cách tử bragg sợi quang

Mục lục MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ 1 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 1 LỜI NÓI ĐẦU 3 CHƯƠNG 1 5 GIỚI THIỆU CHUNG 5 1. 1. Lịch sử phát triển của cách tử Bragg quang 5 1. 2. Sơ lược công nghệ chế tạo FBG 6 1.3. Sơ lược về các ứng dụng của FBG 9 CHƯƠNG 2 12 CHẾ TẠO FBG 12 2.1 Độ nhạy trong sợi quang 12 2. 1. 1 Mô hình trung tâm màu 12 2. 1. 2 Mô hình thay đổi mật độ 13 2. 2 Các phương pháp tăng độ nhạy 14 2. 2. 1 Xử lí bằng Hydro 14 2. 2. 2. Xử lí bằng nhiệt 15 2. 2. 3 Xử lí bằng cơ học 15 2. 3 Một số phương pháp chế tạo cách tử 17 2. 3. 1 Chiếu xạ tia cực tím điểm-điểm 17 2. 3. 2 Chiếu xạ bằng xung laser CO2 18 2. 3. 3 Phương pháp dãy vi thấu kính 19 2. 3. 4 Phương pháp cấy ion 20 2. 3. 5 Phương pháp mặt nạ biên độ tia UV 21 2. 4 Tóm tắt 22 CHƯƠNG 3 23 ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA FBG 23 3. 1 Giới thiệu 23 3. 2 Điều kiện kết hợp pha 26 3. 3 Các phương trình ghép mode 27 3. 4 Lý thuyết mô hình hoá FBG 30 3. 5 Cấu trúc và tính chất của các dạng cách tử 33 3. 5. 1 Cách tử Bragg đều (Uniform FBG) 33 3. 5. 1. 1 Cấu trúc 33 3. 5. 1. 2 Mô tả toán học 34 3. 5. 1. 3 Thời gian trễ và tán sắc 37 3. 5. 2 Cách tử Bragg quang chu kì thay đổi 38 3. 5. 2. 1 Cấu trúc 38 3. 5. 2. 2 Mô tả toán học của CFBG 39 1 Mục lục 3. 5. 3 Cách tử điều biến chiết suất 43 3. 5. 3. 1 Nguyên lý 43 3. 5. 3. 2 Mô tả toán học của AFBG 44 CHƯƠNG 4 48 CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÁCH TỬ BRAGG SỢI QUANG 48 4. 1 Ứng dụng của cách tử Bragg quang trong bù tán sắc 48 4. 1. 1 Giới thiệu 48 4. 1. 2 Hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang 49 4. 1. 3 Bù tán sắc bằng quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính 50 4. 2 Ứng dụng của FBG trong bộ tách ghép kênh OADM 53 4. 2. 1 Tổng quan về WDM 53 4.2.2. Kĩ thuật tách ghép kênh quang 55 4. 2. 3 Các cấu hình OADM 57 4. 2. 3. 1 OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB 57 4. 2. 3. 2 OADM dựa trên FBG và cấu hình giao thoa March-Zehnder 59 4. 2. 3. 3 Cấu hình OADM sử dụng FBG và Circulator 60 4. 2. 3. 4 OADM dựa trên cách tử đặt giữa Coupler 61 4. 2. 3. 5 Các tham số của các cấu hình OADM 62 4. 3 Ứng dụng của FBG trong cân bằng khuyếch đại của thiết bị khuyếch đại quang sợi EDFA 65 4. 3. 1 Tổng quan về EDFA 65 4. 3. 1. 1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA: 65 4. 3. 1. 2 Tăng độ cân bằng cho khuyếch đại EDFA 67 4. 3. 2 Ứng dụng của FBG trong bộ cân bằng khuyếch đại EDFA 69 4. 4 Một số ứng dụng khác của FBG 76 4. 4. 1 Ứng dụng trong cảm biến 76 4. 4. 2 Ứng dụng trong công nghệ Laser 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 2 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2. 1. Cơ chế độ nhạy trong mô hình trung tâm màu 13 Hình 2. 2. Phản ứng phá vỡ cấu trúc Si-O-Ge do nhiệt 14 Hình 2. 3. Chỉ số chiết suất khúc xạ thay đổi theo sức căng 16 Hình 2.4: Xử lý bằng tia cận cực tím 17 Hình 2. 5. Sơ đồ phương pháp chế tạo điểm - điểm 18 Hình 2. 6. Cấu trúc dãy vi thấu kính 20 Hình 2. 7. Sơ đồ bố trí mặt nạ và sợi trong phương pháp cấy ion 21 Hình 2.8: Phương pháp mặt nạ biên độ sử dụng tia UV 22 Hình 3. 1 Cấu tạo và chiết suất của FBG 24 Hình 3. 2: Mô tả đặc tính của FBG 25 Hình 3. 3: Phổ phản xạ của cách tử Bragg dạng cách tử đều, độ dài cách tử 1cm, λB=1550 nm, Λ=0. 8 nm 26 Hình 3. 5: Cách tử Bragg chu kì đều UFBG 34 Hình 3. 6: Sơ đồ nguyên lý của ma trận truyền đạt dành cho UFBG và non - UFBG 36 Hình 3. 7:Mô hình cách tử Bragg chu kì thay đổi CFBG 38 Hình 3.8: A – Phổ phản xạ của các cách tử có giá trị Chirp dλB/dz =1 và -1; B: thời gian trễ theo bước sóng của CFBG; phổ phản xạ của các cách tử có giá trị chirp -1;-2;-4 (nm/cm) 43 Hình 3.9: Đồ thị điều biến chiết suất sợi quang AFBG 46 Hình 3.10: Phổ phản xạ của AFBG với L=10 mm ,neff =1.447, λD =1550 nm 46 Hình 4.1 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong quang sợi đơn mode thông thường 49 Hình 4.2 Hậu quả của tán sắc đối với tốc độ truyền của mạng a) xung tại đầu phát b) xung thu được tại đầu thu và thiết bị thu không thể phân biệt được hai xung kế tiếp 50 Hình 4.3 Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi 52 Hình 4. 4. Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bagg chu kỳ thay đổi tuyến tính 53 Hình 4. 5: Hệ thống ghép bước sóng một hướng 54 Hình 4. 6: Hệ thống ghép bước sóng hai hướng 55 Hình 4. 7: Mô hình cơ bản của OADM 56 Hình 4. 8 : Mô hình OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB 58 Hình 4. 9: OADM dựa trên cấu hình giao thoa Mach-Zehnder 59 1 Danh mục hình vẽ Hình 4. 10: OADM dựa trên FBG và Circulator 60 Hình 4. 11: Cấu hình OADM dạng cách tử nằm giữa Coupler 61 Hình 4. 12: Mô hình cách ly kênh ở OADM 63 Hình 4. 13: Suy hao xen trong OADM 64 Hình 4. 14: Mô hình và tham số của phản xạ ngược trong OADM 65 Hình 4. 15: mô hình mức năng lượng của sợi quang pha tạp Erbium 66 Hình 4. 16: Cấu trúc modul EDFA thực tế 66 Hình 4. 17: Cấu hình bộ lọc đặt ngoài EDFA 68 Hình 4. 18: Cấu hình bộ lọc đặt giữa EDFA 68 Hình 4. 19: EDFA không sử dụng và có sử dụng FBG 69 Hình 4. 20: Đặc tuyến thực nghiệm độ khuyếch đại của EDFA phụ thuộc công suất tín hiệu đầu vào tại bước sóng 1550 nm 73 Hình 4.21: hệ số khuyếch đại phụ thuộc bước sóng trong trường hợp không sử dụng và sử dụng cách tử Bragg CFBG cho khuyếch đại EDFA 76 Hình 4. 22 Mô hình hệ thống cảm biến sử dụng FBG và nguyên lý hoạt động 78 2 Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ADM Add / Drop Multiplexing Bộ tách ghép kênh AFBG Apodisation Fibre Bragg Grating Cách tử điều biến chiết suất AWG Array Waveguide Gratings Dãy cách tử dẫn sóng BFBG Blazed Fibre Bragg Grating Cách tử chiếu xạ Bragg CFBG Chirped Fibre Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kì biến đổi DWDM Dense Wavelength Division Multiplex Ghép kênh mật độ cao phân chia theo bước sóng EDFA Erbium Doped Fibre Amplifier Bộ khuyếch đại quang sợi pha tạp Erbium FBG Fibre Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang GODC Germanium Oxygen Deficient Center Lõi sợi không có liên kết Si - Ge GPW Gate Planar Waveguide Cổng dẫn sóng Planar LCFBG Linear Chirped Fibre Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kì biến đổi tuyến tính LPG Long Period Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kì lớn MUX Multiplexing Bộ ghép kênh OADM Optical Add / Drop Mutiplexing Bộ tách ghép kênh quang OFA Optical Fibre Amplifier Bộ khuyếch đại quang sợi Thuật ngữ viết tắt PDL Polarisation Depent Loss Phân cực phụ thuộc suy hao UFBG Uniform Chirped Fibre Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kì đều UV Ultra Violet Tia cực tím WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo bước sóng WGR Waveguide Gratings Router Bộ định tuyến cách tử Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Cuộc cách mạng khoa học và kĩ thuật đã và đang diễn ra một cách mạnh mẽ trên toàn cầu. Cuộc cách mạng này đã đưa nhân loại tiến sang một kỉ nguyên mới , kỉ nguyên của nền văn minh dựa trên cơ sở nền công nghiệp trí tuệ. Khoa học kĩ thuật đã góp phần thúc đẩy kinh tế phát triển và tiến sang một giai đoạn mới đó là nền kinh tế tri thức. Trong đó viễn thông là ngành công nghiệp của tương lai và đóng vai trò vô cùng quan trọng trong mọi mặt của đời sống xã hội. Mạng truyền dẫn quang ra đời đã đáp ứng được các nhu cầu của người sử dụng dịch vụ viễn thông về băng thông lớn , chất lượng tín hiệu đảm bảo. Điều này dẫn đến sự phát triển tất yếu của mạng truyền dẫn quang. Nó nhanh chóng phát triển trở thành mạng đường trục tốc độ lớn với nhiều công nghệ mới ra đời phục vụ cho mạng như WDM hay EDFA …. Cùng với sự phát triển của mạng truyền dẫn quang thì các công nghệ chế tạo thiết bị quang cũng ngày càng phát triển. Các thiết bị mới ra đời nhằm tăng tốc độ và chất lượng truyền dẫn cho mạng cũng như khắc phục các nhược điểm cố hữu của mạng quang như là tán sắc , suy hao , khuyếch đại công suất … Kể từ khi ra đời vào năm 1978 , cách tử Bragg sợi quang đã có những bước phát triển vô cùng mạnh mẽ và hiện nay đã trở nên phổ biến. Nó không chỉ được sử dụng cho các ứng dụng trong mạng truyền dẫn quang mà còn được sử dụng cho các ứng dụng khác như laser và cảm biến quang. Với các ưu điểm của mình như sự đa dạng trong ứng dụng , độ ổn định cao và giá thành hạ, cách tử Bragg sợi quang đã và sẽ phát triển hơn nữa trong thời gian tới. Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Trần Đức Nhân cũng như sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn thông tin quang của Học Viện , em đã tiến hành nghiên Lời nói đầu cứu về nguyên lý và các ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang. Đến nay em đã hoàn thành bản đồ án với đề tài “Cách tử Bragg sợi ”. Bản đồ án có 4 chương: Chương I : Giới thiệu chung - giới thiệu về lịch sử và công nghệ chế tạo cũng như ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang. Chương II : Các công nghệ chế tạo cách tử Bragg sợi quang - chương này tiến hành tìm hiểu về các công nghệ chế tạo và đặc điểm của từng loại công nghệ đó. Chương III : Tính chất và đặc điểm của cách tử Bragg sợi quang - chương này chi tiết cách tử Bragg sợi quang về đặc điểm cấu tạo và các mô tả toán học của các tính chất của các dạng cách tử. Chương IV : Ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang - chương này mô tả về các ứng dụng nổi bật của cách tử trong các hệ thống hiện nay. Do đề tài có nội dung rộng và tương đối mới mẻ, điều kiện thời gian và kiến thức còn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót , em mong nhận được sự góp ý chân thành của các thầy cô giáo và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Chương 1: Giới thiệu chung CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1. 1. Lịch sử phát triển của cách tử Bragg quang Mô hình cách tử Bragg quang được đưa ra và chứng minh các tính chất của nó lần đầu tiên vào năm 1978 bởi Hill et al. Đến năm 1989, nó được mô tả một cách rõ ràng hơn bởi Meltz et al, cách tử Bragg quang được tạo ra bằng cách sử dụng phép chiếu giao thoa hai luồng tia cực tím UV-exposure. Với sự phát triển của mình, FBG có liên quan trực tiếp và chặt chẽ với sự phát triển của sợi quang, nó có khả năng sử dụng trong việc xây dựng các bộ lọc dùng để tách ghép kênh trong hệ thống truyền tải dữ liệu đa kênh. Nổi bật nhất trong những ứng dụng này là FBG được dùng cho hệ thống DWDM, FBG là cơ sở cho các thiết bị lựa chọn thụ động cho các bước sóng đơn, ghép bước sóng và chọn bước sóng băng hẹp. Nó làm việc tốt trong điều kiện các yếu tố về nhiệt độ và sức căng được đảm bảo bởi vì các điều kiện này có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của FBG. Sự phát triển nhanh chóng của FBG về các ứng dụng trong mạng viễn thông quang và các hệ thống cảm biến đã thúc đẩy là nâng cao tốc độ đột phá trong nghiên cứu, những kết quả này đã làm cải thiện và phát triển chất lượng cũng như các tính năng của các thiết bị quang. Trong tương lai, các tính năng của các thiết bị này có thể vượt qua các giới hạn hiện tại bằng việc sử dụng kĩ thuật photonic. Tính năng nhạy cảm với môi trường là một điểm không tốt của FBG, tuy nhiên hiện nay nó lại được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống cảm biến. Một trong các ứng dụng là cầu chì sillica, nó liên quan đến tính chất không bị ảnh hưởng bởi điện từ trường của FBG. Chương 1: Giới thiệu chung FBG có chu kì lớn được đưa ra và chứng minh bởi Vengkarsar và nhóm nghiên cứu của ông, nó lập tức được ứng dụng rộng rãi trong các bộ lọc thông băng và được sử dụng trong các hệ thống mạng DWDM, đó là các bộ cân bằng khuyếch đại EDFA, trong các hệ thống laser như các thiết bị cân bằng laser phát. Hơn nữa, FBG đang trở nên rất phổ biến với tư cách là một thiết bị quang đơn giản, linh hoạt và có vô số các ứng dụng trong các thiết bị và hệ thống quang. Các dạng cách tử Bragg hiện đang được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng hiện nay bao gồm các loại : FBG chu kì đều (Normal FBG), FBG chu kì tuyến tính (linear chirped FBG) và Apodisation FBG. 1. 2. Sơ lược công nghệ chế tạo FBG Kĩ thuật để tạo ra cách tử Bragg quang đầu tiên là kĩ thuật mặt nạ biên độ phát minh do Vengsarkar et al, phương pháp này sử dụng sợi quang Si-Ge giàu Hidro đặt trong môi trường chiếu xạ laser KrF (λ = 248 nm) thông qua mặt nạ biên độ làm bằng silica mạ Crom. Mỗi cách tử được tạo ra trên sợi quang có độ dài chừng 1 inch và chu kì của cách tử vào khoảng 60 μm cho đến 1 mm. Phổ truyền ánh sáng của cách tử được giám sát ngay trong quá trình tạo nên cách tử, thời gian để tạo ra một cách tử nằm trong khoảng 5 – 10 phút. Phương pháp mặt nạ biên độ này là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay do độ tin cậy trong toàn bộ quá trình sử dụng nó. Với việc cho phép các mặt nạ biên độ có thể được tái sử dụng và các yêu cầu trong lúc chế tạo được giảm thiểu đã làm giảm giá thành của sản phẩm. Nhược điểm của phương pháp này là việc để tạo ra các cách tử có chu kì khác nhau chúng ta chỉ co duy nhất một cách đó là thay đổi bằng các mặt nạ có chu kì khác nhau và điều này làm tăng giá thành sản phẩm. Zhang et al đã chế tạo cách tử Bragg quang bằng cách sử dụng phương pháp chiếu xạ trực tiếp tia UV lên sợi quang theo điểm - điểm. Quá trình chiếu xạ điểm điểm phụ thuộc vào các yêu cầu về chu kì và đáp ứng phổ. Quá trình này được điều [...]... cụ thể của từng loại cách tử Bragg sợi quang để làm rõ hơn vấn đề này Chương 2: Chế tạo FBG CHƯƠNG 2 CHẾ TẠO FBG 2.1 Độ nhạy trong sợi quang Khái niệm độ nhạy trong sợi quang được đưa ra đầu tiên bởi Hill Độ nhạy trong sợi quang được định nghĩa như là một tính chất của vật liệu dẫn quang được thể hiện ở khả năng lưu giữ quá trình điều biến vi sai nhằm phân bố cường độ phát xạ quang theo ý muốn Tính... khác nhau trong lõi sợi có thể khác nhau Phổ của cách tử được giám sát bằng ánh sáng của một LED băng rộng chiếu qua cách tử và đưa đến một máy phân tích quang phổ Khi sóng phản xạ trở lại từ cách tử thoả mãn các yêu cầu về phổ thì nguồn laser sẽ ngừng phát và sản phẩm được hoàn thành 2 4 Tóm tắt Trên đây chúng ta trình bày một cách khái quát về cách tử FBG, các tính chất của cách tử được xây dựng dựa... các tham số chỉ số khúc xạ ảnh hưởng n eff và chu kì cách tử Λ là cố định Dạng phổ phản xạ của loại cách tử này được mô tả trong hình (3 3): Chương 2: Chế tạo FBG Hình 3 3: Phổ phản xạ của cách tử Bragg dạng cách tử đều, độ dài cách tử 1cm, λB=1550 nm, Λ=0 8 nm 3 2 Điều kiện kết hợp pha FBG cho phép truyền năng lượng giữa các mode trong một sợi quang Điều này có thể đạt được bằng việc thay đổi pha... ứng dụng nhiều trong chế tạo các thiết bị quang, chẳng hạn như cách tử Cách tử chiết suất khúc xạ là một thiết bị quang có nhiệm vụ điều biến tín hiệu theo chu kì hoặc pha của sóng tới Việc chế tạo các cách tử dạng này thường dùng các vật liệu có tính chất nhạy cảm ánh sáng, chẳng hạn như Li, Ga-As, Ba-Ti, … Để mô tả độ nhạy ánh sáng trong sợi quang, chẳng hạn sợi Ge, người ta đưa ra một số mô hình Những... xạ từ FBG λ Bragg = 2π _ π n0 = 2n0 ∧ λ λ được định nghĩa: δ= 2π π n0 − λ Λ (3 12) Trong trường hợp cách tử Bragg có nhiều giá trị ∆n dọc theo chiều dài cách tử, các phân tích phổ có thể đạt được bằng cách giải quyết các phương trình ghép mode khác nhau Trường hợp các cách tử đồng dạng cũng đã được giải quyết tương 2 tự Hệ số phản xạ v1 (γ ) / v2 (γ ) và R = ρ tại điểm bắt đầu của cách tử là (t-v):... trình (3 14) để tính toán, với Rmax tại λ = Bragg Để hiểu một cách đầy đủ về các thuộc tính của cách tử Bragg quang, khái niệm trễ nhóm hay trễ thời gian phải được tính toán Với cách cách tử loại này thời gian trễ có thể được quyết định bởi pha của hệ số phản xạ ρ đã cho ở trên Nếu θ ρ = phase (ρ ) và thời gian trễ cho ánh sáng phản xạ ngược trở lại từ cách tử cho bởi: τρ = dθ ρ dw =− λ 2 dθ ρ 2π c... trong cách tử trước khi quay ngược trở lại được tính bằng Leff = c τρ n0 Trong các cách tử loại này thời gian trễ nhỏ nhất xuất hiện tại λ = Bragg Đối với các bước sóng gần cạnh các băng tần của cách tử có độ tán sắc lớn nhất với thời gian tử biến động lớn tại các bước sóng Vì vậy, chênh lệch thời gian tử rộng lớn là đặc tính của dạng này, nó phụ thuộc vào bước sóng trước khi ra khỏi cách tử Hình... FBG khác được Lin và Wang đưa ra, trong đó cấu trúc chiết xuất theo nếp gấp của sợi quang được tạo ra bằng cách khắc axit trên sợi quang Loại FBG này được chế tạo theo cách sau : một sợi quang dịch tán sắc tiêu chuẩn với đường kính vỏ ban đầu là 125μm được sử dụng Một lớp vỏ kim loại mỏng với độ dày 120nm được phủ lên sợi quang với một lớp chất bảo vệ chống lại sự ăn mòn của axit tại các vị trí đã định... chính là điều kiện xảy ra phản xạ Bragg Từ phương trình (3 2) chúng ta có thể thấy rằng bước sóng Bragg hoàn toàn phụ thuộc vào chỉ số khúc xạ và chu kì của cách tử Các cách tử dài với chỉ số khúc xạ thay đổi không đáng kể có đỉnh phản xạ rất nhọn và băng tần phản xạ rất nhỏ như mô tả trong hình (3 2): Chương 2: Chế tạo FBG Hình 3 2: Mô tả đặc tính của FBG Đối với cách tử Bragg đều, các tham số chỉ số... được xem là điểm zero thứ 2 trong tính toán phản xạ:  Bragg  Vλzero ∆n = 1+  ÷ λ n0  ∆nL  (3 16) Với cách tử có ∆nL >> Bragg , công thức được đơn giản hoá như sau: Vλzero ∆n = λ n0 (3 17) Phương trình (3 16) cung cấp thông tin về việc gây ra hiệu ứng chỉ số thay đổi đơn giản bằng cách tính toán phổ băng tần của cách tử Tương tự cho cách tử cùng loại, việc thay đổi chỉ số công suất cũng có thể . của cách tử Bragg sợi quang - chương này chi tiết cách tử Bragg sợi quang về đặc điểm cấu tạo và các mô tả toán học của các tính chất của các dạng cách tử. Chương IV : Ứng dụng của cách tử Bragg. Bragg Grating Cách tử điều biến chiết suất AWG Array Waveguide Gratings Dãy cách tử dẫn sóng BFBG Blazed Fibre Bragg Grating Cách tử chiếu xạ Bragg CFBG Chirped Fibre Bragg Grating Cách tử Bragg. 5. 3 Cách tử điều biến chiết suất 43 3. 5. 3. 1 Nguyên lý 43 3. 5. 3. 2 Mô tả toán học của AFBG 44 CHƯƠNG 4 48 CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÁCH TỬ BRAGG SỢI QUANG 48 4. 1 Ứng dụng của cách tử Bragg quang