Cách tử Bragg sợi quang

Mục lục

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................................................................. 1

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .............................................................................................................................................. 1

LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................................................................ 3

CHƯƠNG 1 ..................................................................................................................................................................... 5

GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................................................................................... 5

1. 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁCH TỬ BRAGG QUANG ....................................................................................................... 5

1. 2. SƠ LƯỢC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO FBG .......................................................................................................................... 6

1.3. SƠ LƯỢC VỀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA FBG ........................................................................................................................ 9

CHƯƠNG 2 ................................................................................................................................................................... 11

CHẾ TẠO FBG ............................................................................................................................................................. 11

2.1 ĐỘ NHẠY TRONG SỢI QUANG ..................................................................................................................................... 11

2. 1. 1 Mô hình trung tâm màu .............................................................................................................................. 11

2. 1. 2 Mô hình thay đổi mật độ ............................................................................................................................ 12

2. 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TĂNG ĐỘ NHẠY ............................................................................................................................ 13

2. 2. 1 Xử lí bằng Hydro ....................................................................................................................................... 13

2. 2. 2. Xử lí bằng nhiệt ........................................................................................................................................ 13

2. 2. 3 Xử lí bằng cơ học ....................................................................................................................................... 14

2. 3 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO CÁCH TỬ ................................................................................................................... 16

2. 3. 1 Chiếu xạ tia cực tím điểm-điểm ................................................................................................................. 16

2. 3. 2 Chiếu xạ bằng xung laser CO2 .................................................................................................................. 17

2. 3. 3 Phương pháp dãy vi thấu kính ................................................................................................................... 18

2. 3. 4 Phương pháp cấy ion ................................................................................................................................. 19

2. 3. 5 Phương pháp mặt nạ biên độ tia UV .......................................................................................................... 19

2. 4 TÓM TẮT ............................................................................................................................................................... 20

CHƯƠNG 3 ................................................................................................................................................................... 21

ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA FBG ............................................................................................. 21

3. 1 GIỚI THIỆU ............................................................................................................................................................ 21

3. 2 ĐIỀU KIỆN KẾT HỢP PHA ........................................................................................................................................... 24

3. 3 CÁC PHƯƠNG TRÌNH GHÉP MODE ................................................................................................................................ 25

3. 4 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH HOÁ FBG ................................................................................................................................ 27

3. 5 CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA CÁC DẠNG CÁCH TỬ ...................................................................................................... 30

3. 5. 1 Cách tử Bragg đều (Uniform FBG) ........................................................................................................... 30

3. 5. 1. 1 Cấu trúc .................................................................................................................................................................... 30

3. 5. 1. 2 Mô tả toán học .......................................................................................................................................................... 31

3. 5. 1. 3 Thời gian trễ và tán sắc ............................................................................................................................................ 34

3. 5. 2 Cách tử Bragg quang chu kì thay đổi ........................................................................................................ 35

3. 5. 2. 1 Cấu trúc .................................................................................................................................................................... 35

3. 5. 2. 2 Mô tả toán học của CFBG ........................................................................................................................................ 36

3. 5. 3 Cách tử điều biến chiết suất ...................................................................................................................... 39

3. 5. 3. 1 Nguyên lý ................................................................................................................................................................ 39

3. 5. 3. 2 Mô tả toán học của AFBG ....................................................................................................................................... 40

CHƯƠNG 4 ................................................................................................................................................................... 43

CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÁCH TỬ BRAGG SỢI QUANG ..................................................................................... 43

4. 1 ỨNG DỤNG CỦA CÁCH TỬ BRAGG QUANG TRONG BÙ TÁN SẮC ....................................................................................... 43

4. 1. 1 Giới thiệu ................................................................................................................................................... 43

4. 1. 2 Hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang .................................................................................................... 43

4. 1. 3 Bù tán sắc bằng quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính ........................................................ 45

Hoàng Trường Giang Lớp D2001 - VT 1

Mục lục

4. 2 ỨNG DỤNG CỦA FBG TRONG BỘ TÁCH GHÉP KÊNH OADM ......................................................................................... 48

4. 2. 1 Tổng quan về WDM ................................................................................................................................... 48

4.2.2. Kĩ thuật tách ghép kênh quang .................................................................................................................... 50

4. 2. 3 Các cấu hình OADM ................................................................................................................................. 51

4. 2. 3. 1 OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB .................................................................................................................... 51

4. 2. 3. 2 OADM dựa trên FBG và cấu hình giao thoa March-Zehnder ................................................................................ 53

4. 2. 3. 3 Cấu hình OADM sử dụng FBG và Circulator ......................................................................................................... 54

4. 2. 3. 4 OADM dựa trên cách tử đặt giữa Coupler ............................................................................................................... 55

4. 2. 3. 5 Các tham số của các cấu hình OADM ..................................................................................................................... 56

4. 3 ỨNG DỤNG CỦA FBG TRONG CÂN BẰNG KHUYẾCH ĐẠI CỦA THIẾT BỊ KHUYẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA .............................. 58

4. 3. 1 Tổng quan về EDFA ................................................................................................................................... 58

4. 3. 1. 1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA: ........................................................................................................... 58

4. 3. 1. 2 Tăng độ cân bằng cho khuyếch đại EDFA .............................................................................................................. 59

4. 3. 2 Ứng dụng của FBG trong bộ cân bằng khuyếch đại EDFA ....................................................................... 62

4. 4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHÁC CỦA FBG ......................................................................................................................... 68

4. 4. 1 ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN ................................................................................................................................ 68

4. 4. 2 Ứng dụng trong công nghệ Laser .............................................................................................................. 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................................................ 72

Hoàng Trường Giang Lớp D2001 - VT 2

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2. 1. Cơ chế độ nhạy trong mô hình trung tâm màu ................................................................................................. 12

Hình 2. 2. Phản ứng phá vỡ cấu trúc Si-O-Ge do nhiệt ..................................................................................................... 13

Hình 2. 3. Chỉ số chiết suất khúc xạ thay đổi theo sức căng ............................................................................................. 15

Hình 2.4: Xử lý bằng tia cận cực tím ................................................................................................................................ 15

Hình 2. 5. Sơ đồ phương pháp chế tạo điểm - điểm .......................................................................................................... 17

Hình 2. 6. Cấu trúc dãy vi thấu kính .................................................................................................................................. 18

Hình 2. 7. Sơ đồ bố trí mặt nạ và sợi trong phương pháp cấy ion .................................................................................... 19

Hình 2.8: Phương pháp mặt nạ biên độ sử dụng tia UV ................................................................................................... 20

Hình 3. 1 Cấu tạo và chiết suất của FBG .......................................................................................................................... 21

Hình 3. 2: Mô tả đặc tính của FBG ................................................................................................................................... 23

Hình 3. 3: Phổ phản xạ của cách tử Bragg dạng cách tử đều, độ dài cách tử 1cm, λB=1550 nm, Λ=0. 8 nm ................. 23

Hình 3. 5: Cách tử Bragg chu kì đều UFBG ..................................................................................................................... 31

Hình 3. 6: Sơ đồ nguyên lý của ma trận truyền đạt dành cho UFBG và non - UFBG ...................................................... 33

Hình 3. 7:Mô hình cách tử Bragg chu kì thay đổi CFBG .................................................................................................. 35

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) ............................................................................ 39

Hình 3.9: Đồ thị điều biến chiết suất sợi quang AFBG .................................................................................................... 41

Hình 3.10: Phổ phản xạ của AFBG với L=10 mm ,neff =1.447, λD =1550 nm .............................................................. 42

Hình 4.1 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong quang sợi đơn mode thông thường ................................. 44

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 .......... 45

Hình 4.3 Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi ................................................................... 46

Hình 4. 4. Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bagg chu kỳ thay đổi tuyến tính ................................... 47

Hình 4. 5: Hệ thống ghép bước sóng một hướng .............................................................................................................. 49

Hình 4. 6: Hệ thống ghép bước sóng hai hướng ................................................................................................................ 49

Hình 4. 7: Mô hình cơ bản của OADM ............................................................................................................................. 50

Hình 4. 8 : Mô hình OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB ............................................................................................. 52

Hình 4. 9: OADM dựa trên cấu hình giao thoa Mach-Zehnder ........................................................................................ 53

Hình 4. 10: OADM dựa trên FBG và Circulator ............................................................................................................... 54

Hình 4. 11: Cấu hình OADM dạng cách tử nằm giữa Coupler ......................................................................................... 55

Hình 4. 12: Mô hình cách ly kênh ở OADM .................................................................................................................... 56

Hình 4. 13: Suy hao xen trong OADM .............................................................................................................................. 57

Hình 4. 14: Mô hình và tham số của phản xạ ngược trong OADM .................................................................................. 58

Hình 4. 15: mô hình mức năng lượng của sợi quang pha tạp Erbium ............................................................................... 58

Hình 4. 16: Cấu trúc modul EDFA thực tế ........................................................................................................................ 59

Hình 4. 17: Cấu hình bộ lọc đặt ngoài EDFA ................................................................................................................ 61

Hình 4. 18: Cấu hình bộ lọc đặt giữa EDFA ..................................................................................................................... 61

Hình 4. 19: EDFA không sử dụng và có sử dụng FBG ..................................................................................................... 62

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 ............................................................................................................................................................................. 65

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 ...................................................................................................................................................... 67

Hình 4. 22 Mô hình hệ thống cảm biến sử dụng FBG và nguyên lý hoạt động ................................................................ 69

Hoàng Trường Giang Lớp D2001 - VT 1

Danh mục hình vẽ

Hoàng Trường Giang Lớp D2001 - VT 2

Thuật ngữ viết tắt

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ADM Add / Drop Multiplexing Bộ tách ghép kênh

AFBG Apodisation Fibre Bragg

Grating

Cách tử điều biến chiết suất

AWG Array Waveguide Gratings Dãy cách tử dẫn sóng

BFBG Blazed Fibre Bragg Grating Cách tử chiếu xạ Bragg

CFBG Chirped Fibre Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kì

biến đổi

DWDM Dense Wavelength Division

Multiplex

Ghép kênh mật độ cao phân chia

theo bước sóng

EDFA Erbium Doped Fibre

Amplifier

Bộ khuyếch đại quang sợi pha

tạp Erbium

FBG Fibre Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang

GODC Germanium Oxygen

Deficient Center

Lõi sợi không có liên kết Si - Ge

GPW Gate Planar Waveguide Cổng dẫn sóng Planar

LCFBG Linear Chirped Fibre Bragg

Grating

Cách tử Bragg sợi quang chu kì

biến đổi tuyến tính

LPG Long Period Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kì

lớn

MUX Multiplexing Bộ ghép kênh

OADM Optical Add / Drop

Mutiplexing

Bộ tách ghép kênh quang

OFA Optical Fibre Amplifier Bộ khuyếch đại quang sợi

PDL Polarisation Depent Loss Phân cực phụ thuộc suy hao

UFBG Uniform Chirped Fibre

Bragg Grating

Cách tử Bragg sợi quang chu kì

đều

Thuật ngữ viết tắt

UV Ultra Violet Tia cực tím

WDM Wavelength Division

Multiplex

Ghép kênh phân chia theo bước

sóng

WGR Waveguide Gratings Router Bộ định tuyến cách tử

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Cuộc cách mạng khoa học và kĩ thuật đã và đang diễn ra một cách mạnh mẽ

trên toàn cầu. Cuộc cách mạng này đã đưa nhân loại tiến sang một kỉ nguyên mới ,

kỉ nguyên của nền văn minh dựa trên cơ sở nền công nghiệp trí tuệ. Khoa học kĩ

thuật đã góp phần thúc đẩy kinh tế phát triển và tiến sang một giai đoạn mới đó là

nền kinh tế tri thức. Trong đó viễn thông là ngành công nghiệp của tương lai và

đóng vai trò vô cùng quan trọng trong mọi mặt của đời sống xã hội.

Mạng truyền dẫn quang ra đời đã đáp ứng được các nhu cầu của người sử dụng

dịch vụ viễn thông về băng thông lớn , chất lượng tín hiệu đảm bảo. Điều này dẫn

đến sự phát triển tất yếu của mạng truyền dẫn quang. Nó nhanh chóng phát triển trở

thành mạng đường trục tốc độ lớn với nhiều công nghệ mới ra đời phục vụ cho

mạng như WDM hay EDFA ….

Cùng với sự phát triển của mạng truyền dẫn quang thì các công nghệ chế tạo

thiết bị quang cũng ngày càng phát triển. Các thiết bị mới ra đời nhằm tăng tốc độ

và chất lượng truyền dẫn cho mạng cũng như khắc phục các nhược điểm cố hữu

của mạng quang như là tán sắc , suy hao , khuyếch đại công suất …

Kể từ khi ra đời vào năm 1978 , cách tử Bragg sợi quang đã có những bước phát

triển vô cùng mạnh mẽ và hiện nay đã trở nên phổ biến. Nó không chỉ được sử

dụng cho các ứng dụng trong mạng truyền dẫn quang mà còn được sử dụng cho các

ứng dụng khác như laser và cảm biến quang. Với các ưu điểm của mình như sự đa

dạng trong ứng dụng , độ ổn định cao và giá thành hạ, cách tử Bragg sợi quang đã

và sẽ phát triển hơn nữa trong thời gian tới.

Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Trần Đức Nhân cũng như sự giúp đỡ của

các thầy cô trong bộ môn thông tin quang của Học Viện , em đã tiến hành nghiên

cứu về nguyên lý và các ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang. Đến nay em đã

hoàn thành bản đồ án với đề tài “Cách tử Bragg sợi ”. Bản đồ án có 4 chương:

Chương I : Giới thiệu chung - giới thiệu về lịch sử và công nghệ chế tạo cũng

như ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang.

Chương II : Các công nghệ chế tạo cách tử Bragg sợi quang - chương này

tiến hành tìm hiểu về các công nghệ chế tạo và đặc điểm của từng loại công nghệ

đó.

Chương III : Tính chất và đặc điểm của cách tử Bragg sợi quang - chương

này chi tiết cách tử Bragg sợi quang về đặc điểm cấu tạo và các mô tả toán học của

các tính chất của các dạng cách tử.

Chương IV : Ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang - chương này mô tả về

các ứng dụng nổi bật của cách tử trong các hệ thống hiện nay.