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

1

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


chia theo không gian
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 MachZehnder

NDF

Neutral Density Filter


SOA

Semiconductor Optical
Mplification

Khuếch đại quang bán dẫn

TOAD

Terahertz Optical Asymmetric
Demultiplexers

Bộ tách quang bất đối xứng

WDM

Wave Division Multiplexing

XPM

Cross Phase Modulation

Ghép kênh phân chia theo
bước sóng
Điều biến pha chéo

SVTH: Trương Minh Thái-D10VT1



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!

6


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

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



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


Hình 1.3: Quang lộ của ánh sáng truyền trong chân không
Quãng đường ánh sáng truyền được tính theo công thức (1.1)
(1.1)
Trong môi trường đồng tính, chiết suất n ta có:
(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:
(1.3)

10


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

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)
(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

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
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.

12


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

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 . Sự
thay đổi này nhằm gây ra sự sai pha giữa hai ống dẫn sóng.

14



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

15


Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3 : Một số ứng dụng của MZI
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 :
(2.1)
Ở đây

: Công suất tại ngõ ra j
: Công suất tại ngõ vào.
Pex được tính như sau :
(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.
(2.3)

Là phần công suất tín hiệu ngõ vào xuất hiện tại ngõ ra không mong
muốn.
(2.7)

-

Xuyên kênh đầu gần (NEC)
Dùng để đánh giá tính định hướng
(2.8)

-

Suy hao phản hổi RL ( Return Loss)
Được định nghĩa
(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

17

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3 : Một số ứng dụng của MZI
Với là chiều dài bản cực, hàm
Từ đây ta thấy hiệu suất ghép nối thay đổi 100% đến 0% ứng với giá trị thay đổi
từ 0 đến 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: (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:
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 giữa hai
nhánh của giao thoa kế.
Với: lần lượt là quang trình của nhánh dẫn sóng 1,2
: 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:
(2.16)
Trong đó: n : chiết suất của tính thể (khi điện trường = 0)
: là hệ số Pockels
Khi đó hiệu quang trình được viết lại như sau :
(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

(2.22)
Cường độ trường điện từ ở đầu ra của hai nhánh là được tính theo cường độ
điện từ trường đầu vào theo công thức
(2.23)

20


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

Với
(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 ứng với ứng với thì ta có:
(2.25)
(2.26)
Với . Từ đây ta thấy rằng để công suất từ cả hai đầu vào được chuyển đến cùng
một đầu ra thì cần có
(2.27)
Suy ra
(2.28)
Với 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

quang. Cũng chính là vấn đề được nghiên cứu sâu trong chương 3.

22


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

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 λ G 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

năng kiểm soát cân bằng tán sắc khi thay đổi độ dài nhánh và số lượng bộ giao thoa kế
MZ.

24


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