Đề tài Tổng quan về thông tin quang

tổng quan về thông tin quang [[[[ơ Chương I hệ thống thông tin sợi quang I. Hệ thống thông tin sợi quang 1. Cấu trúc hệ thống thông tin quang Điện thoại Số liệu Fax Tivi Số liệu Fax Tivi Khuếch đại Lặp đường dây Hình 1.1. Cấu hình của hệ thống thông tin sợi quang E O PDH SDH PDH SDH E O O E E O EX A EX B Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang Bộ biến đổi điện quang Bộ biến đổi quang điện Hình vẽ 1.1 biểu thị cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang nói chung tín hiệu điện từ máy điện thoại các thiết bị đầu cuối, số liệu fax đưa đến được biến đổi sang tín hiệu quang, qua một bộ biến đổi điện - quang (E/O) (Các tín hiệu điện “1” và “0” được biến đổi ra ánh sáng có dạng: “có” và “không”) và sau đó được gửi vào cáp quang các tín hiệu truyền qua sợi quang công suất bị giảm và dạng sóng (độ rộng xung) bị dãn ra. Sau đó tới bộ biến đổi quang - điện (E/O) tại đầu kia của sợi quang. Tại bộ biến đổi quang - điện, tín hiệu quang thu được, được biến đổi thành tín hiệu điện, khôi phục lại nguyên dạng tín hiệu của máy điện thoại, số liệu fax... đã gửi đi, tín hiệu sau khi đã được khôi phục được truyền tới các thiết bị đầu cuối của chặng truyền dẫn. Điện thoại Bộ biến đổi quang E/O thức chất là linh kiện phát quang như là Laser diode, và bộ biến đổi quang điện O/E là photo diode. Khi khoảng cách truyền dẫn lớn cần thiết phải có các trạm lặp, các trạm này biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu quang. 2. Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang Vào những năm 1960 việc phát ra laser để làm nguồn quang, đã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số của ánh sáng. Theo lý thuyết thì nó cho phép con người thực hiện thông tin với lượng kênh rất lớn vượt gấp nhiều lần các hệ thống vi ba hiện có. Hàng loạt các thực nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển, mặc dù đã thu được một số kết quả, nhưng những chi phí cho các công việc này là quá lớn. Kinh phí chi cho việc sản xuát các thành phần để vượt qua các cản trở do điều kiện thời tiết (mưa, sương mù...) gây ra là rất tốn kém nên chưa thu hút được sự chú ý của mạng lưới. Một hướng nghiên cứu khác cùng thời gian này đã tạo được hệ thống thông tin có độ tin cậy cao hơn thông tin qua khí quyển nói ở trên là sự phát minh ra sợi dẫn quang. Các sợi dẫn quang lần đầu tiên được chế tạo mặc dù có suy hao rất lớn khoảng 1.000dB/km. Đã tạo ra một mô hình hệ thống có xu hớng linh hoạt hơn. Năm 1966 kao, Hock man, và Werts đã nhận thấy rằng suy hao của sợi dẫn quang chủ yếu là do tạp chất có trong vật liệu chế tạo sợi gây lên và nhận định rằng có thể làm giảm suy hao của sợi và chắc chắn tồn tại một điểm nào đó trong dải bước sóng truyền dẫn quang có suy hao nhỏ. Những nhận định này đã được sáng tỏ khi Kapron, Keck và Manver chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20dB/Km vào năm 1970 - suy hao này nhỏ hơn 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 với sự cố gắng không ngừng của các nhà nghiên cứu, các sợi quang có suy hao nhỏ lần lượt ra đời. Cho tới năm 1980 các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã được phổ biến khá rộng với vùng bước sóng làm việc 1.300nm cho tới nay sợi dẫn quang đã đạt tới sự suy hao rất nhỏ, suy hao 0,154dB/Km tại bước sóng 1.550nm, đã cho thấy sự phát triển vượt bậc của công nghệ sợi quang trong hơn hai thập kỷ qua giá trị suy hao này đã gần đạt tới tính toán lý thuyết cho các sợi đơn mode là 0,14dB/Km. Cùng với công nghệ chế tạo các nguồn phát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại. II. Truyền dẫn cơ bản Sợi quang truyền dẫn thông tin bằng ánh sáng chạy dọc theo các sợi trong suốt tạo bởi thuỷ tinh thạch anh (SiO2). Một nguồn sáng được chế (LD hay LED) theo một cách thức thể hiện các tín hiệu các tín hiệu thông tin đầu vào. ánh sáng điều chế được đưa vào sợi quang để đưa đi. tại đầu kia bộ giải điều chế quang nhận được ánh sáng giải điều chế đó, biến đổi nó trở về một tín hiệu giống hệt tín hiệu ban đầu ra ở đầu kia của sợi quang. Tín hiệu số Tín hiệu số Tín hiệu điện đầu vào Bộ điều chế nguồn sáng Hệ thống truyền dẫn sợi quang Bộ giải điều chế Tín hiệu điện được tái tạo ánh sáng tương tự Tín hiệu tương tự Tín hiệu tương tự ánh sáng số ánh sáng số A/D Tín hiệu tương tự D/A Tín hiệu tương tự (a) (b) (c) Hình 1.2 Các kỹ thuật truyền dẫn sợi quang E O O E a/ Điều chế số b/ Điều chế tương tự c/ Điều chế số có biến đổi A/D Kỹ thuật truyền dẫn ánh sáng có thể chia làm 3 loại: Điều chế số (digital): thực hiện các biến đổi tín hiệu số ở đầu vào thành một chuỗi xung ánh sáng được mã hoá tương tự theo kiểu “có” hoặc “không” (hình 1.2a) kiểu điều chế này rất phù hợp với truyền dẫn các số liệu máy tính. Điều chế tương tự (analog): như tiếng nói, âm nhac... có chu kỳ và biên độ thay đổi. Điều chế tương tự biến đổi tín hiệu này thấy một tín hiệu quang có cường độ ánh sáng thay đổi một cách tương tự như tín hiệu điện đầu vào (hình 1.2b). Điều chế kết hợp: Các tín hiệu tương tự được biến đổi thành tín hiệu số. Sử dụng bộ biến đổi A/D trước khi điều chế ánh sáng. Tại đầu thu tín hiệu ánh sáng sẽ được biến đổi về tín hiệu số nhờ bộ gửi điều chế quang. Sau đó qua bộ D/A sẽ biến đổi tín hiệu này trở lại tín hiệu dang tương tự đầu vào (hình 1.2c) Các kỹ thuật truyền dẫn này chỉ cho ta thấy việc truyền dẫn thông tin theo một hướng. trong thực tế các hệ thống đều yêu cầu truyền thông đồng thời hai chiều. Vì vậy một bộ gồm các thiết bị điều chế và giải điều chế giống hệt như bộ thiết bị dùng cho một hướng như trên hình 1.2, nhằm tạo ra một hệ thống thông tin 2 chiều với đầy đủ chức năng. III. Đặc điểm của thông tin quang Hệ thống thông tin quang có một số ưu điểm sơ với các hệ thống sử dụng cáp đồng cổ điển do sử dungj các đặc tính của sợi quang, linh kiện thu quang, phát quang: Sợi cáp quang có các đặc điểm chủ yếu sau: Suy hao thấp sơ với cáp song hành kim loại, hoặc cáp đồng trục. Cho phép kéo dài cự ly các trạm tiếp vận. Độ rông băng tần truyền dẫn rất lơn, làm cho dung lượng truyền dẫn của tuyến rất lớn. Đường kính sợi nhỏ, trọng lượng nhẹ so với cáp đồng. Đặc tính cách điện: bởi vì thuỷ tinh không dẫn điện, do vậy cáp sợi quang không bị ảnh hưởng của điện từ trường bên ngoài điện cao thế, sóng vô tuyến.. Nguyên liệu chế tạo chủ yếu là thạch anh, nên so với kim loại, nguồn nguyên liệu này dồi dào hơn, và chỉ cần số lượng nhỏ đã sản xuất được đoạn cáp quang dài do đó tiết kiệm được nhiều tài nguyên. Các linh kiện thu và phát quang có những ưu điểm sau: Có khả năng điều chế tốt độ cao nên sử dụng trong truyền dẫn tốc độ cao và băng rộng. Kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang - điện cao. Cho phép suy hao giữa máy phát và máy thu lớn vì các linh kiện có khả năng phát xạ công suất quang lớn, và độ nhạy máy thu cao, lên đảm bảo chất lượng truyền dẫn. Do có những ưu điểm trên mà thông tin quang được áp dụng rộng rãi trên mạng lưới: + Các tuyến đường trục quốc gia. + Các đường trung kế + Các tuyến cáp thả biển liên quốc gia. + Đường truyền số liệu. + Mạng lưới truyền hình... Hệ thống thông quang đáp ứng cả các tín hiệu tương tự (anolog) và số (Digital), chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng mọi yêu cầu của mạng số hoá liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lượng cáp quang hiện nay được lắp đặt trên thế giới với số lượng rất lớn, ở mọi tốc độ truyền dẫn với các cự ly khác nhau, có cấu trúc mạng rất đa dạng. Ngoài ra chúng còn có các ưu điểm như độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng. Vì sợi quang là một phương tiện truyền dẫn đồng nhất và không gây ra hiện tượng pha đinh, chịu được độ ẩm khắc nghiệt. Hệ thống thông tin quang có tính bảo mật cao vì sợi quang không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiên thông thường và rất khó lấy thông tin ở tín hiệu quang. Chúng còn có tính linh hoạt và tính mở rộng. Các nhược điểm: Bộ biến đổi điện - quang: tín hiệu điện trước khi đưa vào quang phải được biễn đổi thành sóng ánh sáng (có bước sóng 850, 1300, 1550mm) việc biến đổi này được truyền trên sợi quang. Tại đầu thu tín hiệu quang phải được biến đổi trở về tín hiệu ban đầu. Chi phí sản xuất thiết bị điện tử biến đổi tín hiệu cần phải xem xét trong tất cả các ứng dụng. Đường truyền thẳng: cáp quang cần có đường đi thẳng. Yêu cầu lắp đặt đặc biệt vì cấu tạo của sợi quang chủ yếu bằng thuỷ tinh silic, nên yêu cầu phải có những kỹ thuật đặc biệt khi xây dựng và lắp đặt các tuyến cáp quang. Sửa chữa hàn nối phức tạp phải cần có kỹ thuật cao và thiết bị phù hợp. Chương II Lý thuyết chung về sợi quang I. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 1. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang Khi cho một tia sáng từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường có chiết suất n2. Tia sáng hợp với pháp tuyến p của mặt phân cách giữa hai môi trường một góc a (góc tới) khi sang môi trường có chiết suất n2 tia sáng bị khúc xạ và hợp với pháp tuyến p một góc khúc xạ b. Theo định luật khúc xạ ta có quan hệ của góc a và b các chiết suất n1 và n2 tuân theo phương trình: tia tới tia phản xạ mặt ngăn cách p (pháp tuyến) a a n1 n2 tia khúc xạ b tia tới 2 tia phản xạ 1 mặt ngăn cách p (pháp tuyến) n1 n2 b a a tia phản xạ 2 Hình 2 .1a- Hiện tượng khúc xạ và phản xạ Hình 2 .1b- Hiện tượng phản xạ toàn phần tia tới 1 Hình 2.1a và 2.1b là các đặc tính của ánh sáng giữa mặt fẳng biên của hai môi trường. Nếu n1 b: tia khúc xạ gẫy về phía gần pháp tuyến. Nếu n1 > n2 thì a < b: tia khúc xạ gẫy về phía xa pháp tuyến. Trường hợp n1 > n2 nếu tăng a thì b tăng theo và b luôn lớn hơn a khi b=900, tức là tia khúc xạ song song với mặt tiếp giác thì góc a được gọi là góc tới hạn a0. Lúc này không còn hiện tượng khúc xạ nữa, chỉ còn tia phản xạ, hiện tượng này gọi là phản xạ toàn phần. Dựa vào định luật khúc xạ (công thức snell) với b = 900 ta tính được góc tới hạn ac. n2 n1 n r Lớp bọc (clading) n2 Lõi (core) n1 Lớp bọc (clading) n2 Hình 2.2- Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm 1 lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và lớp bọc (clading) bằng thuỷ tinh có suất n2 và n1 > n2. ánh sáng trong lõi sợi quang sẽ được phản xạ toàn phần trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp bọc. Do đó ánh sáng có thể truyền được trong sợi với cự ly dài. 2. Khẩu độ số (Nunmerical Aperture) n2 n1 n2 0c=900 2 3 3 2 qmax 1 Hình 2.3- Đường truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau A Sự phản xạ toàn phần trong lợi quang chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đâuf sợi nhỏ hơn góc giới hạn qmax. Sin của góc giới hạn này gọi là khẩu độ số. Ký hiệu là NA: NA = sinqmax Tại điểm A đối với tia 2: áp dụng công thức Snell: n0sinqmax = n1s(900 = qc) mà chiết xuất của không khí n0=1 1.sinqmax = n1 sinqc = n1 = vì sinqc=n2/n1 do đó NA=sinqmax==n1 Trong đó D= Độ lệch chiết xuất tương đối D có giá trị khoảng từ 0,002 đến 0,13 (tức là từ 0,2 đến 1,3%). Ví dụ: sợi quang có n1=1,05; n2=1,485 thì D==0,01=1% NA=sinqmax==0,21 suy ra qmax=120 Từ công thức tính sinqmax= ta thấy giá trị cực đại qmax được gọi là góc đón ánh sáng của sợi quang: góc này chỉ phụ thuộc vào chiết suất giữa lớp lõi và lớp bọc. 3. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang loại đa mode và đơn mode Một mode truyền sáng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng, trong sợi khi truyền trong sợi ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái ổn định này gọi là những mode. Có thể hình dung gần đúng một mode ứng với 1 tia sáng. Khi sợi quang mà có nhiều tia sáng có các góc khác nhau đi qua do vậy chúng được gọi là sợi quang đa mode (MM) Multi - Mode. Sợi quang đa mode có chiết suất bậc (SI): n2 n1 n r Xung vào Xung ra Hình 2.4a- Sợi quang đa mode có chiết suất bậc Xung ra Là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhau rõ rệt như hình bậc thang. Khi tia sáng đi vào lõi của sợi quang theo một góc nào đó thì nó sẽ được lan truyền trong lõi theo phương thức phản xạ toàn phần (hình 2.4a) các tia sáng truyền trong lõi sợi có cùng vận tốc mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau, trên cùng chiều dài sợi. Điều này dẫn đến hiện tượng: khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi thì lại nhận được xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi. Đây là hiện tượng tán sắc do đó độ tán sắc lớn nên sợi đa mode có chiết suất bậc không thể truyền tín hiệu có tốc độ cao qua cự ly dài được. Đây là nhược điểm mà ta có thể khắc phục trong loại sợi có chiết suất giảm dần. Sợi quang đa mode chiết suất giảm dần (GI): n2 n1 n r Xung vào Xung ra Hình 2.4b- Sợi quang đa mode chiết suất giảm dần Xung ra Để giảm độ sai lệch về thời gian của loại sợi đa mode chỉ số chiết suất bậc loại sợi đa mode chiết suất giảm dần có hệ số khúc xạ lớn nhất tại lõi của nó và có độ khúc xạ nhỏ hơn về phía lớp bọc sợi quang. Điều này có nghĩa là sự phân bố hệ số kúc xạ có hình chuông. Khi đó các tia sang đi thẳng trong sợi, do có hệ số khúc xạ lớn nhất nên vân tốc lan truyền là nhỏ nhất, vì vận tốc ánh sáng lan truyền phụ thuộc vào hệ số chiết suất: V = c/n. Những tia sáng bị uốn cong ra phía vỏ có hệ số chiết suất nhỏ hơn nên vận tốc lớn hơn. Như vậy đã làm giảm thời gian trễ giữa các tia. Vì vậy có thể truyền một lượng thông tin (MHz-km) gấp nhiều lần so với loại sợi đa mode chiết suất bậc. n2 n1 n r Xung vào Xung ra Hình 2.4c- Sợi quang đơn mode Xung ra Sợi có đường kính lõi 50mm và đường kính có 125mm (50/125) và NA nhỏ (0,18 đến 0,24) loại này đã được sử dụng rộng rãi trong mạng viễn thông và được CCITT tiêu chuẩn hoá. Sợi đơn mode(SM): Khi đường kính lõi giảm xuống và độ sai lệch về hệ số khúc xạ giữa lớp lõi và lớp bọc giảm đi như hình 2.4.c thì chỉ còn các tia sáng thẳng mới có thể lan truyền được đây chính là sợi quang đơn mode. Ưu điểm của sợi đơn mode là băng tần lớn hơn do không có tán sắc mode. Nhân tố ảnh hưởng chủ yếu đến băng tần của sợi đơn mode là tán sắc thể. tán sắc này có giá trị 0 tại vùng lân cận của bước sóng 1,3mm. Vì vậy khi các nguồn quang phát ra xung ánh sang Dl tại một nửa biên độ hẹp thì độ rộng băng tần tổng của sợi đơn mode lớn gấp 3 lần trở lên so với bề rộng băng tần của sợi đa mode Graded. Sợi đơn mode có đường kính lõi là 9-10mm đường kính vỏ 125mm và NA khoảng 0,11 đã được CCITT chuẩn hoá. II. Các đặc tính của sợi quang Các đặc tính của sợi quang cần quan tâm cho ứng dụng viễn thông có thể chia làm hai lĩnh vực: các đặc tính vật lý và các đặc tính truyền dẫn, các đặc tính truyền dẫn gần suy hao, tán sắc, bước sóng cắt. Còn các đặc tính vật lý gồm mặt cắt khúc xạ, kích thước, lực căng... 1. Suy hao của sợi quang Suy hao trong sợi quang là một trong những thông số quan trọng của đường truyền dẫn. Để xác định tốc độ truyền dẫn và khoảng cách lập trạm lặp của hệ thống thông tin sợi quang, có hai tham số phải nghiên cứu đó là suy hao quang và độ rộng băng tần truyền dẫn. Độ suy hao quang để xác định suy hao công suất ánh sáng lan truyền trong sợi quang. Nếu suy hao nhỏ hơn thì cho phép khoảng cách truyền dẫn tín hiệu lớn hơn. Suy hao quang có thể tạm chia thành hai loại, thứ nhất là suy hao thuần tuý sợi quang, thứ hai là suy hao phụ khi lắp đặt và vận hành hệ thống. Bao gồm suy hoa hấp thụ, suy hao tán xạ Rayleight suy hoa tán sắc do không đồng nhất cấu trúc. Suy hao trong quá trình vận hành mạng bao gồm suy hao uốn cong, suy hoa hàn nối và suy hao ghép nối của cáp sợi quang và các linh kiện thu và phát quang. Độ suy hao của sợi được tính: A(dB)=10lg Trong đó P1=P(0) công suất đưa vào đầu sợi P2=P(L) công suất ở cuối sợi Hệ số suy hao trung bình: a. Suy hao do hấp thụ Sự hâp sthụ ánh sáng do các yếu tố như: cấu trúc nguyên tử của vật liệu sợi quang silic dĩoyt không hoàn chỉnh, các nguyên tử của vật liệu không tinh khiết (hấp thụ) và các nguyên tử tạo nên vật liệu sợi quang (tự hấp thụ). Suy hao do cấu trúc nguyên tử có khuyết tật gây ra có thể bỏ qua, nhưng sự không tinh khiết của sợi quang là nguyên nhân chủ yếu của suy hao do các tạp chất kim loại như đồng (Cu), sắt (Fe), cacbon (CO) và độ ẩm. Độ ẩm là một trong những nguyên nhân gây suy hao sợi quang. Sự có mặt của các ion OH trong sợi quang cũng tạo ra độ suy hao hấp thụ đáng kể. Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm và 1400nm. Sự hấp thụ do vật liệu là do dao động của các tia hồng ngoại và tia cực tím gây ra, nó không thành vấn đề tại bước sóng gữa 0,8mm và 1,7mm. b. Suy hao do tán xạ. Tán xạ Rayleight là 1 hiện tượng mà ánh sáng bị tán xạ theo các hướng khác nhau khi nó gặp phải ọt vật nhỏ có kích thước không quá lớn so với bước sóng của ánh sáng. Tiêu hao tán xạ Rayleight xuất hiện do ảnh hưởng của các chỗ không đồng nhất còn sót lại trong giai đoạn làm nguội sợi, trong quá trình nóng chẩy thuỷ tinh để kéo thành sợi. ảnh hưởng của nó phụ thuộc vào công nghệ chế tạo và vật liệu chế tạo sợi. Kích thước các chỗ không đồng nhất nhỏ hơn bước sóng ánh sáng vùng hồng ngoại. Độ suy hao của tán xạ rayleight giảm nhanh về phía có bước sóng dài nó có ảnh hưởng đáng kể ở bưóc sóng nhỏ. Ngoài ra mặt phân cách giữa lớp bọc và lớp lõi không hoàn hảo cũng gây ra tán xạ. c. Suy hao tán xạ do cấu trúc sợi quang không đồng nhất Các sợi quang thực tế không thể có tiết diện mặt cắt ngang tròn lý tưởng và cấu trúc hình trục đều dọc suốt vỏ và lõi sợi. Tại bề mặt biên giữa lõi và vỏ sợi đổi chỗ có sự gồ ghề và nhẵn. Những chỗ gồ ghề như vậy trên bề mặt biên gây lên ánh sáng tán xạ và một vài chỗ phát xạ ánh sáng ra ngoài. Những chỗ không bằng phẳng này gây nên suy hao quang nó làm tăng suy hao quang. Bởi vì có các phản xạ bất bình thường đối với ánh sáng lan truy. Loại suy hao này người ta gọi chúng là suy hao do cấu trúc không đồng nhất của sợi quang. d. Suy hao bức xạ gây nên do bị uốn cong Các suy hao bức xạ gây lên do bị uốn cong các suy hao sinh ra khi sợi bị uốn cong với một sợi quang bị uốn cong, các tia ánh sáng có các góc tới vượt quá góc giới hạn bị phát xạ ra ngoài vỏ gây nên suy hao. Bởi vậy trong việc thiết kế tuyến thông tin sợi quang phải chú ý đến việc giữ bán kính cong lớn. e. Suy hao vi cong Khi sợi quang chịu những lực nén không đồng nhất thì trục của sợi quang bị uốn cong đi 1 lượng nhỏ, làm tăng suy hao sợi quang. Suy hao này gọi là suy hao cong vi lượng. Do đó khi sản xuất người ta chú ý để cấu trúc sợi có bảo vệ chống các áp lực tác động từ bên ngoài. g. Suy hao do hàn nối Nếu lõi của hai sợi không gắn được với nhau thật hoàn hảo và đồng nhất thì một phần của ánh sáng đi ra khỏi sợi này sẽ không vào sợi kia hoàn toàn và bị phát xạ ra ngoài gây nên suy hao. Nguyên nhân chính của suy hao này là việc không dòng đồng trục hai sợi trên hình 2.5 do vậy tạo nên suy hao rất lớn. Nếu có 1 khe nhỏ tồn tại tại chỗ nối thì chính khe này tạo nên suy hao phản xạ. h. Suy hao ghép nối sợi quang giữa sợi và các linh kiện thu, phát quang Điều kiện để ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang được xác định bằng khẩu độ số NA, khi ghép nối vào sợi quang thì Laser có các đặc điểm về suy hao tốt hơn ngay cả khi sử dụng thấu kính để tập trung chùm sáng. góc lệch Hình 2 .5a- Bề mặt không nhẵn Hình 2 .5b- khoảng cách giữa hai bề mặt i. Đặc tuyến suy hao Với mong muốn suy hao càng thấp càng tốt, hiện nay đã chế tạo được loại sợi quang mà đặc tuyến suy hao của nó gồm ba bước sóng có suy hao thấp (gọi là 3 cửa sổ suy hao). 1987 1990 0,8 1 1,2 1,4 1,6 l (nm) 0,25 0,4 1,0 2,0 5 Hình 2 .6- Các đặc tính suy hao theo bước sóng của sợi quang + Cửa sổ thứ nhất ở bước sóng 850nm với mức suy hao trung bình ở bước sóng này từ 2 ->3dB/km. Độ suy hao này chưa phải là thấp nên ngày nay bước sóng 850nm ít được dùng. + Cửa sổ thứ hai 1300nm: suy hao ở bước sóng này bé hơn nhiều so với suy hao ở bước sóng 850nm. Độ suy hao đạt từ 0,4->0,5dB/km. Cộng thêm độ tán sắc rất thấp nên bước sóng này được sử dụng rộng rãi. + Cửa sổ thứ ba ở bước sóng 1550nm: cho đến nay bước sóng này có suy hao thấp có thể đến 0,2dB/km. Nhưng với sợi quang này có độ tán sắc cao hơn so với bước sóng 1300nm. Tuy nhiên nhược điểm này đã được khắc phục vì hiện nay có loại sợi quang có dạng phân bố chiết suất đặc biệt làm giảm tán sắc ở bước sóng 1500nm. 2.Tán sắc trong sợi quang 2.1 Hiện tượng nguyên nhân và ảnh hưởng Khi truyền dẫn các tín hiệu digital qua sợi quang xuất hiện hiện tượng dãn rộng các xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp các xung lân cận đè lên nhau, khi đó không phân biệt được các xung với nhau nữa, gây méo tín hiệu khi tái sinh. Hiện tượng dãn xung được gọi là hiện tượng tán xạ. Nguyên nhân chính của hiện tượng này là trong sợi quang tồn tại các thời gian khác nhau cho các thành phần ánh sáng phát đi đồng thời. Tán xạ có ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn như sau: Khi truyền tín hiệu digital, trong miền thời gian nó gây ra sự dãn rộng xung ánh sáng. Khi truyền tín hiệu analog thì ở đầu thu biên độ bị giảm nhỏ và có hiện tượng dịch pha, độ rộng băng truyền dẫn của sợi bị giảm nhỏ. 2.2 Tán sắc mode Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở loại sợi đa mode. Các thành phần ánh sáng lan truyền nhờ các mode riêng rẽ với thời gian khác nhau, nên có sự chênh lệch về thời gian, sinh ra méo xung ở đầu thu. L q1 1 2 Hình 2.7. So sánh tia dài nhất và ngắn nhất trong sợi đa mode Thời gian truyền chênh lệch giữa tia dài nhất và tia ngắn nhất được tính như sau: Tia 1: tia dài nhất có độ dài d1=L/cosq1 Tia 2: tia ngắn nhất có độ dài d2=L + Thời gian truyền của tia 1: Với V=C/n1 là vận tốc ánh sáng trong lõi sợi. Mà cosq1=sinqc= Nên t1= + Thời gian truyền của tia 2: + Thời gian chênh lệch giữa hai đường truyền: Thời gian chênh lệch trên mỗi km sợi chính là độ trải xung do tán sắc mode: Ví dụ: Với sợi chiết suất nhảy bậc (SI) có n1=1,458 và D=1% độ tán sắc mode là: Đối với sợi chiết suất giảm dần (GI) độ trải xung do tán sắc mode nhỏ hơn so với sợi có chiết suất nhẩy bậc (SI): Độ dải xung quan mỗi km sợi hay độ tán sắc mode: Ví dụ: sợi GI với n1=1,458 và D=1% có độ tán sắc mode là: dmode=0,061 ns/km Như vậy tán sắc mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất của sợi quang. 2.3 Tán sắc sắc thể Vì ánh sáng do các nguồn sáng như laser hay diot phát quang tạo ra có độ rộng bước sóng hữu hạn không giống ánh sáng đơn sắc lý tưởng. Tán sắc thể gồm tán sắc chất liệu và tán sắc ống dẫn sóng. a. Tán sắc chất liệu Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng, nên vân tốc truyền của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau. Đó là nguyên nhân gây nên tán sắc chất liệu. tán sắc chất liệu được xác định: Trong đó: l: là bước sóng C: là vận tốc ánh sáng trong chân không n(l): là chiết suất của lõi sợi Tán sắc chất liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm. Bề rộng phổ nguồn quang mỗi km sợi quang. Đơn vị của tán sắc chất liệu M(ps/nm.km) ở bước sóng 850nm thì M khoảng 90->120ps/nm.km nếu sử dụng nguồn quang là LED có bề rộng phổ = 50nm thì độ rộng xugn khi truyền qua mỗi km là: Dmatt = M x Dl Dmatt = 100ps/nm . km x50nm = 5ns/km Còn nếu nguồn quang nguồn quang là laser diode có Dl = 3nm thì độ nới rộng xung chỉ khonảg 0,3ns/km. ở bước sóng 1,3mm tán sắc chất liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng, nhưng ngược dấu nên tán sắc sắc thể @ 0. Do đó bước sóng này thường được chọn cho các đường truyến tốc độ cao. ở bước sóng 1550nm độ tán sắc chất liệu khoảng 20ps/nm.km. 16 12 8 4 0 -4 -8 -12 -16 1200 1300 1400 1600 l(NM) dmat dchv=dmat+dwg Hình 2.8- Tán sắc chất liệu (dmat), tán sắc ống dẫn sóng (dwg) tán sắc thể (dchv) thay đổi theo bước sóng Dwg b. Tán sắc ống dẫn sóng Với các bước sóng khac nhau gây ra sự phân bố năng lượng trong sợi quang là khác nhau. Sự phân bố này gây nên sự tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc ống dẫn sóng rất nhỏ chỉ đáng chú ý với sợi đơn mode. lớp bọc lõi l1 l2 < l1 c. Độ tán sắc tổng cộng Độ tán sắc tổng cộng được tính theo công thức: Trong đó: Dt: độ tán sắc tổng cộng (nếu là sợi đa mode) Dmod: độ tán sắc mode (chỉ có trong sợi đơn mode) Dchr: độ tán sắc thể (tán sắc tổng cộng trong sợi đơn mode-Dchramatic) Dmat: độ tán sắc chất liệu-Dwaterial Dwg: độ tán sắc ống dẫn sóng-Dwavequide d. Dải thông sợi quang Dải thông BSC là tần số điều chế mà tại đó công suất quang giảm đi 50%. Nói một cách tổng quát dải thông sợi quang tỷ lệ nghịch với độ tán sắc tổng cộng: Với B là dải thông đơn vị là GHz; Dt là tán sắc tổng cộng đơn vị là người sử dụng Vì tán sắc phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng nên dải thông cũng thay đổi theo bước sóng. III. Cấu trúc cáp sợi quang Sợi quang được phân chia thành 4 nhóm dựa trên vật liệu cấu tạo chung: Sợi silica (SiO2) silica fibers Sợi hợp chất thuỷ tinh (Multi - component glass fibers) Sợi có lớp bọc bằng plastic - clad fibers) Sợi plastic (plastic fbers) Hầu hết các sợi dùng trong viễn thông là sợi silica. Lớp vỏ (secondary coating) Lớp phủ (primary coating) ( Lớp bọc (cladding) Lõi (core) 0.9nm nnmmm 250 mm 125 mm 10(50) mm Hình 2.9- Cấu trúc cáp sợi quang 1. Cấu trúc sợi quang Thành phần chính của sợi quang gồm lõi 9 (core) và lớp bọc (cladding). Trong viễn thông dùng loại sợi có cả hai lớp trên bằng thuỷ tinh. Lõi để ánh sáng và lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc. Để bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác dụng do điều kiện bên ngoài sợi quang còn được bọc thêm vài lớp như: 1.1 Lớp phủ (primary coating) Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang: Chống lại sự thâm nhập của nước. Tránh sự trầy sước gây nên những vết nứt. Giảm ảnh hưởng của vi uốn cong. Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia truyền trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thể xẩy ra trên mặt giao tiếp giữa lớp bọc và lớp phủ. Ví dụ: lõi có n1 = 1,48 lớp bọc có n2 = 1,46, lớp phủ có 1,52. Lớp phủ có thể nhuộm màu hoặc có thêm vòng đánh dấu, khi sợi cần ghép ánh sáng nhất thiết phải tẩy sạch lớp phủ thông thường đường kính của lớp phải là 250 mm và sợi có lớp bọc là 125mm. 1.2 Lớp vỏ (secondary coating) Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng cơ học và nhiệt độ, có các lớp vỏ sau: Dạng ống đệm lỏng: ống đệm lỏng thường có hai lớp: lớp trong có hệ số ma sát nhỏ để sợi quang di chuyển tự do trong đó khi cáp bị kéo căng hay co lại - lớp ngoài che chở sợi quang trước ảnh hưởng của lực cơ học. Đường kính ống đệm lớn hơn đường kính của sợi quang. Đối với cáp trong nhà thì bên trong ống đệm lỏng không cần chất nhồi, nhưng với cáp ngoài trời thì bơm thêm chất nhồi trong ống đệm. Chất nhồi có các tính chất sau: + Có tác dụng ngăn ẩm + Có tính nhớt, không tác dụng hoá học với các thành phần khác củ cáp. + Không đông đặc nóng chảy trong nhiệt độ làm việc. + Dễ tẩy sạch khi hàn nối và khi cháy. 1.2-2mm 0.9mm Sợi quang Lớp phủ ống đệm Chất nhồi Lớp vỏ Lớp đệm mềm Hình 2.10a- ống đệm lỏng Hình 2.10b- Đệm tổng hợp ống đệm lỏng cũng được nhuộm mầu để đánh dấu. ống đệm lỏng có nhiều ưu điểm nên được dùng trong các đường truyền dẫn chất lượng cao và trong điều kiện môi trường thay đổi nhiều. Dạng đệm khít: Để bảo vệ sợi quang dưới tác dụng của các điều kiện bên ngoài là bọc một lớp vỏ ôm sát lớp phủ. Phương pháp này làm giảm được kích thước và trọng lượng của cáp. Nhưng sợi quang bị ảnh hưởng trực tiếp của lực kéo căng. Để giảm sự ảnh hưởng này người ta thêm một lớp đệm mền giữa lớp phủ và lớp vỏ. Hình thức này được gọi là cấu trúc đệm tổng hợp (Coposite buffer). Dạng băng dẹp: Cấu trúc băng dẹp cũng là một dạng vỏ đệm khít nhưng vỏ bọc nhiều sợi quang. Số sợi trong 1 băng có thể lên đến 12 sợi, độ rộng của băng tuỳ thuộc số sợi trong băng. Cấu trúc băng dẹp được dùng trong cáp có số sợi nhiều vì kích thước mỗi băng nhỏ nên có thể thu xếp được nhiều băng trong ruột cáp. Nhược điểm cấu trúc này giống như cấu trúc đệm khít. Tức là sợi quang chịu ảnh hưởng trực tiếp của lực kéo căng. 1.3 Cấu trúc tổng quát của cáp sợi quang Sợi quang: các sợi quang đã được bọc lớp phủ và lớp vỏ xắp xếp theo một thứ tự nhất định. Lớp vỏ có thể là dạng đệm lỏng, đệm khít, đệm tổng hợp hay băng dẹp. Thành phần chịu lực: bao gồm phần chịu lực trung tâm và thành phần chịu lực bên ngoài. Chất nhồi: để làm đầy ruột cáp. Vỏ cáp: để bảo vệ ruột cáp. Vỏ cáp Thành phần chịu lực ngoài Lớp đệm nhựa ( PE ) Băng quấn ( plastic ) Thành phần chịu lực trung tâm ống đệm lỏng Sợi quang Hình 2.12- Cấu trúc tổng quát cáp quang Lớp gia cường: để bảo vệ sợi cáp trong những điều kiện khắc nghiệt. 2. Phân loại cáp sợi quang Có nhiều thành phần loại cáp sợi quang Phân loại theo chỉ số chiết suất: Sợi có chiết suất bậc. Sợi có chiết suất thay đổi. Phân loại theo mode: Sợi đa mode Sợi đơn mode Phân loại theo cấu trúc vật liệu: Sợi thuỷ tinh. Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ chất dẻo. Phân loại theo hình thức cấu tạo: Cáp có cấu trúc ống Cáp có cấu trúc băng dẹp. Phân loại theo lĩnh vực sử dụng: Cáp ngoài trời: gồm cáp treo, cáp chôn trực tiếp hoặc cáp kéo trong ống. Cáp trong nhà dùng làm cáp phân phối, dây nhẩy... Cáp đặc biệt: cáp thả biển, cáp dùng cho điện lực, trong máy bay... 3. Hàn nối cáp sợi quang Do những hạn chế về kỹ thuật chế tạo, phương tiện chuyên chở, phương pháp lắp đặt nên chiều dài của các cuộn cáp nói chung có hạn. Khoảng cách giữa hai trạm thông tin quang thường dài hơn chiều dài của cuộn cáp nên cần phải nối các sợi giữa hai cuộn cáp với nhau. Ngoài ra ở mỗi trạm thông tin quang, sợi quang cần phải nối với các linh kiện phát và thu quang. 3.1 Các yêu cầu chính của một mối nối Suy hao hàn nối thấp và ổn định để gia tăng cự ly tối đa của các trạm lặp. Độ tin cậy cao: các hệ thống thông tin quang hiện nay hoạt động với dung lượng lớn. Sự gián đoạn do bất kỳ mối nối nào gây nên cũng dẫn đến sự gián đoạn một số lượng kệnh rất lớn. Kích thước mối nối hoàn chỉnh gọn: yêu cầu này chỉ đặt ra đối với việc hàn nối các sợi cáp chứa nhiều sợi quang (hàng trăm sợi). Cuối cùng giá thành hàn nối càng thấp càng tốt, yêu cầu này phụ thuộc vào kỹ thuật hàn nối. 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến suy hao mối nối Chất lượng mặt cắt đàu sợi quang Vị trí tương đối giữa hai đầu sợi quang Thông số của hai sợi 3.3 Các phương pháp han nối sợi quang Các sợi quang có thể được nối với nhau, và mỗi hình thức. Hàn nối có đặc điểm của nó và được sử dụng trong các điều kiện thích hợp. Có các hình thức hàn nối sau: Hàn kết dính: thực hiện bằng nhân công nên suy hao cao và chỉ dùng với sơi đa mode, ngày nay ít được dùng.Hàn bằng ống nối đàn hồi: Hàn bằng phương pháp này độ suy hao không cao, nhưng kém ổn định suy hao mối nối vào khoảng 0,25dB đối với sợi đa mode, và 0,5dB đối với sợi đơn mode. Thời gian thực hiện mối nối theo phương pháp này rất nhanh nên được dùng để nối sợi tạm thời, khi sửa chữa khẩn cấp, hoặc dùng để nối giữa dây đo thiết bị đo đối với sợi quang có đầu cuốn để hở. Phương pháp hàn nóng chảy: Chất lượng của mối hàn nóng chảy phân lớp do máy hàn quyết định, độ suy hao của mối hàn rất thấp và ổn định. Với sợi đa mode suy hao mối hàn trung bình là 0,03dB, sợi đơn mode là 0,06dB. Loại này phù hợp với các loại cáp có cấu trúc băng hẹp. Phương pháp khớp nối (connector): Khớp nối là một mối nối sợi quang, có thể tháo lắp nhiều lần. Độ suy hao lớn, giá thành cao hơn vì các thực hiện phác tạp hơn. Tuy vậy vẫn không thể dùng mối hàn cố định để thay thế khớp nối nơi giao tiếp giữa sợi quang và các thiét bị đầu cuối quang hoặc giữa sợi quang bên ngoài với sợi quang trong trạm nên ta phải dùng phương pháp khớp nối (connector). Chương III Linh kiện biến đổi điện quang - quang điện Linh kiện biến đổi quang điện, điện quang được đặt ở 2 đầu sợi quang. Có hai loại linh kiện biến đổi là: Linh kiện biến đổi từ tín hiệu điện sang tín hiệu quang, được gọi là nguồn quang, phát ra ánh sáng trong vùng tia hồng ngoại có l = 800 đến 1600nm ánh sáng có công suất tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó Linh kiện biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện, gọi là linh kiện tách sóng quang (linh kiện thu quang). Linh kiện này có nhiệm vụ ngược lại so với nguồn quang, tức là tạo ra dòng điện có cường độ tỷ lệ với công suất quang chiếu vào nó I. Nguyên lý biến đổi 1. Khái niệm về bán dẫn Vùng dẫn Vùng cấm Vùng hoá trị Eo Ec EV Năng lượng các điện tử Bán dẫn thuần: Bán dẫn chưa bị pha tạp gọi là bán dẫn thuần, ví dụ Ge, Si... các chất bán dẫn này có cấu trúc năng lượng như hình. ở nhiệt độ thấp bán đẫn không dẫn điện (chất điện môi)Khi nhiệt độ tăng thì bán dẫn trỏ thành chất dẫn điện. Khi đó các điện tử vùng hoá trị vượt qua vùng cấm đi vào vùng dẫn. Để lại trong vùng hoá trị các lỗ trống. Bán dẫn tạp: Nếu pha trộn nhiều bán dẫn thuần với nhau sẽ được một bán dẫn tạp, nếu khi pha trộn nhận được bán dẫn tạp có nồng độ Các điện tử lơn hơn nồng độ các lỗ trống thì gọi là bán dẫn n. Ngược lại nếu nồng độ lỗ trống cao hơn nồng độ điện tử gọi là bán dẫn p 2. Nguyên lý biến đổi Thông thường các điện tử tập trung phần lớp ở vùng hoá trị có mức năng lượng thấp. Khi ta cung cấp cho các điện tử đó một mức năng lượng bằng với mức năng lượng chênh lệch giữa mức công suất Ec-Ev thì điện tử sẽ chuyển lên vùng dẫn. Như vậy một photon (có năng lượng thích hợp ). Bức xạ vào chất bán dẫn sẽ tạo ra một điện tử và một lỗ trống còn photon biến mất hiện tượng này gọi là sự hấp thụ, được ứng dụng trong photon diode để làm các linh kiện tách sóng quang. Nếu trong vùng dẫn có số điện tử nhiều hơn mức cân bằng, thì điện tử thừa sẽ rơi xuống vùng hoá trị một cách tự phát để kết hợp với lỗ trống, trong quá trình chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, năng lượng chênh lệch được bức xạ ra dưới năng lượng thấp, năng lượng chênh lệch được bức xạ dưới dạng photon. Hiện tượng xảy ra sự phát xạ tự phát, được ứng dụng trong diode phát quang (LED) dùng làm nguồn quang. ã o ã o Ec ã Ev o hV Eg Vùng dẫn Vùng cấm Vùng hoá trị a. Hấp thụ b. Phát xạ tự phát c. Phát xạ kích thích hV hV Với hV: là photon ã là điện tử o là ô trống Khi các photon được phát ra do quá trình tái hợp điện tử và lỗ trống lại kích thích các điện tử đang ở mức năng lượng cao chuyển xuống mức năng lượng thấp và phát ra photon mới. Quá trình cứ tiếp diễn và số lượng photon phát ra rất lớn. Hiện tượng này được ứng dụng trong quá trình phát xạ tự kích có cùng bước sóng và cùng pha. II. Linh kiện phát quang 1. Nguyên lý chung Có hai loại linh kiện được dùng làm nguồn quang hiện nay là: Diode phát quang LED (light emiting diode) Diode laser LD Cả hai linh kiện này đều phát triển từ tiếp giáp của bán dẫn p và bán dẫn n. Các đặc tính kỹ thuật của nguồn quang phát ra phụ thuộc vật liệu chế tạo ra nguồn quang. Mỗi chất bán dẫn có bề rộng khe năng lượng Eg khác nhau. Eg sẽ quyết định bước sóng ánh sáng theo công thức sau: Trong đó h=6,625.10-34 JS: hằng số plank Với c=300.000km/s vận tốc ánh sáng trong chân không Eg: Bề rộng khe năng lượng đơn vị là eV V: tần số ánh sáng phát ra, đơn vị là Hz l: Bước sóng ánh sáng phát ra, đơn vị mm. 2. Các yêu cầu kỹ thuật của nguồn phát quang Bước sóng phát ra: phải phù hợp với các bước sóng thông dụng 850nm, 1300nm, 1550nm. Công suất phát: công suất phát càng lớn thì cự ly thông tin càng được xa. Độ rộng phổ ánh sáng: nguồn quang phát ra là 1 khoảng bước sóng. Nếu khoảng bước sóng càng lớn thì độ tán sắc chất liệu càng lớn làm hạn chế dải thông của tuyến truyền dẫn quang. Vậy độ rộng phổ nguồn phát quang càng hẹp càng tốt. Góc phóng ánh sáng: càng nhỏ càng tốt Độ ổn định: yêu cầu công suất quang được phát ra phải ổn định để đảm bảo độ trung thực của tin tức. Thời gian chuyển lên: là thời gian chuyển trạng thái nguồn quang càng nhanh để có thể truyền được tín hiệu có tốc độ cao. Thời gian sử dụng nguồn quang: dài Giá thành hạ 3. Diode phát quang LED (light emiting diode) Diode phát quang LED là một loại nguồn phát quang dùng rất phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, có tốc độ bình thường không quá 200Mbit/s. Sử dụng sợi đa mode để có thể sử dụng tốt LED phải có công suất bức xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao. Có hai kiểu cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi. 50 Nhựa gắn Kim loại Lớp tiếp xúc p - GaAs n - GaAlAs p- - GaAlAs p+ - GaAs Chất điện môi Lớp kim loại toả nhiệt Lớp tiếp xúc Lớp hoạt tính Lớp hạn chế Lớp hạn chế 50mm Hình 3.3 LED phát xạ có bước sóng 0,85 mm Cấu trúc LED phát xạ mặt Lớp hoạt tính p-GaAs là một vòng tròn nhỏ có đường kính Ê50mm nằm ở phía trên và phía dưới của lớp hoạt tính là lớp hạn chế n-AlGaAs có độ rộng giải cấm lớn, lớp túc xúc n là vật liệu làm nền n-GaAs. Còn lớp tiếp xúc về phía p là p- GaAs có độ rộng vùng cấm bé, lớp nền n-GaAs trong vùng đặt sợi quang có dạng lõm để giảm bề dầy vật liệu hấp thụ ánh sáng phóng vào lõi sợi. b. Cấu trúc của LED phát xạ cạnh LED phát xạ cạnh có cấu tạo khác với LED thông thường. Các điện cực bằng kim loại phủ kín mặt trên và đáy của LED. Do đó ánh sáng không thể phát ra hai mặt được, mà bị giữ trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp. Lớp tính cực rất mỏng có chiết suất lớn bị kẹp giữa hai lớp p và n có chiết suất nhỏ hơn. ánh sáng được phát ra ở cả hai đầu và một trong hai đầu được nối với sợi quang. n – GaAs ( Lớp nền) Lớp tiếp xúc Lớp hạn chế Lớp hoạt tính Lớp hạn chế Lớp tiếp xúc Điện môi P+ - GaAs P-AlGaAs n-AlGaAs (hoặc GaAs) Kim loại n-AlGaAs n-GaAs Hình3.4. LED phát xạ cạnh Cấu trúc này có ưu điểm và vùng phát sóng hẹp, và góc ánh sáng nhỏ nên hiệu suất ghép ánh sáng và sợi quang cao. Tuy nhiên hạn chế là khi hoạt động nhiệt độ LED tăng khá cao, nên đòi hỏi phải giải nhiệt. Các đặc tính kỹ thuật của LED Thông số điện: Dòng điện hoạt động tiêu biểu từ 50 mA đến 300 mA Điện áp sụt trên LED từ 1,5 V đến 2,5 V Công suất phát quang Là công suất tổng cộng mà nguồn phát quang phát ra. Công suất phát của LED từ 1 đến 3 mW. Đối với loại phát sáng cao công suất có thể lên tới 10mW. Các LED phát xạ mặt có công suất phát cao hơn LED phát xạ rìa với cùng kích thích. Nhưng không có nghĩa là sợi quang nhận được công suất quang từ LED phát xạ mặt cao hơn so với phát xạ cạnh. 10 5 0 10 20 30 40 50 I(mA) LED phát xạ mặt LED phát xạ cạnh P(mw) Hình 3.5- Công suất phát của LED Góc phát quang Công suất ánh sáng do các nguồn quang phát ra cực đại ở trục phát quang và giảm dần theo góc hợp và trục. Góc phát quang được xác định ở mức công suất quang giảm một nửa so với mức cực đại. công suất góc phát 900 450 450 900 300 1200 Phát xạ mặt 1 0,5 0 Hình 3 .6- Công suất quang của LED Phát xạ cạnh Hiệu suất ghép quang Hiệu suất ghép quang là tỷ số giữa công suất quang ghép vào sợi quang và công suất quang tổng cộng của nguồn quang. Hiệu suất ghép phụ thuộc vào kích thước vùng phát quang góc phát quang của nguồn, góc thu nhận (NA) của sợi quang và vị trí đặt nguồn quang. Hiệu suất của LED phát xạ mặt khoảng 1 đến 5% của LED phát xạ cạnh khoảng 5 đến 15. Tuy công suất phát của LED phát xạ mặt lớn hơn, nhưng công suất ghép được với sợi quang của LED phát xạ cạnh lớn hơn (thường bằng 2 lần). Độ rộng phổ Nguồn quang phát ra có công suất cực đại ở bước sóng trung tâm và giảm dần về hai phía. Độ rộng phổ là bước sóng mà trong đó công suất quang không nhỏ hơn một nửa mức công suất. Thời gian chuyển lên Là khoảng thời gian để tăng công suất từ 10% đến 90% mức công suất ổn định thì có xung dòng điện kích thích nguồn quang. Muốn điều chế tốc độ cao thì nguồn quang phải có thời gian chuyển lên càng nhanh. ảnh hưởng của nhiệt độ Khi nhiệt độ môi trường tăng thì công suất phát quang của LED giảm. Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng không cao. (+) ánh sáng ánh sáng Bán dẫn loại P Lớp hoạt chất Bán dẫn loại P (-) Điện cực Mặt phản xạ Điện cực Hình3.8 - Cấu trúc phổ biến của laser 4. Laser diode 4.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Laser bán dẫn hoạt động theo nguyên lý xạ kích thích. Laser thông thường được cấu tạo từ 3 lớp (hình 3.8) dao động laser xảy ra ở vùng kẹp giữa của tinh thể bán dẫn p và n gọi là lớp tích cực (lớp hoạt chất). Laser có mặt phản xạ ở hai đầu lớp tích cực sẽ đóng vai trò như một hốc cộng hưởng quang. Phần ánh sáng phát ra theo chiều dọc hốc cộng hưởng sẽ đập vào mặt gương phản xạ, một phần thì thoát ra ngoài, phần còn lại sẽ bị phản xạ và chuyển động về hướng đối diện trong quá trình di chuyển dọc theo hốc ánh sáng, kích thước các điện tử kết hợp với lỗ trống để tạo ra các photon mới. 4.2 Các đặc tính kỹ thuật của LD a. Thông số định + Khi IbÊIng: LD làm việc trong chế độ LED + Khi Ib>Ing: công suất tăng lên đột biến một cách tuyến tính (chế độ của LD). Vậy với LD phải chọn Ib>Ing + Điện áp sụt của laser từ 1,5 V đến 2,5 V. b. Công suất phát Từ 1 đến 10 mW, với laser đời mới có thể lên tới 50 mW. c. Góc phát sáng Góc phát sáng của laser nhỏ theo phương ngang của lớp tích cực khoảng 5 đến 100. Còn theo phương vuông góc với lớp tích cực góc phát có thể lên tới 400. LD LED P(mw) I ngưỡng Ib(mA) Hình 3.9 - Đặc tuyến phát quang của LED và LD d. Hiệu suất ghép Với vùng phát sáng nhỏ và góc phát sáng hẹp nên hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao. Trung bình hiệu suất ghép của laser trong khoảng: 30%á50% với sợi đơn mode (SM) 60%á90% với sợi đa mode e. Thời gian chuyển lên Để đạt mức công suất quang từ 10% đến 90% thì thời gian cần thiết để xác lập của laser rất nhanh thường không quá 1 người sử dụng. f. Độ phổ rộng 1 0,5 0 Độ rộng mode Dl = 1 – 4nm l(nm) Hình 3.10 - Đặc tính phổ của LD ở dạng thực tế So với LED thì phổ phát xạ của laser rất hẹp khoảng 1 đến 4 nm, khi chế tạo LD có phổ càng hẹp càng tốt vì sẽ giảm được tán sắc chất liệu khi sử dụng bước sóng 1550 nm. ảnh hưởng của nhiệt độ LD (laser): t 1 0 1 0 1 Ib Ib 50oC 20oC 0 Pphát PP 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 t 0 Hình 3.11 - ảnh hưởng của nhiệt độ đến công suất phát của LED Khi nhiệt độ tăng đặc tính P-I của LD dịch sang bên phải và giảm độ dốc. Sự thay đổi đặc tính P-I như vậy làm giảm công suất phát của LD. Các loại LD hay được sử dụng: Laser FP (Fabay-Reset) có Dl tương đối lớn ằ 1 nm. Laser báo hiệu(Buried hetero structure) có cấu trúc dị thể, có Dl nhỏ khoảng 0,1 nm. Được dùng cho tuyến có cự ly trung bình khoảng 40 km. Laser DFB (Distriquted Fêd Back) có Dl<0,1nm được dùng cho cự ly đường truyền xa khoảng 80km. 5. Mạch phát quang dùng laser Giao tiếp điện: Là các điện cực để nối với các mạch điện bên ngoài, nơi nhận tín hiệu điện. Giao tiếp quang: có thể là một sợi quang ngắn để hở, hoặc một khớp nối giữa sợi quang với modul laser. Mạch kích thích: mạch điện cung cấp dòng điện kích thích cho nguồn quang. Mạch xử lý tín hiệu điện: biến đổi tín hiệu điện sang dạng thích hợp để đưa vào mạch kích thích. Sợi quang Giao tiếp điện Xử lý điện Mạch kích thích Thăm dò quang Nguồn quang Giao tiếp quang Giải nhiệt Thăm dò nhiệt Hình 3.12. Sơ đồ khối tổng quát máy phát quang Mạch thăm dò quang: thực chất là mạch ổn định dòng công suất. Công suất được ổn định do một phần tín hiệu quang đổi ra dạng điền hồi tiếp đưa về mạch kích thích. Mạch điều khiển và thăm dò nhiệt độ: do laser dễ bị ảnh hưởng của nhiệt độ nên phải dùng mạch này để ổn định nhiệt độ. ổn định công suất phát. III. Linh kiện thu quang (tách sóng quang) ở đầu cuối của các hệ thống truyền dẫn, các máy thu có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang điều biến từ cáp quang đưa tới thành tín hiệu ban đầu để đưa vào thiết bị ghép kênh đầu cuối. Ngoài ra trên đường truyền dẫn, tại các trạm lặp cũng chưa có khả năng khuyếch đại quang. Cũng như trong máy thu, tín hiệu quang trước tiên được chuyển thành tín hiệu điện để tái sinh, tức là được khuếch đại và tái tạo cung nhị phân, để lại đưa vào điều khiển LD hoặc LED cho phát tiếp tín hiệu quang. Phần tử ở phía trước máy thu để thực hiện chức năng này là biến đổi quang điện, còn gọ là bộ thu quang. Các yêu cầu kỹ thuật đổi với các linh kiện thu quang: Phải nhậy với bước sóng hoạt động của hệ thống (850nm, 1300nm, 1550nm) Hiệu suất lượng tử: Hiệu suất lượng tử được tính bởi tỷ số sốlượng điện tử tảch a và số photon được hấp thụ h: Hiệu suất lượng tử ne: Số lượng điện tử tách ra nph: Số lượng photon hấp thụ Giá trị lớn nhất của h=1 tức là một photon được hấp thụ sẽ làm bức xạ nhiều nhất là một cặp điện tử và lỗ trống. Thông thường h<1 và được tính theo %. Trong trường hợp có hiệu ứng nhân một photon được hấp thụ, có thể làm phát sinh nhiều điện tử, mỗi vật liệu bán dẫn chỉ nhậy trong một khoảng bước sóng nhất định vì hiệu suất lượng tử của từng vật liệu thay đổi theo bước sóng ánh sáng. Đáp ứng: đáp ứng của một linh kiện tách quang là tỷ số của dòng điện sinh ra và công suất quang đưa vào R: đáp ứng Iph: dòng quang điện Popt: công suất quang R phụ thuộc vào hiệu suất lượng tử của vật liệu và bước sóng hoạt động theo công thức: R: đáp ứng đơn vị A/W h: hiệu suất lượng tử l: bước sóng ánh sáng (mm) e: điện tích của điện tử, e=1,6.10-19 hay As h: là hằng số plank, h=6,62.10-34J.s C: vận tốc ánh sáng, C=3.108 m/s Độ nhậy: có độ nhạy càng cao càng tốt. Tức là có khả năng tính được các tín hiệu quang thật nhỏ. Với tỷ lệ lỗi (BER) trong phạm vi cho phép. Độ nhậy càng cao, càng có khả năng nới rộng cự ly thông tin. Đáp ứng nhanh để có thể làm việc trong hệ thống có tốc độ Bit cao Dòng tối nhỏ: khi chưa có ánh sáng chiếu vào những linh kiện tách quang vẫn có dòng điện nhiễu chạy qua. Dòng điện này càng nhỏ càng tốt. Tạp âm: có tạp âm càng thấp càng tốt để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N). Độ tin cậy cao Giá thành hạ 1. PIN diode Cấu trúc P i n Rt - + Iph Vùng dẫn Vùng cấm Vùng hoá trị + + + + + + + + + Pho ton Gồm 3 lớp bán dẫn: Bán dẫn p Bán dẫn n Bán dẫn thuần i Diode quang luôn được phân cực ngược có điện áp: E=15V+30V-DC Rt là trở kháng vào của tầng tiền khuyếch đại b. Nguyên lý Khi ánh sáng chiếu vào diode tách quang các lớp bán dẫn hấp thụ năng lượng ánh sáng. Các hạt điện tử trong vùng hoá trị kích thích vượt qua vùng cấm lên vùng dẫn. Để lại vùng hoá trị các lỗ trống dưới tác dụng của điện trường ngoài (phân cực ngược). Nên các dòng điện tử chuyển động từ p sang i qua n và đi ra mạch ngoài tạo thành dòng tách quang. Còn các lỗ trống chuyển động từ n qua i sang p và cũng tham gia tạo dòng tách quang trong mạch ngoaì. Ngược chiều chuyển động của các điện tử. Để nâng cao hiệu suất tách quang phải có lớp chống phản xạ tráng mặt ngoài lớp p của diode. 2. Diode thác quang APD ( A valanche photo diode) Cấu trúc x chiều dài APD miền tăng tốc E Emax 0 N+ P p P+ Rt + _ Nguồn phân cực ngược có trị số cao để tạo ta điện trường tăng tốc trong vùng nhân. Nguồn điện: E=(200+300V)DC Lớp p+ và N+ có nồng độ hạt điện tử tương đối cao để giảm điện tử tiếp xúc. Lớp p: là lớp bán dẫn p có nồng độ lỗ trung bình Lớp p: là lớp có vùng điện trường thấp và hấp thụ các photon để tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. b. Hiện tượng thác trong APD Một hạt photon đi quan miền p (hấp thụ ánh sáng mạnh) và tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống-khi các điện tử và lỗ trống qua miền tăng tốc thì tốc độ của chúng tăng lên đột biến va đập vào các nguyên tử của bán dẫn và giải phóng ra cặp điện tử-lỗ trống thứ hai. Điện tử thứ 2 này tăng tốc và chạm vào nguyên tử của bán dẫn giải phóng cặp điện tử-lỗ trống thứ ba...phản ứng dây chuyền này tiếp diễn trong một thời gian ngắn làm số lượng các điện tử và lỗ trống tăng lên đột biến. Có nghĩa là dòng tách quang cũng tăng lên đột biến, đó chính là hiệu ứng quang thác trong APD Hệ số nhân: 1 - - - - + - 2 3 (+) (-) Vùng tăng tốc t Vị trí hV a - - - 4 - - + - - + - - + Hệ số nhân M của APD là tỷ số giữa dòng tách quang khi nhân IphM và dòng tách quang chứa nhân IphO: M= IphM/ IphO Hình 3.14 Mô tả quá trình nhân ( thác ) trong vùng tăng tốc 1 - - - - + + 2 4 (+) (-) Vùng tăng tốc t Vị trí hV b + 5 + - - + 6 - + - - + - - + - - + + + - + + - 3. Đặc tính kỹ thuật của PIN và APD Độ nhậy: APD nhậy hơn PIN và lớn hơn từ 5 đến 15dBm -70 100 1000 Tốc độ bít Mbit/s) 1 -60 -40 -50 -30 độ nhạy (dBm) APD PIN Tuy nhiên dùng PIN kết hợp với FET thì độ nhậy tương đương với độ nhậy của APD. Dải rộng: dải rộng của APD rộng hơn PIN và có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi được áp phân cực ngược để thay đổi hệ số nhân M. Dòng tối của APD lớn hơn PIN Độ ổn định của PIN tốt hơn so với APD vì hệ số nhân của APD phụ thuộc điện áp phân cực, và thay đổi theo nhiệt độ. Điện áp phân cực ngược của APD lớn hàng trăm vol còn điện áp phân cực ngược của PIN<20 vol. Các hạn chế của APD là: + Chế độ làm việc kém ổn định, mạch điện phức tạp. + Dòng nhiễu lớn + Điện áp phân cực cao và cần độ ổn định cao + Giá thành cao Do có những đặc tính trên mà cả APD và PIN đều tồn tại song song. Bảng đặc tính thu quang và ứng dụng Linh kiện photo diode thác (APD) Photodiode (PIN) Các đặc tính Độ nhậy thu ánh sáng cao Tạp âm lớn Điện thế hoạt động cao Đắt Độ nhậy thấp Tạp âm ít Điện thế thấp Không đắt ứng dụng Hệ thống đường dài Hệ thống đường ngắn Hệ thống thuê bao Hệ thống thuê bao Hệ thống nhánh riêng Có thể giữ được ưu điểm của PIN và khắc phục các nhược điểm của nó bằng cách dùng kết hợp PIN với 1 transistor trường (FET) trong mạch tiền khuếch đại, gọi PIN-FET chúng được dùng khá phổ biến trong hệ thống thông tin quang ngày nay có độ nhậy xấp xỉ của APD. Bảng so sánh độ nhậy APD và PIN-FET Loại photodiode Vật liệu Bước sóng (nm) Độ nhậy (dBm) APD Si Ge InGaAs 800-900 1300-1550 1300-1550 -55 -54 -57 PIN-FET Si InGaAs 800- 1300-1500 -50 -54 Phụ chương cáp sợi quang (cáp sợi quang VINa-GSC) Cáp chôn trực tiếp-phi kim loại Mô tả Cáp sợi quang VINA-GSC cung cấp giải pháp truyền dẫn tuyệt vời, bảo vệ sợi quang trong các môi trường khác nhau. Cáp này được thiết kế để dùng cho những vùng hay có sét hoặc điện cao thế ảnh hưởng ứng dụng: Vùng thường xuyên có sét Vùng lân cận các nhà máy điện Đặc điểm: Đơn mode Cáp phi kim loại hoàn toàn Bảo vệ khỏi sự phá huỷ của sét và nhiễu điện Số sợi trong cáp: 2 đến 144 Mặt cắt: ÀSợi quang ÁChất dộn -Thành phần không ngấm nước Âống lỏng -Nhựa chịu nhiệt ÃBảo vệ lõi cáp -Băng PS hoặc/và lớp sợi tơ bảo vệ và chịu lực kéo ÄThành phần gia cường trung tâm Åống đệm -ống trụ tròn, làm bằng nhựa chịu nhiệt để thay cho ống lỏng khi bện cáp. 5 6 7 8 1 2 3 4 9 ặVỏ bên trong -Polythylene màu đen ầLớp tăng cường lực kéo -Lớp tơ chịu lực ẩVỏ ngoài cùng -Polythylene màu đen Cấu trúc Thông số Đơn vị Loại 2-36 sợi Loại 37-72 sợi Số sợi trong ống Sợi 6 12 Số ống ống 6 6 Thành phần gia cường FRP FRP Đường kính dây gia cường mm 2.7 3.5 Đường kính lõi cáp mm 7.4 9.9 Độ dày vỏ trong mm 1 1 Độ dày lớp tơ kevlar mm Max.0.5 Độ dày vỏ ngoài mm 1.5 1.5 Đường kính ngoài mm 13 16 Trọng lượng Kg/Km 140 200 Chiều dài cáp tối đa/trống cáp m 6000 4000 Kích thước ống lỏng tiêu chuẩn Phân loại Cỡ nhỏ Cỡ vừa Cỡ lớn Đường kính ngoài 1.5 2.2 3 Số sợi tối đa trong ống 1 6 12 Số sợi tối đa trong cáp 12 36 144 Đặc tính hình học và quang học của sợi quang Đk trường mode (mm) Đk lớp vỏ (mm) Suy hao (dB/Km) Tán sắc (ps/nm.km) Bước sóng cắt (nm) 1310nm 1550nm 1285-1330nm 1550nm 2m 9,5 125 0.4 0.3 3.2 18 1100~1330 Đặc điểm cơ học và môi trường của cáp Mục Đơn vị Chỉ tiêu Tải kéo căng tối đa Kg 250 Bán kính cong nhỏ nhất Không tải mm 130 Có tải mm 260 Độ chịu nén Kg/cm 20 Dải nhiệt độ làm việc 0C -40 á +70 Mã mầu sợi quang Số sợi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Màu Xanh lam (BL) Da cam (OR) Xanh lục (GN) Đỏ (RD) Vàng (YL) Tím (VI) Nâu (BN) Đen (BK) Trắng (WH) Xám (GY) Xanh NgọcAQ Chương IV Kỹ thuật khuếch đại quang Như ta đã biết, ở các tuyến thông tin quang truyền thống, khi cự ly dài tới mức phân bố suy hao không thoả mãn, suy hao tuyến vượt quá công suất dự phòng thì cần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền. Các trạm lặp ở đây thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua các quá trình biến đổi quang - điện và điện – quang. Điều này có nghĩa là tín hiệu quang rất yếu không thể truyền xa được tiếp nữa sẽ được các trạm lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện; sau đó tiến hành khuếch đại, chuẩn lại thời gian, tái tạo lại dạng tín hiệu và rồi lại biến đổi thành tín hiệu quang đủ lớn để phát vào đường truyền. Các trạm lặp này đã được ứng dụng khá rộng rãi ở hầu hết các tuyến thông tin quang trong thời gian vừa qua. Trong thời gian gần đây, với sự phát triển của khoa học và công nghệ thông tin người ta đã thực hiện được quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng.Và không phải qua quá trình biến đổi về điện nào, đó là kỹ thuật khuếch đại quang. Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của các trạm lặp như về băng tần, cấu trúc phức tạp, cấp nguồn, ảnh hưởng của nhiễu điện... Việc áp dụng các bộ khuếch đại quang vào các hệ thống thông tin quang còn đưa ra một ý tưởng lớn cho quá trình phát triển các tuyến thông tin hoàn toàn dùng khuếch đại quang và từ đó tiến tới phát triển các mạng quang hoá hoàn toàn. 4.1 Các loại khuếch đại quang. Có một số các bộ khuếch đại quang đã được nghiên cứu và ứng dụng, đó là các bộ khuếch đại laser bán dẫn (SLA-Semiconductor Laser Amplifier) các bộ khuếch đại pha tạp đất hiếm, các bộ khuếch đại Raman sợi và các bộ khuếch đại Brillouin sợi. Để ứng dụng cho các hệ thống thông tin quang, cần phải dựa vào các tham số của nó. Qua một thời gian nghiên cứu, đã có nhiều tiến bộ kỹ thuật trong kỹ thuật khuếch đại quang. Tuy nhiên thành công chủ yếu tập trung vào khuếch đại laser bán dẫn và khuếch đại quang sợi. Có hai loại khuếch đại laser bán dẫn SLA chính là khuếch đại sóng chạy (TWA-Traveling-Wave-Amplifier) và khuếch đại Fabry-Perot (FPA-Fabry-Perot- Amplifier), ngoài ra còn loại khuếch đại phân bố hồi tiếp (DFB-Distribute Feedback). Một số tham số của các loại khuếch đại quang được cho trong bảng sau: Loại thiết bị Khuếch đại laser FP-LD Laser TW-LD Khuếch đại Quang sợi Khuếch đại Raman Khuếch đại Brillouin Nguyên lý Bức xạ từ nghịch đảo độ tích luỹ môi trường Bức xạ từ nghịch đảo độ tích luỹ môi trường Bức xạ từ nghịch đảo độ tích luỹ môi trường Tán xạ Raman được kích thích Tán xạ Brillouin được kích thích Công suất bão hoà lối ra (dBm) 8 9 11 20 _ Băng tần khuếch đại (Hz) 1-3G >5T 0,5-4T ~1T 50M Mức tạp âm (dB) 6-9 5,2 3-5 _ _ Suy hao ghép vào sợi Lớn Lớn Lớn Nhỏ Nhỏ Phân cực tín hiệu TE-mode TE- mode Độc lập Tín hiệu /bơm Tín hiệu /bơm Hệ số khuếch đại tuyến tính(dB) 25-30 20-30 40-50 ~50 ~30 Dòng/công suất bơm 10mA ~100mA 20mW-100mW ~ vài W ~ vài W 4.2 Khuếch đại laser bán dẫn. Các bộ khuếch đại laser bán dẫn (SLA)có cấu trúc cơ bản dựa trên cấu trúc laser bán dẫn thông thường, có độ rộng vùng tích cực W, độ dày d, dài L và chỉ số chiết suất là N. Hình 3.1 mô tả một bộ khuếch đại bán dẫn, tính phản xạ bề mặt đầu vào và đầu ra được ký hiệu tương ứng là R1và R2. Thiết bị được định thiên dưới mức ngưỡng phát để tránh dao động laser xuất hiện. Các vỏ chống phản xạ được áp vào các mặt laser để giảm tính phản xạ của nó (trong diot laser thông thường R1= R2=0,3) điều này làm tăng băng tần khuếch đại và tạo ra các đặc tính truyền dẫn ít phụ thuộc vào sự thay đổi của dòng điện thiên áp, nhiệt độ và tính phân cực của ánh sáng đầu vào. 4.2.1 Các đặc tính của SLA. (5-1) Các hiện tượng cơ bản và các chi tiết vật lý để mô tả các bộ khuếch đại laser bán dẫn (SLA) giống như đối với các laser bán dẫn hoạt động ở vùng cửa sổ suy hao 1300nm và 1550nm của sợi dẫn quang. Một phương trình đánh giá về mật độ hạt mang cũng có đủ để thể hiện sự khuếch đại trong vùng tích cực. ở trạng thái trạng thái bền vững, hệ số khuếch đại vật liệu cho một đơn vị độ dài gv phụ thuộc vào cường độ tín hiệu I theo quan hệ: ở đây Is là cường độ ánh sáng dẫn xác định, được gọi là cường độ bão hoà khi chưa có tín hiệu vào, g0 là đại lượng đặc trưng cho hệ số khuếch đại chưa bão hoà. Rõ ràng ở đây là có thể thấy ảnh hưởng của bão hoà khuếch đại ở các cường độ đầu vào cao. Nhìn chung, cường độ và sự khuếch đại phụ thuộc vào vị trí dọc theo độ dài bộ khuếch đại. Tuy nhiên, có thể thấy rằng, việc thừa nhận tính phụ thuộc vào vị trí sẽ cho ra các kết quả chính xác khi có sự phân bố trường theo trục được tính trung bình dọc theo độ dài hốc. Hệ số khuếch đại thực hiện trên một đơn vị độ dài g được xác định dưới dạng gv, hệ số hạn chế G (~0,3), và hệ số suy hao hiệu dụng trên mỗi đơn vị độ dài a(~50cm) (5-3) (5-2) G Là hệ số của tập mode dẫn bị giả trong vùng hoạt tính. Hệ số khuếch đại đơn thông. Có thể được diễn giải như một hàm của cường độ I bên trong bộ khuếch đại: (5-4) Với L là độ dài bộ khuếch đại. (3-6) Chỉ số chiết suất vật liệu là một hàm của mật độ hạt mang và cường độ ánh sáng. Ngoài sự dịch pha có liên quan tới tính đơn thông của bộ khuếch đại sẽ có thành phần phụ thêm theo sau sự thay đổi trong mật độ hạt mang khi không có tín hiệu, lúc này dịch pha đơn thông là: (5-5) Với v là tần số tín hiệu đến, v0 là tần số mode cộng hưởng của bộ khuếch đại, n là chỉ số chiết suất của vật liệu lớp tích cực, c là tốc độ ánh sáng, f0 là dịch pha khi không có tín hiệu quang ở đầu vào và b được gọi là hệ số là tăng độ rộng phổ (hệ số dãn phổ). Các phương trình trên chỉ ra rằng hệ số khuếch đại đơn thông và pha là các hàm số của cường độ ánh sáng: về nguyên lý, ánh sáng đã điều biến cường độ có thể bị méo do SLA gây ra. Quá trình phân tích ở đây chỉ ra rằng Gs và f phụ thuộc vào ft, với f là tần số của tín hiệu đầu vào và t là thời gian tái hợp hạt mang (~2ns). Khi f >1/2pt thì biên thời gian và I tỷ lệ với cường độ tín hiệu trung bình. Điều này có nghĩa là biểu hiện dải động của SLA bị tuổi thọ hạt mang chi phối. (5-6) Hệ số khuếch đại đơn thông G ở phương trình (5-4) thể hiện rõ ở bộ khuếch đại sống chạy (TWA). Băng tần quang 3dB đối với bộ khuếch đại không bão hoà là: Với a2ằ0,15cm nm có liên quan đến tính mất điều hưởng (lệch cộng hưởng) giữa bước sóng hoạt động và bước sóng đỉnh khuếch đại vật liệu. Băng tần sẽ không phụ thuộc vào hệ số khuếch đại tuyệt đối và là một hàm số của độ dài thiết bị, giảm đi khi tăng độ dài. Từ phương trình (5-4) ta thấy đương nhiên tính bão hoà hệ số khuếch đại sẽ xảy ra khi có hiện tượng giả nghịch đảo tích luỹ do tăng phát xạ kích thích. Các đặc tính bão hoà của TWA được đánh giá từ công suất đầu ra bão hoà, được xác định như là công suất tín hiệu đã khuếch đại tại hệ số khuếch đại đơn thông nhỏ hơn giá trị hệ số khuếch đại không bão hoà 3dB là: (5-7) Trong biểu thức này, hv là năng lượng photon, t là tuổi thọ hạt mang và: Tuỳ theo sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vật liệu vào mật độ hạt mang. Với W=1,5mm, d=1,5mm, l =1,3mm thì công suất đầu ra bão hoà là 1dBm. Trong thức tế, các mặt vỏ chống phản xạ sẽ có tính phản xạ dư nào đó và tạo thành một hốc quang. Đặc tính khuếch đại sẽ có các đỉnh Fabry-Perot tồn tại bước sóng và khoảng trống tuỳ thuộc và kích thước hốc, độ rộng của nó theo hệ số khuếch đại đơn thông và tính phản xạ bề mặt như sau: (5-8) Tỷ số đỉnh lõm gợn sóng của băng thông là: (5-9) (5-10) Tham số này tạo ra khác biệt giữa FPA và TWA; thông thường khi V< 2 thì bộ khuếch đại được xem như là TWA. Từ phương trình (5-9), khi V là 3dB thì (5-11) Và trong giới hạn R1, R2<<1, hệ số khuếch đại lớn nhất có thể biểu diễn đơn giản như sau: Các phương trình (5-9)và (5-11) chỉ ra rằng, tính phản xạ dư trung bình 1/1000 sẽ cho phép tạo ra bộ khuếch đại TWA có hệ số khuếch đại hốc lớn nhất là 24dB. Và hệ số khuếch đại đơn thông là 22dB. Hình 5.2 là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào bước sóng, hình ghép vào mô tả gợn sóng của hệ số khuếch đại theo cộng hưởng Fabry-Perot dư. Như vậy qua khảo sát ở trên ta thấy rằng. TWA là trạm lặp tuyến tính, nó là bộ khuếch đại ưu việt hơn FPA về cả tính bão hoà hệ số khuếch đại tín hiệu và các đặc tính tạp âm. Hơn thế nữa, TWA có băng tần khuếch đại rộng hơn bởi vì cộng hưởng Fabry-perot của nó bị chặn nhờ việc giảm bớt phản xạ bề mặt. Những yếu điểm vốn có của TWA là thành phần tạp âm tự phát tăng, và trong thức tế làm tăng tính nhạy cảm với những phản xạ từ bên ngoài bộ khuếch đại (như phản xạ từ các mối hàn sợi, bộ nối quang). 4.2.2 Lớp chống phản xạ Các lớp chống phản xạ trên các mặt diot laser là không thể thiếu được khi chế tạo các bộ khuếch đại sóng chạy (TWA). Tính phản xạ bề mặt yêu cầu là nhỏ hơn 1/1000. Do mode dân sóng được tạo ra từ các sóng phẳng cơ bản có các véc tơ sóng khác nhau, cho nên các điều kiện về lớp chống phản xạ (AR Antireflection Coating) đặt ra đối với sóng dẫn là khác đối với các điều kiện là sóng phẳng. Hơn thế nữa, sự dò năng lượng trong các mode không dẫn phải được tính toán. 1,47 1,48 1,49 1,50 1,51 1,52 Hình 5.2 Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào bước sóng Để đạt được độ phản xạ thấp tới 1/10000 trong thực nghiệm người ta phải sử dụng các màn khử khí SiN có điều khiển chỉ số chiết suất bằng cách điều chỉnh áp lực thành phần Nitơ trong Plasma, hoặc bằng sự lắng đọng của các màng SiOx có điều khiển chỉ số chiết suất cho các mặt laser GaInAsP. Các giá trị phản xạ này thu được từ việc do phổ phát xạ tự phát được khuếch đại. Các lớp SiO cho độ phản xạ nhỏ hơn 1/100000 khi đó bằng kỹ thuật phản hồi bên ngoài. Sau lớp chống phản xạ, dòng ngưỡng tăng vái chục mA. Và dòng định thiên hoạt động cho bộ khuếch đại thường cao hơn dòng ngưỡng laser ban đầu. Điều này dẫn tới mật độ hạt mang cũng cao hơn, và do hiệu ứng chèn mà bước sóng ứng với hệ số khuếch đại lớn nhất sẽ dịch tới giá trị thấp hơn. Vì vậy trong thiết kế lớp AR cho diot laser để trở thành TWA, bước sóng phản xạ tối thiểu phải được đặt giá trị thấp hơn bước sóng laser. 4.2.3 Các ứng dụng của khuếch đại laser. Các bộ khuếch đại laser đưa ra hệ số khuếch đại cao và cấu trúc dẫn sóng đơn mode của chúng tạo cho chúng đặc biệt phù hợp đối với các sợi dẫn quang đơn mode. Trong các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng các laser đơn mode dọc, ảnh hưởng của tán sắc sợi có thể là nhỏ và giới hạn chính trên khoảng lặp lại là tổn hao tín hiệu theo suy hao sợi. Các hệ thống như vậy không nhất thiết đặt ra sự tái phát tín hiệu trọn vẹn tại từng trạm lặp và chỉ cần có sự khuếch đại tín hiệu là đủ. Các trạm lặp khuếch đại tuyến tính có thêm ưu điểm là làm việc hai hướng, và phù hợp với các hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM-Wavelength Division Multiplexing). Nếu như tuyến có nhiều bộ khuếch đại được mắc nối tiếp các vấn đề về phát xạ tự phát có thể tăng lên. Hệ số khuếch đại lớn nhất ở mỗi bộ khuếch đại có thể bị giảm đáng kể do sự phát xạ tự phát trung bình của các bộ khuếch đại phía trước gây ra bão hoà khuếch đại. Công suất tự phát trung bình tự tích luỹ tỷ lệ với các bộ khuếch đại. Cá thể ước đoán rằng, công suất tạp âm tích luỹ ngang bằng công suất sau 10 trạm lặp nếu không dùng bộ lặp quang để làm giả công suất phát xạ kích thích được phát đi. TWA có thể cải thiện công suất thu nhỏ nhất khi dùng bộ thu thông thường có đặt bộ khuếch đại quang ở phía trước photodiode. Khi sử dụng làm tiền khuếch đại cho bộ thu quang, tín hiệu và tạp âm tương ứng được tăng lên trên mức tạp âm bộ thu. Vì vậy, tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm chủ yếu do bộ khuếch đại quang quyết định. Cũng do vậy, các bộ khuyếch đại quang có ưu điểm làm giả ảnh hưởng của tạm âm bộ thu giống như tách sóng Coherent. Các bộ khuếch đại laser có thể được sử dụng vào các hệ thống khuếch đại quang tuyến tính chung để bù cho suy hao trong các mạng rẽ nhánh. Nếu dòng định thiên bộ khuếch đại bị ngắt, các cửa đầu vào và đầu ra sẽ tách ra, ở trạng thái mở sẽ có khuếch đại tín hiệu, các bộ khuếch đại này cho phép tạo ra các mạng định tuyến sợi quang suy hao nhỏ. Khi có tổ hợp nhiều chuyển mạch có thể đưa ra một ma trận chuyển mạch để định luồng tín hiệu. 4.3 Khuếch đại quang sợi. 4.3.1 Nguyên lý làm việc Gần mười năm trước đây, việc sử dụng các sợi quang có pha tạp để làm các bộ khuếch đại tín hiệu ánh sáng đã được đưa ra, các sợi này được xem như là sợi tích cực vì chúng có thể thay đổi các đặc tính vật lý của chúng theo sự thay đổi nhiệt độ, áp suất và chúng có tính chất bức xạ ánh sáng. Một điều quan trọng nhất ở đây là chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu như có kích thích phù hợp. Các chất kích tạp và chất nhạy cảm đã được dùng để pha tạp sợi dẫn quang với các mức độ tập trung khác nhau là các chất có chứa ion đất hiếm. Cơ chế hoạt động của sợi quang pha tạp đất hiếm để trở thành bộ khuếch đại có thể minh hoạ như ở hình 5.3. Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản (E1) được kích thích từ một nguồn bức xạ có bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển tới mức cao hơn (E2). Từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ, hoặc nếu như có một mức năng lượng thấp hơn (E3), nó sẽ thả không bức xạ tới mức đó. Từ đây, điện tử có thể phân rã xuống mức E1 (hình 5.3a) hoặc E4 (hình 5.3b) thông qua quá trình bức xạ tự phát, trong đó năng lượng dư ra thu được nhờ sự phát photon có bước sóng dài hơn bước sóng kích thích. Phân rã E2 E3 E4 E1 Phân rã Phân rã l bơm E2 E3 E1 l bơm a) b) Hình 5.3 Cơ chế bức xạ trong ba mức(a) và trong bốn mức (b) Nếu thời gian sống của mức E3 đủ dài để các điện tử được nguồn bơm kích thích, thì có thể xảy ra nghịch đảo độ tích luỹ. Đây là điều kiện để có một số các điện tử trên mức siêu bền E3 nhiều hơn ở mức tới(E1 hoặc E4). Một photon có năng lượng tương đương với sự chênh lệch mức giữa E3 và E1 (đối với ba mức), hoặc giữa E3với E4 (đối với bốn mức) mà nó va chạm trên môi trường gây bức xạ kích thích của các photon. Trong hình 4.3 còn lưu ý rằng ở điều kiện không kích thích,hầu hết các điện tử nằm trong trạng thái cơ bản E1. Như vậy nó sẽ dễ dàng tạo ra nghịch đảo tích luỹ giữa các mức E3 và E4. Vì thế cho nên thông thường thì các giá trị ngưỡng ở các laser thấp hơn các laser ba mức. Có nhiều ion đất hiếm có các dải huỳnh quang, vì vậy cho khả năng bức xạ kích thích, điều này tạo ra các ứng dụng trong khuếch đại các tín hiệu quang. Đáng chú ý nhất là Nd3+, có các dải bức xạ ở 1.06 mm và1,32mm và Er3+ có các dải bức xạ ở 1,55mm và 2,5 mm. Ngoài ra còn có Ho3+ bức xạ ở 2,08 mm và Tm3+ cho bức xạ ở 2,3mm. Hiện nay. Các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium được phát triển mạnh mẽ nhất và phù hợp với bước sóng có suy hao nhỏ sẵn có của sợi dẫn quang. Chúng được viết tắt là EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Trong phần này chúng ta chỉ xét về EDFA. 5.3.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA. EDFA được trình diễn vào năm 1987 và nó được liên tục hoàn thiện một cách nhanh chóng, tới nay nó đã được khai thác ở nhiều tuyến thông tin quang: chúng được dùng để thay thế các trạm lặp thông thường (có biến đổi Quang – Điện và Điện – Quang) trong nhiều trường hợp như: Các bộ khuếch đại tăng cường để tăng công suất truyền dẫn và do đó tăng được cự ly truyền dẫn hoặc là để bù vào những tổn hao trong khả năng truyền dẫn. Dùng làm các bộ tiền khuếch đại để tăng độ nhạy thu. ở đây, các trạm lặp được đặt trước bộ thu quang để tăng cường độ của tín hiệu vào bộ tách sóng. Như vậy độ nhạy thu sẽ tăng lên và giải pháp này rất có hiệu quả trong các hệ thống truyền dẫn khoảng cách xa. EDFA làm việc ở bước sóng 1550nm với hệ số khuếch đại cao, công suất ra lớn và nhiễu thấp. Để cho các EDFA hoạt động trên các hệ thống thông tin quang thì cần có một nguồn bơm. Các diot laser bán dẫn công suất cao là các nguồn bơm thức tế để cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA. EDFA là một đoạn cáp mà có thể nối liền với các sợi dẫn quang truyền dẫn với suy hao do hàn nối tiếp xúc không quá 1dB. Hệ số khuếch đại của EDFA không bị ảnh hưởng do phân cực của ánh sáng. Bởi vì hệ số bão hoà xảy ra trong EDFA trong một khoảng thời gian khá dài do đó không tạo ra nhiễu xuyên âm khi truyền tín hiệu với tốc độ cao. Sau đây ta sẽ đề cập đến các đặc tính của EDFA mà làm cho chúng có ý nghĩa thực tiễn trong hệ thống thông tin quang. Nguyên lý làm việc của EDFA và các đặc tính cơ bản của nó như sau: EDFA bao gồm một đoạn ngắn sợi cáp quang mà lõi của chúng được pha trộn ít hơn 0,1% Erbium, là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực. Như đã chỉ ra ở hình 3.6, các ion Eribium được bơm tới một mức năng lượng phía trên do sự hấp thụ ánh sáng từ một nguồn bơm. Chẳng hạn ở bước sóng 1480nm. Sự dịch chuyển của điện tử từ mức năng lượng cao này xuống mức năng lượng cơ bản phát ra một photon, photon này được bức xạ có thể là do hiện tượng bức xạ tự phát ( sự phân huỷ tự nhiên của các ion kích thích mà không có bất cứ một tác động khác nào chen vào) hay bức xạ kích thích (do sự có mặt của các photon có chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển, kích thích sự phát xạ và tạo thêm các photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng). Các photon tín hiệu trong EDFA kích thích sự ”tái định cư” ở trạng thái kích thích và khuếch đại tín hiệu. Thời gian sống của điện tử ở mức năng lượng cao vào khoảng 10ns đảm bảo rằng thay vì nhiễu bức xạ gây ra do bức xạ tự phát thì hầu hết các ion Erbium đợi để được khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ kích thích. Suy hao sợi thường (dB/km) Hấp thụ khuếch đại sợi Erbium (dB/m) 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,0 2,0 0,2 0,1 0,1 0,2 1,0 2,0 Hình 5.4 Phổ hấp thụ của sợi quang thông thường và sợi quang Erbium Hình 5.4 so sánh đáp ứng quang của Erbium với sợi dẫn quang thông thường dùng trong truyền dẫn. Sự hấp thụ quang xảy ra trong các loại cáp thông thường là thấp ở dải bước sóng tập trung vào khoảng 1550nm nơi mà sự hấp thụ quang vào khoảng 0,2dB/km; có nghĩa là khoảng 5% lượng ánh sáng truyền qua bị hấp thụ trong 1km. Ngược lại sự tập trung Erbium vào khoảng 100 phần triệu ở trong lõi có thể gây ra sự hấp thụ là khoảng 2dB/mét ở bước sóng bơm. Mức kích thích Phân rã không bức xạ Mức siêu bền Tín hiệu được khuếch đại Tín hiêu tới Signal photon Bơm năng lượng l =980nm Mức cơ bản Hình 5.5 Giản đồ năng lượng của Erbium Sự hấp thụ ánh sáng bơm kích thích các ion Erbium mà chúng tích trữ năng lượng sẽ xảy ra cho đến khi có một photon tín hiệu kích thích sự chuyển đổi thành một ion tín hiệu khác một cách lý tưởng. Như ở hình 5.5 và hình 5.6 đã chỉ ra sợi Erbium có thể được bơm với vài bước sóng khác nhau; ở đây, sự hấp thụ các vùng bước sóng 980nm và 1480nm là có hiệu quả nhất. WDM Bộ cách ly Coupler Bộ cách ly Output EDFA Laser bơm Laser bơm Input Bơm Tín hiệu Công suất Hình 5.6 Sơ đồ cấu trúc của một modul EDFA Hình 5.6 chỉ ra cấu trúc của một tổ hợp EDFA. Sợi quang có pha trộn nguyên tố Erbium được nối ghép với sợi quang bình thường và có thể ghép với các thiết bị khác. ánh sáng bơm được kết hợp với tín hiệu vào nhờ sử dụng bộ ghép bước sóng quang WDM trên hệ thống. ánh sáng bơm được truyền dọc theo sợi có pha Erbium và hấp thụ khi các ion Erbium được đưa về trạng thái kích thích. Khi tín hiệu được truyền vào bộ EDFA, nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng thái kích thích, do vậy nó khuếch đại công suất tín hiệu. 4.3.3 Các đặc tính của bộ khuếch đại EDFA. A) Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang sợi. Hệ số khuếch đại công suất ra và nhiễu khuếch đại là các đặc tính quan trọng nhất của EDFA trong việc dùng nó trong hệ thống thông tin. Hệ số khuếch đại. Có nghĩa là tỷ số giữa công suất tín hiệu ra và công suất tín hiệu vào ở bước sóng 1530nm và 1550nm mà tại đó EDFA có khả năng khuếch đại cao nhất. Công suất bơm tối thiểu cần thiết để đạt được hệ số khuếch đại cao nhất chính là mấu chốt của việc sử dụng EDFA vào thực tiễn. Với công suất như vậy thì khả năng của một diot laser bán dẫn hoạt động với hàng trăm mA dòng một chiều là vừa đủ. Sự bão hoà xảy ra khi công suất tín hiệu lớn trong EDFA là giảm hệ số khuếch đại, bởi vậy nó giới hạn công suất ra của bộ khuếch đại. Sự bão hoà hệ số khuếch đại này xuất hiện khi công suất tín hiệu tăng lên một lượng lớn và gây ra bức xạ kích thích ở một tỷ lệ cao và do đó làm giảm sự nghịch đảo độ tích luỹ, điều đó có nghĩa là có cá ion Erbium kích thích giảm một cách đáng kể. Đối với các hệ thống laser ba mức, công suất bão hoà tín hiệu ra (công suất tín hiệu ra mà ở đó hệ số khuếch đại bị giảm đi 3dB, đối với khi khuếch đại tín hiệu nhỏ) tỷ lệ với sông suất hạn chế do công suất bơm và công suất tín hiệu ra bị hạn chế bởi công suất bão hoà. Công suất tín hiệu ra bị giới hạn do công suất sẵn có. Các bộ khuếch đại bão hoà cao có thể đổi photon bơm thành photon tín hiệu với hiệu suất đạt được vượt 90%. Bộ khuếch đại quang làm giả chất lượng của tín hiệu do nhiễu gây ra do có bức xạ kích thích được khuếch đại lên. Trong các bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao lý tưởng, chỉ số nhiễu (tỷ lệ tín hiệu nhiễu ở đầu vào chia cho tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đầu ra là) 3dB, đối với EDFA thì chỉ số nhiễu đã tiến gần tới giới hạn lượng tử. Trong các bộ khuếch đại bão hoà có độ nghịch đảo thấp thì chỉ số nhiễu có thể trở nên xấu hơn (ảnh hưởng nhiều đến chất lượng tốc độ hơn). Bảng 4.2 biểu thị các loại sợi SiO2/GeO2 và SiO2/Al2O3 có thể cho phép tạo ra bộ khuếch đại quang sợi có hiệu quả cao. Loại sợi NA Bước sóng bơm lbơm (nm) Công suất bơm Pbơm(mW) Hệ số khuếch đại G(dB) G/Pbơm (DB/mW) SiO2/GeO2 SiO2/GeO2 SiO2/Al2O3 SiO2/Al2O3 SiO2/Al2O3 SiO2/GeO2 SiO2/GeO2 SiO2/Al2O3 0,16 0,16 0,18 0,14 0,14 0,2 0,3 0,12 532 980 514 514 528 665 807 1490 25 10,5 100 100 100 100 20 14 34 24 22 16 31 26 8 2 1,35 2,2 0,22 0,16 0,31 0,26 0,4 0,14 B) Các mẫu lý thuyết và thiết kế tối ưu. Các mẫu lý thuyết dựa trên ba mức như ở hình 4.5. Mộu ba mức đã được dùng để phân tích thiết kế tối ưu cho EDFA. Trong hệ thống Erbium 3 mức, các ion nằm ở trạng thái cơ bản làm giả khả năng của EDFA vì chúng hấp thụ công suất tín hiệu. Tỷ lệ mà ở đó Erbium được tăng cường lên trạng thái kích thích tỷ lệ với cường độ bơm ( có nghĩa là công suất bơm trên một đơn vị diện tích). Để cực đại hoá tỷ lệ các ion bơm trong khi giảm công suất bơm thì đòi hỏi cả công suất bơm và các nguyên tử Erbium cần phải được giới hạn trong một vùng tiết diện ngang có thể. Một số mẫu cụ thể đã chỉ ra rằng điều này có thể thực hiện một cách có hiệu quả bằng cách tăng độ chênh lệch chỉ số chiết suất của lõi và lớp vỏ sợi bằng cách giảm kích thước của ruột Erbium. Đỗi với EDFA thì sự khác biệt chỉ số chiết suất là 0,04 (lớn hơn 10 lần so với sợi quang đơn mode chuẩn) và đường kính lõi là 2mm (nhỏ hơn 4 lần so với sợi quang đơn mode chuẩn) có mode quang rất nhỏ đường cong hệ số khuếch đại chỉ rõ yêu cầu công suất bơm thấp thì hiệu suất sử dụng EDFA cao. Sự tập trung Erbium vào việc lựa chọn các chất thêm vào trong lõi EDFA là rất quan trọng. Ví dụ như bằng cách thêm Al (nhôm) vào trong lõi thì nó mở rộng và làm phẳng phổ khuếch đại. Nếu Erbium được tập trung với nồng độ càng cao thì hệ số khuếch đại của EDFA càng lớn ứng với mỗi đơn vị độ dài của đoạn sợi EDFA cần phải sử dụng càng ngắn. Nếu sự tập trung của Erbium là quá cao ( lớn hơn Đối với lõi có nhôm hoặc là đối với lõi có pha Germanium) thì chúng sẽ kết cụm lại với nhau làm giảm tính năng của sợi. C) Dải đông khuyếch đại, nhiễu xuyên âm và độ nhạy phân cực của EDFA. Tín hiệu thông tin trong hệ thống truyền dẫn sóng ánh sáng được gửi đi bằng cách điều biến công suất bức xạ từ laser bán dẫn. Yêu cầu của các thiết bị đặt giữa bộ phát và bộ thu quang là không được gây méo tín hiệu. Sự méo tín hiệu gây ra do các bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại biến đổi. EDFA có thể làm triệt tiêu sự dao động của hệ số khuếch đại. Bởi vì thời gian phân huỷ ngẫu nhiên ở trạng thái kích thích có thời gian sống rất dài, sự bão hoà hệ số khuếch đại rất thấp. Điển hình là phải mất 0,1 tới 1ms để làm giảm hệ số khuếch đại sau khi tín hiệu bão hoà được đưa vào trong EDFA. Vì khoảng thời gian này là quá dài so với chu kỳ xung trong các tín hiệu Gêgabít và sự điều biến tín hiệu trong các hệ thống analog, cho nên EDFA làm méo tín hiệu và nhiễu xuyên âm rất bé. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang không bị ảnh hưởng của sự phân cực tín hiệu vào. Mặt khác tín hiệu có thể bị méo và nhiễu nhiều hơn khi có độ phân cực trong sợi quang truyền dẫn bị biến đổi ngẫu nhiên với thời gian. Hệ số khuếch đại không phụ thuộc vào độ phân cực của khuếch đại là do sự phân bố đối xứng tròn của sợi dẫn quang và hướng ngẫu nhiên của các ion Erbium trong sợi quang. D) Nguồn bơm và các thiết bị thụ động cho EDFA. Nguồn bơm có hiệu quả cao ở cả hai bước sóng 980 và 1480nm. Để có hệ số khuếch đại hơn 20 dB thì cần tạo ra nguồn bơm từ 10 đến 100 mW để đảm bảo cho công suất ra đủ lớn. Chỉ số nhiễu lượng tử giới hạn là 3dB đạt được ở bước sóng 980nm. Nhưng đối với bước sóng 1480nm thì chỉ số nhiễu là vào khoảng 4dB vì sự hấp thụ bơm và độ rộng băng tín hiệu là như nhau nhưng sự bức xạ kích thích do ánh sáng bơm đã giới hạn sự nghịch đảo tích luỹ. Laser diot bán dẫn dùng để bơm cho EDFA có thể bức xạ hàng trăm mW ở cả hai bước sóng 980 và 1480nm. Đối với các diot laser thì chỉ cần điện áp tiếp xúc nhỏ và bởi vậy làm giảm nguồn nuôi theo yêu cầu. Hiện tại thì bơm bước sóng 1480nm được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng sẵn có hơn và độ tin cậy cao hơn. Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nó dùng để bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu. Các thiết bị công suất đòi hỏi công suất bơm cao nhất và độ ổn định của chúng là mấu chốt trong quá trình nghiên cứu và phát triển chúng. Nừu tăng được độ ổn định của laser diot có bước sóng 980nm tì có thể chúng sẽ được chọn làm nguồn bơm. Nguồn bơm và tín hiệu được ghép với nhau bằng bộ ghép bước sóng được chỉ ra trên hình 4.6. Thiết bị ghép ở đây dùng các thấu kính để ghép ánh sáng vào và ánh sáng ra của sợi. Nó bao gồm các gương và bộ lọc tích hợp. Trong các bộ ghép bước sóng (WDM) này, năng lượng bơm và tín hiệu tổn hao khoảng <0,5dB. Bảng 5.3 so sánh các công nghệ ghép bước sóng. Tham số Hàn sợi Điện môi Cách tử Suy hao xen,dB < 0,2dB < 0,1dB < 0,3dB Độ nhạy phân cực, dB < 0,2dB Không Không Giá thành Thấp Trung bình Trung bình Độ ổn định nhiệt,nm/°C 0,005 0,05 0,007 Chế tạo Đơn giản Công nghệ cao Công nghệ cao Kích thước 10´10´80 8´8´60 10´10´80 Sự hồi tiếp từ hiện tượng phản xạ ở hai mặt của các bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao có thể sinh ra sự dao động và làm giảm khả năng chống nhiễu của hệ thống. Nếu đặt vào trong đường truyền này một bộ cách ly quang (Isolator) như ta đã chỉ ra ở hình 5.6 thì có thể làm triệt tiêu sự phản xạ này. Các bộ cách ly quang thường làm giảm ánh sáng phản xạ đi khoảng 35dB trong khi đó chỉ tổn hao cho tín hiệu truyền qua là 1dB. E) Hệ thống sử dụng EDFA. Dựa vào khả năng và kinh tế mà người ta quyết định đặt bộ khuếch đại quang vào chỗ nào trong hệ thống. Tính kinh tế của hệ thống hầu như quyết định việc lắp đặt và sử dụng khuếch đại quang cần phải rẻ hơn so với việc áp dụng các công nghệ khác, nếu không khuếch đại quang sẽ không được dùng trên hệ thống thông tin quang. Khi được ứng dụng trên hệ thống, EDFA cần một số các dịch vụ và kênh giám sát, theo dõi làm cho chúng trở nên linh hoạt và mềm dẻo đối với các trạm lặp ở xa. Các bộ khuếch đại quang ở đây có thể được dùng làm các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát hoặc đóng vai trò như bộ tiền khuếch đại ở đầu thu hay làm khuếch đại trung gian ( trạm lặp) trên đường truyền quang. Khi là bộ khuếch đại công suất ở phía phát thì công suất là 16 dB, và khi là tiền khuếch đại, độ nhạy ở phía thu đạt được là (-41dB). EDFA có thể thay thế các trạm lặp thông thường trên đường trên và có những đặc điểm sau: EDFA không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi (bộ biến đổi O/E và E/O). Như vậy mạch sẽ trở nên linh hoạt hơn. EDFA có cấu trúc rất nhỏ nên có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm. Như vậy sẽ làm cho hệ thống trở nên linh hoạt hơn. Công suất nguồn nuôi nhỏ nên khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang vượt biển, cáp sẽ có cấu trúc nhỏ và nhẹ hơn cáp thông thường. Hạ giá thành của hệ thống do cấu trúc đơn giản của EDFA, cáp có trọng lượng nhỏ, kéo dài khoảng lặp và nâng cao dung lượng truyền dẫn. ở hình 5.7 biểu diễn một hệ thống truyền dẫn quang có tốc độ 2,5Gbit/s với cự ly 318km có sử dụng EDFA. Các nhà khai thác rất quan tâm tới khả năng kinh tế của EDFA. Như ta đã biết các kênh hoạt động ở bước sóng 1550nm thì có thể đạt tốc độ lên đến 2,5Gbit/s. Vì EDFA có khả năng khuếch đại nhiều bước sóng trong cùng một sợi cho nên có khả năng tăng dung lượng tốc độ khi sử dụng kỹ thuật ghép bước sóng quang (WDM) tới 10 đến 20Gbit/s. Như vậy EDFA có thể thay thể cho nhiều trạm lặp (mỗi trạm lặp thông thường chỉ khuếch đại một bước sóng) đồng thời tại một kênh có thể dùng kỹ thuật WDM. Đối với mạng nội hạt thì khuếch đại quang được dùng để phục hồi tín hiệu bị suy hao khi đi qua các bộ rẽ quang, bộ lọc. Hiện nay cáp truyền hình (CATV) được sử dụng trong cự ly khoảng 10 đến 20km. Chất lượng phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn, với việc áp dụng các bộ khuếch đại quang thì cự ly này có thể lên tới 40km vì cáp truyền hình truyền dẫn tín hiệu tương tự nên nó yêu cầu cao về tạp âm và méo tín hiệu. EDFA có thể thoả mãn yêu cầu đó của cáp truyền hình với phổ khuếch đại phẳng, công suất bão hoà cao, tạp âm và mức xuyên âm thấp. Tính ưu việt của bộ khuếch đại quang sợi EDFA thể hiện rõ nét trong hệ thống quang biển. Khả năng ứng dụng của khuếch đại quang vào hệ thống cáp quang dưới biển đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu trong nhiều năm nay. Ta đã biết rằng khi tăng tốc độ bít trong hệ thống cáp quang dưới biển đòi hỏi phải thiết kế trạm lặp và thiết bị đầu cuối. Nhưng nếu sử dụng trong hệ thống khuếch đại quang thì chỉ có thiết bị đầu cuối trên mặt đất là phải cải tiến còn lại phần cáp quang biển thì vẫn giữ nguyên. Điều này đã làm cho cáp quang biển trở nên “mềm dẻo” hơn khi thiết kế và vận hành. Chương V Kỹ thuật ghép kênh quang Trong kỹ thuật truyền dẫn số, chúng ta đã quen với kỹ thuật ghép kênh tín hiệu điện, các luồng tín hiệu ở cấp thấp sẽ được ghép lại với nhau để tạo nên các luồng tín hiệu cấp cao hơn. Trong vài năm trờ lại đây, công nghệ thông tin quan đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể. Trong nhưng tiến bộ đã đạt được, phải kể đến kỹ thuật ghép kênh quang, nó thực hiện ghép các tín hiệu ánh sáng để truyền trên sợi dẫn quang. ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có một quá trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức nào đó người ta đã thấy các hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc đột ruyền dẫn. Khi tốc độ đạt tới hàng chực Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực ký hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao. Do đó, kỹ thuật ghép kênh quang đã ra đời cùng khắc phục được nhứng hạn chế trên. Các phần tử quang trọng thiết bị sẽ đóng vai trò chủ đạo trong việc thay thế hoạt động của các phần tử điện ở các vị trí xung yếu đòi hỏi kỹ thuật sử lý tín hiệu nhanh. Kỹ thuật ghép kênh quang là ghép bước sóng quang (WDM - Wavelenghth Division Multiplexing), ghép kênh quang theo tần số (OFDM - Optical Frequency Division Multiplexing) và ghép kênh quang theo thời gian (OTDM - Optical Time Division Multiplexing). 5.1. Kỹ thuật ghép bước sóng quang Quan niệm về ghép bước sóng quang WDM tới bây giờ không còn mới nữa, người ta đã có ý tưởng từ năm 1958 (3.1). cho tới năm 1977, khi mà công nghệ quang sợi bắt đầu có nhiều tiến bộ thì người ta mới có được giải pháp thực tế đầu tiên. Sau đó ít thời gian, vào đầu thập niên 80, các thiết bị ghép bước sóng quang đã được thương mại hoá. Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu. Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang xác định riêng biệt, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Như vậy, muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang. ở đây kỹ thuật ghép bước sóng quang sẽ cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bít đường truyền và cùng không dùng thêm sợi dẫn quang; nó đã thực hiện truyền các luồng ánh sáng với các bước sóng khách nhau trên cùng một sợi. Lý do là ở chỗ, các nguồn phát có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống thông tin quang thông thường chỉ sử dụng phần rất nhỏ bằng tần truyền dẫn của sợi sẵn có. Nhiều vùng phổ có thể sử dụng để truyền tín hiệu. Lý tưởng thì có thể truyền một dung lượng khổng lồ kênh trên một sợi quang từ nhiều nguồn phát quang khác nhau hoạt động ở các bước sóng cách nhau một cách hợp lý. ở đầu thu có thể thực hiện thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng khác nhau này. 5.1.1. Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh hoạ như hình 5.1. Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau l1. l2, l3, l4, ......... lj, ....., ln. Các tín hiệu quang ở các bước sóng khách nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi dẫn quang. Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh; bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi được ghép sẽ được truyền dọc theo sợi để tới phía thu. Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng ta qua bộ giải ghép bước sóng. Các hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang WDM như ở hình 5.2. Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng như hình 5.2a) là kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi quang ở đầu kia. Phương án truyền dẫn WDM hai hướng như ở hình 5.2b) thì không qui định phát ở một đầu và thu ở một đầu; điều này có nghĩa là có thể phát thông tin theo một hướng tại các bước sóng l1 và đồng thời cũng phát thông tin khác theo hướng ngược lại tại bước sóng l2. Hình 5.1. Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng MUX MUX dmux Hình 5.2. Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng a, và theo hai hướng b) l1 l2 Một sợi Thiết bị WDM Nguồn l1 Nguồn l2 Nguồn lN Kênh 1 Kênh 2 Kênh N Thiết bị WDM Thu l1 Thu l2 Thu lN Kênh 1 Kênh 2 Kênh N l1, l2…lN Nguồn l1 Nguồn l2 Kênh vào Kênh ra Thiết bị WDM Một sợi Thiết bị WDM Thu l2 Nguồn l1 Kênh ra Kênh vào Để thực hiện một hệ thống WDM theo một hướng, thì cần phải có bộ ghép kênh ở đầu phá để kết hợp với các tín hiệu quang từ các nguồn phát quang khác nhau đưa vào một sợi dẫn quang chung. Tại đầu thu, cần phải có bộ giải ghép kênh để thực hiện tách các kênh quang tương ứng. Nhìn chung, các tín hiệu quang không được phát một lượng công suất đáng kể nào ở ngoài độ rộng phổ kênh đã định trước của chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh là không đang lưu tâm ở đầu phát. Vấn đề đáng lưu tâm ở đây là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép ít bị suy hao. Đối với bộ giải ghép kênh, vì các bộ tách sóng quang thường nhạy cảm trên cả một vùng rộng các bước sóng cho nên nó có thể thu được toàn bộ các bước sóng được phát đi. Như vậy để ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có biện pháp cách ly tốt các kênh quang. Để thực hiện điều này, cần thiết kế các bộ giải ghép thuật chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định có bước sóng cắt chính xác. Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép bước sóng nào cũng có thể dùng làm bộ giải ghép bước sóng. Như vậy, hiểu đơn giản, từ “bộ ghép - Multiplexer” trong trương hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để tương thích caho cả bộ ghép và bộ giải ghép; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hia chức năng. Vì vậy rõ ràng rằng, khi các luồng tín hiệu quang được giải ghép ở phía thu thì bộ ghép kênh trở thành bộ giải ghép và ngược lại. Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành ba loại; các bộ ghép (MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ ghép và giải ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX). Các bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương án truyền dẫn theo một hướng còn loại thứ ba (MUX-DEMUX) được sử dụng cho phương án truyền dẫn theo hai hướng. Hình 5.3 là sơ đồ miêu tả thiết bị ghải ghép và ghải ghép hồn hợp. Việc mô tả phân tích chính xác thiết bị ghép phải dựa trên ma trận chuyển đổi đối với các phần tr của ma trận là Aị(x). Các phần từ này là các hệ số phụ thuộc vào các bước sóng, nó biểu thị các tín hiệu quang đi vào cửa thứ i và ra cửa thứ j. Cách tiếp cận phân tích này khá phức tạp khi áp dụng để thiết kế và phân tích các hệ thống WDM. Hình 5.3. Mô tả thiết bị ghép giải ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX) Ik(lk) Ii(li) Sợi dẫn quang O(lk) O(li) Các tín hiệu được giải ghép Các tín hiệu được ghép 5.1.2. Các tham số cơ bản. Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính của các bộ ghép giải ghép hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh. Để đơn giản, ta hãy phân biệt ra thành thiết bị hai hướng (bộ ghép - giải ghép hỗn hợp như ở hình 5.3). Các kỹ hiệu 1(lj) và O(lj) là tín hiệu đầu vào được ghép và cửa thứ k, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k. Kỹ hiệu Oi(lj) là tín hiệu có bước sóng li đã được giải ghép và đi ra cửa thứ i. Bây giờ ta xem xét các thông số: - Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyéen có thêm các thiết bị ghép bước sóng quang WDM. Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao bản thân các thiết bị ghép gây ra. Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyền phải tính cho vài dB ở mỗi đầu. Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ ghép coupler chung, nhưng cần lưu ý ở WDM là xét cho một bước sóng đặc trưng. MUX (5-1) DEMUX (5-2) Với Li là suy hào (tại bước sóng li) khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn. Các tham số này luôn phải được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị. - Xuyên kênh mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này được ghép sang kênh khác. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc và trường hợp áp dụng. Nhưng nhìn chung, phải đảm bảo nhở hơn (-30dB) trong mọi trường hợp. - Trong một bộ giải ghép kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng li sang các kênh khác có bước sóng khác với li. Nhưng trong thực tế, luôn luồn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, và làm giảm chất lượng truyền dẫn của thiết bị. Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB như sau: Di(lk) = -10log[Ui(lk)/I(lk)]. Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ giải ghép kênh ở hình 5.4a) thì Ui(lk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng lk do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng li. Trong thiết bị ghép-giải ghép hỗn hợp như ở hình 5.4b), việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng như bộ giải ghép. ở trường hợp này, phải xem xét cả hai loại xuyên kênh. “Xuyên kênh dầu xa” là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I(lk) sinh ra Ui(lk). “ Xuyên kênh dầu gần” là do các kênh khác ổ dầu dầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị, như Ui(lj). Khi cho ra các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị. Hình 5.4. Xuyên kênh a) ở bộ giải ghép kênh và b) ở bộ ghép-giải hỗn hợp Sợi quang Oi(li)+Ui(lk)+Ui(lj) Sợi quang I(li)…..I(lk) DEMUX Oi(li) + Ui(lk) lj lk I(li)…..I(lk) O(lj) Ii(li) Độ rộng kênh là dải bước sóng mà nó đinh ra cho từng nguồn phát quang riêng. Nếu nguồn phát quang là các diôt laser thì các độ rộng kênh được yêu cầu vào khoảng vài chúc nanomet để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra, (ví dụ như khi nhiệt độ làm việc thay đổi sẽ làm trôi bước sóng đỉnh hoạt động). Đối với nguồn phát quang là điot phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi vì độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn. 5.1.3. Các thiết bị ghép bước sóng quang WDM Thiết bị ghép bước sóng quang rất đa dạng, nhưng có thể phân chúng ra như hình 5.5[11]. Trong phân loại này, ta chú ý tối các thiết bị hoạt động theo phương pháp thụ động. Hình 5.5. Phân cấp các thiết bị WDM Thiết bị WDM Thiết bị vi quang Phân tán góc Phân tán vật liệu Thụ động Ghép sợi Thiết bị có bộ lọc Cách từ Thiết bị quang tổ hợp Các thiết bị khác Phi tuyến Giao thoa Phân cực Tích cực Các nguồn phát quang và các bộ tách sóng quang nhiều bước sóng Để xem xét các thiết bị WDM, sau đây chủ yêu chúng ta lấy bộ giải ghép kênh bước sóng để phân tích, bởi vì nguyên lý các thiết bị WDM có tính thuận nghịch về cấu trúc, như vậy hoạt động của các bộ ghép kênh cũng được giải thích cùng kiểu bằng cách đơn thuần là thay đổi hướng tín hiệu đầu vào và đầu ra. Các bộ giải ghép (hay các bộ ghép) được chia ra làm hai loại chính theo công nghệ chế tạo là: Thiết bị WDM vi quang Thiết bị WDM ghép sợi ở loại thứ nhất, việc tách ghép kênh dựa trên cơ sở lấp ráp các thành phần vi quang. Các thiết bị này được thiết kế chủ yếu sử dụng cho các tuyến thông tin quang dùng sợi da mode. Chúng có những hạn chế đối với sợi dẫn quang đơn mode. Loại thứ hai dựa vào việc ghép giữa các trường lan truyền trong các lõi sợi kề nhau. Kỹ thuật này phù hợp với các tuyến sử dụng sợi đơn mode. 5.1.3.1. Các thiết bị WDM vi quang Các thiết bị WDM vi quang được chế tạo dựa trên hai phương pháp công nghệ khác nhau là: các thiết bị có bộ lọc và các thiết bị phân tán góc. Sơ đồ hoạt động của hai loại này được mô tả như ở hình 5.6. Thiết bị lọc chỉ hoạt động mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm các bước sóng) tại một thời điểm, nhằm để tách ra được một bước sóng trong nhiều bước sóng. Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh, người ta phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng. Còn cầu trúc phân tán góc lại đồng thời đưa ra tất cả các bước sóng. Hình 5.6. Nguyên lý hoạt động của thiết bị WDM với cấu trúc sử dụng a) Bộ lọc giao thoa và b) Các phần tử phân tán góc Thiết bị phân tán l1 ln l1……..ln l1……..ln l2……..ln l1 Bộ lọc Thành phần tử cơ bản để thực hiện thiết bị WDM có bộ lọc là bộ lọc điện môi giao thoa, nó có cấu trúc đa lớp gồm các màng mỏng có chỉ số chiết suất cao và thấp đạt xen kẽ nhau. Hầu hết các bộ lọc giao thoa làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot, gồm hai gương phản xa thành phần đặt song song cách nhau bởi một lớp điện môi trong suốt. Khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa sẽ tạo ra những phản xã nhiều lần trong hốc. Nếu độ dày của khoảng cách là một số nguyên lần nửa bước sóng của chùm sang tói, thì giao thoa xảy ra và bước sóng đó sẽ được truyền dẫn thông suốt nhất. Đường cong phổ tủyền dẫn cho thiết bị hoạt động. ở đây, các chùm ánh sáng ở các bước sóng khác trong buồn cộng hưởng hầu như bị phản xạ hoàn toàn. Trong các bộ lọc của thiết bị WDM, các gương là các bỏ bọc nhiều lớp được đặt ở trên các lớp điện môi phân các trong suốt như hình 5.7 Hình 4.9. Cấu trúc của buồng Fabry-Perot điện môi. Lớp phân cách trong suốt Chiết suất cao Chiết suất thấp Các bộ lọc màng mỏng thường có độ dày bằng một phần tư bước sóng truyền dẫn lớn nhất. Chúng được cấu tạo từ các màng mỏng có chỉ số chiết suất thâp (như MgF2 có n=1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46) và các màng có chỉ số chiết suất cao (TiO2 có n = 2,2) đặt xen kẽ nhau. Theo đặc tính phổ thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành hai họ. - Các bộ lọc cắt chuẩn được đặc trưng bởi tần số cắt lc và có đáp ứng phổ thông thấp hoặc thông cao (hình 4.10a) và b)). - Các bộ lọc bằng thông được đặc trưng bởi bước sóng trung tâm bằng lo và độ rộng bằng Dl hình 4.10 c). Các bộ cắt chuẩn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hai kênh để kết hợp (hoặc tách) hai bước sóng hoàn toàn phân cách, như 850nm và 1300nm, hoặc 1300nm và 1550nm. Các thiết bị này được sử dụng khá hiệu quả cho cả các nguồn có phổ rộng (như LED chẳng hạn). Hình 5.8. Các đặc tính phổ truyền dẫn của các bộ lọc giao thoa cắt (a) (b) và bằng thông (c) Các bộ lọc băng thông được sử dụng tốt cho các thiết bị WDM, nó rất phù hợp với các nguồn phát có phổ hẹp như laser. Hơn thế nữa, nó cho phép sử dụng khi có sự dịch bước sóng của nguồn phát do ảnh hưởng của nhiệt độ, vì vậy mà đường cong phổ truyền dẫn của bộ lọc bằng thông (như hình 5.8c) phải có dạng vuồn vắn, có vùng xung quanh bước sóng trung tâm phẳng. Cạnh của đường cong phổ truyền dẫn phải càng sắc nét càng tốt để ngăn ngừa xuyên kênh từ các kênh lân cận. Cấu trúc cơ bản của bộ giải ghép hai kênh như ở hình 5.9a), trong khi đo việc thực hiện trên thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như hình 5.9b) [10]. Các phần tử chuẩn trực và hội tụ là các lăng kính GRIN-rod 1/4 bước. Bộ lọc được thiết kế để phát đi l1 và phản xạ l2 sẽ được đặt giữa hai lăng kính. Các thiết bị giải ghép này có sẵn trên thị trường thương mại và được sử dụng rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bước sóng 850nm và 1300nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bước sóng (như 800nm và 830nm; 1200nm và 1300nm và 1550nm vv..). Với suy hao xen nhỏ hơn 3dB (cho mỗi cặp) và suy hao xuyên kênh cao hơn 25dB. Hình 5.9. Cấu trúc Bộ giải ghép 2 kênh sử dụng bộ lọc giao thoa. Cấu hình cơ bản và b) bộ giải ghép sử dụng hia lăng kính 1/4 bước GRIN-rod. Sợi quang Thấu kính Kính lọc l1 l2 Lăng kính Grin (1/4 p) Bộ lọc l1 l1,l2 Các thiết bị WDM có nhiều hơn 2 kênh sẽ được cấu tạo dựa trên cấu hình bộ lọc tầng. ở đây mỗi một bước trong tầng sẽ lựa chọn một bước sóng, hình 5.10 minh hoạ về thiết bị này. Hình 5.10. Cấu trúc cơ bản của một bộ giải ghép giao thoa nhiều kênh. l1,……ln l1 l3 l2 l4 Bộ lọc l1 Đôi khi, có thể thực hiện tạo ra bộ giải ghép mà không cần sử dụng đến các phần tử chuẩn trực. Ví dụ ở hình 5.11, thiết bị không có lăng kính, mà các bộ lọc giao thoa ở đây được đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi được đánh bóng. Hình 5.12. Cấu trúc cơ bản của bộ giải ghép nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn trực tiếp vào sợi. Bộ lọc Sợi quang l1 l2 l3 l1,…l4 l4 Một kỹ thuật vi quang khác để tách các bước sóng khác nhau khá tin cậy là phương pháp sử dụng các phần tử phân tán góc như đã chỉ ra hình 4.7b). Chùm tín hiệu quang dầu vào chuẩn trực sẽ đạp vào thiết bị phân tán, thiết bị phân tán sẽ tách ra các kênh khác nhau tuỳ theo bước sóng của chúng thành các chùm hướng theo các góc khác nhau. Các chùm đầu ra đã được tách sẽ được hội tụ nhờ một hoặc một số các lăng kính và được đưa vào cacs sợi dẫn quang riêng rẽ. Các phần tử phân tán góc được sử dụng trong thiết bị WDM hấu hết là cách tử nhiễu xạ. Các thiết bị WDM sử dụng các cách tử này có thể được thiết kế theo hai kiểu cấu trúc cơ bản là: Cách tử tuyến tính kết hợp với các phần tử hội tụ. Cách tử tự hội tụ. Các nguyên lý hoạt động của các cấu trúc này như ở hình 5.13 và 5.14. Trường hợp thứ nhất, cấu hình theo kiểu Littrow (như ở hình 5.15) được sử dụng nhiều bởi vì cấu trúc của nó chỉ có một lăng kính, và nó giảm tới mức tối thiểu tính astimatic (tính loạn thị) của hệ thống. Bộ giải ghép Litrow đặc có cấu trúc sử dụng các lăng kính GRIN-rod 1/4 bước; ở đây cách tử được đặt với một góc thích hợp tại đầu của lăng kính. Hình 5.13. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cách tử nhiễu xạ planar. Hình 5.15. Bộ giải ghép Litrow: a) Cấu trúc thực tế sử dụng lăng kính GRIN-rod của bộ giải ghép 2 lần Hình 5.14. Sơ đồ cấu trúc tự hội tụ sử dụng cách tử lòng chảo. Một cấu trúc nữa có sử dụng cách tử nhiễu xạ phẳng và gương lòng chảo được chỉ ra như ở hình 5.16. Trong cấu trúc này, cách tử cùng ở trong dạng cấu hình Littrow. Các sợi dẫn quang vào và ra sẽ đi qua một lỗ trống ở tâm của cách tử. Các chùm sáng phát ra từ sợi đầu vào sẽ được chuẩn trực nhờ gương lòng chảo và sẽ được các cách tử phân tán theo góc, và cuối cùng chúng lại được gương hội tụ để đưa vào sợi đầu ra. Hình 5.16. Bộ giải ghép sử dụng cách tử nhiễu xạ planar và gương lòng chảo. 5.1.3.2 Các thiết bị WDM ghép sợi Như trên đã xét, ta biết rằng các thiết bị vi quang đã được sử dụng rộng rãi cho các loại sợi đa mode, nhưng lại rất khó để sử dụng cho sợi đơn mode bởi vì quá trình sử lý chùm ánh sáng phải qua các giai đoạn như phản xạ, chuẩn trực, hội tụ v.v... từ đó dẫn tới quang sai và các vấn đề trễ khác tạo ra suy hao tính hiệu quá lớn ở trong thiết bị. Hiện nay,