nghiên cứu chế tạo cảm biến quang sợi sử dụng cách tử bragg

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Mạnh Tưởng
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG
SỢI SỬ DỤNG CÁCH TỬ BRAGG
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành:Vật lý kỹ thuật
HÀ NỘI - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Nguyễn Mạnh Tưởng
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG
SỢI SỬ DỤNG CÁCH TỬ BRAGG
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành:Vật lý kỹ thuật
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Hội
Cán bộ đồng hướng dẫn: TS Bùi Huy
HÀ NỘI - 2011
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Phạm Văn Hội và TS Bùi Huy đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo trong quá trình em thực hiện khóa luận tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn các anh chị đang công tác tại Phòng Vật liệu và Ứng
dụng Quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã
tạo điều kiện tốt nhất giúp em thực hiện các thực nghiệm trong quá trình làm khóa
luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô đã giảng dạy trong những năm học
tập, và tập thể lớp K52V đã động viên, giúp đỡ trong thời gian qua.
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đối với gia đình,người
thân,bạn bè-những người luôn động viên và tạo những điều kiện thuận lợi nhất để em
yên tâm học tập.

Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 06 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Mạnh Tưởng
TÓM TẮT NỘI DUNG
Cách tử Bragg trong sợi quang là linh kiện quang 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:
λ
Bragg
= 2n
eff
.Λ
Bragg
Cách tử Bragg có nhiều ứng dụng trong mạng thông tin quang và trong nghiên
cứu cảm biến quang sợi như là ứng dụng chế tạo các bộ tách bước sóng quang, bù tán
sắc trên tuyến thông tin quang, làm phẳng phổ khuếch đại quang cho thiết bị EDFA và
đặc biệt có khả năng ứng dụng trong các laser sợi với độ đơn sắc cao sử dụng trong
mạng viễn thông quang và nghiên cứu chế tạo cảm biến nhiệt độ, áp suất,gia tốc…
Trong khuôn khổ khóa luận của mình,chúng tôi đã tìm hiểu một số cấu hình của
một số cảm biến sử dụng cách tử Bragg trong sợi như:cảm biến đo gia tốc,cảm biến đo
dư chấn… và xây dựng một cảm biến đo độ dịch chuyển .Với các kết quả thu được có
thể giúp chúng ta sử dụng FBG làm các sensor ứng dụng trong thực tế khi chúng ta
tích hợp, tinh giản các thiết bị quang trong hệ thống.
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung trong bản đồ án tốt nghiệp này là kết quả trong công
trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Huy và PGS.TS Phạm
Văn Hội.Tất cả các số liệu được công bố là hoàn toàn trung thực và chưa từng được
công bố tại các tài liệu hay ấn phẩm nào khác .Các tài liệu tham khảo khác đều có chỉ
dẫn rõ ràng về nguồn gốc xuất xứ và được nêu trong phần phụ lục cuối khoá luận.

Hà Nội ngày 20 tháng 5 năm 2011
Nguyễn Mạnh Tưởng
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 3
NGHIÊN CỨU CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI 3
1.1. Tổng quan về cách tử Bragg trong sợi (FBG) 3
1.1.1. Giới thiệu 3
1.1.2. Nguyên lý hoạt động 4
1.2. Các phương pháp chế tạo FBG 6
1.2.1. Phương pháp chế tạo FBG sử dụng bộ chia chùm tia 8
1.2.2. Phương pháp chế tạo FBG qua mặt nạ pha( Phase Mask) 9
1.2.3. Phương pháp chế tạo FBG bằng hệ giao thoa kế 12
1.3. Ứng dụng của FBG 13
1.3.1. Các ưu điểm chính của FBG 13
1.3.2. Ứng dụng của FBG trong bộ tách ghép kênh OADM 13
1.3.3. FBG dùng để bù tán sắc 19
1.3.4. Ứng dụng trong cảm biến 21
2.1. FBG làm cảm biến nhiệt độ 22
2.2. FBG làm cảm biến sức căng 22
2.3. Cảm biến gia tốc dựa trên FBG cho công trình kiến trúc xây dựng dân dụng 23
2.3.1. Giới thiệu 23
2.3.2. Thiết kế của sensor gia tốc FBG 24
2.4. Sử dụng FBG trong cảm biến đo môi trường lỏng 27
2.5. Cảm biến FBG đo địa chấn 29
3.2. Kết quả và nhận xét 37
KẾT LUẬN 40

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ADM Add/Drop Multiplexing Bộ tách ghép kênh

CFBG
Chirped Fiber Bragg
Grating
Cách tử Bragg sợi quang
chu kỳ biến đổi
DWDM
Dense Wavelength
Division Multiplex
Ghép kênh mật độ cao
phân chia theo bước sóng
EDFA
Erbium Doped Fiber
Amplifier
Bộ khuếch đại quang sợi
pha tạp Erbium
FBG Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang
LCFBG
Linear Chirped Fiber
Bragg Grating
Cách tử Bragg sợi quang
chu kỳ biến đổi tuyến tính
MUX Multiplexing Bộ ghép kênh
OADM
Optical Add/Drop
Multiplexing
Bộ ghép tách kênh quang
OFA Optical Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi
UFBG
Uniform Chirped Fiber
Bragg Grating

Cách tử Bragg sợi quang
chu kỳ đều
UV Ultra Violet Tia cực tím
WDM
Wavelength Division
Multiplex
Ghép kênh phân chia theo
bước sóng
MỞ ĐẦU
Mô hình cách tử Bragg quang được đưa ra và chứng minh các tính chất của nó
lần đầu tiên vào năm 1978 bởi Hilletal. Đến năm 1989, nó được mô tả một cách rõ
ràng hơn bởi Meltzetal, cách tử Bragg quang được tạo ra bằng cách sử dụng phép
chiếu giao thoa hai luồng tia cực tím UV-exposure. Với sự phát triển của mình, FBG
có liên quan trực tiếp và chặt chẽ với sự phát triển của sợi quang, nó có khả năng sử
dụng trong việc xây dựng các bộ lọc dùng để tách ghép kênh trong hệ thống truyền tải
dữ liệu đa kênh. Nổi bật nhất trong những ứng dụng này là FBG được dùng cho hệ
thống DWDM. FBG là cơ sở cho các thiết bị lựa chọn thụ động cho các bước sóng
đơn, ghép bước sóng và chọn bước sóng băng hẹp. Nó làm việc tốt trong điều kiện các
yếu tố về nhiệt độ và sức căng được đảm bảo bởi vì các điều kiện này có thể ảnh
hưởng đến độ tin cậy của FBG.
Sự phát triển nhanh chóng của FBG về các ứng dụng trong mạng viễn thông
quang và các hệ thống cảm biến đã thúc đẩy là nâng cao tốc độ đột phá trong nghiên
cứu, những kết quả này đã làm cải thiện và phát triển chất lượng cũng như các tính
năng của các thiết bị quang. Trong tương lai, các tính năng của các thiết bị này có thể
vượt qua các giới hạn hiện tại bằng việc sử dụng kĩ thuật photonic.
Tính năng nhạy cảm với môi trường là một điểm không tốt của FBG, tuy nhiên
hiện nay nó lại được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống cảm biến. Một trong các ứng
dụng là cầu chì sillica, nó liên quan đến tính chất không bị ảnh hưởng bởi điện từ
trường của FBG.
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.
Nhờ khả năng cảm biến tốt đối với sự thay đổi của môi trường nên ta dựa vào
FBG có thể xác định được các thông số vật lý cơ bản của môi trường như áp suất,
nhiệt độ,sức căng…
Hiện tại, các FBG có rất nhiều ứng dụng trong các hệ thống cảm biến như:
- Cảm biến nhiệt độ .
- Cảm biến sức căng .
1
- Cảm biến áp suất.
- Cảm biến gia tốc.
- Cảm biến độ dịch chuyển…
Nhờ các tính chất mà FBG có thể mang lại nên chúng tôi đã chọn đề tài
“Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang sợi sử dụng cách tử Bragg” làm nội dung nghiên
cứu trong khóa luận của mình.
Mục đích của khóa luận: Nghiên cứu,chế tạo cảm biến quang sợi sử dụng cách
tử FBG và khảo sát chúng khi thay đổi các điều kiện bên ngoài.Chúng tôi hy vọng
rằng các kết quả thu được ban đầu có thể là cơ sở để chúng ta có thể hoàn thiện chúng
và ứng dụng trong thực tế.
Nội dung khóa luận gồm có 3 chương:
 Chương 1. Nghiên cứu cách tử Bragg trong sợi.
 Chương 2. Cảm biến quang sợi sử dụng cách tử Bragg.
 Chương 3. Thực nghiệm và kết quả.
2
CHƯƠNG 1.
NGHIÊN CỨU CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI
1.1. Tổng quan về cách tử Bragg trong sợi (FBG)
1.1.1. Giới thiệu


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 trên.
Chỉ số chiết suất của FBG được tính theo phương trình sau :
2π
( , , ) ( , , )δ ( , , )cos( )
Λ
n x y z n x y z n x y z z
= +
(1. 1)
3
Trong đó
( , , )n x y z
là chỉ số chiết suất trung bình của lõi sợi quang và
δ ( , , )n x y z
là chỉ số điều chế và Λ là chu kì của FBG.
Một lượng nhỏ ánh sáng được phản xạ tại mỗi điểm nơi chỉ số chiết suất của
FBG thay đổi. Sự phản xạ hoàn toàn trong FBG xảy ra tại các bước sóng riêng khi ở
đó xuất hiện mode ghép mạnh nhất. Đây gọi là điều kiện Bragg được mô tả trong
phương trình (1. 2), bước sóng mà tại đó có sự phản xạ hoàn toàn được gọi là bước
sóng Bragg λ
B
. Chỉ có những bước sóng thoả mãn điều kiện Bragg là chịu ảnh hưởng
của cách tử và phản xạ một cách mạnh mẽ. FBG trong suốt đối với các bước sóng nằm
ngoài vùng bước sóng Bragg.
Bước sóng Bragg được tính như sau:
λ
B
= 2 n
eff
Λ

(1. 2)
Trong đó n
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 khúc 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.
Hệ số suy hao:
Gọi P
in
là công suất của tín hiệu tới cách tử, P
refl
là công suất tín hiệu khi qua
cách tử
Ta có hệ số suy hao là:
10
10log ( )
in
refl
P
dB
p
α
=
Khi qua FBG thì chỉ một bước sóng bị phản xạ còn các bước sóng khác truyền
qua do đó phổ tín hiệu truyền qua FB tại bước sóng Bragg bị giảm.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Xét hai sóng truyền theo hai hướng ngược chiều nhau với hằng số truyền dẫn

0
β
và
1
β
. Năng lượng được ghép từ sóng này sang sóng khác nếu chúng thoả mãn điều
kiện cân bằng pha Bragg:
4
0 1
2
π
β β
=
Λ
−
(1.3)
Trong đó
Λ
là chu kỳ của cách tử. Xét một sóng ánh sáng với hằng số lan truyền
0
β
truyền từ trái qua phải. Năng lượng từ sóng này được ghép vào sóng tán xạ chuyển
dịch theo hướng ngược lại tại cùng bước sóng nếu thoả mãn điều kiện pha Bragg.
0 0 0
2
2( )
π
β β β
=
Λ

− − =
(1.4)
Ta có
0
0
2
eff
n
π
β
λ
=
, λ
0
là bước sóng của sóng đến, n
eff
là chỉ số khúc xạ hiệu
dụng của sợi quang (vật làm cách tử Bragg), sóng được phản xạ với điều kiện là:
0
2
eff
n
λ
= Λ
(1.5)
Bước sóng λ
0
này được gọi là bước sóng Bragg. Trong thực tế, hiệu suất phản xạ
giảm khi bước sóng của sóng đến không ăn khớp với bước sóng Bragg. Do đó nếu có
một vài bước sóng được truyền vào cách tử Bragg thì bước sóng Bragg được phản xạ

trong khi các bước sóng khác được truyền qua mà không bị tổn hao hoặc tổn hao rất ít.
Sự hoạt động của cách tử có thể được hiểu bằng cách tham khảo hình 1.2, hình
vẽ cho thấy sự thay đổi tuần hoàn chỉ số khúc xạ. Sóng đến được phản xạ từ mỗi chu
kỳ cách tử. Các sự phản xạ này được cộng pha khi chiều dài đường đi của sóng λ
0
ở
mỗi chu kỳ bằng một nửa bước sóng đến λ
0
. Điều này tương đương với
0
2
eff
n
λ
Λ =
(điều kiện Bragg).
Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg

1.1.3. Phổ phản xạ và phổ truyền qua của FBG
5
Λ
Hình 1.3: Dạng phổ của tín hiệu khi qua cách tử. a) Phổ tín hiệu vào, b) Phổ tín
hiệu được truyền qua, c) Phổ tín hiệu bị phản xạ
Khi cho tín hiệu dải rộng qua cách tử thì chỉ có bước sóng phù hợp với bước
sóng cách tử được phản xạ trở lại và các bước sóng còn lại cho qua. Cường độ của tín
hiệu được phản xạ khi qua cách tử phụ thuộc vào chiều dài cách tử, độ chính xác của
cách tử.
1.2. Các phương pháp chế tạo FBG
Để chế tạo FBG ta dựa theo nguyên lý: chiếu chùm tử ngoại có năng lượng đủ
lớn để làm thay đổi cấu trúc và chiết suất của lõi sợi dọc theo chiều dài của sợi. Sự

thay đổi chiết suất trong lõi sợi quang theo quy luật tuần hoàn là do có sự giao thoa
của hai chùm tia UV.
Xét trường hợp chiếu chùm UV có bước sóng 248nm vào sợi quang có lõi là
SiO
2
pha tạp GeO
2
là vật liệu nhạy quang (14% đến 20%) nếu pha tạp thấp sẽ không
tạo được FBG.
6
Hình 1.4: cấu trúc GeO
2
trong lõi sợi quang
Khi chiếu chùm UV vào sợi tại một vị trí nào đó cấu trúc của GeO
2
bị bẻ gãy, khi
đó nguyên tử Oxi sẽ không còn ở vị trí cũ nữa mà lệch đi so với hướng ban đầu. Tại vị
trí đó chiết suất của sợi thay đổi do đó có thể tạo được chiết suất khác nhau ở từng
đoạn trong lõi sợi, nơi có cường độ UV lớn thì chiết suất tăng, nơi có cường độ UV
thấp thì giữ nguyên chiết suất nên tạo được cấu trúc của FBG.
Khi áng sáng tới bề mặt có sự thay đổi chiết suất sẽ bị phản xạ trở lại, khi thoả
mãn điều kiện Bragg thì sẽ thu được bước sóng phản xạ Bragg.
Hình 1.5 mô tả nguyên lý chế tạo FBG dựa vào hiện tượng giao thoa của hai
chùm tia UV.
Hình 1.5: Sự giao thoa của hai chùm tia UV để tạo FBG
7
Chú ý: khi sử dụng chất khác pha tạp vào lõi thì cần phải sử dụng bước sóng
khác 248nm để bẻ gãy mạch liên kết của chất pha tạp trong cấu trúc.
Có rất nhiều phương pháp chế tạo cách tử. Sau đây chúng ta tìm hiểu một số
phương pháp để chế tạo FBG.

1.2.1. Phương pháp chế tạo FBG sử dụng bộ chia chùm tia
Phương pháp được mô tả như trong hình 1.6. Chùm UV được chia làm 2 tại bộ
chia chùm tia (beam splitter) và sau đó được hội tụ tại góc θ nhờ sự phản xạ từ hai
gương UV. Phương pháp này cho phép bước sóng Bragg được chọn phụ thuộc vào
bước sóng UV theo công thức sau:
sin
2
eff uv
B
uv
n
n
λ
λ
θ
=
 
 ÷
 
(1.6)
λ
B
bước sóng phản xạ Bragg, n
eff
là chỉ số mode hiệu dụng trong sợi, n
uv
là chỉ số
chiết suất của sợi trong UV, λ
uv
là bước sóng của bức xạ UV.

Từ công thức trên ta thấy λ
B
phụ thuộc vào bước sóng của chùm tia UV và góc
hợp bởi hai chùm tia tới gây giao thoa tại sợi vì vậy khi thay đổi λ
uv
và θ thì λ
B
cũng
thay đổi tức là chu kỳ cách tử thay đổi.
Sợi được giữ ở đoạn giao thoa của hai chùm tia. Đây là phương pháp được sử
dụng thành công đầu tiên để chế tạo cách tử tại bước sóng nhìn thấy.
8
Hình 1.6: Chế tạo FBG dùng Beam splitter.
Ở đây chùm laser phải đủ lớn để khi tách ra thành hai phần thì tính chất của
chùm tia không thay đổi. Trong công nghiệp cách này rất khó để sản xuất hàng loạt.
1.2.2. Phương pháp chế tạo FBG qua mặt nạ pha( Phase Mask)
Phương pháp này lợi dụng một phần tử quang nhiễu xạ để điều chỉnh chùm tử
ngoại khắc.
* Nguyên lý nhiễu xạ qua mặt nạ pha(Phase Mask) : khi chiếu chùm tia UV
qua Phase Mask, chùm tia này sẽ được nhiễu xạ thành một vài bậc m = 0,
±
1,…Điều
này được cho thấy trong hình 1.7. Các bậc đến và bậc nhiễu xạ thoả mãn phương trình
nhiễu xạ chung, với Λ
pm
là chu kỳ của Phase Mask:
sin sin
2
pm
uv

m
i
m
λ
θ
θ
−
Λ =
 
 ÷
 
(1.7)
θ
m
/2 là góc của bậc được nhiễu xạ, λ
uv
là bước sóng UV và θ
i
là góc của chùm
UV tới.Trong các trường hợp khi chu kỳ của cách tử nằm giữa λ
uv
và λ
uv
/2 thì sóng đến
chỉ được nhiễu xạ thành một bậc (m = -1) với phần công suất còn lại giữ nguyên trong
sóng được truyền qua m = 0.
9
Hình 1.7: Nhiễu xạ của chùm tia tới Phase Mask.
* Nguyên lý chế tạo
Để việc khắc cách tử dễ dàng và có hiệu quả hơn người ta sử dụng Phase Mask

với các tia UV tới vuông góc với Phase Mask và mặt cắt của cách tử tuần hoàn trong
Phase Mask phải được chọn sao cho khi chùm tia UV đến trên Phase Mask, chùm tia
nhiễu xạ bậc không có công suất nhỏ hơn 5% công suất truyền, bậc 1 và -1 có công
suất lớn nhất (lớn hơn 37 % công suất truyền).
Hình 1.8: Chùm UV tới vuông góc được nhiễu xạ thành hai bậc
1±
Khi bức xạ UV tới vuông góc với Phase Mask (θ
i
= 0) thì bức xạ này được nhiễu
xạ thành các bậc m = 0 và m =
1±
như thấy trong hình 1.8. Đặt sợi ngay sau Phase
Mask (như thấy trong hình 1.9), mẫu giao thoa tại sợi của hai chùm nhiễu xạ bậc
1
±
được hội tụ có chu kỳ Λ
g
liên quan tới góc nhiễu xạ θ
m
/2 theo phương trình:
10
( )
2sin 2 2
pm
uv
g
m
λ
θ
Λ

Λ = =
(1.8)
g
Λ
là chu kỳ của các vân giao thoa. Chu kỳ của cách tử được khắc trong Phase
Mask được xác định bởi bước sóng Bragg được yêu cầu
B
λ
đối với cách tử trong sợi
và sử dụng phương trình (1.8) ta được:

2 2
Bragg pm
g
eff
N
n
λ
Λ
Λ = =
(1.9)
Trong đó
1N ≥
là số nguyên chỉ ra bậc của chu kỳ cách tử.
Để làm tối thiểu bậc không từ chùm tia UV đến vuông góc trên Phase Mask thì
chiều sâu được khắc nhỏ nhất d của cách tử của Phase Mask.
( )
1
2
uv

uv
d n
λ
− =
(1.10)
n
uv
là chỉ số của vật liệu Phase Mask tại bước sóng
uv
λ
.
Hình 1.9: Chế tạo cách tử FBG dùng Phase Mask
Ưu điểm:
- Tạo ra bước sóng phản xạ chính xác, đơn giản.
Nhược điểm:
11
- Mỗi loại Phase Mask chỉ chế tạo được một loại FBG (chu kỳ không đổi = chu
kỳ Phase Mask /2) mà Phase Mask khá đắt.
- Hệ số phản xạ thấp dưới 80% do sợi khó đặt vào vị trí giao thoa của hai chùm
tia và do sợi đặt gần Phase Mask chịu ảnh hưởng của rung động cơ học.
1.2.3. Phương pháp chế tạo FBG bằng hệ giao thoa kế
Sơ đồ nguyên lý được mô tả trong hình 1.10. Chiếu chùm UV vuông góc với
Phase Mask, sau khi qua Phase Mask chùm tia bị tán xạ thành nhiều chùm ứng với các
bậc
0, 1, 2, ± ±
Ta chỉ dùng nhiễu xạ bậc
1±
có cường độ lớn nhất và hướng chúng tới
hệ 2 gương giao thoa, sau khi phản xạ trên 2 gương giao thoa, hai chùm tia đó sẽ được
giao thoa trên sợi quang để tạo cách tử. Nếu để bậc 0 chiếu tới sợi sẽ ảnh hưởng tới

quá trình chế tạo FBG, do đó ta phải chắn chùm bậc 0 lại. Chu kỳ cách tử
g
Λ
chế tạo
được được tính theo công thức:
( )
2sin 2
uv
g
B
λ
θ
Λ =
(1.11)
Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG bằng hệ gương giao thoa
Ưu điểm:
- Có thể chế tạo được FBG trong dải bước sóng rộng (ví dụ loại Phase Mask
1060 có thể chế tạo được FBG có bước sóng Bragg nằm trong khoảng 1200nm tới
1600).
12
- Hệ số phản xạ cao lên tới trên 90%.
- Chiều dài cách tử có thể thay đổi được bằng cách điều chỉnh hai gương giao
thoa.
Nhược điểm
- Sự căn chỉnh hệ cần độ chính xác cao.
Ngoài các phương pháp đã kể trên còn rất nhiều phương pháp để chế tạo cách
tử.
1.3. Ứng dụng của FBG
1.3.1. Các ưu điểm chính của FBG
- FBG thuộc loại bộ lọc phản xạ, FBG phản xạ bước sóng cần dùng thay cho sự

truyền qua như các bộ lọc truyền thống khác. Nó có khả năng tách bước sóng với độ
chính xác cao (
±
0,05nm là dễ dàng đạt được).
- FBG có thể được chế tạo với sự mất mát vô cùng thấp (tại bước sóng 1550nm
có suy hao thấp nhất 0,2dB).
- Ổn định trong quá trình sử dụng và có hiệu suất cao (phản xạ gần như 100%
ánh sáng tới).
- Có kích thước nhỏ, dễ sử dụng và gỡ bỏ khi cần thiết.
- Không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ trường nên có thể sử dụng FBG trong
mạng thông tin ở những nơi có điện từ trường mạnh như tại các nhà máy điện
- Dễ tích hợp trong các sợi quang để sử dụng trong mạng viễn thông.
- Dễ chế tạo, giá thành không cao.
1.3.2. Ứng dụng của FBG trong bộ tách ghép kênh OADM
Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM là một trong những giải
pháp quan trọng nhất của các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao. Sự phát triển của
các tuyến truyền dẫn quang điểm- điểm với bước sóng đơn lên thành hệ thống truyền
dẫn quang ghép kênh theo bước sóng đã đưa ra nhu cầu về các bộ tách ghép kênh theo
bước sóng OADM dùng để tách ghép và định tuyến các kênh bước sóng khác nhau.
Các thiết bị này có thể được sử dụng tại nhiều điểm khác nhau trên mạng dọc theo các
13
tuyến truyền dẫn quang và có chức năng ghép/tách các kênh quang với các bước sóng
đã được lựa chọn, với chức năng này độ mềm dẻo linh hoạt của hệ thống đã được cải
thiện rõ rệt. Nó trở thành một phần rất quan trọng của các ứng dụng WDM, chẳng hạn
như các khu vực khác nhau có thể cùng kết nối trên một tuyến quang bằng việc tách /
ghép kênh từ một đường truyền quang. Thêm vào đó, sự mềm dẻo trong tốc độ dữ liệu
của các kênh WDM riêng biệt cho phép cung cấp tốc độ tuỳ theo nhu cầu. Mô hình
của bộ tách ghép kênh được mô tả trong hình sau :
Hình 1.11: Mô hình cơ bản của OADM

Có hai dạng OADM chính được sử dụng trong các mạng quang WDM, đó là
fixed OADM được dùng để tách hoặc ghép các tín hiệu dữ liệu trên các kênh WDM
riêng biệt cố định và OADM có thể điều chỉnh vì vậy nó có khả năng lựa chọn định
tuyến được các bước sóng khác nhau trong mạng quang. Chức năng chính của dạng
thiết bị OADM thứ hai này là cung cấp định tuyến lại một cách mềm dẻo cho các
luồng quang, định tuyến vòng cho các kết nối hỏng, do vậy nó làm cho giảm tối thiểu
việc phải ngắt dịch vụ và cũng như khả năng thích ứng hay nâng cấp mạng quang với
các kĩ thuật WDM khác nhau.
Các cấu hình đã giới thiệu trước đây dùng để thực hiện tách hay ghép kênh quang
sử dụng cả hai công nghệ Planar và công nghệ sợi. Các thiết bị Planar cung cấp các tổ
hợp giải pháp với khả năng tách và ghép nhiều kênh sử dụng duy nhất chỉ một mạch
quang tích hợp sử dụng kĩ thuật dãy cách tử dẫn sóng AWG (arrayed waveguide
gratings) hoặc kĩ thuật định tuyến cách tử dẫn sóng WGR (waveguide grating router).
Mặt hạn chế chính của thiết bị Planar là suy hao xen cao, có thể lên tới 7 dB và tính
phụ thuộc phân cực. Mặt khác các thiết bị toàn quang là cũng là các giải pháp rất hấp
dẫn bởi vì tính suy hao xen thấp, tính nhạy phân cực (phụ thuộc vào sợi và cấu hình)
14
và dễ dàng sử dụng cho việc ghép giữa các thiết bị đầu vào và đầu ra của mạng quang
bằng việc sử dụng các ghép nối đơn giản.
Một dạng riêng của các OADM toàn quang đó là dựa trên cách tử Bragg đặt giữa
các coupler quang. Cấu hình này đã được chứng minh là phù hợp cho việc thực hiện
tách ghép kênh, bao gồm các cách tử Bragg và các dạng coupler như là coupler nửa
vòng (half cycle), coupler kín (full cycle).
Các cấu hình OADM
 OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB
Cấu hình đảm bảo tính ổn định và thực hiện tốt chức năng tách ghép kênh được
đưa ra dựa trên thiết bị 4 cổng PW (planar waveguide) được mô tả trong hình … Nó
bao gồm các thiết bị : bộ chia 3 dB và cách tử ở một trong các cổng ra output của
coupler làm nhiệm vụ chọn bước sóng.
Hình 1.12: Mô hình OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB

Nguyên lý hoạt động của mô hình thiết bị này như sau: ánh sáng đưa vào cổng 1
và được chia làm 2, tại cổng ra FBG sẽ phản xạ các ánh sáng có bước sóng λ
G
và quay
trở lại cổng Dropped 4 và được lấy ra ngoài. Cổng ra còn lại của Coupler được ngâm
chìm vào trong vào trong chất lưu có chỉ số chiết suất phù hợp để làm cho ánh sáng
không phản xạ trở lại. Tín hiệu đã được chọn sẽ xuất hiện tại ở cả cổng 1 và 4 (cổng In
và Drop). Một thiết bị Isolator đặt tại cổng 1 của Coupler để bảo vệ tín hiệu vào của hệ
thống không bị ảnh hưởng bởi các tín hiệu phản xạ. Tín hiệu tách yếu hơn 6 dB so với
tín hiệu gốc đưa vào. Trong truyền dẫn, một Coupler 3 dB thứ hai sẽ chia tín hiệu
không được cách tử phản xạ. Chức năng thêm vào này được thực hiện bằng cách đưa
một tín hiệu vào cổng 3, bước sóng của tín hiệu lựa chọn sao cho nó bị phản xạ bởi
15
λ
cách tử (λ
G
) và vì vậy nó được ghép vào tín hiệu quang ở cổng 2 theo nguyên lý hoạt
động của Coupler. Một thiết bị Isolator cũng được sử dụng và đặt tại cổng 3 để cách ly
tín hiệu đưa vào và tín hiệu truyền dẫn từ cổng vào đưa tới. Khi sử dụng hai Isolator
tại cổng vào và cổng ghép thêm , cấu hình không giao thoa cho phép thực hiện khả
năng tách ghép rất tốt. Trong cấu hình này không có giới hạn hay điều kiện nào về độ
dài, vị trí hay apodisation của cách tử. Cách tử lọc bước sóng có thể được thiết kế sử
dụng phương pháp inverse scattering. Nhược điểm của cấu hình này là việc hỗ trợ mất
dung lượng cho tất cả các kênh thấp nhất 6 dB. Tuy nhiên khi so sánh nó với các thiết
bị dựa trên cơ sở PW (planar waveguide) có độ mất tín hiệu tương tự nhưng lại có sự
linh hoạt hơn trong việc chế tạo và điều chỉnh bước sóng lựa chọn của cách tử.
 OADM dựa trên FBG và cấu hình giao thoa March-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 1.13: 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
16
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.
 Cấu hình OADM sử dụng FBG và Circulator
Cấu hình này tương tự như các cấu hình 4 cổng đã nói ở trên, nhưng trong đó các
Coupler được thay thế bằng các Circulator quang. Về lý thuyết, cấu hình này sử dụng
các thiết bị không giao thoa là lý tưởng. Các tính chất phổ theo nguyên lý phụ thuộc
vào hoạt động và tính chất của FBG và có thể được thiết kế như một bộ lọc trực giao
lý tưởng sử dụng kĩ thuật scattering ngược, sự mất tín hiệu và xuyên âm chủ yếu phụ

thuộc vào hoạt động của các Circulator quang.

Hình 1.14: OADM dựa trên FBG và Circulator
Nguyên lý hoạt động của OADM dạng này như sau : ánh sáng được đưa
vào cổng In 1 và được định hướng tới FBG có bước sóng phản xạ là λ
G
, ánh sáng có
bước sóng này được cách tử phản xạ trở lại Circulator và được tách ra ở cổng Drop 4,
các phần ánh sáng còn lại sẽ chuyển qua cách tử và đưa tới Circulator 2. Ở Circulator
17