Đồ án Công nghệ WDM và ứng dụng

ư răng cưa), được khắc bằng dụng cụ kim cương, trên bề mặt của các rãnh này được phủ một lớp phản xạ, số lượng rãnh 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 hướng nhất định tuỳ thuộc vào bước sóng của ánh sáng đó. Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng cách rãnh (gọi là bước cách tử) và góc tới. Cũng giống như lăng kính, ánh sáng không đơn sắc ở đầu vào, sau khi qua cách tử sẽ được 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 bước sóng) bằng cách tử, nguồn sáng tới gồm nhiều bước sóng từ sợi quang sẽ được tách ra thành các tia đơn sắc tương ứng với các bước sóng được truyền trên sợi theo các góc khác nhau. Ngược lại khi ghép kênh, một số kênh bước sóng l1, l2,....., ln đến từ các hướng khác nhau có thể được kết hợp thành một hướng và được đưa 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 cưa như hình 1.15: Trong đó: N - đường vuông góc với mặt đáy của cách tử M - đường vuông góc với cạnh của rãnh a - góc tới của tia sáng với N a’ - góc nhiễu xạ với N i - góc tới của tia sáng với M i’ - góc nhiễu xạ với M d - chu kì cách tử f - 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 đường đi hai tia sáng thoả mãn điều kiện sau: D0 = d(sina + sina’) = kl (2.2) Với: k - số nguyên l - bước 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 trường bên ngoài cách tử là n thì (2.1) có dạng: nd(sina + sina’) = kl (2.3) Cũng từ hình 1.15 ta có: i = f - a i’ = a’ - f Theo quy tắc phản xạ thì góc tới bằng góc phản xạ, nghĩa là i = i’, rút ra: f = (a + a’)/2 (2.4) Công thức (2.1) có thể viết dưới dạng: (2.5) Hay (2.5’) Đối với cách tử phản xạ thì f được tính theo điều kiện của Littrow (khi a=a’). Theo điều kiện này tìm được l ứng với tán xạ bậc 1 là: l1 = 2dsinf (2.6) Khi a a’ l1 = 2dsinfcos (2.7) Theo điều kiện Littrow và ứng với bậc 2 của tán xạ có: l2 = 2dsinf (2.8) ln = sinf (2.9) Biên độ trường nhiễu xạ mặt bên của rãnh cách tử được xác định theo biểu thức: A = (2.10) Khi l = ln thì cường độ nhiễu xạ cực đại và bằng: (2.11) Phân bố phổ của nhiễu xạ được xác định theo biểu thức: (2.12) Từ biểu thức trên, xây dựng đường cong phân bố phổ của năng lượng nhiễu xạ bậc một như hình 1.16 a). Trong trường hợp d nhỏ hơn bước sóng thì phân bố phổ của năng lượng nhiễu xạ phụ thuộc vào f và có dạng như hình 1.16 b). 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 được đặt tại tiêu cự của một thấu kính tròn, phần tử tán sắc góc grating được 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 được 10 kênh). 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. Trên hình 2.19, đầu mảng các sợi quang được đặt trước một khe đã được quang khắc trên mặt cách tử phản xạ phẳng đặt vuông góc với các rãnh cách tử. Gương cầu lõm có tác dụng làm thay đổi hướng của bất kì một tia đa bước 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 gương, phản xạ một lần nữa, tạo ảnh trên vùng mảng sợi quang tuỳ thuộc vào giá trị từng bước 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 gương parabol thì quang sai rất nhỏ, gần bằng 0. Số lượng các kênh có thể ghép trong thiết bị phụ thuộc nhiều vào phổ của nguồn quang: từ năm 1993, đã có thể ghép được 6 kênh (đối với nguồn LED), 22 kênh (đối với nguồn Laser); nếu sử dụng kỹ thuật cắt phổ của nguồn phát LED để nâng cao số kênh ghép thì có thể ghép tới 49 kênh. Đối với nguồn đơn sắc, suy hao xen của thiết bị ghép rất nhỏ (< 2 dB), và có thể đạt đến 0,5 dB cho thiết bị đơn mode vùng bước sóng 1540 nm đến 1560 nm. d. Cách tử hình lòng chảo. Cách tử hình lòng chảo được sử dụng để phản xạ ánh sáng, vì vậy góc nghiêng của rãnh cách tử được tính toán giống như cách tử phản xạ phẳng. Theo thuyết vô hướng thì góc nghiêng của rãnh phải thay đổi liên tục để duy trì đường phân giác của góc hợp bởi tia tới và tia phản xạ ABC luôn vuông góc với bề mặt của răng cưa. Một ứng dụng của cách tử hình lòng chảo như chỉ ra trên hình 2.21, thiết bị loại này có vẻ như 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 nhược diểm là quang sai không ổn định trong giải phổ rộng. Tóm lại thiết bị WDM dùng cách tử như phần tử tán sắc góc để tách/ghép bước sóng thường sử dụng theo cách như chỉ ra trên các hình 2.17 đến 2.21; trong hình 2.19 nếu thay gương lòng chảo bằng gương parabol thì có thể hiệu chỉnh quang sai. e. Cách tử Bragg. Cách tử Bragg là cách tử được chế tạo ngay bên trong sợi quang. Cách tử sợi Bragg thông thường trước đây khó sản xuất được với độ dài sợi quá 15 cm do hạn chế về chiều dài sợi cách tử đối với bán kính chùm tia laser hoặc do chiều dài của mặt nạ phase. Hiện nay công nghệ chế tạo hiện đại đã cho phép thay đổi các thông số như độ dài cách tử, chiết suất có thể được điều biến theo yêu cầu, tạo nên cách tử sợi dạng nhiều bậc như bước ren; nhờ đó một số lớn các bộ lọc được tạo ra với các thông số khá hoàn thiện. Ứng dụng của cách tử sợi Bragg trong module xen/rẽ bước sóng như sau: điều chỉnh bước sóng xen/rẽ dùng cách tử sợi Bragg mang lại nhiều ưu 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 được khoảng cách kênh bước sóng là 50 GHz, đó là một tính năng hoàn toàn thuyết phục. Có hai phương pháp điều khiển bước 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 được tốc độ điều chỉnh cao hơn. Ứng dụng cách tử sợi Bragg trong bù tán sắc: phổ của xung quang chứa nhiều thành phần bước sóng khác nhau, khi truyền xung dọc sợi quang, thành phần bước sóng ngắn sẽ đi nhanh hơn thành phần bước 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. Trước đây đã có nhiều giải pháp bù tán sắc, như sử dụng sợi bù tán sắc DCF, nhưng cách này thực ra còn nhiều nhược điểm như: gây suy hao lớn, gây ra các hiệu ứng phi tuyến khác... Gần đây, cách tử bù tán sắc đã được xem là giải pháp có nhiều hứa hẹn. Bước cách tử trong cách tử bù tán sắc được dịch đi để phản xạ các bước sóng chậm (bước sóng dài) trước khi các thành phần bước sóng nhanh (bước 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 trước khi được truyền đi tiếp hoặc được xử lý. Nếu sợi cách tử càng dài, mức bù tán sắc càng lớn và phổ thiết bị có thể làm việc càng được mở rộng. Nếu quá trình chế tạo sợi không tốt, sẽ gây hiện tượng nhấp nhô (ripple) đối với trễ nhóm tín hiệu quang, do đó có thể làm sai khác đi việc bù tán sắc của thiết bị. Suy hao của module bù tán sắc kiểu này gây ra bởi: suy hao cố định của circulator và 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 bước sóng làm việc khoảng 0,3 dB/nm. Thực nghiệm cho thấy ưu thế của module bù tán sắc dùng cáh tử sợi Bragg so với bù tán sắc dùng sợi DCF được chỉ ra như trong bảng dưới 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 thường suy hao cực đại 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 ưu thế như vậy, thiết bị bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg đã được 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 như 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 được 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 trường hợp hai lõi sợi quang đơn mode, có kích thước và đặc tính quang như 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 được xác định theo biểu thức (2.13). A = (2.13) Trong đó: A - bán kính lõi d - khoảng cách giữa 2 tần số n1 - hệ số chiết suất của lõi n2 - hệ số chiết suất của vỏ K1 - hàm Bessel bậc nhất loại hai b - thành phần dọc của véc tơ truyền lan mode, gọi là hằng số truyền lan. d = 1 - n2/n1 - hệ số chiết suất tương đối V = (2pa/l)(n12 - n22)1/2 - tần số chuẩn hoá U = a[(2pn1/l)2 - b2]1/2 - hằng số truyền lan ngang trong lõi sợi W = a[b2 - (2pn2/l)2]1/2 - độ suy biến tốc độ của trường 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 bước sóng (thông qua V, U, W). Nếu bước 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 (l giảm), vì khi đó sự phân bố trường mode có xu hướng dãn rộng tới vùng vỏ. Công suất ghép giữa hai sợi có dạng sin2(A0L) và công suất lan truyền là cos2(A0L); trong đó L là độ dài đoạn ghép; A0 là hệ số ghép. Trong thực tế ghép theo độ dài z biến đổi, nên công suất ghép sẽ là: sin2òA(z)dz và công suất lan truyền là cos2òA(z)dz. Các thiết bị WDM ghép sợi có thể có hai dạng như 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 sợi được lắp vào một thấu kính đã đục cong sẵn, có đường kính cong thường bằng 25 cm, cho nên dạng này còn gọi là bộ ghép khối. Còn trong kỹ thuật xoắn nóng chảy, hai lõi sợi được xoắn vào nhau và được nung nóng chảy thành một lõi chung. Khi hai sợi ghép là như nhau thì hiệu suất ghép là tuần hoàn của bước sóng, khoảng cách kênh cực tiểu giữa hai bước sóng được phân tích là: Dl = (2.14) Trong đó: d(A0L)/ dl là đạo hàm của hệ số ghép theo bước 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 Dl: Dl = (2.15) Trong đó: db1/dl và db2/dl là các đạo hàm của b theo mode của mỗi sợi. Các bước sóng tương ứng với sự đồng nhất các hàm số lan truyền của hai đường dây này là các bước sóng mà ở đó sự truyền năng lượng được đổi chỗ từ sợi này sang sợi kia. Băng thông của bộ ghép sợi nóng chảy có dạng gần như hình sin làm hạn chế việc lựa chọn nguồn phát. Rõ ràng rằng các LED không thể được sử dụng vì phổ của nó rộng. Như vậy chỉ có các diode laser có độ rộng phổ hẹp được sử dụng nếu tránh được suy hao xen và xuyên kênh lớn. Trong cấu trúc nóng chảy, đoạn ghép được kéo dài cho đến khi giá trị ghép theo yêu cầu đạt được ở những bước sóng đã định. Ví dụ ghép nóng chảy 1300/1550nm có độ dài ghép 20 nm, suy hao xen nhỏ khoảng 0,04 dB. Đường cong truyền dẫn của thiết bị này như trên hình 2.25. Khi cần ghép nhiều hơn hai bước 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 bước sóng: l1 = 1320nm, l2 = 1280nm, l3 = 1240nm và l4 = 1200nm. Ưu điểm chính của ghép đơn mode theo phương pháp mài bóng so với phương pháp ghép nóng chảy là có thể điều hưởng được bằng cách dịch chuyển vị trí tương đối của hai sợi với nhau. Ghép theo phương pháp nóng chảy thì giá thành hạ. Có thể kết hợp cả hai phương pháp để đạt được hiệu quả tối ưu. 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, thường thích hợp với các bộ grating vi quang. III. MỘT SỐ KỸ THUẬT KHÁC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG GHÉP WDM. III.1. Bộ ghép bước sóng dùng công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT. III.1.1. Nguyên lý chung. Chức năng ghép hoặc ghép bước sóng của một hệ thống quang hai hoặc ba chiều, thường 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 được 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 bước sóng, sợi quang truyền dẫn được 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 bước sóng khi sử dụng cách tử và các thấu kính hội tụ. Như vậy, những dụng cụ trên tạo nên mối quan hệ giữa chủ thể và trường ảnh. Nếu vị trí của sợi quang trong các trường khác nhau được điều khiển thích hợp thì một số coupler hoặc một số bộ ghép được thực hiện ngay trên một phần tử. Những thiết bị này được gọi là những phần tử công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT. Trong một phần tử SOFT, một bộ tách quang học được sử dụng gồm một dãy P sợi quang chia thành từng tập con có n+1 sợi quang. Chẳng hạn, một dãy p = 21 sợi quang, các dụng cụ quang như nhau tách tín hiệu quang từ một sợi quang đầu vào thành n = 2 sợi quang đầu ra thì sẽ có P/n+1 = 7 tập con (nghĩa là có 7 coupler quang giống nhau trên cùng một phần tử). Nguyên lý này đặc biệt thích hợp để tiết kiệm chi phí cho các mạng có một số coupler hoặc một số bộ tách/ghép bước sóng đặt ở cùng một địa điểm. Thí dụ trong một trung tâm, trong trạm đầu cuối xa, hoặc điểm rẽ nhánh của mạng thông tin video. Trên một thiết bị, mỗi tập các sợi quang đầu vào và đầu ra khác nhau có thể thích ứng với một tập hợp các bước sóng khác nhau, nghĩa là các bộ ghép không nhất thiết phải như nhau. Điều này đặc biệt quan trọng khi thiết kế máy đo quang phổ nhiều kênh hoặc bộ ghép bước sóng. III.1.2. Bộ ghép nhân kênh dùng cách tử. Hình 2.28 là bộ ghép dùng cách tử nhiễu xạ phẳng (R), thấu kính hội tụ (O) và dãy sợi đơn mode đặt trên mặt phẳng tiêu F. Sợi quang được đánh số thứ tự từ 1 đến P, i là sợi quang đầu vào và j là sợi quang đầu ra, nếu li j là bước sóng truyền trong môi trường giữa mặt phẳng tiêu và cách tử thì viết được: d(sinai + sinaj) = li j (2.16) d - chu kỳ cách tử. Nếu sợi quang trên mặt phẳng tiêu F sắp xếp sao cho sinai+1 = sinai + u, với u là hằng số, ta được: Sinaj = sinai + (j - i)u (2.17) Và d[2sinai + (j - i)u]] = li j (2.18) Có thể tìm được li j đối xứng qua đường chéo i = j và các bước sóng tương ứng với đường chéo i + j = const là như nhau. III.1.3. Thiết kế bộ ghép n bước sóng. Về mặt lý thuyết, một bộ tách hoặc một bộ ghép có thể tách hoặc hép n bước sóng, và nếu một tập P sợi quang thì có thể tách được P/(n+1) lần bước sóng. Nhưng P/(n+1) nhất thiết phải là số nguyên. Điều này có thể thực hiện được mà không gây suy hao phụ và các bộ tách/ghép là độc lập nhau. Có thể lựa chọn vị trí sợi đầu vào và sợi đầu ra từ ma trận theo các bước sau đây: Đi vào sợi 1, đi ra từ các sợi P, P-1, P-2, P+1-n (P là số lượng cực đại của sợi quang và n là số lượng bước sóng cần ghép hoặc tách). Vẽ các đường chéo i+j = const, chẳng hạn như i+j = P+1, i+j = P, i+j = P-1,... , i+j = P+2-n. Đi vào sợi P-n, giao điểm của đường nằm ngang P-n với đường chéo i+j = const nói trên cho ta các bước sóng tương ứng với mỗi sợi đầu ra. Đi vào sợi P-2n-1 và lặp lại cách như trên. Tiếp tục cho đến hết. Bộ tách kênh 2 bước sóng nhân 3. Cho P = 9, n = 2. Tìm mối liên hệ giữa các sợi đầu vào và đầu ra. Trước hết vẽ ma trận 9x9 như hình vẽ sau: Các bước tính toán: Vào sợi 1, ra tại các sợi 8 và 9. Vẽ đường chéo i+j = 9 và i+j = 10 Vào sợi P-n = 7, giao điểm của đường nằm ngang này với đường chéo là bước sóng trên mỗi sợi đầu ra 2 và 3. Vào sợi P-2n-1 = 4 và tìm được bước sóng ra trên các sợi đầu ra 5 và 6. Kết quả tính toán được thể hiện như hình 2.31: Bộ tách 3 bước sóng nhân 2. Cho P = 8, n = 3. Ma trận để tính toán như hình 2.32: Các bước tính toán: Vào sợi 1, ra trên các sợi 6, 7 và 8. Vẽ các đường chéo i+j = const = 7, 8, 9. Vào sợi P-n = 5 và giao điểm đường này với đường chéo cho ta bước sóng đầu ra các sợi 2, 3, 4. Kết quả tính toán như hình 2.33. III.2. AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM. Nhìn lại suốt quá trình phát triển của WDM, ta thấy những tiến bộ vượt bậc về mặt công nghệ trong việc nghiên cứu chế tạo thiết bị WDM. Mới đầu chỉ là các thiết bị tách /ghép kênh sử dụng lăng kính hoặc cách tử đơn giản với số kênh cho phép là bốn. Đến nay, các sản phẩm thương mại của một số hãng chào mời với số kênh bước sóng là 80, trong phòng thí nghiệm người ta đã tiến hành ghép 170 bước sóng cho một tuyến WDM dung lượng 1 Tbit/s qua một sợi đơn mode chuẩn (SSMF). Khoảng cách kênh bước sóng, cũng vì thế đã giảm đi từ con số lúc đầu là 400 GHz nay chỉ còn 50 GHz. Một trong những ý tưởng để đạt được chi phí thấp nhất cho một chức năng quang là công nghệ vi mạch quang PLC (Planar Lighwave Circuit), giống như ý tưởng về IC, thực hiện tích hợp hàng loạt chức năng quang trên một đế, tạo ra một vi mạch quang. Vi mạch quang bao gồm nhiều mạch quang (optical circuits) trên một đế Silic, được sản xuất nhờ các công nghệ cực kỳ tiên tiến trong lĩnh vực công nghiệp quang bán dẫn. Nhờ vậy rất nhiều các thành phần quang có thể được chế tạo và tích hợp với nhau thành một chip có những chức năng quang hoàn chỉnh. Hình 2.34 chỉ ra quá trình chế tạo được sử dụng trong công nghiệp PLC. Đầu tiên một lớp phủ có chiết suất ncl (cladding) được lắng đọng trên đế (kỹ thuật được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn); sau đó lắng đọng tiếp một lớp được gọi là lớp lõi (core) có chiết suất nco , thường nco nhở hơn 1% của ncl. Sau đó lớp lõi này được in mẫu theo kỹ thuật in quang lito; mẫu dẫn sóng (waveguide) được chế tạo trên lớp lõi đó bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, ví dụ trên hình 2.35 “vệt” waveguide được tạo ra bằng kỹ thuật quang khắc; có thể tạo ra nhiều waveguide như vậy bằng việc phân bố hình học và tạo lớp hoặc sử dụng các kỹ thuật khắc khác nhau. Sau cùng, một lớp cladding khác sẽ được phủ lên lớp có khắc các mẫu waveguide , lớp phủ trên cùng này cũng có chiết suất như lớp cladding dưới, có chiết suất ncl. Để đánh giá sản phẩm, người ta căn cứ vào chỉ số hiệu dụng b (là hằng số truyền lan) của phần tử dẫn bước sóng waveguide. Waveguide còn tồn tại một số những nhược điểm như: bề mặt quang khắc không phẳng; do sự dao động của nhiều chỉ số như chiết suất, độ sâu quang khắc.... Từ một cấu trúc dẫn sóng waveguide như đề cập ở trên, có thể chế tạo được rất nhiều các vi mạch quang phức tạp với các chức năng khác nhau. Các chức năng đó có thể là: phần tử tách/ghép bước sóng; các coupler quang; phần tử chuyển mạch; các bộ suy giảm điều chỉnh được; các phần tử khuếch đại, hay bất cứ một phần tử cần thiết nào của một module như OADM hoặc các bộ bù tán sắc động (Dynamic Dispersion Compensator). Tín hiệu quang được dẫn bởi các phần tử dẫn sóng “waveguide” (1) tới vùng thấu kính “lens region” (2), các thấu kính trong vùng 2 này thực hiện chia công suất quang và đưa vào vùng ma trận cách tử “grating array” (3). Mỗi waveguide trong miền grating array có sai lệnh về độ dài một khoảng chính xác L so với các waveguide lân cận. Do đó, tín hiệu quang trong mỗi waveguide sẽ cực đại tại mỗi thời điểm trễ pha khác nhau tại đầu ra (4). Gọi là độ trễ pha của tín hiệu, ta có: (2.19) miền thấu kính thứ hai (5) tại đầu ra của grating array có nhiệm vụ tái hội tụ các tín hiệu quang từ đầu ra cuả các waveguide. Cuối cùng, mỗi tín hiệu tại đầu ra của waveguide sẽ được hội tụ tại các waveguide khác nhau của đầu ra (6). Để WDM hoạt động ổn định và đạt các yêu cầu như lý thuyết đề ra thì tất cả các waveguide phải được chế tạo chính xác, điều này phụ thuộc vào công nghệ in lito quang (photolithography) và công nghệ chế tạo bán dẫn. Các sản phẩm AWG thương mại có thể xử lý tới 40 bước sóng với khoảng cách giữa chúng là 100 GHz hoặc 50 GHz. Một ưu thế của AWG là suy hao xen của nó không tăng tuyến tính theo số kênh bước sóng giống như hiện tượng đã xảy ra đối với các bộ tách/ghép sử dụng bộ lọc màng mỏng hay dùng cách tử Bragg. Tại thời điểm hiện nay, AWG đang là giải pháp tốt nhất cho các sản phẩm WDM mật độ kênh cao. CHƯƠNG 3 - NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM Bất cứ một công nghệ nào cũng tồn tại những giới hạn và những vấn đề kỹ thuật. Khi triển khai công nghệ WDM vào mạng thông tin quang, cần phải lưu ý một số vấn đề sau: Số kênh được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang Vấn đề xuyên nhiễu giữa các kênh Vấn đề tán sắc, bù tán sắc Quỹ công suất của hệ thống Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM Chương này sẽ lần lượt đề cập đến từng vấn đề, đòng thời đưa ra các phương án giải quyết cho từng trường hợp. I. SỐ KÊNH ĐƯỢC SỬ DỤNG VÀ KHOẢNG CÁCH GIỮA CÁC KÊNH. Một trong các yếu tố quan trọng cần phải xem xét là hệ thống sẽ sử dụng bao nhiêu kênh và số kênh cực đại có thể sử dụng là bao nhiêu. Số kênh cực đại của hệ thống phụ thuộc vào: khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là: Băng tần của sợi quang Khả năng tách/ghép của các thiết bị WDM khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này là: Tốc độ truyền dẫn của từng kênh Quỹ công suất quang Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến Độ rộng phổ của nguồn phát Khả năng tách/ghép của các thiết bị WDM Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550 nm có độ rộng khoảng 100 nm nhưng do dải khuếch đại của các bộ khuếch đại quang chỉ có độ rộng khoảng 35 nm (theo khuyến nghị của ITU-T thì dải khuếch đại này là từ bước sóng 1530 nm đến 1565 nm đối với băng C; hoặc từ 1570 nm đến 1603 nm đối với băng L). Chính điều này làm các hệ thống WDM không thể tận dụng hết băng tần của sợi quang, nói cách khác hệ thống WDM chỉ làm việc với dải bước sóng nhỏ hơn nhiều so với toàn bộ dải tần bằng phẳng có tổn hao thấp của sợi quang. Khoảng cách kênh là độ rộng tần số tiêu chuẩn giữa các kênh gần nhau. Việc phân bổ kênh một cách hợp lý trong dải băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên dải tần và giảm ảnh hưởng phi tuyến tính giữa các kênh gần nhau. Sử dụng khoảng cách kênh không đều nhau để hạn chế hiệu ứng trộn tần bốn sóng trong sợi quang. Dưới đây chỉ đề cập đến hệ thống có khoảng cách kênh đều nhau. Nếu gọi Dl là khoảng cách giữa các kênh, ta có: = (3.1) Như vậy, tại bước sóng l = 1550 nm, với Dl = 35 nm xét đối với riêng băng C thì ta sẽ có = 4,37.1012 Hz = 4370 GHz. Giả sử tốc độ truyền dẫn của từng kênh là 2,5 GHz, theo định lý Nyquist, phổ cơ sở của tín hiệu là 2.2,5 = 5 GHz. Khi đó số kênh bước sóng cực đại có thể đạt được là N = /5 = 874 kênh trong dải băng tần của bộ khuếch đại quang (OFA). Đây là số kênh cực đại tính theo lý thuyết đối với băng C. Tuy nhiên với mật độ kênh càng lớn đòi hỏi các thành phần quang trên tuyến phải có chất lượng càng cao. Để tránh xuyên âm giữa các kênh này cần phải có các nguồn phát quang rất ổn định và các bộ thu quang có độ chọn lọc bước sóng cao, bất kỳ sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm giãn phổ sang kênh lân cận. Tần số trung tâm danh định là tần số tương ứng với mỗi kênh quang trong hệ thống ghép kênh quang. Để đảm bảo tính tương thích giữa các hệ thóng thống WDM khác nhau, cần phải chuẩn hoá tần số trung tâm của các kênh, ITU-T đưa ra quy định về khoảng cách tối thiểu giữa các kênh là 100 GHz (xấp xỉ bằng 0,8 nm) với tần số chuẩn là 193,1 THz (mặc dù đã đưa ra các sản phẩm mà khoảng cách giữa các kênh là 50 GHz, song các sản phẩm thương mại vẫn chủ yếu theo quy định của ITU-T đã nêu). Dưới đây là bảng liệt kê các tần số trung tâm danh định lấy 50 GHz và 100 GHz làm khoảng cách giữa các kênh trong khoảng bước sóng từ 1534 nm đến 1560 nm. Bảng 3.1. Tần số trung tâm danh định Số thứ tự Tần số trung tâm danh định với khoảng cách là 50GHz (THz) Tần số trung tâm danh định với khoảng cách là 100 GHz (THz) Bước sóng trung tâm danh định (nm) 1 195,40 195,40 1534,25 2 195,35 - 1534,64 3 195,30 195,30 1535,04 4 195,25 - 1535,43 5 195,20 195,20 1535,82 6 195,15 - 1536,22 7 195,10 195,10 1536,61 8 195,05 -