CÁCH TỬ BRAGG SỌI QUANG chương 4 doc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI: CÁCH TỬ BRAGG SỌI QUANG CHƯƠNG 4 CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÁCH TỬ BRAGG SỢI QUANG 4. 1 Ứng dụng của cách tử Bragg quang trong bù tán sắc 4. 1. 1 Giới thiệu Tán sắc trong quang sợi đơn mode là một trong những hiện tượng vật lý ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng của mạng thông tin quang tốc độ cao dùng bước sóng ánh sáng vùng cửa sổ 1550nm. Nó làm tăng tỉ lệ lỗi bit, giới hạn tốc độ hoặc khoảng cách truyền của mạng. Để xây dựng hoặc nâng cấp những mạng thông tin quang (OTDM, DWDM, OCDMA) kích thước lớn (vài nghìn km), tốc độ cao (vài chục Gbit/s) thì một vấn đề quan trọng phải giải quyết đó là giảm tối thiểu độ tán sắc trong sợi cáp quang. Một số giải pháp khắc phục hiện tượng tán sắc đang được áp dụng hiện nay trên thế giới là sử dụng các cáp quang thông tin có độ tán sắc tối thiểu (dispersion- shifted fibers) hoặc cáp quang có khả năng bù độ tán sắc (dispension-compensating fibers). Tuy nhiên các phương pháp này có một nhược điểm là chi phí lớn do giá thành cáp quang đặc biệt này đắt hơn nhiều so với cáp quang thông tin thông thường. Ngoài ra phải tính đến chi phí để thay thế toàn bộ các cáp quang thông thường đã lắp đặt trước đó hoặc lắp đặt thêm những đoạn cáp quang bù tán sắc khá dài (cỡ vài km cáp quang bù tán sắc để bù cho vài chục km cáp quang thường). Hiện nay có một hướng nghiên cứu mới sử dụng các quang sợi có lõi là các cách tử Bragg để bù độ tán sắc. Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị có kích thước nhỏ gọn, chế tạo đơn giản, và hoạt động rất có hiệu quả. Phương pháp bù độ tán sắc trong quang sợi đơn mode dùng quang sợi cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính (linear chirped Fiber Bragg Grating). 4. 1. 2 Hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang Hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian sau một quãng đường truyền nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang. Có ba nguồn gây nên hiện tượng tán sắc đó là: - Tán sắc vật liệu - Tán sắc dẫn sóng - Trễ nhóm Đối với các bước sóng trong phạm vi 1550nm thì tán sắc vật liệu là nguyên nhân chính gây nên hiện tượng tán sắc. Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi cáp quang, vận tốc ánh sáng cũng như chiết xuất của quang sợi là một hàm số của bước sóng ánh sáng tín hiệu. Hình vẽ 1 biểu diễn sự thay đổi của vận tốc nhóm của một xung ánh sáng đối với các bước sóng khác nhau trong một sợi cáp quang thông tin đơn mode thông thường. Hình 4.1 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong quang sợi đơn mode thông thường Trên hình vẽ 1, chúng ta nhận thấy tại các bước sóng vùng cửa sổ 1550nm, vận tốc nhóm tỷ lệ nghịch với bước sóng của ánh sáng. Như chúng ta đã biết, trên thực tế không thể có một nguồn sáng đơn sắc tuyệt đối, mọi nguồn sáng đều có một độ rộng phổ nhất định. Giả sử một xung ánh sáng có bước sóng trung tâm tại 1550nm, độ rộng phổ Δλ 0 truyền qua một sợi cáp quang đơn mode. Các thành phần bước sóng dài hơn của xung sẽ chuyền chậm hơn các thành phần bước sóng ngắn hơn. Như vậy, sau một quãng đường truyền đủ dài, độ rộng xung sẽ bị kéo giãn ra tới mức hai xung kế tiếp nhau sẽ bị chèn lên nhau (hình 4.2). Hậu quả là thiết bị ở đầu thu sẽ không thể phân biệt được 2 xung riêng biệt. Để thiết bị thu được tín hiệu xung, người ta phải giảm tốc độ truyền hoặc rút ngắn khoảng cách giữa bên phát và bên thu. 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 4. 1. 3 Bù tán sắc bằng quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính Quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính là một sợi quang đơn mode có một đoạn lõi được ghi những cách tử có chu kỳ thay đổi một cách tuyến tính dọc theo chiều dài của quang sợi. Λ(z) = Λ0 + Λ1(z) (4.1) Λ 0 là chu kỳ ở điểm bắt đầu của đoạn cách tử, Λ 1 là sự thay đổi tuyến tính dọc theo chiều dài của đoạn cách tử. Tại vị trí z trên đoạn cách tử Bragg, một sóng ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại nếu bước sóng của nó thoả mản công thức: λ B (z) = 2n eff (z)Λ(z) (4.2) λ B (z) là bước sóng Bragg tại vị trí z tương ứng với chu kỳ cách tử Λ(z). Đặc tính của quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi là tại những vị trí tương ứng với chu kỳ dài hơn sẽ phản xạ những ánh sáng có bước sóng dài hơn. Giả sử xung tín hiệu đi vào đầu có chu kỳ dài hơn của đoạn cách tử như hình vẽ 4. Khi đó, những bước sóng dài hơn sẽ bị phản xạ ở gần phần đầu của đoạn cách tử hơn. Nói cách khác, những bước sóng ngắn hơn sẽ phải đi một quãng đường xa hơn trong đoạn cách tử trước khi chúng được phản xạ ngược lại. Kết quả là một khoảng thời gian trễ d sẽ được tạo ra giữa thành phần bước sóng ngắn so với thành phần bước sóng dài. Trong công thức trên d là khoảng thời gian trễ, n eff là chiết xuất hiệu dụng, L là độ dài đoạn cách tử Bragg, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, Δλ c là hiệu số giữa bước sóng bị phản xạ ở đầu đoạn cách tử (thành phần bước sóng dài nhất) so với bước sóng bị phản xạ ở cuối đoạn cách tử (thành phần ngắn nhất). λ ngắn λ dài FBG Hình 4.3 Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi (4.3) Đây là hiện tượng ngược với hiện tượng tán sắc và là nguyên lý của thiết bị bù tán sắc trong mạng thông tin quang dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính. Hình vẽ 4.4 là một mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính. Hình 4. 4. Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bagg chu kỳ thay đổi tuyến tính Trên hình vẽ circulator là thiết bị ghép nối quang chỉ cho ánh sáng đi lần lượt các cổng 1, 2, 3 theo chiều kim đồng hồ. Một xung bị giãn rộng sau khi được khuếch đại sẽ đi qua một circulator để tới đoạn cách tử Bragg có chu kỳ biến đổi như hình vẽ. Tại đoạn cách tử, thành phần bước sóng ngắn tới trước do tán sắc sẽ phải đi thêm quãng đường nữa trước khi được phản xạ ngược lại để tới thiết bị đầu thu. Trong khi đó, thành phần bước sóng dài hơn, đến chậm hơn do bị tán sắc, sẽ được phản xạ ngay khi tới cách tử Bragg. Kết quả là xung tín hiệu sau khi đi qua thiết bị bù đã được co lại. Tính toán hợp lý các số liệu về độ dài đoạn cách tử Bragg, hàm thay đổi của chu kỳ các cách tử L(z), người ta có thể thu được xung ánh sáng có độ rộng như ở đầu phát. Người ta đã chứng minh rằng một đoạn cách tử Bragg dài 5, 7cm có thể bù cho 100km quang sợi truyền thống có độ tán sắc 17ps/nm km dùng bước sóng 1550nm, độ rộng phổ 0, 2 nm. 4. 2 Ứng dụng của FBG trong bộ tách ghép kênh OADM 4. 2. 1 Tổng quan về WDM Ghép kênh theo bước sóng là công nghệ cơ bản để tạo nên mạng quang. Kĩ thuật này sử dụng sợi quang để mang nhiều kênh quang độc lập riêng rẽ. Mỗi một bước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi. Ghép kênh theo bước sóng WDM là kĩ thuật truyền dẫn trên sợi quang mà sử dụng các bước sóng ánh sáng khác nhau để truyền dẫn số liệu song song theo bit hay nối tiếp theo kí tự. Qua quá trình phát triển công nghệ khái niệm WDM được thay bằng khái niệm DWDM. Về nguyên lý không có sự khác biệt nào lớn giữa hai công nghệ trên, DWDM nói đến khoảng cách gần giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số lượng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống. Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường nằm trong cửa sổ một bước sóng chủ yếu là 1550 nm. Hệ thống WDM hoàn toàn tương tự như hệ thống TDM truyền thống. Cấu tạo của nó bao gồm các bộ phát và thu ở hai phía cùng với các bộ lặp và xen rẽ ở giữa. Tuy nhiên nó khác ở chỗ WDM truyền dẫn đồng thời các kênh quang qua sợi. Chúng ta có thể xem WDM như là một hệ thống nhiều TDM dùng chung đường truyền là sợi quang. Người ta đã chia hệ thống WDM thành hai dạng dựa trên số lượng sợi nằm giữa phát và thu :  Hệ thống ghép bước sóng một hướng: Hệ thống ghép bước sóng một hướng sử dụng mỗi sợi quang cho từng hướng truyền dẫn: Hình 4. 5: Hệ thống ghép bước sóng một hướng  Hệ thống ghép bước sóng hai hướng: Hình 4. 6: Hệ thống ghép bước sóng hai hướng Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống WDM này như sau : Mỗi tín hiệu cần truyền đi ở đầu phát được điều chế với mỗi bước sóng khác nhau (có thể là điều pha, điều tần hay điều biên), sau đó tất cả các tín hiệu sau điều chế này được đưa vào một bộ ghép kênh MUX, tín hiệu ra khỏi bộ ghép kênh là tín hiệu quang tổ hợp của nhiều bước sóng đã dùng để điều chế λ1, λ2 … λN. Tín hiệu này được khuyếch đại sau đó đưa vào sợi quang để truyền tới bộ thu. Đối với mạng truyền dẫn quang khoảng cách lớn người ta còn dùng thêm các trạm lặp và các bộ tách ghép kênh quang đặt trên đường truyền nhằm tái tạo tín hiệu, tách ghép luồng để nâng cao chất lượng truyền dẫn. Cấu hình mạng thực tế của mạng WDM quang bao gồm các cấu hình điểm - điểm, cấu hình Ring và cấu hình Meshed. 4.2.2. Kĩ thuật tách ghép kênh quang 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 : 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. 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. λ G [...]... ( ) đã thấp hơn so với không sử dụng FBG 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 4 4 Một số ứng dụng khác của FBG 4 4 1 Ứng dụng trong cảm biến Cách tử Bragg quang là một trong những sự phát triển thú vị nhất trong lĩnh vực nghiên cứu các hệ thống cảm biến sợi quang trong những năm gần đây Các dạng FBG như FBG... 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 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... P3 1 In 2 out ADM 3 Add 4 dropp 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... 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... thuộc vào hoạt động của các Circulator quang 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... là 148 0 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. .. hệ thống WDM bởi độ tin cậy cao và chi phí sản xuất rẻ 4 3 2 Ứng dụng của FBG trong bộ cân bằng khuyếch đại EDFA Hình 4 19: EDFA không sử dụng và có sử dụng FBG Hình (4 19) mô tả cấu hình EDFA có sử dụng bộ cân bằng và không sử dụng bộ cân bằng khuyếch đại Trong cấu hình sử dụng bộ cân bằng khuyếch đại, cách tử Bragg được đặt ngay trước sợi quang pha Erbium nhằm mục đích phản xạ gần như toàn bộ nhiễu... 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 Hình 4 12: Mô hình cách ly kênh ở OADM Nếu... tính, FBG dịch pha … đều có thể sử dụng trong các hệ thống cảm biến Các dạng cảm biến đặc thù ứng dụng cách tử Bragg quang đó là nhiệt độ và sức căng Điều này có nghĩa là chúng ta có thể dùng FBG để giám sát trạng thái về nhiệt độ hoặc sức căng của môi trường hay giám sát cả hai yếu tố này cùng lúc Cách tử quang bước sóng kép sử dụng để nhận biết các ảnh hưởng của nhiệt độ và sức căng được tìm ra tại phòng... 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 . TIN QUANG ĐỀ TÀI: CÁCH TỬ BRAGG SỌI QUANG CHƯƠNG 4 CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÁCH TỬ BRAGG SỢI QUANG 4. 1 Ứng dụng của cách tử Bragg quang trong bù tán sắc 4. 1. 1 Giới thiệu Tán sắc trong quang. sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính Quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính là một sợi quang đơn mode có một đoạn lõi được ghi những cách tử có chu kỳ thay đổi một cách. thông tin quang dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính. Hình vẽ 4. 4 là một mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính. Hình 4. 4. Mô hình