Nghiên cứu bộ khuếch đại quang sợi edfa sử dụng trong hệ thống thông tin quang coherent

  • 50 trang
  • file .docx
LỜI CẢM ƠN
Qua hơn 4 năm em được học tập và rèn luyện với chuyên ngành Điện Tử
Viễn Thông. Em xin cảm ơn tất cả các Thầy Cô giảng viên từ những môn học cơ
bản cho tới chuyên ngành. Qua suốt thời gian học tập tại Trường Đại Học Hàng
Hải, em luôn nhận được sự giảng dạy và hướng dẫn tận tình của tất các Thầy Cô
và nhà trường.
Hơn thế nữa, với Đồ Án Tốt Nghiệp cuối khoá, em xin gửi lời cảm ơn chân
thành nhất tới tất cả các Giảng Viên bộ môn. Và em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc
nhất tới Cô Nguyễn Thanh Vân - người trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều
kiện thuận lợi nhất để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Cô đã giúp em định
hướng và có sự chỉ dẫn hết sức tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu!
Sinh viên
Nguyễn Thị Hải Thịnh
i
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan toàn bộ nội dung đề tài “ Nghiên cứu bộ khuếch đại quang
sợi EDFA sử dụng trong hệ thống thông tin quang Coherent” được thực hiện và
hoàn thành bởi chính cá nhân em và dưới sựu hướng dẫn của Ths Nguyễn Thanh
Vân. Tất cả những vấn đề liên quan đến đề tài này là trung thực và chưa từng
được phổ biến dưới bất kì hình thức nào. Ngoài ra, việc sử dụng những bảng
biếu với những số liệu trong việc phân tích, đánh giá và nhận xét cũng được tìm
hiểu kĩ càng từ nhiều nguồn thông tin đáng tin cậy và được nêu rõ tại phần tài
liệu tham khảo.
Bên cạnh đó, với đề tài này em có sử dụng một số khái niệm và dữ liệu của
một số các tác giả, các nhà nghiên cứu khác và luôn kèm theo trích dẫn và chú
thích rõ ràng.
Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về toàn bộ nội dung đề tài nghiên cứu này
nếu Thầy Cô phát hiện có bất kì sự gian dối nào.
ii
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU…………………………………………………………………...1
CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG………….2
1.1 Lịch sử phát triển…………………………………………………………2
1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang……………………………………..3
1.3 Hệ thống thông tin quang Coherent……………………………………6
1.4 Các ưu điểm của thông tin quang………………………………………9
1.5 Các phần tử quang cơ bản trong hệ thống thông tin quang…………11
1.5.1 Sợi quang............................................................................................11
1.5.2 Cáp quang..........................................................................................11
1.5.3 Các phần tử quang - điện...................................................................12
CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ KHUẾCH ĐẠI QUANG………………………..15
2.1 Giới thiệu khuếch đại quang……………………………………………15
2.2 Nguyên lí biển đổi quang điện trong thông tin quang…………………16
2.2.1 Quá trình hấp thụ...............................................................................16
2.2.2 Hiện tượng tự phát xạ (phát xạ tự phát)............................................17
2.2.3 Hiện tượng phát xạ nhờ kích thích....................................................17
2.3 Các bộ khuếch đại quang……………………………………………..18
2.3.1 Cấu tạo chung....................................................................................18
2.3.2 Khuếch đại quang bán dẫn SOA.......................................................19
2.3.3 Chức năng chính của một SOA:........................................................20
2.3.4 SOA gồm hai loại chính:...................................................................20
iii
2.3.5 Khuếch đại quang sợi OFA( Opitical Fiber Amplifier)...................20
CHƯƠNG III: BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA……………………...22
3.1 Khái niệm………………………………………………………………22
3.2 Các loại khuếch đại quang……………………………………………..22
3.3 Khuếch đại quang sợi EDFA…………………………………………...23
3.3.1 Khái niệm..........................................................................................23
3.3.2 Cấu trúc của EDFA...........................................................................23
3.3.3 Hoạt động của EDFA........................................................................27
3.3.4 Yêu cầu về công suất bơm.................................................................30
3.3.5 Yêu cầu về hướng bơm....................................................................30
3.3.6 Phổ khuếch đại trong EDFA............................................................30
3.3.7 Ảnh hưởng của can nhiễu trong EDFA.............................................31
3.3.8 Những đặc điểm của EDFA...............................................................35
3.4 Khả năng ứng dụng của EDFA………………………………………..36
3.4.1 Đối với cấu hình EDFA cải tiến.........................................................36
3.4.2 Với các cấu trúc EDFA cải tiến đặc tính khác...................................37
3.4.3 Ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin quang.....................37
3.4.4 Ứng dụng của EDFA trong các hệ thống tuyến tính số.....................38
3.4.5 Sử dụng cho những hệ thống Soliton.................................................38
3.4.6 Những ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin tương tự.......39
3.4.7 Ứng dụng EDFA trong mạng nội hạt-mạng LAN.............................39
KẾT LUẬN…………………………………………………………………….40
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………...41
iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
SLA Semiconductor Laser Amplifier: bộ khuếch đại quang không phản
hồi
LED Light Emitting Diode : điốt phát quang
IM/DD Intensity Modulation with Direct Detection: hệ thống truyền dẫn
thông tin quang điều chế cường độ, tách sóng trực tiếp.
PCM Pulse Code Modulation: điều chế xung mã
CMI Coded Mark Inversion : Mã đảo Ngược
LD laser diode: đi-ốt quang
APD Avalanche photodiode : Diode quang thác
O/E Optical/Electric :bộ biến đổi quang sang điện
E/O Electric/Optical :bộ biến đổi điện sang quang
FDM Frequency Division Multiplexing : ghép kênh theo tần số.
FSK Frequency shift keying : Khoá dịch tần số
PSK Phase shift keying : khoá dịch pha
S/N Signal/Noise : tỉ số tín hiệu trên nhiễu
BW Band Wide : độ rộng băng tần
SDH Synchronous Digital Hierarchy: Đồng bộ kỹ thuật số phân cấp
WDM Wavelength Division Multiplexing : Bộ ghép sóng quang
OFA Optical Fiber Amplifier :bộ khuếch đại quang
SOA Semiconductor Amplifier Optical Khuếch đại quang bán dẫn
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier : khuếch đại quang pha tạp Eribium
EDF Erbium-Doped Fiber: sợi pha tạp Eribium
v
BA Buffer Amplifier : bộ khuếch đại đệm
LA Low Ampifier: khuếch đại nhỏ
CATV Cable Television: truyền hình cáp
LAN Local area network : mạng nội bộ
vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng Tên bảng Trang
Bảng 1.1 So sánh giữa điot PIN và APD 6
Bảng 3.1 Các loại khuếch đại quang tiêu biểu 22
Bảng 3.2 Ưu nhược điểm của 2 bước sóng bơm 32
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình Tên hình Trang
Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang 4
Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống quang Coherent 8
Hình 2.1 Cấu trúc của một trạm lặp quang điện 15
Hình 2.2 Mô phỏng quá trình hấp thụ 16
Hình 2.3 Mô phỏng hiện tượng tự phát 17
Hình 2.4 Mô phỏng hiện tượng phát xạ nhờ kích thích 18
Hình 2.5 Cấu trúc chung cho bộ khuếch đại quang 18
Hình 2.6 Cấu trúc của một SOA 19
Hình 3.1 Mô hình một bộ khuếch đại quang sợi 23
Hình 3.2 Cấu trúc hệ thống của một EDFA 24
Hình 3.3 Cấu trúc của Laser bơm 25
Hình 3.4 Cấu trúc sợi quang 26
Hình 3.5 Phân mức năng lượng trong EDFA 27
Hình 3.6 Nhiễu phách tự phát-tự phát 33
Hình 3.7 Nhiễu tín hiệu- tự phát 33
Hình 3.8 Qúa trình tạo nhiễu giao thoa nhiều luồng 34
viii
LỜI NÓI ĐẦU
Thời gian trước, khi thông tin quang còn chưa được đầu tư nghiên cứu và
phát triển thì vấn đề truyền dẫn thông tin trên một cự li xa gặp rất nhiều khó
khăn. Khi đó, người ta phải sử dụng tới các trạm lặp nhằm bù lại lượng công
suất suy hao đường truyền. Cùng với đó là việc khuếch đại công suất tín hiệu đủ
lớn để truyền tới trạm lặp tiếp theo cho tới điểm đến.
Ngày nay, thông tin quang đã trở thành tuyến truyền dẫn hàng đầu được sử
dụng trong hầu hết các ngành viễn thông. Để đáp ứng nhu cầu đó, người ta sử
dụng công nghệ khuếch đại quang trực tiếp. điều này đồng nghĩa với việc sẽ làm
tăng khoảng cách truyền thông tin lên rất xa. Các bộ khuếch đại quang là các
thiết bị bù suy hao có hiệu quả nhất cho sợi quang. Chúng được chia thành nhiều
loại khác nhau và có thể thực hiện khuếch đại trực tiếp mà không qua sự biến
đổi quang- điện và điện- quang nào như: khuếch đại laser bán dẫn SLA
( Semiconductor Laser Amplifier: bộ khuếch đại quang không phàn hồi),
khuếch đại sợi pha tạp Eribium, khuếch đại Raman sợi và khuếch đại Brillouin
sợi… Các hệ thống thông tin quang có ưu điểm vượt trội so với thông tin cáp
kim loại như suy hao truyền dẫn thấp, dung lượng truyền cao, ít bị ảnh hưởng
của nhiễu điện từ và hoạt động tin cậy hơn.
Hệ thống thông tin quang Coherent đánh dấu một bước ngoặt lớn với
phương thức hoạt động và khai thác đã từng được coi rất có hiệu quả trong kỹ
thuật thông tin quang vào đầu những năm 80 của thế kỷ XX.
1
CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.1 Lịch sử phát triển
Khi các linh kiện bán dẫn trở nên phổ biến và những năm 50 của thế kỉ
XX thì các phô-tô-đi-ốt được thiết kế rất tinh vi và nhạy bén cũng dần được chế
tạo nhằm phục vụ cho các bộ thu quang.
Vào những năm 60 của thế kỉ đó, sự bùng nổ của kĩ thuật Laser cho việc tạo các
nguồn quang với công suất lớn với thành phần phổ đơn sắc. Hơn thế nữa, hệ
thống quang còn đón nhận một tin vui nữa từ việc chế tạo “đi-ốt laser bán dẫn
làm quang điều chế dải rộng”. Tiếp sau đó là việc nghiên cứu ra LED- máy phát
quang rất phù hợp để ứng dụng trong thông tin quang với chi phí thấp.
Người ta cho ánh sáng đi qua những sợi thuỷ tinh. Mặc dù đã nghiên cứu ra cách
truyền ánh sáng đi xa, nhưng đến đầu thập niên 70 mới cho ra lo được loại sợi
quang với mức suy hao 20dB/km. khoảng 6 năm sau, các linh kiện thiết yếu
khác như bộ phân nhánh hay các mạch hồi tiếp cũng được ra lò ở nhiều khu vực
khác nhau trên thế giới như Anh hay Mỹ. Và việc ứng dụng truyền tin tức bằng
ánh sáng chính thức được phát triển từ đây.
Một bước ngoặt lớn cho hệ thống thông tin quang, đặc biệt quang trọng
đối với việc truyền tin bằng cáp quang vào những năm 1979 đó là : sản xuất
được loại sợi quang với mức suy hao thấp nhất 0,25dB/km.
Với đường truyền cáp quang vượt biển cũng được đề xuất và gây sự chú ý
trên toàn thế giới.
+ Cuối năm 1998, đường truyền cáp quang vượt biển đầu tiên có tên TAT-8
được thi công. Sau 4 tháng, một tuyến cáp Số 3 và Số 4 lần lượt được chính thức
xây dựng trên tuyến biển Thái Bình Dương. Hai nước Mỹ và Anh xây dựng và
đi vào hoạt động trao đổi thông tin qua tuyến cáp PTA-1.
+ Tuyến này hoạt động với 2 đôi cáp có λ= 1300nm, có thể mang trên mình
2
kênh thoại 64kb/s trên mỗi đôi cáp. Chiều dài cáp ~6700km gồm có 125 trạm
lặp. Ước tính chi phí cho tuyền lên tới 360 triệu đô la mỹ với thời gian sử dụng
25 năm.
Năm 1961 tuyến cáp quang mang số hiệu TAT-9 vượt biển Đại Tây
Dương đi vào hoạt động. Phục vụ trao đổi thông tin giữa các khu vực Anh,
Pháp, Mỹ, Tây Ban Nha và Canada. Đây là một tuyến cáp đôi có thể chứa lượng
thông tin lên đến 2x560Mb/s với λ=1500nm.
Việc trao đổi thông tin giữa Mỹ và Nhật được nâng cao khi giữa 2 nước
này thiết lập tuyến cáp với giá thành tới 600 triệu đô la mỹ, với 12300km chiều
dài và làm việc tại λ=1300nm.
Vào khoảng những năm 1990, tiểu bang Pacific của Mỹ và Mirio của
Nhật cũng đưa tuyến cáp bắc Thái Bình Dương và khai thác. Cùng thời điểm
này, tuyến cáp Nhật-Triều Tiên-Hồng Kông cũng được thiết lập.
Năm 1992 tuyến cáp nối liền Đài Loan-Singapore-Hồng Kông được thực
hiện.
Giữa Úc-Hawaii-Newzeland cũng bắt tay xây dựng tuyến Pacrim-East
vào năm 1993.
Năm 1995 chính thức đưa tuyến cáp giữa 3 khu vực Hồng Kông-Thái
Lan-VIệt Nam vào hoạt động.
Năm 1996 , Pacrim-East được nối thêm từ Úc sang Guam.
Bênh cạnh đó, còn có các tuyến cáp sử dụng cho quân sự, truyền hình hay trong
nước .
Việt Nam đang khai thác triệt để tuyến cáp 500 KV từ Bắc vào Nam để
phục vụ nhu cầu thông tin toàn quốc.
1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang
Bao gồm:
- Nguồn tín hiệu.
- Môi trường dẫn truyền.
3
- Bộ thu tín hiệu.
 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang điều chế trực tiếp(IM/DD)
Hình 1.1 : Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang
Khối ghép kênh : tiến hành ghép kênh tín hiệu sử dụng qua trình điều chế
xung mã PCM.
Bộ mã hoá: chuyển đổi mã tín hiệu thành mã đường dây (mã mB/nB với
n>m hoặc mã CMI ) sao cho thích ứng với môi trường truyền dẫn là sợi quang.
Đồng thời giám sát và cải thiện khả năng sửa lỗi và khôi phục đồng hồ.
Khối kích thích:Nguồn quang hay sử dụng thiết bị bức xạ dạng ánh sáng
nhìn thấy hoặc tiếp giáp vùng hồng ngoại là LED và LD. Ưu điểm của mỗi
nguồn sáng là ở mức công suất ra, tính tuyến tính, giá cả hay là băng tần làm
việc.
Với đặc điểm của LED như: “LED có công suất ra tỉ lệ với dòng kích
thích, nó thích hợp cho cả điều chế anlalog và điều chế số, so với Laserdiode thì
công suất ra cũng như tần số điều chế của Led thấp hơn, một nhược điểm nữa là
độ rộng phổ lớn vào khoảng 40nm, ánh sáng bức xạ của LED không tập trung,
ánh sáng không kết hợp, góc mở phát xạ của LED đến 90 0(theo phân bố
Lambert) để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo LED bức xạ cạnh
(ELED). Laserdiode phát sáng kết hợp chùm tia bức xạ hẹp, góc bức xạ chỉ vào
khoảng 50- 100, bởi vậy hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang lớn ngay cả loại
4
sợi có khẩu độ số bé, phổ bức xạ của LD hẹp hơn nhiều so với LED (∆= 1-
2nm). Nhược điểm của LD là phụ thuộc nhiệt độ của dòng ngưỡng cho nên phải
có mạch tự động điều chỉnh nhiệt độ để ổn định điện làm việc, bởi vậy giá thành
của LD cao. Người ta còn dùng loại LD đơn mod DFB để truyền dẫn tín hiệu
quang với tốc độ cao (hàng Gb/s)”.
 Thiết bị thu đầu cuối:
Quá trính biến đổi quang-điện diễn ra tạ đây nhờ các bộ tách quang hay
chính là các Đi-ốt PIN hay APD. Khi hoạtham gia vào quá trình tách sóng thì
diode hoạt động với thiên áp ngược.
Sự khác nhau chủ yếu giữa phô-tô đi-ốt PIN và đi-ốt APD ở chỗ:
Bảng 1.1 : So sánh giữa điot PIN và APD
PIN APD
- Điện áp làm việc thấp. - Điện áp làm việc trong khoảng
- Độ nhạy máy thu ánh sáng 100v đến 300v dẫn đến ảnh
nhỏ. hưởng của tạp âm lớn hơn.
- Giá cả thấp. - Độ nhạy máy thu ánh sáng cao
hơn.
- Chịu mức giá cả cao hơn.
Khối khuyếch đại san bằng: thực hiện 2 chức năng vừa đảm bảo khuếch
đại vừa thực hiện san bằng nhằm nâng cao tỷ số S/N ở điểm quyết định.
Khối quyết định giải mã tín hiệu có tác dụng chuyển đổi tín hiệu quang sang tín
hiệu điện ban đầu với dạng mã tương đương bên phía thu của bộ ghép kênh bên
phát.
Để thực hiện phục hồi tín hiệu, giải mã và tách kênh chính xác yêu cầu
không thể thiếu là tín hiệu đồng hồ đồng bộ với phía phát.
5
 Trạm lặp:
Trên mọi đường truyền đều không thể tránh khỏi các yếu tố tác động gây
suy hao và tán sắc tín hiệu. Nên khoảng cách truyền sóng chỉ có giới hạn nhất
định. Việc lắm them các trạm lặp này với mục đích bù suy hao nhàm đảm bảo
công suất tín hiệu truyền được ổn định. Trong thông tin quang IM/DD, các
thành phần của một trạm lặp bao gồm:
+ Khối O/E chuyển đổi từ tín hiệu quang (Optical Fiber) sang tín hiệu điện
(Electric) .
+ Khối khuyếch đại, sửa chữa dạng tín hiệu điện.
+ Khối E/O chuyển tín hiệu điện vừa được sửa sang tín hiệu quang.
1.3 Hệ thống thông tin quang Coherent.
+ Khái quát:
Đối với hệ thống thông tin quang dạng “điều chế cường độ tách sóng trực
tiếp” (IM/DD) mỗi chuỗi bít sẽ được điều chế trực tiếp vào sóng mang quang,
đầu thu tín hiệu quang được tách sóng trực tiếp bằng các Photodiode để lấy ra
tín hiệu điện bằng gốc. Đó là nguyên lý truyền dẫn thông tin đơn hướng. Với
truyền dẫn hai chiều người ta dùng hai sợi quang truyền tín hiệu từ máy phát đến
máy thu. Tuy nhiên hiệu suất sử dụng sợi quang của hệ thống này không cao
nhưng nó vẫn được sử dụng từ trước đến nay và cả trong tương lai, bởi vì giá
thành của nó rẻ và lắp đặt đơn giản.
Để tận dụng khả năng truyền dẫn của sợi quang, người ta đã nghiên cứu
và đưa vào thí nghiệm hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent). Ở hệ thống
này sự đổi tần quang được sử dụng ở máy thu bằng cách trộn trường quang của
bộ dao động nội với tín hiệu quang thu được. Các ưu điểm cơ bản của hệ thống
thông tin quang kết hợp so với hệ thống thông tin quang IM/DD là:
- Nâng cao độ nhạy máy thu:
Trong hệ thống thu trực tiếp độ nhạy máy thu bị hạn chế bởi băng tần cao,
tần số càng cao thì độ nhạy máy thu càng giảm. Trong hệ thống thông tin quang
6
Coherent có sử dụng phương pháp Homodyne hoặc Heterdyne cho phép tăng
khoảng cách giữa hai trạm lặp, tăng tốc độ truyền trong các tuyến thông tin
đường trục và tăng số kênh trong mạng nội hạt hoặc thuê bao. Độ nhạy máy thu
được nâng len từ (15-20dB) so với thu trực tiếp.
- Nâng cao khả năng truyền dẫn:
Với phương pháp ghép kênh theo tần số (FDM) các hệ thống thông tin quang
Coherent có dung lượng truyền dẫn rất lớn. Điều này có thể thông qua ví dụ sau:
Nên trong vùng cửa sổ quang 1,55m (tần số 200THz), chọn độ rộng phổ để
truyền (chẳng hạn 1,47m- 1,57m) thì trong vùng này có thể truyền khoảng
109 kênh thoại tương đương.
- Nâng cao khả năng lựa chọn kênh:
Khả năng chọn lọc kênh ở phía thu đựa trên khả năng nguồn thu có thể điều
chỉnh được tín hiệu tới. Như vậy người sử dụng có thể có thể lựa chọn được
kênh mong muốn trong nhiều kênh.
- Kết hợp thu Coherent với khuyếch đại quang:
Có thể tạo nên các tuyến thông tin số có dung lượng đường truyền lớn và
tăng khoảng cách giữa hai trạm lặp ( có thể đạt 10.000 km) khả năng này được
ứng dụng trong các tuyến trục và các tuyến cáp quang dưới biển.
Tuy nhiên bên cạnh các ưu điểm thông tin quang Coherent cũng có những
nhược điểm: Sơ đồ cấu trúc phức tạp của nguồn thu kéo theo sự đòi hỏi cao về
ổn định của Laser bán dẫn dùng làm nguồn phát dao động nội và nguồn phát tín
hiệu, yêu cầu nghiêm ngặt về nhiệt độ, dòng nuôi, nhiễu pha, độ phân cực,v.v…,
giá thành cao.
Tuy vậy do các ưu điểm của nó nên hệ thống thông tin quang Coherent vẫn
chiếm vị trí then chốt của nó trong mạng viễn thông tương lai.
7
Sơ đồ khối hệ thống
LD Điều chế Trộn Lọc IF Giải
ngoài quang
D ra
SQ điều chế
KĐCS TS KĐ
LD AFC
Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống quang Coherent
Phần phát gồm laser bán dẫn, bộ điều chế tín hiệu và bộ khuyếch đại công
suất.
Laser bán dãn hoạt động ở chế độ ở chế độ đơn mod có độ rộng phổ hẹp,
thường là loại DFB có độ rộng phổ ∆≤0,1 nm, hoặc Laser có bộ cộng hưởng
ngoài (Laser cách tử có độ rộng băng tần cỡ (10MHz-100MHz).
Các loại LED và Laser đa mod không thích hợp bởi vì yêu cầu độ rộng
phổ phải hẹp, độ ổn định nhiệt cao, nhiệt độ phải điều khiển trong giới hạn
0,010C để đảm bảo độ ổn định tần số của Laser.
Bộ điều chế:
Thực hiện theo hai phương pháp tương ứng với dạng điều chế.
Bộ điều chế nội xạ của nguồn Laser (Trực tiếp như trong hệ thống FSK).
Bộ kích thích điều chế trường quang đã phát ra từ nguồn Laser bằng các thiết bị
thích hợp như: ASK, PSK hoặc DPSK.
Giữa sợi quang và các bộ thu phát nên đưa thêm vào các bộ cách ly để
tránh phản xạ sóng.
Phần thu có cấu tạo phức tạp nhất, nó bao gồm một bộ trộn quang, một
Laser dao động nội, một photodiode, một bộ tiền khuyếch đại, một bộ giả điều
chế, bộ tự động điều chỉnh tần số.
Bộ trộn quang là một mạng 4 cổng như bộ ghép định hướng siêu cao tần,
hai trường quang ở các cổng vào được trộn với nhau và cộng tuyến tính ở hai
cổng ra của bộ trộn.
8
Trong một máy thu đơn giản nhất chỉ có 1 đầu ra của bộ trộn đưa đến 1
photodiode, dòng điện sau tách sóng từ photodiode được đưa đến bộ tiền
khuyếch đại, lọc thông dải để hạn chế độ rộng băng tần nhiễu. Tín hiệu đưa vào
bộ giải điều chế tương ứng dạng điều chế ở máy phát, một phần tín hiệu đầu ra
bộ lọc thông dải được đưa vào mạch điều khiển tần số tự động AFC đưa đến
điều khiển bộ dao động nội.
1.4 Các ưu điểm của thông tin quang
So với hệ thống thông tin điện sử dụng hệ thống cáp đồng cổ điện thì
thông tin quang sử dụng hệ thống sợi quang cũng như các linh kiện phát, thu
quang biểu hiện nhiều ưu điểm, ở đây chúng ta nêu lên một số trong các ưu điểm
đó:
+ Hệ thống thông tin quang có tốc độ truyền dẫn lớn băng thông rộng nên có thể
truyền một khối lượng thông tin lớn đến hàng trăm GHz.km, với cự ly xa hơn
100 km không cần trạm lặp, nó đáp ứng được đòi hỏi thông tin trong tương lai.
Sợi quang có kích thước nhỏ, nhẹ tốn ít vật liệu, lắp đặt thuận tiện, vận chuyển
dễ dàng.
+ Tín hiệu truyền trong sợi quang không bị tác động của nhiễu điện trường
chẳng hạn như của các máy móc công nghiệp, không bị xuyên âm giữa các
đường truyền, không có các tia nhiễu xạ ra ngoài, thuận tiện trong việ truyền tín
hiệu trong các khu công nghiệp, trong máy bay, tàu thủy,…
+ Sợi quang làm bằng thủy tinh, chất điện môi nên có độ đàn hồi cao, bền vững
với môi trường, có thể dùng trong các vùng có phóng xạ, khu công nghiệp hóa
chất, dầu khí…
+ Vật liệu chế tạo sợi quang sẵn có, rẻ tiền nên giá thành sản xuất thấp.
Do có nhiều ưu điểm sợi quang được sử dụng rộng rãi cho mạng diện
thoại, truyền số liệu trong mạng máy tính, truyền thanh, truyền hình…
Tuy nhiên nó cũng có những nhược điểm nhát định như khó đấu nối hơn
so với sợi kim loại, công nghệ chế tạo đòi hỏi phức tạp hơn, việc cấp nguồn cho
9
trạm trung gian phải có đường riêng…
Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang
Như đã trình bày ở trên ba yếu tố chính cấu thành hệ thống thông tin quang là
nguồn quang, sợi quang và nguồn thu. Các yêu cầu cơ bản của hệ thống thông
tin là cự ly truyền, tốc độ truyền cũng như độ rộng băng, lỗi bit cũng như trên
tạp âm.
Hai đặc điểm điển hình của hệ thống truyền dẫn tương tự là tỷ số tín hiệu
trên tạp (S/N) và độ rộng băng tần (BW), còn với truyền dẫn số thì đặc trưng
tương ứng cho hai đại lượng ...) trên là xác suất lỗi đối với tín hiệu đã tách ra
hoặc tỷ số lỗi BER và tốc độ Bit (BR-Bit rate) thay cho độ chiếm phổ của băng
tần.
Để đáp ứng các yêu cầu trên cần chú ý đến các thống số của các yếu tố
trong đường truyền như:
 Với nguồn bức xạ ánh sang (LED, LD).
+ Công suất ra cực đại, công suất ghép vào sợi quang.
+ Dải tần bức xạ (bước sóng bức xạ).
+ Phổ bức xạ.
 Với sợi quang.
+ Đường kính lõi.
+ Độ suy giảm
+ Mặt mở số.
+ Tích BxL.
+ Chiết suất, phân bố chiết suất.
 Với nguồn thu quang (PIN, APD)
+ Độ nhạy.
+ Dải tần làm việc.
+ Điện áp làm việc.
10
1.5 Các phần tử quang cơ bản trong hệ thống thông tin quang
1.5.1 Sợi quang
Sợi quang được chế tạo từ thủy tinh thạch anh có chỉ số chiết suất n = 1.5
hoặc bằng chất dẻo có độ tổn hao bé.
Sợi quang được cấu tạo từ hai lớp điện môi, lõi sợi có chiết suất n 1, lớp
vỏ chiết suất n2 (n1>n2).
 Có hai loại sợi quang: đa mode và đơn mode
- Sợi đa mode có chiết suất thay đổi đột ngột giữa lõi và vỏ gọi là sợi đa
mode có chiết suất nhảy bậc, viết tắt là MM- SI.
- Sợi đa mode khác có chiết suất lõi biến đổi đều từ no đến n2 (no > n2), viết
tắt là MM- GI.
- Sợi đơn mode có chiết suất nhảy bậc, viết tắt là SM- SI.
1.5.2 Cáp quang
Sợi quang muốn đưa vào sử dụng trong các tuyến thông tin phải bọc
thành sợi cáp. Sợi quang khi mới sản xuất ra chỉ được bọc trong một lớp nhựa
mỏng để bảo vệ mặt ngoài của nó, lớp vỏ sơ cấp tiếp có đường kính khoảng
250m, lớp vỏ này có thể tách ra khỏi sợi quang dễ dàng, không ảnh hưởng đến
lõi sợi.
Khi sản xuất cáp, để đảm bảo tính ổn định, bền vững cơ học, phải làm lớp
vỏ bảo vệ cáp, chất độn và các vật liệu gia cường vỏ cáp thường làm bằng kim
loại hoặc nhựa tổng hợp có độ bền cao, chất độn thường là chất nhờn choán đầy
các khe hở của cáp. Các vật liệu gia cường có thể là sợi thép, băng thép hoặc
tổng hợp có sức bền lớn.
Phân loại
- Theo cấu trúc:
+ Cáp có cấu trúc đối xứng cổ điển như cáp kim loại.
+ Cáp với lõi có rãnh dạng răng lược, sợi quang được xếp trong các rãnh của lõi
cáp.
11
+ Cáp có cấu trúc băng dẹt, các sợi quang được bố trí trên từng băng, trong ruột
cáp có nhiều băng xếp chồng.
- Theo mục đích sử dụng:
+ Cáp dùng trong mạng thuê bao nội hạt, mạng nông thôn
+ Cáp trung kế giữa các tổng đài.
+ Cáp dùng trong thông tin đường dài.
- Theo điều kiện lắp đặt:
+ Cáp chôn trực tiếp
+ Cáp lắp đặt trong cống
+ Cáp treo.
+ Cáp lắp đặt trong nhà
- Một số loại cáp quang điển hình
+ Cáp băng dẹt
+ Cáp lõi có khe răng lược
+ Cáp thả trong ống
+ Cáp treo.
1.5.3 Các phần tử quang - điện
a. Diode bức xạ ánh sáng
Khi phân cực thuận cho tiếp giáp PN, tương ứng tạo ra sự tái hợp điện tử
và lỗ trống trong vùng hoạt tính, theo định luật bảo toàn năng lượng, quá trình
tái hợp này (chuyển trạng thái năng lượng từ vùng dẫn về vùng hóa trị) sẽ phát
xạ photon. Tuy nhiên, không phải quá trình tái hợp nào cũng tạo ra photon. Do
vậy, số photon được tạo ra còn phụ thuộc vào hiệu suất lượng tử nội của bán dẫn
(là tỷ số giữa số photon được tạo ra trên số điện tử được dòng điện bơm vào
LED) và cấu trúc dị thể kép để đảm bảo cho các điện tử và lỗ trống có thể tái
hợp một cách trực tiếp để bảo tồn động lượng.
Cấu trúc dị thể kép để tạo ra dải cấm trực tiếp. Dải cấm này được dùng
cho lớp tích cực của nguồn phát quang để đảm bảo cho các điện tử và lỗ trống
12