L ỜI NĨI ĐẦU
4. 1 3 Bù tán sắc bằng quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính
4.2. 3.3 Cấu hình OADM sử dụng FBG và Circulator
Cấu hình này tương tự như các cấu hình 4 cổng đã nĩi ở trên, nhưng trong đĩ các Coupler được thay thế bằng các Circulator quang. Về lý thuyết, cấu hình này sử
dụng các thiết bị khơng giao thoa là lý tưởng. Các tính chất phổ theo nguyên lý phụ
thuộc vào hoạt động và tính chất của FBG và cĩ thể được thiết kế như một bộ lọc trực giao lý tưởng sử dụng kĩ thuật scattering ngược, sự mất tín hiệu và xuyên âm chủ yếu phụ 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 cĩ bước sĩng phản xạ là λG, ánh sáng cĩ bước sĩng này được cách tử phản xạ trở lại Circulator và được tách ra ở cổng Drop 4, các phần ánh sáng cịn lại sẽ chuyển qua cách tử và đưa tới Circulator 2. Ở
Circulator 2, một tín hiệu khác cĩ bước sĩng λGđược đưa vào 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 đĩ là Circulator tương đối đắt và cồng kềnh. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của các cơng nghệ Circulator giá rẻ
và mất mát tín hiệu khơng lớn, cấu hình này là một giải pháp rất tốt cho thiết bị
Tính ổn định của OADM dựa trên cấu hình của giao thoa Mach-Zehnder đã giới thiệu trong 4. 4. 4. 2 cũng cĩ 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 vịng (100%)
đã được chứng minh trong cả hai dạng cấu hình thiết bị Planar và thiết bị tồn 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 cĩ sựđối xứng hồn tồn khi chế tạo cách tử cĩ dạng như một bộ phản xạ điểm. Điều này chỉ cĩ khả năng thực hiện 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 sĩng của coupler. Kênh cĩ bước sĩng λG dược phản xạ trở lại do cách tử và phần tín hiệu cịn lại truyền qua coupler đến cổng ra 2. Trong quá trình phản xạ, các eigenmode phản xạ trong coupler đạt đến độ khác pha tổng cộng là π/2 và vì thế
kênh cĩ bước sĩng λGđược tách ra tại cổng 4. Về nguyên lý, độổn định của thiết bị
giao thoa được cải thiện với cấu hình Mach-Zehnder bởi vì sự phản xạ điểm và nhiễu đạt được thơng qua việc truyền các eigenmode của coupler. Tuy nhiên các giới hạn của đối với độ dài cách tử và độ dài các coupler đã chế tạo địi hỏi phải cĩ các tính tốn phù hợp.
4. 2. 3. 5 Các tham số của các cấu hình OADM
Hoạt động của các OADM được mơ tả bằng cách sử dụng các kí hiệu scattering Sij cho mỗi cặp cổng. Kí hiệu đầu tiên i là kí hiệu cổng đích (cổng ra) và kí hiệu j là kí hiệu cổng vào. Một vài tham số của cĩ thể mơ 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: Mơ hình cách ly kênh ở OADM
Nếu năng lượng của tín hiệu quang ở cổng vào 1 là P1 và năng lượng của tín hiệu được tách từ cổng 4 là P4 và năng lượng cịn lại của tín hiệu sau tách là P2 thì hệ số cách ly được tính bằng -10 log (P1/P2).
Xuyên âm là do các tín hiệu khơng mong muốn truyền từ các kênh lân cận tới một kênh nào đĩ trong bộ lọc, nĩ cĩ tên là xuyên âm liên kênh. Dạng xuyên âm này cĩ thể xuất hiện trong các cấu hình OADM giao thoa và là kết quả của việc tỉ lệ phân chia năng lượng ánh sáng trong coupler 3 dB khơng chính xác. Tuy vậy dạng xuyên âm này khơng ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của hệ thống WDM.
của chúng được mơ tả trong hình sau, trong đĩ cả hai tín hiệu của kênh đã tách và phần tín hiệu cịn lại sau tách đều đã bị yếu đi :
Hình 4. 13: Suy hao xen trong OADM
Hệ số suy hao xen linstương ứng với hiệu suất truyền ánh sáng từ một cổng i
tới một cổng j và ảnh hưởng của nĩ lên tất cả các kênh là như nhau và được tính theo cơng thức:
Lins= 10 log (Pi /Pj) (4.4)
Trong đĩ Pi và Pj là năng lượng của tín hiệu quang tại các cổng ra của OADM và giả sử khơng xuất hiện xuyên âm hay PDL.
• Phản xạ ngược:
Mơ hình và các tham sốảnh hưởng đến quá trình phản xạ ngược được mơ tả trong hình (). Nếu OADM lựa chọn bước sĩng dựa trên cách tử Bragg với bước sĩng phản xạ là λG và khi các kênh (các tín hiệu quang cĩ bước sĩng khác nhau) được
đưa vào cổng 1 hoặc 3 các tín hiệu cĩ bước sĩng λGđược lựa chọn sẽđược phản xạ
và đưa đến cổng 4 hoặc 2 theo thứ tự đĩ. Tuy nhiên cũng cĩ một bộ phận của ánh sáng bị phản xạ ngược trở lại cổng ban đầu, ta xem phần phản xạ ngược trở lại này cĩ năng lượng là P1’ và P3’. Như vậy hệ số phản xạ ngược Sii được tính bằng 10 log(Pi / Pi’). Các ảnh hưởng của việc phản xạ ngược này cĩ thể tránh được bằng việc sử dụng các bộ cách ly Isolator tại cả hai cổng này (cổng In 1 và cổng Add 3).
Cũng cĩ một phương pháp khác dùng để tránh hiện tượng này là dùng bộ cân bằng OADM phù hợp.
Hình 4. 14: Mơ 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 nĩ bao gồm một sợi quang được pha tạp thêm nguyên tố đất hiếm Erbium. Sợi quang sau khi được pha tạp sẽ thay đổi cấu trúc phân tử và trong bản thân sợi quang xuất hiện các mức năng lượng mà tại đĩ Electron được tập trung tại đĩ trong những điều kiện phù hợp. Các mức năng lượng
đĩ được mơ tả cụ thể trong sơđồ sau :
khoảng 0. 1% Erbium. Nguyên lý hoạt động của nĩ như sau : khi các ion Erbium nhận được năng lượng từ nguồn laser bơm (các bước sĩng bơm cĩ thể là 1480 nm hay 980 nm tuỳ theo cấu trúc của EDFA) các điện tử của nĩ được bơm tới mức năng lượng cao hơn chẳng hạn như từ E1 lên E2, E2 là trạng thái khơng 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: cĩ nghĩa là mật độ điện tử nằm trên mức năng lượng E2 lớn hơn mật độ của chúng nằm trên mức năng lượng cơ bản E1. Lúc này trong sợi quang sẽ cĩ hiện tượng bức xạ tự phát : điện tử sẽ tự phân huỷ từ mức năng lượng kích thích E2 về mức năng lượng cơ bản E1, quá trình này sẽ giải phĩng ra một photon cĩ tần sốγ = (E2 – E1)/ h hoặc bức xạ kích thích khi điện tửđược kích thích bởi một photon cĩ năng lượng hγ = E2- E1 nĩ cũng sẽ nhảy về mức cơ bản và sinh ra một photon cĩ năng lượng
đúng bằng hγ. Hiện tượng phát xạ kích thích này được ứng dụng làm bộ khuyếch
đại EDFA, khi các photon của tín hiệu quang được đưa vào sợi EDFA trong sợi sẽ
xuất hiện hiện tượng phát xạ kích thích và tín hiệu được khuyếch đại. Các hệ thống EDFA trong thực tếđược mơ tả trong hình sau :
Hình 4. 16: Cấu trúc modul EDFA thực tế
4. 3. 1. 2 Tăng độ cân bằng cho khuyếch đại EDFA
Kể từ khi ra đời vào năm 1987 cho tới nay, EDFA đã cĩ những bước phát triển mạnh mẽ và liên tục được hồn thiện. EDFA đặc biệt phù hợp với các hệ thống truyền dẫn quang WDM bởi nĩ làm việc tại bước sĩng 1550 nm với hệ số khuyếch
đại cao, cơng suất ra lớn và nhiễu thấp. Nĩ cũng được ứng dụng cho các bộ
khuyếch đại Raman …
Tuy nhiên đối với các ứng dụng trong hệ thống truyền dẫn quang WDM, EDFA cũng cĩ những hạn chế đĩ là do cấu trúc mức năng lượng, EDFA cĩ hệ số khuyếch
đại khơng đều nhau đối với các bước sĩng khác nhau của hệ thống WDM, điều này dẫn đến các hệ thống WDM sử dụng khuyếch đại EDFA cĩ chất lượng của các kênh tín hiệu khơng đều nhau ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn, do vậy sự cân bằng phổ khuyếch đại của một bộ khuyếch đại rất cần thiết cho việc cân bằng năng lượng giữa các kênh nhằm tránh lỗi các tín hiệu được truyền qua hệ thống truyền dẫn quang. Đã cĩ một số phương pháp sử dụng cho các bộ cân bằng EDFA (các bộ
cân bằng này cĩ thể là cân bằng trong hoặc cân bằng ngồi). Các phương pháp cân bằng trong tạo ra sự thay đổi của các thuộc tính phổ hấp thụ của sợi và phổ ánh sáng truyền qua sợi bằng cách sử dụng các kĩ thuật co –doping đối với các ion. Các phương pháp dựa trên cơ sở các thiết bị lọc được thiết kế với phổ lọc phụ thuộc vào phổ khuyếch đại của EDFA. Các dạng bộ lọc này hiện đã được mơ tả và thực nghiệm. Các dạng thiết bị này cĩ thể được phân chia làm hai loại : đĩ là thiết bị
active (chủ động) với khả năng cấu hình lại do đĩ nĩ cĩ khả năng thay đổi đặc tính phổ tuỳ thuộc vào các hiệu ứng bão hồ, dạng thiết bị passive (thụ động) cĩ đặc tính phổ hồn tồn cốđịnh khơng cĩ khả năng thay đổi.
Các dạng thiết bị active bao gồm : các bộ lọc acousto- optic tunable, Strain- tuneable sử dụng FBG, micro mechanical và bộ lọc quang tích hợp sử dụng cơng nghệ planar. Các dạng thiết bị thụ động Passive bao gồm các dạng : các thiết bị
LPG, FBG, và các bộ lọc sử dụng sợi kích thích pha Samarium.
Tất cả các thiết bị trên đều cĩ các thuộc tính đĩ là khả năng cân bằng khuyếch
đại và giảm suy hao xen (insertion loss). Cấu hình của EDFA sử dụng bộ lọc như
Hình 4. 17: Cấu hình bộ lọc đặt ngồi EDFA
Hình 4. 18: Cấu hình bộ lọc đặt giữa EDFA
Việc lựa chọn cấu hình cũng như loại thiết bị dùng để cân bằng khuyếch đại cho hệ thống EDFA phụ thuộc vào nhiều yếu tố như yêu cầu của hệ thống WDM đang sử dụng, yêu cầu về các thuộc tính kĩ thuật như là suy hao, xuyên âm …. Tuy vậy, trong các hệ thống thực tế hiện nay các thiết bị cân bằng dùng FBG hiện đang rất phát triển và cĩ nhiều ứng dụng rộng rãi và tỏ ra rất phù hợp với các 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 khơng sử dụng và cĩ sử dụng FBG
Hình (4. 19) mơ tả cấu hình EDFA cĩ sử dụng bộ cân bằng và khơng 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
tồn bộ nhiễu khuyếch đại tự phát ASE quay trở lại sợi EDF nhằm giảm bão hồ gây nên bởi tín hiệu, do vậy đã làm tăng dải biến thiên cơng suất đầu vào. Xét riêng từng cấu hình và so sánh hệ số khuyếch đại của chúng, ta thấy :
• Đối với trường hợp khơng sử dụng FBG:
Theo định nghĩa, hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại là tỉ số cơng suất giữa
đầu ra và đầu vào : (λ) (λ) (λ) out in P G P = (4.5)
đĩ cơng suất ra out(λ)
P là tổng cơng suất của tín hiệu đã được khuyếch đại Ps (λ) và tổng cơng 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) Ởđây in(λ) s
P là cơng suất của tín hiệu vào. Ảnh hưởng của gia tăng cơng 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 hồ khuyếch đại. Theo quy định, bão hồ xảy ra khi độ khuyếch
đại của EDFA giảm xuống 3 dB dưới giá trị chưa bão hồ Gmax, hay nĩi 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 P λ = 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 cơng suất bơm sẽ quyết định dải rộng thay đổi cơng 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) . Đối với trường hợp EDFA sử dụng FBG:
Trong trường hợp sử dụng FBG, thành phần cơng suất nhiễu ASE hướng ngược
( )
AES P− λ
sẽ bị FBG ngăn chặn và phản xạ ngược trở lại sợi EDF. Khi đĩ cơng 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 đĩ RFBG(λ) là độ phản xạ của FBG. Sau khi thành phần ASE phản xạ
ngược trở lại từ FBG PASE−ref( )λ nĩ lại trở thành truyền cùng hướng với ánh sáng tín hiệu, khi đĩ cơng 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 cơng 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 cĩ 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 tốn học
đã xác định và cân bằng hệ số khuyếch đại của EDFA đĩ là cơng suất nhiễu ASE hướng ngược PAES− ( )λ .
Hệ số khuyếch đại đối với cơng 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