phương pháp bù tán sắc bằng cách sử dụng sợi quang có lõi là cách tử bragg

Lời nói đầu
Trong thời gian gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự bùng nổ của nhu cầu truyền thông tin
trong mạng viễn thông, để đáp ứng nhu cầu đó, chúng ta phải có một mạng truyền dẫn có tốc độ
cao, cự ly xa, có cấu trúc hệ thống linh hoạt, độ tin cậy cao… Ở thời điểm hiện nay, chỉ có mạng
truyền dẫn quang là đáp ứng được các yêu cầu khắc khe đó. Tuy nhiên việc xây dựng được hệ
thống thông tin quang như vậy là không đơn giản, khi mà hệ thống được phát triển cho mạng
truyền dẫn hiện đại, có nhiều vấn đề cần được giải quyết[1].
Một trong các vấn đề cần được giải quyết đó là tán sắc. Cách khắc phục tán sắc thì có nhiều
nhưng trong bài nghiên cứu này, chúng ta sẽ tìm hiểu sâu về phương pháp bù tán sắc bằng cách
sử dụng sợi quang có lõi là cách tử Bragg vì phương pháp này có nhiều ưu điểm so với các
phương pháp khác. Bài nghiên cứu này sẽ trình bày về tán sắc, bù tán sắc bằng cách tử bragg
cũng như các ưu điểm của nó so với các phương pháp khác.

Page 1


Chương 1
Cơ Sở Lý Thuyết
1.Tán sắc:
1.1 Khái niệm tán sắc:
Tán sắc là sự co dãn xung ánh sáng truyền trong sợi quang,hiện tượng này có thể gây
chồng lấp giữa các bit kề cận nhau nếu xung có độ dãn lớn hơn chu kỳ bit. Tán sắc làm máy thu
nhầm lẫn giữa bit 0 và 1 được phát đi ở máy phát. Điều này làm tăng tỉ số bit lỗi (Ber) và giảm tỉ
số tín hiệu trên nhiễu (SNR) qua đó làm giảm chất lượng hệ thống thông tin.

Hình 1: minh họa tán sắc.[2]
b) xung thu được tại đầu thu và thiết bị thu không thể phân biệt được
hai xung kế tiếp

a) xung tại đầu phát

1.2 Định nghĩa tán sắc:
D=
: độ rộng xung vào, đơn vị là giây (s).
: độ rộng xung ra , đơn vị là giây (s).
D: độ tán sắc,đơn vị là giây (s).

1.3 Đơn vị tán sắc
ns/km hoặc ps/km độ trải rộng xung trên một km.
ns/nm.km độ trải rộng xung trên mỗi km với độ rộng phổ quang là 1nm.

1.4 Các loại tán sắc:
Có 3 loại tán sắc:

Tán sắc mode (chỉ xảy ra trong sợi đa mode).
Tán sắc sắc thể.
Tán sắc phân cực mode.

1.4.1 Tán sắc mode:
Nguyên nhân: Khi sóng ánh sáng được truyền vào sợi đa mode, các mode sẽ lan truyền với
vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian truyền của chúng khác nhau. Sự khác nhau về thời gian
lan truyền của các mode này gây ra tán sắc mode.
Giải thích thêm về mode sóng: Một mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng
trong sợi quang. Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái truyền ổn
Page 2


định của các đường này được gọi là mode sóng. Có thể hình dung gần đúng một mode sóng ứng
với một tia sáng[4].

Hình 2: Tán sắc mode trong sợi đa mode [3]

Công thức tính độ tán sắc mode[4]:
Sợi đa mode SI:

SI
Dmod
= T2 − T1 ≈

Ln1 V
c

GI
Dmod
= T2 − T1 ≈

Ln1 V2
8c

Sợi đa mode GI:
Trong đó:
L là độ dài lan truyền, đơn vị là mét (m).
n1 là chiết suất lõi của sợi quang.

c là vận tốc ánh sáng.
V là độ chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc.

1.4.2 Tán sắc sắc thể:
Có hai loại là tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng.

1.4.2.1Tán sắc vật liệu:
Tán sắc vật liệu xảy ra do sự chênh lệch các vận tốc nhóm của các thành phần phổ khác nhau

trong sợi quang.
Công thức tính tán sắc vật liệu:
Dmat = M mat * L *Vλ
Trong đó:
Dmat là tán sắc vật liệu.
M mat là hệ số tán sắc vật liệu, đơn vị là ps/(nm.km).
L là chiều dài sợi quang đơn vị là km.
Vλ là độ rộng phổ nguồn quang, đơn vị là nm.

1.4.2.2 Tán sắc ống dẫn sóng:
Khi ánh sáng truyền trong sợi quang, một phần lớn truyền trong lõi sợi còn một phần nhỏ
truyền trong vỏ của sợi quang. Vì hai môi trường truyền này có chiết suất khác nhau nên hai
phần ánh sáng trên truyền đi với hai vận tốc khác nhau. Sự khác biệt này là nguyên nhân của
hiện tượng tán sắc ống dẫn sóng.
Công thức tính tán sắc ống dẫn sóng:
Page 3


Dwg = M wg * L *Vλ
Dwg

là tán sắc ống dẫn sóng.

M wg

là hệ số tán sắc ống dẫn sóng, đơn vị là ps/(nm.km).
L là chiều dài sợi quang, đơn vị là km
Vλ là độ rộng phổ nguồn quang, đơn vị là nm.
Công thức tính tán sắc sắc thể:
Dchr = Dmat + Dwg = M mat + M wg * L *Vλ

Dchr là tán sắc sắc thể.
M
M= M mat + wg là hệ số tán sắc sắc thể.

1.3.3 Tán sắc tổng cộng
Tán sắc tổng cộng được xác định bằng công thức:
2
2
Dt = Dmod
+ Dchr

1.4.4 Tán sắc phân cực mode:
Mặc dù sợi quang là đơn mode nhưng trên thực tế nó luôn truyền 2 mode sóng. Bản chất
của ảnh sàng là sóng điện từ nên nó sẽ truyền đi cùng lúc 2 thành phần điện và từ theo phương
vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng.
Vì vậy nếu chiết suất của sợi quang không đồng nhất trên phương truyền của hai mode,
hiện tượng tán sắc phân cực mode xảy ra[4].

Hình 3: minh họa tán sắc phân cực mode [4]

Công thức tính tán sắc phân cực mode
Tán sắc phân cực mode tỉ lệ với căn bậc hai của chiều dài sợi quang[4]:

DPMD = d PMD L
Với

d PMD = 0, 2 ÷ 0,5( ps / km ) (hệ số tán sắc phân cực mode).
Page 4

2. Ảnh hưởng của tán sắc lên hệ thống thông tin quang:
Như đã nói ở trên tán sắc làm trải rộng xung của tìn hiệu nên làm máy thu nhầm lẫn giữa bit
0 và 1, do đó tỉ lệ BER tăng và SNR giảm, làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ viễn thông.
Ảnh hưởng của hệ thống tán sắc trên sợi quang là một yếu tố hạn chế chủ yếu, nhất là các
hệ thống có tốc độ cao thì ảnh thể hiện càng rõ nét.[5]
Ngoài các ảnh hưởng đã nêu ở trên tán sắc còn có các ảnh hưởng khác đến hệ thống thông tin
như:
Giảm cự ly truyền dẫn.
Hình minh họa cự hao tổn công suất của hệ thống thông tin quang 2,5 Gbit/s với các laser có
độ rộng phổ 0.1nm, 0.2nm và 0.3nm. Nhìn chung lượng công suất tổn hao tăng nhanh khi cự ly
truyền dẫn tăng.[5]

Hình 4: minh họa sự tổn hao công suất trong hệ thống quang 2.5Gbit/s với laser có độ rộng phổ
0.1nm, 0.2nm và 0.3nm.[5]
Đây là các hệ thống sử dụng sợi G.652 có hệ số tán sắc D=18ps/km.nm.
Từ hình vẽ trên có thể thấy được tán sắc làm giới hạn cự ly truyền dẫn một cách rõ ràng.

Giảm tốc độ truyền dẫn
Hình sau đây là kết quả tính toán sự mất mát công suất của hệ thống do tán sắc gây ra đối
với hệ thống 1 Gbit/s và 2,5 Gbit/s. Kết quả cho thấy hệ thống 2,5 Gbit/s bị tổn thất công suất hệ
thống nhiều hơn so với hệ thống 1 Gbit/s với cùng một giá trị tán sắc[5].
Page 5


Hình 5: sự mất mát sông suất của hệ thống do tán sắc đối với hệ thống 1Gbit/s và 2.5Gbit/s.
Vậy, ta thấy rằng tán sắc có ảnh hưởng rõ ràng đối với tốc độ truyền dẫn trong hệ thống
thông tin quang.
Từ 2 hình vẽ trên ta thấy được tán sắc có ảnh hưởng rõ ràng đến công suất tín hiệu dẫn đến
làm giới hạn cự ly truyền và tốc độ truyền của hệ thống thông tin quang.

3. Bù tán sắc. Tại sao phải bù tán sắc.
Như phân tích ở trên thì tán sắc làm cho các xung ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị
dãn rộng ra và điều này gây nên méo tín hiệu. Nhìn chung khi xung bị dãn sẽ dẫn tới méo tín
hiệu và làm xuống cấp đặc tính hệ thống. Xung tín hiệu mà dãn quá sẽ có thể gây ra hiện tượng
xen phủ của các xung kề nhau, và khi sự xen phủ vượt quá một mức nào đó thì thiết bị thu quang
không còn phân biệt nổi các xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu. Tán sắc đã làm
giới hạn năng lực truyền dẫn[6].
Các hệ thống thông tin sợi quang hiện nay, nhất là các hệ thống tốc độ bit cao, phần lớn
hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm nhằm sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium
(EDFA) để tăng cự ly truyền dẫn. Tuy vậy, sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (sợiG.652) có hệ số
tán sắc tại vùng bước sóng này là rất lớn. Tán sắc lớn sẽ làm méo tín hiệu và tạo ra hiện tượng
giao thoa giữa các ký tự (ISI-Intersymbol Interference) do sự dãn xung tại các khe thời gian, làm
xuống cấp chất lượng truyền dẫn và hậu quả thậm chí có thể không chấp nhận được. Nhìn chung,
ảnh hưởng của tán sắc đến năng lực truyền dẫn của hệ thống là phức tạp; điều này gây nhiều khó
khăn cho việc thiết kế các hệ thống thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa[6].

Page 6


Vì những lí do trên ,việc làm giảm tán sắc trong hệ thống thông tin sợi quang (còn được gọi
là bù tán sắc) là vô cùng quan trọng và cần thiết .Có rất nhiều phương pháp bù tán sắc và sẽ được
trình bày trong chương 2 của bài báo cáo này.

Chương 2: Các loại bù tán sắc
2.1 Kỹ thuật bù tán sắc trước (Precompensation)[7]:
Kỹ thuật này dựa trên nguyên lý chung là sửa đặc tính xung ngõ vào của bộ phát trước khi
đưa vào sợi, đó là thay đổi biên độ phổ của xung ngõ vào  như sau:




trong đó L là chiều dài sợi. Khi đó tán sắc vận tốc nhóm (GVD) sẽ được bù chính xác và xung
vẫn giữ nguyên dạng tại ngõ ra.
Kỹ thuật này gồm có kỹ thuật Prechirp, kỹ thuật mã hóa Novel và kỹ thuật Prechirp phi
tuyến.
Điều chế FM và AM tín hiệu quang cùng một lúc thì không cần thiết đối với việc bù tán sắc,
nên người ta dùng khóa dịch tần (FSK) cho việc truyền tín hiệu. Tín hiệu FSK được thực hiện
bằng việc chuyển mạch bước sóng của Lazer lệch nhau một lượng là giữa bít 0 và bít1.Hai bước
sóng sẽ lan truyền trong sợi với tốc độ hơi khác nhau.
Thời gian trễ giữa bít 1 và bít 0 phụ thuộc vào việc dịch bước sóng và đượctínhtheo công thức:
và ta chọn ∆λ sao cho ∆T=1/B.
Sự trễ này tạo ra tín hiệu quang ba mức tại đầu thu. Hình sau đây cho ta thấy sự trì hoãn một
bít tạo ra tín hiệu quang ba mức như thế nào. Do tán sắc của sợi nên tín hiệu FSK sẽ chuyển sang
tín hiệu có biên độ được điều chế. Và tín hiệu này có thể được giải mã ở đầu thu nhờ sử dụng bộ
tích phân điện kết hợp với mạch quyết định bít.

Hình 2.1: Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a) Tần số quang và công suất tín hiệu phát; b) Tần số và
công suất tín hiệu thu và dữ liệu điện được giải mã.
Một phương pháp khác là mã hóa cặp nhị phân có thể làm giảm băng thông của tín hiệu
còn 50%. Trong phương pháp mã hóa này, hai bít kế tiếp nhau trong chuỗi nhị phân gộp lại hình
thành một mã cặp nhị phân ba mức ở tốc độ bít chỉ bằng một nữa. Vì tán sắc vận tốc nhóm
Page 7


(GVD) phụ thuộc vào độ rộng băng của tín hiệu, nên khoảng cách truyền có thể tăng nhờ giảm
băng tần của tín hiệu.
Tốc độ bít 10Gbps sử dụng mã hóa cặp nhị phân thì cự ly truyền dẫn có thể tăng thêm30
đến 40km so với mã hóa nhị phân. Mã hóa cặp nhị phân có thể kết hợp với kỹ thuật lệch tần
trước.

Trong thực tế đã truyền được tín hiệu tốc độ bít 10Gbps qua cự ly 160km sợi thường nhờ
kết hợp mã hóa cặp nhị phân với bộ điều chế ngoài có C > 0.
Ưu điểm:
Mã nhị phân kép sử dụng hai bit liên tiếp trong chuỗi bit cộng lại với nhau à tạo ra được mã
nhị phân kép ba mức bán tốc. Giảm băng thông đến 50% .Nên ta giảm GVD.
Kết hợp với kỹ thuật Prechirp.
Nhược điểm :
Yêu cầu phải tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N và phải có bộ giải mã ở đầu thu.

2.2 Kỹ thuật bù tán sắc trên đường dây (In-line)
2.2.1 Bù tán sắc bằng sợi quang DCF (Dispersion Compensation Fiber)
Trong hệ thống quang đường dài yêu cầu GVD phải được bù liên tục theo chu kỳ dọc theo
đường truyền. Đặc biệt trong các hệ thống toàn quang việc sử dụng các bộ bù tán sắc quang điện
tử là không phù hợp[8]. Và một loại sợi được biết đến đó là sợi bù tán sắc. Trong thực tế để nâng
cấp các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi chuẩn hiện có, người ta thêm vào một đoạn sợi bù
tán sắc (với chiều dài từ 6 đến 8km) đối với các bộ khuếch đại quang đặt cách nhau 60 đến
80km. Sợi bù tán sắc sẽ bù tán sắc vận tốc nhóm(GVD), trong khi đó bộ khuếch đại sẽ đảm
đương nhiệm vụ bù suy hao cho sợi. Người ta thường sử dụng sợi DCF kết hợp với các bộ
khuếch đại OA (thường sử dụng bộ EDFA) để bù tán sắc trên tuyến quang, và tùy vào vị trí đặt
DCF mà có các kiểu bù như sau[9]:

Hình 2.2.1 Sử dụng sợi DCF trên tuyến quang [9].
- Ưu điểm:
Đơn giản và có độ tin cậy cao.
Dải phổ rộng, thường thì DCF bù tán sắc được cho liên tiếp nhiều bước sóng.
- Nhược điểm:
Thường thì các sợi DCF có lõi nhỏ, do đó có độ phi tuyến cao. Đồng thời suy hao của DCF
cũng khá lớn và việc sử dụng kết hợp với các OA truyền trên tuyến quang đường dài sẽ làm tăng
nhiễu ASE và nhược điểm của DCF đó là khi cần bù một lượng tán sắc lớn thì phải cần chiều dài
Page 8

sợi tỉ lệ thuận với lượng tán sắc đó, dẫn đến cồng kềnh, khó khăn cho việc thi công, lắp đặt và
chi phí các loại cáp này rất đắt so với cáp quang thông thường[9].
2.2.2 Bù tán sắc bằng bộ lọc quang
Như ở phần trước đề cập nếu sử dụng sợi DCF có chiều dài lớn hơn 5km có thể bù tán sắc
GVD cho khoảng 50km sợi quang. Việc thêm vào sợi DCF này làm gia tăng đáng kể suy hao của
tuyến quang, điều này gây ảnh hưởng đối với các ứng dụng đường dài. Chính vì lý do này, một
vài mô hình quang khác được nghiên cứu để điều khiển tác động của tán sắc. Đó là: bộ lọc cân
bằng quang (Optical Equalizing Filter), bộ lọc giao thoa (Interferometric Filter) và cách tử
quang FBG (Fiber Bragg Grating)[8].
Các bộ lọc quang hoạt động dựa trên nguyên lý giao thoa, đây là nguyên lý tự nhiên của ánh
sáng và nó rất nhạy với tần số ánh sáng ở ngõ vào và được ứng dụng trong các bộ lọc quang do
các đặc tính truyền dẫn phụ thuộc vào tần số của nó[8].
Có nhiều loại bộ lọc quang có hàm truyền đạt phù hợp với yêu cầu này và có thể được sử
dụng làm các bộ bù tán sắc trong đó đặc biệt nổi bật là các loại bộ lọc cấu trúc buồng cộng
hưởng Fabry Perot và bộ lọc giao thoa kế Mach Zehnder[9].
- Ưu điểm: nhỏ gọn (khoảng vài cm chiều dài) nhưng có khả năng bù tán sắc cho một đoạn
dài (khoảng 50km sợi quang tiêu chuẩn).
- Nhược điểm: băng thông hẹp (∼10GHz ) và nhạy với phân cực ngõ vào. Tuy nhiên, với một
bộ lọc quang lập trình được thì tán sắc GVD và bước sóng hoạt động có khả nằng điều chỉnh[8].
2.2.3 Bù tán sắc bằng tín hiệu quang liên hợp pha OPC
Mặc dù sử dụng kỹ thuật liên hợp pha quang OPC (Optical phase conjugation) cho bù tán
sắc được đề nghị từ 1979 nhưng đến 1993 kỹ thuật này mới được đưa vào thí nghiệm. Nó gây
sự chú ý rất lớn từ đó. Kỹ thuật OPC là một kỹ thuật quang phi tuyến[8].
Hầu hết các cuộc thí nghiệm về bù tán sắc được nghiên cứu trên khoảng cách truyền là vài
trăm km. Đối với đường truyền dài hơn nó đặt ra vấn đề kỹ thuật OPC có thể bù tán sắc vận tốc
nhóm GVD cho chiều dài lên đến hàng ngàn km sợi quang mà được dùng các bộ khuếch đại bù
suy hao được hay không. Trong 1 thử nghiệm mô phỏng, tín hiệu tốc độ 10 Gb/s có thể truyền
trên 6000 km trong khi chỉ sử dụng công suất trung bình dưới mức 3mW để giảm hiệu ứng phi

tuyến sợi quang. Trong 1 nghiên cứu khác cho thấy bộ khuếch đại đóng 1 vai trò quan trọng. Với
khoảng cách truyền trên 9000 km có thể thực hiện được bằng cách giữ các bộ khuếch đại cho
mỗi đoạn 40 km. Sự lựa chọn bước sóng hoạt động, đặc biệt là bước sóng tán sắc không có ý
nghĩa then chốt. Trong vùng tán sắc dị thường, công suất của tín hiệu biến đổi tuần hoàn dọc
chiều dài sợi quang. Điều này có thể dẫn tới việc tạo ra các (dải biên) sideband do hiện tượng bất
ổn điều chế. Tính không ổn định này có thể được tránh nếu thông số tán sắc tương đối lớn (D>10
ps/(km.nm)). Đây là trường hợp đối với sợi quang chuẩn bước sóng gần 1.55μm. Hiển nhiên
rằng khoảng cách truyền tối đa luôn là vấn đề quan trọng đối với nhiều hãng sản xuất, như kỹ
thuật trộn 4 bước sóng FWM, khoảng cách dùng bộ khuếch đại có thể giảm xuống dưới 3000
km[9].
Sử dụng kỹ thuật OPC cho hệ thống quang đường dài (long haul lightwave system) đòi hỏi
sử dụng các bộ khuếch đại quang và bộ pha kết hợp. Hai phần tử quang này có thể ghép lại thành
một bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại tham số. Kỹ thuật pha kết hợp không được sử dụng
trong thực tế khi các bộ khuếch đại tham số chưa thông dụng trong thương mại[8].
2.2.4 Bù tán sắc bằng cách tử Bragg
Bù tán sắc bằng cách dùng cách tử chu kì giảm dần (Chirped Grating). Khi ánh sáng vào sợi
quang kiểu này, những bước sóng khác nhau sẽ phản xạ ở những điểm khác nhau, đường đi khác
Page 9


nhau, dẫn đến bù được tán sắc nếu cấu hình thích hợp[10].

Hình 3.2.4a Cách tử Bragg trong sợi quang chiết suất giảm dần[10]
Giả sử xung tín hiệu đi vào đầu có chu kỳ dài hơn của đoạn cách tử như hình vẽ 3.2.4b. Khi
đó, những bước sóng dài hơn sẽ bị phản xạ ở gần phần đầu của đoạn cách tử hơn. Nói cách khác,
những bước sóng ngắn hơn sẽ phải đi một quãng đường xa hơn trong đoạn cách tử trước
khi chúng được phản xạ ngược lại. Kết quả là một khoảng thời gian trễ d sẽ được tạo ra giữa
thành phần bước sóng ngắn so với thành phần bước sóng dài[11].
d=

2neff L 1
c ∆λc

Trong công thức trên d là khoảng thời gian trễ, n eff là chiết xuất hiệu dụng, L là độ dài đoạn
cách tử Bragg, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, Δλc là hiệu số giữa bước sóng bị phản xạ
ở đầu đoạn cách tử (thành phần bước sóng dài nhất) so với bước sóng bị phản xạ ở cuối đoạn
cách tử (thành phần ngắn nhất)[11].

Hình3.2.4b Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi [11]
Đây là hiện tượng ngược với hiện tượng tán sắc và là nguyên lý của thiết bị bù tán sắc trong
mạng thông tin quang dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính[11].
Hình vẽ sau là một mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg chu kỳ thay
đổi tuyến tính.

Page 10


Hình 3.2.4c Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bagg chu kỳ thay đổi tuyến
tính[11]
Trên hình vẽ circulator là thiết bị ghép nối quang chỉ cho ánh sáng đi lần lượt các cổng 1, 2,
3 theo chiều kim đồng hồ. Một xung bị giãn rộng sau khi được khuếch đại sẽ đi qua một
circulator để tới đoạn cách tử Bragg có chu kỳ biến đổi như hình vẽ. Tại đoạn cách tử, thành
phần bước sóng ngắn tới trước do tán sắc sẽ phải đi thêm quãng đường nữa trước khi được phản
xạ ngược lại để tới thiết bị đầu thu. Trong khi đó, thành phần bước sóng dài hơn, đến chậm
hơn do bị tán sắc, sẽ được phản xạ ngay khi tới cách tử Bragg. Kết quả là xung tín hiệu sau khi
đi qua thiết bị bù đã được co lại[11].
Người ta đã chứng minh rằng một đoạn cách tử Bragg dài 5,7cm có thể bù cho 100km sợi
quang truyền thống có độ tán sắc 17ps/nm.km dùng bước sóng 1550nm, độ rộng phổ 0,2 nm[11].
- Ưu điểm: thiết bị hoàn toàn thụ động, kích thước nhỏ gọn trong khi bù được lượng tán sắc
lớn, dễ dàng trong việc ghép nối với sợi quang và suy hao xen nhỏ, phù hợp cho hệ thống quang

đa kênh, có khả năng điều chỉnh độ bù tán sắc một cách linh động[8].
- Nhược điểm: cần sự ổn định về nhiệt độ cao do chỉ một thay đổi nhỏ về chiều dài sợi cách
tử cũng có thể làm thay đổi hoàn toàn đặc tính bù tán sắc của chúng[8].
2.3 Kỹ thuật bù sau (post compensation)[7]:
Các kỹ thuật trong miền điện có thể được dùng để bù tán sắc vận tốc nhóm (GVD) trong
máy thu. Ta dễ dàng cân bằng ảnh hưởng của tán sắc bằng kỹ thuật điện nếu sợi quang hoạt động
như một hệ thống tuyến tính.
Việc bù sẽ dễ dàng hơn nếu bộ thu Heterodyne được sử dụng để tách tín hiệu: bộ thu này
đầu tiên chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu vi ba tại tần số trung tần và vẫn giữ thông tin về
biên độ và pha. Một bộ lọc thông dải hoạt động ở tần số vi ba với đáp ứng xung có hàm truyền
đạt là:
trong đó L là chiều dài sợi. Bộ lọc này sẽ khôi phục lại dạng tín hiệu ban đầu của tín hiệu nhận
được. Kỹ thuật này thực tế nhất đối với hệ thống Coherent.
Nhưng ta biết là bộ thu Coherent thường không thực tế (vì một số lý do) so với bộ tách sóng
trực tiếp, và mạch điện tuyến tính không thể bù GVD trong trường hợp này. Vấn đề là do thông
tin về pha bị mất khi tách sóng trực tiếp do bộ tách sóng chỉ đáp ứng biên độ quang. Khi đó một
kỹ thuật cân bằng không tuyến tính có thể được sử dụng.
Một phương pháp khác nữa là việc quyết định một bít được thực hiện sau khi xem xét dạng
sóng (dạng tương tự) qua một khoảng nhiều bít xung quanh bít ta cần quyết định.Khó khăn của
kỹ thuật này là đòi hỏi mạch điện logich hoạt động tại tốc độ bít của tín hiệu và tính phức tạp của
nó tăng theo hàm mũ của số lượng bít qua nó (số lượng bít mà một xung quang bị trải rộng ra do
GVD).
Kỹ thuật cân bằng về mặt điện thường bị giới hạn do tốc độ bít đạt được thấp và khoảng
cách truyền ngắn.
Một kỹ thuật cân bằng quang – điện dựa trên một bộ lọc ngang (transversal filter) đã được
đưa ra. Trong kỹ thuật này bộ chia công suất tại máy thu chia tín hiệu quang nhận được thành
nhiều nhánh, các nhánh có độ trễ khác nhau. Tín hiệu quang trên mỗi nhánh được chuyển sang
Page 11

dòng điện nhờ sử dụng các photodetector có độ nhạy có thể thay đổi, và tổng dòng điện quang
được sử dụng cho mạch quyết định bít. Kỹ thuật này có thể tăng khoảng cách truyền dẫn lên gấp
ba lần đối với hệ thống hoạt động ở tốc độ 5Gbps.
* Ưu điểm:
-

Thực tế nhất đối với hệ thống Coherent.

* Nhược điểm:
-

Mạch điện tuyến tính không thể bù GVD.

-

Kỹ thuật cân bằng về mặt điện thường bị giới hạn do tốc độ bít đạt được thấp và khoảng
cách truyền ngắn.

CHƯƠNG 3
BÙ TÁN SẮC BẰNG CÁCH TỬ BRAGG CÓ CHU KỲ THAY ĐỔI TUYẾN TÍNH

3.1. Tổng Quan Về Cách Tử Bragg:
3.1.1. Giới Thiệu:
Mô hình cách tử Bragg quang được đưa ra và chứng minh các tính chất của nó lần đầu tiên
vào năm 1978 bởi Hill et al. Đến năm 1989, nó được mô tả một cách rõ ràng hơn bởi Meltz et al,
cách tử Bragg quang được tạo ra bằng cách sử dụng phép chiếu giao thoa hai luồng tia cực tím
UV-exposure[12]. FBG(Fiber Bragg Grating) 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 và
trong đó có bù tán sắc. Cách tử Bragg quang thực chất là sự biến đổi tuần hoàn trong môi trường
truyền song (thường là biến đổi tuần hoàn của chiết suất môi trường [10]. Bước sóng Bragg được

tính như sau:

λB = 2 neffΛ

(3. 1)

[10]

trong đó λB là bước song cách tử bragg, neff là chiết suất của sợi quang hoặc ống dẫn sóng (vật
liệu làm cách tử bragg). 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 λB. 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. 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 [13]. Gọi P in là công suất của tín hiệu tới cách tử, P refl là công suất tín
hiệu khi qua cách tử thì ta có hệ số suy hao của cách tử bragg:

α = 10log10

Pin
(dB )
prefl

(3.2) [13]

3.1.2. Nguyên Lý Hoạt Động
Page 12

Xét hai sóng truyền theo hai hướng ngược chiều nhau với hằng số truyền dẫn β 0 và β1 .
Năng lượng được ghép từ sóng này sang sóng khác nếu chúng thoả mãn điều kiện cân bằng pha
Bragg:

β 0 − β1 =

2π
Λ

(3.3)

[10]

Trong đó Λ là chu kỳ của cách tử. Xét một sóng ánh sáng với hằng số lan truyền β 0
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.

β 0 − (− β 0 ) = 2β 0 =

β0 =

2π
Λ

2π neff

λ

(3.4)

[10]

0
Ta có
, λ0 là bước sóng của sóng đến, neff là chỉ số khúc xạ hiệu dụng của sợi quang
(vật làm cách tử Bragg), sóng được phản xạ với điều kiện là:
λ0 = 2neff Λ
(3.5)
[10]
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 3.1, 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 λ0 ở mỗi chu kỳ bằng một nửa bước sóng đến λ 0. Điều này tương đương với

neff Λ = λ0 2

(điều kiện Bragg).

Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg [13]
Dạng phổ của tín hiệu khi truyề qua FBG:

Page 13


Hình 3.2: 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

[13].

Khi tín hiệu có phổ rộng đi qua cách tử bragg thì phổ của tín hiệu sẽ hẹp lại. Đây là nguyên
lý dung để bù tán sắ trên đường truyền.

3.2. Phương Pháp Bù Tán Sắc Bằng Cách Tử Bragg Có Chu Kỳ Thay Đổi Tuyến
Tính (LCFBG)
3.2.1.Cấu Trúc Của Cách Tử Bragg Có Chu Kỳ Thay Đổi

Hình 3. 3:Mô hình cách tử Bragg chu kì thay đổi CFBG [2]
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
Page 14


cách tử này được mô tả trong hình 3. 3. CFBG được chế tạo bằng lõi sợi quang và hiện tại các
chirp đã đạt tới khoảng 0. 4 nm tại bước sóng 1549 nm [2]. Ứng dụng nổi bật của CFBG liên
quan tới việc bù tán sắc và được thể hiện trong hình 3. 3, 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 ngắn được phản xạ
khi nó đi vào cách tử với khoảng cách ngắn, còn ngược lại các bước sóng dài bị phản xạ tại các
cách tử xa hơn. Điều này có nghĩa là các bước sóng dài 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 ngắn. Đây là cơ sở của bù
tán sắc.

3.2.2.Hoạt Động:
Hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian sau một quãng đường truyền
nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang . Nó gây giao
thoa giữa các kí tự ,tăng lỗi bít ở máy thu và dẫn đến giảm khoảng cách truyên dẫn. Dựa vào yếu
tố trễ về mặt thời gian giữa các bước sóng nên bù tán sắc cách tử bragg chu kỳ biến đổi được sử

dụng để làm giảm thời gian trễ -> tín hiệu có phổ lớn sau khi qua sợi cách tử sẽ có phổ nhỏ.
Quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính là một sợi quang đơn mode có một
đoạn lõi được ghi những cách tử có chu kỳ thay đổi một cách tuyến tính dọc theo chiều dài của
quang sợi.
Λ(z) = Λ0 + Λ1(z)

(3.6)

[2]

Λ0 là chu kỳ ở điểm bắt đầu của đoạn cách tử, Λ 1 là sự thay đổi tuyến tính dọc theo chiều
dài của đoạn cách tử.
Tại vị trí z trên đoạn cách tử Bragg, một sóng ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại nếu bước
sóng của nó thoả mản công thức:
λB(z) = 2neff (z)Λ(z) (3.7) [2]
λB(z) là bước sóng Bragg tại vị trí z tương ứng với chu kỳ cách tử Λ(z).
Đặc tính của quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi là tại những vị trí tương ứng với chu
kỳ dài hơn sẽ phản xạ những ánh sáng có bước sóng dài hơn.
Giả sử xung tín hiệu đi vào đầu có chu kỳ dài hơn của đoạn cách tử như hình vẽ 4. Khi đó,
những bước sóng dài hơn sẽ bị phản xạ ở gần phần đầu của đoạn cách tử hơn. Nói cách khác,
những bước sóng ngắn hơn sẽ phải đi một quãng đường xa hơn trong đoạn cách tử trước khi
Page 15


chúng được phản xạ ngược lại. Kết quả là một khoảng thời gian trễ d sẽ được tạo ra giữa thành
phần bước sóng ngắn so với thành phần bước sóng dài.
d=

2neff L 1
c ∆λc

(3.8) [2]

[4

Trong công thức trên d là khoảng thời gian trễ, neff là chiết xuất hiệu dụng, L là độ dài
đoạn cách tử Bragg, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, Δλc là hiệu số giữa bước sóng bị
phản xạ ở đầu đoạn cách tử (thành phần bước sóng dài nhất) so với bước sóng bị phản xạ ở cuối
đoạn cách tử (thành phần nhỏ nhất).

Hình 3.4 Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi [2]
Đây là hiện tượng ngược với hiện tượng tán sắc và là nguyên lý của thiết bị bù tán sắc trong
mạng thông tin quang dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính.
Hình vẽ 3.5 là một mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg chu kỳ thay
đổi tuyến tính.

Page 16


Hình 3. 5. Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bagg chu kỳ thay đổi tuyến tính
[2]
Trên hình vẽ circulator là thiết bị ghép nối quang chỉ cho ánh sáng đi lần lượt các cổng 1, 2,
3 theo chiều kim đồng hồ. Một xung bị giãn rộng sau khi được khuếch đại sẽ đi qua một
circulator để tới đoạn cách tử Bragg có chu kỳ biến đổi như hình vẽ. Tại đoạn cách tử, thành
phần bước sóng ngắn tới trước do tán sắc sẽ phải đi thêm quãng đường nữa trước khi được phản
xạ ngược lại để tới thiết bị đầu thu. Trong khi đó, thành phần bước sóng dài hơn, đến chậm hơn
do bị tán sắc, sẽ được phản xạ ngay khi tới cách tử Bragg. Kết quả là xung tín hiệu sau khi đi qua
thiết bị bù đã được co lại. Tính toán hợp lý các số liệu về độ dài đoạn cách tử Bragg, hàm thay
đổi của chu kỳ các cách tử L(z), người ta có thể thu được xung ánh sáng có độ rộng như ở đầu
phát.

Người ta đã chứng minh rằng một đoạn cách tử Bragg dài 5, 7cm có thể bù cho 100km
quang sợi truyền thống có độ tán sắc 17ps/nm km dùng bước sóng 1550nm, độ rộng phổ 0, 2
nm[2].
3.2.3. Ứng dụng:
Với nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác như là: kích thước nhỏ gọn(nằm hoàn
toàn trong một sợi quang),xuy hao xen nhỏ, phù hợp cho hệ thống đa kênh,có khả năng điều
chỉnh độ tán sắc một cách linh hoạt [5].Thì bù tán sắc cách tử bragg chu kỳ thay đổi được dùng
trong bù tán sắc trên đường dây(In-Line) trong hệ thống thông tin quang có cự ly lớn. Nó được
đặt sau bộ khuyếch đại quang. Tuy nhiên phương pháp dùng cách tử bragg có một nhược điểm là
Page 17


cần sự ổn định về nhiệt độ cao do chỉ một thay đổi nhỏ về chiều dài sợi cách tử cũng có thể làm
thay đổi hoàn toàn đặc tính bù tán sắc của nó [5].

Tài Liệu Tham Khảo:
[1] Vũ Văn San, Hệ Thống Thông Tin Quang (Tập 1), Nhà Xuất Bản Bưu Điện, Hà Nội, 2003.
[2] Hoàng Trường Giang- Đề Tài Cách Tử Bragg Sợi Quang-Lớp D2001-VT.
[3] />[4] Lê Quốc Cường, Đỗ Văn Việt Em, Phạm Quốc Hợp, Hệ Thống Thông Tin Quang (Tập 1),
Nhà Xuất Bản Thông Tin Và Truyền Thông, Hà Nội, 2009.
[5].Nhóm 3,Đ07VTA2+3- Đề Tài Quản Lý Tán Sắc Phương Pháp Bù Tán Sắc Bằng DCF- Học
Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông,TP.HCM 2011.
[6] Đinh Thị Thu Phong , Vũ Văn San ; Xác định ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống thông tin
quang tốc độ cao (Estimation of Influence of Chromatic Dispersion in High-bitRate Optical
Fiber Communication Systems ), 8/2005.
[7] Govind P.Agrawal, “Fiber-Optic Communications Systems”, Third Edition, John Wiley &
Sons, Inc, 2002.
[8] Nguyễn Trần Anh Tuấn, Phạm Minh Tú. Đồ án điều khiển tán sắc.
[9] Trịnh Thị Xuân, báo cáo thực tập tán sắc trong thông tin quang.
Page 18

[10] Lê Quốc Cường,Phạm Quốc Hợp,Đỗ Văn Việt Em,Nguyễn Huỳnh Minh Tâm-Hệ Thống
Thông Tin Quang (Tập 2)- Nhà Xuất Bản Thông Tin Và Truyền Thông.
[11] Phương pháp bù độ tán sắc trong mạng thông tin quang tốc độ cao dùng quang sợi cách tử
Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính – - Hà Huy Thành.
[12]. Zhi Zhou, Thomas W.Graver,Luke Hsu,Jin-Ping Ou-Techniques Of Advanced FBG
Sensors: Fabrication, Demodulation,Encapsulation And Their Application In The Structural
Health Monitoring Of Bridges-Pacific Science Review,vol .5, 2003.
[13].Nguyễn Mạnh Tưởng- Đề Tài Ngiên Cứu Chế Tạo Cảm Biến Quang Sợi Sử Dụng Cách Tử
Bragg- Trường Đại Học Công Nghệ Đại Học Quốc Gia Hà Nội 2011.

Page 19