Mục lục
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ 1
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 1
LỜI NÓI ĐẦU 3
CHƯƠNG 1 5
GIỚI THIỆU CHUNG 5
1. 1. Lịch sử phát triển của cách tử Bragg quang 5
1. 2. Sơ lược công nghệ chế tạo FBG 6
1.3. Sơ lược về các ứng dụng của FBG 9
CHƯƠNG 2 12
CHẾ TẠO FBG 12
2.1 Độ nhạy trong sợi quang 12
2. 1. 1 Mô hình trung tâm màu 12
2. 1. 2 Mô hình thay đổi mật độ 13
2. 2 Các phương pháp tăng độ nhạy 14
2. 2. 1 Xử lí bằng Hydro 14
2. 2. 2. Xử lí bằng nhiệt 15
2. 2. 3 Xử lí bằng cơ học 15
2. 3 Một số phương pháp chế tạo cách tử 17
2. 3. 1 Chiếu xạ tia cực tím điểm-điểm 17
2. 3. 2 Chiếu xạ bằng xung laser CO2 18
2. 3. 3 Phương pháp dãy vi thấu kính 19
2. 3. 4 Phương pháp cấy ion 20
2. 3. 5 Phương pháp mặt nạ biên độ tia UV 21
2. 4 Tóm tắt 22
CHƯƠNG 3 23
ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA FBG 23
3. 1 Giới thiệu 23
3. 2 Điều kiện kết hợp pha 26
3. 3 Các phương trình ghép mode 27

quang sợi EDFA 65
4. 3. 1 Tổng quan về EDFA 65
4. 3. 1. 1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA: 65
4. 3. 1. 2 Tăng độ cân bằng cho khuyếch đại EDFA 67
4. 3. 2 Ứng dụng của FBG trong bộ cân bằng khuyếch đại EDFA 69
4. 4 Một số ứng dụng khác của FBG 76
4. 4. 1 Ứng dụng trong cảm biến 76
4. 4. 2 Ứng dụng trong công nghệ Laser 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO 81
2
Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2. 1. Cơ chế độ nhạy trong mô hình trung tâm màu 13
Hình 2. 2. Phản ứng phá vỡ cấu trúc Si-O-Ge do nhiệt 14
Hình 2. 3. Chỉ số chiết suất khúc xạ thay đổi theo sức căng 16
Hình 2.4: Xử lý bằng tia cận cực tím 17
Hình 2. 5. Sơ đồ phương pháp chế tạo điểm - điểm 18
Hình 2. 6. Cấu trúc dãy vi thấu kính 20
Hình 2. 7. Sơ đồ bố trí mặt nạ và sợi trong phương pháp cấy ion 21
Hình 2.8: Phương pháp mặt nạ biên độ sử dụng tia UV 22
Hình 3. 1 Cấu tạo và chiết suất của FBG 24
Hình 3. 2: Mô tả đặc tính của FBG 25
Hình 3. 3: Phổ phản xạ của cách tử Bragg dạng cách tử đều, độ dài cách
tử 1cm, λB=1550 nm, Λ=0. 8 nm 26
Hình 3. 5: Cách tử Bragg chu kì đều UFBG 34
Hình 3. 6: Sơ đồ nguyên lý của ma trận truyền đạt dành cho UFBG và
non - UFBG 36
Hình 3. 7:Mô hình cách tử Bragg chu kì thay đổi CFBG 38
Hình 3.8: A – Phổ phản xạ của các cách tử có giá trị Chirp dλB/dz =1 và
-1; B: thời gian trễ theo bước sóng của CFBG; phổ phản xạ của các cách

Hình 4. 20: Đặc tuyến thực nghiệm độ khuyếch đại của EDFA phụ thuộc
công suất tín hiệu đầu vào tại bước sóng 1550 nm 73
Hình 4.21: hệ số khuyếch đại phụ thuộc bước sóng trong trường hợp
không sử dụng và sử dụng cách tử Bragg CFBG cho khuyếch đại EDFA
76
Hình 4. 22 Mô hình hệ thống cảm biến sử dụng FBG và nguyên lý hoạt
động 78
2
Thuật ngữ viết tắt
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ADM Add / Drop Multiplexing Bộ tách ghép kênh
AFBG Apodisation Fibre Bragg
Grating
Cách tử điều biến chiết suất
AWG Array Waveguide Gratings Dãy cách tử dẫn sóng
BFBG Blazed Fibre Bragg Grating Cách tử chiếu xạ Bragg
CFBG Chirped Fibre Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kì
biến đổi
DWDM Dense Wavelength Division
Multiplex
Ghép kênh mật độ cao phân chia
theo bước sóng
EDFA Erbium Doped Fibre
Amplifier
Bộ khuyếch đại quang sợi pha
tạp Erbium
FBG Fibre Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang
GODC Germanium Oxygen
Deficient Center
Lõi sợi không có liên kết Si - Ge

nền kinh tế tri thức. Trong đó viễn thông là ngành công nghiệp của tương lai và
đóng vai trò vô cùng quan trọng trong mọi mặt của đời sống xã hội.
Mạng truyền dẫn quang ra đời đã đáp ứng được các nhu cầu của người sử dụng
dịch vụ viễn thông về băng thông lớn , chất lượng tín hiệu đảm bảo. Điều này dẫn
đến sự phát triển tất yếu của mạng truyền dẫn quang. Nó nhanh chóng phát triển trở
thành mạng đường trục tốc độ lớn với nhiều công nghệ mới ra đời phục vụ cho
mạng như WDM hay EDFA ….
Cùng với sự phát triển của mạng truyền dẫn quang thì các công nghệ chế tạo
thiết bị quang cũng ngày càng phát triển. Các thiết bị mới ra đời nhằm tăng tốc độ
và chất lượng truyền dẫn cho mạng cũng như khắc phục các nhược điểm cố hữu
của mạng quang như là tán sắc , suy hao , khuyếch đại công suất …
Kể từ khi ra đời vào năm 1978 , cách tử Bragg sợi quang đã có những bước phát
triển vô cùng mạnh mẽ và hiện nay đã trở nên phổ biến. Nó không chỉ được sử
dụng cho các ứng dụng trong mạng truyền dẫn quang mà còn được sử dụng cho các
ứng dụng khác như laser và cảm biến quang. Với các ưu điểm của mình như sự đa
dạng trong ứng dụng , độ ổn định cao và giá thành hạ, cách tử Bragg sợi quang đã
và sẽ phát triển hơn nữa trong thời gian tới.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Trần Đức Nhân cũng như sự giúp đỡ của
các thầy cô trong bộ môn thông tin quang của Học Viện , em đã tiến hành nghiên
Lời nói đầu
cứu về nguyên lý và các ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang. Đến nay em đã
hoàn thành bản đồ án với đề tài “Cách tử Bragg sợi ”. Bản đồ án có 4 chương:
Chương I : Giới thiệu chung - giới thiệu về lịch sử và công nghệ chế tạo cũng
như ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang.
Chương II : Các công nghệ chế tạo cách tử Bragg sợi quang - chương này
tiến hành tìm hiểu về các công nghệ chế tạo và đặc điểm của từng loại công nghệ
đó.
Chương III : Tính chất và đặc điểm của cách tử Bragg sợi quang - chương
này chi tiết cách tử Bragg sợi quang về đặc điểm cấu tạo và các mô tả toán học của
các tính chất của các dạng cách tử.

FBG có chu kì lớn được đưa ra và chứng minh bởi Vengkarsar và nhóm nghiên
cứu của ông, nó lập tức được ứng dụng rộng rãi trong các bộ lọc thông băng và
được sử dụng trong các hệ thống mạng DWDM, đó là các bộ cân bằng khuyếch đại
EDFA, trong các hệ thống laser như các thiết bị cân bằng laser phát. Hơn nữa, FBG
đang trở nên rất phổ biến với tư cách là một thiết bị quang đơn giản, linh hoạt và có
vô số các ứng dụng trong các thiết bị và hệ thống quang.
Các dạng cách tử Bragg hiện đang được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng
hiện nay bao gồm các loại : FBG chu kì đều (Normal FBG), FBG chu kì tuyến tính
(linear chirped FBG) và Apodisation FBG.
1. 2. Sơ lược công nghệ chế tạo FBG
Kĩ thuật để tạo ra cách tử Bragg quang đầu tiên là kĩ thuật mặt nạ biên độ phát
minh do Vengsarkar et al, phương pháp này sử dụng sợi quang Si-Ge giàu Hidro
đặt trong môi trường chiếu xạ laser KrF (λ = 248 nm) thông qua mặt nạ biên độ làm
bằng silica mạ Crom. Mỗi cách tử được tạo ra trên sợi quang có độ dài chừng 1
inch và chu kì của cách tử vào khoảng 60 μm cho đến 1 mm. Phổ truyền ánh sáng
của cách tử được giám sát ngay trong quá trình tạo nên cách tử, thời gian để tạo ra
một cách tử nằm trong khoảng 5 – 10 phút. Phương pháp mặt nạ biên độ này là
phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay do độ tin cậy trong toàn bộ quá
trình sử dụng nó. Với việc cho phép các mặt nạ biên độ có thể được tái sử dụng và
các yêu cầu trong lúc chế tạo được giảm thiểu đã làm giảm giá thành của sản phẩm.
Nhược điểm của phương pháp này là việc để tạo ra các cách tử có chu kì khác nhau
chúng ta chỉ co duy nhất một cách đó là thay đổi bằng các mặt nạ có chu kì khác
nhau và điều này làm tăng giá thành sản phẩm.
Zhang et al đã chế tạo cách tử Bragg quang bằng cách sử dụng phương pháp
chiếu xạ trực tiếp tia UV lên sợi quang theo điểm - điểm. Quá trình chiếu xạ điểm
điểm phụ thuộc vào các yêu cầu về chu kì và đáp ứng phổ. Quá trình này được điều
Chương 1: Giới thiệu chung
khiển bởi một máy tính sử dụng chương trình điều khiển đóng ngắt chiếu xạ và vì
vậy nó có ưu điểm rất lớn đó là có khả năng điều khiển một cách mềm dẻo chu kì
của cách tử sản phẩm bằng việc thay đổi các thông số chiếu xạ thông qua phần

các vị trí đã xác định trước dọc theo chiều trục sợi. Một hệ thống giám sát được lắp
Chương 1: Giới thiệu chung
ngay phía trên sợi dùng để giám sát vị trí của sợi và đảm bảo rằng các lỗi vật lý
không xảy ra trong quá trình chế tạo. Một nguồn quang băng rộng có bước sóng
nằm trong khoảng 1. 4 - 1. 6 μm được chiếu vào sợi quang và một máy phân tích
phổ cũng được sử dụng để phân tích nhằm giám sát phổ truyền dẫn của FBG đang
được chế tạo. Ưu điểm chính của phương pháp này là việc kĩ thuật sử dụng laser
CO
2
không quá đắt, các yếu tố kĩ thuật của FBG được giám sát chặt chẽ và không
xảy ra các lỗi vật lý làm cho méo, biến dạng FBGs.
Một kĩ thuật chế tạo FBG khác được Lin và Wang đưa ra, trong đó cấu trúc
chiết xuất theo nếp gấp của sợi quang được tạo ra bằng cách khắc axit trên sợi
quang. Loại FBG này được chế tạo theo cách sau : một sợi quang dịch tán sắc tiêu
chuẩn với đường kính vỏ ban đầu là 125μm được sử dụng. Một lớp vỏ kim loại
mỏng với độ dày 120nm được phủ lên sợi quang với một lớp chất bảo vệ chống lại
sự ăn mòn của axit tại các vị trí đã định trước, sau đó nó được nhúng vào dung dịch
axit flohidric. Khi đó các phần không có bảo vệ sẽ bị ăn mòn bởi axit vào trong
đường kính lõi khoảng 42μm. Phần mặt nạ sẽ được thiết lập sao cho cấu trúc nếp
gấp có chu kì là 400μm trong độ dài tổng cộng của FBG là 20nm
.
Việc mất ánh
sáng truyền dẫn tối đa nằm tại hai đầu của FBG do hiện tượng phản xạ, bởi vì lúc
đó độ chênh lệch về chiết suất giữa hai môi trường truyền ánh sáng là lớn nhất
(chiết suất không khí là 1). Một trong các tính năng của FBG chế tạo theo phương
pháp này là quan hệ giữa bước sóng và mất năng lượng truyền dẫn có thể điều
chỉnh ở bên ngoài bằng cách thay đổi các điều kiện tác động cơ học khi chế tạo, bởi
vì chỉ số chiết suất điều chế truyền dẫn tạo nên bởi nhiều cấu trúc nếp gấp khác
nhau.
Một kĩ thuật chế tạo FBG khác cũng được đưa ra bởi Fujimaki et al. Trong kĩ

FBG có rất nhiều ứng dụng trong các hệ thống cảm biến và truyền dẫn quang. Bộ
Chương 1: Giới thiệu chung
lọc chọn bước sóng rất hẹp dùng cho bộ khuyếch đại quang EDFA là một ví dụ
điển hình về ứng dụng của loại thiết bị này. Hiện nay mặc dù các cách tử quang
dạng này được tập trung phát triển cho các ứng dụng liên quan đến truyền dẫn
quang và các hệ thống cảm biến nhưng vẫn có nhiều ứng dụng tiềm năng khác có
thể phát triển như là chuyển mạch quang, xử lý tín hiệu quang v.v Các ứng dụng
của nó có thể tập trung vào 3 ứng dụng chính như sau:
+ Ứng dụng trong các hệ thống cảm biến:
- Cảm biến nhiệt độ
- Cảm biến sức căng
- Cảm biến áp suất.
+ Ứng dụng trong laser quang:
- Laser cách tử quang bán dẫn
- Khoang ổn định ngoài cho laser bán dẫn
- Khuyếch đại kích thích Erbium cho laser
+ Ứng dụng trong truyền dẫn quang:
- Bù tán sắc
- Các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM
- Bộ lọc cân bằng cho khuyếch đại Erbium
- Bộ tách ghép kênh
- Bộ phản xạ nhiễu
- Khuyếch đại Raman
Chương 1: Giới thiệu chung
Như vậy cách tử Bragg hiện đã và đang trở thành một trong những phát minh về
thiết bị quang có các ứng dụng đa dạng trong thực tế. Trong các chương sau chúng
ta sẽ mô tả các thuộc tính và ứng dụng cụ thể của từng loại cách tử Bragg sợi quang
để làm rõ hơn vấn đề này.
Chương 2: Chế tạo FBG
CHƯƠNG 2

nhận thấy rằng băng hấp thụ này tương ứng với trung tâm GeE’. Dùng biểu thức
Kramer-Kronig người ta có thể đánh giá được sự thay đổi của băng hấp thụ này.

Hình 2. 1. Cơ chế độ nhạy trong mô hình trung tâm màu
2. 1. 2 Mô hình thay đổi mật độ
Mô hình thay đổi mật độ dựa vào tính chất mật độ phụ thuộc vào quá trình
ion hoá phát xạ của GeO. Sự ion hoá này chính là sự bẻ gãy các vòng ring nhỏ (2
hoặc 3 phần tử) trong cấu trúc vật liệu sợi. Người ta chứng minh được rằng mối
quan hệ giữa độ thay đổi mật độ và chỉ số chiết suất khúc xạ là xấp xỉ tuyến tính.
Mặc dù mô hình thay đổi mật độ được đưa ra năm 1991, nhưng mãi đến năm
1998 người ta mới xác nhận các kết quả này bằng cách dùng kính hiển vi điện tử.
Chương 2: Chế tạo FBG
Tuy nhiên các kết quả đưa ra vẫn chưa đầy đủ. Lý thuyết về mô hình này hiện nay
đang tiếp tục được nghiên cứu.
Ngoài các mô hình chúng ta đã nêu ở trên còn có một số mô hình mà chúng
ta không nêu ra ở đây, chẳng hạn như mô hình dịch chuyển electron, … Việc ứng
dụng các mô hình này vào quá trình chế tạo cách tử chính là việc sử dụng các tính
chất làm tăng độ nhạy.
2. 2 Các phương pháp tăng độ nhạy
Để tăng hiệu quả của cách tử, độ nhạy của cách tử phải đạt được giá trị phù
hợp, vì vậy yêu cầu tăng độ nhạy. Phần này trình bày tóm tắt các phương pháp tăng
độ nhạy đáp ứng của sợi quang. Các phương pháp được sử dụng bao gồm: Xử lí
bằng Hydro, xử lí bằng nhiệt và xử lí bằng cơ học.
2. 2. 1 Xử lí bằng Hydro
Khi dịch chuyển sợi quang trong môi trường Hydro áp suất cao tại nhiệt độ
phòng, các phân tử Hydro sẽ khuếch tán vào trong sợi. Các phân tử này sẽ phá vỡ
liên kết Si-O-Ge tạo ra Si-OH và GeO cực tính âm như hình 2. 2.

Hình 2. 2. Phản ứng phá vỡ cấu trúc Si-O-Ge do nhiệt
Chương 2: Chế tạo FBG

phương pháp xử lí bằng hydro, khi hydro thẩm thấu ra khỏi sợi thì độ nhạy của sợi
sẽ giảm. Ngoài ra vật liệu dùng để chế tạo cách tử cũng không yêu cầu có độ nhạy
cao. Nhược điểm chính của phương pháp này là do xử lí ở nhiệt độ cao nên độ bền
sợi không cao.
2. 2. 3 Xử lí bằng cơ học
Bằng thực nghiệm người ta chứng minh được rằng khi thay đổi sức căng bề
mặt của cách tử kết hợp với chiếu xạ bằng tia cực tím, chỉ số chiết suất khúc xạ
cũng thay đổi. Hình 2. 3 biểu diễn sự thay đổi tương ứng giữa chúng.
Chương 2: Chế tạo FBG
Ngoài ra, khi chiếu xạ bằng tia cực tím, cách tử làm bằng sợi Ge sẽ tạo nên
sức căng. Lí do là khi chiếu xạ bằng tia cực tím, các phẩn tử bị bẻ gãy (hay là cấu
trúc không hoàn hảo) của liên kết Si-Ge-O sẽ sắp xếp lại theo cấu trúc chặt chẽ hơn
làm tăng mật độ. Điều đó cũng có nghĩa là độ nhạy sẽ tăng. Trong một số trường
hợp, hệ số tăng độ nhạy của phương pháp này có thể lớn hơn 10.

Hình 2. 3. Chỉ số chiết suất khúc xạ thay đổi theo sức căng
2. 2. 4 Xử lý bằng tia cận cực tím
Phòng thí nghiệm Starobudov đã đưa ra phương pháp làm thay đổi chỉ số
chiết suất bằng cách sử dụng các tia cận cực tím cho sợi Ge – Si tại bước sóng 330
nm. Mô hình mô tả quá trình làm việc của hệ thống này cho bởi hình 2. 4 sau:
Chương 2: Chế tạo FBG
Hình 2.4: Xử lý bằng tia cận cực tím
Trong hình vẽ trên, một hệ thống tia UV có bước sóng khoảng 240 nm
được dùng để kích thích sợi Si – Ge từ trạng thái S
0
ổn định lên trạng thái kích
thích S
1
mà ở đó sợi có xu hướng bị ion hoá, do tự phát hoặc do các ion 240 nm
khác kích thích từ bên ngoài. Quá trình ion hoá này sẽ ảnh hưởng đến chỉ số chiết

µ
145
của dòng
laser CO
2
. Trong khi sợi được dịch bằng bộ dịch, máy tính điều khiển bộ chắn sáng
cho phép dòng laser chiếu vào sợi. Để có thể quan sát dễ dàng có thể đặt các thiết
bị như máy phân tích phổ, camera.
Ngoài ra ở phương pháp này, khi thử với sợi mang tải H
2
và không mang tải
H
2
người ta nhận thấy rằng chất lượng của cách tử chu kì dài chế tạo từ sợi không
mang tải chiếu xạ CO
2
kém hơn. Ngoài ra, nhiệt độ yêu cầu đối với sợi không mang
Chương 2: Chế tạo FBG
tải H
2
khi chiếu xạ trong quá trình chiếu xạ là 1700 trong khi đó đối với sợi mang
tải H
2
là từ 800
o
C đến 1200
o
C. Điều đó có nghĩa là mức công suất yêu cầu cho sợi
mang tải H
2

Chương 2: Chế tạo FBG

Hình 2. 6. Cấu trúc dãy vi thấu kính
Mặc dù phương pháp này có ưu điểm về giá thành nhưng nó cũng có rất
nhiều nhược điểm. Một nhược điểm dễ nhận thấy là khó khăn trong việc thực hiện
các thao tác chế tạo mảng bởi vì quá trình này đòi hỏi độ chính xác cao. Hơn nữa
khi sử dụng việc tập trung ánh sáng vào một vùng nào đó có thể làm ảnh hưởng đến
cấu trúc mảng. Để khắc phục nhược điểm này, chúng ta có thể sử dụng mảng với
một mặt lồi.
2. 3. 4 Phương pháp cấy ion
Bằng thực nghiệm người ta biết rằng phương pháp cấy ion làm tăng chỉ số
chiết suất ở mức cao đối với hầu như tất cả các vật liệu chế tạo sợi quang, vì vậy
đây là phương pháp rất phổ biến trong thực tiễn. Để thực hiện người ta dùng sợi Ge
có lõi đường kính
m
µ
9
vớithành phần 97SiO
2
:3GeO
2
, vỏ làm bằng Si nguyên chất
với đường kính
m
µ
125
. Cách bố trí mặt nạ và sợi như hình 5. 6. Sợi được cấy bằng
ion He2+ tại nhiệt độ phòng thông qua một mặt nạ kim loại bằng cách dùng máy
gia tốc 1. 7 MV (năng lượng của ion khoảng 51MeV). Khi ion được cấy vào lõi,
phần vỏ sẽ được khắc axit để đường kính còn khoảng