Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM là một trong những giải pháp quan trọng nhất của các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao. Sự phát triển của các tuyến truyền dẫn quang điểm- điểm với bước sóng đơn lên thành hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng đã đưa ra nhu cầu về các bộ tách ghép kênh theo bước sóng OADM dùng để tách ghép và định tuyến các kênh bước sóng khác nhau. Các thiết bị này có thể được sử dụng tại nhiều điểm khác nhau trên mạng dọc theo các tuyến truyền dẫn quang và có chức năng ghép/tách các kênh quang với các bước sóng đã được lựa chọn, với chức năng này độ mềm dẻo linh hoạt của hệ thống đã được cải thiện rõ rệt. Nó trở thành một phần rất quan trọng của các ứng dụng WDM, chẳng hạn như các khu vực khác nhau có thể cùng kết nối trên một tuyến quang bằng việc tách / ghép kênh từ một đường truyền quang. Thêm vào đó, sự mềm dẻo trong tốc độ dữ liệu của các kênh WDM riêng biệt cho phép cung cấp tốc độ tuỳ theo nhu cầu. Mô hình của bộ tách ghép kênh được mô tả trong hình sau :
ADM
1 In 2 out
3
add 4
drop λ1 ….. λ16
λ1 λ3 λ5
λ1 ….. λ16
λ1 ….. λ16 Mô hình cơ bản của OADM
Hình 4. 7: Mô hình cơ bản của OADM
Có hai dạng OADM chính được sử dụng trong các mạng quang WDM, đó là fixed OADM được dùng để tách hoặc ghép các tín hiệu dữ liệu trên các kênh WDM riêng biệt cố định và OADM có thể điều chỉnh vì vậy nó có khả năng lựa chọn định tuyến được các bước sóng khác nhau trong mạng quang. Chức năng chính của dạng thiết bị OADM thứ hai này là cung cấp định tuyến lại một cách mềm dẻo cho các luồng quang, định tuyến vòng cho các kết nối hỏng, do vậy nó làm cho giảm tối thiểu việc phải ngắt dịch vụ và cũng như khả năng thích ứng hay nâng cấp mạng quang với các kĩ thuật WDM khác nhau.
Các cấu hình đã giới thiệu trước đây dùng để thực hiện tách hay ghép kênh quang sử dụng cả hai công nghệ Planar và công nghệ sợi. Các thiết bị Planar cung cấp các tổ hợp giải pháp với khả năng tách và ghép nhiều kênh sử dụng duy nhất chỉ một mạch quang tích hợp sử dụng kĩ thuật dãy cách tử dẫn sóng AWG (arrayed waveguide gratings) hoặc kĩ thuật định tuyến cách tử dẫn sóng WGR (waveguide grating router). Mặt hạn chế chính của thiết bị Planar là suy hao xen cao, có thể lên tới 7 dB và tính phụ thuộc phân cực. Mặt khác các thiết bị toàn quang là cũng là các giải pháp rất hấp dẫn bởi vì tính suy hao xen thấp, tính nhạy phân cực (phụ thuộc vào sợi và cấu hình) và dễ dàng sử dụng cho việc ghép giữa các thiết bị đầu vào và đầu ra của mạng quang bằng việc sử dụng các ghép nối đơn giản.
Một dạng riêng của các OADM toàn quang đó là dựa trên cách tử Bragg đặt giữa các coupler quang. Cấu hình này đã được chứng minh là phù hợp cho việc thực hiện tách ghép kênh, bao gồm các cách tử Bragg và các dạng coupler như là coupler nửa vòng (half cycle), coupler kín (full cycle).
4. 2. 3 Các cấu hình OADM
4. 2. 3. 1 OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB
Cấu hình đảm bảo tính ổn định và thực hiện tốt chức năng tách ghép kênh được đưa ra dựa trên thiết bị 4 cổng PW (planar waveguide) được mô tả trong hình … Nó bao gồm các thiết bị : bộ chia 3 dB và cách tử ở một trong các cổng ra output của coupler làm nhiệm vụ chọn bước sóng.
λ1 ….. λ16
isolator
1 isolator
3
λ1 ….. λ16 λG
Drop
3 dB coupler
3 dB coupler In
out grating
4
2
λG add
Hình 4. 8 : Mô hình OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB
Nguyên lý hoạt động của mô hình thiết bị này như sau: ánh sáng đưa vào cổng 1 và được chia làm 2, tại cổng ra FBG sẽ phản xạ các ánh sáng có bước sóng λ G và quay trở lại cổng Dropped 4 và được lấy ra ngoài. Cổng ra còn lại của Coupler được ngâm chìm vào trong vào trong chất lưu có chỉ số chiết suất phù hợp để làm cho ánh sáng không phản xạ trở lại. Tín hiệu đã được chọn sẽ xuất hiện tại ở cả cổng 1 và 4 (cổng In và Drop). Một thiết bị Isolator đặt tại cổng 1 của Coupler để bảo vệ tín hiệu vào của hệ thống không bị ảnh hưởng bởi các tín hiệu phản xạ. Tín hiệu tách yếu hơn 6 dB so với tín hiệu gốc đưa vào. Trong truyền dẫn, một Coupler 3 dB thứ hai sẽ chia tín hiệu không được cách tử phản xạ. Chức năng thêm vào này được thực hiện bằng cách đưa một tín hiệu vào cổng 3, bước sóng của tín hiệu lựa chọn sao cho nó bị phản xạ bởi cách tử (λ G) và vì vậy nó được ghép vào tín hiệu quang ở cổng 2 theo nguyên lý hoạt động của Coupler. Một thiết bị Isolator cũng được sử dụng và đặt tại cổng 3 để cách ly tín hiệu đưa vào và tín hiệu truyền dẫn từ cổng vào đưa tới. Khi sử dụng hai Isolator tại cổng vào và cổng ghép thêm , cấu hình không giao thoa cho phép thực hiện khả năng tách ghép rất tốt. Trong cấu hình này không có giới hạn hay điều kiện nào về độ dài, vị trí hay apodisation của cách tử. Cách tử lọc bước sóng có thể được thiết kế sử dụng phương pháp inverse scattering. Nhược điểm của cấu hình này là việc hỗ trợ mất dung lượng cho tất cả các kênh thấp nhất 6 dB. Tuy nhiên khi so sánh nó với các thiết bị dựa trên cơ sở PW (planar waveguide) có độ mất tín hiệu tương tự nhưng lại có sự linh hoạt hơn trong việc chế tạo và điều chỉnh bước sóng lựa chọn của cách tử.
λG
4. 2. 3. 2 OADM dựa trên FBG và cấu hình giao thoa March-Zehnder
Một phương pháp để khắc phục việc mất tín hiệu của cấu hình trên yêu cầu thêm một cách tử giống hệt như cách tử đầu tiên và tất cả các cổng của Coupler đều sử dụng, vì vậy cấu hình này còn gọi là cấu hình giao thoa Mach – Zehnder. Cả hai dạng thiết bị chế tạo theo công nghệ planar hay công nghệ toàn quang sử dụng cho cấu hình này đều đã được mô tả và thực nghiệm.
Về mặt lý thuyết thiết bị này là đối xứng và có thể mang lại những kết quả khả quan trong chống mất tín hiệu, sự phản xạ ngược và chống xuyên âm.
Identical grating λ1 …… λ8
λ1 …… λ8
3 dB coupler 3 dB coupler
λG
λG
λG 1 In
4 drop
3 add
2 out
Hình 4. 9: OADM dựa trên cấu hình giao thoa Mach-Zehnder
Nguyên lý của cấu hình này được miêu tả trong hình vẽ trên: Một Coupler 3 dB chia ánh sáng đưa vào từ cổng 1 và ánh sáng có bước sóng λG được phản xạ bởi hai cách tử FBG giống nhau. Các tín hiệu phản xạ này được đưa trở lại vào Coupler và được lấy ra tại cổng Drop. Tín hiệu phản hồi ngược trở lại cổng 1 được triệt tiêu hoàn toàn nhờ sử dụng Coupler phù hợp (bộ chia 50%). Các bước sóng phát được làm nhiễu trong Coupler 3 dB thứ hai vì thế chúng đến cổng ra mà không có phần dư nào phản xạ trở lại cổng Add, tính năng này cũng do Coupler quyết định. Cấu hình này dựa trên cơ sở chia và nhiễu của ánh sáng và vì thế khá nhạy trong việc thay đổi độ dài truyền tín hiệu, đặc điểm của các cách tử giống nhau, tính chất của bộ Coupler 3 dB. Vì vậy độ ổn định của môi trường, của các Coupler giống nhau, của các FBG quyết định việc thiết bị thực hiện các tính năng của nó có đảm bảo hay không. Sự ổn định và khả năng chịu ảnh hưởng của thiết bị này trong hệ thống WDM thực tế đã được phân tích bởi Erdogan: cấu hình này nếu sử dụng các thiết bị theo công nghệ Planar có độ dài truyền dẫn ngắn hơn vì vậy dễ ổn định hơn.
Nhưng mặt khác các thiết bị dựa trên sợi lõi kép tránh được yêu cầu về luồng UV sử dụng trong cấu hình giao thoa Mach – Zehnder.
4. 2. 3. 3 Cấu hình OADM sử dụng FBG và Circulator
Cấu hình này tương tự như các cấu hình 4 cổng đã nói ở trên, nhưng trong đó các Coupler được thay thế bằng các Circulator quang. Về lý thuyết, cấu hình này sử dụng các thiết bị không giao thoa là lý tưởng. Các tính chất phổ theo nguyên lý phụ thuộc vào hoạt động và tính chất của FBG và có thể được thiết kế như một bộ lọc trực giao lý tưởng sử dụng kĩ thuật scattering ngược, sự mất tín hiệu và xuyên âm chủ yếu phụ thuộc vào hoạt động của các Circulator quang.
λG grating circulator
λ1 ……….λ8
1
drop add
out 2
4 3
λ1 ……….λ8
λG λG
circulator
Hình 4. 10: OADM dựa trên FBG và Circulator
Nguyên lý hoạt động của OADM dạng này như sau : ánh sáng được đưa vào cổng In 1 và được định hướng tới FBG có bước sóng phản xạ là λG, ánh sáng có bước sóng này được cách tử phản xạ trở lại Circulator và được tách ra ở cổng Drop 4, các phần ánh sáng còn lại sẽ chuyển qua cách tử và đưa tới Circulator 2. Ở Circulator 2, một tín hiệu khác có bước sóng λG được đưa vào cổng Add 3, tín hiệu này được cách tử phản xạ trở lại và đi ra cổng Out 2.
Nhược điểm chính của cấu hình OADM dạng này đó là Circulator tương đối đắt và cồng kềnh. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của các công nghệ Circulator giá rẻ và mất mát tín hiệu không lớn, cấu hình này là một giải pháp rất tốt cho thiết bị OADM bởi vì tính ổn định của nó.
4. 2. 3. 4 OADM dựa trên cách tử đặt giữa Coupler
Tính ổn định của OADM dựa trên cấu hình của giao thoa Mach-Zehnder đã giới thiệu trong 4. 4. 4. 2 cũng có thể được cải thiện nhờ sử dụng nhiễu giữa các mode của Coupler quang. Việc tạo ra một cách tử ở giữa một coupler nửa vòng (100%) đã được chứng minh trong cả hai dạng cấu hình thiết bị Planar và thiết bị toàn quang.
λG grating 100%
coupler
2 3
λ1 ……….λ8 4
1 In
drop λG
add
λG
out
λ1 ……….λ8
Hình 4. 11: Cấu hình OADM dạng cách tử nằm giữa Coupler
Thiết bị này rất nhỏ gọn, tuy vậy về nguyên lý chỉ có sự đối xứng hoàn toàn khi chế tạo cách tử có dạng như một bộ phản xạ điểm. Điều này chỉ có khả năng thực hiện khi sử dụng các cách tử rất ngắn hoặc các coupler rất dài. Hình trên cho thấy cấu hình dạng này : ánh sáng được đưa vào cổng 1 và được truyền tới trung tâm của coupler. Một cách tử được đặt tại trung tâm của coupler nơi sự khác pha giữa các mode eigen là π/4, nơi ánh sáng được chia một cách đều nhau giữa hai các phần dẫn sóng của coupler. Kênh có bước sóng λG dược phản xạ trở lại do cách tử và phần tín hiệu còn lại truyền qua coupler đến cổng ra 2. Trong quá trình phản xạ, các eigenmode phản xạ trong coupler đạt đến độ khác pha tổng cộng là π/2 và vì thế kênh có bước sóng λG được tách ra tại cổng 4. Về nguyên lý, độ ổn định của thiết bị giao thoa được cải thiện với cấu hình Mach-Zehnder bởi vì sự phản xạ điểm và nhiễu đạt được thông qua việc truyền các eigenmode của coupler. Tuy nhiên các giới hạn của đối với độ dài cách tử và độ dài các coupler đã chế tạo đòi hỏi phải có các tính toán phù hợp.
4. 2. 3. 5 Các tham số của các cấu hình OADM
Hoạt động của các OADM được mô tả bằng cách sử dụng các kí hiệu scattering Sij cho mỗi cặp cổng. Kí hiệu đầu tiên i là kí hiệu cổng đích (cổng ra) và kí hiệu j là kí hiệu cổng vào. Một vài tham số của có thể mô tả bằng cách sử dụng các kí hiệu Scattering như là : suy hao xen, sự phân cực phụ thuộc mất tín hiệu PDL (polarisation depent loss), cách ly kênh, phản xạ ngược ….
• Cách ly và xuyên âm:
Hai tham số chính liên quan tới sự cách ly các kênh trong bộ tách ghép kênh OADM là tham số cách ly của các kênh và xuyên âm giữa các kênh trong hệ thống WDM.
1 In 2 out
3 Add 4 dropp
λG
λG ADM
P1 P2
P4
Hình 4. 12: Mô hình cách ly kênh ở OADM
Nếu năng lượng của tín hiệu quang ở cổng vào 1 là P1 và năng lượng của tín hiệu được tách từ cổng 4 là P4 và năng lượng còn lại của tín hiệu sau tách là P2 thì hệ số cách ly được tính bằng -10 log (P1/P2).
Xuyên âm là do các tín hiệu không mong muốn truyền từ các kênh lân cận tới một kênh nào đó trong bộ lọc, nó có tên là xuyên âm liên kênh. Dạng xuyên âm này có thể xuất hiện trong các cấu hình OADM giao thoa và là kết quả của việc tỉ lệ phân chia năng lượng ánh sáng trong coupler 3 dB không chính xác. Tuy vậy dạng xuyên âm này không ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của hệ thống WDM.
• Suy hao xen:
Suy hao xen làm năng lượng của các tín hiệu quang của các kênh yếu đi, mô hình của chúng được mô tả trong hình sau, trong đó cả hai tín hiệu của kênh đã tách và phần tín hiệu còn lại sau tách đều đã bị yếu đi :
1 In 2 out
3 Add 4 dropp
λG
λG ADM
P1 P2
P4
Hình 4. 13: Suy hao xen trong OADM
Hệ số suy hao xen lins tương ứng với hiệu suất truyền ánh sáng từ một cổng i tới một cổng j và ảnh hưởng của nó lên tất cả các kênh là như nhau và được tính theo công thức:
Lins= 10 log (Pi /P j) (4.4)
Trong đó Pi và Pj là năng lượng của tín hiệu quang tại các cổng ra của OADM và giả sử không xuất hiện xuyên âm hay PDL.
• Phản xạ ngược:
Mô hình và các tham số ảnh hưởng đến quá trình phản xạ ngược được mô tả trong hình (). Nếu OADM lựa chọn bước sóng dựa trên cách tử Bragg với bước sóng phản xạ là λG và khi các kênh (các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau) được đưa vào cổng 1 hoặc 3 các tín hiệu có bước sóng λG được lựa chọn sẽ được phản xạ và đưa đến cổng 4 hoặc 2 theo thứ tự đó. Tuy nhiên cũng có một bộ phận của ánh sáng bị phản xạ ngược trở lại cổng ban đầu, ta xem phần phản xạ ngược trở lại này có năng lượng là P1’ và P3’. Như vậy hệ số phản xạ ngược Sii được tính bằng 10 log(Pi / Pi’). Các ảnh hưởng của việc phản xạ ngược này có thể tránh được bằng việc sử dụng các bộ cách ly Isolator tại cả hai cổng này (cổng In 1 và cổng Add 3).
Cũng có một phương pháp khác dùng để tránh hiện tượng này là dùng bộ cân bằng OADM phù hợp.
1 In 2 out 3 Add 4 dropp
ADM P1
λG P1'
P3
P3' λG
Hình 4. 14: Mô hình và tham số của phản xạ ngược trong OADM
4. 3 Ứng dụng của FBG trong cân bằng khuyếch đại của thiết bị khuyếch đại quang sợi EDFA
4. 3. 1 Tổng quan về EDFA
4. 3. 1. 1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA:
Thiết bị EDFA là một dạng của thiết bị khuyếch đại quang sợi OFA (Optical Fibre Amplifier). Cấu tạo của nó bao gồm một sợi quang được pha tạp thêm nguyên tố đất hiếm Erbium. Sợi quang sau khi được pha tạp sẽ thay đổi cấu trúc phân tử và trong bản thân sợi quang xuất hiện các mức năng lượng mà tại đó Electron được tập trung tại đó trong những điều kiện phù hợp. Các mức năng lượng đó được mô tả cụ thể trong sơ đồ sau :
E2 E3
E1
980 nm
bơm 1480 nm
bơm
1550 nm
Phân rã
Phát xạ kích thích
Hình 4. 15: mô hình mức năng lượng của sợi quang pha tạp Erbium
EDFA bao gồm một đoạn ngắn sợi cáp quang và phần lõi của nó được pha tạp khoảng 0. 1% Erbium. Nguyên lý hoạt động của nó như sau : khi các ion Erbium nhận được năng lượng từ nguồn laser bơm (các bước sóng bơm có thể là 1480 nm hay 980 nm tuỳ theo cấu trúc của EDFA) các điện tử của nó được bơm tới mức năng lượng cao hơn chẳng hạn như từ E1 lên E2, E2 là trạng thái không bền nên điện tử sẽ phân rã xuống mức năng lượng thấp hơn là E4.
Nếu thời gian điện tử sống ở mức E3 đủ lớn để các điện tử được nguồn bơm kích thích tập trung lại ở mức năng lượng này thì sẽ xảy ra hiện tượng đảo mật độ:
có nghĩa là mật độ điện tử nằm trên mức năng lượng E2 lớn hơn mật độ của chúng nằm trên mức năng lượng cơ bản E1. Lúc này trong sợi quang sẽ có hiện tượng bức xạ tự phát : điện tử sẽ tự phân huỷ từ mức năng lượng kích thích E2 về mức năng lượng cơ bản E1, quá trình này sẽ giải phóng ra một photon có tần số γ = (E2 – E1)/
h hoặc bức xạ kích thích khi điện tử được kích thích bởi một photon có năng lượng hγ = E2- E1 nó cũng sẽ nhảy về mức cơ bản và sinh ra một photon có năng lượng đúng bằng hγ. Hiện tượng phát xạ kích thích này được ứng dụng làm bộ khuyếch đại EDFA, khi các photon của tín hiệu quang được đưa vào sợi EDFA trong sợi sẽ xuất hiện hiện tượng phát xạ kích thích và tín hiệu được khuyếch đại.
Các hệ thống EDFA trong thực tế được mô tả trong hình sau :
input Bộ cách
ly Coupler
Laser bơm
Bộ cách
ly Out put
EDFA
Hình 4. 16: Cấu trúc modul EDFA thực tế 4. 3. 1. 2 Tăng độ cân bằng cho khuyếch đại EDFA
Kể từ khi ra đời vào năm 1987 cho tới nay, EDFA đã có những bước phát triển mạnh mẽ và liên tục được hoàn thiện. EDFA đặc biệt phù hợp với các hệ thống truyền dẫn quang WDM bởi nó làm việc tại bước sóng 1550 nm với hệ số khuyếch