cd quang_nhom 4

Bù tán sắc sử dụng bộ lọc quang GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

Nội dung yêu cầu

- Khái niệm về tán sắc.- Các loại tán sắc và đánh giá các loại tán sắc.- Ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống tốc độ cao- Các loại bộ lọc quang- Các thông số bộ lọc quang- Kỹ thuật bù tán sắc sử dụng bộ lọc quang (cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các kết quả đánh giá

sau khi bù bằng bộ lọc quang)

Đ08VTH1-Nhóm IV i


LỜI MỞ ĐẦU

Sự trao đổi thông tin xuất hiện trong xã hội loài người từ rất sớm, từ xa xưa con người đã biết dùng ánh sáng để báo hiệu cho nhau. Qua thời gian dài phát triển của lịch sử nhân loại, các hình thức thông tin phong phú dần và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại như ngày nay. Ở trình độ phát triển cao về thông tin như hiện nay, các hệ thông thông tin quang nổi lên như là các hệ thông tiên tiến bậc nhất, nó đã được triển khai nhanh chóng trên mạng lưới viễn thông của các nước trên toàn thế giới với đủ mọi cấu hình linh hoạt, cự ly và tốc độ truyền dẫn phong phú, đảm bảo các chất lượng dịch vụ tốt nhất. Ở Việt Nam, thông tin quang đã và đang được coi là môi trường truyền dẫn chủ đạo, vì thế chúng được thiết lập và lắp đặt ngày càng nhiều trên mạng lưới.

Chúng ta đang sống trong thế kỉ 21, một thế kỉ của công nghệ thông tin và chúng ta đang đứng trước xu hướng chung là hội nhập và toàn cầu hóa thì nhu cầu về thông tin liên lạc và giải trí ngày càng cao. Để đáp ứng được những nhu cầu bức thiết của khách hàng đòi hỏi phải nâng cấp mạng viễn thông ngày càng hiện đại để có thể cung cấp được các dịch vụ đó. Mạng thông tin quang hiện nay là mạng thông tin tiên tiến nhất nhưng nó có hạn chế là chịu sự ảnh hưởng của suy hao, tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến. Trong đó tán sắc gây ra sự co giãn xung trong truyền dẫn quang, gây ra giao thoa giữa các kí tự, tăng lỗi bit ở máy thu va dẫn đến giảm khoảng cách truyền dẫn. Do đó để không làm giảm chất lượng dịch vụ cần phải có biện pháp khắc phục tán sắc. Có rất nhiều kĩ thuật có thể đáp ứng được yêu cầu này. Trong phần tìm hiểu của bài này xin trình bày kĩ thuật bù tán sắc sử dụng bộ lọc quang.

Đ08VTH1-Nhóm IV ii


Mục lục

ContentsNội dung yêu cầu..............................................................................................................i

LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................................ii

Mục lục...........................................................................................................................iii

1. Khái niệm tán sắc....................................................................................................1

2. Các loại tán sắc và đánh giá các loại tán sắc...........................................................1

2.1. Tán sắc mode...................................................................................................1

2.2. Tán sắc sắc thể.................................................................................................2

2.2.1. Tán sắc chất liệu........................................................................................2

2.2.2. Tán sắc dẫn sóng........................................................................................4

2.2.3. Tán sắc phân cực mode..............................................................................4

3. Ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống tốc độ cao...................................................5

3.1. Phương trình lan truyền cơ bản........................................................................5

3.2. Ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao.................7

3.2.1. Hệ thống hoạt động ở xa bước sóng có tán sắc bằng 0..............................7

3.2.2. Đối với hệ thống hoạt đông bước sóng gần bước sóng tán sắc bằng 0.....7

4. Khái niệm các bộ lọc quang học..............................................................................8

4.1. Bộ lọc cố định..................................................................................................8

4.1.1. Bộ lọc Fabry-Perot.....................................................................................8

4.1.2. Bộ lọc nhiễu màng mỏng.........................................................................10

4.1.3. Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF)....................................10

4.2. Các bộ lọc thay đổi được...............................................................................12

4.2.1. Bộ lọc điều chỉnh được Fabry-Perot........................................................13

4.2.2. Cách tử nhiễu xạ......................................................................................13

4.2.3. Cách tử Bragg sợi (FBG).........................................................................13

4.2.4. Bộ lọc điều chỉnh Mach-Zehnder(MZF).................................................13

Đ08VTH1-Nhóm IV iii


4.2.5. Bộ lọc quang âm học (AOTF):................................................................14

5. Thông số cơ bản của bộ lọc quang........................................................................15

6. Kỹ thuật bù tán sắc bằng bộ lọc quang..................................................................17

6.1. Nguyên lý chung cho bộ lọc quang:..............................................................17

6.2. Một số loại bộ lọc dùng để bù tán sắc............................................................18

6.2.1. Giao thoa kế Fabry Perot (FP).................................................................19

6.2.2. Giao thoa Mach-Zehnder (MZ)...............................................................20

KẾT LUẬN...................................................................................................................22

Tài liệu tham khảo.........................................................................................................22

Các từ viết tắt.................................................................................................................22

Đ08VTH1-Nhóm IV iv


1. Khái niệm tán sắc

Trong một sợi quang, tần số ánh sáng khác nhau và những mode khác nhau cần thời gian khác nhau khi truyền cùng một khoảng cách. Hiện tượng này gọi là tán sắc và gây ra nhiều ảnh hưởng khác nhau. Nói chung, tán sắc gây ra sự co giãn xung trong truyền dẫn quang, gây ra giao thoa giữa các kí tự, tăng lỗi bit ở máy thu và dẫn đến giảm khoảng cách truyền dẫn.

Hình 1.1 Tán sắc làm độ rộng xung ngõ ra tăng

2. Các loại tán sắc và đánh giá các loại tán sắc

Ta có các loại tán sắc sau:

- Tán sắc mode: chỉ xảy ra đối với sợi đa mode.- Tán sắc sắc thể: xảy ra ở tất cả các loại sợi quang. Tán sắc sắc thể bao gồm:

+ Tán sắc vật liệu.

+ Tán sắc ống dẫn sóng.- Tán sắc phân cực mode

2.1.Tán sắc mode

Nguyên nhân: do năng lượng của ánh sáng phân tán thành nhiều mode. Mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian truyền cũng khác nhau.

Đ08VTH1-Nhóm IV 1


Sự phụ thuộc của dmod vào số mũ trong hàm chiết suất được biểu diễn trên hình 2.1.

Hình 2.1 Tán sắc (dmod) thay đổi theo chiết suất

2.2.Tán sắc sắc thể

Dchr = Dmat + Dwg = L. ∆λ. Mmat + Mwg

2.2.1. Tán sắc chất liệu

Do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải đơn sắc mà gồm một khoảng bước sóng nhất định. Mỗi bước sóng lại có vận tốc truyền khác nhau nên thời gian truyền cũng khác nhau.

Về ý nghĩa vật lý, tán sắc do chất liệu cho biết mức độ nới rông xung của mỗi nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang. Đơn vị của độ tán sắc do chất liệu M là ps/nm.km. Sự biến thiên của tán sắc chất liệu M theo bước sóng λ như hình H.2.2

Đ08VTH1-Nhóm IV 2

Dmod (ns/km)

1,0

0,1

0,01 0 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 g


Hình 2.2 Tán sắc chất liệu dmode, tán sắc dẫn sóng dwg và tán sắc sắc thể thay đổi theo bước sóng.

Ở bước sóng 850nm, độ tán sắc do chất liệu M khoảng 90 đến 120 ps/nm.km. Nếu sử dụng nguồn quang là LED có bề rộng phổ ∆λ = 50nm thì độ rộng xung quang khi truyền qua mỗi km:

Dmat=M . ∆λ

Dmat = 100ps/nm.km x 50nm = 5ns/km.

Còn nếu nguồn quang là laser diode có ∆λ = 3nm thì độ nới rộng xung chỉ khoảng 0.3 ns/km.

Ở bước sóng 1300nm tán sắc chất liệu bằng tán sắc dẫn sóng nhưng ngược dấu nên tán sắc sắc thể bằng không.

Ở bước sóng 1500nm tán sắc chất liệu khoảng 20ps/nm.km.

2.2.2. Tán sắc dẫn sóng

Đ08VTH1-Nhóm IV 3

16

12

8

4

0

-4

-8

-12

-16

d (Ps/nm.km)

1200 1300 1400 1600

Dmat

Dchr=dmoddwg


Hình 2.3 Tán sắc ống dẫn sóng

Đối với sợi đơn mode, khi nói đến tán sắc sắc thể, ngoài tán sắc chất liệu còn phải xét đến tán sắc dẫn sóng. Khi ánh sáng được ghép vào sợi quang để truyền đi, một phần chính truyền trong phần lõi sợi, phần nhỏ truyền trong phần lớp vỏ với những vận tốc khác nhau do chiết suất giữa phần lõi và vỏ của sợi quang khác nhau(Hình 2.3). Sự khác biệt vận tốc truyền ánh sáng gây nên tán sắc ống dẫn sóng.

2.2.3. Tán sắc phân cực mode

Mặc dù ta gọi sợi quang là đơn mode nhưng trên thực tế nó luôn truyền hai mode sóng được gọi chung một tên. Các mode này là các sóng điện từ được phân cực tuyến tính truyền trong sợi quang trong những mặt phẳng vuông góc nhau. Nếu chiết suất của sợi quang là không giống nhau trên phương truyền của hai mode trên, hiện tượng tán sắc phân cực mode xảy ra.

Hình 2.4 Minh họa tán sắc phân cực mode

Như vậy ta có thể tổng kết lại như sau:

Đ08VTH1-Nhóm IV 4


Tán sắc sắc thể chỉ xảy ra đối với sợi đơn mode, đối với sợi đa mode tất cả các loại tán sắc đều có thể xảy ra.

Độ tán sắc tổng cộng: Dt = Dmode + Dchr + Dpol

3. Ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống tốc độ cao

3.1.Phương trình lan truyền cơ bản

A(z,t) là đường bao của xung

)

Lấy đạo hàm ta được

Trong đó

β2(ps2

/km) tham số tán sắc vận tốc nhóm

β3(ps3

/km): tham số tán sắc vận tốc nhóm bậc 3

3.1.2 là phương trình lan truyền cơ bản chi phối sự mở rộng xung trong sợi đơn mode

Biến đổi t’=t-β1z

z’=z

Đ08VTH1-Nhóm IV 5


β1 trong phương trình 3.1.2 có thể bị khử còn lại:

Xét tín hiệu có dạng xung Gaussian và đơn sắc, xung ban đầu có có dạng

Trong đó A0 là biên độ đỉnh

T0 là ½ độ rộng tại điểm có cường độ 1/e

C: tham số chỉ sự lệch tần

Biến đổi fourier ta được

Và ½ độ rộng phổ tại điểm cường độ 1/e là

Khi không lệch tần C=0 => đây là trường hợp xung có độ rộng phổ hẹp nhất

Khi lệch tần độ rộng phổ tăng (1+C2)1/2

Giải phương trình 3.1.2 ta được

σ: Độ rộng RMS của xung Gaussian

Với

σ0: Độ rộng RMS của xung Gaussian ngõ vào

Đ08VTH1-Nhóm IV 6


Ta có phương trình sau

L :chiều dài tuyến

Công thức trên xét xung gần như đơn sắc để độ rộng phổ nó thỏa trong đó cho bỡi

phương trình 3.1.6. Tuy nhiên điều kiện nay không phải lúc nào cũng thõa mãng,khi xét độ rộng xung trong trường hợp tổng quát

Với:

3.2.Ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao

Hệ thống thông tin quang tốc độ cao thường dùng laser DFB có độ rộng phổ nguồn hẹp => Vω << 1 và không sét ảnh hưởng lệch tần C=0,

3.2.1. Hệ thống hoạt động ở xa bước sóng có tán sắc bằng 0

Từ 3.1.11 ta có:

Để σ đạt giá trị bé nhất thì chọn giá trị tối ưu σ0

Có thể liên hệ σ với tốc độ bít B bằng cách sử dụng điều kiện là σ ≤ Tb/4

mà Tb =1/B => 4B σ ≤ 1

thế 3.2.3 vào biểu thức trên ta được (3.2.4)

3.2.2. Đối với hệ thống hoạt đông bước sóng gần bước sóng tán sắc bằng 0

β2≈0

Đ08VTH1-Nhóm IV 7


từ 3.1.11 ta có:

Đề σ đạt giá trị bé nhất thì chọn giá trị tối ưu σ0

Thế 3.2.6 vào 3.2.5 ta được

Có thể liên hệ σ với tốc độ bít B bằng cách sử dụng điều kiện là 4B σ ≤ 1

4. Khái niệm các bộ lọc quang học

Một bộ lọc quang cho phép một bước sóng duy nhất truyền qua còn tất cả các bước sóng khác đều bị chặn lại.

Có hai loại bộ lọc: cố định và thay đổi được. Bộ lọc cố định chỉ cho một bước sóng cố định đã được định trước truyền qua, còn với loại bộ lọc thay đổi được thì chúng ta có thể chọn bước sóng được phép truyền qua nó. Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu các bộ lọc ứng dụng được tính chất độ lợi phẳng của EDFA, vì các bộ lọc trong thực tế đều được đặc tính hóa theo các tham số mà chúng ta khảo sát ở đây.

4.1.Bộ lọc cố định

Hầu hết các kỹ thuật dùng để tạo ra các bộ ghép và phân kênh WDM đều được dùng để chế tạo bộ lọc quang.

4.1.1. Bộ lọc Fabry-Perot

Những bộ lọc này được tạo ra dựa theo các bộ cộng hưởng Fabry-Perot(FB). Bước sóng truyền qua bộ lọc được tính theo công thức sau:

Đ08VTH1-Nhóm IV 8

Otical filter

λ1,λ2…λN λk(1≤k≤N)

Hình 4.1: Bộ lọc quang


(4.1)

với L là chiều dài khoang, N là một số nguyên. Bộ cộng hưởng FB chỉ cho phép truyền qua những bước sóng nào thoã mãn điều kiện cộng hưởng được dự báo theo công thức 4.1. Khoảng cách giữa hai bước sóng cộng hưởng kế tiếp nhau là:

Hàm truyền đạt của một bộ lọc FB tính được từ công thức sau:

(4.2)

với là suy hao bên trong, R là hệ số phản xạ, L là chiều dài khoang và là vận tốc ánh sáng

truyền trong hốc, bằng c/n với n là chiết suất môi trường. Rõ ràng TFPF là một hàm tuần hoàn, chu kỳ của nó(FSR) bằng:

(4.3)

Hàm truyền TFPF được trình bày trên hình sau.

Cần lưu ý vai trò của hệ số phản xạ: Hệ số phản xạ càng cao thì các đặc tính kỹ thuật truyền dẫn thể hiện càng rõ nét. Kỹ thuật dùng màng mỏng được sử dụng để làm tăng hệ số phản xạ của các gương FP.

Băng thông 3dB của mỗi đỉnh của một TFPF nhận được từ công thức sau:

(4.4)

Đ08VTH1-Nhóm IV 9

FSR R=0,3

R=0,5

R=0,99

-1 0 1

1,0

0,5

Hình 4.2


Ở đây ta đã bỏ qua suy hao . Phẩm chất của bộ lọc FP được gọi là (F), được xác định như sau:

(4.5)

Với FPF có độ phản xạ cao, F xấp xỉ bằng số kênh mà bộ lọc có thể đáp ứng được. Giá trị của F thường nằm trong khoảng 20 đến 120 và có thể tăng cao hơn nữa.

4.1.2. Bộ lọc nhiễu màng mỏng

Bộ lọc này phụ thuộc vào ảnh hưởng của nhiễu giữa các sóng ánh sáng phản xạ từ các lớp mỏng khác nhau, được thể hiện trên hình sau.

Nếu bề dày của các lớp này bằng 4 thì anh sáng bước sóng sẽ có độ dịch pha tương ứng sau khi

qua mỗi lớp là khi góc tới bằng 0. Sóng phản xạ ngược pha so với sóng tới, chúng giao thoa triệt

tiêu lẫn nhau. Nói cách khác là bước sóng truyền qua được màng lọc trong khi các bước sóng khác

thì không. Cấu trúc nhiều lớp như trên làm tăng hiệu quả và làm cho các đặc tính truyền dẫn của bộ lọc gần lý tưởng hơn. Kỹ thuật này đã được sử dụng trong nhiều năm và có rất nhiều ứng dụng.

Nếu mỗi lớp có bề dày bằng thì sóng tới và sóng phản xạ đồng pha nhau nên biên độ tín hiệu

được tăng lên. Khi đó các màng mỏng có độ phản xạ cao được sử dụng để tạo ra bộ lọc khoang cộng hưởng Fabry-Perot.

4.1.3. Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF)

Những bộ lọc này gồm nhiều khoang FP, làm cho các đặc tính truyền dẫn của bộ lọc tiến gần đến trường hợp lý tưởng.

Một bộ lọc cộng hưởng màng mỏng (TFF) là một bộ giao thoa Fabry Perot. Với các gương là các lớp màng mỏng điện môi phản xạ. Nó hoạt động như một bộ lọc băng thông cho một số bước sóng đi qua còn các bước sóng khác bị phản xạ lại. Các bước sóng truyền qua được xác định nhờ chiều dài của hốc cộng hưởng.

Đ08VTH1-Nhóm IV 10

Hình 4.3

λ/4

λ/4


Một bộ lọc màng mỏng nhiều hốc cộng hưởng (TFMF) gồm nhiều hốc cộng hưởng được ngăn cách bởi các lớp màng mỏng điện môi phản xạ như hình sau :

Hình 4.5: Hàm truyền đạt công suất đối với các trường hợp gồm: 1,2,3 khoang cộng hưởng

Hàm truyền đạt của các bộ lọc mang mỏng có một,hai và ba hốc cộng hưởng.

Việc tăng càng nhiều hốc cộng hưởng giúp cho đỉnh của dải thông càng phẳng và cạnh sườn càng dốc. Đây là hai đặc điểm mong muốn của bộ lọc.

Để tạo các bộ ghép và bộ tách, ta ghép các bộ lọc được ghép theo kiểu cascade với nhau như hình


Hình 4.4: Cấu tạo bộ lọc gồm có 3 khoang cộng hưởng


Hình 4.6: Bộ lọc ghép/tách kênh được tạo từ các bộ lọc màng mỏng điện môi

Trong bộ tách, bộ lọc thứ nhất sẽ cho một bước sóng đi qua và phản xạ tất cả các bước sóng còn lại. Đến ngỏ vào bộ lọc thứ hai lại có thêm một bước sóng nữa được truyền qua còn tất cả các bước sóng còn lại cũng bị phản xạ lại, và cứ tiếp tục như vậy.

Phần tử này có nhiều ưu điểm: dải thông phẳng, cạnh sườn dốc, ổn định đối với nhiệt độ, suy hao thấp, nhạy cảm với trạng thái phân cực của tín hiệu. Các thông số cho một bộ ghép 16 kênh được cho trong bảng

Một bộ lọc nhiều khoang sử dụng màng mỏng điện môi (TFMF) là thiết bị được cấu tạo từ nhiều khoang FP và sự phản xạ xảy ra do nhiều lớp màng mỏng bên trong (Xem hình trên). Cấu trúc như vậy tận dụng được mọi ưu điểm về đặc tính truyền dẫn của nhiều lớp màng phản xạ mỏng và nhiều khoang FP.

4.2.Các bộ lọc thay đổi được

Khái niệm: Đây là loại bộ lọc có khả năng chọn lựa bước sóng truyền qua nó. Những bộ lọc này là loại phần tử tích cực vì chúng đòi hỏi phải có nguồn cung cấp từ bên ngoài. Tuy nhiên chúng ta vẫn khảo sát chúng trong phần này vì chức năng của chúng cũng tương tự với các loại bộ lọc đã học.

Một tập hợp các bước sóng đi vào bộ lọc, một bộ phận điều khiển việc lựa chọn bước sóng mong muốn.

Chúng ta cần loại bộ lọc này cho 2 mục đích: lọc các kênh bước sóng trước các máy thu và xây dựng một mạng chuyển mạch quang linh động.

Tốc độ điều chỉnh phụ thuộc vào kiểu mạng mà chúng ta sử dụng. Mạng chuyển mạch quang đang sử dụng yêu cầu tốc độ tương đối thấp, thời gian chuyển mạch tính bằng ms. Còn mạng chuyển mạch gói thì có thời gian chuyển mạch cỡ µs và thậm chí là ns nên đòi hỏi 1 tốc độ cao hơn. Bộ lọc điều chỉnh được còn có 1 số ứng dụng khác như: trong các đường dây trễ, lazer sợi thay đổi được, các thiết bị đo lường,…



4.2.1. Bộ lọc điều chỉnh được Fabry-Perot

Chúng ta đã biết bước sóng trung tâm của bộ lọc cố định FP phụ thuộc vào chiều dài L của khoang cộng hưởng FP, N=2L/N. Như vậy thì để tăng bước sóng trung tâm ta chỉ cần tăng L. Sự tăng này được điều khiển bởi piezoceramic. Những piezoceramics này thay đổi chiều dài theo điện áp đặc vào chúng, do đó bước sóng lọc cũng thay đổi theo. Loại thiết bị này được gọi là bộ lọc Fabry-Perot sợi (FFB). Ưu điểm của bộ lọc này là có khoảng động lớn, tốc độ điều chỉnh nhanh, PDL thấp. Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là độ ổn định và tỷ số triệt sóng phụ thấp.

Công thức 4.1 xác định bước sóng trung tâm của bộ lọc FB, N=2L/N, ở đây L là chiều dài quang học của 1 khoang, L=Lon với Lo là chiều dài hình học của khoang và n là chiết suất của môi trường trong khoang. Do đó, nếu chúng ta có thể điều khiển được n thì cũng đồng nghĩa với điều khiển được bộ lọc. Tinh thể lỏng có chứa sắt có thể thay đổi chiết suất theo tín hiệu điện rất thích hợp cho bộ lọc này. Các đặc tính kỹ thuật của bộ lọc này rất tốt và nó được dành cho trường hợp số lượng lớn.

4.2.2. Cách tử nhiễu xạ

Khả năng điều chỉnh của 1 cách tử nhiễu xạ được xác định bởi công thức : dsin=m với m Z. Trong thực tế, cách thay góc là làm nghiêng cách tử. Các đặc tính của bộ lọc này đều thoả mãn, trong đó có 1 ưu điểm chính là có khoảng động rộng.

4.2.3. Cách tử Bragg sợi (FBG)

Ta thấy có thể điều chỉnh 1 FBG bằng cách thay đổi bước cách tử . Và ta có thể thay đổi bằng cách dùng lực kéo và nung nóng cách tử. Ưu điểm của bộ lọc này là suy hao thấp, dễ dàng thực hiện ghép bước sóng, băng thông hẹp và độ phân giải cao, còn nhược điểm là khoảng động nhỏ nhưng có thể khắc phục bằng cách sử dụng nhiều tầng FBG.

4.2.4. Bộ lọc điều chỉnh Mach-Zehnder(MZF)

Cấu hình cơ bản được trình bày trên hình sau.

Hình 4.7: MZI được tạo thành bằng cách kết nối các couplers 3dB

Người ta sử dụng cấu hình đối xứng của 1 máy đo giao thoa Mach-Zehnder để chế tạo 1 MZF điều chỉnh được. Việc điều chỉnh được thực hiện bằng cách thay đổi chiết suất của 1 nhánh: nung nóng hoặc sử dụng vật liệu quang điện. Đặc tính của bộ lọc này rất tốt.



4.2.5. Bộ lọc quang âm học (AOTF):

Bộ lọc này đặt cơ sở chủ yếu trên cách tử Bragg cách tử được tạo bởi sóng âm. Bộ lọc này chuyển đổi sóng TE thành TM và ngược lại.

Hình 4.8 : Một AOTF đơn giản

Nguyên lý hoạt động của 1 AOTF: 2 ống dẫn sóng Titan(Ti) chế tạo theo cấu hình Mach-Zehnder được khắc vào 1 bán dẫn LiNbO3. ánh sáng vào bộ lọc được tách thành các sóng TE & TM bằng 1 bộ phân cực ngõ vào. Sóng TE truyền theo nhánh trên còn sóng TM truyền dọc theo nhánh dưới. Bộ chuyển đổi tạo ra 1 sóng âm bề mặt (SAW). Sóng này gây ra sức căng trong LiNbO3, tạo ra trạng thái xáo trộn định kỳ chiết suất của LiNbO3. Trạng thái xáo trộn này giống như cách tử Bragg động. Do sự tương tác với cách tử, công suất từ mode TE với bước sóng thoả điều kiện cộng hưởng được chuyển thành mode TM và ngược lại. Bộ phân cực ngõ ra có nhiệm vụ kết hợp các mode TE & TM ở ngõ ra.

Điều kiện cộng hưởng:

m = ( n) (4.6)

m là bước sóng được chọn, là bước cách tử tạo bởi sóng âm và n=nTE-nTM là độ chênh lệch chiết suất của LiNbO3 đối với các mode TE & TM.

Loại bộ lọc có thể điều chỉnh được đặc trưng bởi một số thông số chính sau:

Khoảng động còn gọi là khả năng thay đổi bước sóng (nm): là tập hợp các bước sóng mà bộ lọc có thể điều khiển.

Băng thông (BW).

Số kênh làm việc: là tỷ số giữa khoảng động và khoảng các kênh tối thiểu được xác định bởi 1 mức xuyên nhiễu yêu cầu.

Tốc độ điều chỉnh: được đo bằng thời gian cần để tăng 1 bước sóng cần thiết.

Suy hao hay suy hao xen (dB): được tính theo công thức

IL12=-10log(p1/p2)

Suy hao do phân cực (PDL-dB): .



Tỷ số triệt sóng phụ (SSR-dB): là tỷ số giữa công suất max của đỉnh kế cận đầu tiên và công suất của đỉnh chính.

Độ phân giải: là độ dịch tối thiểu của 1 bước sóng mà bộ lọc có thể phát hiện được.

5. Thông số cơ bản của bộ lọc quang

Các đặc điểm của bộ lọc quang được trình bày ở hình 5.1. Một số đặc tính kỹ thuật chính sau thường dùng để mô tả một bộ lọc thực tế:

Các tần số (bước sóng) trung tâm: được xác định theo tiêu chuẩn ITU-T.

Độ rộng băng thông (BW): xác định trên hình 5.1(a). Đặc tính này còn được gọi là độ rộng kênh.

Độ rộng băng chắn (Stop BW): cũng được xác định trên hình 5.1(a).

Độ cách ly: để chỉ công suất của một kênh bước sóng xuyên nhiễu sang các kênh bước sóng lân cận. Độ cách ly có thể được chỉ rõ cho 1 kênh hoặc cho toàn bộ các kênh của thiết bị.

Độ gợn sóng: là độ chênh lệch đỉnh đỉnh trong phạm vi một kênh bước sóng. xác định trên hình 5.1(b).

Hệ số sử dụng băng thông (BUF): là tỷ số giữa độ rộng băng của tín hiệu truyền qua được và tín hiệu phản xạ (xem hình 5.1(c)). Với bộ lọc lý tưởng, BUF=1, còn trong thực tế thì hệ số này thay đổi xung quanh 0.4.




Wavelength(nm) or frequency(THz)

Hình 5.1

Chanel width

Crosstalk

Stop BW

Pass BW

0,5dB

20dB

0,5dB

0

-10

-20

-30

-40 Passband

skirts

1540,56nm (194,6THz)

1541,35nm (194,5THz)

Wavelength(nm) or frequency(THz)

Insertion loss(dB)

a)

1540,56nm (194,6THz)

Ripple

Chanel width In

sert

ion

loss

(dB

)

b)

Wavelength(nm)

Transmission(dB)

Reflection(dB)

Transmission

Ref

lect

ion

0

-20

-40

-30

-10

0

-20

-40

-30

-10

1540,56nm

c))


6. Kỹ thuật bù tán sắc bằng bộ lọc quang

Ta có phương trình lan truyền xung như sau: 0.6

.2 3

33

2

22

t

A

t

Ai

z

A (6.1)

Với A là biên độ đương bao của xung

β3 là tán sắc bậc ba, thông thường có thể bỏ qua khi , giải phương trình trên ta được

:

(6.2)

nếu bỏ qua β3 thì phương trình trên không có số hạng chứa β

và là biến đổi fourier của A(0,t). Ta viết lại phương trình (6.2):

(6.3)

Như vậy tán sắc là do hệ số pha gây ra,vậy mục đích của bú tán sắc là loại bỏ hệ số

pha đó để tín hiệu ngõ vào có thể khôi phục tại ngõ ra. Có ba kỹ thuật quản lý tán sắc cơ bản đó là xử lý tại đầu phát, xử lý tại đầu thu và xử lý trên đường truyền. Bù tán sắc bằng bộ lọc thuộc kỹ thuật quản lý tán sắc trên đường truyền.

6.1.Nguyên lý chung cho bộ lọc quang:

Như phương trình (6.2):

ta thấy tán sắc vận tốc nhóm (GVD) ảnh hưởng đến tín hiệu quang thông qua phổ pha là

. Nếu bộ lọc quang mà hàm truyền đạt của nó loại bỏ được pha này thì sẽ khôi phục

lại được tín hiệu, nhưng không có bộ lọc quang nào có hàm truyền đạt thích hợp để bù tán sắc do vận tốc nhóm gây ra một cách chính xác. Tuy nhiên vẫn có nhiều bộ lọc quang có thể bù một phần GVD nhờ vào hàm truyền đạt lý tưởng.



Ta xét bộ lọc quang với hàm truyền đạt nếu bộ lọc này được đặt sau sợi có chiều dài L thì tín

hiệu quang sau bộ lọc có thể biểu diễn bằng phương trình sau:

(6.4)

Khai triển Taylor pha của đến số hạng bậc hai:

(6.5)

với tại tần số sóng mang .Vì hằng số pha và độ trễ về thời gian

không ảnh hưởng đến hình dạng xung và có thể bỏ qua. Khi này hàm truyền đạt có thể biểu diễn

như sau:

(6.6)

Để có thể bù độ dịch pha do GVD gây thì ta phải triệt tiêu thành phần phổ pha đó trong phương trình (6.4), hay nói cách khác là:

* = 0

Như vậy phổ pha của sợi có thể bù bằng cách chọn bộ lọc quang có và xung sẽ khôi phục

chỉ khi và các số hạng bậc cao hơn bậc ba trong khai triển Taylor của phương trình (6.6) là

không đáng kể. Khi đó xung sẽ được khôi phục hoàn toàn

=

Hình 6.1 Sơ đồ minh họa bù tán sắc cho tuyến thông tin quang bằng cách sử dụng bộ lọc quang đặt sau mỗi bộ khuếch đại

6.2.Một số loại bộ lọc dùng để bù tán sắc

Các bộ lọc có thể được tạo ra nhờ việc sử dụng giao thao kế. Nó hoạt động như là một bộ lọc quang bởi vì đặc tính truyền phụ thuộc vào tần số của nó. Đối với việc bù tán sắc chúng ta cần hàm truyền



đạt có pha phụ thuộc tần số, điều này có thể đạt được bằng cách cho ánh sáng đi qua lại nhiều

lần giữa hai mặt phản xạ trong giao thoa.

6.2.1. Giao thoa kế Fabry Perot (FP).Giao thoa kế Fabry Perot phản xạ, thường được gọi là bộ giao thoa kế GT (Gires Tournois), được thiết kế gồm một gương phản xạ một phần ở phía trước và một gương phản xạ toàn phần đặt ở phía sau.

a) Cấu tạo của bộ lọc Fabry Perot

Bộ lọc Fabry – Perot bao gồm một hốc được tạo ra do đặt hai gương song song nhau có độ phản xa cao. Đây còn được gọi là bộ lọc giao thoa Fabry – Perot.

Hình 6.3 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Fabry PerotTín hiệu vào đến mặt bên trái của hốc, sau đó truyền qua hốc, một phần ánh sáng thoát ra ngoài ở mặt bên phải và một phần ánh sáng phản xạ quay lại giữa hai mặt.

b) Nguyên lý bù tán sắc của bộ lọc Fabry Perot:

Hàm truyền đạt của bộ lọc này là:

(3.4)

Trong đó:

H0 là một hằng số dùng để đánh giá tổng suy hao.

là độ phản xạ gương trước.

T là thời gian đi vòng ở trong hốc cộng hưởng FP. Vì không phụ thuộc vào tần số,

cho nên chỉ có pha phổ được thay đổi bởi bộ lọc FP.

Tuy nhiên, pha của khác nhiều so với lý tưởng. Đây là hàm có tuần hoàn và đạt giá trị

đỉnh tại đỉnh cộng hưởng của FP. Trong vùng lân cận của mỗi đỉnh, vùng phổ tồn tại trong đó pha

thay đổi như một hàm bậc hai. Trong thực tế, khi khai triển Taylor ta có được cho bởi

phương trình sau:



Ví dụ : một hốc cộng hưởng FP dài 2cm (T); r =0.8 thì ta được ;có thể bù được GVD

cho 110km sợi chuẩn.

Nhưng do suy hao cao, băng thông hẹp của bộ lọc FP nên nó hạn chế trong các hệ thống thông tin quang thực tế.

6.2.2. Giao thoa Mach-Zehnder (MZ)

Hình 6.3 Mạch ánh sáng Planar sử dụng chuỗi các mạch MZI(a), trong của thiết bị(b)

Một giao thoa toàn bằng sợi có thể được tạo ra bằng việc ghép nối tiếp các Coupler 3dB như hình 6.3b. Trong đó Coupler đầu dùng để chia tín hiệu vào thành hai phần bằng nhau và ta được sự dịch pha khác nhau nếu chiều dài nhánh khác nhau trước khi đưa vào Coupler thứ hai. Tín hiệu có thể biến mất ở một trong hai ngõ ra của Coupler tùy vào tần số tín hiệu vào và chiều dài nhánh. Hàm truyền đạt đối với một cổng là:



Với τ là độ trễ trong nhánh dài hơn của giao thoa MZ. Một giao thoa không hoạt động như một bộ

cân bằng quang, nhưng nối chuổi chúng tạo thành một bộ cân bằng rất tốt. Các bộ lọc này được tạo ra

dưới dạng mạch ánh sáng Planar bằng cách dùng ống dẫn sóng Silica.

Hình 6.3a là sơ đồ thiết bị có kích thước 52x71mm

2

, suy hao của một chip khoảng 8dB. Nó gồm 12

Coupler có chiều dài các nhánh không đối xứng được mắt nối tiếp. Chromium được đặt trên một

nhánh của mỗi giao thoa MZ để điều khiển pha ở chế độ quang. Ưu diểm đối với loại thiết bị này là

đặc điểm cân bằng tán sắc của nó có thể điều khiển bằng việc thay đổi chiều dài nhánh và số lượng

giao thoa MZ.

Nhìn hình 6.3b ta thấy thiết bị được thiết kế để các thành phần tần số cao hơn lan truyền trong nhánh

dài hơn của giao thoa MZ, nên chúng sẽ trễ nhiều hơn các thành phần tần số thấp hơn đi ở tuyến ngắn

hơn. Cơ chế này ngược lại với sự lan truyền trong sợi quang ở chế độ tán sắc.

Năm 1994 mạch Planar với năm giao thoa MZ tạo được độ trễ tối đa là 836ps/nm với chiều dài chỉ

vài cm, có thể bù được 50km sợi chuẩn.

Giới hạn chính của thiết bị này là băng thông tương đối hẹp (10GHz) và khá nhạy với phân cực ngõ

vào. Tuy nhiên nó có thể hoạt động như một bộ lọc quang lập trình được trong đó GVD cũng như

bước sóng hoạt động có thể hiệu chỉnh được. Trong một thiết bị GVD có thể thay đổi từ -1006 đến

830ps/nm.



KẾT LUẬN

Chuyên đề này là một mảng trong việc quản lý tán sắc. Nó chỉ là một phần nhỏ và chuyên sâu về vấn đề mà hệ thống thông tin quang mắc phải. Tán sắc ảnh hưởng đến chất lượng của các hệ thống thông tin quang, vì thế việc bù tán sắc là hết sức cần thiết. Thông qua việc tìm hiểu bù tán sắc sử dụng bộ lọc quang ta hiểu được cách thức sử dụng bộ lọc để bù tán sắc như thể nào. Tuy nhiên, do thời gian tìm hiểu ngắn, sự hạn chế về tài liệu cũng như kiến thức nên những trình bày trong bài báo cáo còn nhiều thiếu sót.

Tài liệu tham khảo

[1] Fiber Optic Communication systems-Third Edition_GOVIND P.AGRAWAL

[2] Applications of Nonlinear Fiber Optics_ GOVIND P.AGRAWAL

[3] Kỹ thuật Thông Tin Quang II của HVCNBCVT _Th.s Đỗ Văn Việt Em

[4] Optical Fiber Communications,2005, Mc Graw-Hill International Edition _ Gerd Keiser

[5] Fiber Optic Communications Technology, Prentice Hall_ Djafar K.Mynbaev, Lowell L. Scheiner

[6] Cơ sở kỹ thuật thông tin quang, 2000, Nhà xuất bản bưu điện_TS.Cao Phán, Cao Hồng Sơn

[7] Bài giảng truyền dẫn sợi quang, 2000, Học viện công nghệ bưu chính viễn thông_Ngô Thanh Ngọc

[8]Optical Networks -A Practical Perspective-Second Edition_Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan

Các từ viết tắt

BPF Bandpass Filter

CRZ Chirped Return Zero

CW Continuous Wave

DCF Dispersion Compensating Fiber

DFB Distributed Feedback Laser

DGD Differential Group Delay



DL Diode Laser

DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing

EA Electroabsorption

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier

FP Fabry Perot

FSK Frequency Shift Keying

FWM Four Wave Mixing

GT Gries Tournois

GVD Group Velocity Dispersion

HOM Higher Order Mode

LEAF Large Effective Area Fiber

LPG Long Period Grating

MFD Mode Field Diameter

MZ Match Zehnder

NRZ Non Return Zero

NZDSF Nonzero Dispersion Shifted Fiber

OPC Optical Phase Conjugation

PC Polarization Controller

PMD Polarization Mode Dispersion

PSP Principal State Of Polarization

RMS Root Mean Square

RZ Return Zero

SBS Stimulated Brillouin Scattering



SMF Single Mode Fiber

WDM Wavelength Division Multiplexing


cd quang_nhom 4

Documents