Đề tài Tình hình tổng quan về hệ thống thông tin quang

LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay thông tin quang được coi là một trong những ngành mũi nhọn trong lĩnh vực viễn thông. Ngay từ giai đoạn đầu, khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của thế giới. Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn hẳn hệ thống cáp đồng truyền thống và hệ thống vô tuyến như : băng tần rộng, có cự ly thông tin lớn, không bị ảnh hưởng của nhiễu sóng điện từ và khả năng bảo mật thông tin cao. Các hệ thống này không chỉ phụ hợp với các tuyến thông tin lớn như tuyến đường trục, tuyến xuyên đại dương... mà còn có tiềm năng trong các hệ thông thông tin nội hạt với cấu trúc linh hoạt và khả năng đáp ứng các loại hình dịch vụ trong hiện đại và cả tương lai. Một trong những yếu tố mang lại ưu điểm nổi trội cho các hệ thống thông tin quang chình là các phần tử quang điện cấu thành nên hẹ thống. Đó là các thành phần tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh từ phía phát đến phía thu. Tùy thuộc vào đặc tính và khả năng hoạt động của mỗi phần tử mà từng phần tử giữ một hay nhiều vị trí trong hệ thống. Khi công nghệ điện tử - viễn thông càng phát triển thì công nghệ thông tin quang càng có khả năng triển khai phần tử mới tiên tiến hơn, có nhiều ưu điểm hơn. Như thế ta có các thế hệ hệ thống thông tin quang mới với khả năng làm chuyển đổi phương thức hoạt động và khả năng khia thác trên mạng lưới viễn thông. Với nhận thức trên về các phần tử quang điện trong hệ thống thông tin quang, cùng với sự hướng dẫn của TS Bùi Trung Hiếu, đồ án tốt nghiệp của em tìm hiểu về vấn đề xung quanh cấu trúc, nguyên lý và đặc tính của các phần tử quang điện trong thông tin quang. Nội dung đồ án bao gồm 3 chương: Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin quang - Khái quát chung về hệ thống thông tin quang từ giai đoạn đầu đến nay. Chương 2 : Các phần tử thụ động – Trình bày các cơ sở vật lý quang cho các phần tử quang thụ động và cấu trúc, nguyên lý hoạt động của một số phần tử thụ động như : sợi quang, coupler quang, bộ lọc quang… Chương 3 : Các phần tử tích cực – Trình bày các khái niệm về vật lý bán dẫn, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và đặc tính của các phần tử tích cực như : nguồn quang, bộ tách quang, bộ khuếch đại quang và bộ bù tán sắc. Do vấn đề tìm hiểu rất rộng và trình độ chưa cho phép nên đồ án còn nhiều thiếu sót. Em mong được sự chỉ bảo và góp ý tù phía các thầy, cô giáo cùng các bạn để đồ án hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Trung Hiếu đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này và các thầy cô trong bộ môn Thông tin quang – khoa Viễn thông I đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực tập đồ án. Hà Nội ngày 14 tháng 10 năm 2005 Sinh viên Đoàn Thị Mỹ Hạnh CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Giới thiệu chung Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là một hệ thống để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác. Khoảng cách giữa các nơi này có thể từ vài trăm mét đến vài trăm kilômét thậm chí hàng trăm ngàn kilômét vượt qua đại dương. Thông tin có thể truyền thông qua các sóng điện với các dải tần số khác nhau. Hệ thống thông tin quang là một hệ thống thông tin bằng ánh sáng và sử dụng các sợi quang để truyền thông tin. Thông tin truyền đi trong hệ thống thông tin quang được thực hiện ở tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc vùng hồng ngoại gần của phổ sóng điện từ. 1.1.1 Mô hình hệ thống thông tin quang Để truyền thông tin giữa các vùng khác nhau, hệ thống thông tin quang cũng cần phải có mô hình truyền tin cơ bản như chỉ ra trong hình 1.1, và đến nay mô hình chung này vẫn được áp dụng. Trong mô hình này, tín hiệu cần truyền đi sẽ được phát vào môi trường truyền dẫn tương ứng, và ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền. Như vậy tín hiệu đã được thông tin từ nơi gửi tín hiệu đi tới nơi nhận tín hiệu đến. Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng như các hệ thống thông tin khác, vì thế mà thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang cũng như mô hình chung, tuy nhiên môi trường truyền dẫn ở đây chính là sợi quang. Do đó sợi quang sẽ thực hiện truyền ánh sáng có mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu. Nơi phát tín hiệu đi Thiết bị phát Môi trường truyền dẫn Nơi tín hiệu đến Thiết bị thu Hình 1.1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản. Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phát quang, sợi quang, và phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển. Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tùy thuộc vào các kỹ thuật điều biến. Nguồn phát quang tạo ra sóng mang tần số quang, còn các mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin. Có hai loại nguồn sáng được dùng phổ biến trong thông tin quang là LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode). Sợi quang là môi trường truyền dẫn trong thông tin quang. So với môi trường truyền dẫn khác như môi trường không khí trong thông tin vô tuyến và môi trường cáp kim loại thì truyền dẫn bằng sợi quang có nhièu ưu điểm nổi bật đó là : hầu như không chịu ảnh hưởng của môi trường ngoài, băng tần truyền dẫn lớn, và suy hao thấp. Với những ưu điểm đó, cùng với nhiều tiến bộ trong lĩnh vực thông tin quang, sợi quang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ thống vượt đại dương. Chúng vừa đáp ứng được khoảng cách vừa đáp ứng được dung lượng truyền dẫn cho phép thực hiện các mạng thông tin tốc độ cao. Sợi quang có 3 loại chính là : sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc, sợi đa mode chiết suất biến đổi và sợi quang đơn mode. Tùy thuộc vào hệ thống mà loại sợi quang nào được sử dụng, tuy nhiên hiện nay các hệ thống thường sử dụng sợi đơn mode để truyền dẫn vì ưu điểm của loại sợi này. Phần thu quang có chức năng để chuyển tín hiệu quang thu được thành tín hiệu băng tần cơ sở ban đầu. Nó bao gồm bộ tách sóng quang và các mạch xử lý điện. Bộ tách sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD. Các mạch xử lý tín hiệu điện này có thể bao gồm các mạch khuếch đại, lọc và mạch tái sinh. 1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang Ngay từ thời kỳ khai sinh, hệ thống thông tin đã sử dụng nguyên lý truyền thông tin theo mô hình chung như hình 1.1 ở trên. Nguyên lý này thực hiện việc truyền thông tin từ phía phát qua môi trường sợi quang và cuối cùng đến phía thu. Tại mỗi phần tín hiệu thông tin được biến đổi như sau : Phía phát : Nguồn tín hiệu thông tin như tiếng nói, hình ảnh, dữ liệu… sau khi được xử lý trở thành tín hiệu điện (có thể ở dạng tương tự hoặc số) sẽ được đưa đến bộ phát quang (cụ thể là nguồn quang). Các tín hiệu điện đưa vào bộ phát quang được điều chế quang theo nhiều phương pháp điều biến khác nhau (điều biến trực tiếp cường độ ánh sáng hay điều biến gián tiếp) để thu được tín hiệu quang. Tín hiệu quang này sẽ được ghép vào sợi quang để truyền đi tới phía thu. Môi trường sợi quang: Là môi trường truyền dẫn ánh sáng (tín hiệu đã được điều chế quang) từ đầu phát tới đầu thu. Trong quá trình truyền dẫn này, do đặc tính quang học của ánh sáng và sợi quang mà tín hiệu quang bị suy giảm (suy hao và tán sắc). Cự ly truyền dẫn càng dài thì ánh sáng bị suy giảm càng mạnh, điều này dẫn đến khó khăn khi khôi phục tín hiệu ở phía thu. Do vậy, trên tuyến truyền dẫn thông tin quang, thường có các bộ khuếch đại tín hiệu quang và các trạm lặp nhằm tái tạo lại tín hiệu bị suy giảm trên đường truyền. Phía thu : Tín hiệu thu được từ môi trường truyền dẫn sẽ được bộ thu quang tiếp nhận. Tại đây, tín hiệu quang sẽ được biến đổi ngược trở lại thành tín hiệu điện như tín hiệu phát ban đầu. Cuối cùng ta thu được tín hiệu cần thông tin. 1.1.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang Hệ thống thông tin quang sử dụng môi trường truyền dẫn là sợi quang nên hệ thống có những ưu điểm hơn các hệ thống truyền thống sử dụng cáp đồng hay hệ thống thông tin vô tuyến trước đây, đó là : Dung lượng truyền dẫn lớn : Trong hệ thống thông tin sợi quang, băng tần truyền dẫn của sợi quang là rất lớn (hàng ngàn THz) cho phép phát triển các hệ thống WDM dung lượng lớn. So với truyền dẫn vô tuyến hay truyền dẫn dùng cáp kim loại thì truyền dẫn sợi quang cho dung lượng lớn hơn nhiều. Suy hao thấp : Suy hao truyền dẫn của sợi quang tương đối nhỏ, đặc biệt là trong vùng cửa sổ 1300nm và 1550nm. Suy hao nhỏ nên sợi quang có thể cho phép truyền dẫn băng rộng, tốc độ lớn hơn rất nhiều so với cáp kim loại cùng chi phí xây dựngs mạng. Không chịu ảnh hưởng của môi trường bên ngoài : Bởi vật liệu của sợi quang cách điện, không chịu ảnh hưởng của các yếu tố như điện từ trường nên không bị nhiễu điện từ… Độ tin cậy : Tín hiệu truyền trong sợi quang hầu như không chịu ảnh hưởng của môi trường bên ngoài, không gây nhiễu ra ngoài cũng như sự xuyên âm giữa các sợi quang. Do đó sợi quang thực tế cho chất lượng truyền dẫn rất tốt với độ tin cậy cao, tính bảo mật cũng cao hơn so với truyền dẫn vô tuyến và cáp kim loại. Chi phí thấp : Vì vật liệu chế tạo sợi quang sẵn có, đồng thời sợi lại nhẹ hơn cáp kim loại và có thể uốn cong, lắp đặt dễ dàng và ít bị hư hỏng do các yếu tố thiên nhiên tác động (như nắng, mưa…) nên hệ thống có thể tiết kiệm được chi phí xây dựng. Thông tin sợi quang có nhiều ưu điểm từ sợi quang đem lại tuy nhiên sợi quang cũng tồn tại một số nhược điểm như khó chế tạo, hàn nối phức tạp vì sợi quang rất bé, và rất dễ đứt gẫy. 1.2 Sự phát triển của kỹ thuật thông tin quang Hệ thống thông tin quang mới phát triển trong mấy thập kỷ gần đây (mặc dù các phương thức sơ khai của thông tin quang đã xuất hiện từ rất lâu trong xã hội loài người) nhưng nó đã đạt được rất nhiều thành tựu cao. Cho đến nay hệ thống thông tin quang đã trải qua nhiều thế hệ. Mục tiêu chủ yếu của các nỗ lực phát triển này là đồng thời tăng dung lượng và khoảng cách truyền dẫn. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang có thể tóm tắt qua năm thế hệ sau : Khởi đầu là vào năm 1960, việc phát minh ra Laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử phát triển của kỹ thuật thông tin quang sử dụng dải tần số ánh sáng. Tuy vậy Laser thời kỳ này lại có dòng ngưỡng quá cao, nhiệt độ làm việc thấp, thời gian sống ngắn. Một hướng nghiên cứu khác cùng khoảng thời gian này là truyền thông qua sợi quang. Theo lý thuyết thì sợi quang cho phép con người thực hiện thông tin với lượng kênh lớn hơn gấp nhiều lần các hệ thống vi ba hiện có. Thực tế thì suy hao của sợi quang trong giai đoạn này lại rất cao, ~1000dB/km, do đó vẫn chưa chứng tỏ khả năng vượt trội so với các hệ thống cũ. Khoảng năm 1966, qua các khuyến nghị của Kao, Hockman cho thấy có thể cải thiện được suy hao do vật chất chế tạo sợi. Năm 1970, Kapron đã có thể chế tạo sợi quang có độ suy hao 20dB/km, tại bước sóng λ = 1μm. Suy hao này nhỏ hơn rất nhiều so với thời điểm đầu chế tạo sợi và cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn tương đương với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng. Được sự cổ vũ từ thành công này, các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành các hoạt động nghiên cứu và phát triển kỹ thuật thông tin quang. Kết quả là các công nghệ mới để giảm suy hao truyền dẫn của sợi, tăng băng thông của các Laser bán dẫn đã được phát triển thành công trong những năm 70. Như chỉ ra trong bảng 1.1, độ suy hao đã giảm xuống còn 0,18dB/km. Cho tới đầu những năm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đầu tiên đã được đưa vào hoạt động với bước sóng Laser (GaAlAs/GaAs) hoạt động ở vùng 0,8μm, tốc độ bít B = 45Mb/s, khoảng cách lặp L ~10÷ 20 km (khoảng 16km). Giai đoạn thông tin quang thế hệ thứ nhất phát triển từ đây. Giai đoạn này Laser bán dẫn InGaAsP/InP có bước sóng phát 1,3μm được chế tạo khá hoàn thiện và hướng nghiên cứu sợi quang với bước sóng 1,3μm, suy hao 1dB/km, hệ số tán sắc cực tiểu rất được quan tâm. Năm Nguồn quang Sợi quang 1960 Triển khai Laser Ruby 1962 Laser GaAs 1965 Laser CO2 1966 Khả năng sử dụng đường truyền dẫn cáp quang (ST, tổn thất 1000dB/km) 1970 Laser GaAlAs tạo dao động liên tục Triển khai thành công sợi cáp quang sử dụng abaston tổn thất 20dB/km 1973 Phương pháp sản xuất sợi quang có tổn hao thấp (MCVD , 1dB/km) 1976 Laser dao động liên tục GalnAsP Đề xuất khả năng sản xuất sợi quang flour 1977 Laser GaAlAs có tuổi thọ ước tính 100 năm Sản xuất sợi quang Abaston có độ tổn thất tối thiểu 0,18dB/km 1980 Cấu trúc Laser giếng lượng tử được chế tạo 1983 Sản xuất Laser diode đơn mode, đơn tần Sợi quang flour tổn thất thấp 1989 Phát triển Laser GaI/AIGa Bảng 1.1 Các giai đoạn phát triển của công nghệ thông tin quang sợi. Giữa những năm 80, hệ thống thông tin quang thế hệ thứ 2 sử dụng Laser với bước sóng 1330nm đã được đưa vào sử dụng. Thời gian đầu tốc độ bít B chỉ đạt 100Mb/s do sử dụng sợi đa mode. Khi sợi đơn mode được đưa vào sử dụng, tốc độ bít đã được tăng lên rất cao. Năm 1987 hệ thống thông tin quang λ = 1330nm, B=1,7 Gb/s, L= 50 km đã được sản xuất và đưa ra thị trường với suy hao của sợi ~ 0,5 dB/km. Năm 1990 hệ thống thông tin quang thế hệ thứ 3 sử dụng Laser bán dẫn bước sóng 1550nm (InGaAsP) với suy hao trong sợi quang cỡ 0,2dB/km đã được thương mại hóa. Tốc độ bít đã đạt đến 2,5Gb/s và sau đó đã đạt đến 10Gb/s. Tuy nhiên hệ số tán sắc trong sợi quang tại bước sóng 1550nm lại khá cao (16-18ps/nm.km) do đó hạn chế khoảng cách trạm lặp của hệ thống mặc dù công suất quang còn cho phép truyền xa hơn. Đặc trưng khoảng cách của thế hệ thứ 3 là 60 - 70 km tại tốc độ 2,5 Gb/s. Ở giai đoạn này đã sử dụng các công nghệ bù tán sắc như kiểu dịch tán sắc (DSF) hoặc làm phẳng tán sắc (DFF) để tăng khoảng cách lặp, có thể lên đến 100km. Thế hệ thông tin quang thứ 4 đã sử dụng khuếch đại quang để tăng khoảng lặp và kỹ thuật ghép nhiều bước sóng (WDM) trong một sợi quang để tăng dung lượng truyền dẫn. Khuếch đại quang pha tạp Erbium (EDFA) có khả năng bù cho suy hao quang trong cách khoảng cách lớn hơn 100km. EDFA được nghiên cứu thành công trong phòng thí nghiệm vào năm 1987 và trở thành thương phẩm năm 1990. Năm 1991 lần đầu tiên hệ thống thông tin quang có EDFA được thử nghiệm truyền tín hiệu số tốc độ 2,5Gb/s trên khoảng cách 21000km và 5 Gb/s trên khoảng cách 14300 km. Về công nghệ WDM, hệ thống thông tin sử dụng công nghệ này giúp tăng dung lượng kênh đáng kể. Khuếch đại quang EDFA có thể khuếch đại toàn bộ các bước sóng quang trong dải 1525 – 1575 nm mà không cần phải tách từng bước sóng. Trong năm 1996 đã thử nghiệm tuyến truyền dẫn 20 bước sóng quang với tốc độ bít của từng bước sóng là 5Gb/s trên khoảng cách 9100km. Tốc độ bít của tuyến đã đạt 100Gb/s và BL đã là 910 (Tb/s).km. Trong năm 2000, hệ thống TPC - 6 xuyên qua Đại Tây Dương đã có dung lượng 100Gb/s và hoạt động hiệu quả. Thế hệ thứ 5 của hệ thống thông tin quang dựa trên cơ sở giải quyết vấn đề tán sắc trong sợi quang. Khuếch đại quang đã giải quyết hoàn hảo suy hao quang sợi nhưng không giải quyết được vấn đề tán sắc. Có nhiều phương án để bù tán sắc nhưng phương án có tính khả dụng cao nhất là dựa trên hiệu ứng Soliton quang. Hiệu ứng Soliton quang là một hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang, nó dựa trên cơ sở tương tác bù trừ tán sắc của các thành phần quang trong một xung quang cực ngắn được truyền trong sợi quang không có suy hao.Năm 1994 hệ Soliton thử nghiệm truyền dẫn tín hiệu 10Gb/s trên khoảng cách 35000km và 15Gb/s trên khoảng cách 24000km. Năm 1996 hệ thống WDm 7 bước sóng truyền Soliton trên khoảng cách 9400km với dung lượng 70Gb/s. Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin quang có thể được biểu diễn qua hình 1.2. Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, chúng đáp ứng tất cả các tín hiệu tương tự và số, chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng. Khi công nghệ chế tạo các phần tử quang càng phát triển, hiện đại thì hệ thống thông tin quang càng có khả năng ứng dụng rộng lớn hơn và trở thành một lĩnh vực quan trọng trong viễn thông. 1.3 Phân loại các phần tử quang điện trong thông tin quang Một hệ thống thông tin quang được cấu thành từ rất nhiều phần tử quang điện khác nhau. Một tuyến thông tin quang có thể bao gồm các phần tử như thể hiện trên hình 1.3. Các phần tử này có nhiều đặc tính, chức năng, tốc độ hoạt động và vị trí khác nhau. Tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống được sử dụng mà các phần tử này được sử dụng cho chức năng nào hay vị trí nào trên hệ thống. Để phân loại các phần tử quang điện trong hệ thống thông tin quang ta có nhiều tiêu chí để phân loại như: Đặc điểm. vị trí, chức năng hay ứng dụng … Dựa vào đặc điểm hoạt động của các phần tử quang điện trong hệ thống thông tin quang có thể chia thành hai nhóm là các phần tử thụ động và các phần tử tích cực. TÝn hiÖu vµo TÝn hiÖu ra Sîi dÉn quang Bé ph¸t quang Bé nèi quang Mèi hµn sîi Bé chia quang M¹ch ®iÖn Ph¸t quang KhuÕch ®¹i quang §Çu thu quang ChuyÓn ®æi tÝn hiÖu M¹ch®iÒu khiÓn Nguån ph¸t quang Bé thu quang KhuÕch ®¹i Tr¹m lÆp Thu quang Hình 1.3 Các thành phần trong một tuyến thông tin quang. 1.3.1 Các phần tử thụ động Các phần tử thụ động là các phần tử quang hoạt động khi có chùm sáng truyền qua nó. Phần tử thụ động hoạt động không cần nguồn kích thích, nó chỉ đơn thuần biến đổi các tín hiệu ở trong miền quang mà không có sự chuyển đổi sang miền điện. Những đặc điểm này dẫn đến về nguyên lý hoạt động các phần tử thụ động chủ yếu dựa vào cấu trúc quang hình của chính bản thân chúng, và tuân theo các định luật hay các nguyên lý ánh sáng. Các phần tử thụ động có những ưu điểm về cấu trúc, vị trí lắp đặt, và ứng dụng như : Dễ dàng lắp đặt ở bất kỳ vị trí nào trên hệ thống vì không cần có nguồn cung cấp hoạt động đi kèm theo. Đơn giản về cấu trúc. Dễ dàng bảo trì. An toàn về điện cho người sử dụng. Tuy vậy chúng có những nhược điểm so với phần tử tích cực đó chính là thụ động về cấu hình nên khả năng thay đổi, điều chỉnh hoạt động kém, không linh hoạt. Chất lượng hoạt động của các phần tử thụ động cũng phụ thuộc vào vật liệu và công nghệ chế tạo của bản thân thiết bị như các vấn đề về suy hao hay tán sắc của các phần tử thụ động. Công nghệ càng phát triển thì khả năng của các phần tử thụ động càng cao. Các phần tử thụ động trong hệ thống thông tin quang bao gồm : Sợi quang, cáp quang Coupler quang Các bộ lọc quang Bộ cách ly quang Các bộ ghép/tách quang 1.3.2 Các phần tử tích cực Các phần tử tích cực là các phần tử quang điện hoạt động dựa theo vào tính chất hạt của ánh sáng và cơ sở vật lý bán dẫn. Khi hoạt động, các phần tử tích cực dựa vào kích thích điện ngoài để biến đổi tín hiệu mà nó cần xử lý. Do vậy khác với các phần tử thụ động, để hoạt động được các phần tử cần nguồn kích thích. Điều này dẫn đến yêu cầu của phần tử tích cực phức tạp hơn các phần tử thụ động như : vị trí lắp đặt, cơ chế bảo dưỡng chống quá áp của nguồn, yêu cầu an toàn về điện… Tuy nhiên các phần tử tích cực có thể điều chỉnh hiệu quả hoạt động khi thay đổi nguồn cung cấp. Các phần tử tích cực bao gồm : Nguồn quang Bộ tách quang Bộ khuếch đại quang Bộ bù tán tắc. Chuyển đổi bước sóng CHƯƠNG 2 CÁC PHẦN TỬ QUANG THỤ ĐỘNG 2.1 Cơ sở vật lý chung cho các phần tử thụ động Phần tử thụ động chỉ đơn thuần biến đổi các tín hiệu trong miền quang mà không có sụ chuyển đổi sang miền điện. Do vậy cơ sở vật lý chung cho các phần tử thụ động là vật lý quang hình. 2.1.1 Bản chất của ánh sáng Ánh sáng là một khái niệm vật lý có đặc điểm lưỡng tính : tính chất hạt và tính chất sóng. Nếu coi ánh sáng là một chùm các hạt rất nhỏ bé được phát ra từ một nguồn sáng thì quan điểm này chỉ mô tả được các hiệu ứng về quang học trong một phạm vi riêng như phản xạ và khúc xạ ánh sáng, còn các hiện tượng nhiễu xạ hay giao thoa lại không giải thích được. Do đó ánh sáng còn mang tính chất sóng điện từ. 2.1.1.1 Tính chất hạt Những thí nghiệm và hiệu ứng quang điện trong đó các điện tử bị bật ra khỏi nguyên tử dưới tác dụng của ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt, vì chỉ có hạt mới có thể gây nên các “va chạm” dẫn đến hiện tượng iôn hóa làm bật các điện tử. Mặt khác thực nghiệm cũng cho thấy rằng khi tương tác với trường điện từ thì chỉ các hạt mới có bức xạ gián đoạn. Trên cơ sở kết quả này, Plank kết luận rằng bức xạ điện từ gồm các hạt bé nhất gọi là lượng tử ánh sáng hay còn gọi là photon. Vậy photon đến nay được coi là hạt bé nhất của ánh sáng mang một năng lượng xác định. Mối quan hệ giữa năng lượng E của photon và tần số f của ánh sáng là : E= hf (2-1) Trong đó h = 6,625 x 10-34 J.s là hằng số Plank. Các kết quả thực nghiệm đã chứng minh rằng có sự tồn tại của các photon và năng lượng của chúng chỉ phụ thuộc vào một tần số xác định. Khi ánh sáng va chạm với nguyên tử, thì photon có thể chuyển năng lượng của nó cho một điện tử ở trong nguyên tử này và kích thích điện tử lên một mức năng lượng cao hơn. Năng lượng mà điện tử hấp thụ bằng đúng năng lượng mà nó đòi hỏi để kích thích điện tử tới mức năng lượng cao hơn. Ngược lại, điện tử ở trong trạng thái kích thích có thể quay trở về trạng thái thấp hơn và phát ra photon. 2.1.1.2 Tính chất sóng Các kết qủa thực nghiệm về giao thoa và nhiễu xạ của ánh sáng đã chứng tỏ rằng ánh sáng có tính chất sóng. Năm 1864, Maxwell đã chứng minh bằng lý thuyết rằng bản chất của ánh sáng là sóng điện từ. Sau đó, Einstein đã đưa ra giả thiết rằng photon ngoài năng lượng E còn có cả xung lượng p được biểu thị như sau : (2-2) Trong đó : k là độ lớn của vectơ sóng λ là bước sóng của ánh sáng. Hơn nữa khi quan sát các hiệu ứng phân cực, người ta nhận thấy sự chuyển động của sóng luôn vuông góc với hướng mà sóng đi, điều đó chỉ ra rằng sóng ánh sáng là sóng ngang. Theo quan điểm sóng quang thì sóng điện từ được phát ra từ một nguồn điểm lý tưởng có thể được đặc trưng bởi một loạt các mặt sóng hình cầu mà nguồn đặt ở trung tâm các mặt cầu này. Mặt sóng được xác định bởi qũy tích tất cả các điểm ở trong loạt sóng cùng pha. Tuy nhiên xét tới sự tác động lẫn nhau của ánh sáng vào vật chất cũng như các hiện tượng tán sắc, sự hấp thụ và sự bức xạ ánh sáng thì cả lý thuyết hạt và lý thuyết sóng của ánh sáng đều có trọng lượng và có tính thuyết phục. Như vậy một quan điểm thống nhất cần được chấp nhận là ánh sáng có cả tính chất sóng và tính chất hạt (photon). Photon có khối lượng nghỉ bằng 0, có năng lượng điện từ và xung lượng, nó cũng mang động năng góc thuần (hoặc spin), đại lượng này khống chế tính chất phân cực của nó. Về mặt toán học, hai biểu thức 2-1 và 2-2 phản ánh lưỡng tính chất hạt – sóng của ánh sáng, vì các đại lượng năng lượng E và xung lượng p phản ánh tính chất hạt còn các đại lượng λ và k bên vế trái hai biểu thức biểu thị tính chất sóng của ánh sáng. Sự thống nhất hai mặt của tính chất lưỡng tính có thể mô tả bằng toán học (tuy nhiên về mặt vật lý cũng chưa được giải thích một cách tường minh). 2.1.2 Một số đặc trưng của ánh sáng Trong môi trường chân không hoặc môi trường vật chất đồng nhất, đẳng hướng không có tán sắc thì ánh sáng (ánh sáng đơn sắc và không đơn sắc) luôn truyền thẳng với vận tốc không đổi. Vận tốc của ánh sáng là c=fλ với f là tần số ánh sáng và λ là bước sóng. Trong không gian tự do thì tốc độ ánh sáng là : c @ 3.108 m/s. Khi xét ánh sáng ở khía cạnh hạt thì có thể coi các hạt photon truyền thẳng với tốc độ không đổi, còn khi xét ở khía cạnh sóng của ánh sáng thì các sóng này truyền đi ở dạng sóng phẳng theo một phương thẳng nào đó, ở đó các vectơ điện trường E và từ trường H luôn vuông góc với phương truyền sóng. Khi ánh sáng truyền trong môi trường vật chất trong suốt khác thì vận tốc ánh sáng sẽ là v có thể nhỏ hơn tốc độ c tùy thuộc vào chỉ số chiết suất n của vật liệu. Giá trị tốc độ ánh sáng lúc này sẽ giảm đi theo biểu thức v = c/n . Giá trị chiết suất n của không khí là 1,00; của nước là 1,33; của thuỷ tinh là 1,50 và ở kim cương là 2,42. Tốc độ ánh sáng trong các vật liệu này sẽ giảm đi n lần so với tốc độ truyền ánh sáng trong chân không. 2.1.2.1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng Hiện tượng khúc xạ và phản xạ ánh sáng được xem xét trong trường hợp có hai môi trường khác nhau về chỉ số chiết suất. Khi ánh sáng đi từ một môi trường trong suốt này đến một môi trường trong suốt khác thì ánh sáng sẽ thay đổi hướng truyền của chúng tại ranh giới phân cách giữa hai môi trường. Như vậy có hai khả năng xảy ra : Ánh sáng bị đổi hướng quay ngược trở lại Ánh sáng được phát tiếp vào môi trường trong suốt thứ 2. Các tia sáng khi qua vùng ranh giới giữa hai môi trường bị thay đổi hướng nhưng có thể tiếp tục đi vào môi trường chiết suất mới thì ta nói tia đó bị khúc xạ. Còn các tia sáng khi qua ranh giới này lại quay ngược trở lại môi trường ban đầu thì ta nói tia đó bị phản xạ. Hình 2.1 mô tả quá trình khúc xạ và phản xạ ánh sáng qua hai môi trường trong suốt với chiết suất môi trường thứ nhất n1 lớn hơn chiết suất môi trường thứ hai n2. Tia khúc xạ Tia tới Tia phản xạ Hình 2.1 Sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng của với góc tới khác nhau. fr qr qi n1 n2 qi qi=qc a) b) c) Trong đó : qi là góc tới – góc hợp giữa pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường với tia tới. fr là góc khúc xạ - góc tạo bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường với tia khúc xạ. Ở hình 2.1, chiết suất n1 > n2 cho nên góc tới qi nhỏ hơn góc khúc xạ fr (hình 2.1a). Khi góc tới lớn dần tới một giá trị góc tới qc tạo ra tia khúc xạ nằm song song với ranh giới phân cách hai môi trường, lúc ấy qc được gọi là góc tới hạn (như hình 2.1b). 2.1.2.2 Định luật Snell Định luật Snell phát biểu : “ Tỷ lệ giữa sin góc tới và khúc xạ sẽ luôn là một hằng số. Tia khúc xạ luôn nằm trong cùng mặt phẳng với tia tới và sin góc khúc xạ (fr) phụ thuộc vào sin góc tới (θi) như sau : = a (hằng số). (2-3) Trong đó : n1, n2 là chiết suất của hai môi trường vật liệu mà ánh sáng đi qua. Khi một tia sáng tới có giá trị góc lớn hơn góc tới hạn thì ánh sáng bị phản xạ hoàn toàn lại môi trường đầu tại mặt phẳng phân cách hai môi trường. Lúc này ta gọi đó là hiện tượng phản xạ toàn phần (Total Internal Reflection). Hình 2.1c minh họa quá trình phản xạ toàn phần - TIR. Như vậy có thể nêu ra điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là : Các tia sáng phải đi từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn hơn sang môi trường có chỉ số chiết suất nhỏ hơn. Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn θc =arcsin (n2 /n1). Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng ở trên là nguyên lý cơ bản áp dụng cho việc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi dẫn quang sử dụng trong thông tin quang. Trong sợi dẫn quang, các tín hiệu ánh sáng kết hợp được lan truyền dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần, điều này có thể giải thích như sau: Xét ánh sáng truyền qua các môi trường với đường biên song song (ống thủy tinh). Các môi trường này có chiết suất như sau : chiết suất môi trường đầu tiên và môi trường cuối cùng bằng nhau (cùng là không khí - n1), nhưng khác với môi trường trung gian (là thủy tinh - n2 >n1). - Khi ánh sáng tới môi trường đầu tiên với một góc tới thích hợp (giả sử q1 q1 (vì n2> n1). f1 f2 q2 q1 Thủy tinh n2 Không khí n1 Không khí n1 Hình 2.2 Đường đi của ánh sáng qua khối thủy tinh - Khi nguồn sáng đặt trong môi trường thủy tinh thì có một số tia sáng dời khỏi nguồn tới biên giới phân cách giữa thủy tinh và không khí. Nếu góc tới của tia nhỏ hơn góc tới hạn θc thì nó sẽ bị khúc xạ và đi ra khỏi môi trường thủy tinh. Ngược lại góc tới lơn hơn góc tới hạn thì sẽ có sự phản xạ toàn phần trong môi trường thủy tinh (như hình 2.3). Hơn nữa, các mặt của khối thủy tinh song song với nhau nên các tia sáng tới bề mặt sẽ phản xạ bên trong ống với cùng một góc bằng góc tới. Các tia phản xạ sẽ phản xạ liên tiếp trong thành ống cho đến khi đạt tới điểm cuối của ống. Ta có sụ truyền dẫn ánh sáng trong ống thủy tinh. Tia sáng qi Tia phản xạ n1 n2 n1 Hình 2.3 Tia sáng đi trong ống thủy tinh . 2.1.2.3 Nguyên lý phản xạ Bragg Phản xạ Bragg là ở trên mặt tiếp giáp của hai loại phương tiện có phản xạ mang tính chu kỳ, khi được chiếu quang sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ này gọi là phản xạ Bragg. Bản thân mặt giao nhau có hình dạng khác nhau : hình sin hoặc không sin (như hình vuông góc, hình tam giác …). A a A a B B q q 1 2 1’ 1” Hình 2.4 Nguyên lý phản xạ Bragg Trong hình ta thấy : A + B = mλu Với m là số nguyên chẵn A là chu kỳ rãnh cách tử λu =λ/là bước sóng trong chất môi giới λ là bước sóng quang trong không khí là hệ số khúc xạ tương đương Áp dụng thêm các công thức phản xạ và khúc xạ ta có : A(1+sinq) = m Công thức này gọi là điều kiện phản xạ Bragg. Ý nghĩa vật lý của công thức là : Đối với A và θ nhất định, khi có một λu tương ứng thì sóng quang có bước sóng λu sẽ can thiệp cùng với sóng quang phản xạ. Dựa vào nguyên lý phản xạ này mà ta có thể tạo ra nhiều phần tử quang điện hoạt động hiệu quả. 2.1.3 Hệ phương trình Maxwell 2.1.3.1 Phương trình sóng trong điện môi Trong môi trường truyền dẫn không dẫn điện, đẳng hướng, và tuyến tính thì hệ phương trình Maxwell có dạng như sau : (2-4) Trong đó : là vectơ trường điện và trường từ. là vectơ mật độ thông lượng. Quan hệ giữa các vectơ trường và vectơ mật độ thông lượng là : (2-5) Trong đó : ε là hằng số điện môi trong chân không μ là hằng số từ thẩm trong chân không vectơ phân cực cảm ứng điện vectơ phân cực cảm ứng từ. (Đối với sợi thủy tinh làm từ vật liệu SiO2 thì =0 vì chúng không có các chất nhiễm từ). Trong khi đó ta có biểu thức mối quan hệ giữa vectơ phân cực cảm ứng điện và vectơ điện trường như sau : (2-6) Trong đó : c là độ cảm ứng, đặc trưng cho môi trường. Từ các phương trình Maxwell (2-4) ta có : (2-7) Trong đó là tốc độ ánh sáng trong chân không. Khai triển Fourier điện trường trong miền tần số (2-8) Thay vào ta có: (2-9) Với là vectơ điện trường trong miền tần số. Hằng số điện môi phụ thuộc vào ω, môi trường và độ cảm như sau : (2-10) Vì là một số phức với thành phần thực liên quan đến chiết suất môi trường n và hệ số suy hao α theo phương trình : (2-11) Tương đương ta có : và Sử dụng hệ thức : (với là toán tử Laplace) Như vậy phương trình truyền sóng trong môi trường chiết suất n là : (2-12) Với gọi là số sóng trong chân không. Tương tự ta có : (2-13) Đây là các phương trình sóng chuẩn. Giải các phương trình sóng này ta thu được các mode truyền sóng trong sợi quang. 2.1.3.2 Phân cực ánh sáng Từ trước đến nay, khi giải các phương trình Maxwell ta mới chỉ xét sóng ánh sáng là sóng phẳng có vectơ điện trường và từ trường vuông góc với phương truyền sóng của ánh sáng. Định hướng chính xác của điện trường xác định sự phân cực của sóng ánh sáng. Đối với rất nhiều linh kiện quang điện tử sự phân cực ánh sáng là rất quan trọng vì sự hoạt động của các linh kiện này phụ thuộc đặc biệt vào sự điều khiển và trạng thái phân cực của ánh sáng. Sau đây ta có xết một số điều kiện và đặc điểm của ánh sáng khi phân cực ở những trạng thái khác nhau. Sự phân cực được định nghĩa thông qua điện trường. Trong mô tả bởi hàm phức, vectơ điện trường này có thể được viết dưới dạng sau : E(z,t)= Re[Aexxp(iωt-ikz)] (2-14) Trong đó A là vectơ phức trong mặt phẳng xy. Chúng ta khảo sát hai thành phần Ex và Ey như sau : Ex =[Acos(ωt- kz+δx )] và Ey =[Acos(ωt- kz+δy )] (2-15) Đại lượng A có thể biểu thị ở dạng sau : A =Axexp(iδx) +Ayexp(iδy) Trong đó : Ax và Ay là các số thực dương. φ y ' x ' x Hình 2.5 Phân cực thông thường của ánh sáng theo elip có trục x’ và y’ lệch một góc φ. y Sau khi biến đổi bằng cách sử dụng tính chất các hàm lượng giác các phương trình 2-14 và 2-15 ta có : và d = dx - dy (2-16) Phương trình này là phương trình elip và có thể kết luận sóng ánh sáng trong trường hợp thông thường là có phân cực elip. Trục của elip thông phải là trục x, y mà lệch đi một góc φ như hình 2.5. Giá trị của góc φ có thể xác định được như sau : tg (2φ)=cos δ. Và từ các giá trị khác nhau của δ ta có các phân cực khác nhau của sóng ánh sáng như hình 2.6. Như trong hình 2.6 các dạng phân cực : tuyến tính, tròn và elip đối với một số sóng truyền khác nhau. φ =π/4 φ = π/2 φ = 3π/4 φ= π φ =-3π/4 φ = -π/2 φ = -π/4 φ= 0 Hình 2.6 Các trạng thái phân cực đối với một số sóng truyền khác nhau 2.2 Sợi quang 2.2.1 Cấu trúc sợi quang Sợi quang có cấu trúc như một ống dẫn sóng hình trụ bao gồm phần lõi và lớp vỏ bao bọc xung quanh lõi, cả hai đều làm từ vật liệu trong suốt như thủy tinh hoặc chất dẻo. Lớp lõi thường có chiết suất cao hơn lớp vỏ bên ngoài, điều này cung cấp cơ chế hướng quá trình truyền lan ánh sáng vào bên trong lõi. Ngoài ra để bảo vệ sợi người ta dùng một lớp bao bọc bảo vệ bên ngoài thường làm từ vật liệu polyme (như hình 2.7). Lớp chất dẻo này nhằm ngăn chặn các tác động cơ học và để bọc sợi thành cáp. Thông thường đường kính lõi sợi quang là rất nhỏ khoảng từ 10 ÷ 50 μm, còn đường kính vỏ là 125 μm. Do vậy sợi quang có kích thước rất nhỏ. Khi đã bọc các lớp, bảo vệ thì đường kính của sợi mới đạt được từ 200 ÷ 900μm. 2.2.2 Phân loại sợi quang Sợi quang có rất nhiều loại khác nhau, tùy thuộc vào việc sử dụng và cách phân loại mà ta có các loại sợi quang khác nhau. Theo sự phân bố chiết suất trong lõi sợi người ta chia sợi quang thành sợi chiết suất nhảy bậc (Step Index) và sợi chiết suất biển đổi (Graded Index). Sợi chiết suất bậc có phân bố chiết suất trong lõi không đổi trong khi sợi chiết suất biển đổi có chiết suất lõi phân bố giảm dần từ trong ra ngoài. Người ta còn phân sợi quang thành hai loại : sợi đơn mode (Single mode) sợi đa mode (Multi mode). Sợi đa mode là sợi cho phép truyền dẫn nhiều mode trong nó, còn sợi đơn mode là sợi chỉ cho phép một mode truyền dẫn trong nó. (Với mỗi một mode là một mẫu các đường sóng trường điện và trường từ được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng). Ngoài ra sợi còn được phân theo vật liệu như sợi thủy tinh và sợi plastic. Hay các loại sợi tiên tiến hiện nay mới sản xuất như sợi duy trì phân cực và sợi dịch tán sắc. Tuy vậy trong thực tế người ta thường xét các loại sợi quang sau : Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc (MM-SI), sợi đa mode chiết suất biến đổi (MM-GI) và sợi đơn mode (SM). 2.2.2.1 Sợi đơn mode(SM) Sợi đơn mode là sợi chỉ cho phép truyền dẫn một mode trong nó nhưng khả năng về băng thông của sợi khá lớn (khoảng 40GHz). Sợi quang đơn mode phù hợp đối với hệ thống đường trục với giá thành thấp. Mặc dù giai đoạn đầu, sợi SM mới chỉ sử dụng trong vùng cửa số 1300nm, nhưng chúng cũng có thể hoạt động hiệu quả trong vùng cửa sổ 1550nm đối với các hệ thống ghép kênh theo thời gian TDM và ghép kênh theo bước sóng WDM. Cấu trúc sợi SM như hình 2.8 Sợi đơn mode có lõi rất nhỏ thường khoảng từ 8 ¸ 10 μm. Kích thước này thường nhỏ hơn so với bước sóng ánh sáng được sử dụng rất nhiều. Thường thì 20% ánh sáng được truyền vào sợi đơn mode bị khúc xạ ra ngoài vỏ. Ưu điểm của sợi đơn mode là chỉ ghép một mode nên không có tán sắc mode băng tần của sợi tăng lên. Tuy nhiên, khó ghép ánh sáng vào sợi. 2.2.2.2 Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc(MM-SI) Đặc điểm của sợi MM-SI là kích thước lớn, đường kính lõi thường là 50μm. Sợi thường dùng trong hệ thống truyền dẫn có cự ly ngắn với băng thông sợi khoảng 20MHz. Cấu trúc mặt cắt chiết suất được mô tả như trong hình 2.9. Trong sợi MM - SI, chiết suất lõi và vỏ tạo thành dạng hình bậc thang. Thông thường, sợi được chế tạo với chiết suất vỏ nho hơn 10% so với chiết suất lõi. Khẩu độ số (NA) của sợi đặc trưng cho khả năng nhận tia sáng được tính như biểu thức 2-17 : NA= n1(2Δ)1/2 (2-17) Trong đó : Δ= là độ chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và vỏ. Vì chỉ số chiết suất trong sợi MM-SI là không thay đổi dọc theo sợi nên khẩu độ số của MM-SI cũng là hằng số. Số lượng mode trong sợi đa mode phụ thuộc vào tần số chuẩn hóa V của sợi như công thức 2-18 : M=V2/2 với V= (2-18) Ưu điểm của sợi đa mode chiết suất nhảy bậc là chỉ số chiết suất của vỏ và lõi không đổi, do đó tốc độ truyền không đổi. Tuy nhiên do quãng đường truyền dẫn của các mode khác nhau nên có thể gây nên hiện tượng tán sắc mode. 2.2.2.3 Sợi đa mode chiết suất biến đổi (MM - GI) Đặc điểm kích thước của sợi cũng giống như sợi MM-SI, tuy nhiên sợi lại có chỉ số chiết suất của lõi thay đổi. Sự biến đổi của chỉ số chiết suất lõi được mô tả như trong công thức 2-19. n2(r)= (2-19) Trong đó : α là hệ số mặt cắt chiết suất n1 là chiêt suất vỏ n2 là chiết suất cực đại tại tâm sợi Ta có mặt cắt chiết suất của sợi được biểu diễn như hình 2.10. Qua hình 2.10, chiết suất lõi giảm dần từ trung tâm lõi ra đến biên giới phân cách giữa lõi và vỏ. Điều này giảm được tán sắc mode do sự chênh lệch đường đi giữa các mode, tăng độ rộng băng tần truyền dẫn. Tuy nhiên ảnh hưởng đến hiệu suất ghép ánh sáng. Vì lúc đó khẩu độ số NA cũng là hàm phụ thuộc vào hệ số mặt cắt chiết suất α. NA= ( xét với r < a ) (2-20) Số lượng mode truyền của sợi MM-GI được tính theo công thức 2-21. M= (2-21) 2.2.3 Các tham số ảnh hưởng tới truyền lan trong sợi quang Trong quá trình truyền sóng từ phía phát đến phía thu, tín hiệu có thể bị thay đổi rất nhiều. Do vậy tại phía thu tín hiệu không được như mong muốn. Sự suy giảm về chất lượng tín hiệu do rất nhiều yếu tố gây ra. Một trong những yếu tố quan trọng đó là tham số gây ảnh hưởng tới truyền dẫn trong sợi quang. Ta xét các tham số sau. 2.2.3.1 Suy hao a. Khái niệm Suy hao là thông số có liên quan đến sự thay đổi công suất quang trong qúa trình lan truyền. Tham số suy hao có thể được xác định theo định luật Beer : trong đó a là hệ số suy hao. (2-22) Biến đổi công thức 2-22 ta có công suất truyền tại khoảng cách L : P(L) = P(0)exp(-aL) hay (2-23) Trong đó : P(0) tương ứng công suất vào đầu sợi Pin P(L) tương ứng công suất ra sợi có chiều dài L (Pout) Đơn vị của a là m-1 hoặc km-1 Theo đơn vị dB thì ta có : (2-24) Trong thông tin quang có khi đơn vị công suất được tính theo đơn vị dBm nên hệ số suy hao có thể tính theo công thức : b.Nguyên nhân và các loại suy hao Suy hao trong sợi quang có nhiều nguyên nhân nhưng nguyên nhân cơ bản gây suy hao trong sợi quang là do các suy hao do hấp thụ, do tán xạ và do bị uốn cong sợi. - Suy hao do hấp thụ: Bản chất ánh sáng là các hạt photon, mà sợi quang cũng là vật rắn có cấu trúc mạng tinh thể, nên các iôn hay điện tử ở đầu nút mạng có thể hấp thụ photon khi ánh sáng truyền qua sợi quang. Sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng và bản chất của vật liệu hấp thụ như các tạp chất trong sợi hay vật liệu chế tạo sợi. Cụ thể, trong quá trình sản xuất sợi quang có rất nhiều tạp chất như các iôn kim loại (Fe,Cu, Cr…) hoặc các iôn OH-. Các iôn này gây nên các đỉnh hấp thụ tại bước sóng chính là 2,7mm và các đỉnh sóng phụ như 0,94mm; 1,24mm; 1,39mm… gây ảnh hưởng đến sóng lan truyền trong sợi. Bên cạnh đó, bản thân vật liệu chính làm nên sợi quang là thủy tinh cũng gây nên các dải hấp thụ là hấp thụ cực tím chỉ ở bước sóng λ 7mm như hình 2.13. Tuy nhiên với công nghệ hiện đại ngày nay, người ta có thể giảm thiểu được sự hấp thụ bằng cách loại trừ các tạp chất hình thành trong quá trình sản xuất (đặc biệt là iôn OH-). - Suy hao do tán xạ : Tán xạ là kết quả của những khuyết tật hay nhiễu lọan trong sợi và cấu trúc vi mô của sợi. Tán xạ suy ra từ những thay đổi về cấu trúc phân tử và nguyên tử của thủy tinh hay từ những thay đổi về mật độ và thành phần sợi. Những thay đổi này do quá trình sản xuất sợi tạo ra. Nó gây nên sự thay đổi về chiết suất dẫn đến thay đổi sự phản xạ của tia sáng tại nhũng điểm trên lõi sợi mà ta có thể gọi là các tâm tán xạ. Xét hình 2.12 sau : Góc lan truyền của tia sáng tới giao diện lõi và vỏ có những thay đổi làm thay đổi tia được khúc xạ theo đường dẫn mới và không xảy ra hiện tượng phản xạ nội toàn phần (TIR), điều này gây giảm lượng ánh sáng được lan truyền dọc theo lõi sợi. Có hai loại tán xạ chính là : Tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie, trong đó tán xạ Rayleigh rất quan trọng. Nguyên nhân của nó là do sự không đồng nhất của thủy tinh về thành phần và mật độ. Điều này gây nên sự thăng giáng về chỉ số chiết suất và dẫn đến suy giảm công suất bước sóng theo công thức sau : aR =C/λ4 với hằng số C nằm trong dải 0,7¸ 0,9 dB/km và phụ thuộc vào cấu trúc sợi. Còn tán xạ Mie là tán xạ xảy ra tại những nơi không đồng nhất, như những điểm có khuyết tật trong cấu trúc sợi hay sự không đồng đều của chỉ số chiết suất và bọt khí tạo ra trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên ta có thể coi tán xạ Mie là không đáng kể bằng cách chú trọng tới quá trình sản xuất để giảm thiểu các nguyên nhân gây tán xạ. Những suy giảm bởi sự tán xạ là một quá trình tuyến tính, bởi nó không gây ra sự dịch tần, bước sóng trước và sau tán xạ không thay đổi. Hình 2.13 Các phổ suy hao do hấp thụ và tán xạ trong sợi quang [9]. - Suy hao do uốn cong sợi: Đây là những suy hao do sự uốn cong và thay đổi về bán kính cong của sợi. Có hai loại suy hao do uốn cong là : suy hao do uốn cong cỡ nhỏ và suy hao do uốn cong cỡ lớn. Suy hao do uốn cong cỡ lớn xảy ra khi bán kính cong của sợi giảm. Ban đầu bán kính cong của sợi lớn hơn bán kính sợi. Khi sợi bị uốn cong thì góc lan truyền sẽ thay đổi dẫn đến một số tia sáng không còn đảm bảo điều kiện phản xạ toàn phần và dẫn đến giảm số lượng tia sáng truyền trong lõi sợi. Do đó khi bán kính cong giảm thì mức suy hao sẽ tăng. Bán kính cong cho phép là Rc = a/NA. Trong thực tế yêu cầu bán kính cong phải lớn hơn bán kính cong cho phép để suy hao không vượt quá 0,1dB. Suy hao do uốn cong cỡ nhỏ là do các uốn cong có bán kính cong nhỏ theo trục sợi xuất hiện do trong quá trình cài đặt, đo kiểm hay thiết lập có các lực tác động lên sợi quang làm sợi bị méo dạng và thay đổi các góc lan truyền của các tia sáng. Ánh sáng sẽ bị mất mát ra ngoài vỏ sợi. Ngoài ra nó còn gây ra quá trình ghép cặp mode. 2.2.3.2 Tán sắc a.Khái niệm Tán sắc trong thông tin quang xét về mặt thời gian là sự dãn rộng xung ánh sáng khi lan truyền trong sợi quang như hình 2.14. Hệ số tán sắc được xác định theo công thức : (ps/nm.km) trong đó ΔT = √ t²ra - t²vào (ps/nm) Tán sắc có thể được giải thích bởi ánh sáng truyền trong sợi quang có thể coi là tập hợp của nhiều thành phần ví dụ có thể coi là các thành phần trong biến đổi Fourier của nó hay tổng các mode truyền. Các thành phần này có tần số khác nhau zmode truyền dẫn với vận tốc nhóm là tốc độ mà tại đó năng lượng ở trong mode riêng biệt lan truyền dọc theo sợi. Ta có : Vận tốc nhóm : và độ trễ nhóm là : (2-25) Trong đó : β là hệ số lan truyền có giá trị β = nω/c K là hệ số sóng có giá trị K = ω/c. b. Nguyên nhân và các loại tán sắc Có bốn nguyên nhân chính gây ra tán sắc và cũng là các loại tán sắc chủ yếu đó là : Tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng, tán sắc mode và tán sắc phân cực mode. - Tán sắc mode: Nguyên nhân chính là do trong sợi có nhiều mode truyền dẫn, các mode lại có tốc độ truyền dẫn khác nhau, nên thời gian truyền dẫn trong sợi cũng khác nhau, và xảy ra hiện tượng tán sắc. Loại tán sắc này chỉ xảy ra trong sợi đa mode. Tán sắc mode phụ thuộc vào kích thước sợi cụ thể là bán kính lõi sợi đa mode. Tia kinh tuyến truyền trong các sợi đa mode (chiết suất nhảy bậc và biến đổi) sẽ đi theo các đường khác nhau với quãng đường khác nhau. Góc truyền lan của tia càng dốc thì tia đi càng chậm. Do đó có những tia thời gian truyền là Tmin và có những tia thời gian truyền là Tmax.. Ta có hệ số tán sắc mode: (2-26) Giữa hai sợi đa mode chiết suất nhảy bậc và chiết suất biến đổi thì sợi chiết suất biến đổi có độ méo tín hiệu ít hơn. Do chiết suất lõi trong sợi MM-GI giảm dần từ trục sợi ra phía vỏ, nên các tia sáng có đường đi gần ranh giới tiếp giáp vỏ - lõi sẽ truyền với vận tốc nhanh hơn các tia gần trục sợi cho nên cân bằng được thời gian truyền. - Tán sắc vật liệu: Nguyên nhân của loại tán sắc này là do tán sắc bên trong. Nó là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở trong một mode. Trong sợi có sự thay đổi về chiết suất do vật liệu tạo ra. Từ đó có sự khác biệt vể tốc độ của các thành phần phổ (bước sóng) khác nhau chạy trong mode vì vận tốc của các bước sóng phụ thuộc vào chiết suất theo phương trình : (2-27) Do vậy mà có sự chệnh lệch lan truyền của các thành phần bước sóng khác nhau dẫn đến tán sắc. Ta có hệ số tán sắc vật liệu : (2-28) Với chiết suất phụ thuộc vào bước sóng theo công thức Sell Miner : Trong đó : βi ,ωi là cường độ và tần số cộng hưởng tương ứng. M là tham số phụ thuộc vào vật liệu (ví dụ Mthủy tinh =3). - Tán sắc ống dẫn sóng : Cũng như tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng là do sự tán sắc bên trong mode. Ánh sáng truyền trong sợi không phải là đơn sắc, nó chiếm một độ rộng phổ Δλ nào đó. Vì hằng số lan truyền β là hàm của đại lượng a/λ do đó nó phụ thuộc vào phổ (bước sóng ) ánh sáng và kích thước của lõi sợi. Mặt khác theo công thức 2-25, độ trễ nhóm ξ chịu ảnh hưởng của hệ số lan truyền β. Do vậy vận tốc nhóm của các thành phần phổ là khác nhau (Ở đây chưa xét đến sự thay đổi vận tốc do sự thay đổi chiết suất). Điều này dẫn đến sự chênh lệch về thời gian truyền dẫn và vì vậy có hiện tượng tán sắc. Từ các phương trình của độ trễ nhóm ta xác định được hệ số tán sắc ống dẫn sóng. (2-29) Với tần số chuẩn hóa được tính gần đúng theo công thức : (2-30) Trong sợi đa mode tán sắc ống dẫn sóng tương đối nhỏ so với tán sắc vật liệu vì vậy có thể bỏ qua được. Tán sắc tổng trong sợi sẽ bao gồm cả ba loại tán sắc : D = Dw + Dm +DM Ta có hình 2.15 biểu diễn các tán sắc trong dải bước sóng 1,1 - 1,7 mm của sợi đơn mode. Bước sóng λZD là bước sóng tại đó tán sắc tổng có giá trị 0. Rõ ràng tán sắc ống dẫn sóng luôn âm, còn tán sắc vật liệu thì bắt đầu dương tại bước sóng λ»1.33mm. Hình 2.15 Các hệ số tán sắc trong sợi đơn mode[9] - Tán sắc phân cực mode (PDM) : Tán sắc phân cực mode gây ra do tín hiệu ánh sáng được lan truyền theo hai phương trực giao nhau với các vận tốc khác nhau dẫn đến dãn xung của tín hiệu tổng hợp đầu thu và gây chồng phổ và lỗi bít đối với các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao. Ở đây sự mở rộng xung còn liên quan đến hiệu ứng lưỡng chiết. Bán kính của sợi quang dọc theo các trục x, y không đồng đều, do đó chiết suất các mode phân cực theo trục x, y bị thay đổi và sinh ra hiệu ứng lưỡng chiết. Khi xung đầu vào kích thích các thành phần phân cực, xung đó sẽ dãn rộng ra giống như có hai thành phần tán sắc dọc theo trục sợi. Hiện tượng này gọi là PMD. Trong sợi quang, hiện tương chênh lệch tỉ số mode được đặc trưng bởi độ chênh lệch chiết suất hiệu dụng như sau : BM = ko= êbx - by ú (2-31) Trong đó : bx ,by là hằng số lan truyền theo trục x và y. là chiết suất hiệu dụng theo trục x và y. Đối với một xung quang thì năng lượng chia ra thành hai phần : một phần mang bởi trạng thái phân cực trục nhanh và một phần mang bởi trạng thái phân cực trục chậm như hình 2.16 Hình 2.16 Hiện tượng tán sắc do phân cực. Sự dãn xung có thể được xác định từ độ chênh lệch thời gian ΔT giữa hai thành phần phân cực mode trực giao khi xung được truyền. Đối với sợi dài L thì ΔT được xác định theo công thức 2-32: ΔT ==Lêbx - byú (2-32) Biểu thức 2-32 không thể dùng trực tiếp để tính tham số PMD do tính ghép ngẫu nhiên giữa hai mode được sinh ra từ sự xáo trộn ngẫu nhiên của lưỡng chiết. Thực tế PMD được xác định bởi giá trị căn trung bình bình phương RMS của ΔT. Giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên này là : Trong đó : h là độ dài hiệu chỉnh có giá trị tiêu biểu nằm trong khoảng 1- 10 m. Ta có hàm mật độ xác suất PMD như sau : P(ΔT) =exp (2-33) Như vậy kết hợp với phương trình 2-32 giá trị trung bình của độ trễ ΔT liên quan đến tán sắc phân cực mode như sau : Trong đó : DPMD hệ số tán sắc phân cực mode với các giá trị tiêu biểu nằm trong khoảng 0,1 – 1ps/. Từ đây ta thấy độ dãn xung trong PMD tương đối nhỏ so với các hiệu ứng vận tốc nhóm. Tuy nhiên do phụ thuộc vào chiều dài sợi nên PMD có thể ảnh hưởng đến các hệ thống truyền dẫn cự ly xa. 2.3 Coupler quang Coupler là các thiết bị quang thụ động đơn giản, được sử dụng để tách hoặc ghép tín hiệu ánh sáng đầu vào hay đầu ra sợi. Một coupler bao gồm n cổng vào và m cổng ra. Coupler 1 x n được gọi là bộ tách (splitter), còn coupler n x 1 được gọi là bộ kết hợp (combiner); có khi coupler kết hợp cả hai chức năng ghép và tách với n cổng vào và m cổng ra. Đơn giản nhất là coupler 1x2, 2x1 và 2x2 như ở hình 2.17a, b,c a, Splitter b, Combiner c, Coupler Hình 2.17 Coupler 1x2, 2x1 và 2x2. Bộ chia quang 1x2 như trên hình 2.17 a) có tỉ lệ công suất đầu ra được gọi là tỉ lệ chia quang α và có thể điều khiển được. Giá trị α này biểu thị tỉ lệ chia quang dưới dạng dB sẽ cho chúng ta suy hao do chia quang. Bộ chia quang hai cổng với tỉ lệ chia quang 50:50 là rất phổ biến, kết quả là suy hao do chia quang sẽ là 3 dB cho mỗi cổng ra. Các bộ coupler được dùng để tách một phần công suất từ luồng ánh sáng có thể được thiết kế với các giá trị α rất gần với 1, thường là từ 0.90 tới 0.95. Khi đó chúng được gọi là bộ rẽ và thường dùng cho các mục đích giám sát hoặc các mục đích khác. Nguyên lý hoạt động của coupler có thể xét thông qua nguyên lý chung của coupler 2x2. 2.3.1 Coupler 2x2 2.3.1.1 Cấu tạo Là thiết bị ghép nóng chảy hai sợi đơn mode lại với nhau, hình thành nên tiết diện đồng đều có độ dài phần nóng chảy là L, như hình 2.18. Mỗi đầu vào và đầu ra có hình nón vì kích thước ngang được giảm xuống từ từ tại vùng nối bằng cách kéo dài sợi trong quá trình nóng chảy. Hệ số công suất đưa vào tại một đầu rồi xuất hiện tại một trong hai đầu ra có thể thay đổi trong khoảng từ 0®1. 2.3.1.2 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của bộ coupler dựa trên sự phân chia công suất tín hiệu giữa đầu vào và đầu ra. Nó có thể được phân tích dựa trên ma trận phân bố S định nghĩa mối quan hệ giữa 2 cường độ ánh sáng đầu vào a1, a2 và 2 cường độ ánh sáng đầu ra b1, b2. Theo định nghĩa ta có: hoặc b = S.a (2-34) Trong đó : Sij là hệ số ghép nối từ cổng đầu vào j tới cổng đầu ra i. Hai nguyên tắc vật lý cơ bản áp dụng cho ma trận phân bố S là : Sự đảo trạng thái hoạt động đơn mode. Sự trao đổi năng lượng trong một thiết bị không có suy hao. Sự đảo trạng thái là kết quả lấy từ việc giải phương trình Maxwell với tính bất biến cho sự nghịch đảo thời gian: S12 = S21. (2-35) Sự trao đổi năng lượng tức là tổng cường độ đầu ra I0 phải bằng tổng cường độ đầu vào Ii : Io = êb1²ú+êb2²ú =Ii=úa1²ú+êa2²ú êS11ú²+ êS12ú² = 1 (2-36) êS22ú²+ êS12ú² = 1 Giả sử bộ coupler này được thiết kế sao cho : S11= Trong đó : a ÎR và aÎ(0,1) và có: (1- a) lần công suất quang tại cổng đầu vào 1 xuất hiện tại cổng đầu ra 1 a lần công suất đầu vào 1 xuất hiện tại cổng đầu ra 2. Từ đó có S12=S21=a1/2 exp( jf12 ) và S22 = (1-a)1/2exp( if22) thay vào các phương trình 2-35 có : exp[j(f12 - f22)] = -1 Þ với n = 0,1,2… Xét trường hợp tổng hợp không có suy hao, ta có thể chọn f22 = 0. Lúc đó có: (2-37) Rõ ràng qua đây ta thấy, tại một bước sóng, coupler 2x2 không thể ghép tất cả công suất từ cả hai đầu vào tới một đầu ra. Ta chỉ có thể thiết kế a« thì coi như công suất được đưa hết ra một đầu. Tuy nhiên đây chỉ là trường hợp xét với thông số không có suy hao.Vì dụ thông thường khi xét với tỷ lệ 50 : 50 thì tức là ta có công suất chia ra ở mỗi đầu ra là một nửa công suất tín hiệu đầu vào. Nhưng trong thực tế ta có thể thấy hiện tượng công suất phản xạ theo hướng đối diện và quay trở lại đầu vào của coupler, làm suy hao đi một phần công suất đồng thời các thiết bị thụ động luôn có suy hao xuất phát từ : suy hao xen, suy hao bên trong phương tiện cấu thành và suy hao đầu ra. Do vậy không có công suất trọn vẹn như tỷ số xác định. 2.3.2 Coupler hình sao thụ động (PSC) PSC là thiết bị phát quảng bá ánh sáng từ một cổng vào bất kỳ sang tất cả các cổng ra. Nó thực hiện chức năng kết hợp các tín hiệu đưa vào tại các cổng đầu vào và chia các tín hiệu này thành các phần bằng nhau tới đầu ra. Đặc điểm chính chủ yếu của PSC là nó có công suất quang thu ở mỗi đầu ra đều bằng nhau. với i = 1,2,3…N Trong đó : Pvào là công suất quang được coi là vào từ một node của hình sao N là số cổng ra của hình sao. Các bộ coupler sao NxN có thể được sản xuất theo phương pháp nóng chảy như coupler 3dB. Một coupler sao có thể hình thành từ các coupler 3dB. Một coupler PSC với N=16 được mô tả như hình 2.19. 2.4 Bộ lọc quang 2.4.1 Chức năng của các bộ lọc Việc ghép và lọc là một phần quan trọng của truyền dẫn quang. Không có thiết bị này không thể thực hiện bất kỳ sự chuyển mạch cũng như truyền dẫn một vài tín hiệu trong cùng một sợi quang tại cùng một thời điểm. Bộ lọc quang là phần tử thụ động hoạt động dựa trên các nguyên lý truyền sóng không cần có sự tác động từ các phần tử bên ngoài. Chức năng của bộ lọc là lọc tín hiệu khác nhau được truyền trong cùng một sợi, trước tiên phải tách riêng các bước sóng khác nhau khỏi tín hiệu tổng. Có rất nhiều cách để thực hiện việc tách các bước sóng quang, nhưng về nguyên lý chúng đều dựa trên quan điểm : các bước sóng sẽ bị trễ pha so với bước sóng khác khi chúng được hướng qua các đường dẫn khác nhau. Tùy thuộc vào cách nguyên lý hoạt động của từng thiết bị mà ta có hai nhóm các bộ lọc khác nhau như : Bộ lọc cố định và bộ lọc điều khiển được. Bộ lọc quang cố định là các bộ lọc về nguyên lý nó loại bỏ tất cả các bước sóng, chỉ cho phép giữ lại một bước sóng cố định đã được xác định trước. Bộ lọc điều chỉnh được là các bộ lọc có thể thay đổi bước sóng mà chúng cho qua tùy theo yêu cầu. 2.4.2 Đặc điểm, tham số của bộ lọc Hai đặc điểm quan trọng của bộ lọc cần được nhắc đến là dải phổ tự do (FSR- Free Spectral Range) và khả năng phân biệt của bộ lọc hay độ mịn (F - Finesess). 2.4.2.1 Dải phổ tự do FSR Trong bộ lọc, hàm truyền đạt và dải thông của bộ lọc được lặp theo chu kỳ và chu kỳ này được gọi là dải phổ tự do FSR. Bộ lọc sẽ cho qua các tần số có độ lớn bằng n x FSR với n là một số nguyên dương. Hình 2.20 là một ví dụ, nếu bộ lọc điều khiển để chọn tần số f1, thì tất cả các tần số có giá trị 1 sẽ được bộ lọc cho qua. FSR của bộ lọc phụ thuộc vào các tham số vật lý khác nhau của thiết bị như : độ dài hộp cộng hưởng hay độ dài ống dẫn sóng. 2.4.2.2 Độ mịn của bộ lọc F Độ mịn của bộ lọc được đo bằng độ rộng của hàm truyền đạt. Nó là tỷ số giữa dải phổ tự do với độ rộng kênh. FSR 1 2 3 N 1 2 Δff ….. ….. f1 f2 f3 fn f P Hình 2.20 FSR và F của bộ lọc với N kênh khác nhau. Trong đó độ rộng kênh (Δf) được định nghĩa là độ rộng 3dB hay độ rộng phổ nửa công suất của bộ lọc. Δf đặc trưng cho độ hẹp của đỉnh hàm truyền đạt. Số lượng kênh của một bộ lọc quang bị giới hạn bởi dải phổ tự do và độ mịn. Tất cả các kênh phải nằm gọn trong FSR. Nếu giá trị F cao, hàm truyền đạt (đỉnh băng thông) sẽ hẹp và dẫn đến là có nhiều kênh được chứa trong dải phổ tự do hơn. Khi độ mịn thấp, các kênh cần phải được dãn cách nhau thêm một khoảng để tránh xuyên âm. Do đó số lượng kênh trong dải phổ tự do cũng giảm đi. 2.4.2.3 Suy hao xen và độ phẳng dải thông Bộ lọc có hai tham số chủ yếu là hệ số suy hao xen và độ bằng phẳng của dải thông. Hệ số suy hao xen của bộ lọc cần thấp và phụ thuộc vào sự phân cực, nhiệt độ. Dải thông nên có độ phẳng và đường viền dải thông phải được định dạng rõ ràng. 2.4.3 Các loại bộ lọc quang 2.4.3.1 Bộ lọc cách tử nhiễu xạ Bộ lọc cách tử nhiễu xạ là một trong số các bộ lọc cố định. Cấu tạo của nó như hình 2.21, bao gồm các rãnh (răng cưa) trên bề mặt rãnh có phủ lớp phản xạ. Hình 2.21 Cách tử răng cưa. Hoạt động của cách tử dựa vào sự nhiễu xạ như chỉ ra trong hình 2.22. Tín hiệu được hướng vào một lỗ nhỏ (hoặc rãnh) và sau đó nó tán xạ ra theo nhiều hướng tùy thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới. Vì quãng đường của bước sóng thứ hai dài hơn bước sóng thứ nhất nên pha của nó tăng lên và được hướng theo đường đi khác. a b L Hình 2.22 Nguyên lý nhiễu xạ của cách tử L Theo hình 2.22 thì độ chênh lệch về pha giữa hai tia phản xạ tại hai rãnh cách tử kề nhau là : (2-38) Trong đó : a là góc tới β là góc nhiễu xạ Từ công thức 2-38, ta thấy rằng ΔΦ là một hàm của bước sóng λ. Khoảng cách giữa các bước sóng này là dải phổ tự do của bộ lọc (FSR). Như vậy FSR bằng khoảng cách giữa các bước sóng mà tại đó ΔΦ thay đổi một góc 2π. Khi hai bước sóng cùng nằm trong một khoảng tại FSR thì chúng phản xạ ở các góc phản xạ khác nhau. Gọi λm là bước sóng mà tại đó ΔΦ = 2πm. Theo công thức 2-38, ta có : (2-39) Dải phổ tự do bậc m là khoảng cách giữa hai bước sóng λm và λm+1 : FSRm = - = = (2-40) Qua công thức 2-40 ta thấy bậc càng cao thì dải phổ tự do càng nhỏ. Để xác định độ phân giải phổ của bộ lọc ta xét hai kênh có bước sóng λm, λm+Δλ sau : Giả sử hai bước sóng có công suất lớn nhất tại bước sóng có góc nhiễu xạ là β và Δβ. Ta có : suy ra Với Δβ rất nhỏ thì hay: (2-41) Trong đó : m là bậc nhiễu xạ. Giả sử cách tử có N rãnh phản xạ thì công suất đầu ra tại góc nhiễu xạ β tỷ lệ theo phương trình : X= = Từ đây ta thấy, công suất tín hiệu X lớn nhất tại ΔΦ = 0 và giá trị nhỏ nhất tại ΔΦ = 2π/N. Thay vào công thức 2-38 ta có : và Do đó : z Với Δβ rất nhỏ thì : vậy (2-42) Kết hợp công thức 2-41 và 2-42 ta có thể tách các bước sóng quang có khoảng cách kênh Δλ nếu thỏa mãn : (2-43) Theo đó muốn tăng độ phân giải của bộ lọc ta có thể tăng N hoặc giảm FSR. Tổng số kênh quang mà cách tử có thể phân biệt là : Nch= < (2-44) 2.4.3.2 Bộ lọc cách tử Bragg sợi Cách tử Bragg sợi là mảnh biến điệu của sợi quang mà trong đó chiết suất của lõi sợi thay đổi theo một chu kỳ dọc theo lõi sợi quang. Cách tử Bragg hoạt động theo nguyên tắc : Khi chiếu một chùm ánh sáng đa sắc qua cách tử, nó cho phép phản xạ duy nhất một bước sóng thỏa mãn điều kiện phản xạ Bragg được phản xạ trở lại nguồn và cho đi qua tất cả các bước sóng khác. Từ điều kiện phản xạ Bragg ta có : (2-45) Trong đó : n là chiết suất lõi sợi quang. Tại các bước sóng không thỏa mãn điều kiện trên thì ánh sáng không bị ảnh hưởng và được truyền qua cách tử đến đầu thu. Bộ lọc cách tử Bragg có suy hao xen thấp, đặc tính phổ có dạng bộ lọc băng thông (BPF) với khả năng đạt được khoảng cách giữa các kênh là 50 GHz. Hai tham số quan trọng nhất của một bộ lọc cách tử Bragg là hệ số phản xạ và độ rộng phổ. Thường độ rộng phổ vào khoảng 0, 1 nm trong khi đó hệ số phản xạ có thể đạt hơn 99 %. Ưu điểm của chúng là đơn giản về cấu tạo và sử dụng, đồng thời lại có hệ số suy hao xen thấp. Còn về nhược điểm là có chỉ số chiết suất phụ thuộc vào nhiệt độ. Cách tử Bragg có thể được sử dụng như một bộ ghép hay tách khi kết hợp với các bộ coupler quang. Như hình 2.24 ta có hai cách tử Bragg kết hợp cùng hai coupler quang 3dB. Khi đưa chùm tia sáng đa sắc có bước sóng là λ1, λ2, … vào cổng 1, chùm sáng qua coupler 3dB thứ nhất được chia thành hai luồng đến hai cách tử. Giả sử bước sóng λ1 thỏa mãn điều kiện phản xạ Braggm thì ánh sáng có bước sóng λ1 sẽ bị phản xạ bởi cách tử và tại cổng ra 4 ta đã tách được bước sóng λ1. Hình 2.24 Bộ lọc quang kết hợp tách bước sóng 1 2 3 4 3dB Coupler 3dB Coupler Cách tử Bragg λ1 2.4.3.3 Bộ lọc màng mỏng nhiều lớp Bộ lọc màng mỏng nhiều lớp (TFIF - Thin Film Interference Filter) cung cấp một phương pháp đối với việc lọc một hay nhiều bước sóng ra khỏi một chùm các bước sóng. Các bộ lọc màng mỏng nhiều lớp này tương tự như thiết bị cách tử Bragg sợi. Về nguyên lý nó cũng sử dụng cách phản xạ để loại bỏ Tuy nhiên nó được chế tạo khác. Sự khác nhau là chỗ trong thiết bị TFIF có đặt nhiều lớp làm bằng vật liệu có chỉ số phản xạ cao và thấp trên một lớp nền. Do đó có thể lọc được các bước sóng khác nhau qua từng lớp với chỉ số phản xạ khác nhau. Nhược điểm của TFIF là trạng thái ổn định nhiệt kém, suy hao xen cao và đặc tính phổ kém. 2.4.3.4 Bộ lọc Fabry-Perot x= Hình 2.25 Khoang cộng hưởng Fabry – Perot Bộ lọc Fabry – Perot được cấu thành từ một khoang cộng hưởng vi quang có hai gương được đặt song song với nhau. Ta xét cấu trúc đơn giản của bộ lọc với khoang cộng hưởng như hình 2.25 Khi tín hiệu tới gương thứ nhất, một phần tín hiệu tiếp tục đi qua, phần còn lại thì bị phản xạ trở lại. Tín hiệu phản xạ di chuyển thẳng tới gương thứ hai và được hướng ngược trở lại. Sau đó nó di chuyển qua cùng gương, bước sóng thứ nhất sẵn sàng đi tiếp và được cộng thêm vào pha. Sau một số lần phản xạ liên tiếp trên hai bề mặt gương của khoang cộng hưởng, ánh sáng được đưa đến đầu ra. Gọi x là chiều dài khoang cộng hưởng, nếu bước sóng λ thỏa mãn : x = il/2n (2- 46) Trong đó : n là chiết suất của khoang cộng hưởng i là số nguyên và được gọi là bậc cộng hưởng. Lúc đó ta có kênh tín hiệu tại bước sóng λ được cộng hưởng. Công suất đầu ra của kênh này rất lớn. Với các kênh quang có bước sóng không thỏa mãn điều kiện cộng hưởng thì công suất sẽ bị giảm do triệt tiêu năng lượng. Điều này có thể phân tích qua nguyên lý hoạt động của bộ lọc Fabry- Perot khi dựa vào hệ số phản xạ của hộp cộng hưởng (hai gương trong hộp cộng hưởng) để lựa chọn bước sóng được đưa ra khỏi hộp. Nếu coi hệ số phản xạ của hai gương đều là R thì mỗi lần phản xạ cường độ trường của ánh sáng phản xạ chỉ bằng lần cường độ ánh sáng tới. Và qua một chuỗi các phản xạ liên tiếp trên bề mặt hai gương, cường độ sáng sẽ giảm dẫn và dẫn đến công suất sẽ giảm. Hàm truyền đạt của bộ lọc Fabry-Perot là một hàm tuần hoàn. Dải phổ tự do FSR bằng chu kỳ của hàm này và được xác định như sau : suy ra FSR=1/2t=c/2nx (2-47) Độ mịn của bộ lọc được xác định bằng tỷ số của FSR và độ rộng phổ nửa công suất HPBW của bộ lọc (còn gọi là độ rộng phổ 3dB) HPBW của bộ lọc đặc trưng cho độ hẹp của đỉnh hàm truyền đạt và được xác định như sau : HPBW = c/2nx.(1-R)/ (2-48) Độ mịn có quan hệ chặt chẽ với số kênh mà bộ lọc có khả năng lựa chọn : F=FSR/HPBW=(p .)/(1-R) (2-49) Từ đây ta thấy rằng độ mịn F tăng lên (tức là số lượng kênh mà bộ lọc có khả năng lựa chọn tăng lên) thì hệ số phản xạ R của gương phải lớn. Ngoài ra để tránh mất mát do suy hao hoặc phản xạ thì hai gương phải rất phẳng và được đặt song song nhau. Bên cạnh đó ta có thể thay đổi việc chọn lựa bước sóng của thiết bị bằng việc thay đổi chiều dài khoang cộng hưởng hoặc chỉ số chiết suất của khoang cộng hưởng. 2.5 Bộ phân cực và ngăn cách tín hiệu Phân cực là một thuộc tính quan trọng của sóng điện từ. Ánh sáng là một dạng của sóng điện từ. Hiện tượng này đã được đề cập ở phần trước với các điểm chính như : Ánh sáng có thể phân cực tuyến tính, phân cực tròn hay tổng quát là phân cực elip. Thông thường ở một thời điểm bất kỳ một sóng ánh sáng phân cực nào cũng có thể phân tích thành hai thành phần E và H vuông góc với nhau. Hai thành phần này khác pha nhau 90o thì sóng tổng hợp phân cực tròn. 2.5.1 Đặc điểm, nguyên lý hoạt động của bộ phân cực Bằng việc thay đổi pha của hai thành phần, đầu ra có thể nhận được sự phân cực tuyến tính. Một số môi trường không đẳng hướng như thạch anh làm cho các sóng phân cực tuyến tính bị quay. Hiện tượng này được gọi là hoạt tính quang học và khả năng quay của sóng phân cực tuyến tính được đặc trưng bởi đại lượng p* gọi là công suất quay : p* = π (n - n+)/λ [ độ/cm] Trong môi trường có công suất quay p*, một phân cực tuyến tính sẽ quay đi một giá trị p*L khi đi qua một khoảng cách L. Đặc tính này được sử dụng để điều khiển phân cực và cách ly sóng phản xạ. Hiệu ứng Faraday : là hiệu ứng khi nhiều tinh thể có hoạt tính quang khi đặt trong môi trường từ tính mạnh. Trong trường hợp này công suất quang được đặc trưng bởi công thức : p* =V*.B Với B là từ trường trong hướng truyền của sóng. V* là hằng số Verdet. 2.5.2 Bộ ngăn cách tín hiệu Khi sóng phân cực tuyến tính đi qua bộ quay Faraday, nó bị quay một góc là φ. Sóng quang vào Sóng quang phản xạ đã quay đi 900 Bộ quay Faraday Sóng quang đã quay đi 450 Hình 3.28 Sơ đồ nguyên lý bộ ngăn cách tín hiệu. Nếu bị phản xạ lại, nó sẽ không thể trở về trạng thái phân cực ban đầu mà nó bị quay tiếp một góc φ. Vì chiều từ trường ngược lại do đó góc quay tổng cộng bây giờ là 2φ. Theo nguyên lý này ta có thể tạo ra các bộ ngăn cách tín hiệu. 2.5.3 Bộ Isolator và Circulator Isolator là thiết bị cho phép truyền dẫn chỉ theo một hướng và không cho truyền dẫn theo hướng nào khác nữa. Nó hoạt động dựa theo nguyên lý phân cực đê ngăn cách tín hiệu. Bằng cách sử dụng các bộ này thì các phản xạ từ các bộ khuếch đại hay laser có thể được cách ly khỏi tín hiệu. Circulator là một thiết bị tương tự Isolator, nhưng nó có nhiều cổng. Hình 2.29 mô tả một Circulator với 4 cổng vào và 4 cổng ra. Tín hiệu từ mỗi cổng được hướng tới một cổng ra và bị ngăn tại các cổng còn lại. 1 2 3 2 3 4 1 4 Hình 2.26 Circulator 4 cổng ra và 4 cổng vào Ứng dụng của bộ cách ly này có thể là dùng trong các module tách ghép kênh quang. Tín hiệu tại đầu ra mỗi bộ phát ở một bước sóng riêng, những tia sáng này được ghép lại và truyền vào sợi quang. Thiết bị thực hiện chức năng này gọi là bộ ghép kênh quang (Multiplexer hay MUX). Ngược lại, ở phía thu có một thiết bị tách tín hiệu quang thu được thành các kênh quang có bước sóng khác nhau để đưa đến mỗi bộ thu quang riêng biệt. Thiết bị này gọi là bộ tách kênh quang (Demultiplexer hay DEMUX). Các bộ ghép / tách kênh này có cấu tạo từ các bộ lọc và coupler quang. Mục đích của chúng là nhằm tăng dung lượng hệ thống bằng việc tăng số lượng kênh truyền được trên một sợi quang. 2.6 Bộ bù tán sắc Như ta biết ở phần trước, sợi quang đơn mode có giá trị suy hao nhỏ nhất tại bước sóng 1550nm trong 3 cửa sổ suy hao sợi quang hiện đang sử dụng. Tuy nhiên ở vùng bước sóng này lại tồn tại giá trị tán sắc rất lớn khoảng từ 16¸20 ps/nm.km. Bên cạnh đó, các bộ khuếch đại hiện nay có thể giải quyết vấn đề suy giảm tín hiệu do hiện tượng suy hao. Do đó, tán sắc sợi quang lại càng trở thành vấn đề quan trọng trong việc xây dựng các hệ thống thông tin quang vì tán sắc gây giảm tốc độ và cự ly truyền dẫn. Việc cần thiết nhất hiện nay là làm sao để bù được tán sắc, làm giảm giá trị tán sắc để trả lại dạng tín hiệu gốc từ phía phát. Bộ bù tán sắc (Dispersion Compensation Device) tạo ra sự tán sắc ngược với sự tán sắc do các thành phần trong hệ thống gây ra, kết quả là xung tín hiệu được khôi phục lại có độ rộng như ban đầu. Có hai loại thiết bị bù tán sắc hay được sử dụng là sợi quang bù tán sắc và cách tử bù tán sắc. 2.6.1 Kỹ thuật bù tán sắc Hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian sau một quãng đường truyền nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang. Có ba nguồn gây nên hiện tượng tán sắc đó là: - Tán sắc vật liệu - Tán sắc dẫn sóng - Tán sắc vận tốc nhóm Trong đó tán sắc do vận tốc nhóm là đáng chú ý và có thể giảm nhỏ bằng việc sử dụng các kỹ thuật được đề cập sau đây. 2.6.1.1 Kỹ thuật bù sau Kỹ thuật bù sau là một kỹ thuật điện có thể được sử dụng bù tán sắc vận tốc nhóm GVD ở trong bộ thu quang. Kỹ thuật này dựa trên nguyên tắc sau : Tín hiệu quang có thể bị suy giảm do GVD gây ra, nhưng có thể cân bằng các ảnh hưởng của tán sắc bằng phương pháp điện nếu sợi quang có vai trò như một hệ thống tuyến tính. Phương pháp này sử dụng bộ lọc băng thông có đáp ứng xung phụ thuộc vào hàm truyền đạt sau : Trong đó : L là chiều dài tuyến sợi quang. viF là tần số trung tần của tín hiệu quang chuyển đổi sang tín hiệu viba. Bộ lọc cần hoàn trả lại tín hiệu gốc từ tín hiệu thu được. Tuy nhiên phương pháp này chỉ thực tế đối với bù tán sắc trong hệ thống thông tin quang coherent. Còn đối với các hệ thống tách quang trực tiếp thì không khả thi. Do đó phương pháp cân bằng điện này chi dùng trong các hệ thống thông tin có tốc độ bit thấp,cự ly truyền dẫn không dài. 2.6.1.2 Kỹ thuật bù trước Kỹ thuật bù tán sắc trước là kỹ thuật áp dụng phương pháp tiếp cận trên cơ sở sửa đổi các đặc tính của các xung tín hiệu đầu vào tại thiết bị phát quang trước khi tín hiệu này được phát vào môi trường truyền dẫn. Nó dựa vào biên độ phổ của xung tín hiệu vào để thay đổi tán sắc vận tốc nhóm có liên quan. Tuy nhiên việc thực hiện phương pháp này cũng không dễ dàng bởi việc tính toán chính xác lượng bù cho tán sắc vận tốc nhóm là rất phức tạp. Và để đơn giản, phương pháp khác cũng hướng tới việc giảm GVD trước khi đưa tín hiệu vào môi trường truyền dẫn là đưa xung tín hiệu đầu vào bị chirp hợp lý sao cho giảm thiều sự dãn xung do GVD. Nhìn chung các phương pháp được áp dụng đều có khả năng hạn chế tán sắc cho tín hiệu được truyền dẫn, nhưng vẫn còn các giới hạn trong hoạt động. Ta lần lượt xét các phần tử tham gia vào quá trình thực hiện bù tán sắc sau. 2.6.2 Các thiết bị bù tán sắc 2.6.2.1 Sợi bù tán sắc a, Nguyên lý của sợi bù tán sắc-DCF (Dispersion Compensating Fiber) Sợi bù tán sắc xuất phát từ nguyên lý coi tín hiệu quang được truyền trên nhiều mảnh sợi ghép lại mà các mảnh này có các đặc tính tán sắc khác nhau. Ta xét trường hợp tín hiệu được truyền trên hai mảnh sợi và có thể viết bỉểu thức biên độ xung theo dạng sau : A(L,t)= (3-17) với L= L1+L2 và b2j là tham số tán sắc vận tốc nhóm GVD của đoạn sợi có độ dài Lj (j=1,2). Sử dụng Dj =-(2pc/λ2).b2j ta sẽ có điều kiện để bù tán sắc sợi có thể được viết như sau : D1L1+D2L2 = 0 (3-18) Vì A(L,t)=A(0,t) khi biểu thức 3-18 được thỏa mãn thì dạng xung sẽ được lưu cho dạng đầu vào của nó. Biểu thức 3-18 chỉ ra rằng : sợi bù tán sắc DCF phải có GVD chuẩn tại 1,55μm (D2 0 đối với sợi tiêu chuẩn để sao cho thỏa mãn điều kiện sau : L2= L1 Thường thì L2 càng nhỏ càng tốt nên DCF nên có D2 mang giá trị âm lớn. b, Cấu trúc DCF. Có hai cách thiết kế DCF để bù tán sắc như sau : Thứ nhất là dựa trên sợi đơn mode với giá trị tham số sợi V tương đối nhỏ (V»1). Vì phần đông các mode truyền bên trong lớp vỏ có chiết suất nhỏ, cho nên thành phần dẫn sóng đối với GVD là khác nhau đối với mỗi loại, điều đó làm cho D= -100ps/km.nm. Tuy nhiên theo cách này thì suy hao của DCF là khá lớn do đó nó không nổi trội Thứ hai là loại sợi hai mode, thiết kế với giá trị V sao cho mode bậc cao hơn gần với bước sóng cắt (V»2,5). Các sợi như vậy, hầu như có cùng suy hao như sợi đơn mode nhưng chúng có thể được thiết kế nhằm có các tham số tán sắc khác nhau với các mode khác nhau, tức là mode cao hơn có độ tán sắc D âm hơn, đồng thời nó còn cho phép bù tán sắc băng rộng. Việc sử dụng DCF hai mode đòi hỏi phải có thiết bị biến đổi mode, để biến đổi năng lượng mode cơ bản sang mode bậc cao hơn.. Thiết bị này thường sử dụng sợi hai mode có cách tử bên trong sao cho có thể ghép giữa hai mode, nó giúp giảm được suy hao xen và hệ số ghép của nó đạt tới 99%. Ta có hình 3.39 mô tả đặc tính tán sắc của hai loại sợi DCF đã nêu. 1500 1525 1550 1575 1600 λ(nm) D[ps/km.nm] -260 -270 -280 -290 -300 -310 -320 Hình 3.39 Đặc tính tán sắc của hai loại DCF. 2.6.2.2 Bộ bù tán sắc bằng cách tử Bragg sợi chu kỳ biến đổi tuyến tính Bù tán sắc bằng quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính là một sợi quang đơn mode có một đoạn lõi được gắn những cách tử có chu kỳ thay đổi một cách tuyến tính dọc theo chiều dài của quang sợi. Λ(z) = Λ0 + Λ1(z) Trong đó : Λ0 là chu kỳ ở điểm bắt đầu của đoạn cách tử Λ1 là sự thay đổi tuyến tính dọc theo chiều dài của đoạn cách tử. Tại vị trí z trên đoạn cách tử Bragg, một sóng ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại nếu bước sóng của nó thoả mản công thức: λB(z) = 2neff (z)Λ(z) Với λB(z) là bước sóng Bragg tại vị trí z tương ứng với chu kỳ cách tử Λ(z). Đặc tính của quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi là tại những vị trí tương ứng với chu kỳ dài hơn sẽ phản xạ những ánh sáng có bước sóng dài hơn. Giả sử xung tín hiệu đi vào đầu có chu kỳ dài hơn của đoạn cách tử như hình vẽ 3.40. Khi đó, những bước sóng dài hơn sẽ bị phản xạ ở gần phần đầu của đoạn cách tử hơn. Nói cách khác, những bước sóng ngắn hơn sẽ phải đi một quãng đường xa hơn trong đoạn cách tử trước khi chúng được phản xạ ngược lại. Kết quả là một khoảng thời gian trễ d sẽ được tạo ra giữa thành phần bước sóng ngắn so với thành phần bước sóng dài. (3-19) Trong đó : d là khoảng thời gian trễ neff là chiết xuất hiệu dụng L là độ dài đoạn cách tử Bragg Và Δλc là hiệu số giữa bước sóng bị phản xạ ở đầu đoạn cách tử (thành phần bước sóng dài nhất) so với bước sóng bị phản xạ ở cuối đoạn cách tử (thành phần ngắn nhất). Hình 3.40 Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi Đây là hiện tượng ngược với hiện tượng tán sắc và là nguyên lý của thiết bị bù tán sắc trong mạng thông tin quang dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính. Hình vẽ 3.41 là một mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính. Hình 3.41 Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bagg chu kỳ thay đổi tuyến tính Trên hình vẽ circulator là thiết bị ghép nối quang chỉ cho ánh sáng đi lần lượt các cổng 1, 2, 3 theo chiều kim đồng hồ. Một xung bị giãn rộng sau khi được khuếch đại sẽ đi qua một circulator để tới đoạn cách tử Bragg có chu kỳ biến đổi như hình vẽ. Tại đoạn cách tử, thành phần bước sóng ngắn tới trước do tán sắc sẽ phải đi thêm quãng đường nữa trước khi được phản xạ ngược lại để tới thiết bị đầu thu. Trong khi đó, thành phần bước sóng dài hơn, đến chậm hơn do bị tán sắc, sẽ được phản xạ ngay khi tới cách tử Bragg. Kết quả là xung tín hiệu sau khi đi qua thiết bị bù đã được co lại. Tính toán hợp lý các số liệu về độ dài đoạn cách tử Bragg, hàm thay đổi của chu kỳ các cách tử L(z), người ta có thể thu được xung ánh sáng có độ rộng như ở đầu phát. Nghiên cứu cho thấy rằng một đoạn cách tử Bragg dài 5,7cm có thể bù cho 100km quang sợi truyền thống có độ tán sắc 17ps/nm km dùng bước sóng 1550nm, độ rộng phổ 0,2 nm. Ưu điểm nổi trội của thiết bị bù tán sắc rất đơn giản, kích thước nhỏ (nằm hoàn toàn trong một sợi quang), hoàn toàn tương thích với mạng cáp quang nên tổn hao ghép nối rất nhỏ, có khả năng điều chỉnh độ bù tán sắc. CHƯƠNG 3 CÁC PHẦN TỬ TÍCH CỰC 3.1 Cơ sở vật lý chung của các phần tử tích cực Khác với các phần tử thụ động, cơ sở vật lý chung cho các phần tử tích cực là vật lý bán dẫn. Tuy nhiên do tín hiệu xử lý của các phần tử này là ánh sáng nên các kiến thức vật lý về ánh sáng (như đã nêu ở chương 1) cũng được sử dụng trong phần tử tích cực. Khi hoạt động, các phần tử này cần phải có nguồn kích thích. Các nguồn này luôn đi kèm theo nên yêu cầu của các phần tử tích cực cũng phức tạp hơn phần tử thụ động. Vị trí đặt thiết bị, các vấn đề về bảo dưỡng, an toàn về điện cũng cần được quan tâm. Trước hết ta xét đến cơ sở vật lý chung cho các phần tử tích cực này. 3.1.1 Các khái niệm vật lý bán dẫn Vật lý bán dẫn là cơ sở hoạt động cho rất nhiều linh kiện điện tử trong đó có các phần tử tích cực hoạt động trong hệ thống thông tin quang. 3.1.1.1 Các vùng năng lượng Vật liệu bán dẫn là vật liệu có đặc tính dẫn điện, và cách điện, tức là ở trường hợp nào đó thì vật liệu bán dẫn là kim loại trong trường hợp khác chúng lại là chất cách điện. Ở mức nhiệt độ thấp, tinh thể bán dẫn thuần túy sẽ có vùng dẫn hoàn toàn trống các điện tử và vùng hóa trị lại đầy các điện tử. Vùng dẫn cách vùng hóa trị một dải cấm năng lượng, dải này không tồn tại một mức năng lượng nào cả. Khi nhiệt độ tăng lên, một số các điện tử sẽ bị kích thích nhiệt và vượt qua dải cấm (chẳng hạn như đối với Silic thì năng lượng này cỡ 1,1 eV – đây chính là năng lượng dải cấm). Quá trình này xảy ra làm xuất hiện các điện tử tự do (kí hiệu là n) trong vùng dẫn và khi các điện tử này dời đi sẽ để lại các lỗ trống tương ứng (kí hiệu là p). Các điện tử tự do và lỗ trống sẽ di chuyển trong vật liệu và vật liệu thể hiện tính dẫn điện khi các điện tử trong vùng hóa trị đi vào các lỗ trống. Lúc này có thể coi như lỗ trống cũng di chuyển, sự di chuyển này ngược chiều di chuyển của điện tử. Sự tập trung của điện tử và lỗ trống được xem là sự tập trung mang tính chất bên trong. Nó kí hiệu là ni và được thể hiện bằng công thức sau : n = p = ni = K.exp(-Eg/2kbT) (3-1) K = 2(2pkbT/h2)3/2(memh)3/4 Trong đó : Eg là độ rộng vùng cấm. kb là hằng số Boltzman h là hằng số Plank me, mh là khối lượng của điện tử và lỗ trống T là nhiệt độ tuyệt đối K là hằng số vật liệu Phân bố mật độ điện tử b) a) Hình 3.1 Sự kích thích điện tử vùng hóa sang vùng dẫn trong sơ đồ năng lượng (a) và sự tập trung điện tử, lỗ trống (b). Điện tử Vùng dẫn Chuyển dich điện tử Vùng cấm Vùng hóa trị Lỗ trống ~2KBT ~2KBT Phân bố mật độ lỗ trống Năng lượng điện tử Có thể tăng tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn bằng cách pha thêm một lượng nhỏ tạp chất thuộc các nguyên tố nhóm V (như P, As, Sb…) hoặc nhóm III (như Ga, Al, In …). Khi được pha tạp bởi các nguyên tố nhóm V, các điện tử tự do trong vùng dẫn gia tăng, lúc này vật liệu bán dẫn được gọi là vật liệu bán dẫn loại n. Khi được pha tạp bởi các nguyên tố nhóm III, các lỗ trống trong vùng hóa trị gia tăng, lúc này vật liệu bán dẫn được gọi là vật liệu bán dẫn loại p. Tính dẫn điện của vật liệu bây giờ tỷ lệ với sự tập trung hạt mang (các điện tử và lỗ trống ). Các vật liệu pha tạp như vậy dùng khá phổ biến trong viễn thông (đặc biệt là trong các bộ thu phát quang), có thể kể ra rất nhiều loại vật liệu như : InP, InAs.,GaAs, GaAsP, InGaAsP… Ta có thể xem qua bảng 3.1 tổng hợp một số vật liệu với các dải cấm và bước sóng dưới đây. Loại vật liệu Tên vật liệu Dải cấm Bước sóng Các vật liệu hai thành phần GaP (Gali – Phốt pho) AlAs (Nhôm - Asen) GaAs (Gali - Asen) InP (Indi – Phốt pho) InAs (Indi - Asen) 2,24 eV 2,09 eV 1,42 eV 1,33 eV 0,34 eV 0,55 mm 0,59 mm 0,87 mm 0,93 mm 3,6 mm Các vật liệu ba hoặc bốn thành phần AlGaAs (Nhôm-Gali-Asen). InGaAsP (Indi-Gali-Asen-Phốt pho) 1,42 – 1,61 eV 0,74 – 1,13 eV 0,77 – 0,87 mm 1,1 – 1,67 mm Bảng 3.1 Dải cấm và bước sóng của một số vật liệu bán dẫn. 3.1.1.2 Lớp tiếp giáp p-n Bản thân các vật liệu pha tạp loại p hay n chỉ như là những chất dẫn điện tốt hơn so với bán dẫn thuần. Tuy nhiên khi ta sử dụng kết hợp hai loại vật liệu này thì sẽ có được những đặc tính hết sức đáng chú ý. Một vật liệu loại p được ghép với vật liệu loại n sẽ cho ta một lớp tiếp xúc được gọi là tiếp giáp p-n. Khi tiếp giáp p – n được tạo ra, các hạt mang đa số sẽ khuếch tán qua nó : Lỗ trống bên p khuếch tán sang bên n, điện tử bên n khuếch tán sang bên p. Kết quả là tạo ra một điện trường tiếp xúc Etx đặt ngang tiếp giáp p – n. Chính điện trường này sẽ ngăn cản các chuyển động của các điện tích khi tình trạng cân bằng đã được thiết lập. Lúc này, vùng tiếp giáp không có các hạt mang di động. Vùng này gọi là vùng nghèo hay vùng điện tích không gian. Khi cấp một điện áp cho tiếp giáp này, cực dương nguồn nối với vật liệu n, cực âm nối với vật liệu p thì tiếp giáp này được gọi là phân cực ngược. (Như hình 3.2b). Nếu phân cực ngược cho tiếp giáp p – n, vùng nghèo sẽ bị mở rộng ra về cả hai phía. Điều này càng cản trở các hạt mang đa số tràn qua tiếp giáp. Tuy nhiên vẫn có một số lượng nhỏ hạt mang thiểu số tràn qua tiếp giáp tại điều kiện nhiệt độ và điện áp bình thường. Còn khi phân cực thuận cho tiếp giáp (cực âm nối với vật liệu n, còn cực dương nối với vật liệu p như hình 3.2c) thì các điện tử vùng dẫn phía n và các lỗ trống vùng hóa phía p lại được phép khuếch tán qua tiếp giáp. Lúc này việc kết hợp các hạt mang thiểu số tăng lên và trở nên có ý nghĩa. Các hạt mang tăng lên sẽ tái hợp với hạt mang đa số. Quá trình tái kết hợp các hạt mang dư ra chính là cơ chế để phát ra ánh sáng. Loại n Loại p Vùng nghèo Tiếp giáp p-n a) Tiếp giáp p-n Loại n Loại p Loại n Loại p b) Phân cực ngược c) Phân cực thuận Hình 3.2 Phân cực cho các lớp tiếp giáp Các chất bán dẫn thường được phân ra thành vật liệu có giải cấm trực tiếp và vật liệu có giải cấm gián tiếp tùy thuộc dạng của dải cấm (như hình 3.3). Năng lượng vùng cấm trực tiếp Năng lượng vùng cấm gián tiếp Edir Chuyển dịch điện tử hf=Edir Eind hf=Eind+Eph Năng lượng photon Eph a) b) Hình 3.3 Sự phát photon với vật liệu dải cấm trực tiếp (a) và gián tiếp (b) Vùng dẫn Vùng dẫn Vùng hóa trị Vùng hóa trị Xét quá trình tái hợp của lỗ trống và điện tử kèm theo sự phát xạ photon, người ta thấy quá trình tái kết hợp dễ xảy ra nhất và đơn giản nhất khi mà lỗ trống và điện tử có cùng động lượng. Trong trường hợp này ta có vật liệu giải cấm trực tiếp. Còn trong trường hợp vật liệu có dải cấm gián tiếp, các mức năng lượng nhỏ nhất ở vùng dẫn và các mức năng lượng nhỏ nhất ở vùng hóa lại xảy ra ở các giá trị động lượng khác nhau. Như vậy việc tái kết hợp ở đây cần phải có phần tử thứ ba để duy trì động lượng bởi vì động lượng photon là rất nhỏ. 3.1.2 Các quá trình đặc trưng trong vật lý bán dẫn 3.1.2.1 Quá trình hấp thụ và phát xạ Trong vật liệu, ở điều kiện bình thường có xảy ra các quá trình tương tác giữa vật chất và môi trường xung quanh, và tạo ra các hiện tượng phát xạ, bức xạ hay hấp thụ… Để phân tích các quá trình phát xạ và hấp thụ ta xét một hệ có hai mức năng lượng E1 và E2 với E2 > E1 như hình 3.4 sau. Trong đó E1 là trạng thái cơ sở, còn E2 là trạng thái kích thích. Hình 3.4 Sơ đồ quá trình hấp thụ, phát xạ và phát xạ kích thích E2 E1 hf hf hf1 hf2 hf a, Hấp thụ b, Phát xạ tự phát c, Phát xạ kích thích Khi photon có năng lượng hf = E1 – E2 đi vào vật chất, điện tử sẽ hấp thụ và chuyển lên mức kích thích E2. Đây là quá trình hấp thụ ánh sáng. Các điện tử ở mức kích thích E2, đây là trạng thái không bền nên nó nhanh chóng chuyển về mức cơ sở E1 và lúc đó sẽ phát ra một photon có năng lượng là hf=E1 – E2. Ta có quá trình phát xạ tự phát. Photon được tạo ra tự phát thì có hướng ngẫu nhiên và không có liên hệ về pha, tức là ánh sáng không kết hợp. Còn phát xạ cưỡng bức xảy ra khi có một photon có năng lượng phù hợp tương tác với nguyên tử ở trạng thái kích thích và phát xạ ra các photon giống hệt nhau về năng lượng và pha. Ta có các phương trình tốc độ đặc trưng cho các quá trình này như sau : Tốc độ phát xạ tự phát : Rspon=A.N2 Tốc độ phát xạ kích thích : Rstim = B.N2.ρ Tốc độ hấp thụ : Rabs = C. N1.ρ Trong đó : N1, N2 là mật độ nguyên tử tại mức E1 và E2, ρ là mật độ phổ năng lượng chiếu xạ. Ở điều kiện cân bằng nhiệt thì mật độ phổ năng lượng chiếu xạ phân bố theo thống kê Boltzman như sau : (3-2) Trong đó : T là nhiệt độ tuyệt đối của hệ nguyên tử. N1, N2 không phụ thuộc thời gian trong trạng thái cân bằng nhiệt, nghĩa là tốc độ chuyển dời lên xuống của nguyên tử phải bằng nhau. Do đó : A.N2+ B.N2.ρ= C. N1.ρ (3-3) Từ công thức 3-2 và 3-3 ta có mật độ phổ năng lượng được tính như sau : (3-4) Theo công thức Plank mật độ phổ năng lượng chiếu xạ phải bằng mất độ phổ phát xạ vật đen tuyệt đối : Như vậy : và C=B (với A, B là hệ số Anhxtanh). 3.1.2.2 Trạng thái đảo mật độ Ánh sáng có thể phát ra từ vật liệu bán dẫn là kết quả của quá trình tái hợp điện tử và lỗ trống (e-h). Trong điều kiện cân bằng nhiệt, tỷ lệ phát xạ kích thích rất nhỏ so với phát xạ tự phát, tức là nồng độ e – h sinh ra do kích thích rất thấp. Để có phát xạ kích thích ta phải thực hiện tăng số lượng lớn các điện tử và lỗ trống trong vùng dẫn và vùng hóa trị. Ta xét một tiếp giáp p – n với hai loại vật liệu bán dẫn loại n và p pha tạp cao đến mức suy biến. Mức Fermi bên bán dẫn loại n nằm vào bên trong vùng dẫn và mức Fermi trong bán dẫn p nằm vào bên trong vùng hóa trị. Tại cân bằng nhiệt mức Fermi hai bên bán dẫn loại n và p nằm trùng nhau, lúc này không có quá trình bơm hạt tải (hình 3.5a). Khi phân cực thuận đủ lớn, các mức Fermi ở hai miền tách ra, lúc này thì các điện tử bên bán dẫn loại n và lỗ trống bên bán dẫn p được bơm điện tích không gian (hình 3.5b). Khi điện thế đặt vào tiếp giáp p-n tăng đủ lớn để quá trình bơm này đạt đến mức cao thì trong miền điện tích không gian có độ rộng là d sẽ có một số lượng lớn các điện tử nằm trên vùng dẫn và một số lượng lớn lỗ trống nằm dưới vùng hóa trị. Trạng thái này gọi là đảo mật độ. Điện tử và lỗ trống có thể tái hợp để phát ra photon. P N Ec Efv Ev Efc Eg Ec Ev Efv Eg Efc VF Ec Ev Efv Efc VF d hν a, Ban đầu chưa bơm b, Mức Fermi tách ra khi có phân cực thuận c, Bơm cao phát xạ photon Hình 3.5 Giản đồ năng lượng của tiếp giáp p-n với bán dẫn suy biến Như vậy điều kiện để có trạng thái đảo mật độ là bán dẫn ở hai miền p và n phải pha tạp mạnh để các mức Fermi nằm vào bên trong vùng dẫn và vùng hóa trị. Thế phân cực thuận phải đủ lớn để điện tử và lỗ trống có thể bơm vào vùng dẫn và vùng hóa trị. Hiệu hai mức Fermi ở hai vùng bán dẫn loại n và p lớn hơn năng lượng vùng cấm, nghĩa là : Efc – Efv > Eg. Trên đây là các cơ sở vật lý bán dẫn để phân tích cơ chế hoạt động của các phần tử tích cực trong thông tin quang được đề cập trong các phần tiếp theo. 3.2 Nguồn quang Vai trò của các bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang này vào sợi quang để truyền tới phía thu. Linh kiện chính trong bộ phát quang là nguồn phát quang. Trong hệ thống thông tin quang các nguồn quang được sử dụng là điốt phát quang (LED) và laser bán dẫn (Laser Diode – LD). Cơ sở vật lý của các nguồn quang bán dẫn này như đã nêu ở trên. Chúng có nhiều ưu điểm như : kích thước nhỏ, hiệu suất chuyển đổi quang điện rất cao, có vùng bước sóng phát quang thích hợp vói sợi quang và có thể điều biến trực tiếp bằng dòng bơm với tần số khá cao. 3.2.1 Điốt phát quang. LED (Light Emitted Diode) là một loại nguồn phát quang hù hợp cho các hệ thốn thông tin quang có tốc độ bít không quá 200Mb/s sử dụng sợi dẫn quang đa mode. Tuy nhiên hiện nay trong phòng thí nghiệm người ta có thể sử dụng cả ở tốc độ bít tới 556 Mb/s do có sự cải tiến công nghệ cao. 3.2.1.1 Cấu trúc LED Có hai loại cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi là cấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể. Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu và thực nghiệm, cấu trúc dị thể kép mang lại hiệu quả hơn và được ứng dụng nhiều hơn. Đặc điểm của cấu trúc dị thể kép là có hai lớp bán dẫn khác nhau ở mỗi bên của vùng bán dẫn tích cực, đây cũng chính là cấu trúc để khai triển nghiên cứu LASER . Với cấu trúc dị thể ta có, hai loại đó là cấu trúc phát xạ mặt và phát xạ cạnh. a, Cấu trúc LED phát xạ mặt LED phát xạ mặt có mặt phẳng của vùng phát ra ánh sáng vuôn góc với trục của sợi dẫn quang (hình 3.6a). Vùng tích cực thường có dạng phiến tròn, đường kính khoảng 50μm và độ dày khoảng 25μm. Mẫu phát chủ yếu là đẳng hướng với độ rộng chùm phát khoảng 120o . Mẫu phát đẳng hướng này gọi là mẫu Lambertian. Khi quan sát từ bất kỳ hướng nào thì độ rộng nguồn phát cũng ngang bằng nhau nhưng công suất lại giảm theo hàm cosβ với β là góc hợp giữa hướng quan sát với pháp tuyến của bề mặt. Công suất này giảm 50% so với đỉnh khi β =60. b, Cấu trúc LED phát xạ cạnh LED phát xạ cạnh có cấu trúc gồm một vùng tiếp giáp tích cực có vai trò là nguồn phát ánh sáng không kết hợp, và hai lớp dẫn đều có chiết suất thấp hơn chỉ số chiết suất của vùng tích cực nhưng lại cao hơn chiết suất của các vùng vật liệu bao quanh (hình 3.6b). Cấu trúc này hình thành một kênh dẫn sóng để hướng sự phát xạ về phía lõi sợi. Để tương hợp được với lõi sợi dẫn quang có đườn kính nhỏ ( cỡ 50- 100μm), các dải tiếp xúc đối với LED phát xạ cạnh phải rộng từ 50μm đến 70μm. Độ dài của các vùng tích cực thường là từ 100μm đến 150μm. Mẫu phát xạ cạnh có định hướng tốt hơn so với LED phát xạ mặt. 3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của LED Nguyên lý làm việc của LED dựa vào hiệu ứng phát sáng khi có hiện tượng tái hợp các điện tử và lỗ trống ở vùng tiếp giáp p-n. Do vậy, LED sẽ phát sáng nếu được phân cực thuận. Khi được phân cực thuận các hạt mang đa số sẽ khuếch tán ồ ạt qua tiếp giáp p-n : điện tử khuếch tán từ phía n sang phía p và ngược lại, lỗ trống khuếch tán từ phía p sang phía n, chúng gặp nhau và tái hợp phát sinh ánh sáng. Với cấu trúc dị thể kép, cả hai loại hạt dẫn và trường ánh sáng được giam giữ tại trung tâm của lớp tích cực (hình 3.7). Sự khác nhau về độ rộng vùng cấm của các lớp kề cận đã giam giữ các hạt điện tích ở bên trong lớp tích cực. Đồng thời, sự khâc nhau về chiết suất của các lớp kề cận này đã giam giữ trường quang và các hạt dẫn này làm tăng độ bức xạ và hiệu suất cao. Chất nền Chất nền Tỏa nhiệt Kim loại Lớp dẫn ánh sáng Giải tiếp xúc Miền hoạt tính SiO2 Ánh sáng phát ra Hình 3.6b Cấu trúc LED phát xạ cạnh Sợi quang Phiến chịu nhiệt SiO2 SiO2 Các lớp tiếp giáp Giếng khắc hình tròn Vật liệu bao phủ Kim loại hóa Lớp cấu trúc dị thể kép Hình 3.6a Cấu trúc LED phát xạ mặt Các lớp dị thể kép Để một chất bán dẫn phát sáng thì sự cân bằng nhiệt phải bị phá vỡ. Tốc độ tái hợp trong qúa trình tái hợp có bức xạ tỉ lệ với nồng độ điện tử trong phần bán dẫn p và nồng độ lỗ trống trong bán dẫn n. Đây là các hạt dẫn thiểu số trong chất bán dẫn. Để tăng tốc độ tái hợp – tức là tăng số photon bức xạ ra – thì cần phải gia tăng nồng độ hạt dẫn thiểu số trong các phần bán dẫn. Nồng độ hạt dẫn thiểu số được bơm vào các phần bán dẫn tỷ lệ với cường độ dòng điện của LED, do đó cường độ phát quang của LED tỷ lệ với cường độ dòng điện qua điốt. 1,51 eV Tái hợp điện tử và lỗ trống hf = 820 nm Dòng lỗ trống Dòng điện tử Năng lượng điện tử Vùng dẫn sóng Vùng tích cực Chỉ số chiết suất Hình 3.7 Cấu trúc dị thể kép – hiệu suất phát xạ cao nhờ chênh lệch: a) độ rộng vùng cấm và b) chênh lêch chiết suất a) b) 3.2.1.3 Đặc tính của LED a, Đặc tính P/ I Đặc tuyến P/I là đặc tuyến thể hiện mối quan hệ giữa công suất phát xạ photon và cường độ dòng kích thích. Công suất quang tỷ lệ tuyến tính với dòng điện. Dòng điện đạt giá trị cao khi đạt đến ngưỡng, có sự bão hòa. Khi đó công suất quang phát xạ không tăng, quá trình tái hợp tăng lên, hiệu suất lượng tử nội giảm xuống và nhiệt độ tiếp giáp tăng. Độ đáp ứng giảm xuống. Nó được xây dựng từ công thức : x = P/I = hffex/I = hexthf/e = hext.(1,24/l). Mà - Công suất quang nội : Pint =ηinthν - Công suất quang phát xạ : Pe = ηext .ηint hν Xét hiệu suất lượng tử ngoài ηext.(như hình 3.8). Giá trị này phụ thuộc vào góc mở chùm sáng phát xạ như sau : Trong đó : θc = arcsin và n là chiết suất vật liệu, Tf là độ truyền lan qua Fresnel Để đơn giản chọn θ = 0 lúc đó Tf (0)= Þ Hiệu suất này nhỏ, do đó công suất quang đưa vào sợi rất nhỏ. Ngoài ra đặc tuyến P/I còn phụ thuộc vào nhiệt độ : Nhiệt độ tăng thì công suất giảm. Mô hình đặc tuyến được mô tả như hình 3.9 sau. Ingưỡng P [mW] Hình 3.9 Đặc tuyến P/I của LED I [mA] T1 T2 (T2>T1) b, Đặc tính phổ Phổ của LED liên quan tới phổ phát xạ tự phát và là phổ đặc. Nó là một vùng liên tục các bước sóng rộng cỡ vài chục nm. Nó phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và bước sóng phát xạ trung tâm. Ngoài ra phổ của LED cũng phụ thuộc vào tốc độ Rsp(ω)=Ap( ω - Eg)1/2exp[-(ω - Eg)/kBT]. Công thức tính độ rộng phổ nửa giá trị cực đại được xác định như sau : Δf »1,8 hay Δν » Δλ. Tại nhiệt độ T=300oK, Δf =11THz với Δλ =50 – 60 nm cho λ=1300nm. Ta có hình 3.10 thể hiện phổ của hai loại LED 1 1/2 Bước sóng phát xạ trung tâm l [mm] Hình 3.10 Độ rộng phổ của LED SLED ELED P/P0 P0 là công suất đỉnh c, Đáp ứng điều chế - Phương trình tốc độ của LED mô tả tốc độ thay đổi hạt tải theo thời gian và dòng biến đổi thay đổi theo thời gian như sau : với V là thể tích vùng tích cực. Từ phương trình ta thấy hạt tải bơm vào có thể bị mất đi theo giá trị . - Dòng điều biến LED : I(t)= Ib + Imexp(iωmt) Trong đó : ωm là tần số điều biến tín hiệu. Ib là dòng định thiên và Im là dòng điều biến. Tại I=Ib dòng bơm ban đầu ta có nồng độ hạt tải được xác định theo công thức : . Ta lại có : N(t)= Nb +Nmexp(iωmt). Do đó:. Khi công suất điều chế Pm phụ thuộc tuyến tính vào çNm÷, hàm truyền đạt sẽ có dạng : (3-5) Độ rộng băng tần là tỷ số điều biến mà tại đó hàm truyền giảm đi chỉ còn nửa do đó còn được gọi là băng tần điều chế 3dB. Thay vào 3-5 ta có : Đối với LED : cỡ khoảng vài ns (2¸5 ns) do đó f3dB» 50¸150MHz. 3.2.1.4 Ứng dụng của LED Thường thì ánh sáng phát xạ của LED là ánh sáng không kết hợp và là ánh sáng tự phát. Do đó công suất phát xạ của LED thấp, độ rộng phổ rộng và hiệu ứng lưọng tử thấp. Nó thường chỉ được áp dụng cho các mạng có khoảng cách ngằn như mạng LAN. Tuy nhiên do công suất đầu ra của nó ít phụ thuộc vào nhiệt độ và có chế tạo đơn giản, độ ổn định cao, LED vẫn được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền tốc độ thấp. 3.2.2 Laser bán dẫn Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là một cấu trúc quang học để tạo ra và khuếch đại ánh sáng đơn sắc có tính liên kết về pha. Laser có nhiều loại như Laser thể rắn, Laser thể khí và Laser bán dẫn… Mỗi loại có các đặc tính riêng của nó, tuy nhiên ưu thế hơn cả là Laser bán dẫn (thường sử dụng trong hệ thống thông tin quang). Vật liệu chế tạo Laser bán dẫn là các vật liệu bán dẫn có vùng cấm thẳng (đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị có cùng giá trị của vectơ sóng k trên giản đồ năng lượng). Vì trong bán dẫn vùng cấm thẳng (trực tiếp), quá trình chuyển mức bức xạ vectơ sóng được bảo toàn một cách tự động nên có xác suất lớn hơn nhiều so với bán dẫn có vùng cấm nghiêng (gián tiếp), sự chuyển mức bức xạ có sự tham gia của photon hoặc các tâm tán xạ để bảo toàn vectơ sóng và năng lượng. 3.2.2.1 Cấu trúc Laser bán dẫn Laser bán dẫn đơn giản nhất và thường gặp là Laser Diode (LD). Nó sử dụng lớp chuyển tiếp p –n được phân cực thuận để bơm điện tử và lỗ trống, làm phát sinh ánh sáng. Cấu trúc LD được thiết kế để tạo ra một hốc quang để dẫn các photon được tạo ra. Hốc quang cơ bản là một buồng cộng hưởng, trong đó photon được phản xạ liên tiếp. Photon được phát xạ ra chỉ có một phần rất nhỏ dời khỏi buồng cộng hưởng, do đó mật độ photon được tích tụ chủ yếu trong buồng cộng hưởng. Đối với Laser bán dẫn, cấu trúc buồng cộng hưởng được sử dụng nhiều nhất là buồng cộng hưởng kiểu Farby – Perot. Thành phần quan trọng nhất của hốc quang là hai mặt gương phản xạ song song để đảm bảo các mode cộng hưởng được sinh ra trong hốc. Các mode cộng hưởng phải có bước sóng thỏa mãn biểu thức : L = k.l/2 với k là một số nguyên. L là chiều dài hộp cộng hưởng λ là bước sóng ánh sáng trong vật liệu. Bên trong bộ cộng hưởng là một môi trường tích cực, trong đó luôn có các quá trình bức xạ đồng pha của tất cả các nguyên tử. Cấu trúc đơn giản nhất của môi trường tích cực trong LD bao gồm ba lớp : Lớp tích cực mỏng nhất có độ dày cỡ 0,1 μm, nằm giữa hai lớp bán dẫn khác loại n và p. Hai lớp này có bề rộng vùng cấm cao hơn lớp ở giữa. Chúng tạo thành chuyển tiếp dị thể p-n. Trong cấu trúc này mode quang bị giam theo hướng vuông góc với bề mặt của lớp chuyển tiếp do các lớp vỏ có chiết suất nhỏ hơn so với chiết suất vùng tích cực. Để đạt được một mode chính ổn định với dòng ngưỡng nhỏ cần phải có sự giam quang dọc theo bề mặt của lớp chuyển tiếp. Nếu không có sự giam các mode biên, Laser sẽ hoạt động như Laser bán dẫn vùng mở rộng. Các Laser bán dẫn diện rộng này chịu sự suy hao rất lớn nên ít được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang. Sự quay trở lại của các hạt tải đòi hỏi dòng ngưỡng cao. Cường độ dòng ngưỡng khoảng 1kA trên một cm2 hốc, điều này khiến lợi ích của Laser bơm dòng bị hạn chế. Việc khắc phục sự phát quang trên diện rộng có thể thực hiện bằng cách tạo ra các kết cấu có sự giam quang các mode biên. Các loại kết cấu để giam quang gồm có : - Laser có miền khuếch đại kiểu ống dẫn sóng - Laser ống dẫn sóng dải chiết suất. Ở Laser miền cộng hưởng dạng ống dẫn sóng có bề rộng của mode phát quang theo bề mặt của lớp chuyển tiếp chủ yếu được xác định bởi bề rộng của vùng cộng hưởng quang học (bề rộng của vùng được bơm), tiêu biểu nằm trong vùng 5 – 10 μm. Trong loại Laser cấu trúc dải chiết suất, vùng ở giữa hẹp có chiết suất tỉ đối cao hơn so với trong mặt lớp chuyển tiếp giam mode phát Laser. Loại này được chia thành hai loại, đó là loại ống dẫn sóng dải chiết suất yếu có vùng phân cực là liên tục còn phần vỏ có chiết suất không đều đặn, có bề dày thay đổi được và loại ống dẫn sóng dải chiết suất mạnh thường thấy cấu trúc dị thể vùi (BH) với độ chênh lệch chiết suất cỡ 0,2 giữa vùng tích cực và vùng biên. a, Laser có miền khuếch đại kiểu ống dẫn sóng Đó là loại Laser bơm dòng mà có đặc tính được chế tạo sao cho hạn chế dòng bơm vào một vùng nhỏ theo bề mặt lớp chuyển tiếp. Nhờ sử dụng dòng bơm qua dải băng hẹp, Laser bán dẫn này có ưu điểm là giải quyết được vấn để giam giữ các hạt tải trong miền tích cực… cấu trúc dòng đơn giản nhất là dạng cấu trúc dải oxit (được nghiên cứu, chế tạo đầu tiên Dymen). Cấu trúc này được chỉ ra trên hình 3.11, nó gồm lớp p có cửa sổ được mở cho dòng phun vào. Phần còn lại của lớp p này được phủ lớp cách điện SiO2. Do chuyển tiếp có tính chất phân cực thuận nên dòng qua chuyển tiếp chỉ có thể qua cửa sổ. Trong hầu hết các Laser được thiết kế, cửa sổ này rộng khoảng 5μm. Mật độ hạt tải (chủ yếu do quá trình khuếch tán) phân bó không đồng đều ở hai bên. Độ khuếch đại đạt giá trị cực đại tại tâm cửa sổ. n+ - InP (chất nền) n – InP InGaAsP p – InP SiO2 p – InGaAsP Hình 3.11 Laser bán dẫn miền tích cực Ngoài ra còn có : - Cấu trúc vạch chuyển tiếp mà ở đó có sự khuếch tan Zn biến đổi một vùng nhỏ trên đỉnh lớp bán dẫn loại n thành loại p, tạo thành một đường dòng. Khi đặt điện áp thuận vào lớp chuyển tiếp trên vùng còn lại sẽ tạo sự giam quang (hình 3.12a); - Cấu trúc dải photon hay deuteron mà ở đây các proton hay deuteron được cấy vào tạo thành một cùng có điện trở cao làm hạn chế dòng chảy tới một lớp mở trong vùng được cấy (hình 3.12b). n – InP (Chất nền) n – InP InGaAsP p – InP n – InP (chất nền) n – InP InGaAsP p – InP Vùng pha iôn p-InGaAsP p-InGaAsP Vùng có khuếch tán Zn a) Cấu trúc chuyển tiếp b) Cấu trúc dải proton Hình 3.12 Laser miền cộng hưởng dùng ống dẫn sóng b, Laser ống dẫn sóng dải chiết suất yếu Cấu trúc Laser dải chiết suất yếu có khả năng giam giữ quang tốt hơn. Nó bao gồm một ống dẫn sóng có chất liệu khác được ghép lên trên hoặc bên dưới lớp tích cực. Điều này tạo sự thay đổi chiết suất hiệu dụng cỡ 1% giữa hai bên của thành ống dẫn sóng. Các loại cấu trúc ống dẫn sóng chiết suất yếu phụ thuộc vào cấu trúc của Laser, đó là loại ống dẫn sóng “rib”, “stripe”, ống dẫn sóng phẳng lồi, ống dẫn sóng phẳng đế ghép kênh. Ta có hình 3.13 mô tả các cấu trúc Laser loại này. n – InP (đế) n – InP InGaAsP p-InP n – InP (đế) n – InP InGaAsP p-InP a) Laser dẫn sóng ridge b) Laser lớp epitaxi dị thể n-InP n-InP p-InP InGaAsP (lớp tích cực) n-InP p-InP p-InP InGaAsP n-InP p- InGaAsP Hình 3.13 Laser dị thể vùi với lớp tích cực thẳng c) Laser đế ghép kênh d)Laser rib đơn giản p-InGaAsP p-InP n-InGaAsP (ống dẫn sóng) n-InP (đế ) p-InGaAsP p-InP InGaAsP (lớp tích cực) n-InP (đế) Hình 3.14 Cấu trúc Laser chiết suất yếu c,Laser ống dẫn sóng dải chiết suất mạnh Trong cấu trúc Laser dải chiết suất mạnh, vùng tích cực nằm trong những lớp có vùng cấm lớn hơn. Vì lý do đó, các Laser này được gọi là Laser dị thể vùi. Bước nhảy chiết suất bề mặt dọc theo mặt của lớp chuyển tiếp vào cỡ 0,2 trong các Laser cấu trúc này. Các đặc trưng phát xạ Laser của các Laser dị thể vùi chủ yếu được xác định bằng ống dẫn sóng chữ nhật giam mode ở bên trong vùng tich cực. Những loại Laser này được chia thành hai nhóm : Nhóm các cấu trúc có lớp tích cực phẳng và nhóm các cấu trúc có lớp tích cực không phẳng như hình 3.14 và 3.15. n-InP n-InP n-InP InGaAsP n-InP n-InP InGaAsP InGaAsP (lớp tích cực) n-InP Hình 3.15 Cấu trúc Laser dị thể với đế ghép kênh phẳng n-InGaAsP n-InP p-InP p-InP p- InGaAsP a) Laser dị thể vùi ghép kênh phẳng b) Laser dị thể strip 3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của Laser bán dẫn Laser bán dẫn bức xạ ra ánh sáng thông qua quá trình tái hợp cưỡng bức, và đó chính là sự khác nhau cơ bản giữa qúa trình bức xạ tự phát của LED và bức xạ kích thích của LD. Nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hiện tượng đảo mật độ. Ban đầu ở điều kiện bình thường, khi không có điện áp đặt vào chuyển tiếp p-n, Laser bán dẫn ở trạng thái bình thường cân bằng nhiệt, tức là không có hiện tượng xảy ra. Khi chuyển tiếp p-n được phân cực thuận, các điện tử và lỗ trống được bơm vào trong vùng tích cực của Laser. Các điện tử và lỗ trống tái hợp với nhau để phát sinh ra các photon. Tuy nhiên vì số lượng các điện tử và lỗ trống lúc này còn ít (vì dòng bơm chưa đủ lớn) không đủ để xảy ra hiện tượng đảo mật độ, nên quá trình phát xạ ở đây là tự phát, LD hoạt động như mộ