Hệ thống thông tin quang Coherent

Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent

LỜI CẢM ƠN

Qua hơn 4 năm em được học tập và rèn luyện với chuyên ngành Điện TửViễn Thông Em xin cảm ơn tất cả các Thầy Cô giảng viên từ những môn học cơbản cho tới chuyên ngành Qua suốt thời gian học tập tại Trường Đại Học HàngHải, 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 chânthành nhất tới tất cả các Giảng Viên bộ môn Và em xin gửi lời cảm ơn sâu sắcnhất tới Cô Nguyễn Thanh Vân - người trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điềukiện thuận lợi nhất để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này Cô đã giúp em địnhhướng và có sự chỉ dẫn hết sức tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu!

Sinh viên Nguyễn Thị Hải Thịnh

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan toàn bộ nội dung đề tài “ Nghiên cứu bộ khuếch đại quangsợi EDFA sử dụng trong hệ thống thông tin quang Coherent” được thực hiện vàhoàn thành bởi chính cá nhân em và dưới sựu hướng dẫn của Ths Nguyễn ThanhVân Tất cả những vấn đề liên quan đến đề tài này là trung thực và chưa từngđược phổ biến dưới bất kì hình thức nào Ngoài ra, việc sử dụng những bảngbiếu với những số liệu trong việc phân tích, đánh giá và nhận xét cũng được tìmhiểu kĩ càng từ nhiều nguồn thông tin đáng tin cậy và được nêu rõ tại phần tàiliệu tham khảo

Bên cạnh đó, với đề tài này em có sử dụng một số khái niệm và dữ liệu củamột số các tác giả, các nhà nghiên cứu khác và luôn kèm theo trích dẫn và chúthích rõ ràng

Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về toàn bộ nội dung đề tài nghiên cứu nàynếu Thầy Cô phát hiện có bất kì sự gian dối nào

MỤC LỤC

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

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

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số bảng Tên bảng Trang

Bảng 3.1 Các loại khuếch đại quang tiêu biểu 22

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 2.4 Mô phỏng hiện tượng phát xạ nhờ kích thích 18 Hình 2.5 Cấu trúc chung cho bộ khuếch đại quang 18

Hình 3.1 Mô hình một bộ khuếch đại quang sợi 23

Hình 3.8 Qúa trình tạo nhiễu giao thoa nhiều luồng 34

LỜI NÓI ĐẦU

Thời gian trước, khi thông tin quang còn chưa được đầu tư nghiên cứu vàphát triển thì vấn đề truyền dẫn thông tin trên một cự li xa gặp rất nhiều khókhăn Khi đó, người ta phải sử dụng tới các trạm lặp nhằm bù lại lượng côngsuất suy hao đường truyền Cùng với đó là việc khuếch đại công suất tín hiệu đủlớn 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 sửdụng trong hầu hết các ngành viễn thông Để đáp ứng nhu cầu đó, người ta sửdụng công nghệ khuếch đại quang trực tiếp điều này đồng nghĩa với việc sẽ làmtăng khoảng cách truyền thông tin lên rất xa Các bộ khuếch đại quang là cácthiết bị bù suy hao có hiệu quả nhất cho sợi quang Chúng được chia thành nhiềuloại khác nhau và có thể thực hiện khuếch đại trực tiếp mà không qua sự biếnđổi 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 Brillouinsợi… Các hệ thống thông tin quang có ưu điểm vượt trội so với thông tin cápkim loại như suy hao truyền dẫn thấp, dung lượng truyền cao, ít bị ảnh hưởngcủa nhiễu điện từ và hoạt động tin cậy hơn

Hệ thống thông tin quang Coherent đánh dấu một bước ngoặt lớn vớiphương thức hoạt động và khai thác đã từng được coi rất có hiệu quả trong kỹthuật thông tin quang vào đầu những năm 80 của thế kỷ XX

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 chếtạo 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 cácnguồn quang với công suất lớn với thành phần phổ đơn sắc Hơn thế nữa, hệthống quang còn đón nhận một tin vui nữa từ việc chế tạo “đi-ốt laser bán dẫnlàm quang điều chế dải rộng” Tiếp sau đó là việc nghiên cứu ra LED- máy phátquang 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 cáchtruyền ánh sáng đi xa, nhưng đến đầu thập niên 70 mới cho ra lo được loại sợiquang với mức suy hao 20dB/km khoảng 6 năm sau, các linh kiện thiết yếukhác như bộ phân nhánh hay các mạch hồi tiếp cũng được ra lò ở nhiều khu vựckhác nhau trên thế giới như Anh hay Mỹ Và việc ứng dụng truyền tin tức bằngánh sáng chính thức được phát triển từ đây

Một bước ngoặt lớn cho hệ thống thông tin quang, đặc biệt quang trọngđối với việc truyền tin bằng cáp quang vào những năm 1979 đó là : sản xuấtđược 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 ýtrên toàn thế giới

+ Cuối năm 1998, đường truyền cáp quang vượt biển đầu tiên có tên TAT-8được thi công Sau 4 tháng, một tuyến cáp Số 3 và Số 4 lần lượt được chính thứcxây 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 kênh thoại 64kb/s trên mỗi đôi cáp Chiều dài cáp ~6700km gồm có 125 trạmlặp 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 TâyDương 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 lượngthông tin lên đến 2x560Mb/s với λ=1500nm.

Việc trao đổi thông tin giữa Mỹ và Nhật được nâng cao khi giữa 2 nướcnày thiết lập tuyến cáp với giá thành tới 600 triệu đô la mỹ, với 12300km chiềudài và làm việc tại λ=1300nm

Vào khoảng những năm 1990, tiểu bang Pacific của Mỹ và Mirio củaNhật cũng đưa tuyến cáp bắc Thái Bình Dương và khai thác Cùng thời điểmnày, tuyến cáp Nhật-Triều Tiên-Hồng Kông cũng được thiết lập

Năm 1992 tuyến cáp nối liền Đài Loan-Singapore-Hồng Kông được thựchiện

Giữa Úc-Hawaii-Newzeland cũng bắt tay xây dựng tuyến Pacrim-Eastvào năm 1993

Năm 1995 chính thức đưa tuyến cáp giữa 3 khu vực Hồng Kông-TháiLan-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 trongnước

Việt Nam đang khai thác triệt để tuyến cáp 500 KV từ Bắc vào Nam đểphục vụ nhu cầu thông tin toàn quốc

1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang

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 chếxung mã PCM

Bộ mã hoá: chuyển đổi mã tín hiệu thành mã đường dây (mã mB/nB vớin>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 sángnhìn thấy hoặc tiếp giáp vùng hồng ngoại là LED và LD Ưu điểm của mỗinguồn sáng là ở mức công suất ra, tính tuyến tính, giá cả hay là băng tần làmviệc

Với đặc điểm của LED như: “LED có công suất ra tỉ lệ với dòng kíchthích, nó thích hợp cho cả điều chế anlalog và điều chế số, so với Laserdiode thìcông 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 900(theo phân bốLambert) 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 vàokhoảng 50- 100, bởivậy hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang lớn ngay cả loạisợi có khẩu độ số bé, phổ bức xạ của LD hẹp hơn nhiều so với LED (∆λ= 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 hiệuquang 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 haychính là các Đi-ốt PIN hay APD Khi hoạtham gia vào quá trình tách sóng thìdiode 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

- Độ nhạy máy thu ánh sáng caohơn

- Chịu mức giá cả cao hơn

Khối khuyếch đại san bằng: thực hiện 2 chức năng vừa đảm bảo khuếchđại 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 tínhiệu điện ban đầu với dạng mã tương đương bên phía thu của bộ ghép kênh bênphát

Để thực hiện phục hồi tín hiệu, giải mã và tách kênh chính xác yêu cầukhông thể thiếu là tín hiệu đồng hồ đồng bộ với phía phát

• Trạm lặp:

Trên mọi đường truyền đều không thể tránh khỏi các yếu tố tác động gâysuy hao và tán sắc tín hiệu Nên khoảng cách truyền sóng chỉ có giới hạn nhấtđịnh 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, cácthành 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 trựctiếp” (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 ratín hiệu điện bằng gốc Đó là nguyên lý truyền dẫn thông tin đơn hướng Vớitruyền dẫn hai chiều người ta dùng hai sợi quang truyền tín hiệu từ máy phát đếnmáy thu Tuy nhiên hiệu suất sử dụng sợi quang của hệ thống này không caonhưng nó vẫn được sử dụng từ trước đến nay và cả trong tương lai, bởi vì giáthành 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 thốngnày 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 thốngthông 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 quangCoherent có sử dụng phương pháp Homodyne hoặc Heterdyne cho phép tăngkhoảng cách giữa hai trạm lặp, tăng tốc độ truyền trong các tuyến thông tinđường trục và tăng số kênh trong mạng nội hạt hoặc thuê bao Độ nhạy máy thuđược nâng len từ (15-20dB) so với thu trực tiếp

- Nâng cao khả năng truyền dẫn:

LD Điều chế ngoài D

KĐCSKĐ

Lọc IF

Giải điều chế

LD AFC

ra TS

Với phương pháp ghép kênh theo tần số (FDM) các hệ thống thông tin quangCoherent có dung lượng truyền dẫn rất lớn Điều này có thể thông qua ví dụ sau:Nên trong vùng cửa sổ quang 1,55µm (tần số 200THz), chọn độ rộng phổ đểtruyền (chẳng hạn 1,47µm- 1,57µm) 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 điềuchỉnh được tín hiệu tới Như vậy người sử dụng có thể có thể lựa chọn đượckênh 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 vàtăng khoảng cách giữa hai trạm lặp ( có thể đạt 10.000 km) khả năng này đượcứng 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 nhữngnhược 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 tínhiệu, 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 vẫnchiếm vị trí then chốt của nó trong mạng viễn thông tương lai

Sơ đồ khối hệ thống

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 côngsuất

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 ∆λ≤0,1 nm, hoặc Laser có bộ cộng hưởngngoài (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 rộngphổ phải hẹp, độ ổn định nhiệt cao, nhiệt độ phải điều khiển trong giới hạn0,010C 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 bịthích hợp như: ASK, PSK hoặc DPSK

Giữa sợi quang và các bộ thu phát nên đưa thêm vào các bộ cách ly đểtránh phản xạ sóng

Phần thu có cấu tạo phức tạp nhất, nó bao gồm một bộ trộn quang, mộtLaser dao động nội, một photodiode, một bộ tiền khuyếch đại, một bộ giả điềuchế, 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 haicổng ra của bộ trộn

Trong một máy thu đơn giản nhất chỉ có 1 đầu ra của bộ trộn đưa đến 1photodiode, dòng điện sau tách sóng từ photodiode được đưa đến bộ tiềnkhuyếch 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 đếnđiều 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 thìthông tin quang sử dụng hệ thống sợi quang cũng như các linh kiện phát, thuquang biểu hiện nhiều ưu điểm, ở đây chúng ta nêu lên một số trong các ưu điểmđó:

+ Hệ thống thông tin quang có tốc độ truyền dẫn lớn băng thông rộng nên có thểtruyền 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 trườngchẳng hạn như của các máy móc công nghiệp, không bị xuyên âm giữa cácđường truyền, không có các tia nhiễu xạ ra ngoài, thuận tiện trong việ truyền tínhiệu 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 vữngvới môi trường, có thể dùng trong các vùng có phóng xạ, khu công nghiệp hóachất, 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 diệnthoại, 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 chotrạm 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 lànguồn quang, sợi quang và nguồn thu Các yêu cầu cơ bản của hệ thống thôngtin là cự ly truyền, tốc độ truyền cũng như độ rộng băng, lỗi bit cũng như trêntạp âm

Hai đặc điểm điển hình của hệ thống truyền dẫn tương tự là tỷ số tín hiệutrên tạp (S/N) và độ rộng băng tần (BW), còn với truyền dẫn số thì đặc trưngtương ứng cho hai đại lượng φ ) trên là xác suất lỗi đối với tín hiệu đã tách rahoặc tỷ số lỗi BER và tốc độ Bit (BR-Bit rate) thay cho độ chiếm phổ của băngtần.

Để đáp ứng các yêu cầu trên cần chú ý đến các thống số của các yếu tốtrong đường truyền như:

• Với nguồn bức xạ ánh sang (LED, LD)

+ Công suất ra cực đại, công suất ghép vào sợi quang

+ Chiết suất, phân bố chiết suất

• Với nguồn thu quang (PIN, APD)

- Sợi đa mode có chiết suất thay đổi đột ngột giữa lõi và vỏ gọi là sợi đamode 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), viếttắt 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 bọcthành sợi cáp Sợi quang khi mới sản xuất ra chỉ được bọc trong một lớp nhựamỏng để bảo vệ mặt ngoài của nó, lớp vỏ sơ cấp tiếp có đường kính khoảng

250µm, lớp vỏ này có thể tách ra khỏi sợi quang dễ dàng, không ảnh hưởng đếnlõi 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 kimloại hoặc nhựa tổng hợp có độ bền cao, chất độn thường là chất nhờn choán đầycác khe hở của cáp Các vật liệu gia cường có thể là sợi thép, băng thép hoặctổng 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 lõicáp

+ Cáp có cấu trúc băng dẹt, các sợi quang được bố trí trên từng băng, trong ruộtcáp 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

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 trìnhtái 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 Dovậy, 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 vàoLED) và cấu trúc dị thể kép để đảm bảo cho các điện tử và lỗ trống có thể táihợp 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 dùngcho lớp tích cực của nguồn phát quang để đảm bảo cho các điện tử và lỗ trống

có thể tái hợp một cách trực tiếp để bảo tồn động lượng, có nghĩa là đưa ra mứcphát quang yêu cầu Tuy nhiên, không thể tồn tại được bán dẫn đơn phân tử đểtạo ra dải cấm này mà chỉ có thể từ các vật liệu tạo ra từ sự hỗn hợp của cácphần tử nhóm III (như Al, Ga hoặc IN) và nhóm V (P, As) và được gọi là vậtliệu III-V

- Thông thường, GaAs/GaAlAs cho vùng bước sóng 850nm

- InP/InGaAsP dùng cho các vùng bước sóng 1300nm và 1550nm

b Diode laser phun

- Gồm nhiều lớp bán dẫn P, N

- Ánh sáng phát ra được giam trong lớp tích cực.

- Lớp tích cực rất mỏng, làm bằng vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa hai lớp P,

N có chiết suất nhỏ hơn Cấu trúc này tạo thành ống dẫn sóng

- Ánh sáng của laser phát ra ở phía cạnh, giống ELED

- Ở hai đầu lớp tích cực là hai lớp phản xạ có hệ số phản xạ dưới 1

- Ánh sáng được đưa ra ngoài qua một phần được cắt nhẵn của một mặt phản xạ

c Diode tách sóng quang

- Là phần tử cơ bản của máy thu trong hệ thống tin quang sợi Nó có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang truyền dẫn dọc sợi quang từ máy phát về dạng tín hiệu điện Làm việc dựa trên hiệu ứng quang điện Diode tách sóng quang dùng trong

hệ thống thông tin quang sợi phải đáp ứng các yêu cầu sau: Có độ nhạy cao, phản ứng thời gian nhanh, tạp âm thấp, độ tin cậy cao, giá thành thấp và có kích thước phù hợp với kích thước của lõi sợi quang Diode tách sóng quang chế tạo

từ chất bán dẫn với chuyển tiếp P-N hoạt động theo nguyên tắc hiệu ứng quang

áp đáp ứng tốt được các yêu cầu trên

d Diode PIN

- Được cấu tạo từ chất bán dẫn gồm 3 vùng Vùng bán dẫn ở giữa vùng P vàvùng N là vùng bán dẫn tinh khiết gọi là vùng I (intrinsic), vì vậy nó có tên làdiode PIN

- Có dải từ 1,3 ÷1,5 µm với các lớp bán dẫn, thiên áp ngược đặt vào diode PINcùng trở tải và phân bố điện trường bên trong diode PIN

e Diode quang thác APD

- Được sử dụng trong hệ thống thông tin quang sợi mà công suất sóng tới bị giớihạn

- Đặc điểm:

+ Dòng quang điện được tăng cường rất lớn nhờ hiệu ứng nhân thác xảy ra do sựion hóa do va chạm của các cặp điện tử - lỗ trống sơ cấp sinh ra trong vùngnghèo khi hấp thụ ánh sáng với mạng tinh thể trong vùng nhân thác để tạo cáccặp điện tử - lỗ trống thứ cấp

CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ KHUẾCH ĐẠI QUANG

2.1 Giới thiệu khuếch đại quang

Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệthống thông tin quang Đối với các hệ thống truyền dẫn quang cự ly dài, giới hạn

về suy hao được khắc phục bằng cách sử dụng các trạm lặp quang điện(optoelectronic repeater) Trong các trạm lặp quang điện này (xem hình 2.1),quá trình khuếch đại tín hiệu quang được thực hiện qua nhiều bước Đầu tiên, tínhiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi các bộ thu quang (opticalreceiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang như PIN hay APD Dòng quangđiện thu được sẽ được tái tạo lại dạng xung, định thời và khuếch đại bởi các

mạch phục hồi tín hiệu và mạch khuếch đại Sau đó, tín hiệu điện sẽ được biếnđổi thành tín hiệu quang thông qua các nguồn quang trong bộ phát quang(optical transmitter) và được truyền đi trong sợi quang Như vậy, quá trìnhkhuếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện.

Hình 2.1 Cấu trúc của một trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater)

Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thốngtruyền dẫn quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH Tuynhiên, khi sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng như hệthống WDM, rất nhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng để khuếch đại vàtái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau Điều này làm tăng độ phức tạpcũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM

Một giải pháp có thể khắc phục các nhược điểm trên của trạm lặp quangđiện, đó là sử dụng các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier) Trong các bộkhuếch đại quang này, tín hiệu ánh sáng được khuếch đại trực tiếp trong miềnquang mà không thông qua việc biến đổi sang miền điện So với các trạm lặp,các bộ khuếch đại quang có các ưu điểm sau:

- Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang

- Không có mạch tái tạo thời gian hay mạch phục hồi (bộ biến đổi E/O hoặcO/E)

=> Do đó khuếch đại quang sẽ trở nên linh hoạt hơn

2.2 Nguyên lí biển đổi quang điện trong thông tin quang.

Quá trình biến đổi quang điện thông qua 3 hiện tượng: hấp thụ, phát xạ tựphát và phát xạ kích thích Cả 3 hiện tượng này xảy ra cùng một thời điểm Quátrình phát xạ ( gồm cả tự phát và kích thích) và quá trình hấp thụ trong điều kiệnnhiệt phải cân bằng nhau Tuỳ vào mục đích sử dụng, người ta sẽ tạo ra từngloại linh kiện biến đổi quang với chức năng khác nhau

2.2.1 Quá trình hấp thụ

Hình 2.2 : Mô phỏng quá trình hấp thụ

Hay còn gọi là Absorption được xác dịnh bằng cách: khi một điện tửđang ở mức năng lượng nhỏ E1 sẽ tiến hành hấp thụ bất kì một phô-tôn nào cónặng lượng hf Điều này có nghĩa là: ta thực hiện tính toán sự lượng chênh lệchnăng lượng của điện tử đó giữa 2 mức năng lượng cao và thấp Năng lượng hfcủa phô-tôn nào trùng với mức chênh lệch đó thì sẽ bị chính điện tử đó hấp thụ(Eg=E2 – E1) Quá trình hấp thụ diễn ra thì phô-tôn có mức năng lượng hf đó sẽtruyền toàn bộ năng lượng của mình sang điện tử đó, để điện tử đó chuyển lênmức năng lượng cao hơn

Trong đó: E2 là mức năng lượng cao của điện tử, E1 là mức năng lượngthấp

2.2.2 Hiện tượng tự phát xạ (phát xạ tự phát)

Hình 2.3 : Mô phỏng hiện tượng tự phát.

Hay còn gọi là Spontaneous emission Hiện tượng điện tử phát ra mứcnặng lượng Eg=E2 – E1 khi mà nó thực hiện chuyển đổi từ một mức năng lượng

E2 cao hơn xuống E1 là mức năng lượng thấp ở dạng một phô- tôn ánh sáng DoE2 không là một mức năng lượng bền nên hiện tượng này là hoàn toàn bìnhthường và không cần yếu tố ngoài tác động

Đây là một hiện tượng xảy ra hoàn toàn tự nhiên do quy luật của tất cả cácđiện tử đều sẽ trở về 1 trạng thái ổn định có mức năng lượng thấp hơn Kết quảcủa quá trình này tạo ra các phô-tôn ánh sáng với tần số, pha , phân cực hay làhướng truyền đều khác nhau và rất ngẫu nhiên

2.2.3 Hiện tượng phát xạ nhờ kích thích

Hình 2.4: Mô phỏng hiện tượng phát xạ nhờ kích thích

Hay còn gọi là Stimulated emission Khi một phô-tôn có mức năng lượnghf=Eg=E2-E1 sẽ kích thích 1 điện tử đang ở mức năng lượng E2 xuống mức nănglượng E1 thấp hơn và cùng lúc tạo ra 1 phô-tôn có mức năng lượng bằng vớiphô-tôn ban đầu Phô-tôn được tạo ra này có đặc điểm giống hệt phô-tôn banđầu về : pha:tần số, hướng truyền và cả phan cực Đây chính là đặc điểmCoherent – tính kết hợp của ánh sáng.

2.3 Các bộ khuếch đại quang.

2.3.1 Cấu tạo chung.

Nhìn chung, cấu tạo của một bộ khuếch đại quang có thể được biểu diễnnhư hình:

Hình 2.5 : Cấu trúc chung cho một bộ khuếch đại quang

Mỗi một bộ khuếch đại quang, môi trường tại các vùng tích cực đều xảy

ra các hiện tượng khuếch đại ánh sáng và được gọi là Active Medium Khuếchđại các tín hiệu quang này ở mức lớn hay nhỏ còn phụ thuộc rất lớn vào nguồnbơm chính từ bên ngoài-Pump Source Tuỳ vào tính chất và cấu trúc của cácvùng tích cực khác nhau mà ta suy ra được đặc tính của các nguồn bơm này

Người ta chia khuếch đại quang ra hai loại chính tuỳ thuộc vào cấu tạocủa vùng tích cực: khuếch đại quang OFA và SOA

2.3.2 Khuếch đại quang bán dẫn SOA

Đặc điểm của SOA: