Khi hai sợi quang được đặt cạnh nhau, ánh sáng được ghép từ sợi quang này sang sợi quang kia và ngược lại. Đó là do quá trình truyền mode ánh sáng trên sợi quang qua vùng ghép sẽ khác so với truyền trên sợi quang đơn. Khi đó, toán bộ ánh sáng thuộc một sợi quang sẽ được ghép hoàn toàn sang sợi quang ghép với nó, phần ánh sáng này sẽ tiếp tục được ghép ngược lại sợi quang ban đầu theo một chu kỳ tuần hoàn khép kín.
3.8 Kết luận chương
Trong chương này, nhóm đã trình bày vềcác nguyên lí giao thoa của MMI cũng như hình dạng các ống dẫn sóng truy nhập. Ngoài ống dẫn sóng thẳng thường dùng, nhóm đã giới thiệu về hình dạng, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của ống dẫn sóng của bộ ghép định hướng. Bộ ghép định hướng đóng vai trò là bộ tách hai bước sóng ra hai cổng riêng biệt sẽ được giới thiệu trong cấu trúc tách sóng ở chương 4. Việc sử dụng bộ giao thoa đa mode có thể giải quyết các vấn đề cơ bản của truyền dẫn với lợi thế nhờ cấu trúc nhỏ gọn, tổn hao thấp cùng với giá thành sản xuất rẻ, dễ chế tạo, hoạt động băng rộng . Tuy nhiên, do bị ảnh hưởng bởi các yếu tố truyền dẫn nên việc thiết kế bộ giao thoa đa mode đòi hỏi độ chính xác cao. Dựa vào những kiến thức trên là ta có thể tiến hành thiết kế các bộ giao thoa đa mode MMI tạo nên bộ Triplexer tách bước sóng sẽ được tiến hành ở chương 4. Hơn nữa, trong chương này cũng đã đề cập đến công thức Bachmann giải thích trường đầu vào và ra ở các cổng của bộ giao thoa đa mode, kèm theo đó là khái quát giao thoa cũng như là công thức cơ sở nguyên lí tạo ảnh trong ống dẫn sóng chính để xác định được chiều dài của nó. Nhóm đã trình bày được các loại suy hao, tổn hao trong ống dẫn giao thoa đa mode như là suy hao chèn (Insertion Loss), xuyên nhiễu (Crosstalk). Các thông số trên sẽ được dùng để tính toán và cơ sở lý thuyết cho các bộ giao thoa đa mode ở chương 4.
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
Chương 4: THIẾT BỘ TÁCH GHÉP BA BƯỚC SÓNG 1310nm/1490nm/1550nm SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG SILIC 4.1. Giới thiệu chương
Trong chương này, nhóm sẽ đề cập tổng quan về bộ tách ghép quang và qua đó tiến hành thiết kế một bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng Silic. Thiết bị được cấu thành từ một bộ giao thoa đa mode 2x2 hình cánh bướm kết hợp với một bộ ghép định hướng và 2 bộ giao thoa đa mode 2x2 hình cánh bướm. Theo đó, nhóm đã khảo sát và đưa ra mô phỏng hiệu suất đầu ra đạt từ 80%-95%.
4.2 Nguyên lý thiết kế
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý bộ ghép kênh hai bước sóng sử dụng bộ ghép đa mode 2×2.
Trong công trình [5], của TS. Trương Cao Dũng đã đề xuất nguyên lý thiết kế của bộ tách/ghép bước sóng dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode dựa trên tính chất là với cùng cấu trúc hình học thì các bước sóng khác nhau có nửa chiều dài phách khác nhau. Cũng do nửa chiều dài phách tỷ lệ nghịch với bước sóng hoạt động nên bước sóng ngắn có nửa chiều dài phách lớn hơn so với các bước sóng dài. Mặt khác, ta đã biết là hiện tượng giao thoa tạo ảnh có tính chu kỳ tức là tạo ảnh được lặp đi lặp lại tại những khoảng cách xác định bằng nhau. Sử dụng các đặc tính này, ta xét một ống dẫn sóng giao thoa đa mode kích thước 2×2 với cổng đầu vào không ở vị trí trùng với trục đối xứng như được trình bày trên Hình 4.1. Theo nguyên lý giao thoa tổng quát thì sau một khoảng cách truyền theo phương truyền sóng với chiều dài L=3 ( )L (với L( ) ký hiệu là nửa chiều dài phách tại bước sóng hoạt động) thì ảnh đầu ra sẽ đối xứng gương với tạo ảnh đầu vào.Tổng quát, khi phát nguồn sáng vào ống dẫn sóng đầu vào thì sẽ tạo ra hiện tượng tạo ảnh trong ống dẫn giao thoa đa mode, ảnh đầu ra sẽ ở vị trí soi gương so với ảnh đầu vào nếu khoảng cách truyền bằng số nguyên dương lẻ lần nửa chiều dài phách và ảnh đầu ra sẽ ở vị trí đồng vị với ảnh đầu vào nếu khoảng cách truyền bằng số nguyên dương lẻ lần nửa chiều dài phách. Sử dụng nguyên lý này, với hai bước sóng
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
1
và 2 được đưa vào đầu vào của một bộ giao thoa đa mode 2×2, nếu khoảng cách truyền thỏa mãn đẳng thức:
1 2
3 ( ) 3 ( )
L= mL = nL (4.1)
Ở đây: m và n là các số nguyên dương. Nếu m, n cùng tính chẵn lẻ thì các bước sóng 1và 2sẽ được đưa ra cùng một cổng ở đầu ra còn ngược lại nếu m, n chẵn lẻ đôi một khác nhau thì các bước sóng 1và 2sẽ được tách ra một cách riêng biệt ở hai đầu ra của ống dẫn sóng đa mode. Nguyên lý này cũng có thể được mở rộng cho nhiều bước sóng cùng đưa vào cùng một đầu vào. Khi đó chúng ta sử dụng phân tầng các bộ giao thoa đa mode để tách riêng dần các bước sóng ở đầu ra cho đến khi ở các đầu ra cuối cùng các bước sóng được tách hoàn toàn ra mỗi cổng riêng.
Như đã phân tích, các bước sóng khác nhau thì nửa chiều dài phách khác nhau. Từ biểu thức xác định nửa chiều dài phách và đẳng thức (4.1) ta thấy điều kiện để tách riêng hai bước sóng khi đó là:
2 1 2 2 2 1 . ( ) . ( ) e e W m n W = (4.2) Với: We( ) là chiều rộng hiệu dụng của ống dẫn sóng đa mode tại bước sóng
Nếu các bước sóng gần nhau, chẳng hạn các bước sóng nằm trong vùng cửa sổ thông tin 1550 nm sử dụng cho các ứng dụng WDM với khoảng cách kênh nhỏ (chỉ cỡ 0.4 nm hoặc 0.8 nm) thì nửa chiều dài phách là gần nhau, do vậy phương trình (4.2) sẽ xác định cặp số (m,n) có giá trị tương đối lớn. Điều này dẫn đến chiều dài của bộ ghép đa mode là khá lớn. Khi đó, phép phân tích toán học bằng phương pháp xấp xỉ theo phương pháp truyền mode sẽ cho sai số lớn do đó chất lượng hình ảnh giao thoa không được “rõ nét”. Vậy nên cấu trúc sử dụng làm bộ phân kênh bước sóng sẽ có chất lượng hiệu năng về mặt xuyên nhiễu kênh là lớn do đó không phù hợp cho các ứng dụng tách/ghép kênh quang.
Tình huống khác đi khi khoảng cách các bước sóng tách ghép kênh lớn (cỡ vài chục đến một vài trăm nm); khi đó cặp số (m,n) có giá trị nhỏ (là các số nguyên dương nhỏ) nên chiều dài bộ ghép đa mode cho hoạt động là khá nhỏ và sai số do xấp xỉ nhỏ nên chất lượng hình ảnh giao thoa “rõ nét” hơn, xuyên nhiễu sẽ đạt được kết quả tốt hơn. Do đó, với những ứng dụng cho các bộ tách ghép kênh với các bước sóng cách xa nhau và số lượng bước sóng sử dụng nhỏ như ứng dụng của các mạng truy nhập quang FTTH chẳng hạn là rất thích hợp bằng cách sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode. Chúng ta cũng có thể ứng dụng bộ ghép đa mode để thiết kế các bộ tách bước sóng trong các vùng cửa sổ thông tin quang (từ dải bước sóng 850 nm đến 1600 nm). Phần tiếp theo trong chương
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
này nhóm sẽ tập trung nghiên cứu thiết kế ứng dụng các triplexer sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode một cách hiệu quả và tối ưu.
. (a) (b)