HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
GVHD : Ths. Hoàng Văn Võ
SVTH : Nhóm 10 - L11CQVT07 – B
Lê Văn Nghĩa
Nguyễn Ngọc Quỳnh
Nguyễn Khắc Xuân Tùng
Phạm Thị Yến

ĐỀ TÀI: • CÁCH TỬ BRAGG SỢI QUANG VÀ ỨNG DỤNG
HÀ NỘI – 3/2013
ﾧ
2
Chuyên đề thông tin quang Mục lục
MỤC LỤC
MỤC LỤC ii
DANH SÁCH HÌNH VẼ vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG I: ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA FBG 3
1. 1 Cấu tạo chung 3
1.2 Nguyên lý 3
1. 3 Điều kiện kết hợp pha 5
1. 4 Các phương trình ghép mode 6
1. 5 Lý thuyết mô hình hoá FBG 7
1. 6 Cấu trúc và tính chất của các dạng cách tử 9
1. 6. 1 Cách tử Bragg đều (Uniform FBG) 9
1. 6. 1. 1 Cấu trúc 9
1.6. 1. 2 Mô tả toán học 10
1. 6. 1. 3 Thời gian trễ và tán sắc 12
1.6.2. Cách tử Bragg quang chu kì thay đổi CFBG 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41
iii
Chuyên đề thông tin quang Mục lục
iv
Chuyên đề thông tin quang Danh mục hình vẽ
DANH SÁCH HÌNH VẼ
MỤC LỤC ii
DANH SÁCH HÌNH VẼ vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG I: ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA FBG 3
1. 1 Cấu tạo chung 3
Hình 1. 1 Cấu tạo và chiết suất của FBG 3
1.2 Nguyên lý 3
Hình 1. 2: Mô tả đặc tính của FBG 4
Hình 1. 3: Phổ phản xạ của cách tử Bragg dạng cách tử đều, Λ=0. 53559nm giá trị
L=0,53559cm, neff=1,447, δn=0,0009, 5
1. 3 Điều kiện kết hợp pha 5
1. 4 Các phương trình ghép mode 6
1. 5 Lý thuyết mô hình hoá FBG 7
Hình 1. 4 : Điều kiện đầu và sự tính toán đáp ứng của cách tử đối với ánh sáng tới 9
1. 6 Cấu trúc và tính chất của các dạng cách tử 9
1. 6. 1 Cách tử Bragg đều (Uniform FBG) 9
1. 6. 1. 1 Cấu trúc 9
Hình 1. 5: Cách tử Bragg chu kì đều UFBG 10
1.6. 1. 2 Mô tả toán học 10
Hình 1. 6: Sơ đồ nguyên lý của ma trận truyền đạt dành cho UFBG và non - UFBG 11
1. 6. 1. 3 Thời gian trễ và tán sắc 12
1.6.2. Cách tử Bragg quang chu kì thay đổi CFBG 12
1. 6. 2. 1 Cấu trúc 12

Hình 2. 4. Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bagg chu kỳ thay đổi tuyến
tính 23
1. 2 Ứng dụng của FBG trong bộ tách ghép kênh (xen-rẽ) OADM 24
1. 2. 1 Tổng quan về WDM 24
Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống WDM đơn hướng thông tin 2 chiều 24
Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống WDM đơn hướng thông tin 2 chiều 25
2.2.2. Kĩ thuật tách ghép kênh quang 25
Hình 2. 7: Mô hình cơ bản của OADM 26
2. 2. 3 Các cấu hình OADM 26
2. 2. 3. 1 OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB 26
Hình 2. 8 : Mô hình OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB 27
2. 2. 3. 2 OADM dựa trên FBG và cấu hình giao thoa March-Zehnder 27
Hình 2. 9: OADM dựa trên cấu hình giao thoa Mach-Zehnder 28
2. 2. 3. 3 Cấu hình OADM sử dụng FBG và Circulator 28
Hình 2. 10: OADM dựa trên FBG và Circulator 29
2. 2. 3. 4 OADM dựa trên cách tử đặt giữa Coupler 29
Hình 2. 11: Cấu hình OADM dạng cách tử nằm giữa Coupler 30
vii
Chuyên đề thông tin quang Danh mục hình vẽ
2. 2. 3. 5 Các tham số của các cấu hình OADM 30
Hình 2. 12: Mô hình cách ly kênh ở OADM 30
Hình 2. 13: Suy hao xen trong OADM 31
Hình 2. 14: Mô hình và tham số của phản xạ ngược trong OADM 32
2. 3 Ứng dụng của FBG trong cân bằng khuyếch đại của thiết bị KĐ quang sợi EDFA 32
2. 3. 1 Tổng quan về EDFA 32
2. 3. 1. 1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA: 32
Hình 2.15 Qúa trình khuếch đại tín hiệu xẩy ra trong EDFA với hai bước sóng bơm 980nm
và 1480 nm 33
Hình 2.16: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA 34
2. 3. 1. 2 Tăng độ cân bằng cho khuyếch đại EDFA 34

I
I-TUT International Telecommunication
Union - Telecommunication
Standardization Sector
Tiêu chuẩn hóa viễn thông quốc tế
FBG Fibre Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang
FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất
M
MUX Multiplexing Bộ ghép kênh
L
LCFBG Linear Chirped Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kỳ thay đổi
tuyến tính
O
OADM Optical Add / Drop Mutiplexing Bộ tách ghép kênh quang
OCDMA Optical Code Divission Multiplex
Access
Đa truy nhập phân chia theo mã trên sợi
quang
OFA Optical Fibre Amplifier Bộ khuyếch đại quang sợi
OTDM Optical Time Division Multiplex Ghép kênh quang phân chia theo thời gian
R
REG Regenerator Trạm lặp
RZ Return to Zero Trở về không
T
TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gian
U
viii
Chuyên đề thông tin quang Thuật ngữ viết tắt
UFBG Uniform Chirped Fibre Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kì đều
UV Ultra Violet Tia cực tím

Nội dung Chuyên đề gồm 2 chương:
Chương 1: Đặc điểm cấu trúc và tính chất của FBG – Chương này cung cấp cái nhìn
tổng thể về cấu tạo nguyên lý và các đặc tính của các loại FBG điển hình.
Chương 2: Các ứng dụng của cách tử Bragg sợi quang – trình bầy về các ứng dụng
phổ biến và tích cực nhất của FBG trong hệ thống thông tin quang tiên tiến. Cũng trong
chương này nhóm cũng đề cập tới một số ứng dụng khác của FBG sử dụng cho lĩnh vực
khác.
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do kiến thức của nhóm còn hạn chế, vốn tiếng anh
chuyên ngành lại hạn hẹp và thời gian tìm hiểu khá ít, nội dung chuyên đề lại tương đối rộng
và mới mẻ nên khó tránh khỏi nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được mọi ý kiến đóng góp của
bạn bè và thầy cô để giúp cho chuyên đề được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, Nhóm xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy Hoàng Văn Võ đã tận tình
giúp đỡ, chỉ bảo để hoàn thành chuyên đề này.
Hà Nội, ngày tháng 03 năm 2013
Nhóm thực hiện
1
Chuyên đề thông tin quang Lời nói
đầu
Nhóm 10
2
Chuyên đề thông tin quang Chương I: Đặc điểm cấu trúc tính chất của FGB
CHƯƠNG I: ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA FBG
1. 1 Cấu tạo chung
Cách tử Bragg trong sợi quang là linh kiện quang điện tử được làm bằng sợi nhạy
quang, trong đó phần lõi sợi quang có chiết suất thay đổi theo một chu kỳ nhất định dọc theo
chiều dài của sợi quang, sự thay đổi chiết suất này thỏa mãn điều kiện Bragg:
Hình 1. 1 Cấu tạo và chiết suất của FBG
Cách tử Bragg quang thực chất là sự xáo trộn cấu trúc chỉ số chiết suất theo dạng chu kì
dọc theo hướng truyền sóng của sợi quang và được mô tả trong hình 1.1
Chỉ số chiết suất của FBG được tính theo phương trình sau :

eff
là chỉ số khúc xạ ảnh hưởng và Λ là chu kì của FBG. Đây chính là điều
kiện xảy ra phản xạ Bragg. Từ phương trình (1. 2) chúng ta có thể thấy rằng bước sóng
Bragg hoàn toàn phụ thuộc vào chỉ số phản xạ và chu kì của cách tử.
Các cách tử dài với chỉ số khúc xạ thay đổi không đáng kể có đỉnh phản xạ rất nhọn và
băng tần phản xạ rất nhỏ như mô tả trong hình (1.2):
Hình 1. 2: Mô tả đặc tính của FBG
Đối với cách tử Bragg đều, các tham số chỉ số khúc xạ ảnh hưởng n
eff
và

chu kì cách tử
Λ là cố định. Dạng phổ phản xạ của loại cách tử này được mô tả trong hình (1. 3):
4
Phổ năng
lượng
Phổ năng
lượng
Phổ năng
lượng
Hướng phản xạ
Hướng ra
Hướng tới
λ
B
λ
λ
Độ phản xạ
(p.u)
B

= 1. Với sợi quang đơn mode với các tham số như trên thi mode trung tâm
có hằng số truyền đạt β
CO
cho bởi:
Và các mode ngoài được chỉ ra bởi cấu trúc vỏ - không khí có hằng số truyền như sau:
Kết quả, các mode phát xạ có thể hằng số truyền trong giới hạn:
Để tìm hiểu sự biến đổi chỉ số chiết suất theo chu kỳ dọc theo chiều dài sợi quang, việc
kết hợp đầu tiên được thực hiện giữa mode cơ bản và mode chậm (mode vỏ) xuất hiện khi:
Trong trường hợp ghép cận mode giữa hai mode này,
2 1
β β
= −
và phương trình được
viết lại:
Trong các biểu thức (1. 6) và 1. 7) Λ là chu kỳ của sự thay đổi chỉ số điều chế và
1
β
và
2
β
tương ứng là hằng số truyền của mode cơ bản và mode đã được ghép đôi cùng với nó.
Cách tử thực hiện ghép mode chậm được xem như là mộ bộ phản xạ hay là cách tử Bragg.
Đặc trưng của các thiết bị này dựa trên cơ sở ghép mode giữa mode cơ bản tới và đi.
Đối với các cách tử chu kỳ lớn (cả
1
β
và
2
β
đều lớn). Điều kiện kết hợp cho ghép

Và γ là chỉ số mất điều hướng của bước sóng phản xạ từ FBG:
được định nghĩa:
Trong trường hợp cách tử Bragg có nhiều giá trị Δn dọc theo chiều dài cách tử, các
phân tích phổ có thể đạt được bằng cách giải quyết các phương trình ghép mode khác nhau.
Trường hợp các cách tử đồng dạng cũng đã được giải quyết tương tự. Hệ số phản xạ
và tại điểm bắt đầu của cách tử là (t-v):
6
Chuyên đề thông tin quang Chương I: Đặc điểm cấu trúc tính chất của FGB
Một vài ứng dụng quan trọng từ kết quả này: đó là có thể chứng minh hệ số phản xạ
R
max
xuất hiện khi quan sát điều kiện phản xạ tại δ = 0:
Tiếp theo băng tần Δλ
zero
được xem là điểm zero thứ 2 trong tính toán phản xạ:
Với cách tử có , công thức được đơn giản hoá như sau:
Phương trình (1. 16) cung cấp thông tin về việc gây ra hiệu ứng chỉ số thay đổi đơn
giản bằng cách tính toán phổ băng tần của cách tử. Tương tự cho cách tử cùng loại, việc thay
đổi chỉ số công suất cũng có thể dùng phương trình (1. 14) để tính toán, với R
max
tại λ=λ
Bragg
Để hiểu một cách đầy đủ về các thuộc tính của cách tử Bragg quang, khái niệm trễ
nhóm hay trễ thời gian phải được tính toán. Với cách tử loại này thời gian trễ có thể được
quyết định bởi pha của hệ số phản xạ ρ đã cho ở trên. Nếu và thời gian trễ
cho ánh sáng phản xạ ngược trở lại từ cách tử cho bởi:
Và độ dài hiệu quả L
eff
mà ánh sáng tại các bước sóng riêng sẽ đi qua trong cách tử
trước khi quay ngược trở lại được tính bằng . Trong các cách tử loại này thời

[-i(ζ + θ/2)]
, R(z) là mode hướng tới và S(z)
là mode của hướng phản xạ ngược trở lại, cả hai là các hàm thể hiện các mode bao thay đổi
chậm. ζ là một hệ số tự ghép mode chung “DC” hay còn gọi là sự mất điều hướng nội. k(z)
là hệ số ghép mode “AC” hay còn được gọi là độ mạnh ghép mode bên trong của cách tử.
Các phương trình ghép mode (1.20) được sử dụng trong việc tính toán phổ đáp ứng phản xạ
của FBG. Hệ số ghép mode k(z) và chỉ số điều hướng nội ζ(z) là hai tham số rất quan trọng
của phương trình ghép mode. Chúng là các tham số cơ bản trong việc tính toán phổ đáp ứng
phản xạ của FBG.
Hệ số tự ghép mode ζ được tính như sau:
Trong đó là mô tả của khả năng chirp có thể của chu kì cách tử và θ là pha của FBG. Hệ
số mất điều hướng δ được tính như sau:
Trong đó λ
D
= 2n
eff
Λ là bước sóng thiết kế cho sự phản xạ Bragg khi khoảng cách cách
tử rất nhỏ δn
eff
→

0.
Trong đó là sự thay đổi chỉ số khúc xạ cơ bản. Hệ số ghép k(z) có thể được tính theo
phương trình sau:
8
Chuyên đề thông tin quang Chương I: Đặc điểm cấu trúc tính chất của FGB
Trong đó g(z) là hàm của điều biến chiết suất và v là vân có thể quan sát được. Hệ số ghép
k(z) tương ứng với độ sâu điều chế chỉ số khúc xạ:

Không có tín hiệu vào nếu ánh sáng tới (phía phải của FBG) có S(L/2) = 0 và sẽ có tín

giao thoa UV tự cảm ứng. Trong cách tử dạng này chu kì cách tử Λ không đổi và chiết suất
của cách tử dọc theo phương truyền sóng biến đổi một cách tuần hoàn.
Hình 1. 5: Cách tử Bragg chu kì đều UFBG
1.6. 1. 2 Mô tả toán học
Các hệ số kết hợp pha và hệ số ghép mode của UFBG là hằng số. Các phương trình (1.
20) sử dụng trong trường hợp tổng quát được thay thế bằng các hệ số là hằng số. Chúng ta
có một số phương pháp sử dụng để phân tích tính toán trong các phương trình (1. 20). Các
phương pháp dùng để phân tích của phương trình ghép mode có thể tìm được dựa trên các
phương trình điều kiện biên (1. 25) và (1. 26).
Nếu độ xê dịch dθ / dz là 0, hệ số mất điều hướng nội ζ tương đương với hệ số mất điều
hướng δ. Phương trình giải quyết sự liên hệ giữa sự phản xạ và sự cho phép truyền ánh sáng
được biểu diễn bởi:
Trong đó γ
B
được mô tả như sau:
Phổ phản xạ và phổ truyền dẫn được mô tả theo công thức sau:
Nó thoả mãn định luật bảo toàn năng lượng với r(λ) + t(λ) =1. Pha của ánh sáng phản
xạ đối với ánh sáng tới có thể tính toán dựa trên các phương trình (1. 29) và (1. 30) như sau:
10
λ

truyền
λtới
λ
B
phản xạ
Chiết suất thay đổi
Vỏ
Lõi
FBG

.
11
R(+L/2
)
S(+L/2)
L
Λ
R(+L/2
)
S(+L/2)
L
Λ
1
R(-L/2)
S(-L/2)
1
2 M
R(-L/2)
S(-L/2)
Λ
2
F
1
F
2
F
M
Chuyên đề thông tin quang Chương I: Đặc điểm cấu trúc tính chất của FGB
Theo cấu trúc của FBG, F
i

Vỏ
Lõi
Nguồn băng rộng
λ
1
λ
2
λ
1
> λ
2
Chuyên đề thông tin quang Chương I: Đặc điểm cấu trúc tính chất của FGB
Hình 1. 7: Mô hình cách tử Bragg chu kì thay đổi CFBG
Theo điều kiện kết hợp pha, chu kì của cách tử ảnh hưởng tới phổ phản xạ của FBG.
Bằng cách thay đổi tham số này theo một trình tự nhất định chúng ta có cách tử Bragg
CFBG, dạng cách tử này được mô tả trong hình 1. 7. LCFBG được chế tạo bằng lõi sợi
quang và hiện tại các chirp đã đạt tới khoảng 0. 4 nm tại bước sóng 1549 nm.
Ứng dụng nổi bật của CFBG liên quan tới việc bù tán sắc và được thể hiện trong hình
1. 7, chúng ta thấy rằng có nhiều bước sóng được cách tử phản xạ trở lại dọc theo chiều dài
của cách tử. Các bước sóng dài được phản xạ khi nó đi vào cách tử với khoảng cách ngắn,
còn ngược lại các bước sóng ngắn bị phản xạ tại các cách tử xa hơn. Điều này có nghĩa là
các bước sóng ngắn sẽ đi trong cách tử với quãng đường dài hơn và do vậy thời gian trễ của
nó cũng lớn hơn so vơi các bước sóng dài. Đây là cơ sở của bù tán sắc. Chúng ta sẽ xem xét
vấn đề này cụ thể hơn trong các chương sau.
1. 6. 2. 2 Mô tả toán học của CFBG
CFBG có thể mô hình hoá dựa trên phương trình ghép mode. Chỉ số chiết suất của
CFBG có thể biểu diễn như sau:
Trong đó Λ là chu kì của cách tử và Φ(ξ) biểu diễn pha tức thời của cách tử CFBG. Có
nhiều phương pháp dùng để giải phương trình này, trong đó có hai phương pháp chính là sử
dụng ma trận truyền đạt và phương pháp tích phân trực tiếp.

D
/dz =-1(nm/cm)(đường màu đỏ
nét liền) và dλ
D
/dz =1(nm/cm)(đường màu xanh lục nét đứt) với các giá trị L= 0,1cm,
n
eff
=1,447, δn=0,0004, λ
D
=1550(nm) b) thời gian trễ theo bước sóng của CFBG
15
Độ phản xạ (p.u)
B
ư
ớ
c

s
ó
n
g

(
μ
m
)
Độ phản xạ (p.u)
B
ư
ớ