Nghiên cứu bộ khuếch đại quang sợi EDFA sử dụng trong hệ thống thông tin quang coherent

ii LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan toàn bộ nội dung đề tài “ Nghiên cứu bộ khuếch đại quang sợi EDFA sử dụng trong hệ thống thông tin quang Coherent” được thực hiện và hoàn thành bởi chín

i

LỜI CẢM ƠN

Qua hơn 4 năm em được học tập và rèn luyện với chuyên ngành Điện Tử

Viễn Thông Em xin cảm ơn tất cả các Thầy Cô giảng viên từ những môn học cơ

bản cho tới chuyên ngành.Qua suốt thời gian học tập tại Trường Đại Học Hàng

Hải, em luôn nhận được sự giảng dạy và hướng dẫn tận tình của tất các Thầy Cô

và nhà trường

Hơn thế nữa, với Đồ Án Tốt Nghiệp cuối khoá, em xin gửi lời cảm ơn chân

thành nhất tới tất cả các Giảng Viên bộ môn Và em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc

nhất tới Cô Nguyễn Thanh Vân - người trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều

kiện thuận lợi nhất để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này Cô đã giúp em định

hướng và có sự chỉ dẫn hết sức tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu!

Sinh viên Nguyễn Thị Hải Thịnh

ii

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan toàn bộ nội dung đề tài “ Nghiên cứu bộ khuếch đại quang sợi EDFA sử dụng trong hệ thống thông tin quang Coherent” được thực hiện và hoàn thành bởi chính cá nhân em và dưới sựu hướng dẫn của Ths Nguyễn Thanh Vân Tất cả những vấn đề liên quan đến đề tài này là trung thực và chưa từng được phổ biến dưới bất kì hình thức nào Ngoài ra, việc sử dụng những bảng biếu với những số liệu trong việc phân tích, đánh giá và nhận xét cũng được tìm hiểu kĩ càng từ nhiều nguồn thông tin đáng tin cậy và được nêu rõ tại phần tài liệu tham khảo

Bên cạnh đó, với đề tài này em có sử dụng một số khái niệm và dữ liệu của một số các tác giả, các nhà nghiên cứu khác và luôn kèm theo trích dẫn và chú thích rõ ràng

Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về toàn bộ nội dung đề tài nghiên cứu này nếu Thầy Cô phát hiện có bất kì sự gian dối nào

iii

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU……… 1

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG………….2

1.1 Lịch sử phát triển………2

1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang……… 3

1.3 Hệ thống thông tin quang Coherent………6

1.4 Các ưu điểm của thông tin quang………9

1.5 Các phần tử quang cơ bản trong hệ thống thông tin quang…………11

1.5.1 Sợi quang 11

1.5.2 Cáp quang 11

1.5.3 Các phần tử quang - điện 12

CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ KHUẾCH ĐẠI QUANG……… 15

2.1 Giới thiệu khuếch đạiquang………15

2.2 Nguyên lí biển đổi quang điện trong thông tin quang………16

2.2.1 Quá trình hấp thụ 16

2.2.2 Hiện tượng tự phát xạ (phát xạ tự phát) 17

2.2.3 Hiện tượng phát xạ nhờ kích thích 18

2.3 Các bộ khuếch đại quang……… 18

2.3.1 Cấu tạo chung 18

2.3.2 Khuếch đại quang bán dẫn SOA 19

2.3.3 Chức năng chính của một SOA: 20

2.3.4 SOA gồm hai loại chính: 20

2.3.5 Khuếch đại quang sợi OFA( Opitical Fiber Amplifier) 20

iv

CHƯƠNG III: BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA……… 22

3.1 Khái niệm………22

3.2 Các loại khuếch đại quang……… 22

3.3 Khuếch đại quang sợi EDFA……… 23

3.3.1 Khái niệm 23

3.3.2 Cấu trúc của EDFA 24

3.3.3 Hoạt động của EDFA 27

3.3.4 Yêu cầu về công suất bơm 30

3.3.5 Yêu cầu về hướng bơm 30

3.3.6 Phổ khuếch đại trong EDFA 30

3.3.7 Ảnh hưởng của can nhiễu trong EDFA 31

3.3.8 Những đặc điểm của EDFA 35

3.4 Khả năng ứng dụng của EDFA……… 36

3.4.1 Đối với cấu hình EDFA cải tiến 36

3.4.2 Với các cấu trúc EDFA cải tiến đặc tính khác 37

3.4.3 Ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin quang 37

3.4.4 Ứng dụng của EDFA trong các hệ thống tuyến tính số 38

3.4.5 Sử dụng cho những hệ thống Soliton 38

3.4.6 Những ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin tương tự 39

3.4.7 Ứng dụng EDFA trong mạng nội hạt-mạng LAN 39

KẾT LUẬN……….Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 41

v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

SLA Semiconductor Laser Amplifier: bộ khuếch đại quang không phản

hồi

LED Light Emitting Diode : điốt phát quang

IM/DD Intensity Modulation with Direct Detection: hệ thống truyền dẫn

thông tin quang điều chế cường độ, tách sóng trực tiếp

PCM Pulse Code Modulation: điều chế xung mã

CMI Coded Mark Inversion :Mã đảo Ngược

LD laser diode: đi-ốt quang

APD Avalanche photodiode : Diode quang thác

O/E Optical/Electric :bộ biến đổi quang sang điện

E/O Electric/Optical :bộ biến đổi điện sang quang

FDM Frequency Division Multiplexing : ghép kênh theo tần số

FSK Frequency shift keying : Khoá dịch tần số

PSK Phase shift keying : khoá dịch pha

S/N Signal/Noise : tỉ số tín hiệu trên nhiễu

BW Band Wide : độ rộng băng tần

SDH Synchronous Digital Hierarchy: Đồng bộ kỹ thuật số phân cấp

WDM Wavelength Division Multiplexing : Bộ ghép sóng quang

OFA Optical Fiber Amplifier :bộ khuếch đại quang

SOA Semiconductor Amplifier Optical Khuếch đại quang bán dẫn

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier : khuếch đại quang pha tạp Eribium

vi

EDF Erbium-Doped Fiber: sợi pha tạp Eribium

BA Buffer Amplifier : bộ khuếch đại đệm

LA Low Ampifier: khuếch đại nhỏ

CATV Cable Television: truyền hình cáp

LAN Local area network : mạng nội bộ

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Các loại khuếch đại quang tiêu biểu 22 Bảng 3.2 Ưu nhược điểm của 2 bước sóng bơm 32

Hình 2.4 Mô phỏng hiện tượng phát xạ nhờ kích thích 18 Hình 2.5 Cấu trúc chung cho bộ khuếch đại quang 18

Hình 3.1 Mô hình một bộ khuếch đại quang sợi 23 Hình 3.2 Cấu trúc hệ thống của một EDFA 24

Hình 3.5 Phân mức năng lượng trong EDFA 27

Hình 3.8 Qúa trình tạo nhiễu giao thoa nhiều luồng 34

1

LỜI NÓI ĐẦU

Thời gian trước, khi thông tin quang còn chưa được đầu tư nghiên cứu và phát triển thì vấn đề truyền dẫn thông tin trên một cự li xa gặp rất nhiều khó khăn Khi đó, người ta phải sử dụng tới các trạm lặp nhằm bù lại lượng công suất suy hao đường truyền Cùng với đó là việc khuếch đại công suất tín hiệu đủ lớn để truyền tới trạm lặp tiếp theo cho tới điểm đến

Ngày nay, thông tin quang đã trở thành tuyến truyền dẫn hàng đầu được sử dụng trong hầu hết các ngành viễn thông Để đáp ứng nhu cầu đó, người ta sử dụng công nghệ khuếch đại quang trực tiếp.điều này đồng nghĩa với việc sẽ làm tăng khoảng cách truyền thông tin lên rất xa.Các bộ khuếch đại quang là các thiết bị

bù suy hao có hiệu quả nhất cho sợi quang Chúng được chia thành nhiều loại khác nhauvà có thể thực hiện khuếch đại trực tiếp mà không qua sự biến đổi quang- điện và điện- quang nào như:khuếch đại laser bán dẫn SLA ( Semiconductor Laser Amplifier: bộ khuếch đại quang không phàn hồi), khuếch đại sợi pha tạp Eribium, khuếch đại Raman sợi và khuếch đại Brillouin sợi… Các hệ thống thông tin quang có ưu điểm vượt trội so với thông tin cáp kim loại như suy hao truyền dẫn thấp, dung lượng truyền cao, ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ và hoạt động tin cậy hơn

Hệ thống thông tin quang Coherent đánh dấu một bước ngoặt lớn với phương thức hoạt động và khai thác đã từng được coi rất có hiệu quả trong kỹ thuật thông tin quang vào đầu những năm 80 của thế kỷ XX

2

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Lịch sử phát triển

Khi các linh kiện bán dẫn trở nên phổ biến và những năm 50 của thế kỉ

XX thì các phô-tô-đi-ốt được thiết kế rất tinh vi và nhạy bén cũng dần được chế tạo nhằm phục vụ cho các bộ thu quang

Vào những năm 60 của thế kỉ đó, sự bùng nổ của kĩ thuật Laser cho việc tạo các nguồn quang với công suất lớn với thành phần phổ đơn sắc Hơn thế nữa, hệ thống quang còn đón nhận một tin vui nữa từ việc chế tạo “đi-ốt laser bán dẫn làm quang điều chế dải rộng” Tiếp sau đó là việc nghiên cứu ra LED- máy phát quang rất phù hợp để ứng dụng trong thông tin quang với chi phí thấp

Người ta cho ánh sáng đi qua những sợi thuỷ tinh Mặc dù đã nghiên cứu ra cách truyền ánh sáng đi xa, nhưng đến đầu thập niên 70 mới cho ra lo được loại sợi quang với mức suy hao 20dB/km khoảng 6 năm sau, các linh kiện thiết yếu khác như bộ phân nhánh hay các mạch hồi tiếp cũng được ra lò ở nhiều khu vực khác nhau trên thế giới như Anh hay Mỹ Và việc ứng dụng truyền tin tức bằng ánh sáng chính thức được phát triển từ đây

Một bước ngoặt lớn cho hệ thống thông tin quang, đặc biệt quang trọng đối với việc truyền tin bằng cáp quang vào những năm 1979 đó là : sản xuất được loại sợi quang với mức suy hao thấp nhất 0,25dB/km

Với đường truyền cáp quang vượt biển cũng được đề xuất và gây sự chú ý trên toàn thế giới

+ Cuối năm 1998, đường truyền cáp quang vượt biển đầu tiên có tên TAT-8 được thi công Sau 4 tháng, một tuyến cáp Số 3 và Số 4 lần lượt được chính thức xây dựng trên tuyến biển Thái Bình Dương Hai nước Mỹ và Anh xây dựng và

đi vào hoạt động trao đổi thông tin qua tuyến cáp PTA-1

+ Tuyến này hoạt động với 2 đôi cáp có λ= 1300nm, có thể mang trên mình

Việc trao đổi thông tin giữa Mỹ và Nhật được nâng cao khi giữa 2 nước này thiết lập tuyến cáp với giá thành tới 600 triệu đô la mỹ, với 12300km chiều dài

và làm việc tại λ=1300nm

Vào khoảng những năm 1990, tiểu bang Pacific của Mỹ và Mirio của Nhật cũng đưa tuyến cáp bắc Thái Bình Dương và khai thác.Cùng thời điểm này, tuyến cáp Nhật-Triều Tiên-Hồng Kông cũng được thiết lập

Năm 1992 tuyến cáp nối liền Đài Loan-Singapore-Hồng Kông được thực hiện

Giữa Úc-Hawaii-Newzeland cũng bắt tay xây dựng tuyến Pacrim-East vào năm 1993

Năm 1995 chính thức đưa tuyến cáp giữa 3 khu vực Hồng Kông-Thái Lan-VIệt Nam vào hoạt động

Năm 1996 , Pacrim-East được nối thêm từ Úc sang Guam

Bênh cạnh đó, còn có các tuyến cáp sử dụng cho quân sự, truyền hình hay trong nước

Việt Nam đang khai thác triệt để tuyến cáp 500 KV từ Bắc vào Nam để phục vụ nhu cầu thông tin toàn quốc

1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang

Bao gồm:

- Nguồn tín hiệu

- Môi trường dẫn truyền

4

- Bộthu tín hiệu

 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang điều chế trực tiếp(IM/DD)

Hình 1.1 : Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang

Khối ghépkênh :tiến hành ghép kênh tín hiệu sử dụngqua trình điều chế xung

mã PCM

Bộ mã hoá: chuyển đổi mã tín hiệu thành mã đường dây (mã mB/nB với n>m hoặc mã CMI )sao cho thích ứng với môi trường truyền dẫn là sợi quang.Đồng thời giám sát và cải thiện khả năng sửa lỗi và khôi phục đồng hồ

Khối kích thích:Nguồn quang haysử dụngthiết bị bức xạ dạng ánh sáng nhìn thấy hoặc tiếp giáp vùng hồng ngoại là LED và LD Ưu điểm của mỗi nguồn sáng là ở mức công suất ra, tính tuyến tính, giá cả hay là băng tần làm việc

Với đặc điểm của LED như: “LED có công suất ra tỉ lệ với dòng kích thích, nó thích hợp cho cả điều chế anlalog và điều chế số, so với Laserdiode thì công suất ra cũng như tần số điều chế của Led thấp hơn, một nhược điểm nữa là

độ rộng phổ lớn vào khoảng 40nm, ánh sáng bức xạ của LED không tập trung, ánh sáng không kết hợp, góc mở phát xạ của LED đến 900(theo phân bố Lambert) để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo LED bức xạ cạnh (ELED) Laserdiode phát sáng kết hợp chùm tia bức xạ hẹp, góc bức xạ chỉ vào khoảng 50- 100, bởivậy hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang lớn ngay cả loại

 Thiết bị thu đầu cuối:

Quá trính biến đổi quang-điện diễn ra tạ đây nhờ các bộ tách quang hay chính là các Đi-ốt PIN hay APD Khi hoạtham gia vào quá trình tách sóng thì diode hoạt động với thiên áp ngược

Sự khác nhau chủ yếu giữa phô-tô đi-ốt PIN và đi-ốt APD ở chỗ:

Bảng 1.1 : So sánh giữa điot PIN và APD

- Độ nhạy máy thu ánh sáng cao hơn

- Chịu mức giá cả cao hơn

Khối khuyếch đại san bằng: thực hiện 2 chức năng vừa đảm bảo khuếch đại vừa thực hiện san bằng nhằm nâng cao tỷ số S/N ở điểm quyết định

Khối quyết định giải mã tín hiệu có tác dụng chuyển đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện ban đầu với dạng mã tương đương bên phía thu của bộ ghép kênh bên phát

Để thực hiện phục hồi tín hiệu, giải mã và tách kênh chính xác yêu cầu không thể thiếu là tín hiệu đồng hồ đồng bộ với phía phát

6

 Trạm lặp:

Trên mọi đường truyền đều không thể tránh khỏi các yếu tố tác động gây suy hao và tán sắc tín hiệu.Nên khoảng cách truyền sóng chỉ có giới hạn nhất định.Việc lắm them các trạm lặp này với mục đích bù suy hao nhàm đảm bảo công suất tín hiệu truyền được ổn định Trong thông tin quang IM/DD, các thành phần của một trạm lặp bao gồm:

+ Khối O/E chuyển đổi từ tín hiệu quang (Optical Fiber) sang tín hiệu điện (Electric)

+ Khối khuyếch đại, sửa chữa dạng tín hiệu điện

+ Khối E/O chuyển tín hiệu điện vừa được sửa sang tín hiệu quang

1.3Hệ thống thông tin quang Coherent

+ Khái quát:

Đối với hệ thống thông tin quang dạng “điều chế cường độ tách sóng trực tiếp” (IM/DD) mỗi chuỗi bít sẽ được điều chế trực tiếp vào sóng mang quang, đầuthu tín hiệu quang được tách sóng trực tiếp bằng các Photodiode để lấy ra tín hiệu điện bằng gốc Đó là nguyên lý truyền dẫn thông tin đơn hướng Với truyền dẫn hai chiều người ta dùng hai sợi quang truyền tín hiệu từ máy phát đến máy thu Tuy nhiên hiệu suất sử dụng sợi quang của hệ thống này không cao nhưng

nó vẫn được sử dụng từ trước đến nay và cả trong tương lai, bởi vì giá thành của

nó rẻ và lắp đặt đơn giản

Để tận dụng khả năng truyền dẫn của sợi quang, người ta đã nghiên cứu

và đưa vào thí nghiệm hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent) Ở hệ thống này sự đổi tần quang được sử dụng ở máy thu bằng cách trộn trường quang của

bộ dao động nội với tín hiệu quang thu được Các ưu điểm cơ bản của hệ thống thông tin quang kết hợp so với hệ thống thông tin quang IM/DD là:

- Nâng cao độ nhạy máy thu:

Trong hệ thống thu trực tiếp độ nhạy máy thu bị hạn chế bởi băng tần cao, tần số càng cao thì độ nhạy máy thu càng giảm Trong hệ thống thông tin quang

7

Coherent có sử dụng phương pháp Homodyne hoặc Heterdyne cho phép tăng khoảng cách giữa hai trạm lặp, tăng tốc độ truyền trong các tuyến thông tin đường trục và tăng số kênh trong mạng nội hạt hoặc thuê bao Độ nhạy máy thu được nâng len từ (15-20dB) so với thu trực tiếp

- Nâng cao khả năng truyền dẫn:

Với phương pháp ghép kênh theo tần số (FDM) các hệ thống thông tin quang Coherent có dung lượng truyền dẫn rất lớn Điều này có thể thông qua ví dụ sau: Nên trong vùng cửa sổ quang 1,55m (tần số 200THz), chọn độ rộng phổ để truyền (chẳng hạn 1,47m- 1,57m) thì trong vùng này có thể truyền khoảng

109 kênh thoại tương đương

- Nâng cao khả năng lựa chọn kênh:

Khả năng chọn lọc kênh ở phía thu đựa trên khả năng nguồn thu có thể điều chỉnh được tín hiệu tới Như vậy người sử dụng có thể có thể lựa chọn được kênh mong muốn trong nhiều kênh

- Kết hợp thu Coherent với khuyếch đại quang:

Có thể tạo nên các tuyến thông tin số có dung lượng đường truyền lớn và tăng khoảng cách giữa hai trạm lặp ( có thể đạt 10.000 km) khả năng này được ứng dụng trong các tuyến trục và các tuyến cáp quang dưới biển

Tuy nhiên bên cạnh các ưu điểm thông tin quang Coherent cũng có những nhược điểm: Sơ đồ cấu trúc phức tạp của nguồn thu kéo theo sự đòi hỏi cao về

ổn định của Laser bán dẫn dùng làm nguồn phát dao động nội và nguồn phát tín hiệu, yêu cầu nghiêm ngặt về nhiệt độ, dòng nuôi, nhiễu pha, độ phân cực,v.v…, giá thành cao

Tuy vậy do các ưu điểm của nó nên hệ thống thông tin quang Coherent vẫn chiếm vị trí then chốt của nó trong mạng viễn thông tương lai

8

Sơ đồ khối hệ thống

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống quang Coherent

Phần phát gồm laser bán dẫn, bộ điều chế tín hiệu và bộ khuyếch đại công suất

Laser bán dãn hoạt động ở chế độ ở chế độ đơn mod có độ rộng phổ hẹp, thường là loại DFB có độ rộng phổ ∆≤0,1 nm, hoặc Laser có bộ cộng hưởng ngoài (Laser cách tử có độ rộng băng tần cỡ (10MHz-100MHz)

Các loại LED và Laser đa mod không thích hợp bởi vì yêu cầu độ rộng phổ phải hẹp, độ ổn định nhiệt cao, nhiệt độ phải điều khiển trong giới hạn 0,010C để đảm bảo độ ổn định tần số của Laser

Bộ điều chế:

Thực hiện theo hai phương pháp tương ứng với dạng điều chế

Bộ điều chế nội xạ của nguồn Laser (Trực tiếp như trong hệ thống FSK)

Bộ kích thích điều chế trường quang đã phát ra từ nguồn Laser bằng các thiết bị thích hợp như: ASK, PSK hoặc DPSK

Giữa sợi quang và các bộ thu phát nên đưa thêm vào các bộ cách ly để tránh phản xạ sóng

Phần thu có cấu tạo phức tạp nhất, nó bao gồm một bộ trộn quang, một Laser dao động nội, một photodiode, một bộ tiền khuyếch đại, một bộ giả điều chế, bộ tự động điều chỉnh tần số

Bộ trộn quang là một mạng 4 cổng như bộ ghép định hướng siêu cao tần, hai trường quang ở các cổng vào được trộn với nhau và cộng tuyến tính ở hai cổng ra của bộ trộn

Trộn quang

9

Trong một máy thu đơn giản nhất chỉ có 1 đầu ra của bộ trộn đưa đến 1 photodiode, dòng điện sau tách sóng từ photodiode được đưa đến bộ tiền khuyếch đại, lọc thông dải để hạn chế độ rộng băng tần nhiễu Tín hiệu đưa vào

bộ giải điều chế tương ứng dạng điều chế ở máy phát, một phần tín hiệu đầu ra

bộ lọc thông dải được đưa vào mạch điều khiển tần số tự động AFC đưa đến điều khiển bộ dao động nội

1.4 Các ưu điểm của thông tin quang

So với hệ thống thông tin điện sử dụng hệ thống cáp đồng cổ điện thì thông tin quang sử dụng hệ thống sợi quang cũng như các linh kiện phát, thu quang biểu hiện nhiều ưu điểm, ở đây chúng ta nêu lên một số trong các ưu điểm đó:

+ Hệ thống thông tin quang có tốc độ truyền dẫn lớn băng thông rộng nên có thể truyền một khối lượng thông tin lớn đến hàng trăm GHz.km, với cự ly xa hơn

100 km không cần trạm lặp, nó đáp ứng được đòi hỏi thông tin trong tương lai Sợi quang có kích thước nhỏ, nhẹ tốn ít vật liệu, lắp đặt thuận tiện, vận chuyển

dễ dàng

+ Tín hiệu truyền trong sợi quang không bị tác động của nhiễu điện trường chẳng hạn như của các máy móc công nghiệp, không bị xuyên âm giữa các đường truyền, không có các tia nhiễu xạ ra ngoài, thuận tiện trong việ truyền tín hiệu trong các khu công nghiệp, trong máy bay, tàu thủy,…

+ Sợi quang làm bằng thủy tinh, chất điện môi nên có độ đàn hồi cao, bền vững với môi trường, có thể dùng trong các vùng có phóng xạ, khu công nghiệp hóa chất, dầu khí…

+ Vật liệu chế tạo sợi quang sẵn có, rẻ tiền nên giá thành sản xuất thấp

Do có nhiều ưu điểm sợi quang được sử dụng rộng rãi cho mạng diện thoại, truyền số liệu trong mạng máy tính, truyền thanh, truyền hình…

Tuy nhiên nó cũng có những nhược điểm nhát định như khó đấu nối hơn

so với sợi kim loại, công nghệ chế tạo đòi hỏi phức tạp hơn, việc cấp nguồn cho

10

trạm trung gian phải có đường riêng…

Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang

Như đã trình bày ở trên ba yếu tố chính cấu thành hệ thống thông tin quang là nguồn quang, sợi quang và nguồn thu Các yêu cầu cơ bản của hệ thống thông tin là cự ly truyền, tốc độ truyền cũng như độ rộng băng, lỗi bit cũng như trên tạp âm

Hai đặc điểm điển hình của hệ thống truyền dẫn tương tự là tỷ số tín hiệu trên tạp (S/N) và độ rộng băng tần (BW), còn với truyền dẫn số thì đặc trưng tương ứng cho hai đại lượng  ) trên là xác suất lỗi đối với tín hiệu đã tách ra hoặc tỷ số lỗi BER và tốc độ Bit (BR-Bit rate) thay cho độ chiếm phổ của băng tần

Để đáp ứng các yêu cầu trên cần chú ý đến các thống số của các yếu tố trong đường truyền như:

 Với nguồn bức xạ ánh sang (LED, LD)

+ Công suất ra cực đại, công suất ghép vào sợi quang

+ Chiết suất, phân bố chiết suất

 Với nguồn thu quang (PIN, APD)

+ Độ nhạy

+ Dải tần làm việc

+ Điện áp làm việc

 Có hai loại sợi quang: đa mode và đơn mode

- Sợi đa mode có chiết suất thay đổi đột ngột giữa lõi và vỏ gọi là sợi đa mode có chiết suất nhảy bậc, viết tắt là MM- SI

- Sợi đa mode khác có chiết suất lõi biến đổi đều từ no đến n2 (no> n2), viết tắt là MM- GI

- Sợi đơn mode có chiết suất nhảy bậc, viết tắt là SM- SI

1.5.2 Cáp quang

Sợi quang muốn đưa vào sử dụng trong các tuyến thông tin phải bọc thành sợi cáp Sợi quang khi mới sản xuất ra chỉ được bọc trong một lớp nhựa mỏng để bảo vệ mặt ngoài của nó, lớp vỏ sơ cấp tiếp có đường kính khoảng 250m, lớp

vỏ này có thể tách ra khỏi sợi quang dễ dàng, không ảnh hưởng đến lõi sợi

Khi sản xuất cáp, để đảm bảo tính ổn định, bền vững cơ học, phải làm lớp

vỏ bảo vệ cáp, chất độn và các vật liệu gia cường vỏ cáp thường làm bằng kim loại hoặc nhựa tổng hợp có độ bền cao, chất độn thường là chất nhờn choán đầy các khe hở của cáp Các vật liệu gia cường có thể là sợi thép, băng thép hoặc tổng hợp có sức bền lớn

Phân loại

- Theo cấu trúc:

+ Cáp có cấu trúc đối xứng cổ điển như cáp kim loại

+ Cáp với lõi có rãnh dạng răng lược, sợi quang được xếp trong các rãnh của lõi cáp

12

+ Cáp có cấu trúc băng dẹt, các sợi quang được bố trí trên từng băng, trong ruột cáp có nhiều băng xếp chồng

- Theo mục đích sử dụng:

+ Cáp dùng trong mạng thuê bao nội hạt, mạng nông thôn

+ Cáp trung kế giữa các tổng đài

+ Cáp dùng trong thông tin đường dài

- Theo điều kiện lắp đặt:

Khi phân cực thuận cho tiếp giáp PN, tương ứng tạo ra sự tái hợp điện tử

và lỗ trống trong vùng hoạt tính, theo định luật bảo toàn năng lượng, quá trình tái hợp này (chuyển trạng thái năng lượng từ vùng dẫn về vùng hóa trị) sẽ phát

xạ photon Tuy nhiên, không phải quá trình tái hợp nào cũng tạo ra photon Do vậy, số photon được tạo ra còn phụ thuộc vào hiệu suất lượng tử nội của bán dẫn (là tỷ số giữa số photon được tạo ra trên số điện tử được dòng điện bơm vào LED) và cấu trúc dị thể kép để đảm bảo cho các điện tử và lỗ trống có thể tái hợp một cách trực tiếp để bảo tồn động lượng

Cấu trúc dị thể kép để tạo ra dải cấm trực tiếp.Dải cấm này được dùng cho lớp tích cực của nguồn phát quang để đảm bảo cho các điện tử và lỗ trống có thể

13

tái hợp một cách trực tiếp để bảo tồn động lượng, có nghĩa là đưa ra mức phát quang yêu cầu Tuy nhiên, không thể tồn tại được bán dẫn đơn phân tử để tạo ra dải cấm này mà chỉ có thể từ các vật liệu tạo ra từ sự hỗn hợp của các phần tử nhóm III (như Al, Ga hoặc IN) và nhóm V (P, As) và được gọi là vật liệu III-V

- Thông thường, GaAs/GaAlAs cho vùng bước sóng 850nm

- InP/InGaAsP dùng cho các vùng bước sóng 1300nm và 1550nm

b Diode laser phun

- Gồm nhiều lớp bán dẫn P, N

- Ánh sáng phát ra được giam trong lớp tích cực

- Lớp tích cực rất mỏng, làm bằng vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa hai lớp P,

N có chiết suất nhỏ hơn Cấu trúc này tạo thành ống dẫn sóng

- Ánh sáng của laser phát ra ở phía cạnh, giống ELED

- Ở hai đầu lớp tích cực là hai lớp phản xạ có hệ số phản xạ dưới 1

- Ánh sáng được đưa ra ngoài qua một phần được cắt nhẵn của một mặt phản xạ

c Diode tách sóng quang

- Là phần tử cơ bản của máy thu trong hệ thống tin quang sợi Nó có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang truyền dẫn dọc sợi quang từ máy phát về dạng tín hiệu điện.Làm việc dựa trên hiệu ứng quang điện Diode tách sóng quang dùng trong

hệ thống thông tin quang sợi phải đáp ứng các yêu cầu sau: Có độ nhạy cao, phản ứng thời gian nhanh, tạp âm thấp, độ tin cậy cao, giá thành thấp và có kích thước phù hợp với kích thước của lõi sợi quang Diode tách sóng quang chế tạo

từ chất bán dẫn với chuyển tiếp P-N hoạt động theo nguyên tắc hiệu ứng quang

áp đáp ứng tốt được các yêu cầu trên

d Diode PIN

- Được cấu tạo từ chất bán dẫn gồm 3 vùng.Vùng bán dẫn ở giữa vùng P và vùng N là vùng bán dẫn tinh khiết gọi là vùng I (intrinsic), vì vậy nó có tên là diode PIN

14

- Có dải từ 1,3 ÷1,5 m với các lớp bán dẫn, thiên áp ngược đặt vào diode PIN cùng trở tải và phân bố điện trường bên trong diode PIN

e Diode quang thác APD

- Được sử dụng trong hệ thống thông tin quang sợi mà công suất sóng tới bị giới hạn

- Đặc điểm:

+ Dòng quang điện được tăng cường rất lớn nhờ hiệu ứng nhân thác xảy ra do sự ion hóa do va chạm của các cặp điện tử - lỗ trống sơ cấp sinh ra trong vùng nghèo khi hấp thụ ánh sáng với mạng tinh thể trong vùng nhân thác để tạo các cặp điện tử - lỗ trống thứ cấp

Hình 2.1 Cấu trúc của một trạm lặp quang điện (optoelectronicrepeater)

Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH.Tuy nhiên, khi sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng để khuếch đại và

- Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang

- Không có mạch tái tạo thời gian hay mạch phục hồi (bộ biến đổi E/O hoặc O/E)

=>Do đó khuếch đại quang sẽ trở nên linh hoạthơn

2.2Nguyên lí biển đổi quang điện trong thông tin quang

Quá trình biến đổi quang điện thông qua 3 hiện tượng: hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích Cả 3 hiện tượng này xảy ra cùng một thời điểm Quá trình phát xạ ( gồm cả tự phát và kích thích) và quá trình hấp thụ trong điều kiện nhiệt phải cân bằng nhau Tuỳ vào mục đích sử dụng, người ta sẽ tạo ra từng loại linh kiện biến đổi quang với chức năng khác nhau

2.2.1Quá trình hấp thụ

Hình 2.2 : Mô phỏng quá trình hấp thụ

Hay còn gọi là Absorption được xác dịnh bằng cách: khi một điện tử đang ở mức năng lượng nhỏ E1 sẽ tiến hành hấp thụ bất kì một phô-tôn nào có nặng lượng hf Điều này có nghĩa là: ta thực hiệntính toán sự lượng chênh lệch

17

năng lượng của điện tử đó giữa 2 mức năng lượng cao và thấp Năng lượng hf của phô-tôn nào trùng với mức chênh lệch đó thì sẽ bị chính điện tử đó hấp thụ (Eg=E2 – E1) Quá trình hấp thụ diễn ra thì phô-tôn có mức năng lượng hf đó sẽ truyền toàn bộ năng lượng của mình sang điện tử đó, để điện tử đó chuyển lên mức năng lượng cao hơn

Trong đó: E2 là mức năng lượng cao của điện tử, E1 là mức năng lượng thấp

2.2.2 Hiện tượng tự phát xạ (phát xạ tự phát)

Hình 2.3 : Mô phỏng hiện tượng tự phát

Hay còn gọi là Spontaneous emission Hiện tượng điện tử phát ra mức nặng lượng Eg=E2 – E1 khi mà nó thực hiện chuyển đổi từ một mức năng lượng

E2 cao hơn xuống E1 là mức năng lượng thấp ở dạng một phô- tôn ánh sáng Do E2 không là một mức năng lượng bền nên hiện tượng này là hoàn toàn bình thường và không cần yếu tố ngoài tác động

Đây là một hiện tượng xảy ra hoàn toàn tự nhiên do quy luật của tất cả các điện tử đều sẽ trở về 1 trạng thái ổn định có mức năng lượng thấp hơn Kết quả của quá trình này tạo ra các phô-tôn ánh sáng với tần số, pha , phân cực hay là hướng truyền đều khác nhau và rất ngẫu nhiên