Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
1
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................
2
2.4.1. Chức năng của các bộ lọc.................................................................... 28
2.4.2. Đặc điểm, ...
3
LỜI NÓI ĐẦU
Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đƣa
vào khai thác trên mạng viễn thông. ...
4
CHƢƠNG 1
Hệ thống thông tin là hệ thống đƣợc sử dụng để truyền thông tin từ nơi này
đến nơi khác cách nhau hàng trăm mét...
5
Từ xƣa, con ngƣời đã biết dùng ánh sáng để báo hiệu cho nhau biết nhƣ
dùng lửa, ngọn hải đăng nhƣng khi đó chƣa có khái ...
6
Hình 1.1. Quá trình phát triển của thông tin sợi quang.
Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã đƣợc ứng dụng rộng rãi...
7
Bộ biến đổi quang điện O/E: biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện (ở
đầu thu).
Tải tin của hệ thống thông tin quan...
8
1.2.1. Bộ phát quang
Các phần tử chính đƣợc chọn để sử dụng là Điôt Laser (LD), Điôt phát
quang (LED) và Laser bán dẫn d...
9
1.2.4. Các thành phần khác
Ngoài các thành phần chính ở trên, trong hệ thống thông tin quang sợi còn
có các thành phần p...
10
bay, vệ tinh, tàu bè. Đồng thời, nó còn đƣợc ứng dụng trong quân sự, nơi mà yêu
cầu cáp phải đƣợc khôi phục một cách nh...
11
khó sửa chữa khi có sự cố: Khi có sự cố thì các quy trình sửa chữa
đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tố...
12
truyền dẫn. Khi tốc độ hệ thống đạt đế ục Gb/s thì làm cho cự ly truyền
dẫn ngắn lại, bản thân các mạch điện tử không đ...
13
Tuy nhiên, do nhu cầu trao đổi thông tin của con ngƣời và các loại hình dịch
vụ băng rộng nhƣ internet tốc độ cao, FTTX...
14
Hình 1.4. Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang.
. Ở nƣớc ta,
thông tin cáp sợi quang đang ngày càng chiếm v...
15
1.5. Kết luận
Tóm lại, chƣơng 1 đã trình bày 4 nội dung cơ bản của hệ thống thông tin
quang cụ thể là quá trình phát tr...
16
CHƢƠNG 2
Các phần tử thụ động là các phần tử quang hoạt động khi có chùm sáng
truyền qua nó. Phần tử thụ động hoạt động...
17
2.1. Cơ sở vật lí chung cho các phần tử thụ động
Phần tử thụ động chỉ đơn thuần biến đổi các tín hiệu trong miền quang ...
18
d)
Hình 2.1. Khúc xạ và phản xạ của ánh sáng với góc tới khác nhau.
Trong đó :
θ 1 là góc tới – góc hợp giữa pháp tuyến...
19
2.1.2. Định luật Snell
Định luật Snell phát biểu : “ Tỷ lệ giữa sin góc tới và khúc xạ sẽ luôn là một
hằng số. Tia khúc...
20
Hình 2.2. Đường đi của ánh sáng qua khối thủy tinh.
- Khi nguồn sáng đặt trong môi trƣờng thủy tinh thì có một số tia s...
21
2.2. Sợi quang
2.2.1. Cấu trúc của sợi quang
Sợi quang có cấu trúc nhƣ một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang,
t...
22
n1: Chiết suất lõi sợi quang
n2: Chiết suất vỏ sợi quang
Sự lan truyền ánh sáng dọc theo sợi quang đƣợc mô tả dƣới dạng...
23
xung ánh sáng rộng hơn. Loại sợi này có độ tán sắc lớn nên không thể truyền tín
hiệu số tốc độ cao và cự ly quá dài.
Hì...
24
Tần số mode M đi vào đƣợc xác định (gần đúng)
 Sợi đơn mode (SM: Single Mode):
Sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất...
25
Sợi quang hoạt động ở chế độ đơn mode khi > c . Các giá trị c, cc thỏa
mãn:
1100nm< c <1280nm
cc<1270nm
2.2.3. Các đặc ...
26
hao, ngƣời ta chế tạo sợi quang sao cho các sự tập trung ion OH rất nhỏ để suy
hao 0,2dB/km tại bƣớc sóng 1550nm.
+ Hấp...
27
Trong thông tin sợi quang, tán sắc trong sợi đƣợc chia ra làm các loại nhƣ
sau:
 Tán sắc mode:
Tán sắc mode chỉ phụ th...
28
Hình 2.7. Coupler 1x2, 2x1 và 2x2.
Bộ chia quang 1x2 nhƣ trên hình 2.17 a) có tỉ lệ công suất đầu ra đƣợc gọi
là tỉ lệ ...
29
2.4.2. Đặc điểm, tham số của bộ lọc
Hai đặc điểm quan trọng của bộ lọc cần đƣợc nhắc đến là dải phổ tự do
(FSR- Free Sp...
30
Cách tử Bragg sợi là mảnh biến điệu của sợi quang mà trong đó chiết suất
của lõi sợi thay đổi theo một chu kỳ dọc theo ...
31
bƣớc sóng λ1 thỏa mãn điều kiện phản xạ Braggm thì ánh sáng có bƣớc sóng λ1
sẽ bị phản xạ bởi cách tử và tại cổng ra 4 ...
32
CHƢƠNG 3
Khác với các phần tử thụ động, cơ sở vật lí chung cho các phần tử tích cực
là vật lí bán dẫn. Tuy nhiên do tín...
33
Vật lí bán dẫn là cơ sở hoạt động cho rất nhiều linh kiện điện tử trong đó có
các phần tử tích cực hoạt động trong hệ t...
34
Hình 3.1. Tiếp giáp P-N và phân cực cho các lớp tiếp giáp.
3.1.2. Các quá trình đặc trƣng trong vật lí bán dẫn
a. Quá t...
35
- Quá trình hấp thụ ( hình 3.2 a)
Giả thuyết có một điện tử đang nằm ở mức năng lƣợng thấp ( ), không có
điện tử nào nằ...
36
Bƣớc sóng tỷ lệ nghịch với độ lệch năng lƣợng của các nguyên tử cấu tạo
nên linh kiện phát quang. Do đó bƣớc sóng ánh s...
37
Hình 3.3. Giản đồ năng lượng của tiếp giáp p-n với bán dẫn suy biến.
Nhƣ vậy điều kiện để có trạng thái đảo mật độ là b...
38
suất chuyển đổi quang điện rất cao, có vùng bƣớc sóng phát quang thích hợp với
sợi quang và có thể điều biến trực tiếp ...
39
tích cực, đây cũng chính là cấu trúc để khai triển nghiên cứu LASER. Với cấu
trúc dị thể ta có, hai loại đó là cấu trúc...
40
Hình 3.6. Cấu trúc LED phát xạ cạnh.
LED phát xạ cạnh có cấu trúc gồm một vùng tiếp giáp tích cực có vai tr. là
nguồn p...
41
Hình 3.7. Cấu trúc dị thể kép – hiệu suất phát xạ cao nhờ chênh lệch: a) độ rộng
vùng cấm và b) chênh lêch chiết suất.
...
42
3.2.2. Diode Lazer ( LD)
a. Cấu trúc
Gồm các lớp bán dẫn p và lớp n của miền hoạt tính và lớp hoạt chất. Lớp
hoạt chất ...
43
c. Đặc điểm
+ Có độ rộng phổ hẹp.
+ Bƣớc song ổn định.
+ Đƣợc sử dụng với sợi đơn mode.
+ Cho phép sử dụng với hệ truyề...
44
Hình 3.9. Sơ đồ vùng năng lượng của photodiode PIN.
Quá trình phát ra các cặp điện tử và lỗ trống còn gọi là hạt mang q...
45
Ta có công thức bức xạ quang bị hấp thụ trong vật liệu bán dẫn tuân theo
hàm mũ sau :
P(x)= Pin (1- e- λ
) (3.4)
Trong ...
46
Tóm lại PIN hoạt động dựa trên nguyên lí hấp thụ ánh sáng để biến đổi tín
hiệu quang thu vào thành dòng tín hiệu điện. ...
47
Trong đó R là độ nhạy của PIN. Theo công thức 3.7 ta suy ra :
R = [A/W] (3.9)
Nhƣ vậy độ nhạy PIN tỷ lệ với bƣớc sóng, ...
48
độ điện trƣờng trong miền này rất lớn, ở đây xảy ra quá trình nhân điện tử.
Hình 3.11. Cấu tạo bán dẫn của APD (a) và p...
49
này thông qua các biểu thức toán học sau đây. Tốc độ sinh ra hạt tải thứ cấp đƣợc
đặc trƣng bởi các hệ số iôn hóa αe và...
50
RAPD = R.M = (3.14)
Trong đó R là độ nhạy của PIN.
Nhƣ vậy độ nhạy của APD cũng phụ thuộc vào bƣớc sóng nhƣ PIN đồng
th...
51
Hình 3.12. Sự phụ thuộc của M vào nhiệt độ Vd.
3.4. Bộ khuếch đại
Nhƣ đã đề cập trong phần trƣớc, khoảng cách truyền dẫ...
52
bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er (EDFA) và lần lƣợt
đƣợc xét trong phần này.
3.4.1. Bộ khuếch ...
53
Hình 3.13. Cấu trúc bộ khuếch đại quang bán dẫn.
Có hai loại khuếch đại quang bán dẫn đó là khuếch đại sóng chạy
(Trave...
54
Các thông số trong các linh kiện khuếch đại bán dẫn bao gồm : hệ số
khuếch đại, dải thông khuếch đại, công suất ra bão ...
55
Công suất ra bão hoà Psat,out của một bộ khuếch đại quang cho biết công
suất đầu ra lớn nhất mà bộ khuếch đại quang đó ...
56
- Độ nhạy phân cực: là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại của bộ khuếch
đại vào phân cực của tín hiệu.
- Ảnh hƣởng của n...
57
Hình 3.15. Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium.
Trong cấu trúc lõi sợi pha tạp Erbium các ion Erbium nằm ở vùng tr...
58
- Các bộ cách li có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống nhƣ
phản xạ Reyleigh từ các bộ nối quang hay phản xạ...
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Thực tập hoàn thiện
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Thực tập hoàn thiện

817 views

Published on

  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Thực tập hoàn thiện

  1. 1. 1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................... 3 CHƢƠNG 1 ........................................................................................................... 4 GIỚI THIỆ THÔNG TIN QUANG............................................... 4 1.1. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang ...................................... 4 1.2. Sơ đồ tổng quát và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang ........ 6 1.2.1. Bộ phát quang........................................................................................ 8 1.2.2. Bộ thu quang ........................................................................................ 8 1.2.3. Cáp sợi quang....................................................................................... 8 1.2.4. Các thành phần khác............................................................................. 9 1.3. Đặc điểm của hệ thống thông tin quang ...................................................... 9 1.3.1. Ƣu điểm của hệ thống thông tin quang ................................................. 9 1.3.2. Nhƣợc điểm của hệ thống thông tin quang ......................................... 10 1.4. Những tồn tại và xu hƣớng phát triển của hệ thống thông tin quang ........ 11 1.4.1. Những tồn tại của hệ thống quang....................................................... 11 1.4.2. Xu hƣớng phát triển của hệ thống quang ............................................ 12 1.5. Kết luận...................................................................................................... 15 CHƢƠNG 2 ......................................................................................................... 16 CÁC PHẦN TỬ THỤ ĐỘNG CƠ BẢN CỦ QUANG ............................................................................................................... 16 2.1. Cơ sở vật lí chung cho các phần tử thụ động............................................. 17 2.1.1. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng.......................................................... 17 2.1.2. Định luật Snell..................................................................................... 19 2.2. Sợi quang ................................................................................................... 21 2.2.1. Cấu trúc của sợi quang ........................................................................ 21 2.2.2. Phân loại sợi quang ............................................................................. 22 2.2.3. Các đặc tính của sợi dẫn quang........................................................... 25 2.3. Coupler quang............................................................................................ 27 2.4. Bộ lọc quang............................................................................................. 28
  2. 2. 2 2.4.1. Chức năng của các bộ lọc.................................................................... 28 2.4.2. Đặc điểm, tham số của bộ lọc ............................................................ 29 2.4.3. Bộ lọc quang....................................................................................... 29 CHƢƠNG 3 ......................................................................................................... 32 CÁC PHẦN TỬ TÍCH CỰC CƠ BẢN CỦ QUANG ............................................................................................................... 32 3.1. Cơ sở vật lí chung của các phần tử tích cực .............................................. 32 3.1.1. Các khái niệm vật lí bán dẫn ............................................................... 32 3.1.2. Các quá trình đặc trƣng trong vật lí bán dẫn....................................... 34 3.2. Nguồn quang............................................................................................. 37 3.2.1. Điốt phát quang ( LED )..................................................................... 38 3.2.2. Diode Lazer ( LD) ............................................................................... 42 3.3. Bộ thu quang.............................................................................................. 43 3.3.1. Photodiode PIN ................................................................................... 43 3.3.2. Photodiode quang thác APD ............................................................... 47 3.4. Bộ khuếch đại ........................................................................................... 51 3.4.1. Bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA).................................................. 52 3.4.1. Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er (EDFA) .......................... 56 3.5. Bộ chuyển đổi bƣớc sóng .......................................................................... 71 3.5.1. Bộ chuyển đổi bƣớc sóng quang điện ................................................ 72 3.5.2. Bộ chuyển đổi bƣớc sóng toàn quang ................................................. 72 CHƢƠNG 4 ......................................................................................................... 74 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................... 74 4.1. Kết luận...................................................................................................... 74 4.2. Hƣớng phát triển........................................................................................ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 76
  3. 3. 3 LỜI NÓI ĐẦU Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đƣa vào khai thác trên mạng viễn thông. Mọi ngƣời đều thừa nhận rằng phƣơng thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong công việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại, các hệ thống thông tin quang với những ƣu điểm về băng tần rộng, có cự ly thông tin cao. Đã có sức hấp dẫn mạnh đối với các nhà khai thác, các hệ thống thông tin quang không chỉ đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, đƣờng trục và trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tƣơng lai. Trong vòng mƣời năm qua, cùng với sự vƣợt bậc của công nghệ điện tử, viễn thông, công nghệ sợi quang và thông tin quang đã có những tiến bộ vƣợt bậc, giá thành không ngừng giảm tạo điều kiện cho việc ngày càng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực thông tin, công nghệ thông tin quang đã đƣợc khai thác phổ biến trên mạng lƣới hiện nay chỉ là giai đoạn sự khởi khai phá các tiềm năng của nó. Nhƣ ta đã biết kỹ thuật và công nghệ thông tin quang có một tiềm năng vô cùng phong phú và công việc nghiên cứu phát triển còn đang tiến tới phía trƣớc với một tiền đồ rộng lớn. Bản báo cáo này chỉ nói đƣợc một phần trong sợi quang nên đang còn nhiều hạn chế và thiếu sót vậy mong các thầy cô giúp đỡ nhiều. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh Viên Thân Thị Lan Hƣơng
  4. 4. 4 CHƢƠNG 1 Hệ thống thông tin là hệ thống đƣợc sử dụng để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác cách nhau hàng trăm mét hay hàng ngàn km. Thông tin đƣợc truyền là sóng điện từ có tần số khác nhau từ vài Mhz đến hàng trăm Thz. Hệ thống thông tin quang truyền tin bằng sóng ánh sáng tần số cao trong cửa sổ truyền sóng của hệ thống quang. Các hệ thống quang đã và đang đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các nƣớc trên thế giới và có khả năng hiện đại hoá mạng lƣới viễn thông trên toàn thế giớ . 1.1. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang Lịch sử thông tin đã trải qua nhiều hệ thống thông tin khác nhau với các tên gọi theo môi trƣờng truyền dẫn hoặc tính chất dịch vụ của hệ thống nhƣ là hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh và hệ thống thông tin quang ( hay nói cách khác là có các hệ thống hữu tuyến và hệ thống vô tuyến ). Các hệ thống sau đƣợc phát triển dựa trên các hệ thống trƣớc đó, nhƣng đƣợc cải tiến và hoàn thiệ , tốc độ cao hơn, độ linh hoạt và chất lƣợng hệ thống cũng đƣợc cải thiện nhằm thoả mãn nhu cầu của con ngƣời. Các hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh có những ƣu, nhƣợc điểm riêng. Hệ thống thông tin quang là hệ thống thông tin sử dụng tín hiệu ánh sáng và sợi quang để truyề ợc sử dụng để truyền tin chủ yếu trong các cửa sổ truyền sóng của thông tin quang là 0,8÷0,9 µm, 1÷1,3 µm và 1,5÷1,7 µm. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đƣợc khái quát nhƣ sau:
  5. 5. 5 Từ xƣa, con ngƣời đã biết dùng ánh sáng để báo hiệu cho nhau biết nhƣ dùng lửa, ngọn hải đăng nhƣng khi đó chƣa có khái niệm về hệ thố ện báo quang. Thiết bị này sử dụng khí quyển nhƣ một môi trƣờng truyền dẫn, nên chịu ảnh hƣởng của các điều kiện về thời tiết. Để khắc phục hạn chế này thì Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến có khả năng thực hiện trao đổi thông tin giữa ngƣời gửi và ngƣời nhận ở , A. G.Bell đã phát minh ra Photophone, ông đã truyền tiếng nói trên một chùm ánh sáng và có thể truyền tín hiệu tiế ờng trục 45 và 90 Mbit/s sử dụng sợi quang đƣợc lắp đặ 1,2÷2,4 Gb . Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/km ở bƣớc sóng 1550nm, và có những loại sợi đặc biệt có suy hao rất thấp. Các hệ thống quang đƣợc ứng dụng rộng rãi trên khắp thế giới với năm thế hệ: Thế hệ ở bƣớc sóng 800nm có tốc độ truyền dẫn là 45/95 Mb/s (ở Mỹ), 34/140 Mb/s (ở Châu Âu), 32/100Mb/s (ở Nhật) với khoảng lặp là 10km. Thế hệ ở bƣớc sóng 1300nm có tốc độ 400÷600 Mb/s và có thể đạt tới 4Gb/s với khoảng lặp là 40km. Thế hệ 3 sử dụng Laser bán dẫn hoạt động ở bƣớc sóng 1550nm với suy hao trên sợi quang cỡ 0,2 dB/km nhƣng có hệ số tán sắc cao tầm 16÷18 ps/nm.km có thể đạt đến 10Gb/s ở khoảng lặp từ 60÷70 km. Thế hệ thứ 4 sử dụng khuếch đại quang EDFA và ghép kênh quang theo bƣớc sóng WDM để tăng khoảng lặp và dung lƣợng truyền dẫn, có tốc độ 5Gb/s ở khoảng cách 14300km và đến năm 2000 đã có thể đạt đƣợc 100Gb/s xuyên qua Đại Tây Dƣơng (hệ thống TPC 6). Thế hệ 5 nhằm giải quyết tán sắc của sợi quang và sử dụng công nghệ khuếch đạ ạt 1,2 Tb/s hay 70Gb/s ở cự ly 9400km (truyền dẫn siliton). Quá trình phát triển của các hệ thố ể đƣợc minh hoạ nhƣ trong h 1.1.
  6. 6. 6 Hình 1.1. Quá trình phát triển của thông tin sợi quang. Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Khi công nghệ chế tạo các phần tử quang càng phát triển, hiện đại thì hệ thống thông tin quang ngày càng có khả năng ứng dụng rộng lớn hơn và trở thành một lĩnh vực quan trọng trong viễn thông. 1.2. Sơ đồ tổng quát và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang Một hệ thống quang đƣợc tổ chứ 1.2. Hình 1.2. Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang. Nguồn tin bao gồm những dữ liệu hình ảnh, âm thanh, tiếng nói hay văn bản Phần tử điện: có nhiệm vụ biến đổi các nguồn tin ban đầu thành các tín hiệu điện, các tín hiệu này có thể là tín hiệu tƣơng tự hoặc tín hiệu số. Bộ biến đổi E/O: biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để phát đi (ở đầu phát thông qua hệ thống bức xạ, điều pha, điều tần). Sợi quang: là môi trƣờng truyền tín hiệu quang. Sợi quang có yêu cầu là phải có băng thông rộng, tốc độ cao và suy hao nhỏ.
  7. 7. 7 Bộ biến đổi quang điện O/E: biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện (ở đầu thu). Tải tin của hệ thống thông tin quang chính là ánh sáng có tần số rất cao: từ 1014 ÷1015 Hz. Chuyển tiếp tín hiệu: trên đƣờng truyền thì tín hiệu quang bị suy giảm nên sau một khoảng cách nhất định thì phải thực hiện quá trình chuyển tiếp tín hiệu bằng cách đặt trạm lặp để khuếch đại tín hiệu quang. Khả năng truyền dẫ ợc đặc trƣng bở . Hệ thống thông tin quang đã vƣợt xa các hệ thống thông tin khác ở cả hai yêu cầu trên. Các hệ thống thông tin quang thƣờng phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hƣớ , cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm: phần phát quang, phần thu quang và sợi quang đƣợc trình bày trong hình vẽ 1.3. Hình 1.3. Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang.
  8. 8. 8 1.2.1. Bộ phát quang Các phần tử chính đƣợc chọn để sử dụng là Điôt Laser (LD), Điôt phát quang (LED) và Laser bán dẫn do chúng có ƣu điểm là kích thƣớc nhỏ gọn, hiệu suất cao, bảo đảm độ tin cậy, dải bƣớc sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tƣơng xứng với kích thƣớc lõi sợi, khả năng điều chế tần số trực tiếp tại các tần số cao. Bộ phát quang là thành phần quan trọng nhất của hệ thống thông tin quang. Nguồn phát quang thực chất là bộ biến đổi điện – quang. Đây là hệ thống thực hiện chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang trƣớc khi truyền đi trên sợi dẫn quang, bằng cách đƣa nguồn tín hiệu điện vào thực hiện bức xạ quang. Trong thông tin quang cũng có nhiều phƣơng pháp điều biến tín hiệu điện vào phần tử bức xạ quang. Các hệ thống thông tin quang hiện nay phổ biến làm việc theo nguyên lý điều chế trực tiếp cƣờng độ ánh sáng, một số nơi đã sử dụng hệ thống có áp dụng kỹ thuật điều chế gián tiếp bằng điều biên, điều pha hoặc điều tần nguồn phát quang. 1.2.2. Bộ thu quang Các thành phần chính đƣợc chọn để sử dụng là điốt quang kiểu thác (APD) và điôt quang PIN. Phần thu quang thực chất là tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đƣa đến thực hiện biến đổi trở lại tín hiệu điện và ngƣời ta còn gọi phần tử này là bộ biến đổi quang điện. Tín hiệu quang qua bộ biến đổi quang điện, tạo ra tín hiệu điện trƣớc khi đƣa vào mạch điều khiển (bộ chuyển đổi tín hiệu) phục hồi lại tín hiệu nhƣ đã phát ở trạm trƣớc. 1.2.3. Cáp sợi quang Các thành phần chính đƣợc chọn để sử dụng là sợi quang đa mode chỉ số bƣớc, sợi quang đa mode chỉ số lớp và sợi quang đơn mode. Cáp sợi quang gồm các sợi dẫn quang là bằng thủy tinh dùng để truyền dẫn ánh sáng và các lớp vỏ bao bọc xung quanh để bảo vệ sợi. Cáp sợi quang đƣợc dùng để nối hệ thống truyền dẫn từ đầu phát đến đầu thu.
  9. 9. 9 1.2.4. Các thành phần khác Ngoài các thành phần chính ở trên, trong hệ thống thông tin quang sợi còn có các thành phần phụ sau: - Bộ chia quang: Dùng để chia các tín hiệu quang cho các thiết bị khác khi cần thiết. - Bộ nối quang: Dùng để đấu nối cáp sợi quang với các thành phần chính trong hệ thống truyền dẫn. - Trạm lặp: Đƣợc sử dụng để thu tín hiệu quang, khôi phục lại tín hiệu, khử bỏ tạp âm tích lũy trên đƣờng truyền rồi khuếch đại sau đó phát tín hiệu đi tiếp. Mục đích làm tăng cự ly truyền dẫn. - Khuếch đại quang: thực hiện khuếch đại trực tiếp ánh sáng hay tín hiệu nhằm tăng cự ly truyền dẫn. 1.3. Đặc điểm của hệ thống thông tin quang 1.3.1. Ƣu điểm của hệ thống thông tin quang Hệ thống thông tin quang sử dụng môi trƣờng truyền dẫn là các sợi quang nên nó có những ƣu điểm vƣợt trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin trƣớc đó, đó là: ền dẫn thấp và băng tần truyền dẫn rộng: Sợi quang có suy hao thấp và băng tần truyền dẫn rộng đến hàng Thz cho phép phát triển các hệ thống WDM dung lƣợng lớn, suy hao truyền dẫn của sợi quang tƣơng đối nhỏ, đặc biệt là trong vùng cửa sổ 1300nm và 1550nm. Điều đó có nghĩa là hệ thống thông tin quang có thể gửi đi nhiều số liệu hơn với khoảng cách lớn hơn so với các hệ thống thông tin trƣớc đó, do đó, sẽ làm giảm số lƣợng sợi và giảm số lƣợng trạm lặp cần thiết dẫn đến giảm số lƣợng thiết bị và các phần tử hợp thành, giảm chi phí thiết lập mạng và sự phức tạp của hệ thống. ọng lƣợng và kích thƣớc nhỏ: Sợi quang có trọng lƣợng và kích thƣớc nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống cáp kim loại, nhất là hệ thống cáp ngầm trong thành phố. Ngoài ra nó cũng có ý nghĩa rất lớn trong công nghệ máy
  10. 10. 10 bay, vệ tinh, tàu bè. Đồng thời, nó còn đƣợc ứng dụng trong quân sự, nơi mà yêu cầu cáp phải đƣợc khôi phục một cách nhanh chóng. ự miễn nhiễm ngoài: Cáp sợi quang có tính cách điện nên chúng có tính miễn nhiễm điện từ từ bên ngoài, do đó sợi quang không có sự cảm ứng điện từ từ bên ngoài và tín hiệu truyền trong sợi quang cũng không gây nhiễu ra bên ngoài. ện: Sợi quang là một vật cách điện. Sợi thuỷ tinh này loại bỏ nhu cầu về các dòng điện cho đƣờng thông tin. Cáp sợi quang làm bằng chất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và có thể cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng dụng. Nó có thể loại bỏ đƣợc nhiễu gây bởi các dòng điện chạy vòng dƣới đất hay những trƣờng hợp nguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên các đƣờng dây thông tin nhƣ sét hay những trục trặc về điện. ệu: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao. Một sợi quang không thể bị lấy trộm thông tin bằng các phƣơng tiện điện thông thƣờng nhƣ sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích để lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang. Các tia sáng truyền lan ở tâm sợi quang là rất ít hoặc không có tia nào thoát khỏi sợi quang đó. Thậm chí, nếu đã trích vào sợi quang đƣợc rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu đƣợc tại đầu cuối. Trong khi các tín hiệu thông tin vệ tinh và vi ba có thể dễ dàng thu và giải mã tín hiệu đƣợc. ự phong phú về nguyên liệu: Vật liệu chế tạo sợi chủ yếu là Silic rất phong phú và rẻ tiền. Chi phí cho việc chế tạo cáp hiện nay phát sinh chủ yếu trong việc chế tạo thuỷ tinh cực sạch từ vật liệu thô. Do phong phú về nguyên liệu nên giá thành của cáp giảm dẫn đến giá thành của hệ thống cũng giảm theo, nhất là đối với các tuyến đƣờng dài. 1.3.2. Nhƣợc điểm của hệ thống thông tin quang Thông tin quang có rất nhiều ƣu điểm do sợi quang mang lại. Tuy nhiên, hệ thống thông tin quang cũng có một số nhƣợc điểm sau:
  11. 11. 11 khó sửa chữa khi có sự cố: Khi có sự cố thì các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng với các thiết bị thích hợp. chi phí đầu tƣ cao: Các hệ thống thông tin có sẵn trong hạ tầng viễn thông hầu nhƣ là cáp đồng nên muốn cải tiến hạ tầng viễn thông cần phải có chi phí lớn mà không phải quốc gia nào cũng có điều kiện để làm ngay mà cần phải làm từng bƣớc. ấn đề an toàn lao động: Khi hàn nối sợi quang thì cần phải để các mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phƣơng tiện nào có thể phát hiện đƣợc mảnh thuỷ tinh trong cơ thể. Ngoài ra, không đƣợc nhìn trực diện vào đầu sợi quang hay các khớp nối để hở để phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi chiếu trực tiếp vào mắt. Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt ngƣời không cảm nhận đƣợc, nên không thể điều tiết khi có nguồn năng lƣợng này, và sẽ gây nguy hại cho mắt. ấn đề biến đổi điện-quang: Trong hệ thống thông tin quang, trƣớc khi đƣa một tín hiệu thông tin điện vào sợi quang thì tín hiệu đó phải đƣợc chuyển đổi thành sóng ánh sáng mới có thể truyền đi đƣợc. , dễ gãy, khó nối ghép khi sợi bị đứt gãy: Sợi quang đƣợc sử dụng trong viễn thông đƣợc chế tạo từ thuỷ tinh nên rất dòn và dễ gãy. Kích thƣớc sợi nhỏ nên việc hàn nối sợi khi sợi bị đứt gãy là rất khó khăn, muốn hàn nối cần phải có thiết bị chuyên dụng trong khi với hệ thống cáp đồng trục thì việc đấu nối dây dễ dàng hơn nhiều. 1.4. Những tồn tại và xu hƣớng phát triển của hệ thống thông tin quang 1.4.1. Những tồn tại của hệ thống quang Ngoài những nhƣợc điểm của hệ thống quang đƣợc nêu ở trên thì trong hệ thống thông tin quang hiện nay mà chủ yếu là hệ thống quang đơn kênh còn có những tồn tại sau: Các hệ thống quang hiện nay có dụng lƣợng thấp (<10 Gb/s) do ảnh hƣởng của tán sắc, hiệu ứng phi tuyến sợi, trong khi đó, băng tần của sợi quang là rất lớn (> 1 Thz); Mạch điện trong hệ thống làm hạn chế tốc độ và cự ly
  12. 12. 12 truyền dẫn. Khi tốc độ hệ thống đạt đế ục Gb/s thì làm cho cự ly truyền dẫn ngắn lại, bản thân các mạch điện tử không đáp ứng đƣợc xung tín hiệu cực hẹp. Việc khắc phục những nhƣợc điểm trên đòi hỏi phải có công nghệ cao và rất tốn kém vì cấu trúc của hệ thống rất phức tạp. Hệ thống thông tin quang nhiều kênh sẽ giải quyết các tồn tại trên nhƣ sau: : Các phần tử quang thay thế các phần tử điện ở những vị trí quan trọng đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, tốc độ xử lý tín hiệu cao đã khắc phục đƣợc nhƣợc điểm về tốc độ đáp ứng xung của các mạch điện tử đã nêu ở trên. : Các phần tử quang tận dụng đƣợc phổ hẹp của Laser làm tăng khả năng sử dụng băng tần lớn của sợi đơn mode nên tạo ra khả năng truyền tải cho các ứng dụng tốc độ cao hiện tại và tƣơng lai. , khi sử dụng hệ thống quang nhiề ợc dung lƣợng của hệ thống mà không cần tăng thêm sợi quang, tận dụng đƣợc băng tần không hạn chế của sợi. 1.4.2. Xu hƣớng phát triển của hệ thống quang Với sự phát triển không ngừng của thông tin viễn thông hiện nay thì hệ thống thông tin quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nƣớc trên thế giới. Do có nhiều ƣu điểm hơn hẳn so với các hình thức thông tin khác về băng thông, suy hao và an toàn tín hiệu mà hệ thống thông tin quang hiện nay giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đƣờng trục và các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại dƣơng, mạng nội hạt, mạng trung kế. Công nghệ quang phát triển nhƣ ngày nay đã là tiền đề cho hệ thống thông tin quang phát triển theo xu hƣớng hiện đại và kinh tế nhất. Hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang đơn mode có ƣu điểm là không có trễ, không có can nhiễu, suy hao trên đƣờng truyền nhỏ, quãng đƣờng truyền là ngắn nhất so với sợi đa mode đã làm tăng đƣợc khoảng cách của tuyến truyền dẫn quang và tạm thời đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng của con ngƣời.
  13. 13. 13 Tuy nhiên, do nhu cầu trao đổi thông tin của con ngƣời và các loại hình dịch vụ băng rộng nhƣ internet tốc độ cao, FTTX (Fiber To The Home /Building /Premises /Office /Curb/Node), IDTV (Integrated Digital Television) thì dung lƣợng và tốc độ của các hệ thống quang đơn mode không thể đáp ứng đƣợc, mặt khác, sợi quang đơn mode chỉ truyền đƣợc một mode tín hiệu nên không tận dụng đƣợc băng thông lớn của sợi quang, mà muốn nâng cao dung lƣợng của hệ thống thì lại phải sử dụng thêm sợi quang nên ngƣời ta lại nghĩ đến phƣơng thức cải thiện nhƣợc điểm của hệ thống quang đơn mode. Kết quả là hệ thống quang nhiều kênh ra đời, tiêu biểu là hệ thống quang ghép kênh theo bƣớc sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing). Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bƣớc sóng ra đời đã làm tăng đáng kể dung lƣợng và cự ly truyền dẫn của hệ thống, đặc biệt là khi sử dụng các công nghệ làm giảm các yếu tố chính ảnh hƣởng đến hệ thống truyền dẫn quang nhƣ suy hao, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến; các công nghệ khuếch đại quang EDFA, chuyển mạch gói quang. Các công nghệ khác nhƣ ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM (Optical Time Division Multiplexing), truyền dẫn Soliton thì dung lƣợng đƣợc đáp ứng rất tốt nhƣng lại quá phức tạp nên giá thành của hệ thống lại trở thành vấn đề đáng quan tâm, vì vậy, hệ thống WDM đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang hiện nay. Ngoài ra, ngƣời ta còn cải tiến công nghệ WDM bằng các công nghệ ghép kênh theo bƣớc sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) và ghép kênh theo bƣớ (Coarse Wavelength Division Multiplexing). Hiện nay, cuộc cách mạng quang đang đƣợc quan tâm trong tầng truyền tải của mạng viễn thông. Xu hƣớng phát triển của mạng quang đƣợ hình 1.4.
  14. 14. 14 Hình 1.4. Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang. . Ở nƣớc ta, thông tin cáp sợi quang đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng. Các tuyến cáp quang đƣợc hình thành đặc biệt là hệ thống cáp quang Hà Nội-Thành Phố Hồ Chí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong hệ thống thông tin toàn quốc. Trong tƣơng lai, mạng cáp quang sẽ đƣợc xây dựng rộng khắp. Tuyến cáp quang sẽ đƣợc đƣa đến các tỉnh thành trong cả nƣớc thông qua các nhà mạng cung cấp dịch vụ viễn thông. Một số nhà cung cấp dịch vụ đã triển khai các dịch vụ cáp quang FTTX nhƣ VNPT, Viettel hay EVNtelecom. Với sự phát triển mạnh của các công nghệ thiết bị quang nhƣ thiết bị chuyển mạch quang và chuyển đổi bƣớc sóng thì hệ thống thông tin quang sẽ tiến tới mạng toàn quang chắc chắn sẽ không còn xa.
  15. 15. 15 1.5. Kết luận Tóm lại, chƣơng 1 đã trình bày 4 nội dung cơ bản của hệ thống thông tin quang cụ thể là quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang, sơ đồ nguyên lý và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang, đặc điểm của hệ thống quang, những tồn tại và xu hƣớng phát triển của hệ thống thông tin quang. Hệ thống quang đã phát huy những ƣu điểm vƣợt trội của mình và khắc phục những điểm yếu để tạo ra đƣợc hệ thống thông tin quang hiện đại có thể đáp ứng đƣợc nhu cầu thông tin băng rộng hiện nay. Vậy để hiểu rõ về một hệ thống thông tin quang ta tìm hiểu ở các chƣơng tiếp sau
  16. 16. 16 CHƢƠNG 2 Các phần tử thụ động là các phần tử quang hoạt động khi có chùm sáng truyền qua nó. Phần tử thụ động hoạt động không cần nguồn kích thích, nó chỉ đơn thuần biến đổi các tín hiệu ở trong miền quang mà không có sự chuyển đổi sang miền điện. Những đặc điểm này dẫn đến về nguyên lí hoạt động các phần tử thụ động chủ yếu dựa vào cấu trúc quang hình của chính bản thân chúng, và tuân theo các định luật hay các nguyên lí ánh sáng. Các phần tử thụ động có những ƣu điểm về cấu trúc, vị trí lắp đặt, và ứng dụng nhƣ : Dễ dàng lắp đặt ở bất kỳ vị trí nào trên hệ thống vì không cần có nguồn cung cấp hoạt động đi kèm theo. Đơn giản về cấu trúc. Dễ dàng bảo trì. An toàn về điện cho ngƣời sử dụng. Tuy vậy chúng có những nhƣợc điểm so với phần tử tích cực đó chính là thụ động về cấu hình nên khả năng thay đổi, điều chỉnh hoạt động kém, không linh hoạt. Chất lƣợng hoạt động của các phần tử thụ động cũng phụ thuộc vào vật liệu và công nghệ chế tạo của bản thân thiết bị nhƣ các vấn đề về suy hao hay tán sắc của các phần tử thụ động. Công nghệ càng phát triển th. khả năng của các phần tử thụ động càng cao. Các phần tử thụ động trong hệ thống thông tin quang bao gồm : Sợi quang, cáp quang Coupler quang Bộ cách ly quang Bộ bù tán tắc
  17. 17. 17 2.1. Cơ sở vật lí chung cho các phần tử thụ động Phần tử thụ động chỉ đơn thuần biến đổi các tín hiệu trong miền quang mà không có sự chuyển đổi sang miền điện. Do vậy cơ sở vật lý chung cho các phần tử thụ động là vật lý quang hình. 2.1.1. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng Hiện tƣợng khúc xạ và phản xạ ánh sáng đƣợc xem xét trong trƣờng hợp có hai môi trƣờng khác nhau về chỉ số chiết suất. Khi ánh sáng đi từ một môi trƣờng trong suốt này đến một môi trƣờng trong suốt khác th. ánh sáng sẽ thay đổi hƣớng truyền của chúng tại ranh giới phân cách giữa hai môi trƣờng. Nhƣ vậy có hai khả năng xảy ra : Ánh sáng bị đổi hƣớng quay ngƣợc trở lại Ánh sáng đƣợc phát tiếp vào môi trƣờng trong suốt thứ 2. Các tia sáng khi qua vùng ranh giới giữa hai môi trƣờng bị thay đổi hƣớng nhƣng có thể tiếp tục đi vào môi trƣờng chiết suất mới thì ta nói tia đó bị khúc xạ. Còn các tia sáng khi qua ranh giới này lại quay ngƣợc trở lại môi trƣờng ban đầu thì ta nói tia đó bị phản xạ. Hình 2.1 mô tả quá trình khúc xạ và phản xạ ánh sáng qua hai môi trƣờng trong suốt với chiết suất môi trƣờng thứ nhất n1 lớn hơn chiết suất môi trƣờng thứ hai n2. a) b) c)
  18. 18. 18 d) Hình 2.1. Khúc xạ và phản xạ của ánh sáng với góc tới khác nhau. Trong đó : θ 1 là góc tới – góc hợp giữa pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trƣờng với tia tới. θ 2 là góc khúc xạ - góc tạo bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trƣờng với tia khúc xạ. 1’ là góc phản xạ - góc tạo bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trƣờng với tia phản xạ. là góc giới hạn (critical angel). Hình 2.1 a: chiết xuất n1 > n2 nên góc tới nhỏ hơn góc khúc xạ hay θ 1 < θ 2 Hình 2.1 b: chiết xuất n1 < n2 nên góc tới lớn hơn góc khúc xạ hay θ 1 > θ 2 Hình 2.1 c: Khi góc tới lớn dần tới một giá trị góc tới θc tạo ra tia khúc xạ nằm song song với ranh giới phân cách hai môi trƣờng, lúc ấy θc đƣợc gọi là góc tới hạn Hình 2.1 d: Khi thì tia tới bị phản xạ hoàn toàn về môi trƣờng 1, hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiện tƣợng phản xạ toàn phần (total reflection).
  19. 19. 19 2.1.2. Định luật Snell Định luật Snell phát biểu : “ Tỷ lệ giữa sin góc tới và khúc xạ sẽ luôn là một hằng số. Tia khúc xạ luôn nằm trong cùng mặt phẳng với tia tới và sin góc khúc xạ (θ 2) phụ thuộc vào sin góc tới (θ 1) nhƣ sau : = Trong đó : n1, n2 là chiết suất của hai môi trƣờng vật liệu mà ánh sáng đi qua. Khi một tia sáng tới có giá trị góc lớn hơn góc tới hạn th. ánh sáng bị phản xạ hoàn toàn lại môi trƣờng đầu tại mặt phẳng phân cách hai môi trƣờng. Lúc này ta gọi đó là hiện tƣợng phản xạ toàn phần (Total Internal Reflection). Hình 2.1d minh họa quá trình phản xạ toàn phần - TIR. Nhƣ vậy có thể nêu ra điều kiện để xảy ra hiện tƣợng phản xạ toàn phần là : Các tia sáng phải đi từ môi trƣờng có chỉ số chiết suất lớn hơn sang môi trƣờng có chỉ số chiết suất nhỏ hơn. Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn θc =arcsin (n2 /n1). Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng ở trên là nguyên lí cơ bản áp dụng cho việc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi dẫn quang sử dụng trong thông tin quang. Trong sợi dẫn quang, các tín hiệu ánh sáng kết hợp đƣợc lan truyền dựa vào hiện tƣợng phản xạ toàn phần, điều này có thể giải thích nhƣ sau: Xét ánh sáng truyền qua các môi trƣờng với đƣờng biên song song (ống thủy tinh). Các môi trƣờng này có chiết suất nhƣ sau : chiết suất môi trƣờng đầu tiên và môi trƣờng cuối cùng bằng nhau (cùng là không khí - n1), nhƣng khác với môi trƣờng trung gian (là thủy tinh - n2 > n1).
  20. 20. 20 Hình 2.2. Đường đi của ánh sáng qua khối thủy tinh. - Khi nguồn sáng đặt trong môi trƣờng thủy tinh thì có một số tia sáng dời khỏi nguồn tới biên giới phân cách giữa thủy tinh và không khí. Nếu góc tới của tia nhỏ hơn góc tới hạn θc thì nó sẽ bị khúc xạ và đi ra khỏi môi trƣờng thủy tinh. Ngƣợc lại góc tới lơn hơn góc tới hạn th. sẽ có sự phản xạ toàn phần trong môi trƣờng thủy tinh (nhƣ hình 2.3). Hơn nữa, các mặt của khối thủy tinh song song với nhau nên các tia sáng tới bề mặt sẽ phản xạ bên trong ống với cùng một góc bằng góc tới. Các tia phản xạ sẽ phản xạ liên tiếp trong thành ống cho đến khi đạt tới điểm cuối của ống. Ta có sự truyền dẫn ánh sáng trong ống thủy tinh. Hình 2.3. Tia sáng đi trong ống thủy tinh.
  21. 21. 21 2.2. Sợi quang 2.2.1. Cấu trúc của sợi quang Sợi quang có cấu trúc nhƣ một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang, tức là có dạng hình trụ và chức năng dẫn sóng ánh sáng lan truyền theo hƣớng song song với trục của nó. Cấu trúc cơ bản gồm một lõi hình trụ làm bằng vật liệu thủy tinh có chỉ số chiết suất n1 lớn và bao quanh lõi là một vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2 > n1. Lớp vỏ phản xạ mặc dù không là môi trƣờng truyền ánh sáng nhƣng nó là môi trƣờng tạo ra ranh giới với lõi và ngăn chặn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài, tham gia bảo vệ lõi và gia cƣờng thêm độ bền của sợi. Hình 2.4. Cấu trúc tổng thể của sợi. Lõi sợi vỏ sợi 1 21 1 2 2 2 1max0 ,2. n nn nnnSinnNA
  22. 22. 22 n1: Chiết suất lõi sợi quang n2: Chiết suất vỏ sợi quang Sự lan truyền ánh sáng dọc theo sợi quang đƣợc mô tả dƣới dạng các sóng điện từ truyền dẫn đƣợc gọi là cac mode trong sợi. Đặc điểm của các mode truyền trong sợi quang: - Mỗi một mode truyền là một mẫu các đƣờng trƣờng điện và trƣờng từ đƣợc lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tƣơng đƣơng với bƣớc sóng. - Các mode hoàn toàn độc lập với nhau. - Mỗi mode có tốc độ lan truyền riêng và có bƣớc sóng xác định. 2.2.2. Phân loại sợi quang a. Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ  Sợi quang có chiết suất phân bậc (Sợi SI: Step-Index): Đây là loại có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi và khác nhau rõ rệt với chiết suất lớp vỏ phản xạ. Các tia sáng từ nguồn sáng truyền vào sợi quang với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đƣờng truyền khác nhau, tức là truyền cùng vận tốc nhƣng thời gian đến cuối sợi sẽ khác nhau. Do đó khi đƣa một xung ánh sáng vào đầu sợi do hiện tƣợng tán sắc ánh sáng nên cuối sợi nhận đƣợc một Phân loại theo vật liệu điện môi Sợi quang thạch anh Sơi quang thủy tinh đa vật liệu Sợi quang bằng nhựa liệu Phân loại theo mode truyễn dẫn Sợi quang đơn mode Sợi quang đa mode Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ Sợi quang chiết suất phân bậc Sợi quang chiết suất biến đổi đều
  23. 23. 23 xung ánh sáng rộng hơn. Loại sợi này có độ tán sắc lớn nên không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao và cự ly quá dài. Hình 2.5. Sợi quang có chiết suất phân bậc (Sợi SI: Step-Index).  Sợi quang có chiết suất giảm dần (Sợi GI: Gradien-Index): Sợi GI có phân chiết suất hình Parabol, chỉ số chiết suất của lõi không đều nhau, mà nó thay đổi một cách liên tục giảm dần từ tâm lõi ra ranh giới phân cách lõi - vỏ, nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần. Độ tán sắc của GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI Hình 2.6. Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI: Gradien-Index). b. Phân loại theo mode truyền dẫn:  Sợi đa mode (MM: Multi Mode): Sợi đa mode là sợi truyền dẫn đồng thời nhiều mode sóng khác nhau, có thể là đa mode có chiết suất phân bậc hoặc chiết suất giảm dần. Cấu trúc của sợi đa mode: đƣờng kính lõi a=50 m, đƣờng kính lớp bọc 125 m, độ lệch chiết suất =0,01, chiết suất lõi n=1,46. Tần số chuẩn hóa V (hay còn gọi là tham số V) xác định nhƣ sau: nmnaNAaV 850382.. 2 .. 2 1
  24. 24. 24 Tần số mode M đi vào đƣợc xác định (gần đúng)  Sợi đơn mode (SM: Single Mode): Sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất phân bậc và chỉ truyền một mode sóng trong sợi, do đó độ tán sắc xấp xỉ bằng không. Thông số cấu trúc của sợi đơn mode: đƣờng kính lõi (a=9-10 m), đƣờng kính lớp bọc 125 m, độ lệch chiết suất =0,003, chiết suất lõi n=1,46. Đƣờng kính trƣờng mode MFD (Mode Field Diameter): là một hàm của bƣớc sóng cho các loại đơn mode khác nhau, nó biểu thị sự phân bố tập trung trong không gian của cƣờng độ trƣờng mode cơ bản. Bƣớc sóng cắt là bƣớc sóng nhỏ nhất tại đó sợi quang làm việc nhƣ sợi đơn mode. Gọi c : bƣớc sóng cắt trên đoạn sợi chƣa bọc cáp. cc : bƣớc sóng cắt trên đoạn sợi đã bọc thành cáp. 726 2 .2 2 2 2 2 12 22 V nn a M 2 2 2 1 2 nn v a C
  25. 25. 25 Sợi quang hoạt động ở chế độ đơn mode khi > c . Các giá trị c, cc thỏa mãn: 1100nm< c <1280nm cc<1270nm 2.2.3. Các đặc tính của sợi dẫn quang a. Suy hao tín hiệu trong sợi quang Khi truyền tín hiệu từ phía phát đến phía thu thì sẽ bị suy hao và méo tín hiệu, đây là 2 yếu tố quan trọng. Nó tác động vào quá trình thiết kế hệ thống, xác định khoảng cách và tốc độ truyền dẫn cũng nhƣ cấu hình của hệ thống thông tin quang. Suy hao tín hiệu thƣờng đƣợc đặc trƣng bằng hệ số suy hao ( ) và đƣợc xác định bằng tỷ số giữa công suất quang đầu ra Pout của sợi dẫn quang dài L với công suất quang đầu vào Pin : L: [km] : được tính bằng dB/km  Suy hao hấp thụ trong sợi quang: + Hấp thụ do tạp chất: Trong thủy tinh thông thƣờng có các tạp chất nhƣ nƣớc và ion sắt, crôm, đồng, ion OH. Các tạp chất này gây ra sự suy hao rất lớn và đặc biệt liên kết OH hấp thụ ánh sáng nên gây ra suy hao rất lớn đến vài nghìn dB/km. Để giảm suy out in P P L log 10 dB P P out in log.10
  26. 26. 26 hao, ngƣời ta chế tạo sợi quang sao cho các sự tập trung ion OH rất nhỏ để suy hao 0,2dB/km tại bƣớc sóng 1550nm. + Hấp thụ vật liệu: Do các liên kết nguyên tử của vật liệu sẽ hấp thụ ánh sáng có bƣớc sóng dài gọi là hấp thụ vật liệu. + 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 lƣợng cao hơn. Vì vậy cũng gây ra sự suy hao nhỏ ở cửa sổ đƣờng truyền.  Suy hao do tán xạ Rayleigh: Tán xạ Rayleigh là hiện tƣợng ánh sáng bị tán xạ theo các bƣớc sóng khác nhau, khi nó gặp phải một vật có kích thƣớc không quá nhỏ so với bƣớc sóng của nó. Nguyên nhân do quá trình chế tạo có sự không đồng nhất về mật độ vật liệu và sự thay đổi thành phần oxit (P2O5, SiO2, GeO2).  Suy hao uốn cong (suy hao bức xạ): Đây là suy hao ngoài bản chất của sợi, sợi dẫn quang khi bị uốn cong gây ra hiện tƣợng phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi. Có 2 loại uốn cong: - Uốn cong vĩ mô: là uốn cong là uốn cong có bán kính uốn cong lớn hơn hay bằng đƣờng kính sợi khi ta uốn sợi theo một góc nào đó. - Vi uốn cong: Trong lúc sợi đƣợc tạo thành cáp, sợi có thể bị uốn cong một cách ngẫu nhiên. b. Méo tín hiệu trong sợi dẫn quang Tán sắc làm cho các xung ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị dãn rộng ra và điều này gây nên méo tín hiệu. Khi xung bị dãn quá sẽ có thể gây ra hiện tƣợng phủ chờm các xung kề nhau, phủ chờm đến một mức nào đó thiết bị thu quang sẽ không phân biệt đƣợc các xung này nữa và sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu. Nhƣ vậy đặc tính tán sắc đã hạn chế dung lƣợng truyền dẫn của sợi.
  27. 27. 27 Trong thông tin sợi quang, tán sắc trong sợi đƣợc chia ra làm các loại nhƣ sau:  Tán sắc mode: Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thƣớc sợi, nó tồn tại trên các sợi đa mode vì các mode trong sợi sẽ lan truyền theo các đƣờng đi khác nhau, do đó thời gian lan truyền khác nhau. Các sợi đơn mode không có tán sắc mode.  Tán sắc vật liệu: Tán sắc vật liệu là một hàm của bƣớc sóng và do sự thay đổi về chỉ số chiết suất của vật liệu lõi tạo nên. Nó làm cho bƣớc sóng luôn phụ thuộc vào vận tốc nhóm của bất kỳ mode nào.  Tán sắc dẫn sóng: Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ đƣợc khoảng 80% năng lƣợng ở trong lõi, vì vậy còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lƣợng ở trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode là một hàm số của a/ , nó thƣờng đƣợc bỏ qua trong sợi đa mode nhƣng lại cần quan tâm trong sợi đơn mode. 2.3. Coupler quang Coupler là các thiết bị quang thụ động đơn giản, đƣợc sử dụng để tách hoặc ghép tín hiệu ánh sáng đầu vào hay đầu ra sợi. Một coupler bao gồm n cổng vào và m cổng ra. Coupler 1 x n đƣợc gọi là bộ tách (splitter), còn coupler n x 1 đƣợc gọi là bộ kết hợp (combiner), có khi coupler kết hợp cả hai chức năng ghép và tách với n cổng vào và m cổng ra. Đơn giản nhất là coupler 1x2, 2x1 và 2x2 nhƣ ở hình 2.7a, b,c
  28. 28. 28 Hình 2.7. Coupler 1x2, 2x1 và 2x2. Bộ chia quang 1x2 nhƣ trên hình 2.17 a) có tỉ lệ công suất đầu ra đƣợc gọi là tỉ lệ chia quang α và có thể điều khiển đƣợc. Giá trị α này biểu thị tỉ lệ chia quang dƣới dạng dB sẽ cho chúng ta suy hao do chia quang. Bộ chia quang hai cổng với tỉ lệ chia quang 50:50 là rất phổ biến, kết quả là suy hao do chia quang sẽ là 3 dB cho mỗi cổng ra. Các bộ coupler đƣợc dùng để tách một phần công suất từ luồng ánh sáng có thể đƣợc thiết kế với các giá trị α rất gần với 1, thƣờng là từ 0.90 tới 0.95. Khi đó chúng đƣợc gọi là bộ rẽ và thƣờng dùng cho các mục đích giám sát hoặc các mục đích khác. Nguyên lí hoạt động của coupler có thể xét thông qua nguyên lí chung của coupler 2x2. 2.4. Bộ lọc quang 2.4.1. Chức năng của các bộ lọc Việc ghép và lọc là một phần quan trọng của truyền dẫn quang. Không có thiết bị này không thể thực hiện bất kỳ sự chuyển mạch cũng nhƣ truyền dẫn một vài tín hiệu trong cùng một sợi quang tại cùng một thời điểm. Bộ lọc quang là phần tử thụ động hoạt động dựa trên các nguyên lí truyền sóng không cần có sự tác động từ các phần tử bên ngoài. Chức năng của bộ lọc là lọc tín hiệu khác nhau đƣợc truyền trong cùng một sợi, trƣớc tiên phải tách riêng các bƣớc sóng khác nhau khỏi tín hiệu tổng. Có rất nhiều cách để thực hiện việc tách các bƣớc sóng quang, nhƣng về nguyên lí chúng đều dựa trên quan điểm : các bƣớc sóng sẽ bị trễ pha so với bƣớc sóng khác khi chúng đƣợc hƣớng qua các đƣờng dẫn khác nhau. Tùy thuộc vào cách nguyên lí hoạt động của từng thiết bị mà ta có hai nhóm các bộ lọc khác nhau nhƣ : Bộ lọc cố định và bộ lọc điều khiển đƣợc. Bộ lọc quang cố định là các bộ lọc về nguyên lí nó loại bỏ tất cả các bƣớc sóng, chỉ cho phép giữ lại một bƣớc sóng cố định đã đƣợc xác định trƣớc. Bộ lọc điều chỉnh đƣợc là các bộ lọc có thể thay đổi bƣớc sóng mà chúng cho qua tùy theo yêu cầu.
  29. 29. 29 2.4.2. Đặc điểm, tham số của bộ lọc Hai đặc điểm quan trọng của bộ lọc cần đƣợc nhắc đến là dải phổ tự do (FSR- Free Spectral Range) và khả năng phân biệt của bộ lọc hay độ mịn (F - Finesess). Độ mịn của bộ lọc đƣợc đo bằng độ rộng của hàm truyền đạt. Nó là tỷ số giữa dải phổ tự do với độ rộng kênh. F = Hình 2.8. FSR và F của bộ lọc với N kênh khác nhau. Trong đó độ rộng kênh (Δf) đƣợc định nghĩa là độ rộng 3dB hay độ rộng phổ nửa công suất của bộ lọc. Δf đặc trƣng cho độ hẹp của đỉnh hàm truyền đạt. Số lƣợng kênh của một bộ lọc quang bị giới hạn bởi dải phổ tự do và độ mịn. Tất cả các kênh phải nằm gọn trong FSR. Nếu giá trị F cao, hàm truyền đạt (đỉnh băng thông) sẽ hẹp và dẫn đến là có nhiều kênh đƣợc chứa trong dải phổ tự do hơn. Khi độ mịn thấp, các kênh cần phải đƣợc d.n cách nhau thêm một khoảng để tránh xuyên âm. Do đó số lƣợng kênh trong dải phổ tự do cũng giảm đi. 2.4.3. Bộ lọc quang a. Bộ lọc cách tử Bragg sợi
  30. 30. 30 Cách tử Bragg sợi là mảnh biến điệu của sợi quang mà trong đó chiết suất của lõi sợi thay đổi theo một chu kỳ dọc theo lõi sợi quang. Hình 2.9. Cấu tạo bộ lọc cách tử Bragg sợi. Cách tử Bragg hoạt động theo nguyên tắc : Khi chiếu một chùm ánh sáng đa sắc qua cách tử, nó cho phép phản xạ duy nhất một bƣớc sóng thỏa mãn điều kiện phản xạ Bragg đƣợc phản xạ trở lại nguồn và cho đi qua tất cả các bƣớc sóng khác. Từ điều kiện phản xạ Bragg ta có : 2Ln =m Trong đó : n là chiết suất lõi sợi quang. Tại các bƣớc sóng không thỏa mãn điều kiện trên thì ánh sáng không bị ảnh hƣởng và đƣợc truyền qua cách tử đến đầu thu. Bộ lọc cách tử Bragg có suy hao xen thấp, đặc tính phổ có dạng bộ lọc băng thông (BPF) với khả năng đạt đƣợc khoảng cách giữa các kênh là 50 GHz. Hai tham số quan trọng nhất của một bộ lọc cách tử Bragg là hệ số phản xạ và độ rộng phổ. Thƣờng độ rộng phổ vào khoảng 0, 1 nm trong khi đó hệ số phản xạ có thể đạt hơn 99 %. Ƣu điểm của chúng là đơn giản về cấu tạo và sử dụng, đồng thời lại có hệ số suy hao xen thấp. Còn về nhƣợc điểm là có chỉ số chiết suất phụ thuộc vào nhiệt độ. Cách tử Bragg có thể đƣợc sử dụng nhƣ một bộ ghép hay tách khi kết hợp với các bộ coupler quang. Nhƣ hình 2.10 ta có hai cách tử Bragg kết hợp cùng hai coupler quang 3dB. Khi đƣa chùm tia sáng đa sắc có bƣớc sóng là λ1, λ2, … vào cổng 1, chùm sáng qua coupler 3dB thứ nhất đƣợc chia thành hai luồng đến hai cách tử. Giả sử
  31. 31. 31 bƣớc sóng λ1 thỏa mãn điều kiện phản xạ Braggm thì ánh sáng có bƣớc sóng λ1 sẽ bị phản xạ bởi cách tử và tại cổng ra 4 ta đã tách đƣợc bƣớc sóng λ1. b. Bộ Isolator và Circulator Isolator là thiết bị cho phép truyền dẫn chỉ theo một hƣớng và không cho truyền dẫn theo hƣớng nào khác nữa. Nó hoạt động dựa theo nguyên lí phân cực để ngăn cách tín hiệu. Bằng cách sử dụng các bộ này thì các phản xạ từ các bộ khuếch đại hay laser có thể đƣợc cách ly khỏi tín hiệu. Circulator là một thiết bị tƣơng tự Isolator, nhƣng nó có nhiều cổng. Hình 2.10 mô tả một Circulator với 4 cổng vào và 4 cổng ra. Tín hiệu từ mỗi cổng đƣợc hƣớng tới một cổng ra và bị ngăn tại các cổng còn lại. Hình 2.10. Circulator 4 cổng ra và 4 cổng vào. Ứng dụng của bộ cách ly này có thể là dùng trong các module tách ghép kênh quang. Tín hiệu tại đầu ra mỗi bộ phát ở một bƣớc sóng riêng, những tia sáng này đƣợc ghép lại và truyền vào sợi quang. Thiết bị thực hiện chức năng này gọi là bộ ghép kênh quang (Multiplexer hay MUX). Ngƣợc lại, ở phía thu có một thiết bị tách tín hiệu quang thu đƣợc thành các kênh quang có bƣớc sóng khác nhau để đƣa đến mỗi bộ thu quang riêng biệt.
  32. 32. 32 CHƢƠNG 3 Khác với các phần tử thụ động, cơ sở vật lí chung cho các phần tử tích cực là vật lí bán dẫn. Tuy nhiên do tín hiệu xử lí của các phần tử này là ánh sáng nên các kiến thức vật lí về ánh sáng (nhƣ nêu ở chƣơng 2) cũng đƣợc sử dụng trong phần tử tích cực. Các phần tử tích cực là: Các phần tử quang điện hoạt động dựa theo vào tính chất hạt của ánh sáng và cơ sở vật lí bán dẫn. Khi hoạt động, các phần tử tích cực dựa vào kích thích điện ngoài để biến đổi tín hiệu mà nó cần xử lí. Do vậy khác với các phần tử thụ động, để hoạt động đƣợc các phần tử cần nguồn kích thích. Điều này dẫn đến yêu cầu của phần tử tích cực phức tạp hơn các phần tử thụ động nhƣ : vị trí lắp đặt, cơ chế bảo dƣỡng chống quá áp của nguồn, yêu cầu an toàn về điện… Tuy nhiên các phần tử tích cực có thể điều chỉnh hiệu quả hoạt động khi thay đổi nguồn cung cấp. Các phần tử tích cực bao gồm : Bộ phát quang Bộ thu quang Bộ tách quang Bộ khuếch đại quang Chuyển đổi bƣớc sóng 3.1. Cơ sở vật lí chung của các phần tử tích cực 3.1.1. Các khái niệm vật lí bán dẫn
  33. 33. 33 Vật lí bán dẫn là cơ sở hoạt động cho rất nhiều linh kiện điện tử trong đó có các phần tử tích cực hoạt động trong hệ thống thông tin quang  Lớp tiếp giáp p-n : Bản thân các vật liệu pha tạp loại p hay n chỉ nhƣ là những chất dẫn điện tốt hơn so với bán dẫn thuần. Tuy nhiên khi ta sử dụng kết hợp hai loại vật liệu này thì sẽ có đƣợc những đặc tính hết sức đáng chú ý. Một vật liệu loại p đƣợc ghép với vật liệu loại n sẽ cho ta một lớp tiếp xúc đƣợc gọi là tiếp giáp p-n. Khi tiếp giáp p – n đƣợc tạo ra, các hạt mang đa số sẽ khuếch tán qua nó : Lỗ trống bên p khuếch tán sang bên n, điện tử bên n khuếch tán sang bên p. Kết quả là tạo ra một điện trƣờng tiếp xúc Etx đặt ngang tiếp giáp p – n. Chính điện trƣờng này sẽ ngăn cản các chuyển động của các điện tích khi tình trạng cân bằng đã đƣợc thiết lập. Lúc này, vùng tiếp giáp không có các hạt mang di động. Vùng này gọi là vùng nghèo hay vùng điện tích không gian. Khi cấp một điện áp cho tiếp giáp này, cực dƣơng nguồn nối với vật liệu n, cực âm nối với vật liệu p thì tiếp giáp này đƣợc gọi là phân cực ngƣợc. (Nhƣ hình 3.1b). Nếu phân cực ngƣợc cho tiếp giáp p – n, vùng nghèo sẽ bị mở rộng ra về cả hai phía. Điều này càng cản trở các hạt mang đa số tràn qua tiếp giáp. Tuy nhiên vẫn có một số lƣợng nhỏ hạt mang thiểu số tràn qua tiếp giáp tại điều kiện nhiệt độ và điện áp bình thƣờng. Còn khi phân cực thuận cho tiếp giáp (cực âm nối với vật liệu n, c.n cực dƣơng nối với vật liệu p nhƣ hình 3.1c) thì các điện tử vùng dẫn phía n và các lỗ trống vùng hóa phía p lại đƣợc phép khuếch tán qua tiếp giáp. Lúc này việc kết hợp các hạt mang thiểu số tăng lên. Các hạt mang tăng lên sẽ tái hợp với hạt mang đa số. Quá trình tái kết hợp các hạt mang dƣ ra chính là cơ chế để phát ra ánh sáng.
  34. 34. 34 Hình 3.1. Tiếp giáp P-N và phân cực cho các lớp tiếp giáp. 3.1.2. Các quá trình đặc trƣng trong vật lí bán dẫn a. Quá trình hấp thụ và phát xạ Trong vật liệu, ở điều kiện bình thƣờng có xảy ra các quá trình tƣơng tác giữa vật chất và môi trƣờng xung quanh, và tạo ra các hiện tƣợng phát xạ, bức xạ hay hấp thụ… Để phân tích các quá trình phát xạ và hấp thụ ta xét một hệ có hai mức năng lƣợng E1 và E2 với E2 > E1 nhƣ hình 3.2 sau. Trong đó E1 là trạng thái cơ sở, còn E2 là trạng thái kích thích. Hình 3.2. Sơ đồ quá trình hấp thụ, phát xạ và phát xạ kích thích.
  35. 35. 35 - Quá trình hấp thụ ( hình 3.2 a) Giả thuyết có một điện tử đang nằm ở mức năng lƣợng thấp ( ), không có điện tử nào nằm ở mức năng lƣợng mức cao hơn ( ), thì ở điều kiện đó nếu có một năng lƣợng bằng với mức năng lƣợng chênh lệch cấp cho điện tử thì điện tử này sẽ nhảy lên mức năng lƣợng . Việc cung cấp năng lƣợng từ bên ngoài để truyền năng lƣợng cần tới một mức cao hơn đƣợc gọi là kích thích sự dịch chuyển của điện tử tới một mức năng lƣợng khác đƣợc gọi là sự chuyển dời. E1 = Ev = năng lƣợng vùng hóa trị. E2 = Ec = năng lƣợng vùng dẫn. Eg = Ec – Ev = năng lƣợng dải trống. Quá trình hấp thụ : khi ánh sáng tới có năng lƣợng photon hf = E2 – E1 (3.1) với h = 6,625.1034 js (hằng số Planck) -> photon sẽ bị nguyên tử hấp thụ, nguyên tử nhảy từ E1 lên E2 và đƣợc coi là đang ở trạng thái kích thích. - Quá trình phát xạ ( hình 3.2 b) Điện tử rời khỏi mức năng lƣợng cao bị hạt nhân nguyên tử hút và quay về trạng thái ban đầu. Khi quay về trạng thái thì một năng lƣợng đúng bằng - đƣợc giải phóng. Đó là hiện tƣợng phát xạ tự phát và năng lƣợng đƣợc giải phóng tồn tại ở dạng ánh sáng gọi là ánh sáng phát xạ tự phát. Photon đƣợc tạo ra tự phát th. có hƣớng ngẫu nhiên và không có liên hệ về pha, tức là ánh sáng không kết hợp. Theo cơ học lƣợng tử, bƣớc sóng ánh sáng phát xạ đƣợc tính theo công thức: (3.2) 1E 2E 2E 2E 1E 2E 1E 12 EE h c
  36. 36. 36 Bƣớc sóng tỷ lệ nghịch với độ lệch năng lƣợng của các nguyên tử cấu tạo nên linh kiện phát quang. Do đó bƣớc sóng ánh sáng phát xạ phản ánh bản chất của vật liệu - Quá trình phát xạ kích thích ( hình 3.2 c) Phát xạ kích thích xảy ra khi có một photon có năng lƣợng phù hợp đập vào nguyên tử ở trạng thái kích thích và phát xạ ra các photon giống hệt nhau về năng lƣợng và pha của các photon tín hiệu ánh sáng tới. b. Trạng thái đảo mật độ Ánh sáng có thể phát ra từ vật liệu bán dẫn là kết quả của quá trình tái hợp điện tử và lỗ trống (e-h). Trong điều kiện cân bằng nhiệt, tỷ lệ phát xạ kích thích rất nhỏ so với phát xạ tự phát, tức là nồng độ e – h sinh ra do kích thích rất thấp. Để có phát xạ kích thích ta phải thực hiện tăng số lƣợng lớn các điện tử và lỗ trống trong vùng dẫn và vùng hóa trị. Ta xét một tiếp giáp p – n với hai loại vật liệu bán dẫn loại n và p pha tạp cao đến mức suy biến. Mức Fermi bên bán dẫn loại n nằm vào bên trong vùng dẫn và mức Fermi trong bán dẫn p nằm vào bên trong vùng hóa trị. Tại cân bằng nhiệt mức Fermi hai bên bán dẫn loại n và p nằm trùng nhau, lúc này không có quá trình bơm hạt tải (hình 3.3a). Khi phân cực thuận đủ lớn, các mức Fermi ở hai miền tách ra, lúc này thì các điện tử bên bán dẫn loại n và lỗ trống bên bán dẫn p đƣợc bơm điện tích không gian (hình 3.3b). Khi điện thế đặt vào tiếp giáp p-n tăng đủ lớn để quá trình bơm nàyđạt đến mức cao thì trong miền điện tích không gian có độ rộng là d sẽ có một số lƣợng lớn các điện tử nằm trên vùng dẫn và một số lƣợng lớn lỗ trống nằm dƣới vùng hóa trị. Trạng thái này gọi là đảo mật độ.
  37. 37. 37 Hình 3.3. Giản đồ năng lượng của tiếp giáp p-n với bán dẫn suy biến. Nhƣ vậy điều kiện để có trạng thái đảo mật độ là bán dẫn ở hai miền p và n phải pha tạp mạnh để các mức Fermi nằm vào bên trong vùng dẫn và vùng hóa trị. Thế phân cực thuận phải đủ lớn để điện tử và lỗ trống có thể bơm vào vùng dẫn và vùng hóa trị. Hiệu hai mức Fermi ở hai vùng bán dẫn loại n và p lớn hơn năng lƣợng vùng cấm, nghĩa là : Efc – Efv > Eg. (3.3) Trên đây là các cơ sở vật lí bán dẫn để phân tích cơ chế hoạt động của các phần tử tích cực trong thông tin quang đƣợc đề cập trong các phần tiếp theo. 3.2. Nguồn quang Vai trò của các bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đƣa tín hiệu quang này vào sợi quang để truyền tới phía thu. Linh kiện chính trong bộ phát quang là nguồn phát quang. Cơ sở vật lí của các nguồn quang bán dẫn này nhƣ đã nêu ở trên. Chúng có nhiều ƣu điểm nhƣ : kích thƣớc nhỏ, hiệu
  38. 38. 38 suất chuyển đổi quang điện rất cao, có vùng bƣớc sóng phát quang thích hợp với sợi quang và có thể điều biến trực tiếp bằng dùng bơm với tần số khá cao. Có hai loại nguồn phát quang : + Diode phát quang LED (Light Emitting Diode). + Diode Lazer bán dẫn LD (Lazer Diode). 3.2.1. Điốt phát quang ( LED ) LED ( Light Emitted Diode ) là một loại nguồn phát quang phù hợp cho các hệ thống thông tin quang có tốc độ bít không quá 200Mb/s sử dụng sợi dẫn quang đa mode. Tuy nhiên hiện nay trong phòng thí nghiệm ngƣời ta có thể sử dụng cả ở tốc độ bít tới 556 Mb/s do có sự cải tiến công nghệ cao. a. Cấu trúc LED Cấu trúc gồm các lớp bán dẫn p và n của miền hoạt tính, khi hoạt động đƣợc phân cực thuận, nhƣ hình vẽ: Hình 3.4. cấu trúc LED. Có hai loại cấu trúc LED đƣợc sử dụng rộng rãi là cấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể. Trong quá tr.nh nghiên cứu và thực nghiệm, cấu trúc dị thể kép mang lại hiệu quả hơn và đƣợc ứng dụng nhiều hơn. Đặc điểm của cấu trúc dị thể kép là có hai lớp bán dẫn khác nhau ở mỗi bên của vùng bán dẫn
  39. 39. 39 tích cực, đây cũng chính là cấu trúc để khai triển nghiên cứu LASER. Với cấu trúc dị thể ta có, hai loại đó là cấu trúc phát xạ mặt và phát xạ cạnh.  Cấu trúc LED phát xạ mặt (SLED: Surface Emitting Led): Hình 3.5. Cấu trúc LED phát xạ mặt. LED phát xạ mặt có mặt phẳng của vùng phát ra ánh sáng vuông góc với trục của sợi dẫn quang ( hình 3.5 ). Vùng tích cực thƣờng có dạng phiến tròn, đƣờng kính khoảng 50μm và độ dày khoảng 25μm. Mẫu phát chủ yếu là đẳng hƣớng với độ rộng chùm phát khoảng 120o . Mẫu phát đẳng hƣớng này gọi là mẫu Lambertian. Khi quan sát từ bất kỳ hƣớng nào thì độ rộng nguồn phát cũng ngang bằng nhau nhƣng công suất lại giảm theo hàm cosβ với β là góc hợp giữa hƣớng quan sát với pháp tuyến của bề mặt. Công suất giảm 50% so với đỉnh khi β =60.  Cấu trúc LED phát cạnh (ELED:Edgle Emitting Led):
  40. 40. 40 Hình 3.6. Cấu trúc LED phát xạ cạnh. LED phát xạ cạnh có cấu trúc gồm một vùng tiếp giáp tích cực có vai tr. là nguồn phát ánh sáng không kết hợp, và hai lớp dẫn đều có chiết suất thấp hơn chỉ số chiết suất của vùng tích cực nhƣng lại cao hơn chiết suất của các vùng vật liệu bao quanh(hình 3.6). Cấu trúc này h.nh thành một kênh dẫn sóng để hƣớng sự phát xạ về phía lõi sợi. Để tƣơng hợp đƣợc với lõi sợi dẫn quang có đƣờng kính nhỏ ( cỡ 50- 100μm), các dải tiếp xúc đối với LED phát xạ cạnh phải rộng từ 50μm đến 70μm. Độ dài của các vùng tích cực thƣờng là từ 100μm đến 150μm. Mẫu phát xạ cạnh có định hƣớng tốt hơn so với LED phát xạ mặt. b. Nguyên lí hoạt động của LED Nguyên lí làm việc của LED dựa vào hiệu ứng phát sáng khi có hiện tƣợng tái hợp các điện tử và lỗ trống ở vùng tiếp giáp p-n. Do vậy, LED sẽ phát sáng nếu đƣợc phân cực thuận. Khi đƣợc phân cực thuận các hạt mang đa số sẽ khuếch tán ồ ạt qua tiếp giáp p-n : điện tử khuếch tán từ phía n sang phía p và ngƣợc lại, lỗ trống khuếch tán từ phía p sang phía n, chúng gặp nhau và tái hợp phát sinh ánh sáng. Với cấu trúc dị thể kép, cả hai loại hạt dẫn và trƣờng ánh sáng đƣợc giam giữ tại trung tâm của lớp tích cực (hình 3.7). Sự khác nhau về độ rộng vùng cấm của các lớp kề cận đã giam giữ các hạt điện tích ở bên trong lớp tích cực. Đồng thời, sự khác nhau về chiết suất của các lớp kề cận này đã giam giữ trƣờng quang và các hạt dẫn này làm tăng độ bức xạ và hiệu suất cao.
  41. 41. 41 Hình 3.7. Cấu trúc dị thể kép – hiệu suất phát xạ cao nhờ chênh lệch: a) độ rộng vùng cấm và b) chênh lêch chiết suất. Để một chất bán dẫn phát sáng thì sự cân bằng nhiệt phải bị phá vỡ. Tốc độ tái hợp trong quá trình tái hợp có bức xạ tỉ lệ với nồng độ điện tử trong phần bán dẫn p và nồng độ lỗ trống trong bán dẫn n. Đây là các hạt dẫn thiểu số trong chất bán dẫn. Để tăng tốc độ tái hợp – tức là tăng số photon bức xạ ra – thì cần phải gia tăng nồng độ hạt dẫn thiểu số trong các phần bán dẫn. Nồng độ hạt dẫn thiểu số đƣợc bơm vào các phần bán dẫn tỷ lệ với cƣờng độ dòng điện của LED, do đó cƣờng độ phát quang của LED tỷ lệ với cƣờng độ dòng điện qua điốt. c. Ứng dụng của LED Thƣờng thì ánh sáng phát xạ của LED là ánh sáng không kết hợp và là ánh sáng tự phát. Do đó công suất phát xạ của LED thấp, độ rộng phổ rộng và hiệu ứng lƣọng tử thấp. Nó thƣờng chỉ đƣợc áp dụng cho các mạng có khoảng cách ngằn nhƣ mạng LAN. Tuy nhiên do công suất đầu ra của nó ít phụ thuộc vào nhiệt độ và có chế tạo đơn giản, độ ổn định cao, LED vẫn đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền tốc độ thấp.
  42. 42. 42 3.2.2. Diode Lazer ( LD) a. Cấu trúc Gồm các lớp bán dẫn p và lớp n của miền hoạt tính và lớp hoạt chất. Lớp hoạt chất này là một cặp phiến phẳng - là gƣơng phản xạ đƣợc đặt qua vào nhau để phản xạ ánh sáng bức xạ hay còn gọi là hốc cộng hƣởng (Fabry-Frot). Hình 3.8. Cấu trúc LD. b. Nguyên lí Khi có một lớp điện áp phân cực đƣợc đặt vào lớp tiếp giáp thì các electron sẽ đƣợc bơm vào, lớp hoạt chất đƣợc kích thích, sau đó tái hợp với các lỗ trống có điện tích dƣơng tại đó, đồng thời sinh ra năng lƣợng dƣới dạng quang và nhiệt. Hốc cộng hƣởng (Fabry-Frot) tạo ra sự tƣơng tác giữa photon và electron diễn ra nhiều lần và có thể tạo ra công suất quang lớn. Có 2 loại diode laser: diode laser đa mode và diode laser đơn mode: + Diode laser đa mode thông thƣờng sẽ cho đa phổ nhƣng làm việc không ổn định ở tốc đọ cao. + Diode laser đơn mode có đọ rộng phổ hẹp, hoạt động dựa theo nguyên lý bộ phản xạ cách tử Bragg. Chúng đáp ứng tốt yêu cầu làm việc ổn định ở các hệ thống thông tin có tốc độ cao và cự ly truyền dẫn xa.
  43. 43. 43 c. Đặc điểm + Có độ rộng phổ hẹp. + Bƣớc song ổn định. + Đƣợc sử dụng với sợi đơn mode. + Cho phép sử dụng với hệ truyền dẫn tốc độ cao và cự ly dài. 3.3. Bộ thu quang Bộ thu quang là phần chịu trách nhiệm chuyển đổi tín hiệu quang thu đƣợc từ môi trƣờng truyền dẫn sang tín hiệu điện và phục hồi các số liệu đ. truyền qua hệ thống thông tin quang này. Linh kiện chủ yếu để thực hiện chức năng chuyển đổi quang điện trong bộ thu quang là các bộ tách quang c.n đƣợc gọi là detector. Hai bộ tách quang thƣờng đƣợc sử dụng trong thông tin quang là photodiode loại PIN và APD. 3.3.1. Photodiode PIN Đây là bộ tách sóng quang thông dụng nhất đƣợc sử dụng. Đặc điểm của các Photodiode PIN là có thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lƣợng tử cao. Nó không có khả năng khuếch đại d.ng quang điện nhƣng nó lại tránh đƣợc sự khuếch đại nhiễu. a. Cấu trúc của PIN Cấu tạo cơ bản của PIN gồm các vùngbán dẫn p, n ở giữa là một lớp tự dẫn i rất mỏng (là nột lớp bán dẫn yếu loại N tự kích hoạt nội tại). Lớp p thƣờng rất mỏng để hấp thụ hết các photon vàp lớp bán dẫn i. Lúc này độ rộng của vùng nghèo đƣợc tăng và chiều dài cửa lớp bán dẫn i (i càng dày thì vùng nghèo càng lớn). Thêm vào đó để tránh gây tổn hao ánh sáng vào thì trên bề mặt của vùng nghèo có phủ thêm một lớp chống phản xạ. Cấu trúc này đƣợc mô tả trong hình 3.9 sau.
  44. 44. 44 Hình 3.9. Sơ đồ vùng năng lượng của photodiode PIN. Quá trình phát ra các cặp điện tử và lỗ trống còn gọi là hạt mang quang (hình 3.9) b. Nguyên lí hoạt động Nguyên lí hoạt động của Photodiode PIN dựa trên hiệu ứng quang điện. Khi chiếu một photon có năng lƣợng lớn hơn năng lƣợng vùng cấm vào bề mặt bán dẫn của Photodiode thì quá trình hấp thụ photon xảy ra. Khi hấp thụ một photon, một điện tử đƣợc kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại một trong vùng hóa trị một lỗ trống, ta nói photon đã tạo ra một cặp điện tử và lỗ trống (nhƣ hình 3.9). Các cặp điện tử - lỗ trống này đƣợc sinh ra trong vùng nghèo. Khi có điện trƣờng đặt vào linh kiện, sẽ có sự chuyển rời các điện tích về hai cực (điện tử về phía n còn lỗ trống hút về phía p nhƣ hình 3.9) tạo ra dòng điện ở mạch ngoài, dòng điện này đƣợc gọi là dòng quang điện. Bình thƣờng một photon chỉ có thể tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống, với giả thiết hiệu suất lƣợng tử bằng 1, nghĩa là với một lƣợng photon xác định chỉ có thể tạo ra một dòng điện xác định. Tuy nhiên trong thực tế không đƣợc nhƣ vậy vì ánh sáng còn bị tổn hao do nhiều yếu tố trong đó có yếu tố phản xạ bề mặt.
  45. 45. 45 Ta có công thức bức xạ quang bị hấp thụ trong vật liệu bán dẫn tuân theo hàm mũ sau : P(x)= Pin (1- e- λ ) (3.4) Trong đó : P(x) là công suất quang đƣợc hấp thụ ở cự ly x Pin là công suất quang tới - λ là hệ số hấp thụ tại bƣớc sóng λ. Nhƣ vậy khả năng thâm nhập của ánh sáng vào lớp bán dẫn thay dổi theo bƣớc sóng. Vì vậy, lớp bán dẫn p không đƣợc quá dày. Miền i càng dày thì hiệu suất lƣợng tử càng lớn, vì xác suất tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống tăng lên theo độ dày của miền này và do đó các photon có nhiều khả năng tiếp xúc với các nguyên tử hơn. Tuy nhiên, nếu độ dài miền i cao thì thời gian trôi của các hạt này dài hơn, xung ánh sáng đƣa vào cũng phải tăng lên tƣơng ứng với thời gian trôi tăng. Điều này khiến cho độ đáp ứng và băng tần điều biến bị hạn chế. Do đó, độ rộng của miền i không đƣợc quá lớn vì nhƣ thế tốc độ bít sẽ bị giảm đi. Ta phải chọn độ dài miền i đủ rộng để đảm bảo điều kiện nhất định là hấp thụ hết photon trong vùng nghèo và không ảnh hƣởng thời gian trôi. Thƣờng hay chọn : < W < Với α tùy thuộc vào vật liệu. (3.5) Khi bƣớc sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua bán dẫn cũng tăng lên, ánh sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Do đó vật liệu bán dẫn phải đƣợc sử dụng ở bƣớc sóng tới hạn. Bƣớc sóng này đƣợc tính dựa vào độ rộng vùng cấm Eg theo công thức sau : λc = = (3.6)
  46. 46. 46 Tóm lại PIN hoạt động dựa trên nguyên lí hấp thụ ánh sáng để biến đổi tín hiệu quang thu vào thành dòng tín hiệu điện. Các thông số biển đổi của chức năng này đƣợc phân tích ở phần tiếp theo sau đây. c. Đặc tính của PIN Đặc tính của Photodiode thƣờng đƣợc đặc trƣng bởi hệ số đáp ứng R ( còn gọi là độ nhậy của nguồn thu ) và hiệu suất lƣợng tử η.  Hiệu suất lượng tử: Hiệu suất lƣợng tử đƣợc định nghĩa là xác suất để một photon rơi vào bề mặt linh kiện bị hấp thụ làm sinh ra một cặp điện tử và lỗ trống góp phần vào d.ng điện mạch ngoài. Khi có nhiều photon đến bề mặt bán dẫn th. hiệu suất lƣợng tử là tỷ số của thông lƣợng các cặp điện tử và lỗ trống sinh ra góp phần tạo ra d.ng quang điện ở mạch ngoài trên thông lƣợng của photon tới. Nhƣ vậy, hiệu suất lƣợng tử của PIN là tỷ số giữa số lƣợng hạt tải chạy trong mạch và số photon đi vào đƣợc bề mặt PIN trong cùng một đơn vị thời gian. η= = R Với R là độ đáp ứng của PIN (3.7) Theo công thức 3.4 thì hiệu suất lƣợng tử phụ thuộc vào bƣớc sóng. Khi ta xét đến phần ánh sáng bị phản xạ tại bề mặt tiếp xúc bán dẫn thì công suất truyền qua của ánh sáng chỉ còn là : P = Pin . e-aW (1-R) với R là hệ số phản xạ của bề mặt bán dẫn. Lúc đó hiệu suất lƣợng tử của PIN sẽ đƣợc tính nhƣ sau : η = (1- R) [1-exp(-αd)] (3.8) Thành phần d (độ dày vùng tự dẫn) công thức cho thấy rằng Photodiode PIN có hiệu suất lƣợng tử càng lớn khi kích thƣớc vùng i càng lớn.  Độ nhạy của PIN: Khi hiện tƣợng hấp thụ ánh sáng xảy ra ở PIN th. có một d.ng quang điện đƣợc sinh ở mạch ngoài. D.ng này tỷ lệ với công suất đi vào PIN, và đƣợc xác định theo công thức sau : Ip = R. Pin
  47. 47. 47 Trong đó R là độ nhạy của PIN. Theo công thức 3.7 ta suy ra : R = [A/W] (3.9) Nhƣ vậy độ nhạy PIN tỷ lệ với bƣớc sóng, với một hiệu suất lƣợng tử là hằng số thì độ nhạy PIN tăng tuyến tính theo bƣớc sóng. Ta có hình 3.10 mô tả sự hụ thuộc của độ nhạy vào bƣớc sóng. Hình 3.10. Sự phụ thuộc của độ nhạy vào bước sóng. Mặt khác, hiệu suất lƣợng tử của PIN phụ thuộc vào một độ dày W của vùng trôi và hệ số hấp thụ α của vật liệu bán dẫn tạo ra PIN. Do đó, độ nhạy của PIN cũng phụ thuộc vào hệ số hấp thụ của vật liệu bán dẫn hay phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn lựa chọn để làm PIN. 3.3.2. Photodiode quang thác APD Photodiode APD là loại Photodiode không chỉ có khả năng chuyển đổi quang điện nhƣ PIN mà còn có khả năng hoạt động với cơ chế khuếch đại bên trong, tức là dòng quang điện do APD tạo ra có khả năng đƣợc khuếch đại lên nhiều lần do một số cơ chế nhân hạt tải. a. Cấu trúc của APD Về cơ bản, cấu trúc APD giống nhƣ cấu trúc của PIN nhƣng APD bao gồm 4 lớp : p+ - i - p - n+ . Bán dẫn p+, n+ là các bán dẫn pha tạp mạnh. Vùng nhân hạt tải của APD đƣợc hình thành do bán dẫn p – n+ Gồm lớp bán dẫn p, n và lớp bán dẫn yếu p-n+ còn gọi là miền thác, cƣờng
  48. 48. 48 độ điện trƣờng trong miền này rất lớn, ở đây xảy ra quá trình nhân điện tử. Hình 3.11. Cấu tạo bán dẫn của APD (a) và phân bố điện trường trong APD (b). P+ N+ là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao, nên điện trở của hai vùng này nhỏ, do đó áp rơi rất nhỏ. i là vùng có nồng độ tạp chất rất ít và gần nhƣ tinh khiết. Nó giống nhƣ lớp i của PIN. Hầu nhƣ tất cả các photon bị hấp thu trong vùng này, và tạo ra các cặp lỗ trống - điện tử tự do. b. Nguyên lí hoạt động APD cũng dựa vào hiện tƣợng hấp thụ nhƣ các Photodiode khác để tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Bên cạnh đó, APD còn hoạt động dựa trên nguyên lí khuếch đại dòng. Ban đầu, khi các photon đƣợc chiếu vào bề mặt APD, chúng đƣợc hấp thụ và sản sinh ra một cặp điện tử và lỗ trống. Đặt một điện áp ngƣợc vào APD nhƣ hình 3.11a, ta thấy có hiện tƣợng khuếch đại xảy ra khi điện áp này đạt đến một giá trị đủ lớn để gây hiệu ứng “thác lũ” : Các hạt mang trong vùng nhân p- n+ có điện trƣờng rất mạnh, điện trƣờng này khiến cho chúng tăng năng lƣợng dần dần đến khi đạt đƣợc trạng thái iôn hóa, chúng đƣợc tăng tốc, va chạm vào các nguyên tử trong vùng nhân tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống mới. Các hạt mang điện mới này lại tiếp tục đƣợc tăng tốc, va chạm và tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống mới. Vì thế các hạt mang cứ tiếp tục nhân lên và dòng quang điện phát ra ngoài đƣợc khuếch đại mà ta gọi là hiệu ứng “thác lũ”. Ta có thể xét quá trình
  49. 49. 49 này thông qua các biểu thức toán học sau đây. Tốc độ sinh ra hạt tải thứ cấp đƣợc đặc trƣng bởi các hệ số iôn hóa αe và αh [cm-1 ]. Đại lƣợng này cho biết số lƣợng hạt tải mới đƣợc sinh ra hay số lƣợng hạt tải dịch đi trong 1cm chiều dài. Lúc đó quá trình khuếch đại dòng của APD thể hiện qua phƣơng trình tốc độ sau : = và - = (3.10) Trong đó : ie , ih là dòng điện tử - e và lỗ trống - h (tức là cả điện tử và lỗ trống đều tham gia vào quá trình nhân hạt tải) và dòng tổng là : I = ie + ih (3.11) Nếu coi dòng tổng không đổi, ta có : = (αe – αh )ie + αh .I (3.12) Xét trƣờng hợp khả năng iôn hóa của điện tử lớn hơn của năng iôn hóa của lỗ trống ta có : αe>αh. Coi nhƣ dòng điện tử chiếm chủ yếu, và chỉ có điện tử đi qua đƣợc vùng biên đến vùng bán dẫn n, thì ih(d) = 0 => ie(d) =I. Ta có hệ số khuếch đại dòng (hay hệ số nhân M) đƣợc định nghĩa là tỷ lệ giữa dòng đã đƣợc khuếch đại và dòng khi chƣa đƣợc khuếch đại. Nhƣ vậy : M = với d là độ dày của vùng nhân hạt tải. (3.13) Nhƣ vậy, APD đã thực hiện biến đổi dòng tín hiệu quang vào thành dòng tín hiệu điện ra, đồng thời khuếch đại dòng ra với một hệ số khuếch đại là M. c. Đặc trƣng của APD Cũng nhƣ PIN, APD có các đặc trƣng của một Photodiode, tuy nhiên v. APD có khả năng khuếch đại so với PIN nên các tham số đặc trƣng của nó có thêm hệ số nhân M. Độ nhạy của APD đƣợc xác định theo công thức sau :
  50. 50. 50 RAPD = R.M = (3.14) Trong đó R là độ nhạy của PIN. Nhƣ vậy độ nhạy của APD cũng phụ thuộc vào bƣớc sóng nhƣ PIN đồng thời cũng phụ thuộc vào hệ số khuếch đại. Thực chất cơ chế khuếch đại là một quá tr.nh thống kê, nó phụ thuộc vào hệ số iôn hóa của các nguyên tử khác nhau. Theo nhƣ công thức 3.8, thì thấy rằng M rất nhạy cảm với các hệ số αe , và αh. Xét đối với các trƣờng hợp khác nhau sau : + Khi αh = 0 (quá trình nhân hạt tải chủ yếu chỉ do điện tử) thì kA = 0. Lúc đó : M = exp (αe.d) + Khi αe = αh tƣơng tự ta có : kA = 1.Lúc đó ta có : M ≈ lim ≈ (3.15) Các vật liệu khác nhau thì hệ số iôn hóa điện tử và lỗ trống khác nhau. Khi αe.d→1 thì M→ ∞, nên APD thƣờng chọn αe » αh hoặc αh » αe. để quá trình nhân hạt tải chỉbới một loại hạt. M còn là hàm Vd(V) phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhƣ mô tả trong hình 3.12 thì M tăng khi Vd tăng và đặc tuyến này tùy thuộc vào các nhiệt độ khác nhau.
  51. 51. 51 Hình 3.12. Sự phụ thuộc của M vào nhiệt độ Vd. 3.4. Bộ khuếch đại Nhƣ đã đề cập trong phần trƣớc, khoảng cách truyền dẫn của bất kỳ hệ thống thông tin quang sợi nào cũng bị hạn chế bởi các suy hao hay tán sắc. Trong các hệ thống thông tin quang đƣờng dài các mất mát quang này đƣợc khắc phục bằng các trạm lặp, trong đó tín hiệu quang suy giảm đƣợc biến đổi thành tín hiệu điện và đƣợc đƣa vào bộ phát lại để phục hồi tín hiệu quang rồi tiếp tục truyền đi. Tuy nhiên khi sử dụng các hệ thống thông tin quang ghép theo bƣớc sóng WDM thì các thiết bị lặp này lại gây ra khó khăn, vì đòi hỏi kỹ thuật và vật liệu phức tạp, tốn kém hơn. Từ năm 1980, vấn đề khuếch đại quang trực tiếp bằng các linh kiện quang đã đƣợc nghiên cứu và trong những năm 1990 các hệ thống đƣờng trục thông tin quang đã sử dụng các bộ khuếch đại quang trực tiếp một cách rộng rãi. Trong năm 1996, các bộ khuếch đại quang đã đƣợc sử dụng trong các tuyến cáp biển xuyên đại dƣơng. Đến nay có nhiều bộ khuếch đại quang đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng nhƣ : khuếch đại quang Laser bán dẫn, các bộ khuếch đại quang pha tạp đất hiếm, các bộ khuếch đại Raman sợi, và các bộ khuếch đại Brillouin sợi. Trong đó, hai bộ khuếch đại đƣợc sử dụng rộng rãi nhất là : khuếch đại quang
  52. 52. 52 bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er (EDFA) và lần lƣợt đƣợc xét trong phần này. 3.4.1. Bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) Các bộ khuếch đại quang bán dẫn hoạt động chủ yếu dựa trên nguyên l. của Laser bán dẫn, nguyên l. khuếch đại đƣợc sử dụng trƣớc khi xảy ra ngƣỡng phát xạ Laser. a. Cấu trúc bộ SOA Cấu trúc cơ bản dựa trên cấu trúc của Laser bán dẫn thông thƣờng, có dộ rộng vùng tích cực có độ rộng W, độ dày d và chiều dài L, chỉ số chiết suất là n đƣợc đặt giữa hai lớp bán dẫn loại n và p (hình 3.13). Hình 3.13 mô tả một bộ khuếch đại bán dẫn , tính phản xạ bề mặt đầu vào và ra đƣợc kí hiệu tƣơng ứng là R1 và R2. Các bề mặt chống phản xạ đƣợc ứng dụng vào laser để giảm tính phản xạ của nó. Điều này làm tăng băng tần khuếch đại và tạo ra các đặc tính truyền dẫn ít phụ thuộc vào sự thay đổi của dòng điện thiên áp, nhiệt độ, và tính phân cực của ánh sáng. Nguồn bơm bên ngoài đƣợc cung cấp bởi dòng điện phân cực.
  53. 53. 53 Hình 3.13. Cấu trúc bộ khuếch đại quang bán dẫn. Có hai loại khuếch đại quang bán dẫn đó là khuếch đại sóng chạy (Travelling Wave Amplifier -TWA) và khuếch đại quang Fabry- Perot Amplifier (FPA). Bộ khuếch đại quang FPA sử dụng các cạnh tinh thể là gƣơng phản xạ trong bộ cộng hƣởng (với hệ số phản xạ cao R » 32%), cấu trúc của FPA cũng tƣơng tự nhƣ laser Fabry-Perot nhƣng hoạt động với dòng phân cực Ibias < Ith. Với cấu trúc hốc cộng hƣởng có hệ số phản xạ cao, quá trình hồi tiếp, chọn lọc tần số xảy ra. Kết quả là, FPA có hệ số khuếch đại cao nhƣng phổ khuếch đại nhấp nhô, không đều. Điều này, làm giảm dải thông khuếch đại của FPA. Khi dòng bơm Laser bán dẫn ở dƣới ngƣỡng phát, nó sẽ hoạt động nhƣ một bộ khuếch đại, tuy nhiên các thành phần phản xạ trên ngƣỡng vẫn tham gia vào quá trình khuếch đại. Bộ khuếch đại quang bán dẫn TWA là các Laser bán dẫn không có hộp cộng hƣởng. TWA khắc phục hạn chế trên của FPA, gồm hai lớp chống phản xạ AR ( anti reflection ) có hệ số phản xạ R = 0, đƣợc đặt tại hai đầu của vùng tích cực để không cho quá trình phản xạ xảy ra bên trong bộ khuếch đại. Khi đó, tín hiệu vào SOA sẽ đƣợc khuếch đại khi chỉ đi qua một lần (đƣợc gọi là single pass) xuyên qua vùng tích cực của bộ khuếch đại mà không có hồi tiếp về. Trên thực tế, hệ số phản xạ ở hai đầu của vùng tích cực của TWA không hoàn toàn bằng 0 mà có giá trị rất nhỏ từ 0.1% đến 0.01%. b. Các thông số của bộ khuếch đại SOA
  54. 54. 54 Các thông số trong các linh kiện khuếch đại bán dẫn bao gồm : hệ số khuếch đại, dải thông khuếch đại, công suất ra bão hoà, hệ số tạp âm  Hệ số khuếch đại (Gain): Hệ số khuếch đại của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở đầu ra chia cho công suất quang ở đầu vào. G = in out P P (3.16) G (dB ) = 10 log[ in out P P ] (3.17) Trong đó: G là hệ số khuếch đại tín hiệu của bộ khuếch đại quang. Pin, Pout tƣơng ứng là công suất tín hiệu ánh sáng ở đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại quang (mW).  Dải thông khuếch đại (Gain Bandwidth): Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang không bằng nhau cho tất cả các tần số của tín hiệu quang vào. Đáp ứng tần số quang của bộ khuếch đại G(f) thể hiện sự phụ thuộc hệ số khuếch đại G của các tín hiệu quang vào tần số. Dải thông khuếch đại của bộ khuếch đại quang Bo đƣợc xác định bởi điểm - 3 dB so với hệ số khuếch đại đỉnh của bộ khuếch đại. Giá trị B0 xác định dải thông của các tín hiệu có thể đƣợc truyền bởi một bộ khuếch đại quang. Do đó, ảnh hƣởng đến hoạt động của các hệ thống thông tin quang khi sử dụng chúng nhƣ các bộ lặp hay bộ tiền khuếch đại.  Công suất ra bão hoà (Saturation Output Power): Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở đầu ra sẽ tăng tuyến tính với công suất quang ở đầu vào theo hệ số khuếch đại: Pout = G.Pin. Tuy nhiên, công suất ở đầu ra không thể tăng mãi đƣợc. Bằng thực nghiệm, ngƣời ta thấy rằng trong tất cả các bộ khuếch đại quang, khi công suất đầu vào Pin tăng đến một mức nào đó, hệ số khuếch đại G bắt đầu giảm. Kết quả là công suất ở đầu ra không còn tăng tuyến tính với tín hiệu ở đầu vào nữa mà đạt trạng thái bão hòa. Công suất ở đầu ra tại điểm ở hệ số khuếch đại giảm đi 3dB đƣợc gọi là công suất ra bão hòa Psat,out.
  55. 55. 55 Công suất ra bão hoà Psat,out của một bộ khuếch đại quang cho biết công suất đầu ra lớn nhất mà bộ khuếch đại quang đó có thể hoạt động đƣợc. Thông thƣờng, một bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao sẽ có công suất ra bão hòa cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể đƣợc duy trì trong một dải công suất vào và ra rộng.  Hệ số tạp âm (Noise Figure) : Giống nhƣ các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch đại quang đều tạo ra tạp âm. Nguồn tạp âm chính trong các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát. Vì sự phát xạ tự phát là các sự kiện ngẫu nhiên, pha của các photon phát xạ tự phát cũng ngẫu nhiên. Nếu photon phát xạ tự phát có hƣớng gần với hƣớng truyền của các photon tín hiệu, chúng sẽ tƣơng tác với các photon tín hiệu gây nên sự dao động về pha và biên độ. Bên cạnh đó, năng lƣợng do phát xạ tự phát tạo ra cũng sẽ đƣợc khuếch đại khi chúng truyền qua bộ khuếch đại về phía đầu ra. Do đó, tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất quang thu đƣợc Pout bao gồm cả công suất tín hiệu đƣợc khuếch đại và công suất tạp âm phát xạ tự phát đƣợc khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission ). Pout = G.Pin + PASE (3.18) Ảnh hƣởng của tạp âm đối với bộ khuếch đại quang đƣợc biểu diễn bởi hệ số tạp âm NF (Noise Figure ), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR (Signal to Noise Ratio) do tạp âm của bộ khuếch đại thêm vào. Hệ số NF đƣợc cho bởi công thức sau: NF = out in SNR SNR (3.19) Trong đó, SNRin, SNRout là tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại. Hệ số tạp âm NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt. Giá trị nhỏ nhất của NF có thể đạt đƣợc là 3dB. Những bộ khuếch đại thỏa mãn hệ số tạp âm tối thiểu này đƣợc gọi là đang hoạt động ở giới hạn lƣợng tử. Ngoài bốn thông số kỹ thuật chính đƣợc nêu ở trên, các bộ khuếch đại quang còn đƣợc đánh giá dựa trên các thông số sau:
  56. 56. 56 - Độ nhạy phân cực: là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại vào phân cực của tín hiệu. - Ảnh hƣởng của nhiệt độ đối với hệ số khuếch đại và dải thông độ lợi. - Xuyên nhiễu. 3.4.1. Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er (EDFA) a. Cấu trúc của bộ EDFA Bộ khuếch đại quang sợi EDFA đƣợc cấu trúc bởi một đoạn quang sợi pha tạp Erbium cùng các thành phần cần thiết khác. Các thành phần này gồm các thành phần thiết bị ghép thụ động WDM, bộ cách ly quang Isolator, Laser bơm… Ta có thể mô tả một bộ EDFA thục tế nhƣ hình 3.14 Hình 3.14. Cấu trúc điển hình của bộ khuếch đại quang sợi EDFA. Thành phần chính của bộ khuếch đại quang sợi EDFA là :  Sợi pha tạp Erbium EDF (erbium doped fiber): Là thành phần quan trọng nhất của EDFA, sợi này còn đƣợc gọi là sợi tích cực. Cấu trúc sợi gồm các thành phần nhƣ trong hình 3.15.
  57. 57. 57 Hình 3.15. Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium. Trong cấu trúc lõi sợi pha tạp Erbium các ion Erbium nằm ở vùng trung tâm của lõi EDF, vùng này thƣờng đƣợc pha tạp với nồng độ từ 1000 tới 2000ppm Erbium. Đƣờng kính của vùng tâm lõi EDF khoảng 5µm và là nơi tập trung cƣờng độ ánh sáng bơm cũng nhƣ tín hiệu vào. Lớp vỏ thủy tinh có chỉ số chiết suất thấp hơn đƣợc bao quanh vùng lõi để hoàn thiện cấu trúc dẫn sóng. Đƣờng kính ngoài của lớp này khoảng 125µm. Lớp vỏ bọc ngoài cùng để bảo vệ sợi, có chức năng ngăn cản tác động từ bên ngoài vào sợi. Chỉ số chiết suất của lớp vỏ bọc ngoài cao hơn lớp vỏ phản xạ nhằm loại bỏ ánh sáng không mong muốn (các mode bậc cao hơn lan truyền bên trong vỏ phản xạ). Nhƣ vậy ngoài sự pha trộn Erbium thì cấu trúc sợi này cũng tƣơng tự nhƣ sợi đơn mode tiêu chuẩn hay sợi tán sắc dịch chuyển DSF tƣơng ứng với các khuyến nghị G.652 hay G.653 của ITU-T đang dùng trong các hệ thống thông tin quang.  Laser bơm LD: Cung cấp nguồn năng lƣợng cho EDFA hoạt động để thực hiện khuếch đại tín hiệu. Nguồn năng lƣợng này gọi là năng lƣợng bơm hay nguồn bơm. Nguồn bơm thƣờng có bƣớc sóng 980 hoặc 1480nm, công suất bơm tiêu biểu là từ 10 tới 100 mW. Các diode đƣợc dùng làm nguồn bơm thƣờng có cấu tạo phù hợp với cấu hình và bƣớc sóng bơm. Ví dụ khi bơm ở 980nm thì loại LD bơm thƣờng là loại có vùng tích cực với cấu trúc giếng lƣợng tử InGaAs còn khi bơm ở bƣớc sóng 1480nm thì LD bơm thuộc loại Fabry-perot dị thể có cấu trúc tinh thể ghép InGaAs/InP.  Các bộ phận khác: - Bộ ghép bƣớc sóng WDM: thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm vào sợi pha tạp Erbium.
  58. 58. 58 - Các bộ cách li có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống nhƣ phản xạ Reyleigh từ các bộ nối quang hay phản xạ ngƣợc từ các bộ khuếch đại khác, làm tăng đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu. b. Nguyên lí hoạt động của bộ EDFA Sợi quang EDF có tính chất đặc biệt là có thể khuếch đại tín hiệu ánh sáng trong dải bƣớc sóng nm15601530 khi tín hiệu truyền dọc sợi. Nguyên lý làm việc của EDFA dựa trên sự bức xạ kích thích của các điện tử trong các ion Er3+ ở trạng thái bị kích thích nhờ nguồn bơm bên ngoài. Nguyên tắc làm việc đƣợc giải thích nhờ giản đồ vùng năng lƣợng của ion Erbi hóa trị ba trong lõi sợi quang EDF nhƣ mô tả trong hình 3.16. Hình 3.16. Giản đồ năng lượng của ion Er3+ trong lõi sợi EDF. Khác với sợi quang thạch anh thông thƣờng ánh sáng truyền dọc sợi bị suy hao cƣờng độ, sợi EDF khi hấp thụ năng lƣợng ánh sáng bơm từ bên ngoài có bƣớc sóng nằm ngoài dải 1520 tới 1560nm lại có khả năng khuếch đại tín hiệu ánh sáng trong dải sóng trên khi truyền dọc sợi quang này. Quá trình khuếch đại ánh sáng diễn ra nhƣ sau: - Khi nhận đƣợc năng lƣợng từ ánh sáng nguồn bơm ở bƣớc sóng bơm thích hợp P , các điện tử của ion Ecbi dịch chuyển từ mức năng lƣợng E1 (mức ổn định) trong vùng hoá trị lên mức năng lƣợng cao hơn E2 (với bƣớc sóng bơm nmP 980 ) hoặc mức E3 (với bƣớc sóng bơm nmP 1480 ) ở vùng dẫn, để lại các lỗ trống ở vùng hoá trị. Ion Ecbi khi đó nằm ở trạng thái bị kích thích.

×