Các bộ thu-phát trong mạng PON được phân chia thành các loại khác nhau theo bước sóng, tốc độ truyền dữ liệu, giao tiếp quang-điện, dải nhiệt độ hoạt động,… Các nhà sản xuất cung cấp các thiết bị này bắt đầu từ việc xây dựng các linh kiện rời rạc cho tới việc tổ hợp chúng lại trên một chip bán dẫn hoặc chế tạo thành các module. Hình 2.2 dưới đây minh họa một số các bộ thu-phát được sử dụng trong thực tế các mạng thông tin quang hiện nay. Thông thường, kiến trúc các bộ thu-phát đều dựa trên các chip quang điện tử rời rạc với các thành phần được đóng gói theo chuẩn sử dụng trong công nghiệp. Bởi vì giá thành của các bộ thu-phát này khá cao nên việc sản xuất hàng loạt vẫn là yêu cầu bức thiết cần được giải quyết.
Hình 2.2–Một vài bộ thu-phát sử dụng trong mạng quang
Bộ thu-phát trong mạng quang là các thiết bị truyền-nhận song công sử dụng bước sóng khác nhau cho việc phát và thu tín hiệu quang giữa OLT tại phía nhà cung cấp và ONU ở phía thuê bao sử dụng. Hiện nay, có 2 chuẩn chính cho bộ thu- phát là : thiết bị diplexer và triplexer. Với bộ thu-phát kiểu diplexer, bước sóng sử dụng theo chuẩn dùng trong công nghiệp với 1310nm cho dòng dữ liệu tuyến lên và 1490nm cho dòng dữ liệu tuyến xuống. Với thiết bị dạng triplexer, bước sóng 1550nm được chỉ định cho việc phát quảng bá tín hiệu video tương tự cho dòng dữ
liệu hướng xuống. Điều đó cũng có nghĩa là tín hiệu video số được truyền trên bước sóng 1490nm ở tuyến xuống qua công nghệ IP.
Để nhanh chóng phát triển FTTH, giá thành của các bộ thu-phát quang cần phải được giảm xuống một cách hợp lý; cụ thể là trong mạng FTTH thì giá thành của mạng quyết định chủ yếu bởi giá thành của thiết bị ONU còn thiết bị OLT tuy có giá thành cao nhưng nó được chia sẻ bởi rất nhiều người sử dụng ở trong mạng. Bởi vậy, giá thành bộ thu-phát ở phía ONU chiếm vai trò quan trọng trong việc hạ chi phí sử dụng mạng. Hiện nay, trong công nghệ mạng PON tồn tại rất nhiều thách thức về mặt kỹ thuật cho việc thiết kế các bộ thu-phát bởi một số lý do chính sau :
1. OLT có công suất quang phát ra lớn và có độ nhạy cao để bù lại suy hao của bộ chia và đường truyền cáp quang kết nối từ nhà cung cấp tới người sử dụng.
2. Kỹ thuật truyền tín hiệu quang chế độ burst-mode dùng cho dòng dữ liệu lên.
3. Hạ giá thành đóng gói các thiết bị quang
4. Tích hợp các chức năng số và tương tự trên một IC.
2.2.1. Sơ đồ khối của ONU/OLT
Hình 2.3 dưới đây minh họa sơ đồ khối của bộ thu-phát sử dụng trong mạng PON trong kiến trúc lớp vật lý trên một chip cho cả 2 chế độ burst-mode và chế độ truyền nhận liên tục. Đây là những khối cơ bản nhất trong kiến trúc bộ thu, phát của mạng PON. Trong sơ đồ khối, bên phía ONU gồm bộ thu dòng dữ liệu tuyến xuống (Rx) và bộ phát dòng dữ liệu tuyến lên (Tx) còn bên phía OLT thì ngược lại Tx của dòng dữ liệu tuyến xuống và Rx của dòng dữ liệu tuyến lên. Bộ phát dòng dữ liệu tuyến lên gồm bộ điều khiển laser burst-mode và một laser Fabry- Perot trong khối phát tín hiệu quang TOSA (Transmit Optical Sub-Assembly). Bộ thu dữ liệu tuyến xuống gồm một diode PIN hoặc APD cùng bộ khuếch đại truyền trở kháng TIA (Transimpedance Amplifier) trong khối nhận tín hiệu quang ROSA (Receive Optical Sub-Assembly), một bộ khuếch đại giới hạn nhằm mục đích khuếch đại tín hiệu điện sau khối TIA tới giá trị đủ lớn để khối khôi phục dữ liệu CDR có thể khôi phục lại tín hiệu xung clock và dữ liệu được phát đi. Trong cả hai trường hợp của
ONU và OLT, bộ thu và phát cùng được kết hợp trên một đường truyền cáp quang thông qua một bộ ghép WDM.
Hình 2.3–Sơ đồ khối kiến trúc thu-phát trong mạng PON
Có 3 loại chip chạy chế độ burst-mode chính được xem như là thiết bị chủ chốt trong mạng PON để truyền tín hiệu quang tuyến lên theo chế độ burst-mode là : BM-LDD (Burst-mode Laser Diode Driver) với khả năng điều khiển công suất nhanh và chính xác; đầu thu PIN và APD/TIA có độ nhạy thu cao và dải thông rộng kết hợp với bộ tiền khuếch đại bên phía đầu thu; BM-CDR (Burst-mode Clock and Data Recovery) với khả năng nhanh chóng khôi phục lại dòng dữ liệu nhận được. Những chipset này trong mạng PON là thành phần quan trọng quyết định hiệu suất và chất lượng hoạt động của hệ thống.
Với kiến trúc bộ thu-phát như hình 2.3, các khối bộ thu-phát được nhóm lại thành 2 khối chính là khối xử lý tín hiệu quang và khối xử lý tín hiệu điện. Khối xử lý tín hiệu quang gồm LD (Laser Diode) và PD (Photodiode) dạng TO-CAN (như hình 2.10), bộ lọc WDM được gọi là bộ xử lý tín hiệu quang 2 chiều BOSA (Bidirection Optical Sub-Assembly). Bộ lọc WDM được đặt nghiêng 450 với ánh sáng tới để tách hoặc ghép tín hiệu tuyến lên 1310 nm hoặc tín hiệu tuyến xuống 1490 nm
(1550 nm) như hình 2.12. Khối xử lý tín hiệu điện gồm các IC tương tự xử lý tín hiệu đầu vào. Trong xu hướng hiện nay, các IC này được tích hợp trên cùng một chip với bộ giới hạn khuếch đại và bộ điều khiển laser chế độ “burst mode”. Sự tích hợp cao hơn với các khối CDR và khối chức năng truyền nhận tín hiệu dị bộ SerDes (Serializer/Deserializer) với bộ vi xử lý PON MAC đang được thực hiện. Hình dưới đây là sơ đồ khối của một IC điều khiển MAC tích hợp với SerDes.
Hình 2.4-Sơ đồ khối IC MAC Control
2.2.2. Thiết bị thu và phát tín hiệu quang
2.2.2.1.Thiết bị phát quang
Trong điều kiện thông thường, hầu hết các vật liệu đều hấp thụ ánh sáng hơn là phát xạ ánh sáng. Quá trình hấp thụ liên quan tới việc chuyển đổi mức năng lượng từ trạng thái nền tới trạng thái kích thích của điện tử. Khi photon tới, điện tử sẽ hấp thụ năng lượng photon để chuyển mức năng lượng và quá trình hấp thụ xảy ra. Quá trình phát xạ là quá trình xảy ra hoàn toàn ngược lại, điện tử từ trạng thái kích thích chuyển về trạng thái nền sẽ phát xạ ra photon có năng lượng bằng hiệu 2 mức năng lượng trên. Quá trình phát xạ gồm 2 loại : phát xạ kích thích và phát xạ tự phát. Trong trường hợp phát xạ tự phát, điện tử chuyển mức năng lượng một cách ngẫu nhiên từ trạng thái kích thích trở về trạng thái nền và các photon phát xạ một cách ngẫu nhiên, không có một sự liên hệ về pha nào giữa chúng. Đối với quá trình phát xạ kích thích, tất cả các photon phát xạ đều có tính chất (về năng lượng , tần số, pha, hướng) tương tự như nhau. Hiện nay, 2 linh kiện phát quang chính được sử
dụng là LED và laser; trong đó, quá trình phát xạ của LED là phát xạ tự phát còn laser là phát xạ kích thích.
2.2.2.1.1.LED (Light Emitting Diode)
Cấu trúc của LED là một tiếp xúc p-n đồng nhất trên một vật liệu. Quá trình phát xạ tự phát xảy ra khi chuyển tiếp p-n được phân cực thuận, điện tử và lỗ trống được tiêm vào vùng hoạt tính và tái hợp lại. Ngoài quá trình tái hợp phát xạ của cặp điện tử-lỗ trống trong vùng hoạt tính tạo thành photon (ánh sáng), cặp điện tử- lỗ trống có khả năng tái hợp không phát xạ. Quá trình tái hợp không phát xạ bao gồm sự tái hợp xảy ra tại các bẫy điện tích (do những khiếm khuyết trong quá trình làm mẫu) , tái hợp trên bề mặt vật liệu và tái hợp Auger. Trong quá trình tái hợp Auger, năng lượng sinh ra từ cặp điện tử-lỗ trống tạo thành động năng cho điện tử hoặc lỗ trống khác mà không tạo thành photon. Quá trình tái hợp Auger đặc biệt xảy ra mạnh tại vùng bước sóng từ 1,3μm tới 1,6μm do rào thế tại vùng hoạt tính khá nhỏ. Do LED phát xạ tự phát nên nó có phổ phát xạ khá rộng (30-60 nm) và góc phát xạ khá lớn. Với một dòng tiêm I cho trước, tại trạng thái cân bằng, tốc độ tái hợp (phát xạ và không phát xạ) của cặp điện tử lỗ trống là I/q. Hiệu suất lượng tử nội được quyết định bởi số lượng tái hợp phát xạ của cặp điện tử-lỗ trống tạo ra. Công suất quang nội được cho bởi công thức :
[2.1]
Trong đó : là hiệu suất lượng tử nội, là năng lượng của photon phát xạ, q là điện tích của điện tử.
Trong số photon phát xạ chỉ có một phần thoát ra từ linh kiện được ghép vào sợi quang. Bởi vậy, hiệu suất lượng tử ngoại đặc trưng cho phần photon thoát ra khỏi cấu trúc được ghép vào sợi quang. Công suất phát xạ thực là :
[2.2]
Do góc phát xạ của LED khá rộng nên thông thường công suất ghép vào sợi quang của LED khá thấp (khoảng 100μW) mặc dù công suất quang nội có thể lên tới 10mW.
Hình 2.5-Đặc tính của LED : a)Đường cong P-I của LED tại một dải nhiệt độ b) Phổ phát xạ của LED 1.3μm
Một thông số thường được sử dụng để đánh giá đặc tính của LED là đáp ứng của LED RLED được xác định bởi tỉ số Pe/I.
[2.3]
Trong thông tin quang, phổ phát xạ của nguồn phát quang ảnh hưởng mạnh mẽ tới hiệu suất của tuyến truyền dẫn thông qua tán xạ trong sợi quang. Do LED có bề rộng phổ lớn (∆λ≈ 50-60nm tính theo FWHM) nên tích số BL của LED bị giới hạn. Vì vậy, LED thường chỉ được sử dụng trong các đường truyền tốc độ thấp và khoảng cách gần (vài km).
Hạn chế thứ hai của LED là tốc độ điều chế. Tốc độ điều chế của LED phụ thuộc vào độ linh động hạt tải và giới hạn bởi thời gian sống của hạt tải τc. Băng thông điều chế của LED được cho bởi công thức :
[2.4]
Thông thường, τc của InGaAs LED vào khoảng từ 2-5ns tương ứng với băng thông điều chế vào khoảng 50-140MHz. Chính vì vậy, LED chỉ có thể sử dụng cho những ứng dụng tốc độ thấp.
2.2.2.1.2.Laser
Laser bán dẫn phát xạ ánh sáng thông qua quá trình phát xạ kích thích. Sự khác biệt giữa phát xạ kích thích với phát xạ tự phát không chỉ bởi công suất phát xạ cao
(~ 100nW) mà còn bởi khả năng ghép hiệu suất cao vào sợi quang. Laser có góc phát xạ khá hẹp nên hiệu suất ghép vào sợi quang có thể cao hơn LED tới 50%; đồng thời, laser có bề rộng phổ rất hẹp cho phép hoạt động ở tốc độ khá cao (khoảng vài chục Gb/s). Hơn nữa, laser bán dẫn có thể điều chế trực tiếp tại tần số rất cao (~ 25GHz) bởi thời gian sống của hạt tải khá ngắn do quá trình phát xạ kích thích.
Quá trình phát xạ kích thích chỉ xảy ra trong điều kiện hình thành trạng thái đảo về mật độ được thỏa mãn. Trong laser bán dẫn điều kiện này được xảy ra khi pha tạp rất mạnh tại lớp p, n trong cấu trúc làm cho mức Fermi của 2 lớp này chênh lệch cao hơn rào thế khi phân cực thuận cho chuyển tiếp p-n. Khi mật độ hạt tải tiêm vào vùng hoạt tính vượt quá giá trị ngưỡng (lasing threshold) thì trạng thái đảo mật độ được hình thành và vùng hoạt tính mang tính chất khuêch đại quang. Để có thể xảy ra hiệu ứng laser, thành phần hồi tiếp quang cần phải được thêm vào để biến đổi tính chất khuêch đại vùng hoạt tính thành một buồng cộng hưởng. Tùy theo cấu trúc của phần hồi tiếp quang mà laser được chia thành các loại khác nhau : Fabry-Perot laser, DFB laser, …Trong mạng FTTH, 2 nguồn laser được sử dụng chủ yếu là DFB (Distributed Feedback Bragg Laser) và F-P laser (Fabry-Perot laser).
Điều kiện để xảy ra phát xạ laser trong cấu trúc buồng cộng hưởng :
[2.5]
Trong đó g là hệ số khuêch đại của vùng hoạt tính, αint là hệ số suy hao do tán xạ, hấp thụ trong buồng cộng hưởng, αmir là hệ số suy hao do phản xạ và L là chiều dài buồng cộng hưởng, m là chỉ số mode.
Trong cấu trúc của DFB laser, thành phần hồi tiếp không nằm trên bề mặt của laser mà phân phối trong cấu trúc của buồng cộng hưởng. Điều này được thực hiện thông qua một cấu trúc tuần hoàn biến thiên chiết suất. Sự hồi tiếp xảy ra qua hiện tượng tán xạ Bragg do giao thoa của 2 sóng tới và sóng phản xạ. Hiện tượng lựa chọn mode xảy ra trong DFB laser là kết quả của hiệu ứng Bragg. Bước sóng Bragg trong cấu trúc thỏa mãn công thức :
Trong đó : Λ là chu kỳ biến thiên chiết suất, n là chỉ số chiết suất trung bình và m là bậc của tán xạ Bragg. Sự giao thoa xảy ra giữa sóng tới và sóng phản xạ xảy ra mạnh nhất tại tán xạ Bragg bậc 1. Các laser DFB thường hoạt động tại bước sóng λB
= 1.5μm. Do tính chất chọn lọc mode, DFB laser có khả năng phát ra tín hiệu quang đơn mode. DFB laser có hiệu suất cao với dải nhiệt độ rất rộng nên thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong kiến trúc mạng PON đặc biệt là phía OLT. DFB laser (không có bộ phận làm mát) thường có dòng ngưỡng thấp, dải nhiệt độ hoạt động rất rộng, tỷ số nén mode cạnh cao (thông thường là 40 dB) và đáp ứng nhanh ( 0.12 ns thời gian lên và xuống lấy trong khoảng biên độ từ 20-80%).
Hình 2.6-Cấu trúc của DFB laser
Khác với DFB laser, F-P laser sử dụng 2 gương phản xạ nằm tại 2 cạnh của buồng cộng hưởng nhằm mục đích phản xạ ánh sáng tạo thành vòng hồi tiếp. Hệ số phản xạ của 2 gương nằm trong cấu trúc được tính theo công thức :
[2.7]
Hình 2.7-Hình ảnh của F-P laser
F-P laser thường được sử dụng nhằm mục đích hạ giá thành của các module quang đặc biệt được sử dụng bên phía ONU. Với hệ thống PON, công suất tín hiệu
khác là phía OLT chỉ cần sử dụng bộ thu dùng diode PIN với giá thành và độ nhạy thấp ) thì việc sử dụng laser F-P cho phép phát tín hiệu có công suất cao hơn so với việc sử dụng laser DFB. Nhằm nâng cao công suất phát quang của laser phát cạnh, thiết kế sử dụng F-P laser cần được tối ưu mà không cần sử dụng các bộ cách ly và thường đạt được hiệu suất 0.45W/A với công suất phát quang 20mW dưới nhiệt độ 250C. Điện dung kí sinh trên thiết bị cần được tối ưu nhằm mục đích nâng cao tốc độ điều chế tới khoảng 1,25Gbps. Hình 2.8 thể hiện đặc tuyến P-I của các laser DFB và F-P điển hình.
Hình 2.8–Đặc tuyến P-I của laser DFB (a) và F-P (b)
Ngoài 2 loại laser truyền thống trên, laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) là laser được sử dụng rộng rãi hiện nay với khả năng phát tín hiệu quang có bề rộng phổ khá hẹp. Do chiều dài buồng cộng hưởng của laser VCSEL khá ngắn (khoảng 2÷ 5 μm) nên laser VCSEL có khả năng tích hợp khá hoàn hảo với sợi quang đơn mode. Hình 2.9 dưới đây là hình ảnh laser VCSEL có rất nhiều những lớp bán dẫn mỏng được nuôi trên cùng một đế. Vùng hoạt tính của laser VCSEL bao gồm vài giêng lượng tử nằm kẹp giữa 2 gương cách tử phản xạ có hệ số phản xạ cao (> 99,5%) được tạo thành từ 10 ÷ 50 lớp bán dẫn với chỉ số chiết suất khác nhau. Ánh sáng phát xạ từ laser VCSEL có hướng phù hợp với mặt phẳng hoạt tính và có tia phát xạ hình tròn dễ dàng ghép với sợi quang đơn mode. VCSEL có giá thành khá thấp so với các laser phát cạnh như DFB và DBR laser (Distributed Bragg Reflector laser) do nó có giá thành sản xuất, đóng gói, hiệu chỉnh và thử nghiệm khá thấp. VCSEL cũng được sản xuất thành các ma trận 1D
hoặc 2D để tối ưu hóa khả năng đóng gói và dải thông. Bởi vì thể tích buồng cộng hưởng khá nhỏ, VCSEL có dòng ngưỡng khá thấp (dưới mA) ở nhiệt độ phòng. Tiêu thụ công suất của laser này cũng khá thấp. Những laser VCSEL có bước sóng dài (1310nm hoặc1550 nm) được sử dụng để phát xạ trực tiếp tín hiệu trong mạng