Các phần tử quang thụ động

CHƯƠNG 2 CÁC PHẦN TỬ QUANG THỤ ĐỘNG 2.1 Cơ sở vật lý chung cho các phần tử thụ động Phần tử thụ động chỉ đơn thuần biến đổi các tín hiệu trong miền quang mà không có sụ chuyển đổi sang miền điện. Do vậy cơ sở vật lý chung cho các phần tử thụ động là vật lý quang hình. 2.1.1 Bản chất của ánh sáng Ánh sáng là một khái niệm vật lý có đặc điểm lưỡng tính : tính chất hạt và tính chất sóng. Nếu coi ánh sáng là một chùm các hạt rất nhỏ bé được phát ra từ một nguồn sáng thì quan điểm này chỉ mô tả được các hiệu ứng về quang học trong một phạm vi riêng như phản xạ và khúc xạ ánh sáng, còn các hiện tượng nhiễu xạ hay giao thoa lại không giải thích được. Do đó ánh sáng còn mang tính chất sóng điện từ. 2.1.1.1 Tính chất hạt Những thí nghiệm và hiệu ứng quang điện trong đó các điện tử bị bật ra khỏi nguyên tử dưới tác dụng của ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt, vì chỉ có hạt mới có thể gây nên các “va chạm” dẫn đến hiện tượng iôn hóa làm bật các điện tử. Mặt khác thực nghiệm cũng cho thấy rằng khi tương tác với trường điện từ thì chỉ các hạt mới có bức xạ gián đoạn. Trên cơ sở kết quả này, Plank kết luận rằng bức xạ điện từ gồm các hạt bé nhất gọi là lượng tử ánh sáng hay còn gọi là photon. Vậy photon đến nay được coi là hạt bé nhất của ánh sáng mang một năng lượng xác định. Mối quan hệ giữa năng lượng E của photon và tần số f của ánh sáng là : E= hf (2-1) Trong đó h = 6,625 x 10-34 J.s là hằng số Plank. Các kết quả thực nghiệm đã chứng minh rằng có sự tồn tại của các photon và năng lượng của chúng chỉ phụ thuộc vào một tần số xác định. Khi ánh sáng va chạm với nguyên tử, thì photon có thể chuyển năng lượng của nó cho một điện tử ở trong nguyên tử này và kích thích điện tử lên một mức năng lượng cao hơn. Năng lượng mà điện tử hấp thụ bằng đúng năng lượng mà nó đòi hỏi để kích thích điện tử tới mức năng lượng cao hơn. Ngược lại, điện tử ở trong trạng thái kích thích có thể quay trở về trạng thái thấp hơn và phát ra photon. 2.1.1.2 Tính chất sóng Các kết qủa thực nghiệm về giao thoa và nhiễu xạ của ánh sáng đã chứng tỏ rằng ánh sáng có tính chất sóng. Năm 1864, Maxwell đã chứng minh bằng lý thuyết rằng bản chất của ánh sáng là sóng điện từ. Sau đó, Einstein đã đưa ra giả thiết rằng photon ngoài năng lượng E còn có cả xung lượng p được biểu thị như sau : (2-2) Trong đó : k là độ lớn của vectơ sóng λ là bước sóng của ánh sáng. Hơn nữa khi quan sát các hiệu ứng phân cực, người ta nhận thấy sự chuyển động của sóng luôn vuông góc với hướng mà sóng đi, điều đó chỉ ra rằng sóng ánh sáng là sóng ngang. Theo quan điểm sóng quang thì sóng điện từ được phát ra từ một nguồn điểm lý tưởng có thể được đặc trưng bởi một loạt các mặt sóng hình cầu mà nguồn đặt ở trung tâm các mặt cầu này. Mặt sóng được xác định bởi qũy tích tất cả các điểm ở trong loạt sóng cùng pha. Tuy nhiên xét tới sự tác động lẫn nhau của ánh sáng vào vật chất cũng như các hiện tượng tán sắc, sự hấp thụ và sự bức xạ ánh sáng thì cả lý thuyết hạt và lý thuyết sóng của ánh sáng đều có trọng lượng và có tính thuyết phục. Như vậy một quan điểm thống nhất cần được chấp nhận là ánh sáng có cả tính chất sóng và tính chất hạt (photon). Photon có khối lượng nghỉ bằng 0, có năng lượng điện từ và xung lượng, nó cũng mang động năng góc thuần (hoặc spin), đại lượng này khống chế tính chất phân cực của nó. Về mặt toán học, hai biểu thức 2-1 và 2-2 phản ánh lưỡng tính chất hạt – sóng của ánh sáng, vì các đại lượng năng lượng E và xung lượng p phản ánh tính chất hạt còn các đại lượng λ và k bên vế trái hai biểu thức biểu thị tính chất sóng của ánh sáng. Sự thống nhất hai mặt của tính chất lưỡng tính có thể mô tả bằng toán học (tuy nhiên về mặt vật lý cũng chưa được giải thích một cách tường minh). 2.1.2 Một số đặc trưng của ánh sáng Trong môi trường chân không hoặc môi trường vật chất đồng nhất, đẳng hướng không có tán sắc thì ánh sáng (ánh sáng đơn sắc và không đơn sắc) luôn truyền thẳng với vận tốc không đổi. Vận tốc của ánh sáng là c=fλ với f là tần số ánh sáng và λ là bước sóng. Trong không gian tự do thì tốc độ ánh sáng là : c @ 3.108 m/s. Khi xét ánh sáng ở khía cạnh hạt thì có thể coi các hạt photon truyền thẳng với tốc độ không đổi, còn khi xét ở khía cạnh sóng của ánh sáng thì các sóng này truyền đi ở dạng sóng phẳng theo một phương thẳng nào đó, ở đó các vectơ điện trường E và từ trường H luôn vuông góc với phương truyền sóng. Khi ánh sáng truyền trong môi trường vật chất trong suốt khác thì vận tốc ánh sáng sẽ là v có thể nhỏ hơn tốc độ c tùy thuộc vào chỉ số chiết suất n của vật liệu. Giá trị tốc độ ánh sáng lúc này sẽ giảm đi theo biểu thức v = c/n . Giá trị chiết suất n của không khí là 1,00; của nước là 1,33; của thuỷ tinh là 1,50 và ở kim cương là 2,42. Tốc độ ánh sáng trong các vật liệu này sẽ giảm đi n lần so với tốc độ truyền ánh sáng trong chân không. 2.1.2.1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng Hiện tượng khúc xạ và phản xạ ánh sáng được xem xét trong trường hợp có hai môi trường khác nhau về chỉ số chiết suất. Khi ánh sáng đi từ một môi trường trong suốt này đến một môi trường trong suốt khác thì ánh sáng sẽ thay đổi hướng truyền của chúng tại ranh giới phân cách giữa hai môi trường. Như vậy có hai khả năng xảy ra : Ánh sáng bị đổi hướng quay ngược trở lại Ánh sáng được phát tiếp vào môi trường trong suốt thứ 2. Các tia sáng khi qua vùng ranh giới giữa hai môi trường bị thay đổi hướng nhưng có thể tiếp tục đi vào môi trường chiết suất mới thì ta nói tia đó bị khúc xạ. Còn các tia sáng khi qua ranh giới này lại quay ngược trở lại môi trường ban đầu thì ta nói tia đó bị phản xạ. Hình 2.1 mô tả quá trình khúc xạ và phản xạ ánh sáng qua hai môi trường trong suốt với chiết suất môi trường thứ nhất n1 lớn hơn chiết suất môi trường thứ hai n2. Tia khúc xạ Tia tới Tia phản xạ Hình 2.1 Sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng của với góc tới khác nhau. fr qr qi n2 n1 qi qi=qc a) b) c) Trong đó : qi là góc tới – góc hợp giữa pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường với tia tới. fr là góc khúc xạ - góc tạo bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường với tia khúc xạ. Ở hình 2.1, chiết suất n1 > n2 cho nên góc tới qi nhỏ hơn góc khúc xạ fr (hình 2.1a). Khi góc tới lớn dần tới một giá trị góc tới qc tạo ra tia khúc xạ nằm song song với ranh giới phân cách hai môi trường, lúc ấy qc được gọi là góc tới hạn (như hình 2.1b). 2.1.2.2 Định luật Snell Định luật Snell phát biểu : “ Tỷ lệ giữa sin góc tới và khúc xạ sẽ luôn là một hằng số. Tia khúc xạ luôn nằm trong cùng mặt phẳng với tia tới và sin góc khúc xạ (fr) phụ thuộc vào sin góc tới (θi) như sau : = a (hằng số). (2-3) Trong đó : n1, n2 là chiết suất của hai môi trường vật liệu mà ánh sáng đi qua. Khi một tia sáng tới có giá trị góc lớn hơn góc tới hạn thì ánh sáng bị phản xạ hoàn toàn lại môi trường đầu tại mặt phẳng phân cách hai môi trường. Lúc này ta gọi đó là hiện tượng phản xạ toàn phần (Total Internal Reflection). Hình 2.1c minh họa quá trình phản xạ toàn phần - TIR. Như vậy có thể nêu ra điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là : Các tia sáng phải đi từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn hơn sang môi trường có chỉ số chiết suất nhỏ hơn. Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn θc =arcsin (n2 /n1). Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng ở trên là nguyên lý cơ bản áp dụng cho việc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi dẫn quang sử dụng trong thông tin quang. Trong sợi dẫn quang, các tín hiệu ánh sáng kết hợp được lan truyền dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần, điều này có thể giải thích như sau: Xét ánh sáng truyền qua các môi trường với đường biên song song (ống thủy tinh). Các môi trường này có chiết suất như sau : chiết suất môi trường đầu tiên và môi trường cuối cùng bằng nhau (cùng là không khí - n1), nhưng khác với môi trường trung gian (là thủy tinh - n2 >n1). - Khi ánh sáng tới môi trường đầu tiên với một góc tới thích hợp (giả sử q1 q1 (vì n2> n1). f1 f2 q2 q1 Thủy tinh n2 Không khí n1 Không khí n1 Hình 2.2 Đường đi của ánh sáng qua khối thủy tinh - Khi nguồn sáng đặt trong môi trường thủy tinh thì có một số tia sáng dời khỏi nguồn tới biên giới phân cách giữa thủy tinh và không khí. Nếu góc tới của tia nhỏ hơn góc tới hạn θc thì nó sẽ bị khúc xạ và đi ra khỏi môi trường thủy tinh. Ngược lại góc tới lơn hơn góc tới hạn thì sẽ có sự phản xạ toàn phần trong môi trường thủy tinh (như hình 2.3). Hơn nữa, các mặt của khối thủy tinh song song với nhau nên các tia sáng tới bề mặt sẽ phản xạ bên trong ống với cùng một góc bằng góc tới. Các tia phản xạ sẽ phản xạ liên tiếp trong thành ống cho đến khi đạt tới điểm cuối của ống. Ta có sụ truyền dẫn ánh sáng trong ống thủy tinh. Tia sáng qi Tia phản xạ n1 n2 n1 Hình 2.3 Tia sáng đi trong ống thủy tinh . 2.1.2.3 Nguyên lý phản xạ Bragg Phản xạ Bragg là ở trên mặt tiếp giáp của hai loại phương tiện có phản xạ mang tính chu kỳ, khi được chiếu quang sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ này gọi là phản xạ Bragg. Bản thân mặt giao nhau có hình dạng khác nhau : hình sin hoặc không sin (như hình vuông góc, hình tam giác …). A a A a B B q q 1 2 1’ 1” Hình 2.4 Nguyên lý phản xạ Bragg Trong hình ta thấy : A + B = mλu Với m là số nguyên chẵn A là chu kỳ rãnh cách tử λu =λ/là bước sóng trong chất môi giới λ là bước sóng quang trong không khí là hệ số khúc xạ tương đương Áp dụng thêm các công thức phản xạ và khúc xạ ta có : A(1+sinq) = m Công thức này gọi là điều kiện phản xạ Bragg. Ý nghĩa vật lý của công thức là : Đối với A và θ nhất định, khi có một λu tương ứng thì sóng quang có bước sóng λu sẽ can thiệp cùng với sóng quang phản xạ. Dựa vào nguyên lý phản xạ này mà ta có thể tạo ra nhiều phần tử quang điện hoạt động hiệu quả. 2.1.3 Hệ phương trình Maxwell 2.1.3.1 Phương trình sóng trong điện môi Trong môi trường truyền dẫn không dẫn điện, đẳng hướng, và tuyến tính thì hệ phương trình Maxwell có dạng như sau : (2-4) Trong đó : là vectơ trường điện và trường từ. là vectơ mật độ thông lượng. Quan hệ giữa các vectơ trường và vectơ mật độ thông lượng là : (2-5) Trong đó : ε là hằng số điện môi trong chân không μ là hằng số từ thẩm trong chân không vectơ phân cực cảm ứng điện vectơ phân cực cảm ứng từ. (Đối với sợi thủy tinh làm từ vật liệu SiO2 thì =0 vì chúng không có các chất nhiễm từ). Trong khi đó ta có biểu thức mối quan hệ giữa vectơ phân cực cảm ứng điện và vectơ điện trường như sau : (2-6) Trong đó : c là độ cảm ứng, đặc trưng cho môi trường. Từ các phương trình Maxwell (2-4) ta có : (2-7) Trong đó là tốc độ ánh sáng trong chân không. Khai triển Fourier điện trường trong miền tần số (2-8) Thay vào ta có: (2-9) Với là vectơ điện trường trong miền tần số. Hằng số điện môi phụ thuộc vào ω, môi trường và độ cảm như sau : (2-10) Vì là một số phức với thành phần thực liên quan đến chiết suất môi trường n và hệ số suy hao α theo phương trình : (2-11) Tương đương ta có : và Sử dụng hệ thức : (với là toán tử Laplace) Như vậy phương trình truyền sóng trong môi trường chiết suất n là : (2-12) Với gọi là số sóng trong chân không. Tương tự ta có : (2-13) Đây là các phương trình sóng chuẩn. Giải các phương trình sóng này ta thu được các mode truyền sóng trong sợi quang. 2.1.3.2 Phân cực ánh sáng Từ trước đến nay, khi giải các phương trình Maxwell ta mới chỉ xét sóng ánh sáng là sóng phẳng có vectơ điện trường và từ trường vuông góc với phương truyền sóng của ánh sáng. Định hướng chính xác của điện trường xác định sự phân cực của sóng ánh sáng. Đối với rất nhiều linh kiện quang điện tử sự phân cực ánh sáng là rất quan trọng vì sự hoạt động của các linh kiện này phụ thuộc đặc biệt vào sự điều khiển và trạng thái phân cực của ánh sáng. Sau đây ta có xét một số điều kiện và đặc điểm của ánh sáng khi phân cực ở những trạng thái khác nhau. Sự phân cực được định nghĩa thông qua điện trường. Trong mô tả bởi hàm phức, vectơ điện trường này có thể được viết dưới dạng sau : E(z,t)= Re[Aexxp(iωt-ikz)] (2-14) Trong đó A là vectơ phức trong mặt phẳng xy. Chúng ta khảo sát hai thành phần Ex và Ey như sau : Ex =[Acos(ωt- kz+δx )] và Ey =[Acos(ωt- kz+δy )] (2-15) Đại lượng A có thể biểu thị ở dạng sau : A =Axexp(iδx) +Ayexp(iδy) Trong đó : Ax và Ay là các số thực dương. φ y ' x ' x Hình 2.5 Phân cực thông thường của ánh sáng theo elip có trục x’ và y’ lệch một góc φ. y Sau khi biến đổi bằng cách sử dụng tính chất các hàm lượng giác các phương trình 2-14 và 2-15 ta có : và d = dx - dy (2-16) Phương trình này là phương trình elip và có thể kết luận sóng ánh sáng trong trường hợp thông thường là có phân cực elip. Trục của elip thông phải là trục x, y mà lệch đi một góc φ như hình 2.5. Giá trị của góc φ có thể xác định được như sau : tg (2φ)=cos δ. Và từ các giá trị khác nhau của δ ta có các phân cực khác nhau của sóng ánh sáng như hình 2.6. Như trong hình 2.6 các dạng phân cực : tuyến tính, tròn và elip đối với một số sóng truyền khác nhau. φ =π/4 φ = π/2 φ = 3π/4 φ= π φ =-3π/4 φ = -π/2 φ = -π/4 φ= 0 Hình 2.6 Các trạng thái phân cực đối với một số sóng truyền khác nhau 2.2 Sợi quang 2.2.1 Cấu trúc sợi quang Sợi quang có cấu trúc như một ống dẫn sóng hình trụ bao gồm phần lõi và lớp vỏ bao bọc xung quanh lõi, cả hai đều làm từ vật liệu trong suốt như thủy tinh hoặc chất dẻo. Lớp lõi thường có chiết suất cao hơn lớp vỏ bên ngoài, điều này cung cấp cơ chế hướng quá trình truyền lan ánh sáng vào bên trong lõi. Ngoài ra để bảo vệ sợi người ta dùng một lớp bao bọc bảo vệ bên ngoài thường làm từ vật liệu polyme (như hình 2.7). Lớp chất dẻo này nhằm ngăn chặn các tác động cơ học và để bọc sợi thành cáp. Thông thường đường kính lõi sợi quang là rất nhỏ khoảng từ 10 ÷ 50 μm, còn đường kính vỏ là 125 μm. Do vậy sợi quang có kích thước rất nhỏ. Khi đã bọc các lớp, bảo vệ thì đường kính của sợi mới đạt được từ 200 ÷ 900μm. 2.2.2 Phân loại sợi quang Sợi quang có rất nhiều loại khác nhau, tùy thuộc vào việc sử dụng và cách phân loại mà ta có các loại sợi quang khác nhau. Theo sự phân bố chiết suất trong lõi sợi người ta chia sợi quang thành sợi chiết suất nhảy bậc (Step Index) và sợi chiết suất biển đổi (Graded Index). Sợi chiết suất bậc có phân bố chiết suất trong lõi không đổi trong khi sợi chiết suất biển đổi có chiết suất lõi phân bố giảm dần từ trong ra ngoài. Người ta còn phân sợi quang thành hai loại : sợi đơn mode (Single mode) sợi đa mode (Multi mode). Sợi đa mode là sợi cho phép truyền dẫn nhiều mode trong nó, còn sợi đơn mode là sợi chỉ cho phép một mode truyền dẫn trong nó. (Với mỗi một mode là một mẫu các đường sóng trường điện và trường từ được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng). Ngoài ra sợi còn được phân theo vật liệu như sợi thủy tinh và sợi plastic. Hay các loại sợi tiên tiến hiện nay mới sản xuất như sợi duy trì phân cực và sợi dịch tán sắc. Tuy vậy trong thực tế người ta thường xét các loại sợi quang sau : Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc (MM-SI), sợi đa mode chiết suất biến đổi (MM-GI) và sợi đơn mode (SM). 2.2.2.1 Sợi đơn mode(SM) Sợi đơn mode là sợi chỉ cho phép truyền dẫn một mode trong nó nhưng khả năng về băng thông của sợi khá lớn (khoảng 40GHz). Sợi quang đơn mode phù hợp đối với hệ thống đường trục với giá thành thấp. Mặc dù giai đoạn đầu, sợi SM mới chỉ sử dụng trong vùng cửa số 1300nm, nhưng chúng cũng có thể hoạt động hiệu quả trong vùng cửa sổ 1550nm đối với các hệ thống ghép kênh theo thời gian TDM và ghép kênh theo bước sóng WDM. Cấu trúc sợi SM như hình 2.8 Sợi đơn mode có lõi rất nhỏ thường khoảng từ 8 ¸ 10 μm. Kích thước này thường nhỏ hơn so với bước sóng ánh sáng được sử dụng rất nhiều. Thường thì 20% ánh sáng được truyền vào sợi đơn mode bị khúc xạ ra ngoài vỏ. Ưu điểm của sợi đơn mode là chỉ ghép một mode nên không có tán sắc mode băng tần của sợi tăng lên. Tuy nhiên, khó ghép ánh sáng vào sợi. 2.2.2.2 Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc(MM-SI) Đặc điểm của sợi MM-SI là kích thước lớn, đường kính lõi thường là 50μm. Sợi thường dùng trong hệ thống truyền dẫn có cự ly ngắn với băng thông sợi khoảng 20MHz. Cấu trúc mặt cắt chiết suất được mô tả như trong hình 2.9. Trong sợi MM - SI, chiết suất lõi và vỏ tạo thành dạng hình bậc thang. Thông thường, sợi được chế tạo với chiết suất vỏ nho hơn 10% so với chiết suất lõi. Khẩu độ số (NA) của sợi đặc trưng cho khả năng nhận tia sáng được tính như biểu thức 2-17 : NA= n1(2Δ)1/2 (2-17) Trong đó : Δ= là độ chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và vỏ. Vì chỉ số chiết suất trong sợi MM-SI là không thay đổi dọc theo sợi nên khẩu độ số của MM-SI cũng là hằng số. Số lượng mode trong sợi đa mode phụ thuộc vào tần số chuẩn hóa V của sợi như công thức 2-18 : M=V2/2 với V= (2-18) Ưu điểm của sợi đa mode chiết suất nhảy bậc là chỉ số chiết suất của vỏ và lõi không đổi, do đó tốc độ truyền không đổi. Tuy nhiên do quãng đường truyền dẫn của các mode khác nhau nên có thể gây nên hiện tượng tán sắc mode. 2.2.2.3 Sợi đa mode chiết suất biến đổi (MM - GI) Đặc điểm kích thước của sợi cũng giống như sợi MM-SI, tuy nhiên sợi lại có chỉ số chiết suất của lõi thay đổi. Sự biến đổi của chỉ số chiết suất lõi được mô tả như trong công thức 2-19. n2(r)= (2-19) Trong đó : α là hệ số mặt cắt chiết suất n1 là chiêt suất vỏ n2 là chiết suất cực đại tại tâm sợi Ta có mặt cắt chiết suất của sợi được biểu diễn như hình 2.10. Qua hình 2.10, chiết suất lõi giảm dần từ trung tâm lõi ra đến biên giới phân cách giữa lõi và vỏ. Điều này giảm được tán sắc mode do sự chênh lệch đường đi giữa các mode, tăng độ rộng băng tần truyền dẫn. Tuy nhiên ảnh hưởng đến hiệu suất ghép ánh sáng. Vì lúc đó khẩu độ số NA cũng là hàm phụ thuộc vào hệ số mặt cắt chiết suất α. NA= ( xét với r < a ) (2-20) Số lượng mode truyền của sợi MM-GI được tính theo công thức 2-21. M= (2-21) 2.2.3 Các tham số ảnh hưởng tới truyền lan trong sợi quang Trong quá trình truyền sóng từ phía phát đến phía thu, tín hiệu có thể bị thay đổi rất nhiều. Do vậy tại phía thu tín hiệu không được như mong muốn. Sự suy giảm về chất lượng tín hiệu do rất nhiều yếu tố gây ra. Một trong những yếu tố quan trọng đó là tham số gây ảnh hưởng tới truyền dẫn trong sợi quang. Ta xét các tham số sau. 2.2.3.1 Suy hao a. Khái niệm Suy hao là thông số có liên quan đến sự thay đổi công suất quang trong qúa trình lan truyền. Tham số suy hao có thể được xác định theo định luật Beer : trong đó a là hệ số suy hao. (2-22) Biến đổi công thức 2-22 ta có công suất truyền tại khoảng cách L : P(L) = P(0)exp(-aL) hay (2-23) Trong đó : P(0) tương ứng công suất vào đầu sợi Pin P(L) tương ứng công suất ra sợi có chiều dài L (Pout) Đơn vị của a là m-1 hoặc km-1 Theo đơn vị dB thì ta có : (2-24) Trong thông tin quang có khi đơn vị công suất được tính theo đơn vị dBm nên hệ số suy hao có thể tính theo công thức : b.Nguyên nhân và các loại suy hao Suy hao trong sợi quang có nhiều nguyên nhân nhưng nguyên nhân cơ bản gây suy hao trong sợi quang là do các suy hao do hấp thụ, do tán xạ và do bị uốn cong sợi. - Suy hao do hấp thụ: Bản chất ánh sáng là các hạt photon, mà sợi quang cũng là vật rắn có cấu trúc mạng tinh thể, nên các iôn hay điện tử ở đầu nút mạng có thể hấp thụ photon khi ánh sáng truyền qua sợi quang. Sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng và bản chất của vật liệu hấp thụ như các tạp chất trong sợi hay vật liệu chế tạo sợi. Cụ thể, trong quá trình sản xuất sợi quang có rất nhiều tạp chất như các iôn kim loại (Fe,Cu, Cr…) hoặc các iôn OH-. Các iôn này gây nên các đỉnh hấp thụ tại bước sóng chính là 2,7mm và các đỉnh sóng phụ như 0,94mm; 1,24mm; 1,39mm… gây ảnh hưởng đến sóng lan truyền trong sợi. Bên cạnh đó, bản thân vật liệu chính làm nên sợi quang là thủy tinh cũng gây nên các dải hấp thụ là hấp thụ cực tím chỉ ở bước sóng λ 7mm như hình 2.13. Tuy nhiên với công nghệ hiện đại ngày nay, người ta có thể giảm thiểu được sự hấp thụ bằng cách loại trừ các tạp chất hình thành trong quá trình sản xuất (đặc biệt là iôn OH-). - Suy hao do tán xạ : Tán xạ là kết quả của những khuyết tật hay nhiễu lọan trong sợi và cấu trúc vi mô của sợi. Tán xạ suy ra từ những thay đổi về cấu trúc phân tử và nguyên tử của thủy tinh hay từ những thay đổi về mật độ và thành phần sợi. Những thay đổi này do quá trình sản xuất sợi tạo ra. Nó gây nên sự thay đổi về chiết suất dẫn đến thay đổi sự phản xạ của tia sáng tại nhũng điểm trên lõi sợi mà ta có thể gọi là các tâm tán xạ. Xét hình 2.12 sau : Góc lan truyền của tia sáng tới giao diện lõi và vỏ có những thay đổi làm thay đổi tia được khúc xạ theo đường dẫn mới và không xảy ra hiện tượng phản xạ nội toàn phần (TIR), điều này gây giảm lượng ánh sáng được lan truyền dọc theo lõi sợi. Có hai loại tán xạ chính là : Tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie, trong đó tán xạ Rayleigh rất quan trọng. Nguyên nhân của nó là do sự không đồng nhất của thủy tinh về thành phần và mật độ. Điều này gây nên sự thăng giáng về chỉ số chiết suất và dẫn đến suy giảm công suất bước sóng theo công thức sau : aR =C/λ4 với hằng số C nằm trong dải 0,7¸ 0,9 dB/km và phụ thuộc vào cấu trúc sợi. Còn tán xạ Mie là tán xạ xảy ra tại những nơi không đồng nhất, như những điểm có khuyết tật trong cấu trúc sợi hay sự không đồng đều của chỉ số chiết suất và bọt khí tạo ra trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên ta có thể coi tán xạ Mie là không đáng kể bằng cách chú trọng tới quá trình sản xuất để giảm thiểu các nguyên nhân gây tán xạ. Những suy giảm bởi sự tán xạ là một quá trình tuyến tính, bởi nó không gây ra sự dịch tần, bước sóng trước và sau tán xạ không thay đổi. Hình 2.13 Các phổ suy hao do hấp thụ và tán xạ trong sợi quang [9]. - Suy hao do uốn cong sợi: Đây là những suy hao do sự uốn cong và thay đổi về bán kính cong của sợi. Có hai loại suy hao do uốn cong là : suy hao do uốn cong cỡ nhỏ và suy hao do uốn cong cỡ lớn. Suy hao do uốn cong cỡ lớn xảy ra khi bán kính cong của sợi giảm. Ban đầu bán kính cong của sợi lớn hơn bán kính sợi. Khi sợi bị uốn cong thì góc lan truyền sẽ thay đổi dẫn đến một số tia sáng không còn đảm bảo điều kiện phản xạ toàn phần và dẫn đến giảm số lượng tia sáng truyền trong lõi sợi. Do đó khi bán kính cong giảm thì mức suy hao sẽ tăng. Bán kính cong cho phép là Rc = a/NA. Trong thực tế yêu cầu bán kính cong phải lớn hơn bán kính cong cho phép để suy hao không vượt quá 0,1dB. Suy hao do uốn cong cỡ nhỏ là do các uốn cong có bán kính cong nhỏ theo trục sợi xuất hiện do trong quá trình cài đặt, đo kiểm hay thiết lập có các lực tác động lên sợi quang làm sợi bị méo dạng và thay đổi các góc lan truyền của các tia sáng. Ánh sáng sẽ bị mất mát ra ngoài vỏ sợi. Ngoài ra nó còn gây ra quá trình ghép cặp mode. 2.2.3.2 Tán sắc a.Khái niệm Tán sắc trong thông tin quang xét về mặt thời gian là sự dãn rộng xung ánh sáng khi lan truyền trong sợi quang như hình 2.14. Hệ số tán sắc được xác định theo công thức : (ps/nm.km) trong đó ΔT = √ t²ra - t²vào (ps/nm) Tán sắc có thể được giải thích bởi ánh sáng truyền trong sợi quang có thể coi là tập hợp của nhiều thành phần ví dụ có thể coi là các thành phần trong biến đổi Fourier của nó hay tổng các mode truyền. Các thành phần này có tần số khác nhau zmode truyền dẫn với vận tốc nhóm là tốc độ mà tại đó năng lượng ở trong mode riêng biệt lan truyền dọc theo sợi. Ta có : Vận tốc nhóm : và độ trễ nhóm là : (2-25) Trong đó : β là hệ số lan truyền có giá trị β = nω/c K là hệ số sóng có giá trị K = ω/c. b. Nguyên nhân và các loại tán sắc Có bốn nguyên nhân chính gây ra tán sắc và cũng là các loại tán sắc chủ yếu đó là : Tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng, tán sắc mode và tán sắc phân cực mode. - Tán sắc mode: Nguyên nhân chính là do trong sợi có nhiều mode truyền dẫn, các mode lại có tốc độ truyền dẫn khác nhau, nên thời gian truyền dẫn trong sợi cũng khác nhau, và xảy ra hiện tượng tán sắc. Loại tán sắc này chỉ xảy ra trong sợi đa mode. Tán sắc mode phụ thuộc vào kích thước sợi cụ thể là bán kính lõi sợi đa mode. Tia kinh tuyến truyền trong các sợi đa mode (chiết suất nhảy bậc và biến đổi) sẽ đi theo các đường khác nhau với quãng đường khác nhau. Góc truyền lan của tia càng dốc thì tia đi càng chậm. Do đó có những tia thời gian truyền là Tmin và có những tia thời gian truyền là Tmax.. Ta có hệ số tán sắc mode: (2-26) Giữa hai sợi đa mode chiết suất nhảy bậc và chiết suất biến đổi thì sợi chiết suất biến đổi có độ méo tín hiệu ít hơn. Do chiết suất lõi trong sợi MM-GI giảm dần từ trục sợi ra phía vỏ, nên các tia sáng có đường đi gần ranh giới tiếp giáp vỏ - lõi sẽ truyền với vận tốc nhanh hơn các tia gần trục sợi cho nên cân bằng được thời gian truyền. - Tán sắc vật liệu: Nguyên nhân của loại tán sắc này là do tán sắc bên trong. Nó là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở trong một mode. Trong sợi có sự thay đổi về chiết suất do vật liệu tạo ra. Từ đó có sự khác biệt vể tốc độ của các thành phần phổ (bước sóng) khác nhau chạy trong mode vì vận tốc của các bước sóng phụ thuộc vào chiết suất theo phương trình : (2-27) Do vậy mà có sự chệnh lệch lan truyền của các thành phần bước sóng khác nhau dẫn đến tán sắc. Ta có hệ số tán sắc vật liệu : (2-28) Với chiết suất phụ thuộc vào bước sóng theo công thức Sell Miner : Trong đó : βi ,ωi là cường độ và tần số cộng hưởng tương ứng. M là tham số phụ thuộc vào vật liệu (ví dụ Mthủy tinh =3). - Tán sắc ống dẫn sóng : Cũng như tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng là do sự tán sắc bên trong mode. Ánh sáng truyền trong sợi không phải là đơn sắc, nó chiếm một độ rộng phổ Δλ nào đó. Vì hằng số lan truyền β là hàm của đại lượng a/λ do đó nó phụ thuộc vào phổ (bước sóng ) ánh sáng và kích thước của lõi sợi. Mặt khác theo công thức 2-25, độ trễ nhóm ξ chịu ảnh hưởng của hệ số lan truyền β. Do vậy vận tốc nhóm của các thành phần phổ là khác nhau (Ở đây chưa xét đến sự thay đổi vận tốc do sự thay đổi chiết suất). Điều này dẫn đến sự chênh lệch về thời gian truyền dẫn và vì vậy có hiện tượng tán sắc. Từ các phương trình của độ trễ nhóm ta xác định được hệ số tán sắc ống dẫn sóng. (2-29) Với tần số chuẩn hóa được tính gần đúng theo công thức : (2-30) Trong sợi đa mode tán sắc ống dẫn sóng tương đối nhỏ so với tán sắc vật liệu vì vậy có thể bỏ qua được. Tán sắc tổng trong sợi sẽ bao gồm cả ba loại tán sắc : D = Dw + Dm +DM Ta có hình 2.15 biểu diễn các tán sắc trong dải bước sóng 1,1 - 1,7 mm của sợi đơn mode. Bước sóng λZD là bước sóng tại đó tán sắc tổng có giá trị 0. Rõ ràng tán sắc ống dẫn sóng luôn âm, còn tán sắc vật liệu thì bắt đầu dương tại bước sóng λ»1.33mm. Hình 2.15 Các hệ số tán sắc trong sợi đơn mode[9] - Tán sắc phân cực mode (PMD) : Tán sắc phân cực mode (Polarization Mode Dispertion) là một đặc tính cơ bản của sợi quang và các thành phần sợi quang đơn mode. Trong đó năng lượng tín hiệu tại bước sóng đã cho được chuyển vào hai mode phân cực trực giao có vận tốc lan truyền khác nhau. Điều này dẫn đến dãn xung của tín hiệu tổng hợp đầu thu và gây chồng phổ và lỗi bít đối với các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao. Khi có nguồn phát quang mạnh, sự dãn xung thường liên quan đến hiệu ứng lưỡng chiết. Bán kính của sợi quang dọc theo các trục x, y không đồng đều, chiết suất các mode phân cực theo trục x, y bị thay đổi và sinh ra hiệu ứng lưỡng chiết. Khi xung đầu vào kích thích cả hai thành phần phân cực, xung đó sẽ dãn rộng ở đầu ra của sợi vì hai thành phần sẽ phân tán dọc do vận tốc nhóm khác nhau. Hiện tượng này gọi là PMD. Lưỡng chiết có thể tính toán thông qua sự chênh lệch giá trị chiết suất hiệu dụng của hai thành phần phân cực mode : Δb= (2-31) Trong đó : là chiết suất hiệu dụng của mỗi mode phân cực là hằng số lan truyền của mỗi mode phân cực Đối với một xung quang thì năng lượng chia ra thành hai phần : một phần mang bởi trạng thái phân cực trục nhanh và một phần mang bởi trạng thái phân cực trục chậm như hình 2.16. Hình 2.16 Hiện tượng tán sắc do phân cực. Sự dãn xung có thể được xác định từ độ chênh lệch thời gian ΔT giữa hai thành phần phân cực mode trực giao khi xung được truyền. Đối với sợi dài L thì ΔT được xác định theo công thức 2-32: ΔT ==Lêbx - byú (2-32) Biểu thức 2-32 không thể dùng trực tiếp để tính tham số PMD do tính ghép ngẫu nhiên giữa hai mode được sinh ra từ sự xáo trộn ngẫu nhiên của lưỡng chiết. Thực tế PMD được xác định bởi giá trị căn trung bình bình phương RMS của ΔT. Giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên này là : Trong đó : h là độ dài hiệu chỉnh có giá trị tiêu biểu nằm trong khoảng 1- 10 m. Ta có hàm mật độ xác suất PMD như sau : P(ΔT) =exp (2-33) Như vậy kết hợp với phương trình 2-32 giá trị trung bình của độ trễ ΔT liên quan đến tán sắc phân cực mode như sau : Trong đó : DPMD hệ số tán sắc phân cực mode với các giá trị tiêu biểu nằm trong khoảng 0,1 – 1ps/. Từ đây ta thấy độ dãn xung trong PMD tương đối nhỏ so với các hiệu ứng vận tốc nhóm. Tuy nhiên do phụ thuộc vào chiều dài sợi nên PMD có thể ảnh hưởng đến các hệ thống truyền dẫn cự ly xa. 2.3 Coupler quang Coupler là các thiết bị quang thụ động đơn giản, được sử dụng để tách hoặc ghép tín hiệu ánh sáng đầu vào hay đầu ra sợi. Một coupler bao gồm n cổng vào và m cổng ra. Coupler 1 x n được gọi là bộ tách (splitter), còn coupler n x 1 được gọi là bộ kết hợp (combiner); có khi coupler kết hợp cả hai chức năng ghép và tách với n cổng vào và m cổng ra. Đơn giản nhất là coupler 1x2, 2x1 và 2x2 như ở hình 2.17a, b,c a, Splitter b, Combiner c, Coupler Hình 2.17 Coupler 1x2, 2x1 và 2x2. Bộ chia quang 1x2 như trên hình 2.17 a) có tỉ lệ công suất đầu ra được gọi là tỉ lệ chia quang α và có thể điều khiển được. Giá trị α này biểu thị tỉ lệ chia quang dưới dạng dB sẽ cho chúng ta suy hao do chia quang. Bộ chia quang hai cổng với tỉ lệ chia quang 50:50 là rất phổ biến, kết quả là suy hao do chia quang sẽ là 3 dB cho mỗi cổng ra. Các bộ coupler được dùng để tách một phần công suất từ luồng ánh sáng có thể được thiết kế với các giá trị α rất gần với 1, thường là từ 0.90 tới 0.95. Khi đó chúng được gọi là bộ rẽ và thường dùng cho các mục đích giám sát hoặc các mục đích khác. Nguyên lý hoạt động của coupler có thể xét thông qua nguyên lý chung của coupler 2x2. 2.3.1 Coupler 2x2 2.3.1.1 Cấu tạo Là thiết bị ghép nóng chảy hai sợi đơn mode lại với nhau, hình thành nên tiết diện đồng đều có độ dài phần nóng chảy là L, như hình 2.18. Mỗi đầu vào và đầu ra có hình nón vì kích thước ngang được giảm xuống từ từ tại vùng nối bằng cách kéo dài sợi trong quá trình nóng chảy. Hệ số công suất đưa vào tại một đầu rồi xuất hiện tại một trong hai đầu ra có thể thay đổi trong khoảng từ 0®1. 2.3.1.2 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của bộ coupler dựa trên sự phân chia công suất tín hiệu giữa đầu vào và đầu ra. Nó có thể được phân tích dựa trên ma trận phân bố S định nghĩa mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu đầu vào Ii và cường độ tín hiệu đầu ra Io. Theo định nghĩa ta có: hoặc b = S.a (2-34) Trong đó : Sij là hệ số ghép nối từ cổng đầu vào j tới cổng đầu ra i. Hai nguyên tắc vật lý cơ bản áp dụng cho ma trận phân bố S là : Sự đảo trạng thái hoạt động đơn mode. Sự trao đổi năng lượng trong một thiết bị không có suy hao. Sự đảo trạng thái là kết quả lấy từ việc giải phương trình Maxwell với tính bất biến cho sự nghịch đảo thời gian: S12 = S21. (2-35) Sự trao đổi năng lượng tức là tổng cường độ đầu ra I0 phải bằng tổng cường độ đầu vào Ii : Io = êb1²ú+êb2²ú =Ii=úa1²ú+êa2²ú êS11ú²+ êS12ú² = 1 (2-36) êS22ú²+ êS12ú² = 1 S11 .S12* + S12.S22*=0 Giả sử bộ coupler này được thiết kế sao cho : S11= Trong đó : a ÎR và aÎ(0,1) và có: (1- a) lần công suất quang tại cổng đầu vào 1 xuất hiện tại cổng đầu ra 1 a lần công suất đầu vào 1 xuất hiện tại cổng đầu ra 2. Từ đó có S12=S21=a1/2 exp( jf12 ) và S22 = (1-a)1/2exp( if22) thay vào các phương trình 2-35 có : exp[j(f12 - f22)] = -1 Þ với n = 0,1,2… Xét trường hợp tổng hợp không có suy hao, ta có thể chọn f22 = 0. Lúc đó có: (2-37) Rõ ràng qua đây ta thấy, tại một bước sóng, coupler 2x2 không thể ghép tất cả công suất từ cả hai đầu vào tới một đầu ra. Ta chỉ có thể thiết kế a« thì coi như công suất được đưa hết ra một đầu. Tuy nhiên đây chỉ là trường hợp xét với thông số không có suy hao.Vì dụ thông thường khi xét với tỷ lệ 50 : 50 thì tức là ta có công suất chia ra ở mỗi đầu ra là một nửa công suất tín hiệu đầu vào. Nhưng trong thực tế ta có thể thấy hiện tượng công suất phản xạ theo hướng đối diện và quay trở lại đầu vào của coupler, làm suy hao đi một phần công suất đồng thời các thiết bị thụ động luôn có suy hao xuất phát từ : suy hao xen, suy hao bên trong phương tiện cấu thành và suy hao đầu ra. Do vậy không có công suất trọn vẹn như tỷ số xác định. 2.3.2 Coupler hình sao thụ động (PSC) PSC là thiết bị phát quảng bá ánh sáng từ một cổng vào bất kỳ sang tất cả các cổng ra. Nó thực hiện chức năng kết hợp các tín hiệu đưa vào tại các cổng đầu vào và chia các tín hiệu này thành các phần bằng nhau tới đầu ra. Đặc điểm chính chủ yếu của PSC là nó có công suất quang thu ở mỗi đầu ra đều bằng nhau. với i = 1,2,3…N Trong đó : Pvào là công suất quang được coi là vào từ một node của hình sao N là số cổng ra của hình sao. Các bộ coupler sao NxN có thể được sản xuất theo phương pháp nóng chảy như coupler 3dB. Một coupler sao có thể hình thành từ các coupler 3dB. Một coupler PSC với N=16 được mô tả như hình 2.19. . 2.4 Bộ lọc quang 2.4.1 Chức năng của các bộ lọc Việc ghép và lọc là một phần quan trọng của truyền dẫn quang. Không có thiết bị này không thể thực hiện bất kỳ sự chuyển mạch cũng như truyền dẫn một vài tín hiệu trong cùng một sợi quang tại cùng một thời điểm. Bộ lọc quang là phần tử thụ động hoạt động dựa trên các nguyên lý truyền sóng không cần có sự tác động từ các phần tử bên ngoài. Chức năng của bộ lọc là lọc tín hiệu khác nhau được truyền trong cùng một sợi, trước tiên phải tách riêng các bước sóng khác nhau khỏi tín hiệu tổng. Có rất nhiều cách để thực hiện việc tách các bước sóng quang, nhưng về nguyên lý chúng đều dựa trên quan điểm : các bước sóng sẽ bị trễ pha so với bước sóng khác khi chúng được hướng qua các đường dẫn khác nhau. Tùy thuộc vào cách nguyên lý hoạt động của từng thiết bị mà ta có hai nhóm các bộ lọc khác nhau như : Bộ lọc cố định và bộ lọc điều khiển được. Bộ lọc quang cố định là các bộ lọc về nguyên lý nó loại bỏ tất cả các bước sóng, chỉ cho phép giữ lại một bước sóng cố định đã được xác định trước. Bộ lọc điều chỉnh được là các bộ lọc có thể thay đổi bước sóng mà chúng cho qua tùy theo yêu cầu. 2.4.2 Đặc điểm, tham số của bộ lọc Hai đặc điểm quan trọng của bộ lọc cần được nhắc đến là dải phổ tự do (FSR- Free Spectral Range) và khả năng phân biệt của bộ lọc hay độ mịn (F - Finesess). 2.4.2.1 Dải phổ tự do FSR Trong bộ lọc, hàm truyền đạt và dải thông của bộ lọc được lặp theo chu kỳ và chu kỳ này được gọi là dải phổ tự do FSR. Bộ lọc sẽ cho qua các tần số có độ lớn bằng n x FSR với n là một số nguyên dương. Hình 2.20 là một ví dụ, nếu bộ lọc điều khiển để chọn tần số f1, thì tất cả các tần số có giá trị 1 sẽ được bộ lọc cho qua. FSR của bộ lọc phụ thuộc vào các tham số vật lý khác nhau của thiết bị như : độ dài hộp cộng hưởng hay độ dài ống dẫn sóng. 2.4.2.2 Độ mịn của bộ lọc F Độ mịn của bộ lọc được đo bằng độ rộng của hàm truyền đạt. Nó là tỷ số giữa dải phổ tự do với độ rộng kênh. FSR 1 2 3 N 1 2 Δff ….. ….. f1 f2 f3 fn f P Hình 2.20 FSR và F của bộ lọc với N kênh khác nhau. Trong đó độ rộng kênh (Δf) được định nghĩa là độ rộng 3dB hay độ rộng phổ nửa công suất của bộ lọc. Δf đặc trưng cho độ hẹp của đỉnh hàm truyền đạt. Số lượng kênh của một bộ lọc quang bị giới hạn bởi dải phổ tự do và độ mịn. Tất cả các kênh phải nằm gọn trong FSR. Nếu giá trị F cao, hàm truyền đạt (đỉnh băng thông) sẽ hẹp và dẫn đến là có nhiều kênh được chứa trong dải phổ tự do hơn. Khi độ mịn thấp, các kênh cần phải được dãn cách nhau thêm một khoảng để tránh xuyên âm. Do đó số lượng kênh trong dải phổ tự do cũng giảm đi. 2.4.2.3 Suy hao xen và độ phẳng dải thông Bộ lọc có hai tham số chủ yếu là hệ số suy hao xen và độ bằng phẳng của dải thông. Hệ số suy hao xen của bộ lọc cần thấp và phụ thuộc vào sự phân cực, nhiệt độ. Dải thông nên có độ phẳng và đường viền dải thông phải được định dạng rõ ràng. 2.4.3 Các loại bộ lọc quang 2.4.3.1 Bộ lọc cách tử nhiễu xạ Bộ lọc cách tử nhiễu xạ là một trong số các bộ lọc cố định. Cấu tạo của nó như hình 2.21, bao gồm các rãnh (răng cưa) trên bề mặt rãnh có phủ lớp phản xạ. Hình 2.21 Cách tử răng cưa. L Hoạt động của cách tử dựa vào sự nhiễu xạ như chỉ ra trong hình 2.22. Tín hiệu được hướng vào một lỗ nhỏ (hoặc rãnh) và sau đó nó tán xạ ra theo nhiều hướng tùy thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới. Vì quãng đường của bước sóng thứ hai dài hơn bước sóng thứ nhất nên pha của nó tăng lên và được hướng theo đường đi khác. a b Hình 2.22 Nguyên lý nhiễu xạ của cách tử Theo hình 2.22 thì độ chênh lệch về pha giữa hai tia phản xạ tại hai rãnh cách tử kề nhau là : (2-38) Trong đó : a là góc tới β là góc nhiễu xạ Từ công thức 2-38, ta thấy rằng ΔΦ là một hàm của bước sóng λ. Khoảng cách giữa các bước sóng này là dải phổ tự do của bộ lọc (FSR). Như vậy FSR bằng khoảng cách giữa các bước sóng mà tại đó ΔΦ thay đổi một góc 2π. Khi hai bước sóng cùng nằm trong một khoảng tại FSR thì chúng phản xạ ở các góc phản xạ khác nhau. Gọi λm là bước sóng mà tại đó ΔΦ = 2πm. Theo công thức 2-38, ta có : (2-39) Dải phổ tự do bậc m là khoảng cách giữa hai bước sóng λm và λm+1 : FSRm = - = = (2-40) Qua công thức 2-40 ta thấy bậc càng cao thì dải phổ tự do càng nhỏ. Để xác định độ phân giải phổ của bộ lọc ta xét hai kênh có bước sóng λm, λm+Δλ sau : Giả sử hai bước sóng có công suất lớn nhất tại bước sóng có góc nhiễu xạ là β và Δβ. Ta có : suy ra Với Δβ rất nhỏ thì hay: (2-41) Trong đó : m là bậc nhiễu xạ. Giả sử cách tử có N rãnh phản xạ thì công suất đầu ra tại góc nhiễu xạ β tỷ lệ theo phương trình : X= = Từ đây ta thấy, công suất tín hiệu X lớn nhất tại ΔΦ = 0 và giá trị nhỏ nhất tại ΔΦ = 2π/N. Thay vào công thức 2-38 ta có : và Do đó : Với Δβ rất nhỏ thì : vậy (2-42) Kết hợp công thức 2-41 và 2-42 ta có thể tách các bước sóng quang có khoảng cách kênh Δλ nếu thỏa mãn : (2-43) Theo đó muốn tăng độ phân giải của bộ lọc ta có thể tăng N hoặc giảm FSR. Tổng số kênh quang mà cách tử có thể phân biệt là : Nch= < (2-44) 2.4.3.2 Bộ lọc cách tử Bragg sợi Cách tử Bragg sợi là mảnh biến điệu của sợi quang mà trong đó chiết suất của lõi sợi thay đổi theo một chu kỳ dọc theo lõi sợi quang. Cách tử Bragg hoạt động theo nguyên tắc : Khi chiếu một chùm ánh sáng đa sắc qua cách tử, nó cho phép phản xạ duy nhất một bước sóng thỏa mãn điều kiện phản xạ Bragg được phản xạ trở lại nguồn và cho đi qua tất cả các bước sóng khác. Từ điều kiện phản xạ Bragg ta có : (2-45) Trong đó : n là chiết suất lõi sợi quang. Tại các bước sóng không thỏa mãn điều kiện trên thì ánh sáng không bị ảnh hưởng và được truyền qua cách tử đến đầu thu. Bộ lọc cách tử Bragg có suy hao xen thấp, đặc tính phổ có dạng bộ lọc băng thông (BPF) với khả năng đạt được khoảng cách giữa các kênh là 50 GHz. Hai tham số quan trọng nhất của một bộ lọc cách tử Bragg là hệ số phản xạ và độ rộng phổ. Thường độ rộng phổ vào khoảng 0, 1 nm trong khi đó hệ số phản xạ có thể đạt hơn 99 %. Ưu điểm của chúng là đơn giản về cấu tạo và sử dụng, đồng thời lại có hệ số suy hao xen thấp. Còn về nhược điểm là có chỉ số chiết suất phụ thuộc vào nhiệt độ. Cách tử Bragg có thể được sử dụng như một bộ ghép hay tách khi kết hợp với các bộ coupler quang. Như hình 2.24 ta có hai cách tử Bragg kết hợp cùng hai coupler quang 3dB. Khi đưa chùm tia sáng đa sắc có bước sóng là λ1, λ2, … vào cổng 1, chùm sáng qua coupler 3dB thứ nhất được chia thành hai luồng đến hai cách tử. Giả sử bước sóng λ1 thỏa mãn điều kiện phản xạ Braggm thì ánh sáng có bước sóng λ1 sẽ bị phản xạ bởi cách tử và tại cổng ra 4 ta đã tách được bước sóng λ1. Hình 2.24 Bộ lọc quang kết hợp tách bước sóng 1 2 3 4 3dB Coupler 3dB Coupler Cách tử Bragg λ1 2.4.3.3 Bộ lọc màng mỏng nhiều lớp Bộ lọc màng mỏng nhiều lớp (TFIF - Thin Film Interference Filter) cung cấp một phương pháp đối với việc lọc một hay nhiều bước sóng ra khỏi một chùm các bước sóng. Các bộ lọc màng mỏng nhiều lớp này tương tự như thiết bị cách tử Bragg sợi. Về nguyên lý nó cũng sử dụng cách phản xạ để loại bỏ Tuy nhiên nó được chế tạo khác. Sự khác nhau là chỗ trong thiết bị TFIF có đặt nhiều lớp làm bằng vật liệu có chỉ số phản xạ cao và thấp trên một lớp nền. Do đó có thể lọc được các bước sóng khác nhau qua từng lớp với chỉ số phản xạ khác nhau. Nhược điểm của TFIF là trạng thái ổn định nhiệt kém, suy hao xen cao và đặc tính phổ kém. 2.4.3.4 Bộ lọc Fabry-Perot x= Hình 2.25 Khoang cộng hưởng Fabry – Perot Bộ lọc Fabry – Perot được cấu thành từ một khoang cộng hưởng vi quang có hai gương được đặt song song với nhau. Ta xét cấu trúc đơn giản của bộ lọc với khoang cộng hưởng như hình 2.25 Khi tín hiệu tới gương thứ nhất, một phần tín hiệu tiếp tục đi qua, phần còn lại thì bị phản xạ trở lại. Tín hiệu phản xạ di chuyển thẳng tới gương thứ hai và được hướng ngược trở lại. Sau đó nó di chuyển qua cùng gương, bước sóng thứ nhất sẵn sàng đi tiếp và được cộng thêm vào pha. Sau một số lần phản xạ liên tiếp trên hai bề mặt gương của khoang cộng hưởng, ánh sáng được đưa đến đầu ra. Gọi x là chiều dài khoang cộng hưởng, nếu bước sóng λ thỏa mãn : x = il/2n (2- 46) Trong đó : n là chiết suất của khoang cộng hưởng i là số nguyên và được gọi là bậc cộng hưởng. Lúc đó ta có kênh tín hiệu tại bước sóng λ được cộng hưởng. Công suất đầu ra của kênh này rất lớn. Với các kênh quang có bước sóng không thỏa mãn điều kiện cộng hưởng thì công suất sẽ bị giảm do triệt tiêu năng lượng. Điều này có thể phân tích qua nguyên lý hoạt động của bộ lọc Fabry- Perot khi dựa vào hệ số phản xạ của hộp cộng hưởng (hai gương trong hộp cộng hưởng) để lựa chọn bước sóng được đưa ra khỏi hộp. Nếu coi hệ số phản xạ của hai gương đều là R thì mỗi lần phản xạ cường độ trường của ánh sáng phản xạ chỉ bằng lần cường độ ánh sáng tới. Và qua một chuỗi các phản xạ liên tiếp trên bề mặt hai gương, cường độ sáng sẽ giảm dẫn và dẫn đến công suất sẽ giảm. Hàm truyền đạt của bộ lọc Fabry-Perot là một hàm tuần hoàn. Dải phổ tự do FSR bằng chu kỳ của hàm này và được xác định như sau : suy ra FSR=1/2t=c/2nx (2-47) Độ mịn của bộ lọc được xác định bằng tỷ số của FSR và độ rộng phổ nửa công suất HPBW của bộ lọc (còn gọi là độ rộng phổ 3dB) HPBW của bộ lọc đặc trưng cho độ hẹp của đỉnh hàm truyền đạt và được xác định như sau : HPBW = c/2nx.(1-R)/ (2-48) Độ mịn có quan hệ chặt chẽ với số kênh mà bộ lọc có khả năng lựa chọn : F=FSR/HPBW=(p .)/(1-R) (2-49) Từ đây ta thấy rằng độ mịn F tăng lên (tức là số lượng kênh mà bộ lọc có khả năng lựa chọn tăng lên) thì hệ số phản xạ R của gương phải lớn. Ngoài ra để tránh mất mát do suy hao hoặc phản xạ thì hai gương phải rất phẳng và được đặt song song nhau. Bên cạnh đó ta có thể thay đổi việc chọn lựa bước sóng của thiết bị bằng việc thay đổi chiều dài khoang cộng hưởng hoặc chỉ số chiết suất của khoang cộng hưởng. 2.5 Bộ phân cực và ngăn cách tín hiệu Phân cực là một thuộc tính quan trọng của sóng điện từ. Ánh sáng là một dạng của sóng điện từ. Hiện tượng này đã được đề cập ở phần trước với các điểm chính như : Ánh sáng có thể phân cực tuyến tính, phân cực tròn hay tổng quát là phân cực elip. Thông thường ở một thời điểm bất kỳ một sóng ánh sáng phân cực nào cũng có thể phân tích thành hai thành phần E và H vuông góc với nhau. Hai thành phần này khác pha nhau 90o thì sóng tổng hợp phân cực tròn. 2.5.1 Đặc điểm, nguyên lý hoạt động của bộ phân cực Bằng việc thay đổi pha của hai thành phần, đầu ra có thể nhânk được sự phân cực tuyến tính. Một số môi trường không đẳng hướng như thạch anh làm cho các sóng phân cực tuyến tính bị quay. Hiện tượng này được gọi là hoạt tính quang học và khả năng quay của sóng phân cực tuyến tính được đặc trưng bởi đại lượng p* gọi là công suất quay : p* = π (n - n+)/λ [ độ/cm] Trong môi trường có công suất quay p*, một phân cực tuyến tính sẽ quay đi một giá trị p*L khi đi qua một khoảng cách L. Đặc tính này được sử dụng để điều khiển phân cực và cách ly sóng phản xạ. Hiệu ứng Faraday : là hiệu ứng khi nhiều tinh thể có hoạt tính quang khi đặt trong môi trường từ tính mạnh. Trong trường hợp này công suất quang được đặc trưng bởi công thức : p* =V*.B Với B là từ trường trong hướng truyền của sóng. V* là hằng số Verdet. 2.5.2 Bộ ngăn cách tín hiệu Khi sóng phân cực tuyến tính đi qua bộ quay Faraday, nó bị quay một góc là φ. Sóng quang vào Sóng quang phản xạ đã quay đi 900 Bộ quay Faraday Sóng quang đã quay đi 450 Hình 3.26 Sơ đồ nguyên lý bộ ngăn cách tín hiệu. Nếu bị phản xạ lại, nó sẽ không thể trở về trạng thái phân cực ban đầu mà nó bị quay tiếp một góc φ. Vì chiều từ trường ngược lại do đó góc quay tổng cộng bây giờ là 2φ. Theo nguyên lý này ta có thể tạo ra các bộ ngăn cách tín hiệu. 2.5.3 Bộ Isolator và Circulator Isolator là thiết bị cho phép truyền dẫn chỉ theo một hướng và không cho truyền dẫn theo hướng nào khác nữa. Nó hoạt động dựa theo nguyên lý phân cực đê ngăn cách tín hiệu. Bằng cách sử dụng các bộ này thì các phản xạ từ các bộ khuếch đại hay laser có thể được cách ly khỏi tín hiệu. Circulator là một thiết bị tương tự Isolator, nhưng nó có nhiều cổng. Hình 2.27 mô tả một Circulator với 4 cổng vào và 4 cổng ra. Tín hiệu từ mỗi cổng được hướng tới một cổng ra và bị ngăn tại các cổng còn lại. 1 2 3 2 3 4 1 4 Hình 2.27 Circulator 4 cổng ra và 4 cổng vào Ứng dụng của bộ cách ly này có thể là dùng trong các module tách ghép kênh quang. Tín hiệu tại đầu ra mỗi bộ phát ở một bước sóng riêng, những tia sáng này được ghép lại và truyền vào sợi quang. Thiết bị thực hiện chức năng này gọi là bộ ghép kênh quang (Multiplexer hay MUX). Ngược lại, ở phía thu có một thiết bị tách tín hiệu quang thu được thành các kênh quang có bước sóng khác nhau để đưa đến mỗi bộ thu quang riêng biệt. Thiết bị này gọi là bộ tách kênh quang (Demultiplexer hay DEMUX). Các bộ ghép / tách kênh này có cấu tạo từ các bộ lọc và coupler quang. Mục đích của chúng là nhằm tăng dung lượng hệ thống bằng việc tăng số lượng kênh truyền được trên một sợi quang. 2.6 Bộ bù tán sắc Như ta biết ở phần trước, sợi quang đơn mode có giá trị suy hao nhỏ nhất tại bước sóng 1550nm trong 3 cửa sổ suy hao sợi quang hiện đang sử dụng. Tuy nhiên ở vùng bước sóng này lại tồn tại giá trị tán sắc rất lớn khoảng từ 16¸20 ps/nm.km. Bên cạnh đó, các bộ khuếch đại hiện nay có thể giải quyết vấn đề suy giảm tín hiệu do hiện tượng suy hao. Do đó, vấn đề tán sắc sợi quang lại càng trở thành vấn đề quan trọng trong việc xây dựng các hệ thống thông tin quang vì tán sắc gây giảm tốc độ và cự ly truyền dẫn. Và việc cần thiết nhất hiện nay là làm sao để bù được tán sắc, làm giảm giá trị tán sắc để trả lại dạng tín hiệu gốc từ phía phát. Bộ bù tán sắc (Dispersion Compensation Device) tạo ra sự tán sắc ngược với sự tán sắc do các thành phần trong hệ thống gây ra, kết quả là xung tín hiệu được khôi phục lại có độ rộng như ban đầu. Có hai loại thiết bị bù tán sắc hay được sử dụng là sợi quang bù tán sắc và cách tử bù tán sắc. 2.6.1 Kỹ thuật bù tán sắc 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. Sợi đơn mode là loại sợi quang được sử dụng chủ yếu trong thông tin quang, do đó hiện tượng tán sắc trong sợi quang đơn mode được quan tâm đến. Tán sắc trong sợi đơn mode có nhiều nguyên, trong đó tán sắc do vận tốc nhóm là đáng chú ý và có thể giảm nhỏ bằng việc sử dụng các kỹ thuật được đề cập sau đây. 2.6.1.1 Kỹ thuật bù sau Kỹ thuật bù sau là một kỹ thuật điện có thể được sử dụng bù tán sắc vận tốc nhóm GVD ở trong bộ thu quang. Kỹ thuật này dựa trên nguyên tắc sau : Tín hiệu quang có thể bị suy giảm do GVD gây ra, nhưng có thể cân bằng các ảnh hưởng của tán sắc bằng phương pháp điện nếu sợi quang có vai trò như một hệ thống tuyến tính. Phương pháp này sử dụng bộ lọc băng thông có đáp ứng xung phụ thuộc vào hàm truyền đạt sau : Trong đó : L là chiều dài tuyến sợi quang. viF là tần số trung tần của tín hiệu quang chuyển đổi sang tín hiệu viba. Bộ lọc cần hoàn trả lại tín hiệu gốc từ tín hiệu thu được. Tuy nhiên phương pháp này chỉ thực tế đối với bù tán sắc trong hệ thống thông tin quang coherent. Còn đối với các hệ thống tách quang trực tiếp thì không khả thi. Do đó phương pháp cân bằng điện này chi dùng trong các hệ thống thông tin có tốc độ bit thấp, cự ly truyền dẫn không dài. 2.6.1.2 Kỹ thuật bù trước Kỹ thuật bù tán sắc trước là kỹ thuật áp dụng phương pháp tiếp cận trên cơ sở sửa đổi các đặc tính của các xung tín hiệu đầu vào tại thiết bị phát quang trước khi tín hiệu này được phát vào môi trường truyền dẫn. Nó dựa vào biên độ phổ của xung tín hiệu vào để thay đổi tán sắc vận tốc nhóm có liên quan. Tuy nhiên việc thực hiện phương pháp này cũng không dễ dàng bởi việc tính toán chính xác lượng bù cho tán sắc vận tốc nhóm là rất phức tạp. Và để đơn giản, phương pháp khác cũng hướng tới việc giảm GVD trước khi đưa tín hiệu vào môi trường truyền dẫn là đưa xung tín hiệu đầu vào bị chirp hợp lý sao cho giảm thiều sự dãn xung do GVD. Nhìn chung các phương pháp được áp dụng đều có khả năng hạn chế tán sắc cho tín hiệu được truyền dẫn, nhưng vẫn còn các giới hạn trong hoạt động. 2.6.2 Các thiết bị bù tán sắc Thiết bị bù tán sắc đang được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều. Tuy nhiên có hai loại được quan tâm nhiều nhất hiện nay là : Sợi bù tán sắc và bộ bù tán sắc dùng cách tử Bragg sợi. 2.6.2.1 Sợi bù tán sắc a, Nguyên lý của sợi bù tán sắc-DCF (Dispersion Compensating Fiber) Sợi bù tán sắc xuất phát từ nguyên lý coi tín hiệu quang được truyền trên nhiều mảnh sợi ghép lại mà các mảnh này có các đặc tính tán sắc khác nhau. Ta xét trường hợp tín hiệu được truyền trên hai mảnh sợi và có thể viết bỉểu thức biên độ xung theo dạng sau : A(L,t)= (2-50) Trong đó : L= L1+L2 b2j là tham số tán sắc vận tốc nhóm GVD của đoạn sợi có độ dài Lj (j=1,2). Sử dụng Dj =-(2pc/λ2).b2j ta sẽ có điều kiện để bù tán sắc sợi có thể được viết như sau : D1L1+D2L2 = 0 (2-51) Vì A(L,t)=A(0,t) nên khi biểu thức 2-51 được thỏa mãn thì dạng xung sẽ được lưu cho dạng đầu vào của nó. Biểu thức 2-51 chỉ ra rằng : sợi bù tán sắc DCF phải có GVD chuẩn tại 1,55μm (D2 0 đối với sợi tiêu chuẩn để sao cho thỏa mãn điều kiện sau : L2= L1 Thường thì L2 càng nhỏ càng tốt nên DCF nên có D2 mang giá trị âm lớn. b, Cấu trúc DCF. Có hai cách thiết kế DCF để bù tán sắc như sau : Thứ nhất là dựa trên sợi đơn mode với giá trị tham số sợi V tương đối nhỏ (V»1). Vì phần đông các mode truyền bên trong lớp vỏ có chiết suất nhỏ, cho nên thành phần dẫn sóng đối với GVD là khác nhau đối với mỗi loại, điều đó làm cho D= -100ps/km.nm. Tuy nhiên theo cách này thì suy hao của DCF là khá lớn do đó nó không nổi trội. Thứ hai là loại sợi hai mode, thiết kế với giá trị V sao cho mode bậc cao hơn gần với bước sóng cắt (V»2,5). Các sợi như vậy, hầu như có cùng suy hao như sợi đơn mode nhưng chúng có thể được thiết kế nhằm có các tham số tán sắc khác nhau với các mode khác nhau, tức là mode cao hơn có độ tán sắc D âm hơn, đồng thời nó còn cho phép bù tán sắc băng rộng. Việc sử dụng DCF hai mode đòi hỏi phải có thiết bị biến đổi mode, để biến đổi năng lượng mode cơ bản sang mode bậc cao hơn. Thiết bị này thường sử dụng sợi hai mode có cách tử bên trong sao cho có thể ghép giữa hai mode, nó giúp giảm được suy hao xen và hệ số ghép của nó đạt tới 99%. Ta có hình 2.28 mô tả đặc tính tán sắc của hai loại sợi DCF đã nêu. 1500 1525 1550 1575 1600 λ(nm) D[ps/km.nm] -260 -270 -280 -290 -300 -310 -320 Hình 2.28 Đặc tính tán sắc của hai loại DCF. 2.6.2.2 Bộ bù tán sắc bằng cách tử Bragg sợi chu kỳ biến đổi tuyến tính Bù tán sắc bằng quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính là một sợi quang đơn mode có một đoạn lõi được gắn những cách tử có chu kỳ thay đổi một cách tuyến tính dọc theo chiều dài của quang sợi. Λ(z) = Λ0 + Λ1(z) Trong đó : 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) Với 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 2.29. 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. (3-19) Trong đó : d là khoảng thời gian trễ neff là chiết xuất hiệu dụng L là độ dài đoạn cách tử Bragg 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). Hình 2.29 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 bù tán sắc trong mạng thông tin quang dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính. Hình vẽ 2.30 là một mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính. Hình 2.30 Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bagg chu kỳ thay đổi tuyến tính.s 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. Nghiên cứu cho thấy 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. Ưu điểm nổi trội của thiết bị bù tán sắc rất đơn giản, kích thước nhỏ (nằm hoàn toàn trong một sợi quang), hoàn toàn tương thích với mạng cáp quang nên tổn hao ghép nối rất nhỏ, có khả năng điều chỉnh độ bù tán sắc.