coupler EDFA isolator Signal Signal pump
isolator couplerWDM EDFA isolator
Signal Signal
pump
FBG
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 khuyếch đại tự phát ASE quay trở lại sợi EDF nhằm giảm bão hoà gây nên bởi tín hiệu, do vậy đã làm tăng dải biến thiên công suất đầu vào. Xét riêng từng cấu hình và so sánh hệ số khuyếch đại của chúng, ta thấy :
• Đối với trường hợp không sử dụng FBG:
Theo định nghĩa, hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại là tỉ số công suất giữa đầu ra và đầu vào :
(λ) (λ) (λ) out in P G P = (4.5)
Đối với EDFA công suất đầu ra ngoài tín hiệu còn thêm phần công suất ASE, do đó công suất ra Pout(λ) là tổng công suất của tín hiệu đã được khuyếch đại out(λ)
s P
và tổng công suất ASE trung bình trên cả hai hướng thuận ngược PASE±(λ) :
out(λ) out(λ) (λ) (λ) in(λ) (λ)
s ASE s ASE
P =P +P ± =G P +P ± (4.6)
Như vậy hệ số khuyếch đại của EDFA được tính như sau :
(λ) (λ) (λ) (λ) out ASE in s P P G P ± − = (4.7) Ở đây in(λ) s
P là công suất của tín hiệu vào. Ảnh hưởng của gia tăng công suất tín hiệu vào in(λ)
s
P đối với hệ số khuyếch đại của EDFA được đặc tả bởi đường cong G(λ)= f ( in(λ)
s
P ). Trong chế độ năng lượng tín hiệu vào nhỏ, đường cong này là tuyến tính nhưng trong chế độ tín hiệu vào lớn đường cong này là phi tuyến và xảy ra hiện tượng bão hoà khuyếch đại. Theo quy định, bão hoà xảy ra khi độ khuyếch đại của EDFA giảm xuống 3 dB dưới giá trị chưa bão hoà Gmax, hay nói cách khác hệ số khuyếch đại của EDFA giảm xuống một nửa [4]. Quan hệ này như sau:
max G ( ) ( ) ( ) 2 out in sat sat P λ = λ P λ (4.8) hoặc: max ( , ) G ( , ) ( , ) 3( ) out in sat sat P λ dB = λ dB +P λ dB − dB (4.9)
Hai tham số Gmax và in( )
sat
P λ hoặc out( )
sat
P λ tương ứng với mỗi công suất bơm sẽ quyết định dải rộng thay đổi công suất tín hiệu đầu vào của EDFA trong giới hạn: ( ) in s P λ < in( ) sat P λ hoặc out( ) s P λ < out( ) sat P λ (4.10)
Trong trường hợp sử dụng FBG, thành phần công suất nhiễu ASE hướng ngược ( )
AES (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
P− λ sẽ bị FBG ngăn chặn và phản xạ ngược trở lại sợi EDF. Khi đó công suất nhiễu ASE phản xạ bởi FBG ngược trở lại sợi EDF xác định như sau:
ef( ) ( ) ( )
ASE r FBG ASE
P λ R λ P− λ
− = (4.11)
Trong đó RFBG(λ) là độ phản xạ của FBG. Sau khi thành phần ASE phản xạ ngược trở lại từ FBG PASE−ref( )λ nó lại trở thành truyền cùng hướng với ánh sáng tín hiệu, khi đó công suất đầu vào inef( )
r
P λ và đầu ra efout( )
r
P λ được xác định như sau:
ef( ) ef( ) ef( ) ef( ) ( ) ( ) in in in r s r ASE r s r FBG ASE P λ P λ P λ P λ R λ P− λ − − − = + = + ef ( ) ef( ) ef( ) ( ) ef( ) ( ) out out in r s r ASE r FBG r ASE P λ P λ P± λ G λ P λ P± λ − − = + = + (4.12) ef( ) in s r P− λ và outef( ) s r
P− λ là công suất tín hiệu đầu vào và đầu ra khi sử dụng FBG. Từ phương trình (13), (14), (15) suy ra hệ số khuyếch đại trong trường hợp sử dụng FBG như sau: ef ef FBG in in ef ef (λ) (λ) (λ) (λ) G ( ) (λ) (λ) ( ) ( ) out out r ASE r ASE r s r FBG ASE P P P P P P R P λ λ λ ± ± − − − − = = + (4.13)
Phương trình cho thấy tín hiệu đầu vào EDFA có thêm thành phần nhiễu ASE bị phản xạ ngược trở lại bởi FBG, do vậy hệ số khuyếch đại sẽ bị giảm xuống.
Để cân bằng khuyếch đại của EDFA, biện pháp đơn giản và hiệu quả là dựa trên cơ sở sử dụng FBG ở đầu vào sợi EDF để phản xạ (tới trên 99%) thành phần nhiễu ASE trở lại sợi EDF (như thể hiện trên hình vẽ ). Từ các biểu thức toán học đã xác định và cân bằng hệ số khuyếch đại của EDFA đó là công suất nhiễu ASE hướng ngược PAES− ( )λ .
Hệ số khuyếch đại đối với công suất tín hiệu đầu vào phụ thuộc vào đặc tính khuyếch đại tính hiệu của EDFA. Trong chế độ khuyếch đại tín hiệu nhỏ (hay khuyếch đại chưa bảo hoà), hệ số khuyếc đại G thay đổi tuyến tính với công suất tín hiệu đầu vào hầu như ít thay đổi trong một phạm vi xác định. Trong chế độ khuyếch đại tín hiệu lớn (hay khuyếch đại bão hoà), hệ số khuyếch đại G thay đổi
phi tuyến với cống suất tín hiệu đầu vào. Các đặc tuyến thực nghiệm xác định hệ số khuyếch đại của EDFA đối với công suất tín hiệu đầu vào và chiều dài khuyếch đại như thể hiện trên hình vẽ dưới tương ứng với bước sóng tín hiệu 1550 nm, 11 m chiều dài sợi EDF, công suất bơm 145 mW, trong các trường hợp không sử dụng FBG và sử dụng FBG băng hẹp (NB-FBG)/ FBG băng rộng (BB-FBG). ` Độ khuyếch đại Công suất tín hiệu vào -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
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
Nhận xét:
Trong trường hợp không sử dụng FBG: hệ số khuyếc đại hay nói cách khác độ khuyếch đại của EDFA giữ ổn định (hầu như không thay đổi, thể hiện ở đoạn bằng phẳng trên đường đặc tuyến) khi công suất tín hiệu đầu vào còn nhỏ trong phạm vi từ - 40 dB dến – 16 dB (nghĩa là khoảng biến thiên công suất tín hiệu đầu vào 24 dB); khi công suất tín hiệu đầu vào vượt giá trị công suất tín hiệu đầu vào bảo hoà
( 16 )
in sat
P − dBm thì hệ số khuyếch đại giảm xuống nhanh và gây mất ổn định khuyếch đại (thể hiện ở đoạn dốc xuống trên đường đặc tuyến). Điều này giải thích như sau: khi tín hiệu đầu vào còn nhỏ, công suất nhiễu ASE hầu như không thay đổi và công
suất tín hiệu đầu ra tăng lên tương ứng nhưng theo phương trình (9) quan hệ tỷ lệ thay đổi giữa công suất tín hiệu đầu vào và đầu ra vẫn còn nằm trong phạm vi cho phép mà không gây nên tình trạng thay đổi hệ số khuyếch đại, do đó đoạn đặc tuyến khuyếch đại bằng phẳng cho đến khi công suất tín hiệu đầu vào tăng lên tới giới hạn bảo hoà khuyếch đại, khi này tốc độ bức xạ cưỡng bức gây ra bởi công suất tín hiệu cao xấp xỉ với tốc độ bơm; nếu công suất tín hiệu vào tiếp tục tăng lên, công suất tín hiệu ra tăng lên chậm dần rồi đạt tới trạng thái bão hoà gây nên bởi ASE, từ phương trình (9) khi công suất đầu ra tăng lên chậm dần rồi hầu như không tăng (bão hoà), nhưng công suất tín hiệu đầu vào vẫn tăng lên đã dẫn tới hệ số khuyếch đại suy giảm, làm cho đoạn đặc tuyến khuyếch đại bị dốc xuống.
Trong trường hợp sử dụng FBG (cấu hình sử dụng BB-FBG hoặc NB-FBG): hệ số khuyếch đại của EDFA hầu như không thay đổi khi công suất tín hiệu đầu vào thay đổi (phạm vi rộng hơn so với khi không sử dụng FBG) từ -40 dBm tới -2 dBm (khoảng biến thiên công suất tín hiệu đầu vào 38 dB); khi công suất tín hiệu đầu vào tương đối lớn và đạt giá trị bão hoà in ef( 2 )
sat r
P − − dBm hệ số khuyếch đại bắt đầu
thay đổi; khi công suất tín hiệu vượt giá trị bão hoà ef
in sat r
P − hệ số khuyếch đại giảm xuống. Điều này giải thích như sau: do tác dụng phản xạ lại phần công suất nhiễu ASE hướng ngược PASE− , sau khi bọ phản xạ bởi FBG, thành phần ASE này sẽ truyền cùng hướng truyền tín hiệu, khi đó nó lại trở thành ASE hướng thuận (
ASE - ref (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
P+ ), do đó ánh sáng tín hiệu bị hấp thụ một phần, cho nên đã làm giảm bão hoà khuyếch đại gây nên bởi tín hiệu khuyếch đại hay nói cách khác công suất tín hiệu đầu ra vẫn tiếp tục tăng lên khi công suất tín hiệu vào tăng (so với trường hợp không sử dụng FBG), theo các phương trình hệ số khuyếch đại của EDFA vẫn không thay đổi (đoạn đặc tuyến bằng phẳng mở rộng hơn) khi công suất tín hiệu đầu vào tăng lên cho tới khi công suất tín hiệu đầu vào tăng lên tới giới hạn bão hoà (-2dBm), kể cả có sự góp phần thêm vào của công suất ASE phản xạ ngược trở lại FBG; nếu công suất tín hiệu đầu vào tiếp tục tăng lên, công suất tín hiệu đầu ra tăng lên chậm dần rồi đạt tới trạng thái bão hoà, từ phương trình (13) khi công suất đầu ra tăng lên chậm dần rồi hầu như không tăng, nhưng công suất tín hiệu đầu vào vẫn
tăng lên và công suất nhiễu ASE phản xạ trở lại bởi FBG tăng lên đã làm cho hệ số khuyếch đại suy giảm (đoạn đặc tuyến khuyếch đại dốc xuống).
Hệ số khuyếch đại của EDFA cao nhất trong trường hợp không sử dụng FBG và giảm xuống trong trường hợp sử dụng FBG (BB-FBG hoặc NB-FBG). Sự suy giảm hệ số khuyếch đại của EDFA khi sử dụng FBG so với khi không sử dụng FBG là do: trong cấu hình sử dụng FBG để phản xạ nhiễu ASE ngược trở lại sợi EDF, như đã phân tích ở trên, nhiễu ASE bị phản xạ ngược trở lại sợi EDF bởi FBG trở thành cùng chiều với hướng truyền tín hiệu, cho nên tác động làm suy giảm công suất tín hiệu đầu vào và giảm bão hoà khuyếch đại gây nên bởi tín hiệu được khuyếch đại; theo phương trình (9), (13), (16), thành phần công suất nhiễu ASE hướng ngược
ASE
P− đã phản xạ ngược trở lại sợi EDF bởi FBG và tham gia vào hướng truyền tín hiệu như một tín hiệu đầu vào của EDFA, vì vậy hệ số khuyếch đại của EDFA khi sử dụng FBG do đó có thêm thành phần công suất PASE−ref( )λ đã thấp hơn so với
không sử dụng FBG. 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Đ ộ kh uy ếc h đạ i (p .u ) 1546 nm 1552 nm 1546 nm 1552 nm Đ ộ kh uy ếc h đạ i (p .u )
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 FBG4. 4. 1 Ứng dụng trong cảm biến 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 thông thường, FBG chu kì biến đổi tuyến 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 thí nghiệm M. G. Xu et al.
Hơn nữa, FBG cho thấy các đáp ứng bước sóng rất tốt đối với nhiệt độ và sức căng mà chúng ta có thể sử dụng để điều chỉnh một cách chính xác các bước sóng trong các phần tử chuyển đổi tín hiệu cảm biến.
FBG có khả năng phản xạ cao với bước sóng hẹp tại bước sóng Bragg của nó λG, thông thường hiệu suất phản xạ của FBG có thể lớn hơn 75%. Với hiệu suất phản xạ này sẽ có đủ năng lượng cho photodiode thực hiện tách sóng. Đặc điểm riêng này của cảm biến FBG với λG duy nhất giúp cho nó không phụ thuộc nhiều vào cường độ quang trong hệ thống.
Nguyên lý hoạt động và mô hình của các hệ thống cảm biến sử dụng FBG được mô tả trong hình (4. 21). Trong hệ thống này, FBG được đặt dưới các tác động trực tiếp của môi trường cần giám sát, dưới tác động của các yếu tố môi trường như nhiệt độ, áp suất hay sức căng FBG sẽ thay đổi các đặc tính của nó và làm cho λG
thay đổi, bộ tách sóng và xử lý khi phát hiện ra sự thay đổi này sẽ điều khiển và phát ra tín hiệu cảnh báo.
Như đã nói ở trên, FBG có thể đáp ứng đối với nhiều yếu tố ảnh hưởng của môi trường nên rất dễ dàng ghép nhiều loại cảm biến vào trong cùng một sợi quang. Khi cần mở rộng các chức năng của hệ thống, chúng ta có thể thêm vào trong hệ thống cảm biến đã có nhiều sensor phục vụ cho các chức năng được mở rộng.
B iê n đ ộ Bước sóng tới B iê n đ ộ Bước sóng lọc qua FBG Nguồn băng rộng Tách sóng & xử lý Nguồn băng rộng coupler FBG Môi trường B iê n đ ộ Bước sóng phản xạ B iê n đ ộ Bước sóng phản xạ Tác động
Hình 4. 22 Mô hình hệ thống cảm biến sử dụng FBG và nguyên lý hoạt động
So với các dạng sensor khác, sensor FBG có rất nhiều ưu điểm: kích thước nhỏ gọn, không chịu các tác động của trường điện từ, không dẫn điện, có cảm biến và ghép kênh thụ động (mạng cảm biến). Có rất nhiều ứng dụng đối với dạng thiết bị cảm biến này, ngoài các dạng ở trên nó còn có thể dùng trong giám sát cấu trúc bên trong công trình xây dựng như nhà cửa, cầu cống hay đập nước…
4. 4. 2 Ứng dụng trong công nghệ Laser
FBG có một số ứng dụng quan trọng trong dạng thiết bị quang này. FBG có thể sử dụng như một thiết bị phản xạ có khoảng bước sóng phản xạ rất nhỏ phù hợp cho việc cung cấp các dạng xung ngắn hay laser đơn sắc, nó cũng có thể sử dụng cho các bộ lọc của hệ thống thông tin quang WDM.
KẾT LUẬN
Qua một thời gian tìm hiểu nghiên cứu và tổng hợp về cách tử Bragg sợi quang, em đã nắm bắt một cách tổng quan về nguyên lý, tính chất cũng như các ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang trong các hệ thống thực tế. Trước hết, đồ án nghiên cứu về cấu trúc, nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg sợi quang, trong đó có bao gồm các tính chất của các dạng cách tử riêng biệt khác nhau. Tiếp đến dựa trên các tính chất này mà đồ án đã đưa ra các ứng dụng của các dạng cách tử trong các hệ thống thực tế như cảm biến, laser và nổi bật là ứng dụng trong hệ thống truyền dẫn quang. Tuy nhiên, sau gần 30 năm nghiên cứu và phát triển, cách tử Bragg sợi quang đã trở thành một lĩnh vực rất đa dạng trong loại hình và rộng lớn trong ứng dụng nên trong phạm đồ án này em không thể nghiên cụ thể, chi tiết về các vấn đề của cách tử Bragg sợi quang mà chỉ tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu về các vấn đề cơ bản nhất. Cùng với sự phát triển chủng loại của cách tử ngày càng được tìm tòi và đưa ra thực tế (chẳng hạn cách tử Chiếu xạ FBG), các ứng dụng của nó cũng càng ngày càng được mở rộng nhất là trong lĩnh vực viễn thông và các hệ thống cảm biến trong xây dựng, bảo mật, kiểm tra các yếu tố môi trường trong các ngành công nghiệp chẳng hạn như luyện kim, sinh hóa …Sau cùng đồ án đã đề cập đến các công nghệ dùng để chế tạo cách tử Bragg, nó bao gồm cả các cách chế tạo cổ điển cũng như hịên đại. Thậm chí nó còn đề cập đến các công nghệ chế tạo FBG hiện đang chỉ dưới dạng tiềm năng và chỉ xuất hiện trong các phòng thí nghiệm và chưa được đưa ra thương mại hoá trong thực tế.
Tương lai, cách tử Bragg sợi quang sẽ còn có nhiều ứng dụng quan trọng cần được nghiên cứu để sử dụng hết tiềm năng, chẳng hạn như hệ thống chuyển mạch kênh quang và các hệ thống cảm biến trong các công trình. Điều đó đòi hỏi phải có những nghiên cứu sâu và toàn diện hơn nữa về khả năng của dạng thiết bị này
Trong đồ án này chắc chắn em không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót. Em mong có