tìm hiểu hệ thống thông tin quang

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 vượtbậc, giá thành không ngừng giảm tạo điều ki

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưavào khai thác trên mạng viễn thông Mọi người đều thừa nhận rằng phương thứctruyền 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 thôngtin quang với những ưu điểm về băng tần rộng, có cự ly thông tin cao Đã có sứchấp dẫn mạnh đối với các nhà khai thác, các hệ thống thông tin quang không chỉđặc 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 hạtvới 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 vượtbậc, giá thành không ngừng giảm tạo điều kiện cho việc ngày càng rộng rãi trênnhiều lĩnh vực thông tin, công nghệ thông tin quang đã được khai thác phổ biếntrên 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 cùngphong phú và công việc nghiên cứu phát triển còn đang tiến tới phía trước vớimột tiền đồ rộng lớn Bản báo cáo này chỉ nói được một phần trong sợi quangnên đang còn nhiều hạn chế và thiếu sót vậy mong các thầy cô giúp đỡ nhiều

Em xin chân thành cảm ơn!

Thân Thị Lan Hương

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Hệ thống thông tin là hệ thống được sử dụng để truyền thông tin từ nơi nàyđến 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 thốngthông tin quang truyền tin bằng sóng ánh sáng tần số cao trong cửa sổ truyềnsóng của hệ thống quang Các hệ thống quang đã và đang được ứng dụng rộngrãi trong các nước trên thế giới và có khả năng hiện đại hoá mạng lưới viễn thôngtrên toàn thế giới Chương này trình bày khái quát về quá trình phát triển của hệthống thông tin quang, sơ đồ nguyên lý, đặc điểm, những vấn đề còn tồn tại và xuthế 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 têngọi theo môi trường truyền dẫn hoặc tính chất dịch vụ của hệ thống như là hệthống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh và hệ thống thôngtin quang ( hay nói cách khác là có các hệ thống hữu tuyến và hệ thống vôtuyến ) Các hệ thống sau được phát triển dựa trên các hệ thống trước đó, nhưngđược cải tiến và hoàn thiện hơn, chúng có cự ly xa hơn, tốc độ cao hơn, độ linhhoạt và chất lượng hệ thống cũng được cải thiện nhằm thoả mãn nhu cầu của conngười Các hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh cónhững ưu, nhược điểm riêng Hệ thống thông tin quang là hệ thống thông tin sửdụng 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 thôngtin quang được khái quát như sau:

Từ xưa, con người đã biết dùng ánh sáng để báo hiệu cho nhau biết nhưdùng lửa, ngọn hải đăng nhưng khi đó chưa có khái niệm về hệ thống thông tinquang Đầu những năm 70 thì ra đời máy điện báo quang Thiết bị này sử dụngkhí 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 ởcách xa nhau Sau đó, A G.Bell đã phát minh ra Photophone, ông đã truyền tiếngnói trên một chùm ánh sáng và có thể truyền tín hiệu tiếng nói trên 213m Đếnđầu những năm 80 thì các hệ thống thông tin đường trục 45 và 90 Mbit/s sử dụngsợi quang được lắp đặt, cuối những năm 80 thì ra đời hệ thống 1,2÷2,4 Gbit/s vàchuẩn SONET Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/km ở bước sóng1550nm, 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 thểđạt tới 4Gb/s với khoảng lặp là 40km

Thế hệ 3 sử dụng Laser bán dẫn hoạt động ở bước sóng 1550nm với suy haotrên sợi quang cỡ 0,2 dB/km nhưng có hệ số tán sắc cao tầm 16÷18 ps/nm.km cóthể 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 theobước 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 quaĐại Tây Dương (hệ thống TPC 6)

Thế hệ 5 nhằm giải quyết tán sắc của sợi quang và sử dụng công nghệkhuếch đại quang nên có thể đạt 1,2 Tb/s hay 70Gb/s ở cự ly 9400km (truyền dẫnsiliton)

Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin quang qua năm thế hệ có thểđược minh hoạ như trong hình 1.1

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 thếgiới Khi công nghệ chế tạo các phần tử quang càng phát triển, hiện đại thì hệthống thông tin quang ngày càng có khả năng ứng dụng rộng lớn hơn và trởthành 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 bảnPhần tử điện: có nhiệm vụ biến đổi các nguồn tin ban đầu thành các tín hiệuđiện, 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 (ởđầu 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 làphải có băng thông rộng, tốc độ cao và suy hao nhỏ

Bộ biến đổi quang điện O/E: biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện (ởđầu 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 nênsau một khoảng cách nhất định thì phải thực hiện quá trình chuyển tiếp tín hiệubằng cách đặt trạm lặp để khuếch đại tín hiệu quang

Khả năng truyền dẫn của hệ thống được đặc trưng bởi băng thông truyềndẫn và cự ly trạm lặp Hệ thống thông tin quang đã vượt xa các hệ thống thôngtin khác ở cả hai yêu cầu trên

Các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tínhiệu số và hầu hết quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theohướng này Từ đó, cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm: phầnphát 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.

1.2.1 Bộ phát quang

Các phần tử chính được chọn để sử dụng là Điôt Laser (LD), Điôt phátquang (LED) và Laser bán dẫn do chúng có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, hiệusuất cao, bảo đảm độ tin cậy, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tươngxứng 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 thựchiện chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang trước khi truyền đi trên sợidẫn quang, bằng cách đưa nguồn tín hiệu điện vào thực hiện bức xạ quang Trongthông tin quang cũng có nhiều phương pháp điều biến tín hiệu điện vào phần tửbức xạ quang Các hệ thống thông tin quang hiện nay phổ biến làm việc theonguyên lý 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 tầnnguồn 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 quangđưa 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 tínhiệu điện trước khi đưa vào mạch điều khiển (bộ chuyển đổi tín hiệu) phục hồilại 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 sốbước, sợi quang đa mode chỉ số lớp và sợi quang đơn mode Cáp sợi quang gồmcác sợi dẫn quang là bằng thủy tinh dùng để truyền dẫn ánh sáng và các lớp vỏbao bọc xung quanh để bảo vệ sợi Cáp sợi quang được dùng để nối hệ thốngtruyền dẫn từ đầu phát đến đầu thu

- 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 đitiếp Mục đích làm tăng cự ly truyền dẫn

- Khuếch đại quang: thực hiện khuếch đại trực tiếp ánh sáng hay tín hiệunhằm 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 quangnên 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 triểncác hệ thống WDM dung lượng lớn, suy hao truyền dẫn của sợi quang tương đốinhỏ, đặc biệt là trong vùng cửa sổ 1300nm và 1550nm Điều đó có nghĩa là hệthống thông tin quang có thể gửi đi nhiều số liệu hơn với khoảng cách lớn hơn sovới các hệ thống thông tin trước đó, do đó, sẽ làm giảm số lượng sợi và giảm sốlượng 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 kíchthước nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống cáp kim loại, nhất là hệ thống cápngầm trong thành phố Ngoài ra nó cũng có ý nghĩa rất lớn trong công nghệ máy

bay, vệ tinh, tàu bè Đồng thời, nó còn được ứng dụng trong quân sự, nơi mà yêucầu 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 ứngđiện từ từ bên ngoài và tín hiệu truyền trong sợi quang cũng không gây nhiễu rabên ngoài

Thứ tư là tính cách điện: Sợi quang là một vật cách điện Sợi thuỷ tinh nàyloại bỏ nhu cầu về các dòng điện cho đường thông tin Cáp sợi quang làm bằngchất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và có thể cách điện hoàn toàncho nhiều ứng dụng Nó có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi các dòng điện chạyvòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên cácđường 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 tincao Một sợi quang không thể bị lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điệnthông 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 làrất ít hoặc không có tia nào thoát khỏi sợi quang đó Thậm chí, nếu đã trích vàosợi quang được rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thuđược tại đầu cuối Trong khi các tín hiệu thông tin vệ tinh và vi ba có thể dễ dàngthu và giải mã tín hiệu được

Cuối cùng là sự phong phú về nguyên liệu: Vật liệu chế tạo sợi chủ yếu làSilic rất phong phú và rẻ tiền Chi phí cho việc chế tạo cáp hiện nay phát sinh chủyếu trong việc chế tạo thuỷ tinh cực sạch từ vật liệu thô Do phong phú vềnguyên liệu nên giá thành của cáp giảm dẫn đến giá thành của hệ thống cũnggiảm 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, hệthống thông tin quang cũng có một số nhược điểm sau:

Một là khó sửa chữa khi có sự cố: Khi có sự cố thì các quy trình sửa chữađòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng với các thiết bị thíchhợp.

Hai là chi phí đầu tư cao: Các hệ thống thông tin có sẵn trong hạ tầng viễnthông hầu như là cáp đồng nên muốn cải tiến hạ tầng viễn thông cần phải có chiphí lớn mà không phải quốc gia nào cũng có điều kiện để làm ngay mà cần phảilàm từng bước

Ba là vấn đề an toàn lao động: Khi hàn nối sợi quang thì cần phải để cácmảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thểphát hiện được mảnh thuỷ tinh trong cơ thể Ngoài ra, không được nhìn trực diệnvào đầu sợi quang hay các khớp nối để hở để phòng ngừa có ánh sáng truyềntrong sợi chiếu trực tiếp vào mắt Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tinquang là ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận được, nên không thểđiều 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, trướckhi đưa một tín hiệu thông tin điện vào sợi quang thì tín hiệu đó phải đượcchuyển 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: Sợiquang được sử dụng trong viễn thông được chế tạo từ thuỷ tinh nên rất dòn và dễgãy 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 đồngtrục 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 hệthống thông tin quang hiện nay mà chủ yếu là hệ thống quang đơn kênh còn cónhững 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 sợiquang là rất lớn (> 1 Thz); Mạch điện trong hệ thống làm hạn chế tốc độ và cự ly

truyền dẫn Khi tốc độ hệ thống đạt đến mấy chục Gb/s thì làm cho cự ly truyềndẫn ngắn lại, bản thân các mạch điện tử không đáp ứng được xung tín hiệu cựchẹp.

Việc khắc phục những nhược điểm trên đòi hỏi phải có công nghệ cao vàrất tốn kém vì cấu trúc của hệ thống rất phức tạp Hệ thống thông tin quang nhiềukênh 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 quantrọng đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, tốc độ xử lý tín hiệu cao đã khắc phục đượcnhược 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 tăngkhả năng sử dụng băng tần lớn của sợi đơn mode nên tạo ra khả năng truyền tảicho 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 dunglượng của hệ thống mà không cần tăng thêm sợi quang, tận dụng được băng tầnkhông 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 hệthống 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 tròchính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lụcđịa, xuyên đại dương, mạng nội hạt, mạng trung kế Công nghệ quang phát triểnnhư ngày nay đã là tiền đề cho hệ thống thông tin quang phát triển theo xu hướnghiện 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 truyềndẫn quang và tạm thời đáp ứng được nhu cầu sử dụng của con người

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 dunglượng và tốc độ của các hệ thống quang đơn mode không thể đáp ứng được, mặtkhác, sợi quang đơn mode chỉ truyền được một mode tín hiệu nên không tậndụng được băng thông lớn của sợi quang, mà muốn nâng cao dung lượng của hệthống thì lại phải sử dụng thêm sợi quang nên người ta lại nghĩ đến phương thứccải thiện nhược điểm của hệ thống quang đơn mode Kết quả là hệ thống quangnhiều 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 tăngđáng kể dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống, đặc biệt là khi sử dụng cáccông nghệ làm giảm các yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ thống truyền dẫn quangnhư suy hao, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến; các công nghệ khuếch đại quangEDFA, 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 đượcđáp ứng rất tốt nhưng lại quá phức tạp nên giá thành của hệ thống lại trở thànhvấn đề đáng quan tâm, vì vậy, hệ thống WDM đã được nghiên cứu và ứng dụngrộng rãi trong các hệ thống thông tin quang hiện nay Ngoài ra, người ta còn cảitiến công nghệ WDM bằng các công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ caoDWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) và ghép kênh theo bướcsóng lỏng CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing)

Hiện nay, cuộc cách mạng quang đang được quan tâm trong tầng truyền tảicủa mạng viễn thông Xu hướng phát triển của mạng quang được minh họa tronghình 1.4

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 táchghép cố định tuyến quang đến chuyển mạch tuyến quang và đang tiến tới các hệthống 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 cápquang được hình thành đặc biệt là hệ thống cáp quang Hà Nội-Thành Phố Hồ ChíMinh chiếm một vị trí quan trọng trong hệ thống thông tin toàn quốc Trongtương lai, mạng cáp quang sẽ được xây dựng rộng khắp Tuyến cáp quang sẽđược đưa đến các tỉnh thành trong cả nước thông qua các nhà mạng cung cấpdịch vụ viễn thông Một số nhà cung cấp dịch vụ đã triển khai các dịch vụ cápquang FTTX như VNPT, Viettel hay EVNtelecom

Với sự phát triển mạnh của các công nghệ thiết bị quang như thiết bịchuyển mạch quang và chuyển đổi bước sóng thì hệ thống thông tin quang sẽ tiếntới mạng toàn quang chắc chắn sẽ không còn xa

1.5 Kết luận

Tóm lại, chương 1 đã trình bày 4 nội dung cơ bản của hệ thống thông tinquang cụ thể là quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang, sơ đồ nguyênlý và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang, đặc điểm của hệ thốngquang, 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 khắcphục những điểm yếu để tạo ra được hệ thống thông tin quang hiện đại có thể đápứng được nhu cầu thông tin băng rộng hiện nay Vậy để hiểu rõ về một hệ thốngthông tin quang ta tìm hiểu ở các chương tiếp sau

CHƯƠNG 2

CÁC PHẦN TỬ THỤ ĐỘNG CƠ BẢN CỦA HỆ

THỐNG THÔNG TIN QUANG

Các phần tử thụ động là các phần tử quang hoạt động khi có chùm sángtruyền qua nó Phần tử thụ động hoạt động không cần nguồn kích thích, nó chỉđơn thuần biến đổi các tín hiệu ở trong miền quang mà không có sự chuyển đổisang miền điện Những đặc điểm này dẫn đến về nguyên lí hoạt động các phần tửthụ động chủ yếu dựa vào cấu trúc quang hình của chính bản thân chúng, và tuântheo các định luật hay các nguyên lí ánh sáng Các phần tử thụ động có những ưuđiểm 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 nguồncung 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 làthụ động về cấu hình nên khả năng thay đổi, điều chỉnh hoạt động kém, khônglinh hoạt Chất lượng hoạt động của các phần tử thụ động cũng phụ thuộc vào vậtliệu và công nghệ chế tạo của bản thân thiết bị như các vấn đề về suy hao hay tánsắc của các phần tử thụ động Công nghệ càng phát triển th khả năng của cácphần tử thụ động càng cao Các phần tử thụ động trong hệ thống thông tin quangbao gồm :

• Sợi quang, cáp quang

• Coupler quang

• Bộ cách ly quang

• Bộ bù tán tắc

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 màkhông có sự chuyển đổi sang miền điện Do vậy cơ sở vật lý chung cho các phần

tử thụ động là vật lý quang hình

2.1.1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng khúc xạ và phản xạ ánh sáng được xem xét trong trường hợp cóhai môi trường khác nhau về chỉ số chiết suất Khi ánh sáng đi từ một môi trườngtrong suốt này đến một môi trường trong suốt khác th ánh sáng sẽ thay đổihướng truyền của chúng tại ranh giới phân cách giữa hai môi trường Như vậy cóhai 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 hướngnhưng 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 banđầu thì ta nói tia đó bị phản xạ Hình 2.1 mô tả quá trình khúc xạ và phản xạ ánhsáng qua hai môi trường trong suốt với chiết suất môi trường thứ nhất n1 lớn hơnchiết suất môi trường thứ hai n2

a) b) c)

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 nằmsong song với ranh giới phân cách hai môi trường, lúc ấy θc được gọi là góc tớihạn

Hình 2.1 d: Khi thì tia tới bị phản xạ hoàn toàn về môi trường 1, hiện tượng nàyđược gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần (total reflection)

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 môitrường 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 dụngcho việc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi dẫn quang sử dụng trong thông tinquang Trong sợi dẫn quang, các tín hiệu ánh sáng kết hợp được lan truyền dựavào 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 (ốngthủy

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 môitrường trung gian (là thủy tinh - n2 > n1)

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 khỏinguồn tới biên giới phân cách giữa thủy tinh và không khí Nếu góc tới của tianhỏ

hơn góc tới hạn θc thì nó sẽ bị khúc xạ và đi ra khỏi môi trường thủy tinh Ngượclại góc tới lơn hơn góc tới hạn th sẽ có sự phản xạ toàn phần trong môi trườngthủy tinh (như hình 2.3) Hơn nữa, các mặt của khối thủy tinh song song với nhaunên các tia sáng tới bề mặt sẽ phản xạ bên trong ống với cùng một góc bằng góctới Các tia phản xạ sẽ phản xạ liên tiếp trong thành ống cho đến khi đạt tới điểmcuối của ống Ta có sự truyền dẫn ánh sáng trong ống thủy tinh

Hình 2.3 Tia sáng đi trong ống thủy tinh.

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 hướngsong song với trục của nó Cấu trúc cơ bản gồm một lõi hình trụ làm bằng vậtliệu thủy tinh có chỉ số chiết suất n1 lớn và bao quanh lõi là một vỏ phản xạ hìnhống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2 > n1 Lớp vỏ phản xạ mặc dù không làmôi trường truyền ánh sáng nhưng nó là môi trường tạo ra ranh giới với lõi vàngăn chặn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài, tham gia bảo vệ lõi và gia cường thêm

độ bền của sợi

1

2 1 1

2 2

2 1 max

n

n n n

n n Sin

n

Hình 2.4 Cấu trúc tổng thể của sợi.

Phân loại theo vật liệu điện môi

Sợi quang thạch anhSơi quang thủy tinh đa vật liệuSợi quang bằng nhựa liệu

Phân loại theo mode truyễn dẫn

Sợi quang đơn modeSợi quang đa mode

Phân loại theo phân bố chiết suất

khúc xạ

Sợi quang chiết suất phân bậcSợi 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 sóngđiện từ truyền dẫn được gọi là cac mode trong sợi Đặc điểm của các modetruyền trong sợi quang:

- Mỗi một mode truyền là một mẫu các đường trường điện và trường từđược 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 vớichiết suất lớp vỏ phản xạ Các tia sáng từ nguồn sáng truyền vào sợi quang vớigóc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường truyền khác nhau, tức là truyềncùng vận tốc nhưng thời gian đến cuối sợi sẽ khác nhau Do đó khi đưa một xungánh sáng vào đầu sợi do hiện tượng tán sắc ánh sáng nên cuối sợi nhận được một

xung ánh sáng rộng hơn Loại sợi này có độ tán sắc lớn nên không thể truyền tínhiệu 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 hơnnhiều 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, cóthể là đa mode có chiết suất phân bậc hoặc chiết suất giảm dần

Cấu trúc của sợi đa mode: đường kính lõi a=50µm, đường kính lớp bọc

125µm, độ lệch chiết suất ∆=0,01, chiết suất lõi n=1,46

( nm)

n a NA

a

V = 2 = 2 1 2∆ ≈38λ =850

λ

πλ

2 1 2

2 2

 Sợi đơn mode (SM: Single Mode):

Sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất phân bậc và chỉ truyền một modesóng trong sợi, do đó độ tán sắc xấp xỉ bằng không

Thông số cấu trúc của sợi đơn mode: đường kính lõi (a=9-10µm), đườngkính lớp bọc 125µm, độ lệch chiết suất ∆=0,003, chiết suất lõi n=1,46

Đường kính trường mode MFD (Mode Field Diameter): là một hàm củabước sóng cho các loại đơn mode khác nhau, nó biểu thị sự phân bố tập trungtrong 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 đơnmode

Gọi λc : bước sóng cắt trên đoạn sợi chưa bọc cáp

2 2

2 1

2

n n

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 tínhiệu, đây là 2 yếu tố quan trọng Nó tác động vào quá trình thiết kế hệ thống, xácđịnh khoảng cách và tốc độ truyền dẫn cũng như cấu hình của hệ thống thông tinquang

L: [km]

[ ]dB P

α: được tính bằng dB/km

 Suy hao hấp thụ trong sợi quang:

+ Hấp thụ do tạp chất:

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 OHhấp thụ ánh sáng nên gây ra suy hao rất lớn đến vài nghìn dB/km Để giảm suyhao, người ta chế tạo sợi quang sao cho các sự tập trung ion OH rất nhỏ để suyhao 0,2dB/km tại bước sóng 1550nm

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 khácnhau, 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 rahiện 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 hơnhay 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 mộtcách 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 hiệntượng phủ chờm các xung kề nhau, phủ chờm đến một mức nào đó thiết bị thuquang 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 nhưsau:

 Tán sắc mode:

Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, nó tồn tại trên các sợi đamode vì các mode trong sợi sẽ lan truyền theo các đường đi khác nhau, do đóthời 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 chiếtsuất của vật liệu lõi tạo nên Nó làm cho bước sóng luôn phụ thuộc vào vận tốcnhóm 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 ởtrong lõi Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode

β là một hàm số của a/α, nó thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại cầnquan tâm trong sợi đơn mode

Đơn giản nhất là coupler 1x2, 2x1 và 2x2 như ở hình 2.7a, b,c

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 chiaquang dưới dạng dB sẽ cho chúng ta suy hao do chia quang Bộ chia quang haicổng 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 cóthể được thiết kế với các giá trị α rất gần với 1, thường là từ 0.90 tới 0.95 Khi đóchúng được gọi là bộ rẽ và thường dùng cho các mục đích giám sát hoặc các mụcđích khác Nguyên lí hoạt động của coupler có thể xét thông qua nguyên lí chungcủa 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 cóthiết bị này không thể thực hiện bất kỳ sự chuyển mạch cũng như truyền dẫn mộtvài tín hiệu trong cùng một sợi quang tại cùng một thời điểm Bộ lọc quang làphần tử thụ động hoạt động dựa trên các nguyên lí truyền sóng không cần có sựtác động từ các phần tử bên ngoài Chức năng của bộ lọc là lọc tín hiệu khácnhau được truyền trong cùng một sợi, trước tiên phải tách riêng các bước sóngkhác nhau khỏi tín hiệu tổng Có rất nhiều cách để thực hiện việc tách các bướcsóng 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 dẫnkhác nhau Tùy thuộc vào cách nguyên lí hoạt động của từng thiết bị mà ta có hai

nhóm các bộ lọc khác nhau như : Bộ lọc cố định và bộ lọc điều khiển được Bộlọc quang cố định là các bộ lọc về nguyên lí nó loại bỏ tất cả các bước sóng, chỉcho phép giữ lại một bước sóng cố định đã được xác định trước Bộ lọc điềuchỉnh được là các bộ lọc có thể thay đổi bước sóng mà chúng cho qua tùy theoyêu 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 sốgiữa dải phổ tự do với độ rộng kênh

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 rộngphổ 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 độmịn 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

khoảng để tránh xuyên âm Do đó số lượng kênh trong dải phổ tự do cũng giảmđi.

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 suấtcủa 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 điềukiện phản xạ Bragg được phản xạ trở lại nguồn và cho đi qua tất cả các bướcsóng khác Từ điều kiện phản xạ Bragg ta có :

2Ln =m

Trong đó : n là chiết suất lõi sợi quang

Tại các bước sóng không thỏa mãn điều kiện trên thì ánh sáng không bị ảnhhưởng 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 băngthông (BPF) với khả năng đạt được khoảng cách giữa các kênh là 50 GHz Haitham số quan trọng nhất của một bộ lọc cách tử Bragg là hệ số phản xạ và độrộng phổ Thường độ rộng phổ vào khoảng 0, 1 nm trong khi đó hệ số phản xạ cóthể đạt hơn 99 % Ưu điểm của chúng là đơn giản về cấu tạo và sử dụng, đồngthời lại có hệ số suy hao xen thấp Còn về nhược điểm là có chỉ số chiết suất phụthuộc vào nhiệt độ

Cách tử Bragg có thể được sử dụng như một bộ ghép hay tách khi kết hợp vớicác bộ coupler quang Như hình 2.10 ta có hai cách tử Bragg kết hợp cùng haicoupler quang 3dB.

Khi đưa chùm tia sáng đa sắc có bước sóng là λ1, λ2, … vào cổng 1, chùmsáng qua coupler 3dB thứ nhất được chia thành hai luồng đến hai cách tử Giả sửbước 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

ghép kênh quang (Multiplexer hay MUX) Ngược lại, ở phía thu có một thiết bịtách

tín hiệu quang thu được thành các kênh quang có bước sóng khác nhau để đưađến mỗi bộ thu quang riêng biệt

CHƯƠNG 3

CÁC PHẦN TỬ TÍCH CỰC CƠ BẢN CỦA HỆ

THỐNG 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 nêncác kiến thức vật lí về ánh sáng (như nêu ở chương 2) cũng được sử dụng trongphần 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 điệnngoài 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 cầucủa phần tử tích cực phức tạp hơn các phần tử thụ động như : vị trí lắp đặt, cơchế bảo dưỡng chống quá áp của nguồn, yêu cầu an toàn về điện… Tuy nhiêncác phần tử tích cực có thể điều chỉnh hiệu quả hoạt động khi thay đổi nguồncung cấp

• Chuyển đổi bước sóng

3.1 Cơ sở vật lí chung của các phần tử tích cực

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 (Nhưhình 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 Tuynhiên vẫn có một số lượng nhỏ hạt mang thiểu số tràn qua tiếp giáp tại điều kiệnnhiệt độ và điện áp bình thường Còn khi phân cực thuận cho tiếp giáp (cực âmnối với vật liệu n, c.n cực dương nối với vật liệu p như hình 3.1c) thì các điện tửvùng dẫn phía n và các lỗ trống vùng hóa phía p lại được phép khuếch tán quatiếp giáp Lúc này việc kết hợp các hạt mang thiểu số tăng lên Các hạt mangtăng lên sẽ tái hợp với hạt mang đa số Quá trình tái kết hợp các hạt mang dư rachính là cơ chế để phát ra ánh sáng

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 tácgiữa vật chất và môi trường xung quanh, và tạo ra các hiện tượng phát xạ, bức xạhay hấp thụ… Để phân tích các quá trình phát xạ và hấp thụ ta xét một hệ có haimức năng lượng E1 và E2 với E2 > E1 như hình 3.2 sau Trong đó E1 là trạngthái 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.

- Quá trình hấp thụ ( hình 3.2 a)

Giả thuyết có một điện tử đang nằm ở mức năng lượng thấp (E1), không cóđiện tử nào nằm ở mức năng lượng mức cao hơn (E2), thì ở điều kiện đó nếu cómột năng lượng bằng với mức năng lượng chênh lệch cấp cho điện tử thì điện tửnày sẽ nhảy lên mức năng lượngE2 Việc cung cấp năng lượng từ bên ngoài đểtruyền năng lượng cần tới một mức cao hơn được gọi là kích thích sự dịchchuyển 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

Điện tử rời khỏi mức năng lượng caoE2 bị hạt nhân nguyên tử hút và quay

về trạng thái ban đầu Khi quay về trạng tháiE1 thì một năng lượng đúng bằng2

E -E1 được giải phóng Đó là hiện tượng phát xạ tự phát và năng lượng đượcgiải phóng tồn tại ở dạng ánh sáng gọi là ánh sáng phát xạ tự phát Photon đượctạo ra tự phát th có hướng ngẫu nhiên và không có liên hệ về pha, tức là ánhsáng không kết hợp Theo cơ học lượng tử, bước sóng ánh sáng phát xạ được tínhtheo công thức:

- 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 vàonguyên tử ở trạng thái kích thích và phát xạ ra các photon giống hệt nhau về nănglượng 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 hợpđiện tử và lỗ trống (e-h) Trong điều kiện cân bằng nhiệt, tỷ lệ phát xạ kích thíchrất 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 lỗtrống trong vùng dẫn và vùng hóa trị Ta xét một tiếp giáp p – n với hai loại vậtliệu bán dẫn loại n và p pha tạp cao đến mức suy biến Mức Fermi bên bán dẫnloại n nằm vào bên trong vùng dẫn và mức Fermi trong bán dẫn p nằm vào bêntrong vùng hóa trị Tại cân bằng nhiệt mức Fermi hai bên bán dẫn loại n và pnằm trùng nhau, lúc này không có quá trình bơm hạt tải (hình 3.3a) Khi phâncực thuận đủ lớn, các mức Fermi ở hai miền tách ra, lúc này thì các điện tử bênbán dẫn loại n và lỗ trống bên bán dẫn p được bơm điện tích không gian (hình3.3b) Khi điện thế đặt vào tiếp giáp p-n tăng đủ lớn để quá trình bơm nàyđạt đếnmức cao thì trong miền điện tích không gian có độ rộng là d sẽ có một số lượnglớn các điện tử nằm trên vùng dẫn và một số lượng lớn lỗ trống nằm dưới vùnghóa trị Trạng thái này gọi là đảo mật độ

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 nphải pha tạp mạnh để các mức Fermi nằm vào bên trong vùng dẫn và vùng hóatrị Thế phân cực thuận phải đủ lớn để điện tử và lỗ trống có thể bơm vào vùngdẫn và vùng hóa trị Hiệu hai mức Fermi ở hai vùng bán dẫn loại n và p lớn hơnnăng 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 cácphần 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

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 dẫnquang đa mode Tuy nhiên hiện nay trong phòng thí nghiệm người ta có thể sửdụng cả ở tốc độ bít tới 556 Mb/s do có sự cải tiến công nghệ cao

tích cực, đây cũng chính là cấu trúc để khai triển nghiên cứu LASER Với cấutrúc 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 vớitrục 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 đẳnghướng với độ rộng chùm phát khoảng 120o Mẫu phát đẳng hướng này gọi là mẫuLambertian Khi quan sát từ bất kỳ hướng nào thì độ rộng nguồn phát cũngngang bằng nhau nhưng công suất lại giảm theo hàm cosβ với β là góc hợp giữahướng 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):