thực tập hoàn thiện
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................3
CHƯƠNG 1............................................................................................................4
GIỚI THIỆU HỆ THÔNG THÔNG TIN QUANG...............................................4
1.1. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang.......................................4
1.2. Sơ đồ tổng quát và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang.........6
1.2.1. Bộ phát quang........................................................................................8
1.2.2. Bộ thu quang.........................................................................................8
1.2.3. Cáp sợi quang.......................................................................................8
1.2.4. Các thành phần khác.............................................................................9
1.3. Đặc điểm của hệ thống thông tin quang.......................................................9
1.3.1. Ưu điểm của hệ thống thông tin quang..................................................9
1.3.2. Nhược điểm của hệ thống thông tin quang..........................................10
1.4. Những tồn tại và xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang.........11
1.4.1. Những tồn tại của hệ thống quang.......................................................11
1.4.2. Xu hướng phát triển của hệ thống quang.............................................12
1.5. Kết luận......................................................................................................15
CHƯƠNG 2..........................................................................................................16
CÁC PHẦN TỬ THỤ ĐỘNG CƠ BẢN CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN QUANG................................................................................................................16
2.1. Cơ sở vật lí chung cho các phần tử thụ động.............................................17
2.1.1. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng..........................................................17
2.1.2. Định luật Snell.....................................................................................19
2.2. Sợi quang....................................................................................................21
2.2.1. Cấu trúc của sợi quang.........................................................................21
2.2.2. Phân loại sợi quang..............................................................................22
2.2.3. Các đặc tính của sợi dẫn quang............................................................25
2.3. Coupler quang............................................................................................27
2.4. Bộ lọc quang.............................................................................................28
1
2.4.1. Chức năng của các bộ lọc....................................................................28
2.4.2. Đặc điểm, tham số của bộ lọc.............................................................29
2.4.3. Bộ lọc quang.......................................................................................29
CHƯƠNG 3..........................................................................................................32
CÁC PHẦN TỬ TÍCH CỰC CƠ BẢN CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN QUANG................................................................................................................32
3.1. Cơ sở vật lí chung của các phần tử tích cực...............................................32
3.1.1. Các khái niệm vật lí bán dẫn................................................................32
3.1.2. Các quá trình đặc trưng trong vật lí bán dẫn........................................34
3.2. Nguồn quang.............................................................................................37
3.2.1. Điốt phát quang ( LED ).....................................................................38
3.2.2. Diode Lazer ( LD)................................................................................42
3.3. Bộ thu quang..............................................................................................43
3.3.1. Photodiode PIN....................................................................................43
3.3.2. Photodiode quang thác APD................................................................47
3.4. Bộ khuếch đại............................................................................................51
3.4.1. Bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA)..................................................52
3.4.1. Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er (EDFA)...........................56
3.5. Bộ chuyển đổi bước sóng...........................................................................71
3.5.1. Bộ chuyển đổi bước sóng quang điện.................................................72
3.5.2. Bộ chuyển đổi bước sóng toàn quang..................................................72
CHƯƠNG 4..........................................................................................................74
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................................74
4.1. Kết luận......................................................................................................74
4.2. Hướng phát triển........................................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................76
2
LỜI NÓI ĐẦU
Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa
vào khai thác trên mạng viễn thông. Mọi người đều thừa nhận rằng phương thức
truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong công việc chuyển tải các dịch
vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại, các hệ thống thông
tin quang với những ưu điểm về băng tần rộng, có cự ly thông tin cao. Đã có sức
hấp dẫn mạnh đối với các nhà khai thác, các hệ thống thông tin quang không chỉ
đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục và trung kế
mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt
với cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.
Trong vòng mười năm qua, cùng với sự vượt bậc của công nghệ điện tử,
viễn thông, công nghệ sợi quang và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt
bậc, giá thành không ngừng giảm tạo điều kiện cho việc ngày càng rộng rãi trên
nhiều lĩnh vực thông tin, công nghệ thông tin quang đã được khai thác phổ biến
trên mạng lưới hiện nay chỉ là giai đoạn sự khởi khai phá các tiềm năng của nó.
Như ta đã biết kỹ thuật và công nghệ thông tin quang có một tiềm năng vô cùng
phong phú và công việc nghiên cứu phát triển còn đang tiến tới phía trước với
một tiền đồ rộng lớn. Bản báo cáo này chỉ nói được một phần trong sợi quang
nên đang còn nhiều hạn chế và thiếu sót vậy mong các thầy cô giúp đỡ nhiều.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh Viên
Thân Thị Lan Hương
3
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU HỆ THÔNG THÔNG TIN QUANG
Hệ thống thông tin là hệ thống được sử dụng để truyền thông tin từ nơi này
đến nơi khác cách nhau hàng trăm mét hay hàng ngàn km. Thông tin được truyền
là sóng điện từ có tần số khác nhau từ vài Mhz đến hàng trăm Thz. Hệ thống
thông tin quang truyền tin bằng sóng ánh sáng tần số cao trong cửa sổ truyền
sóng của hệ thống quang. Các hệ thống quang đã và đang được ứng dụng rộng rãi
trong các nước trên thế giới và có khả năng hiện đại hoá mạng lưới viễn thông
trên toàn thế giới. Chương này trình bày khái quát về quá trình phát triển của hệ
thống thông tin quang, sơ đồ nguyên ly, đặc điểm, những vấn đề còn tồn tại và xu
thế phát triển của hệ thống quang hiện nay và cuối cùng là kết luận chương.
1.1. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang
Lịch sử thông tin đã trải qua nhiều hệ thống thông tin khác nhau với các tên
gọi theo môi trường truyền dẫn hoặc tính chất dịch vụ của hệ thống như là hệ
thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh và hệ thống thông
tin quang ( hay nói cách khác là có các hệ thống hữu tuyến và hệ thống vô
tuyến ). Các hệ thống sau được phát triển dựa trên các hệ thống trước đó, nhưng
được cải tiến và hoàn thiện hơn, chúng có cự ly xa hơn, tốc độ cao hơn, độ linh
hoạt và chất lượng hệ thống cũng được cải thiện nhằm thoả mãn nhu cầu của con
người. Các hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh có
những ưu, nhược điểm riêng. Hệ thống thông tin quang là hệ thống thông tin sử
dụng tín hiệu ánh sáng và sợi quang để truyền tin đi xa. Các sóng ánh sáng được
sử dụng để truyền tin chủ yếu trong các cửa sổ truyền sóng của thông tin quang
là 0,8÷0,9 µm, 1÷1,3 µm và 1,5÷1,7 µm. Quá trình phát triển của hệ thống thông
tin quang được khái quát như sau:
4
Từ xưa, con người đã biết dùng ánh sáng để báo hiệu cho nhau biết như
dùng lửa, ngọn hải đăng nhưng khi đó chưa có khái niệm về hệ thống thông tin
quang. Đầu những năm 70 thì ra đời máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng
khí quyển như một môi trường truyền dẫn, nên chịu ảnh hưởng của các điều kiện
về thời tiết. Để khắc phục hạn chế này thì Marconi đã sáng chế ra máy điện báo
vô tuyến có khả năng thực hiện trao đổi thông tin giữa người gửi và người nhận ở
cách xa nhau. Sau đó, A. G.Bell đã phát minh ra Photophone, ông đã truyền tiếng
nói trên một chùm ánh sáng và có thể truyền tín hiệu tiếng nói trên 213m. Đến
đầu những năm 80 thì các hệ thống thông tin đường trục 45 và 90 Mbit/s sử dụng
sợi quang được lắp đặt, cuối những năm 80 thì ra đời hệ thống 1,2÷2,4 Gbit/s và
chuân SONET. Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/km ở bước sóng
1550nm, và có những loại sợi đặc biệt có suy hao rất thấp.
Các hệ thống quang được ứng dụng rộng rãi trên khắp thế giới với năm thế hệ:
Thế hệ 1 hoạt động ở bước sóng 800nm có tốc độ truyền dẫn là 45/95 Mb/s
(ở Mỹ), 34/140 Mb/s (ở Châu Âu), 32/100Mb/s (ở Nhật) với khoảng lặp là 10km.
Thế hệ 2 làm việc ở bước sóng 1300nm có tốc độ 400÷600 Mb/s và có thể
đạt tới 4Gb/s với khoảng lặp là 40km.
Thế hệ 3 sử dụng Laser bán dẫn hoạt động ở bước sóng 1550nm với suy hao
trên sợi quang cỡ 0,2 dB/km nhưng có hệ số tán sắc cao tầm 16÷18 ps/nm.km có
thể đạt đến 10Gb/s ở khoảng lặp từ 60÷70 km.
Thế hệ thứ 4 sử dụng khuếch đại quang EDFA và ghép kênh quang theo
bước sóng WDM để tăng khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn, có tốc độ 5Gb/s
ở khoảng cách 14300km và đến năm 2000 đã có thể đạt được 100Gb/s xuyên qua
Đại Tây Dương (hệ thống TPC 6).
Thế hệ 5 nhằm giải quyết tán sắc của sợi quang và sử dụng công nghệ
khuếch đại quang nên có thể đạt 1,2 Tb/s hay 70Gb/s ở cự ly 9400km (truyền dẫn
siliton).
Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin quang qua năm thế hệ có thể
được minh hoạ như trong hình 1.1.
5
Hình 1.1. Quá trình phát triển của thông tin sợi quang.
Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế
giới. Khi công nghệ chế tạo các phần tử quang càng phát triển, hiện đại thì hệ
thống thông tin quang ngày càng có khả năng ứng dụng rộng lớn hơn và trở
thành một lĩnh vực quan trọng trong viễn thông.
1.2. Sơ đồ tổng quát và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang
Một hệ thống quang được tổ chức như hình 1.2.
Hình 1.2. Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang.
Nguồn tin bao gồm những dữ liệu hình ảnh, âm thanh, tiếng nói hay văn bản
Phần tử điện: có nhiệm vụ biến đổi các nguồn tin ban đầu thành các tín hiệu
điện, các tín hiệu này có thể là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số.
Bộ biến đổi E/O: biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để phát đi (ở
đầu phát thông qua hệ thống bức xạ, điều pha, điều tần).
Sợi quang: là môi trường truyền tín hiệu quang. Sợi quang có yêu cầu là
phải có băng thông rộng, tốc độ cao và suy hao nhỏ.
6
Bộ biến đổi quang điện O/E: biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện (ở
đầu thu).
Tải tin của hệ thống thông tin quang chính là ánh sáng có tần số rất cao: từ
1014÷1015 Hz.
Chuyển tiếp tín hiệu: trên đường truyền thì tín hiệu quang bị suy giảm nên
sau một khoảng cách nhất định thì phải thực hiện quá trình chuyển tiếp tín hiệu
bằng cách đặt trạm lặp để khuếch đại tín hiệu quang.
Khả năng truyền dẫn của hệ thống được đặc trưng bởi băng thông truyền
dẫn và cự ly trạm lặp. Hệ thống thông tin quang đã vượt xa các hệ thống thông
tin khác ở cả hai yêu cầu trên.
Các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín
hiệu số và hầu hết quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo
hướng này. Từ đó, cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm: phần
phát quang, phần thu quang và sợi quang được trình bày trong hình vẽ 1.3.
Hình 1.3. Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang.
7
1.2.1. Bộ phát quang
Các phần tử chính được chọn để sử dụng là Điôt Laser (LD), Điôt phát
quang (LED) và Laser bán dẫn do chúng có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, hiệu
suất cao, bảo đảm độ tin cậy, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương
xứng với kích thước lõi sợi, khả năng điều chế tần số trực tiếp tại các tần số cao.
Bộ phát quang là thành phần quan trọng nhất của hệ thống thông tin quang.
Nguồn phát quang thực chất là bộ biến đổi điện – quang. Đây là hệ thống thực
hiện chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang trước khi truyền đi trên sợi
dẫn quang, bằng cách đưa nguồn tín hiệu điện vào thực hiện bức xạ quang. Trong
thông tin quang cũng có nhiều phương pháp điều biến tín hiệu điện vào phần tử
bức xạ quang. Các hệ thống thông tin quang hiện nay phổ biến làm việc theo
nguyên ly điều chế trực tiếp cường độ ánh sáng, một số nơi đã sử dụng hệ thống
có áp dụng kỹ thuật điều chế gián tiếp bằng điều biên, điều pha hoặc điều tần
nguồn phát quang.
1.2.2. Bộ thu quang
Các thành phần chính được chọn để sử dụng là điốt quang kiểu thác (APD)
và điôt quang PIN. Phần thu quang thực chất là tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang
đưa đến thực hiện biến đổi trở lại tín hiệu điện và người ta còn gọi phần tử này là
bộ biến đổi quang điện. Tín hiệu quang qua bộ biến đổi quang điện, tạo ra tín
hiệu điện trước khi đưa vào mạch điều khiển (bộ chuyển đổi tín hiệu) phục hồi
lại tín hiệu như đã phát ở trạm trước.
1.2.3. Cáp sợi quang
Các thành phần chính được chọn để sử dụng là sợi quang đa mode chỉ số
bước, sợi quang đa mode chỉ số lớp và sợi quang đơn mode. Cáp sợi quang gồm
các sợi dẫn quang là bằng thủy tinh dùng để truyền dẫn ánh sáng và các lớp vỏ
bao bọc xung quanh để bảo vệ sợi. Cáp sợi quang được dùng để nối hệ thống
truyền dẫn từ đầu phát đến đầu thu.
8
1.2.4. Các thành phần khác
Ngoài các thành phần chính ở trên, trong hệ thống thông tin quang sợi còn
có các thành phần phụ sau:
- Bộ chia quang: Dùng để chia các tín hiệu quang cho các thiết bị khác khi
cần thiết.
- Bộ nối quang: Dùng để đấu nối cáp sợi quang với các thành phần chính
trong hệ thống truyền dẫn.
- Trạm lặp: Được sử dụng để thu tín hiệu quang, khôi phục lại tín hiệu, khử
bỏ tạp âm tích lũy trên đường truyền rồi khuếch đại sau đó phát tín hiệu đi
tiếp. Mục đích làm tăng cự ly truyền dẫn.
- Khuếch đại quang: thực hiện khuếch đại trực tiếp ánh sáng hay tín hiệu
nhằm tăng cự ly truyền dẫn.
1.3. Đặc điểm của hệ thống thông tin quang
1.3.1. Ưu điểm của hệ thống thông tin quang
Hệ thống thông tin quang sử dụng môi trường truyền dẫn là các sợi quang
nên nó có những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin trước
đó, đó là:
Thứ nhất là tiêu hao truyền dẫn thấp và băng tần truyền dẫn rộng: Sợi quang
có suy hao thấp và băng tần truyền dẫn rộng đến hàng Thz cho phép phát triển
các hệ thống WDM dung lượng lớn, suy hao truyền dẫn của sợi quang tương đối
nhỏ, đặc biệt là trong vùng cửa sổ 1300nm và 1550nm. Điều đó có nghĩa là hệ
thống thông tin quang có thể gửi đi nhiều số liệu hơn với khoảng cách lớn hơn so
với các hệ thống thông tin trước đó, do đó, sẽ làm giảm số lượng sợi và giảm số
lượng trạm lặp cần thiết dẫn đến giảm số lượng thiết bị và các phần tử hợp thành,
giảm chi phí thiết lập mạng và sự phức tạp của hệ thống.
Thứ hai là trọng lượng và kích thước nhỏ: Sợi quang có trọng lượng và kích
thước nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống cáp kim loại, nhất là hệ thống cáp
ngầm trong thành phố. Ngoài ra nó cũng có y nghĩa rất lớn trong công nghệ máy
9
bay, vệ tinh, tàu bè. Đồng thời, nó còn được ứng dụng trong quân sự, nơi mà yêu
cầu cáp phải được khôi phục một cách nhanh chóng.
Thứ ba là sự miễn nhiễm ngoài: Cáp sợi quang có tính cách điện nên chúng
có tính miễn nhiễm điện từ từ bên ngoài, do đó sợi quang không có sự cảm ứng
điện từ từ bên ngoài và tín hiệu truyền trong sợi quang cũng không gây nhiễu ra
bên ngoài.
Thứ tư là tính cách điện: Sợi quang là một vật cách điện. Sợi thuỷ tinh này
loại bỏ nhu cầu về các dòng điện cho đường thông tin. Cáp sợi quang làm bằng
chất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và có thể cách điện hoàn toàn
cho nhiều ứng dụng. Nó có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi các dòng điện chạy
vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên các
đường dây thông tin như sét hay những trục trặc về điện.
Tiếp theo là an toàn cho tín hiệu: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin
cao. Một sợi quang không thể bị lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện
thông thường như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích
để lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang. Các tia sáng truyền lan ở tâm sợi quang là
rất ít hoặc không có tia nào thoát khỏi sợi quang đó. Thậm chí, nếu đã trích vào
sợi quang được rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu
được tại đầu cuối. Trong khi các tín hiệu thông tin vệ tinh và vi ba có thể dễ dàng
thu và giải mã tín hiệu được.
Cuối cùng là sự phong phú về nguyên liệu: Vật liệu chế tạo sợi chủ yếu là
Silic rất phong phú và rẻ tiền. Chi phí cho việc chế tạo cáp hiện nay phát sinh chủ
yếu trong việc chế tạo thuỷ tinh cực sạch từ vật liệu thô. Do phong phú về
nguyên liệu nên giá thành của cáp giảm dẫn đến giá thành của hệ thống cũng
giảm theo, nhất là đối với các tuyến đường dài.
1.3.2. Nhược điểm của hệ thống thông tin quang
Thông tin quang có rất nhiều ưu điểm do sợi quang mang lại. Tuy nhiên, hệ
thống thông tin quang cũng có một số nhược điểm sau:
10
Một là khó sửa chữa khi có sự cố: Khi có sự cố thì các quy trình sửa chữa
đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng với các thiết bị thích
hợp.
Hai là chi phí đầu tư cao: Các hệ thống thông tin có sẵn trong hạ tầng viễn
thông hầu như là cáp đồng nên muốn cải tiến hạ tầng viễn thông cần phải có chi
phí lớn mà không phải quốc gia nào cũng có điều kiện để làm ngay mà cần phải
làm từng bước.
Ba là vấn đề an toàn lao động: Khi hàn nối sợi quang thì cần phải để các
mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể
phát hiện được mảnh thuỷ tinh trong cơ thể. Ngoài ra, không được nhìn trực diện
vào đầu sợi quang hay các khớp nối để hở để phòng ngừa có ánh sáng truyền
trong sợi chiếu trực tiếp vào mắt. Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tin
quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận được, nên không thể
điều tiết khi có nguồn năng lượng này, và sẽ gây nguy hại cho mắt.
Bốn là vấn đề biến đổi điện-quang: Trong hệ thống thông tin quang, trước
khi đưa một tín hiệu thông tin điện vào sợi quang thì tín hiệu đó phải được
chuyển đổi thành sóng ánh sáng mới có thể truyền đi được.
Cuối cùng là sợi quang dòn, dễ gãy, khó nối ghép khi sợi bị đứt gãy: Sợi
quang được sử dụng trong viễn thông được chế tạo từ thuỷ tinh nên rất dòn và dễ
gãy. Kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối sợi khi sợi bị đứt gãy là rất khó khăn,
muốn hàn nối cần phải có thiết bị chuyên dụng trong khi với hệ thống cáp đồng
trục thì việc đấu nối dây dễ dàng hơn nhiều.
1.4. Những tồn tại và xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang
1.4.1. Những tồn tại của hệ thống quang
Ngoài những nhược điểm của hệ thống quang được nêu ở trên thì trong hệ
thống thông tin quang hiện nay mà chủ yếu là hệ thống quang đơn kênh còn có
những tồn tại sau: Các hệ thống quang hiện nay có dụng lượng thấp (<10 Gb/s)
do ảnh hưởng của tán sắc, hiệu ứng phi tuyến sợi, trong khi đó, băng tần của sợi
quang là rất lớn (> 1 Thz); Mạch điện trong hệ thống làm hạn chế tốc độ và cự ly
11
truyền dẫn. Khi tốc độ hệ thống đạt đến mấy chục Gb/s thì làm cho cự ly truyền
dẫn ngắn lại, bản thân các mạch điện tử không đáp ứng được xung tín hiệu cực
hẹp.
Việc khắc phục những nhược điểm trên đòi hỏi phải có công nghệ cao và
rất tốn kém vì cấu trúc của hệ thống rất phức tạp. Hệ thống thông tin quang nhiều
kênh sẽ giải quyết các tồn tại trên như sau:
Thứ nhất: Các phần tử quang thay thế các phần tử điện ở những vị trí quan
trọng đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, tốc độ xử ly tín hiệu cao đã khắc phục được
nhược điểm về tốc độ đáp ứng xung của các mạch điện tử đã nêu ở trên.
Thứ hai: Các phần tử quang tận dụng được phổ hẹp của Laser làm tăng
khả năng sử dụng băng tần lớn của sợi đơn mode nên tạo ra khả năng truyền tải
cho các ứng dụng tốc độ cao hiện tại và tương lai.
Vì vậy, khi sử dụng hệ thống quang nhiều kênh sẽ làm tăng được dung
lượng của hệ thống mà không cần tăng thêm sợi quang, tận dụng được băng tần
không hạn chế của sợi.
1.4.2. Xu hướng phát triển của hệ thống quang
Với sự phát triển không ngừng của thông tin viễn thông hiện nay thì hệ
thống thông tin quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới.
Do có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với các hình thức thông tin khác về băng thông,
suy hao và an toàn tín hiệu mà hệ thống thông tin quang hiện nay giữ vai trò
chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lục
địa, xuyên đại dương, mạng nội hạt, mạng trung kế. Công nghệ quang phát triển
như ngày nay đã là tiền đề cho hệ thống thông tin quang phát triển theo xu hướng
hiện đại và kinh tế nhất.
Hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang đơn mode có ưu điểm là không
có trễ, không có can nhiễu, suy hao trên đường truyền nhỏ, quãng đường truyền
là ngắn nhất so với sợi đa mode đã làm tăng được khoảng cách của tuyến truyền
dẫn quang và tạm thời đáp ứng được nhu cầu sử dụng của con người.
12
Tuy nhiên, do nhu cầu trao đổi thông tin của con người và các loại hình dịch
vụ băng rộng như internet tốc độ cao, FTTX (Fiber To The Home /Building
/Premises /Office /Curb/Node), IDTV (Integrated Digital Television) thì dung
lượng và tốc độ của các hệ thống quang đơn mode không thể đáp ứng được, mặt
khác, sợi quang đơn mode chỉ truyền được một mode tín hiệu nên không tận
dụng được băng thông lớn của sợi quang, mà muốn nâng cao dung lượng của hệ
thống thì lại phải sử dụng thêm sợi quang nên người ta lại nghĩ đến phương thức
cải thiện nhược điểm của hệ thống quang đơn mode. Kết quả là hệ thống quang
nhiều kênh ra đời, tiêu biểu là hệ thống quang ghép kênh theo bước sóng WDM
(Wavelength Division Multiplexing).
Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng ra đời đã làm tăng
đáng kể dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống, đặc biệt là khi sử dụng các
công nghệ làm giảm các yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ thống truyền dẫn quang
như suy hao, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến; các công nghệ khuếch đại quang
EDFA, chuyển mạch gói quang.
Các công nghệ khác như ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM
(Optical Time Division Multiplexing), truyền dẫn Soliton thì dung lượng được
đáp ứng rất tốt nhưng lại quá phức tạp nên giá thành của hệ thống lại trở thành
vấn đề đáng quan tâm, vì vậy, hệ thống WDM đã được nghiên cứu và ứng dụng
rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang hiện nay. Ngoài ra, người ta còn cải
tiến công nghệ WDM bằng các công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao
DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) và ghép kênh theo bước
sóng lỏng CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing).
Hiện nay, cuộc cách mạng quang đang được quan tâm trong tầng truyền tải
của mạng viễn thông. Xu hướng phát triển của mạng quang được minh họa trong
hình 1.4.
13
Hình 1.4. Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang.
Như vậy, hệ thống thông tin quang đã phát triển không ngừng từ việc tách
ghép cố định tuyến quang đến chuyển mạch tuyến quang và đang tiến tới các hệ
thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói quang. Ở nước ta,
thông tin cáp sợi quang đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng. Các tuyến cáp
quang được hình thành đặc biệt là hệ thống cáp quang Hà Nội-Thành Phố Hồ Chí
Minh chiếm một vị trí quan trọng trong hệ thống thông tin toàn quốc. Trong
tương lai, mạng cáp quang sẽ được xây dựng rộng khắp. Tuyến cáp quang sẽ
được đưa đến các tỉnh thành trong cả nước thông qua các nhà mạng cung cấp
dịch vụ viễn thông. Một số nhà cung cấp dịch vụ đã triển khai các dịch vụ cáp
quang FTTX như VNPT, Viettel hay EVNtelecom.
Với sự phát triển mạnh của các công nghệ thiết bị quang như thiết bị
chuyển mạch quang và chuyển đổi bước sóng thì hệ thống thông tin quang sẽ tiến
tới mạng toàn quang chắc chắn sẽ không còn xa.
14
1.5. Kết luận
Tóm lại, chương 1 đã trình bày 4 nội dung cơ bản của hệ thống thông tin
quang cụ thể là quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang, sơ đồ nguyên
ly và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang, đặc điểm của hệ thống
quang, những tồn tại và xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang.
Hệ thống quang đã phát huy những ưu điểm vượt trội của mình và khắc
phục những điểm yếu để tạo ra được hệ thống thông tin quang hiện đại có thể đáp
ứng được nhu cầu thông tin băng rộng hiện nay. Vậy để hiểu rõ về một hệ thống
thông tin quang ta tìm hiểu ở các chương tiếp sau
15
CHƯƠNG 2
CÁC PHẦN TỬ THỤ ĐỘNG CƠ BẢN CỦA HỆ
THÔNG THÔNG TIN QUANG
Các phần tử thụ động là các phần tử quang hoạt động khi có chùm sáng
truyền qua nó. Phần tử thụ động hoạt động không cần nguồn kích thích, nó chỉ
đơn thuần biến đổi các tín hiệu ở trong miền quang mà không có sự chuyển đổi
sang miền điện. Những đặc điểm này dẫn đến về nguyên lí hoạt động các phần tử
thụ động chủ yếu dựa vào cấu trúc quang hình của chính bản thân chúng, và tuân
theo các định luật hay các nguyên lí ánh sáng. Các phần tử thụ động có những ưu
điểm về cấu trúc, vị trí lắp đặt, và ứng dụng như :
Dễ dàng lắp đặt ở bất kỳ vị trí nào trên hệ thống vì không cần có nguồn
cung cấp hoạt động đi kèm theo.
Đơn giản về cấu trúc.
Dễ dàng bảo trì.
An toàn về điện cho người sử dụng.
Tuy vậy chúng có những nhược điểm so với phần tử tích cực đó chính là
thụ động về cấu hình nên khả năng thay đổi, điều chỉnh hoạt động kém, không
linh hoạt. Chất lượng hoạt động của các phần tử thụ động cũng phụ thuộc vào vật
liệu và công nghệ chế tạo của bản thân thiết bị như các vấn đề về suy hao hay tán
sắc của các phần tử thụ động. Công nghệ càng phát triển th. 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
Bộ cách ly quang
Bộ bù tán tắc
16
2.1. Cơ sở vật lí 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 sự chuyển đổi sang miền điện. Do vậy cơ sở vật ly chung cho các phần
tử thụ động là vật ly quang hình.
2.1.1. 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 th. 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 n1 lớn hơn
chiết suất môi trường thứ hai n2.
a) b) c)
17
d)
Hình 2.1. Khúc xạ và phản xạ của ánh sáng với góc tới khác nhau.
Trong đó :
θ 1 là góc tới – góc hợp giữa pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường với tia
tới.
θ 2 là góc khúc xạ - góc tạo bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường với
tia khúc xạ.
θ1’ là góc phản xạ - góc tạo bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường với
tia phản xạ.
θc là góc giới hạn (critical angel).
Hình 2.1 a: chiết xuất n1 > n2 nên góc tới nhỏ hơn góc khúc xạ hay θ 1 < θ 2
Hình 2.1 b: chiết xuất n1 < n2 nên góc tới lớn hơn góc khúc xạ hay θ 1 > θ 2
Hình 2.1 c: Khi góc tới lớn dần tới một giá trị góc tới θc tạo ra tia khúc xạ nằm
song song với ranh giới phân cách hai môi trường, lúc ấy θc được gọi là góc tới
hạn
Hình 2.1 d: Khi θ1>θc thì tia tới bị phản xạ hoàn toàn về môi trường 1, hiện
tượng này được gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần (total reflection).
18
2.1.2. 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 (θ 2) phụ thuộc vào sin góc tới (θ 1) như sau :
sin θ1
sin θ2
= n 2n 1
Trong đó : n1, n2 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 th. 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
2.1d 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 (n2 /n1).
Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng ở trên là nguyên lí 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 - n1), nhưng khác với môi
trường trung gian (là thủy tinh - n2 > n1).
19
Hình 2.2. Đường đi của ánh sáng qua khối thủy tinh.
- 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 θc thì nó sẽ bị khúc xạ và đi ra khỏi môi trường thủy tinh. Ngược
lại góc tới lơn hơn góc tới hạn th. 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 sự truyền dẫn ánh sáng trong ống thủy tinh.
Hình 2.3. Tia sáng đi trong ống thủy tinh.
20
Lõi sợi
vỏ sợi
2.2. Sợi quang
2.2.1. Cấu trúc của sợi quang
Sợi quang có cấu trúc như một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang,
tức là có dạng hình trụ và chức năng dẫn sóng ánh sáng lan truyền theo hướng
song song với trục của nó. Cấu trúc cơ bản gồm một lõi hình trụ làm bằng vật
liệu thủy tinh có chỉ số chiết suất n1 lớn và bao quanh lõi là một vỏ phản xạ hình
ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2 > n1. Lớp vỏ phản xạ mặc dù không là
môi trường truyền ánh sáng nhưng nó là môi trường tạo ra ranh giới với lõi và
ngăn chặn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài, tham gia bảo vệ lõi và gia cường thêm
độ bền của sợi.
Hình 2.4. Cấu trúc tổng thể của sợi.
21
NA=n . Sinθ0 max=√n12−n2
2=n1√2 Δ , Δ=n1−n2
n1
Phân loại theo vật liệu điện môi
Sợi quang thạch anh
Sơi quang thủy tinh đa vật liệu
Sợi quang bằng nhựa liệu
Phân loại theo mode truyễn dẫn
Sợi quang đơn mode
Sợi quang đa mode
Phân loại theo phân bố chiết suấtkhúc xạ
Sợi quang chiết suất phân bậc
Sợi quang chiết suất biến đổi đều
n1: Chiết suất lõi sợi quang
n2: Chiết suất vỏ sợi quang
Sự lan truyền ánh sáng dọc theo sợi quang được mô tả dưới dạng các sóng
điện từ truyền dẫn được gọi là cac mode trong sợi. Đặc điểm của các mode
truyền trong sợi quang:
- Mỗi một mode truyền là một mẫu các đường trường điện và trường từ
được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng.
- Các mode hoàn toàn độc lập với nhau.
- Mỗi mode có tốc độ lan truyền riêng và có bước sóng xác định.
2.2.2. Phân loại sợi quang
a. Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ
Sợi quang có chiết suất phân bậc (Sợi SI: Step-Index):
Đây là loại có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi và khác nhau rõ rệt với
chiết suất lớp vỏ phản xạ. Các tia sáng từ nguồn sáng truyền vào sợi quang với
góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường truyền khác nhau, tức là truyền
cùng vận tốc nhưng thời gian đến cuối sợi sẽ khác nhau. Do đó khi đưa một xung
ánh sáng vào đầu sợi do hiện tượng tán sắc ánh sáng nên cuối sợi nhận được một
22
xung ánh sáng rộng hơn. Loại sợi này có độ tán sắc lớn nên không thể truyền tín
hiệu số tốc độ cao và cự ly quá dài.
Hình 2.5. Sợi quang có chiết suất phân bậc (Sợi SI: Step-Index).
Sợi quang có chiết suất giảm dần (Sợi GI: Gradien-Index):
Sợi GI có phân chiết suất hình Parabol, chỉ số chiết suất của lõi không đều nhau,
mà nó thay đổi một cách liên tục giảm dần từ tâm lõi ra ranh giới phân cách lõi -
vỏ, nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần. Độ tán sắc của GI nhỏ hơn
nhiều so với sợi SI
Hình 2.6. Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI: Gradien-Index).
b. Phân loại theo mode truyền dẫn:
Sợi đa mode (MM: Multi Mode):
Sợi đa mode là sợi truyền dẫn đồng thời nhiều mode sóng khác nhau, có
thể là đa mode có chiết suất phân bậc hoặc chiết suất giảm dần.
Cấu trúc của sợi đa mode: đường kính lõi a=50m, đường kính lớp bọc
125m, độ lệch chiết suất =0,01, chiết suất lõi n=1,46.
Tần số chuân hóa V (hay còn gọi là tham số V) xác định như sau:
23V=2 π
λ. a . NA=2 π
λ. a . n1√2 Δ≈38 ( λ=850 nm)
Tần số mode M đi vào được xác định (gần đúng)
Sợi đơn mode (SM: Single Mode):
Sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất phân bậc và chỉ truyền một mode
sóng trong sợi, do đó độ tán sắc xấp xỉ bằng không.
Thông số cấu trúc của sợi đơn mode: đường kính lõi (a=9-10m), đường
kính lớp bọc 125m, độ lệch chiết suất =0,003, chiết suất lõi n=1,46.
Đường kính trường mode MFD (Mode Field Diameter): là một hàm của
bước sóng cho các loại đơn mode khác nhau, nó biểu thị sự phân bố tập trung
trong không gian của cường độ trường mode cơ bản.
Bước sóng cắt là bước sóng nhỏ nhất tại đó sợi quang làm việc như sợi đơn
mode.
Gọi c : bước sóng cắt trên đoạn sợi chưa bọc cáp.
cc : bước sóng cắt trên đoạn sợi đã bọc thành cáp.
24
M=2π2 .a2
λ2 (n12−n2
2 )=V 2
2≈ (726 )
λC=2 πav √n1
2−n22
Sợi quang hoạt động ở chế độ đơn mode khi >c . Các giá trị c, cc thỏa
mãn:
1100nm<c <1280nm
cc<1270nm
2.2.3. Các đặc tính của sợi dẫn quang
a. Suy hao tín hiệu trong sợi quang
Khi truyền tín hiệu từ phía phát đến phía thu thì sẽ bị suy hao và méo tín
hiệu, đây là 2 yếu tố quan trọng. Nó tác động vào quá trình thiết kế hệ thống, xác
định khoảng cách và tốc độ truyền dẫn cũng như cấu hình của hệ thống thông tin
quang.
Suy hao tín hiệu thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao () và được
xác định bằng tỷ số giữa công suất quang đầu ra Pout của sợi dẫn quang dài L với
công suất quang đầu vào Pin :
L: [km]
: được tính bằng dB/km
Suy hao hấp thụ trong sợi quang:
+ Hấp thụ do tạp chất:
25
α=10L
log( P in
Pout)
10 . log( Pin
Pout)[ dB ]
Trong thủy tinh thông thường có các tạp chất như nước và ion sắt, crôm,
đồng, ion OH. Các tạp chất này gây ra sự suy hao rất lớn và đặc biệt liên kết OH
hấp thụ ánh sáng nên gây ra suy hao rất lớn đến vài nghìn dB/km. Để giảm suy
hao, người ta chế tạo sợi quang sao cho các sự tập trung ion OH rất nhỏ để suy
hao 0,2dB/km tại bước sóng 1550nm.
+ Hấp thụ vật liệu:
Do các liên kết nguyên tử của vật liệu sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng
dài gọi là hấp thụ vật liệu.
+ Hấp thụ điện tử:
Trong vùng cực tím ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích thích các
điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn. Vì vậy cũng gây
ra sự suy hao nhỏ ở cửa sổ đường truyền.
Suy hao do tán xạ Rayleigh:
Tán xạ Rayleigh là hiện tượng ánh sáng bị tán xạ theo các bước sóng khác
nhau, khi nó gặp phải một vật có kích thước không quá nhỏ so với bước sóng của
nó. Nguyên nhân do quá trình chế tạo có sự không đồng nhất về mật độ vật liệu
và sự thay đổi thành phần oxit (P2O5, SiO2, GeO2).
Suy hao uốn cong (suy hao bức xạ):
Đây là suy hao ngoài bản chất của sợi, sợi dẫn quang khi bị uốn cong gây ra
hiện tượng phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi. Có 2 loại uốn cong:
- Uốn cong vĩ mô: là uốn cong là uốn cong có bán kính uốn cong lớn hơn
hay bằng đường kính sợi khi ta uốn sợi theo một góc nào đó.
- Vi uốn cong: Trong lúc sợi được tạo thành cáp, sợi có thể bị uốn cong một
cách ngẫu nhiên.
b. Méo tín hiệu trong sợi dẫn quang
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. Khi xung bị dãn quá sẽ có thể gây ra hiện
26
tượng phủ chờm các xung kề nhau, phủ chờm đến một mức nào đó thiết bị thu
quang sẽ không phân biệt được các xung này nữa và sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu.
Như vậy đặc tính tán sắc đã hạn chế dung lượng truyền dẫn của sợi.
Trong thông tin sợi quang, tán sắc trong sợi được chia ra làm các loại như
sau:
Tán sắc mode:
Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, nó tồn tại trên các sợi đa
mode vì các mode trong sợi sẽ lan truyền theo các đường đi khác nhau, do đó
thời gian lan truyền khác nhau. Các sợi đơn mode không có tán sắc mode.
Tán sắc vật liệu:
Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng và do sự thay đổi về chỉ số chiết
suất của vật liệu lõi tạo nên. Nó làm cho bước sóng luôn phụ thuộc vào vận tốc
nhóm của bất kỳ mode nào.
Tán sắc dẫn sóng:
Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng
ở trong lõi, vì vậy còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng ở
trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode
là một hàm số của a/, nó thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại cần
quan tâm trong sợi đơn mode.
2.3. Coupler quang
Coupler là các thiết bị quang thụ động đơn giản, được sử dụng để tách hoặc
ghép tín hiệu ánh sáng đầu vào hay đầu ra sợi. Một coupler bao gồm n cổng vào
và m cổng ra. Coupler 1 x n được gọi là bộ tách (splitter), còn coupler n x 1 được
gọi là bộ kết hợp (combiner), có khi coupler kết hợp cả hai chức năng ghép và
tách với n cổng vào và m cổng ra.
Đơn giản nhất là coupler 1x2, 2x1 và 2x2 như ở hình 2.7a, b,c
27
Hình 2.7. Coupler 1x2, 2x1 và 2x2.
Bộ chia quang 1x2 như trên hình 2.17 a) có tỉ lệ công suất đầu ra được gọi
là tỉ lệ chia quang α và có thể điều khiển được. Giá trị α này biểu thị tỉ lệ chia
quang dưới dạng dB sẽ cho chúng ta suy hao do chia quang. Bộ chia quang hai
cổng với tỉ lệ chia quang 50:50 là rất phổ biến, kết quả là suy hao do chia quang
sẽ là 3 dB cho mỗi cổng ra.
Các bộ coupler được dùng để tách một phần công suất từ luồng ánh sáng có
thể được thiết kế với các giá trị α rất gần với 1, thường là từ 0.90 tới 0.95. Khi đó
chúng được gọi là bộ rẽ và thường dùng cho các mục đích giám sát hoặc các mục
đích khác. Nguyên lí hoạt động của coupler có thể xét thông qua nguyên lí chung
của coupler 2x2.
2.4. Bộ lọc quang
2.4.1. Chức năng của các bộ lọc
Việc ghép và lọc là một phần quan trọng của truyền dẫn quang. Không có
thiết bị này không thể thực hiện bất kỳ sự chuyển mạch cũng như truyền dẫn một
vài tín hiệu trong cùng một sợi quang tại cùng một thời điểm. Bộ lọc quang là
phần tử thụ động hoạt động dựa trên các nguyên lí truyền sóng không cần có sự
tác động từ các phần tử bên ngoài. Chức năng của bộ lọc là lọc tín hiệu khác
nhau được truyền trong cùng một sợi, trước tiên phải tách riêng các bước sóng
khác nhau khỏi tín hiệu tổng. Có rất nhiều cách để thực hiện việc tách các bước
sóng quang, nhưng về nguyên lí chúng đều dựa trên quan điểm : các bước sóng
sẽ bị trễ pha so với bước sóng khác khi chúng được hướng qua các đường dẫn
khác nhau. Tùy thuộc vào cách nguyên lí hoạt động của từng thiết bị mà ta có hai
28
nhóm các bộ lọc khác nhau như : Bộ lọc cố định và bộ lọc điều khiển được. Bộ
lọc quang cố định là các bộ lọc về nguyên lí nó loại bỏ tất cả các bước sóng, chỉ
cho phép giữ lại một bước sóng cố định đã được xác định trước. Bộ lọc điều
chỉnh được là các bộ lọc có thể thay đổi bước sóng mà chúng cho qua tùy theo
yêu cầu.
2.4.2. Đặc điểm, tham số của bộ lọc
Hai đặc điểm quan trọng của bộ lọc cần được nhắc đến là dải phổ tự do
(FSR- Free Spectral Range) và khả năng phân biệt của bộ lọc hay độ mịn (F -
Finesess).
Độ mịn của bộ lọc được đo bằng độ rộng của hàm truyền đạt. Nó là tỷ số
giữa dải phổ tự do với độ rộng kênh.
F = FSR∆ f
Hình 2.8. FSR và F của bộ lọc với N kênh khác nhau.
Trong đó độ rộng kênh (Δf) được định nghĩa là độ rộng 3dB hay độ rộng
phổ nửa công suất của bộ lọc. Δf đặc trưng cho độ hẹp của đỉnh hàm truyền đạt.
Số lượng kênh của một bộ lọc quang bị giới hạn bởi dải phổ tự do và độ
mịn. Tất cả các kênh phải nằm gọn trong FSR. Nếu giá trị F cao, hàm truyền đạt
(đỉnh băng thông) sẽ hẹp và dẫn đến là có nhiều kênh được chứa trong dải phổ tự
do hơn. Khi độ mịn thấp, các kênh cần phải được d.n cách nhau thêm một
29
khoảng để tránh xuyên âm. Do đó số lượng kênh trong dải phổ tự do cũng giảm
đi.
2.4.3. Bộ lọc quang
a. Bộ lọc cách tử Bragg sợi
Cách tử Bragg sợi là mảnh biến điệu của sợi quang mà trong đó chiết suất
của lõi sợi thay đổi theo một chu kỳ dọc theo lõi sợi quang.
Hình 2.9. Cấu tạo bộ lọc cách tử Bragg sợi.
Cách tử Bragg hoạt động theo nguyên tắc : Khi chiếu một chùm ánh sáng
đa sắc qua cách tử, nó cho phép phản xạ duy nhất một bước sóng thỏa mãn điều
kiện phản xạ Bragg được phản xạ trở lại nguồn và cho đi qua tất cả các bước
sóng khác. Từ điều kiện phản xạ Bragg ta có :
2Ln =mλm
Trong đó : n là chiết suất lõi sợi quang.
Tại các bước sóng không thỏa mãn điều kiện trên thì ánh sáng không bị ảnh
hưởng và được truyền qua cách tử đến đầu thu.
Bộ lọc cách tử Bragg có suy hao xen thấp, đặc tính phổ có dạng bộ lọc băng
thông (BPF) với khả năng đạt được khoảng cách giữa các kênh là 50 GHz. Hai
tham số quan trọng nhất của một bộ lọc cách tử Bragg là hệ số phản xạ và độ
rộng phổ. Thường độ rộng phổ vào khoảng 0, 1 nm trong khi đó hệ số phản xạ có
thể đạt hơn 99 %. Ưu điểm của chúng là đơn giản về cấu tạo và sử dụng, đồng
thời lại có hệ số suy hao xen thấp. Còn về nhược điểm là có chỉ số chiết suất phụ
thuộc vào nhiệt độ.
30
Cách tử Bragg có thể được sử dụng như một bộ ghép hay tách khi kết hợp với
các bộ coupler quang. Như hình 2.10 ta có hai cách tử Bragg kết hợp cùng hai
coupler quang 3dB.
Khi đưa chùm tia sáng đa sắc có bước sóng là λ1, λ2, … vào cổng 1, chùm
sáng qua coupler 3dB thứ nhất được chia thành hai luồng đến hai cách tử. Giả sử
bước sóng λ1 thỏa mãn điều kiện phản xạ Braggm thì ánh sáng có bước sóng λ1
sẽ bị phản xạ bởi cách tử và tại cổng ra 4 ta đã tách được bước sóng λ1.
b. Bộ Isolator và Circulator
Isolator là thiết bị cho phép truyền dẫn chỉ theo một hướng và không cho
truyền dẫn theo hướng nào khác nữa. Nó hoạt động dựa theo nguyên lí phân cực
để ngăn cách tín hiệu. Bằng cách sử dụng các bộ này thì các phản xạ từ các bộ
khuếch đại hay laser có thể được cách ly khỏi tín hiệu.
Circulator là một thiết bị tương tự Isolator, nhưng nó có nhiều cổng. Hình
2.10 mô tả một Circulator với 4 cổng vào và 4 cổng ra. Tín hiệu từ mỗi cổng
được hướng tới một cổng ra và bị ngăn tại các cổng còn lại.
Hình 2.10. Circulator 4 cổng ra và 4 cổng vào.
Ứng dụng của bộ cách ly này có thể là dùng trong các module tách ghép
kênh
quang. Tín hiệu tại đầu ra mỗi bộ phát ở một bước sóng riêng, những tia sáng này
được ghép lại và truyền vào sợi quang. Thiết bị thực hiện chức năng này gọi là
bộ
31
ghép kênh quang (Multiplexer hay MUX). Ngược lại, ở phía thu có một thiết bị
tách
tín hiệu quang thu được thành các kênh quang có bước sóng khác nhau để đưa
đến mỗi bộ thu quang riêng biệt.
CHƯƠNG 3
CÁC PHẦN TỬ TÍCH CỰC CƠ BẢN CỦA HỆ
THÔNG THÔNG TIN QUANG
Khác với các phần tử thụ động, cơ sở vật lí chung cho các phần tử tích cực
là vật lí bán dẫn. Tuy nhiên do tín hiệu xử lí của các phần tử này là ánh sáng nên
các kiến thức vật lí về ánh sáng (như nêu ở chương 2) cũng được sử dụng trong
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 lí 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 lí. 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 :
Bộ phát quang
Bộ thu quang
Bộ tách quang
32
Bộ khuếch đại quang
Chuyển đổi bước sóng
3.1. Cơ sở vật lí chung của các phần tử tích cực
3.1.1. Các khái niệm vật lí bán dẫn
Vật lí bán dẫn là cơ sở hoạt động cho rất nhiều linh kiện điện tử trong đó có
các phần tử tích cực hoạt động trong hệ thống thông tin quang
Lớp tiếp giáp p-n :
Bản thân các vật liệu pha tạp loại p hay n chỉ như là những chất dẫn điện tốt
hơn so với bán dẫn thuần. Tuy nhiên khi ta sử dụng kết hợp hai loại vật liệu này
thì sẽ có được những đặc tính hết sức đáng chú y. Một vật liệu loại p được ghép
với vật liệu loại n sẽ cho ta một lớp tiếp xúc được gọi là tiếp giáp p-n. Khi tiếp
giáp p – n được tạo ra, các hạt mang đa số sẽ khuếch tán qua nó : Lỗ trống bên p
khuếch tán sang bên n, điện tử bên n khuếch tán sang bên p. Kết quả là tạo ra một
điện trường tiếp xúc Etx đặt ngang tiếp giáp p – n. Chính điện trường này sẽ ngăn
cản các chuyển động của các điện tích khi tình trạng cân bằng đã được thiết lập.
Lúc này, vùng tiếp giáp không có các hạt mang di động. Vùng này gọi là vùng
nghèo hay vùng điện tích không gian.
Khi cấp một điện áp cho tiếp giáp này, cực dương nguồn nối với vật liệu n,
cực âm nối với vật liệu p thì tiếp giáp này được gọi là phân cực ngược. (Như hình
3.1b). Nếu phân cực ngược cho tiếp giáp p – n, vùng nghèo sẽ bị mở rộng ra về
cả hai phía. Điều này càng cản trở các hạt mang đa số tràn qua tiếp giáp. Tuy
nhiên vẫn có một số lượng nhỏ hạt mang thiểu số tràn qua tiếp giáp tại điều kiện
nhiệt độ và điện áp bình thường. Còn khi phân cực thuận cho tiếp giáp (cực âm
nối với vật liệu n, c.n cực dương nối với vật liệu p như hình 3.1c) thì các điện tử
vùng dẫn phía n và các lỗ trống vùng hóa phía p lại được phép khuếch tán qua
tiếp giáp. Lúc này việc kết hợp các hạt mang thiểu số tăng lên. Các hạt mang tăng
lên sẽ tái hợp với hạt mang đa số. Quá trình tái kết hợp các hạt mang dư ra chính
là cơ chế để phát ra ánh sáng.
33
Hình 3.1. Tiếp giáp P-N và phân cực cho các lớp tiếp giáp.
3.1.2. Các quá trình đặc trưng trong vật lí bán dẫn
a. Quá trình hấp thụ và phát xạ
Trong vật liệu, ở điều kiện bình thường có xảy ra các quá trình tương tác
giữa vật chất và môi trường xung quanh, và tạo ra các hiện tượng phát xạ, bức xạ
hay hấp thụ… Để phân tích các quá trình phát xạ và hấp thụ ta xét một hệ có hai
mức năng lượng E1 và E2 với E2 > E1 như hình 3.2 sau. Trong đó E1 là trạng
thái cơ sở, còn E2 là trạng thái kích thích.
Hình 3.2. Sơ đồ quá trình hấp thụ, phát xạ và phát xạ kích thích.
34
- Quá trình hấp thụ ( hình 3.2 a)
Giả thuyết có một điện tử đang nằm ở mức năng lượng thấp ( 1E ), không có
điện tử nào nằm ở mức năng lượng mức cao hơn ( 2E ), thì ở điều kiện đó nếu có
một năng lượng bằng với mức năng lượng chênh lệch cấp cho điện tử thì điện tử
này sẽ nhảy lên mức năng lượng 2E . Việc cung cấp năng lượng từ bên ngoài để
truyền năng lượng cần tới một mức cao hơn được gọi là kích thích sự dịch
chuyển của điện tử tới một mức năng lượng khác được gọi là sự chuyển dời.
E1 = Ev = năng lượng vùng hóa trị.
E2 = Ec = năng lượng vùng dẫn.
Eg = Ec – Ev = năng lượng dải trống.
Quá trình hấp thụ : khi ánh sáng tới có năng lượng photon
hf = E2 – E1 (3.1)
với h = 6,625.1034 js (hằng số Planck)
-> photon sẽ bị nguyên tử hấp thụ, nguyên tử nhảy từ E1 lên E2 và được coi là
đang ở trạng thái kích thích.
- Quá trình phát xạ ( hình 3.2 b)
Điện tử rời khỏi mức năng lượng cao 2E bị hạt nhân nguyên tử hút và quay
về trạng thái ban đầu. Khi quay về trạng thái 1E thì một năng lượng đúng bằng
2E - 1E được giải phóng. Đó là hiện tượng phát xạ tự phát và năng lượng được
giải phóng tồn tại ở dạng ánh sáng gọi là ánh sáng phát xạ tự phát. Photon được
tạo ra tự phát th. có hướng ngẫu nhiên và không có liên hệ về pha, tức là ánh
sáng không kết hợp. Theo cơ học lượng tử, bước sóng ánh sáng phát xạ được tính
theo công thức:
12 EE
hc
(3.2)
35
Bước sóng tỷ lệ nghịch với độ lệch năng lượng của các nguyên tử cấu tạo
nên linh kiện phát quang. Do đó bước sóng ánh sáng phát xạ phản ánh bản chất
của vật liệu
- Quá trình phát xạ kích thích ( hình 3.2 c)
Phát xạ kích thích xảy ra khi có một photon có năng lượng phù hợp đập vào
nguyên tử ở trạng thái kích thích và phát xạ ra các photon giống hệt nhau về năng
lượng và pha của các photon tín hiệu ánh sáng tới.
b. Trạng thái đảo mật độ
Ánh sáng có thể phát ra từ vật liệu bán dẫn là kết quả của quá trình tái hợp
điện tử và lỗ trống (e-h). Trong điều kiện cân bằng nhiệt, tỷ lệ phát xạ kích thích
rất nhỏ so với phát xạ tự phát, tức là nồng độ e – h sinh ra do kích thích rất thấp.
Để có phát xạ kích thích ta phải thực hiện tăng số lượng lớn các điện tử và lỗ
trống trong vùng dẫn và vùng hóa trị. Ta xét một tiếp giáp p – n với hai loại vật
liệu bán dẫn loại n và p pha tạp cao đến mức suy biến. Mức Fermi bên bán dẫn
loại n nằm vào bên trong vùng dẫn và mức Fermi trong bán dẫn p nằm vào bên
trong vùng hóa trị. Tại cân bằng nhiệt mức Fermi hai bên bán dẫn loại n và p
nằm trùng nhau, lúc này không có quá trình bơm hạt tải (hình 3.3a). Khi phân
cực thuận đủ lớn, các mức Fermi ở hai miền tách ra, lúc này thì các điện tử bên
bán dẫn loại n và lỗ trống bên bán dẫn p được bơm điện tích không gian (hình
3.3b). Khi điện thế đặt vào tiếp giáp p-n tăng đủ lớn để quá trình bơm nàyđạt đến
mức cao thì trong miền điện tích không gian có độ rộng là d sẽ có một số lượng
lớn các điện tử nằm trên vùng dẫn và một số lượng lớn lỗ trống nằm dưới vùng
hóa trị. Trạng thái này gọi là đảo mật độ.
36
Hình 3.3. Giản đồ năng lượng của tiếp giáp p-n với bán dẫn suy biến.
Như vậy điều kiện để có trạng thái đảo mật độ là bán dẫn ở hai miền p và n
phải pha tạp mạnh để các mức Fermi nằm vào bên trong vùng dẫn và vùng hóa
trị. Thế phân cực thuận phải đủ lớn để điện tử và lỗ trống có thể bơm vào vùng
dẫn và vùng hóa trị. Hiệu hai mức Fermi ở hai vùng bán dẫn loại n và p lớn hơn
năng lượng vùng cấm, nghĩa là :
Efc – Efv > Eg. (3.3)
Trên đây là các cơ sở vật lí bán dẫn để phân tích cơ chế hoạt động của các
phần tử tích cực trong thông tin quang được đề cập trong các phần tiếp theo.
3.2. Nguồn quang
Vai trò của các bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang
và đưa tín hiệu quang này vào sợi quang để truyền tới phía thu. Linh kiện chính
trong bộ phát quang là nguồn phát quang. Cơ sở vật lí của các nguồn quang bán
dẫn này như đã nêu ở trên. Chúng có nhiều ưu điểm như : kích thước nhỏ, hiệu
37
suất chuyển đổi quang điện rất cao, có vùng bước sóng phát quang thích hợp với
sợi quang và có thể điều biến trực tiếp bằng dùng bơm với tần số khá cao.
Có hai loại nguồn phát quang :
+ Diode phát quang LED (Light Emitting Diode).
+ Diode Lazer bán dẫn LD (Lazer Diode).
3.2.1. Điốt phát quang ( LED )
LED ( Light Emitted Diode ) là một loại nguồn phát quang phù hợp cho các
hệ thống thông tin quang có tốc độ bít không quá 200Mb/s sử dụng sợi dẫn
quang đa mode. Tuy nhiên hiện nay trong phòng thí nghiệm người ta có thể sử
dụng cả ở tốc độ bít tới 556 Mb/s do có sự cải tiến công nghệ cao.
a. Cấu trúc LED
Cấu trúc gồm các lớp bán dẫn p và n của miền hoạt tính, khi hoạt động
được phân cực thuận, như hình vẽ:
Hình 3.4. cấu trúc LED.
Có hai loại cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi là cấu trúc tiếp giáp thuần
nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể. Trong quá tr.nh nghiên cứu và thực nghiệm, cấu
trúc dị thể kép mang lại hiệu quả hơn và được ứng dụng nhiều hơn. Đặc điểm của
cấu trúc dị thể kép là có hai lớp bán dẫn khác nhau ở mỗi bên của vùng bán dẫn
38
tích cực, đây cũng chính là cấu trúc để khai triển nghiên cứu LASER. Với cấu
trúc dị thể ta có, hai loại đó là cấu trúc phát xạ mặt và phát xạ cạnh.
Cấu trúc LED phát xạ mặt (SLED: Surface Emitting Led):
Hình 3.5. Cấu trúc LED phát xạ mặt.
LED phát xạ mặt có mặt phẳng của vùng phát ra ánh sáng vuông góc với
trục của sợi dẫn quang ( hình 3.5 ). Vùng tích cực thường có dạng phiến tròn,
đường kính khoảng 50μm và độ dày khoảng 25μm. Mẫu phát chủ yếu là đẳng
hướng với độ rộng chùm phát khoảng 120o. Mẫu phát đẳng hướng này gọi là mẫu
Lambertian. Khi quan sát từ bất kỳ hướng nào thì độ rộng nguồn phát cũng
ngang bằng nhau nhưng công suất lại giảm theo hàm cosβ với β là góc hợp giữa
hướng quan sát với pháp tuyến của bề mặt. Công suất giảm 50% so với đỉnh khi
β =60.
Cấu trúc LED phát cạnh (ELED:Edgle Emitting Led):
39
Hình 3.6. Cấu trúc LED phát xạ cạnh.
LED phát xạ cạnh có cấu trúc gồm một vùng tiếp giáp tích cực có vai tr. là
nguồn phát ánh sáng không kết hợp, và hai lớp dẫn đều có chiết suất thấp hơn chỉ
số chiết suất của vùng tích cực nhưng lại cao hơn chiết suất của các vùng vật liệu
bao quanh(hình 3.6). Cấu trúc này h.nh thành một kênh dẫn sóng để hướng sự
phát xạ về phía lõi sợi. Để tương hợp được với lõi sợi dẫn quang có đường kính
nhỏ ( cỡ 50- 100μm), các dải tiếp xúc đối với LED phát xạ cạnh phải rộng từ
50μm đến 70μm. Độ dài của các vùng tích cực thường là từ 100μm đến 150μm.
Mẫu phát xạ cạnh có định hướng tốt hơn so với LED phát xạ mặt.
b. Nguyên lí hoạt động của LED
Nguyên lí làm việc của LED dựa vào hiệu ứng phát sáng khi có hiện tượng
tái hợp các điện tử và lỗ trống ở vùng tiếp giáp p-n. Do vậy, LED sẽ phát sáng
nếu được phân cực thuận. Khi được phân cực thuận các hạt mang đa số sẽ
khuếch tán ồ ạt qua tiếp giáp p-n : điện tử khuếch tán từ phía n sang phía p và
ngược lại, lỗ trống khuếch tán từ phía p sang phía n, chúng gặp nhau và tái hợp
phát sinh ánh sáng. Với cấu trúc dị thể kép, cả hai loại hạt dẫn và trường ánh
sáng được giam giữ tại trung tâm của lớp tích cực (hình 3.7). Sự khác nhau về độ
rộng vùng cấm của các lớp kề cận đã giam giữ các hạt điện tích ở bên trong lớp
tích cực. Đồng thời, sự khác nhau về chiết suất của các lớp kề cận này đã giam
giữ trường quang và các hạt dẫn này làm tăng độ bức xạ và hiệu suất cao.
40
Hình 3.7. Cấu trúc dị thể kép – hiệu suất phát xạ cao nhờ chênh lệch: a) độ rộng
vùng cấm và b) chênh lêch chiết suất.
Để một chất bán dẫn phát sáng thì sự cân bằng nhiệt phải bị phá vỡ. Tốc độ
tái hợp trong quá trình tái hợp có bức xạ tỉ lệ với nồng độ điện tử trong phần bán
dẫn p và nồng độ lỗ trống trong bán dẫn n. Đây là các hạt dẫn thiểu số trong chất
bán dẫn. Để tăng tốc độ tái hợp – tức là tăng số photon bức xạ ra – thì cần phải
gia tăng nồng độ hạt dẫn thiểu số trong các phần bán dẫn. Nồng độ hạt dẫn thiểu
số được bơm vào các phần bán dẫn tỷ lệ với cường độ dòng điện của LED, do đó
cường độ phát quang của LED tỷ lệ với cường độ dòng điện qua điốt.
c. Ứng dụng của LED
Thường thì ánh sáng phát xạ của LED là ánh sáng không kết hợp và là ánh
sáng tự phát. Do đó công suất phát xạ của LED thấp, độ rộng phổ rộng và hiệu
ứng lưọng tử thấp. Nó thường chỉ được áp dụng cho các mạng có khoảng cách
ngằn như mạng LAN. Tuy nhiên do công suất đầu ra của nó ít phụ thuộc vào
nhiệt độ và có chế tạo đơn giản, độ ổn định cao, LED vẫn được sử dụng rộng rãi
trong các hệ thống truyền tốc độ thấp.
41
3.2.2. Diode Lazer ( LD)
a. Cấu trúc
Gồm các lớp bán dẫn p và lớp n của miền hoạt tính và lớp hoạt chất. Lớp
hoạt chất này là một cặp phiến phẳng - là gương phản xạ được đặt qua vào nhau
để phản xạ ánh sáng bức xạ hay còn gọi là hốc cộng hưởng (Fabry-Frot).
Hình 3.8. Cấu trúc LD.
b. Nguyên lí
Khi có một lớp điện áp phân cực được đặt vào lớp tiếp giáp thì các electron
sẽ được bơm vào, lớp hoạt chất được kích thích, sau đó tái hợp với các lỗ trống
có điện tích dương tại đó, đồng thời sinh ra năng lượng dưới dạng quang và
nhiệt. Hốc cộng hưởng (Fabry-Frot) tạo ra sự tương tác giữa photon và electron
diễn ra nhiều lần và có thể tạo ra công suất quang lớn.
Có 2 loại diode laser: diode laser đa mode và diode laser đơn mode:
+ Diode laser đa mode thông thường sẽ cho đa phổ nhưng làm việc không ổn
định ở tốc đọ cao.
+ Diode laser đơn mode có đọ rộng phổ hẹp, hoạt động dựa theo nguyên ly bộ
phản xạ cách tử Bragg. Chúng đáp ứng tốt yêu cầu làm việc ổn định ở các hệ
thống thông tin có tốc độ cao và cự ly truyền dẫn xa.
42
c. Đặc điểm
+ Có độ rộng phổ hẹp.
+ Bước song ổn định.
+ Được sử dụng với sợi đơn mode.
+ Cho phép sử dụng với hệ truyền dẫn tốc độ cao và cự ly dài.
3.3. Bộ thu quang
Bộ thu quang là phần chịu trách nhiệm chuyển đổi tín hiệu quang thu được
từ môi trường truyền dẫn sang tín hiệu điện và phục hồi các số liệu đ. truyền qua
hệ thống thông tin quang này. Linh kiện chủ yếu để thực hiện chức năng chuyển
đổi quang điện trong bộ thu quang là các bộ tách quang c.n được gọi là detector.
Hai bộ tách quang thường được sử dụng trong thông tin quang là photodiode loại
PIN và APD.
3.3.1. Photodiode PIN
Đây là bộ tách sóng quang thông dụng nhất được sử dụng. Đặc điểm của
các
Photodiode PIN là có thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao. Nó
không có khả năng khuếch đại d.ng quang điện nhưng nó lại tránh được sự
khuếch đại nhiễu.
a. Cấu trúc của PIN
Cấu tạo cơ bản của PIN gồm các vùngbán dẫn p, n ở giữa là một lớp tự dẫn
i rất mỏng (là nột lớp bán dẫn yếu loại N tự kích hoạt nội tại). Lớp p thường rất
mỏng để hấp thụ hết các photon vàp lớp bán dẫn i. Lúc này độ rộng của vùng
nghèo được tăng và chiều dài cửa lớp bán dẫn i (i càng dày thì vùng nghèo càng
lớn). Thêm vào đó để tránh gây tổn hao ánh sáng vào thì trên bề mặt của vùng
nghèo có phủ thêm một lớp chống phản xạ. Cấu trúc này được mô tả trong hình
3.9 sau.
43
Hình 3.9. Sơ đồ vùng năng lượng của photodiode PIN.
Quá trình phát ra các cặp điện tử và lỗ trống còn gọi là hạt mang quang (hình 3.9)
b. Nguyên lí hoạt động
Nguyên lí hoạt động của Photodiode PIN dựa trên hiệu ứng quang điện. Khi
chiếu một photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm vào bề mặt bán
dẫn của Photodiode thì quá trình hấp thụ photon xảy ra. Khi hấp thụ một photon,
một điện tử được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại một trong vùng
hóa trị một lỗ trống, ta nói photon đã tạo ra một cặp điện tử và lỗ trống (như hình
3.9). Các cặp điện tử - lỗ trống này được sinh ra trong vùng nghèo. Khi có điện
trường đặt vào linh kiện, sẽ có sự chuyển rời các điện tích về hai cực (điện tử về
phía n còn lỗ trống hút về phía p như hình 3.9) tạo ra dòng điện ở mạch ngoài,
dòng điện này được gọi là dòng quang điện. Bình thường một photon chỉ có thể
tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống, với giả thiết hiệu suất lượng tử bằng 1, nghĩa là
với một lượng photon xác định chỉ có thể tạo ra một dòng điện xác định. Tuy
nhiên trong thực tế không được như vậy vì ánh sáng còn bị tổn hao do nhiều yếu
tố trong đó có yếu tố phản xạ bề mặt.
44
Ta có công thức bức xạ quang bị hấp thụ trong vật liệu bán dẫn tuân theo
hàm mũ sau :
P(x)= Pin (1- e-𝛂λ) (3.4)
Trong đó : P(x) là công suất quang được hấp thụ ở cự ly x
Pin là công suất quang tới
-𝛂λ là hệ số hấp thụ tại bước sóng λ.
Như vậy khả năng thâm nhập của ánh sáng vào lớp bán dẫn thay dổi theo
bước
sóng. Vì vậy, lớp bán dẫn p không được quá dày. Miền i càng dày thì hiệu suất
lượng tử càng lớn, vì xác suất tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống tăng lên theo độ
dày của miền này và do đó các photon có nhiều khả năng tiếp xúc với các nguyên
tử hơn. Tuy nhiên, nếu độ dài miền i cao thì thời gian trôi của các hạt này dài
hơn, xung ánh sáng đưa vào cũng phải tăng lên tương ứng với thời gian trôi tăng.
Điều này khiến cho độ đáp ứng và băng tần điều biến bị hạn chế. Do đó, độ rộng
của miền i không được quá lớn vì như thế tốc độ bít sẽ bị giảm đi. Ta phải chọn
độ dài miền i đủ rộng để đảm bảo điều kiện nhất định là hấp thụ hết photon trong
vùng nghèo và không ảnh hưởng thời gian trôi.
Thường hay chọn :
1α < W < 2
α Với α tùy thuộc vào vật liệu. (3.5)
Khi bước sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua bán dẫn cũng tăng lên,
ánh sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Do
đó vật liệu bán dẫn phải được sử dụng ở bước sóng tới hạn. Bước sóng này được
tính dựa vào độ rộng vùng cấm Eg theo công thức sau :
λc = hcE g =
1,24E g (eV ) (3.6)
45
Tóm lại PIN hoạt động dựa trên nguyên lí hấp thụ ánh sáng để biến đổi tín
hiệu quang thu vào thành dòng tín hiệu điện. Các thông số biển đổi của chức
năng này được phân tích ở phần tiếp theo sau đây.
c. Đặc tính của PIN
Đặc tính của Photodiode thường được đặc trưng bởi hệ số đáp ứng R ( còn
gọi là độ nhậy của nguồn thu ) và hiệu suất lượng tử η.
Hiệu suất lượng tử:
Hiệu suất lượng tử được định nghĩa là xác suất để một photon rơi vào bề
mặt linh kiện bị hấp thụ làm sinh ra một cặp điện tử và lỗ trống góp phần vào
d.ng điện mạch ngoài. Khi có nhiều photon đến bề mặt bán dẫn th. hiệu suất
lượng tử là tỷ số của thông lượng các cặp điện tử và lỗ trống sinh ra góp phần tạo
ra d.ng quang điện ở mạch ngoài trên thông lượng của photon tới. Như vậy, hiệu
suất lượng tử của PIN là tỷ số giữa số lượng hạt tải chạy trong mạch và số photon
đi vào được bề mặt PIN trong cùng một đơn vị thời gian.
η=Ip /e
Pin /hv = hve R Với R là độ đáp ứng của PIN (3.7)
Theo công thức 3.4 thì hiệu suất lượng tử phụ thuộc vào bước sóng. Khi ta
xét đến phần ánh sáng bị phản xạ tại bề mặt tiếp xúc bán dẫn thì công suất truyền
qua của ánh sáng chỉ còn là : P = Pin . e-aW (1-R) với R là hệ số phản xạ của bề
mặt bán dẫn. Lúc đó hiệu suất lượng tử của PIN sẽ được tính như sau :
η = (1- R) [1-exp(-αd)] (3.8)
Thành phần d (độ dày vùng tự dẫn) công thức cho thấy rằng Photodiode PIN có
hiệu suất lượng tử càng lớn khi kích thước vùng i càng lớn.
Độ nhạy của PIN:
Khi hiện tượng hấp thụ ánh sáng xảy ra ở PIN th. có một d.ng quang điện
được sinh ở mạch ngoài. D.ng này tỷ lệ với công suất đi vào PIN, và được xác
định theo công thức sau : Ip = R. Pin
Trong đó R là độ nhạy của PIN. Theo công thức 3.7 ta suy ra :
46
R = ηehv
=ηehc
λ ≈ηλ
1,24 [A/W] (3.9)
Như vậy độ nhạy PIN tỷ lệ với bước sóng, với một hiệu suất lượng tử là
hằng số thì độ nhạy PIN tăng tuyến tính theo bước sóng. Ta có hình 3.10 mô tả
sự hụ thuộc của độ nhạy vào bước sóng.
Hình 3.10. Sự phụ thuộc của độ nhạy vào bước sóng.
Mặt khác, hiệu suất lượng tử của PIN phụ thuộc vào một độ dày W của
vùng trôi và hệ số hấp thụ α của vật liệu bán dẫn tạo ra PIN. Do đó, độ nhạy của
PIN cũng phụ thuộc vào hệ số hấp thụ của vật liệu bán dẫn hay phụ thuộc vào vật
liệu bán dẫn lựa chọn để làm PIN.
3.3.2. Photodiode quang thác APD
Photodiode APD là loại Photodiode không chỉ có khả năng chuyển đổi
quang điện như PIN mà còn có khả năng hoạt động với cơ chế khuếch đại bên
trong, tức là dòng quang điện do APD tạo ra có khả năng được khuếch đại lên
nhiều lần do một số cơ chế nhân hạt tải.
a. Cấu trúc của APD
Về cơ bản, cấu trúc APD giống như cấu trúc của PIN nhưng APD bao gồm
4 lớp : p+ - i - p - n+ . Bán dẫn p+, n+ là các bán dẫn pha tạp mạnh. Vùng nhân
hạt tải của APD được hình thành do bán dẫn p – n+
Gồm lớp bán dẫn p, n và lớp bán dẫn yếu p-n+ còn gọi là miền thác, cường
độ điện trường trong miền này rất lớn, ở đây xảy ra quá trình nhân điện tử.
47
Hình 3.11. Cấu tạo bán dẫn của APD (a) và phân bố điện trường trong APD (b).
P+ N+ là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao, nên điện trở của hai
vùng này nhỏ, do đó áp rơi rất nhỏ.
i là vùng có nồng độ tạp chất rất ít và gần như tinh khiết. Nó giống như
lớp i của PIN. Hầu như tất cả các photon bị hấp thu trong vùng này, và tạo
ra các cặp lỗ trống - điện tử tự do.
b. Nguyên lí hoạt động
APD cũng dựa vào hiện tượng hấp thụ như các Photodiode khác để tạo ra
các cặp điện tử và lỗ trống. Bên cạnh đó, APD còn hoạt động dựa trên nguyên lí
khuếch đại dòng.
Ban đầu, khi các photon được chiếu vào bề mặt APD, chúng được hấp thụ
và sản sinh ra một cặp điện tử và lỗ trống. Đặt một điện áp ngược vào APD như
hình 3.11a, ta thấy có hiện tượng khuếch đại xảy ra khi điện áp này đạt đến một
giá trị đủ lớn để gây hiệu ứng “thác lũ” : Các hạt mang trong vùng nhân p- n+ có
điện trường rất mạnh, điện trường này khiến cho chúng tăng năng lượng dần dần
đến khi đạt được trạng thái iôn hóa, chúng được tăng tốc, va chạm vào các
nguyên tử trong vùng nhân tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống mới. Các hạt mang
điện mới này lại tiếp tục được tăng tốc, va chạm và tạo ra các cặp điện tử và lỗ
trống mới. Vì thế các hạt mang cứ tiếp tục nhân lên và dòng quang điện phát ra
ngoài được khuếch đại mà ta gọi là hiệu ứng “thác lũ”. Ta có thể xét quá trình
này thông qua các biểu thức toán học sau đây. Tốc độ sinh ra hạt tải thứ cấp được
đặc trưng bởi các hệ số iôn hóa αe và αh [cm-1]. Đại lượng này cho biết số lượng
48
hạt tải mới được sinh ra hay số lượng hạt tải dịch đi trong 1cm chiều dài. Lúc đó
quá trình khuếch đại dòng của APD thể hiện qua phương trình tốc độ sau :
die
dx = α e . ie+αh . ih và - die
dx = α e . ie+αh . ih (3.10)
Trong đó : ie , ih là dòng điện tử - e và lỗ trống - h (tức là cả điện tử và lỗ trống
đều
tham gia vào quá trình nhân hạt tải) và dòng tổng là :
I = ie + ih (3.11)
Nếu coi dòng tổng không đổi, ta có :
die
dx = (αe – αh )ie + αh .I (3.12)
Xét trường hợp khả năng iôn hóa của điện tử lớn hơn của năng iôn hóa của
lỗ trống ta có : αe>αh. Coi như dòng điện tử chiếm chủ yếu, và chỉ có điện tử đi
qua được vùng biên đến vùng bán dẫn n, thì ih(d) = 0 => ie(d) =I. Ta có hệ số
khuếch đại dòng (hay hệ số nhân M) được định nghĩa là tỷ lệ giữa dòng đã được
khuếch đại và dòng khi chưa được khuếch đại. Như vậy :
M = ie(d)ie(0)
với d là độ dày của vùng nhân hạt tải. (3.13)
Như vậy, APD đã thực hiện biến đổi dòng tín hiệu quang vào thành dòng
tín hiệu điện ra, đồng thời khuếch đại dòng ra với một hệ số khuếch đại là M.
c. Đặc trưng của APD
Cũng như PIN, APD có các đặc trưng của một Photodiode, tuy nhiên v.
APD có khả năng khuếch đại so với PIN nên các tham số đặc trưng của nó có
thêm hệ số nhân M.
Độ nhạy của APD được xác định theo công thức sau :
RAPD = R.M = ηeh v
. M (3.14)
49
Trong đó R là độ nhạy của PIN.
Như vậy độ nhạy của APD cũng phụ thuộc vào bước sóng như PIN đồng
thời cũng phụ thuộc vào hệ số khuếch đại. Thực chất cơ chế khuếch đại là một
quá tr.nh thống kê, nó phụ thuộc vào hệ số iôn hóa của các nguyên tử khác nhau.
Theo như công thức 3.8, thì thấy rằng M rất nhạy cảm với các hệ số α e , và
αh.
Xét đối với các trường hợp khác nhau sau :
+ Khi αh = 0 (quá trình nhân hạt tải chủ yếu chỉ do điện tử) thì kA = 0.
Lúc đó : M = exp (αe.d)
+ Khi αe = αh tương tự ta có : kA = 1.Lúc đó ta có :
M ≈ lim 1−k A
exp [−(1−k A ) α e d ]−k A ≈
11−α e d (3.15)
Các vật liệu khác nhau thì hệ số iôn hóa điện tử và lỗ trống khác nhau. Khi
αe.d→1 thì M→ ∞, nên APD thường chọn αe » αh hoặc αh » αe. để quá trình
nhân hạt tải chỉbới một loại hạt.
M còn là hàm Vd(V) phụ thuộc vào nhiệt độ. Như mô tả trong hình 3.12 thì
M tăng khi Vd tăng và đặc tuyến này tùy thuộc vào các nhiệt độ khác nhau.
50
Hình 3.12. Sự phụ thuộc của M vào nhiệt độ Vd.
3.4. Bộ khuếch đại
Như đã đề cập trong phần trước, khoảng cách truyền dẫn của bất kỳ hệ
thống thông tin quang sợi nào cũng bị hạn chế bởi các suy hao hay tán sắc. Trong
các hệ thống thông tin quang đường dài các mất mát quang này được khắc phục
bằng các trạm lặp, trong đó tín hiệu quang suy giảm được biến đổi thành tín hiệu
điện và được đưa vào bộ phát lại để phục hồi tín hiệu quang rồi tiếp tục truyền đi.
Tuy nhiên khi sử dụng các hệ thống thông tin quang ghép theo bước sóng WDM
thì các thiết bị lặp này lại gây ra khó khăn, vì đòi hỏi kỹ thuật và vật liệu phức
tạp, tốn kém hơn.
Từ năm 1980, vấn đề khuếch đại quang trực tiếp bằng các linh kiện quang
đã được nghiên cứu và trong những năm 1990 các hệ thống đường trục thông tin
quang đã sử dụng các bộ khuếch đại quang trực tiếp một cách rộng rãi. Trong
năm 1996, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng trong các tuyến cáp biển
xuyên đại dương. Đến nay có nhiều bộ khuếch đại quang đã được nghiên cứu và
ứng dụng như : khuếch đại quang Laser bán dẫn, các bộ khuếch đại quang pha
tạp đất hiếm, các bộ khuếch đại Raman sợi, và các bộ khuếch đại Brillouin sợi.
Trong đó, hai bộ khuếch đại được sử dụng rộng rãi nhất là : khuếch đại quang
bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er (EDFA) và lần lượt
được xét trong phần này.
3.4.1. Bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA)
Các bộ khuếch đại quang bán dẫn hoạt động chủ yếu dựa trên nguyên l. của
Laser bán dẫn, nguyên l. khuếch đại được sử dụng trước khi xảy ra ngưỡng phát
xạ Laser.
a. Cấu trúc bộ SOA
Cấu trúc cơ bản dựa trên cấu trúc của Laser bán dẫn thông thường, có dộ
rộng vùng tích cực có độ rộng W, độ dày d và chiều dài L, chỉ số chiết suất là n
được đặt giữa hai lớp bán dẫn loại n và p (hình 3.13). Hình 3.13 mô tả một bộ
khuếch đại bán dẫn , tính phản xạ bề mặt đầu vào và ra được kí hiệu tương ứng là
51
R1 và R2. Các bề mặt chống phản xạ được ứng dụng vào laser để giảm tính phản
xạ của nó. Điều này làm tăng băng tần khuếch đại và tạo ra các đặc tính truyền
dẫn ít phụ thuộc vào sự thay đổi của dòng điện thiên áp, nhiệt độ, và tính phân
cực của ánh sáng. Nguồn bơm bên ngoài được cung cấp bởi dòng điện phân cực.
Hình 3.13. Cấu trúc bộ khuếch đại quang bán dẫn.
Có hai loại khuếch đại quang bán dẫn đó là khuếch đại sóng chạy
(Travelling Wave Amplifier -TWA) và khuếch đại quang Fabry- Perot Amplifier
(FPA).
Bộ khuếch đại quang FPA sử dụng các cạnh tinh thể là gương phản xạ trong
bộ cộng hưởng (với hệ số phản xạ cao R » 32%), cấu trúc của FPA cũng tương tự
52
như laser Fabry-Perot nhưng hoạt động với dòng phân cực Ibias < Ith. Với cấu trúc
hốc cộng hưởng có hệ số phản xạ cao, quá trình hồi tiếp, chọn lọc tần số xảy ra.
Kết quả là, FPA có hệ số khuếch đại cao nhưng phổ khuếch đại nhấp nhô, không
đều. Điều này, làm giảm dải thông khuếch đại của FPA. Khi dòng bơm Laser bán
dẫn ở dưới ngưỡng phát, nó sẽ hoạt động như một bộ khuếch đại, tuy nhiên các
thành phần phản xạ trên ngưỡng vẫn tham gia vào quá trình khuếch đại.
Bộ khuếch đại quang bán dẫn TWA là các Laser bán dẫn không có hộp
cộng hưởng. TWA khắc phục hạn chế trên của FPA, gồm hai lớp chống phản xạ
AR ( anti reflection ) có hệ số phản xạ R = 0, được đặt tại hai đầu của vùng tích
cực để không cho quá trình phản xạ xảy ra bên trong bộ khuếch đại. Khi đó, tín
hiệu vào SOA sẽ được khuếch đại khi chỉ đi qua một lần (được gọi là single pass)
xuyên qua vùng tích cực của bộ khuếch đại mà không có hồi tiếp về. Trên thực
tế, hệ số phản xạ ở hai đầu của vùng tích cực của TWA không hoàn toàn bằng 0
mà có giá trị rất nhỏ từ 0.1% đến 0.01%.
b. Các thông số của bộ khuếch đại SOA
Các thông số trong các linh kiện khuếch đại bán dẫn bao gồm : hệ số
khuếch đại, dải thông khuếch đại, công suất ra bão hoà, hệ số tạp âm
Hệ số khuếch đại (Gain):
Hệ số khuếch đại của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất
quang ở đầu ra chia cho công suất quang ở đầu vào.
G = (3.16)
G (dB ) = 10 log[ ] (3.17)
Trong đó: G là hệ số khuếch đại tín hiệu của bộ khuếch đại quang.
Pin, Pout tương ứng là công suất tín hiệu ánh sáng ở đầu vào và đầu ra
của bộ khuếch đại quang (mW).
Dải thông khuếch đại (Gain Bandwidth):
53
in
out
P
P
in
out
P
P
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang không bằng nhau cho tất cả các
tần số của tín hiệu quang vào. Đáp ứng tần số quang của bộ khuếch đại G(f) thể
hiện sự phụ thuộc hệ số khuếch đại G của các tín hiệu quang vào tần số.
Dải thông khuếch đại của bộ khuếch đại quang Bo được xác định bởi điểm -
3 dB so với hệ số khuếch đại đỉnh của bộ khuếch đại. Giá trị B0 xác định dải
thông của các tín hiệu có thể được truyền bởi một bộ khuếch đại quang. Do đó,
ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống thông tin quang khi sử dụng chúng
như các bộ lặp hay bộ tiền khuếch đại.
Công suất ra bão hoà (Saturation Output Power):
Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở đầu ra sẽ tăng tuyến
tính với công suất quang ở đầu vào theo hệ số khuếch đại: Pout = G.Pin. Tuy nhiên,
công suất ở đầu ra không thể tăng mãi được. Bằng thực nghiệm, người ta thấy
rằng trong tất cả các bộ khuếch đại quang, khi công suất đầu vào P in tăng đến một
mức nào đó, hệ số khuếch đại G bắt đầu giảm. Kết quả là công suất ở đầu ra
không còn tăng tuyến tính với tín hiệu ở đầu vào nữa mà đạt trạng thái bão hòa.
Công suất ở đầu ra tại điểm ở hệ số khuếch đại giảm đi 3dB được gọi là công
suất ra bão hòa Psat,out.
Công suất ra bão hoà Psat,out của một bộ khuếch đại quang cho biết công suất
đầu ra lớn nhất mà bộ khuếch đại quang đó có thể hoạt động được. Thông
thường, một bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao sẽ có công suất ra bão
hòa cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì trong một dải công
suất vào và ra rộng.
Hệ số tạp âm (Noise Figure) :
Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch đại quang đều tạo ra tạp
âm. Nguồn tạp âm chính trong các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát. Vì
sự phát xạ tự phát là các sự kiện ngẫu nhiên, pha của các photon phát xạ tự phát
cũng ngẫu nhiên. Nếu photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyền của
các photon tín hiệu, chúng sẽ tương tác với các photon tín hiệu gây nên sự dao
động về pha và biên độ. Bên cạnh đó, năng lượng do phát xạ tự phát tạo ra cũng
sẽ được khuếch đại khi chúng truyền qua bộ khuếch đại về phía đầu ra. Do đó, tại
54
đầu ra của bộ khuếch đại công suất quang thu được Pout bao gồm cả công suất tín
hiệu được khuếch đại và công suất tạp âm phát xạ tự phát được khuếch đại ASE
(Amplified Spontaneous Emission ).
Pout = G.Pin + PASE (3.18)
Ảnh hưởng của tạp âm đối với bộ khuếch đại quang được biểu diễn bởi hệ
số tạp âm NF (Noise Figure ), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR
(Signal to Noise Ratio) do tạp âm của bộ khuếch đại thêm vào. Hệ số NF được
cho bởi công thức sau:
NF = (3.19)
Trong đó, SNRin, SNRout là tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu vào và đầu ra
của bộ khuếch đại.
Hệ số tạp âm NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt. Giá trị nhỏ nhất
của NF có thể đạt được là 3dB. Những bộ khuếch đại thỏa mãn hệ số tạp âm tối
thiểu này được gọi là đang hoạt động ở giới hạn lượng tử.
Ngoài bốn thông số kỹ thuật chính được nêu ở trên, các bộ khuếch đại
quang còn được đánh giá dựa trên các thông số sau:
- Độ nhạy phân cực: là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại của bộ khuếch
đại vào phân cực của tín hiệu.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với hệ số khuếch đại và dải thông độ lợi.
- Xuyên nhiễu.
3.4.1. Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er (EDFA)a. Cấu trúc của bộ EDFA
Bộ khuếch đại quang sợi EDFA được cấu trúc bởi một đoạn quang sợi pha tạp
Erbium cùng các thành phần cần thiết khác. Các thành phần này gồm các thành
phần thiết bị ghép thụ động WDM, bộ cách ly quang Isolator, Laser bơm… Ta có
thể mô tả một bộ EDFA thục tế như hình 3.14
55
out
in
SNR
SNR
Hình 3.14. Cấu trúc điển hình của bộ khuếch đại quang sợi EDFA.
Thành phần chính của bộ khuếch đại quang sợi EDFA là :
Sợi pha tạp Erbium EDF (erbium doped fiber):
Là thành phần quan trọng nhất của EDFA, sợi này còn được gọi là sợi tích
cực. Cấu trúc sợi gồm các thành phần như trong hình 3.15.
Hình 3.15. Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium.
Trong cấu trúc lõi sợi pha tạp Erbium các ion Erbium nằm ở vùng trung tâm
của lõi EDF, vùng này thường được pha tạp với nồng độ từ 1000 tới 2000ppm
Erbium. Đường kính của vùng tâm lõi EDF khoảng 5µm và là nơi tập trung
cường độ ánh sáng bơm cũng như tín hiệu vào.
Lớp vỏ thủy tinh có chỉ số chiết suất thấp hơn được bao quanh vùng lõi để
hoàn thiện cấu trúc dẫn sóng. Đường kính ngoài của lớp này khoảng 125µm.
Lớp vỏ bọc ngoài cùng để bảo vệ sợi, có chức năng ngăn cản tác động từ
bên ngoài vào sợi. Chỉ số chiết suất của lớp vỏ bọc ngoài cao hơn lớp vỏ phản xạ
nhằm loại bỏ ánh sáng không mong muốn (các mode bậc cao hơn lan truyền bên
56
trong vỏ phản xạ). Như vậy ngoài sự pha trộn Erbium thì cấu trúc sợi này cũng
tương tự như sợi đơn mode tiêu chuân hay sợi tán sắc dịch chuyển DSF tương
ứng với các khuyến nghị G.652 hay G.653 của ITU-T đang dùng trong các hệ
thống thông tin quang.
Laser bơm LD:
Cung cấp nguồn năng lượng cho EDFA hoạt động để thực hiện khuếch đại
tín hiệu. Nguồn năng lượng này gọi là năng lượng bơm hay nguồn bơm. Nguồn
bơm thường có bước sóng 980 hoặc 1480nm, công suất bơm tiêu biểu là từ 10 tới
100 mW. Các diode được dùng làm nguồn bơm thường có cấu tạo phù hợp với
cấu hình và bước sóng bơm. Ví dụ khi bơm ở 980nm thì loại LD bơm thường là
loại có vùng tích cực với cấu trúc giếng lượng tử InGaAs còn khi bơm ở bước
sóng 1480nm thì LD bơm thuộc loại Fabry-perot dị thể có cấu trúc tinh thể ghép
InGaAs/InP.
Các bộ phận khác:
- Bộ ghép bước sóng WDM: thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng
bơm vào sợi pha tạp Erbium.
- Các bộ cách li có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống như
phản xạ Reyleigh từ các bộ nối quang hay phản xạ ngược từ các bộ khuếch đại
khác, làm tăng đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu.
b. Nguyên lí hoạt động của bộ EDFA
Sợi quang EDF có tính chất đặc biệt là có thể khuếch đại tín hiệu ánh sáng
trong dải bước sóng λ=1530÷1560 nm khi tín hiệu truyền dọc sợi.
Nguyên ly làm việc của EDFA dựa trên sự bức xạ kích thích của các điện tử
trong các ion Er3+ ở trạng thái bị kích thích nhờ nguồn bơm bên ngoài. Nguyên
tắc làm việc được giải thích nhờ giản đồ vùng năng lượng của ion Erbi hóa trị ba
trong lõi sợi quang EDF như mô tả trong hình 3.16.
57
Hình 3.16. Giản đồ năng lượng của ion Er3+ trong lõi sợi EDF.
Khác với sợi quang thạch anh thông thường ánh sáng truyền dọc sợi bị suy
hao cường độ, sợi EDF khi hấp thụ năng lượng ánh sáng bơm từ bên ngoài có
bước sóng nằm ngoài dải 1520 tới 1560nm lại có khả năng khuếch đại tín hiệu
ánh sáng trong dải sóng trên khi truyền dọc sợi quang này. Quá trình khuếch đại
ánh sáng diễn ra như sau:
- Khi nhận được năng lượng từ ánh sáng nguồn bơm ở bước sóng bơm thích
hợp λP , các điện tử của ion Ecbi dịch chuyển từ mức năng lượng E1 (mức ổn
định) trong vùng hoá trị lên mức năng lượng cao hơn E2 (với bước sóng bơm
λP=980 nm) hoặc mức E3 (với bước sóng bơm λP=1480 nm ) ở vùng dẫn, để lại
các lỗ trống ở vùng hoá trị. Ion Ecbi khi đó nằm ở trạng thái bị kích thích.
- Mức năng lượng E2 là mức không ổn định, nên các điện tử nhanh chóng tự
động địch chuyển xuống mức thấp hơn là E3 với hằng số thời gian khá nhỏ
t32=10 μs . Dịch chuyển này không bức xạ ra ánh sáng và gọi là sự phân rã không
bức xạ.
- Mức năng lượng E3 là tương đối ổn định, các điện tử từ mức này dịch
chuyển về mức ổn định E1 với hằng số thời gian khá lớn t31=10 ms , nên được gọi
là mức siêu bền. Nếu các điện tử từ mức siêu bền E3 tự động dịch chuyển về mức
ổn định E1 để tái hợp với lỗ trống thì sẽ phát ra bức xạ tự phát có bước sóng nằm
trong dải từ 1520¿ 1560nm. Do các photon của bức xạ tự phát có pha và hướng
ngẫu nhiên, nên cường độ rất yếu và chỉ tồn tại một lượng rất nhỏ trong sợi pha
tạp (cỡ 1%). Bức xạ tự phát này là nguồn tạp âm chính của bộ khuếch đại EDFA,
58
nó được khuếch đại và làm suy giảm tỉ số tín/tạp ở đầu ra và được gọi là tạp âm
bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission).
- Khi có tín hiệu ánh sáng với năng lượng của photon bằng độ rộng vùng
cấm giữa hai mức E3 và E1 ( E = hν = E3 - E1= EG ) truyền vào sợi quang EDF,
lập tức các điện tử nằm ở trạng thái bị kích thích (trạng thái siêu bền) E3 dịch
chuyển về mức ổn định E1 tái hợp với lỗ trống và phát ra bức xạ kích thích. Các
photon của bức xạ kích thích có cùng bước sóng và đồng pha với photon tín hiệu
kích thích truyền vào sợi, nên kết quả là ánh sáng bức xạ kích thích có cường độ
rất mạnh truyền dọc theo sợi quang EDF.
Như vậy tín hiệu ánh sáng đi vào sợi đã được khuếch đại lên nhiều lần và
đoạn sợi quang EDF làm nhiệm vụ như một bộ khuếch đại quang, mang tên bộ
khuếch đại quang sợi EDFA.
c. Đặc tính của bộ EDFA
Bộ EDFA cũng có những thông số như một bộ khuếch đại như các thông số
về độ khuếch đại, tạp âm, độ nhạy phân cực. Sau đây lần lượt xét các thông số
đặc tính này.
Hệ số khuếch đại
Hệ số khuếch đại công suất ra và nhiễu khuếch đại là các đặc tính quan
trọng nhất của EDFA trong việc dùng nó trong hệ thống thông tin quang.Hệ số
khuếch đại là tỷ số giữa công suất tín hiệu ra và công suất tín hiệu vào ở bước
sóng 1530nm và 1550nm mà tại đó EDFA có khả năng khuếch đại cao nhất. Hệ
số này của EDFA phụ thuộc nhiều vào thông số của linh kiện như : nồng độ iôn
Er+3, độ dài khuếch đại, bán kính lõi sợi và bán kính pha tạp, công suất bơm …
Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất và bước sóng bơm
Nhìn chung độ khuếch đại tín hiệu lúc đầu tăng mạnh (theo hàm mũ) theo
chiều tăng của công suất bơm. Độ tăng nay giảm dần khi công suất bơm đạt tới
một giới hạn nào đó. Chế độ sau cùng hệ số khuếch đại hầu như không tăng cho
dù có tăng công suất bơm. Trường hợp này tương ứng khi mà hầu hết các ion
Er3+ được kích thích tơi mức 4I13/2 dọc theo toàn bộ độ dài sợi. Hệ số khuếch đại
59
lớn nhất của bộ khuếch đại (đơn vị dB/mW) là một đường thẳng qua gốc tọa độ
tiếp tuyến với đường cong khuếch đại như hình 3.17. Từ hình 3.17, ta thấy sự
phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào độ dài sợi EDF. Độ dài sợi tăng thì hệ số
khuếch đại cũng tăng do số ion Er3+ được kích thích nhiều hơn.
Hình 3.17. Sự phụ thuộc của độ khuếch đại vào công suất bơm EDFA.
Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào bước sóng bơm được nghiên cứu
chủ yếu với hai bước sóng bơm là 980nm và 1480nm.
Hình 3.18. Quan hệ giữa độ dài EDF, bước sóng bơm với hhẹ số khuếch đại.
Hình 3.18. mô tả quan hệ giữa độ dài EDF, bước sóng bơm và hệ số khuếch
đại tín hiệu tại công suất bơm 20mW.
60
Từ hình vẽ ta thấy với cùng mức tín hiệu đầu vào (-35dB) để thu được giá
trị hệ số khuếch đại như nhau thì độ dài khuếch đại tối ưu khi bơm ở bước sóng
1480nm dài hơn khi bơm ở bước sóng 980nm hay nói cách khác cùng một độ dài
sợi, cùng công suất bơm thì bơm ở bước sóng 980nm có hiệu quả hơn bơm ở
1480nm. Tức là bơm ở bước sóng 980nm cho phép tạo ra bộ khuếch đại EDFA
có hệ số khuếch đại cao hơn với độ dài sợi EDF là ngắn nhất. Tuy nhiên thực tế
phần tiết diện phổ hấp thụ bơm ở bước sóng 980nm lại hẹp so với ở bước sóng
1480nm, điều này đòi hỏi việc điều khiển bước sóng laser phát ở vùng 980nm
cần đặc biệt quan tâm khi xây dụng bộ EDFA ổn định.
Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất tín hiệu quang
Để xem xét sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất tín hiệu ta xét
với các chế độ khuếch đại của EDFA
- Chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ
Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại khi nó
hoạt động trong chế độ tuyến tính nơi mà nó hoàn toàn không phụ thuộc vào
công suất quang tín hiệu đầu vào tại công suất bơm đã cho. Điều này có nghĩa là
vùng tín hiệu nhỏ tương ứng với các mức công suất tín hiệu đầu vào mà sự
khuếch đại tín hiệu không làm giảm hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang
EDFA.
61
Hình 3.19. Hệ số khuếch đại EDFA phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào với
ba công suất bơm khác nhau.
Từ hình 3.19, ta thấy khi công suất tín hiệu vào nhỏ thì hệ số khuếch đại đạt
giá trị lớn nhất Gmax (ứng với một giới hạn công suất tín hiệu đầu vào nhất định).
Khi công suất tín hiệu đầu vào tiếp tục tăng vượt qua giới hạn ở trên thì hệ số
khuếch đại giảm dần. Lúc này bộ khuếch đại chuyển sang làm việc ở chế độ bão
hòa do khi công suất tín hiệu đầu vào lớn sẽ kích thích toàn bộ các ion Er 3+ ở
trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản nên khi đã hết thì dù có tiếp tục tăng
công suất tín hiệu đầu vào thì cũng không tăng được số ion Er3+ ở trạng thái kích
thích về trạng thái cơ bản tức là công suất đầu ra không tăng được (đã bão hòa)
tương ứng hệ số khuếch đại sẽ giảm.
Như vậy trong chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ hệ số khuếch đại là một hằng
số. Chế độ này có nhược điểm là tạp âm lớn, do công suất tín hiệu vào nhỏ không
kích thích được hết các ion Er3+ ở trạng thái gần ổn định trở về trạng thái cơ bản
vì vậy làm cho số ion Er3+ trở về trạng thái cơ bản một cách tự phát tăng lên làm
tăng công suất tạp âm ASE ở đầu ra. Khi công suất tín hiệu vào quá bé, thì đầu ra
EDFA công suất tạp âm có thể so sánh được với công suất tín hiệu đã khuếch đại
làm cho tỉ số tín/tạp ở đầu ra EDFA suy giảm rất lớn.
- Chế độ khuếch đại bão hòa
Khi công suất tín hiệu đầu vào tăng sẽ làm tăng các ion Er3+ ở trạng thái gần
ổn định về trạng thái cơ bản. Tuy nhiên ở một công suất bơm nhất định thì chỉ có
một lượng nhất định các ion Er3+ bị kích thích nhảy lên mức năng lượng cao do
đó tương ứng với nó cũng chỉ cần một lượng photon tín hiệu vào vừa đủ để kích
thích toàn bộ các ion Er3+ ở mức năng lượng cao về trạng thái cơ bản. Vì vậy khi
tín hiệu đầu vào dù có tăng hơn nữa thì công suất ra vẫn giữ nguyên và hệ số
khuếch đại bị giảm đi. Chế độ này gọi là chế độ khuếch đại tín hiệu bão hòa. Sự
bão hòa không chỉ làm giảm hệ số khuếch đại của EDFA mà còn làm hạn chế
công suất ra. Ưu điểm của chế độ này là tạp âm đầu ra nhỏ do hầu hết các ion
Er3+ ở mức năng lượng cao đã được các photon tín hiệu vào kích thích để chuyển
62
về trạng thái cơ bản nên có rất ít các ion Er3+ chuyển về trạng thái cơ bản một
cách tự phát tức là công suất tạp âm ASE ở đầu ra rất nhỏ.
Mối quan hệ giữa hệ số khuếch đại với công suất tín hiệu đầu ra thể hiện
trên hình 3.19. Ta thấy khi công suất tín hiệu đầu ra EDFA gần đạt tới giá trị bão
hòa thì hệ số khuếch đại giảm rất nhanh tức là công suất tín hiệu ra phụ thuộc vào
công suất tín hiệu bão hòa (là công suất mà ở đó hệ số khuếch đại bị giảm 3dB so
với hệ số khuếch đại trong chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ). Công suất tín hiệu
bão hòa lại phụ thuộc vào công suất bơm. Công suất bơm càng cao thì công suất
tín hiệu bão hòa cũng càng cao. Muốn tăng công suất ra phải tăng công suất bão
hòa tức là tăng công suất bơm. Tuy nhiên cũng không thể tăng công suất bơm lên
quá lớn do hạn chế của nguồn bơm và bước sóng bơm.
Hình 3.20. Độ khuếch đại tín hiệu là hàm số của công suất tín hiệu đầu ra với
các công suất bơm khác nhau.
Tính toán hệ số khuếch đại của EDFA
Trong bộ khuếch đại quang hệ số khuếch đại là một tham số quan trọng,
chúng có thể được xác định một cách tổng quát như sau:
63
G=
Pout−Pn
Pin (3.20)
Trong đó Pin , Pout lần lượt là công suất quang tại đầu vào và đầu ra bộ
khuếch đại, Pn là công suất tạp âm do phát xạ tự phát (ASE) sinh ra. Công suất
tạp âm ở đây được phát xạ từ bộ khuếch đại quang và nằm trong băng tần quang.
Việc xác định hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang là quá trình rất phức tạp
do bản chất phân bố hai hướng của nó. Một cách tổng thể ta có thể coi bộ khuếch
đại quang là tổng hợp của một chuỗi các bộ khuếch đại nhỏ với độ dài sợi tăng
dần theo lát cắt EDF. Như vậy G sẽ bao gồm toàn bộ các khuếch đại thành phần
g(z) dọc theo trục sợi và được xác định như sau:
G = lim∆ τ →0
{eg (z1)∆ z ×eg (z2) ∆z × …eg( zn=L)∆ z} = exp(∫0
L
g (z)dz)
Trong đó L là độ dài sợi EDF, g(z) là độ khuếch đại tăng dần.
Để thu được hệ số khuếch đại thực của EDFA cần phải xác định được các
tiết diện bức xạ kích thích δ e à tiết diện hấp thụ δ a. Các tiết diện này có thể xác
định được bằng thực nghiệm nhờ việc đo huỳnh quang và hấp thụ của một đoạn
EDF. Dưới đây ta có bảng liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 4I15/2 đến 4I11/2 của các loại sợi thủy tinh khác nhau.
Bảng Liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 4I15/2 đến 4I11/2
của các loại sợi thủy tinh khác nhau.
Bằng cách phân tích này độ khuếch đại thực của EDFA có thể được xác
định tùy thuộc vào mức độ biến đổi trung bình của tích lũy ion Erbium như sau:
64
G=exp {Γ S [ δe( N2 )−δa ( N1 )] . L} (3.21)
Ở đây Γ S là hệ số hạn chế giữa trường tín hiệu và sự tích lũy ion Erbium (
Γ S có giá trị từ 0¿ 1, tiêu biểu là từ 0,3¿ 0,6). N1 , N2 lần lượt là mật độ tích lũy
trung bình ở trạng thái nền và trạng thái siêu bền. N1 , N2 được xác định từ việc
giải phương trình tốc độ:
d N 2
dt=
P p δa−p N2
Ah γ p -
P s δe−s N1
Ah γ s -
N 2
τ sp (3.22)
Trong đó PP/A và PS/A tương ứng là cường độ bơm và cường độ tín hiệu;
h γ p ;h γ s là các năng lượng photon bơm và tín hiệu; τ sp là thời gian trễ tự phát.
Phổ khuếch đại của EDFA
Phổ khuếch đại của EDFA là một tham số rất quan trọng vì băng tần khuếch
đại là yếu tố cơ bản để xác định băng tần truyền dẫn. Kết quả thực nghiệm cho
thấy bằng việc pha tạp Al hoặc P trong lõi sợi thủy tinh trộn Er3+ sẽ có tác dụng
mở rộng phổ khuếch đại. Người ta đã chứng minh được rằng việc pha tạp Al có
thể thu được mức khuếch đại rất cao trong mặt phẳng trải ở vùng bước sóng từ
1540nm đến 1560nm. Đặc biệt hơn sợi EDF gốc Frouride cho ta được vùng
khuếch đại phẳng trong dải bước sóng từ 1530nm đến 1560nm. Hình 3.21 thể
hiện các phổ khuếch đại tiêu biểu của các sợi thủy tinh pha tạp Ge/Er và Al/P/Er.
Hình 3.21. Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA.
65
Phổ sợi pha tạp Ge/Er có mặt cắt gồm hai đỉnh tại 1536nm và 1552nm
trong khi đó phổ khuếch đại của sợi pha tạp Al/P/Er có vùng khuếch đại rộng
nằm trong khoảng từ 1545nm đến 1560nm mặc dù có một đỉnh khuếch đại nhô
lên tại vùng xung quanh 1530nm. Ngoài ra phổ khuếch đại của EDFA có thể
được dịch tới vùng bước song dài hơn khi sử dụng độ dài EDF là tương đối dài.
Khi tăng độ dài EDF phổ khuếch đại có thể thu được trong khoảng bước sóng từ
1570nm đến 1620nm. Tại vùng bước sóng lớn hơn 6200nm, hệ số khuếch đại tín
hiệu sẽ giảm do quá trình ASE.
Thông thường thì phổ khuếch đại đo bằng việc quét bước sóng tín hiệu với
một nguồn tín hiệu đơn, phổ được thay đổi khi công suất tín hiệu đầu vào được
thay đổi và trở nên bằng phẳng khi công suất tín hiệu đầu vào là cao. Đầu ra
quang của EDFA phụ thuộc vào bước sóng vì độ khuếch đại thay đổi theo đặc
tính bước sóng của sợi pha tạp EDF.
Tạp âm trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA
Tạp âm quang trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA
Tạp âm quang ở đây muốn nói đến phổ tạp âm quang được đo bằng máy
phân tích phổ quang. Tạp âm quang là tham số quan trọng nhất liên quan tới các
đặc tính tạp âm trong các hệ thống có khuếch đại quang. Không bao giờ có bộ
khuếch đại quang ly tưởng, có nghĩa là luôn tồn tại tạp âm trong các bộ khuếch
đại quang. Như đã biết khi nghiên cứu về các ion Erbium trong sợi EDF của
EDFA. Khi các photon bức xạ có hướng và pha ngẫu nhiên được giữ lại trong
các mode của sợi quang (thường không quá 1%) chúng sẽ trở thành một nguồn
tạp âm. Tạp âm này sẽ được khuếch đại và sẽ làm suy giảm tỉ số tín/tạp của tín
hiệu qua bộ khuếch đại (bức xạ tự phát được khuếch đại - ASE). Công suất tạp
âm nhỏ nhất tại đầu ra bộ khuếch đại được xác định như sau:
Psp.min = h (G -1)B (3.23)
Trong đó: B là một nửa băng tần của bộ khuếch đại quang. h là năng
lượng photon. Công suất tạp âm đầu ra bộ khuếch đại có thể đạt được nhỏ nhất sẽ
tương ứng với sự khuếch đại của một photon trong băng tần B, bằng một nửa
66
băng tần bộ khuếch đại B0. Từ công thức trên có thể xác định được công suất
ASE tổng được lấy ra trên toàn bộ các mode mà sợi quang đưa ra trong băng tần
B0 như sau:
PASE = mt.Nsp.h .(G - 1).B0 (3.24)
Ở đây mt là số các mode lan truyền của quá trình phân cực.
PASE là công suất bức xạ tự phát của bộ khuếch đại quang.
Trong các bộ khuếch đại quang thực tế nhất là EDFA tiêu biểu thường có
hai mode lan truyền phân cực trong bức xạ tự phát (m t = 2). Vì vậy công suất
ASE tổng là:
PASE = 2Nsp.h .(G - 1).B0 (3.25)
Hệ số bức xạ tự phát Nsp được xác định như sau:
N sp= δ e N2
δ e N2−δ a N 1 (3.26)
Trong đó δ e,δ a lần lượt là tiết diện bức xạ kích thích và tiết diện hấp thụ của sợi
quang. N1 , N2 lần lượt là mật độ tích lũy điện tích ở trạng thái nền và ở trạng thái
siêu bền. Để đơn giản gọi a = δ e N2, b = δ a N 1là các hàm số của z (vì N1,N2 là hàm
của trục z hướng dọc theo sợi). Ta cũng giả thiết các hệ số a, b là các hằng số
không phụ thuộc vào độ dài khuếch đại tức là trong môi trường bơm đồng dạng
ta có thể viết như sau:
N sp= a
a−b =
η N2
η N 2−N1 (3.27)
Ở đây η = δ e/δ a. Từ hệ số bức xạ tự phát ta tính được hệ số tạp âm của bộ
khuếch đại N(z) xuất hiện trong khi không có tín hiệu đầu vào được cho như sau:
N(z) = a
a−b(G - 1) =
η N2
η N 2−N1(G - 1) (3.28)
Kết quả trên chỉ ra rằng với hệ số khuếch đại G >> 1 thì số photon đầu ra
ASE trung bình sẽ tương đương với hệ số khuếch đại của các photon N spmà nó
thể hiện một tạp âm đầu ra tương đương.
67
+ Trong trường hợp nghịch đảo tích lũy (môi trường) là âm, tức là η N2−N1
< 0, hệ số khuếch đại G sẽ nhỏ hơn 1 và N sp là âm nhưng công suất tạp âm luôn
dương và bằng: Psp=|N sp|(G - 1). (3.29)
+ Trong trường hợp ở mức ngưỡng của nghịch đảo môi trường, tức là:
η N2−N1= 0 thì N sp không xác định nhưng công suất tạp âm vẫn được xác định
và bằng:Psp = η N2L (2.18)
+ Trong trường hợp nghịch đảo môi trường là dương,tức là η N2−N1> 0 thì
N sp>1.
Trường hợp nghịch đảo môi trường hoàn toàn, khi mà toàn bộ các nguyên
tử ở trạng thái kích thích, tức là N1= 0 thì hệ số bức xạ tự phát N sp tiến tới giá trị
nhỏ nhất của nó là 1. Trong trường hợp này công suất tạp âm đầu ra giảm tới giá
trị tạp âm lượng tử được khuếch đại PNmin = hγ (G - 1)B. Như vậy có thể thấy rằng
tạp âm đầu ra bộ khuếch đại quang nhỏ nhất thu được khi đạt được nghịch đảo
tích lũy hoàn toàn trong môi trường khuếch đại.
Trong thực tế hệ số bức xạ tự phát N sp là một sự xác định đối với nghịch
đảo lũy thừa của bộ khuếch đại. Giá trị N spgần bằng 1 là giá trị thấp nhất có thể
thu được. Giá trị này có thể đạt được khi bơm mạnh ở vùng bước sóng 980nm
(thường N sp= 1¿ 4) tương đương với nghịch đảo gần như hoàn toàn (N1 0)
trong bộ khuếch đại. Nghịch đảo hoàn toàn, nơi mà N1= N2 sẽ tạo ra hệ số tạp âm
quang bé nhất.
Sự trôi công suất bơm dọc theo sợi pha tạp Erbium sẽ tạo ra nghịch đảo N2
cũng thay đổi. Vì vậy hệ số bức xạ tự phát phụ thuộc vào N2sẽ thay đổi theo
chiều dài sợi pha tạp. Khi sử dụng bước sóng bơm 1480nm thì nghịch đảo hoàn
toàn không thể xảy ra vì bơm và tín hiệu là cùng chung trạng thái nền và trạng
thái kích thích. Các photon không chỉ được hấp thụ mà còn tham gia bức xạ kích
thích. Do đó sẽ không có bất kì một khuếch đại nào có bức xạ hoàn toàn trong
trường hợp này và bộ khuếch đại quang được bơm ở bước sóng 1480nm là bộ
khuếch đại có hệ số bức xạ cao hơn. Điều này làm tăng trực tiếp hệ số tạp âm
trong bộ khuếch đại và N spđựợc gọi là hệ số tạp âm tự phát. Trong quá trình tính
68
toán hệ số tạp âm, nhiều khi có thể sử dụng mật độ phổ ASE (W/Hz) trong điều
kiện đơn phân cực Ssp≈ N sphγ (G - 1).
Từ đây ta thấy khi độ khuếch đại là đủ lớn thì ASE trở nên đáng kể. Điều
này tạo nên sự bão hòa khuếch đại do ASE gây ra. Vì vậy EDFA còn có thể ứng
dụng như các nguồn tạp âm trong một số trường hợp.
Tạp âm cường độ trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium
Tạp âm cường độ đề cập đến sự thăng giáng về công suất hoặc dòng có liên
quan tới tín hiệu quang. Loại tạp âm này có băng tần tiêu biểu tới hàng chục Ghz.
Phổ của tạp âm cường độ ám chỉ phổ công suất của cường độ quang trước khi
tách sóng. Ta sẽ nghiên cứu một số loại tạp âm cường độ.
- Tạp âm lượng tử:
Nguồn tạp âm phát sinh là do tính không chắc chắn về thời gian đến của các
điện tử hoặc các photon tại bộ tách sóng. Cả tín hiệu và ASE đều tham gia vào
tạp âm. Vì sóng mang đi tới bộ tách sóng bao gồm cả tín hiệu và tạp âm cho nên
cả công suất tín hiệu quang và công suất bức xạ tự phát ASE đều được thu. Do
đó, tạp âm lượng tử trong trường hợp này gồm cả tạp âm lượng tử từ tín hiệu đầu
vào được khuếch đại và tạp âm lượng tử từ bức xạ tự phát được khuếch đại.
- Tạp âm phách tín hiệu-tự phát:
Tạp âm phách tín hiệu-tự phát là do có sự giao thoa giữa tín hiệu quang và
bức xạ tự phát được khuếch đại ASE gây ra dao động cường độ. Tạp âm này
không thể tránh khỏi khi sử dụng EDFA và nó tham gia đầu tiên vào tổng tạp âm
trong các hệ thống thông tin có sử dụng khuếch đại quang. Hình dưới đây thể
hiện quá trình phách này.
69
Hình 3.22. Tạp âm phách tín hiệu-tự phát.
- Tạp âm phách tự phát-tự phát:
Tạp âm phách tự phát-tự phát là phách giữa các thành phần phổ khác nhau
của thành phần bức xạ tự phát ASE dẫn đến tạp âm cường độ. Hình (3.23) mô tả
mỗi một cặp các thành phần phổ ASE phát ra một âm sắc phách cường độ tại tần
số khác nhau. Vì vậy toàn bộ phổ ASE sẽ đóng góp vào tạp âm phách cường độ
tự phát-tự phát. Nếu như ASE là không phân cực, ASE ở một trong hai phân cực
trực giao sẽ tham gia vào tổng tạp âm phách tự phát-tự phát.
Hình 3.23. Tạp âm phách tự phát-tự phát giữa các thành phần phổ ASE.
- Tạp âm do phản xạ (tạp âm giao thoa nhiều luồng)
Các phản xạ quang trong bộ khuếch đại quang tạo ra sự biến đổi giao thoa
của tạp âm pha laser thành tạp âm cường độ. Tạp âm cường độ sẽ làm suy giảm tỉ
số tín hiệu trên tạp âm SNR tại bộ thu quang (hình 3.24).
70
Hình 3.24. Sự phản xạ quang tạo ra tạp âm giao thoa nhiều luồng.
3.5. Bộ chuyển đổi bước sóngChuyển đổi bước sóng cũng có thể gọi là chuyển dịch bước sóng là thiết bị
thay đổi các bước sóng truyền trong khi vẫn giữ nguyên dữ liệu truyền tải bởi các
bước sóng này không thay đổi
Chuyển đổi bước sóng cần phải thực hiện do:
+ Thứ nhất, cần kết nối các thiết bị không tương thích với nhau, ví dụ cần phải
chuyển đổi bước sóng 1310 nm của mạng thông tin quang thế hệ thứ nhất thành
bước sóng 1550 nm hoạt động trên các mạng quang ngày nay.
+ Thứ hai, với mạng quang của các nhà cung cấp khác nhau, cần phải chuyển đổi
bước sóng để truyền qua từ mạng quang này tới mạng quang khác.
Có hai loại chuyển đổi bước sóng là chuyển đổi bước sóng điện - quang và
chuyển đổi bước sóng toàn quang
+ Chuyển đổi bước sóng quang điện hoạt động như một bộ tái tạo, nó chuyển đổi
tín hiệu vào quang thành dạng điện và sau đó lại chuyển thành tín hiệu quang đầu
ra có bước sóng khác với bước sóng quang đầu vào
+ Chuyển đổi bước sóng toàn quang sử dụng các hiệu ứng phi tuyến như điều chế
pha chéo (XPM) và trộn bốn bước sóng (FWM) để thay đổi bước sóng hoạt
động, cho đến nay chuyển mạch toàn quang vẫn chưa thể thương mại hóa, mà
mới chỉ được nghiên cứu trong các phòng thử nghiệm
3.5.1. Bộ chuyển đổi bước sóng quang điệnTrong bộ chuyển đổi bước sóng quang điện, tín hiệu quang đầu tiên được
chuyển sang miền điện thông qua sử dụng Photodetector (kí hiệu R). Luồng bít
71
điện được lưu lại trong một bộ đệm theo nguyên lí FIFO. Sau đó tín hiệu điện
này được hướng vào một Laser điều chỉnh (kí hiệu T) được để điều khiển bước
sóng mong muốn ở đầu ra. Hình 3.25 mô tả bộ chuyển đổi bước sóng quang điện.
Hình 3.25. Bộ chuyển đổi bước sóng quang điện.
Hình 3.26. Sơ đồ nguyên lí bộ chuyển đổi bước sóng quang điện.
3.5.2. Bộ chuyển đổi bước sóng toàn quangChuyển đổi bước sóng toàn quang sử dụng các hiệu ứng phi tuyến như điều
chế pha chéo (XPM) và trộn bốn bước sóng (FWM) để thay đổi bước sóng hoạt
động, cho đến nay chuyển mạch toàn quang vẫn chưa thể thương mại hóa, mà
mới chỉ được nghiên cứu trong các phòng thử nghiệm
Nguyên ly hoạt động của chuyển đổi FWM như sau:
Hình 3.27. Sơ đồ nguyên lí bộ chuyển đổi bước sóng toàn quang.
72
+ Tín hiệu tin tức có bước sóng λs cùng với tín hiệu dò bước sóng λp được đưa
vào khuếch đại quang bán dẫn (SOA), việc sử dụng SOA để gia tăng hiệu ứng
FWM bởi vì bên SOA trong cường độ ánh sáng của môi trường tích cực rất cao
+ Do hiệu ứng FWM, bước sóng mới (2λs - λp và 2λp - λs) sẽ được tạo ra, sau đó
sẽ sử dụng bộ lọc để lựa chọn ra bước sóng mới, dữ liệu ban đầu truyền đi bởi
bước sóng λs sẽ được bảo toàn và truyền đi xa hơn ở bước sóng mới này λc = 2λp
- λs như hình 3.27
+ Chuyển đổi bước sóng FWM có thể truyền trong suốt với tốc độ bit và dạng tín
hiệu bất kỳ, nhưng hiệu quả của chuyển đổi này rất thấp
73
CHƯƠNG 4
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4.1. Kết luậnVới các ưu điểm vượt trội về tốc độ và chất lượng truyền dẫn, mạng truyền
dẫn quang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và khai thác nhiều. Hiện nay, do
sự phát triển mạnh của khoa học và kỹ thuật, tốc độ và khoảng cách truyềnn dẫn
của mạng truyền dẫn quang ngày một gia tăng. Một vài ứng dụng của mạng
truyền dẫn quang trong hiện nay như:
Truyền dẫn tuyến điểm nối điểm.
Trong mạng quảng bá và phân bố.
Trong mạng cục bộ LAN.
Trong mạng truyền tải đường trục, các mạng thế hệ mới…
Tuy nhiên, ở những hệ thống thông tin quang như vậy, chất lượng truyền dẫn vẫn
có các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống như:
Nhiễu mode (trong sợi đa mode).
Dãn xung do tán sắc.
Nhiễu phân chia mode.
Nhiễu phản xạ.
Chính vì còn những hạn chế khi thiết kế một hệ thống thông tin quang nên cần
nắm rõ các thông số kĩ thuật, các phần tử trong một hệ thống, các kĩ thuật sử
dụng … để tìm ra hướng khắc phục những hạn chế trên và phát triển chất lượng
hệ thống bằng những công nghệ tiên tiến. Trong đề tài đã trình bày ở trên mới chỉ
giới thiệu sơ lược về hệ thống thông tin quang, là nền tảng để có thể tìm hiểu sâu
hơn khi muốn phát triển các hệ thống mạng truyền dẫn quang, và các giải pháp
khả thi, hiệu quả giúp nâng cấp tốc độ truyền dẫn phù hợp với điều kiện và ứng
dụng thực tế.
Các kết luận rút ra được khi làm đề tài:
- Kết thúc chương 1 cho ta hiểu khái quát về cấu trúc, đặc điểm, lịch sử phát triển
của hệ thống thông tin quang.
74
- Kết thúc chương 2,3 giúp ta hiểu thêm về :
Những đặc tính kỹ thuật của sợi quang và cáp quang. Để ứng dụng quang
trong hệ thống thông tin thì sợi quang phải được bọc thành cáp. Với các môi
trường khác nhau thì cấu trúc của cáp quang cũng khác nhau để phù hợp với nhu
cầu thưc tế.
Việc xem xét các đặc tính kỹ thuật của thiết bị thụ động và tích cực cũng là
một yếu tố rất quan trọng. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào các
thiết bị thu quang và phát quang . Nếu một sợi quang chỉ truyền tín hiệu trong
một sợi dẫn quang thì hệ thống không đáp ứng được nhu cầu trao đổi thông tin
ngày càng cao vì thế các phương pháp ghép kênh quang ra đời.
Chính vì thế mà ta có thể tìm hiểu hướng phát triển của đề tài là tìm hiểu
các kĩ thuật ghép kênh quang để nâng cao chất lượng truyền dẫn của hệ thống
thông tin quang.
4.2. Hướng phát triểnTừ những kiến thức cơ bản mà đề tài đã trình bày, ta có những hướng phát
triển tiếp theo của đề tài như:
- Tìm hiểu các công nghệ chuyển mạch quang.
Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian.
Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng.
Chuyển mạch quang hình cây phân chia theo không gian.
Ứng dụng chuyển mạch quang vào viễn thông.
- Tìm hiểu các công nghệ ghép kênh quang.
Ghép kênh phân chia theo tần số
Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM
Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM
- Tìm hiểu các mạng thông tin quang
Mạng thông tin quang ghép bước sóng
Mạng định tuyến bước sóng
Công nghệ mạng quang thế hệ sau
75
TÀI LIỆU THAM KHẢO
76