Chơng II
Cơ sở ghép kênh theo bớc sóng quang
2.1. Điều chế quang
Mạng quang truyền dữ liệu ở dạng số, chẳng hạn dới dạng các bit 1 và 0.
Các bít 1 đại diện cho các xung ánh sáng, các bit 0 đại diện cho ít hoặc không
có ánh sáng. Có hai dạng đợc phát triển cho điều chế quang. Chúng khác nhau ở
chuyển tiếp giữa các bít. Điều chế không trở về zero (NRZ) phát một dãy các
bít 1 liên tục của ánh sáng đầu ra và chỉ dừng phát ánh sáng khi cần truyền một
lần nữa bit 0. Điều chế trở về zero (RZ) đại diện cho các bit 1 liên tiếp. Mỗi bit
phát ra nh một xung ánh sáng. Tuy nhiên, NZ khác NRZ ở chỗ xung ánh sáng
đại diện cho bít 1 chuyển tiếp về 0 tại một nửa độ rộng của bít 1(xem hình 2.1).
NRZ thờng đợc sử dụng vì đơn giản và dễ thực hiện; còn RZ có nhiều lợi
thế cho các ứng dụng cự li dài vì ít bị ảnh hởng của tán sắc sắc thể và tán sắc
mode phân cực.
Hình 2.1. Các dạng điều chế quang
Có hai phơng pháp điều chế ánh sáng laser. Chúng khác nhau ở điều chế
đợc thực tiến hành khi sử dụng bản thân laser hay đợc thực hiện trong một bộ
điều chế ngoài. Điều chế trực tiếp là dùng dòng điện đặc trng cho dữ liệu số để
điều khiển laser đa ra trực tiếp tín hiệu quang bằng cách chuyển mạch đóng và
mở nhanh laser. Trong điều chế ngoài, ánh sáng đầu ra laser là không thay đổi.
12
Dạng dữ liệu số
Điều chế quang
NRZ
Điều chế quang NZ

n

1

1
,....,
n
Cách tử
Khi điều chế đợc thực hiện trong bộ điều chế ngoài thì bộ điều chế ngoài hoạt
động nh một lá chắn ánh sáng để chuyển mạch đóng và mở ánh sáng đầu ra có
hiệu quả.
Điều chế trực tiếp đơn giản và hiệu quả về chi phí nhng chịu đựng tính
năng chip kém dẫn đến tán sắc và ở tốc độ bit cao có chất lợng xấu. Điều chế
ngoài có chip bé và phù hợp với các ứng dụng tốc độ bit cao, nhng phơng pháp
này phức tạp và tốn kém. Có hai loại bộ điều chế ngoài chính đợc sử dụng trong
các mạng quang: bộ điều chế điện - quang và bộ điều chế hấp thụ điện. Bộ điều
chế điện - quang làm việc theo cách chia ánh sáng laser thành hai đờng và sau
đó sử dụng dịch pha để triệt đầu ra hai sóng (để đa ra bít 0) hoặc kết hợp hai
sóng (để đa ra bit 1). Các bộ điều chế hấp thụ điện là các laser định thiên ngợc
có thể hấp thụ hoặc phát ánh sáng.
2.2. Giới thiệu các thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý
tán góc
2.1.1. Dùng cách tử làm phần tử tán góc
2.2.1.1. Hiện tợng tán sắc ánh sáng trong cách tử
Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM ngời ta thờng dùng lăng kính để
làm phần tử tán sắc góc, nhng 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. Cách tử đợc cấu tạo bao gồm nhiều rãnh (nh răng ca), trên bề mặt của các
rãnh này đợc phủ một lớp phản xạ, số lợng rãnh trên cách tử có thể lên tới vài
nghìn rãnh trên 1nm.
Khi rọi ánh sáng lên trên bệ mặt cách tử, ngoài hiện tợng nhiễu xạ tức là
hiện tợng tia sáng lệch khỏi phơng truyền thẳng khi gặp cách tử còn có hiện t-
ợng giao thoa của các tia sáng bị phản xạ bởi bề mặt cách tử làm cho ánh sáng

bị nhiễu xạ theo các góc riêng biệt thoả mãn phơng trình sau:
sin + sin = m
dn

(2-1)
13
Trong đó:
+ n là chiết suất của lớp phản xạ phủ
trên bề mặt cách tử.
+ là góc cách tử.
+ là góc nhiễu xạ tơng ứng.
+ d là bớc cách tử.
+ là bớc sóng của tia sáng.
+ m là bậc nhiễu xạ.
Hình 2.2. Sử dụng cách tử để tách bớc sóng
Phơng trình trên cho thấy góc nhiễu xạ phụ thuộc vào bớc sóng của
ánh sáng tới. Nh vậy, 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 sắc lớn hơn.
Khi giải ghép kênh 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. Trái 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 h-
ớng và đợc đa tới truyền dẫn trên cùng một sợi quang.

2.2.1.2. Cách tử vi quang
Các thiết bị ghép kênh dùng cách tử nh phần tử tách-ghép bớc sóng
có thể sử dụng cho thiết bị mà các sợi đều là đơn mode hoặc sợi vào đơn mode
-sợi ra đa mode.
Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc giải ghép 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 2.3 là cấu hình đơn giản của một bộ ghép kênh của Finke. Trong
đó, đầu mảng 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 giải ghép kênh
14
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).
Hình 2.3. Sơ đồ bộ tách ghép kênh
Hình 2.4 là bộ tách kênh cấu tạo gồm một lăng kính chiết suất gradient
đặt trớc một phần tử tán sắc góc là một cách tử phẳng. Bộ tách kênh này đã đợc
chế tạo để tách 5 kênh với suy hao từ 0,9 đến 2 dB.
Hình 2.4. Bộ tách ghép kênh với lăng kính Grin và Grating
15
1
3
2
4
1 2 3 4
1

1

2


1

2
Lăng kính Grin
Cách tử

1

1
,
2

2
Cách tử
Lăng kính chuẩn trực
Các sợi đầu ra
Cách tử
lòng chảo
Sợi vào
Trên hình 2.5, 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 lõm có tác dụng làm thay đổi hớng của bất kỳ 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 gơng, phản xạ một lần nữa, tạo ảnh trên vùng mảng
sợi quang tuỳ thuộc vào giá trị từng bớc 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 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 bớc sóng 1540 nm đến 1560 nm.
Một ứng dụng của cách tử lõm nh chỉ ra trên hình 2.6, 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
điểm là quang sai không ổn định trong dải phổ rộng.
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 2.3 đến 2.6. Sự kết
hợp giữa cách tử tán sắc góc và gơng lõm phản xạ nh đề cập trên hình 2.5. Nếu
16
Hình 2.5. Bộ ghép kênh dùng cách tử có hiệu chỉnh quang sai tính trớc
dùng gơng lõm là gơng parabol thì có thể hiệu chỉnh quang sai, với hai vật liệu
chế tạo có hệ số tán sắc nh nhau thì quang sai hình học có thể đợc hiệu chỉnh,
không sinh ra bớc sóng mới (hiện tợng đổi màu).
2.2.1.3. Cách tử Bragg
Cách 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 mặt nạ pha. Cách tử sợi Bragg dài có pha liên tục đợc sản
xuất vào năm 1995 (do Raoul Stubbe, Thụy Điển chế tạo và công bố)
* ứng dụng cách tử sợi Bragg trong module xen-rẽ bớc sóng:
Cách tử sợi Bragg là cách tử đợc chế tạo ngay bên trong sợi quang. Công
nghệ chế tạo hiện tại 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 quang nhiều bậc nh
bớc ren. Nhờ đó một số lớn các bộ lọc đợc tạo ra với các thông số khá hoàn
thiện, từ cách tử điều chỉnh độ bù tán sắc (DCSG: dispersion-compen sating
grating) đến cách tử dùng trong công nghệ DWDM với độ rộng kênh bớc sóng
đạt đợc là 50 GHz. Mặc dù có hai phơng pháp điều khiển bớc sóng xen rẽ đối
với thiết bị sử dụng sợi cách tử Bragg: bằng điều khiển nhiệt hoặc thay đổi độ
nén-dãn của sợi bằng tải cơ (mechanically loading the fiber in compression or

tension), song cách thứ hai đạt đợc tốc độ điều chỉnh cao hơn.
Điều chỉnh bớc sóng xen rẽ dùng cách tử sợi Bragg mang lại nhiều u
điểm cho thiết bị OADM. Trong đó, đặc biệt là suy hao xen của thiết bị thấp,
17
Hình 2.6. Tách ghép kênh với Grating khe quang khắc và g ơng lõm
đặc tính phổ của bộ lọc có dạng bộ lọc thông BPF với khả năng đạt đợc khoảng
cách kênh bớc sóng là 50 GHz, đó là một tính năng hoàn toàn thuyết phục.
* ứng dụng cách tử sợi Bragg trong bù tán sắc:
Phổ một 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 giãn phổ xung quang đó
và có thể gây xuyên kênh lên các xung quang lân cận. Trớc đây đã có nhiều giải
pháp bù tán sắc nh dùng 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. B-
ớc 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 sợi và bị phản xạ trở lại (xem hình 2.7). Module bù tán sắc kiểu
này cũng sẽ làm cho co xung đã bị giãn 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.
Suy hao của module bù tán sắc kiểu này gây ra bởi: suy hao cố định của
Circulator và chỗ ghép nối (tổng này <2dB), suy hao do Cách tử sợi Bragg phụ
thuộc vào độ dài, sẽ khoảng 0,3 dB/m (theo công nghệ chế tạo cảm ứng tia cực
tím UV-induced của 3M). Ngoài ra, suy hao này cũng phụ thuộc dải bớc sóng
làm việc, khoảng 0,3 dB/m. u thế của module bù tán sắc dùng cách tử sợi Bragg
so với bù tán sắc dùng sợi DCF đợc cho thấy trong bảng 2.1.
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 (computer-driven), chúng sẽ trở thành các module không thể thiếu trong
các thiết bị WDM thế hệ 2 nh :OADM, khuếch đại quang EDFA 2
tầng có bù tán sắc
18
EMBED Visio.Drawing.11
Input pulse
Fiber transmitssion link
Optical circulator
Chirped fiber Bragg grating
Long wavelenglh Short wavelenglh
Reshaped pulse
Long
wavelenglh
Short
wavelenglh
Bảng 2.1. So sánh giữa các thiết bị bù tán sắc
Cách bù tán sắc
Suy hao
cực tiểu
Suy hao
thông thờng
Suy hao
cực đại
Sợi DCF 40Km 4,4dB 4,8 dB 6,2 dB
Sợi DCF 60Km 6,0 dB 6,5 dB 6,7 dB
Sợi DCF 80Km 7,7 dB 8,3 dB 8,9 dB
Sợi cách tử bù tán sắc Bragg 2,0 dB 2,5 dB 3,0 dB
2.3. Các bộ lọc điện môi trong thiết bị WDM
2.3.1. Phơng pháp lọc điện môi đa lớp sử dụng trong thiết bị WDM

Các bộ lọc phân tách góc tia sáng cho một hoặc vài bớc sóng truyền qua
hay phản xạ khi truyền tới một dải nhiều bớc sóng. Có hai loại bộ lọc cho bớc
sóng dài qua LWPF. Các bộ lọc này gồm các lớp điện môi xen kẽ chiết suất cao
H, thấp L trên cùng một phiến đế. Mỗi lớp có bề dầy quang ne=
0
/4 trong bộ
19
Hình 2.7. Nguyên lý cách tử bù tán sắc Bragg
Cha hiệu chỉnh(
)
Có hiệu chỉnh lý
thuyết( ) Hiệu
chỉnh thực nghiệm(
)
lọc bậc 0 và ne= 3
0
/4 trong bộ lọc bậc 1. Thông thờng cấu trúc của bộ lọc là
tập các lớp xen kẽ: (H/2 L H/2)
k
, vần đề cơ bản là bộ lọc phải có sờn dốc và
phản xạ cao trong dải phổ tín hiệu tới với R>99% và truyền dẫn tốt phổ tín hiệu
tách với T>99%.
Đồ thị biểu diễn các đặc tính phản xạ và truyền dẫn của các bộ lọc nh
trên các hình vẽ 2.8 2.10. Trên các đặc tính có những dao động ở các biên có
thể hiệu chỉnh đợc bằng cách phối hợp dẫn nạp ở một vài lớp điện môi đầu và
cuối.
Bộ lọc thông dải BPF đợc sử dụng nhiều trong WDM thế hệ 1 rất phù hợp
với các nguồn phát dải hẹp nh laser. Có thể đạt đợc độ rộng dải thông / =
0,045 nh ở bộ lọc gồm một tệp 23 lớp điện môi và 3 hốc, sử dụng các lớp chiết
suất cao TiO

2
, n= 2,45 và chiết suất thấp SiO
2
, n= 1,47 trên phiến đế n= 1,563
nh trên hình 2.10.
20
Hình 2.8. Đặc tính truyền dẫn của bộ lọc1.3
à
m 1.5
à
m
Hình 2.9. Đặc tính phản xạ của bộ lọc LWPF cha hiệu chỉnh
Cha hiệu chỉnh(
)
Có hiệu chỉnh lý
thuyết( )
Hiệu chỉnh thực
nghiệm( )