1.Giới thiệu chung:
Trong hệ thống thông tin quang coherent, kĩ thuật điều chế tín hiệu có thể thực hiện theo hai phương pháp: điều chế trong và điều chế ngoài. Kỹ thuật điều chế trong là phương pháp điều chế quen thuộc, bơm trực tiếp dòng tín hiệu vào laser diode. Việc điều tần và điều biên theo phương pháp điều chế trong thực hiện tương đối đơn giản nhưng chỉ thích hợp với các hệ thống thông tin tốc độ thấp vì ở tốc độ cao laser diode bộc lộ hiện tượng suy giảm các đặc tính phổ. Do đó đối với các hệ thống thông tin tốc độ cao với các cấu hình mạng phức tạp thì phương pháp này ít được sử dụng. Lúc này kĩ thuật điều chế ngoài xuất hiện đã đáp ứng các hệ thống thông tin hiện đại.
Điều chế ngoài là phương pháp điều chế ánh sáng bên ngoài laser. Nó có những ưu điểm sau:
+ Có thể thực hiện các phương thức điều chế như đã nêu ở phần trên kể cả phương pháp không thu được kết quả ở điều chế trực tiếp, ví dụ như điều pha.
+ Tránh được hiệu ứng suy giảm các đặc tính phổ, sự bất ổn định trong điều chế, đặc biệt ở điều tần và sự nhảy mode của ánh sáng.
+ Thích hợp với các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao.
+ Là cơ sở để chế tạo các chuyển mạch quang, là xu hướng phát triển của mạng viễn thông hiện nay và trong tương lai. Nguyên tắc điều chế ngoài dựa trên các mạch quang tích hợp, sử dụng hiệu ứng quang điện của các vật liệu dẫn sóng điện môi để điều pha, điều biên cho cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số. Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng quang điện tuyến tính (line eletro – optic effect) được ứng dụng có hiệu quả nhất. Đó là do khả năng đáp ứng nhanh (trong phạm vi 10-12s) với hiệu suất cao trong các vật liệu quang như LiNbO3, hoặc các chất bán dẫn như GaAs và InP. Nhờ sự phát triển của các mạch quang tổ hợp trên cơ sở chất bán dẫn và các đặc tính khác của chất này mà các hiệu ứng tập trung phần tử tải và hấp thụ điện được khai thác triệt để.
2. Bộ điều chế pha (Phase Modulator):
Ở phương pháp điều chế pha người ta sử dụng hiệu ứng quang điện tuyến tính trong đó chiết suất điện môi n của vật liệu thay đổi dưới tác động của một tín hiệu biến đổi đặt vào vật liệu đó làm thay đổi pha của ánh sáng đi qua. (hình 2.9).
Tín hiệu điều chế (Vmod) được đưa vào điện cực mạch quang tích hợp và làm thay đổi chiết suất n của phần tử dẫn sóng làm cho tốc độ và thời gian lan truyền qua phần tử dẫn sóng cũng thay đổi. Thời gian lan truyền tính theo công thức:
C nL
t=
Khi chiết suất thay đổi một lượng ∆n thì thời gian lan truyền thay đổi một lượng tương ứng. C L n t= ∆ . ∆
Hình 2.9: Sơ đồ của bộ điều chế pha
Do đó pha của ánh sáng cũng thay đổi một lượng:
L d V R n t . . . . . . 3 λ π α ω ϕ = ∆ = ∆ (2.11).
Trong đó: λ: là bước sóng trong chân không của bức xạ. R: là hệ số chuyển đổi quang điện.
V: hiệu điện thế đặt vào hai cực. d: khoảng cách giữa hai cực.
α: hiệu suất biểu thị chồng lấn giữa trường điều chế và trường dẫn quang.
Từ công thức trên ta thấy: sự biến đổi pha của ánh sáng là một hàm thay đổi tuyến tính theo điện áp tín hiệu điều chế đưa vào. Bộ điều chế pha đôi khi được đặc trưng bởi tích số điện áp V đặt vào và độ dài tác động của phần tử dẫn sóng L để tạo nên sự lệch pha là π radian của sóng ánh sáng khi
điều chế. Các bộ điều chế pha thường được chế tạo trên hợp chất LiNbO3
bằng cách khuếch tán Ti vào tinh thể LiNbO3. Hợp chất này thích hợp cho mọi bước sóng sử dụng trong viễn thông. Điện áp đặt vào hai cực thường nhỏ hơn 10V với suy hao khoảng 2 ÷ 3 dB và tăng dần lớn hơn 8 GHz. Các thiết bị trong phòng thí nghiệm thường có thể đạt đến băng tần 40GHz.
3. Bộ điều chế cường độ:
Điều chế cường độ có thể được thực hiện theo hai phương pháp: điều chế cường độ ghép định hướng và điều chế cường độ theo nguyên lí giao thoa quang học.
a. Điều chế cường độ ghép định hướng:
Sơ đồ điều chế ghép định hướng được mô tả trong hình 2.10. Công suất quang được chia ở lối ra phụ thuộc vào hiệu suất ghép và độ dày tác động của chúng. Hiều suất ghép phụ thuộc vào chiết suất phản xạ của vật liệu dẫn sóng điện môi. Do vậy nếu điều khiển bằng phương pháp thay đổi cường độ điện trường E để thay đổi chiết suất của nó thì có thể thay đổi tương quan công suất ở lối ra I và II. Nếu quan tâm đến một trong hai lối ra thì chúng ta sẽ nhận được sự biến đổi cường độ phù hợp với tín hiệu điều chế.
Tổng công suất vào ra không đổi nên cường độ ánh sáng ở hai lối ra biến đổi bù trừ nhau. Do đó ta có thể chọn lối ra I hoặc II cho phù hợp. Bộ điều chế ghép định hướng dựa trên hợp chất LiNbO3 hoặc cũng có thể chế tạo từ hợp chất bán dẫn GaAs hoặc InP để tạo nên các mạch tổ hợp quang. Các bộ điều chế hấp thụ điện cũng thu hút sự chú ý nhờ kích thước sử dụng rất nhỏ. Mặt khác cấu trúc hố lượng tử trong chất bán dẫn cũng hứa hẹn nâng cao khả năng điều chế. Ngoài ra bộ điều chế này còn được sử dụng như các chuyển mạch quang. Bằng sự thay đổi các giá trị E phù hợp công suất ở đầu ra thay đổi tương quan theo tỉ lệ 100% →0% và 0% → 100%. Như vậy, có thể đóng vai trò như chuyển mạch quang cho phép ánh sáng ở đầu vào đến một trong hai lối
ra I và II tuỳ ý. Nếu ghép nhiều tầng chúng ta có thể tạo nên chuyển mạch nhiều đường.
Hình 2.10: Sơ đồ điều chế ghép cường độ định hướng
b. Điều chế cường độ theo nguyên lí giao thoa quang học:
Máy giao thoa quang học March – Zehnder được sử dụng khá phổ biến. Trên hình 2.11 mô tả nguyên lí điều chế theo phương pháp này. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.11: Điều chế cường độ theo nguyên lý giao thoa quang học
Nó chủ yếu bao gồm hai phần tử điều pha được xếp theo sơ đồ đẩy kéo để tối thiểu hoá điện áp đặt vào hai cực mạch tích hợp. Nếu ánh sáng đến bộ rẽ nhánh chữ nhật Y là cùng pha thì công suất ra đạt cực đại. Và nếu ánh sáng đến bộ rẽ nhánh ngược pha thì công suất lối ra cực tiểu. Độ sâu điều chế khoảng 99% khi điện áp đặt vào và suy hao xen tương đương với bộ điều chế pha. Điều chế giao thoa March – Zehnder được sử dụng rộng rãi và đem lại hiệu quả cao.