Cách tử Bragg sợi

cách cách tử rất nhỏ δneff 0. (3. 23) Trong đó là sự thay đổi chỉ số khúc xạ cơ bản. Hệ số ghép k(z) có thể được tính theo phương trình sau: (3. 24) Trong đó g(z) là hàm của điều biến chiết suất và v là vân có thể quan sát được. Hệ số ghép k(z) tương ứng với độ sâu điều chế chỉ số khúc xạ: Δn(z) = δn(z)g(z). Hình 3. 4 : Điều kiện đầu và sự tính toán đáp ứng của cách tử đối với ánh sáng tới Không có tín hiệu vào nếu ánh sáng tới (phía phải của FBG) có S(L/2) = 0 và sẽ có tín hiệu tới nếu phần bên phải của FBG thoả mãn R(-L/2) = 1. Dựa vào hai điều kiện biên này, điều kiện ban đầu của FBG có thể được viết theo các phương trình (3. 20). Hệ số phản xạ và truyền ánh sáng của FBG do đó có thể nhận được từ các điều kiện đầu và phương trình ghép mode: Phía trái : S(-L/2)=? R(-L/2)=1 (3. 25) Phía phải: S(+L/2)=0 R(+L/2)=? (3. 26) Độ lớn của hệ số phản xạ “ρ” được tính như sau: (3. 28) Hệ số phản xạ năng lượng “r” (hệ số phản xạ) được tính theo công thức: r = | ρ2| (3. 29) 3. 5 Cấu trúc và tính chất của các dạng cách tử 3. 5. 1 Cách tử Bragg đều (Uniform FBG) 3. 5. 1. 1 Cấu trúc Cách tử Bragg quang chu kì đều UFBG là dạng cách tử đơn giản nhất trong họ các FBGs. Nó được chế tạo bằng lõi sợi quang và dùng phương pháp tự ảnh hưởng gây ra bởi giao thoa UV tự cảm ứng. Trong cách tử dạng này chu kì cách tử Λ không đổi và chiết suất của cách tử dọc theo phương truyền sóng biến đổi một cách tuần hoàn. Hình 3. 5: Cách tử Bragg chu kì đều UFBG 3. 5. 1. 2 Mô tả toán học Các hệ số kết hợp pha và hệ số ghép mode của UFBG là hằng số. Các phương trình (3. 20) sử dụng trong trường hợp tổng quát được thay thế bằng các hệ số là hằng số. Chúng ta có một số phương pháp sử dụng để phân tích tính toán trong các phương trình (3. 20). Các phương pháp dùng để phân tích của phương trình ghép mode có thể tìm được dựa trên các phương trình điều kiện biên (3. 25) và (3. 26). Nếu độ xê dịch dθ / dz là 0, hệ số mất điều hướng nội ζ tương đương với hệ số mất điều hướng δ. Phương trình giải quyết sự liên hệ giữa sự phản xạ và sự cho phép truyền ánh sáng được biểu diễn bởi: (3. 30) (3. 31) Trong đó γB được mô tả như sau: (k2>ζ2) (3. 32) (k2<ζ2) (3. 33) Phổ phản xạ và phổ truyền dẫn được mô tả theo công thức sau: (3. 34) (3. 35) Nó thoả mãn định luật bảo toàn năng lượng với r(λ) + t(λ) =1. Pha của ánh sáng phản xạ đối với ánh sáng tới có thể tính toán dựa trên các phương trình (3. 30) và (3. 31) như sau: (3. 36) Tại bước sóng Bragg, ζ = 0, cách tử có đỉnh phản xạ lớn nhất rmax và được xác định bằng phương trình: rmax = r(λD)= tanh2(|k|L) (3. 37) Hiển nhiên từ phương trình này hệ số phản xạ của FBG là gần tới 1 khi điều chế chỉ số chiết suất và độ dài cách tử được tăng độ chính xác. Băn thông Δλ được tính bởi r(λD +Δλ/2) = r(λD)/2 và phương trình (3. 34). Cũng có một số phương pháp khác được dùng để tính toán đại lượng này. - Ma trận truyền đạt của UFBG: Ma trận truyền đạt của FBG được dùng đầu tiên bởi Yamada sử dụng để phân tích quá trình truyền tín hiệu quang. Phương pháp này cũng được sử dụng để phân tích các vấn đề liên quan đến FBGs. Có thể giải quyết phương trình ghép mode (3. 20) bằng ma trận truyền đạt cho cả hai dạng UFBG và non – UFBG. Hình 3. 6 là cấu trúc lý thuyết cơ bản về sử dụng ma trận truyền đạt giải quyết các vấn đề cho UFBG. R- L/2 S-L/2 R +L/2 S+L/2 = FM. R- L/2 S-L/2 R +L/2 S+L/2 = FM. FM-1…F1. Hình 3. 6: Sơ đồ nguyên lý của ma trận truyền đạt dành cho UFBG và non - UFBG Trong trường hợp này, ma trận truyền đạt 2 × 2 hoàn toàn giống nhau đối với mỗi chu kì của cách tử. Ma trận truyền đạt tổng đạt được bằng cách nhân các ma trận con của mỗi chu kì. - Ma trận truyền đạt của non – UFBG: Phương pháp ma trận truyền đạt cũng được dùng để phân tích các tính chất của các cách tử non – UFBG. Một cách tử non – UFBG có thể được chia thành nhiều phần nhỏ dọc theo sợi quang và mỗi phần đó được coi như một cách tử UFBG. Ánh sáng tới truyền qua phần cách tử UFBG thứ i được mô tả bởi ma trận truyền đạt Fi. Theo cấu trúc của FBG, Fi có dạng: Fi = (3.39) Trong đó k được mô tả bởi phương trình (3. 24) và δ được mô tả bởi các phương trình (3. 21) và γB bởi phương trình (3. 22) và (3. 23). Ma trận truyền đạt tổng được tính như sau: = FM. FM-1…F1. R- L/2 S-L/2 R +L/2 S+L/2 3. 5. 1. 3 Thời gian trễ và tán sắc Thời gian trễ nhóm và tán sắc của cách tử có thể tính toán dựa trên các thông số về pha của ánh sáng tới và ánh sáng phản xạ, ánh sáng truyền qua. Thời gian trễ τp đối với ánh sáng phản xạ từ cách tử được tính như sau: (3. 40) (3. 41) Tán sắc dp (ps/nm) được tính theo phương pháp sau: (3. 42) (3. 43) Kết quả tổng cộng của thời gian trễ và tán sắc của cách tử có thể so sánh với các tham số của hệ thống đã tối ưu hoá. Nó cho phép chúng ta tính toán các tham số để có thiết bị cho các ứng dụng phù hợp. 3. 5. 2 Cách tử Bragg quang chu kì thay đổi 3. 5. 2. 1 Cấu trúc Hình 3. 7:Mô hình cách tử Bragg chu kì thay đổi CFBG Theo điều kiện kết hợp pha, chu kì của cách tử ảnh hưởng tới phổ phản xạ của FBG. Bằng cách thay đổi tham số này theo một trình tự nhất định chúng ta có cách tử Bragg CFBG, dạng cách tử này được mô tả trong hình 3. 7. LCFBG được chế tạo bằng lõi sợi quang và hiện tại các chirp đã đạt tới khoảng 0. 4 nm tại bước sóng 1549 nm. Ứng dụng nổi bật của CFBG liên quan tới việc bù tán sắc và được thể hiện trong hình 3. 7, chúng ta thấy rằng có nhiều bước sóng được cách tử phản xạ trở lại dọc theo chiều dài của cách tử. Các bước sóng ngắn được phản xạ khi nó đi vào cách tử với khoảng cách ngắn, còn ngược lại các bước sóng dài bị phản xạ tại các cách tử xa hơn. Điều này có nghĩa là các bước sóng dài sẽ đi trong cách tử với quãng đường dài hơn và do vậy thời gian trễ của nó cũng lớn hơn so vơi các bước sóng ngắn. Đây là cơ sở của bù tán sắc. Chúng ta sẽ xem xét vấn đề này cụ thể hơn trong các chương sau. 3. 5. 2. 2 Mô tả toán học của CFBG CFBG có thể mô hình hoá dựa trên phương trình ghép mode. Chỉ số chiết suất của CFBG có thể biểu diễn như sau: (3. 44) Trong đó Λ là chu kì của cách tử và Φ(ξ) biểu diễn pha tức thời của cách tử CFBG. Có nhiều phương pháp dùng để giải phương trình này, trong đó có hai phương pháp chính là sử dụng ma trận truyền đạt và phương pháp tích phân trực tiếp. Phương pháp tích phân trực tiếp: Chu kì của CFBG thay đổi dọc theo chiều của trục z, bởi vậy bước sóng phản xạ λB của các điểm khác nhau dọc theo cách tử là khác nhau. Sự thay đổi chiết suất của cách tử cũng có ảnh hưởng giống như sự thay đổi của chu kì cách tử. Điều này có nghĩa là chu kì quang vẫn được thay đổi mặc dù chu kì cách tử là cố định. Biểu thức pha trong phương trình (3. 21) đối với cách tử chu kì tuyến tính như sau: (3. 45) Trong đó dλD /dz là tốc độ thay đổi pha của các bước sóng tại các vị trí trong cách tử. Thay phương trình này và phương trình (3. 21) vào phương trình ghép mode ta thu được phương trình đặc tính của CFBG. Đối với cách tử quang Bragg chu kì biến đổi tuyến tính, như vậy thì dλD /dz là hằng số. Đối với một số ứng dụng, CFBG có thể được mô tả theo tham số chirp F cho bởi: (3. 46) Trong đó F là sự thay đổi của chu kì cách tử và FWHM là full – width – at – half – maximum của GP (grating profile). Từ phương trình (3. 45) và (3. 46) phương trình pha (3. 21) đối với cách tử LCFBG có dạng như sau: (3. 47) Phương pháp ma trận truyền đạt: Trong phần trước chúng ta đã phân tích dạng ma trận truyền đạt của cách tử non – uniform FBG, ma trận đó có dạng : Fi = Thay phương trình (3. 45) hoặc (3. 47) vào ma trận này ta được ma trận truyền đạt của CFBG. Hình 3.8: A – Phổ phản xạ của các cách tử có giá trị Chirp dλB/dz =1 và -1; B: thời gian trễ theo bước sóng của CFBG; phổ phản xạ của các cách tử có giá trị chirp -1;-2;-4 (nm/cm) 3. 5. 3 Cách tử điều biến chiết suất 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: (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): 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 :; z [0, L] (3.50) Trong đó FWHM = 0. 4L. Phương trình này còn có dạng khác như sau: (3. 51) 2. Đặc tính Raised – cosine: (3. 52) Trong đó FWHM = L. 3. Đặc tính Kaiser : (3. 53) Trong đó βk là tham số cửa sổ Kaiser và I0 là hàm Bessel thứ 0. Hình 3.9: Đồ thị điều biến chiết suất sợi quang AFBG 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. 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 mạnga) 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. (4.3) 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). 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. 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. 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 OADM 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: Hình 4. 5: Hệ thống ghép bước sóng một hướng Hệ thống ghép bước sóng hai hướng: 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 : 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 waveguide gratings) hoặc kĩ thuật định tuyến cách tử dẫn sóng WGR (waveguide grating router). Mặt hạn chế chính của thiết bị Planar là suy hao xen cao, có thể lên tới 7 dB và tính phụ thuộc phân cực. Mặt khác các thiết bị toàn quang là cũng là các giải pháp rất hấp dẫn bởi vì tính suy hao xen thấp, tính nhạy phân cực (phụ thuộc vào sợi và cấu hình) và dễ dàng sử dụng cho việc ghép giữa các thiết bị đầu vào và đầu ra của mạng quang bằng việc sử dụng các ghép nối đơn giản. Một dạng riêng của các OADM toàn quang đó là dựa trên cách tử Bragg đặt giữa các coupler quang. Cấu hình này đã được chứng minh là phù hợp cho việc thực hiện tách ghép kênh, bao gồm các cách tử Bragg và các dạng coupler như là coupler nửa vòng (half cycle), coupler kín (full cycle). 4. 2. 3 Các cấu hình OADM 4. 2. 3. 1 OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB Cấu hình đảm bảo tính ổn định và thực hiện tốt chức năng tách ghép kênh được đưa ra dựa trên thiết bị 4 cổng PW (planar waveguide) được mô tả trong hình … Nó bao gồm các thiết bị : bộ chia 3 dB và cách tử ở một trong các cổng ra output của coupler làm nhiệm vụ chọn bước sóng. λG Hình 4. 8 : Mô hình OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB Nguyên lý hoạt động của mô hình thiết bị này như sau: ánh sáng đưa vào cổng 1 và được chia làm 2, tại cổng ra FBG sẽ phản xạ các ánh sáng có bước sóng λ G và quay trở lại cổng Dropped 4 và được lấy ra ngoài. Cổng ra còn lại của Coupler được ngâm chìm vào trong vào trong chất lưu có chỉ số chiết suất phù hợp để làm cho ánh sáng không phản xạ trở lại. Tín hiệu đã được chọn sẽ xuất hiện tại ở cả cổng 1 và 4 (cổng In và Drop). Một thiết bị Isolator đặt tại cổng 1 của Coupler để bảo vệ tín hiệu vào của hệ thống không bị ảnh hưởng bởi các tín hiệu phản xạ. Tín hiệu tách yếu hơn 6 dB so với tín hiệu gốc đưa vào. Trong truyền dẫn, một Coupler 3 dB thứ hai sẽ chia tín hiệu không được cách tử phản xạ. Chức năng thêm vào này được thực hiện bằng cách đưa một tín hiệu vào cổng 3, bước sóng của tín hiệu lựa chọn sao cho nó bị phản xạ bởi cách tử (λ G) và vì vậy nó được ghép vào tín hiệu quang ở cổng 2 theo nguyên lý hoạt động của Coupler. Một thiết bị Isolator cũng được sử dụng và đặt tại cổng 3 để cách ly tín hiệu đưa vào và tín hiệu truyền dẫn từ cổng vào đưa tới. Khi sử dụng hai Isolator tại cổng vào và cổng ghép thêm , cấu hình không giao thoa cho phép thực hiện khả năng tách ghép rất tốt. Trong cấu hình này không có giới hạn hay điều kiện nào về độ dài, vị trí hay apodisation của cách tử. Cách tử lọc bước sóng có thể được thiết kế sử dụng phương pháp inverse scattering. Nhược điểm của cấu hình này là việc hỗ trợ mất dung lượng cho tất cả các kênh thấp nhất 6 dB. Tuy nhiên khi so sánh nó với các thiết bị dựa trên cơ sở PW (planar waveguide) có độ mất tín hiệu tương tự nhưng lại có sự linh hoạt hơn trong việc chế tạo và điều chỉnh bước sóng lựa chọn của cách tử. 4. 2. 3. 2 OADM dựa trên FBG và cấu hình giao thoa March-Zehnder Một phương pháp để khắc phục việc mất tín hiệu của cấu hình trên yêu cầu thêm một cách tử giống hệt như cách tử đầu tiên và tất cả các cổng của Coupler đều sử dụng, vì vậy cấu hình này còn gọi là cấu hình giao thoa Mach – Zehnder. Cả hai dạng thiết bị chế tạo theo công nghệ planar hay công nghệ toàn quang sử dụng cho cấu hình này đều đã được mô tả và thực nghiệm. Về mặt lý thuyết thiết bị này là đối xứng và có thể mang lại những kết quả khả quan trong chống mất tín hiệu, sự phản xạ ngược và chống xuyên âm. Hình 4. 9: OADM dựa trên cấu hình giao thoa Mach-Zehnder Nguyên lý của cấu hình này được miêu tả trong hình vẽ trên: Một Coupler 3 dB chia ánh sáng đưa vào từ cổng 1 và ánh sáng có bước sóng λG được phản xạ bởi hai cách tử FBG giống nhau. Các tín hiệu phản xạ này được đưa trở lại vào Coupler và được lấy ra tại cổng Drop. Tín hiệu phản hồi ngược trở lại cổng 1 được triệt tiêu hoàn toàn nhờ sử dụng Coupler phù hợp (bộ chia 50%). Các bước sóng phát được làm nhiễu trong Coupler 3 dB thứ hai vì thế chúng đến cổng ra mà không có phần dư nào phản xạ trở lại cổng Add, tính năng này cũng do Coupler quyết định. Cấu hình này dựa trên cơ sở chia và nhiễu của ánh sáng và vì thế khá nhạy trong việc thay đổi độ dài truyền tín hiệu, đặc điểm của các cách tử giống nhau, tính chất của bộ Coupler 3 dB. Vì vậy độ ổn định của môi trường, của các Coupler giống nhau, của các FBG quyết định việc thiết bị thực hiện các tính năng của nó có đảm bảo hay không. Sự ổn định và khả năng chịu ảnh hưởng của thiết bị này trong hệ thống WDM thực tế đã được phân tích bởi Erdogan: cấu hình này nếu sử dụng các thiết bị theo công nghệ Planar có độ dài truyền dẫn ngắn hơn vì vậy dễ ổn định hơn. Nhưng mặt khác các thiết bị dựa trên sợi lõi kép tránh được yêu cầu về luồng UV sử dụng trong cấu hình giao thoa Mach – Zehnder. 4. 2. 3. 3 Cấu hình OADM sử dụng FBG và Circulator Cấu hình này tương tự như các cấu hình 4 cổng đã nói ở trên, nhưng trong đó các Coupler được thay thế bằng các Circulator quang. Về lý thuyết, cấu hình này sử dụng các thiết bị không giao thoa là lý tưởng. Các tính chất phổ theo nguyên lý phụ thuộc vào hoạt động và tính chất của FBG và có 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 có bước sóng phản xạ là λG, ánh sáng có bước sóng này được cách tử phản xạ trở lại Circulator và được tách ra ở cổng Drop 4, các phần ánh sáng còn lại sẽ chuyển qua cách tử và đưa tới Circulator 2. Ở Circulator 2, một tín hiệu khác có bước sóng λG được 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 đó là Circulator tương đối đắt và cồng kềnh. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của các công nghệ Circulator giá rẻ và mất mát tín hiệu không lớn, cấu hình này là một giải pháp rất tốt cho thiết bị OADM bởi vì tính ổn định của nó. 4. 2. 3. 4 OADM dựa trên cách tử đặt giữa Coupler Tính ổn định của OADM dựa trên cấu hình của giao thoa Mach-Zehnder đã giới thiệu trong 4. 4. 4. 2 cũng có 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 vòng (100%) đã được chứng minh trong cả hai dạng cấu hình thiết bị Planar và thiết bị toàn 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 có sự đối xứng hoàn toàn khi chế tạo cách tử có dạng như một bộ phản xạ điểm. Điều này chỉ có 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 sóng của coupler. Kênh có bước sóng λG dược phản xạ trở lại do cách tử và phần tín hiệu còn 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 có bước sóng λG được tách ra tại cổng 4. Về nguyên lý, độ ổn định của thiết bị giao thoa được cải thiện với cấu hình Mach-Zehnder bởi vì sự phản xạ điểm và nhiễu đạt được thông 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 đòi hỏi phải có các tính toán phù hợp. 4. 2. 3. 5 Các tham số của các cấu hình OADM Hoạt động của các OADM được mô 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 có thể mô 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: Mô 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 còn 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 không mong muốn truyền từ các kênh lân cận tới một kênh nào đó trong bộ lọc, nó có tên là xuyên âm liên kênh. Dạng xuyên âm này có 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 không chính xác. Tuy vậy dạng xuyên âm này không ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của hệ thống WDM. Suy hao xen: Suy hao xen làm năng lượng của các tín hiệu quang của các kênh yếu đi, mô hình của chúng được mô tả trong hình sau, trong đó cả hai tín hiệu của kênh đã tách và phần tín hiệu còn lại sau tách đều đã bị yếu đi : Hình 4. 13: Suy hao xen trong OADM Hệ số suy hao xen lins tương ứng với hiệu suất truyền ánh sáng từ một cổng i tới một cổng j và ảnh hưởng của nó lên tất cả các kênh là như nhau và được tính theo công thức: Lins= 10 log (Pi /P j) (4.4) Trong đó Pi và Pj là năng lượng của tín hiệu quang tại các cổng ra của OADM và giả sử không xuất hiện xuyên âm hay PDL. Phản xạ ngược: Mô hình và các tham số ảnh hưởng đến quá trình phản xạ ngược được mô tả trong hình (). Nếu OADM lựa chọn bước sóng dựa trên cách tử Bragg với bước sóng phản xạ là λG và khi các kênh (các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau) được đưa vào cổng 1 hoặc 3 các tín hiệu có bước sóng λG được lựa chọn sẽ được phản xạ và đưa đến cổng 4 hoặc 2 theo thứ tự đó. Tuy nhiên cũng có một bộ phận của ánh sáng bị phản xạ ngược trở lại cổng ban đầu, ta xem phần phản xạ ngược trở lại này có 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 có 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 có một phương pháp khác dùng để tránh hiện tượng này là dùng bộ cân bằng OADM phù hợp. Hình 4. 14: Mô 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 nó 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 đó Electron được tập trung tại đó trong những điều kiện phù hợp. Các mức năng lượng đó được mô tả cụ thể trong sơ đồ sau : Hình 4. 15: mô hình mức năng lượng của sợi quang pha tạp Erbium EDFA bao gồm một đoạn ngắn sợi cáp quang và phần lõi của nó được pha tạp khoảng 0. 1% Erbium. Nguyên lý hoạt động của nó như sau : khi các ion Erbium nhận được năng lượng từ nguồn laser bơm (các bước sóng bơm có thể là 1480 nm hay 980 nm tuỳ theo cấu trúc của EDFA) các điện tử của nó được bơm tới mức năng lượng cao hơn chẳng hạn như từ E1 lên E2, E2 là trạng thái không 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: có 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 có 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 phóng ra một photon có tần số γ = (E2 – E1)/ h hoặc bức xạ kích thích khi điện tử được kích thích bởi một photon có năng lượng hγ = E2- E1 nó cũng sẽ nhảy về mức cơ bản và sinh ra một photon có 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 tế được mô 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 có những bước phát triển mạnh mẽ và liên tục được hoàn thiện. EDFA đặc biệt phù hợp với các hệ thống truyền dẫn quang WDM bởi nó làm việc tại bước sóng 1550 nm với hệ số khuyếch đại cao, công suất ra lớn và nhiễu thấp. Nó 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 có những hạn chế đó là do cấu trúc mức năng lượng, EDFA có hệ số khuyếch đại không đều nhau đối với các bước sóng khác nhau của hệ thống WDM, điều này dẫn đến các hệ thống WDM sử dụng khuyếch đại EDFA có chất lượng của các kênh tín hiệu không 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 có một số phương pháp sử dụng cho các bộ cân bằng EDFA (các bộ cân bằng này có thể là cân bằng trong hoặc cân bằng ngoài). 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 mô tả và thực nghiệm. Các dạng thiết bị này có thể được phân chia làm hai loại : đó là thiết bị active (chủ động) với khả năng cấu hình lại do đó nó có khả năng thay đổi đặc tính phổ tuỳ thuộc vào các hiệu ứng bão hoà, dạng thiết bị passive (thụ động) có đặc tính phổ hoàn toàn cố định không có 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 công 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 có các thuộc tính đó là khả năng cân bằng khuyếch đại và giảm suy hao xen (insertion loss). Cấu hình của EDFA sử dụng bộ lọc như sau : Hình 4. 17: Cấu hình bộ lọc đặt ngoài 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 có 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 không sử dụng và có sử dụng FBG Hình (4. 19) mô tả cấu hình EDFA có sử dụng bộ cân bằng và không 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 toàn bộ nhiễu khuyếch đại tự phát ASE quay trở lại sợi EDF nhằm giảm bão hoà gây nên bởi tín hiệu, do vậy đã làm tăng dải biến thiên công suất đầu vào. Xét riêng từng cấu hình và so sánh hệ số khuyếch đại của chúng, ta thấy : Đối với trường hợp không sử dụng FBG: Theo định nghĩa, hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại là tỉ số công suất giữa đầu ra và đầu vào : (4.5) Đối với EDFA công suất đầu ra ngoài tín hiệu còn thêm phần công suất ASE, do đó công suất ra là tổng công suất của tín hiệu đã được khuyếch đại và tổng công suất ASE trung bình trên cả hai hướng thuận ngược : (4.6) Như vậy hệ số khuyếch đại của EDFA được tính như sau : (4.7) Ở đây là công suất của tín hiệu vào. Ảnh hưởng của gia tăng công suất tín hiệu vào đối với hệ số khuyếch đại của EDFA được đặc tả bởi đường cong G(λ)= f (). 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 hoà khuyếch đại. Theo quy định, bão hoà xảy ra khi độ khuyếch đại của EDFA giảm xuống 3 dB dưới giá trị chưa bão hoà Gmax, hay nói cách khác hệ số khuyếch đại của EDFA giảm xuống một nửa [4]. Quan hệ này như sau: (4.8) hoặc: (4.9) Hai tham số Gmax và hoặc tương ứng với mỗi công suất bơm sẽ quyết định dải rộng thay đổi công suất tín hiệu đầu vào của EDFA trong giới hạn: <hoặc < (4.10) . Đối với trường hợp EDFA sử dụng FBG: Trong trường hợp sử dụng FBG, thành phần công suất nhiễu ASE hướng ngược sẽ bị FBG ngăn chặn và phản xạ ngược trở lại sợi EDF. Khi đó công suất nhiễu ASE phản xạ bởi FBG ngược trở lại sợi EDF xác định như sau: (4.11) Trong đó RFBG() là độ phản xạ của FBG. Sau khi thành phần ASE phản xạ ngược trở lại từ FBG nó lại trở thành truyền cùng hướng với ánh sáng tín hiệu, khi đó công suất đầu vào và đầu ra được xác định như sau: (4.12) và là công 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: (4.13) Phương trình cho thấy tín hiệu đầu vào EDFA có 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 toán học đã xác định và cân bằng hệ số khuyếch đại của EDFA đó là công suất nhiễu ASE hướng ngược . Hệ số khuyếch đại đối với công 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 hoà), hệ số khuyếc đại G thay đổi tuyến tính với công suất tín hiệu đầu vào hầu như ít thay đổi trong một phạm vi xác định. Trong chế độ khuyếch đại tín hiệu lớn (hay khuyếch đại bão hoà), hệ số khuyếch đại G thay đổi phi tuyến với cống suất tín hiệu đầu vào. Các đặc tuyến thực nghiệm xác định hệ số khuyếch đại của EDFA đối với công suất tín hiệu đầu vào và chiều dài khuyếch đại như thể hiện trên hình vẽ dưới tương ứng với bước sóng tín hiệu 1550 nm, 11 m chiều dài sợi EDF, công suất bơm 145 mW, trong các trường hợp không 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 công suất tín hiệu đầu vào tại bước sóng 1550 nm Nhận xét: Trong trường hợp không sử dụng FBG: hệ số khuyếc đại hay nói cách khác độ khuyếch đại của EDFA giữ ổn định (hầu như không thay đổi, thể hiện ở đoạn bằng phẳng trên đường đặc tuyến) khi công suất tín hiệu đầu vào còn nhỏ trong phạm vi từ - 40 dB dến – 16 dB (nghĩa là khoảng biến thiên công suất tín hiệu đầu vào 24 dB); khi công suất tín hiệu đầu vào vượt giá trị công suất tín hiệu đầu vào bảo hoà thì hệ số khuyếch đại giảm xuống nhanh và gây mất ổn định khuyếch đại (thể hiện ở đoạn dốc xuống trên đường đặc tuyến). Điều này giải thích như sau: khi tín hiệu đầu vào còn nhỏ, công suất nhiễu ASE hầu như không thay đổi và công suất tín hiệu đầu ra tăng lên tương ứng nhưng theo phương trình (9) quan hệ tỷ lệ thay đổi giữa công suất tín hiệu đầu vào và đầu ra vẫn còn nằm trong phạm vi cho phép mà không gây nên tình trạng thay đổi hệ số khuyếch đại, do đó đoạn đặc tuyến khuyếch đại bằng phẳng cho đến khi công suất tín hiệu đầu vào tăng lên tới giới hạn bảo hoà khuyếch đại, khi này tốc độ bức xạ cưỡng bức gây ra bởi công suất tín hiệu cao xấp xỉ với tốc độ bơm; nếu công suất tín hiệu vào tiếp tục tăng lên, công suất tín hiệu ra tăng lên chậm dần rồi đạt tới trạng thái bão hoà gây nên bởi ASE, từ phương trình (9) khi công suất đầu ra tăng lên chậm dần rồi hầu như không tăng (bão hoà), nhưng công 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 không thay đổi khi công suất tín hiệu đầu vào thay đổi (phạm vi rộng hơn so với khi không sử dụng FBG) từ -40 dBm tới -2 dBm (khoảng biến thiên công suất tín hiệu đầu vào 38 dB); khi công suất tín hiệu đầu vào tương đối lớn và đạt giá trị bão hoà hệ số khuyếch đại bắt đầu thay đổi; khi công suất tín hiệu vượt giá trị bão hoà hệ số khuyếch đại giảm xuống. Điều này giải thích như sau: do tác dụng phản xạ lại phần công suất nhiễu ASE hướng ngược , sau khi bọ phản xạ bởi FBG, thành phần ASE này sẽ truyền cùng hướng truyền tín hiệu, khi đó nó lại trở thành ASE hướng thuận (), do đó ánh sáng tín hiệu bị hấp thụ một phần, cho nên đã làm giảm bão hoà khuyếch đại gây nên bởi tín hiệu khuyếch đại hay nói cách khác công suất tín hiệu đầu ra vẫn tiếp tục tăng lên khi công suất tín hiệu vào tăng (so với trường hợp không sử dụng FBG), theo các phương trình hệ số khuyếch đại của EDFA vẫn không thay đổi (đoạn đặc tuyến bằng phẳng mở rộng hơn) khi công suất tín hiệu đầu vào tăng lên cho tới khi công suất tín hiệu đầu vào tăng lên tới giới hạn bão hoà (-2dBm), kể cả có sự góp phần thêm vào của công suất ASE phản xạ ngược trở lại FBG; nếu công suất tín hiệu đầu vào tiếp tục tăng lên, công suất tín hiệu đầu ra tăng lên chậm dần rồi đạt tới trạng thái bão hoà, từ phương trình (13) khi công suất đầu ra tăng lên chậm dần rồi hầu như không tăng, nhưng công suất tín hiệu đầu vào vẫn tăng lên và công suất nhiễu ASE phản xạ trở lại bởi FBG tăng lên đã làm cho hệ số khuyếch đại suy giảm (đoạn đặc tuyến khuyếch đại dốc xuống). Hệ số khuyếch đại của EDFA cao nhất trong trường hợp không 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 không 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 công suất tín hiệu đầu vào và giảm bão hoà khuyếch đại gây nên bởi tín hiệu được khuyếch đại; theo phương trình (9), (13), (16), thành phần công suất nhiễu ASE hướng ngược 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 đó có thêm thành phần công suất đã thấp hơn so với không sử dụng FBG. Hình 4.21: hệ số khuyếch đại phụ thuộc bước sóng trong trường hợp không sử dụng và sử dụng cách tử Bragg CFBG cho khuyếch đại EDFA 4. 4 Một số ứng dụng khác của FBG 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 thông thường, FBG chu kì biến đổi tuyến tính, FBG dịch pha … đều có thể sử dụng trong các hệ thống cảm biến. Các dạng cảm biến đặc thù ứng dụng cách tử Bragg quang đó là nhiệt độ và sức căng. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể dùng FBG để giám sát trạng thái về nhiệt độ hoặc sức căng của môi trường hay giám sát cả hai yếu tố này cùng lúc. Cách tử quang bước sóng kép sử dụng để nhận biết các ảnh hưởng của nhiệt độ và sức căng được tìm ra tại phòng thí nghiệm M. G. Xu et al. Hơn nữa, FBG cho thấy các đáp ứng bước sóng rất tốt đối với nhiệt độ và sức căng mà chúng ta có thể sử dụng để điều chỉnh một cách chính xác các bước sóng trong các phần tử chuyển đổi tín hiệu cảm biến. FBG có khả năng phản xạ cao với bước sóng hẹp tại bước sóng Bragg của nó λG, thông thường hiệu suất phản xạ của FBG có thể lớn hơn 75%. Với hiệu suất phản xạ này sẽ có đủ năng lượng cho photodiode thực hiện tách sóng. Đặc điểm riêng này của cảm biến FBG với λG duy nhất giúp cho nó không phụ thuộc nhiều vào cường độ quang trong hệ thống. Nguyên lý hoạt động và mô hình của các hệ thống cảm biến sử dụng FBG được mô tả trong hình (4. 21). Trong hệ thống này, FBG được đặt dưới các tác động trực tiếp của môi trường cần giám sát, dưới tác động của các yếu tố môi trường như nhiệt độ, áp suất hay sức căng FBG sẽ thay đổi các đặc tính của nó và làm cho λG thay đổi, bộ tách sóng và xử lý khi phát hiện ra sự thay đổi này sẽ điều khiển và phát ra tín hiệu cảnh báo. Như đã nói ở trên, FBG có thể đáp ứng đối với nhiều yếu tố ảnh hưởng của môi 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 có thể thêm vào trong hệ thống cảm biến đã có nhiều sensor phục vụ cho các chức năng được mở rộng. Hình 4. 22 Mô hình hệ thống cảm biến sử dụng FBG và nguyên lý hoạt động So với các dạng sensor khác, sensor FBG có rất nhiều ưu điểm: kích thước nhỏ gọn, không chịu các tác động của trường điện từ, không dẫn điện, có cảm biến và ghép kênh thụ động (mạng cảm biến). Có rất nhiều ứng dụng đối với dạng thiết bị cảm biến này, ngoài các dạng ở trên nó còn có thể dùng trong giám sát cấu trúc bên trong công trình xây dựng như nhà cửa, cầu cống hay đập nước… 4. 4. 2 Ứng dụng trong công nghệ Laser FBG có một số ứng dụng quan trọng trong dạng thiết bị quang này. FBG có thể sử dụng như một thiết bị phản xạ có khoảng bước sóng phản xạ rất nhỏ phù hợp cho việc cung cấp các dạng xung ngắn hay laser đơn sắc, nó cũng có thể sử dụng cho các bộ lọc của hệ thống thông 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 đó có 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 không 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 tòi và đưa ra thực tế (chẳng hạn cách tử Chiếu xạ FBG), các ứng dụng của nó cũng càng ngày càng được mở rộng nhất là trong lĩnh vực viễn thông và các hệ thống cảm biến trong xây dựng, bảo mật, kiểm tra các yếu tố môi trường trong các ngành công nghiệp chẳng hạn như luyện kim, sinh hóa …Sau cùng đồ án đã đề cập đến các công nghệ dùng để chế tạo cách tử Bragg, nó bao gồm cả các cách chế tạo cổ điển cũng như hịên đại. Thậm chí nó còn đề cập đến các công nghệ chế tạo FBG hiện đang chỉ dưới dạng tiềm năng và chỉ xuất hiện trong các phòng thí nghiệm và chưa được đưa ra thương mại hoá trong thực tế. Tương lai, cách tử Bragg sợi quang sẽ còn có 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 công trình. Điều đó đòi hỏi phải có những nghiên cứu sâu và toàn diện hơn nữa về khả năng của dạng thiết bị này 71 Trong đồ án này chắc chắn em không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót. Em mong có sự góp ý và lượng thứ của các thầy cô và các bạn. Để hoàn thành đồ án này một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Đức Nhân cùng các thầy cô giáo trong học viện đã giúp em hoàn thành bản đồ án này. Sinh viên Hoàng Trường Giang 72 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 thông 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 73