2012

BÙ TÁN SẮC SỬ
DỤNG BỘ LỌC
[Pick the date]
QUANG
[Type the
document
title]

[Year]

[Type the abstract of the document here. The abstract is
typically a short summary
GVHD:
of the contents
Th.S of the
document. Type the abstract of the document here. The
NHÓM
SVTH
: NHÓM
abstract is typically a short
summary
of the
contents 2of
the document.]

[Type the
document
subtitle]

LỚP:

TP Hồ Chí Minh, Tháng 12 năm 2012


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

CHUYÊN ĐỀ THÔNG TIN QUANG:

BÙ TÁN SẮC
SỬ DỤNG BỘ LỌC QUANG
GVHD:
NHÓM SVTH :
LỚP:

Nội dung yêu cầu :
-

Khái niệm về tán sắc.
Các loại tán sắc và đánh giá các loại tán sắc.
Các loại bộ lọc quang
Kỹ thuật bù tán sắc sử dụng bộ lọc quang (cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các kết quả nghiên
cứu đánh giá sau khi bù bằng bộ lọc quang).

L11CQVT02-Nhóm II

i



Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

LỜI MỞ ĐẦU

Mạng truyền tải quang WDM ra đời đã tạo nên những bước phát triển to lớn trong vần đề
truyền dẫn. Với sự ra đời của công nghệ WDM đã đáp ứng được những nhu cầu tăng lên rất lớn về
băng thông. Ngày nay các hệ thống thông tin quang đường trục, các hệ thống dung lượng lớn đều sử
dụng công nghệ WDM, với những tuyến liên kết điểm điểm, rồi đến những liên kết cấu trúc mạng
phức tạp hơn để phù hợp với những yêu cầu đáp ứng mạng được đặt ra. Tuy nhiên, do một số những
ảnh hưởng lớn tác động đến hệ thống WDM nên những nhà khai thác mạng vẫn chưa tận dụng được
hết những ưu điểm vượt trội của hệ thống này.
Những ảnh hưởng đó phải kể đến đầu tiên chính là các ảnh hưởng của tán sắc đối với hệ
thống WDM. Tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ của hệ thống WDM, gây
ra lỗi bit làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính của hệ thống WDM. Do đó vấn đề quản lý tán sắc
trong hệ thống WDM đã và đang rất được quan tâm.
Để không làm suy giàm giảm chất lượng dịch vụ cần phải có biện pháp khắc phục tán sắc. Có
rất nhiều kĩ thuật có thể đáp ứng được yêu cầu này.
Trong phần tìm hiểu của bài này xin trình bày kĩ thuật bù tán sắc sử dụng bộ lọc quang. Mặc
dù có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên bài báo cáo không thể tránh khỏi những
thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các Thầy và các bạn. Nhóm thực hiện xin
chân thành cảm ơn!

Bài báo cáo được chia thành 3 chương như sau:
Chương 1 : Định nghĩa - Phân loại và đánh giá các loại tán sắc.
Chương 2 : Tìm hiểu các bộ lọc quang.
Chương 3 : Kỹ thuật bù tán sắc sử dụng bộ lọc quang : nguyên lý bù, các kết quả nghiên cứu đánh
giá sau khi bù .


L11CQVT02-Nhóm II

ii


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
L11CQVT02-Nhóm II

iii


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

Mục lục
Nội dung yêu cầu :............................................................................................................i

LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................................ii
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN.........................................................iii
Mục lục...........................................................................................................................iv
1. Khái niệm tán sắc:........................................................................................................v
2.Các loại tán sắc và đánh giá các loại tán sắc...............................................................vi
2.1.Tán sắc mode ( Intermodal Dispersion ) : ...........................................................vi
2.2.Tán sắc sắc thể ....................................................................................................vii
2.2.1.Tán sắc chất liệu ( Material Dispersion )......................................................vii
2.2.2.Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion)............................................ix
2.3.Tán sắc phân cực mode ( Polarization Mode Dispersion )........................x
1.Khái niệm các bộ lọc quang học :.............................................................................xiii
1.1 Bộ lọc cố định.....................................................................................................xiii
1.1.1 Bộ lọc Fabry-Perot :....................................................................................xiii
1.1.2Bộ lọc nhiễu màng mỏng:.............................................................................xiv
1.1.3Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF).........................................xvi
1.2 Các bộ lọc thay đổi được..................................................................................xviii
1.2.1Bộ lọc điều chỉnh được Fabry-Perot...........................................................xviii
1.2.2Cách tử nhiễu xạ...........................................................................................xix
1.2.3Cách tử Bragg sợi (FBG)..............................................................................xix
1.2.4Bộ lọc điều chỉnh Mach-Zehnder(MZF)......................................................xix
1.2.5Bộ lọc quang âm học (AOTF):......................................................................xx
1 Kỹ thuật bù tán sắc sử dụng bộ lọc quang.................................................................xxi
2.Một số loại bộ lọc dùng để bù tán sắc.................................................................xxiv
2.1Giao thoa kế Fabry Perot (FP).......................................................................xxiv
2.2Giao thoa Mach-Zehnder (MZ).....................................................................xxvi
KẾT LUẬN..............................................................................................................xxxvi
.................................................................................xxxvi
Tài liệu tham khảo....................................................................................................xxxvi
L11CQVT02-Nhóm II


iv


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

.............................................................................................xxxvi

1. Khái niệm tán sắc:
Tán sắc là hiện tượng tín hiệu quang truyền qua sợi quang bị biến dạng. Nếu xung bị giãn
ra gọi là tán sắc dương, ngược lại nếu xung bị hẹp lại gọi là tán sắc âm. Trong trường hợp tán
sắc dương, nếu xung giãn ra lớn hơn chu kỳ bít sẽ dẫn tới sự chồng lấp giữa các bít kế cận.
Kết quả là đầu thu không nhận diện được bít 1 hay bít 0 đã được truyền đi ở đầu phát, dẫn tới
bộ quyết định trong đầu thu sẽ quyết định sai, và khi đó tỉ số BER tăng lên, tỷ số S/N giảm
và chất lượng hệ thống giảm.
.

Hình 1.1 Hiện tượng tán sắc làm giãn xung ngõ ra

Gọi D là độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, đơn vị là giây ( s ). Khi đó D được xác
định bởi:
D = τ o2 − τ i2

Trong đó τi , τo lần lượt là độ rộng xung ngõ vào và ngõ ra của sợi quang ( đơn vị là s ).
Độ tán sắc qua mỗi km sợi quang được tính bằng ns/km hoặc ps/km. Đối với loại tán sắc phụ
thuộcvào bề rộng phổ của nguồn quang thì lúc đó đơn vị được tính là ps/km-nm.

L11CQVT02-Nhóm II


v


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

2. Các loại tán sắc và đánh giá các loại tán sắc
Tán sắc tổng

Tán sắc mode

Tán sắc phân cực mode

Tán sắc chất liệu

Tán sắc sắc thể

Tán sắc ống dẫn sóng

Sợi đơn mode

Sợi đa mode

2.1.Tán sắc mode ( Intermodal Dispersion ) :
Tán sắc Mode hình thành là do năng lượng của ánh sáng phân tán thành nhiều mode. Mỗi mode lại
truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian truyền cũng khác nhau. Chính sự khác nhau về thời
gian lan truyền của các Mode gây ra tán sắc Mode.

Sự phụ thuộc của dmod vào số mũ trong hàm chiết suất được biểu diễn theo hình sau :

L11CQVT02-Nhóm II

vi


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

Dmod (ns/km)

1,0

0,1

0,01 0

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8


g

Hình 2.1 Tán sắc (dmod) thay đổi theo chiết suất

2.2.Tán sắc sắc thể
Dchr = Dmat + Dwg = L. ∆λ. Mmat + Mwg

2.2.1. Tán sắc chất liệu ( Material Dispersion )

Hình 2.1 Mô tả tán sắc chất liệu.
Do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải đơn sắc mà gồm một khoảng bước sóng nhất định. Mỗi
bước sóng lại có vận tốc truyền khác nhau nên thời gian truyền cũng khác nhau.Độ trải rộng xung do
tán sắc có thể đo được bằng thời gian trễ nhóm trong sợi quang.

L11CQVT02-Nhóm II

vii


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

Về ý nghĩa vật lý, tán sắc do chất liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm bề rộng phổ nguồn
quang qua mỗi km sợi quang. Đơn vị của độ tán sắc do chất liệu M là ps/nm.km. Sự biến thiên của
tán sắc chất liệu M theo bước sóng λ như hình H.2.2
d (Ps/nm.km)

Dmat

16

Dchr=dmoddwg

12

8

1200

1300

1400

1600

4

0
Hình 2.2 Tán sắc chất liệu dmode, tán sắc dẫn sóng dwg và tán sắc sắc thể thay đổi theo bước sóng.
-4
Ở bước sóng 850nm, độ tán sắc do chất liệu M khoảng 90 đến 120 ps/nm.km. Nếu sử dụng
nguồn quang là LED có bề rộng phổ ∆λ = 50nm thì độ rộng xung quang khi truyền qua mỗi km:
-8

Dmat=M . ∆λ
Dmat = 100ps/nm.km x 50nm = 5ns/km.

Còn nếu nguồn
-12 quang là laser diode có ∆λ = 3nm thì độ nới rộng xung chỉ khoảng 0.3 ns/km.

Ở bước sóng 1300nm tán sắc chất liệu bằng tán sắc dẫn sóng nhưng ngược dấu nên tán sắc sắc thể
bằng không.
-16
Ở bước sóng 1500nm tán sắc chất liệu khoảng 20ps/nm.km.

L11CQVT02-Nhóm II

viii


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

2.2.2. Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion)

Hình 2.3 Tán sắc ống dẫn sóng
Đối với sợi đơn mode, khi nói đến tán sắc sắc thể, ngoài tán sắc chất liệu còn phải xét đến tán sắc dẫn
sóng. Khi ánh sáng được ghép vào sợi quang để truyền đi, một phần chính truyền trong phần lõi sợi,
phần nhỏ truyền trong phần lớp vỏ với những vận tốc khác nhau do chiết suất giữa phần lõi và vỏ của
sợi quang khác nhau(Hình 2.3). Sự khác biệt vận tốc truyền ánh sáng gây nên tán sắc ống dẫn sóng.

Tán sắc dẫn sóng DW là một thành phần đóng góp vào tham số tán sắc D, nó phụ thuộc
vào tần số chuẩn hóa V ( tham số V ) của sợi quang. Tán sắc dẫn sóng D W được tính theo
công thức sau:

Với: n2g là chỉ số nhóm của vật liệu.
b là hằng số lan truyền chuẩn.

Với


là chỉ số mode, có giá trị nằm trong dải
β = n.k0 là hằng số lan truyền dọc theo trục sợi.
k0 = 2π/λ là hằng số lan truyền trong không gian tự do.

∆ là giá trị chênh lệch chiết suất. Được giả thiết là tham số không phụ thuộc
vào tần số, ∆ = ( n1 – n2 )/n1.
L11CQVT02-Nhóm II

ix


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

V là tần số chuẩn hóa hay tham số V hay số V.

Ảnh hưởng của tán sắc dẫn sóng lên độ giãn xung có thể được khảo sát trong điều kiện
giả thiết rằng: chỉ số chiết suất của vật liệu không phụ thuộc vào bước sóng.
2.3.Tán sắc phân cực mode ( Polarization Mode Dispersion )
Tán sắc mode phân cực là một đặc tính cơ bản của sợi quang và các thành phần sợi quang
đơn mode trong đó năng lượng tín hiệu tại một bước sóng nào đó bị phân thành hai mode
phân cực trực giao. Nguyên nhân chính dẫn đến sự phân cực trực giao này là do cấu trúc
không hoàn hảo của sợi quang, được gọi là sự chiết quang. Sự khác biệt về chiết xuất sẽ sinh
ra vận tốc mode khác nhau, vận tốc truyền của hai mode khác nhau nên thời gian truyền cùng
khoảng cách là khác nhau gây ra trễ nhóm . Vì vậy PMD gây nên hiện tượng giãn rộng xung
tín hiệu làm giảm chất lượng truyền dẫn. Về phương diện này ảnh hưởng của PMD cũng
giống như ảnh hưởng của tán sắc ống dẫn sóng.


Hình 2.4 Minh họa tán sắc phân cực mode

Sự dãn xung có thể được xác định từ thời gian trễ ∆T giữa hai thành phần trực giao
trong khi truyền xung. Với sợi quang có độ dài L thì ∆T được tính như sau:

L11CQVT02-Nhóm II

x


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

∆T =

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

L
L
−
= L β 1x − β 1 y = L( ∆β 1 )
v gx v gy

Trong đó: chỉ số phụ x, y dùng để phân biệt hai mode phân cực trực giao.
∆β1 được gắn liền với sự khác nhau trong vận tốc nhóm cùng với hai trạng
thái chính của sự phân cực.
Sự liên hệ giữa vận tốc nhóm vg với hằng số lan truyền β được cho bới công thức sau:
vg = ( dβ/dω )-1
Do vậy lượng ∆T/L chính là số đo của PMD. Đối với các sợi duy trì phân cực thì ∆T/L
là hoàn toàn lớn ( ~ 1 ns/km ) khi hai thành phần phân cực được kích thích bằng nhau tại đầu
vào sợi nhưng có thể bị giảm tới không bằng việc phát xạ ánh sáng dọc theo một trong các

trục cơ bản.
Nhưng công thức ( 2.13 ) không thể dùng một cách trực tiếp để xác định PMD đối với
các sợi quang tiêu chuẩn trong mạng viễn thống là do tính ghép ngẫu nhiên giữa hai mode
được sinh ra từ sự xáo trộn ngẫu nhiên của lưỡng chiết xảy ra dọc theo sợi. Việc ghép có
khuynh hướng làm cân bằng thời gian lan truyền cho hai thành phần phân cực dẫn đến giảm
PMD. Trong thực tế thì PMD được đặc trưng bởi giá trị căn trung bình bình phương RMS
của ∆T thu được sau khi lấy trung bình những xáo trộn ngẫu nhiên. Kết quả thu được như
sau:

Ở đây lc là độ dài tương quan được định nghĩa như là độ dài qua hai thành phần phân
cực có mỗi tương quan; giá trị của nó có thể biến đổi trên dải rộng từ 1m đến 1km đối với các
sợi khác nhau, giá trị đặc trưng ≈ 10m.
Đối với các khoảng cách ngắn như z << l c , σT = ( ∆β1 ).z từ công thức (2.14), như
mong đợi đối với sợi duy trì phân cực. Đối với khoảng cách z > 1km, sự đánh giá tốt nhất của
xung mở rộng thu được sử dụng z >> lc. Cho độ dài sợi là L, σT được tính xấp xỉ thành:

Trong đó : Dp là tham số tán sắc phân cực với các giá trị tiêu biểu nằm trong khoảng D p = 0,1
÷ 1 ps/ km1/2. Do có sự phụ thuộc L1/2 nên sự dãn xung do PMD là tương đối nhỏ so với các
hiệu ứng GVD. Tuy nhiên PMD có thể trở thành nhân tố giới hạn cự ly xa của các hệ thống
thông tin sợi quang hoạt động trên các khoảng cách dài ở những tốc độ bit cao. Ngoài ra

L11CQVT02-Nhóm II

xi


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em


trong một số trường hợp PMD có thể làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính hệ thống do dãn
xung qua mức
Như vậy ta có thể tổng kết lại như sau:

Tán sắc sắc thể chỉ xảy ra đối với sợi đơn mode, đối với sợi đa mode tất cả các loại tán sắc đều có
thể xảy ra.
- Tán sắc mode: Do năng lượng của ánh sáng phân tán thành nhiều mode. Mỗi mode lại
truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian truyền khác nhau.
- Tán sắc sắc thể: Do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải là đơn sắc mà gồm một
khoảng bước sóng nhất định. Mỗi bước sóng lại có vận tốc truyền khác nhau nên thời gian truyền
cũng khác nhau.
- Tán sắc phân cực mode: Được gây ra do sự phân cực của ánh sáng. Hai phần phân cực của
ánh sáng được lan truyền trong sợi quang với tốc độ khác nhau

Độ tán sắc tổng cộng: Dt = Dmode + Dchr + Dpol

Kết luận : Tán sắc gây ra những ảnh hưởng rất lớn đến các hệ thống thông tin quang
tốc độ cao nói chung và hệ thống WDM nói riêng. Chúng làm hạn chế khoảng cách truyền
dẫn cũng như tốc độ của hệ thống, thêm nữa chúng có thể gây ra lỗi bit, gây xuống cấp
nghiêm trọng các đặc tính của hệ thống. Nhằm hạn chế và loại bỏ chúng, chúng ta cần phải áp
dụng những phương pháp bù phù hợp để sao cho có thể bù được toàn diện nhất. Đối với các
hệ thống WDM chúng ta cần phải chú trọng hơn hết đến các tán sắc bậc cao và tán sắc mode
phân cực, chúng là những tán sắc chính gây ra những ảnh hưởng xấu đến chất lượng, cũng
như đặc tính của hệ thống này.
L11CQVT02-Nhóm II

xii


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang


GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

CHƯƠNG 2
1.Khái niệm các bộ lọc quang học :
Một bộ lọc quang là thiết bị chỉ cho phép một bước sóng duy nhất truyền qua còn tất cả các bước
sóng khác đều bị chặn lại.
Nguyên lý cơ bản nhất của bộ lọc là sự tự giao thoa giữa các tín hiệu,bước sóng hoạt động của bộ lọc
sẽ được cộng pha nhiều lần khi đi qua nó,các kênh bước sóng khác, ngược lại, sẽ bị triệt tiêu về pha.
λ1,λ2…λN

Otical
filter

λk(1≤k≤N)

Hình 2.1: Bộ lọc quang

Tùy theo khả năng điều chỉnh kênh bước sóng hoạt động,người ta chia bộ lọc làm hai phần : cố định
(fixed filter)và bộ lọc điều chỉnh được(tunable filter). Bộ lọc cố định chỉ cho một bước sóng cố định
đã được định trước truyền qua, còn với loại bộ lọc thay đổi được thì chúng ta có thể chọn bước sóng
được phép truyền qua nó. Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu các bộ lọc ứng dụng được tính chất độ lợi
phẳng của EDFA, vì các bộ lọc trong thực tế đều được đặc tính hóa theo các tham số mà chúng ta
khảo sát ở đây.

1.1 Bộ lọc cố định
Hầu hết các kỹ thuật dùng để tạo ra các bộ ghép và phân kênh WDM đều được dùng để chế tạo bộ
lọc quang.

1.1.1 Bộ lọc Fabry-Perot :

Những bộ lọc này được tạo ra dựa theo các bộ cộng hưởng Fabry-Perot(FB). Bước sóng truyền qua
bộ lọc được tính theo công thức sau:

2L / N = λ N

(2.1)

với L là chiều dài khoang, N là một số nguyên. Bộ cộng hưởng FB chỉ cho phép truyền qua những
bước sóng nào thoã mãn điều kiện cộng hưởng được dự báo theo công thức 4.1. Khoảng cách giữa
hai bước sóng cộng hưởng kế tiếp nhau là:

λ N − λ N +1 = λ2 / 2 L
Hàm truyền đạt của một bộ lọc FB tính được từ công thức sau:

T

FPF

= [α m (1 − R ) 2 ] /{(1 − Rα m ) 2 + 4 Rα m sin 2 [(ω − ω 0 ) L / v]}

L11CQVT02-Nhóm II

(2.2)

xiii


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em


với α m là suy hao bên trong, R là hệ số phản xạ, L là chiều dài khoang và v là vận tốc ánh sáng
truyền trong hốc, bằng c/n với n là chiết suất môi trường. Rõ ràng T FPF là một hàm tuần hoàn, chu kỳ
của nó (FSR) bằng:

FSR = v / 2 L = c / 2 Ln

(2.3)

R=0,3

FSR
1,0

R=0,5
0,5
R=0,99
-1

0

1

Hình 2.2

Hàm truyền TFPF được trình bày trên hình sau.
Cần lưu ý vai trò của hệ số phản xạ: Hệ số phản xạ càng cao thì các đặc tính kỹ thuật truyền dẫn thể
hiện càng rõ nét. Kỹ thuật dùng màng mỏng được sử dụng để làm tăng hệ số phản xạ của các gương
FP.
Băng thông 3dB của mỗi đỉnh của một TFPF nhận được từ công thức sau:

BWFPF ( BWHM ) = (c / 2 Ln)[(1 − R ) / R ]

(2.4)

Ở đây ta đã bỏ qua suy hao α m = 1 . Phẩm chất của bộ lọc FP được gọi là (F), được xác định như sau:

F = FSR / BWFPF = π R /(1 − R)

(2.5)

Với FPF có độ phản xạ cao, F xấp xỉ bằng số kênh mà bộ lọc có thể đáp ứng được. Giá trị của F
thường nằm trong khoảng 20 đến 120 và có thể tăng cao hơn nữa.

1.1.2 Bộ lọc nhiễu màng mỏng:
Bộ lọc này phụ thuộc vào ảnh hưởng của nhiễu giữa các sóng ánh sáng phản xạ từ các lớp mỏng khác
nhau, được thể hiện trên hình sau.

L11CQVT02-Nhóm II

xiv


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

λ/4
λ/4
Hình 2.3 Ảnh hưởng của nhiễu trong bộ lọc màng mỏng


Nếu bề dày của các lớp này bằng λ 4 thì anh sáng bước sóng λ sẽ có độ dịch pha tương ứng sau khi
qua mỗi lớp là π khi góc tới bằng 0. Sóng phản xạ ngược pha so với sóng tới, chúng giao thoa triệt
tiêu lẫn nhau. Nói cách khác là bước sóng λ truyền qua được màng lọc trong khi các bước sóng khác
thì không. Cấu trúc nhiều lớp như trên làm tăng hiệu quả và làm cho các đặc tính truyền dẫn của bộ
lọc gần lý tưởng hơn. Kỹ thuật này đã được sử dụng trong nhiều năm và có rất nhiều ứng dụng.
Nếu mỗi lớp có bề dày bằng λ 2 thì sóng tới và sóng phản xạ đồng pha nhau nên biên độ tín hiệu
được tăng lên. Khi đó các màng mỏng có độ phản xạ cao được sử dụng để tạo ra bộ lọc khoang cộng
hưởng Fabry-Perot.

L11CQVT02-Nhóm II

xv


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

1.1.3 Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF)
Bộ lọc màng mỏng TFMF (Thin-film filter) cũng là 1 dạng của giao thoa kế Faby-perot,trong đó các
gương bao quanh hốc cộng hưởng được thực hiện bằng nhiều lớp màng mỏng điện môi có thể phản
xạ được.Bô lọc này là bộ lọc dải thông chỉ cho một bước sóng nhất định đi qua và phản xạ các bước
sóng còn lại.Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF) gồm nhiều hốc cộng hưởng cách nhau
bằng các màng mỏng điện môi phản xạ như hình minh họa (trong hình 2.4 trong bài báo cáo).Số hốc
cộng hưởng càng nhiều thì hàm truyền đạt công suất có đỉnh càng phẳng trong dải thông và có độ dốc
càng đứng .
Những bộ lọc này gồm nhiều khoang FP, làm cho các đặc tính truyền dẫn của bộ lọc tiến gần đến
trường hợp lý tưởng.Một bộ lọc cộng hưởng màng mỏng (TFF) là một bộ giao thoa Fabry Perot. Với
các gương là các lớp màng mỏng điện môi phản xạ. Nó hoạt động như một bộ lọc băng thông cho
một số bước sóng đi qua còn các bước sóng khác bị phản xạ lại. Các bước sóng truyền qua được xác

định nhờ chiều dài của hốc cộng hưởng. Một bộ lọc màng mỏng nhiều hốc cộng hưởng (TFMF) gồm
nhiều hốc cộng hưởng được ngăn cách bởi các lớp màng mỏng điện môi phản xạ như hình sau :

Hình 2.4: Cấu tạo bộ lọc gồm có 3 khoang
cộng hưởng

L11CQVT02-Nhóm II

xvi


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

Hình 2.5: Hàm truyền đạt công suất đối với các trường hợp gồm: 1,2,3 khoang cộng hưởng
Hàm truyền đạt của các bộ lọc mang mỏng có một,hai và ba hốc cộng hưởng.
Việc tăng càng nhiều hốc cộng hưởng giúp cho đỉnh của dải thông càng phẳng và cạnh sườn càng
dốc. Đây là hai đặc điểm mong muốn của bộ lọc.
Để tạo các bộ ghép và bộ tách, ta ghép các bộ lọc được ghép theo kiểu cascade với nhau như hình

Hình 2.6: Bộ lọc ghép/tách kênh được tạo từ các bộ lọc màng mỏng điện môi

L11CQVT02-Nhóm II

xvii


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang


GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

Trong bộ tách, bộ lọc thứ nhất sẽ cho một bước sóng đi qua và phản xạ tất cả các bước sóng còn lại.
Đến ngỏ vào bộ lọc thứ hai lại có thêm một bước sóng nữa được truyền qua còn tất cả các bước sóng
còn lại cũng bị phản xạ lại, và cứ tiếp tục như vậy.
Phần tử này có nhiều ưu điểm: dải thông phẳng, cạnh sườn dốc, ổn định đối với nhiệt độ, suy hao
thấp, nhạy cảm với trạng thái phân cực của tín hiệu. Các thông số cho một bộ ghép 16 kênh được cho
trong bảng
Một bộ lọc nhiều khoang sử dụng màng mỏng điện môi (TFMF) là thiết bị được cấu tạo từ nhiều
khoang FP và sự phản xạ xảy ra do nhiều lớp màng mỏng bên trong (Xem hình trên). Cấu trúc như
vậy tận dụng được mọi ưu điểm về đặc tính truyền dẫn của nhiều lớp màng phản xạ mỏng và nhiều
khoang FP.

1.2 Các bộ lọc thay đổi được
Đây là loại bộ lọc có khả năng chọn lựa bước sóng truyền qua nó. Những bộ lọc này là loại phần
tử tích cực vì chúng đòi hỏi phải có nguồn cung cấp từ bên ngoài. Tuy nhiên chúng ta vẫn khảo sát
chúng trong phần này vì chức năng của chúng cũng tương tự với các loại bộ lọc đã học.
Một tập hợp các bước sóng đi vào bộ lọc, một bộ phận điều khiển việc lựa chọn bước sóng mong
muốn.
Chúng ta cần loại bộ lọc này cho 2 mục đích: lọc các kênh bước sóng trước các máy thu và xây dựng
một mạng chuyển mạch quang linh động.
Tốc độ điều chỉnh phụ thuộc vào kiểu mạng mà chúng ta sử dụng. Mạng chuyển mạch quang đang sử
dụng yêu cầu tốc độ tương đối thấp, thời gian chuyển mạch tính bằng ms. Còn mạng chuyển mạch
gói thì có thời gian chuyển mạch cỡ µs và thậm chí là ns nên đòi hỏi 1 tốc độ cao hơn. Bộ lọc điều
chỉnh được còn có 1 số ứng dụng khác như: trong các đường dây trễ, lazer sợi thay đổi được, các thiết
bị đo lường,…

1.2.1 Bộ lọc điều chỉnh được Fabry-Perot
Bộ lọc Fabry-Perot gồm một khoang được tạo bởi hai gương có hệ số phản xạ cao đặt song song với
nhau. Ánh sáng đi vào gương thứ nhất, một phần đi qua gương thứ hai, phần còn lại được phản xạ

qua lại giữa hai bề mặt của hai gương. Bộ lọc dạng này gọi là giao thoa kế (interferometer) hay vật
chuẩn ( etalon) Fabry-Perot.
Chúng ta đã biết bước sóng trung tâm của bộ lọc cố định FP phụ thuộc vào chiều dài L của khoang
cộng hưởng FP, λ N=2L/N. Như vậy thì để tăng bước sóng trung tâm ta chỉ cần tăng L. Sự tăng này
được điều khiển bởi piezoceramic. Những piezoceramics này thay đổi chiều dài theo điện áp đặc vào
chúng, do đó bước sóng lọc cũng thay đổi theo. Loại thiết bị này được gọi là bộ lọc Fabry-Perot sợi
(FFB). Ưu điểm của bộ lọc này là có khoảng động lớn, tốc độ điều chỉnh nhanh, PDL thấp. Tuy nhiên
nó cũng có nhược điểm là độ ổn định và tỷ số triệt sóng phụ thấp.

L11CQVT02-Nhóm II

xviii


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

Công thức 4.1 xác định bước sóng trung tâm của bộ lọc FB, λ N=2L/N, ở đây L là chiều dài quang
học của 1 khoang, L=Lon với Lo là chiều dài hình học của khoang và n là chiết suất của môi trường
trong khoang. Do đó, nếu chúng ta có thể điều khiển được n thì cũng đồng nghĩa với điều khiển được
bộ lọc. Tinh thể lỏng có chứa sắt có thể thay đổi chiết suất theo tín hiệu điện rất thích hợp cho bộ lọc
này. Các đặc tính kỹ thuật của bộ lọc này rất tốt và nó được dành cho trường hợp số lượng lớn.

1.2.2 Cách tử nhiễu xạ
Khả năng điều chỉnh của 1 cách tử nhiễu xạ được xác định bởi công thức : dsin=m λ với m ∈ Z.
Trong thực tế, cách thay góc là làm nghiêng cách tử. Các đặc tính của bộ lọc này đều thoả mãn, trong
đó có 1 ưu điểm chính là có khoảng động rộng.

1.2.3 Cách tử Bragg sợi (FBG)

Cách tử Bragg được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin quang. Mọi sự biến đổi tuần hoàn
trong môi trường truyền sóng (thường là biến đổi tuần hoàn chiết suất môi trường ) đều có thể hình
thành cách tử Bragg.
Ta thấy có thể điều chỉnh 1 FBG bằng cách thay đổi bước cách tử . Và ta có thể thay đổi bằng cách
dùng lực kéo và nung nóng cách tử. Ưu điểm của bộ lọc này là suy hao thấp, dễ dàng thực hiện ghép
bước sóng, băng thông hẹp và độ phân giải cao, còn nhược điểm là khoảng động nhỏ nhưng có thể
khắc phục bằng cách sử dụng nhiều tầng FBG.

1.2.4 Bộ lọc điều chỉnh Mach-Zehnder(MZF)
Cấu hình cơ bản được trình bày trên hình sau.

Hình 2.7: MZI được tạo thành bằng cách kết nối các couplers 3dB
L11CQVT02-Nhóm II

xix


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

Người ta sử dụng cấu hình đối xứng của 1 máy đo giao thoa Mach-Zehnder để chế tạo 1 MZF điều
chỉnh được. Việc điều chỉnh được thực hiện bằng cách thay đổi chiết suất của 1 nhánh: nung nóng
hoặc sử dụng vật liệu quang điện. Đặc tính của bộ lọc này rất tốt.

1.2.5 Bộ lọc quang âm học (AOTF):
Bộ lọc này đặt cơ sở chủ yếu trên cách tử Bragg cách tử được tạo bởi sóng âm. Bộ lọc này
chuyển đổi sóng TE thành TM và ngược lại.

Hình 2.8 : Một AOTF đơn giản

Nguyên lý hoạt động của 1 AOTF: 2 ống dẫn sóng Titan(Ti) chế tạo theo cấu hình Mach-Zehnder
được khắc vào 1 bán dẫn LiNbO 3. ánh sáng vào bộ lọc được tách thành các sóng TE & TM bằng 1 bộ
phân cực ngõ vào. Sóng TE truyền theo nhánh trên còn sóng TM truyền dọc theo nhánh dưới. Bộ
chuyển đổi tạo ra 1 sóng âm bề mặt (SAW). Sóng này gây ra sức căng trong LiNbO 3, tạo ra trạng thái
xáo trộn định kỳ chiết suất của LiNbO 3. Trạng thái xáo trộn này giống như cách tử Bragg động. Do
sự tương tác với cách tử, công suất từ mode TE với bước sóng thoả điều kiện cộng hưởng được
chuyển thành mode TM và ngược lại. Bộ phân cực ngõ ra có nhiệm vụ kết hợp các mode TE & TM ở
ngõ ra.
Điều kiện cộng hưởng:

λm

= Λ ( ∆ n)

(2.6)

λ m là bước sóng được chọn, Λ là bước cách tử tạo bởi sóng âm và n=nTE-nTM là độ chênh lệch chiết
suất của LiNbO3 đối với các mode TE & TM.
Loại bộ lọc có thể điều chỉnh được đặc trưng bởi một số thông số chính sau:
 Khoảng động còn gọi là khả năng thay đổi bước sóng (nm): là tập hợp các bước sóng mà bộ
lọc có thể điều khiển.
 Băng thông (BW).
 Số kênh làm việc: là tỷ số giữa khoảng động và khoảng các kênh tối thiểu được xác định bởi 1
mức xuyên nhiễu yêu cầu.
 Tốc độ điều chỉnh: được đo bằng thời gian cần để tăng 1 bước sóng cần thiết.
L11CQVT02-Nhóm II

xx



Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

 Suy hao hay suy hao xen (dB): được tính theo công thức
 IL12=-10log(p1/p2)
 Suy hao do phân cực (PDL-dB): .
Tỷ số triệt sóng phụ (SSR-dB): là tỷ số giữa công suất max của đỉnh kế cận đầu
tiên và công suất của đỉnh chính.
Độ phân giải: là độ dịch tối thiểu của 1 bước sóng mà bộ lọc có thể phát hiện
được.

CHƯƠNG 3
1 Kỹ thuật bù tán sắc sử dụng bộ lọc quang
1.1 Nguyên lý bù của Bộ Lọc Quang :
Có ba kỹ thuật quản lý tán sắc cơ bản đó là xử lý tại đầu phát, xử lý tại đầu thu và xử lý trên đường
truyền. Bù tán sắc bằng bộ lọc thuộc kỹ thuật quản lý tán sắc trên đường truyền.

L11CQVT02-Nhóm II

xxi


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

Hình 3.1 :Mô hình minh họa Bộ Lọc Quang trong hệ thống thông tin quang
Tín hiệu quang truyền đi xa trên đường dây sẽ phát sinh ra vấn đề suy hao và tán sắc. Do đó thông
thường sau một khoảng cách truyền cố định sẽ có bộ khuyếch đại nhằm tăng công suất, biên độ…tín

hiệu.Qua đó ta thấy việc giải quyết suy hao bằng bộ khuyếch đại là hoàn toàn khả thi. Theo sơ đồ
hình 3.1 trên đường truyền sau bộ khuyếch đại có bố trí thiết bị bù tán sắc chính là Bộ Lọc Quang.
Cách thức hoạt động của bộ lọc có thể khái quát như sau : Tín hiệu truyền đi từ Bộ Phát Quang sau
khi truyền một khoảng cách xa thì tín hiệu sẽ ảnh hưởng nhiều bởi suy hao và tán sắc. Bộ Lọc Quang
đặt kề sát sau Bộ Khuyếch Đại cho nên tín hiệu sau khi được khuếch đại sẽ tiếp tục bù tán sắc bằng
thiết bị lọc quang.Quà trình này có thể lặp lại nếu khoảng cách xa.Do đó ở phía thu sẽ thu được tín
hiệu không có hiện tượng chồng lấp xung.
1.2 Cơ sở toán học của bù bằng Bộ Lọc Quang :
Bù tán sắc bằng bộ lọc quang là giải pháp hiệu quả nhất nhằm bù GVD ( tán sắc vận tốc nhóm ). Các
bộ lọc thường được sử dụng là các bộ lọc giao thoa.
Cho nên bộ lọc quang có hàm chuyển đổi loại bỏ thành phần pha và lưu lại tín hiệu ban đầu.
Ta có phương trình lan truyền xung như sau:

∂A iβ 2 ∂ 2 A β 3 ∂ 3 A
+
.
−
.
=0
∂z
2 ∂t 2
6 ∂t 3

(3.1)

Với A là biên độ đương bao của xung
β3 là tán sắc bậc ba, thông thường có thể bỏ qua β 2 khi β > 0 ,1 ps 2 /km , giải phương trình trên ta
2
được :
1

A( z , t ) =
2π

∞

~

i

∫ A( 0, ω ) exp 2 β

−∞

2

.z.ω 2 +

i

β 3 .z.ω 3 − iωt dω
6


(3.2)

nếu bỏ qua β3 thì phương trình trên không có số hạng chứa β

L11CQVT02-Nhóm II

xxii



Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em

~
và A
( 0, ω ) là biến đổi fourier của A(0,t). Ta viết lại phương trình (3.2):

1
A( z, t ) =
2π

∞

i

~

∫ A( 0, ω ) exp 2 β

2

−∞


.z.ω 2 − iωt dω



i
2




2
Như vậy tán sắc là do hệ số pha exp β 2 .z.ω  gây ra,vậy mục đích của bù tán sắc là loại bỏ hệ số

pha đó để tín hiệu ngõ vào có thể khôi phục tại ngõ ra.

Như phương trình (4.2):
1
A( z , t ) =
2π

∞

~

i

∫ A( 0, ω ) exp 2 β

2

.z.ω 2 +

−∞


i

β 3 .z.ω 3 − iωt dω
6


ta thấy tán sắc vận tốc nhóm (GVD) ảnh hưởng đến tín hiệu quang thông qua phổ pha là

 iβ .z.ω 2 
 . Nếu bộ lọc quang mà hàm truyền đạt của nó loại bỏ được pha này thì sẽ khôi phục
exp 2
2


lại được tín hiệu, nhưng không có bộ lọc quang nào có hàm truyền đạt thích hợp để bù tán sắc do vận
tốc nhóm gây ra một cách chính xác. Tuy nhiên vẫn có nhiều bộ lọc quang có thể bù một phần GVD
nhờ vào hàm truyền đạt lý tưởng.
Ta xét bộ lọc quang với hàm truyền đạt H ( ω ) nếu bộ lọc này được đặt sau sợi có chiều dài L thì tín
hiệu quang sau bộ lọc có thể biểu diễn bằng phương trình sau:
A( L, t ) =

1
2π

∞

~

i


∫ A( 0, ω) H (ω) exp 2 β .L.ω
2

−∞

2


− iω.t dω


(3.3)

Khai triển Taylor pha của H ( ω ) đến số hạng bậc hai:

[(

H ( ω ) = H ( ω ) exp[ iφ ( ω ) ] ≈ H ( ω ) exp i φ 0 + φ1ω + 1 / 2φ 2ω 2

)]

(3.4)

m
m
với φm = d φ / dω (m = 0,1,...) tại tần số sóng mang ω 0 .Vì hằng số pha φ 0 và độ trễ về thời gian

φ1 không ảnh hưởng đến hình dạng xung và có thể bỏ qua. Khi này hàm truyền đạt có thể biểu diễn
như sau:


(

H ( ω ) = H ( ω ) exp[ iφ ( ω ) ] ≈ H ( ω ) exp i / 2φ2ω 2

)

(3.5)

Để có thể bù độ dịch pha do GVD gây thì ta phải triệt tiêu thành phần phổ pha đó trong phương trình
(6.4), hay nói cách khác là:
L11CQVT02-Nhóm II

xxiii


Bù Tán Sắc Sử Dụng Bộ Lọc Quang

 iβ .z.ω 2
exp 2
2


GVHD: Th.s Đỗ Văn Việt Em


 * exp( i / 2φ 2ω 2 ) = 0


Như vậy phổ pha của sợi có thể bù bằng cách chọn bộ lọc quang có φ 2 = − β 2 L và xung sẽ khôi phục
chỉ khi H (ω ) = 1 và các số hạng bậc cao hơn bậc ba trong khai triển Taylor của phương trình (6.6) là

không đáng kể. Khi đó xung sẽ được khôi phục hoàn toàn
1
A( L, t ) =
2π

∞

~
1
∫−∞ A( 0, ω ) H ( ω ) exp( − iω.t )dω = A( L, t ) = 2π

∞

~

∫ A( 0, ω ) exp( − iω.t )dω

−∞

2.Một số loại bộ lọc dùng để bù tán sắc
Các bộ lọc có thể được tạo ra nhờ việc sử dụng giao thao kế. Nó hoạt động như là một bộ lọc quang
bởi vì đặc tính truyền phụ thuộc vào tần số của nó. Đối với việc bù tán sắc chúng ta cần hàm truyền
đạt H ( ω ) có pha phụ thuộc tần số, điều này có thể đạt được bằng cách cho ánh sáng đi qua lại nhiều
lần giữa hai mặt phản xạ trong giao thoa.

2.1 Giao thoa kế Fabry Perot (FP).
Giao thoa kế Fabry Perot phản xạ, thường được gọi là bộ giao thoa kế GT (Gires Tournois), được
thiết kế gồm một gương phản xạ một phần ở phía trước và một gương phản xạ toàn phần đặt ở phía
sau.
a) Cấu tạo của bộ lọc Fabry Perot

Bộ lọc Fabry – Perot bao gồm một hốc được tạo ra do đặt hai gương song song nhau có độ phản xa
cao. Đây còn được gọi là bộ lọc giao thoa Fabry – Perot.

Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Fabry Perot
Tín hiệu vào đến mặt bên trái của hốc, sau đó truyền qua hốc, một phần ánh sáng thoát ra ngoài ở mặt
bên phải và một phần ánh sáng phản xạ quay lại giữa hai mặt.
b) Nguyên lý bù tán sắc của bộ lọc Fabry Perot:
L11CQVT02-Nhóm II

xxiv