Tài liệu Ebook hệ thống thông tin quang tập 2 - ts. vũ văn san

Tæng c«ng ty b−u chÝnh viÔn th«ng viÖt nam Trung t©m th«ng tin b−u ®iÖn HÖ thèng th«ng tin quang TËp 2 Biªn so¹n: TS. Vò V¨n San HiÖu ®Ýnh: GS. TSKH. §ç Trung T¸ Nhμ xuÊt b¶n b−u ®iÖn Hμ néi 2002 Lêi giíi thiÖu H¬n 10 n¨m ®æi míi, c¬ së h¹ tÇng viÔn th«ng vμ c«ng nghÖ th«ng tin cña ViÖt Nam cã nh÷ng b−íc ph¸t triÓn ®ét ph¸ gãp phÇn rÊt quan träng vμo viÖc thóc ®Èy qu¸ tr×nh ph¸t triÓn kinh tÕ cña ®Êt n−íc. Tõ mét m¹ng l−íi viÔn th«ng víi c«ng nghÖ analog l¹c hËu, ViÔn th«ng ViÖt Nam ®· tiÕn hμnh mét cuéc c¸ch m¹ng khoa häc vμ c«ng nghÖ ch−a tõng cã, ®i th¼ng vμo hiÖn ®¹i, b»ng chiÕn l−îc t¨ng tèc ®Ó chuyÓn toμn bé m¹ng l−íi cò sang m¹ng míi linh ho¹t víi kü thuËt sè tiªn tiÕn, ®¸p øng mäi nhu cÇu vÒ dÞch vô viÔn th«ng cho ®Êt n−íc. M¹ng viÔn th«ng ViÖt Nam ®· cã m¹ng ®−êng trôc c¸p sîi quang hiÖn ®¹i kÕt nèi víi c¸c m¹ng c¸p quang quèc tÕ trªn biÓn vμ lôc ®Þa vμ hÖ thèng c¸c ®μi vÖ tinh ®Ó liªn l¹c víi c¸c quèc gia trªn thÕ giíi. Trong sù ph¸t triÓn cña m¹ng viÔn th«ng ViÖt Nam, th«ng tin quang ®· cã nh÷ng ®ãng gãp ®Çu tiªn vμ rÊt quan träng vÒ c¶ quy m« ph¸t triÓn còng nh− n©ng cao chÊt l−îng toμn m¹ng. HÖ thèng th«ng tin b»ng c¸p sîi quang lμ hÖ thèng truyÒn dÉn víi kü thuËt vμ c«ng nghÖ tiªn tiÕn nhÊt, cho phÐp t¹o ra c¸c tuyÕn truyÒn dÉn dμi vμ dung l−îng rÊt lín, nã tiÒm tμng kh¶ n¨ng truyÒn t¶i l−u l−îng b¨ng réng vμ cung cÊp cïng lóc nhiÒu dÞch vô linh ho¹t, chÊt l−îng cao. V× vËy, th«ng tin quang sÏ ®¸p øng nhu cÇu ph¸t triÓn m¹ng truyÒn dÉn trong thêi gian tíi ®©y, ®Æc biÖt lμ phôc vô cho ph¸t triÓn ®ét ph¸ Internet tèc ®é cao vμ c¸c dÞch vô IP. C¸c hÖ thèng th«ng tin quang ®ang khai th¸c hiÖn nay míi chØ tËn dông ®−îc mét phÇn nhá kh¶ n¨ng cña nã. C«ng nghÖ th«ng tin sîi quang vÉn ®ang tiÕp tôc ph¸t triÓn rÊt m¹nh ë tr×nh ®é cao vμ v× thÕ cÇn tiÕp tôc t×m hiÓu, khai ph¸ vμ cã gi¶i ph¸p ¸p dông nã cã hiÖu qu¶ h¬n trªn m¹ng l−íi. Lμ mét c¸n bé nghiªn cøu víi nhiÒu n¨m chuyªn s©u vÒ lÜnh vùc th«ng tin quang, víi kiÕn thøc vμ kÕt qu¶ thu ®−îc trong qu¸ tr×nh lμm viÖc t¹i ViÖn Khoa häc kü thuËt B−u ®iÖn thuéc Häc viÖn c«ng nghÖ B−u chÝnh ViÔn th«ng cña m×nh, TiÕn sÜ Vò V¨n San ®· t©m huyÕt biªn so¹n cuèn “HÖ thèng th«ng tin quang” nμy. Cuèn s¸ch gåm hai tËp cã néi dung phong phó mang tÝnh hiÖn ®¹i tiÕp cËn víi c«ng nghÖ c¸p sîi quang, hÖ thèng th«ng tin quang, vμ cÊu tróc m¹ng quang. C¸c phÇn néi dung ®−îc dÉn d¾t vμ ph©n tÝch kh¸ s©u s¾c theo h−íng g¾n liÒn víi thùc tiÔn. Cuèn s¸ch sÏ rÊt bæ Ých cho ng−êi lμm c«ng t¸c kü thuËt chuyªn ngμnh ®Ó cã thªm nh÷ng th«ng tin h÷u hiÖu trong viÖc ho¹ch ®Þnh ph¸t triÓn m¹ng, tÝnh to¸n thiÕt kÕ cÊu h×nh tuyÕn vμ lùa chän ¸p i dông nh÷ng tiÕn bé kü thuËt, c«ng nghÖ míi vÒ th«ng tin quang. Cuèn s¸ch còng gióp cho c¸c b¹n trÎ, c¸c häc viªn ®¹i häc vμ sau ®¹i häc muèn t×m hiÓu mét c¸ch hÖ thèng vÒ th«ng tin quang ®ang ®−îc sö dông cã hiÖu qu¶ trªn m¹ng l−íi viÔn th«ng ViÖt Nam còng nh− nh÷ng xu h−íng ph¸t triÓn th«ng tin quang trªn thÕ giíi. Xin tr©n träng giíi thiÖu cïng b¹n ®äc. Bé tr−ëng Bé B−u chÝnh ViÔn th«ng GS. TSKH §ç Trung T¸ ii môc lôc Môc lôc Ch−¬ng - 7 hÖ thèng th«ng tin quang nhiÒu kªnh 239 7.1. C¸c hÖ thèng th«ng tin quang WDM 7.1.1. Nguyªn lý c¬ b¶n cña ghÐp b−íc sãng quang 7.1.2. C¸c tham sè c¬ b¶n cña thμnh phÇn thiÕt bÞ WDM 7.1.3. C«ng nghÖ thμnh phÇn thiÕt bÞ WDM 7.1.3.1. C¸c c«ng nghÖ WDM vi quang 7.1.3.2. C¸c c«ng nghÖ WDM ghÐp sîi 7.1.4. C¸c thiÕt bÞ trong hÖ thèng WDM 7.1.4.1 C¸c thiÕt bÞ ghÐp vμ gi¶i ghÐp 7.1.4.2 ThiÕt bÞ ghÐp vμ läc xen rÏ 7.1.4.3 Bé ghÐp h×nh sao qu¶ng b¸ 7.1.4.4 C¸c bé ®Þnh tuyÕn b−íc sãng 7.1.4.5 C¸c thiÕt bÞ nèi chÐo quang 7.1.4.6 Bé biÕn ®æi b−íc sãng 7.1.4.7 C¸c thiÕt bÞ ph¸t vμ thu WDM 7.1.5. C¸c hÖ thèng ®iÓm-®iÓm dung l−îng lín 7.1.6. M¹ng ph©n bè vμ quang b¸ 7.1.7. M¹ng WDM ®a truy nhËp 7.1.8. C¸c ®Æc tÝnh hÖ thèng th«ng tin quang WDM 7.1.8.1 Xuyªn kªnh tuyÕn tÝnh 7.1.8.2 Xuyªn kªnh phi tuyÕn 7.1.8.3 §Æc ®iÓm thiÕt kÕ hÖ thèng WDM 7.2. HÖ thèng ghÐp kªnh quang theo tÇn sè OFDM 7.2.1. C«ng nghÖ ban ®Çu cña OFDM 240 241 244 245 246 253 255 255 257 260 262 265 268 271 273 275 277 280 281 284 288 290 292 7.2.2. øng dông OFDM trong m¹ng viÔn th«ng t−¬ng lai 7.3. GhÐp kªnh quang ph©n chia theo thêi gian OTDM 7.3.1. Nguyªn lý ghÐp kªnh trong hÖ thèng OTDM 7.3.2. Ph¸t tÝn hiÖu trong hÖ thèng OTDM 7.3.3. Nguyªn lý gi¶i ghÐp kªnh vμ xen rÏ trong hÖ thèng OTDM 7.3.4. N¨ng lùc hÖ thèng OTDM 7.4. GhÐp kªnh sãng m¹ng phô SCM 7.4.1. HÖ thèng th«ng tin quang SCM t−¬ng tù 7.4.2. HÖ thèng th«ng tin quang SCM sè 7.4.3. HÖ thèng th«ng tin quang SCM nhiÒu b−íc sãng 293 293 294 295 297 302 304 305 308 311 i Ch−¬ng - 8 KhuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Erbium 313 8.1. Giíi thiÖu c¸c lo¹i khuÕch ®¹i quang 8.2. KhuÕch ®¹i laser b¸n dÉn 8.2.1. C¸c ®Æc tÝnh cña SLA 8.2.2. Líp chèng ph¶n x¹ 8.2.3. C¸c øng dông cña khuÕch ®¹i laser 8.3. KhuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Erbium 8.3.1. CÊu tróc vμ ho¹t ®éng c¬ b¶n cña bé khuÕch ®¹i quang sîi EDFA 8.3.2. KhuÕch ®¹i cña bé khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Erbium 8.3.2.1. C«ng suÊt vμ b−íc sãng b¬m trong bé khuÕch ®¹i EDFA 8.3.2.2. KhuÕch ®¹i trong bé khuÕch ®¹i EDFA 8.3.2.3. Phæ khuÕch ®¹i cña EDFA 8.3.3. NhiÔu trong bé khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Erbium 8.3.3.1. NhiÔu quang trong EDFA 8.3.3.2. NhiÔu c−êng ®é trong EDFA 8.3.3.3. HÖ sè nhiÔu 8.3.4. C¸c ®Æc tÝnh phô thuéc nhiÖt ®é cña EDFA 8.3.5. Tèi −u sîi pha t¹p Erbium 8.4. C¸c øng dông cña EDFA trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang 8.4.1. CÊu tróc thiÕt bÞ EDFA trong øng dông th«ng tin quang 8.4.1.1. C¸c cÊu h×nh EDFA tiªu chuÈn 8.4.1.2. C¸c cÊu h×nh EDFA c¶i tiÕn 8.4.2. C¸c øng dông cña EDFA trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang 8.4.2.1. C¸c øng dông trªn c¸c hÖ thèng tuyÕn tÝnh sè 8.4.2.2. C¸c øng dông trong hÖ thèng analog 8.4.2.3. Nh÷ng øng dông trong m¹ng néi h¹t 8.5. HÖ thèng th«ng tin quang sö dông khuÕch ®¹i quang 8.5.1. Giíi thiÖu chung 8.5.2. Tû sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu ®iÖn cña hÖ thèng cã khuÕch ®¹i quang 8.5.3. §é nh¹y thu cña bé thu cã khuÕch ®¹i quang 8.5.4. CÊu h×nh hÖ thèng sö dông khuÕch ®¹i quang 313 316 316 320 321 321 321 326 327 330 337 339 339 341 345 348 349 351 351 351 352 358 359 363 365 367 367 368 373 376 Ch−¬ng- 9 Bï t¸n s¾c cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang 381 9.1. §Æc ®iÓm hÖ thèng phô thuéc t¸n s¾c 9.2. Kü thuËt bï t¸n s¾c sau 9.3. Kü thuËt bï t¸n s¾c tr−íc 9.3.1. Kü thuËt chirp tr−íc 9.3.2. §iÒu biÕn tÇn sè thuÇn nhÊt 381 383 384 384 387 ii 9.3.3 TruyÒn dÉn hç trî t¸n s¾c 9.3.4 Chirp do sîi sinh ra 9.4. Bï t¸n s¾c b»ng sîi t¸n s¾c cao 9.5. Bï t¸n s¾c b»ng bé läc c©n b»ng quang 9.6. Bï t¸n s¾c b»ng c¸ch tö Bragg sîi 9.6.1 C¸ch tö ®ång d¹ng chu kú 9.6.2 C¸ch tö sîi chirp 9.6.3 Bé ghÐp mode chirp 9.7. Bï t¸n s¾c b»ng kÕt hîp pha 9.7.1. Nguyªn lý ho¹t ®éng 9.7.2. Bï theo nguyªn lý tù ®iÒu chÕ pha 9.7.3. Ph¸t tÝn hiÖu kÕt hîp pha 9.7.4. ¶nh h−ëng cña khuÕch ®¹i cã chu kú 9.8. Bï t¸n s¾c b¨ng réng 9.8.1. Bï t¸n s¾c cho hÖ thèng ghÐp kªnh theo thêi gian 9.8.2. Bï t¸n s¾c cho hÖn thèng ghÐp kªnh theo b−íc sãng WDM 9.9 Bï t¸n s¾c cho hÖ thèng cù ly xa 387 389 391 394 396 397 398 401 401 401 402 404 405 406 406 408 409 Ch−¬ng-10 M¹ng th«ng tin quang 411 10.1. M¹ng néi h¹t vμ thuª bao quang 10.1.1. C¸c cÊu tróc m¹ng quang 10.1.1.1 Bus sîi quang 10.1.1.2 CÊu tróc h×nh sao 10.1.1.3 CÊu tróc ring 10.1.1.4 C¸c nót m¹ng quang an toμn 10.1.2. C¸c hÖ thèng truy nhËp quang 10.1.2.1 C¸c h×nh thøc truy nhËp sîi quang 10.1.2.2 C¸c hÖ thèng th«ng tin quang trong m¹ng truy nhËp 10.2. M¹ng truyÒn t¶i quang thÕ hÖ sau NGN 10.2.1. Giíi thiÖu 10.2.2. CÊu tróc m¹ng truyÒn t¶i quang 10.2.3. Thùc tiÔn x©y dùng m¹ng truyÒn t¶i quang NGN 10.2.4. KÕt nèi trong m¹ng truyÒn t¶i quang 10.2.4.1. KÕt nèi kªnh b−íc sãng quang trong OTN 10.2.4.2. §Þnh tuyÕn b−íc sãng quang trong OTN 10.2.5. §iÒu khiÓn quang trong m¹ng OTN hiÖn t¹i vμ t−¬ng lai 10.2.5.1. M¶ng ®iÒu khiÓn chång lÊn quang IP tÜnh 10.2.5.2. M¶ng ®iÒu khiÓn chång lÊn quang IP ®éng 411 411 411 417 420 423 425 425 427 434 434 437 443 448 449 453 457 458 480 iii Ch−¬ng-11 hÖ thèng th«ng tin quang soliton 11.1 Soliton sîi 11.1.1 Ph−¬ng tr×nh Schrodinger phi tuyÕn 11.1.2. C¸c Soliton c¬ b¶n vμ soliton bËc cao 11.1.3. C¸c Soliton tèi 11.2. C¸c hÖ thèng th«ng tin quang Soliton 11.2.1 TruyÒn dÉn víi soliton 11.2.2 T−¬ng t¸c soliton 11.2.3 Chirp tÇn sè 11.2.4 ThiÕt bÞ ph¸t soliton 11.2.5 D·n soliton do suy hao g©y ra 11.2.6 KhuÕch ®¹i soliton 11.3 ThiÕt kÕ hÖ thèng soliton 11.3.1 ChÕ ®é soliton trung b×nh 11.3.2 NhiÔu bé khuÕch ®¹i 11.3.3 Jitter thêi gian 11.3.4 Mét sè kÕt qu¶ thùc nghiÖm 11.4 HÖ thèng soliton dung l−îng cao 11.4.1 ChÕ ®é ®o¹n nhiÖt 11.4.2 GhÐp kªnh ph©n cùc 11.4.3 KhuÕch ®¹i ph©n bæ 11.5 HÖ thèng soliton WDM 11.5.1 Va ch¹m soliton 11.5.2 DÞch chuyÓn tÇn sè do va ch¹m 11.5.3 C¸c giíi h¹n do va ch¹m Tμi liÖu tham kh¶o Phô lôc A Phô lôc B Phô lôc C ViÕt t¾t ------------------------------------------ iv 489 489 489 491 494 495 496 497 499 500 502 503 505 505 507 509 512 513 513 514 516 517 517 518 520 522 531 532 533 536 hÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 7 CH¦¥NG - 7 hÖ thèng th«ng tin quang nhiÒu kªnh Trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang truyÒn dÉn sè, c¸c luång tÝn hiÖu ë cÊp thÊp sÏ ®−îc ghÐp l¹i víi nhau dùa trªn kü thuËt ghÐp kªnh ph©n chia theo thêi gian TDM (Time Division Multiplexing) ®Ó t¹o nªn c¸c luång tÝn hiÖu cÊp cao h¬n, sau ®ã luång tÝn hiÖu nμy ®−îc truyÒn dÉn trªn sîi quang. Nh− vËy, ®èi víi hÖ thèng th«ng tin quang b×nh th−êng sÏ cã mét luång tÝn hiÖu quang truyÒn trªn mét sîi cho mét h−íng th«ng tin, vμ ®Ó cã chiÒu ng−îc l¹i th× cÇn cã mét luång tÝn hiÖu quang trªn sîi thø hai. HÖ thèng nh− vËy ®−îc gäi lμ hÖ thèng mét kªnh quang (hay cßn gäi lμ hÖ thèng ®¬n kªnh quang) mμ ta ®· xem xÐt trong c¸c ch−¬ng trªn cña tμi liÖu nμy. Trong vμi n¨m trë l¹i ®©y, c«ng nghÖ th«ng tin quang ®· ®¹t ®−îc nhiÒu tiÕn bé ®¸ng chó ý vμ t¹o ra c¸c hÖ thèng th«ng tin quang hiÖn ®¹i víi dung l−îng cao vμ cù ly xa. Næi bËt nhÊt lμ c¸c hÖ thèng th«ng tin quang sö dông kü thuËt ghÐp kªnh quang. Trong hÖ thèng sÏ cïng mét lóc truyÒn nhiÒu luång tÝn hiÖu quang trªn mét sîi nh»m môc tiªu t¨ng dung l−îng kªnh truyÒn dÉn. C¸c hÖ thèng nμy ®−îc gäi lμ hÖ thèng th«ng tin quang nhiÒu kªnh quang (hay hÖ thèng ®a kªnh quang), vμ ®Ó ®¬n gi¶n cßn gäi lμ hÖ thèng th«ng tin quang nhiÒu kªnh. Trong thùc tÕ hÖ thèng ®¬n kªnh, khi tèc ®é ®−êng truyÒn ®¹t tíi mét møc nμo ®ã ng−êi ta ®· thÊy c¸c h¹n chÕ cña c¸c m¹ch ®iÖn trong viÖc n©ng cao tèc ®é còng nh− kÐo dμi cù ly truyÒn dÉn. Khi tèc ®é ®¹t tíi hμng chôc Gbit/s, kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn ng¾n l¹i, b¶n th©n c¸c m¹ch ®iÖn tö sÏ kh«ng thÓ ®¶m b¶o ®¸p øng ®−îc xung tÝn hiÖu cùc kú hÑp; thªm vμo ®ã, chi phÝ cho c¸c gi¶i ph¸p trªn tuyÕn truyÒn dÉn trë nªn tèn kÐm v× cÊu tróc hÖ thèng qu¸ phøc t¹p ®ßi hái c«ng nghÖ rÊt cao. Do ®ã, kü thuËt ghÐp kªnh quang ®· ra ®êi nh»m kh¾c phôc ®−îc nh÷ng h¹n chÕ trªn. C¸c phÇn tö quang trong hÖ thèng thiÕt bÞ sÏ ®ãng vai trß chñ ®¹o trong viÖc thay thÕ ho¹t ®éng cña c¸c phÇn tö ®iÖn ë c¸c vÞ trÝ xung yÕu ®ßi hái kü thuËt sö lý tÝn hiÖu nhanh. Kü thuËt ghÐp kªnh quang cßn tËn dông ®−îc phæ hÑp cña laser, ph¸t huy kh¶ n¨ng sö dông b¨ng tÇn rÊt lín cña sîi quang ®¬n mode, t¹o ra c¸c cÊu tróc hÖ thèng vμ m¹ng th«ng tin quang hÕt søc linh ho¹t nh»m cèng hiÕn cho m¹ng l−íi viÔn th«ng nh÷ng ®ãng gãp to lín cho hiÖn t¹i vμ t−¬ng lai. C¸c hÖ thèng th«ng tin quang nhiÒu kªnh còng ®ãng vai trß chñ ®¹o trong m¹ng truyÒn t¶i cña m¹ng thÕ hÖ sau NGN (Next Generation Networks). Ta thÊy r»ng, vÒ c¬ b¶n th× b¨ng tÇn tÝn hiÖu trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang cã thÓ lín h¬n 1 THz v× tÇn sè mang cña sãng mang quang lín. Tuy vËy, trong thùc tÕ tèc ®é bit truyÒn dÉn th−êng bÞ giíi h¹n t¹i 10 Gbit/s hoÆc nhá h¬n lμ do c¸c ¶nh h−ëng cña t¸n s¾c sîi, c¸c hiÖu øng phi tuyÕn sîi vμ tèc ®é cña c¸c linh kiÖn ®iÖn tö. Sù truyÒn dÉn cña nhiÒu kªnh quang trªn cïng mét sîi cã thÓ coi lμ mét ph−¬ng thøc ®¬n gi¶n sö dông dung l−îng kh«ng h¹n chÕ cña sîi quang. Trong thùc tÕ, nh− ®· nãi ë trªn, ghÐp TDM ®iÖn chØ ®−îc sö dông cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang ®¬n kªnh. Trong ch−¬ng nμy sÏ tËp trung vμo c¸c hÖ thèng sö dông kü thuËt quang lμ OTDM (Optical Time Division Multiplexing) Vò v¨n san 239 hÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 7 vμ ghÐp kªnh ph©n chia b−íc sãng WDM (Wavelength Division Multiplexing). Kü thuËt WDM lμ mét c¸ch gäi cho kü thuËt ghÐp kªnh ph©n chia theo tÇn sè quang OFDM (Optical Frequency Division Multiplexing). C¸c hÖ thèng th«ng tin quang sö dông c¸c kü thuËt nμy ®−îc gäi lμ c¸c hÖ thèng th«ng tin nhiÒu kªnh. Sù ph¸t triÓn cña c¸c hÖ thèng nμy ®· thu hót mét sù quan t©m lín suèt nh÷ng n¨m 1990. C¸c hÖ thèng th«ng tin quang WDM ®· ®−îc thùc sù th−¬ng m¹i hãa réng r·i vμ cã hiÖu qu¶ tõ n¨m 1996. Trong nh÷ng n¨m tíi ngoμi hÖ thèng WDM, sÏ cßn cã c¸c hÖ thèng OTDM triÓn khai réng r·i trªn thùc tiÔn. 7.1 C¸c hÖ thèng th«ng tin quang WDM Quan niÖm vÒ ghÐp kªnh ph©n chia b−íc sãng WDM, hay ®Ó cho tiÖn xin gäi lμ ghÐp b−íc sãng quang, tíi b©y giê kh«ng cßn míi n÷a [56]. Cho tíi n¨m 1977, khi mμ c«ng nghÖ quang sîi b¾t ®Çu cã nhiÒu tiÕn bé th× ng−êi ta míi cã ®−îc gi¶i ph¸p thùc tÕ ®Çu tiªn. Sau ®ã Ýt thêi gian, vμo ®Çu thËp kû 80, c¸c thiÕt bÞ ghÐp b−íc sãng quang ®· ®−îc th−¬ng m¹i ho¸ ®Çu tiªn, nh−ng c¸c b−íc sãng ®−îc ghÐp l¹i chñ yÕu n»m ë hai vïng cöa sæ kh¸c nhau. Trong d¹ng ®¬n gi¶n nhÊt th× WDM ®−îc sö dông ®Ó ph¸t ®i 2 kªnh kh¸c nhau n»m trong hai cöa sæ truyÒn dÉn kh¸c nhau cña sîi quang. VÝ dô, mét hÖ thèng th«ng tin quang ho¹t ®éng t¹i b−íc sãng gÇn 1,3 μm hiÖn t¹i cã thÓ ®−îc n©ng cÊp vÒ dung l−îng b»ng c¸ch thªm mét kªnh kh¸c cã b−íc sãng ho¹t ®éng gÇn 1,55 μm, do vËy kho¶ng c¸ch kªnh lμ 250 nm. Suèt trong nh÷ng n¨m 1980, ng−êi ta ®· tËp trung vμo viÖc gi¶m kho¶ng c¸ch kªnh, vμ c¸c hÖ thèng ®a kªnh cã kho¶ng c¸ch kªnh nhá h¬n 0,1 nm ®· thμnh thùc tÕ vμo n¨m 1990. §Ó t¨ng hiÖu qu¶, kü thuËt WDM ®· ghÐp ®−îc nhiÒu b−íc sãng trong mét vïng cña sæ, tiªu biÓu lμ vïng c¸c b−íc sãng gÇn 1,55 μm trong nh÷ng n¨m 1990. N¨m 1996, c¸c hÖ thèng WDM ho¹t ®éng víi tæng dung l−îng 40 Gbit/s ®· ®−îc th−¬ng m¹i ho¸. §Õn n¨m 2001, ng−êi ta ®· triÓn khai nhiÒu hÖ thèng v−ît biÓn tèc ®é cao, cã hÖ thèng ®¹t 100 Gbit/s. Cßn trong thùc nghiÖm n¨m 1998, c¸c hÖ thèng 640 Gbit/s DWDM víi cù ly 500 km, vμ hÖ thèng 1,04 Tbit/s DWDM dùa trªn OTDM ®· ®−îc triÓn khai thμnh c«ng [57,58]. Trong c¸c tuyÕn th«ng tin quang ®iÓm nèi ®iÓm ®¬n kªnh th«ng th−êng, mçi mét sîi quang sÏ cã mét nguån ph¸t quang ë phÝa ph¸t vμ mét bé t¸ch sãng quang ë phÝa thu. Nguån ph¸t quang sÏ ph¸t ra luång ¸nh s¸ng mang tÝn hiÖu vμ ghÐp vμo sîi quang x¸c ®Þnh riªng biÖt, bé t¸ch sãng quang t−¬ng øng sÏ nhËn tÝn hiÖu tõ sîi nμy. Nh− vËy, muèn t¨ng dung l−îng cña hÖ thèng th× ph¶i sö dông thªm sîi quang. Kü thuËt ghÐp kªnh theo b−íc sãng quang WDM sÏ cho phÐp ta t¨ng dung l−îng kªnh mμ kh«ng cÇn t¨ng tèc ®é bit ®−êng truyÒn vμ còng kh«ng dïng thªm sîi dÉn quang; nã thùc hiÖn truyÒn c¸c luång ¸nh s¸ng víi c¸c b−íc sãng kh¸c nhau trªn cïng mét sîi. Lý do lμ ë chç, c¸c nguån ph¸t cã ®é réng phæ kh¸ hÑp, c¸c hÖ thèng th«ng tin quang th«ng th−êng chØ sö dông phÇn rÊt nhá b¨ng tÇn truyÒn dÉn cña sîi s½n cã. Tõ h×nh 7.1 m« t¶ c¸c cöa sæ truyÒn dÉn suy hao thÊp cña sîi quang n»m gÇn 0,85 μm, 1,3 μm vμ 1,55 μm. Ta còng cã thÓ thÊy r»ng nhiÒu vïng phæ cã thÓ sö dông ®Ó truyÒn tÝn hiÖu. Lý t−ëng th× cã thÓ truyÒn mét dung l−îng Vò v¨n san 240 hÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 7 khæng lå kªnh quang trªn mét sîi tõ nhiÒu nguån ph¸t quang kh¸c nhau ho¹t ®éng ë c¸c b−íc sãng c¸ch nhau mét kho¶ng hîp lý. T¹i ®Çu thu cã thÓ thùc hiÖn thu c¸c tÝn hiÖu quang riªng biÖt nhê qu¸ tr×nh läc c¸c b−íc sãng kh¸c nhau nμy. H×nh phô nhá n»m trong h×nh 7.1 m« t¶ c¬ chÕ ghÐp nhiÒu kªnh trong vïng b−íc sãng 1,55 μm. 2,5 ........... ....... HÖ sè suy hao sîi (dB/km) Sîi ®a mode 2,0 1,5 15THz 12THz 1,0 Sîi ®¬n mode 0,5 0 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 B−íc sãng (μm) H×nh 7.1. C¸c vïng b−íc sãng cã suy hao sîi nhá cho phÐp truyÒn nhiÒu b−íc sãng kh¸c nhau. VÒ thùc chÊt, WDM lμ mét c¬ chÕ trong ®ã nhiÒu kªnh sãng quang t¹i c¸c b−íc sãng kh¸c nhau ®−îc ®iÒu chÕ bëi c¸c chuçi bit ®iÖn ®éc lËp, c¸c chuçi bit nμy vèn ®· sö dông kü thuËt TDM hoÆc FDM, vμ sau ®ã ®−îc ph¸t ®i trªn cïng mét sîi quang. TÝn hiÖu quang t¹i ®Çu thu ®−îc gi¶i ghÐp kªnh thμnh c¸c kªnh riªng rÏ nhê mét kü thuËt quang. Kü thuËt WDM tiÒm tμng kh¶ n¨ng khai th¸c b¨ng tÇn réng cña sîi quang. VÝ dô, hμng tr¨m kªnh 10 Gbit/s cã thÓ ®−îc ph¸t trªn cïng mét sîi nÕu kho¶ng c¸ch kªnh ®−îc gi¶m tíi 40÷50GHz. Mçi cöa sæ bao trïm mét vïng b¨ng tÇn lín h¬n 10 THz, cho thÊy dung l−îng cña c¸c hÖ thèng WDM cã thÓ v−ît qu¸ 10 Tbit/s. 7.1.1 Nguyªn lý c¬ b¶n cña ghÐp kªnh theo b−íc sãng quang Nguyªn lý c¬ b¶n cña ghÐp b−íc sãng quang cã thÓ minh ho¹ nh− ë h×nh 7.2. Gi¶ sö hÖ thèng thiÕt bÞ phÝa ph¸t cã c¸c nguån ph¸t quang lμm viÖc ë c¸c b−íc sãng kh¸c nhau λ1, λ2, λ3, ....,λj....,λn. C¸c tÝn hiÖu quang ®−îc ph¸t ra ë c¸c b−íc sãng kh¸c nhau nμy sÏ ®−îc ghÐp vμo cïng mét sîi quang. C¸c tÝn hiÖu cã b−íc sãng kh¸c nhau ®−îc ghÐp l¹i ë phÝa ph¸t nhê bé ghÐp kªnh quang; bé ghÐp b−íc sãng ph¶i ®¶m b¶o cã suy hao nhá. TÝn hiÖu quang sau khi ®−îc ghÐp sÏ ®−îc truyÒn ®ång thêi däc theo sîi ®Ó tíi phÝa thu. C¸c bé t¸ch sãng quang kh¸c nhau ë phÝa ®Çu thu sÏ nhËn l¹i c¸c luång tÝn hiÖu víi c¸c b−íc sãng riªng rÏ nμy sau khi chóng qua bé gi¶i ghÐp kªnh b−íc sãng. Vò v¨n san 241 hÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 7 Cã hai ph−¬ng ¸n thiÕt lËp hÖ thèng truyÒn dÉn sö dông ghÐp b−íc sãng quang WDM nh− ë h×nh 7.3 [1, 25]. Ph−¬ng ¸n truyÒn dÉn ghÐp b−íc sãng quang theo mét h−íng nh− ë h×nh 7.3 a) lμ kÕt hîp c¸c tÝn hiÖu cã b−íc sãng kh¸c nhau vμo sîi t¹i mét ®Çu vμ thùc hiÖn t¸ch chóng ®Ó chuyÓn tíi c¸c bé t¸ch sãng quang ë ®Çu kia. Nh− vËy, ph−¬ng ¸n nμy cÇn ph¶i sö dông hai sîi quang ®Ó thùc hiÖn truyÒn tÝn hiÖu th«ng tin cho chiÒu ®i vμ chiÒu vÒ. Ph−¬ng ¸n truyÒn dÉn hai h−íng nh− ë h×nh 7.3 b) th× kh«ng qui ®Þnh ph¸t ë mét ®Çu vμ thu ë mét ®Çu; ®iÒu nμy tøc lμ cã thÓ truyÒn th«ng tin theo mét h−íng t¹i c¸c b−íc sãng λ1, λ2, ..., λn vμ ®ång thêi còng truyÒn th«ng tin kh¸c theo h−íng ng−îc l¹i t¹i c¸c b−íc sãng λ’1, λ’2, ..., λ’n. V× vËy, ph−¬ng ¸n nμy chØ cÇn sö dông mét sîi còng cã thÓ thiÕt lËp ®−îc mét hÖ thèng truyÒn dÉn cho c¶ chiÒu ®i vμ chiÒu vÒ. Sîi quang I1(λ1) 0(λ1...λn) O1(λ1) I(λ1...λn) MUX DEMUX On(λn) In(λn) H×nh 7.2. M« qu¸ tr×nh ghÐp vμ gi¶i ghÐp WDM. λ1 Kªnh 1 λ1 Tx1 Kªnh 1 Rx1 λ2 Kªnh 2 Tx2 ThiÕt bÞ WDM MUX λ1, λ2,.. λn λ1 Tx1 λ’1 R’x1 λn Kªnh n ThiÕt bÞ WDM MUX/ DEMUX Txn λ’n Kªnh n’ R’xn Rx2 Kªnh n Rxn λ1 Kªnh 1’ Kªnh 2 DEMUX a) Txn Kªnh 1 λ2 λn λn Kªnh n Mét sîi ThiÕt bÞ WDM Mét sîi λ1, λ2,.. λn λ’1, λ’2,.. λ’n ThiÕt bÞ WDM MUX/ DEMUX Kªnh 1 Rx1 λ’1 Kªnh 1’ T’x1 λn Kªnh n Rxn λ’n Kªnh n’ T’xn b) H×nh 7.3. HÖ thèng ghÐp b−íc sãng theo mét h−íng a), vμ theo hai h−íng b). Vò v¨n san 242 hÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 7 §Ó thùc hiÖn mét hÖ thèng WDM theo mét h−íng, th× cÇn ph¶i cã bé ghÐp kªnh b−íc sãng MUX ë ®Çu ph¸t ®Ó kÕt hîp c¸c tÝn hiÖu quang tõ c¸c nguån ph¸t quang kh¸c nhau ®−a vμo mét sîi quang chung. T¹i ®Çu thu, cÇn ph¶i cã bé gi¶i ghÐp kªnh b−íc sãng DEMUX ®Ó thùc hiÖn t¸ch c¸c kªnh quang t−¬ng øng. Nh×n chung, c¸c laser ®¬n mode th−êng kh«ng ph¸t mét l−îng c«ng suÊt ®¸ng kÓ nμo ë ngoμi ®é réng phæ kªnh ®· ®Þnh tr−íc cña chóng, cho nªn vÊn ®Ò xuyªn kªnh lμ kh«ng ®¸ng l−u t©m ë ®Çu ph¸t. VÊn ®Ò ®¸ng chó ý h¬n ë ®©y lμ bé ghÐp kªnh cÇn cã suy hao thÊp ®Ó sao cho tÝn hiÖu tõ nguån quang tíi ®Çu ra bé ghÐp Ýt bÞ suy hao. §èi víi bé gi¶i ghÐp kªnh, v× c¸c bé t¸ch sãng quang th−êng nh¹y c¶m trªn c¶ mét vïng réng c¸c b−íc sãng cho nªn nã cã thÓ thu ®−îc toμn bé c¸c b−íc sãng ®· ®−îc ph¸t ®i tõ phÝa thiÕt bÞ ph¸t. Nh− vËy, ®Ó ng¨n chÆn c¸c tÝn hiÖu kh«ng mong muèn mét c¸ch cã hiÖu qu¶, ph¶i cã biÖn ph¸p c¸ch ly tèt c¸c kªnh quang. §Ó thùc hiÖn ®iÒu nμy, cÇn thiÕt kÕ c¸c bé gi¶i ghÐp thËt chÝnh x¸c hoÆc sö dông c¸c bé läc quang rÊt æn ®Þnh cã b−íc sãng c¾t chÝnh x¸c. VÒ nguyªn lý, bÊt kú mét bé ghÐp b−íc sãng nμo còng cã thÓ ®−îc dïng lμm bé gi¶i ghÐp b−íc sãng. Nh− vËy, hiÓu ®¬n gi¶n, tõ “bé ghÐp - Multiplexer” trong tr−êng hîp nμy th−êng ®−îc sö dông ë d¹ng chung ®Ó t−¬ng thÝch cho c¶ bé ghÐp vμ bé gi¶i ghÐp; lo¹i trõ tr−êng hîp cÇn thiÕt ph¶i ph©n biÖt hai thiÕt bÞ hoÆc hai chøc n¨ng. V× vËy râ rμng r»ng, khi c¸c luång tÝn hiÖu quang ®−îc gi¶i ghÐp ë phÝa thu th× bé ghÐp kªnh trë thμnh bé gi¶i ghÐp vμ ng−îc l¹i. Ng−êi ta chia lo¹i thiÕt bÞ ghÐp b−íc sãng quang thμnh ba lo¹i: Bé ghÐp (MUX), bé gi¶i ghÐp (DEMUX) vμ c¸c bé ghÐp vμ gi¶i ghÐp hçn hîp (MUX-DEMUX). C¸c bé MUX vμ DEMUX ®−îc dïng cho c¸c ph−¬ng ¸n truyÒn dÉn theo mét h−íng, cßn lo¹i thø ba (MUX-DEMUX) ®−îc sö dông cho ph−¬ng ¸n truyÒn dÉn theo hai h−íng trªn mét sîi. H×nh 7.4 m« t¶ cÊu tróc thiÕt bÞ ghÐp vμ gi¶i ghÐp hçn hîp. ViÖc ph©n tÝch chÝnh x¸c thiÕt bÞ ghÐp ph¶i dùa trªn ma trËn chuyÓn ®æi ®èi víi c¸c phÇn tö cña ma trËn lμ Aij(x). C¸c phÇn tö nμy lμ c¸c hÖ sè phô thuéc vμo b−íc sãng, nã biÓu thÞ c¸c tÝn hiÖu quang ®i vμo cöa vμo thø i vμ ra cöa ra thø j. C¸ch tiÕp cËn ph©n tÝch nμy kh¸ phøc t¹p khi ¸p dông ®Ó thiÕt kÕ vμ x©y dùng c¸c hÖ thèng WDM. C¸c tÝn hiÖu ®−îc ghÐp Ik(λk) O(λk) Ii(λi) I(λi) Sîi quang C¸c tÝn hiÖu ®−îc gi¶i ghÐp H×nh 7.4. M« t¶ thiÕt bÞ ghÐp- gi¶i ghÐp hçn hîp (MUX-DEMUX). Vò v¨n san 243 hÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 7 7.1.2 C¸c tham sè c¬ b¶n cña thμnh phÇn thiÕt bÞ WDM C¸c tham sè c¬ b¶n ®Ó miªu t¶ ®Æc tÝnh cña c¸c bé ghÐp-gi¶i ghÐp hçn hîp lμ suy hao xen, xuyªn kªnh vμ ®é réng kªnh. §Ó ®¬n gi¶n, ta h·y ph©n biÖt ra thμnh thiÕt bÞ mét h−íng (gåm c¸c bé ghÐp kªnh vμ gi¶i ghÐp kªnh nh− ®· m« t¶ ë h×nh 7.2) vμ thiÕt bÞ hai h−íng (bé ghÐp -gi¶i ghÐp hçn hîp nh− ë h×nh 7.4). C¸c ký hiÖu I(λi) vμ O(λk) t−¬ng øng lμ c¸c tÝn hiÖu ®· ®−îc ghÐp ®ang cã mÆt ë ®−êng chung. Ký hiÖu Ik(λk) lμ tÝn hiÖu ®Çu vμo ®−îc ghÐp vμo cöa thø k, tÝn hiÖu nμy ®−îc ph¸t tõ nguån ph¸t quang thø k. Ký hiÖu Oi(λi) lμ tÝn hiÖu cã b−íc sãng λi ®· ®−îc gi¶i ghÐp vμ ®i ra cöa thø i. B©y giê ta xem xÐt ba tham sè c¬ b¶n lμ suy hao xen, xuyªn kªnh, vμ ®é réng kªnh nh− sau. Suy hao xen ®−îc x¸c ®Þnh lμ l−îng c«ng suÊt tæn hao sinh ra trong tuyÕn truyÒn dÉn quang do tuyÕn cã thªm c¸c thiÕt bÞ ghÐp b−íc sãng quang WDM. Suy hao nμy bao gåm suy hao do c¸c ®iÓm ghÐp nèi c¸c thiÕt bÞ WDM víi sîi vμ suy hao b¶n th©n c¸c thiÕt bÞ ghÐp g©y ra. V× vËy, trong thùc tÕ ng−êi thiÕt kÕ tuyÕn ph¶i tÝnh cho vμi dB ë mçi ®Çu. Suy hao xen ®−îc diÔn gi¶i t−¬ng tù nh− suy hao ®èi víi c¸c bé ghÐp coupler chung, nh−ng cÇn l−u ý ë WDM lμ xÐt cho mét b−íc sãng ®Æc tr−ng: Li = −10 log O (λ i ) I i (λ i ) ®èi víi thiÕt bÞ MUX (7-1) Li = −10 log Oi ( λ i ) I (λ i ) ®èi víi thiÕt bÞ DEMUX (7-2) víi Li lμ suy hao t¹i b−íc sãng λi khi thiÕt bÞ ®−îc ghÐp xen vμo tuyÕn truyÒn dÉn. C¸c tham sè nμy lu«n ph¶i ®−îc c¸c nhμ chÕ t¹o cho biÕt ®èi víi tõng kªnh quang cña thiÕt bÞ. Xuyªn kªnh ngô ý m« t¶ mét l−îng tÝn hiÖu tõ kªnh nμy bÞ dß sang kªnh kh¸c. C¸c møc xuyªn kªnh cho phÐp n»m ë d¶i rÊt réng tuú thuéc vμo tr−êng hîp ¸p dông. Nh−ng nh×n chung, ph¶i ®¶m b¶o nhá h¬n (-30dB) trong mäi tr−êng hîp. Trong mét bé gi¶i ghÐp kªnh lý t−ëng, sÏ kh«ng cã sù rß c«ng suÊt tÝn hiÖu tõ kªnh thø i cã b−íc sãng λi sang c¸c kªnh kh¸c cã b−íc sãng kh¸c víi λi. Nh−ng trong thùc tÕ, lu«n lu«n tån t¹i mét møc xuyªn kªnh nμo ®ã, vμ ®iÒu ®ã lμm gi¶m chÊt l−îng truyÒn dÉn cña hÖ thèng. Kh¶ n¨ng ®Ó t¸ch c¸c kªnh kh¸c nhau ®−îc diÔn gi¶i b»ng suy hao xuyªn kªnh vμ ®−îc tÝnh b»ng dB nh− sau: ⎡U (λ ) ⎤ Di (λ k ) = −10 log ⎢ i k ⎥ ⎣ I (λ k ) ⎦ (7-3) Theo s¬ ®å ®¬n gi¶n m« t¶ bé gi¶i ghÐp kªnh ë h×nh 7.5a) th× Ui(λk) lμ l−îng tÝn hiÖu kh«ng mong muèn ë b−íc sãng λk do cã sù rß tÝn hiÖu ë cöa ra thø i, mμ ®óng ra th× chØ cã tÝn hiÖu ë b−íc sãng λi. Trong thiÕt bÞ ghÐp-gi¶i ghÐp hçn hîp nh− ë h×nh 7.5b), viÖc x¸c ®Þnh suy hao xuyªn kªnh còng ®−îc ¸p dông nh− bé gi¶i ghÐp. Trong tr−êng hîp nμy, ph¶i xem xÐt c¶ hai lo¹i xuyªn kªnh. “Xuyªn kªnh ®Çu xa” lμ do c¸c kªnh kh¸c ®−îc Vò v¨n san 244 hÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 7 ghÐp ®i vμo ®−êng truyÒn g©y ra, vÝ dô nh− I(λk) sinh ra Ui(λk). “Xuyªn kªnh ®Çu gÇn” lμ do c¸c kªnh kh¸c ë ®Çu vμo sinh ra, nã ®−îc ghÐp ë bªn trong thiÕt bÞ, nh− Ui(λj). Khi t¹o ra c¸c s¶n phÈm, c¸c nhμ chÕ t¹o còng ph¶i cho biÕt suy hao kªnh ®èi víi tõng kªnh cña thiÕt bÞ. Ij(λj) I(λi).......I(λk) Oi(λi)+ Ui(λk) Sîi quang λj DEMUX I(λi).......I(λk) Sîi quang λk Oi(λi)+ Ui(λk)+ Ui(λj) a) O(λj) b) H×nh 7.5 Xuyªn kªnh a) ë bé gi¶i ghÐp kªnh vμ b) ë bé ghÐp-gi¶i ghÐp hçn hîp. Xuyªn kªnh th−êng xuÊt hiÖn do c¸c nguyªn nh©n sau: do ®Æc tÝnh cña bé läc t¹o ra thiÕt bÞ ghÐp kh«ng hoμn thiÖn, do phæ cña c¸c nguån ph¸t chång lÊn sang nhau, do c¸c hiÖu øng phi tuyÕn nhÊt lμ ®èi víi tr−êng hîp c«ng suÊt c¸c kªnh b−íc sãng lín. §é réng kªnh lμ d¶i b−íc sãng dμnh cho mçi kªnh mμ nã ®Þnh ra cho tõng nguån ph¸t quang riªng. NÕu nguån ph¸t quang lμ c¸c diode laser th× c¸c ®é réng kªnh ®−îc yªu cÇu vμo kho¶ng vμi chôc nanomet ®Ó ®¶m b¶o kh«ng bÞ nhiÔu gi÷a c¸c kªnh do sù bÊt æn ®Þnh cña c¸c nguån ph¸t g©y ra, vÝ dô nh− khi nhiÖt ®é lμm viÖc thay ®æi sÏ lμm tr«i b−íc sãng ®Ønh ho¹t ®éng. §èi víi nguån ph¸t quang lμ diode ph¸t quang LED, yªu cÇu ®é réng kªnh ph¶i lín h¬n 10 ®Õn 20 lÇn bëi v× ®é réng phæ cña lo¹i nguån ph¸t nμy réng h¬n. Nh− vËy, ®é réng kªnh ph¶i ®¶m b¶o ®ñ lín ®Ó tr¸nh nhiÔu gi÷a c¸c kªnh, v× thÕ nã ®−îc x¸c ®Þnh tuú theo tõng lo¹i nguån ph¸t. 7.1.3 C«ng nghÖ thμnh phÇn thiÕt bÞ WDM Thμnh phÇn thiÕt bÞ (hay cßn gäi lμ phÇn tö) ghÐp b−íc sãng quang rÊt ®a d¹ng, nh−ng cã thÓ ph©n chóng ra nh− h×nh 7.6[12]. Trong ph©n lo¹i nμy, ta chó ý tíi c¸c phÇn tö ho¹t ®éng theo ph−¬ng ph¸p thô ®éng, nã ®−îc sö dông phæ biÕn trong c¸c hÖ thèng. TÝch cùc ThiÕt bÞ WDM C¸c nguån ph¸t quang vμ c¸c bé t¸ch sãng quang nhiÒu b−íc sãng Thô ®éng GhÐp sîi C¸ch tö ThiÕt bÞ vi quang ThiÕt bÞ quang tæ hîp Ph©n t¸n gãc GhÐp cã h−íng ThiÕt bÞ bé läc Phi tuyÕn Ph©n t¸n vËt liÖu C¸c thiÕt bÞ kh¸c Giao thoa Ph©n cùc C¸ch tö H×nh 7.6. Ph©n cÊp c¸c thμnh phÇn thiÕt bÞ WDM. Vò v¨n san 245 hÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 7 §Ó xem xÐt c¸c thμnh phÇn thiÕt bÞ WDM, sau ®©y chñ yÕu chóng ta lÊy bé gi¶i ghÐp kªnh b−íc sãng ®Ó ph©n tÝch, bëi v× nguyªn lý c¸c thiÕt bÞ WDM cã tÝnh thuËn nghÞch vÒ cÊu tróc nh− ®· ®Ò cËp ë trªn. Nh− vËy ho¹t ®éng cña c¸c bé ghÐp kªnh còng ®−îc gi¶i thÝch cïng kiÓu b»ng c¸ch ®¬n thuÇn lμ thay ®æi h−íng tÝn hiÖu ®Çu vμo vμ ®Çu ra. C¸c bé gi¶i ghÐp (hay c¸c bé ghÐp) ®−îc chia ra lμm hai lo¹i chÝnh theo c«ng nghÖ chÕ t¹o lμ: - C«ng nghÖ WDM vi quang. - C«ng nghÖ WDM ghÐp sîi. ë lo¹i thø nhÊt, viÖc t¸ch ghÐp kªnh dùa trªn c¬ së l¾p r¸p c¸c thμnh phÇn vi quang. C¸c thiÕt bÞ nμy ®−îc thiÕt kÕ chñ yÕu sö dông cho c¸c tuyÕn th«ng tin quang dïng sîi ®a mode. Chóng cã nh÷ng h¹n chÕ ®èi víi sîi quang ®¬n mode. Lo¹i thø hai dùa vμo viÖc ghÐp gi÷a c¸c tr−êng lan truyÒn trong c¸c lâi sîi kÒ nhau. Kü thuËt nμy phï hîp víi c¸c tuyÕn sö dông sîi ®¬n mode. 7.1.3.1 C¸c c«ng nghÖ WDM vi quang C¸c thiÕt bÞ WDM vi quang ®−îc chÕ t¹o dùa trªn hai ph−¬ng ph¸p c«ng nghÖ kh¸c nhau lμ: c¸c thiÕt bÞ cã bé läc vμ c¸c thiÕt bÞ ph©n t¸n gãc. Sau ®©y ta xem xÐt c¸c lo¹i thiÕt bÞ nμy. Bé läc quang cho thiÕt bÞ WDM : ThiÕt bÞ WDM sö dông bé läc quang ®−îc xem xÐt ®Çu tiªn v× nã ®−îc sö dông nhiÒu nhÊt, vμ cÊu tróc cña nã th−êng phøc t¹p h¬n. S¬ ®å ho¹t ®éng cña lo¹i nμy ®−îc m« t¶ nh− ë h×nh 7.7. ThiÕt bÞ läc quang cho WDM th−êng lμ bé läc ®iÖn m«i lμm viÖc theo nguyªn t¾c ph¶n x¹ tÝn hiÖu ë mét d¶i phæ nμo ®ã vμ cho d¶i phæ cßn l¹i ®i qua. Nh− vËy cã nghÜa lμ nã cã c¬ chÕ ho¹t ®éng më cho mét b−íc sãng (hoÆc mét nhãm c¸c b−íc sãng) t¹i mét thêi ®iÓm, nh»m ®Ó t¸ch ra ®−îc mét b−íc sãng trong nhiÒu b−íc sãng. §Ó t¹o ra ®−îc thiÕt bÞ hoμn chØnh, ng−êi ta ph¶i t¹o ra cÊu tróc läc theo tÇng. λ1,...., λn λ1 λ2,...., λn λ2,...., λn Bé läc H×nh 7.7. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña phÇn tö WDM víi cÊu tróc sö dông läc giao thoa. PhÇn tö c¬ b¶n ®Ó thùc hiÖn thμnh phÇn thiÕt bÞ WDM cã bé läc lμ bé läc ®iÖn m«i giao thoa, nã cã cÊu tróc nhiÒu líp gåm c¸c mμng máng cã chØ sè chiÕt suÊt cao vμ thÊp ®Æt xen kÏ nhau. HÇu hÕt c¸c bé läc giao thoa lμm viÖc dùa trªn nguyªn lý buång céng h−ëng Vò v¨n san 246 hÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 7 Fabry-Perot, gåm hai g−¬ng ph¶n x¹ thμnh phÇn ®Æt song song c¸ch nhau bëi mét líp ®iÖn m«i trong suèt. Khi chïm tia s¸ng ch¹m vμo thiÕt bÞ, c¸c hiÖn t−îng giao thoa sÏ t¹o ra nh÷ng ph¶n x¹ nhiÒu lÇn trong hèc. NÕu ®é dμy cña kho¶ng c¸ch lμ mét sè nguyªn lÇn nöa b−íc sãng cña chïm s¸ng tíi, th× giao thoa x¶y ra vμ b−íc sãng ®ã sÏ ®−îc truyÒn dÉn th«ng suèt nhÊt. §−êng cong phæ truyÒn dÉn cho thiÕt bÞ ho¹t ®éng nh− vËy ®−îc chØ ra nh− ë h×nh 7.8. ë ®©y, c¸c chïm ¸nh s¸ng ë c¸c b−íc sãng kh¸c trong buång céng h−ëng hÇu nh− bÞ ph¶n x¹ hoμn toμn. Trong c¸c bé läc cña thiÕt bÞ WDM, c¸c g−¬ng lμ c¸c vá bäc nhiÒu líp ®−îc ®Æt ë trªn c¸c líp ®iÖn m«i ph©n c¸ch trong suèt nh− h×nh 7.9. POUT λ λ0 H×nh 7.8. §−êng cong phæ truyÒn dÉn cña buång céng h−ëng Fabry-Perot. ChiÕt suÊt thÊp ChiÕt suÊt cao Líp ph©n c¸ch trong suèt H×nh 7.9. CÊu tróc cña buång Fabry-Perot ®iÖn m«i. C¸c bé läc mμng máng th−êng cã ®é dμy b»ng mét phÇn t− b−íc sãng truyÒn dÉn lín nhÊt. Chóng ®−îc cÊu t¹o tõ c¸c mμng máng cã chØ sè chiÕt suÊt thÊp (nh− MgF2 cã n = 1,35 hoÆc SiO2 cã n = 1,46) vμ c¸c mμng cã chØ sè chiÕt suÊt cao (TiO2 cã n = 2,2) ®Æt xen kÏ nhau. Theo ®Æc tÝnh phæ th× cã thÓ ph©n c¸c bé läc giao thoa thμnh hai hä: - C¸c bé läc c¾t chuÈn, ®−îc ®Æc tr−ng bëi tÇn sè c¾t λc vμ cã ®¸p øng phæ th«ng thÊp hoÆc th«ng cao nh− chØ ra ë h×nh 7.10 a) vμ b). - C¸c bé läc b¨ng th«ng, ®−îc ®Æc tr−ng bëi b−íc sãng trung t©m b¨ng λc vμ ®é réng b¨ng FWHM lμ Δλ, nh− thÓ hiÖn ë h×nh 7.10 c). C¸c bé läc c¾t chuÈn ®−îc sö dông réng r·i trong c¸c thiÕt bÞ hai kªnh ®Ó kÕt hîp (hoÆc t¸ch) hai b−íc sãng hoμn toμn ph©n c¸ch, ch¼ng h¹n nh− hai b−íc sãng ë hai vïng cöa sæ Vò v¨n san 247 hÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 7 850 nm vμ 1300 nm, hoÆc 1300 nm vμ 1550 nm. C¸c phÇn tö nμy ®−îc sö dông kh¸ hiÖu qu¶ cho c¶ c¸c nguån cã phæ réng (nh− LED hoÆc laser ®a mode ch¼ng h¹n). Th«ng thÊp λ < λc T T Th«ng cao λ > λc a) λc T b) λc λ B¨ng th«ng λ λc-Δλ/2 < λ < λc+Δλ/2 Δλ c) λ λc H×nh 7.10. C¸c ®Æc tÝnh phæ truyÒn dÉn cña c¸c bé läc giao thoa c¾t a) vμ b), vμ b¨ng th«ng c). C¸c bé läc b¨ng th«ng ®−îc sö dông tèt cho c¸c thμnh phÇn thiÕt bÞ WDM, nã rÊt phï hîp víi c¸c nguån ph¸t cã phæ hÑp nh− laser. H¬n thÕ n÷a, nã cho phÐp sö dông c¶ khi cã sù dÞch b−íc sãng cña nguån ph¸t do ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é, v× vËy mμ ®−êng cong phæ truyÒn dÉn cña bé läc b¨ng th«ng, nh− h×nh 7.10c), ph¶i cã d¹ng vu«ng v¾n, cã vïng xung quanh b−íc sãng trung t©m ph¼ng. C¹nh cña ®−êng cong phæ truyÒn dÉn ph¶i cμng s¾c nÐt cμng tèt ®Ó ng¨n ngõa xuyªn kªnh tõ c¸c kªnh l©n cËn. kÝnh läc thÊu kÝnh λ1,λ2 λ1 sîi quang L¨ng kÝnh GRIN (1/4 p) λ1,λ2 λ1 a) λ2 λ2 Bé läc b) H×nh 7.11. CÊu tróc bé gi¶i ghÐp 2 kªnh sö dông bé läc giao thoa. a) CÊu h×nh c¬ b¶n vμ b) bé gi¶i ghÐp sö dông hai l¨ng kÝnh 1/4 b−íc GRIN-rod. Vò v¨n san 248 hÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 7 CÊu tróc c¬ b¶n cña bé gi¶i ghÐp hai kªnh nh− ë h×nh 7.11a), trong khi ®ã viÖc thùc hiÖn trªn thùc tÕ cÊu tróc nμy chØ ®¬n gi¶n nh− ë h×nh 7.11b) [27]. C¸c phÇn tö chuÈn trùc vμ héi tô lμ c¸c l¨ng kÝnh GRIN-rod 1/4 b−íc. Bé läc ®−îc thiÕt kÕ ®Ó ph¸t ®i λ1 vμ ph¶n x¹ λ2 sÏ ®−îc ®Æt gi÷a hai l¨ng kÝnh. C¸c phÇn tö thiÕt bÞ gi¶i ghÐp nμy cã s½n trªn thÞ tr−êng th−¬ng m¹i vμ ®−îc sö dông réng r·i ë c¸c hÖ thèng th«ng tin quang sö dông c¸c nguån ph¸t LED ë c¸c b−íc sãng trong vïng 850 nm vμ 1300 nm, hoÆc sö dông c¸c nguån ph¸t phæ hÑp cña c¸c tæ hîp b−íc sãng kh¸c nhau (nh− 800 nm vμ 830 nm; 800 nm vμ 890 nm; 1200 nm vμ 1300 nm; hoÆc 1300 nm vμ 1550 nm vv...), víi suy hao xen nhá h¬n 3 dB (cho mçi cÆp) vμ suy hao xuyªn kªnh cao h¬n 25 dB. λ1,...., λn Bé läc λ1 λ2 Bé läc λ3 λ1 λ4 λ3 H×nh 7.12. CÊu tróc c¬ b¶n cña mét bé gi¶i ghÐp giao thoa nhiÒu kªnh. λ2 λ1,...., λ5 λ4 Sîi quang L¨ng kÝnh GRIN Khèi trong suèt Bé läc λ1 λ3 λ5 H×nh 7.13. Mét bé gi¶i ghÐp vi quang nhiÒu kªnh trªn thùc tÕ. Vò v¨n san 249 hÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 7 C¸c thiÕt bÞ WDM cã nhiÒu h¬n 2 kªnh sÏ ®−îc cÊu t¹o dùa trªn cÊu h×nh bé läc tÇng. ë ®©y mçi mét b−íc trong tÇng sÏ lùa chän t¹i mét b−íc läc nh− h×nh 7.12 minh ho¹ vÒ thiÕt bÞ nμy. Trªn thùc tÕ, thiÕt bÞ ghÐp vμ gi¶i ghÐp nhiÒu kªnh sÏ nh− d¹ng ë h×nh 7.13. §«i khi, cã thÓ thùc hiÖn t¹o ra bé gi¶i ghÐp mμ kh«ng cÇn sö dông ®Õn c¸c phÇn tö chuÈn trùc. VÝ dô nh− ë h×nh 7.14, thiÕt bÞ kh«ng cã l¨ng kÝnh, mμ c¸c bé läc giao thoa ë ®©y ®−îc ®Æt trªn tõng ®o¹n mét c¸ch thÝch hîp vμ ®Çu sîi ®−îc ®¸nh bãng. λ1 λ2 λ3 Sîi quang λ1......λ4 λ4 Bé läc H×nh 7.14. CÊu tróc c¬ b¶n cña bé gi¶i ghÐp nhiÒu kªnh sö dông bé läc giao thoa g¾n trùc tiÕp vμo sîi. PhÇn tö ph©n t¸n gãc cña thiÕt bÞ WDM: Mét kü thuËt vi quang kh¸c ®Ó t¸ch c¸c b−íc sãng kh¸c nhau kh¸ tin cËy lμ ph−¬ng ph¸p sö dông c¸c phÇn tö ph©n t¸n gãc nh− chØ ra h×nh 7.15. Chïm tÝn hiÖu quang ®Çu vμo chuÈn trùc sÏ ®Ëp vμo thiÕt bÞ ph©n t¸n, thiÕt bÞ ph©n t¸n sÏ t¸ch ra c¸c kªnh kh¸c nhau tuú theo tõng b−íc sãng cña chóng thμnh c¸c chïm h−íng theo c¸c gãc kh¸c nhau. C¸c chïm ®Çu ra ®· ®−îc t¸ch sÏ ®−îc héi tô nhê mét hoÆc mét sè c¸c l¨ng kÝnh vμ ®−îc ®−a vμo c¸c sîi quang riªng rÏ. λ1 λ1,...., λn λn PhÇn tö ph©n t¸n gãc H×nh 7.15. PhÇn tö ph©n t¸n gãc cho WDM. Trong thêi kú ®Çu cña c«ng nghÖ WDM, ng−êi ta th−êng dïng l¨ng kÝnh ®Ó lμm phÇn tö ph©n t¸n gãc. Do hiÖn t−îng chØ sè chiÕt suÊt phô thuéc vμo b−íc sãng ¸nh s¸ng cho nªn khi cho c¸c chïm tia s¸ng cã b−íc sãng kh¸c nhau ®i qua l¨ng kÝnh, chóng sÏ bÞ l¨ng kÝnh ph©n thμnh c¸c tia s¸ng ®¬n s¾c theo c¸c h−íng kh¸c nhau t¹i ®Çu ra l¨ng kÝnh nh− thÓ hiÖn trong h×nh 7.16. Vò v¨n san 250 hÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 7 A i i’ r H×nh 7.16. Dïng l¨ng kÝnh ®Ó t¸ch c¸c tia s¸ng cã b−íc sãng kh¸c nhau. Theo ®Þnh luËt Sneel th× chiÕt suÊt cña vËt liÖu lμm l¨ng kÝnh phô thuéc vμo b−íc sãng cã thÓ ®−îc viÕt nh− sau: di dn sin A = dλ dλ (cos r / cos i ' ) (7-4) trong ®ã n lμ chiÕt suÊt cña vËt liÖu lμm l¨ng kÝnh, A lμ gãc ®Ønh cña l¨ng kÝnh, i lμ gãc tíi, cßn i’ lμ gãc lã. Nh−îc ®iÓm cña viÖc dïng l¨ng kÝnh lμ møc ®é ph©n t¸n thÊp cho nªn khã t¸ch ®−îc c¸c tia s¸ng cã b−íc sãng gÇn nhau. V× thÕ mμ ng−êi ta chØ cã thÓ dïng l¨ng kÝnh trong c¸c tr−êng hîp t¸ch c¸c kªnh quang cã b−íc sãng t¹i c¸c vïng cöa sæ suy hao sîi kh¸c nhau. Ph−¬ng ph¸p nμy ngμy nay hÇu nh− kh«ng ®−îc sö dông trong th«ng tin quang n÷a; thay vμo ®ã ng−êi ta ®· sö dông c¸ch tö nhiÔu x¹ lμm phÇn tö ph©n t¸n gãc trong WDM. C¸ch tö nhiÔu x¹ ®−îc cÊu t¹o bao gåm nhiÒu r·nh h×nh r¨ng c−a, vμ trªn r·nh nμy cã phñ mét líp ph¶n x¹. Khi cã ¸nh s¸ng ®i vμo bÒ mÆt c¸ch tö, nã sÏ ®−îc c¸ch tö ph¶n x¹ chÖch h−íng theo c¸c gãc kh¸c nhau tuú thuéc vμo b−íc sãng. Tuy nhiªn, ®i kÌm víi hiÖn t−îng nμy cßn cã hiÖn t−îng giao thoa cña c¸c tia s¸ng bÞ ph¶n x¹. Kh¸c víi l¨ng kÝnh, c¸ch tö nhiÔu x¹ cho kh¶ n¨ng ph©n t¸n tia s¸ng lín h¬n, vμ v× thÕ cã thÓ t¸ch ®−îc c¸c tia s¸ng dÔ dμng h¬n. C¸ch tö ®−îc phãng to C¸ch tö λ1,...., λn λn λ1 H×nh 7.17. S¬ ®å nguyªn lý ho¹t ®éng cña c¸ch tö nhiÔu x¹ planar. Vò v¨n san 251