Các phần tử quang điện trong thông tin quang

LỜI NÓI ĐẦU 4
6
6
CHƯƠNG 1 6
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 6
1.1 Giới thiệu chung 6
1.1.1 Mô hình hệ thống thông tin quang 6
1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang 7
1.1.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang 8
1.2 Sự phát triển của kỹ thuật thông tin quang 9
1.3 Phân loại các phần tử quang điện trong thông tin quang 12
1.3.1 Các phần tử thụ động 13
1.3.2 Các phần tử tích cực 14
CHƯƠNG 2 15
CÁC PHẦN TỬ QUANG THỤ ĐỘNG 15
2.1 Cơ sở vật lý chung cho các phần tử thụ động 15
2.1.1 Bản chất của ánh sáng 15
2.1.1.1 Tính chất hạt 15
2.1.1.2 Tính chất sóng 16
2.1.2 Một số đặc trưng của ánh sáng 16
2.1.2.1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng 17
2.1.2.2 Định luật Snell 18
2.1.2.3 Nguyên lý phản xạ Bragg 20
2.1.3 Hệ phương trình Maxwell 20
2.1.3.1 Phương trình sóng trong điện môi 20
2.1.3.2 Phân cực ánh sáng 22
2.2 Sợi quang 24
2.2.1 Cấu trúc sợi quang 24
2.2.2 Phân loại sợi quang 25
2.2.2.1 Sợi đơn mode(SM) 25
2.2.2.2 Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc(MM-SI) 26

2.2.2.3 Sợi đa mode chiết suất biến đổi (MM - GI) 27
2.2.3 Các tham số ảnh hưởng tới truyền lan trong sợi quang 28
2.2.3.1 Suy hao 28
2.2.3.2 Tán sắc 31
2.3 Coupler quang 36
2.3.1 Coupler 2x2 36
2.3.1.1 Cấu tạo 36
2.3.1.2 Nguyên lý hoạt động 37
2.3.2 Coupler hình sao thụ động (PSC) 38
2.4 Bộ lọc quang 39
2.4.1 Chức năng của các bộ lọc 39
2.4.2 Đặc điểm, tham số của bộ lọc 39
2.4.2.1 Dải phổ tự do FSR 39
2.4.2.2 Độ mịn của bộ lọc F 40
2.4.2.3 Suy hao xen và độ phẳng dải thông 40
1
2.4.3 Các loại bộ lọc quang 41
2.4.3.1 Bộ lọc cách tử nhiễu xạ 41
2.4.3.2 Bộ lọc cách tử Bragg sợi 43
2.4.3.3 Bộ lọc màng mỏng nhiều lớp 44
2.4.3.4 Bộ lọc Fabry-Perot 45
2.5 Bộ phân cực và ngăn cách tín hiệu 46
2.5.1 Đặc điểm, nguyên lý hoạt động của bộ phân cực 46
2.5.2 Bộ ngăn cách tín hiệu 47
2.5.3 Bộ Isolator và Circulator 47
2.6 Bộ bù tán sắc 48
2.6.1 Kỹ thuật bù tán sắc 49
2.6.1.1 Kỹ thuật bù sau 49
2.6.1.2 Kỹ thuật bù trước 49
2.6.2 Các thiết bị bù tán sắc 50

2.6.2.1 Sợi bù tán sắc 50
2.6.2.2 Bộ bù tán sắc bằng cách tử Bragg sợi chu kỳ biến đổi tuyến tính 51
CHƯƠNG 3 54
CÁC PHẦN TỬ TÍCH CỰC 54
54
3.1 Cơ sở vật lý chung của các phần tử tích cực 54
3.1.1 Các khái niệm vật lý bán dẫn 54
3.1.1.1 Các vùng năng lượng 54
3.1.1.2 Lớp tiếp giáp p-n 56
3.1.2 Các quá trình đặc trưng trong vật lý bán dẫn 58
3.1.2.1 Quá trình hấp thụ và phát xạ 58
3.1.2.2 Trạng thái đảo mật độ 59
3.2 Nguồn quang 60
3.2.1 Điốt phát quang 61
3.2.1.1 Cấu trúc LED 61
3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của LED 61
3.2.1.3 Đặc tính của LED 63
3.2.1.4 Ứng dụng của LED 66
3.2.2 Laser bán dẫn 66
3.2.2.1 Cấu trúc Laser bán dẫn 66
3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của Laser bán dẫn 70
3.2.2.3 Đặc tính của Laser bán dẫn 73
3.2.3 Một số nguồn quang hiện đại 74
3.2.3.1 Laser hồi tiếp phân bố (DFB) và Laser phản hồi phân bố (DBR) 74
3.2.3.2 Laser với hốc cộng hưởng kép 75
3.2.3.3 Laser giếng lượng tử 77
3.2.3.4 Laser bán dẫn có thể điều chỉnh được 78
3.3 Bộ tách quang 79
3.3.1 Photodiode PIN 80
3.3.1.1 Cấu trúc của PIN 80

3.3.1.2 Nguyên lý hoạt động 80
3.3.1.3 Đặc tính của PIN 82
2
3.3.2 Photodiode quang thác APD 83
3.3.2.2 Nguyên lý hoạt động 84
3.3.2.3 Đặc trưng của APD 85
3.3.3 Các bộ tách quang hiện đại 86
3.3.3.1 APD sử dụng giếng lượng tử 86
3.3.3.2 Detector sử dụng cấu trúc nhiều giếng lượng tử (MQW) 88
3.4 Bộ khuếch đại 89
3.4.1 Bộ khuếch đại quang bán dẫn 89
3.4.1.1 Cấu trúc bộ SOA 89
3.4.1.2 Các thông số của bộ khuếch đại SOA 90
3.4.2 Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp đất hiếm 92
3.4.2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ EDFA 92
Hình 3.36 Cấu trúc điển hình của bộ khuếch đại quang sợi EDFA 93
3.4.2.2 Đặc tính của bộ EDFA 94
3.5 Bộ chuyển đổi bước sóng 96
3.5.1 Bộ chuyển đổi bước sóng quang điện 96
3.5.2 Bộ chuyển đổi bước sóng dùng cách tử quang 97
3.5.3 Bộ chuyển đổi bước sóng dùng bộ trộn sóng 97
KẾT LUẬN 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO 99
3
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay thông tin quang được coi là một trong những ngành mũi nhọn
trong lĩnh vực viễn thông. Ngay từ giai đoạn đầu, khi các hệ thống thông tin cáp
sợi quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, phương thức
truyền dẫn quang đã thể hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch
vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của thế giới. Hệ thống thông tin

quang có nhiều ưu điểm hơn hẳn hệ thống cáp đồng truyền thống và hệ thống vô
tuyến như : băng tần rộng, có cự ly thông tin lớn, không bị ảnh hưởng của nhiễu
sóng điện từ và khả năng bảo mật thông tin cao. Các hệ thống này không chỉ
phụ hợp với các tuyến thông tin lớn như tuyến đường trục, tuyến xuyên đại
dương mà còn có tiềm năng trong các hệ thông thông tin nội hạt với cấu trúc
linh hoạt và khả năng đáp ứng các loại hình dịch vụ trong hiện đại và cả tương
lai.
Một trong những yếu tố mang lại ưu điểm nổi trội cho các hệ thống thông
tin quang chình là các phần tử quang điện cấu thành nên hẹ thống. Đó là các
thành phần tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh từ phía phát đến phía
thu. Tùy thuộc vào đặc tính và khả năng hoạt động của mỗi phần tử mà từng
phần tử giữ một hay nhiều vị trí trong hệ thống. Khi công nghệ điện tử - viễn
thông càng phát triển thì công nghệ thông tin quang càng có khả năng triển
khai phần tử mới tiên tiến hơn, có nhiều ưu điểm hơn. Như thế ta có các thế hệ
hệ thống thông tin quang mới với khả năng làm chuyển đổi phương thức hoạt
động và khả năng khia thác trên mạng lưới viễn thông.
Với nhận thức trên về các phần tử quang điện trong hệ thống thông tin
quang, cùng với sự hướng dẫn của TS Bùi Trung Hiếu, đồ án tốt nghiệp của em
tìm hiểu về vấn đề xung quanh cấu trúc, nguyên lý và đặc tính của các phần tử
quang điện trong thông tin quang. Nội dung đồ án bao gồm 3 chương:
Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin quang - Khái quát chung về hệ
thống thông tin quang từ giai đoạn đầu đến nay.
4
Chương 2 : Các phần tử thụ động – Trình bày các cơ sở vật lý quang cho các
phần tử quang thụ động và cấu trúc, nguyên lý hoạt động của một số phần tử thụ
động như : sợi quang, coupler quang, bộ lọc quang…
Chương 3 : Các phần tử tích cực – Trình bày các khái niệm về vật lý bán dẫn,
cấu tạo, nguyên lý hoạt động và đặc tính của các phần tử tích cực như : nguồn
quang, bộ tách quang, bộ khuếch đại quang và bộ bù tán sắc.
Do vấn đề tìm hiểu rất rộng và trình độ chưa cho phép nên đồ án còn nhiều

thiếu sót. Em mong được sự chỉ bảo và góp ý tù phía các thầy, cô giáo cùng các
bạn để đồ án hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Trung Hiếu đã tận tình giúp đỡ
em hoàn thành đồ án này và các thầy cô trong bộ môn Thông tin quang – khoa
Viễn thông I đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực tập đồ án.
Hà Nội ngày 14 tháng 10 năm 2005
Sinh viên
Đoàn Thị Mỹ Hạnh
5
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.1 Giới thiệu chung
Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là một hệ thống để truyền
thông tin từ nơi này đến nơi khác. Khoảng cách giữa các nơi này có thể từ vài trăm
mét đến vài trăm kilômét thậm chí hàng trăm ngàn kilômét vượt qua đại dương.
Thông tin có thể truyền thông qua các sóng điện với các dải tần số khác nhau. Hệ
thống thông tin quang là một hệ thống thông tin bằng ánh sáng và sử dụng các sợi
quang để truyền thông tin. Thông tin truyền đi trong hệ thống thông tin quang được
thực hiện ở tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc vùng hồng ngoại gần
của phổ sóng điện từ.
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 trong 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 phát vào môi trường truyền dẫn tương ứng, và ở đầu thu 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 tổ 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, tuy nhiên môi trường truyền dẫn ở đây chính là sợi quang. Do đó sợi quang
sẽ thực hiện truyền ánh sáng có mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu.

6
Nơi phát
tín hiệu đi
Thiết bị
phát
Môi trường
truyền dẫn
Nơi tín
hiệu đến
Thiết bị
thu
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
tùy thuộc vào các kỹ thuật điều biến. Nguồn phát quang tạo ra sóng mang tần số
quang, còn các mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù
hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin. Có hai loại nguồn sáng được
dùng phổ biến trong thông tin quang là LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser
Diode).
Sợi quang là môi trường truyền dẫn trong thông tin quang. So với môi trường
truyền dẫn khác như môi trường không khí trong thông tin vô tuyến và môi trường
cáp kim loại thì truyền dẫn bằng sợi quang có nhièu ưu điểm nổi bật đó là : hầu như
không chịu ảnh hưởng của môi trường ngoài, băng tần truyền dẫn lớn, và suy hao
thấp. Với những ưu điểm đó, cùng với nhiều tiến bộ trong lĩnh vực thông tin quang,
sợi quang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ thống vượt đại
dương. Chúng vừa đáp ứng được khoảng cách vừa đáp ứng được dung lượng
truyền dẫn cho phép thực hiện các mạng thông tin tốc độ cao. Sợi quang có 3 loại

chính là : sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc, sợi đa mode chiết suất biến đổi và
sợi quang đơn mode. Tùy thuộc vào hệ thống mà loại sợi quang nào được sử dụng,
tuy nhiên hiện nay các hệ thống thường sử dụng sợi đơn mode để truyền dẫn vì ưu
điểm của loại sợi này.
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 điện này có thể bao gồm các mạch khuếch đại, lọc và mạch tái sinh.
1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang
Ngay từ thời kỳ khai sinh, hệ thống thông tin đã sử dụng nguyên lý truyền
thông tin theo mô hình chung như hình 1.1 ở trên. Nguyên lý này thực hiện việc
truyền thông tin từ phía phát qua môi trường sợi quang và cuối cùng đến phía thu.
Tại mỗi phần tín hiệu thông tin được biến đổi như sau :
Phía phát : Nguồn tín hiệu thông tin như tiếng nói, hình ảnh, dữ liệu… sau khi
được xử lý trở thành tín hiệu điện (có thể ở dạng tương tự hoặc số) sẽ được đưa đến
bộ phát quang (cụ thể là nguồn quang). Các tín hiệu điện đưa vào bộ phát quang
được điều chế quang theo nhiều phương pháp điều biến khác nhau (điều biến trực
7
tiếp cường độ ánh sáng hay điều biến gián tiếp) để thu được tín hiệu quang. Tín
hiệu quang này sẽ được ghép vào sợi quang để truyền đi tới phía thu.
Môi trường sợi quang: Là môi trường truyền dẫn ánh sáng (tín hiệu đã được
điều chế quang) từ đầu phát tới đầu thu. Trong quá trình truyền dẫn này, do đặc tính
quang học của ánh sáng và sợi quang mà tín hiệu quang bị suy giảm (suy hao và tán
sắc). Cự ly truyền dẫn càng dài thì ánh sáng bị suy giảm càng mạnh, điều này dẫn
đến khó khăn khi khôi phục tín hiệu ở phía thu. Do vậy, trên tuyến truyền dẫn
thông tin quang, thường có các bộ khuếch đại tín hiệu quang và các trạm lặp nhằm
tái tạo lại tín hiệu bị suy giảm trên đường truyền.
Phía thu : Tín hiệu thu được từ môi trường truyền dẫn sẽ được bộ thu quang
tiếp nhận. Tại đây, tín hiệu quang sẽ được biến đổi ngược trở lại thành tín hiệu điện
như tín hiệu phát ban đầu. Cuối cùng ta thu được tín hiệu cần thông tin.

1.1.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang
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 truyền thống sử dụng cáp đồng hay hệ
thống thông tin vô tuyến trước đây, đó là :
• Dung lượng truyền dẫn lớn : 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 lớn. 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 1300nm và 1550nm. Suy hao nhỏ nên sợi quang có
thể cho phép truyền dẫn băng rộng, tốc độ lớn hơn rất nhiều so với cáp
kim loại cùng chi phí xây dựngs mạng.
• Không chịu ảnh hưởng của môi trường bên ngoài : Bởi vật liệu của sợi
quang cách điện, không chịu ảnh hưởng của các yếu tố như điện từ
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, tính bảo mật cũng cao hơn so với
truyền dẫn vô tuyến và cáp kim loại.
8
• Chi phí thấp : Vì vật liệu chế tạo sợi quang sẵn có, đồng thời sợi lại nhẹ
hơn cáp kim loại và có thể uốn cong, lắp đặt dễ dàng và ít bị hư hỏng do
các yếu tố thiên nhiên tác động (như nắng, mưa…) nên hệ thống có thể
tiết kiệm được chi phí xây dựng.
Thông tin sợi quang có nhiều ưu điểm từ sợi quang đem lại tuy nhiên sợi quang
cũng tồn tại một số nhược điểm như khó chế tạo, hàn nối phức tạp vì sợi quang rất
bé, và rất dễ đứt gẫy.
1.2 Sự phát triển của kỹ thuật thông tin quang

Hệ thống thông tin quang mới phát triển trong mấy thập kỷ gần đây (mặc dù
các phương thức sơ khai của thông tin quang đã xuất hiện từ rất lâu trong xã hội
loài người) nhưng nó đã đạt được rất nhiều thành tựu cao. Cho đến nay hệ thống
thông tin quang đã trải qua nhiều thế hệ. Mục tiêu chủ yếu của các nỗ lực phát triển
này là đồng thời tăng dung lượng và khoảng cách truyền dẫn. Quá trình phát triển
của hệ thống thông tin quang có thể tóm tắt qua năm thế hệ sau :
Khởi đầu là vào năm 1960, việc phát minh ra Laser để làm nguồn phát quang
đã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử phát triển của kỹ thuật
thông tin quang sử dụng dải tần số ánh sáng. Tuy vậy Laser thời kỳ này lại có dòng
ngưỡng quá cao, nhiệt độ làm việc thấp, thời gian sống ngắn. Một hướng nghiên
cứu khác cùng khoảng thời gian này là truyền thông qua sợi quang. Theo lý thuyết
thì sợi quang cho phép con người thực hiện thông tin với lượng kênh lớn hơn gấp
nhiều lần các hệ thống vi ba hiện có. Thực tế thì suy hao của sợi quang trong giai
đoạn này lại rất cao, ~1000dB/km, do đó vẫn chưa chứng tỏ khả năng vượt trội so
với các hệ thống cũ.
Khoảng năm 1966, qua các khuyến nghị của Kao, Hockman cho thấy có thể cải
thiện được suy hao do vật chất chế tạo sợi. Năm 1970, Kapron đã có thể chế tạo sợi
quang có độ suy hao 20dB/km, tại bước sóng λ = 1μm. Suy hao này nhỏ hơn rất
nhiều so với thời điểm đầu chế tạo sợi và cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn tương
đương với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng. Được sự cổ vũ từ thành công
này, các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành các hoạt
động nghiên cứu và phát triển kỹ thuật thông tin quang. Kết quả là các công nghệ
mới để giảm suy hao truyền dẫn của sợi, tăng băng thông của các Laser bán dẫn đã
được phát triển thành công trong những năm 70. Như chỉ ra trong bảng 1.1, độ suy
hao đã giảm xuống còn 0,18dB/km. Cho tới đầu những năm 1980, các hệ thống
thông tin trên sợi dẫn quang đầu tiên đã được đưa vào hoạt động với bước sóng
Laser (GaAlAs/GaAs) hoạt động ở vùng 0,8μm, tốc độ bít B = 45Mb/s, khoảng
9
cách lặp L ~10÷ 20 km (khoảng 16km). Giai đoạn thông tin quang thế hệ thứ nhất
phát triển từ đây. Giai đoạn này Laser bán dẫn InGaAsP/InP có bước sóng phát

1,3μm được chế tạo khá hoàn thiện và hướng nghiên cứu sợi quang với bước sóng
1,3μm, suy hao 1dB/km, hệ số tán sắc cực tiểu rất được quan tâm.
Năm Nguồn quang Sợi quang
1960 Triển khai Laser Ruby
1962 Laser GaAs
1965 Laser CO
2
1966 Khả năng sử dụng đường truyền dẫn
cáp quang (ST, tổn thất 1000dB/km)
1970 Laser GaAlAs tạo dao động
liên tục
Triển khai thành công sợi cáp quang sử
dụng abaston tổn thất 20dB/km
1973 Phương pháp sản xuất sợi quang có tổn
hao thấp (MCVD , 1dB/km)
1976 Laser dao động liên tục
GalnAsP
Đề xuất khả năng sản xuất sợi quang
flour
1977 Laser GaAlAs có tuổi thọ ước
tính 100 năm
Sản xuất sợi quang Abaston có độ tổn
thất tối thiểu 0,18dB/km
1980 Cấu trúc Laser giếng lượng tử
được chế tạo
1983 Sản xuất Laser diode đơn
mode, đơn tần
Sợi quang flour tổn thất thấp
1989 Phát triển Laser GaI/AIGa
Bảng 1.1 Các giai đoạn phát triển của công nghệ thông tin quang sợi.

Giữa những năm 80, hệ thống thông tin quang thế hệ thứ 2 sử dụng Laser với
bước sóng 1330nm đã được đưa vào sử dụng. Thời gian đầu tốc độ bít B chỉ đạt
100Mb/s do sử dụng sợi đa mode. Khi sợi đơn mode được đưa vào sử dụng, tốc độ
bít đã được tăng lên rất cao. Năm 1987 hệ thống thông tin quang λ = 1330nm,
10
B=1,7 Gb/s, L= 50 km đã được sản xuất và đưa ra thị trường với suy hao của sợi ~
0,5 dB/km.
Năm 1990 hệ thống thông tin quang thế hệ thứ 3 sử dụng Laser bán dẫn bước
sóng 1550nm (InGaAsP) với suy hao trong sợi quang cỡ 0,2dB/km đã được thương
mại hóa. Tốc độ bít đã đạt đến 2,5Gb/s và sau đó đã đạt đến 10Gb/s. Tuy nhiên hệ
số tán sắc trong sợi quang tại bước sóng 1550nm lại khá cao (16-18ps/nm.km) do
đó hạn chế khoảng cách trạm lặp của hệ thống mặc dù công suất quang còn cho
phép truyền xa hơn. Đặc trưng khoảng cách của thế hệ thứ 3 là 60 - 70 km tại tốc
độ 2,5 Gb/s. Ở giai đoạn này đã sử dụng các công nghệ bù tán sắc như kiểu dịch tán
sắc (DSF) hoặc làm phẳng tán sắc (DFF) để tăng khoảng cách lặp, có thể lên đến
100km.
Thế hệ thông tin quang thứ 4 đã sử dụng khuếch đại quang để tăng khoảng lặp
và kỹ thuật ghép nhiều bước sóng (WDM) trong một sợi quang để tăng dung lượng
truyền dẫn. Khuếch đại quang pha tạp Erbium (EDFA) có khả năng bù cho suy hao
quang trong cách khoảng cách lớn hơn 100km. EDFA được nghiên cứu thành công
trong phòng thí nghiệm vào năm 1987 và trở thành thương phẩm năm 1990. Năm
1991 lần đầu tiên hệ thống thông tin quang có EDFA được thử nghiệm truyền tín
hiệu số tốc độ 2,5Gb/s trên khoảng cách 21000km và 5 Gb/s trên khoảng cách
14300 km. Về công nghệ WDM, hệ thống thông tin sử dụng công nghệ này giúp
tăng dung lượng kênh đáng kể. Khuếch đại quang EDFA có thể khuếch đại toàn bộ
các bước sóng quang trong dải 1525 – 1575 nm mà không cần phải tách từng
bước sóng. Trong năm 1996 đã thử nghiệm tuyến truyền dẫn 20 bước sóng quang
với tốc độ bít của từng bước sóng là 5Gb/s trên khoảng cách 9100km. Tốc độ bít
của tuyến đã đạt 100Gb/s và BL đã là 910 (Tb/s).km. Trong năm 2000, hệ thống
TPC - 6 xuyên qua Đại Tây Dương đã có dung lượng 100Gb/s và hoạt động hiệu

quả.
Thế hệ thứ 5 của hệ thống thông tin quang dựa trên cơ sở giải quyết vấn đề tán
sắc trong sợi quang. Khuếch đại quang đã giải quyết hoàn hảo suy hao quang sợi
nhưng không giải quyết được vấn đề tán sắc. Có nhiều phương án để bù tán sắc
nhưng phương án có tính khả dụng cao nhất là dựa trên hiệu ứng Soliton quang.
Hiệu ứng Soliton quang là một hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang, nó dựa trên cơ
sở tương tác bù trừ tán sắc của các thành phần quang trong một xung quang cực
ngắn được truyền trong sợi quang không có suy hao.Năm 1994 hệ Soliton thử
nghiệm truyền dẫn tín hiệu 10Gb/s trên khoảng cách 35000km và 15Gb/s trên
khoảng cách 24000km. Năm 1996 hệ thống WDm 7 bước sóng truyền Soliton trên
khoảng cách 9400km với dung lượng 70Gb/s.
11
Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin quang có thể được biểu diễn qua
hình 1.2.
Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới,
chúng đáp ứng tất cả các tín hiệu tương tự và số, chúng cho phép truyền dẫn tất cả
các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng. Khi công nghệ chế tạo các phần tử
quang càng phát triển, hiện đại thì hệ thống thông tin quang càng có khả năng ứng
dụng rộng lớn hơn và trở thành một lĩnh vực quan trọng trong viễn thông.
1.3 Phân loại các phần tử quang điện trong thông tin quang
Một hệ thống thông tin quang được cấu thành từ rất nhiều phần tử quang điện
khác nhau. Một tuyến thông tin quang có thể bao gồm các phần tử như thể hiện trên
hình 1.3.
Các phần tử này có nhiều đặc tính, chức năng, tốc độ hoạt động và vị trí khác
nhau. Tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống được sử dụng mà các phần tử này được
sử dụng cho chức năng nào hay vị trí nào trên hệ thống.
Để phân loại các phần tử quang điện trong hệ thống thông tin quang ta có nhiều
tiêu chí để phân loại như: Đặc điểm. vị trí, chức năng hay ứng dụng … Dựa vào
đặc điểm hoạt động của các phần tử quang điện trong hệ thống thông tin quang có
thể chia thành hai nhóm là các phần tử thụ động và các phần tử tích cực.

12
1.3.1 Cỏc phn t th ng
Cỏc phn t th ng l cỏc phn t quang hot ng khi cú chựm sỏng truyn
qua nú. Phn t th ng hot ng khụng cn ngun kớch thớch, nú ch n thun
bin i cỏc tớn hiu trong min quang m khụng cú s chuyn i sang min
in. Nhng c im ny dn n v nguyờn lý hot ng cỏc phn t th ng
ch yu da vo cu trỳc quang hỡnh ca chớnh bn thõn chỳng, v tuõn theo cỏc
nh lut hay cỏc nguyờn lý ỏnh sỏng. Cỏc phn t th ng cú nhng u im v
cu trỳc, v trớ lp t, v ng dng nh :
D dng lp t bt k v trớ no trờn h thng vỡ khụng cn cú ngun cung
cp hot ng i kốm theo.
n gin v cu trỳc.
D dng bo trỡ.
An ton v in cho ngi s dng.
Tuy vy chỳng cú nhng nhc im so vi phn t tớch cc ú chớnh l th
ng v cu hỡnh nờn kh nng thay i, iu chnh hot ng kộm, khụng linh
hot. Cht lng hot ng ca cỏc phn t th ng cng ph thuc vo vt liu
v cụng ngh ch to ca bn thõn thit b nh cỏc vn v suy hao hay tỏn sc
13
Tín hiệu
vào
Tín
hiệu
ra
S
ợ
i

d
ẫ

n

q
u
a
n
g
Bộ phát quang
Bộ nối
quang
Mối hàn sợi
Bộ chia
qua
ng
Mạch điện
Phát quang
Khuếch
đại quang
Đầu thu
quang
Chuyển đổi
tín hiệu
Mạchđiều
khiển
Nguồn
phát quang
Bộ thu quang
Khuếch đại
Trạm lặp
Thu

quang
Hỡnh 1.3 Cỏc thnh phn trong mt tuyn thụng tin quang.
của các phần tử thụ động. Công nghệ càng phát triển thì khả năng của các phần tử
thụ động càng cao.
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
• Các bộ ghép/tách quang
1.3.2 Các phần tử tích cực
Các phần tử tích cực là các phần tử quang điện hoạt động dựa theo 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 tích cực phức tạp hơn các phần tử thụ động
như : vị trí lắp đặt, cơ chế bảo dưỡng chống quá áp của nguồn, yêu cầu an toàn về
điện… Tuy nhiên các phần tử tích cực có thể điều chỉnh hiệu quả hoạt động khi
thay đổi nguồn cung cấp.
Các phần tử tích cực bao gồm :
• Nguồn quang
• Bộ tách quang
• Bộ khuếch đại quang
• Bộ bù tán tắc.
• Chuyển đổi bước sóng
14
CHƯƠNG 2
CÁC PHẦN TỬ QUANG THỤ ĐỘNG
2.1 Cơ sở vật lý chung cho các phần tử thụ động
Phần tử thụ động chỉ đơn thuần biến đổi các tín hiệu trong miền quang mà

không có sụ chuyển đổi sang miền điện. Do vậy cơ sở vật lý chung cho các phần tử
thụ động là vật lý quang hình.
2.1.1 Bản chất của ánh sáng
Ánh sáng là một khái niệm vật lý có đặc điểm lưỡng tính : tính chất hạt và tính
chất sóng. Nếu coi ánh sáng là một chùm các hạt rất nhỏ bé được phát ra từ một
nguồn sáng thì quan điểm này chỉ mô tả được các hiệu ứng về quang học trong một
phạm vi riêng như phản xạ và khúc xạ ánh sáng, còn các hiện tượng nhiễu xạ hay
giao thoa lại không giải thích được. Do đó ánh sáng còn mang tính chất sóng điện
từ.
2.1.1.1 Tính chất hạt
Những thí nghiệm và hiệu ứng quang điện trong đó các điện tử bị bật ra khỏi
nguyên tử dưới tác dụng của ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt, vì chỉ có
hạt mới có thể gây nên các “va chạm” dẫn đến hiện tượng iôn hóa làm bật các điện
tử. Mặt khác thực nghiệm cũng cho thấy rằng khi tương tác với trường điện từ thì
chỉ các hạt mới có bức xạ gián đoạn. Trên cơ sở kết quả này, Plank kết luận rằng
bức xạ điện từ gồm các hạt bé nhất gọi là lượng tử ánh sáng hay còn gọi là photon.
Vậy photon đến nay được coi là hạt bé nhất của ánh sáng mang một năng lượng xác
định. Mối quan hệ giữa năng lượng E của photon và tần số f của ánh sáng là :
E= hf (2-1)
Trong đó h = 6,625 x 10
-34
J.s là hằng số Plank.
Các kết quả thực nghiệm đã chứng minh rằng có sự tồn tại của các photon và
năng lượng của chúng chỉ phụ thuộc vào một tần số xác định. Khi ánh sáng va
chạm với nguyên tử, thì photon có thể chuyển năng lượng của nó cho một điện tử ở
trong nguyên tử này và kích thích điện tử lên một mức năng lượng cao hơn. Năng
lượng mà điện tử hấp thụ bằng đúng năng lượng mà nó đòi hỏi để kích thích điện tử
15
tới mức năng lượng cao hơn. Ngược lại, điện tử ở trong trạng thái kích thích có thể
quay trở về trạng thái thấp hơn và phát ra photon.

2.1.1.2 Tính chất sóng
Các kết qủa thực nghiệm về giao thoa và nhiễu xạ của ánh sáng đã chứng tỏ
rằng ánh sáng có tính chất sóng. Năm 1864, Maxwell đã chứng minh bằng lý thuyết
rằng bản chất của ánh sáng là sóng điện từ. Sau đó, Einstein đã đưa ra giả thiết rằng
photon ngoài năng lượng E còn có cả xung lượng p được biểu thị như sau :

λπ
h
kk
h
p === 
2
(2-2)
Trong đó : k là độ lớn của vectơ sóng
λ là bước sóng của ánh sáng.
Hơn nữa khi quan sát các hiệu ứng phân cực, người ta nhận thấy sự chuyển
động của sóng luôn vuông góc với hướng mà sóng đi, điều đó chỉ ra rằng sóng ánh
sáng là sóng ngang. Theo quan điểm sóng quang thì sóng điện từ được phát ra từ
một nguồn điểm lý tưởng có thể được đặc trưng bởi một loạt các mặt sóng hình cầu
mà nguồn đặt ở trung tâm các mặt cầu này. Mặt sóng được xác định bởi qũy tích tất
cả các điểm ở trong loạt sóng cùng pha. Tuy nhiên xét tới sự tác động lẫn nhau của
ánh sáng vào vật chất cũng như các hiện tượng tán sắc, sự hấp thụ và sự bức xạ ánh
sáng thì cả lý thuyết hạt và lý thuyết sóng của ánh sáng đều có trọng lượng và có
tính thuyết phục.
Như vậy một quan điểm thống nhất cần được chấp nhận là ánh sáng có cả tính
chất sóng và tính chất hạt (photon). Photon có khối lượng nghỉ bằng 0, có năng
lượng điện từ và xung lượng, nó cũng mang động năng góc thuần (hoặc spin), đại
lượng này khống chế tính chất phân cực của nó. Về mặt toán học, hai biểu thức 2-1
và 2-2 phản ánh lưỡng tính chất hạt – sóng của ánh sáng, vì các đại lượng năng
lượng E và xung lượng p phản ánh tính chất hạt còn các đại lượng λ và k bên vế trái

hai biểu thức biểu thị tính chất sóng của ánh sáng. Sự thống nhất hai mặt của tính
chất lưỡng tính có thể mô tả bằng toán học (tuy nhiên về mặt vật lý cũng chưa được
giải thích một cách tường minh).
2.1.2 Một số đặc trưng của ánh sáng
Trong môi trường chân không hoặc môi trường vật chất đồng nhất, đẳng hướng
không có tán sắc thì ánh sáng (ánh sáng đơn sắc và không đơn sắc) luôn truyền
thẳng với vận tốc không đổi. Vận tốc của ánh sáng là c=fλ với f là tần số ánh sáng
và λ là bước sóng.
16
Trong không gian tự do thì tốc độ ánh sáng là : c ≅ 3.10
8
m/s. Khi xét ánh sáng
ở khía cạnh hạt thì có thể coi các hạt photon truyền thẳng với tốc độ không đổi, còn
khi xét ở khía cạnh sóng của ánh sáng thì các sóng này truyền đi ở dạng sóng phẳng
theo một phương thẳng nào đó, ở đó các vectơ điện trường E và từ trường H luôn
vuông góc với phương truyền sóng. Khi ánh sáng truyền trong môi trường vật chất
trong suốt khác thì vận tốc ánh sáng sẽ là v có thể nhỏ hơn tốc độ c tùy thuộc vào
chỉ số chiết suất n của vật liệu. Giá trị tốc độ ánh sáng lúc này sẽ giảm đi theo biểu
thức v = c/n . Giá trị chiết suất n của không khí là 1,00; của nước là 1,33; của thuỷ
tinh là 1,50 và ở kim cương là 2,42. Tốc độ ánh sáng trong các vật liệu này sẽ giảm
đi n lần so với tốc độ truyền ánh sáng trong chân không.
2.1.2.1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng
Hiện tượng khúc xạ và phản xạ ánh sáng được xem xét trong trường hợp có hai
môi trường khác nhau về chỉ số chiết suất. Khi ánh sáng đi từ một môi trường trong
suốt này đến một môi trường trong suốt khác thì ánh sáng sẽ thay đổi hướng truyền
của chúng tại ranh giới phân cách giữa hai môi trường. Như vậy có hai khả năng
xảy ra :
• Ánh sáng bị đổi hướng quay ngược trở lại
• Ánh sáng được phát tiếp vào môi trường trong suốt thứ 2.
Các tia sáng khi qua vùng ranh giới giữa hai môi trường bị thay đổi hướng

nhưng có thể tiếp tục đi vào môi trường chiết suất mới thì ta nói tia đó bị khúc xạ.
Còn các tia sáng khi qua ranh giới này lại quay ngược trở lại môi trường ban đầu
thì ta nói tia đó bị phản xạ. Hình 2.1 mô tả quá trình khúc xạ và phản xạ ánh sáng
qua hai môi trường trong suốt với chiết suất môi trường thứ nhất n
1
lớn hơn chiết
suất môi trường thứ hai n
2
.
17
Trong đó : θ
i
là góc tới – góc hợp giữa pháp tuyến của mặt phân cách hai môi
trường với tia tới.
φ
r
là góc khúc xạ - góc tạo bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai
môi trường với tia khúc xạ.
Ở hình 2.1, chiết suất n
1
> n
2
cho nên góc tới θ
i
nhỏ hơn góc khúc xạ φ
r
(hình
2.1a). Khi góc tới lớn dần tới một giá trị góc tới θ
c
tạo ra tia khúc xạ nằm song song

với ranh giới phân cách hai môi trường, lúc ấy θ
c
được gọi là góc tới hạn (như hình
2.1b).
2.1.2.2 Định luật Snell
Định luật Snell phát biểu : “ Tỷ lệ giữa sin góc tới và khúc xạ sẽ luôn là một
hằng số. Tia khúc xạ luôn nằm trong cùng mặt phẳng với tia tới và sin góc khúc xạ
(φ
r
) phụ thuộc vào sin góc tới (θ
i
) như sau :

1
2
sin
sin
n
n
r
i
=
φ
θ
= a (hằng số). (2-3)
Trong đó : n
1
, n
2
là chiết suất của hai môi trường vật liệu mà ánh sáng đi qua.

Khi một tia sáng tới có giá trị góc lớn hơn góc tới hạn thì ánh sáng bị phản xạ
hoàn toàn lại môi trường đầu tại mặt phẳng phân cách hai môi trường. Lúc này ta
gọi đó là hiện tượng phản xạ toàn phần (Total Internal Reflection). Hình 2.1c minh
họa quá trình phản xạ toàn phần - TIR.
Như vậy có thể nêu ra điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là :
• Các tia sáng phải đi từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn hơn sang môi
trường có chỉ số chiết suất nhỏ hơn.
• Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn θc =arcsin (n
2
/n
1
).
Tia
khúc xạ
Tia
tới
Tia
phản
xạ
Hình 2.1 Sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng của với góc tới khác nhau.
φ
r
θ
r
θ
i
n
1
n
2

θ
i
θ
i
=θ
c
a) b) c)
18
Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng ở trên là nguyên lý cơ bản áp dụng cho
việc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi dẫn quang sử dụng trong thông tin quang.
Trong sợi dẫn quang, các tín hiệu ánh sáng kết hợp được lan truyền dựa vào hiện
tượng phản xạ toàn phần, điều này có thể giải thích như sau:
Xét ánh sáng truyền qua các môi trường với đường biên song song (ống thủy
tinh). Các môi trường này có chiết suất như sau : chiết suất môi trường đầu tiên và
môi trường cuối cùng bằng nhau (cùng là không khí - n
1
), nhưng khác với môi
trường trung gian (là thủy tinh - n
2
>n
1
).
- Khi ánh sáng tới môi trường đầu tiên với một góc tới thích hợp (giả sử θ
1
<θ
c
)
(như hình 2.2), ánh sáng sẽ khúc xạ từ môi trường đầu tiên vào môi trường thứ
2 với góc khúc xạ φ
1

<θ
1.
(vì n
1
<n
2
). Tia khúc xạ này truyền trong môi trường
thứ 2 và tới biên giới giữa môi trường thứ 2 và môi trường cuối với một góc tới
có giá trị là θ
2
= φ
1
(vì biên giới phân cách giữa các môi trường là song song).
Lúc đó tia sáng sẽ bị khúc xạ với góc khúc xạ φ
2
= θ
1
. Và tương tự có φ
2
> θ
1
(vì n
2
> n
1
).

- Khi nguồn sáng đặt trong môi trường thủy tinh thì có một số tia sáng dời khỏi
nguồn tới biên giới phân cách giữa thủy tinh và không khí. Nếu góc tới của tia
nhỏ hơn góc tới hạn θ

c
thì nó sẽ bị khúc xạ và đi ra khỏi môi trường thủy tinh.
Ngược lại góc tới lơn hơn góc tới hạn thì sẽ có sự phản xạ toàn phần trong môi
trường thủy tinh (như hình 2.3). Hơn nữa, các mặt của khối thủy tinh song song
với nhau nên các tia sáng tới bề mặt sẽ phản xạ bên trong ống với cùng một góc
bằng góc tới. Các tia phản xạ sẽ phản xạ liên tiếp trong thành ống cho đến khi
đạt tới điểm cuối của ống. Ta có sụ truyền dẫn ánh sáng trong ống thủy tinh.
19
φ
1
φ
2
θ
2
θ
1
Thủy tinh n
2
Không khí n
1
Không khí n
1
Hình 2.2 Đường đi của ánh sáng qua khối thủy tinh
Tia
sáng
θ
i
Tia phản xạ
n
1

n
2
n
1
Hình 2.3 Tia sáng đi trong ống thủy tinh
.
2.1.2.3 Nguyên lý phản xạ Bragg
Phản xạ Bragg là ở trên mặt tiếp giáp của hai loại phương tiện có phản xạ mang
tính chu kỳ, khi được chiếu quang sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ này gọi là
phản xạ Bragg. Bản thân mặt giao nhau có hình dạng khác nhau : hình sin hoặc
không sin (như hình vuông góc, hình tam giác …).
Trong hình ta thấy : A + B = mλ
u
Với m là số nguyên chẵn
A là chu kỳ rãnh cách tử
λ
u
=λ/
n
là bước sóng trong chất môi giới
λ là bước sóng quang trong không khí

n
là hệ số khúc xạ tương đương
Áp dụng thêm các công thức phản xạ và khúc xạ ta có : A(1+sin
θ
) = m
u
λ
Công thức này gọi là điều kiện phản xạ Bragg. Ý nghĩa vật lý của công thức là :

Đối với A và θ nhất định, khi có một λ
u
tương ứng thì sóng quang có bước sóng λ
u
sẽ can thiệp cùng với sóng quang phản xạ. Dựa vào nguyên lý phản xạ này mà ta có
thể tạo ra nhiều phần tử quang điện hoạt động hiệu quả.
2.1.3 Hệ phương trình Maxwell
2.1.3.1 Phương trình sóng trong điện môi
Trong môi trường truyền dẫn không dẫn điện, đẳng hướng, và tuyến tính thì hệ
phương trình Maxwell có dạng như sau :
A
a
A
a
B
B
θ θ
1 2
1’
1”
Hình 2.4 Nguyên lý phản xạ Bragg
20
−=Ε×∇


t
B
∂
∂


t
D
∂
∂
=Η×∇


(2-4)
0=×∇ D


0=×∇ B


Trong đó :
ΗΕ

,
là vectơ trường điện và trường từ.

BD

,
là vectơ mật độ thông lượng.
Quan hệ giữa các vectơ trường và vectơ mật độ thông lượng là :
Ρ+Ε=


.

ε
D
(2-5)
Μ+Η=Β

.
µ

Trong đó : ε là hằng số điện môi trong chân không
μ là hằng số từ thẩm trong chân không

Ρ

vectơ phân cực cảm ứng điện

Μ

vectơ phân cực cảm ứng từ.
(Đối với sợi thủy tinh làm từ vật liệu SiO
2
thì
Μ

=0 vì chúng không có các chất
nhiễm từ).
Trong khi đó ta có biểu thức mối quan hệ giữa vectơ phân cực cảm ứng điện và
vectơ điện trường như sau :

tdtrttrtr
′′

Ε
′
−=Ρ
∫
∞
∞−
),(),(),(




χε
(2-6)
Trong đó : χ là độ cảm ứng, đặc trưng cho môi trường.
Từ các phương trình Maxwell (2-4) ta có :

2
22
2
1
ttc
t
∂
Ρ∂
−
∂
Ε∂
−=Ε×∇×∇



µ
(2-7)
Trong đó
εµ
1
=c
là tốc độ ánh sáng trong chân không.
Khai triển Fourier điện trường trong miền tần số

∫
∞
∞−
Ε=Ε dttitrtr )exp(),(),(
~
ω



(2-8)
21
Thay vào ta có:
Ε−=Ε×∇×∇
~
))(,(
~
2
2
c
r
ω

ωε

(2-9)
Với
Ε
~
là vectơ điện trường trong miền tần số.
Hằng số điện môi phụ thuộc vào ω, môi trường và độ cảm như sau :

),(
~
1),(
~
ωχωε
rr

+=
(2-10)
Vì
),(
ωε
r

là một số phức với thành phần thực liên quan đến chiết suất môi
trường n và hệ số suy hao α theo phương trình :

cr
irntr
2
]

2
).,(
),([),(
ω
ωα
ωε


−=
(2-11)
Tương đương ta có :
2/1
)
~
Re1(
χ
+=n
và
χ
ω
α
Im
nc
=
Sử dụng hệ thức :
Ε∇−Ε∇∇=Ε×∇×∇
~
).(
2
(với

2
∇
là toán tử Laplace)
Như vậy phương trình truyền sóng trong môi trường chiết suất n là :

0
~
)(
~
2
0
22
=Ε+Ε∇ Kn
ω
(2-12)
Với
λ
πω
2
0
==
c
K
gọi là số sóng trong chân không.
Tương tự ta có :
0
~
)(
~
2

0
22
=Η+Η∇ Kn
ω
(2-13)
Đây là các phương trình sóng chuẩn. Giải các phương trình sóng này ta thu
được các mode truyền sóng trong sợi quang.
2.1.3.2 Phân cực ánh sáng
Từ trước đến nay, khi giải các phương trình Maxwell ta mới chỉ xét sóng ánh
sáng là sóng phẳng có vectơ điện trường và từ trường vuông góc với phương truyền
sóng của ánh sáng. Định hướng chính xác của điện trường xác định sự phân cực
của sóng ánh sáng. Đối với rất nhiều linh kiện quang điện tử sự phân cực ánh sáng
là rất quan trọng vì sự hoạt động của các linh kiện này phụ thuộc đặc biệt vào sự
điều khiển và trạng thái phân cực của ánh sáng. Sau đây ta có xết một số điều kiện
và đặc điểm của ánh sáng khi phân cực ở những trạng thái khác nhau.
Sự phân cực được định nghĩa thông qua điện trường. Trong mô tả bởi hàm
phức, vectơ điện trường này có thể được viết dưới dạng sau :
E(z,t)= Re[Aexxp(iωt-ikz)] (2-14)
22
Trong đó A là vectơ phức trong mặt phẳng xy.
Chúng ta khảo sát hai thành phần E
x
và E
y
như sau :
E
x
=[Acos(ωt- kz+δ
x
)] và E

y
=[Acos(ωt- kz+δ
y
)] (2-15)
Đại lượng A có thể biểu thị ở dạng sau : A =
x
A
x
exp(iδ
x
) +
y
A
y
exp(iδ
y
)
Trong đó : A
x
và A
y
là các số thực dương.
Sau khi biến đổi bằng cách sử dụng tính chất các hàm lượng giác các phương
trình 2-14 và 2-15 ta có :

δ
δ
2
sin
cos

2 =−+
yx
yxy
y
x
x
EE
AAA
E
A
E
và
δ
=
δ
x
-
δ
y
(2-16)
Phương trình này là phương trình elip và có thể kết luận sóng ánh sáng trong
trường hợp thông thường là có phân cực elip. Trục của elip thông phải là trục x, y
mà lệch đi một góc φ như hình 2.5. Giá trị của góc φ có thể xác định được như sau :
tg (2φ)=
2
2
2
yx
yx
AA

AA
−
cos δ. Và từ các giá trị khác nhau của δ ta có các phân cực khác
nhau của sóng ánh sáng như hình 2.6. Như trong hình 2.6 các dạng phân cực :
tuyến tính, tròn và elip đối với một số sóng truyền khác nhau.

23
φ
y '
x '
x
Hình 2.5 Phân cực thông thường của ánh sáng theo elip
có trục x’ và y’ lệch một góc φ.
y
2.2 Sợi quang
2.2.1 Cấu trúc sợi quang
Sợi quang có cấu trúc như một ống dẫn sóng hình trụ bao gồm phần lõi và lớp
vỏ bao bọc xung quanh lõi, cả hai đều làm từ vật liệu trong suốt như thủy tinh hoặc
chất dẻo. Lớp lõi thường có chiết suất cao hơn lớp vỏ bên ngoài, điều này cung cấp
cơ chế hướng quá trình truyền lan ánh sáng vào bên trong lõi.
Ngoài ra để bảo vệ sợi người ta dùng một lớp bao bọc bảo vệ bên ngoài thường
làm từ vật liệu polyme (như hình 2.7). Lớp chất dẻo này nhằm ngăn chặn các tác
động cơ học và để bọc sợi thành cáp.

Thông thường đường kính lõi sợi quang là rất nhỏ khoảng từ 10 ÷ 50 μm, còn
đường kính vỏ là 125 μm. Do vậy sợi quang có kích thước rất nhỏ. Khi đã bọc các
lớp, bảo vệ thì đường kính của sợi mới đạt được từ 200 ÷ 900μm.
φ =π/4 φ = π/2 φ = 3π/4 φ= π
φ =-3π/4 φ = -π/2 φ = -π/4 φ= 0
Hình 2.6 Các trạng thái phân cực đối với một số sóng truyền khác nhau

24
2.2.2 Phân loại sợi quang
Sợi quang có rất nhiều loại khác nhau, tùy thuộc vào việc sử dụng và cách phân
loại mà ta có các loại sợi quang khác nhau. Theo sự phân bố chiết suất trong lõi sợi
người ta chia sợi quang thành sợi chiết suất nhảy bậc (Step Index) và sợi chiết suất
biển đổi (Graded Index). Sợi chiết suất bậc có phân bố chiết suất trong lõi không
đổi trong khi sợi chiết suất biển đổi có chiết suất lõi phân bố giảm dần từ trong ra
ngoài.
Người ta còn phân sợi quang thành hai loại : sợi đơn mode (Single mode) sợi
đa mode (Multi mode). Sợi đa mode là sợi cho phép truyền dẫn nhiều mode trong
nó, còn sợi đơn mode là sợi chỉ cho phép một mode truyền dẫn trong nó. (Với mỗi
một mode là một mẫu các đường sóng trường điện và trường từ được lặp đi lặp lại
dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng).
Ngoài ra sợi còn được phân theo vật liệu như sợi thủy tinh và sợi plastic. Hay
các loại sợi tiên tiến hiện nay mới sản xuất như sợi duy trì phân cực và sợi dịch tán
sắc.
Tuy vậy trong thực tế người ta thường xét các loại sợi quang sau : Sợi đa mode
chiết suất nhảy bậc (MM-SI), sợi đa mode chiết suất biến đổi (MM-GI) và sợi đơn
mode (SM).
2.2.2.1 Sợi đơn mode(SM)
Sợi đơn mode là sợi chỉ cho phép truyền dẫn một mode trong nó nhưng khả
năng về băng thông của sợi khá lớn (khoảng 40GHz). Sợi quang đơn mode phù hợp
đối với hệ thống đường trục với giá thành thấp. Mặc dù giai đoạn đầu, sợi SM mới
chỉ sử dụng trong vùng cửa số 1300nm, nhưng chúng cũng có thể hoạt động hiệu
quả trong vùng cửa sổ 1550nm đối với các hệ thống ghép kênh theo thời gian TDM
và ghép kênh theo bước sóng WDM.
Cấu trúc sợi SM như hình 2.8
25