3. 5. 3. 1 Nguyên lý
Trong AFBG, các chỉ số thay đổi của hệ số chiết suất là hằng số. Phổ phản xạ của một cách tử Bragg độ dài hạn chế được chế tạo theo phương pháp AFBG có các đỉnh sườn bên tại các bước sóng kề nhau. Nó rất quan trọng cho việc giảm thiểu và cũng có thể loại trừ việc phản xạ của các đỉnh sườn bên này.
Hình 3. 3 cho chúng ta thấy phổ của UFBG, các cách tử này có các đỉnh sườn bên lớn. Tính năng của UFBG phải được cải tiến để có thể sử dụng cho các ứng dụng trong các hệ thống viễn thông. Một phương pháp để thực hiện điều này là sử dụng điều biến chiết suất. Điều biến chiết suất có thể thực hiện bằng việc chiếu xạ tia UV theo đường viền để giảm chỉ số chiết suất chệch khỏi chỉ số chiết suất trung tâm theo cả hai hướng của cách tử.
AFBG có thể mô hình hoá dựa trên phương trình ghép mode. Chúng ta sẽ xem xét hai phương pháp chính đó là tích phân trực tiếp và phương pháp ma trận truyền đạt.
3. 5. 3. 2 Mô tả toán học của AFBG
Phương pháp tích phân trực tiếp:
Hiệu quả của điều biến chiết suất trong các mô hình FBG có thể biểu diễn dựa trên hàm phụ thuộc toạ độ hướng z của chỉ số chiết suất là g(z). Chỉ số chiết suất của AFBG được thể hiện trong phương trình sau:
0 0
2
( ) ( ) os( + (z))
n z = +n δn +δn g z c π ϕ
Λ (3. 48)
Trong đó δn là độ sâu của điều chế và g(z) là hàm điều chế (còn được gọi là hàm Điều biến chiết suất). Nói chung dạng của g(z) thường có dạng hàm Gausse. Đối với UFBG giá trị của g(z) là 1. Hệ số ghép của AFBG được cho bởi phương trình (3. 24):
π ( )δn( ) ( )
λ
k z = z g z v
Nếu như chúng ta thay phương trình này vào trong phương trình ghép mode (3. 19) và (3. 20), giải phương trình thu được ta có thể tính toán được phổ của dạng cách tử AFBG này.
Phương pháp ma trận truyền đạt:
Nếu chúng ta thay thế phương trình (3. 24) vào ma trận truyền đạt (3. 39), đáp ứng phổ của cách tử AFBG được tính toán bằng cách giải quyết các phương trình này.
Các hàm điều biến chiết suất:
- Đối với UFBG: g(z) = 1 ; z ∈[0, L] (3. 49)
1.. Đặc tính Gaussian : 2( z-L/2 ) 2
( ) exp{-ln2 [ ] }
FWHM
g z = ; z ∈[0, L] (3.50) Trong đó FWHM = 0. 4L. Phương trình này còn có dạng khác như sau:
2 z-L/2 ( ) exp{-a[ ] } ; z [0,L] L g z = ∈ (3. 51) 2. Đặc tính Raised – cosine: 1 (z - L/2) ( ) [1 + cos ( )] ; z [0,L] 2 FWHM g z = π ∈ (3. 52) Trong đó FWHM = L. 3. Đặc tính Kaiser : 2 0 0 2 ( 1 ( ) ) 1 ( ) ; n [0,N-1] ( ) k k n I N g z I β β − − = ∈ (3. 53)
Trong đó βk là tham số cửa sổ Kaiser và I0 là hàm Bessel thứ 0.
0.00000 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.00010 0.00012 0.00014 0.00016 2 4 6 8 10 0.00018 0.00020 Vị trí (milimet) C h ỉ s ố p h ả n x ạ
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.546 1.548 1.550 1.552 1.554
Hình 3.10: Phổ phản xạ của AFBG với L=10 mm ,neff =1.447, λD =1550 nm
Như vậy chúng ta có thể thấy trên đặc tính phổ của AFBG các đỉnh sườn bên đã được giảm thiểu so với các dạng cách tử UFBG. Chính điều này là ưu điểm nổi trội của AFBG trong việc thực hiện chống nhiễu do đỉnh sườn bên gây ra trong các ứng dụng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 Δλ0 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)
Λ0 là chu kỳ ở điểm bắt đầu của đoạn cách tử, Λ1 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:
λB(z) = 2neff (z)Λ(z) (4.2)
λB(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, neff là chiết xuất hiệu dụng, L là độ dài đoạn cách tử Bragg, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, Δλc 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
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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.
Tx
EDFA
Rx
Circulator
input Broadened pulse Recompressed pulse
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 OADM4. 2. 1 Tổng quan về WDM 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:
M U X & D E M U X M U X & D E M U X O A D M R E G Tx1 Tx2 TxN Rx1 Rx2 RxN λ1 λ2 λN λ1 λ2 λN λ1,λ2….λN λ1,λ2….λN R E G Hình 4. 5: Hệ thống ghép bước sóng một hướng
• Hệ thống ghép bước sóng hai hướng:
M U X & D E M U X M U X & D E M U X OA DM R E G Tx1 Tx2 TxN Rx1 Rx2 RxN λ1 λ2 λN λ1 λ2 λN λ1,λ2….λN λ'1,λ’2….λ’N R E G
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 : ADM 1 In 2 out 3 add drop4 λ1 ….. λ16 λ1 λ3 λ5 λ1 ….. λ16 λ1 ….. λ16
Mô hình cơ bản của OADM
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});