Đặc điểm và ứng dụng của sợi quang trong truyền thông

SỢI QUANG

Do bán kính của sợi quang theo các trục X, Y không là hằng số dọc theo sợi quang, do đó các mốt phân cực theo X, Y bị thay đổi và sinh ra hiệu ứng lưỡng chiết khi ánh sáng truyền trong sợi quang. Sợi quang có D rất nhỏ trong vùng từ 1,3 ÷1,6μm gọi là sợi tán sắc phẳng (Dispersion Flattened Fibers) và sợi quang có D âm trong vùng sóng này gọi là sợi bù tán sắc (Dispersion Compensating Fibers).

BỘ PHÁT QUANG

Hồi tiếp và ngưỡng phát laser

Trong khi đó biên độ thay đổi R R1 2 expintL do phản xạ trên 2 gương và do hấp thụ nội trong laser bán dẫn (bao gồm hấp thụ hạt tải tự do, tán xạ và một vài cơ chế khác). Phương trình (3.37) chỉ ra hệ số tăng ích bằng tổng mất mát của buồng cộng hưởng tại ngưỡng laser và sau đó phương trình (3.38) chỉ ra rằng tần số phát ν có thể trùng với một trong tập hợp tần số νm. Các tần số này là các mốt dọc và xác định bằng độ dài quang nL.

Cấu trúc của laser bán dẫn

Laser công tắc dải về nguyên tắc chỉ giam giữ ánh sáng theo chiều dọc do chiết suất của vùng hoạt tính lớn hơn vùng dị chất, còn chiều ngang không được chặn quang, do đó nó gặp vấn đề về ổn định mốt phát khi công suất quang thay đổi. Tuy nhiờn laser đa mốt khụng thể sử dụng trong cỏc hệ thống thụng tin quang 1,55àm do tỏn sắc sợi quang khỏ lớn tại bước sóng này, đặc biệt khi sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM) để truyền tải nhiều bước sóng trong một sợi quang yêu cầu phải có laser phát đơn mốt dọc với độ rộng phổ dưới nanômét. Hiện nay có 2 loại laser đơn mốt dọc: Laser phản hồi phân bố (Distributed Feedback Laser- DFB Laser) và laser phản xạ Bragg phân bố (Distributed Bragg Reflector – DBR Laser).Hai laser trên đều sử dụng cách tử Bragg phân bố trong cấu trúc của laser để chọn lựa mốt phản xạ về vùng hoạt tính, tuy nhiên vị trí của cách tử Bragg trong laser có khác nhau.

Các loại laser DFB và DBR có độ rộng phổ phát xạ rất hẹp ( 0,1 nm) và hoạt động rất ổn định, chúng hiện được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang đường trục với tốc độ bít từ 2,5Gb/s trở lên và trong các hệ thống thông tin quang WDM. Laser này phỏt đơn mốt dọc do buồng cộng hưởng cực ngắn (cỡ 1àm), phỏt bề mặt như LED phát mặt nên dễ ghép nối với ma trận quang sợi để có thể chế tạo tổ hợp modul phát nhiều kênh, kích thước chúm sáng ra khỏi laser đồng đều dạng tròn làm tăng hiệu suất ghép nối laser-sợi quang. Các loại laser bán dẫn hiện nay có thời gian hoạt động lớn hơn 5.104 giờ ở điều kiện T=3000 K, đặc biệt có một số laser sử dụng trong hệ thống cáp ngầm dưới biển có thời gian hoạt động lên đến 106 giờ.

BỘ THU QUANG

Khi ánh sáng chiếu được hấp thụ trong nó sẽ sinh ra cặp điện tử - lỗ trống và các hạt tải sẽ chuyển động về hai phía cực do điện trường áp đặt tạo ra và như vậy làm giảm điện trở của khối bán dẫn. Điện tử sinh ra trong vùng p sẽ khuếch tán về phía biên vùng nghèo trước khi nó có thể cuốn về phía n (tương tự lỗ trống sinh ra trong vùng n sẽ khuếch tán về phía biên vùng nghèo). Nếu ta giảm độ rộng của vùng p và n và tăng độ rộng vùng nghèo W sao cho đại đa số ánh sáng tới được hấp thụ trong vùng này thì sẽ hạn chế được ảnh hưởng của dòng khuếch tán (và làm giảm độ méo tín hiệu quang-điện).

Rất nhiều kỹ thuật đã được nghiên cứu phát triển để tăng hiệu suất lượng tử của photodiode tốc độ cao, trong đó đáng chú ý là tạo cộng hưỏng Fabry-Perot chung quanh cấu trúc p-i-n để tăng hiệu suất lượng tử và sử dụng dẫn sóng quang ghép nối theo cạnh để giảm τRC. Điện tử có năng lượng cao có thể truyền một phần động năng của mình cho điện tử ở vùng hoá trị và làm cho điện tử này nhảy lên vùng dẫn, tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống mới. Sử dụng giá trị ngẫu nhiên theo phân bố Gauss, và giá trị I là hàm xác suất mật độ Gauss với các biến số 2 S2 T2 với S biến số phụ thuộc tạp âm shot và T phụ thuộc tạp âm nhiệt.

KHUẾCH ĐẠI QUANG

Để đơn giản chúng ta giả thiết có môi trường khuếch đại là một hệ 2 mức năng lượng mở rộng đồng nhất.  T2 là thời gian phục hồi dipole (dipole relaxation time) thường có giá trị rất nhỏ (T2 < 1ps). Biểu thức (5.1) có thể sử dụng để tính toán các đặc trưng quan trọng của khuếch đại quang như: băng tần khuếch đại, thông số khuếch đại và công suất ra bão hòa.

Băng tần tăng ích được xác định bằng độ rộng của phổ tăng ích g(ω) tại điểm giữa giá trị cực đại (FWHM). Công suất ra của bộ khuếch đại phụ thuộc vào g(ω) theo biểu thức (5.1), g(ω) giảm khi P tăng gần bằng Po, ta có hệ số khuếch đại G giảm vói sự tăng của công suất quang tới, hiện tượng này gọi là tăng ích bão hòa. Trong các bộ khuếch đại quang, thành phần phát xạ ngẫu nhiên cũng sẽ được khuếch đại cùng tín hiệu, do đó sẽ làm tăng thêm tạp âm.

F SRN

• Các thông số của bộ khuếch đại SOA

Tỷ số SNR của tín hiệu ra (tín hiệu đã khuếch đại) là:. Ta sẽ có hình ảnh của nhiễu Fn của bộ khuếch đại là:. Các bộ khuếch đại quang trong thực tế có Fn= 6÷8dB. Các ứng dụng của khuếch đại quang trong hệ thống. Có 4 ứng dụng chính của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang là:. a) Khuếch đại công suất (booster) để tăng công suất quang vào đường truyển;. b) Khuếch đại trên tuyến (in-line) để thay thế các bộ lặp quang-điện trên tuyến quang sợi khoảng cách lớn;. c) Tiền khuếch đại cho bộ thu quang để tăng công suât tín hiệu quang vào bộ thu;. d) Khuếch đại công suất phân bố cho các mạng rẽ nhánh. Năm 1987 thành công trong việc chế tạo các sợi quang pha tạp Erbium và có các kết quả đầu tiên về khuếch đại quang tại bước sóng 1,55μm khi bơm bằng laser Argon thì năm 1992 đã đưa khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) bơm bằng laser bán dẫn bước sóng 980nm vào sử dụng trong hệ thống thông tin quang sợi đường dài. Các bước sóng trong vùng khả kiến cũng có thể sử dụng để bơm kích thích ion Er, tuy nhiên một số hiệu ứng hấp thụ trên mức kích thích (ESA) làm ảnh hưởng đến hiệu suất bơm. Khuếch đại quang sợi EDFA có thể thiết kế hướng bơm theo 3 cấu hình sau:. a) Bơm đồng hướng: tín hiệu khuếch đại và chùm sáng bơm đồng hướng. b) Bơm ngược hướng: tín hiệu khuếch đại và chùm sáng bơm ngược hướng. c) Bơm song công: chùm sáng bơm vào vùng khuếch đại bằng cả hai hướng.

Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào độ dài bộ khuếch đại L khi ta có dòng bơm cố định bởi lý do khi độ dài L lớn hơn giá trị tối ưu nào đó đối với dòng bơm, đoạn sợi pha tạp thứa sẽ không đựơc bơm đủ và trong bộ khuếch đại sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ tín hiệu đã khuếch đại trong đoạn sợi trước. N  trong mô hình 3 mức năng lượng, vì vậy nsp luôn luôn lớn hơn 1 và hình ảnh tạp âm Fn của EDFA luôn lớn hơn 3dB, Trong khuếch đại quang sợi, nsp có thể tính được bằng mô hình 3 mức năng lượng, tuy nhiên cần phải đưa vào các tham số thay đổi của N1 và N2 theo sự tăng, giảm của độ dài bộ khuếch đại bởi vì N1 và N2 phụ thuộc vào công suất bơm và công suất tín hiệu. Hiệu ứng xuyên kênh giữa các bước sóng còn phụ thuộc vào trạng thái hoạt động bão hoà của bộ khuếch đại Xuyên kênh bão hoà là hiêụ ứng bão hoà tăng ích của các kênh không những phụ thuộc vào công suất của kênh đó (tự bão hoà) mà còn phụ thuộc vào đại lượng công suất của các kênh bên cạnh.