luận văn thạc sĩ hệ thống truyền dẫn quang tốc độ

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao LỜI NÓI ðẦU Trong những năm vừa qua, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ ñiện tử- viễn thông, công nghệ quang sợi và thông

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñề tài luận văn thạc sỹ khoa học: "Hệ thống

truyền dẫn quang tốc ñộ cao” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn

của GS.TS Trần ðức Hân ðây không phải là bản sao chép của bất

kỳ một cá nhân, tổ chức nào Các số liệu, kết quả trong luận văn ñều

do tôi làm thực nghiệm, xác ñịnh và ñánh giá

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi ñã

trình bày trong Luận văn này

Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2011

HỌC VIÊN

Nguyễn Thành Vinh

MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN

CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

LỜI NÓI ðẦU 1

CHƯƠNG 1: SỢI DẪN QUANG DÙNG TRONG HỆ THỐNG QUANG TỐC ðỘ CAO 3

1.1 Các sợi quang ñơn mode dùng trong hệ thống quang tốc ñộ cao 3

1.2 Suy hao tín hiệu truyền trong sợi quang 6

1.2.1 Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang 7

1 2.2 Suy hao do tán xạ 8

1.2.3 Suy hao uốn cong sợi 9

1.3 Tán sắc tín hiệu truyền trong sợi quang 9

1.3.1 Tán sắc vật liệu 10

1.3.2 Tán sắc dẫn sóng 11

1.3.3 Tán sắc vận tốc nhóm 13

1.3.4 Tán sắc bậc cao 14

1.3.5.Tán sắc phân cực mode 15

CHƯƠNG 2: NGUỒN PHÁT VÀ NGUỒN THU QUANG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ðỘ CAO 17

2.1 Nguồn phát quang dùng cho hệ thống 40Gbit/s 17

2.1.1 Laser phản hồi phân tán DFB 18

2.1.2 Phương thức ñiều chế nguồn phát hệ thống 40Gb/s 19

2.2 Bộ thu quang dùng cho hệ thống quang 40Gbit/s 25

CHƯƠNG 3: KHUẾCH ðẠI QUANG SỢI EDFA DÙNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ðỘ CAO 29

3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt ñộng 29

3.2 Các ñặc tính cơ bản của EDFA 31

3.2.1 Nguồn bơm quang 31

3.3.2 Hệ số khuếch ñại 35

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

3.3 Bão hoà hệ số khuếch ñại 38

3.3.4 Hấp thụ và bức xạ giữa các phần 40

3.3.5 Các phương trình tốc ñộ hạt mang và khuếch ñại 41

3.3.6 ðộ ñài tối ưu của EDFA 43

3.3.7 Tạp âm và hệ số tạp âm 44

3.4 Các ứng dụng của EDFA 50

3.4.1 Bộ khuếch ñại công suất (BA-Hooster Amplifier) 50

3.4.2 Tiền khuếch ñại (PA: Pre-Amplifer) 51

3.4.3 Khuếch ñại ñường dây(La-Line Amplifier) 52

3.4.4 Lựa chọn hệ thống sử dụng EDFA 53

CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC PHI TUYẾN ðẾN CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 40 Gb/s VÀ GIẢI PHÁP BÙ TÁN SẮC 54

4.1 Ảnh hưởng của tán sắc ñến hệ thống 54

4.1.1 Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp) 54

4.1.2 Tán sắc giới hạn tốc ñộ truyền dẫn 56

4.1.3 Ảnh hưởng của chirp tần số 58

4.2 Các kỹ thuật bù tán sắc 58

4.2.1 Bù tán sắc bằng sùi tán sắc cao 60

4.2.2 Kỹ thuật bù trước 62

4.3 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến ñến hệ thống thông tin quang 64

4.3.1 Các hiệu ứng liên quan ñến hiệu ứng KERR 64

4.3.2 Các hiệu ứng liên quan ñến tán xạ 71

CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG 40Gb/s 75

5.1 Sơ lược về hệ thống 75

5.2 Phương pháp ñánh giá hoạt ñộng của hệ thống 76

5.3 Hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ trên tuyến có ñộ tán sắc ñược quản lý (DM line) 77

5.3.1 Giải pháp xung ổn ñịnh (DM soliton) 77

5.3.2 Các ñặc trưng truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s với giải pháp xung DM .81

5.4.Hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ với ñiều chế ñồng bộ thông thường 83

5.4.1.Cấu trúc hệ thống 40Gb/s sử dụng giải pháp ñiều chế ñồng bộ thông thường 83

5.4.2 ðặc trưng của hệ thống truyền dẫn 40Gb/s với ñiều chế ñồng bộ thông thường 85

5.5 Hệ thống truyền dẫn RZ 40Gb/s với ñiều chế ñồng bộ cải tiến 87

5.5.1 Cấu trúc của hệ thống 40Gb/s sử dụng công nghệ ñiều chế ñồng bộ cải tiến 87

5.5.2 ðặc trưng truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s với ñiều chế ñồng bộ cải tiến 88

CHƯƠNG 6: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC DẠNG ðIỀU CHẾ ðẾN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ðỘ CAO 92

6.1 Ảnh hưởng của các dạng ñiều chế trong các sợi quang khác nhau 92 6.1.1 Nguyên lý 92

6.1.2 Giản ñồ của hệ thống 92

6.1.3 Các kết quả mô phỏng 96

6.1.4 Tổng kết 99

6.2 Ảnh hưởng của dạng ñiều chế trên các hệ thống quang ñược quản lý tán sắc 100

6.2.2 Thiết lập hệ thống và mô hình toán học 100

6.2.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận 103

6.2.4 Ảnh hưởng của nhiễu ASE 105

CHƯƠNG 7: BÀI TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 108

7.1 Sơ ñồ thuật toán của chương trình 108

7.2 Các chức năng chính của phần mềm 108

7.3 Các form chính của phần mềm 109

7.4 Các hàm thiết kế chính 114

7.4.1 Hàm nhập thiết bị EDFA 114

7.4.4 Hàm mô phỏng hệ thống trình bày trong chương 6 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

CÁC TỪ VIẾT TẮT

APD : Avalanche Photodiode ASE : Amplified Spontaneous Emission

BA : Booster Amplifier BER : Bit Error Rate DFB : Distributed Feedback

DM : Dispersion Management DSF : Dispersion Shifted Fiber EDFA : Erbium Doped Fiber Amplifier ESA : Excited State Absorption FWHM : Full Width Half Max FWM : Four Wave Mixing GVD : Group Velocity Dispersion

O/E : Optical- Electric converter OEIC : Optoelectronic Intergrated Circuit

PA : Power Amplifier PMD : Polarization Mode Dispersion

PRBS : Psedo-Random Bit Sequences PIN : P type Intrinsic N type

SBS : Simulated Brilium Scanering SOA : Semiconductor Optical Amplifier SNR : Signal to Noise Rate

SMF : Single Mode Fiber SPM : Selfphase Modulation SRS : Stimulated Raman Scanering

RZ : Return to Zero WDM : Wevelength Division Multiplexing XPM : Cross Phase Modulation

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tán sắc của các loại sợi SMF DSF và NZ-DSF 4

Hình 1.2 Các ñặc tính suy hao theo bước sóng của sợi dẫn quang với các cơ chế 8

Hình 1.3 Sự suy hao do uốn cong thay ñổi theo bán kính R 9

Hình 1 4 Chỉ số chiết suất và chỉ số nhóm 11

Hình 1.5 Tham số b và các vi phân của nó d (Vb) và Vd2 thay ñổi theo V 12

Hình 1.6 Các loại tán sắc cho sợi ñơn mode M: tán sắc vật liệu G: tán sắc dẫn sóng; T: tán sắc tổng P: tán sắc do mặt cắt gây ra, R: tán sắc dư 12

Hình 1.7 Tán sắc phân cực mode trong sợi quang 15

Hình 2.1 Cấu trúc của DFB 19

Hình 2 2 Nguồn phát sử dụng kĩ thuật ñiều chế ngoài 20

Hình 2.3 Bộ ñiều chế Mach-zehnder 22

Hình 2.4 Sơ ñồ nguyên lý của một bộ biến ñiệu ñiện quang Mach-zehnder 22

Hình 2 5 Bộ ñiều chế âm quang 25

Hình 2.6 Cấu trúc bộ thu quang tổ hợp OEICs 27

Hình 3.1: Các cấu trúc cơ bản của bộ khuếch ñại quang EDFA 31

Hình 3.2: Các mức năng lượng trong EDFA 31

Hình 3.3 Giản ñồ năng lương của Er3+qe 32

Hình 3.4 Bơm 1540nm, do ảnh hưởng Stark nên xảy ra sự tách biệt trong mức cơ bản và mức gần ổn ñịnh ra nhiều mức nhỏ riêng biệt 33

Hình 3.5 Hai loại bơm (a)bơm dọc (b) bơm ngang 34

Hình 3.6 Tính năng của 3 phương thức bơm 35

Hình 3.7 Phổ khuếch ñại của EDFA ở bước sóng bơm 980nm 35

Hình 3.8 Quan hệ giữa hệ số khuếch ñai và nồng ñộ trộn Er3+ 36

Hình 3.9 miêu tả sự thay ñổi hệ số khuếch ñại, mức nhiễu, công suất bão hòa 37

Hình 3.10 ðặc tuyến vào ra của EDFA 39

Hình 3.11.Phổ hấp thụ của Er ở bước sóng 1540 nm 41

Hình 3.12 ñộ dài sợi EDF 43

Hình 3.13 Hàm mật ñộ phổ công suất của tạp âm ASE 47

Hình 3.14 Minh họa cách tính NF 48

Hình 3.15 Hệ số tạp âm của EDFA 49

Hình 3 16: Các ứng dụng của EDFA 50

Hình 4.1 Hệ số giãn xung phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn ñối với các xung Gaussian 55

Hình 4 2 Giới hạn tốc ñộ bít của sợi ñơn mode phụ thuộc vào cự ly 57

Hình 4.3 ðặc tính tán sắc của hai sợi DCF 61

Bảng 4.1 Thông số các sợi quang và sợi bù tương ứng 62

Hình 4.4 Sự phụ thuộc của FWM vào D trong sợi quang 68

Hình 4 5 Sự tương tác giữa photon và phonon quang 71

Hình 4 6 Hiện tượng Raman nghiêng 72

Hình 4 7 Phổ khuếch ñại Ra man của silic ở bước sóng bơm λ = µp 1 m 73

Hình 5.1 Cấu hình của hệ thống 40Gb/s RZ trên tuyến Dm gồm SMF và DCF 76

Hình 5 2 Sự phát triển của ñộ rộng xung quang phổ và Dchirp ñược ño tại EDFA (a) ðộ rộng phổ; (b) Dchirp 78

Hình 5 3: ðộ rộng phổ và Dchirp xung DM ñươc ño ở một EDFA như một hàm của năng lương xung 80

Hình 5.4: Khoảng cách truyền dẫn qua ñó hệ số Q>7 trong hệ thống 40Gb/s trong tuyến DM gồm SMF 82

Hình 5.5 Cấu trúc của hệ thống 40Gb/s RZ dùng công nghệ ñiều chế ñồng bộ ñội tuyến thông thường và cấu trúc cua bộ ñiều chế ñồng bộ 84

Hình 5.6 chỉ ra khoảng cách truyền dẫn cho hệ số Q >7 trong hệ thống 40Gb/s với sự ñiều chế ñồng thông thường như ñược chỉ ra ở hình 5.5 85

Hình 5.7 Dạng sóng của xung 86

Hình 5.8 Cấu trúc của hệ thống 40 Gb/s RZ sử dụng công nghệ ñiều chế ñồng bộ nội tuyến cải tiến 87

Hình.5.9 Khoảng cách truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s RZ với Q> 7 trên tuyến 88

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

Hình 5.10 Sự phát triển ñộ rộng xung, ñộ rộng phổ và Dchirp khi một xung ñơn ñược truyền trên tuyến DM với ñiều chế ñồng bộ cải tiến 89Hình 5.11 Sự phát triển dạng sóng của xung trên tuyến DM với ñiều chế ñồng bộ cái tiến (a)sự truyền dẫn xung ñơn; truyền dẫn 2 xung 90Hình 6.1 Mô tả hệ thống WDM 92Hình 6.2 Quản lý tán sắc trên mô phỏng 94Hình 6.3 NRZ trong các hệ thống 40 GHz; công suất trung bình mỗi kênh là 3dB 97Hình 6.4: CS-RZ trong các hệ thống 40GHz, công suất trung bình của mỗi kênh là 3dB 97Hình 6 5 Hệ thống 40 Gb/s NRZ-DPSK, công suất trung bình mỗi kênh là 0dBm 98Hình 6.6 Hệ thống 40 Gb/s RZ-DPSK~ công suất trung bình mỗi kênh là 0dB 99Hình 6.7 Sơ ñồ khối của hệ thống 101Hình 6.8 Quảng lý tán sắc trong mô phỏng 102Hình 6 9 EOP (eye-opening-penalty) dọc theo ñường truyền bao gồm cả SSMF và DCF) khi công suất vào trung bình tà 12dBm và mã hóa quang theo kiểu NRZ 103Hình 6.10 Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM thông qua công suất quang ñối với tốc ñộ dữ liệu 10 Gb/s .104Hình 6.11 Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM thông qua công suất quang ñối với tốc ñộ dữ liệu 40 Gb/s .105Hình 6.12: Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM thông qua công suất quang ở tốc ñộ dữ liệu 10Gb/s .106Hình 6.13 Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM thông qua công suất quang ở tốc ñộ dữ liệu 40 Gb/s ðường ñặc 107

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số loại sợi NZ-DSF 5

Bảng 3.1.So sánh các công nghệ ghép bước sóng: 34

Bảng 4.1 Thông số các sợi quang và sợi bù tương ứng 62

Bảng 6.1: Các thông số của hệ thống 95

Bảng 6 3: Các thông số của SSMF và DCF 101

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

LỜI NÓI ðẦU

Trong những năm vừa qua, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ ñiện tử- viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang ñã có những tiến bộ vượt bậc, giá thành không ngừng giảm xuống tạo ñiều kiện cho việc sử dụng ngày càng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực Hiện nay, hệ thống thông tin quang ñã nổi lên và là các hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất Trong tương lai, cáp sợi quang ñược sử dụng rộng rãi và là môi trường truyền dẫn lí tưởng Cảnh quang chung về mạng quang qua các giai ñoạn như sau:

Thế hệ quang thứ nhất ñược thương mại hóa từ năm 1980, hoạt ñộng ở bước sóng 800nm và sử dụng laser bán dẫn GaAs Tốc ñộ dữ liệu của hệ thống khoảng 45Mb/s với khoảng lặp là 10km

Thế hệ quang thứ 2 ñược thương mại hóa từ sau những năm 1980, hoạt ñộng ở bước sóng gần l.3µm, trong ñó suy hao quang <l dB/km và sợi quang có tán sắc nhỏ nhất trong vùng này Năm 1987, hệ thống truyền dẫn quang thế hệ 2 ñã có tốc ñộ bít 1.7 Gb/s và khoảng lặp 50km

Hệ thống quang thế hệ 3 có tốc ñộ bít 2.5Gb/s và ñược thương mại hóa từ năm

1990 Nó ñược biết ñến với sợi quang silic có suy hao tối thiểu (0.2-dB/km) ở gần bước sóng 1550nm Không may là sợi quang lại có tán sắc lớn ở vùng bước sóng 1550nm ðể giải quyết vấn ñề này, người ta ñã ñưa ra loại sợi quang tán sắc dịch chuyển và laser ñơn mo de dọc Mặt hạn chế của mạng quang thế hệ 3 là tín hiệu phải ñược phát lại một cách tuần hoàn bằng ñiện khi qua các bộ lặp với khoảng cách lặp tiêu biểu là 60-70km

Việc sử dụng EDFA và WDM là một ñặc ñiểm nổi bật của mạng quang thế hệ thứ 4 ñược phát triển từ những năm 1985 và ñược thương mại hóa từ năm 1990 EDFA làm cho cho tín hiệu quang có thể truyền tới khoảng cách hàng nghìn tìm mà không cần sử dụng bộ tái tạo ñiện Việc phát minh ra kỹ thuật WDM ñã mở ra một cuộc cách mạng về dung lượng truyền dẫn quang Thời gian này, người ta ñã có thể truyền qua khoảng cách 11.300km sử dụng cáp quang vượt biển ở tốc ñộ dữ liệu 5Gb/s

Mạng quang thế hệ tiếp theo, thế hệ 5, hệ thống quang lại tiếp tục phát triển và tập trung vào 2 nội dung chính sau Một là ñể tăng bước sóng ñến dải L (1570nm 1610nm) và dải S (1485nm - 1520nm) ñể tăng số kênh WDM Hiện nay, hệ thống sóng quang ñược hoạt ñộng ở cửa sổ bước sóng truyền thống là dải C (1530nm - 1565nm) Hai là tập trung vào việc tăng tốc ñộ dữ liệu của mỗi kênh Rất nhiều thí

nghiệm ñã thành công ở tốc ñộ 10 Gb/s và 40 Gb/s từ năm 2000 Ở tốc ñộ cao như thế, việc quản lý bù tán sắc và chống lại các hiệu ứng phi tuyến như SPM, XPM và FWM

là rất quan trọng

Luận văn sẽ trình bày một số nội dung liên quan ñến hệ thống truyền dẫn tốc ñộ cao, ñặc biệt là hệ thống truyền dẫn quang 40 Gb/s Cụ thể như sau:

Chương 1: Sợi dẫn quang dùng trong hệ thống quang tốc ñộ cao

Chương 2: Nguồn phát và nguồn thu quang trong hệ thống quang tốc ñộ cao Chương 3: Khuếch ñại quang sợi EDFA dùng trong hệ thống quang tốc ñộ

Chương 4: Ảnh hưởng của tán sắc phi tuyến ñến chất lượng của hệ thống thông

tin quang 40 Gb/s và giải pháp bù tán sắc

Chương 5: Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

Chương 6: Ảnh hưởng của các dạng ñiều chế ñến hệ thống truyền dẫn quang tốc

ñộ cao

Chương 7: Bài toán mô phỏng hệ thống truyền dẫn quang

Mặc dù ñã có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành ñề tài song do trình ñộ và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận ñược ý kiến ñóng góp quý báu của các thầy cô giáo, chuyên gia chuyên nghành, ñồng nghiệp

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

CHƯƠNG 1 SỢI DẪN QUANG DÙNG TRONG HỆ THỐNG

QUANG TỐC ðỘ CAO

1.1 Các sợi quang ñơn mode dùng trong hệ thống quang tốc ñộ cao

Khi phân tích các sợi quang ta thấy rằng sợi ñơn mode có suy hao nhỏ và có băng tần rất lớn ðiều ñó khẳng ñịnh vai trò và năng lực của nó trong mạng viễn thông hiện ñại

và trong tương lai Tuy nhiên ñể nâng cao hơn nữa khả năng sửdụng sợi ñơn mode thông thường người ta tiếp tục thay ñổi một số tham số trong cấu trúc sợi này Nhờ tối ưu hoá sợi ñơn mode, công nghệ quang sợi ñã cho ra ñã cho ra ñời một loại sợi mới có suy hao rất nhỏ, có chất lượng truyền dẫn tốt hơn, tích băng tần cự li lớn và có tuổi thọ cao sẽ ñáp ứng ñược yêu cầu cao của những hệ thống truyền dẫn tốc ñộ cao

Có thể nhận thấy rằng có thể tạo ñược các loại sợi quang dẫn mới khi thay ñổi mặt cắt chỉ số chiết suất của lõi sợi Cho tới nay người ta ñã thiết kế và chế tạo hai loại sợi quang mới dùng khá hiệu quả trong các hệ thống thông tin quang dựa theo nguyên tắc trên, ñó là sợi quang ñơn mode tán sắc dịch chuyển DSF (Dispertion-shifted Fiber)

và sợi ñơn mode tán sắc dịch chuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyển khác không NZ-DSF(Non-zero Dispersion-Shifted Fiber)

Sợi DSF là sợi quang ñơn mode có bước sóng λο nằm trong vùng bước sóng bước sóng 1550 nm (1525nm- 1575nm) mà tại ñó giá trị tán sắc bằng không, và sợi này ñược sử dụng tối ưu cho các bước sông nằm xung quanh 1550nm Do sợi quang ñơn mode DSF có

cả suy hao nhỏ giống như sợi ñơn mode SMF thông thường và tán sắc cũng nhỏ cho nên rất

có hiệu quả trong việc ứng dụng vào các hệ thống thông tin quang hoạt ñộng ở vùng bước sóng 1550nm hoặc là các hệ thống sử dụng khuyếch ñại quang sợi pha tạp Erbium EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier), trong ñó hiệu quả nhất là ñối với các hệ thống ñơn kênh quang.Như vậy, nhờ loại sợi này mà ta có thể xây dựng ñược các hệ thống thông tin quang có tốc ñộ cao, cự ly xa chẳng hạn như các hệ thống thông tin cáp quang biển

Sợi NZ-DSF là sợi quang ñơn mode có giá trị tán sắc mà giá trị tuyệt ñối của nó nhỏ nhưng không bằng không trong vùng bước sóng 1550nm, bước sóng mà tại ñó tán sắc bằng không nằm ở ngoài vùng bước sóng 1500nm - 1600nm Sợi này ñược coi là ưu trong các hệ thống thông tin quang hoạt ñộng tại các bước sóng nằm trong vùng bước sóng 1500nm- 1600nm, khi kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng trên 1 sợi quang, lúc này

phi tuyến của sợi quang lại cần phải xem xét kĩ lưỡng đáp ứng phi tuyến này gây ra thêm một loạt các hiệu ứng phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn sóng FWM(Four Wave Mixing),

tự ựiều chế pha SPM(Self Pha se Modulation) Trong các hiệu ứng này, hiệu ứng FWM gây ra nhiều phức tạp hơn cả Do hiệu suất của hiệu ứng FWM phụ thuộc vào tán sắc của sợi quang cho nên sợi tán sắc dịch chuyển DSF không thắch hợp với các hệ thống WDM

có dung lượng vả cự ly xa Sự ra ựời của sợi NZ-DSF vào năm 1994 ựã giải quyết ựược vấn ựề này đặc tắnh suy hao của sợi này tương tự như sợi ựơn mode thông thường SMF, nhưng ựiểm nổi bật của nó là có tán sắc nhỏ nhưng khác không với giá trị tiêu biểu là 0,lps/km.nm≤ Dmin ≤Dmax≤6 ps/km nm trong vùng bước sóng 1530nm- 1565nm

Có hai loại sợi NZ-DSF Loại sợi +NZ-DSF có ựiểm tán sắc bằng không nằm ở vùng bước sóng < 1500nm như ựược thể hiện trong hình 2.4 Loại sợi -NZ- DSF có ựiểm tán sắc bằng không nằm ở vùng bước sóng > 1600nm Ngoài ra còn có loại sợi NZ-DSF có hai ựiểm tán sắc bằng không thuộc loại sợi tán sắc phẳng

Hình 1.1 Tán sắc của các loại sợi SMF DSF và NZ-DSF

Ngoài các ưu ựiểm về suy hao và tán sắc như ựã phân tắch ở trên, sợi NZ-DSF còn có các ựặc ựiểm rất mạnh khác như khả năng giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến và giảm tán sắc phân cục mode Nhìn chung các sợi quang ựược thiết kế ựể dịch chuyển tán sắc thường có diện tắch hiệu dụng Aeff khoảng 50-60 2

m

ộ Trong khi

ựó ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến tại tỉ lệ nghịch với Aeff ựối với các hiệu ứng tán xạ Brillouin ựược kắch thắch SBS(Stimulated Brillouin Scanering), tán xạ Raman ựược kắch thắch SRS (Stimulate Raman Scattering), SPM, FWM Còn các ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến lại tỉ lệ nghịch với (Aeff)2 ựối với hiệu ứng XPM Do ựó ựể giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến thì phải tăng diện tắch hiệu dụng của sợi

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

Các sợi NZ-DSF ñã sử dụng cơ chế này ñể nâng cao năng lực ứng dụng của chúng Cũng vì vậy mà sợi quang cho phép có thể tiếp nhận công suất tín hiệu quang lớn hơn

và làm cự ly truyền dẫn càng dài thêm, làm giảm tổng số thiết bị sử dụng trên tuyến Hiện nay ñã có 1 số sợi tiên tiến thuộc loại NZ-DSF ra ñời Tiêu biểu là sợi NZ-DSF của Corning có tên là SMF-LS ra ñời năm 1997, LEAF ra ñời năm 1998 Lucent thì sản xuất sợi sợi Trực wave RS.Và ñặc biệt Alcatel cho ra ñời sợi Teralight năm

1999, tiếp ñó Teralight me tro và terạlight Ultra, những loại cáp này hoàn toàn phù hợp với hệ thống tốc ñộ cao 40Gb/s

Như vậy có thể thấy rằng loại sợi tán sắc dịch chuyển DSF ra ñời với mục ñích dịch chuyển vùng tán sắc tối ưu của sợi ñơn mode tiêu chuẩn SMF về vùng bước sóng 1550nm, còn sợi NZ-DSF tiếp tục hợp lý hoá sợi DSF ñể trở thành sợi có khả năng hạn chế hiệu ứng phi tuyến mà tiêu biểu là giảm FWM, ñể ứng dụng hiệu quả cho các hệ thống WDM mà vẫn ñảm bảo cự ly truyền dẫn dài Về ñặc tính suy hao của cả ba loại sợi SMF, DSF, NZ-DSF nhìn chung ñều giống như nhau Tuy nhiên chỉ có tán sắc CD và tán sắc PMD là có sự khác nhau Từ các ñặc tính của các loại sợi như vậy cho nên nếu sử dụng chúng phù hợp trong từng ứng dụng cụ thể sẽ có rất nhiều hiệu quả cả về mặt kỹ thuật và kinh tế

Bảng 1.1 Một số loại sợi NZ-DSF

NS-DSF

Submarine SMF-LS NS-DSF

Enhanced

Teralight ultra

ðường kính vỏ phản xạ, m µ 125, 0 1 ± 125,0 1 ± 125,0 1 ± 125,0 1 ± 125,0 1 ± ðường kính vỏ phản xạ,

1.2 Suy hao tín hiệu truyền trong sợi quang

Việc truyền tín hiệu từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu, ñây là hai yếu tố quan trọng, nó tác ñộng vào toàn bộ quá trình thông tin, ñịnh cỡ về khoảng cách

và tốc ñộ tuyến truyền dẫn cũng như xác ñịnh cấu hình của hệ thống thông tin quang

Sự suy hao trong sợi quang dẫn ñến việc giảm công suất tín hiệu khi lan truyền

qua một khoảng cách nào ñó ðể xác ñịnh khoảng cách lớn nhất mà một tín hiệu có

thể truyền ñối với một công suất phía phát ñưa ra và ñộ nhạy máy thu thì phải xét tới

sự suy giảm tín hiệu ðộ nhạy của máy thu là công suất nhỏ nhất mà máy thu yêu cầu

ñể nhận ñược tín hiệu Gọi P(L) là công suất của xung quang, L là khoảng cách (tìm)

từ ñầu phía phát và A là hệ số suy giảm của sợi(db/km) Sự suy giảm ñược ñặc trưng bởi phương trình:

Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang và sợi quang, giữa sợi quang và sợi quang và giữa sợi quang với ñầu thu quang cũng có thể coi

là suy hao trên tuyến truyền dẫn Quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi do ñó có thể làm giảm chúng bằng nhiêu biện pháp khác nhau Vấn ñề ta xét ở ñây là suy hao bản chất ở bên trong sợi Trong quá trình truyền ánh sáng bản thân sợi dẫn quang cũng có suy hao và làm cho tín hiệu bị yếu ñi khi qua một cự ly lan truyền ánh sáng nào ñó Cơ chế suy hao cơ bản trong sợi quang là suy hao do hấp thụ, do tán xạ hay do bức xạ năng lượng ánh sáng Trong các suy hao trên, suy hao do hấp thụ có liên quan tới vật liệu sợi bao gồm hấp thụ

do tạp chất hấp thụ vật liệu và hấp thụ ñiện, còn suy hao do tán xạ có liên quan tới cả vật liệu sợi và tính không hoàn hảo về cấu trúc sợi Còn suy hao bức xạ là do tính xáo trộn về hình học của sợi gây ra

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

Từ phương trình trên ta có suy hao là ( )

10 r

P 010

1.2.1 Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang

Hấp thụ ánh sáng trong sợi dẫn quang là yếu tố quan trọng trong việc tạo nên bản

chất suy hao của sợi quang Hấp thụ này sinh do 3 cơ chế sau:

Hấp thụ do tạp chất: Nhân tố hấp thụ nổi trội trong sợi dẫn quang là sự có mặt

của tạp chất có trong vật liệu sợi Trong thuỷ tinh thông thường, các tạp chất như nước

và con kim loại chuyển tiếp ñã làm tăng ñặc tính suy hao, ñó là các ion sắt, crôm, coban, ñồng và các ion nước OH Sự có mặt của tạp chất này làm cho suy hao ñạt tới giá trị rất lớn, nếu sợi làm bằng thuỷ tinh như các lăng kính thông thường thì suy hao lên tới vài nghìn dB/km Các sợi dẫn quang trước ñây với lượng tạp chất từ 1 ñến 10 phần tỷ(ppb) có suy hao vào khoảng 1 ñến 10 db/km Sự có mặt của các phân tử nước

ñã làm cho suy hao trội hẳn lên Liên kết OH hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoảng 2,7 mµ và cùng với tác ñộng qua lại của cộng hưởng silic, nó tạo ra các ñỉnh hấp thụ ở

1400, 950 và 750nm Giữa các ñỉnh này có các vùng suy hao thấp ñó là các cửa sổ truyền dẫn 850nm, 1300nm và 1550nm mà các hệ thống thông tin ñã sử dụng ñể truyền ánh sáng

Hấp thụ vật liệu: Có thể thấy rằng hoạt ñộng ở bước sóng dài hơn sẽ cho suy hao

nhỏ hơn Nhưng các liên kết nguyên tử lại có liên quan tới vật liệu và sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài, trường hợp này gọi là hấp thụ vật liệu Mặc dù các bước sóng

cơ bản của các liên kết hấp thụ nằm bên ngoài vùng bước sóng sử dụng, nhưng ñuôi hấp thụ của nó vẫn có ảnh hưởng, và ở ñây nó kẻo cho tới vùng bước sóng 1550nm làm cho vùng bước sóng này không giảm suy hao một cách ñáng kể

Hấp thụ ñiện tử: Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích

thích các ñiện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn Lúc này bờ cực tím của các dải hấp thụ ñiện tử của cả hai vật liệu không kết tinh và kết tinh có quan hệ sau ñây:

Hình 1.2 Các ựặc tắnh suy hao theo bước sóng của sợi dẫn quang với các cơ chế

1 2.2 Suy hao do tán xạ

Suy hao tán xạ trong sợi dẫn quang là do tắnh không ựồng ựều rất nhỏ của lõi sợi gây ra đó là do có những thay ựổi rất nhỏ trong vật liệu, tắnh không ựồng ựều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi Như vậy trong câu trúc lõi sợi

sẽ bao gồm cả mật ựộ phân tử cao hơn và mật ựộ phân tử thấp hơn mật ựộ trung bình Ngoài ra, do thuỷ tinh ựược chế tạo từ vài loại oxit như SIO2 GeO2 và P2O5 Cho nên sự thay ựổi thành phần vẫn có thể xảy ra Hai yếu tố này làm tăng sự thay ựổi chiết suất, chúng tạo ra tán xạ ánh sáng gọi là tán xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh chỉ có ý nghĩa khi bước sóng của ánh sáng cùng cấp với kắch thước của cơ cấu tán xạ Thực tế thì suy hao này làm giảm ựi 1/4 công suất của bước sóng

đối với thuỷ tinh thuần khiết: 3( )

2 2 scat 4 B f T

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

ñược, do ñó phải qua số liệu tán xạ thực nghiệm mới biết ñược Do tán xạ Rayleigh phụ thuộc theo λ nên nó giảm mạnh theo chiều tăng của bước sóng Giá trị suy hao − 4

này ñáng kể ở vùng bước sóng dưới làm

1.2.3 Suy hao uốn cong sợi

-Vi uốn cong: khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy

hao sợi cũng tăng lên Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi ñi qua những chỗ uốn cong ñó Một cách chính xác hơn, sự phân bố trường bị xáo trộn khi ñi qua những chỗ vi uốn cong và dẫn ñến sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi

ðặc biệt sợi ñơn mode rất nhạy cảm với những chỗ vi uốn cong, nhất là về phía bước sóng dài

-Uốn cong khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng

tăng Dĩ nhiên không thể tránh khỏi việc uốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo và lắp ñặt Song nếu giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính tối thiểu cho phép thì suy hao do uốn cong không ñáng kể Bán kính uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất

ñề nghị thông thường từ 30mm ñến 50 mm

Hình 1.3 Sự suy hao do uốn cong thay ñổi theo bán kính R

1.3 Tán sắc tín hiệu truyền trong sợi quang

Khi ánh sáng truyền lan trong sợi dẫn quang, hiện tượng làm cho các xung ánh sáng phát dọc theo sợi bị rộng ra ñược gọi là tán sắc ánh sáng Các xung lân cận bị dãn

ra tới một mức ñộ nào ñó sẽ phủ chùm lên nhau, lúc ñó việc thu và tách các xung này

ra ở ñầu thu sẽ gặp nhiều khó khăn Tín hiệu thu ñược sẽ sai lệch ñi và dẫn tới lỗi bit (BER) Vì vậy tán sắc sẽ hạn chế cự ly ñường truyền L (km) cũng như tốc ñộ truyền dẫn Bị (Gb/s)

Tín hiệu truyền dọc theo sợi dẫn sẽ bị méo Hiện tượng méo này là do tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra Các hiệu ứng tán sắc ở ñây ñược giải thích nhờ việc khảo sát trạng thái các vận tốc nhóm của các mode truyền dẫn, mà

ở ñây vận tốc nhóm là tốc ñộ mà tại ñó năng lượng ở trong các mode riêng biệt lan truyền dọc theo sợi Tán sắc bên trong mode là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở trong một mode Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước sóng cho nên ảnh hưởng của nó tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của ñộ rộng phổ nguồn phát ðộ rộng phổ là dải bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó ðộ dãn xung có thể ñược mô tả bằng công thức như sau:

n s

dL

Tán sắc vật liệu xuất hiện là do chỉ số chiết suất của thuỷ tinh, loại vật liệu dùng

ñể chế tạo ra sợi quang và những thay ñổi của chúng theo tần số sợi quang Có thể viết tán sắc vật liệu như sau:

n 2g : chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi

Nguồn gốc của tán sắc vật liệu có liên quan tới ñặc tính tần số cộng hưởng mà tại

ñó vật liệu sẽ hấp thụ sự phát xạ ñiện tử Chỉ số chiết suất của lõi và vỏ sợi ñược làm xấp xỉ bằng phương trình Sellmeier và ñược tính chung bằng công thức sau:

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

kích tạp và ñược xếp thành vài loại sợi

Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay ñổi theo bước sóng ñã gây ra tán sắc vật liệu Tán sắc vật liệu DM có ràng buộc với ñường bao của ng bằng ñẳng thức:

g M

dn1

ZD

λ =1,276 mµ chỉ là ñối với sợi thủy tinh thuần khiết Giá trị này có thể thay ñổi trong dải từ 1,27 - 1,29 mµ ñối với các sợi quang có lõi và vỏ ñược pha tạp ñể thay ñổi chỉ số chiết suất Bước sóng có tán sắc bằng không cũng phụ thuộc vào bán kính lõi a và bậc chỉ số ∆ thông qua phần dẫn sóng cho tán sắc tổng

1.3.2 Tán sắc dẫn sóng

Tán sắc dẫn sóng Dw là một thành phần ñóng góp vào tham số tán sắc tổng, nó phụ thuộc vào tần số chuẩn hoá V của sợi quang và ñược viết như sau:

Hình 1.5 Tham số b và các vi phân của nó d (Vb) và Vd 2 thay ñổi theo V

n2g: Chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi

b: Hằng số lan truyền chuẩn

Hình 1.5 chỉ ra d(Vb)dV và Vd2(Vb)dv2 thay ñổi theo V Do cả hai ñạo hàm là dương nên Dw là âm trong toàn bộ vùng bước sóng 0 1,6 m÷ µ ðiều này khác nhiều so với tán sắc

vật liệu DM có cả giá trị tương ứng với bước sóng ở thấp hơn hay cao hơn λ ZD

Hình 1.6 Các loại tán sắc cho sợi ñơn mode M: tán sắc vật liệu G: tán sắc dẫn sóng; T: tán sắc tổng P: tán sắc do mặt cắt gây ra, R: tán sắc dư

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

Hình 1.6 mô tả các tán sắc Dw, DM và tán sắc tổng D= DW+DM cho sợi quang ñơn mode tiêu biểu Tác ñộng chính của tán sắc dẫn sóng là ñể dịch bước sóng λ ñi một ZDmột lượng 30-40nm nhằm ñể thu ñược tán sắc tổng D bằng không tại gần 1310nm Nó cũng làm giảm D từ giá trị tán sắc vật liệu DM trong vùng bước sông 1,3 - 1,6 mµ nơi rất hấp dẫn cho các hệ thống thông tin quang Giá trị tiêu biểu của tham số tán sắc D nằm trong dải 15÷ 20ps/km.nm ở gần bước sóng 1,55 mµ Vùng bước sóng này ñang ñược

quan tâm rất nhiều vì có suy hao sợi nhỏ nhất Khi giá trị tán sắc D cao sẽ làm hạn chế ñặc tính của các hệ thống thông tin quang hoạt ñộng ở vùng bước sóng 1550nm

1.3.3 Tán sắc vận tốc nhóm

Vận tốc nhóm kết hợp với mode cơ bản là một ñặc trưng phụ thuộc tần số Vì vậy

mà các thành phần phổ khác nhau của xung sẽ lan truyền với các vận tốc nhóm hơi khác nhau, hiện tượng này ñược gọi là tán sắc vận tốc nhóm GVD(Group-Velocity Dispersion), tán sắc bên trong mode

Xét một sợi quang ñơn mode có ñộ dài L Nguồn phát có thành phần phổ ñặc trưng tại tần số ωsẽ ñi từ ñầu vào tới ñầu ra của sợi sau một thời gian trễ T = L/vg với

vg là vận tốc nhóm ñược xác ñịnh:

1 g

dvd

2

2 2

Tham số tán sắc D có thể thay ñổi ñáng kể khi bước sóng hoạt ñộng chệch khỏi vùng 1310nm Sự phụ thuộc của D vào bước sóng hoạt ñộng chi phối từ sự phụ thuộc vào tần số của chỉ số moden D có thể ñược viết như sau:

DM: tán sắc Vật Vật liệu Dw : tán sắc dẫn sóng

Trong thực tế hai cơ chế này có mối quan hệ phức tạp vì các ñặc tính tán sắc của

chỉ số khúc xạ cũng ảnh hưởng gây hiệu ứng tán sắc ống dẫn sóng Tuy vậy một cuộc

khảo sát về sự phụ thuộc lẫn nhau giữa tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng ñã cho thấy rằng nếu một giá trị rất chính xác không ñạt ñược thì có thể tính ñược tổng tán sắc nội phần tử bằng cách tính hiệu ứng sự méo tín hiệu phát sinh do một loại tán sắc khi không có loại tán sắc khác và sau ñó cộng các kết quả này với nhau

1.3.4 Tán sắc bậc cao

Theo phân tích ở trên thì có thể thấy rằng tích BL của sợi quang ñơn mode có thể tăng vô hạn khi hệ thống hoạt ñộng tại bước sóng có tán sắc bằng không λZD Tuy nhiên các hiệu ứng phân tán vẫn không hoàn toàn mất ñi tại λ = λZD các Xung quang vẫn phải chịu sự dãn do các hiệu ứng phân tán bậc cao hơn ðặc trưng này có thể hiểu rằng tán sắc D không ñạt ñược giá trị bằng không tại tất cả các bước sóng ñược chứa ñựng trong phổ có tâm tại λZD Các hiệu ứng phân tán bậc cao hơn ñược cho bởi ñường bao tán sắc ñược viết như sau:

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

S: Tham số tán sắc bậc 2

Ở ñây β = β3 d, 2 / dω =d , / d3 β ω3 Tại λ = λZD,β =2 0và S tỉ lệ với β3 ðối với nguồn phát có ñộ rộng phố nhỏ, giá trị hiệu dụng của tham số tán sắc trở thành D=S∆λ tích BL có thể ñược xác ñịnh bằng biểu thức: BL S( )∆λ <1

1.3.5.Tán sắc phân cực mode

Tán sắc phân cực mode là hệ số cần ñược quan tâm ở hệ thống truyền dẫn ñường dài tốc ñộ 40Gb/s Tán sắc phân cực mode PMD(Polarization-mode dispersion) là một ñặc tính cơ bản của sợi quang và các thành phần sợi quang ñơn mode trong ñó năng lượng tín hiệu tại bước sóng ñã cho ñược chuyên vào hai mode phân cực trực giao có vận tốc lan truyền hơi khác nhau Tán sắc phân cực mode sẽ gây ra sự xuống cấp ñặc tính dung lượng một cách nghiêm trọng

Khi sợi quang ñối xứng tròn và có một vài thay ñổi có tính ñối xứng trong khi chế tạo sợi quang ở mức ñộ nhỏ ðiều này gây ra kết quả là trạng thái truyền lan của tín hiệu quang sẽ bị kích thích khi nó lan truyền dọc theo sợi và sự chênh lệch về trễ nhóm sẽ tồn tại dưới hai trạng thái truyền lan của sợi ñơn mode ñược gọi là tán sắc

phân cực mode PMD

Hình 1.7 Tán sắc phân cực mode trong sợi quang

Thời gian trễ giữa hai thành phần trực giao trong khi truyền xung với sợi quang

Công thức trên không thể sử dụng trực tiếp xác ñịnh PMD cho sợi quang vì kết hợp của hai mode là ngẫu nhiên Vì vậy cần phải sử dụng một công thức khác ñể xác ñịnh PMD:

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

CHƯƠNG 2 NGUỒN PHÁT VÀ NGUỒN THU QUANG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ðỘ CAO

2.1 Nguồn phát quang dùng cho hệ thống 40Gbit/s

Nguồn phát là một trong những thiết bị quan trọng nhất trong mạng truyền dẫn quang ðặc biệt ñối với mạng truyền dẫn quang tốc ñộ 40Gbit/s ñòi hỏi phải có nguồn phát có thông số vượt trội, thoả mãn ñược yêu cầu của hệ thống Một số ñiều kiện ñược cân nhắc khi ñưa ra quyết ñịnh lựa chọn nguồn phát cho hệ thống quang sợi là:

- ðơn mode: Vì các lý do không tốt do các nguồn quang ña mode mang lại, rất nhiều laser ñơn mode ñược chế tạo như laser phản hồi phân phối (DFB) và laser phản

xạ Bragg phân phối

Nhiễu thấp: Có nhiều loại nhiễu trong thông tin quang như nhiễu pha, nhiễu cường ñộ

và nhiễu mode Nhiễu thấp rất quan trọng ñể giảm hệ số BER trong thông tin

- Phổ hẹp: Phổ hẹp sẽ làm giảm nhiễu pha, từ ñó dẫn ñến giảm hiện tượng giãn xung ánh sáng do ñó tăng ñược tốc ñộ truyền

- Công suất ra lớn: Công suất ra lớn làm tăng tỷ số (tín hiệu/tạp âm) và cho phép truyền ñược cự ly xa hơn ðể có ñược công suất cao, nguồn quang phải ñược thiết kế

ñể có hiệu suất ghép cao

- Dòng ngưỡng nhỏ: ðối với diode laser, hiện tượng laser chỉ xảy ra khi dòng thiên áp lớn hơn một giá trị mến gọi là dòng ngưỡng

Bước sóng: Các sóng ánh sáng tại các bước sóng khác nhau sẽ có các ñặc tính lan truyền khác nhau

- ðộ rộng phổ ñiều chế lớn: Trong thông tin quang có hai phương pháp ñiều chế: ñiều chế trực tiếp và ñiều chế ngoài Với mạng tốc ñộ cao phải thực hiện phương pháp ñiều chế ngoài

- ðộ giãn phổ nhỏ: Giãn phổ là do chiết suất khúc xạ ánh sáng của nguồn quang Phổ lớn sẽ làm tăng hiện tượng tán xạ xung nên cần phải hạn chế nó

ðộ tuyến tính: ðối với thông tin tương tự, ñộ méo tín hiệu do sự không tuyến tính của nguồn sáng cần ñược giảm thiểu ðộ không tuyến tính sẽ gây ra hiện tượng sóng hài và xuyên âm

- ðộ ñiều chỉnh ñược: ðối với các ứng dụng như ghép kênh theo bước sóng, khả năng ñiều chỉnh ñược bước sóng của diode laser là rất cần thiết Một diode laser ñiều

chỉnh ñược cô hai ñầu mối hoặc nhiều hơn cho phép người sử dụng ñiều chỉnh bước sóng ra Một diode laser ñiều chỉnh ñược gọi là tôi cần có vùng ñiều chỉnh tới vài nghìn GHZ

Tại thời ñiểm hiện nay, ñể ñáp ứng ñược yêu cầu của mạng truyền dẫn tốc ñộ cao

có một số loại laser ñơn mode, ñiển hình là laser DFB (Distribution feedback)

2.1.1 Laser phản hồi phân tán DFB

Mặc dù có công nghệ phức tạp nhưng laser DFB vẫn thường ñược sử dụng vì chúng thoả mãn ñược những yêu cầu cao về kĩ thuật ðặc ñiểm nổi bật của laser bán dẫn là thiết lập ñược sự cân bằng về tốc ñộ, khống chế ñược sự tương tác giữa photon

và ñiện tử trong vùng tích cực Khi dòng thiên áp nhỏ, bức xạ kích thích ñều bị hấp thụ hết, lúc này ở ñầu ra chỉ có bức xạ tự phát, phổ của bức xạ này rộng Cần phải ñiều chỉnh làm hẹp phổ ñầu ra, ñiều này ñược thực hiện bằng cách tăng dòng thiên áp tới một mức nào ñó, gọi là dòng ngưỡng

Dòng ngưỡng ñược xác ñịnh như sau:

τ : thời gian sống của photon (3.10-12)

N0: mật ñộ hạt mang ở trạng thái trong suốt (1012).Γ: hệ số giam quang (0,4)

a0: hệ số tăng ích (3,2.10-20) Vg: vận tốc nhóm (7,5.107)

DFB laser có một ñặc tính ñộc nhất ñược tạo thành từ cấu trúc của cách tử bên trong là có ñộ rộng tia hẹp, ñiều này làm cho băng tần truyền dẫn lớn hơn, làm giảm sự ảnh hưởng của nhiệt ñộ so với các loại diode laser bán dẫn khác

Cách tử làm ổn ñịnh bước sóng ñầu ra, sự thay ñổi nhiệt ñộ làm biến ñổi chỉ số chiết suất dẫn ñến bước sóng sẽ bị thay ñổi Laser có sự ổn ñịnh lớn hơn từ 3-5 lần so với diode laser thông thường, tỉ lệ là 0,lnm/0C Laser DFB cũng có ñáp ứng tuyến tính hơn so với các loại khác Chính vì những lý do trên khiến cho laser DFB ñã ñược sử dụng làm nguồn phát trong hệ thống truyền dẫn tốc ñộ cao 40Gb/s

Hình dưới ñây mô tả cấu trúc Laser DFB

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

Hình 2.1 Cấu trúc của DFB

Laser DFB:Dùng kiểu phản xạ Bragg ñể khử các mode không mong muốn Nguyên tắc của laser DFB gồm có sự hợp thành của cấu trúc gấp nếp (cách tử nhiễu xạ) dọc theo hố có bề mặt phủ một lớp chống phản xạ, như trong hình trên

Sự thay ñổi có chu kỳ của chỉ số khúc xạ hiệu dụng dọc theo hướng truyền sóng xuất hiện hồi tiếp ánh sáng do hiện tượng nhiễu xạ Bragg Do vậy ngược với các laser

FP thông thường thì hồi tiếp trong laser DFB không chỉ hạn chế tại bề mặt mà còn phân bổ dọc theo toàn hốc

Hồi tiếp chỉ xảy ra ñối với bước sóng λB thoả mãn ñiều kiện Bragg:

( )

n B

2

A 2.2m

λ =với A: chu kỳ cách tử, m: số nguyên cho biết bậc của nhiễu xạ Bragg,

n: chỉ số khúc xạ hiệu dụng của môi trường nếp gấp

Hồi tiếp mạnh nhất chỉ xảy ra ñối với nhiễu xạ Bragg bậc 1 (m=l) Vì vậy ñối với laser DFB hoạt ñộng tại bước sóng 1550 nm, thì (2.2) cho ta biết rằng A phải nhỏ bằng

≈ 230 nm (n=3,4) Có thể tạo thành cách tử như thế bằng cách dùng kỹ thuật hôlôgrafic dựa trên sự cán quang hoặc dùng kỹ thuật in thạch bản tin ñiện

DFB cho thấy sự nổi bật về mật ñộ ổn ñịnh và tỷ lệ nén mode biên (SMSR).Hiện nay cấu trúc tốt nhất cho sự hoạt ñộng ñơn mode ổn ñịnh là laser DFB dịch một phần

tư sóng, trong ñó cách tử dịch ñược một khoảng λn / 4 ở giữa hốc (cấu trúc như vậy cho giá trị SMSR ñiển hình khoảng 30dB)

2.1.2 Phương thức ñiều chế nguồn phát hệ thống 40Gb/s

ðối với các hệ thống tốc ñộ l0Gb/s trở lên người ta sử dụng nguồn ñiều chế ngoài Vì vậy, ñối với mạng truyền dẫn quang tốc ñộ 40Gb/s, nguồn phát ñược sử dụng là nguồn phát ñược ñiều chế ngoài

Nguồn phát trong hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ñiều chế ngoài bao gồm các phần tử chính là: Bộ tạo xung, bộ ñiều chế xung mã, laser, bộ ñiều chế ngoài, các bộ lọc quang và ñiện Sơ ñồ khối nguyên lí của nguồn phát ñược biểu diễn trên hình 2.2:

Hình 2 2 Nguồn phát sử dụng kĩ thuật ñiều chế ngoài

ðể tránh các hiện tượng chirping và phân chia mode không mong muốn luôn xay

ra ñối với các bộ phát sử dụng kĩ thuật ñiều chế trực tiếp thì kĩ thuật ñiều chế ngoài là một phương pháp thay thế hết sức hiệu quả Cấu trúc cơ bản của một bộ ñiều chế ngoài thông thường bao gồm một ống dẫn sóng quang có chiết suất phần dẫn quang có thể thay ñổi ñược thông qua một sông mang chứa thông tin cần truyền tải Dựa trên cách thức biến ñổi chiết suất môi trường dẫn sóng, người ta chia các bộ ñiều chế ngoài làm hai loại là ñiều chế ñiện quang (EO) và ñiều chế âm quang (AO) tuỳ thuộc vào tín hiệu ñưa vào thay ñổi chiết suất môi trường, là mức ñiện áp biến ñổi hay sóng âm

Trong một hệ thống thông tin quang, bộ ñiều chế quang cần có những tính chất như băng thông rộng, ñộ sâu ñiều chế lớn, tổn hao tín hiệu nhỏ, công suất ñiện tiêu thụ thấp và mức ñiện áp hoạt ñộng thấp

2.1.2.1 Ưu ñiểm của nguồn ñiều chế ngoài

Băng tần ñiều chế rộng: một bộ ñiều chế chất lượng tốt cần có thời gian ñáp ứng nhanh ñối với tín hiệu ñưa vào ñiều chế (phân biệt với tín hiệu ánh sáng ñược ñiều chế) Tốc ñộ ñáp ứng của bộ ñiều chế ñược ñặc trưng bởi thông số ñộ rộng băng tần ñiều chế ðộ rộng băng tần ñiều chế của một bộ ñiều chế quang bị giới hạn do các tính chất của bản thân vật liệu chế tạo và cấu trúc hình học của bộ ñiều chế

- ðộ sâu ñiều chế cao: ðể nâng cao hiệu suất truyền tải và tăng chất lượng thu nhận tín hiệu, tín hiệu ñiều chế (biên ñộ tín hiệu hoặc pha) cần có dải ñộng lớn ðối với ñiều chế biên ñộ thì biên ñộ của sóng mang càng lớn càng tốt, ñối với trường hợp ñiều chế

Bộ tạo

xung

Bộ ñiều chế xung

Bộ lọc ñiện

Laser

ðiều chế

Bộ lọc quang

Nguồn nhiễu

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

pha thì ñộ lệch pha tín hiệu mang thông tin ñược ñiều chế càng gần Π Càng tốt

- ðộ tuyến tính cao: ðây là thông số hết sức quan trọng ảnh hưởng ñến chất lượng truyền tín hiệu ðể giảm thiểu ñộ méo tín hiệu yêu cầu các bộ ñiều chế phải có tính tuyến tính cao ðối với kĩ thuật ñiều chế pha, yêu cầu này có thể ñược thoả mãn nếu băng tần tín hiệu nằm trong băng thông của bộ ñiều chế ðối với kĩ thuật ñiều chế biên ñộ, thông thường yêu cầu này chỉ thoả mãn khi chiết suất môi trường sử dụng ñể ñiều chế tín hiệu là ñủ nhỏ

- Kích thước nhỏ: Các bộ ñiều chế ngoài có kích thước tuỳ thuộc vào vật liệu ñược

sử dụng và yêu cầu về ñộ sâu ñiều chế Nhìn chung các bộ ñiều chế ngoài có kích thước tương ñối nhỏ cho phép thiết lập hệ thống một cách linh hoạt trong thực tế

- Không phụ thuộc vào ñộ phân cực ánh sáng: nói chung các hệ số chuyển ñổi ñiện quang trong bộ ñiều chế ñiện quang hay hệ số chuyển ñổi âm quang trong bộ ñiều chế âm quang ñều phụ thuộc vào ñộ phân cực của ánh sáng quang ñưa vào ñiều chế Tuy nhiên có thể hạn chế sự phụ thuộc này bằng cách lựa chọn các vật liệu có cấu trúc tinh thể có tính ñối xứng cao ðối với hệ thống ñòi hỏi chất lượng cao hơn nữa thì người ta phải bổ sung thêm các phần tử ñiều khiển phân cực ánh sáng

- Suy hao xen thấp: Suy hao xen bao gồm suy hao gây ra do ghép nối và suy hao

do vật liệu chế tạo bộ ñiều chế quang Nói chung suy han vật liệu trong các bộ ñiều chế quang rất nhỏ Suy hao của các thiết bị ñều ảnh hưởng tới quỹ công suất của hệ thống nên ñòi hỏi các thiết bị ñều phải có suy hao xen càng nhỏ càng tốt

- Công suất tiêu thụ thấp và ñiện áp hoạt ñộng nhỏ, nhìn chung ñối với các bộ ñiều chế ngoài, công suất tiêu thụ tỉ lệ với tốc ñộ ñiều chế tín hiệu, mức ñiện áp nuôi tỉ lệ với

ñộ sâu ñiều chế Tuỳ theo yêu cầu của hệ thống mà lựa chọn các thông số phù hợp Trong kĩ thuật ñiều chế ngoài, laser ñược thiết lập ở chế ñộ ban ñầu hoạt ñộng liên tục Khối ñiều chế ngoài nhận tín hiệu từ khối tạo xung và công suất quang từ laser ñể biến ñổi tín hiệu ñiện thành tín hiệu quang lối ra

2.1.2.2 Nguyên lý ñiều chế ngoài

ðể hiểu ñược cơ sở vật lý và những thiết kế khác nhau của bộ ñiều chế ngoài, trước tiên ta tìm hiểu nguyên lý cơ bản của bộ ñiều chế ngoài Kỹ thuật ñiều chế này ñược chia ra làm hai loại là ñiều chế ñiện quang (EO) và ñiều chế âm quang (AO) Trong phương pháp ñiều chế ñiện quang, chỉ số chiết suất của môi trường ñược thay ñổi bởi tín hiệu ñiện áp bên ngoài Còn trong ñiều chế âm quang, sự thay ñổi chiết suất

môi trường ñược thực hiện bởi một sóng âm

ðiều chế ñiện quang (EO): Một bộ ñiều chế Eo có thể hiểu ñơn giản như một kênh quang hay một ống dẫn sóng mà ánh sáng có thể truyền qua Sự thay ñổi chiết suất môi trường trong ñiều chế Eo làm cho ánh sáng tới khúc xạ khác nhau ở sự phân cực khác nhau Sự phân cực của sóng ánh sáng theo hướng của ñiện trường, nó có thể cùng hướng với hướng ban ñầu hoặc bị quay ñi như sự truyền sóng ánh sáng

Chiết suất môi trường sẽ thay ñổi theo sự thay ñổi ñiện trường tác ñộng lên nó, hiệu ứng này gọi là hiệu ứng ñiện quang và ñược sử dụng trong bộ ñiều chế ñiện quang Vận tốc của ánh sáng trong vật liệu sẽ ñược ñiều khiển bởi chỉ số chiết suất, tăng chỉ số chiết suất sẽ làm giảm vận tốc ánh sáng, giảm chiết suất sẽ tăng tốc ñộ ánh sáng Sự thay ñổi ñó tỉ lệ với ñiện thế của tín hiệu ñiều khiển Vật liệu chế tạo bộ ñiều chế Eo thường

là LINBO3 Bộ ñiều chế ñó thường ñược gọi là bộ ñiều chế Mac-zehnder ống dẫn sóng thường ñược làm với sự khuếch tán Titanium và Hydrogen vào LINBO3

Hình 2.3 Bộ ñiều chế Mach-zehnder

Sau ñây ta sẽ xem xét một số thông số của bộ biến ñiệu Mach-zehnder

Hình sau mô tả sơ ñồ nguyên lý của một bộ biến ñiệu biên ñộ Mach-zehnder:

Hình 2.4 Sơ ñồ nguyên lý của một bộ biến ñiệu ñiện quang Mach-zehnder

Giả sử tỷ lệ liên kết ở ñầu vào và ở ñầu ra cửa 2 nhánh là không cân bằng Gọi a2

là tỷ lệ liên kết theo công suất của trường tới với kênh dẫn sóng ở bên trên, và b2 là tỷ

lệ liên kết theo công suất của kênh dẫn sóng ở bên ở ñầu ra Gọi [l -a2] và [l-b2] là các

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

ñại lượng tương ứng với kênh dẫn sóng bên dưới Gọi EO lăn ñiện trường tới trong kênh dẫn sóng ở ñầu vào, φ φ1, 2 là ñộ lệch pha tương ứng ñối với mỗi nhánh do sự áp các hiệu thế ñiều khiển V1, V2 Người ta chứng minh ñược rằng trường trong kênh dẫn sóng ở ñầu ra là:

Trong ñó λ là bước sóng trong chân không ~l,5 µ m

N là chiết suất tuyến tính của mode ~2,2

G là khoảng cách giữa các ñiện cực ~l,5 µ m

Vl,2 là ñiện thế ñược áp vào ñiện cực 1 hoặc ñiện cực 2

Γ là hệ số che phủ giữa trưởng quang và trường ñiện ~0,5

R là hệ số ñiện quang ñối với cấu hình ñược xét (r33)~ 30pm/v

Người ta nhận thấy rằng cường ñộ sáng ñạt tới giá trị cực ñại Imax hoặc cực tiểu

Imin năm tuỳ theo giá trị của sự lệch pha giữa 2 nhánh của giao thoa kế Sự lệch pha tương ứng là π , ñiều ñó ñược thực hiện khi hiệu thế giữa các ñiện thế áp bằng hiệu thế chuyển trạng thái Vπ cần thiết ñể thu ñược sự lệch pha này:

3

GV

m ax dis

1 RI

( )( )

dis

2 2

abR

=

R dis : là ty lệ bất đối xứng của sự liên kết giữa 2 nhánh của giao thoa kế

+ Hệ số liên kết pha-biên độ dư (hay thơng số "chirp"): được định nghĩa như sau:

ddt2IdIdt

Hai sĩng sẽ tương tác, ảnh hưởng lẫn nhau trong bên trong bộ điều chế.Sự kết hợp giữa âm thanh và ánh sáng đã được Brillouin tiên đốn từ năm 1992 ðiều chế âm quang sử dụng sĩng âm để điều chế chỉ số khúc xạ của mơi trường Sự biến đổi của sĩng âm sẽ nén hoặc kẻo dãn mẫu theo chu kỳ, kết quả tạo ra sự thay đổi chỉ số chiết suất của mơi trường theo chu kỳ Sự thay đổi chiết suất mơi trường theo chu kỳ sẽ tác động như 1 cách tử pha, nĩ sẽ làm nhiễu xạ 1 phần hay tồn bộ ánh sáng truyền qua

Hệ số âm quang là lượng thay đổi độ từ thẩm dưới 1 sĩng âm Giả sử cĩ sĩng âm dạng U(Ω −t K.r) trong mơi trường cĩ hằng số truyền dẫn K , lượng tensor biến đổi

được xác định:

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

i ij 1

US

r

∂

=

∂Khi có lượng tensor thay ñổi thì sự thay ñổi ñộ tử thẩm ñược xác ñịnh như sau:

piy: hệ số quang âm (i,j = 1,2…6)

Sự tương tác giữa ánh sáng tới và sóng âm phụ thuộc vào sự phân cực của chúng bởi vì môi trường âm quang có thể trở thành dị hướng

Tán xạ BRAGG: Với bộ ñiều chế quang âm, một tia sáng tới có thể bị tán xạ ra nhiều hướng Quan hệ giữa góc tới và góc ra dựa vào sự bảo toàn mo men:

2.2 Bộ thu quang dùng cho hệ thống quang 40Gbit/s

Bộ thu quang là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống thông

tin quang Sở dĩ như vậy vì bộ phận này là nơi thu nhận mọi ñặc tính tác ñộng trên toàn tuyến ñưa tới, hoạt ñộng của nó có ảnh hưởng quan trọng tới chất lượng của toàn

bộ hệ thống truyền dẫn Chức năng chính của bộ thu quang là biến ñổi tín hiệu quang thu ñược thành tín hiệu ñiện Bộ thu quang cần phải có ñộ nhạy thu cao, ñáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ và ñộ tin cậy cao

Yêu cầu xây dựng các tuyến thông tin cao ñòi hỏi các thiết bị thu phải có ñộ nhạy thu cao và nhiễu rất thấp nhằm ñáp ứng cho các tốc ñộ cao này Vì thế công nghệ mạch tích hợp ñược ñặt ra cho các thiết bị thu quang Hiện nay các thiết bị có công nghệ cao này ñã ñược thương mại khá phổ biến trên các hệ thống thực tế Trong các thiết bị thu quang, ngoại trừ photodiode thì tất cả các thành phần thiết bị ñều là các thành phần ñiện chuẩn Các thành phần này ñều có thể dễ dàng ñược tổ hợp trên cùng một chíp (hay mạch) bằng cách sử dụng công nghệ mạch tổ hợp IC (Integrated circuit)

ñã ñược phát triển cho các thiết bị vi mạch Gần ñây những cố gắng ñáng kể ñã hướng trọng tâm vào việc phát triển các thiết bị thu quang ñơn khối nhằm tổ hợp toàn bộ các phần tử bao gồm cả bộ tách sóng quang trên cùng một chíp nhờ việc áp dụng công nghệ OEIC (Optoelectronic Integrated circuit) Việc tổ hợp toàn bộ thiết bị như vậy là tương ñối dễ với bộ thu GaAs, và công nghệ phía sau OEIC dựa trên GaAs là hoàn toàn tiên tiến ðối với các hệ thống thông tin quang hoạt ñộng tại vùng bước sóng 1,3 ñến 1,6 âm thì cần phải có các bộ thu OEIC dựa trên InP Vì công nghệ IC ñối với GaAs ñã thành thục hơn nhiều ñối với InP cho nên ñôi khi người ta thực hiện áp dụng cho bộ thu với công nghệ InGaAs Công nghệ này ñược gọi là công nghệ OEIC flip-chip, trong ñó các thành phần ñiện ñược tổ hợp trên chíp GaAs, ngược lại photodiode ñược làm trên ñỉnh của chíp InP Rồi sau ñó hai chíp ñược ghép nối với nhau bằng cách ñặt nhẹ chíp InP lên trên chíp GaAs Tính tiên tiến của công nghệ này là photodiode và các thành phần của bộ thu có thể ñược làm tối ưu một cách ñộc lập trong khi vẫn giữ ñược tính chất kí sinh (như ñiện dung ñầu vào chẳng hạn)

Công nghệ IC dựa trên InP ñã ñược phát triển ñáng kể nhằm ñể tạo ra các bộ thu OEIC trên nền InGaAs Một cách tiếp cận công nghệ khác là việc tổ hợp photodiode pin với FET hoặc các transistor có ñộ linh ñộng ñiện tử cao HEMT (Hình electron mobility transistor) giáp với trên nền InP

Nhìn chung, trong việc thiết kế tổ hợp thiết bị thu quang, front-end của bộ thu

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

quang là một bộ phận khó thiết kế nhất, ñặc biệt trong hệ thống thông tin quang tốc ñộ bit cao và cự ly dài, bởi vì ñộ nhạy của các hệ thống này thường là bị giới hạn từ ñặc tính của mạch front-end ñòi hỏi một sự hài hoà giữa tốc ñộ bộ và ñộ nhạy thu Front-end bộ thu thường ñược phân cấp thành Hybrit IC (HIC), Microwave Monolithic IC (MMIC), và Optoelectronic (OEIC) bằng cách kết hợp bộ tách sóng quang và tiền khuếch ñại với nhau ðối với hệ thống thông tin sợi quang nhiều Gb/s, HIC có thể ñược sử dụng Tuy nhiên, các ñặc tính mâu thuẫn của từng thành phần thụ ñộng tích cực riêng rẽ có vi hiệu chỉnh ñể ñạt ñược ñộ nhạy cao nhất của nó ðây cũng là ñiểm yếu và hạn chế ñối với các phần tử kí sinh Vì vậy, hiện nay các thiết kế MMIC và OEIC là thích hợp cho hệ thống tin cậy

ðối với mạng thông tin quang tốc ñộ 40Gb/s bộ thu quang bao gồm: một bộ tiền khuếch ñại, một photodiode có cấu trúc ñặc biệt với công suất cao, một ñế InP ñơn khối ñược tổ hợp trong mạch tích hợp quang ñiện OEICs (optoelectronic integrated circuits) OEICs ñược kết hợp các chức năng như tách sóng, khuếch ñại và dẫn sóng OEICs sử dụng chất nền bán dẫn và lớp dẫn sóng quang bán dẫn

Cấu trúc 1 bộ thu quang tổ hợp OEICs ñược mô tả như hình sau:

Hình 2.6 Cấu trúc bộ thu quang tổ hợp OEICs

Sự tích hợp bộ tách sóng ñược thực hiện bằng cách hình thành lớp MOVPE lên trên lớp dẫn sóng và lớp photodiode tích cực Mạch tích hợp sẽ hoạt ñộng tốt khi ñược tích hợp bộ tách sóng kép, ví dụ như bộ tách sóng TWIN, hạn chế tích hợp bộ tách sóng ñơn Bước tiếp theo là tích hợp bộ khuếch ñại ñiện, trên lớp ñáy InP còn có thêm lớp khuếch ñại sóng chạy HEMT OEICs ñược chế tạo trong 2 bước, lớp MOVPE/MBE

enpitaxy tiếp xúc ñể ổn dẫn sóng kết hợp với photodiode và lớp HEMT, cho phép tối

ưu sự ñộc lập của từng thiết bị Tất cả các thiết bị ñược tích hợp trên bề mặt của lớp nền bao gồm ba lớp dẫn quang gắn vào bên trong InP và một lớp dẫn sóng dầy phủ bên trên Photodiode kép ñược hình thành trên bề mặt khối trên

Sau khi photodiode ñược hàn vào khối trên, suy giảm MBE ñược sử dụng ñể hình thành lớp AlInAs/GaInAs HEMT Tất cả các thiết bị ñều ñược bảo vệ tốt bởi 1 chất ñiện môi ñược pha tạp sắt HEMT và photodiode ñều ñược kết hợp bằng phương pháp khắc hoá học khô DCE (Dry Chemical Etching) Xử lý MMIC tiếp theo bao gồm việc tạo ra ñiện trở Nicr, tụ ñiện và kết nối kim loại với nhau Tụ ñiện MIM và màng ñiện trở kim loại ñược coi như thiết bị thụ ñộng dùng ñể khuếch ñại và ñịnh thiên trong photodiode

Có hai loại bộ tách sóng ñem lại nhiều lợi ích nhất là bộ tách sóng Twin và bộ tách sóng Balance

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

CHƯƠNG 3 KHUẾCH ðẠI QUANG SỢI EDFA DÙNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ðỘ CAO

Mặc dầu việc sử dụng con ñất hiếm làm môi trường khuếch ñại cho khuếch ñại quang ñã ñược lưu y từ rất sớm (1964), EDFA vẫn chưa ñược thực hiện cho ñến khi người ta chế tạo ñược sợi quang pha tạp tổn hao thấp EDFA hứa hẹn tạo ra một cuộc cách mạng trong công nghệ truyền dẫn tín hiệu quang, với giá thành thấp, trong khi có thể tăng cường ñược khả năng và ñộ tin cậy của mạng Với hệ số khuếch ñại cao (G>40dB) công suất lớn (P>100mW) và khả năng nhiễu gần như lí tưởng của hệ thống quang có sử dụng EDFA mà hoạt ở cửa sổ truyền dẫn 1550nm có tính năng vượt trội hơn so với các công nghệ khuếch ñại trước ñó EDFA có khả năng sử dụng kết hợp với sợi quang, không nhạy với hiệu ứng phân cực, loại trừ ñược nhiễu xuyên âm giữa các kênh và khuếch ñại ñược các tín hiệu có bước sóng khác nhau Chính nhờ những ưu ñiểm này mà EDFA ñã ñược phát triển một cách nhanh chóng EDFA có thể sử dụng làm một bộ khuếch ñại công suất ñể tăng công suất truyền dẫn, làm trạm lặp quang ñể

bù tín hiệu yếu và làm các bộ tiền khuếch ñại quang ñể tăng ñộ nhạy máy thu Từ những thành công này, người ta ñã sử dụng nó làm một trạm lặp thế hệ mới trong các

hệ thống truyền dẫn sợi quang xuyên ngầm dưới biển ðiều ñó ñã chứng minh lợi ích

và khả năng của EDFA trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang trong tương lai

3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt ñộng

Ba dạng cấu trúc khác nhau của EDFA ñược mô tả qua hình (3.1) Sợi quang có pha trộn nguyên tố EDFA ñược ghép nối với sợi quang thông thường và có thể ghép với các thiết bị khác Ánh sáng bơm ñược kết hợp với tín hiệu và nhờ sử dụng bộ ghép bước sóng quang WDM trên hệ thống Ánh sáng bơm ñược truyền dọc theo sợi có pha tạp Ethium và bị hấp thụ khi các ion Erbium ñược ñưa lên trạng thái kích thích Khi tín hiệu ñược truyền vào EDFA, nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng thái kích thích, do vậy nó khuếch ñại công suất tín hiệu

EDFA là một thiết bị ñược bơm quang học, do ñó năng lượng ñược cung cấp bởi một nguồn quang (một LD), ñể phun năng lượng vào sợi quang pha tạp ở bước sóng phù hợp với các ñặc tính của Erbium (980 hoặc l,480nm) Việc bơm có thể thực hiện theo hướng thuận (hình a), hướng ngược (hình b hoặc theo cả 2 hướng hình c) Khuếch ñại xảy ra bởi sự truyền năng lượng từ sóng bơm ñến sóng tín hiệu khi nó truyền

xuống sợi quang pha tạp Với hình (a) kết cấu này ñưa tín hiệu quang và bơm quang vào sợi quang trộn Erbium trên cùng một chiều, còn gọi là bơm phía trước Còn bơm ngược thì tín hiệu quang và bơm quang ñưa vào sợi quang trộn Erbium từ hai hướng khác nhau Hình (c) là kết cấu ñồng thời bơm cùng chiều và ngược chiều EDFA hoạt ñộng thông qua hệ thống 3 mức năng lượng Hình vẽ (3.2) miêu tả quá trình này Các mức El, E2, E3, tương ứng là mức ñất, mức gần ổn ñịnh và mức bơm Mật

ñộ của con Er3+ ñược biểu thị bởi các Nl, N2, N3 trong ñó Nl> N2> N3 khi hệ thống

ở trạng thái cân bằng nhiệt (không bơm) Khi bơm, những mật ñộ này thay ñổi do các ion di chuyển qua lại giữa các mức năng lượng, kèm theo sự phát xạ hoặc hấp thụ photon ở các tần số ñược xác ñịnh bởi sự sai khác giữa các mức năng lượng Bước sóng λ ñối với mỗi chuyển ñổi ñược cho bởi quan hệ lượng tử: λ =hc / E∆ , trong ñó

h là hằng số Planck và E∆ là sự sai khác giữa các mức năng lượng Trong thực tế,ba

mức trong sơ ñồ trên là các dải hẹp, do ñó mỗi chuyển ñổi thực tế ñược kết hợp với một dải bước sóng

Hai bước sóng bơm ñiển hình ñược sử dụng trong EDFA là 980nm và 1,480nm Như chỉ ra ở hình trên, bằng cách hấp thụ năng lượng từ một cái bơm 980nm, các con

Er+3 ở trạng thái ñất nhảy lên ñến trạng thái E3 Tốc ñộ mà ở ñó xảy ra những dịch chuyển này tỷ lệ thuận với Nhịp trong ñó Pp là công suất bơm Các con ñược kích thích này lại phân rã một cách tự phát xuống trạng thái gần ổn ñịnh E2 Và dịch chuyển này ở tốc ñộ lớn hơn nhiều so với dịch chuyển từ mức El ñến mức E3 ðiều này có nghĩa là ở trạng thái ổn ñịnh dưới tác ñộng của bơm, mật ñộ lớn ở mức ñất giảm xuống

và tích luỹ lớn ở mức E2 Quá trình này ñược gọi là sự ñảo mật ñộ bởi vì lúc này ta có

N2>Nl, ngược với trường hợp ổn ñịnh nhiệt Tốc ñộ chuyển ñổi từ mức E2 xuống mức

El rất chậm so với các chuyển ñổi khác, do vậy thời gian sống, τ , ở mức E2 (là nghịch ñảo của tốc ñộ chuyển ñổi xuống mức El) rất lâu (xấp xỉ 10ns) Hoạt ñộng bơm tương

tự có thể xảy ra ở bước sóng 1480 nm Trong trường hợp này các con nhảy trực tiếp ñến ngưỡng trên của dải E2 các nguồn bơm laser bán dẫn tin cậy ñược phát triển ở cả 2 bước sóng bơm 980 nm và 1480 nm EDFA thường sử dùng 2 bộ cách ly quang Bộ thứ nhất ở ñầu vào, dùng ñể loại bỏ can nhiễu có thể gây ra do truyền bá tự phát ngược chiều của bộ khuếch ñại; bộ thứ hai ở ñầu ra, bảo vệ cho linh kiện không bị phản xạ ngược chiều từ ñoạn dưới