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 34 2/26/2007 Optic Communication S ystems 36
Quarter and halfpitch lenses Thấu kính GRIN (Graded Index lenses) Thấu kính Quarterpitch hội tụ ánh sáng chuẩn trực v ào Các thấu kính GRIN là những đoạn thủy tinh hình trụ một điểm duy nhất. Tính chất này mang tính thuận nghịch, có chỉ số khúc xạ gradient. Về lý tưởng, chiết suất tức là một nguồn điểm (chẳng hạn như cuối sợi) có thể giảm theo bình phương khoảng cách từ trục của thấu được chuyển đổi thành một chùm ánh sáng trực chuẩn. kính. Về khía cạnh này chúng rất tương đồng với sợi Một thấu kính halfpitch nhận một nguồn điểm và hội tụ nó quang chiết suất gradient. Nhưng chúng thường là vào một điểm khác. khá dày (12 mm). Chúng được chế tạo từ cùng công Tính chất hữu ích nhất của chúng: điểm hội tụ của thấu nghệ được sử dụng để làm sợi GI. kính nằm trên bề mặt v à 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. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 37 2/26/2007 Optic Communication S ystems 39 GRIN Lenses Nguyên lý hoạt động Cách tử nhiễu xạ Thấu k ính thông thường làm việc theo nguyên lý Một cách tử nhiễu xạ là một thiết bị phản xạ hoặc khúc xạ tại bề mặt cong của thấu k ính. khúc xạ ánh sáng một góc tương ứng với bước GRIN Lenses hoạt động nhờ khúc xạ nội k hi ánh sóng. Chẳng hạn, nếu ánh sáng mặt trời chiếu vào sáng đi qua vật liệu có chiết suất biến đổi. Độ dài của một cách tử nhiễu xạ (ở một góc đúng) thì ánh sáng thấu kính này rõ ràng phụ thuộc v ào bước sóng sử sẽ bị phân tách thành các màu thành phần của nó để dụng và khá nghiêm ngặt (điển hình dao động giữa hình thành nên cầu v ồng. Chức năng này (nhiễu xạ) 37 mm). giống như chức năng của một lăng kính. Thiết bị này GRIN lenses được dùng rộng rãi trong các bộ ghép, thực hiện chuyển đổi Fourier và tách một dạng sóng bộ tách và thiết bị WDM. trong miền thời gian thành một số dạng sóng trong Các thấu k ính Quarterpitch và halfpitch được minh miền tần số. họa trên hình trên. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 38 2/26/2007 Optic Communication S ystems 40
Cách tử nhiễu xạ phẳng Trong thông tin quang chúng được sử dụng để tách Các cách tử làm v iệc theo hai phương thức là truyền và /hoặc kết hợp các tín hiệu quang trong các hệ (ở đó ánh sáng đi qua vật liệu có cách tử được k hắc thống W DM và làm các bộ phản xạ trong các laser lên bề mặt của nó) và phản xạ. DBR hốc cộng hưởng ngoài. Trong thông tin quang chỉ có cách tử phản xạ được Phương trình sử dụng rộng rãi, do đó ở đây ta sẽ chỉ hạn chế mô tả cách tử cơ bản thiết bị này. (đây là các cách tử phẳngcách tử Bragg được sử dụng rộng rãi nhưng chúng khác nhau.) ml = gs sin q + sin fm ) ( Một cách tử nhiễu xạ phản xạ gồm một loạt các gs= khoảng cách rãnh đường song song hay khía chữ V đặt rất gần nhau m= bậc của tia khúc xạ được chế tạo trên một bề mặt gương của vật liệu số nguyên thuần nhất. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 41 2/26/2007 Optic Communication S ystems 43 Cách tử nhiễu xạ phẳng (tiếp) Hoạt động của cách tử phản xạ Các cách tử phản xạ (điển hình được khắc như là l= bước sóng của tia tới trong không gian tự do. các vết xước trên một bề mặt thủy tinh) không được q= góc tới (so v ới đường pháp tuyến) sử dụng trong thông tin quang và không được thảo fm = góc khúc xạ (so với đường pháp tuyến). luận ở đây. Hoạt động: Một tia tới (hợp 1 góc q với pháp tuyến) Một cách tử có thể được hình thành trong hầu hết được chiếu vào cách tử. Số tia phản xạ và khúc xạ mọi vật liệu ở đó ta làm biến đổi đặc tính quang (như được tạo ra theo các bậc khác nhau (giá trị của m=0, chỉ số khúc xạ) theo một cách có qui tắc với chu kỳ 1, 2, 3 …). Khi m=0 ta nhận được phản xạ thông gần bằng bước sóng (thực tế chu k ỳ cách tử có thể thường sin q=sin f0 chính xác giống bất kỳ gương lên tới vài trăm lần độ dài bước sóng). Các cách tử nào. Khi m=1 ta nhận được một tia tạo ra theo một phản xạ là những bộ lọc lựa chọn bước sóng. góc khác. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 42 2/26/2007 Optic Communication S ystems 44
Lựa chọn bước sóng Điều xảy ra là những phần của tia (chùm) được phản Có nhiều cách sử dụng cách tử để giải ghép (hoặc ghép) xạ từ những rãnh khác trong cách tử. Các hiệu ứng một số bước sóng khác nhau. Nhiều bước sóng khác giao thoa ngăn ngừa những phản xạ không đồng pha nhau trên một sợi được tách (hoặc ghép) vào (hoặc từ) với nhau khi lan truyền. Vì vậy ta nhận được các tia các sợi khác. Hình sau cho thấy cấu hình Littrow cho bộ tổng dưới một loạt các góc tương ứng với các điểm ghép dùng cách tử. 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 v à 1 được tạo ra bằng cách làm cho khoảng cách rãnh nhỏ hơn bước sóng. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 45 2/26/2007 Optic Communication S ystems 47 Hình dạng của rãnh cách tử Structural description Dạng của rãnh không có ảnh hưởng lên các góc mà các Cấu hình này sử dụng duy nhất một thấu k ính (chứ bước sóng khác nhau bị nhiễu xạ. Tuy nhiên, dạng mặt cắt không phải là 2 trong các cấu hình khác). rãnh quyết định cường độ tương đối của các bậc nhiễu xạ Cần phải sử dụng thấu kính để hội tụ ánh sáng v ào được tạo ra. các đầu sợi thích hợp. Þ các thấu kính thường, các Ta luôn muốn truyền càng nhiều công suất càng tốt vào gương lõm và thấu kính GRIN đã được đề xuất. Bên chùm khúc xạ bậc một. Trong số 3 dạng mặt cắt sau, thì cạnh đó, các cách tử có thể được k hắc trên bề mặt (b) là loại phổ biến nhất vì nó cho phép một tỷ lệ công suất của gương lõm. rất cao được truyền vào mode bậc một. Tuy nhiên hiệu Trong trường hợp trên, thấu k ính GRIN được sử suất hoạt động cao bị hạn chế trong một dải bước sóng 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 k ính GRIN. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 46 2/26/2007 Optic Communication S ystems 48
Practical Devices Cách tử Bragg trong sợi (FBG) Các thiết bị thực tế thường sử dụng một lăng kính giữa Sự phát minh ra cách tử Bragg trong sợi được xếp cách tử và thấu kính GRIN với cách tử được gắn v ào một ngang với phát minh ra laser trong lĩnh v ực thông tin mặt của lăng kính (hình dưới) 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. 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 2/26/2007 Optic Communication S ystems 49 2/26/2007 Optic Communication S ystems 51 FBGs Practical devices using concave mirror. ánh sáng từ các đầu sợi vào cách tử Littrow. Một cách tử sợi Bragg chỉ là một mẩu sợi đơn mode thông thường dài vài cm. Cách tử được chế tạo từ Do yêu cầu v ề độ chính xác cao trong chế tạo nên các việc biến đổi chỉ số khúc xạ của lõi dọc theo chiều dài thiết bị này khá đắt. Tuy nhiên các sản phẩm thương mại có các đặc tính nổi bật dùng cho các hệ thống W DM. Các của sợi. Ánh sáng có bước sóng nhất định lan truyền thiết bị lên tới 132 kênh (bước sóng) có mặt trên thị dọc sợi bị phản xạ ngược từ cách tử theo hướng mà trường. nó tới. Các bước sóng k hông 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 v iệc! 2/26/2007 Optic Communication S ystems 50 2/26/2007 Optic Communication S ystems 52
InFiber Grating Filter Cách tử gồm những biến đổi thông thường về chỉ số FBG trên gần như một bộ lọc hoàn hảo. Một FBG lấy khúc xạ của lõi dọc theo chiều dài sợi. Ta không cần đi bước sóng nào đó từ một luồng ánh sáng nhiều sự biến đổi lớn về chỉ số khúc xạ để tạo ra một cách bước sóng hỗn hợp bằng cách phản xạ nó trở về tử tốt, mạnh. Thực ra, sự khác biệt 0.0001 về chỉ số hướng nguồn của nó. Để tận dụng FBG làm một bộ khúc xạ là quá đủ để tạo ra hiệu ứng mong muốn. lọc phát ta cần một bộ Circulator như chỉ ra dưới đây. Bước sóng trung tâm của dải phản xạ (với cách tử bậc 1) được cho bởi: l = 2n f L ef l= bước sóng trung tâm của dải phản xạ N ff = chỉ số khúc xạ trung bình của vật liệu e L= chu kỳ vật lý của cách tử sợi 2/26/2007 Optic Communication S ystems 53 2/26/2007 Optic Communication S ystems 55 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 CÁC CÔNG NGHỆ WDM GHÉP SỢI công suất được ghép từ hướng đi sáng hướng v ề. Ánh sáng có các bước sóng khác gặp phải giao thoa từ các phản xạ lệch pha nên không thể truyền tiếp. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 54 2/26/2007 Optic Communication S ystems 56
Bộ ghép định hướng quang Các loại cấu trúc của bộ ghép Như đã đề cập ở trên, các thành phần vi quang được Hai loại cấu trúc là: sử dụng rộng rãi cho các loại sợi đa mode nhưng lại Bộ ghép xoắn nóng chảy, có hai sợi được xoắn vào nhau không được dùng cho sợi đơn mode vì kích thước, 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 khó lắp ráp, quá trình xử lý chùm sáng phải qua các hai sợi đơn mode tiếp xúc trực tiếp, đốt nóng đoạn này và giai đoạn như phản xạ, chuẩn trực, hội tu vv… từ đó dùng lực k éo hai đầu sợi. Sợi bị kéo trở nên mảnh hơn Þ dẫn đến quang sai v à các vấn đề trễ khác và suy hao hai sợi được gắn vào nhau và hình thành nên bộ ghép. tín hiệu quá lớn trong thiết bị. Bộ ghép dựa trên việc mài bóng các sợi; cả hai sợi được Các bộ ghép định hướng sợi đã được nghiên cứu gữa trong rãnh chữ V cong và được mài bóng cho tới khi chế tạo, dùng để chia quang và kết hợp quang. các lõi sợi của chúng gần như lộ ra. Sau đó tiến hành cho Chúng thường là các thiết bị bốn cửa, hoạt động dựa chúng tiếp xúc với nhau để tạo ra bộ ghép. vào việc ghép hai trường ánh sáng phía ngoài lõi. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 57 2/26/2007 Optic Communication S ystems 59 Nguyên lý hoạt động của bộ ghép định hướng quang Dựa v ào việc ghép hai trường ánh sáng ngoài lõi. Các bộ coupler này có tính lựa chọn bước sóng vì vậy nếu thiết k ế 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 c ó 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 v à bước sóng ánh sáng. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 58 2/26/2007 Optic Communication S ystems 60
Bộ ghép nhiều kênh Bộ giao thoa MachZehnder (MZ) Các bộ giải ghép dùng bộ giao thoa MZ (hình dưới) gây Các bộ ghép sợi chỉ có thể hoạt động đồng thời với được sự chú ý nhất. Một bộ giao thoa MZ nhìn chung là hai bước sóng, nếu số kênh nhiều hơn 2 thì phải xử sự nối chuỗi các MZ, nhưng đơn giản có thể được cấu lý bằng cấu hình rẽ nhánh. Ví dụ về thiết bị ghép trúc bằng việc nối 2 đầu ra của 1 bộ ghép 3dB vào 2 đầu WDM 4 bước sóng được cho dưới đây. 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. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 61 2/26/2007 Optic Communication S ystems 63 Các thiết bị ghép/giải ghép trong hệ Bộ ghép tích hợp 4 kênh sử dụng các bộ thống W DM giao thoa MZ Có thể dùng kết hợp vài bộ giao thoa MZ để tạo ra bộ Các thiết bị ghép và giải ghép kênh trong hệ thống ghép/giải ghép W DM (hình dưới) WDM có cấu trúc dựa trên các thành phần thiết bị cơ bản như đã mô tả trong phần trước. Các thiết bị này 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 có thể được cấu trúc từ các bộ lọc quang hay cách chỉ xuất hiện ở một cửa ra. tử nhiễu xạ. Bộ giải ghép sử dụng các bộ lọc giao thoa cũng được xem xét. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 62 2/26/2007 Optic Communication S ystems 64
Thiết bị ghép/lọc xen rẽ Bộ lọc xen/rẽ Các bộ ghép xen/rẽ rất cần thiết cho các mạng W DM Nếu như một kênh nào đó có nhu cầu tách ra và trong đó một hay nhiều kênh cần được tách ra hoặc không đòi hỏi sự điều khiển riêng cho từng kênh thì xen vào trong khi v ẫn bảo toàn tính nguyên vẹn của ta có thể dùng một thiết bị nhiều cổng để cho kênh các kênh khác. này ra một cổng, các kênh còn lại ra một cổng khác Þ tránh được sự cần thiết phải tách tất cả các kênh. Một thiết bị WDM như vậy giống như một cặp tách/ghép kênh hỗn hợp vì qui trình hoạt động của Bộ lọc xen/rẽ cấu trúc đơn giản nhất là sử dụng nó đòi hỏi việc giải ghép tín hiệu W DM đầu v ào, chuỗi các bộ ghép định hướng tạo thành chuỗi các chuyển đổi nội dung dữ liệu của một hay nhiều k ênh MZ. Sơ đồ của bộ lọc xen/rẽ được mô tả trên hình bước sóng rồi sau đó ghép chúng lại. sau. Sơ đồ khối của một bộ ghép xen/rẽ sử dụng chuyển mạch quang OS được cho ở hình bên. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 65 2/26/2007 Optic Communication S ystems 67 Bộ ghép xen/rẽ sử dụng chuyển mạch Bộ lọc xen/rẽ bằng bộ giao thoa MZ quang OS Bất kỳ 1 bộ tách đã đề cập trước đây đều có thể Hoạt động: Một kênh có bước sóng lg rơi v ào trong dùng để tạo các bộ ghép kênh xen/rẽ. Thậm chí ta giới hạn của cách tử Bragg bị phản xạ toàn phần và còn có thể khuếch đại tín hiệu v à cân bằng công suất xuất hiện tại cổng 2. Các kênh còn lại không bị phản kênh tại bộ ghép kênh xen/rẽ vì mỗi kênh có thể xạ xuất hiện tại cổng 4. được k iểm soát riêng rẽ. Ta có thể chèn vào 1 kênh bước sóng lg này v ào qua cổng 3. Bộ giải ghép Bộ ghép 2/26/2007 Optic Communication S ystems 66 2/26/2007 Optic Communication S ystems 68
Bộ ghép sao truyền dẫn sử dụng Bộ ghép sao quảng bá (star coupler) phương pháp kéo nóng chảy. Vai trò của bộ ghép sao là kết hợp các tín hiệu quang Kỹ thuật này làm nóng chảy một số lượng các sợi và tới từ các cổng vào của nó và chia đều tới các cổng ra. kéo dài phần nóng chảy thành dạng cấu trúc thắt làm hai phần. Tín hiệu từ mỗi sợi được ghép lại với nhau Trái với bộ giải ghép, bộ ghép quảng bá không gồm và chia đều tới các cổng ra. các phần tử lựa chọn bước sóng vì chúng không cần tách các kênh riêng biệt. Cấu trúc này hoạt động tốt với sợi đa mode. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 69 2/26/2007 Optic Communication S ystems 71 Các bộ định tuyến bước sóng. Bộ định tuyến bước sóng NxN là một thành phần W DM quan Số lượng các kênh vào v à ra không cần phải giống trọng. Nó kết hợp chức năng của một bộ ghép sao với các nhau. Chẳng hạn như trong tr ường hợp truyền hình hoạt động ghép/tách kênh. quảng bá, một số kênh được đưa tới hàng triệu thuê Các tín hiệu W DM tới từ N cổng vào được giải ghép vào các bao. kênh riêng và chuyển tới N cổng ra của bộ router theo cách Tuy nhiên, với mạng LAN thì số kênh đầu vào và số sao cho tín hiệu W DM tại mỗi cổng gồm các kênh từ các đầu kênh ra là bằng nhau vì mỗi user mong muốn nhận vào khác nhau. Hoạt động này dẫn tới một dạng tách kênh được tất cả các kênh. tuần hoàn. Nó là m ột bộ định tuyến thụ động vì không chứa các phần tử Cấu trúc hình sao phản xạ đôi khi được dùng cho tích cực và được gọi là bộ định tuyến tĩnh vì không thể cấu các mạng LAN nhằm tiết kiệm sợi quang. hình lại. Mặc dù bản chất tĩnh, nó có nhiều ứng dụng trong mạng W DM 2/26/2007 Optic Communication S ystems 70 2/26/2007 Optic Communication S ystems 72
Thiết bị nối chéo quang sử dụng chuyển Bộ định tuyến bước sóng mạch phân chia không gian. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 73 2/26/2007 Optic Communication S ystems 75 Đấu nối chéo quang OXC Bộ chuyển đổi bước sóng Sự phát triển các mạng W DM 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. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 74 2/26/2007 Optic Communication S ystems 76
Bộ chuyển đổi bước sóng điều chế pha I.1 Sparse W DM 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) 2/26/2007 Optic Communication S ystems 77 2/26/2007 Optic Communication S ystems 79 Sparse W DM (tiếp …) Có nhiều biến thái quanh sparse W DM, 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 v ới tốc độ dữ liệu rất thấp. Các ứng dụng thông thường là truyền video cho giám sát an ninh v à điều khiển quá trình trong các nhà máy. 2/26/2007 Optic Communication S ystems 78 2/26/2007 Optic Communication S ystems 80