CHƯƠNG 3 : BỘ PHÁT QUANG
3.6. Bộ phát quang
3.6.3. Bộ điều chế ngoài
Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế ngòai được biểu diễn trên hình 3.39. Theo đó, điều chế tín hiệu quang không thực hiện bên trong laser mà đượcthực hiện bởi một linh kiện quang bên ngòai gọi là bộ điều chế ngòai (external modulator). Ánh sáng do laser phát ra dưới dạng sóng liên tục CW (continuous wave). Với cấu trúc như vậy, kỹ thuật điều chế ngòai đã khắc phục được các nhược điểm của kỹ thuật điều chế trực tiếp: - Băng thông điều chế: do bộ điều chế ngòai quyết định, vì vậy, không bị giới hạn bởi tần số dao động tắt dần của laser diode. Ánh sáng laser trong trường hợp này đóng vai trò như sóng mang.
- Không xảy ra hiện tượng chirp đối với tín hiệu quang vì laser được kích thích bởi dòng điện ổn định nên ánh sáng phát là sóng liên tục có tần số và độ rộng phổ ổn định. Đặc điểm này rất quan trọng đối với hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM vì yêu cầu về độ ổn định của bước sóng ánh sáng tại các kênh rất cần thiết. - Không bị giới hạn bởi công suất phát quang vì đặc tính điều chế do bộ điều chế ngòai quyết định.
Hình 3.39. Sơ đồ khối bộđiều chế ngoài
Có hai loại bộ điều chế ngòai được sử dụng hiện nay: Mach-Zehnder Modulator (MZM) và Electroabsorption Modulator (EA) Mach-Zehnder Modulator (MZM) hay còn gọi là Lithium niobate (LiNbO3) modulator được chế tạo bằng vật liệu Lithium niobate có cấu trúc Mach-Zehnder như hình 3.40. Chiết suất của lithium niobate phụ thuộc vào điện áp phân cực. Ánh sáng do laser phát ra khi đi vào ống dẫn sóng được chia làm hai phần bằng nhau. Khi không có điện áp phân cực, cả hai nữa sóng ánh sáng tới không bị dịch pha. Vì vậy, ở ngõ ra của bộ điều chế sóng ánh sáng kết hợp có dạng của sóng ánh sáng
ban đầu. Khi có điện áp phân cực, một nữa của sóng tới bị dịch pha +90 vì chiết suấtcủa một nhánh của ống dẫn sóng giảm, làm tăng vận tốc truyền ánh sáng và làm giảm độ trễ. Một nữa kia của sóng tới ở nhánh còn lại của ống dẫn sóng bị dịch pha -90o vì chiết suất tăng, làm vậntốc truyền ánh sáng giảm và làm tăng độ trễ. Kết quả là, hai nữa sóng ánh sáng ở ngõ ra của MZM bị lệch pha 180o và triệt tiêu lẫn nhau. Qua đó cho thấy, cường độ tín hiệu ánh sáng ở ngõ ra của MZM có thểđược điều khiển bằng cách hiệu chỉnh điện áp phân cực. Bằng cách này, bất kỳ độ dịch pha của sóng ánh sáng tới ở hai nhánh của ống dẫn sóng cũng có thể được hiệu chỉnh.
Hình 3.40. Nguyên lý hoạt động của bộđiều chế ngòai MZM
(a). Không có điện áp phân cực (b). Có điện áp phân cực
Điều chế ngòai MZM chủ yếu đuợc sử dụng trong mạng quang truyền hình. MZM có một sô hạn chế như: suy hao xen cao (lên đến 5dB) và điện áp điều chế tương đối cao (lên đến 10V). Ngòai ra, sử dụng MZM còn có một hạn chế nữa là MZM là một linh kiện quang tách biệt. Do MZM được chế tạo bởi LiNbO3 không phải chất bán dẫn nên không thể tích hợp với laser DFB trong một chip. Những hạn chế này cua MZM có thể được khắc phục bởi một loại điều chế ngòai khác: electroabsorption modulator (EA). Bộ điềuchế ngòai EA có cấu tạo là một ống dẫn sóng làm bằng chất bán dẫn. Khi không có điện áp phân cực, ánh sáng do laser DFB phát ra đượctruyền qua ống dẫn sóng này vì buớc sóng cắt λC của ống dẫn sóng ngắn hơn so với bước sóng của ánh sáng tới. Khi có điện áp điều chế, độ rộng dải cấm Eg của vật liệu ống dẫn sóng giảm. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Franz-Keldysh và là nguyên lý hoạt động của EA. Khi độ rộng dải cấm giảm, bước sóng cắt sẽ tăng lên (do λC = 1024/Eg) và vật liệu ống dẫn sóng sẽ hấp
thụ sóng ánh sáng tới. Vì vậy, bằng cách hiệu chỉnh điện áp điều chế, có thể thay đổi các đặc tính hấp thụ của ống dẫn sóng.So với MZM, EA có các ưu điểm sau:
- Điện áp điều chế, khỏang 2V, nhỏ hơn so với MZM (lên đến 10V)
- Có thể tích hợpvới laser DFB tạo thành các bộ phát quang có dạng chip.Với những ưu điểm như trên, EA được sử dụng trong các hệ thống WDM.
CÂU HỎI ÔN TẬP
3.1.Trình bày khái niệm về mức năng lượng và vùng năng lượng?
3.2. Trong thông tin quang, quá trình biến đổi ánh sáng thành dòng điện đuợc thực hiện dựa trên hiện tượng gì?
3.3. Ánh sáng kết hợp là gì? Loại nguồn quang nào cóthể phát ra ánh sángkết hợp? 3.4. Hiện tượngphát xạ kích thíchlà gì? Điều kiện để xảy ra hiện tượng này?
3.5. Độ rộng phổ nguồn quang là gì? Độ rộng phổ nguồn quang ảnh hưởng như thế nào đếnchất lượng của hệ thống thông tin quang?
3.6. Tại sao ánh sáng do nguồn quang phát ra trong thông tin quang không phải tại một bướcsóng mà trong một khỏang bước sóng?
3.7. Trình bày cấu tạo và nguyên lý họatđộng của LED?
3.8. Trình bày cấu tạo và nguyên lý họat động của laser Fabry-Perot? 3.9. Tại sao nguồn quang bán dẫn được sử dụng trong thông tin quang? 3.10. Điều kiện để một laser có thể họat độngđược ở chế độ phát xạ laser? 3.11. Trình bày ảnh hưởng của nhiệtđộ đối với chất lượng của laser?
3.12. So sánh cấu tạo và đặc tính kỹ thuật của kỹ thuật điều chế ngòai và điều chế trực tiếp?
3.13. So sánh cấu tạo, nguyên lý họat động và ứng dụng của hai bộ điều chế ngòai MZM và EA?
3.14. Phân tích những hạn chếcủa kỹthuậtđiều chếtrực tiếp? 3.15. Chirp là gì? Nguyên nhân và ảnh hưởng của chirp? 3.16. Lọai nguồn quang nào có độ rộng phổhẹp nhất: a. SLED
b. laser Fabry-Perot c. laser DFB
d. ELED
3.17. Trong hốc cộng hưởng Fabry Perot, sự hấpthụ (absorption)biểu diễn cho: a. khảnăng biến đổi quang –điện
b. sự suy hao c. chọn lọc tần số d. sự khuếch đại
3.18. Hiệu suất ghép quang phụ thuộc vào : a. Bước sóng ánh sáng
b. Khẩuđộ số của sợi quang c. Góc phát quang
d. a,b và c đều đúng
3.19. Bước sóng ánh sáng do nguồn quang phát ra phụthuộc vào: a. Vật liệu chế tạonguồn quang
b. Dòng điện kích thích nguồn quang c. Cấu trúc của nguồn quang
d. a,b và c đềuđúng
3.20. Lọai nguồn quang nào là nguồn quang đa mode: a. Laser FP b. Laser DFB
CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG GIỚI THIỆU