tkmh quang(chuẩn)

TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG

MỤC LỤC

1


CHƯƠNG I. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA SỢI QUANG

1.Cấu tạo cơ bản sợi quang

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:

- Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh có chiết suấtn1, được gọi là lõi (core) sợi.

- Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc (cladding), có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2 < n1.

Cấu trúc tổng quát này được minh họa ở hình 1.1

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản sợi quang, gồm lõi (core) và lớp bọc (cladding)

Ánh sáng truyền từ đầu này đến đầu kia sợi quang bằng cách phản xạ toàn phần tại mặt ngăn cách giữa lõi-lớp bọc, và được định hướng trong lõi.

Hình 1.2 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang

2.Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang

Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thống thông tin quang, bao gồm:

Suy hao

Tán sắc

2


Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang.

Tuy nhiên, đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này cũng khác nhau. Ví dụ:

Ðối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao.

Ðối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao và tán sắc.

Ðối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài

Hai yếu tố trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến.

Trong phần này chúng ta sẽ tập trung khảo sát chi tiết các hiện tượng suy hao và tán sắc.

2.1 Suy hao

Suy hao trên sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Ảnh hưởng của nó có thể được tính như sau: công suất ngõ ra Pout ở cuối sợi quang có chiều dài L có liên hệ với công suất ngõ vào như sau:

Pout = Pine-αL

với α là suy hao sợi quang.

Hình 1.3 Khái niệm suy hao trong sợi quang

Thường suy hao được tính theo đơn vị là dB/Km, vì vậy suy hao α dBdB/Km có nghĩa là tỉ số Pout trên Pin đối với L = 1 Km thỏa mãn:

10 log10

Pout

P¿=−αdB

3


Thường thì suy hao sợi được gán giá trị dương do đó tổng quát hệ số suy hao được xác định bằng công thức như sau:

α (dB / km) = 10L

logP¿

Pout

Các nguyên nhân chính gây ra suy hao là: do hấp thụ, do tán xạ tuyến tính và do uốn cong.

2.1.1 Suy hao do hấp thụ

Bao gồm hấp thụ của bản thân vật liệu chế tạo sợi, còn gọi là tự hấp thụ, và hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi không tinh khiết.

Hiện tượng hấp thụ do tạp chất

Nếu vật liệu chế tạo thuần túy tinh khiết thì ánh sáng truyền qua không bị suy hao. Thực tế, vật liệu chế tạo hoàn toàn không tinh khiết, mà lẫn các ion kim loại (Fe, Cu, Cr, ...), và đặc biệt là các ion OH - của nước (H2O).

- Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại.

Các hệ thống thông tin quang hiện nay chủ yếu làm việc ở cửa sổ thứ 2 (λ2= 1300 nm) và cửa sổ 3 (λ3= 1550 nm). Nhưng ở hai cửa sổ này ánh sáng lại rất nhạy cảm với sự không tinh khiết của vật liệu. Mức độ hấp thụ phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng làm việc. Chẳng hạn, nếu nồng độ tạp chất

khoảng vài phần triệu (10-6) thì αkhoảng vài dB/Km; muốn α<

1dB/Km thì nồng độ tạp chất phải là 10-8 Và với công nghệ chế tạo sợi hiện nay đều này không còn lo ngại nữa.

- Sự hấp thụ của ion OH-

Sự có mặt của ion OH - trong sợi quang góp phần tạo ra suy hao đáng kể. Ðặc biệt, độ hấp thụ tăng vọt ở ba bước sóng: 950 nm, 1240 nm, và 1380 nm. Ví dụ: nếu nồng độ

ion OH - bằng 10-6 thì α ≈40 dB/Km. Và nồng độ cho phép

của ion OH- trong chế tạo sợi là < 10-9 (một phần tỷ).

4


Hiện tượng tự hấp thụ

Các nguyên tử của vật liệu chế tạo sợi cũng phản ứng với ánh sáng theo đặc tính chọn lọc bước sóng. Tức là, vật liệu cơ bản chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng qua tự do trong một dải bước sóng xác định với suy hao rất nhỏ hoặc hầu như không suy hao. Còn ở một số bước sóng nhất định sẽ có hiện tương cộng hưởng quang, quang năng bị hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt năng.

2.1.2 Suy hao do tán xạ tuyến tính

Tán xạ tuyến tính trong sợi quang là do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi sợi, có thể là những thay đổi nhỏ trong vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi. Ngoài ra, do thuỷ tinh được tạo ra từ các loại oxit như: SiO2, GeO2, P2O5 nên có thể xảy ra sự thay đổi thành phần giữa chúng. Hai yếu tố này làm tăng sự thay đổi chiết suất, tạo ra tán xạ. Tán xạ tuyến tính làm cho năng lượng quang từ một mốt lan truyền được truyền tuyến tính (tỉ lệ thuận với công suất mốt) sang một mốt khác. Quá trình này làm suy hao công suất quang được truyền đi vì công suất được truyền sang một mốt rò hay mốt bức xạ (leaky or radiation mode) là những mốt không tiếp tục lan truyền trong lõi sợi quang mà bức xạ ra khỏi sợi. Tán xạ tuyến tính sẽ không làm thay đổi tần số tán xạ. Tán xạ tuyến tính thường được phân thành hai loại: tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie.

2.1.3 Suy hao do uốn cong

Suy hao của sợi quang một cách tổng quát được phân làm hai loại: suy hao bên trong và suy hao bên ngoài. Suy hao bên trong (gồm suy hao hấp thụ, suy hao do tán xạ mà ta đã xét ở trên) thuộc về bản chất của sợi quang do quá trình chế tạo, công nghệ chế tạo mà ra. Suy hao bên ngoài không thuộc về bản chất của sợi, là suy hao do uốn cong khi vận hành, sử dụng sợi trên thực tế.

Suy hao uốn cong gồm có hai loại:

- Uốn cong vi mô: là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, trường hợp này thường xảy ra khi sợi được bọc thành cáp.

5


- Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong lớn hơn hoặc tương đương đường kính sợi.

Khi ánh sáng tới chổ sợi quang bị uốn cong, một phần ánh sáng sẽ ra ngoài lớp bọc. Sợi bị uốn cong ít, chỉ một phần nhỏ ánh sáng lọt ra ngoài. Sợi càng bị uốn cong suy hao càng tăng.

2.1.4 Suy hao và dải thông

Dải thông có thể được xác định bằng Δλ hoặc Δf. Chúng liên hệ với nhau bởi phương trình:

∆ f ≈c

λ2∆ λ

Phương trình này có thể rút ra từ quan hệ f = c/λ. Xét các bước sóng 1.3 và 1.5 µm, đây là các bước sóng cơ bản của hệ thống thông tin quang ngày nay, dải thông hữu ích có thể được tính dựa trên suy hao dB trên km trong hệ số 2, được xấp xỉ 80 nm ở bước sóng 1.3 µm và 180 nm ở bước sóng 1.55 µm. Trong tần số quang, dải thông này lên đến khoảng 35000 GHz. Ðây là một dải thông rất lớn, trong khi đó tốc độ bit cần cho các ứng dụng ngày nay không vượt quá vài chục Mbps.

Dải thông hiệu dụng của sợi quang trong hầu hết các mạng đường dài ngày nay bị giới hạn bởi dải thông bộ khuếch đại EDFA (Erbium Dope Fiber Amplifier). Dựa vào khả năng sẵn có của bộ khuếch đại, suy hao ở bước sóng λ = 1.55 µm được chia làm ba vùng. Vùng ở giữa từ 1530-1565nm là dải C nơi mà hệ thống WDM đã hoạt động sử dụng bộ khuếch đại EDFA thông thường (Conventional). Dải từ 1565-1625 nm, chứa các bước sóng dài hơn trong dải C, được gọi là dải L và được sử dụng trong các hệ thống WDM dung lượng cao ngày nay sử dụng bộ khuếch đại GSEDA (Gain-Shifred Erbium-Doped Amplifier). Dải dưới 1530 nm, gồm những bước sóng ngắn hơn dải C, được gọi là dải S. Bộ khuếch đại quang sợi Raman (Fiber-Raman Amplifier) được sử dụng để khuếch đại dải này.

2.2 Tán sắc

2.2.1 Tán sắc mode

6


Nguyên nhân:Khi phóng ánh sáng vào sợi đa mode, năng lượng ánh

sáng phân thành nhiều mode. Mỗi mode lan truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian lan truyền của chúng trong sợi khác nhau. Chính sự khác nhau về thời gian lan truyền của các mode gây ra tán sắc mode.

Xác định độ tán sắc mode của sợi đa mode SI :

Trong sợi đa mode SI, mọi tia sáng đi với cùng một vận tốc:

v =cn1

2.2.2 Tán sắc vật liệu

Nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu: do sự chênh lệch các vận tốc nhóm của các thành phần phổ khác nhau trong sợi. Nó xảy ra khi vận tốc pha của một sóng phẳng lan truyền trong môi trường điện môi biến đổi không tuyến tính với bước sóng, và một vật liệu được gọi là tồn tại tán sắc chất liệu khi đạo hàm bậc hai của chiết suất theo bước sóng khác không (d2 n/dλ2≠ 0). Ðộ trải rộng xung do tán sắc vật liệu có thể thu được bằng cách khảo sát thời gian trễ nhóm trong sợi quang.

2.2.3 Tán sắc ống dẫn sóng

Ðối với sợi đơn mode, khi nói đến tán sắc sắc thể, ngoài tán sắc vật liệu ta còn phải xét đến tán sắc ống dẫn sóng. Khi ánh sáng được ghép vào sợi quang để truyền đi, một phần chính truyền trong phần lõi sợi, phần nhỏ truyền trong phần lớp vỏ với những vận tốc khác nhau do chiết suất trong phần lõi và vỏ của sợi quang khác nhau, minh họa trên hình 2.31. Sự khác biệt vận tốc truyền ánh sáng gây nên tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc ống dẫn sóng Dwg() cũng là một hàm theo bước sóng.

2.2.4 Tán sắc phân cực mode

Mặc dù ta gọi sợi quang là đơn mốt nhưng trên thực tế nó luôn truyền 2 mốt sóng được gọi chung cùng một tên. Các mốt này là các sóng điện từ được phân cực tuyến tính truyền trong sợi quang trong những mặt phẳng vuông góc với nhau. Nếu chiết suất của sợi quang là không như nhau trên phương truyền của hai mốt trên, hiện tượng tán sắc phân cực

7


mốt xảy ra. Trên thực tế, hằng số lan truyền của mỗi phân cực thay đổi theo chiều dài sợi quang cho nên thời gian trễ trên mỗi đoạn sợi quang là ngẫu nhiên và có xu hướng khử lẫn nhau. Do đó tán sắc phân cực mốt tỉ lệ tuyến tính với căn bậc 2 chiều dài sợi quang.

2.3 Các hiệu ứng phi tuyến

Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất). Các hiện tượng phi tuyến có thể bỏ qua đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động ở mức công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ bit lên đến 2.5 Gbps. Tuy nhiên, ở tốc độ bit cao hơn như 10 Gbps và cao hơn và/hay ở mức công suất truyền dẫn lớn, việc xét các hiệu ứng phi tuyến là rất quan trọng. Trong các hệ thống WDM, các hiệu ứng phi tuyến có thể trở nên quan trọng thậm chí ở công suất và tốc độ bit vừa phải.

Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia ra làm hai loại. Loại thứ nhất phát sinh do tác động qua lại giữa các sóng ánh sáng với các phonon (rung động phân tử) trong môi trường silica- một trong nhiều loại hiệu ứng tán xạ mà chúng ta đã xem xét là tán xạ Rayleigh. Hai hiệu ứng chính trong loại này là tán xạ do kích thích Brillouin (SBS) và tán xạ do kích thích Raman (SRS).

Loại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động, tỉ lệ với bình phương biên độ điện trường. Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng trong loại này là hiệu ứng tự điều pha (SPM - Self-Phase Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - Cross- Phase Modulation) và hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM - Four-Wave Mixing). Loại hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Kerr.

Trong các hiệu ứng tán xạ phi tuyến, năng lượng từ một sóng ánh sáng được chuyển sang một sóng ánh sáng khác có bước sóng dài hơn (hoặc năng lượng thấp hơn). Năng lượng mất đi bị hấp thụ bởi các dao động phân tử hoặc các phonon (loại phonon liên quan đến sự khác nhau giữa SBS và SRS). Sóng thứ hai được gọi là sóng Stokes. Sóng thứ nhất có thể

8


gọi là sóng bơm (Pump) gây ra sự khuếch đại sóng Stokes. Khi sóng bơm truyền trong sợi quang, nó bị mất năng lượng và sóng Stokes nhận thêm năng lượng. Trong trường hợp SBS, sóng bơm là sóng tín hiệu và sóng Stokes là sóng không mong muốn được tạo ra do quá trình tán xạ. Trong trường hợp SRS, sóng bơm là sóng có năng lượng cao và sóng Stokes là sóng tín hiệu được khuếch đại từ sóng bơm.

Trong trường hợp tự điều pha SPM, các xung truyền bị hiện tượng chirp (tần số xung truyền đi thay đổi theo thời gian). Ðiều này làm cho hệ số chirp (chirped factor) trở nên đáng kể ở các mức năng lượng cao. Sự có mặt của hiện tượng chirp làm cho hiệu ứng giãn xung do tán sắc màu tăng lên. Do vậy, chirp xảy ra do SPM (SPM induced chirp) có thể gây tăng độ giãn xung do tán sắc màu trong hệ thống. Ðối với các hệ thống tốc độ bit cao, chirp do SPM có thể làm tăng một cách đáng kể độ giãn xung do tán sắc màu thậm chí ở các mức công suất vừa phải. Ảnh hưởng của SPM không chỉ phụ thuộc vào dấu tham số GVD (Group Velocity Dispersion) mà còn phụ thuộc vào chiều dài của hệ thống.

Trong hệ thống WDM đa kênh, chirp xảy ra trong một kênh phụ thuộc vào sự thay đổi chiết suất theo cường độ của các kênh khác. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - Cross-Phase Modulation). Khi xem xét hiện tượng chirp trong một kênh do sự thay đổi chiết suất theo cường độ của chính kênh đó, ta gọi là hiệu ứng này SPM.

Trong các hệ thống WDM, một hiệu ứng quan trọng khác đó là hiệu ứng trộn bốn bước sóng. Nếu hệ thống WDM bao gồm các tần số f1, f2, …, fn, hiệu ứng trộn bốn bước sóng sinh ra các tín hiệu tại các tần số như là 2fi - fj, và fi + fj - fk. Các tín hiệu mới này gây ra xuyên kênh (crosstalk) với các tín hiệu có sẵn hệ thống. Xuyên kênh này ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng khi khoảng cách giữa các kênh hẹp. Việc giảm tán sắc màu làm tăng xuyên kênh gây ra bởi hiệu ứng trộn bốn bước sóng. Vì vậy, hệ thống sử dụng sợi quang dịch chuyển tán sắc chịu ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn bước sóng nhiều hơn là hệ thống sử dụng sợi đơn mốt. Tuy nhiên

9


hiện tượng này có thể loại bỏ nếu duy trì một ít tán sắc màu trong sợi quang.

Nhìn chung các ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến giảm đi khi sử dụng sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn.

CHƯƠNG II. CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA NGUỒN QUANG

1.Đặc tuyến P-I của nguồn quang

Công suất phát quang là công suất tổng cộng mà nguồn quang phát ra. Công suất phát quang của nguồn quang thay đổi theo dòng điện kích thích và được biểu diễn bằng đặc tuyến P-I.

Hình 2.1 Đặc tuyến P-I của 3 loại nguồn quang: SLED, ELED và Laser

Đặc tuyến P-I của 3 loại nguồn quang SLED, ELED và Laser

10


trên hình 2.1 cho thấy:

Laser chỉ hoạt động ở chế độ phát xạ kích thích khi dòng điện kích thích lớn hơn dòng điện ngưỡng Ith.

So với LED, Laser có công suất phát quang lớn hơn với cùng một dòng điện kích thích (với điều kiện I>Ith).

SLED có công suất phát quang lớn hơn ELED với cùng một dòng điện kích thích. Tuy nhiên, điều này chưa quyết định ánh sáng truyền trong sợi quang do loại nguồn quang nào phát ra thì lớn hơn vì còn phụ thuộc vào hiệu suất ghép quang.

Yêu cầu đối với một nguồn quang lý tưởng là đặc tuyến P-I phải là đường thẳng, tức là công suất phát quang và dòng điện kích thích phải có quan hệ tuyến tính. Khi đó, tín hiệu ánh sáng do nguồn quang được tạo ra không bị méo dạng so với tín hiệu điện. Tuy nhiên, trên thực tế sự tuyến tính trong đặc tuyến P-I chỉ xảy ra tương đối trong một khoảng dòng điện kích thích.

2.Góc phát quang

Công suất ánh sáng do nguồn quang phát ra cực đại ở trục phát và giảm dần theo góc hợp với trục. Góc phát quang được xác định ở mức công suất quang giảm một nữa (3dB) so với mức cực đại.

11


Hình 2.2 Góc phát quang của SLED, ELED và Laser

Hình 2.2 cho thấy, SLED phát ra ánh sáng có dạng Lambertian, nghĩa là phân bố công suất phát quang có dạng:

P = P0. cosθ

với θlà góc giữa hướng quan sát và trục vuông góc với mặt phát xạ. Như vậy, một nữa mức công suất đỉnh đạt được

với θ=60o. Mặt bao của góc phát quang của SLED có dạng

hình nón 120o.

Góc phát quang của ELED chỉ có dạng Lambertian theo

hướng song song với lớp tích cực (2θ=120o). Ở hướng vuông góc với lớp tích cực, góc phát quang giảm đi chỉ còn

30o. Như vậy, góc phát quang của ELED nhỏ hơn so với SLED.

Ánh sáng laser phát ra không có dạng Lambertian. Thay 12


vào đó, mặt bao góc phát quang của Laser có mặt nón có đáy hình elip với:

- Góc theo phương ngang với lớp tích cực: 10o

- Góc theo phương vuông góc với lớp tích cực: 30o

So với LED, Laser có góc phát quang nhỏ, đồng thời công suất phát quang lớn, do đó mật độ năng lượng ánh sáng do laser phát ra lớn rất nhiều so với LED. Năng lượng ánh sáng được tập trung. Vì vậy, cường độ ánh sáng do laser phát ra rất mạnh có thể gây hại mắt. Do đó, các cảnh báo nguy hiểm của ánh sáng laser phải được thực hiện tại các thiết bị quang có nguồn phát laser.

3. Hiệu suất ghép quang

Hiệu suất ghép quang là tỷ số giữa công suất quang ghép vào sợi quang Popt trên công suất phát quang của nguồn quang Ps

η=Pout

Ps

Hiệu suất ghép quang phụ thuộc vào:

- Kích thước vùng phát quang

- Góc phát quang của nguồn quang

- Góc thu nhận (hay NA) của sợi quang

- Vị trí tương đối giữa nguồn quang và sợi quang

- Bước sóng ánh sáng

13


Hình 2.3 Ghép ánh sáng từ nguồn quang vào trong sợi quangHiệu suất ghép quang của một số loại nguồn

quang:- SLED: 1-5%

- ELED: 5-15%

- Laser: + 60% đối với sợi quang đơn mode (SMF)

+ 90% đối với sợi quang đa mode (MMF)

So sánh hiệu suất ghép quang giữa SLED và ELED, ta thấy rằng, dù SLED có công suất phát quang lớn hơn so với ELED nhưng do hiệu suất ghép quang thấp nên công suất ánh sáng thực sự có ích (công suất ánh sáng truyền trong sợi quang) thấp hơn so với ELED.

4.Độ rộng phổ

Nguồn quang phát ra công suất cực đại ở bước sóng trung tâm và giảm dần về hai phía. Độ rộng phổ là khoảng bước sóng mà công suất quang không nhỏ hơn phân nữa mức công suất đỉnh

Độ rộng phổ của nguồn quang là một nguyên nhân gây nên tán sắc trong sợi quang, nhất là đối với các sợi quang đơn mode. Tán sắc lớn sẽ làm hạn chế cự ly và tốc độ bit truyền của tín hiệu quang trong sợi quang. Do đó, yêu cầu về nguồn quang laser đơn tần (single frequency laser) có độ rộng phổ hẹp là rất cần thiết để tăng chất lượng của hệ thống thông tin quang.

Với độ rộng phổ lớn (50-60nm), LED thường chỉ được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng sợi quang đa mode, cự ly truyền dẫn ngắn và tốc độ bit truyền thấp.

Với đặc tính của một laser đa mode MLM có độ rộng phổ từ 2-4nm, laser Fabry Perot được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang SDH, sử dụng sợi quang SMF (G.652), truyền tại bước sóng 1310nm. Do tại bước sóng 1310nm, tán sắc sắc thể đơn vị của sợi quang SMF bằng

14


không nên yêu cầu về độ rộng phổ của nguồn quang không nghiêm ngặt lắm. Tuy nhiên, khi truyền ánh sáng tại bước sóng 1550nm (có suy hao thấp nhất đối với sợi quang bằng thủy tinh) tán sắc sắc thể của sợi SMF khá lớn (20ps/nm.km), tín hiệu quang phát ra từ nguồn quang phải đơn mode và có độ độ rộng phổ rất hẹp. Ngoài ra, trong trong các hệ thống ghép kênh đa bước sóng WDM, với khoảng cách các kênh 50GHz (ITU G.694) độ rộng phổ yêu cầu đối với một nguồn quang phải nhỏ hơn 0.1nm. Laser Fabry-Perot không đáp ứng được các yêu cầu này. Do đó, trong các hệ thống truyền dẫn quang có cự ly dài và dung lượng truyền lớn hiện nay, người ta không sử dụng laser Fabry-Perot. Thay vào đó là các nguồn quang bán dẫn đơn mode (SLM – Single Longitudinal Mode) có độ rộng phổ nhỏ như laser hồi tiếp phân bố (DFB), laser hốc cộng hưởng ghép …

4.1 Thời gian lên (rise time)

Thời gian lên là thời gian để công suất quang ở ngõ ra của nguồn quang tăng từ 10% đến 90% mức công suất ổn định khi có xung dòng điện kích thích nguồn quang

Thời gian lên ảnh hưởng đến tốc độ bit của tín hiệu điều chế. Muốn điều chế ở tốc độ bit càng cao thì nguồn quang phải có thời gian chuyển càng nhanh. Thời gian chuyển của Laser (không quá 1 ns) rất nhanh so với LED (2–50 ns tùy loại). Do đó, laser thường được sử dụng làm nguồn quang trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao.

4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi nhiệt độ thay đổi, chất lượng của nguồn quang bị ảnh hưởng. Nó làm thay đổi các tính chất của nguồn quang như bước sóng phát quang và công suất phát quang. Ảnh hưởng của nhiệt độ xảy nhiều hơn với laser hơn là LED.

Bước sóng phát quang thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Đối với laser đơn mode, độ dịch chuyển mode thay đổi trong

khoảng 0.05 – 0.08 nm/oK suy ra ảnh hưởng lớn đến hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo bước sóng

15


(WDM) khi các laser đơn mode được sử dụng làm nguồn quang.

Dòng ngưỡng của Laser thay đổi khi nhiệt độ thay đổi (hình 3.28). Khi nhiệt độ tăng, giá trị của dòng ngưỡng tăng. Do đó, nếu dòng điện phân cực cho laser không đổi, khi nhiệt độ tăng, công suất phát quang của laser giảm (theo đặc tuyến P-I của laser). Laser có thể không hoạt động được nếu dòng điện cung cấp nhỏ hơn dòng điện ngưỡng tăng lên do nhiệt độ tăng.

Hình 2.4 Dòng điện ngưỡng Ith của laser thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của mật độ dòng điện ngưỡng có thể được biểu diễn gần đúng như sau:

Jth ∞ exp (T/T 0)

Trong đó, T là nhiệt độ tuyệt đối của linh kiện, T 0 là hệ số nhiệt độ nguỡng cho biết ảnh hưởng của nhiệt đối với dòng ngưỡng. T 0 sự phụ thuộc vào chất lượng của laser, cấu trúc của laser và loại vật liệu chế tạo.

Đối với laser được chế tạo bởi AlGaAs, T 0 nằm trong khoảng

từ 120 -190oK,

Đối với laser được chế tạo bởi InGaAsP, T 0 nằm trong khoảng

16


từ 40 - 75oK,

Ví dụ: So sánh tỷ số mật độ dòng điện ngưỡng tại 20oC và

80oC đối với laser AlGaAs có To = 160oK và laser InGaAsP có

To = 55oK

Đối với laser AlGaAs:

Jth (200C) ∞exp (293/160) = 6,24

Jth (800C) ∞exp (353/160) = 9,08

Vậy tỷ số mật độ dòng điện ngưỡng

20oC và 80oC là:

Jth (800C)/Jth (200C) = 9,08/6,24 = 1,46

Đối với laser InGaAsP:

Jth (200C) ∞exp (293/55) = 205,88

Jth (800C) ∞exp (353/55) = 612,89

Vậy tỷ số mật độ dòng điện ngưỡng 20oC và 80oC là:

Jth (800C)/Jth (200C) = 612,89/205,88 = 2,98

So sánh hai trường hợp ta thấy, nhiệt độ ảnh hưởng nhiều đối với các laser được chế tạo bằng InGaAsP (đuợc sử dụng trong các laser phát ra ánh sáng có bước sóng dài nằm trong hai cửa sổ bước sóng 1300nm và 1550nm) so với các laser được chế tạo bằng AlGaAs (đuợc sử dụng trong các laser phát ra ánh sáng nằm trong cửa sổ bước sóng 850nm)

Do vậy, cần phải ổn định nhiệt cho Laser. Trong thực tế, laser thường được chế tạo dưới dạng module, bao gồm các thành phần ổn định nhiệt cho Laser.

17


CHƯƠNG III:BỘ TÁCH SÓNG QUANG

1.Bộ tách sóng photo diode PIN

- Đây là bộ tách sóng quang được sử dụng rộng rãi nhất. Một photo diode thông thường có cấu trúc gồm các vùng p và n cách nhau bởi một vùng i. Để thiết bị hoạt động thì phải cấp một thiên áp ngược cho nó. Trong chế độ hoạt động bình thường, thiên áp ngược đủ lớn được đặt cắt ngang thiết bị để cho vùng bên trong đảm bảo hoàn toàn trôi được các hạt mang.

- Do cấu trúc cơ bản bên trong của nó, lớp i nằm ở giữa có trở kháng cao và hầu hết điện áp đặt vào phần ngang của nó. Kết quả là có một điện trường lớn tồn tại trong lớp i. Khi có một photon đi tới mà mang một năng lượng lớn hơn (hoặc bằng) với năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo photo diode, photon này có thể bỏ ra năng lượng của nó và kích thích một điện tử vùng hóa trị sang vùng dẫn. Qúa trình này sẽ phát ra các cặp điện tử-lỗ trống tự do, các cặp này chủ yếu được phát ra

18


trong vùng trôi và được gọi là các hạt mang photo hoắc các hạt điện tử photo.

- Sự phát ánh sang được hấp thụ trong vật liệu tương ứng với một hàm mũ sau đây:

P(x) = P¿(1 - eα s ( λ ) x)Trong đó:

α s là hệ số hấp thụ tại bước sóng λ.P¿ là mức công suất quang tới photo diode.P(x) là công suất quang được hấp thụ ở cự ly x.

Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào một vài loại vật liệu bán dẫn thường được sử dụng để chế tạo photo diode. Bước sóng cắt phía trên α c mà tại đó α bằng không được gọi là bước song cắt, từ đó vật liêu có thể sử dụng cho bộ tách sóng khi ¿ λc. Bước sóng cắt trên được xác định từ năng lượng dải cấm Eg của vật liệu. Khi Eg được diễn giải bằng đơn vị Vôn (Ev) và λc được tính bằng micromet ¿m) thì ta có :

λc = hcEg

= 1.24Eg

Với c là vận tốc ánh sáng, h là hằng số Planck. Bước sóng cắt của Si vào khoảng 1.06 μm và của Ge khoảng 1.6 μm. Đối với bước sóng dài hơn, năng lượng của photon không đủ để kích thích điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn. Đối với bước sóng ngắn hơn, đáp ứng của photo sẽ cắt xuống vì thế giá trị của α s tại bước sóng ngắn hơn là rất lớn. Trong trường hợp này các photo diode được hấp thụ rất gần với bề mặt của bộ tách sóng quang, nơi mà thời gian tái hợp của các cặp điện tử-lỗ trống là rất ngắn.

Nếu như vùng trôi có độ rộng w, công suất tổng được hấp thụ ở cự ly w sẽ là :

Khi tính đến sự phản xạ của R f tại lối vào bề mặt photo diode, dòng

photo ban đầu I p có từ sự hấp thụ công suất ở công thức 2.3 được viết như sau :

19


e: là điện tích điện tử ; hv là là năng lượng photon, h = 6.625 × 10−34 Js là hằng số Planck, và v là tần số của sóng ánh sáng.

Khi nói đến các tham số của photo diode, có hai tham số rất quan trọng phải kể đến. Thứ nhất mỗi photo diode có một hiệu suất lượng tử η của nó.

Tham số thứ hai là hệ số chuyển đổi dòng photo R còn gọi là đáp ứng R. Đặc tính của photo diode được đặc trưng bởi đáp ứng R này :

Cả hiệu suất lượng tử η và R đều phụ thuộc vào dải cấm vật liệu, bước sóng công tác, độ dày của các vùng p,n,i của photo diode. Khi thiết bị có vùng trôi đủ dày, hiệu suất lượng tử của nó sẽ cao. Tuy nhiên vùng trôi càng dày thì các hạt mang photo phát ra càng phải cần tới thời gian trôi dài hơn ngang qua tiếp giáp phân cực ngược. Vì thì gian trôi của các hạt mang xác định tốc độ đáp ứng của photo diode, nên cần phải dung hòa giữa hiệu suất lượng tử và tốc độ đáp ứng.

Đặc tính của các photo diode PIN có thể được cải thiện đáng kể bằng cấu trúc dị thể kép. Tương tự như cấu trúc của laser LD bán dẫn, lớp i ở giữa được kẹp giữa các lớp chất bán dẫn khác nhau p và n với dải cấm được chọn để sao cho ánh sáng chỉ được hấp thụ trong lớp i. Cấu trúc photo diode kiểu này thường sử dụng InGaAs làm lớp giữa và InP làm lớp p và n bao quanh. Lớp InGaAs ở giữa sẽ hấp thụ mạnh bước sóng ở cùng 1.3-1.6 μm. Mặt trước thường được phủ bằng lớp cách điện phù hợp để giảm phản xạ tới mức nhỏ nhất. Hiệu suất lượng tử hầu hết là đạt được gần như 100% từ InGaAs tới độ dày 4-5μm. Các photo diode sử dụng InGaAs là hoàn toàn phù hợp cho cá bộ thu quang thực tế trong hệ thống thông tin quang.

20


Hình 3.1: Hiệu suất lượng tử và đáp ứng là các hàm số của bước sóng với các vật liệu làm photo diode khác nhau.

Bảng 3.1 : Các đặc tính của cá photo diode PIN tiêu biểu

2.Thời gian đáp ứng và dòng photo vùng trôi của bộ tách sóng quang 2.1 Thời gian đáp ứng

- Thời gian đáp ứng là một yếu tố quan trọng của bộ tách sóng quang để xác đinh khả năng làm việc của bộ thu quang với các tốc độ khác nhau của hệ thống truyền dẫn. Thời gian đáp ứng

21


của photo diode cùng với các mạch điện đầu ra của nó phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố sau :

+ Thời gian chuyển dịch của các hạt mang photo trong vùng trôi

+ Thời gian khuếch tán các hạt mang photo được phát ra bên ngoài vùng trôi.

+ Hằng số thời gian RC cảu photo diode và các mạch điện liên quan của nó.

Các tham số có liên quan của photo diode đối với các tham số này là hệ số hấp thụ α s, độ rộng vùng trôi w, các điện dung tiếp giáp photo diode và dòng vỏ, điện dung khuếch đại điện, điện trở tải bộ tách song, điện trở đầu vào bộ khuếch đại, điện trở nối tiếp của photo diode. Trong các bộ tách sóng thực tế, điện trở nối tiếp thường rất nhỏ và có thể bỏ qua khi so với điện trở tải và điện trở đầu vào bộ khuếch đại.

2.2 Dòng photo vùng trôiKhi thảo luận về bộ tách sóng quang, photo diode phải thu

tín hiệu quang rất yếu để biến đổi nó thành tín hiệu điện. Tín hiệu quang đi vào thiết bị thông qua lớp p và tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống vì nó được hấp thụ trong vật liệu bán dẫn. Các cặp điện tử-lỗ trống ấy mà đã được phát trong vùng trôi hoặc độ dài khuếch tán của nó, sẽ được phân cách bởi môi trường điện áp ngược, từ đó dẫn đến dòng điện chảy trong mạch ngoài vì có sự trôi hạt mang ngang qua vùng trôi.

Vì các hạt mang điện tích chảy qua vật liệu, một số các cặp điện tử lỗ trống sẽ tái hợp và rồi biến mất. Trung bình các hạt mang điện sẽ chuyển động với một cự ly là Ln đối với các điện tử và Lp đối với các lỗ trống. Cự ly này được gọi là độ dài khuếch tán. Thời gian để hoàn thành sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống gọi là tuổi thọ của hạt mang. Các tuổi thọ và độ dài khuếch tán có mối quan hệ như sau :

Ln = √ Dn× τn ; Lp = √ D p× τ p

Với Dn và D p tương ứng là các hệ số khuếch tán điện tử và lỗ trống, được diễn giải bằng đơn vị centimeter bình phương trên giây.Ở cá điều kiện trạng thái bền vững, mật độ dòng điện J tot

chảy qua vung trôi là: J tot =Jdr + Jdi

22


Với Jdr là mật độ dòng trôi sinh ra từ các hạt mang ở bên trong vùng trôi, và Jdi là mật độ dòng khuếch tán có từ các hạt mang được tạo ra ở ngoài vùng trôi trong khối bán dẫn (trong các vùng p,n) và các khuếch tán vào tiếp giáp phân cực ngược. Vì lớp p bề mặt của photo diode PIN thường là rất mỏng, dòng khuếch tán được xác định chủ yếu bởi sự khuếch tán lỗ trống từ vùng n. Cuối cùng G. Keiser đã đưa ra kết quả như sau :

Với pn0 là mật độ lỗ trống cân bằng. Số hạng có liên quan pn0 thường làm hỏ để dòng photo được phát ra tỷ lệ với dòng photon ϕ0.3. Photo diode thác APD

Tất cả các bộ tách sóng luôn đòi hỏi một dòng tối thiểu nào đó để hoạt động một cách tin cậy. Dòng này được chuyển thành công suất tối thiểu thông qua quan hệ P¿ = I p/R. Vì vậy các bộ tách sóng quang có đáp ứng R lớn và cần thiết vì chúng yêu cầu một công suất quang nhỏ hơn là đủ. Chúng ta biết rằng các photo diode PIN, vì nó được thiết kế để cho ra sự khuếch đại dòng bên trong. Sau khi biến đổi các photo thành các điện tử photo, nó khuếch đaih ngay dòng photo ở bên trong nó trước khi dòng này đi vào mạch khuếch đại điện tiếp theo và điều này làm tăng mức tín hiệu, dẫn tới độ nhạy thu được tăng lên đáng kể. Để thu được hiệu ứng nhân bên trong, các hạt mang quang sẽ tăng dần năng lượng tới mức đủ lớn đẻ ion hóa các điện tử xung quanh do va chạm với chúng. Các điện tử xung quanh được đẩy từ vùng hóa trị tới vùng dẫn, rồi tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống mới sẵn sàng dẫn điện.

Cấu trúc của một photo diode thác APD thông dụng có thể mô tả như sau. Nó được cấu tạo gồm có vật liệu loại p điện trở suất cao đặt làm lớp epitaxi nền p. Sau đó người ta khuếch tán hoặc cấy lớp n+¿ ¿(loại n pha tạp nặng). Hai vùng cách nhau bởi một điện trường thấp và một điện trường cao. Đối với Si, chất kích tạp ở vùng này thường tương ứng là Bo hoặc photpho. Cấu trúc như vậy thường được gọi là cấu trúc cận xuyên p+¿ip n+¿¿¿.

Về hoạt động của APD thì có thể hiểu như sau. Khi có một thiên áp phân cực ngược nhỏ đặt vào APD, hầu hết các điện thế

23


rơi ngay qua lớp tiếp giáp pn+¿¿. Vùng trôi sẽ mở rộng theo sự tăng dần của thiên áp cho tới một giá trị điện áp nào đó mà điện trường đỉnh tại tiếp giáp pn+¿¿ vào khoảng 5 đến 10% dưới trường điện cần thiết để gây ra hiệu ứng thác. Tịa thời điểm này, vùng troi chỉ ‘‘cận xuyên ’’ tới vùng tự dẫn.

Từ phân tích trên ta thấy rõ ràng rằng các photo diode thác đã khuếch đại tại chỗ dòng phôt tín hiệu ban đầu trước khi đi vào mạch đầu vào của bộ khuếch đại điện. Vì dòng photo diode được nhân trước khi nhiễu nhiệt phát sinh ở mạch điện.,cho nên nó làm tăng độ nhạy thu. Để quá trình nhân hạt mang được xảy ra đúng lúc, các hạt mang phát ra dòng photo phải đi qua vùng nơi có điện trương rất cao. Dưới vùng điện trường cao này, một điện tử được gia tốc có thể đủ năng lượng để phát ra các cặp điện tử-lỗ trống mới. Điều này có nghĩa rằng nó ion hóa các điện tử bao quanh trong vùng hóa trị do va chạm với chúng. Cơ chế nhân hạt mang như vậy được gọi là sự ion hóa do va chạm. Các hạt mang mới được tạo ra cũng có thể được gia tốc bằng điện trường cao, khi thu được đủ năng lượng, chúng có thể tạo ra tiếp quá trình ion hóa và va chạm. Như vậy kết quả thực hiện quá trình ion hóa do va chạm. có nghĩa rằng, chỉ đơn thuần một điện tử ban đầu được phát thông qua quá trình hấp thụ photo sữ tạo ra nhiều điện tử và lỗ trống thứ cấp.

Tham số Đơn vị Si Ge InGaSaBước

sóng λ

μm 0,4-4,1 0,8-1,8 1,0-1,7

Đáp ứng R

A/W 80-130 3-30 5-20

Hệ số nhân M

- 100-500 50-200 10-40

Hệ số k k A

- 0,02-0,05

0,7-1,0 0,5-0,7

24


Dòng tối I d

nA 01,1-1 50-500 1-5

Thời gian lên T r

Ns 01,-2 0,5-0,8 0,1-0,5

Băng tần Δ f

GHz 0,2-1 0,4-0,7 1-3

Thiến áp Vb

V 200-500 20-40 20-30

Bảng : Các đặc tính của photo diode thác APD4.Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ tách sóng quang

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR là tham số rất quan trọng trong bộ tách song quang. Nó xác định chất lượng bộ thu quang tương tự và là yếu tố chủ yếu quyết định chất lượng của bộ thu quang số. Sau khi lan truyền dọc theo sợi quang, mức công suất tín hiệu quang thường rất yếu tại bộ thu quang. Tín hiệu quang bị suy hao trong khi lan truyền dọc theo sợi quang. Sợi quang càng dài thì tín hiệu quang càng bị suy hao nhiều. Vì vậy trong các hệ thống thông tin quang, các bộ tách song quang được yêu cầu là phải tách được tín hiệu quang rất yếu. Để có được một bộ thu quang tốt, bộ tách song quang và các mạch khuếch đại sau nó phải được kết hợp tối ưu để cho ra được tín hiệu trên nhiễu SNR cao. Điều này có nghĩa là:

- Bộ tách sóng quang cần có hiệu suất lượng tử cao để phát ra công suất tín hiệu lớn.

- Nhiễu của bộ tách song quang phảu càng thấp càng tốt.4.1 Các nguồn nhiễu trong bộ tách sóng quang * Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng PIN

Các nguỗn nhiễu của bộ tách sóng quang bao gồm nhiễu bộ tách song sinh ra từ bản chất thống kê của quá trình biến đổi photon thành điện tử và nhiễu nhiệt có liên quan tới các mạch khuếch đại bên trong bộ thu. Trong các bộ tách song quang thực tế, hiệu suất lượng tử của photo diode thường đạt tới giá trị lớn nhất của nó. Vì thế, các dòng nhiễu là các yếu tố chính xác định tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ tách song quang trong hệ thống thông tin quang.

25


*Các nguồn nhiễu của photo diode thác APDĐối với bộ tách song APD, các photo diode thực hiện khuếch

đại bên trong dòng tín hiệu ban đầy bằng hệ số nhân M trước khi đi tới mạch khuếch đại điện phía sau. Đây là nguyên nhân của sự tang tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong bộ thu quang APD. Nhìn chung, các bộ thu quang photo diode thác cho ra tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn so với SNR của bộ thu quang PIN với cùng một công suất quang đầu vào.

4.2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễuTừ dòng tín hiệu và các dòng nhiễu được xác định như ở trên,

tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của bộ tách sóng photo diode PIN là:

SNR = Công suất tín hiệu từ dòng photo

Công suất nhiễu bộ tách sóng+Công suất nhiễu bộ khuếch đại= I 2 p

σ2

Trên thực tế người ta đã sử dụng sự biến đổi công suất như là bình phương của dòng điện, vậy thì tỷ số SNR cho bộ thu photo diode PIN được viết lại là:

SNR pin=R2 P2∈ ¿

2 eB ( RPin+ Id+il )+(4kBT

RL)FnB

¿

Trong giới hạn nhiễu nhiệt, σ s là nhỏ hơn nhiều so với σ T(σ s≪σ T

), vì vật tỷ số tín hiệu trên nhiễu nhiệt cho bộ photo diode PIN thu được trở thành:

SNR pin= R2 . P¿2 RL

4 kBTB . Fn

Còn trong giới hạn nhiễu nhiệt lượng tử, σ s là lớn hơn nhiều σ T(σ s≫σ T ), lúc này ta có:

SNR pin=R P¿

2 eBTrong các bộ thu quang thực tế sử dụng bộ tách sóng quang

PIN, nhiễu trội là nhiễu nhiệt iT. Vì bộ tách sóng có điện trở tải tách sóng, nó sinh ra dòng nhiễu nhiệt khá lớn để tạo ra nhiễu nhiêt. Trong nhiều bộ thu quang dòng nhiễu nhiệt hữu dụng lớn gấp 20 lần dòng nhiễu nhiệt lượng tử hiệu dụng, và khoảng 100 lần dòng tối hữu dụng. Nhiễu dòng tối iib và dòng rò bề mặt isl còn có thể được kết hợp lại và gọi chung là nhiễu dòng tối. Vì vậy ta có thể gọi thay thế I d bởi (I id+ I l) trong một số các trường hợp để tiện cho việc xem xét các nguồn nhiễu chung của bộ thu. Ngoài

26


ra nếu việc thiết kế bộ thu ko được làm cẩn thận, các phần tử tích cực của mạch khuếch đại có thể tạo ra dòng nhiễ khuếch đại iamp.

Tương tự ta cũng có thể viết tỷ số tín hiệu trên nhiễu cho bộ tách sóng quang photo diode thac APD.

Như đã phân tích ở phần trước về photo diode PIN, dòng tối I d được kết hợp từ (I id+ I l) cho nên σ s

2=2e(I p+ Id)Be, ta viết cho bộ thu quang như sau:

Trong giới hạn nhiễu nhiệt, σ s là nhỏ hơn nhiều so với σ T(σ s≪σ T

), vì vậy tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ tách sóng quang photo diode thác APD thu trở thành:

Và hy vọng được cải thiện M 2 so với bộ thu quang PIN. Ngược lại trong giới hạn nhiễu lượng tử σ s là lớn hơn nhiều σ T(σ s≫σ T ), lúc này ta có

Và tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR bị giảm đi so với hệ nhiễu trội F A so với bộ photo diode PIN.

27


CHƯƠNG IV: SƠ ĐỒ MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THAM SỐ CỦA NGUỒN QUANG, SỢI QUANG, BỘ TÁCH SÓNG QUANG VỚI CỰ LY KHOẢNG LẶP

Trong việc thiết kế hệ thống, các yếu tố như chất lượng truyền dẫn toàn hệ thống, dung lượng hệ thống và cự ly khoảng lặp là các yêu cầu cơ bản chung. Trong mục này chúng ta sẽ tìm hiểu chủ yếu các tham số của nguồn quang, sợi quang và bộ tách sóng quang ảnh hưởng như thế nào đến cự ly khoảng lặp, từ đó xây dựng sơ đồ mối quan hệ giữa các tham số trên với cự ly khoảng lặp.1.Các thông số cơ bản

Trong thiết kế hệ thống truyền dẫn sợi quang, người ta chú ý đến các yếu tố cơ bản để lựa chọn là bước sóng hoạt động, sợi quang, các linh kiện phát quang, linh kiện thu quang và các bộ tách/ghép quang theo góc độ yêu cầu của chất lượng truyền dẫn, khoảng cách lặp, dung lượng truyền dẫn.

28


Hình 4.1 Các thông số thiết kế cơ bản ảnh hưởng đến cự ly khoảng lặp

Trong việc lựa chọn năm thông số được cho thì vật liệu đối với các linh kiện thu và phát ánh sáng dược xác định bằng bước sóng công tác, điều này không cần nói tới, nhưng yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến việc lựa chọn bước sóng là đặc tính suy hao và độ rộng băng tần (tán sắc) của sợi quang. Đối với linh kiện phát quang, yếu tố thiết kế chính là điều chế tuyến tính, độ rộng phổ công suất đầu ra, đáp ứng tần số còn đối với linh kiện thu quang thì là độ nhạy thu, đáp ứng tần số. Khi sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng thì phải chú ý đến ảnh hưởng của suy hao do các bộ ghép/tách quang gây ra và sợi quang phải phù hợp về các đặc tính suy hao và độ rộng băng.

(1)Bước sóng

Các bước sóng được sử dụng cho thông tin quang sợi được phân thành hai nhóm: vùng 0.85μm thường được gọi là các bước sóng ngắn và vùng 1.3μm và 1.55 μm đượcgọi là các bước sóng dài. Nghiên cứu về cáp quang đã cho thấy rằng cáp quang có đặc tính tốt hơn ở vùng bước sóng dài khi suy hao truyền dẫn và tán sắc là các nhân tố quyết định để xác định khoảng lặp.

Đến nay, các linh phụ kiện sử dụng ở vùng sóng dài còn đắt do vậy vùng bước sóng ngắn thường được sử dụng cho các hệ thống mạng thuê bao chủ yếu hoạt động ở tốc độ thấp còn vùng bước sóng dài được sử dụng cho các hệ thống mạng đường dài đòi hỏi khoảng cách truyền dẫn trung bình và lớn với tốc độ truyền dẫn lớn. Tuy nhiên, với sự tiến triển của công nghệ linh kiện quang thì vùng bước sóng dài với các đặc điểm ưu việt cảu nó đối với hệ thống thông tin quang sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai.

Hiện tại, ở vùng sóng dài thường dùng ở bước sóng 1,3 μm nhưng gần đây triển vọng sử dụng vùng bước sóng 1,55 μm sẽ cho phép tăng khoảng cách lặp ngày càng tăng đến mức việc sử dụng bước sóng 1,3μm hoặc μm tùy thuộc vào yêu cầu khoảng lặp.

29


Hình 4.2 Lựa chọn sợi quang

Có hai loại cáp sợi quang: loại đơn mode SM và đa mode chiết xuất biến đổi GI.

Như trên hình 4.2 loại sợi SM có đặc tính suy hao và tần số rất tốt. Mặt khác loại GI có giá thành thấp nên sử dụng tùy thuộc vào yêu cầu thiết kế và các tính chất khác. Bởi vậy, loại SM được sử dụng rất phổ biến cho các hệ thống đường dài, dung lượng cao đòi hỏi rộng băng và suy hao thấp còn loại GI sử dụng cho các hệ thống mạng thuê bao tốc độ thấp. Tuy hiên, sự chênh lệch về giá cả đang giảm nhờ có sự phát triển của công nghệ sản xuất sợi quang tạo điều kiện cho việc sử dụng loại sợi cáp SM rộng rãi.

(2) Các linh kiên phát quang

Đối với các linh kiện, laser có các đặc tính ưu thế hơn so với LED như đã trình bày trên hình 4.3 nhưng trên quan điểm giá thành thì LED lại rẻ hơn. Bởi vậy laser thường dùng trong các hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao bởi vì nó có khả năng cho phép kéo dài độ dài trạm lặp và độ rộng băng vì công suất phát lớn, độ rộng phổ hẹp và đáp ứng nhanh. Đối với LED thì nó phù hợp với các hệ thống thuê bao tốc độ thấp và truyền dẫn tương tự.

Mục

Loại

Quang ra

Độ rộng phổ

Tuyến tính

Tốc độ thoát

Gía thành

LASER Lớn Hẹp Tốt Nhanh CaoLED Nhỏ Rộng Tốt Chậm Thấp

30


Hình 4.3 Lựa chọn phần tử phát quang

MụcLoại

Tốc độ hoạt dộng

Độ nhạy Giá thành

APD Nhanh Tốt CaoPD Chậm Không tốt Thấp

Ứng dụng của APDs: hệ thống mạng đường dùng tốc độ cao

ứng dụng PD hệ thống mạng thuê bao tốc độ thấp

Hình 4.4 Lựa chọn linh kiên thu quang

Độ tin cậy là một yếu tố quyết định trong việc lựa chọn laser hoặc LED.

Nhưng ngày nay laser có thể đạt được MTBF (do độ tin cậy: khoảng thời gian giữa các lỗi ) vượt qua 200 ngàn giờ do vậy rất khó khăn khi so sánh đến sự khác nhau giữa tính ổn định giữa laser và LED. Thêm vào đó, trên góc độ phù hợp với loại sợi đơn mode SM thì laser sẽ chiếm ưu thế sử dụng rộng rãi trên tương lai

(3) Các linh liện thu quang

Đối với các linh kiện thu quang APD hoặc PD được lựa chọn trên quan điểm cân nhắc tới các đặc tính và giá thành cũng giống như đối với linh kiện phát quang. ADP cung giống như một laser thường phù hợp với các hệ thống mạng lưới đường dài có tốc độ và độ nhạy cao. Trong khi đó PD phù hợp với các hệ thống thuê bao tốc độ thấp.

(4) Bộ ghép/tách quang

Trong việc thực hiện ghép kênh phân chia theo bước sóng thì suy hao quang do các bộ tách/ghép quang là không thể tránh được, dẫn đến làm ngắn khoảng cách trạm lặp. Vì vậy việc lựa chọn ghép kênh theo bước sóng được quyết định trên cơ sở xem xét tới tính kinh tế như yếu tố giảm giá thành vì giảm số lượng sợi quang, tăng trạm lặp vì khoảng cách trạm lặp bị giảm đivà giá thành trội them do có các bộ ghép/tách kênh.Nói chung các bộ ghép/tách kênh thường được sử dụng ở các mạng tuyến cáp thuê bao cự li ngắn vì lúc đó việc đặt thêm các bộ tách /ghép kênh sẽ không gây ảnh hưởng gì mấy.

Mục tiêu trong lựa chọn bước sóng, sợi quang các linh kiện thu /phát quang và bộ ghép tách quang được mô tả ở trên và các phạm vi ứng dụng trình bày. Chúng ta có thể hiểu rằng các linh kiện quang như LED và PD hoạt động ở bước sóng 0,85µm ứng dụng trong các hệ thống mạng thuê bao hoặc dung lương nhỏ. Ngoài

31


ra để kinh tế hơn người ta còn có thể sử dụng sợi quang GI ở loại mạng này. Nói cách khác , LED và APD hoạt đông ở bước sóng dài cùng với sợi SM được ứng dụng rộng dãi ở các hệ thống đường dài. Tuy nhiên, cùng với sự tiến bộ nhanh của công nghệ sợi quang và linh kiện quang có thể tiên đoán rằng việc sử dụng ở bước sóng dài sẽ ngày càng phổ biến ở tất cả các hệ thống.

2.Tín hiệu và tạp âm quang

Hình 4.5 cho ta các thông số cơ bản về sự suy giảm tín hiệu quang trong thông tin sợi quang nó bao gồm nhiễu, suy giảm dạng sóng, biến đổi biên độ, điều chỉnh lỗi trong các loại mạch điện(ví dụ như sự chênh lệch các hệ số khuếch đại cân bằng, đặt lỗi ở các mức khác nhau để tái tạo xung.v.v..) và độ suy giảm các đặc trưng vid lí do tuổi thọ.

Hình 4.5 Các thông số suy giảm chính trong truyền dẫn sợi quang

Nói chung tỉ số tín hiệu trên nhiễu là S/N là cơ sở để thiết kế hệ thống. sự méo dạng sóng và sự biến đổi biên độ có thể được coi như là thay đổi đầu ra sau khi truyền dẫn (bản thân của S đã chứa các sự biến đổi này) nhiễu của nguồn phát sáng và dòng tối được xác định bởi cấu hình mạch diều khiển. phương pháp điều chế và vật liệu phát và thu quang; và có thể được coi là lượng xác định sự suy giảm S/N giống như sự điều chỉnh lỗi trong các mạch điện tử. Thông số cơ bản

32


S/N này trong hệ thống thông tin quang sợi thường được mô tả bằng công thức dưới đây:

S/ N=(I , M )2

2 eI , M (2+ I)B+4 nkTB /R

e – Điện tích của điện từ(1,6×10-10)

I – Dòng quang điện

k – Hằng số boltzman(1,38×10-23J/K)

T – Nhiệt độ tuyệt đối

B – độ rộng băng của hệ thu bao gồm cả trạm lặp

R –Điện trở tải của linh kiện thu

n –Tạp âm của khuếch đại

M –Hệ số nhân dòng của linh kiện thu

F –Tạp âm đôi của linh kiện thu

Trong công thức trên, số hạng đầu tiên của mẫu số chỉ nhiễu đốm do linh kiên thu quang tạo ra; nó tỉ lệ thuận với công suất quang thu được hệ số nhân của linh kiện thu ánh sáng và độ rộng băng của hệ thống thu. Số hạng thứ hai là tạp nhiệt dobooj khuếch đại. Nhiễu đốm là dòng thăng giáng sinh ra do các điện tử tách ra ngẫu nhiên trong thiết bị thu quang, nó chỉ xuất hiện khi thu được các xung quang. M chỉ hiệu ứng nhân dòng điện của APD và dòng tạp cũng được khuếch đại. Nhân dòng thác xuất hiện trong ion hóa các điện tử và lỗ trống của bán dẫn. các thành phần tạp nay độc lập với tín hiệu do vậ nó được biểu diễn như một tạp âm đôi F. Giá trị của F thường được sử dụng với loại APD là 0,3 và InGaAs là 0,5 nó bằng 1 khi APD cấu tạo bằng Ge. Từ phương trình này chúng ta có thể thấy được thực giá trị tối ưu của M để S/N đạt giá trị lớn nhất từ mối quan hệ giữa nhiều đốm và tạp nhiệt khi thu được tín hiệu quang không đổi. Nói chung M có gí trị trong khoảng 10 đến 100. Mối quan hệ giữa S/N và lỗi bit trong hệ thống thông tin khác với các hệ thống thôn tin cáp kim loại là ở cáp kim loại chỉ có tạp âm nhiệt lên tới N. Như đã trình bày ở trên nhiễu đốm phụ thuộc vào công suất quang thu được. Như vây công suất tạp biến đổi theo thời điểm phụ thuộc vào khi có

33


Hình 4.6 Lỗi bit và mức quyết định

Và không có xung quang và trong trường hợp có xung (S 1) sự tham gia của tạp trải rộng so với so với trường hợp không có xung như hình 4.6.

Như trên hình vẽ chúng ts có thể nhìn thấy mức quyết định làm cho lỗi bit trở thành nhỏ hơn giá trị ( S0 +S1 )/2 – giá trị tối ưu khi chỉ tồn tại tạp nhiệt. Đây là một trong những đặc tính kết hợp khi thiết kế S/N đối với hệ thống thông tin quang sợi

Ở đây chúng ta phải đặc biệt chú ý tới độ rộng băng của độ cân bằng. Các xung quang đucợ sử dụng trong hệ thống thông tin quang có thành phần tần số không hạn định, nhưng các sợi quang đó có độ rộng băng nhất định, như vậy sẽ xẩy ra méo dạng sóng mặc dù không nhiều lắm. Tuy nhiên, việc thương mại hóa các bộ căn bằng trở nên khó khăn hơn vì độ rộng băng của nó tăng lên và nhiễu đốm cũng tăng tỉ lệ thuận với độ rộng băng. Đề cập đến vấn đề này bộ căn bằng coi như là một dạng Gauss hoặc uốn cosine, với đặc tính đã biết, được sử dụng rộng rãi để cải thiện S/N.

3.Khoảng cách lặp

34


Công suất phát quang và độ nhạy máy thu trên hình 4.7. Khoảng cách lặp được xác định bởi các thông số độ suy hao và tán sắc của sợi quang (đối với loại sợi GI có tán sắc mode, sợi SM có tạp nhiễu một phần mode) và sợi càng ít suy hao thì khoảng cách lặp càng lớn.

Hình 4.7: Tốc độ truyền dẫn và khoảng cách lặp lại.

Hình 4.8 Cách thiết kế khoảng lặp lại

Theo hình vẽ trên giới hạn suy hao phụ thuộc vào bước sóng sử dụng, giới hạn tán sắc được xác đinh bởi mối quan hệ giữa điều kiện mode-dao động (toàn bộ dải bước sóng dao động nửa

35


biên độ) của các linh kiện phát quang và lượng tán sắc của các sợi. Đặc biệt hiệu ứng tán sắc của các linh kiện phát quang và hạt lượng tán sắc của các sợi bắt đầu tăng lên tại một điểm nhất đinh, do đó việc thiết kế thường được thực hiện tại một điểm mà hiệu ứng tán sắc không đóng vai trò quan trọng tức là tại các điểm mà chỉ có sự suy hao là đáng kể cần phải tính đến.

Tuy nhiên khoảng cách lặp là hàm số của tốc độ bit (tốc độ truyền dẫn) tại một giá trị suy hao nhất định của sợi quang bởi vì hiệu ứng tạo nhiệt tương ứng độ rộng băng yêu cầu đối với mạch điều khiển.

Hình 4.8 trình bày phương pháp thiết kế cơ bản khoảng cách lặp trên cơ sở thiết lập S/N. Khoảng cách trạm lọc cơ bản được bắt nguồn từ các thông số như công suất P, của máy phát, cong suất thu quang nhỏ nhất P, của máy thu được xác định từu tỉ số S/N cần thiết và suy hao giữa máy phát và máy thu. Suy hao cho phép của cáp sợi quang được tính bằng sự chênh lệch công suất từ đầu phát và đầu thu trừ đi suy hao nội P0 do đấu kết nói giữa các bộ lặp và sợ quang và công suất dự phòng và P sự suy giảm công suất do tuổi thọ… Khoảng cách lặp lại L được tính bằng tỉ số giữa suy hao cho phép và L là độ suy hao của một đơn vị khoẳng cách của sợi quang.

4. Sơ đồ quan hệ giữa các tham số của nguồn quang, sợi quang, bộ tách sóng quang với cự ly khoảng lặp

36


Hình 4.9 Sơ đồ mối quan hệ giữa các tham số của nguồn quang, sợi quang, bộ tách sóng quang với cự ly khoảng lặp

37

tkmh quang(chuẩn)

Documents