Chirped Fiber Gratings: (Cách tử sợi quang Chirped) 26

6. CÁCH TỬ SỢI QUANG BRAGG (Fiber Bragg Gratings) 22

6.2 Chirped Fiber Gratings: (Cách tử sợi quang Chirped) 26

Cách tử Chirped có vùng băng chặn tương đối rộng (broad stop band) và được đề xuất để

bù tán sắc vào khoảng đầu năm 1987

Chu kỳ quang

n∧

điều kiện Bragg được thỏa mãn. Điều quan trọng là, vùng băng chặn của cách tử quang chirped được chồng chập từ nhiều băng chặn con (mini stop band) , trong đó mỗi băng chặn con tạo ra sự một sự thay đổi bước sóng Bragg dọc theo cách tử (giống như bước sóng của cách tử Bragg) . Kết quả là stop band có thể rộng đến vài nm.

Trong hình 6.4 ta thấy ở thành phần tần số thấp thì xung sẽ bị trễ bởi vì chu kỳ quang sẽ

tăng lên.

Theo hình vẽ, thông số tán sắc Dg của một cách tử chiều dài Lg có thểđược xác định bằng cách sử dụng quan hệ T_R =D L_{g g}∆λ

với T_Rlà chu kỳ cách tử và ∆λ khác với bước sóng Bragg tại 2 điểm cuối của cách tử. Do T_R =2nL c_g / nên tán sắc cách tửđược cho bởi:

2 / ( )

g

D = n c ∆λ

Ví dụ:D_g ~5x ps/(km-nm) cho 1 cách tử có băng thông ∆λ =0.2nm

Bởi vì giá trị của D_g lớn, cách tử chirped dài 10 cm có thể bù tán sắc vận tốc nhóm GVD

ở chiều dài lên đến 300km (sợi quang chuẩn)

1

c m−

7

Trang 27

Hình 6.4 Cách tử quang Chirped dùng bù tán sắc a/ chiết suất n(z) theo chiều dài cách tử

b/ hệ số phản xạở tần số thấp và cao tại những vùng khác nhau trong cách tử

Để thực hiện cách tử chirped có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau.

Điều quan trọng là chu kỳ quang nΛ thay đổi dọc theo cách tử ( trục z), và do đó sự thay

đổi có thể là Λhoặc chiết suất n theo z.

Một số kỹ thuật được đề cập: Dual-beam holographic.Double-exposure technique, Phase- mask technique.

Ứng dụng của cách tử quang Chirped vào việc bù tán sắc đã được chứng minh trong thập niên 90 với nhiều thí nghiệm truyền tín hiệu.

Hình 6.5: Hệ số phản xạ và thời gian trễ trong cách tử quang Chirped tuyến tính với băng thông 0.12nm

Trang 28 Năm 1995 cách tử chirped dài 12 cm dùng để bù tán sắc cho GVD chiều dài270 km Tốc độ 10Gb/s. Sau đó khoảng cách truyền tăng lên 400 km chỉ sử dụng cách tử chirped dài 10cm. Điều này có 1 sự cách biệt so với khoảng cách 20km khi không dùng cách tử bù tán sắc.

Trong hình 6.5 chỉ ra hệ số phản xạ và trễ nhóm (quan hệ với đạo hàm của pha ) theo 1 hàm của bước sóng cho cách tử 10cm với ∆λ =0.12nm , tốc độ 10 Gb/s Tín hiệu

được bù trong vùng băng chặn của cách tử. Chu kỳ cách tử Λ thay đổi chỉ 0.008% trên suốt chiều dài của nó

Sự bù tán sắc hoàn toàn xảy ra trong vùng phổ mà đạo hàm pha là tuyến tính.

Độ dốc của trễ nhóm( khoảng 5000 ps/nm) là 1 đại lượng bù tán sắc của cách tử. Có thể bù tán sắc GVD cho 400 km với tốc độ 10Gb/s.

Cách tử chu kỳ giảm dần cần được làm mịn theo cách các hệ số ghép tạo đỉnh ở khoảng giữa cách tử nhưng giảm dần về cuối. Quá trình làm mịn là cần thiết để loại bỏ các gợn sóng xảy ra trong cách tử có hệ số

κ

Cách tử D_g bị giới hạn bới băng thông ∆λ mà bù tán sắc vận tốc nhóm (GVD) yêu cầu với tốc độ bit B. Hơn nữa khi khoảng cách truyền tăng tại cùng 1 tốc độ bit thì băng thông tín hiệu giảm và kỹ thuật prechirp được sử dụng tại đầu phát. Trong 1 thử

nghiệm hệ thống vào 1996 cho thấy kỹ thuật prechirp của tín hiệu quang 10Gb/s được kết hợp với 2 cách tử quang chirped, ghép nối tiếp để tăng khoảng cách truyền lên đến 537 km. Kỹ thuật thu hẹp băng thông cũng được kết hợp với cách tử. Mô hình mã hóa nhị

phân đôi (duobinary) thu hẹp băng thông đến 50%. Trong 1 thí nghiệm 1996. khoảng cách truyền ở tốc đôGb/s được mở rộng đến 700 km bằng cách sử dụng cách tử chirped kết hợp với mô hình mã nhị phân đôi pha luân phiên ( phase-alternating duobinary ). Băng thông cách tử bị thu hẹp xuống 0.073 nm, quá hẹp ở tốc độ tín hiệu 10 Gb/s nhưng đủ rộng cho tín hiệu nhị phân đôi băng thông hẹp.

Hạn chế chính của cách tử sợi quang chu kỳ thay đổi là chúng hoạt động giống như

một bộ lọc phản xạ (hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ các tia sóng). Một bộ ghép quang 3-dB thường được sử dụng để cách ly giữa sóng phản xạ và sóng tới. Tuy nhiên, phải mất 6-dB cho các suy hao xen (nghĩa là các suy hao xen trong bộ ghép quang 3-dB). Thường trong thực tế người ta dùng bộ cách ly quang vòng (circulator) do nó có thể giảm suy hao xen xuống dưới mức 2dB.

/

dφ dw

/

Trang 29 Vài kỹ thuật khác cũng được sử dụng. 2 hoặc nhiều hơn cách tử quang có thể kết hợp với bộ lọc phát để bù tán sắc với mức suy hao tương đối thấp. Hai hoặc nhiều hơn cách tử

quang có thểđược kết hợp với nhau tạo thành một bộ lọc phát đểđược biến đổi thành 1 bộ

lọc phát bằng cách tạo ra dịch pha giữa cách tử

Cách tử Moier được tạo thành bằng cách đặt chồng 2 cách tử chirped trên cùng 1 đoạn của sợi quang, do đó nó cũng sẽđạt giá trịđỉnh trong vùng băng chặn của nó. Băng thông của bộ lọc phát này thì tương đối hẹp.

Hình 6.6: Sơđồ bù tán sắc bằng cách dùng 2 bộ lọc phát fiber –base transmission filter 6.3Bộ ghép mode Chirped (chirped mode couplers)

Phần này tập trung vào 2 linh kiện quang hoạt động như một bộ lọc phù hợp cho việc bù tán sắc. Một bộ ghép mode chu kỳ thay đổi là một linh kiện toàn quang được thiết kế dựa trên nguyên lý ghép cộng hưởng phân bố chu kỳ thay đổi. Ý tưởng phía sau bộ ghép cộng hưởng phân bố chu kỳ thay đổi thật đơn giản. Khác với cách ghép các sóng tới và sóng phản xạ trong cùng một mode (như trong cách làm của cách tử sợi quang), cách tử chu kỳ

thay đổi ghép hai mode sóng trong cùng một sợi quang hai mode. Linh kiện này tương tự

như bộđổi mode sóng đã đề cập trong mục 4 liên quan đến sợi DCF (sợi bù tán sắc) ngoại trừ chu kỳ cách tử biến đổi tuyến tính dọc theo chiều dài sợi quang.

Tín hiệu được chuyển từ mode cơ sở sang mode bậc cao hơn bởi cách tử, nhưng các thành phần tần số khác nhau sẽ di chuyển với các quãng đường khác nhau trước khi

được chuyển đổi mode nhờ vào đặc tính chu kỳ thay đổi của cách tử và điều đó dẫn đến việc ghép hai mode sóng lại với nhau (ie. để trở thành mode cao hơn). Nếu chu kỳ cách tử

tăng dần dọc theo chiều dài của bộ ghép, bộ ghép có thể bù được GVD (tán sắc vận tốc nhóm). Tín hiệu vẫn lan truyền theo hướng tới cho đến khi được chuyển sang mode cao

Trang 30 hơn của bộ ghép. Một bộ chuyển đổi mode cách tử chu kỳ đều được dùng để chuyển tín hiệu trở lại mode cơ sở.

Cách làm khác cho cùng ý tưởng trên là ghép các mode cơ sở của sợi quang hai lõi với hai lõi này là khác nhau. Nếu hai lõi là đủ gần (về khoảng cách), sóng suy biến giữa các mode sóng sẽ dẫn đến việc chuyển năng lượng từ lõi này sang lõi kia, tương tự như bộ

ghép có hướng. Khi khoảng cách giữa hai lõi giảm tuyến tính, sự chuyển năng lượng xảy ra tại nhiều điểm khác nhau dọc theo sợi quang, phụ thuộc vào tần số của tín hiệu lan truyền. Do vậy, một sợi quang 2 lõi với khoảng cách của các lõi giảm tuyến tính có thể bù

được GVD. Linh kiện dựa trên nguyên lý này giữ tín hiệu lan truyền theo hướng tới, mặc dù về mặt vật lý có sự chuyển năng lượng sang lõi kế cận. Cách thiết kế này có thể được tích hợp vào cùng một linh kiện bằng cách dùng các ống dẫn sóng bán dẫn do các siêu mode (supermode) sinh ra từ việc ghép hai ống dẫn sóng có thể điều chỉnh được một lượng lớn GVD.

7.LIÊN HỢP PHA QUANG OPC

Mặc dù sử dụng kỹ thuật liên hợp pha quang (OPC) cho bù tán sắc được đề nghị từ 1979 nhưng đến 1993 kỹ thuật này mới được đưa vào thí nghiệm. Nó gây sự chú ý rất lớn từđó. Ngược lại với những gì đề cập trong chương này, kỹ thuật OPC là một kỹ thuật quang phi tuyến. Trong mục này sẽ mô tả nguồn gốc và tập trung vào ứng dụng hệ thống quang trong thực tế

7.1 Nguyên lý hoạt động:

Các đơn giản nhất để hiểu một OPC có thể bù tán sắc vận tốc nhóm GVD là giải phương trình liên hợp phức 2 2 1 ( , ) (0, ) exp( ) 2 2 i A z t A w β zw iwt dw π ∞ ∞ =

∫

So sánh pt (7.1.1) và (7.1.2) cho thấy vùng pha kết hợp A* lan truyền với hệ số truyền β₂ của GVD có đảo dấu. Nhận thấy 1 điều rằng, nếu miền quang được kết hợp pha ở giữa liên kết sợi quang , sự tán sắc trên nửa đầu và nửa sau của liên kết là bù nhau. Vì số hạng β₃ không đổi dấu khi liên hợp pha, OPC không thể bù cho tán sắc bậc 3. Ởđây, dễ dàng thấy rằng, bằng cách giữ các thành phần bậc cao hơn trong khai triển Taylor ở phương trình

Trang 31 2 2 3 3 0 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 3 w w n w w w w c β β β = ≈β β+ ∆ + ∆ + ∆ (7.1.3)

khi đó OPC có thể bù cho tất cả các thành phần tán sắc bậc chẵn mà không ảnh hưởng

đến các thành phần bậc lẻ.

Tính hiệu quả của liên hợp pha quang khoảng giữa phổ trong việc bù tán sắc có thểđược kiểm chứng bằng cách sử dụng phương trình 2 2 1 ( , ) (0, ) exp 2 2 i A z t A ω β ωz i t dω ω π +∞ −∞ ⎛ ⎞ = _⎜ − _⎟ ⎝ ⎠

∫

Miền quang (optical field) trước OPC tìm được bằng cách sử dụng z = L/2 ở phương trình này. Sự lan truyền của vùng sóng kết hợp pha A* trong phần sau OPC như sau:

* * 2 2 1 ( , ) ( , ) exp( ) 2 2 4 L i A L t A w β Lw iwt dw π ∞ −∞ =

∫

Thay phương trình (7.1.6) vào (7.1.5), ta được A(L,t)=A*(0,t).

Vì vậy, ngoại trừđảo pha do OPC, vùng đầu vào được phục hồi một cách hoàn toàn, và dạng sóng được phục hồi như ban đầu. Vì phổ của tín hiệu sau OPC trở thành đối xứng với phổ ban đầu, kỹ thuật OPC được đề cập như kỹ thuật đảo phổ khoảng giữa.

7.2Bù tán sắc bằng tựđiều chế pha (Compensation of Self-Phase Modulation )

Hiện tượng phi tuyến SPM làm cho sợi quang sinh ra hiện tượng chirp đối với tín hiệu truyền trên sợi quang

Phần 3 chỉ ra rằng hiện tượng chirp do SPM có thể mang lại lợi ích với một thiết kế thích hợp Sự thay đổi này thường sử dụng với với một thiết kế riêng biệt. Soliton quang học cũng sử dụng SPM (Truyền dẫn quang soliton cũng dùng hiện tượng SPM để có được một sốưu điểm) Tuy nhiên, ở phần lớn hệ thống thông tin quang , các hiệu ứng phi tuyến do SPM gây ra làm giảm chất lượng rõ rệt, đặc bịêt là khi các tín hiệu truyền đi trên khoảng cách dài phải sử dụng nhiều bộ khuyếch đại quang.

Công nghệ OPC khác với các mô hình bù tán sắc khác ở một điều quan trọng: Trong những điều kiện nhất định, nó có thể bù đồng thời cho cả GVD và SPM. Tính năng này của OPC được lưu ý vào đầu những năm 1980 và được nghiên cứu rộng rãi sau 1993 . Dễ dàng để thấy là cả GVD và SPM đều được bù một cách tuyệt đối mà không có sự suy hao quang nào. Sự lan truyền xung trong sợi quang có suy hao cho bởi phương trình

Trang 32 2 2 2 2 2 2 i A A i A A A z t β _γ α ∂ ₊ ∂ _{= −} ∂ ∂ ^(7.2.1)

Với thành phầnβ₃ bị bỏ qua và α là suy hao của sợi quang. Khi α=0, A* thoả các phương trình giống nhau khi ta tính liên hợp phức của pt (7.1.4). và đổi z thành –z. Kết quả là OPC khoảng giữa phổ có thể bù đồng thời cho SPM và GVD.

Sự suy hao có thể phá huỷ 1 thuộc tính quan trọng của khoảng giữa phổ OPC. Lí do rất dễ thấy là nếu chúng ta lưu ý rằng sự thay đổi pha của SPM phụ thuộc vào công suất. thì pha thay đổi lớn ở nửa đầu đường dẫn quang hơn là nửa thứ 2, và OPC không thể

bù cho các hiệu ứng phi tuyến. Phương trình (7.2.1) có thể dùng để nghiên cứu tác động của sự suy hao. Bằng cách thay:

A z t( , )=B z t( , )exp(−

α

Với

γ

γ

α

γ

γ

Một cách nữa có thể giải quyết vấn đề là khuyếch đại tín hiệu sau OPC để công suất tín hiệu trở nên bằng với mức công suất đầu vào trước khi nó đến nửa thứ 2 của

đường dẫn quang. Mặc dù cách này làm giảm sự tác động của SPM, nhưng nó vẫn không thể bù tán sắc toàn phần được.

Nguyên nhân có thểđược hiểu rằng: sự truyền dẫn của tín hiệu pha kết hợp tương

đương với việc truyền một tín hiệu time-reseverd . Vì vậy. sự bù SPM toàn phần xảy ra khi và chỉ khi biến thiên công suất đối xứng quanh điểm giữa phổ , vì thế,

γ

γ

ở phương trình (7.2.3). Sự khuyếch đại quang không đuợc thoả mãn ở trường hợp này. Nó tương tự với sự bù SPM nếu các tín hiệu được khuếch đại đủđể công suất không thay đổi trong 1 khoảng lớn trong mỗi trạng thái khuếch đại. Tuy nhiên, điều này không thực tế

bởi nó đòi hòi các bộ khuếch ở khoảng cách gần nhau.

Sự bù tán sắc toàn phần cho cả GVD và SPM có thể được tìm được bởi cách sử

dụng các sợi quang giảm tán sắc (dispersion decreasing fibers) choβ₂ giảm trên chiều dài sợi quang. Để xem một mô hình đựơc thực hiện như thế nào, giả thiết rằng β₂ở phương trình (7.2.3) là một hàm của z Bằng cách biến đổi:

Trang 33 0 ( ) z z dz ζ =

∫

2

k = k −k

( ) /

k =n w w c

λ

ζ

( )z

γ

ζ

Vì suy hao quang làm

γ

α

α

7.3Tín hiệu liên hợp pha (Phase-conjugated Signal):

Kỹ thuật OPC( Optical phase conjugation) – liên hợp pha quang đòi hỏi 1 phần từ

quang phi tuyến mà có thể tạo ra tín hiệu pha liên hợp . Thông thường người ta dùng phương pháp trộn 4 bước sóng (FWM- Four wave mixing) trong vùng phi tuyến, vì bản thân sợi quang tự nó là một môi trường phi tuyến, (cách đơn giản là dùng một sợi quang dài vài km được thiết kế một cách đặc biệt để tối đa hiệu ứng FWM)

Kỹ thuật FWM trong sợi quang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi

Để dùng hiện tượng FWM cần một nguồn bơm tại tần số wp được dịch từ tần số của tín