Nghiên cứu hệ thống thông tin quang

ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi đã bị suy hao. Có hai loại uốn cong sợi: Ø Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi. Ø Uốn cong vi mô: là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên và thường bị xãy ra trong lúc sợi được bọc thành cáp. Hiện tượng uốn cong có thể thấy được khi góc tới lớn hơn góc tới hạn ở các vị trí sợi bị uốn cong. Đối với loại uốn cong vĩ mô (thường gọi là uốn cong) thì hiện tượng suy hao này thấy rất rõ Đối với trường hợp sợi bi uốn cong ít thì giá trị suy hao xảy ra là rất ít và khó có thể mà thấy được. Khi bán kính uốn cong giảm dần thì suy hao sẽ tăng theo quy luật hàm mũ cho tới khi bán kính đạt tới một giá trị tới hạn nào đó thì suy hao uốn cong thể hiện rất rõ. Nếu bán kính uốn cong này nhỏ hơn giá trị điểm ngưỡng thì suy hao sẽ đột ngột tăng lên rất lớn. 2.4 Cáp sợi quang 2.4.1 Các yêu cầu kỹ thuật Sợi quang muốn đưa vào sử dụng trong các tuyến thông tin phải bọc thành cáp. Sợi quang khi mới sản xuất ra chỉ được bọc một lớp nhựa mỏng để bảo vệ mặt ngoài của nó, lớp vỏ sơ cấp tiếp có đường kính khoảng 250 μm có thể tách ra khỏi sợi quang một cách dễ dàng, không ảnh hưởng đến lõi sợi. Khi sản xuất cáp quang, để bảo đảm tính ổn định, bền vững cơ học và an toàn, người ta phải làm lớp vỏ bảo vệ cáp, đưa thêm vào cáp các chất độn và các vật liệu gia cường chịu lực cho cáp. Vỏ bảo vệ cáp thường làm bằng nhựa tổng hợp có độ bền cao chịu được tác động trong các môi trờng sử dụng. Chất độn là chất nhờn lấp đầy các khe hở của cáp. Vật liệu gia cường có thể là sợi thép hoặc sợi tổng hợp có độ bền lớn. + Đảm bảo truyền dẫn ổn định, bền vững cơ học cao, chịu được tác động của môi trường, lắp đặt, thi công và sửa chữa thuận tiện. + Vật liệu gia cường đảm bảo cho cáp chịu được lực căng, lực nén nhất định, nhưng lại phải đảm bảo độ mềm dẻo cần thiết, trọng lượng và kích thước cáp nhỏ thuận tiện cho sử dụng. + Chất độn yêu cầu có hệ số giãn nở bé, ổn định nhiệt, không bị đông cứng, không cản trở sự linh động của sợi quang trong cáp, không tác động về mặt hoá học đối với sợi quang. + Các sợi quang trong cáp được đánh dấu bằng các màu sắc khác nhau rõ ràng để dễ phân biệt các sợi, thuận tiện cho hàn nối không bị nhầm lẫn. + Vỏ ngoài cáp đảm bảo chức năng bảo vệ tốt đối với môi trờng bên ngoài như chống ẩm, tác động của loài vật phá hoại, nâng cao tuổi thọ cho cáp. 2.4.2 Phân loại cáp quang Cáp quang đựợc phân loại theo nhiều cách khác nhau như : + Theo cấu trúc : có cáp đối xứng như cáp cổ điển, cáp với lõi có dạng răng lược, cáp có cấu trúc dạng băng dẹt. + Theo mục đích sử dụng : có cáp dùng cho mạng nội hạt hoặc thuê bao, cáp trung kế giữa các tổng đài, cáp mạng đường trục. + Theo điều kiện lắp đặt : có cáp chôn trực tiếp dới đất, cáp lắp đặt trong cống bể, cáp treo trên cột, cáp lắp đặt trong nhà, cáp đặt dưới biển. Ví dụ: Một số mẫu cáp quang + Cáp băng dẹt + Cáp lõi có khe răng lược + Cáp với sợi thả lỏng trong ống + Cáp treo trên cột 2.4.3 Các thành phần của cáp quang Các thành phần của cáp quang bao gồm : Lõi chứa các sợi dẫn quang, các phần tử gia cường, vỏ bọc và vật liệu độn. Lõi cáp : Các sợi cáp đã được bọc chặt nằm trong cấu trúc lỏng, cả sợi và cấu trúc lỏng hoặc rãnh kết hợp với nhau tạo thành lõi cáp. Lõi cáp được bao quanh phần tử gia cường của cáp. Các thành phần tạo rãnh hoặc các ống bọc thường được làm bằng chất dẻo. Thành phần gia cường : Thành phần gia cường làm tăng sức chịu đựng của cáp, đặc biệt ổn định nhiệt độ cho cáp. Nó có thể là kim loại, phi kim, tuy nhiên phải nhẹ và có độ mềm dẻo cao. Vỏ cáp : Vỏ cáp bảo vệ cho cáp và thường được bọc đệm để bảo vệ lõi cáp khỏi bị tác động của ứng suất cơ học và môi trường bên ngoài cáp còn vỏ bọc bằng kim loại được dùng cho cáp chôn trực tiêp. 2.4.4 Các biện pháp bảo vệ sợi  + Bọc chặt sợi : Sợi quang sẽ được bọc chặt do đó sẽ làm tăng tính cơ học của sợi và chống lại ứng suất bên trong. Các sợi quang có thể được bảo vệ riêng bằng các lớp vật liệu dẻo đơn hoặc kép. Trong một môi trường nhiệt độ thấp, sự co lại của chất dẻo ở lớp bảo vệ có thể gây ra sự co quang trục và vi uốn cong sợi, từ đó suy hao sợi có thể tăng lên. Từ đó có thể rút ra hai cách bảo vệ sợi là tối ưu hoá việc chế tạo vỏ bọc sợi bằng việc lựa chọn vật liệu tương ứng và độ dày của vỏ, đồng thời giữ cho sợi càng thẳng càng tốt và cách thứ hai là bọc xung quang sợi một lớp gia cường có khả năng làm giảm sự co nhiệt. + Bọc lỏng sợi : Sợi quang có thể được đặt trong cáp khi được bọc một lớp chất dẻo có màu mỏng. Các sợi được đặt trong ống hoặc các rãnh hình chữ V có ở lõi chất dẻo. Các ống và các rãnh có kích thước lớn hơn nhiều so với sợi dẫn quang để các sợi có thể hoàn toàn tự do trong nó. Kỹ thuật này cho phép sợi tránh được các ứng suất bên trong. Trong cấu trúc bọc lỏng, các sợi nằm trong ống hoặc trong khe đều được bảo vệ rất tốt. Giải pháp này ít dùng trong sợi đơn mà thường được dùng cho các sợi ở dạng băng. CHƯƠNG III: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA 3.1 Giới thiệu sơ lược về kỹ thuật khuếch đại quang Như ta đã biết, ở các tuyến thông tin quang truyền thống khi cự ly truyền dẫn dài tới mức phân bổ suy hao không thoả mãn, suy hao vượt quá tuyến 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 quá trình biến đổi quang - điện và điện - quang. Như vậy có nghĩa là tín hiệu quang rất yếu không thể truyền xa được 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, tái tạo lại dạng tín hiệu điện rồi lại biến đổi về tín hiệu quang đủ lớn để truyền lên đường truyền. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, người ta thực hiện được quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuếch đại quang. Kỹ thuật khuyếch đại quang vừa ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp như về băng tần, cấu trúc phức tạp, cấp nguồn, ảnh hưởng của nhiễu điện… việc phát triển và ứng dụng các bộ khuếch đại quang vào hệ thống thông tin quang còn đưa ra một ý tưởng lớn cho quá trình phát triển các tuyến thông tin hoàn toàn khuếch đại quang và từ đó tiến tới phát triển mạng toàn quang. Khuếch đại quang có thể được đặt ở các phần khác nhau của hệ thống thông tin. Tuỳ thuộc vào vùng lắp đặt khuếch đại trên tuyến truyền dẫn mà khuếch đại quang có thể được sử dụng như : Ä Khuếch đại công suất Ä Khuếch đại thu Ä Khuếch đại đường truyền Khuếch đại công suất : Bộ khuếch đại này đặt sau nguồn sáng để khuếch đại công suất tín hiệu truyền. Nó được sử dụng khi nguồn sáng có công xuất ra bị giới hạn. Khuếch đại thu: Ngược với bộ khuếch đại công suất, khuếch đại công suất tín hiệu thu yếu trước khi đi vào bộ tách sóng. Khuếch đại đường truyền: khi khoảng cách truyền dài một số bộ khuếch đại đường truyền phải được sử dụng. Trong trường hợp này, các bộ khuếch đại quang được đặt có chu kì trên tuyến truyền dẫn. Đối với sợi quang Soliton xung ánh sáng được truyền đi không cần mở rộng, khuếch đại đường truyền được sử dụng để cung cấp một mức công suất nhỏ cho sợi quang phi tuyến. Có nhiều xu hướng nghiên cứu về bộ khuếch đại quang, thành công chủ yếu tập trung vào hai loại chính: Ä Các bộ khuếch đại Laser bán dẫn SLA. Ä Các bộ khuếch đại quang sợi OFA. Đặc điểm của các bộ khuếch đại quang được thể hiện qua bảng sau: Thuộc tính Khuếch đại Laser FPA Khuếch đại Laser TWA Khuếch đại quang sợi Nguyên lý Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trường Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trường Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trường Công xuất bảo hòa lối ra (dB) 8 9 11 Băng tần khuếch đại (Hz) 1-3 G >5T 0.5-4T Hệ số tạp âm dB 6-9 5.2 3-5 Suy hao ghép vào sợi Lớn Lớn Nhỏ Phân cực tín hiệu TE-mode TE-mode TE-mode Hệ số khuếch đại tuyến tính dB 25-30 20-30 40-50 Bước sóng công tác 1.3-1.55μm 1.3-1.55μm 1.52-1.57μm Dòng/công suất bơm 10mA 100mA 20-100mW Nhiễu xuyên kênh Lớn Lớn Bỏ qua 3.2 Các tiêu chuẩn của hệ thống sử dụng khuếch đại Như ta đã biết ở trên công suất bão hoà và nhiễu xuyên kênh là các yếu tố quan trọng trong các hệ thống sử dụng khuếch đại quang. Dưới đây là một số tiêu chuẩn khi thiết kế các bộ khuếch đại quang : Ø Khuếch đại công suất cao: Đạt được công suất cao là mục đích chính của việc thiết kế bộ khuếch đại quang. Tuỳ theo công suất đầu vào mà công suất đạt được là 10-30dB. Nhưng khuếch đại bão hoà làm giảm độ khuếch đại khi công suất đầu vào tăng. Ø Hiệu suất bơm ngoài cao: Công suất bơm ngoài theo nhu cầu tỉ lệ với độ khuếch đại yêu cầu. Để đạt được độ khuếch đại lớn tại công suất bơm nhỏ phía có hiệu suất bơm ngoài cao. Yêu cầu này dẫn tới sự phát triển của các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA, các bộ EDFA này vượt trội hơn thế hệ trước của chúng dựa trên cơ sở hiệu ứng tán xạ Raman kích thích. Một bộ EDFA điển hình có hiệu suất bơm từ 6 -10dB/mW. Ø Hiệu ứng bão hoà thấp: Khuếch đại bão hòa là không đáng quan tâm trong các bộ khuếch đại bán dẫn nhưng rất quan trọng đối với các bộ khuếch đại quang sợi. Ø Băng tần rộng: đối với bộ khuếch đại quang thì khuếch đại băng tần rộng là điều mong muốn bởi 2 lý do quan trọng: thứ nhất nó có thể được sử dụng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu tại các bước sóng khác nhau. Điều này là quan trọng với kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM. Thứ 2 là, tại băng tần rộng, độ khuếch đại của bộ khuếch đại sẽ nhạy cảm đối với bước sóng của tín hiệu vào. Điều này cho phép hệ thống truyền dẫn tránh được sự trôi bước sóng. Bộ nối Bộ tách tín hiệu phân cực Ø Không phụ thuộc vào sự phân cực: Nói chung, khuếch đại công suất cũng phụ thuộc vào sự phân cực của ánh sáng vào. Đây là nguyên nhân gây ra bởi các hệ số giam cầm lỗ trống khác nhau của độ phân cực khác nhau. Để khắc phục vấn đề này hai bộ khuếch đại có thể được kết hợp với nhau như sau: Hình 3.1 : Khuếch đại phân cực không phụ thuộc phân cực sử dụng 2 bộ khuếch đại riêng biệt cho 2 bước sóng phân cực trực giao Ø Nhiễu bổ sung thấp: Do bức xạ phát bên trong kênh khuếch đại nên các bộ khuếch đại quang cũng làm tăng thêm nhiều ở tín hiệu vào. Hơn nữa, do độ khuếch đại của bộ khuếch đại, nhiễu bức xạ phát cùng được khuếch đại. Nhiễu này là nhiễu bức xạ phát, nó thêm vào mức suy hao nhỏ nhất là 8 dB. Do các bộ khuếch đại không được thiết kế phù hợp mức suy hao công suất làm cho nhiễu ASE tăng lên. Ø Xuyên kênh thấp: Khi một bộ khuếch đại quang được sử dụng để khuếch đại nhiều tín hiệu vào tại các bước sóng khác nhau, nhiễu xuyên kênh là quan trọng để chắc chắn rằng không có nhiễu từ tín hiệu này sang tín hiệu khác. Nếu hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại không phụ thuộc vào tổng công suất tín hiệu vào thì sữ không có nhiễu xuyên kênh ICI (Interchannel interferent) hoặc xuyên kênh (crosstalk). Tuy nhiên, vì khuếch đại bão hoà nên độ khuếch đại phụ thuộc vào công suất tín hiệu vào. Kết quả là, khi công suất của một kênh giảm, các kênh khác có công suất lớn hơn dẫn đến ICI hoặc xuyên kênh. Thực tế, công suất trung bình của tín hiệu vào là không đổi, chỉ có công suất tức thời của chúng là có thể thay đổi do cường độ điều chế. Vì vậy, khi độ khuếch đại của bộ khuếch đại không tăng tức theo công suất của tín hiệu vào thì bộ khuếch đại công suất phải không đổi điều chế cường độ. Bộ EDFA dáp ứng được các điều kiện trên vì các hạt mang điện tồn tại lâu tại trạng thái kích thích siêu bền. Ø Bước sóng công tác phù hợp: Như ta đã biết có hai bước sóng quan trọng sử dụng trong truyền dẫn quang là 1300nm và 1550nm. Tại bước sóng 1300nm tán sắc sợi là nhỏ nhất và tại 1550nm suy hao sợi là nhỏ nhất. Vì các bộ khuếch đại chỉ giải quyết được vấn đề suy hao nên người ta thường sử dụng các bộ khuếch đại tại bước sóng 1300nm. Nói chung sẽ không có vấn đề gì nếu sử dụng các bộ khuếch đại bán dẫn làm từ hợp chất nhóm III và V. Nhưng bộ EDFA có thể khuếch đại bước sóng ánh sáng xung quanh bước sóng 1550nm do dải năng lượng Erbium. Ø Suy hao bộ nối thấp: Khi một bộ khuếch đại quang được sử dụng trên một tuyến thông tin quang, nó bổ sung thêm suy hao bộ nối. Suy hao bộ nối thấp có thể đạt được khi sử dụng kết nối tốt giữa khuếch đại quang và sợi quang. 3.3 Kỹ thuật khuếch đại quang sợi 3.3.1 Nguyên lý hoạt động của EDFA Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể được phân cấp thành bức xạ kích thích và bức xạ tự phát. Khi các ion Erbium Er3+ được kích thích từ trạng thái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ từ các mức năng lượng cao hơn cho tới khi tiến tới trạng thái siêu bền 4I13/2 . Tín hiệu quang tới sẽ đi đến với các ion Erbium đã được kích thích. Quá trình bức xạ kích thích sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hướng quang như tín hiệu tới. Như vậy đã đạt được quá trình khuếch đại quang trong EDFA. Các ion đã được kích thích mà không tương tác với ánh sáng tới sẽ phân rã tự phát tới trạng thái nền với hằng số thời gian xấp xỉ 10ms. Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emission) có pha và hướng ngẫu nhiên. Tiêu biểu có ít hơn 1% phát xạ tự phát được giữ lại bởi mode sợi quang và nó trở thành một nguồn nhiễu quang ở đầu ra của bộ khuếch đại quangEDFA không những tín hiệu được khuếch đại mà nhiễu này cũng sẽ được khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission). ASE làm suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu qua bộ khuếch đại. 3.3.2 Cơ chế làm việc của EDFA Nguồn bơm ngoài Đoạn sợi quang pha tạp Er3+ ánh sáng đến ánh sáng đã được khuếch đại Hình 3.2 : Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại quang EDFA Mặc dù việc sử dụng các ion đất hiếm làm môi trường khuếch đại trong các bộ khuếch đại quang đã được đề cập vào đầu những năm 1964, tuy nhiên EDFA vẫn chưa được ứng dụng thực tế cho đến khi sợi quang pha tạp có suy hao thấp ra đời. Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại quang pha tạp EDFA được biểu diễn như (Hình 3.2). Bao gồm một đoạn ngắn sợi được pha tạp bằng các ion erbium (Er3+) (gọi là sợi EDF). Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực làm tác nhân cho sự phát xạ cưỡng bức. Để kích thích các hạt mang của Er3+ lên các mức năng lượng cao hơn cần một nguồn bơm bên ngoài để bơm năng lượng quang vào sợi thông qua một bộ ghép trực tiếp. Nguồn bơm là một Laser Diode hoạt động ở bước sóng thấp hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại. Thông thường là ở bước sóng bơm 980nm hoặc 1480nm. Sợi EDF được nối ghép với sợi quang bình thường và có thể ghép với các thiết bị khác. Hình 3.3 biểu diễn quá trình bơm tại bước sóng 1450nm và phát xạ tại bước sóng 1530nm. Do hiệu ứng Stark, ở trạng thái nền và siêu bền tồn tại nhiều mức năng lượng. Ở điều kiện cân nhiệt, cả hai trạng thái đều có mật độ hạt mang điện cao hơn nằm ở dải thấp hơn của chúng. Do tốc độ bơm và bức xạ kích thích đều tỉ lệ với độ chênh lệch mật độ hạt mang điện của 2 mức nên bơm xảy ra giữa dải thấp của trạng thái nền và dải cao của trạng thái siêu bền tương ứng với bước sóng 1450nm, và bức xạ xảy ra giữa dải thấp của trạng thái siêu bền và dải cao của trạng thái nền, tương ứng với bước sóng 1530nm.. Phát xạ tại bước sóng 1530 nm Hình 3.3: Quá trình bơm tại bước sóng 1450nm và phát xạ tại bước sóng 1530nm ??só Bơm tại bước sóng 1450 nm Dải cao hơn của mức siêu bền Dải thấp hơn của mức siêu bền Dải cao hơn của mức nền Dải thấp hơn của mức nền Hiệu suất của nguồn bơm phụ thuộc vào phổ hấp thụ của ion Er3+. Mặc dù việc bơm công suất các bước sóng dưới 700 nm có hiệu suất hấp thụ cao hơn nhưng rất khó tìm một nguồn laser bán dẫn tốt hoạt động tại bước sóng này. Do đó, trong thực tế chỉ dùng được các nguồn bơm có bước sóng 800nm, 980nm, 1470nm. Ngoài ra, do có sự hấp thụ trạng thái kích thích (ESA - Excited-State Absorption) từ 4I13/2 đến 2H11/2 như biểu diễn trong hình 2.4, nên việc bơm tại bước sóng 800nm không hiệu quả. Vì thế người ta chỉ bơm tại bước sóng 980nm và 1470nm. Thông thường, các laser bán dẫn tại 1470nm phổ biến hơn và được dùng nhiều trong các hệ thống EDFA ban đầu. Tuy nhiên bơm tại bước sóng 980nm cho hiệu quả bơm cao hơn (khoảng 10dB/mW) so với bơm 1470nm (khoảng 6dB/mW). Thêm vào đó, bơm 980nm có nhiễu khuếch đại nhỏ hơn vì thế các laser bơm hoạt động tại bước sóng 980nm ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sợi quang có mắc các EDFA. Để khắc phục khuyết điểm tổn hao trên sợi lớn hơn khi dùng bơm tại bước sóng 980nm so với 1480nm, người ta tăng cường công suất bơm đến các EDFA nhằm bù lượng tổn hao này. 3.4 Các đặc tính của EDFA Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ EDFA được đặc trưng bằng các tính chất: dải khuếch đại, độ khuếch đại, sự bão hòa và nhiễu 3.4.1 Dải khuếch đại Hình 3.4: Dải khuếch đại của EDFA Bước sóng (nm) Công suất Dải khuếch đại là dải bước sóng mà EDFA có thể khuếch đại được. Hình 3.4 cho thấy hình dạng và vị trí của dải khuếch đại được xác định như một hàm theo bước sóng. Dải khuếch đại của EDFA tương đối bằng phẳng giữa 1530nm và 1565nm (được quy ước là băng C). Đối với dải khuếch đại giữa 1570nm và 1600nm được gọi là dải L. Hiện nay, hầu hết EDFA đang được sử dụng ở băng C với bước sóng bơm 980nm. 3.4.2 Độ khuếch đại Độ khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào cấu hình bơm. Có ba cấu hình bơm cho bộ khuếch đại EDFA: bơm cùng hướng (so với hướng tín hiệu), bơm ngược hướng và bơm theo cả hai hướng. Bơm cùng hướng đạt được nghịch đảo tích luỹ mạnh ở đầu sợi, điều này hạn chế hiện tượng bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE) và như vậy giảm được nhiễu của bộ khuếch đại. Tuy nhiên, kiểu bơm này làm hạn chế hiệu suất chuyển đổi (sự chuyển đổi photon bơm thành photon tín hiệu) bởi hiện tượng ASE ở cuối sợi. Loại bơm ngược hướng tạo công suất đầu ra và hiệu suất chuyển đổi rất cao. Ngược lại, ASE thường xuất hiện ở đầu sợi (sự nghịch đảo tích luỹ khi không có sóng bơm); điều này giải thích tại sao sơ đồ này có hiệu năng không tốt lắm, nhất là từ quan điểm nhiễu. Trong thực tế, người ta thường dùng phương pháp bơm hai hướng, nó tận dụng được các ưu điểm của mỗi kiểu bơm trong các cấu hình trên. Hơn nữa, do mức nghịch đảo tích luỹ hầu như không đổi trên toàn bộ chiều dài sợi nên có thể giảm thiểu được nhiễu. 3.4.3 Sự bão hòa Hình 3.5 : Độ khuếch đại EDFA thay đổi theo chiều dài sợi và công suất bơm Hiệu ứng bão hoà độ khuếch đại có thể được minh hoạ trong (Hình 3.5) qua đó ta thấy khi công suất bơm tăng thì độ khuếch đại tăng theo. Tuy nhiên, khi độ dài của sợi EDF tăng đến một mức nào đó, tương ứng với một công suất bơm nhất định, thì độ khuếch đại ra của EDFA giảm. Điều này xảy ra khi N2<N1 hoặc khi tốc độ bơm quá nhỏ nên không còn tạo ra nghịch đảo tích luỹ được nữa. Từ hình vẽ ta cũng thấy chiều dài tối ưu gần như thay đổi tuyến tính với công suất bơm. Sự bão hoà độ khuếch đại cũng được thể hiện trong hình 3.6 dưới đây, minh họa sự thay đổi độ khuếch đại công suất theo tín hiệu ra. Khi công suất tín hiệu ra tăng trong một phạm vi nhất định thì độ khuếch đại vẫn không đổi, nghĩa là lúc đó có mối quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra. Tuy nhiên, khi tín hiệu ra tăng đến một một giới hạn nào đó thì độ khuếch đại bắt đầu giảm, thể hiện sự bão hoà khuếch đại. Ngoài ra, độ khuếch đại và sự bão hoà của nó còn phụ thuộc vào công suất bơm. Khi công suất bơm càng lớn thì độ khuếch đại càng cao và độ bão hoà càng tăng. Hình 3.6: Độ khuếch đại của EDFA là hàm của công suất tín hiệu đầu vào ứng với các mức bơm khác nhau Công suất tín hiệu ra (dBm) 3.4.4 Nhiễu trong EDFA Loại nhiễu chính được tạo ra trong bộ khuếch đại quang là nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE). Nguồn gốc của nhiễu này là do sự tái hợp tự phát của các electron và lỗ trống trong đoạn sợi khuếch đại. Sự tái hợp này làm tăng độ rộng phổ nền của các photon được khuếch đại cùng với tín hiệu quang. Hiệu ứng này được chỉ ra trên hình 2.9 khi EDFA đang khuếch đại tín hiệu tại bước sóng 1540nm. Nhiễu ASE sinh ra do hiện tượng phát xạ tự phát của các ion Erbium trong sợi EDF của EDFA khi chúng nhảy từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp mà không có sự kích thích của ánh sáng tín hiệu. Quá trình này sinh ra các photon có hướng và pha ngẫu nhiên. Một số photon bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode của sợi quang và lan truyền dọc theo bên trong sợi, chúng lại được khuếch đại. Quá trình này tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE. 3.5 Ưu – Nhược điểm của EDFA 3.5.1 Ưu điểm: à Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao. à Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống. à Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vận chuyển và thay thế. à Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang vượt biển. à Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếch đại quang bán dẫn. à Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu. 3.5.2 Khuyết điểm: à Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng. à Băng tần hiên nay bị giới hạn trong băng C và băng L. à Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn. CHƯƠNG IV: THIẾT BỊ PHÁT QUANG VÀ THIẾT BỊ THU QUANG 4.1 Thiết bị phát quang 4.1.1 Nguyên lý bức xạ ánh sáng của chất bán dẫn Nguồn phát quang dùng trong thông tin quang sợi thích hợp là các linh kiện quang bán dẫn gồm diode bức xạ ánh sáng LED và diode laser LD. Các nguồn phát quang bán dẫn dùng trong thông tin quang như LED và diode laser LD làm việc dựa trên nguyên lý bức xạ ánh sáng do sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống sảy ra trong vùng chuyển tiếp P-N của chất bán dẫn được đặt dưới thiên áp thuận. Vùng chuyển tiếp P-N này được gọi là vùng hoạt tính của LED và LD. 4.1.1.1 Điode LED Điode phát quang LED là nguồn phát quang rất phù hợp cho các hệ thống thông tin quang tốc độ không quá 200Mbit/s sử dụng sợi dẫn quang đa mode. Để sử dụng tốt cho hệ thống thông tin quang, LED phải có công suất bức xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao. Sự bức xạ của nó là công suất quang phát xạ theo góc trên một đơn vị diện tích của bề mặt phát và được tính bằng Watt. Chính công suất bức xạ cao sẽ tạo điều kiện cho việc ghép giữa các sợi dẫn quang và LED dễ dàng và cho công suất phát ra từ đầu sợi lớn. Thời gian đầu, khi công nghệ thông tin quang chưa được phổ biến, điode phát quang thường dùng cho các sợi quang đa mode. Nhưng chỉ sau đó một thời gian ngắn, khi mà các hệ thống thông tin quang phát triển khá rộng rãi, các sợi dẫn quang đơn mode được đưa vào sử dụng trong các hệ thống thông tin quang thì LED cũng đã có dưới dạng sản phẩm là các modul có sợi dẫn ra là sợi dẫn quang đơn mode. Công suất quang đầu ra của nó ít phụ thuộc vào nhiệt độ và thường chúng có mạch điều khiển đơn giản. Thực nghiệm đã đạt được độ dài tuyến lên tới 9,6Km với tốc độ 2Gbit/s và 100Km với tốc độ 16Mbit/s. LED có ưu điểm là giá thành thấp và độ tin cậy cao, tuy nhiên chúng phù hợp với mạng nội hạt, các tuyến thông tin quang ngắn với tốc độ bit trung bình thấp. 4.1.1.2 Điode Laser Điode laser bán dẫn LD được cấu tạo từ một chuyển tiếp dị thể kép có dạng khối chữ nhật với hai đầu được mài nhẵn tạo thành hai gương song song phản xạ ánh sáng. Một gương phản xạ toàn phần, còn một gương có khe để cho ánh sáng phát đi qua ra ngoài.Cấu trúc dị thể và hai gương tạo thành một hộp cộng hưởng Phabry-Pero. Chiều dài hộp cộng hưởng chọn bằng một số nguyên lần nửa bước sóng phát của Laser, theo công thức : (4.1) Điode Laser làm việc dưới thiên áp thuận và dòng thiên áp có giá trị trên dòng ngưỡng ánh sáng do Diode Laser phát ra là ánh sáng bức xạ kích thích, có tính kết hợp, nên cường độ và công suất mạnh hơn nhiều lần so với ánh sáng của LED. Khác với LED, Diode Laser làm việc dựa trên nguyên tắc bức xạ ánh sáng kích thích của vùng hoạt tính của cấu trúc dị thể kép chất bán dẫn. Để có ánh sáng phát trong chế độ Laser, theo nguyên lý làm việc chung của Laser, Diode LD cần đảm bảo được ba điều kiện sau : Ä Vùng hoạt tính của chuyển tiếp dị thể kép phải là môi trường khuyếch đại đối với ánh sáng bức xạ kích thích. Ä Phản hồi quang của ánh sáng bức xạ tái hợp trong vùng hoạt tính phải là dương, tức vùng hoạt tính của chuyển tiếp dị thể kép phải có cấu trúc hộp cộng hởng nhờ hai gương ở hai đầu đặt song song nhau. Chiều dài L của hộp chọn theo điều kiện (công thức 4.1). Khi đó các tia sáng tới và tia phản xạ truyền dọc hộp sẽ phản xạ liên tiếp tại hai mặt hai gương hai đầu hộp có pha cách nhau là 2mπ (đồng pha với nhau). Với m = 1, 2, 3,…. Ä Dòng thiên áp thuận đặt lên Diode LD phải đạt trên giá trị dòng ngưỡng, để bảo đảm trạng thái nghịch đảo nồng độ điện tử trong vùng hoạt tính. Để vùng hoạt tính là môi trường khuyếch đại ánh sáng, thì nồng độ hạt dẫn do thiên áp tạo ra trong nó cần đạt trên giá trị ngưỡng. Chẳng hạn đối với bán dẫn InGaAsP thì nồng độ ngưỡng là NT = (0,9-1,5).1018/cm3. Trong điều kiện như vậy, ánh sáng do tái hợp bức xạ truyền trong vùng hoạt tính sẽ được khuyếch đại mà không bị hấp thụ. Nói chung, Laser có rất nhiều dạng và đủ các kích cỡ. Chúng tồn tại ở dạng khí, chất lỏng, tinh thể hoặc bán dẫn. Đối với các hệ thống thông tin quang, các nguồn phát Laser là các Laser bán dẫn và thường gọi chúng là LD. Các loại Laser có thể là khác nhau nhưng nguyên lý hoạt động cơ bản của chúng là như nhau. Hoạt động của Laser là kết quả của ba quá trình mấu chốt là: hấp thụ phôton, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích. Ba quá trình này tương tự cơ chế phát xạ ánh sáng Các hệ thống thông tin quang thường là có tốc độ rất cao, hiện nay nhiều hệ thống thông tin quang có tốc độ 2.5Gbit/s đến 5Gbit/s đã được đưa vào khai thác. Băng tần của hệ thống thông tin quang đòi hỏi khá lớn, như vậy các LD phun sẽ phù hợp hơn là các Điode phát quang LED. Các LD thông thường có thời gian đáp ứng nhỏ hơn 1ns, độ rộng phổ trung bình từ 1nm đến 2 nm và nhỏ hơn, công suất ghép vào sợi quang đạt vài miliwatt. 4.1.2 Sự bức xạ ánh sáng do tái hợp Vùng dới gồm các mức năng lượng thấp hơn gọi là vùng hoá trị với mức đỉnh ký hiệu là EV (ev), vùng trên gồm các mức năng lượng cao hơn gọi là vùng dẫn với mức thấp nhất ký hiệu là EC.Vùng nằm giữa hai vùng hoá trị và vùng dẫn không tồn mức năng lượng nào gọi là vùng cấm ký hiệu là EG (bandgap), nó có giá trị là : (4.2) Tuỳ theo trạng thái của chất bán dẫn, trong vùng năng lượng, các điện tử có thể chiếm đầy hoàn toàn các mức, chiếm một số mức hoặc để chống hoàn toàn. Trong điều kiện cân bằng nhiệt của chất bán dẫn, đại đa số các điện tử nằm tại các mức trong vùng hoá trị, có rất ít điện tử nằm ở vùng dẫn. Chất bán dẫn không phát xạ ánh sáng. Quá trình bức xạ ánh sáng do tái hợp của chất bán dẫn diễn ra theo ba giai đoạn là : + Sự hấp thụ năng lượng từ bên ngoài gọi là nguồn bơm + Sự dịch chuyển điện tử lên trạng thái kích thích + Sự dịch chuyển điện tử tái hợp. Quá trình bức xạ do tái hợp diễn ra theo thứ tự như sau : Ø Khi chất bán dẫn được cấp một năng lượng có mức lớn hơn năng lượng vùng cấm E > EG (gọi là nguồn bơm) thí dụ như tăng nhiệt độ, chiếu ánh sáng hoặc cấp thiên áp điện, thì một số điện tử nằm ở mức E1 trong vùng hoá trị (gọi là mức ổn định) hấp thụ được năng lượng cấp này sẽ dịch chuyển lên mức E2 thuộc vùng dẫn và tại vùng hoá trị hình thành các lỗ trống. Số lỗ trống bằng số điện tử đã dịch chuyển lên vùng dẫn. Ø Điện tử nằm ở mức E2 này gọi là điện tử ở trạng thái bị kích thích. Vì trạng thái kích thích của điện tử là không ổn định, nên chúng sẽ bị hạt nhân nguyên tử hút quay trở về mức ổn định E1 trong vùng hoá trị. Ø Khi điện tử dịch chuyển từ mức E2 về mức E1 để tái hợp với lỗ trống thì một năng lượng được giải phóng. Nếu năng lượng giải phóng dưới dạng ánh sáng (photon) thì sự dịch chuyển điện tử này gọi là dịch chuyển tái hợp bức xạ. Ánh sáng phát ra của dịch chuyển này đợc tính theo định luật Planck là : (4.2) Với gọi là hằng số Planck. 1 ev = 1,6.10-19 J.s ; e = 1,6.10-19 C Hình 4.3 Quá trình bức xạ do tái hợp 4.1.3 Sự bức xạ ánh sáng do tự phát và kích thích Nếu năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt đốt nóng mạng tinh thể (gọi là phonon) thì dịch chuyển gọi là dịch chuyển tái hợp không bức xạ. Nếu một điện tử từ trạng thái bị kích thích (từ mức E2) dịch chuyển trở về trạng thái ổn định (về mức E1) một cách tự nhiên để tái hợp với một lỗ trống và bức xạ ra một photon ánh sáng, thì bức xạ ánh sáng nh vậy đợc gọi là bức xạ tự phát (spontaneous emission). ánh sáng của các photon bức xạ tự phát có bước sóng tính theo công thức 4.2 nhưng có hướng và pha tuỳ ý, nên gọi là ánh sáng không kết hợp, nó có cường độ yếu. Nếu một điện tử đang nằm ở trạng thái bị kích thích (mức E2), khi nhận được ánh sáng từ bên ngoài chiếu vào có năng lượng của photon là Ep = hν = E2-E1 (ev) thì ngay lập tức dịch chuyển trở về mức mức ổn định E1 để tái hợp với một lỗ trống và bức xạ ra một photon ánh sáng. Bức xạ này gọi là bức xạ kích thích hay cưỡng bức (stimulate emission). Sự bức xạ ánh sáng kích thích được Eistein phát hiện ra đầu tiên nên được gọi là bức xạ kích thích của Eistein. ở đây ν là tần số của photon kích thích. Các photon bức xạ kích thích có tần số bằng đúng tần số ν của photon chiếu vào được tính theo công thức 4.2. Chúng có cùng hướng và đồng pha với nhau. Nên ánh sáng của bức xạ kích thích gọi là ánh sáng kết hợp. Ánh sáng kết hợp có cường độ mạnh hơn nhiều lần cường độ của ánh sáng tự phát. Ánh sáng của LED phát ra là ánh sáng tự phát, còn ánh sáng của Điode Laser LD phát ra là ánh sáng kích thích. 4.2 Thiết bị thu quang Thiết bị thu quang đóng một vai trò rất quan trọng trong hệ thống thông tin quang, nó có chức năng biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. 4.2.1 Cơ chế thu quang Như đã nói ở trên, cơ sở của hiệu ứng quang điện là quá trình hấp thụ ánh sáng trong chất bán dẫn. Khi ánh sáng đập vào một vật thể bán dẫn, các điện tử trong vùng hóa trị được chuyển dời tới vùng dẫn nhưng nếu không có một sự tác động sảy ra thì sẽ không thu được kết quả gì mà chỉ có các điện tử chuyển động ra xung quanh và tái hợp trở lại với các lỗ trống vùng hoá trị. Do đó để biến đổi năng lượng quang thành điện ta phải tận dụng trạng thái khi mà lỗ trống và điện tử chưa kịp tái hợp. Trong linh kiện thu quang, lớp chuyển tiếp p-n được sử dụng để tách điện tử ra khỏi lỗ trống. Khi ánh sáng đập vào vùng p sẽ bị hấp thụ trong quá trình lan truyền đến vùng n. Trong quá trình đó, các điện tử và lỗ trống đã được tạo ra và tại vùng nghèo do hấp thụ photon sẽ chuyển động về hai hướng đối ngược nhau dưới tác động của điện trường nên chúng tách rời nhau. Vì không có điện trường ở bên ngoài vùng nghèo nên các điện tử và lỗ trống được tạo ra do hiệu ứng quang điện và sẽ tái hợp trong quá trình chuyển động của chúng. Tuy nhiên, sẽ có một vài điện tử di chuyển vào điện trường trong quá trình chuyển động và có khả năng thâm nhập vào mỗi vùng. Và do đó có một điện thế sẽ được tạo ra giữa các miền p và n. Nếu hai đầu của miền đó được nối với mạch điện ngoài thì các điện tử và lỗ trống sẽ được tái hợp ở mạch ngoài và sẽ có dòng điện chạy qua. 4.2.2 Phôtôđiốt PIN Phôtođiốt PIN là bộ tách sóng dùng để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Cấu trúc cơ bản của Photođiốt PIN gồm các vùng p và n đặt cách nhau bằng một lớp tự dẫn i rất mỏng. Để thiết bị hoạt động thì cần phải cấp một thiên áp ngược để vùng bên trong rút hết các loại hạt mang. Khi có ánh sáng đi vào Photođiốt PIN thì sẽ xảy ra quá trình như sau. Nếu một photon trong chùm ánh sáng tới mang một năng lượng hν lớn hơn hoặc ngang bằng với năng lượng dải cấm của lớp vật liệu bán dẫn trong Photođiốt thì photon có thể kích thích điện tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn.Quá trình này sẽ phát ra các cặp điện tử, lỗ trống. Thông thường, bộ tách sóng quang được thiết kế sao cho các hạt mang này chủ yếu được phát ra tại vùng nghèo là nơi mà hầu hết các ánh sáng tới bị hấp thụ (hình 4.4). Sự có mặt của trường điện cao trong vùng nghèo làm cho các hạt mang tách nhau ra và thu nhận qua tiếp giáp có thiên áp ngược. Điều này làm tăng luồng dòng ở mạch ngoài, với một luồng dòng điện sẽ ứng với nhiều cặp mang được phát ra và dòng này gọi là dòng photon. Vùng nghèo Vùng hóa trị Thiên áp Vùng cấm P Điện tử Photon Điện tử Lỗ trống Ip Trở tải P i n Vùng dẫn n hv>E Hình 4.4: Sơ đồ vùng năng lượng của Photođiốt PIN Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào phải sinh ra một xung điện ở mạch ngoài và giá trị trung bình của dòng điện sinh ra phải tỷ lệ với công suất của ánh sáng chiếu vào nhưng trong thực tế, không đạt được như vậy mà một phần ánh sáng bị tổn hao do phản xạ. 4.2.3 Phôtôđiốt thác APD (Avalanche Photodiode) Để tăng độ nhạy Điode quang người ta ứng dụng hệ thống giống như hiệu ứng nhân điện tử trong các bộ nhân quang điện. Photodiot thác ký hiệu APD (Avalanche photodiode) có đặc tính tốt hơn đối với tín hiệu nhỏ. Sau khi biến đổi các photon thành các điện tử thì nó khuếch đại ngay dòng photo ở bên trong nó trước khi dòng này đi vào mạch khuếch đại tiếp sau và điều này làm tăng mức tín hiệu dẫn tới độ nhạy máy thu tăng lên đáng kể. Để thu được hiệu ứng nhân bên trong thì các hạt mang phải được tăng dần năng lượng tới mức đủ lớn để ion hoá các điện tử xung quanh do va chạm với chúng. Các điện tử xung quanh này được đẩy từ vùng hoá trị tới vùng dẫn rồi tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống mới sẵn sàng dẫn điện. Các hạt mang mới này tạo ra tiếp tục được gia tốc nhờ điện trường cao và lại có thể phát ra các cặp điện tử - lỗ trống mới khác. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng thác. Trường điện i P+ Trường tối thiểu cần thiết để tác động ion hoá Vùng thác Vùng nghèo p n+ Hình 4.5: Cấu trúc Photođiốt thác và trường điện trong vùng trôi. 4.2.4 Các tham số kỹ thuật của bộ thu quang Hình 4.6 Sơ đồ khối bộ thu quang Một máy thu quang bao gồm nhiều khối khác nhau, nhưng khối quan trọng nhất quyết định đến chất lượng của máy thu quang là photo diode hay bộ tách sóng quang và tầng tiền khuyếch đại đặt sát sau nó được gọi là tầng đầu cuối (front-end) tạo ra bộ thu quang đơn giản. Nó có sơ đồ khối cho như (hình 4.6). Các tham số kỹ thuật của bộ thu quang Bao gồm : tạp âm, tỷ số tín trên tạp S/N, tỷ số lỗi bit BER và độ nhạy thu Prmin . Các đặc trung kỹ thuật của bộ thu quang có biểu thức khác nhau khi sử dụng tách sóng là photo diode PIN và thác APD. + Tạp âm của bộ thu quang là đặc trưng kỹ thuật quan trọng có tác dụng quyết định đến chất lượng của độ nhạy bộ thu. Tạp âm của bộ thu quang bao gồm các thành phần là: tạp âm lượng tử hay gọi là tạp âm bắn, và tạp âm nhiệt. Tạp âm là một quá trình ngẫu nhiên, có cơ cấu tuân theo quy luật thống kê. + Đối với bộ thu quang dùng photo diode PIN tạp âm lượng tử hay gọi là tạp âm bắn (shot noise) do bản chất lượng tử của ánh sáng chiếu vào và dòng tối gây ra. Chúng làm thăng giáng ngẫu nhiên giá trị của dòng quang điện đầu ra photo diode. Giá trị trung bình bình phương (hay phương sai) của dòng tạp âm lượng tử được tính theo biểu thức sau : (4.7) + Đối với bộ thu quang dùng photodiode thác APD thì tạp âm lượng tử của nó còn được bổ xung thêm thành phần gây ra do hiệu ứng nhân thác. Do đó tạp âm lượng tử của bộ thu quang này có dạng sau : (4.8) Với (4.9) là thừa số tạp vượt trội của photodiode APD, kA là tỷ số các hệ số ion hoá của điện tử và lỗ trống. + Vì trở tải RL và bộ tiền khuyếch đại đặt sát sau photodiode cũng gây ra tạp âm gọi là tạp âm nhiệt của trở tải và bộ khuyếch đại. Giá trị trung bình bình phương của dòng tạp âm nhiệt (gọi là tạp Johnson) tính cho cả hai bộ thu dùng PIN hoặc APD như sau: + Trong các công thức trên Δf là dải thông tần tạp âm, thường lấy bằng dải thông điện tín hiệu của bộ thu, Fn là thừa số tạp của bộ khuyếch đại, là phương sai của các dòng tạp lượng tử và tạp nhiệt tương ứng, kB = 1,38.10-23j/K là hằng số Bolztman, T là nhiệt độ tuyệt đối tính theo độ K. + Dòng tạp âm tổng của bộ thu quang được tính là: Đối với bộ thu dùng PIN : (4.11) Đối với bộ thu dùng APD: + Tỷ số S/N là tỷ số công suất trung bình của tín hiệu quang trên công suất trung bình tạp âm tổng của bộ thu quang. - Đối với bộ thu dùng photodiode PIN ta có : - Đối với bộ thu dùng photodiode APD thì : (4.14) Để đạt được tỷ lệ S/N cao thì phải hội đủ các điều kiện sau: Ø Sử dụng các bộ tách sóng quang có hiệu suất lượng tử cao nhằm tạo ra công suất tín hiệu lớn. Ø Phải hạn chế được các tạp âm của bộ tách sóng quang và bộ khuếch đại tín hiệu trong bộ thu quang càng nhiều càng tốt. + Tỷ số lỗi bít của bộ thu quang được xác định là tỷ số các bit lỗi Ne trên tổng số bit truyền N trong một khoảng thời gian xác định t nào đó, gọi là BER. Vậy (4.15) 4.2.5 Bộ thu quang trong truyền dẫn tín hiệu số Hầu hết các hệ thống thông tin quang hiện nay thực hiện truyền dẫn tín hiệu số. Tín hiệu được phát ra từ phía phát là luồng số nhị phân với các giá trị 0 và 1 trong một khoảng thời gian. Trong một bộ thu quang, ánh sáng nhận được từ phía đường truyền sẽ được tách và biến đổi thành tín hiệu điện và được khôi phục ở đầu thu. Bộ khuếch đại thực hiện việc biến đổi dòng này thành tín hiệu điện áp với mức phù hợp với các mạch tiếp theo sau. Nhiệm vụ của bộ lọc nhằm giới hạn băng tần của bộ thu, làm giảm tối thiểu tạp âm phát ra từ bộ tách sóng và khuếch đại. Xung clock được trích lấy ra từ chùm tín hiệu số trong mạch quyết định. Việc lựa chọn bộ tách sóng quang thường được dựa vào các yếu tố cần được quan tâm như quỹ công suất của hệ thống, dải thông theo yêu cầu, tính phức tạp phần cứng, hiệu quả kinh tế. Xem xét các đặc tính kỹ thuật của thiết bị thu quang là một yếu tố rất quan trọng. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào các thiết bị thu quang. Hình 4.16: Sơ đồ khối của bộ thu quang điển hình trong truyền dẫn số. CHƯƠNG V: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 5.1 Hệ thống thông tin quang số IM/DD 5.1.1 Cấu hình sơ đồ khối Hệ thống thông tin quang số IM/DD là hệ thống thông tin quang sợi dùng tín hiệu số mà ở máy phát sử dụng phương pháp điều chế cường độ ánh sáng (intensity modulation), còn ở máy thu dùng phương pháp tách sóng trực tiếp công suất quang (direct detection). Đây là hệ thống thông tin quang được dùng phổ biến nhất trong thực tế kỹ thuật. Hình 5.1 mô tả cấu trúc sơ đồ khối của hệ thống thông tin IM/DD. Hình 5.1 cấu trúc sơ đồ khối của hệ thống thông tin IM/DD 5.1.2 Chức năng nhiệm vụ các khối Ø Khối thiết bị đầu cuối phát : làm nhiệm vụ nhận tín hiệu vào dạng điện, biến đổi ra tín hiệu quang để truyền vào sợi quang. Nó bao gồm 4 khối con là ghép kênh miền điện MUX, mã hoá CODES, tầng kích và nguồn phát quang E/O. + Bộ ghép kênh MUX thực hiện ghép kênh tín hiệu điện vào dạng số kiểu điều chế xung mã PCM các cấp khác nhau theo tiêu chuẩn phân cấp số của Châu Âu, Bắc Mỹ hay Nhật Bản để tạo ra luồng tín hiệu số chung có tốc độ bit cao. + Bộ mã hoá có nhiệm vụ chuyển mã dạng điện của tín hiệu vào sang mã đường truyền (line code) thích hợp với sự truyền dẫn trong sợi quang (thường dùng mã khối 5B-6B), thuận tiện cho khôi phục xung clock, giám sát và nâng cao khả năng phát hiện và sửa chữa lỗi của hệ thống. + Bộ kích DRIVER tạo ra dòng tín hiệu điện đủ lớn phù hợp để điều chế dòng thiên áp nguồn phát quang. + Bộ phát quang (E/O) làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang để phát vào sợi quang. Bộ phát quang được dùng là các LED hoặc LD. Tại đây tín hiệu điện từ bộ kích điều chế trực tiếp cường độ ánh sáng bằng dòng thiên áp của LED hoặc LD. Ø Thiết bị đầu cuối thu quang : làm nhiệm vụ nhận tín hiệu quang từ sợi quang để biến đổi trở lại dạng tín hiệu điện đúng như dạng ở phía máy phát và đưa đến các thuê bao. Nó bao gồm 5 khối con là: nguồn thu quang O/E, bộ quyết định, bộ tách xung clock, bộ giải mã DECOS và bộ tách kênh DEMUX. + Nguồn thu quang nhận tín hiệu quang từ sợi quang để biến về dạng tín hiệu điện. Nó được thực hiện bằng photo diode PIN hay thác APD. Tại đây tín hiệu quang được tách sóng trực tiếp từ công suất quang về dòng quang điện của photo diode. + Bộ quyết định có nhiệm vụ tái tạo lại tín hiệu dạng điện đúng như dạng ở phía máy phát. Nó bao gồm việc khuyếch đại tín hiệu đến mức đủ lớn, san bằng và lọc nhiễu để quyết định và phục hồi dạng xung mã đã phát. + Bộ tách xung clock có nhiệm vụ tách lấy xung đồng hồ clock từ tín hiệu ra để định thời đồng bộ cho bộ quyết định và các bộ khác làm việc. + Bộ giải mã biến đổi tín hiệu dưới dạng mã đường truyền trở lại dạng mã điện ban đầu của tín hiệu phát đưa đến bộ giải ghép kênh. + Bộ giải ghép kênh làm nhiệm vụ tách luồng tín hiệu số chung cấp cao về các luồng tín hiệu số chung cấp thấp để đưa đến thiết bị đầu cuối lối ra đi đến các thuê bao người sử dụng. Ø Trạm lặp repeater: có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu đến mức đủ lớn bù đắp sự suy hao của tín hiệu truyền trên tuyến sợi quang dài. Có hai dạng trạm lặp đường dây là trạm lặp tái sinh (3R) và trạm lặp bộ khuyếch đại quang. + Trạm lặp tái sinh bao gồm ba khối con làm các nhiệm vụ thứ tự là: bộ O/E để biến tín hiệu quang về tín hiệu điện, bộ tái sinh tín hiệu làm nhiệm vụ khuyếch đại đủ lớn tín hiệu đã tách sóng, sửa dạng, tái sinh lại tín hiệu, điều chế bộ E/O. Bộ E/O có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện đã tái sinh thành tín hiệu quang để phát tiếp vào sợi quang. Trong trạm lặp loại này có quá trình biến đổi điện quang và sự tái sinh tín hiệu. + Trạm lặp bộ khuyếch đại quang làm nhiệm vụ khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có quá trình biến đổi điện quang. Trạm lặp bộ khuyếch đại quang phổ biến hiện nay là dùng bộ khuyếch đại quang sợi trộn đất hiếm Ecbi EDFA. 5.1.3 Các đặc điểm của hệ thống IM/DD Hệ thống thông tin quang điều chế cường độ tách sóng trực tiếp IM/DD có các đặc điểm sau: + Cấu trúc sơ đồ khối và thiết bị đơn giản, không đòi hỏi kỹ thuật công nghệ quá cao và quá phức tạp. + Tốc độ và dung lượng bit đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt ra ở mức độ nhất định. + Hệ thống làm việc khá ổn định. + Giá thành thiết bị không cao. + Độ nhạy máy thu không cao, cự ly trạm lặp bị giới hạn, hiệu suất sử dụng băng thông sợi quang không cao. + Hệ thống IM/DD hiện được dùng phổ biến trong thực tế kỹ thuật ở nước ta và trên thế giới. à Máy thu quang IM-DD Máy thu quang số IM-DD là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống thông tin quang IM-DD. Nó có cấu hình sơ đồ khối mô tả trên hình 5.2. Máy thu IM-DD bao gồm ba khối chính là: tầng đầu cuối Front-end, khối tuyến tính và khối phục hồi. Trong đó tầng đầu cuối đóng vai trò quan trọng nhất, độ nhạy của nó quyết định độ nhậy của cả máy thu. à Các cơ chế làm giảm độ nhạy của máy thu IM-DD Có 4 cơ chế dẫn đến làm giảm độ nhạy máy thu IM-DD là : Ä Sự khác không của công suất quang ra ứng với bit không, tức tỷ số dập (extinction ratio) khác 0. Ä Do tạp cường độ (intensity noise) của máy phát quang (sự thăng giáng cường độ xung quanh giá trị trung bình). Ä Sự trượt định thời xung đồng hồ (timing Jitter). Ba nguyên nhân trên dẫn đến để đảm bảo được mức BER quy định thì cần phải tăng thêm một lượng công suất tại đầu vào máy thu so với giá trị trung bình nhỏ nhất của nó. Lượng tăng thêm công suất quang trên gọi phạt công suất (power pennalty). Đối với máy thu IM-DD thì ta chọn điều kiện làm việc của nó với mức phạt công suất như sau : < 0,5 dB ; < 0,02 dB và < 0,5-1 dB. Hình 5.2 Sơ đồ khối máy thu quang IM-DD 5.2 Hệ thống thông tin đa kênh WDM 5.2.1 Phân lọai hệ thống thông tin quang đa kênh Để nâng cao dung lượng và tốc độ bit truyền và tận dụng tối đa độ rộng băng thông của sợi quang, người ta sử dụng các công nghệ ghép kênh ở miền tần số quang và tạo ra hệ thống thông tin quang đa kênh. Tồn tại các kỹ thuật ghép kênh trên miền tần số quang như sau: ghép kênh quang theo bước sóng WDM (hay theo tần số quang OFDM), ghép kênh quang theo thời gian OTDM và ghép kênh quang theo mã OCDM. Do đó cũng có 3 hệ thống thông tin quang đa kênh tương ứng là WDM, OTDM và OCDM. Hiện nay hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng viết tắt là WDM (Wavelength Division Multiplexing) do công nghệ chế tạo các phần tử quang tương đối hoàn thiện nên các sản phẩm thương mại có sẵn trên thị trường, nên nó được sử dụng rộng rãi trên thế giới và trong nước ta. 5.2.2 Nguyên tắc làm việc Chúng ta chỉ xét tóm tắt nguyên tắc làm việc, cấu trúc sơ đồ khối và đặc điểm của hệ thống thông tin quang đa kênh WDM.Hệ thống thông tin quang đa kênh WDM làm việc dựa trên nguyên tắc ghép nhiều bước sóng quang khác nhau như : ,, … để truyền dẫn đồng thời trên một sợi quang thay vì chỉ truyền một bước sóng quang trên một sợi quang như trong hệ thống đơn kênh. Nguyên tắc thực hiện là : + Do các vùng cửa sổ truyền dẫn thứ hai ( = 1,3 μm) và thứ ba ( =1,55μm) có tổn hao thấp của sợi quang có băng tần rất rộng : Δ = 70 nm (Δf = 12.1012Hz) Δ = 110 nm (Δf = 15.1012 Hz). + Nếu phổ bức xạ của các laser phát là khá hẹp = 1-2 nm (với LD đa mode) và = 0,1 nm (với LD đơn mode) thì trong mỗi vùng cửa sổ trên có thể ghép nhiều bước sóng phát khác nhau như : , , ,… mà không chồng lấn lên nhau để truyền dẫn đồng thời trên cùng một sợi quang. Mỗi bước sóng quang được điều chế một luồng tín hiệu điện riêng gọi là một kênh quang. Do đó hệ thống thông tin quang đa kênh WDM có dung lượng và tốc độ bit cao gấp nhiều lần so với hệ thống thông tin quang đơn kênh. Giả sử mỗi kênh có tốc độ bit là B, và hệ thống truyền được N kênh đồng thời, thì tốc độ bit của cả hệ thống đa kênh WDM là NB. + Phân loại hệ thống WDM : Tuỳ theo khoảng cách bước sóng giữa các kênh lân cận nhau, mà hệ thống đa kênh WDM được phân loại thành hệ thống: - Hệ thống WDM thô viết tắt là CWDM (coarse wavelength division multiplexing) với khoảng cách bước sóng giữa các kênh lân cận > 1nm (thông thường N < 8) - Hệ thống WDM dài hay cao ký hiệu là DWDM (dense wavelength division multiplexing) với khoảng cách bước sóng giữa các kênh lân cận < 1nm (theo tiêu chuẩn của ITU là F = 100 GHz). - Hệ thống thông tin quang đa kênh WDM có hai cấu hình sơ đồ khối là dạng ghép kênh quang đơn hướng và ghép kênh quang hai hướng. (Hình 5.3) mô tả sơ đồ khối của hệ thống WDM dạng ghép kênh đơn hướng. Sơ đồ hoạt động như sau : Hình 5.3 Sơ đồ hệ thống ghép kênh quang đa kênh Tại phía máy phát, N kênh quang có bước sóng khác nhau là , , ,… từ các máy phát riêng T1 , T2 , T3 ,…TN được đưa đến bộ ghép kênh theo bước sóng MUX, sau đó tất cả N bước sóng được truyền dẫn đồng thời trên một sợi quang đi đến phía máy thu. Tại đầu thu, các bước sóng khác nhau được bộ tách kênh quang DEMUX tách ra thành các bước sóng riêng rẽ rồi đưa đến từng máy thu quang R1 , R2 , R3 ,…RN dành cho các kênh tương ứng. Việc truyền các kênh quang theo hướng ngược lại được thực hiện theo sơ đồ tương tự nhưng truyền trên sợi quang thứ hai khác. Trong sơ đồ dạng ghép kênh đơn hướng các bộ tách và bộ ghép kênh theo bước sóng chỉ làm việc một chức năng là tách hoặc ghép độc lập riêng rẽ nhau, nên cấu trúc đơn giản, chất lượng cao, nhưng phải dùng đến hai sợi quang cho hướng đi và về. Hình 5.4 mô tả sơ đồ khối hệ WDM dạng ghép kênh quang hai hướng Trong sơ đồ hệ WDM dạng ghép kênh hai hướng, từ trạm đầu cuối thứ nhất , các kênh quang bước sóng khác nhau là ,… từ các máy phát T1,…TN được đưa vào bộ ghép kênh quang theo bước sóng, rồi truyền trên sợi quang đến đầu cuối thứ hai. Tại đây chúng được bộ tách kênh theo bước sóng tách thành các kênh riêng rẽ đi đến từng máy thu tương ứng R, …R. Đồng thời tại trạm đầu cuối này các kênh quang bước sóng khác nhau khác là , …R từ các máy phát T, …T cũng được đưa đến bộ ghép kênh theo bước sóng để truyền cũng trên cùng một sợi quang đó nhưng theo chiều ngược lại đi về phía trạm đầu cuối thứ nhất. Tại đây chúng lại được bộ tách kênh theo bớc sóng tách thành các bước sóng riêng để đi đến các máy thu tương ứng R, …R. Do đó tại mỗi đầu cuối hệ phải có các thiết bị làm nhiệm vụ đồng thời cả ghép kênh lẫn tách kênh quang, gọi chung là bộ tách-ghép kênh quang MUX-DEMUX. Hệ thống WDM ghép kênh quang hai hướng có ưu điểm là chỉ cần một sợi quang, nhưng bộ tách-ghép có cấu tạo phức tạp, chất lượng đòi hỏi cao, nên giá thành cao. 5.2.3 Đặc điểm của hệ thống WDM Hệ thống thông tin quang đa kênh WDM có các đặc điểm sau : + Có tốc độ và dung lượng bit rất cao, có thể đạt đến hàng chục đến hàng trăm Gb/s, đáp ứng nhu cầu đa dịch vụ băng rộng ngày càng tăng của xã hội. + Công nghệ chế tạo các thiết bị thu, phát quang, MUX-DEMUX phát triển tương đối hoàn thiện, chỉ tiêu kỹ thuật đáp ứng yêu cầu chất lượng đặt ra. + Tiết kiệm số lượng đáng kể sợi quang trên tuyến, nên cho phép nâng cao dung lượng tuyến đã có sẵn mà không cần lắp đặt thêm cáp quang, giảm giá thành khai thác tuyến. + Kỹ thuật và công nghệ cao, nên giá thành các thiết bị đầu cuối còn cao, nhưng theo thời gian sẽ giảm dần. Hiện hệ thống thông tin quang đa kênh WDM thương mại đạt số kênh bước sóng trên một sợi quang là N = 16. à Các công nghệ của hệ WDM + Công nghệ máy phát: dùng loại các loại Laser phát bước sóng khác nhau hoặc loại Laser phát bước sóng có thể điều chỉnh được + Công nghệ máy thu: dùng nhiều máy thu có bước sóng cố định hoặc máy thu điều hưởng nhờ bộ lọc điều chỉnh bước sóng cộng hưởng. + Công nghệ các bộ tách và ghép bước sóng MUX-DEMUX. + Công nghệ khuếch đại quang. + Công nghệ chống hiệu ứng phi tuyến (5 hiệu ứng là : SPM, XPM, FWM, SRS, SBS) + Công nghệ bù tán sắc. à Các bộ khuếch đại quang + Các bộ khuếch đại quang dùng để khuếch đại trực tiếp tín hiệu sóng mang quang. Chúng được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ 20 và bắt đầu được đưa vào ứng dụng trong kỹ thuật từ những năm 1990. + Các bộ khuếch đại quang được phân làm hai loại chính là: bộ khuếch đại quang bán dẫn và khuếch đại quang sợi. + Bộ khuếch đại quang bán dẫn bao gồm hai dạng là: khuếch đại quang bán dẫn Fabry-Pero (FP-SLA), khuếch đại quang sóng chạy (TW-SLA). + Bộ khuếch đại quang sợi bao gồm ba dạng là: khuếch đại quang sợi tán xạ kích thích Raman (FRA), khuếch đại quang sợi tán xạ kích thích Brillouin (FBA), khuếch đại quang sợi trộn đất hiếm Erbi (EDFA). Trong các hệ thống và mạng thông tin quang hiện nay bộ EDFA được sử dụng rất rộng rãi.