3.6. BỘ PHÁT QUANG
3.6.3. Bộ điều chế ngồi
Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế ngịai được biểu diễn trên hình 3.40. Theo đĩ, điều chế tín hiệu quang khơng thực hiện bên trong laser mà được thực hiện bởi một linh kiện quang bên ngịai gọi là bộ điều chế ngịai (external modulator). Ánh sáng do laser phát ra dưới dạng sĩng liên tục CW (continuous wave). Với cấu trúc như vậy, kỹ thuật điều chế ngịai đã khắc phục được các nhược điểm của kỹ thuật điều chế trực tiếp:
- Băng thơng điều chế: do bộ điều chế ngịai quyết định, vì vậy, khơng bị giới hạn bởi tần số dao động tắt dần của laser diode. Ánh sáng laser trong trường hợp này đĩng vai trị như sĩng mang.
- Khơng xảy ra hiện tượng chirp đối với tín hiệu quang vì laser được kích thích bởi dịng điện ổn định nên ánh sáng phát là sĩng liên tục cĩ tần số và độ rộng phổ ổn định. Đặc điểm này rất quan trọng đối với hệ thống ghép kênh theo bước sĩng WDM
vì yêu cầu về độ ổn định của bước sĩng ánh sáng tại các kênh rất cần thiết.
- Khơng bị giới hạn bởi cơng suất phát quang vì đặc tính điều chế do bộ điều chế ngịai quyết định.
Hình 3.40. Sơ đồ khối bộ điều chế ngịai
Cĩ hai loại bộ điều chế ngịai được sử dụng hiện nay: Mach-Zehnder Modulator (MZM) và Electroabsorption Modulator (EA)
Mach-Zehnder Modulator (MZM) hay cịn gọi là Lithium niobate (LiNbO3) modulator
được chế tạo bằng vật liệu Lithium niobate cĩ cấu trúc Mach-Zehnder như hình 3.41. Chiết suất
của lithium niobate phụ thuộc vào điện áp phân cực. Ánh sáng do laser phát ra khi đi vào ống dẫn sĩng được chia làm hai phần bằng nhau. Khi khơng cĩ điện áp phân cực, cả hai nữa sĩng ánh sáng tới khơng bị dịch pha. Vì vậy, ở ngõ ra của bộ điều chế sĩng ánh sáng kết hợp cĩ dạng của sĩng ánh sáng ban đầu. Khi cĩ điện áp phân cực, một nữa của sĩng tới bị dịch pha +90o vì chiết suất của một nhánh của ống dẫn sĩng giảm, làm tăng vận tốc truyền ánh sáng và làm giảm độ trễ. Một nữa kia của sĩng tới ở nhánh cịn lại của ống dẫn sĩng bị dịch pha -90o vì chiết suất tăng, làm vận tốc truyền ánh sáng giảm và làm tăng độ trễ. Kết quả là, hai nữa sĩng ánh sáng ở ngõ ra của MZM bị lệch pha 180o và triệt tiêu lẫn nhau. Qua đĩ cho thấy, cường độ tín hiệu ánh sáng ở ngõ ra của MZM cĩ thể được điều khiển bằng cách hiệu chỉnh điện áp phân cực. Bằng cách này, bất kỳ độ
124
Hình 3.41. Nguyên lý hoạt động của bộ điều chế ngịai MZM: (a). Khơng cĩ điện áp phân cực (b). Cĩ điện áp phân cực
Điều chế ngịai MZM chủ yếu đuợc sử dụng trong mạng quang truyền hình.
MZM cĩ một sơ hạn chế như: suy hao xen cao (lên đến 5dB) và điện áp điều chế tương
đối cao (lên đến 10V). Ngịai ra, sử dụng MZM cịn cĩ một hạn chế nữa là MZM là một linh kiện
quang tách biệt. Do MZM được chế tạo bởi LiNbO3 khơng phải chất bán dẫn nên khơng thể tích hợp với laser DFB trong một chip. Những hạn chế này cua MZM cĩ thể được khắc phục bởi một loại điều chế ngịai khác: electroabsorption modulator (EA).
Bộ điều chế ngịai EA cĩ cấu tạo là một ống dẫn sĩng làm bằng chất bán dẫn. Khi khơng cĩ điện áp phân cực, ánh sáng do laser DFB phát ra được truyền qua ống dẫn sĩng này vì buớc
sĩng cắt λC của ống dẫn sĩng ngắn hơn so với bước sĩng của ánh sáng tới. Khi cĩ điện áp điều chế, độ rộng dải cấm Eg của vật liệu ống dẫn sĩng 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 sĩng cắt sẽ tăng lên (do λC = 1024/Eg) và vật liệu ống dẫn sĩng sẽ hấp thụ sĩng ánh sáng tới. Vì vậy, bằng cách hiệu chỉnh điện áp điều chế, cĩ thể thay đổi các đặc tính hấp thụ của ống dẫn sĩng.
So với MZM, EA cĩ các ưu điểm sau:
- Điện áp điều chế, khỏang 2V, nhỏ hơn so với MZM (lên đến 10V)
- Co thể tích hợp với laser DFB tạo thành các bộ phát quang cĩ dạng chip. Với những ưu điểm như trên, EA được sử dụng trong các hệ thống WDM.
CÂU HỎI ƠN TẬP
3.1. Trình bày khái niệm về mức năng lượng và vùng năng lượng?
3.2. Trong thơng tin quang, quá trình biến đổi ánh sáng thành dịng điện đuợc thực hiện dựa trên hiện tượng gì?
3.3. Ánh sáng kết hợp là gì? Loại nguồn quang nào cĩ thể phát ra ánh sáng kết hợp? 3.4. Hiện tượng phát xạ kích thích là 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 đến
chất lượng của hệ thống thơng tin quang?
3.6. Tại sao ánh sáng do nguồn quang phát ra trong thơng tin quang khơng phải tại một bước sĩng mà trong một khỏang bước sĩng?
3.7. Trình bày cấu tạo và nguyên lý họat động 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 thơng tin quang? 3.10. Điều kiện để một laser cĩ thể họat động được ở chế độ phát xạ laser?
3.11. Trình bày ảnh hưởng của nhiệt độ đối với chất lượng của laser?
3.12. So sánh cấu tạo và đặc tính kỹ thuật của kỹ thuật điều chế ngịai và điều chế trực tiếp? 3.13. So sánh cấu tạo, nguyên lý họat động và ứng dụng của hai bộ điều chế ngịai MZM và
EA?
3.14. Phân tích những hạn chế của kỹ thuật điều chế trực tiếp? 3.15. Chirp là gì? Nguyên nhân và ảnh hưởng của chirp? 3.16. Lọai nguồn quang nào cĩ độ rộng phổ hẹp nhất:
a. SLED b. laser Fabry-Perot
c. laser DFB d. ELED
3.17. Trong hốc cộng hưởng Fabry Perot, sự hấp thụ (absorption) biểu diễn cho: a. khả năng 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 sĩng ánh sáng b. Khẩu độ số của sợi quang
c. Gĩc phát quang d. a,b và c đều đúng
3.19. Bước sĩng ánh sáng do nguồn quang phát ra phụ thuộc vào:
a. Vật liệu chế tạo nguồn quang b. Dịng điện kích thích nguồn quang c. Cấu trúc của nguồn quang d. a,b và c đều đúng
3.20. Lọai nguồn quang nào là nguồn quang đa mode:
a. Laser FP b. Laser DFB
126
3.7 Tài liệu tham khảo:
[1] D. K. Mynbaev and L. L. Scheiner, “Fiber-Optic Communications Technology”, Prentice- Hall, Inc., Upper Saddle River, New Jersey, 2001.
[2] C.Breck Hitz, “Understanding Laser Technology: An Intuitive Introduction to Basic and Advanced Laser Concept”, Second Edition, PennWell Publishing Company, Oklahoma, 1991.
[3] John M.Senior, “Optical Fiber Communications Principles and Practice”, Prentice Hall, Hertfordshire, UK, 1993.
[4] Govind P.Agrawal, “Fiber-Optic Communications Systems”, John Wiley & Sons, Inc, 2002.
[5 ]Vũ Văn San, “Hệ Thống Thơng Tin Quang”, tập 1, Nhà Xuất Bản Bưu Điện, 2008.
[6] Ngơ Thanh Ngọc, “Bài Giảng Truyền Dẫn Sợi Quang”, Trung Tâm Đào Tạo Bưu Chính Viễn Thơng 2, TP.HCM, 1996.
CHƯƠNG 4
BỘ THU QUANG GIỚI THIỆU
Bộ thu cĩ chức năng nhận tín hiệu quang, chuyến tín hiệu quang thành điện, xử lý và khơi phục dạng tín hiệu. Trong chương này sẽ trình này cấu trúc tổng quát của bộ thu quang số, các mạch tiền khuếch đại, khảo sát nhiễu trong bộ thu quang, và đánh giá chất lượng của hệ thống quang.