đề tài bộ lọc quang

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬI.1.Khái niệm về tinh thể quang tử Tinh thể quang tử Photonic crystals - PCs là một cấu trúc tuần hoàn trongkhông gian của các vật liệu với hằng s

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN QUANG

ĐỀ TÀI: BỘ LỌC QUANG Giảng viên hướng dẫn : TS Hoàng Phương Chi

Hà Nội, tháng 05 năm 2016

MỤC LỤC

BUF: Bandwidth – Utilization Factor

DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing

EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier

LW: Linewidth

PCs: Photonic Crystals

SFBG: Sampled Fiber Bragg Grating

SSR: Sidelobe Suppression Ratio

WDM: Wavelength Division Multiplexing

3

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

20/04

Hoànthành

2 Nguyễn Thái Bình

Dịch và tìm hiểu về bài báo

“ Phased-Only Sampled Fiber Bragg Gratings for High- Channel-Count Chromatic Dispersion Compensation”

20/04

Hoànthành

3 Nguyễn Công Thuyên Tìm hiểu về tinh thể quang tử 25/04 Hoànthành

4 Phạm Hồng Thái Tìm hiểu về bộ lọc quang 25/04 Hoànthành

5 Trần Đăng Quang Làm báo cáo, slide thuyết trình 01/05 Hoànthành

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹthuật điện tử - viễn thông nói riêng, nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanhtạo ra áp lực ngày càng cao đối với việc dung lượng thông tin ngày càng tăng lên,tốc độ yêu cầu ngày càng nhanh Việc chế tạo và áp dụng thành công việc truyền tinbằng tính chất quang xem như là một thành công lớn đối với các nhà khoa học Tuyvậy mạng thông tin quang hiện nay vẫn còn một số hạn chế về chất lượng truyềndẫn như băng thông, khoảng cách, tốc độ, chất lượng tín hiệu, chất lượng dịch vụ,…

Vì thế rất nhiều sự sáng tạo và giải pháp ra đời, ví dụ như giải pháp ghép nhiềukênh theo bước sóng WDM, đa kênh theo bước sóng DWDM cho phép ghép nhiềubước sóng trên cùng một sợi quang, do đó có thể tăng dung lượng đường truyền màkhông cần tăng thêm sợi quang Tuy vậy để có được một hệ thống quang tốt thì cầnphải có sự phát triển và cải tiến tốt trên tất cả các thành phần của hệ thống, trong đó

có bộ lọc quang là một trong những mắt xích quan trọng giúp cho chất lượng tínhiệu hay chất lượng dịch vụ được tốt hơn

Trong quá trình học môn học Thông Tin Quang với sự hướng dẫn của

T.S Hoàng Phương Chi, nhóm em đã quyết định đăng ký chon đề tài cho bài tập lớn

là tìm hiểu về bộ lọc quang với tài liệu là bài báo: “One-Dimensional Photonic

Crystal-Based Multichannel Filter Using Binary Phase-Only Sampling Approach”

Nhóm em xin gửi lời cảm ơn trân thành nhất tới T.S Hoàng Phương Chi đã quantâm, giúp đỡ, hướng dẫn nhóm em trong suốt quá trình học trên lớp và làm bài tậplớn Do kiến thức nhóm em còn hạn hẹp cũng như thời gian tìm hiểu còn ít nên bàibáo cáo này không thể tránh được thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự nhậnxét và đóng góp ý kiến của Cô để đề tài được hoàn thiện hơn nữa

Chúng em xin trân thành cảm ơn Cô!

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ

I.1.Khái niệm về tinh thể quang tử

Tinh thể quang tử (Photonic crystals - PCs) là một cấu trúc tuần hoàn trongkhông gian của các vật liệu với hằng số điện môi khác nhau được sắp xếp xen kẽnhau, có chiết suất thay đổi theo chu kỳ trên một thang chiều dài và có thể so sánhđược với bước sóng ánh sáng được sử dụng Các photon khi chuyển động trong tinhthể sẽ đi qua các vung có chiết suất cao xen kẽ với các vùng có chiết suất thấp Đốivới một photon sự tương phản về chiết suất này giống như một thế năng tuần hoàn

mà một electron bị tác dụng khi đi qua một tinh thể điện tử Do tính tuần hoàn dẫnđến trong PCs cũng xuất hiện một vùng cấm quang: tức là có một dải tần số trong

đó các photon không thể truyền qua được cấu trúc này PCs sẽ chặn ánh sáng vớicác bước sóng nằm trong vùng cấm quang, trong khi cho phép các bước sóng kháctruyền qua tự do Bằng cách ngăn chặn hoặc cho phép ánh sáng truyền qua một tinhthể quang tử việc điều khiển bước sóng ánh sáng có thể được thực hiện

Sự truyền sóng điện từ bên trong một môi trường tuần hoàn được nghiên cứuđầu tiên bởi Lord Reyleigh năm 1887 Đây là cấu trúc 1D có sự tuần hoàn của chiếtsuất chỉ được thiết lập theo một hướng duy nhất trong khi đồng nhất thao hai hướngcòn lại

I.2. Tinh thể quang tử tự nhiên

Trong tự nhiên có rất nhiều vật, động vật chứa tinh thể quang tử Một ví dụ củatinh thể quang tử tự nhiên là opal Các màu sắc của nó là do nhiễu xạ Bragg[2] trêncác mắt tinh thể của nó Một hệ tinh thể quang tử tự nhiên khác có thể quan sátđược trên cánh một số loài bướm, như loài Morpho - Hình 1.1

Hình 1.1 Loài bướm Morpho[1]

I.3. Tinh thể quang tử một chiều

Tinh thể quang tử đơn giản nhất là tinh thể quang tử một chiều Hình 1.2 là một

hệ thống bao gồm các lớp vật liệu với hằng số điện môi khác nhau còn được gọi làmàng đa lớp Sự tương tác với ánh sáng xảy ra bên trong cấu trúc này mạnh là do sựgiao thoa giữa các chùm ánh sáng mà chúng được phản xạ và được khúc xạ tại tất

cả các mặt tiếp giáp ở bên trong vật liệu Ngày nay, cấu trúc tinh thể quang tử 1Dđược sử dụng nhiều trong các laser phát xạ bề mặt, cách tử Bragg[2] trong sợi và bộlọc quang học Cấu trúc này gồm các lớp vật liệu với chiết suất khác nhau có giá trịkhông đổi nằm xen kẽ nhau với chu kỳ tuần hoàn là a

Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể quang tử một chiều [2]

Chúng ta sẽ quan tâm kỹ hơn đến vùng cấm quang bởi vì rất nhiều ứng dụng đầytiềm năng của tinh thể quang tử cho đến nay vẫn phụ thuộc vào vị trí và độ rộng củavùng cấm quang Ví dụ như một tinh thể có một vùng cấm quang có thể làm bộ lọcquang học dải hẹp khi loại bỏ tất cả các tần số nằm trong vùng cấm quang

Hình 1.3 Vùng cấm quang của tinh thể quang tử một chiều với hằng số mạng a, độ rộng của lớp điện môi là 0.2a và độ rộng của lớp không khí là 0.8a [2]

Vùng cấm quang của tinh thể có thể được mô tả thông qua độ rộng tần số Δωcủa

nó Nếu giả sử hai vật liệu cấu tạo nên màng đa lớp có hằng số điện môi lần lượt là

ε và Δε và bề dày tương tự là (a-d) và d Nếu độ tương phản hằng số điện môi là yếuhoặc tỷ lệ d/a nhỏ thì tỷ số Δω/ với là tần số trung tâm được tính là:

(1.1)Công thức này cho thấy rằng bất kỳ một sự tuần hoàn nào dù yếu cũng là nguồngốc để tạo ra vùng cấm quang trong tinh thể quang tử một chiều

I.4. Ứng dụng của tinh thể quang tử

Các tinh thể quang tử có thể được ứng dụng để điều khiển sự lan truyền củaánh sáng Các tinh thể quang tử một chiều đã đang được dùng rộng rãi trong quang

học màng mỏng; như tạo ra các lớp phủ lên bề mặt thấu kính hay gương để tạo ra

độ phản chiếu thấp hay cao tuỳ ý; hay trong sơn đổi màu và in ấn bảo mật

Các tinh thể quang tử hai chiều và ba chiều được dùng trong nghiên cứu khoahọc Ứng dụng thương mại đầu tiên của tinh thể quang tử hai chiều là sợi tinh thểquang tử, thay thế cho sợi quang học truyền thống trong các thiết bị quang học phituyến và dùng với các bước sóng đặc biệt (ở đó không có vật liệu truyền thống nàotrong suốt ngoài không khí hay các chất khí).Ngoài ra tinh thể quang tử còn đượclàm vật liệu chế tạo các linh kiện điện và điện tử rất có giá trị Các cấu trúc tinhthể quang tử một chiều, hai chiều và ba chiều được thiết kế để điều khiển, dẫnsóng quang học và chuyển đổi năng lượng quang tử trong vùng ánh sáng khả kiến.Tinh thể quang tử sử dụng như các chuyển mạch quang học, bộ nhớ quanghọc, pin quang - điện - hoá… Tinh thể quang tử một chiều (1D) được sử dụngtrong việc kiểm soát và điều chỉnh ánh sáng ở mức độ chính xác cỡ bước sóng,như việc tạo ra tinh thể quang tử một chiều được sử dụng như những bộ lọc quanghọc, ống dẫn sóng, cảm biến sinh học…

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC QUANG

2.1 Định nghĩa

Bộ lọc là thiết bị cho phép một kênh bước sóng đi qua, khoá đối với tất cả cáckênh bước sóng khác Nguyên lý cơ bản nhất của bộ lọc là sự giao thoa giữa các tínhiệu, bước sóng hoạt động của bộ lọc sẽ được cộng pha nhiều lần khi đi qua nó, cáckênh bước sóng khác, ngược lại, sẽ bị triệt tiêu về pha Tuỳ thuộc vào khả năng điềuchỉnh kênh bước sóng hoạt động, người ta chia bộ lọc làm hai loại: bộ lọc cốđịnh(fixed filter) và bộ lọc điều chỉnh được (tunable filter) Hình 2.1 là sơ đồ khối

bộ lọc cố định và bộ lọc điều chỉnh được

Hình 2.1 Sơ đồ khối của bộ lọc Bộ lọc cố định bước sóng (bên trái) và bộ lọc có

thể điều chỉnh bước sóng (bên phải) [3]

2.2 Yêu cầu đối với bộ lọc

Hiện nay, có rất nhiều công nghệ chế tạo bộ lọc Tuy nhiên yêu cầu chung đối vớitất cả các công nghệ là:

• Bộ lọc tốt phải có giá trị suy hao xen IL thấp

• Bộ lọc phải không phụ thuộc nhiều vào trạng thái phân cực của tín hiệu đưavào

• Dải thông hoạt động của bộ lọc phải không nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độcủa môi trường Bộ lọc phải đảm bảo trong khoảng nhiệt độ hoạt động (thườngkhoảng ), độ dịch dải thông hoạt động phải không vượt quá khoảng cách giữahai kênh bước sóng hoạt động gần nhất

• Khi ứng dụng ghép nối tiếp nhiều bộ lọc trong hệ thống WDM, băng thônghoạt động sẽ bị thu hẹp lại Để hạn chế tối đa điều này, các bộ lọc phải có hàmtruyền đạt trong khoảng bước sóng hoạt động là bằng phẳng

• Hàm truyền đạt của bộ lọc phải có độ dốc lớn để tránh giao nhau ở phần vạtcủa hai bước sóng lân cận, gây xuyên nhiễu giữa các kênh

• Giảm chi phí sản xuất Vấn đề này lại phụ thuộc vào công nghệ chế tạo Tuynhiên, khi vấn đề này đặt lên hàng đầu thì ta sẽ có hai lựa chọn Thứ nhất là

dùng công nghệ ống dẫn sóng, cho phép sản xuất trên những vi mạch tích hợpquang (bù lại hoạt động phụ thuộc vào trạng thái phân cực của sóng quang).Thứ hai là dùng công nghệ sản xuất các thiết bị thuần quang, tuy khó khăntrong tích hợp mạch nhưng có ưu điểm là: không phụ thuộc vào trạng tháiphân cực của sóng quang, ghép sóng từ sợi quang vào thiết bị dễ dàng.

2.3 Thông số cơ bản của bộ lọc

Hình 2.2 Các thông số đặc trưng của bộ lọc (bên trái)

và độ gợn sóng của bộ lọc (bên phải) [3]

Hình 2.2 minh hoạ các đặc tính đặc trưng cho một bộ lọc, các đặc tính được địnhnghĩa như sau:

• Bước sóng trung tâm: phải là bước sóng tuân theo tiêu chuẩn ITU-T

• Độ rộng băng thông (Pass Bandwidth): là độ rộng của hàm truyền đạt tại mứcsuy hao xen cách đỉnh 0.5 dB Trong một số trường hợp, người ta còn có thểxét băng thông đi qua 1 dB, 3 dB Đặc tính này rất quan trọng vì laser trongtrường hợp không lý tưởng chỉ phát tín hiệu có bước sóng dao động nhất định

so với bước sóng trung tâm được qui định theo tiêu chuẩn ITU-T

• Độ rộng băng chặn (Stop Bandwidth): là độ rộng của hàm truyền đạt tại mứcsuy hao xen cách đỉnh 20 dB Dải chặn của bộ lọc phải càng nhỏ càng tốt để

• Độ cách ly (Isolation): để chỉ công suất của một kênh bước sóng xuyên nhiễusang các kênh bước sóng lân cận.

• Độ gợn sóng (Ripple): là độ chênh lệch đỉnh - đỉnh trong phạm vi một kệnbước sóng

• Hệ số sử dụng băng thông BUF (Bandwidth – utilization Factor): là tỉ số của

độ rộng kênh truyền LW (Linewidth) của ánh sáng được truyền đi so với ánhsáng phản xạ tại một mức suy hao xác định Bộ lọc lý tưởng phải có BUF = 1.Trên thực tế, khi IL = -25 dB thì BUF 0.4

Nếu bộ lọc thuộc loại có thể điều chỉnh bước sóng được, nó còn có thêm các đặctính nữa như:

• Khoảng điều chỉnh bước sóng động: là khoảng bước sóng mà trong phạm vihoạt động của bộ lọc

• Số kênh bước sóng có thể xử lý: là tỉ lệ khoảng điều chỉnh bước sóng độngtrên khoảng cách giữa các kênh bước sóng

• Thời gian điều chỉnh: thời gian điều chỉnh giữa các kênh bước sóng hoạt độngkhác nhau

• Tỉ lệ nén biên SSR (Sidelobe Suppression Ratio): là khoảng cách giữa giá trịcông suất so với giá trị công suất lớn nhất ở biên

• Độ phân giải: là độ dịch bước sóng nhỏ nhất bộ lọc có thể nhận biết được

2.4 Cách tử Bragg

2.4.1 Định nghĩa

Cách tử Bragg được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin quang Mọi sựbiến đổi tuần hoàn trong môi trường truyền sóng đều có thể hình thành cách tửBragg Gương phản xạ Bragg là hệ gồm nhiều lớp điện môi hoạt động dựa trên hiệntượng nhiễu xạ Bragg của một chùm ánh sáng sau khi phản xạ tại mặt phân cáchgiữa các lớp điện môi

2.4.2 Nguyên lý hoạt động

Xét hai sóng truyền theo hai chiều ngược nhau với hệ số pha là và Năng lượngcủa tín hiệu này được ghép sang tín hiệu kia nếu chúng thoả mãn điều kiện về pha:

Trong đó: là chu kỳ cách tử

Trong cách tử Bragg, năng lượng của sóng truyền theo hướng đến được ghép vàosóng phản xạ tương ứng truyền theo hướng ngược lại Xét sóng có hệ số pha truyềntheo chiều từ trái sang phải Năng lượng của sóng này sẽ được ghép vào sóng tán xạcủa nó theo chiều ngược lại (có cùng bước sóng với sóng tới) nếu thoả mãn điềukiện về pha:

(2.2)Gọi = là bước sóng ánh sáng tới và là giá trị chiết suất hiệu dụng của sợi quanghoặc ống dẫn sóng (vật liệu làm cách tử Bragg) Khi đó, điều kiện phản xạ đượcviết lại là:

(2.3)

Hình 2.3 (a) Cách tử Bragg trong sợi quang chiết suất đồng nhất (b) Cách tử Bragg trong sợi quang chiết suất giảm dần (c) Phổ công suất phản xạ của cách tử đồng nhất (d) Phổ công suất phản xạ của cách tử giảm dần là độ rộng của dải thông và là khoảng cách giữa bước sóng đỉnh và điểm phản xạ tối thiểu đầu tiên trong trường hợp mặt cắt chiết suất đồng nhất tỉ lệ nghịch với chiều dài cách tử.

là độ lệch bước sóng so với bước sóng đồng pha [3].

Công thức trên gọi là điều kiện Bragg Trong đó được gọi là bước sóngBragg[3]

Hình 2.3(a) minh hoạ cơ chế hoạt động của phản xạ Bragg Đó là một sợi quanghoạt động theo cơ chế phản xạ Bragg[3] Chiết suất tương đối của lõi sợi quangđược làm biến đổi tuần hoàn dọc theo chiều dài của sợi đóng vai trò như cách tửBragg Sóng truyền trong sợi quang và nó được phản xạ lại theo mỗi chu kỳ cách tử.Các sóng phản xạ sẽ cộng pha với nhau nếu bước sóng tuân theo điều kiện Bragg ta

đã trình bày ở trên

Hình 2.3(c) và (d) là độ rộng phổ công suất của sóng phản xạ đối với hai trườnghợp cách tử: cách tử đồng nhất và cách tử giảm dần Cách tử giảm dần (apodizedgrating) là trường hợp chế tạo chiết suất tương đối sao cho càng xa trung tâm cách

tử, sự khác biệt về chiết suất càng giảm Dùng cách tử giảm dần sẽ giảm được công

suất của sóng phản xạ lân cận, nhưng đổi lại phải chịu băng thông hoạt động tănglên Theo đồ thị, ta cũng thấy rằng càng xa bước sóng Bragg, một khoảng cách nhấtđịnh chỉ có bước sóng Bragg là phản xạ trở lại khi truyền qua cách tử Bragg, cácbước sóng khác sẽ truyền đi xuyên qua.

2.4.3 Ứng dụng của cách tử Bragg

Cách tử Bragg là nguyên lý cơ bản dùng trong công nghệ chế tạo bộ lọc, bộ ghépxen/rớt quang, dùng để bù suy hao tán sắc

Ứng dụng để chế tạo bộ lọc có thể điều chỉnh quang – âm học

Ngoài ra, đối với lĩnh vữ khuếch đại quang, cách tử Bragg còn cho nhiều ứngdụng quan trọng như: ổn định độ lợi, cân bằng độ lợi cho EDFA

2.5 Bộ lọc cách tử kiểu sợi quang

2.5.1 Định nghĩa

Cách tử Bragg kiểu sợi quang là một đoạn sợi quang nhạy với ánh sáng,được chế tạo bằng cách dùng tia cực tím UV (Ultra-violet) chiếu vào để làm thayđổi một cách tuần hoàn chiết suất bên trong lõi Sự thay đổi chiết suất trong lõi sợichỉ cần rất nhỏ (khoảng ) cũng đã đủ tạo ra cách tử Bragg Bộ lọc cách tử Braggkiểu sợi quang được phân làm hai loại: cách tử chu kỳ ngắn và cách tử chu kỳ dài.Cách tử chu kỳ ngắn có chu kỳ cách tử tương đương với bước sóng hoạt động(khoảng 5) Trong khi đó cách tử chu kỳ dài có chu kỳ cách tử lớn hơn nhiều lần sovới bước sóng hoạt động (khoảng vài trăm đến vài mm) Bộ lọc Bragg kiểu sợiquang cũng có thể là bộ lọc cố định hoặc bộ lọc điều chỉnh được

2.5.2 Nguyên lý hoạt động của cách tử chu kỳ ngắn

Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Bragg kiểu sợi quang hoàn toàn tương tự như ta

đã đề cập ở trên Bằng cách tạo sự thay đổi tuần hoàn chiết suất trong lõi sợi quang.Quá trình truyền sóng trong sợi quang qua những miền chiết suất khác nhau khi đótrở nên nghiệm đúng đối với điều kiện Bragg Khi truyền trong sợi quang đã được