Nghiên cứu hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao

Nhờ tối ưu hoá sợi đơn mode, công nghệ quang sợi đã cho ra đã cho ra đời một loại sợi mới có suy hao rất nhỏ, có chất lượng truyền dẫn tốt hơn, tích băng tần cự li lớn và có tuổi thọ cao

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội -

Hà Nội - 2005

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội -

NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS – TS ĐỖ XUÂN THỤ

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: SỢI DẪN QUANG DÙNG TRONG HỆ THỐNG QUANG TỐC ĐỘ CAO 6

1.1 Các sợi quang đơn mode dùng trong hệ thống quang tốc độ cao 6

1.2 Suy hao tín hiệu truyền trong sợi quang 9

1.2.1 Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang 10

1.2.2 Suy hao do tán xạ 11

1.2.3 Suy hao uốn cong sợi 12

1.3 Tán sắc tín hiệu truyền trong sợi quang 13

1.3.1 Tán sắc vật liệu 14

1.3.2 Tán sắc dẫn sóng 15

1.3.3 Tán sắc vận tốc nhóm 16

1.3.4 Tán sắc bậc cao 18

1.3.5.Tán sắc phân cực mode 19

CHƯƠNG 2 NGUỒN PHÁT VÀ NGUỒN THU QUANG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO 21

2.1 Nguồn phát quang dùng cho hệ thống 40Gbit/s 21

2.1.1 Laser phản hồi phân tán DFB 22

2.1.2 Phương thức điều chế nguồn phát hệ thống 40Gb/s 23

2.2 Bộ thu quang dùng cho hệ thống quang 40Gbit/s 30

CHƯƠNG 3 KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA DÙNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO 33

3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 33

3.2 Các đặc tính cơ bản của EDFA 36

3.2.1 Nguồn bơm quang 36

3.3.2 Hệ số khuếch đại 39

3.3 Bão hoà hệ số khuếch đại 42

3.3.4 Hấp thụ và bức xạ giữa các phần: 44

3.3.5 Các phương trình tốc độ hạt mang và khuếch đại 45

3.3.6 Độ dài tối ưu của EDFA: 47

3.3.7 Tạp âm và hệ số tạp âm 48

3.5 Các ứng dụng của EDFA 54

3.5.1 Bộ khuếch đại công suất (BA_Booster Amplifier): 54

3.5.2 Tiền khuếch đại (PA: Pre-Amplifier) 55

3.5.3 Khuếch đại đường dây(LA-Line Amplifier) 56

3.5.4 Lựa chọn hệ thống sử dụng EDFA 58

CHƯƠNG 4 ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC PHI TUYẾN ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 40 Gb/s VÀ GIẢI PHÁP BÙ TÁN SẮC 59

4.1 Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống 59

4.1.1 Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp) 59

4.1.2 Tán sắc giới hạn tốc độ truyền dẫn 61

4.1.3 Ảnh hưởng của chirp tần số 63

4.2 Các kỹ thuật bù tán sắc 63

4.2.1 Bù tán sắc bằng sợi tán sắc cao 65

4.2.2 Kỹ thuật bù trước 67

4.3 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến đến hệ thống thông tin quang 69

4.3.1 Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng KERR 69

4.3.1.2 Hiệu ứng Cross-Phase Modulation (XPM) 72

4.3.1.3 Hiệu ứng Four-Wave Mixing (FWM) 74

4.3.2 Các hiệu ứng liên quan đến tán xạ 76

CHƯƠNG 5 HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG 40 Gb/s 82

5.1 Sơ lược về hệ thống 82

5.2 Phương pháp đánh giá hoạt động của hệ thống 83

5.3 Hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ trên tuyến có độ tán sắc được quản lý (DM line) 84

5.3.1 Giải pháp xung ổn định (DM soliton) 84

5.3.2 Các đặc trưng truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s với giải pháp xung DM 88

5.4.Hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ với điều chế đồng bộ thông thường 90

5.4.1.Cấu trúc hệ thống 40Gb/s sử dụng giải pháp điều chế đồng bộ thông thường 90

5.4.2 Đặc trưng của hệ thống truyền dẫn 40Gb/s với điều chế đồng bộ thông thường 92

5.5 Hệ thống truyền dẫn RZ 40Gb/s với điều chế đồng bộ cải tiến 94

5.5.1 Cấu trúc của hệ thống 40Gb/s sử dụng công nghệ điều chế đồng bộ

cải tiến 94

5.5.2 Đặc trưng truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s với điều chế đồng bộ cải tiến 95

CHƯƠNG 6 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ ĐẾN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO 99

6.1 Ảnh hưởng của các dạng điều chế trong các sợi quang khác nhau 99

6.1.1 Nguyên lý 99

6.1.2 Giản đồ của hệ thống 99

6.1.3.Các kết quả mô phỏng 103

6.1.4 Tổng kết 106

6.2 Ảnh hưởng của dạng điều chế trên các hệ thống quang được quản lý tán sắc 107

6.2.1 Nguyên lý 107

6.2.2 Thiết lập hệ thống và mô hình toán học 107

6.2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận: 110

6.2.5 Ảnh hưởng của nhiễu ASE 112

CHƯƠNG 7 BÀI TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 114

7.1 Sơ đồ thuật toán của chương trình 114

7.2 Các chức năng chính của phần mềm: 115

7.3 Các form chính của phần mềm: 115

7.4 Các hàm thiết kế chính: 120

KẾT LUẬN 128

CÁC TỪ VIẾT TẮT 129

TÀI LIỆU THAM KHẢO 131

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm vừa qua, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ điện tử- viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc, giá thành không ngừng giảm xuống tạo điều kiện cho việc sử dụng ngày càng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực Hiện nay, hệ thống thông tin quang đã nổi lên

và là các hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất Trong tương lai, cáp sợi quang được sử dụng rộng rãi và là môi trường truyền dẫn lí tưởng Cảnh quang chung

về mạng quang qua các giai đoạn như sau:

Thế hệ quang thứ nhất được thương mại hóa từ năm 1980, hoạt động ở bước sóng 800nm và sử dụng laser bán dẫn GaAs Tốc độ dữ liệu của hệ thống khoảng 45Mb/s với khoảng lặp là 10km

Thế hệ quang thứ 2 được thương mại hóa từ sau những năm 1980, hoạt động

ở bước sóng gần 1.3µm, trong đó suy hao quang <1 dB/km và sợi quang có tán sắc nhỏ nhất trong vùng này Năm 1987, hệ thống truyền dẫn quang thế hệ 2 đã

có tốc độ bít 1.7 Gb/s và khoảng lặp 50km

Hệ thống quang thế hệ 3 có tốc độ bít 2.5Gb/s và được thương mại hóa từ năm

1990 Nó được biết đến với sợi quang silic có suy hao tối thiểu (0.2-dB/km) ở gần bước sóng 1550nm Không may là sợi quang lại có tán sắc lớn ở vùng bước sóng 1550nm Để giải quyết vấn đề này, người ta đã đưa ra loại sợi quang tán sắc dịch chuyển và laser đơn mode dọc Mặt hạn chế của mạng quang thế hệ 3 là tín hiệu phải được phát lại một cách tuần hoàn bằng điện khi qua các bộ lặp với khoảng cách lặp tiêu biểu là 60-70km

Việc sử dụng EDFA và WDM là một đặc điểm nổi bật của mạng quang thế hệ thứ 4 được phát triển từ những năm 1985 và được thương mại hóa từ năm 1990 EDFA làm cho cho tín hiệu quang có thể truyền tới khoảng cách hàng nghìn km

mà không cần sử dụng bộ tái tạo điện Việc phát minh ra kỹ thuật WDM đã mở

ra một cuộc cách mạng về dung lượng truyền dẫn quang Thời gian này, người ta

đã có thể truyền qua khoảng cách 11.300km sử dụng cáp quang vuợt biển ở tốc

độ dữ liệu 5Gb/s

Mạng quang thế hệ tiếp theo, thế hệ 5, hệ thống quang lại tiếp tục phát triển và tập trung vào 2 nội dung chính sau Một là để tăng bước sóng đến dải L (1570nm – 1610nm) và dải S (1485nm – 1520nm) để tăng số kênh WDM Hiện nay, hệ thống sóng quang được hoạt động ở cửa sổ bước sóng truyền thống là dải C (1530 nm – 1565nm) Hai là tập trung vào việc tăng tốc độ dữ liệu của mỗi kênh

tốc độ cao như thế, việc quản lý bù tán sắc và chống lại các hiệu ứng phi tuyến như SPM, XPM và FWM là rất quan trọng

Luận văn sẽ trình bày một số nội dung liên quan đến hệ thống truyền dẫn tốc

độ cao, đặc biệt là hệ thống truyền dẫn quang 40 Gb/s Cụ thể như sau:

Chương 1: Sợi dẫn quang dùng trong hệ thống quang tốc độ cao

Chương 2: Nguồn phát và nguồn thu quang trong hệ thống quang tốc độ cao Chương 3: Khuếch đại quang sợi EDFA dùng trong hệ thống quang tốc độ cao

Chương 4: Ảnh hưởng của tán sắc phi tuyến đến chất lượng của hệ thống thông tin quang 40 Gb/s và giải pháp bù tán sắc

Chương 5: Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao

Chương 6: Ảnh hưởng của các dạng điều chế đến hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao

Chương 7: Bài toán mô phỏng hệ thống truyền dẫn quang

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành đề tài song do trình độ và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô giáo, chuyên gia chuyên nghành, đồng nghiệp

CHƯƠNG 1: SỢI DẪN QUANG DÙNG TRONG HỆ THỐNG

QUANG TỐC ĐỘ CAO

Khi phân tích các sợi quang ta thấy rằng sợi đơn mode có suy hao nhỏ và có băng tần rất lớn Điều đó khẳng định vai trò và năng lực của nó trong mạng viễn thông hiện đại và trong tương lai Tuy nhiên để nâng cao hơn nữa khả năng sử dụng sợi đơn mode thông thường người ta tiếp tục thay đổi một số tham số trong cấu trúc sợi này Nhờ tối ưu hoá sợi đơn mode, công nghệ quang sợi đã cho ra đã cho ra đời một loại sợi mới có suy hao rất nhỏ, có chất lượng truyền dẫn tốt hơn, tích băng tần cự li lớn và có tuổi thọ cao sẽ đáp ứng được yêu cầu cao của những hệ thống truyền dẫn tốc độ cao

Có thể nhận thấy rằng có thể tạo được các loại sợi quang dẫn mới khi thay đổi mặt cắt chỉ số chiết suất của lõi sợi Cho tới nay người ta đã thiết kế và chế tạo hai loại sợi quang mới dùng khá hiệu quả trong các hệ thống thông tin quang dựa theo nguyên tắc trên, đó là sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyển DSF( Dispertion-Shifted Fiber) và sợi đơn mode tán sắc dịch chuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyển khác không NZ-DSF( Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber)

Sợi DSF là sợi quang đơn mode có bước sóng λo nằm trong vùng bước sóng bước sóng 1550 nm (1525nm- 1575nm) mà tại đó giá trị tán sắc bằng không , và sợi này được sử dụng tối ưu cho các bước sóng nằm xung quanh 1550nm Do sợi quang đơn mode DSF có cả suy hao nhỏ giống như sợi đơn mode SMF thông thường và tán sắc cũng nhỏ cho nên rất có hiệu quả trong việc ứng dụng vào các

hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm hoặc là các hệ thống sử dụng khuyếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier), trong đó hiệu quả nhất là đối với các hệ thống đơn kênh quang Như vậy, nhờ loại sợi này mà ta có thể xây dựng được các hệ thống thông tin quang có tốc độ cao, cự ly xa chẳng hạn như các hệ thống thông tin cáp quang biển

Sợi NZ-DSF là sợi quang đơn mode có giá trị tán sắc mà giá trị tuyệt đối của

nó nhỏ nhưng không bằng không trong vùng bước sóng 1550nm, bước sóng mà tại đó tán sắc bằng không nằm ở ngoài vùng bước sóng 1500nm – 1600nm Sợi này được coi là tối ưu trong các hệ thống thông tin quang hoạt động tại các bước sóng nằm trong vùng bước sóng 1500nm- 1600nm, khi kỹ thuật ghép kênh

phải xem xét kĩ lưỡng Đáp ứng phi tuyến này gây ra thêm một loạt các hiệu ứng phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn sóng FWM( Four Wave Mixing), tự điều chế pha SPM(Self Phase Modulation) Trong các hiệu ứng này, hiệu ứng FWM gây

ra nhiều phức tạp hơn cả Do hiệu suất của hiệu ứng FWM phụ thuộc vào tán sắc của sợi quang cho nên sợi tán sắc dịch chuyển DSF không thích hợp với các hệ thống WDM có dung lượng và cự ly xa Sự ra đời của sợi NZ-DSF vào năm

1994 đã giải quyết được vấn đề này Đặc tính suy hao của sợi này tương tự như sợi đơn mode thông thường SMF, nhưng điểm nổi bật của nó là có tán sắc nhỏ nhưng khác không với giá trị tiêu biểu là 0,1ps/km.nm≤Dmin ≤ Dmax≤6 ps/km.nm trong vùng bước sóng 1530nm- 1565nm

Có hai loại sợi NZ-DSF Loại sợi +NZ-DSF có điểm tán sắc bằng không nằm

ở vùng bước sóng < 1500nm như được thể hiện trong hình 2.4 Loại sợi DSF có điểm tán sắc bằng không nằm ở vùng bước sóng > 1600nm Ngoài ra còn có loại sợi NZ-DSF có hai điểm tán sắc bằng không thuộc loại sợi tán sắc phẳng

-Ngoài các ưu điểm về suy hao và tán sắc như đã phân tích ở trên , sợi DSF còn có các đặc điểm rất mạnh khác như khả năng giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến và giảm tán sắc phân cực mode Nhìn chung các sợi quang được thiết kế để dịch chuyển tán sắc thường có diện tích hiệu dụng Aeff khoảng 50-60 μm2.Trong khi đó ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến lại tỉ lệ nghịch với Aeff đối với các hiệu ứng tán xạ Brillouin được kích thích SBS( Stimulated

NZ-xạ Raman được kích thích SRS (Stimulate Raman

B ước sóng

Hình 1.1: tán sắc của các loại sợi SMF, DSF và NZ-DSF

Scattering), SPM, FWM Còn các ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến lại tỉ lệ nghịch với (Aeff )2 đối với hiệu ứng XPM Do đó để giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến thì phải tăng diện tích hiệu dụng của sợi Các sợi NZ-DSF đã

sử dụng cơ chế này để nâng cao năng lực ứng dụng của chúng Cũng vì vậy mà sợi quang cho phép có thể tiếp nhận công suất tín hiệu quang lớn hơn và làm cự

ly truyền dẫn càng dài thêm, làm giảm tổng số thiết bị sử dụng trên tuyến

Trong thiết kế các sợi quang đơn mode trước đây người ta ít quan tâm tới việc giảm PMD Đó là do thực tế các hệ thống thông tin quang khi đó chưa có tốc độ thực sự cao Ngày nay nhu cầu tăng dung lượng truyền dẫn đã làm cho việc triển khai các hệ thống tốc độ bit cao trở thành nhu cầu cần thiết Do vậy việc giảm PDM trở nên quan trọng bởi vì nếu như sợi có PMD lớn sẽ làm tăng lượng thiết

bị trên tuyến và việc thiết kế sẽ phức tạp Đặc điểm này tạo cho việc triển khai các hệ thống có luồng tín hiệu quang đơn kênh cao hơn 10Gbit/s

Hiện nay đã có 1 số sợi tiên tiến thuộc loại NZ-DSF ra đời Tiêu biểu là sợi NZ-DSF của Corning có tên là SMF-LS ra đời năm 1997, LEAF ra đời năm

1998 Lucent thì sản xuất sợi sợi True wave RS.Và đặc biệt Alcatel cho ra đời sợi Teralight năm 1999, tiếp đó Teralight metro và teralight Ultra, những loại cáp này hoàn toàn phù hợp với hệ thống tốc độ cao 40Gb/s

Như vậy có thể thấy rằng loại sợi tán sắc dịch chuyển DSF ra đời với mục đích dịch chuyển vùng tán sắc tối ưu của sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF về vùng bước sóng 1550nm, còn sợi NZ-DSF tiếp tục hợp lý hoá sợi DSF để trở thành sợi có khả năng hạn chế hiệu ứng phi tuyến mà tiêu biểu là giảm FWM, để ứng dụng hiệu quả cho các hệ thống WDM mà vẫn đảm bảo cự ly truyền dẫn dài Về đặc tính suy hao của cả ba loại sợi SMF, DSF, NZ-DSF nhìn chung đều giống như nhau Tuy nhiên chỉ có tán sắc CD và tán sắc PMD là có sự khác nhau Từ các đặc tính của các loại sợi như vậy cho nên nếu sử dụng chúng phù hợp trong từng ứng dụng cụ thể sẽ có rất nhiều hiệu quả cả về mặt kỹ thuật và kinh tế

Bảng 1.1 Một số loại sợi NZ-DSF

Loại sợi SMF-LS

NZ-DSF

Submarine SMF-LS NZ-DSF

LEAF LEAF

Enhanced

Teralight ultra

Thời điểm ra đời 4/1997 2/1998 9/1998 1999 Đường kính vỏ

phản xạ, µm

125,0±1 125,0±1 125,0±1 125,0±1 125,0±1 Đường kính vỏ 245±5 245±5 245±5 245±5 242±7

Việc truyền tín hiệu từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu , đây là hai yếu tố quan trọng, nó tác động vào toàn bộ quá trình thông tin, định cỡ

về khoảng cách và tốc độ tuyến truyền dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ thống thông tin quang

Sự suy hao trong sợi quang dẫn đến việc giảm công suất tín hiệu khi lan truyền qua một khoảng cách nào đó Để xác định khoảng cách lớn nhất mà một tín hiệu có thể truyền đối với một công suất phía phát đưa ra và độ nhạy máy thu thì phải xét tới sự suy giảm tín hiệu Độ nhạy của máy thu là công suất nhỏ nhất

mà máy thu yêu cầu để nhận được tín hiệu Gọi P(L) là công suất của xung quang, L là khoảng cách (km) từ đầu phía phát và A là hệ số suy giảm của

P(L)= 10-AL/10P(0) (1.1)

Tại P(0) là công suất quang ở đầu phát Đối với một tuyến dài L(km) thì P(L) phải lớn hoặc bằng

r MAX

P

P A

L =10log10 (0) (1.2)

Khoảng cách lớn nhất giữa đầu phát và đầu thu (hay khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại ) phụ thuộc vào suy hao chung A nhiều hơn công suất đưa ra của đầu phát như trước chúng ta đã nói suy hao thấp nhất =0,2dB/km xảy ra ở 1550nm

Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang

và sợi quang, giữa sợi quang và sợi quang và giữa sợi quang với đầu thu quang cũng có thể coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn Quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi do đó có thể làm giảm chúng bằng nhiều biện pháp khác nhau Vấn

đề ta xét ở đây là suy hao bản chất ở bên trong sợi Trong quá trình truyền ánh sáng bản thân sợi dẫn quang cũng có suy hao và làm cho tín hiệu bị yếu đi khi qua một cự ly lan truyền ánh sáng nào đó Cơ chế suy hao cơ bản trong sợi quang là suy hao do hấp thụ, do tán xạ hay do bức xạ năng lượng ánh sáng Trong các suy hao trên, suy hao do hấp thụ có liên quan tới vật liệu sợi bao gồm hấp thụ do tạp chất hấp thụ vật liệu và hấp thụ điện, còn suy hao do tán xạ có liên quan tới cả vật liệu sợi và tính không hoàn hảo về cấu trúc sợi Còn suy hao bức xạ là do tính xáo trộn về hình học của sợi gây ra

Từ phương trình trên ta có suy hao là

r

P

P L

A=10log10 (0) (1.3)

1 2.1 Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang

Hấp thụ ánh sáng trong sợi dẫn quang là yếu tố quan trọng trong việc tạo nên bản chất suy hao của sợi quang Hấp thụ này sinh do 3 cơ chế sau:

Hấp thụ do tạp chất : Nhân tố hấp thụ nổi trội trong sợi dẫn quang là sự có

mặt của tạp chất có trong vật liệu sợi Trong thuỷ tinh thông thường, các tạp chất như nước và ion kim loại chuyển tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao, đó là các ion sắt, crôm, coban, đồng và các ion nước OH Sự có mặt của tạp chất này làm cho suy hao đạt tới giá trị rất lớn, nếu sợi làm bằng thuỷ tinh như các lăng kính thông thường thì suy hao lên tới vài nghìn dB/km Các sợi dẫn quang trước đây với lượng tạp chất từ 1 đến 10 phần tỷ(ppb) có suy hao vào khoảng 1 đến 10 db/km

hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoảng 2,7 µm và cùng với tác động qua lại của cộng hưởng silic, nó tạo ra các đỉnh hấp thụ ở 1400, 950 và 750nm Giữa các đỉnh này có các vùng suy hao thấp đó là các cửa sổ truyền dẫn 850nm, 1300nm

và 1550nm mà các hệ thống thông tin đã sử dụng để truyền ánh sáng

Hấp thụ vật liệu: Có thể thấy rằng hoạt động ở bước sóng dài hơn sẽ cho suy

hao nhỏ hơn Nhưng các liên kết nguyên tử lại có liên quan tới vật liệu và sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài, truờng hợp này gọi là hấp thụ vật liệu Mặc dù các bước sóng cơ bản của các liên kết hấp thụ nằm bên ngoài vùng bước sóng sử dụng, nhưng đuôi hấp thụ của nó vẫn có ảnh hưởng, và ở đây nó kéo cho tới vùng bước sóng 1550nm làm cho vùng bước sóng này không giảm suy hao một cách đáng kể

Hấp thụ điện tử: Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon

kích thích các điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng luợng cao hơn Lúc này bờ cực tím của các dải hấp thụ điện tử của cả hai vật liệu không kết tinh

và kết tinh có quan hệ sau đây:

0

/ E E

uv =Ce

C, E0 là hằng số rút ra từ kinh nghiệm, E là năng lượng photon Do E tỉ lệ nghịch với bước sóng λ, cho nên đặc tính hấp thụ cực tím đi xuống theo bậc hàm mũ so với chiều tăng của bước sóng

Hình 1.2 Các đặc tính suy hao theo bước sóng của sợi dẫn quang với các cơ chế

Suy hao tán xạ trong sợi dẫn quang là do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi sợi gây ra Đó là do có những thay đổi rất nhỏ trong vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi Như vậy

thấp hơn mật độ trung bình Ngoài ra, do thuỷ tinh được chế tạo từ vài loại oxit như SiO2, GeO2, và P2O5 cho nên sự thay đổi thành phần vẫn có thể xảy ra Hai yếu tố này làm tăng sự thay đổi chiết suất, chúng tạo ra tán xạ ánh sáng gọi là tán

xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh chỉ có ý nghĩa khi bước sóng của ánh sáng cùng cấp với kích thước của cơ cấu tán xạ Thực tế thì suy hao này làm giảm đi 1/4 công suất của bước sóng

Đối với thuỷ tinh thuần khiết: scat n k B T fβT

Tf: nhiệt độ hư cấu là nhiệt độ mà tại đó tính bất ổn định về mật

độ bị đông lại thành thuỷ tinh

Đối với các loại thuỷ tinh nhiều thành phần tán xạ này được tính như sau:

1 2.3 Suy hao uốn cong sợi

-Vi uốn cong: khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ

thì suy hao sợi cũng tăng lên Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi qua những chỗ uốn cong đó Một cách chính xác hơn, sự phân bố trường

bị xáo trộn khi đi qua những chỗ vi uốn cong và dẫn đến sự phát xạ năng lượng

ra khỏi lõi sợi

Đặc biệt sợi đơn mode rất nhạy cảm với những chỗ vi uốn cong, nhất là

về phía bước sóng dài

-Uốn cong: khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy

hao càng tăng Dĩ nhiên không thể tránh khỏi việc uốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo và lắp đặt Song nếu giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính tối thiểu cho phép thì suy hao do uốn cong không đáng kể Bán kính uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất đề nghị thông thường từ 30mm đến 50 mm

Hình 1.3 : Sự suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R

Khi ánh sáng truyền lan trong sợi dẫn quang, hiện tượng làm cho các xung ánh sáng phát dọc theo sợi bị rộng ra được gọi là tán sắc ánh sáng Các xung lân cận bị dãn ra tới một mức độ nào đó sẽ phủ chùm lên nhau, lúc đó việc thu và tách các xung này ra ở đầu thu sẽ gặp nhiều khó khăn Tín hiệu thu được sẽ sai lệch đi và dẫn tới lỗi bit(BER) Vì vậy tán sắc sẽ hạn chế cự ly đường truyền L(km) cũng như tốc độ truyền dẫn B( Gb/s)

Tín hiệu truyền dọc theo sợi dẫn sẽ bị méo Hiện tượng méo này là do tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra Các hiệu ứng tán sắc ở đây được giải thích nhờ việc khảo sát trạng thái các vận tốc nhóm của các mode truyền dẫn, mà ở đây vận tốc nhóm là tốc độ mà tại đó năng lượng ở trong các mode riêng biệt lan truyền dọc theo sợi Tán sắc bên trong mode là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở trong một mode Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước sóng cho nên ảnh hưởng của nó tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ rộng phổ nguồn phát Độ rộng phổ là dải bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó Độ dãn xung có thể được mô tả bằng công thức như sau:

L : Độ dài sợi dẫn quang

τ n : Sự trễ nhóm đối với một đơn vị độ dài

λs : Bước sóng trung tâm

λ

π

d

dn c d

dn

D M = −22 2g =1 2g (1.8)

g

n2 : chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi

Nguồn gốc của tán sắc vật liệu có liên quan tới đặc tính tần số cộng hưởng mà tại đó vật liệu sẽ hấp thụ sự phát xạ điện tử Chỉ số chiết suất của lõi và vỏ sợi được làm xấp xỉ bằng phương trình Sellmeier và được tính chung bằng công thức sau:

B n

1

2 2

2 2

2

,

1 ( ) 1

ω ω

Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bước sóng đã gây ra tán sắc vật liệu Tán sắc vật liệu DM có ràng buộc với đường bao của n g bằng đẳng thức:

có giá trị âm tại bước sóng dưới λZD và có giá trị dương tại bước sóng ở trên λZD

λZD=1,276 µmchỉ là đối với sợi thuỷ tinh thuần khiết Giá trị này có thể thay đổi trong dải từ 1,27- 1,29 µm đối với các sợi quang có lõi và vỏ được pha tạp để thay đổi chỉ số chiết suất Bước sóng có tán sắc bằng không cũng phụ thhuộc vào bán kính lõi a và bậc chỉ số Δ thông qua phần dẫn sóng cho tán sắc tổng

1 3.2 Tán sắc dẫn sóng

Tán sắc dẫn sóng Dw là một thành phần đóng góp vào tham số tán sắc tổng, nó phụ thuộc vào tần số chuẩn hoá V của sợi quang và được viết như sau:

Hình 1.5 Tham số b và các vi phân của nó d(Vb)dV và Vd 2 (Vb)dV 2 thay đổi theo V

n dV

Vb Vd n

n2 : chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi

b: Hằng số lan truyền chuẩn

Hình 1.5 chỉ ra d(Vb)dV và Vd2(Vb)dV2 thay đổi theo V Do cả hai đạo hàm

là dương nên Dw là âm trong toàn bộ vùng bước sóng 0÷1,6µm Điều này khác nhiều so với tán sắc vật liệu DMcó cả giá trị tương ứng với bước sóng ở thấp hơn hay cao hơn λZD

Hình 1.6: các loại tán sắc cho sợi đơn mode M: tán sắc vật liệu; G: tán sắc dẫn sóng; T: tán sắc tổng; P: tán sắc do mặt cắt gây ra; R: tán sắc dư

Hình 1.6 mô tả các tán sắc Dw, DMvà tán sắc tổng D= Dw+DM cho sợi quang đơn mode tiêu biểu Tác động chính của tán sắc dẫn sóng là để dịch bước sóng

λZD đi một lượng 30-40nm nhằm để thu được tán sắc tổng D bằng không tại gần 1310nm Nó cũng làm giảm D từ giá trị tán sắc vật liệu DM trong vùng bước sóng 1,3-1,6 µm nơi rất hấp dẫn cho các hệ thống thông tin quang Giá trị tiêu biểu của tham số tán sắc D nằm trong dải 15÷20ps/km.nm ở gần bước sóng 1,55µm Vùng bước sóng này đang được quan tâm rất nhiều vì có suy hao sợi nhỏ nhất Khi giá trị tán sắc D cao sẽ làm hạn chế đặc tính của các hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm

1 3.3 Tán sắc vận tốc nhóm

Vận tốc nhóm kết hợp với mode cơ bản là một đặc trưng phụ thuộc tần số

Vì vậy mà các thành phần phổ khác nhau của xung sẽ lan truyền với các vận tốc nhóm hơi khác nhau, hiện tượng này được gọi là tán sắc vận tốc nhóm GVD(Group-Velocity Dispersion), tán sắc bên trong mode

Xét một sợi quang đơn mode có độ dài L Nguồn phát có thành phần phổ đặc trưng tại tần số ω sẽ đi từ đầu vào tới đầu ra của sợi sau một thời gian trễ

Việc vận tốc nhóm phụ thuộc tần số sẽ làm dãn xung là do các thành phần phổ khác nhau của xung đã bị phân tán trong khi lan truyền trong sợi quang và không đến đồng thời một lúc tại đầu ra của sợi Khoảng thời gian của độ dãn xung khi truyền qua sợi có độ dài L được viết như sau:

ω β ω ω

β ω

L d

d d

d d

λ

π λ

c v

BL|D|Δλ<1 (1.15) Công thức trên đưa ra một sự ước lượng cấp biên độ của tích BL cho các sợi quang đơn mode

Tham số tán sắc D có thể thay đổi đáng kể khi bước sóng hoạt động chệch khỏi vùng 1310nm Sự phụ thuộc của D vào bước sóng hoạt động chi phối từ sự phụ thuộc vào tần số của chỉ số mode n D có thể được viết như sau:

π λ

λ

π

d

n d d

dn v

d

d c

D=DM + DW (1.17)

DM: tán sắc vật vật liệu

DM: tán sắc dẫn sóng Trong thực tế hai cơ chế này có mối quan hệ phức tạp vì các đặc tính tán sắc của chỉ số khúc xạ cũng ảnh hưởng gây hiệu ứng tán sắc ống dẫn sóng Tuy vậy một cuộc khảo sát về sự phụ thuộc lẫn nhau giữa tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng đã cho thấy rằng nếu một giá trị rất chính xác không đạt được thì có thể tính được tổng tán sắc nội phần tử bằng cách tính hiệu ứng sự méo tín hiệu phát sinh do một loại tán sắc khi không có loại tán sắc khác và sau đó cộng các kết quả này với nhau

1 3.4 Tán sắc bậc cao

Theo phân tích ở trên thì có thể thấy rằng tích BL của sợi quang đơn mode

có thể tăng vô hạn khi hệ thống hoạt động tại bước sóng có tán sắc bằng không

λZD Tuy nhiên các hiệu ứng phân tán vẫn không hoàn toàn mất đi tại λ= λZD Các xung quang vẫn phải chịu sự dãn do các hiệu ứng phân tán bậc cao hơn Đặc trưng này có thể hiểu rằng tán sắc D không đạt được giá trị bằng không tại tất cả các bước sóng được chứa đựng trong phổ có tâm tại λZD Các hiệu ứng phân tán bậc cao hơn được cho bởi đường bao tán sắc được viết như sau:

Ở đây β3=d β2/dω=d3β/dω3 Tại λ= λZD, β2 =0 và S tỉ lệ với β3 Đối với các nguồn phát có độ rộng phổ nhỏ, giá trị hiệu dụng của tham số tán sắc trở thành D=S ∆λ.Tích BL có thể được xác định bằng biểu thức: BL|S|(Δλ)<1

1 3.5.Tán sắc phân cực mode

Tán sắc phân cực mode là hệ số cần được quan tâm ở hệ thống truyền dẫn đường dài tốc độ 40Gb/s Tán sắc phân cực mode PMD(Polarization-mode dispersion) là một đặc tính cơ bản của sợi quang và các thành phần sợi quang đơn mode trong đó năng lượng tín hiệu tại bước sóng đã cho được chuyển vào hai mode phân cực trực giao có vận tốc lan truyền hơi khác nhau Tán sắc phân cực mode sẽ gây ra sự xuống cấp đặc tính dung lượng một cách nghiêm trọng Khi sợi quang đối xứng tròn và có một vài thay đổi có tính đối xứng trong khi chế tạo sợi quang ở mức độ nhỏ Điều này gây ra kết quả là trạng thái truyền lan của tín hiệu quang sẽ bị kích thích khi nó lan truyền dọc theo sợi và sự chênh lệch về trễ nhóm sẽ tồn tại dưới hai trạng thái truyền lan của sợi đơn mode được gọi là tán sắc phân cực mode PMD

Hình 1.7 T án sắc phân cực mode trong sợi quang

Thời gian trễ giữa hai thành phần trực giao trong khi truyền xung với sợi quang có độ dài L:

1 1

L

gy gx

L h T

T

2 exp 1 2 2

1 )

( 2 β12 2

h : độ dài hiệu chỉnh có giá trị tiêu biểu nằm trong khoảng 1÷10m Đối với các sợi duy trì phân cực, độ dài hiệu chỉnh sẽ lớn vô tận, và PMD σT sẽ tăng cùng với chiều dài sợi theo biểu thức:

CHƯƠNG 2 NGUỒN PHÁT VÀ NGUỒN THU QUANG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO

Nguồn phát là một trong những thiết bị quan trọng nhất trong mạng truyền dẫn quang Đặc biệt đối với mạng truyền dẫn quang tốc độ 40Gbit/s đòi hỏi phải

có nguồn phát có thông số vượt trội, thoả mãn được yêu cầu của hệ thống Một

số điều kiện được cân nhắc khi đưa ra quyết định lựa chọn nguồn phát cho hệ thống quang sợi là :

- Đơn mode : Vì các lý do không tốt do các nguồn quang đa mode mang lại, rất nhiều laser đơn mode được chế tạo như laser phản hồi phân phối (DFB) và laser phản xạ Bragg phân phối

- Nhiễu thấp : Có nhiều loại nhiễu trong thông tin quang như nhiễu pha, nhiễu cường độ và nhiễu mode Nhiễu thấp rất quan trọng để giảm hệ số BER trong thông tin

- Phổ hẹp : Phổ hẹp sẽ làm giảm nhiễu pha, từ đó dẫn đến giảm hiện tượng giãn xung ánh sáng do đó tăng được tốc độ truyền

- Công suất ra lớn : Công suất ra lớn làm tăng tỷ số (tín hiệu/tạp âm) và cho phép truyền được cự ly xa hơn Để có được công suất cao, nguồn quang phải được thiết kế để có hiệu suất ghép cao

- Dòng ngưỡng nhỏ : Đối với diode laser, hiện tượng laser chỉ xảy ra khi dòng thiên áp lớn hơn một giá trị min gọi là dòng ngưỡng

- Bước sóng : Các sóng ánh sáng tại các bước sóng khác nhau sẽ có các đặc tính lan truyền khác nhau

- Độ rộng phổ điều chế lớn : Trong thông tin quang có hai phương pháp điều chế : điều chế trực tiếp và điều chế ngoài Với mạng tốc độ cao phải thực hiện phương pháp điều chế ngoài

- Độ giãn phổ nhỏ : Giãn phổ là do chiết suất khúc xạ ánh sáng của nguồn quang Phổ lớn sẽ làm tăng hiện tượng tán xạ xung nên cần phải hạn chế nó

- Độ tuyến tính : Đối với thông tin tương tự, độ méo tín hiệu do sự không tuyến tính của nguồn sáng cần được giảm thiểu Độ không tuyến tính sẽ gây ra hiện tượng sóng hài và xuyên âm

- Độ điều chỉnh được : Đối với các ứng dụng như ghép kênh theo bước sóng, khả năng điều chỉnh được bước sóng của diode laser là rất cần thiết Một diode laser điều chỉnh được có hai đầu mối hoặc nhiều hơn cho phép người sử

dụng điều chỉnh bước sóng ra Một diode laser điều chỉnh được gọi là tốt cần có vùng điều chỉnh tới vài nghìn GHz

Tại thời điểm hiện nay, để đáp ứng được yêu cầu của mạng truyền dẫn tốc

độ cao có một số loại laser đơn mode, điển hình là laser DFB (Distribution feedback)

2.1.1 Laser phản hồi phân tán DFB

Mặc dù có công nghệ phức tạp nhưng laser DFB vẫn thường được sử dụng vì chúng thoả mãn được những yêu cầu cao về kĩ thuật Đặc điểm nổi bật của laser bán dẫn là thiết lập được sự cân bằng về tốc độ, khống chế được sự tương tác giữa photon và điện tử trong vùng tích cực Khi dòng thiên áp nhỏ, bức

xạ kích thích đều bị hấp thụ hết, lúc này ở đầu ra chỉ có bức xạ tự phát, phổ của bức xạ này rộng Cần phải điều chỉnh làm hẹp phổ đầu ra, điều này được thực hiện bằng cách tăng dòng thiên áp tới một mức nào đó, gọi là dòng ngưỡng Dòng ngưỡng được xác định như sau :

=

p g c

a th

v a N

qV I

τ

1 (2.1)

q= 1.6*10-9

Va: thể tích lớp tích cực (1,5.10-16)

τc: thời gian sống của hạt mang (3.10-10)

τp: thời gian sống của photon (3.10-12)

N0: mật độ hạt mang ở trạng thái trong suốt (1012)

Hình dưới đây mô tả cấu trúc Laser DFB

Hình 2.1 : Cấu trúc của DFB

- Laser DFB :Dùng kiểu phản xạ Bragg để khử các mode không mong muốn Nguyên tắc của laser DFB gồm có sự hợp thành của cấu trúc gấp nếp (cách tử nhiễu xạ) dọc theo hố có bề mặt phủ một lớp chống phản xạ, như trong hình trên

Sự thay đổi có chu kỳ của chỉ số khúc xạ hiệu dụng dọc theo hướng truyền sóng xuất hiện hồi tiếp ánh sáng do hiện tượng nhiễu xạ Bragg Do vậy ngược với các laser FP thông thường thì hồi tiếp trong laser DFB không chỉ hạn chế tại bề mặt

mà còn phân bổ dọc theo toàn hốc

Hồi tiếp chỉ xảy ra đối với bước sóng λB, thoả mãn điều kiện Bragg :

với A : chu kỳ cách tử, m : số nguyên cho biết bậc của nhiễu xạ Bragg,

n : chỉ số khúc xạ hiệu dụng của môi trường nếp gấp

Hồi tiếp mạnh nhất chỉ xảy ra đối với nhiễu xạ Bragg bậc 1 (m=1) Vì vậy đối với laser DFB hoạt động tại bước sóng 1550 nm, thì (2.2) cho ta biết rằng A phải nhỏ bằng ≈ 230 nm (n=3,4) Có thể tạo thành cách tử như thế bằng cách dùng kỹ thuật hôlôgrafic dựa trên sự cán quang hoặc dùng kỹ thuật in thạch bản tin điện

tử

DFB cho thấy sự nổi bật về mật độ ổn định và tỷ lệ nén mode biên (SMSR) Hiện nay cấu trúc tốt nhất cho sự hoạt động đơn mode ổn định là laser DFB dịch một phần tư sóng, trong đó cách tử dịch được một khoảng λn/4 ở giữa hốc (cấu trúc như vậy cho giá trị SMSR điển hình khoảng 30dB)

2 1.2 Phương thức điều chế nguồn phát hệ thống 40Gb/s

Đối với các hệ thống tốc độ 10Gb/s trở lên người ta sử dụng nguồn điều chế ngoài Vì vậy, đối với mạng truyền dẫn quang tốc độ 40Gb/s, nguồn phát được sử dụng là nguồn phát được điều chế ngoài

Nguồn phát trong hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài bao gồm các phần tử chính là : Bộ tạo xung, bộ điều chế xung mã, laser,

bộ điều chế ngoài, các bộ lọc quang và điện Sơ đồ khối nguyên lí của nguồn phát được biểu diễn trên hình 2.2 :

Hình 2 2 Nguồn phát sử dụng kĩ thuật điều chế ngoài

Để tránh các hiện tượng chirping và phân chia mode không mong muốn luôn xảy ra đối với các bộ phát sử dụng kĩ thuật điều chế trực tiếp thì kĩ thuật điều chế ngoài là một phương pháp thay thế hết sức hiệu quả Cấu trúc cơ bản của một bộ điều chế ngoài thông thường bao gồm một ống dẫn sóng quang có chiết suất phần dẫn quang có thể thay đổi được thông qua một sóng mang chứa thông tin cần truyền tải Dựa trên cách thức biến đổi chiết suất môi trường dẫn sóng, người ta chia các bộ điều chế ngoài làm hai loại là điều chế điện quang (EO) và điều chế âm quang (AO) tuỳ thuộc vào tín hiệu đưa vào thay đổi chiết suất môi trường, là mức điện áp biến đổi hay sóng âm Khi được sắp xếp một cách hợp lí, cả hai loại điều chế ngoài là điện quang hay âm quang đều có thể điều chế biên độ tín hiệu ánh sáng Ngoài ra các bộ điều chế điện quang còn cho phép sử dụng kĩ thuật điều chế pha

Trong một hệ thống thông tin quang, bộ điều chế quang cần có những tính chất như băng thông rộng, độ sâu điều chế lớn, tổn hao tín hiệu nhỏ, công suất điện tiêu thụ thấp và mức điện áp hoạt động thấp

- Băng tần điều chế rộng : một bộ điều chế chất lượng tốt cần có thời gian đáp ứng nhanh đối với tín hiệu đưa vào điều chế (phân biệt với tín hiệu ánh sáng được điều chế) Tốc độ đáp ứng của bộ điều chế được đặc trưng bởi thông số độ rộng băng tần điều chế Độ rộng băng tần điều chế của một bộ điều chế quang bị

B ộ

t ạo

xung

B ộ điều chế xung

B ộ

l ọc điện

l ọc quang Điều

ch ế

Ngu ồn nhi ễu

giới hạn do các tính chất của bản thân vật liệu chế tạo và cấu trúc hình học của

bộ điều chế

- Độ sâu điều chế cao : Để nâng cao hiệu suất truyền tải và tăng chất lượng thu nhận tín hiệu, tín hiệu điều chế (biên độ tín hiệu hoặc pha) cần có dải động lớn Đối với điều chế biên độ thì biên độ của sóng mang càng lớn càng tốt, đối với trường hợp điều chế pha thì độ lệch pha tín hiệu mang thông tin được điều chế càng gần Π càng tốt

- Độ tuyến tính cao : Đây là thông số hết sức quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng truyền tín hiệu Để giảm thiểu độ méo tín hiệu yêu cầu các bộ điều chế phải có tính tuyến tính cao Đối với kĩ thuật điều chế pha, yêu cầu này có thể được thoả mãn nếu băng tần tín hiệu nằm trong băng thông của bộ điều chế Đối với kĩ thuật điều chế biên độ, thông thường yêu cầu này chỉ thoả mãn khi chiết suất môi trường sử dụng để điều chế tín hiệu là đủ nhỏ

- Kích thước nhỏ : Các bộ điều chế ngoài có kích thước tuỳ thuộc vào vật liệu được sử dụng và yêu cầu về độ sâu điều chế Nhìn chung các bộ điều chế ngoài có kích thước tương đối nhỏ cho phép thiết lập hệ thống một cách linh hoạt trong thực tế

- Không phụ thuộc vào độ phân cực ánh sáng : nói chung các hệ số chuyển đổi điện quang trong bộ điều chế điện quang hay hệ số chuyển đổi âm quang trong bộ điều chế âm quang đều phụ thuộc vào độ phân cực của ánh sáng quang đưa vào điều chế Tuy nhiên có thể hạn chế sự phụ thuộc này bằng cách lựa chọn các vật liệu có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng cao Đối với hệ thống đòi hỏi chất lượng cao hơn nữa thì người ta phải bổ sung thêm các phần tử điều khiển phân cực ánh sáng

- Suy hao xen thấp : Suy hao xen bao gồm suy hao gây ra do ghép nối và suy hao do vật liệu chế tạo bộ điều chế quang Nói chung suy hao vật liệu trong các bộ điều chế quang rất nhỏ Suy hao của các thiết bị đều ảnh hưởng tới quỹ công suất của hệ thống nên đòi hỏi các thiết bị đều phải có suy hao xen càng nhỏ càng tốt

- Công suất tiêu thụ thấp và điện áp hoạt động nhỏ, nhìn chung đối với các

bộ điều chế ngoài, công suất tiêu thụ tỉ lệ với tốc độ điều chế tín hiệu, mức điện

áp nuôi tỉ lệ với độ sâu điều chế Tuỳ theo yêu cầu của hệ thống mà lựa chọn các thông số phù hợp

Trong kĩ thuật điều chế ngoài, laser được thiết lập ở chế độ ban đầu hoạt động liên tục Khối điều chế ngoài nhận tín hiệu từ khối tạo xung và công suất quang từ laser để biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang lối ra

2 1.2.2 Nguyên lý điều chế ngoài

Để hiểu được cơ sở vật lý và những thiết kế khác nhau của bộ điều chế ngoài, trước tiên ta tìm hiểu nguyên lý cơ bản của bộ điều chế ngoài Kỹ thuật điều chế này được chia ra làm hai loại là điều chế điện quang (EO) và điều chế

âm quang (AO) Trong phương pháp điều chế điện quang, chỉ số chiết suất của môi trường được thay đổi bởi tín hiệu điện áp bên ngoài Còn trong điều chế âm quang, sự thay đổi chiết suất môi trường được thực hiện bởi một sóng âm

- Điều chế điện quang (EO) : Một bộ điều chế EO có thể hiểu đơn giản như một kênh quang hay một ống dẫn sóng mà ánh sáng có thể truyền qua Sự thay đổi chiết suất môi trường trong điều chế EO làm cho ánh sáng tới khúc xạ khác nhau ở sự phân cực khác nhau Sự phân cực của sóng ánh sáng theo hướng của điện trường, nó có thể cùng hướng với hướng ban đầu hoặc bị quay đi như

sự truyền sóng ánh sáng

Chiết suất môi trường sẽ thay đổi theo sự thay đổi điện trường tác động lên nó, hiệu ứng này gọi là hiệu ứng điện quang và được sử dụng trong bộ điều chế điện quang Vận tốc của ánh sáng trong vật liệu sẽ được điều khiển bởi chỉ

số chiết suất, tăng chỉ số chiết suất sẽ làm giảm vận tốc ánh sáng, giảm chiết suất

sẽ tăng tốc độ ánh sáng Sự thay đổi đó tỉ lệ với điện thế của tín hiệu điều khiển Vật liệu chế tạo bộ điều chế EO thường là LiNBO3 Bộ điều chế đó thường được gọi là bộ điều chế Mac-Zehnder Ống dẫn sóng thường được làm với sự khuếch tán Titanium và Hydrogen vào LiNBO3

Hình 2 3 Bộ điều chế Mach-Zehnder

Sau đây ta sẽ xem xét một số thông số của bộ biến điệu Mach-Zehnder

Hình sau mô tả sơ đồ nguyên lý của một bộ biến điệu biên độ Mach-Zehnder:

Hình 2.4 : Sơ đồ nguyên lý của một bộ biến điệu điện quang Mach-Zehnder

Giả sử tỷ lệ liên kết ở đầu vào và ở đầu ra của 2 nhánh là không cân bằng Gọi a2 là tỷ lệ liên kết theo công suất của trường tới với kênh dẫn sóng ở bên trên, và b2là tỷ lệ liên kết theo công suất của kênh dẫn sóng ở bên ở đầu ra Gọi [1-a2] và [1-b2] là các đại lượng tương ứng với kênh dẫn sóng bên dưới Gọi E0

lad điện trường tới trong kênh dẫn sóng ở đầu vào, φ 1, φ2 là độ lệch pha tương ứng đối với mỗi nhánh do sự áp các hiệu thế điều khiển V1, V2 Người ta chứng minh được rằng trường trong kênh dẫn sóng ở đầu ra là:

1 2

exp 2

0

φ φ φ

φ φ

φ

i b

a i

ab i

V r

−

=

2 , 1

2 , 1 3

Trong đó λ là bước sóng trong chân không ~1,5µm

N là chiết suất tuyến tính của mode ~2,2

G là khoảng cách giữa các điện cực ~1,5µm

V1,2 là điện thế được áp vào điện cực 1 hoặc điện cực 2

Γ là hệ số che phủ giữa trường quang và trường điện ~0,5

R là hệ số điện quang đối với cấu hình được xét (r33)~30pm/V

Người ta nhận thấy rằng cường độ sáng đạt tới giá trị cực đại Imax hoặc cực tiểu Imin tuỳ theo giá trị của sự lệch pha giữa 2 nhánh của giao thoa kế Sự lệch pha tương ứng là π, điều đó được thực hiện khi hiệu thế giữa các điện thế

áp bằng hiệu thế chuyển trạng thái Vπcần thiết để thu được sự lệch pha này:

1 φ

b2

a2

R I

I

1

1 log 20 log

R là tỷ lệ bất đối xứng của sự liên kết giữa 2 nhánh của giao thoa kế

+ Hệ số liên kết pha-biên độ dư (hay thông số “chirp”): được định nghĩa như sau:

0

φ φ φ

φ

i E

1

2 1

φ

φ φ

φ

φ φ

α

dt

d dt

d

dt

d dt

Sự kết hợp giữa âm thanh và ánh sáng đã được Brillouin tiên đoán từ năm

1992 Điều chế âm quang sử dụng sóng âm để điều chế chỉ số khúc xạ của môi trường Sự biến đổi của sóng âm sẽ nén hoặc kéo dãn mẫu theo chu kỳ, kết quả

tạo ra sự thay đổi chỉ số chiết suất của môi trường theo chu kỳ Sự thay đổi chiết

suất môi trường theo chu kỳ sẽ tác động như 1 cách tử pha, nó sẽ làm nhiễu xạ 1 phần hay toàn bộ ánh sáng truyền qua

Hệ số âm quang là lượng thay đổi độ từ thẩm dưới 1 sóng âm Giả sử có

sóng âm dạng U( Ωt−K.r) trong môi trường có hằng số truyền dẫn K , lượng

tensor biến đổi được xác định:

j

i ij

r

U S

η

ij

p : hệ số quang âm (i,j=1,2…6)

Sự tương tác giữa ánh sáng tới và sóng âm phụ thuộc vào sự phân cực của

chúng bởi vì môi trường âm quang có thể trở thành dị hướng

Tán xạ BRAGG: Với bộ điều chế quang âm, một tia sáng tới có thể bị tán

xạ ra nhiều hướng Quan hệ giữa góc tới và góc ra dựa vào sự boả toàn momen:

Sự truyền dẫn sóng trong môi trường dị hướng: điều cần nói đến đầu tiên

là, môi trường có những đáp ứng khác nhau đối với sự phân cực ánh sáng tới gọi là môi trường dị hướng (Anisotropic) Còn môi trường có những đáp ứng

giống nhau đối với sự phân cực ánh sáng tới gọi là môi trường đẳng hướng

(Isotropic) Khi môi trường của một bộ điều chế ngoài được điều chế thì nó có

thể chuyển từ môi trường đẳng hướng sang môi trường dị hướng Trên thực tế,

để đạt được độ sâu điều chế lớn và hiệu suất cao, bộ điều chế ngoài phải có đáp

ứng tại môi trường dị hướng lớn

2 2 Bộ thu quang dùng cho hệ thống quang 40Gbit/s

Bộ thu quang là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống thông tin quang Sở dĩ như vậy vì bộ phận này là nơi thu nhận mọi đặc tính tác động trên toàn tuyến đưa tới, hoạt động của nó có ảnh hưởng quan trọng tới chất lượng của toàn bộ hệ thống truyền dẫn Chức năng chính của bộ thu quang là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện Bộ thu quang cần phải có

độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ và độ tin cậy cao

Yêu cầu xây dựng các tuyến thông tin cao đòi hỏi các thiết bị thu phải có

độ nhạy thu cao và nhiễu rất thấp nhằm đáp ứng cho các tốc độ cao này Vì thế công nghệ mạch tích hợp được đặt ra cho các thiết bị thu quang Hiện nay các thiết bị có công nghệ cao này đã được thương mại khá phổ biến trên các hệ thống thực tế Trong các thiết bị thu quang, ngoại trừ photodiode thì tất cả các thành phần thiết bị đều là các thành phần điện chuẩn Các thành phần này đều có thể dễ dàng được tổ hợp trên cùng một chip (hay mạch) bằng cách sử dụng công nghệ mạch tổ hợp IC (Integrated circuit) đã được phát triển cho các thiết bị vi mạch Gần đây những cố gắng đáng kể đã hướng trọng tâm vào việc phát triển các thiết bị thu quang đơn khối nhằm tổ hợp toàn bộ các phần tử bao gồm cả bộ tách sóng quang trên cùng một chip nhờ việc áp dụng công nghệ OEIC (Optoelectronic Integrated circuit) Việc tổ hợp toàn bộ thiết bị như vậy là tương đối dễ với bộ thu GaAs, và công nghệ phía sau OEIC dựa trên GaAs là hoàn toàn tiên tiến Đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động tại vùng bước sóng 1,3 đến 1,6 μm thì cần phải có các bộ thu OEIC dựa trên InP Vì công nghệ IC đối với GaAs đã thành thục hơn nhiều đối với InP cho nên đôi khi người ta thực hiện

áp dụng cho bộ thu với công nghệ InGaAs Công nghệ này được gọi là công nghệ OEIC flip-chip, trong đó các thành phần điện được tổ hợp trên chip GaAs, ngược lại photodiode được làm trên đỉnh của chip InP Rồi sau đó hai chip được ghép nối với nhau bằng cách đặt nhẹ chip InP lên trên chip GaAs Tính tiên tiến của công nghệ này là photodiode và các thành phần của bộ thu có thể được làm tối ưu một cách độc lập trong khi vẫn giữ được tính chất kí sinh (như điện dung đầu vào chẳng hạn)

Công nghệ IC dựa trên InP đã được phát triển đáng kể nhằm để tạo ra các

bộ thu OEIC trên nền InGaAs Một cách tiếp cận công nghệ khác là việc tổ hợp photodiode pin với FET hoặc các transistor có độ linh động điện tử cao HEMT (High electron mobility transistor) giáp với trên nền InP

Nhìn chung, trong việc thiết kế tổ hợp thiết bị thu quang, front-end của bộ thu quang là một bộ phận khó thiết kế nhất, đặc biệt trong hệ thống thông tin quang tốc độ bit cao và cự ly dài, bởi vì độ nhạy của các hệ thống này thường là

bị giới hạn từ đặc tính của mạch front-end đòi hỏi một sự hài hoà giữa tốc độ bit

và độ nhạy thu Front-end bộ thu thường được phân cấp thành Hybrit IC (HIC), Microwave Monolithic IC (MMIC), và Optoelectronic (OEIC) bằng cách kết

hợp bộ tách sóng quang và tiền khuếch đại với nhau Đối với hệ thống thông tin sợi quang nhiều Gb/s, HIC có thể được sử dụng Tuy nhiên, các đặc tính mâu thuẫn của từng thành phần thụ động tích cực riêng rẽ có vi hiệu chỉnh để đạt được độ nhạy cao nhất của nó Đây cũng là điểm yếu và hạn chế đối với các phần tử kí sinh Vì vậy, hiện nay các thiết kế MMIC và OEIC là thích hợp cho

hệ thống tin cậy

Đối với mạng thông tin quang tốc độ 40Gb/s bộ thu quang bao gồm : một

bộ tiền khuếch đại, một photodiode có cấu trúc đặc biệt với công suất cao, một

đế InP đơn khối được tổ hợp trong mạch tích hợp quang điện OEICs (optoelectronic integrated circuits) OEICs được kết hợp các chức năng như tách sóng, khuếch đại và dẫn sóng OEICs sử dụng chất nền bán dẫn và lớp dẫn sóng quang bán dẫn

Cấu trúc 1 bộ thu quang tổ hợp OEICs được mô tả như hình sau:

Hình 2.6: Cấu trúc bộ thu quang tổ hợp OEICs

Sự tích hợp bộ tách sóng được thực hiện bằng cách hình thành lớp MOVPE lên trên lớp dẫn sóng và lớp photodiode tích cực Mạch tích hợp sẽ hoạt động tốt khi được tích hợp bộ tách sóng kép, ví dụ như bộ tách sóng TWIN, hạn chế tích hợp bộ tách sóng đơn Bước tiếp theo là tích hợp bộ khuếch đại điện,

trên lớp đáy InP còn có thêm lớp khuếch đại sóng chạy HEMT OEICs được chế tạo trong 2 bước, lớp MOVPE/MBE enpitaxy tiếp xúc để ốn dẫn sóng kết hợp với photodiode và lớp HEMT, cho phép tối ưu sự độc lập của từng thiết bị Tất

cả các thiết bị được tích hợp trên bề mặt của lớp nền bao gồm ba lớp dẫn quang gắn vào bên trong InP và một lớp dẫn sóng dầy phủ bên trên Photodiode kép được hình thành trên bề mặt khối trên

Sau khi photodiode được hàn vào khối trên, suy giảm MBE được sử dụng

để hình thành lớp AlInAs/GaInAs HEMT Tất cả các thiết bị đều được bảo vệ tốt bởi 1 chất điện môi được pha tạp sắt HEMT và photodiode đều được kết hợp bằng phương pháp khắc hoá học khô DCE (Dry Chemical Etching) Xử lý MMIC tiếp theo bao gồm việc tạo ra điện trở NiCr, tụ điện và kết nối kim loại với nhau Tụ điện MIM và màng điện trở kim loại được coi như thiết bị thụ động dùng để khuếch đại và định thiên trong photodiode

Có hai loại bộ tách sóng đem lại nhiều lợi ích nhất là bộ tách sóng Twin

và bộ tách sóng Balance

CHƯƠNG 3 KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA DÙNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO

Mặc dầu việc sử dụng ion đất hiếm làm môi trường khuếch đại cho khuếch đại quang đã được lưu ý từ rất sớm (1964), EDFA vẫn chưa được thực hiện cho đến khi người ta chế tạo được sợi quang pha tạp tổn hao thấp EDFA hứa hẹn tạo ra một cuộc cách mạng trong công nghệ truyền dẫn tín hiệu quang, với giá thành thấp, trong khi có thể tăng cường được khả năng và độ tin cậy của mạng Với hệ số khuếch đại cao (G>40dB) công suất lớn (P>100mW) và khả năng nhiễu gần như lí tưởng của hệ thống quang có sử dụng EDFA mà hoạt ở cửa sổ truyền dẫn 1550nm có tính năng vượt trội hơn so với các công nghệ khuếch đại trước đó EDFA có khả năng sử dụng kết hợp với sợi quang, không nhạy với hiệu ứng phân cực, loại trừ được nhiễu xuyên âm giữa các kênh và khuếch đại được các tín hiệu có bước sóng khác nhau Chính nhờ những ưu điểm này mà EDFA đã được phát triển một cách nhanh chóng EDFA có thể sử dụng làm một bộ khuếch đại công suất để tăng công suất truyền dẫn, làm trạm lặp quang để bù tín hiệu yếu và làm các bộ tiền khuếch đại quang để tăng độ nhạy máy thu Từ những thành công này, người ta đã sử dụng nó làm một trạm lặp thế

hệ mới trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang xuyên ngầm dưới biển Điều đó

đã chứng minh lợi ích và khả năng của EDFA trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang trong tương lai

Ba dạng cấu trúc khác nhau của EDFA được mô tả qua hình (3.1)

Sợi quang có pha trộn nguyên tố EDFA được ghép nối với sợi quang thông thường và có thể ghép với các thiết bị khác ánh sáng bơm được kết hợp với tín hiệu và nhờ sử dụng bộ ghép bước sóng quang WDM trên hệ thống Ánh sáng bơm được truyền dọc theo sợi có pha tạp Erbium và bị hấp thụ khi các ion Erbium được đưa lên trạng thái kích thích Khi tín hiệu được truyền vào EDFA,

nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng thái kích thích, do vậy

nó khuếch đại công suất tín hiệu

EDFA là một thiết bị được bơm quang học, do đó năng lượng được cung cấp bởi một nguồn quang (một LD), để phun năng lượng vào sợi quang pha tạp ở bước sóng phù hợp với các đặc tính của Erbium (980 hoặc 1,480nm) Việc bơm

có thể thực hiện theo hướng thuận (hình a), hướng ngược (hình b) hoặc theo cả 2

hướng (hình c) Khuếch đại xảy ra bởi sự truyền năng lượng từ sóng bơm đến sóng tín hiệu khi nó truyền xuống sợi quang pha tạp Với hình (a) kết cấu này đưa tín hiệu quang và bơm quang vào sợi quang trộn Erbium trên cùng một chiều, còn gọi là bơm phía trước Còn bơm ngược thì tín hiệu quang và bơm quang đưa vào sợi quang trộn Erbium từ hai hướng khác nhau Hình (c) là kết

cấu đồng thời bơm cùng chiều và ngược chiều

EDFA hoạt động thông qua hệ thống 3 mức năng lượng Hình vẽ (3.2) miêu tả quá trình này

Các mức E1 , E2 ,E3 , tương ứng là mức đất, mức gần ổn định và mức bơm Mật độ của ion Er3+ được biểu thị bởi các N1, N2, N3 trong đó N1> N2> N3 khi hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt ( không bơm) Khi bơm, những mật

độ này thay đổi do các ion di chuyển qua lại giữa các mức năng lượng, kèm theo

sự phát xạ hoặc hấp thụ photon ở các tần số được xác định bởi sự sai khác giữa các mức năng lượng Bước sóng λđối với mỗi chuyển đổi được cho bởi quan hệ lượng tử : λ =hc/ ∆E, trong đó h là hằng số Planck và ∆E là sự sai khác giữa các mức năng lượng Trong thực tế,ba mức trong sơ đồ trên là các dải hẹp, do đó mỗi chuyển đổi thực tế được kết hợp với một dải bước sóng

Hai bước sóng bơm điển hình được sử dụng trong EDFA là 980nm và 1,480nm Như chỉ ra ở hình trên, bằng cách hấp thụ năng lượng từ một cái bơm 980nm, các ion Er+3 ở trạng thái đất nhảy lên đến trạng thái E3 Tốc độ mà ở đó xảy ra những dịch chuyển này tỷ lệ thuận với N1Pptrong đó Pplà công suất bơm Các ion được kích thích này lại phân rã một cách tự phát xuống trạng thái gần ổn định E2, và dịch chuyển này ở tốc độ lớn hơn nhiều so với dịch chuyển từ mức

E1đến mức E3 Điều này có nghĩa là ở trạng thái ổn định dưới tác động của bơm, mật độ ion ở mức đất giảm xuống và tích luỹ lớn ở mức E2 Quá trình này được

gọi là sự đảo mật độ bởi vì lúc này ta có N2>N1, ngược với trường hợp ổn định nhiệt Tốc độ chuyển đổi từ mức E2 xuống mức E1 rất chậm so với các chuyển đổi khác, do vậy thời gian sống,τ , ở mức E2( là nghịch đảo của tốc độ chuyển đổi xuống mức E1) rất lâu (xấp xỉ 10ns) Hoạt động bơm tương tự có thể xảy ra

ở bước sóng 1,480 nm Trong trường hợp này các ion nhảy trực tiếp đến ngưỡng trên của dải E2 Các nguồn bơm laser bán dẫn tin cậy được phát triển ở cả 2 bước sóng bơm 980 nm và 1,480 nm

EDFA thường sử dùng 2 bộ cách ly quang Bộ thứ nhất ở đầu vào, dùng

để loại bỏ can nhiễu có thể gây ra do truyền bá tự phát ngược chiều của bộ

khuếch đại; bộ thứ hai ở đầu ra, bảo vệ cho linh kiện không bị phản xạ ngược chiều từ đoạn dưới

3 2 Các đặc tính cơ bản của EDFA

3 2.1 Nguồn bơm quang

Để kích thích các hạt mang lên mức năng lượng cao hơn để có phát xạ kích thích, cần phải có một nguồn bơm quang ngoài, hoạt động ở tần số cao hơn tần số của tín hiệu cần khuếch đại Hình (3.3) mô tả biểu độ năng lượng của Er3+

4

I và mức cơ bản 15 / 2

4

I bao gồm một vài mức riêng biệt như hình vẽ (3.4)

Các hạt mang được kích thích từ dải thấp hơn của mức cơ bản lên dải cao hơn của mức gần ổn định Theo luật cân bằng nhiệt hay luật phân bố Boltzmann, các hạt mang sẽ nhanh chóng dịch chuyển xuống dải thấp hơn của 13 / 2

4

I

Tr¹ng th¸i kÝch thÝch 2

/ 3 4

S

2 / 11 2

H

2 / 9 4

F

2 / 9 4

I

2 / 11 4

I

2 / 13 4

I

2 / 15 4

I

520nm 790nm 550nm 850nm

650nm 1140nm 800nm 1689nm 980nm 2700nm

1530nm

sec

10m

= τ

Hình 3.3 Giản đồ năng lượng của Er 3+

Hiệu suất bơm được xác định nhờ phổ hấp thụ của các ion Er3+ Nhận xét phổ hấp thụ của Er3+, ta thấy bước sóng hấp thụ tỷ lệ thuận với độ chênh lệch giữa các mức năng lượng so với mức đất như chỉ ra trên hình 3.4

Mặc dù bơm ngoài ở bước sóng nhỏ hơn 700nm thì có hệ số hấp thụ cao hơn, nhưng việc tìm được nguồn bán dẫn tốt rất khó khăn nên hạn chế chỉ bơm ở

Nguồn bơm và tín hiệu được ghép với nhau bằng bộ ghép bước sóng (WDM) Thiết bị ghép ở đây dùng các thấu kính để ghép ánh sáng vào và ánh sáng ra của sợi Nó bao gồm các gương và bộ lọc tích hợp Trong các bộ ghép bước sóng này, năng lượng bơm và tín hiệu tổn hao khoảng < 0.5 dB

Bảng so sánh các công nghệ ghép bước sóng:

Tham số Hàn sợi Điện môi Cách tử

2 / 13 4

I

2 / 15 4