Giáo trình thông tin quang

ix AFC Automatic frequency control Điều chỉnh tần số tự động AGC Automatic gain control Tự động điều chỉnh khuếch đại AON Active Optical Network Mạng quang chủ động APD Avalanche Photodi

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

TS Trần Cảnh Dương (Chủ biên) ThS Hoàng Anh Dũng

GIÁO TRÌNH THÔNG TIN QUANG

Tài liệu lưu hành nội bộ dùng cho người tự học

Hà Nội, tháng 01 năm 2016

Khoa học công nghệ, kỹ thuật vô tuyến, thông tin vệ tinh đang có nhiều bước tiến quan trọng nhưng việc xây dựng hệ thống cáp quang rộng khắp, đặc biệt đối với mạng đường trục là một phương án hữu hiệu nhằm thỏa mãn nhu cầu sử dụng và kết hợp các phương thức ngày càng tăng trong xã hội thông tin Thông tin quang có nhiều ưu điểm và đóng vai trò then chốt trong hệ thống truyền thông do vậy môn học thông tin quang nằm trong chương trình đào tạo chuyên môn công nghệ điện tử, truyền thông của các Trường Đại học trong và ngoài nước Theo xu thế chung và nhu cầu của xã hội, Khoa Công nghệ Điện tử - Thông tin của Viện Đại học Mở Hà Nội đưa môn học thông tin quang vào chương trình đào tạo kỹ sư chuyên ngành điện tử, thông tin Cuốn giáo trình thông tin quang được biên soạn nhằm trang bị kiến thức, kỹ năng cho sinh viên về thông tin quang Giáo trình gồm 9 chương Chương thứ nhất trình bày tổng quan về hệ thống thông tin quang Chương thứ hai đề cập các phần tử biến đổi điện - quang Chương thứ ba trình bày các phần tử chuyển đổi quang - điện Chương 4 xem xét sợi quang Chương 5 trình bày hệ thống thông tin quang Chương 6 đề cập công nghệ truyền tải ghép kênh theo bước sóng WDM Chương 7 trình bày truyền tải IP/WDM và chuyển mạch quang trong hệ thống thông tin quang Chương 8 giới thiệu một số công nghệ quang tiên tiến Chương 9 đề cập

về khuếch đại quang Trong mỗi chương tác giả trình bày cơ sở và nguyên lý hoạt động, các tham số cơ bản để học viên có thể hiểu sâu về mặt lý thuyết và mở rộng kiến thức thông qua tài liệu tham khảo tài liệu từ đó chọn hướng nghiên cứu thích hợp

Người học có thể làm bài tập và vận dụng vào thực tế mạng cáp quang Sau khi tốt nghiệp sinh viên có thể vận dụng kiến thức đã học vào môi trường viễn thông thực tế và tham gia vận hành, khai thác các hệ thống thông tin quang hoặc nghiên cứu, đề xuất các giải pháp kỹ thuật hữu hiệu

Tác giả chân thành cám ơn ý kiến đóng góp quý báu của các chuyên gia, đồng nghiệp trong quá trình biên soạn giáo trình Tuy nhiên, quá trình biên soạn không tránh khỏi các thiếu sót và các tác giả mong muốn nhận được những ý kiến xây dựng từ bạn đọc gần xa, mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ:

Khoa Công nghệ Điện tử và Thông tin - Viện Đại học Mở Hà Nội

Xin chân thành cảm ơn!

CÁC TÁC GIẢ

iii

LỜI NÓI ĐẦU ii

MỤC LỤC iii

MỘT SỐ THUẬT NGỮ ix

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 2

1.1.1 KHÁI NIỆM THÔNG TIN QUANG 2

1.1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN QUANG 2

1.1.3 ĐẶC TÍNH CỦA THÔNG TIN QUANG 5

1.2 MÔ HÌNH CHUNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 5

1.2.1 Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin sợi quang 5

1.2.2 Phân loại hệ thống thông tin quang 6

1.2.3 Cấu hình hệ thống truyền dẫn cáp quang 6

1.3 TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ TRONG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 9

1.3.1 Truy nhập mạng quang 9

1.3.2 Công nghệ AON 10

1.3.3 Công nghệ PON 10

1.3.4 Công nghệ tách sóng tổng hợp (Coherent) 10

1.3.5 Công nghệ chuyển tiếp tín hiệu vô tuyến và truyền qua sợi quang (RoF) 10

TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 11

Bài tập ôn tập chương 1 12

Chương 2 CÁC PHẦN TỬ BIẾN ĐỔI ĐIỆN - QUANG 18

2.1 MỨC NĂNG LƯỢNG CỦA ÁNH SÁNG 19

2.2 NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI ĐIỆN - QUANG 21

2.2.1 Hiện tượng hấp thụ 21

2.2.2 Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission) 21

2.2.3 Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emision) 22

2.2.4 Tiếp giáp P-N 22

2.3 NGUỒN QUANG 24

2.3.1 Khái niệm nguồn quang 24

2.3.2 Yêu cầu đối với nguồn quang 24

2.3.3 Điốt phát quang (LED - Light Emitting Diode) 25

2.3.4 LASER DIODE (LD) 30

2.3.5 Bộ phát quang 35

iv

Bài tập ôn tập chương 2 39

Chương 3 PHẦN TỬ CHUYỂN ĐỔI QUANG - ĐIỆN 46

3.1 KHÁI NIỆM VÀ THÔNG SỐ CƠ BẢN VỀ CHUYỂN ĐỔI QUANG-ĐIỆN 47

3.1.1 Khái niệm cơ bản về bộ thu quang 47

3.1.2 Thông số cơ bản 48

3.2 PHẦN TỬ CHUYỂN ĐỔI QUANG - ĐIỆN BÁN DẪN 52

3.2.1 DIODE thu quang P-N 52

3.2.2 DIODE thu quang pin 53

3.2.3 DIODE THU QUANG APD (Avalanche Photo Diode) 55

3.2.4 SO SÁNH ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA PIN VÀ APD 58

3.3 BỘ TIỀN KHUẾCH ĐẠI 58

3.3.1 BỘ TIỀN KHUẾCH ĐẠI TRỞ KHÁNG THẤP 58

3.3.2 BỘ TIỀN KHUẾCH ĐẠI TRỞ KHÁNG CAO 60

3.3.3 BỘ TIỀN KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TRỞ KHÁNG 62

3.4 NHIỄU CỦA BỘ THU QUANG 63

3.4.1 Nhiễu nổ 63

3.4.2 Nhiễu nhiệt 64

3.4.3 Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu - SNR 65

3.5 THAM SỐ CỦA BỘ THU QUANG 66

3.5.1 Tỷ lệ lỗi bit 66

3.5.2 Quan hệ giữa BER và SNR 67

3.5.3 Công suất thu tối thiểu 67

TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 68

Bài tập ôn tập chương 3 69

Chương 4 SỢI QUANG 76

4.1 CẤU TRÚC SỢI QUANG VÀ TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 77

4.1.1 CẤU TRÚC SỢI QUANG 77

4.1.2 PHÂN LOẠI SỢI QUANG 78

4.1.3 CƠ SỞ TRUYỀN SÓNG 78

4.1.4 TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG ĐA MODE CHIẾT SUẤT BẬC (MM-SI) 83

4.1.5 TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG ĐA MODE CHIẾT SUẤT BIẾN ĐỔI (MM-GI) 84

4.1.6 TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG ĐƠN MODE (SM) 84

v

4.2.1 TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG 85

4.2.2 SUY HAO TRONG SỢI QUANG 91

4.2.3 HIỆU ỨNG PHI TUYẾN 95

4.3 MỘT SỐ LOẠI CÁP QUANG TRÊN THỰC TẾ 97

4.3.1 CÁP QUANG ĐA MODE 4 SỢI 50/125 µm OUTDOOR/IN DOOR 97

4.3.2 CÁP QUANG AMP ĐA MODE 4 SỢI 50/125 µm OUTDOOR/IN DOOR 98 4.3.3 CÁP QUANG ĐƠN MODE (SINGLEMODE) LUỒN CỐNG 8 SỢI QUANG 98

4.3.4 CÁP QUANG ĐƠN MODE 24 SỢI, TREO NGOÀI TRỜI, HÌNH SỐ 8 99

TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 101

Bài tập ôn tập chương 4 102

Chương 5 HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 109

5.1 Mô hình hệ thống thông tin quang 110

5.1.1 Cấu hình của hệ thống thông tin quang 110

5.1.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống truyền dẫn cáp quang 111

5.2 Mô hình hệ thống thông tin quang đơn kênh 111

5.2.1 Phân loại hệ thống thông tin quang đơn kênh điểm-điềm 111

5.2.2 Ảnh hưởng của suy hao đến hệ thống 111

5.2.3 Ảnh hưởng của tán sắc 113

5.3 Hệ thống truyền dẫn đa kênh 114

5.3.1 Nhu cầu sử dụng 114

5.3.2 Cấu hình mạng phân bố 114

5.3.3 Cấu hình mạng cục bộ LAN 116

5.4 Một số vấn đề trong thiết kế hệ thống thông tin quang 117

5.4.1 Yêu cầu thiết kế tuyến thông tin quang 117

5.4.2 Mã đường truyền 117

5.4.3 Cấu hình truyền dẫn cáp quang 117

5.4.4 Kỹ thuật ghép kênh 118

5.4.5 Thiết kế tuyến thông tin quang có bù suy hao 121

5.4.6 Thiết kế tuyến thông tin quang có bù tán sắc 121

TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 123

Bài tập ôn tập chương 5 124

Chương 6 CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI WDM 131

6.1 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM) 132

vi

6.1.2 Các dải băng tần trong WDM 132

6.1.3 Lịch sử phát triển của WDM 132

6.1.4 Cấu hình hệ thống truyền dẫn WDM 133

6.1.5 Hệ thống WDM đơn hướng 133

6.1.6 Hệ thống WDM song hướng 134

6.1.7 Mô hình WDM điểm-điểm 134

6.1.8 Tham số của hệ thống WDM 135

6.1.9 Phân loại hệ thống WDM 136

6.2 PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM 136

6.2.1 Nguồn quang 136

6.2.2 Bộ thu quang 137

6.2.3 Sợi quang 137

6.2.4 Bộ tách /ghép bước sóng 138

6.2.5 Bộ xen/rẽ bước sóng (OADM) 145

6.3 YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG WDM 148

6.3.1 Một số khái niệm 148

6.3.2 Hiệu ứng quang phi tuyến 149

6.4 MẠNG TRUYỀN TẢI WDM 150

6.4.1 Cấu hình mạng truyền tải WDM 150

6.4.2 Quản lý và báo vệ trong mạng WDM 150

TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 152

Bài tập ôn tập chương 6 153

Chương 7 TRUYỀN TẢI IP/WDM VÀ CHUYỂN MẠCH QUANG 161

7.1 MẠNG TRUYỀN TẢI IP/WDM 162

7.1.1 Đặc điểm chung của IP và WDM 162

7.1.2 Cấu hình chung truyền tải IP/WDM 162

7.1.3 Mô hình truyền tải IP/WDM 163

7.1.4 Phân loại cấu trúc mạng IP/WDM 163

7.1.5 Điều khiển truy nhập mạng IP/ WDM 167

7.2 CHUYỂN MẠCH QUANG 167

7.2.1 Khái niệm 167

7.2.2 Kiến trúc mạng cáp quang 168

TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 174

vii

Chương 8 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ QUANG TIÊN TIẾN 182

8.1 TRUY NHẬP MẠNG SỢI QUANG (FTTx) 183

8.1.1 Truy nhập trong mạng sợi quang (FTTx) 183

8.1.2 Công nghệ truy nhập quang chủ động (AON) 184

8.1.3 Công nghệ truy nhập quang thụ động (PON) 185

8.2 HỆ THỐNG QUANG LIÊN KẾT (COHERENT) 186

8.3 HỆ THỐNG QUANG SOLITON 188

8.3.1 Khái niệm về sóng đơn (soliton) 188

8.3.2 Sơ đồ mạch vòng sợi quang 189

8.3.3 Mô hình hệ thống 190

8.3.4 Mở rộng xung soliton do tổn hao 190

8.3.5 Tự điều chế pha (SPM) 191

8.3.6 Bộ khuếch đại 192

8.3.7 Khuếch đại phân bố 193

8.3.8 Hiện tượng tán xạ trong sợi quang 193

8.3.9 Đặc tính phi tuyến của sợi quang 193

8.3.10 Sử dụng sóng đơn quang cho hệ thống thông tin toàn quang 194

8.4 CHUYỂN TIẾP TÍN HIỆU VÔ TUYẾN VÀ TRUYỀNQUA SỢI QUANG 196

8.4.1 Giới thiệu 196

8.4.2 Công nghệ chuyển tiếp tín hiệu vô tuyếnvà truyền qua sợi quang 196

8.4.3 Ưu, nhược điểm của chuyển tiếp tín hiệu vô tuyến và truyền qua sợi quang 198 TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 200

Bài tập ôn tập chương 8 201

Chương 9 KHUẾCH ĐẠI QUANG 209

9.1 GIỚI THIỆU 210

9.1.1 Quá trình phát triển 210

9.1.2 Các tham số cơ bản 210

9.2 KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN (SOA) 212

9.2.1 Khái niệm và phân loại bộ khuếch đại quang bán dẫn 212

9.2.2 Bộ khuếch đại bán dẫn có khoang cộng hưởng FP-SOA 213

9.2.3 Bộ khuếch đại bán dẫn sóng chạy TW-SOA 214

9.2.4 Một số vấn đề của SOA 214

9.3 KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA ERBIUM (EDFA) 215

viii

9.3.2 Nguyên lý hoạt động 216

9.3.3 Phổ của bộ khuếch đại quang sử dụng EDFA 216

9.3.4 Cấu hình bộ EDFA bơm hai chiều 217

9.4 KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG HIỆU ỨNG RAMAN (RFA) 217

9.4.1 Khái niệm 217

9.4.2 Cấu trúc 218

9.4.3 Hệ số khuếch đại và độ rộng băng tần Raman 218

TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 220

Bài tập ôn tập chương 9 221

TÀI LIỆU THAM KHẢO 228

PHỤ LỤC ĐÁP ÁN CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 229

ix

AFC Automatic frequency control Điều chỉnh tần số tự động

AGC Automatic gain control Tự động điều chỉnh khuếch đại

AON Active Optical Network Mạng quang chủ động

APD Avalanche Photodiode Đi ốt thác lũ

ASE Amplified Spontanous Emission Bức xạ tự phát được khuếch đại

ATM Asynchronous Transfer Mode Mô hình truyền không đồng bộ AWG Array of waveguide Grating Mảng cách tử dẫn sóng

Abrupt decrease Giảm đột ngột

Absorption coeficient Hệ số hấp thụ

Active medium Môi trường tích cực

All lights reflected Ánh sáng phản xạ toàn phần

Amplified optical output signal Tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại

quang Amlified signal Tín hiệu được khuếch đại

Antireflection Coating Lớp vỏ chống phản xạ

Array of fibers Mảng sợi quang

Array of waveguides Mảng ống dẫn sóng

BA Booster Amplifier Bộ khuếch đại công suất

BBoF Base Frequency Band over fiber Truyền tín hiệu băng tần cơ sở qua sợi

quang

BWDM Broad passband WDM Hệ thống WDM băng tần rộng

Back of pulse Sườn sau của xung

Buffer coating Lớp phủ bảo vệ sợi quang

Bragg’s law Định luật Bragg (luật về sự phản chiếu

của tia X khi qua pha lê) Election-hole production region Vùng dẫn điện tử - lỗ trống

Electric field Điện trường

Incident light Ánh sáng tới

Light intensity Cường độ ánh sáng

C-band Conventional band Dải băng tần trung bình

CWDM Coarse WDM Hệ thống WDM ghép mật độ thấp CWL Continuous Wave Laser Bộ dao động quang sử dụng laser bán

dẫn Central Office Infrastructure Hạ tầng tổng đài

x

terminal

Chromatic dispersion Tán sắc sắc thể

Clock Recovery Phục hồi đồng bộ

Collimating optics Dụng cụ quang chuẩn

Communication system Hệ thống truyền thông

Critical angle Góc tới hạn

Crystal Waveguider Ống dẫn sóng tinh thể

DBR Distributed Bragg Reflector Laser bộ phản xạ Bragg

DCF Dispersion Compensation Fiber Sợi bù tán sắc

DE Drive Equipment Thiết bị điều khiển (khuếch đại tín hiệu

đầu vào)

DEMOD Demodulator Khối giải điều chế quang

DFB Distributed Feedback Laser Laser phân bố hồi tiếp

DPSK differential phase-shift keying Khóa dịch pha phân biệt

Data Recovery Phục hồi dữ liệu

Defraction Grating Cách tử nhiễu xạ phẳng

Dedicated fiber to each home Sợi cáp nhỏ đến từng nhà

Depletion region Vùng nghèo

Diffracted Light Nhiễu xạ

Distribution & Drop loop Mạch vòng phân phối và rẽ nhánh

E-band Extended band Dải băng tần mở rộng

EDFA Erbium doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang Erbium

ELED Edge emitting LED LED phát xạ cạnh

Edge emitting LED Điốt phát xạ cạnh

Election-hole production region Vùng dẫn điện tử - lỗ trống

Electric field Điện trường

Electron hole recombination Kết hợp điện tử - lỗ trống

Electrical Amplifier Bộ khuếch đại điện

Energy band gap Dải cấm năng lượng

Erbium-doped Fiber Sợi quang pha Erbium

xi

External battery Pin (acquy) phía ngoài

FBG Fiber Bragg Grating Cách tử sợi quang Bragg

FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần số

F-P Fabry- Perot Khoang cộng hưởng Fabry- Perot FPA Fabry – Perot Amplifier Bộ khuếch đại Fabry – Perot

FTTB Fiber To The Building Cáp quang kết nối tới tòa nhà

FTTC Fiber To The Curb Cáp quang kết nối tới tủ thiết bị

FTTH Fiber To The Home Cáp quang kết nối tới nhà

FTTO Fiber To The Office Cáp quang kết nối tới văn phòng

FTTx Fiber To The x Cáp quang kết nối tới đầu cuối x

Fiber-to-Amplifier Couple Ghép sợi quang với bộ khuếch đại Frequency Shift Dịch tần số

Front of pulse Sườn trước của xung

GbE Gigabit Ethernet

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

Gigabit Ethernet intrerface Giao diện Gigabit Ethernet

Gigabit Ethernet switch Chuyển mạch Gigabit Ethernet

Graded-index lens Thấu kính chiết suất biến đổi

IFoF Intermediate frequency over Fiber Truyền tín hiệu trung tần qua sợi quang IM-DD Intensity Modulation - Direct

Detection

Điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp

IP Internet Protocol Giao thức internet

ISDN Integrated Service Digital

Network

Dịch vụ số tích hợp

Incident light Ánh sáng tới

Integrated Themal Tuner Bộ điều chỉnh nhiệt kết hợp

Interference Pattern Mẫu nhiễu

Isolation Layer Tầng cách ly

LA Line Amplifier Bộ khuếch đại đường truyền

LAN Local Area Network Mạng cục bộ

LASER Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation

Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích

L-band Long wavelength band Dải băng tần bước sóng dài

LC Laser Control Điều khiển Laser (ổn định bước sóng

phát ra của bộ dao động quang)

xii

laser bán dẫn LOC Local Oscillator Control Điều khiển tín hiệu dao động nội (ổn

định pha và tần số)

MM-GI Multimode Graded-index fiber Sợi cáp đa mode chiết suất biến đổi MM-SI Multimode Step-index fiber Sợi cáp đa mode chiết suất bậc

Metal Contact Layer Tầng tiếp xúc kim loại

Minority Carrier flow Dòng hạt tải thiểu số

Monomode Step-index fiber Sợi cáp đơn mode chiết suất bậc

NLS Nonlinear Schroedinger Schroedinger phi tuyến

NRZ Non return to zero Dạng không trở về không

Narrowed depletion region Vùng nghèo hẹp lại

N-Type Substrate Lớp nền kiểu N

OA Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang

OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ xen rẽ ghép bước sóng quang

O-band Original band Dải băng tần cơ sở

ODEMUX Optical Demultiplexer Bộ tách kênh quang

OFDM Optical Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh quang phân chia theo tần số

OLSR Optical Label Switching Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn quang OLT Optical Line Terminal Thiết bị kết nối cuối đường dây quang

tại trạm OMUX Optical Multiplexer Bộ ghép kênh quang

ONT Optical Network Terminal Thiết bị kết nối cuối mạng tại khách

hàng ONU Optical Network Units Các bộ mạng quang

OPR Optical Packet Router Bộ định tuyến gói quang

OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang

OSC Optical Supervision Channel Kênh giám sát quang

OSPF Open Shortest Path First Giao thức đường ngắn nhất theo thứ tự

mở OTDM Optical Time Division

Multiplexing

Ghép kênh quang phân chia theo thời gian

xiii

OXC Optical Cross Connect Bộ nối chéo quang

OE conversion Chuyển đổi quang điện

Optical Frequency Tần số quang

Optical input signal Tín hiệu quang vào

Optical isolator Bộ chia quang

Optical Switch Chuyển mạch quang

PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã

PIN PIN Photodiode Đi ốt thu quang có ba lớp bán dẫn P, I,

N PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động

Penetration depth Độ sâu thâm nhập

Pump Wavelength Bước sóng bơm

RA Raman Amplifier Khuếch đại quang sử dụng hiệu ứng

Raman RAP Radio Access Point Điểm truy cập vô tuyến

RAU Remote Antenna Unit Khối anten đầu xa

RFA Raman based Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang Raman

RFoF Radio Frequency over Fiber Truyền sóng vô tuyến qua sợi quang RHD Remote HeterodyneDetector Tách sóng Heterodyne đầu xa

RoF Radio over Fiber Công nghệ chuyển tiếp tín hiệu vô

tuyến và truyền qua sợi quang RWA Routing and Wavelength

Assignment

Định tuyến và gán bước sóng

xiv

Refractive index Chiết suất khúc xạ

Remote Node with Active

Electronics Equipment

Nút từ xa dùng Thiết bị điện tử tích cực

S-band Short wavelength band Dải băng tần bước sóng ngắn

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin

SCM SubCarrier Multiplexing Ghép kênh sóng mang phụ

SDM Subcarrier Multiplex Ghép kênh sóng mang con

SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ

SLA Semiconductor Laser Amplifier Bộ khuếch đại Laser bán dẫn

SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu nhiễu

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn

SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman

Secondary coating Vỏ sợi quang

Shared Feeder fiber Sợi cáp quang nhánh dùng chung

Space Switches Chuyển mạch không gian

Stimulated Emision Hiện tượng phát xạ kích thích

Strong output signal Tín hiệu đầu ra mạnh

Suface emitting LED Điốt phát xạ mặt

TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gian

TW Traveling Wave Bộ khuếch đại bán dẫn sóng chạy

U-band Ultra-long wavelength band Dải băng tần có bước sóng cực dài

UV Ultrasonic Traveling Wave Sóng siêu âm

Ultrasonic Transducer Bộ chuyển đổi siêu âm

Up and down stream Chiều lên và xuống

xv

Variable Source Nguồn biến đổi

WDM Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

Waveguide Layer Tầng dẫn sóng

Waveguide region Vùng dẫn sóng

Wavelength Converter Bộ chuyển đổi bước sóng

Wavelength selective coupler Bộ ghép chọn bước sóng

Weak optical signal Tín hiệu quang yếu

Wedened depletion region Vùng nghèo được mở rộng

XPM Cross-Phase Modulation Hiệu ứng điều chế pha chéo

λc Long wavelength cut-off Bước sóng cắt

η Quantum Efficiency Hiệu suất lượng tử

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

MỤC TIÊU

Mục tiêu của chương 1 giúp cho người đọc hiểu được:

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

2 Cấu hình của hệ thống thông tin quang

3 Tổng quan các công nghệ trong kỹ thuật thông tin quang

NỘI DUNG

Phần 1: Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang

Phần này đề cập khái niệm và quá trình phát triển thông tin quang từ thời thượng cổ, trải qua các mốc đáng ghi nhớ của thế kỷ 17 và 18 cho đến giai đoạn nghiên cứu hiện đại của thông tin quang bắt đầu từ phát minh của Laser vào năm 1960 tiếp đến là nghiên cứu tạo ra sợi quang suy hao thấp vào những năm 1970, phát minh ra bộ khuếch đại quang vào những năm 80 và sự ra đời của cách tử Bragg sợi quang vào những năm 90

Phần 2: Mô hình chung của hệ thống thông tin quang

Phần này trình bày sơ đồ khối cơ bản vàphân loại hệ thống thông tin quang, cấu hình của hệ thống truyền dẫn cáp quang

Phần 3: Tổng quan các công nghệ trong kỹ thuật thông tin quang

Phần này đề cập truy nhập mạng quang và cấu hình mạng quang chủ động Active Optical Network), Công nghệ mạng quang thụ động (PON- Passive Optical Network), công nghệ Coherent hay công nghệ tách sóng tổng hợp,công nghệ RoF (Radio over Fiber) là công nghệ chuyển tiếp sóng vô tuyến và truyền qua sợi quang

(AON-2

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1.1 KHÁI NIỆM THÔNG TIN QUANG

Thông tin quang là thông tin được truyền qua hệ thống truyền tin sợi quang Hệ thống thông tin quang là hệ thống truyền tin thông qua sợi quang, gồm có bộ phát, bộ nhận

và môi trường truyền dẫn.Thông tin được chuyển thành ánh sáng, sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang và nơi nhận sẽ biến đổi ánh sáng trở lại thông tin ban đầu

1.1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN QUANG

Phương tiện sơ khai ban đầu của hệ thống này chính là đôi mắt Về bộ phát, từ thời thượng cổ, con người đã biết sử dụng lửa và khói để làm báo hiệu.Chớp sáng đã được sử dụng để truyền tin giữa các chiến thuyền Hệ thống thông tin điều chế đơn giản ban đầu có thể lấy ví dụ là đèn hải đăng, đèn hiệu

Một số mốc đáng ghi nhớ về quá trình phát triển của hệ thống này như sau:

 Năm 1775 Paul Revere dùng ánh sáng báo hiệu quân đội Anh từ Boston sắp kéo tới

 Năm 1790 Claude Chappe, kỹ sư Pháp xây dựng hệ thống điện báo quang (optical telegraph) Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu trên đó Hệ thống này đã truyền được tín hiệu qua khoảng cách 200 km trong vòng 15 phút

 Năm 1854 John Tyndall, nhà vật lý người Anh, thí nghiệm và chứng minh ánh sáng có thể truyền qua một môi trường điện môi trong suốt

 Năm 1870 John Tyndall đã chứng minh ánh sáng có thể dẫn theo một vòi nước uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần

 Năm 1880 Alexander Graham Bell, người Mỹ, đã phát minh hệ thống thông tin ánh sáng photophone Ông ta đã sử dụng ánh sáng mặt trời từ một gương phẳng mỏng đã điều chế tiếng nói để mang tiếng nói đi Ở máy thu, ánh sáng mặt trời đã được điều chế đập vào tế bào quang dẫn, selen, nó biến đổi thông điệp ánh sáng thành dòng điện Bộ thu máy điện thoại hoàn tất hệ thống này Hệ thống photophone chưa bao giờ đạt được thành công về mặt thương mại, mặc dù nó đã làm việc tốt hơn, nhưng do nguồn nhiễu quá lớn làm giảm chất lượng đường truyền

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

 Năm 1950 Brian O’Brien, Harry Hopkins và Nariorger Kapany đã phát triển sợi quang có hai lớp, bao gồm lớp lõi bên trong để ánh sáng lan truyền trong lớp này

và lớp vỏ bao xung quanh bên ngoài lớp lõi, nhằm giam ánh sáng ở lõi

 Nghiên cứu hiện đại của thông tin quang bắt đầu từ phát minh của Laser.Năm

1960 Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động làm tăng dung lượng hệ thống thông tin quang

 Năm 1966 Kao và Hockham khuyến nghị chế tạo sợi quang có tổn thất thấp

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

 Năm 1967: suy hao sợi quang được báo cáo là a ≈ 1000 dB/km, tức là khi truyền qua 1km chiều dài sợi thì công suất ánh sáng giảm đi 10100 lần

 Năm 1970: hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi chiết suất bậc -

SI có suy hao a < 20 dB/km ở bước sóng l = 633 nm

 Năm 1972 loại sợi chiết suất biến đổi - GI được chế tạo với suy hao a ≈ 4 dB/km Các công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn và tăng dải thông của Laser bán dẫn phát triển thành công sau năm 1970:

 Sau năm 1970: độ tổn thất của sợi quang giảm đến 0,18 dB/km

 Năm 1980: A.G.Bell, chế tạo thiết bị quang thoại

 Năm 1983: sợi đơn mode - SM được sản xuất ở Mỹ

 Năm 1988: Công ty NEC thiết lập mạng đường dài 10 Gbit/s qua khoảng cách 80

km dùng sợi quang dịch tán sắc và laser hồi tiếp phân bố

 Ngày nay có thể gửi thông tin cách xa hàng trăm km bằng sợi quang có kích thước như sợi tóc mà không cần bộ tái tạo

Xu hướng mới nghiên cứu lĩnh vực photon học có khả năng phát hiện, xử lý, trao đổi

và truyền dẫn thông tin bằng ánh sáng

Hai thập kỷsau năm 1970 hơn 10 triệu km sợi quang đã được lắp đặt trên toàn thế giới Để đạt được điều này, nhiều kĩ sư cũng như các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều thế hệ các hệ thống truyền dẫn sóng ánh sáng khác nhau Hình dưới đây mô tả tiến tình phát triển của bốn thế hệ đầu tiên của hệ thống truyền dẫn ánh sáng dựa trên tham số về tích Gb/s.km giữa tốc độ bit và khoảng cách truyền dẫn tối đa khi không sử dụng bộ lặp Thế hệ truyền dẫn quang đầu tiên hoạt động ở cửa sổ bước sóng 800nm sử dụng sợi quang

đa mode truyền dẫn nên suy hao lớn và tốc độ bit chưa cao

4

Tiến trình phát triển của các thế hệ đầu tiên

Hình 1-1: Tiến trình phát triển của các thế hệ đầu tiên

Sự dịch chuyển cửa sổ bước sóng hoạt động của hệ thống từ 800nm sang 1300nm cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn của hệ thống Trong thế hệ truyền dẫn quang đầu tiên, tất cả các ứng dụng đều sử dụng sợi đa mode thì đến năm 1984, sợi đơn mode đã được thay thế hầu hết trong các đường trung kế cự li dài Sợi đơn mode có suy hao thấp hơn và băng thông lớn hơn đáng kể so với sợi đa mode Tốc độ bit của các tuyến cự li dài thường vào khoảng 400 đến 600 Mb/s, và trong một số trường hợp hệ thống có thể đạt tới tốc độ 4 Gb/s qua khoảng cách 40 km Tuyến truyền dẫn quang vượt biển đầu tiên, TAT-8, hoạt động ở tốc độ 296 Mb/s sử dụng sợi đơn mode với bước sóng hoạt động 1300nm được triển vào năm 1988

Các hệ thống truyền dẫn quang hoạt động ở cửa sổ bước sóng 1550nm có suy hao thấp nhất nhưng lại chịu ảnh hưởng của tán sắc lớn hơn so với khi hoạt động ở cửa sổ 1300nm Từ khi cách tử Bragg sợi quang được sử dụng như là một phương pháp bù tán sắc trong miền quang, các thế hệ truyền dẫn quang tiếp sau này đã tăng được tốc độ bit và khoảng cách truyền dẫn một cách vượt bậc Hệ thống truyền dẫn quang ở bước sóng 1550nm sử dụng cả kỹ thuật tách sóng trực tiếp và tách sóng coherent Tách sóng coherent cải thiện đáng kể độ nhạy máy thu và tính chọn lọc bước sóng so với kỹ thuật tách sóng trực tiếp

Có thể thấy trong số hàng chục ngàn phát minh và nghiên cứu về sợi quang cũng như các phần tử trong hệ thống thông tin sợi quang thì bốn phát minh sau đây mang tính bước ngoặt, đó là:

 Sự phát minh ra LASER vào những năm 60

5

 Nghiên cứu ra sợi quang suy hao thấp vào những năm 70

 Sự phát minh ra bộ khuếch đại quang vào những năm 80

 Sự ra đời của cách tử Bragg sợi quang vào những năm 90

1.1.3 ĐẶC TÍNH CỦA THÔNG TIN QUANG

Hệ thống thông tin quang có một số đặc điểm cơ bản như sau:

 Độ suy hao truyền dẫn thấp

 Băng thông lớn

 Đường truyền dẫn nhẹ và mỏng (nhỏ)

 Không có xuyên âm với đường quang bên cạnh

 Không chịu ảnh hưởng can nhiễu của cảm ứng sóng điện từ và xung điện từ

 Giá thành của sợi quang giảm nhanh khi áp dụng công nghệ mới

 Độ an toàn, Độ tin cậy và bảo mật cao

 Tuổi thọ dài và khả năng đề kháng môi trường lớn

 Sợi quang được sử dụng cho các mạng điện thoại, số liệu/máy tính và phát thanh, truyền hình (dịch vụ băng rộng), thiết bị đo và sẽ được sử dụng cho ISDN (Integrated Service Digital Network, hay mạng tích hợp dịch vụ kỹ thuật số), điện lực, y tế, quân sự

1.2 MÔ HÌNH CHUNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.2.1 Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin sợi quang

Hệ thống thông tin quang khác biệt với hệ thống vi ba ở dải tần số sóng mang Tần

số sóng mang quang vào khoảng ~200 THz, tần số sóng mang viba cỡ ~1GHz Do tần số sóng mang quang cao nên dung lượng của hệ thống thông tin quang có thể tăng tới 10000 lần Băng tần của tín hiệu được điều chế có thể chiếm tới vài phần trăm của tần số sóng mang quang

Giả thiết băng tần của tín hiệu được điều chế chiếm 1% của tần số sóng mang quang thì dung lượng tối đa mà hệ thống thông tin quang truyền tải được sẽ vào khoảng 1Tb/s Các hệ thống thông tin quang hiện nay vẫn chưa tận dụng hết dung lượng của hệ thống, đây cũng chính là một thách thức đầy hứa hẹn cho những kỹ sư viễn thông tìm hiểu và nghiên cứu

Hình 1-2: Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin sợi quang

Sơ đồ khối chung của hệ thống thông tin quang gồm bộ phát quang, môi trường truyền dẫn quang và bộ thu quang

6

 Bộ phát quang: có vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang vào môi trường truyền dẫn quang Thông thường bộ phát quang bao gồm nguồn quang, bộ điều chế, và bộ ghép nối với sợi quang

 Môi trường truyền dẫn: tín hiệu đầu vào sau khi chuyển thành tín hiệu quang sẽ được truyền trong môi trường này Quá trình truyền dẫn tín hiệu chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố liên quan tới chất lượng, loại sợi quang như suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, các vấn đề về khuếch đại tín hiệu

 Bộ thu quang:có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang thu được tại đầu ra của môi trường truyền dẫn quang thành tín hiệu điện Bộ thu quang thường gồm có bộ ghép nối quang, bộ tách sóng quang, và một bộ giải điều chế

1.2.2 Phân loại hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang nói chung được phân làm hai loại: có dây dẫn và không có dây dẫn Đối với các hệ thống thông tin quang không sử dụng dây dẫn, chùm sáng phát ra

từ máy phát được truyền vào không gian, tương tự như truyền sóng vi ba Tuy nhiên, hệ thống quang không dây kém phù hợp với các ứng dụng quảng bá hơn so với các hệ thống

vi ba do chùm ánh sáng lan truyền theo hướng thẳng (tương tự như với các sóng ngắn) Với hệ thống thông tin quang sử dụng dây dẫn, chùm ánh sáng phát ra từ máy phát được duy trì giới hạn không gian nhờ sợi quang Hầu hết các hệ thống thông tin quang sử dụng dây dẫn hiện nay đều sử dụng sợi quang, vì thế các hệ thống này thường được gọi chung là hệ thống thông tin sợi quang Trong phạm vi của tài liệu này, chúng ta chỉ tập trung vào tìm hiểu hệ thống này

1.2.3 Cấu hình hệ thống truyền dẫn cáp quang

Hình 1-3: CẤU HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN CÁP QUANG

Hệ thống thông tin sợi quang được phát triển chủ yếu cho các ứng dụng trong viễn thông

7

Các hệ thống thông tin sợi quang có khoảng cách truyền dẫn dưới 100km thường được gọi là các hệ thống thông tin quang cự ly ngắn, với các hệ thống có khoảng cách truyền dẫn từ 100km trở lên được gọi là các hệ thống thông tin quang đường dài Hệ thống viễn thông đường dài đòi hỏi các tuyến trung kế dung lượng lớn và lợi ích cao nhờ sử dụng

hệ thống sợi quang

Các hệ thống thông tin quang thế hệ sau sẽ có tốc độ bit và khoảng cách truyền dẫn lớn hơn đáng kể so với các thế hệ trước đó Khoảng cách giữa các trạm lặp và và tốc độ bit tăng đáng kể so với hệ thống cáp đồng giúp cho hệ thống thông tin sợi quang rất phù hợp với các ứng dụng đường dài Thêm vào đó, với việc sử dụng bộ khuếch đại quang, khoảng cách giữa các trạm lặp có thể lên tới hàng ngàn ki-lô-mét Hiện nay, một số lượng lớn các

hệ thống thông tin sợi quang vượt đại dương đã và đang được triển khai để hình thành hệ thống thông tin quang toàn cầu

Sơ đồ khối bộ phát quang

Hình 1-4: Sơ đồ khối bộ phát quang

Bộ phát quang là một khối chức năng cơ bản trong hệ thống thông tin quang

Vai trò chính của bộ phát quang là chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang đó vào trong sợi quang

Laser bán dẫn hoặc điốt phát quang thường được sử dụng làm nguồn quang

Tín hiệu quang được tạo ra nhờ điều chế sóng mang quang Có hai phương thức điều chế tín hiệu quang, đó là điều chế ngoài và điều chế trực tiếp

Bộ ghép quang về cơ bản là một vi gương cho phép tập trung tín hiệu quang vào mặt phẳng tới của sợi quang sao cho có hiệu suất ghép ánh sáng cao nhất

Công suất ghép quang là một tham số thiết kế quan trọng Công suất ghép quang lớn

sẽ giúp tăng khoảng cách giữa các trạm lặp/ bộ khuếch đại Hiệu ứng phi tuyến giới hạn độ lớn của công suất ghép quang

Công suất tín hiệu quang thường được biểu diễn theo đơn vị dBm với 1mW được coi

là mức công suất tham chiếu

𝑃(𝑑𝐵𝑚) = 10𝑙𝑜𝑔10(𝑃(𝑚𝑊)

1𝑚𝑊 )

Tín hiệu quang đầu ra Tín hiệu

điện

8

Như vậy, 1 mW tương đương với 0 dBm, và 1µW tương đương với -30 dBm Điốt phát quang có công suất ghép quang khá nhỏ (<-10 dBm) trong khi công suất ghép quang của laser bán dẫn có thể đạt tới ~10 dBm

Giới hạn tốc độ bit của các bộ phát quang thường do năng lực của mạch điện tử mà không phải do laser

Thiết kế phù hợp cho phép bộ phát quang điều chế tại 40 Gb/s

Vai trò của môi trường truyền dẫn quang là cho phép truyền tín hiệu quang từ bộ phát quang đến bộ thu quang mà không làm méo tín hiệu Hầu hết các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang làm môi trường truyền dẫn bởi vì sợi quang thủy tinh đạt suy hao khá nhỏ cỡ 0,2 dB/km Thậm chí, một số loại sợi quang sau này cho phép truyền công suất ánh sáng với mức giảm 1% qua khoảng cách 100 km Suy hao sợi quang là một tham số thiết kế quan trọng và quyết định đến khoảng cách giữa các trạm lặp/ bộ khuếch đại của hệ thống truyền dẫn quang đường dài

Một tham số thiết kế quan trọng khác nữa đó là tán sắc sợi Tán sắc làm giãn rộng xung quang khi lan truyền Nếu như xung quang bị giãn rộng vượt khỏi phạm vi của một chu kì bit thì tín hiệu truyền dẫn bị suy giảm nghiêm trọng Như vậy, sẽ không thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu với độ chính xác cao Hiện tượng tán sắc sẽ xảy ra trầm trọng hơn đối với sợi đa mode, khi đó xung quang bị giãn nhanh hơn (vào khoảng ~10 ns/km) do sự khác nhau về tốc độ lan truyền ánh sáng tương ứng với các mode khác nhau Vì thế, hầu hết tất cả các hệ thống thông tin sợi quang chỉ sử dụng sợi đơn mode Tán sắc vật liệu (do

sự thay đổi của tần số theo chiết suất gây ra) cũng gây ra hiện tượng giãn xung quang (khoảng < 1 ns/km) nhưng độ giãn này vẫn chấp nhận được trong hầu hết các ứng dụng hoặc làm giảm tán sắc nhờ giới hạn độ rộng phổ của nguồn quang

Bộ thu quang

Hình 1-5: Bộ thu quang

Bộ thu quang bao gồm bộ ghép quang, bộ tách sóng quang và bộ giải điều chế Hầu hết hệ thống quang dùng phương pháp điều chế và giải điều chế đơn giản (điều biến cường độ và tách sóng trực tiếp IM-DD)

Giải điều chế sử dụng mạch quyết định để xác định bit 0 hay bit 1, dựa trên biên độ của tín hiệu điện

Tín hiệu điện đầu ra Tín hiệu quang

đầu vào

Một tham số quan trọng của bất kì bộ thu nào đó là độ nhạy của máy thu Độ nhạy máy thu được định nghĩa là công suất quang trung bình tối thiểu để đảm bảo BER của hệ thống là 10-9 Độ nhạy thu phụ thuộc vào tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm SNR, trong khi đó tỉ số này lại phụ thuộc vào các nguồn nhiễu ảnh hưởng lên tín hiệu quang thu được

Yếu tố cơ bản để thiết lập hệ thống truyền dẫn

 Môi trường truyền dẫn

 Phương pháp truyền dẫn

 Phương pháp điều chế/ ghép kênh

Phương pháp điều chế ghép kênh

Phương pháp phân chia theo thời gian (TDM - Time Division Multiplex) được sử dụng rộng rãi khi ghép kênh các tín hiệu như số liệu, âm thanh điều chế xung mã PCM (Pulse Code Modulation) (64 kb/s) và số liệu hình ảnh số (video digital)

Phương pháp điều chế theo tần số FDM (Frequency Division Multiplex)

Phương pháp điều chế theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplex): điều chế một số sóng mang quang có các bước sóng khác nhau thành các tín hiệu điện khác nhau, sau đó có thể truyền chúng qua một sợi cáp quang

Phương pháp ghép kênh SDM (SubCarrier Division Multiplex): gia tăng số lõi cáp sau khi ghép kênh PCM, FDM để truyền số lượng dữ liệu lớn

Hệ thống truyền dẫn quang có thể được thiết lập hỗn hợp từ các loại TDM, FDM, WDM và SDM

1.3 TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ TRONG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

1.3.1 Truy nhập mạng quang

Có thể đưa ra một số hình thức truy nhập trong mạng truy nhập sợi quang, để đưa dịch vụ tới khách hàng, tùy theo đầu cuối khác nhau FTTx (Fiber To The x) bao gồm các

hệ thống truy nhập khác nhau

10

1.3.2 Công nghệ AON

Công nghệ AON (Active Optical Network) hay mạng quang tích cực (mạng quang chủ động) là mạng truy nhập quang phân phối tín hiệu sử dụng cho các thiết bị cần nguồn cung cấp Dữ liệu từ phía nhà cung cấp của khách hàng nào sẽ chỉ được chuyển đến khách hàng đó do đó dữ liệu của khách hàng sẽ tránh được xung đột khi truyền trên đường vật lý chung

 Cấu hình ring (cấu hình vòng)

 Cấu hình tree (câu hình cây)

 Cấu hình bus (cấu hình trục)

1.3.4 Công nghệ tách sóng tổng hợp (Coherent)

Công nghệ Coherent hay công nghệ tách sóng tổng hợp được thực hiện như sau: trước tiên bộ thu quang sẽ cộng tín hiệu quang tới với tín hiệu quang được tạo tại chỗ, sau

đó tín hiệu quang tổng hợp này được tách thành tín hiệu điện

Tín hiệu thông tin được điều chế ở phía phát với mức độ yêu cầu cao về độ rộng phổ tín hiệu, độ ổn đình tần số (có thể điều chế trực tiếp hoặc điều chế ngoài)

Độ phân cực của ánh sáng được giữ nguyên trạng quá trình truyền

Trước khi tách sóng ở thiết bị thu, tín hiệu thông tin được trộn với tín hiệu dao động nội Như vậy ánh sáng đã được xử lý trước khi tới bộ tách sóng quang

1.3.5 Công nghệ chuyển tiếp tín hiệu vô tuyến và truyền qua sợi quang (RoF)

Công nghệ RoF (Radio over Fiber) là công nghệ chuyển tiếp tín hiệu vô tuyến và truyền qua sợi quang Các tín hiệu tần số vô tuyến (RF - Radio Frequency) được phân phối

từ một trạm đầu cuối tới các khối anten đầu xa (RAU - Remote Antenna Unit) qua đường truyền sợi quang

11

TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG

Sau khi học xong chương này, các bạn có thể nắm được lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin quang và tổng quan các kiến thức về hệ thống này

Cụ thể như sau:

Phần 1: Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang

Học viên hiểu khái niệm và quá trình phát triển thông tin quang từ thời thượng cổ, trải qua các mốc đáng ghi nhớ của thế kỷ 17 và 18 cho đến giai đoạn nghiên cứu hiện đại của thông tin quang bắt đầu từ phát minh của Laser vào năm 1960 Ba phát minh tiếp theo làm cho hệ thống thông tin quang ngày càng hiện đại gồm nghiên cứu tạo ra sợi quang suy hao thấp vào những năm 1970, phát minh ra bộ khuếch đại quang vào những năm 80 và sự

ra đời của cách tử Bragg sợi quang vào những năm 90

Phần 2: Mô hình chung của hệ thống thông tin quang

Học viên phân tích hoạt động thông qua sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin quang Ngoài ra học viên phân loại hệ thống thông tin quang và phân tích được cấu hình của hệ thống truyền dẫn cáp quang

Phần 3: Tổng quan các công nghệ trong kỹ thuật thông tin quang

Học viên biết phương thức truy nhập mạng quang và cấu hình mạng quang chủ động, mạng quang thụ động, công nghệ Coherent, công nghệ chuyển tiếp sóng vô tuyến và truyền qua sợi quang

Bài 4 Trình bày mô hình chung và phân loại hệ thống thông tin quang

Bài 5 Phân tích cấu hình của hệ thống truyền dẫn cáp quang

Bài 6 Phân tíchhoạt động của bộ phát quang

Bài 7 Phân tíchhoạt động của bộ thu quang

Bài 8 Trình bày yếu tố cơ bản để thiết lập hệ thống truyền dẫn và phương pháp điều chế

ghép kênh

Bài 9 Trình bày tổng quan các công nghệ trong kỹ thuật thông tin quang

Câu hỏi trắc nghiệm chương 1 Câu 1: Nguyên lý hoạt động của thông tin quang là:

A- Thông tin được chuyển thành tín hiệu điện, sau đó tín hiệu điện được truyền qua sợi quang

B- Thông tin được chuyển thành tín hiệu điện, sau đó tín hiệu điện được truyền qua sợi cáp đồng trục

C- Thông tin được chuyển thành ánh sáng, sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang D- Thông tin được chuyển thành ánh sáng, sau đó ánh sáng được truyền qua cáp đối xứng

Câu 2 Phát biểu nào sau đây là sai?

A- Lửa, khói, chớp sáng là phương tiện báo hiệu và truyền tin

B- Ánh sáng có thể truyền qua môi trường điện môi trong suốt

C- Ánh sáng không thể dẫn được theo một vòi nước uốn cong

D- Laser cho phép tăng cường và tập trung nguồn sáng để ghép vào sợi

Câu 3 Phát biểu nào sau đây là sai?

A- Nghiên cứu hiện đại của thông tin quang bắt đầu từ phát minh của Laser

B- Đưa laser vào hoạt động làm giảm dung lượng hệ thống thông tin quang

C- Năm 1967 suy hao sợi quang a ≈ 1000 dB/km

D- Năm 1972 loại sợi chiết suất biến đổi - GI được chế tạo với suy hao a ≈ 4 dB/km

Câu 4 Phát biểu nào sau đây là sai?

13

A- Chuyển cửa sổ bước sóng hoạt động của hệ thống từ 1300nm sang 800nm làm tăng khoảng cách truyền dẫn

B- Các ứng dụng trong thế hệ đầu tiên dùng sợi đa mode

C- Năm 1984 sợi đơn mode được thay thế hầu hết trong các đường trung kế cự li dài D- Sợi đơn mode có suy hao thấp hơn và băng thông lớn hơn đáng kể so với sợi đa mode

Câu 5 Tiến trình phát triển của các thế hệ thông tin quang đầu tiên theo trình tự sau:

A- 1300 nm, đơn mode; 800 nm, đa mode; 1550 nm, đơn mode, tách sóng trực tiếp; 1550

nm, đơn mode, tách sóng coherent

B- 1300 nm, đơn mode; 800 nm, đa mode; 1550 nm, đơn mode, tách sóng coherent; 1550

nm, đơn mode, tách sóng trực tiếp

C- 800 nm, đa mode; 1300 nm, đơn mode; 1550 nm, đơn mode, tách sóng trực tiếp; 1550

nm, đơn mode, tách sóng coherent

D- 1550 nm, đơn mode, tách sóng trực tiếp; 1550 nm, đơn mode, tách sóng coherent; 800

nm, đa mode; 1300 nm, đơn mode

Câu 6 Phát biểu nào sau đây là sai đối với Hệ thống truyền dẫn ở cửa sổ bước sóng

1550nm ?

A- Suy hao thấp nhất

B- Chịu ảnh hưởng của tán sắc nhỏ hơn so với khi hoạt động ở cửa sổ 1300nm

C- Cách tử Bragg sợi quang được sử dụng như là một phương pháp bù tán sắc trong miền quang

D- Thế hệ tiếp theo dùng cách tử Bragg đã tăng được tốc độ bit và khoảng cách truyền dẫn vượt bậc

Câu 7 Phát biểu nào sau đây là sai?

A- Sử dụng kỹ thuật điều chế tín hiệu quang không thể tăng mãi dung lượng truyền trên một bước sóng

B- Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM ra đời tạo bước ngoặt về dung lượng

hệ thống, được thương mại hóa năm 1995

C- WDM cho phép ghép 1000 kênh bước sóng độc lập để truyền dẫn đồng thời trên một sợi quang đơn mode

D- Hệ thống thông tin quang ứng dụng công nghệ WDM được gọi là hệ thống thông tin quang đơn kênh

Câu 8 Phát biểu nào sau đây không thuộc 4 phát minh mang tính bước ngoặt của thông tin

quang?

A- Tách sóng coherent

14

B- Phát minh LASER

C- Phát minh ra bộ khuếch đại quang

D- Cách tử Bragg sợi quang

Câu 9 Đặc tính của thông tin quang:

A- Độ suy hao truyền dẫn thấp; Băng thông nhỏ; Đường truyền dẫn nhẹ và mỏng (nhỏ); Không có xuyên âm với đường quang bên cạnh

B- Độ suy hao truyền dẫn thấp; Băng thông lớn; Đường truyền dẫn nhẹ và mỏng (nhỏ); Không có xuyên âm với đường quang bên cạnh

C- Độ suy hao truyền dẫn thấp; Băng thông lớn; Đường truyền dẫn nhẹ và mỏng (nhỏ); Có xuyên âm với đường quang bên cạnh

D- Độ suy hao truyền dẫn thấp; Băng thông lớn; Đường truyền dẫn nặng và dày; Không có xuyên âm với đường quang bên cạnh

Câu 10 Đặc tính nào sau đây của thông tin quang là sai

A- Chịu ảnh hưởng can nhiễu của cảm ứng sóng điện từ và xung điện từ

B- Giá thành của sợi quang giảm nhanh khi áp dụng công nghệ mới

C- Độ an toàn, Độ tin cậy và bảo mật cao

D- Sợi quang được sử dụng cho nhiều loại mạng

Câu 11 Phát biểu nào sau đây là đúng đối với hệ thống thông tin sợi quang?

A- Hệ thống thông tin quang tương tự với hệ thống vi ba ở dải tần số sóng mang

B- Hệ thống thông tin quang khác biệt với hệ thống vi ba ở dải tần số sóng mang

C- Băng tần của tín hiệu được điều chế có thể chiếm tới vài phần nghìn của tần số sóng mang quang

D- Tần số sóng mang quang vào khoảng ~2000 THz

Câu 12 Cấu hình hệ thống truyền dẫn cáp quang digital theo trình tự nào sau đây?

A- Biến đổi điện quang, Mã hóa, Biến đổi quang điện, Khuếch đại cân bằng

B- Mã hóa, Biến đổi điện quang, Biến đổi quang điện, Khuếch đại cân bằng

C- Mã hóa, Biến đổi quang điện, Khuếch đại cân bằng, Biến đổi điện quang

D- Khuếch đại cân bằng, Mã hóa, Biến đổi quang điện, Biến đổi điện quang

Câu 13 Cấu hình hệ thống truyền dẫn cáp quang digital theo trình tự nào sau đây?

A- Khuếch đại cân bằng, Tái tạo đồng nhất, Giải mã, Biến đổi quang điện

B- Tái tạo đồng nhất, Giải mã, Biến đổi quang điện, Khuếch đại cân bằng

C- Giải mã, Khuếch đại cân bằng, Biến đổi quang điện, Tái tạo đồng nhất

D- Biến đổi quang điện, Khuếch đại cân bằng, Tái tạo đồng nhất, Giải mã

Câu 15 Sơ đồ khối của Bộ phát quang theo trình tự sau:

A- Nguồn quang, Bộ điều chế, Bộ ghép quang, Bộ điều khiển

B- Bộ điều chế, Nguồn quang, Bộ ghép quang, Bộ điều khiển

C- Bộ ghép quang, Bộ điều khiển, Bộ điều chế, Nguồn quang

D- Bộ điều khiển, Nguồn quang, Bộ điều chế, Bộ ghép quang

Câu 16 Phát biểu nào sau đây là sai đối với công suất ghép quang?

A- Tham số thiết kế quan trọng

B- Công suất ghép quang lớn sẽ tăng khoảng cách giữa các trạm lặp

C- Công suất ghép quang nhỏ sẽ tăng khoảng cách giữa các bộ khuếch đại

D- Hiệu ứng phi tuyến giới hạn độ lớn của công suất ghép quang

Câu 17 Mức công suất tham chiếu của tín hiệu quang thường được biểu diễn như sau:

A- 𝑃(𝑑𝐵𝑚) = 20𝑙𝑜𝑔10(𝑃(𝑚𝑊)1𝑚𝑊 )

B- 𝑃(𝑑𝐵𝑚) = 10𝑙𝑜𝑔10(𝑃(𝑚𝑊)10𝑚𝑊)

C- 𝑃(𝑑𝐵𝑚) = 10𝑙𝑜𝑔10(𝑃(𝑚𝑊)1𝑚𝑊 )

D- 𝑃(𝑑𝐵𝑚) = 30𝑙𝑜𝑔10(𝑃(𝑚𝑊)10𝑚𝑊)

Câu 18 Giới hạn tốc độ bit của các bộ phát quang thường do

A- Năng lực của laser mà không phải do mạch điện tử

B- Năng lực của laser và mạch điện tử

C- Yếu tố khác không liên quan năng lực của laser và mạch điện tử

D- Năng lực của mạch điện tử mà không phải do laser

Câu 19 Hầu hết các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang làm môi trường truyền

dẫn bởi vì sợi quang thủy tinh đạt suy hao khá nhỏ cỡ:

A- 0,02 dB/km

B- 0,2 dB/km

C- 2 dB/km

Câu 22 Trình tự tín hiệu quang đi qua Bộ thu quang như sau:

A- Bộ tách sóng quang, Bộ giải điều chế, Bộ ghép quang

B- Bộ ghép quang, Bộ giải điều chế, Bộ tách sóng quang

C- Bộ ghép quang, Bộ tách sóng quang, Bộ giải điều chế

D- Bộ giải điều chế, Bộ ghép quang, Bộ tách sóng quang

Câu 23 Bộ thu quang hoạt động bình thường khi tỉ số lỗi bit (BER) lớn nhất là

Câu 25 Phátbiều nào sau đây là sai đối với mạng quang chủ động?

A- Cần sử dụngthiết bị chuyển mạch (Switch)

B- Mạng truy nhập quang phân phối tín hiệu sử dụng cho các thiết bị không cần nguồn cung cấp

17

C- Dữ liệu từ phía nhà cung cấp của khách hàng nào sẽ chỉ được chuyển đến khách hàng

đó

D- Tránh được xung đột dữ liệu khi truyền trên đường vật lý chung

Câu 26 Số cấuhình cơ bản của mạng quang thụ động là:

A- 3

B- 5

C- 4

D- 2

Câu 27 Phát biều nào sau đây là sai đối với công nghệ tách sóng tổng hợp (Coherent)?

A- Trước tiên bộ thu quang sẽ nhân tín hiệu quang tới với tín hiệu quang được tạo tại chỗ B- Trước tiên bộ thu quang sẽ chia tín hiệu quang tới với tín hiệu quang được tạo tại chỗ C- Trước tiên bộ thu quang sẽ trừ tín hiệu quang tới với tín hiệu quang được tạo tại chỗ D- Trước tiên bộ thu quang sẽ cộng tín hiệu quang tới với tín hiệu quang được tạo tại chỗ

Câu 28.Phát biều nào sau đây là đúng đối với công nghệ tách sóng tổng hợp (Coherent)?

A- Sau khi nhân tín hiệu quang với tín hiệu quang tại chỗ, tín hiệu quang tổng hợp được dẫn đến bộ khuếch đại quang

B- Sau khi nhân tín hiệu quang với tín hiệu quang tại chỗ, tín hiệu quang tổng hợp được tách thành tín hiệu điện

C- Sau khi cộng tín hiệu quang với tín hiệu quang tại chỗ, tín hiệu quang tổng hợp được tách thành tín hiệu điện

D- Sau khi cộng tín hiệu quang với tín hiệu quang tại chỗ, tín hiệu quang tổng hợp được dẫn đến bộ khuếch đại quang

Câu 29 Đặc điểm nào sau đây là sai đối với chuyển tiếp tín hiệu vô tuyến và truyền trong

sợi quang?

A- Suy hao thấp, giảm công suất tiêu thụ

B- Tín hiệu không bị nhiễu, không bị méo

C- Lắp đặt và bảo trì đơn giản, phân bổ tài nguyên linh hoạt

D-Băng thông lớn

Câu 30 Tín hiệu trong sợi quang không bị ảnh hưởng của điện từ trường ngoài là do:

A-Tín hiệu quang là ánh sáng

B- Sợi quang hoàn toàn không mang điện tích

C-Sợi quang có hai lớp

D- Sợi quang được cách điện tốt

Chương 2

CÁC PHẦN TỬ BIẾN ĐỔI ĐIỆN - QUANG

MỤC TIÊU

Mục tiêu của chương 2 là giúp cho người đọc:

1 Nắm được mức năng lượng của ánh sáng

2 Nắm được nguyên lý biến đổi điện - quang

3 Nắm được khái niệm về nguồn quang

NỘI DUNG

Phần 1: Mức năng lượng của ánh sáng

- Khái niệm biến đổi điện quang và phân tích tính chất hạt của ánh sáng và tính

chất lượng tử của vật chất

- Đưa ra mô hình nguyên tử với các điện tử quay quanh hạt nhân theo các quỹ

đạo ổn định và phân bố mật độ điện tử ở các trạng thái năng lượng

Phần 2: Nguyên lý biến đổi điện - quang

- Trình bày hiện tượng hấp thụ, hiện tượng phát xạ tự phát, hiện tượng phát xạ

kích thích, tiếp giáp P-N

Phần 3: Nguồn quang

- Nêu khái niệm nguồn quang và yêu cầu đối với nguồn quang

- Trình bày cấu trúc, nguyên lý hoạt động và đặc tính phổ của điốt phát quang

(LD) và điôt Laser (LD) Trong phần này còn đề cập các bộ phát quang

19

2.1 MỨC NĂNG LƯỢNG CỦA ÁNH SÁNG

Biến đổi điện quang là một quá trình biến đổi năng lượng thành ánh sáng và ngược lại trong các linh kiện biến đổi quang điện dựa trên tính chất hạt của ánh sáng và tính chất lượng tử của vật chất

Tính chất hạt:ánh sáng gồm nhiều hạt (photon) Mỗi photon mang năng lượng được xác định như sau: Eph= hf

Trong đó: h là hằng số Plank (h= 6,625x10 -3 J.s); f là tần số của photon ánh sáng

Năng lượng của ánh sáng bằng tổng năng lượng của các photon: Eánh sáng= Nphx Eph

Tính chất lượng tử của vật chất: theo tính chất lượng tử của vật chất, vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử Mỗi nguyên tử gồm có một hạt nhân, mang điện tích dương, được bao quanh bởi các điện tử (electron), mang điện tích âm Các điện tử này quay quanh hạt nhân theo các quỹ đạo ổn định và mang một năng lượng nhất định Hình 2-1 biểu diễn

mô hình nguyên tử với các điện tử quay quanh hạt nhân theo các quỹ đạo ổn định

Hình 2-1 Mô hình nguyên tử với các điện tử quay quanh hạt nhân theo các quỹ đạo ổn định

Trong mô hình này, các mức năng lượng là không liên tục Bên cạnh đó, một điện tử chỉ có thể mang một trong các mức năng lượng rời rạc Nếu điện tử thay đổi trạng thái năng lượng thì nó sẽ chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác khi quay quanh hạt nhân

Ta có thể xét tới các trạng thái sau:

 Trạng thái nền (ground state) E0 có năng lượng thấp nhất của điện tử (trạng thái

Mật độ điện tử ở các trạng thái năng lượng phụ thuộc vào nhiệt độ

 Ta có hàm phân bố Boltzmann như sau:

Ei

k T B

20

Ei

 : độ chênh lệch năng lượng giữa E i và E 0

trong đó k B là hằng số Boltzmann (1,38.10 -23 (J/ 0 K)

T là nhiệt độ tuyệt đối ( 0 K)

Từ hàm phân bố Boltzmann, ta nhận xét như sau:

 Mật độ điện tử ở trạng thái năng lượng thấp cao hơn mật độ điện tử ở

trạng thái năng lượng cao

 Khi T = 0 K thì toàn bộ điện tử ở trạng thái nền (mật độ điện tử lớn nhất)

 KhiT > 0 K thì điện tử hấp thụ năng lượng nhiệt dẫn đến thay đổi trạng thái năng lượng, chuyển từ mức năng lượng E 0 lên các mức cao hơn

 KhiT tăng thì số điện tử ở mức năng lượng kích thích tăng lên

Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng Ej đến Ei (i<j) thì giải phóng năng lượng có giá trị là Ej – Ej Hình 2-2 mô tả phân bố mật độ điện tử ở các trạng thái năng lượng

Hình 2-2 Phân bố mật độ điện tử ở các trạng thái năng lượng

Ta có thể thấy mật độ điện tử ở các mức năng lượng khác nhau ổn định khi cân bằng

về nhiệt

Các điện tử khi ở các trạng thái năng lượng kích thích luôn có xu hướng chuyển về các trạng thái năng lượng thấp hơn sau một khoảng thời gian duy trì ở trạng thái kích thích Khoảng thời gian này được gọi là thời gian sống (lifetime) của điện tử Thời gian sống thay đổi tùy theo loại vật chất, thông thường trong khoảng vài nano giây đến vài micro giây Khi điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lmợng thấp hơn, theo định luật bảo toàn năng lượng nó sẽ giải phóng một phần năng lượng bằng đúng

độ chênh lệch giữa hai mức năng lượng Năng lượng được giải tỏa này có thể ở dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng Quá trình này diễn ra tự nhiên và ngẫu nhiên vì đây là bản chất tự nhiên của vật chất

21

2.2 NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI ĐIỆN - QUANG

Các linh kiện biến đổi quang điện dùng trong thông tin quang dựa vào một trong ba hiện tượng, đó là hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích Hình 2-3 mô tả quá trình hấp thụ và phát xạ

a) Hiện tượng hấp thụ b) Hiện tượng phát xạ tự phát c) Hiện tượng phát xạ kích thích

Hình 2-3 Quá trình hấp thụ và phát xạ

Có thể liệt kê các ứng dụng của các hiện tượng như sau:

 Hấp thụ: biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện trong các linh kiện tách sóng quang

 Phát xạ tự phát: biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng xảy ra trong Điốt phát quang (LED - Light Emitting Diode)

 Phát xạ kích thích: biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang xảy ra trong Laser

và bộ khuếch đại quang

2.2.1 Hiện tượng hấp thụ

Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi một photon có năng lượng hf bị hấp thụ bởi một điện

tử ở trạng thái năng lượng thấp

Quá trình này chỉ xảy ra khi năng lượng hf photon bằng độ chênh lệch năng lượng giữa mức năng lượng cao và mức 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 mức năng lượng cao

2.2.2 Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission)

Hiện tượng này xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát ra một năng lượngEg = E2 – E1 dưới dạng một photon ánh sáng

Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao không bền vững

22

2.2.3 Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emision)

Hiện tượng này xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng bằng độ chênh lệch năng lượng giữa mức năng lượng cao và mức năng lượng thấp của điện tử (Eg = E2 – E1)

Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng năng lượng photon kích thích ban đầu Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo

ra hai ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) Photon mới được tạo có đặc điểm: cùng tần số, cùng pha, cùng phân cực và cùng hướng truyền với photon kích thích ban đầu

Có thể xem xét hai trường hợp đó là phân cực ngược và phân cực thuận

Hình 2-5 mô tả trường hợp phân cực ngược: vùng nghèo mở rộng, các điện tử và lỗ trống khó gặp nhau để tái hợp phát ra ánh sáng

23

Hình 2-5 Phân cực ngược

Phân cực ngược được sử dụng trong photodiode

Tiếp theo ta xem xét trường hợp phân cực thuận: vùng nghèo hẹp lại, hàng rào thế thấp xuống dẫn đến các điện tử và lỗ trống được bơm vào vùng nghèo dễ dàng tái hợp và phát ra ánh sáng Hình 2-6 sau đây mô tả trường hợp phân cực thuận

Có hai loại cấu trúc đó là cấu trúc đồng thể và cấu trúc dị thể

Cấu trúc đồng thể: Hạt tải không bị giam hãm dẫn tới hiệu suất phát xạ kém

Cấu trúc dị thể gồm ba lớp cơ bản:

 Lớp bán dẫn ở giữa có Eg nhỏ (lớp tích cực)

 Hai lớp bán dẫn p và n hai bên có Eg lớn hơn (lớp hạn chế)

Ưu điểm của cấu trúc dị thể là giam hãm hạt tải và photon

24

Hình 2-7 Cấu trúc dị thể

2.3 NGUỒN QUANG

2.3.1 Khái niệm nguồn quang

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:

 Diode phát quang (LED - Light Emitting Diode)

 Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

2.3.2 Yêu cầu đối với nguồn quang

Yêu cầu đối với nguồn quang sử dụng trong hệ thống thông tin quang:

 Có kích thước nhỏ tương ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang Lý tưởng, tín hiệu đầu ra của nguồn quang có tín định hướng cao

 Thu nhận tín hiệu đầu vào một cách chính xác để giảm méo dạng và nhiễu lên tín hiệu Lý tưởng, nguồn quang phải tuyến tính

25

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

 Có khả năng điều chế tín hiệu một cách đơn giản (chẳng hạn như điều chế trực tiếp) trên dải tần rộng (từ tần số âm thanh đến dải tần gigahezt)

 Có khả năng điều chế tín hiệu một cách đơn giản (chẳng hạn như điều chế trực tiếp) trên dải tần rộng (từ tần số âm thanh đến dải tần gigahezt)

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

 Độ rộng phổ hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang

 Duy trì mức công suất đầu ra ổn định và không bị ảnh hưởng nhiều của các yếu

tố môi trường bên ngoài

 Giá thành thấp và độ tin cậy cao

 Nguồn quang bán dẫn thỏa mãn các yêu cầu trên và được sử dụng trong thông tin quang Tuy vậy chất bán dẫn phải thỏa mãn một số điều kiện mới được dùng để chế tạo nguồn quang, chẳng hạn độ rộng của dải cấm năng lượng phù hợp để tạo được ánh sáng có bước sóng thuộc vùng bước sóng hoạt động của thông tin quang

2.3.3 Điốt phát quang (LED - Light Emitting Diode)

Cấu trúc của điốt phát quang

Cấu tạo của LED được phát triển từ diode bán dẫn, hoạt động dựa trên tiếp giáp p-n phân cực thuận Quá trình phát xạ ánh sáng xảy ra trong LED dựa trên hiện tượng phát xạ

tự phát.Hình 2-8 mô tả cấu trúc của điốt phát quang

Trên thực tế, LED có cấu trúc phức tạp hơn, gồm nhiều lớp bán dẫn, có cấu trúc dị thể kép

Ánh sáng phát ra là ánh sáng không kết hợp có độ rộng phổ lớn (30 – 60 nm).Độ rộng chùm ánh sáng phát xạđơn dẫn đến hiệu suất ghép nhỏ