Chỳng ta biết rằng số mode Nm truyền trong sợi chiết suất bậc phụ thuộc vào đường kớnh lừi D, chỉ số chiết suất lừi (n1) - vỏ (n2) và bước súng ỏnh sỏng: ( 2) 2 2 1 2 2 . 5 , 0 . . 5 , 0 DNA D n n Nm − = = λ π λ π (1.15)
Phương trỡnh trờn cú thể thuận tiện để tớnh toỏn đường kớnh lừi cần thiết cho truyền dẫn đơn mode. Để giải chớnh xỏc phương trỡnh chỳng ta phải giải được hàm Bessel, chỳng ta sẽ bỏ qua chi tiết và nờu thẳng cụng thức cho điều kiện truyền dẫn mode trong sợi quang:
2 2 2 1 4,2 n n D − 〈 π λ . (1.16)
Trong thực tế đường kớnh lừi xấp xỉ 5 hoặc 6 lần bước súng mà sợi làm việc (vớ dụ đường kớnh điển hỡnh của sợi đơn mode chiết suất bậc là 9,3 àm ở bước súng 1,31 àm và 10,5 àm ở bước súng 1,55 àm).
Đường kớnh lừi cực đại cho truyền dẫn đơn mode phụ thuộc vào bước súng. Nếu chỳng ta giải phương trỡnh đối với bước súng chỳng ta thấy rằng một sợi cú đường kớnh truyền ỏnh sỏng đơn mode chỉ tại cỏc bước súng dài hơn một giỏ trị gọi là bước súng cắt λc:
4 , 2 . 2 2 2 1 n n D c − =π λ
Sợi cú đường kớnh lừi D là đơn mode ở cỏc bước súng dài hơn λc, nhưng khi bước súng giảm xuống nú bắt đầu truyền dẫn hai mode tại λc.
1.2.3 Phần tử thu ỏnh sỏng
Nhằm mục đớch chuyển đổi tớn hiệu quang sau khi đi qua sợi quang sang tớn hiệu điện ta phải sử dụng phần tử thu ỏnh sỏng photodiode. Vỡ tớn hiệu quang sau khi truyền qua một sợi quang dài rất yếu, nờn hệ số biến dổi quang - điện của photodiode phải rất cao. Đồng thời để phản ỏnh trung thực tớn hiệu thụng tin, chất lượng biến đổi cũng phải cao như: hiệu suất, tốc độ phản ứng, khụng sai lệch tớn hiệu, độ nhiễu bộ. Ngoài ra để thụng tin quang làm việc lõu dài Photodiode phải bền và ổn định theo thời gian. Một điểm cần chỳ ý là kớch thước của photodiode phải đảm bảo phự hợp với tiết diện sợi quang.
Hiện nay cú hai loại phần tử thu quang Photodiode sử dụng phổ biến trong cỏc hệ thống thụng tin quang là Diode thu quang kiểu APD (Avalanche Photo Diode) và Diode thu quang kiểu PIN (Positive Intrinsic Nagative).
1.2.3.1.Photodiode PIN
Chỳng ta biết diode p+-n là yếu tố thu cú hiệu suất cao. Độ rộng của vựng nghốo sẽ tạo nờn điện dung lớn. Sử dụng photodiode PIN với phõn cực ngược sẽ hiệu quả hơn photodiode làm từ vật liệu bỏn dẫn thuần.
Hỡnh 1.15 cho ta sơ đồ của photodiode PIN, cũng như thay đổi cường độ điện trường ngược. Ta thấy điện trường đạt cực đại trong vựng nội, lớp I. Điện trường này cao đến mức cú thể làm cho hạt tải cú vận tốc bóo hoà. Do đú mà photodiode PIN là loại yếu tố thu nhanh.
Trong hỡnh lớp I được ký hiệu là n-. Ta ký hiệu như vậy là vỡ vật liệu được cấy thờm rất ớt cỡ 1019 nguyờn tử thiểu số trờn m3. Trong khi đú vựng p+ và vựng n+ được cấy nhiều hơn 1022/m3.
(a) E Khoảng cỏch (b) Cường độ ỏnh sỏng Khoảng cỏch (c)
Hỡnh 1.15 (a) sơ đồ photodiode, (b) cường độ điện trừơng; (c) cường độ ỏnh sỏng đi qua photodiode
Cấu trỳc
Hỡnh 1.16 là cấu trỳc điển hỡnh của photodiode PIN. Đường kớnh khoảng 50 àm đối với loại hoạt động ở tốc độ cao và 200àm đối với loại hoạt động ở tốc độ thấp. Đường kớnh càng lớn thỡ khả năng thu nhận ỏnh sỏng càng lớn. Tuy nhiờn hoạt động ở tốc độ cao đũi hỏi photodiode cú kớch thước nhỏ. Nhằm mục đớch trỏnh được vấn đề này nờn nhiều photodiode chế tạo dưới dạng thấu kớnh bỏn cầu, nú cú thể tập trung nhiều photon trờn một diện tớch lớn vào diện tớch nhỏ của photodiode.
Dưới điều kiện phõn cực ngược tất cả hạt tải n- lướt đi và do đú vựng nghốo được mở rộng từ vựng bỏn dẫn- p đến vựng bỏn dẫn - n. Điện thế đặt vào để tạo ra hiện tượng này gọi là thế đỏnh thủng. Khiđiện ỏp đặt vào vượt ra ngoài điểm này thỡ vựng nghốo mở rộng vượt qua vành tiếp
P+ I(n- )
xỳc. Do lớp SiO2 là trong suốt đối với ỏnh sỏng cho nờn bỏn dẫn hấp thụ những photon Tiếp xúc vàng 0,5àm SiO2 BD –P 40àm 40 àm Lớp I 10àm BD - n
Hình 1.16 Mô hình photodiode PIN Si
khụng vượt qua lớp bỏn dẫn - p+. Cơ chế hấp thụ này hiệu quả hơn hấp thụ qua lớp bỏn dẫn - p, và do đú hiệu suất lượng tử sẽ đạt tới 85% đối với vựng hồng ngoại gần.
1.2.3.2 .Photodiode Avalanche ( APD)
Khi photodidoe tiếp xỳc p-n được phõn cực ngược, thỡ sự đỏnh thủng cú thể xẩy ra bởi hai cơ chế khỏc nhau: thứ nhất là do sự ion hoỏ trực tiếp của cỏc nguyờn tử trong mạng - hiện tượng đỏnh thủng Zenel ( zener breakdown ) ; hai là cỏc hạt tải tốc độ cao gõy ra sự in hoỏ do va chạm của cỏc nguyờn tử trong mạng - hiện tượng đỏnh thủng thỏc lũ ( avalanche breakdown ). APD sử dụng cơ chế thứ hai.
Hỡnh 1.17 mụ tả cấu trỳc bờn trong cuả APD. Do đặc điểm mật độ pha tạp và cấu trỳc vật lý của tiếp xỳc n+p, nờn trường E đủ lớn để gõy nờn ion hoỏ va chạm. Trong chế độ phõn cực bỡnh thường thỡ lớp I ( vựng bỏn dẫn - p) bị làm nghốo hoàn toàn. Đõy được gọi là điều kiện đỏnh thủng.
E n+
p P-
(a) Khoản cỏch(b)
Hỡnh 1.17 Sơ đồ APD (a) và thay đổi cường độ điện trường qua photodiode.
Giống như photodiode PIN, hiện tượng hấp thụ ỏnh sỏng trong APD hiệu quả nhất trong lớp I. Trong lớp này, trường E sẽ tỏch cỏc hạt tải ra: cỏc điện tử bị cuốn vào vựng thỏc lũ. Tại đõy hiện tượng nhõn hạt tải xảy ra. Chỳng ta cũng nờn nhớ rằng APD hiệu điện thế đỏnh thủng cú thể đỏnh thủng chớnh nú và dẫn đến dũng ngược. Cho nờn APD thụng thường được cấp điện ỏp dưới điện ỏp đỏnh thủng và được kiểm soỏt chặt chẽ.
Cấu trỳc
Hỡnh 1.18 mụ tả bề ngoài và mặt cắt ngang của APD Si. Để giảm hấp thụ photon trong vựng bỏn dẫn – n+p, hai lớp bỏn dẫn – n+ và lớp bỏn dẫn – p được chế tạo rất mỏng. Trong thực tế hai lớp này được pha tạp với nồng độ khoảng 1024 và 1021 /m3, cũn lớp bỏn dẫn – p+ và lớp bỏn dẫn – p- pha tạp với nồng độ 1024 và 1020 /m3 tương ứng. Cỏc thụng số này cựng với thụng số kớch thước photodiode cho điện ỏp đỏnh thủng là 40 V, và trường đỏnh thủng thỏc lũ là 18 V/ àm. Trong khi đú điện ỏp đỏnh thủng ngược của photodiode điển hỡnh thay đổi trong khoảng 200-300 V. Một vũng bảo vệ loại bỏn dẫn – n được sử dụng để tăng điện ỏp đỏnh thủng ngoại vi, làm cho tiếp xỳc n+- p đỏnh thủng trước tiếp xỳc p-n.
Tiế xúc
(a)
n p n SiO2
p-
p+
(b)
Hình 1.18 APD nhìn từ ngoài (a) và mặt cắt ngang (b)
Để thu ỏnh sỏng trong vựng bước súng từ 1,3 đến 1,55 àm, ta sử dụng APD Gemani. Tuy nhiờn như chỳng ta đó biết, thỡ photodiode loại này cú dũng tối rất cao, cú thể dẫn đến quỏ trỡnh thu cả nhiễu. Mặc dự cú những mặt yếu, song APD loại này vẫn đang được nghiờn cứu và phỏt triển.
Loại photodiode PIN bước súng dài APD cú thể chế tạo từ vật liệu InGaAs/InP ( xem hỡnh 1.19). Trong thiết kế này thỡ lớp InGaAs sẽ hấp thụ ỏnh sỏng vỡ lớp InP trong suốt với bước súng dài và do đú photodiode loại này cú thể chiếu sau hoặc chiếu trước. Trường E trong vựng nghốo hoàn toàn sẽ phõn tỏch cỏc hạt tải do hấp thụ photon sinh ra. Tuy nhiờn do n-N là tiếp xỳc dị thể nờn chỉ cú lỗ trống gõy ra sự đỏnh thủng trong vựng bỏn dẫn- N. Tiếp xúc n- InGaAs N-InP P - InP P+ nền InP
Tiếp xúc
Hình1.19 Mặt cắt ngang của APD sóng dài điển hình.
Như vậy APD thụng thường hoạt động với trường E đủ lớn trong vựng hấp thụ, > 1V/àm. Chớnh trường này đó tăng tốc độ của hạt tải đến bóo hoà, và cường độ trường trong vựng bỏn dẫn- N đủ lớn để gõy ra hiện tượng đỏnh thủng, > 20 V/àm. Trong thực tế cường độ điện trường cỡ 15V/àm và 45 V/àm, và do đú cỏc điều kiện này đều thoả món. Điện thế đặt vào để tạo ra cỏc điều kiện trờn là 50V.
1.3. Kết luận
Trong chương I chỳng tụi đó giới thiệu một số khỏi niệm cơ bản của hệ thống thụng tin quang cơ bản như:
+ Quỏ trỡnh truyền lan của tia sỏng trong ống dẫn quang : phương trỡnh truyền lan ( E z E 2 2 2 γ = ∂ ∂ − , H z H 2 2 2 γ = ∂ ∂
− ), mode truyền dẫn - số mode cực đại
( Nmax =2V/π 0 2 2 2 1 4 λ n n d − = ).
+Cấu tạo của hệ thống thụng tin quang( LED, Laser điụt, Sợi quang…). +Điều kiện lan truyền ỏnh sỏng trong sợi quang: Tia sỏng đi từ mụi trường cú chiết suất lớn đến mụi trường cú chiết suất bộ hơn và cú gúc tới lớn hơn gúc tới hạn (xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần), và cỏc tia sỏng phải lọt vào gúc nhận (2θi) thoả món NA Sin i nn n
2 2 2 1 − = = θ .
+Điều kiện truyền dẫn đơn mode: 2 2 2 1 4,2 n n D − 〈 π λ
Tuy nhiờn trong hệ thống thụng tin cơ bản một sợi quang chỉ truyền dẫn được một bước súng, với một nguồn phỏt quang ở phớa phỏt và một bộ tỏch súng quang ở phớa thu. Với một hệ thống như vậy, dải phổ của tớn hiệu quang truyền qua sợi quang thực tế rất hẹp so với dải thụng mà cỏc sợi truyền dẫn quang cú thể truyền dẫn với suy hao nhỏ. Bờn cạnh, đú nếu muốn tăng dung lượng của hệ thống thỡ phải thờm sợi quang. Để giải quyết cả hai vấn đề đú cụng nghệ ghộp kờnh DWDM ra đời với ý tưởng truyền dẫn đồng thời nhiều tớn hiệu quang từ cỏc nguồn quang khỏc nhau với cỏc bước súng khỏc nhau cho cỏc nguồn thụng tin độc lập. Vậy cụng nghệ DWDM là gỡ? Chỳng ta sẽ tỡm hiểu trong khuụn khổ chương II_HỆ THỐNG GHẫP KấNH ĐA BƯỚC SểNG DWDM.
Chương II
HỆ THỐNG GHẫP KấNH ĐA BƯỚC SểNG ( Hệ thống DWDM)
2.1. Giới thiệu chung về DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex)
2.1.1. Khỏi niệm về DWDM
Khỏi niệm ghộp kờnh quang khụng phải là mới. Khỏi niệm này cú bắt đầu từ năm 1958. Cú thể núi rằng ý tưởng về truyền nhiều tớn hiệu quang là rất đơn giản và tự nhiờn như là cụng nghệ truyền tớn hiệu sử dụng trong viễn thụng cổ điển với tớn hiệu điện. Nhưng giải phỏp cho cỏc vấn đề cụng nghệ là rất khú khăn và nú cần thời gian dài phỏt triển để giải quyết cỏc vần đề này. Khoảng 20 năm sau cỏc linh kiện thực tế đầu tiờn sử dụng cho ghộp kờnh đó được sản xuất và sử dụng ở Mỹ, Nhật, Chõu Âu. Năm 1977 thiết bị thụ động DWDM đầu tiờn được phỏt triển bởi Tomlinson và Aumiller. Cụng
nghệ ghộp kờnh DWDM là cụng nghệ trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước súng tớn hiệu quang.
2.1.2 Mụ hỡnh hệ thống DWDM
Nhiệm vụ của cỏc hệ thống truyền dẫn núi chung là truyền tớn hiệu qua một khoảng cỏch nhất định trờn mụi trường truyền dẫn đó được lựa chọn trước. Đối với cỏc hệ thống truyền dẫn lựa chọn sợi quang làm mụi trường truyền dẫn sẽ là rất tốn kộm nếu khụng sử dụng hiệu quả băng thụng của sợi quang. Để tận dụng tốt băng thụng của sợi quang kỹ thuật ghộp kờnh phõn chia theo bước súng (DWDM) đó ra đời và phỏt triển khụng ngừng trong nửa thế kỷ qua. Cỏc hệ thống DWDM cũng lần lượt được giới thiệu và phỏt triển trong cỏc mạng viễn thụng thương mại. Mụ hỡnh của hệ thống DWDM và nguyờn lý hoạt động của nú được chỉ ra trong hỡnh vẽ (2.1).
Hỡnh 2.1. Hệ thống ghộp kờnh phõn chia theo bước súng quang
Giả sử cú cỏc nguồn quang làm việc ở cỏc bước súng khỏc nhau λ1,
λ2, ..., λn. Cỏc tớn hiệu quang ở cỏc bước súng khỏc nhau này sẽ được ghộp
vào cựng một sợi dẫn quang. Cỏc tớn hiệu cú bước súng khỏc nhau được ghộp lại ở phớa phỏt nhờ bộ ghộp kờnh (MUX), bộ ghộp bước súng phải đảm bảo cú suy hao nhỏ và tớn hiệu sau khi ghộp sẽ được truyền dọc theo sợi quang tới phớa thu. Cỏc bộ tỏch súng quang khỏc nhau ở phớa đầu thu sẽ
MUX/ DE- MUX Sợi dẫn quang λ1,λ2, ... λN λ, 1,λ, 2, ... λ, N RxN Kờnh 1 Kờnh 1’ Kờnh N Kờnh N' λ1 λ, N λ, 1 Rx N TxN Tx N DE- MUX/ MUX λN TxN Kờnh 1 Kờnh 1’ KờnhN KờnhN' λ1 λ, N λ, 1 Tx N RxN Rx N λN
nhận lại cỏc luồng tớn hiệu với cỏc bước súng riờng rẽ này sau khi chỳng qua bộ giải ghộp bước súng (DE-MUX). Ở phớa phỏt, cỏc thiết bị ghộp kờnh phải cú suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghộp kờnh. Ở phớa thu cỏc bộ tỏch súng quang phải nhạy với độ rộng của cỏc bước súng quang. Khi thực hiện tỏch kờnh cần phải thực hiện cỏch ly kờnh quang thật tốt với cỏc bước súng bằng cỏch thiết kế cỏc bộ giải ghộp kờnh thật chớnh xỏc, cỏc bộ lọc quang nếu được sử dụng phải cú bước súng cắt chớnh xỏc, dải làm việc thật ổn định.
Cú 2 phương ỏn thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật ghộp bước súng quang là thiết lập hệ thống ghộp kờnh theo bước súng quang một hướng và thiết lập hệ thống ghộp kờnh bước súng quang theo hai hướng. Hỡnh vẽ 2.1 chỉ ra một hệ thống ghộp kờnh theo bước súng quang theo hai hướng, trong đú tại cỏc đầu cuối cú cỏc thiết bị tỏch ghộp kờnh hỗn hợp. Cũn trong trường hợp thiết lập hệ thống ghộp kờnh theo bước súng quang một hướng thỡ tại cỏc đầu cuối chỉ thực hiện một nhiệm vụ là ghộp hoặc tỏch kờnh.
2.1.3 Đặc điểm chớnh của cụng nghệ DWDM:
a. Tận dụng được tài nguyờn dải tần rộng của sợi quang:
Cụng nghệ DWDM tận dụng tài nguyờn băng rộng to lớn của sợi quang (đoạn súng tổn hao thấp), làm cho dung lượng truyền dẫn của một sợi quang so với truyền dẫn bước súng đơn tăng từ vài lần đến vài chục lần, từ đú tăng dung lượng truyền dẫn của sợi quang, hạ giỏ thành.
b. Đồng thời truyền dẫn nhiều tớn hiệu:
Vỡ trong cụng nghệ ghộp kờnh DWDM sử dụng cỏc bước súng độc lập với nhau, do đú cú thể truyền những tớn hiệu cú đặc tớnh hoàn toàn khỏc nhau như õm tần, số liệu, văn bản, hỡnh ảnh, õm thanh…
c. Thực hiện hai chiều trờn một sợi quang:
Do nhiều phương tiện thụng tin đều dựng phương thức hoàn toàn song cụng (Như điện thoại), do đú cụng nghệ DWDM cú thể tiết kiệm được lượng đầu tư lớn cho đường dõy.
d. Tiết kiệm đầu tư cho đường dõy:
Do cụng nghệ DWDM cú thể ghộp kờnh N bước súng trong một sợi quang đơn mode, vỡ vậy khoảng cỏch và dung lượng truyền tăng lờn ta cú thể tiết kiệm được số lượng sợi quang. Bờn cạnh đú cụng nghệ DWDM cũn thuận tiện cho việc mở rộng dung lượng thụng tin sợi quang đó xõy dựng, chỉ cần hệ thống cũ cú độ dư cụng suất tương đối lớn thỡ cú thể tăng dung lượng mà khụng cần phải thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ.
2.2. Cỏc phần tử trong hệ thống DWDM
Ở phần I đó trỡnh bày tổng quan về quỏ trỡnh hỡnh thành, phỏt triển của kỹ thuật ghộp kờnh theo bước súng quang và một số khỏi niệm liờn quan. Tuy nhiờn việc thực hiện ý tưởng ghộp kờnh quang vào thời điểm đú là khụng hề dễ dàng do những khú khăn về cụng nghệ. Trong những năm gần đõy cụng nghệ vật liệu phỏt triển rất nhanh, đó cú rất nhiều vật liệu mới