Hình 3. 1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thơng tin quang
Hình 3.1 [4] tr.15 biểu diễn sơ đồ tổng quát các thành phần cơ bản nhất đối với một hệ thống thơng tin sợi quang. Tín hiệu đầu vào là tín hiệu điện từ các thiết bị đầu cuối nhƣ là từ máy điện thoại, máy fax, máy tính… đƣợc chuyển thành tín hiệu quang nhờ bộ phát quang (Optical transmitter). Quá trình ngƣợc lại, tức là chuyển đổi tín hiệu từ miền quang sang miền điện đƣợc bộ thu quang (Optical receiver) thực hiện. Cáp sợi quang chính là thành phần quan trọng nhất trong mạng truyền thơng quang bởi vì chúng đĩng vai trị nhƣ là kênh truyền (communication chanel) để truyền tín hiệu quang từ nguồn tới đích.
3.2.1 Bộ phát quang
Bộ phát quang cĩ vai trị nhận tín hiệu điện đƣợc đƣa đến, chuyển đổi tín hiệu đĩ thành tín hiệu quang. Hay nĩi cách khác, bộ phát quang cĩ chức năng chuyển tín hiệu từ miền điện sang miền quang, và đƣa tín hiệu quang này lên kênh truyền quang (cáp sợi quang). Cấu trúc cơ bản của một bộ phát quang đƣợc mơ tả nhƣ Hình 3.2 [4] tr.17.
Bộ phát quang nhƣ mơ tả ở Hình 3.2 bao gồm ba thành phần cơ bản nhƣ sau: (1) nguồn quang (Optical source) là Diode phát quang LED (Light Emitting Diode) hoặc
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 23 Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), (2) bộ điều chế (Modulator) và (3) bộ ghép kênh (channel coupler) dùng để hội tụ ánh sáng sau khi đã điều chế vào kênh truyền quang.
Hình 3. 2 Cấu trúc cơ bản bộ phát quang
Cơng suất phĩng vào sợi quang (launched power) là một thơng số quan trọng cần đƣợc xem xét khi thiết kế. Cơng suất càng lớn thì khoảng cách giữa các trạm lặp (repeater) hay giữa các bộ khuếch đại (amplifier) trên đƣờng truyền càng dài. Tuy nhiên, khi càng tăng cơng suất phĩng vào sợi quang thì ảnh hƣởng của các hiện tƣợng phi tuyến lên tín hiệu truyền trên sợi quang càng tăng [9]. Vì thế, cơng suất này chỉ nằm trong một giới hạn cho phép sao cho ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến là cĩ thể chấp nhận đƣợc và số trạm lặp là ít nhất cĩ thể. Đơn vị thƣờng để đo mức cơng suất này là “dBm” với mức cơng suất tham chiếu là 1 mW [4]:
( ) .
/ (3. 1)
Đối với LED, cơng suất phĩng vào sợi quang tƣơng đối thấp ( ) nhƣng đối với LAZER thì mức cơng suất này cĩ thể đạt 10 dBm. Ngày nay, hầu hết các hệ thống truyền thơng quang đều sử dụng Lazer. Tốc độ bit cĩ thể đạt đƣợc khi sử dụng nguồn quang Lazer trong các hệ thống Viễn thơng hiện nay là 40 Gb/s/channel.
Nguồn quang
Loại nguồn quang đƣợc sử dụng trong bộ phát quang là các loại nguồn quang bán dẫn. Nhƣ đã đề cập trên, cĩ hai loại nguồn quang đƣợc sử dụng chính đĩ là LED và
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 24 Lazer. Tuy nhiên, khơng phải chất bán dẫn nào cũng đƣợc sử dụng để chế tạo nguồn quang trong thơng tin quang. Để cĩ thể đƣợc sử dụng trong thơng tin quang, các chất bán dẫn cần phải cĩ dải cấm năng lƣợng trực tiếp [4] và độ rộng của dải cấm năng lƣợng phù hợp sao cho cĩ thể tạo ra ánh sáng cĩ bƣớc sĩng nằm trong vùng bƣớc sĩng hoạt động của thơng tin quang.
Các yêu cầu đối với một nguồn quang là:
Cĩ kích thƣớc nhỏ tƣơng ứng với sợi quang để cĩ thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang với hiệu suất cao.
Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu. Lý tƣởng, nguồn quang phải tuyến tính.
Độ rộng phổ hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang.
Phát ra ánh sáng cĩ bƣớc sĩng phù hợp với vùng bƣớc sĩng mà sợi quang cĩ suy hao thấp và tán sắc thấp, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bƣớc sĩng này.
Ánh sáng do nguồn quang phát ra khơng phải chỉ tồn tại ở một bƣớc sĩng nhất định mà tại một khoảng bƣớc sĩng. Đây chính là nguyên nhân của hiện tƣợng tán sắc sắc thể (CD - Chromatic Dispersion), làm giới hạn cự ly truyền. Do vậy, độ rộng phổ do nguồn quang phát ra càng hẹp càng tốt. Thơng thƣờng Diot phát quang LED sẽ cĩ độ rộng phổ khoảng 50-60 nm, lớn hơn Lazer (2-4 nm) rất nhiều nhƣng lại rẻ hơn. Cho nên tùy ứng dụng, thiết kế cụ thể mà ngƣời ta chọn sử dụng LED hay Lazer [1].
Trong các hệ thống truyền thơng tốc độ cao, cự ly truyền dẫn lớn thì Lazer là lựa chọn tối ƣu. Đề tài trình bày cả lý thuyết lẫn mơ phỏng nguồn quang sử dụng là Lazer, cụ thể hơn là loại Lazer hồi tiếp phân bố DFB (Distributed Feedback Lasers).
Lazer hồi tiếp phân bố DFB[4]
Lazer DFB đƣợc ứng dụng và phát triển trong những năm 1980 [4]. Về cơ bản, Nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tƣợng: (1) Hiện tƣợng phát xạ kích thích nhằm tạo ra sự khuếch đại ánh sáng trong Laser. Khi xảy ra hiện
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 25 tƣợng phát xạ kích thích, photon ánh sáng kích thích điện tử ở vùng dẫn tạo ra một photon thứ hai. Hai photon này tiếp tục quá trình phát xạ kích thích để tạo ra nhiều photon hơn nữa theo cấp số nhân (Hình 3.4 (c)). Các photon này đƣợc tạo ra cĩ tính kết hợp (cùng tần số, cùng pha, cùng hƣớng và cùng phân cực). Nhƣ vậy, ánh sáng kết hợp đƣợc khuếch đại. (2) Hiện tƣợng cộng hƣởng của sĩng ánh sáng khi lan truyền trong laser tạo ra sự chọn lọc tần số (hay bƣớc sĩng) ánh sáng. Theo đĩ, chỉ những sĩng ánh sáng cĩ tần số (hay bƣớc sĩng) thỏa điều kiện về pha của hốc cộng hƣởng thì mới cĩ thể lan truyền và cộng hƣởng trong hốc cộng hƣởng đƣợc [4] tr.78.
Hình 3. 3 Các cơ chế chuyển đổi mức năng lƣợng (a) hấp thụ. (b) phát xạ tự phát. (c) phát xạ kích thích
Cấu trúc của laser DFB đƣợc biểu diễn trên Hình 3.4. Quá trình cộng hƣởng và chọn lọc tần số xảy ra trong laser DFB đƣợc thực hiện nhờ cấu trúc cách tử Bragg đặt ở bên cạnh, dọc theo vùng tích cực của laser. Sĩng ánh sánh phát xạ trong laser lan truyền dọc theo vùng tích cực và phản xạ tại mỗi đoạn dốc của cách tử. Điều kiện để sự phản xạ và cộng hƣởng cĩ thể xảy ra là bƣớc sĩng ánh sáng phải thỏa điều kiện Bragg [4] tr.100:
.
/ . / (3. 2)
Trong đĩ: m là bậc nhiễu xạ, Λ là chu kỳ của cách tử Bragg, nav là chiết suất t r u n g b ì n h của cách tử.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 26 tích cực phản xạ nhiều lần tại cách tử. Tại mỗi đoạn dốc của cách tử, một phần năng lƣợng ánh sáng bị phản xạ. Tổng hợp năng lƣợng ánh sáng phản xạ tại mỗi đoạn cách tử này trong laser làm cho phần lớn ánh sáng trong laser đƣợc phản xạ cĩ bƣớc sĩng thỏa điều kiện Bragg. Kết quả là, laser DFB chỉ phát xạ ra ánh sáng cĩ bƣớc sĩng λB thỏa điều kiện Bragg. Vì vậy, DFB laser chỉ
phát ra một mode sĩng cĩ độ rộng phổ rất hẹp. Với đặc điểm nhƣ vậy, laser DFB đã và đang đƣợc sử dụng trong các hệ thống thơng tin quang cĩ cự ly truyền dẫn dài và tốc độ bit truyền cao.
Hình 3. 4 Cấu trúc của Lazer DFB
Bộ điều chế quang (modulator)
Bộ điều chế quang nhằm đƣa thơng tin cần truyền lên sĩng mang quang. Cĩ hai kiểu điều chế quang thƣờng đƣợc sử dụng đĩ là điều chế trực tiếp DM (Direc Modulator) và sử dụng bộ điều chế ngồi (external modulator) [11]. Mỗi dạng điều chế đều cĩ ƣu và nhƣợc điểm riêng. Đối với các hệ thống thơng tin quang tốc độ vừa phải (dƣới 10 Gb/s) thì kiểu điều chế trực tiếp đƣợc sử dụng. Trong kiểu điều chế này, tín hiệu điện đƣợc đƣa trực tiếp vào để phân cực cho Lazer. Ở tốc độ cao (trên 10 Gb/s) kiểu điều chế này sẽ gây nên hiện tƣợng dịch tần số (frequency chirp) [11]. Để khắc phục nhƣợc điểm này của dạng điều chế trực tiếp thì ngƣời ta dùng bộ điều chế ngồi thay vì dùng bộ điều chế trực tiếp đối với các hệ thống thơng tin tốc độ cao. Đề tài sẽ đi vào phân tích, mơ phỏng bộ điều chế ngồi, cụ thể là bộ điều chế giao thoa Mach- Zehnder (Mach-Zehnder modulator).
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 27 Cấu trúc chung nhất của bộ MZM đƣợc mơ tả nhƣ Hình 3.5 [11]. Bộ điều chế giao thoa MZM bao gồm một bộ chia tại ngõ vào, hai nhánh dẫn sĩng ánh sáng, và một bộ ghép tại ngõ ra. Hoạt động của bộ MZM dựa vào hiện tƣợng giao thoa ánh sáng và hiện tƣợng thay đổi chiết suất của vật liệu (LiNbO3) theo cƣờng độ dịng phân cực hay nĩi cách khác là tuân theo hiệu ứng Pockels [17] (là hiệu ứng mà ở đĩ chiết suất ánh sáng của mơi trƣờng biến đổi theo điện trƣờng áp dụng lên mơi trƣờng đĩ. Khi chiết suất ánh sáng thay đổi theo điện thế, pha của sĩng truyền qua cũng bị thay đổi theo điện thế đĩ). Một cách vắn tắt, độ lệch pha của một sĩng truyền qua tỉ lệ thuận với điện thế áp dụng và đƣợc cho bởi cơng thức [11]:
(3. 3)
Trong đĩ: là điện thế phân cực cho MZM. là điện thế phân cực để pha của nhánh tƣơng ứng bị dịch 1800
Nhƣ vậy, pha của sĩng mang quang sẽ bị dịch đi một gĩc tùy thuộc vào điện thế phân cực áp vào các điện cực. Ngõ ra của bộ MZM là kết quả giao thoa của hai nhánh. MZM đƣợc ứng dụng phổ biến trong điều chế pha và điều chế biên độ.
Cĩ hai cách phân cực cho bộ MZM đĩ là phân cực đơn (single drive) và phân cực đơi (dual drive).
Hình 3. 5 Cấu trúc bộ Mach-Zehnder modulator
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 28 một nhánh MZM đƣợc phân cực. Ngõ ra của MZM là sự kết hợp của hai nhánh, ta cĩ [11]:
( ) (3. 4)
Trong đĩ: là cƣờng độ ánh sáng ngõ vào, là cƣờng độ ánh sáng ngõ ra, là điện thế phân cực để pha nhánh đĩ dịch , là điện thế phân cực cho MZM.
Hình 3. 6 Cấu trúc bộ MZM phân cực đơn [11]
Ta thấy, khi , khi . Nhƣ vậy, tùy vào điện thế phân cực mà cƣờng độ quang ngõ ra của MZM biến thiên từ 0 đế (hay từ trạng thái ON đến OFF).
Hình 3.7 mơ tả bộ MZM phân cực đơi [11]. Trong cách phân cực này, cả hai nhánh của MZM đều đƣợc phân cực với điện thế đối xứng (V1(t)=-V2(t)).
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 29 Ngõ ra của bộ MZM phân cực đơi cũng là sự kết hợp của cả hai nhánh nhƣ trƣờng hợp phân cực đơn.
( ) (3. 5)
Cĩ thể dùng bộ điều chế MZM để điều chế tín hiệu quang theo các dạng nhƣ OOK, BPSK, QPSK [11]…
Bộ ghép kênh chanel coupler
Thành phần chính của bộ ghép kênh là một vi thấu kính (Microlen) [4] dùng để hội tụ ánh sáng sau khi đƣợc điều chế và sợi quang. Nhằm nâng cao hiệu suất đƣa ánh sáng vào sợi quang.