Thiết kế sợi tinh thể quang (photonic crytal fiber) cho các ứng dụng truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng

Đề tài nghiên cứu về sợi tinh thể quang rất rộng vì thế trong luận văn này mục tiêu đề ra là thiết kế sợi tinh thể quang lõi silica có cấu trúc lục giác phù hợp sử dụng để truyền dẫn các

KÊNH THEO BƯỚC SÓNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- Nguyễn Tiến Thành

THIẾT KẾ SỢI TINH THỂ QUANG (PHOTONIC CRYTAL FIBER) CHO CÁC ỨNG DỤNG TRUYỀN DẪN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN :

PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải

Hà Nội – Năm 2017

LỜI NÓI ĐẦU

Để đáp ứng sự phát triển ngày càng cao của công nghệ truyền thông cũng như nhu cầu trao đổi thông tin tăng cao của xã hội thì công nghệ, hạ tầng truyền dẫn cũng phát triển theo Trong các hệ thống thông tin hiện nay, sợi quang đang đóng một vai trò quan trọng bởi những ưu điểm của nó như tốc độ truyền thông tin cao, ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu, độ bền, dễ chế tạo… Tuy nhiên khi mà sợi quang thông thường đã đi đến giới hạn của nó thì việc phát minh ra sợi quang mới là điều cực kỳ cần thiết Sợi tinh thể quang tử (Photonic crystals Fibers – PCFs) được ra đời Sự ra đời của sợi tinh thể quang mang nhiều ưu điểm vượt trội so với sợi quang thông thường hứa hẹn sẽ mang lại thành công trong hệ thống viễn thông, đặc biệt là trong các hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM hiện nay

Đề tài nghiên cứu về sợi tinh thể quang rất rộng vì thế trong luận văn này mục tiêu đề ra là thiết kế sợi tinh thể quang lõi silica có cấu trúc lục giác phù hợp sử dụng

để truyền dẫn các ứng dụng ghép kênh theo bước sóng WDM, thông qua đó nghiên cứu những yếu tố tác động đến đặc tính của sợi Đó cũng là lý do em lựa chọn đề tài:

“Thiết kế sợi tinh thể quang cho các ứng dụng truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng”

Nội dung của luận văn được trình bày qua 4 chương:

Chương 1: Sợi tinh thể quang

Chương 2: Hệ thống thông tin quang WDM

Chương 3: Phân tích phương pháp điều chỉnh tán sắc

Chương 4: Giải pháp thiết kế

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy Nguyễn Hoàng Hải đã giúp đỡ tận tình để em có thể hoàn thành được đề tài này

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Sợi tinh thể quang - PCF là một công nghệ mới, dẫn sóng dựa trên lớp vỏ tinh thể được tạo nên từ một cấu trúc các lỗ khí sắp xếp tuần hoàn theo một dạng nào đó, có thể đối xứng hoặc không Các tinh thể này tác động mạnh mẽ lên trường ánh sáng bên trong sợi, tạo ra những tính chất đặc biệt, điều mà không thể tìm thấy trong các sợi quang thông thường Sợi PCF được chia thành hai loại: PCF lõi chiết suất cao dẫn sóng bằng cơ chế phản xạ toàn phầnvà PCF lõi chiết suất thấp, dẫn sóng dựa trên hiệu ứng dải cấm quang Cả hai đều có những tính chất riêng, đã được nghiên cứu và sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực, nhất là viễn thông, y tế,…

Nội dung luận văn bao gồm việc nghiên cứu, thiết kế, tính toán và mô phỏng cấu trúc của PCFs, và tìm ra dạng đặc tính c ng thông số tối ưu nhất Đồ án trình bày đầy đủ lý thuyết cơ bản về tinh thể quang PC), sợi tinh thể quang PCFs), các ứng dụng cơ bản của sợi PCFs Chương cuối đồ án trình bày phương pháp thiết kế và mô phỏng sợi PCFs sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian FDTD) Về cơ bản, đồ án đã hoàn thành các vấn đề trọng tâm Kết quả đạt được có một số điểm mới

so với một số nghiên cứu trước đây, cho thấy tiềm năng lớn có thể ứng dụng ra thực tế Toàn bộ đồ án được thực hiện mô phỏng trên công cụ mô phỏng PSS pollo Photonic Solution Suite 2.2)

ABSTRACT

Photonic crystal fiber is a new technology, based on a photonic crystal cladding whose structure consists of air holes arranged periodicallyto control the light, cladding can be symmetric or asymmetric This crystal create unique properties in fiber PCF is classified into two group: high-index core ones in which light is guided by Modified Total Internal Reflection and low-index core fiber, waveguides based on Photonic Bandgap Both of them has their own characteristics which could be exploited in many fields, especially in communication and medical systems

The contents of thesis include research, design, simulating and computing the structures of PCFs, and finding the optimum result The thesis presents completely the basic theory of Photonic Crystal (PC), Photonic Crystal Fibers (PCFs), the basic applications of PCFs The final chap show the design and simulation of PCF using FDID method to calculate the structure of the fiber Basicly, the thesis has finished the essential problems The result has some new points compares with another researchs, that shows the potentialities and applications The whole thesis is stimulated by APSS (Apollo Photonic Solution Suite 2.2)

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đồ án này là kết quả nghiên cứu do bản thânem thực hiện Các

số liệu, kết quả trong luận văn đều hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây Các tài liệu, nghiên cứu trước đây

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 2

ABSTRACT 3

LỜI C M ĐO N 4

MỤC LỤC 5

CHƯƠNG 1 7

SỢI TINH THỂ QUANG 7

1.1 Sợi quang thông thường 7

1.2 Sợi tinh thể quang 13

1.2.1 Cơ chế truyền dẫn ánh sang trong sợi tinh thể quang 15

1.2.2 Các lớp khác nhau của sợi tinh thể quang 17

1.3 Các đặc tính và ứng dụng của sợi tinh thể quang 20

1.3.1 Những ứng dụng của sợi tinh thể quang lõi đặc 20

1.3.2 Ứng dụng của sợi tinh thể quang lõi rỗng 22

1.4 Đặc tính suy hao của sợi tinh thể quang 23

1.4.1 Bản chất của suy hao 23

1.4.2 Suy hao giam giữ ánh sáng – Confinement loss 24

1.4.3 Suy hao uốn cong – Bending loss 25

1.4.4 Suy hao ghép nối sợi quang – Splice loss 25

1.4.5 Diện tích hiệu dụng – Effective area (A eff ) 25

1.5 Chế tạo sợi tinh thể quang 26

1.6 Xu hướng nghiên cứu sợi tinh thể quang 28

CHƯƠNG 2 29

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 29

2.1 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) 29

2.1.1 Giới thiệu chung 29

2.1.2 Sơ đồ khối tổng quát 31

2.1.3 Nguyên lý ghép kênh 32

2.1.4 Các thông số cơ bản của thiết bị WDM 33

2.2 Các thành phần của thiết bị WDM 34

2.2.1 Sợi quang 35

2.2.2 Thiết bị phát và thu WDM 36

2.2.3 Bộ khuếch đại quang 36

2.3 Đặc điểm chính của công nghệ WDM 38

2.3.1 Tận dụng tài nguyên dải tần rộng lớn của sợi quang 38

2.3.2 Truyền dẫn nhiều tín hiệu 39

2.3.3 Thực hiện truyền dẫn hai chiều trên một sợi 39

2.3.4 Tiết kiệm đầu tư cho đường dây 39

2.3.5 Giảm yêu cầu siêu cao đối với linh kiện 39

2.3.6 Tính linh, tính kinh tế và độ tin cậy cao đối với cấu hình mạng 39

2.4 Giao diện chuẩn và các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM 40

2.4.1 Giao diện chuẩn cho hệ thống WDM 40

CHƯƠNG 3 42

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TÁN SẮC 42

3.1 Tán sắc trong sợi tinh thể quang 42

3.1.1 Các loại tán sắc trong sợi tinh thể quang 42

3.2.1 Bài báo thứ nhất 47

3.3.2 Bài báo thứ hai 49

CHƯƠNG 4 51

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 51

4.1 Sơ lược thiết kế 51

4.2 Thiết kế cấu trúc sợi 52

4.4 SO SÁNH KẾT QUẢ TỐI ƯU VỚI NGHIÊN CỨU KHÁC VỀ PCFs 64

4.5 SỢI PCFs TỐI ƯU VỚI SỰ TH Y ĐỔI SỐ VÒNG LỖ KHÍ 64

4.6 KẾT LUẬN 66

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN 67

PHỤ LỤC 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

CHƯƠNG 1 SỢI TINH THỂ QUANG

Nội dung chương này trình bày tổng quan lý thuyết của sợi tinh thể quang gồm:

Sự ra đời của sợi tinh thể quang, các ưu điểm vượt trội của sợi tinh thể quang so với sợi quang thông thường, các đặc tính và quy trình chế tạo sợi tinh thể quang Ngoài ra nội dung chương này cũng đề cập đến những ứng dụng của sợi tinh thể quang trong thực tế và xu hướng nghiên cứu sợi tinh thể quang trên thế giới

1.1 Sợi quang thông thường

Sợi quang thông thường dựa trên cơ chế phản xạ toàn phần để dẫn ánh sáng Sợi

quang đơn giản nhất là gồm một lõi điện môi có chỉ số khúc xạ phân bậc n core bao

quanh bởi một điện môi khác (lớp vỏ) với chỉ số chiết suất n CL Sử dụng định luật Snell

- Descartes, rất dễ dàng để thấy rằng nếu n core > n CL, ánh sáng truyền trong lõi tiếp cận mặt phân cách giữa lõi - vỏ bị phản xạ hoàn toàn trở lại vào lõi khi góc giữa hướng truyền của tia sáng và mặt phân cách đủ nhỏ

Hình 1.1: Dạng cơ bản của sợi quang chiết suất nhảy bậc

Dựa trên quan điểm truyền dẫn sóng phẳng, ta tiến hành nghiên cứu mô hình sợi chiết

suất nhảy bậc (SI) dài vô hạn có tiết diện hình tròn, bán kính ρ mô tả trong Hình 1.1 Giả sử ánh sáng truyền dọc theo trục z với bước sóng λ, tương ứng với hệ số sóng k 0 = 2π/λ và tần số góc ω 0 = ck 0 (c là tốc độ ánh sáng trong không gian tự do) Bất kỳ bức

xạ điện từ nào truyền dọctheo hướng z đều có thể được chia ra thành các sóng phẳng

biến đổi theo hàm exp(i(βz-ωt)) trong cả vỏ và lõi Giá trị β được gọi là hằng số lan

truyền Do đó ta có thể xem xét truyền ánh sáng trong lõi và vỏ là sự chồng chất của

các sóng phẳng với các vectơ sóng khác nhau, với thành phần theo chiều dọc β và thành phần vuông góc k⊥ (Hình 1.1) Trong lõi, vector sóng bằng tổng của vector  và

k⊥, chính là hướng truyền của tia sáng Giá trị chuẩn hóa của mỗi vector sóng trong lõi

và vỏ tương ứng là n core k 0 và n CL k 0 Từ đó ta có:

0

với n là chiết suất trong của từng vị trí trong điện môi (giá trị từ n core đến n CL)

Để có ánh sáng truyền đi dọc theo z, β cần phải có giá trị thực Nếu k⊥ là giá trị thực, các sóng phẳng lan truyền theo hướng vector bán kính r và ánh sáng có thể phát xạ ra

ngoài Nếu k⊥ có giá trị ảo, các sóng phẳng bị tiêu biến dần, năng lượng ánh sáng không bị thoát ra ngoài Rõ ràng là để ánh sáng truyền được trong lõi sợi mà không bị

suy hao,k⊥ phải có giá trị ảo tại lớp vỏ Từ phương trình 1.1), ta suy ra được điều

kiện: β > n CL k 0 Ở trong lõi k⊥ có thể mang phần thực hoặc phần ảo Tuy nhiên, với trường hợp sợi quang, nơi mà cả lõi và vỏ đều là chất điện môi trong suốt, không tồn

tại nghiệm k ảo nào trong lõi, và ta sẽ có điều kiện β > n core k 0

Ta định nghĩa giá trị Chiết suất hiệu dụng - n eff = β/k 0 Nếu n CL < n eff < n core, ánh

sáng suy biến tại lớp vỏ và bị giam trong lõi Nếu n eff < n CL ánh sáng truyền ra ngoài lớp vỏ, dẫn đến tổn hao

Thông số này càng nhỏ, sợi càng truyền được ít mode Người ta đã tính toán

được rằng với V< 2.405, sợi SI sẽ hỗ trợ chế độ đơn mode

Suy hao

Trong sợi SI lý tưởng, sự suy giảm năng lượng của một mode trong khi lan truyền là hoàn toàn do sự hấp thụ của vật liệu Hấp thụ vật liệu do Silica tinh khiết đối với bước sóng từ khoảng 0.8μm và 1.8μm là rất nhỏ, tuy nhiên, hấp thụ bởi các nhóm ion OH- là không thể bỏ qua đặc biệt là v ng bước sóng xung quanh mức suy hao đỉnh tại 1.38μm Các cải tiến trong quá trình chế tạo đã giảm suy hao do hấp thụ xuống mức cực thấp, ngoại trừ suy hao gây ra bởi tán xạ Rayleigh Các sợi được chế tạo bằng công nghệ mới có hệ số tổn hao rất thấp, 0.15dB/km tại λ=1.55μm, cho phép việc truyền tải thông tin qua hàng trăm km mà không cần khuếch đại

Suy hao sợi thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao và được xác định bằng tỉ

số giữa công suất quang đầu vào P incủa sợi dẫn quang dải L với công suất quang đầu

raP out Tỷ số công suất này là một hàm bước sóng, nếu gọi  là hệ số suy hao thì ta có thể xác định hệ số này bởi công thức sau :

Hình 1.2 Suy hao sợi tại 3 vùng cửa sổ quang

Đối với sợi tinh thể quang điển hình, suy hao do hấp thụ OH trong v ng bước sóng 1550 nm là khoảng 0.1 dB/km, vì vậy việc giảm suy hao do hấp thụ OH đặc biệt quan trọng và là một thách thức lớn Hầu hết sự không trong sạch ion OH ở trong lõi sợi quang là do quá trình chế tạo, vì vậy việc hấp thụ nước trong quá trình chế tạo sẽ làm giảm đáng kể suy hao do hấp thụ ion OH

Suy hao do sự không hoàn hảo của quá trình chế tạo, chủ yếu là do bề mặt ghồ ghề của các lỗ khí Thật vậy, trong quá trình chế tạo, các lỗ khí có thể bị tác động bởi các tạp chất Nếu sự ghồ ghề của lỗ khí ở mức so sánh được với bước sóng, nó sẽ làm tăng đáng kể suy hao tán xạ, vì vậy cần đặc biệt chú ý đến quá trình đánh bóng và ăn mòn axit trong khi chế tạo sợi tinh thể quang Hơn thế nữa, sự thay đổi của đường kính lỗ khí trong quá trình kéo sợi sẽ làm tăng suy hao của sợi Đối với sợi tinh thể quang, hệ

số suy hao do tán xạ Rayleigh là giống với sợi đơn mode thông thường, tuy nhiên nó lớn hơn so với sợi lõi silica thuần, mặc dù sợi tinh thể quang được chế tạo từ silica tinh khiết

Tán sắc

Tán sắc có nguồn gốc từ việc vận tốc pha và vận tốc nhóm của sóng điện từ phụ thuộc vào tần số Trong ống dẫn sóng, tán sắc được coi là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng giãn các xung ánh sáng khi lan truyền Để đánh giá độ tán sắc trên mỗi km chiều dài

sợi với độ rộng phổ 1nm, người ta sử dụng đơn vị [ps/km.nm] Về cơ bản, có 4 nguyên nhân gây ra tán sắc :

 Tán sắc mode: chỉ xảy ra ở sợi đa mode

Trong sợi đa mode, mỗi mode lan truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian lan truyền của chúng trong sợi khác nhau Chính sự khác nhau về thời gian lan

truyền giữa các mode gây ra tán sắc mode

 Tán sắc vật liệu:

Nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu là sự chênh lệch giữa vận tốc nhóm của các thành phần phổ khác nhau trong sợi Nó xảy ra khi vận tốc pha của một sóng phẳng lan truyền trong môi trường điện môi biến đổi không tuyến tính với bước sóng Độ giãn xung do tán sắc vật liệu có thể thu được bằng cách khảo sát thời gian trễ nhóm trong

sợi

 Tán sắc ống dẫn sóng:

Đối với sợi đơn mode, khi nói đến tán sắc đơn sắc, ngoài tán sắc vật liệu ta còn phải xét đến tán sắc ống dẫn sóng Khi ánh sáng được ghép vào sợi quang để truyền đi, một phần chính truyền trong phần lõi sợi, một phần khác truyền trong vỏ với vận tốc khác do chiết suất giữa lõi và vỏ khác nhau Sự khác biệt vận tốc truyền ánh sáng gây

nên tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc ống dẫn sóng cũng là một hàm theo bước sóng

 Tán sắc phân cực mode:

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

Tán sắc đơn sắc là do ảnh hưởng kết hợp của vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng

đến từng mode riêng biệt.Mở rộng hằng số lan truyền β theo chuỗi Taylor xung quanh

β 0 /ω là nghịch đảo của vận tốc pha còn β 1 là nghịch đảo của vận tốc nhóm Đại lượng

β 2được gọi là Tán sắc vận tốc nhóm (GVD)(ps2/km), đặc trưng cho tốc độ lan truyền xung Trong các ứng dụng viễn thông, người ta sử dụng tham số tán sắc D, có quan hệ

với β 2 thông qua biểu thức: D =-(2πcβ 2 )/λ 2

(1.7) với đơn vị (ps.nm-1.km-1) Với tham số D dương, cơ chế tán sắc được cho là bất thường, vì bước sóng ngắn lan truyền nhanh hơn so với bước sóng dài Ngược lại của

D < 0, ta có cơ chế tán sắc thường

Khi D≠0 các thành phần tần số khác nhau của xung lan truyền với tốc độ khác nhau và xung do đó giãn ra trong miền thời gian.Trong thông tin quang, nếu tán sắc quá lớn, các xung ánh sáng lan truyền bị chồng chéo lên nhau và không thể phân biệt được ở máy thu Có một số cách để hạn chế các xung để giữ chiều rộng ban đầu của

nó Việc đầu tiên và rõ ràng nhất là để thiết kế sợi có tán sắc nhỏ, bằng cách bù trừ tán sắc vật liệu với tán sắc ống dẫn sóng Điều này thường chỉ có thể thực hiện ở một bước sóng Một cách thứ hai của việc giữ một độ rộng xung không đổi trong quá trình truyền là sử dụng xung Soliton công suất lớn để bù tán sắc của sợi bằng hiệu ứng phi tuyến (cụ thể hơn là bằng hiệu ứng Tự điều pha)

Chúng ta có thể phân biệt ba hiệu ứng phi tuyến chính trong sợi quang phát sinh

từ hiệu ứng Kerr (tự điều pha, điều chế xuyên pha và trộn bốn bước sóng), và hai do tán xạ kích thích không đàn hồi (tán xạ kích thích Brillouin; Raman).Trộn bốn bước sóng (FWM) gây nhiễu xuyên âm trên kênh trong hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) Tự điều pha SPM) và điều chế xuyên pha (XPM) gây ra chirp tần

số, chúng kết hợp với tán sắc, làm tín hiệu biến dạng và mở rộng, kèm theo đó là nhiễu

xuyên âm FWM có thể được giảm bằng cách tăng độ lớn tán sắc của sợi quang Cả hai loại tán xạ kích thích đều chuyển công suất của xung vào các sóng dịch tần.Trong trường hợp tán xạ Brillouin , sóng tán xạ lan truyền theo hướng ngược lại với tín hiệu đến, và khi công suất vượt một ngưỡng nào đó thì phần bị tán xạ trở lại còn mạnh hơn

cả phần tín hiệu được truyền đi, tán xạ này thiết lập ngưỡng giới hạn công suất đỉnh của ánh sáng mà tại đó việc truyền tín hiệu qua sợi quang vẫn có hiệu quả Trong trường hợp tán xạ kích thích Raman, các sóng bị tán xạ lan truyền cùng một hướng với các tín hiệu đến.Trong hệ thống WDM, tín hiệu tán xạ Raman của một kênh do đó có thể đè lên các kênh khác

Mặc dù phi tuyến nói chung có ảnh hưởng không tốt tới các hệ thống thông tin quang, tất cả những hiệu ứng phi tuyến này đều phụ thuộc vào mức công suất tín hiệu.Khi được kiểm soát, hầu hết các ảnh hưởng đã trình bày bên trên đều có thể được khai thác để tạo ra các thiết bị FWM và XPM có thể được sử dụng trong các chuyển mạch quang học, chuyển đổi tần số, bộ tái tạo xung và các thiết bị xử lý tín hiệu quang SPM được ứng dụng cho truyền dẫn xung Soliton Tán xạ kích thích Raman có thể được sử dụng để khuếch đại tín hiệu.Việc ứng dụng phi tuyến cho sợi SI thường có những hạn chế lớn Thứ nhất, vật liệu tương tác với ánh sáng phải có chiết suất đủ lớn, vấn đề này được giải quyết bằng việc sử dụng vật liệu Silica pha tạp hoặc những vật liệu khác như tellurite hoặc chalcogenide Thứ hai, tất cả các quá trình phi tuyến cần

sự ăn khớp về pha, đồng nghĩa với việc chúng chỉ xảy ra với những sợi có dạng đường cong tán sắc nhất định

1.2 Sợi tinh thể quang

Sợi quang được sử dụng để truyền xung ánh sáng qua khoảng cách lớn với tốc độ cao Việc sử dụng sợi quang trong truyền dẫn là một trong những điểm then chốt giúp viễn thông phát triển vượt bậc trong cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX Công nghệ sợi quang phát triển với tốc độ chóng mặt trong những năm qua với mục đích chính là giảm suy hao sợi, giảm giá thành chế tạo Ngoài việc ứng dụng trong viễn thông, sợi quang còn được ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác, ví dụ như trong y tế, trong công nghệ cảm biến…

Từ những năm 1980 có một hướng nghiên cứu mới về sợi quang thu hút rất nhiều

các nhà khoa học, các trường đại học và các công ty công nghệ tập trung nghiên cứu,

đó là sợi tinh thể quang Photonic Crystal Fibers PCFs) Sợi tinh thể quang gồm nhiều dạng vi cấu trúc được tích hợp vào trong vật liệu chế tạo Chính vì vậy nó có những đặc tính dị biệt, khác với sợi quang thông thường

Sợi tinh thể quang PCF đầu tiên được công bố bởi Russell và các cộng sự vào năm

1995 Đó không phải là sợi tinh thể quang lõi rỗng, vì thế nó không dựa trên nguyên lý dải cấm quang để giữ ánh sáng trong sợi, đó là sợi tinh thể quang lõi đặc với nhiều lỗ khí nhỏ bao quanh lõi chạy song song với trục của sợi Các kết quả đo đạc cho thấy đó

là sợi đơn mode, nó chỉ có một mode dẫn sóng cơ bản Hơn nữa, sợi PCFs có suy hao rất nhỏ vì lõi sợi không bị pha tạp thêm vật liệu nào

Hình 1.3 Sợi tinh thể quang đầu tiên được chế tạo

Tiếp đến sau khi nhóm nghiên cứu của Russell chuyển đến trường đại học Bath vào năm 1996, nơi có kỹ thuật chế tạo sợi tinh thể quang đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng, Russell và các cộng sự của ông đã công bố việc chế tạo thành công sợi tinh thể quang lõi rỗng vào năm 1999 Họ nhận ra rằng cơ chế dẫn ánh sáng theo nguyên lý dải cấm quang rất đặc biệt, ánh sáng truyền vào sợi quang được giam hoàn toàn trong lõi rỗng, thậm chí ngay cả khi sợi quang bị uốn cong được đến một mức nhất định Tuy nhiên PCFs lõi rỗng rất nhạy cảm với một thay đổi nhỏ trong cấu trúc hình học của sợi,

ví dụ như việc thay đổi kích thước lỗ khí Nhờ các nghiên cứu ban đầu của Russell và các cộng sự của ông đã mở ra một hướng nghiên cứu mới đầy tiềm năng về sợi tinh thể quang Ngày nay, sợi tinh thể quang PCFs vẫn là một đề tài đang nhận được rất nhiều quan tâm từ các nhà nghiên cứu, các trường đại học và các công ty lớn nhằm nghiên

cứu và phát triển ra các loại sợi mới với những đặc tính quý, ứng dụng thực tiễn vào rất nhiều các lĩnh vực khác nhau

1.2.1 Cơ chế truyền dẫn ánh sang trong sợi tinh thể quang

Để truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang, người ta bơm một nguồn ánh sáng

mang thông tin vào lõi sợi có hằng số truyền sóng β Giá trị cực đại của β đạt được khi môi trường truyền dẫn là đồng nhất, vô hạn, với chiết suất của môi trường n, giá trị cực đại đó là β = n𝑘0, với 𝑘0 là hằng số lan truyền trong không gian tự do

Truyền ánh sáng theo nguyên lý phản xạ toàn phần

Có thể sử dụng những tinh thể mà vật liệu lõi có chiết suất lớn hơn chiết suất hiệu dụng của phần vỏ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần Một loại đã được nghiên cứu là sợi tinh thể quang với lõi thuỷ tinh silica glass được bao quang bởi các lỗ khí chạy song song dọc trục lõi như các mao dẫn Những sợi như này gọi là sợi dẫn sóng theo chiết suất hay dẫn sóng dựa trên nguyên lý phản xạ toàn phần Tuy cũng d ng nguyên

lý phản xạ toàn phần để dẫn ánh sáng nhưng loại sợi PCFs này có rất nhiều đặc tính khác với sợi quang thông thường Đối với sợi tinh thể quang, lớp lõi trong c ng là silica tinh khiết, lớp vỏ cũng là silica tinh khiết nhưng được chèn các mao dẫn không khí bên trong nên nhìn chung chiết suất hiệu dụng lớp vỏ nhỏ hơn nhiều so với chiết suất hiệu dụng của lõi Do sự sai khác giữa chiết suất hiệu dụng lớp vỏ và lõi nên xảy

ra hiện tượng phản xạ toàn phần nếu như ta bơm các ch m ánh sáng vào lõi sợi với khẩu độ mở số thích hợp Các ch m ánh sáng được bơm vào lõi sợi sẽ phản xạ tại bề mặt tiếp giáp giữa lớp lõi và lớp vỏ, giúp ánh sáng truyền được trong sợi quang

Lõi sợi quang

θ

Phản xạ toàn phần

Hình 1.4 Truyền dẫn ánh sáng bằng phản xạ toàn phần

Truyền dẫn ánh sáng theo nguyên lý dải cấm quang

Một loại sợi quang hoàn toàn khác biệt so với tất cả các sợi quang truyền thống,

đó là sợi tinh thể quang lõi rỗng Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang lõi rỗng hoàn toàn khác với nguyên lý truyền ánh sáng do phản xạ toàn phần - nguyên lý dải cấm quang

Nhìn vào các phát triển công nghệ ngày nay, thật khó để nhận ra rằng hiệu ứng dải cấm quang lần đầu tiên được mô tả năm 1987 bởi Yablonovitch và John, hai người độc lập nghiên cứu việc điều khiển sự tự phát và định vị ánh sáng trong các vật liệu tuần hoàn mới Khái niệm tinh thể quang (hay cấu trúc dải cấm quang) được đưa ra để

mô tả những vật liệu có tính tuần hoàn có khả năng tạo ra khoảng tần số trong đó sóng điện từ dù truyền theo hướng nào cũng bị cấm một cách nghiêm ngặt – và tương ứng với những khoảng tần số bị cấm được gọi là dải cấm quang Ý tưởng ban đầu đằng sau việc sử dụng tinh thể quang để điều khiển sự phát tùy ý là nhằm phục hồi tính phát xạ của nguyên tử bị kích thích hoặc tái kết hợp cặp lỗ trống-điện tử trong chất bán dẫn,

mà để xảy ra được thì phải có một số khác không các trạng thái điện từ cho các photon phát ra Do đó, các chuyển tiếp quang của nguyên tử về nguyên lý sẽ bị chặn trong tinh thể quang nếu tinh thể được thiết kế có dải cấm quang chồng lên các tần số chuyển tiếp quang Khả năng này của tinh thể quang ngăn cấm sự truyền các photon ở những tần

số xác định gần giống với đặc tính điện tử của chất bán dẫn, và triển vọng về việc có một vùng cấm quang tương tự như v ng cấm điện tử tạo nên sự chú ý mạnh mẽ đối với sợi tinh thể quang Sự tương đồng giữa tinh thể quang và chất bán dẫn là: trong cả 2 trường hợp, phân phối có tính tuần hoàn của điện thế trong không gian gây ra việc mở rộng các khoảng cấm trong mối tương quan tán sắc giữa photon và sóng điện Tuy nhiên, vùng cấm điện tử được gây ra bởi điện thế biến đổi một cách tuần hoàn từ mạng lưới sắp xếp của các nguyên tử tạo thành chất bán dẫn, sự phân bố tuần hoàn của điện môi gây ra dải cấm để mở trong tinh thể quang Xét tới ảnh hưởng to lớn lên lĩnh vực điện tử khi đưa vào nghiên cứu dải cấm điện trong silicon và các chất bán dẫn khác, ta

có thể dự đoán những ảnh hưởng to lớn lên lĩnh vực quang tử khi bắt đầu nghiên cứu

về tinh thể quang

Những nghiên cứu ban đầu về dải cấm quang không liên quan trực tiếp đến ống dẫn sóng, nhưng liên quan mật thiết đến vấn đề định vị ánh sáng trong các thành phần

quang trong tương lai Có thể nói một cách chính xác rằng hầu hết ý tưởng mới về dải cấm quang của các nhà nghiên cứu đều xuất hiện khoảng cuối những năm 1980 hoặc đầu những năm 1990, trước hết dù những ý tưởng này khá kì lạ, hấp dẫn nhưng không

có nhiều ứng dụng thực tế Một trong những lý do là chế tạo ra tinh thể quang khó hơn nhiều khi so sánh với chất bán dẫn Lý do chính cho điều này, và có thể là lý do tại sao khái niệm tinh thể quang được nhận ra tương đối muộn trong khoa học – đó là do thiếu các vật liệu có thể thể hiện dải cấm quang 3 chiều nghĩa là để truyền dẫn ánh sáng theo hướng tùy ý)

Để dải cấm quang 3D xảy ra, có một số yêu cầu, trong đó cấu trúc tuần hoàn phải được thực hiện Ngược với chất bán dẫn, nơi mà các nguyên tử sắp xếp ngẫu nhiên trong một mạng với kích thước phù hợp với bước sóng của electron, tinh thể quang để hoạt động ở v ng bước sóng có thể nhìn thấy được hoặc vùng hồng ngoại, phải có “nguyên tử quang” nhân tạo được sắp xếp theo một kích cỡ xấp xỉ một micromet D kích thước này lớn hơn cả nghìn lần so với kích thước bước sóng điện,

nó làm cho việc chế tạo tinh thể quang để sử dụng trong miền quang cũng trở thành một thử thách lớn Xét đến sự tương đồng giữa chất bán dẫn và tinh thể quang, qua đó,

là cần thiết khi biết rằng vấn đề khó khăn trong việc sản xuất sợi tinh thể kích cỡ micro

đó là sự khác nhau cơ bản giữa electron và photon Vì thế, mặc dù tinh thể quang có thể cung cấp các thành phần quang độc đáo, mới lạ, lý tưởng thì ý tưởng về sự chuyển đổi trực tiếp giữa các thành phần điện tử sang công nghệ phiên bản quang sử dụng tinh thể quang vẫn phải được xem xét kỹ lưỡng Công nghệ quang được coi như là một lĩnh vực nghiên cứu thu hút một sự quan tâm lớn và có nhiều nghiên cứu được ứng dụng Một trong những ứng dụng quý báu như đã đề cập từ trước, là những ống dẫn sóng quang mới

1.2.2 Các lớp khác nhau của sợi tinh thể quang

Trong phần này, chúng ta sẽ giới thiệu một số cái tên và thuật ngữ đã được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực nghiên cứu sợi quang Lưu ý rằng, vì lĩnh vực này vẫn còn tương đối mới, và được nghiên cứu bởi các nhóm khác nhau nên những thuật ngữ được d ng cũng khác nhau Chúng ta sẽ cố gắng đề cập đến những thuật ngữ phổ biến nhất

Nếu ta quan sát hình 1.4, tất cả thuật ngữ sử dụng cho lĩnh vực được chỉ ra ở

phía trên Những từ được sử dụng nhiều nhất là sợi tinh thể quang (Photonic Crystal Fibers - PCF), sợi vi cấu trúc (Microstructured Fibers - MSF), hoặc sợi quang vi cấu

trúc (Microstructured Optical Fibers - MOF) Tuy nhiên, trong đồ án này, ta sẽ sử

dụng thuật ngữ “sợi tinh thể quang” để mô tả sợi với cấu trúc có chiết suất tương phản cao trong lớp vỏ (thỉnh thoảng ngay cả trong lõi), được sử dụng để định dạng tính chất ống dẫn sóng trong sợi

Bất kì sợi PCF hoặc vi cấu trúc nào cũng có thể được xếp vào một trong hai lớp chính, được đặt tên ứng theo nguyên lý dẫn quang trong sợi: nguyên lý phản xạ toàn phần (TIR) hoặc dẫn sóng theo hiệu ứng dải cấm quang Những sợi thuộc lớp chính đầu tiên, như đã được chỉ ra ở hình 1.4, thường được gọi là sợi lõi chiết suất cao (HIC), sợi Index-Guiding (IG) hoặc sợi Holey Fibres (HF) Trong lớp chính thứ hai, những sợi thường được gọi là sợi PBG hoặc sợi Bandgap-Guiding (BG)

Hình 1.5 Sơ đồ cho thấy hầu hết những thuật ngữ được sử dụng trong những cấu trúc điểm hình cho

lớp chính và những lớp phụ của sợi tinh thể quang

Bây giờ chúng ta có thể chia hai lớp chính thành các lớp nhỏ hơn, mà chủ yếu được xác định bởi kích thước của cấu trúc và những đặc điểm đặc biệt của chúng Đối với

những sợi index-guiding, có 3 lớp con: sợi có khẩu độ số lớn (High

numerical-aperture-HNA) có phần trung tâm được bao quanh bởi một vòng các lỗ

khí tương đối lớn, sợi có diện tích mode lớn (Large-Mode-Area - LMA) có các tham

số kích thước tương đối lớn và chiết suất tương phản hiệu dụng nhỏ để mở rộng theo

chiều ngang của trường quang, cuối cùng là sợi có tính phi tuyến

cao(Highly-NonLinear - HNL) có kích thước lõi rất nhỏ để giam giữ mode chặt chẽ

Những sợi quang dẫn quang theo nguyên lý dải cấm quang có thể được phân thành các lớp con như Low-Index-Core (LIC), Air-Guiding (AG) hoặc Hollow-Core HC) và thêm vào đó là sợi đối xứng tròn Bragg Sợi LIC là ống dẫn sóng, dẫn ánh sáng bằng hiệu ứng dải cấm quang giới hạn ánh sáng ở lõi sợi Mặc dù chiết suất của vùng lõi thấp hơn của vùng vỏ, phần lớn công suất quang được truyền trong vật liệu

có chiết suất cao (hầu hết là silic) Trái ngược với điều này, sợi air-guiding cung cấp một dải cấm, cho phép phần lớn công suất quang truyền qua lỗ trung tâm của cấu trúc sợi, nhờ đó mà cái tên air-guiding xuất hiện

1.3 Các đặc tính và ứng dụng của sợi tinh thể quang

Thay đổi cách sắp xếp các lỗ khí trên mặt cắt, sợi tinh thể quang có thể điều khiển chiết suất giữa lõi và vỏ giúp tạo ra các sợi có đặc tính dị biệt Những sợi tinh thể quang này có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, không chỉ trong viễn thông mà còn trong rất nhiều lĩnh vực khác như ứng dụng mổ laser trong y tế, trong cảm biến hay để dò khuyết tật trong vật thể và hàn nối trong cơ khí,… Phần này trình bày một

số ứng dụng quan trọng của sợi tinh thể quang PCFs lõi đặc và lõi rỗng trong thực tế

1.3.1 Những ứng dụng của sợi tinh thể quang lõi đặc

Đây là loại sợi tinh thể quang dẫn ánh sáng theo chiết suất, với lõi là silica đặc bao quanh bởi các lỗ khí, có rất nhiều ứng dụng tiềm năng

1.3.1.1 Sợi lưỡng chiết quang

Sợi lưỡng chiết quang là sợi gồm có 2 mode dẫn sóng phân cực trục giao với nhau trong cùng một sợi đơn mode, truyền ánh sáng ở tốc độ khác nhau Sợi lưỡng chiết quang được sử dụng để duy trì trạng thái phân cực trong các thiết bị và hệ

thống quang Mode dẫn sóng trở nên lưỡng chiết nếu lõi sợi được chế tạo đối xứng Bằng cách thay đổi nhẹ dạng hình học của lỗ khí, có thể tạo ra mức lưỡng chiết quang mà có những đặc tính của sợi lưỡng chiết quang thông thường Không giống như sợi duy trì phân cực thông thường, như sợi lõi elip hay sợi cấu trúc Panda, loại sợi lưỡng chiết này gồm hai loại thủy tinh khác nhau, mỗi loại có hệ số dãn nở nhiệt khác nhau, vì vậy sợi tinh thể quang lưỡng chiết không nhạy cảm với nhiệt độ, đây là đặc tính quan trọng được ứng dụng rất nhiều trong thực tế

1.3.1.2 Sợi phi tuyến cao – Highly nonlinear

Một đặc tính quý của sợi tinh thể quang là sự sai khác giữa chiết suất hiệu dụng giữa lõi và vỏ sợi lớn hơn nhiều so với sợi quang thông thường Đặc tính này

có được bằng cách tạo các lỗ khí có đường kính lớn, hoặc làm giảm đường kính lõi,

để ánh sáng chỉ truyền trong lõi sợi Bằng cách này có thể giảm suy hao giam giữ và tăng tính phi tuyến của sợi, vì cường độ trường trong lõi sợi rất lớn Do vậy sợi tinh thể quang phi tuyến có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị quang phi tuyến Đây

là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của sợi quang phi tuyến

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của sợi tinh thể quang phi tuyến là tạo supercontinuum Supercontinuum tạo ra các phổ rộng, liên tục bằng cách truyền xung công suất cao qua môi trường phi tuyến Khái niệm Supercontinuum không chỉ

ra một hiện tượng cụ thể, nhưng đó là kết quả của các hiện tượng phi tuyến, được kết hợp để tạo ra các xung siêu rộng Thông số quan trọng của máy tạo supercontinuum

là tán sắc của môi trường phi tuyến liên quan đến bước sóng bơm, chiều dài xung và công suất đỉnh Do hiện tượng phi tuyến liên quan đến việc tạo ra các xung siêu rộng phụ thuộc mạnh vào tán sắc của môi trường, nên khi thiết kế sợi với tán sắc phù hợp

có thể giảm đáng kể công suất cần sử dụng Xung có độ rộng phổ lớn nhất có thể tạo

ra bằng cách bơm xung tại v ng bước sóng có tán sắc không vào một môi trường phi tuyến

1.3.1.3 Sợi tinh thể quang có diện tích hiệu dụng lớn

Khi thay đổi các đặc tính hình học của vùng chuyển tiếp của sợi, có thể thu được sợi tinh thể quang với tính chất hoàn toàn khác biệt, có diện tích hiệu dụng lớn

Vùng chuyển tiếp của loại sợi này gọi là sợi tinh thể quang diện tích mode lớn Sợi

có diện tích hiệu dụng lớn được dùng trong các ứng dụng yêu cầu công suất cao Thông thường, sợi tinh thể quang diện tích hiệu dụng lớn được ứng dụng trong vùng bước sóng ngắn, như trong v ng tử ngoại hay vùng ánh sáng nhìn thấy Một vài ứng dụng của sợi tinh thể quang diện tích hiệu dụng lớn tiêu biểu như các laser quang, bộ khuếch đại quang,…

Sợi quang thông thường dùng cho laser hay khuếch đại quang được chế tạo bằng cách pha tạp vào vùng lõi sợi một vài nguyên tố hiếm, tuy nhiên loại sợi này có nhược điểm là bị giới hạn công suất hoạt động, nên không phù hợp với các ứng dụng

yêu cầu công suất cao, ví dụ trên 1W Những sợi quang hoạt động ở công suất cao

thường được chế tạo có lớp vỏ kép, như minh họa trên hình 1.4

Hình 1.6 Cấu trúc PCFs vỏ kép dùng trong ứng dụng laser

Đối với các ứng dụng trong công nghiệp xử lý vật liệu, mức công suất trung bình sử dụng có thể lên đến hàng kW Hoàn toàn có thể đạt được mức công suất này với các sợi laser quang diện tích hiệu dụng lớn

1.3.2 Ứng dụng của sợi tinh thể quang lõi rỗng

Sợi tinh thể quang lõi rỗng có tiềm năng ứng dụng rất lớn, do tính phi tuyến thấp và

có độ bền cơ học cao hơn các sợi quang thông thường Do sợi sử dụng lõi không khí

để truyền dẫn ánh sáng nên tốc độ truyền của ánh sáng trong sợi lõi rỗng nhanh hơn

nhiều so với truyền trong sợi lõi thủy tinh do chiết suất hiệu dụng của không khí (n ≈

1) nhỏ hơn chiết suất của thủy tinh (khoảng 1.5) Do đó sợi tinh thể quang lõi rỗng là

một trong những phương án truyền dẫn khả thi nhất cho hệ thống thông tin quang trong tương lai

Một ứng dụng nữa của sợi tinh thể quang lõi rỗng là d ng để truyền các xung liên tục công suất lớn, xung có độ rộng nano giây hay pico giây, và đặc biệt hữu ích trong kỹ thuật đánh dấu, hàn nối trong cơ khí, trong laser Doppler, mổ laser trong y

tế hay d ng để tạo các tần số cỡ THz Sự ra đời của sợi tinh thể quang lõi rỗng đã giải quyết được những vấn đề gặp phải đối với sợi thông thường như có độ bền cao hơn, ít bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng phi tuyến có hại và có thể làm việc với công suất cao hơn

Hơn nữa, sợi tinh thể quang lõi rỗng cũng rất thích hợp cho việc xử lý quang phi tuyến trong ngành công nghiệp gas, nơi yêu cầu cường độ ánh sáng rất cao trong khi công suất sử dụng rất thấp

1.4 Đặc tính suy hao của sợi tinh thể quang

Với bất kỳ công nghệ chế tạo sợi quang nào, vấn đề quan trọng nhất đó là suy hao Đối với sợi quang thông thường, công nghệ hiện nay đã giúp tạo sợi với suy hao được giảm đến mức dưới 0.2 dB/km Suy hao sợi là thông số đặc biệt quan trọng để xác định khoảng cách sử dụng các trạm khuếch đại trong các hệ thống thông tin quang cự ly xa.Cơ chế suy hao sẽ được trình bày chi tiết trong các mục dưới đây

1.4.1 Bản chất của suy hao

Hệ số suy hao của sợi quangα dB đơn vị dB/km) được tính bởi công thức:

IR OH

dB A B  



Trong đó A là hệ số tán xạ Rayleigh, B là hệ số suy hao do sai số chế tạo, α OHlà hệ số

hấp thụOH và α IR là hệ số hấp thụ hồng ngoại Ở thời điểm hiện nay, suy hao trong

sợi tinh thể quang chủ yếu do hấp thụ OH và suy hao do sự không hoàn hảo của quá

trình chế tạo

Đối với sợi tinh thể quang điển hình, suy hao do hấp thụ OH trong v ng bước sóng 1550 nm là khoảng 0.1 dB/km, vì vậy việc giảm suy hao do hấp thụ OH đặc

biệt quan trọng đồng thời cũng là một thách thức lớn Hầu hết vẫn có sự tồn tại của ion OH- ở trong lõi sợi quang là do quá trình chế tạo không thể loại bỏ hoàn toàn, vì vậy việc hấp thụ nước trong quá trình chế tạo sẽ làm giảm đáng kể suy hao do hấp thụ ion OH

Suy hao do sự không hoàn hảo của quá trình chế tạo chủ yếu là do bề mặt ghồ ghế của các lỗ khí Trong quá trình chế tạo, các lỗ khí có thể bị tác động bởi các tạp chất không mong muốn Chỉ cầnđộ ghồ ghề của lỗ khí nhỏ cỡ so sánh được với bước sóng thì sẽ làm tăng đáng kể suy hao tán xạ, vì vậy cần đặc biệt chú ý đến quá trình đánh bóng và ăn mòn axit trong khi chế tạo sợi tinh thể quang PCFs Hơn nữa, sự thay đổi của đường kính lỗ khí trong quá trình kéo sợi cũng sẽ làm tăng suy hao của sợi

1.4.2 Suy hao giam giữ ánh sáng – Confinement loss

Một loại suy hao xảy ra với cả sợi tinh thể quang lõi đặc hay lõi rỗng là suy hao giam giữ ánh sáng Tham số suy hao giam giữ đánh giá khả năng giam giữ ánh sáng trong vùng lõi PCFs

Trong sợi tinh thể quang lõi đặc, ánh sáng được giam giữ trong vùng lõi bởi các lỗ khí Ánh sáng sẽ lan ra ngoài vùng lõi nếu sự giam giữ của các lỗ khí là không

đủ Điều đó cho thấy yếu tố quan trọng trong thiết kế để giảm suy hao giam giữ đó là thay đổi đường kính các lỗ khí, hay thay đổi khoảng cách giữa các lỗ khí Thông thường, tỉ số giữa đường kính lỗ khí và khoảng cách giữa các lỗ khí phải đủ lớn để giam ánh sáng trong lõi Tuy nhiên, việc thiết kế cấu trúc một cách hợp lý cũng có thể giảm suy hao giam giữ đến mức vừa phải, chấp nhận được

Gần đây, một số phân tích chỉ ra rằng có phương pháp để thiết kế sợi tinh thể quang có suy hao giam giữ không đáng kể, có sự phụ thuộc của suy hao giam giữ vào số vòng lỗ khí, đặc biệt là tỉ số đường kính lỗ khí trên khoảng cách giữa các lỗ khí Thông thường, suy hao giam giữ có thể giảm đáng kể nếu tăng số vòng lỗ khí Công thức tính suy hao giam giữ :

]Im[

686,8)10ln(

/]Im[

)/2)(

1020

Trong đó Im[neff] là phần ảo của chiết suất hiệu dụng.Đơn vị của suy hao giam giữ là [dB/m] với

1.4.3 Suy hao uốn cong – Bending loss

Sợi quang thông thường sẽ có thêm một loại suy hao nếu sợi bị uốn cong gần tới bán kính tới hạn Với bước sóng lớn hơn một giá trị xác định, đó là suy hao do uốn cong cạnh, tất cả các mode dẫn đều bị suy hao Hiện tượng đó cũng xảy ra trong sợi tinh thể quang PCFs Khi bị uốn cong, hiện tượng này xảy ra cả mode cơ bản lẫn mode bậc cao, ánh sáng bị rò ra ngoài vỏ Ở các bước sóng ngắn, mode dẫn chủ yếu giam giữ ánh sáng trong lõi silica, khi bước sóng nhỏ hơn khoảng cách giữa các lỗ khí Λ, ánh sáng sẽ thoát ra ngoài phần không gian giữa hai lỗ khí, và kết quả là sợi sẽ có phần suy hao khi bị uốn cong

Sợi tinh thể quang PCFs có các đường kính lỗ khí lớn hay tỉ số đường kính lỗ khí trên khoảng cách giữa hai lỗ khí d/Λ lớn, sẽ giảm đáng kể suy hao do uốn cong Tuy nhiên do yêu cầu sợi hoạt động đơn mode và kích thước mode giới hạn nên ngoài việc tăng tỉ số d/Λ, còn một phương pháp khác là pha tạp thêm vào vùng lõi một số nguyên tố hóa học đặc biệt

1.4.4 Suy hao ghép nối sợi quang – Splice loss

Khi thực hiện nối hai sợi quang với nhau, do không đối xứng về mặt hình học khi ghép nối xuất hiện suy hao tại mối nối Kể cả khi hai sợi quang đối xứng tuyệt đối về mặt hình học thì vẫn có sự khác nhau về đường kính trường mode trong hai sợi Đó được gọi là suy hao hàn nối và được tính theo công thức :

Trong đó, W SMF,W PCFlà đường kính trường mode (MFD) của sợi đơn mode và PCFs

1.4.5 Diện tích hiệu dụng – Effective area (A eff )

Diện tích hiệu dụng là diện tích mặt cắt ngang của trường mode, khi tăng kích thước của các lỗ khí, mode ánh sáng sẽ bị giam trong lõi tốt hơn, diện tích hiệu dụng sẽ giảm Diện tích hiệu dụng hầu như không phụ thuộc vào số vòng lỗ khí Tại một bước sóng cho trước, diện tích hiệu dụng có thể rất lớn tùy vào khoảng cách Λ, kích thước của lỗ khí và số vòng lỗ khí Diện tích hiệu dụng được xác định theo công thức:

 

 

2 2

4

,,

Đơn vị của A eff là [μm2], trong đó E là cường độ điện trường

1.5 Chế tạo sợi tinh thể quang

Sợi tinh thể quang được chế tạo bằng cách thêm các lỗ khí vào vật liệu thủy tinh đặc Thủy tinh là loại vật liệu tốt, tính dẻo không thay đổi theo nhiệt độ và đặc biệt giá thành rất rẻ và sẵn có

Các loại sợi quang thông thường được chế tạo bằng cách tạo ra một khuôn mẫu sợi và kéo sợi ở nhiệt độ cao trong lò nung để tạo thành dạng tháp Các kỹ thuật hấp thụ hơi nước khác nhau được sử dụng để hấp thụ hơi nước Hơn nữa, việc chế tạo sợi quang đơn mode thông thường yêu cầu sự sai khác giữa chiết suất lõi và vỏ là khoảng 1% Ngược lại, đối với sợi tinh thể quang, sự sai khác giữa chiết suất lõi và

vỏ là rất lớn, có thể là 50% đến 100%, cho nên các kỹ thuật hấp thụ hơi nước sử dụng trong chế tạo sợi quang thông thường không áp dụng được trong quá trình chế tạo sợi tinh thể quang PCFs

Trong chế tạo sợi quang thông thường, chỉ có một tham số đặc biệt quan trọng

là tính dẻo của vật liệu chế tạo liên quan đến độ bền của sợi), còn trong chế tạo sợi tinh thể quang, phải chú ý thêm nhiều yếu tố hơn, đó là tính dẻo của vật liệu, trọng lượng và sức căng bề mặt Đặc tính dẻo của vật liệu và sức căng bề mặt phụ thuộc mạnh vào loại vật liệu được chọn, vì vậy việc lựa chọn loại vật liệu phù hợp với mục

đích chế tạo sợi tinh thể quang là điều đặc biệt quan trọng trong thiết kế và chế tạo sợi tinh thể quang

Đối với quá trình chế tạo sợi tinh thể quang, giai đoạn chế tạo phôi là giai đoạn quyết định, sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác và các đặc tính của sợi Phôi của sợi tinh thể quang được chế tạo bằng cách xếp chồng các ống mao dẫn để tạo cấu trúc thủy tinh – không khí, như mô tả trên hình bên dưới Cách này cho phép chế tạo phôi có độ linh động cao, do kích thước của lõi và vỏ cũng như chiết suất của vỏ có thể được kiểm soát Sau khi xếp chồng các ống mao dẫn, các ống mao dẫn này được giữ bằng các sợi dây và được nấu chảy c ng nhau để tạo thành các ống phôi trung gian hình trụ Kích thước các ống phôi trung gian này liên hệ với sợi tinh thể quang mong muốn theo một tỉ lệ nào đó Sau bước này, các ống phôi trung gian được đưa vào tháp kéo sợi, kéo dài sợi ra theo đúng kích thước sợi mong muốn Quá trình này được mô tả trên hình sau

Hình 1.7 Sơ đồ tổng quan quá trình chế tạo sợi tinh thể quang PCFs

Sợi quang thông thường được kéo ở nhiệt độ 2100oC, trong khi đối với sợi tinh thể quang, thì mức nhiệt độ thấp hơn, khoảng 1900oC để có thể điều khiển sức căng bề mặt Để điều khiển kích thước lỗ khí trong suốt quá trình kéo sợi, người ta

sử dụng một kỹ thuật điều khiển chính xác tốc độ kéo Nói tóm lại để có thể điều khiển độ chính xác của quá trình chế tạo sợi, cần phải đặc biệt chú ý đến nhiệt độ

nung, áp lực lò nung và tốc độ kéo sợi Sau các bước này, sợi sau khi được kéo sẽ được bọc các lớp vỏ bảo vệ, các lớp vỏ gia cường cho sợi

Giai đoạn xếp chồng phôi và kéo sợi là giai đoạn rất phức tạp, quá trình yêu cầu xếp rất nhiều các ống mao dẫn với kích thước, hình dạng khác nhau để tạo dạng phôi của sợi Hệ số tỉ lệ giữa kích thước phôi và kích thước sợi thật có thể lên đến

50000 lần, và đường kính lỗ khí nhỏ nhất chế tạo trong sợi tinh thể quang có thể đạt tới 25nm Với công nghệ hiện nay, đã có thể sản xuất sợi với lỗ khí độ chính xác 10

nm

Giai đoạn xếp chồng và kéo sợi trong quá trình chế tạo sợi tinh thể quang phức tạp hơn rất nhiều so với giai đoạn ngưng tụ hơi nước trong chế tạo sợi quang thông thường, và sử dụng các kỹ thuật phức tạp hơn Do đó giá thành của sợi tinh thể quang PCFs hiện nay cao hơn rất nhiều so với sợi quang thông thường

1.6 Xu hướng nghiên cứu sợi tinh thể quang

Sợi tinh thể quang thu hút sự quan tâm sự quan tâm rất lớn của các nhà nghiên cứu từ năm 1996 Sự xuất hiện của các vi cấu trúc trong vùng chuyển tiếp làm tăng cường các đặc tính vật lý của sợi, tạo ra nhiều lĩnh vực ứng dụng mới Trong vài thập kỷ qua, sợi tinh thể quang PCFs được nghiên cứu rộng rãi trong các trường đại học, các công ty lớn như Lucent Technologies, Corning hay công ty NTT

Thời điểm hiện tại, sợi tinh thể quang cho laser công suất cao, cho khuếch đại hay d ng để tạo supercontinuum, sợi tinh thể quang bù tán sắc, tinh thể quang tán sắc phẳng hay sợi tinh thể quang phi tuyến cao là những ứng dụng phổ biến nhất của sợi tinh thể quang PCFs trên thị trường với tính chất tuyệt vời

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

2.1 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng (WDM)

2.1.1 Giới thiệu chung

Sự phát triển nhanh chóng của các mô hình truyền số liệu, đặc biệt là Internet đã làm b ng nổ nhu cầu tăng băng thông Trong bối cảnh IP (Internet Protocol) đang nổi lên như là nền tảng chung của mọi loại hình dịch vụ trong tương lai, các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt buộc phải xem xét lại phương thức truyền dẫn TDM truyền thống, vốn tối ưu cho truyền thoại nhưng lại kém hiệu quả trong việc tận dụng băng thông

Tóm lại, ta phải giải quyết bài toán tăng băng thông cho viễn thông tương lai Các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt đầu xét đến ba phương thức truyền dẫn sau:

▪ Truyền dẫn ghép phân không gian SDM (Space Devision Multiplexing):

đơn giản và không cần sự phát triển công nghệ, chỉ đơn thuần là tăng số lượng sợi quang, tốc độ truyền dẫn vẫn giữ nguyên Ta có thể chọn SDM nếu trên tuyến truyền dẫn cần tăng băng thông đã có sẵn số lượng sợi quang chưa d ng và khoảng cách tuyến truyền dẫn là đủ ngắn để không cần dùng các bộ lặp, bộ khuếch đại Nếu khoảng cách là xa, khi đó chi phí sẽ vụt tăng

do mỗi hệ thống lắp thêm đều cần một số lượng bộ lặp, bộ khuyếch đại như hệ thống cũ

Truyền dẫn ghép phân thời gian TDM (Time Devision Multiplexing):

tăng tốc độ truyền dẫn lên trên sợi quang Khi tiếp tục d ng phương thức truyền thống này, ta phải xem xét đến hai vấn đề: trước và khi truyền trên sợi quang Trước khi chuyển thành tín hiệu quang để truyền đi, các linh kiện điện tử có khả năng xử lí với tốc độ bit tối đa là bao nhiêu? Thực tế hiện nay cho thấy, ở đa số các mạng truyền dẫn, linh kiện điện tử có khả năng đáp ứng tốt đối với các dòng tín hiệu ở tốc độ 2.5 Gbps hoặc 10 Gbps Như vậy thì chưa giải quyết trọn vẹn bài toán tăng băng thông Trong phòng thí nghiệm đã cho các linh kiện hoạt động ở tốc độ 40 Gbps hoặc 80 Gbps Ðể TDM có thể đạt được những tốc độ cao hơn, các phương pháp thực hiện

tách/ghép kênh trong miền quang, được gọi là phân kênh thời gian trong miền quang (Optical time Division Multiplexing - OTDM) đang được

tích cực triển khai Các kết qủa nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy OTDM có thể ghép được các luồng 10Gbit/s thành luồng 250Gbit/s Nhưng khi đó, truyền trên sợi quang sẽ vấp phải các vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn: tán sắc sắc thể, tán sắc phân cực, phi tuyến tính

▪ Truyền dẫn ghép phân bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing): ghép thêm nhiều bước sóng để có thể truyền trên một sợi

quang, không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng Công nghệ WDM có thể mang đến giải pháp hoàn thiện nhất trong điều kiện công nghệ hiện tại Thứ nhất nó vẫn giữ tốc độ xử lý của các linh kiện điện tử ở mức

10 Gbps, bảo đảm thích hợp với sợi quang hiện tại Thay vào đó, công nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm Khoảng bước sóng này được chia làm nhiều băng sóng hoạt động như minh hoạ trên bảng 1.1 Thoạt tiên, hệ thống WDM hoạt động ở băng C do EDF hoạt động trong khoảng băng sóng này) Về sau, EDFA có khả năng hoạt động ở cả băng C

và băng L nên hệ thống WDM hiện tại dùng EDFA có thể hoạt động ở cả băng C và băng L Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 Ghz đảm bảo khả năng chống xuyên nhiễu kênh trong điều kiện công nghệ hiện tại), sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt động trên mỗi băng Như vậy, nếu vẫn giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh truyền, dùng công nghệ WDM cũng đủ làm tăng băng thông truyền trên một sợi quang lên 64 lần !

2.1.2 Sơ đồ khối tổng quát

Ðịnh nghĩa

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

Sơ đồ chức năng

Như minh hoạ trên hình 1.1, để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trên một sợi quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau:

Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser Hiện tại

đã có một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu đối với nguồn phát laser

là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép

Hình 2.1 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot Khi xét đến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần

của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa

Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi )

Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho

hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch không quá 1 dB)

- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh

hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh

- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cả các kênh

Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

2.1.3 Nguyên lý ghép kênh

Kỹ thuật ghép kênh WDM sẽ cho phép tăng dung lượng lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bít đường truyền và cũng không d ng thêm sợi quang Nó thực hiện truyền các luồng quang với các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang Điều này thực hiện được là do các nguồn phát quang có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống thông tin thông thường chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của mỗi sợi quang

Hình 2.1 mô tả các cửa sổ truyền dẫn suy hao thấp của sợi quang nằm ở các vùng (cửa sổ) 0.85 m, 1.3 m, 1.55 m

Hình 2.2 Các vùng bước sóng (cửa sổ) có suy hao nhỏ cho phép truyền

nhiều bước sóng

Về lý thuyết, có thể truyền một dung lượng khổng lồ trên một sợi quang từ nhiều nguồn phát quang làm việc ở những bước sóng cách nhau một khoảng hợp lý Tại đầu thu, có thể thực hiện thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng khác nhau này Do có, mức suy hao thấp ở v ng bước sóng 1,55 m nên vùng này được dùng rộng rãi trong ghép kênh WDM

2.1.4 Các thông số cơ bản của thiết bị WDM

Các thông số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép – giải ghép (MUX/DEMUX) hỗn hợp là: suy hao xen, xuyên kênh, độ rộng kênh Các ký hiệu I(i)

và O(k) tương ứng là các tín hiệu đã được ghép đang có mặt ở đường chung Ký hiệu Ik(k) là tín hiệu đầu vào có bước sóng k được ghép vào cửa thứ k; ký hiệu

Oi(i) là tín hiệu có bước sóng i đã được giải ghép và đi ra ở cửa thứ i Dưới đây, sẽ xem xét ba thông số cơ bản của thiết bị WDM:

+ Suy hao xen:

Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao xảy ra trong tuyến truyền dẫn quang do trong tuyến đó có thêm các thiết bị ghép WDM Suy hao này gồm: suy hao do điểm ghép nối với các thiết bị WDM với sợi quang và suy hao bởi bản than các thiết bị ghép gây ra Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyến phải dự trữ vài dB cho mỗi đầu

Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ ghép Couple chung, nhưng cần lưu ý ở WDM là xét cho một bước sóng đặc trưng: