Xem mẫu
- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG
ĐỀ TÀI:
CÁCH TỬ BRAGG SỌI QUANG
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 d ùng
bước sóng ánh sáng vùng cửa sổ 1550nm. Nó làm tăng tỉ lệ lỗi bit, giới hạn tốc độ
hoặc khoảng cách truyền c ủa mạng. Để xây dựng hoặc nâng cấp những mạng
thông tin quang (OTDM, DWDM, OCDMA) kích thư ớc 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 b ước 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 mạng
a) 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).
FBG
λ ngắn λ dài
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 b ù
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 nhiệ m 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.
P1
P1'
1 In 2 out
λG
ADM
P3
3 Add 4 dropp
P3'
λG
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 đ ược 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 d ùng 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 :
Pout (λ)
G(λ) in (4.5)
P (λ)
nguon tai.lieu . vn
