L ỜI NĨI ĐẦU
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: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 khuyếch đại chưa bảo hồ), hệ số khuyếc đại G thay đổi tuyến tính với cơng suất tín hiệu đầu vào hầu như ít thay đổi trong một phạm vi xác định. Trong chế độ
khuyếch đại của EDFA đối với cơng suất tín hiệu đầu vào và chiều dài khuyếch đại như thể hiện trên hình vẽ dưới tương ứng với bước sĩng tín hiệu 1550 nm, 11 m chiều dài sợi EDF, cơng suất bơm 145 mW, trong các trường hợp khơng sử dụng FBG và sử dụng FBG băng hẹp (NB-FBG)/ FBG băng rộng (BB-FBG).
`
Hình 4. 20: Đặc tuyến thực nghiệm độ khuyếch đại của EDFA phụ thuộc cơng suất tín hiệu đầu vào tại bước sĩng 1550 nm
Nhận xét:
Trong trường hợp khơng sử dụng FBG: hệ số khuyếc đại hay nĩi cách khác độ
khuyếch đại của EDFA giữ ổn định (hầu như khơng thay đổi, thể hiện ở đoạn bằng phẳng trên đường đặc tuyến) khi cơng suất tín hiệu đầu vào cịn nhỏ trong phạm vi từ - 40 dB dến – 16 dB (nghĩa là khoảng biến thiên cơng suất tín hiệu đầu vào 24 dB); khi cơng suất tín hiệu đầu vào vượt giá trị cơng suất tín hiệu đầu vào bảo hồ
( 16 )
in sat
P − dBm thì hệ số khuyếch đại giảm xuống nhanh và gây mất ổn định khuyếch
suất tín hiệu đầu ra tăng lên tương ứng nhưng theo phương trình (9) quan hệ tỷ lệ
thay đổi giữa cơng suất tín hiệu đầu vào và đầu ra vẫn cịn nằm trong phạm vi cho phép mà khơng gây nên tình trạng thay đổi hệ số khuyếch đại, do đĩ đoạn đặc tuyến khuyếch đại bằng phẳng cho đến khi cơng suất tín hiệu đầu vào tăng lên tới giới hạn bảo hồ khuyếch đại, khi này tốc độ bức xạ cưỡng bức gây ra bởi cơng suất tín hiệu cao xấp xỉ với tốc độ bơm; nếu cơng suất tín hiệu vào tiếp tục tăng lên, cơng suất tín hiệu ra tăng lên chậm dần rồi đạt tới trạng thái bão hồ gây nên bởi ASE, từ phương trình (9) khi cơng suất đầu ra tăng lên chậm dần rồi hầu như khơng tăng (bão hồ), nhưng cơng 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 khơng thay đổi khi cơng suất tín hiệu đầu vào thay đổi (phạm vi rộng hơn so với khi khơng sử dụng FBG) từ -40 dBm tới -2 dBm (khoảng biến thiên cơng suất tín hiệu đầu vào 38 dB); khi cơng suất tín hiệu đầu vào tương đối lớn và đạt giá trị bão hồ in ef( 2 )
sat r
P − − dBm hệ số khuyếch đại bắt đầu thay đổi; khi cơng suất tín hiệu vượt giá trị bão hồ in ef (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
sat r
P − hệ số khuyếch đại giảm xuống. Điều này giải thích như sau: do tác dụng phản xạ lại phần cơng 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 đĩ nĩ lại trở thành ASE hướng thuận (PASE - ref+ ), do đĩ ánh sáng tín hiệu bị hấp thụ một phần, cho nên đã làm giảm bão hồ khuyếch đại gây nên bởi tín hiệu khuyếch đại hay nĩi cách khác cơng suất tín hiệu
đầu ra vẫn tiếp tục tăng lên khi cơng suất tín hiệu vào tăng (so với trường hợp khơng sử dụng FBG), theo các phương trình hệ số khuyếch đại của EDFA vẫn khơng thay đổi (đoạn đặc tuyến bằng phẳng mở rộng hơn) khi cơng suất tín hiệu
đầu vào tăng lên cho tới khi cơng suất tín hiệu đầu vào tăng lên tới giới hạn bão hồ (-2dBm), kể cả cĩ sự gĩp phần thêm vào của cơng suất ASE phản xạ ngược trở lại FBG; nếu cơng suất tín hiệu đầu vào tiếp tục tăng lên, cơng suất tín hiệu đầu ra tăng lên chậm dần rồi đạt tới trạng thái bão hồ, từ phương trình (13) khi cơng suất đầu ra tăng lên chậm dần rồi hầu như khơng tăng, nhưng cơng suất tín hiệu đầu vào vẫn
khuyếch đại suy giảm (đoạn đặc tuyến khuyếch đại dốc xuống).
Hệ số khuyếch đại của EDFA cao nhất trong trường hợp khơng 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 khơng 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 cơng suất tín hiệu đầu vào và giảm bão hồ khuyếch đại gây nên bởi tín hiệu được khuyếch đại; theo phương trình (9), (13), (16), thành phần cơng 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 đĩ cĩ thêm thành phần cơng suất PASE−ref( )λ đã thấp hơn so với khơng sử dụng FBG.
4. 4 Một số ứng dụng khác của FBG 4. 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 thơng thường, FBG chu kì biến đổi tuyến tính, FBG dịch pha … đều cĩ thể sử dụng trong các hệ thống cảm biến.
Các dạng cảm biến đặc thù ứng dụng cách tử Bragg quang đĩ là nhiệt độ và sức căng. Điều này cĩ nghĩa là chúng ta cĩ thể dùng FBG để giám sát trạng thái về
nhiệt độ hoặc sức căng của mơi trường hay giám sát cả hai yếu tố này cùng lúc. Cách tử quang bước sĩng kép sử dụng để nhận biết các ảnh hưởng của nhiệt độ và sức căng được tìm ra tại phịng thí nghiệm M. G. Xu et al.
Hơn nữa, FBG cho thấy các đáp ứng bước sĩng rất tốt đối với nhiệt độ và sức căng mà chúng ta cĩ thể sử dụng để điều chỉnh một cách chính xác các bước sĩng trong các phần tử chuyển đổi tín hiệu cảm biến.
FBG cĩ khả năng phản xạ cao với bước sĩng hẹp tại bước sĩng Bragg của nĩ
λG, thơng thường hiệu suất phản xạ của FBG cĩ thể lớn hơn 75%. Với hiệu suất phản xạ này sẽ cĩ đủ năng lượng cho photodiode thực hiện tách sĩng. Đặc điểm riêng này của cảm biến FBG với λG duy nhất giúp cho nĩ khơng phụ thuộc nhiều vào cường độ quang trong hệ thống.
Nguyên lý hoạt động và mơ hình của các hệ thống cảm biến sử dụng FBG được mơ tả trong hình (4. 21). Trong hệ thống này, FBG được đặt dưới các tác động trực tiếp của mơi trường cần giám sát, dưới tác động của các yếu tố mơi trường như
nhiệt độ, áp suất hay sức căng FBG sẽ thay đổi các đặc tính của nĩ và làm cho λG thay đổi, bộ tách sĩng và xử lý khi phát hiện ra sự thay đổi này sẽ điều khiển và phát ra tín hiệu cảnh báo.
Như đã nĩi ở trên, FBG cĩ thể đáp ứng đối với nhiều yếu tốảnh hưởng của mơi 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 cĩ thể thêm vào trong hệ thống
Hình 4. 22 Mơ hình hệ thống cảm biến sử dụng FBG và nguyên lý hoạt động
So với các dạng sensor khác, sensor FBG cĩ rất nhiều ưu điểm: kích thước nhỏ
gọn, khơng chịu các tác động của trường điện từ, khơng dẫn điện, cĩ cảm biến và ghép kênh thụ động (mạng cảm biến). Cĩ rất nhiều ứng dụng đối với dạng thiết bị
cảm biến này, ngồi các dạng ở trên nĩ cịn cĩ thể dùng trong giám sát cấu trúc bên trong cơng trình xây dựng như nhà cửa, cầu cống hay đập nước…
4. 4. 2 Ứng dụng trong cơng nghệ Laser
FBG cĩ một sốứng dụng quan trọng trong dạng thiết bị quang này. FBG cĩ thể sử
dụng như một thiết bị phản xạ cĩ khoảng bước sĩng phản xạ rất nhỏ phù hợp cho việc cung cấp các dạng xung ngắn hay laser đơn sắc, nĩ cũng cĩ thể sử dụng cho các bộ lọc của hệ thống thơng 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 đĩ cĩ 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 khơng 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 tịi và đưa ra thực tế (chẳng hạn cách tử Chiếu xạ FBG), các ứng dụng của nĩ cũng càng ngày càng được mở rộng nhất là trong lĩnh vực viễn thơng và các hệ thống cảm biến trong xây dựng, bảo mật, kiểm tra các yếu tố mơi trường trong các ngành cơng nghiệp chẳng hạn như luyện kim, sinh hĩa …Sau cùng đồ án đã đề cập đến các cơng nghệ dùng để chế tạo cách tử Bragg, nĩ bao gồm cả các cách chế tạo cổ điển cũng như hịên đại. Thậm chí nĩ cịn đề cập đến các cơng nghệ chế tạo FBG hiện đang chỉ dưới dạng tiềm năng và chỉ xuất hiện trong các phịng thí nghiệm và chưa được đưa ra thương mại hố trong thực tế. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tương lai, cách tử Bragg sợi quang sẽ cịn cĩ 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 cơng trình. Điều đĩ địi hỏi phải cĩ những nghiên cứu sâu và tồn diện hơn nữa về khả năng của dạng thiết bị này
Trong đồ án này chắc chắn em khơng thể tránh khỏi nhiều thiếu sĩt. Em mong cĩ sự gĩp ý và lượng thứ của các thầy cơ và các bạn.
tình của thầy Nguyễn Đức Nhân cùng các thầy cơ giáo trong học viện đã giúp em hồn thành bản đồ án này.
Sinh viên
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Yinian Zhu, Rand Afrikaans University Johannesburg Republic of South
Africa “Fabrication of Long period Gratings and their Application in Optical Fibre Communications and Sensing Systems”
[2]. Jianfeng Zhao, Rand Afrikaans University Johannesburg Republic of
South Africa “ An Object-Oriented Simulation Program for Fibre Bragg Gratings”
[3]. www.photonic.com
[4]. Vũ Văn San, Kỹ thuật thơng tin quang, NXB KHKT 12/1997
[5] Yihong Chen, Christopher Visone, Richard Pavlik, Daniel Al-Salameh, Jack Tomlimson, Stan Lumish, “Role of the Dynamic Gain Equaliser as a Network Equaliser”, JDS Uniphase Corporation
[6] Atul Srivastava, Ph.D, Gordon Wilson, Ph.D, Horacio Facca, M.B.A,
“Creating Economic Value in DWDM Systems with Dynamic Gain Equalization”, White Paper, Onetta.
[7] Ozan K. Tonguz, Member, IEEE, and Felton A. Flood, Member IEEE,
“Gain Equalization of EDFA Ccascades”, Journal of lightwave technology, Vol 15, No 10 Octorber, 1997
[8] Yihong Chen, Christopher Visone, Richard Pavlik, Daniel Al-Salameh, Jack Tomlimson, “System test of Dynamic Gain Equalizer in Long Haul Transmission”, JDS Uniphase Corporation, 625 Industrial Way, Eatontown, NJ 07724, USA