i

TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG

CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

Nhóm biên soạn: TS. Nguyễn Đức Nhân

ThS. Trần Thủy Bình

ThS. Ngô Thu Trang

ThS. Lê Thanh Thủy

HÀ NỘI 12-2013

PTIT

ii

LỜI MỞ ĐẦU

Từ khi ra đời cho đến nay thông tin quang đã trở thành hệ thống truyền dẫn

trọng yếu trên mạng lưới viễn thông. Trước đây, nhắc đến hệ thống truyền dẫn quang

thì chúng ta thường nghĩ ngay đến các hệ thống truyền dẫn với tốc độ rất cao, dung

lượng lớn đóng vai trò như các mạng đường trục của viễn thông. Nhưng giờ đây,

thông tin quang còn được phát triển nhanh chóng ở cả cấp độ mạng truy nhập. Có thể

thấy rằng để đáp ứng nhu cầu truyền tải do sự bùng nổ thông tin, hệ thống viễn thông

cần phải phát triển cả về qui mô và cấu trúc mạng.

Mạng truyền dẫn dựa trên hệ thống truyền thông sợi quang là xương sống của

mạng viễn thông. Do vậy để xây dựng được các hệ thống thông tin quang chúng ta cần

tìm hiểu đầy đủ về nó. Nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức về các phần tử

cơ bản cấu thành hệ thống thông tin sợi quang, các tham số và nguyên lý vận hành hệ

thống, nhóm tác giả chúng tôi đã viết cuốn bài giảng “Kỹ thuật thông tin sợi quang”

như là một kênh tài liệu tham khảo bổ ích cho môn học. Tài liệu gồm 5 chương với

các nội dung cơ bản như sau:

Chương 1: Chúng tôi trình bày tổng quan về kỹ thuật thông tin sợi quang, lịch

sử phát triển, sơ đồ khối hệ thống thông tin sợi quang và một số khái niệm cơ

bản liên quan đến kỹ thuật thông tin quang

Chương 2: Giới thiệu về cấu trúc của các loại sợi quang, quá trình lan truyền

ánh sáng trong sợi quang theo quan điểm quang hình và sóng điện từ. Các đặc

tính truyền dẫn cơ bản của sợi quang cũng được trình bày. Ngoài ra, chúng tôi

giới thiệu về cấu trúc cơ bản cáp sợi quang và một số vấn đề khi kết nối cáp.

Chương 3: Bộ phát quang là một phần tử quan trọng trong hệ thống thông tin

sợi quang. Trong chương này, chúng tôi giới thiệu cấu trúc và các đặc tính

quan trọng của các nguồn phát quang bán dẫn được sử dụng chủ yếu trong hệ

thống thông tin sợi quang là LED và laser. Các vấn đề cơ bản trong thiết kế bộ

phát quang điều biến cường độ sử dụng LED và laser cũng được trình bày.

Chương 4: Cấu trúc bộ thu tín hiệu quang và các phần tử chuyển đổi quang -

điện quan trọng là PIN và APD được trình bày cụ thể. Các vấn đề cơ bản về

nhiễu và thiết kế bộ thu quang cũng được phân tích và đánh giá.

Chương 5: Giới thiệu về các vấn đề cơ bản trong thiết kế hệ thống thông tin

quang bao gồm hệ thống thông tin quang số và hệ thống thông tin quang tương

tự. Ngoài các vấn đề khi thiết kế hệ thống đơn kênh, một số khái niệm và

nguyên lý của hệ thống đa kênh cũng được giới thiệu.

PTIT

iii

Chúng tôi hy vọng rằng cuốn bài giảng sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho

sinh viên chuyên ngành viễn thông và những người quan tâm. Với một khối lượng lớn

kiến thức nhưng nhóm tác giả cũng cố gắng chắt lọc để giới thiệu tới bạn đọc trong

một số lượng trang sách nhất định để giúp bạn đọc nắm bắt những vấn đề cơ bản nhất

của kỹ thuật thông tin sợi quang. Chúng tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của

các quí thầy cô, các bạn sinh viên và những người quan tâm để hoàn thiện hơn cuốn

tài liệu này.

PTIT

iv

MỤC LỤC

DANH SÁCH THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii

Chương 1 Tổng quan hệ thống thông tin quang 1

1.1 Lịch sử phát triển thông tin quang 1

1.2 Một số khái niệm cơ bản trong thông tin quang 6

1.2.1 Băng tần phổ quang 6

1.2.2 Ghép kênh 9

1.2.3 Đơn vị công suất 10

1.3 Mô hình tổng quát hệ thống thông tin quang 11

1.3.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang 11

1.3.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang sợi 12

1.3.3 Đặc điểm hệ thống thông tin sợi quang 14

1.4 Các tiêu chuẩncho hệ thống thông tin quang 15

Chương 2 Sợi quang 17

2.1 Cấu tạo và phân loại sợi quang 17

2.1.1 Cấu tạo sợi quang 17

2.1.2 Phân loại sợi quang 17

2.2 Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang 20

2.2.1 Mô tả theo quang hình học 20

2.2.2 Lý thuyết truyền sóng 23

2.3 Suy hao trong sợi quang 36

2.3.1 Hệ số suy hao sợi quang 36

2.3.2 Nguyên nhân gây suy hao 37

2.4 Tán sắc trong sợi quang 44

2.4.1 Khái niệm và phân loại tán sắc 44

2.4.2 Tán sắc mode 45

2.4.3 Tán sắc vận tốc nhóm 47

2.4.4 Tán sắc bậc cao 54

2.4.5 Tán sắc mode phân cực 54

2.5 Các giới hạn truyền dẫn gây ra bởi tán sắc 57

2.5.1 Phương trình truyền dẫn cơ bản 57

2.5.2 Truyền xung Gauss có chirp 58

2.5.3 Giới hạn về tốc độ bit 62

2.5.4 Độ rộng băng tần sợi quang 65

2.6 Các hiệu ứng quang phi tuyến 67

2.6.1 Nguồn gốc hiệu ứng quang phi tuyến 67

2.6.2 Hiệu ứng tán xạ kích thích 68

2.6.3 Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến 72

2.6.4 Trộn bốn sóng 74

2.7 Cáp sợi quang 75

PTIT

v

2.7.1 Chế tạo sợi quang 75

2.7.2 Cáp sợi quang 77

2.7.3 Hàn và kết nối sợi quang 80

Chương 3 Bộ phát quang 85

3.1 Một số vấn đề cơ bản trong vật lí quang bán dẫn 85

3.1.1 Quá trình phát xạ và hấp thụ 85

3.1.2 Các vật liệu bán dẫn 89

3.1.3 Tiếp giáp p-n 95

3.1.4 Tái hợp không bức xạ 97

3.2 Nguồn LED 99

3.2.1 Cấu tạo và phân loại nguồn LED 100

3.2.2 Đặc tính của LED 104

3.3 Laser laser bán dẫn (LD) 110

3.3.1 Cấu tạo cơ bản của nguồn laser bán dẫn 110

3.3.2 Đặc tính của LD 116

3.3.3 Các nguồn LD đơn mode 119

3.4 Điều biến nguồn quang 123

3.5 Một số vấn đề trong thiết kế bộ phát quang 124

3.5.1 Ghép nối nguồn - sợi quang 124

3.5.2 Mạch kích thích nguồn quang 125

3.5.3 Ổn định nguồn quang 129

Chương 4 Bộ thu quang 130

4.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 130

4.1.1 Đáp ứng của bộ thu 130

4.1.2 Hiệu suất lượng tử 131

4.1.3 Độ rộng băng tần nguồn thu 132

4.1.3.a Thời gian đáp ứng 132

4.2 CÁC LOẠI DIODE THU QUANG 135

4.2.1 Diode thu quang p-i-n 135

4.2.2 Diode thu quang thác APD 137

4.2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động 137

4.3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ BỘ THU 144

4.3.1 Phần trước (Front end) của bộ thu quang 144

4.3.2 Kênh tuyến tính 146

4.3.3 Mạch quyết định 146

4.3.4 Một số kiểu mạch tiền khuếch đại của bộ thu quang 147

4.3.4.a Các mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao 148

4.3.4.b Các bộ khuếch đại tranzisto lưỡng cực trở kháng cao 150

4.3.4.c Bộ khuếch đại hỗ dẫn ngược 152

4.3.4.d Bộ thu quang có mạch tích hợp 154

4.4 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG 156

PTIT

vi

4.4.1 Các cơ chế nhiễu 156

4.4.1.a Nhiễu nổ 156

4.4.1.b Nhiễu nhiệt 157

4.4.2 Bộ thu p-i-n 158

4.4.3 Bộ thu sử dụng APD 159

4.5 Hiệu năng bộ thu quang 161

4.5.1 Xác suất lỗi 161

4.5.2 Độ nhạy thu 165

4.5.3 Giới hạn lượng tử của bộ thu quang 168

4.6 Kỹ thuật thu coherent 169

4.6.1 Khái niệm cơ bản 170

4.6.2 Kỹ thuật thu homodyne 171

4.6.3 Kỹ thuật thu heterodyne 172

4.6.4 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu 172

Chương 5 Hệ thống thông tin quang sợi 174

5.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 174

5.1.1 Tuyến điểm – điểm 174

5.1.2 Hệ thống thông tin quang số 175

5.1.3 Hệ thống thông tin quang tương tự 179

5.2 Cơ sở thiết kế hệ thống 183

5.2.1 Hệ thống bị giới hạn bởi suy hao 185

5.2.2 Hệ thống bị giới hạn bởi tán sắc 185

5.2.3 Quỹ công suất quang 187

5.2.4 Quỹ thời gian lên 188

5.3 Bù công suất 190

5.3.1 Bù công suất do nhiễu mode 190

5.3.2 Bù công suất do nhiễu phần mode 192

5.3.3 Bù công suất do tán sắc 194

5.3.4 Bù công suất do chirping 195

5.3.5 Bù công suất do nhiễu phản xạ 198

5.4 Hệ thống đa kênh 201

5.4.1 Hệ thống thông tin quang WDM 201

5.4.2 Hệ thống thông tin quang OTDM 203

5.4.3 Hệ thống thông tin quang SCM 204

5.4.4 Hệ thống ghép kênh theo mã (CDM) 205

PTIT

vii

DANH SÁCH THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt

A

APD Avalanche Photodiode Diode tách sóng quang

thác

AR Antireflection Coating Vỏ chống phản xạ

ASE Amplified Spontanous Emission Bức xạ tự phát được

khuếch đại

B

BA Booster Amplifier Bộ khuếch đại công suất

BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit

BH Burried Heterostructure Cấu trúc dị thể chon

C

CW Continous Wave Sóng liên tục

D

DBR Distributed Bragg Reflector Phản xạ phân bố Bragg

DCF Dispersion Compensation Fiber Sợi bù tán sắc

DFB Distributed Feedback Phản hồi phân bố

DR Dynamic Range Dải động

DR Distributed Reflector Bộ phản xạ phân bố

DWDM Dense WDM WDM mật độ cao

E

ELED Edge emitting LED LED phát xạ cạnh

F

FET Field Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường

FPA Fabry – Perot Amplifier Bộ khuếch đại Fabry –

Perot

FPLD Fabry – Perot Laser Diode Laser diode có khoang

cộng hưởng Fabry – Perot

FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng toàn phần tại nửa

lớn nhất

FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng

G

GI Graded Index Chỉ sốGradien

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

I

PTIT

viii

IM Intensity Modulation Điều chế cường độ

IM – DD Intensity Modulation – Direct

Detection

Điều chế cường độ - Tách

sóng trực tiếp

ISI Intersymbol Interference Nhiễu giữa các kí tự

L

LA Line Amplifier Khuếch đại đường truyền

LD Laser diode Diode laser

LED Light Emitting Diode Diode phát quang

M

MCVD Modified Chemical Vapor Deposition Ngưng đọng hơi hóa chất

biến đổi

MESFET Metal Semiconductor Field Effect

Transistor

Transistor trường bán dẫn

kim loại

MFD Mode Field Diameter Đường kính trường mode

MOSFET Metal Oxide Silicon Field Effect

Transistor

Transistor trường oxit Silic

kim loại

MQW Multiple Quantum Well Giếng lượng tử

MZ Mach – Zehnder Bộ điều chế Mach –

Zehnder

N

NA Numerical Aperture Khẩu độ số

NF Noise Figure Hình ảnh nhiễu

NLS Nonlinear Schroedinger Schroedinger phi tuyến

O

OA Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang

P

PA Pre-Amplifier Bộ tiền khuếch đại

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN

R

RIN Relative Intensity Noise Nhiễu cường độ tương đối

RMS Root Mean Square Căn trung bình bình

phương

RZ Return Zero Trở về 0

S

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích

PTIT

ix

SE Spontaneous Emission Phát xạ tự phát

SLED Surface emitting LED LED phát xạ cạnh

SI Step Index Chỉ số chiết suất phân bậc

SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode

SNR Signal – to – Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha

W

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

PTIT

1

Chương 1 Tổng quan hệ thống thông tin

quang

1.1Lịch sử phát triển thông tin quang

Hình 1-1 Sự tăng trưởng về tích tốc đô-khoảng cách BL trong khoảng thời gian 1850 đến 2000. Mỗi dấu tròn đen đánh dấu sự xuất hiện của một công nghệ mới.

Thông tin quang là kỹ thuật truyền thông tin bằng ánh sáng và từ xa xưa con

người đã sử dụng phương thức này để báo tin cho nhau ở khoảng cách xa. Tuy

nhiên sự phát triển các hệ thống thông tin liên lạc trước 1980 đều dựa trên cơ chế

truyền dẫn điện và trải qua quá trình phát triển từ điện báo, điện thoại cho đến cáp

đồng, viba số. Theo thời gian những thay đổi về mặt kỹ thuật công nghệ tạo ra sự

tăng trưởng nhanh về năng lực truyền dẫn thông tin. Năng lực của một hệ thống

thông tin được đánh giá qua tích tốc độ bit và khoảng cách (B.L), trong đó B là tốc

độ bit và L là khoảng cách truyền dẫn giữa thiết bị lặp. Việc ra đời các hệ thống

truyền dẫn quang sự tăng mạnh về năng lực truyền dẫn mở ra thời kỳ mới cho hệ

thống mạng viễn thông. Những phát triểncủa thông tin quang có được bắt nguồn từ

những nỗ lực nghiên cứu tiên phong về nguồn quang laser bán dẫn từ trước năm

PTIT

2

1960 và chế tạo sợi quang thủy tinh có suy hao nhỏ những năm 1960-70. Trong đó

nổi bật phải kể đến những nghiên cứu đột phá của GS. Charles K. Kao, người đã

đoạt giải Nobel vật lý năm 2009 cho công trình chế tạo sợi quang dùng cho thông

tin quang.

Giai đoạn nghiên cứu các hệ thống thông tin sợi quang đã bắt đầu khoảng

năm 1975. Hình 1-2 cho thấy sự tăng dung lượng hệ thống thông tin quang được

thực hiện từ sau 1980 qua một số giai đoạn phát triển. Các sản phẩm hệ thống

thương mại thường đi sau giai đoạn nghiên cứu và phát triển mất khoảng vài năm.

Quá trình phát triển mạnh mẽ của hệ thống được thực hiện trên 25 năm từ 1975 đến

năm 2000 có thể được phân thành một số thế hệ rõ rệt. Hình 1-3 cho thấy sự tăng về

tích BL theo thời gian được xác định qua các thí nghiệm được tiến hành khác nhau.

Đường thẳng tương ứng với sự tăng gấp đôi về tích BL mỗi năm. Mỗi thế hệ, BL

tăng mạnh ở thời kỳ đầu sau đó bắt đầu bão hòa khi công nghệ đạt được độ chín của

nó. Mỗi thế hệ mới đem lại sự thay đổi cơ bản giúp cải thiện tốt hơn hiệu năng của

hệ thống.

Hình 1-2 Sự tăng trưởng về dung lượng của các hệ thống thông tin quang được thực hiện sau năm 1980. Các đường chấm chỉ ra sự tăng trưởng theo dạng gần hàm mũ về tốc độ bit

ở cả hai hệ thống nghiên cứu và hệ thống thương mại.

Thế hệ đầu tiên của các hệ thống sợi quang hoạt động gần 0,8 µm và sử dụng

các nguồn laser bán dẫn GaAs. Các hệ thống này được thương mại hóa năm 1980

hoạt động tại tốc độ 45 Mb/s và cho phép khoảng cách lặp chỉ khoảng 10 km. Tuy

là thế hệ thông tin quang đầu tiên nhưng hiệu năng của hệ thống đã cao hơn nhiều

so với các hệ thống truyền dẫn cáp đồng truyền thống thời đó.

PTIT

3

Hình 1-3 Sự tăng về tích BL trong giai đoạn 1975 đến 2000 qua một số thế hệ hệ thống thông tin quang. Các ký hiệu khác nhau mô tả cho các thế hệ kế tiếp nhau.

Khoảng cách lặp có thể được tăng lên đáng kể khi hệ thống sợi quang hoạt

động tại vùng bước sóng gần 1,3 µm mà ở đó suy hao của sợi nhỏ hơn 1 dB/km.

Thêm nữa các sợi quang lúc đó có đặc tính tán sắc nhỏ nhất trong vùng bước sóng

này. Do đó đã có nhiều nỗ lực trong việc phát triển các laser và các linh kiện thu

bán dẫn InGaAsP hoạt động gần 1,3 µm. Thế hệ các hệ thống thông tin sợi quang

thứ hai đã trở nên sẵn sang vào đầu thập kỷ 1980, nhưng tốc độ bít của các hệ thống

ban đầu bị giới hạn dưới 100 Mb/s vì tán sắc trong các sợi đa mode. Giới hạn này

được khắc phục bằng cách sử dụng sợi đơn mode và sợi này sớm đưa vào sử dụng

trong các hệ thống thương mại hóa giai đoạn đó. Vào năm 1987, các hệ thống thông

tin sợi quang thứ hai hoạt động tại tốc độ lên tới 1,7 Gb/s với khoảng cách lặp

khoảng 50 km đã sẵn có cung cấp cho thương mại.

Khoảng cách lặp của các hệ thống sợi quang thế hệ thứ hai bị giới hạn bởi

suy hao sợi quang tại bước sóng hoạt động 1,3 µm (điển hình 0,5 dB/km). Các suy

hao của các sợi quang nhỏ nhất ở gần 1,55 µm. Một mức suy hao cỡ 0,2 dB/km đã

thực hiện được trong vùng phổ này. Tuy nhiên việc đưa vào các hệ thống sợi quang

thế hệ thứ ba hoạt động tại 1,55 µm bị chậm lại đáng kể bởi tán sắc lớn của sợi

quang gần 1,55 µm. Các laser bán dẫn InGaAsP thông thường đã không thể sử dụng

được vì sự trải rộng xung quang xảy ra như là kết quả của sự dao động đồng thời

của một vài mode phát xạ dọc từ laser. Vấn đề tán sắc có thể được khắc phục hoặc

bằng các sợi dịch tán sắc được thiết kế để có tán sắc nhỏ nhất tại vùng 1,55 µm hoặc

bằng giới hạn phổ laser chỉ có một mode dọc phát xạ đơn. Cả hai tiếp cận này đã

được thực hiện trong suốt thập kỉ 1980. Vào năm 1985, các thực nghiệm tại phòng

PTIT

4

thí nghiệm đã cho thấy khả năng truyền dẫn thông tin tại tốc độ lên tới 4 Gb/s trên

khoảng cách lớn hơn 100 km. Các hệ thống thông tin sợi quang thế hệ thứ ba hoạt

động tại 2,5 Gb/s đã sẵn có cho việc thương mại hóa vào năm 1990. Các hệ thốn

như vậy cũng có thể hoạt động ở tốc độ lên tới 10 Gb/s. Hiệu năng tốt nhất của hệ

thống được thực hiện bằng việc sử dụng các sợi dịch tán sắc kết hợp với các nguồn

laser đơn mode.

Nhược điểm của hệ thống 1,55 µm thế hệ thứ ba đó là tín hiệu phải được tái

sinh tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ lặp điện ở khoảng cách điển hình cỡ 60 – 70 km.

Khoảng cách bộ lặp có thể được tăng thêm nhờ sử dụng chế độ thu kết hợp

homodyne hoặc heterodyne vì cải thiện được độ nhạy bộ thu. Các hệ thống như vậy

được gọi là các hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent). Các hệ thống coherent

cũng đã được phát triển trong những năm 1980 và những lợi ích tiềm tàng của

chúng đã được chứng minh trong nhiều thí nghiệm. Tuy nhiên việc thương mại hóa

các hệ thống này đã bị trì hoãn do sự ra đời của các bộ khuyếch đại quang sợi vào

năm 1989.

Thế hệ thứ tư của các hệ thống sợi quang sử dụng khuyếch đại quang để tăng

khoảng cách giữa các bộ lặp và ghép kênh theo bước sóng (WDM) để tăng dung

lượng truyền dẫn. Như thấy rõ trong hình 1-3 trước và sau 1992, sự ra đời kỹ thuật

WDM đã tạo ra một cuộc cách mạng về dung lượng truyền dẫn và cho phép các hệ

thống sợi quang hoạt động tại tốc độ 10 Tb/s vào năm 2001.Trong hầu hết các hệ

thống WDM, các tổn hao của sợi quang được bù tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ

khuyếch đại quang sợi pha tạp erbium (EDFA) cách nhau cỡ 60 – 80 km. Các bộ

khuyếch đại quang như vậy đã được phát triển sau năm 1985 và được cung cấp

thương mại năm 1990. Nhờ việc sử dụng các bộ khuyếch đại quang sợi mà các hệ

thống truyền dẫn cáp biển toàn quang giữa các lục địa trở nên khả thi. Từ sau năm

1996 nhiều hệ thống truyền dẫn quang biển khoảng cách hơn chục ngàn km tại tốc

độ Gb/s đã được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới.

PTIT

5

Hình 1-4 Sơ đồ hệ thống mạng cáp quang biển tại khu vực châu Á

Hệ thống thông tin sợi quang thế hệ thứ năm được quan tâm bởi sự mở rộng

dải bước sóng mà một hệ thống WDM có thể hoạt động đồng thời. Cửa sổ bước

sóng quen thuộc được gọi là băng tần C bao trùm dải bước sóng 1,53 – 1,57 µm. Nó

sẽ được mở rộng ở cả hai phía bước sóng ngắn và bước sóng dài để hình thành các

băng tần S và L tương ứng. Kỹ thuật khuyếch đại Raman có thể khuyếch đại tín

hiệu ở cả 3 băng tần bước sóng mà các bộ khuyeechs đại EDFA không thực hiện

được. Thêm nữa, một loại sợi quang mới được gọi là sợi khô đã được phát triển để

suy hao của sợi là nhỏ trên toàn bộ vùng bước sóng trải rộng từ 1,3 đến 1,65 µm.

Việc sử dụng các sợi quang như vậy và các chế độ khuyeechs đại mới có thể cho

phép các hệ thống sợi quang hoạt động với hàng ngàn kênh WDM. Tiêu điểm của

hệ thống thế hệ thứ năm hiện tại là tăng hiệu suất phổ của các hệ thống WDM. Ý

tưởng là để sử dụng các định dạng điều chế tiên tiến trong đó thông tin được mã hóa

sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang quang. Mặc dù các định dạng như vậy đã

được phát triển và sử dụng thông dụng trong các hệ thống vô tuyến, nhưng việc sử

dụng trong các hệ thống sợi quang chỉ được chú ý đến nhiều sau năm 2001. Nhờ sử

dụng các định dạng điều chế tiên tiến đã cho phép hệ thống tăng hiệu suất phổ bị

giới hạn dưới 0,8 b/s/Hz trong hệ thống thế hệ thứ tư tăng lên > 8 b/s/Hz. Trong một

thí nghiệm năm 2010, một kỷ lục mới đã được thiết lập để truyền dẫn 64 Tb/s trên

khoảng cách 320 km bằng việc sử dụng 640 kênh WDM trên cả hai băng tần C và L

PTIT

6

với khoảng cách kênh 12,5 GHz. Mỗi kênh chứa 2 tín hiệu 107 Gb/s được ghép

phân cực với dạng điều chế sử dụng là điều chế biên độ cầu phương (QAM).

Hệ thống thông tin quang sợi đã trải qua hơn 30 năm phát triển với nhiều kỹ

thuật công nghệ đã đạt đến độ chin muồi. Thông tin quang sợi hiện nay đã trở thành

công nghệ để xây dựng cơ sở hạ tầng truyền tải cho hầu hết các cấp mạng thông tin

từ mạng đường trục quốc tế cho đến các mạng truy nhập.

1.2Một số khái niệm cơ bản trong thông tin quang

1.2.1Băng tần phổ quang

Tất cả các hệ thống viễn thông đều sử dụng các dạng năng lượng điện từ để

phát tín hiệu. Phổ bức xạ điện từ (EM) được cho thấy trong hình 1-4. Năng lượng

điện từ là sự tổ hợp của điện trường và từ trường, và bao gồm điện năng, các sóng

vô tuyến, vi ba, ánh sáng hồng ngoại, nhìn thấy, tử ngoại, tia X và tia gamma. Mỗi

loại sẽ chiếm một phần phổ sóng điện từ. Bản chất cơ bản của tất cả các bức xạ

trong phổ sóng điện từ là các sóng điện từ lan truyền tại tốc độ ánh sáng c = 3x108

m/s trong chân không. Tốc độ của sóng lan truyền trong một vật liệu là nhỏ hơn tốc

độ c trong chân không bởi một hệ số chiết suất n:

� =�

� (1.1)

Hình 1-5 Phổ bức xạ sóng điện từ

Các tính chất vật lý của các sóng điện từ có thể được xác định qua một số các

đại lượng như độ dài một chu kỳ của sóng, năng lượng chứa trong sóng hoặc tần số

PTIT

7

dao động của sóng. Khác với truyền dẫn tín hiệu điện thường sử dụng tần số để chỉ

các băng tần hoạt động của tín hiệu, thì thông tin quang lại thường sử dụng bước

sóng để chỉ các vùng phổ hoạt động. Các đại lượng này liên hệ với nhau qua một số

phương trình đơn giản. Trước hết, tốc độ ánh sáng trong chân không c bằng bước

sóng l nhân với tần số n:

� = ln (1.2)

trong đó tần số n được đo theo Hz. Tiếp theo, quan hệ giữa năng lượng của một

photon (hạt ánh sáng) và tần số (hoặc bước sóng) của nó được xác định qua định

luật Planck:

� = ℎn (1.3)

trong đó tham số h = 6,63x10-34 J-s = 4,14 eV-s là hằng số Planck. Theo bước sóng

(được đo theo µm), năng lượng theo đơn vị electron volt được xác định:

�(��) =�,����

l(��) (1.4)

Các hệ thống thông tin có thể được phân biệt qua các vùng phổ sóng điện từ

sử dụng. Hình 1-5 cho thấy các vùng phổ cụ thể cho các hệ thống thông tin vô tuyến

và quang sợi. Đối với các hệ thống thông tin vô tuyến các băng tần sử dụng trải

rộng từ băng tần cao HF tới VHF và tới UHF với các tần số sóng mang cỡ bậc 107,

108 và 109 Hz tương ứng. Về mặt lý thuyết, việc tần số sóng mang hoạt động tại

vùng tần số cao cho phép tăng băng tần truyền dẫn khả dụng và kết quả cho phép

tăng dung lượng truyền dẫn thông tin. Đối với thông tin quang, các vùng băng tần

quang có tần số lớn hơn nhiều bậc so với tần số vô tuyến, do vậy các hệ thống sợi

quang cho thấy khả năng truyền dẫn một dung lượng thông tin vô cùng lớn qua hệ

thống.

Vùng phổ quang trải dài từ khoảng 5 nm trong vùng cực tím đến 1 mm trong

vùng hồng ngoại xa. Ở giữa các vùng giới hạn này là vùng phổ nhìn thấy từ 400 đến

700 nm. Thông tin quang sợi sử dụng băng tần phổ hồng ngoại gần từ 770 đến 1675

nm. Các hệ thống thông tin quang hiện này hầu hết sử dụng ở vùng bước sóng dài

và tổ chức liên minh viễn thông quốc tế ITU đã chỉ định sáu băng tần phổ sử dụng

cho thông tin sợi quang trong phạm vi 1260 đến 1675 nm. Các chỉ định băng tần

bước sóng dài này xuất phát từ đặc tính suy hao của sợi quang và đặc tính của bộ

khuyếch đại EDFA. Vùng băng tần 770 đến 910 nm được sử dụng cho các hệ thống

sợi quang đa mode bước sóng ngắn. Mỗi vùng phổ đều đòi hỏi các thành phần linh

PTIT

8

kiện phù hợp để hoạt động và các đặc tính khác nhau của các thành phần này sẽ dẫn

đến hiệu năng cũng như ứng dụng của các hệ thống tương ứng là khác nhau.

Hình 1-6 Các vùng phổ sóng điện từ sử dụng cho thông tin quang sợi và thông tin vô tuyến.

Hình 1-7 Ký hiệu các băng tần phổ bước sóng dài do ITU-T quy định

PTIT

9

1.2.2Ghép kênh

Ghép kênh là kỹ thuật kết hợp nhiều kênh tín hiệu khác nhau để truyền đồng

thời qua hệ thống truyền dẫn nhằm sử dụng hiệu quả dung lượng truyền dẫn của hệ

thống. Đối với hệ thống thông tin sợi quang có dung lượng truyền dẫn lớn thì chức

năng ghép kênh luôn đi kèm với hệ thống này. Các kỹ thuật ghép kênh thường được

sử dụng bao gồm ghép kênh theo thời gian (TDM) và ghép kênh theo tần số (FDM).

Trong trường hợp TDM các bit dữ liệu của các kênh khác nhau được ghép

xen trong miền thời gian để tạo thành luồng bit tổng, hay nói cách khác mỗi kênh sẽ

được gán vào những khe thời gian xác định để truyền đồng thời qua hệ thống cùng

với các kênh khác. Kỹ thuật TDM được sử dụng cho các tín hiệu số trong các mạng

viễn thông và hình thành các phân cấp số khác nhau trong quá trình phát triển.

Trong thời gian đầu phát triển các hệ thống truyền dẫn số, phân cấp số cận đồng bộ

(PDH) được hình thành xác định các mức và số lượng kênh thoại được ghép. Phân

cấp PDH như cho thấy trong hình 1-6 có sự khác biệt giữa các khu vực và được sử

dụng cho cả hệ thống thông tin quang sợi và vô tuyến. Sự thiếu một tiêu chuẩn

thống nhất về phân cấp số trong công nghiệp viễn thông đã đòi hỏi sự ra đời một

tiêu chuẩn phân cấp số mới gọi là mạng quang đồng bộ (SONET) và sau đó gọi là

phân cấp số đồng bộ SDH. Bảng cho

Hình 1-8 Phân cấp số cận đồng bộ PDH

Bảng 1-1 Bảng tốc độ truyền dẫn theo phân cấp số đồng bộ SONET/SDH

PTIT

10

Trong trường hợp FDM, các kênh được ghép trong miền tần số trong đó mỗi

kênh được mang bởi một sóng mang riêng biệt. Các tần số sóng mang cách nhau

một khoảng tần lớn hơn độ rộng băng tần của kênh để tránh sự chồng phổ. FDM có

thể được sử dụng cho cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số và thường hay được sử

dụng trong các hệ thống quảng bá. Trong các hệ thống viễn thông, chức năng ghép

kênh thường được thực hiện trong miền điện trước khi chuyển đổi thành tín hiệu

quang. Trường hợp FDM thực hiện hoàn toàn trong miền quang được xem là ghép

kênh phân chia theo bước sóng WDM.

1.2.3Đơn vị công suất

Công suất là một đại lượng quan trọng trong hệ thống sợi quang để đặc trưng

cho cường độ của tín hiệu quang trên hệ thống. Đại lượng công suất có thể được đo

trên hai kiểu thang đo:

- Thang đo tuyến tính với đơn vị W hoặc mW

- Thang đo logarithm với đơn vị dBm

Trong kỹ thuật hệ thống thang đo logarithm thường hay được sử dụng vì nó

đem lại một số ưu điểm bao gồm cho phép biểu diễn dải rộng giá trị mức công suất

hay nói cách khác dễ dàng biểu diễn các mức tín hiệu khác biệt nhau nhiều bậc độ

lớn. Thêm nữa việc tính toán các đại lượng theo thang đo logarithm cũng được đơn

giản hóa bằng các phép tính cộng hoặc trừ thay cho các phép tính nhân chia tỉ lệ

trong thang đo tuyến tính.

Quan hệ giữa mức công suất theo thang logarithm và mức công suất theo

thang tuyến tính được xác định qua biểu thức sau:

�(��� ) = 10����� ��(�� )

� ��� (1.5)

Đơn vị dBm biểu thị mức công suất P như là một tỉ lệ logarithm của P so với 1 mW.

Mức tham chiếu 1 mW được chọn đơn giản vì các giá trị điển hình mức công suất

phát nằm trong dải này (chữ m trong dBm bao hàm mức tham chiếu là 1 mW). Như

vậy dBm được coi là thang đo decibel cho mức giá trị công suất tuyệt đối và một

PTIT

11

quy tắc quan trọng là 0 dBm = 1 mW. Do đó, các giá trị công suất dương theo dBm

là lớn hơn 1 mW và các giá trị âm theo dBm là nhỏ hơn 1 mW. Bảng cho một số ví

dụ mức công suất quang theo hai đơn vị đo tương ứng.

Bảng 1-2 Bảng ví dụ chuyển đổi mức công suất giữa đơn vị tuyến tính và dBm

1.3Mô hình tổng quát hệ thống thông tin quang

1.3.1Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang

Hình 1-9 cho thấy sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin quang.

Hệ thống tổng quát bao gồm một bộ phát, một kênh thông tin và một bộ thu, đây

được xem là ba phần tử cơ bản và chung nhất cho tất cả các hệ thống thông tin. Các

hệ thống thông tin quang có thể được phân thành hai loại: có môi trường dẫn

(guided) và không dẫn (unguided). Trong trường hợp hệ thống quang có môi trường

dẫn, chùm quang từ bộ phát bị giam hãm về không gian khi lan truyền và được thực

hiện qua việc sử dụng sợi quang trong thực tế.

Hình 1-9 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang

Trong trường hợp các hệ thống thông tin quang không môi trường dẫn, chùm

quang từ bộ phát trải rộng trong không gian tương tự hệ thống vô tuyến. Tuy nhiên,

các hệ thống này ít phù hợp cho các ứng dụng quảng bá như hệ thống vô tuyến vì

các chùm quang chủ yếu tập trung theo một hướng được chiếu phía trước (kết quả

PTIT

12

của bước sóng ngắn của chùm quang). Việc sử dụng các hệ thống này đòi hỏi việc

căn chỉnh chính xác giữa bộ phát và bộ thu. Trong trường hợp truyền dẫn khoảng

cách lớn, tín hiệu trong hệ thống không dẫn có thể bị suy giảm đáng kể bởi tán xạ

trong khí quyển. Tuy nhiên vấn đề này biến mất trong thông tin không gian tự do ở

trên bầu khí quyển trái đất (ví dụ thông tin liên lạc giữa các vệ tinh). Mặc dù hệ

thống thông tin quang không gian tự do được sử dụng trong một số ứng dụng và đã

được nghiên cứu mạnh mẽ, nhưng hầu hết các ứng dụng trên mạng viễn thông hiện

nay đều sử dụng hệ thống thông tin quang sợi. Do vậy mà nội dung bài giảng này sẽ

chỉ tập trung vào hệ thống quang sợi.

1.3.2Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang sợi

Hình 1-9 đã cho thấy ba thành phần cơ bản trong hệ thống thông tin quang

sợi bao gồm: cáp sợi quang vai trò như kênh thông tin, bộ phát quang và bộ thu

quang.

a. Sợi quang như một kênh thông tin

Vai trò của một kênh thông tin là để truyền tải tín hiệu quang từ bộ phát tới

bộ thu mà tránh làm méo dạng tín hiệu. Hầu hết các hệ thống thông tin quang sử

dụng sợi quang như là kênh thông tin vì các sợi quang thủy tinh có thể truyền dẫn

ánh sáng với suy hao nhỏ chỉ cỡ 0,2 dB/km. Thậm chí khi công suất quang giảm chỉ

còn 1% sau 100 km. Do vậy suy hao sợi quang có ý nghĩa quan trọng trong việc

thiết kế hệ thống và xác định khoảng cách bộ lặp hoặc bộ khuyeesch đại của một hệ

thống thông tin quang khoảng cách lớn. Một vấn đề thiết kế quan trọng khác là tán

sắc sợi quang gây ra sự trải rộng các xung quang khi truyền dẫn. Nếu các xung

quang trải rộng nhiều ra ngoài khe thời gian được cấp phát cho chúng, thì tín hiệu bị

suy giảm nghiêm trọng và khó có thể khôi phục được tín hiệu ban đầu với độ chính

xác cao. Vấn đề này là nghiêm trọng nhất trong trường hợp các sợi đa mode do mức

độ dãn xung cỡ ~ 10 ns/km. Do vậy hầu hết các hệ thống thông tin quang ngày nay

sử dụng sợi đơn mode có mức độ dãn xung nhỏ hơn nhiều (< 0,1 ns/km). Các vấn

đề về sợi quang sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2.

b. Bộ phát quang

Bộ phát quang có vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang

và đưa tín hiệu quang vào sợi để truyền dẫn. Hình 1-10 cho thấy sơ đồ khối tổng

quát của một bộ phát quang, trong đó bao gồm một nguồn quang, một bộ điều chế,

và một bộ ghép nối với sợi quang. Các nguồn laser bán dẫn (LD) hoặc diode phát

PTIT

13

quang (LED) được dùng như những nguồn quang vì khả năng tương thích của

chúng với kênh sợi quang. Tín hiệu quang được tạo ra bằng việc điều biến sóng

mang quang. Có hai phương thức điều biến: điều biến trực tiếp và điều biến ngoài.

Ở phương thức điều biến trực tiếp tín hiệu điện được đưa vào để biến đổi dòng bơm

trực tiếp nguồn quang thông qua mạch kích thích mà không cần sử dụng bộ điều

biến ngoài. Phương thức điều biến trực tiếp mặc dù hiệu quả về chi phí nhưng bị

giới hạn về tính năng khi điều biến dữ liệu ở tốc độ cao.

Hình 1-10 Sơ đồ khối bộ phát quang

Phương thức điều chế ngoài thường hay sử dụng cho hệ thống tốc độ cao. Ở

đây nguồn quang thường sử dụng là laser diode phát ra ánh sáng liên tục, còn tín

hiệu điện điều biến sóng mang quang thông qua bộ điều biến ngoài. Nhờ sử dụng bộ

điều biến ngoài, ngoài định dạng điều biến cường độ (IM) thì các định dạng điều

biến tiên tiến khác như PSK, FSK hay QAM cũng có thể được thực hiện dễ dàng

như trong các hệ thống thông tin quang thế hệ năm.

Trong bộ phát quang bộ ghép nối thường là một vi thấu kính để hội tụ tín

hiệu quang đầu ra vào trong sợi quang với hiệu suất ghép cao nhất. Các vấn đề về

bộ phát quang sẽ đề cập chi tiết trong chương 3.

c. Bộ thu quang

Bộ thu quang thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu quang thu được tại

đầu ra tuyến sợi quang thành tín hiệu điện. Hình 1-11 cho thấy sơ đồ khối một bộ

thu quang trong đó bao gồm một bộ ghép nối, một bộ tách sóng quang và một bộ

giải điều chế. Bộ ghép nối để tập trung tín hiệu quang thu được vào bộ tách sóng

quang. Các diode thu quang bán dẫn được sử dụng như là các bộ tách sóng quang

để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Bộ giải điều chế phụ thuộc vào

các định dạng điều biến được sử dụng mà có cấu trúc một cách cụ thể. Các hệ thống

thông tin quang sợi hiện tại hầu hết sử dụng phương thức điều biến cường độ thu

trực tiếp (IM/DD) thì quá trình giải điều chế được thực hiện bởi mạch quyết định để

PTIT

14

xác địn các bit thông tin thu được là 1 hoặc 0 phụ thuộc vào biên độ tín hiệu điện

thu được.

Hình 1-11 Sơ đồ khối bộ thu quang

Hiệu năng của một hệ thống thông tin quang số được xác định qua tỉ số lỗi

bit (BER) như là xác suất trung bình thu sai bit. Hầu hết các hệ thống thông tin

quang sợi xác định BER cỡ 10-9 như là yêu cầu tối thiểu khi hoạt động, một số hệ

thống thậm chí còn yêu cầu BER rất nhỏ chỉ cỡ 10-14. Các vấn đề cơ bản của bộ thu

quang sẽ được trình bày trong chương 4.

1.3.3Đặc điểm hệ thống thông tin sợi quang

Ưu điểm:

- Suy hao thấp: Các sợi quang có suy hao thấp hơn so với cáp đồng do vậy

cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách xa hơn. Điều này giúp giảm số

lượng các bộ lặp cần thiết sử dụng trong các hệ thống khoảng cách lớn.

Sự giảm về thiết bị và các thành phần sẽ giảm độ phức tạp và giá thành

của hệ thống.

- Băng tần truyền dẫn rộng: Các sợi quang có độ rộng băng tần truyền dẫn

rộng nên một dung lượng lớn thông tin có thể được truyền qua hệ thống

giúp làm giảm số đường truyền vật lý cần thiết.

- Kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ: Trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ

của sợi quang cho phép dễ dàng triển khai lắp đặt trên các hệ thống cáp

khác nhau. Đặc điểm này cũng cho thấy hệ thống quang sợi cũng triển

khai dễ dàng trong các hệ thống quân sự, hàng không, vệ tinh và tầu

thuyền.

- Không bị can nhiễu điện từ: Do sợi quang được làm từ vật liệu điện môi

không dẫn điện, nên sợi quang không bị ảnh hưởng bới các hiệu ứng giao

thoa điện từ cũng như không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện có thể ghép cặp

với đường truyền.

PTIT

15

- Độ an toàn được tăng cường: Các sợi quang cho mức độ an toàn cao khi

vận hành vì chúng không có các vấn đề về đấu đất, đánh tia lửa điện và

điện thế cao như trong hệ thống cáp đồng.

- Bảo mật thông tin cao: Sợi quang cho phép một mức độ bảo mật thông

tin cao vì tín hiệu quang bị giam hãm tốt bên trong sợi quang khi truyền

mà không bức xạ ra ngoài gây rò rỉ thông tin.

Nhược điểm:

- Các hệ thống thông tin quang sợi có chi phí lặp đặt ban đầu lớn do vậy

mà chúng thường triển khai trên các mạng khoảng cách lớn và dung

lượng cao để đảm bảo hiệu quả về chi phí đầu tư.

- Do sợi quang có kích thước nhỏ và làm từ vật liệu điện môi trong suốt

như thủy tinh nên việc hàn nối trở nên khó khăn hơn và đòi hỏi phải có

kỹ năng để đảm bảo chất lượng mối hàn.

- Sợi quang dễ bị tác động bởi ứng suất căng, uốn cong nên đòi hỏi cần

phải chú ý cẩn thận trong khi triển khai sử dụng.

Tuy có một số nhược điểm nhưng những lợi ích rất lớn mà hệ thống thông

tin quang sợi đem lại đã tạo cơ sở cho việc triển khai ứng dụng rộng rãi trong nhiều

lĩnh vực khác nhau. Đối với lĩnh vực viễn thông, hệ thống thông tin quang sợi đã trở

thành nền tảng cơ bản của cấu trúc hạ tầng mạng truyền tải ở mọi cấp từ mạng quốc

tế liên lục địa, mạng quốc gia cho đến mạng truy nhập. Những thành tựu đạt được

và sự phát triển nhanh chóng của mạng Internet ngày nay có được cũng nhờ vào sự

thành công có được của công nghệ thông tin quang sợi.

1.4 Các tiêu chuẩncho hệ thống thông tin quang

Để cho phép các thành phần và thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau có thể

giao tiếp với nhau, rất nhiều các tiêu chuẩn quốc tế về viễn thông nói chung và

thông tin quang nói riêng đã được phát triển. Có ba loại cơ bản cho hệ thống quang

sợi bao gồm các tiêu chuẩn sơ cấp, các tiêu chuẩn kiểm định các thành phần thiết bị

và các tiêu chuẩn hệ thống.

Các tiêu chuẩn sơ cấp liên quan đến việc đo và mô tả các tham số vật lý cơ

bản như suy hao, độ rộng băng tần và các đặc tính hoạt động của sợi quang, các

mức công suất quang và độ rộng phổ. Ở Mỹ tổ chức chính liên quan đến các tiêu

chuẩn sơ cấp là Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia (NIST). Tổ chức này thực

PTIT

16

hiện các công việc tiêu chuẩn hóa laser và sợi quang, và nó cũng tài trợ hội thảo

hàng năm về đo kiểm quang sợi. Một số tổ chức quốc gia khác như Phòng thí

nghiệm vật lý quốc gia (NPL) ở Anh và PTB (Physikalisch-Technische

Bundesanstalt) ở Đức cũng có chức năng tương tự.

Các tiêu chuẩn kiểm định thành phần định nghĩa các phép đo thử hiệu năng

thành phần quang sợi và chúng thiết lập các thủ tục hiệu chỉnh thiết bị. Một số các

tổ chức khác nhau liên quan đến việc hình thành các tiêu chuẩn kiểm định này như

Hiệp hội công nghiệp viễn thông (TIA) kết hợp với Liên minh các nhà công nghiệp

điện tử (EIA), Ban viễn thông của ITU (ITU-T) và Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế

(IEC). TIA có một danh sách trên 120 tiêu chuẩn và tham số kỹ thuật đo kiểm

quang sợi được ký hiệu TIA/EIA-455-XX-YY, trong đó XX liên quan đến một kỹ

thuật đo cụ thể và YY liên quan đến năm phát hành. Các tiêu chuẩn này cũng được

gọi là Các thủ tục đo kiểm định quang sợi (FOTP), do đó TIA/EIA-455-XX trở

thành FOTP-XX. Các tiêu chuẩn này bao gồm một loạt các phương pháp được

khuyến nghị cho việc đo kiểm định phản ứng của sợi quang, cáp, linh kiện thụ động

và các thành phần quang điện đối với các yếu tố môi trường và các điều kiện hoạt

động. Ví dụ, TIA/EIA-455-60-1997 hoặc FOTP-60 là một phương pháp được ban

hành năm 1997 về đo độ dài của cáp sợi quang.

Các tiêu chuẩn hệ thống liên quan đến các phương pháp đo kiểm tuyến và

mạng truyền dẫn. Các tổ chức chính là Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ (ANSI), Tổ

chức cho các kỹ sư điện và điện tử (IEEE), ITU-T và Telcordia Technologies. Cụ

thể cho hệ thống quang sợi là các tiêu chuẩn đo kiểm và các khuyển nghị từ ITU-T.

Trong loạt khuyến nghị G (trong dải số G.650 và cao hơn) liên quan đến cáp sợi

quang, bộ khuyeechs đại quang, ghép kênh bước sóng, mạng truyền tải quang

(OTN), tính khả dụng và độ tin cậy hệ thống, quản lý và điều khiển các mạng quang

thụ động (PON). Loạt khuyến nghị L của ITU-T giải quyết việc xây dựng, lắp đặt,

hỗ trợ bảo dưỡng, giám sát và đo kiểm cáp và các phần tử khác trong hệ thống sợi

quang được triển khai ngoài thực địa.

PTIT

Chương 2 Sợi quang

2.1Cấu tạo và phân lo

2.1.1Cấu tạo sợi quang

Sợi quang là một ống d

cơ bản của một sợi quang có d

có chiết suất n1 và lớp vỏ

hình 2-1. Do ánh sáng truyề

nên chiết suất lớp vỏ phải nh

nguyên lý, một lớp vỏ là không c

nó được sử dụng cho một số

tại bề mặt lõi, cải thiện đặc tính d

Hình 2

Bên cạnh hai lớp cơ b

được bọc thêm một hoặc m

cao. Việc bọc thêm lớp bọc đ

quang và giảm các khuyết

trong môi trường thực tế.

2.1.2Phân loại sợi quang

Có nhiều kiểu sợi quang khác nhau và c

quang. Nhìn chung các sợi quang có th

sau:

- Dựa vào vật liệu ch

quang

phân loại sợi quang

i quang

ng dẫn sóng điện môi hoạt động tại tần số quang. C

i quang có dạng hình trụ tròn bao gồm hai lớp chính là l

sợi bao bọc quanh lõi có chiết suất n2 như mô t

ền trong sợi quang dựa trên nguyên lý phản x

i nhỏ hơn chiết suất lớp lõi (n2 < n1). Mặ

là không cần thiết cho việc truyền ánh sáng trong

ố mục đích như giảm suy hao tán xạ cũng nh

c tính dẫn sóng của sợi quang.

Hình 2-1 Cấu trúc cơ bản của sợi quang

p cơ bản lõi và vỏ sợi, sợi quang sử dụng trong th

c một vài lớp bọc đệm bằng vật liệu polyme có tính đàn h

c đệm này cũng nhằm mục đích gia cường thêm cho s

tật trên bề mặt sợi quang, đảm bảo khả năng s

i quang

i quang khác nhau và cũng có nhiều cách phân lo

i quang có thể được phân loại dựa trên các y

u chế tạo

17

quang. Cấu tạo

p chính là lớp lõi sợi

t n2 như mô tả trong

n xạ toàn phần

ặc dù về mặt

n ánh sáng trong sợi nhưng

ũng như cả hấp thụ

ng trong thực tế còn

u polyme có tính đàn hồi

ng thêm cho sợi

năng sử dụng

u cách phân loại sợi

a trên các yếu tố cơ bản

PTIT

18

- Dựa vào số lượng mode truyền dẫn

- Dựa vào mặt cắt chiết suất

Dựa vào vật liệu chế tạo,các loại sợi quang thường được chế tạo từ hai loại

vật liệu trong suốt là thủy tinh và nhựa. Các sợi quang sử dụng trong viễn thông đều

được chế tạo từ thủy tinh cho cả phần lõi và vỏ. Các sợi quang nhựa thường có kích

thước lớn và suy hao cao hơn nhiều so với sợi thủy tinh, nhưng có độ bền cơ học tốt

hơn. Một số loại sợi cũng có thể được chế tạo có lõi làm bằng thủy tinh, còn lớp vỏ

làm bằng nhựa. Do dựa trên hai loại vật liệu khác nhau nên cửa sổ truyền dẫn có

suy hao thấp của mỗi loại không giống nhau.

Hình 2-2 Mặt cắt ngang và mặt cắt chiết suất của sợi chiết suất bậc và sợi chiết suất biến đổi

Dựa vào sự biến đổi chiết suất trong lõi hay dạng mặt cắt chiết suất, sợi

quang có thể được phân thành hai loại chính: sợi chiết suất bậc (SI – step index) và

sợi chiết suất biến đổi (GI – graded index) như mô tả trong hình 2-2. Trong sợi chiết

suất bậc, chiết suất trong lõi sợi là một hằng số hay không thay đổi trên toàn bộ mặt

cắt lõi sợi. Như vậy chiết suất chỉ thay đổi tại tiếp giáp giữa lõi và vỏ tạo ra sự thay

đổi dạng bậc. Còn đối với sợi chiết suất biến đổi, chiết suất trong lõi biến đổi theo

khoảng cách từ tâm sợi ra ngoài biên tiếp giáp với xu hướng chiết suất tại tâm lõi là

lớn nhất và giảm dần về phía biên giữa lõi và vỏ.

PTIT

Dựa theo số lượng mode truy

đa mode hỗ trợ nhiều mode truy

một mode truyền cơ bản. Khái ni

sau.

Do sợi quang sử dụng trong vi

hai yếu tố mặt cắt chiết suấ

loại sợi chính: sợi đa mode chi

đơn mode. Hình 2-3 cho thấ

tính truyền dẫn của ba loại s

Hình 2-3So sánh cấu trúc các lo

Ngoài các cách phân lo

được phân loại theo nhiều cách

sợi. Nếu dựa vào đặc tính truy

tán sắc (DSF) có đặc tính tán s

dụng để bù ảnh hưởng của tán s

phân cực của tín hiệu khi lan truy

dùng trong các ứng dụng x

có các loại sợi tinh thể photonic (PCF) hay còn g

vùng lõi trong vài trường hợ

cấu trúc trong một PCF sẽ xác đ

ng mode truyền, các sợi quang có hai loại cơ b

u mode truyền trong sợi và sợi đơn mode chỉ hỗ

Khái niệm mode truyền sẽ được đề cập đến trong ph

ng trong viễn thông đều là các sợi thủy tinh nên d

ất và số lượng mode, các sợi quang được phân thành ba

i đa mode chiết suất bậc, sợi đa mode chiết suất biế

ấy đặc điểm cấu trúc của ba loại sợi quang này. Các đ

i sợi sẽ được đề cập chi tiết trong những phần sau.

u trúc các loại sợi quang cơ bản sử dụng trong viễn thông

Ngoài các cách phân loại cơ bản sợi quang ở trên, sợi quang c

u cách khác tùy theo mục đích sử dụng hay tính năng c

truyền dẫn các sợi quang có thể có thêm các lo

c tính tán sắc thay đổi so với sợi chuẩn, sợi bù tán s

a tán sắc, sợi duy trì phân cực cho phép duy trì tr

u khi lan truyền, sợi phi tuyến (HNLF) có hệ số phi tuy

ng xử lý tín hiệu quang. Dựa vào cấu trúc đặc bi

photonic (PCF) hay còn gọi là sợi vi cấu trúc có l

ợp chứa các lỗ không khí chạy dọc theo sợi. S

xác định đặc tính dẫn ánh sáng của sợi.

19

i cơ bản đó là: sợi

trợ duy nhất

n trong phần

y tinh nên dựa trên

c phân thành ba

ến đổi và sợi

i quang này. Các đặc

n sau.

n thông

i quang cũng có thể

ng hay tính năng của

có thêm các loại sợi dịch

i bù tán sắc (DCF) sử

c cho phép duy trì trạng thái

phi tuyến cao

c biệt hiện nay

u trúc có lớp vỏ và cả

i. Sự sắp xếp

PTIT

20

2.2Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang

2.2.1Mô tả theo quang hình học

Quá trình dẫn ánh sáng trong sợi quang có thể được hiểu một cách đơn giản

qua lý thuyết quang hình. Mặc dù lý thuyết này chỉ là một sự mô tả gần đúng cho

quá trình dẫn sóng ánh sáng nhưng có thể sử dụng đối với sợi có bán kính lõi a lớn

hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng l. Do vậy lý thuyết này thường chỉ đúng đối

với sợi quang đa mode.

a. Sợi chiết suất bậc (SI)

Trong sợi chiết suất bậc, cơ chế truyền dẫn ánh sáng có thể được mô tả cơ

bản bởi bởi lý thuyết tia như trong hình 2-4. Tia sáng đi vào trong lõi sợi từ môi

trường ngoài có chiết suất n0 tại một góc qi so với trục sợi. Do chiết suất môi

trường ngoài thường nhỏ hơn chiết suất lõi sợi nên tia sáng bị khúc xạ về phía trục

sợi với góc khúc xạ qr được xác định qua định luật Snell:

(2.1)

Tia sáng sau đó tới bề mặt tiếp giáp giữa lõi và vỏ với một góc tới f. Nếu góc tới

nhỏ hơn một góc tới hạn fc thì tia sáng sẽ bị khúc xạ ra ngoài vỏ, còn nếu lớn hơn

góc tới hạn thì tia sáng sẽ phản xạ toàn phần trong lõi sợi và lan truyền trong sợi

quang. Góc tới hạn cũng được xác định qua định luật Snell:

(2.2)

Như vậy chỉ có những tia sáng đi vào sợi có góc f>fc mới bị giam hãm trong sợi

thông qua phản xạ toàn phần. Từ hai phương trình (2.1) và (2.2), góc lớn nhất của

tia sáng đi vào và bị giam hãm trong sợi được xác định bởi:

(2.3)

ở đây q� = 2 − f�

⁄ được sử dụng. Phương trình (2.3) cũng định nghĩa khẩu độ số

(Numerical apature - NA) của sợi chiết suất bậc:

(2.4)

ở đây D là độ lệch chiết suất tương đối giữa lõi và vỏ. Vì khẩu độ số liên quan đến

góc vào sợi quang lớn nhất của tia sáng nên nó đặc trưng cho khả năng tiếp nhận

ánh sáng của sợi quang và ảnh hưởng đến hiệu suất ghép cặp công suất quang của

sợi.

PTIT

Hình 2-4Mô tả quang hình c

Đứng trên quan điểm lý thuy

loại tia sáng lan truyền trong s

đa mode chiết suất bậc sẽ lan truy

truyền trên nhiều tia sáng v

sợi chiết suất bậc là không thay đ

xạ toàn phần tại bề mặt giữa lõi và v

zig-zac. Các tia lan truyền t

gây ra tán sắc mode làm méo d

Có 2 loại tia sáng lan truy

xiên. Các tia kinh tuyến là các tia

Một tia kinh tuyến xác định ch

mặt phẳng đơn.

Các tia xiên không b

đường đi dạng xoáy ốc dọc theo s

trợ cả tia xiên, nhưng các tia này thư

cong hay khuyết tật và chúng c

tuyến.

Hình 2-5 Mô tả hình h

b. Sợi chiết suất bi

quang hình cơ chế lan truyền ánh sáng trong sợi SI

m lý thuyết tia, mode sợi quang có thể xem như là m

n trong sợi tại một góc xác định. Như vậy ánh sáng đi vào s

lan truyền trên nhiều mode hay nói cách khác nó s

u tia sáng với các góc lan truyền khác nhau. Do chiết su

c là không thay đổi nên các tia sáng đi thẳng trong lõi và ch

a lõi và vỏ tạo ra quỹ đạo của các tia sáng có d

n tại các góc khác nhau sẽ có quãng đường đi khác nhau

làm méo dạng xung quang khi lan truyền.

i tia sáng lan truyền trong sợi quang: tia kinh tuyến (tia th

n là các tia bị giam hãm trong mặt phẳng đi qua tr

nh chỉ phản xạ toàn phần dọc theo sợi quang trong m

Các tia xiên không bị giam hãm trong một mặt phẳng đơn đi qua tâm mà có

c theo sợi quang như mô tả trong hình 2-5. M

tia xiên, nhưng các tia này thường dễ bị tán xạ khỏi sợi ở những ch

t và chúng cũng trải qua sự suy hao lớn hơn so với các tia kinh

hình học sự lan truyền của tia xiêntrong sợi quang

t biến đổi

21

i SI

xem như là một

ánh sáng đi vào sợi

u mode hay nói cách khác nó sẽ lan

t suất lõi trong

õi và chỉ phản

a các tia sáng có dạng đường

ng đi khác nhau

n (tia thẳng) và tia

ng đi qua trục tâm sợi.

i quang trong một

ng đơn đi qua tâm mà có

. Mặc dù sợi hỗ

ng chỗ bị uốn

i các tia kinh

i quang

PTIT

22

Sợi chiết suất biến đổi có chiết suất lõi giảm dần theo khoảng cách từ tâm

sợi. Một cách tổng quát, mặt cắt chiết suất của sợi được mô tả bởi:

D

D

ar )1(

a r ; )/(1)(

21

1

nn

arnrn

a

(2.5)

trong đó a là hệ số mặt cắt chiết suất xác định dạng biến đổi của mặt cắt chiết suất

trong lõi sợi, a là bán kính lõi sợi, r là khoảng cách xuyên tâm. Hầu hết các sợi chiết

suất biến đổi có dạng mặt cắt parabol hay a = 2.

Do chiết suất biến đổi bên trong lõi nên khẩu độ số của sợi chiết suất biến

đổi cũng là một hàm của vị trí trên mặt cắt lõi sợi. Khẩu độ số tại vị trí r xác định

bởi:

(2.6)

trong đó NA(0) là khẩu độ số tại tâm sợi

(2.7)

Như vậy khẩu độ số của sợi GI giảm dần từ NA(0) xuống đến 0 khi r dịch từ trục

sợi tới biên giữa lõi và vỏ.

Sự biến đổi chiết suất của lõi cũng làm cho tia sáng trong lõi sợi không

truyền thẳng mà bị uốn cong đi. Quỹ đạo của tia có thể được mô tả gần đúng bởi

phương trình:

dr

dn

ndz

rd 12

2

(2.8)

trong đó r là khoảng cách của tia so với trục. Đối với trường hợp a = 2, nghiệm của

phương trình (2.8) có dạng:

� = �� cos(��) + (�� �⁄ )sin (��) (2.9)

trong đó p = (2D/a2)1/2 và r0 và r0’ là vị trí và hướng của tia đi vào sợi tương ứng.

Như vậy trong sợi GI quỹ đạo các tia sáng có dạng đường cong hình sin như mô tả

ở hình 2-6. Phương trình (2.9) cũng cho thấy các tia sẽ phục hồi vị trí và hướng ban

đầu của chúng tại khoảng cách z = 2m/p, trong đó m la một số nguyên. Do vậy về

mặt nguyên tắc, sợi mặt cắt parabol sẽ không biểu thị tán sắc mode. Trong thực tế,

sợi chiết suất biến đổi vẫn có tán sắc mode nhưng nhỏ hơn nhiều so với sợi chiết

suất bậc.

PTIT

23

Cũng như sợi SI, có hai loại tia gồm tia kinh tuyến và tia xoắn được hỗ trợ

lan truyền trong sợi.Các tia xoắn sẽ không đi qua trục sợi và cũng bị uốn cong khi

lan truyền tạo thành các vòng xoắn chiếu trên mặt cắt lõi sợi.

Hình 2-6Quỹ đạo của tia sáng trong sợi GI

2.2.2Lý thuyết truyền sóng

Để hiểu được bản chất mode truyền ánh sáng và các đặc tính truyền dẫn

kháctrong sợi quang, đặc biệt trong sợi đơn mode, lý thuyết truyền sóng sử dụng hệ

phương trình Maxwell cần được sử dụng.

a. Hệ phương trình Maxwell

Cũng như tất cả các hiện tượng sóng điện từ, quá trình lan truyền của trường

quang trong sợi được mô tả bởi hệ phương trình Maxwell. Trong một môi trường

điện môi không có điện tích tự do, hệ phương trình này có dạng:

(2.10)

(2.11)

(2.12)

(2.13)

trong đó E và H là các vec tơ cường độ điện trường và từ trường tương ứng, D và B

là các vec tơ cảm ứng điện và từ tương ứng. Các vec tơ cảm ứng liên hệ với các vec

tơ cường độ trường qua các hệ thức sau:

(2.14)

(2.15)

ở đây e0 là hằng số điện môi chân không, µ0 là hằng số từ môi hay độ từ thẩm chân

không, P và M là các vec tơ phân cực điện và từ tương ứng. Đối với sợi quang M =

0 còn vec tơ phân cực điện P trong điều kiện tuyến tính liên hệ với E qua:

PTIT

24

(2.16)

Hệ số cảm ứng điện c nhìn chung là một tensor hạng hai, nhưng trong môi trường

đẳng hướng như thủy tinh chế tạo sợi nó rút gọn thành đại lượng vô hướng.

Các phương trình (2.1)-(2.7) cung cấp một hệ thức tổng quát cho việc nghiên

cứu quá trình truyền sóng trong sợi quang. Để thuận tiện các biến đổi chỉ sử dụng

đại lượng điện trường E vì đại lượng H cũng có các biến đổi tương tự. Bằng việc

lấy curl ptr. (2.10) và sử dụng các ptr. (2.11), (2.14) và (2.15), phương trình sóng

tiêu chuẩn thu được:

(2.17)

trong đó tốc độ ánh sáng trong chân không được định nghĩa bởi c = (µ0e0)-1/2. Lấy

khai triển Fourier E(r,t) qua hệ thức:

(2.18)

cũng như tương tự đối với P(r,t) và sử dụng ptr. (2.16), ptr. (2.17) có thể được viết

trong miền tần số như sau:

(2.19)

trong đó hằng số điện môi phụ thuộc tần số được định nghĩa như sau:

(2.20)

c�(�,) là khai triển Fourier của c(r,t). Một cách tổng quát, e(r,) là phức. Các

thành phần thực và ảo của nó liên hệ với chiết suất n và hệ số hấp thụ a qua biểu

thức:

(2.21)

Sử dụng các ptr. (2.20) và (2.21), n và a liên hệ với c� như sau:

(2.22)

(2.23)

trong đó Re và Im ký hiệu cho phần thực và ảo tương ứng. Cả hai đại lượng n và a

đều phụ thuộc tần số. Sự phụ thuộc tần số của n liên quan đến hiệu ứng tán sắc vật

liệu trong sợi quang.

PTIT

25

Trước khi giải phương trình (2.19), một số gần đúng được thực hiện để đơn

giản hóa phương trình. Trước hết, e có thể được lấy phần thực và thay thế bằng n2

vì suy hao nhỏ trong sợi quang thủy tinh. Thứ hai, vì n(r,) độc lập với tọa độ

không gian r ở cả lõi và vỏ trong sợi SI, ta có thể sử dụng đẳng thức:

(2.24)

ở đây ptr. (2.12) và hệ thức �� = e��được sử dụng để đặt Ñ.�� = 0. Ptr. (2.24) có thể

vẫn đúng cho các sợi GI khi sự biến đổi chiết suất xảy ra ở cỡ độ dài dài hơn bước

sóng. Bằng cách sử dụng (2.24) vào (2.19), ta thu được:

(2.25)

trong đó hệ số sóng không gian tự do k0 được định nghĩa như sau:

(2.26)

và l là bước sóng của trường quang trong chân không dao động tại tần số . Một

phương trình sóng cho đại lượng vec tơ cường độ từ trường H cũng thu được theo

cách tương tự.Các phương trình sóng này cần được giải để thu được các mode trong

sợi quang.

b. Các mode sợi quang

Một mode quang được xem là một nghiệm của phương trình sóng thỏa mãn

các điều kiện biên phù hợp và có thuộc tính dạng phân bố năng lượng trong không

gian không thay đổi khi lan truyền. Các mode sợi quang có thể được phân loại thành

các mode dẫn, các mode dò và các mode bức xạ. Các mode dò chỉ bị giam hãm một

phần trong lõi và dễ bị suy hao do bức xạ công suất khỏi lõi khi lan truyền, còn các

mode bức xạ không bị giam hãm trong lõi mà bị bức xạ ra ngoài vỏ. Do vậy các

mode dẫn là các mode được mong đợi để truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.

Để xác định các mode trong sợi quang, xét trường hợp sợi SI trong hệ tọa độ

trụ như cho trong hình 2-7. Vec tơ cường độ điện trường và từ trường trong hệ tọa

độ trụ là:

(2.27)

PTIT

26

Hình 2-7Hệ tọa độ trụ trong phân tích lý thuyết truyền sóng trong sợi SI

Phương trình sóng (2.25) trong hệ tọa độ trụ trở thành:

(2.28)

trong đó toán tử Laplace có dạng:

(2.29)

Phương trình tương tự cũng thu được đối với H. Vì chỉ có hai thành Ez và Hz là độc

lập, các thành phần khác Er, Ef, Hr và Hf có thể thu được từ các thành phần này. Do

vậy, phương trình sóng cho thành phần z thu được từ (2.28):

(2.30)

với chiết suất có dạng:

£

ar ;

a r ; )(

2

1

n

nrn (2.31)

Phương trình (2.30) dễ dàng giải được bằng cách sử dụng phương pháp tách biến và

viết Ez thành:

(2.32)

Thay (2.32) vào (2.30) ta sẽ thu được ba phương trình vi phân thường:

(2.33)

(2.34)

PTIT

27

(2.35)

Phương trình (2.33) có nghiệm � = ���(��), trong đó gọi là hằng số lan

truyền. Tương tự, ptr. (2.34) có nghiệm F = ���(��f) với m là các số nguyên vì

trường biến đổi tuần hoàn theo f với chu kỳ 2.

Phương trình (2.35) là phương trình vi phân thỏa mãn bởi các hàm Bessel.

Nghiệm tổng quát trong các vùng lõi và vỏ sợi có thể được viết thành:

(2.36)

trong đó A, A’, C và C’ là các hằng số và Jm, Ym, Km và Im là các loại hàm Bessel

khác nhau. Các tham số p và q được định nghĩa như sau:

(2.37)

(2.38)

Áp dụng điều kiện biên đối với trường quang của một mode dẫn trong đó trường sẽ

hữu hạn tại r = 0 và suy giảm về không tại r = . Vì Ym(pr) có điểm kì dị tại r = 0,

nên F(0) có thể duy trì hữu hạn chỉ nếu A’ = 0. Tương tự, F(r) triệt tiêu tại vô cùng

chỉ nếu C’ = 0. Do vậy, nghiệm tổng quát của ptr. (2.30) có dạng:

£

ar z))exp(i(qr)exp(imCK

ar z))exp(i(pr)exp(imAJ

m

m

β

β

f

fzE (2.39)

Tương tự, thành phần Hz có thể thu được với các hằng số B và D có dạng:

£

ar z))exp(i(qr)exp(imDK

ar z))exp(i(pr)exp(imBJ

m

m

β

β

f

fzH (2.40)

Bốn thành phần khác Er, Ef, Hr và Hf có thể thu được từ Ez và Hz bằng cách sử

dụng các phương trình Maxwell. Đối với vùng lõi sợi ta có:

(2.41)

(2.42)

PTIT

28

(2.43)

(2.44)

Các phương trình này có thể được sử dụng trong lớp vỏ sợi sau khi thay p2 bằng –

q2.

Các phương trình (2.39)-(2.44) biểu thị trường điện từ trong vùng lõi và vỏ

sợi quang theo bốn hằng số A, B, C và D. Các hằng số này được xác định bằng cách

áp dụng điều kiện biên mà các thành phần trường phải liên tục qua tiếp giáp giữa lõi

và vỏ. Từ điều kiện liên tục của Ez, Hz, Ef và Hf tại r = a ta thu được bốn phương

trình đồng nhất thỏa mãn bởi A, B, C,và D. Một nghiệm của các phương trình này

chỉ tồn tại chỉ khi định thức của ma trận hệ số bằng 0. Sau một số bước biến đổi đại

số ta thu được phương trình trị riêng:

(2.45)

Đối với một tập tham số k0, a, n1 và n2 xác định, ptr. (2.45) có thể được giải để xác

định hằng số lan truyền . Do đặc tính biến đổi tuần hoàn của hàm Bessel loại J nên

nó có thể có n nghiệm đối với mỗi giá trị m. Các nghiệm này được ký hiệu mn cho

một giá trị m xác định (n = 1, 2, …). Mỗi giá trị mn tương ứng với một mode lan

truyền có thể của trường quang mà dạng phân bố không gian thu được từ các ptr.

(2.39)-(2.44). Vì phân bố trường không thay đổi khi lan truyền ngoại trừ một hệ số

pha và thỏa mãn tất cả các điều kiện biên nên đó chính là một mode của sợi quang.

Nhìn chung cả hai Ez và Hz đều khác không (ngoại trừ m = 0), khác với các ống dẫn

sóng phẳng. Do đó các mode sợi quang thường là các mode lai ghép và ký hiệu

HEmn hoặc EHmn phụ thuộc vào Hz hay Ez chiếm ưu thế. Trong trường hợp đặc biệt

m = 0, các mode thường được ký hiệu TE0n và TM0n vì tương ứng với các mode

truyền điện ngang (Ez = 0) và từ ngang (Hz = 0) tương ứng. Khi m 0 phương trình

(2.45) cần sử dụng phương pháp số hoặc gần đúng dẫn sóng yếu (n1 – n2<< 1) để

tìm nghiệm.

Một mode được xác định bởi một hằng số lan truyền duy nhất của nó, do vậy

sẽ tiện dụng khi đưa ra một đại lượng �� = ��⁄ gọi là chỉ số mode hoặc chiết suất

hiệu dụng đặc trưng cho sự lan truyền của mỗi mode và có giá trị trong dải �1 >

PTIT

29

� � > �2. Một mode dừng được dẫn hay không còn liên kết với lõi sợi khi

��£ �2.Điều này dễ hiểu khi lưu ý trường quang của các mode dẫn suy giảm hàm mũ

trong lớp vỏ vì:

(2.46)

Khi ��£�� từ (2.38) ta có ��£ 0 và suy giảm hàm mũ không xảy ra. Mode đạt đến

trạng thái cắt khi q 0 hoặc khi �� = ��. Một tham số quan trọng liên quan đến

điều kiện cắt là tần số chuẩn hóa hay cũng gọi là tham số V:

2

2

22

21

2

2222 2)(

2)( NA

ann

aaqpV

l

l

(2.47)

đây là một số đặc trưng cho sợi quang, không đơn vị và xác định số lượng mode mà

một sợi có thể hỗ trợ. Số lượng mode có thể tồn tại trong sợi quang như là một hàm

của V có thể được biểu diễn thuận tiện theo hằng số lan truyền chuẩn hóa b như sau:

(2.48)

Hình 2-8 cho thấy đồ thị của b như một hàm của V đối với một số mode bậc thấp.

Mỗi mode dẫn chỉ có thể tồn tại khi V lớn hơn một giá trị xác định được gọi là V

cắt (Vc) của mode. Vì giá trị V là hàm của bước sóng l nên tương ứng với Vc sẽ có

bước sóng cắt (lc) tương ứng trong một sợi quang xác định.

Hình 2-8Đồ thị hằng số lan truyền chuẩn hóa b phụ thuộc vào tham số V của một số mode sợi quang bậc thấp.

Một sợi có giá trị V lớn sẽ hỗ trợ nhiều mode như trong sợi đa mode. Đối với

sợi MM-SI, số lượng mode truyền được xác định:

PTIT

30

(2.49)

Còn đối với sợi MM-GI với hệ số mặt cắt chiết suất a, số lượng mode truyền được

tính gần đúng:

(2.50)

Sợi MM-GI thường sử dụng mặt cắt chiết suất parabol (a = 2), trong trường hợp

này số lượng mode M = V2/4 hay bằng một nửa so với sợi MM-SI có cùng V.

c. Mode phân cực tuyến tính

Trong trường hợp gần đúng sợi quang dẫn sóng yếu tức là khi độ lệch chiết

suất giữa lõi và vỏ là rất nhỏ (D<< 1), các mẫu phân bố trường và hằng số lan truyền

của các cặp mode HEm+1n và EHm-1n là tương tự nhau. Đặc điểm này cũng đúng cho

ba loại mode TE0n, TM0n và HE2n. Khi D<< 1 ta có k12» k2

2»2 và ptr. (2.45) được

viết lại thành

0)(

)(

)(

)( 11

qaK

qaqK

paJ

papJ

j

j

j

j (2.51)

trong đó

HE mode các cho 1

EH mode các cho 1

TM vàTE mode các cho 1

m

mj (2.52)

Các ptr. (2.51) và (2.52) cho thấy rằng trong gần đúng dẫn sóng yếu tất cả các mode

được đặc trưng bởi một tập j và n chung, thỏa mãn cùng phương trình đặc trưng.

Điều này muốn nói rằng các mode bị suy biến. Như vậy một mode HEm+1n suy biến

với một mode EHm-1n và bất kỳ tổ hợp nào giữa mode HEm+1n với mode EHm-1n sẽ

tạo thành một mode dẫn trong sợi quang.

Các mode suy biến như vậy được gọi là các mode phân cực tuyến tính (LP)

và ký hiệu là LPjn. Hằng số lan truyền chuẩn hóa b là hàm của V đối với một số

mode LPjn cho trong hình 2-9 và có dạng như sau:

- Mỗi mode LP0n thu được từ một mode HE1n

- Mỗi mode LP1n thu được từ các mode TE0n, TM0n và HE2n

- Mỗi mode LPmn (m 2) thu được từ một mode HEm+1n và một mode

EHm-1n

PTIT

31

Bảng 2-1cho thấy mười mode LP bậc thấp nhất và các mode suy biến tương ứng.

Hình 2-9 Đồ thị b là hàm của tham số V của một số mode phân cực tuyến tính LP bậc thấp

Bảng 2-1 Bảng thành phần của các mode phân cực tuyến tính bậc thấp nhất

Một điểm nổi bật của ký hiệu mode LP là khả năng hiển thị mode dễ dàng.

Vec tơ cường độ điện trường E có thể được chọn nằm dọc theo một trục bất kì, với

vec tơ từ trường H vuông góc với nó. Từ một kí hiệu mode LPjn thì bốn mẫu phân

bố mode rời rạc có thể thu được. Hình 2-10cho thấy một ví dụ về bốn chiều điện và

từ trường có thể và phân bố cường độ trường tương ứng đối với mode LP11. Một số

dạng mặt cắt phân bố cường độ của một số mode LP bậc thấp được cho trong hình

2-11 và hình 2-12 cho thấy dạng phân bố cường độ trường 3D của hai mode LP bậc

thấp nhất.

PTIT

32

Hình 2-10 Bốn khả năng định hướng điện trường và từ trường ngang và các phân bố cường độ trường tương ứng đối với mode LP11.

Đối với một mode xác định, trường điện từ không suy giảm về không tại tiếp

giáp lõi và vỏ sợi mà thay đổi từ dạng dao động trong lõi sợi sang dạng suy giảm

hàm mũ trong vỏ sợi. Như vậy, năng lượng điện từ của một mode dẫn được mang

một phần trong lõi và một phần ngoài vỏ sợi. Một mode càng cách xa khỏi trạng

thái cắt của nó thì năng lượng của mode đó càng tập trung nhiều trong lõi. Khi tiến

đến gần trạng thái cắt, năng lượng trường mode càng đi nhiều sang lớp vỏ. Dựa vào

gần đúng mode dẫn sóng yếu, tỉ lệ tương đối công suất lõi và công suất vỏ sợi đối

với một mode j cụ thể được xác định bởi:

)()(

)(1

2

21

11

2

paJpaJ

paJ

V

p

P

P

jj

jcore (2.53)

và P

P

P

P coreclad 1 (2.54)

ở đây P là công suất tổng của mode j. Quan hệ giữa tỉ phần công suất Pcore/P và

Pclad/P đối với các mode LPjn khác nhau được cho trong hình 2-13. Nếu giả sử mỗi

mode được kích thích một lượng công suất như nhau, thì tổng công suất lớp vỏ

trung bình gần đúng bởi:

2/1

3

4

M

P

P

total

clad (2.55)

trong đó M là tổng số mode vào trong sợi. Từ hình 2-13 và ptr. (2.55) có thể thấy

rằng, vì M tỉ lệ với V2 nên tỉ phần công suất trong vỏ giảm dần khi V tăng.

PTIT

33

Hình 2-11 Dạng mặt cắt phân bố cường độ trường của một số mode LPlm trong sợi quang SI

Hình 2-12 Hình ảnh 3 chiều phân bố cường độ trường của 2 mode bậc thấp nhất LP01 và LP11

Hình 2-13 Tỉ phần công suất trong lớp vỏ của sợi quang SI như là một hàm của V.

PTIT

34

d. Sợi đơn mode

Các sợi đơn mode chỉ hỗ trợ mode HE11 hay còn gọi là mode cơ bản của sợi

quang. Sợi quang đơn mode được thiết kế để tất cả các mode bậc cao hơn khác đều

bị cắt tại bước sóng hoạt động. Tham số V xác định số lượng mode được hỗ trợ

trong một sợi quang. Mode cơ bản không bị cắt và luôn được hỗ trợ bởi sợi quang.

Điều kiện đơn mode được xác định bởi giá trị V tại đó các mode TE01 và TM01 đạt

đến trạng thái cắt (xem hình 2-8). Điều kiện cắt của hai mode này được xác định

đơn giản bởi J0(V) = 0. Giá trị nhỏ nhất của Vc để J0(Vc) = 0 là 2,405. Do vậy điều

kiện đơn mode của sợi quang sẽ là:

(2.56)

Chỉ số mode �� tại bước sóng hoạt động có thể thu được từ ptr. (2.48) theo đó

ta có:

(2.57)

và bằng sử dụng hình 2-8 để xác định b như là hàm của V đối với mode HE11. Một

biểu thức giải tích gần đúng của b cho mode cơ bản có được:

(2.58)

có độ chính xác trong khoảng 0,2% đối với V trong dải 1,5 – 2,5.

Phân bố trường của mode cơ bản thu được bằng việc sử dụng các ptr. (2.39)-

(2.44). Các thành phần trục Ez và Hz là rất nhỏ khi D<<1, do vậy mode HE11 gần

đúng bị phân cực tuyến tính đối với các sợi quang dẫn yếu và kí hiệu là LP01. Đối

với một mode phân cực tuyến tính, một trong các thành phần ngang có thể lấy bằng

không. Nếu ta đặt Ey = 0, thì thành phần điện trường Ex đối với mode HE11 được xác

định bởi:

(2.59)

trong đó E0 là một hằng số liên hệ với công suất được mang bởi mode. Thành phần

trội hơn của từ trường tương ứng được xác định bởi . Mode này

bị phân cực tuyến tính dọc theo trục x. Sợi cũng hỗ trợ một mode khác phân cực

tuyến tính dọc theo trục y. Như vậy một sợi đơn mode thực sự hỗ trợ hai mode phân

cực trực giao nhau, chúng bị suy biến và có cùng chỉ số mode.

PTIT

35

Hình 2-14 Phân bố trường quang của mode cơ bản trong sợi đơn mode

Phân bố trường trong (2.59) thường được tính gần đúng theo phân bố Gauss:

(2.60)

trong đó w là bán kính trường mode được xác định bằng cách fit phân bố chính xác

theo hàm Gauss. Hình 2-14mô tả sự phân bố trường và khái niệm đường kính

trường mode (2w). Sự phụ thuộc w/a vào tham số V được cho thấy trong hình 2-15.

Bán kính trường mode cũng có thể được xác định từ gần đúng giải tích có độ chính

xác khoảng 1% đối với 1,2 < V < 2,4 như sau:

(2.61)

Diện tích hiệu dụng được định nghĩa như là một tham số quan trọng của

sợi quang ví nó xác định ánh sáng bị giam hãm trong lõi chặt mức độ nào và liên

quan đến hiệu ứng phi tuyến trong sợi.

Hình 2-15Bán kính trường mode chuẩn hóa w/a như là một hàm của tham số V thu được bằng fit mode cơ bản với hàm phân bố Gauss.

Tỉ phần công suất chứa trong lõi sợi có thể được xác định bởi hệ số giam

hãm:

PTIT

36

(2.62)

Các phương trình (2.61) và (2.62) có thể xác định tỉ phần công suất của mode bên

trong lõi cho một giá trị V xác định. Mặc dù gần 75% công suất bên trong lõi đối

với V = 2, nó sẽ giảm chỉ còn 20% đối với V = 1. Do vậy các sợi quang đơn mode

trong viễn thông thường được thiết kế để hoạt động trong phạm vi 2 < V < 2,4.

2.3Suy hao trong sợi quang

Suy hao là một trong những đặc tính quan trọng của sợi quang ảnh hưởng

đến thiết kế hệ thống thông tin quang vì nó xác định khoảng cách truyền dẫn tối đa

giữa bộ phát quang và bộ thu quang hoặc bộ khuyeechs đại quang trên đường

truyền.

2.3.1Hệ số suy hao sợi quang

Khi ánh sáng lan truyền trong sợi quang, công suất sẽ giảm dần dạng hàm

mũ theo khoảng cách. Nếu P(0) là công suất quang đi vào trong sợi (tại z = 0) thì

công suất P(z) tại khoảng cách z sẽ giảm xuống bởi:

(2.63)

trong đó:

(2.64)

là hệ số suy hao của sợi quang có đơn vị là m-1 hoặc km-1. (Chú ý đơn vị cho 2zap

cũng có thể được gọi là neper).

Để đơn giản trong tính toán suy hao tín hiệu trong sợi quang, hệ số suy hao

thường sử dụng đơn vị dB/km và được xác định bởi:

(2.65)

Tham số này được xem như là tham số đặc trưng cho suy hao sợi quang và phụ

thuộc vào bước sóng. Khi công suất quang sử dụng đơn vị dBm thì hệ số suy hao có

thể được xác định bởi:

PTIT

37

(2.66)

2.3.2Nguyên nhân gây suy hao

Có nhiều nguyên nhân gây suy hao tín hiệu trong sợi quang, trong đó bao

gồm các nguyên nhân chính như suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ và suy hao

do uốn cong.

a. Quá trình hấp thụ

Quá trình hấp thụ trong sợi quang được phân thành hai loại chính. Suy hao

do hấp thụ thuần tương ứng với sự hấp thụ của thủy tinh tinh khiết (vật liệu chế tạo

sợi), còn suy hao do hấp thụ ngoài gây ra do các tạp chất bên trong thủy tinh.

Hình 2-16 Phổ suy hao của sợi quang và sự phụ thuộc bước sóng của một số cơ chế suy hao cơ bản.

Bất kỳ vật liệu nào đều hấp thụ tại các bước sóng xác định tương ứng với các

tần số cộng hưởng điện tử và dao động liên quan đến các phân tử xác định. Đối với

các phân tử thủy tinh SiO2, các tần số cộng hưởng điện tử xảy ra ở vùng cực tím

(l< 0,4 µm), trong khi các tần số cộng hưởng dao động xảy ra ở vùng hồng ngoại

(l> 7 µm). Vì bản chất vô định hình của thủy tinh, các tần số cộng hưởng này ở

PTIT

38

dạng các dải hấp thụ có các đuôi mở rộng vào cả vùng nhìn thấy. Hình 2-16 cho

thấy hấp thụ vật liệu thuần đối với thủy tinh trong phạm vi bước sóng 0,8 – 1,6 µm

là nhỏ hơn 0,1 dB/km. Thực tế nó nhỏ hơn 0,03 dB/km trong cửa sổ 1,3 – 1,6 µm

mà hay sử dụng trong các hệ thống thông tin quang sợi.

Hấp thụ ngoài sinh ra do sự có mặt các tạp chất trong nền thủy tinh. Các tạp

kim loại chuyển tiếp như Fe, Cu, Co, Ni, Mn và Cr hấp thụ mạnh trong dải bước

sóng 0,6 – 1,6 µm. Lượng tạp chất cần được giảm tới mức nhỏ hơn 1 phần tỉ (ppb)

để có được mức suy hao nhỏ hơn 1 dB/km. Thủy tinh có độ tinh khiết cao như vậy

có thể thực hiện được bởi các kỹ thuật chế tạo hiện đại. Nguồn hấp thụ ngoài chính

trong các sợi thủy tinh hiện nay là sự có mặt của hơi nước. Một tần số cộng hưởng

của ion OH xảy ra gần 2,73 µm, nhưng các tần số hài và các tổ hợp của nó với thủy

tinh tạo ra sự hấp thụ tại các bước sóng 1,39-, 1,24- và 0,95-µm. Ba đỉnh phổ được

thấy trong hình 2-16 xảy ra ở gần các bước sóng này và là vì sự có mặt của hơi

nước dư trong thủy tinh. Thậm chí một nồng độ cỡ 1 phần triệu (ppm) có thể gây ra

một suy hao khoảng 50 dB/km tại 1,39 µm. Các sợi quang hiện đại đều giảm nồng

độ OH dư xuống dưới 1 ppb để hạ thấp đỉnh 1,39 µm xuống dưới 1 dB. Trong một

loại sợi quang mới được gọi là sợi khô, nồng độ OH được giảm xuống tới mức rất

thấp đến mức đỉnh 1,39 µm gần như triệt tiêu như cho thấy trong hình 2-17.

Hình 2-17 Phổ suy hao và đặc tính tán sắc của sợi khô.

b. Quá trình tán xạ

Tán xạ Rayleigh là một cơ chế suy hao cơ bản sinh ra từ sự thăng giáng về

mật độ mức vi mô. Do thủy tinh chế tạo sợi ở dạng vô định hình nên các phân tử

SiO2 kết nối với nhau theo dạng ngẫu nhiên, kết quả dẫn đến có sự thăng giáng về

PTIT

39

mật độ. Thêm nữa còn có sự thăng giáng về thành phần trong thủy tinh do có sự pha

tạp để thay đổi chiết suất thủy tinh. Những thăng giáng này đều dẫn đến sự biến đổi

ngẫu nhiên về chiết suất ở cỡ nhỏ hơn bước sóng. Các biến đổi chiết suất này gây ra

tán xạ ánh sáng gọi là tán xạ Rayleigh. Như mô tả trong hình 2-18 khi bị tán xạ một

phần năng lượng ánh sáng bị thay đổi hướng lan truyền thậm chí là ngược với

hướng truyền ban đầu nên gây suy hao. Mức suy hao do tán xạ Rayleigh của các sợi

thủy tinh phụ thuộc vào bước sóng có thể mô tả như sau

(2.67)

trong đó hằng số C nằm trong dải 0,7 – 0,9 (dB/km)-µm4 phụ thuộc vào thành phần

của lõi sợi. Các giá trị C này tương ứng với a� = 0,12 − 0,16 dB/km tại l = 1,55

µm chỉ ra rằng suy hao sợi quang trong hình 2-16 chiếm chủ yếu bởi tán xạ

Rayleigh ở gần bước sóng này.

Hình 2-18Mô tả quá trình tán xạ Rayleigh trong sợi quang

Do phụ thuộc vào l�� nên đóng góp tán xạ Rayleigh có thể giảm xuống thấp

hơn 0,01 dB/km cho các bước sóng dài hơn 3 µm. Tuy nhiên các sợi thủy tinh

không thể sử dụng trong vùng bước sóng này vì hấp thụ hồng ngoại bắt đầu chiếm

ưu thế trong suy hao sợi sau 1,6 µm. Có những nỗ lực đáng kể trong việc tìm kiếm

các vật liệu phù hợp khác có mức hấp thụ nhỏ sau 2 µm. Các sợi fluorozirconate

(ZrF4) có hấp thụ vật liệu thuần cỡ khoảng 0,01 dB/km gần 2,55 µm nhưng vẫn có

mức suy hao thực tế khoảng 1 dB/km do hấp thụ ngoài.

Ngoài tán xạ Rayleigh, trong sợi quang còn có thể có tán xạ Mie do những

khuyết tật về cấu trúc dẫn đến sự không đồng đều về chiết suất ở cỡ dài hơn bước

sóng. Tuy nhiên mức đóng góp do tán xạ Mie nhỏ không đáng kể khi quá trình chế

tạo sợi được giám sát và điều khiển chặt chẽ. Các biến đổi có thể giữ ở mức nhỏ

hơn 1% và suy hao do tán xạ chỉ mức nhỏ hơn 0,03 dB/km.

PTIT

40

c. Do uốn cong

Suy hao bức xạ xảy ra khi sợi quang bị uốn cong. Có hai kiểu suy hao do uốn

cong trong sợi quang: (a) Do uốn cong vĩ mô hay uốn cong lớn có bán kính uốn

cong lớn so với đường kính sợi, và (b) do các uốn cong vi mô hay vi uốn cong

thường liên quan đến quá trình chế tạo cáp.

Hình 2-19 Mô tả suy hao uốn cong theo lý thuyết tia. Tại chỗ uốn cong các tia thay đổi góc lan truyền lớn hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra ngoài vỏ.

Suy hao do uốn cong lớn xảy ra trong quá trình sử dụng cáp sợi quang. Theo

quan điểm lý thuyết tia, suy hao uốn cong có thể dễ hiểu khi các tia sáng thay đổi

góc lan truyền tại vị trí uốn cong như mô tả trong hình 2-19. Một số tia có góc thay

đổi lớn hơn góc tới hạn cho phản xạ toàn phần sẽ bị khúc xạ ra ngoài vỏ. Theo quan

điểm trường mode, suy hao uốn cong có thể được giải thích như mô tả trong hình 2-

20. Mỗi mode dẫn trong sợi đều có đuôi trường quang giảm dần theo hàm mũ trong

lớp vỏ chuyển động cùng với trường quang trong lõi. Khi sợi bị uốn cong, đuôi

trường ở phía xa tâm bán kính cong sẽ phải dịch chuyển nhanh hơn để theo kịp

trường quang trong lõi sợi. Tại một khoảng cách tới hạn xác định xc từ tâm sợi, đuôi

trường sẽ phải dịch chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng để theo kịp phần trong lõi

sợi. Do điều này là không thể nên phần năng lượng quang trong đuôi trường lớn

hơn xc sẽ bức xạ ra ngoài sợi.

PTIT

Hình 2-20 Mô tả trư

Lượng công suất bức x

tại xc và vào bán kính uốn cong R. Vì các mode b

với các mode bậc thấp nên các mode b

Như vậy tổng số mode có th

thẳng và được xác định qua s

1NNeff

a

ở đây � = 2 l⁄ và N là tổ

Mức suy hao uốn cong sẽ tỉ

cong tới hạn. Đối với sợi đa mode, bán kính cong t

32

4

3

NA

nRc

l

Đối với sợi đơn mode, bán kính cong t

được xác định

3,2

20

c

NAR

l

ở đây lc là bước sóng cắt c

hình Rc = 0,2 – 0,4 µm và suy hao u

kính cong R> 5 mm.

trường mode cơ bản tại chỗ sợi quang bị uốn cong.

c xạ khỏi sợi bị uốn cong phụ thuộc vào cường đ

n cong R. Vì các mode bậc cao liên kết với lõi kém h

nên các mode bậc cao sẽ bức xạ khỏi sợi uốn cong trư

mode có thể được hỗ trợ bởi sợi uốn cong sẽ nhỏ hơn trong s

nh qua số lượng mode hiệu dụng Neff sau

D

3/2

22

32

2

2

kRnR

a

a

a (2.68)

ổng số mode của sợi thẳng được xác định bở

ỉ lệ theo hàm mũ exp(-R/Rc), trong đó Rc gọ

i đa mode, bán kính cong tới hạn được xác định:

(2.69)

, bán kính cong tới hạn phụ thuộc mạnh vào bư

3

996,0748,

cl

l (2.70)

t của sợi đơn mode.Đối với các sợi đơn mode, giá tr

và suy hao uốn cong có thể bỏ qua (< 0,01 dB/km) khi bán

41

n cong.

ng độ trường

i lõi kém hơn so

n cong trước.

hơn trong sợi

ởi ptr. (2.50).

ọi là bán kính

nh:

nh vào bước sóng và

i đơn mode, giá trị điển

qua (< 0,01 dB/km) khi bán

PTIT

Một nguồn suy hao khác sinh ra t

cong ngẫu nhiên trong sợi quang. Các vi u

kính cong của trục sợi như mô t

sự không đồng đều trong quá trình s

trong quá trình bện cáp sợi quang. S

cong vi chỗ uốn cong gây ra s

mode dò hay không dẫn trong s

sợi quang được bọc đệm cẩ

sản xuất sợi và bện cáp cũng đ

sợi đơn mode suy hao vi uố

sát với giá trị cắt 2,405 để

Trong thực tế sợi quang đơn mode đư

sóng hoạt động.

Hình 2-21 Mô tả suy hao do vi ucao và gây ra các mode b

d. Phổ suy hao sợi quang

Phổ suy hao sợi quang cho bi

bước sóng và là sự tổ hợp c

như cho thấy trong hình 2-

quang thủy tinh và các cửa s

vùng 850 nm được sử dụng cho các s

2 – 3 dB/km. Cửa sổ thứ hai n

mức suy hao trung bình kho

n suy hao khác sinh ra từ sự ghép cặp mode gây ra bở

i quang. Các vi uốn cong là những biến đổi cỡ

mô tả trong hình 2-21. Những vi uốn cong này sinh ra do

u trong quá trình sản xuất sợi hoặc do lực tác động không đ

i quang. Sự tăng mạnh hệ số suy hao sợi quang t

n cong gây ra sự ghép cặp năng lượng giữa các mode d

n trong sợi. Do vậy để giảm thiểu suy hao do vi u

ẩn thận một lớp polymer bên ngoài. Thêm n

ũng được giám sát chặt chẽ để giảm suy hao này. Đ

ốn cong cũng được giảm thiểu bằng cách chọ

ể năng lượng mode bị giam hãm chủ yếu trong lõi s

i quang đơn mode được thiết kế để có V trong dải 2,0 –

suy hao do vi uốn cong. Các vi uốn cong có thể làm bức xạ các mode bcao và gây ra các mode bậc thấp ghép cặp với mode bậc cao hơn.

i quang

i quang cho biết sự phụ thuộc hệ số suy hao sợ

p của các yếu tố suy hao do hấp thụ và suy hao do tán x

-16. Hình 2-22 cho thấy phổ suy hao điển hình c

a sổ truyền dẫn trong thông tin sợi quang. Cử

ng cho các sợi đa mode có mức suy hao trung bình kho

hai nằm ở vùng 1300 nm sử dụng cho các sợi đơn mode có

c suy hao trung bình khoảng 0,5 dB/km. Cửa sổ thứ 3 ở vùng 1550 nm c

42

ởi các vi uốn

ỡ nhỏ về bán

n cong này sinh ra do

ng không đều

i quang từ vi uốn

a các mode dẫn và các

u suy hao do vi uốn cong các

p polymer bên ngoài. Thêm nữa quá trình

suy hao này. Đối với

ọn tham số V

u trong lõi sợi.

– 2,4 tại bước

các mode bậc c cao hơn.

ợi quang vào

và suy hao do tán xạ

n hình của sợi

ửa sổ đầu tiên

c suy hao trung bình khoảng

i đơn mode có

vùng 1550 nm cũng

PTIT

được sử dụng cho sợi đơn mode là vùng có m

dB/km. Đối với các sợi quang m

khoảng 1400 nm thì cửa sổ

sổ thứ 3 và được phân chia thành các b

Hình 2-22Phổ suy hao điển hình và các cĐường đứt nét là phổ

Hình 2-23 Sự ảnh hư

n mode là vùng có mức suy hao thấp nhất ch

i quang mới gọi là sợi khô có sự triệt tiêu đỉnh h

ổ truyền dẫn sẽ được mở rộng từ cửa sổ thứ

c phân chia thành các băng tần như cho trong hình 1-6.

n hình và các cửa sổ truyền dẫn của một sợi quang thổ suy hao của sợi khô có tên thương mại là AllWave.

nh hưởng của dãn rộng xung quang do tán sắc gây

43

t chỉ khoảng 0,2

nh hấp thụ OH ở

hai sang cửa

i quang thủy tinh. i là AllWave.

c gây ra.

PTIT

44

2.4Tán sắc trong sợi quang

2.4.1Khái niệm và phân loại tán sắc

Tán sắc là hiện tượng méo dạng tín hiệu quang khi lan truyền trong sợi

quang. Khi một xung quang lan truyền trong sợi, xung quang sẽ bị dãn rộng trong

quá trình lan truyền. Sự mở rộngxung gây ra bởi tán sắc do sự khác nhau về vận tốc

lan truyền của các thành phần trong xung quang. Sự khác biệt về vận tốc lan truyền

làm cho các thành phần trong xung quang có độ trễ khác nhau tại đầu cuối sợi

quang nên xung quang đầu ra tổ hợp từ các thành phần này sẽ bị dãn rộng ra.

Trong hệ thống truyền dẫn tín hiệu tương tự, tán sắc làm cho tín hiệu quang

tại đầu thu bị méo dạng so với tín hiệu ban đầu. Còn đối với truyền dẫn số, tín hiệu

quang được điều biến dưới dạng xung quang thì sự dãn rộng xung do tán sắc gây ra

sự giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) như mô tả trong hình 2-23, điều này có thể dẫn

đến lỗi tại bộ thu. Tại hệ thống hoạt động ở tốc độ càng cao thì sự ảnh hưởng của

tán sắc càng nghiêm trọng.

Hình 2-24 Các loại tán sắc cơ bản xảy ra trong sợi quang.

Tùy thuộc vào loại thành phần của xung quang mà có thể phân thành các loại

tán sắc khác nhau xảy ra trong sợi quang như cho trong hình 2-24. Nếu thành phần

là mode truyền dẫn ta có tán sắc mode, còn khi thành phần của xung là các thành

phần tần số hay bước sóng quang trong phổ xung quang ta có tán sắc sắc thể hay tán

sắc mầu. Đối với loại tán sắc này có hai thành phần đóng góp là tán sắc vật liệu và

PTIT

45

tán sắc ống dẫn sóng. Còn nếu thành phần là các thành phần mode phân cực thì ta

có tán sắc mode phân cực.

Đối với sợi đa mode có thể có đầy đủ tất cả các loại tán sắc cơ bản đề cập ở

trên. Một tín hiệu quang điều biến sẽ kích thích tất cả các mode truyền dẫn tại đầu

vào sợi quang. Mỗi mode sẽ mang một phần năng lượng của tín hiệu truyền qua sợi.

Thêm nữa, mỗi mode chứa tất cả các thành phần phổ trong băng tần phát xạ của

nguồn quang.

2.4.2Tán sắc mode

Trong sợi đa mode, tín hiệu quang lan truyền trong sợi dưới các mode khác

nhau. Theo quan điểm của lý thuyết quang hình, quãng đường đi của các mode hay

các tia sáng là khác nhau nên các mode tới đầu cuối sợi quang tại các thời điểm

khác nhau gây ra tán sắc mode.

Hình 2-25 Mô tả tán sắc mode trong sợi MM-SI và MM-GI.

Đối với sợi MM-SI, tán sắc mode có thể được mô tả như trong hình … Do

các tia có quãng đường đi khác nhau nhưng lan truyền ở cùng tốc độ vì chiết suất lõi

trong sợi SI không đổi nên các tia bị phân tán về thời gian tại đầu ra sợi quang gây

ra dãn xung. Mức độ dãn xung có thể được ước tính qua độ trễ thời gian giữa tia đi

nhanh nhất và tia đi chậm nhất tương ứng với tia có quãng đường đi ngắn nhất

(mode bậc thấp nhất) và tia có quãng đường đi dài nhất (mode bậc cao nhất). Tia

ngắn nhất là tia đi vào sợi tại qi = 0 và có quãng đường đi bằng với chiều dài sợi L,

còn tia dài nhất là tia đi vào sợi tại góc tiếp nhận cực đại qmax và có quãng đường

PTIT

46

L/sinfc. Sử dụng vận tốc lan truyền của các tia v = c/n1, độ trễ thời gian được xác

định:

(2.71)

Hệ số tán sắc mode của sợi có thể được xác định bởi độ trễ thời gian hay mức độ

dãn xung trên một đơn vị chiều dài sợi có đơn vị là ns/km hoặc ps/km:

����� =D�

� (2.72)

Tham số này sẽ ảnh hưởng đến dung lượng truyền dẫn của sợi thể hiện qua tốc độ

truyền dẫn. Về mặt nguyên tắc đơn giản, độ dãn xung DT do tán sắc mode gây ra

nên nhỏ hơn khe thời gian của một bit hay ký hiệu hay BDT<1. Bằng việc sử dụng

(2.71) ta có:

(2.73)

Điều kiện này cho thấy một ước tính đơn giản về một giới hạn cơ bản của sợi MM-

SI.

Đối với sợi MM-GI, các tia lan truyền với quãng đường đi khác nhau nhưng

ở tốc độ khác nhau do chiết suất trong lõi biến đổi. Những tia có quãng đường đi

ngắn thường sát với trục sợi nơi có chiết suất cao nên tốc độ lan truyền chậm hơn,và

ngược lại các tia có quãng đường đi dài hơn thường đi sát về phía biên giữa lõi và

vỏ nơi có chiết suất nhỏ hơn nên có tốc độ lan truyền nhanh hơn. Như vậy trong sợi

MM-GI, có sự bù trừ giữa quãng đường và tốc độ lan truyền giữa các mode dẫn nên

độ trễ thời gian giữa các mode nhỏ hơn nhiều so với sợi MM-SI.Tuy nhiên mức độ

dãn xung hay tán sắc mode của sợi MM-GI trong thực tế sẽ phụ thuộc vào dạng mặt

cắt chiết suất và biến đổi đáng kể theo a. Dựa vàophương phápgần đúng quang

hình, độ trễ tán sắc mode có thể được ước tính như sau:

D

D

»D

opt

21

opt1

khi 8

khi 2

aa

aaa

aa

c

Ln

c

Ln

T

opt

(2.74)

Ở đây aopt = 2(1 - D) là hệ số mặt cắt tối ưu tại đó tán sắc là nhỏ nhất, vì D nhỏ nên

aopt» 2 hay sợi có mặt cắt chiết suất dạng parabol được lựa chọn để tối ưu tán sắc

mode trong sợi GI. Hình 2-26 cho thấy sự phụ thuộc hệ số tán sắc mode vào hệ số

PTIT

47

mặt cắt a trong trường hợp n1 = 1,5 và D = 0,01. Trong trường hợp mặt cắt tối ưu,

một giới hạn đơn giản về tích tốc độ - khoảng cách có thể thu được:

(2.75)

Hình 2-26 Sự thay đổi hệ số tán sắc mode theo tham số mặt cắt chiết suất a của sợi chiết suất biến đổi.

2.4.3Tán sắc vận tốc nhóm

a. Tán sắc GVD

Trong sợi quang đơn mode không có tán sắc mode nhưng sự dãn xung vẫn

xảy ra do vận tốc nhóm của mode cơ bản phụ thuộc vào tần số hay bước sóng. Nói

cách khác các thành phần phổ khác nhau của xung quang lan truyền ở vận tốc nhóm

khác nhau gây ra tán sắc vận tốc nhóm (GVD) hay còn gọi là tán sắc sắc thể (tán sắc

mầu).

Vận tốc nhóm là vận tốc tại đó năng lượng trong một xung quang lan truyền

dọc sợi. Khái niệm vận tốc nhóm sẽ khác với vận tốc pha là vận tốc tại đó pha của

sóng quang lan truyền qua môi trường sợi quang và được xác định bởi:

0kdt

dzvp

(2.76)

ở đây dz, dt là sự thay đổi về khoảng cách và thời gian lan truyền tương ứng, là

tần số góc của sóng quang với hệ số sóng k0 = /c = 2/l. Do xung quang gồm

PTIT

48

nhiều thành phần phổ nên một thành phần phổ xác định tại tần số sẽ lan truyền tại

vận tốc nhóm vg như sau:

d

dvg (2.77)

trong đó là hằng số lan truyền dọc trục sợi. Như vậy thành phần phổ đó tới đầu

cuối sợi quang sau một thời gian trễ tính trên một đơn vị chiều dài là:

d

d

vg

1

(2.78)

Bằng việc sử dụng = ���� = ��/� vào ptr. (2.77), ta có thể chứng minh rằng

�� = �/��� trong đó ��� gọi là chiết suất nhóm được xác định bởi:

(2.79)

Sự phụ thuộc của vận tốc nhóm vào tần số sẽ dẫn đến sự dãn xung trong quá

trình lan truyền. Nếu D là độ rộng phổ của xung quang thì độ dãn xung trên một

đơn vị chiều dài được xác định:

DDD

D

D22

21

d

d

vd

d

d

d

L

T

g

(2.80)

Tham số �

= ��/�� được gọi là hệ số tán sắc vận tốc nhóm GVD xác định mức

độ dãn xung khi lan truyền trong sợi.

Trong hệ thống thông tin quang, độ rộng phổ tần thường được xác định bởi

dải bước sóng Dl phát xạ từ nguồn quang được điều biến. Bằng cách sử dụng

= 2�/l và D = �− 2�/l��Dl, thay D bằng Dl trong (2.80) ta có được:

lll

DD

DD

vd

d

L

T

g

1 (2.81)

trong đó

(2.82)

D được gọi là hệ số tán sắc và có đơn vị là ps/(nm.km), nó cho biết mức độ dãn

xung ánh sáng khi lan truyền tính trên một đơn vị độ rộng phổ và trên một đơn vị

chiều dài sợi. Một cách tương tự, giới hạn đơn giản về băng tần hay tốc độ truyền

dẫn có thể xác định:

PTIT

49

(2.83)

Tán sắc GVD trong sợi quang có hai thành phần đóng góp là tán sắc vật liệu và tán

sắc ống dẫn sóng.

b. Tán sắc vật liệu

Nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu là do chiết suất của thủy tinh, vật liệu sử

dụng để chế tạo sợi quang, thay đổi theo tần số quang . Về cơ bản, nguồn gốc tán

sắc vật liệu liên quan đến các tần số cộng hưởng đặc trưng mà tại đó vật liệu hấp thu

bức xạ điện từ. Xa các tần số cộng hưởng của môi trường, chiết suất n() được xác

định gần đúng bởi phương trình Sellmeier:

(2.84)

trong đó j là tần số cộng hưởng và Bj là cường độ dao động. Ptr. (2.84) có thể biểu

diễn theo bước sóng nếu sử dụng quan hệl� = 2�/�. Đối với sợi thủy tinh tinh

khiết M = 3 với các hệ số B1 = 0,6961663, B2 = 0,4079426, B3 = 0,8974794 và l1 =

0,0684043 µm, l2 = 0,1162414 µm,l3 = 9,896161 µm. Hình 2-27 cho thấy sự phụ

thuộc của n và ng vào bước sóng của sợi thủy tinh tinh khiết.

Để tính tán sắc vật liệu, ta sử dụng ptr. (2.78) tính độ trễ nhóm phụ thuộc vào

bước sóng

l

l

d

d

d

d

d

d (2.85)

Sử dụng quan hệ �l �⁄ = − l ⁄ ta có:

l

l

l

l

l

l

d

d

cd

d

d

d

2

2

(2.86)

Độ trễ của mỗi thành phần bước sóng trong tán sắc vật liệu liên quan đến chiết suất

vật liệu phụ thuộc vào bước sóng có thể thấy được khi sử dụng = 2�(l)/l vào

ptr. (2.86):

c

n

d

dnn

cnn

c

nn

cd

d

c

g

l

llll

l

l

l

l

l

)()(

1'

1

'22

22 2

22

(2.87)

Từ ptr. (2.87), mức độ dãn xung do tán sắc vật liệu gây ra hay hệ số tán sắc vật liệu

có thể được xác định:

PTIT

50

2

2

2

21

l

l

lll

ll

d

nd

cd

dn

d

nd

d

dn

cd

dDM

(2.88)

Hình 2-27 cũng cho thấy đường cong hệ số tán sắc vật liệu DM theo bước sóng. Một

biểu thức thực nghiệm xác định gần đúng hệ số tán sắc vật liệu trong dải bước sóng

1,25-1,66 µm có thể sử dụng:

(2.89)

trong đó lZD là bước sóng tại đó DM = 0 và phụ thuộc vào loại vật liệu cụ thể, có thể

biến đổi trong dải 1,27-1,29 µm. Đối với sợi thủy tinh tinh khiết lZD = 1,276 µm.

Hình 2-27 Đồ thị chiết suất, chiết suất nhóm và tán sắc vật liệu của một sợi thủy tinh

c. Tán sắc ống dẫn sóng

Tán sắc ống dẫn sóng sinh ra do sự phụ thuộc của hằng số lan truyền vào cấu

trúc sợi quang được đặc trưng qua tham số V. Sự dãn rộng xung sinh ra do tán sắc

ống dẫn sóng có thể được hiểu do mỗi mode lan truyền trong sợi có một phần công

suất trong lõi chiết suất cao hơn và một phần ngoài vỏ chiết suất thấp hơn, mà tỉ

phần công suất giữa lõi và vỏ cũng phụ thuộc vào bước sóng. Do vậy mỗi thành

phần bước sóng cũng sẽ lan truyền tại vận tốc nhóm khác nhau gây ra tán sắc ống

dẫn sóng. Đối với sợi đơn mode,tỉ phần công suất giữa lõi và vỏ được thể hiện qua

đường kính trường mode. Tại các thành phần bước sóng dài hơn phần công suất

PTIT

51

ngoài vỏ nhiều hơn hay có đường kính trường mode lớn hơn nên lan truyền tại vận

tốc nhóm nhanh hơn so với các thành phần bước sóng ngắn hơn như mô tả trong

hình 2-28.

Hình 2-28 Mô tả sự phụ thuộc vận tốc nhóm vào bước sóng trong tán sắc ống dẫn sóng.

Để xác định tán sắc ống dẫn sóng ta biểu thị độ trễ nhóm theo hằng số lan

truyền chuẩn hóa b bằng việc sử dụng »��� và ptr. (2.57). Từ (2.78) ta có:

D

dk

kbdnn

c22

1 (2.90)

ở đây giả sử không xét tán sắc vật liệu hay n2 không phụ thuộc vào bước sóng. Do

tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào cấu trúc sợi quang nên một cách thuận tiện ta

biểu diễn độ trễ theo tham số V thay cho k bằng sử dụng gần đúng � ≈ ����√2D

để có được

D

dV

Vbdnn

c22

1 (2.91)

Trong (2.91) chỉ có số hạng thứ hai là phụ thuộc vào tham số V, như vậy độ trễ phụ

thuộc vào bước sóng qua tham số V gần đúng là:

dV

Vbd

c

n )()( 2D»l (2.92)

Từ (2.92) hệ số tán sắc ống dẫn sóng được xác định:

D»

2

22 )(

dV

VbdV

c

n

dV

dV

d

dDw

l

ll

(2.93)

Tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào tham số ���(��) ���⁄ . Hình 2-29 cho thấy sự

phụ thuộc b, các tham số đạo hàm �(��) ��⁄ và ���(��) ���⁄ vào tham số V của

mode cơ bản. Hàm gần đúng của b phụ thuộc vào V có thể sử dụng ptr. (2.58) cho

mode cơ bản trong sợi đơn mode. Từ hình 2-29 ta có thể thấy các đạo hàm đều

dương trong dải bước sóng từ 0 – 1,6 µm, nên hệ số Dw có giá trị âm.

PTIT

52

Hình 2-29 Sự biến đổi của b và các đạo hàm �(��) ��⁄ và ���(��) ���⁄ vào tham số V.

Hình 2-30 Đường cong tán sắc vật liệu và các đường cong tán sắc ống dẫn sóng của một số sợi quang: sợi đơn mode chuẩn, sợi dịch tán sắc và sợi tán sắc phẳng.

d. Tán sắc tổng trong sợi đơn mode

PTIT

Trong sợi đơn mode không có tán s

tán sắc GVD bao gồm 2 thành ph

tán sắc tổng của sợi đơn mode đư

Hình 2-30 cho thấy các đườ

một số loại sợi quang.

Hình 2-31 Đường cong tán s

Do tán sắc ống dẫn sóng ph

biến đổi cấu trúc sợi như kích thư

suất khác nhau) tán sắc ống d

tính tán sắc tổng sẽ dịch chuy

được sử dụng để thiết kế các s

như sợi dịch tán sắc (DSF), s

phẳng. Đường đặc tính tán s

Đối với sợi đơn mode chuẩ

vùng 1,55 µm nơi có suy hao th

ps/(nm.km). Đối với các s

không về lân cận 1,55 µm. Còn s

bước sóng từ 1,3 – 1,6 µm.

thương mại.

i đơn mode không có tán sắc mode nên tán sắc ảnh hư

m 2 thành phần tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng. Do v

i đơn mode được xác định:

(2.94)

ờng đặc tính tán sắc vật liệu và tán sắc ống d

cong tán sắc tổng D = DM + DW của một số sợi quang.

n sóng phụ thuộc vào cấu trúc sợi quang nên b

i như kích thước lõi hay mặt cắt chiết suất (nhiều lớp lõi có chi

ng dẫn sóng sẽ biến đổi rất lớn, kết quả là đườ

ch chuyển theo mong muốn. Đây cũng là nguyên t

các sợi quang đơn mode có đặc tính tán sắc mong mu

c (DSF), sợi dịch tán sắc khác không (NZ-DSF) hay s

c tính tán sắc tổng của một số sợi quang được cho trong hình

ẩn, hệ số tán sắc tổng bằng không ở gần 1,31

m nơi có suy hao thấp nhất thì hệ số tán sắc trong kho

i các sợi DSF, sợi được thiết kế để dịch bước sóng tán s

m. Còn sợi NZ-DSF, giá trị D thường nhỏ trong d

. Bảng 2-2 liệt kê đặc tính tán sắc của một s

53

nh hưởng chính là

n sóng. Do vậy

ng dẫn sóng của

i quang.

quang nên bằng cách

p lõi có chiết

ờng cong đặc

à nguyên tắc cơ bản

c mong muốn

DSF) hay sợi tán sắc

c cho trong hình 2-31.

n 1,31 µm, còn tại

c trong khoảng 15 – 18

c sóng tán sắc

trong dải rộng

t số sợi quang

PTIT

54

Bảng 2-2 Đặc tính tán sắc của một số sợi quang thương mại.

2.4.4Tán sắc bậc cao

Trong thực tế khi sử dụng sợi đơn mode tại bước sóng lZD có D = 0, xung

quang vẫn trải qua sự dãn xung khi lan truyền do tán sắc bậc cao. Đặc điểm này có

thể được hiểu khi chú ý rằng D không thể bằng không ở tất cả các thành phần bước

sóng nằm trong phổ xung quang có trung tâm tại lZD. Như vậy sự phụ thuộc của D

vào bước sóng đóng vai trò quan trọng trong sự dãn xung trong trường hợp này. Các

hiệu ứng tán sắc bậc cao được đặc trưng qua tham số độ dốc tán sắc � = �� �l⁄ có

đơn vị ps/(nm2.km). Sử dụng ptr. (2.82) ta thu được:

(2.95)

trong đó �

= ��

�⁄ ≡ �� ��⁄ là tham số tán sắc bậc ba.

Khi hệ thống thông tin quang sợi hoạt động tại l = lZD, tốc độ truyền dẫn

xung sẽ bị giới hạn bởi tham số S hoặc 3. Điều kiện giới hạn tốc độ cũng có thể

được ước tính đơn giản bởi

(2.96)

Thêm nữa, tham số S cũng ảnh hưởng đến thiết kế các hệ thống ghép kênh theo

bước sóng khi tính toán bù tán sắc đồng thời cho các kênh mà mỗi kênh trải qua

lượng tán sắc GVD khác nhau.

2.4.5Tán sắc mode phân cực

Tán sắc mode phân cực có nguồn gốc sinh ra từ tính lưỡng chiết của sợi

quang. Như đã đề cập trong phần 2.2.2 bản chất suy biến của các mode phân cực

PTIT

55

trực giao chỉ duy trì được trong một sợi quang đơn mode lý tưởng có lõi trụ tròn đều

hoàn hảo. Các sợi quang thực tế có sự biến đổi về dạng lõi dọc theo chiều dài sợi và

cũng có thể trải qua những ứng suất không đều làm cho tính đối xứng trụ của sợi bị

phá vỡ. Do vậy sự suy biến giữa các mode phân cực trực giao bị mất đi và sợi

quang biểu thị tính lưỡng chiết. Mức độ lưỡng chiết mode được xác định bởi:

(2.97)

trong đó ��� và ��� là các chỉ số mode cho các mode phân cực trực giao.Tính lưỡng

chiết dẫn tới một sự trao đổi công suất tuần hoàn giữa hai thành phần phân cực. Chu

kỳ hay còn gọi là độ dài nhịp được xác định bởi:

(2.98)

Hình 2-32 Trạng thái phân cực trong một sợi lưỡng chiết trên một độ dài phách. Chùm quang đầu vào được phân cực tuyến tính 45o so với các trục nhanh và chậm.

Từ quan điểm vật lý, ánh sáng phân cực tuyến tính chỉ duy trì phân cực tuyến

tính khi nó bị phân cực dọc theo một trục cơ bản. Nói cách khác, trạng thái phân

cực sẽ thay đổi dọc theo chiều dài sợi quang từ tuyến tính sang êlip, và sau đó lại

chuyển đổi trở lại tuyến tính theo một kiểu tuần hoàn trên độ dài LB. Hình 2-32mô

tả một sự thay đổi tuần hoàn về trạng thái phân cực đối với một sợi quang có độ

lưỡng chiết B không đổi. Trong hình trục nhanh tương ứng với trục có chỉ số mode

nhỏ hơn, còn trục khác gọi là trục chậm.

Như vậy trong các sợi quang thực tế, năng lượng tín hiệu tại một bước sóng

xác định có thể được mang trên hai mode phân cực trực giao lan truyền tại vận tốc

PTIT

56

khác nhau do khác nhau về chỉ số mode truyền gây ra sự dãn xung gọi là tán sắc

mode phân cực (PMD).

Trong các sợi có độ lưỡng chiết không đổi (ví dụ: các sợi duy trì phân cực),

độ dãn xung có thể được ước tính từ độ trễ thời gian DT giữa hai thành phần phân

cực trong quá trình lan truyền. Đối với sợi có độ dài L, DT được xác định bởi:

(2.99)

trong đó x và y là các chỉ số của hai mode phân cực trực giao và D1 là độ lệch vận

tốc nhóm dọc theo hai trạng thái phân cực cơ bản. Tương tự trường hợp tán sắc

mode, đại lượng DT/L là phép đo của PMD. Đối với các sợi duy trì phân cực, DT/L

là rất lớn (~ 1 ns/km) khi hai thành phần được kích hoạt như nhau tại đầu vào sợi

quang, nhưng có thể giảm xuống không khi ánh sáng chỉ được phát dọc theo một

trong các trục cơ bản.

Hình 2-33 Mô tả tán sắc mode phân cực PMD.

Các sợi quang thông thường trong thực tế hoàn toàn khác khi mà tính lưỡng

chiết biến đổi dọc theo sợi theo dạng ngẫu nhiên. Do vậy mà PMD của sợi cũng sẽ

biến đối theo kiểu ngẫu nhiên từ sự biến đổi ngẫu nhiên của trạng thái phân cực dọc

theo sợi khi lan truyền. Vì bản chất thống kê của PMD mà việc phân tích nó sẽ phức

tạp. Một mô hình đơn giản phân chia sợi thành một số các đoạn sợi mà mỗi đoạn có

độ lưỡng chiết và định hướng của các trục cơ bản là không đổi nhưng thay đổi từ

đoạn này sang đoạn khác một cách ngẫu nhiên. Như vậy độ trễ DT biến đổi ngẫu

nhiên dọc theo chiều dài sợi và độ dãn xung do PMD được đặc trưng bởi giá trị DT

PTIT

57

hiệu dụng (rms) � = � ⟨(D�)�⟩. Khi chiều dài sợi quang > 1 km, độ dãn xung có

thể tính gần đúng:

(2.100)

trong đó lc là độ dài tương quan được định nghĩa như là độ dài mà hai thành phần

phân cực duy trì tính tương quan với nhau, giá trị lc có thể biến đổi từ 1 m đến 1 km

tùy loại sợi, điển hình thường ~ 10 m; Dp gọi là hệ số PMD và có giá trị trong

khoảng 0,01 – 10 ��/√�� . Đối với các sợi quang cũ có PMD lớn �� >

0,1 ��/√�� , còn các sợi quang mới hiện nay được thiết kế để có PMD nhỏ

�� < 0,1 ��/√�� . Vì phụ thuộc vào √�, độ dãn xung do PMD tương đối nhỏ so

với ảnh hưởng của GVD, nên PMD chỉ được quan tâm trong các hệ thống quang sợi

khoảng cách lớn tốc độ cao.

2.5Các giới hạn truyền dẫn gây ra bởi tán sắc

Các hệ thống thông tin quang sợi hiện nay hầu hết sử dụng sợi đơn mode, do

vậy tán sắc GVD là yếu tố ảnh hưởng chính gây méo dạng tín hiệu và giới hạn hoạt

động của hệ thống. Trong phần này ảnh hưởng của tán sắc GVD đến giới hạn truyền

dẫn sẽ được xem xét và phân tích.

2.5.1Phương trình truyền dẫn cơ bản

Sự dãn xung sinh ra do sự phụ thuộc của vào tần số hay các thành phần

phổ của tín hiệu quang bị điều biến pha do hằng số lan truyền qua hệ thức đơn

giản sau:

(2.101)

Biên độ tín hiệu Btrong miền thời gian thu được bằng cách lấy khai triển Fourier

ngược:

(2.102)

ở đây ��(0,) chỉ là khai triển Fourier của biên độ tín hiệu đầu vào �(0,�).

Đối với xung tín hiệu có độ rộng phổ D ≪ �, ta khai triển () thành

chuỗi Taylor quanh tần số sóng mang 0 và xét các số hạng lên tới bậc ba

PTIT

58

(2.103)

trong đó ∆ = − � và �

= (�� ��⁄ )� �,

�= 1 ��⁄ . Hệ số GVD 2 liên

hệ với hệ số tán sắc D qua ptr. (2.82), còn 3 liên hệ với độ dốc tán sắc S qua ptr.

(2.95).Để đơn giản ta chỉ xem xét thành phần biên độ biến đổi chậm A(z,t) của lớp

vỏ xung

(2.104)

và sử dụng (2.101) và (2.103) vào (2.102) ta thu được

(2.105)

trong đó ��(0,∆) ≡ ��(0,) là khai triển Fourier của �(0,�).

Bằng việc tính �� ��⁄ và chú ý D thay thế bằng �(�� ��⁄ ) trong miền thời

gian, ptr. (2.105) có thể viết thành

(2.106)

Đây chính là phương trình truyền dẫn cơ bản xác định sự tiến triển của xung quang

lan truyền trong sợi đơn mode. Khai triển thành một khung thời gian tham chiếu

dịch chuyển theo xung và đưa vào các tọa độ mới

và z = z (2.107)

số hạng 1 được loại trừ khỏi (2.106) để thu được

(2.108)

Phương trình (2.108) được sử dụng để mô tả quá trình truyền xung quang và dấu ở

� và tcó thể bỏ đi cho đơn giản.

2.5.2Truyền xung Gauss có chirp

Để thấy ảnh hưởng của tán sắc ta xét quá trình lan truyền của xung Gauss có

chirp (biến tần) trong sợi quang bằng việc sử dụng trường xung ban đầu như sau:

PTIT

59

(2.109)

trong đó A0 là biên độ đỉnh của xung. Tham số T0 đặc trưng cho nửa độ rộng tại

điểm cường độ 1/e và liên hệ với độ rộng xung tại điểm nửa cực đại (FWHM) qua

hệ thức:

(2.110)

Tham số C xác định độ chirp gây ra cho xung. Một xung được gọi là bị chirp khi tần

số sóng mang của nó biến đổi theo thời gian. Sự thay đổi tần số liên hệ với đạo hàm

pha và được xác định:

(2.111)

ở đây f là pha của A(0,t). Độ dịch tần phụ thuộc thời gian d được gọi là độ chirp.

Phổ của xung bị chirp rộng hơn so với xung không chirp và có thể được thấy bằng

việc lấy khai triển Fourier (2.109). Do vậy ta có:

(2.112)

Nửa độ rộng phổ (tại điểm cường độ 1/e) được xác định bởi

(2.113)

Trong trường hợp không có chirp tần (C = 0), độ rộng phổ thỏa mãn hệ thức

∆��� = 1. Một xung như vậy có độ rộng phổ nhỏ nhất và được gọi là bị giới hạn

khai triển. Độ rộng phổ sẽ được tăng cường bởi một hệ số (1 + ��)� �⁄ khi có mặt

chirp tuyến tính như được thấy trong ptr. (2.113)

Phương trình truyền xung (2.108) có thể được giải dễ dàng trong miền

Fourier và nghiệm của nó là:

(2.114)

trong đó ��(0,) được xác định bởi (2.112) đối với xung đầu vào dạng Gauss.

Trước hết xét trường hợp bước sóng quang cách xa bước sóng tán sắc không, do đó

sự đóng góp của số hạng 3 có thể bỏ qua. Lấy tích phân (2.114) ta được kết quả

PTIT

60

(2.115)

trong đó �(�) = 1 + (� − �)�

� ���⁄ . Phương trình này cho thấy rằng một xung

Gauss duy trì dạng Gauss trong suốt quá trình lan truyền nhưng độ rộng xung, mức

độ chirp và biên độ thay đổi như được chỉ ra bởi hệ số �(�). Mức độ chirp tần tại

khoảng cách z thay đổi từ giá trị C ban đầu tới ��(�) = � + (1 + ��)�

� ���⁄ .

Hình 2-34 Sự biến đổi hệ số dãn rộng xung theo khoảng cách lan truyền đối với một xung Gauss có chirp đầu vào.

Sự thay đổi độ rộng xung theo z được định lượng qua hệ số mở rộng xác định

bởi

(2.116)

trong đó �� là nửa độ rộng được định nghĩa tương tự ��. Hình 2-34 cho thấy hệ số

mở rộng xung �� ��⁄ như một hàm khoảng cách lan truyền � ��⁄ , trong đó �� =

��� �

��� được gọi là khoảng cách tán sắc. Một xung không chirp (� = 0 ) dãn rộng

theo [1 + (� ��⁄ )�]� �⁄ và độ rộng tăng thêm một lượng cỡ √2 tại � = ��. Nói cách

khác xung bị chirp có thể mở rộng hoặc bị nén lại phụ thuộc vào liệu � và C có

cùng hay ngược dấu nhau. Nếu �

� > 0 thì xung Gauss bị chirp dãn rộng một cách

PTIT

61

đơn điệu ở tốc độ nhanh hơn so với xung không chirp. Nếu �

� < 0 thì độ rộng

xung ban đầu giảm dần và nhỏ nhất ở khoảng cách

(2.117)

Giá trị độ rộng xung nhỏ nhất phụ thuộc vào tham số chirp theo

(2.118)

Về mặt vật lý khi �

� < 0, chirp tần gây ra bởi GVD ngược với chirp ban đầu và

chirp tần hiệu dụng giảm dần cho đến khi triệt tiêu ở � = ����.

Phương trình (2.116) có thể được tổng quát hóa để xét cả tán sắc bậc cao đặc

trưng bởi � trong (2.114). Tuy nhiên xung quang không duy trì dạng Gauss khi lan

truyền nữa mà có dạng bất đối xứng với một đuôi dao động. Các xung như vậy

không thể đặc trưng thích hợp bởi FWHM của chúng. Một phép đo phù hợp độ rộng

xung là độ rộng hiệu dụng (rms) định nghĩa như sau

(2.119)

trong đó ⟨ ⟩ là lấy trung bình theo mặt cắt cường độ, hay

(2.120)

Hệ số dãn rộng xung được định nghĩa như �⁄ , trong đó � là độ rộng rms của

xung Gauss đầu vào (� = �� √2⁄ ), có thể được tính và xác định bởi

(2.121)

ở đây L là độ dài sợi quang.

Những phân tích trước đều giả sử nguồn quang sử dụng để tạo ra xung quang

đầu vào là gần đơn sắc hay độ rộng phổ của nó thỏa mãn ∆� ≪ ∆� (dưới điều

kiện hoạt động sóng liên tục - CW), trong đó ∆� được xác định bởi (2.113). Điều

kiện này không phải lúc nào cũng thỏa mãn trong thực tế. Để xem xét độ rộng phổ

nguồn, ta phải xét trường quang như một quá trình ngẫu nhiên và xét các tính chất

kết hợp của nguồn thông qua hàm kết hợp tương hỗ. Khi phổ nguồn là dạng Gauss

cơ độ rộng phổ rms , hệ số dãn rộng thu được:

PTIT

62

(2.122)

trong đó � được định nghĩa là � = 2�. Ptr. (2.122) cung cấp biểu thức về mức

độ dãn xung gây ra do tán sắc của các xung Gauss đầu vào trong điều kiện tổng

quát.

2.5.3Giới hạn về tốc độ bit

Giới hạn về tốc độ bít gây ra bởi tán sắc sợi quang có thể khác nhau phụ

thuộc vào độ rộng phổ nguồn.

a. Các nguồn quang có độ rộng phổ lớn

Trường hợp này tương ứng với � ≫ 1 trong (2.122). Xét trường hợp đầu

tiên hệ thống quang sợi hoạt động cách xa bước sóng tán sắc không do đó số hạng

� có thể được bỏ qua. Các ảnh hưởng của chirp tần có thể bỏ qua đối với nguồn có

độ rộng phổ lớn. Đặt C = 0 trong (2.122) ta thu được

(2.123)

trong đó l là độ rộng phổ rms theo đơn vị bước sóng. Độ rộng xung đầu ra được

xác định

(2.124)

với � ≡ |� |�llà phép đo độ dãn xung gây ra do tán sắc.

Ta có thể liên hệ với tốc độ bit bằng việc sử dụng điều kiện xung dãn rộng

cần được giữ trong khe thời gian bit được cấp phát �� = 1 �⁄ , trong đó B là tốc độ

bit. Một điều kiện thường được sử dụng là ≤ �� 4⁄ ; đối với các xung Gauss ít

nhất 95% năng lượng xung duy trì trong khe bit. Tốc độ giới hạn được xác định bởi

4� ≤ 1. Trong giới hạn � ≫ �, ≈ � = |� |�l và điều kiện trở thành

(2.125)

Đối với hệ thống quang sợi hoạt động tại bước sóng tán sắc không, �

= 0

trong (2.122). Đặt C = 0 và giả sử � ≫ 1, ptr. (2.122) có thể gần đúng bởi

(2.126)

PTIT

63

trong đó (2.95) được sử dụng để liên hệ � với độ dốc tán sắc S. Độ rộng xung đầu

ra được xác định bởi ptr. (2.124) nhưng với � ≡ |�|�l� √2⁄ . Khi � ≫ �, giới

hạn về tốc độ bít sẽ xác định bởi

(2.127)

Ví dụ: xét trường hợp của một diode phát quang có l ≈ 15 nm, sử dụng D = 17

ps/(km-nm) tại 1,55 µm từ (2.125) ta thu được �� < 1 (Gb/s)-km. Tuy nhiên nếu hệ

thống được thiết kế để hoạt động tại bước sóng tán sắc không, BL có thể tăng tới 20

(Gb/s)-km đối với một giá trị S = 0,08 ps/(km-nm2).

Hình 2-35 Giới hạn tốc độ của sợi đơn mode như là hàm của chiều dài sợi cho l = 0, 1 và 5 nm. Trường hợp l = 0 tương ứng với trường hợp nguồn quang có độ rộng phổ nhỏ hơn

nhiều tốc độ bit.

b. Các nguồn quang có độ rộng phổ nhỏ

Trường hợp này tương ứng với � ≪ 1 trong (2.122). Tương tự như những

phân tích trước, nếu �

= 0 và C = 0, ptr. (2.122) có thể gần đúng bằng

(2.128)

So sánh với (2.124) sẽ cho thấy sự khác biệt chính giữa hai trường hợp. Trong

trường hợp phổ nguồn hẹp, độ dãn xung gây ra do tán sắc phụ thuộc vào độ rộng

ban đầu �, trái lại nó sẽ độc lập với � khi độ rộng phổ của nguồn chiếm ưu thế.

PTIT

64

Thực tế có thể nhỏ nhất bằng việc chọn giá trị � tối ưu. Giá trị nhỏ nhất của

xảy ra khi � = � = (��

�� 2⁄ )� �⁄ và xác định bởi = (��

��)� �⁄ . Như vậy điều

kiện giới hạn thu được

(2.129)

Sự khác biệt chính so với (2.125) đó là B tỉ lệ với ��� �⁄ thay cho ���. Hình 2. so

sánh sự giảm về tốc độ bit theo sự tăng l = 0, 1 và 5 nm khi sử dụng D = 16

ps/(km-nm).

Đối với hệ thống hoạt động sát bước sóng tán sắc không, �

≈ 0, sử dụng

� ≪ 1 và C = 0, độ rộng xung sau đó được xác định bởi

(2.130)

Tương tự với trường hợp của ptr. (2.128), có thể nhỏ nhất bằng tối ưu �. Giá trị

nhỏ nhất của có được khi � = (��

�� 4⁄ )� �⁄ và xác định bởi

(2.131)

Điều kiện giới hạn tốc độ sẽ là

(2.132)

Trong trường hợp này các ảnh hưởng tán sắc rất nhỏ. Khi �

= 0,1 ps3/km, tốc độ

bít có thể lớn cỡ 150 Gb/s cho L = 100 km. Nó chỉ giảm xuống khoảng 70 Gb/s

thậm chí khi L tăng lên bởi một hệ số 10 vì sự phụ thuộc ��� �⁄ của tốc độ bit. Rõ

ràng hiệu năng hệ thống thông tin quang có thể được cải thiện đáng kể bằng việc

hoạt động ở gần bước sóng tán sắc không và sử dụng nguồn quang có phổ hẹp.

c. Ảnh hưởng của chirp tần

Trong tất cả các trường hợp phân tích trên đều giả sử xung đầu vào dạng

Gauss không chirp. Trong thực tế các xung quang có thể không phải dạng Gauss và

bị chirp. Một mô hình gần đúng dạng xung thực tế có thể được sử dụng là mô hình

siêu Gauss có dạng

(2.133)

trong đó hệ số m xác định dạng xung. Dạng xung đầu ra trong trường hợp này thu

được bằng việc giải ptr. (2.108) bằng phương pháp số để xác định giới hạn. Hình 2-

PTIT

65

36 cho thấy tích BL như là hàm của hệ số chirp C đối với xung đầu vào dạng Gauss

(m = 1) và siêu Gauss (m = 3). Trong cả hai trường hợp độ dài sợi quang L tại đó

xung dãn rộng 20% thu được cho T0 = 125 ps và �

= − 20 ps2/km. Do các xung

siêu Gauss bị dãn rộng nhanh hơn các xung Gauss nên có tích BL nhỏ hơn.

Hình 2-36 Tích BL giới hạn bởi tán sắc như là hàm của hệ số chirp đối với các xung đầu vào dạng Gauss (đường liền) và siêu Gauss (nét đứt).

2.5.4Độ rộng băng tần sợi quang

Khái niệm độ rộng băng tần xuất phát từ lý thuyết về hệ thống tuyến tính bất

biến theo thời gian (LTI). Nếu sợi quang có thể được xem như một hệ thống tuyến

tính, các công suất đầu vào và đầu ra sợi quang liên hệ qua hệ thức

(2.134)

Đối với một xung kim ���(�) = d(�), trong đó d(�) là hàm delta và ���� (�) = ℎ(�).

Do vậy h(t) được gọi là đáp ứng xung của hệ thống tuyến tính. Khai triển Fourier

của h

(2.135)

PTIT

66

cho biết đáp ứng tần và được gọi là hàm truyền đạt. Nhìn chung |� (�)| giảm theo

sự tăng f chỉ ra rằng các thành phần tần số cao của tín hiệu đầu vào bị suy hao bởi

sợi quang. Hay sợi quang hoạt động như một bộ lọc băng thông. Độ rộng băng tần

sợi quang f3dB tương ứng với tần số f = f3dB tại đó |� (�)| bị giảm một nửa hoặc 3 dB

(2.136)

Lưu ý rằng f3dB là độ rộng băng tần quang của sợi khi công suất quang giảm 3 dB tại

tần số này so với đáp ứng tần số không. Trong lĩnh vực thông tin điện, độ rộng băng

tần của một hệ thống tuyến tính được định nghĩa như tần số tại đó công suất điện

giảm 3 dB.

Phương trình (2.134) chỉ đúng khi các sợi quang được xem là tuyến tính theo

công suất. Khi độ rộng phổ nguồn lớn hơn nhiều độ rộng phổ tín hiệu (� ≫ 1) ta có

thể xét quá trình lan truyền các thành phần phổ khác nhau một cách độc lập và cộng

tuyến tính công suất được mang bởi chúng. Đối với phổ dạng Gauss, hàm truyền

H(f) được xác định:

(2.137)

với các tham số f1 và f2 xác định bởi

(2.138)

(2.139)

Khi hệ thông hoạt động cách xa bước sóng tán sắc không (�� ≪ ��), hàm

truyền gần đúng dạng Gauss và độ rộng băng tần được xác định

(2.140)

Nếu sử dụng � = |� |�l ta thu được hệ thức ����� ≈ 0,188 giữa độ rộng băng

tần và độ dãn xung do tán sắc. Ta cũng có thể có được hệ thức giữa độ rộng băng

tần và tốc độ bit B bằng việc sử dụng các ptr. (2.125) và (2.140) hay � ≤ 1,33����

và cho thấy độ rộng băng tần sợi quang là một phép đo gần đúng về tốc độ bít lớn

nhất có thể của hệ thống thông tin quang sợi bị giới hạn bởi tán sắc.

Đối với hệ thống hoạt động tại bước sóng tán sắc không, hàm truyền thu

được từ ptr. (2.137) bằng cách đặt D = 0. Sử dụng (2.136) sẽ cho biểu thức sau về

độ rộng băng tần sợi quang

PTIT

Tốc độ giới hạn có thể đượ

bởi � ≤ 0,574���� .

2.6Các hiệu ứng quang phi tuy

2.6.1Nguồn gốc hiệu ứ

Đáp ứng của bất kỳ

trong điều kiện cường độ trư

liệu không còn quan hệ tuyế

trong đó c(�) là độ cảm ứng đi

cảm ứng bậc hai bằng 0 vì tính

c(�)chịu trách nhiệm cho các hi

Có hai loại hiệu ứng phi

- Tán xạ kích thích bao g

kích thích liên quan đ

- Các hiệu ứng phi tuy

ứng tự điều chế pha, đi

tuyến có thể được bi

Hình 2-37 Mô tả khái niệm dihình trong sợi quang. (b) D

Trong các điều kiện ho

nhỏ có thể bỏ qua. Tuy nhiên các tham s

(2.141)

ợc liên hệ với f3dB bằng việc sử dụng (2.127) và xác đ

ng quang phi tuyến

ứng quang phi tuyến

môi trường điện môi như sợi quang trở nên phi tuy

trường điện từ mạnh. Khi đó vectơ phân cực đi

ến tính như ptr. (2.16) mà được khai triển như sau

(2.142)

ng điện bậc n tại tần số quang. Trong các sợi th

ng 0 vì tính đẳng hướng quang. Do đó độ cảm

m cho các hiệu ứng phi tuyến xảy ra trong sợi quang.

ng phi tuyến chính có thể xảy ra trong sợi quang:

kích thích bao gồm tán xạ Brillouin kích thích và tán x

kích thích liên quan đến phần ảo của độ cảm bậc ba c(�).

ng phi tuyến liên quan đến chiết suất phi tuyến bao g

pha, điều chế pha chéo và trộn bốn sóng. Chi

c biệu thị theo phần thực của độ cảm bậc ba c

m diện tích hiệu dụng. (a) Dạng phân bố cường độ i quang. (b) Dạng phân bố cường độ giả định.

n hoạt động thông thường các hiệu ứng phi tuy

qua. Tuy nhiên các tham số sợi quang quan trọng có thể

67

) và xác định

nên phi tuyến

c điện của vật

n như sau

i thủy tinh, độ

m ứng bậc ba

i quang.

i quang:

Brillouin kích thích và tán xạ Raman

n bao gồm hiệu

n sóng. Chiết suất phi

c ba c(�).

tín hiệu điển

ng phi tuyến là rất

ể tăng cường

PTIT

các hiệu ứng phi tuyến đó là di

Diện tích hiệu dụng được đ

được phân bố đều trên đó và b

37. Diện tích Aeff quan hệ vớ

Nếu trường quang có dạng phân b

công thức ���� = � �, trong đó

được định nghĩa là độ dài mà tín hi

không sau đó như mô tả trong hình 2

Ll

eff dleL a 0

Do hệ số suy hao của sợi quang nh

tế ���� ≈ 1 a⁄ .

Hình 2-38 Mô tả khái niệm chitheo chiều dài tuyến quang sợdài hiệu dụng Leff. Độ dài Leff

di

2.6.2Hiệu ứng tán xạ

Tán xạ Rayleigh đề

không thay đổi sau tán xạ. Trong khi c

là các hiệu ứng tán xạ không đàn h

thích (SRS) và tán xạ Brilloiun kích thích (SBS).

n đó là diện tích lõi hiệu dụng Aeff và chiều dài hi

c định nghĩa như là diện tích của lõi nếu cườ

u trên đó và bằng không ngoài diện tích đó như mô tả trong hình 2

ới cường độ trường tín hiệu quang như sau:

(2.143)

ng phân bố Gauss thì diện tích hiệu dụng được xác đ

, trong đó w là bán kính trường mode.Độ dài hi

dài mà tín hiệu lan truyền với biên độ không đ

ong hình 2-38. Độ dài Leff được xác định bởi

Ledl a

a 1

1 (2.144)

i quang nhỏ nên trong các hệ thống thông tin quang s

m chiều dài hiệu dụng. (a) Dạng phân bố công suất điợi. (b) Dạng phân bố công suất giả định dọc tuyế

eff được chọn để diện tích dưới đường cong trong (a) bdiện tích hình chữ nhật trong (b).

kích thích

cập trong phần 2.3.2 là tán xạ đàn hồi khi t

. Trong khi các hiệu ứng tán xạ kích thích trong s

không đàn hồi gồm có hai loại chính: tán xạ

Brilloiun kích thích (SBS). Cả hai loại tán xạ đề

68

dài hiệu dụng Leff.

ờng độ quang

trong hình 2-

c xác định bởi

dài hiệu dụng Leff

không đổi và bằng

ng thông tin quang sợi thực

t điển hình dọc ến trên chiều

ng cong trong (a) bằng với

i khi tần số quang

trong sợi quang

Raman kích

ều tán xạ một

PTIT

69

photon thành một photon năng lượng thấp hơn (bước sóng dài hơn) mà độ lệch năng

lượng của quá trình xuất hiện dưới dạng một phonon (phonon được xem là một giả

hạt đặc trưng cho một trạng thái lượng tử hóa các mode dao động của môi trường).

Sự khác biệt chính giữa hai loại đó là các phonon quang tham gia tán xạ Raman,

còn các phonon âm tham gia tán xạ Brillouin. Cả hai quá trình tán xạ gây ra tổn hao

công suất tại tần số tới. Tuy nhiên do mặt cắt tán xạ nhỏ tại mức công suất thấp nên

mức tổn hao có thể bỏ qua.

Ở mức công suất cao cả hai SBS và SRS trở nên quan trọng. Cường độ ánh

sáng tán xạ cả hai trường hợp đều tăng theo hàm mũ khi công suất tới lớn hơn một

giá trị ngưỡng. Cả hai đều giống nhau về nguồn gốc nhưng có các hệ thức tán sắc

khác nhau cho các phonon âm và phonon quang dẫn đến sự khác biệt hai quá trình

trong sợi quang: (i) SBS chỉ xảy ra theo chiều ngược, còn SRS có thể xảy ra ở cả

hai chiều; (ii) Ánh sáng tán xạ bị dịch tần khoảng 10 GHz ở SBS nhưng tới 13 THz

ở SRS; và (iii) Phổ khuyeechs đại Brillouin rất hẹp (băng tần < 100 MHz) so với

phổ khuyếch đại Raman có thể mở rộng trên 20 – 30 THz.

a. Tán xạ Brillouin kích thích

Quá trình vật lý của tán xạ Brillouin là xu hướng của vật liệu trở nên bị nén

khi có mặt của điện trường, một hiện tượng gọi là điện giảo. Đối với một điện

trường dao động tại tần số bơm Wp, quá trình này sinh ra một sóng âm tại tần số W.

Tán xạ Brillouin tự phát có thể được xem như là sự tán xạ của sóng bơm từ sóng âm

này tạo ra một sóng mới tại tần số Ws. Quá trình tán xạ phải bảo toàn cả về năng

lượng và xung lượng. Sự bảo toàn năng lượng đòi hỏi sự dịch Stokes W bằng

� − �. Sự bảo toàn xung lượng đòi hỏi rằng các vectơ sóng thỏa mãn �� = �� −

��. Sử dụng hệ thức tán sắc |�� |= W ��⁄ trong đó vA là vận tốc âm, điều kiện này

xác định tần số âm như sau

(2.144)

trong đó ��� �= |��| đã được sử dụng và q đặc trưng cho góc giữa sóng bơm và

sóng tán xạ. Lưu ý rằng W triệt tiêu theo chiều thuận (q = 0) và lớn nhất ở chiều

ngược (q = ). Trong các sợi đơn mode, ánh sáng có thể chỉ truyền theo chiều thuận

và chiều ngược. Do vậy SBS chủ yếu xảy ra theo chiều ngược với sự dịch tần

W� = 2�� ����. Sử dụng �� = 2�� l�⁄ với lp là bước sóng bơm, độ dịch tần

Brillouin được xác định bởi

PTIT

70

(2.145)

ở đây �� là chiết suất mode. Sử dụng �� = 5,96 km/s và �� = 1,45 cho sợi thủy tinh,

n� = 11,1 GHz tại l� = 1,55µm.

Hình 2-39 Phổ khuyếch đại Brillouin được đo khi sử dụng nguồn bơm 1,525-µm cho ba loại sợi quang khác nhau: (a) sợi lõi thủy tinh, (b) sợi vỏ bị ép, (c) sợi dịch tán sắc.

Khi sóng tán xạ được sinh ra tự phát, nó sẽ có thể tăng cường biên độ sóng

âm và lần lượt đến sóng tán xạ theo dạng vòng lặp hồi tiếp dương khi công suất

quang bơm lớn hơn một ngưỡng xác định. SBS có nguồn gốc từ quá trình hồi tiếp

dương này và có thể truyền tất cả công suất từ nguồn bơm cho sóng tán xạ. Hệ số

khuyếch đại SBS gB phụ thuộc vào tần số vì thời gian tắt dần hữu hạn của sóng âm

TB (thời gian sống của các phonon âm). Nếu các sóng âm suy giảm theo

���(− � ��⁄ ), hệ số khuyếch đại Brillouin có mặt cắt phổ dạng Lorentz xác định bởi

(2.147)

Hình 2-39 cho thấy phổ khuyếch đại Brillouin tại l� = 1,525µm cho ba loại sợi

quang thủy tinh đơn mode khác nhau. Cả hai sự dịch tần Brillouin n� và độ rộng

băng tần khuyếch đại ∆n� có thể biến đổi từ sợi này sang sợi khác vì bản chất dẫn

sóng của ánh sáng và sự có mặt của các chất pha tạp trong lõi sợi. Giá trị hệ số

khuyếch đại Brillouin đỉnh trong (2.147) xảy ra khi W = WB và phụ thuộc vào các

tham số vật liệu khác như mật độ hạt và hệ số quang đàn hồi. Mức ngưỡng công

suất của SBS được xác định thỏa mãn điều kiện

(2.148)

Đối với sợi quang thủy tinh �� ≈ 5x10��� m/W, thì mức công suất ngưỡng có thể

cỡ vài mW.

PTIT

71

b. Tán xạ Raman kích thích

Tán xạ Raman tự phát xảy ra trong sợi quang khi sóng bơm bị tán xạ bởi các

phân tử SiO2. Nó dễ dạng được hiểu qua giản đồ mức năng lượng cho trong hình 2-

40. Một số các photon bơm giải phóng năng lượng để tạo ra các photon khác có

năng lượng nhỏ hơn tại tần số thấp hơn, phần năng lượng còn lại bị hấp thụ bởi các

phân tử thủy tinh tạo ra trạng thái dao động kích thích. Sự khác biệt quan trọng với

tán xạ Brillouin là các mức năng lượng dao động của thủy tinh chỉ ra giá trị dịch tần

Raman W� = � − �. Vì không liên quan đến sóng âm nên tán xạ Raman tự phát

là một quá trình đẳng hướng hay xảy ra ở mọi hướng.

Hình 2-40 (a) Phổ khuếch đại Raman của thủy tinh nóng chảy tại l� = 1µm và (b) Giản đồ mức năng lượng trong quá trình SRS.

Tương tự với SBS, quá trình tán xạ Raman bị kích thích khi công suất bơm

vượt quá một giá trị ngưỡng. SRS có thể xảy ra ở cả chiều thuận và chiều ngược

trong sợi quang. Về mặt vật lý, sự phách giữa nguồn bơm và ánh sáng tán xạ theo

cả hai chiều tạo ra một thành phần tần số tại tần số phách � − �, cái hoạt động

như một nguồn kích thích các dao động phân tử sinh ra sự hồi tiếp dương. Phổ

khuyeechs đại Raman phụ thuộc vào thời gian tắt dần cùng với trạng thái dao động

kích thích. Đối với sợi quang thủy tinh, độ rộng băng tần khuyếch đại có thể lớn

hơn 10 THz như cho thấy trong hình 2-40. Bản chất băng rộng và nhiều đỉnh của

phổ là do bản chất vô định hình của thủy tinh. Cụ thể hơn, các mức năng lượng dao

động của các phân tử thủy tinh gộp lại với nhau hình thành một dải băng. Kết quả là

tần số Stokes s có thể khác với tần số bơm p trên một dải rộng. Hệ số khuyếch

đại lớn nhất xảy ra khi sự dịch Raman W� = � − � khoảng 13 THz. Giá trị đỉnh

gR là khoảng 1x10-13 m/W tại bước sóng 1 µm. Giá trị này định cỡ tuyến tính theo

PTIT

72

p sinh ra �� ≈ 6�10��� m/W tại 1,55 µm. Mức ngưỡng công suất Pth được xác

định như là công suất tới tại đó một nửa công suất bơm được truyền cho trường

Stokes tại đầu ra sợi quang có độ dài L như sau

(2.149)

Nếu Aeff = 50 µm2 và a = 0,2 dB/km, Pth sẽ khoảng 570 mW ở gần 1,55 µm.

Cả hai hiệu ứng SBS và SRS đều có thể ảnh hưởng đến hệ thống thông tin

quang, đặc biệt trong hệ thống đa kênh gây ra xuyên nhiễu, nhưng cũng có thể được

sử dụng để thiết kế các bộ khuyếch đại quang sợi trong hệ thống.

2.6.3Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến

Các hiệu ứng điều chế pha phi tuyến sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất

vào cường độ tín hiệu quang. Nguồn gốc vật lý của hiệu ứng này nằm ở đáp ứng phi

điều hòa của các điển tử đối với trường quang sinh ra cảm ứng điện phi tuyến. Chiết

xuất của sợi thủy tinh bao gồm cả thành phần phi tuyến được xác định như sau

(2.150)

trong đó ��� là hệ số chiết suất phi tuyến, P là công suất quang và Aeff là diện tích

hiệu dụng. Giá trị của ��� khoảng 2,6x10-20 m2/W đối với sợi thủy tinh và có thể biến

đổi theo các tạp chất được sử dụng trong lõi sợi. Vì giá trị khá nhỏ của ��� nên phần

chiết suất phi tuyến rất bé (< 10-12 ở mức công suất 1 mW). Tuy vậy nó vẫn tác

động lên hệ thống thông tin quang sợi ở các tuyến khoảng cách lớn. Cụ thể nó dẫn

tới các hiệu ứng tự điều chế pha và điều chế pha chéo.

a. Quá trình tự điều chế pha

Ảnh hưởng của chiết suất phi tuyến có thể được xem xét qua sự phụ thuộc

của hằng số lan truyền vào công suất có thể được viết như sau:

(2.151)

trong đó = 2��� (����l)⁄ là hệ số phi tuyến có giá trị thường trong dải từ 1 đến 5

W-1/km phụ thuộc vào giá trị Aeff và bước sóng. Pha của tín hiệu quang tăng tuyến

tính theo z, nhưng số hạng sẽ tạo ra sự dịch pha phi tuyến xác định bởi

(2.152)

PTIT

73

ở đây �(�) = ���exp(− a�) giải thích cho suy hao sợi quang. Trong hệ thống thực

tế, Pin thay đổi theo thời gian làm cho fNL cũng biến đổi theo thời gian theo cùng

dạng tín hiệu quang. Vì điều chế pha phi tuyến này do chính bản thân tín hiệu gây ra

nên được gọi là tự điều chế pha (SPM). Rõ ràng rằng SPM gây ra sự chirp tần tỉ lệ

với đạo hàm ���� ��⁄ và phụ thuộc vào dạng xung. Hình 2-41 cho thấy sự biến đổi

sự dịch pha phi tuyến và chirp tần của xung khi ������� = 1 trong các trường hợp

xung Gauss (m = 1) và xung siêu Gauss (m = 3). Chirp tần gây ra bởi SPM sẽ mở

rộng phổ và tác động đến dạng xung thông qua GVD. Để SPM không ảnh hưởng

đến hệ thống thông tin quang, cần thiết giữ f��

≪ 1 (mức cho phép lớn nhất có thể

bằng 0,1).

Hình 2-41 Sự biến đổi theo thời gian gây ra bởi SPM: (a) độ dịch pha fNL và (b) độ chirp tần cho các xung Gauss (đường đứt nét) và siêu Gauss (đường liền).

b. Quá trình điều chế pha chéo

Sự phụ thuộc chiết suất vào cường độ cũng có thể dẫn tới một hiện tượng phi

tuyến khác gọi là điều chế pha chéo (XPM). Quá trình xảy ra khi hai hoặc nhiều hơn

một kênh bước sóng được phát đồng thời trong sợi quang. Trong các hệ thống như

vậy, sự dịch pha phi tuyến của một kênh xác định không chỉ phụ thuộc vào công

suất của kênh đó mà còn vào công suất của các kênh khác. Độ dịch pha của kênh

thứ j sẽ là

(2.153)

Hệ số 2 trong (2.153) có nguồn gốc theo dạng độ cảm ứng điện phi tuyến và chỉ ra

rằng XPM hiệu suất gấp hai lần SPM ở cùng mức công suất. Sự dịch pha tổng cộng

PTIT

74

phụ thuộc vào công suất tất cả các kênh và biến đổi từ bit này sang bit khác phụ

thuộc vào mẫu bít của các kênh lân cận. Nếu giả sử các kênh có công suất bằng

nhau thì độ dịch pha trong trường hợp tệ nhất mà ở đó tất cả các kênh mang bit 1

đồng thời và tất cả các xung xếp chồng lên nhau sẽ được xác định bởi

(2.154)

Nó rất khó để ước tính tác động của XPM lên hệ thống thông tin quang sợi vì sự có

mặt của GVD. Thực tế các xung ở các kênh bước sóng khác nhau lan truyền ở tốc

độ khác nhau do tán sắc. Sự dịch pha do XPM chỉ xảy ra khi hai xung xếp chồng

nhau về mặt thời gian. Nếu các kênh cách xa nhau thì chúng xếp chồng trong thời

gian rất ngắn nên XPM có thể bỏ qua. Còn nếu không các xung ở các kênh lân cận

sẽ có thể xếp chồng nhau đủ dài để hiệu ứng XPM tích lũy ảnh hưởng đến hệ thống.

2.6.4Trộn bốn sóng

Hiện tượng phi tuyến gọi là trộn bốn sóng (FWM) cũng có nguồn gốc từ c(3).

Nếu ba trường quang có các tần số sóng mang 1, 2 và 3 kết hợp đồng thời trong

sợi quang, c(3) sẽ sinh ra trường thứ tư có tần số 4 liên hệ với các tần số khác qua

hệ thức � = � ± � ± �. Trong thực tế các tổ hợp này còn đòi hỏi sự phối hợp

pha. Thường tổ hợp � = � + � − � được quan tâm vì ảnh hưởng đến hệ thống

đa kênh và dễ phối hợp pha khi các kênh hoạt động ở sát bước sóng tán sắc không.

Khi � = � ta có quá trình FWM suy biến như mô tả trong hình 2-.

Hình 2-42 Quá trình trộn bốn sóng (a) trường hợp suy biến và (b) trường hợp không suy biến

Điều kiện phối hợp pha bắt nguồn từ yêu cầu bảo toàn xung lượng của quá

trình. Vì tất cả bốn sóng lan truyền cùng chiều nên độ sai lệch pha có thể được viết

thành

(2.155)

PTIT

75

trong đó () là các hằng số lan truyền của trường quang tại tần số . Trong trường

hợp suy biến � = �, � = � + W và � = � − W , trong đó W là khoảng cách

kênh. Sử dụng khai triển Taylor trong (2.), độ lệch pha có thể xác định đơn giảnlà

∆= �W�. Quá trình FWM được phối hợp pha hoàn toàn khi

�= 0. Khi 2 nhỏ

quá trình vẫn có thể xảy ra và truyền công suất từ kênh này sang các kênh lân cận

gần nhất. Quá trình truyền công suất như vậy không chỉ gây ra suy hao công suất

của kênh mà còn gây xuyên âm làm suy giảm nghiêm trọng hiệu năng hệ thống.

Tuy nhiên FWM cũng được sử dụng trong các ứng dụng xử lý tín hiệu quang như

tách kênh quang, chuyển đổi bước sóng hay làm bộ liên hợp pha quang.

2.7Cáp sợi quang

2.7.1Chế tạo sợi quang

Như đã đề cập trong phần 2.1.2 hầu hết các sợi quang sử dụng trong viễn

thông là sợi thủy tinh. Loại thủy tinh trong suốt sử dụng chủ yếu trong chế tạo sợi

quang là thủy tinh ôxit silic (SiO2) có chiết suất 1,458 tại 850 nm. Để tạo ra hai loại

vật liệu khác nhau một chút về chiết suất cho phần lõi và vỏ sợi quang thì một số

tạp chất như B2O3, GeO2 hay P2O5 được thêm vào nền thủy tinh SiO2. Phụ thuộc

vào các loại tạp chất được thêm vào mà chiết suất của thủy tinh có thể tăng thêm

hay giảm đi so với vật liệu tinh khiết ban đầu như thấy ở hình 2-43. Một số ví dụ về

các thành phần sợi quang như:

- Lõi GeO2-SiO2; vỏ SiO2

- Lõi P2O5-SiO2; vỏ SiO2

- Lõ SiO2; Vỏ B2O3-SiO2

- Lõi GeO2-B2O3-SiO2; vỏ B2O3-SiO2

Hình 2-43 Sự biến đổi chiết suất theo nồng độ pha tạp trong thủy tinh SiO2.

PTIT

76

Có hai kiểu kỹ thuật cơ bản chế tạo sợi quang: Kỹ thuật chế tạo bằng nóng

chảy trực tiếp (1 giai đoạn) và kỹ thuật chế tạo sợi từ phôi (2 giai đoạn). Kỹ thuật

chế tạo nóng chảy trực tiếp là kỹ thuật truyền thống ban đầu được sử dụng để sản

xuất sợi quang bằng cách làm nóng chảy các thành phần thủy tinh đã được tinh chế

để kéo trực tiếp thành sợi quang. Mặc dù kỹ thuật này cho phép kéo sợi liên tục

bằng việc nạp các nguyên liệu thành phần đầu vào nồi nung chảy, nhưng nó thường

chỉ sử dụng cho thủy tinh có điểm nóng chảy thấp và khó điều khiển để đảm bảo sợi

quang được kéo ra đồng đều gây ảnh hưởng đến tính năng sử dụng của sợi. Do vậy

hiện nay phương pháp hai giai đoạn được sử dụng bao gồm giai đoạn đầu chế tạo ra

phôi sợi và giai đoạn hai thực hiện kéo sợi quang từ phôi được sản xuất.

Quá trình chế tạo phôi sợi quang được thực hiện qua quá trình ôxy hóa pha

hơi hay phương pháp lắng đọng pha hơi hóa chất. Trong quá trình này, các hóa chất

clorua kim loại (VD: SiCl4 và GeCl4) có độ tinh khiết cao sẽ phản ứng hóa học với

ôxy để hình thành các hạt muội SiO2. Các hạt muội này sẽ tập hợp bám trên bề mặt

của một thủy tinh dạng khối bằng một trong 4 kỹ thuật thông thường được sử dụng

khác nhau và sau đó được thiêu kết (chuyển thành dạng nền thủy tinh đồng nhất

bằng nhiệt nung) để hình thành một thanh hoặc ống thủy tinh. Thanh hoặc ống thủy

tinh này được gọi là phôi có kích thước điển hình khoảng 10 – 25 mm đường kính

và dài khoảng 60-120 cm. Cấu trúc của phôi cũng tương tự như cấu trúc của sợi

quang được kéo ra sau này nhưng khác nhau về kích thước. Bốn kỹ thuật thông

thường được sử dụng để chế tạo phôi đó là:

- Phương pháp lắng đọng pha hơi bên ngoài (OVD)

- Phương pháp lắng đọng pha hơi theo trục (AVD)

- Phương pháp lắng đọng pha hơi bên trong (MCVD)

- Phương pháp lắng đọng pha hơi hoạt tính bằng plasma (PCVD)

Giai đoạn tiếp theo, sợi quang được kéo từ phôi bằng việc sử dụng hệ thống

thiết bị kéo sợi như trong hình 2-44.Phôi sẽ được nạp chính xác vào lò nung gọi là

lò kéo. Tại đây đầu phôi sẽ mềm ra tới điểm để có thể được kéo thành sợi mỏng tức

sợi quang. Tốc độ quay của trống sợi tại đáy của tháp lò kéo sẽ xác định tốc độ kéo

sợi. Vì vậy nó sẽ quyết định độ dày hay kích thước của sợi quang, do đó tốc độ

quay chính xác cần phải được đảm bảo. Một bộ giám sát kích thước sợi quang được

sử dụng trong một mạch vòng hồi tiếp để điều chỉnh tốc độ này. Để bảo vệ sợi

quang thủy tinh khỏi sự nhiễm bẩn như hơi nước và bụi thì một lớp bọc đàn hồi từ

PTIT

77

vật liệu polymer được thực hiện cho sợi ngay khi nó được kéo ra. Độ dày của lớp

bọc bảo vệ này thường khoảng 250 µm.

Hình 2-44 Hệ thống kéo sợi quang từ phôi.

2.7.2 Cáp sợi quang

Để sử dụng được trong thực tế, sợi quang trần sau khi được sản xuất sẽ được

tiếp tục bện thành cáp sợi quang để đảm bảo độ bền cơ học khi sử dụng.Một đặc

tính cơ học quan trọng của cáp sợi quang là tải trục cho phép lớn nhất lên cáp vì yếu

tố này xác định độ dài cáp có thể được lắp đặt một cách đảm bảo. Trong các cáp

đồng bản than dây dẫn đồng nói chung là các thành phần mang tải chính của cáp và

độ dãn dài có thể lớn hơn 20% mà không bị gãy. Nói cách khác, các sợi quang khỏe

nhất cũng có thể bị gãy ở mức kéo dãn 4%, còn các sợi quang điển hình có độ kéo

dãn gãy sợi chỉ khoảng 0,5 – 1%. Vì độ mỏi tĩnh xảy ra rất nhanh ở mức ứng suất

PTIT

78

trên 40% độ dãn cho phép và rất chậm ở mức dưới 20%, nên độ dãn của sợi trong

quá trình sản xuất và lắp đặt cáp cần được giới hạn ở mức 0,1 – 0,2%.

Hình 2-45 Một ví dụ một cấu trúc cáp sợi quang điển hình.

Cấu trúc cáp phụ thuộc vào loại ứng dụng mà cáp được sử dụng, nhưng vẫn

có các nguyên tắc cơ bản chung cho thiết kế cáp sợi quang. Một cấu trúc cáp sợi

quang cơ bản bao gồm các thành phần chính sau: lõi cáp, thành phần gia cường,

chất độn và vỏ cáp.

Thành phần gia cường giúp bảo vệ sợi quang khỏi các tác động cơ học và giữ

ổn định cho cáp khi lắp đặt và sử dụng. Có hai loại thành phần gia cường tùy thuộc

vào vị trí của chúng trong cáp đó là thành phần gia cường trung tâm và thành phần

gia cường bao xung quang. Thường các dây thép được sử dụng làm thành phần gia

cường chính cho cáp. Nhưng trong một số ứng dụng đòi hỏi một cấu trúc không kim

loại hoặc để tránh các hiệu ứng cảm ứng điện từ hoặc để giảm trọng lượng của cáp,

các thành phần gia cường phi kim loại và các sợi tổng hợp có độ bền kéo căng cao

sẽ được sử dụng. Một loại sợi quen thuộc là Kevlar, một vật liệu nylon tổng hợp

mầu vàng mềm nhưng dai thuộc về một họ sợi chung gọi là aramit. Quá trình chế

tạo cáp tốt sẽ cách ly các sợi quang khỏi các thành cáp khác như thành phần gia

cường, giữ cho chúng sát với trục trung tâm của cáp và cho phép các sợi dịch

chuyển tự do khi cáp bị gập hoặc kéo căng.

Phần lõi cáp bao gồm các sợi quang đã được bọc đệm được bện xoắn quanh

thành phần gia cường trung tâm hoặc được đặt vào một lõi có rãnh xoắn sẵn có

được làm từ vật liệu nhựa.Có một số kiểu xoắn sợi quang trong lõi cáp như: kiểu S

(xoắn thuận), kiểu Z (xoắn nghịch) và kiểu hỗn hợp SZ. Việc xoắn sợi cũng giúp

đảm bảo và làm cho chiều dài thực tế của sợi quang dài hơn so với chiều dài cáp.

Tùy thuộc vào số lượng sợi mà phần lõi có thể được sắp xếp theo dạng lớp hay theo

dạng đơn vị như cho thấy trong hình … Các dải băng nhựa hoặc giấy được sử dụng

PTIT

79

để quấn bao bọc phần lõi để giữ ổn định cấu trúc lõi và gắn kết các nhóm sợi quang

với nhau.

Hình 2-46 Các kiểu bọc đệm sợi quang (a) Bọc đệm chặt, (b) bọc đệm lỏng, (c) bọc đệm dạng băng dẹt.

Trước khi được bện xoắn, các sợi quang cần được bọc đệm thêm cho sợi

quang trần. Có hai kiểu bọc đệm sợi quang: bọc đệm chặt và bọc đệm lỏng. Các cáp

với các sợi được bọc đệm chặt thường được sử dụng trong nhà, trong khi cácsợi

được bọc đệm lỏng được sử dụng trong cấu trúc cáp ngoài trời. Một kiểu cấu trúc

bọc đệm nữa là dạng băng dẹt, một dạng mở rộng của bọc đệm chặt. Trong cấu trúc

đệm chặt như ví dụ trong hình 2-46(a), sợi quang trần có lớp bọc đệm 250 µm sẽ

được tiếp tục bọc thêm lớp đệm nhựa ôm sát sợi với độ dày cỡ 900 µm. Trong cấu

trúc đệm lỏng, các sợi quang trần được bọc trong một ống nhựa dẻo có đường kính

trong lớn hơn nhiều đường kính sợi trần như ví dụ trong hình 2-46(b). Trong cấu

trúc này, sợi quang dịch chuyển được tự do trong ống đệm bảo vệ sợi khỏi sự kéo

căng cấu trúc cáp gây ra bởi một số yếu tố như thay đổi nhiệt độ, lực tải tác động.

Trong trường hợp cáp nhiều sợi, để đơn giản việc hàn nối cáp, các nhà thiết kế hay

lựa chọn cấu trúc dải băng dẹt. Trong kiểu cấu trúc này, nhiều sợi quang được đồng

chỉnh chính xác với nhau và được bọc bởi một lớp đệm nhựa để hình thành một dải

băng dài liên tục. Số lượng sợi trong mỗi dải băng thường trong dải từ 4 đến 12 sợi.

Các dải băng này có thể được sắp xếp chồng lên nhau để hình thành các khối hay bó

sợi với số lượng lớn (VD: 144 sợi). Các lớp bọc đệm hoặc ống đệm sợi quang

thường được đánh các mầu khác nhau trong cấu trúc cáp nhiều sợi để giúp dễ dàng

nhận biết chính xác sợi quang trong quá trình lắp đặt và hàn nối.

Chất độn là dạng chất gel hay mỡ được sử dụng để điền đầy trong các ống

đệm lỏng hay các khoảng trống trong cáp có khả năng chống ẩm, chống thấm nước

và không phản ứng hóa học với các thành phần khác và khó cháy.

PTIT

Vỏ cáp bao bọc toàn b

bảo độ bền ép và các ứng su

không bị hỏng. Lớp vỏ cũng b

môi hóa chất, dầu và các ch

có các kiểu vỏ cáp khác nhau trong c

sử dụng các loại nhựa polymer như

PE (Polyethylene). Vật liệu PE thư

Phụ thuộc vào các ứng d

điểm riêng. Các cáp sợi quang có th

theo mục đích sử dụng hoặc theo đi

Hình 2-47 Ví dụ về cấu trúc cáp s

2.7.3 Hàn và kết nối s

a. Các yếu tố ảnh hư

Có một số yếu tố ảnh hư

chất lượng mặt cắt đầu sợi, v

của hai sợi quang.

Hình 2-48 Ví d

Các đầu sợi quang trư

nhất để giảm thiểu suy hao khi k

bề mặt phẳng nhẵn và vuông góc

c toàn bộ cấu trúc cáp cần có đặc tính cơ lý hóa h

ng suất kéo căng tác động lên cáp để các sợi bên trong

ũng bảo vệ cáp khỏi sự cọ sát mài mòn, độ ẩ

u và các chất nhiễm bẩn khác. Tuy thuộc vào loại cáp ứ

cáp khác nhau trong cấu trúc. Vật liệu sử dụng để làm vỏ

a polymer như PVC (Polyvinylclorua), PU (Polyurethan) hay

u PE thường hay sử dụng cho vỏ cáp ngoài trờ

ng dụng cụ thể của cáp quang mà cấu trúc cáp có các đ

i quang có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau

c theo điều kiện lắp đặt.

u trúc cáp sợi quang (a) Cáp ngoài trời, (b) Cáp quang bi

i sợi quang

nh hưởng đến suy hao mối nối sợi quang

nh hưởng đến suy hao mối nối hai đầu sợi quang bao g

i, vị trí tương đối giữa hai đầu sợi và độ lệch các tham s

48 Ví dụ về đầu sợi quang được cắt không đảm bảo.

i quang trước khi kết nối được chuẩn bị đảm bảo ch

u suy hao khi kết nối. Một đầu sợi quang tốt cần đảm b

n và vuông góc với trục sợi. Chất lượng đầu sợi này đư

80

ý hóa học tốt đảm

i bên trong lõi

ẩm, các dung

ứng dụng mà

ỏ cáp thường

PVC (Polyvinylclorua), PU (Polyurethan) hay

ời.

u trúc cáp có các đặc

u cách khác nhau

i, (b) Cáp quang biển.

i quang bao gồm

ch các tham số

o chất lượng tốt

m bảo sạch với

i này được xác định

PTIT

chủ yếu qua bước cắt đầu s

mẻ hoặc ghồ ghề như ví dụ

Hình 2-49 Các lỗi đồng chỉnh cơ b

Hình 2-50 Sự

Trong quá trình kết n

liên quan đến quá trình đồng ch

ba kiểu lỗi đồng chỉnh cơ b

gồm lệch tâm, khe hở và lệ

lệch nhau một khoảng d và là y

giảm diện tích xếp chồng củ

dẫn tới sự giảm lượng công su

hở xảy ra khi các sợi được đ

giữa hai đầu sợi làm cho ph

bởi sợi thu gây ra suy hao như cho th

lệch nhau một góc tại mối n

ngoài góc tiếp nhận của sợi thu s

nghiệm gây ra bởi các lỗi đ

mode GI tại hai đường kính lõi 50 và 55

được chuẩn hóa theo bán kính c

độ số cực đại của sợi. Hình

chiếm nhiều nhất gây ra do s

hàn nối có thể đạt được nhỏ

lỗi nên nhỏ hơn 0,5 dB. Tron

bỏ qua, nhưng đối với connector hai đ

u sợi, việc cắt đầu sợi không tốt sẽ làm cho đ

trong hình 2-48 gây ra suy hao lớn khi kết n

nh cơ bản có thể xảy ra khi kết nối. (a) Lệch tâm, (b) Khe h(c) Lệch trục.

ự lệch tâm và khe hở giữa hai đầu sợi quang.

t nối hai đầu sợi quang, vị trí tương đối giữa hai đ

ng chỉnh ảnh hưởng có nghĩa đến chất lượng hàn n

cơ bản giữa hai đầu sợi như cho thấy trong hình

ệch trục. Sự lệch tâm xảy ra khi các trục củ

ng d và là yếu tố thường gặp trong thực tế. Sự lệch t

ủa hai bề mặt đầu sợi như cho thấy trong hình

ng công suất quang được ghép cặp từ sợi này sang s

c đồng chỉnh thẳng hàng về trục nhưng có m

làm cho phần công suất quang của một số mode bậc cao s

i thu gây ra suy hao như cho thấy trong hình 2-50(b). Khi các tr

i nối thì phần công suất quang đi ra khỏi sợi đ

i thu sẽ bị mất mát. Mức tổn hao được so sánh qua th

i đồng chỉnh được thể hiện qua hình 2-51 đố

ng kính lõi 50 và 55 µm. Ở đây độ lệch tâm và kho

n hóa theo bán kính của sợi a, còn độ lệch trục được chuẩn hóa theo kh

i. Hình 2-51 cho thấy rằng trong ba lỗi đồng chỉnh thì suy hao

t gây ra do sự lệch tâm. Trong thực tế độ lệch trục chu

ỏ hơn 1% (tương đương 1o) và mức suy hao c

hơn 0,5 dB. Trong trường hợp hàn nóng chảy, suy hao do khe h

i connector hai đầu sợi sẽ cách nhau một khe hở

81

làm cho đầu sợi bị sứt

t nối.

ch tâm, (b) Khe hở,

a hai đầu sợi

ng hàn nối. Có

y trong hình 2-49 bao

ủa hai sợi bị

ch tâm sẽ làm

ong hình 2-50(a) và

i này sang sợi kia. Khe

c nhưng có một khe hở s

c cao sẽ bị chặn

Khi các trục hai sợi bị

i đầu sẽ nằm

c so sánh qua thực

ối với sợi đa

ch tâm và khoảng khe hở

n hóa theo khẩu

nh thì suy hao

c chuẩn hóa trong

c suy hao của tất cả các

y, suy hao do khe hở có thể

nhỏ để tránh

PTIT

sự cọ sát vào nhau gây hỏng trong khi k

phạm vi từ 0,025 đến 0,1 mm.

Hình 2-51 So sánh th

Một yếu tố nữa ảnh hư

thông số hai sợi kết nối như khác nhau v

khác về khẩu độ số hay có đ

được coi là yếu tố khách quan do chính s

số này là không tránh khỏi khi k

Hình 2-52 Mô tả sự khác bi

b. Hàn nóng chảy

Kỹ thuật hàn nóng ch

nhau dọc trên tuyến truyền d

đảm bảo yêu cầu sẽ được đ

ng trong khi kết nối. Khoảng cách khe hở thư

n 0,1 mm.

So sánh thực nghiệm suy hao (theo dB) do các lỗi đồng ch

nh hưởng đến suy hao hàn nối đó là sự khác bi

i như khác nhau về đường kính lõi, khác về đườ

hay có độ méo khác nhau như mô tả trong hình 2-52

khách quan do chính sợi quang gây ra. Sự khác biệt v

i khi kết nối sợi quang từ các nhà sản xuất khác nhau.

khác biệt các thông số sợi quang ảnh hưởng đến suy hao hàn n

t hàn nóng chảy được sử dụng để nối vĩnh viễn hai sợ

n dẫn. Hai đầu sợi quang sau khi được làm s

c đặt vào bộ giữ sợi rãnh chữ V trong máy hàn nóng ch

82

thường trong

ng chỉnh.

khác biệt về các

ờng kính vỏ,

52. Đây có thể

t về các tham

t khác nhau.

n suy hao hàn nối.

ợi quang với

c làm sạch và cắt

y hàn nóng chảy

PTIT

như hình 2-53. Các đầu sợi s

công hoặc tự động. Hiện nay h

động đồng chỉnh đầu sợi nh

máy hàn.

Hình 2

Sau khi đã đồng chỉnh t

hoặc bằng xung laser đến m

Quá trình đốt nóng có thể

được đốt nóng ở mức công su

nóng ở giai đoạn sau với mứ

này có thể tạo ra mối hàn có suy hao th

0,06 dB).

c. Connector quang

Sử dụng connector quang đ

hàn nóng chảy nhưng lại cho

thống. Có nhiều loại connector quang khác nhau

khác nhau và cũng tiến triể

quang tốt sẽ có suy hao ghép n

dàng tháo lắp. Hình 2-54 cho th

trong hệ thống thông tin quang. Các đ

adapter quang tương ứng như trong h

kết nối connector quang cỡ

thực hiện qua tiếp xúc vật lý (PC), do v

xạ tại đầu sợi kết nối gây ả

phần ánh sáng phản xạ tại đi

nghiêng (APC) sẽ được sử d

i sẽ được đưa vào gần nhau và được đồng ch

n nay hầu hết các máy hàn nóng chảy đều có kh

i nhờ hệ thống camera giám sát và đo kiểm tự

2-53 Kỹ thuật hàn nóng chảy sợi quang

nh tốt, hai đầu sợi được đốt nóng bằng tia hồ

n mức các đầu sợi bị nóng chảy tức thì và gắn k

thực hiện qua hai giai đoạn: giai đoạn đầu các đ

c công suất thấp để làm sạch các đầu sợi trước khi đư

ức công suất lớn hơn để làm nóng chảy đầu s

i hàn có suy hao thấp (có giá trị trung bình điển hình nh

Connector quang

ng connector quang để kết nối mặc dù có suy hao lớn hơn so v

i cho phép khả năng tháo lắp một cách linh ho

i connector quang khác nhau được sử dụng trong các

ển theo sự phát triển của hệ thống. Một lo

có suy hao ghép nối thấp, ổn định khi sử dụng, độ tin cậ

cho thấy một số loại connector quang điển hình s

ng thông tin quang. Các đầu connector quang được kết nối v

ng như trong hình 2-55. Hiện nay suy hao trung bình c

ỡ 0,3 dB. Thông thường kết nối connector quang đư

t lý (PC), do vậy có thể có một phần nhỏ ánh sáng b

ảnh hưởng đến hệ thống. Trong một số hệ th

i điểm kết nối phải rất nhỏ, các connector quang có đ

dụng.

83

ng chỉnh bằng thủ

u có khả năng tự

ự động trong

ồ quang điện

n kết với nhau.

u các đầu sợi

c khi được đốt

u sợi. Kỹ thuật

n hình nhỏ hơn

n hơn so với mối

t cách linh hoạt trên hệ

ng trong các ứng dụng

t loại connector

ậy cao và dễ

n hình sử dụng

i với nhau qua

n nay suy hao trung bình của một

i connector quang được

ánh sáng bị phản

thống yêu cầu

, các connector quang có đầu vát

PTIT

84

Hình 2-54 Một số loại connector quang điển hình

Hình 2-55 Một số loại adapter tương ứng để kết nối các connector quang

PTIT

85

Chương 3 Bộ phát quang

Bộ phát quang là một trong các thành phần quan trọng nhất của hệ thống

thông tin sợi quang. Bộ phát tín hiệu quang có chức năng chuyển đổi tín hiệu thông

tin đầu vào là tín hiệu điện thành tín hiệu quang tương ứng và ghép vào trong sợi để

truyền dẫn tín hiệu. Thành phần chủ yếu nhất của bộ phát tín hiệu quang chính là

các nguồn quang, thường được chế tạo từ vật liệu bán dẫn. Hai loại nguồn quang

bán dẫn được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống thông tin sợi quang là diode phát

quang LED và laser bán dẫn LD nhờ những ưu điểm về kích thước nhỏ gọn, hiệu

suất phát xạ cao, độ tin cậy đảm bảo, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp

tương xứng với kích thước lõi sợi và khả năng điều chế trực tiếp tại các tần số tương

đối cao. Điểm khác biệt lớn nhất giữa LED và LD đó là ánh sáng phát ra tại LED là

ánh sáng không kết hợp trong khi với LD thì đó là ánh sáng kết hợp. Về mặt cấu

tạo, cấu trúc LED không tồn tại hộp cộng hưởng.

3.1 Một số vấn đề cơ bản trong vật lí quang bán dẫn

3.1.1 Quá trình phát xạ và hấp thụ

Trong điều kiện bình thường, các vật liệu bán dẫn hấp thụ ánh sáng nhiều

hơn là phát xạ. Hình 3.1 dưới đây sẽ giải thích hiện tượng hấp thụ ánh sáng cụ thể

hơn, E1 và E2 tương ứng với mức năng lượng nền và mức năng lượng kích thích của

nguyên tử trong môi trường hấp thụ. Nếu một photon có năng lượng hυ với υ là tần

số của ánh sáng đến đúng bằng với năng lượng dải cấm Eg = E2 – E1 thì năng lượng

của photon sẽ bị hấp thụ bởi nguyên tử, kết quả là nguyên tử đang ở mức năng

lượng nền sẽ được chuyển lên mức năng lượng kích thích. Năng lượng ánh sáng bị

hấp thụ nên ánh sáng bị mất đi. Đây chính là hiện tượng hấp thụ ánh sáng. Thông

thường, các nguyên tử tồn tại bền vững hơn ở mức năng lượng nền, khi tồn tại ở các

mức năng lượng cao hơn sẽ có xu hướng chuyển về mức năng lượng thấp hơn sau

một khoảng thời gian nhất định. Vì thế, khi nguyên tử ở mức năng lượng kích thích

chuyển về mức năng lượng nền sẽ phát xạ ánh sáng. Quá trình phát xạ này phân làm

PTIT

86

hai loại là quá trình phát xạ tự phát và phát xạ kích thích. Trong trường hợp phát xạ

tự phát, photon phát xạ có hướng và pha là ngẫu nhiên. Trong trường hợp phát xạ

kích thích, tại thời điểm nguyên tử đang ở mức năng lượng kích thích có một

photon khác đi đến làm tác nhân kích thích nguyên tử này, do đó nguyên tử khi

chuyển từ trạng thái kích về trạng thái nền sẽ phát xạ photon ánh sáng cùng pha

cùng tần số với ánh sáng kích thích. Tất cả các laser, bao gồm cả các laser bán dẫn

phát xạ dựa trên quá trình phát xạ kích thích, và ánh sáng phát xạ của laser được gọi

là ánh sáng kết hợp. Ngược lại, LED phát xạ ánh sáng không kết hợp do phát xạ dựa

trên quá trình phát xạ tự phát.

Hình 3.1 Các quá trình quang cơ bản cuả vật chất: a) Quá trình hấp thụ;

b) Quá trình phát xạ tự phát; c) Quá trình phát xạ kích thích

Để thảo luận về tốc độ phát xạ và hấp thụ trong vật liệu bán dẫn, không mất

tính tổng quát, giả thiết rằng các vật liệu bán dẫn đều là hệ thống nguyên tử gồm hai

mức năng lượng tương tác trong trường điện từ như mô tả trong hình 3.1. Nếu N1

và N2 lần lượt là mật độ hạt ở mức năng lượng nền và mức năng lượng kích thích

và ρph(υ) là mật độ phổ của năng lượng điện từ, thì biểu thức tương ứng của tốc độ

phát xạ tự phát, tốc độ phát xạ kích thích và tốc độ hấp thụ là

����� = ���, ����� = ������, ���� = �′�����, (3.1)

Với A, B và B’ là các hằng số. Trong điều kiện cân bằng nhiệt, mật độ các

hạt tải được phân bố theo quá trình Boltzmann,

� �

� �= exp (− �� /�� �) ≜ exp (− ℎ�/�� �) (3.2)

Với kB là hằng số Bolztmann và T là nhiệt độ tuyệt đối. Bởi vì N1 và N2

không đổi theo thời gian trong điều kiện cân bằng nhiệt nên tốc độ chuyển mức là

bằng nhau

��� + ������ = �′����� (3.3)

E1

E2

hυ

E1

E2

hυ

hυ

hυ

E1

E2

hυ

PTIT

87

Thay (3.2) vào (3.3), hàm mật độ phổ ��� trở thành

��� =�/�

�� ′

�����(��/�� �)��

(3.4)

Trong điều kiện cân bằng nhiệt, ��� là đồng nhất với mật độ phổ của phát xạ

blackbody đưa ra bởi công thức Plank

��� =�����/��

���(��/�� �)�� (3.5)

So sánh hai biểu thức (3.4) và (3.5) rút ra được mối quan hệ sau

� = (8�ℎ��/��)�; �′ = � (3.6)

Biểu thức trên đã được Einstein công bố lần đầu tiên, vì thế A và B được gọi

là hệ số Einstein.

Hai kết luận quan trọng được rút ra qua các biểu thức (3.1) đến (3.6), đó là:

Thứ nhất, Rspon có thể vượt quá cả Rstim và Rabs nếu �� � > ℎ�, tức là trong điều

kiện nhiệt độ cao. Thứ hai, đối với phát xạ trong vùng nhìn thấy hoặc vùng hồng

ngoại (ℎ�~ 1��), phát xạ tự phát thường chiếm ưu thế hơn phát xạ kích thích trong

điều kiện cân bằng nhiệt ở nhiệt độ phòng (�� � ≈ 25��� ) bởi vì

�����

�����= [���(ℎ�/�� �) − 1]�� ≪ 1 (3.7)

Vì vậy, tất cả laser phải hoạt động ở điều kiện cách xa cân bằng nhiệt bằng

cách sử dụng nguồn laser bơm như là một nguồn năng lượng bên ngoài tăng cường.

Thậm chí đối với nguyên tử được thêm năng lượng bơm bên ngoài, phát xạ

kích thích cũng có thể không phải là quá trình chiếm ưu thế vì cần cân bằngquá

trình hấp thụ của nguyên tử. Rstim chỉ vượt quá Rabs chỉ khi nào N2 > N1. Điều

kiện này được gọi là điều kiện đảo lộn mật độ, và nó không bao giờ xảy ra trong

điều kiện cân bằng nhiệt.

Điều kiện đảo lộn mật độ là tiên quyết đối với hoạt động của laser. Trong các

nguyên tử, điều này đạt được bằng cách sử dụng cơ chế bơm 3 hay 4 mức sao cho

nguồn năng lượng bên ngoài làm chuyển mật độ hạt ở mức nền lên các mức cao

hơn.

Khi xem xét về tốc độ hấp thụ và phát xạ trong vật liệu bán dẫn thì cần tính

đến các dải năng lượng. Phát xạ tự phát chỉ xảy ra khi tại mức năng lượng E2 được

lấp đầy bởi các hạt điện tử trong khi ở mức năng lượng E1 lấp đầy bởi các lỗ trống.

PTIT

88

Xác suất tồn tại điện tử tại lớp dẫn và lớp hóa trị được cho bởi phân bố Fermi –

Dirac

��(��) = �1 + ��� [(�� − ���)/�� �]���

(3.8)

��(��) = �1 + ��� [(�� − ���)/�� �]���

(3.9)

với ��� và ��� là các mức Fermi. Tốc độ phát xạ tự phát tổng cộng tại tần số

góc ω bằng tổng của tất cả các dịch chuyển có thể giữa hai mức năng lượng sao cho

E1 – E2 = Eem = hω/2π với ω = 2πυ và Eem là năng lượng của photon phát xạ. Kết

quả là

�����(�) = ∫ �(��,��)��(��)[1 − ��(��)]���∞

����� (3.10)

Với ��� là mật độ kết hợp của các trạng thái, được định nghĩa bằng số lượng

trạng thái trên một đơn vị độ lớn trên một đơn vị năng lượng và được cho bằng

��� =(���)

��

�������� �

� �ℎ� − �� ��/�

(3.11)

Trong phương trình này, Eg là năng lượng dải cấm và mr là khối lượng suy

giảm, được tính bằng � � = � �� � (� � + � � )⁄ với � � và � � là khối lượng hiệu

dụng các điện tử và lỗ trống tương ứng trong dải dẫn và dải hóa trị. Do ��� là độc

lập với E2 trong phương trình (3.10) nên hoàn toàn có thể đưa ra ngoài dấu tích

phân.

Với cách tính toán tương tự, tốc độ phát xạ kích thích và tốc độ hấp thụ sẽ

thu được như sau

�����(�) = ∫ �(��,��)��(��)[1 − ��(��)]������∞

����� (3.12)

����(�) = ∫ �(��,��)��(��)[1 − ��(��)]������∞

����� (3.13)

với ���(�) là mật độ phổ của photon được tính theo công thức (3.1). So sánh hai

phương trình (3.12) và (3.13) rút ra điều kiện đảo lộn mật độ ����� > ���� là

��(��) > ��(��). Nếu áp dụng hai phương trình (3.8) và (3.9) sẽ thấy điều kiện đảo

lộn mật độ xảy ra khi

��� − ��� > �� − �� > �� (3.14)

Do giá trị nhỏ nhất của �� − ��bằng �� nên để đảo lộn mật độ xảy ra thì

khoảng phân tách giữa các mức Fermi phải vượt quá năng lượng dải cấm. Trong

điều kiện cân bằng nhiệt, hai mức Fermi coi như trùng nhau (��� = ���). Hai mức

PTIT

89

này có thể được tách biệt nhờ sử dụng nguồn năng lượng bơm từ bên ngoài đưa vào

vật liệu bán dẫn. Cách thức thuận tiện nhất để bơm vào vật liệu bán dẫn là sử dụng

tiếp giáp p – n phân cực thuận.

Vật liệu bán dẫn cho phép xảy ra các hiện tượng quang điện bên trong nó

được gọi là vật liệu bán dẫn quang. Trong phạm vi của tài liệu này, chúng ta chỉ đề

cập đến các vật liệu bán dẫn quang.

3.1.2 Các vật liệu bán dẫn

Trong nghiên cứu về các phần tử của hệ thống thông tin quang, việc tìm hiểu

về vật liệu bán dẫn quang cũng như các hiện tượng quang điện xẩy ra là các nhân tố

cơ bản. Vật liệu bán dẫn có khả năng dẫn điện nằm giữa kim loại và vật liệu cách

điện. Để tìm hiểu cụ thể hơn, ta xem xét một vật liệu cụ thể là nguyên tố Silic ở lớp

4 của bản tuần hoàn hóa học. Nguyên tử Si gồm bốn điện tử lớp ngoài, thực hiện

liên kết cộng hóa trị với nguyên tử lân cận trong mạng tinh thể. Trong điều kiện

nhiệt độ thấp và tinh thể trong suốt, dải dẫn của vật liệu hoàn toàn không có điện tử

trong khi dải hóa trị lại được lấp đầy các hạt dẫn. Hai dải năng lượng này được phân

cách bởi một khoảng năng lượng được gọi là năng lượng dải cấm. Trong khoảng

năng lượng này, không tồn tại một mức năng lượng nào khác cả. Giả thiết điều kiện

nhiệt độ tăng lên đến một mức nào đó, một số điện tử chuyển động nhiệt vượt qua

được năng lượng dải cấm làm cho số điện tử tự do tập trung tại dải dẫn tăng lên,

đồng thời để lại một số lượng tương tự lỗ trống trong dải hóa trị. Các điện tử và lỗ

trống này đều chuyển động tự do trong vật liệu nên tạo thành các hạt dẫn trong vật

liệu, lúc này vật liệu lại có tính dẫn điện. Tức là, các điện tử trong dải hóa trị được

dịch chuyển để lấp đầy các lỗ trống, vì thế tạo ra dòng dịch chuyển lỗ trống ngược

hướng với dòng dịch chuyển của điện tử.

Nồng độ các điện tử và lỗ trống được gọi là nồng độ hạt mang bên trong hay

còn gọi là nồng độ hạt mang thuần ni và bằng

� = � = �� = ���� �−��

��� �� (3.15)

với � = 2(2��� �/ℎ�)�/�(� �� �)�/� là hằng số đặc trưng cho vật liệu, T là

nhiệt độ tuyệt đối, �� là hằng số Boltzman, h là hằng số Plank và � �,� � là khối

lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống. Khối lượng � �,� � nhỏ hơn nhiều (cỡ 10

lần hoặc hơn) khối lượng điện tử lỗ trống tự do còn lại là 9,11x10-31 kg.

Ví dụ 3-1:

PTIT

90

Vật liệu GaAs ở nhiệt độ 300K có các tham số sau:

Khối lượng điện tử còn lại: m = 9,11x10-31 kg

Khối lượng điện tử hiệu dụng: � �= 0,068m = 6,19x10-32 kg

Khối lượng lỗ trống hiệu dụng: � �= 0,056m = 5,10x10-32 kg

Năng lượng dải cấm: Eg = 1,42 eV

Áp dụng phương trình (3.15) sẽ thu được nồng độ hạt mạng bên trong là

ni =2,62x1012 m-3 = 2,62x106 cm-3

Để làm tăng tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn có thể pha tạp thêm các

nguyên tố ở nhóm V hoặc nhóm III của bản tuần hoàn hóa học. Các nguyên tố ở

nhóm V (như là P, As, Pb) có năm điện tử lớp ngoài vì thế khi kết hợp với nguyên

tố Si ở nhóm IV sẽ thừa ra một điện tử có liên kết lỏng lẻo sẵn sàng cho dẫn điện.

Như vậy, các vật liệu bán dẫn loại này sẽ có nồng độ điện tử tự do trong dải dẫn

tăng lên, hạt mang chủ yếu của vật liệu này sẽ là điện tử và được gọi là vật liệu bán

dẫn loại n. Tương tự như vậy, pha tạp thêm các nguyên tố nhóm III chỉ có ba điện

tử lớp ngoài với nguyên tố Si sẽ thừa ra một lỗ trống liên kết lỏng lẻo sẵn sàng cho

dẫn điện. Nồng độ lỗ trống tự do trong dải hóa trị sẽ tăng lên và trở thành hạt mang

chủ yếu. Vì thế vật liệu bán dẫn loại này được gọi là vật liệu bán dẫn loại p. sẽ cho

các vật liệu bán dẫn loại p có nồng độ lỗ trống nhiều hơn nồng độ điện tử. Nói cách

khác, có thể định nghĩa rằng

Vật liệu bán dẫn loại n có nồng độ điện tử lớn hơn nồng độ lỗ trống, vì thế

hạt mang chủ yếu là điện tử.

Vật liệu bán dẫn loại p có nồng độ lỗ trống lớn hơn nồng độ điện tử, vì thế

hạt mang chủ yếu là lỗ trống.

Vật liệu bán dẫn thuần là vật liệu không pha tạp thêm bất kì nguyên tố nào

trong thành phần của nó. Do chuyển động nhiệt của nguyên tử trong tinh thể, một

vài điện tử trong dải hóa trị được tăng cường năng lượng, đến khi đủ lớn nó sẽ

chuyển mức lên dải dẫn và sinh ra cặp điện tử - lỗ trống tự do. Ngược lại, quá trính

tái hợp xảy ra khi điện tử tự do phát xạ ra một năng lượng nhất định và chuyển về vị

trí lỗ trống trong dải hóa trị. Tốc độ phát xạ và tái hợp này là bằng nhau trong điều

kiện cân bằng nhiệt. Nếu n là nồng độ điện tử và p là nồng độ lỗ trống thì đối với

một vật liệu bán dẫn thuần, ta có

Pn = p0n0 =��� (3.16)

PTIT

91

với p0 và n0 nồng độ lỗ trống và điện tử ở điều kiện cân bằng nhiệt và ni là nồng độ

hạt của vật liệu bán dẫn thuần.

Bằng việc thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tố khác vào tinh thể vật liệu

bán dẫn thuần ta có vật liệu bán dẫn ngoại lai (extrinsic). Vật liệu bán dẫn loại n và

loại p là các vật liệu bán dẫn ngoại lai. Hoạt động của các thiết bị bán dẫn chủ yếu

dựa trên vật liệu bán dẫn ngoại lại và vì thế chúng thường được gọi tắt là vật liệu

bán dẫn.

Ví dụ 3-2:

Vật liệu bán dẫn loại n được pha tạp thêm một lượng điện tử có nồng độ là

ND và đặt nN và pN là nồng độ điện tử và nồng độ lỗ trống của vật liệu bán dẫn loại

n. Trong trường hợp này lỗ trống được tạo ra hoàn toàn do sự ion hóa do nhiệt của

nguyên tử thuần. Quá trình này tạo ra nồng độ lỗ trống và nồng độ điện tử cân bằng

nhau và bằng

pN = pi = ni

Trong khi đó điện tử với vai trò hạt mang được tạo ra bởi cả các nguyên tử

thuần và các nguyên tử ngoại lai, vì thế nồng độ điện tử dẫn điện tổng cộng nN sẽ

bằng

nN = ND + ni = ND + pN

Từ biểu thức (3.16) rút ra pN và thay vào biểu thức trên sẽ được

�� =� �

��� 1 +

����

� �� + 1�

Trong hầu hết các trường hợp, do �� ≪ �� nên ta có xấp xỉ sau

nN = ND và pN = ���/ND

PTIT

92

Hình 3.2

a) Tái hợp điện tử và phát xạ photon trong vật liệu bán dẫn có dải cấm trực tiếp

b) Tái hợp điện tử trong vật liệu bán dẫn có dải cấm gián tiếp cần có thêm năng lượng

phonon Eph và mô men kph

Việc điện tử hấp thụ hay phát xạ năng lượng để thực hiện chuyển mức năng

lượng bên trong cấu hình nguyên tử phụ thuộc rất nhiều vào năng lượng dải cấm và

mô men của vật liệu bán dẫn. Vật liệu bán dẫn được chia làm hai loại dựa vào đặc

điểm của dải cấm như là một hàm của mô men k, đó là vật liệu bán dẫn có dải cấm

trực tiếp và dải cấm gián tiếp. Khi điện tử và lỗ trống tái hợp sẽ kèm theo quá trình

phát xạ photon. Quá trình tái hợp xảy ra dễ dàng và chắc chắn nhất khi mà điện tử

và lỗ trống có cùng giá trị mô men (hình 3.2a), và khi đó vật liệu bán dẫn có dải

cấm trực tiếp. Trong trường hợp mức năng lượng nhỏ nhất của dải dẫn và mức năng

lượng lớn nhất của dải hóa trị không có cùng mô men thì vật liệu đó có dải cấm gián

tiếp. Vì thế trong quá trình tái hợp chắc chắn sẽ xuất hiện thêm một thành phần thứ

ba khác, đó là phonon, để bảo toàn mô men do mô men photon rất nhỏ. Khái niệm

phonon (chính là sự dao động của lưới tinh thể) được đưa ra để giải thích hiện

tượng này.

PTIT

93

Hình 3.3 Hằng số lưới và năng lượng dải cấm của hợp chất ba và bốn thành

phần được chế tạo từ chín nhóm vật liệu bán dẫn III-V. Diện tích màu xám biểu

diễn cấu trúc InGaAsP và AlGaAs có thể có tương ứng. Các đường thẳng nằm

ngang đi qua InP và GaAs chỉ ra các hợp chất có thể tạo ra có cùng hằng số lưới

Cấu trúc tinh thể đóng vai trò quan trọng quyết định đến năng lượng dải cấm

của vật liệu. Trong bất kì một cấu trúc tinh thể nào, các nguyên tử đơn (Si hoặc Ge)

hay các nhóm nguyên tử (NaCl hoặc GaAs) đều được sắp xếp có trật tự về mặt

không gian. Sự sắp xếp có tính chu kì như vậy được gọi là lưới, và khoảng cách

giữa các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử được gọi là khoảng cách lưới hoặc hằng

số lưới. Khoảng cách lưới thông thường vào khoảng vài angstrom.

Để giảm khiếm khuyết của lưới tinh thể khi cho hai tinh thể bán dẫn có dải

cấm khác nhau tiếp xúc thì hằng số lưới của chúng phải khớp nhau, không lệch quá

0,1%. Trong tự nhiên, không tồn tại các vật liệu bán dẫn khác nhau mà có hằng số

lưới hoàn toàn khớp nhau. Tuy nhiên, công nghệ vật liệu đã cho phép tạo ra các hợp

chất ba hoặc bốn thành phần bằng cách thay thế một phần nhỏ một nguyên tố trong

vật liệu bán dẫn hai thành phần trong tự nhiên bằng các nguyên tố khác. Ví dụ như,

từ vật liệu bán dẫn GaAs ban đầu có thể tạo ra hợp chất ba thành phần AlxGa1-xAs

bằng cách thay x nguyên tử Ga bằng x nguyên tử Al. Vật liệu bán dẫn mới tạo ra

này có cùng hằng số lưới với vật liệu bán dẫn GaAs nhưng năng lượng dải cấm tăng

PTIT

94

lên. Dải cấm phụ thuộc vào giá trị x và tính xấp xỉ nhờ phương tình tuyến tính đơn

giản sau:

Eg(x) = 1,424 + 1,247x (0<x<0,45) (3.17)

với Eg được tính theo đơn vị electron-volt (eV).

Hình 3.3 chỉ ra mối quan hệ giữa năng lượng dải cấm Eg và hằng số lưới a

của một số hợp chất ba và bốn thành phần. Các điểm chấm đen đại diện cho vật liệu

bán dẫn hai thành phần, các đường nối các điểm chấm đen giới hạn vật liệu bán dẫn

ba thành phần. Trong đó đoạn đường nét đứt tương ứng với bán dẫn ba thành phần

có dải cấm gián tiếp. Phần diện tích đa giác đóng tương ứng với vật liệu bốn thành

phần. Với loại vật liệu này, dải cấm không nhất thiết phải là trực tiếp. Phần diện tích

mầu xám chỉ thị các vật liệu bán dẫn ba hoặc bốn thành phần có dải cấm trực tiếp

được chế tạo từ các nguyên tố Indium In, Gallium Ga, Arsenic As và Phosphorus P.

Đường nằm ngang nối GaAs và AlAs chỉ ra giới hạn của các vật liệu ba

thành phần AlxGa1-xAs có dải cám trực tiếp với x trong khoảng (0 – 0,45) như mô

tả trong biểu thức (3.17). Các lớp tích cực và lớp vỏ của nguồn quang có thể cùng

chế tạo dựa vào vật liệu này bằng cách đặt giá trị x trong lớp vỏ lớn hơn trong lớp

tích cực. Bước sóng của ánh sáng phát xạ được xác định dựa vào năng lượng dải

cấm do năng lượng photon xấp xỉ năng lượng dải cấm. Vật liệu GaAs có Eg=1,424

eV nên bước sóng của nguồn quang chế tạo từ GaAs vào khoảng 0,87μm. Bước

sóng của nguồn có thể giảm xuống còn 0,81μm nếu chọn giá trị x=0,1. Nguồn

quang chế tạo từ vật liệu GaAs thường hoạt động ở cửa sổ bước sóng 0,81 – 0,87

μm và thường được dùng trong hệ thống thông tin sợi quang thế hệ đầu tiên.

Hiện nay, cửa sổ bước sóng được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống thông

tin quang là 1,3 – 1,6 μm do ở cửa sổ này suy hao và tán sắc trên sợi quang thấp hơn

nhiều so với dải 0,85 μm. InP là vật liệu cơ sở để nguồn quang phát xạ ở cửa sổ

bước sóng dài này. Xét đường nằm ngang đi qua điểm InP như mô tả trong hình 3.2,

dải cấm của InP có thể giảm đi đáng kể bằng cách tạo ra bật liệu bốn thành phần

In1-xGaxAsyP1-y trong khi hằng số lưới vẫn giống như của InP. Giá trị x và y

không thể chọn bất kì mà phải thỏa mãn điều kiện x/y = 0,45 để đảm bảo hằng số

lưới không đổi. Năng lượng dải cấm của vật liệu này có thể tính chỉ phụ thuộc vào y

và xấp xỉ bằng

Eg(y) = 1,35 – 0,72y + 0,12y2 (3.18)

PTIT

95

Với 0 ≤ y ≤ 1. Năng lượng dải cấm nhỏ nhất khi y =1. Hợp chất ba thành

phần In0,55Ga0,45As phát xạ ánh sáng gần 1,65 μm (Eg =0,75 eV). Bằng việc lựa

chọn tỉ lệ trộn x và y, nguồn quang chế tạo từ In1-xGaxAsyP1-y có thể phát xạ

trong một dải bước sóng rộng 1,0 – 1,65 μm sẽ bao gồm toàn bộ cửa sổ bước sóng

1,3 – 1,6 μm rất quan trọng trong hệ thống thông tin quang.

3.1.3 Tiếp giáp p-n

Đặc tính của tiếp giáp p-n, tiếp giáp giữa hai lớp bán dẫn p và n, sẽ đặc trưng

cho các đặc tính về điện của cấu kiện bán dẫn. Khi một tiếp giáp p-n được tạo ra,

các hạt tải đa số sẽ khuếch tán qua nó, tức là các điện tử trong lớp bán dẫn n được

khuếch tán qua tiếp giáp và lấp đầy các lỗ trống trong lớp bán dẫn p và do vậy sẽ để

lại lỗ trống trong lớp bán dẫn n của tiếp giáp. Kết quả là một điện trường tiếp xúc

hay một điện thế tiếp xúc sẽ xuất hiện tại vùng tiếp giáp. Điện trường này sẽ ngăn

cản việc chuyển động tự do của các hạt tải cho đến khi cân bằng được thiết lập. Tại

vùng tiếp giáp lúc này sẽ không còn hạt mang điện tự do do các điện tử và lỗ trống

đã bị giữ lại trong các liên kết đồng hóa trị. Khi đó, vùng tiếp giáp được gọi là vùng

nghèo hoặc vùng điện tích không gian.

Hình 3.4 Hiện tượng khuếch tán tạo ra điện trường tiếp giáp tại vùng nghèo

PTIT

96

Hình 3-5 Tiếp giáp p-n khi phân cực ngược

Hình 3-5 Tiếp giáp p-n khi phân cực thuận

Khi một điện thế ngoài được đưa vào tiếp giáp p-n, nếu cực dương của

nguồn nối với bán dẫn n và cực âm nối với bán dẫn p thì tiếp giáp khi đó được phân

cực ngược. Dưới tác dụng của điện áp phân cực ngược, độ rộng lớp nghèo sẽ mở

rộng ra ở cả hai phía lớp p và lớp n hay điện trường lớp tiếp giáp được tăng cường.

Điện trường tiếp giáp tiếp tục ngăn cản chuyển động của các hạt tải đa số nhưng lại

trở thành điện trường thuận với các hạt tải thiểu số khi đi qua lớp tiếp giáp. Dòng

của các hạt tải thiểu số tạo ra được gọi là dòng dò.

Trong trường hợp cực dương của nguồn nối với bán dẫn p và cực âm nối với

bán dẫn n thì tiếp giáp khi đó phân cực thuận. Lúc này, điện trường tiếp giáp và

điện trường ngoài sẽ ngược chiều nhau, nếu điện trường ngoài đủ lớn, sẽ phá vỡ liên

kết cộng hóa trị tại lớp tiếp giáp và các hạt mang điện đa số sẽ được khuếch tán ồ ạt

qua lớp tiếp giáp. Các hạt mang điện dịch chuyển có hướng như vậy tạo thành dòng

điện. Dòng điện I này sẽ tăng theo hàm mũ với điện áp phân cực V đặt vào và có

dạng

� = ��[exp(�� �� �⁄ ) − 1] (3.19)

PTIT

97

với Is là dòng bão hòa và phụ thuộc vào hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ

trống. Như trong hình 3.5 mô tả, khi tiếp giáp p-n được phân cực thuân, điện tử và

lỗ trống xuất hiện cưỡng bức trong vùng nghèo. Các điện tử và lỗ trống này tái hợp

thông qua phát xạ tự phát hoặc cưỡng bức và phát xạ ra ánh sáng trong nguồn quang

bán dẫn.

Tiếp giáp p – n được gọi là tiếp giáp đơn nếu như vật liệu bán dẫn p và n

cùng dựa trên một vật liệu cơ bản. Nhược điểm của tiếp giáp đơn đó là hiện tượng

tái hợp điện tử và lỗ trống xảy ra trong vùng nghèo khá rộng (~ 1 – 10 µm) do phụ

thuộc vào chiều dài khuếch tán của điện tử và lỗ trống. Do vậy, các hạt mang không

tập trung hết vào quanh lớp tiếp giáp nên không tạo ra được nồng độ hạt mang cao

dẫn đến giảm khả năng phát xạ. Giải quyết vấn đề này bằng cách đưa vào giữa hai

lớp p và lớp n một lớp bán dẫn có năng lượng giải cấm nhỏ hơn năng lượng giải

cấm của lớp p và lớp n hai bên. Lớp bán dẫn ở giữa có thể là bán dẫn không pha tạp

hoặc có pha tạp ít tùy theo thiết kế, và nó đóng vai trò giam giữ các hạt mang trong

trường hợp phân cực thuận. Sự tập trung hạt mang xảy ra do sự không liên tục về

năng lượng dải cấm tại tiếp giáp giữa hai vật liệu bán dẫn có cùng cấu trúc tinh thể.

Tiếp giáp như vậy gọi là tiếp giáp dị thể và cấu trúc ba lớp như vậy được gọi là cấu

trúc dị thể kép. Do độ rộng lớp bán dẫn ở giữa có thể được thiết kế khá hẹp, vào

khoảng 0,1μm, nên sẽ thu được mật độ hạt mang sẽ khá cao tại một giá trị dòng

phân cực cho trước.

Việc sử dụng cấu trúc dị thể kép trong chế tạo nguồn quang có hai ưu điểm

chính. Thứ nhất, sự khác nhau về năng lượng dải cấm giữa hai vật liệu bán dẫn giúp

giam giữ hầu hết điện tử và lỗ trống tại lớp giữa, còn được gọi là lớp tích cực, và

xảy ra quá trình tái hợp tại đây. Thứ hai, do lớp tích cực có năng lượng dải cấm nhỏ

hơn nên chỉ số chiết suất của nó sẽ cao hơn hai lớp bên ngoài n và p đôi chút. Kết

quả là lớp tích cực đóng vai trò như ống dẫn sóng điện môi và quyết định số lượng

mode quang phát xạ ra bằng cách thay đổi độ dày của nó, tương tự như đường kính

sợi quang quyết định số lượng mode truyền trong sợi. Với những ưu điểm này,

nguồn quang laser có cấu trúc dị thể kép được triển khai trên rất nhiều ứng dụng

khác nhau.

3.1.4 Tái hợp không bức xạ

Khi tiếp giáp p – n được phân cực thuận, điện tử và lỗ trống được khuếch tán

sang vùng tích cực, tại đây chúng tái hợp và phát xạ ra ánh sáng. Tuy nhiên, trong

bất cứ vật liệu bán dẫn nào cũng xảy ra trường hợp điện tử và lỗ trống tái hợp mà

PTIT

98

không phát xạ ánh sáng. Các cơ chế tái hợp không phát xạ này gồm tái hợp tại

những điểm khiếm khuyết của vật liệu, tái hợp bề mặt và tái hợp Auger. Trong đó

cơ chế tái hợp Auger đặc biệt quan trọng trong các laser bán dẫn phát xạ trong dải

bước sóng 1,3 – 1,6μm do năng lượng dải cấm tương đối nhỏ của lớp tích cực.

Trong quá trình tái hợp Auger này, năng lượng sinh ra do lỗ trống và điện tử tái hợp

được chuyển thành động năng cho một điện tử hoặc lỗ trống khác chứ không phải là

tạo ra một năng lượng photon mới.

Đứng từ quan điểm hoạt động của thiết bị, quá trình không phát xạ là không

có lợi, làm giảm số lượng cặp điện tử - lỗ trống có thể phát xạ ánh sáng. Ảnh hưởng

này được định lượng thông qua hệ số lượng tử nội, được định nghĩa như sau

���� =���

���� ��� (3.20)

với ��� là tốc độ tái hợp có phát xạ và ��� là tốc độ tái hợp không phát xạ.

Do nồng độ hạt mang giảm theo hàm mũ theo thời gian, thời gian tái hợp có phát xạ

và thời gian tái hợp không phát xạ phụ thuộc vào nồng độ hạt mang n theo biểu thức

� = �/�. Như vậy, hệ số lượng tử nội có thể viết lại thành

���� =���

���� ���=

�

�� ���/���=

�

��� (3.21)

với ��� là thời gian tái hợp có phát xạ, ��� là thời gian tái hợp không phát xạ

của các hạt mang. Thời gian của hai loại tái hợp này thay đổi theo vật liệu bán dẫn.

Nhìn chung, ��� và ��� là ngang nhau đối với vật liệu có dải cấm trực tiếp, trong khi

đó với vật liệu có dải cấm gián tiếp thì ��� nhỏ hơn ��� khoảng 10-5 lần. Vì thế xác

suất xảy ra tái hợp có phát xạ tương đối lớn trong vật liệu có dải cấm trực tiếp do

bảo toàn năng lượng và động lượng trong dễ dàng đạt được khi tái hợp điện tử, lỗ

trống. Ngược lại, với vật liệu có dải cấm gián tiếp cần có thêm phonon để đạt được

sự bảo toàn động lượng trong quá trình tái hợp. Tính chất này làm giảm xác suất

của tái hợp có phát xạ và làm tăng thời gian ��� đáng kể so với ���. Rõ ràng là theo

công thức (3.20) ≪ 1 trong điều kiện này. Thông thường, với hai hoại bán dẫn Si và

Ge thường được sử dụng phổ biến trong các linh kiện điện tử thì ����~ 10��. Cả hai

vật liệu này đều không phù hợp để làm nguồn quang do là chúng có dải cấm gián

tiếp. Các vật liệu dải cấm trực tiếp như là GaAs và InP có ���� ≈ 0,5 và đạt đến 1

nếu phát xạ kích thích chiếm ưu thế.

Việc định nghĩa đại lượng thời gian sống của hạt mang � có ý nghĩa quan

trọng trong tính toán. Đại lượng này đặc trưng cho thời gian tái hợp tổng của các

điện tử trong trường hợp không có tái hợp cưỡng bức và được định nghĩa như sau

PTIT

99

1 �⁄ = 1 ���⁄ + 1 ���⁄ (3.22)

Nhìn chung, � phụ thuộc vào mật độ hạt tải N nếu như có thể bỏ qua tái

hợp Auger. Nó thường được biểu diễn dưới dạng ��� = ��� + �� + ��� với ���

là hệ số không phát xạ, B là hệ số tái hợp phát xạ tự phát, và C là hệ số Auger.

Hình 3.6 Sự giam hãm hạt mang và trường quang trong vùng tích cực

của cấu trúc dị thể kép

3.2 Nguồn LED

Đối với các hệ thống thông tin sợi quang yêu cầu tốc độ bit trong khoảng 100

đến 200 Mb/s sử dụng sợi đa mode, nguồn quang LED thường là sự lựa chọn tối ưu

hơn nhờ công suất phát lớn, mạch điện điều khiển không quá phức tạp do không cần

mạch ổn định nhiệt, và giá thành rẻ hơn. Một đặc trưng cơ bản của LED đó là hiện

tượng phát xạ kích thích không xảy ra trong vùng tích cực do hiện tượng đảo mật độ

không xuất hiện. Trong khi đó, phát xạ ánh sáng do tái hợp các cặp điện tử và lỗ

trống trong vùng tích cực là thông qua hiện tượng phát xạ tự phát, một phần ánh

sáng phát xạ này được thoát ra khỏi thiết bị và ghép vào sợi quang truyền dẫn. Ánh

PTIT

100

sáng phát xạ từ LED là ánh sáng không kết hợp có độ rộng phổ tương đối lớn (30 –

60 nm) và góc phát xạ trải khá rộng.

3.2.1 Cấu tạo và phân loại nguồn LED

Để sử dụng tốt trong các hệ thống thông tin quang thì LED phải có công suất

phát xạ lớn, thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao. Công suất phát xạ,

được đo bằng đơn vị watt, được tính bằng công suất quang phát ra trong một đơn vị

góc đặc trên một đơn vị diện tích bề mặt phát xạ. Công suất phát xạ lớn cho phép

ghép mức công suất quang lớn vào sợi để truyền dẫn. Thời gian đáp ứng chính là

khoảng thời gian trễ giữa thời điểm xung tín hiệu điện điều khiển được áp vào cho

đến thời điểm bắt đầu phát xạ ánh sáng. Thời gian trễ này là nhân tố ảnh hưởng đến

độ rộng băng thông điều biến trực tiếp của nguồn LED. Hiệu suất lượng tử tỉ lệ với

số lượng cặp điện tử - lỗ trống được bơm vào vùng tích cực và thực hiện tái hợp có

phát xạ.

Để đạt được công suất phát xạ và hiệu suất lượng tử cao, cấu trúc của LED

phải có lớp giam hãm các hạt mang để tại đó xảy ra sự tái hợp và phát xạ ánh sáng.

Việc giam hãm hạt mang trong vùng tích cực sẽ đem lại công suất phát xạ cũng như

hiệu suất lượng tử cao. Đồng thời, giam hãm ánh sáng cũng rất quan trọng trong

việc ngăn chặn sự hấp thụ các photon mới tạo ra tại các lớp vật liệu quanh tiếp giáp

pn.

Làm thế nào để giam hãm được hạt mang và ánh sáng trong vùng tích cực,

nhiều kiểu cấu trúc LED được nghiên cứu. Các cấu trúc tiếp giáp đơn, tiếp giáp dị

thể và tiếp giáp dị thể kép đều có thể được ứng dụng để chế tạo LED. Tuy nhiên,

cấu trúc dị thể kép hoặc cấu trúc dị thể có khả năng giam hãm hạt mang và ánh sáng

cao hơn hẳn. Đặc điểm của cấu trúc dị thể kép gồm ba lớp được chế tạo từ các chất

bán dẫn có thành phần khác nhau nên cả hạt mang và ánh sáng đều được giới hạn

tại lớp tích cực. Do sự khác nhau về năng lượng dải cấm của các lớp liền kề mà các

hạt mang được giam hãm, trong khi do sự khác nhau về chỉ số chiết suất giữa các

lớp vật liệu và ánh sáng được tập trung lại. Nhờ khả năng giam hãm đồng thời này

mà hiệu suất lượng tử và công suất phát xạ của LED sẽ cao hơn nhiều. Ngoài ra,

còn có các tham số khác có ảnh hưởng tới đặc tính của nguồn đó là sự hấp thụ ánh

sáng trong vùng tích cực hay còn gọi là sự tự hấp thụ (sự hấp thụ này càng nhỏ sẽ

càng tốt) và sự tái hợp của các hạt mang tại các bề mặt dị thể, nồng độ pha tạp của

lớp tích cực, mật độ hạt mang được phun vào và độ dày lớp tích cực. Hình 3.7 mô tả

cấu trúc của một LED dị thể kép điển hình.

PTIT

101

Tích cực

~1µm

~0,2µm

Bán dẫn n Bán dẫn p

+

-

Điện tử được phun vào

Lỗ trống được phun vào

Năng lượng dải cấm

Vùng hóa trị

Vùng dẫn

Tái hợp điện tử và lỗ trống

Lớp tích cực

Vùng dẫn sóng

Hình 3.7 Cấu trúc LED dị thể kép điển hình

Hình 3.8 mô tả nguyên lý hoạt động của LED dị thể kép gồm ba lớp bán dẫn,

hai lớp bán dẫn p và n có cùng năng lượng dải cấm trong khi lớp bán dẫn kẹp giữa

(có thể là bán dẫn loại p hoặc n) có năng lượng dải cấm thấp hơn. Khi phân cực

thuận cho LED sẽ có dòng bơm qua LED làm cho các điện tử đang tập trung ở vùng

hóa trị nhảy lên vùng dẫn. Khi ở điều kiện bình thường, nồng độ điện tử ở vùng hóa

trị sẽ rất lớn so với nồng độ điện tử ở vùng dẫn nhưng khi có năng lượng kích thích,

các điện tử nhảy mức năng lượng làm cho lúc này nồng độ điện tử ở vùng dẫn tăng

lên và nồng độ điện tử tại vùng hóa trị giảm đi. Đồng thời, dưới tác dụng của điện

trường phân cực thuận, các điện tử từ lớp n được khuếch tán sang lớp tích cực và

các lỗ trống ở lớp p được khuếch tán sang lớp tích cực. Tại đây, các cặp điện tử và

lỗ trống tái hợp với nhau và phát xạ ánh sáng. Hiện tượng phát xạ xảy ra ở đây chủ

yếu là phát xạ tự phát vì thế các photon phát ra có hướng ngẫu nhiên và không có

PTIT

102

quan hệ về pha giữa chúng, và ánh sáng phát xạ từ LED được gọi là ánh sáng không

kết hợp.

Hình 3.8 Nguyên lý hoạt động của LED

Hai cấu trúc cơ bản của LED dị thể kép được sử dụng phổ biến trong hệ

thống thông tin sợi quang là LED phát xạ mặt SLED (còn được gọi là nguồn quang

Burrus) và LED phát xạ cạnh ELED. LED phát xạ mặt SLED (Surface LED) có mặt

phẳng vùng phát xạ ánh sáng vuông góc với trục của sợi như mô tả trong hình 3.9.

SLED còn được gọi là LED Burrus do cấu trúc của LED được chế tạo đầu tiên bởi

Burrus và Dawson. Trong cấu trúc này, vùng phát xạ ánh sáng hay còn gọi là vùng

phát quang của LED được giới hạn trong một vùng hẹp bằng cách sử dụng một lớp

cách điện để hạn chế vùng dẫn điện của tiếp xúc p. Do đó, tại vùng tích cực của

LED có mật độ dòng điện cao dẫn đến hiệu suất phát quang lớn. Một giếng tròn

được khoét trên bề mặt tiếp xúc n và lớp nền n của thiết bị và tại đó, sợi quang sẽ

được gắn vào để ghép ánh sáng từ vùng tích cực vào sợi. Diện tích vùng giếng tròn

trên bề mặt LED có đường kính khoảng 50 μm và độ dày lên tới 2,5 μm. Mẫu phát

xạ có tính đẳng hướng với độ rộng chùm tia tại nửa công suất là 120o. Phương pháp

này sẽ hạn chế được sự hấp thụ photon trong lớp n và tăng hiệu suất ghép ánh sáng

vào trong sợi quang. Tuy nhiên, vẫn có một phần lớn năng lượng ánh sáng được

phát ra ngoài vùng đặt sợi quang. Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang của

SLED không cao, thường thấp hơn so với ELED.

PTIT

103

Ánh sáng phát xạ đẳng hướng từ SLED còn được gọi là nguồn lambertian.

Nguồn lambertian có cường độ sáng đều nhau khi quan sát từ mọi hướng do công

suất giảm theo hệ số cosθ. Góc θ được xác định giữa hướng quan sát và trục của bề

mặt LED, đó là do diện tích quan sát giảm theo cosθ. Vì thế, công suất sẽ giảm tới

50% giá trị công suất đỉnh khi θ = 60o và độ rộng chùm sáng tổng ở nửa công suất

đỉnh là 120o.

Hình 3.9 Cấu trúc LED phát xạ mặt

Hình 3.10 LED phát xạ cạnh

LED phát xạ cạnh ELED (Edge LED) là loại LED có ánh sáng ở phía cạnh

của LED như mô tả trong hình 3.10. Trong cấu trúc này, các điện cực tiếp xúc bằng

kim loại phủ kín mặt trên và đáy của LED. Ánh sáng phát ra trong lớp tích cực rất

mỏng. Lớp tích cực này được làm bằng chất bán dẫn có chiết suất lớn được kẹp

giữa bởi hai lớp bán dẫn p và n có chiết suất nhỏ hơn nhưng vẫn lớn hơn chiết suất

của các lớp bên ngoài. Cấu trúc này hình thành một ống dẫn sóng giúp định hướng

chùm sáng phát xạ về phía lõi sợi. Để phù hợp với đường kính lõi sợi quang thông

thường có kích thước có 50 – 100 μm, các dải điện cực của LED phát xạ cạnh có độ

rộng khoảng 50 – 70 μm. Chiều dài của vùng tích cực thường nằm trong khoảng

Chất nền

Sợi quang

Phiến chịu nhiệt

SiO2 SiO2

Các lớp

tiếp giáp

Giếng khắc

hình tròn Vật liệu bao phủ

Điện cực

Lớp cấu

trúc dị

thể kép

Chất

Tỏa nhiệt

Kim

Lớp dẫn

ánh sáng

Dải tiếp xúc

Vùng hoạt tính

SiO2

Ánh sáng phát ra PTIT

104

100 đên 150 μm. Mẫu phát xạ của ELED có tính định hướng cao hơn so với SLED.

Trong mặt phẳng song song với tiếp giáp, theo phương này không tồn tại hiệu ứng

dẫn sóng, chùm sáng phát xạ là lambertian với độ rộng chùm tại nửa công suất cực

đại là �∥ = 120�. Trong mặt phẳng vuông góc với tiếp giáp, độ rộng chùm tia ở nửa

công suất cực đại �� nhỏ hơn đến 25 – 30o nếu lựa chọn giá trị độ dày ống dẫn sóng

phù hợp. Với đặc điểm cấu trúc như vậy, ELED có vùng phát sáng hẹp và góc phát

quang nhỏ. Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang lớn hơn so với SLED.

Một điểm quan trọng cần chú ý là khi điện tử và lỗ trống tái hợp trong lớp

tích cực thì năng lượng của photon phát xạ phải đúng bằng chênh lệch năng lượng

giữa vùng hóa trị và vùng dẫn hay đúng bằng năng lượng dải cấm của lớp tiếp giáp.

Mối quan hệ giữa năng lượng dải cấm E và bước sóng phát xạ như sau:

� = ℎ� =��

� (3.23)

với υ là tần số của sóng phát xạ, λ là bước sóng phát xạ. Như vậy, bước sóng ánh

sáng phát xạ tính bằng µm có thể được diễn giải như một hàm số của năng lượng

dải cấm lớp tích cực tính bằng đơn vị eV như sau.

� =�,��

� (3.24)

Như vậy, rõ ràng là một nguồn LED sẽ có bước sóng hoạt động xác

định. Khi hệ thông thông tin sợi quang hoạt động ở dải bước sóng khác nhau cần sử

dụng các nguồn LED khác nhau với vật liệu làm dải cấm phù hợp. Mặc dù, hiện nay

trong thực tế nguồn quang điều hưởng bước sóng đã được nghiên cứu và ứng dụng,

tuy nhiên phạm vi điều hưởng bước sóng là khá nhỏ.

3.2.2 Đặc tính của LED

a) Hiệu suất lượng tử và công suất của LED

Nồng độ điện tử trong bán dẫn p và nồng độ lỗ trống trong bán dẫn n trong

nguồn quang bán dẫn tăng lên khi đặt một dòng bơm vào các điện cực của thiết bị.

Nồng độ điện tử và lỗ trống vượt quá này là bằng nhau do các hạt mang được tiêm

vào và tái hợp theo từng cặp tuân theo yêu cầu về lực hạt nhân trong tinh thể. Khi

quá trình tiêm hạt mang kết thúc, nồng độ hạt mang lại trở về giá trị cân bằng. Nhìn

chung, nồng độ hạt mang vượt quá n này giảm theo hàm số mũ theo thời gian, mối

quan hệ này được mô tả bởi biểu thức

PTIT

105

� = �����/� (3.25)

với n0 là nồng độ điện tử vượt quá được tiêm vào ban đầu và hằng số thời

gian τ là thời gian sống của hạt mang (đã được định nghĩa trong 3.1.4). Thời gian

sống này là một trong số các tham số quan trọng nhất của thiết bị quang điện. Giá trị

này nằm trong dải cỡ vài mili-giây cho đến rất nhỏ cỡ phần mười của nano-giây phụ

thuộc vào cấu tạo vật liệu và cấu trúc thiết bị.

Khi có dòng không đổi chạy qua LED, điều kiện cân bằng được thiết lập.

Tức là, nồng độ điện tử n và lỗ trống p được thêm vào là bằng nhau. Tốc độ tổng

mà tại đó các hạt mang được tạo ra là tổng của lượng hạt mang được cung cấp từ

dòng bên ngoài và lượng hạt mang được tạo ra do chuyển động nhiệt. Tốc độ tạo ra

hạt mang do dòng bên ngoài được cho bởi biểu thức I/q với I là cường độ dòng điện

đi qua LED, q là điện tích điện tử. Tốc độ tạo hạt mang do nhiệt được cho bởi n/τ.

Do đó, phương trình tốc độ đối với tái hợp hạt mang trong LED được biểu diễn như

sau

��

��=

�

�−

�

� (3.26)

Điều kiện cân bằng xảy ra khi biểu thức (3.26) bằng 0, tức là

� =��

� (3.27)

Biểu thức (3.27) cho biết nồng độ điện tử ở trạng thái dừng trong vùng tích

cực khi có dòng điện không đổi đi qua LED.

Như đã trình bày trong mục 3.1.4, không phải tất cả các cặp điện tử - lỗ trống

tái hợp trong vùng tích cực đều phát xạ ánh sáng. Sẽ có một số lượng nhỏ cặp điện

tử - lỗ trống tái hợp không phát xạ, nguyên nhân là do sự tự hấp thụ của vùng tích

cực, tái hợp tại bề mặt dị thể kép hay quá trình tái hợp Auger. Vì thế, hệ số lượng tử

nội ���� trong vùng tích cực cho biết tỉ số giữa các cặp điện tử - lỗ trống tái hợp phát

xạ ánh sáng trên tổng số các cặp điện tử - lỗ trống tái hợp trong vùng tích cực.

Nếu như dòng điện ngoài chạy qua LED là I thì tổng số cặp điện tử - lỗ trống

tái hợp trong một đơn vị thời gian sẽ là

��� + ��� = �/� (3.28)

Thay biểu thức (3.28) vào biểu thức (3.20) ta có ��� = �����/�. Chú ý rằng

��� là tổng số photon được tạo ra trong một đơn vị thời gian và mỗi photon có năng

lượng hυ, vì thế công suất quang tạo ra bên trong LED sẽ là

PTIT

106

���� = �����

�ℎ� = ����

���

�� (3.29)

Ví dụ 3-3:

Nguồn LED có cấu trúc dị thể kép InGaAsP phát xạ ánh sáng ở bước sóng

trung tâm là 1310nm có thời gian tái hợp phát xạ và không phát xạ lần lượt là 30 và

100ns. Dòng nuôi của LED là 40mA. Từ biểu thức (3.22) rút ra được thời gian sống

của hạt mang là

� =������

���� ���=

��× ���

��� ��� �� = 23,1 ��

Sử dụng biểu thức (3.21) tính được giá trị hệ số lượng tử nội bằng

���� =�

���

=23,1

30= 0,77

Thay vào phương trình (3.29) thu được công suất bên trong LED là

���� = �������

��= 0,77

��,����.����� �.����.����

��(�,�� �)

(�,���.����� �)(�,��.���� �) = 29,2 mW

Một điểm cần chú ý là, không phải tất cả các photon tạo ra bên trong LED

đều đi ra khỏi thiết bị để tạo thành công suất quang phát xạ ra ngoài mà một phần

nhỏ các photon bị hấp thụ ngay bên trong vùng tích cực hoặc ống dẫn sóng của

LED. Để xác định chính xác công suất ánh sáng do LED phát xạ ra ngoài, hệ số

lượng tử ngoài ���� được thêm vào. Hệ số này được định nghĩa dựa vào sự hấp thụ

bên trong của LED và phản xạ toàn phần tại tiếp giáp giữa lớp bán dẫn vùng tích

cực và không khí bên ngoài mặt phát quang của LED. Như mô tả trong hình 3.11,

chỉ những ánh sáng phát xạ trong phạm vi góc θc, với θc = sin-1(1/n) là góc tới hạn

và n là chiết suất của vật liệu bán dẫn vùng tích cực, mới có thể đi ra khỏi bề mặt

của LED và phát xạ ra ngoài. Sự hấp thụ bên trong vùng tích cực có thể loại bỏ

bằng cách sử dụng LED cấu trúc dị thể kép có các lớp vỏ bên ngoài vùng tích cực

trong suốt với bước sóng phát xạ. Khi đó, hệ số lượng tử ngoài có thể biểu diễn bởi

���� =�

��∫ ��(�)(2�����)��

��

� (3.30)

ở đây ta giả thiết rằng ánh sáng phát xạ có phân bố đều theo mọi hướng trong phạm

vi góc đặc 4π. Hệ số truyền qua Fresnel Tf phụ thuộc vào góc tới θ. Trong trường

hợp góc tới thẳng góc (θ=0), ��(0) = 4�/(� + 1)�. Nếu ta thay ��(�) bởi ��(0)

vào công thức (3.30), ���� xấp xỉ bằng

PTIT

107

���� =�

�(�� �)� (3.31)

Qua các tính toán trên, ta thu được công suất quang phát xạ từ một mặt của

LED như sau

�� = �������� =����

�(�� �)� (3.32)

Nếu như chỉ số chiết suất thông thường của vật liệu bán dẫn làm nguồn

quang LED n = 3,5 thì ����=1,4%. Các con số này chỉ ra rằng chỉ có một phần nhỏ

công suất quang bên trong trở thành công suất đầu ra có ích. Và công suất này bị

suy hao tiếp nữa khi ánh sáng từ nguồn được ghép vào sợi. Do bản chất không kết

hợp của ánh sáng phát xạ, LED được coi như một nguồn Lambertian với phân bố

góc �(�) = �� cos� với S0 là cường độ ánh sáng tại hướng θ=0. Hiệu suất ghép với

của nguồn quang như mô tả phía trên tỉ lệ với khẩu độ số NA hay (NA)2. Do NA

của sợi quang thường nằm trong khoảng 0,1 – 0,3 nên chỉ có vài phần trăm của

công suất phát xạ ra ngoài được ghép vào sợi (100 μW hay nhỏ hơn) cho dù công

suất phát xạ bên trong có thể lên tới hơn 10mW.

Một đại lượng được định nghĩa cho phép định lượng hiệu năng của LED đó

là hệ số lượng tử tổng ηtot. Nó được tính bằng tỉ số giữa công suất quang phát xạ Pe

và công suất điện đặt lên LED, Pelec= V0I, với V0 là điện áp phân cực của nguồn

quang. Từ biểu thức (3.32) rút ra được

���� = ��������(ℎ�/���) (3.33)

Thông thường, ℎ� ≈ ��� nên ���� ≈ ��������. Hệ số lượng tử tổng ����, còn

được gọi là hệ số chuyển đổi công suất, chính là đại lượng đo hiệu năng tổng của

thiết bị.

Một đại lượng khác cũng thường được sử dụng để đánh giá hiệu năng của

LED đó là hệ số đáp ứng, được định nghĩa bằng tỉ số ���� = ��/�. Thay vào biểu

thức (3.33) ta có

���� = ��������(ℎ�/�) (3.34)

So sánh biểu thức (3.33) và (3.34) rút ra được ���� = ����V�. Giá trị thông

thường của RLED là 0,01W/A. Hệ số đáp ứng sẽ bằng hằng số nếu như Pe và I duy trì

được sự phụ thuộc tuyến tính. Trên thực tế, sự phụ thuộc tuyến tính này chỉ tồn tại

trong một khoảng giá trị dòng nuôi nhất định.

PTIT

108

Hình 3.11 Góc phát xạ ánh sáng của LED phát xạ mặt

Hình 3.12 a) Đặc tuyến công suất – dòng điện của LED tại các nhiệt độ khác nhau.

b) Phổ phát xạ của LED tại bước sóng 1,3 μm (đường nét đậm là kết quả

của tính toán lý thuyết)

Đối với nguồn quang LED có thể xem như công suất quang phát xạ tỉ lệ

tuyến tính với dòng điện nuôi. Đặc tuyến P/I còn phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ

của LED tăng thì công suất giảm do chuyển động nhiệt hỗn độn tại vùng tiếp giáp

làm giảm hiệu suất lượng tử nội.

b) Đặc tính phổ của LED

Đặc tính phổ thể hiện sự phân bố mật độ công suất phát của LED theo bước

sóng. Điều này là do nguồn quang trong thông tin quang không phát ra bước sóng

PTIT

109

đơn sắc mà là một dải bước sóng xác định. Độ rộng phổ nguồn quang được định

nghĩa là khoảng bước sóng do nguồn quang phát ra mà tại đó công suất áng sáng

bằng 0,5 lần công suất đỉnh (hay giảm 3 dB so với công suất đỉnh). Bước sóng có

công suất phát xạ lớn nhất được gọi là bước sóng trung tâm. Bước sóng này thay đổi

theo nhiệt độ do phân bố mật độ điện tử trong các vùng năng lượng thay đổi theo

nhiệt độ.

Hiện tượng tồn tại độ rộng phổ của nguồn phát quang làm tăng hiện tượng

tán sắc khi ánh sáng lan truyền trong sợi. Vì thế, việc chế tạo các nguồn quang có

độ rộng phổ hẹp và bước sóng trung tâm ổn định luôn là yêu cầu bức thiết của các

nhà nghiên cứu nguồn quang. Như đã biết, điện tử tồn tại ở vùng năng lượng khác

nhau khi dịch chuyển sẽ phát xạ photon ánh sáng có năng lượng đúng bằng sự dịch

chuyển năng lượng đó. Tuy nhiên, trong chất bán dẫn chế tạo nguồn quang, do có

nhiều mức năng lượng tồn tại ở một vùng năng lượng nên các điện tử khi chuyển từ

các các mức năng lượng Ej trong vùng dẫn xuống mức năng lượng Ei trong vùng

hoá trị sẽ tạo ra photon có bước sóng khác nhau. Hơn nữa, phân bố mật độ điện tử

trong vùng dẫn và vùng hoá trị không đều nhau, dẫn đến công suất phát quang tại

các bước sóng khác nhau không giống nhau nên đường bao phổ của nguồn quang có

dạng như hình 3.14.

Các vật liệu bán dẫn khác nhau có năng lượng dải cấm khác nhau và độ rộng

vùng năng lượng khác nhau. Độ rộng phổ và bước sóng hoạt động của LED phụ

thuộc vào loại vật liệu chế tạo nguồn quang. Ánh sáng có bước sóng 1,3 m do

LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ 50-60nm. Trong khi, LED

được chế tạo bằng bán dẫn GaAs có bước sóng trung tâm l=850nm phát ra ánh

sáng có độ rộng phổ hẹp hơn 1,7 lần so với LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP.

Vuøng hoaù trò

(Valence band)

Vuøng daãn

(Conduction band)

E

l1 l2 l3 l4

PTIT

110

Hình 3.13 Nguồn quang bán dẫn phát ra ánh sáng trong một khoảng bước sóng

lp

Dl

l(nm)

Công suất chuẩn hóa

1

0.5

Hình 3.14 Đặc tính phổ của LED

3.3 Laser laser bán dẫn (LD)

Đối với hệ thống thông tin sợi quang yêu cầu dung lượng truyền dẫn lớn thì

nguồn quang LD bán dẫn lại là sự lựa chọn tối ưu hơn so với LED. Laser diode LD

thường có thời gian đáp ứng nhỏ hơn 1ns, độ rộng phổ hẹp và phát ánh sáng kết hợp

nên rất phù hợp khi ghép nối vào các sợi quang có kích thước lõi nhỏ. Tuy nhiên,

công suất phát quang của LD lại nhỏ hơn nhiều so với công suất phát của LED.

Hoạt động của laser dựa trên ba quá trình cơ bản đó là hấp thụ, phát xạ tự

phát và phát xạ kích thích. Ở điều kiện cân bằng nhiệt, mật độ điện tử ở trạng thái

kích thích là rất nhỏ. Hầu hết photon đi vào hệ thống đều bị hấp thụ, vì thế hầu như

không có hiện tượng phát xạ kích thích. Phát xạ kích thích chỉ vượt quá được hiện

tượng hấp thụ khi mà nông độ điện tử tại trạng thái kích thích rất lớn hơn so với

nồng độ điện tử ở trạng thái nền, đây chính là hiện tượng đảo mật độ tích lũy. Vì

đây không phải là điều kiện cân bằng nên hiện tượng đảo mật độ được thực hiện

nhờ kỹ thuật bơm. Trong laser bán dẫn, đảo mật độ được tiến hành bằng cách phun

các điện tử và trong vật liệu tại tiếp điểm thiết bị để lấp các trạng thái năng lượng

thấp hơn của vùng dẫn.

3.3.1 Cấu tạo cơ bản của nguồn laser bán dẫn

Cấu trúc cơ bản của LD gồm nhiều lớp bán dẫn không đồng nhất để tạo

thành cấu trúc dị thể kép, thường được cấu tạo dưới dạng khoang cộng hưởng Fabry

PTIT

111

– Perot như trong hình 3.15 dưới đây. Khoang là một hình hộp chữ nhật sáu mặt có

khả năng giam hãm photon và các hạt tải điện. Khoang cộng hưởng có kích thước

rất nhỏ, dài xấp xỉ từ 250 đến 500 µm, rộng từ 5 đến 15 µm và dày từ 0,1 đến 0,2

µm. Các kích thước này lần lượt được gọi là kích thước dọc, bên và ngang của

khoang cộng hưởng. Hai tiếp giáp dị thể kép nằm phía dưới và phía trên lớp hoạt

tính và chiết suất của hai lớp hạn chế nhỏ hơn lên chiết suất lớp hoạt tính đã tạo ra

khả năng giam hãm photon và hạt tải điện theo chiều ngang. Để bổ sung khả năng

giam hãm của hai mặt bên thì cạnh hốc được cắt nhám. Còn tại hai cạnh theo chiều

dọc của khoang sẽ đặt hai gương có mặt phản xạ quay vào nhau để vây lấy khoang

cộng hưởng. Hai gương này có độ phản xạ rất cao, lên tới 99% để làm giảm độ rộng

phổ.

Lớp phản xạ điện môi

Cạnh hốc được cắt ráp

Đầu hốc quang được mài nhẵn tạo thành gương

Chiều dài 250÷500 µmCạnh bên 5÷15 µm

Chiều ngang 0,1÷0,2 µm

Ánh sáng được ghép vào sợiCác lớp giam quang và

hạt mang

30÷50 (θ)

5÷10 (θ)

Hình 3.15 Cấu tạo khoang cộng hưởng Fabry – Perot

Về cơ bản, cấu tạo của hầu hết các laser diode đều có cấu trúc dị thể kép

được phân cực thuận. Tuy nhiên, điểm khác trong cấu tạo của laser so với LED đó

là tồn tại khoang cộng hưởng Fabry – Perot ở vùng hoạt tính. Sự khác biệt này là do

nguyên lý phát xạ của LED chủ yếu dựa trên hiện tượng phát xạ tự phát trong khi

phát xạ chủ yếu trong laser là phát xạ kích thích. Khi bắt đầu có dòng đi qua laser,

lúc này giá trị dòng bơm nhỏ nên chủ yếu kích thích các điện tử nhảy từ vùng hóa

trị sạng vùng dẫn, bắt đầu gây nên hiện tượng đảo mật độ. Tại thời điểm này, laser

hoạt động như một LED. Khi dòng bơm vào tiếp tục tăng lên, nhiều hạt tải được

đưa vào vùng tích cực, cung cấp cho buồng cộng hưởng một số lượng photon đủ lớn

và số photon này bị giữ lại trong buồng cộng hưởng, chưa kịp phát xạ ra khỏi laser.

PTIT

112

Chúng phản xạ qua lại hai thành của buồng cộng hưởng (chính là hai gương phản

xạ) như hình 3.16, va chạm với các nguyên tử bán dẫn làm tăng mật độ hạt tải

nhanh chóng và gây nên hiện tượng đảo mật độ tích lũy. Quá trình phát xạ kích

thích xảy ra và chiếm ưu thế hơn quá trình phát xạ tự phát, tín hiệu quang phát xạ

tăng mạnh và có sự đồng nhất về pha. Vì thế, laser phát xạ ánh sáng có độ mở nhỏ

nhưng tính định hướng cao.

Hốc cộng hưởng lúc này hoạt động như một bộ dao động hơn là một bộ

khuếch đại do quá trình hồi tiếp dương xảy ra khi sóng ánh sáng phản xạ qua lại

giữa hai mặt phản xạ đặt ở hai đầu hốc cộng hưởng. Khi tín hiệu quang được phản

xạ nhiều lần, khuếch đại quang xảy ra trong hốc cộng hưởng.

Để quá trình kích thích chiếm ưu thế hơn so với quá trình phát xạ tự phát thì

trước hết ta phải có điều kiện để xảy ra trạng thái đảo mật độ. Theo hình 3.11 thì

mật độ hạt càng nhiều thì độ chênh lệch E càng lớn. Và với mỗi một giá trị mật độ

phổ công suất khác nhau thì một hệ số khuếch đại khác nhau.

Bề mặt phản xạ

Dòng bơm

Vùng tích cực

Môi trường

khuếch đại

L

Gương phản xạ

Hình 3.16 Mô tả khoang cộng hưởng Fabry – Perot

z = 0 z = L

R1 R2 PTIT

113

Gọi độ phản xạ của hai gương trong hộp cộng hưởng là R1 và R2. Chiều dài

hộp cộng hưởng (hay lớp tích cực) là L ta có biên độ tín hiệu quang sau một lộ trình

(đi và phản xạ về) là:

E(z+2L)=E0. 21RRexp(g.L)exp(-αintL)exp(2ikL) (3.35)

với αint là suy hao trong hộp.

Để sau một lộ trình biên độ tín hiệu được khuếch đại hơn thì E(z+2L)≥E(z),

và điều kiện ngưỡng là khi dấu bằng xảy ra.

Về biên độ: điều kiện ngưỡng là khi E(z+2L)=E(z), phải thỏa mãn:

Biên độ sau mỗi lộ trình phải tăng lên

Pha của tín hiệu sau mỗi lộ trình là không đổi.

Từ đó ta có: 21RR exp[(g-αint)L] ≥ 1. Dấu bằng xảy ra ta có:

gth = αitn + 21

1ln

2

1

RRL = αint + αmir = αcav (3.36)

Như vậy hệ số khuếch đại tới hạn là giá trị phụ thuộc vào suy hao lớp tích

cực, suy hao của gương gọi chung là suy hao tổng của hộp cộng hưởng.

Về pha: điều kiện về pha không đổi nên ta có: exp(i2kL)=1 2kL= 2mπ .

g(cm-1)

Eg

Efc- Efv

E

+

-

0

N=1,6.1018

N=1,4.1018

N=1,2.1018 N=1.1018

Hình 3.17 Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào mật độ

PTIT

114

Mà k = l

2

= c

f2

nên ta có tần số phát xạ mode thứ m : fm = nL

cm

2

.

với m

Z.

Từ đó ta có khoảng cách các mode phát xạ là

Δf =fm+1 –fm= nL

c

2 (3.37)

Hình 3.12 mô tả khoảng cách giữa các mode phát xạ. Trong đó các mode lớn

hơn mức suy hao thì mới phát xạ ra ngoài.

Để cung cấp khả năng giam hãm photon của hai mặt bên có thể sử dụng một

số các cấu trúc laser khác nhau. Đó là laser dẫn sóng – khuếch đại, laser dẫn sóng –

chiết suất yếu và laser dẫn sóng – chiết suất mạnh.

Laser dẫn sóng – khuếch đại có cấu trúc giam hãm dòng theo chiều ngang.

Laser cấu trúc dị thể kép sử dụng lớp oxit như hình 3.19 a). Lớp tiếp xúc P trên

cùng là lối vào của dòng điện. Lớp oxit có tác dụng hướng luồng vào khe hẹp. Hình

3.19 b) mô tả laser có sử dụng kẽm khuếch tán vào vật liệu n để tạo ra dải tiếp xúc P

nhằm hạn chế sự phân tán của luồn dòng theo chiều ngang. Miền có luồng dòng lớn

lại có chiết suất thấp nên khả năng giam hãm photon của hai mặt bên theo chiều

ngang của laser này là rất yếu, dẫn đến hầu hết là các mode ngang.

f(λ)

g

Δf

Suy hao

Khuếch đại

Các mode phát xạ

Hình 3.18 Đặc tính suy hao và khuếch đại của laser

PTIT

115

Hình 3.19 Cấu trúc cơ bản của laser dẫn sóng – khuếch đại

Laser dẫn sóng – chiết suất yếu tạo ra khả năng giam hãm photon tốt hơn

nhờ tạo ra sự chênh lệch chiết suất của hai mặt bên theo chiều ngang. Cấu trúc của

loại laser có ống dẫn sóng P-InP đặt phía trên lớp hoạt tính nên gọi là loại ống dẫn

sóng chóp. Nếu ống dẫn sóng đặt dưới gối lớp hoạt tính gọi là laser ống dẫn sóng

gối.

Hình 3.20 Mặt cắt ngang của laser diode dẫn sóng – chiết suất yếu

Thay thế cấu trúc ống dẫn sóng laser trong laser dẫn sóng – chiết suất yếu

bằng cấu trúc vật lí hai bên lớp hoạt tính, nhằm tạo ra sự thay đổi chiết suất khoảng

0,2. Hai mặt bên theo chiều ngang là hai lớp tiếp giáp dị thể (có tất cả bốn dị thể) để

giam hãm cả photon và các hạt tải điện. Nhờ khả năng giam hãm tốt nên dòng

ngưỡng của loại laser này thường nhỏ nhất.

PTIT

116

Hình 3.21 Mặt cắt ngang của laser dẫn sóng – chiết suất mạnh

3.3.2 Đặc tính của LD

a) Phương trình tốc độ của LD

Phương trình tốc độ mô tả mối quan hệ giữa số các photon và các hạt tải

trong khoang cộng hưởng. Sự thay đổi theo thời gian của nồng độ điện tử Nc và

nồng độ photon Nph trong laser được biểu diễn bởi hệ các phương trình tốc độ như

sau:

c cph

c

dN NIGN

dt qV

(3.38)

ph ph

ph sp

ph

dN NGN R

dt

(3.39)

Trong đó, I là cường độ trường quang, q = 1,6.10-19 C là điện tích điện tử, V

là thể tích vùng tích cực,c là thời gian sống của hạt tải, ph là thời gian sống của

photon, Rsp=G.τsp là tốc độ phát xạ tự phát, G là hằng số biểu diễn cho khả năng

phát xạ kích thích trong laser.

Phương trình 3.38 mô tả tốc độ điện tử được tạo ra và mất đi trong vùng tích

cực. Khả năng phát xạ kích thích trong laser, hay độ lợi khuếch đại trong laser phụ

thuộc vào loại bán dẫn, mật độ điện tử và photon trong vùng tích cực. Biểu biểu

thức I/eV cho thấy nồng độ điện tử tăng khi càng nhiều điện tử do dòng điện cung

cấp vào được bơm vùng tích cực. Trong khi, biểu thức Nc/c mô tả tốc độ giảm nồng

độ điện tử do quá trình tái hợp điện tử và lỗ trống xảy ra do hiện tượng phát xạ tự

PTIT

117

phát. Biểu thức G.Nph mô tả cho hiện tượng phát xạ kích thích với G là tốc độ phát

xạ kích thích hay chính là hệ số khuếch đại của khoang cộng hưởng trong laser.

G = .vg.gm (3.40)

với là hệ số giam, vg là vận tốc nhóm và gm là hệ số khuếch đại của vật

liệu tại bước sóng cộng hưởng của laser.

Phương trình 3.39 cho thấy nồng độ photon trong vùng tích cực sẽ tăng nếu

quá trình phát xạ kích thích và phát xạ tự phát tăng thể hiện qua hai biểu thức G.Nph

và Rsp. Trong khi đó, nồng độ photon giảm do sự hấp thụ xảy ra trong vùng tích cực

và do ánh sáng phát xạ ra ngoài laser. Quá trình này biểu diễn bởi biểu thức Nph/ph

với ph là thời gian sống của photon tức là thời gian tồn tại của photon trong vùng

tích cực.

Với phương trình tốc độ, nhiều tính chất và đáp ứng của laser theo thời gian

có thể được xác định. Bằng cách thay đổi các giá trị của dNc/dt và dNph/dt trong hệ

phương trình 3.38 và 3.39 ta có được tính chất của laser ở trạng thái tĩnh (steady-

state) và ở trạng thái động (dynamic-state) khi dòng điện kích thích thay đổi theo

thời gian.

b) Điều kiện ngưỡng LD

Trong quá trình phát xạ kích thích, công suất của một số photon không đi ra

khỏi được khoang cộng hưởng mà bị dập tắt ngay bên trong khoang do hệ số suy

hao của khoang. Vì thế để đảm bảo có photon ánh sáng phát ra ngoài khoang cộng

hưởng thì độ lợi khuếch đại phải bù lại được với hệ số suy hao trong khoang, tức là

hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra phải đủ lớn. Đây chính là điều kiện ngưỡng của

laser. Để đảm bảo được điều này laser phải được bơm tối thiểu ở một mức nhất

định. Giá trị dòng bơm cần thiết để đạt được ngưỡng laser được gọi là dòng

ngưỡng.

Điều kiện cần thiết để phát tia laser là phải đạt được sự nghịch đảo tích lũy.

Điều kiện này có thẻ được giải thích khi xem xét mối quan hệ cơ bản giữa cường độ

trường quang I, hệ số hấp thụ αλ và hệ số khuếch đại g trong khoang Fabry – Perot.

Cường độ bức xạ tại một năng lượng photon hυ thay đổi theo qui luật hàm mũ với

khoảng cách z mà nó đi qua dọc theo khoang phát tia laser tương ứng.

0 exp g hI z I h z a (3.41)

PTIT

118

với a hệ số hấp thụ của vật liệu, Г là hệ số giam quang (phần công suất

quang trong lớp tích cực).

Do có sự phản xạ qua lại giữa hai gương của khoang cộng hưởng, điều kiện

cộng hưởng xảy ra và làm khuếch đại một số mode quang, trong khi dập tắt một số

mode khác. Khi có khuếch đại xảy ra, một số mode quang có đủ năng lượng đi vòng

xung quanh khoang, tức là lan truyền qua khoảng cách 2L. Biểu thức trường quang

của các mode này như sau:

1 22 0 R R exp g h 2I L I h L a (3.42)

với L là chiều dài khoang cộng hưởng, R1, R2 lần lượng là hệ số phản xạ của

hai gương trong khoang Fabry – Perot.

Tại ngưỡng phát laser, sự dao động ở trạng thái bền vững sẽ tạo ra biên độ và

pha của sóng quay về phải bằng biên độ và pha của sóng gốc, tức là

I(2L) = I (0) (3.43)

2 1j Le (3.44)

Phương trình 3.43 cho biết điều kiện để tiến tới hệ số khuếch đại ngưỡng

phát laser gth là điểm mà tại đó có độ khuếch đại g lớn hơn hoặc bằng tổng suy hao

αt ở trong khoang cộng hưởng.

1 2

1 1ln

2th tg

L R Ra a

(3.45)

Dòng ngưỡng Ith thông thường được xác định bằng phương pháp ngoại suy

vùng phát xạ laser theo đường công công suất phụ thuộc vào dòng điều khiển. Khi

dòng điều khiển nhỏ hơn dòng ngưỡng, chỉ có phát xạ tự phát. Tại ngưỡng phát

laser sẽ xảy ra sự tăng công suất quang đột ngột do phát xạ kích thích chiếm đa số.

c) Đặc tính của LD

Trạng thái tĩnh của laser được xác định khi nồng độ điện tử và nồng độ

photon trong lớp tích cực không thay đổi theo thời gian dNc/dt=0 và dNph/dt=0.

Bằng cách này, ta có thể xác định được điều kiện ngưỡng (dòng ngưỡng Ith) và mối

quan hệ giữa dòng địện kích thích I và công suất phát quang của laser khi I > Ith.

Tại trạng thái nguỡng, ta có dNc/dt=0 và dNph/dt=0, I=Ith, nồng độ điện tử đạt giá

trị ngưỡng Nc=Nth, nồng độ photon xấp xỉ 0 do chỉ tồn tại phát xạ tự phát rất nhỏ

Nph0. Hệ phương trình tốc độ có thể được viết lại như sau:

PTIT

119

Ith/(qV) = Nth/sp (3.46)

Khi bắt đầu có phát xạ laser, Nph ≠ 0, nhưng Rsp0

G.Nph =Nph/p (3.47)

Dựa vào các phương trình đã có, giá trị dòng điện ngưỡng có thể xác định

được như sau

1 1th thT

c c N p

I NN

qV G

(3.48)

Trạng thái động của laser xảy ra khi dòng điện kích thích thay đổi theo thời

gian. Hoạt động của laser khi điều chế tín hiệu nhỏ (dòng điện kích thích nằm trong

khoảng tuyến tính của đặc tuyến P-I của laser) là trường hợp laser hoạt động ở trạng

thái này. Khi đó, nồng độ điên tử và nồng độ photon trong vùng tích cực được biểu

diễn dưới dạng:

Nc = Nc0 + dcn(t) (3.49)

Nph = Nph0 + dnph (t) (3.50)

với Nc0 và Nph0 là nồng độ điện tử và nồng độ photon ở trạng thái tĩnh, dnc(t)

và dnph(t) được tạo ra khi điều chế dòng điện kích thích.

Khi đó, phương trình tốc độ trở thành phương trình vi phân bậc hai biểu diễn

dao động tắt dần của dnc(t) và dnph(t). Như vậy, có thể thấy tồn tại một khoảng thời

gian trễ trước khi laser bắt đầu phát xạ ánh sáng sau khi xung điều chế được thực

hiện. Và dao động tắt dần này kéo dài đến khi nồng độ photon đạt trạng thái ổn

định.

Hiện tượng thời gian trễ và dao động tắt dần trên là không thể tránh khỏi đối

với laser nhưng có thể được hạn chế bằng cách dùng dòng phân cực DC, Ib. Thời

gian trễ td đựoc xác định bằng công thức sau:

td = .ln[Ip/(Ip+Ib-Ith)] (3.51)

Với là thời gian sống của điện tử, Ip là cường độ dòng điện điều chế.

3.3.3 Các nguồn LD đơn mode

a) Laser DFB

PTIT

120

Cấu trúc của laser DFB được biểu diễn trên hình 3.22. Quá trình cộng hưởng

và chọn lọc tần số xảy ra trong laser DFB được thực hiện nhờ cấu trúc cách tử

Bragg đặt ở bên cạnh, dọc theo vùng tích cực của laser. Sóng 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 hưởng có thể xảy ra là bước sóng ánh sáng phải

thỏa điều kiện Bragg:

lB = 2..neff (3.52)

Trong đó, là chu kỳ của cách tử Bragg, neff = n.sinq với n là chiết suất của

cách tử, q là góc phản xạ của ánh sáng.

Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo ra trong vùng tích

cực phản xạ nhiều lần tại cách tử (khác với laser Fabry – Perot chỉ phản xạ tại hai

mặt phản xạ của hốc cộng hưởng). Tại mỗi đoạn dốc của cách tử, một phần năng

lượng ánh sáng bị phản xạ. Tổng hợp năng lượng ánh sáng phản xạ tại mỗi đoạn

cách tử này trong laser làm cho phần lớn ánh sáng trong laser được phản xạ có bước

sóng thỏa điều kiện Bragg. Kết quả là, laser DFB chỉ phát xạ ra ánh sáng có bước

sóng lB thỏa điều kiện Bragg trong khi laser Fabry – Perot có nhiều bước sóng ánh

sáng thỏa điều kiện phản xạ trong khoang cộng hưởng. Vì vậy, DFB laser chỉ phát

ra một mode sóng có độ rộng phổ rất hẹp so với laser Fabry – Perot. Với đặc điểm

như vậy, laser DFB đã và đang được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang có

cự ly truyền dẫn dài và tốc độ bit truyền cao.

Hình 3.22 Cấu trúc của laser DFB

b) Laser DBR

Cấu tạo của laser DBR cũng ứng dụng cấu trúc cách tử Bragg như laser

DFB. Tuy nhiên, trong laser DBR, cách tử Bragg không được đặt bên cạnh, dọc

theo lớp tích cực như laser DFB. Thay vào đó, cách tử Bragg được đặt ở hai đầu

Điều khiển hốc cộng hưởng

Phần phản xạ Bragg

Vùng hoạt tính

PTIT

121

vùng tích cực, đóng vai trò như gương phản xạ của hốc cộng hưởng như trong laser

Fabry – Perot. Nhờ vậy, trong laser DBR cũng chỉ có một bước sóng thỏa điều

Bragg mới có thể phản xạ lại và cộng hưởng trong vùng tích cực thay vì nhiều bước

sóng như laser Fabry – Perot. Kết quả là, phổ của laser DBR chỉ có một mode sóng

với độ rộng phổ hẹp.

Hình 3-23 Cấu trúc của laser DBR

c) Laser quang sợi

Laser quang sợi là loại laser được cấu tạo trực tiếp trên sợi quang, tức là

khoang cộng hưởng của laser chính là sợi quang được pha tạp thêm các nguyên tố

đất hiếm như Erbium, ytterbium, neodymium, dyspromium, praseodysium,

praseodymium và thulium. Loại laser này tương đối giống với khuếch đại quang sợi

pha tạp Erbium. Các hiệu ứng phi tuyến xảy ra trong sợi cũng cung cấp độ khuếch

đại cho laser.

Laser quang sợi hiện đang được ứng dụng rộng rãi không chỉ trong viễn

thông mà còn nhiều lĩnh vực khác như xử lý vật liệu, y học,… Laser quang sợi có

công suất lớn, chất lượng cao và linh hoạt trong việc ghép vào sợi.

Hình 3.24 Mô hình laser quang sợi

d) Laser khả chỉnh bước sóng

Phần phản xạ Vùng hoạt tính

Hưóng dọc

Điều khiển hốc

cọng hưởng

Điều khiển

tần số

PTIT

122

Laser khả chỉnh bước sóng là loại laser cho phép thay đổi bước sóng đầu ra

dưới sự điều khiển bên ngoài. Một vài loại cho phép điều chỉnh liên tục một dãy

bước sóng. Loại laser này có nhiều ứng dụng trong quang phổ, quang hóa hay viễn

thông.

Như ta đã biết trong hệ thống WDM thì nguồn quang laser là một trong các

thành phần quan trọng nhất và nó có những quy định rất nghiêm ngặt, đặc biệt là về

bước sóng phát. Khi sử dụng laser khả chỉnh bước sóng ta có thể sử dụng một laser

duy nhất thay thế cho nhiều laser vì có thể điều chỉnh để thay đổi được bước sóng

đầu ra.

Có ba phương pháp để tạo ra nguồn quang điều hưởng cho hệ thống

WDM là điều hưởng dòng điện, điều hưởng nhiệt và điều hưởng cơ học. Cả ba

phương pháp đều thay đổi độ dài đường dẫn của hốc quang và cho phép tia laser

phát ra những bước sóng riêng như mong muốn.

Điều hưởng dòng: Dòng điện nuôi được sử dụng làm nguồn điều hưởng.

Trong trường hợp này, cơ cấu điều hưởng phải hợp nhất giữa sự lựa chọn

bước sóng, độ tăng ích. Những điều chỉnh phải đòi hỏi được trình diễn và

điều khiển bước sóng ánh sáng phát ra. Tuy nhiên, phương pháp điều hưởng

dòng điện tạo ra một đường cong điều hưởng có dạng bậc thang mà sẽ làm

giới hạn sự linh hoạt của laser.

Điều hưởng nhiệt: Khi ta thay đổi nhiệt độ của hốc cộng hưởng của laser sẽ

tác động đến độ dài hốc. Một số nhà sản xuất dùng điều hưởng nhiệt để đạt

được những đường cong điều hưởng liên tục và rất chính xác. Tuy nhiên, sự

điều hưởng theo nhiệt làm giảm thời gian sống của một nguồn laser. Hơn

nữa, những nguồn laser điều hưởng sử dụng phương pháp này có phạm vi

điều hưởng giới hạn. Một vài nguồn sáng được điều hưởng nhiệt có thể chậm

phản ứng nên chúng không thích hợp với những ứng dụng yêu cầu tốc độ

điều hưởng nhỏ hơn 1ms.

Điều hưởng cơ học: Với một laser được điều hưởng theo phương pháp cơ

học, bước sóng được điều chỉnh nhờ việc di chuyển vật lý một cách tử nhiểu

xạ hay một gương phản xạ. Phương pháp này còn cung cấp đường cong điều

hưởng liên tục và chính xác. Mặc dù những nguồn laser khả chỉnh dựa trên

những thiết kế về hốc bên ngoài đã được sử dụng trong nhiều năm, những

chúng có kích thước lớn và giá thành đắt. Những nghiên cứu quan trọng mới

đây theo phương pháp tiếp cận này sử dụng chuyển động dựa vào MEMS

PTIT

123

của một gương hốc quang được tích hợp vào một nguồn laser sẽ ít tốn kém

và đơn giản hơn.

Các laser đơn mode DBR và DFB sử dụng phương pháp điều hưởng dòng để

thay đổi bước sóng. Hình 3.25 dưới đây mô tả một laser khả chỉnh bước sóng sử

dụng phương pháp điều hưởng cơ học.

3.4 Điều biến nguồn quang

Việc điều biến tín hiệu quang theo thông tin dữ liệu có thể được thực hiện

nhờ điều biến trực tiếp và điều biến ngoài. Điều biến trực tiếp được thực hiện bằng

cách điều chế thông tin dữ liệu trực tiếp lên dòng nuôi cho nguồn quang nhờ thế

nguồn quang sẽ phát xạ ánh sáng theo thông tin dữ liệu. Trong trường hợp điều biến

ngoài thì nguồn quang phát ánh sáng liên tục, thông tin được điều chế nhờ một bộ

giao thoa kế nằm bên ngoài. Bộ giao thoa kế phổ biến được sử dụng trong các hệ

thống thông tin quang đó là giao thoa kế Mach – Zender. Trong bộ phát tín hiệu

quang, ngoài nguồn quang còn có các thành phần khác như mạch kích thích để cung

cấp năng lượng điện cho nguồn quang và các bộ giao thoa kế, mạch hồi tiếp, mạch

ổn định nhiệt, ổn định công suất,…

LD

Màng AR

Tăng ích Chọn bước sóng

Thấu kính

chỉnh thô

chỉnh tinh

tín hiệu

Hình 3.25 Laser bán dẫn có điều chỉnh ngoài khoang cộng hưởng

PTIT

124

3.5 Một số vấn đề trong thiết kế bộ phát quang

3.5.1 Ghép nối nguồn - sợi quang

Công suất được ghép vào sợi càng lớn thì khả năng truyền dẫn càng xa. Tuy

nhiên, lõi sợi rất nhỏ nên việc ghép nối nguồn và sợi phải có các phương pháp để

giúp khả năng ghép nối được tốt hơn. Để tránh được hiện tượng phản xạ ánh sáng

tại miền ghép nối giữa nguồn và sợi quang có thể sử dụng có hệ số chiết suất bằng

chiết suất của lõi sợi. Một cách khác, đầu lõi sợi quang có thể được mài thành một

thấu kính lồi để hướng các tia sáng vào lõi sợi hoặc sử dụng một thấu kính lồi riêng

tại điểm ghép nối nguồn và sợi quang. Hình 3.26 mô tả một số cách thức ghép nối

nguồn quang và sợi cho LED. Đối với laser, do nguồn sáng hẹp nên có thể sử dụng

vi thấu kính để ghép ánh sáng thay vì sử dụng thấu kính thông thường.

Hình 3.26 Một số cách ghép nối giữa nguồn và sợi quang cho LED PTIT

125

Hình 3.27 Ghép nối LD vào sợi sử dụng vi thấu kính

3.5.2 Mạch kích thích nguồn quang

Trong hệ thống thông tin sợi quang, bộ phát quang thực hiện phát tín hiệu

quang mang thông tin từ nơi phát đến nơi thu. Để điều chế tín hiệu quang tại bộ

phát phải có mạch điều biến cường độ. Tùy vào kiểu tín hiệu là tương tự hay tín

hiệu số, mạch phát điều biến cường độ phải có những đặc điểm khác nhau nhất

định.

a) Mạch phát sử dụng LED

Đối với tín hiệu tương tự, mạch phát điều biến cường độ thường sử dụng

transistor lưỡng cực. LED kết nối với cực góp hoặc cực phát thông qua một điện trở

hạn chế dòng. Tín hiệu điện điều biến được đưa vào cực gốc cuả transistor. Giả

thiết, dòng điều biến có dạng:

i(t) = Ib + Im.cost (3.53)

với m = Im/Ib là độ sâu điều biến điện

Theo sơ đồ mạch hình 3.28, dòng qua cực gốc có dạng

1 0

1

( )

(1 )b

e

V VI

R R

(3.54)

Trong đó 1

a b

a b

R RR

R R

và 1

adc

a b

RV V

R R

. Khi đó, điện áp trên LED có dạng:

PTIT

126

dc c e CE dV i R v v (3.55)

Và công suất quang thu được trên LED sẽ là

P(t) = Pb + Pm.cos t (3.60)

với m’=Pm/Pb là độ sâu điều biến quang

Hình 3.28 Mạch kích thích sử dụng LED cho tín hiệu tương tự

Đối với mạch kích thích sử dụng LED cho tín hiệu số không cần sử dụng các

điện trở để phân cực cho transistor lưỡng cực. Vì tín hiệu số, tốc độ sườn xung thay

đổi nhanh nên cần sử dụng thêm tụ C để tăng tốc độ điều biến.

Hình 3.29 Mạch kích thích sử dụng LED cho tín hiệu số

b) Mạch phát sử dụng LD

Một mạch phát quang điều biến cường độ được biểu diễn trên hình 3.29.

Mạch phát quang này là sự kết hợp của mạch điều khiển ở hình 3.30 và mạch điều

chế tín hiệu ở hình 3.31. Hoạt động của mạch phát quang điều biến cường độ có thể

được phân tích dựa trên hoạt động của mạch điều khiển và mạch điều chế tín hiệu.

PTIT

127

Hình 3.29 Mạch phát quang sử dụng LD điển hình

Hình 3.30 Mạch kích thích

PTIT

128

Hình 3.31. Mạch điều chế tín hiệu

Mạch kích thích có chức năng biến đổi nguồn điện áp từ bộ biến đổi dữ liệu

về dạng dòng điện cung cấp dòng phân cực cho laser. Chức năng này là cần thiết vì

nguồn điện cung cấp cho laser dưới dạng điện áp hơn là dòng điện. Dòng phân cực

cho laser được tạo ra cần phải rất ổn định với dòng điện ngưỡng để có thể truyền tín

hiệu dữ liệu không bị lỗi. Do vậy, dòng phân cực cần được điều khiển bởi tín hiệu

hồi tiếp từ cảm ứng nhiệt.

Trong mạch kích thích hình 3.30, điện áp điều khiển, Vbias+, là điện áp đầu

vào của opamp. Dòng điện chạy qua điện trở R chỉ phụ thuộc vào điện áp đầu vào

mà không phụ thuộc vào điện trở tải, trong trường hợp này là laser diode. Do đó,

bằng cách thay đổi Vbias, người ta có thể điều khiển được dòng phân cực Ibias.

Khi nhiệt độ thay đổi, việc ổn định công suất quang ở đầu ra của laser diode

được thực hiện bởi tín hiệu hồi tiếp từ photodiode PD. PD này thu ánh sáng từ laser

phát ra và tạo ra dòng quang điện tỷ lệ với công suất phát quang của laser. Vì vậy,

khi công suất quang đầu ra thay đổi, do sự thay đổi của nhiệt độ, dòng quang điện

sẽ thay đổi làm cho dòng điện phân cực Ibias cũng thay đổi theo bù lại những thay

đổi trong trong công suất quang quang của laser.

Quá trình điều chế tín hiệu trong mạch phát điều biến cường độ được thực

hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích từ mức phân cực đến mức cao nhất.

Mạch điều chế tín hiệu được biểu diễn trên hình 3.31. Trong đó, quá trình điều chế

được điều khiển bởi dòng phân cực qua laser. Chức năng chính của mạch là cung

cấp dòng phân cực cực đại cho laser.

Trong mạch điều chế, dữ liệu phát được đưa vào cực gốc transistor Q1, cực

B transistor Q2 được cố định bởi nguồn phân cực VBB. Khi tín hiệu đầu vào lớn

hơn VBB, Q1 dẫn, Q2 tắt, dòng qua LD giảm làm LD ngưng phát sáng. Ngược lại,

khi tín hiệu đầu vào nhỏ hơn VBB, Q1 tắt, Q2 dẫn, dòng qua LD tăng làm LD phát

sáng.

Q3 đóng vai trò cung cấp nguồn dòng ổn định cho mạch vi sai Q1 và Q2. Q4

kết hợp với mạch hồi tiếp dùng khuếch đại thuật toán (Op-Amp) ổn định dòng qua

LD dưới tác động của nhiệt độ cũng như cung cấp tín hiệu cho việc giám sát nhiệt

độ làm việc của LD phục vụ công việc cảnh báo và bảo dưỡng cho bộ phát quang.

PTIT

129

Trong kiểu điều chế trên, tín hiệu điều chế được thực hiện bằng cách thay

đổi dòng điện kích thích chạy qua laser. Kiểu điều chế này đươc gọi là điều chế nội

hay điều chế trực tiếp. Ưu điểm của kiểu điều chế này là đơn giản. Tuy nhiên, hạn

chế của kỹ thuật điều chế này là băng thông điều chế bị giới hạn bởi tần số dao động

tắt dần của laser diode và hiện tượng chirp xảy ra đối với tín hiệu quang tăng độ

rộng phổ của xung ánh sáng. Hiện tượng này xảy ra đối với laser DFB và vì vậy là

yếu tố hạn chế nghiêm trọng đối với các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao (chủ

yếu sử dụng laser DFB làm nguồn quang). Hơn nữa, kỹ thuật điều chế này cũng

không áp dụng được trong các hệ thống thông tin quang đòi hỏi công suất phát

quang lớn (>30mW) như các mạng truyền dẫn cự ly xa hay mạng truyền hình cáp vì

việc chế tạo các mạch phát quang điều chế trực tiếp hoạt động ổn định khi điều chế

tốc độ cao với dòng điện kích thích lớn (>100mA) trở nên phức tạp và khó khăn

hơn nhiều. Những hạn chế trên có thể được khắc phục được khi sử dụng kỹ thuật

điều chế ngoài.

3.5.3 Ổn định nguồn quang

Khác với LED, các mạch kích thích cho LD phải sử dụng mạch vòng điều

khiển ổn định công suất quang do laser rất nhạy với sự thay đổi nhiệt độ. Nhiệt độ

càng tăng, thì công suất phát quang của laser càng giảm.

Hình 3-32 Mô-đun laser có hệ thống ổn định nhiệt

PTIT

130

Chương 4 Bộ thu quang

Vai trò của bộ thu quang là biến đổi tín hiệu quang trở lại thành tín hiệu điện

và khôi phục lại dạng tín hiệu ban đầu (dạng tín hiệu trước khi được đưa vào hệ

thống thông tin quang). Thành phần chính của bộ thu là diode thu quang, thành

phần này có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện thông qua các hiệu

ứng quang điện. Các yêu cầu đối với diode thu quang cũng tương tự như yêu cầu

đối với nguồn quang, cụ thể: độ nhạy cao, tốc độ đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá

thành rẻ, độ tin cậy cao, kích thước phù hợp với lõi sợi quang. Các diode thu quang

được làm từ vật liệu bán dẫn hoàn toàn có thể đáp ứng được các yêu cầu này.

4.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Quá trình thu quang được thực hiện dựa trên hiện tượng hấp thụ ánh sáng của

vật liệu chế tạo diode thu quang. Trong phần này sẽ giới thiệu các khái niệm cơ bản

liên quan đến bộ thu như đáp ứng, hiệu suất lượng tử và băng tần của bộ thu quang.

4.1.1 Đáp ứng của bộ thu

Xem xét một tấm bán dẫn như trên hình 4.1. Khi chiếu ánh sáng vào tấm bán

dẫn này, nếu năng lượng của photon đến (E=hn) lớn hơn năng lượng vùng cấm của

bán dẫn, photon khi bị hấp thụ sẽ tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống. Dưới tác động

của điện trường ngoài đặt vào tấm bán dẫn, các điện tử và lỗ trống này sẽ dịch

chuyển qua tấm bán dẫn đi ra mạch ngoài và tạo thành dòng điện, gọi là dòng photo

(Ip). Dòng photo tạo ra tỷ lệ thuận với công suất quang đến Pin:

�� = ���� (4.1)

R là đáp ứng của diode thu quang (đơn vị là A/W)

PTIT

131

Hình 4-1 Minh họa nguyên tắc thu quang

4.1.2Hiệu suất lượng tử

Hiệu suất lượng tử () của bộ thu được định nghĩa như sau:

� =�ố �ặ� đ�ệ��ử��ỗ ��ố�� đượ��ạ���

�ố ������ đ��ớ��ộ ���=

����

������

=��

�� (4.2)

Từ (4.1) và (4.2) ta có công thức tính R như sau:

� =��

��≈

��

�,�� (4.3)

Với l=c/n được tính theo đơn vị m.

Từ công thức (4.3) có thể thấy rằng, đáp ứng của diode thu quang tăng theo

bước sóng. Tuy nhiên sự tăng này không phải là không có giới hạn vì khi bước sóng

tăng đến một mức nào đó, năng lượng của photon sẽ nhỏ hơn năng lượng vùng cấm

của chất bán dẫn (hn<Eg), làm cho hiệu suất lượng tử sẽ giảm về 0.

Sự phụ thuộc của vào l được thể hiện qua hệ số hấp thụ a. Nếu giả thiết

các mặt của tấm bán dẫn trên hình 4.1 được phủ lớp chống phản xạ thì ta có công

suất ánh sáng truyền qua tấm bán dẫn có bề dày W như sau:

��� = exp (− ��)��� (4.4)

Khi đó, công suất bị hấp thụ bởi tấm bán dẫn sẽ được tính theo công thức sau:

���� = ��� − ��� = [1 − exp (− ��)]��� (4.5)

Vì mỗi photon bị hấp thụ sẽ tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống nên hiệu suất lượng tử

sẽ được tính theo công thức dưới đây:

PTIT

132

� =����

���� = 1 − exp (− ��) (4.6)

Có thể thấy là=0 khi a=0. Mặt khác, tiến đến 1 khi aW>>1.

Trên hình 4.2 thể hiện sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào bước sóng của một

số loại vật liệu bán dẫn hay được sử dụng để làm các diode thu quang trong các hệ

thống thông tin quang. Bước sóng lc tại đó a bằng 0 được gọi là bước sóng cắt vì

vật liệu chỉ có thể sử dụng để chế tạo các diode thu quang khi bước sóng của ánh

sáng đến bộ thu l<lc. Hầu hết các vật liệu bán dẫn đều có hệ số hấp thụ lớn

(a104cm-1) và có thể tiến đến 100% khi W10m.

Hình 4-2 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào bước sóng

của một số loại vật liệu bán dẫn

4.1.3 Độ rộng băng tần nguồn thu

4.1.3.a Thời gian đáp ứng

Băng tần của bộ thu được xác định bởi tốc độ mà tại đó photodide đáp ứng

với sự thay đổi của công suất quang đến. Băng tần này liên quan đến thời gian đáp

ứng của bộ thu. Thời gian đáp ứng của bộ thu (bao gồm photodiode cùng với mạch

điện đầu ra của nó) phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau: 1- Thời gian các hạt

PTIT

133

mang photo (điện tử và lỗ trống)dịch chuyển ra mạch ngoài, còn được gọi là thời

gian chuyển tiếp tr (bao gồm thời gian dịch chuyển trong vùng trôi và thời gian

khuếch tán của các hạt mang photo được tạo ra bên ngoài vùng trôi) , 2- Hằng số

thời gian RC của photodiode và các mạch điện có liên quan trong bộ thuRC

Các tham số có liên quan của photodiode đối với các tham số này bao gồm

hệ số hấp thụ sa , độ rộng vùng trôi w, các điện dung tiếp giáp và điện dung đóng vỏ

photodiode, điện dung bộ khuếch đại diện, điện trở tải bộ tách sóng, điện trở đầu

vào bộ khuếch đại, điện trở nối tiếp của photodiode. Trong các bộ tách sóng thực tế,

điện trở nối tiếp thường rất nhỏ và có thể bỏ qua khi so với điện trở tải và điện trở

đầu vào bộ khuếch đại.

Trước hết ta hãy xem xét thời gian dịch chuyển của các hạt mang photo trong

vùng trôi. Đây là thời gian cần thiết để các hạtmang photo đi ngang qua vùng trôi.

Thời gian chuyển dịch này phụ thuộc vào vận tốc trôi hạt mang và độ rộng vùng

trôi. Nếu chúng ta gọi thời gian chuyển dịch là Tt, vận tốc trôi hạt mang là Vd và độ

rộng vùng trôi là w thì ta có:

d

tV

wT (4.7)

Trong thực tế, trường điện trong vùng trôi nhìn chung là đủ lớn để các hạt

mang đạt được vận tốc giới hạn tán xạ của chúng. Đối với Si, tốc độ lớn nhất của

các điện tử là 8,4 x 106 cm/s khi cường độ trường ở mức 2 x 104 V/cm. Photodiode

Silic tốc độ cao có độ rộng vùng trôi điển hình là 10 m nên có giới hạn thời gian

đáp ứng vào khoảng 0,1 ns.

Quá trình khuếch tán là chậm so với sự trôi của các hạt mang trong vùng có

trường điện cao. Vì vậy, để được photodiode tốc độ cao, các hạt mang photo cần

phải được phát ra ở vùng trôi hoặc gần với vùng này để giảm thiểu thời gian khuếch

tán của hạt mang. Ta có thể thấy được ảnh hưởng của thời gian khuếch tán lớnkhi

xem xét thời gian đáp ứng photodiode. Thời gian đáp ứng photodiode được mô tả

bằng thời gian lên và xuống của tín hiệu tại đầu ra bộ tách sóng khi bộ tách sóng

tiếp nhận một xung tín hiệu quang có dạng nhảy bậc tại đầu vào. Trong hình 4.3,

thời gian lên Tr được định nghĩa là thời gian để giá trị dòng photo tăng từ 10% đến

90% giá trị cuối cùng của nó (sườn lên) khi công suất quang đến bộ thu tăng một

cách đột ngột, thời gian xuống Tf thường được xác định là thời gian để giá trị dòng

photo giảm từ giá trị điểm 90% đến 10% ở sườn sau (sườn xuống) của xung đầu ra.

Với điện áp phân cực đủ lớn, thời gian lên và thời gian xuống có thể coi là bằng

PTIT

134

nhau. Rõ ràng, giá trị của Tr sẽ phụ thuộc vào thời gian các điện tử và lỗ trống dịch

chuyển về hai điện cực. Ngoài ra, Tr còn phụ thuộc vào tốc độ của mạch điện xử lý

dòng photo.

Hình 4.3 Thời gian lên và thời gian xuống tại đầu ra của photodiode khi công suất

quang đến đầu thu thay đổi đột ngột

Xét một mạch điện tuyến tính RC. Thời gian lên Tr của mạch RC cũng được định

nghĩa là thời gian mà đáp ứng của mạch tăng từ 10 đến 90% giá trị đầu ra cuối cùng

của nó khi đầu vào thay đổi một cách đột ngột (theo hàm nhảy bậc). Khi điện áp đầu

vào của mạch RC tăng tức thì từ 0 lên V0, điện áp đầu ra sẽ thay đổi như sau:

���� (�) = ���1 − exp�− ���� � � (4.8)

Với R là điện trở và C là điện dung của mạch RC. Như vậy, thời gian lên Tr sẽ được

tính theo công thức sau:

�� = (��9)�� ≈ 2,2��� (4.1.9)

Với RC=RC là hằng số thời gian của mạch RC

Áp dụng công thức (4.9) cho bộ thu quang, ta có thời gian lên của bộ thu quang sẽ

như sau:

�� = (��9)(��� + ��� ) (4.10)

r là thời gian chuyển tiếp và RC là hằng số thời gian của mạch RC tương đương.

Có thể thấy rằng, thời gian lên sẽ giảm khi w giảm. Tuy nhiên, từ phương trình (4.6)

ta thấy rằng, khi aW<3, sẽ giảm mạnh. Vì vậy, cần phải cân bằng giữa băng tần

đáp ứng của bộ thu quang. Giá trị của RC và r sẽ phụ thuộc vào thiết kế của bộ thu

và có thể thay đổi trên một phạm vi tương đối rộng. Băng tần của bộ thu quang

được định nghĩa tương tự băng tần của mạch RC và được tính theo công thức sau:

∆� = [2�(��� + ��� ]�� (4.11)

PTIT

135

4.2 CÁC LOẠI DIODE THU QUANG

Trong thông tin quang, có hai loại diode thu quang phổ biến được sử dụng,

đó là diode thu quang p-i-n và diode thu quang APD. Nội dung dưới đây sẽ đi sâu

vào giới thiệu từng loại diode thu quang này.

4.2.1 Diode thu quang p-i-n

Diode thu quang p-i-n thông thường có cấu trúc gồm lớp bán dẫn p và lớp

bán dẫn n, giữa 2 lớp bán dẫn p-n này là một lớp i. Lớp i này thường là bán dẫn

thuần hoặc hoặc bán dẫn được pha tạp rất ít và có độ dày hơn nhiều so với hai lớp p

và n. Để diode thu quang hoạt động được cần định thiên ngược cho nó. Hình 4.4 mô

tả cấu trúc và phân bố điện trường trong diode p-i-n khi có điện trường phân cực

ngược đặt vào. Do lớp i có trở kháng cao nênphần lớnđiện trường sẽ đặt vào lớp i.

Khi một photon có năng lượng lớn hơn (hoặc bằng) năng lượng vùng cấm của vật

liệu bán dẫn dùng để chế tạo photodiode đi tới, photon này sẽ bị hấp thụ và kích

thích một điện tử từ vùng hóa trị chuyển lên vùng dẫn. Quá trình này sẽ hình thành

các cặp điện tử-lỗ trống tự do. Trong photodiode p-i-n, do lớp i có độ dày lớn hơn

nhiều so với lớp p và n nên các cặp điện tử-lỗ trống này này chủ yếu được tạo ra

trong lớp i. Dưới tác động của điện trường lớn bên trong lớp i, các điện tử, lỗ trống

sẽ nhanh chóng trôi ra mạch ngoài và tạo thành dòng điện. Vì thế lớp i còn được gọi

là vùng trôi.

Trong photodiode p-i-n, độ rộng vùng nghèo W mở rộng qua toàn bộ lớp i

nên có thể thay đổi được thông qua việc thay đổi bề dày lớp i. Vấn đề đặt ra, W

bằng bao nhiêu là hợp lý. Như đã đề cập đến trong mục 4.1, giá trị W tối ưu phụ

thuộc vào việc cân đối giữa tốc độ đáp ứng và độ nhạy của photodiode. Độ nhạy của

photodiode sẽ tăng khi W tăng, tuy nhiên khi W tăng thì tốc độ của photodiode sẽ

giảm do các hạt mang điện sẽ cần nhiều thời gian hơn để dịch chuyển được ra mạch

ngoài. Với các vật liệu bán dẫn có dải cấm không trực tiếp như Si và Ge, giá trị của

W phải khoảng 20-50 m thì mới có thể đạt được hiệu suất lượng tử hợp lý. Vì vậy

băng tần của các loại photodide này thường bị hạn chế do thời gian chuyển tiếp

tương đối lớn (r>200ps). Ngược lại, đối với các photodiode được chế tạo từ các vật

liệu có dải cấm trực tiếp,ví dụ như InGaAs, W có thể nhỏ tới 3 5m mà vẫn đảm

bảo được hiệu suất lượng tử. Thờ gian chuyển tiếp của photodide loại này r 10ps

và vì thế mà độ rộng băng tần được cải thiện (Df 10GHz).

PTIT

136

Hình 4.4: Cấu trúc diode thu quang p-i-n và phân bố trường trong p-i-n khi có điện

áp phân cực ngược đặt vào

Đặc tính của các photodiode p-i-n có thể được cải thiện đáng kể bằng cách sử

dụng loại cấu trúc kị thể kép. Tương tự như cấu trúc của laser bán dẫn, lớp i ở giữa

được kẹp giữa các lớp chất bán dẫn khác nhau p và n với dải cấm được chọn để sao

cho ánh sáng được hấp thụ chỉ trong lớp i. Cấu trúc photodiode kiểu này thường sử

dụng InGaAs làm lớp giữa và InP làm lớp p và n bao quanh. Vì độ rộng vùng cấm

của InP là 1,35 eV nên InP sẽ không hấp thụ ánh sáng có bước sóng lớn hơn 0,92

m. Trong khi đó, độ rộng vùng cấm của vật liệu In1-xGaxAs với x=0,47 sẽ là

khoảng 0,75eV, tương ứng với bước sóng cắt là 1,65 m. Vì vậy lớp InGaAs ở giữa

sẽ hấp thụ mạnh các bước sóng trong dải từ 1,3-1,6 m. Với cấu trúc dị thể kép như

vậy, có thể hoàn toàn loại bỏ được thành phần khuếch tán, nhờ đó mà tăng được tốc

độ đáp ứng của photodiode. PTIT

137

Hình 4.5 Ví dụ về cấu tạo của photodiode dị thể kép

Trên bảng 4.1 dưới đây là đặc tính kỹ thuật của một số loại photodiode p-i-n điển

hình.

Bảng 4.1 Đặc tính kỹ thuật của một số loại photodiode p-i-n

Tham số Ký hiệu Đơn vị Si Ge InGaAs

Bước sóng

Đáp ứng

Hiệu suất lượng tử

Dòng tối

Thời gian lên

Băng tần

Điện áp định thiên

l

R

Id

Tr

Df

Vb

m

A/W

%

nA

ns

GHz

V

0,4-1,1

0,4-0,6

75-90

1-10

0,5-1

0,3-0,6

50-100

0,8-1,8

0,5-0,7

50-55

50-500

0,1-0,5

0,53

6-10

1,0-1,7

0,6-0,9

60-70

1-20

0,02-0,5

1-10

5-6

4.2.2 Diode thu quang thác APD

4.2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động

Có thể thấy rằng, tất cả các bộ thu quang luôn đòi hỏi một dòng tối thiểu nào

đó để có thể hoạt động một cách tin cậy. Do giữa công suất đến photodiode và dòng

photo tạo ra có mối quan hệ Pin= Ip/R nên người ta mong muốn các bộ tách sóng có

đáp ứng R lớn vì khi đó chỉ cần một lượng nhỏ công suất quang đến bộ thu, bộ thu

vẫn có thể hoạt động tin cậy. Độ nhạy thu của bộ thu p-i-n bị giới hạn bởi công thức

PTIT

138

4.3 và có giá trị lớn nhất R=q/hn khi =1. Vì có cơ chế khuếch đại nội nên

photodiode thác APD có giá trị R lớn hơn nhiều so với photodiode p-i-n. Sau khi

hấp thụ các photon, hình thành nên các cặp điện tử-lỗ trống, APD khuếch đại dòng

photo ở ngay bên trong nó trước khi dòng này đi vào mạch khuếch đại điện và điều

này làm tăng mức tín hiệu, dẫn tới độ nhạy thu được tăng lên đáng kể. Hiện tượng

vật lý cơ bản đằng sau cơ chế khuếch đại nội này chính là hiện tượng ion hóa do va

chạm. Để hiểu rõ hơn quá trình này, trong phần dưới đây sẽ trình bày cấu tạo và

hoạt động của photodiode APD.

Cấu trúc thông dụng của một photodiode APD có thể mô tả như ở hình 4.6.

So với cấu trúc của p-i-n, APD có thêm lớp p được cấu tạo từ vật liệu loại p có điện

trở suất cao.Lớp này đóng vai trò vùng nhân vì các cặp điện tử-lỗ trống thứ cấp

được tạo ra trong vùng này nhờ hiện tượng ion hóa do va chạm. Lớp i trong APD

vẫn đóng vai trò vùng hấp thụ tương tự như trong photodiode p-i-n

Hình 4-6.Cấu trúc của photodiode APD và sự phân bốđiện trường trong APD khi

được định thiên ngược.

Hoạt động của APD: Ánh sáng đi vào APD qua lớp p+ rất mỏng. Hầu như

toàn bộ hấp thụ photon đều xảy ra trong miền nghèo (miền i), miền này là bán dẫn

thuần hoặc bán dẫn pha tạp nhẹ. Cũng như trong diode tách quang p-i-n, điện

trường trong miền nghèo của APD điều khiển các lỗ trống và điện tử chuyển động

ngược hướng với nhau. Dưới tác động của điện trường phân cực ngược, các lỗ trống

trong lớp này hướng tới lớp p+ , còn các điện tử hướng tới lớp n+. Tại miền nhân,

do điện trở suất của lớp này cao nên hình thành một vùng điện trường lớn tại tiếp

giáp p-n+. đi vào miền này, gặp điện trường lớn, các điện tử - lỗ trống sẽ được tăng

tốc, va đập mạnh vào các nguyên tử của bán dẫn và tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống

PTIT

139

thứ cấp thông qua quá trình ion hóa do va chạm. Các hạt tải điện thứ cấp qua miền

điện trường lớn lại được tăng tốc và chúng có đủ động năng để tạo ra các cặp điện

tử - lỗ trống mới v.v. Đó chính là hiệu ứng thác, hay còn gọi là hiệu ứng nhân. Quá

trình này làm tăng dòng điện bên ngoài và cũng chính là tăng độ nhạy của APD. Để

xảy ra hiện tượng ion hóa do va chạm, điện trường trong vùng nhân phải gần với

mức đánh thủng zener. Đối với photodiode Si, ngưỡng trường điện cần thiết để thu

được sự nhân là ở mức 105V/cm.

Hệ số khuếch đại dòng của APD có thể tính toán được thông qua hai phương

trình tốc độ liên quan đến dòng đi qua vùng nhân như sau:

���

��= ���� + �� �� (4.12)

−���

��= ���� + �� �� (4.13)

với ie là dòng điện tử, ih là dòng lỗ trống. Dấu trừ trong phương trình (4.2.2) là do

dòng điện tử và dòng lỗ trống ngược chiều nhau. Dòng tổng:

� = ��(�) + ��(�) (4.14)

có giá trị không đổi tại mọi điểm trong vùng nhân. Nếu thay ih trong phương trình

(4.2.1) bằng I-ie, ta có:

��� ��⁄ = (�� − �� )�� + ��� (4.15)

với ae được gọi là tốc độ ion hóa do điện tử gây ra, ah được gọi là tốc độion hóa do

lỗ trống gây ra. Nhìn chung, ae và ah phụ thuộc vào x nếu điện trường trong vùng

nhân là không đồng nhất. Tuy nhiên, để đơn giản trong việc phân tích, người ta giả

thiết điện trường trong vùng này là đồng nhất, ae và ahlà hằng số, và giả thiết

ae>ah. Quá trình nhân được bắt đầu bởi điện tử đi vào cùng nhân có độ dày d, bắt

đầu tại x=0. Bằng cách sử dụng điều kiện ih(d)=0 (tức là chỉ có điện tử đi qua tiếp

giáp để đến lớp bán dẫn n), điều kiện biên cho phương trình (4.15) là ie(d)=I. Thực

hiện tích phân phương trình này, hệ số nhân M=ie(d)/ie(0) sẽ được tính theo công

thức sau:

� =����

���[�(����)���]��� (4.16)

với kA=ah/ae (giả thiết ae>ah). Từ (4.16), ta thấy, hệ số khuếch đại M của APD phụ

thuộc nhiều vào kA. Khi ah=0, tức là chỉ có điện tử tham gia vào quá trình nhân thì

M=exp(ae d), và hệ số nhân của ADP tăng cùng với d theo quan hệ hàm mũ. Khi

ah=ae (tức là kA=1), ta có M=(1-aed)-1. Trong trường hợp này, hệ số nhân sẽ tăng

PTIT

140

lên vô cùng khi aed=1. Mặc dù với ae và ah xấp xỉ bằng nhau, ta có thể đạt được hệ

số nhân lớn với độ rộng vùng nhân tương đối hẹp, tuy nhiên thực tế cho thấy rằng

khi ah>>aehoặc khi ae>>ahtức là quá trình nhân bị chiếm ưu thế bởi một loại hạt

mang điện nào đó (hoặc điện tử, hoặc lỗ trống) thì chất lượng của APD sẽ tốt hơn.

Do có cơ chế khuếch đại dòng nên đáp ứng của APD tăng M lần so với đáp

ứng của photodiode p-i-n và được tính theo công thức sau:

���� = �� = �(��/ℎ�) (4.17)

Lưu ý rằng, quá trình nhân trong APD là một quá trình có nhiễu, điều này

làm cho hệ số nhân dao động xung quanh giá trị trung bình. Giá trị M trong công

thức (4.17) là giá trị trung bình của hệ số nhân. Các vấn đề liên quan đến nhiễu của

APD sẽ được xem xét trong phần 4.4.

Quá trình nhân cũng ảnh hưởng đến băng tần của APD. Điều này có thể nhận

thấy dễ dàng, do có quá trình nhân mà thời gian chuyển tiếp của các hạt mang điện

tự do tr trong APD sẽ tăng lên. Hệ số nhân cũng còn phụ thuộc vào tần số của ánh

sáng đến APD. M giảm khi tần số tăng. Điều này thể hiện trong công thức dưới đây:

�(�) = ��[1 + (�����)�]��/� (4.18)

trong đó: M0=M(0) là hệ số khuếch đại tại tần số thấp. e là thời gian chuyển tiếp

hiệu dụng, phụ thuộc vào hệ số tỉ số ion hóa kA. Khi ae>ah, e=cAkAtr, với cA là

hằng số (cA1). Giả thiết rằng RC<<e, băng tần của photodiode APD được tính xấp

xỉ bằng Df=(2eM0)-1. Công thức này cho thấy rằng,khi thiết kế APD cần có sự cân

nhắc giữa hệ số khuếch đại của APD (M0) và băng tần (tức là cân nhắc giữa độ nhạy

và tốc độ) của APD. Công thức này cũng cho thấy ưu điểm của việc sử dụng các

loại vật liệu có kA<<1

Hệ số nhân M còn là hàm của điện áp định thiên V vàđược xácđịnh theo biểu

thức (4.19):

� =�

���(���� ��)/�� � (4.19)

trong đó Ip là dòng tách quang trung bình, RT = RS + Rth là tổng điện trở nối tiếp RS

và điện trở gia tăng do nhiệt độ Rth, VB là điện áp đánh thủng. Trên hình 4.7 dưới

đây minh họa sự phụ thuộc của hệ số nhân vào tần số (bước sóng) ánh sáng tới và

điên ấp định thiên của photodiode APD làm từ vật liệu Si

PTIT

141

Hình 4-7: Hê số nhân của APD silic với các bước sóng khác nhauthay đổi theo điện

áp định thiên

Trên bảng 4.2 dưới đây so sánh đặc tính của một số các loại photodiode

APDphổ biến, bao gồm các loại APD được làm từ các vật liệu Si, Ge, InGaAs

Bảng 4.2 – Đặc tính của một số loại photodiode APD phổ biến

Tham số (ký hiệu) Đơn vị Si Ge InGaAs

Bước sóng l m 0,4- 1,1 0,8- 1,8 1,0- 1,7

Đáp ứng RAPD A/W 80- 130 3- 30 5- 20

Hệ số nhân M - 100- 500 50- 200 10- 40

Hệ số k kA - 0,02- 0,05 0,7- 1,0 0,5- 0,7

Dòng tối ld nA 0,1- 1 50- 500 1- 5

Thời gian lên Tr Ns 0,1- 2 0,5- 0,8 0,1- 0,5

Băng tần fD GHz 0,2- 1,0 0,4- 0,7 1- 3

Thiên áp Vb V 200- 250 20- 40 20- 30

Trong bảng 4.2, vì kA đối với silic là << 1, nên các photodiode APD làm từ

vật liệu Silic có đặc tính tốt hơn. Các photodiode APD Si đạt được hệ số nhân cao

(M100) với mức nhiễu thấp và băng tần tương đối lớn. Vì vậy, APD loại này rất

thông dụng cho các hệ thống thông tin quang ở bước sóng 0,85m tại tốc độ bit »

100 Mbits/s. Đối với các hệ thống hoạt động ở vùng bước sóng từ 1,3 đến 1,6 m,

PTIT

142

phải sử dụng các photodiode APD làm từ vật liệu Ge và InGaAs vì các vật liệu này

hấp thụ ánh sáng trong vùng bước sóng dài. Tuy nhiên để giảm ảnh hưởng của

nhiễu, chỉ nên sử dụng các loại APD này với M 10 lần.

4.2.2.2Một số cấu trúc APD

a. Cấu trúc dải rộng.

Cấu trúc của loại APD này như hình 4.8 thuộc dạng n+ p-π-p+ rất thích hợp

với vật liệu silic có k << 1. Lớp π là bán dẫn thuần được đặt trên lớp nền p+. Lớp p

phải rất mỏng và đồng nhất được chế tạo theo phương pháp khuếch tán hoặc cấy

ion. Điện trường cao được hình thành tại tiếp giáp n+– p. APD silíc có hệ số nhân

lớn hàng trăm, hiệu suất lượng tử tại bước sóng 0,85 μm có thể vượt 0,9 và dòng tối

giảm ở mức pA tại nhiệt độ trong phòng.

b. Cấu trúc vát hai mặt bên

APD germani có tiếp giáp n+ – p được hình thành bằng cách khuếch tán

nguyên tố cho (donor) vào lớp nền. APD germani có k > 1, dòng tối có trị số lớn

vào khoảng 0,1 μA, điện dung khoảng 0,5 pF, hiệu suất lượng tử 0,9, điện áp đánh

thủng 16V. Do vật liệu lớp nền không hoàn hảo nên thực hiện oxy hóa bề mặt là

điều khó khăn.

c. Cấu trúc dị thể

P

p n+

Ánh sáng

Vùng thác

Vòng xuyến

kim loại

Hình 4-8 APD có cấu trúc dải rộng

Lớp kim loại toả nhiệt (-PTIT

143

APD dị thể In0,53 Ga0,53 As – InP (hình 4.9) đã được sử dụng phổ biến để

thay thế cho APD germani tại các bước sóng 1,3 và 1,55 μm. Nhưng loại này khó

oxy hóa bề mặt và nâng cao chất lượng vật liệu, vì vậy gặp rất nhiều khó khăn trong

việc đạt được độ rộng băng tần cao và tạp âm thấp.

Lớp đệm p+ – InP được sử dụng để phân cách vùng tích cực với lớp nền có

chất lượng không hoàn hảo. Dị thể N-n được hình thành giữa lớp InP và lớp vật liệu

nhóm III InGaAs. Diode được vát hai mặt bên để giảm điện dung ký sinh và khắc

phục vấn đề khó oxy hóa bề mặt đã đề cập trên đây. Ánh sáng đưa vào diode qua

lớp nền trong suốt đối với các bước sóng lớn hơn 0,92 μm. Hấp thụ xảy ra trong

lớp vật liệu nhóm III và hiệu ứng nhân được thực hiện trong lớp N – InP. Độ dày và

nồng độ pha tạp của lớp N – InP phải được kiểm soát thận trọng để trường tại tiếp

giáp dị thể không vượt 1,5 x 107 V/m. Bởi vì trường càng cao sẽ gây ra dòng rò qua

tiếp giáp và làm tăng dòng tối.

Hình 4.9- APD cấu trúc dị thể InGaAs trên nền InP

Lớp nền P+ - InP

Lớpđệm P+ - InP

N-InP

n InGaAs

Lớp kim loại (+V)

Au/Au-Sn

4.3 m

2.9 m

130 m

Ánh sáng tới

Lớp kim loại (-V)

Au/Au-Sn

PTIT

144

Một vấn đề nảy sinh trong cấu trúc này là các lỗ trống được hiệu ứng thác tạo

ra trong lớp n- InGaAs bị giữ lại tại tiếp giáp dị thể, vì lớp N- InP có dải cấm rộng.

Điều đó dẫn tới giảm hiệu suất lượng tử do tái hợp tăng và cũng làm giảm độ rộng

băng tần của PD. Muốn khắc phục những trở ngại này cần xen vào giữa hai lớp một

lớp rất mỏng loại n- InGaAs để làm trơn sự dịch chuyển của lỗ trống giữa các vật

liệu có dải cấm rộng và hẹp.

4.3MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ BỘ THU

Thiết kế của bộ thu phụ thuộc vào dạng điều chế tín hiệu được thực hiện ở

phía phát. Vì phần lớn các hệ thống thông tin quang sử dụng điều chế cường độ nhị

phân nên phần này tập trung vào một số vấn đề thiết kế liên quan đến bộ thu quang

số. Trên hình 4.10 là sơ đồ khối của bộ thu. Trong sơ đồ này, bộ thu được chia

thành 3 phần: phần trước của bộ thu (front end), kênh tuyến tính và mạch quyết

định.

Hình 4.10 Sơ đồ khối của bộ thu quang

4.3.1Phần trước (Front end) của bộ thu quang

Front-end của bộ thu quang gồm một photodiode và bộ tiền khuếch đại (pre-

amplifier) điện. Photodiode biến đổi luồng bit ánh sáng thành tín hiệu điện thay đổi

theo thời gian. Bộ tiền khuếch đại điện có vai trò khuếch đại tín hiệu điện cho quá

trình xử lý tiếp sau. Việc thiết kế front-end đòi hỏi sự cân nhắc giữa tốc độ bit và độ

nhạy thu. Khả năng của bộ thu quang có đáp ứng được cho các hệ thống thông tin

quang có tốc độ bit cao và cự ly xa hay không phụ thuộc phần lớn vào việc thiết kế

front-end thu. Có thể tăng điện áp đầu vào mạch tiền khuếch đạibằng cách sử dụng

điện trở tải RL có giá trị lớn, và khi đóđược gọi là front-end trở kháng cao. Hơn

nữa, khi sử dụng điện trở tải có giá trị lớn, có thể giảm nhiễu nhiệt và do đó tăng

được độ nhạy thu. Nhược điểm chính của mạch front-end trở kháng cao là băng tần

PTIT

145

hẹp (do Df=2RLCT)-1, với giả thiết là Rs<<RL và CT=Cp+CA là điện dung tổng của

mạch thu, Cp là điện dung của photodiode và CA là điện dung của các transitor được

dùng để khuếch đại tín hiệu). Băng tần của bộ thu bị giới hạn bởi thành phần có

băng tần nhỏ nhất trong thiết kế bộ thu, vì vậy không thể sử dụng mạch front-end

trở kháng cao nếu Df của mạch này nhỏ đáng kể so với tố độ bit. Để tăng băng tần,

đôi khi người ta có thể sử dụng mạch cân bằng (equalizer). Mạch này đóng vai trò

như một bộ lọc để làm các thành phần tần số thấp của tín hiệu suy hao nhiều hơn

các thành phần tần số cao, nhờ đố mà tăng được băng tần của mạch front-end. Nếu

như không quá quan tâm tớiđộ nhạy thu, ta có thể giảm RL để tăng băng tần hệ

thống, và khi đó ta có mạch front-end trở kháng thấp.

Mach front end hỗ dẫn ngược (transimpedance) là cấu hình cho phép vừa đạt

được độ nhạy thu cao, vừa đạt được băng tần lớn. Dải động của mạch này cũng

được cải thiện hơn so với mạch front-end trở kháng cao. Trên hình 4.11 dưới đây là

sơ đồ khối của mạch front-end trở kháng cao và mạch front-end hỗ dẫn ngược

Hình 4.11. Sơ đồ tương đương của mạch front-end trở kháng cao (a), mach front-

end hỗ dẫn ngược (b)

Trong hình này, điện trở RL đóng vai trò như điện trở hồi tiếp. Vì vậy, ngay

cả trong trường hợp giá trị của RL lớn, hồi tiếp âm cũng sẽ làm giảm trở kháng hiệu

dụng đầu vào đi G lần, với G là hệ số khuếch đại. Nhờ đó, băng tần sẽ được tăng lên

G lần so với mạch front-end trở kháng cao. Với các ưu điểm như vậy, mạch front-

end hỗ dẫn ngược thường được sử dụng trong các thiết kế bộ thu.

PTIT

146

4.3.2Kênh tuyến tính

Kênh tuyến tính trong bộ thu quang bao gồm bộ khuyếch đại chính và mạch

lọc thông thấp. Bộ khuếch đại chính thường là bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại

lớn. Đôi khi người ta sử dụng thêm mạch cân bằng ngay trước bộ khuếch đại để mở

rộng băng tần của mạch front-end. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại sẽ được điều

khiển một cách tự động để giới hạn điện áp trung bình đầu ra ở một mức cố định bất

kể công suất quang trung bình đến bộ thu như thế nào. Bộ lọc thông thấp được sử

dụng để điều chỉnh dạng xung điện áp với mục đích là giảm nhiễu. Như sẽ đề cập

trong mục 4.4, nhiễu của bộ thu sẽ tỷ lệ với băng tần của bộ thu. Vì vậy, có thể giảm

nhiễu bằng cách sử dung bộ lọc thống thấp có băng tần Df nhỏ hơn tốc độ bit. Vì

các thành phần khác của bộ thu được thiết kế có băng tần lớn hơn băng tần bộ lọc,

nên băng tần của bộ thu được quyết định bởi băng tần của bộ lọc sử dụng trong

kênh tuyến tính. Với Df<B, xung điện sẽ trải rộng sang khe các thời gian lân cận. Sự

trải rộng như vậy có thể gây nên hiện tượng giao thoa giữa các ký tự (gọi là ISI).

Thông thường, các mạch lọc này sẽ được thiết kế sao cho vừa giảm được được

nhiễu mà không gây nên sự giao thoa ISI đáng kể giữa các ký tự.

4.3.3Mạch quyết định

Phần khôi phục tín hiệu số của bộ thu quang bao gồm mạch quyết định và

mạch khôi phục xung đồng hồ. Nhiệm vụ của mạch khôi phục xung đồng hồ là tách

thành phần phổ f=B từ tín hiệu thu được. Thành phần này cung cấp thông tin về khe

thời gian của bit (TB=1/B) cho mạch quyết định và hỗ trợ cho việc đồng bộ của quá

trình quyết định. Trong trường hợp tín hiệu có dạng RZ, thành phần phổ f=B có

trong tín hiệu thu được. Vì vậy chỉ cẩn sử dụng một bộ lọc băng hẹp là có thể lấy

được thành phần này một cách dễ dàng. Trong trường hợp tín hiệu có dạng NRZ,

việc khôi phục xung đồng hồ sẽ khó hơn do trong tín hiệu thu được không có thành

phần phổ f=B. Kỹ thuật thường được sử dụng để tạo ra thành phần này là thực hiện

bình phương và hiệu chỉnh thành phần phổ tại f = B/2. Mạch quyết định so sánh tín

hiệu ra từ kênh tuyến tính với mức ngưỡng tại các thời điểm lấy mẫu được xác định

bởi mạch hồi phục đồng hồ, và quyết định xem tín hiệu tương ứng với bit "1" hay

bit "0". Thời điểm lấy mẫu tốt nhất sẽ ứng với vị trí mà trong đó sự khác nhau về

mức tín hiệu giữa các bit "1" và "0" là lớn nhất. Điều này có thể xác định từ sơ đồ

hình mắt được tạo ra bằng cách xếp chồng các chuỗi xung điện dài 2 - 3 bit lên

nhau. Thời điểm lấy mẫu tốt nhất tương ứng với độ mở mắt lớn nhất. Vì nhiễu luôn

tồn tại trong các bộ thu, cho nên sẽ luôn luôn có một xác suất nhất định mà bit có

PTIT

147

thể được nhận dạng một cách không chính xác tại mạch quyết định. Tuy nhiên, bộ

thu quang số thường được thiết kế để có thể đạt giá trị tỷ số lỗi bit rất nhỏ (<10-9).

Các vấn đề liên quan đến nhiễu và lỗi quyết định trong bộ thu sẽ được đề cập chi

tiết trong các mục 4.4. và 4.5.

4.3.4Một số kiểu mạch tiền khuếch đại của bộ thu quang

Như đã xem xét cấu trúc của bộ thu quang ở trên, sau photodiode thì mạch

tiến khuếch đại là quan trọng nhất. Bộ tiền khuếch đại kết hợp với photodiode sẽ

cho ta front-end quyết định phần lớn độ nhạy thu quang. Vì thế trong phần này ta đi

vào phân tích các mạch tiền khuếch đại và công nghệ tích hợp nó trong bộ thu

quang.

Các mạch tiền khuếc đại (Pre-amplifier) thường được thiết kế với mục tiêu

sao cho có tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất với mức nhiễu nội tại là nhỏ nhất.

Nhiễu tiền khuếch đại thường liên quan tới nhiễu nhiệt.Các đặc tính chính khi nhận

dạng một mạch tiền khuếch đại bao gồm:

- Cấu trúc của mạch tiền khuếch đại.

- Loại thiết bị linh kiện tích cực được sử dụng trong mạch tiền khuếch đại

chẳng hạn như các tranzito lưỡng cực, JFET, MOSFET và MESFET.

- Băng tần và hệ số khuếch đại.

Các mạch tiền khuếch đại có trong các bộ thu của hệ thống thông tin sợi

quang có thể được phân thành 3 loại. Đó là loại trở kháng thấp, loại trở kháng cao

và hỗ dẫn ngược.

Mạch tiền khuếch đại có trở kháng thấp là loại có cấu trúc ít phức tạp nhất,

nhưng không thể thiết kế được bộ tiền khuếch đại tối ưu được. Ở đây front-end gồm

photodiode hoạt động với một bộ khuếch đại có trở kháng thấp (có thể ở 50W).

Thiên áp hoặc điện trở tải RL (hay còn gọi là Rb) được dùng để phối hợp với trở

kháng bộ khuếch đại. Mặc dù các bộ khuếch đại trở kháng thấp có thể giúp cho bộ

thu quang hoạt động ở băng tần lớn, nhưng nó không cho ra được một bộ thu quang

có độ nhạy thu cao, bởi vì chỉ có điện áp tín hiệu nhỏ có thể đi qua được trở kháng

đầu vào bộ khuếch đại và điện trở RL. Điều này đã hạn chế cự ly truyền dẫn.

PTIT

148

Hình 4.12: Mạch tương đương của thiết kế bộ thu hỗ dẫn ngược

Các mạch tiền khuếch đại trở kháng cao như đã đề cập ở trên cho phép giảm

nhiễu tới mức rất nhỏ. Để đạt được điều này, người ta làm giảm điện dung đầu vào

thông qua việc lựa chọn các thành phần thiết bị có điện dung thấp, tần số cao bằng

cách lựa chọn bộ tách sóng với các dòng tối nhỏ và nhờ việc làm giảm nhiễu nhiệt

do các điện trở thiên áp gây ra. Nhiễu nhiệt có thể được giảm khi sử dụng các bộ

khuếch đại trở kháng cao (như tranzito lưỡng cực hoặc FET) kết hợp với điện trở

thiên áp bộ tách sóng (điện trở tải ) lớn RL. Vì trở kháng cao sinh ra hằng số thời

gian RC đầu vào lớn cho nên băng tần front-end nhỏ hơn băng tần tín hiệu. Nhưvậy

tín hiệu đầu vào bị tích phân và cần phải thực hiện các kỹ thuật cân bằng hiệu chỉnh

để bù cho nó.

Mạch tiền khuếch đại hỗ dẫn ngược được thiết kế chủ yếu để khắc phục

những hạn chế của mạch tiền khuếch đại trở kháng cao. Cấu trúc của mạch này sử

dụng bộ khuếch đại trở kháng cao, nhiễu nhỏ, có điẹn trở hồi tiếp âm Rf với dòng

nhiễu nhiệt tương đương if(t) mắc phân dòng đầu vào như chỉ ra ở hình 4.12. Mạch

khuếch đại có đầu vào mắc nối tiếp với nguồn nhiễu điện áp ea(t), nhiễu dòng mắc

phân dòng tương đương ia(t), và trở kháng đầu vào được cho bởi tổ hợp mắc song

song Ra và Ca>

4.3.4.aCác mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao

Trong thiết kế các bộ thu quang, có thể có các tranzito hiệu ứng trường FET

(Field Efect Transistor) khác nhau. Đối với hệ thống thông tin quang có tốc độ

Gbit/s, các bộ thu quang ở đây thường sử dụng các mạch tiền khuếch đại GaAs

MESFET. Đối với các tốc độ thấp hơn vì các mạch MOSFET hoặc JFET silic

thường được sử dụng phổ biến. Mạch điện của bộ tiền khuếch đại FET đơn giản

PTIT

149

được chỉ ra như ở hình 4.13. Các FET điển hình thường có điện trở đầu vào Ra rất

lớn, phổ biến tới hơn 106W.

Hình 4.13. Mạch tiền khuếch đại trở kháng cao đơn giản sử dụng FET.

Các nguồn nhiễu cơ bản là nhiễu nhiệt liên quan với điện dẫn kênh FET,

nhiễu nhiệt từ tải hoặc điện trở hồi tiếp và nhiễu tăng lên từ dòng rò. Nguồn nhiễu

thứ tư là nhiễu FET 1/f. Nó không có trong quá trình phân tích ở trên bởi vì nó chỉ

tham gia vào nhiễu tổng thể ở tốc độ bit rất thấp. Vì điện trở đầu vào bộ khuếch đại

là rất lớn cho nên mật độ phổ nhiễu dòng đầu vào S, được viết là:

.

42 2B

l FET gate gate

a

k TS el el

R »

(4.20)

Ở đây Igate là dòng rò cổng của FET. Trong FET, nhiễu nhiệt của điện trở

kênh dẫn được đặc trưng bởi độ hỗ dẫn gm. Mật độ phổ nhiễu điện áp được viết như

sau:

4 BE

m

k TTS

g

(4.21)

với là hệ số nhiễu kênh FET, nó là hằng số bằng số để tính toán cho nhiễu nhiệt

và nhiễu từ cổng FET cộng với sự tương quan hai loại nhiễu này. Đặc tính nhiễu

nhiệt W tại đầu ra của bộ cân bằng được cho như sau:

2

2 32 2

1 4 4 2 4W = 2

e 3B B B

gate L

L L m L m

k T k T C k TeI I I B

B R g R g

(4.22)

Ở đây BL là băng thông. Một số giá trị điển hình của các tham số đối với GaAs

MESEFT, Si MOSFET, và Si JFET được cho ở bảng 4.3. Ở đây Cgs và Cgd tương

ứng là điện dung cổng nguồn và cổng thoát. Đối với FET tiêu biểu ở photodiode

loại tốt, ta có thể hy vọng có các giá trị C = Ca + Cd + Cgs + Cgd = 10 pF. Tần số góc

PTIT

150

nhiễu l/f là fc được xác định là tần số mà tại đó nhiễu l/f làm nhiễu FET trội lên tại

các tần số thấp, và có phổ công suất l/f trở thành ngang bằng với nhiễu kênh tần số

cao được diễn tả bởi hệ số .

Bảng 4.3: Các giá trị tham số khác nhau

của GaAs MSFET; Si MOSFET và Si JFET

Tham số Si JFET Si MOSFET GaAs MESFET

gm(mS) 5-10 20-40 15-50

Cgs (pF) 3-6 0,5-1,0 0,2-0,5

Cgd (pF) 0,5-1,0 0,05-0,1 0,01-0,05

0,7 1,5-3,0 1,1-1,75

Igate(nA0 0,01-0,1 0 1-1000

fc(Mhz) <0,1 1-10 10-100

Để giảm được nhiễu trong mạch có trở kháng cao, nên chọn điện trở thiên áp

có giá trị lớn. Lúc này tín hiệu đầu ra bội tách sóng quang bị tích phân do điện trở

đầu vào bộ khuếch đại. Trong trường hợp này, ta có bù lại bằng cách vi phân tại

mạch cân bằng. Vì thế, giải pháp tiếp cận tích phân - vi phân được coi như là kỹ

thuật thiết kế bộ khuếch đại trở kháng cao. Nó cho ra bộ thu có nhiễu thấp nhưng

cũng làm cho dải động thấp.

4.3.4.bCác bộ khuếch đại tranzisto lưỡng cực trở kháng cao

Mạch điện của bộ khuếch đại tranizisto có emitter đấu đất được mô tả như ở

hình 4.14. Điện trở đầu vào của tranzisto lưỡng cực được tính bởi công thức:

Bm

BL

k TR

eI

(4.23)

Với IBL là dòng thiên áp cơ bản. Đối với bộ khuếch đại tranzito lưỡng cực, điện trở

đầu vào Ra được cho bởi một tổ hợp mắc song song các điện trở thiên áp R1 và R2

được chọn lớn hơn nhiều Rin để sao cho Ra» Rin. Điều này ngược với bộ khuếch đại

FET, người thiết kế sẽ điều chỉnh Ra đối với bộ khuếch đại tranzito.

PTIT

151

Hình 4.14: Bộ tiền khuếch đại trở kháng cao sử dụng transisto lưỡng cực

Mật độ phổ (tính bằng A2/Hz) của nguồn dòng nhiễu đầu vào do nhiễu lượng

tử của dòng cơ bản được viết như sau:

22 B

I BL

in

k TS eI

R

(4.24)

Chiều cao phổ (tính bằng V2/Hz) của nguồn điện áp nhiễu được viết là:

2E

m

k TS

g B

(4.25)

Ở đây, độ hỗ dẫn gm có liên quan tới nhiễu do bản chất của dòng collector Ic bằng

biểu thức sau:

cm

B in

eIg

k T R

(4.26)

Trong trường hợp này, biểu thức (4.23) đã được dùng trong đẳng thức cuối

cùng để diễn giải gm dưới dạng khuếch đại dòng điện = Ic/IBL và điện trở đầu vào

Rin.

Thế công thức (4.23) vào (4.25), sẽ có được biểu thức:

2b

2 32 2 2

T 1 2 (2 )W = 2

ein in

B

in b b

R C Rk T I I

R R R T

(4.27)

Nếu điện trở thiên áp bộ tách sóng quang RLlớn hơn nhiều điện trở bộ khuếch đại

Ra, thì ta sẽ có R » Ra» Rin và có thể viết được:

PTIT

152

2B

2 32

2k 1 (2 )W= b

in

m b

T T CI R I

e R T

(4.28)

Giống như trường hợp trên đối với bộ khuếch đại FET trở kháng cao, tải điện

kháng bộ tách sóng quang sẽ tích phân tín hiệu đầu ra bộ tách sóng. Để bù cho

trường hợp này thì cũng phải vi phân tín hiệu đã bị tích phân này tại mạch lọc cân

bằng.

4.3.4.cBộ khuếch đại hỗ dẫn ngược

Các mạch khuếch đại trở kháng cao đã xét ở trên tuy có tạp âm thấp, nhưng

lại có các hạn chế là phải tiến hành cân bằng hiệu chỉnh khi ứng dụng ở băng rộng,

và nó cũng bị giới hạn về dải rộng. Một thiết kế khác là bộ khuếch đại hỗ dẫn ngược

như đã chỉ ra ở hình 4.12. Về cơ bản, đây là một bộ khuếch đại trở kháng cao, có hệ

số khuếch đại lớn, với mạch hồi tiếp được cấp tới đầu vào thông qua điện trở Rf.

Thiết kế này thu được nhiễu hấp và dải động lớn.

Để so sánh giữa mạch có hồi tiếp và không hồi tiếp, ta giả thiết rằng cả hai

đều có cùng hàm chuyển đổi Hout (f)/ Hp (f). Đối với bộ khuếch đại hỗ dẫn ngược,

đặc tính nhiễu nhiệt WTZ tại đầu ra mạch cân bằng có được bằng cách tính như sau.

Trước hết ta có:

L fIL

L f

R RR

R R

(4.29)

là tổ hợp mắc song song RL và Rf và:

2

TZ 1 2 32 2 2

4 (2 )W

( )b B E

EIL b

T k T S CS I S I

e R R e T

(4.30)

ở đây từ công thức (4.24) sẽ có:

1 1 1 1 1 1

f a L fR R R R R R

(4.31)

Thực tế điện trở hồi tiếp Rf lớn hơn điện trở đầu vào bộ khuếch đại Ra rất

nhiều. Do vậy, R' » R và từ (4.31) ta có thể viết:

TZ HZ 22

4W W b B

f

T k TI

e R

(4.32)

PTIT

153

Ở đây, WHZ là đặc tính nhiễu bộ khuếch đại trở kháng cao có được từ biểu

thức (4.22) đối với thiết kế có FET hoặc từ biểu thức (4.28) đối với thiết kế có

tranzito lưỡng cực. Nhiễu nhiệt của bộ khuếch đại hỗ dẫn ngược được ví như tổng

nhiễu đầu ra của bộ khuếch đại không có hồi tiếp cộng với nhiễu nhiệt có liên quan

tới điện trở hồi tiếp. Trong thực tế, việc đánh giá nhiễu có chiều hướng phức tạp bởi

vì Rf có ảnh hưởng tới đáp ứng tần số của bộ khuếch đại.

Về băng tần, ta có thể so sánh như sau. Ta có, hàm chuyển đổi của bộ khuếch

đại không có hồi tiếp là:

R( )

2

AH f

I j RCf

(4.33)

Với A là tăng ích độc lập tần số của bộ khuếch đại. Từ đây thu được băng tần

(4RC)-1. Đối với bộ khuếch đại hỗ dẫn ngược, hàm chuyển đổi HTZ(f) được viết như

sau:

1

1 2 /TZH

j RCf A

(4.34)

và thu được băng tần:

4TZ

AB

RC (4.35)

tức là gấp A lần băng tần thiết kế trở kháng cao. Điều này tạo nên việc cân bằng

đơn giản hơn ở bộ khuếch đại có hồi tiếp. Từ quá trình xét ở trên, ta có thể thấy

rằng bộ khuếch đại hỗ dẫn ngược có các ưu điểm sau:

- Có dải động lớn so với bộ khuếch đại trở kháng cao.

- Không cần hoặc ít phải tiến hành cân bằng hiệu chỉnh do có sự kết hợp

củaRin và điện trở hồi tiếp Rf. Điều này có nghĩa là hằng số thời gian của bộ tách

sóng cũng nhỏ.

- Điện trở đầu ra nhỏ, làm cho bộ khuếch đại ít bị tích lũy nhiễu, xuyên âm,

nhiễu điện từ trường.

- Đặc tính chuyển đổi của bộ khuếch đại thực sự là hỗ dẫn ngược, có điện trở

hồi tiếp. Cho nên bộ khuếch đại hỗ dẫn ngược rất dễ dàng điều khiển và có tính ổn

định.

PTIT

154

- Mặc dù bộ khuếch đại hỗ dẫn ngược ít nhạy hơn bộ khuếch đại trở kháng

cao (vì WTZ> WHZ), sự khác biệt này thường vào khoảng 2 đến 3 dB với hầu hết các

thiết kế băng rộng thực tiễn.

4.3.4.dBộ thu quang có mạch tích hợp

Thời gian gần đây, yêu cầu xây dựng các tuyến thông tin quang tốc độ nhiều

Gbit/s đòi hỏi các thiết bị thu phải có độ nhạy thu cao và nhiễu rất thấp nhằm đáp

ứng cho các tốc độ cao này. Vì thế, công nghệ mạch tích hợp được đặt ra cho các

thiết bị thu quang, và hiện nay các thiết bị có công nghệ cao này đã được thương

mại khá phổ biến trên hệ thống thực tế. Trong hầu hết các thiết bị thu quang, loại trừ

photodiode thì tất cả các thành phần khác trong thiết bị đều là các thành phần điện

chuẩn. Các thành phần này đều có thể dễ dàng được tổ hợp trên cùng một chip (hay

mạch) bằng cách sử dụng công nghệ mạch tổ hợp IC (Integrated Circuit) đã được

phát triển cho các thiết bị vi mạch. Gần đây, những cố gắng đáng kể đã hướng trọng

tâm vào việc phát triển các thiết bị thu quang đơn khối nhằm tổ hợp toàn bộ các

phần tử bao gồm cả diode thu quang trên cùng một chip nhờ việc áp dụng công

nghệ OEIC (OptoElectronic Integrated - Circuit). Việc tổ hợp toàn bộ thiết bị như

vậy là tương đối dễ với bộ thu GaAs. Đối với các hệ thống thông tin quang hoạt

động tại vùng bước sóng 1,3 đến 1,6m thì cần phải có các bộ thu OEIC dựa trên

InP. Vì công nghệ IC đối với GaAs đã phát triển hơn nhiều đối với InP cho nên đôi

khi người ta đi theo xu hướng kết hợpđể tạo ra bộ thu InGaAs. Công nghệ này gọi

là công nghệ OEIC flip - chip, trong đó các thành phần điện được tổ hợp trên chip

GaAs, ngược lại photodiode được làm trên đỉnh của chip InP. Rồi sau đó hai chip

được ghép nối với nhau bằng cách đặt nhẹ chip InP lên trên chip GaAs. Ưu điểm

của công nghệ này là photodiode và các thành phần điện của bộ thu có thể được làm

tối ưu một cách độc lập trong khi vẫn giữ được các thành phần kí sinh ở ngưỡng tối

thiểu (như điện dung đầu vào chẳng hạn).

Công nghệ IC dựa trên InP đã được phát triển đáng kể trong những năm

1990, nhằm để tạo ra các bộ thu OEIC trên nền InGaAs. Một cách tiếp cận công

nghệ khác là việc tổ hợp photodiode p-i-n với FET hoặc các tranzito có độ linh

động điện tử cao HEMT (High - Electron - Mobility Transistor) trên nền InP. Năm

1993, bộ thu HEMT đã được chế tạo với độ nhạy thu cao tại tốc độ 10 Gbit/s. Hiện

tại, loại bộ thu này đã cho ra băng tần cao tới 22 GHz, và có thể sử dụng cho bộ thu

của hệ thống 20 Gbit/s. Gần đây, có một công nghệ khác đã sử dụng tranzito lưỡng

cực tiếp giáp dị thể HBT (heterojunction-Bipolar transistor) để chế tạo photodiode

PTIT

155

p-i-n trong cấu trúc HBT với cấu hình cực góp chung. Các tranzito như vậy được

gọi là tranzito quang dị thể. Năm 1995, bộ thu OEIC sử dụng công nghệ HBT đãđạt

được băng tần 16 GHz mà lại có khuếch đại cao. Các bộ thu này có thể đáp ứng tốc

độ 20 Gbit/s cho các hệ thống 1550nm. Một công nghệ nữa cho việc chế tạo bộ thu

OEIC trên nền InP là tổ hợp photodiode kim loại - bán dẫn - kim loại MSM (Metal-

Semiconductor - Metal) với HEMT. Bộ thu kiểu này đã cho ra băng tần 15 GHz vào

năm 1995, và sau đó nâng lên được 18,5 GHz do sử dụng mạch khuếch đại hỗ dẫn

ngược.

Nhìn chung, trong việc thiết kế tổ hợp thiết bị thu quang, front-end của bộ

thu quang là một bộ phận khó thiết kế nhất, đặc biệt trong hệ thống truyền dẫn

quang tốc độ bit cao và cự ly truyền dẫn lớn, bởi vì độ nhạy của các hệ thống này

thường là bị giới hạn từ đặc tính của mạch front-end đòi hỏi một sự hài hòa giữa tốc

độ bit và độ nhạy thu. Front-end bộ thu thường được chia thành Hybrid IC (HIC),

Microwave Monolithic IC (MMIC), và Optoeletronic IC (OEIC) bằng cách là cả bộ

tách sóng quang và tiền khuếch đại là được kết hợp với nhau. Đối với các hệ thống

thông tin sợi quang tốc độ cao như là 10 Gbit/s, HIC có thể được sử dụng. Tuy

nhiên, các đặc tính mâu thuẫn của từng thành phần thụ động tích cực riêng rẽ có sự

vi hiệu chỉnh để đạt được độ nhạy cao nhất của nó. Đây cũng là điểm yếu và hạn

chế đối với các phần tử ký sinh. Vì vậy mà hiện nay các thiết kế MMIC hoặc OEIC

là thích hợp cho hệ thống tin cậy. Hình 4.15 mô tả một sơ đồ thiết kế mạch tổ hợp

tiền khuếch đại IC cho bộ thu 10 Gbit/s.

Hình 4.15: Thiết kế mạch tiền khuếch đại IC cho bộ thu 10 Gbit/s

Tương tự như thiết bị phát quang, việc đóng vỏ hộp cho thiết bị thu quang

cũng rất quan trọng. Việc ghép sợi quang vào photodiode cũng rát được lưu tâm,

PTIT

156

đặc biệt đối với bộ thu dùng cho hệ thống có tốc độ bít cao, vì tại đầu sợi quang

phía thu chỉ có một lượng rất nhỏ công suất tín hiệu quang đi vào bộ tách sóng. Vấn

đề phản xạ quang từ bộ thu quang ngược lại về sợ truyền dẫn cũng cần được quan

tâm vì điều này có thể gây ảnh hưởng tới đặc tính hệ thống, và tốt nhất là làm sao

giảm được phản xạ này càng nhỏ càng tốt. Trong thực tế, đầu sợ quang thường được

cắt có độ vát với một góc nào đó nhằm để giảm sự phản hồi quang. Đối với hệ

thống có tốc độ bit cao tới 10 Gbit/s trở lên, người ta phải áp dụng một số kỹ thuật

đóng hộp bộ thu quang để cho thiết bị có thể hoạt động tin cậy. Chẳng hạn như thực

hiện ghép sợi quang có đầu cắt nghiêng kết hợp với các vi thấu kính ngay trên một

photodiode trong lúc chế tạo. Nhìn chung, những giải pháp đóng vỏ hộp cho bộ thu

quang sẽ giúp cho việc nâng cao năng lực và độ tin cậy của thiết bị.

4.4 Nhiễu trong bộ thu quang

Bộ thu quang biến đổi công suất quang đến Pin thành dòng điện nhờ

photodiode. Quan hệ Ip=RPin trong (4.1) được đưa ra với giả thiết rằng quá trình

biến đổi từ quang sang điện là không có nhiễu. Tuy nhiên đây là điều không thể xảy

ra. Trong bộ thu quang có hai cơ chế nhiễu cơ bản là nhiễu nhiệt và nhiễu nổ. Các

loại nhiễu này là cho phòng photo tạo ra bị dao động ngay cả trong trường hợp công

suất quang đến bộ thu là không đổi. Mối quan hệ Ip=RPin vẫn đúng nếu ta coi Ip là

giá trị dòng trung bình. Tuy nhiên, nhiễu điện gây ra bởi sự thăng giáng về dòng sẽ

ảnh hưởng đến chất lượng bộ thu. Trong các phần dưới đây sẽ tìm hiểu từng cơ chế

nhiễu và SNR trong bộ thu quang sử dụng photodiode p-i-n và APD.

4.4.1Các cơ chế nhiễu

4.4.1.aNhiễu nổ

Nhiễu nổ được tạo ra do thực tế là dòng photo được tạo ra bao gồm các hạt

mang điện được tạo ra một cách ngẫu nhiên theo thời gian. Tính thống kê của quá

trình ngẫu nhiên này tuân theo luật phân bố Poisson. Như vậy, khi công suất quang

đến bộ thu là không đổi thì dòng photo tạo ra sẽ như sau:

�(�) = �� + ��(�) (4.36)

Với Ip=RPin là dòng trung bình và is(t) là thăng giáng về dòng do nhiễu nổ gây ra.

Về mặt toán học, is(t) là quá trình ngẫu nhiên dừng tuân theo luật thống kê Poisson

(thường được xấp xỉ bằng luật thống kê Gauss). Hàm tự tương quan của is(t) và mật

độ phổ công suất Ss(f) quan hệ với nhau theo định lý Weiner-Khinchin như sau:

PTIT

157

⟨��(�)��(�+ �)⟩= ∫ ��(�) exp(�2���) ���

�� (4.37)

Mật độ phổ công suất của nhiễu nổ Ss(f) là hằng số và Ss(f)=qIp. Lưu ý rằng, trong

phương trình (4.4.2), Ss(f) là một độ phổ công suất 2 phía (bao gồm cả các thành

phần tần số âm). Nếu chỉ xét đến các thành phần tần số dương, mật độ phổ công

suất một phía sẽ là 2qIp.

Thay =0 vào phương trình (4.37) ta sẽ có phương sai nhiễu nổ được tính

theo công thức sau:

��� = ⟨��

�(�)⟩= ∫ ��(�)�� = 2���∆��

�� (4.38)

Với Df là băng tần nhiễu hiệu dụng của bộ thu. Giá trị chính xác của Df phụ thuộc

vào thiết kế của bộ thu.

Vì dòng tối Id cũng tạo ra nhiễu nổ. Nên nếu ta thay Ip trong (4.38) bằng Ip+Id

thì phương sai nhiễu nổ tổng sẽ được tính theo công thức sau:

��� = 2�(�� + ��)∆� (4.39)

s chính là giá trị hiệu dụng (rms) của dòng nhiễu tạo ra bởi nhiễu nổ.

4.4.1.bNhiễu nhiệt

Nhiễu nhiệt sinh ra do chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của các điện tử bên

trong điện trở tải gây nên sự thăng giáng về dòng. Nhiễu này còn được gọi là nhiễu

Nyquist hay nhiễu Johnson. Với sự đóng góp của nhiễu nhiệt, phương trình (4.4.1)

được viết lại như sau:

�(�) = �� + ��(�) + ��(�) (4.40)

Với iT(t) là sự thăng giáng về dòng do nhiễu nhiệt gây ra.Về mặt toán học, nhiễu

nhiệt cũng có thể được coi là một quá trình ngẫu nhiên dừng tuân theo luật phân bố

Gauss với mật độ phổ không phụ thuộc vào tần số f lên đến 1THz (gần giống

nhiễu trắng) và được tính theo công thức sau:

�� (�) = 2�� �/�� (4.41)

Với kB là hằng số Bolzman, T là nhiệt độ tuyệt đối, RL là điện trở tải. Cũng giống

như nhiễu nổ, ST(f) là mật độ phổ hai phía. Hàm tự tương quan của iT(t) cũng được

tính theo công thức tương tự như công thức (4.37) nếu ta thay is(t) trong công thức

này bằng iT(t). Thay =0 vào phương trình ta sẽ có phương sai nhiễu nhiệt được

tính theo công thức sau:

PTIT

158

��� = ⟨��

�(�)⟩= ∫ �� (�)�� = (4�� �/��)∆��

�� (4.42)

Với Df là băng tần nhiễu hiệu dụng của bộ thu. Lưu ý rằng, khác với phương sai

nhiễu nổ, phương sai nhiễu nhiệt không phụ thuộc vào dòng trung bình Ip.

Phương trình (4.42) mới chỉ tính đến nhiễu nhiệt tạo ra trên điện trở tải.

Mạch thu, trong thực tế còn gồm rất nhiều phần tử điện khác. Các thành phần này

cũng góp phần tạo ra nhiễu. Để đơn giản, người ta đưa thêm vào công thức (4.42)

hệ số nhiễu khuếch đại, khi đó (4.42) được viết lại như sau:

��� = (4�� �/��)��∆� (4.43)

Vì is(t)và iT(t) là các quá trình ngẫu nhiên độc lập và đều có thể gần đùng

bằng quá trình ngẫu nhiên Gauss nên phương sai nhiễu tổng (bao gồm nhiễu nổ và

nhiễu nhiệt) được tính theo công thức sau:

�� = ⟨(∆�)�⟩= ��� + ��

� = 2�(�� + ��)∆� + (4�� �/��)∆� (4.44)

4.4.2Bộ thu p-i-n

Chất lượng của bộ thu phụ thuộc vào SNR. Trong phần này sẽ đề cập đến

SNR của bộ thu PIN. SNR của bộ thu APD sẽ được đề cập đến trong phần sau. Ta

có SNR của bất kỳ tín hiệu điện nào đều được định nghĩa như sau:

��� =�ô����ấ��í���ệ������� ì��

�ô����â����ễ�=

���

�� (4.45)

Thay phương trình (4.44) và Ip=R.Pin vào(4.45) ta có SNR liên quan đến

công suất quang đến bộ thu Pin như sau:

��� =� ����

�

��(�� ��� ��)∆�� (��� �/��)∆� (4.46)

Với R là đáp ứng của photodiode p-i-n.

Giới hạn nhiễu nhiệt: Trong giới hạn nhiễu nhiệt, s là nhỏ hơn nhiều T

(S<<T), vì vậy tỷ số tín hiệu trên nhiễu cho bộ thu photodiede p-i-n thu được trở

thành:

��� = ������ ��

��� ����� (4.47)

Như vậy, trong giới hạn nhiễu nhiệt, SNR thay đổi theo P2in. Cũng có thể cải

thiện nhiễu bằng cách tăng điện trở tải. Đây chính là lý do tại sao phần lớn các bộ

PTIT

159

thu thường sử dụng mạch front-end trở kháng cao hoặc front-end hỗ dẫn ngược.

Ảnh hưởng của nhiễu nhiệt thường được thể hiện qua công suất nhiễu tương đương

(NEP). Công suất nhiễu tương đương được định nghĩa là công suất quang tối thiểu

yêu cầu trên một đơn vị băng tần để SNR=1 và được tính theo công thức sau:

��� =���

� ∆�= �

��� ���

��� ��

�/�

=��

���

��� ���

���

�/�

(4.48)

Giới hạn nhiễu nổ:Còn trong giới hạn nhiễu nổ, s là lớn hơn nhiều T

(s>>T).Vì phương sai nhiễu nổ tỷ lệ với Pin, nên có thể đạt được giới hạn nhiễu nổ

khi công suất đến bộ thu lớn. Trong trường hợp này có thể bỏ qua ảnh hưởng của

dòng tối Id. Lúc này ta có:

��� =� ���

��∆�=

����

����� (4.49)

Có thể thấy rằng, trong giới hạn nhiễu nổ, SNR tăng tuyến tính theo Pin và

chỉ phụ thuộc vào hiệu suất lượng tử, băng tần nhiễu hiệu dụng của bộ thu và năng

lượng của photon.

Trong các bộ thu quang thực tế sử dụng bộ photodiode p-i-n, thường nhiễu

trội là nhiễu nhiệt iT.

4.4.3Bộ thu sử dụng APD

Bộ thu quang sử dụng APD thường có SNR cao hơn bộ thu sử dụng p-i-n với

cùng một công suất quang đến. Điều này đạt được là do APD có cơ chế khuếch đại

nội làm tăng dòng photo lên M lần. Tuy nhiên cơ chế nhân này cũng làm tăng nhiễu

của APD.

Do nhiễu nhiệt không bị ảnh hưởng bởi quá trình nhân nên nhiễu nhiệt của

APD cũng giống như nhiễu nhiệt của p-i-n. Ngược lại, nhiễu nổ trong APD lại bị

ảnh hưởng bởi quá trình nhân và được tính theo công thức sau:

��� = 2����� (���� + ��)∆� (4.50)

Với FA là hệ số nhiễu trội của APD và được tính theo công thức sau:

�� (�) = �� � + (1 − �� )(2 −�

�) (4.51)

Với kA=ae/ah khi ah>ae và kA=ah/ae khi ae>ah. Tức là 0<kA<1. Trên hình 4.16

dưới đây biểu diễn sự phụ thuộc của M vào FA với các giá trị kA khác nhau. Nhìn

PTIT

160

chung FA tăng theo M. Tuy nhiên với kA=0, FA2 với mọi M. FA tăng tuyến tính

theo M (FA=M) khi kA = 1. Hệ số kA càng nhỏ thì chất lượng của APD càng tốt

Hình 4.16 Sụ phụ thuộc của FA vào M và kA

Như vậy, ta có thể viết tỷ số tín hiệu trên nhiễu cho bộ thu quang photodiode

thác APD như sau:

��� =��

�

���� ��

� =(�����)�

������(� ���� ��)��� �(�� �

��)�� ��

(4.52)

Trong giới hạn nhiễu nhiệt, s là nhỏ hơn nhiều T (s<<T), vì vậy tỷ số tín

hiệu trên nhiễu cho bộ thu photodiode thác APD thu được trở thành:

��� =��� �

��� ��� �������

� (4.53)

và SNR được cải thiện M2 so với bộ thu photodiode p-i-n. Ngược lại trong giới hạn

nhiễu lượng tử, s là lớn hơn nhiều T (s>>T), lúc này ta có:

��� =� ���

������=

����

������� (4.54)

và tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR bị giảm đi với hệ số nhiễu trội FA so với bộ thu

photodiode p-i-n.

Hệ số khuếch đại tối ưu của APD:

Từ phương trình (4.51), ta thấy rằng, với một công suất Pin nhất định, giá trị

SNR sẽ đạt cực đại khi hệ số nhân của APD là tối ưu (M=Mopt). Cũng dễ dàng thấy

rằng, SNR đạt cực đại khi Mopt thỏa mãn phương trình sau:

PTIT

161

�� ����� + (1 − �� )���� =

��� ���

���(����� ��) (4.55)

Có thể thấy rằng, giá trị Mopt phụ thuộc vào rất nhiều tham số, ví dụ như

dòng tối, hệ số đáp ứng R, tỷ số hệ số ion hóa kA. Tuy nhiên Mopt không phụ thuộc

vào băng tần của bộ thu. Trên hình dưới đây cho ta thấy sự thay đổi của Mopt theo

Pin với các giá trị kA khác nhau của bộ thu InGaAs hoạt động tại bước sóng 1,55m.

Các tham số khác được sử dụng gồm, điện trở tải RL=1kW, Fn=2, R=1A/W và

Id=2nA

Hình 4.17. Sự phụ thuộc của Mopt vào Pin và kA của bộ thu InGaAs

Quan sát trên hình ta thấy, Mopt phụ thuộc khá nhiều vào kA. Cùng với một

mức công suất Pin, giá trị của kA càng nhỏ càng tốt. Giá trị Mopt có thể tính gần đúng

theo công thức sau (với k nằm trong phạm vi từ 0,01-1):

���� ≈ ���� ���

�����(����� ��)�

�/�

(4.56)

Với Si APD, do kA<<1, nên Mopt có thể đạt được đến 100. Còn với InGaAs

APD, do kA»0,7 nên Mopt chỉ đạt được 10.

4.5Hiệu năng bộ thu quang

4.5.1Xác suất lỗi

Như đã trình bày trong các mục trước, bộ thu quang trong hệ thống thông tin

quang số điều biến cường độ - tách sóng trực tiếp (IM-DD) gồm có một bộ tách

sóng quang, bộ khuếch đại điện, mạch cân bằng và mạch quyết định. Khi đi tới đầu

PTIT

162

vào photodiode, tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện tương ứng. Vì tín

hiệu điện sau khi tách sóng là rất yếu và có nhiễunên cần được khuếch đại và được

lọc qua mạch cân bằng. Sau đó tín hiệu điện này sẽ được so sánh với mức ngưỡng

tại mạch quyết định để thu được xung mong muốn (bit "1" hoặc "0") trong khe thời

gian của nó. Trong trường hợp lý tưởng, khi "1" được thu, tín hiệu đầu ra Vout(t)

phải cao hơn điện áp ngưỡng, và khi "0" được thu thì tín hiệu đầu ra phải thấp hơn

điện áp ngưỡng. Tuy nhiên, trong bộ thu quang thực tế, do ảnh hưởng của nhiễu và

sự giao thoa từ các xung lân cận có thể gây ra sự chệch khỏi giá trị trung bình của

Vout(t), và xảy ra lỗi trong hệ thống. Để đặc trưng cho chất lượng của bộ thu số

người ta sử dụng tỷ lệ lỗi bit (BER), được định nghĩa là xác suất nhận dạng bit sai

tại mạch quyết định của bộ thu. Ví dụ, nếu BER=2x10-6 tức là có trung bình 2 bit

sai trong 1 triệu bit thu được. Tiêu chuẩn chung cho các hệ thống thông tin quang số

là BER phải nhỏ hơn 1x10-9. Và độ nhạy thu được định nghĩa là công suất thu trung

bình tối thiếu để bộ thu đạt được BER=10-9.

Hình 4.18thể hiện sự thăng giáng của tín hiệu tại đầu vào của mạch quyết

định trong bộ thu. Tại mạch quyết định, tín hiệu này được lấy mẫu tại thời điểm

quyết định tD (thời điểm này do mạch khôi phục xung đồng hồ đưa ra). Giá trị mẫu I

của các bit thu được sẽ dao động xung quang giá trị trung bình I0 hoặc I1 tuỳ thuộc

vào bit tương ứng là "0" hay "1". Mạch quyết định sẽ so sách giá trị đã lấy mẫu với

giá trị ngưỡng ID và quyết định đó là bit "0" nếu I< ID hoặc là bit "1" nếu I > ID. Lỗi

xảy ra nếu như I > ID đối với bit "0" hoặc I < ID đối với bit “1”. Cả hai nguồn lỗi

này đều tác động đến BER,do đó ta có tỷ số lỗi bit BER được xác định như sau:

BER = p(0)P(1/0) + p(1) P(0/1) (4.57)

ở đây p(0) là xác suất thu bit “0”, p(1) là xác suất thu bit “1”, P(0/1) là xác suất

quyết định là bit “0” khi thu bit “1”, P(1/0) là xác suất quyết định bit “1” khi thu bit

“0”. Vì trong luồng bit đến, xác suất xuất hiện bit “0” và bit “1” là tương đương

nhau nên p(0) »p(1) » 0,5.Khi đó ta có thể viết biểu thức (4.57) như sau:

��� =�(� �⁄ )� �(� �⁄ )

� (4.58)

PTIT

163

Hình 4.18 a. Sự dao động của tính hiệu tại bộ thu; b. Hàm mật độ xác suất của bit “0” và bit “1”

Trên hình 4.18 cũng thể hiện sự phụ thuộc của P(0/1) và P(1/0) vào hàm mật

độ xác suất p(I) của giá trị mẫu I. Dạng của hàm p(I) phụ thuộc vào đặc tính thống

kê của nguồn nhiễu gây nên sự thăng giáng về dòng. Nhiễu nhiệt có tính thống kê

Gauss với giá trị trung bình bằng không và phương sai nhiễu 2T. Đặc trưng thống

kê của nhiễu nổ is cũng được xấp xỉ bằng hàm Gauss. Vì tổng của hai biến ngẫu

nhiên Gauss cũng sẽ là một biến ngẫu nhiêu Gauss nên giá trị mẫu I cũng có hàm

mật độ phân bố xác suất Gauss với phương sai 2=2s+2

T. Tuy nhiên cả giá trị

trung bình và phương sai của bit “1” sẽ khác với bit “0” vì Ipsẽ bằng I1 trong trường

hợp bit”1” và bằng I0 trong trường hợp bit “0”. Nếu gọi 21 và 2

0 là phương sai

ứng với bit “1” và bit “0”, ta có P(0/1) và (P(1/0) sẽ được tính theo công thức sau:

(4.59)

(4.60)

Với erfc là hàm bù lỗi được định nghĩa như sau:

����(�) =�

√�∫ exp(− ��) ��

�

� (4.61)

Bằng cách thay phương trình (4.59) và (4.60) vào phương trình (4.58), ta có:

(4.62)

PTIT

164

Từ phương trình (4.62) ta thấy BER phụ thuộc vào ngưỡng quyết định ID.

Trong thực tế, ID được chọn tối ưu để BER là nhỏ nhất. Giá trị BER nhỏ nhất đạt

được khi ID được chọn như sau:

(4.63)

Số hạng cuối cùng, trong thực tế thường được bỏ qua, và giá trị ID sẽ được

tính xấp xỉ theo công thức dưới đây:

(4.64)

Hay: (4.65)

Khi 1=0, ID=(I1+I0)/2, tức là ngưỡng quyết định được thiết lập tại điểm

giữa của xung. Điều này thường đúng cho hầu hết các bộ thu p-i-n vì bộ thu p-i-n co

nhiễu nhiệt chiếm ưu thế (T>>s) và không phụ thuộc vào dòng trung bình. Còn

với bộ thu APD, BER sẽ nhỏ nhất khi ID được thiết lập theo công thức (4.65).

Giá trị BER đạt được khi ID được thiết lập tối ưu được tính theo công thức

sau:

(4.66)

Với Q được tính từ (4.5.7) và (4.5.8) như sau:

(4.67)

Hình 4.19 là kết quả tính toán mô phỏng đường cong BER như là một hàm

số của hệ số Q được xác định từ công thức (4.64) và bằng biểu thức xấp xỉ (4.66).

Công thức (4.66) là rất chính xác khi Q > 3. Từ đường cong ta thấy BER sẽ được

cải thiện khi Q tăng và trở nên nhỏ hơn 10-12 khi Q > 7. Độ nhạy thu ứng với công

suất quang trung bình đối với Q = 6 sẽ có BER = 10-9.

PTIT

165

Hình 4.19: Tỷ lệ lỗi bit BER là một hàm của hệ số Q

4.5.2 Độ nhạy thu

Như ta đã biết rằng độ nhạy thu là giá trị công suất quang trung bình thu

được nhỏ nhất để đạt được BER theo yêu cầu. Quan hệ giữa tỷ số lỗi bít BER và độ

nhạy thu quang đã được đề cập ở phần trên và chúng ta có thể sử dụng công thức

(4.67) để tính toán công suất quang tối thiểu mà bộ thu quang cần để hoạt động tin

cậy với một tỷ số lỗi bit có giá trị xác lập. Để đơn giản hóa việc tính toán độ nhạy

thu, giả thiết rằng bit "0" không mang công suất quang, tức là P0 = 0, và vì vậy dòng

trung bình ứng với bit “0” I0 = 0. Công suất quang của bit “1” là P1, và dòng trung

bình ứng với bit”1” là I1. Khi đó ta có:

�� = ���� = 2��⟨����⟩ (4.68)

Với <Prec> là công suất trung bình thu được và được định nghĩa như sau:

⟨����⟩= (�� + ��)/2 (4.69)

Lưu ý, M là hệ số nhân của photodiode APD. Trong trường hợp photodiode p-i-n,

M=1. Giá trị dòng nhiễu hiệu dụng ứng với bit “0” và bit “1” (đã xét đến cả nhiễu

nổ và nhiễu nhiệt) sẽ được tính theo công thức sau:

�� = (��� + ��

�)�/�và 0 = T (4.70)

Với 2s được tính theo công thức (4.4.4) và 2

T được tính theo công thức (4.4.8). Bỏ

qua thành phần dòng tối, ta có phương sai nhiễu được tính theo công thức sau:

��� = 2����� �(2⟨����⟩)Δ� (4.71)

��� = (4�� �/��)��� (4.72)

PTIT

166

Sử dụng phương trình (4.68)-(4.70), ta có tham số Q được tính theo công thức sau:

� =��

��� ��=

��� ⟨����⟩

����� ��

���/�

� ��

(4.73)

Với một giá trị BER xác định, ta có thể xác định giá trị Q theo (4.66), còn giá trị

<Prec> sẽ được tính toán theo công thức (4.62). Bằng cách giải phương trình (4.73),

ta có được công thức tính <Prec> theo Q như sau:

⟨����⟩=�

����� �� +

��

�� (4.74)

Độ nhạy thu của bộ thu p-i-n

Phương trình (4.74) thể hiện sự phụ thuộc của <Prec> vào các tham số của bộ

thu. Với bộ thu p-i-n ( M=1), thường là nhiễu nhiệt chiếm ưu thế nên ta có thể tính

<Prec> theo công thức rút gọn dưới đây:

⟨����⟩��� ≈ ���/� (4.75)

Từ phương trình (4.72), ta thấy T phụ thuộc không chỉ vào các tham số của bộ thu

như là RL và Fn, mà còn phụ thuộc vào cả tốc độ bit,tham số Df của bộ thu quang.

Nhìn chung, Df = B/2, ở đây B là tốc độ bit. Vì thế, khi bộ thu hoạt động trong giới

hạn nhiễu nhiệt, <Prec>sẽ tăng theo B1/2, và điều đó có nghĩa rằng độ nhạy thu sẽ

giảm khi tốc độ bit tăng.

Độ nhạy thu của bộ thu APD

Từ phương trình 4.74, ta có thể thấy độ nhạy thu được cải thiện như thế nào

khi sử dụng APD. Nếu nhiễu nhiệt chiếm ưu thế, công suất thu tối thiểu sẽ giảm M

lần và do đó độ nhạy thu sẽ tăng M lần. Tuy nhiên, trong bộ thu sử dụng APD,

nhiễu nổ cũng tăng đáng kể. Vì vậy, ta sẽ phải sử dụng phương trình (4.74) để tính

toán độ nhạy thu. Tương tự như đối với SNR, độ nhạy thu sẽ được cải thiện một

cách tối ưu khi có hệ số nhân phù hợp. Bằng cách thay công thức tính FA (4.51) vào

phương trình (4.74), người ta chứng minh được rằng <Prec> là nhỏ nhất khi M có giá

trị tối ưu tính theo công thức sau:

���� = ����/�

���

��∆�+ �� − 1�

�/�

≈ ���

����∆��

�/�

(4.76)

Và khi đó giá trị công suất thu tối thiểu theo công thức sau:

⟨����⟩��� = (2�∆� �⁄ )����� ���� + 1 − �� � (4.77)

PTIT

167

Bằng cách so sánh công thức (4.75) và (4.77), ta có thể thấy được sự cải

thiện độ nhạy thu khi sử dụng APD. Có thể thấy rằng, mức độ cải thiện này sẽ phụ

thuộc vào hệ số kA. Hệ số kA càng nhỏ thì độ cải thiện độ nhạy thu càng cao. Ví dụ,

đối với bộ thu sử dụng APD InGaAs, có thể cải thiện độ nhạy thu khoảng 6-8 dB.

Cũng từ công thức (4.77), ta thấy rằng <Prec> APD của bộ thu sử dụng APD sẽ tăng

tuyến tính với tốc độ bit B (Df = B/2), khác với <Prec>p-i-n trong bộ thu photodiode

p-i-n chỉ tăng theo B1/2khi bộ thu p-i-n hoạt động trong giới hạn nhiễu nhiệt (mà

trường hợp này hay xảy ra với bộ thu p-i-n). Vì thế, độ nhạy của bộ thu APD bị

giảm nhanh hơn khi tốc độ bit B tăng. Sự giảm này là đặc tính chung cho các bộ thu

có giới hạn nhiễu nổ. Ngoài ra, cơ chế khuếch đại của photodiode APD rất nhạy

cảm với nhiệt độ vì các hệ số ion hóa điện tử và lỗ trống phụ thuộc vào nhiệt độ,

đặc biệt khi điện áp định thiên lớn. Sự thay đổi nhỏ về nhiệt độ có thể gây ra sự biến

động lớn cho khuếch đại trong APD.

Ngoài phương pháp xác định độ nhạy thu trình như trình bày ở trên,do BER

liên quan đến SNR và số số photon trung bình Np chứa trong bit “1”, nên, còn có

một cách khác cũng hay được sử dụng đó là xác định Np tối thiểu để đạt được giá trị

BER yêu cầu.

Trong giới hạn nhiễu nhiệt, 0»1. Thay I0=0 vào phương trình (4.67), ta có

Q=I1/21. Mặt khác, do SNR=I21/

21, nên SNR=4Q2. Vì Q=6khi BER=10-9 nên

SNR tối thiểu phải bằng 144 (tức là 21,6 dB) để đạt được BER£10-9. Trong trường

hợp bộ thu hoạt động trong giới hạn nhiễu nổ, yêu cầu đối với SNR sẽ khác đi.

Trong trường hợp này, bỏ qua nhiễu nhiệt nên 0»0 (vì nhiễu nổ có thể bỏ qua đối

với bit “0” khi bỏ qua dòng tối). Vì Q=I1/1=(SNR)1/2 trong giới hạn nhiễu nổ, nên

SNR phải bằng 36 (hoặc 15,6 dB) thì BER sẽ đạt được 1x10-9. Vì SNR»Np trong

trường hợp bộ thu hoạt động ở giới hạn nhiễu nổ, nên ta có Q=(Np)1/2. Thay Q vào

phương trình (4.67), ta có BER được tính theo công thức sau:

��� =�

������� ���/2� (4.78)

Với bộ thu có hiệu suất lượng tử 100% (=1), nếu tính theo công thức (4.65) thì

BER=1x10-9 khi Np=36. Trong thực tế, phần lớn các bộ thu yêu cầu phải có

Np1000 để đạt được BER=10-9 vì chất lượng của bộ thu p-i-n thường bị ảnh hưởng

bởi nhiễu nhiệt.

PTIT

168

4.5.3Giới hạn lượng tử của bộ thu quang

Khi bộ thu hoạt động trong giới hạn nhiễu nổ, việc tính BER theo công thức

(4.5.21) không hoàn toàn chính xác vì trong công thức này ta đã sử dụng gần đúng

đặc trưng thống kê của nhiễu trong bộ thu bằng phân bố Gauss. Với bộ thu lý tưởng

(không có nhiễu nhiệt, không có dòng tối và hiệu suất lượng tử là 100%), 0=0 (vì

nhiễu nổ hoàn toàn không có khi không có ánh sáng đến bộ thu) và vì vậy, ngưỡng

quyết định có thể thiết lập gần với mức 0 của tín hiệu. Với bộ thu lý tưởng như vậy,

hoàn toàn có thể nhận dạng được bit “1” ngay cả trong trường hợp chỉ có chỉ thu

được 1 photon. Với một số lượng photon và điện tử ít như vậy, đặc trưng thống kê

của nhiễu nổ không thể xấp xỉ bằng phân bố Gauss và phải được gần đúng bằng

phân bố Poisson. Nếu Np là là số photon trung bình có trong bit “1”, xác suất để tạo

ra m cặp điện tử-lỗ trống được cho bởi phân bố Poisson như sau:

pexp -N

!m

m pP Nm

(4.79)

Khi đó xác suất lỗi sẽ được tính theo công thức (4.37) và (4.79). Xác suất

P(1/0) tức làxác suất quyết định là “1” khi thu bit “0” sẽ bằng 0, vì không có cặp

điện tử - lỗ trống được phát khi Np = 0. Xác suất P(0/1) thu được bằng cách thiết lập

m = 0 trong phương trình (4.79), vì "0" được quyết định trong trường hợp ngay cả

"l" được thu. Vì vậy, (P(0/1) = exp(-Np) và BER được tính theo công thức đơn giản

sau:

pexp(-N )R =

2BE

(4.78)

Với BER < 10-9, Np phải vượt quá 20 photon trong một bit. Vì yêu cầu này là

một kết quả của sự thay đổi lượng tử có liên quan tới ánh sáng đến photodiode nên

nó được xem như là "giới hạn lượng tử". Điều này có nghĩa rằng mỗi bit "l" phải

chứa đựng ít nhất 20 photon để được tách với BER < 10-9. Số photon này được biến

đổi thành công suất quang bằng cách sử dụng P1 = NphvB. Kết quả là, độ nhạy thu

được xác định như là <Prec> = (P1+P0)/2 = P1/2 được cho bởi biểu thức:

2

p

rec p

N hvBP N hvB

(4.80)

PTIT

169

Ở đây <Np> thể hiện độ nhạy thu dưới dạng số photon trung bình cho mỗi

một bit, và có liên quan tới Np bằng quan hệ <Np> = Np/2 khi các bit "0" không

mang năng lượng.

4.6 Kỹ thuật thu coherent

Hệ thống thông tin quang đề cập trong các phần trước là các hệ thống sử

dụng sơ đồ điều chế tín hiệu số đơn giản, trong đó tại thiết bị phát quang, luồng bit

tín hiệu điện được đưa vào điều chế cường độ của sóng mang quang, sau đó được

truyền qua sợi quang và được thu trực tiếp tại thiết bị thu quang.Hệ thống như vậy

được gọi là hệ thống điều biến cường độ và thu trực tiếp (IM- DD). Bên cạnh đó có

rất nhiều phương pháp khác có thể được sử dụng để điều chế thông tin của tín hiệu

điện vào trong sóng ánh sáng ví dụ như phương pháp điều tần, điều pha…và thu lại

tín hiệu đã phát bằng các phương pháp thu homodyne hay heterodyne (đây là các

phương pháp đã được sử dụng rất phổ biến trong các hệ thống thông tin vô tuyến).

Để thực hiện các phương pháp này, sự kết hợp pha của sóng mang quang là rất quan

trọng, vì vậy các hệ thống thông tin quang này được gọi là hệ thống thông tin quang

coherent (thông tin quang kết hợp).

Các ưu điểm chính của kỹ thuật thông tin quang coherent: thứ nhất là độ

nhạy thu có thể cải thiện đến 20dB so với các hệ thống IM-DD. Thứ hai, sử dụng kỹ

thuật thu coherent cho phép sử dụng hiệu quả hơn băng tần truyền dẫn của sợi

quang nhờ việc tăng hiệu suất sử dụng phổ trong các hệ thống WDM.

Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng nguyên lý thông tin quang Cohenrent đã làm

nảy sinh rất nhiều vấn đề phức tạp có liên quan tới một loạt cac giải pháp kỹ thuật

và quá trình công nghệ. Từ phía phát tới phía thu của hệ thống, nhiều vấn đề cần

phải giải quyết bao trùm các vấn đề liên quan đến phổ nguồn phát, ổn định tần số,

duy trì phân cực v.v…

PTIT

170

Hình 4.20 Sơ đồ minh họa thu coherent

4.6.1Khái niệm cơ bản

Ý nghĩa cơ bản đằng sau khái niệm thu coherent chính là sự kết hợp giữa

sóng tín hiệu quang do phía phát gửi đến với một sóng quang liên tục khác (CW)

trước khi được đưa vào tách sóng tại photodiode. Trường quang CW được tạo ra bởi

một laser dao động nội có độ rộng phổ hẹp (LO). Để thấy được sự cải thiện độ nhạy

thu khi trộn tín hiệu quang đến với trường quang CW của nguồn dao động nội,

người ta biểu diễn trường của tín hiệu quang đến và trường tín hiệu phát ra từ LO

như sau:

�� = �����[− �(���+ ��] (4.81)

��� = ������[− �(����+ ���] (4.82)

Với 0 là tần số sóng mang, As là biên độ, fs là pha của trường tín hiệu quang đến

từ phía phát. LO là tần số sóng mang,ALO là biên độ, fLO là pha của trường tín hiệu

quang dao động nội. Ký hiệu vô hướng sử dụng cho Es và ELO với giả thiết rằng cả

hai trường quang này có phân cực giống nhau. Vì diode thu quang đáp ứng với

cường độ trường quang nên công suất quang đến diode thu quang được tính theo

công thức:

� = � |�� + ���|� (4.83)

Với K là hằng số tỷ lệ. Thay phương trình (4.81) và (4.82) vào (4.83) ta có:

�(�) = �� + ��� + 2� ��������[����+ �� − ���] (4.84)

Với: �� = � ���, ��� = � ���

� , ��� = �� − ��� (4.85)

Tần số nIFIF/2 được gọi là trung tần (IF). Khi LO, tín hiệu quang được giải

điều chế theo hai giai đoạn: đầu tiên tần số sóng mang được biến đổi về tần số nIF

(thường có giá trị từ 0,1-5 GHz), sau đó tín hiệu được giải điều chế về băng cơ bản.

Tuy nhiên, không phải lúc nào ta cũng cần sử dụng tần số trung tần này. Thực tế, có

hai kỹ thuật thu coherent, tùy thuộc vào IF bằng không hay khác không. Các kỹ

thuật này tương ứng được gọi là thu homodyne và thu heterodyne.

PTIT

171

4.6.2Kỹ thuật thu homodyne

Trong kỹ thuật thu homodyne, tần số của laser dao động nội được chọn trùng

với tần số sóng mang tín hiệu quang, do đó IF=0. Từ phương trình (4.84), dòng

photo (I=RP, với R là đáp ứng của photodiode) khi đó được tính theo công thức sau:

�(�) = �(�� + ���) + 2�� ��������[�� − ���] (4.86)

Thông thường, PLO>>Ps nên Ps+PLO» PLO. Số hạng cuối cùng trong phương trình

(4.6.6) chứa thông tin được gửi đi và sẽ được đưa vào mạch quyết định. Xem xét

trường hợp khi mà pha của LO được khóa theo pha của tín hiệu phát sao cho

fs=fLO, khi đó tín hiệu homodyne sẽ được tính theo công thức sau:

��(�) = 2�� ����� (4.87)

Từ phương trình (4.87) có thể thấy ngay được ưu điểm của thu homodyne (vì trong

trương hợp thu trực tiếp, dòng tín hiệu thu được sẽ là Idd(t)=RPs(t). Nếu gọi <Ps> là

công suất trung bình của tín hiệu quang, thì với thu homodyne, công suất trung bình

của tín hiệu điện đã tăng lên được 4PLO/<Ps> so với thu trực tiếp. Vì PLO thường lớn

hơn công suất trung bình của tín hiệu rất nhiều nên mức tăng công suất do thu

homodyne có thể vượt quá 20 dB. Mặc dù khi đó nhiễu nổ cũng tăng, nhưng trong

phần sau ta sẽ thấy rằng thu homodyne cải thiện SNR đáng kể so với thu trục tiếp

Từ phương trình (4.86) ta cũng thấy một ưu điểm khác của thu coherent. Do

số hạng cuối cùng trong phương trình này có chứa thông tin về pha của tín hiệu nên

phía phát có thể truyền thông tin đi bằng cách điều chế pha hoặc tần số của tín hiệu

sóng mang. Thu trực tiếp không cho phép thực hiện điều chế pha hay tần số của tín

hiệu vì toàn bộ thông tin về pha của tín hiệu là bị mất.

Nhược điểm của thu homodyne là đặc tính nhạy với pha của sóng quang.

Trong số hạng cuối cùng của phương trình (4.86), ta thấy có cả pha của tín hiệu dao

động nôi (fLO), như vậy rõ ràng là cần phải điều khiển được fLO. Lý tưởng nhất là fs

và fLO là hằng số, như trong thực tế thì giá trị của cả fs và fLO sẽ dao động ngẫu

nhiên theo thời gian. Tuy nhiên, độ lệch pha fs - fLO có thể duy trì được gần như

không đổi thông qua việc sử dụng vòng khóa pha quang. Việc thực hiện vòng khóa

pha này là không đơn giả làm cho bộ thu homodyne trở nên khá phức tạp. Ngoài ra

yêu cầu về sự phù hợp tần số của sóng quang mang tín hiệu và sóng quang của

nguồn laser dao động nội cũng đòi hỏi phải sử dụng các nguồn quang chất lượng

PTIT

172

cao. Các hạn chế này của thu homodyne sẽ được khắc phục ở kỹ thuật thu

heterodyne được trình bày trong phần tiếp theo.

4.6.3Kỹ thuật thu heterodyne

Trong trường hợp thu heterodyne, tần số laser dao động nội LO được chọn

khác với tần số sóng quang mang tín hiệu do phía phát gửi đến sao cho tần số trung

tần IF nằm trong vùng vi ba (nIF1GHz). Sử dụng phương trình (4.84) với I=RP,

dòng photo khi đó sẽ được tính theo công thức sau:

�(�) = �(�� + ���) + 2�� ��������[����+ �� − ���] (4.88)

Trong thực tế PLO>>Ps nên thành phần một chiều (dc) gần như là hằng số và có thể

dễ dàng loại bỏ bằng cách sử dụng bộ lọc thông dải. Sau khi đi qua bộ lọc, tín hiệu

heterodyne chỉ còn lại thành phấn xoay chiều (AC) được tính theo công thức sau:

�(�) = 2�� ��������[����+ �� − ���] (4.89)

Tương tự như trường hợp thu homodyne, thông tin có thể được truyền đi trên sóng

mang quang thông qua việc điều chế biên độ, pha hay tần số của sóng mang quang.

Quan trọng hơn, nguồn laser dao động nội vẫn khuếch đại tín hiệu thu được với một

hệ số khuếch đại tương đối lớn do đó cải thiện được SNR. Tuy nhiên mức độ cải

thiện SNR của kỹ thuật thu heterodyne sẽ thấp hơn của kỹ thuật thu homodyne

khoảng 2-3 dB. Sự suy giảm này được gọi là độ thiệt thòi công suất do thu

heterodyne. Nguồn gốc của độ thiệt thòi 3dB có thể thấy bằng cách xem xét công

suất tín hiệu (tỷ lệ với bình phương cường độ dòng). Do bản chất xoay chiều của Iac,

công suất tín hiệu trung bình giảm đi 2 lần khi I2ac được lấy trung bình trên toàn bộ

chu kỳ tại tần số trung tần (lưu ý, trung bình của cos2q trong miền q chính bằng

½).Bù lại độ thiệt thòi 3dB, thì bộ thu heterodyne khá là đơn giản do không cần sử

dụng vòng khóa pha quang. Tuy nhiên sự dao động trong cả fsfLO vẫn cần phải

được kiểm soát bằng cách sử dụng laser có độ rộng phổ hẹp cho cả hai loại nguồn

quang. Tuy nhiên yêu cầu về độ rộng phổ hẹp của nguồn quang trong thu

heterodyne cũng chỉ ở mức độ trung bình. Điều này làm cho sơ đồ thu heterodyne

khá phù hợp cho việc thực hiện các hệ thống coherent trong thực tế.

4.6.4Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

Có thể định lượng hơn uu điểm của thu coherent trong các hệ thống thông tin

quang thông qua việc xem xét SNR của dòng thu được. Trong phần này sẽ áp dụng

PTIT

173

các phân tích về SNR trong phần 4.4 cho trường hợp thu heterodyne. Do ảnh hưởng

của nhiễu nổ và nhiễu nhiệt, sẽ có sự thăng giáng của dòng thu. Phương sai 2 của

sự thăng giáng về dòng sẽ được tính theo công thức sau:

�� = ��� + ��

� (4.90)

Vì SNR được tính bẳng tỷ số giữa công suất trung bình của tín hiệu và công suất

trung bình của nhiễu, nên đối với trường hợp thu heterodyne, SNR được tính theo

công thức sau:

��� =⟨���

� ⟩

��

���������

��(�� ��� ��)∆�� ��� (4.91)

Trong trường hợp thu homodyne, ta thấy SNR lớn gấp 2 lần nếu ta giả thiết fs=fLO

trong phương trình (4.6.6). Ưu điểm chính của thu coherent ta có thể thấy được từ

phương trình (4.6.11). Vì có thể điều chỉnh công suất của LO tại bộ thu, nên công

suất này có thể đạt được lớn đến mức bộ thu hoạt động trong giới hạn nhiễu nổ.

Chính xác hơn, 2s>>2

T khi:

��� ≫ ���/(2��∆�) (4.92)

Cũng trong cùng điều kiện này, ảnh hưởng của dòng tối đóng góp vào nhiễu nổ có

thể bỏ qua (Id<<RPLO). SNR khi đó được tính theo công thức sau:

��� ≈� ���

�∆�=

����

���� (4.93)

Với R=q/hn. Việc sử dụng kỹ thuật thu coherent sẽ cho phép bộ thu đạt được giới

hạn nhiễu nổ thậm chí cả khi bộ thu sử dụng bộ thu p-i-n (là bộ thu có chất lượng

thường bị giới hạn bởi nhiễu nhiệt).

PTIT

Chương 5 Hệ th

Hệ thống thông tin quang cơ b

quang, thiết bị phát quang và thi

cứu một cách độc lập trong các chương trư

các thành phần cơ bản này đư

tin quang. Các vấn đề liên quan đ

kênh) có cấu trúc đơn giản nh

cũng được đề cập đến trong chương này

5.1 Cấu trúc hệ thống thông ti

5.1.1 Tuyến điểm – đi

Các tuyến điểm - điể

nhất bao gồm một bộ phát quang, m

như cho thấy trong hình 5-

thống phức tạp hơn.

Hình

Tùy thuộc vào đặc tính ngu

mà hệ thống có thể được phân lo

thống thông tin quang số. M

cầu đặc thù riêng nhưng việ

này vẫn có những quy tắc chung c

quang điểm – điểm nói chung liên quan đ

nhau nên việc phân tích và thi

trước khi hoàn thành đảm b

năng và chi phí là những yế

kỹ sư thiết kế phải lựa chọn c

năng mong muốn được duy trì trong su

xác định quá mức các đặc tính c

thống thông tin quang sợ

ng thông tin quang cơ bản được cấu trúc từ ba thành phần chính là s

phát quang và thiết bị thu quang. Các thành phần này đã

p trong các chương trước. Trong chương này sẽ xem xét xem

n này được sử dụng như thế nào để tạo nên một hệ

liên quan đến việc thiết kế một tuyến thông tin quang (đơn

n nhất và chất lượng của một hệ thống thông tin quang

n trong chương này

ng thông tin quang

điểm

ểm hình thành nên hệ thống thông tin quang s

phát quang, một bộ thu quang và đường truyền d

1. Các hệ thống này thiết lập cơ sở cho các c

Hình 5-1 Sơ đồ tuyến kết nối điểm – điểm

c tính nguồn tin đầu vào bộ phát quang là tương t

c phân loại thành hệ thống thông tin quang tương t

. Mặc dù mỗi loại hệ thống có những tính chấ

ệc thiết kế tuyến kết nối điểm – điểm cho nhữ

c chung cần xem xét. Quá trình thiết kế một tuy

m nói chung liên quan đến nhiều tham số đặc tính quan h

c phân tích và thiết kế tuyến thực tế có thể đòi hỏi quá trình l

m bảo thỏa mãn các yêu cầu đặt ra.Vì các ràng bu

ếu tố quan trọng trong các tuyến thông tin quang s

n cẩn thận các thành phần hệ thống để đảm b

c duy trì trong suốt tuổi thọ dự kiến của hệ thống mà không

c tính của các thành phần.

174

ợi

n chính là sợi

ã được nghiên

xem xét xem

ệ thống thống

n thông tin quang (đơn

ng thông tin quang

ng thông tin quang sợi đơn giản

n dẫn sợi quang

cho các cấu trúc hệ

phát quang là tương tự hay số

ng thông tin quang tương tự và hệ

ất và các yêu

ững hệ thống

t tuyến thông tin

c tính quan hệ với

i quá trình lặp vài lần

t ra.Vì các ràng buộc về hiệu

n thông tin quang sợi nên

m bảo mức hiệu

ng mà không

PTIT

175

Các yêu cầu cơ bản của hệ thống nói chung cần thiết cho việc phân tích

tuyến đó là:

- Khoảng cách truyền dẫn có thể (hoặc mong muốn)

- Tốc độ dữ liệu hoặc độ rộng băng tần của kênh truyền

- Tỉ số lỗi bít (BER) hoặc tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) yêu cầu

Để đáp ứng được các yêu cầu này kỹ sư thiết kế cần phải lựa chọn các thành

phần và xem xét các đặc tính cơ bản liên quan như sau:

- Sợi quang đa mode hoặc đơn mode: các tham số cơ bản cần xem xét bao

gồm kích thước lõi, mặt cắt chiết suất, độ rộng băng tần hoặc tán sắc, hệ

số suy hao, khẩu độ số hoặc đường kính trường mode.

- Bộ phát quang sử dụng nguồn quang LED hoặc laser diode: các tham số

cơ bản cần xem xét bao gồm bước sóng phát, độ rộng phổ, công suất phát

xạ, diện tích phát xạ hiệu dụng, mẫu phát xạ và số lượng mode phát xạ.

- Bộ thu quang sử dụng PIN hoặc APD: các tham số cơ bản cần xem xét

bao gồm độ đáp ứng, bước sóng hoạt động, tốc độ và độ nhạy thu.

Thông thường sẽ có hai phân tích cơ bản đó là quỹ công suất và quỹ thời

gian lên để đảm bảo hiệu năng yêu cầu. Tùy thuộc vào hệ thống thông tin quang là

số hay tương tự, các yêu cầu về hiệu năng sẽ khác nhau. Đối với hệ thống thông tin

quang số yêu cầu hiệu năng cần đảm bảo là tỉ số lỗi bít, còn đối với hệ thống thông

tin quang tương tự yêu cầu hiệu năng cần đảm bảo là tỉ số sóng mang trên nhiễu.

Một số vấn đề về thiết kế các hệ thống này sẽ được đề cập cụ thể trong các phần

sau.

5.1.2 Hệ thống thông tin quang số

Hệ thống thông tin quang số là hệ thống phổ biến hiện nay sử dụng trên các

cấu trúc mạng thông tin. Trong hệ thống thông tin quang số, định dạng điều chế có

ý nghĩa quan trọng để đảm bảo bộ thu có thể tách được thông tin định thời chính

xác từ tín hiệu quang thu được. Kiểu điều chế sử dụng phổ biến hiện nay là điều chế

cường độ (IM) trong đó các bít nhị phân đặc trưng bởi sự thay đổi cường độ quang

đầu ra.

Để đảm bảo khả năng tách định thời cho quá trình đồng bộ trong hệ thống

thông tin quang số, mã đường sẽ được sử dụng. Mục đích chính của việc định thời

là để đồng bộ luồng dữ liệu số tại đầu thu và cho phép lấy mẫu tín hiệu tại thời điểm

PTIT

mà tỉ số tín hiệu trên nhiễu đ

dễ tách tín hiệu định thời thì còn có ch

dư vào chuỗi bít dữ liệu. Tuy nhiên vi

tốc độ truyền dẫn của dữ liệ

tần càng lớn thì đóng góp nhi

năng tách định thời và độ rộ

Các mã đường sử dụ

mức) mặc dù các mã đa mứ

Các mã đường cơ bản bao g

không) và định dạng mã hóa pha (PE).

Mã NRZ đơn giản nh

Đối với mã này một bít dữ

điều biến theo định dạng bậ

bởi một xung chiếm hết chu kì bít, cò

trong hình 5-2. Mặc dù mã NRZ có

công suất trung bình đi vào b

chuỗi bit 1 kéo dài sẽ xảy ra hi

xung sinh ra từ đặc tính tần s

cho thấy trong hình 5-3. Hiệ

ngưỡng gốc ban đầu bị chậ

bit 1 hoặc 0 liên tiếp sẽ làm m

mức. Để tránh các hiện tượ

đảm bảo sự phân bố đều các bít 1 và 0 trong chu

u đạt cực đại. Việc sử dụng mã đường ngoài vi

i thì còn có chức năng giảm thiểu lỗi nhờ đưa thêm các bit

u. Tuy nhiên việc đưa thêm bít dư cũng đồng ngh

ệu hay độ rộng băng tần của tín hiệu. Nếu đ

đóng góp nhiễu càng nhiều. Do vậy thường có sự bù tr

ộng băng tần nhiễu của một mã đường cụ thể

ụng trong thông tin quang thường là các mã nh

ức có thể sử dụng do khả năng dễ dàng trong đi

n bao gồm mã NRZ (không trở về không), mã RZ (tr

ng mã hóa pha (PE).

n nhất là mã NRZ đơn cực có độ rộng băng tần tiêu chu

ữ liệu chiếm hết một chu kỳ bít với tín hiệu quang đư

ật tắt (OOK). Một cách cụ thể bít một sẽ đư

t chu kì bít, còn bít 0 sẽ không có xung phát đi như cho th

c dù mã NRZ có độ rộng băng tần nhỏ nhất trong các mã nh

đi vào bộ thu lại phụ thuộc mẫu dữa liệu. Do vậy khi có m

y ra hiện tượng trôi đường nền do sự tích lũy c

n số thấp của bộ lọc ghép cặp AC trong bộ thu quang như

ệu ứng này có thể gây ra lỗi khi sự thời gian ph

ậm sau một chuỗi dài bít 1. Thêm nữa một chu

làm mất thông tin định thời vì không có điểm chuy

ợng này quá trình trộn dữ liệu có thể được s

u các bít 1 và 0 trong chuỗi dữ liệu.

Hình 5-2 Định dạng mã NRZ

176

ng ngoài việc đảm bảo

đưa thêm các bit

ng nghĩa làm tăng

u độ rộng băng

bù trừ giữa khả

ể.

ng là các mã nhị phân (2

dàng trong điều chế.

không), mã RZ (trở về

n tiêu chuẩn.

u quang được

được đặc trưng

không có xung phát đi như cho thấy

t trong các mã nhưng

y khi có một

ũy của các đuôi

thu quang như

i gian phục hồi về

t chuỗi dài các

m chuyển tiếp

c sử dụng để

PTIT

Hình 5

Đối với mã RZ, mỗi bít d

thể coi như được mã hóa thành hai bít mã

thông tin định thời nên dễ dàng đư

cực bit 1 được đặc trưng bở

không có xung. Do xung quang nh

độ rộng băng tần tín hiệu sẽ

Hình 5-3 Hiện tượng trôi đường nền

Hình 5-4 Một số định dạng mã RZ

i bít dữ liệu thường chiếm chỉ một nửa chu k

c mã hóa thành hai bít mã đường quang. Trong phổ mã này có ch

dàng được tách hơn so với mã NRZ. Trong mã RZ

ởi một xung quang chiếm một nửa chu kỳ bit, còn bít 0 s

không có xung. Do xung quang nhỏ hơn một nửa so với xung quang mã NRZ nên

ẽ tăng gấp đôi khi ở cùng tốc độ dữ liệu. Như

177

a chu kỳ bít nên có

mã này có chứa

i mã NRZ. Trong mã RZ đơn

bit, còn bít 0 sẽ

i xung quang mã NRZ nên

u. Nhược điểm của

PTIT

178

mã RZ đơn cực đó là mất thông tin định thời khi có chuỗi bít 0 kéo dài liên tiếp. Để

khắc phục nhược điểm này mã lưỡng pha hay mã Manchester quang có thể được sử

dụng như cho thấy trong hình 5-4.

Ngoài ra, các hệ thống thông tin quang số thường hay sử dụng các mã khối

mBnB. Trong các mã này các khối m bit được chuyển đổi thành n bit (n > m). Việc

đưa thêm vào các bit dư có thể làm tăng băng tần tín hiệu nhưng đổi lại cho phép

tăng khả năng tách định thời và khả năng giám sát lỗi, tín hiệu thu được cũng sẽ

không gặp phải vấn đề trôi đường nền vì loại bỏ được các chuỗi bit 1 và 0 kéo dài.

Thông thường giá trị n là chẵn để đảm bảo độ lệch số lượng các bit 1 và 0 trong từ

mã là nhỏ nhất (bằng 0). Các tham số cơ bản của mã mBnB bao gồm: tỉ lệ mã n/m,

số lượng các ký hiệu giống nhau dài nhất (Nmax), giới hạn độ lệch tích lũy (D) và

lượng phần trăm các từ mã n bit không được sử dụng. Đặc tính một số loại mã

mBnB được cho trong bảng 5-1

Bảng 5-1 So sánh một số mã mBnB

Mã n/m Nmax D W (%)

3B4B 1,33 4 3 25

6B8B 1,33 6 3 75

5B6B 1,2 6 4 28

7B8B 1,14 9 7 27

9B10B 1,11 11 8 24

Trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao hiện nay, mã sửa lỗi trước (FEC)

được sử dụng để cải thiện hiệu năng cho hệ thống. Trong kỹ thuật FEC, các thông

tin dư được phát cùng thông tin gốc, khi dữ liệu gốc bị lỗi thì các thông tin dư được

sử dụng để khôi phục lại. Các mã sửa lỗi thông thường là các mã chu trình có ký

hiệu là (n,m) trong đó n bằng với m bít gốc cộng với các bít dư. Một số mã FEC

thường sử dụng như mã Hamming (224,216), mã Reed-Solomon (192,190) và mã

mã Reed-Solomon (255,239). Hình 5-5 cho thấy đặc tính của mã FEC (224,216) để

cải thiện hiệu năng hệ thống 565 Mb/s sử dụng laser đa mode ở 1300 nm.

PTIT

179

Hình 5-5 Đặc tính mã sửa lỗi FEC (224,216) để cải thiện hiệu năng hệ thống

5.1.3 Hệ thống thông tin quang tương tự

Hệ thống thông tin quang tương tự được sử dụng trong các mạng truyền hình

cáp (CATV) và các hệ thống truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang (RoF). Hình 5-6

cho thấy các phần tử cơ bản của một hệ thống thông tin quang tương tự. Bộ phát

quang có thể sử dụng nguồn LED hoặc LD và cần chú ý xác định điểm định thiên

để đảm bảo tại điểm giữa vùng điều biến tuyến tính. Tín hiệu tương tự sau đó có thể

điều biến sử dụng một số kỹ thuật trong đó kỹ thuật đơn giản nhất là điều biến

cường độ trực tiếp. Như vậy tín hiệu bản tin được phát trực tiếp ở băng gốc. Một

phương pháp hiệu quả hơn nhưng cũng phức tạp hơn là chuyển dịch tín hiệu băng

gốc lên một sóng mang con điện trước khi điều biến cường độ nguồn quang. Quá

trình này có thể được thực hiện qua một số kỹ thuật cơ bản như điều biến biên độ

(AM), điều tần (FM) hoặc điều pha (PM). Đối với quá trình điều biến tín hiệu tương

tự, một số vấn đề cần chú ý đó là méo phi tuyến điều chế, nhiễu điều biến tương hỗ,

nhiễu cường độ tương đối (RIN) trong laser và hiệu ứng xén của laser.

PTIT

180

Hình 5-6 Các phần tử cơ bản trong hệ thống thông tin quang tương tự

Đối với kênh sợi quang, do sự ảnh hưởng của tán sắc gây ra sự phụ thuộc của

biên độ, pha và độ trễ nhóm vào tần số nên phải đảm bảo băng tần tín hiệu truyền

qua sợi có đáp ứng trễ nhóm và biên độ phẳng để tránh méo tuyến tính.

Trong phân tích hiệu năng các hệ thống tương tự, ta thường tính tỉ lệ công

suất sóng mang hiệu dụng trên công suất nhiễu hiệu dụng tại đầu vào bộ thu RF

ngay tiếp sau quá trình tách sóng quang. Tham số này có thể gọi ngắn gọn là tỉ lệ

sóng mang trên nhiễu (Carrier to noise ratio - CNR). Đối với dữ liệu số sử dụng

khóa dịch tần (FSK), biên độ sóng mang duy trì không đổi nhưng pha song mang sẽ

dịch từ một tần số này đến một tần số khác để đặc trưng cho các tín hiệu nhị phân.

Để đáp ứng yêu cầu BER là 10-9 và 10-15 trong trường hợp này thì cần giá trị CNR

tối thiểu là 36 (15.6 dB) và 64 (18 dB) tương ứng. Đối với dữ liệu tương tự, phân

tích sẽ phức tạp hơn vì phụ thuộc vào mức độ cảm nhận chất lượng tín hiệu của

người sử dụng, ví dụ như xem một hình ảnh truyền hình. Nếu sử dụng điều chế biên

độ (AM) thì sẽ đòi hỏi một CNR cỡ 56 dB vì nhu cầu cho hiệu quả băng thông dẫn

đến một tỉ lệ CNR cao. Nhưng trong điều chế tần số (FM) chỉ yêu cầu CNR cỡ 15 –

18 dB.

Trong hệ thống có N yếu tố gây suy giảm tín hiệu, tỉ số CNR tổng được xác

định

N

i iCNRCNR 1

11 (5.1)

trong đó CNRi là tỉ số CNR cho một yếu tố ảnh hưởng cụ thể. Đối với các hệ thống

đơn kênh, các yếu tố suy giảm bao gồm các thăng giáng nhiễu cường độ, hiệu ứng

cắt xén cường độ laser, nhiễu diode thu quang và nhiễu ASE. Đối với hệ thống đa

kênh hoạt động tại các tần số sóng mang khác nhau, có thể thêm ảnh hưởng của

méo phi tuyến.

PTIT

Hình 5-

Quá trình điều biến tr

đây dòng kích thích nguồn quang bao g

và dòng xoay chiều của tín hi

một linh kiện quy luật bình ph

giống như dòng kích thích đi vào n

xác định thích hợp đảm bả

đặc tính P-I của nguồn quang. N

�(�) thì công suất quang đầu ra đư

1)( msPtP B

trong đó PB là công suất quang đ

chế. Theo đại lượng công su

B

peak

P

Pm

Ppeak là giá trị mức công su

thống tương tự nằm trong dả

-7 Quá trình điều chế laser tín hiệu tương tự

n trực tiếp tín hiệu tương tự được mô tả trong hình 5

n quang bao gồm thành phần dòng định thiên m

a tín hiệu tương tự �� = �� + �� . Nguồn quang ho

t bình phương, do vậy công suất quang đầu ra �

đi vào nếu điểm định thiên và độ lớn dòng tín h

ảo biến đổi dòng nằm trong vùng tuyến tính c

n quang. Nếu giả sử tín hiệu kích thích tương t

u ra được xác định

)(tms (5.2)

t quang đầu ra tại mức dòng định thiên và m là ch

ng công suất quang, chỉ số điều chế có thể được xác đị

(5.3)

c công suất quang đỉnh đầu ra. Giá trị điển hình của m

ải 0,25 đến 0,5.

181

trong hình 5-7. Ở

hiên một chiều IB

n quang hoạt động như

�(�) có dạng

n dòng tín hiệu được

n tính của đường

u kích thích tương tự ký hiệu là

nh thiên và m là chỉ số điều

ịnh

a m trong hệ

PTIT

182

Đối với một tín hiệu tương tự thu được dạng sóng sin, công suất sóng mang

C tại đầu ra bộ thu (đơn vị A2) sẽ là

2

21 PMmC (5.4)

trong đó là đáp ứng của diode thu quang tại M = 1, M là hệ số khuyeechs đại

dòng của diode thu quang (M = 1 cho PIN), �� là công suất quang thu được trung

bình.

Trong trường hợp hệ thống đơn kênh AM, tỉ số CNR tổng cộng có thể được

xác định cụ thể từ (5.1)

CCCCNRCNRCNRCNRRINTP

RINTP

2221111 (5.5)

hay có thể viết lại

222RINTP

C

N

C

(5.6)

trong đó ���� , ���� và ������ là các tỉ số CNR thành phần bị ảnh hưởng bởi

nhiễu của diode thu quang (gồm chủ yếu nhiễu nổ và nhiễu dòng tối), nhiễu nhiệt

của bộ tiền khuyếch đại và nhiễu RIN tương ứng. Phương sai hay độ lớn của các

thành phần nhiễu này gồm �� , �

� được xác định trong chương 4. Đối với nhiễu

RIN, dòng nhiễu trung bình bình phương ���� được xác định

BPRINRIN 2 (5.7)

ở đây RIN là tỉ lệ nhiễu trên công suất tín hiệu được đo theo dB/Hz và được định

nghĩa bởi

2

2

L

L

P

PRIN

D (5.8)

trong đó ⟨(∆��)�⟩ đặc trưng cho độ thăng giáng cường độ trung bình bình phương

của đầu ra laser và ��� là cường độ ánh sáng laser trung bình. Nhiễu này sẽ giảm khi

tăng cường độ dòng bơm cho laser.

Từ (5.7) và (4.71)-(4.72), tỉ số sóng mang trên nhiễu (5.6) được viết lại thành

nLBAdp BFRTkBFMIIqBPRIN

PMm

N

C

42 22

2

21

(5.9)

PTIT

Tùy thuộc vào mức công su

điều kiện giới hạn khác nhau. Khi m

giới hạn bởi nhiễu nhiệt. Trong trư

dB thì CNR sẽ thay đổi kho

dòng tối của PD nhỏ thì CNR b

này, tỉ số CNR thay đổi 1 dB khi m

suất quang thu được cao hơn t

CNR chỉ được cải thiện khi tăng ch

CNR theo mức công suất quang t

hạn có thể biến đổi rất nhiề

thể.

Hình 5-8 Sự phụ

5.2 Cơ sở thiết kế hệ th

Để thiết kế hệ thống thông tin quang, c

tường tận các yếu tố chính có

yếu tố này đầu tiên phải kể

Vì các tham số đặc tính củ

cân nhắc lựa chọn bước sóng ho

c công suất quang đi vào bộ thu, hệ thống hoạ

khác nhau. Khi mức công suất quang thu được thấp, t

t. Trong trường hợp này công suất quang thu đượ

i khoảng 2 dB. Ở mức công suất quang trung bình khi nhi

thì CNR bị giới hạn bởi nhiễu nổ của PD. Trong trư

i 1 dB khi mức công suất quang biến đổi 1 dB.

c cao hơn tỉ số CNR có thể sẽ bị giới hạn bởi RIN, khi đó t

n khi tăng chỉ số điều chế. Hình 5-8 cho thấy d

t quang tại bộ thu. Tuy nhiên cần lưu ý rằng các y

ều phụ thuộc vào các đặc tính của bộ phát và b

ụ thuộc tỉ số CNR vào mức công suất quang thu

thống

ng thông tin quang, cần phải bao quát và nắ

chính có ảnh hưởng thế nào đối với chất lượng h

đến là suy hao, tán sắc và tính phi tuyến củ

ủa sợi quang phụ thuộc bước sóng, nên khi thi

c sóng hoạt động của hệ thống cho phù hợp.

183

ạt động ở các

p, tỉ số CNR bị

ợc thay đổi 1

t quang trung bình khi nhiễu

a PD. Trong trường hợp

i 1 dB. Ở mức công

i RIN, khi đó tỉ số

y dạng biến đổi

ng các yếu tố giới

phát và bộ thu cụ

ắm bắt được

ng hệ thống. Các

ủa sợi quang.

i thiết kế, cần

PTIT

184

Một vài tham số hệ thống thường được xác định trước khi thiết kế là là tốc

độ bit B và cự ly truyền dẫn L. Mục tiêu thiết kế đối với các hệ thống thông tin

quang là hệ thống phải hoạt động một cách tin cậy trong suốt thời gian sống của hệ

thống. Với các hệ thống thông tin quang số, yêu cầu chất lượng này được thể hiện

qua tham số BER (nhìn chung BER yêu cầu đối với các hệ thống thông tin quang

tối thiểu phải nhỏ hơn10��)

Cũng cần lưu ý khi thiết kế là tùy theo yêu cầu về tốc độ và cự ly truyền dẫn

của hệ thống để có sự lựa chọn phù hợp đối với vùng bước sóng hoạt động cũng

như chủng loại sợi quang, thiết bị phát, thiết bị thu như thế nào cho phù hợp để đảm

bảo có được một hệ thống thông tin quang có chất lượng đảm bảo với chi phí thấp

nhất. Trên thực tế, giá thành của các linh kiện là thấp nhất ở gần bước sóng hoạt

động 0,85 μm và tăng khi bước sóng dịch về 1,3μm và 1,55 μm.

Thông thường khi thiết kế, người ta chia hệ thống thông tin quang ra làm 2

loại: hệ thống bị giới hạn bởi suy hao và hệ thống bị giới hạn bởi tán sắc. Phương

pháp thiết kế thông thường đối với các hệ thống thông tin quang đơn giản là dựa

trên quĩ công suất và quỹ thời gian lên đôi khi được coi là quỹ băng thông của hệ

thống.

Hình 5-9: Mối quan hệ giữa B và L của hệ thống bị giới hạn bởi suy hao (các đường

nét liền) và hệ thống bị giới hạn bởi tán sắc (các đường đứt nét). Chấm tròn biểu thị

hệ thống thông tin quang thương mại, hình tam giác hiển thị các hệ thống trong

phòng thí nghiệm.

PTIT

185

5.2.1Hệ thống bị giới hạn bởi suy hao

Trừ các tuyến thông tin quang cự ly ngắn, tham số suy hao của sợi quang có

vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống. Xét một thiết bị phát quang có công

suất phát trung bình ����. Nếu thiết bị thu có độ nhạy thu tại tốc độ bit B là ����� , thì

khoảng cách truyền dẫn lớn nhất đạt được được tính theo công thức sau:

� =��

������� �

����

������, (5.10)

Trong đó �� là suy hao trung bình của sợi quang (dB/Km) bao gồm cả suy hao các

mối hàn và suy hao các connector (bộ nối ghép quang). Sự phụ thuộc của L vào tốc

độ bit là do sự phụ thuộc tuyến tính của ����� theo tốc độ bit B. Chú ý rằng ����� =

���ℎ�� trong đó ℎ� là năng lượng photon,��� là số lượng photon trung bình/bit yêu

cầu bởi máy thu.Với bước sóng hoạt động của hệ thống đã được xác định trước,

khoảng cách L giảm đi theo hàm lôgarit khi B tăng. Các đường liền nét trên hình

5.4 chỉ ra sự phụ thuộc của L theo B khi hệ thống làm việc tại các bước sóng

0,85μm; 1,3μm và 1.55 μm với ��=2,5dB/km; 0,4dB/km và 0,25 dB/km tương

ứng.Công suất phát là ����=1mW ở cả ba bước sóng, trong khi đó ���=300 tại

λ=0.85 μm và ���=500 ở 1,3μm và 1,55 μm. Giá trị L là nhỏ nhất đối với các hệ

thống thế hệ thứ nhất hoạt động ở bước sóng 0,85 μm do suy hao sợi quang tương

đối lớn tại cửa sổ bước sóng này. Khoảng cách trạm lặp của các hệ thống này giới

hạn từ 10 đến 25 km, phụ thuộc vào tốc độ và giá trị chính xác của suy hao sợi

quang. Ngược lại, với hệ thống hoạt động ở cửa sổ bước sóng 1,55 μm,khoảng cách

trạm lặp có thể đạt hơn 100 km.

Căn cứ trên hình 5.4, có thểlựa chọn bước sóng hoạt động thích hợp của hệ

thống. Nói chung, hệ thống có thể hoạt động ở vùng bước sóng 0,85 μm nếu B

<200Mb/s và L< 20km. Đối với hệ thống quang cự ly dài và hoạt động ở tốc độ bit

lớn hơn 2 Gb/s thì bước sóng hoạt động nên chọn ở của sổ 1,55 μm.

5.2.2Hệ thống bị giới hạn bởi tán sắc

Trong chương 2 đã đề cập đếnviệc dãn rộng xung ánh sáng do hiện tượng tán

sắc gây ralàm giới hạn tích BL như thế nào. Khi khoảng cách truyền dẫn bị giới hạn

do hiện tượng tán sắc xảy ra trong sợi quang ngắn hơn khoảng cách truyền dẫn bị

hạn chế do suy hao sợi (tính theo công thức (5.1), thì hệ thống được xem là bị giới

hạn do tán sắc. Các đường đứt nét trên hình 5.4 chỉ ra khoảng cách truyền dẫn bị

PTIT

186

giới hạn bởi tán sắc là một hàm phụ thuộc tốc độ bit. Với các vùng bước sóng hoạt

động khá nhau của hệ thống, các nguyên nhân gây ra tán sắccũng khác nhau khác

nhau. Vì vậy,dưới đây sẽ xem xét các trường hợp một cách riêng biệt:

Với hệ thống hoạt động ở bước sóng 0,85 μm: hệ thống này thường sử

dụng sợi quang đa mode để có giá thành tối thiểu. Như đã đề cập trong chương 2,

tán sắc chủ yếu trong sợi đa mode là tán sắc mode. Trong trường hợp sử dụng sợi đa

mode chiết suất bậc (MM-SI), ta có BL = c / (2��Δ). Giới hạn BL này được thể

hiệntrên hình 5.4 với sợi có n1=1.46 và Δ=0.01. Quan sát trên hình 5.4 có thể thấy

rằng, ngay cả khi ở tốc độ bit 1Mb/s, hệ thống quangsử dụng sợi MM-SI cũng bị

giới hạn bởi tán sắc, và khoảng cách truyền dẫn của chúng < 10km. Chính vì lý do

này, các sợi quang MM-SI ít khi được sử dụng trong thiết kế hệ thống thông tin

quang. Thay vào đó, người ta thường sử dụng sợi đa mode có chiết suất biến đổi

(MM-GI). Với sợi quang này, giới hạn cự ly truyền dẫn do tán sắc mode gây ra sẽ

được cải thiện đáng kể. Trong trường hợp này, tích BL=2c/(n1Δ2) được biểu thị trên

hình 5-9 cho thấy rằng khi sử dụng sợi MM-GI,hệ thống thông tin quang 0.85 μm bị

giới hạn bởi suy hao hơn là bị giới hạn bởi tán sắc ở tốc độ bit có thể lên đến100

Mb/s. Hệ thống thông tin quang thương mại đầu tiên được đưa vào sử dụng năm

1980, sử dụng sợi MM-GI, hoạt động với tốc độ bit của 45 Mb/s với khoảng lặp

dưới 10 km.

Với hệ thống sử dụng sợi đơn mode hoạt động ở vùng bước sóng 1,3

μm:Hệ thống thông tin quang thế hệ thứ hai sử dụng sợi đơn mode chuẩn, hoạt

động ở vùng bước sóng 1,31 μm, là vùng có tán sắc nhỏ nhất của sợi đơn mode

chuẩn. Như đề cập trong chương 2, tán sắc chủ yếu ở đây là tán sắc màu với độ lớn

tán sắc phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn quang. Trong trường hợp này, tích BL

bị giới hạn bởi công thức sau:

BL ≤ (4|D|σ� ) �� (5.11)

Với σ�là độ rộng phổ hiệu dụng của nguồn quang (RMS). Giá trịcủa |D| ở vùng tán

sắc bằng không là ~ 1ps/(nm.km). Quan sát trênhình 5.4 cho thấy, khi |D|σ�=

2ps/km, tán sắc sẽ giới hạn tích BL ≤ 125 (Gb/s).km. Nhìn chung, các hệ thống như

vậy bị giới hạn bởi suy hao khi tốc độ bit lên đến 1Gb/s và sẽ bị giới hạn bởi tán sắc

đối với tốc độ bit cao hơn.

Với hệ thống sử dụng sợi đơn mode hoạt động ở vùng bước sóng 1,55

μm: Các hệ thống thông tin quang thê hệ thứ 3 và thứ 4 hoạt động ở vùng 1,55μm,

vùng có suy hao nhỏ nhất. Tuy nhiên,với với sợi quang đơn mode chuẩn, vùng này

PTIT

187

tán sắc lớn (16 ps/nm.km). Để khắc phục vấn đề này cần sử dụng các laser bán dẫn

đơn mode dọc. Khi đó, giới hạn của tích BL được cho bởi:

��L <(16|��|) �� (5.12)

Trong đó ��là tham số có liên quan đến D theo phương trình (2.44). Hình 5-9 cho

thấy giới hạn này bằng cách chọn ��L = 4000(GB/s)�.km. Như vậy hệ thống

1.55μm bị giới hạn bởi tán sắc khi B > 5Gb/s. Trên thực tế, tần số đối với điều chế

trực tiếp các xung quang hạn chế . Ảnh hưởng của tần số chirp trên hiệu năng hệ

thống được thảo luận trong phần 5.4.4. Tần số chirp thể hiện thông qua việc mở

rộng phổ của xung quang.Sử dụng công thức (5.2) với D=16 ps/(nm.km) và σ�= 0.1

nm, ta có BL ≤150(Gb/s)-km. Kết quả là, tần số chirp giới hạn khoảng cách truyền

dẫn đến 75 km tại B = 2 Gb/s, mặc dù khoảng cách lăpk vượt quá 150 km. Vấn đề

tần số chirp thường giải quyết bằng cách sử dụng một bộ điều biến bên ngoài cho hệ

thống hoạt động ở tốc độ bit> 5 Gb/s.

Một giải pháp cho vấn đề tán sắc là sử dụng sợi quang tán sắc dịch chuyển,

sợi quang này suy hao và tán sắc nhỏ nhất ở cửa sổ1.55 μm. Hình 5.4 cho thấy sự

cải thiện bằng cách sử dụng phương trình. (5.12) với |��| = 2p��/km.Các hệ thống

này có thể hoạt động ở tốc 20 Gb/s với khoảng khuếch đại khoảng 80km. Cải tiến

hơn nữa là hệ thống thông tin quang hoạt động rất gần với bước sóng tán sắc bằng

không, tuy nhiên bước sóng laser phát với bước sóng tán sắc bằng không thì không

phải lúc nào cũng khả thi vì sự khác biệt trong tính chất tán sắc của các sợi quang

trên các liên kết truyền dẫn. Trên thực tế, tần số chirp khó đạt được ngay cả những

giới hạn quy định ở hình5.4. Năm 1989, hai thí nghiệm trong phòng thí nghiệm đã

chứng minh rằng khi truyền dẫn hơn 81 km tại tốc độ 11 Gb/s và hơn 100 km tại 10

Gb/s bằng cách sử dụng laser bán dẫn chirp thấp cùng với sợi quang tán sắc dịch

chuyển. Hình tam giác trong hình 5.4 cho thấy hệ thống này hoạt động khá gần với

giới hạntán sắc sợi dịch chuyển. Truyền dẫn với khoảng cách dài hơn đòi hỏi phải

sử dụng các kỹ thuật quản lý tán sắc như đã trình bày ở phần trên.

5.2.3Quỹ công suất quang

Mục đích của quĩ công suất là bảo đảm công suất đến máy thu đủ lớn để duy

trì hoạt động tin cậy trong suốt thời gian sống của hệ thống. Công suất thu trung

bình nhỏ nhất yêu cầu để hệ thống có thể hoạt động tin cậy được gọi là độ nhạy của

máy thu, ký hiệu là �����. Gọi����là công suất trung bình của máy phát. Khi đó, ta có:

����= �����+��+�� (5.13)

PTIT

188

Trong đó �� là tổng suy hao truyền truyền dẫn, �� là công suất dự phòng hệ thống.

Công suất dự phòng này là công suất được để dành ra nhằm bù lại sự mất mát công

suất có thể xảy ra trong khoảng thời gian khai thác của hệ thống, ví dụ như do sự

xuống cấp của các thiết bị trên tuyến, hoặc do các sự cố mà ta không lường trước

được. Khi thiết kế người ta thường để độ dự phòng khoảng 4-6 dB. Suy hao kênh

truyền dẫn��bao gồm tất cả các nguồn suy hao có thể có: suy hao sợi quang, suy

hao các connector và suy hao các mối hàn. Nếu gọi�� là suy hao của sợi quang

(dB/km), ��được tính như sau:

�� = � + �� + ����� (5.14)

Với a��� và ������� là suy hao các connector và suy hao các mối hàn dọc theo

tuyến truyền dẫn quang.

Sử dụng các công thức (5.13) và (5.14), dễ dàng ước lượng khoảng cách

truyền lớn nhất có thể đạt được với phần tử trên tuyến đã được xác định.

5.2.4Quỹ thời gian lên

Mục đích của quỹ của thời gian lên là bảo đảm rằng hệ thống có khả năng

hoạt động đúng ở tốc độ bit mong muốn. Ngay cả trong trương hợpbăng thông các

thành phần riêng lẻ của hệ thống lớn hơn tốc độ bit, vẫn có thể xảy ra trường hợp hệ

thống có thể không hoạt động được ở tốc độ bit đó. Khái niệm thời gian lên được sử

dụng để phân bổ băng thông giữa các thành phần trong hệ thống. Thời gian lên ��

của một hệ thống tuyến tính được định nghĩa là thời gian trong khoảng đó đáp ứng

tăng từ 10 đến 90% của giá trị ngõ ra cuối cùng khi ngõ vào bị thay đổi đột ngột.

Hình 5-10 minh họa khái niệm này.

Trong một hệ thống tuyến tính, giữa băng thông Δ� và thời gian lên �� có

mối quan hệ nghịch đảo. Có thể hiểu dễ dàng mối quan hệ này thông qua việc phân

tích một hệ thống tuyến tính đơn giản là mạch RC. Khi điện áp đầu vào qua một

mạch RC thay đổi ngay lập tức từ 0 đến ��, điện áp đầu ra sẽ thay đổi như sau:

���� (�) = ��[1 − exp( − � ��⁄ )] (5.15)

trong đó R là điện trởvà C là điện dung của mạch RC. Quỹ thời gian lên được tính

theo công thức sau:

�� = (��9)�� ≈ 2,2�� (5.16)

PTIT

189

Hình 5-10 Thời gian lên �� trong hệ thống tuyến tính bị giới hạn băng thông

Biến đổi công thức (5.15),ta có hàm truyền đạt H(f) của mạch RC được tính theo

công thức sau:

H(�) = (1 + �2����)�� (5.17)

Băng thông của mạch RC tương ứng với tần số tại đó |H(�)|� = ½ và được xác

định theo công thức Δ � = (2πRC) �� Áp dụng công thức (5.16), ta có mối quan

hệ giữa Δ � và �� như sau:

�� = �,�

��� � =

�,��

� � (5.18)

Với tất cá các hệ thống tuyến tính, giữa thời gian lên và băng thông của hệ

thống đều có quan hệ nghịch đảo. Tuy nhiên tích ��Δ �của các hệ thống này có thể

khác 0,35. Trong thông tin quang, ta có thể sử dụng điều kiện��Δ � = 0,35 như là

một chỉ dẫn an toàn cho việc thiết kế tuyến. Quan hệ giữa dải thông Δ � và tốc độ

bit B phụ thuộc vào loại mã được sử dụng. Trường hợp mã trở về không (RZ), Δ �

= B và B�� = 0,35. Ngược lại, trong trường hợp mã không trở về không (NRZ) Δ �

B/2 và B�� = 0,7. Trong cả 2 trường hợp, tốc độ bit cụ thể quyết định giới hạn

trên lớn nhất cho thời gian lên mà hệ thống có thể chấp nhận được. Khi thiết kế hệ

thống phải đảm bảo �� nhỏ hơn giá trị lớn nhất cho phép, tức là:

�� ≤ �0,35/� �ℎ� ��

0,70/� �ℎ� ���� (5.19)

Nếu gọi �� , ������ và ���� là thời gian lên tương ứng của máy phát, sợi

quang và máy thu, thời gian lên tổng cộng của toàn hệ thống có thể tính gần đúng

như sau :

��� = ���

� + ������� + ����

� (5.20)

PTIT

190

Thời gian lên của máy phát ��� , được xác định chủ yếu bởi các thành phần

điện tử của mạch điều khiển và các phần tử ký sinh điện liên quan đến nguồn quang.

Thường Ttr khoảng vài nano giây đối với thiết bị phát sử dụng LED, nhưng có thể

nhỏ hơn 0.1 ns đối với thiết bị phát sử dụng laser. Thời gian lên của bộ thu Trec

được xác định chủ yếu bởi băngtần điện 3 dB của mạch front-end trong bộ thu. Có

thể dùng công thức (5.18) để tính ����nếu băng tần của mạch front - end được xác

định. Thời gian lên của sợi quang ������ được tính theo công thức

������� = ������

� + ����� (5.21)

Trong đó ������ là tán sắc mode và ���� là tán sắc vận tốc nhóm trong sợi

quang.Đối với sợi đơn mode ������ = 0 và ������ = ����.

5.3Bù công suất

Độ nhạy của máy thu quang trong một hệ thống thông tin quang bị ảnh

hưởng bởi một số hiện tượng vật lý mà khi kết hợp với sợi tán sắc trong sợi quang

sẽ làm suy giảm SNR tại mạch quyết định trong mạch thu. Các hiện tượng làm suy

giảm độ nhạy thu đó là: nhiễu mode,dãn xung do tán sắc và giao thao giữa các ký

tự,nhiễu cạnh tranh mode,chirp tần số,nhiễu phản xạ.Trong phần này chúng ta xem

xét chất lượnghệ thống bị ảnh hưởng bởi tán sắc sợi quang như thế nào khi có xét

đến sự thiệt thòi về công suất do các hiện tượng trên gây ra.

5.3.1Bù công suất do nhiễu mode

Nhiễu mode xuất hiện trong hệ thống sử dụng sợi quang đa mode.Nguồn gốc

của nhiễu mode có thể được tóm lược như sau. Sự giao thoa giữa các mode lan

truyền trong sợi quang đa mode sẽ tạo ra một mẫu Sparkle ở bộ tách sóng quang.Sự

không đồng đều trong phân bố cường độ của mẫu Sparklekhông ảnh hưởng tới chất

lượng của bộ thu vì chất lượng bộ thu liên quan đến tổng công suất quang đến bộ

thu,tuy nhiên nếu mẫu Sparkle đó dao động theo thời gian, sẽ dẫn đến sự dao động

trong công suất thu vì thế làm giảm SNR.Sự dao động này được gọi là nhiễu mode.

Nhiễu mode luôn xảy ra trong sợi đa mode do các dao động cơ học và do vi uốn.

Ngoài ra ,các mối hàn và connector hoạt động như các bộ lọc không gian.Bất kỳ sự

thay đổi theo thời gian nào tại các bộ lọc này đều được chuyển thành các dao động

của mẫu sparkle và làm tăng nhiễu mode.Nhiễu mode bị ảnh hưởng nhiều bởi độ

rộng phổ nguồn quang Δν vì độ giao thoa mode chỉ xuất hiện nếu thời gian kết hợp

(Tc≈ 1/Δν) lớn hơn thời gian trễ ΔT được cho bởi phương trình 2.1.5.Đối với các

PTIT

191

máy phát sử dụng LED(Δν≈ 5THz) thì điều kiện này không được thỏa mãn.Phần

lớn các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi đa mode thì cũng sử dụng nguồn

quang LED để giảm nhiễu mode.

Nhiễu mode trở nên nghiêm trọng khi sử dụng nguồn quang laze bán dẫn

cùng với sợi quang đa mode. Đểđánh giá độ nhạy thu bị suy giảm bởi do nhiễu

mode, người ta tính toán BER khi có thêm ảnh hưởng của nhiễu mode. Hình 5.6 chỉ

ra độ thiệt thòi công suất với BER là 10-12 được tính cho hệ thống thông tin quang

hoạt động ở bước sóng 1.3μm tốc độ 140Mb/s.Sợi quang sử dụng ở đây là sợi MM-

GI có đường kính lõi 50μm và có 146 mode.Mức độ thiệt thòi công suất phụ thuộc

vào suy hao ghép mode xảy ra tại các mối hàn và connector. Nhiễu mode cũng phụ

thuộc phổ mode dọc của lasẻ bán dẫn. Dễ nhận thấy, mức độ thiệt thòi về công suất

giảm khi số lượng mode dọc tăng.

Nhiễu mode cũng có thể xuất hiện trong các hệ thống sử dụng sợi quang đơn

mode nếu như giữa hai connect hay mối hàn là các đoạn sợi ngắn. Một mode bậc

cao có thể được kích thích tại điểm đầu tiên sợi cáp bị gián đoạn (ví dụ như tại mối

hàn đầu tiên) và sau đó được chuyển đổi lại thành mode cơ bản tại conector hay mối

hàn thứ hai. Vì trong sợi đơn mode, các mode bậc cao này không thể truyền xa

được, nên ảnh hưởng của nhiễu mode có thể được loại bỏ nếu như đảm bảo được

khoảng cách giữa các mối hàn, giữa các connector lớn hơn 2m. Nói tóm lại, nhiễu

mode không phải là vấn đề đói với hệ thống thông tin quang sử dụng sợi đơn mode

nếu như hệ thống được thiết kế cẩn thận.

PTIT

192

Hình 5-11. Công suất giảm do nhiễu mode .Tham số M là tổng số mode dọc khi mà

công suất của nó vượt quá 10% công suất đỉnh.

5.3.2Bù công suất do nhiễu phần mode

Như đã đề cập trong chương 3, Laser bán dẫn đa mode tạo ra hiện tượng

nhiễu phần mode (MPN).Hiện tượng này xảy ra do sự không tương quan giữa các

cặp mode dọc. Mặc dùng tổng công suất quang phát ra có thể là không đổi, nhưng

MNP sẽ làm cho cường độ của từng mode bị thăng giáng tương đối lớn.Khi không

có tán sắc trong sợi quang, MNP không ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống vì khi

đó tất cả các mode vẫn được duy trì đồng bộ trong suốt quá trình truyền dẫn và tách

sóng.Tuy nhiên, trong thực tế, do ảnh hưởng của tán sắc vần tốc nhóm, các mode

này sẽ lan truyền với vận tốc hơi khác nhau và trở nên không đồng bộ. Điều này gây

nên sự thăng giáng dòng photo tại bộ thu và dẫn đến sự suy giảm SNR. Để duy trì

chất lượng hệ thống (đạt được BER như khi không có MNP), cần phải bù một lượng

công suất để tăng SNR của hệ thống. Ảnh hưởng của MPN đến chất lượng của hệ

thống đã được nghiên cứu đối với cả nguồn laser bán dẫn đa mode và nguồn laser

gần đơn mode.

Trong trường hợp laser bán dẫn đa mode, sự thiệt thòi về công suất do MNP

gây ra được tính theo công thức sau:

δmpn = - 5 log10(1 – Q2r2mpn), (5.22)

Trong đó rmpn là mức nhiễu tương đối của công suất thu được khi có MPN.

Để đơn giản việc ước tính tham số rmpn , ngườita giả định rằng mặc dù công suất của

từngmodecó sự thăng giáng nhưng tổng công suất phát của laser là không đổi khi

laser hoạt động ở chế độ CW. Mô hình này cũng giả định rằng, công suất trung bình

của mode được phân phối theo hàm Gaussian có độ rộng RMS σλ và dạng xung tại

mạch quyết định của máy thu được mô tả bởi hàm cosin. Các mode của nguồn laser

cũng được giả thiết là có cùng hệ số tương quan chéo γcc, tức là,

γcc = <PiPj> (5.23)

<Pi><Pj>

Với mọi i và j sao cho i ≠ j. Dấu ngoặc biểu thị sự thăng giáng công suất

trung bình liên quan đến MPN. Người ta tính toán được rằng:

rmpn = (k/√2){1 – exp[-(πBLDσλ)2]}, (5.24)

PTIT

193

trong đó hệ số cạnh tranhmode k liên quan đến γcc vì k =√1−γcc. Giá trị của k nằm

trong khoảng 01. Rất khó xác định giá trị của k và giá trị này khác nhau đối với

các nguồn laser khác nhau. Các phép đo thực nghiệm cho thấy các giá trị của k nằm

trong khoảng 0,6-0,8 và khác nhau đối với từng cặp mốt.

Có thể dùng phương trình (5.23) và (5.24) để tính toán mức độ thiệt thòi về

công suất do MPN gây ra. Hình 5.8 biểu thị độ thiệt thòi công suất tại BER bằng 10-

9 (Q = 6) là một hàm của tham số tán sắc chuẩn hóa BLDσλ đối với một vài giá trị

của k. Quan sát trên hình 5.8 ta thấy, đối với một giá trị đã cho của k, δmpn tăng

nhanh khi BLDσλ tăng và đạt giá trị vô cùng khi BLDσλ đạt giá trị tới hạn. Với k >

0,5, BER do MPN gây ra lớn hơn BER xảy ra do sự mở rộng xung do tán sắc gây

ra (xem Hình 5-12). Tuy nhiên, độ thiệt thòi về công suất cũng có thể giảm xuống

mức không đáng kể (δmpn < 0,5 dB) nếu ta thiết kế hệ thống thông tin quang sao cho

BLDσλ < 0,1.

Hình 5-12: Công suất giảm do tán sắc tăng gây ra đối với xung Gaussian là một

hàm của BLDσλ. Phổ nguồn quang cũng được giả định là Gaussian

có độ rộng RMS là σλ.

PTIT

194

Hình 5-13: Công suất giảm do MPN gây ra và BLDσλ đối với nguồn laser bán dẫn

đa mốt có độ rộng phổ σλ . Các đường cong khác nhau tương ứng với các giá trị

khác nhau của hệ số phân bố mốt k.

5.3.3Bù công suất do tán sắc

Việc sử dụng sợi đơn mode trong hệ thống thông tin quang giúp chúng ta

tránh được gần hết các vấn đề của tán sắc mode và nhiễu mode.Tuy nhiên,tán sắc

vận tốc nhóm vẫn giới hạn tích BL do ảnh hưởng của tán sắc làm các xung bị dãn ra

khỏi khe thời gian của xung. Bên cạnh đó, dãn xung do tán sắc gây ra cũng làm suy

giảm độ nhạy của bộ thu.Dãn xung do tán sắc ảnh hưởng tới chất lượng bộ thu theo

hai cách sau :

- Thứ nhất,một phần năng lượng xung bị trải rộng ra khỏi các khe bit và gây

ra giao thoa giữa các ký tự(ISI). Trong thực tế,hệ thống được thiết kế để tối

thiểu các ảnh hưởng của ISI.

- Thứ hai,năng lượng xung trong các khe bit bị giảm khi các xung quang bị

dãn ra.Điều này làm giảm SNR tại mạch quyết định. Đểvẫn duy trì chất

lượng của hệ thống, yêu cầu công suất trung bình đến bộ thu phải lớn

hơn.Đây chính là nguồn gốc của sự thiệt thòi về công suất do giãn xung gây

ra (δd).

Việc tính toán chính xác giá trị dd là khó vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ví

dụ như dạng của xung tại bộ thu. Nếu xung có dạng Gauss, thì độ thiệt thòi về công

suất δd (tính theo dB)được tính theo công thức sau:

PTIT

195

δd= 10 log10 fb, (5.25)

Trong đó fb là hệ số dãn xung.Khi sự dãn xung chủ yếu là do độ rộng phổ của nguồn

phát,thì fb được tính theo công thức(2.4.24) :

fb =σ /σ0 = [1+(DLσλ / σ0)2]1/2, (5.26)

Với σ0 là độ rộng phổ hiệu dụng (rms) của nguồn phát quang tại đầu vào sợi và σλ

là độ rộng phổ hiệu dụng (rms) của nguồn quang được giả định là có phân bố

Gauss.

Các phương trình (5.16) và (5.17) có thể được sử dụng để ước lượng độ

thiệtthòi về công suất trong hệ thống thông tin quang sử dụng sợi đơn mode kết hợp

với nguồn quang laser đa mode hoặc nguồn quang LED. Nhiễu ISI được giảm thiếu

khi giá trị 4Bσ ≤ 1, vì khi đó năng lượng xung lan truyền ra ngoài rãnh bit (TB =

1/B) ít. Bằng cách sử dụng σ = (4B)-1, Phương trình (5.26) có thể được viết thành:

fb2= 1 + (4BLDσλfb)

2. (5.27)

Giải phương trình này để tìm fb và thay vào phương trình (5.25), độ thiệt thòi

về công suấtsẽ được tính theo công thức sau:

δd = -5 log10[1 - (4BLDσλ)2]. (5.28)

Trên hình 5-12 thể hiện độ thiệt thòi về công suất là hàm của BLDdl. Độ thiệt thòi

về công suất có thể bỏ qua (dd=0,38dB) khi BLDdl=0,1, độ thiệt thòi sẽ tăng lê 2,2

dB khi BLDdl=0,2, và trở nên rất lớn khi BLDdl=0,25. Trong thực tế, hầu hết các

hệ thống thông tin quang đều được thiết kế sao cho BLDdl<0,2 để độ thiệt thòi

dd<2dB. Cũng cần lưu ý rằng, công thức (5.28) được xây dựng dựa trên giả thiết

xung có dạng Gauss, phổ nguồn phát cũng có dạng Gaus và điều kiện 4B=1.

Trong thực tế, các điều kiện này không phải lúc nào cũng đúng.

5.3.4Bù công suất do chirping

Chirp tần số là một hiện tượng quan trọng làm giới hạn hoạt động của hệ

thống thông tin quang hoạt động tại vùng bước sóng 1,55 μm ngay cả khi hệ thống

sử dụng nguồn laser DFB có MSR lớn. Như đã đề cập trong các phần trước, sự điều

biến cường độ trong các laser bán dẫn lúc nào cũng đi kèm sự điều biến pha. Xung

quang bị dịch pha theo thời gian được gọi là bị chirp. Chirp tần số trên xung

quangsẽ làm phổ của xungbị mở rộng đáng kể. Phổ bịmở rộnglàm ảnh hưởng đến

dạng xung tại đầu ra sợi quang do tán sắc sợi và do đó làm giảm chất lượng của hệ

thống.

PTIT

196

Rất khó để tính toán chính xác độ thiệt thòi về công suất do chirp gây ra

(δc)vì chirp tần số phụ thuộc vào cả dạng và độ rộng của xung quang. Đối với xung

có dạng gần giống hình chữ nhật thì thực nghiệm cho thấy chirp tần số chủ yếu xảy

ra gần sườn trước và sườnsau sao cho sườn trước dịch về phía các bước sóng màu

xanh còn sườn sau dịch về phía các bước sóng màu đỏ. Do dịch phổ nên công suất

có trong phần bị chirp của xung di chuyển ra ngoài khe bit khi xung truyền bên

trong sợi quang. Điều này làm giảm SNR tại máy thu và gây rasự thiệt thòi về công

suất.

Hình 5.15: Công suất giảm do chirp gây ra là một hàm của BLDΔλc đối với một vài

giá trị của tham số Btc, trong đó Δλc là độ lệch chiều dài bước sóng xảy ra do chirp

tần số và tc là thời gian lệch chiều dài bước sóng đó.

Trong một mô hình đơn giản, độ thiệt thòi về công suấtdo chirp gây ra được

tính theo công thức:

δc = - 10 log10(1 - 4BLDΔλc), (5.29)

trong đó Δλc là độ dịch phổ do chirp tần số gây ra. Phương trình nàyđúng khi LDΔλc

<tc, trong đó tc là thời gian chirp. Thông thường, tc bằng 100-200 ps, tùy thuộc vào

tần số dao động tắt dần vì chirp kéo dài trong khoảng nửa chu kỳ dao động tắt dần.

Vào thời điểm LDΔλc =tc,độ thiệt thòi về công suất ngừng tăng. KhiLDΔλc >tc,

tíchLDΔλc trong phương trình (5.20) cần được thay bằngtc.

PTIT

197

Mô hình trên tương đối đơn giản vì không tính đến dạng xung tại bộ thu. Mô

hình khác chính xác hơn dựa trên tín hiệu được lọc bằng bộ lọc raised-cosin. Khi

đó, độ thiệt thòi công suất do chirp gây ra được tính như sau:

δc = -20 log10{1 – (4π2/3 – 8)B2LDΔλctc[1 + (2B/3)(LDΔλc - tc)]}. (5.30)

Các công thức trên đây được đưa ra với giả thiết bộ thu sử dụngdiode thu

quang p-i-n. Trong trường hợp bộ thu sử dụng APD, độ thiệt thòi công suất sẽ lớn

hơn tùy thuộc vào hệ số nhiễu trội của APD. Hình 5.10 thể hiện công suất giảm δc là

một hàm của tham số BLDΔλc với một vài giá trị của tham số Btc. Quan sát trên hình

ta thấy, δc tăng theo Δλc và tc. Để độ thiệt thòi công suấtnhỏ hơn 1 dB, hệ thống cần

được thiết kế sao cho BLDΔλc < 0,1 và Btc< 0,2.

Hình 5-16: Công suất giảm do chirp gây ra là hàm B2L đối với một vài giá trị của

tham số chirp C.

Nhược điểm của mô hìnhnày là các tham số Δλc và tcđối với từng nguồn laser

cần phải được xác định thông qua đo thực nghiệm. Trong thực tế, Δλc phụ thuộc vào

tốc độ bit B và Δλc tăng khi tốc độ bit tăng.

Với hệ thống thông tin quang hoạt động ở tốc độ bit cao (B > 2 Gb/s), chu kỳ

bit thường ngắn hơn tổng thời gian 2tclà thời gian trong đó giả sử xảy ra chirp như ở

mô hình trên. Trong trường hợp này,chirp tần số tăng gần như tuyến tính trên toàn

bộ độ rộng xung (hoặc khe thời gian của bit). Điều này cũng có thể xảy ra đối với

các hệ thống thông tin quang tốc độ thấp nếu như xung quang có các sườn lên và

PTIT

198

xuống không dựng đứng mà có thời gian lên và xuống khá dài (giống kiểu dạng

xung Gauss). Khi giả thiết xung có dạng Gauss và chirp tần số tuyến tính thì có thể

dựa vào việc phân tích về chirp ở chương 2 để xác định sự mất mát công suất của hệ

thống do chirp gây ra. Xung Gauss bị chirp vẫn có dạng Gauss nhưng công suất

đỉnh của nó sẽ giảm do có sự dãn xung. Trong trường hợp này, δc được tính theo

công thức dưới đây:

δc = 10log10ƒb, (5.31)

Trong đó ƒb là hệ số mở rộng xung, được tính theo phương trình (2.4.22) với β3 = 0.

Độ rộng σ0 của RMS của xung đầu vào cần có giá trị sao cho 4σ0 ≤ 1/B. Trường hợp

xấu nhất là σ0 = 1/4Bthì độ thiệt thòi công suất được cho bởi:

δc = 5log10[(1 + 8Cβ2B2L)2 + (8β2B

2L)2]. (5.32)

Trên hình 5.16 là độ thiệt thòi công suất do chirp gây ra được vẽ theo hàm

của |��|��� với một số giá trị C. Tham số 2 được lấy giá trị âm trong trường hợp

đối với hệ thống thông tin quang hoạt động tại vùng bước sóng 1,55m. C=0 tương

ứng với trường hợp không có chirp. Độ thiệt thòi về công suất có thể bỏ qua (<0,1

dB) khi |��|���<0,05. Tuy nhiên, độ thiệt thòi có thể vượt quá 5 dB nếu xung được

truyền bị chirp với C = -6. Để độ thiệt thòi công suất dưới mức 0,1 dB, hệ thống cần

được thiết kế sao cho |��|���<0,002.

Khi giá trị của C>0, chất lượng của hệ thống sẽ được cải thiện vì trong gian

đoạn đầu xung sẽ bị nén lại. Tuy nhiên, điều không may là với laser bán dẫn, giá trị

của C là âm và có thể xấp xỉ bằng -c, với c là hệ số tăng độ rộng phổ, thường có

giá trị trong khoảng 2-6.

Cũng cần lưu ý rằng, các kết quả trên hình 5.15 và 5.16 chỉ là những ước tính

sơ bộ về độ thiệt thòi công suất do chirp gây ra. Trên thực tế, độ thiệt đòi này phụ

thuộc vào rất nhiều tham số hệ thống. Để giảm ảnh hưởng của chirp, với các hệ

thống thông tin quang tốc độ cao người ta thường sử dụng MQW laser, hoặc dùng

laser DFB được điều chế ngoài.

5.3.5Bù công suất do nhiễu phản xạ

Trong hệ thống thông tin quang đôi khi có hiện tượng ánh sáng bị phản xạ

ngược trở lại. Nguyên nhân là do tính không liên tục của chỉ số chiết suất xảy ra

trên tuyến sợi quang ví dụ như tại chỗ các mối hàn, mối nối và các điểm đầu cuối

sợi quang. Các ảnh hưởng của sự phản xạ này có thể làm suy giảm đáng kể đặc tính

của hệ thống thông tin quang. Ngay cả khi chỉ có một lượng nhỏ ánh sáng được

PTIT

199

phản hồi trở lại cũng có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động của các nguồn laser bán

dẫn và có thể dẫn đến nhiễu trở đầu ra trội tại đầu ra của thiết bị phát. Ngay cả khi

sử dụng bộ cách ly giữa thiết bị phátvà sợi quang thì nhiễu phản xạ đa đường giữa

các mói hàn, mối nối có thể tạo ra nhiễu cường độ và làm giảm chất lượng của bộ

thu.

Hầu hết mọi hiện tượng phản xạ ánh sáng trong sợi quang đều xảy ratại bề

mặt phân cách giữa thủy tinh và không khí. Độ phản xạ trong trường hợp này được

tính theo công thức Rf= (nf−1)2/(nf+1)2, trong đó nf là chiết suất của vật liệu làm

sợi quang.Với silicat Rf = 3.6% (−14.4 dB) nếu nf = 1,47. Giá trị Rf có thể tăng

5,3% nếu các đầu sợi được mài bóng, vì việc đánh bóng có thể tạo ra một lớp bề

mặt mỏng có chiết suất khoảng 1,6.Trong trường hợp này, phản xạ đa luồng xảy ra

giữa hai mối hàn hoặc mối nốihồi tiếp phản xạ có thể tăng lên một cách đáng kể vì

hai bề mặt phản xạ sẽ hoạt động như hai gương của bộ giao thoa Fabry–Perot.Khi

hiện tượng cộng hưởng xảy ra,sự phản xạ tăng lên đến 14% đối với bề mặt không

được đánh bóng và trên 22% với bề mặt được đánh bóng.Như vậy, rõ ràng một

phần công suất bị truyền đi đã bị phản xạ trở lại. Để làm giảm sự phản xạ này, kỹ

thuật phổ biến được dùng là sử dụng chất lỏng ở dạng dầu hay Gel có chiết suất gần

với chiết suất của tiếp giáp thủy tinh – không khí. Trong một số trường hợp, người

ta có thể cắt vát hoặc làm cong bề mặt đầu sợi để ánh sáng phản xạ lại lệch khỏi trục

của sợi quang. Với các kỹ thuật này, công suất ánh sáng phản xạ ngược trở lại se

giảm xuống dưới mức 0,1%.

Nguồn laser bán dẫn đặc biệt nhạy cảm với phản xạ quang.Hoạt động của

laser có thể bị ảnh hưởng bởi phản xạ có công suất rất nhỏ (cỡ -80dB).Ảnh hưởng

nghiêm trọng nhất củaánh sáng phản xạ là làm phổ của laser bị hẹp lại hoặc dãn

rộng, tùy thuộc vào vị trí bề mặt phản xạ. Nguyên nhân của hiện tượng này là do

pha của sóng phản xạ đã gây nhiễu loạn lớn đến pha của ánh sáng phát ra từ nguồn

lase.Những xáo trộn về pha này sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ thống

thông tin quang coherent. Đối với các hệ thống thu trực tiếp, chất lượng của hệ

thống sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiễu cường độ nhiều hơn là nhiễu pha.

Sự phản xạ quangcũng có thể làm tăng đáng kể nhiễu cường độ (RIN). Khi

công suất phản xạ vượt một ngưỡng nào đó, RIN có thể tăng lên hơn 20 dB. Thực

nghiệm đã cho thấy rằng, với laser VCSEL hoạt động tại bước sóng 958nm có RIN

là -130dB/Hz, và RIN tăng 20 dB khi mức phản xạ là vượt quá -30dB. Khi tiến

hành đo BER tại tốc độ 500 Mbit/s cũng với loại nguồn phát này thấy độ thiệt thòi

công suất là 0,8 dB tại BER = 10-9 với mức phản xạ là -30dB.

PTIT

200

Độ thiệt thòi công suất do nhiễu phản xạ gây ra (dref) được tính theo công

thức sau:

���� = − 10������1 − ����� ��� (5.33)

trong đó reff là nhiễu cường độ tính hiệu dụng trên băng tần của bộ thu Δf và được

tính theo công thức sau:

����� =

�

��∫ ���(�)�� = 2(���)∆�

�

�� (5.34)

Trong trường hợp phản xạ quang gây ra các mode cộng hưởng ngoài,reff có thể được

tính bằng cách sử dụng công thức đơn giản hơn như sau:

����� ≈ ��

� + �/(���)� (5.35)

trong đó rI là mức độ nhiễu tương đối khi không có sự phản xạ, N là số lượng các

mode cộng hưởng ngoài và MSR là hệ số nén các mode cộng hưởng ngoài. Trên

hình 5.14 thể hiện độ thiệt thòi công suất do nhiễu phản xạ thay đổi theo MRS với

các giá trị N khác nhau khi rI=0,01. Tuy nhiên, độ thiệt thòi sẽ tăng khi N tăng và

MSR giảm. Thực tế,độ thiệt thòi về công suấtsẽ trở nên rất lớn khi MSR giảmxuống

dưới một giá trị cụ thể.

PTIT

201

Hình 5.18: Thí nghiệm đo BER ở 500 Mb/s cho một VCSEL theo phản xạ quang

.BER được đo ở nhiều cấp độ thông tin phản xạ

Hình 5.19: Phản xạ gây ra công suất giảm với N và r1 = 0.01.

5.4 Hệ thống đa kênh

Về nguyên tắc, do sóng mang quang có tần số rất cao nên về dung lượng của

hệ thống thông tin quang có thể vượt 10Tb/s. Tuy nhiên, trong thực tế, đến năm

1995, dung lượng của các hệ thống thông tin quang vẫn bị hạn chế ờ 10Gbit/s,

nguyên nhân dẫn đến giới hạn này là do ảnh hưởng của tán sắc, phi tuyến và hạn

chế của tốc độ xử lý của các thành phần điện tử có trong hệ thống thông tin quang.

Để khắc phục các hạn chế này, truyền dẫn nhiều kênh quang trên cùng một sợi

quang là cách đơn giản để tăng dung lượng của các hệ thống thông tin quang. Trong

chương này sẽ đề cập đến các kỹ thuật ghép kênh quang: kỹ thuật ghép kênh theo

bước sóng (WDM), kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian (OTDM), kỹ thuật

ghép kênh sóng mang phụ (SCM), và kỹ thuật ghep kênh theo mã (CDMA).

5.4.1 Hệ thống thông tin quang WDM

Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) là kỹ thuật mà trong đó nhiều

sóng mang quang ở các bước sóng khác nhau được điều chế bởi các luồng tín hiệu

độc lập và sau đó được ghép lại và truyền đi trên cùng một sợi quang. Tại phía thu,

tín hiệu quang sẽ được tách thành các kênh riêng biệt nhờ sử dụng bộ tách bước

sóng quang. Kỹ thuật WDM cho phép khai thác băng tần truyền dẫn rất lớn của sợi

PTIT

202

quang. Ví dụ, với khoảng cách giữa các kênh bước sóng dưới 100 GHz, có để

truyền đồng thời hàng trăm kênh 10Gb/s trên cùng một sợi quang nhờ kỹ thuật

WDM.

Hình 5.20 Các vùng bước sóng có suy hao nhỏ của sợi quang cho phép

truyền nhiều kênh bước sóng khác nhau

Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM được minh họa trên

hình 5.16 dưới đây. Phần phát, giả sử hệ thống có N nguồn phát làm việc ở các

bước sóng l1, l2, …lN. Các tín hiệu quang được phát ra ở các bước sóng khác

nhau này sau đó sẽ được ghép vào cùng một sợi quang nhờ bộ ghép kênh theo bước

sóng. Tín hiệu quang sau khi truyền trên sợi quang đến phía thu sẽ được tách ra

thành các kênh bước sóng riêng biệt nhờ bộ tách kênh theo bước sóng, và từng kênh

bước sóng này sẽ được đưa đến các bộ thu quang để khôi phục lại dạng tín hiệu điện

ban đầu. PTIT

203

Hình 5-21. Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang WDM

Có hai phương án để thiết lập hệ thống WDM: hệ thống WDM đơn hướng và

hệ thống WDM song hướng. Trong hệ thống WDM đơn hướng, các bước sóng

được ghép lại ở một đầu sợi và tách ra ở đầu kia của sợi. Như vậy, cần phải sử dụng

hai sợi quang để truyền thông tin cho chiều đi và chiều về. Trong hệ thống WDM

song hướng, sẽ sử dụng một sợi quang để truyền thông tin hai chiều, trong đó dành

một nửa số kênh bước sóng để truyền thông tin chiều đi và một nửa số kênh bước

sóng để truyền thông tin chiều về.

Hệ thống thông tin quangWDM đầu tiên được thương mại hóa vào năm

1980. Trong mô hình đơn giản nhất, WDM được sử dụng để truyền hai kênh bước

sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau của sợi quang (ví dụ, một kênh tại cửa sổ

bước sóng 1,3 µm và một kênh tại cửa sổ bước sóng 1,5 µm, tức là khoảng các giứa

các kênh bước sóng khoảng 250 nm). Các hệ thống WDM sau này, các kênh bước

sóng được ghép với khoảng cách kênh nhỏ hơn. Với các nỗ lực không ngừng nhằm

giảm khoảng cách kênh, đến năm 1995 các hệ thống WDM thương mại đã xuất hiện

với khoảng cách giữa các kênh bước sóng nhỏ hơn 0,1 nm, tổng dung lượng hệ

thống 20-40Gb/svà đạt hơn1,6 Tb/s vào năm 2000. Những hệ thống WDM có thể

truyền hàng trăm kênh bước sóng như vậy được gọi là hệ thống WDM mật độ cao

(DWDM). Đến năm 2008, dung lượng của hệ thống WDM đã đạt được 30Tb/s.

5.4.2 Hệ thống thông tin quang OTDM

Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian (TDM) thường được sử dụng trong miền

điền để tạo ra được phân cấp số cho các hệ thống truyền dẫn. Tuy nhiên khi tốc độ

PTIT

204

bit lớn hơn 10Gb/s, việc thực hiện ghép kênh TDM trong miền điện trở nên rất phức

tạp do hạn chế về tốc độ đáp ứng của các phần tử điện tử. Một giải pháp cho vấn đề

này là thực hiện ghép kênh theo thời gian trong miền quang (OTDM). Với kỹ thuật

ghép kênh OTDM, dung lượng của một kênh bước sóng có thể đạt được hơn 1Tb/s.

Trên hình dưới đây là sơ đồ minh họa quá trình ghép kênh trong hệ thống

thông tin quang OTDM.

Hình 5-22. Sơ đồ ghép kênh trong hệ thống OTDM sử dụng các đường trễ

quang

Trong hệ thống OTDM, chuỗi xung quang hẹp được phát ra từ nguồn laser

thích hợp. Các tín hiệu này có thể được đưa vào khuếch đại để nâng lên mức tín

hiệu đủ lớn nếu cần thiết, sau đó được chia thành N luồng, mỗi luồng sẽ được đưa

đến bộ điều chế ngoài với tín hiệu nhánh có tốc độ B Gbit/s. Để thực hiện ghép các

tín hiệu quang sau khi được điều chế này với nhau, các tín hiệu này cần được đưa

qua các bộ trễ quang. Tùy theo vị trí của từng kênh theo thời gian trong khung mà

xác bộ trễ này sẽ thực hiện trễ để dịch các khe thời gian một cách tương ứng. Như

vậy, tín hiệu sau khi ghép sẽ có tốc độ (NxB) Gbit/s. Sau khi được truyền trên

đường truyền, thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ thực hiện khôi phục xung đồng hồ và

tách ra từng kênh riêng rẽ tương ứng với các kênh ở đầu vào phía phát.

5.4.3 Hệ thống thông tin quang SCM

Khái niệm cơ bản về ghép kênh sóng mang phụ (SCM) dựa trên kỹ thuật

thông tin viba, trong đó sử dụng các sóng mang viba để truyền dẫn nhiều kênh tín

hiệu (ghép kênh FDM điện) trên cáp đồng trục hoặc trong không gian tự do.Khi sử

dụng cáp đồng trục để truyền tín hiệu, tổng băng thông sẽ bị giới hạn dưới 1 GHz.

Tuy nhiên, nếu sử dụng cáp quang để truyền các tín hiệu viba này trong miền

PTIT

205

quang, bằng tần của tín hiệu có thể dễ dàng đạt được hơn 10 GHz chỉ với một sóng

mang. Phương thức như vậy gọi là SCM, vì việc ghép kênh được thực hiện bằng

cách sử dụng các sóng mang phụ viba chứ không phải là sử dụng các sóng mang

quang. Kỹ thuật SCM có thể dùng kết hợp với cả TDM và WDM. Kết hợp SCM và

WDM có thể tạo ra băng tần lớn hơn 1 THz.

Hình 5.23 Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh SCM

Trên hình 5.18 là sơ đồ khối của hệ thống SCM sử dụng một sóng mang

quang. Ưu điểm chính của SCM là tính linh hoạt và khả năng nâng cấp trong mạng

băng rộng. Trong hệ thống SCM, có thể sử dụng điều chế tương tự hoặc điều chế số

hoặc kết hợp cả hai để truyền nhiều tín hiệu thoại, tín hiệu dữ liệu, video đến một số

lượng lớn người sử dụng. Mỗi người sử dụng sẽ được cung cấp dịch vụ trên một

sóng mang phụ hoặc tín hiệu đa kênh có thế được phân phối đến tất cả các thuê bao

như cách thường thực hiện bởi CATV. Kỹ thuật SCM đã được nghiên cứu rất rộng

rãi do kỹ thuật này được ứng dụng nhiều trong thực tế.

5.4.4 Hệ thống ghép kênh theo mã (CDM)

Kỹ thuật ghép kênh theo mã (CDM) là kỹ thuật đã được sử dụng nhiều trong

các hệ thống thông tin vô tuyến, đây là kỹ thuật có thể cung cấp tính linh hoạt tốt

nhất trong môi trường có nhiều người sử dụng. Trong CDM đã sử dụng kỹ thuật trải

phổ, trong đó, mỗi kênh thông tin được mã hóa sao cho phổ của nó trải trên một

vùng rộng hơn nhiều so với vùng phổ của tín hiệu gốc. Trong thực tế, khái niệm

CDMA thường được sử dụng thay cho CDM để nhấn mạnh đến bản chất ngẫu

nhiên và không đồng bộ của các kết nối nhiều người sử dụng. Mặc dù việc sử dụng

CDMA trong các hệ thống thống tin quang đã được bắt đầu nghiên cứu từ năm

PTIT

206

1986, nhưng chỉ sau năm 1995, kỹ thuật CDM quang mới trở nên thực sự thuyết

phục và trở thành một giải pháp có thể thay thế công nghệ OTDM. CDM có thể dễ

dàng kết hợp với kỹ thuật WDM. Về mặt khái niệm, có thể phân biệt WDM, TDM

và CDM như sau. WDM và TDM là kỹ thuật phân chia băng tần của kênh truyền

hoặc phân chia khe thời gian giữa các người sử dụng. Ngược lại, trong CDM, tất cả

các người sử dụng dùng chung toàn bộ băng tần hoặc tất cả các khe thời gian một

cách rất ngẫu nhiên

Trong hệ thống CDM đòi hỏi phải sử dụng bộ mã hóa và bộ giải mã tương

ứng đặt tại phía phát và phía thu. Bộ giải mã trải rộng phổ của tín hiệu trên một

vùng lớn hơn nhiều so với băng tân cần thiết tối thiểu để truyền tín hiệu. Việc trải

phổ được thực hiện bằng một mã duy nhất, mã này độc lập với tín hiệu. Bộ giải mã

sử dụng mã này để nén phổ của tín hiệu và khôi phục lại dạng tín hiệu ban đầu. Mã

trải phổ được gọi là signature sequence. Ưu điểm của phương pháp trải phổ là khó

can thiệp vào tín hiệu do bản chất được mã hóa của nó. Vì vậy, kỹ thuật CDM đặc

biệt có ưu điểm khi muốn bảo mật tín hiệu. Có một số các kỹ thuật có thể được sử

dụng để mã hóa tín hiệu như: mã hóa chuỗi trực tiếp (direct-sequence encoding),

nhảy thời gian (time hopping), nhảy tần số (frequency hopping).

PTIT

207

Tài liệu tham khảo

1. Vũ Văn San, Hệ thống thông tin quang, 2 tập, NXB KHKT.

2. G. Keiser, Optical Fibre Communications, 3rd ed., McGraw-Hill, 2005

3. G. P. Agrawal, Fiber-optics Communication Systems. New York:

Academic, 2010.

4. Gerard Lachs. Fiber Optic Communications – Systems, Analysis, and

Enhancements. McGraw-Hill, 1998.

5. Silvello Betti, Giancarlo De Marchis, Eugenio Iannoe. Coherent Optical

Communications Systems . John Wiley & Sons, Inc, 1995.

6. Max Ming – Kang Liu. Principles and Applications of Optical

Communications, 2001.

PTIT