các phần tử quang điện trong thông tin quang 1

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin ngành viễn thông các phần tử quang điện trong thông tin quang

1.1.1 Mô hình hệ thống thông tin quang

Để truyền thông tin giữa các vùng khác nhau, hệ thống thông tin quang cũngcần phải có mô hình truyền tin cơ bản như chỉ ra trong hình 1.1, và đến nay môhình chung này vẫn được áp dụng Trong mô hình này, tín hiệu cần truyền đi sẽđược phát vào môi trường truyền dẫn tương ứng, và ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cầntruyền Như vậy tín hiệu đã được thông tin từ nơi gửi tín hiệu đi tới nơi nhận tínhiệu đến Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng như các hệ thống thông tinkhác, vì thế mà thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang cũng như mô hìnhchung, tuy nhiên môi trường truyền dẫn ở đây chính là sợi quang Do đó sợi quangsẽ thực hiện truyền ánh sáng có mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu.

Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phátquang, sợi quang, và phần thu quang

Nơi phát tín hiệu đi

Thiết bị phát

Môi trường truyền dẫn

Nơi tín hiệu đếnThiết bị

Hình 1.1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản.

Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điệnđiều khiển Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thíchtùy thuộc vào các kỹ thuật điều biến Nguồn phát quang tạo ra sóng mang tần sốquang, còn các mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phùhợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin Có hai loại nguồn sáng đượcdùng phổ biến trong thông tin quang là LED (Light Emitting Diode) và LD (LaserDiode)

Sợi quang là môi trường truyền dẫn trong thông tin quang So với môi trườngtruyền dẫn khác như môi trường không khí trong thông tin vô tuyến và môi trườngcáp kim loại thì truyền dẫn bằng sợi quang có nhièu ưu điểm nổi bật đó là : hầu nhưkhông chịu ảnh hưởng của môi trường ngoài, băng tần truyền dẫn lớn, và suy haothấp Với những ưu điểm đó, cùng với nhiều tiến bộ trong lĩnh vực thông tin quang,sợi quang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ thống vượt đạidương Chúng vừa đáp ứng được khoảng cách vừa đáp ứng được dung lượngtruyền dẫn cho phép thực hiện các mạng thông tin tốc độ cao Sợi quang có 3 loạichính là : sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc, sợi đa mode chiết suất biến đổi vàsợi quang đơn mode Tùy thuộc vào hệ thống mà loại sợi quang nào được sử dụng,tuy nhiên hiện nay các hệ thống thường sử dụng sợi đơn mode để truyền dẫn vì ưuđiểm của loại sợi này.

Phần thu quang có chức năng để chuyển tín hiệu quang thu được thành tín hiệubăng tần cơ sở ban đầu Nó bao gồm bộ tách sóng quang và các mạch xử lý điện.Bộ tách sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD Các mạch

xử lý tín hiệu điện này có thể bao gồm các mạch khuếch đại, lọc và mạch tái sinh

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang

Ngay từ thời kỳ khai sinh, hệ thống thông tin đã sử dụng nguyên lý truyềnthông tin theo mô hình chung như hình 1.1 ở trên Nguyên lý này thực hiện việctruyền thông tin từ phía phát qua môi trường sợi quang và cuối cùng đến phía thu.Tại mỗi phần tín hiệu thông tin được biến đổi như sau :

Phía phát : Nguồn tín hiệu thông tin như tiếng nói, hình ảnh, dữ liệu… sau khiđược xử lý trở thành tín hiệu điện (có thể ở dạng tương tự hoặc số) sẽ được đưa đếnbộ phát quang (cụ thể là nguồn quang) Các tín hiệu điện đưa vào bộ phát quangđược điều chế quang theo nhiều phương pháp điều biến khác nhau (điều biến trựctiếp cường độ ánh sáng hay điều biến gián tiếp) để thu được tín hiệu quang Tínhiệu quang này sẽ được ghép vào sợi quang để truyền đi tới phía thu.

Môi trường sợi quang: Là môi trường truyền dẫn ánh sáng (tín hiệu đã đượcđiều chế quang) từ đầu phát tới đầu thu Trong quá trình truyền dẫn này, do đặc tínhquang học của ánh sáng và sợi quang mà tín hiệu quang bị suy giảm (suy hao và tánsắc) Cự ly truyền dẫn càng dài thì ánh sáng bị suy giảm càng mạnh, điều này dẫnđến khó khăn khi khôi phục tín hiệu ở phía thu Do vậy, trên tuyến truyền dẫnthông tin quang, thường có các bộ khuếch đại tín hiệu quang và các trạm lặp nhằmtái tạo lại tín hiệu bị suy giảm trên đường truyền.

Phía thu : Tín hiệu thu được từ môi trường truyền dẫn sẽ được bộ thu quangtiếp nhận Tại đây, tín hiệu quang sẽ được biến đổi ngược trở lại thành tín hiệu điệnnhư tín hiệu phát ban đầu Cuối cùng ta thu được tín hiệu cần thông tin

1.1.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang sử dụng môi trường truyền dẫn là sợi quang nên hệthống có những ưu điểm hơn các hệ thống truyền thống sử dụng cáp đồng hay hệthống thông tin vô tuyến trước đây, đó là :

 Dung lượng truyền dẫn lớn : Trong hệ thống thông tin sợi quang, băngtần truyền dẫn của sợi quang là rất lớn (hàng ngàn THz) cho phép pháttriển các hệ thống WDM dung lượng lớn So với truyền dẫn vô tuyếnhay truyền dẫn dùng cáp kim loại thì truyền dẫn sợi quang cho dunglượng lớn hơn nhiều.

 Suy hao thấp : Suy hao truyền dẫn của sợi quang tương đối nhỏ, đặc biệtlà trong vùng cửa sổ 1300nm và 1550nm Suy hao nhỏ nên sợi quang cóthể cho phép truyền dẫn băng rộng, tốc độ lớn hơn rất nhiều so với cápkim loại cùng chi phí xây dựngs mạng.

 Không chịu ảnh hưởng của môi trường bên ngoài : Bởi vật liệu của sợiquang cách điện, không chịu ảnh hưởng của các yếu tố như điện từtrường nên không bị nhiễu điện từ…

 Độ tin cậy : Tín hiệu truyền trong sợi quang hầu như không chịu ảnhhưởng của môi trường bên ngoài, không gây nhiễu ra ngoài cũng như sựxuyên âm giữa các sợi quang Do đó sợi quang thực tế cho chất lượngtruyền dẫn rất tốt với độ tin cậy cao, tính bảo mật cũng cao hơn so vớitruyền dẫn vô tuyến và cáp kim loại.

 Chi phí thấp : Vì vật liệu chế tạo sợi quang sẵn có, đồng thời sợi lại nhẹhơn cáp kim loại và có thể uốn cong, lắp đặt dễ dàng và ít bị hư hỏng docác yếu tố thiên nhiên tác động (như nắng, mưa…) nên hệ thống có thể

Thông tin sợi quang có nhiều ưu điểm từ sợi quang đem lại tuy nhiên sợi quangcũng tồn tại một số nhược điểm như khó chế tạo, hàn nối phức tạp vì sợi quang rấtbé, và rất dễ đứt gẫy.

1.2 Sự phát triển của kỹ thuật thông tin quang

Hệ thống thông tin quang mới phát triển trong mấy thập kỷ gần đây (mặc dùcác phương thức sơ khai của thông tin quang đã xuất hiện từ rất lâu trong xã hộiloài người) nhưng nó đã đạt được rất nhiều thành tựu cao Cho đến nay hệ thốngthông tin quang đã trải qua nhiều thế hệ Mục tiêu chủ yếu của các nỗ lực phát triểnnày là đồng thời tăng dung lượng và khoảng cách truyền dẫn Quá trình phát triểncủa hệ thống thông tin quang có thể tóm tắt qua năm thế hệ sau :

Khởi đầu là vào năm 1960, việc phát minh ra Laser để làm nguồn phát quangđã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử phát triển của kỹ thuậtthông tin quang sử dụng dải tần số ánh sáng Tuy vậy Laser thời kỳ này lại có dòngngưỡng quá cao, nhiệt độ làm việc thấp, thời gian sống ngắn Một hướng nghiêncứu khác cùng khoảng thời gian này là truyền thông qua sợi quang Theo lý thuyếtthì sợi quang cho phép con người thực hiện thông tin với lượng kênh lớn hơn gấpnhiều lần các hệ thống vi ba hiện có Thực tế thì suy hao của sợi quang trong giaiđoạn này lại rất cao, ~1000dB/km, do đó vẫn chưa chứng tỏ khả năng vượt trội sovới các hệ thống cũ.

Khoảng năm 1966, qua các khuyến nghị của Kao, Hockman cho thấy có thể cảithiện được suy hao do vật chất chế tạo sợi Năm 1970, Kapron đã có thể chế tạo sợiquang có độ suy hao 20dB/km, tại bước sóng λ = 1μm Suy hao này nhỏ hơn rấtm Suy hao này nhỏ hơn rấtnhiều so với thời điểm đầu chế tạo sợi và cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn tươngđương với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng Được sự cổ vũ từ thành côngnày, các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành các hoạtđộng nghiên cứu và phát triển kỹ thuật thông tin quang Kết quả là các công nghệmới để giảm suy hao truyền dẫn của sợi, tăng băng thông của các Laser bán dẫn đãđược phát triển thành công trong những năm 70 Như chỉ ra trong bảng 1.1, độ suyhao đã giảm xuống còn 0,18dB/km Cho tới đầu những năm 1980, các hệ thốngthông tin trên sợi dẫn quang đầu tiên đã được đưa vào hoạt động với bước sóngLaser (GaAlAs/GaAs) hoạt động ở vùng 0,8μm Suy hao này nhỏ hơn rấtm, tốc độ bít B = 45Mb/s, khoảngcách lặp L ~10÷ 20 km (khoảng 16km) Giai đoạn thông tin quang thế hệ thứ nhấtphát triển từ đây Giai đoạn này Laser bán dẫn InGaAsP/InP có bước sóng phát1,3μm Suy hao này nhỏ hơn rấtm được chế tạo khá hoàn thiện và hướng nghiên cứu sợi quang với bước sóng1,3μm Suy hao này nhỏ hơn rấtm, suy hao 1dB/km, hệ số tán sắc cực tiểu rất được quan tâm.

Năm Nguồn quang Sợi quang1960 Triển khai Laser Ruby

1962 Laser GaAs1965 Laser CO2

1966 Khả năng sử dụng đường truyền dẫncáp quang (ST, tổn thất 1000dB/km)1970 Laser GaAlAs tạo dao động

Sợi quang flour tổn thất thấp

1989 Phát triển Laser GaI/AIGa

Bảng 1.1 Các giai đoạn phát triển của công nghệ thông tin quang sợi.

Giữa những năm 80, hệ thống thông tin quang thế hệ thứ 2 sử dụng Laser vớibước sóng 1330nm đã được đưa vào sử dụng Thời gian đầu tốc độ bít B chỉ đạt100Mb/s do sử dụng sợi đa mode Khi sợi đơn mode được đưa vào sử dụng, tốc độbít đã được tăng lên rất cao Năm 1987 hệ thống thông tin quang λ = 1330nm,B=1,7 Gb/s, L= 50 km đã được sản xuất và đưa ra thị trường với suy hao của sợi ~0,5 dB/km.

Năm 1990 hệ thống thông tin quang thế hệ thứ 3 sử dụng Laser bán dẫn bướcsóng 1550nm (InGaAsP) với suy hao trong sợi quang cỡ 0,2dB/km đã được thương

số tán sắc trong sợi quang tại bước sóng 1550nm lại khá cao (16-18ps/nm.km) dođó hạn chế khoảng cách trạm lặp của hệ thống mặc dù công suất quang còn chophép truyền xa hơn Đặc trưng khoảng cách của thế hệ thứ 3 là 60 - 70 km tại tốcđộ 2,5 Gb/s Ở giai đoạn này đã sử dụng các công nghệ bù tán sắc như kiểu dịch tánsắc (DSF) hoặc làm phẳng tán sắc (DFF) để tăng khoảng cách lặp, có thể lên đến100km.

Thế hệ thông tin quang thứ 4 đã sử dụng khuếch đại quang để tăng khoảng lặpvà kỹ thuật ghép nhiều bước sóng (WDM) trong một sợi quang để tăng dung lượngtruyền dẫn Khuếch đại quang pha tạp Erbium (EDFA) có khả năng bù cho suy haoquang trong cách khoảng cách lớn hơn 100km EDFA được nghiên cứu thành côngtrong phòng thí nghiệm vào năm 1987 và trở thành thương phẩm năm 1990 Năm1991 lần đầu tiên hệ thống thông tin quang có EDFA được thử nghiệm truyền tínhiệu số tốc độ 2,5Gb/s trên khoảng cách 21000km và 5 Gb/s trên khoảng cách14300 km Về công nghệ WDM, hệ thống thông tin sử dụng công nghệ này giúptăng dung lượng kênh đáng kể Khuếch đại quang EDFA có thể khuếch đại toàn bộcác bước sóng quang trong dải 1525 – 1575 nm mà không cần phải tách từngbước sóng Trong năm 1996 đã thử nghiệm tuyến truyền dẫn 20 bước sóng quangvới tốc độ bít của từng bước sóng là 5Gb/s trên khoảng cách 9100km Tốc độ bítcủa tuyến đã đạt 100Gb/s và BL đã là 910 (Tb/s).km Trong năm 2000, hệ thốngTPC - 6 xuyên qua Đại Tây Dương đã có dung lượng 100Gb/s và hoạt động hiệuquả.

Thế hệ thứ 5 của hệ thống thông tin quang dựa trên cơ sở giải quyết vấn đề tánsắc trong sợi quang Khuếch đại quang đã giải quyết hoàn hảo suy hao quang sợinhưng không giải quyết được vấn đề tán sắc Có nhiều phương án để bù tán sắcnhưng phương án có tính khả dụng cao nhất là dựa trên hiệu ứng Soliton quang.Hiệu ứng Soliton quang là một hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang, nó dựa trên cơsở tương tác bù trừ tán sắc của các thành phần quang trong một xung quang cựcngắn được truyền trong sợi quang không có suy hao.Năm 1994 hệ Soliton thửnghiệm truyền dẫn tín hiệu 10Gb/s trên khoảng cách 35000km và 15Gb/s trênkhoảng cách 24000km Năm 1996 hệ thống WDm 7 bước sóng truyền Soliton trênkhoảng cách 9400km với dung lượng 70Gb/s.

Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin quang có thể được biểu diễn quahình 1.2

Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới,chúng đáp ứng tất cả các tín hiệu tương tự và số, chúng cho phép truyền dẫn tất cảcác tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng Khi công nghệ chế tạo các phần tử

quang càng phỏt triển, hiện đại thỡ hệ thống thụng tin quang càng cú khả năng ứngdụng rộng lớn hơn và trở thành một lĩnh vực quan trọng trong viễn thụng.

1974 1978 1982 1986 1990 1992 năm800nm

multimode1300nmsingle mode

1500nmT/sóng trực tiếp

1500nmT/sóng coherent

Hình 1.2 Quá trình phát triển của thông tin sợi quang.Khuếch đại quangtruyền dẫn Soliton

1.3 Phõn loại cỏc phần tử quang điện trong thụng tin quang

Một hệ thống thụng tin quang được cấu thành từ rất nhiều phần tử quang điệnkhỏc nhau Một tuyến thụng tin quang cú thể bao gồm cỏc phần tử như thể hiện trờnhỡnh 1.3

Cỏc phần tử này cú nhiều đặc tớnh, chức năng, tốc độ hoạt động và vị trớ khỏcnhau Tựy thuộc vào yờu cầu của hệ thống được sử dụng mà cỏc phần tử này đượcsử dụng cho chức năng nào hay vị trớ nào trờn hệ thống.

Để phõn loại cỏc phần tử quang điện trong hệ thống thụng tin quang ta cú nhiềutiờu chớ để phõn loại như: Đặc điểm vị trớ, chức năng hay ứng dụng … Dựa vàođặc điểm hoạt động của cỏc phần tử quang điện trong hệ thống thụng tin quang cúthể chia thành hai nhúm là cỏc phần tử thụ động và cỏc phần tử tớch cực.

Tín hiệu vào

Tín hiệu

Mối hàn sợi

Bộ chia quangMạch điện

Phát quangKhuếch

Nguồnphát quang

Bộ thu quang

1.3.1 Các phần tử thụ động

Các phần tử thụ động là các phần tử quang hoạt động khi có chùm sáng truyềnqua nó Phần tử thụ động hoạt động không cần nguồn kích thích, nó chỉ đơn thuầnbiến đổi các tín hiệu ở trong miền quang mà không có sự chuyển đổi sang miềnđiện Những đặc điểm này dẫn đến về nguyên lý hoạt động các phần tử thụ độngchủ yếu dựa vào cấu trúc quang hình của chính bản thân chúng, và tuân theo cácđịnh luật hay các nguyên lý ánh sáng Các phần tử thụ động có những ưu điểm vềcấu trúc, vị trí lắp đặt, và ứng dụng như :

 Dễ dàng lắp đặt ở bất kỳ vị trí nào trên hệ thống vì không cần có nguồn cungcấp hoạt động đi kèm theo

 Đơn giản về cấu trúc. Dễ dàng bảo trì.

 An toàn về điện cho người sử dụng.

Tuy vậy chúng có những nhược điểm so với phần tử tích cực đó chính là thụđộng về cấu hình nên khả năng thay đổi, điều chỉnh hoạt động kém, không linhhoạt Chất lượng hoạt động của các phần tử thụ động cũng phụ thuộc vào vật liệuvà công nghệ chế tạo của bản thân thiết bị như các vấn đề về suy hao hay tán sắccủa các phần tử thụ động Công nghệ càng phát triển thì khả năng của các phần tửthụ động càng cao.

Các phần tử thụ động trong hệ thống thông tin quang bao gồm : Sợi quang, cáp quang

 Coupler quang Các bộ lọc quang Bộ cách ly quang Bộ bù tán tắc

1.3.2 Các phần tử tích cực

Các phần tử tích cực là các phần tử quang điện hoạt động dựa theo vào tínhchất hạt của ánh sáng và cơ sở vật lý bán dẫn Khi hoạt động, các phần tử tích cựcdựa vào kích thích điện ngoài để biến đổi tín hiệu mà nó cần xử lý Do vậy khácvới các phần tử thụ động, để hoạt động được các phần tử cần nguồn kích thích.Điều này dẫn đến yêu cầu của phần tử tích cực phức tạp hơn các phần tử thụ độngnhư : vị trí lắp đặt, cơ chế bảo dưỡng chống quá áp của nguồn, yêu cầu an toàn vềđiện… Tuy nhiên các phần tử tích cực có thể điều chỉnh hiệu quả hoạt động khithay đổi nguồn cung cấp.

Các phần tử tích cực bao gồm : Nguồn quang

 Bộ tách quang

 Bộ khuếch đại quang Chuyển đổi bước sóng