phương pháp bù tán sắc bằng cách sử dụng sợi quang có lõi là cách tử bragg

phương pháp bù tán sắc bằng cách sử dụng sợi quang có lõi là cách tử bragg

Lời nói đầu Trong thời gian gần đây, chứng kiến bùng nổ nhu cầu truyền thông tin mạng viễn thông, để đáp ứng nhu cầu đó, phải có mạng truyền dẫn có tốc độ cao, cự ly xa, có cấu trúc hệ thống linh hoạt, độ tin cậy cao… Ở thời điểm nay, có mạng truyền dẫn quang đáp ứng yêu cầu khắc khe Tuy nhiên việc xây dựng hệ thống thông tin quang không đơn giản, mà hệ thống phát triển cho mạng truyền dẫn đại, có nhiều vấn đề cần giải quyết[1] Một vấn đề cần giải tán sắc Cách khắc phục tán sắc có nhiều nghiên cứu này, tìm hiểu sâu phương pháp bù tán sắc cách sử dụng sợi quang có lõi cách tử Bragg phương pháp có nhiều ưu điểm so với phương pháp khác Bài nghiên cứu trình bày tán sắc, bù tán sắc cách tử bragg ưu điểm so với phương pháp khác Page Chương Cơ Sở Lý Thuyết 1.Tán sắc: 1.1 Khái niệm tán sắc: Tán sắc co dãn xung ánh sáng truyền sợi quang,hiện tượng gây chồng lấp bit kề cận xung có độ dãn lớn chu kỳ bit Tán sắc làm máy thu nhầm lẫn bit phát máy phát Điều làm tăng tỉ số bit lỗi (Ber) giảm tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) qua làm giảm chất lượng hệ thống thông tin Hình 1: minh họa tán sắc.[2] b) xung thu đầu thu thiết bị thu phân biệt hai xung a) xung đầu phát 1.2 Định nghĩa tán sắc: D= : độ rộng xung vào, đơn vị giây (s) : độ rộng xung , đơn vị giây (s) D: độ tán sắc,đơn vị giây (s) 1.3 Đơn vị tán sắc ns/km ps/km độ trải rộng xung km ns/nm.km độ trải rộng xung km với độ rộng phổ quang 1nm 1.4 Các loại tán sắc: Có loại tán sắc: Tán sắc mode (chỉ xảy sợi đa mode) Tán sắc sắc thể Tán sắc phân cực mode 1.4.1 Tán sắc mode: Nguyên nhân: Khi sóng ánh sáng truyền vào sợi đa mode, mode lan truyền với vận tốc nhóm khác nên thời gian truyền chúng khác Sự khác thời gian lan truyền mode gây tán sắc mode Giải thích thêm mode sóng: Một mode sóng trạng thái truyền ổn định ánh sáng sợi quang Khi truyền sợi quang, ánh sáng theo nhiều đường, trạng thái truyền ổn Page định đường gọi mode sóng Có thể hình dung gần mode sóng ứng với tia sáng[4] Hình 2: Tán sắc mode sợi đa mode [3] Công thức tính độ tán sắc mode[4]: Sợi đa mode SI: SI Dmod = T2 − T1 ≈ Ln1 V c GI Dmod = T2 − T1 ≈ Ln1 V2 8c Sợi đa mode GI: Trong đó: L độ dài lan truyền, đơn vị mét (m) n1 chiết suất lõi sợi quang c vận tốc ánh sáng V độ chênh lệch chiết suất tương đối lõi lớp bọc 1.4.2 Tán sắc sắc thể: Có hai loại tán sắc vật liệu tán sắc ống dẫn sóng 1.4.2.1Tán sắc vật liệu: Tán sắc vật liệu xảy chênh lệch vận tốc nhóm thành phần phổ khác sợi quang Công thức tính tán sắc vật liệu: Dmat = M mat * L *Vλ Trong đó: Dmat tán sắc vật liệu M mat hệ số tán sắc vật liệu, đơn vị ps/(nm.km) L chiều dài sợi quang đơn vị km Vλ độ rộng phổ nguồn quang, đơn vị nm 1.4.2.2 Tán sắc ống dẫn sóng: Khi ánh sáng truyền sợi quang, phần lớn truyền lõi sợi phần nhỏ truyền vỏ sợi quang Vì hai môi trường truyền có chiết suất khác nên hai phần ánh sáng truyền với hai vận tốc khác Sự khác biệt nguyên nhân tượng tán sắc ống dẫn sóng Công thức tính tán sắc ống dẫn sóng: Page Dwg = M wg * L *Vλ Dwg tán sắc ống dẫn sóng M wg hệ số tán sắc ống dẫn sóng, đơn vị ps/(nm.km) L chiều dài sợi quang, đơn vị km Vλ độ rộng phổ nguồn quang, đơn vị nm Công thức tính tán sắc sắc thể: Dchr = Dmat + Dwg = M mat + M wg * L *Vλ Dchr tán sắc sắc thể M M= M mat + wg hệ số tán sắc sắc thể 1.3.3 Tán sắc tổng cộng Tán sắc tổng cộng xác định công thức: 2 Dt = Dmod + Dchr 1.4.4 Tán sắc phân cực mode: Mặc dù sợi quang đơn mode thực tế truyền mode sóng Bản chất ảnh sàng sóng điện từ nên truyền lúc thành phần điện từ theo phương vuông góc với vuông góc với phương truyền sóng Vì chiết suất sợi quang không đồng phương truyền hai mode, tượng tán sắc phân cực mode xảy ra[4] Hình 3: minh họa tán sắc phân cực mode [4] Công thức tính tán sắc phân cực mode Tán sắc phân cực mode tỉ lệ với bậc hai chiều dài sợi quang[4]: DPMD = d PMD L Với d PMD = 0, ÷ 0,5( ps / km ) (hệ số tán sắc phân cực mode) Page Ảnh hưởng tán sắc lên hệ thống thông tin quang: Như nói tán sắc làm trải rộng xung tìn hiệu nên làm máy thu nhầm lẫn bit 1, tỉ lệ BER tăng SNR giảm, làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ viễn thông Ảnh hưởng hệ thống tán sắc sợi quang yếu tố hạn chế chủ yếu, hệ thống có tốc độ cao ảnh thể rõ nét.[5] Ngoài ảnh hưởng nêu tán sắc có ảnh hưởng khác đến hệ thống thông tin như: Giảm cự ly truyền dẫn Hình minh họa cự hao tổn công suất hệ thống thông tin quang 2,5 Gbit/s với laser có độ rộng phổ 0.1nm, 0.2nm 0.3nm Nhìn chung lượng công suất tổn hao tăng nhanh cự ly truyền dẫn tăng.[5] Hình 4: minh họa tổn hao công suất hệ thống quang 2.5Gbit/s với laser có độ rộng phổ 0.1nm, 0.2nm 0.3nm.[5] Đây hệ thống sử dụng sợi G.652 có hệ số tán sắc D=18ps/km.nm Từ hình vẽ thấy tán sắc làm giới hạn cự ly truyền dẫn cách rõ ràng Giảm tốc độ truyền dẫn Hình sau kết tính toán mát công suất hệ thống tán sắc gây hệ thống Gbit/s 2,5 Gbit/s Kết cho thấy hệ thống 2,5 Gbit/s bị tổn thất công suất hệ thống nhiều so với hệ thống Gbit/s với giá trị tán sắc[5] Page Hình 5: mát sông suất hệ thống tán sắc hệ thống 1Gbit/s 2.5Gbit/s Vậy, ta thấy tán sắc có ảnh hưởng rõ ràng tốc độ truyền dẫn hệ thống thông tin quang Từ hình vẽ ta thấy tán sắc có ảnh hưởng rõ ràng đến công suất tín hiệu dẫn đến làm giới hạn cự ly truyền tốc độ truyền hệ thống thông tin quang Bù tán sắc Tại phải bù tán sắc Như phân tích tán sắc làm cho xung ánh sáng lan truyền sợi quang bị dãn rộng điều gây nên méo tín hiệu Nhìn chung xung bị dãn dẫn tới méo tín hiệu làm xuống cấp đặc tính hệ thống Xung tín hiệu mà dãn gây tượng xen phủ xung kề nhau, xen phủ vượt mức thiết bị thu quang không phân biệt xung lúc xuất lỗi tín hiệu Tán sắc làm giới hạn lực truyền dẫn[6] Các hệ thống thông tin sợi quang nay, hệ thống tốc độ bit cao, phần lớn hoạt động vùng bước sóng 1550nm nhằm sử dụng khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) để tăng cự ly truyền dẫn Tuy vậy, sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (sợiG.652) có hệ số tán sắc vùng bước sóng lớn Tán sắc lớn làm méo tín hiệu tạo tượng giao thoa ký tự (ISI-Intersymbol Interference) dãn xung khe thời gian, làm xuống cấp chất lượng truyền dẫn hậu chí không chấp nhận Nhìn chung, ảnh hưởng tán sắc đến lực truyền dẫn hệ thống phức tạp; điều gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế hệ thống thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa[6] Page Vì lí ,việc làm giảm tán sắc hệ thống thông tin sợi quang (còn gọi bù tán sắc) vô quan trọng cần thiết Có nhiều phương pháp bù tán sắc trình bày chương báo cáo Chương 2: Các loại bù tán sắc 2.1 Kỹ thuật bù tán sắc trước (Precompensation)[7]: Kỹ thuật dựa nguyên lý chung sửa đặc tính xung ngõ vào phát trước đưa vào sợi, thay đổi biên độ phổ xung ngõ vào  sau:   L chiều dài sợi Khi tán sắc vận tốc nhóm (GVD) bù xác xung giữ nguyên dạng ngõ Kỹ thuật gồm có kỹ thuật Prechirp, kỹ thuật mã hóa Novel kỹ thuật Prechirp phi tuyến Điều chế FM AM tín hiệu quang lúc không cần thiết việc bù tán sắc, nên người ta dùng khóa dịch tần (FSK) cho việc truyền tín hiệu Tín hiệu FSK thực việc chuyển mạch bước sóng Lazer lệch lượng bít bít1.Hai bước sóng lan truyền sợi với tốc độ khác Thời gian trễ bít bít phụ thuộc vào việc dịch bước sóng đượctínhtheo công thức: ta chọn ∆λ cho ∆T=1/B Sự trễ tạo tín hiệu quang ba mức đầu thu Hình sau cho ta thấy trì hoãn bít tạo tín hiệu quang ba mức Do tán sắc sợi nên tín hiệu FSK chuyển sang tín hiệu có biên độ điều chế Và tín hiệu giải mã đầu thu nhờ sử dụng tích phân điện kết hợp với mạch định bít Hình 2.1: Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a) Tần số quang công suất tín hiệu phát; b) Tần số công suất tín hiệu thu liệu điện giải mã Một phương pháp khác mã hóa cặp nhị phân làm giảm băng thông tín hiệu 50% Trong phương pháp mã hóa này, hai bít chuỗi nhị phân gộp lại hình thành mã cặp nhị phân ba mức tốc độ bít Vì tán sắc vận tốc nhóm Page (GVD) phụ thuộc vào độ rộng băng tín hiệu, nên khoảng cách truyền tăng nhờ giảm băng tần tín hiệu Tốc độ bít 10Gbps sử dụng mã hóa cặp nhị phân cự ly truyền dẫn tăng thêm30 đến 40km so với mã hóa nhị phân Mã hóa cặp nhị phân kết hợp với kỹ thuật lệch tần trước Trong thực tế truyền tín hiệu tốc độ bít 10Gbps qua cự ly 160km sợi thường nhờ kết hợp mã hóa cặp nhị phân với điều chế có C > Ưu điểm: Mã nhị phân kép sử dụng hai bit liên tiếp chuỗi bit cộng lại với tạo mã nhị phân kép ba mức bán tốc Giảm băng thông đến 50% Nên ta giảm GVD Kết hợp với kỹ thuật Prechirp Nhược điểm : Yêu cầu phải tăng tỉ số tín hiệu nhiễu S/N phải có giải mã đầu thu 2.2 Kỹ thuật bù tán sắc đường dây (In-line) 2.2.1 Bù tán sắc sợi quang DCF (Dispersion Compensation Fiber) Trong hệ thống quang đường dài yêu cầu GVD phải bù liên tục theo chu kỳ dọc theo đường truyền Đặc biệt hệ thống toàn quang việc sử dụng bù tán sắc quang điện tử không phù hợp[8] Và loại sợi biết đến sợi bù tán sắc Trong thực tế để nâng cấp hệ thống thông tin quang sử dụng sợi chuẩn có, người ta thêm vào đoạn sợi bù tán sắc (với chiều dài từ đến 8km) khuếch đại quang đặt cách 60 đến 80km Sợi bù tán sắc bù tán sắc vận tốc nhóm(GVD), khuếch đại đảm đương nhiệm vụ bù suy hao cho sợi Người ta thường sử dụng sợi DCF kết hợp với khuếch đại OA (thường sử dụng EDFA) để bù tán sắc tuyến quang, tùy vào vị trí đặt DCF mà có kiểu bù sau[9]: Hình 2.2.1 Sử dụng sợi DCF tuyến quang [9] - Ưu điểm: Đơn giản có độ tin cậy cao Dải phổ rộng, thường DCF bù tán sắc cho liên tiếp nhiều bước sóng - Nhược điểm: Thường sợi DCF có lõi nhỏ, có độ phi tuyến cao Đồng thời suy hao DCF lớn việc sử dụng kết hợp với OA truyền tuyến quang đường dài làm tăng nhiễu ASE nhược điểm DCF cần bù lượng tán sắc lớn phải cần chiều dài Page sợi tỉ lệ thuận với lượng tán sắc đó, dẫn đến cồng kềnh, khó khăn cho việc thi công, lắp đặt chi phí loại cáp đắt so với cáp quang thông thường[9] 2.2.2 Bù tán sắc lọc quang Như phần trước đề cập sử dụng sợi DCF có chiều dài lớn 5km bù tán sắc GVD cho khoảng 50km sợi quang Việc thêm vào sợi DCF làm gia tăng đáng kể suy hao tuyến quang, điều gây ảnh hưởng ứng dụng đường dài Chính lý này, vài mô hình quang khác nghiên cứu để điều khiển tác động tán sắc Đó là: lọc cân quang (Optical Equalizing Filter), lọc giao thoa (Interferometric Filter) cách tử quang FBG (Fiber Bragg Grating)[8] Các lọc quang hoạt động dựa nguyên lý giao thoa, nguyên lý tự nhiên ánh sáng nhạy với tần số ánh sáng ngõ vào ứng dụng lọc quang đặc tính truyền dẫn phụ thuộc vào tần số nó[8] Có nhiều loại lọc quang có hàm truyền đạt phù hợp với yêu cầu sử dụng làm bù tán sắc đặc biệt bật loại lọc cấu trúc buồng cộng hưởng Fabry Perot lọc giao thoa kế Mach Zehnder[9] - Ưu điểm: nhỏ gọn (khoảng vài cm chiều dài) có khả bù tán sắc cho đoạn dài (khoảng 50km sợi quang tiêu chuẩn) - Nhược điểm: băng thông hẹp (∼10GHz ) nhạy với phân cực ngõ vào Tuy nhiên, với lọc quang lập trình tán sắc GVD bước sóng hoạt động có khả nằng điều chỉnh[8] 2.2.3 Bù tán sắc tín hiệu quang liên hợp pha OPC Mặc dù sử dụng kỹ thuật liên hợp pha quang OPC (Optical phase conjugation) cho bù tán sắc đề nghị từ 1979 đến 1993 kỹ thuật đưa vào thí nghiệm Nó gây ý lớn từ Kỹ thuật OPC kỹ thuật quang phi tuyến[8] Hầu hết thí nghiệm bù tán sắc nghiên cứu khoảng cách truyền vài trăm km Đối với đường truyền dài đặt vấn đề kỹ thuật OPC bù tán sắc vận tốc nhóm GVD cho chiều dài lên đến hàng ngàn km sợi quang mà dùng khuếch đại bù suy hao hay không Trong thử nghiệm mô phỏng, tín hiệu tốc độ 10 Gb/s truyền 6000 km sử dụng công suất trung bình mức 3mW để giảm hiệu ứng phi tuyến sợi quang Trong nghiên cứu khác cho thấy khuếch đại đóng vai trò quan trọng Với khoảng cách truyền 9000 km thực cách giữ khuếch đại cho đoạn 40 km Sự lựa chọn bước sóng hoạt động, đặc biệt bước sóng tán sắc ý nghĩa then chốt Trong vùng tán sắc dị thường, công suất tín hiệu biến đổi tuần hoàn dọc chiều dài sợi quang Điều dẫn tới việc tạo (dải biên) sideband tượng bất ổn điều chế Tính không ổn định tránh thông số tán sắc tương đối lớn (D>10 ps/(km.nm)) Đây trường hợp sợi quang chuẩn bước sóng gần 1.55μm Hiển nhiên khoảng cách truyền tối đa vấn đề quan trọng nhiều hãng sản xuất, kỹ thuật trộn bước sóng FWM, khoảng cách dùng khuếch đại giảm xuống 3000 km[9] Sử dụng kỹ thuật OPC cho hệ thống quang đường dài (long haul lightwave system) đòi hỏi sử dụng khuếch đại quang pha kết hợp Hai phần tử quang ghép lại thành cách sử dụng khuếch đại tham số Kỹ thuật pha kết hợp không sử dụng thực tế khuếch đại tham số chưa thông dụng thương mại[8] 2.2.4 Bù tán sắc cách tử Bragg Bù tán sắc cách dùng cách tử chu kì giảm dần (Chirped Grating) Khi ánh sáng vào sợi quang kiểu này, bước sóng khác phản xạ điểm khác nhau, đường khác Page nhau, dẫn đến bù tán sắc cấu hình thích hợp[10] Hình 3.2.4a Cách tử Bragg sợi quang chiết suất giảm dần[10] Giả sử xung tín hiệu vào đầu có chu kỳ dài đoạn cách tử hình vẽ 3.2.4b Khi đó, bước sóng dài bị phản xạ gần phần đầu đoạn cách tử Nói cách khác, bước sóng ngắn phải quãng đường xa đoạn cách tử trước chúng phản xạ ngược lại Kết khoảng thời gian trễ d tạo thành phần bước sóng ngắn so với thành phần bước sóng dài[11] d= 2neff L c ∆λc Trong công thức d khoảng thời gian trễ, n eff chiết xuất hiệu dụng, L độ dài đoạn cách tử Bragg, c vận tốc ánh sáng chân không, Δλc hiệu số bước sóng bị phản xạ đầu đoạn cách tử (thành phần bước sóng dài nhất) so với bước sóng bị phản xạ cuối đoạn cách tử (thành phần ngắn nhất)[11] Hình3.2.4b Nguyên lý bù tán sắc quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi [11] Đây tượng ngược với tượng tán sắc nguyên lý thiết bị bù tán sắc mạng thông tin quang dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính[11] Hình vẽ sau mô hình thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính Page 10 Hình 3.2.4c Mô hình thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bagg chu kỳ thay đổi tuyến tính[11] Trên hình vẽ circulator thiết bị ghép nối quang cho ánh sáng cổng 1, 2, theo chiều kim đồng hồ Một xung bị giãn rộng sau khuếch đại qua circulator để tới đoạn cách tử Bragg có chu kỳ biến đổi hình vẽ Tại đoạn cách tử, thành phần bước sóng ngắn tới trước tán sắc phải thêm quãng đường trước phản xạ ngược lại để tới thiết bị đầu thu Trong đó, thành phần bước sóng dài hơn, đến chậm bị tán sắc, phản xạ tới cách tử Bragg Kết xung tín hiệu sau qua thiết bị bù co lại[11] Người ta chứng minh đoạn cách tử Bragg dài 5,7cm bù cho 100km sợi quang truyền thống có độ tán sắc 17ps/nm.km dùng bước sóng 1550nm, độ rộng phổ 0,2 nm[11] - Ưu điểm: thiết bị hoàn toàn thụ động, kích thước nhỏ gọn bù lượng tán sắc lớn, dễ dàng việc ghép nối với sợi quang suy hao xen nhỏ, phù hợp cho hệ thống quang đa kênh, có khả điều chỉnh độ bù tán sắc cách linh động[8] - Nhược điểm: cần ổn định nhiệt độ cao thay đổi nhỏ chiều dài sợi cách tử làm thay đổi hoàn toàn đặc tính bù tán sắc chúng[8] 2.3 Kỹ thuật bù sau (post compensation)[7]: Các kỹ thuật miền điện dùng để bù tán sắc vận tốc nhóm (GVD) máy thu Ta dễ dàng cân ảnh hưởng tán sắc kỹ thuật điện sợi quang hoạt động hệ thống tuyến tính Việc bù dễ dàng thu Heterodyne sử dụng để tách tín hiệu: thu chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu vi ba tần số trung tần giữ thông tin biên độ pha Một lọc thông dải hoạt động tần số vi ba với đáp ứng xung có hàm truyền đạt là: L chiều dài sợi Bộ lọc khôi phục lại dạng tín hiệu ban đầu tín hiệu nhận Kỹ thuật thực tế hệ thống Coherent Nhưng ta biết thu Coherent thường không thực tế (vì số lý do) so với tách sóng trực tiếp, mạch điện tuyến tính bù GVD trường hợp Vấn đề thông tin pha bị tách sóng trực tiếp tách sóng đáp ứng biên độ quang Khi kỹ thuật cân không tuyến tính sử dụng Một phương pháp khác việc định bít thực sau xem xét dạng sóng (dạng tương tự) qua khoảng nhiều bít xung quanh bít ta cần định.Khó khăn kỹ thuật đòi hỏi mạch điện logich hoạt động tốc độ bít tín hiệu tính phức tạp tăng theo hàm mũ số lượng bít qua (số lượng bít mà xung quang bị trải rộng GVD) Kỹ thuật cân mặt điện thường bị giới hạn tốc độ bít đạt thấp khoảng cách truyền ngắn Một kỹ thuật cân quang – điện dựa lọc ngang (transversal filter) đưa Trong kỹ thuật chia công suất máy thu chia tín hiệu quang nhận thành nhiều nhánh, nhánh có độ trễ khác Tín hiệu quang nhánh chuyển sang Page 11 dòng điện nhờ sử dụng photodetector có độ nhạy thay đổi, tổng dòng điện quang sử dụng cho mạch định bít Kỹ thuật tăng khoảng cách truyền dẫn lên gấp ba lần hệ thống hoạt động tốc độ 5Gbps * Ưu điểm: - Thực tế hệ thống Coherent * Nhược điểm: - Mạch điện tuyến tính bù GVD - Kỹ thuật cân mặt điện thường bị giới hạn tốc độ bít đạt thấp khoảng cách truyền ngắn CHƯƠNG BÙ TÁN SẮC BẰNG CÁCH TỬ BRAGG CÓ CHU KỲ THAY ĐỔI TUYẾN TÍNH 3.1 Tổng Quan Về Cách Tử Bragg: 3.1.1 Giới Thiệu: Mô hình cách tử Bragg quang đưa chứng minh tính chất lần vào năm 1978 Hill et al Đến năm 1989, mô tả cách rõ ràng Meltz et al, cách tử Bragg quang tạo cách sử dụng phép chiếu giao thoa hai luồng tia cực tím UV-exposure[12] FBG(Fiber Bragg Grating) trở nên phổ biến với tư cách thiết bị quang đơn giản, linh hoạt có vô số ứng dụng thiết bị hệ thống quang có bù tán sắc Cách tử Bragg quang thực chất biến đổi tuần hoàn môi trường truyền song (thường biến đổi tuần hoàn chiết suất môi trường [10] Bước sóng Bragg tính sau: λB = neffΛ (3 1) [10] λB bước song cách tử bragg, neff chiết suất sợi quang ống dẫn sóng (vật liệu làm cách tử bragg) Một lượng nhỏ ánh sáng phản xạ điểm nơi số chiết suất FBG thay đổi Sự phản xạ hoàn toàn FBG xảy bước sóng riêng xuất mode ghép mạnh Đây gọi điều kiện Bragg mô tả phương trình (1 2), bước sóng mà có phản xạ hoàn toàn gọi bước sóng Bragg λB Chỉ có bước sóng thoả mãn điều kiện Bragg chịu ảnh hưởng cách tử phản xạ cách mạnh mẽ FBG suốt bước sóng nằm vùng bước sóng Bragg Khi qua FBG bước sóng bị phản xạ bước sóng khác truyền qua phổ tín hiệu truyền qua FB bước sóng Bragg bị giảm [13] Gọi P in công suất tín hiệu tới cách tử, P refl công suất tín hiệu qua cách tử ta có hệ số suy hao cách tử bragg: α = 10log10 Pin (dB ) prefl (3.2) [13] 3.1.2 Nguyên Lý Hoạt Động Page 12 Xét hai sóng truyền theo hai hướng ngược chiều với số truyền dẫn β β1 Năng lượng ghép từ sóng sang sóng khác chúng thoả mãn điều kiện cân pha Bragg: β − β1 = 2π Λ (3.3) [10] Trong Λ chu kỳ cách tử Xét sóng ánh sáng với số lan truyền β truyền từ trái qua phải Năng lượng từ sóng ghép vào sóng tán xạ chuyển dịch theo hướng ngược lại bước sóng thoả mãn điều kiện pha Bragg β − (− β ) = 2β = β0 = 2π Λ 2π neff λ (3.4) [10] Ta có , λ0 bước sóng sóng đến, neff số khúc xạ hiệu dụng sợi quang (vật làm cách tử Bragg), sóng phản xạ với điều kiện là: λ0 = 2neff Λ (3.5) [10] Bước sóng λ gọi bước sóng Bragg Trong thực tế, hiệu suất phản xạ giảm bước sóng sóng đến không ăn khớp với bước sóng Bragg Do có vài bước sóng truyền vào cách tử Bragg bước sóng Bragg phản xạ bước sóng khác truyền qua mà không bị tổn hao tổn hao Sự hoạt động cách tử hiểu cách tham khảo hình 3.1, hình vẽ cho thấy thay đổi tuần hoàn số khúc xạ Sóng đến phản xạ từ chu kỳ cách tử Các phản xạ cộng pha chiều dài đường sóng λ0 chu kỳ nửa bước sóng đến λ Điều tương đương với neff Λ = λ0 (điều kiện Bragg) Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động cách tử Bragg [13] Dạng phổ tín hiệu truyề qua FBG: Page 13 Hình 3.2: Dạng phổ tín hiệu qua cách tử a) Phổ tín hiệu vào, b) Phổ tín hiệu truyền qua, c) Phổ tín hiệu bị phản xạ [13] Khi tín hiệu có phổ rộng qua cách tử bragg phổ tín hiệu hẹp lại Đây nguyên lý dung để bù tán sắ đường truyền 3.2 Phương Pháp Bù Tán Sắc Bằng Cách Tử Bragg Có Chu Kỳ Thay Đổi Tuyến Tính (LCFBG) 3.2.1.Cấu Trúc Của Cách Tử Bragg Có Chu Kỳ Thay Đổi Hình 3:Mô hình cách tử Bragg chu kì thay đổi CFBG [2] Theo điều kiện kết hợp pha, chu kì cách tử ảnh hưởng tới phổ phản xạ FBG Bằng cách thay đổi tham số theo trình tự định có cách tử Bragg CFBG, dạng Page 14 cách tử mô tả hình 3 CFBG chế tạo lõi sợi quang chirp đạt tới khoảng nm bước sóng 1549 nm [2] Ứng dụng bật CFBG liên quan tới việc bù tán sắc thể hình 3, thấy có nhiều bước sóng cách tử phản xạ trở lại dọc theo chiều dài cách tử Các bước sóng ngắn phản xạ vào cách tử với khoảng cách ngắn, ngược lại bước sóng dài bị phản xạ cách tử xa Điều có nghĩa bước sóng dài cách tử với quãng đường dài thời gian trễ lớn so vơi bước sóng ngắn Đây sở bù tán sắc 3.2.2.Hoạt Động: Hiện tượng xung ánh sáng bị giãn rộng mặt thời gian sau quãng đường truyền định sợi cáp quang gọi tượng tán sắc sợi cáp quang Nó gây giao thoa kí tự ,tăng lỗi bít máy thu dẫn đến giảm khoảng cách truyên dẫn Dựa vào yếu tố trễ mặt thời gian bước sóng nên bù tán sắc cách tử bragg chu kỳ biến đổi sử dụng để làm giảm thời gian trễ -> tín hiệu có phổ lớn sau qua sợi cách tử có phổ nhỏ Quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính sợi quang đơn mode có đoạn lõi ghi cách tử có chu kỳ thay đổi cách tuyến tính dọc theo chiều dài quang sợi Λ(z) = Λ0 + Λ1(z) (3.6) [2] Λ0 chu kỳ điểm bắt đầu đoạn cách tử, Λ thay đổi tuyến tính dọc theo chiều dài đoạn cách tử Tại vị trí z đoạn cách tử Bragg, sóng ánh sáng bị phản xạ ngược lại bước sóng thoả mản công thức: λB(z) = 2neff (z)Λ(z) (3.7) [2] λB(z) bước sóng Bragg vị trí z tương ứng với chu kỳ cách tử Λ(z) Đặc tính quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi vị trí tương ứng với chu kỳ dài phản xạ ánh sáng có bước sóng dài Giả sử xung tín hiệu vào đầu có chu kỳ dài đoạn cách tử hình vẽ Khi đó, bước sóng dài bị phản xạ gần phần đầu đoạn cách tử Nói cách khác, bước sóng ngắn phải quãng đường xa đoạn cách tử trước Page 15 chúng phản xạ ngược lại Kết khoảng thời gian trễ d tạo thành phần bước sóng ngắn so với thành phần bước sóng dài d= 2neff L c ∆λc (3.8) [2] [4 Trong công thức d khoảng thời gian trễ, neff chiết xuất hiệu dụng, L độ dài đoạn cách tử Bragg, c vận tốc ánh sáng chân không, Δλc hiệu số bước sóng bị phản xạ đầu đoạn cách tử (thành phần bước sóng dài nhất) so với bước sóng bị phản xạ cuối đoạn cách tử (thành phần nhỏ nhất) Hình 3.4 Nguyên lý bù tán sắc quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi [2] Đây tượng ngược với tượng tán sắc nguyên lý thiết bị bù tán sắc mạng thông tin quang dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính Hình vẽ 3.5 mô hình thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính Page 16 Hình Mô hình thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bagg chu kỳ thay đổi tuyến tính [2] Trên hình vẽ circulator thiết bị ghép nối quang cho ánh sáng cổng 1, 2, theo chiều kim đồng hồ Một xung bị giãn rộng sau khuếch đại qua circulator để tới đoạn cách tử Bragg có chu kỳ biến đổi hình vẽ Tại đoạn cách tử, thành phần bước sóng ngắn tới trước tán sắc phải thêm quãng đường trước phản xạ ngược lại để tới thiết bị đầu thu Trong đó, thành phần bước sóng dài hơn, đến chậm bị tán sắc, phản xạ tới cách tử Bragg Kết xung tín hiệu sau qua thiết bị bù co lại Tính toán hợp lý số liệu độ dài đoạn cách tử Bragg, hàm thay đổi chu kỳ cách tử L(z), người ta thu xung ánh sáng có độ rộng đầu phát Người ta chứng minh đoạn cách tử Bragg dài 5, 7cm bù cho 100km quang sợi truyền thống có độ tán sắc 17ps/nm km dùng bước sóng 1550nm, độ rộng phổ 0, nm[2] 3.2.3 Ứng dụng: Với nhiều ưu điểm so với phương pháp khác là: kích thước nhỏ gọn(nằm hoàn toàn sợi quang),xuy hao xen nhỏ, phù hợp cho hệ thống đa kênh,có khả điều chỉnh độ tán sắc cách linh hoạt [5].Thì bù tán sắc cách tử bragg chu kỳ thay đổi dùng bù tán sắc đường dây(In-Line) hệ thống thông tin quang có cự ly lớn Nó đặt sau khuyếch đại quang Tuy nhiên phương pháp dùng cách tử bragg có nhược điểm Page 17 cần ổn định nhiệt độ cao thay đổi nhỏ chiều dài sợi cách tử làm thay đổi hoàn toàn đặc tính bù tán sắc [5] Tài Liệu Tham Khảo: [1] Vũ Văn San, Hệ Thống Thông Tin Quang (Tập 1), Nhà Xuất Bản Bưu Điện, Hà Nội, 2003 [2] Hoàng Trường Giang- Đề Tài Cách Tử Bragg Sợi Quang-Lớp D2001-VT [3] http://forums.nsp.com.vn/viewtopic.php?f=13&t=265 [4] Lê Quốc Cường, Đỗ Văn Việt Em, Phạm Quốc Hợp, Hệ Thống Thông Tin Quang (Tập 1), Nhà Xuất Bản Thông Tin Và Truyền Thông, Hà Nội, 2009 [5].Nhóm 3,Đ07VTA2+3- Đề Tài Quản Lý Tán Sắc Phương Pháp Bù Tán Sắc Bằng DCF- Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông,TP.HCM 2011 [6] Đinh Thị Thu Phong , Vũ Văn San ; Xác định ảnh hưởng tán sắc hệ thống thông tin quang tốc độ cao (Estimation of Influence of Chromatic Dispersion in High-bitRate Optical Fiber Communication Systems ), 8/2005 [7] Govind P.Agrawal, “Fiber-Optic Communications Systems”, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc, 2002 [8] Nguyễn Trần Anh Tuấn, Phạm Minh Tú Đồ án điều khiển tán sắc [9] Trịnh Thị Xuân, báo cáo thực tập tán sắc thông tin quang Page 18 [10] Lê Quốc Cường,Phạm Quốc Hợp,Đỗ Văn Việt Em,Nguyễn Huỳnh Minh Tâm-Hệ Thống Thông Tin Quang (Tập 2)- Nhà Xuất Bản Thông Tin Và Truyền Thông [11] Phương pháp bù độ tán sắc mạng thông tin quang tốc độ cao dùng quang sợi cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính – http://www.tapchibcvt.gov.vn - Hà Huy Thành [12] Zhi Zhou, Thomas W.Graver,Luke Hsu,Jin-Ping Ou-Techniques Of Advanced FBG Sensors: Fabrication, Demodulation,Encapsulation And Their Application In The Structural Health Monitoring Of Bridges-Pacific Science Review,vol 5, 2003 [13].Nguyễn Mạnh Tưởng- Đề Tài Ngiên Cứu Chế Tạo Cảm Biến Quang Sợi Sử Dụng Cách Tử Bragg- Trường Đại Học Công Nghệ Đại Học Quốc Gia Hà Nội 2011 Page 19 [...]... kênh ,có khả năng điều chỉnh độ tán sắc một cách linh hoạt [5].Thì bù tán sắc cách tử bragg chu kỳ thay đổi được dùng trong bù tán sắc trên đường dây(In-Line) trong hệ thống thông tin quang có cự ly lớn Nó được đặt sau bộ khuyếch đại quang Tuy nhiên phương pháp dùng cách tử bragg có một nhược điểm là Page 17 cần sự ổn định về nhiệt độ cao do chỉ một thay đổi nhỏ về chiều dài sợi cách tử cũng có thể làm... Đây là nguyên lý dung để bù tán sắ trên đường truyền 3.2 Phương Pháp Bù Tán Sắc Bằng Cách Tử Bragg Có Chu Kỳ Thay Đổi Tuyến Tính (LCFBG) 3.2.1.Cấu Trúc Của Cách Tử Bragg Có Chu Kỳ Thay Đổi Hình 3 3:Mô hình cách tử Bragg chu kì thay đổi CFBG [2] Theo điều kiện kết hợp pha, chu kì của cách tử ảnh hưởng tới phổ phản xạ của FBG Bằng cách thay đổi tham số này theo một trình tự nhất định chúng ta có cách tử. .. định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang Nó gây giao thoa giữa các kí tự ,tăng lỗi bít ở máy thu và dẫn đến giảm khoảng cách truyên dẫn Dựa vào yếu tố trễ về mặt thời gian giữa các bước sóng nên bù tán sắc cách tử bragg chu kỳ biến đổi được sử dụng để làm giảm thời gian trễ -> tín hiệu có phổ lớn sau khi qua sợi cách tử sẽ có phổ nhỏ Quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến... đoạn cách tử (thành phần bước sóng dài nhất) so với bước sóng bị phản xạ ở cuối đoạn cách tử (thành phần nhỏ nhất) Hình 3.4 Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi [2] 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 3.5 là một mô hình cơ bản của thiết bị bù tán. .. khoảng cách truyền ngắn CHƯƠNG 3 BÙ TÁN SẮC BẰNG CÁCH TỬ BRAGG CÓ CHU KỲ THAY ĐỔI TUYẾN TÍNH 3.1 Tổng Quan Về Cách Tử Bragg: 3.1.1 Giới Thiệu: 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... nối với sợi quang và suy hao xen nhỏ, phù hợp cho hệ thống quang đa kênh, có khả năng điều chỉnh độ bù tán sắc một cách linh động[8] - Nhược điểm: cần sự ổn định về nhiệt độ cao do chỉ một thay đổi nhỏ về chiều dài sợi cách tử cũng có thể làm thay đổi hoàn toàn đặc tính bù tán sắc của chúng[8] 2.3 Kỹ thuật bù sau (post compensation)[7]: Các kỹ thuật trong miền điện có thể được dùng để bù tán sắc vận... 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[11] Người ta đã chứng minh rằng một đoạn cách tử Bragg dài 5,7cm có thể bù cho 100km sợi quang truyền thống có độ tán sắc 17ps/nm.km dùng bước sóng 1550nm, độ rộng phổ 0,2 nm[11] - Ưu điểm: thiết bị hoàn toàn thụ động, kích thước nhỏ gọn trong khi bù được lượng tán sắc lớn,... 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[2] 3.2.3 Ứng dụng: Với nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác như là: kích thước nhỏ gọn(nằm hoàn toàn trong một sợi quang) ,xuy hao... 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) (3.6) [2] Λ0 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... FBG(Fiber Bragg Grating) 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 và trong đó có bù tán sắc Cách tử Bragg quang thực chất là sự biến đổi tuần hoàn trong môi trường truyền song (thường là biến đổi tuần hoàn của chiết suất môi trường [10] Bước sóng Bragg được tính như sau: λB = 2 neffΛ (3 1) [10] trong đó λB là ... đổi sử dụng để làm giảm thời gian trễ -> tín hiệu có phổ lớn sau qua sợi cách tử có phổ nhỏ Quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính sợi quang đơn mode có đoạn lõi ghi cách tử có chu... hệ thống toàn quang việc sử dụng bù tán sắc quang điện tử không phù hợp[8] Và loại sợi biết đến sợi bù tán sắc Trong thực tế để nâng cấp hệ thống thông tin quang sử dụng sợi chuẩn có, người ta... phổ quang 1nm 1.4 Các loại tán sắc: Có loại tán sắc: Tán sắc mode (chỉ xảy sợi đa mode) Tán sắc sắc thể Tán sắc phân cực mode 1.4.1 Tán sắc mode: Nguyên nhân: Khi sóng ánh sáng truyền vào sợi