HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG GVHD : Ths. Hoàng Văn Võ SVTH : Nhóm 10 - L11CQVT07 – B Lê Văn Nghĩa Nguyễn Ngọc Quỳnh Nguyễn Khắc Xuân Tùng Phạm Thị Yến ĐỀ TÀI: • CÁCH TỬ BRAGG SỢI QUANG VÀ ỨNG DỤNG HÀ NỘI – 3/2013 ﾧ 2 Chuyên đề thông tin quang Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC ii DANH SÁCH HÌNH VẼ vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I: ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA FBG 3 1. 1 Cấu tạo chung 3 1.2 Nguyên lý 3 1. 3 Điều kiện kết hợp pha 5 1. 4 Các phương trình ghép mode 6 1. 5 Lý thuyết mô hình hoá FBG 7 1. 6 Cấu trúc và tính chất của các dạng cách tử 9 1. 6. 1 Cách tử Bragg đều (Uniform FBG) 9 1. 6. 1. 1 Cấu trúc 9 1.6. 1. 2 Mô tả toán học 10 1. 6. 1. 3 Thời gian trễ và tán sắc 12 1.6.2. Cách tử Bragg quang chu kì thay đổi CFBG 12 1. 6. 2. 1 Cấu trúc 12 1. 6. 2. 2 Mô tả toán học của CFBG 13 1. 6. 3 Cách tử điều biến chiết suất 16 1. 6. 3. 1 Nguyên lý 16 1. 6. 3. 2 Mô tả toán học của AFBG 16 CHƯƠNG 2: CÁC ỨNG DỤNG CỦA FBG 20 2. 1 Ứng dụng của cách tử Bragg quang trong bù tán sắc 20 2. 1. 1 Giới thiệu 20 2. 1. 2 Hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang 20 2. 1. 3 Bù tán sắc bằng quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính 22 1. 2 Ứng dụng của FBG trong bộ tách ghép kênh (xen-rẽ) OADM 24 1. 2. 1 Tổng quan về WDM 24 2.2.2. Kĩ thuật tách ghép kênh quang 25 2. 2. 3 Các cấu hình OADM 26 2. 2. 3. 1 OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB 26 2. 2. 3. 2 OADM dựa trên FBG và cấu hình giao thoa March-Zehnder 27 2. 2. 3. 3 Cấu hình OADM sử dụng FBG và Circulator 28 2. 2. 3. 4 OADM dựa trên cách tử đặt giữa Coupler 29 2. 2. 3. 5 Các tham số của các cấu hình OADM 30 2. 3 Ứng dụng của FBG trong cân bằng khuyếch đại của thiết bị KĐ quang sợi EDFA 32 2. 3. 1 Tổng quan về EDFA 32 2. 3. 1. 1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA: 32 2. 3. 1. 2 Tăng độ cân bằng cho khuyếch đại EDFA 34 2. 3. 2 Ứng dụng của FBG trong bộ cân bằng khuyếch đại EDFA 35 2. 4 Một số ứng dụng khác của FBG 38 ii Chuyên đề thông tin quang Mục lục 2. 4. 1 Ứng dụng trong cảm biến 38 2. 4. 2 Ứng dụng trong công nghệ Laser 39 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 iii Chuyên đề thông tin quang Mục lục iv Chuyên đề thông tin quang Danh mục hình vẽ DANH SÁCH HÌNH VẼ MỤC LỤC ii DANH SÁCH HÌNH VẼ vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I: ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA FBG 3 1. 1 Cấu tạo chung 3 Hình 1. 1 Cấu tạo và chiết suất của FBG 3 1.2 Nguyên lý 3 Hình 1. 2: Mô tả đặc tính của FBG 4 Hình 1. 3: Phổ phản xạ của cách tử Bragg dạng cách tử đều, Λ=0. 53559nm giá trị L=0,53559cm, neff=1,447, δn=0,0009, 5 1. 3 Điều kiện kết hợp pha 5 1. 4 Các phương trình ghép mode 6 1. 5 Lý thuyết mô hình hoá FBG 7 Hình 1. 4 : Điều kiện đầu và sự tính toán đáp ứng của cách tử đối với ánh sáng tới 9 1. 6 Cấu trúc và tính chất của các dạng cách tử 9 1. 6. 1 Cách tử Bragg đều (Uniform FBG) 9 1. 6. 1. 1 Cấu trúc 9 Hình 1. 5: Cách tử Bragg chu kì đều UFBG 10 1.6. 1. 2 Mô tả toán học 10 Hình 1. 6: Sơ đồ nguyên lý của ma trận truyền đạt dành cho UFBG và non - UFBG 11 1. 6. 1. 3 Thời gian trễ và tán sắc 12 1.6.2. Cách tử Bragg quang chu kì thay đổi CFBG 12 1. 6. 2. 1 Cấu trúc 12 Hình 1. 7: Mô hình cách tử Bragg chu kì thay đổi CFBG 13 1. 6. 2. 2 Mô tả toán học của CFBG 13 Hình 1.9: a) Phổ phản xạ của 2 cách tử có giá trị Chirp dλD/dz =-1(nm/cm)(đường màu đỏ nét liền), dλD/dz =-2(nm/cm)(đường màu xanh lục nét đứt) và dλD/dz =-4(nm/cm)(đường màu xanh lam nét chấm) với các giá trị L= 0,1cm, neff=1,447, δn=0,0004, λD=1550(nm) b) thời gian trễ theo bước sóng của CFBG 16 1. 6. 3 Cách tử điều biến chiết suất 16 1. 6. 3. 1 Nguyên lý 16 1. 6. 3. 2 Mô tả toán học của AFBG 16 Hình 1.10: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi chỉ số khúc xạ điều biến chiết suất sợi quang AFBG. Đường nét liền mầu đỏ là phương trình 1.48. Đường nét đứt mầu xanh lục là phương trình vi Chuyên đề thông tin quang Danh mục hình vẽ 1.50. Đường nét chấm mầu xanh lục là phương trình 1.51 và đường nét gạch chấm mầu hồng là phương trình 1.52, βK=5 với các giá trị L= 0,1cm, neff=1,447, δn=0,0002 18 Hình 1.10: Sự phân bố phổ phản xạ của 4 AFBG với đặc tính Gauss phương trình 1.48 (nét liền mầu đỏ). Đặc tính Raised – cosine phương trình 1.50 (nét đứt mầu xanh lục). Đặc tính Sinc phương trình 1.51 ( nét chấm mầu xanh lục). Đặc tính Kaiser phương trình 1.52 (nét gạch chấm mầu hồng), βK=5 với các giá trị L= 0,1cm, neff=1,447, , λD=1550(nm) δn=0,0002 19 CHƯƠNG 2: CÁC ỨNG DỤNG CỦA FBG 20 2. 1 Ứng dụng của cách tử Bragg quang trong bù tán sắc 20 2. 1. 1 Giới thiệu 20 2. 1. 2 Hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang 20 Hình 2.1 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong quang sợi đơn mode thông thường 21 Hình 2.2 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 22 2. 1. 3 Bù tán sắc bằng quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính 22 Hình 2.3 Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi 23 Hình 2. 4. Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bagg chu kỳ thay đổi tuyến tính 23 1. 2 Ứng dụng của FBG trong bộ tách ghép kênh (xen-rẽ) OADM 24 1. 2. 1 Tổng quan về WDM 24 Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống WDM đơn hướng thông tin 2 chiều 24 Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống WDM đơn hướng thông tin 2 chiều 25 2.2.2. Kĩ thuật tách ghép kênh quang 25 Hình 2. 7: Mô hình cơ bản của OADM 26 2. 2. 3 Các cấu hình OADM 26 2. 2. 3. 1 OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB 26 Hình 2. 8 : Mô hình OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB 27 2. 2. 3. 2 OADM dựa trên FBG và cấu hình giao thoa March-Zehnder 27 Hình 2. 9: OADM dựa trên cấu hình giao thoa Mach-Zehnder 28 2. 2. 3. 3 Cấu hình OADM sử dụng FBG và Circulator 28 Hình 2. 10: OADM dựa trên FBG và Circulator 29 2. 2. 3. 4 OADM dựa trên cách tử đặt giữa Coupler 29 Hình 2. 11: Cấu hình OADM dạng cách tử nằm giữa Coupler 30 vii Chuyên đề thông tin quang Danh mục hình vẽ 2. 2. 3. 5 Các tham số của các cấu hình OADM 30 Hình 2. 12: Mô hình cách ly kênh ở OADM 30 Hình 2. 13: Suy hao xen trong OADM 31 Hình 2. 14: Mô hình và tham số của phản xạ ngược trong OADM 32 2. 3 Ứng dụng của FBG trong cân bằng khuyếch đại của thiết bị KĐ quang sợi EDFA 32 2. 3. 1 Tổng quan về EDFA 32 2. 3. 1. 1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA: 32 Hình 2.15 Qúa trình khuếch đại tín hiệu xẩy ra trong EDFA với hai bước sóng bơm 980nm và 1480 nm 33 Hình 2.16: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA 34 2. 3. 1. 2 Tăng độ cân bằng cho khuyếch đại EDFA 34 Hình 2. 17: Cấu hình bộ lọc đặt ngoài EDFA 35 Hình 2. 18: Cấu hình bộ lọc đặt giữa EDFA 35 2. 3. 2 Ứng dụng của FBG trong bộ cân bằng khuyếch đại EDFA 35 Hình 2. 19: EDFA không sử dụng và có sử dụng FBG 35 2. 4 Một số ứng dụng khác của FBG 38 2. 4. 1 Ứng dụng trong cảm biến 38 Hình 2. 20 Mô hình hệ thống cảm biến sử dụng FBG và nguyên lý hoạt động 39 2. 4. 2 Ứng dụng trong công nghệ Laser 39 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 viii Chuyên đề thông tin quang Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Tiếng Anh Tiếng Việt A ADM Add / Drop Multiplexing Bộ tách ghép (xen,rẽ) kênh AFBG Apodization Fibre Bragg Grating Cách tử điều biến chiết suất ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát được khuếch đại AWG Arrayed Waveguide Gratings Cách tử ống dẫn sóng C CFBG Chirped Fibre Bragg Grating Bragg sợi quang chu kì biến đổi D DWDM Dense Wavelength Division Multiplex Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DEMUX Demultiplexing Bộ tách kênh E EDF Erbium Doped Fiber Sợi quang pha Erbium EDFA Erbium Doped Fibre Amplifier Bộ khuyếch đại quang sợi pha tạp Er F I I-TUT International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector Tiêu chuẩn hóa viễn thông quốc tế FBG Fibre Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất M MUX Multiplexing Bộ ghép kênh L LCFBG Linear Chirped Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kỳ thay đổi tuyến tính O OADM Optical Add / Drop Mutiplexing Bộ tách ghép kênh quang OCDMA Optical Code Divission Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo mã trên sợi quang OFA Optical Fibre Amplifier Bộ khuyếch đại quang sợi OTDM Optical Time Division Multiplex Ghép kênh quang phân chia theo thời gian R REG Regenerator Trạm lặp RZ Return to Zero Trở về không T TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gian U viii Chuyên đề thông tin quang Thuật ngữ viết tắt UFBG Uniform Chirped Fibre Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kì đều UV Ultra Violet Tia cực tím W WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo bước sóng WGR Wavelength Gratings Router Bộ định tuyến cách tử bước sóng ix [...]... Mô hình cách tử Bragg quang được đưa ra và chứng minh các tính chất của nó lần đầu tiên vào năm 1978 bởi Hilletal Và kể từ đó đến nay, Bragg cách tử FBG đã và đang trở nên rất phổ biến với tư cách là một thiết bị quang đơn giản, linh hoạt và có vô số các ứng dụng trong các thiết bị và hệ thống quang Với sự phát triển của mình, FBG có liên quan trực tiếp và chặt chẽ với sự phát triển của sợi quang, nó... 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 19 Chuyên đề thông tin quang Chương II: Các ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang CHƯƠNG 2: CÁC ỨNG DỤNG CỦA FBG 2 1 Ứng dụng của cách tử Bragg quang trong bù tán sắc 2 1 1 Giới thiệu Tán sắc trong quang sợi đơn mode là một trong những hiện... giữa bên phát và bên thu 2 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 Λ0 là chu kỳ ở điểm bắt đầu của đoạn cách tử, Λ 1 là sự thay đổi tuyến tính dọc theo chiều dài của đoạn cách tử Tại vị... 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 23 Chuyên đề thông tin quang Chương II: Các ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang 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 0,2nm 1 2 Ứng dụng của FBG... Nhóm 10 đã chọn đề tài Cách tử Bragg sợi quang và ứng dụng làm nội dung nghiên cứu trong chuyên đề của mình Nội dung Chuyên đề gồm 2 chương: Chương 1: Đặc điểm cấu trúc và tính chất của FBG – Chương này cung cấp cái nhìn tổng thể về cấu tạo nguyên lý và các đặc tính của các loại FBG điển hình Chương 2: Các ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang – trình bầy về các ứng dụng phổ biến và tích cực nhất của... phản xạ -L/2 S(+L/2) Chiều dài cách tử L 0 +L/2 Phía phải: S(+L/2) = 0 Hình 1 4 : Điều kiện đầu và sự tính toán đáp ứng của cách tử đối với ánh sáng tới 1 6 Cấu trúc và tính chất của các dạng cách tử 1 6 1 Cách tử Bragg đều (Uniform FBG) 1 6 1 1 Cấu trúc 9 Chuyên đề thông tin quang Chương I: Đặc điểm cấu trúc tính chất của FGB Cách tử Bragg quang chu kì đều UFBG là dạng cách tử đơn giản nhất trong họ các... 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... sóng bị phản xạ ở cuối đoạn cách tử (thành phần ngắn nhất) 22 Chuyên đề thông tin quang Chương II: Các ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang Chiều giảm của chu kỳ cách tử Nguồn băng rộng λtới Vỏ λ truyền λB phản xạ Bước sóng dài λ1 λ1> λ2 Lõi λ2 Bước sóng ngắn Hình 2.3 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... có cách tử Bragg CFBG, dạng cách tử này được mô tả trong hình 1 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 1 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 dài được phản xạ khi nó đi vào... 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) 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 . đầu và sự tính toán đáp ứng của cách tử đối với ánh sáng tới 9 1. 6 Cấu trúc và tính chất của các dạng cách tử 9 1. 6. 1 Cách tử Bragg đều (Uniform FBG) 9 1. 6. 1. 1 Cấu trúc 9 Hình 1. 5: Cách tử. nguyên lý và các đặc tính của các loại FBG điển hình. Chương 2: Các ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang – trình bầy về các ứng dụng phổ biến và tích cực nhất của FBG trong hệ thống thông tin quang. quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính 22 Hình 2.3 Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi 23 Hình 2. 4. Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử