MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................3

CHƯƠNG 1............................................................................................................4

GIỚI THIỆU HỆ THÔNG 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. Ưu điểm của hệ thống thông tin quang..................................................9

1.3.2. Nhược điểm của hệ thống thông tin quang..........................................10

1.4. Những tồn tại và xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang.........11

1.4.1. Những tồn tại của hệ thống quang.......................................................11

1.4.2. Xu hướng phát triển của hệ thống quang.............................................12

1.5. Kết luận......................................................................................................15

CHƯƠNG 2..........................................................................................................16

CÁC PHẦN TỬ THỤ ĐỘNG CƠ BẢN CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN 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

1

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

CHƯƠNG 3..........................................................................................................32

CÁC PHẦN TỬ TÍCH CỰC CƠ BẢN CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN 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 trưng 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 bước sóng...........................................................................71

3.5.1. Bộ chuyển đổi bước sóng quang điện.................................................72

3.5.2. Bộ chuyển đổi bước sóng toàn quang..................................................72

CHƯƠNG 4..........................................................................................................74

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................................74

4.1. Kết luận......................................................................................................74

4.2. Hướng phát triển........................................................................................75

TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................76

2

LỜI NÓI ĐẦU

Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa

vào khai thác trên mạng viễn thông. Mọi người đều thừa nhận rằng phương 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 ưu 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, đường 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 tương lai.

Trong vòng mười năm qua, cùng với sự vượt bậc của công nghệ điện tử,

viễn thông, công nghệ sợi quang và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt

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 được khai thác phổ biến

trên mạng lưới hiện nay chỉ là giai đoạn sự khởi khai phá các tiềm năng của nó.

Như 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 trước với

một tiền đồ rộng lớn. Bản báo cáo này chỉ nói được 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 Hương

3

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU HỆ THÔNG THÔNG TIN QUANG

Hệ thống thông tin là hệ thống được sử dụng để truyền thông tin từ nơi này

đến nơi khác cách nhau hàng trăm mét hay hàng ngàn km. Thông tin được 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 được ứng dụng rộng rãi

trong các nước trên thế giới và có khả năng hiện đại hoá mạng lưới viễn thông

trên toàn thế giới. Chương này trình bày khái quát về quá trình phát triển của hệ

thống thông tin quang, sơ đồ nguyên ly, đặc điểm, những vấn đề còn tồn tại và xu

thế phát triển của hệ thống quang hiện nay và cuối cùng là kết luận chương.

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 trường truyền dẫn hoặc tính chất dịch vụ của hệ thống như 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 được phát triển dựa trên các hệ thống trước đó, nhưng

được cải tiến và hoàn thiện hơn, chúng có cự ly xa hơn, tốc độ cao hơn, độ linh

hoạt và chất lượng hệ thống cũng được cải thiện nhằm thoả mãn nhu cầu của con

người. Các hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh có

những ưu, nhược điểm riêng. Hệ thống thông tin quang là hệ thống thông tin sử

dụng tín hiệu ánh sáng và sợi quang để truyền tin đi xa. Các sóng ánh sáng được

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 được khái quát như sau:

4

Từ xưa, con người đã biết dùng ánh sáng để báo hiệu cho nhau biết như

dùng lửa, ngọn hải đăng nhưng khi đó chưa có khái niệm về hệ thống thông tin

quang. Đầu những năm 70 thì ra đời máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng

khí quyển như một môi trường truyền dẫn, nên chịu ảnh hưởng 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 người gửi và người nhận ở

cách xa nhau. Sau đó, A. G.Bell đã phát minh ra Photophone, ông đã truyền tiếng

nói trên một chùm ánh sáng và có thể truyền tín hiệu tiếng nói trên 213m. Đến

đầu những năm 80 thì các hệ thống thông tin đường trục 45 và 90 Mbit/s sử dụng

sợi quang được lắp đặt, cuối những năm 80 thì ra đời hệ thống 1,2÷2,4 Gbit/s và

chuân SONET. Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/km ở bước sóng

1550nm, và có những loại sợi đặc biệt có suy hao rất thấp.

Các hệ thống quang được ứng dụng rộng rãi trên khắp thế giới với năm thế hệ:

Thế hệ 1 hoạt động ở bước 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 2 làm việc ở bước 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 bước sóng 1550nm với suy hao

trên sợi quang cỡ 0,2 dB/km nhưng 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

bước sóng WDM để tăng khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn, có tốc độ 5Gb/s

ở khoảng cách 14300km và đến năm 2000 đã có thể đạt được 100Gb/s xuyên qua

Đại Tây Dương (hệ thống TPC 6).

Thế hệ 5 nhằm giải quyết tán sắc của sợi quang và sử dụng công nghệ

khuếch đại quang nên có thể đạt 1,2 Tb/s hay 70Gb/s ở cự ly 9400km (truyền dẫn

siliton).

Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin quang qua năm thế hệ có thể

được minh hoạ như trong hình 1.1.

5

Hình 1.1. Quá trình phát triển của thông tin sợi quang.

Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được 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 được tổ chức như hình 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 tương 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 trường truyền tín hiệu quang. Sợi quang có yêu cầu là

phải có băng thông rộng, tốc độ cao và suy hao nhỏ.

6

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 đường 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 dẫn của hệ thống được đặc trưng bởi băng thông truyền

dẫn và cự ly trạm lặp. Hệ thống thông tin quang đã vượt xa các hệ thống thông

tin khác ở cả hai yêu cầu trên.

Các hệ thống thông tin quang thường 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

hướng này. Từ đó, cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm: phần

phát quang, phần thu quang và sợi quang được trình bày trong hình vẽ 1.3.

Hình 1.3. Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang.

7

1.2.1. Bộ phát quang

Các phần tử chính được chọn để sử dụng là Điôt Laser (LD), Điôt phát

quang (LED) và Laser bán dẫn do chúng có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, hiệu

suất cao, bảo đảm độ tin cậy, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương

xứng với kích thước 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 trước khi truyền đi trên sợi

dẫn quang, bằng cách đưa nguồn tín hiệu điện vào thực hiện bức xạ quang. Trong

thông tin quang cũng có nhiều phương 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 ly điều chế trực tiếp cường 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 được 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

đưa đến thực hiện biến đổi trở lại tín hiệu điện và người 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 trước khi đưa vào mạch điều khiển (bộ chuyển đổi tín hiệu) phục hồi

lại tín hiệu như đã phát ở trạm trước.

1.2.3. Cáp sợi quang

Các thành phần chính được chọn để sử dụng là sợi quang đa mode chỉ số

bước, 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 được dùng để nối hệ thống

truyền dẫn từ đầu phát đến đầu thu.

8

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: Được sử dụng để thu tín hiệu quang, khôi phục lại tín hiệu, khử

bỏ tạp âm tích lũy trên đường 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. Ưu điểm của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang sử dụng môi trường truyền dẫn là các sợi quang

nên nó có những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin trước

đó, đó là:

Thứ nhất là tiêu hao truyền 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 lượng lớn, suy hao truyền dẫn của sợi quang tương 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 trước đó, do đó, sẽ làm giảm số lượng sợi và giảm số

lượng trạm lặp cần thiết dẫn đến giảm số lượng thiết bị và các phần tử hợp thành,

giảm chi phí thiết lập mạng và sự phức tạp của hệ thống.

Thứ hai là trọng lượng và kích thước nhỏ: Sợi quang có trọng lượng và kích

thước 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 y nghĩa rất lớn trong công nghệ máy

9

bay, vệ tinh, tàu bè. Đồng thời, nó còn được ứng dụng trong quân sự, nơi mà yêu

cầu cáp phải được khôi phục một cách nhanh chóng.

Thứ ba là sự 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.

Thứ tư là tính cách điện: Sợi quang là một vật cách điện. Sợi thuỷ tinh này

loại bỏ nhu cầu về các dòng điện cho đường 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 được nhiễu gây bởi các dòng điện chạy

vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên các

đường dây thông tin như sét hay những trục trặc về điện.

Tiếp theo là an toàn cho tín hiệu: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin

cao. Một sợi quang không thể bị lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện

thông thường như 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 được rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu

được 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 được.

Cuối cùng là sự 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 đường dài.

1.3.2. Nhược điểm của hệ thống thông tin quang

Thông tin quang có rất nhiều ưu điểm do sợi quang mang lại. Tuy nhiên, hệ

thống thông tin quang cũng có một số nhược điểm sau:

10

Một là 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.

Hai là chi phí đầu tư cao: Các hệ thống thông tin có sẵn trong hạ tầng viễn

thông hầu như 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 bước.

Ba là vấn 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 phương tiện nào có thể

phát hiện được mảnh thuỷ tinh trong cơ thể. Ngoài ra, không được 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 người không cảm nhận được, nên không thể

điều tiết khi có nguồn năng lượng này, và sẽ gây nguy hại cho mắt.

Bốn là vấn đề biến đổi điện-quang: Trong hệ thống thông tin quang, trước

khi đưa một tín hiệu thông tin điện vào sợi quang thì tín hiệu đó phải được

chuyển đổi thành sóng ánh sáng mới có thể truyền đi được.

Cuối cùng là sợi quang dòn, dễ gãy, khó nối ghép khi sợi bị đứt gãy: Sợi

quang được sử dụng trong viễn thông được chế tạo từ thuỷ tinh nên rất dòn và dễ

gãy. Kích thước 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 hướng phát triển của hệ thống thông tin quang

1.4.1. Những tồn tại của hệ thống quang

Ngoài những nhược điểm của hệ thống quang được 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 lượng thấp (<10 Gb/s)

do ảnh hưởng 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

11

truyền dẫn. Khi tốc độ hệ thống đạt đến mấy chục Gb/s thì làm cho cự ly truyền

dẫn ngắn lại, bản thân các mạch điện tử không đáp ứng được xung tín hiệu cực

hẹp.

Việc khắc phục những nhược 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 như sau:

Thứ nhất: 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 ly tín hiệu cao đã khắc phục được

nhược điểm về tốc độ đáp ứng xung của các mạch điện tử đã nêu ở trên.

Thứ hai: Các phần tử quang tận dụng được 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 tương lai.

Vì vậy, khi sử dụng hệ thống quang nhiều kênh sẽ làm tăng được dung

lượng của hệ thống mà không cần tăng thêm sợi quang, tận dụng được băng tần

không hạn chế của sợi.

1.4.2. Xu hướng 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 nước trên thế giới.

Do có nhiều ưu 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 đường trục và các tuyến xuyên lục

địa, xuyên đại dương, mạng nội hạt, mạng trung kế. Công nghệ quang phát triển

như ngày nay đã là tiền đề cho hệ thống thông tin quang phát triển theo xu hướng

hiện đại và kinh tế nhất.

Hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang đơn mode có ưu điểm là không

có trễ, không có can nhiễu, suy hao trên đường truyền nhỏ, quãng đường truyền

là ngắn nhất so với sợi đa mode đã làm tăng được khoảng cách của tuyến truyền

dẫn quang và tạm thời đáp ứng được nhu cầu sử dụng của con người.

12

Tuy nhiên, do nhu cầu trao đổi thông tin của con người và các loại hình dịch

vụ băng rộng như internet tốc độ cao, FTTX (Fiber To The Home /Building

/Premises /Office /Curb/Node), IDTV (Integrated Digital Television) thì dung

lượng và tốc độ của các hệ thống quang đơn mode không thể đáp ứng được, mặt

khác, sợi quang đơn mode chỉ truyền được một mode tín hiệu nên không tận

dụng được băng thông lớn của sợi quang, mà muốn nâng cao dung lượng của hệ

thống thì lại phải sử dụng thêm sợi quang nên người ta lại nghĩ đến phương thức

cải thiện nhược 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 bước sóng WDM

(Wavelength Division Multiplexing).

Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng ra đời đã làm tăng

đáng kể dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống, đặc biệt là khi sử dụng các

công nghệ làm giảm các yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ thống truyền dẫn quang

như suy hao, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến; các công nghệ khuếch đại quang

EDFA, chuyển mạch gói quang.

Các công nghệ khác như ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM

(Optical Time Division Multiplexing), truyền dẫn Soliton thì dung lượng được

đáp ứng rất tốt nhưng lại quá phức tạp nên giá thành của hệ thống lại trở thành

vấn đề đáng quan tâm, vì vậy, hệ thống WDM đã được nghiên cứu và ứng dụng

rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang hiện nay. Ngoài ra, người ta còn cải

tiến công nghệ WDM bằng các công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao

DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) và ghép kênh theo bước

sóng lỏng CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing).

Hiện nay, cuộc cách mạng quang đang được quan tâm trong tầng truyền tải

của mạng viễn thông. Xu hướng phát triển của mạng quang được minh họa trong

hình 1.4.

13

Hình 1.4. Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang.

Như vậy, hệ thống thông tin quang đã phát triển không ngừng từ việc tách

ghép cố định tuyến quang đến chuyển mạch tuyến quang và đang tiến tới các hệ

thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói quang. Ở nước ta,

thông tin cáp sợi quang đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng. Các tuyến cáp

quang được 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

tương lai, mạng cáp quang sẽ được xây dựng rộng khắp. Tuyến cáp quang sẽ

được đưa đến các tỉnh thành trong cả nước 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 như VNPT, Viettel hay EVNtelecom.

Với sự phát triển mạnh của các công nghệ thiết bị quang như thiết bị

chuyển mạch quang và chuyển đổi bước sóng thì hệ thống thông tin quang sẽ tiến

tới mạng toàn quang chắc chắn sẽ không còn xa.

14

1.5. Kết luận

Tóm lại, chương 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

ly và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang, đặc điểm của hệ thống

quang, những tồn tại và xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang.

Hệ thống quang đã phát huy những ưu điểm vượt trội của mình và khắc

phục những điểm yếu để tạo ra được hệ thống thông tin quang hiện đại có thể đáp

ứng được nhu cầu thông tin băng rộng hiện nay. Vậy để hiểu rõ về một hệ thống

thông tin quang ta tìm hiểu ở các chương tiếp sau

15

CHƯƠNG 2

CÁC PHẦN TỬ THỤ ĐỘNG CƠ BẢN CỦA HỆ

THÔNG THÔNG TIN QUANG

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 ưu

điểm về cấu trúc, vị trí lắp đặt, và ứng dụng như :

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 người sử dụng.

Tuy vậy chúng có những nhược 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 lượng hoạt động của các phần tử thụ động cũng phụ thuộc vào vật

liệu và công nghệ chế tạo của bản thân thiết bị như 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

16

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 ly chung cho các phần

tử thụ động là vật ly quang hình.

2.1.1. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng khúc xạ và phản xạ ánh sáng được xem xét trong trường hợp có

hai môi trường khác nhau về chỉ số chiết suất. Khi ánh sáng đi từ một môi trường

trong suốt này đến một môi trường trong suốt khác th. ánh sáng sẽ thay đổi

hướng truyền của chúng tại ranh giới phân cách giữa hai môi trường. Như vậy có

hai khả năng xảy ra :

Ánh sáng bị đổi hướng quay ngược trở lại

Ánh sáng được phát tiếp vào môi trường trong suốt thứ 2.

Các tia sáng khi qua vùng ranh giới giữa hai môi trường bị thay đổi hướng

nhưng có thể tiếp tục đi vào môi trường chiết suất mới thì ta nói tia đó bị khúc

xạ. Còn các tia sáng khi qua ranh giới này lại quay ngược trở lại môi trường 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 trường trong suốt với chiết suất môi trường thứ nhất n1 lớn hơn

chiết suất môi trường thứ hai n2.

a) b) c)

17

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 trường với tia

tới.

θ 2 là góc khúc xạ - góc tạo bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường với

tia khúc xạ.

θ1’ là góc phản xạ - góc tạo bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường với

tia phản xạ.

θc 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 trường, lúc ấy θc được gọi là góc tới

hạn

Hình 2.1 d: Khi θ1>θc thì tia tới bị phản xạ hoàn toàn về môi trường 1, hiện

tượng này được gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần (total reflection).

18

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) như sau :

sin θ1

sin θ2

= n 2n 1

Trong đó : n1, n2 là chiết suất của hai môi trường 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 trường đầu tại mặt phẳng phân cách hai môi trường. Lúc

này ta gọi đó là hiện tượng phản xạ toàn phần (Total Internal Reflection). Hình

2.1d minh họa quá trình phản xạ toàn phần - TIR.

Như vậy có thể nêu ra điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là :

Các tia sáng phải đi từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn hơn sang môi

trường 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 được lan truyền dựa

vào hiện tượng phản xạ toàn phần, điều này có thể giải thích như sau:

Xét ánh sáng truyền qua các môi trường với đường biên song song (ống

thủy

tinh). Các môi trường này có chiết suất như sau : chiết suất môi trường đầu tiên

và môi trường cuối cùng bằng nhau (cùng là không khí - n1), nhưng khác với môi

trường trung gian (là thủy tinh - n2 > n1).

19

Hình 2.2. Đường đi của ánh sáng qua khối thủy tinh.

- Khi nguồn sáng đặt trong môi trường 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 trường thủy tinh. Ngược

lại góc tới lơn hơn góc tới hạn th. sẽ có sự phản xạ toàn phần trong môi trường

thủy tinh (như 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.

20

Lõi sợi

vỏ sợi

2.2. Sợi quang

2.2.1. Cấu trúc của sợi quang

Sợi quang có cấu trúc như 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 hướng

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 trường truyền ánh sáng nhưng nó là môi trường tạo ra ranh giới với lõi và

ngăn chặn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài, tham gia bảo vệ lõi và gia cường thêm

độ bền của sợi.

Hình 2.4. Cấu trúc tổng thể của sợi.

21

NA=n . Sinθ0 max=√n12−n2

2=n1√2 Δ , Δ=n1−n2

n1

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 suấtkhúc xạ

Sợi quang chiết suất phân bậc

Sợi quang chiết suất biến đổi đều

n1: Chiết suất lõi sợi quang

n2: Chiết suất vỏ sợi quang

Sự lan truyền ánh sáng dọc theo sợi quang được mô tả dưới dạng các sóng

điện từ truyền dẫn được gọi là cac mode trong sợi. Đặc điểm của các mode

truyền trong sợi quang:

- Mỗi một mode truyền là một mẫu các đường trường điện và trường từ

được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng.

- Các mode hoàn toàn độc lập với nhau.

- Mỗi mode có tốc độ lan truyền riêng và có bước 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 đường truyền khác nhau, tức là truyền

cùng vận tốc nhưng thời gian đến cuối sợi sẽ khác nhau. Do đó khi đưa một xung

ánh sáng vào đầu sợi do hiện tượng tán sắc ánh sáng nên cuối sợi nhận được một

22

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: đường kính lõi a=50m, đường kính lớp bọc

125m, độ lệch chiết suất =0,01, chiết suất lõi n=1,46.

Tần số chuân hóa V (hay còn gọi là tham số V) xác định như sau:

23V=2 π

λ. a . NA=2 π

λ. a . n1√2 Δ≈38 ( λ=850 nm)

Tần số mode M đi vào được 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: đường kính lõi (a=9-10m), đường

kính lớp bọc 125m, độ lệch chiết suất =0,003, chiết suất lõi n=1,46.

Đường kính trường mode MFD (Mode Field Diameter): là một hàm của

bước sóng cho các loại đơn mode khác nhau, nó biểu thị sự phân bố tập trung

trong không gian của cường độ trường mode cơ bản.

Bước sóng cắt là bước sóng nhỏ nhất tại đó sợi quang làm việc như sợi đơn

mode.

Gọi c : bước sóng cắt trên đoạn sợi chưa bọc cáp.

cc : bước sóng cắt trên đoạn sợi đã bọc thành cáp.

24

M=2π2 .a2

λ2 (n12−n2

2 )=V 2

2≈ (726 )

λC=2 πav √n1

2−n22

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 như cấu hình của hệ thống thông tin

quang.

Suy hao tín hiệu thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao () và được

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:

25

α=10L

log( P in

Pout)

10 . log( Pin

Pout)[ dB ]

Trong thủy tinh thông thường có các tạp chất như nước 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

hao, người ta chế tạo sợi quang sao cho các sự tập trung ion OH rất nhỏ để suy

hao 0,2dB/km tại bước sóng 1550nm.

+ Hấp thụ vật liệu:

Do các liên kết nguyên tử của vật liệu sẽ hấp thụ ánh sáng có bước 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 lượng cao hơn. Vì vậy cũng gây

ra sự suy hao nhỏ ở cửa sổ đường truyền.

Suy hao do tán xạ Rayleigh:

Tán xạ Rayleigh là hiện tượng ánh sáng bị tán xạ theo các bước sóng khác

nhau, khi nó gặp phải một vật có kích thước không quá nhỏ so với bước 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 tượng 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 đường kính sợi khi ta uốn sợi theo một góc nào đó.

- Vi uốn cong: Trong lúc sợi được 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

26

tượng phủ chờm các xung kề nhau, phủ chờm đến một mức nào đó thiết bị thu

quang sẽ không phân biệt được các xung này nữa và sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu.

Như vậy đặc tính tán sắc đã hạn chế dung lượng truyền dẫn của sợi.

Trong thông tin sợi quang, tán sắc trong sợi được chia ra làm các loại như

sau:

Tán sắc mode:

Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, nó tồn tại trên các sợi đa

mode vì các mode trong sợi sẽ lan truyền theo các đường 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 bước sóng và do sự thay đổi về chỉ số chiết

suất của vật liệu lõi tạo nên. Nó làm cho bước 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 được khoảng 80% năng lượng

ở trong lõi, vì vậy còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng 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 thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại cần

quan tâm trong sợi đơn mode.

2.3. Coupler quang

Coupler là các thiết bị quang thụ động đơn giản, được 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 được gọi là bộ tách (splitter), còn coupler n x 1 được

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 như ở hình 2.7a, b,c

27

Hình 2.7. Coupler 1x2, 2x1 và 2x2.

Bộ chia quang 1x2 như trên hình 2.17 a) có tỉ lệ công suất đầu ra được gọi

là tỉ lệ chia quang α và có thể điều khiển được. Giá trị α này biểu thị tỉ lệ chia

quang dưới 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 được dùng để tách một phần công suất từ luồng ánh sáng có

thể được thiết kế với các giá trị α rất gần với 1, thường là từ 0.90 tới 0.95. Khi đó

chúng được gọi là bộ rẽ và thường 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 như 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 được truyền trong cùng một sợi, trước tiên phải tách riêng các bước sóng

khác nhau khỏi tín hiệu tổng. Có rất nhiều cách để thực hiện việc tách các bước

sóng quang, nhưng về nguyên lí chúng đều dựa trên quan điểm : các bước sóng

sẽ bị trễ pha so với bước sóng khác khi chúng được hướng qua các đường dẫn

khác nhau. Tùy thuộc vào cách nguyên lí hoạt động của từng thiết bị mà ta có hai

28

nhóm các bộ lọc khác nhau như : Bộ lọc cố định và bộ lọc điều khiển được. Bộ

lọc quang cố định là các bộ lọc về nguyên lí nó loại bỏ tất cả các bước sóng, chỉ

cho phép giữ lại một bước sóng cố định đã được xác định trước. Bộ lọc điều

chỉnh được là các bộ lọc có thể thay đổi bước sóng mà chúng cho qua tùy theo

yêu cầu.

2.4.2. Đặc điểm, tham số của bộ lọc

Hai đặc điểm quan trọng của bộ lọc cần được 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 được đo bằng độ rộng của hàm truyền đạt. Nó là tỷ số

giữa dải phổ tự do với độ rộng kênh.

F = FSR∆ f

Hình 2.8. FSR và F của bộ lọc với N kênh khác nhau.

Trong đó độ rộng kênh (Δf) được định nghĩa là độ rộng 3dB hay độ rộng

phổ nửa công suất của bộ lọc. Δf đặc trưng cho độ hẹp của đỉnh hàm truyền đạt.

Số lượng 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 được chứa trong dải phổ tự

do hơn. Khi độ mịn thấp, các kênh cần phải được d.n cách nhau thêm một

29

khoảng để tránh xuyên âm. Do đó số lượng kênh trong dải phổ tự do cũng giảm

đi.

2.4.3. Bộ lọc quang

a. Bộ lọc cách tử Bragg sợi

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 bước sóng thỏa mãn điều

kiện phản xạ Bragg được phản xạ trở lại nguồn và cho đi qua tất cả các bước

sóng khác. Từ điều kiện phản xạ Bragg ta có :

2Ln =mλm

Trong đó : n là chiết suất lõi sợi quang.

Tại các bước sóng không thỏa mãn điều kiện trên thì ánh sáng không bị ảnh

hưởng và được 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 được 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. Thường độ rộng phổ vào khoảng 0, 1 nm trong khi đó hệ số phản xạ có

thể đạt hơn 99 %. Ưu điểm của chúng là đơn giản về cấu tạo và sử dụng, đồng

thời lại có hệ số suy hao xen thấp. Còn về nhược điểm là có chỉ số chiết suất phụ

thuộc vào nhiệt độ.

30

Cách tử Bragg có thể được sử dụng như một bộ ghép hay tách khi kết hợp với

các bộ coupler quang. Như hình 2.10 ta có hai cách tử Bragg kết hợp cùng hai

coupler quang 3dB.

Khi đưa chùm tia sáng đa sắc có bước sóng là λ1, λ2, … vào cổng 1, chùm

sáng qua coupler 3dB thứ nhất được chia thành hai luồng đến hai cách tử. Giả sử

bước sóng λ1 thỏa mãn điều kiện phản xạ Braggm thì ánh sáng có bước sóng λ1

sẽ bị phản xạ bởi cách tử và tại cổng ra 4 ta đã tách được bước sóng λ1.

b. Bộ Isolator và Circulator

Isolator là thiết bị cho phép truyền dẫn chỉ theo một hướng và không cho

truyền dẫn theo hướng 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 được cách ly khỏi tín hiệu.

Circulator là một thiết bị tương tự Isolator, nhưng nó có nhiều cổng. Hình

2.10 mô tả một Circulator với 4 cổng vào và 4 cổng ra. Tín hiệu từ mỗi cổng

được hướng 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 bước sóng riêng, những tia sáng này

được ghép lại và truyền vào sợi quang. Thiết bị thực hiện chức năng này gọi là

bộ

31

ghép kênh quang (Multiplexer hay MUX). Ngược lại, ở phía thu có một thiết bị

tách

tín hiệu quang thu được thành các kênh quang có bước sóng khác nhau để đưa

đến mỗi bộ thu quang riêng biệt.

CHƯƠNG 3

CÁC PHẦN TỬ TÍCH CỰC CƠ BẢN CỦA HỆ

THÔNG THÔNG TIN QUANG

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 (như nêu ở chương 2) cũng được 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 được 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 như : vị trí lắp đặt, cơ

chế bảo dưỡng 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

32

Bộ khuếch đại quang

Chuyển đổi bước sóng

3.1. Cơ sở vật lí chung của các phần tử tích cực

3.1.1. Các khái niệm vật lí bán dẫn

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 như 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 được những đặc tính hết sức đáng chú y. Một vật liệu loại p được ghép

với vật liệu loại n sẽ cho ta một lớp tiếp xúc được gọi là tiếp giáp p-n. Khi tiếp

giáp p – n được 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 trường tiếp xúc Etx đặt ngang tiếp giáp p – n. Chính điện trường này sẽ ngăn

cản các chuyển động của các điện tích khi tình trạng cân bằng đã được 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 dương nguồn nối với vật liệu n,

cực âm nối với vật liệu p thì tiếp giáp này được gọi là phân cực ngược. (Như hình

3.1b). Nếu phân cực ngược 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 lượng nhỏ hạt mang thiểu số tràn qua tiếp giáp tại điều kiện

nhiệt độ và điện áp bình thường. Còn khi phân cực thuận cho tiếp giáp (cực âm

nối với vật liệu n, c.n cực dương nối với vật liệu p như hình 3.1c) thì các điện tử

vùng dẫn phía n và các lỗ trống vùng hóa phía p lại được 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 dư ra chính

là cơ chế để phát ra ánh sáng.

33

Hình 3.1. Tiếp giáp P-N và phân cực cho các lớp tiếp giáp.

3.1.2. Các quá trình đặc trưng trong vật lí bán dẫn

a. Quá trình hấp thụ và phát xạ

Trong vật liệu, ở điều kiện bình thường có xảy ra các quá trình tương tác

giữa vật chất và môi trường xung quanh, và tạo ra các hiện tượng 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 lượng E1 và E2 với E2 > E1 như 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.

34

- Quá trình hấp thụ ( hình 3.2 a)

Giả thuyết có một điện tử đang nằm ở mức năng lượng thấp ( 1E ), không có

điện tử nào nằm ở mức năng lượng mức cao hơn ( 2E ), thì ở điều kiện đó nếu có

một năng lượng bằng với mức năng lượng chênh lệch cấp cho điện tử thì điện tử

này sẽ nhảy lên mức năng lượng 2E . Việc cung cấp năng lượng từ bên ngoài để

truyền năng lượng cần tới một mức cao hơn được gọi là kích thích sự dịch

chuyển của điện tử tới một mức năng lượng khác được gọi là sự chuyển dời.

E1 = Ev = năng lượng vùng hóa trị.

E2 = Ec = năng lượng vùng dẫn.

Eg = Ec – Ev = năng lượng dải trống.

Quá trình hấp thụ : khi ánh sáng tới có năng lượng 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 được coi là

đang ở trạng thái kích thích.

- Quá trình phát xạ ( hình 3.2 b)

Điện tử rời khỏi mức năng lượng cao 2E bị hạt nhân nguyên tử hút và quay

về trạng thái ban đầu. Khi quay về trạng thái 1E thì một năng lượng đúng bằng

2E - 1E được giải phóng. Đó là hiện tượng phát xạ tự phát và năng lượng được

giải phóng tồn tại ở dạng ánh sáng gọi là ánh sáng phát xạ tự phát. Photon được

tạo ra tự phát th. có hướng ngẫu nhiên và không có liên hệ về pha, tức là ánh

sáng không kết hợp. Theo cơ học lượng tử, bước sóng ánh sáng phát xạ được tính

theo công thức:

12 EE

hc

(3.2)

35

Bước sóng tỷ lệ nghịch với độ lệch năng lượng của các nguyên tử cấu tạo

nên linh kiện phát quang. Do đó bước 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 lượng phù hợp đập vào

nguyên tử ở trạng thái kích thích và phát xạ ra các photon giống hệt nhau về năng

lượng 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 lượng 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 được 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 lượng

lớn các điện tử nằm trên vùng dẫn và một số lượng lớn lỗ trống nằm dưới vùng

hóa trị. Trạng thái này gọi là đảo mật độ.

36

Hình 3.3. Giản đồ năng lượng của tiếp giáp p-n với bán dẫn suy biến.

Như 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 lượng 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 được 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 đưa 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 như đã nêu ở trên. Chúng có nhiều ưu điểm như : kích thước nhỏ, hiệu

37

suất chuyển đổi quang điện rất cao, có vùng bước 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 người 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

được phân cực thuận, như hình vẽ:

Hình 3.4. cấu trúc LED.

Có hai loại cấu trúc LED được 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 được 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

38

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 thường có dạng phiến tròn,

đường kính khoảng 50μm và độ dày khoảng 25μm. Mẫu phát chủ yếu là đẳng

hướng với độ rộng chùm phát khoảng 120o. Mẫu phát đẳng hướng này gọi là mẫu

Lambertian. Khi quan sát từ bất kỳ hướng nào thì độ rộng nguồn phát cũng

ngang bằng nhau nhưng công suất lại giảm theo hàm cosβ với β là góc hợp giữa

hướng 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):

39

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 nhưng 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 hướng sự

phát xạ về phía lõi sợi. Để tương hợp được với lõi sợi dẫn quang có đường 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 thường là từ 100μm đến 150μm.

Mẫu phát xạ cạnh có định hướng 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 tượng

tái hợp các điện tử và lỗ trống ở vùng tiếp giáp p-n. Do vậy, LED sẽ phát sáng

nếu được phân cực thuận. Khi được 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

ngược 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 trường ánh

sáng được 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 trường quang và các hạt dẫn này làm tăng độ bức xạ và hiệu suất cao.

40

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 được bơm vào các phần bán dẫn tỷ lệ với cường độ dòng điện của LED, do đó

cường độ phát quang của LED tỷ lệ với cường độ dòng điện qua điốt.

c. Ứng dụng của LED

Thường 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 lưọng tử thấp. Nó thường chỉ được áp dụng cho các mạng có khoảng cách

ngằn như 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 được sử dụng rộng rãi

trong các hệ thống truyền tốc độ thấp.

41

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 gương phản xạ được đặt qua vào nhau

để phản xạ ánh sáng bức xạ hay còn gọi là hốc cộng hưởng (Fabry-Frot).

Hình 3.8. Cấu trúc LD.

b. Nguyên lí

Khi có một lớp điện áp phân cực được đặt vào lớp tiếp giáp thì các electron

sẽ được bơm vào, lớp hoạt chất được kích thích, sau đó tái hợp với các lỗ trống

có điện tích dương tại đó, đồng thời sinh ra năng lượng dưới dạng quang và

nhiệt. Hốc cộng hưởng (Fabry-Frot) tạo ra sự tương 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 thường sẽ cho đa phổ nhưng làm việc không ổn

định ở tốc đọ cao.

+ Diode laser đơn mode có đọ rộng phổ hẹp, hoạt động dựa theo nguyên ly 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.

42

c. Đặc điểm

+ Có độ rộng phổ hẹp.

+ Bước song ổn định.

+ Được 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 được

từ môi trường 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 được gọi là detector.

Hai bộ tách quang thường được 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 được sử dụng. Đặc điểm của

các

Photodiode PIN là có thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao. Nó

không có khả năng khuếch đại d.ng quang điện nhưng nó lại tránh được 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 thường rất

mỏng để hấp thụ hết các photon vàp lớp bán dẫn i. Lúc này độ rộng của vùng

nghèo được 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 được mô tả trong hình

3.9 sau.

43

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 lượng lớn hơn năng lượng 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 được 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 (như hình

3.9). Các cặp điện tử - lỗ trống này được sinh ra trong vùng nghèo. Khi có điện

trường 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 như hình 3.9) tạo ra dòng điện ở mạch ngoài,

dòng điện này được gọi là dòng quang điện. Bình thường một photon chỉ có thể

tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống, với giả thiết hiệu suất lượng tử bằng 1, nghĩa là

với một lượng photon xác định chỉ có thể tạo ra một dòng điện xác định. Tuy

nhiên trong thực tế không được như vậy vì ánh sáng còn bị tổn hao do nhiều yếu

tố trong đó có yếu tố phản xạ bề mặt.

44

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-𝛂λ) (3.4)

Trong đó : P(x) là công suất quang được hấp thụ ở cự ly x

Pin là công suất quang tới

-𝛂λ là hệ số hấp thụ tại bước sóng λ.

Như vậy khả năng thâm nhập của ánh sáng vào lớp bán dẫn thay dổi theo

bước

sóng. Vì vậy, lớp bán dẫn p không được quá dày. Miền i càng dày thì hiệu suất

lượng 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 đưa vào cũng phải tăng lên tương 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 được quá lớn vì như 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 hưởng thời gian trôi.

Thường hay chọn :

1α < W < 2

α Với α tùy thuộc vào vật liệu. (3.5)

Khi bước 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 được sử dụng ở bước sóng tới hạn. Bước sóng này được

tính dựa vào độ rộng vùng cấm Eg theo công thức sau :

λc = hcE g =

1,24E g (eV ) (3.6)

45

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 được phân tích ở phần tiếp theo sau đây.

c. Đặc tính của PIN

Đặc tính của Photodiode thường được đặc trưng bởi hệ số đáp ứng R ( còn

gọi là độ nhậy của nguồn thu ) và hiệu suất lượng tử η.

Hiệu suất lượng tử:

Hiệu suất lượng tử được 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

lượng tử là tỷ số của thông lượng các cặp điện tử và lỗ trống sinh ra góp phần tạo

ra d.ng quang điện ở mạch ngoài trên thông lượng của photon tới. Như vậy, hiệu

suất lượng tử của PIN là tỷ số giữa số lượng hạt tải chạy trong mạch và số photon

đi vào được bề mặt PIN trong cùng một đơn vị thời gian.

η=Ip /e

Pin /hv = hve R Với R là độ đáp ứng của PIN (3.7)

Theo công thức 3.4 thì hiệu suất lượng tử phụ thuộc vào bước 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 lượng tử của PIN sẽ được tính như 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 lượng tử càng lớn khi kích thước vùng i càng lớn.

Độ nhạy của PIN:

Khi hiện tượng hấp thụ ánh sáng xảy ra ở PIN th. có một d.ng quang điện

được sinh ở mạch ngoài. D.ng này tỷ lệ với công suất đi vào PIN, và được xác

định theo công thức sau : Ip = R. Pin

Trong đó R là độ nhạy của PIN. Theo công thức 3.7 ta suy ra :

46

R = ηehv

=ηehc

λ ≈ηλ

1,24 [A/W] (3.9)

Như vậy độ nhạy PIN tỷ lệ với bước sóng, với một hiệu suất lượng tử là

hằng số thì độ nhạy PIN tăng tuyến tính theo bước sóng. Ta có hình 3.10 mô tả

sự hụ thuộc của độ nhạy vào bước sóng.

Hình 3.10. Sự phụ thuộc của độ nhạy vào bước sóng.

Mặt khác, hiệu suất lượng 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 như 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 được 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 như cấu trúc của PIN nhưng 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 được 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, cường

độ điện trường trong miền này rất lớn, ở đây xảy ra quá trình nhân điện tử.

47

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 như tinh khiết. Nó giống như

lớp i của PIN. Hầu như 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 tượng hấp thụ như 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 được chiếu vào bề mặt APD, chúng được hấp thụ

và sản sinh ra một cặp điện tử và lỗ trống. Đặt một điện áp ngược vào APD như

hình 3.11a, ta thấy có hiện tượng 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 trường rất mạnh, điện trường này khiến cho chúng tăng năng lượng dần dần

đến khi đạt được trạng thái iôn hóa, chúng được 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 được 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 được khuếch đại mà ta gọi là hiệu ứng “thác lũ”. Ta có thể xét quá trình

này thông qua các biểu thức toán học sau đây. Tốc độ sinh ra hạt tải thứ cấp được

đặc trưng bởi các hệ số iôn hóa αe và αh [cm-1]. Đại lượng này cho biết số lượng

48

hạt tải mới được sinh ra hay số lượng hạt tải dịch đi trong 1cm chiều dài. Lúc đó

quá trình khuếch đại dòng của APD thể hiện qua phương trình tốc độ sau :

die

dx = α e . ie+αh . ih và - die

dx = α e . ie+αh . ih (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 :

die

dx = (αe – αh )ie + αh .I (3.12)

Xét trường hợp khả năng iôn hóa của điện tử lớn hơn của năng iôn hóa của

lỗ trống ta có : αe>αh. Coi như dòng điện tử chiếm chủ yếu, và chỉ có điện tử đi

qua được 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) được định nghĩa là tỷ lệ giữa dòng đã được

khuếch đại và dòng khi chưa được khuếch đại. Như vậy :

M = ie(d)ie(0)

với d là độ dày của vùng nhân hạt tải. (3.13)

Như 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 trưng của APD

Cũng như PIN, APD có các đặc trưng của một Photodiode, tuy nhiên v.

APD có khả năng khuếch đại so với PIN nên các tham số đặc trưng của nó có

thêm hệ số nhân M.

Độ nhạy của APD được xác định theo công thức sau :

RAPD = R.M = ηeh v

. M (3.14)

49

Trong đó R là độ nhạy của PIN.

Như vậy độ nhạy của APD cũng phụ thuộc vào bước sóng như 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 như công thức 3.8, thì thấy rằng M rất nhạy cảm với các hệ số α e , và

αh.

Xét đối với các trường 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 tương tự ta có : kA = 1.Lúc đó ta có :

M ≈ lim 1−k A

exp [−(1−k A ) α e d ]−k A ≈

11−α e d (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 thường 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. Như mô tả trong hình 3.12 thì

M tăng khi Vd tăng và đặc tuyến này tùy thuộc vào các nhiệt độ khác nhau.

50

Hình 3.12. Sự phụ thuộc của M vào nhiệt độ Vd.

3.4. Bộ khuếch đại

Như đã đề cập trong phần trước, 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 đường dài các mất mát quang này được khắc phục

bằng các trạm lặp, trong đó tín hiệu quang suy giảm được biến đổi thành tín hiệu

điện và được đưa 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 bước 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 được nghiên cứu và trong những năm 1990 các hệ thống đường 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 được sử dụng trong các tuyến cáp biển

xuyên đại dương. Đến nay có nhiều bộ khuếch đại quang đã được nghiên cứu và

ứng dụng như : 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 được sử dụng rộng rãi nhất là : khuếch đại quang

bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er (EDFA) và lần lượt

được 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 được sử dụng trước khi xảy ra ngưỡng phát

xạ Laser.

a. Cấu trúc bộ SOA

Cấu trúc cơ bản dựa trên cấu trúc của Laser bán dẫn thông thường, có dộ

rộng vùng tích cực có độ rộng W, độ dày d và chiều dài L, chỉ số chiết suất là n

được 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 được kí hiệu tương ứng là

51

R1 và R2. Các bề mặt chống phản xạ được 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 được cung cấp bởi dòng điện phân cực.

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 gương phản xạ trong

bộ cộng hưởng (với hệ số phản xạ cao R » 32%), cấu trúc của FPA cũng tương tự

52

như laser Fabry-Perot nhưng hoạt động với dòng phân cực Ibias < Ith. Với cấu trúc

hốc cộng hưởng 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 nhưng phổ khuếch đại nhấp nhô, không

đều. Điều này, làm giảm dải thông khuếch đại của FPA. Khi dòng bơm Laser bán

dẫn ở dưới ngưỡng phát, nó sẽ hoạt động như một bộ khuếch đại, tuy nhiên các

thành phần phản xạ trên ngưỡng vẫn tham gia vào quá trình khuếch đại.

Bộ khuếch đại quang bán dẫn TWA là các Laser bán dẫn không có hộp

cộng hưởng. TWA khắc phục hạn chế trên của FPA, gồm hai lớp chống phản xạ

AR ( anti reflection ) có hệ số phản xạ R = 0, được 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 được khuếch đại khi chỉ đi qua một lần (được 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

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 = (3.16)

G (dB ) = 10 log[ ] (3.17)

Trong đó: G là hệ số khuếch đại tín hiệu của bộ khuếch đại quang.

Pin, Pout tương 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):

53

in

out

P

P

in

out

P

P

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 được 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 được truyền bởi một bộ khuếch đại quang. Do đó,

ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống thông tin quang khi sử dụng chúng

như 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 được. Bằng thực nghiệm, người ta thấy

rằng trong tất cả các bộ khuếch đại quang, khi công suất đầu vào P in 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 được gọi là công

suất ra bão hòa Psat,out.

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 được. Thông

thường, 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 được duy trì trong một dải công

suất vào và ra rộng.

Hệ số tạp âm (Noise Figure) :

Giống như 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 hướng gần với hướng truyền của

các photon tín hiệu, chúng sẽ tương tác với các photon tín hiệu gây nên sự dao

động về pha và biên độ. Bên cạnh đó, năng lượng do phát xạ tự phát tạo ra cũng

sẽ được khuếch đại khi chúng truyền qua bộ khuếch đại về phía đầu ra. Do đó, tại

54

đầu ra của bộ khuếch đại công suất quang thu được Pout bao gồm cả công suất tín

hiệu được khuếch đại và công suất tạp âm phát xạ tự phát được khuếch đại ASE

(Amplified Spontaneous Emission ).

Pout = G.Pin + PASE (3.18)

Ảnh hưởng của tạp âm đối với bộ khuếch đại quang được 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 được

cho bởi công thức sau:

NF = (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 được là 3dB. Những bộ khuếch đại thỏa mãn hệ số tạp âm tối

thiểu này được gọi là đang hoạt động ở giới hạn lượng tử.

Ngoài bốn thông số kỹ thuật chính được nêu ở trên, các bộ khuếch đại

quang còn được đánh giá dựa trên các thông số sau:

- Độ nhạy phân cực: là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại của bộ khuếch

đại vào phân cực của tín hiệu.

- Ảnh hưởng 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 được 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 như hình 3.14

55

out

in

SNR

SNR

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 được gọi là sợi tích

cực. Cấu trúc sợi gồm các thành phần như trong hình 3.15.

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 thường được pha tạp với nồng độ từ 1000 tới 2000ppm

Erbium. Đường kính của vùng tâm lõi EDF khoảng 5µm và là nơi tập trung

cường độ ánh sáng bơm cũng như tín hiệu vào.

Lớp vỏ thủy tinh có chỉ số chiết suất thấp hơn được bao quanh vùng lõi để

hoàn thiện cấu trúc dẫn sóng. Đường 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

56

trong vỏ phản xạ). Như vậy ngoài sự pha trộn Erbium thì cấu trúc sợi này cũng

tương tự như sợi đơn mode tiêu chuân hay sợi tán sắc dịch chuyển DSF tương

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 lượng cho EDFA hoạt động để thực hiện khuếch đại

tín hiệu. Nguồn năng lượng này gọi là năng lượng bơm hay nguồn bơm. Nguồn

bơm thường có bước sóng 980 hoặc 1480nm, công suất bơm tiêu biểu là từ 10 tới

100 mW. Các diode được dùng làm nguồn bơm thường có cấu tạo phù hợp với

cấu hình và bước sóng bơm. Ví dụ khi bơm ở 980nm thì loại LD bơm thường là

loại có vùng tích cực với cấu trúc giếng lượng tử InGaAs còn khi bơm ở bước

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 bước sóng WDM: thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng

bơm vào sợi pha tạp Erbium.

- Các bộ cách li có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống như

phản xạ Reyleigh từ các bộ nối quang hay phản xạ ngược 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 bước sóng λ=1530÷1560 nm khi tín hiệu truyền dọc sợi.

Nguyên ly 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 được giải thích nhờ giản đồ vùng năng lượng của ion Erbi hóa trị ba

trong lõi sợi quang EDF như mô tả trong hình 3.16.

57

Hình 3.16. Giản đồ năng lượng của ion Er3+ trong lõi sợi EDF.

Khác với sợi quang thạch anh thông thường ánh sáng truyền dọc sợi bị suy

hao cường độ, sợi EDF khi hấp thụ năng lượng ánh sáng bơm từ bên ngoài có

bước 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 như sau:

- Khi nhận được năng lượng từ ánh sáng nguồn bơm ở bước sóng bơm thích

hợp λP , các điện tử của ion Ecbi dịch chuyển từ mức năng lượng E1 (mức ổn

định) trong vùng hoá trị lên mức năng lượng cao hơn E2 (với bước sóng bơm

λP=980 nm) hoặc mức E3 (với bước sóng bơm λP=1480 nm ) ở vùng dẫn, để lại

các lỗ trống ở vùng hoá trị. Ion Ecbi khi đó nằm ở trạng thái bị kích thích.

- Mức năng lượng E2 là mức không ổn định, nên các điện tử nhanh chóng tự

động địch chuyển xuống mức thấp hơn là E3 với hằng số thời gian khá nhỏ

t32=10 μs . Dịch chuyển này không bức xạ ra ánh sáng và gọi là sự phân rã không

bức xạ.

- Mức năng lượng E3 là tương đối ổn định, các điện tử từ mức này dịch

chuyển về mức ổn định E1 với hằng số thời gian khá lớn t31=10 ms , nên được gọi

là mức siêu bền. Nếu các điện tử từ mức siêu bền E3 tự động dịch chuyển về mức

ổn định E1 để tái hợp với lỗ trống thì sẽ phát ra bức xạ tự phát có bước sóng nằm

trong dải từ 1520¿ 1560nm. Do các photon của bức xạ tự phát có pha và hướng

ngẫu nhiên, nên cường độ rất yếu và chỉ tồn tại một lượng rất nhỏ trong sợi pha

tạp (cỡ 1%). Bức xạ tự phát này là nguồn tạp âm chính của bộ khuếch đại EDFA,

58

nó được khuếch đại và làm suy giảm tỉ số tín/tạp ở đầu ra và được gọi là tạp âm

bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission).

- Khi có tín hiệu ánh sáng với năng lượng của photon bằng độ rộng vùng

cấm giữa hai mức E3 và E1 ( E = hν = E3 - E1= EG ) truyền vào sợi quang EDF,

lập tức các điện tử nằm ở trạng thái bị kích thích (trạng thái siêu bền) E3 dịch

chuyển về mức ổn định E1 tái hợp với lỗ trống và phát ra bức xạ kích thích. Các

photon của bức xạ kích thích có cùng bước sóng và đồng pha với photon tín hiệu

kích thích truyền vào sợi, nên kết quả là ánh sáng bức xạ kích thích có cường độ

rất mạnh truyền dọc theo sợi quang EDF.

Như vậy tín hiệu ánh sáng đi vào sợi đã được khuếch đại lên nhiều lần và

đoạn sợi quang EDF làm nhiệm vụ như một bộ khuếch đại quang, mang tên bộ

khuếch đại quang sợi EDFA.

c. Đặc tính của bộ EDFA

Bộ EDFA cũng có những thông số như một bộ khuếch đại như các thông số

về độ khuếch đại, tạp âm, độ nhạy phân cực. Sau đây lần lượt xét các thông số

đặc tính này.

Hệ số khuếch đại

Hệ số khuếch đại công suất ra và nhiễu khuếch đại là các đặc tính quan

trọng nhất của EDFA trong việc dùng nó trong hệ thống thông tin quang.Hệ số

khuếch đại là tỷ số giữa công suất tín hiệu ra và công suất tín hiệu vào ở bước

sóng 1530nm và 1550nm mà tại đó EDFA có khả năng khuếch đại cao nhất. Hệ

số này của EDFA phụ thuộc nhiều vào thông số của linh kiện như : nồng độ iôn

Er+3, độ dài khuếch đại, bán kính lõi sợi và bán kính pha tạp, công suất bơm …

Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất và bước sóng bơm

Nhìn chung độ khuếch đại tín hiệu lúc đầu tăng mạnh (theo hàm mũ) theo

chiều tăng của công suất bơm. Độ tăng nay giảm dần khi công suất bơm đạt tới

một giới hạn nào đó. Chế độ sau cùng hệ số khuếch đại hầu như không tăng cho

dù có tăng công suất bơm. Trường hợp này tương ứng khi mà hầu hết các ion

Er3+ được kích thích tơi mức 4I13/2 dọc theo toàn bộ độ dài sợi. Hệ số khuếch đại

59

lớn nhất của bộ khuếch đại (đơn vị dB/mW) là một đường thẳng qua gốc tọa độ

tiếp tuyến với đường cong khuếch đại như hình 3.17. Từ hình 3.17, ta thấy sự

phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào độ dài sợi EDF. Độ dài sợi tăng thì hệ số

khuếch đại cũng tăng do số ion Er3+ được kích thích nhiều hơn.

Hình 3.17. Sự phụ thuộc của độ khuếch đại vào công suất bơm EDFA.

Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào bước sóng bơm được nghiên cứu

chủ yếu với hai bước sóng bơm là 980nm và 1480nm.

Hình 3.18. Quan hệ giữa độ dài EDF, bước sóng bơm với hhẹ số khuếch đại.

Hình 3.18. mô tả quan hệ giữa độ dài EDF, bước sóng bơm và hệ số khuếch

đại tín hiệu tại công suất bơm 20mW.

60

Từ hình vẽ ta thấy với cùng mức tín hiệu đầu vào (-35dB) để thu được giá

trị hệ số khuếch đại như nhau thì độ dài khuếch đại tối ưu khi bơm ở bước sóng

1480nm dài hơn khi bơm ở bước sóng 980nm hay nói cách khác cùng một độ dài

sợi, cùng công suất bơm thì bơm ở bước sóng 980nm có hiệu quả hơn bơm ở

1480nm. Tức là bơm ở bước sóng 980nm cho phép tạo ra bộ khuếch đại EDFA

có hệ số khuếch đại cao hơn với độ dài sợi EDF là ngắn nhất. Tuy nhiên thực tế

phần tiết diện phổ hấp thụ bơm ở bước sóng 980nm lại hẹp so với ở bước sóng

1480nm, điều này đòi hỏi việc điều khiển bước sóng laser phát ở vùng 980nm

cần đặc biệt quan tâm khi xây dụng bộ EDFA ổn định.

Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất tín hiệu quang

Để xem xét sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất tín hiệu ta xét

với các chế độ khuếch đại của EDFA

- Chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại khi nó

hoạt động trong chế độ tuyến tính nơi mà nó hoàn toàn không phụ thuộc vào

công suất quang tín hiệu đầu vào tại công suất bơm đã cho. Điều này có nghĩa là

vùng tín hiệu nhỏ tương ứng với các mức công suất tín hiệu đầu vào mà sự

khuếch đại tín hiệu không làm giảm hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang

EDFA.

61

Hình 3.19. Hệ số khuếch đại EDFA phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào với

ba công suất bơm khác nhau.

Từ hình 3.19, ta thấy khi công suất tín hiệu vào nhỏ thì hệ số khuếch đại đạt

giá trị lớn nhất Gmax (ứng với một giới hạn công suất tín hiệu đầu vào nhất định).

Khi công suất tín hiệu đầu vào tiếp tục tăng vượt qua giới hạn ở trên thì hệ số

khuếch đại giảm dần. Lúc này bộ khuếch đại chuyển sang làm việc ở chế độ bão

hòa do khi công suất tín hiệu đầu vào lớn sẽ kích thích toàn bộ các ion Er 3+ ở

trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản nên khi đã hết thì dù có tiếp tục tăng

công suất tín hiệu đầu vào thì cũng không tăng được số ion Er3+ ở trạng thái kích

thích về trạng thái cơ bản tức là công suất đầu ra không tăng được (đã bão hòa)

tương ứng hệ số khuếch đại sẽ giảm.

Như vậy trong chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ hệ số khuếch đại là một hằng

số. Chế độ này có nhược điểm là tạp âm lớn, do công suất tín hiệu vào nhỏ không

kích thích được hết các ion Er3+ ở trạng thái gần ổn định trở về trạng thái cơ bản

vì vậy làm cho số ion Er3+ trở về trạng thái cơ bản một cách tự phát tăng lên làm

tăng công suất tạp âm ASE ở đầu ra. Khi công suất tín hiệu vào quá bé, thì đầu ra

EDFA công suất tạp âm có thể so sánh được với công suất tín hiệu đã khuếch đại

làm cho tỉ số tín/tạp ở đầu ra EDFA suy giảm rất lớn.

- Chế độ khuếch đại bão hòa

Khi công suất tín hiệu đầu vào tăng sẽ làm tăng các ion Er3+ ở trạng thái gần

ổn định về trạng thái cơ bản. Tuy nhiên ở một công suất bơm nhất định thì chỉ có

một lượng nhất định các ion Er3+ bị kích thích nhảy lên mức năng lượng cao do

đó tương ứng với nó cũng chỉ cần một lượng photon tín hiệu vào vừa đủ để kích

thích toàn bộ các ion Er3+ ở mức năng lượng cao về trạng thái cơ bản. Vì vậy khi

tín hiệu đầu vào dù có tăng hơn nữa thì công suất ra vẫn giữ nguyên và hệ số

khuếch đại bị giảm đi. Chế độ này gọi là chế độ khuếch đại tín hiệu bão hòa. Sự

bão hòa không chỉ làm giảm hệ số khuếch đại của EDFA mà còn làm hạn chế

công suất ra. Ưu điểm của chế độ này là tạp âm đầu ra nhỏ do hầu hết các ion

Er3+ ở mức năng lượng cao đã được các photon tín hiệu vào kích thích để chuyển

62

về trạng thái cơ bản nên có rất ít các ion Er3+ chuyển về trạng thái cơ bản một

cách tự phát tức là công suất tạp âm ASE ở đầu ra rất nhỏ.

Mối quan hệ giữa hệ số khuếch đại với công suất tín hiệu đầu ra thể hiện

trên hình 3.19. Ta thấy khi công suất tín hiệu đầu ra EDFA gần đạt tới giá trị bão

hòa thì hệ số khuếch đại giảm rất nhanh tức là công suất tín hiệu ra phụ thuộc vào

công suất tín hiệu bão hòa (là công suất mà ở đó hệ số khuếch đại bị giảm 3dB so

với hệ số khuếch đại trong chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ). Công suất tín hiệu

bão hòa lại phụ thuộc vào công suất bơm. Công suất bơm càng cao thì công suất

tín hiệu bão hòa cũng càng cao. Muốn tăng công suất ra phải tăng công suất bão

hòa tức là tăng công suất bơm. Tuy nhiên cũng không thể tăng công suất bơm lên

quá lớn do hạn chế của nguồn bơm và bước sóng bơm.

Hình 3.20. Độ khuếch đại tín hiệu là hàm số của công suất tín hiệu đầu ra với

các công suất bơm khác nhau.

Tính toán hệ số khuếch đại của EDFA

Trong bộ khuếch đại quang hệ số khuếch đại là một tham số quan trọng,

chúng có thể được xác định một cách tổng quát như sau:

63

G=

Pout−Pn

Pin (3.20)

Trong đó Pin , Pout lần lượt là công suất quang tại đầu vào và đầu ra bộ

khuếch đại, Pn là công suất tạp âm do phát xạ tự phát (ASE) sinh ra. Công suất

tạp âm ở đây được phát xạ từ bộ khuếch đại quang và nằm trong băng tần quang.

Việc xác định hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang là quá trình rất phức tạp

do bản chất phân bố hai hướng của nó. Một cách tổng thể ta có thể coi bộ khuếch

đại quang là tổng hợp của một chuỗi các bộ khuếch đại nhỏ với độ dài sợi tăng

dần theo lát cắt EDF. Như vậy G sẽ bao gồm toàn bộ các khuếch đại thành phần

g(z) dọc theo trục sợi và được xác định như sau:

G = lim∆ τ →0

{eg (z1)∆ z ×eg (z2) ∆z × …eg( zn=L)∆ z} = exp(∫0

L

g (z)dz)

Trong đó L là độ dài sợi EDF, g(z) là độ khuếch đại tăng dần.

Để thu được hệ số khuếch đại thực của EDFA cần phải xác định được các

tiết diện bức xạ kích thích δ e à tiết diện hấp thụ δ a. Các tiết diện này có thể xác

định được bằng thực nghiệm nhờ việc đo huỳnh quang và hấp thụ của một đoạn

EDF. Dưới đây ta có bảng liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 4I15/2 đến 4I11/2 của các loại sợi thủy tinh khác nhau.

Bảng Liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 4I15/2 đến 4I11/2

của các loại sợi thủy tinh khác nhau.

Bằng cách phân tích này độ khuếch đại thực của EDFA có thể được xác

định tùy thuộc vào mức độ biến đổi trung bình của tích lũy ion Erbium như sau:

64

G=exp {Γ S [ δe( N2 )−δa ( N1 )] . L} (3.21)

Ở đây Γ S là hệ số hạn chế giữa trường tín hiệu và sự tích lũy ion Erbium (

Γ S có giá trị từ 0¿ 1, tiêu biểu là từ 0,3¿ 0,6). N1 , N2 lần lượt là mật độ tích lũy

trung bình ở trạng thái nền và trạng thái siêu bền. N1 , N2 được xác định từ việc

giải phương trình tốc độ:

d N 2

dt=

P p δa−p N2

Ah γ p -

P s δe−s N1

Ah γ s -

N 2

τ sp (3.22)

Trong đó PP/A và PS/A tương ứng là cường độ bơm và cường độ tín hiệu;

h γ p ;h γ s là các năng lượng photon bơm và tín hiệu; τ sp là thời gian trễ tự phát.

Phổ khuếch đại của EDFA

Phổ khuếch đại của EDFA là một tham số rất quan trọng vì băng tần khuếch

đại là yếu tố cơ bản để xác định băng tần truyền dẫn. Kết quả thực nghiệm cho

thấy bằng việc pha tạp Al hoặc P trong lõi sợi thủy tinh trộn Er3+ sẽ có tác dụng

mở rộng phổ khuếch đại. Người ta đã chứng minh được rằng việc pha tạp Al có

thể thu được mức khuếch đại rất cao trong mặt phẳng trải ở vùng bước sóng từ

1540nm đến 1560nm. Đặc biệt hơn sợi EDF gốc Frouride cho ta được vùng

khuếch đại phẳng trong dải bước sóng từ 1530nm đến 1560nm. Hình 3.21 thể

hiện các phổ khuếch đại tiêu biểu của các sợi thủy tinh pha tạp Ge/Er và Al/P/Er.

Hình 3.21. Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA.

65

Phổ sợi pha tạp Ge/Er có mặt cắt gồm hai đỉnh tại 1536nm và 1552nm

trong khi đó phổ khuếch đại của sợi pha tạp Al/P/Er có vùng khuếch đại rộng

nằm trong khoảng từ 1545nm đến 1560nm mặc dù có một đỉnh khuếch đại nhô

lên tại vùng xung quanh 1530nm. Ngoài ra phổ khuếch đại của EDFA có thể

được dịch tới vùng bước song dài hơn khi sử dụng độ dài EDF là tương đối dài.

Khi tăng độ dài EDF phổ khuếch đại có thể thu được trong khoảng bước sóng từ

1570nm đến 1620nm. Tại vùng bước sóng lớn hơn 6200nm, hệ số khuếch đại tín

hiệu sẽ giảm do quá trình ASE.

Thông thường thì phổ khuếch đại đo bằng việc quét bước sóng tín hiệu với

một nguồn tín hiệu đơn, phổ được thay đổi khi công suất tín hiệu đầu vào được

thay đổi và trở nên bằng phẳng khi công suất tín hiệu đầu vào là cao. Đầu ra

quang của EDFA phụ thuộc vào bước sóng vì độ khuếch đại thay đổi theo đặc

tính bước sóng của sợi pha tạp EDF.

Tạp âm trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA

Tạp âm quang trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA

Tạp âm quang ở đây muốn nói đến phổ tạp âm quang được đo bằng máy

phân tích phổ quang. Tạp âm quang là tham số quan trọng nhất liên quan tới các

đặc tính tạp âm trong các hệ thống có khuếch đại quang. Không bao giờ có bộ

khuếch đại quang ly tưởng, có nghĩa là luôn tồn tại tạp âm trong các bộ khuếch

đại quang. Như đã biết khi nghiên cứu về các ion Erbium trong sợi EDF của

EDFA. Khi các photon bức xạ có hướng và pha ngẫu nhiên được giữ lại trong

các mode của sợi quang (thường không quá 1%) chúng sẽ trở thành một nguồn

tạp âm. Tạp âm này sẽ được khuếch đại và sẽ làm suy giảm tỉ số tín/tạp của tín

hiệu qua bộ khuếch đại (bức xạ tự phát được khuếch đại - ASE). Công suất tạp

âm nhỏ nhất tại đầu ra bộ khuếch đại được xác định như sau:

Psp.min = h (G -1)B (3.23)

Trong đó: B là một nửa băng tần của bộ khuếch đại quang. h là năng

lượng photon. Công suất tạp âm đầu ra bộ khuếch đại có thể đạt được nhỏ nhất sẽ

tương ứng với sự khuếch đại của một photon trong băng tần B, bằng một nửa

66

băng tần bộ khuếch đại B0. Từ công thức trên có thể xác định được công suất

ASE tổng được lấy ra trên toàn bộ các mode mà sợi quang đưa ra trong băng tần

B0 như sau:

PASE = mt.Nsp.h .(G - 1).B0 (3.24)

Ở đây mt là số các mode lan truyền của quá trình phân cực.

PASE là công suất bức xạ tự phát của bộ khuếch đại quang.

Trong các bộ khuếch đại quang thực tế nhất là EDFA tiêu biểu thường có

hai mode lan truyền phân cực trong bức xạ tự phát (m t = 2). Vì vậy công suất

ASE tổng là:

PASE = 2Nsp.h .(G - 1).B0 (3.25)

Hệ số bức xạ tự phát Nsp được xác định như sau:

N sp= δ e N2

δ e N2−δ a N 1 (3.26)

Trong đó δ e,δ a lần lượt là tiết diện bức xạ kích thích và tiết diện hấp thụ của sợi

quang. N1 , N2 lần lượt là mật độ tích lũy điện tích ở trạng thái nền và ở trạng thái

siêu bền. Để đơn giản gọi a = δ e N2, b = δ a N 1là các hàm số của z (vì N1,N2 là hàm

của trục z hướng dọc theo sợi). Ta cũng giả thiết các hệ số a, b là các hằng số

không phụ thuộc vào độ dài khuếch đại tức là trong môi trường bơm đồng dạng

ta có thể viết như sau:

N sp= a

a−b =

η N2

η N 2−N1 (3.27)

Ở đây η = δ e/δ a. Từ hệ số bức xạ tự phát ta tính được hệ số tạp âm của bộ

khuếch đại N(z) xuất hiện trong khi không có tín hiệu đầu vào được cho như sau:

N(z) = a

a−b(G - 1) =

η N2

η N 2−N1(G - 1) (3.28)

Kết quả trên chỉ ra rằng với hệ số khuếch đại G >> 1 thì số photon đầu ra

ASE trung bình sẽ tương đương với hệ số khuếch đại của các photon N spmà nó

thể hiện một tạp âm đầu ra tương đương.

67

+ Trong trường hợp nghịch đảo tích lũy (môi trường) là âm, tức là η N2−N1

< 0, hệ số khuếch đại G sẽ nhỏ hơn 1 và N sp là âm nhưng công suất tạp âm luôn

dương và bằng: Psp=|N sp|(G - 1). (3.29)

+ Trong trường hợp ở mức ngưỡng của nghịch đảo môi trường, tức là:

η N2−N1= 0 thì N sp không xác định nhưng công suất tạp âm vẫn được xác định

và bằng:Psp = η N2L (2.18)

+ Trong trường hợp nghịch đảo môi trường là dương,tức là η N2−N1> 0 thì

N sp>1.

Trường hợp nghịch đảo môi trường hoàn toàn, khi mà toàn bộ các nguyên

tử ở trạng thái kích thích, tức là N1= 0 thì hệ số bức xạ tự phát N sp tiến tới giá trị

nhỏ nhất của nó là 1. Trong trường hợp này công suất tạp âm đầu ra giảm tới giá

trị tạp âm lượng tử được khuếch đại PNmin = hγ (G - 1)B. Như vậy có thể thấy rằng

tạp âm đầu ra bộ khuếch đại quang nhỏ nhất thu được khi đạt được nghịch đảo

tích lũy hoàn toàn trong môi trường khuếch đại.

Trong thực tế hệ số bức xạ tự phát N sp là một sự xác định đối với nghịch

đảo lũy thừa của bộ khuếch đại. Giá trị N spgần bằng 1 là giá trị thấp nhất có thể

thu được. Giá trị này có thể đạt được khi bơm mạnh ở vùng bước sóng 980nm

(thường N sp= 1¿ 4) tương đương với nghịch đảo gần như hoàn toàn (N1 0)

trong bộ khuếch đại. Nghịch đảo hoàn toàn, nơi mà N1= N2 sẽ tạo ra hệ số tạp âm

quang bé nhất.

Sự trôi công suất bơm dọc theo sợi pha tạp Erbium sẽ tạo ra nghịch đảo N2

cũng thay đổi. Vì vậy hệ số bức xạ tự phát phụ thuộc vào N2sẽ thay đổi theo

chiều dài sợi pha tạp. Khi sử dụng bước sóng bơm 1480nm thì nghịch đảo hoàn

toàn không thể xảy ra vì bơm và tín hiệu là cùng chung trạng thái nền và trạng

thái kích thích. Các photon không chỉ được hấp thụ mà còn tham gia bức xạ kích

thích. Do đó sẽ không có bất kì một khuếch đại nào có bức xạ hoàn toàn trong

trường hợp này và bộ khuếch đại quang được bơm ở bước sóng 1480nm là bộ

khuếch đại có hệ số bức xạ cao hơn. Điều này làm tăng trực tiếp hệ số tạp âm

trong bộ khuếch đại và N spđựợc gọi là hệ số tạp âm tự phát. Trong quá trình tính

68

toán hệ số tạp âm, nhiều khi có thể sử dụng mật độ phổ ASE (W/Hz) trong điều

kiện đơn phân cực Ssp≈ N sphγ (G - 1).

Từ đây ta thấy khi độ khuếch đại là đủ lớn thì ASE trở nên đáng kể. Điều

này tạo nên sự bão hòa khuếch đại do ASE gây ra. Vì vậy EDFA còn có thể ứng

dụng như các nguồn tạp âm trong một số trường hợp.

Tạp âm cường độ trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

Tạp âm cường độ đề cập đến sự thăng giáng về công suất hoặc dòng có liên

quan tới tín hiệu quang. Loại tạp âm này có băng tần tiêu biểu tới hàng chục Ghz.

Phổ của tạp âm cường độ ám chỉ phổ công suất của cường độ quang trước khi

tách sóng. Ta sẽ nghiên cứu một số loại tạp âm cường độ.

- Tạp âm lượng tử:

Nguồn tạp âm phát sinh là do tính không chắc chắn về thời gian đến của các

điện tử hoặc các photon tại bộ tách sóng. Cả tín hiệu và ASE đều tham gia vào

tạp âm. Vì sóng mang đi tới bộ tách sóng bao gồm cả tín hiệu và tạp âm cho nên

cả công suất tín hiệu quang và công suất bức xạ tự phát ASE đều được thu. Do

đó, tạp âm lượng tử trong trường hợp này gồm cả tạp âm lượng tử từ tín hiệu đầu

vào được khuếch đại và tạp âm lượng tử từ bức xạ tự phát được khuếch đại.

- Tạp âm phách tín hiệu-tự phát:

Tạp âm phách tín hiệu-tự phát là do có sự giao thoa giữa tín hiệu quang và

bức xạ tự phát được khuếch đại ASE gây ra dao động cường độ. Tạp âm này

không thể tránh khỏi khi sử dụng EDFA và nó tham gia đầu tiên vào tổng tạp âm

trong các hệ thống thông tin có sử dụng khuếch đại quang. Hình dưới đây thể

hiện quá trình phách này.

69

Hình 3.22. Tạp âm phách tín hiệu-tự phát.

- Tạp âm phách tự phát-tự phát:

Tạp âm phách tự phát-tự phát là phách giữa các thành phần phổ khác nhau

của thành phần bức xạ tự phát ASE dẫn đến tạp âm cường độ. Hình (3.23) mô tả

mỗi một cặp các thành phần phổ ASE phát ra một âm sắc phách cường độ tại tần

số khác nhau. Vì vậy toàn bộ phổ ASE sẽ đóng góp vào tạp âm phách cường độ

tự phát-tự phát. Nếu như ASE là không phân cực, ASE ở một trong hai phân cực

trực giao sẽ tham gia vào tổng tạp âm phách tự phát-tự phát.

Hình 3.23. Tạp âm phách tự phát-tự phát giữa các thành phần phổ ASE.

- Tạp âm do phản xạ (tạp âm giao thoa nhiều luồng)

Các phản xạ quang trong bộ khuếch đại quang tạo ra sự biến đổi giao thoa

của tạp âm pha laser thành tạp âm cường độ. Tạp âm cường độ sẽ làm suy giảm tỉ

số tín hiệu trên tạp âm SNR tại bộ thu quang (hình 3.24).

70

Hình 3.24. Sự phản xạ quang tạo ra tạp âm giao thoa nhiều luồng.

3.5. Bộ chuyển đổi bước sóngChuyển đổi bước sóng cũng có thể gọi là chuyển dịch bước sóng là thiết bị

thay đổi các bước sóng truyền trong khi vẫn giữ nguyên dữ liệu truyền tải bởi các

bước sóng này không thay đổi

Chuyển đổi bước sóng cần phải thực hiện do:

+ Thứ nhất, cần kết nối các thiết bị không tương thích với nhau, ví dụ cần phải

chuyển đổi bước sóng 1310 nm của mạng thông tin quang thế hệ thứ nhất thành

bước sóng 1550 nm hoạt động trên các mạng quang ngày nay.

+ Thứ hai, với mạng quang của các nhà cung cấp khác nhau, cần phải chuyển đổi

bước sóng để truyền qua từ mạng quang này tới mạng quang khác.

Có hai loại chuyển đổi bước sóng là chuyển đổi bước sóng điện - quang và

chuyển đổi bước sóng toàn quang

+ Chuyển đổi bước sóng quang điện hoạt động như một bộ tái tạo, nó chuyển đổi

tín hiệu vào quang thành dạng điện và sau đó lại chuyển thành tín hiệu quang đầu

ra có bước sóng khác với bước sóng quang đầu vào

+ Chuyển đổi bước sóng toàn quang sử dụng các hiệu ứng phi tuyến như điều chế

pha chéo (XPM) và trộn bốn bước sóng (FWM) để thay đổi bước sóng hoạt

động, cho đến nay chuyển mạch toàn quang vẫn chưa thể thương mại hóa, mà

mới chỉ được nghiên cứu trong các phòng thử nghiệm

3.5.1. Bộ chuyển đổi bước sóng quang điệnTrong bộ chuyển đổi bước sóng quang điện, tín hiệu quang đầu tiên được

chuyển sang miền điện thông qua sử dụng Photodetector (kí hiệu R). Luồng bít

71

điện được lưu lại trong một bộ đệm theo nguyên lí FIFO. Sau đó tín hiệu điện

này được hướng vào một Laser điều chỉnh (kí hiệu T) được để điều khiển bước

sóng mong muốn ở đầu ra. Hình 3.25 mô tả bộ chuyển đổi bước sóng quang điện.

Hình 3.25. Bộ chuyển đổi bước sóng quang điện.

Hình 3.26. Sơ đồ nguyên lí bộ chuyển đổi bước sóng quang điện.

3.5.2. Bộ chuyển đổi bước sóng toàn quangChuyển đổi bước sóng toàn quang sử dụng các hiệu ứng phi tuyến như điều

chế pha chéo (XPM) và trộn bốn bước sóng (FWM) để thay đổi bước sóng hoạt

động, cho đến nay chuyển mạch toàn quang vẫn chưa thể thương mại hóa, mà

mới chỉ được nghiên cứu trong các phòng thử nghiệm

Nguyên ly hoạt động của chuyển đổi FWM như sau:

Hình 3.27. Sơ đồ nguyên lí bộ chuyển đổi bước sóng toàn quang.

72

+ Tín hiệu tin tức có bước sóng λs cùng với tín hiệu dò bước sóng λp được đưa

vào khuếch đại quang bán dẫn (SOA), việc sử dụng SOA để gia tăng hiệu ứng

FWM bởi vì bên SOA trong cường độ ánh sáng của môi trường tích cực rất cao

+ Do hiệu ứng FWM, bước sóng mới (2λs - λp và 2λp - λs) sẽ được tạo ra, sau đó

sẽ sử dụng bộ lọc để lựa chọn ra bước sóng mới, dữ liệu ban đầu truyền đi bởi

bước sóng λs sẽ được bảo toàn và truyền đi xa hơn ở bước sóng mới này λc = 2λp

- λs như hình 3.27

+ Chuyển đổi bước sóng FWM có thể truyền trong suốt với tốc độ bit và dạng tín

hiệu bất kỳ, nhưng hiệu quả của chuyển đổi này rất thấp

73

CHƯƠNG 4

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

4.1. Kết luậnVới các ưu điểm vượt trội về tốc độ và chất lượng truyền dẫn, mạng truyền

dẫn quang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và khai thác nhiều. Hiện nay, do

sự phát triển mạnh của khoa học và kỹ thuật, tốc độ và khoảng cách truyềnn dẫn

của mạng truyền dẫn quang ngày một gia tăng. Một vài ứng dụng của mạng

truyền dẫn quang trong hiện nay như:

Truyền dẫn tuyến điểm nối điểm.

Trong mạng quảng bá và phân bố.

Trong mạng cục bộ LAN.

Trong mạng truyền tải đường trục, các mạng thế hệ mới…

Tuy nhiên, ở những hệ thống thông tin quang như vậy, chất lượng truyền dẫn vẫn

có các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống như:

Nhiễu mode (trong sợi đa mode).

Dãn xung do tán sắc.

Nhiễu phân chia mode.

Nhiễu phản xạ.

Chính vì còn những hạn chế khi thiết kế một hệ thống thông tin quang nên cần

nắm rõ các thông số kĩ thuật, các phần tử trong một hệ thống, các kĩ thuật sử

dụng … để tìm ra hướng khắc phục những hạn chế trên và phát triển chất lượng

hệ thống bằng những công nghệ tiên tiến. Trong đề tài đã trình bày ở trên mới chỉ

giới thiệu sơ lược về hệ thống thông tin quang, là nền tảng để có thể tìm hiểu sâu

hơn khi muốn phát triển các hệ thống mạng truyền dẫn quang, và các giải pháp

khả thi, hiệu quả giúp nâng cấp tốc độ truyền dẫn phù hợp với điều kiện và ứng

dụng thực tế.

Các kết luận rút ra được khi làm đề tài:

- Kết thúc chương 1 cho ta hiểu khái quát về cấu trúc, đặc điểm, lịch sử phát triển

của hệ thống thông tin quang.

74

- Kết thúc chương 2,3 giúp ta hiểu thêm về :

Những đặc tính kỹ thuật của sợi quang và cáp quang. Để ứng dụng quang

trong hệ thống thông tin thì sợi quang phải được bọc thành cáp. Với các môi

trường khác nhau thì cấu trúc của cáp quang cũng khác nhau để phù hợp với nhu

cầu thưc tế.

Việc xem xét các đặc tính kỹ thuật của thiết bị thụ động và tích cực cũng là

một yếu tố rất quan trọng. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào các

thiết bị thu quang và phát quang . Nếu một sợi quang chỉ truyền tín hiệu trong

một sợi dẫn quang thì hệ thống không đáp ứng được nhu cầu trao đổi thông tin

ngày càng cao vì thế các phương pháp ghép kênh quang ra đời.

Chính vì thế mà ta có thể tìm hiểu hướng phát triển của đề tài là tìm hiểu

các kĩ thuật ghép kênh quang để nâng cao chất lượng truyền dẫn của hệ thống

thông tin quang.

4.2. Hướng phát triểnTừ những kiến thức cơ bản mà đề tài đã trình bày, ta có những hướng phát

triển tiếp theo của đề tài như:

- Tìm hiểu các công nghệ chuyển mạch quang.

Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian.

Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng.

Chuyển mạch quang hình cây phân chia theo không gian.

Ứng dụng chuyển mạch quang vào viễn thông.

- Tìm hiểu các công nghệ ghép kênh quang.

Ghép kênh phân chia theo tần số

Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM

Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM

- Tìm hiểu các mạng thông tin quang

Mạng thông tin quang ghép bước sóng

Mạng định tuyến bước sóng

Công nghệ mạng quang thế hệ sau

75

TÀI LIỆU THAM KHẢO

76