mzi trong chuyen mach quang

Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN

Hơn 4 năm trên giảng đường Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông thân yêu, sinh viên chúng em đã nhận được sự chỉ bảo, giúp đỡ tận tình của Thầy Cô giáo trong Học viện. Đặc biệt, sinh viên nghành Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông chúng em đã được tìm hiểu, nghiên cứu, học hỏi, tiếp thu biết bao nhiêu kiến thức dưới sự hướng dẫn tận tâm của Thầy Cô.

Trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc nhất tới các Thầy Cô giáo của Học Viện nói chung và các Thầy Cô giáo trong khoa Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức và những kinh nghiệm quý báu trong suốt hơn bốn năm học vừa qua. Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu đồ án tốt nghiệp mà còn là hành trang quý báu để chúng em tự tin xây dựng sự nghiệp trên con đường mình đã chọn.

Đặc biệt, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Cô giáo ThS. Trần Thủy Bình người đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án, giúp em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đặc biệt là các thành viên thuộc tập thể lớp D10VT1 đã kịp thời động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp.

Cuối cùng, em xin kính chúc quý Thầy, Cô và gia đình dồi dào sức khoẻ, thành công trong sự nghiệp cao quý. Chúc các bạn sinh viên luôn luôn phấn đấu và thành công!

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày….tháng…. năm 2014

Sinh viên thực hiên

Trương Minh Thái

SVTH: Trương Minh Thái-D10VT1 i

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................ i

MỤC LỤC................................................................................................................................ ii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU.............................................................................. iv

DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT....................................................................vi

LỜI NÓI ĐẦU..........................................................................................................................1

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU HỆ THỐNG QUANG VÀ GIAO THOA KẾ MACH-ZEHNDER................................................................................................................................2

1.1 Hệ thống quang................................................................................................................2

1.1.1 Mô hình hệ thống thông tin quang............................................................................2

1.1.2 Ưu nhược điểm.........................................................................................................2

1.1.3 Các phần từ quang thụ động và chủ động.................................................................3

1.1.4 Nhận xét....................................................................................................................4

1.2 Lý thuyết giao thoa..........................................................................................................4

1.2.1 Cơ sở quang học sóng...............................................................................................4

1.2.2 Giao thoa ánh sáng....................................................................................................7

1.3 Khái quát về giao thoa kế và giao thoa kế Mach-Zehnder...............................................8

1.3.1 Khái niệm về giao thoa kế.........................................................................................8

Kết luận................................................................................................................................. 8

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA GIAO THOA KẾ MACH-ZEHNDER................................................................................................9

2.1 Khái niệm và đặc điểm cấu trúc.......................................................................................9

2.1.1 Khái niệm..................................................................................................................9

2.1.2 Cấu trúc MZI............................................................................................................ 9

2.1.3 Coupler................................................................................................................... 10

2.1.4 Hiệu suất ghép nối...................................................................................................13

2.2 Nguyên lý hoạt động.....................................................................................................14

2.3 Các loại MZI................................................................................................................. 15

2.3.1 MZI thay đổi độ dài................................................................................................15

2.3.1 MZI thay đổi chiết suất...........................................................................................17

Kết luận...............................................................................................................................18

CHƯƠNG 3 : MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA GIAO THOA KẾ MACH-ZEHNDER..............20

I- Một số ứng dụng của MZI...................................................................................................20

3.1 OADM dựa trên cách tử Bragg sợi quang (FBG) và cấu hình giao thoa kế Mach-Zehnder............................................................................................................................... 20

SVTH: Trương Minh Thái-D10VT1 ii

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục

3.2 Giao thoa kế MZ đóng vai trò là bộ lọc quang..............................................................21

3.3 Ứng dụng của MZI trong chuyển đổi bước sóng...........................................................22

3.4 Ứng dụng của MZI làm cảm biến..................................................................................24

II-Ứng dụng của MZI trong chuyển mạch toàn quang............................................................25

4.1 Giới thiệu khái quát về chuyển mạch quang và phần tử chuyển mạch SOA..................25

4.1.1 Giới thiệu khái quát về chuyển mạch quang...........................................................25

4.1.2 Bộ chuyển mạch quang sử dụng cấu hình MZI.......................................................26

4.1.2 Phần tử chuyển mạch SOA.....................................................................................28

4.2 Giới thiệu khái quát về MZI trong chuyển mạch toàn quang.........................................29

4.3 Chuyển mạch toàn quang MZI-SOA cơ bản..................................................................30

4.3.1 Mô tả cấu tạo...........................................................................................................31

4.3.2 Nguyên tắc hoạt động.............................................................................................31

4.3.3 Nhận xét..................................................................................................................32

4.4 Phân tích mô hình MZI-SOA........................................................................................32

4.4.1 Phân tích chi tiết mô hình MZI-SOA......................................................................32

4.4.2 Các biểu thức cho tỉ số tắt.......................................................................................36

4.5 Thực thi các MZI-SOA đặc biệt....................................................................................37

4.5.1 Đặt vấn đề...............................................................................................................37

4.5.2 Các chuyển mạch toàn quang với các bộ chia quang đối xứng...............................40

4.5.3 Chuyển mạch toàn quang với các bộ chia quang không đối xứng...........................42

4.5.4 Chuyển mạch toàn quang với hai cặp SOA hoạt động không đối xứng..................45

4.6 Thực nghiệm..................................................................................................................47

Kết Luận..............................................................................................................................52

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................54

SVTH: Trương Minh Thái-D10VT1 iii

Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1.1: Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản.....................................2Hình 1.2: Các phần tử trong một tuyến thông tin quang...............................................3Hình 1.3: Quang lộ của ánh sáng truyền trong chân không...........................................5Hình 1.4: Quang lộ của ánh sáng trong môi trường có chiết suất n1,n2.........................6Hình 1.5: Quang lộ của ánh sáng trong môi trường có chiết suất thay đổi liên tục.......6

Hình 2.1: Cấu tạo của bộ giao thoa kế Mach-Zehnder cơ bản.......................................9Hình 2.2: coupler 2x2..................................................................................................10Hình 2.3: Các thông số đặc trưng của coupler.............................................................11Hình 2.4: Coupler đối xứng.........................................................................................12Hình 2.5: Coupler bất đối xứng...................................................................................13Hình 2.6: Bộ ghép định hướng.....................................................................................13Hình 2.7: MZI thay đổi độ dài.....................................................................................15Hình 2.8: Bộ giao thoa kế MZ thay đổi chiết suất.......................................................17

Hình 3.1: OADM dựa trên cấu hình giao thoa Mach-Zehnder.....................................19Hình 3.2 : Một mạch sóng ánh sáng phẳng sử dụng chuỗi giao thoa kế Mach-Zehnder..................................................................................................................................... 20Hình 3.3 :Tổng quan thiết bị trải rộng..........................................................................20Hình 3.4 : Bộ chuyển đổi bước sóng MZI không đối xứng..........................................22Hình 3.5: Bộ chuyển đổi bước sóng MZI đối xứng.....................................................22Hình 3.6: Hàm truyền đạt bộ chuyển đổi bước sóng....................................................23Hình 3.7: Sơ đồ của một bộ cảm biến MZI..................................................................24

Hình 4.1: Mô hình chuyển mạch quang dùng giao thoa kế Mach-Zehnder..................25Hình 4.2: Mô hình chuyển mạch quang dùng bộ ghép định hướng.............................26Hình 4.3: Chuyển mạch SOA 1x1...............................................................................27Hình 4.4: Chuyển mạch toàn quang dựa trên cấu hình MZI........................................28Hình 4.5: Trạng thái không chuyển mạch khi không có tín hiệu điều khiển PC đặt vào tín hiệu dữ liệu được đưa trực tiếp đến cổng chéo.......................................................29Hình 4.6: Chuyển mạch toàn quang SOA-MZI tổng quát............................................30Hình 4.7: Định nghĩa các xác suất truyền công suất ngang và chéo định nghĩa tỉ số tách đối với bộ tách 2x2......................................................................................................31Hình 4.8: Sự bão hoà độ khuếch đại toàn phần sau khi thiết lập lại chuyển mạch toàn quang về trạng thái ban đầu với xung điều khiển thứ 2................................................37Hình 4.9: Chuyển mạch toàn quang 2x2 với các SOA phân cực cân bằng và không cân bằng và các bộ tách chùm đối xứng (50:50).........................................................38

SVTH: Trương Minh Thái-D10VT1 iv

Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ

Hình 4.10: Tỉ số tắt có thể đạt tới cải tiến cao hơn giá trị thừa số alpha phụ thuộc vật liệu...............................................................................................................................39Hình 4. 11: Chuyển mạch toàn quang 1x2 phân cực tương đương với bộ tách chùm không đối xứng............................................................................................................41Hình 4.12: Tín hiệu các đầu vào với tỷ số tắt lý tưởng................................................41Hình 4.13: Chuyển mạch toàn quang 2x2 với bộ tách chùm đối xứng và hai cặp bộ khuếch đại (SOA' v à SOA ' ') với thừa số alpha khác nhau............................................43Hình 4.14: Chuyển mạch “on” hoàn toàn của trạng thái ngang và chuyển mạch “off ” hoàn toàn của trạng thái chéo.......................................................................................43Hình 4.15: Độ khuếch đại sợi-sợi được đo và được tính toán đối với chuyển mạch toàn quang...................................................................................................................46Hình 4.16: Các cửa sổ mở và đóng cân bằng 25 ps (FWHM) của chuyển mạch toàn quang SOA MZI phân cực không tương đương...........................................................48

Bảng 1: Các tham số thiết kế của các chuyển mạch toàn quang SOA-MZI với các tỉ số tắt cao..........................................................................................................................36

SVTH: Trương Minh Thái-D10VT1 v

Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

AGW Arrayed Waveguide Grating Cách tử ống dẫn sóng

CR Coupling Ratio Tỷ số ghép

DC Directional Coupler Coupler có hướng

DCF Dispersion-shifted Fiber Sợi dịch tán sắc

EOE Electro-Optic Effect Hiệu ứng điện quang

FBG Fiber Bragg Gratings Cách tử Bragg sợi quang

LiNbO3 Lithiumniobat

OCS Optical Circuit Switching Chuyển mạch kênh quang

OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang

OSDM Optical Space Division Multiplexing

Chuyển mạch quang phân chia theo không gian

OTDM Optical Time Domain Multiplexing

Ghép kênh quang miền thời gian

OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang

MMI Multimode Interferometer Bộ tách chùm giao thoa đa mode

MZ Mach-Zehnder

MZI Mach-Zehnder Interferometer Giao thoa kế Mach-Zehnder

NDF Neutral Density Filter Lọc mật độ trung tính

SVTH: Trương Minh Thái-D10VT1 vi

Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục từ viết tắt

NPBS Non-Polarizing Beam Splitter Bộ tách chùm không phân cực

PBS Polarizing Beam Splitter Bộ tách chùm phân cực

RI Refract Index Chỉ số khúc xạ

SOA Semiconductor Optical Mplification

Khuếch đại quang bán dẫn

TOAD Terahertz Optical Asymmetric Demultiplexers

Bộ tách quang bất đối xứng

WDM Wave Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng

XPM Cross Phase Modulation Điều biến pha chéo

SVTH: Trương Minh Thái-D10VT1 vii

Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền dẫn quang hay truyền truyền dẫn sợi quang là một bước tiến mới và quan trọng trong lĩnh vực truyền dẫn, nó cải thiện được vẫn đề về dung lượng truyền dẫn, tốc độ truyền dẫn.Thể hiện vượt trội hơn hẳn so với truyền dẫn cáp kim loại trước kia, nhưng kéo theo nó là những vấn đề bên trong liên quan đến lĩnh vực quang học, mà cụ thể là bước sóng ánh sáng. Một trong những dụng cụ quang học hay được nhắc tới và sử dụng hiệu quả trong hệ thống truyền dẫn quang đó là giao thoa kế Mach-Zehnder mà em nghiên cứu. Với những tính năng vượt trội của mình, MZI vừa có thể đóng vai trò là phần tử thụ động, vừa đóng vai trò là phần tử chủ động.

Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu : Tìm hiểu và nghiên cứu nguyên lý hoạt động cũng như những ứng dụng của giao thoa kế Mach-Zehnder, từ đó rút ra những phương pháp mới để cải thiện những vẫn đề cơ bản trong truyền dẫn như tốc độ, dung lượng truyền, độ khuếch đại và những vấn đề khác về đặc tính của tín hiệu quang.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài : Mô tả và giải thích rõ cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của giao thoa kế Mach-Zehnder. Phân tích đặc điểm và nêu ra những ứng dụng cụ thể của nó trong hệ thống truyền dẫn quang.

Bố cục đề tài : Gồm ba chương với những nội dung xoay quanh nguyên lý hoạt động và ứng dụng cụ thể của giao thoa kế Mach-Zehnder

Chương 1 - Giới thiệu hệ thống quang và giao thoa kế Mach-Zehnder, chương này giới thiệu khái quát về hệ thống quang, các phần tử trong hệ thống, tổng quan về giao thoa kế Mach-Zehnder và giới thiệu những ứng dụng cụ thể của MZI.

Chương 2 - Đặc điểm cấu trúc và nguyên lý hoạt động của giao thoa kế Mach – Zehnder. Nội dung chính của chương này là mô tả cấu trúc, các phần tử và nguyên lý hoạt động của giao thoa kế Mach-Zehnder.

Chương 3 - Một số ứng dụng của giao thoa kế Mach-Zehnder, Ở chương này nêu ra hai ứng dụng của MZI, đó là MZI trong chuyển mạch toàn quang và MZI trong chuyển đổi bước sóng.

Trong quá trình làm đồ án, em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của cô Trần Thuỷ Bình. Mặc dù em đã cố gắng để tìm hiểu kỹ nội dung của đề tài nhưng do khả năng hiểu biết và thời gian hạn hẹp nên vẫn không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô giáo để đồ án của em đươc hoàn chỉnh hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

SVTH: Trương Minh Thái-D10VT1 1

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu hệ thống quang và MZI…

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU HỆ THỐNG QUANG VÀ GIAO THOA KẾ MACH-ZEHNDER.

1.1 Hệ thống quang.

1.1.1 Mô hình hệ thống thông tin quang

Để truyền thông tin giữa các vùng khác nhau, hệ thống thông tin quang cũng cần phải có mô hình truyền tin cơ bản như chỉ ra ở hình 1.1 và đến nay mô hình chung này vẫn được áp dụng. Trong mô hình này, tín hiệu cần truyền đi sẽ được phía phát vào môi trường truyền dẫn tương ứng,và ở đầu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền. Như vậy tín hiệu đã được thông tin từ nơi gửi tín hiệu đi tới nơi nhận tín hiệu đến. Thông tin quang có tôt chức hệ thống cũng như các hệ thống thông tin khác, vì thế mà thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang cũng như mô hình chung.

Hình 1.1: Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản

Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phát quang, sợi quang và phần thu quang.

Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển. Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tuỳ thuộc vào các kỹ thuật điều biến. Nguồn phát quang tạo ra sóng mang tần số quang,còn các mạch điều khiển biền đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin. Co hai loại nguồn sáng được dùng phổ biến trong thông tin quang là LED( light Emitting Diode) và LASER (Laser Diode).

Phần thu quang có chức năng để chuyển tín hiệu quang thu được thành tín hiệu băng tần cơ sở ban đầu. Nó bao gồm bộ tách sóng quang và các mạch xử lý điện. Bộ tách sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD. Các mạch xử lý tín hiệu này có thể bao gồm các mạch khuếch đại, lọc và mạch tái sinh.

1.1.2 Ưu nhược điểm

Ưu điểm

Hệ thống thông tin quang sử dụng môi trường truyền dẫn là sợi quang nên hệ thống có những ưu điểm hơn các hệ thống sử dụng cáp đồng hay hệ thống thông tin vô tuyến trước đây, đó là :

- Dung lượng truyền dẫn lơn: Trong hệ thống thông tin sợi quang, băng tần

truyền dẫn của sợi quang là rất lớn (hàng ngàn THz) cho phép phát triển các hệ



thống WDM dung lượng lơn. So với truyền dẫn vô tuyến hay truyền dẫn dùng cáp kim loại thì truyền dẫn sợi quang cho dung lượng lớn hơn nhiều.

- Suy hao thấp: Suy hao truyền dẫn của sợi quang tương đối nhỏ, đặc biệt là trong

vùng cửa sổ 1300 nm và 1550nm. Suy hao nhỏ nên sợi quang có thể cho phép truyền dẫn băng rộng, tốc độ lớn hơn rất nhiều so với các cáp kim loại cùng chi phí xây dựng mạng.

- Không chịu ảnh hưởng từ môi trường bên ngoài : Bởi vật liệu quang cách điện,

không chịu ảnh hưởng của các yếu tố như điện trường nên không bị nhiễu điện từ..

- Độ tin cậy : Tín hiệu truyền trong sợi quang hầu như không chịu ảnh hưởng của

môi trường bên ngoài, không gây nhiễu ra ngoài cũng như sự xuyên âm giữa các sợi quang. Do đó sợi quang thực tế cho chất lượng truyền dẫn rất tốt với độ tin cậy cao hơn so với truyền dẫn vô tuyến và cáp kim loại.

Nhược điểm

Ngoài những ưu điểm vượt trội của sợi quang thì kèm theo đó là những khuyết điểm như khó chế tạo, hàn nối phức tạp vì sợi quang rất bé, và rất dễ đứt gãy.

1.1.3 Các phần từ quang thụ động và chủ động

Hình 1.2: Các phần tử trong một tuyến thông tin quang



Các phần tử thụ động

Các phần tử thụ động là các phần tử quang hoạt động khi có chùm sáng truyền qua nó. Phần tử thụ động hoạt động không cần nguồn kích thích, nó chỉ đơn thuần biến đổi các tín hiệu ở trong miền quang mà không có sự chuyển đổi sang miền điện. Những đăc điểm này dẫn đến về nguyên lý hoạt động các phần tử thụ động chủ yếu dựa vào cấu trúc quang hình của chính bản thân chúng và tuân theo các định luật hay các nguyên lý ánh sáng

Các phần tử thụ động trong hệ thống thông tin quang bao gồm

- Sợi quang, cáp quang

- Coupler quang

- Các bộ lọc quang

- Bộ cách ly quang

- Bộ bù tán sắc

Các phần tử tích cực

Các phần tử tích cực là các phần tử quang điện hoat động dựa vào tính chất hạt của ánh sáng và cơ sở vật lý bán dẫn. Khi hoạt động, các phần tử tích cực dựa vào kích thích điện ngoài để biến đổi tín hiệu mà nó cần xử lý. Do vậy khác với các phần tử thụ động, để hoạt động được các phần tử cần nguồn kích thích. Điều này dẫn đến yêu cầu của phần tử chủ động phức tạp hơn các phần tử thụ động.

Các phần tử chủ động bao gồm

- Nguồn quang

- Bộ tách quang

- Bộ khuếch đại quang

- Bộ chuyển đổi bước sóng

1.1.4 Nhận xét

Giao thoa kế Mach-Zehnder vừa có thể làm phần tử thụ động trong hệ thống, như đóng vai trò làm bộ lọc quang. Giao thoa kế Mach-Zehnder cũng có thể làm phần tử chủ động như làm bộ chuyển đội bước sóng. Kết hợp với bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA để làm bộ chuyển mạch trong hệ thống.

1.2 Lý thuyết giao thoa1.2.1 Cơ sở quang học sóng

Quang học sóng

Quang học sóng là nghành vật lý nghiên cứu về bản chất, sự lan truyền và sự tương tác ánh sáng với môi trường vật chất.

Các thuyết về bản chất ánh sáng như:



- Thuyết hạt Newton ( cuối thế kỳ 17)

- Thuyết sóng của Huyghen (cuối thế kỳ 17)

- Thuyết điện từ của Maxwell (1864)

- Thuyết photon của EinStein (1905)

Quang học sóng nghiên cứu về bản chất, sự lan truyền và tương tác của ánh sáng với môi trường vật chất dựa trên cơ sở tính chất sóng ánh sáng.

Quang lộ

Quang học sóng của ánh sáng trong thời gian t là quãng đường ánh sáng truyền được trong chân không trong khoảng thời gian đó.

Hình 1.3: Quang lộ của ánh sáng truyền trong chân không

Quãng đường ánh sáng truyền được tính theo công thức (1.1)

L=c . t (1.1)

Trong môi trường đồng tính, chiết suất n ta có:

c=n . v=n .st

→ L=n .st

. t=n . s=n . AB (1.2)

Vậy quang lộ giữa hai điểm A,B bằng tích chiết suất của môi trường với độ dài quãng đường AB.

- Nếu ánh sáng truyền A đến B qua nhiều môi trường có chiết suất n1,n2… với các quãng đường tương ứng là s1,s2…thì quang lộ là:

L=∑ ni . si (1.3)



Hình 1.4: Quang lộ của ánh sáng trong môi trường có chiết suất n1,n2

- Nếu môi trường có chiết suất thay đổi liên tục thì quang lộ giữa hai điểm A,B được tính theo công thức (1.4)

L=∫A

B

n .ds(1.4)

Hình 1.5: Quang lộ của ánh sáng trong môi trường có chiết suất thay đổi liên tục

Nguyên lý xếp chồng ánh sáng

Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau thì từng sóng riêng biệt không bị các sóng khác làm nhiễu loạn. Sau khi gặp nhau các sóng ánh sáng vẫn truyền đi như cũ, còn tại những điểm gặp nhau dao động sóng bằng tổng các dao động thành phần.



Nguyên lý Huygens

“ Bất kỳ một điểm nào nhận được sóng ánh sáng truyền đến đều trở thành nguồn sáng thứ cấp phát ánh sáng về phía trước nó ”.

1.2.2 Giao thoa ánh sáng Khái niệm

Giao thoa là một khái niệm trong vật lý chỉ sự chồng chập của hai hoặc nhiều sóng mà tạo ra một hình ảnh sóng mới. Giao thoa là đặc tính tiêu biểu của tính chất sóng. Giao thoa thông thường liên quan đến sự tương tác giữa các sóng mà có sự tương quan hoặc kết hợp với nhau có thể là do chúng cùng được tạo ra từ một nguồn hoặc do chúng có cùng tần số hoặc tần số rất gần nhau.

Lý thuyết giao thoa

Sự giao thoa của các sóng trên thực chất tuân theo nguyên lý chồng chập sóng mà ở đây chính là sự cộng gộp của các dao động. Tại mỗi điểm trong không gian nơi có sự gặp nhau của các sóng, dao động của môi trường sẽ chính là dao động tổng hợp của các dao động thành phần từ các sóng tới riêng biệt, mà nói theo ngôn ngữ của vật lý sóng sẽ là tổng của các véctơ sóng. Nhờ sự tổng cộng dao động này mà trong không gian có thể tạo ra các điểm có dao động được tăng cường (khi các sóng thành phần đồng pha) hoặc bị dập tắt (khi các sóng thành phần có pha ngược nhau) tùy thuộc vào tương quan pha giữa các sóng. Điều này tạo ra một hình ảnh giao thoa khác với hình ảnh của từng sóng thành phần, được tạo ra bởi chính tập hợp các điểm có sự giao thoa tăng cường hoặc dập tắt. Hình ảnh này sẽ là một hình ảnh ổn định khi các sóng thành phần là các sóng kết hợp. Trong trường hợp các sóng kết hợp, hình ảnh giao thoa là ổn định và phụ thuộc vào độ lệch pha giữa các sóng (phụ thuộc vào sự khác biệt về đường truyền cũng như tính chất môi trường truyền sóng) - được mô tả bởi nguyên lý Huyghens.

Điều kiện giao thoa

Các sóng tới phải là sóng kết hợp( có cùng tần số và hiệu số pha không đổi theo thời gian

Nguyên tắc tạo ra hai sóng kết hợp : tác sóng phát ra từ một nguồn duy nhất thành hai sóng, sau đó lại cho chúng gặp nhau do hai nguồn riêng biệt thông thường không có tính kết hợp.

Hình ảnh giao thoa

Các hình ảnh thực nghiệm về sự giao thoa của sóng lần đầu tiên được ghi lại trong thí nghiệm của nhà vật lý người Anh Thomas Young (1773 - 1829) được thực hiện vào năm 1803, trong đó hình ảnh giao thoa của sóng ánh sáng được tạo bằng cách cho ánh sáng đi qua hai khe hẹp và tạo ra các vân sáng, tối xen kẽ. Thí nghiệm này cũng là bằng chứng khẳng định tính chất sóng của ánh sáng. Thí nghiệm này đã được mở rộng


http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Ch%E1%BA%A5t_s%C3%B3ng_c%E1%BB%A7a_%C3%A1nh_s%C3%A1ng&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/wiki/1803



http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Thomas_Young&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/wiki/Ng%C6%B0%E1%BB%9Di_Anh

http://vi.wikipedia.org/wiki/Nh%C3%A0_v%E1%BA%ADt_l%C3%BD

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Nguy%C3%AAn_l%C3%BD_Huyghens&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Nguy%C3%AAn_l%C3%BD_Huyghens&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=V%C3%A9ct%C6%A1_s%C3%B3ng&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/wiki/Dao_%C4%91%E1%BB%99ng

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Nguy%C3%AAn_l%C3%BD_ch%E1%BB%93ng_ch%E1%BA%ADp_s%C3%B3ng&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/wiki/V%E1%BA%ADt_l%C3%BD_h%E1%BB%8Dc


cho chùm sóng điện tử và cũng thu được những kết quả tương tự và trở thành bằng chứng để khẳng định tính chất sóng của các vi hạt.

1.3 Khái quát về giao thoa kế và giao thoa kế Mach-Zehnder

1.3.1 Khái niệm về giao thoa kế

Giao thoa kế là dụng cụ quang học dựa trên nguyên lý giao thoa ánh sáng. Giao thoa kế có nhiều kiểu khác nhau tuỳ theo công dụng của chúng, nhưng chúng đều dựa theo nguyên tắc chung: một chùm sáng đơn sắc được tách làm hai chùm tia riêng biệt nhau, truyền theo hai đường khác nhau, sau đó lại gặp nhau và cho hình ảnh giao thoa. Nhờ sự giao thoa mà hàm truyền sóng của hệ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng, ứng dụng để tạo máy quang phổ, bộ cộng hưởng, bộ lọc tần số ánh sáng...

1.3.2 Giao thoa kế Mach-Zehnder

Giao thoa kế Mach-Zehnder là một giao thoa kế có cấu tạo phức tạp hơn so với giao thoa kế Michelson, về nguyên tắc thì hai giao thoa kế này tương tự như nhau, tia sáng khi đi qua kính phân cực,chùm tia đầu vào bị tách thành hai chùm tia truyền theo phương ngang và phương thẳng đứng với các quang lộ khác nhau, đi qua các gương phản xạ và cuối cùng giao thoa với nhau, cho các vân giao thoa.

Trong vật lý, giao thoa Mach-Zehnder là một thiết bị được sử dụng để xác định sự biến đổi giai đoạn chuyển dịch tương đối giữa hai chùm tia chuẩn trực có nguồn gốc bằng cách tách ánh sáng từ một nguồn duy nhất. Giao thoa đã được sử dụng để đo lường sự thay đổi pha giữa hai chùm gây ra bởi một mẫu chùm tia hay một sự thay đổi trong chiều dài của một trong những con đường. Thiết bị được đặt tên theo nhà vật lý Ludwig Mach và Ludwig Zehnder: đề xuất Zehnder trong một bài báo năm 1891 đã được hoàn thiện bởi Mach trong một bài báo năm 1892.

Kết luận

Các phần tử thụ động cũng như chủ động trong hệ thống thông tin quang rất quan trọng, giúp cải thiện được tốc độ, độ suy hao, nhiễu…Giao thoa kế Mach-Zehnder với những đặc tính của mình đã góp phần cải thiện các vấn đề trong truyền dẫn quang.


http://vi.wikipedia.org/wiki/Electron

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3 : Một số ứng dụng của MZI

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA GIAO THOA KẾ MACH-ZEHNDER.

2.1 Khái niệm và đặc điểm cấu trúc

2.1.1 Khái niệm

MZI là một thiết bị được sử dụng để xác định độ lệch pha tương đối giữa hai chùm tia chuẩn trực từ một nguồn ánh sáng kết hợp hoặc bằng thay đổi chiều dài của một trong những nhánh hoặc bằng cách đặt một mẫu trong đường dẫn của một trong hai chùm tia.

2.1.2 Cấu trúc MZI

MZI có hai cổng đầu vào và hai cổng đầu ra, một MZI cơ bản như thể hiện trong hình 2.1 được xây dựngsử dụng hai bộ ghép, một đầu vào lúc này đóng vai trò như bộ chia và khác ở đầu ra hoạt động như bộ kết hợp. Ánh sáng được tách ra làm hai nhánh giao thoa của các coupler đầu vào và kết hợp lại tại đầu ra của bộ ghép đầu ra. Chiều dài đường dẫn quang của hai nhánh giao thoa là không đồng đều làm lệch pha tương ứng với sự chậm trễ để là một hàm của bước sóng của tín hiệu đầu vào. Mô hình này được sử dụng để thiết kế một số của tất cả các thiết bị quang học dùng để xử lý tín hiệu trong phạm vi toàn quang.

Giao thoa kế Mach-Zehnder gồm 3 đoạn: đoạn đầu là coupler 3 dB có nhiệm vụ chia tín hiệu đầu vào; phần giữa có hai ống dẫn sóng, phần này có nhiệm vụ tạo ra sự chênh lệch pha giữa các sóng đến; phần cuối lại là một coupler 3 dB có nhiệm vụ tái kết hợp các tín hiệu ở đầu ra.

Hình 2.1: Cấu tạo của bộ giao thoa kế Mach-Zehnder cơ bản

Hình 2.1 là giao thoa kế MZI thay đổi độ dài, như ta thấy trong hình vẽ, ở phần giữa của giao thoa kế có một ống dẫn sóng dài hơn ống dẫn sóng kia một đoạn ∆ L. Sự thay đổi này nhằm gây ra sự sai pha giữa hai ống dẫn sóng.



Như ta thấy trên hình vẽ, Phần giữa của giao thoa kế là hai bản điện cực nhằm làm thay đổi chiết suất bên trong hai ống dẫn đến tạo ra sự sai pha giữa chúng bằng việc điều khiển bởi điện áo ngoài.

2.1.3 Coupler

Gồm hai loại là coupler sợi và coupler ống dẫn sóng

2.1.3.1 Coupler sợi

Khái niệm : Coupler là một thiết bị nền tảng sử dụng để làm rõ nguyên lý hoạt động trong chuyển mạch các tín hiệu quang, mà chủ yếu là sử dụng coupler sợi nhiệt.

Cách chế tạo: Coupler này được chế tạo bằng cách đặt hai sợi quang cạnh nhau, sau đó vừa nung nóng chảy để chúng kết hợp với nhau, vừa kéo giãn ra để tạo thành một vùng ghép (coupling region)

Đặc tính : Nếu coupler chỉ cho phép ánh sáng truyền qua nó theo một chiều ta gọi là coupler có hướng ( Directional coupler ), còn nếu cho phép ánh sáng đi theo hai chiều ta gọi là coupler song hướng ( Bidirectional coupler ).Một coupler 2x2 đặc trưng bởi tỉ số ghép α (0<α<1). α là tỉ lệ công suất ánh sáng ngõ vào 1 đến ngõ ra một so với tổng công suất ánh sáng vào ngõ 1. Phần tỉ lệ 1-α công suất ánh sáng còn lại của ngõ vào 1 sẽ được truyền đến ngõ ra 2. Hình 2.2 là một coupler FBT 2x2 song hướng

Hình 2.2: coupler 2x2

Coupler có thể lựa chọn bước sóng hay không phụ thuộc vào bước sóng, tương ứng với α phụ thuộc hay không phụ thuộc vào bước sóng.

Trường hợp α=1/2, coupler được dùng để chia công suất tín hiệu ngõ vào thành hai phần bằng nhau ở hai ngõ ra. Coupler trong trường hợp này được gọi là coupler 3 dB mà ta sử dụng trong giao thoa kế Mach-Zehnder.

Nguyên lý hoạt động:

Khi hai sợi quang đặt cạnh nhau, ánh sáng sẽ được ghép từ sợi này sang sợi kia và ngược lại. Đó là do quá trình truyền mode ánh sáng trên sợi quang qua vùng ghép



sẽ khác so với truyền trên sợi quang đơn. Khi đó, toàn bộ ánh sáng thuộc một sợi quang sẽ được ghép ngược trở lại sang sợi quang ban đầu theo một chu kỳ tuần hoàn khép kín.

Các thông số cơ bản

Hình 2.3: Các thông số đặc trưng của coupler

Bộ coupler WDM đặc trưng bởi các thông số sau:

- Suy hao vượt mức Pex

Được định nghĩa :

Pex (dB )=−10 log [(∑j

P j)/P i] (2.1)

Ở đây P j : Công suất tại ngõ ra j

Pi : Công suất tại ngõ vào.

Pex được tính như sau :

Pex (dB )=−10 log ¿¿ (2.2)

- Suy hao xen IL (Insertion Loss)Là tỉ số công suất tín hiệu ngõ ra so với ngõ vào tại một bước sóng cụ thể. Suy hao xen là suy hao mà coupler thêm vào ngõ vào và ngõ ra.

IL12 ( dB )=−10 log [ P2/ P1 ] (2.3)

- Tỉ số ghép CR ( Coupling ratio ) Được định nghĩa:

CR (dB )=−10 log ¿ (2.4)

CR có thể được biểu diễn theo % :



CR (% )=¿ (2.5)

Dễ thấy IL=CR+Pex

- Tính đồng nhất ( Uniformity )Đặc trưng cho coupler dùng trong trường hợp chia đôi công suất (50:50). Hệ số này để chỉ độ đồng nhất giữa hai nhánh coupler ( bằng 0 trong trường hợp coupler lý tưởng)

U (dB )=I Lmax−I Lmin=−10 log [ P3/ P2 ] (2.6)

- Suy hao do phân cực PDLLà dao động lớn nhất của suy hao xen do sự thay đổi phân cực ánh sáng đầu vào. Thường chỉ số này không vượt quá 0,15 dB

- Tính định hướng D (Directivity)Là phần công suất tín hiệu ngõ vào xuất hiện tại ngõ ra không mong muốn.

D (dB )=−10 log [P4/ P1 ] (2.7)

- Xuyên kênh đầu gần (NEC)

Dùng để đánh giá tính định hướng

NEC (dB )=−10 log [P3 ( λ1 )/ P1 ( λ1 ) ] (2.8)

- Suy hao phản hổi RL ( Return Loss)

Được định nghĩa

RL ( dB )=−10 log¿ (2.9)

2.1.3.2 Coupler ống dẫn sóng

Coupler ống dẫn sóng (hay bộ ghép ống dẫn sóng) cũng là thiết bị được sử dụng trong các bộ chuyển mạch quang. Hình dưới đây là hai loại coupler ống dẫn sóng 2x2 là loại đối xứng và bất đối xứng. Cả hai loại đều có hai ống dẫn sóng song song và giống hệt nhau ở vùng ghép. Còn với coupler bất đối xứng, hai phần đầu và cuối có một ống dẫn sóng rộng hơn ống dẫn sóng kia ( như hình vẽ). Mức độ tương tác giữa các ống dẫn sóng có thể được biến đổi thông qua bề rộng ống dẫn sóng w, độ chênh lệch s giữa các ống dẫn sóng tại vùng ghép và chỉ số chiết suất n bên trong các ống dẫn sóng.



Hình 2.4: Coupler đối xứng

Hình 2.5: Coupler bất đối xứng

Ta xét coupler ống dẫn sóng đối xứng. với trục z dọc theo chiều dài óng dẫn sóng, trục y nằm ngang với hai ống dẫn sóng

Trong các ống dẫn sóng thực, với sự hấp thụ và suy hao tán xạ thì hằng số truyền lan là một số phức:

βz=βr+ jαα2

(2.10)

Với βr là phần thực của hằng số truyền làn;α là hệ số suy hao trong ống dẫn sóng

2.1.4 Hiệu suất ghép nối

Xét một bộ ghép định hướng như trong hình 2.6

Hai ống dẫn sóng có chiết suất lần lượt là n1=n2 và hằng số truyền lan β1=β2. Ta có:

Công suất tại ống dẫn sóng 1 là : P1 (z )=P1 (0 ) .cos2 ρz (2.11)

Công suất tại ống dẫn sóng 2 là : P2 (z )=P2 (0 ) . sin2 ρz (2.12)

Với P1 (0 ) và P2 (0 ) lần lượt là công suất tín hiệu vào tại ống dẫn sóng 1 và 2,

ρ là hiệu suất ghép nối, tại khoảng cách z=L0=π

2 ρ.



Hình 2.6: Bộ ghép định hướng

Công suất quang được truyền hoàn toàn từ ống dẫn sóng 1 đến ống dẫn sóng 2

trong trường hợp β1≠ β2 khi đó tỷ số công suất truyền J=P2 ( L0 )P1 (0 )

sẽ là một hàm của sự

lệch pha ∆ β L0.

J=P2 ( L0 )P1 (0 )

=( π2 )

2

(sinc )2{12 [1+(∆ β L0

π )2]

1 /2} (2.13)

Với L0 là chiều dài bản cực, hàm sin c ( x )= sinπxπx

Từ đây ta thấy hiệu suất ghép nối thay đổi 100% đến 0% ứng với giá trị ∆ β L0 thay

đổi từ 0 đến √3π thì công suất quang không được truyền trên ống dẫn sóng thứ 2.

2.2 Nguyên lý hoạt động

- Khi có vân giao thoa ánh sáng cực đại thì có ánh sáng đầu ra của chuyển

mạch.

- Khi không có vân giao thoa ánh sáng thì không có ánh sáng ở đầu ra đang

xét của chuyển mạch.

- Khi hai sóng kết hợp ( tức là cùng tần số và độ lệch pha không đổi theo thời

gian) truyền theo hai đường dẫn sóng khác nhau, tạo ra các quang trình tương ứng là: D1 , D 2 (tương ứng với nhánh dẫn sóng thứ nhất và nhánh dẫn

sóng thứ hai). Quang trình của ánh sáng tạo ra truyền trong môi trường chiết suất n một quãng đường d được tính bằng công thức:

D=d . n (2.14)

Với giao thoa kế MZI, thường được chế tạo với hai nhánh dẫn sóng như nhau nên độ dài đường đi d của sóng quang trong hai nhánh giống nhau bằng L. Chiết suất của chúng ban đầu cũng giống nhau nhưng khi có tác dụng của nhiệt độ bên ngoài làm chúng có chiết suất khác nhau (n1 và n2) thể hiện qua độ thay đổi chiết suất ∆ n giữa hai nhánh của giao thoa kế.



∆ D=D2−D1=L n2−L n1=L .∆ n (2.15)

Với: D2 , D 1 lần lượt là quang trình của nhánh dẫn sóng 1,2

∆ n : độ thay đổi về chiết suất giữa hai nhánh dẫn sóng.

Theo hiệu ứng Pockels, khi đặt điện áp điều khiển V lên hai điện cực, độ thay đổi về chiết suất của hai nhánh dẫn sóng theo điện trường E tạo thành được tính như sau:

Δ n=−12

τ n3 . E (2.16)

Trong đó: n : chiết suất của tính thể (khi điện trường = 0)

τ : là hệ số Pockels

Khi đó hiệu quang trình được viết lại như sau :

Δ D=L Δn=−12

τ n3 . E . L=−12

τ n3 . E .V /d (2.17)

Như vậy các trạng thái chuyển mạch được quyết định bởi điện áp đặt trên hai điện cực của các nhánh giao thoa

2.3 Các loại MZI

2.3.1 MZI thay đổi độ dài

Xét một giao thoa kế 2x2 như hình 2.1. Giao thoa kế 2x2 gôm 3 đoạn: đoạn 1 là coupler 3 dB để chia các tín hiệu đầu vào, phần giữa là hai ống dẫn sóng trong đó có một ống dẫn sóng dài hơn ống dẫn sóng kia một đoạn là ∆ L để tạo ra độ lệch pha giữa hai ống dẫn sóng không phụ thuộc vào bước sóng giữa hai nhánh, phần cuối là một coupler 3 dB nữa để tái kết hợp tín hiệu tại đầu ra.

Hình 2.7: MZI thay đổi độ dài

Các tín hiệu sẽ gây giao thoa tại đầu ra, và cuối cùng tín hiệu chỉ xuất hiện ở một cổng đầu ra.



Không xét suy hao ống dẫn sóng, suy hao vật liệu hay suy hao uốn cong. Có ma trận truyền lan M coupler với coupler dài d là:

M coupler=[ coskd jsin kdj sin kd coskd ] (2.18)

Với k là hệ số ghép

Do coupler 3 dB chia công suất bằng nhau tại hai đầu ra nên 2 kd= π2

dẫn đến

M coupler=1√2 [1 j

j 1] (2.19)

Ở vùng trung tâm, khi các tín hiệu trên hai nhánh đến từ cùng một nguồn sáng thì các đầu ra từ hai ống dẫn sóng này có sai pha là :

∆ ϕ=2 π n1

λL−

2 π n2

λ(L+Δ L) (2.20)

Với L là độ dài của bộ dịch pha

Do ta chỉ quan tâm đến sự thay đổi chiều dài đoạn Δ L ở vùng trung tâm nên ta coi n1=n2=n. Ta có :

∆ ϕ=k Δ L với k=2π n

λ(2.21)

Với sai pha ∆ ϕ ta có ma trận truyền lan cho bộ dịch pha là :

M ∆ϕ=[ejk Δ L

2 0

0 ejk Δ L

2 ] (2.22)

Cường độ trường điện từ ở đầu ra của hai nhánh là Eout ,1 và Eout , 2 được tính theo

cường độ điện từ trường đầu vào E¿ ,1 và E¿ ,2 theo công thức

[Eout , 1

Eout , 2]=M [E¿ ,1

E¿ , 2] (2.23)

Với M=M coupler . M ∆ ϕ= j [ sink Δ L

2cos

k Δ L2

cosk Δ L

2sin

k Δ L2

] (2.24)

Một bộ chuyển mạch quang có thể tạo thành một bộ ghép quang khi có các bước sóng khác nhau đi vào giao thoa kế MZ. Nếu E¿ ,1 ứng với λ1 vàE¿ , 2 ứng với λ2 thì

ta có:



Eout ,1= j [E¿ ,1 ( λ1 ) sink1 Δ L

2+E¿ , 2 ( λ2 ) cos

k2 Δ L

2 ] (2.25)

Eout ,2= j [E¿ ,1 ( λ1) cosk 1 Δ L

2+E¿ ,2 ( λ2 ) sin

k2 Δ L

2 ] (2.26)

Với P¿ ,i=|E¿ ,i|2=E¿ ,i . E¿ ,i. Từ đây ta thấy rằng để công suất từ cả hai đầu vào

được chuyển đến cùng một đầu ra thì cần có

k1 Δ L

2=π và

k2 Δ L

2=π

2(2.27)

Suy ra ( K1−K 2 ) ΔL=2 πn( 1λ1

−1λ2

)Δ L=π

⇒ Δ L=[2n( 1λ1

− 1λ2

)]−1

= c2 n∆ v (2.28)

Với ∆ v là khoảng cách tần số giữa hai bước sóng.

2.3.1 MZI thay đổi chiết suất

Giao thoa kế Mach-Zehnder thay đổi chiết suất hay giao thoa kế Mach-Zehnder điện quang. Loại giao thoa kế này được dùng trong các bộ chuyển mạch quang chủ động, bởi việc sử dụng điện áp ngoài điều khiển.

Hình 2.8: Bộ giao thoa kế MZ thay đổi chiết suất

Như trên hình vẽ ta thấy phần đầu của giao thoa kế là 1 coupler 3 dB để chia tín hiệu vào, phần giữa là hai ống dẫn sóng song song được gắn vào hai bản điện cực để



điều khiển sự thay đổi chiết suất trong hai ống dẫn sóng đó bằng điện trường ngoài, phần cuối là một coupler 3 dB nữa để tái kết hợp lại tín hiệu ở ngõ ra.

Sự thay đổi chiết suất trong hai ống dẫn sóng ở phần giữa của giao thoa kế được đưa ra bởi một vật liệu điện-quang với ứng dụng của một trường điện. Theo hiệu ứng pockel, khi điện áp điều khiển V lên hai điện cực, độ thay đổi về chiết suất của hai nhánh dẫn sóng theo điện trường E tạo thành được tính như sau:

∆ nEO−0,5 n3 ℜ (2.29)

Với E là cường độ điện trường

r là bán kính ống dẫn sóng

Mà ta có độ dịch pha là: ∆ ϕ=2 πλ

L . Δn suy ra ta có độ dịch pha đối với việc lan

truyền ánh sáng trong vật liệu điện-quang khi có áp đặt điện trường ngoài là:

∆ ϕEO=2 πλ

L. Δ nEO=−πλ

n3 rEL (2.30)

Mặt khác ta có E=Vd

suy ra

∆ ϕEO=2 πλ

L. Δ nEO=−πλ

n3 rEL=−πλ

n3 r .V . L

d(2.31)

Từ đây ta thấy rằng để giảm điện áp áp dụng V thì tỉ số Ld

càng lớn càng tốt.

Loại vật liệu Ti: LiNbO3 có thể đáp ứng được yêu cầu này do được tạo ra từ việc khuếch tán Titan vào lớp LiNbO3, với loại vật liệu này thì điện áp áp dụng chỉ vào khoảng 5 đến 10V.

Kết luận

Bằng việc ghép nối các coupler ở hai đầu và ở giữa là các ống dẫn sóng tạo nên giao thoa kế Mach-Zehnder, có hai loại giao thoa kế Mach-Zehnder cơ bản, đặc biệt là giao thoa kế Mach-Zehnder thay đổi chiết suất được ứng dụng trong chuyển mạch quang. Cũng chính là vấn đề được nghiên cứu sâu trong chương 3.



CHƯƠNG 3 : MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA GIAO THOA KẾ MACH-ZEHNDER

I- Một số ứng dụng của MZI

3.1 OADM dựa trên cách tử Bragg sợi quang (FBG) và cấu hình giao thoa kế Mach-Zehnder

Một phương pháp để khắc phục việc mất tín hiệu của cấu hình trên yêu cầu thêm một cách tử giống hệt như cách tử đầu tiên và tất cả các cổng của Coupler đều sử dụng, vì vậy cấu hình này còn gọi là cấu hình giao thoa Mach – Zehnder. Cả hai dạng thiết bị chế tạo theo công nghệ planar hay công nghệ toàn quang sử dụng cho cấu hình này đều đã được mô tả và thực nghiệm.

Về mặt lý thuyết thiết bị này là đối xứng và có thể mang lại những kết quả khả quan trong chống mất tín hiệu, sự phản xạ ngược và chống xuyên âm.

Hình 3.1: OADM dựa trên cấu hình giao thoa Mach-Zehnder

Nguyên lý của cấu hình này được miêu tả trong hình vẽ trên: Một Coupler 3 dB chia ánh sáng đưa vào từ cổng 1 và ánh sáng có bước sóng λG được phản xạ bởi hai cách tử FBG giống nhau. Các tín hiệu phản xạ này được đưa trở lại vào Coupler và được lấy ra tại cổng Drop. Tín hiệu phản hồi ngược trở lại cổng 1 được triệt tiêu hoàn toàn nhờ sử dụng Coupler phù hợp (bộ chia 50%). Các bước sóng phát được làm nhiễu trong Coupler 3 dB thứ hai vì thế chúng đến cổng ra mà không có phần dư nào phản xạ trở lại cổng Add, tính năng này cũng do Coupler quyết định. Cấu hình này dựa trên cơ sở chia và nhiễu của ánh sáng và vì thế khá nhạy trong việc thay đổi độ dài truyền tín



hiệu, đặc điểm của các cách tử giống nhau, tính chất của bộ Coupler 3 dB. Vì vậy độ ổn định của môi trường, của các Coupler giống nhau, của các FBG quyết định việc thiết bị thực hiện các tính năng của nó có đảm bảo hay không. Sự ổn định và khả năng chịu ảnh hưởng của thiết bị này trong hệ thống WDM thực tế đã được phân tích bởi Erdogan: cấu hình này nếu sử dụng các thiết bị theo công nghệ Planar có độ dài truyền dẫn ngắn hơn vì vậy dễ ổn định hơn. Nhưng mặt khác các thiết bị dựa trên sợi lõi kép tránh được yêu cầu về luồng UV sử dụng trong cấu hình giao thoa Mach – Zehnder.

3.2 Giao thoa kế MZ đóng vai trò là bộ lọc quang

Hình 3.2 : Một mạch sóng ánh sáng phẳng sử dụng chuỗi giao thoa kế Mach-Zehnder

Hình 3.3 :Tổng quan thiết bị trải rộng

Bộ giao thoa kế Mach-Zehnder (MZ) có thể là một bộ lọc quang. Một bộ giao thoa kế thuần sợi được chế tạo bằng cách kết nối hai bộ nối định hướng 3 dB, như mô tả trên hình 3.2. Bộ nối thứ nhất chia tín hiệu đầu vào thành hai phần bằng nhau với độ lệch pha khác nhau nếu chiều dài nhánh khác nhau, trước khi truyền sang bộ nối thứ hai. Tín hiệu có thể thoát ra ngoài qua các cổng đầu ra tuỳ thuộc vào tần số và chiều dài nhánh. Hàm truyền cho cổng truy nhập chính được xác định như sau:

H MZ (ω )=12

[1+exp ( iωτ ) ] (3.1)



Trong đó, τ là độ trễ thêm vào tại phần nhánh dài hơn của bộ giao thoa kế Mach-Zehnder. Chỉ một bộ giao thoa MZ không đủ để đóng vai trò là một bộ cân bằng tối ưu. Những bộ lọc này được chế tạo theo dạng mạch sóng ánh sáng phẳng sử dụng các đường sóng silica.

Hình 3.2 là mô hình của thiết bị.Thiết bị có kích thước 52 x 71 mm2 và có suy hao vi mạch là 8 dB. Nó bao gồm 12 bộ ghép nối với các chiều dài nhánh không đối xứng.Một bộ gia nhiệt làm bằng chromium được bố trí trên một nhánh của từng bộ giao thoa MZ để điều khiển nhiệt quang của pha quang. Lợi thế lớn nhất của loại thiết bị này là khả năng kiểm soát cân bằng tán sắc khi thay đổi độ dài nhánh và số lượng bộ giao thoa kế MZ.

Hình 3.3 là nguyên lý hoạt động của bộ lọc MZ. Thiết bị được thiết kế đảm bảo các tần số cao hơn có thể truyền lan trong phần nhánh dài hơn của các bộ giao thoa MZ. Do đó độ trễ sẽ nhiều hơn so với tần số thấp được truyền trong khoảng ngắn hơn. Độ trễ tương đối của thiết bị trái ngược với độ trễ tướng đối của sợi quang trong cơ chế tán sắc dị thường.Hàm truyền đạt H (ω) thu được bằng phép giải thích và được sử dụng để tối ưu hoá hiệu suất và thiết kế thiết bị. Năm 1994, một mạch sóng ảnh sáng phẳng chỉ với năm bộ giao thoa MZ đã có thể tạo ra độ trễ 836 ps/nm. Thiết bị này chỉ có vài cm,nhưng lại có thể bù tán sắc 50 km. Những hạn chế của loại thiết bị này là băng thông tương đối hẹp ( 10 GHZ ) và tính nhạy đối với độ phân cực đầu vào. Tuy nhiên,nó lại đóng vai trò là bộ lọc quang được lập trình có thể điều chỉnh được GVD cũng như bước sóng hoạt động. Ở từng thiết bị, GVD có thể biến thiên từ -1006 đến 834 ps/nm.

3.3 Ứng dụng của MZI trong chuyển đổi bước sóng

Giới thiệu:

Chuyển đổi bước sóng là công nghệ chìa khoá để điều khiển các bước sóng một cách linh hoạt trong mạng quang. Tại các node nối chéo quang trong mạng quang điện, chuyển đổi bước sóng có thể làm giảm các khối kênh và làm nó có thể sử dụng lại bước sóng. Hiệu quả sử dụng các nguồn sóng trong các mạng này sẽ tốt và nhanh hơn trong các mạng truyền thống. Sự chuyển đổi bước sóng quang đặc biệt thu hút bởi vì nó không cần các thiết bị quang điện hoặc điện quang và nó độc lập với dạng tín hiệu và tốc độ bit, với những thuộc tính đó nó làm cho mạng quang rõ ràng được đánh giá cao hơn. Tốc độ dữ liệu 100Mb/s đã được sử dụng phổ biến tại các gia đình. Xét về thực tế thì bước nhảy từ 64Kb/s lên nhiều Mb/s và bây giờ là 100Mb/s và cứ theo tiến trình này, tốc độ truyền dẫn lên tới Gb/s của một nguời sử dụng riêng lẻ cũng không quá xa nữa. Việc tăng lưu lượng truyền thông có nghĩa là tăng dung lượng kênh phụ thuộc vào mạng. Vì mục đích này mà công nghệ phân chia theo bước sóng WDM đã nhanh chóng phát triển. WDM sử dụng bước sóng ánh sáng và nó được ứng dụng vào: điểm nối điểm, mạng vòng, chức năng tách-xen và mạng lưới với các đường quang kết nối chéo. Theo hướng này các vấn đề cần được phát triển đó là các dụng cụ công nghệ



modum để định tuyến, chuyển mạch, và điều biến tín hiệu quang thông qua điều khiển bước sóng. Điều quan trọng cần đặc biệt chú ý trong việc phát triển các dụng cụ chuyển đổi bước sóng quang đó là thực hiện định tuyến bước sóng mà không chuyển đổi bước sóng quang thành bước sóng điện.

Bộ chuyển đổi bước sóng XPM

Bộ chuyển đổi có thể dựa trên XPM SOA. Những bộ chuyển đổi bước sóng này có hiệu suất công suất cao hơn so với những thiết bị XGM. Chúng cũng có sự thay đổi tần số theo thời gian thấp hơn do sự điều biến độ lợi bị giảm. Để tận dụng được XPM, một hoặc nhiều SOA phải được đặt trong cấu hình giao thoa kế.Các loại giao thoa kế phổ biến nhất dùng được dùng trong XPM dựa trên các bộ chuyển đổi bước sóng là MZI , hai phiên bản của nó được biểu diễn trong hình dưới đây

Bộ chuyển đổi bước sóng MZI

Trong bộ chuyển đổi bước sóng MZI không đối xứng đầu vào liên tục tại bước sóng λ2 bị tách một cách không đối xứng tại mỗi phần của MZI bởi một bộ ghép. Tín

hiệu được điều biến cường độ tại bước sóng λ1 làm bão hòa mỗi SOA một cách không

đối xứng cảm ứng những dịch pha khác nhau. Trong tín hiệu đầu vào liên tục qua mật độ hạt tải điện bị cảm ứng bởi sự thay đổi chiết suất bộ ghép ở đầu ra kết hợp các tín hiệu liên tục bị tách, ở đó chúng có thể giao thoa tăng cường hoặc triệt tiêu. Trạng thái giao thoa thực sự phụ thuộc vào sự lệch pha tương đối giữa các nhánh giao thoa kế MZ, nó phụ thuộc vào cả dòng phân cực SOA và các công suất quang đầu vào. Bộ chuyển đổi bước sóng MZI đối xứng có nguyên tắc hoạt động tương tự. Nó cần thêm một bộ ghép nhưng có thể dùng các bộ ghép với tỉ số tách bằng nhau. Tương tự tín hiệu đầu vào chỉ được cho vào một trong các SOA.

Nếu các công suất của các tín hiệu liên tục ở các nhánh trên và dưới của giao thoa kế ngay trước khi giao thoa tại bộ ghép tái kết hợp tương ứng là Pu và Pl thì công suất P0

của tín hiệu đầu ra là:

P0=Pu+P l+2√ Pu P lcosΦ (3.2)

Ở đây Φ là độ lệch pha giữa các sóng giao thoa. Về cơ bản (a) là hàm truyền giao thoa tín hiệu chuyển đổi có bị đảo ngược so với tín hiệu đầu vào dữ liệu hay không phụ thuộc vào hệ số góc của hàm truyền giao thoa xung quanh điểm hoạt động được chọn và được biểu diễn trong hình 3.11.

Hình 3.4 : Bộ chuyển đổi bước sóng MZI không đối xứng



Hình 3.5: Bộ chuyển đổi bước sóng MZI đối xứng

Các tỉ số tách của bộ ghép tương ứng khác nhau và bằng nhau trong các bộ chuyển đổi không đối xứng và đối xứng.

Hình 3.6: Hàm truyền đạt bộ chuyển đổi bước sóng

Cùng với sự thay đổi pha sự chuyển đổi tín hiệu cũng dẫn đến sự nén độ khuếch đại, nó có khuynh hướng không cân bằng biên độ trong các nhánh của giao thoa kế MZ. Sự không cân bằng biên độ này giảm tỉ số tắt quang của bộ chuyển đổi. Có thể cải tiến tính chất chuyển đổi của giao thoa kế bằng cách thêm vào phần dịch pha chủ động trong nhánh giao thoa kế MZ, để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi.

Kết luận

Người ta chứng minh rằng bộ chuyển đổi bước sóng giao thoa kế có thể được xếp tầng với hiệu suất rất tốt. Sự chuyển đổi bước sóng cũng có thể đạt được mà không dùng giao thoa kế bằng cách dùng XPM trong một SOA được gắn tiếp theo bởi bộ lọc cách tử Bragg sợi quang.

Chuyển đổi bước sóng là một trong những bước đi quan trọng trong truyền dẫn quang, những tính năng vượt trội của việc chuyển đổi bước sóng như làm giảm các khối kênh, có thể sử dụng lại bước sóng.



3.4 Ứng dụng của MZI làm cảm biến

Cảm biến sợi quang đã thu hút sự chú ý lớn trong những năm gần đây do ưu điểm của nó như chống nhiễu điện từ, khả năng chống mất tín hiệu, độ nhạy cao, mất đường truyền thấp, độ chính xác cao. Chúng bao gồm các cảm biến được sử dụng trong các phép đo của mức chất lỏng, chỉ số khúc xạ (RI), nhiệt độ. Gần đây,giao thoa kế Mach-Zehnder (MZI) sợi quang đã thu hút rất nhiều sự quan tâm cho các ứng dụng cảm biến vật lý và hóa học khác nhau do cấu trúc đơn giản của họ, khả năng đáp ứng một hay nhiều lần đo, dễ chế tạo, và chi phí thấp. Kỹ thuật cơ bản của việc sử dụng MZI như cảm biến được thể hiện trong Hình 1.8. MZI có hai nhánh, một nhánh sử dụng như cảm biến và được sử dụng khác là nhánh tham chiếu. Nhánh cảm biến tiếp xúc với bên ngoài thay đổi như nhiệt độ, chỉ số khúc xạ biến dạng,trong khi nhánh tham chiếu được giữ phân lập từ các biến thể. Lượng kết hợp tại cổng ra MZI có sự giao thoa thành phần quang theo các giai đoạn khác nhau giữa hai nhánh.

Hình 3.7: Sơ đồ của một bộ cảm biến MZI

Sau khi phát minh ra cách tử sợi kỳ dài (LPGs), các phương án sử dụng MZI thông thường như cảm biến đã nhanh chóng thay thế bởi nội dòng ống dẫn sóng giao thoa. mô tả nhiều loại hình nội dòng cảm biến MZI. Các tia tách cặp và chùm kết hợp trong lõi tạo ra một hình ảnh giao thoa do đó tạo rất hiệu quả nội dòng MZI. Giao thoa kế Mach-Zehnder này có chiều dài vật lý tương tự chiều dài ở cả nhánh cảm biến và nhánh tham chiếu nhưng có khác nhau độ dài quang trình vì phương thức phân tán khi chùm tia đi qua lớp phủ trải chỉ số khúc xạ khác với của lõi.

II-Ứng dụng của MZI trong chuyển mạch toàn quang

4.1 Giới thiệu khái quát về chuyển mạch quang và phần tử chuyển mạch SOA

4.1.1 Giới thiệu khái quát về chuyển mạch quang

Quá trình phát triển nhanh chóng khi triển khai các giao tiếp quang đã dẫn đến những ý tưởng về việc triển khai thiết bị quang để thực thi các chức năng chuyển mạch mà từ trước đến nay là điện tử. Lĩnh vực chuyển mạch quang: do việc thống trị của cáp quang trong truyền dẫn hữu tuyến nên tiềm năng thâm nhập sâu hơn vào thị trường của các thiết bị quang là tất yếu.



Ứng dụng dựa vào các chức năng của chuyển mạch quang

- Phân hoặc ghép kênh theo thời gian

- Đệm và đồng bộ

- Phân và ghép kênh phân chia theo bước sóng(WDM)

- Chuyển mạch không gian

Chuyển mạch không gian

Ban đầu, việc nghiên cứu về chuyển mạch chủ yếu là ở chuyển mạch kênh phân chia theo không gian với cơ sở phương tiện tốt nhất, chủ yếu có dạng các dãy chuyển mạch lithium niobate (LiNbO3). Đây là loại chuyển mạch quan trọng nhất và có hai loại cấu hình. Loại thứ nhất có cổng ra được lựa chọn trực tiếp và về nguyên tắc không có suy hao chuyển mạch. Cổng ra được lựa chọn nhờ điều khiển chiết xuất của ống dẫn sóng. Chiết suất thay đổi nhờ dòng phun, nhờ điện trường ngoài và nhờ nhiệt. Loại thứ hai có tín hiệu vào được phân chia đều cho các cổng ra và các thiết bị cổng lựa chọn nhờ cổng ra theo yêu cầu. Trong trường hợp này, công suất tín hiệu phân chia cho các tuyến không lựa chọn và có suy hao chuyển mạch. Tuy nhiên có khả năng nối các tuyến ra đồng thời. Bộ khuếch đại quang bán dẫn và bộ điều chế hấp thụ có thể được sử dụng làm thiết bị cổng. Bộ khuếch đại quang bù lại suy hao của ống dẫn sóng bãn dẫn và suy hao chuyển mạch. Các đặc tính của các hệ thống chuyển mạch này, hoặc là đưa trên việc đóng mở cổng của các bộ khuếch đại quang hoặc thay đổi chiết suất nhiều hơn.

4.1.2 Bộ chuyển mạch quang sử dụng cấu hình MZI

Khái niệm chuyển mạch quang

Về nguyên lý, một chuyển mạch thực hiện việc chuyển lưu lượng từ một cổng lối vào hoặc kết nối lưu lượng trên một khối chuyển mạch tới một cổng lối ra.

Hệ thống chuyển mạch quang là hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạng quang tích hợp được chuyển mạch tích hợp được chuyển mạch có chọn lựa từ một mạch đến một mạch khác.

Phân loại: có 3 loại chuyển mạch

- Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian OTDM .

- Chuyển mạch quang phân chia theo không gian OSDM.

- Chuyển mạch phân chia theo bước sóng WDM.

Chuyển mạch quang sử dụng cấu hình MZI



Hình 4.1: Mô hình chuyển mạch quang dùng giao thoa kế Mach-Zehnder

Phần giữa của MZI có một cặp ống dẫn sóng song song với nhau và cách nhau một khoảng phân biệt. Tín hiệu quang vào một ống dẫn sóng của MZI được ghép tới một đầu sóng và kích cỡ của loại ống dẫn sóng và bước sóng công tác. Nếu hai ống dẫn sóng giống nhau thì việc ghép nối đầy đủ giữa chúng xảy ra trên một khoảng cách xác định phụ thuộc vào hiệu suất ghép nối.

Với chuyển mạch quang sử dụng MZI, thì tín hiệu vào có thể được ghép tới đầu ra mong muốn bằng việc sử dụng hiệu ứng điện-quang để điều khiển thông qua các điện cực đặt trong các ống dẫn sóng ở phần giữa (vùng tương tác).

Hình 4.2 là mô hình chuyển mạch quang dùng bộ ghép định hướng, cả hai bộ chuyển mạch dùng MZI và dùng bộ ghép định hướng đều được tạo ra dựa trên tinh thể LiNbO3 và đều sử dụng hiệu ứng điện quang. Và các tín hiệu đi vào các bộ chuyển mạch này được điều khiển để đi đến đầu ra mong muốn thông qua nguyên lý ghép mode.



Hình 4.2: Mô hình chuyển mạch quang dùng bộ ghép định hướng

Về nguyên tắc thì hai đường dẫn sóng phải được đặt gần nhau về không gian tới mức sóng đang truyền trên đường này có thể truyền sang đường dẫn sóng bên kia, lúc đó ta nói rằng có hiện tượng ghép mode giữa hai đường đường dẫn sóng đó. Thông thường hai đường dẫn sóng này chỉ có một không gian nhất định, tại đó chúng rất sát nhau, gọi là chiều dài tương tác của bộ ghép. Để ghép sóng có hiệu quả, tức là mức độ chuyển công suất quang từ đường dẫn sóng này sang đường dẫn sóng kia lớn hơn phải yêu cầu một chiều dài ghép L0 xác định. L0 phụ thuộc vào khoảng cách giữa đường dẫn

sóng, chiết suất của các đường dẫn sóng và dạng hình học của các đường dẫn sóng.

4.1.2 Phần tử chuyển mạch SOA

Bộ khuếch đại SOA là một thiết bị đa năng được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau trong mạng quang. Một trong những ứng dụng đó là sử dụng SOA làm thiết bị chuyển mạch quang.

Cấu trúc

Với mục đích chuyển mạch, các SOA hoạt động như công tắc chuyển mạch, cho phép hoặc không cho phép tín hiệu ánh sáng đi qua. Tín hiệu đầu vào có thể được chuyển tới cổng đầu ra bằng cách kích hoạt trên SOA thích hợp. Khi đó SOA sẽ khuếch đại hoặc hấp thụ ánh sáng.



Hình 4.3: Chuyển mạch SOA 1x1

Nguyên lý hoạt động

Với một chuyển mạch SOA 1x1 như trên hình 2.5, hoạt động của nó được thực hiện như sau: Các SOA hoạt động như một công tắc on-off, bằng cách thay đổi điện áp lệch.

- Nếu điện áp lệch giảm thì tín hiệu đầu vào sẽ bị hấp thụ và không cho tín hiệu ở

đầu ra( trạng thái : off).

- Nếu điện áp lệch tăng, bằng cách sử dụng quá trình “bơm” cung cấp năng lượng

từ bên ngoài đủ lớn để đạt được “ trạng thái nghịch đảo mật độ”. Khi đó ánh sáng đầu vào sẽ được khuếch đại và cho tín hiệu ở đầu ra ( trạng thái : on). Nguồn bơm có thể được cung cấp dưới dạng dòng điện.

4.2 Giới thiệu khái quát về MZI trong chuyển mạch toàn quang

Các mạng truyền thông sợi quang dung lượng lớn trong tương lai dựa trên các hệ thống ghép kênh định thời quang học và ghép kênh quang phân chia theo bước sóng đòi hỏi các bộ ghép kênh xen rẽ tốc độ cao, các bộ phân kênh và các chuyển mạch với tỷ số tắt và độ khuếch đại cao. Vì lĩnh vực nghiên cứu gặp những trở ngại về mặt cải thiện tốc độ, các thiết bị điều khiển quang học được quan tâm. Quả thực, chuyển mạch tốc độ cao, ghép kênh và phân kênh của một tín hiệu nguồn với một tín hiệu điều khiển đã được thực hiện với các bộ khuyếch đại quang bán dẫn (SOA) được điều khiển quang học, cung cấp không chỉ sự phi tuyến cần thiết cho chuyển mạch mà còn cho độ khuyếch đại. Các SOA đã được được sử dụng trong chuyển mạch quang và trong các cấu hình giao thoa kế Mach-Zehnder (MZI). Các MZI với tính chất phi tuyến quang học, cả thụ động và tích cực (MZI-SOA) đạt được tốc độ pico giây. Một lợi thế của phiên bản MZI-SOA là nó cho phép tích hợp đơn khối làm cho các thiết bị chuyển mạch ổn định và gọn nhẹ. Trong các chuyển mạch toàn quang MZI-SOA này, các tín hiệu điều khiển quang học được đưa lên trên một nhánh của MZI để làm nghèo các hạt tải điện trong SOA tương ứng. Điều này tạo ra sự bão hòa độ khuếch đại và sự thay đổi chiết suất được sử dụng cho chuyển mạch. Khi tín hiệu điều khiển được bật, tín hiệu dữ liệu được chuyển mạch từ trạng thái chéo thành trạng thái ngang. Khả năng tốc



độ cao dựa trên thời gian làm nghèo hạt tải điện nhanh, trong khi thời gian phục hồi hạt tải điện là một tham số giới hạn. Cách để khắc phục những giới hạn này là hoạt động với hai xung điều khiển, hoặc bằng cách hoán đổi vị trí các SOA. Tuy nhiên, trong các cấu hình đối xứng, các tỷ số bật-tắt trong trạng thái chuyển mạch và trạng thái không chuyển mạch không bằng nhau. Trong trạng thái chuyển mạch, "tắt" không phải là tối ưu do độ khuếch đại không bằng nhau trong hai SOA. Thực tế tồn tại là, các chuyển mạch toàn quang cần phải được cải tiến và cân đối tỷ số tắt. Gần đây, hai phiên bản khác nhau của các chuyển mạch toàn quang khắc phục được những giới hạn tỷ số tắt này đã được đề xuất và chứng minh. Những cải tiến đạt được bằng cách tối ưu hóa cả các dòng phân cực của các SOA và các pha trong hai nhánh của MZI hoặc có thể sử dụng hai bộ chia quang không đối xứng với các tỷ số tách nghịch đảo. Trong đề tài này, sau khi trình bày về bộ ghép kênh quang MZI-SOA, các chuyển mạch phân kênh, và tính ứng dụng của thiết bị này sẽ được trình bày chi tiết hơn, sẽ phân tích sự cải tiến tỷ số tắt. Ba cấu hình MZI-SOA được mô tả, thảo luận, và so sánh. Các cấu hình với các SOA phân cực không cân bằng (A), các bộ chia quang không đối xứng (B1), và hai cặp SOA được sắp xếp bất đối xứng có các thừa số alpha khác nhau (C) được trình bày. Phân tích này cho phép chúng ta giới thiệu các chuyển mạch toàn quang 1x2 và 2x2 mới (loại B1 và C). Việc thực hiện thí nghiệm để xác nhận các mô hình và cung cấp tiêu chuẩn thiết kế cho các cấu hình khác nhau.

4.3 Chuyển mạch toàn quang MZI-SOA cơ bản

Hình 4.4: Chuyển mạch toàn quang dựa trên cấu hình MZI

Bao gồm hai bộ chia quang 50:50 để phân chia và kết hợp tín hiệu dữ liệu P¿ và hai SOA phân cực tương đương.



Hình 4.5: Trạng thái không chuyển mạch khi không có tín hiệu điều khiển PC đặt vào tín hiệu dữ liệu được đưa trực tiếp đến cổng chéo

Về mặt thực nghiệm, một sự dập tắt gần lí tưởng 29 dB được tìm thấy ( xem hình 4.15 ). Sự dịch pha gần bằng π là cần thiết để chuyển tín hiệu đến đầu ra ngang, được cung cấp bởi tín hiệu điều khiển được ghép vào trong SOA1 qua bộ ghép C. Tuy nhiên, bởi vì độ lợi trong SOA1 thay đổi, trong khi độ khuếch đại của SOA2 giữ nguyên,“ off ” trong PX không tối ưu và tỉ số tắt quang giảm đến 13 dB.

Đầu tiên, một chuyển mạch toàn quang MZI-SOA đối xứng được xem xét và tính không đồng đều của tỉ số tắt đầu ra được thảo luận.

4.3.1 Mô tả cấu tạo

Trong Hình 3.1, miêu tả một chuyển mạch MZI đối xứng ở trạng thái chuyển mạch và không chuyển mạch. Chuyển mạch MZI bao gồm hai bộ chia quang 50:50, hai SOA (SOA1 và SOA2) và hai bộ ghép (C) để đưa tín hiệu điều khiển vào trong phần SOA trên các nhánh MZI.

4.3.2 Nguyên tắc hoạt động

Các SOA được phân cực tương đương để cung cấp một độ khuyếch đại đồng nhất. Trong trạng thái không chuyển mạch, khi không có các tín hiệu điều khiển, tín hiệu đầu vào P¿ được gửi trực tiếp về phía cổng chéo của nó PX, giả sử rằng mối quan

hệ về pha được điều chỉnh chính xác. Tỷ số tắt (công suất trong đường dẫn đầu ra chuyển mạch-tắt bị phân chia bởi công suất trong đường dẫn đầu ra chuyển mạch-đóng) cho trạng thái này sẽ lớn lý tưởng. Tỷ số tắt 29 dB trong hình 4.5 đề cập đến giá trị đạt được trong các thử nghiệm của phần 4.6. Trong trạng thái chuyển mạch, một tín hiệu điều khiển quang học PC làm bão hoà SOA1 và do đó, gây ra một độ khuếch đại

và sự thay đổi chiết suất. Một tín hiệu dữ liệu P¿ qua MZI chịu sự dịch pha và sẽ được chuyển mạch từ cổng ra chéo PX đến cổng ra ngang P¿. Tuy nhiên, bởi vì độ khuếch



đại trong SOA1 thay đổi trong khi độ khuếch đại của SOA2 không thay đổi, “ tắt ” tại cổng PX không phải là tối ưu. Trong thử nghiệm, nhận thấy tỷ số tắt bị suy giảm 13dB.

Để đạt được một chuyển mạch toàn quang MZI-SOA với các tỷ số tắt tương đương trong các trạng thái khác nhau của nó khi có và không có tín hiệu điều khiển, nhiệm vụ đặt ra là phải làm đối xứng các tỷ số của chuyển mạch. Điều này có thể đạt được bằng cách giảm sự cung cấp dòng SOA mà không bị ảnh hưởng bởi các tín hiệu điều khiển PC. Với những thiết lập dòng mới, ta đạt được sự chênh lệch độ khuếch đại của các

trạng thái không chuyển mạch và chuyển mạch trước bộ chia quang 50:50 thứ hai trở thành đồng nhất. Do đó, các tỷ số cân bằng cho cả hai trạng thái có thể đạt tới 20 dB. Việc đưa ra sự phân cực không tương đương của một chuyển mạch toàn quang MZI-SOA này đòi hỏi sự dịch pha thêm vào để bù lại sự dịch pha không mong muốn xuất hiện khi phân cực SOA khác.

4.3.3 Nhận xét

Các MZI -SOA cơ bản đã chứng minh sự cần thiết phải đưa tính bất đối xứng (phân cực không cân bằng) để cải thiện hiệu suất chuyển mạch. Tương tự, ta có thể đưa vào những bất đối xứng khác để cải tiến việc chuyển mạch. Một chuyển mạch toàn quang 1x2 với các tỷ lệ tắt lý tưởng chính ở cả hai đầu ra đạt được bằng cách cho phép phân cực không tương đương các SOA và các bộ chia quang không đối xứng trong cấu hình MZI (Phần 3.4.1). Một chuyển mạch 2x2 với với các tỷ số tắt lý tưởng cho các tín hiệu dữ liệu từ cả hai đầu vào tới cả hai đầu ra đạt được với việc bổ sung hai bộ khuếch đại được sắp xếp bất đối xứng trong cấu hình MZI (phần 3.4.3).

4.4 Phân tích mô hình MZI-SOA

4.4.1 Phân tích chi tiết mô hình MZI-SOA

Phát triển các phân tích cho tổng quát MZI-SOA chuyển đổi toàn quang, hình 4.6. Để mô tả việc chuyển đổi, hình 4.6. Sử dụng một ký hiệu với ma trận 2x2.

Hình 4.6: Chuyển mạch toàn quang SOA-MZI tổng quát

Với các bộ dịch pha để thích ứng với các offset dịch pha và các bộ tách chùm SA và SB cho các tỉ số tách không đối xứng. Phụ thuộc vào mối quan hệ về pha trong



các nhánh MZI, tín hiệu dữ liệu P¿ ,1 được vẽ trên các đường dẫn đầu ra chéo PX ,1 và

ngang P−, 1và P¿ ,2 được vẽ trên đầu ra chéo PX ,2 và ngang P¿ ,2. Mối quan hệ về pha

trong các cần MZI bị thay đổi khi tín hiệu điều khiển PC 1 và/hoặc PC 2 được đưa vào bộ

ghép C trong SOA1 hoặc SOA2 tương ứng.

Một chuyển mạch toàn quang MZI-SOA tổng quát, bao gồm tất cả các loại chuyển mạch toàn quang được trình bày như trong hình 4.6. MZI được tạo thành bởi hai bộ chia quang SA và SB để phân chia và kết hợp các tín hiệu dữ liệu P¿ ,1 hoặc P¿ ,2,

hai bộ ghép C để đưa vào các tín hiệu điều khiển PC 1 và PC 2 và các SOA cung cấp sự

phi tuyến cần thiết cho chuyển mạch. Hai bộ dịch pha để điều khiển bù lại pha trong MZI được thêm vào. Khi không có tín hiệu điều khiển, các tín hiệu dữ liệu từ các cổng P¿ ,1 và P¿ ,2 được chuyển trực tiếp tới các cổng chéo PX ,1 và PX ,2 tương ứng. Các tín

hiệu điều khiển quang thích hợp PC 1 và PC 2, qua việc mật độ hạt tải điện liên quan đến

sự thay đổi chiết suất, cảm ứng sự dịch pha π trong MZI để chuyển mạch tín hiệu tới các cổng đầu ra ngang tương ứng của chúng P¿ ,1 vàP¿ ,2. Tỷ số tách công suất của các

bộ chia quang SA và SB có thể lệch với tỉ số tách 50 : 50. Các chuyển mạch toàn quang

ở hình 4.6 có thể được sử dụng với một tín hiệu điều khiển kiểu bậc-không, mà còn trong cấu hình mode bậc-kép với một tín hiệu điều khiển mode bậc nhất.

Mô hình :

Hình 4.7: Định nghĩa các xác suất truyền công suất ngang và chéo định nghĩa tỉ số tách đối với bộ tách 2x2.

Vấn đề được nêu ra đã xây dựng phương pháp phân tích chuyển mạch toàn quang MZI-SOA tổng quát ở hình 4.6.

Để mô tả sự chuyển mạch ở hình 4.6, thì cần sử dụng một hệ thống các ký hiệu với các ma trận 2x2. Ma trận chuyển đổi toàn phần đối với biên độ trường của một tín hiệu dữ liệu P¿ ở trạng thái không chuyển mạch, khi không có tín hiệu điều khiển mặt vào, và trong trạng thái chuyển mạch, khi Pc 1 hoặc Pc 2 được áp dụng, là :



t=c [−i √sB √1−sB

√1−sB −i√sB] .[e i ∆Φ1 0

0 ei ∆Φ2].

[√G1 e i ∆φ1 0

0 √G1e i ∆φ2] .[−i √sA √1−s A

√1−s A −i √sA]

(4.1)

Ở đây các ma trận đầu tiên và cuối cùng cho ta các bộ chia quang giao thoa đa mode 2x2 (MMI) SAvà SB với xác suất cường độ truyền ngang thay đổi SA và SB. Điều

này liên quan đến các dạng sóng ở bước sóng tối ưu của các bộ chia quang, lan truyền theo hướng ngược nhau +i(k z−ωt). Định nghĩa xác suất truyền công suất ngang được minh họa trong hình 4.7. Ma trận thứ hai mô tả các độ dịch pha được sinh ra từ các bộ dịch pha. ∆ Φ1 và∆ Φ2 tương ứng là những bù lại pha tĩnh trên các nhánh MZI 1 và MZI

2. Ma trận thứ ba biễu diễn độ khuyếch đại một lần truyền qua G1, G2 và sự dịch pha cảm ứng ∆ Φ1 ,∆Φ2 mà tín hiệu dữ liệu chịu khi nó đi qua SOA1 và SOA2.

Δ φ jI+ Δφ j

C với j=1,2 là sự dịch pha cảm ứng trong các SOA do sự phân cực không

tương đương các dòng bù lại (đóng góp Δ φ jI) và do các hiệu ứng suy giảm hạt tải điện

từ một tín hiệu điều khiển (đóng góp Δ φ jC). c là hằng số ghép, tính đến hiệu suất ghép

của bộ ghép C. Không hạn chế tính tổng quát, đặt c = 1 điều này là đúng cho thiết bị được trình bày.

Với bất kỳ sự thay đổi độ khuyếch đại nào, một sự thay đổi pha được kèm theo theo hệ thức Kramers-Kronig. Thừa số α có quan hệ với hai đại lượng này trong phép gần đúng tuyến tính, do vậy ta có thể viết lại độ khuyếch đại G j với j=1,2

theo độ khuếch đại một lần truyền qua G0 và sự thay đổi pha tương ứng,

G j=G0 . eΔ jL=G0 . e(−2 Δ j)/α (4.2)

Dấu bằng đầu tiên trong công thức (4.2) liên quan đến sự thay đổi độ khuếch đại Δg j được tính trung bình trên SOA chiều dài L đến độ khếch đại G j. Điều này đúng

cho các bộ khuếch đại sóng chạy, loại này sẽ được dùng một cách lí tưởng trong các chuyển mạch toàn quang. Dấu bằng thứ hai xét lại định nghĩa về thừa số, là tỷ số của sự thay đổi chiết suất trên sự thay đổi độ khuếch đại.

α ≡−4 π

λ.

ΔnΔg

(4.3)

Ở đây λ là bước sóng của tín hiệu dữ liệu và Δ n sự thay đổi chiết suất hiệu dụng xác định sự thay đổi pha toàn phần qua Δ φ j=ΔnL 2π / λ. Thừa số alpha là hằng số

vật liệu phụ thuộc vào bước sóng, mật độ dòng và vật liệu được sử dụng cho các SOA. Có thê giả sử rằng thừa số alpha vẫn không đổi đối với một điểm hoạt động nhất định. Điều này là hợp lý, khi thiết bị được hoạt động tại một bước sóng cố định ở cực đại độ khuếch đại và mật độ hạt tải điện được điều biến vừa phải bằng các tín hiệu điều khiển, bởi vì vấn đề được nêu lên đang tương tác với hiệu ứng điều biến pha chéo



(XPM) chứ không phải điều biến độ khuyếch đại chéo (XGM). Xét nhiễu bậc cao của các tín hiệu quang học lớn, các kết quả tính toán ưu điểm của bộ khuếch đại nhỏ nên được thực hiện với một mô hình SOA nhiều đoạn. Tuy nhiên, cũng trong một mô hình nhiều đoạn, sự thay đổi về pha toàn phần và sự thay đổi độ khuếch đại toàn phần tuân theo công thức (4.2) với điều kiện là thừa số alpha giữ không đổi. Để toán tử với mô hình này, giả sử thêm rằng tín hiệu điều khiển của điều đang giả sử đủ lâu (dài hơn 1 ps trong 1.55 InGaAsP) để các hiệu ứng phục hồi băng tần bên trong, điều này sẽ làm biến đổi giá trị của thừa số alpha, sẽ không xuất hiện.

Công suất đầu ra ngang và chéo của chuyển mạch toàn quang bây giờ có thể được tính toán bằng cách đánh giá công thức (4.1) dưới sự xem xét công thức (4.2). Điều quan trọng cần lưu ý rằng ma trận t là một ma trận truyền của các biên độ trường. Để đạt được mối tương quan cho công suất đầu ra, thì phải bình phương các thành phần ma trận t ij của ma trận t . Dùng định nghĩa cho công suất đầu ra ngang và chéo

được đưa ra trong hình 4.6, kết quả nhận được cho một tín hiệu dữ liệu từ đường dẫn đầu vào 1.

P¿ .1=|t 11|2P¿ , 1

PX ,1=|t 21|2P¿ ,1

(4.4 a)

Và cho một tín hiệu từ đường dẫn đầu vào 2.

PX ,2=|t 12|2P¿ ,2

P¿ ,2=|t 22|2P¿ ,2

(4.4 b)

Với

|t 11|2=C [1−2√r A r B cos (∆ Φ+Δφ12) e−Δ12/α+r A rB e−2 Δφ12/α ] (4.5 a)

|t 21|2=C [ rB+2√r A rB cos ( ∆ Φ+ Δφ12 ) e−Δ12 /α+r A e−2 Δ φ12 /α ] (4.5 b )

|t 12|2=C [r A+2√r A rB cos ( ∆ Φ+ Δφ12 ) e−Δ12 /α+r B e−2 Δ φ12 /α ] (4.5 c)

|t 22|2=C [ r A rB−2√r A r B cos ( ∆ Φ+Δ φ12 ) e−Δ12/α+e−2 Δ φ12/α ] (4.5 d)

Ở đó, các tỷ số tách của bộ ghép được định nghĩa là:

r A=SA

1−SA

r B≡SB

1−SB

(4.6)

Và biến ghép C được định nghĩa là :

C=c2 .G2 . ( 1−SA ) (1−SB ) (4.7)



Để thuận tiện, ta đã sử dụng hệ thống ký hiệu với dịch chuyển pha tương đối Δφ12 của

pha trong SOA1 đối với các pha trong SOA2.

∆ φ12≡ ∆ φ1−∆ φ2 (4.8)

Với các định nghĩa tương tự cho Δφ12I và Δφ12

C cùng với định nghĩa cho sự lệch

pha.

∆ Φ=∆ Φ1−∆ Φ2 (4.9)

4.4.2 Các biểu thức cho tỉ số tắt

Để ước tính chất lượng của quá trình chuyển mạch,sự dập tắt hoặc tỷ lệ bật-tắt được định nghĩa. Đối với một số ứng dụng sẽ rất hữu ích để xác định sự dập tắt của tín hiệu trong cổng đầu ra chuyển mạch-tắt so với cổng ra dẫn tín hiệu. Đó là tỷ số tắt, đối với các ứng dụng khác, có thể hữu dụng hơn để phân biệt giữa "1" so với "0" ở đầu ra từ một cổng. Đó là tỷ lệ bật-tắt. Mặc dù hai định nghĩa khác nhau nhưng chúng dẫn đến các kết quả giống nhau. Đặc biệt, trong trường hợp tỷ số tắt cao lý tưởng, các tỷ lệ bật-tắt cũng cao lý tưởng. Biểu thức của tỷ lệ bật–tắt cũng như sự khác nhau khi làm việc với tỷ lệ bật-tắt được cho ở Phụ lục A.

Theo đúng những thuật ngữ bên trên, các tỷ số tắt trong trạng thái không chuyển mạch X N, vắng tín hiệu điều khiển (chỉ số trên N), và trong trạng thái chuyển mạch XC, có mặt tín hiệu điều khiển (chỉ số trên C) được định nghĩa là các tỷ lệ công suất

X jN=

Pon

Poff|

PC off

=PX , j

P¿ , j|

PC off

X jC=

Pon

Poff|

PC on

=P¿ , j

PX , j|

PC on

(4.10)

Với Pon là công suất trong đường dẫn đầu ra chuyển mạch-mở và Poff là công

suất trong đường dẫn đầu ra chuyển mạch-đóng đối với các tín hiệu được ghép lại vào đường dẫn đầu vào j=1, 2.

Trong trạng thái không chuyển mạch, các số hạng trong (4.10) phải được sử

dụng với Δ φ12C =0. Tương tự như vậy, sử dụng (4.10) với Δ φ12

C ≠ 0 trong trạng thái

chuyển mạch. Δ φ12C =0 dương khi tín hiệu điều khiển được ghép vào SOA1 và Δ φ12

C âm

khi tín hiệu điều khiển được ghép vào SOA2. Với (4.4a)-(4.9), biểu thức về các tỷ số tắt của công thức (4.10) bây giờ có thể

được biễu diễn như hàm năm biến ∆ Φ , Δφ12I , Δφ12

C , S A , SB . Tuy nhiên, một số biến phụ

thuộc vào nhau. Điều này nhằm hạn chế không gian nghiệm cho các trường hợp như vậy để không chỉ có tỷ số tắt cao mà còn là một trạng thái bật lý tưởng. Điều này nghĩa là :



ΔΦ=−Δφ12I (4.11)

Và

Δ φ12C ~¿±(0 , PC off

π , PC on .

(4.12)

Phương trình (4.11) cho thấy sự sự dịch pha được cảm ứng từ các SOA phân cực không tương đương phải được bù lại bằng các bộ dịch pha. Phương trình (4.12) thể hiện một thực tế là, để chuyển mạch một MZI, một sự chênh lệch dịch pha bằng π phải được đưa vào giữa hai nhánh của MZI. Các phương trình thu được khi tối đa các công suất đầu ra của các đường dẫn đầu ra chuyển mạch mở đối với các tín hiệu từ đầu

vào 1 hoặc 2 tương ứng, đối với các biến ∆ Φ và Δ φ12C .

Với định nghĩa về các tỷ số tắt trong (4.10) dưới sự xem xét về các giới hạn được nêu ra trong các công thức (4.11) và (4.12), thu được đối với một tín hiệu dữ liệu tại đường dẫn đầu vào thứ nhất (công thức 4.13a) và cho một tín hiệu dữ liệu ở đường dẫn đầu vào hai (công thức 4.13b).

X1 /2N =

cosh2 [(2∆ φ12I /α ± ln r A ± ln r A ) /4 ]

sinh2 [ (2 ∆ φ12I / α ± ln r A ± ln r A ) /4 ]

(4.13a)

X1 /2C =

cosh2 [(2∆ φ12I /α ± 2 ∆ φ12

C /α ± ln r A ± ln r A )/4 ]sinh2 [ (2 ∆ φ12

I /α ±2 ∆ φ12C /α ± ln r A ± ln r A ) /4 ]

(4.13b)

4.5 Thực thi các MZI-SOA đặc biệt

4.5.1 Đặt vấn đề

Vấn đề trình bày về ba tính bất đối xứng dẫn đến ba cấu hình chuyển mạch toàn quang MZI-SOA với các tỷ số tắt được cải tiến hoặc gần lí tưởng (Bảng 1). Ta chọn các điều kiện hoạt động sao cho cấu hình này trở nên thích hợp cho các ứng dụng như các bộ ghép kênh xen hoặc rẽ và các bộ ghép kênh xen-rẽ.

Dưới đây là bảng các tham số thiết kế của các chuyển mạch toàn quang SOA-MZI với các tỉ số tắt cao.



Bảng 1: Các tham số thiết kế của các chuyển mạch toàn quang SOA-MZI với các tỉ số tắt cao.

Hình thiết bị r A r B ∆ ϕ Δ φ12I Các đặc tính Số đường dẫn

đầu vào với sự dập tắt cao; sự dập tắt tốt nhất

có thể.(A) Chuyển

mạch phân cực không tương

đương hình 4.9

1 1 900 900 Các loại SOA với dung sai với thiết kế không

chuẩn.

Gần 20 dB mỗi cái

(phụ thuộc vào thừa số alpha)

(B1)Một bộ chia quang không đối xứng hình 4.12

1 e−π /α 900 900Các loại SOA,

băng thông bước sóng tốt, đặc biệt với bộ chia quang SA

1x2

1;Lý tưởng

(B2) Hai bộ chia quang không đối

xứnge−π /α e−π /α 00 00 Các loại SOA 1;

Lý tưởng

(C) Hai chuyển mạch thừa số

alpha hình 4.141 1 00 00 Hai loại SOA

với thừa số khác nhau

2;Lý tưởng

Ghép kênh xen-rẽ tốc độ cao với tốc độ chuyển mạch nhanh bằng 1 ps đã được thực hiện bằng hai xung điều khiển quang liên tiếp được ghép vào trong hai SOA của chuyển mạch MZI-SOA. Phương pháp này sử dụng một tín hiệu điều khiển thứ nhất



để chuyển mạch một tín hiệu dữ liệu từ một đường dẫn đầu ra vào cái còn lại và một tín hiệu điều khiển thứ hai để thiết lập lại chuyển mạch. Khi tín hiệu điều khiển thứ nhất được đưa vào, ví dụ tín hiệu điều khiển được đưa vào SOA1, thiết bị chuyển mạch do sự thay đổi chiết suất gây ra bởi sự suy giảm hạt tải điện rất nhanh trong SOA1 từ trạng thái chéo thành trạng thái ngang. Sau một khoảng thời gian tương ứng với chiều dài bit hoặc chiều dài một gói tin, tín hiệu điều khiển thứ hai được đưa vào trong SOA đối diện. Điều này làm cho chuyển mạch thiết bị trở lại trạng thái chuyển mạch ban đầu sử dụng lại hiệu ứng suy giảm hạt tải điện dưới ps. Khi thời gian tái tạo hạt tải điện thấp hơn nhiều thời gian trễ giữa hai xung điều khiển, SOA1 và SOA2 cùng nhau được tái tạo đến mức thêm hạt tải điện ban đầu cho đến khi chu kỳ chuyển mạch kế tiếp kích hoạt chúng một lần nữa. Sau đó, vấn đề trình bày về tác dụng của tín hiệu điều khiển thứ nhất. Tác dụng của xung điều khiển thứ hai được trình bày một cách ngắn gọn ở đây. Chủ yếu là thiết lập những lệch pha trong MZI để cho các thiết bị toàn quang chuyển mạch trở lại trạng thái ban đầu. Thêm vào đó, xung điều khiển hai thứ làm bão hoà SOA thứ hai, sao cho độ khuyếch đại toàn phần của tín hiệu dữ liệu được nén ngay sau cửa sổ chuyển mạch. Sự bão hoà của độ khuyếch đại phụ thuộc vào giá trị của thừa số alpha (hình 4.5). Thừa số alpha càng cao, sự bão hoà của độ khuyếch đại càng nhỏ. Hình 4.5 thu được bằng cách tính PX của biểu thức (3.4) cho

các trường hợp xấu nhất, ở đó cả hai xung điều khiển được bật :

∆ φ1c=∆ φ2

c=π

Thông thường, hai xung điều khiển được đưa vào liên tiếp để cho các hạt tải điện tái tạo lại trong khoảng thời gian và sự bão hòa độ khuếch đại.

Hình 4.8: Sự bão hoà độ khuếch đại toàn phần sau khi thiết lập lại chuyển mạch toàn quang về trạng thái ban đầu với xung điều khiển thứ 2



Xung điều khiển thứ nhất PC 1 được dùng để chuyển trạng thái chéo thành trạng

thái ngang và xung điều khiển thứ hai PC 2 được đưa vào sau một trạng thái để thiết

lập lại chuyển mạch sự bão hoà giảm khi tăng thừa số alpha.

4.5.2 Các chuyển mạch toàn quang với các bộ chia quang đối xứng.

Khi các bộ chia quang SA vàSB là đối xứng, khi chúng có tỉ số tắt 50: 50, tương

ứng với quy ước của là :

r A=r B=1 (4.14)

Vấn đề này có thể phát biểu rằng đặc tính chuyển mạch không phụ thuộc vào thanh dẫn đầu vào được sử dụng. Các trạng thái chéo và ngang của một tín hiệu từ đầu vào 1 và các trạng thái chéo và ngang của một tín hiệu từ đầu vào 2 có đặc tính giống nhau. Phát biểu này đúng với tín hiệu điều khiển được đặt vào và không được đặt vào. Thậm chí nó còn đúng khi các SOA được phân cực không tương đương. Để xác nhận

vấn đề này, cần chứng minh rằng |t 11|=|t 22|và|t12|=|t21| khi dùng (4.14) trong (4.5a)-

(4.5d). Do đó, vấn đề đang trình bày thấy rằng ghép kênh xen rẽ MZI-SOA 2x2 được xây dựng một cách thuận lợi với các bộ chia quang đối xứng SA vàSB. Ngược lại, các

bộ ghép kênh MZI SOA 1x2 xen hoặc rẽ có thể được thiết kế thuận lợi hơn với các bộ chia quang không đối xứng.

Các bộ chia quang đối xứng, chuyển mạch toàn quang phân cực tương đương.

r A=r B=1 , ∆ φ12I =0 các chuyển mạch toàn quang MZI SOA 2x2 được phân cực tương

đương với các bộ chia quang đối xứng dẫn đến tỉ số tắt không cân bằng hình 4.5. Điều này minh họa việc dùng (4.13b) để vẽ đồ thị tỉ số tắt của trạng thái XC được chuyển mạch như một hàm theo thừa số α . Những đường đứt nét trong hình 4.10 cho thấy tỉ số tắt có thể đạt tới của trạng thái XCcải tiến như thế nào với sự tăng của thừa sốα . Đối với thừa số α bằng 7.4, tỉ số tắt của trạng thái XC được giới hạn cao vừa phải 13dB. Thừa số pha 7.4 tương ứng với giá trị tĩnh được xác định bằng thực nghiệm tại cực đại độ khuếch đại của thiết bị được đưa vào trong phần thưc nghiệm.



Hình 4.9: Chuyển mạch toàn quang 2x2 với các SOA phân cực cân bằng và không cân bằng và các bộ chia quang đối xứng (50:50)

Hình 4.10: Tỉ số tắt có thể đạt tới cải tiến cao hơn giá trị thừa số alpha phụ thuộc vật liệu

Các đường chấm phẩy cho thấy sự dập tắt có thể đạt được đối với “chuyển mạch phân cực tương đương” trong trạng thái chuyển mạch (P¿¿c 1on)¿ và các đường liền nét

cho thấy sự dập tắt được cải tiến và cân bằng đối với “chuyển mạch phân cực không cân bằng” trong cả hai trạng thái chuyển mạch và không chuyển mạch.

Bộ chia quang đối xứng, chuyển mạch toàn quang phân cực không tương đương



r A=r B=1 , ∆ φ12I ≠ 0. Chuyển mạch toàn quang MZI-SOA phân cực tương đương với bộ

tách chùm đối xứng minh họa một các rõ ràng trường hợp không thỏa mãn của một chuyển mạch với chỉ một trạng thái (trạng thái X N ) có tỉ số tắt tối ưu. Tuy nhiên, tỉ số tắt cao và cân bằng có thể đạt được bằng cách phân cực không cân bằng các SOA, vấn đề này nhằm xác định các tham số hoạt động của chuyển mạch phân cực không tương đương với sự tắt cân bằng. Với yêu cầu X N=XC, ta tìm được :

∆ φ12I =−π

2và ∆Φ= π

2(4.15)

Điều đó có nghĩa là sự phân cực lại dòng thêm vào trên SOA1 – bộ khuếch đại dẫn tín hiệu điều khiển đầu tiên phải được áp dụng. Sự tối ưu cho độ khuếch đại thêm vào có thể đạt tới được khi độ lệch pha tương ứng là −π /2 .Để đạt được tỉ số tắt cao, sự dịch pha cảm ứng này phải được bù với các bộ dịch pha tích cực thỏa mãn phương trình thứ hai của (4.15). Tỉ số tắt có thể đạt được như một hàm theo thừa số α , với dòng SOA phân cực không tương đương trong điều kiện hoạt động thỏa mãn công thức (4.15), là đường liền nét của hình 4.10. Đối với thừa số pha bằng 7.4, các tỉ số tắt đạt được 20dB đối với cả hai trạng thái. Để giữ cho các tỉ số tắt cao hơn đối với các thiết bị này, nghiên cứu sẽ phải tập trung vào các vật liệu với thừa số α rộng hơn. Thiết bị hoạt động với tín hiệu với một hoặc hai đầu vào.

4.5.3 Chuyển mạch toàn quang với các bộ chia quang không đối xứng

Các ứng dụng ghép kênh xen hoặc rẽ thuần túy chỉ đòi hỏi các chuyển mạch 1x2. Đối với những ứng dụng như thế là quá hạn chế. Khi cho phép các bộ chia quang không đối xứng kết hợp với các dòng phân cực không tương đương, các tỉ số tắt về nguyên tắc có thể lý tưởng đối với các tín hiệu từ một trong hai đầu vào.

Các tham số hoạt động cho chuyển mạch này được tìm thấy bằng cách đòi hỏi số hạng sinh2 cao hơn trong biểu thức (4.13a)-(4.13b), chẳng hạn đối với các tín hiệu

từ đầu vào 1 bằng không. Hai trong ba biến r A , r B , ∆ φ12I được dùng để giải hai phương

trình của các trạng thái tắt chuyển mạch và không chuyển mạch. Trong phần 4.4.2, một thiết bị với chỉ một bộ chia quang không đối xứng và các dòng phân cực không tương đương. Trong thiết kế, thiết bị này đơn giản hơn thiết bị ở phần 4.4.2 với hai bộ chia quang không đối xứng khác nhau.

Chuyển mạch toàn quang với một bộ chia quang không đối xứng :

Các điều kiện để các tỉ số tắt lý tưởng của tín hiệu dữ liệu từ đầu vào một với một tín hiệu điều khiển được đưa vào SOA1 do (4.13a)-(4.13b).

Đối với trạng thái X1N lý tưởng.

2 ∆ φ12I /α−ln (r A)−ln (rB)=0 (4.16a)



Đối với trạng thái X1C lý tưởng.

2 ∆ φ12I /α−ln (r A)+ ln (r B)=

−π2

(4.16b)

Bởi vì vấn để đang nghiên cứu chỉ cần hai biến để giải (4.16a) và (4.16b), chúng ta có thể đòi hỏi rằng bộ chia quang SA đối xứng. Điều này khiến vấn đề đang

nghiên cứu đến một thiết bị với.

r A=1 (4.17 a )

r B=e−¿απ¿ (4.17 b )

∆ φ21I =−π

2→ ∆ Φ= π

2(4.17c)

Ở đây r A=1 tương ứng với bộ chia quang 50:50 đơn giản. Tỉ số tách r B dẫn

chúng ta đến bộ chia quang không đối xứng. Bởi vì bộ chia quang không đối xứng được gọi là các MMI kiểu 2x2 như được đề cập trong bảng có thể được dùng. Điều này có đặc tính tách được mô tả bởi ma trận đối với bộ tách chùm MMI được cho trong (4.2). Sự phân cực dòng phải được chọn không đối xứng sao cho lượng dịch pha

tương ứng ∆ φ21I =−π /2 và cần một lượng dịch pha offset là π /2.

Hình 4. 11: Chuyển mạch toàn quang 1x2 phân cực tương đương với bộ chia quang không đối xứng.



Hình 4.12: Tín hiệu các đầu vào với tỷ số tắt lý tưởng

Đối với tín hiệu từ đầu vào 1, các tỉ số tắt lý tưởng đạt được trong trạng thái không chuyển mạch (P¿¿c 1off )¿ với bộ chia quang 40:60 đối với các SOA với thừa số alpha quanh 7.4. Các tỉ số tắt đối với tín hiệu từ đầu vào 2 nghèo. Chuyển mạch 1x2 này được tối ưu hoá tín hiệu từ đầu vào 1.

Trong hình 4.12 đã trình bày một chuyển mạch toàn quang 1x2 được phân cực không đối xứng với bộ chia quang 50:50 và bộ chia quang 40:60. Một bộ chia quang 40:60 phải được chọn theo (4.17b) đối với các SOA với thừa số α bằng 7.4. Ở phía phải của hình 4.12. Việc đưa dung sai thiết kế của tỉ số tắt như hàm theo thừa số α . Đối với các tín hiệu từ đầu vào một, điều này cho thấy một tỉ số tắt lý tưởng trong trạng thái chuyển mạch và không chuyển mạch quanh thừa số α =7.4. Tỉ số tắt bị suy giảm khi thừa số α lệch quá nhiều so với giá trị này, tức là giá trị mà chuyển mạch được thiết kế. Dùng chuyển mạch đối với các tín hiệu từ đầu vào hai, tỉ số tắt cuối cùng thấp, bởi vì chuyển mạch chỉ có thể được tối ưu hóa đối với các tín hiệu từ một trong số hai đầu vào.

Vấn đề này có thể thay thế bộ chia quang SA MMI 2x2 bằng một bộ chia quang

1x2 bởi vì thanh dẫn đầu vào hai không được dùng. Điều này sẽ cho phép giảm sự bù lại π /2 của các bộ dịch pha. Bộ dịch pha không cần nữa bởi vì ma trận ghép MMI 2x2 được cho trong (2) tồn tại một sự trễ pha π /2 giữa hai tín hiệu bị tách, nó giảm với bộ chia quang 1x2 vì lý do đối xứng. Do đó, có thể viết lại (4.17c) theo phiên bản với bộ tách chùm SA 1x2.

∆ φ12I =−π

2→ ∆ Φ=0 (4.18)



Ưu điểm thứ hai đáng đề cập. Khi dùng, chẳng hạn như MMI 1x2 trong [12] thay cho bộ tách chùm MMI 2x2, băng thông bước sóng và dung sai chế tạo sẽ dễ giải quyết hơn nhiều, bởi vì MMI 1x2 ngắn hơn các MMI 2x2.

Chuyển mạch toàn quang với hai bộ chia quang không đối xứng

Bộ ghép kênh 1x2 với tỉ số tắt lý tưởng và dòng phân cực đối xứng có thể được

rút ra từ (4.16a) và (4.16b) với đòi hỏi rằng ∆ φ21I =0. Tuy nhiên, người ta nhận thấy

rằng để thu được tỉ số tắt lý tưởng phải cần đến hai bộ chia quang không đối xứng với tỉ số tách không tương đương.

r A=e απ

(4.19a)

r B=e−¿απ¿ (4.19b)

Đối với thừa số α bằng 7.4, tỉ số tách đầu tiên tương ứng với bộ chia quang 60:40 và cái sau tương ứng với bộ chia quang 40:60. Cần chú ý rằng tập hợp các biến

trong (4.19a) và (4.19b) không chỉ dẫn đến các tỉ số tắt lý tưởng X1N , X1

C mà còn là X2N.

Phiên bản này của chuyển mạch toàn quang với hai bộ chia quang không.

4.5.4 Chuyển mạch toàn quang với hai cặp SOA hoạt động không đối xứng

Chuyển mạch toàn quang MZI-SOA 2x2 với các tỉ số tắt lý tưởng (hình 4.12) có thể thu được với hai tập hợp các bộ khuếch đại: SOA ' vàSOA ' ',cả hai đều có thừa số

α ' vàα ' ' khác nhau. Để thay đổi từ trạng thái không chuyển mạch thành chuyển mạch,

hai tín hiệu điều khiển PC 1' và PC 1

' ' được đưa vào đồng thời từ phía trái vào trong các bộ

khuếch đại SOA ' vàSOA ' '. Công suất của tín hiệu điều khiển được chọn sao cho sự bão hòa độ lợi trong hai SOA bằng nhau nhưng độ lệch pha được cảm ứng giữa hai nhánh MZI tăng một lượng π. Việc lựa chọn này luôn luôn có thể khi hai SOA có thừa số α khác nhau. Do đó, độ khuếch đại trong hai nhánh MZI đối xứng trong trạng thái không chuyển mạch mà còn đối xứng trong trạng thái chuyển mạch. Để thiết lập lại độ lệch pha π trong MZI, tín hiệu điều khiển tương tự có thể được đưa vào từ phía phải.Sự lệch pha của hai tín hiệu điều khiển cần thiết để chuyển mạch, theo (4.13a) và (4.13b). Để tìm ra những biểu thức rõ ràng, vấn đề là phải mở rộng lý thuyết được xây dựng cho các chuyển mạch toàn quang cơ bản trong hình 4.6 đến trường hợp hình 4.13. Bởi vì chuyển mạch mới có hai môi trường độ khuếch đại, nên phải dùng phép thế công thức.

∆ φ12→ ∆ φ12' +∆ φ12

' ' (4.20)

∆ φ12 /α → ∆ φ12' /α '+∆ φ12

' ' /α ' ' (4.21)



Các số hạng φ chứa một chỉ số trên I và C được thay thế theo định nghĩa của chúng hoàn toàn tương tự. Các giới hạn (4.11) và (4.12) vẫn còn nguyên giá trị và phải được thế vào theo phép thế (4.20).

Hình 4.13: Chuyển mạch toàn quang 2x2 với bộ chia quang đối xứng và hai cặp bộ khuếch đại (SOA¿¿ ' và SOA ' ')¿ với thừa số alpha khác nhau.

Điều này cho phép tạo ra chuyển mạch toàn quan 2x2 với các tỷ số tắt lý tưởng.

Hình 4.14: Chuyển mạch “on” hoàn toàn của trạng thái ngang và chuyển mạch “off ” hoàn toàn của trạng thái chéo.

Khi đưa đồng thời hai tín hiệu điều khiển PC 1' và PC 1

' ' vào chuyển mạch. Tính

chất chuyển mạch này đạt dược đối với các tín hiệu từ đầu vào 1 và 2.

Cuối cùng vấn đề này có thể viết lại bốn điều kiện cho tỉ số tắt lý tưởng đối với một tín hiệu từ thanh dẫn đầu vào 1 và tín hiệu từ thanh dẫn đầu vào hai trong trạng



thái chuyển mạch và không chuyển mạch tương tự với những cái đó ở (4.16a) và (4.16b). Giải tập hợp các phương trình mới này cho vấn đề được nêu ra.

r A=r B=1 (4.22)

∆ φ12' I

α ' +∆ φ12

' ' I

α ' ' =0(4.23)

∆ φ12' C= 1

1−α ' ' /α 'π (4.24 a)

Và

∆ φ12' 'C= −α ' ' /α '

1−α ' ' /α ' π(4.24b)

Mặt khác, chuyển mạch toàn quang với tỉ số tắt lý tưởng đối với các tín hiệu từ cả hai thanh dẫn đầu vào có các bộ chia quang đối xứng SA vàSB ; cả hai cặp bộ khuếch

đại có thể được phân cực đối xứng ∆ φ12' I =∆ φ12

' ' I=0 và do đó các bộ dịch pha tích cực do

(4.11) không cần thiết. Với dấu (+) trong (12), một chọn lựa tùy ý để đưa vào tín hiệu điều khiển từ phía trái, cho thấy rằng công suất tín hiệu điều khiển phải được chọn sao cho tín hiệu điều khiển cảm ứng những độ dịch pha được cho trong (4.24).

Các thí nghiệm thực tế chứa các bộ chia quang đối xứng, các bộ khuếch đại

SOA ' phân cực tương đương chẳng hạn có thừa số α = 8 và các bộ khuếch đại SOA ' 'với

thừa số α = 2, sao cho tín hiệu điều khiển được đưa vào qua C cung cấp một độ dịch

pha là ∆ φ12' C=8/6 π và ∆ φ12

' 'C=2/6π . Mặc dù thừa số α là hằng số phụ thuộc vào vật

liệu, giá trị của nó thay đổi đáng kể trong phổ bước sóng và đối với các mức bơm hạt tải điện khác nhau. Giá trị 8 và 2 đối với thừa số alpha là hợp lý, bởi vì khoảng này được bao phủ khi dịch vùng cấm hoặc biến đổi mức tiêm hạt tải điện trong các bộ

khuếch đại . Khi vặn đồng thời tín hiệu điều khiển ∆ φ12' C và∆ φ12

' ' C công suất trong trạng

thái ngang P¿ ,1 và P¿ ,2 chuyển mạch mở và công suất trong PX ,1 và PX, 2 chuyển mạch tắt

như được mô tả trong hình 4.14. Vấn đề nghiên cứu đã tìm được các tỉ số tắt lý tưởng cho các tín hiệu từ đầu vào một và đầu vào hai. So sánh với chuyển mạch toàn quang với bộ chia quang không đối xứng, bây giờ chúng ta có một thiết bị với trạng thái tắt lý tưởng cho tất cả các thanh dẫn đầu vào và đầu ra. Tuy nhiên, giá được giảm đáng kể

của trạng thái ngang. Để thu được bốn tỉ số tắt lý tưởng, trên nguyên tắc chỉ cần có hai

SOA không tương đương, mỗi cái với thừa số α khác nhau. Do đó, phiên bản đơn giản nhất sẽ làm việc hoàn toàn với hai bộ khuếch đại, một với thừa số α ' trên cần MZI 1 và một với thừa số α '' trên nhánh MZI 2. Tuy nhiên sẽ khó hơn để điều chỉnh pha phù lại, và thời gian hồi phục hạt tải điện không tương đương có thể làm suy giảm hiệu suất.



4.6 Thực nghiệm

Để minh họa các chuyển mạch toàn quang với tỉ số tắt tối ưu hóa, Vấn đề nghiên cứu đã nhận ra các chuyển mạch toàn quang MZI SOA của hình 4.10. Các thí nghiệm tĩnh và động đã được thực hiện. Đầu tiên, vấn đề này xác nhận sự cải tiến tỉ số tắt khi đi từ một chuyển mạch toàn quang với các bộ chia quang đối xứng và các SOA phân cực tương đương đến bộ chuyển mạch toàn quang với bộ chia quang đối xứng và các SOA phân cực không tương đương. Thứ hai, chúng tôi chứng tỏ rằng phiên bản “phân cực không tương đương” mang đến một tỉ số tắt cân bằng và cao như dự đoán dưới các điều kiện động đối với các cửa sổ chuyển mạch 25ps. Thiết bị được trình bày trong vấn đề này sử dụng bộ chia quang MMI 2x2 SA và SBvới tỉ số tách 50:50. Các

MMI tương tự được dùng để ghép trong tín hiệu điều khiển quang mode bậc không qua các bộ ghép C.

Trong các chuyển mạch InGaAsP-InP MZI SOA được chế tạo bằng kĩ thuật epitaxy pha hơi hữu cơ kim loại hai bước (MOVPE) trên mặt mạng (001) của InP. Các lớp SOA với độ dày 0.22 μm đến 1.58 μm và lớp hoạt tính InGaAsP được phát triển đầu tiên. Sau đó, vùng bên ngoài diện tích SOA dài 500 μm bị ăn mòn, rồi sau đó hình thành lại một lớp ống dẫn sóng thụ động (InGaAsP dày 0.6 μm đến 1.28 μm được theo sau bởi một lớp phủ InP dày 1.6nm). Hai lớp khác nhau được ghép xen vào. Các ống dẫn sóng đỉnh được hình thành bằng cách ăn mòn 1.7 μm vào SOA và dị cấu trúc ống dẫn sóng. Các MMI 2×2 bị ăn mòn theo các bước tương tự như các ống dẫn sóng. Các

ống dẫn sóng này có kích thước là 450 μm×17.5 μm. Lớp InGaAsP pha tạp nặng được

đặt phía trên của hai phần ống dẫn sóng để tạo tiếp xúc tốt với đệm bằng vàng. Hai phần này đã hình thành nên bộ dịch pha điện quang. Tổng kích cỡ của chip chuyển mạch là 9mm×1.3mm. Các mặt của ống dẫn sóng được phủ chống phản xạ và chip được làm mỏng để cho phép tản nhiệt nhanh và dễ dàng chia tách.



Hình 4.15: Độ khuếch đại sợi-sợi được đo và được tính toán đối với chuyển mạch toàn quang

Được cho trong hình 4.13 minh hoạ sự cải tiến tiếp theo hướng tỉ số tắt cao và cân bằng khi đi từ chế độ hoạt động phân cực đối xứng với tỉ số tắt chênh lệch nhiều (13dB và 29 dB) đến chế độ hoạt động phân cực không cân bằng với hai tỉ số tắt giống nhau 20 dB. Tại điện áp bù lại -3V,chế độ phân cực đối xứng được tìm thấy đối với các dòng SOA1 và SOA2 gần bằng nhau 192 và 182 mA. Sự phân cực không cân bằng các SOA bằng cách giảm dòng SOA2 từ 182 đến 162 mA trong khi bù trừ sự dịch pha cảm ứng với các nộ dịch pha tích cực dẫn đến chế độ hoạt động phân cực không cân bằng tại một điện áp offset V=7.6V. XNR là tỉ số tắt được dùng để tính thừa số alpha,tham số phù hợp duy nhất của các đường cong tính toán.

Sự cải tiến hướng về hai tỉ số tắt cao và cân bằng của chuyển mạch toàn quang, khi dần dần di chuyển từ phân cực đối xứng đến mode hoạt động phân cực không tương đương được cho trong hình 4.16. Sự cải tiến là do cố ý giảm phân cực dòng trong SOA không bị ảnh hưởng bởi các tín hiệu điều khiển quang học và sự thích nghi của điện áp của bộ dịch pha. Bởi vì tồn tại mối quan hệ giữa phân cực không đối xứng của các SOA và pha cảm ứng trong các bộ dịch pha, xem (Hình 4.14),Vấn đề biểu diễn sự không đối xứng bởi điện áp đặt vào đảo ngược trên các bộ dịch pha. Thí nghiệm được thực hiện dưới các điều kiện tĩnh bởi vì điều đó cho phép sự chính xác của phép đo cao. Thí nghiệm được thực hiện với P¿ ,2 chế độ liên tục được ghép qua thanh dẫn

đầu vào hai tại bước sóng λPin2=1.58 μm với công suất tín hiệu -19dBm. Laser phản hồi



phân bố công suất cao (DFB) cung cấp một tín hiệu điều khiển tại bước sóng 1.554 μm

. Nó được ghép vào SOA qua MMIC 2x2. Công suất +36dBm, được đo trong sợi

quang là cần thiết để cảm ứng độ dịch pha π. Trong hình 4.16, biểu diễn các độ khuếch

đại sợi-sợi đo được của các trạng thái ngang (G¿ P¿ ,2/ P¿ , 2) và trạng thái chéo (GX PX ,2/ P¿ , 2) trong trạng thái không chuyển mạch với sự vắng mặt của tín hiệu (PC off )

cũng như trong trạng thái tín hiệu chuyển mạch (PC on). Trạng thái chuyển mạch “phân

cực tương đương” tối ưu bên phải của hình 4.16 thu được đối với các SOA với các dòng phân cực gần như bằng nhau I SOA 1=190 mAvà I SOA 2=182 mA. Sự khác nhau

trong các dòng phân cực là do sự không đồng nhất trong chế tạo. Để đạt được trạng

thái tối ưu này với G¿(PC off ) nhỏ nhất,điện áp điều chỉnh pha offset 3V được đặt vào bộ

dịch pha 1. Một điện áp nghịch đảo âm trên trục x chỉ ra rằng bộ dịch pha 1 đang được dùng và một điện áp nghịch đảo dương chứng tỏ bộ dịch pha hai đang được dùng.

Vấn đề được quan sát ở trạng thái chéo GX (PC on) cải tiến từ một trạng thái tắt -

7dB không thỏa mãn tới một trạng thái tắt -14dB như thế nào, khi giảm điện áp đặt vào bộ dịch pha một và tăng đi ện áp đặt vào bộ dịch pha hai ,trong khi giảm một cách

không đối xứng dòng qua SOA2 để cho G¿(PC off ) cực tiểu. Khi điện áp nghịch đảo

được đặt vào bộ dịch pha 2 đạt đến 6V, các tỉ số tắt của trạng thái ngắt mạch G¿(PC off ) và trạng thái chuyển mạch GX (PC on) giống nhau và tỉ số tắt của cả hai trạng thái là

20dB. Trong trạng thái chuyển mạch được phân cực không tương đương tốt nhất này, dòng SOA2 phải được thiết lập là 160 mA. Vấn đề nghiên cứu đã tính toán độ khuếch đại như một hàm của pha cảm ứng trong các bộ dịch pha bằng cách dùng (4.4b), (4.11) và (4.12) và tìm được một sự phù hợp tốt nhất với các điểm được đo (xem các đường được vẽ trong hình 4.16). Chỉ một sự không phù hợp giữa các giá trị được tính toán và được đo có thể thấy được trong trạng thái off dưới -20dB của đầu ra

ngang G¿N Đối với các tín hiệu đầu ra yếu khoảng -41dBm (công suất tín hiệu đầu vào

là -19dBm và độ khuếch đại sợi-sợi là -22dB), phát xạ tự phát được khuếch đại dẫn đến những đóng góp không thể bỏ qua. Để so sánh các đường cong thực nghiệm với đường cong lý thuyết ,chúng tôi phải thiết lập mối quan hệ giữa các điện áp đặt vào với sự dịch pha ∆ φ được cảm ứng trong các bộ dịch pha. Bởi vì điện áp được đặt vào các bộ dịch pha nhỏ, nên có thể nội suy các độ dịch pha cảm ứng với thang điện áp. Đáng chú ý rằng để khớp tất cả 4 đường cong chúng tôi đã dùng một tham số khớp duy nhất, cụ thể là thừa số α và chỉ một điểm quy chiếu R (xem hình 4.16). Điểm quy chiếu này là cần thiết bởi vì sự mất mát do ghép và đặc tính điện áp đặt vào dịch pha cảm ứng khác nhau đối với mỗi thiết bị và phải được xác định bằng thực nghiệm.

Thừa số α được rút ra từ các đường cong đo được như sau. Về mặt thực

nghiệm, tỉ số tắt X N R (xem hình 4.16) được đo kiểm từ R ở đây các đường cong của hai

trạng thái tắt chéo nhau, lên đến trạng thái G xN có thể được xác định với độ chính xác

cao. Tỉ số tắt X N R hoặc nói cách khác hoặc X Ntại điểm R được tính theo 4.13a. Biến



duy nhất trong (4.13a) là thừa số α , vấn đề đang tìm và độ dịch pha Δ φ12I được cảm

ứng bởi sự không đối xứng của dòng cảm ứng. Nhưng Δ φ12I được xác định bởi vì nó là

sự dịch pha dòng cảm ứng, ở đây hai đường cong của các trạng thái chuyển mạch ngắt chéo. Giá trị của nó là :

Δ φ12I R=−α ln( 2

1+e−πα ) (4.25)

Phương trình (13a) và (25) cho phép tính toán thừa số α từ tỉ số tắt đo được X N R

Thừa số α trở thành:

α=−π . {ln [ 2

e2 atanh (√1/ XN R )−1]}

−1 (4.26)

Với một tỉ số tắt X N R=20.5 dB, ta thu được thừa số α=7.4 ± 0.5 Các thí nghiệm

được thực hiện tĩnh. Đối với mỗi xung điều khiển ngắn, trong đó thời gian hồi phục nội vùng có thể trở nên quan trọng, thừa số α phải được thích ứng.

Hình 4.16: Các cửa sổ mở và đóng cân bằng 25 ps (FWHM) của chuyển mạch toàn quang SOA MZI phân cực không tương đương.

Tỉ số tăt vượt quá 16 dB ở cả hai đầu ra ngang P¿ và chéo PX thu được bằng

cách phân cực không tương đương.

Kết quả của thí nghiệm chuyển mạch với các xung điều khiển quang học ngắn được biểu diễn trong hình 4.14. Chuyển mạch toàn quang phân cực không tương đương được hoạt động với hai xung điều khiển quang học liên tục được ghép vào 2



SOA của chuyển mạch MZI SOA. Tín hiệu điều khiển đầu tiên được đưa vào SOA1 để chuyển mạch tín hiệu dữ liệu liên tục từ đầu ra chéo thành đầu ra ngang. Xung điều khiển thứ hai được đưa vào SOA2 với thời gian trì hoãn 25ps để thiết lập lại trạng thái chuyển mạch. Các cửa sổ mở cân bằng đối với các trạng thái ngang ( P¿ ) vàchéo(PX ) với khoảng thời gian xung 25ps (FWHM) thu được. Tỉ số tắt của cửa

sổ mở khoảng 16dB đối với cả hai trạng thái (X N và XC¿ Giá trị tĩnh 20dB là khó để đạt tới do nhiễu cao. Một số nhiễu là do sự mất ổn định về cơ học của bàn đo và một số nảy sinh từ bộ khuếch đại đ ược dùng để khuếch đại các tín hiệu đầu ra để cung cấp đủ công suất cho một diot quang. Đối với các thí nghiệm động này, đã dùng các xung điều khiển với độ rộng 3ps đến 4ps (FWHM) ,tốc độ lặp lại 114MHz và công suất đỉnh +22dBm được đo trong sợi quang. Công suất tín hiệu dữ liệu P¿ được tăng đến -2 dBm để bù mất mát trong bộ lọc bước sóng và bộ cách ly cần cho thí nghiệm động tại các đầu ra. Dễ thấy là sự giảm độ khuếch đại toàn phần của tín hiệu PX ngay sau cửa sổ

chuyển mạch là do sự bão hòa trong các SOA. Sự bão hòa là 3.5 dB phù hợp tốt với giá trị được tiên đoán trong hình 4.6 đối với thừa số α bằng 7.4. Hình nhỏ trong hình 4.14 cho thấy xung điều khiển. Các dao động phía sau xung là của diot quang. Tất cả các tín hiệu được biểu diễn trong hình 4.14 được thực hiện với diot quang (thời gian nảy sinh 10ps) và một máy hiện sóng lấy mẫu 50GHz.

Các chuyển mạch không gian toàn quang trong cấu hình MZI với các bộ khuếch đại quang bán dẫn và các tỉ số tắt lý tưởng được đề xuất. Người ta chứng tỏ rằng môi trường không đối xứng hoặc thừa số α cao là cần thiết để đạt được tỉ số tắt cao. Các cấu hình chuyển mạch 1x2 và 2x2 được đưa vào. Các dự đoán về mặt lý thuyết được xác nhận và phù hợp tốt với thực nghiệm đối với chuyển mạch sử dụng bộ tách chùm MZI đối xứng trong loại dẫn sóng InP được tích hợp đơn khối cho phép hoạt động với các SOA đối xứng và phân cực không tương đương. Trong khi hoạt động phân cực đối xứng của chuyển mạch toàn quang đối xứng đạt được tỉ số tắt không cân bằng 13dB và 29dB, hoạt động không đối xứng cho phép tỉ số tắt cân bằng 20dB. Ngoại suy từ lý thuyết được xác định từ thực nghiệm cho thấy giới hạn tỉ số tắt ngày nay có thể được mở rộng dưới 29dB đối với cả hai trạng thái khi cùng một lúc các nguồn nhiễu bị triệt tiêu.

Kết Luận

Giao thoa kế Mach-Zehnder có nhiều ứng dụng quan trọng trong hệ thống truyền dẫn và chuyển mạch quang, với nhiều chức năng khác nhau như: làm bộ lọc, bộ cảm biến, bộ chuyển đổi bước sóng...và làm bộ chuyển mạch toàn quang được phân tích kỹ ở phần II của chương.

Các vấn đề về độ khuếch đại và tỷ số tắt được cải thiện nhờ những cải tiến của các bộ chuyển mạch MZI đặc biệt.


Đồ án tốt nghiệp Đại học Kết Luận

KẾT LUẬN

Đồ án : “ Giao thoa kế Mach-Zehnder và ứng dụng trong truyền dẫn quang ” đã hoàn thành đúng và đầy đủ nội dung như đã đăng ký trong đề cương.

Trong thời gian làm đồ án, bản thân em đã cố gắng tập trung nghiên cứu tài liệu, làm việc nghiêm túc, cùng với sự hỗ trợ, động viên của thầy giáo hướng dẫn nên đã đạt được một số kết quả nhất định.

Các kết quả nghiên cứu đạt được của đề tài:

- Tìm hiểu về nguyên lý giao thoa ánh sáng

- Tìm hiểu rõ về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của bộ giao thoa kế

Mach-Zehnder, bộ giao thoa kế Mach-Zehnder thay đổi độ dài thay đổi chiết suất.

- Tìm hiểu khái quát các ứng dụng quan trọng của giao thoa kế Mach-Zehnder

trong hệ thống truyền dẫn quang và chuyển mạch quang.

- Tìm hiểu sâu về ứng dụng của MZI trong chuyển mạch toàn quang, với các cấu

hình chuyển mạch MZI đặc biệt cải thiện được độ khuếch đại và tỉ số tắt. Hướng phát triển của đề tài

- Mô phỏng hệ thống chuyển mạch dùng MZI và SOA.

Hy vọng đề tài này có thể làm tài liệu tham khảo bổ ích cho những ai yêu thích bộ môn tín hiệu và hệ thống.

Do hạn chế về mặt thời gian và kiến thức nên nội dung đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em xin chân thành cảm ơn sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo cùng toàn thể các bạn.


Đồ án tốt nghiệp Đại họcTài liệu tham khảo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng việt

[1] Ths. Đỗ Việt Em (2007), Kỹ thuật thông tin quang 2, Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông.

[2] Công nghệ truyền tải quang, Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông.

Tài liệu tiếng anh

[1] K P Zetie, S F Adams and RMTocknell, “ How does a Mach–Zehnder interferometer work? ”, Physics Department, Westminster School, London SW1 3PB, UK , 2000.[2] Jinguji, K., N. Takato, A. Sugita, and M. kawachi, “Mach-Zehnder interferometer, Type Optical Waveguide Coupler With Wavelength-flattened Coupling Ratio”. Electron.Lett.,Vol.26, 1990, p.1326[3] Rekha Mehra, Heena Shahani, Aslam Khan,“ Mach Zehnder Interferometer and its Applications ”, International journal of Computer Applications, 2010.[4] Sachin Kumar, Indu Bala Pauria, Anoop Singhal, “ Optical Fiber Communication System Performance Using MZI Switching”,International Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE), July 2012.[5] Juerg Leuthold, Pierre A. Besse, Juerg Eckner, Emil Gamper, “All-Optical Space Switches with Gain and Principally Ideal Extinction Ratios”, IEEE Journal of quantum electronics, No.4, April 1998.


mzi trong chuyen mach quang

Documents