ChuyêN ĐỀ ĐIỀu khiển tán sắC

CÁCH TỬ SỢI QUANG BRAGG (Fiber Bragg Gratings)

tải về 1.02 Mb.

trang	3/6
Chuyển đổi dữ liệu	07.07.2016
Kích	1.02 Mb.
	#1381

1 2 3 4 5 6

6. CÁCH TỬ SỢI QUANG BRAGG (Fiber Bragg Gratings)
Cách tử Bragg hoạt động như 1 bộ lọc quang ,dựa trên hiện tượng băng chặn (stopband), vùng tần số mà hầu hết tất cả những ánh sáng tới bị phản xạ lại.

Băng chặn này được tập trung chủ yếu tại bước sóng Bragg

^_B^²ⁿ^

Với

^là chu kỳ cách tử, n là chiết suất trung bình. Sóng truyền hướng tới và hướng về

có bước sóng gần với bước sóng Bragg và kết quả là tạo ra 1 hệ số phản xạ độc lập tần số

cho tia tới trên toàn băng thông
Thực chất cách tử quang sợi hoạt động như 1 bộ lọc phản xạ, đã được sử dụng để bù tán sắc và được đề xuất thực hiện từ thập niên 80.
6.1 Chu kỳ cách tử đồng nhất (Uniform-Period Gratings)

Xét 1 cách tử đơn giản nhất khi n là 1 hàm biến đổi tuần hoàn n(z)  n  n_gcos(2 z / )
Với n_glà độ sâu điều chế. Cách tử Bragg được phân tích dựa trên việc sử dụng phương trình lưỡng mode (coupled-mode equations) mà nó mô tả sóng truyền hướng tới và sóng

truyền hướng về

^d^A_f

^/^d^z^ⁱ^^A_f

__i__A

^b
(6.1)

Với

A_fvà

dA_b/ dz  i A_b i A_f
A_blà biên độ phổ của 2 sóng và :

__²^

^0

_²^_,_

^B

__n_g_

^^_B
(6.2)
(6.3)

 là hệ số kết hợp

_{Phương trình kết hợp có thể được giải dựa trên bản chất tuyến tính.}

_{Hàm truyền đạt của cách tử:}

_{H (w)  r (w) }

^A_b⁽⁰⁾_ⁱ^^sin⁽^q^L^g⁾
_(6.4)

^A_f⁽⁰⁾^_B

Hình 6.1 : Độ lớn(a) và pha(b) của hệ số phản xạ cách tử sợi quang đồng nhất với

^^L_g

^{=2 và}^^L_g⁼³

_{2 2 2}

^V^ới^L_g

là độ dài cách tử. ^q^^^^

^Hình^6.1^trên^cho^t^h^ấy^đ^ộ^lớn^v^à^ph^a^c^ủa^h^ệ^số^p^h^ản^x^ạ^t^ư^ơⁿ^g^ứ^ng^với^^L_g

⁼²^và^^L_g^=3.

^H^{ệ số p}^h^ản^x^{ạ cách tử}^g^{ần đạt 100% khi}^^L_g⁼³

Tuy nhiên khi pha gần như trong vùng tuyến tính, cách tử làm cho sự tán sắc chỉ tồn tại

_{bên ngoài stop band (băng chặn)}

Lưu ý rằng hằng số lan truyền

^^^_B^^q

Thông số tán sắc của cách tử quang sợi được cho bởi:

_sgn₍_₎_²_/_v²

₃__²_/_v³

_

3
^g__^g

²( ²  ²)³^/²

,  ^g

_^g

( ²  ²)⁵^/²

(6.5)

Với v_g
là vận tốc nhóm( Group velocity) của xung, tần số sóng mang

w ₀ 2

/  ₀

_

2
Hình 6.2: Tán sắc vận tốc nhóm GVD . Mô tả hàm ^g

theo thông số  tương ứng với

_{các giá trị}_c_ủa_h_{ệ số}^_{trong kh}_o_{ảng 1-10}
Tán sắc vận tốc nhóm (GVD) của cách tử tùy thuộc vào thông số  GVD bất thường ở tần

2
số cao hoặc vùng “blue” của băng chặn (stop band) khi  là tuyệt đối và tần số sóng mang vượt quá tần số Bragg. Ngược lại GVD trở lại bình thường (  ^g>0) ở vùng tần số thấp

_{hoặc vùng “red” của băng chặn. Vùng “red” này có thể dùng để “bù” cho vùng bất thường}

_

2
của GVD của sợi quang tiêu chuẩn. Vì ^g

có thể vượt quá 1000 ^p^s²^/^c^m.

Một cách tử đơn dài 2 cm có thể được dùng để bù GVD cho sợi quang dài 100km. Tuy

nhiên tán sắc bậc 3 của cách tử bị suy hao và biến đổi nhanh . Dùng cách tử sợi quang
đồng nhất để bù tán sắc.
Vấn đề có thể giải quyết bằng cách sử dụng kỹ thuật làm mịn (apodization) tại

nơi chiết suất không đồng nhất của cách tử. Kết quả là z phụ thuộc vào  . Trong thực tế

_{kỹ thuật làm mịn apodization xảy ra 1 cách tự nhiên khi mà tia Gaussian sử dụng cho}

phép chụp ảnh giao thoa. (khi dùng chùm tia cực tím phân bố Gauss để ghi ảnh cách tử.

^V^ới^các^cách^t^ử^như^trên,^h^ệ^số ^lớn^nhất^ở^gⁱ^ữ^a^s^ợⁱ^và^giảm^dần^về²^đầu^của^sợ^i.Phương pháp chế tạo cách tử tốt hơn là làm cho hệ số k thay đổi tuyến tính dọc theo toàn chiều dài cách tử sợi quang.)
Một cuộc thí nghiệm vào 1996 cho thấy 1 cách tử dài 11cm có thể bù tán sắc đạt được tốc

độ 10Gb/s của tín hiệu truyền trên chiều dài sợi quang 100km. Hệ số  (z) thay đổi từ

0-6 ^c^m^¹trên chiều dài cách tử.

Hình 6.3: Tín hiệu phát (đường liền nét) và trễ( đường chấm) , hàm của bước sóng cho ^{cách tử đ}^ồn^g^nh^ất ⁽^z⁾^{thay đ}^ổ^{i từ 0-6}^c^m^¹^{trên c}^h^iều^dài^cách^tử^11cm
Đặc tính truyền dẫn của cách tử được tính toán bằng cách giải phương trình lưỡng mode bằng phương pháp số học.
_{Đường cong liền nét chỉ ra mối liên hệ giữa trễ nhóm với đạo hàm của pha trong phương}

trình

H ()  H () exp_i()_ H () exp

i(

____₁__₂₎_.

⎡ ⎤

_⎢0 1

₂2 _⎥

^{⎣ ⎦}

Trong vùng bước sóng 0.1nm gần với bước sóng 1544.2nm, trễ nhóm biến đổi gần như tuyến tính tại tỉ số 2000 ps/nm. Điều này chỉ ra rằng cách tử có thể bù tán sắc cho GVD trên 100 km sợi quang chuẩn .

Thực vậy, cách tử bù tán sắc GVD trên 100km chiều dài sợi quang với tốc độ tín hiệu

10Gb/s chỉ suy giảm 2% công suất và đạt được tỉ lệ lỗi bit BER = ¹⁰^⁹. Nơi không có cách tử sẽ có độ suy hao rất lớn.

Sử dụng cách tử để bù tán sắc khi bước sóng tín hiệu trong phạm vi vùng stop band và bước sóng cách tử như 1 bộ lọc phản xạ. Số lượng trạng thái của phương trình cho chu kỳ

_cách_tử_đ_ồ_ng_n_h_ất_khi__(z)_biến_đ_ổ_i_tu_y_ến_tính_từ₀_đến₁₂

cm ^¹

_{trên 12 cm chiều dài.}

Điều này chỉ ra rằng tốc độ trễ nhóm, tập trung ở bước sóng Bragg , có thể được sử dụng cho bù tán sắc nếu bước sóng của tín hiệu tới trong vùng trung tâm của stop band để phổ

tín hiệu biến đổi tuyến tính. 1 cách tử dài 8.1 cm có khả năng bù tán sắc GVD trên chiều dài 257 km sợi quang chuẩn với tốc độ 10 Gb/s.
Mặc dù cách tử đồng nhất được sử dụng cho bù tán sắc nhưng nó chịu đựng được vùng hẹp của stop band (nhưng vùng băng chặn của chúng là tương đối hẹp (tiêu chuẩn<0.1nm)

và do vậy, không thể sử dụng tại tốc độ bit cao.

_{6.2 Chirped Fiber Gratings: (Cách tử sợi quang Chirped)}
Cách tử Chirped có vùng băng chặn tương đối rộng (broad stop band) và được đề xuất để
bù tán sắc vào khoảng đầu năm 1987

Chu kỳ quang ⁿ^trong cách tử chirped không phải là hằng số và thay đổi theo chiều dài của cách tử. Bước sóng Bragg cũng biến đổi suốt chiều dài của cách tử, những thành phần tần số khác của tia tới được phản xạ tại những điểm khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện Bragg được thỏa mãn. Điều quan trọng là, vùng băng chặn của cách tử quang chirped được chồng chập từ nhiều băng chặn con (mini stop band) , trong đó mỗi băng chặn con tạo ra sự một sự thay đổi bước sóng Bragg dọc theo cách tử (giống như bước sóng của cách tử Bragg) . Kết quả là stop band có thể rộng đến vài nm.
Trong hình 6.4 ta thấy ở thành phần tần số thấp thì xung sẽ bị trễ bởi vì chu kỳ quang sẽ
tăng lên.
_{Theo hình vẽ, thông số tán sắc Dg của một cách tử chiều dài Lg có thể được xác định bằng}

cách sử dụng quan hệ

T_R D_gL_g

^với^T_R^{là chu}^k^ỳ^{cách tử}^và^^

khác với bước sóng Bragg tại 2 điểm cuối của cách tử.

^D^o^T_R^²ⁿ^L_g^/^c

D_g 2n / c()
₁₀₇

nên tán sắc cách tử được cho bởi:

^V^í^d^ụ:^D_g

~5x ps/(km-nm) cho 1 cách tử có băng thông   =0.2nm

^B^ởi^vì^giá^t^r^ị^của^D_g

lớn, cách tử chirped dài 10 cm có thể bù tán sắc vận tốc nhóm GVD

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

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

b/ hệ số phản xạ ở tần số thấp và cao tại những vùng khác nhau trong cách tử
Để thực hiện cách tử chirped có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau.

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

đổi có thể là  hoặc chiết suất n theo z.
Một số kỹ thuật được đề cập: Dual-beam holographic.Double-exposure technique, Phase- mask technique.

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

Hình 6.5: Hệ số phản xạ và thời gian trễ trong cách tử quang Chirped tuyến tính với băng thông 0.12nm
_{Năm 1994 Bù tán sắc GVD cho chiều dài 160 km và tốc độ 10-20Gb/s}

Năm 1995 cách tử chirped dài 12 cm dùng để bù tán sắc cho GVD chiều dài270 km

Tốc độ 10Gb/s. Sau đó khoảng cách truyền tăng lên 400 km chỉ sử dụng cách tử chirped
dài 10cm. Điều này có 1 sự cách biệt so với khoảng cách 20km khi không dùng cách tử bù tán sắc.

_Trong_hình_6.5_c_h_ỉ_ra_h_ệ_số_p_h_ản_x_ạ_v_à_trễ_nhó_m_(qua_n_hệ_với_đạo_hà_m_của_pha^d^^/^d^w₎
theo 1 hàm của bước sóng cho cách tử 10cm với   =0.12nm , tốc độ 10 Gb/s Tín hiệu được bù trong vùng băng chặn của cách tử. Chu kỳ cách tử  thay đổi chỉ 0.008% trên suốt chiều dài của nó

Sự bù tán sắc hoàn toàn xảy ra trong vùng phổ mà đạo hàm pha ^d^^/^d^wlà tuyến tính.

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

Cách tử chu kỳ giảm dần cần được làm mịn theo cách các hệ số ghép tạo đỉnh ở khoảng

giữa cách tử nhưng giảm dần về cuối. Quá trình làm mịn là cần thiết để loại bỏ các gợn sóng xảy ra trong cách tử có hệ số ^.

^Cách^tử^D_g

bị giới hạn bới băng thông  

mà bù tán sắc vận tốc nhóm (GVD)

yêu cầu với tốc độ bit B. Hơn nữa khi khoảng cách truyền tăng tại cùng 1 tốc độ bit thì băng thông tín hiệu giảm và kỹ thuật prechirp được sử dụng tại đầu phát. Trong 1 thử nghiệm hệ thống vào 1996 cho thấy kỹ thuật prechirp của tín hiệu quang 10Gb/s được kết hợp với 2 cách tử quang chirped, ghép nối tiếp để tăng khoảng cách truyền lên đến 537 km. Kỹ thuật thu hẹp băng thông cũng được kết hợp với cách tử. Mô hình mã hóa nhị phân đôi (duobinary) thu hẹp băng thông đến 50%. Trong 1 thí nghiệm 1996. khoảng cách truyền ở tốc đôGb/s được mở rộng đến 700 km bằng cách sử dụng cách tử chirped

kết hợp với mô hình mã nhị phân đôi pha luân phiên ( phase-alternating duobinary ). Băng thông cách tử bị thu hẹp xuống 0.073 nm, quá hẹp ở tốc độ tín hiệu 10 Gb/s nhưng đủ rộng cho tín hiệu nhị phân đôi băng thông hẹp.

Hạn chế chính của cách tử sợi quang chu kỳ thay đổi là chúng hoạt động giống như một bộ lọc phản xạ (hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ các tia sóng). Một bộ ghép quang 3-dB thường được sử dụng để cách ly giữa sóng phản xạ và sóng tới. Tuy nhiên, phải mất 6-dB cho các suy hao xen (nghĩa là các suy hao xen trong bộ ghép quang 3-dB). Thường trong thực tế người ta dùng bộ cách ly quang vòng (circulator) do nó có thể giảm

_{suy hao xen xuống dưới mức 2dB.}

Vài kỹ thuật khác cũng được sử dụng. 2 hoặc nhiều hơn cách tử quang có thể kết hợp với

bộ lọc phát để bù tán sắc với mức suy hao tương đối thấp. Hai hoặc nhiều hơn cách tử
quang có thể được kết hợp với nhau tạo thành một bộ lọc phát để được biến đổi thành 1 bộ
lọc phát bằng cách tạo ra dịch pha giữa cách tử
Cách tử Moier được tạo thành bằng cách đặt chồng 2 cách tử chirped trên cùng 1 đoạn của sợi quang, do đó nó cũng sẽ đạt giá trị đỉnh trong vùng băng chặn của nó. Băng thông của bộ lọc phát này thì tương đối hẹp.

Hình 6.6: Sơ đồ bù tán sắc bằng cách dùng 2 bộ lọc phát fiber –base transmission filter
_{6.3 Bộ ghép mode Chirped (chirped mode couplers)}
Phần này tập trung vào 2 linh kiện quang hoạt động như một bộ lọc phù hợp cho việc bù
tán sắc. Một bộ ghép mode chu kỳ thay đổi là một linh kiện toàn quang được thiết kế dựa trên nguyên lý ghép cộng hưởng phân bố chu kỳ thay đổi. Ý tưởng phía sau bộ ghép cộng hưởng phân bố chu kỳ thay đổi thật đơn giản. Khác với cách ghép các sóng tới và sóng phản xạ trong cùng một mode (như trong cách làm của cách tử sợi quang), cách tử chu kỳ thay đổi ghép hai mode sóng trong cùng một sợi quang hai mode. Linh kiện này tương tự như bộ đổi mode sóng đã đề cập trong mục 4 liên quan đến sợi DCF (sợi bù tán sắc) ngoại

trừ chu kỳ cách tử biến đổi tuyến tính dọc theo chiều dài sợi quang.

Tín hiệu được chuyển từ mode cơ sở sang mode bậc cao hơn bởi cách tử, nhưng các thành phần tần số khác nhau sẽ di chuyển với các quãng đường khác nhau trước khi được chuyển đổi mode nhờ vào đặc tính chu kỳ thay đổi của cách tử và điều đó dẫn đến việc ghép hai mode sóng lại với nhau (ie. để trở thành mode cao hơn). Nếu chu kỳ cách tử tăng dần dọc theo chiều dài của bộ ghép, bộ ghép có thể bù được GVD (tán sắc vận tốc

_{nhóm). Tín hiệu vẫn lan truyền theo hướng tới cho đến khi được chuyển sang mode cao}

hơn của bộ ghép. Một bộ chuyển đổi mode cách tử chu kỳ đều được dùng để chuyển tín

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

ra tại nhiều điểm khác nhau dọc theo sợi quang, phụ thuộc vào tần số của tín hiệu lan truyền. Do vậy, một sợi quang 2 lõi với khoảng cách của các lõi giảm tuyến tính có thể bù được GVD. Linh kiện dựa trên nguyên lý này giữ tín hiệu lan truyền theo hướng tới, mặc

dù về mặt vật lý có sự chuyển năng lượng sang lõi kế cận. Cách thiết kế này có thể được tích hợp vào cùng một linh kiện bằng cách dùng các ống dẫn sóng bán dẫn do các siêu mode (supermode) sinh ra từ việc ghép hai ống dẫn sóng có thể điều chỉnh được một lượng lớn GVD.

tải về 1.02 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn:

1 2 3 4 5 6