Đề tài Ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP PHÚC YÊN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN OTDM Giảng viên hướng dẫn : ThS TÔ VĂN TUẤN Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ DUYÊN Lớp : CCK02- ĐT1 Khoá : 2007- 2010 Vĩnh Phúc, tháng 05 năm 2010 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP PHÚC YÊN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN OTDM Giảng viên hướng dẫn : ThS TÔ VĂN TUẤN Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ DUYÊN Lớp : CCK02- ĐT1 Khoá : 2007- 2010 Vĩnh Phúc, tháng 05 năm 2010 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ BẢNG: BẢNG 2.1: Bảng kích thước hình học và độ chênh chiết suất ∆ của một số loại sợi quang chế tạo từ thủy tinh thạch anh BẢNG 3.1: So sánh ELED và SLED BẢNG 4.1: Các tham số kỹ thuật của photo diode PIN BẢNG 4.2: Các thông số kỹ thuật APD BẢNG 5.1: Bảng tóm tắt các phương pháp ghép kênh OTDM BẢNG 5.2: So sánh hai mức bơm 980nm và 1480nm BẢNG 5.3: Bảng so sánh EDFA hoạt động trong băng C và L HÌNH: HÌNH 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang HÌNH 2.1: Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng HÌNH 2.2: Truyền ánh sáng trong sợi quang HÌNH 2.3: Khẩu điều chế số HÌNH 2.4: Phổ suy hao của sợi quang HÌNH 2.4: Đồ thị biểu diễn đặc tính tán sắc của sợi quang HÌNH 3.1: Dải cấm năng lượng trực tiếp HÌNH 3.2: Dải cấm năng lượng gián tiếp HÌNH 3.3: Cấu tạo của LED phát xạ mặt HÌNH 3.4: Cấu trúc LED phát xạ cạnh HÌNH 3.5: a) Bức xạ tự phát HÌNH 3.5: b) bức xạ kích thích HÌNH 3.6: Cấu trúc của bộ lọc ngoài HÌNH 3.7: Đồ thị phổ bức xạ của LASER HÌNH 4.1: Đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử HÌNH 4.2: Cấu tạo của photo diode quang HÌNH 4.3: Cấu tạo của diode thác APD HÌNH 5.1: Sơ đồ hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM ghép 4 kênh quang HÌNH 5.2: Nguyên lý của bộ ghép kênh thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển mạch phân cực quang HÌNH 5.3: Cấu hình PLL quang để trích lấy clock HÌNH 5.4: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA HÌNH 5.5: Mặt cắt ngang của một sợi quang ion Erbium HÌNH 5.6: Giản đồ năng lượng của ion Er3+ HÌNH 5.7: Phổ hấp thụ và phổ độ lợi HÌNH 5.8: Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra với 2 bước sóng bơm 980nm và 1480nm. HÌNH 5.9: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép CÁC TỪ VIẾT TẮT APD Avalanche Photo Diode Điốt tách sóng thác APS Automatic Protection Switching Cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động AS Absortion Spectrum Phổ hấp thụ BUF Bandwidth Utilization Factor Hệ số sử dụng băng thông CLP Counterdirectional Pumping Bơm ngược CP Condirectional Pumping Bơm thuận CR Coupling Ratio Tỉ số ghép D Directivity Tính dịnh hướng DH Double-Heterojunction Dị thể ghép cấu trúc DP Dual Pumping Bơm hai chiều DSF Dispersion shifted Fiber Sợi quang dịch chuyển vị trí tán sắc EDF Erbium –Doped Fiber Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium FBGF Flouride-Based Glass Fiber Sợi thủy tinh Flouride FBT Fuset Bin conicaljager Coupler thông dụng GI Gradexindex Sợi quang chiết suất biến đổi Gradien GS Gain Spectrum Phổ độ lợi IL Insertion Loss Suy hao xen ISI Inter symbol Interference Sự giao thoa giữa các kí hiệu LD Laser Diode Điốt Lase LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang LW Linewidth Độ rộng kênh truyền MaD Material Dispersion Tán sắc vật liệu MB Mestable Bend Vùng giả bến MGF Multicomponent Glass Fiber Sợi quang thủy tinh đa vật liệu MM-GI Multimode Gradexindex Sợi quang đa mode biến đổi Gradien MM-SI Multimade Stepindex Sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc MoD Mode Dispersion Tán sắc mode NC Nonradiative Cecay Phân rã không bức xạ NOLM Norlinear-Loop-Mirror Gương vòng phi tuyến OFDM Optical Frequency Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo tần số OTDM Optical Time Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTN Optical Transport Network Mô hình mạng truyền tải quang OWDM Optical Wave Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng OxC Optical Crossconnect Bộ kết nối chéo quang P Padiation Phóng xạ ánh sáng PDH Plesiochronous Digital Hierarchy Phân cấp số cận đồng bộ PDL Polarization Dependent Loss Suy hao do phân cực PIN Positi Intrinsic Nagative Điốt PIN PL Pumping Laser Laser bơm PLL Phase-Locked-Loop Mạch khóa pha RL Return Loss Suy hao phản hồi SDH Synchrorious Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ SI Stepindex Sợi quang chiết suất nhảy bậc SMF Sợi đơn mode tiêu chuẩn SSR Sidelobe Suppression Ratio Tỉ lệ nén biên U Uniformity Tính đồng nhất WDM Wave Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức trong đó thông tin là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội. Do đó, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa phương tiện trong đời sống kinh tế - xã hội của từng quốc gia cũng như kết nối toàn cầu. Để đáp ứng được vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung lượng lớn. Một giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn tốc độ cao hay băng thông rộng, với dung lượng lớn và đa dịch vụ, đó là công nghệ truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao. Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao hay băng tần rộng, thì quá trình biến đổi điện – quang của các phần tử phát quang (LED, LD) và quá trình biến đổi quang – điện của các phần tử thu quang ( PIN, Photodiode, APD) không tuân theo đặc tuyến tĩnh của nó nữa, mà là hàm số của tần số (đó chính là quá trình biến đổi động của các phần tử phát và thu quang). Khi tốc độ truyền dẫn càng lớn và do đó tần số truyền dẫn của hệ thống càng cao, thì ảnh hưởng của quá trình biến đổi động của các phần tử phát và thu quang đến chất lượng truyền dẫn càng lớn. Tuy nhiên, truyền dẫn thông tin quang luôn chứa đựng những tiềm năng vô cùng phong phú và luôn được cập nhật những thông tin mới. Do đó để bao quát hết được vấn đề là một công việc hết sức rộng lớn. Chính vì thế, chúng em đã chọn đề tài “TRUYỀN DẪN QUANG” để làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp. Đề tài gồm 5 chương với nội dung như sau: CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG. Trong chương này, giới thiệu về hệ thống thông tin quang, những ưu nhược điểm của hệ thống. CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG Trong chương này chúng em nghiên cứu về cấu tạo, phân loại sợi quang và các đặc tính riêng của từng loại. CHƯƠNG III. NGUỒN PHÁT QUANG Chương này giới thiệu chung về nguyên lý phát quang, các nguồn thu quang. Cấu tạo, nguyên tắc làm việc và các đặc trưng kĩ thuật của mỗi loại nguồn phát quang. CHƯƠNG IV. NGUỒN THU QUANG Nghiên cứu về nguyên lý của các thiết bị thu quang, các thiết bị dung trong thu tín hiệu quang. CHƯƠNG V: KĨ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG THEO THỜI GIAN OTDM Giới thiệu về kĩ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, nguyên lý, những ưu nhược điểm của hệ thống này. Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ xung và phát triển rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô cũng như các bạn có quan tâm để hoàn thiện kiến thướcvề công nghệ này. LỜI CẢM ƠN Trước hết chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo ThS Tô Văn Tuấn người đã trực tiếp định hướng, giảng dạy và hướng dẫn tận tình cho chúng em từ các môn học cho đến khi hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô của trường Cao đẳng Công nghiệp Phúc Yên nói chung, quý thầy cô trong khoa điện tử- viễn thông nói riêng đã tận tình giảng dạy, trang bị những kiến thức bổ ích trong khoảng thời gian học tại trường. Em xin cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên, góp ý và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập và thực hiện đồ án. Em xin chân thành cảm ơn! NHẬN XÉT Của giảng viên hướng dẫn đồ án ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Giảng viên hướng dẫn (ký và ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT Của giảng viên hướng dẫn nộp cho Hội đồng bảo vệ đồ án ………..................................................................................................................... ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Đồ án, khoá luận được đánh giá (bằng điểm): Điểm bằng số: Điểm bằng chữ: Giảng viên hướng dẫn (ký và ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT Của giảng viên phản biện trong đồ án, khoá luận của sinh viên ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. Giảng viên phản biện (ký và ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT Của giảng viên phản biện nộp cho Hội đồng chấm đồ án ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... Đồ án, được đánh giá (bằng điểm): Điểm bằng số: Điểm bằng chữ: Giảng viên phản biện (ký và ghi rõ họ tên) CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin quang Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu của con người đối với thông tin ngày càng cao. Để đáp ứng được nhu cầu đó đòi hỏi mạng viễn thông phải có dung lượng lớn, tốc độ cao, băng thông rộng …Mặt khác mấy năm gần đây do dịch vụ thông tin phát triển nhanh chóng, để thích ứng không ngừng với sự phát triển của dung lượng truyền dẫn thông tin, thì hệ thống thông tin quang ra đời đã khẳng định được chính mình. Với việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn vào năm 1960. Bằng khuyến nghị của Kao và Jockham 1966 về việc chế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp. Bốn năm sau, Kapron đã chế tạo ra được sợi quang trong suốt có độ suy hao đường dẫn khoảng 20dB/km. Cho tới đầu năm 1980, các hệ thống thông tin quang đã được phổ biến khá rộng rãi với vùng bước sóng làm việc là 1300nm và 1500nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của thông tin sợi quang trong hai thập niên qua. Ngày nay, cáp sợi quang đã tạo ra những triển vọng mới cho công nghệ truyền thông tốc độ cao cũng như việc hiện đại hóa mạng thông tin và nhu cầu kết nối thông tin. Với giá trị suy hao gần đạt tới giá trị suy hao 0,14dB/km của sợi đơn mode, từ đó cho ta thấy hệ thống thông tin quang có những điểm nổi bật hơn hệ thống cáp kim loại. Những ưu điểm nổi bật của hệ thống thông tin quang: Dung lượng lớn: các sợi quang có khả năng truyền một lượng lớn thông tin. Với công nghệ hiện nay trên hai sợi quang có thể truyền được đồng thời 60.000 cuộc đàm thoại, một cáp sợi quang đồng trục có khả năng với 10.000 cuộc đàm thoại mà một tuyến viba hay vệ tinh có thể mang được 2000 cuộc gọi đồng thời. Kích thước và trọng lượng nhỏ: so với một cáp đồng trục có cùng dung lượng thì cáp sợi quang có đường kính nhỏ hơn và khối lượng nhẹ hơn rất nhiều, do đó dễ lắp đặt chúng hơn, đặc biệt là các vị trí có sẵn dành cho cáp (như trong đường ống đứng trong các tòa nhà) ở đó khoảng không là rất ít. Không bị nhiễm điện: truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễm diện từ (EMI) hay nhiễu tần số vô tuyến (RFI) và nó không tạo ra bất kỳ sự nhiễu nội tại nào .Sợi quang có thể cung cấp một đường truyền “sạch” ở những vị trí khắc nghiệt nhất, các công ty điện lực sử dụng cáp quang dọc theo các đường dây cao thế để cung cấp nguồn thông tin rõ ràng giữa các trạm biến áp.Cáp sợi quang cũng không bị xuyên âm, thậm chí dù ánh sáng bị bức xạ ra một sợi quang thì nó không thể thâm nhập vào một sợi quang khác. Tính cách điện: sợi quang là một vật cách điện. Sợi thủy tinh này loại bỏ nhu cầu về điện cho đường thông tin. Cáp sợi quang là một chất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và có thể cho phép cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng dụng. Có thể loại bỏ được nhiễu từ các dòng điện chạy cùng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây ra bởi sự phóng điện trên các đường dây thông tin như sét, những trục trặc về điện. Đây là một phương pháp an toàn thường được dùng ở nhưng nơi cần cách điện. Tính bảo mật: cáp quang cung cấp độ bảo mật về thông tin cao. Một thông tin quang không thể trích để lấy trộm thông tin bằng phương tiện điện thông thường như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ và rất khó trích lấy thông tin ở dạng thông tin quang. Thậm chí nếu đã trích ra thông tin quang thì nó có thể bị phát hiện nhờ kỹ thuật công suất ánh sáng thu được ở đầu cuối, trong khi đó các tín hiệu vệ tinh và viba có thể dễ dàng thu để giải mã được. Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: sợi quang là một phương tiện truyền dẫn đồng nhất và không gây hiện tượng pha đinh. Những tuyến cáp quang được thiết kế thích hợp để chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm khắc nghiệt, thậm chí có thể hoạt động dưới nước. Tính linh hoạt: các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại, video,…Các hệ thống này đều có thể tương thích với các chuẩn RS232, RS422, V.35, Ethernet, FDDI, T1, T2, T3, SONET, thoại 2/4… Tính mở rộng: các hệ thống sợi quang được thiết kế thích hợp để dẽ dàng mở rộng khi cần thiết. Sự tái tạo tín hiệu: công nghệ này cho phép thực hiện những đường truyền thông bằng cáp quang dài trên 70km trước khi cần tái tạo tín hiệu. Khoảng cách này có thể tăng lên 150km nhờ sử dụng bộ khuếch đại LASER. Với những ưu điểm vượt trội trên, hệ thống thông tin tạo ra sức hấp dẫn mạnh mẽ cho các nhà khai thác viễn thông. Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. 1.2. Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang Thiết bị đầu cuối phát quang Trạm lặp Thiết bị đầu cuối thu quang Tín hiệu vào Sợi quang Tín hiệu ra Hình 1.1. Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang 1.2.1. Chức năng các khối Hệ thống thông tin quang bao gồm các khối: 1. Khối dồn kênh /tách kênh (MUX/DEMUX) nhằm ghép các luồng tín hiệu có tốc độ thấp (2Mbit/s, 4Mbit/s, 140Mbit/s, 158Mbit/s….) thành luồng tín hiệu có tốc độ cao hơn và ngược lại. 2. Khối phát có mạch điều khiển, nguồn quang thực hiện việc điều biến các tín hiệu điện thành các tín hiệu quang để truyền thông qua cáp sợi quang. 3. Cáp sợi quang có nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu ánh sáng. 4. Trạm lặp (Reqeater) hoặc bộ khuếch đại quang đối vói tuyến có cự ly dài. 5. Khối thu quang gồm có photodiode để chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khối khuyếch đại và khôi phục tín hiệu. 1.2.2. Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang gồm có: Cự ly tuyến truyền dẫn L (km), tốc độ bit B (Mbit/s) Tỉ số tín trên tap điện S/N (SRN) hay quang OSNR Tỉ số lỗi bit BER () Độ rộng băng tần điện BW (MHz) hay quang BWo (MHz) Đối với sợi quang: hệ số suy giảm riêng (dB/km), độ mở số NA, tích cự ly và tốc độ bit BxL (Mbit/skm) Đối với máy phát quang: công suất phát ghép vào sợi Pt (mW hay dBm), bước sóng làm việc, độ rộng phổ (nm), thời gian tăng trưởng phát (ns) Đối với máy thu quang: độ nhạy thu Pr min (mW hay dBm), bước sóng làm việc, thời gian tăng trưởng thu (ns), dải động của máy thu (dBm). CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG 2.1. Cấu tạo và phân loại cáp sợi quang 2.1.1. Cấu tạo cáp sợi quang Sợi quang có cấu tạo hình trụ, gồm hai lớp chính từ chất điện môi đồng tâm nhau. Lớp trong gọi là lớp lõi (core), lớp ngoài là lớp vỏ (clading). Ngoài ra còn có lớp bảo vệ và vỏ bọc bên ngoài. Chất điện môi chủ yếu để chế tạo sợi quang phổ biến là thủy tinh thạch anh (SiO) hoặc chất dẻo tổng hợp. Sợi quang thủy tinh thạch anh có tiêu hao thấp và đường kính nhỏ nên giá thành cao, còn sợi quang làm bằng chất dẻo có đường kính lớn hơn và tiêu hao lớn hơn, giá thành thấp. Chiết suất của lõi sợi quang là n1 lớn hơn chiết suất của vỏ sợi quang n2. Lớp clading là thủy tinh hay plastic, có nhiệm vụ bảo vệ cho ánh sáng truyền lại lõi. Lớp vỏ bọc và bảo vệ bên ngoài là lớp vỏ nhựa PVC giúp bảo vệ core và cladding không bị bụi ẩm và trầy xước. Lớp vỏ bảo vệ bên ngoài có ba lớp chính là vỏ bảo vệ bên ngoài, lớp áo giáp và lớp chịu lực. 2.1.2. Phân loại sợi quang Có nhiều cách phân loại sợi quang như phân loại theo vật liệu chế tạo, phân loại theo phân bố chiết suất, phân loại theo mode lan truyền. Phân loại theo vật liệu chế tạo gồm có sợi quang thạch anh, sợi quang làm bằng thủy tinh hỗn hợp và sợi quang làm bằng chất dẻo. Phân loại theo phân bố chiết suất có sợi quang chiết suất nhảy bậc SI (Step Index), sợi quang chiết suất biến đổi Gradien GI (Gradex Index). Theo mode lan truyền: có sợi quang đơn mode (single mode), sợi quang đa mode (multi mode). Phổ biến nhất người ta phân loại sợi quang theo lan truyền kết hợp với phân bố chiết suất . Theo đó người ta phân sợi quang thành 3 loại sau: 1. Sợi quang đa mode chiết suất bậc nhảy MM_SI. Chiết suất của lớp vỏ lõi là n1 và lớp vỏ là n2 đều là hằng số nhưng khác nhau, trong sợi có thể truyền đồng thời nhiều loại mode sóng (nhiều tia sóng) khác nhau với hằng số truyền riêng của mỗi mode. Với sợi làm bằng thủy tinh thạch anh thì chiết suất n1=1,5; n2=1,48. 2. Sợi quang đa mode chiết suất biến đổi Gradien MM_GI. Lõi sợi có chiết suất phân bố biến đổi là hàm số theo bán kính của lõi, với giá trị lớn nhất tại tâm là n1 và giảm dần theo bán kính đến giá trị n2, còn vỏ sợi có chiết suất cố định là n2. Trong sợi MM_GI truyền được đồng thời nhiều mode sóng, mỗi mốt sóng truyền theo các đường cong dạng hình sin có chu kỳ gặp nhau sau một khoảng nhất định. Phân bố chiết suất của sợi GI theo quy luật sau: khi khi (2.1) Sợi MM_SI được dùng phổ biến trong kỹ thuật có mặt cắt dạng parabol (dạng tối ưu) với tham số mặt cắt . 3. Sợi quang đơn mode chiết suất nhảy bậc SM_SI. Chiết suất vùng lõi và vỏ của sợi quang này cũng là hằng số khác nhau n1, n2, nhưng bán kính vùng lõi nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode. Trong sợi quang đơn mode chỉ truyền một sợi mode sóng duy nhất là mode sóng cơ bản. Tia sóng của mode này truyền song song với trục sợi trong vùng lõi. Đường kính lõi µm Đường kính vỏ µm Đường kính vỏ bảo vệ (µm) ∆(%) SM: 8-10 125 250 hay 500 0,1 – 0,2 MM: 50 250 250 - 500 1 -2 Bảng 2.1. Bảng kích thước hình học và độ chênh chiết suất ∆ của một số loại sợi quang chế tạo từ thủy tinh thạch anh 2.2 Cở sở lý thuyết truyền dẫn ánh sáng 2.2.1 Cơ sở lý thuyết Việc truyền dẫn sóng ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng khúc xạ trong lõi sợi và phản xạ toàn phần ánh sáng trên bề mặt phân chia giữa lớp lõi và lớp vỏ của sợi quang. Để giải thích hiện tượng trên ta xét sự phản xạ và khúc xạ sóng ánh sáng trên bề mặt phân chia hai môi trường điện môi có chiết suất khác nhau là n1>n2 khi sóng ánh sáng truyền từ môi trường một sang môi trường hai. Để cho đơn giản ta coi mặt phân chia hai môi trường là phẳng rộng vô hạn. Hình 2.1. Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng Khi tia sóng truyền từ môi trường một đến mặt phân cách chia hai môi trường dưới góc (góc lập giữa tia tới và pháp tuyến n cuả mặt phân cách) thì tại mặt phân chia hai môi trường sẽ xuất hiện tia phản xạ quay trở lại môi trường một với góc phản xạ và tia khúc xạ 1’ đi tiếp và môi trường hai với góc khúc xạ là. Theo định luật khúc xạ ta có hệ thức sau: Suy ra: (2.3) (2.4) Vì n1>n2 nên ta có. Vậy sẽ tồn tại trường hợp khi tia tới (tia 2) truyền với góc tớicó giá trị để đạt được điều kiện: hay (2.5) Nếu tia sáng tới thứ 3 truyền đến mặt phân chia với một góc lớn hơn góc tới hạn thì tia khúc xạ không còn truyền trong môi trường 2 mà quay trở lại môi trường 1 trùng với tia phản xạ 3’ với góc phản xạ. Hiện tượng trên gọi là sự phản xạ toàn phần hai điều kiện để xảy ra sự phản xạ toàn phần là n1>n2, . Do sợi quang cấu tạo bởi 2 lớp chiết suất, lớp lõi kém hơn lớp vỏ n1>n2 nên khi tia sáng truyền vào lớp lõi lập với pháp tuyến mặt phân chia giữa lớp lõi và vỏ có góc tới lớn hơn góc tới hạn thì tia sáng sẽ bị phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt phân cách và truyền dọc trong lõi sợi quang theo đường zích zắc mà không đi ra ngoài vỏ. Hình 2.2 Truyền ánh sáng trong sợi quang Đối với sợi quang GI, chiết suất lõi sợi biến đổi theo lõi sợi quang không theo đường thẳng zích zắc theo đường cong dạng hình sin với chu kỳ tập trung quanh trục lõi sợi quang. Điều này được giải thích như sau: vận tốc truyền sóng trong trong lõi sợi quang được xác định bởi công thức:. Tại vùng gần trục, do chiết suất lõi sợi lớn nên vận tốc truyền của tia nhỏ nên quãng đường truyền ngắn còn vùng xa trục do chiết suất lõi nhỏ, nên vận tốc của tia lớn hơn và tia đi được quãng đường lớn hơn. Kết quả là các tia truyền theo các đường cong có độ dài khác nhau nhưng sau cùng một khoảng thời gian sẽ gặp nhau theo chu kỳ. 2.2.2. Khẩu điều chế số Để đặc trưng về khả năng ghép lượng ánh sáng vào lõi sợi quang người ta đưa vào đại lượng gọi là khẩu độ số, kí hiệu là NA. Ta đã biết, để tia sáng đi vào lõi sợi quang và truyền dọc theo lỡi sợi cần thực hiện được điều kiện phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt phân chia giữa lõi và vỏ, nghĩa là phải có góc tới lớn hơn góc tới hạn. Hình 2.3. Khẩu điều chế số Trên hình vẽ ta thấy, tia tới 1 khi từ không khí vào lõi sợi lập với trục sợi một góc là , ứng với góc tới nhỏ hơn góc tới hạn khi đến mặt phân chia sẽ khúc xạ ra vùng vỏ và bị tiêu hao, không truyền dọc theo sợi. Tia tới 2 khi đi vào lõi sợi lập với trục sợi một góc ứng với góc tới hạn nên đến mặt giới hạn sẽ truyền dọc theo mặt này. Còn tia thứ 3 khi truyền từ ngoài không khí vào lõi sợi lập với trục sợi một góc sẽ ứng với góc tới lớn hơn góc tới hạn nên sẽ phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt phân chia và truyền dọc theo lõi sợi quang. Do đó góc được gọi là góc tiếp nhận cực đại ánh sáng và khẩu độ số của sợi được định nghĩa là: (2.6) Theo định luật khúc xạ ta có: (2.7) Vì chiết suất của không khí n0=1, và góc tới hạn được tính theo biểu thức:, nên độ mở số được tính là: (2.8) Khi tính khẩu điều chế số nhờ áp dụng định luật khúc xạ ta mới chỉ tính đến các tia sáng đến nằm trong mặt phẳng đi đi qua tâm sợi (mặt kinh tuyến) mà chưa tính đến các tia sáng đến sợi nằm lệch mặt phẳng này và truyền vào sợi theo các đường xoắn zích zắc. Vì vậy, NA trong thực tế khác chút ít so với công thức tính theo lý thuyết đã cho. Trong thực tế các sợi quang có NA như sau: NAMMSI=0.25 NAMMGI=0.2 NASMSI=0.1 2.2.3. Lý thuyết mode sóng Lý thuyết mode sóng dựa trên việc tìm nghiệm phương trình Mac-xoen hay phương trình sóng thuần nhất trong và điều kiện bờ trên mặt phân chia của các lớp sợi quang. Các phương trình đó có dạng như sau: Các phương trình Mac-xoen cho trường điều hoà tần số : (2.9) (2.10) (2.11) (2.12) Điều kiện bờ là: (2.13) Ở đây j=1,2 là chỉ số của vùng lõi và vỏ. Các phương trình sóng thuần nhất: với điều kiện bờ như trên (2.14) Ở đâylà chỉ số của vùng lõi và vỏ. Việc tìm nghiệm của các phương trình sóng trong vùng lõi và vỏ sợi nói chung là rất khó, thường phải giải gần đúng. Mỗi một nghiệm riêng của phương trình mô tả một dạng trường hay một mode sóng đang tồn tại trong sợi quang. Các mode sóng trong sợi quang có đặc tính như sau: Mỗi mode có hình ảnh phân bố trường riêng trong sợi. Các mode là độc lập với nhau. Mỗi mode có vận tốc và hằng số truyền riêng. Mỗi mode có một bước sóng giới hạn xác định gọi là bước sóng cắt điều kiện để mode sóng truyền lan được trong sợi là bước sóng làm việc của nó phải nhỏ hơn bước sóng cắt. Người ta tính được số mode sóng M trong sợi như sau: + Sợi MM-SI: (2.15) +Sợi MM- GI: (2.16) Ở đây V là tham số cấu trúc hay tần số chuẩn hoá của sợi quang Điều kiện để trong sợi quang chỉ truyền lan một mode sóng (là sợi đơn mode) là: (2.17) Mode sóng cơ bản duy nhất truyền trong sợi quang đơn mode là mode dạng HE11, nó có bước sóng cắt bằng vô cùng, hay tần số cắt bằng 0. 2.3. Các đặc trưng suy hao của sợi quang Sóng ánh sáng khi truyền dọc theo sợi quang bị suy giảm cường độ theo chiều dài sợi. Đó là đặc tính vật lý vốn có của sợi quang gọi là sự suy hao. Nếu xét trên 1km chiều dài sợi quang, Pv là công suất tại cuối sợi quang thì lượng suy hao của ánh sáng trên đoạn sợi tính theo đơn vị dB có dạng là: (2.19) Nếu goi là hệ số suy hao riêng của sợi thì ta có biểu thức: (2.20) Sự suy hao của sợi quang bao gồm các dạng chính như sau: suy hao hấp thụ, suy hao do tán xạ và bức xạ, suy hao do kết nối. Suy hao do hấp thụ là do sự hấp thụ của vật liệu chế tạo sợi với ánh sáng truyền qua nó. Đó là bản chất vật lý của cấu tạo nguyên tử, phần tử của vật liệu sợi. Suy hao do hấp thụ bao gồm sự hấp thụ hồng ngoại và tử ngoại của vật liệu, hấp thụ của các Ion OH còn sót lại trong quá trình điều chế tạo sợi. Suy hao do hấp thụ của các Ion OH có các đỉnh cực đại tại các bước sóng ; 1.22 và . Suy hao do hấp thụ hồng ngoại sẽ lớn tại vùng bước sóng , suy hao do hấp thụ tử ngoại sẽ lớn tại vùng bước sóng . Suy hao do tán xạ và bức xạ: khi truyền ánh sáng trong lõi sợi quang, gặp các chỗ bất đồng nhất về chiết suất trong sợi có kích thước lớn xấp xỉ bước sóng sẽ bị tán xạ ra mọi phía và được gọi là tán xạ Rơlay dẫn đến suy hao. Tán xạ này có hệ số suy hao tỉ lệ nghịch với. Nên suy hao do tán xạ Rơlay sẽ giảm nhanh trong vùng bước sóng. Ánh sáng truyền trong sợi còn bị suy hao do bức xạ ra ngoài vùng vỏ sợi khi bị uốn cong quá mức. Tại các chỗ uốn cong, điều kiện phản xạ toàn phần không thực hiện được, nên một lượng nhỏ ánh sáng từ lõi sợi khúc xạ ra vùng vỏ và gây nên suy hao do bức xạ. Vì vậy, để giảm loại suy hao này các nhà chế tạo sợi quang điện quy định bán kính uốn cong cực đại cho phép, theo tiêu chuẩn là Rc cho từng loại sợi. Suy hao do kết nối: bao gồm suy hao do hàn nối sợi và suy hao do đầu nối dùng colector. Suy hao tại mỗi mối hàn quy định không vượt qua 0.1dB/mối, và suy hao tại mỗi colector không vượt 1dB/c. 2.3.2. Phổ suy hao Vì các suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng làm việc nên suy hao tổng hợp của sợi được biểu thị là hàm của bước sóng gọi là phổ suy hao. Hình 2.4. Phổ suy hao của sợi quang Hình 2.5 ở trên mô tả phổ suy hao của sợi quang trong các giai đoạn thời gian khác nhau. - Từ phổ suy hao trên ta thấy sợi quang có 3 vùng bước sóng có suy hao thấp cho phép truyền ánh sáng gọi là 3 cửa sổ truyền dẫn của sợi. + Vùng cửa sổ 1: bước sóng tâm, hệ số suy hao Vùng cửa sổ 1 làm việc thích hợp với thế hệ thông tin quang thứ nhất, có tốc độ bit thấp, cự ly khoảng lặp nhỏ, dùng sợi đa mode, các linh kiện thu phát có giá thành rẻ. + Vùng cửa sổ 2:, bước sóng tâm hệ số suy hao . Cửa sổ này làm việc tương ứng với thế hệ thông tin quang thứ 2, dùng sợi đơn mode, có tốc độ bit lớn và cự li dài, sử dụng cho các vùng hoặc đồ thị, giá thành các linh kiện cao hơn so với thế hệ 1. + Vùng cửa sổ 3:, bước sóng tâm , hệ số suy hao , là cửa sổ suy hao nhỏ nhất, sử dụng sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF hoặc sợi đơn mode dịch tán sắc DSF. Vùng này làm việc thích hợp với hệ thông tin quang thứ 3, cho đường trục, tốc độ bit rất lớn, cự ly siêu dài, giá thành khá cao. 2.3.3. Đặc tính tán sắc của sợi quang Sự tán sắc của sợi quang: khi ánh sáng truyền trong sợi quang ngoài bị suy hao còn bị mở rộng độ rộng xung quanh, hiện tượng trên gọi là sự tán sắc ánh sáng trong sợi quang. Hình 2.6 dưới mô tả sự tán sắc của sợi quang. Hình 2.5. Đồ thị biểu diễn đặc tính tán sắc của sợi quang Độ tán sắc trên một đơn vị độ dài sợi là: (2.21) Sự tán sắc của sợi quang dẫn đến phát sinh sự chồng lấn của các xung lân cận lên nhau khi truyền ở tốc độ bit cao và cự ly dài gọi là sự giao thoa giữa các kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference), gây ra lỗi ở máy thu, do đó hạn chế cự ly và tốc độ bit truyền trong sợi quang. Có các dạng tán sắc của sợi quang như sau: tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng. * Tán sắc mode Tán sắc mode chỉ xảy ra trong sợi đa mode. Tán sắc mode là do sự khác nhau về thời gian truyền dọc sợi quang của các mode khác nhau. Mỗi mode là một tia sóng sẽ truyền theo các đường khác nhau trong sợi, nhưng ở cuối sợi các mode lại đến tại các thời điểm do đi trên những khoảng cách khác nhau còn được gọi là sự trễ mode. Tán sắc mode dẫn đến làm giãn rộng xung quanh. Tán sắc mode thể hiện ở sợi MM-SI mạnh hơn so với sợi MM- GI. Để đặc trưng cho sự tán sắc, ta đưa vào đại lượng gọi là hệ số tán sắc tính trên một đơn vị độ dài sợi, kí hiệu là D. Dùng lý thuyết quang hình ta tính được hệ số tán sắc mode theo biểu thức sau: + Trong sợi MM- SI: (ns/km) (2.22) + Trong sợi MM- GI: (ns/km) (với sợi dạng tối ưu). (2.23) Ở đây c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Tán sắc mode không phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn phát, nó là trội nhất trong các loại tán sắc của sợi quang. * Tán sắc vật liệu Đó là sự phụ thuộc của vận tốc truyền của các mode sóng trong sợi quang vào bước sóng làm việc. Nguyên nhân của hiện tượng này là do chiết suất của vật liệu chế tạo lõi là hàm của bước sóng. Vận tốc pha và vận tốc nhóm sóng tính theo công thức sau: , (2.24) Ở đây là chiết suất nhóm. Rõ ràng là vận tốc pha và nhóm của sóng truyền trong lõi sợi là hàm của bước sóng. Vì tín hiệu bao gồm nhiều thành phần phổ khác nhau, mỗi thành phần phổ truyền với vận tốc khác nhau, nên gây ra sự giãn rộng xung tín hiệu. Tán sắc vật liệu phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn phát, do đó nó còn được gọi là tán sắc màu. Để giảm tải tán sắc vật liệu cần chọn nguồn phát có độ rộng phổ hẹp. Ta tính được hệ số tán sắc vật liệu theo biểu thức sau: (ps/km.nm ) (2.25) Trong sợi đa mode, hệ số tán sắc vật liệu là khá nhỏ so với tán sắc mode nên có thể bỏ qua, nhưng trong sợi đơn mode thì lại là dạng tán sắc trội nhất. Tại bước sóng đường chiết suất nhóm có độ dốc bằng 0, nên tại bước sóng này hệ số tán sắc vật liệu bằng 0. * Tán sắc ống dẫn sóng (tán sắc đường truyền) Là sự phụ thuộc của hằng số truyền của mode sóng và và tỉ số bán kính lõi sợi a và bước sóng làm việc theo hàm số: (2.26) Tán sắc này cũng dẫn tới làm giãn độ rộng xung quanh truyền dọc sợi. Tán sắc ống dẫn sóng trong sợi đa mode là khá nhỏ có thể bỏ qua. Trong sợi đơn mode, tại vùng bước sóng nó cũng nhỏ so với tán sắc vật liệu và có thể bỏ qua. Song tại vùng bước sóng gầnthì tán sắc này lại được so sánh với tán sắc vật liệu và cần phải tính đến ảnh hưởng của nó. Hệ số tán sắc ống dẫn sóng đượ tính theo biểu thức: (ps/km.nm) (2.27) Với là hằng số truyền chuẩn hoá của mode sóng. (2.28) Ta thấy rằng hệ số tán sắc vật liệu Dvl tăng theo bước sóng tăng, có giá trị từ âm sang dương đi qua giá trị 0 tại bước sóng bằng. Ngược hệ số tán sắc ống dẫn sóng Dods có giá trị âm và đường cong này giảm khi bước sóng tăng .Vì vậy trong sợi đơn mode hiệu ứng tán sắc tổng hợp tại bước sóng làm việc ở vùng cửa sổ giảm đến gần bằng 0. Ta nhận thấy tán sắc ống dẫn sóng có hệ số tán sắc thay đổi theo bán kính lõi a, độ chênh lệch chiết suất và dạng biến đổi chiết suất của lõi nên ta có thể chế tạo mọi sợi đơn mode điều chỉnh để làm cho hệ số tán sắc tổng hợp gần bằng 0 tại vùng cửa sổ làm việc. Sợi quang này còn gọi là sợi đơn mode dịch tán sắc chỉ 2-3ps/km.nm. Ta cũng nhận thấy rằng hệ số tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn phát quang, nên nó cũng được gọi là tán sác mầu (Choromatio Dispersion). CHƯƠNG III. NGUỒN PHÁT QUANG 3.1. Nguyên lý bức xạ ánh sáng của chất bán dẫn 3.1.1. Nguyên lý bức xạ ánh sáng Nguồn phát quang dùng trong thông tin sợi quang thích hợp là các linh kiện quang bán dẫn gồm diode bức xạ ánh sáng LED và diode laser LD. Các nguồn phát quang bán dẫn dùng trong thông tin quang như LED và diode laser LD dựa trên nguyên lý bức xạ ánh sáng do sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống xảy ra trong vùng chuyển tiếp P-N của chất bán dẫn được đặt dưới điện áp thuận. Vùng tiếp giáp P-N này được gọi là vùng hoạt tính của LED và LD. Theo thuyết vật lý chất bán dẫn trong các tinh thể, các điện tử hoá trị của các nguyên tử của nó có các mức năng lượng phân bố gián đoạn theo những vùng hay dải khác nhau (hình 3.1). Vùng dưới gồm các mức năng lượng thấp hơn gọi là vùng hoá trị với mức đỉnh ký hiệu là B (ev), vùng trên gồm các mức năng lượng cao hơn gọi là vùng dẫn với mức thấp nhất ký hiệu là Ec. Vùng giữa hai vùng hoá trị và vùng dẫn không tồn tại mức gọi là vùng cấm, ký hiệu là EG (band gap), nó có giá trị là: EG=EC – EV (eu) Tuỳ theo trạng thái của chất bán dẫn, trong vùng năng lượng các điện tử có thể chiếm đầy hoàn toàn các mức, chiếm một số mức hoặc để trống hoàn toàn. Trong điều kiện cân bằng nhiệt của chất bán dẫn đại đa số các điện tử nằm tại các mức trong vùng hoá trị, có rất ít điện tử nằm ở vùng dẫn. Chất bán dẫn không phát xạ ánh sáng. Quá trình bức xạ ánh sáng do tái hợp của chất bán dẫn diễn ra theo 3 giai đoạn sau đây: Sự hấp thụ năng lượng từ bên ngoài gọi là nguồn bơm. Sự dịch chuyển điện tử lên trạng thái kích thích. Sự chuyển dich điện tử tái hợp. Quá trình bức xạ do tái hợp diễn ra như sau: Khi chất bán dẫn được cấp một năng lượng có mức lớn hơn năng lượng vùng cấm E>EG (gọi là nguồn bơm) thí dụ như tăng nhiệt độ, chiếu ánh sáng hoặc cấp điện áp định thiên, thì một số điện tử nằm ở mức E1 trong vùng hoá trị (gọi là mức ổn định) hấp thụ được năng lượng cấp này sẽ dịch chuyển lên mức E2 thuộc vùng dẫn và tại vùng hóa trị hình thành các lỗ trống, số lỗ trống bằng số điện tử đã dịch chuyển lên vùng dẫn. Điện tử nằm ở mức E2 này gọi là điện tử ở trạng thái bị kích thích. Vì trạng thái kích thích của điện tử là không ổn định, nên chúng sẽ bị hạt nhân nguyên tử hút quay trở về mức ổn định E1 trong vùng hoá trị. Khi điện tử dịch chuyển từ mức E2 về mức E1 để tái hợp với lỗ trống thì một năng lượng được giải phóng. Nếu năng lượng giải phóng dưới dạng ánh sáng (photon) thì sự dịch chuyển tái hợp bức xạ. Ánh sáng phát ra của dịch chuyển này được tính theo định luật Planck là: (3.1) Với h=6,625. 10-34 Js gọi là hằng số Planck ev=1,6.10-19 J e=1,6.10-19C Nếu năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt đốt nóng mạng tinh thể (gọi là phonon) thì dịch chuyển gọi là dịch chuyển tái hợp không bức xạ. Nếu một điện tử từ trạng thái bị kích thích (từ mức E2) dịch chuyển trở về trạng thái ổn định (về mức E1) một cách tự nhiên để tái hợp với một lỗ trống và bức xạ ra một photon ánh sáng, thì bức xạ ánh sáng như vậy được gọi là bức xạ tự phát (Spontaneous Emission). Ánh sáng của các photon bức xạ tự phát có bước sóng tính theo công thức trên nhưng có hướng và pha tuỳ ý, nên gọi là ánh sáng không kết hợp, nó có cường độ yếu. Nếu một điện tử đang nằm ở trạng thái kích thích (mức E2) khi nhận được ánh sáng từ bên ngoài chiếu vào có năng lượng của photon là: Ep=hv=E2 – E1 (ev) (3.2) thì ngay lập tức dịch chuyển về mức ổn định E1 để tái hợp với một lỗ trống và bức xạ ra một photon ánh sáng. Bức xạ này gọi là bức xạ kích thích hay cưỡng bức (Stimulate Emission) sự bức xạ ánh sáng kích thích của Eistein. Ở đây v là tần số của photon chiếu vào được tính theo công thức trên. Chúng có cùng hướng và đồng pha với nhau. Nên ánh sáng bức xạ kích thích gọi là ánh sáng kết hợp. Ánh sáng kết hợp có cường độ mạnh hơn nhiều so với cường độ của ánh sáng tự phát. Ánh sáng LED phát ra là ánh sáng tự phát, còn ánh sáng của diode laser LD phát ra là ánh sáng kích thích. 3.1.2. Các chất bán dẫn dùng để chế tạo nguồn phát quang Không phải mọi chất bán dẫn đều có thể bức xạ ra ánh sáng, mà chỉ có một số chất bán dẫn có các tính chất nhất định mới bức xạ ra ánh sáng. Quá trình tái hợp giữa điện tử và lỗ trống tuân theo định luật bảo toàn năng lượng và bảo toàn xung lượng. Sự bức xạ ánh sáng do tái hợp xảy ra dễ hơn và với xác suất lớn hơn trong chất bán dẫn có vùng cấm loại trực tiếp, và khó xảy ra hơn và với xác suất nhỏ hơn trong chất bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp. 1-Bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp: là bán dẫn trong giản đồ vùng năng lượng của nó có đáy thấp nhất của vùng dẫn và đỉnh cao nhất của vùng hoá trị tương ứng với cùng một giá trị xung lượng p hoặc vecto sóng k của điện tử. Đại đa số các bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp đều là bán dẫn hợp chất như: GaAs, InP, AlGaAs, InGaAsP. Chúng là các chất chủ yếu để chế tạo ra các LED và LD. Hình 3.1.Dải cấm năng lượng trực tiếp 2-Bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp: là bán dẫn trong giản đồ vùng năng lượng của nó, có đáy thấp nhất của vùng dẫn và đỉnh cao nhất của vùng hoá trị ứng với các giá trị khác nhau của xung lượng p hay vector sóng k của điện tử. Các bán dẫn này có thể là bán dẫn đơn chất như Ge, Si hay hợp chất như AlAs, GaP. Chúng không dùng để chế tạo các nguồn phát quang. Hình 3.2. Dải cấm năng lượng gián tiếp Hệ số tái hợp của bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp lớn gấp hàng trăm lần đến hàng nghìn lần bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp. Các chất bán dẫn trong trạng thái bị kích thích từ bên ngoài thì có số điện tử nhỏ hơn nhiều so với số điện tử nằm ở trạng thái ổn định. Vì vậy, bức xạ tái hợp của nó là rất yếu và bị tổn hao lớn trong bản thân chất bán dẫn nên bức xạ tái hợp không phát sáng được ra ngoài. Để cho bức xạ tái hợp phát sáng được ra ngoài thì trong bán dẫn phải tạo được trạng thái nghịch đảo nồng độ điện tử, tức là nồng độ điện tử trong chất bán dẫn khi bị kích thích phải lớn hơn nồng độ điện tử trong chất bán dẫn ở trạng thái ổn định. Để tạo được trạng thái nghịch đảo nồng độ điện tử người ta phun các hạt dẫn bằng cách đặt vào lớp tiếp giáp P- N một điện áp thuận với thế năng thích hợp. Bình thường ở diode, phát xạ ánh sáng có thể xảy ra ở cả hai phía của diode rất thấp (do độ rộng vùng cấm EG và chiết suất của hai vùng P- N của chuyển tiếp có giá trị là xấp xỉ nhau). Tuy nhiên, nếu tập trung sự tái hợp các hạt đa số vào một vùng kích thích nhỏ thì mật độ công suất phát ra sẽ tăng lên. Ta có thể thực hiện điều đó băng cách hình thành một lớp tiếp giáp giữa hai chất bán dẫn có độ rộng dải cấm khác nhau (tiếp giáp dị thể), tạo ra hàng rào thế năng, hàng rào này ngăn cản các hạt dẫn sâu vào trong mạng tinh thể bán dẫn. Để “giam” cả điện tử và lỗ trống ta phải sử dụng hai lớp tiếp giáp dị thể, gọi là dị thể kép hay cấu trúc DH (Double- Heterojunction) lớp tiếp giáp dị thể có thể là dạng P- N , N-P hoặc P-P. Cấu trúc dị thể kép DH sẽ giam lỗ trống vào điện tử vào trong một lớp hoạt tính cực hẹp. Dưới điện áp phân cực thuận sẽ có một lượng lớn các hạt đa số được phun vào vùng hoạt tính. Tái hợp của hạt đa số sẽ diễn ra trong lớp hoạt tính kích thước nhỏ vì thế diode có hiệu suất phát quang cao. Một ưu điểm nữa của diode laser có cấu trúc DH là chiết suất trong vùng hoạt tính cao hơn vùng xung quanh, nên ánh sáng phát ra là một chùm tia hẹp có độ tập trung cao cũng giống như trong sợi quang chiết suất bậc SI. 3.2 Phân loại nguồn phát quang Nguồn phát quang là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng có công suất tỉ lệ với dòng điện chạy qua nó.Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang. Diode phát quang LED (Light Emitting Diode) Leser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Các yêu cầu đối với một nguồn quang sử dụng trong hệ thống thông tin quang là: Có kích thước nhỏ tương ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang. Lý tưởng ánh sáng ở ngõ ra của nguồn quang phải có tính định hướng cao. Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu. Lý tưởng nguồn quang phải tuyến tính. Phát ra ánh sáng có bước sóng phù hợp với vùng bước sóng mà sợi quang có suy hao thấp và tán sắc, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bước sóng này. Có khả năng điều chế tín hiệu một cách đơn giản (ví dụ như điều chế trực tiếp). Trên dải tần rộng trải dài từ tần số âm thanh tới dải tần Gigahezt. Hiệu suất ghép quang tốt để giảm suy hao ghép từ nguồn quang vào trong sợi quang. Độ rộng phổ tần hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang. Duy trì mức công suất ngõ ra ổn định và không bị ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài. Giá thành thấp và có độ tin cậy cao, để cạnh tranh với các kỹ thuật truyền dẫn khác. Loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang là các loại nguồn quang bán dẫn vì có thể đáp ứng được các yêu cầu trên. 3.3. Diode phát quang (LED) Hiện nay, người ta sử dụng chủ yếu hai loại LED trong các hệ thống thông tin cáp sợi quang là SLED phát xạ mặt (surface light emitting diode) và ELED phát xạ cạnh (Edge Light Emitting Diode). Cả hai loại này đều dùng cấu trúc dị thể kép để “giam” hạt đa số và ánh sáng vào một lớp hoạt tính. Loại LED Tần số điều chế lớn nhất(MHZ) Công suất ra (mW) Công suất phối ghép với sợi quang (mW) Phát xạ mặt 60 <4 <0.2 Phát xạ cạnh 200 <7 <1.0 Bảng 3.1. So sánh ELED và SLED Từ bảng trên ta thấy ELED ưu việt hơn loại phát xạ mặt về hiệu suất phối ghép và tần số điều chế. Vì vậy, LED phát xạ mặt chỉ được sử dụng trong tuyến thông tin có cự ly ngắn và có tốc độ thấp. Ngược lại ELED thường được sử dụng ở cự ly trung bình. Ánh sáng bức xạ của LED trải ra trong một vùng phổ rộng hơn rất nhiều so với LASER, do vậy chúng chỉ có thể phối ghép ánh sáng có hiệu quả và sợi đa mode có khẩu điều chế số lớn. 3.3.1. LED phát xạ mặt Hình 3.3 cho ta thấy cấu trúc điển hình của một led phát xạ mặt. Diode dị thể kép được hình thành trên nền của một chất bán dẫn loại N, ở phía trên của diode có khoét thêm một lỗ tròn. Hình 3.3. Cấu tạo của LED phát xạ mặt Trong cấu trúc đặc biệt này, ánh sáng được tạo ra ở vùng hoạt tính đi xuyên qua chất nền và đi vào lõi sợi quang đặt trong lỗ. Sợi quang được gắn bằng nhựa Eposy. Đáy của khối LED là bộ phận hạ nhiệt bằng vàng, tiếp xúc với diode bằng một khối tròn nhỏ, phần còn lại được cách điện với diode. Phần hạ nhiệt này tạo thành lớp tiếp xúc, nhờ đó dòng điện chạy qua lỗ của lớp cách điện. Dòng điện đi xuyên qua lớp bán dẫn loại P, hình thành một vùng hoạt tính dạng tròn kích thước nhỏ, với mật độ điện cỡ 2000A/cm2. Vì vậy tạo nên một chùm sáng có cường độ cực mạnh. Chỉ số chiết suất thay đổi qua các tiếp giáp dị thể làm cho một phần ánh sáng phát xạ quay về vùng hoạt tính, phần ánh sáng này có thể được hấp thụ hoặc đưa ra sợi quang, vì thế lượng ánh sáng thức tế ghép với sợi quang ít hơn so với lượng ánh sáng mà LED phát ra. Mặc dù đã có một vi thấu kính đặt trong giếng tại đỉnh của LED sẽ làm tăng hiệu suất ghép. Hiệu suất ghép còn phụ thuộc vào sai số lắp đặt thấu kính và sai lệch chỉnh tâm của sợi quang. Trong thực tế công suất phát xạ có thể đạt gấp 2 hoặc 3 lần nhờ một LED tương đương gồm 2 LED ghép đối đỉnh. 3.3.2. LED phát xạ cạnh Để giảm mất mát do hấp thụ trong lớp hoạt tính và làm cho chùm tia định hướng hơn, ta có thể lấy ánh sáng ra từ cạnh của led. Loại led này được gọi là led phát xạ cạnh (ELED). Cấu trúc như hình vẽ. Hình 3.4. Cấu trúc LED phát xạ cạnh Lớp hoạt tính được xác định bởi giới hạn của đường kẻ hẹp ở lớp tiếp xúc phía trên. Nhờ có tiếp giáp dị thể mà ánh sáng được giam trong vùng hoạt tính, điều đó làm cho hiệu suất, công suất và tính định hướng của nguồn sáng được tăng cao. Người ta phủ một lớp phản xạ tại đầu cuối của diode để làm tăng công suất ra. 3.3.3. Các đặc trưng kỹ thuật của LED Đặc tính phổ: sự phát xạ ánh sáng do dịch chuyển ngẫu nhiên của các điện tử qua dải cấm gọi là phát xạ tự phát. Trong thực tế dải dẫn và dải hoá trị có rất nhiều mức năng lượng khác nhau. Do sự tái hợp của các hạt có mức năng lượng khác nhau nên năng lượng phát xạ phát ra cũng nằm trong một phạm vi khá rộng. Mật độ phân bố điện tử cực đại ở mức năng lượng xấp xỉ Eg + KT/2 và của lỗ trống là ở năng lượng xấp xỉ Eg – KT/2, do đó hiệu năng lượng có giá trị trung bình là Eg + KT và độ lệch nằm giữa kT và 2 kT. Mặc dù độ lệch thực tế còn phụ thuộc vào lượng tạp chất pha vào, nhưng sự xấp xỉ trên là chấp nhận được. Năng lượng tái hợp trải rộng trong một dải nhất định nên các bước sóng phát xạ không phải là một giá trị nhất định mà trải rộng ra có dạng hình chuông. Bề rộng phổ ở mức nửa công suất gọi là độ rộng vạch phổ của nguồn. Như ta đã biết độ rộng vạch phổ lớn sẽ dẫn tới tán sắc vật liệu trong sợi quang lớn. Hầu hết các LED độ rộng vạch phổ cỡ 30nm và nếu chuyển sang miền tần số thì độ rộng tần là 1,3.1013 Hz, LED chỉ là nguồn quang có chất lượng thấp trong thông tin quang, do đó chúng chỉ được dùng trong các tuyến có dung lượng thấp, điều chế cường độ và cự ly ngắn. Dung lượng điều chế và hiệu suất chuyển đổi Đặc tuyến của công suất quang theo dòng điện điều khiển của LED là xấp xỉ tuyến tính. Nếu đặt một tín hiệu xoay chiều lên một thiên áp một chiều, ta có thể viết công suất quang đầu ra như sau: (3.3) Trong đó: p(0) là công suất ra chưa điều chế là hằng số thời gian của LED và mạch điều khiển Khi xét dải thông của sợi quang, ta thấy sự suy giảm 3dB trong công suất quang tương ứng với suy giảm 6dB trong công suất điện, vì vậy dải tần điện 3dB của LED là (Hz). Nếu mạch điều khiển được thiết kế tốt thì hằng số thời gian của LED sẽ trội hơn. Đó là thời gian tái hợp bức xạ và tái hợp không bức xạ cùng xảy ra thì cho bởi công thức: (3.4) Trong đó và là thời gian tái hợp bức xạ và không bức xạ. Để tạo ra thiết bị có tốc độ nhanh thì cả và đều phải được giữ ở giá trị thấp, đồng thời phải thoả mãn điều kiện nhằm đạt được hiệu suất cao. Ta hãy xét tới ảnh hưởng của thời gian tái hợp không bức xạ khi chế tạo các diode dị thể, sẽ có một sự sai lệch nhỏ trong mạng tinh thể của lớp tiếp giáp. Điều này tạ ra cái bẫy của mặt cái bẫy tại mặt phân giới giữa 2 chất và được đặc trưng bởi tốc độ tái hợp mặt, kí hiệu là S. d: là khoảng cách giữa 2 lớp dị thể. Vì và phụ thuộc vào d, nên d càng nhỏ thì hằng số thời gian càng nhỏ, khi rút ngắn d sẽ làm giảm nhanh hơn, do đó sự gia tăng tốc độ điều chế sẽ làm giảm hiệu suất. Tuy nhiên, do tỉ lệ nghịch với mà ta có thể rút ngắn bằng cách tăng mật độ dòng điện, nhưng khi tăng J thì nhiệt độ của LED khi làm việc sẽ cao làm ảnh hưởng tới tuổi thọ và độ tin cậy của nó. Hầu hết các LED đều làm việc với mức pha tạp cao và hiệu suất nội lượng tử chỉ đạt 50%. Mặc dù vậy hiệu suất ngoài (tính bằng công suất ghép sợi quang) thông thường nhỏ hơn 10%, nên nói chung LED là các nguồn quang có công suất nhỏ và hiệu suất thấp. 3.4. LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) Thông thường diode laser được sử dụng trong các tuyến cự li dài tốc độ cao (các tuyến này dùng sợi quang đơn mode SM). Nói chung yêu cầu đặt ra đối với diode laser trong thông tin quang là giảm thiểu độ rộng vạch phổ và hoạt động chế độ đơn mode và yêu cầu quan trọng là tăng hiệu suất thì cần phải giảm dòng điện ngưỡng. 3.4.1. Cấu trúc và nguyên tắc làm việc Không giống như LED (ánh sáng phát ra là do bức xạ tự phát), ánh sáng LASER được tạo ra bằng bức xạ kích thích. Bức xạ kích thích xảy ra khi một photon sơ cấp (hv)1 va đập vào một nguyên tử đã được kích thích và thay vì hấp thu photon này lại kích thích cho một điện tử dịch chuyển xuống qua dải cấm và sinh ra một photon mới gọi là photon thứ cấp (hv)2. Photon mới được tạo ra giống hệt photon ban đầu. Các photon này tiếp tục va chạm với các nguyên tử ở trạng thái kích thích khác trong mạng tinh thể và lại sinh ra nhiều photon hơn nữa khi chúng va chạm. Như vậy, mạng tinh thể bán dẫn đã khuếch đại những photon ban đầu tức những photon sơ cấp. Hình 3.5 a) Bức xạ tự phát b) bức xạ kích thích Để bức xạ kích thích có thể xảy ra, trong dải dẫn phải có một số lượng lớn các điện tử và trong dải hoá trị cũng phải có một lượng lỗ trống như vậy. Trạng thái gần ổn định này được gọi là trạng thái đảo đồng bộ. Trong diode laser nó là kết quả của sự phun một lượng lớn hạt đa số vào vùng hoạt tính có nồng độ pha tạp lớn. Nếu trạng thái đảo nồng độ xuất hiện với tác dụng giam ánh sáng của 2 lớp dị thể sẽ sinh ra một bức xạ kích thích. Tuy nhiên, để đảm bảo độ khuếch đại và điều kiện tự kích cho máy phát laser cần đặt môi trường bán dẫn vào trong buồng cộng hưởng quang học (là một hệ gồm 2 mặt phản xạ đối diện nhau, giữa 2 mặt này là hoạt chất). 3.4.2. Một số loại laser được sử dụng 3.4.2.1. Laser đa mode Fabry_Pero (F_P) Đây là loại laser bán dẫn có cấu trúc đơn giản được dùng phổ biến là nguồn phát cho thông tin quang. Nó được cấu tạo từ một chuyển tiếp dị thể kép dạng khối chữ nhật. Vùng hoạt tính có chiều dài là cạnh bên và độ dày. Do hộp cộng hưởng có chiều dài L và cạnh bên lớn hơn nhiều so với bước sóng nên trong hộp tồn tại nhiều mode dọc và kết hợp các biện pháp giam ánh sáng trong vùng hoạt tính của chuyển tiếp dị thể để trong LD chỉ tồn tại một mode bên và nhiều mode dọc. Nên có nhiều dạng LD đa mode chỉ chỉ cải tiến như loại điều khiển độ khuếch đại Gain – Guide, điều khiển chiết suất Index Guide, cấu trúc dị thể chọn BH. Độ rộng đường phổ của F – P LD cỡ nhỏ hơn nhiều so với LED, nên hiệu ứng tán sắc màu trong sợi quang sẽ giảm nhỏ nếu sử dụng LD này. Do đó F-P LD được sử dụng làm nguồn phát quang chính trong hệ thống thông tin cự ly trung bình với tốc độ cao. Các loại laser đa mode F-P có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, giá thành hạ, nhưng có nhược điểm là phát ra nhiều mode dọc có cường độ khác nhau, nên khi truyền trong sợi quang xuất hiện tạp phân mode làm tăng tạp âm dẫn đến làm giảm độ nhạy ở máy thu. 3.4.2.2. LASER đơn mode Các LASER này chỉ phát ánh sáng ở một tần số hay một mode dọc. Laser đơn mode có 2 ưu điểm so với laser đa mode là có độ rộng phổ rất hẹp nên giảm được sự tán sắc màu trong sợi quang và tạp phân mode. Vì vậy các laser đơn mode được dùng làm nguồn phát quang nhất là trong hệ thống kết hợp (Coherent). Để có được laser đơn mode đạt tỉ lệ nén biên độ giữa mode chính và các mode bên SMSR (Side Mode Suppession Ratio) rất lớn, khi đó trong nguồn quang hầu như chỉ còn tồn tại mode dọc chính. Laser có khoảng cách giữa mode dọc khoảng () nhỏ hơn rất nhiều so với đường cong khuếch đại, do đó công suất của các mode sẽ rất khác nhau, trong khi đó suy hao truyền dẫn giữa các mode lại không đáng kể. Tỉ số nén mode bên được đưa ra để xác định chế độ hoạt động của laser, nó được xác định bằng tỉ số công suất của mode chính P0 và công suất P1 của mode cạnh mode chính. Chỉ tiêu chất lượng của LD đơn mode được đánh giá bởi đại lượng gọi là tỉ số dập mode sau:. Về mắt cấu trúc có nhiều loại laser đơn mode, trong đó phổ biến là 2 loại sau: laser phân bố phản hồi DFB và laser dùng hộp cộng hưởng liên kết. a. Laser DFB (Distribued Feed Back) Ở laser này có sự phản hồi quang được thực hiện không phải ở 2 gương mà tiến hành trên cả chiều dài vùng hoạt tính của hộp cộng hưởng, gọi là sự phản hồi phân bố. Để tạo ra sự phản hồi phân bố, người ta tạo ra các bộ phản xạ cách tử có tính chọn lọc tần số gắn sát mặt của lớp hoạt tính của LASER. Đây là một lớp điện môi ống dẫn sóng làm từ vật liệu như lớp vỏ của chuyển tiếp có dạng gấp nếp để tạo ra chiết suất thay đổi chu kì dọc theo chiều dài. Sóng truyền dọc theo bước sóng nhất định gọi là bước sóng Bragg theo điều kiện Bragg như sau: (3.5) Ở đây: là bước sóng Bragg ne là chiết suất hiệu dụng của mode sóng k là bậc nhiễu xạ Bragg lc là chu kì cách tử Một dạng biến thế của laser DFB là laser phản xạ phân tán Bragg, DBR (Distributed Bragg Reflector) laser. Không giống như công nghệ được sử dụng trong laser DFB, trong laser DBR cáp cách tử chiều dài ngắn đóng vai trò bộ phản xạ chọn lọc tần số thay thế cho buồng cộng hưởng Fabry- Perot. Cấu trúc cách tử nằm ở hai bên vùng hoạt tính có tác dụng như hai gương phản xạ với các bước sóng thoả mãn điều kiện phản xa. Như vậy sẽ có nhiều mode trong vùng hoạt tính nhưng chỉ có một bước sóng được phản xạ trở lại và được khuếch đại. Cũng giống như laser DFB, laser DBR có hệ số nén mode rất cao, trên thị trường hiện nay tỉ số SMSR có thể lên tới. Dòng điện ngưỡng của hai loại laser này chỉ cỡ 20mA và độ rộng vạch phổ hết sức hẹp, nhỏ hơn 0.5nm. Do đó các tuyến cự ly xa, yêu cầu tốc độ cao thường sử dụng hai loại diode laser trên. b. Laser đơn mode cộng hưởng liên kết Một phương pháp đơn giản để chế tạo laser có thể điều chỉnh được bước sóng ánh sáng ra là sử dụng bộ chọn lọc bước sóng ngoài sẽ chọn lọc một mode sóng Fabry- perot duy nhất trong số các mode Fabry- Perot cùng tồn tại của laser bằng cách điều chính các tham số của bộ lọc. Điều chỉnh bộ lọc sẽ điều chỉnh được bước sóng chọn cho tới khi bước sóng chọn phù hợp với bước sóng của một mode sóng Fabry- Perot nào đó. Có rất nhiều cấu trúc của bộ lọc ngoài được áp dụng nhưng chủ yếu vẫn là phương pháp cách tử nhiễu xạ có cấu trúc như hình vẽ: Hình 3.6. Cấu trúc của bộ lọc ngoài Một trong những mặt cuối của laser được phủ một lớp chống phản xạ, chùm tia sáng đi ra từ mặt này được trực chuẩn khi tới cách tử nhiễu xạ. Cách tử nhiễu xạ đóng vai trò là gương phản xạ và bộ lọc bước sóng hẹp. Mọi thay đổi của cách tử nhiễu xạ đều dẫn đến thay đổi được sóng lựa chọn, khi quay góc nghiêng của cách tử ta sẽ điều chỉnh được một khoảng rộng bước sóng, khi thay đổi vị trí cách tử theo chiều dọc thì bước sóng chọn sẽ được vi chỉnh. Hiện nay, với công nghệ này giới hạn điều chỉnh được bước sóng có thể đạt được trong khoảng tại bước sóng. Laser dùng bộ chọn lọc bước sóng ngoài tuy có nhiều ưu điểm nhưng việc điều chỉnh cách tử đạt được độ chính xác cao là rất khó khăn. Cũng dựa vào sự chọn lọc và phản xạ của cách tử nhiễu xạ, thay thế việc phải thay đổi và di chuyển cách tử người ta dùng mảng hai chiều các sọc hoạt tính kết hợp với cách tử nhiễu xạ cố định được gọi là laser Magic (Multistripe Array Grating Intergrated Cavity). Các sọc hoạt tính này có thể được lựa chọn và ghép với sọc hoạt tính trung tâm ở chỉ một bước sóng. Số lượng bước sóng có thể lựa chọn phụ thuộc vào số sọc hoạt tính, với mô hình có 15 sọc hoạt tính thì khoảng thay đổi giữa các mode được chọn là 1.89nm. 3.4.3. Các đặc trưng của laser a) Đặc tính phổ của diode laser Trong trong diode laser chỉ một số sóng ánh sáng có bước sóng nhất định mới có thể lan truyền được trong buồng cộng hưởng. Điều kiện để truyền lan ánh sáng là sóng phản xạ và sóng tới phải đồng pha với nhau. Điều kiện truyền lan của sóng là pha của 2 sóng tại x=0 phải bằng nhau, nghĩa là: (3.6) Do vậy: (N là số tự nhiên) (3.7) Vì nên (3.8) L: là chiều dài hộp cộng hưởng n: là chiết suất vùng hoạt tính. Như vậy ta thấy rằng laser chỉ khuếch đại những bước sóng thoả mãn điều kiện ở trên. Mỗi bước sóng đó gọi là một mode dọc hay đơn giản là mode. Tập hợp đỉnh của các mode này sẽ tạo thành đường bao phổ bức xạ của diode laser. Từ biểu thức tính ta sẽ tìm được khoảng cách về mặt tần số giữa hai mode liên tiếp nhau. Phổ bức xạ của laser phụ thuộc rất nhiều vào dòng điện định thiên. Khi laser hoạt động ở chế độ dưới ngưỡng, bức xạ tự phát chiếm ưu thế và do đó độ rộng vạch phổ giống với LED. Tuy nhiên, nếu diode laser hoạt động ở chế độ lớn hơn chế độ ngưỡng thì độ rộng vạch phổ sẽ giảm xuống. Vạch phổ hẹp lại do tác động của buồng cộng hưởng và khuếch đại theo hàm mũ những mode đạt tới mức ngưỡng, đồng thời bỏ qua tất cả các mode khác. Ánh sáng ra độ rộng vạch phổ P (a) (b) độ rộng vạch phổ Ánh sáng ra (d) (c) Hình 3.7. Đồ thị phổ bức xạ của LASER Trong thực tế, các mode bên cạnh gần với mode cơ bản cũng được khuyến khích đại đáng kể do đó đầu ra bao gồm một số mode phụ thuộc vào đường cong khuếch đại. Tập hợp các mode này ta sẽ có một đường bao của vạch phổ và có thể xấp xỉ đường bao này bằng phân số Gauss: (3.9) Trong đó: là độ rộng vạch phổ của bức xạ laser. Kết quả trên cùng với phổ vạch làm cho phổ bức xạ có dạng như hình trên. Độ rộng vạch phổ đối với loại diode laser tiếp xúc sọc khá nhỏ chỉ khoảng 2 đến 5nm. Nếu diode laser hoạt động với dòng điện cao hơn rất nhiều so với mức ngưỡng, thì đường bao khuếch đại có thể dịch đi một chút để một trong những mode gần với bước sóng danh định chiếm ưu thế. Hiệu ứng này gọi là mode- hopping và nó làm gãy đường đặc tính công suất dòng điện. Nếu điều chế laser bằng cách biến đổi dòng điện điều khiển, mode- hopping có thể gây tác động xấu đến tuyến cáp tốc độ cao. Nếu tuyến đang hoạt động ở mức tán sắc bước sóng bằng 0 thì bất kỳ chirp của xung ánh sáng nào cũng sẽ làm biến đổi bước sóng hoạt động do đó gây ra hiện tượng giãn xung. Vì vậy, diode laser tiếp xúc sọc thông thường không được sử dụng trong các tuyến tốc độ cao. CHƯƠNG IV. NGUỒN THU QUANG 4.1. Khái quát về nguồn thu quang Nguồn quang sử dụng trong thông tin sợi quang là diode bán dẫn quang gọi là photo diode. Có hai loại photo diode được sử dụng phổ biến là photo diode PIN và và photo diode thác APD. Photo diode có nhiệm vụ thu và biến đổi tín hiệu quang từ máy phát truyền dọc sợi quang về dạng tín hiệu điện. Photo diode dùng trong hệ thống thông tin quang cần đáp ứng những yêu cầu sau: Có độ nhậy cao Đáp ứng thời gian nhanh Tạp âm thấp Độ tin cậy cao Giá thành hợp lý Kích thước phù hợp với kích thước lõi sợi quang. Photo diode làm việc dựa trên hiệu ứng quang điện của lớp chuyển tiếp bán dẫn P-N khi được cấp điên áp ngược (điện áp âm đặt lên lớp P). 4.2. Photo diode P-N 4.2.1. Cấu tạo và nguyên tắc tách sóng quang của photo diode P-N Photo diode P-N được cấu tạo từ một chuyển tiếp P-N từ bán dẫn như Si và được cấp một thiên áp ngược (hình 4.1) Do sự khuếch tán của điện tử và lỗ trống nên giữa hai lớp P-N của bán dẫn hình thành một lớp chuyển tiếp P- N có rất ít điện tích tự do được gọi là lớp nghèo với độ rộng là l và có một điện trường tiếp xúc Etx. Ở trạng thái cân bằng, điện trường này ngăn cản sự khuếch tán tiếp theo của các điện tử và lỗ trống qua lớp nghèo. Do đó trong diode không có dòng điện chạy qua. Sự tách sóng quang của photo diode được tiến hành như sau: Khi đặt một điện áp ngược và không có ánh sáng chiếu vào, do điện áp tạo điện trường ngoài cùng dấu với điện trường tiếp xúc Etx dẫn đến làm tăng độ rộng của lớp nghèo l do đó điện trường tổng trên lớp tiếp xúc ngăn cản các hạt dẫn đa số đi qua nó, nên trong diode không có dòng điện chạy qua. Tuy nhiên do trong bán dẫn tồn tại các hạt mang điện thiểu số mang điện và chúng dịch chuyển được qua lớp nghèo dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc nên trong diode tồn tại một dòng điện ngược rất nhỏ gọi là dòng tối It (cỡ 0,1-1nA ) Khi có ánh sáng với năng lượng của photon chiếu vào diode từ lớp P, trong các lớp P- N và nghèo khi hấp thụ năng lượng của photon các điện tử dịch chuyển lên vùng dẫn và tạo ra các lỗ trống ở vùng hoá trị. Kết quả là trong các lớp bán dẫn P và N đầu tiên sẽ khuếch tán đến lớp nghèo, rồi chuyển động trôi qua lớp này dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc theo hai hướng ngược nhau để đi đến các cực của anot và catot của diode. Còn các điện tử và lỗ trống tạo ra trong lớp nghèo thì chuyển động kéo theo qua nó để đi tới 2 cực của diode. Kết quả là trong diode xuất hiện một dòng điện ngược chạy qua gọi là dòng điện Ip. Dòng quang điện của photo diode có giá trị tỷ lệ với công suất quang chiếu vào theo biểu thức sau: (4.1) Trong đó: R (hay) gọi là độ nhạy hay đáp ứng của photo diode. Từ biểu thức trên ta thấy quy luật dòng quang điện của photo diode lặp lại đúng quy luật của ánh sáng chiếu vào, rõ ràng là photo đã làm được nhiệm vụ tách sóng tín hiệu quang để chuyển về dạng tín hiệu điện. 4.1.3. Các đặc tính kỹ thuật của photo diode P- N a. Độ nhạy R Độ nhạy của photo diode được biểu diễn qua hiệu suất lượng tử của nó theo biểu thức: (4.2) Ở đây: e=1,6.10-19C là điện tích của điện tử b. Hiệu suất lượng tử Hiệu suất lượng tử của photo diode được xác định bởi tỷ số tốc độ tạo điện tử trên tốc độ photon tới, có dạng: (4.3) Do hiệu suất lượng tử của photo diode được xác định qua hệ số hấp thụ ánh sáng mà hệ số hấp thụ ánh sáng của photo diode lại phụ thuộc vào bước sóng, nên cuối cùng hiệu suất lượng tử và độ nhạy R của photo diode cũng là hàm của bước sóng . Hình 4.1. Đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử Hình 4.1 biểu diễn các đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử phu thuộc vào bước sóng của các chất bán dẫn dung chế tạo photo diode như Si, Ge và InGaAs. Từ đồ thị ta thấy mỗi photo diode chỉ làm việc trong vùng. Bước sónggọi là bước sóng cắt. Tại vùng độ nhạy của photo diode. Khi đó ánh sáng chiếu vào có ứng với mức năng lượng của photon nên không đủ để kích các điện tử lên vùng dẫn, nên trong diode không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống, kết quả là không có dòng quang điện chạy qua diode. c. Đáp ứng thời gian của photo diode P-N Từ đồ thị hình 4.2 ta thấy photo diode làm từ Si làm việc thích hợp trong vùng bước sóng. Còn trong vùng bước sóng từ 1,3 đến 1,6µm thì dùng photo diode làm từ InGaAs hoặc Ge. Tuy nhiên do Ge có tạp âm lớn nên trong thực tế nó ít được sử dụng làm bộ thu quang. Đáp ứng thời gian của photo diode chỉ mức độ phản ứng của diode với ánh sáng chiếu vào nó hay biểu thị tính quán tính của diode. Đáp ứng thời gian của photo diode được quyết định bởi các yếu tố sau: Thời gian dịch chuyển của dòng điện khuếch tán của hạt dẫn ngoài vùng trôi (trong lớp P và lớp N) của diode. Thời gian dịch chuyển của dòng điện trôi của các hạt dẫn qua lớp nghèo trong diode. Vì tốc độ trôi của hạt dẫn trong lớp nghèo dưới điện trường tiếp xúc lớn hơn nhiều tốc độ dịch chuyển của dòng điện khuếch tán trong hai vùng P và N, nên thời gian dịch chuyển của dòng điện khuếch tán ảnh hưởng đến đáp ứng thời gian của photo diode P- N. Vì vậy để giảm thời gian khuếch tán, tức giảm thời gian đáp ứng, photo diode được chế tạo với hai vùng P và N khá mỏng. Ngoài ra để tăng hiệu suất lượng tử tức tăng số cặp điện từ và lỗ trống được tạo ra trong photo diode, thì lớp nghèo có độ dày càng lớn càng tốt, như vậy lại làm tăng đáp ứng thời gian của diode. Như vậy photo diode P- N có hai nhược điểm cơ bản là hiệu suất lượng tử thấp do độ rộng lớp nghèo nhỏ và đáp ứng thời gian lớn do dòng khuếch tán lớn, nên trong thực tế kỹ thuật nó ít được sử dụng làm bộ thu quang. 4.3. Photo diode PIN 4.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc Photo diode PIN được cấu tạo từ bán dẫn loại Si hay InGaAs gồm 3 lớp là P, N và lớp giữa I (I là chất tinh khiết cao ôm- Instrinsic). Tại hai lớp P và N có gắn lớp tiếp xúc kim loại để tạo thành các điện cực là anôt và catot. Nhờ có thêm vùng bán dẫn tinh khiết I nên điện trường do điện áp đặt từ ngoài lên vùng này có cường độ trường khá lớn, vì vậy tăng được tốc độ trôi của dòng điện hạt dẫn qua lớp nghèo lên nhiều lần so với photo diode P-N. P I N Chiều dầy Trở tải RL Thiên áp Photon tới Điện trường + X Y Hình 4.2. Cấu tạo của photo diode quang Ngoài ra 2 lớp P và N được chế tạo rất mỏng, để cho các cặp điện tử và lỗ trống chỉ được tạo ra ở lớp nghèo, nên giảm được dòng điện khuếch tán, do đó làm giảm thời gian đáp ứng. Lớp nghèo chiếm cả vùng I và mở rộng sang 2 bên lớp P và N một phần, do đó làm tăng hiệu suất lượng tử của diode. Như vậy photo diode PIN đã khắc phục được hai nhược điểm của photo diode P-N về hiệu suất lượng tử và đáp ứng thời gian. 4.3.2. Tham số kỹ thuật của PIN Bảng 4.1 thể hiện các tham số kỹ thuật của một số photo diode PIN tiêu biểu làm từ các loại bán dẫn khác nhau: Tham số (ký hiệu) Đơn vị Si Ge InGaAs Bước sóng λ Đáp ứng R Hiệu suất lượng tử η Dòng tối It Thời gian lên τr Băng tần Δf Thiên áp Vb μm A/W % nA ns GHz V 0,4-1,1 0,4-0,6 79-90 1-10 0,5-1 0,3-0,6 50-100 0,8-1,8 0,5-0,7 50-55 50-500 0,1-0,5 0,5-3 6-10 1,0-1,7 0,6-0,9 60-70 1-20 0,05-0,5 1-5 5-6 Bảng 4.1. Các tham số kỹ thuật của photo diode PIN Photo diode PIN được ứng dụng trong các hệ thống thông tin tốc độ trung bình, cự ly trung bình, có giá thành rẻ và tin cậy. 4.4. Photo diode thác APD Photo diode thác APD có nhược điểm là độ nhậy bị hạn chế, do vậy trong các tuyến thông tin yêu cầu độ nhậy của máy thu cao, ta cần phải sử dụng một loại photo diode có độ nhậy cao hơn gọi là photo diode thác APD. Trong photo diode thác APD dòng quang điện được khuếch đại lên nhiều lần do hiệu ứng nhân thác xảy ra bởi sự ion hoá do va chạm của điện tử được tạo ra với mạng tinh thể trong lớp nhân thác của diode để tạo ra nhiều cặp điện tử và lỗ trống mới trong khoảng thời gian rất ngắn. 4.4.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc Photo diode thác APD được cấu tạo từ chất bán dẫn Si hoặc InGaAs bao gồm 4 lớp là P+, N+, I và P cao ôm. Ở đây các vùng bán dẫn + được pha tạp chất với nồng độ cao. Hình 4.3. Cấu tạo của diode thác APD Do có điện trở khá cao nên dưới tác dụng của thiên áp đặt vào diode điện trường trong lớp P đạt giá trị cao hơn giá trị điện trường ngưỡng nhân thác (cỡ Eng=3.105v/cm).Lớp I là bán dẫn tinh khiết, là lớp nghèo dùng chủ yếu để hấp thụ ánh sáng và tạo ra các cặp điện tử, lỗ trống trong diode. Hiệu ứng nhân thác xảy ra như sau: khi photon tới có năng lượng E=hv>EG chiếu vào photo diode, trong lớp I sinh ra các cặp điện tử và lỗ trống ban đầu gọi là hạt sơ cấp. Các điện tử này trôi dưới tác dụng của điện trường đi đến lớp P có điện trường rất cao, tại đây chúng được tăng tốc mạnh nên có vận tốc cao, đủ sức ion hoá khi va chạm với các điện tử trong mạng tinh thể P để tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống gọi là thứ cấp. Đến lượt các điện tử thứ cấp lại được tăng tốc và tiếp tục ion hoá va chạm với các điện tử trong mạng tinh thể để tạo ra nhiều cặp điện tử thứ cấp nữa. Quá trình ion hoá do va chạm trên xảy ra theo phản ứng dây truyền trong thời gian rất ngắn để tạo ra một số lượng rất lớn các điện tử thứ cấp nên gọi là hiệu ứng nhân thác. Do đó dòng quang điện chạy trong photo diode thác đã được khuếch đại lên nhiều lần so với photo diode PIN. Lớp P được gọi là lớp nhân thác của photo diode. 4.4.2. Các tham số kỹ thuật của APD Để đặc trưng cho sự nhân thác dòng quang điện trong photo diode APD, ta đưa vào tham số gọi là thừa số nhân thác M. Nó được biểu thị bởi tỷ số của dòng quang điện trung bình tổng đầu ra trên dòng ban đầu không được nhân là: (4.4) Độ nhạy của photo diode thác được biểu thị qua công thức sau: (4.5) Ở đây R1 là độ nhạy của APD ứng với thừa số nhân thác M=1 Vì trong thực tế không phải mọi cặp điện tử và lỗ trống được tạo ra trong photo diode đều cùng được nhân thác, nên cơ chế nhân thác là một quá trình thống kê. Do đó giá trị của thừa nhân thác M được tính một cách trung bình. Để đảm bảo cường độ trường trong lớp nhân P đạt được giá trị ngưỡng nhân thác thì thiên áp đặt vào photo diode thác phải đủ lớn (cỡ vài chục đến hang trăm vol), nhưng phải nhỏ hơn mức đánh thủng cỡ 10% để khỏi hỏng diode. Để tăng độ nhạy của APD, cần phải chọn thừa số nhân thác có giá trị lớn, tuy nhiên khi M lớn thì làm cho tạp âm của photo diode APD cũng tăng, dẫn đến giảm tỷ số tín/ tạp S/N và độ nhạy của nó. Vì vậy trong thực tế cần chọn một giá trị tối ưu cho thừa số nhân thác là Mopt của APD. Giá trị tối ưu Mopt phụ thuộc vào chất bán dẫn làm photo diode APD. Thông thường nó có giá trị cỡ 30-100. So với PIN, APD có độ nhạy cao hơn, thiên áp ngược có giá trị lớn hơn, nhưng giá thành đắt hơn. Photo diode thác APD được sử dụng làm bộ thu quang trong các hệ thống thông tin quang có tốc độ bit rất cao, cự ly rất dài. Bảng 4.2 các thông số kỹ thuật APD. Tham số (ký hiệu) Đơn vị Si Ge InGaAs Bước sóng λ Đáp ứng R Thừa số nhân M Dòng tối It Thời gian lên τr Băng tần Δf Thiên áp VP μA A/m - nA ns GHz V 0,4-1,1 80-130 100-500 0,1-1,0 0,1-2 0,2-1 200-250 0,8-1,8 3-30 50-200 50-500 0,5-0,8 0,4-0,7 20-40 1,0-1,7 5-20 10-40 0,1-0,5 0,1-0,5 1,0-3,0 20-30 Bảng 4.2. Các thông số kỹ thuật APD CHƯƠNG V. GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN 5.1. Tổng quan về hệ thống ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin quang đã đạt được những thành tựu rất to lớn trong đó phải kể đến kỹ thuật ghép kênh quang, nó thực hiện việc ghép các tín hiệu ánh sáng để truyền trên sợi quang nhằm tăng dung lượng kênh truyền và tạo ra các tuyến thông tin có tốc độ cao. Việc xây dựng các hệ thống thông tin quang tốc độ cao trên 10Gbit/s TDM cho mỗi luồng đơn kênh quang gặp khó khăn trong việc phát triển các thành phần thiết bị điện tử ở tốc độ 20Gbit/s và 40Gbit/s do sự hạn chế của các mạch điện tử trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn và bản thân các mạch điện tử không đảm bảo được việc đáp ứng xung tín hiệu cực kỳ hẹp cùng với nó là chi phí cao. Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian (OTDM – Optical Time Division Multiplexing) ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên bởi vì quá trình ghép các luồng tín hiệu quang thành các luồng tín hiệu có tốc độ cao hơn không thông qua một quá trình biến đổi nào về điện. Sự phát triển của chúng đòi hỏi nhiều loại bộ phát và thu quang mới sử dụng kỹ thuật ghép tách kênh toàn quang. Nhờ công nghệ OTDM mà có thể xây dựng được các hệ thống tốc độ cao tới hàng trăm Gbit/s đến trên 1Tbit/s. Hơn nữa, OTDM ra đời thích hợp với công nghệ truyền dẫn SDH. Kỹ thuật SDH sẽ ghép các kênh để tạo ra các luồng tín hiệu quang, còn OTDM sẽ thực hiện việc ghép các luồng quang này để tạo ra các tuyến truyền dẫn có dung lượng cao. 5.1.1. Nguyên lý ghép kênh trong hệ thống OTDM Quá trình ghép kênh trong hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, chuỗi xung quang hẹp được phát ra từ nguồn laser thích hợp. Các tín hiệu này có thể đưa vào và khuếch đại để nâng mức tín hiệu đủ lớn đáp ứng được yêu cầu, nếu cần thiết. Sau đó được chia thành N luồng, mỗi luồng sẽ đưa vào điều chế nhờ các bộ điều chế ngoài với tín hiệu nhánh tốc độ BGbit/s. Để thực hiện ghép các tín hiệu quang này với nhau, các tín hiệu nhánh phải được đưa qua bộ trễ quang. Tùy theo vị trí của từng kênh theo thời gian trong khung mà các độ trễ này sẽ thực hiện trễ dịch các khe thời gian quang một cách tương ứng. Thời gian trễ là một nửa chu kỳ của tín hiệu clock. Như vậy tín hiệu sau khi được ghép có tốc độ là (NxB)Gbit/s. Sau khi được truyền trên đường truyền, các thiết bị tách kênh bên thu sẽ thực hiện tách kênh và khôi phục xung clock và đưa ra ở từng kênh riêng rẽ tương ứng với các kênh quang ở đầu vào bộ ghép phía phát. Thời gian Thời gian Nguồn phát quang KĐ quang Bộ chia quang Bộ điều chế Bộ điều chế Bộ điều chế Bộ điều chế Bộ ghép quang KĐ quang Khối phát clock Bộ tách kênh Kênh Tín hiệu Trễ quang Sợi quang Kênh 1 Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4 1 2 33 4 1 2 3 44 Hình 5.1. Sơ đồ hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM ghép 4 kênh quang 5.1.2 Phát tín hiệu trong hệ thống OTDM Hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh OTDM áp dùng hai kỹ thuật phát tín hiệu chủ yếu sau: Tạo luồng số liệu quang số RZ thông qua việc xử lý quang luồng NRZ. Dựa vào việc điều chế ngoài của các xung quang. Trong kỹ thuật tạo luồng số liệu quang số RZ thông qua việc xử lý quang luồng NRZ, từ luồng NRZ ta thực hiện biến đổi chúng để đưa về dạng tín hiệu RZ bằng cách cho luồng tín hiệu NRZ qua phần tử xử lý quang có đặc tính chuyển đổi phù hợp. Quá trình biến đổi ánh sáng liên tục (CW) thàng các xung dựa vào bộ khuếch đại điện – quang. Đầu vào CW là luồng tín hiệu quang NRZ và thường thì mỗi luồng NRZ yêu cầu một phân tử xử lý riêng. Nhưng với các hệ thống tiên tiến hơn sẽ cho phép đồng thời thực hiện cả biến đổi và xen quang NRZ thành NZ nhờ một thiết bị chuyển mạch tích cực điện – quang 2x2. Vì vậy, chùm tín hiệu ban đầu NRZ tốc độ B Gbit/s sẽ được lấy mẫu nhờ bộ điều chế Mach-Zehnder, bộ điều chế này được điều khiển với một sóng hình sin với tần số B GHz và được làm bằng biên độ cho đến giá trị điện áp chuyển mạch. Tín hiệu quang số này sẽ được biến đổi thành dạng RZ ở tốc độ B Gbit/s với độ rộng xung bằng nửa chu kỳ bit và việc này nhằm mục đích tạo ra một khoảng để xen vào một luồng tín hiệu dạng RZ thứ hai. Việc xen kênh thứ hai được thực hiện nhờ bộ ghép. Công nghệ nguồn phát quang trong ghép kênh cũng được lưu ý, đó là các Laser có thể phát xung rất hẹp ở tố độ cao và đầu ra của nguồn là các bộ chia quang thụ động, các bộ điều chế ngoài và tiếp đó là các bộ trễ thời gian, các bộ tái hợp vẫn sử dụng coupler. Các sản phẩm của phía phát OTDM được phát hầu như dựa vào công nghệ tổ hợp mạch lai ghép và điều này đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiến hành nghiên cứu. Đối với hệ thống sử dụng kĩ thuật OTDM, khi lựa chọn tuyến quang cho hệ thống ta cần quan tâm đến tỉ lệ “đánh điểm-khoảng trống” và nó tùy thuộc vào mức độ ghép kênh đặt ra. Trong hệ thống OTDM 4 kênh, tỷ lệ “đánh điểm-khoảng trống” lớn hơn đối với nguồn phát xung quanh. Khi tuyến truyền dẫn rất xa thì tỉ lệ này sẽ yêu cầu cao hơn. Các nguồn phát xung phù hợp với hệ thống OTDM đang được sử dụng rộng rãi: Các laser hốc cộng hưởng ngoài gõ mode 4x5Gbit/s. Các laser DFB chuyển mạch khuếch đại 8x6Gbit/s. Các laser vòng sợi khóa mode 4x10Gbit/s và 16x6.25Gbit/s. Các nguồn phát liên tục 16x6.25Gbit/s. Nguồn phát liên tục 16x6.2Gbit/s là một công cụ thực hiện linh hoạt dựa trên sự mở rộng quang phổ bằng cách truyền những xung năng lượng cao trên dây cáp quang. 5.2 Giải ghép và xen rẽ kênh trong hệ thống OTDM 5.2.1 Giải ghép Khi xem xét các hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ OTDM, người ta quan tâm đến việc ghép và giải ghép trong vùng thời gian quang. Với hệ thống thông tin quang có cấu hình điểm-điểm thì công việc giải ghép ở phía thu là việc tách hoàn toàn các kênh quang tương ứng đã được phát ở đầu phát. Nhưng đối với mạng thông tin quang sử dụng kĩ thuật OTDM thì việc giải ghép ở phía thu không chỉ đơn thuần là tách các kênh quang mà còn thực hiện việc xen và rẽ kênh từ luồng truyền dẫn. Đối với các bộ giải ghép kênh cần phải xem xét các thông số cơ bản về tách kênh kể cả tỷ số phân biệt quang, suy hao quang, suy hao xen và mặt cắt cửa sổ chuyển mạch có thể đạt được. Tỷ số phân biệt có ảnh hưởng rất lớn đến mức độ xuyên âm. EX = 10logA/B Với A: Mức công suất quang trung bình ở mức logic 1. B: Mức công suất quang trung bình ở mức logic O. Ngoài ra, xuyên kênh cũng sẽ bị tăng do sự phủ chờm giữa các kênh lân cận với nhau tạo thành cửa sổ chuyển mạch. Và kết quả là độ rộng của cửa sổ chuyển mạch sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến tố độ đường truyền do đó ta phải đặt ra các yêu cầu về độ rộng xung tín hiệu sau khi truyền dẫn để giảm nhỏ xuyên kênh. Loại chuyển mạch Tín hiệu điều khiển Các đặc tính và cửa sổ chuyển mạch nhỏ nhất Bộ điều chế Niobate ghép tầng Sóng điện hình sin 40>10Gbit/s cửa sổ 19ps Bộ điều khiển băng rộng Sóng điện hai tần số 40>10Gbit/s cửa sổ 22ps, rẽ và xen kênh Bộ điều khiển điện hấp thụ Sóng điện hình sin Không nhạy cảm phân cực 40>10Gbit/s, cửa sổ 10ps Quang Kerr Xung quang 40Gbit/s, 5Gbit/s 100>6,25Gbit Trộn sóng: sợi Xung quang 40>20Gbit/s Gương vòng: sợi Xung quang 100>6,25Gbit/s, cửa sổ 6ps Rẽ và xen kênh Trộn sóng: bán dẫn Xung quang 40Gbit/s*10Gbit/s 20>5Gbit/s Quang Kerr: bán dẫn Xung quang 20>19Gbit/s Gương vòng: bán dẫn Xung quang 40>10Gbit/s 250>1Gbit/s cửa sổ 4ps. Bảng 5.1. Bảng tóm tắt các phương pháp ghép kênh OTDM Có hai loại sơ đồ giải ghép chính là điều khiển điện và điều khiển quang. Trong thời gian đầu, cơ bản tập trung vào hướng sử dụng các bộ điều chế Mach-Zehnder Lithium Niobate, nó cho phép khai thác đáp ứng hình sin để giải ghép bốn lần tốc độ tín hiệu cơ bản. Nhưng gần đây, người ta lại quan tâm đến việc ứng dụng các công nghệ xử lý quang hoàn toàn cho giải ghép với các đặc tính nổi bật sau: Cho phép thỏa mãn về các mức độ giải ghép kênh. Lấy được kênh, truy cập đến các kênh đang truyền để thực hiện việc xen và rẽ kênh. Các cửa sổ chuyển mạch có các ưu điểm nổi bật cho hệ thống OTDM, điều này cho phép sử dụng các xung tín hiệu rộng hơn trước khi các kênh kề nhau gây ra xuyên kênh. Hiệu ứng Kerr là hiệu ứng mà trong đó đặc tính phân cực của sợi quang phụ thuộc vào sự đồng nhất theo hình trụ của chỉ số chiết suất. Sự ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến lên sự đồng nhất này và các hiệu ứng truyền dẫn xảy ra sau đó thường được gọi chung là hiệu ứng Kerr. Hình 5.2. Nguyên lý của bộ ghép kênh thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển mạch phân cực quang 5.2.2. Xen rẽ kênh Tín hiệu đến bộ chia 3dB chia ra giữa các nhánh của gương vòng. Sau khi lan truyền vòng quanh vài km sợi trong vòng thì hai chuỗi xung sẽ giao thoa, tái hợp với nhau và được phản xạ từ gương vòng dưới các điều kiện tương thích. Chu trình hoạt động cơ bản này là động và tuyến tính. Tuy nhiên, nếu có chuỗi xung clock công suất cao hơn được đưa vào vòng mà trùng hợp với tín hiệu số nhưng chỉ lan truyền theo một hướng thì các xung clock sẽ biến đổi chỉ số chiết suất của lõi sợi. Việc điều chế ngang pha vừa đủ đã có thể có trong các xung tín hiệu để tạo ra các xung phù hợp được chuyển mạch qua phía tín hiệu để tạo ra các xung phù hợp được chuyển mạch qua phía đối diện của gương vòng. Kết quả là tín hiệu cần thiết lấy ra ở nút được thiết bị phản xạ trong khi đó các kênh còn lại sẽ đi qua và tái hợp tại chỗ với tín hiệu được phát cho hướng truyền dẫn phia trước cửa sổ chuyển mạch của thiết bị và của sổ này được xác định không chỉ bằng dạng của các xung điều khiển mà còn bằng cả các vận tốc tương đối của các tín hiệu và xung điều khiển một cách đối xứng ở hai phía của tán sắc sợi bằng không mà cửa sổ chuyển mạch sẽ thu được từ các xung tín hiệu và điều khiển là tương hợp về vận tốc. Các gương vòng phi tuyến (NOLM: Nonlinear Loop Mirror) cũng có thể được cấu trúc từ thiết bị Laser bán dẫn thay cho sợi trong một số trường hợp. Nhược điểm chính của NOLM là do độ dài của sợi (khoảng 10km ), mà cần phải lựa cho việc tán sắc bằng không và bước sóng tín hiệu điều khiển để đạt được cửa sổ chuyển mạch hợp lý. 5.2.3 Đồng bộ quang trong hệ thống OTDM Tín hiệu clock ra Bước sóng λ2 Tín hiệu quang tới LDA Bộ lọc quang Bộ thu quang và lặp Bộ so pha VCO E/O Phát tín hiệu clock quang Bước sóng λ1 λ1+ λ2 Bước sóng λ2 f0+∆f ∆f ∆f f0+∆f f0 Hình 5.3. Cấu hình PLL quang để trích lấy clock Kĩ thuật tách lấy tín hịệu clock là một quá trình không thể thiếu được để tạo ra tín hiệu định thời với tốc độ của tín hiệu là một quá trình không thể thiếu khi thực hiện xử lý các tín hiệu PCM tốc độ cao. Trong các hệ thống thông tin quang hiện nay đang khai thác, việc trích lấy thời gian được thực hiện trên các mạch khóa pha PLL điện (phase-locked-loop) sau khi tín hiệu quang thu được biến đổi thành tín hiệu điện thì các thiệt bị truyền dẫn như các thiết bị đầu cuối quang, thiết bị xen kẽ kênh và cả các trạm lắp đều có PLL. Việc trích lấy xung clock đòi hỏi một cách chính xác. Các mạch PLL điện chỉ đáp ứng đươc các hệ thống truyền dẫn với tốc độ bít nhỏ, khi tốc độ truyền dẫn tăng lên thì chúng không còn phù hợp nữa. Nó sẽ bị hạn chế vì băng tần của các bộ biến đổi quang_điện và mạch điện tử không đáp ứng kịp. Đối với các hệ thống OTDM tốc độ làm việc rất cao và tính chất quang hóa của các hệ thống này thể hiện rất rõ cho nên cấn phải xử dụng việc tách tín hiệu clock dựa trên công nghệ quang. Các mạch PLL đã đáp ứng được tốc độ cực nhanh của tín hiệu trên hệ thống OTDM cũng như các hệ thống thông tin tốc độ cao khác. Trong cấu hình mạch PLL quang, bộ khuếch đại Laser LDA có chức năng như một mạch kết hợp ngang quang có tốc độ cực nhanh. Khi có cả tín hiệu quang và xung từ clock đi tới, bộ khuếch đại LDA sẽ kết hợp hai tín hiệu này và cho ra tín hiệu tần số thấp có chứa thành phần ∆f với ∆f là sự lệch tần số của hai tín hiệu này, sau đó tổ hợp tín hiệu này được tách sóng và lọc để tạo ra tín hiệu ∆f tương ứng với tín hiệu nội so sánh. Dịch pha này được kiểm tra bởi mạch so pha, kết quả so pha sẽ được đưa vào bộ dao động điều khiển điện áp VCO để phát ra tần số f. Máy phát tín hiệu quang sẽ biến đổi tín hiệu điện có tần số f+∆f thành tín hiệu quang tương ứng. Tín hiệu clock quang sẽ được lấy ra từ bộ biến đổi điện – quang E/O và cấp vào thiết bị giải ghép quang trong hệ thống OTDM. 5.3. Đặc tính truyền dẫn của OTDM Do ánh sáng truyền trong sợi quang bị giải rộng ra do sự tán sắc của sợi quang, trong khi đó các hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM hoạt động với tốc độ rất cao, điều đó đòi hỏi các xung phát ra phải rất ngắn. Ta có thể đưa truyền dẫn Soliton và hệ thống để khắc phục vấn đề tán sắc. Tuy vậy, vẫn phải quan tâm tới vấn đề xung cực hẹp. Giả sử các bộ khuếch đại quang thường được sử dụng để tăng các mức tín hiệu dọc theo tuyến thông tin quang khi cần. Trong truyền dẫn tuyến tính tín hiệu RZ trên sợi có tán sắc, vấn đề bù cho hệ thống theo nghĩa bù trừ tán sắc chỉ thiết lập cho các xung tín hiệu bị mất năng lượng vào các khe thời gian lân cận. Tuy vậy, một khi điều này xảy ra thì hệ thống bị suy giảm nhanh nên để tăng cực đại khoảng cách truyền dẫn thì phải đưa các hệ thống truyền dẫn OTDM và các tuyến của tán sắc tiến tới không. Giải pháp đầu tiên là nguồn phát phải làm việc tại bước sóng gần với bước sóng của tán sắc sợi bằng không và điều này rất khó thực hiện bởi giảm công suất tín hiệu để tránh dãn xung cần thiết nhưng điều này có thể làm cho đặc tính của hệ thống bị giới hạn do tỉ lệ S/N. Giải pháp thứ hai là các kỹ thuật điều tiết tán sắc ánh sáng có thể được sử dụng để duy trì hình thức truyền dẫn tuyến tính của tuyến. Hệ thống sử dụng các bộ phát OTDM trong truyền dẫn số phi tuyến có ưu điểm lớn. Các dạng xung ngắn phù hợp với truyền dẫn Soliton để khắc phục tán sắc của sợi dẫn quang. Với hệ thống Soliton thì khoảng lặp của hệ thống OTDM phi tuyến có thể được tăng lên rất lớn bằng cách thực hiện kỹ thuật điều khiển Soliton, thông qua việc sử dụng các bộ lọc dẫn hoặc định thời tích cực. Các bộ lọc dẫn rất thuận lợi khi áp dụng vào môi trường có hiệu ứng Gordon-Haus gây ra Jitter, còn lại việc định lại thời gian tích cực sẽ loại bỏ Jitter đối với bất kì một cơ chế hoạt động nào. Nhờ các công nghệ này người ta có thể thực hiện một trạm lặp bao gồm khối khôi phục clock điện để điều khiển thiết bị điện-quang hoặc quang hoàn toàn nhằm đưa ra dịch pha. 5.4. Bộ khuếch đại sợi quang pha trộn ERBIUM (EDFA) 5.4.1 Các cấu trúc EDFA Coupler LASER bơm Isolator Isolator Er3+ Doped Fiber Hình 5.4. Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) được minh họa trên hình 5.4. Trong đó bao gồm:          Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA. Cấu tạo của sợi quang pha ion Er3+ được minh họa như hình 5.5. Hình 5.5. Mặt cắt ngang của một sợi quang ion Erbium Trong đó, vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3 -6 μm) của EDF được pha trộn ion Er3+ là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất. Việc pha các ion Er3+ trong vùng này cung cấp sự chồng lắp của năng lượng bơm và tín hiệu với các ion Erbium lớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn. Lớp bọc (Cladding) có chiết suất thấp hơn bao quanh vùng lõi. Lớp phủ (Coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi quang tổng cộng là 250 μm. Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớp bọc dùng để loại bỏ bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang. Nếu không kể đến chất pha Erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn mode chuẩn trong viễn thông. Ngoài ra, EDF còn được chế tạo bằng các bằng các loại vật liệu khác như sợi thủy tinh flouride (Flouride-Based Glass Fiber) hoặc sợi quang thủy tinh đa vật liệu (Multicomponent Glass Fiber).  Laser bơm (Pumping Laser): cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực. Laser bơm phát ra ánh sáng có bước sóng 980nm hoặc 1480nm. WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào trong sợi quang. Loại coupler được sử dụng là WDM coupler cho phép ghép các tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm. Bộ cách ly quang (Optical Isolator): ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường phản xạ ngược về EDFA. 5.4.2. Lý thuyết khuếch đại trong EDFA         a) Giản đồ phân bố năng luợng của Er3+ Hình 5.6. Giản đồ năng lượng của ion Er3+ Giản đồ phân bố năng lượng của Er3+ trong sợi silica được minh họa trong hình 5.6. Theo đó, các ion Er3+ có thể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khác nhau được ký hiệu: 4I15/2, 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 4H11/2. Trong đó: Vùng 4I15/2 có mức năng lượng thấp nhất, được gọi là vùng nền (ground-state band). Vùng 4I13/2 được gọi là vùng giả bền (mestable band) vì các ion Er3+ có thời gian sống (lifetime) tại vùng này lâu (khoảng 10ms) trước khi chuyển xuống vùng nền. Thời gian sống này thay đổi tùy theo loại tạp chất được pha trong lõi của EDFA. Vùng 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 4H11/2 là các vùng năng lượng cao, được gọi là vùng kích thích hay vùng bơm (Pumping Band). Thời gian các ion Er3+ có trạng thái năng lượng trong các vùng này rất ngắn (khoảng 1 μs). Sự chuyển đổi năng lượng của các ion Er3+ có thể xảy ra trong các trường hợp sau: Khi các ion Er3+ ở vùng nền nhận một mức năng lượng bằng độ chênh lệch năng lượng giữa vùng nền và vùng năng lượng cao hơn, chúng sẽ chuyển lên vùng có mức năng lượng cao hơn (sự hấp thụ năng lượng). Khi các ion Er3+ chuyển từ các vùng năng lượng cao xuống vùng năng lượng thấp hơn sẽ xảy ra hai trường hợp sau: Phân rã không bức xạ (Nonradiative Decay): năng lượng được giải phóng dưới dạng photon tạo ra sự dao động phân tử trong sợi quang. Phát xạ ánh sáng (Radiation): năng lượng được giải phóng dưới dạng photon. Độ chênh lệch năng lượng giữa vùng giả bền (4I13/2) và vùng nền (4I15/2) [1]: +) 0.775eV (tương ứng với năng lượng của photon có bước sóng 1600nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đỉnh của vùng nền.  +) 0.814eV (1527 nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đáy của vùng nền. +) 0.841 eV (1477nm) tính từ đỉnh vùng giả bền đến đáy của vùng nền. Hình 5.7. Phổ hấp thụ và phổ độ lợi Mật độ phân bố năng lượng của các ion Er3+ trong vùng giả bền không đều nhau: các ion Er3+ có khuynh hướng tập trung nhiều ở các mức năng lượng thấp. Điều này dẫn đến khả năng hấp thụ và phát xạ photon của ion Erbium thay đổi theo bước sóng. Phổ hấp thụ (Absortion Spectrum) và phổ độ lợi (Gain Spectrum) của EDFA có lõi pha Ge được biểu diễn trên hình 5.7. b. Nguyên lý hoạt động của EDFA Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích. Quá trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện theo các bước như hình 2.13. Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton =1.27eV) và chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn  ở vùng bơm (pumping band) (1) Tại vùng bơm, các ion Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1μs) và chuyển xuống vùng giả bền (2). Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền (3). Hình 5.8. Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra với 2 bước sóng bơm 980nm và 1480nm. Các ion Er3+ trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùng năng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4). Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu không được kích thích bởi các photon có năng lượng thích hợp (phát xạ kích thích) các ion Er3+ sẽ chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn ở vùng nền và phát xạ ra photon (phát xạ tự phát) (5). Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra đồng thời hai hiện tượng sau: Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er3+ ở vùng nền (6). Tín hiệu ánh sáng bị suy hao, các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng giả bền (7). Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra. Khi đó, các ion Er3+  bị kích thích sẽ chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao ở vùng giả bền xuống mức năng lượng thấp ở vùng nền và phát xạ ra photon mới có cùng hướng truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng bước sóng. Tín hiệu ánh sáng được khuếch đại. Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích (khuếch đại) xảy ra trong khoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm. Đây cũng là vùng bước sóng hoạt động của EDFA. Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng tại các bước sóng lớn hơn 1565 nm và bằng 0 dB tại bước sóng 1616nm. 5.4.3. Yêu cầu đối với nguồn bơm Bước sóng bơm Với các vùng năng lượng được nêu ở trên ánh sáng bơm có thể được sử dụng tại các bước sóng khác nhau 650 nm (4F9/2), 800 nm (4I9/2), 980 nm (4I11/2), 1480 nm (4I13/2). Tuy nhiên, khi bước sóng bơm càng ngắn thì các ion Er3+ phải trải qua nhiều giai đoạn chuyển đổi năng lượng trước khi trở về vùng nền và phát xạ ra photon ánh sáng. Do đó, hiệu suất bơm không cao, năng lượng bơm sẽ bị hao phí qua việc tạo ra các phonon thay vì photon. Vì vậy, trên thực tế, ánh sáng bơm sử dụng cho EDFA chỉ được sử dụng tại hai bước sóng 980nm và 1480nm.             Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt được sự nghịch đảo nồng độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion erbium lên trạng thái kích thích. Có hai cách thực hiện quá trình này: bơm trực tiếp tại bước sóng 1480 nm hoặc bơm gián tiếp ở bước sóng 980 nm. Phương pháp bơm gián tiếp (bơm ở 980 nm): Trong trường hợp này, ion Erbium liên tục được chuyển tiếp từ vùng năng lượng 4I15/2  thấp lên vùng năng lượng cao 4I11/2, sau đó các ion sẽ phân rã xuống vùng 4I13/2 nhưng không phát xạ. Từ vùng này, khi có ánh sáng kích thích thì các ion sẽ phát xạ bước sóng mong muốn (từ 1550 đến 1600 nm) khi chuyển từ vùng năng lượng 4I13/2  xuống vùng 4I15/2. Đây chính là hệ thống ba mức. Thời gian sống của ion Erbium ở mức 4I11/2 khoảng 1μs trong khi ở 4I13/2 thì tới 10ms. Với thời gian sống dài, vùng 4I15/2   được gọi là vùng ổn định. Vì vậy, các ion được bơm lên mức cao, sau đó nhanh chóng rơi xuống vùng 4I13/2 và tồn tại ở đó trong một khoảng thời gian tương đối dài tạo nên sự nghịch đảo về nồng độ. Với phương pháp bơm trực tiếp (1480 nm): các ion erbium chỉ hoạt động trong hai vùng năng lượng 4I13/2 và 4I15/2. Đây là hệ thống 2 mức. Các ion Erbium liên tục được chuyển từ vùng năng lượng nền 4I15/2 lên vùng năng lượng kích thích 4I13/2 nhờ năng lượng bơm. Vì thời gian tồn tại ở mức này dài nên chúng tích lũy tại đây tạo ra sự nghịch đảo nồng độ. Nguồn bơm có hiệu quả cao ở cả hai bước sóng 980 và 1480 nm. Để có hệ số khuếch đại hơn 20 dB thì chỉ cần tạo ra nguồn bơm có công suất nhỏ hơn 5 mW, nhưng vẫn cần phải có nguồn bơm từ 10 đến 100 mW để đảm bảo cho công suất ra đủ lớn.  Chỉ số nhiễu lượng tử giới hạn là 3 dB đạt được ở bước sóng 980 nm. Đối với bước sóng 1480 nm thì chỉ số nhiễu là vào khoảng 4 dB vì tiết diện ngang phát xạ tại1480 nm cao hơn tại 980 nm và sự bức xạ kích thích do nguồn bơm đã giới hạn sự nghịch đảo tích luỹ tại 1480nm. Do đó, bước sóng bơm 980 nm được ứng dụng cho các bộ khuếch đại tạp âm thấp. Hệ số độ lợi tại bước sóng bơm 980 nm cao hơn tại 1480 nm tại cùng công suất bơm. Do đó, để đạt được cùng một hệ số độ lợi thì công suất bơm tại 1480 nm phải cao hơn tại 980 nm. Vì ông suất bơm ở 1480 nm lớn hơn nên công suất ngõ ra lớn hơn, do đó bơm ở bước sóng 1480nm được ứng dụng cho các bộ khuếch đại công suất. Ngoài ra, bước sóng bơm 1480 nm được truyền trong sợi quang với suy hao thấp. Do đó, nguồn bơm laser có thể đặt xa bộ khuếch đại. Hiện nay, bơm bước sóng 1480nm được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng sẵn có hơn và độ tin cậy cao hơn. Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nó dùng để bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu. Các thiết bị khuếch đại công suất đòi hỏi công suất bơm cao nhất và độ ổn định của chúng là mấu chốt trong quá trình nghiên cứu phát triển chúng. Nếu tăng được độ ổn định của laser có bước sóng 980 nm thì có thể chúng sẽ được chọn làm nguồn bơm. Một số EDFA được bơm tại cả hai bước sóng để tận dụng ưu điểm của cả hai bước sóng. Bước sóng bơm 980nm 1480nm Tính chất: Độ lợi Cao hơn Thấp hơn Độ lợi công suất bơm Thấp hơn Cao hơn Suy hao công suất bơm Cao hơn Thấp hơn Hệ số nhiễu Thấp hơn Cao hơn Ứng dụng Tiền khuếch đại Khuếch đại công suất Bảng 5.2. So sánh hai mức bơm 980nm và 1480nm c. Công suất bơm Công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion Erbium bị kích thích để trao đổi năng lượng với tín hiệu cần khuếch đại và sẽ làm cho hệ số khuếch đại tăng lên. Tuy nhiên, hệ số khuếch đại không thể tăng mãi theo công suất bơm vì số lượng các ion erbium được cấy vào sợi là có giới hạn. Ngoài ra, khi công suất bơm tăng lên thì hệ số nhiễu sẽ giảm. Điều này sẽ được trình bày trong phần tính hệ số nhiễu của EDFA. d. Hướng bơm Bộ khuếch đại EDFA có thể được bơm theo ba cách: Bơm thuận (Codirectional Pumping): nguồn bơm được bơm cùng chiều với hướng truyền tín hiệu. Bơm ngược (Counterdirectional Pumping): nguồn bơm được bơm ngược chiều với hướng truyền tín hiệu. Bơm hai chiều (Dual Pumping): sử dụng hai nguồn bơm và bơm được theo hai chiều ngược nhau. Hướng bơm thuận có ưu điểm nhiễu thấp vì nhiễu khá nhạy cảm với độ lợi mà độ lợi tín hiệu cao nhất khi công suất tín hiệu vào thấp nhất. Trong khi đó, hướng bơm ngược cung cấp công suất ra bão hoà cao nhưng có hệ số nhiễu cao hơn bơm thuận. Do vậy, người ta đề nghị sử dụng cả hai laser bơm có bước sóng bơm khác nhau. Việc bơm tại bước sóng 1480 nm thường được sử dụng theo chiều ngược với hướng truyền tín hiệu và bơm tại 980 nm theo hướng thuận để sử dụng tốt nhất ưu điểm của mỗi loại bơm. Bơm tại 1480 nm có hiệu suất lượng tử cao hơn nhưng có hệ số nhiễu cao hơn, trong khi bơm tại bước sóng 980 nm có thể cung cấp một hệ số nhiễu gần mức giới hạn lượng tử. Hệ số nhiễu thấp phù hợp cho các ứng dụng tiền khuếch đại. Một EDFA  được bơm bằng một nguồn bơm có thể cung cấp công suất  đầu ra cực  đại khoảng +16 dBm trong vùng bão hoà hoặc hệ số nhiễu từ 5-6 dB trong vùng tín hiệu nhỏ. Cả hai bước sóng bơm được sử dụng đồng thời có thể cung cấp công suất đầu ra cao hơn. Một EDFA được bơm kép có thể cung cấp công suất ra tới +26 dBm trong vùng công suất bơm cao nhất có thể đạt được. Hình 5.9 thể hiện một EDFA được bơm kép.  Giá trị các đặc tính của bộ khuếch đại EDFA được trình bày trong bảng 5.2. Hình 5.9. Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép 5.4.4. Phổ khuếch đại Phổ độ lợi của EDFA được trình bày trong hình 5.9 là tính chất quan trọng nhất của EDFA khi xác định các kênh tín hiệu được khuếch đại trong hệ thống WDM. Hình dạng của phổ khuếch đại phụ thuộc vào bản chất của sợi quang, loại tạp chất (Ge, Al) và nồng độ tạp chất được pha trong lõi của sợi quang. Hình 5.9 cho thấy phổ độ lợi của EDFA có lõi pha Ge khá rộng. Tuy nhiên, phổ độ lợi này không bằng phẳng. Điều này sẽ dẫn đến việc hệ số khuếch đại khác nhau đối với các bước sóng khác nhau. Nếu  độ lợi của các kênh tín hiệu không  đồng nhất, nhất là sau khi qua nhiều tầng EDFA, sai số độ lợi này sẽ tích luỹ tuyến tính đến mức khi tới đầu thu kênh bước sóng có độ lợi cao làm cho đầu vào máy thu quá tải. Ngược lại, kênh tín hiệu có độ lợi nhỏ thì tỉ số SNR không đạt yêu cầu. Sự làm phẳng độ lợi là cần thiết để loại bỏ sự khuếch đại méo các tín hiệu qua các EDFA đường truyền ghép tầng. Một số biện pháp được sử dụng để khắc phục sự không bằng phẳng của phổ độ lợi: Chọn lựa các bước sóng có độ lợi gần bằng nhau. WDM làm việc ở dải sóng băng C (1530 – 1565 nm). Trong dải bước sóng này chọn 40 bước sóng làm bước sóng công tác của WDM. Các bước sóng này có độ lợi gần bằng nhau. Công nghệ cân bằng độ lợi: dùng bộ cân bằng (Equalizer) hấp thụ bớt công suất ở bước sóng có độ lợi lớn và bộ khuếch đại để tăng công suất của bước sóng có độ lợi nhỏ. Thay đổi thành phần trộn trong sợi quang: dùng sợi quang trộn thêm nhôm, photpho nhôm hay flo cùng với Erbium sẽ tạo nên bộ khuếch đại có băng tần được mở rộng và phổ khuếch đại bằng phẳng hơn. Ngoài ra, phổ độ lợi của EDFA còn phụ thuộc vào chiều dài của sợi EDF. Lý do là vì trạng thái nghịch đảo nồng độ thay đổi dọc theo chiều dài của sợi quang khi công suất bơm thay đổi.  Bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở băng C (1530-1565 nm). Tuy nhiên, độ lợi của sợi pha tạp có đuôi trải rộng đến khoảng 1605 nm. Điều này kích thích sự phát triển của các hệ thống hoạt động ở băng L từ 1565 đến 1625 nm. Nguyên lý hoạt động của EDFA băng L giống như EDFA băng C. Tuy nhiên, có sự khác nhau trong việc thiết kế EDFA cho băng C và băng L. Các phần tử bên trong bộ khuếch đại quang như bộ cách ly (isolator) và bộ ghép (coupler) phụ thuộc vào bước sóng nên chúng sẽ khác nhau trong băng C và băng L. Sự so sánh các tính chất của EDFA trong băng C và băng L được thể hiện trong bảng 5.3. Tính chất Băng C Băng L Độ lợi Cao hơn Nhỏ hơn khoảng 3 lần Phổ độ lợi Ít bằng phẳng hơn Bằng phẳng hơn Nhiễu ASE Thấp hơn Cao hơn Bảng 5.3. Bảng so sánh EDFA hoạt động trong băng C và L Bảng 5.3 trình bày cấu trúc của một bộ khuếch đại băng L làm bằng phẳng độ lợi trong khoảng bước sóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng. 5.5. Kết luận chương Qua nghiên cứu về kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo thời gian (OTDM) cho thấy các đặc điểm nổi bật sau: Dung lượng kênh truyền dẫn lớn. Tốc độ truyền dẫn cao. Vận dụng tốt phổ hẹp của Laser. Kết hợp được với kỹ thuật điều khiển Siliton để tăng khả năng lặp của hệ thống phi tuyến lên rất lớn. Ghép kênh quang phân chia theo thời gian phù hợp với các loại Laser tạo ra các xung có độ dài ít hơn độ dài khe thời gian của tín hiệu cho phép. KẾT LUẬN Đề tài “kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian” trong hệ thống thông tin quang đã thực sự đem lại cho chúng em nhiều hiểu biết về thông tin sợi quang. Khi tìm hiểu về hệ thống thông tin sợi quang ở chương 1 đã trình bày một cách khái quát về hệ thống và đã giúp cho chúng em có tầm nhìn về hệ thống thông tin sợi quang một cách tổng quát. Các chương tiếp theo sẽ tập trung vào trình bày một cách then chốt các vấn đề như đặc điểm, cấu tạo chức năng của hệ thống cáp sợi quang. V