chuyển mạch quang trên nền tinh thể linbo3

HC VIN CễNG NGH BU CHNH VIN THễNG KHOA QUC T V SAU I HC TIểU LUậN Môn học : truyền TảI IP/Quang CHủ đề : Chuyển mạch quang trên nền tinh thể LITHIUM NIOBATE (LiNbO3) Học viên thực hiện : NGUYễN TIếN DũNG LớP : CAO HọC ĐIệN Tử - M11CQDT01-B GIảNG VIÊN HƯớNG DẫN : PGS.TS. BùI TRUNG HIếU Hà NộI, tháng 5 năm 2012 Hin nay cỏc h thng chuyn mch gúi thụng thng ó v ang c ng dng rng rói trong cỏc h thng thụng tin vin thụng. Tuy nhiờn tc ca cỏc h thng ny cũn gii hn nờn kh nng ng dng cho cỏc mng bng rng, a dch v, tc cao ngy cng b hn ch. Vi cỏc u th vt tri v tc v bng thụng ca mỡnh, chuyn mch gúi quang ra i cú th khc phc c cỏc khim khuyt ca chuyn mch gúi thụng thng. i vi cỏc h thng truyn thụng di 10 Gbit/s, vic bin iu tớn hiu c thc hin trc tip t vic bin iu dũng in bm ca laser bỏn dn. Tuy nhiờn, khi lu lng lờn n 10 Gbit/s hay hn na, vic bin iu trc tip ny gõy nhiu phin toỏi, lm cho tớn hiu b bin dng sau khi c truyn i xa (>100 km) trờn cỏc si quang tiờu chun (SMF28 hoc G652). Do ú, t c s iu bin n nh cỏc lu lng cao, chỳng ta cn laser hot ng ch dũng in khụng i v dựng cỏc b iu bin ngoi (external modulator). Hin nay, trờn th trng (trờn th gii, hay trong ngnh vin thụng quang) tn ti hai b bin iu ngoi tha món cỏc yờu cu k thut (ch yu l t c lu lng trờn 10 Gbit/s, ti a hin nay l ti 40 v 50 Gbit/s) : - B bin iu in - quang dựng LiNbO3. - B bin iu dựng hiu ng hp th in quang (EAM). Ngy nay cỏc b bin iu in-quang dựng LiNbO3 c dựng thụng dng trong cỏc thit b truyn thụng. Nguyờn nhõn chớnh l b bin iu ny ỏp dng c vi rt nhiu phng phỏp iu ch (ASK, DPSK, ) Phần tử chuyển mạch cơ bản này đợc cấu trúc trên nền tinh thể LiNbO3 là hợp chất có khả năng thay đổi chiết suất khi có điện áp ngoài dặt vào làm đổi hớng truyền của ánh sáng. Sự biến đổi này có khả năng đáp ứng nhanh về mặt trong thời gian phạm vi 10 -12 s do vậy có thể tạo khả năng thực hiện việc chuyển mạch ánh sáng với tốc độ cực nhanh. 2 Chuyển mạch quang dựa trên tinh thể LiNbO3 Những ưu điểm của tinh thể LiNbO3 trong chế tạo các thiết bị quang đặc biệt trong chế tạo chuyển mạch đã được khẳng định : - Hiệu ứng quang điện, hiệu ứng điện áp xảy ra mạnh. - Các thuộc tính phi tuyến kết hợp với độ ổn định cao (về mặt cơ học, hóa học) - Cung cấp một dải rộng trong suốt so với các tinh thể khác. Chính vì vậy chuyển mạch dựa trên tinh thể này đang rất được quan tâm nghiên cứu, chế tạo và đưa vào áp dụng trong mạng viễn thông quang. Trong những thập niên gần đây, người ta tập trung nghiên cứu chế tạo các linh kiện và thiết bị chuyển mạch quang quang sử dụng tinh thể hoặc cách tử trong quang sợi để ứng dụng trong hệ thống thông tin quang và đã thu được những kết quả tốt. Các bộ chuyển mạch sử dụng tinh thể LiN b O 3 có tốc độ chuyển mạch rất cao dựa trên các hiệu ứng thay đổi chiết suất theo các hướng khác nhau của tinh thể khi có tác dụng của điện trường ngoài. Hiệu ứng này phụ thuộc vào hướng điện trường áp đặt so với hướng truyền của ánh sáng tới, trục của tinh thể, tần số và cường độ điện trường. Khi chiết suất của môi trường truyền sóng thay đổi theo một tần số nhất định, ta có thể tách đôi chùm sáng truyền trong tinh thể và điều biến chùm sáng, đó là nguyên lý của các bộ điều biến chùm sáng bằng tinh thể quang âm (Acoustic- optics). Hiện nay phổ biến nhất của chuyển mạch quang sử dụng tinh thể LiN b O 3 cho các bước sóng 630, 670, 850, và 1300nm trong hệ thống thông tin quang sợi dựa trên giao thoa kế Mach-Zehnder (MZI), hiệu ứng phản xạ chùm tia và cơ chế ghép đường dẫn sóng định hướng. Các cấu hình chuyển mạch này thích hợp với mạng quang đơn mốt và đa mốt hiện đang sử dụng trong các hệ thống thông tin quang. 3 a. Cấu hình chuyển mạch quang dùng bộ ghép định hướng b. Cấu hình chuyển mạch quang dùng giao thoa kế Mach-Zehnder 1. Cấu hình chuyển mạch dùng bộ ghép định hướng 1.1. Cơ sở ghép mode giữa các đường dẫn sóng. Một ứng dụng quan trọng của đường dẫn sóng là sử dụng nguyên lý ghép mode giữa các đường dẫn sóng cạnh nhau để làm chuyển mạch ánh sáng hay điều biến tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể mà có các ứng dụng khác nhau. Mô hình ghép sóng giữa hai đường dẫn sóng song song Về nguyên tắc hai đường dẫn sóng phải được đặt gần nhau về không gian tới mức sóng đang truyền trên đường này có thể chuyển sang truyền bên đường dẫn sóng kia, lúc đó ta có thể nói rằng có hiện tượng ghép mode giữa hai đường dẫn sóng đó. 4 Thông thường hai đường dẫn sóng này chỉ có một không gian nhất định tại đó chúng rất sát nhau, gọi là chiều dài tương tác của bộ ghép định hướng. Để ghép sóng có hiệu quả tức là mức độ chuyển công suất quang từ đường dẫn sóng này sang đường bên kia lớn thì phải yêu cầu một chiều dài ghép L 0 được xác định. Chiều dài ghép này phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Khoảng cách giữa các đường dẫn sóng - Chiết suất của các đường dẫn sóng - Dạng hình học của các đường dẫn sóng Xét bộ ghép định hướng gồm hai nhánh dẫn sóng. Gọi công suất quang truyền đi trên hai nhánh dẫn sóng lần lượt là P 1 (z) và P 2 (z) trong đó z có hướng dọc theo hướng truyền của sóng quang đầu vào. Tỷ lệ công suất ghép từ đường dẫn sóng 1‚ sang đường dẫn sóng 2‚ được đánh giá theo công thức: (1) trong đó Δβ là độ khác nhau về hằng số truyền trên hai đường dẫn sóng Δβ = β 1 - β 2 L 0 là chiều dài ghép ứng với hiệu suất cao nhất và hàm sinc(x)=sin(πx)/πx. Hằng số truyền được xác định theo công thức với λ là bước sóng ánh sáng tới và n là chiết suất của đường dẫn sóng tương ứng. Từ đó ta có thể suy ra được công thức tính hiệu hằng số truyền Δβ: với Δn là sự khác nhau về chiết suất giữa hai đường dẫn sóng ánh sáng. Nếu β 1 = β 2 thì Δβ=0 và P 2 (z)=0, tại công suất quang ở nhánh 1 chuyển hoàn toàn sang nhánh 2‚tức là: P 1 (L 0 )=0, P 2 (L 0 )=P 1 (0). Trong đó ρ là hệ số ghép, phụ thuộc vào hướng truyền sóng, độ dài bước sóng và chiết suất. 5 Trong trường hợp độ khác nhau về hằng số truyền không bằng không, tỷ lệ công suất ghép từ đường dẫn sóng này sang đường dẫn sóng kia được xác định theo công thức (1). 1.2. Cơ sở thực hiện chuyển mạch. Xét một chuyển mạch quang theo kiểu ghép định hướng như trong hình Đặt: ta có u>>1/2, lúc đó J được xác định như sau: Tỷ số này có đạt giá trị cực đại bằng 1 khi u bé nhất bằng 1/2 tức là ΔβL 0 =0. Hệ số chuyển đổi công suất J giảm dần khi u tăng và bằng 0 khi: sinc(u) = 0 ↔ πu = u (vì u≥1/2) Vậy để điều khiển công suất quang ghép hay không ghép giữa hai nhánh ta cần điều khiển độ lệch ΔβL 0 thay đổi giữa hai giá trị 0 và , nó được điều khiển nhờ các hiệu ứng điện quang như hiệu ứng Pockels - Khi áp đặt điện trường E lên một trong 2 nhánh ống dẫn sóng đồng nhất sẽ làm chiết suất của nó thay đổi một lượng n theo hiệu ứng Pockels như sau: với τ là hệ số Pockels. - Các điện cực nằm trên hai đường dẫn sóng được cách nhau một khoảng là d nên khi có điện thế V π áp đặt vào hai đường dẫn sóng sẽ tạo nên điện trường E=V/d với d là khoảng cách hiệu dụng giữa hai nhánh dẫn sóng đó. - Sự thay đổi về chiết suất giữa hai ống dẫn sóng là 6 do đó . Tại điều kiện ta có điện thế chuyển mạch được tính theo công thức sau: Như vậy với một chuyển mạch được xác định, các giá trị trong vế phải của công thức trên là xác định nên ta có thể tính được điện thế cần thiết để chuyển mạch V π . Để chuyển mạch ta cần thay đổi giá trị điện thế điều khiển giữa 0 và V π . Cụ thể là - Khi V = 0, hiệu suất chuyển mạch đạt cực đại (J=1), ánh sáng từ đường dẫn sóng 1 chuyển hoàn toàn sang đường dẫn sóng 2. - Khi V = V π , không có ánh sáng chuyển từ đường 1 sang đường 2‚ và ánh sáng vẫn được duy trì bên trong đường 1. Các bộ ghép định hướng quang tổ hợp có thể chế tạo được bằng cách khuếch tán nguyên tố Titanium vào chất nền LiN b O 3 có độ tinh khiết cao. Như vậy điện thế chuyển mạch V sẽ thấp, thường là dưới 10V và dung lượng hơn 10Gbit/s. 7 2. Cấu hình chuyển mạch dùng giao thoa kế Match Zehnder (MZI). Trong cơ cấu này, ngoài giao thoa kế MZI còn có thêm hai bộ kết hợp công suất và chia công suất quang ( suy hao 3dB) đặt ở đầu vào và ra của chuyển mạch. Nguyên tắc hoạt động của chuyển mạch. - Nguyên lý giao thoa ánh sáng : nếu tại điểm gặp nhau của hai sóng kết hợp nếu có hiệu quang trình bằng số nguyên lần bước sóng thì có vân giao thoa cực đại, nếu hiệu quang trình bằng số lẻ lần nửa bước sóng thì không có vân giao thoa ánh sáng. 8 Áp dụng với chuyển mạch quang : - Khi có vân giao thoa ánh sáng cực đại thì có ánh sáng đầu ra của chuyển mạch. - Khi không có vân giao thoa ánh sáng thì không có ánh sáng đầu ra của chuyển mạch. ΔD = D 2 – D 1 = Ln 2 – Ln 1 =L.Δn Với Δn : độ thay đổi về chiết suất giữa hai nhánh dẫn sóng. Theo hiệu ứng Pockels, khi đặt điện áp điều khiển V lên hai điện cực, độ thay đổi về chiết suất của hai nhánh dẫn sóng theo điện trường E tạo thành được tính như sau : Δn = - ½. τn 3 .E Khi đó hiệu quang trình được viết lại như sau : ΔD = L.Δn = - ½. τn 3 .E.L = - ½. τn 3 .L.V/d Như vậy các trạng thái của chuyển mạch được quyết định bới điện áp đặt trên hai điện cực của các nhánh giao thoa kế. Tính toán có vân giao thoa cực đại ΔD = 0 ΔD = L.Δn = - ½. τn 3 .E.L = - ½. τn 3 .L.V/d = 0 ↔ V = 0 Khi chưa áp điện áp điều khiển, tại vùng gặp nhau của hai nhánh dẫn sóng có vân sáng giao thoa cực đại, tại một đầu ra của chuyển mạch sẽ có sóng. Tính toán có vân giao thoa cực đại ΔD = λ/2. ΔD = L.Δn = - ½. τn 3 .E.L = - ½. τn 3 .L.V/d = λ/2 ↔ V = Vπ = λd/ τn 3 .L Khi đó sự khác pha của sóng truyền trên hai nhánh dẫn sóng là : ΔФ = Δβ.L = Δn.L.2π/λ = ½. 2π.V.L.τ . n 3 / λ .d = π Như vậy so với lúc chưa đặt điện áp lên điện cực V = 0, khi đặt một điện áp chuyển mạch Vπ được xác định như trên thì sẽ thay đổi được trạng thái của chuyển mạch, chuyển tín hiệu quang từ nhánh này sang nhánh kia, khi đó độ khác pha của sóng quang trên hai nhánh của giao thoa kế đúng bằng π. Để điều khiển chuyển mạch dùng giao thoa kế ta chỉ cần thay đổi điện áp chuyển mạch giữa hai giá trị V= 0 và V = V π 9 3. Cấu hình chuyển mạch dùng cách tử phản xạ Bragg. Các bộ chuyển mạch sử dụng tinh thể LiNbO3 có tốc độ chuyển mạch rất cao dựa trên các hiệu ứng thay đổi chiết suất theo các hướng khác nhau của tinh thể khi có điện trường ngoài tác động lên tinh thể. Hiệu ứng thay đổi chiết suất phụ thuộc vào hướng điện trường áp đặt so với hướng truyền của ánh sáng, trục tinh thể, tần số và cường độ điện trường áp đặt. Khi chiết suất của tinh thể thay đổi tuần hoàn theo một qui luật nào đó sao cho chiết suất của tinh thể theo hướng truyền sáng tạo thành các vạch có chiết suất khác nhau với khoảng cách đúng bằng khoảng cách Bragg :Λ = λ/2n thì sẽ xuất hiện hiệu ứng phản xạ chùm sáng ngược lại so với hướng tới, trong đó λ là bước sóng của ánh sáng vào và n là chiết suất của tinh thể của tinh thể đối với ánh sáng đó. Xét một chuyển mạch sử dụng tinh thể LiNbO3 trên hiệu ứng phản xạ chùm tia. Chuyển mạch này cần có các công tắc điện cực sao cho có thể làm thay đổi chiết suất của tinh thể theo điện trường ngoài. Hiệu ứng thay đổi chiết suất của tinh thể theo điện trường ngoài thường áp dụng cho trường hợp điện trường vuông góc với hướng truyền sáng (xảy ra hiệu ứng Kerr). Sự phụ thuộc chiết suất tinh thể vào điện trường theo hiệu ứng Kerr được biểu thị qua công thức : n (E) = n - 1/2. ξ.n 3 .E 2 Trong đó : n : chiết suất của tinh thể (khi điện trường = 0) ξ : hệ số Kerr được tính bằng biếu thức ξ = - 1d 2 n/n 3 .dE 2 khi E=0 ξ có giá trị từ 10 -15 đến 10 -14 m 2 /V 2 đối với tinh thể LiNbO3 Xét mô hình chuyển mạch kiểu phản xạ Bragg có các điện cực dương / âm (+,-) đan xen nhau dạng hình răng lược trên mặt tinh thể LiNbO3 để tạo thành một dãy điện trường nối tiếp nhau trong tinh thể. 10 [...]... đòi hỏi hệ thống cần phải có các chuyển mạch quang quang Như vậy, ngoài những ưu điểm cơ bản về tốc độ chuyển mạch, bản thân hệ thống mạng cũng tiết kiệm được thời gian chuyển đổi quang điện, điện quang và bao gồm thêm cả các thiết bị chuyển đổi trong hệ thống mạng Trong số các chuyển mạch quang hiện nay, chuyển mạch quang trên nền tinh thể Lithum Niobat Oxit (LiNbO3) đang được áp dụng và nghiên cứu... được đề cập trong bài báo này Hiện nay đã chế tạo được chuyển mạch lên tới hơn 100Gbit/s, thời gian chuyển mạch cỡ nanô giây hoặc bé hơn và dễ dàng ghép nối với hệ thống mạng bên ngoài Có thế nói đây là linh kiện chuyển mạch tối ưu cho các mạng viễn thông cáp quang hiện nay và trong tương lai Hy vọng rằng một số cấu hình chuyển mạch quang tinh thể LiNbO3 sẽ được thiết kế, thử nghiệm và triển khai ở Việt... quang hiện nay trong vùng bước sóng có suy hao thấp nhất hoàn toàn có thể đáp ứng được các yêu cầu trên và hiện vẫn chưa khai khác được hết tiềm năng vốn có của nó Tuy nhiên một vấn đề quan trọng nổi lên đó là hệ thống chuyển mạch phải có dung lượng chuyển mạch cực lớn và thời gian chuyển mạch rất nhỏ Các chuyển mạch điện tử số đã không đảm bảo được yêu cầu này và đòi hỏi hệ thống cần phải có các chuyển. .. vào nằm đối diện nhau 13 4.4 Ghép nối sử dụng hai hệ sợi quang – thấu kính Grin – Rod Cấu hình này sử dụng hai hệ sợi quang – thấu kính Grin-Rod để tạo chùm tia song song vào tinh thể LiNbO3 và thu gom chùm tia lệch đi ra khỏi tinh thể Trường hợp này, tinh thể có các điện cực và được áp đặt điện trường xoay chiều tần số cao Khi đó chiết suất tinh thể thay đổi tuần hoàn theo hướng vuông góc với hướng truyền... khoảng 2-8 mW 11 4 Ghép nối chuyển mạch với cáp quang đầu cuối 4.1 Ghép nối sử dụng thấu kính Grin – Rod Chùm tia phản xạ từ tinh thể khi có điện áp tác dụng sẽ có hướng ngược lại với hướng chùm tới và lệch khỏi trục quang khoảng 1o đến 2o, do đó ta có thể góp chùm tia phản xạ bằng bộ sợi quang – thấu kính Grin – Rod Với cấu hình này sợi quang truyền dẫn đưa tín hiệu vào và sợi quang truyền dẫn tín hiệu... Việt Nam cho phép định hướng nghiên cứu phát triển công nghệ chế tạo và bảo trì, bảo hành các thiết bị, linh kiện thông tin quang sử dụng trong nước / Tài liệu tham khảo 1 Bài viết Chuyển mạch quang dựa trên nền tinh thể LiN bO3” của TS.Nguyễn Minh Việt và Ths.Nguyễn Hoàng Hải trên Tạp chí bưu chính viễn thông Kỳ 1 tháng 2 năm 2003 2 IEICE Transactions on Electronics of Prof Masao KODAMA page 1163,... Với cấu hình này sợi quang truyền dẫn đưa tín hiệu vào và sợi quang truyền dẫn tín hiệu ra nằm vuông góc với nhau 4.3 Ghép nối sử dụng 2 lăng kính Sử dụng hai lăng kính 45o, đặt thêm 1 lăng kính 45o để phản xạ tín hiệuthu từ chuyển mạch sao cho phương của tia thu và phương của tia tới song song với nhau và ngược chiều Với cấu hình này sợi quang truyền dẫn đưa tín hiệu ra và sợi quang truyền dẫn tín... suất tại các vùng nhỏ dọc theo tinh thể Điện trường áp đặt phải có dạng xoay chiều và tần số để gây hiệu ứng phản xạ chùm tia tại bước sóng 1300nm vào khoảng vài trăm MHz và biên độ khoảng vài chục Volt VD : chuyển mạch do hãng Anritsu chế tạo dùng cách tử phản xạ Bragg có tần số điện trường áp đặt từ 180MHz đến 200MHz, biên độ 24v, hoạt động ở bước sóng 1300nm Chuyển mạch hoạt động với các chùm tia... vuông góc với hướng truyền ánh sáng và gây nên hiệu ứng lệch chùm tia giống như hiệu ứng lệch tia bởi cách tử Chùm tia lệch khỏi quang trục hệ thống một góc cỡ 2o và các hệ sợi quang- thấu kính Grin-Rod cách nhau 6-8 cm Điện trường áp đặt có tần số 140Mhz, biên độ 20-24V, tinh thể LiNbO3 có độ dày 1.5mm dài 12mm, chùm Laser có bước sóng trong vùng 630-850nm 14 5 Kết luận Hiện nay với nhu cầu thông tin không... điều chế LiNbO3 theo cấu trúc của giao thoa kế Mach-Zehnder cho định dạng ASK từ 10 đến 40 Gbit/s Bộ điều biến này gây chirp khá lớn nếu là single-drive, còn nếu là dual-drive thì chirp còn lại là rất bé (Sau này chắc phải có bài giới thiệu về thiết bị quan trọng này mới được) Bộ điều chế EAM (Electro-Absorption Modulator) cũng gây chirp nhưng không đáng kể Sau đó đến các thiết bị quang như sợi quang, . vậy có thể tạo khả năng thực hiện việc chuyển mạch ánh sáng với tốc độ cực nhanh. 2 Chuyển mạch quang dựa trên tinh thể LiNbO3 Những ưu điểm của tinh thể LiNbO3 trong chế tạo các thiết bị quang. suất của tinh thể của tinh thể đối với ánh sáng đó. Xét một chuyển mạch sử dụng tinh thể LiNbO3 trên hiệu ứng phản xạ chùm tia. Chuyển mạch này cần có các công tắc điện cực sao cho có thể làm. thiết bị chuyển mạch quang quang sử dụng tinh thể hoặc cách tử trong quang sợi để ứng dụng trong hệ thống thông tin quang và đã thu được những kết quả tốt. Các bộ chuyển mạch sử dụng tinh thể LiN b O 3