Đồ án tốt nghiệp hệ thống thông tin quang

Hệ thống thồng tin quang

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 5

1.Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 5

2.Hệ thống thông tin quang điển hình 7

2.1.Thiết bị đầu cuối 7

2.2.Bộ phát quang 8

2.2.1.Nguyên lý chung 8

2.2.2.Bộ phát quang 14

2.3.Khuếch đại quang 31

2.3.1.Ưu điểm 31

2.3.3.Phân loại 31

2.3.4.Ứng dụng của khuếch đại quang 35

2.4.Kết nối sợi quang 36

2.4.1.Bộ nối quang 36

2.4.2.Hàn nối sợi quang 41

2.5.Bộ chia quang (Splitter) 45

2.6.Trạm lặp 46

2.7.Cáp sợi quang 47

2.7.1.Một số vấn đề cơ bản về ánh sáng 47

2.7.2.Sợi quang 53

2.7.3.Cấu trúc cáp sợi quang 78

2.8.Bộ thu quang 84

2.8.1.Nguyên lý chung 84

2.8.2.Sơ đồ khối bộ thu quang 85

2.8.3.Các linh kiện biến đổi quang - điện bán dẫn (Photodiode) 86

CHƯƠNG 2: ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 92

1 Ưu điểm 92

CHƯƠNG 3: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ ỨNG DỤNG 94

1.Các hệ thống thông tin quang 94

1.1Phân chia hệ thống theo dạng tín hiệu 94

1.2.Phân loại theo chuẩn ghép kênh 95

1.2.1.Ghép kênh theo bước sóng WDM 96

1.2.2.Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM 97

1.2.3.Ghép kênh sóng mang phụ SCM 100

1.2.4.Ghép kênh phân chia theo mã CDM 101

1.3.Phân loại theo phương pháp điều chế 103

1.3.1.Hệ thống IM/DD 103

1.3.2.Hệ thống Coherent 105

2.Ứng dụng của hệ thống thông tin quang 105

PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 108

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 108

1.Giới thiệu 108

2.1.Các yêu cầu khi thiết kế tuyến 108

2.2.Tính toán lựa chọn các thành phần của tuyến 108

2.3.Nhận xét 109

3.Quỹ công suất 109

4.Quỹ thời gian lên 111

5.Nhiễu trong hệ thống thông tin quang 113

6.Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu 114

6.1.Đối với Photodiode PIN 114

7.Các giá trị của các thành phần 116

8.Bài toán tính toán và thiết kế theo quỹ công suất và thời gian lên 118

8.1.Chọn bước sóng làm việc của tuyến 118

8.2.Chọn loại sợi quang 118

8.3.Thiết bị thu quang 119

8.4.Tính toán tổn hao trên đường truyền 119

8.5.Độ nhạy của máy thu 120

8.6.Tính toán thời gian lên 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

KẾT LUẬN 124

LỜI MỞ ĐẦU

Ngay từ lúc sơ khai con người đã biết sử dụng ánh sáng để truyền tin tức, ra hiệu đểdiễn tả một điều gì đó Điều đó cho ta thấy được tầm quan trọng của việc truyền vànhận tin tức đối mọi nhu cầu trong cuộc sống Ngày nay, cùng với sự phát triển của thếgiới nhu cầu trao đổi thông tin của mỗi cá nhân, tổ chức ngày càng được nâng cao vàđòi hỏi có quy mô lớn Khi mà cơ sở hạ tầng viễn thông đã quá lạc hậu, lỗi thời khôngđáp ứng được nhu cầu thiết thực đó thì hệ thống thông tin quang dần được hình thành

và đáp ứng được mọi nhu cầu về khả năng truyền dẫn băng thông rộng, lưu lượng lớn,

độ tin cậy cao, chất lượng tốt, tốc độ truyền dẫn cao và trong tương lai có thể thay thếhoàn toàn hệ thống thông tin lỗi thời như cáp đồng trục, cáp xoắn đôi

Với những ưu điểm, tính năng vượt trội đó thì mạng cáp quang đang là phương tiệntruyền dẫn tối ưu nhất trong thời đại ngày nay Do đó trong thời gian qua em đã tìm

hiểu, nghiên cứu về đề tài “HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG” Sau đây em xin

trình bày những nội dung mà em đã tìm hiểu trong thời gian qua

Đồ án tốt nghiệp được chia thành hai phần:

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ.

Qua đây em cũng xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới toàn thể thầy cô trongkhoa Điện tử - Viễn Thông, đặc biệt là PGS.TS Phạm Minh Việt đã tận tình giúp đỡ

em trong thời gian vừa qua Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên trong quá trìnhhoàn thành đồ án không thể tránh khỏi những sai sót, nhầm lẫn Kính mong thầy côxem xét và bổ xung những khiếm khuyết để em có thể hoàn thiện bản thân hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

SVTH: Đào Minh Lập – HC6A

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG.

1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang.

Việc thông tin liên lạc bằng ánh sáng đã sớm xuất hiện trong sự phát triển loài ngườikhi con người trước đó đã liên lạc với nhau bằng cách ra dấu (Hand signal) Liên lạcbằng cách ra dấu cũng là một dạng của thông tin quang: Bởi vì không thể ra dấu trongbóng tối Ban ngày, mặt trời là nguồn ánh sáng cho hệ thống này (hệ thống “Handsignal”) Thông tin được mang từ người gởi đến người nhận dựa vào sự bức xạ mặttrời Mắt là thiết bị thu thông điệp này, và bộ não xử lý thông điệp này Thông tintruyền theo kiểu này rất chậm, khoảng cách lan truyền có giới hạn, và lỗi rất lớn

Một hệ thống quang sau đó, có thể có đường truyền dài hơn, là tín hiệu khói(Smoke signal) Thông điệp được gởi đi bằng cách thay đổi dạng khói phát ra từ lửa.Mẫu khói này một lần nữa được mang đến phía thu bằng ánh sáng mặt trời Hệ thốngnày đòi hỏi một phương pháp mã hóa phải được đặt ra, mà người gởi và người thu thôngđiệp phải được học nó Điều này có thể có thể so sánh với hệ thống mã xung (Pulsecodes) sử dụng trong hệ thống số (Digital system) hiện đại

Trải qua một thời gian dài từ khi con người sử dụng ánh sáng mặt trời và lửa để làmthông tin liên lạc đến nay lịch sử của thông tin quang đã qua những bước phát triển vàhoàn thiện có thể tóm tắt bằng những mốc chính sau đây:

Năm 1775: Paul Revere đã sử dụng ánh sáng để báo hiệu quân đội Anh từ Bostonsắp kéo tới

Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báoquang (Optical telegraph) Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệutrên đó Thời đó tin tức được truyền với tín hiệu này vượt chặng đường 200 Km trongvòng 15 phút

Năm 1854: John Tyndall, nhà vật lý tự nhiên người Anh, đã thực hiện thành côngmột thí nghiệm đáng chú ý nhất là ánh sáng có thể truyền qua một môi trường điệnmôi trong suốt

Năm 1870: Cũng John Tyndall đã chứng minh được rằng ánh sáng có thể dẫn đượctheo một vòi nước uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần

Năm 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ, đã phát minh ra một hệ thống thôngtin ánh sáng, đó là hệ thống photophone Ông ta đã sử dụng ánh sáng mặt trời từ mộtgương phẳng mỏng đã điều chế tiếng nói để mang tiếng nói đi Ở máy thu, ánh sáng

thành dòng điện Bộ thu máy điện thoại hoàn tất hệ thống này Hệ thống photophonechưa bao giờ đạt được thành công trên thương mại, mặc dù nó đã làm việc tốt hơn, donguồn nhiễu quá lớn làm giảm chất lượng đường truyền.

Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về hệthống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn của ông là thanh thủy tinh

Vào những năm 1950: Brian O’Brien, Harry Hopkins và Nariorger Kapany đã pháttriển sợi quang có hai lớp, bao gồm lớp lõi (Core) bên trong (Ánh sáng lan truyềntrong lớp này) và lớp bọc (Cladding) bao xung quanh bên ngoài lớp lõi, nhằm nhốt ánhsáng ở lõi Sợi này sau đó được các nhà khoa học trên phát triển thành Fibrescope uốncong (Một loại kính soi bằng sợi quang), một thiết bị có khả năng truyền một hình ảnh

từ đầu sợi đến cuối sợi Tính uốn cong của fiberscope cho phép ta quan sát một vùng

mà ta không thể xem một cách bình thường được Đến nay, hệ thống fiberscope vẫncòn được sử dụng rộng rải, đặc biệt trong ngành y dùng để soi bên trong cơ thể conngười

Vào năm 1958: Charles H.Townes đã phát minh ra con Laser cho phép tăng cường

và tập trung nguồn sáng để ghép vào sợi

Năm 1960: Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công, làm tăng dunglượng hệ thống thông tin quang rất cao

Năm 1966: Charles K.Kao và George Hockham thuộc phòng thí nghiệm StandardTelecommunication của Anh thực hiện nhiều thí nghiệm để chứng minh rằng nếu thủytinh được chế tạo trong suốt hơn bằng cách giảm tạp chất trong thủy tinh thì sự suy haoánh sáng sẽ được giảm tối thiểu Và họ cho rằng nếu sợi quang được chế tạo đủ tinhkhiết thì ánh sáng có thể truyền đi xa nhiều Km

Năm 1967: Suy hao sợi quang được báo cáo là α ≈ 1000 dB/Km

Năm 1970: Hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi SI có suy hao α <

20 dB/Km ở bước sóng λ = 633 nm

Năm 1972: Loại sợi GI được chế tạo với suy hao α ≈ 4 dB/Km

Năm 1983: Sợi SM (Single Mode) được sản xuất ở Mỹ

Năm 1988: Công ty NEC thiết lập một mạng đường dài mới có tốc độ 10 Gb/s trênchiều dài 80,1 Km dùng sợi dịch tán sắc và Laser hồi tếp phân bố

Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/Km ở bước sóng 1550 nm, và có những loại sợi đặc biệt có suy hao thấp hơn giá trị này rất nhiều

2 Hệ thống thông tin quang điển hình.

Hình trên biểu thị cấu hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang Tín hiệu điện

từ các thiết bị đầu cuối (máy phát) được đưa đến bộ phát quang để chuyển tín hiệu điệnthành tín hiệu quang, sau đó được đưa vào sợi quang Khi truyền qua sợi quang, côngsuất tín hiệu (ánh sáng) bị suy yếu dần và dạng sóng bị rộng ra Do đó, nếu cự ly giữabên phát và bên thu lớn thì ta cần có thêm trạm lặp, khuếch đại quang trước khi đưa tới

bộ thu quang để chuyển đổi sang tín hiệu điện

2.1 Thiết bị đầu cuối.

Có nhiệm vụ chuyển âm thanh, hình ảnh, số liệu …thành tín hiệu điện (hoặc ngượclại) Tín hiệu điện này được đưa tới máy phát xử lý tín hiệu trước khi đưa tới bộ phátquang Ví dụ như điện thoại, máy fax, tivi, máy vi tính…

2.2 Bộ phát quang.

2.2.1 Nguyên lý chung.

a Mức năng lượng (Energy Lever).

Quá trình biến đổi năng lượng điện thành ánh sáng và ngược lại trong các linh kiệnbiến đổi quang điện có thể được giải thích dựa trên tính chất hạt của ánh sáng và tínhchất lượng tử của vật chất

Theo tính chất hạt của ánh sáng, ánh sáng bao gồm nhiều hạt gọi là photon Mỗiphoton mang một năng lượng nhất định được xác định bằng công thức sau:

Trong biểu đồ mức năng lượng, trạng thái năng lượng thấp nhất của điện tử đượcgọi là trạng thái nền (ground state) E0 Đây là trạng thái ổn định của điện tử Các trạngthái năng lượng cao hơn của điện tử được gọi là các trạng thái kích thích (excited state)được biểu diễn bằng các mức năng lượng E1, E2, E3, … Các mức năng lượng nàykhông liên tục và cách nhau một khoảng năng lượng được gọi là dải cấm năng lượng(energy gap) ΔEEij = Ej - Ei (i,j = 0,1,2,3 …) Như vậy, năng lượng một điện tử có thể là

E0, E1, E2 …chứkhông nằm giữa các mức năng lượng này

Mật độ điện tử ở các trạng thái năng lượng khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ và cóthể được biểu diễn bằng hàm phân bố Boltzmann:

N i=N o e− (∆ E i/k B T)

Trong đó, Ni và N0 là mật độ điện tử ở mức năng lượng Ei và mức năng lượng nền

E0, ΔEEi là độ chênh lệch năng lượng giữa Ei và E0; kB= 1,38.10-23 (J/oK) là hằng sốBoltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối (oK) Lưu ý rằng phân bố này xảy ra khi “cân bằng

về nhiệt”:

Khi điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấphơn, theo định luật bảo tòan năng lượng, nó sẽ giải phóng một phần năng lượng bằngđúng độ chênh lệch giữa hai mức năng lượng Năng lượng được giải tỏa này có thể ởdưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng Quá trình này diễn ra tự nhiên và ngẫu nhiên vì đây làbản chất tự nhiên của vật chất.

b Các nguyên lý biến đổi quang điện.

Nguyên lý biến đổi quang điện trong thông tin quang được thực hiện dựa trên 3 hiệntượng được minh hoạ như trên hình sau:

Hiện tượng hấp thụ (Absorption) xảy ra khi một photon có năng lượng hf12 bị hấpthụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp E1 Quá trình này chỉ xảy ra khi nănglượng hf12 của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa mức năng lượng cao vàmức năng lượng thấp của điện tử (Eg = E2 - E1) Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện

tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao

Hiện tượng phát xạ tự phát (Spontaneous Emission), xảy ra khi một điện tử chuyểntrạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 vàphát ra một năng lượng Eg= E2 - E1 dưới dạng một photon ánh sáng Quá trình này xảy

ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượngbền vững của điện tử Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra mộtcách ngẫu nhiên theo thời gian và không gian Do đó, pha, tần số, hướng truyền cũngnhư phân cực của sóng ánh sáng được tạo ra cũng ngẫu nhiên Vì vậy, ánh sáng do

Hiện tượng phát xạ kích thích (Stimulated Emision), xảy ra khi một điện tử đang ởtrạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf bằng với

độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấpcủa điện tử (Eg= E2 - E1) Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuốngtrạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với nănglượng của photon kích thích ban đầu Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi khi xảy

ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mớiđược tạo ra) Photon mới được tạo ra có đặc điểm: cùng tần số, cùng pha, cùng phâncực và cùng hướng truyền với photon kích thích ban đầu Đây là các đặc điểm của tínhkết hợp (coherent) của ánh sáng Do vậy, ánh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo

ra có tính kết hợp

Hình ảnh sau đây minh hoạ các trạng thái thay đổi năng lượng của điện tử khi xảy ra

3 hiện tượng biến đổi quang điện nêu trên

Các linh kiện biến đổi quang điện dùng trong thông tin quang sẽ dựa vào một trong các hiện tượng này để thực hiện quá trình biến đổi quang điện theo chức năng của từngloại linh kiện Ví dụ như:

Hấp thụ là nguyên lý biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện trong các linh kiện tách sóng quang (Photodetector)

Phát xạ tự phát là nguyên lý biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng xảy ra trong LED (Light Emitting Diode) Vì vậy, ánh sáng do LED phát ra không có tính kết hợp

Phát xạ kích thích là nguyên lý biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang xảy ra trong Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Hiện tượng này cũng là nguyên lý khuếch đại tín hiệu ánh sáng xảy ra trong các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier) Ánh sáng đuợc tạo ra sau Laser cũng như các bộ khuếch đại quang có tính kết hợp.

Lưu ý rằng, trong tự nhiên, cả ba hiện tượng này xảy ra đồng thời với nhau Quátrình hấp thụ năng lượng photon (hiện tượng hấp thụ) và phát xạ photon (hiện tượngphát xạ tự phát và phát xạ kích thích) cân bằng với nhau trong điều kiện cân bằng vềnhiệt (Khi đó, phân bố điện tử ở các mức năng lượng khác nhau là ổn định theo phân

bố Boltzmann) Tùy theo mục đích ứng dụng của từng loại kiện quang điện, một trongcác hiện tượng này sẽ được tập trung, làm tăng khả năng xảy ra dưới các điều kiện ảnhhưởng bên ngoài nhằm đạt được hiệu suất cao nhất Chi tiết về các điều kiện này sẽđược phân tích cụ thể trong phần trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các linhkiện biến đổi quang điện

c Vùng năng lượng (Energy Band).

Trong chất bán dẫn (cũng như trong chất rắn nói chung), các mức năng lượng vẫn rờirạc nhưng chúng rất là gần nhau và được xem như một vùng năng lượng hơn là mộtnhóm các mức năng lượng Khái niệm này có thể được minh hoạ trong hình dưới đây,khi một khoảng liên tục của vùng năng lượng khi được phóng to lên sẽ cho thấy nóđược cấu tạo bởi các mức năng lượng rời rạc nhau

Trong chất bán dẫn, các điện tử phân bố trong hai vùng năng lượng tách biệt nhauđược gọi là: Vùng hóa trị (valence band) và vùng dẫn (conduction band) Vùng hóa trị

là vùng năng lượng có năng lượng thấp và là vùng năng lượng bền vững của điện tử.Các điện tử luôn có xu hướng chuyển về vùng hóa trị sau một khoảng thời gian sống ởvùng dẫn Vùng dẫn là vùng năng lượng cao hơn của các eletron Sự dẫn điện của chấtbán dẫn được thực hiện bởi các điện tử nằm ở vùng dẫn này

Quá trình biến đổi quang điện xảy ra trong chất bán dẫn cũng được giải thích dựa trên

ba hiện tượng: hấp thụ (absorption), phát xạ tự phát (spontaneous emission) và phát xạkích thích (stimulated emission) như trong biểu đồ mức năng lượng Nghĩa là, điềukiện để một điện tử có thể chuyển từ trạng thái năng lượng thấp (vùng hóa trị) sangtrạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) là: Năng lượng mà điện tử nhận được phải bằngvới độ chênh lệch năng lượng giữa hai vùng năng lượng hóa trị và vùng dẫn Nếu nănglượng được cung cấp không bằng với bất kỳ độ chênh lệch năng lượng nào giữa haivùng năng lượng này thì quá trình hấp thụ cũng như phát xạ kích thích sẽ không xảy ra

2.2.2 Bộ phát quang.

a Nguồn quang bán dẫn.

Nguồn quang là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng có công suất

tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó

Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang:

Diode phát quang LED (Light Emitting Diode)

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Các yêu cầu đối với một nguồn quang sử dụng trong hệ thống thông tin quang là:

Có kích thuớc nhỏ tương ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong sợiquang Lý tưởng, ánh sáng ở ngõ ra của nguồn quang phải có tính định hướng cao.Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và nhiễulên tín hiệu Lý tưởng, nguồn quang phải tuyến tính

Phát ra ánh sáng có bước sóng phù hợp với vùng bước sóng mà sợi quang có suy haothấp và tán sắc thấp, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bướcsóng này

Có khả năng điều chế tín hiệu một cách đơn giản (ví dụ như điều chế trực tiếp) trêndải tần rộng trải dài từ tần số âm thanh tới dải tần gigahezt

Hiệu suất ghép quang tốt để giảm suy hao ghép từ nguồn quang vào trong sợiquang

Độ rộng phổ hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang

Duy trì mức công suất ngõ ra ổn định và không bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tốmôi trường bên ngoài

Giá thành thấp và có độ tin cậy cao để cạnh tranh với các kỹ thuật truyền dẫn khác

Loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang là các loại nguồn quang bándẫn vì có thể đáp ứng được các yêu cầu trên Vì vậy, cấu tạo cũng như nguyên lý hoạtđộng của nguồn quang (cũng như linh kiện thu quang) được trình bày trong phần này làcác nguồn quang bán dẫn.

Tuy nhiên, không phải chất bán dẫn nào cũng được sử dụng để chế tạo nguồn quangtrong thông tin quang Để có thể được sử dụng trong thông tin quang, các chất bán dẫncần phải có dải cấm năng lượng trực tiếp và độ rộng của dải cấm năng lượng phù hợpsao cho có thể tạo ra ánh sáng có bước sóng nằm trong vùng bước sóng hoạt động củathông tin quang

Khi xảy ra quá trình phát xạ ánh sáng, năng lượng của photon phát xạ bằng với độchênh lệch năng lượng của điện tử khi ở vùng dẫn và vùng hóa trị Do đó, năng lượngcủa photon:

Trong thông tin quang, ánh sáng chỉ được sử dụng tại 3 cửa sổ bước sóng 850nm,1300nm và 1550nm nên vật liệu bán dẫn được sử dụng để chế tạo nguồn quang phải

có dải cấm năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị phù hợp với các cửa sổ bướcsóng hoạt động này

Dưới đây là hình ảnh thể hiện mối quan hệ giữa năng lượng và động lượng (hayvector sóng) của điện tử tại vùng dẫn và vùng hóa trị của hai loại bán dẫn có dải cấmtrực tiếp:

Qua đó cho thấy:

Đối với dải cấm trực tiếp, phần đáy (có năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm đối diệnvới phần đỉnh (có năng lượng cao) của vùng hóa trị Do đó, các điện tử ở hai vùng này

có động lượng bằng nhau

Đối với dải cấm gián tiếp, phần đáy (có năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm cách xa

so với phần đỉnh (có năng lượng cao) của vùng hóa trị Do đó, các điện tử ở hai vùngnày có động lượng không bằng nhau bằng nhau

Điều kiện để quá trình phát xạ photon xảy ra hiệu quả trong bán dẫn là khi xảy raphát xạ photon, động lượng (hay vector sóng) của điện tử (nằm ở vùng dẫn) phải bằngđộng lượng của lỗ trống (nằm ở vùng hóa trị) Khi đó, động lượng của điện tử đượcbảo toàn

Như vậy có thể thấy rằng, điều kiện về bảo tòan động lượng khi xảy ra quá trìnhbiến đổi quang điện chỉ đạt được với các chất bán dẫn có dải cấm trực tiếp Khi đó,năng lượng được phát ra khi các điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao (vùngdẫn) sang trạng thái năng lượng thấp (vùng hóa trị) sẽ tạo ra các photon Với hiệu suấtphát xạ ánh sáng (phát xạ tự phát và phát xạ kích thích) lớn, các chất bán dẫn có dải cấmtrực tiếp có thể tạo ra các nguồn quang có công suất phát quang lớn, hiệu quả

Ngược lại, đối với các chất bán dẫn có dải cấm năng lượng gián tiếp, các nănglượng được tạo ra do quá trình chuyển trạng thái năng lượng của điện tử sẽ phát radưới dạng phonon, không phát xạ (nonradiation) Năng lượng này có thể là năng lượngnhiệt hay dao động của các phân tử

Như vậy, chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo nguồn quang cần phải có: dải cấmtrực tiếp và năng lượng chênh lệch giữa vùng dẫn và vùng hóa trị phải phù hợp để cóthể tạo ra bước sóng nằm trong các cửa sổ bước sóng hoạt động trong thông tin quang.Thực tế cho thấy rằng, các bán dẫn thông thường thuộc nhóm IV như Si, Ge,…không thỏa hai điều kiện trên Vật liệu bán dẫn được dùng để chế tạo nguồn quangtrong thông tin quang được tạo ra bằng cách kết hợp các vật liệu nhóm III (Ga, Al, …)

và nhóm V (As, P, In, …) như GaP, GaAsP, AlGaAs, GaAs, InP, InGaAsP …

được thay đổi bằng cách thay đổi tỷ lệ giữa các chất kết hợp trong bán dẫn này In

1-xGaxAs1-yPy

a LED (Light Emiting Diode).

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Về cơ bản, cấu tạo của LED được phát triển từ

diode bán dẫn, hoạt động dựa trên tiếp giáp pn được phân cực thuận Quá trình phát xạánh sáng xảy ra trong LED dựa trên hiện tượng phát xạ tự phát (xem hình dưới đây).Trên thực tế, LED có cấu trúc phức tạp hơn, gồm nhiều lớp bán dẫn để đáp ứng đồngthời các yêu cầu kỹ thuật của một nguồn quang

Khi đặt hai lớp bán dẫn p và n kế nhau, tại lớp tiếp giáp pn, các điện tử ở bán dẫn n

sẽ khuếch tán sang bán dẫn p để kết hợp với lỗ trống Kết quả là, tại lớp tiếp giáp pntạo nên một vùng có rất ít các hạt mang điện (điện tử hay lỗ trống) được gọi là vùnghiếm (depletion region)

Lưu ý rằng p là chất bán dẫn có thừa lỗ trống (mang điện tích dương), n là chất bándẫn có thừa điện tử (mang điện tích âm) nhưng cả hai chất bán dẫn này đều trung hòa

về điện

Tại vùng hiếm, bán dẫn n mất đi một số các điện tử nên mang điện tích dương, cònbán dẫn p nhận thêm một số điện tử nên mang điện tích âm Điều này tạo nên một điệntrường VD ngăn không cho các hạt mang điện khuếch tán qua lại giữa bán dẫn n và p.Khi phân cực thuận (V > VD) cho bán dẫn pn như hình trên, các điện tử trong bándẫn n sẽ vượt qua vùng tiếp giáp pn và chạy về phía cực dương của nguồn điện (đồngthời các lỗ trống sẽ về phía cực âm của nguồn điện), tạo thành dòng điện chạy qua bándẫn pn Đây là nguyên lý hoạt động của diode bán dẫn

Trong quá trình điện tử từ bán dẫn n chạy về điện cực dương, các điện tử có thể gặpcác lỗ trống tại bán dẫn p (bán dẫn có thừa lỗ trống) Khi đó, các điện tử và lỗ trống sẽkết hợp với nhau tạo liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử trong bán dẫn

Xét về mặt năng lượng, khi một điện tử kết hợp với lỗ trống có nghĩa là điện tửchuyển từ trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) sang trạng thái năng lượng thấp (vùnghóa trị) giống như hiện tượng phát xạ tự phát Khi đó, theo định luật bảo tòan nănglượng, bán dẫn sẽ phát ra một năng lượng bằng với độ chênh lệch giữa vùng dẫn vàvùng hóa trị Nếu chất bán dẫn được sử dụng có dải cấm năng lượng trực tiếp thì nănglượng sẽ được phát ra dưới dạng photon ánh sáng Đây là nguyên lý phát xạ ánh sángcủa diode phát quang LED (Light emitting diode)

Đặc tính P - I của LED: Nguyên lý hoạt động của LED cho thấy rằng, số photon phát

xạ phụ thuộc vào số điện tử (do dòng điện cung cấp) chạy qua vùng tiếp giáp pn, kếthợp với lỗ trống trong lớp bán dẫn p Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, không phải điện tử nào

đi qua lớp bán dẫn p cũng kết hợp với lỗ trống và không phải quá trình kết hợp điện tử

lỗ trống (chuyển trạng thái năng lượng từ vùng dẫn sang vùng hóa trị) nào cũng tạo raphoton ánh sáng Năng lượng được tạo ra này có thể dưới dạng năng lượng nhiệt Dovậy, số photon được tạo ra còn phụ thuộc vào hiệu suất lượng tử nội ηint (InternalQuantum Efficient) của chất bán dẫn Hiệu suất ηint được định nghĩa là tỷ số giữa sốphoton được tạo ra trên số điện tử được dòng điện bơm vào LED:

Đặc tính phổ của LED: Trong thông tin quang, ánh sáng do nguồn quang phát ra

không phải tại một bước sóng mà tại một khoảng bước sóng Điều này dẫn đến hiệntương tán sắc sắc thể (chromatic dispersion) làm hạn chế cự ly và dung lượng truyềndẫn của tuyến quang Tính chất này của nguồn quang nói chung và LED nói riêng đượcgiải thích như sau:

Các nguồn quang trong thông tin quang được chế tạo từ chất bán dẫn Do đó, cácđiện tử nằm trong một vùng năng lượng chứ không phải ở một mức năng lượng

Các điện tử khi chuyển từ các các mức năng lượng Ej trong vùng dẫn xuống mứcnăng lượng Ei trong vùng hoá trị sẽ tạo ra photon có bước sóng

Do có nhiều mức năng lượng khác nhau trong các vùng năng lượng nên sẽ có nhiềubước sóng ánh sáng được tạo ra

Phân bố mật độ điện tử trong vùng dẫn và vùng hoá trị không đều nhau, dẫn đếncông suất phát quang tại các bước sóng khác nhau không đều nhau

Bước sóng có công suất lớn nhất được gọi là bước sóng trung tâm Bước sóng nàythay đổi theo nhiệt độ do phân bố mật độ điện tử trong các vùng năng lượng thay đổitheo nhiệt độ

Độ rộng phổ nguồn quang được định nghĩa là khoảng bước sóng ánh sáng do nguồnquang phát ra có công suất bằng 0.5 lần công suất đỉnh (hay giảm 3dB).

Độ rộng phổ của LED phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo nguồn quang Ánh sáng cóbước sóng 1,3 μm do LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ 50 -m do LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ 50 -60nm LED được chế tạo bằng bán dẫn GaAs (λ=850nm) phát ra ánh sáng có độ rộngphổ hẹp hơn 1,7 lần so với LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP

Cấu trúc của LED: Được chia làm bốn loại:

LED planar (planar LED)

LED dome (dome LED)

LED phát xạ mặt SLED (surface LED)

LED phát xạ rìa ELED (edge LED)

Trong 4 loại LED này, LED planar và LED dome không được sử dụng trong thôngtin quang vì cho dù có cấu tạo đơn giản (Xem hình dưới đây) nhưng hai loại LED này

có vùng phát quang rộng, ánh sáng phát ra không có tính định hướng để có thể ghép

ánh sáng vào trong sợi quang một cách hiệu quả Thay vào đó, hai loại LED này được

sử dụng trong các ứng dụng hiển thị, quang báo trong các thiết bị điện tử, TV, đènbảng hiệu …

LED phát xạ mặt SLED (Surface LED) là loại LED có ánh sáng được phát ra ở phíamặt của LED Hình minh hoạ dưới đây một loại SLED, được gọi là LED Burrus docấu trúc của LED được chế tạo đầu tiên bởi Burrus và Dawson Trong cấu trúc này,vùng phát xạ ánh sáng (vùng phát quang) của LED được giới hạn trong một vùng hẹpbằng cách sử dụng một lớp cách điện để hạn chế vùng dẫn điện của tiếp xúc P Do đó,tại vùng tích cực của LED có mật độ dòng điện cao dẫn đến hiệu suất phát quang lớn.Ánh sáng của SLED được đưa vào trong sợi quang tại phía mặt tiếp xúc N Tại đây,tiếp xúc N và lớp nền N được cắt bỏ đi một phần có kích thước tương ứng với sợiquang Bằng cách này sẽ hạn chế được sự hấp thụ photon trong lớp N và tăng hiệu suấtghép ánh sáng vào trong sợi quang Tuy nhiên, vẫn có một phần lớn năng lượng ánhsáng được phát ra ngoài vùng đặt sợi quang Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợiquang của SLED không cao, thấp hơn so với ELED

LED phát xạ cạnh ELED (Edge LED) là loại LED có ánh sáng ở phía cạnh của LED(xem hình dưới đây) Trong cấu trúc này, các điện cực tiếp xúc (bằng kim loại) phủkín mặt trên và đáy của LED Ánh sáng phát ra trong lớp tích cực (active layer) rấtmỏng Lớp tích cực này được làm bằng chất bán dẫn có chiết suất lớn được kẹp giữabởi hai lớp bán dẫn P và N có chiết suất nhỏ hơn Cấu trúc này hình thành một ống dẫnsóng trong ELED Do vậy, ánh sáng phát ra ở lớp tích cực được giữ lại và lan truyềndọc theo trong ống dẫn sóng này Kết quả là, ánh sáng được phát ra ở hai đầu ống dẫnsóng, tức là phát xạ ở phía cạnh của LED Sợi quang sẽ được đặt ở một đầu của lớp tíchcực để ghép ánh sáng vào Với đặc điểm cấu trúc như vậy, ELED có vùng phát sánghẹp và góc phát quang nhỏ Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang lớn hơn sovới SLED.

 LASER (Light Amplification by Stimulated Emission Of Radiation).

Về cơ bản Laser có các đặc điểm sau:

Cấu trúc nhiều lớp bán dẫn p, n

Ánh sáng phát ra và được giữ trong lớp tích cực (active layer)

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

Ánh sáng của laser phát ra ở phía cạnh, giống như LED phát xạ cạnh (ELED).

Ở hai đầu lớp tích cực là hai lớp phản xạ với hệ số phản xạ R <1 Cấu trúc này tạothành hốc cộng hưởng Fabry-Perot Ánh sáng được tạo ra và phản xạ qua lại trong hốccộng hưởng này Loại laser có cấu trúc hốc cộng hưởng Fabry-Perot này được gọi làlaser Fabry-Perot (xem hình dưới đây)

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

Nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng:

Hiện tượng phát xạ kích thích: Tạo ra sự khuếch đại ánh sáng trong Laser Khi xảy

ra hiện tượng phát xạ kích thích, photon ánh sáng kích thích điện tử ở vùng dẫn tạo ramột photon thứ hai Hai photon này tiếp tục quá trình phát xạ kích thích để tạo ra nhiềuphoton hơn nữa theo cấp số nhân Các photon này được tạo ra có tính kết hợp (cùngtần số, cùng pha, cùng hướng và cùng phân cực) Như vậy, ánh sáng kết hợp đượckhuếch đại

Hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh khi lan truyền trong laser: Quá trình chọn lọctần số (hay bước sóng) ánh sáng Theo đó, chỉ những sóng ánh sáng có tần số (haybước sóng) thỏa điều kiện về pha của hốc cộng hưởng thì mới có thể lan truyền vàcộng hưởng trong hốc cộng hưởng được Như vậy, số sóng ánh sáng (có bước sóngkhác nhau) do laser Fabry - Perot phát xạ bị giới hạn, làm giảm độ rộng phổ laser so vớiLED

Nhiễu trong nguồn phát Laser:

Khi các nguồn phát Laser sử dụng trong các hệ thống thông tin quang có tốc độ cao,thì một số hoạt động của Laser bắt đầu xuất hiện và tốc độ biến đổi càng cao thì chúngcàng thể hiện rõ và có thể gây ra nhiễu ở đầu ra của bộ thu Các hiện tượng này đượcgọi là nhiễu mode, nhiễu cạnh tranh mode và nhiễu phản xạ Vì ánh sáng lan truyềndọc theo sợi dẫn quang nên sự kết hợp của các suy hao mode phụ thuộc, thay đổi phagiữa các mode và sự bất ổn định về phân bố năng lượng trong các mode khác nhau sẽlàm thay đổi nhiễu mode Nhiễu mode xuất hiện khi có sự suy hao bất kỳ nào đó trong

tuyến Các nguồn phát quang băng hẹp có tính kết hợp cao như các Laser đơn mode sẽgây ra nhiễu mode lớn hơn các nguồn phát băng rộng.

Ngoài ra, hiện tưởng phản xạ nhỏ trở lại Laser do các mặt phản xạ từ ngoài có thểgây ra sự thay đổi đáng kể nhiễu mode và vì thế cũng làm thay đổi đặc tính của hệthống Nhiễu phản xạ có liên quan tới méo tuyến tính đầu ra nguồn phát Laser gây ra

do một lượng ánh sáng phản xạ trở lại và đi vào hốc cộng hưởng Laser từ các điểm nốisợi Có thể giảm được nhiễu phản xạ khi dùng các bộ cách ly quang giữa nguồn phátLaser và sợi dẫn quang

b Sơ đồ khối của bộ phát quang.

Các thành phần của một bộ phát quang điển hình bao gồm: Nguồn quang, bộ ghéptín hiệu quang, mạch điều chế tín hiệu và mạch điều khiển công suất (xem hình trên)

Dữ liệu từ nguồn phát bên ngoài được đưa vào bộ phát quang thông qua đơn vị biếnđổi dữ liệu nhờ tín hiệu xung kích (clock) Tại đây, dữ liệu được biến đổi về dạng phùhợp cung cấp cho mạch kích thích điều khiển dòng phân cực cho Laser Trong trườnghợp tổng quát, bộ phát quang sử dụng LED cũng bao gồm các thành phần như bộ pháttrong hình trên Tuy nhiên, nếu tín hiệu cần phát là tín hiệu tương tự thì mạch chế biếntín hiệu sẽ đơn giản hơn nhiều

Đơn vị biến đổi dữ liệu (data conversion unit) bao gồm bộ giải mã tín hiệu đườngtruyền, bộ biến đổi song song - nối tiếp và bộ sửa dạng tín hiệu Chức năng của bộbiến đổi dữ liệu là biến đổi tín hiệu điện ngõ vào song song về dạng mã thông dụngNRZ dạng nối tiếp và sửa dạng tin hiệu cung cấp cho mạch kích thích.

c Mạch phát điều biến cường độ trực tiếp.

Một mạch phát quang điều biến cường độ được biểu diễn trên hình dưới đây Mạchphát quang này là sự kết hợp của mạch điều khiển và mạch điều chế tín hiệu Hoạtđộng của mạch phát quang điều biến cường độ có thể được phân tích dựa trên hoạtđộng của mạch điều khiển và mạch điều chế tín hiệu

Mạch kích thích có chức năng biến đổi nguồn điện áp từ bộ biến đổi dữ liệu về dạngdòng điện cung cấp dòng phân cực cho Laser Chức năng này là cần thiết vì nguồnđiện cung cấp cho laser dưới dạng điện áp hơn là dòng điện Dòng phân cực cho laserđược tạo ra cần phải rất ổn định với dòng điện ngưỡng để có thể truyền tín hiệu dữ liệukhông bị lỗi Tuy nhiên, giá trị tương đối của dòng phân cực và dòng điện ngưỡng thay

đổi phụ thuộc vào nhiệt độ Do vậy, dòng phân cực cần được điều khiển bởi tín hiệuhồi tiếp từ cảm ứng nhiệt.

Trong mạch kích thích (xem hình trên), điện áp điều khiển, Vbias+, là điện áp ngõ vàocủa opamp Dòng điện chạy qua điện trở R chỉ phụ thuộc vào điện áp ngõ vào màkhông phụ thuộc vào điện trở tải, trong trường hợp này là laser diode Do đó, bằngcách thay đổi Vbias, người ta có thể điều khiển được dòng phân cực Ibias

Khi nhiệt độ thay đổi, việc ổn định công suất quang ở ngõ ra của laser diode đượcthực hiện bởi tín hiệu hồi tiếp từ photodiode PD PD này thu ánh sáng từ laser phát ra

và tạo ra dòng quang điện tỷ lệ với công suất phát quang của laser Vì vậy, khi công suấtquang ngõ ra thay đổi, do sự thay đổi của nhiệt độ, dòng quang điện sẽ thay đổi làmcho dòng điện phân cực Ibias cũng thay đổi theo bù lại những thay đổi trong trong côngsuất quang quang của laser

Quá trình điều chế tín hiệu trong mạch phát điều biến cường độ được thực hiện bằngcách thay đổi dòng điện kích thích từ mức phân cực đến mức cao nhất Mạch điều chếtín hiệu được biểu diễn trên hình, trong đó quá trình điều chế được điều khiển bởi dòngphân cực qua Laser Chức năng chính của mạch là cung cấp dòng phân cực cực đại choLaser

Trong mạch điều chế hình, dữ liệu phát được đưa vào cực B transistor Q1, cực Btransistor Q2 được cố định bởi nguồn phân cực VBB Khi tín hiệu ngõ vào lớn hơn VBB,

Q1 dẫn, Q2 tắt, dòng qua LD giảm làm LD ngưng phát sáng Ngược lại, khi tín hiệu ngõvào nhỏ hơn VBB, Q1 tắt, Q2 dẫn, dòng qua LD tăng làm LD phát sáng

Q3 đóng vai trò cung cấp nguồn dòng ổn định cho mạch vi sai Q1 và Q2 Q4 kếthợp với mạch hồi tiếp dùng khuếch đại thuật toán (Op-Amp) ổn định dòng qua LDdưới tác động của nhiệt độ cũng như cung cấp tín hiệu cho việc giám sát nhiệt độ làmviệc của LD phục vụ công việc cảnh báo và bảo dưỡng cho bộ phát quang

Trong kiểu điều chế trên, tín hiệu điều chế được thực hiện bằng cách thay đổi dòngđiện kích thích chạy qua laser Kiểu điều chế này đươc gọi là điều chế nội (internalmodulation) hay điều chế trực tiếp (direct modulation) Ưu điểm của kiểu điều chế này

là đơn giản Tuy nhiên, hạn chế của kỹ thuật điều chế này là:

Băng thông điều chế bị giới hạn bởi tần số dao động tắt dần của laser diode Hiệntượng chỉ xảy ra đối với tín hiệu quang tăng độ rộng phổ của xung ánh sáng Hiệntượng này xảy ra đối với laser DFB và vì vậy là yếu tố hạn chế nghiêm trọng đối với các

hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao (chủ yếu sử dụng laser DFB làm nguồn quang).Không áp dụng được trong các hệ thống thông tin quang đòi hỏi công suất phátquang lớn (>30mW) như các mạng truyền dẫn cự ly xa hay mạng truyền hình cáp vìviệc chế tạo các mạch phát quang điều chế trực tiếp hoạt động ổn định khi điều chế tốc

độ cao với dòng điện kích thích lớn (>100mA) trở nên phức tạp và khó khăn hơnnhiều.

Những hạn chế trên có thể được khắc phục được khi sử dụng kỹ thuật điều chếngoài (External Modulation)

d Bộ điều chế ngoài.

Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế ngoài được biểu diễn trên hình dưới đây Theo đó,điều chế tín hiệu quang không thực hiện bên trong laser mà được thực hiện bởi mộtlinh kiện quang bên ngòai gọi là bộ điều chế ngòai (External modulator) Ánh sáng dolaser phát ra dưới dạng sóng liên tục CW (Continuous Wave) Với cấu trúc như vậy, kỹthuật điều chế ngòai đã khắc phục được các nhược điểm của kỹ thuật điều chế trực tiếp:Băng thông điều chế: Do bộ điều chế ngoài quyết định, vì vậy không bị giới hạn bởitần số dao động tắt dần của laser diode Ánh sáng laser trong trường hợp này đóng vaitrò như sóng mang

Không xảy ra hiện tượng chirp đối với tín hiệu quang vì laser được kích thích bởidòng điện ổn định nên ánh sáng phát là sóng liên tục có tần số và độ rộng phổ ổnđịnh Đặc điểm này rất quan trọng đối với hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM

vì yêu cầu về độ ổn định của bước sóng ánh sáng tại các kênh rất cần thiết

Không bị giới hạn bởi công suất phát quang vì đặc tính điều chế do bộ điều chếngoài quyết định

Có hai loại bộ điều chế ngoài được sử dụng hiện nay: Mach - Zehnder Modulator(MZM) và Electroabsorption Modulator (EA)

Mach-Zehnder Modulator (MZM): Hay còn gọi là Lithium niobate (LiNbO3)modulator được chế tạo bằng vật liệu Lithium niobate có cấu trúc Mach-Zehnder nhưhình dưới đây Chiết suất của lithium niobate phụ thuộc vào điện áp phân cực Ánhsáng do laser phát ra khi đi vào ống dẫn sóng được chia làm hai phần bằng nhau Khi

ngõ ra của bộ điều chế sóng ánh sáng kết hợp có dạng của sóng ánh sáng ban đầu Khi

có điện áp phân cực, một nữa của sóng tới bị dịch pha +90o vì chiết suất của mộtnhánh của ống dẫn sóng giảm, làm tăng vận tốc truyền ánh sáng và làm giảm độ trễ.Một nữa kia của sóng tới ở nhánh còn lại của ống dẫn sóng bị dịch pha -90o vì chiếtsuất tăng, làm vận tốc truyền ánh sáng giảm và làm tăng độ trễ Kết quả là, hai nữa sóngánh sáng ở ngõ ra của MZM bị lệch pha 180o và triệt tiêu lẫn nhau Qua đó cho thấy,cường độ tín hiệu ánh sáng ở ngõ ra của MZM có thể được điều khiển bằng cách hiệuchỉnh điện áp phân cực Bằng cách này, bất kỳ độ dịch pha của sóng ánh sáng tới ở hainhánh của ống dẫn sóng cũng có thể được hiệu chỉnh

Điều chế ngoài MZM chủ yếu đuợc sử dụng trong mạng quang truyền hình MZM

có một sô hạn chế như: suy hao xen cao (lên đến 5dB) và điện áp điều chế tương đốicao (lên đến 10V) Ngoài ra, sử dụng MZM còn có một hạn chế nữa là MZM là mộtlinh kiện quang tách biệt Do MZM được chế tạo bởi LiNbO3 không phải chất bán dẫnnên không thể tích hợp với laser DFB trong một chip Những hạn chế này của MZM cóthể được khắc phục bởi một loại điều chế ngoài khác

Bộ điều chế ngoài EA (Electroabsorption Modulator): Có cấu tạo là một ống dẫn

sóng làm bằng chất bán dẫn Khi không có điện áp phân cực, ánh sáng do laser DFBphát ra được truyền qua ống dẫn sóng này vì buớc sóng cắt λC của ống dẫn sóng ngắnhơn so với bước sóng của ánh sáng tới Khi có điện áp điều chế, độ rộng dải cấm Eg

của vật liệu ống dẫn sóng giảm Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Franz-Keldysh

và là nguyên lý hoạt động của EA Khi độ rộng dải cấm giảm, bước sóng cắt sẽ tănglên (do λC = 1024/Eg) và vật liệu ống dẫn sóng sẽ hấp thụ sóng ánh sáng tới Vì vậy,

bằng cách hiệu chỉnh điện áp điều chế, có thể thay đổi các đặc tính hấp thụ của ống dẫnsóng.

2.3 Khuếch đại quang.

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, người ta thực hiện được quá trìnhkhuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quá trình biến đổi

về tín hiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuyếch đại quang (optical amplifier)

2.3.1 Ưu điểm.

Kỹ thuật khuyếch đại quang ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp

So với các trạm lặp, các bộ khuyếch đại quang có các ưu điểm sau:

Khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian hay mạchphục hồi (các bộ biến đổi E/O hoặc O/E) Do đó khuyếch đại quang sẽ trở nên linhhoạt hơn

Không phụ thuộc vào tốc độ bít và phương pháp điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệthống đơn giản hơn

Không phụ thuộc vào tốc độ bít và phương pháp điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệthống đơn giản hơn

2.3.2 Nguyên lý khuếch đại quang.

Dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích và không có cộng hưởng trong khuếch đại.Hiện tượng phát xạ kích thích là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện đượcứng dụng trong thông tin quang Các hiện tượng này đã được đề cập ở phần trên vàminh hoạ trong hình “Các hiện tượng biến đổi quang điện”

2.3.3 Phân loại.

Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch dại ánh sáng được thực hiệntrong vùng tích cực Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độlớn hay nhỏ thì phụ thuộc vào năng lượng được cung cấp từ nguồn bơm bên ngoài.Tuỳ theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chínhlà: Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier) và khuếch đạiquang sợi OFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)

Trong khuếch đại quang bán dẫn SOA, vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bándẫn Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu là dòng điện

Trong khuếch đại sợi quang OFA, vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm.Nguồn cung cấp năng lượng là laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của

tín hiệu cần khuếch đại Một trong những loại OFA tiêu biểu là EDFA EDFA cónhiều ưu điểm về đặc tính ký thuật so với SOA

Ngoài ra, còn có một loại khuếch đại được sử dụng nhiều trong các hệ thống WDMhiện nay là khuếch đại Raman Khuếch đại Raman cũng sử dụng sợi quang làm vùngtích cực để khuếch đại ánh sáng SOA và EDFA đều hoạt động dựa trên phát xạ kíchthích còn khuếch đại Raman dựa trên ảnh hưởng phi tuyến của sợi quang(hiện tượngtán xạ Raman kích thích SRS) hơn là hiện tượng phát xạ kích thích Tuy nhiên, do yêucầu nâng cấp mạng thông tin quang WDM lên hàng trăm kênh, việc nghiên cứu pháttriển các loại khuếch đại quang khác đã được đẩy mạnh, trong đó khuếch đại quangtrên cơ sở hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (ROA) được đặc biệt quan tâm trên thếgiới

a Khuếch đại quang bán dẫn.

Khuếch đại quang bán dẫn SOA là hệ khuếch đại tín hiệu quang với môi trườngkhuếch đại sử dụng vật liệu bán dẫn Hệ khuếch đại này có cấu trúc tương tự nhưnhững diode laser Fabry-Perot, nhưng được trang bị thêm các lớp chống phản xạ ở haigương của môi trường khuếch đại (hệ số phản xạ nhỏ hơn 0.001%) để tránh cộnghưởng tạo nên hiệu ứng laser

Hoạt động của SOA dựa vào nguyên lý khuếch đại sóng chạy (traveling - wave)trong vùng điện tích không gian nằm giữa 2 vùng bán dẫn loại p và loại n Khi có dòngđiện bơm cho SOA, các điện tử sẽ được bơm vào vùng dẫn (bán dẫn loại n) và lỗ trốngbơm vào vùng hóa trị (bán dẫn loại p) Photon đến có bước sóng thích hợp sẽ kíchthích điện tử và lỗ trống tái hợp trong miền điện tích không gian và sẽ phát xạ thêmmột photon nữa có cùng tần số và pha với photon đến, như vậy tín hiệu quang đã đượckhuếch đại

Các hệ khuếch đại quang bán dẫn được làm từ hợp chất bán dẫn như GaAs/AlGaAs,InP/InGaAs, InP/InGaAsP, các vật liệu này có thể khuếch đại quang trong vùng bước

sóng từ 0.85 µm đến 1.6 µm Bước sóng khuếch đại của SOA phụ thuộc vào độ rộngvùng cấm và có thể thay đổi tùy theo loại vật liệu bán dẫn Các loại khuếch đại quangbán dẫn dùng trong thông tin quang sợi là loại có phổ khuếch đại trong vùng bướcsóng 1310 nm và 1550 nm.

 Ưu điểm của SOA:

Băng tần khuếch đại khá rộng 40 nm ÷ 80nm

Kích thước nhỏ gọn, dễ bảo trì

 Nhược điểm của SOA:

Vùng không gian khuếch đại dẫn sóng có chiều dài khá bé (cỡ mm) nên khó đạtđược hệ số khuếch đại cao (G < 16dB)

Công suất tín hiệu quang lối ra thấp (P < 10dBm)

Hệ số tạp âm NF khá cao (NF ~ 7 - 10dB )

Nhạy cảm với phân cực ánh sáng của tín hiệu quang, nên công suất quang lối rakhông ổn định

Các hiệu ứng phi tuyến như hiện tượng xuyên kênh, trộn 4 sóng xảy ra khá mạnh

b Khuếch đại quang sợi OFA (EDFA).

Nguyên lý khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+, có thể tóm tắt như sau:Ion Er3+ có sơ đồ các mức năng lượng như hình dưới đây, quá trình khuếch đạiquang của thủy tinh pha tạp Er3+ chủ yếu liên quan đến 3 mức năng lượng bên dướicủa ion Er3+, đó là các mức 4I15/2 , 4I13/2 , 4I11/2

Đặc điểm rất quan trọng là mức năng lượng 4I13/2 có thời gian sống rất lớn (τ ~10ms) so với thời gian sống của các mức 4I11/2 và 4I9/2 (τ ~ μm do LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ 50 -s) Khi kích thích thủy tinhpha tạp erbium bằng laser có bước sóng 980nm hoặc 810nm, các ion Er3+ sẽ chuyểndời từ mức cơ bản 4I15/2 lên mức năng lượng 4I11/2 hoặc 4I9/2, vì thời gian sống của ion

Er3+ ở trạng thái mức năng lượng 4I11/2 và 4I9/2 rất bé nên các ion Er3+ sẽ nhanh chóngchuyển dời không phát xạ về mức kích thích 4I13/2

Thời gian sống của ion Er3+ ở mức 4I13/2 lớn hơn hàng ngàn lần so với các mức bêntrên, nên khi bơm với mật độ năng lượng đủ lớn chúng ta dễ dàng tạo được trạng tháinghịch đảo mật độ phân bố giữa mức 4I13/2 và mức cơ bản 4I15/2

Khi một photon có bước sóng trong vùng 1550nm đi vào vùng dẫn sóng thủy tinhpha tạp Er3+ có nghịch đảo mật độ trạng thái giữa hai mức 4I13/2 và 4I15/2, hiện tượngphát xạ cưỡng bức sẽ xảy ra Photon tới sẽ kích thích ion Er3+ chuyển dời từ mức 4I13/2

về mức cơ bản 4I15/2, chuyển dời này phát xạ thêm một photon nữa có cùng bước sóng

và pha với photon tới, đây chính là nguyên lý khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp

Er3+

Khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp ion Er3+ đã góp phần rất lớn trong phát triểnthông tin quang sợi vì vùng bước sóng khuếch đại phù hợp với cửa sổ thông tin thứ 3(1530nm – 1610nm) đang được sử dụng, hiện nay có rất nhiều các nghiên cứu cơ bản

về tính chất quang của thủy tinh pha tạp Er3+ nhằm chế tạo được các hệ khuếch đạiquang có chất lượng ngày càng hoàn thiện

c Khuếch đại quang Raman (Raman Optical Amplifier - ROA).

Dựa trên cơ sở tán xạ Raman cưỡng bức trong môi trường có tán xạ Raman mạnh.Môi trường tán xạ Raman là sợi quang có pha tạp Ge với nồng độ cao và có cấu trúcdẫn sóng phức tạp (sợi quang bù tán sắc – DCF) Khác với khuếch đại quang sợi phatạp Erbium, yêu cầu đối với ROA là nguồn bơm có công suất cao (vài trăm miliwatttrở lên) và sợi quang có độ dài từ vài kilômét đến vài chục kilômét Khuếch đại quangRaman sử dụng trong hệ thống thông tin quang chủ yếu dựa vào sóng Stoke phát ra từtán xạ Raman trên các phân tử trong sợi quang Do sóng Stoke từ tán xạ Raman yếu, vìvậy sợi quang cần phải có độ dài lớn (hàng chục kilômét) để tích luỹ sóng Stoke dọctheo sợi quang Đây là điều khác biệt rất cơ bản giữa ROA và EDFA

2.3.4 Ứng dụng của khuếch đại quang.

Khuếch đại quang được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang như các bộkhuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường truyền, khắc phụcsuy hao do sợi quang và các mối hàn, nối xảy ra trên đường truyền Tùy theo vị trí lắpđặt, các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang được chia làm ba loại:

a Khuếch đại công suất (Booster Amplifier).

Là bộ khuếch đại quang được đặt ngay sau thiết bị phát nhằm mục đích làm tăngcông suất quang đến mức cao nhất để làm cho khoảng cách truyền cực đại Yêu cầucủa các bộ khuếch đại công suất là tạo ra công suất đầu ra cực đại chứ không phải độlợi cực đại vì công suất tín hiệu ngõ vào lớn

b Khuếch đại trên tuyến (In-line Amplifier).

Là bộ khuếch đại quang được đặt ngay trên tuyến quang nhằm mục đích bù mất mátcông suất gây ra bởi suy hao sợi, suy hao do kết nối và suy hao do việc phân phối tínhiệu quang trong mạng Các bộ khuếch đại đường dây có thể được lắp đặt nối tiếpnhau trên đường truyền để làm gia tăng khoảng cách lắp đặt Tuy nhiên, việc lắp đặtnối tiếp các bộ khuếch đại quang sẽ làm giảm hệ số SNR ảnh hưởng đến chất lượngcủa hệ thống truyền dẫn quang

c Tiền khuếch đại (Preamplifier).

Là các bộ khuếch đại quang được đặt ngay trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đạitín hiệu ngay trước khi tin hiệu được đưa vào thiết bị Điều này làm giảm yêu cầunghiêm ngặt của bộ nhạy thiết bị thu và cho phép hệ thống truyền dẫn quang hoạt độngvới tốc độ bit cao hơn Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền khuếch đại hoạt động với công suấttín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu thu cao Do vậy, yêu cầu của bộ tiền khuếch đại

là độ nhạy lớn, hệ số G trung bình nhưng thông số nhiễu phải rất thấp Khuếch đạiquang Raman có thông số nhiễu nhỏ, vì vậy chúng luôn được sử dụng cho tiền khuếchquang

Tuy nhiên khuyếch đại quang chỉ bù được công suất quang đã bị suy hao trongtuyến truyền dẫn Do khuyếch đại quang không cải thiện được các tạp âm, tán sắc vàcác hiệu ứng quang phi tuyến, cho nên tuyến thông tin quang sử dụng khuyếch đạiquang vẫn bị hạn chế về khoảng cách do các hiệu ứng nêu trên tạo ra

Sử dụng khuyếch đại quang trong hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM có

ý nghĩa công nghệ quan trọng vì khuyếch đại quang có thể khuyếch đại tất cả các bướcsóng tới trong băng tần khuyếch đại

2.4 Kết nối sợi quang.

b Cấu trúc và cách điều chỉnh bộ nối quang.

Cấu trúc của bộ nối quang được thể hiện trên hình vẽ sau:

Các cách hiệu chỉnh bộ nối quang:

Cách 1: Hiệu chỉnh trực tiếp trên bề mặt của sợi, hiệu chỉnh theo bề mặt tham chiếuhoặc theo mở rộng tia: Hai đầu sợi đã được bóc tách vở nhựa, được hiệu chỉnh bêntrong bộ tiếp hợp theo rãnh hình V

Cách 2: Dùng các thấu kính để tạo ra tia chuẩn trực và dựa vào tia chuẩn trực đểhiệu chỉnh vị trí của sợi cho phù hợp

Cách 3: Là cách thông dụng nhất, vị trí của sợi được hiệu chỉnh theo mặt thamchiếu của hai phích cắm của bộ nối Hai phích cắm này thường là trụ hoặc là hình côn

và đồng tâm với lõi sợi Lúc đó động rộng đồng tâm của lõi sợi và bề mặt tham chiếuđược thực hiện thao nhiều cách khác nhau.

Cách đơn giản nhất là khoa lỗ chính xác và đặt sợi vào tâm của mặt tham chiếu hìnhtrụ hoặc hình côn và được cố định nhờ keo dán Nếu bề mặt tham chiếu bị lệch mộtchút thì phải gọt bớt

c Một số bộ nối quang.

Bộ nối hình trụ: Bộ nối này có lõi gốm, có đặc tính cơ, nhiệt, hóa tốt Sợi được cố

định bằng keo dán Đầu sợi được mài bóng Độ nghiêng của đoạn sợi nằm trong lõicủa bộ nối phải bé hơn 0,5o

Bộ nối hình côn: Loại này không cần kiểm tra kỹ đường kính ngoài của phích cắm

bộ nối, chỉ cần đồng tâm chính xác giữa lõi sợi và trục, côn ít bị hao mòn Hai phíchcắm hình côn và bộ tiếp hợp được chế tạo bằng phương thức đúc, sử dụng plastic chịu

nhiệt, điển hình là silicol và được gắn với nhau bằng nhựa Eposy Các phích cắm hìnhcôn nối chặt vào một sợi quang hình thành một đuôi heo.

Bộ nối lắp vào quả cầu: Đầu phích cắm có dạng hình côn lõm, sơi quang được đặt

trong một cái ống có lõi thò ra ngoài Hai đầu ống cắm vào quả cầu cho đến khi các bềmặt của côn và hình cầu tiếp xúc với nhau

Để nối cáp quang vào bảng đấu dây (patch panel) hoặc vào các cổng vào/ra(input/output) trên các thiết bị truyền nhận quang, người ta thường sử dụng dây nốiquang một đầu có sẵn đầu nối (pigtail) hoặc cả hai đầu có sẵn đầu nối (pathcord)

Đầu nối quang gồm nhiều thành phần kết hợp lại với nhau, chúng có nhiều kiểu nhưSC/PC, ST/UPC, FC/APC Nhưng có hai thành phần bạn cần quan tâm, đó là kiểu đầunối SC, ST, FC và điểm tiếp xúc PC, UPC, APC.

SC (subscriber connector), ST (straight tip), FC (fiber connector) là các kiểu đầu nốiquang có dạng hình vuông, hình tròn

Bên trong đầu nối là ferrule, giúp bảo vệ và giữ thẳng sợi cáp quang Ferrule đượclàm bằng thủy tinh, kim loại, plastic hoặc gốm (ceramic) - trong đó chất liệu gốm là tốtnhất

Đỉnh của ferrule được làm nhẵn (polish) với ba dạng điểm tiếp xúc chính PC(Physical Contact), UPC (Ultra Physical Contact) và APC (Angled Physical Contact),giúp đảm bảo chỗ ghép nối có ít ánh sáng bị mất hoặc bị phản xạ nhất

Dạng PC được vạt cong, sử dụng với các kiểu đầu nối FC, SC, ST PC có giá trị suyhao phản xạ (optical return loss) là 40dB Vì giá trị này khá cao, nên đã thúc đẩy cácnhà sản xuất tiếp tục tìm kiếm các giải pháp tốt hơn UPC là giải pháp tiếp theo, nócũng được vạt cong như PC nhưng giảm return loss hơn UPC có giá trị return loss50dB UPC dùng với các đầu nối FC, SC, ST, DIN, E2000 APC được vạt chéo 8 độ,