Tổng quan về thông tin quang - Tài liệu, ebook, giáo trình

Tài liệu Tổng quan về thông tin quang: ... Ebook Tổng quan về thông tin quang

91 trang | Chia sẻ: huyen82 | Lượt xem: 1430 | Lượt tải: 1

Tóm tắt tài liệu Tổng quan về thông tin quang, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

tæng quan vÒ th«ng tin quang [[[[¬ Ch¬ng I hÖ thèng th«ng tin sîi quang I. HÖ thèng th«ng tin sîi quang 1. CÊu tróc hÖ thèng th«ng tin quang §iÖn tho¹i Sè liÖu Fax Tivi Sè liÖu Fax Tivi KhuÕch ®¹i LÆp ®êng d©y H×nh 1.1. CÊu h×nh cña hÖ thèng th«ng tin sîi quang E O PDH SDH PDH SDH E O O E E O EX A EX B HÖ thèng th«ng tin c¸p sîi quang HÖ thèng truyÒn dÉn c¸p sîi quang Bé biÕn ®æi ®iÖn quang Bé biÕn ®æi quang ®iÖn H×nh vÏ 1.1 biÓu thÞ cÊu h×nh c¬ b¶n cña hÖ thèng th«ng tin quang nãi chung tÝn hiÖu ®iÖn tõ m¸y ®iÖn tho¹i c¸c thiÕt bÞ ®Çu cuèi, sè liÖu fax ®a ®Õn ®îc biÕn ®æi sang tÝn hiÖu quang, qua mét bé biÕn ®æi ®iÖn - quang (E/O) (C¸c tÝn hiÖu ®iÖn “1” vµ “0” ®îc biÕn ®æi ra ¸nh s¸ng cã d¹ng: “cã” vµ “kh«ng”) vµ sau ®ã ®îc göi vµo c¸p quang c¸c tÝn hiÖu truyÒn qua sîi quang c«ng suÊt bÞ gi¶m vµ d¹ng sãng (®é réng xung) bÞ d·n ra. Sau ®ã tíi bé biÕn ®æi quang - ®iÖn (E/O) t¹i ®Çu kia cña sîi quang. T¹i bé biÕn ®æi quang - ®iÖn, tÝn hiÖu quang thu ®îc, ®îc biÕn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn, kh«i phôc l¹i nguyªn d¹ng tÝn hiÖu cña m¸y ®iÖn tho¹i, sè liÖu fax... ®· göi ®i, tÝn hiÖu sau khi ®· ®îc kh«i phôc ®îc truyÒn tíi c¸c thiÕt bÞ ®Çu cuèi cña chÆng truyÒn dÉn. §iÖn tho¹i Bé biÕn ®æi quang E/O thøc chÊt lµ linh kiÖn ph¸t quang nh lµ Laser diode, vµ bé biÕn ®æi quang ®iÖn O/E lµ photo diode. Khi kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn lín cÇn thiÕt ph¶i cã c¸c tr¹m lÆp, c¸c tr¹m nµy biÕn ®æi tÝn hiÖu quang thu ®îc thµnh tÝn hiÖu quang. 2. TiÕn tr×nh ph¸t triÓn cña hÖ thèng th«ng tin quang Vµo nh÷ng n¨m 1960 viÖc ph¸t ra laser ®Ó lµm nguån quang, ®· më ra mét thêi kú míi cã ý nghÜa rÊt to lín trong lÞch sö kü thuËt th«ng tin sö dông d¶i tÇn sè cña ¸nh s¸ng. Theo lý thuyÕt th× nã cho phÐp con ngêi thùc hiÖn th«ng tin víi lîng kªnh rÊt lín vît gÊp nhiÒu lÇn c¸c hÖ thèng vi ba hiÖn cã. Hµng lo¹t c¸c thùc nghiÖm vÒ th«ng tin trªn bÇu khÝ quyÓn, mÆc dï ®· thu ®îc mét sè kÕt qu¶, nhng nh÷ng chi phÝ cho c¸c c«ng viÖc nµy lµ qu¸ lín. Kinh phÝ chi cho viÖc s¶n xu¸t c¸c thµnh phÇn ®Ó vît qua c¸c c¶n trë do ®iÒu kiÖn thêi tiÕt (ma, s¬ng mï...) g©y ra lµ rÊt tèn kÐm nªn cha thu hót ®îc sù chó ý cña m¹ng líi. Mét híng nghiªn cøu kh¸c cïng thêi gian nµy ®· t¹o ®îc hÖ thèng th«ng tin cã ®é tin cËy cao h¬n th«ng tin qua khÝ quyÓn nãi ë trªn lµ sù ph¸t minh ra sîi dÉn quang. C¸c sîi dÉn quang lÇn ®Çu tiªn ®îc chÕ t¹o mÆc dï cã suy hao rÊt lín kho¶ng 1.000dB/km. §· t¹o ra mét m« h×nh hÖ thèng cã xu híng linh ho¹t h¬n. N¨m 1966 kao, Hock man, vµ Werts ®· nhËn thÊy r»ng suy hao cña sîi dÉn quang chñ yÕu lµ do t¹p chÊt cã trong vËt liÖu chÕ t¹o sîi g©y lªn vµ nhËn ®Þnh r»ng cã thÓ lµm gi¶m suy hao cña sîi vµ ch¾c ch¾n tån t¹i mét ®iÓm nµo ®ã trong d¶i bíc sãng truyÒn dÉn quang cã suy hao nhá. Nh÷ng nhËn ®Þnh nµy ®· ®îc s¸ng tá khi Kapron, Keck vµ Manver chÕ t¹o thµnh c«ng sîi thuû tinh cã suy hao 20dB/Km vµo n¨m 1970 - suy hao nµy nhá h¬n nhiÒu so víi thêi ®iÓm ®Çu chÕ t¹o sîi vµ cho phÐp t¹o ra cù ly truyÒn dÉn t¬ng ®¬ng víi c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn b»ng c¸p ®ång víi sù cè g¾ng kh«ng ngõng cña c¸c nhµ nghiªn cøu, c¸c sîi quang cã suy hao nhá lÇn lît ra ®êi. Cho tíi n¨m 1980 c¸c hÖ thèng th«ng tin trªn sîi dÉn quang ®· ®îc phæ biÕn kh¸ réng víi vïng bíc sãng lµm viÖc 1.300nm cho tíi nay sîi dÉn quang ®· ®¹t tíi sù suy hao rÊt nhá, suy hao 0,154dB/Km t¹i bíc sãng 1.550nm, ®· cho thÊy sù ph¸t triÓn vît bËc cña c«ng nghÖ sîi quang trong h¬n hai thËp kû qua gi¸ trÞ suy hao nµy ®· gÇn ®¹t tíi tÝnh to¸n lý thuyÕt cho c¸c sîi ®¬n mode lµ 0,14dB/Km. Cïng víi c«ng nghÖ chÕ t¹o c¸c nguån ph¸t vµ thu quang, sîi dÉn quang ®· t¹o ra hÖ thèng th«ng tin quang víi nhiÒu u ®iÓm tréi h¬n h¼n so víi c¸c hÖ thèng th«ng tin c¸p kim lo¹i. II. TruyÒn dÉn c¬ b¶n Sîi quang truyÒn dÉn th«ng tin b»ng ¸nh s¸ng ch¹y däc theo c¸c sîi trong suèt t¹o bëi thuû tinh th¹ch anh (SiO2). Mét nguån s¸ng ®îc chÕ (LD hay LED) theo mét c¸ch thøc thÓ hiÖn c¸c tÝn hiÖu c¸c tÝn hiÖu th«ng tin ®Çu vµo. ¸nh s¸ng ®iÒu chÕ ®îc ®a vµo sîi quang ®Ó ®a ®i. t¹i ®Çu kia bé gi¶i ®iÒu chÕ quang nhËn ®îc ¸nh s¸ng gi¶i ®iÒu chÕ ®ã, biÕn ®æi nã trë vÒ mét tÝn hiÖu gièng hÖt tÝn hiÖu ban ®Çu ra ë ®Çu kia cña sîi quang. TÝn hiÖu sè TÝn hiÖu sè TÝn hiÖu ®iÖn ®Çu vµo Bé ®iÒu chÕ nguån s¸ng HÖ thèng truyÒn dÉn sîi quang Bé gi¶i ®iÒu chÕ TÝn hiÖu ®iÖn ®îc t¸i t¹o ¸nh s¸ng t¬ng tù TÝn hiÖu t¬ng tù TÝn hiÖu t¬ng tù ¸nh s¸ng sè ¸nh s¸ng sè A/D TÝn hiÖu t¬ng tù D/A TÝn hiÖu t¬ng tù (a) (b) (c) H×nh 1.2 C¸c kü thuËt truyÒn dÉn sîi quang E O O E a/ §iÒu chÕ sè b/ §iÒu chÕ t¬ng tù c/ §iÒu chÕ sè cã biÕn ®æi A/D Kü thuËt truyÒn dÉn ¸nh s¸ng cã thÓ chia lµm 3 lo¹i: §iÒu chÕ sè (digital): thùc hiÖn c¸c biÕn ®æi tÝn hiÖu sè ë ®Çu vµo thµnh mét chuçi xung ¸nh s¸ng ®îc m· ho¸ t¬ng tù theo kiÓu “cã” hoÆc “kh«ng” (h×nh 1.2a) kiÓu ®iÒu chÕ nµy rÊt phï hîp víi truyÒn dÉn c¸c sè liÖu m¸y tÝnh. §iÒu chÕ t¬ng tù (analog): nh tiÕng nãi, ©m nhac... cã chu kú vµ biªn ®é thay ®æi. §iÒu chÕ t¬ng tù biÕn ®æi tÝn hiÖu nµy thÊy mét tÝn hiÖu quang cã cêng ®é ¸nh s¸ng thay ®æi mét c¸ch t¬ng tù nh tÝn hiÖu ®iÖn ®Çu vµo (h×nh 1.2b). §iÒu chÕ kÕt hîp: C¸c tÝn hiÖu t¬ng tù ®îc biÕn ®æi thµnh tÝn hiÖu sè. Sö dông bé biÕn ®æi A/D tríc khi ®iÒu chÕ ¸nh s¸ng. T¹i ®Çu thu tÝn hiÖu ¸nh s¸ng sÏ ®îc biÕn ®æi vÒ tÝn hiÖu sè nhê bé göi ®iÒu chÕ quang. Sau ®ã qua bé D/A sÏ biÕn ®æi tÝn hiÖu nµy trë l¹i tÝn hiÖu dang t¬ng tù ®Çu vµo (h×nh 1.2c) C¸c kü thuËt truyÒn dÉn nµy chØ cho ta thÊy viÖc truyÒn dÉn th«ng tin theo mét híng. trong thùc tÕ c¸c hÖ thèng ®Òu yªu cÇu truyÒn th«ng ®ång thêi hai chiÒu. V× vËy mét bé gåm c¸c thiÕt bÞ ®iÒu chÕ vµ gi¶i ®iÒu chÕ gièng hÖt nh bé thiÕt bÞ dïng cho mét híng nh trªn h×nh 1.2, nh»m t¹o ra mét hÖ thèng th«ng tin 2 chiÒu víi ®Çy ®ñ chøc n¨ng. III. §Æc ®iÓm cña th«ng tin quang HÖ thèng th«ng tin quang cã mét sè u ®iÓm s¬ víi c¸c hÖ thèng sö dông c¸p ®ång cæ ®iÓn do sö dungj c¸c ®Æc tÝnh cña sîi quang, linh kiÖn thu quang, ph¸t quang: Sîi c¸p quang cã c¸c ®Æc ®iÓm chñ yÕu sau: Suy hao thÊp s¬ víi c¸p song hµnh kim lo¹i, hoÆc c¸p ®ång trôc. Cho phÐp kÐo dµi cù ly c¸c tr¹m tiÕp vËn. §é r«ng b¨ng tÇn truyÒn dÉn rÊt l¬n, lµm cho dung lîng truyÒn dÉn cña tuyÕn rÊt lín. §êng kÝnh sîi nhá, träng lîng nhÑ so víi c¸p ®ång. §Æc tÝnh c¸ch ®iÖn: bëi v× thuû tinh kh«ng dÉn ®iÖn, do vËy c¸p sîi quang kh«ng bÞ ¶nh hëng cña ®iÖn tõ trêng bªn ngoµi ®iÖn cao thÕ, sãng v« tuyÕn.. Nguyªn liÖu chÕ t¹o chñ yÕu lµ th¹ch anh, nªn so víi kim lo¹i, nguån nguyªn liÖu nµy dåi dµo h¬n, vµ chØ cÇn sè lîng nhá ®· s¶n xuÊt ®îc ®o¹n c¸p quang dµi do ®ã tiÕt kiÖm ®îc nhiÒu tµi nguyªn. C¸c linh kiÖn thu vµ ph¸t quang cã nh÷ng u ®iÓm sau: Cã kh¶ n¨ng ®iÒu chÕ tèt ®é cao nªn sö dông trong truyÒn dÉn tèc ®é cao vµ b¨ng réng. KÝch thíc nhá, hiÖu suÊt biÕn ®æi quang - ®iÖn cao. Cho phÐp suy hao gi÷a m¸y ph¸t vµ m¸y thu lín v× c¸c linh kiÖn cã kh¶ n¨ng ph¸t x¹ c«ng suÊt quang lín, vµ ®é nh¹y m¸y thu cao, lªn ®¶m b¶o chÊt lîng truyÒn dÉn. Do cã nh÷ng u ®iÓm trªn mµ th«ng tin quang ®îc ¸p dông réng r·i trªn m¹ng líi: + C¸c tuyÕn ®êng trôc quèc gia. + C¸c ®êng trung kÕ + C¸c tuyÕn c¸p th¶ biÓn liªn quèc gia. + §êng truyÒn sè liÖu. + M¹ng líi truyÒn h×nh... HÖ thèng th«ng quang ®¸p øng c¶ c¸c tÝn hiÖu t¬ng tù (anolog) vµ sè (Digital), chóng cho phÐp truyÒn dÉn tÊt c¶ c¸c tÝn hiÖu dÞch vô b¨ng hÑp vµ b¨ng réng, ®¸p øng mäi yªu cÇu cña m¹ng sè ho¸ liªn kÕt ®a dÞch vô (ISDN). Sè lîng c¸p quang hiÖn nay ®îc l¾p ®Æt trªn thÕ giíi víi sè lîng rÊt lín, ë mäi tèc ®é truyÒn dÉn víi c¸c cù ly kh¸c nhau, cã cÊu tróc m¹ng rÊt ®a d¹ng. Ngoµi ra chóng cßn cã c¸c u ®iÓm nh ®é tin cËy cao vµ dÔ b¶o dìng. V× sîi quang lµ mét ph¬ng tiÖn truyÒn dÉn ®ång nhÊt vµ kh«ng g©y ra hiÖn tîng pha ®inh, chÞu ®îc ®é Èm kh¾c nghiÖt. HÖ thèng th«ng tin quang cã tÝnh b¶o mËt cao v× sîi quang kh«ng thÓ bÞ trÝch ®Ó lÊy trém th«ng tin b»ng c¸c ph¬ng tiªn th«ng thêng vµ rÊt khã lÊy th«ng tin ë tÝn hiÖu quang. Chóng cßn cã tÝnh linh ho¹t vµ tÝnh më réng. C¸c nhîc ®iÓm: Bé biÕn ®æi ®iÖn - quang: tÝn hiÖu ®iÖn tríc khi ®a vµo quang ph¶i ®îc biÔn ®æi thµnh sãng ¸nh s¸ng (cã bíc sãng 850, 1300, 1550mm) viÖc biÕn ®æi nµy ®îc truyÒn trªn sîi quang. T¹i ®Çu thu tÝn hiÖu quang ph¶i ®îc biÕn ®æi trë vÒ tÝn hiÖu ban ®Çu. Chi phÝ s¶n xuÊt thiÕt bÞ ®iÖn tö biÕn ®æi tÝn hiÖu cÇn ph¶i xem xÐt trong tÊt c¶ c¸c øng dông. §êng truyÒn th¼ng: c¸p quang cÇn cã ®êng ®i th¼ng. Yªu cÇu l¾p ®Æt ®Æc biÖt v× cÊu t¹o cña sîi quang chñ yÕu b»ng thuû tinh silic, nªn yªu cÇu ph¶i cã nh÷ng kü thuËt ®Æc biÖt khi x©y dùng vµ l¾p ®Æt c¸c tuyÕn c¸p quang. Söa ch÷a hµn nèi phøc t¹p ph¶i cÇn cã kü thuËt cao vµ thiÕt bÞ phï hîp. Ch¬ng II Lý thuyÕt chung vÒ sîi quang I. Sù truyÒn dÉn ¸nh s¸ng trong sîi quang 1. Nguyªn lý truyÒn dÉn ¸nh s¸ng trong sîi quang Khi cho mét tia s¸ng tõ m«i trêng cã chiÕt suÊt n1 sang m«i trêng cã chiÕt suÊt n2. Tia s¸ng hîp víi ph¸p tuyÕn p cña mÆt ph©n c¸ch gi÷a hai m«i trêng mét gãc a (gãc tíi) khi sang m«i trêng cã chiÕt suÊt n2 tia s¸ng bÞ khóc x¹ vµ hîp víi ph¸p tuyÕn p mét gãc khóc x¹ b. Theo ®Þnh luËt khóc x¹ ta cã quan hÖ cña gãc a vµ b c¸c chiÕt suÊt n1 vµ n2 tu©n theo ph¬ng tr×nh: tia tíi tia ph¶n x¹ mÆt ng¨n c¸ch p (ph¸p tuyÕn) a a n1 n2 tia khóc x¹ b tia tíi 2 tia ph¶n x¹ 1 mÆt ng¨n c¸ch p (ph¸p tuyÕn) n1 n2 b a a tia ph¶n x¹ 2 H×nh 2 .1a- HiÖn tîng khóc x¹ vµ ph¶n x¹ H×nh 2 .1b- HiÖn tîng ph¶n x¹ toµn phÇn tia tíi 1 H×nh 2.1a vµ 2.1b lµ c¸c ®Æc tÝnh cña ¸nh s¸ng gi÷a mÆt f¼ng biªn cña hai m«i trêng. NÕu n1 b: tia khóc x¹ gÉy vÒ phÝa gÇn ph¸p tuyÕn. NÕu n1 > n2 th× a < b: tia khóc x¹ gÉy vÒ phÝa xa ph¸p tuyÕn. Trêng hîp n1 > n2 nÕu t¨ng a th× b t¨ng theo vµ b lu«n lín h¬n a khi b=900, tøc lµ tia khóc x¹ song song víi mÆt tiÕp gi¸c th× gãc a ®îc gäi lµ gãc tíi h¹n a0. Lóc nµy kh«ng cßn hiÖn tîng khóc x¹ n÷a, chØ cßn tia ph¶n x¹, hiÖn tîng nµy gäi lµ ph¶n x¹ toµn phÇn. Dùa vµo ®Þnh luËt khóc x¹ (c«ng thøc snell) víi b = 900 ta tÝnh ®îc gãc tíi h¹n ac. n2 n1 n r Líp bäc (clading) n2 Lâi (core) n1 Líp bäc (clading) n2 H×nh 2.2- Nguyªn lý truyÒn dÉn ¸nh s¸ng trong sîi quang øng dông hiÖn tîng ph¶n x¹ toµn phÇn, sîi quang ®îc chÕ t¹o gåm 1 lâi (core) b»ng thuû tinh cã chiÕt suÊt n1 vµ líp bäc (clading) b»ng thuû tinh cã suÊt n2 vµ n1 > n2. ¸nh s¸ng trong lâi sîi quang sÏ ®îc ph¶n x¹ toµn phÇn trªn mÆt tiÕp gi¸p gi÷a lâi vµ líp bäc. Do ®ã ¸nh s¸ng cã thÓ truyÒn ®îc trong sîi víi cù ly dµi. 2. KhÈu ®é sè (Nunmerical Aperture) n2 n1 n2 0c=900 2 3 3 2 qmax 1 H×nh 2.3- §êng truyÒn cña c¸c tia s¸ng víi gãc tíi kh¸c nhau A Sù ph¶n x¹ toµn phÇn trong lîi quang chØ x¶y ra ®èi víi nh÷ng tia s¸ng cã gãc tíi ë ®©uf sîi nhá h¬n gãc giíi h¹n qmax. Sin cña gãc giíi h¹n nµy gäi lµ khÈu ®é sè. Ký hiÖu lµ NA: NA = sinqmax T¹i ®iÓm A ®èi víi tia 2: ¸p dông c«ng thøc Snell: n0sinqmax = n1s(900 = qc) mµ chiÕt xuÊt cña kh«ng khÝ n0=1 1.sinqmax = n1 sinqc = n1 = v× sinqc=n2/n1 do ®ã NA=sinqmax==n1 Trong ®ã D= §é lÖch chiÕt xuÊt t¬ng ®èi D cã gi¸ trÞ kho¶ng tõ 0,002 ®Õn 0,13 (tøc lµ tõ 0,2 ®Õn 1,3%). VÝ dô: sîi quang cã n1=1,05; n2=1,485 th× D==0,01=1% NA=sinqmax==0,21 suy ra qmax=120 Tõ c«ng thøc tÝnh sinqmax= ta thÊy gi¸ trÞ cùc ®¹i qmax ®îc gäi lµ gãc ®ãn ¸nh s¸ng cña sîi quang: gãc nµy chØ phô thuéc vµo chiÕt suÊt gi÷a líp lâi vµ líp bäc. 3. C¸c d¹ng ph©n bè chiÕt suÊt trong sîi quang lo¹i ®a mode vµ ®¬n mode Mét mode truyÒn s¸ng lµ mét tr¹ng th¸i truyÒn æn ®Þnh cña ¸nh s¸ng, trong sîi khi truyÒn trong sîi ¸nh s¸ng ®i theo nhiÒu ®êng, tr¹ng th¸i æn ®Þnh nµy gäi lµ nh÷ng mode. Cã thÓ h×nh dung gÇn ®óng mét mode øng víi 1 tia s¸ng. Khi sîi quang mµ cã nhiÒu tia s¸ng cã c¸c gãc kh¸c nhau ®i qua do vËy chóng ®îc gäi lµ sîi quang ®a mode (MM) Multi - Mode. Sîi quang ®a mode cã chiÕt suÊt bËc (SI): n2 n1 n r Xung vµo Xung ra H×nh 2.4a- Sîi quang ®a mode cã chiÕt suÊt bËc Xung ra Lµ lo¹i sîi cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n nhÊt víi chiÕt suÊt cña lâi vµ líp bäc kh¸c nhau râ rÖt nh h×nh bËc thang. Khi tia s¸ng ®i vµo lâi cña sîi quang theo mét gãc nµo ®ã th× nã sÏ ®îc lan truyÒn trong lâi theo ph¬ng thøc ph¶n x¹ toµn phÇn (h×nh 2.4a) c¸c tia s¸ng truyÒn trong lâi sîi cã cïng vËn tèc mµ chiÒu dµi ®êng truyÒn kh¸c nhau nªn thêi gian truyÒn sÏ kh¸c nhau, trªn cïng chiÒu dµi sîi. §iÒu nµy dÉn ®Õn hiÖn tîng: khi ®a mét xung ¸nh s¸ng hÑp vµo ®Çu sîi th× l¹i nhËn ®îc xung ¸nh s¸ng réng h¬n ë cuèi sîi. §©y lµ hiÖn tîng t¸n s¾c do ®ã ®é t¸n s¾c lín nªn sîi ®a mode cã chiÕt suÊt bËc kh«ng thÓ truyÒn tÝn hiÖu cã tèc ®é cao qua cù ly dµi ®îc. §©y lµ nhîc ®iÓm mµ ta cã thÓ kh¾c phôc trong lo¹i sîi cã chiÕt suÊt gi¶m dÇn. Sîi quang ®a mode chiÕt suÊt gi¶m dÇn (GI): n2 n1 n r Xung vµo Xung ra H×nh 2.4b- Sîi quang ®a mode chiÕt suÊt gi¶m dÇn Xung ra §Ó gi¶m ®é sai lÖch vÒ thêi gian cña lo¹i sîi ®a mode chØ sè chiÕt suÊt bËc lo¹i sîi ®a mode chiÕt suÊt gi¶m dÇn cã hÖ sè khóc x¹ lín nhÊt t¹i lâi cña nã vµ cã ®é khóc x¹ nhá h¬n vÒ phÝa líp bäc sîi quang. §iÒu nµy cã nghÜa lµ sù ph©n bè hÖ sè kóc x¹ cã h×nh chu«ng. Khi ®ã c¸c tia sang ®i th¼ng trong sîi, do cã hÖ sè khóc x¹ lín nhÊt nªn v©n tèc lan truyÒn lµ nhá nhÊt, v× vËn tèc ¸nh s¸ng lan truyÒn phô thuéc vµo hÖ sè chiÕt suÊt: V = c/n. Nh÷ng tia s¸ng bÞ uèn cong ra phÝa vá cã hÖ sè chiÕt suÊt nhá h¬n nªn vËn tèc lín h¬n. Nh vËy ®· lµm gi¶m thêi gian trÔ gi÷a c¸c tia. V× vËy cã thÓ truyÒn mét lîng th«ng tin (MHz-km) gÊp nhiÒu lÇn so víi lo¹i sîi ®a mode chiÕt suÊt bËc. n2 n1 n r Xung vµo Xung ra H×nh 2.4c- Sîi quang ®¬n mode Xung ra Sîi cã ®êng kÝnh lâi 50mm vµ ®êng kÝnh cã 125mm (50/125) vµ NA nhá (0,18 ®Õn 0,24) lo¹i nµy ®· ®îc sö dông réng r·i trong m¹ng viÔn th«ng vµ ®îc CCITT tiªu chuÈn ho¸. Sîi ®¬n mode(SM): Khi ®êng kÝnh lâi gi¶m xuèng vµ ®é sai lÖch vÒ hÖ sè khóc x¹ gi÷a líp lâi vµ líp bäc gi¶m ®i nh h×nh 2.4.c th× chØ cßn c¸c tia s¸ng th¼ng míi cã thÓ lan truyÒn ®îc ®©y chÝnh lµ sîi quang ®¬n mode. ¦u ®iÓm cña sîi ®¬n mode lµ b¨ng tÇn lín h¬n do kh«ng cã t¸n s¾c mode. Nh©n tè ¶nh hëng chñ yÕu ®Õn b¨ng tÇn cña sîi ®¬n mode lµ t¸n s¾c thÓ. t¸n s¾c nµy cã gi¸ trÞ 0 t¹i vïng l©n cËn cña bíc sãng 1,3mm. V× vËy khi c¸c nguån quang ph¸t ra xung ¸nh sang Dl t¹i mét nöa biªn ®é hÑp th× ®é réng b¨ng tÇn tæng cña sîi ®¬n mode lín gÊp 3 lÇn trë lªn so víi bÒ réng b¨ng tÇn cña sîi ®a mode Graded. Sîi ®¬n mode cã ®êng kÝnh lâi lµ 9-10mm ®êng kÝnh vá 125mm vµ NA kho¶ng 0,11 ®· ®îc CCITT chuÈn ho¸. II. C¸c ®Æc tÝnh cña sîi quang C¸c ®Æc tÝnh cña sîi quang cÇn quan t©m cho øng dông viÔn th«ng cã thÓ chia lµm hai lÜnh vùc: c¸c ®Æc tÝnh vËt lý vµ c¸c ®Æc tÝnh truyÒn dÉn, c¸c ®Æc tÝnh truyÒn dÉn gÇn suy hao, t¸n s¾c, bíc sãng c¾t. Cßn c¸c ®Æc tÝnh vËt lý gåm mÆt c¾t khóc x¹, kÝch thíc, lùc c¨ng... 1. Suy hao cña sîi quang Suy hao trong sîi quang lµ mét trong nh÷ng th«ng sè quan träng cña ®êng truyÒn dÉn. §Ó x¸c ®Þnh tèc ®é truyÒn dÉn vµ kho¶ng c¸ch lËp tr¹m lÆp cña hÖ thèng th«ng tin sîi quang, cã hai tham sè ph¶i nghiªn cøu ®ã lµ suy hao quang vµ ®é réng b¨ng tÇn truyÒn dÉn. §é suy hao quang ®Ó x¸c ®Þnh suy hao c«ng suÊt ¸nh s¸ng lan truyÒn trong sîi quang. NÕu suy hao nhá h¬n th× cho phÐp kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn tÝn hiÖu lín h¬n. Suy hao quang cã thÓ t¹m chia thµnh hai lo¹i, thø nhÊt lµ suy hao thuÇn tuý sîi quang, thø hai lµ suy hao phô khi l¾p ®Æt vµ vËn hµnh hÖ thèng. Bao gåm suy hoa hÊp thô, suy hao t¸n x¹ Rayleight suy hoa t¸n s¾c do kh«ng ®ång nhÊt cÊu tróc. Suy hao trong qu¸ tr×nh vËn hµnh m¹ng bao gåm suy hao uèn cong, suy hoa hµn nèi vµ suy hao ghÐp nèi cña c¸p sîi quang vµ c¸c linh kiÖn thu vµ ph¸t quang. §é suy hao cña sîi ®îc tÝnh: A(dB)=10lg Trong ®ã P1=P(0) c«ng suÊt ®a vµo ®Çu sîi P2=P(L) c«ng suÊt ë cuèi sîi HÖ sè suy hao trung b×nh: a. Suy hao do hÊp thô Sù h©p sthô ¸nh s¸ng do c¸c yÕu tè nh: cÊu tróc nguyªn tö cña vËt liÖu sîi quang silic dÜoyt kh«ng hoµn chØnh, c¸c nguyªn tö cña vËt liÖu kh«ng tinh khiÕt (hÊp thô) vµ c¸c nguyªn tö t¹o nªn vËt liÖu sîi quang (tù hÊp thô). Suy hao do cÊu tróc nguyªn tö cã khuyÕt tËt g©y ra cã thÓ bá qua, nhng sù kh«ng tinh khiÕt cña sîi quang lµ nguyªn nh©n chñ yÕu cña suy hao do c¸c t¹p chÊt kim lo¹i nh ®ång (Cu), s¾t (Fe), cacbon (CO) vµ ®é Èm. §é Èm lµ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n g©y suy hao sîi quang. Sù cã mÆt cña c¸c ion OH trong sîi quang còng t¹o ra ®é suy hao hÊp thô ®¸ng kÓ. §Æc biÖt ®é hÊp thô t¨ng vät ë c¸c bíc sãng gÇn 950nm, 1240nm vµ 1400nm. Sù hÊp thô do vËt liÖu lµ do dao ®éng cña c¸c tia hång ngo¹i vµ tia cùc tÝm g©y ra, nã kh«ng thµnh vÊn ®Ò t¹i bíc sãng g÷a 0,8mm vµ 1,7mm. b. Suy hao do t¸n x¹. T¸n x¹ Rayleight lµ 1 hiÖn tîng mµ ¸nh s¸ng bÞ t¸n x¹ theo c¸c híng kh¸c nhau khi nã gÆp ph¶i ät vËt nhá cã kÝch thíc kh«ng qu¸ lín so víi bíc sãng cña ¸nh s¸ng. Tiªu hao t¸n x¹ Rayleight xuÊt hiÖn do ¶nh hëng cña c¸c chç kh«ng ®ång nhÊt cßn sãt l¹i trong giai ®o¹n lµm nguéi sîi, trong qu¸ tr×nh nãng chÈy thuû tinh ®Ó kÐo thµnh sîi. ¶nh hëng cña nã phô thuéc vµo c«ng nghÖ chÕ t¹o vµ vËt liÖu chÕ t¹o sîi. KÝch thíc c¸c chç kh«ng ®ång nhÊt nhá h¬n bíc sãng ¸nh s¸ng vïng hång ngo¹i. §é suy hao cña t¸n x¹ rayleight gi¶m nhanh vÒ phÝa cã bíc sãng dµi nã cã ¶nh hëng ®¸ng kÓ ë bãc sãng nhá. Ngoµi ra mÆt ph©n c¸ch gi÷a líp bäc vµ líp lâi kh«ng hoµn h¶o còng g©y ra t¸n x¹. c. Suy hao t¸n x¹ do cÊu tróc sîi quang kh«ng ®ång nhÊt C¸c sîi quang thùc tÕ kh«ng thÓ cã tiÕt diÖn mÆt c¾t ngang trßn lý tëng vµ cÊu tróc h×nh trôc ®Òu däc suèt vá vµ lâi sîi. T¹i bÒ mÆt biªn gi÷a lâi vµ vá sîi ®æi chç cã sù gå ghÒ vµ nh½n. Nh÷ng chç gå ghÒ nh vËy trªn bÒ mÆt biªn g©y lªn ¸nh s¸ng t¸n x¹ vµ mét vµi chç ph¸t x¹ ¸nh s¸ng ra ngoµi. Nh÷ng chç kh«ng b»ng ph¼ng nµy g©y nªn suy hao quang nã lµm t¨ng suy hao quang. Bëi v× cã c¸c ph¶n x¹ bÊt b×nh thêng ®èi víi ¸nh s¸ng lan truy. Lo¹i suy hao nµy ngêi ta gäi chóng lµ suy hao do cÊu tróc kh«ng ®ång nhÊt cña sîi quang. d. Suy hao bøc x¹ g©y nªn do bÞ uèn cong C¸c suy hao bøc x¹ g©y lªn do bÞ uèn cong c¸c suy hao sinh ra khi sîi bÞ uèn cong víi mét sîi quang bÞ uèn cong, c¸c tia ¸nh s¸ng cã c¸c gãc tíi vît qu¸ gãc giíi h¹n bÞ ph¸t x¹ ra ngoµi vá g©y nªn suy hao. Bëi vËy trong viÖc thiÕt kÕ tuyÕn th«ng tin sîi quang ph¶i chó ý ®Õn viÖc gi÷ b¸n kÝnh cong lín. e. Suy hao vi cong Khi sîi quang chÞu nh÷ng lùc nÐn kh«ng ®ång nhÊt th× trôc cña sîi quang bÞ uèn cong ®i 1 lîng nhá, lµm t¨ng suy hao sîi quang. Suy hao nµy gäi lµ suy hao cong vi lîng. Do ®ã khi s¶n xuÊt ngêi ta chó ý ®Ó cÊu tróc sîi cã b¶o vÖ chèng c¸c ¸p lùc t¸c ®éng tõ bªn ngoµi. g. Suy hao do hµn nèi NÕu lâi cña hai sîi kh«ng g¾n ®îc víi nhau thËt hoµn h¶o vµ ®ång nhÊt th× mét phÇn cña ¸nh s¸ng ®i ra khái sîi nµy sÏ kh«ng vµo sîi kia hoµn toµn vµ bÞ ph¸t x¹ ra ngoµi g©y nªn suy hao. Nguyªn nh©n chÝnh cña suy hao nµy lµ viÖc kh«ng dßng ®ång trôc hai sîi trªn h×nh 2.5 do vËy t¹o nªn suy hao rÊt lín. NÕu cã 1 khe nhá tån t¹i t¹i chç nèi th× chÝnh khe nµy t¹o nªn suy hao ph¶n x¹. h. Suy hao ghÐp nèi sîi quang gi÷a sîi vµ c¸c linh kiÖn thu, ph¸t quang §iÒu kiÖn ®Ó ghÐp ¸nh s¸ng tõ linh kiÖn ph¸t quang vµo sîi quang ®îc x¸c ®Þnh b»ng khÈu ®é sè NA, khi ghÐp nèi vµo sîi quang th× Laser cã c¸c ®Æc ®iÓm vÒ suy hao tèt h¬n ngay c¶ khi sö dông thÊu kÝnh ®Ó tËp trung chïm s¸ng. gãc lÖch H×nh 2 .5a- BÒ mÆt kh«ng nh½n H×nh 2 .5b- kho¶ng c¸ch gi÷a hai bÒ mÆt i. §Æc tuyÕn suy hao Víi mong muèn suy hao cµng thÊp cµng tèt, hiÖn nay ®· chÕ t¹o ®îc lo¹i sîi quang mµ ®Æc tuyÕn suy hao cña nã gåm ba bíc sãng cã suy hao thÊp (gäi lµ 3 cöa sæ suy hao). 1987 1990 0,8 1 1,2 1,4 1,6 l (nm) 0,25 0,4 1,0 2,0 5 H×nh 2 .6- C¸c ®Æc tÝnh suy hao theo bíc sãng cña sîi quang + Cöa sæ thø nhÊt ë bíc sãng 850nm víi møc suy hao trung b×nh ë bíc sãng nµy tõ 2 ->3dB/km. §é suy hao nµy cha ph¶i lµ thÊp nªn ngµy nay bíc sãng 850nm Ýt ®îc dïng. + Cöa sæ thø hai 1300nm: suy hao ë bíc sãng nµy bÐ h¬n nhiÒu so víi suy hao ë bíc sãng 850nm. §é suy hao ®¹t tõ 0,4->0,5dB/km. Céng thªm ®é t¸n s¾c rÊt thÊp nªn bíc sãng nµy ®îc sö dông réng r·i. + Cöa sæ thø ba ë bíc sãng 1550nm: cho ®Õn nay bíc sãng nµy cã suy hao thÊp cã thÓ ®Õn 0,2dB/km. Nhng víi sîi quang nµy cã ®é t¸n s¾c cao h¬n so víi bíc sãng 1300nm. Tuy nhiªn nhîc ®iÓm nµy ®· ®îc kh¾c phôc v× hiÖn nay cã lo¹i sîi quang cã d¹ng ph©n bè chiÕt suÊt ®Æc biÖt lµm gi¶m t¸n s¾c ë bíc sãng 1500nm. 2.T¸n s¾c trong sîi quang 2.1 HiÖn tîng nguyªn nh©n vµ ¶nh hëng Khi truyÒn dÉn c¸c tÝn hiÖu digital qua sîi quang xuÊt hiÖn hiÖn tîng d·n réng c¸c xung ¸nh s¸ng ë ®Çu thu, thËm chÝ trong mét sè trêng hîp c¸c xung l©n cËn ®Ì lªn nhau, khi ®ã kh«ng ph©n biÖt ®îc c¸c xung víi nhau n÷a, g©y mÐo tÝn hiÖu khi t¸i sinh. HiÖn tîng d·n xung ®îc gäi lµ hiÖn tîng t¸n x¹. Nguyªn nh©n chÝnh cña hiÖn tîng nµy lµ trong sîi quang tån t¹i c¸c thêi gian kh¸c nhau cho c¸c thµnh phÇn ¸nh s¸ng ph¸t ®i ®ång thêi. T¸n x¹ cã ¶nh hëng ®Õn chÊt lîng truyÒn dÉn nh sau: Khi truyÒn tÝn hiÖu digital, trong miÒn thêi gian nã g©y ra sù d·n réng xung ¸nh s¸ng. Khi truyÒn tÝn hiÖu analog th× ë ®Çu thu biªn ®é bÞ gi¶m nhá vµ cã hiÖn tîng dÞch pha, ®é réng b¨ng truyÒn dÉn cña sîi bÞ gi¶m nhá. 2.2 T¸n s¾c mode HiÖn tîng nµy chØ xuÊt hiÖn ë lo¹i sîi ®a mode. C¸c thµnh phÇn ¸nh s¸ng lan truyÒn nhê c¸c mode riªng rÏ víi thêi gian kh¸c nhau, nªn cã sù chªnh lÖch vÒ thêi gian, sinh ra mÐo xung ë ®Çu thu. L q1 1 2 H×nh 2.7. So s¸nh tia dµi nhÊt vµ ng¾n nhÊt trong sîi ®a mode Thêi gian truyÒn chªnh lÖch gi÷a tia dµi nhÊt vµ tia ng¾n nhÊt ®îc tÝnh nh sau: Tia 1: tia dµi nhÊt cã ®é dµi d1=L/cosq1 Tia 2: tia ng¾n nhÊt cã ®é dµi d2=L + Thêi gian truyÒn cña tia 1: Víi V=C/n1 lµ vËn tèc ¸nh s¸ng trong lâi sîi. Mµ cosq1=sinqc= Nªn t1= + Thêi gian truyÒn cña tia 2: + Thêi gian chªnh lÖch gi÷a hai ®êng truyÒn: Thêi gian chªnh lÖch trªn mçi km sîi chÝnh lµ ®é tr¶i xung do t¸n s¾c mode: VÝ dô: Víi sîi chiÕt suÊt nh¶y bËc (SI) cã n1=1,458 vµ D=1% ®é t¸n s¾c mode lµ: §èi víi sîi chiÕt suÊt gi¶m dÇn (GI) ®é tr¶i xung do t¸n s¾c mode nhá h¬n so víi sîi cã chiÕt suÊt nhÈy bËc (SI): §é d¶i xung quan mçi km sîi hay ®é t¸n s¾c mode: VÝ dô: sîi GI víi n1=1,458 vµ D=1% cã ®é t¸n s¾c mode lµ: dmode=0,061 ns/km Nh vËy t¸n s¾c mode phô thuéc vµo d¹ng ph©n bè chiÕt suÊt cña sîi quang. 2.3 T¸n s¾c s¾c thÓ V× ¸nh s¸ng do c¸c nguån s¸ng nh laser hay diot ph¸t quang t¹o ra cã ®é réng bíc sãng h÷u h¹n kh«ng gièng ¸nh s¸ng ®¬n s¾c lý tëng. T¸n s¾c thÓ gåm t¸n s¾c chÊt liÖu vµ t¸n s¾c èng dÉn sãng. a. T¸n s¾c chÊt liÖu ChiÕt suÊt cña thuû tinh thay ®æi theo bíc sãng, nªn v©n tèc truyÒn cña ¸nh s¸ng cã bíc sãng kh¸c nhau còng kh¸c nhau. §ã lµ nguyªn nh©n g©y nªn t¸n s¾c chÊt liÖu. t¸n s¾c chÊt liÖu ®îc x¸c ®Þnh: Trong ®ã: l: lµ bíc sãng C: lµ vËn tèc ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng n(l): lµ chiÕt suÊt cña lâi sîi T¸n s¾c chÊt liÖu cho biÕt møc ®é níi réng xung cña mçi nm. BÒ réng phæ nguån quang mçi km sîi quang. §¬n vÞ cña t¸n s¾c chÊt liÖu M(ps/nm.km) ë bíc sãng 850nm th× M kho¶ng 90->120ps/nm.km nÕu sö dông nguån quang lµ LED cã bÒ réng phæ = 50nm th× ®é réng xugn khi truyÒn qua mçi km lµ: Dmatt = M x Dl Dmatt = 100ps/nm . km x50nm = 5ns/km Cßn nÕu nguån quang nguån quang lµ laser diode cã Dl = 3nm th× ®é níi réng xung chØ khon¶g 0,3ns/km. ë bíc sãng 1,3mm t¸n s¾c chÊt liÖu b»ng t¸n s¾c èng dÉn sãng, nhng ngîc dÊu nªn t¸n s¾c s¾c thÓ @ 0. Do ®ã bíc sãng nµy thêng ®îc chän cho c¸c ®êng truyÕn tèc ®é cao. ë bíc sãng 1550nm ®é t¸n s¾c chÊt liÖu kho¶ng 20ps/nm.km. 16 12 8 4 0 -4 -8 -12 -16 1200 1300 1400 1600 l(NM) dmat dchv=dmat+dwg H×nh 2.8- T¸n s¾c chÊt liÖu (dmat), t¸n s¾c èng dÉn sãng (dwg) t¸n s¾c thÓ (dchv) thay ®æi theo bíc sãng Dwg b. T¸n s¾c èng dÉn sãng Víi c¸c bíc sãng khac nhau g©y ra sù ph©n bè n¨ng lîng trong sîi quang lµ kh¸c nhau. Sù ph©n bè nµy g©y nªn sù t¸n s¾c èng dÉn sãng. T¸n s¾c èng dÉn sãng rÊt nhá chØ ®¸ng chó ý víi sîi ®¬n mode. líp bäc lâi l1 l2 < l1 c. §é t¸n s¾c tæng céng §é t¸n s¾c tæng céng ®îc tÝnh theo c«ng thøc: Trong ®ã: Dt: ®é t¸n s¾c tæng céng (nÕu lµ sîi ®a mode) Dmod: ®é t¸n s¾c mode (chØ cã trong sîi ®¬n mode) Dchr: ®é t¸n s¾c thÓ (t¸n s¾c tæng céng trong sîi ®¬n mode-Dchramatic) Dmat: ®é t¸n s¾c chÊt liÖu-Dwaterial Dwg: ®é t¸n s¾c èng dÉn sãng-Dwavequide d. D¶i th«ng sîi quang D¶i th«ng BSC lµ tÇn sè ®iÒu chÕ mµ t¹i ®ã c«ng suÊt quang gi¶m ®i 50%. Nãi mét c¸ch tæng qu¸t d¶i th«ng sîi quang tû lÖ nghÞch víi ®é t¸n s¾c tæng céng: Víi B lµ d¶i th«ng ®¬n vÞ lµ GHz; Dt lµ t¸n s¾c tæng céng ®¬n vÞ lµ ngêi sö dông V× t¸n s¾c phô thuéc vµo bíc sãng cña ¸nh s¸ng nªn d¶i th«ng còng thay ®æi theo bíc sãng. III. CÊu tróc c¸p sîi quang Sîi quang ®îc ph©n chia thµnh 4 nhãm dùa trªn vËt liÖu cÊu t¹o chung: Sîi silica (SiO2) silica fibers Sîi hîp chÊt thuû tinh (Multi - component glass fibers) Sîi cã líp bäc b»ng plastic - clad fibers) Sîi plastic (plastic fbers) HÇu hÕt c¸c sîi dïng trong viÔn th«ng lµ sîi silica. Líp vá (secondary coating) Líp phñ (primary coating) ( Líp bäc (cladding) Lâi (core) 0.9nm nnmmm 250 mm 125 mm 10(50) mm H×nh 2.9- CÊu tróc c¸p sîi quang 1. CÊu tróc sîi quang Thµnh phÇn chÝnh cña sîi quang gåm lâi 9 (core) vµ líp bäc (cladding). Trong viÔn th«ng dïng lo¹i sîi cã c¶ hai líp trªn b»ng thuû tinh. Lâi ®Ó ¸nh s¸ng vµ líp bäc ®Ó gi÷ ¸nh s¸ng tËp trung trong lâi nhê sù ph¶n x¹ toµn phÇn gi÷a lâi vµ líp bäc. §Ó b¶o vÖ sîi quang, tr¸nh nhiÒu t¸c dông do ®iÒu kiÖn bªn ngoµi sîi quang cßn ®îc bäc thªm vµi líp nh: 1.1 Líp phñ (primary coating) Líp phñ cã t¸c dông b¶o vÖ sîi quang: Chèng l¹i sù th©m nhËp cña níc. Tr¸nh sù trÇy síc g©y nªn nh÷ng vÕt nøt. Gi¶m ¶nh hëng cña vi uèn cong. ChiÕt suÊt cña líp phñ lín h¬n chiÕt suÊt cña líp bäc ®Ó lo¹i bá c¸c tia truyÒn trong líp bäc v× khi ®ã sù ph¶n x¹ toµn phÇn kh«ng thÓ xÈy ra trªn mÆt giao tiÕp gi÷a líp bäc vµ líp phñ. VÝ dô: lâi cã n1 = 1,48 líp bäc cã n2 = 1,46, líp phñ cã 1,52. Líp phñ cã thÓ nhuém mµu hoÆc cã thªm vßng ®¸nh dÊu, khi sîi cÇn ghÐp ¸nh s¸ng nhÊt thiÕt ph¶i tÈy s¹ch líp phñ th«ng thêng ®êng kÝnh cña líp ph¶i lµ 250 mm vµ sîi cã líp bäc lµ 125mm. 1.2 Líp vá (secondary coating) Líp vá cã t¸c dông t¨ng cêng søc chÞu ®ùng cña sîi quang tríc c¸c t¸c dông c¬ häc vµ nhiÖt ®é, cã c¸c líp vá sau: D¹ng èng ®Öm láng: èng ®Öm láng thêng cã hai líp: líp trong cã hÖ sè ma s¸t nhá ®Ó sîi quang di chuyÓn tù do trong ®ã khi c¸p bÞ kÐo c¨ng hay co l¹i - líp ngoµi che chë sîi quang tríc ¶nh hëng cña lùc c¬ häc. §êng kÝnh èng ®Öm lín h¬n ®êng kÝnh cña sîi quang. §èi víi c¸p trong nhµ th× bªn trong èng ®Öm láng kh«ng cÇn chÊt nhåi, nhng víi c¸p ngoµi trêi th× b¬m thªm chÊt nhåi trong èng ®Öm. ChÊt nhåi cã c¸c tÝnh chÊt sau: + Cã t¸c dông ng¨n Èm + Cã tÝnh nhít, kh«ng t¸c dông ho¸ häc víi c¸c thµnh phÇn kh¸c cñ c¸p. + Kh«ng ®«ng ®Æc nãng ch¶y trong nhiÖt ®é lµm viÖc. + DÔ tÈy s¹ch khi hµn nèi vµ khi ch¸y. 1.2-2mm 0.9mm Sîi quang Líp phñ èng ®Öm ChÊt nhåi Líp vá Líp ®Öm mÒm H×nh 2.10a- èng ®Öm láng H×nh 2.10b- §Öm tæng hîp èng ®Öm láng còng ®îc nhuém mÇu ®Ó ®¸nh dÊu. èng ®Öm láng cã nhiÒu u ®iÓm nªn ®îc dïng trong c¸c ®êng truyÒn dÉn chÊt lîng cao vµ trong ®iÒu kiÖn m«i trêng thay ®æi nhiÒu. D¹ng ®Öm khÝt: §Ó b¶o vÖ sîi quang díi t¸c dông cña c¸c ®iÒu kiÖn bªn ngoµi lµ bäc mét líp vá «m s¸t líp phñ. Ph¬ng ph¸p nµy lµm gi¶m ®îc kÝch thíc vµ träng lîng cña c¸p. Nhng sîi quang bÞ ¶nh hëng trùc tiÕp cña lùc kÐo c¨ng. §Ó gi¶m sù ¶nh hëng nµy ngêi ta thªm mét líp ®Öm mÒn gi÷a líp phñ vµ líp vá. H×nh thøc nµy ®îc gäi lµ cÊu tróc ®Öm tæng hîp (Coposite buffer). D¹ng b¨ng dÑp: CÊu tróc b¨ng dÑp còng lµ mét d¹ng vá ®Öm khÝt nhng vá bäc nhiÒu sîi quang. Sè sîi trong 1 b¨ng cã thÓ lªn ®Õn 12 sîi, ®é réng cña b¨ng tuú thuéc sè sîi trong b¨ng. CÊu tróc b¨ng dÑp ®îc dïng trong c¸p cã sè sîi nhiÒu v× kÝch thíc mçi b¨ng nhá nªn cã thÓ thu xÕp ®îc nhiÒu b¨ng trong ruét c¸p. Nhîc ®iÓm cÊu tróc nµy gièng nh cÊu tróc ®Öm khÝt. Tøc lµ sîi quang chÞu ¶nh hëng trùc tiÕp cña lùc kÐo c¨ng. 1.3 CÊu tróc tæng qu¸t cña c¸p sîi quang Sîi quang: c¸c sîi quang ®· ®îc bäc líp phñ vµ líp vá x¾p xÕp theo mét thø tù nhÊt ®Þnh. Líp vá cã thÓ lµ d¹ng ®Öm láng, ®Öm khÝt, ®Öm tæng hîp hay b¨ng dÑp. Thµnh phÇn chÞu lùc: bao gåm phÇn chÞu lùc trung t©m vµ thµnh phÇn chÞu lùc bªn ngoµi. ChÊt nhåi: ®Ó lµm ®Çy ruét c¸p. Vá c¸p: ®Ó b¶o vÖ ruét c¸p. Vá c¸p Thµnh phÇn chÞu lùc ngoµi Líp ®Öm nhùa ( PE ) B¨ng quÊn ( plastic ) Thµnh phÇn chÞu lùc trung t©m èng ®Öm láng Sîi quang H×nh 2.12- CÊu tróc tæng qu¸t c¸p quang Líp gia cêng: ®Ó b¶o vÖ sîi c¸p trong nh÷ng ®iÒu kiÖn kh¾c nghiÖt. 2. Ph©n lo¹i c¸p sîi quang Cã nhiÒu thµnh phÇn lo¹i c¸p sîi quang Ph©n lo¹i theo chØ sè chiÕt suÊt: Sîi cã chiÕt suÊt bËc. Sîi cã chiÕt suÊt thay ®æi. Ph©n lo¹i theo mode: Sîi ®a mode Sîi ®¬n mode Ph©n lo¹i theo cÊu tróc vËt liÖu: Sîi thuû tinh. Sîi lâi thuû tinh, vá chÊt dÎo. Ph©n lo¹i theo h×nh thøc cÊu t¹o: C¸p cã cÊu tróc èng C¸p cã cÊu tróc b¨ng dÑp. Ph©n lo¹i theo lÜnh vùc sö dông: C¸p ngoµi trêi: gåm c¸p treo, c¸p ch«n trùc tiÕp hoÆc c¸p kÐo trong èng. C¸p trong nhµ dïng lµm c¸p ph©n phèi, d©y nhÈy... C¸p ®Æc biÖt: c¸p th¶ biÓn, c¸p dïng cho ®iÖn lùc, trong m¸y bay... 3. Hµn nèi c¸p sîi quang Do nh÷ng h¹n chÕ vÒ kü thuËt chÕ t¹o, ph¬ng tiÖn chuyªn chë, ph¬ng ph¸p l¾p ®Æt nªn chiÒu dµi cña c¸c cuén c¸p nãi chung cã h¹n. Kho¶ng c¸ch gi÷a hai tr¹m th«ng tin quang thêng dµi h¬n chiÒu dµi cña cuén c¸p nªn cÇn ph¶i nèi c¸c sîi gi÷a hai cuén c¸p víi nhau. Ngoµi ra ë mçi tr¹m th«ng tin quang, sîi quang cÇn ph¶i nèi víi c¸c linh kiÖn ph¸t vµ thu quang. 3.1 C¸c yªu cÇu chÝnh cña mét mèi nèi Suy hao hµn nèi thÊp vµ æn ®Þnh ®Ó gia t¨ng cù ly tèi ®a cña c¸c tr¹m lÆp. §é tin cËy cao: c¸c hÖ thèng th«ng tin quang hiÖn nay ho¹t ®éng víi dung lîng lín. Sù gi¸n ®o¹n do bÊt kú mèi nèi nµo g©y nªn còng dÉn ®Õn sù gi¸n ®o¹n mét sè lîng kÖnh rÊt lín. KÝch thíc mèi nèi hoµn chØnh gän: yªu cÇu nµy chØ ®Æt ra ®èi víi viÖc hµn nèi c¸c sîi c¸p chøa nhiÒu sîi quang (hµng tr¨m sîi). Cuèi cïng gi¸ thµnh hµn nèi cµng thÊp cµng tèt, yªu cÇu nµy phô thuéc vµo kü thuËt hµn nèi. 3.2 C¸c yÕu tè ¶nh hëng ®Õn suy hao mèi nèi ChÊt lîng mÆt c¾t ®µu sîi quang VÞ trÝ t¬ng ®èi gi÷a hai ®Çu sîi quang Th«ng sè cña hai sîi 3.3 C¸c ph¬ng ph¸p han nèi sîi quang C¸c sîi quang cã thÓ ®îc nèi víi nhau, vµ mçi h×nh thøc. Hµn nèi cã ®Æc ®iÓm cña nã vµ ®îc sö dông trong c¸c ®iÒu kiÖn thÝch hîp. Cã c¸c h×nh thøc hµn nèi sau: Hµn kÕt dÝnh: thùc hiÖn b»ng nh©n c«ng nªn suy hao cao vµ chØ dïng víi s¬i ®a mode, ngµy nay Ýt ®îc dïng._..Hµn b»ng èng nèi ®µn håi: Hµn b»ng ph¬ng ph¸p nµy ®é suy hao kh«ng cao, nhng kÐm æn ®Þnh suy hao mèi nèi vµo kho¶ng 0,25dB ®èi víi sîi ®a mode, vµ 0,5dB ®èi víi sîi ®¬n mode. Thêi gian thùc hiÖn mèi nèi theo ph¬ng ph¸p nµy rÊt nhanh nªn ®îc dïng ®Ó nèi sîi t¹m thêi, khi söa ch÷a khÈn cÊp, hoÆc dïng ®Ó nèi gi÷a d©y ®o thiÕt bÞ ®o ®èi víi sîi quang cã ®Çu cuèn ®Ó hë. Ph¬ng ph¸p hµn nãng ch¶y: ChÊt lîng cña mèi hµn nãng ch¶y ph©n líp do m¸y hµn quyÕt ®Þnh, ®é suy hao cña mèi hµn rÊt thÊp vµ æn ®Þnh. Víi sîi ®a mode suy hao mèi hµn trung b×nh lµ 0,03dB, sîi ®¬n mode lµ 0,06dB. Lo¹i nµy phï hîp víi c¸c lo¹i c¸p cã cÊu tróc b¨ng hÑp. Ph¬ng ph¸p khíp nèi (connector): Khíp nèi lµ mét mèi nèi sîi quang, cã thÓ th¸o l¾p nhiÒu lÇn. §é suy hao lín, gi¸ thµnh cao h¬n v× c¸c thùc hiÖn ph¸c t¹p h¬n. Tuy vËy vÉn kh«ng thÓ dïng mèi hµn cè ®Þnh ®Ó thay thÕ khíp nèi n¬i giao tiÕp gi÷a sîi quang vµ c¸c thiÐt bÞ ®Çu cuèi quang hoÆc gi÷a sîi quang bªn ngoµi víi sîi quang trong tr¹m nªn ta ph¶i dïng ph¬ng ph¸p khíp nèi (connector). Ch¬ng III Linh kiÖn biÕn ®æi ®iÖn quang - quang ®iÖn Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn, ®iÖn quang ®îc ®Æt ë 2 ®Çu sîi quang. Cã hai lo¹i linh kiÖn biÕn ®æi lµ: Linh kiÖn biÕn ®æi tõ tÝn hiÖu ®iÖn sang tÝn hiÖu quang, ®îc gäi lµ nguån quang, ph¸t ra ¸nh s¸ng trong vïng tia hång ngo¹i cã l = 800 ®Õn 1600nm ¸nh s¸ng cã c«ng suÊt tû lÖ víi dßng ®iÖn ch¹y qua nã Linh kiÖn biÕn ®æi tÝn hiÖu quang sang tÝn hiÖu ®iÖn, gäi lµ linh kiÖn t¸ch sãng quang (linh kiÖn thu quang). Linh kiÖn nµy cã nhiÖm vô ngîc l¹i so víi nguån quang, tøc lµ t¹o ra dßng ®iÖn cã cêng ®é tû lÖ víi c«ng suÊt quang chiÕu vµo nã I. Nguyªn lý biÕn ®æi 1. Kh¸i niÖm vÒ b¸n dÉn Vïng dÉn Vïng cÊm Vïng ho¸ trÞ Eo Ec EV N¨ng lîng c¸c ®iÖn tö B¸n dÉn thuÇn: B¸n dÉn cha bÞ pha t¹p gäi lµ b¸n dÉn thuÇn, vÝ dô Ge, Si... c¸c chÊt b¸n dÉn nµy cã cÊu tróc n¨ng lîng nh h×nh. ë nhiÖt ®é thÊp b¸n ®Én kh«ng dÉn ®iÖn (chÊt ®iÖn m«i)Khi nhiÖt ®é t¨ng th× b¸n dÉn trá thµnh chÊt dÉn ®iÖn. Khi ®ã c¸c ®iÖn tö vïng ho¸ trÞ vît qua vïng cÊm ®i vµo vïng dÉn. §Ó l¹i trong vïng ho¸ trÞ c¸c lç trèng. B¸n dÉn t¹p: NÕu pha trén nhiÒu b¸n dÉn thuÇn víi nhau sÏ ®îc mét b¸n dÉn t¹p, nÕu khi pha trén nhËn ®îc b¸n dÉn t¹p cã nång ®é C¸c ®iÖn tö l¬n h¬n nång ®é c¸c lç trèng th× gäi lµ b¸n dÉn n. Ngîc l¹i nÕu nång ®é lç trèng cao h¬n nång ®é ®iÖn tö gäi lµ b¸n dÉn p 2. Nguyªn lý biÕn ®æi Th«ng thêng c¸c ®iÖn tö tËp trung phÇn líp ë vïng ho¸ trÞ cã møc n¨ng lîng thÊp. Khi ta cung cÊp cho c¸c ®iÖn tö ®ã mét møc n¨ng lîng b»ng víi møc n¨ng lîng chªnh lÖch gi÷a møc c«ng suÊt Ec-Ev th× ®iÖn tö sÏ chuyÓn lªn vïng dÉn. Nh vËy mét photon (cã n¨ng lîng thÝch hîp ). Bøc x¹ vµo chÊt b¸n dÉn sÏ t¹o ra mét ®iÖn tö vµ mét lç trèng cßn photon biÕn mÊt hiÖn tîng nµy gäi lµ sù hÊp thô, ®îc øng dông trong photon diode ®Ó lµm c¸c linh kiÖn t¸ch sãng quang. NÕu trong vïng dÉn cã sè ®iÖn tö nhiÒu h¬n møc c©n b»ng, th× ®iÖn tö thõa sÏ r¬i xuèng vïng ho¸ trÞ mét c¸ch tù ph¸t ®Ó kÕt hîp víi lç trèng, trong qu¸ tr×nh chuyÓn tõ møc n¨ng lîng cao xuèng møc n¨ng lîng thÊp, n¨ng lîng chªnh lÖch ®îc bøc x¹ ra díi n¨ng lîng thÊp, n¨ng lîng chªnh lÖch ®îc bøc x¹ díi d¹ng photon. HiÖn tîng x¶y ra sù ph¸t x¹ tù ph¸t, ®îc øng dông trong diode ph¸t quang (LED) dïng lµm nguån quang. · o · o Ec · Ev o hV Eg Vïng dÉn Vïng cÊm Vïng ho¸ trÞ a. HÊp thô b. Ph¸t x¹ tù ph¸t c. Ph¸t x¹ kÝch thÝch hV hV Víi hV: lµ photon · lµ ®iÖn tö o lµ « trèng Khi c¸c photon ®îc ph¸t ra do qu¸ tr×nh t¸i hîp ®iÖn tö vµ lç trèng l¹i kÝch thÝch c¸c ®iÖn tö ®ang ë møc n¨ng lîng cao chuyÓn xuèng møc n¨ng lîng thÊp vµ ph¸t ra photon míi. Qu¸ tr×nh cø tiÕp diÔn vµ sè lîng photon ph¸t ra rÊt lín. HiÖn tîng nµy ®îc øng dông trong qu¸ tr×nh ph¸t x¹ tù kÝch cã cïng bíc sãng vµ cïng pha. II. Linh kiÖn ph¸t quang 1. Nguyªn lý chung Cã hai lo¹i linh kiÖn ®îc dïng lµm nguån quang hiÖn nay lµ: Diode ph¸t quang LED (light emiting diode) Diode laser LD C¶ hai linh kiÖn nµy ®Òu ph¸t triÓn tõ tiÕp gi¸p cña b¸n dÉn p vµ b¸n dÉn n. C¸c ®Æc tÝnh kü thuËt cña nguån quang ph¸t ra phô thuéc vËt liÖu chÕ t¹o ra nguån quang. Mçi chÊt b¸n dÉn cã bÒ réng khe n¨ng lîng Eg kh¸c nhau. Eg sÏ quyÕt ®Þnh bíc sãng ¸nh s¸ng theo c«ng thøc sau: Trong ®ã h=6,625.10-34 JS: h»ng sè plank Víi c=300.000km/s vËn tèc ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng Eg: BÒ réng khe n¨ng lîng ®¬n vÞ lµ eV V: tÇn sè ¸nh s¸ng ph¸t ra, ®¬n vÞ lµ Hz l: Bíc sãng ¸nh s¸ng ph¸t ra, ®¬n vÞ mm. 2. C¸c yªu cÇu kü thuËt cña nguån ph¸t quang Bíc sãng ph¸t ra: ph¶i phï hîp víi c¸c bíc sãng th«ng dông 850nm, 1300nm, 1550nm. C«ng suÊt ph¸t: c«ng suÊt ph¸t cµng lín th× cù ly th«ng tin cµng ®îc xa. §é réng phæ ¸nh s¸ng: nguån quang ph¸t ra lµ 1 kho¶ng bíc sãng. NÕu kho¶ng bíc sãng cµng lín th× ®é t¸n s¾c chÊt liÖu cµng lín lµm h¹n chÕ d¶i th«ng cña tuyÕn truyÒn dÉn quang. VËy ®é réng phæ nguån ph¸t quang cµng hÑp cµng tèt. Gãc phãng ¸nh s¸ng: cµng nhá cµng tèt §é æn ®Þnh: yªu cÇu c«ng suÊt quang ®îc ph¸t ra ph¶i æn ®Þnh ®Ó ®¶m b¶o ®é trung thùc cña tin tøc. Thêi gian chuyÓn lªn: lµ thêi gian chuyÓn tr¹ng th¸i nguån quang cµng nhanh ®Ó cã thÓ truyÒn ®îc tÝn hiÖu cã tèc ®é cao. Thêi gian sö dông nguån quang: dµi Gi¸ thµnh h¹ 3. Diode ph¸t quang LED (light emiting diode) Diode ph¸t quang LED lµ mét lo¹i nguån ph¸t quang dïng rÊt phï hîp cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang, cã tèc ®é b×nh thêng kh«ng qu¸ 200Mbit/s. Sö dông sîi ®a mode ®Ó cã thÓ sö dông tèt LED ph¶i cã c«ng suÊt bøc x¹ cao, thêi gian ®¸p øng nhanh vµ hiÖu suÊt lîng tö cao. Cã hai kiÓu cÊu tróc LED ®îc sö dông réng r·i. 50 Nhùa g¾n Kim lo¹i Líp tiÕp xóc p - GaAs n - GaAlAs p- - GaAlAs p+ - GaAs ChÊt ®iÖn m«i Líp kim lo¹i to¶ nhiÖt Líp tiÕp xóc Líp ho¹t tÝnh Líp h¹n chÕ Líp h¹n chÕ 50mm H×nh 3.3 LED ph¸t x¹ cã bíc sãng 0,85 mm CÊu tróc LED ph¸t x¹ mÆt Líp ho¹t tÝnh p-GaAs lµ mét vßng trßn nhá cã ®êng kÝnh £50mm n»m ë phÝa trªn vµ phÝa díi cña líp ho¹t tÝnh lµ líp h¹n chÕ n-AlGaAs cã ®é réng gi¶i cÊm lín, líp tóc xóc n lµ vËt liÖu lµm nÒn n-GaAs. Cßn líp tiÕp xóc vÒ phÝa p lµ p- GaAs cã ®é réng vïng cÊm bÐ, líp nÒn n-GaAs trong vïng ®Æt sîi quang cã d¹ng lâm ®Ó gi¶m bÒ dÇy vËt liÖu hÊp thô ¸nh s¸ng phãng vµo lâi sîi. b. CÊu tróc cña LED ph¸t x¹ c¹nh LED ph¸t x¹ c¹nh cã cÊu t¹o kh¸c víi LED th«ng thêng. C¸c ®iÖn cùc b»ng kim lo¹i phñ kÝn mÆt trªn vµ ®¸y cña LED. Do ®ã ¸nh s¸ng kh«ng thÓ ph¸t ra hai mÆt ®îc, mµ bÞ gi÷ trong vïng tÝch cùc cã d¹ng v¹ch hÑp. Líp tÝnh cùc rÊt máng cã chiÕt suÊt lín bÞ kÑp gi÷a hai líp p vµ n cã chiÕt suÊt nhá h¬n. ¸nh s¸ng ®îc ph¸t ra ë c¶ hai ®Çu vµ mét trong hai ®Çu ®îc nèi víi sîi quang. n – GaAs ( Líp nÒn) Líp tiÕp xóc Líp h¹n chÕ Líp ho¹t tÝnh Líp h¹n chÕ Líp tiÕp xóc §iÖn m«i P+ - GaAs P-AlGaAs n-AlGaAs (hoÆc GaAs) Kim lo¹i n-AlGaAs n-GaAs H×nh3.4. LED ph¸t x¹ c¹nh CÊu tróc nµy cã u ®iÓm vµ vïng ph¸t sãng hÑp, vµ gãc ¸nh s¸ng nhá nªn hiÖu suÊt ghÐp ¸nh s¸ng vµ sîi quang cao. Tuy nhiªn h¹n chÕ lµ khi ho¹t ®éng nhiÖt ®é LED t¨ng kh¸ cao, nªn ®ßi hái ph¶i gi¶i nhiÖt. C¸c ®Æc tÝnh kü thuËt cña LED Th«ng sè ®iÖn: Dßng ®iÖn ho¹t ®éng tiªu biÓu tõ 50 mA ®Õn 300 mA §iÖn ¸p sôt trªn LED tõ 1,5 V ®Õn 2,5 V C«ng suÊt ph¸t quang Lµ c«ng suÊt tæng céng mµ nguån ph¸t quang ph¸t ra. C«ng suÊt ph¸t cña LED tõ 1 ®Õn 3 mW. §èi víi lo¹i ph¸t s¸ng cao c«ng suÊt cã thÓ lªn tíi 10mW. C¸c LED ph¸t x¹ mÆt cã c«ng suÊt ph¸t cao h¬n LED ph¸t x¹ r×a víi cïng kÝch thÝch. Nhng kh«ng cã nghÜa lµ sîi quang nhËn ®îc c«ng suÊt quang tõ LED ph¸t x¹ mÆt cao h¬n so víi ph¸t x¹ c¹nh. 10 5 0 10 20 30 40 50 I(mA) LED ph¸t x¹ mÆt LED ph¸t x¹ c¹nh P(mw) H×nh 3.5- C«ng suÊt ph¸t cña LED Gãc ph¸t quang C«ng suÊt ¸nh s¸ng do c¸c nguån quang ph¸t ra cùc ®¹i ë trôc ph¸t quang vµ gi¶m dÇn theo gãc hîp vµ trôc. Gãc ph¸t quang ®îc x¸c ®Þnh ë møc c«ng suÊt quang gi¶m mét nöa so víi møc cùc ®¹i. c«ng suÊt gãc ph¸t 900 450 450 900 300 1200 Ph¸t x¹ mÆt 1 0,5 0 H×nh 3 .6- C«ng suÊt quang cña LED Ph¸t x¹ c¹nh HiÖu suÊt ghÐp quang HiÖu suÊt ghÐp quang lµ tû sè gi÷a c«ng suÊt quang ghÐp vµo sîi quang vµ c«ng suÊt quang tæng céng cña nguån quang. HiÖu suÊt ghÐp phô thuéc vµo kÝch thíc vïng ph¸t quang gãc ph¸t quang cña nguån, gãc thu nhËn (NA) cña sîi quang vµ vÞ trÝ ®Æt nguån quang. HiÖu suÊt cña LED ph¸t x¹ mÆt kho¶ng 1 ®Õn 5% cña LED ph¸t x¹ c¹nh kho¶ng 5 ®Õn 15. Tuy c«ng suÊt ph¸t cña LED ph¸t x¹ mÆt lín h¬n, nhng c«ng suÊt ghÐp ®îc víi sîi quang cña LED ph¸t x¹ c¹nh lín h¬n (thêng b»ng 2 lÇn). §é réng phæ Nguån quang ph¸t ra cã c«ng suÊt cùc ®¹i ë bíc sãng trung t©m vµ gi¶m dÇn vÒ hai phÝa. §é réng phæ lµ bíc sãng mµ trong ®ã c«ng suÊt quang kh«ng nhá h¬n mét nöa møc c«ng suÊt. Thêi gian chuyÓn lªn Lµ kho¶ng thêi gian ®Ó t¨ng c«ng suÊt tõ 10% ®Õn 90% møc c«ng suÊt æn ®Þnh th× cã xung dßng ®iÖn kÝch thÝch nguån quang. Muèn ®iÒu chÕ tèc ®é cao th× nguån quang ph¶i cã thêi gian chuyÓn lªn cµng nhanh. ¶nh hëng cña nhiÖt ®é Khi nhiÖt ®é m«i trêng t¨ng th× c«ng suÊt ph¸t quang cña LED gi¶m. Tuy nhiªn møc ®é ¶nh hëng kh«ng cao. (+) ¸nh s¸ng ¸nh s¸ng B¸n dÉn lo¹i P Líp ho¹t chÊt B¸n dÉn lo¹i P (-) §iÖn cùc MÆt ph¶n x¹ §iÖn cùc H×nh3.8 - CÊu tróc phæ biÕn cña laser 4. Laser diode 4.1 CÊu t¹o vµ nguyªn t¾c ho¹t ®éng Laser b¸n dÉn ho¹t ®éng theo nguyªn lý x¹ kÝch thÝch. Laser th«ng thêng ®îc cÊu t¹o tõ 3 líp (h×nh 3.8) dao ®éng laser x¶y ra ë vïng kÑp gi÷a cña tinh thÓ b¸n dÉn p vµ n gäi lµ líp tÝch cùc (líp ho¹t chÊt). Laser cã mÆt ph¶n x¹ ë hai ®Çu líp tÝch cùc sÏ ®ãng vai trß nh mét hèc céng hëng quang. PhÇn ¸nh s¸ng ph¸t ra theo chiÒu däc hèc céng hëng sÏ ®Ëp vµo mÆt g¬ng ph¶n x¹, mét phÇn th× tho¸t ra ngoµi, phÇn cßn l¹i sÏ bÞ ph¶n x¹ vµ chuyÓn ®éng vÒ híng ®èi diÖn trong qu¸ tr×nh di chuyÓn däc theo hèc ¸nh s¸ng, kÝch thíc c¸c ®iÖn tö kÕt hîp víi lç trèng ®Ó t¹o ra c¸c photon míi. 4.2 C¸c ®Æc tÝnh kü thuËt cña LD a. Th«ng sè ®Þnh + Khi Ib£Ing: LD lµm viÖc trong chÕ ®é LED + Khi Ib>Ing: c«ng suÊt t¨ng lªn ®ét biÕn mét c¸ch tuyÕn tÝnh (chÕ ®é cña LD). VËy víi LD ph¶i chän Ib>Ing + §iÖn ¸p sôt cña laser tõ 1,5 V ®Õn 2,5 V. b. C«ng suÊt ph¸t Tõ 1 ®Õn 10 mW, víi laser ®êi míi cã thÓ lªn tíi 50 mW. c. Gãc ph¸t s¸ng Gãc ph¸t s¸ng cña laser nhá theo ph¬ng ngang cña líp tÝch cùc kho¶ng 5 ®Õn 100. Cßn theo ph¬ng vu«ng gãc víi líp tÝch cùc gãc ph¸t cã thÓ lªn tíi 400. LD LED P(mw) I ngìng Ib(mA) H×nh 3.9 - §Æc tuyÕn ph¸t quang cña LED vµ LD d. HiÖu suÊt ghÐp Víi vïng ph¸t s¸ng nhá vµ gãc ph¸t s¸ng hÑp nªn hiÖu suÊt ghÐp ¸nh s¸ng vµo sîi quang cao. Trung b×nh hiÖu suÊt ghÐp cña laser trong kho¶ng: 30%¸50% víi sîi ®¬n mode (SM) 60%¸90% víi sîi ®a mode e. Thêi gian chuyÓn lªn §Ó ®¹t møc c«ng suÊt quang tõ 10% ®Õn 90% th× thêi gian cÇn thiÕt ®Ó x¸c lËp cña laser rÊt nhanh thêng kh«ng qu¸ 1 ngêi sö dông. f. §é phæ réng 1 0,5 0 §é réng mode Dl = 1 – 4nm l(nm) H×nh 3.10 - §Æc tÝnh phæ cña LD ë d¹ng thùc tÕ So víi LED th× phæ ph¸t x¹ cña laser rÊt hÑp kho¶ng 1 ®Õn 4 nm, khi chÕ t¹o LD cã phæ cµng hÑp cµng tèt v× sÏ gi¶m ®îc t¸n s¾c chÊt liÖu khi sö dông bíc sãng 1550 nm. ¶nh hëng cña nhiÖt ®é LD (laser): t 1 0 1 0 1 Ib Ib 50oC 20oC 0 Pph¸t PP 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 t 0 H×nh 3.11 - ¶nh hëng cña nhiÖt ®é ®Õn c«ng suÊt ph¸t cña LED Khi nhiÖt ®é t¨ng ®Æc tÝnh P-I cña LD dÞch sang bªn ph¶i vµ gi¶m ®é dèc. Sù thay ®æi ®Æc tÝnh P-I nh vËy lµm gi¶m c«ng suÊt ph¸t cña LD. C¸c lo¹i LD hay ®îc sö dông: Laser FP (Fabay-Reset) cã Dl t¬ng ®èi lín » 1 nm. Laser b¸o hiÖu(Buried hetero structure) cã cÊu tróc dÞ thÓ, cã Dl nhá kho¶ng 0,1 nm. §îc dïng cho tuyÕn cã cù ly trung b×nh kho¶ng 40 km. Laser DFB (Distriquted Fªd Back) cã Dl<0,1nm ®îc dïng cho cù ly ®êng truyÒn xa kho¶ng 80km. 5. M¹ch ph¸t quang dïng laser Giao tiÕp ®iÖn: Lµ c¸c ®iÖn cùc ®Ó nèi víi c¸c m¹ch ®iÖn bªn ngoµi, n¬i nhËn tÝn hiÖu ®iÖn. Giao tiÕp quang: cã thÓ lµ mét sîi quang ng¾n ®Ó hë, hoÆc mét khíp nèi gi÷a sîi quang víi modul laser. M¹ch kÝch thÝch: m¹ch ®iÖn cung cÊp dßng ®iÖn kÝch thÝch cho nguån quang. M¹ch xö lý tÝn hiÖu ®iÖn: biÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn sang d¹ng thÝch hîp ®Ó ®a vµo m¹ch kÝch thÝch. Sîi quang Giao tiÕp ®iÖn Xö lý ®iÖn M¹ch kÝch thÝch Th¨m dß quang Nguån quang Giao tiÕp quang Gi¶i nhiÖt Th¨m dß nhiÖt H×nh 3.12. S¬ ®å khèi tæng qu¸t m¸y ph¸t quang M¹ch th¨m dß quang: thùc chÊt lµ m¹ch æn ®Þnh dßng c«ng suÊt. C«ng suÊt ®îc æn ®Þnh do mét phÇn tÝn hiÖu quang ®æi ra d¹ng ®iÒn håi tiÕp ®a vÒ m¹ch kÝch thÝch. M¹ch ®iÒu khiÓn vµ th¨m dß nhiÖt ®é: do laser dÔ bÞ ¶nh hëng cña nhiÖt ®é nªn ph¶i dïng m¹ch nµy ®Ó æn ®Þnh nhiÖt ®é. æn ®Þnh c«ng suÊt ph¸t. III. Linh kiÖn thu quang (t¸ch sãng quang) ë ®Çu cuèi cña c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn, c¸c m¸y thu cã nhiÖm vô chuyÓn ®æi tÝn hiÖu quang ®iÒu biÕn tõ c¸p quang ®a tíi thµnh tÝn hiÖu ban ®Çu ®Ó ®a vµo thiÕt bÞ ghÐp kªnh ®Çu cuèi. Ngoµi ra trªn ®êng truyÒn dÉn, t¹i c¸c tr¹m lÆp còng cha cã kh¶ n¨ng khuyÕch ®¹i quang. Còng nh trong m¸y thu, tÝn hiÖu quang tríc tiªn ®îc chuyÓn thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ®Ó t¸i sinh, tøc lµ ®îc khuÕch ®¹i vµ t¸i t¹o cung nhÞ ph©n, ®Ó l¹i ®a vµo ®iÒu khiÓn LD hoÆc LED cho ph¸t tiÕp tÝn hiÖu quang. PhÇn tö ë phÝa tríc m¸y thu ®Ó thùc hiÖn chøc n¨ng nµy lµ biÕn ®æi quang ®iÖn, cßn gä lµ bé thu quang. C¸c yªu cÇu kü thuËt ®æi víi c¸c linh kiÖn thu quang: Ph¶i nhËy víi bíc sãng ho¹t ®éng cña hÖ thèng (850nm, 1300nm, 1550nm) HiÖu suÊt lîng tö: HiÖu suÊt lîng tö ®îc tÝnh bëi tû sè sèlîng ®iÖn tö t¶ch a vµ sè photon ®îc hÊp thô h: HiÖu suÊt lîng tö ne: Sè lîng ®iÖn tö t¸ch ra nph: Sè lîng photon hÊp thô Gi¸ trÞ lín nhÊt cña h=1 tøc lµ mét photon ®îc hÊp thô sÏ lµm bøc x¹ nhiÒu nhÊt lµ mét cÆp ®iÖn tö vµ lç trèng. Th«ng thêng h<1 vµ ®îc tÝnh theo %. Trong trêng hîp cã hiÖu øng nh©n mét photon ®îc hÊp thô, cã thÓ lµm ph¸t sinh nhiÒu ®iÖn tö, mçi vËt liÖu b¸n dÉn chØ nhËy trong mét kho¶ng bíc sãng nhÊt ®Þnh v× hiÖu suÊt lîng tö cña tõng vËt liÖu thay ®æi theo bíc sãng ¸nh s¸ng. §¸p øng: ®¸p øng cña mét linh kiÖn t¸ch quang lµ tû sè cña dßng ®iÖn sinh ra vµ c«ng suÊt quang ®a vµo R: ®¸p øng Iph: dßng quang ®iÖn Popt: c«ng suÊt quang R phô thuéc vµo hiÖu suÊt lîng tö cña vËt liÖu vµ bíc sãng ho¹t ®éng theo c«ng thøc: R: ®¸p øng ®¬n vÞ A/W h: hiÖu suÊt lîng tö l: bíc sãng ¸nh s¸ng (mm) e: ®iÖn tÝch cña ®iÖn tö, e=1,6.10-19 hay As h: lµ h»ng sè plank, h=6,62.10-34J.s C: vËn tèc ¸nh s¸ng, C=3.108 m/s §é nhËy: cã ®é nh¹y cµng cao cµng tèt. Tøc lµ cã kh¶ n¨ng tÝnh ®îc c¸c tÝn hiÖu quang thËt nhá. Víi tû lÖ lçi (BER) trong ph¹m vi cho phÐp. §é nhËy cµng cao, cµng cã kh¶ n¨ng níi réng cù ly th«ng tin. §¸p øng nhanh ®Ó cã thÓ lµm viÖc trong hÖ thèng cã tèc ®é Bit cao Dßng tèi nhá: khi cha cã ¸nh s¸ng chiÕu vµo nh÷ng linh kiÖn t¸ch quang vÉn cã dßng ®iÖn nhiÔu ch¹y qua. Dßng ®iÖn nµy cµng nhá cµng tèt. T¹p ©m: cã t¹p ©m cµng thÊp cµng tèt ®Ó ®¶m b¶o tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m (S/N). §é tin cËy cao Gi¸ thµnh h¹ 1. PIN diode CÊu tróc P i n Rt - + Iph Vïng dÉn Vïng cÊm Vïng ho¸ trÞ + + + + + + + + + Pho ton Gåm 3 líp b¸n dÉn: B¸n dÉn p B¸n dÉn n B¸n dÉn thuÇn i Diode quang lu«n ®îc ph©n cùc ngîc cã ®iÖn ¸p: E=15V+30V-DC Rt lµ trë kh¸ng vµo cña tÇng tiÒn khuyÕch ®¹i b. Nguyªn lý Khi ¸nh s¸ng chiÕu vµo diode t¸ch quang c¸c líp b¸n dÉn hÊp thô n¨ng lîng ¸nh s¸ng. C¸c h¹t ®iÖn tö trong vïng ho¸ trÞ kÝch thÝch vît qua vïng cÊm lªn vïng dÉn. §Ó l¹i vïng ho¸ trÞ c¸c lç trèng díi t¸c dông cña ®iÖn trêng ngoµi (ph©n cùc ngîc). Nªn c¸c dßng ®iÖn tö chuyÓn ®éng tõ p sang i qua n vµ ®i ra m¹ch ngoµi t¹o thµnh dßng t¸ch quang. Cßn c¸c lç trèng chuyÓn ®éng tõ n qua i sang p vµ còng tham gia t¹o dßng t¸ch quang trong m¹ch ngoa×. Ngîc chiÒu chuyÓn ®éng cña c¸c ®iÖn tö. §Ó n©ng cao hiÖu suÊt t¸ch quang ph¶i cã líp chèng ph¶n x¹ tr¸ng mÆt ngoµi líp p cña diode. 2. Diode th¸c quang APD ( A valanche photo diode) CÊu tróc x chiÒu dµi APD miÒn t¨ng tèc E Emax 0 N+ P p P+ Rt + _ Nguån ph©n cùc ngîc cã trÞ sè cao ®Ó t¹o ta ®iÖn trêng t¨ng tèc trong vïng nh©n. Nguån ®iÖn: E=(200+300V)DC Líp p+ vµ N+ cã nång ®é h¹t ®iÖn tö t¬ng ®èi cao ®Ó gi¶m ®iÖn tö tiÕp xóc. Líp p: lµ líp b¸n dÉn p cã nång ®é lç trung b×nh Líp p: lµ líp cã vïng ®iÖn trêng thÊp vµ hÊp thô c¸c photon ®Ó t¹o ra c¸c cÆp ®iÖn tö vµ lç trèng. b. HiÖn tîng th¸c trong APD Mét h¹t photon ®i quan miÒn p (hÊp thô ¸nh s¸ng m¹nh) vµ t¹o ra mét cÆp ®iÖn tö-lç trèng-khi c¸c ®iÖn tö vµ lç trèng qua miÒn t¨ng tèc th× tèc ®é cña chóng t¨ng lªn ®ét biÕn va ®Ëp vµo c¸c nguyªn tö cña b¸n dÉn vµ gi¶i phãng ra cÆp ®iÖn tö-lç trèng thø hai. §iÖn tö thø 2 nµy t¨ng tèc vµ ch¹m vµo nguyªn tö cña b¸n dÉn gi¶i phãng cÆp ®iÖn tö-lç trèng thø ba...ph¶n øng d©y chuyÒn nµy tiÕp diÔn trong mét thêi gian ng¾n lµm sè lîng c¸c ®iÖn tö vµ lç trèng t¨ng lªn ®ét biÕn. Cã nghÜa lµ dßng t¸ch quang còng t¨ng lªn ®ét biÕn, ®ã chÝnh lµ hiÖu øng quang th¸c trong APD HÖ sè nh©n: 1 - - - - + - 2 3 (+) (-) Vïng t¨ng tèc t VÞ trÝ hV a - - - 4 - - + - - + - - + HÖ sè nh©n M cña APD lµ tû sè gi÷a dßng t¸ch quang khi nh©n IphM vµ dßng t¸ch quang chøa nh©n IphO: M= IphM/ IphO H×nh 3.14 M« t¶ qu¸ tr×nh nh©n ( th¸c ) trong vïng t¨ng tèc 1 - - - - + + 2 4 (+) (-) Vïng t¨ng tèc t VÞ trÝ hV b + 5 + - - + 6 - + - - + - - + - - + + + - + + - 3. §Æc tÝnh kü thuËt cña PIN vµ APD §é nhËy: APD nhËy h¬n PIN vµ lín h¬n tõ 5 ®Õn 15dBm -70 100 1000 Tèc ®é bÝt Mbit/s) 1 -60 -40 -50 -30 ®é nh¹y (dBm) APD PIN Tuy nhiªn dïng PIN kÕt hîp víi FET th× ®é nhËy t¬ng ®¬ng víi ®é nhËy cña APD. D¶i réng: d¶i réng cña APD réng h¬n PIN vµ cã thÓ ®iÒu chØnh ®îc b»ng c¸ch thay ®æi ®îc ¸p ph©n cùc ngîc ®Ó thay ®æi hÖ sè nh©n M. Dßng tèi cña APD lín h¬n PIN §é æn ®Þnh cña PIN tèt h¬n so víi APD v× hÖ sè nh©n cña APD phô thuéc ®iÖn ¸p ph©n cùc, vµ thay ®æi theo nhiÖt ®é. §iÖn ¸p ph©n cùc ngîc cña APD lín hµng tr¨m vol cßn ®iÖn ¸p ph©n cùc ngîc cña PIN<20 vol. C¸c h¹n chÕ cña APD lµ: + ChÕ ®é lµm viÖc kÐm æn ®Þnh, m¹ch ®iÖn phøc t¹p. + Dßng nhiÔu lín + §iÖn ¸p ph©n cùc cao vµ cÇn ®é æn ®Þnh cao + Gi¸ thµnh cao Do cã nh÷ng ®Æc tÝnh trªn mµ c¶ APD vµ PIN ®Òu tån t¹i song song. B¶ng ®Æc tÝnh thu quang vµ øng dông Linh kiÖn photo diode th¸c (APD) Photodiode (PIN) C¸c ®Æc tÝnh §é nhËy thu ¸nh s¸ng cao T¹p ©m lín §iÖn thÕ ho¹t ®éng cao §¾t §é nhËy thÊp T¹p ©m Ýt §iÖn thÕ thÊp Kh«ng ®¾t øng dông HÖ thèng ®êng dµi HÖ thèng ®êng ng¾n HÖ thèng thuª bao HÖ thèng thuª bao HÖ thèng nh¸nh riªng Cã thÓ gi÷ ®îc u ®iÓm cña PIN vµ kh¾c phôc c¸c nhîc ®iÓm cña nã b»ng c¸ch dïng kÕt hîp PIN víi 1 transistor trêng (FET) trong m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i, gäi PIN-FET chóng ®îc dïng kh¸ phæ biÕn trong hÖ thèng th«ng tin quang ngµy nay cã ®é nhËy xÊp xØ cña APD. B¶ng so s¸nh ®é nhËy APD vµ PIN-FET Lo¹i photodiode VËt liÖu Bíc sãng (nm) §é nhËy (dBm) APD Si Ge InGaAs 800-900 1300-1550 1300-1550 -55 -54 -57 PIN-FET Si InGaAs 800- 1300-1500 -50 -54 Phô ch¬ng c¸p sîi quang (c¸p sîi quang VINa-GSC) C¸p ch«n trùc tiÕp-phi kim lo¹i M« t¶ C¸p sîi quang VINA-GSC cung cÊp gi¶i ph¸p truyÒn dÉn tuyÖt vêi, b¶o vÖ sîi quang trong c¸c m«i trêng kh¸c nhau. C¸p nµy ®îc thiÕt kÕ ®Ó dïng cho nh÷ng vïng hay cã sÐt hoÆc ®iÖn cao thÕ ¶nh hëng øng dông: Vïng thêng xuyªn cã sÐt Vïng l©n cËn c¸c nhµ m¸y ®iÖn §Æc ®iÓm: §¬n mode C¸p phi kim lo¹i hoµn toµn B¶o vÖ khái sù ph¸ huû cña sÐt vµ nhiÔu ®iÖn Sè sîi trong c¸p: 2 ®Õn 144 MÆt c¾t: ÀSîi quang ÁChÊt dén -Thµnh phÇn kh«ng ngÊm níc Âèng láng -Nhùa chÞu nhiÖt ÃB¶o vÖ lâi c¸p -B¨ng PS hoÆc/vµ líp sîi t¬ b¶o vÖ vµ chÞu lùc kÐo ÄThµnh phÇn gia cêng trung t©m Åèng ®Öm -èng trô trßn, lµm b»ng nhùa chÞu nhiÖt ®Ó thay cho èng láng khi bÖn c¸p. 5 6 7 8 1 2 3 4 9 ÆVá bªn trong -Polythylene mµu ®en ÇLíp t¨ng cêng lùc kÐo -Líp t¬ chÞu lùc ÈVá ngoµi cïng -Polythylene mµu ®en CÊu tróc Th«ng sè §¬n vÞ Lo¹i 2-36 sîi Lo¹i 37-72 sîi Sè sîi trong èng Sîi 6 12 Sè èng èng 6 6 Thµnh phÇn gia cêng FRP FRP §êng kÝnh d©y gia cêng mm 2.7 3.5 §êng kÝnh lâi c¸p mm 7.4 9.9 §é dµy vá trong mm 1 1 §é dµy líp t¬ kevlar mm Max.0.5 §é dµy vá ngoµi mm 1.5 1.5 §êng kÝnh ngoµi mm 13 16 Träng lîng Kg/Km 140 200 ChiÒu dµi c¸p tèi ®a/trèng c¸p m 6000 4000 KÝch thíc èng láng tiªu chuÈn Ph©n lo¹i Cì nhá Cì võa Cì lín §êng kÝnh ngoµi 1.5 2.2 3 Sè sîi tèi ®a trong èng 1 6 12 Sè sîi tèi ®a trong c¸p 12 36 144 §Æc tÝnh h×nh häc vµ quang häc cña sîi quang §k trêng mode (mm) §k líp vá (mm) Suy hao (dB/Km) T¸n s¾c (ps/nm.km) Bíc sãng c¾t (nm) 1310nm 1550nm 1285-1330nm 1550nm 2m 9,5 125 0.4 0.3 3.2 18 1100~1330 §Æc ®iÓm c¬ häc vµ m«i trêng cña c¸p Môc §¬n vÞ ChØ tiªu T¶i kÐo c¨ng tèi ®a Kg 250 B¸n kÝnh cong nhá nhÊt Kh«ng t¶i mm 130 Cã t¶i mm 260 §é chÞu nÐn Kg/cm 20 D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc 0C -40 ¸ +70 M· mÇu sîi quang Sè sîi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Mµu Xanh lam (BL) Da cam (OR) Xanh lôc (GN) §á (RD) Vµng (YL) TÝm (VI) N©u (BN) §en (BK) Tr¾ng (WH) X¸m (GY) Xanh NgäcAQ Ch¬ng IV Kü thuËt khuÕch ®¹i quang Nh ta ®· biÕt, ë c¸c tuyÕn th«ng tin quang truyÒn thèng, khi cù ly dµi tíi møc ph©n bè suy hao kh«ng tho¶ m·n, suy hao tuyÕn vît qu¸ c«ng suÊt dù phßng th× cÇn ph¶i cã c¸c tr¹m lÆp ®Ó khuÕch ®¹i tÝn hiÖu trªn ®êng truyÒn. C¸c tr¹m lÆp ë ®©y thùc hiÖn khuÕch ®¹i tÝn hiÖu th«ng qua c¸c qu¸ tr×nh biÕn ®æi quang - ®iÖn vµ ®iÖn – quang. §iÒu nµy cã nghÜa lµ tÝn hiÖu quang rÊt yÕu kh«ng thÓ truyÒn xa ®îc tiÕp n÷a sÏ ®îc c¸c tr¹m lÆp thu l¹i vµ biÕn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn; sau ®ã tiÕn hµnh khuÕch ®¹i, chuÈn l¹i thêi gian, t¸i t¹o l¹i d¹ng tÝn hiÖu vµ råi l¹i biÕn ®æi thµnh tÝn hiÖu quang ®ñ lín ®Ó ph¸t vµo ®êng truyÒn. C¸c tr¹m lÆp nµy ®· ®îc øng dông kh¸ réng r·i ë hÇu hÕt c¸c tuyÕn th«ng tin quang trong thêi gian võa qua. Trong thêi gian gÇn ®©y, víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc vµ c«ng nghÖ th«ng tin ngêi ta ®· thùc hiÖn ®îc qu¸ tr×nh khuÕch ®¹i trùc tiÕp tÝn hiÖu ¸nh s¸ng.Vµ kh«ng ph¶i qua qu¸ tr×nh biÕn ®æi vÒ ®iÖn nµo, ®ã lµ kü thuËt khuÕch ®¹i quang. Kü thuËt khuÕch ®¹i quang ra ®êi ®· kh¾c phôc ®îc nhiÒu h¹n chÕ cña c¸c tr¹m lÆp nh vÒ b¨ng tÇn, cÊu tróc phøc t¹p, cÊp nguån, ¶nh hëng cña nhiÔu ®iÖn... ViÖc ¸p dông c¸c bé khuÕch ®¹i quang vµo c¸c hÖ thèng th«ng tin quang cßn ®a ra mét ý tëng lín cho qu¸ tr×nh ph¸t triÓn c¸c tuyÕn th«ng tin hoµn toµn dïng khuÕch ®¹i quang vµ tõ ®ã tiÕn tíi ph¸t triÓn c¸c m¹ng quang ho¸ hoµn toµn. 4.1 C¸c lo¹i khuÕch ®¹i quang. Cã mét sè c¸c bé khuÕch ®¹i quang ®· ®îc nghiªn cøu vµ øng dông, ®ã lµ c¸c bé khuÕch ®¹i laser b¸n dÉn (SLA-Semiconductor Laser Amplifier) c¸c bé khuÕch ®¹i pha t¹p ®Êt hiÕm, c¸c bé khuÕch ®¹i Raman sîi vµ c¸c bé khuÕch ®¹i Brillouin sîi. §Ó øng dông cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang, cÇn ph¶i dùa vµo c¸c tham sè cña nã. Qua mét thêi gian nghiªn cøu, ®· cã nhiÒu tiÕn bé kü thuËt trong kü thuËt khuÕch ®¹i quang. Tuy nhiªn thµnh c«ng chñ yÕu tËp trung vµo khuÕch ®¹i laser b¸n dÉn vµ khuÕch ®¹i quang sîi. Cã hai lo¹i khuÕch ®¹i laser b¸n dÉn SLA chÝnh lµ khuÕch ®¹i sãng ch¹y (TWA-Traveling-Wave-Amplifier) vµ khuÕch ®¹i Fabry-Perot (FPA-Fabry-Perot- Amplifier), ngoµi ra cßn lo¹i khuÕch ®¹i ph©n bè håi tiÕp (DFB-Distribute Feedback). Mét sè tham sè cña c¸c lo¹i khuÕch ®¹i quang ®îc cho trong b¶ng sau: Lo¹i thiÕt bÞ KhuÕch ®¹i laser FP-LD Laser TW-LD KhuÕch ®¹i Quang sîi KhuÕch ®¹i Raman KhuÕch ®¹i Brillouin Nguyªn lý Bøc x¹ tõ nghÞch ®¶o ®é tÝch luü m«i trêng Bøc x¹ tõ nghÞch ®¶o ®é tÝch luü m«i trêng Bøc x¹ tõ nghÞch ®¶o ®é tÝch luü m«i trêng T¸n x¹ Raman ®îc kÝch thÝch T¸n x¹ Brillouin ®îc kÝch thÝch C«ng suÊt b·o hoµ lèi ra (dBm) 8 9 11 20 _ B¨ng tÇn khuÕch ®¹i (Hz) 1-3G >5T 0,5-4T ~1T 50M Møc t¹p ©m (dB) 6-9 5,2 3-5 _ _ Suy hao ghÐp vµo sîi Lín Lín Lín Nhá Nhá Ph©n cùc tÝn hiÖu TE-mode TE- mode §éc lËp TÝn hiÖu /b¬m TÝn hiÖu /b¬m HÖ sè khuÕch ®¹i tuyÕn tÝnh(dB) 25-30 20-30 40-50 ~50 ~30 Dßng/c«ng suÊt b¬m 10mA ~100mA 20mW-100mW ~ vµi W ~ vµi W 4.2 KhuÕch ®¹i laser b¸n dÉn. C¸c bé khuÕch ®¹i laser b¸n dÉn (SLA)cã cÊu tróc c¬ b¶n dùa trªn cÊu tróc laser b¸n dÉn th«ng thêng, cã ®é réng vïng tÝch cùc W, ®é dµy d, dµi L vµ chØ sè chiÕt suÊt lµ N. H×nh 3.1 m« t¶ mét bé khuÕch ®¹i b¸n dÉn, tÝnh ph¶n x¹ bÒ mÆt ®Çu vµo vµ ®Çu ra ®îc ký hiÖu t¬ng øng lµ R1vµ R2. ThiÕt bÞ ®îc ®Þnh thiªn díi møc ngìng ph¸t ®Ó tr¸nh dao ®éng laser xuÊt hiÖn. C¸c vá chèng ph¶n x¹ ®îc ¸p vµo c¸c mÆt laser ®Ó gi¶m tÝnh ph¶n x¹ cña nã (trong diot laser th«ng thêng R1= R2=0,3) ®iÒu nµy lµm t¨ng b¨ng tÇn khuÕch ®¹i vµ t¹o ra c¸c ®Æc tÝnh truyÒn dÉn Ýt phô thuéc vµo sù thay ®æi cña dßng ®iÖn thiªn ¸p, nhiÖt ®é vµ tÝnh ph©n cùc cña ¸nh s¸ng ®Çu vµo. 4.2.1 C¸c ®Æc tÝnh cña SLA. (5-1) C¸c hiÖn tîng c¬ b¶n vµ c¸c chi tiÕt vËt lý ®Ó m« t¶ c¸c bé khuÕch ®¹i laser b¸n dÉn (SLA) gièng nh ®èi víi c¸c laser b¸n dÉn ho¹t ®éng ë vïng cöa sæ suy hao 1300nm vµ 1550nm cña sîi dÉn quang. Mét ph¬ng tr×nh ®¸nh gi¸ vÒ mËt ®é h¹t mang còng cã ®ñ ®Ó thÓ hiÖn sù khuÕch ®¹i trong vïng tÝch cùc. ë tr¹ng th¸i tr¹ng th¸i bÒn v÷ng, hÖ sè khuÕch ®¹i vËt liÖu cho mét ®¬n vÞ ®é dµi gv phô thuéc vµo cêng ®é tÝn hiÖu I theo quan hÖ: ë ®©y Is lµ cêng ®é ¸nh s¸ng dÉn x¸c ®Þnh, ®îc gäi lµ cêng ®é b·o hoµ khi cha cã tÝn hiÖu vµo, g0 lµ ®¹i lîng ®Æc trng cho hÖ sè khuÕch ®¹i cha b·o hoµ. Râ rµng ë ®©y lµ cã thÓ thÊy ¶nh hëng cña b·o hoµ khuÕch ®¹i ë c¸c cêng ®é ®Çu vµo cao. Nh×n chung, cêng ®é vµ sù khuÕch ®¹i phô thuéc vµo vÞ trÝ däc theo ®é dµi bé khuÕch ®¹i. Tuy nhiªn, cã thÓ thÊy r»ng, viÖc thõa nhËn tÝnh phô thuéc vµo vÞ trÝ sÏ cho ra c¸c kÕt qu¶ chÝnh x¸c khi cã sù ph©n bè trêng theo trôc ®îc tÝnh trung b×nh däc theo ®é dµi hèc. HÖ sè khuÕch ®¹i thùc hiÖn trªn mét ®¬n vÞ ®é dµi g ®îc x¸c ®Þnh díi d¹ng gv, hÖ sè h¹n chÕ G (~0,3), vµ hÖ sè suy hao hiÖu dông trªn mçi ®¬n vÞ ®é dµi a(~50cm) (5-3) (5-2) G Lµ hÖ sè cña tËp mode dÉn bÞ gi¶ trong vïng ho¹t tÝnh. HÖ sè khuÕch ®¹i ®¬n th«ng. Cã thÓ ®îc diÔn gi¶i nh mét hµm cña cêng ®é I bªn trong bé khuÕch ®¹i: (5-4) Víi L lµ ®é dµi bé khuÕch ®¹i. (3-6) ChØ sè chiÕt suÊt vËt liÖu lµ mét hµm cña mËt ®é h¹t mang vµ cêng ®é ¸nh s¸ng. Ngoµi sù dÞch pha cã liªn quan tíi tÝnh ®¬n th«ng cña bé khuÕch ®¹i sÏ cã thµnh phÇn phô thªm theo sau sù thay ®æi trong mËt ®é h¹t mang khi kh«ng cã tÝn hiÖu, lóc nµy dÞch pha ®¬n th«ng lµ: (5-5) Víi v lµ tÇn sè tÝn hiÖu ®Õn, v0 lµ tÇn sè mode céng hëng cña bé khuÕch ®¹i, n lµ chØ sè chiÕt suÊt cña vËt liÖu líp tÝch cùc, c lµ tèc ®é ¸nh s¸ng, f0 lµ dÞch pha khi kh«ng cã tÝn hiÖu quang ë ®Çu vµo vµ b ®îc gäi lµ hÖ sè lµ t¨ng ®é réng phæ (hÖ sè d·n phæ). C¸c ph¬ng tr×nh trªn chØ ra r»ng hÖ sè khuÕch ®¹i ®¬n th«ng vµ pha lµ c¸c hµm sè cña cêng ®é ¸nh s¸ng: vÒ nguyªn lý, ¸nh s¸ng ®· ®iÒu biÕn cêng ®é cã thÓ bÞ mÐo do SLA g©y ra. Qu¸ tr×nh ph©n tÝch ë ®©y chØ ra r»ng Gs vµ f phô thuéc vµo ft, víi f lµ tÇn sè cña tÝn hiÖu ®Çu vµo vµ t lµ thêi gian t¸i hîp h¹t mang (~2ns). Khi f >1/2pt th× biªn thêi gian vµ I tû lÖ víi cêng ®é tÝn hiÖu trung b×nh. §iÒu nµy cã nghÜa lµ biÓu hiÖn d¶i ®éng cña SLA bÞ tuæi thä h¹t mang chi phèi. (5-6) HÖ sè khuÕch ®¹i ®¬n th«ng G ë ph¬ng tr×nh (5-4) thÓ hiÖn râ ë bé khuÕch ®¹i sèng ch¹y (TWA). B¨ng tÇn quang 3dB ®èi víi bé khuÕch ®¹i kh«ng b·o hoµ lµ: Víi a2»0,15cm nm cã liªn quan ®Õn tÝnh mÊt ®iÒu hëng (lÖch céng hëng) gi÷a bíc sãng ho¹t ®éng vµ bíc sãng ®Ønh khuÕch ®¹i vËt liÖu. B¨ng tÇn sÏ kh«ng phô thuéc vµo hÖ sè khuÕch ®¹i tuyÖt ®èi vµ lµ mét hµm sè cña ®é dµi thiÕt bÞ, gi¶m ®i khi t¨ng ®é dµi. Tõ ph¬ng tr×nh (5-4) ta thÊy ®¬ng nhiªn tÝnh b·o hoµ hÖ sè khuÕch ®¹i sÏ x¶y ra khi cã hiÖn tîng gi¶ nghÞch ®¶o tÝch luü do t¨ng ph¸t x¹ kÝch thÝch. C¸c ®Æc tÝnh b·o hoµ cña TWA ®îc ®¸nh gi¸ tõ c«ng suÊt ®Çu ra b·o hoµ, ®îc x¸c ®Þnh nh lµ c«ng suÊt tÝn hiÖu ®· khuÕch ®¹i t¹i hÖ sè khuÕch ®¹i ®¬n th«ng nhá h¬n gi¸ trÞ hÖ sè khuÕch ®¹i kh«ng b·o hoµ 3dB lµ: (5-7) Trong biÓu thøc nµy, hv lµ n¨ng lîng photon, t lµ tuæi thä h¹t mang vµ: Tuú theo sù phô thuéc cña hÖ sè khuÕch ®¹i vËt liÖu vµo mËt ®é h¹t mang. Víi W=1,5mm, d=1,5mm, l =1,3mm th× c«ng suÊt ®Çu ra b·o hoµ lµ 1dBm. Trong thøc tÕ, c¸c mÆt vá chèng ph¶n x¹ sÏ cã tÝnh ph¶n x¹ d nµo ®ã vµ t¹o thµnh mét hèc quang. §Æc tÝnh khuÕch ®¹i sÏ cã c¸c ®Ønh Fabry-Perot tån t¹i bíc sãng vµ kho¶ng trèng tuú thuéc vµ kÝch thíc hèc, ®é réng cña nã theo hÖ sè khuÕch ®¹i ®¬n th«ng vµ tÝnh ph¶n x¹ bÒ mÆt nh sau: (5-8) Tû sè ®Ønh lâm gîn sãng cña b¨ng th«ng lµ: (5-9) (5-10) Tham sè nµy t¹o ra kh¸c biÖt gi÷a FPA vµ TWA; th«ng thêng khi V< 2 th× bé khuÕch ®¹i ®îc xem nh lµ TWA. Tõ ph¬ng tr×nh (5-9), khi V lµ 3dB th× (5-11) Vµ trong giíi h¹n R1, R2<<1, hÖ sè khuÕch ®¹i lín nhÊt cã thÓ biÓu diÔn ®¬n gi¶n nh sau: C¸c ph¬ng tr×nh (5-9)vµ (5-11) chØ ra r»ng, tÝnh ph¶n x¹ d trung b×nh 1/1000 sÏ cho phÐp t¹o ra bé khuÕch ®¹i TWA cã hÖ sè khuÕch ®¹i hèc lín nhÊt lµ 24dB. Vµ hÖ sè khuÕch ®¹i ®¬n th«ng lµ 22dB. H×nh 5.2 lµ sù phô thuéc cña hÖ sè khuÕch ®¹i vµo bíc sãng, h×nh ghÐp vµo m« t¶ gîn sãng cña hÖ sè khuÕch ®¹i theo céng hëng Fabry-Perot d. Nh vËy qua kh¶o s¸t ë trªn ta thÊy r»ng. TWA lµ tr¹m lÆp tuyÕn tÝnh, nã lµ bé khuÕch ®¹i u viÖt h¬n FPA vÒ c¶ tÝnh b·o hoµ hÖ sè khuÕch ®¹i tÝn hiÖu vµ c¸c ®Æc tÝnh t¹p ©m. H¬n thÕ n÷a, TWA cã b¨ng tÇn khuÕch ®¹i réng h¬n bëi v× céng hëng Fabry-perot cña nã bÞ chÆn nhê viÖc gi¶m bít ph¶n x¹ bÒ mÆt. Nh÷ng yÕu ®iÓm vèn cã cña TWA lµ thµnh phÇn t¹p ©m tù ph¸t t¨ng, vµ trong thøc tÕ lµm t¨ng tÝnh nh¹y c¶m víi nh÷ng ph¶n x¹ tõ bªn ngoµi bé khuÕch ®¹i (nh ph¶n x¹ tõ c¸c mèi hµn sîi, bé nèi quang). 4.2.2 Líp chèng ph¶n x¹ C¸c líp chèng ph¶n x¹ trªn c¸c mÆt diot laser lµ kh«ng thÓ thiÕu ®îc khi chÕ t¹o c¸c bé khuÕch ®¹i sãng ch¹y (TWA). TÝnh ph¶n x¹ bÒ mÆt yªu cÇu lµ nhá h¬n 1/1000. Do mode d©n sãng ®îc t¹o ra tõ c¸c sãng ph¼ng c¬ b¶n cã c¸c vÐc t¬ sãng kh¸c nhau, cho nªn c¸c ®iÒu kiÖn vÒ líp chèng ph¶n x¹ (AR Antireflection Coating) ®Æt ra ®èi víi sãng dÉn lµ._.lý tÝn hiÖu quang trong vïng tÇn sè quang. Qu¸ tr×nh biÕn ®æi nµy ®îc thùc hiÖn dùa vµo hiÖu øng quang phi tuyÕn cña c¸c vËt liÖu b¸n dÉn hoÆc c¸c vËt liÖu ®iÖn m«i. D¶i dÞch tÇn sè quang hiÖn t¹i ®¹t vµo kho¶ng 1000 GHz. C¸c bé khuÕch ®¹i quang sÏ thùc hiÖn khuÕch ®¹i c¸c kªnh quang FDM ®ång thêi mét lóc, nã t¹o ra cô ly b¨ng tÇn truyÒn dÉn cña hÖ thèng ®îc dµi h¬n. HiÖn nay, c¸c bé khuyÕch ®¹i quang dïng cho OFDM ®· cã kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i ®îc 100 kªnh quang. §iÒu nµy më ra mét hëng øng dông OFDM vµo c¸c m«i trêng khai th¸c ®a d¹ng. H×nh 5.20 lµ biÓu diÔn mét ph¬ng ph¸p sö dông khuÕch ®¹i quang vµo mét hÖ thèng th«ng tin quang cã ghÐp kªnh quang theo tÇn sè trong hÖ thèng OFDM. H×nh 5.20. Thùc nghiÖm ghÐp 100 kªnh quang trong OFDM cã khuÕch ®¹i quang. 5.2.2. Vai trß cña OFDM trong m¹ng viÔn th«ng t¬ng lai. Nh÷ng thµnh c«ng gÇn ®©y cña c«ng gnhÖ c¸c phÇn tö quang cho OFDM ®· t¹o ra sù ph¸t triÓn c¸c m¹ch sö lý tÝn hiÖu quang rÊt ®a d¹ng. Chóng cã thÓ ®¸p øng c¸c chøc n¨ng nh sau: S¾p xÕp c¸c kªnh th«ng tin mét c¸ch hîp lý Cho phÐp truyÒn dÔ dµng tÝn hiÖu qua c¸c phÇn tö thô ®éng. §iÒu ®ã t¹o ra mét tiÒm tµng lín cña OFDM trong m¹ng viÔn th«ng, cho ra c¸c hÖ thèng th«ng tin hiÖn ®¹i cã dung lîng lín, tÝnh mÒm dÎo, dÔ dµng më réng, dÔ dµng khai th¸c. Tuy nhiªn, ®Ó cã ®îc c¸c c«ng nghÖ OFDM thùc tiÔn th× ph¶i ®¹t ®îc nh sau: C¸c cÊu tróc hÖ thèng ph¶i t¹o ra ®îc viÖc ¸p dông tèt nhÊt c¸c ®Æc tÝnh OFDM, kÓ c¶ tÝnh mÒm dÎo vµ kh¶ n¨ng më réng. C¸c c«ng nghÖ c¬ b¶n OFDM ph¶i ®¶m b¶o ®¹t ®îc 100 kªnh trªn mét sîi dÉn quang. C«ng nghÖ gi¸m s¸t kiÓm tra c¸c kªnh OFDM, c¸c thiÕt bÞ quang thô ®éng cÇn cã kh¶ n¨ng ®Þnh tuyÕn tÇn sè quang. 5.3. GhÐp kªnh quang theo thêi gian OTDM Trong sù ph¸t triÓn cña m¹ng viÔn th«ng, xu híng t¨ng tèc ®é truyÒn dÉn ®· ®îc ®Èy m¹nh trong mÊy n¨m gÇn ®©y, c¸c hÖ thèng th«ng tin truyÒn dÉn sè tèc ®é cao ®· lµ nhu cÇu cÇn thiÕt trªn m¹ng líi. §Ó xËy dùng c¸c tuyÕn sè tèc ®é cao nh vËy, ngêi ta lÊy th«ng tin quang lµm c¬ së ®Ó thùc hiÖn v× nã cã m«i trowngf truyÒn dÉn b¨ng tÇn kh«nr lå. Tuy nhiªn ®Ó cã ®wocj thiÕt bÞ ho¹t ®éng ë tèc ®é cao, c«ng nghÖ ®iÖn tö - th«ng tin ph¶i ph¸t triÓn c¸c chip ®iÖn tö cã kh¶ n¨ng ®¸p øng ®îc tèc ®é chuyÓn m¹ch cao hoÆc lµm viÖc ë m«i trêng cã b¨ng tÇn réng. GÇn ®©y, c¸c thiÕt bÞ nµy ®· ®îc s¶n xuÊt vµ s½n cã trªn thÞ trêng tho¶ m·n ®îc tèc tíi 10Gbit/s. C¸c s¶n phÈm nh vËy tríc hÕt ®¸p øng ®îc cho c¸c thiÕt bÞ ph¸t vµ thu quang lµm viÖc ë b¨ng tÇn cao, mÆt kh¸c nã tho¶ m·n ®îc víi c¸c thiÕt bÞ ghÐp vµ gi¶i ghÐp kªnh. Trong nh÷ng n¨m tíi, x©y dùng c¸c hÖ thèng th«ng tin quang tèc ®é cao trªn 10Gbit/s lµ ch¾c ch¾n th× viÖc ph¸t triÓn c¸c thµnh phÇn thiÕt bÞ ®iÖn tö ë tèc ®é 20Gbit/s vµ 40Gbit/s lµ rÊt khã v× vÉn ph¶i dù vµo nÒn t¶ng cÊu tróc c«ng nghÖ hån hîp InP [33]. V× vËy kü thuËt ghÐp kªnh quang theo thêi gian OTDM ®· kh¾c phôc ®îc h¹n chÕ trªn, qu¸ tr×nh ghÐp c¸c luån t×n hiÖu quang thµnh c¸c luån tÝn hiÖu cã tèc ®é cao h¬n kh«ng th«ng qua mét qu¸ tr×nh biÓn ®æi vÒ ®iÖn nµo. GhÐp kªnh quang OTDM cã nhiÒu kh¶ n¨ng thµnh c«ng vµ tiÕn nhanh h¬n bÊt kú mét s¶n phÈm ghÐp kªnh ®iÖn nµo v× nã sö dông c¸c kü thuËt xö lý quang tiªn tiÕn. Nh ta ®· biÕt cã hai ph¬ng ph¸p ghÐp kªnh quang ®Î ®¹t ®îc tèc ®é truyÒn dÉn rÊt cao (tíi 100 Gbit/s) lµ ghÐp kªnh quang theo bíc sãng hay theo tÇn sè (WDM/OFDM) vµ ghÐp kªnh quang theo thêi gian (OTDM). C¶ hai gi¶i php¸ nµy ®Òu yªu cÇu c¸c thµnh phÇn ®iÖn tö cã tèc ®é cao h¬n ë c¸c luång nh¸nh ®îc ghÐp. §èi víi OTDM, kü thuËt ghÐp ë ®©y cã liªn quan ®Õn luång tÝn hiÖu ghÐp, d¹ng m· vµ tèc ®é ®êng truyÒn. 5.3.1. Nguyªn lý ghÐp kªnh OTDM Ho¹t ®éng cña mét hÖ thèng truyÒn dÉn quang sö dông kü thuËt ghÐp kªnh quang theo thêi gian OTDM cã thÓ m« t¶ nh h×nh 5.21 H×nh 5.21. S¬ ®å tuyÕn th«ng tin quang sö dông ü thuËt OTDM ghÐp 4 kªnh quang. Kªnh 4 Kªnh 1 Sîi dÉn quang Thu hiÖu Nguån ph¸t KhuÕch ®¹i quang EDFA Bé chia quang Bé ®iÌu chÕ Bé ®iÌu chÕ Bé ®iÌu chÕ Bé ®iÌu chÕ Bé chia quang KhuÕch ®¹i quang Khèi ph¸t clock Bé t¸ch kªnh Kªnh: 1 2 3 4 1 2 3 4 Thêi gian Thêi gian TrÔ quang Trong ghÐp kªnh quang OTDM, chuçi xung quang hÑp ®îc ph¸t ra tõ nguån ph¸t thÝch hîp. C¸c tÝn hiÖu nµy ®îc ®a vµo khuÕch ®¹i ®Ó n©ng møc tÝn hiÖu ®ñ lín ®Ó ®¸p øng ®îc yªu cÇu. Sau ®ã ®îc chia thµnh N luång, mçi luång sÏ ®îc ®a vµo ®iÒu chÕ nhê c¸c bé ®iÒu chÕ ngoµi víi tÝn hiÖu nh¸nh tèc ®é B Gbit/s. §Ó thùc hiÖn ghÐp c¸c tÝn hiÖu quang nµy víi nhau, c¸c tÝn hiÖu nh¸nh ph¶i ®îc ®a qua c¸c bé trÔ quang. Tïy theo vÞ trÝ cña tõng kªnh theo thêi gian trong king mµ c¸c bé trÔ nµy sÏ thùc hiÖn trÔ ®Ó dÞch c¸c khe thêi gian quang mét c¸ch t¬ng øng. Thêi gian trÔ lµ mét nöa chu kú cña tÝn hiÖu clock. Nh vËy, tÝn hiÖu sau khi ®îc ghÐp sÏ cã tèc ®é lµ NxBGbit/s. Sau khi ®îc truyÒn trªn ®êng truyÒn, thiÕt bÞ t¸ch kªnh ë phÝa thu sÏ thùc hiÖn t¸ch kªnh vµ kh«i phôc xung clock vµ ®a ra ®îc tõng kªnh quang riªng rÏ t¬ng øng víi c¸c kªnh quang ë ®Çu vµo bé ghÐp ph¸i ph¸t. C¸c hÖ thèng ghÐp kªnh OTDM thêng ho¹t ®éng ë vïng bíc sãng 1550nm, t¹i bíc sãng nµy sÏ cã suy hao quang nhá, l¹i phï hîp víi bé khuÕch ®¹i quang sîi cã mÆt trong hÖ thèng. C¸c bé khuÕch ®¹i quang sîi cã chøc n¨ng duy tr× quÜ c«ng suÊt cho hÖ thèng nh»m b¶o ®¶m tØ lÖ tÝn hiÖu trªn t¹p ©m (S/N) ë phÝa thu quang. NGuyªn lý ho¹t ®éng nµy cã thÓ ®¸p øng x©y dùng c¸c hÖ thèng th«ng tin víi tèc ®é 200Gbit/s. Tuy nhiªn ë tèc ®é nµy ph¶i xem xÐt tíi viÖc bï t¸n s¾c cho hÖ thèng. 5.3.2 Ph¸t tÝn hiÖu trong hÖ thèng OTDM. HÖ thèng th«ng tin quang sö dông kü thuËt OTDM ¸p dông hai kü thuËt ph¸t chñ yÕu sau ®©y: D¹ng thø nhÊt cã thÓ lÊy luång tÝn hiÖu quang sæ RZ th«ng qua viÖc sö lý quang luång NRZ. D¹ng thø hai dùa vµo viÖc ®iÒu chÕ ngoµi c¸c xung quang. §èi víi d¹ng ®Çu, tõ luång tÝn hiÖu NRZ, ngêi ta thùc hiÖn biÕn ®æi chóng ®Ó ®a vÒ s¹ng tÝn hiÖu RZ b»ng c¸ch cho luång tÝn hiÖu NRZ qua phÇn tö xö lý quang cã c¸c ®Æc tÝnh chuyÓn ®æi phï hîp. PhÇn tö nµy cã thÓ lµ mét bé ®iÒu chÕ cã ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn (phÇn tö ®iÖn-quang hoÆc lµ ®iÖn - hÊp thô) hay c¸c thiÕt bÞ cã ®iÒu khiÓn quang nh c¸c g¬ng vßng phi tuyÕn (sîi hoÆc b¸n dÉn). Qu¸ tr×nh biÕn ®æi ¸nh s¸ng liªn tôc (CW - Continuous Wave) thµnh c¸c xung dùa vµo c¸c bé ®iÒu chÕ ®iÖn - quang. §Çu vµo CW lµ luång tÝn hiÖu quang NRZ vµ thêng th× mçi luång NRZ yªu cÇu mét phÇn tö xö lý quang riªng. Tuy nhiªn, víi c¸c hÖ thèng tiªn tiÕn h¬n, sÏ cho phÐp ®ång thêi thùc hiÖn c¶ biÕn ®æi vµ xen quang NRZ thµnh RZ nhê mét thiÕt bÞ chuyÓn machj tÝch cùc ®iÖn - quang 2x2. ThiÕt bÞ nµy cã chøc n¨ng chuyÓn ®æi ®iÖn- quang gièng nh bé ®iÒu chÕ Mach-Zehnder, nhng tiÕn bé h¬n lµ cã hai cöa ra. Nh vËy chïm tia tÝn hiÖu ban ®Çu NRZ tèc ®é B Gbit/s sÏ ®îc lÊy mÉu nhê bé ®iÒu chÕ Mach-Zehnder, bé ®iÒu chÕ nµy ®îc ®iÒu khiÓn víi mét sãng h×nh sin tÇn sè B GHz vµ ®îc lµm b»ng biÕn ®é tíi gi¸ trÞ ®iÖn ¸p chuyÓn m¹ch. TÝn hiÖu sè quang sÏ ®îc biÕn ®æi thµnh d¹ng RZ ë tèc B Gbit/s víi ®é réng xung b»ng mét nöa chu kú bit. §iÒu nµy cã nghÜa lµ t¹o ®îc mét kho¶ng ®Ó xen mét luång tÝn hiÖu d¹ng RZ thø hai vµo. ViÖc xen kªnh thø hai ®îc thùc hiÖn nhê bé ghÐp (coupler). H×nh 4.26 m« t¶ hai nguyªn lý ho¹t ®éng ®Æc trng cña phÝa ph¸t 4 kªnh OTDM dùa trªn viÖc xö lý c¸c luång tÝn hiÖu sè NRZ, ë ®©y sö dông kÕt hîp c¸c chuyÓn m¹ch cã c¸c ®iÒu kiÖn ®iÒu khiÓn t¬ng thÝch. Lu ý r»ng, sù kh¸c nhau gi÷a hai s¬ ®å lµ sù xen tÝn hiÖu ë tr¹ng th¸i thø hai: TÝn hiÖu xen 2B GHz ®îc yªu cÇu, tÝn hiÖu nµy cã thÓ thu ®îc b»ng c¸ch hoÆc lµ sö dông tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn t¹i tÇn sè ®ã cã biªn ®é b»ng víi ®iÖn ¸p chuyÓn m¹ch, hoÆc lµ sö dông ®iÒu khiÓn B GHz víi hai lÇn ®iÖn ¸p chuyÓn m¹ch. Trong qu¸ tr×nh nghiªn cøu vÒ ghÐp kªnh quang theo thêi gian, ngêi ta ®· lu ý nhiÒu tíi c«ng nghÖ nguån ph¸t. §©y lµ c¸c laser cã thÓ ph¸t ra c¸c xung rÊt hÑp ë tèc ®é cao. §Çu ra c¸c nguån nµy lµ c¸c bé chia quang thô ®éng (coupler), c¸c bé ®iÒu chÕ ngoµi vµ tiÕp ®ã lµ c¸c bé trÔ thêi gian, c¸c bé trÔ t¸i hîp vÉn sö dông coupler nh ®· m« t¶ ë h×nh 4.25. C¸c s¶n phÈm cña phÝa ph¸t OTDM ®îc ph¸t triÓn hÇu nh dùa vµo c¸c c«ng nghÖ tæ hîp m¹ch lai ghÐp, ®iÒu nµy t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho viÖc tiÕn hnµh nghiªn cøu trong phßng thÝ nghiÖm bëi b× víi nh÷ng thµnh phÇn s¶n phÈm quang sîi nµy, cã thÓ tiÕn hµnh c¸c thÝ nghiÖm cã c¸c ®iÒu kiÖn t¬ng tù nh vËy. Khi lùa chän c¸c nguån quang cho hÖ th«ng OTDM, tû lÖ “®¸nh ®iÓm-kho¶ng trèng” lµ rÊt quang träng vµ nã tuú thuéc vµo møc ®é ghÐp kªnh ®Æt ra. VÝ dô, nh trong hÖ thèng OTDM bèn kªnh, tû lÖ “®¸nh ®iÓm - kho¶ng trèng” tèi thiÓu ph¶i ®¹t 1/3 ®èi víi tèc ®é truyÒn dÉn trung b×nh, ®iÒu nµy ngô ý rµng tû ®é “®¸nh ®iÓm - kho¶ng trèng” lín h¬n 1/12 ®èi víi nguån ph¸t xung quang. §èi víi kho¶ng truyÒn dÉn rÊt xa th× tû sè nµy ph¶i ®¹t cao h¬n. C¸c nguån ph¸t xung phï hîp cho c¸c hÖ thèng OTDM hiÖn ®ang ®îc sö dông réng r·i trong c¸c thùc nghiÖm lµ: C¸c laser hèc céng hëng ngoµi gâ mode 4x5 Gbit/s C¸c laser DFB chuyÓn m¹ch khuÕch ®¹i 8x6,25 Gbit/s C¸c laser vßng sîi kho¸ mode 4x10Gbit/s vµ 16x6,25Gbit/s 4.3.3. Gi¶i ghÐp vµ xen rÏ kªnh Khi xem xÐt c¸c hÖ thèng OTDM vµ c¸c hÖ thèng th«ng tin quang vã ghÐp kªnh TDM, ngêi ta thÊy cã sù kh¸c nhau chñ yÕu ë ®©y lµ viÖc ghÐp vµ gi¶i ghÐp trong vïng thêi gian quang, mµ nã ®îc thÓ hiÖn nh lµ mét chøc n¨ng tÝch cùc. Thùc hiÖn viÖc gi¶i ghÐp trong hÖ thèng OTDM ®iÓm nèi ®iÓm ë phÝa thu chÝnh lµ viÖc t¸ch hoµn toµn c¸c kªnh quang. Tuy nhiªn khi xem xÐt trªn côc diÖn m¹ng OTDM th× l¹i ph¶i xem xÐt c¶ kh¶ n¨ng xen vµ rÏ kªnh tõ luång truyÒn dÉn. §èi víi bé gi¶i ghÐp kªnh, cÇn ph¶i xem xÐt c¸c tham sè c¬ b¶n vÒ t¸ch kªnh, kÓ c¶ tû sè ph©n biÖt quang, suy hao xen vµ mÆt c¾t cöa sæ chuyÓn m¹ch cã thÓ ®¹t ®îc. §èi víi c¸c nót xen vµ rÏ kªnh th× ph¶i ®¸nh gi¸ c¶ hiÖu suÊt chuyÓn m¹ch, ®o ®¹c phÇn c«ng suÊt ®îc lÊy ra tõ kªnh t¬ng øng. ë ®©y tû sè ph©n biÖt râ rµng lµ cã ¶nh hëng tíi møc ®é xuyªn kªnh. (tû sè ph©n biÖt EX = 10log10(A/B), víi A lµ møc c«ng suÊt quang trung b×nh ë møc logic 1 vµ B lµ møc c«ng suÊt quang trung b×nh ë møc O [41]. Ngoµi ra, xuyªn kªnh còng sÏ bÞ t¨ng do cã sù phñ chêm gi÷a c¸c kªnh l©n cËn víi nhau t¹o thµnh cöa sæ chuyÓn m¹ch. KÕt qu¶ lµ ®é réng cña cöa sæ chuyÓn m¹ch sÏ cã ¶nh hëng trùc tiÕp ®Õn tèc ®é ®êng truyÒn. Nh vËy ph¶i ®Æt ra c¸c yªu cÇu vÒ ®é réng xung tÝn hiÖu sau khi truyÒn dÉn ®Ó gi¶m nhá xuyªn kªnh. Cã nhiÒu s¬ ®å gi¶i ghÐp, nhng chung quy l¹i th× cã hai lo¹i chÝnh lµ lo¹i ®iÒu khiÓn ®iÖn vµ ®iÒu khiÓn quang. B¶ng 5-1 lµ tãm t¾t c¸c ph¬ng ph¸p gi¶i ghÐp. Thêi gian ®Çu, c¸c thùc nghiÖm c¬ b¶n tËp trung vµo híng sö dông c¸c bé ®iÒu chÕ Mach-Zehnder Lithium niobate, nã cho phÐp khai th¸c chøc n¨ng ®¸p øng h×nh sin ®Ó gi¶i ghÐp bèn lÇn tèc ®é tÝn hiÖu c¬ b¶n. Trong c¸c thùc nghiÖm gÇn ®©y, ngêi ta l¹i chó träng ®Õn viÖc øng dông c¸c c«ng nghÖ sö lý quang hoµn toµn cho gi¶i ghÐp. Trong qu¸ tr×nh tiÕp cËn víi c¸c c«ng nghÖ quang tiªn tiÕn nµy, ngêi ta thÊy cã nh÷ng ®Æc tÝnh sau: Cho phÐp tho¶ m·n vÒ c¸c møc ®é gi¶i ghÐp kªnh. LÊy ®îc kªnh, truy nhËp tíi c¸c kªnh ®ang truyÒn ®Ó thùc hiÖn viÖc xen vµ rÏ kªnh. C¸c cöa sæ chuyÓn m¹ch ®a ra ®îc c¸c u ®iÓm ®Æc biÖt cho c¸c hÖ thèng OTDM. §iÒu nµy cho phÐp sö dông c¸c xung tÝn hiÖu réng h¬n tríc khi c¸c kªnh kÒ nhau g©y ra xuyªn kªnh. H×nh 5.22 lµ s¬ ®å nguyªn lý cña DEMUX Kerr quang [36]. Tríc hÕt ta hiÓu hiÖu øng c¬ quang lµ hiÖu øng mµ trong ®ã ®Æc tÝnh ph©n cùc cña sîi quang phô thuéc vµo sù ®ång nhÊt theo h×nh trô cña chØ sè chiÕt suÊt. ¶nh hëng cña hiÖn tîng phi tuyÕn lªn sù ®ång nhÊt nµy vµ c¸c hiÖu øng truyÒn dÉn x¶y ra sau ®ã thêng ®îc gäi chung lµ hiÖu øng Kerr. Trong s¬ ®å h×nh 5.22 nµy thµnh phÇn ph©n cùc cña c¸c tÝn hiÖu ¸nh s¸ng ®îc chuyÓn m¹ch 90 ®é nhê c¸c tÝn hiÖu ®iªï khiÓn quang. Híng ph©n cùc ®îc quay ®i mét gãc 900 khi cã lÖch pha gi÷a c¸c thµnh phÇn x vµ y cña tÝn hiÖu bÞ thay ®æi tõ 00 ®Õn 1800. Sù lÖch pha c¸c tÝn hiÖu sau khi truyÒn qua m«i trêng thiÕt bÞ Kerr cã ®é dµi trung b×nh sÏ ®îc ghÐp nhê sù kh¸c nhau vÒ chØ sè chiÕt suÊt cña nã gi÷a cã trôc x vµ y. Do sö dông hiÖu øng Kerr mµ cêng ®é quang liªn tôc ®· t¹o ra sù thay ®æi chØ sè chiÕt suÊt, chØ cã thµnh phÇn ph©n cùc tÝn hiÖu ®îc c¸c tÝn hiÖu ®iÓu khiÓn cã cêng ®é lín ch«ng lªn lµ cã thÓ bÞ chuyÓn m¹ch ®i 900. C¸c ¸nh s¸ng ph©n cùc trùc giao sÏ ®îc t¸ch b»ng bé chia ph©n cùc, lóc nµy chïm xung tÝn hiÖu ®· ®îc ghÐp sÏ ®îc gi¶i ghÐp thµnh c¸c tÝn hiÖu cã tèc ®é thÊp h¬n øng víi chïm xung ®iÒu khiÓn. B¶ng 5.1. Tãm t¾t c¸c ph¬ng ph¸p gi¶i ghÐp kªnh OTDM. Lo¹i chuyÓn m¹ch T×n hiÖu ®iÓu khiÓn C¸c ®Æc tÝnh vµ cöa sæ chuyÓn m¹ch nhá nhÊt Lo¹i chuyÓn m¹ch TÝn hiÖu ®iÓu khiÓn C¸c ®Æc tÝnh vµ cöa sæ chuyÓn m¹ch nhá nhÊt Bé ®iÒu chÕ Niobate ghÐp t¨ng Sãng ®iÖn h×nh sin 40>10Gbits cöa sæ 19ps Trßn sãng: sîi Xung quang 100>6,25Gbit/s Bé ®iÒu khiÓn b¨ng réng Sãng ®iÖn 2 tÇn sè Sãng ®iÖn 2 tÇn sè G¬ng vßng: sîi Xung quang 40>20Gbit/s 100>6,25 Gbit/s cöa sæ 6ps RÏ vµ xen kªnh 40Gbit/s x 10Gbit/s Bé ®iÒu biÕn ®iÖn-hÊp thô Sèng ®iÖn h×nh sin Sãng ®iÖn h×nh sin Trßn sãng: b¸n dÉn Xung quang 20>5Gbit/s Quang Kerr: sîi Xung quang Xung quang Quang Kerr: b¸n dÉn Xung quang 20>10Gbit/s G¬ng vßng b¸n dÉn Xung quang 40>10Gbit/s 250>1Gbit/s cöa sæ 4ps H×nh 4.22. Nguyªn lý cña bé gi¶i ghÐp thêi gian (DEMUX) sö dông chuyÓn m¹ch ph©n cùc quang §Ó t¹o ra bé gi¶i ghÐp quang sö dông thiÕt bÞ Kerr quang, c¸c thiÕt kÕ ph¶i cã c¶i tiÕn phï hîp, tr¹ng th¸i ph©n cùc ph¶i æn ®Þnh. Ngoµi ra c¸c kü thuËt míi vÒ c«ng nghÖ laser nh ph¸t c¸c xung cùc nhanh, ph¸t c¸c xung ®iÒu khiÓn ®ång bé vµ khuÕch ®¹i ph¶i ®îc quan t©m rÊt nhiÒu. H×nh 5.23. minh ho¹ mét ph¬ng ph¸p thùc hiÖn mét nót m¹ng cã xen vµ rÏ kªnh sö dông g¬ng vßng phi tuyÕn [33]. TÝn hiÖu ®Õn ®îc bé chia 3dB chia ra gi÷a c¸c nh¸nh cña g¬ng vßng. Sau khi lan truyÒn vßng quanh vµi kilomet sîi trong vßng, hai chuçi xung rÏ giao thoa, t¸i hîp vµ ®îc ph¶n x¹ tõ g¬ng vßng díi c¸c ®iÒu kiÖn tong thÝch. Chu tr×nh ho¹t ®éng nµy c¬ b¶n lµ thô ®éng vµ tuyÕn tÝnh. Tuy nhiªn nÕu cã chuçi c¸c xung clock c«ng suÊt cao h¬n ®îc ®a vµo vßng mµ trung hîp víi tÝn hiÖu sè nhng chØ lan truyÒn theo mét híng, th× c¸c xung clock sÏ biÕn ®æi chØ sè chiÕt suÊt cña lâi sîi th«ng qua hiÖu øng Kerr. ViÖc ®iÒu chÕ ngang pha võa ®ñ ®· cho cã thÓ cã ë trªn c¸c xung tÝn hiÖu ®Ó t¹o ra c¸c xung trïng hîp ®îc chuyÓn m¹ch sang phÝa ®èi diÖn cña g¬ng vßng. KÕt qu¶ lµ, tÝn hiÖu cÇn thiÕt lÊy ra ë nót ®îc thiÕt bÞ ph¶n x¹, trong khi ®ã c¸c kªnh cßn l¹i sÏ ®i qua vµ t¸i hîp t¹i chç víi tÝn hiÖu ®îc ph¸t cho híng truyÒn dÉn phÝa tríc. Cöa sæ chuyÓn m¹ch cña thiÕt bÞ ®îc x¸c ®Þnh kh«ng chØ b»ng d¹ng cña c¸c xung ®iÒu khiÓn, mµ cßn b»ng c¸c vËn tèc t¬ng ®æi cña c¸c tÝn hiÖu. Do cã sù s¾p xÕp c¸c bíc sãng xung tÝn hiÖu vµ xung ®iÒu khiÓn mét c¸ch ®èi xøng ë c¶ hai phÝa cña t¸n s¾c sîi b»ng kh«ng, mµ cöa sæ chuyÓn m¹ch tèi thiÓu sÏ thu ®îc tõ c¸c xung tÝn hiÖu vµ ®iÒu khiÓn lµ t¬ng hîp vÒ vËn tèc. Khi thay ®æi vËn tèc t¬ng ®èi sÏ ®¹t ®îc c¸c cöa sæ chuyÓn m¹ch ph¼ng ®Ønh. ThiÕt bÞ sÏ chuyÓn m¹ch c¸c xung tÝn hiÖu miÔn lµ chóng cïng lan truyÒn víi c¸c xung ®iÒu khiÓn qua phÇn g¬ng vßng. H×nh 5.23. S¬ ®å ®ång bé lùa chän kªnh b»ng g¬ng vßng phi tuyÕn ®Ó rÏ vµ xen kªnh víi c¸c bé coupler 3dB C¸c g¬ng vßng phi tuyÕn (NOLM - Nonlinear L«p Mirror) còng cã thÓ ®îc cÊu tróc tõ thiÕt bÞ laser b¸n dÉn thay cho sîi trong mét sè trêng hîp. Nhîc ®iÓm chñ yÕu cña NOLM lµ ®o ®é dµi cña sîi (thêng tíi 10km), mµ cÇn lùa chän cÈn thËn t¸n s¾c b»ng kh«ng vµ bíc sãng tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ®Ó ®¹t ®îc cöa sæ chuyÓn m¹ch hîp lý. NhiÒu bé gi¶i ghÐp kªnh quang ®îc biÕn ®æi thµnh c¸c thiÕt bÞ cã chøc n¨ng xen vµ rÏ kªnh b»ng c¸ch thªm coupler 3dB t¹i ®Çu ra cña chuyÓn m¹ch quang ®îc dïng ®Ó rÏ mét hoÆc vµi kªnh. Tuy nhiªn, ph¶i lu ý tíi viÖc ®ång bé phï hîp gi÷a kªnh ®îc xen vµ c¸c kªnh ®i th¼ng qua nót rÏ ®Ó h¹n chÕ xuyªn kªnh. 5.3.4. §ång bé quang trong hÖ thèng OTDM Kü thuËt t¸ch lÊy tÝn hiÖu clock ®Ó t¹o ra tÝn hiÖu ®Þnh thêi víi tèc ®é cña tÝn hiÖu thu ®îc lµ mét qu¸ tr×nh kh«ng thÓ thiÕu ®îc khi thùc hiÖn sö lý tÝn hiÖu PCM tèc ®é cao. Nh ta ®· biÕt, trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang hiÖn nay ®ang khai th¸c, viÖc trÝch lÊy thêi gian ®îc thùc hiÖn trªn c¸c m¹ch kho¸ ppha PLL ®iÖn (Phase-lockedoop) sau khi c¸c tÝn hiÖu quang thu ®îc ®· ®îc biÕn ®æi vÒ thµnh tÝn hiÖu ®iÖn. C¸c thiÕt bÞ truyÒn dÉn nh c¸c thiÕt bÞ ®Çu cuèi quang, thiÕt bÞ xen rÏ kªnh vµ c¶ c¸c tr¹m lÆp ®Òu cã c¸c m¹ch PLL. ViÖc trÝch lÊy c¸c xung clock ®ßi hái ph¶i thùc hiÖn mét c¸ch chÝnh x¸c. C¸c m¹ch PLL ph¶i ®¶m b¶o lµm viÖc ®îc ë c¸c tèc ®é bit cao, t¹p ©m vÒ pha thÊp, cã ®é nh¹y cao (tÝnh hiÖu chØnh nhanh) vµ ph¶i kh«ng phô thuéc ph©n cùc (®èi víi PLL quang). C¸c m¹ch PLL ®iÖn chØ ®¸p øng ®îc c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn víi tèc ®é bÝt thÊp vµ võa ph¶i, khi tèc ®é truyÒn dÉn cao, nã sÏ bÞ h¹n chÕ bíi b× b¨ng tÇn cña c¸c bé biÕn ®æi quang - ®iÖn (O/E) vµ c¸c m¹ch ®iÖn tö kh«ng ®¸p øng ®îc. §èi víi c¸c hÖ thèng OTDM, tèc ®é lµm viÖc rÊt cao, mÆt kh¸c tÝnh chÊt quang ho¸ cña c¸c hÖ thèng nµy thÓ hiÖn rÊt râ cho nªn cÇn ph¶i sö dông viÖc t¸ch tÝn hiÖu olock dùa trªn c«ng nghÖ quang. C¸c m¹ch PLL quang ®· ®¸p øng ®îc tèc ®é cùc nhanh cña tÝn hiÖu trªn hÖ thèng OTDM còng nh c¸c hÖ thèng th«ng tin quang tèc ®é cao kh¸c. Trong cÊu h×nh cña m¹ch PLL quang, bé khuÕch ®¹i laser LDA cã chøc n¨ng nh mét m¹ch kÕt hîp ngang quang tèc ®é cùc nhanh. Khi cã c¶ tÝn hiÖu quang (xung ¸nh s¸ng mang tÝn hiÖu) vµ c¸c xung tõ clock ®i tíi, bé khuÕhc ®¹i LDA sÏ kÕt hîp hai tÝn hiÖu nµy vµ cho ra tÝn hiÖu kÕt hîp tÇn sè thÊp cã chøa thµnh phÇn Df lµ sù lÖch tÇn cña hai tÝn hiÖu nµy. Sau ®ã tæ hîp tÝn hiÖu nµy ®îc t¸ch sãng vµ läc ®Ó cho ra tin hiÖu Df ®iÖn. M¹ch PLL sÏ tiÕn hµnh ®iÒu chØnh mçi khi cã dÞch pha t¬ng ®æi gi÷a tÝn hiÖu Df t¬ng øng víi tÝn hiÖu dao ®éng néi so s¸nh. DÞch pha nµy ®îc kiÓm tra nhê m¹ch so pha, kÕt qua so pha sÏ ®îc ®a vµo bé dao ®éng ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p VCO ®Ó ph¸t ra tÇn sè f0. M¹ch ph¸t tÝn hiÖu quang sÏ biÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn cã tÇn sè (f0 + Df) thµnh tÝn hiÖu quang t¬ng øng. TÝn hiÖu clock quang sÏ ®îc lÊy ra tõ bé biÕn ®æi ®iÖn quang E/O vµ cÊp vµo thiÕt bÞ gi¶i ghÐp quang trong OTDM. 5.3.5. §Æc tÝnh truyÒn dÉn cña OTDM T¸n s¾c cña sîi quang lµm cho c¸c xung ¸nh s¸ng lan truyÒn trªn sîi bÞ d·n réng ra, trong khi ®ã c¸c hÖ thèng th«ng tin quang OTDM cã tèc ®é rÊt cao, nh vËy ®ßi hái c¸c xung ph¸t ra ph¶i rÊt ng¾n. MÆc dï vÊn ®Ò t¸n s¾c cã thÓ ®îc kh¾c phôc b»ng c¸ch sö dông truyÒn dÉn Soliton trong c¸c ®iÒu kiÖn cho phÐp, nhng vÉn ph¶i ®Æc biÖt quan t©m tíi c¸c biÖn ph¸p t¹o ra c¸c xung cùc hÑp. PhÇn nµy, ta sÏ kh¶o s¸t vÒ ®Æc tÝnh truyÒn dÉn ë c¶ chÕ ®é tuyÕn tÝnh vµ phi tuyÕn. Gi¶i thiÕt r»ng c¸c bé khuÕch ®¹i quang thêng ®îc sö dông ®Ó t¨ng c¸c møc tÝn hiÖu däc theo tuyÕn th«ng tin quang khi cÇn thiÕt. §Æc biÖt ®èi víi c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn Soliton oÎ d©y, viÖc nÐn c¸c xung phi tuyÕn nh»m ®Ó t¹o ra c¸c d¹ng xung. Trong truyÒn dÉn tuyÕn tÝnh tÝn hiÖu RZ trªn sîi cã t¸n s¾c, ®Òn bï cho hÖ thèng theo nghÜa bï trõ t¸n s¾c chØ thiÕt lËp khi c¸c xung tÝn hiÖu bÞ m¾t n¨ng loùng vµo c¸c khe thêi gian l©n cËn. Tuy nhiªn, mét khi ®iÒu nµy x¶y ra th× hÖ thèng bÞ suy gi¶m nhanh. VËy, ®Ó t¨ng cùc ®¹i kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn th× ph¶i ®a c¸c hÖ th«ng OTDM vµo c¸c tuyÕn cã t¸n s¾c tiÕn tíi kh«ng. Gi¶i ph¸p tiÕp cËn ®Çu tiªn lµ nguån ph¸t ph¶i lµm viÖc t¹i bíc sãng rÊt gÇn víi bíc sãng cña t¸n s¾c sîi b»ng kh«ng. §iÒu nµy kh«ng ph¶i dÔ dµng thùc hiÖn nh ®· nãi bái v× víi c¸c ®iÒu kiÖn nµy, møc c«ng suÊt mµ t¹i ®ã nh÷ng sù sót kÐm hÖ thèng phi tuyÕn x¶y ra cã thÓ lµ hoµn toµn thÊp, tøc lµ gi¶m c«ng suÊt tÝn hiÖu ®Ó tr¸nh d·n xung cÇn thiÕt nhng ®iÒu nµy cã thÓ lµm cho ®Æc tÝnh hÖ thèng bÞ giíi h¹n do tû lÖ tÝn hiÖu trªn nhiÔu. Thø hai lµ c¸c kü thuËt ®iÒu tiÕt t¸n s¾c cã thÓ ®îc sö dông ®Ó duy tr× h×nh thøc truyÒn dÉn tuyÕn tÝnh ®Ó tr¸nh c¸c giíi h¹n nh ë trªn hoÆc ®Ó bï ®Çy ®ñ t¸n s¾c tuyÕn tÝnh cña tuyÕn. ViÖc thùc hiÖn c¸c kü thuËt bï t¸n s¾c trong c¸c hÖ thèng OTDM lµ mét bíc kiÓm tra ngÆt nghÌo chÊt lîng cña sù bï b× r»ng ë ®©y sö dông c¸c xung rÊt ng¾n. Lîi thÕ næi bËt lµ viÖc sö dông c¸c bé ph¸t OTDM trong truyÒn dÉn sè phi tuyÕn [33]. C¸c d¹ng xung ng¾n ®Æc biÖt phï hîp víi truyÒn dÉn Soliton ®Ó kh¾c phôc t¸n s¾c cña sîi dÉn quang. Víi hÖ thèng Soliton kho¶ng lÆp cña hÖ thèng OTDM phi tuyÕn cã thÓ ®îc t¨ng lªn rÊt l¬n b»ng cacs thùc hiÖn kü thuËt kiÒu khiÓn Soliton, th«ng qua viÖc sö dông c¸c bé läc dÉn hoÆc ®Þnh thêi tÝch cùc. C¸c bé läc dÉn rÊt tiÖn lîi khi ¸p dông vµo m«i trêng cã hiÖu øng Gordon-Haus g©y ra Jitter, cßn viÖc ®Þnh l¹i thêi gian tÝch cùc sÏ lo¹i bá jitter ®èi víi bÊt kú mét c¬ chÕ ho¹t ®éng nµo. Nhê c¸c c«ng nghÖ nµy mµ ngêi ta cã thÓ thùc hiÖn mét tr¹m lÆp bao gåm khèi kh«i phôc clock ®iÖn ®Ó ®iÒu khiÓn thiÕt bÞ ®iÖn-quang hoÆc quang hoµn toµn ®Ó ®a ra cho tÝn hiÖu quang. 5.3.6. C«ng nghÖ laser cho c¸c hÖ thèng ghÐp kªnh quang tèc ®é cao. Môc ®Ých khai th¸c triÖt ®Ó b¨ng tÇn kªnh quang 30THz cña sîi dÉn quang ®¬n mode th«ng thêng [37] ®· thóc ®Èy c¸c hÖ thèng th«ng tin quang nhanh chãng ®¹t ®îc tèc ®é cùc nahnh nhê c¸c gi¶i ph¸p sö lý tÝn hiÖu quang vµ c«ng nghÖ t¹o ra c¸c thµnh phÇn quang vµ quang ®iÖn. C¸c hÖ thèng sö dông kü thuËt ghÐp kªnh quang nh OTDM vµ OFDM nh ®· xet së trªn dßi hái c¸c nguån ph¸t quang laser ph¶i t¹o ra c¸c xung hÑp ®Ó d¸p øng c¸c hÖ thèng th«ng tin quang cã tèc ®é 10Gbit/s trë lªn. V× vËy phÇn nµy giíi thiÖu mét sè c«ng nghÖ t¹o ra c¸c laser cã kh¶ n¨ng lµm viÖc ë tèc ®é cao vµ ph©n l¹i chóng theo c¸c øng dông tiÕn bé cña kü thuËt th«ng tin quang tiªn tiÕn. 5.3.6.1. Kü thuËt ph¸t xung quang tèc ®é cao Trong c¸c hÖ thèng thong tin quang tèc ®é cao cì vµi Gbit/s trë lªn, nh c¸c hÖ thèng th«ng tin quang OTDM, nguån ph¸t quang ph¶i t¹o ®îc c¸c xung quang rÊt hÑp. C¸c hÖ thèng ghÐp kªnh quang nh OTDM vµ OFDM cÇn ph¶i sö dông tíi c¸c lo¹i laser cã kh¶ n¨ng taä ra c¸c xung pico gi©y bÊt biÕn TL (Transform Limited). V× vËy, kü thuËt c«ng nghÖ ngµy nay ®· tiÕn hµnh c¶i tiÕn c¸c lo¹i laser b»ng nhiÒu ph¬ng ph¸p trong ®ã næi tréi lµ c¸c c¶i tiÕn kü thuËt nh kü thuËt chÆn (kho¸) mode trong laser, kü thuËt chÆn mode ®iÒu hoµ trong laser sîi, kü thuËt thay ®æi hÖ sè khuÕch ®¹i trong laser ph¶n håi p©n tan (DFB-LD) vµ kü thuËt ch¾n sãng CW (Continuous Wave) ë bé ®iÒu biÕn ®iÖn - hÊp thô (EA). Cã thÓ kÓ ®Õn nh sau: a. Kü thuËt chÆn mode trong c¸c laser: §©y lµ mét kü thuËt ®Ó t¹o ra c¸c xung quang cùc ng¾n tèc ®é lÆp l¹i cao. Kü thuËt nµy cho phÐp t¹o ra mét lo¹i laser míi cã kh¶ n¨ng ch¹n mode vµ cho ra c¸c xung quang cùc ng¾n. Nã cã thÓ lµm viÖc ë tèc ®é rÊt cao, ®ã lµ c¸c xung hoµn toµn bÊt biÕn cã ®é réng xung Ýt h¬n 1ps, t¹o ra c¸c dao ®éng lÆp l¹i tõ 40 - 356 GHz. HiÖn nay c¸c hÖ thèng th«ng tin quang cha ®wocj thö nghiÖm ë c¸c tèc ®é nµy. §Ó chÆn ®îc mode t¹i tèc ®é t¬ng øng, ngêi ta dïng mét laser cã hèc céng hëng dµi ghÐp víi mét èng dÉn sãng thô ®éng vµ sÏ t¹o ra ®äc ph¶n x¹ Bragg. KÕt qu¶ cña kü thuËt nµy t¹o ra ®îc hèc céng hëng dµi tíi 5,5mm vµ nã cã thÓ lµm viÖc ë 8GHz víi cù ly thùc nghiÖm truyÒn dÉn Soliton 4000Km. Nhîc ®iÓm cña kü thuËt nµy lµ kh«ng ®iÒu chØnh ®îc tÇn sè lÆp. b) Kü thuËt chÆn mode ®iÒu hoµ trong Laser sîi: §©y lµ kü thuËt ®Çy høa hÑn v× nã cã thÓ t¹o ra xung TL trong vïng kho¶ng 10GHz mµ kh«ng cã mét sù bï chirp nµohay ¸p dông ph¬ng ph¸p nÐn xung nµo (hiÖn t¬ng chirp lµ sù thay ®æi bíc sãng cña bøc x¹ laser sîi er cã ®é dµi kháng 10m vµ chÆn mode t¹i c¸c møc ®iÒu hoµ rÊt cao. Qu¸ tr×nh cÆhn mode g©y ra sù bÊt æn ®Þnh, do ®ã ®Ó æn ®Þnh th× cã mét sè biÖn ph¸p. BiÖn ph¸ thø nhÊt lµ ghÐp xen mét chèt Fabry - Perot cã møc mÞn cao vµo trong buång céng hëng ®Ó lo¹i trõ c¸c mode c«ng hëng laser kh«ng mong muèn. D¶i phæ tù do cña chèt cÇn ph¶i c©n b»ng víi tÇn sè chÆn mode. Ph¬ng ph¸p thø hai lµ rung ®é dµi buång céng hëng víi tèc ®é kHz. §iÒu nµy lµm lôi ®i sù ch¸y c¸c lç hæng vµ dÉn tíi t¹o ra mét mode riªng biÖt. Ph¬ng ph¸p thø ba lµ ph¬ng ph¸p sö dông buång céng hëng ®¬n ph©n cùc ®Ó t¹o ra c¸c mode ®èi cùc, c¸c mode nµy ®îc ph¸t sinh khi cã sù bÊt æn ®Þnh ph©n cùc. H×nh 4.30 m« t¶ mét laser sîi chÆn mode cã kh¶ n¨ng thay ®æi bíc sãng dùa theo nguyªn lý trªn. Toµn bé sîi (kÓ c¶ sîi Er ®Òu lµ c¸c sîi duy tr× ph©n cùc ®îc gäi lµ PANDA) cïng víi mét bé ph©n cùc cã sîi, bé läc 3nm cã hiÓu chØnh ®îc ghÐp vµo ®Ó ®¶m b¶o cã dao ®éng ph©n cùc ®¬n vµ cã kh¶ n¨ng hiÓu chØnh ®îc ghÐp vµo ®Ó ®¶m b¶o cã dao ®éng ph©n côc ®¬n vµ cã kh¶ n¨ng hiÖu chØnh bíc sãng. T©t sc¶ c¸c thnµh phÇn t¹o thµnh buång céng hëng cã æn ®Þnh nhiÖt trong mét lång tÜnh häc +0.3 ®é vµ phï hîp víi tÇn sè nhá h¬n 3 kHz kh«ng ®iÒu hëng víi tÇn sè chÆn mode. Theo cÊu h×nh nµy t¹o ra c¸c xung TL tõ 3.0 ®Õn 3,5ps æn ®Þnh vµ tÝch thêi gian b¨ng tÇn lµ 0,32 t¹i tÇn sè 20 Ghz mµ kh«ng cã mét lçi bÝt nµo x¶y ra. Ph¬ng ph¸p nµy cho phÐp thya ®æi bíc sãng 7nm. c. Kü thuËt thay ®æi khuÕch ®¹i trong c¸c laser DFB: Kü thuËt nµy cã thÓ t¹o ra ®îc c¸c xung quang hÑp, qua thùc nghiÖm ngêi ta ®· t¹o ra ®îc hÇu hÕt c¸c xung cã ®é réng 5¸7ps, coi nh gÇn ®¹t ®îc tíi c¸c xung bÊt biÕn TL. Ph¬ng ph¸p nµy ¸p dông mét kü thuËt bï chirp. Nã cho phÐp ®iÒu chØnh mét c¸ch dÔ dµng tÇn sè trong kháng 1¸10GHz. Sù thay ®æi khuÕch ®¹i sÏ t¹o ®iÒu kiÖn cho viÖc triÓn khai c¸c hÖ thèng th«ng tin quang tiÕn tiÐen ngh ghÐp kªnh quang, trÝch lÊy thêi gian quang v.v.. Trong kü thuËt nµy, c¸c xung “chirp” cã hÖ sè khuÕch ®¹i thay ®æi ®îc nÐn nhê c¸c sîi t¸n s¾c dÞch chuyÓn, “chirping” cßn d kh«ng mong muèn ë c¶ hai sên xung ®îc bé läc phæ g¹t bá. Nhê kü thuËt nµy, ngêi ta truyÒn thµnh céng c¸c xung Soliton 80 Gbit/s trªn cù ly 80Km. §Ó lµm gi¶m n÷a ®é réng cña xung, ngêi ta cßn ¸p dông kü thuËt nÐn xung phi tuyÕn gièng nh nÐn Soliton ®Ó thay ®æi hÖ sè khuÕch ®¹i. d. Kü thuËt ch¾n sãng b»ng bé ®iÒu chÕ ®iÖn - hÊp thô EA: Kü thuËt nµy cã liªn quan tíi ongs liªn tôc CW cã ë c¸c bé ®iÒu chÕ ®ienÑ - hÊp thô d¹ng h×nh sin, nã dùa trªn c¬ së ph¸t kh«ng tuyÕn tÝnh cña bé ®iÒu chÕ InGaAsP-EA ®èi víi ®iÖn ¸p cung cÊp. C¸c xung 20ps gÇn tíi møc TL ë tèc ®é 10Gbit/s ®· thu ®îc trªn cù ly 6000Km sîi. Tuy nhiªn, kü thuËt khã ¸p dông cho c¸c hÖ thãng tèc ®é trªn 40 Gbit/s. Trong ph¬ng ph¸p nµy sö dông kü thuËt nÐn xung nhê sîi quang cã t¸n s¾c gi¶m. 5.3.6.2. Ph©n lo¹i theo øng dông Nhê cã c«ng nghÖ tiªn tiÕn ë trªn, mét lo¹i c¸c lo¹i laser míi sÏ ®îc sö dông trong c¸c tuyÕn th«ng tin quang tèc ®é cao, cã thÓ chØ ra nh sau: - §èi víi m¹ng LAN quang vµ c¸c tuyÕn sö dông kü thuËt ghÐp bíc sãng quang cÇn thiÕt cã c¸c lo¹i laser cã kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh bíc sãng. C¸c laser nµy cho phÐp t¹o ra c¸c bé ph¸t quang cã hiÖu chØnh cã thÓ ph¸t ra ®îc c¸c sãng quang ë bíc sãng kh¸c nhau. ChÝnh c¸c bé ph¸t quang nhiÒu bíc sãng nµy ®· gãp phÇn vµo c¸c hÖ thèng ghÐp bíc sãng quang WDM nhê t¹o ®îc ra c¸c bíc sãng t¸ch biÖt nhau c¸c kho¶ng c¸ch x¸c ®Þnh trong hä cña chóng. Chóng cã thÓ t¹o ra c¸c bíc sãng c¸ch nhau Ýt h¬n 8nm. Lo¹i LD nµy gäi lµ LD ph¶n x¹ Bragg ph©n t¸n hai cùc, chóng t¹o ra ®îc 24 tÇn sè riªng rÏ vµ tËp trung ë vïng bíc sãng 1550nm. - §èi víi c¸c tuyÕn th«ng tin quang tèc ®é rÊt cao kh¸c, ®Æc biÖt lµ c¸c tuyÕn th«ng tin quang OTDM, cÇn cã c¸c laser t¹o ra c¸c xung cã ®é dµi Ýt h¬n ®é dµi cña khe thêi gian tÝn hiÖu cho phÐp. §Ó ®¸p øng yªu cÇu nµy, bèn lo¹i laser sau ®©y ®îc dïng: Laser sîi vßng chÆn mode MLFRL (Modelocked Fiber Ring Laser), cã thÓ cho ra c¸c xung Soliton TL (tÝch sè ¶v¶t=0,32), xung ph¸t ra nhá h¬n 10ps, cã tÇn sè lÆp 40GHz, gi¸ thµnh rÊt ®¾t. Laser b¸n dÉn chÆn mode SMLL (Semiconductor Modelocked Laser): lµ lo¹i laser cã thÓ ho¹t ®éng t¹i tÇn sè céng hëng c¬ b¶n vµ ®¹t ®îc Ýt nhÊt lµ 20GHz. C¸c xung quang kh«ng ®îc thuÇn phæ (phæ ®¬n s¾c) nh lµ lo¹i MLFRL (v× ¶v¶t=0,4 ®Õn 0,5). Lo¹i nµy còng khã t¹o ra ®îc c¸c xung díi 10ps. Chóng ®îc cÊu t¹o díi d¹ng ghÐp vµ sö dông c¸c c¸ch tö ph¶n håi bªn ngoµi. Bé ®iÒu chÕ DFB/®iÖn - hÊp thô EA cã cÊu t¹o theo nguyªn lý sö dông LD ch¾n sãng CW. Lo¹i nµy thÝch hîp víi sù ph¸t triÓn sau nµy cña c¸c hÖ htãng ghÐp kªnh quang OTDM, chóng cã thÓ dïng cho hÖ thèng OTDM ë tèc ®é ghÐp kªnh quang OTDM, chóng cã thÓ dïng cho hÖ thèng OTDM ë tèc ®é 20Gb/s víi cù ly 11000Km. Lo¹i nµy còng phï hîp víi c¸c luång tÝn hiÖu sè m· NRZ hoÆc RZ. Laser b¸n dÉn chuyÓn m¹ch khuÕch ®¹i GSLD (Gain Switched Semiconductor Laser Diode). CÊu tróc cña lo¹i nµy ®¬n gi¶n v× ®îc t¹o tõ lo¹i DFB, dßng ngìng dín h¬n c¸c lo¹i trªn, phæ réng (víi ¶v¶ >1), phï hîp víi hÖ thèng OTDM ë tèc ®é 20Gbit/s cù ly kh«ng vît qu¸ 2000Km. Môc lôc Trang Lêi nãi ®Çu Ch¬ng I. HÖ thèng th«ng tin sîi quang 1 I. HÖ thèng th«ng tin sîi quang 1 1. CÊu tróc hÖ thèng th«ng tin quang 1 2. TiÕn tr×nh ph¸t triÓn cña hÖ thèng th«ng tin quang 2 II. TruyÒn dÉn c¬ b¶n 3 III. §Æc ®iÓm cña th«ng tin quang 4 Ch¬ng II. Lý thuyÕt chung vÒ sîi quang 6 I. Sù truyÒn dÉn ¸nh s¸ng trong sîi quang 6 1. Nguyªn lý truyÒn dÉn ¸nh s¸ng trong sîi quang 6 2. KhÈu ®é sè 7 3. C¸c d¹ng ph©n bè chiÕt suÊt trong sîi quang lo¹i ®a mode vµ ®¬n mode 8 II. C¸c ®Æc tÝnh cña sîi quang 10 1. Suy hao cña sîi quang 10 2. T¸n s¾c trong sîi quang 13 III. CÊu tróc c¸p sîi quang 18 1. CÊu tróc sîi quang 19 2. Ph©n lo¹i c¸p sîi quang 21 3. Hµn nèi c¸p sîi quang 22 Ch¬ng III. Linh kiÖn biÕn ®æi ®iÖn quang-quang ®iÖn 25 I. Nguyªn lý biÕn ®æi 25 1. Kh¸i niÖm vÒ b¸n dÉn 25 2. Nguyªn lý biÕn ®æi 26 II. Linh kiÖn ph¸t quang 26 1. Nguyªn lý chung 26 2. C¸c yªu cÇu kü thuËt cña nguån ph¸t quang 27 3. Diode ph¸t quang LED 28 4. Laser diode 31 5. M¹ch ph¸t quang dïng laser 33 III. Linh kiÖn thu quang (t¸ch sãng quang) 34 1. Pin diode 36 2. Diode th¸c quang APD 37 3. §Æc tÝnh kü thuËt cña PIN vµ APD 39 Ch¬ng IV. Kü thuËt khuÕch ®¹i quang 44 1. C¸c lo¹i khuÕch ®¹i quang 44 2. KhuÕch ®¹i laser b¸n dÉn 45 3. KhuÕch ®¹i quang sîi 51 Ch¬ng V. Kü thuËt ghÐp kªnh quang 61 1. Kü thuËt ghÐp bíc sãng quang 61 2. Kü thuËt kªnh quang theo tÇn sè OFDM 74 3. GhÐp kªnh quang theo thêi gian OTDM 77 ._.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

25121.doc