tìm hiểu và nghiên cứu nguyên lý hoạt động cũng như những ứng dụng của giao thoa kế mạch zehnder

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

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Mục lục
MỤC LỤC

SVTH: Trương Minh Thái-D10VT1


Đồ án tốt nghiệp đại học

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

SVTH: Trương Minh Thái-D10VT1

Danh mục hình vẽ


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
Optical Time Domain
Multiplexing

Chuyển mạch quang phân

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

Lọc mật độ trung tính

NPBS

Non-Polarizing Beam Splitter

Bộ tách chùm không phân
cực

OTDM

SVTH: Trương Minh Thái-D10VT1


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục từ viết tắt

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

XPM

Cross Phase Modulation

Ghép kênh phân chia theo
bước sóng
Điều biến pha chéo

SVTH: Trương Minh Thái-D10VT1

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!

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

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

7


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

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

8


Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu hệ thống quang và MZI…
 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 thoa
1.2.1 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)

9


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

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)
(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

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 ”.
11


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

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 MachZehnder với những đặc tính của mình đã góp phần cải thiện các vấn đề trong truyền
dẫn quang.

13


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

14

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3 : Một số ứng dụng của MZI
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 (0<<1). 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- 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 phụ thuộc hay không phụ thuộc vào bước sóng.
Trường hợp , 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

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)

-

Tỉ số ghép CR ( Coupling ratio )
Được định nghĩa:
(2.4)
CR có thể được biểu diễn theo % :
(2.5)

-

Dễ thấy
Tính đồng nhất ( Uniformity )

16


Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3 : Một số ứng dụng của MZI
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)
(2.6)
-

-

Suy hao do phân cực PDL
Là 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.
(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

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:
(2.10)
Với là phần thực của hằng số truyền làn; 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 và hằng số truyền lan . Ta có:
Công suất tại ống dẫn sóng 1 là :
Công suất tại ống dẫn sóng 2 là :
Với và lần lượt là công suất tín hiệu vào tại ống dẫn sóng 1 và 2,
là hiệu suất ghép nối, tại khoảng cách .

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 khi đó tỷ số công suất truyền sẽ là một hàm của sự lệch pha .
(2.13)

18

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

2.3 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 để tạo ra độ lệch pha giữa hai

19


Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3 : Một số ứng dụng của MZI
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 với coupler dài d là:
(2.18)
Với k là hệ số ghép
Do coupler 3 dB chia công suất bằng nhau tại hai đầu ra nên dẫn đến
(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 :
(2.20)
Với L là độ dài của bộ dịch pha
Do ta chỉ quan tâm đến sự thay đổi chiều dài đoạn ở vùng trung tâm nên ta
coi . Ta có :
(2.21)
Với sai pha ta có ma trận truyền lan cho bộ dịch pha là :

(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

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.

21


Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3 : Một số ứng dụng của MZI
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:
(2.29)
Với

E là cường độ điện trường
r là bán kính ống dẫn sóng
Mà ta có độ dịch pha là: 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:
(2.30)
Mặt khác ta có suy ra
(2.31)
Từ đây ta thấy rằng để giảm điện áp áp dụng V thì tỉ số 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.

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

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.

23


Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3 : Một số ứng dụng của MZI
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:
(3.1)
Trong đó, là độ trễ thêm vào tại phần nhánh dài hơn của bộ giao thoa kế MachZehnder. 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 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.

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

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
25