Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ghép kênh quang pptx

  • Số trang: 97 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 16 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 26946 tài liệu

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ ĐỀ TÀI : KĨ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG HỌ VÀ TÊN TÁC GIẢ: TRIỆU QUỐC KHANH CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 102 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN NAM QUÂN Hà Nội , năm 2011 §¹i Häc Më Hµ Néi LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây chúng ta đã chứng kiến sự phát triển vượt bậc cảu khoa học – kĩ thuật. Đặc biệt là lĩnh vực Điện Tử – Viễn Thông và công nghệ thông tin. Song hành cùng đó công nghệ truyền dẫn cũng phát triển với tốc độ rất cao. Nổi trội lên là công nghệ truyền dẫn quang. Với những ưu thế về công nghệ như băng thông rộng , cự ly xa, chất lượng thông tin tốt, dung lượng cao, giảm bớt sự ảnh hưởng của sóng điện từ… Hiện nay thông tin quang đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể. Trong đó phải nói đến kĩ thuật ghép kênh quang. Nó thực hiện ghép tín hiệu ánh sáng để truyền dẫn trên sợi quang. Ghép kênh quang nhằm mục đích tăng dung lượng giảm suy hao của kênh truyền dẫn và có khả năng tạo ra những kênh thông tin có tốc độ rất cao , giảm được chi phí đầu tư. Đặc điểm chính của kĩ thuật ghép kênh quang là công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM ( Wavelength Division Multiplexer ). Được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của TS Nguyễn Nam Quân , sự hấp dẫn của công nghệ , cùng với những kiến thức đã học tại khoa Công nghệ điện tử – Thông tin Viện đại học Mở Hà Nội học viên Triệu Quốc Khanh đã chon đề tài cho luận văn tốt nghiệp của mình là “ Kĩ thuật ghép kênh quang” . Toàn bộ nội dung của luận văn được trình bày bao gồm 5 chương và phần kết luận chung được xây dựng trên cơ sở tham khảo thêm một số tài liệu. Chương 1 – Giới thiệu những khái niệm , những nguyên lý cơ bản và những đặc điểm chính của công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM ( Wavelength Division Multiplexer) Chương 2 - Đề đạt đến một số phần tử trong thiết bị WDM như kết cấu cơ bản, nguyên lý hoạt động của hệ thống WDM. Phần tử phát quang, phần tử thu quang, các bộ ghép kênh quang. LuËn v¨n tèt nghiÖp -2- TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi Chương 3 - Đề đạt đến một số vấn đề hạn chế của công nghệ WDM. Như khoảng cách kênh bước sóng với vấn đề xuyên âm giữa các kênh, vấn đề suy hao, vấn đề tán sắc với bù sắc, vấn đề ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến. Chương 4 – Nói về một số thiết bị của hệ thống WDM trong đó có thiết bị OADM, thiết bị khuếch đại sợi quang, thiết bị nối chéo OXC. Chương 5 - Đề đạt tới những ứng dụng của WDM vào mạng truyền tải trong đó có giới thiệu qua về mạng truyền tải và quá trình phát triển của nó, cấu trúc mạng truyền tải dựa trên công nghệ WDM, vấn đề bảo vệ và khôi phục trong mạng WDM. Trong qua trình thực hiện luận văn này do kiến thức còn có hạn , thiếu về thực tế , kinh nghiệm chuyên môn nên em chưa thể hiện hết và chặt chẽ mọi vấn đề . Không thể tránh khỏi những thiếu sót . Kinh mong các thầy trong hội đồng của khoa góp ý bổ xung thêm giúp em để luận văn hoàn thiện hơn và có tính thực tế . Em xin chân thành cảm ơn! Học viên thực hiện : Triệu Quốc Khanh LuËn v¨n tèt nghiÖp -3- TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1.KHÁI NIỆM WDM Kể từ khi hệ thống truyền dẫn quang được đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, với các ưu điểm của mình về băng thông, về cự ly, chất lượng thông tin không bị ảnh hưởng của sóng điện từ, v.v… Càng ngày các dịch vụ viễn thông càng trở nên đa dạng và phức tạp với một nhu cầu về lưu lượng ngày càng lớn như các dịch vụ internet, ISDN, v.v… Trong vài năm trở lại đây, công nghệ thông tin quang đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể, trong đó phải kể đến kĩ thuật ghép kênh quang, nó thực hiện ghép các tín hiệu ánh sáng để truyền dẫn trên sợi quang. Ở đây, việc thực hiện ghép kênh sẽ không có một quá trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của ghép kênh quang nhằm tăng dung lượng kênh truyền dẫn, bên cạnh đó nó còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức nào đó người ta thấy các hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn. Ví dụ khi tốc độ đạt tới hàng chục Gb/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kì hẹp, thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém do cơ cấu hoạt động đòi hỏi công nghệ rất cao. Do đó, kĩ thuật ghép kênh quang đã ra đời và khắc phục được những hạn chế trên. Mặc dù vậy, trong các hệ thống thông tin điểm nối điểm thông thường trước đây, một sợi quang chỉ truyền dẫn một bước sóng, với một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu. Với một hệ thống như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ(hình 1.1). LuËn v¨n tèt nghiÖp -4- TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi Hấp thụ do tạp chất Hệ số suy hao (dB/km) 10 1 0,1 Tán xạ Rayleigh Hấp thụ điện tử Hấp thụ Vật liệu 0,01 0,02 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Bước sóng (µm) Hình 1.1 Đặc tính suy hao sợi quang theo bước song Bên cạnh đó, nếu ta muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải thêm sợi quang. Để giải quyết cả hai vấn đề trên người ta nảy ra ý tưởng truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang từ các nguồn quang khác nhau với các bước sóng khác nhau cho các nguồn thông tin độc lập. Kĩ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM sẽ thực hiện ý tưởng này. Vậy công nghệ WDM là gì ? Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là công nghệ trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang. Nguyên lý cơ bản là tín hiệu quang có bước sóng khác nhau ở đầu vào được tổ hợp lại (ghép kênh) và phối ghép trên cùng một sợi quang của đường dây cáp quang để truyền dẫn, ở đầu thu tín hiệu bước sóng tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh) và xử lý khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau, do đó gọi công nghệ này là ghép kênh chia bước sóng quang hay còn gọi tắt là công nghệ ghép kênh bước sóng. Công nghệ WDM ra đời nhằm khai thác đầy đủ tiềm năng băng rộng của sợi quang, thực hiện thông tin siêu cao tốc có ý nghĩa rất quan trọng nhất là hiện nay có thêm bộ khuếch đại trộn Erbium (EDFA) thì WDM càng có sức hấp dẫn to lớn với mạng thông tin hiện đại. LuËn v¨n tèt nghiÖp -5- TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi 1.2.NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA WDM. Nguyên lý cơ bản WDM có thể minh hoạ như ở hình 1.2 Sợi quang I1(λ1) MUX In(λn) MUX O(λ1...λn) O1(λ1) On(λn) I(λ1...λn) Hình 1. 2 Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng Giả sử có các nguồn làm việc ở các bước sóng khác nhau λ1, λ2, λ3,..., λj,..., λn. Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi dẫn quang. Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh; bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi được ghép sẽ được truyền theo sợi tới phía thu. Các bộ tách sóng khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng. Có hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang WDM. * Truyền dẫn một chiều hai sợi (hình 1.3) WDM một chiều là tất cả các kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều, ở đầu phát mang các tín hiệu có bước sóng khác nhau và đã điều chế λ1, λ2, ..., λn thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang. Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn. ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách những tín LuËn v¨n tèt nghiÖp -6- TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang, ở hướng ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên. 1 Máy phát quang λ Sợi quang Bộ ghép kênh n 1’ Máy phát quang λn Máy thu quang Bộ tách kênh λ1λ2...λn Máy thu quang n Máy thu quang Máy phát quang Sợi quang 1’ Bộ ghép kênh Bộ tách kênh n’ 1 Máy thu quang λ’1λ’2...λ’n Máy phát quang n’ Hình 1.3 Sơ đồ trruyền dẫn một chiều trên hai sợi quang * Truyền dẫn hai chiều một sợi (hình 1.4) WDM hai chiều là kênh quang trên mỗi sợi cùng truyền dẫn theo hai chiều khác nhau, dùng các bước sóng tách rời nhau để thông tin hai chiều (song công). Về mặt phát triển và ứng dụng hệ thống WDM một chiều tương đối rộng rãi. Hệ thống WDM hai chiều thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, đó là vì khi thiết kế và ứng dụng hệ thống WDM hai chiều cần phải xem xét đến nhân tố của các hệ thống then chốt, như để hạn chế can nhiễu xuyên kênh (MPI) cần phải chú ý đến các vấn đề ảnh hưởng của phản xạ quang, cách ly giữa các kênh hai chiều, trị số và loại hình của xuyên âm, trị số mức điện của công suất truyền dẫn trên hai chiều và sự phụ thuộc vào nhau giữa chúng,... Nhưng đối với hệ thống WDM một chiều thì hệ thống WDM hai chiều giảm được số lượng bộ khuếch đại sợi quang và đường dây. LuËn v¨n tèt nghiÖp -7- TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi 1 Máy phát quang n Máy phát quang λ1 - λn Máy thu quang Sợi quang Bộ ghép/tách kênh 1’ Máy thu quang n’ Máy thu quang λ1λ2...λn Bộ ghép/tách kênh n 1’ Máy phát quang λ’1λ’2...λ’n - 1 - Máy thu quang n’ Máy phát quang Hình 1.4- Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang 1.3.ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA CÔNG NGHỆ WDM 1.3.1 Tận dụng được tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng rộng to lớn của sợi quang(đoạn sóng tổn hao thấp), làm cho dung lượng truyền dẫn của một sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần đến vài chục lần, từ đó tăng dung lượng truyền dẫn của sợi quang, hạ giá thành, có giá trị ứng dụng và giá trị kinh tế rất lớn. Ví dụ, hiện nay hệ thống thông tin sợi quang chỉ truyền dẫn trong một kênh tín hiệu bước sóng, mà bản thân sợi quang trong khu vực bước sóng có khu vực tổn hao thấp rất rộng, có rất nhiều bước sóng có thể sử dụng như hiện nay, người ta sử dụng chỉ là một bộ phận rất nhỏ trong phổ tần tổn hao thấp của sợi quang. Mặc dù sử dụng toàn bộ dải tần khu vực khuếch đại của bộ khuếch đại sợi quang trộn LuËn v¨n tèt nghiÖp -8- TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi Erbium (EDFA) (1530 ∼ 1565nm), cũng chỉ chiếm độ 1/6 dải tần của nó. Cho nên công nghệ WDM tận dụng độ rộng băng rất lớn của sợi quang đơn mode, do đó ở mức độ rất lớn đã giải quyết vấn đề giải tần truyền dẫn 1.3.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau, do đó có thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và chia các tín hiệu dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn hỗn hợp tín hiệu đa phương tiện(như âm tần, thị tần, số liệu, văn bản, đồ hoạ...). 1.3.3 Thực hiện truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang Do nhiều phương tiện thông tin đều dùng phương thức hoàn toàn song công(như điện thoại), do đó dùng công nghệ WDM có thể tiết kiệm được lượng đầu tư lớn cho đường dây. 1.3.4 Nhiều ứng dụng Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có thể có rất nhiều ứng dụng như: mạng đường trục đường dài, mạng phân phối kiểu quảng bá,...do đó rất quan trọng đối với ứng dụng mạng. 1.3.5 Tiết kiệm đầu tư cho đường dây Do công nghệ WDM có thể ghép kênh N bước sóng truyền dẫn trong một sợi quang đơn mode, vì vậy khi khoảng cách và dung lượng đường truyền tăng lên ta có thể tiết kiệm được số lượng lớn sợi quang. Bên cạnh đó, công nghệ WDM còn thuận tiện cho việc mở rộng dung lượng hệ thống thông tin sợi quang đã xây dựng, chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công suất tương đối lớn, thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần phải thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ. LuËn v¨n tèt nghiÖp -9- TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi 1.3.6 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện Khi tốc độ truyền dẫn tăng lên, tốc độ tương ứng của nhiều linh kiện quang điện là không đủ. Về mặt này công nghệ WDM có thể giảm yêu cầu rất cao đối với tính năng của một số linh kiện, đồng thời lại có thể truyền dẫn dung lượng lớn. 1.3.7 Kênh truyền dẫn IP Ghép kênh bước sóng đối với khuôn dạng(format) số liệu là trong suốt, tức là không có quan hệ gì với tốc độ của tín hiệu và phương thức điều chế về điện. Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lý tưởng, là cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng mới(ví dụ IP,...). Thông qua việc tăng thêm một bước sóng phụ có thể đưa vào mọi dịch vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn, thí dụ hiện nay hoặc sau này thực hiện công nghệ IP trên WDM. 1.3.8 Tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao của cấu hình mạng Sử dụng công nghệ WDM trong việc trọn đường, chuyển mạch và khôi phục mạng, từ đó có một mạng trong suốt, linh hoạt, kinh tế và có sức sống trong tương lai. LuËn v¨n tèt nghiÖp - 10 - TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi Chương 2: MỘT SỐ PHẦN TỬ TRONG THIẾT BỊ WDM Để thấy rõ chức năng cũng như các đặc tính của các phần tử trong thiết bị WDM, trong chương 2 này chúng ta sẽ đi vào nghiên cứu một số phần tử cơ bản trong thiết bị WDM. Để làm nổi bật, cũng như để thấy rõ nguyên lý làm việc và nhiệm vụ của từng phần tử chúng ta đặt chúng vào trong hệ thống WDM để nghiên cứu. Trong thực tế các thiết bị WDM rất đa dạng và phong phú, có thể thực hiện qua các phần tử tích cực hay thụ động, nguồn quang phổ hẹp, các thiết bị vi quang, thiết bị phân cực quang,... Ngày nay, cùng với những tiến bộ không ngừng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nghành công nghiệp truyền thông, đặc biệt là với công nghệ truyền dẫn mới đầy hấp dẫn này, các thiết bị WDM không ngừng được đổi mới và cải tiến cho phù hợp nhằm vươn tới dung lượng truyền dẫn khổng lồ với chi phí đầu tư thấp nhất. 2.1. KẾT CẤU CƠ BẢN VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG WDM. Nói chung, hệ thống WDM do 5 bộ phận chính dưới đây tạo thành: máy phát quang, bộ khuếch đại chuyển tiếp quang, máy thu quang, kênh tín hiệu điều khiển giám sát quang và hệ thống quản lý (xem hình 2.1). 1 n Sợi quang Máy phát quang Bộ chuyển Bộ chuyển Bộ ghép sóng quang Khuếch đại trung kế quang BA λS Bộ phát tín hiệu điều khiển giám sát kênh quang Sợi quang Máy thu quang Bộ Tách sóng quang PA LA λS Thu/phát tín hiệu điều khiển giám sát kênh Bộ thu 1 Bộ thu n Bộ phát tín hiệu điều khiển giám sát kênh quang Hệ thống quản lý mạng Hình 2.1 Sơ đồ kết cấu tổng thể của hệ thống WDM (một chiều) LuËn v¨n tèt nghiÖp - 11 - TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi Máy phát quang là hạt nhân của hệ thống WDM, căn cứ vào khuyến nghị và tiêu chuẩn của ITU – T. Ngoài bước sóng trung tâm trong máy phát kích quang của hệ thống WDM có yêu cầu đặc biệt, còn cần phải căn cứ vào các ứng dụng khác nhau của hệ thống WDM (chủ yếu vào loại sợi quang truyền dẫn và cự ly trung kế không có chuyển đổi quang điện) để chọn máy phát có ngưỡng cho phép độ tán sắc nhất định. Ở đầu phát, trước tiên tín hiệu đến thiết bị đầu cuối (như thiết bị đầu cuối SDH), sau đó được bộ chuyển phát quang (OTU) chuyển hoá thành tín hiệu phù hợp. Bộ hợp sóng tập hợp tín hiệu nhiều kênh quang; qua bộ khuếch đại công suất (BA) khuếch đại và đưa ra tín hiệu nhiều kênh quang. Sau khi truyền dẫn qua sợi quang cự ly dài (80 ∼ 120km), cần phải khuếch đại chuyển tiếp đối với tín hiệu quang. Hiện nay thường sử dụng bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium (EDFA). Ở đầu thu, bộ tiền khuếch đại (PA) khuếch đại tín hiệu quang kênh chủ suy giảm qua truyền dẫn, dùng bộ tách sóng tách tín hiệu quang có bước sóng nhất định ra khỏi tín hiệu quang kênh chủ. Máy thu không những phải thoả mãn yêu cầu về tham số, độ nhạy của máy thu tín hiệu quang nói chung, công suất quá tải... mà còn phải chịu được tín hiệu có tạp âm quang nhất định, cần phải có tính năng băng rộng về điện nhất định. Chức năng chính của kênh tín hiệu điều khiển giám sát là điều khiển và giám sát tình hình truyền dẫn các kênh trong hệ thống. Ở đầu phát tín hiệu điều khiển giám sát bước sóng là λS (1510nm) đưa vào điểm nút này hợp với tín hiệu kênh chủ và được đưa ra; ở đầu thu, tách tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điều khiển giám sát bước sóng λS (1510nm) và tín hiệu dịch vụ kênh quang. Byte đồng bộ khung, byte nghiệp vụ và byte thông tin phụ (overhead) mà mạng quản lý sử dụng... Đều được truyền đi qua kênh tín hiệu điều khiển giám sát. LuËn v¨n tèt nghiÖp - 12 - TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi Hệ thống quản lý mạng thông qua lớp vật lý của kênh tín hiệu điều khiển và giám sát truyền đi byte thông tin phụ đến điểm nút khác hoặc tiếp thu byte thông tin phụ từ điểm nút khác để quản lý đối với hệ thống WDM, thực hiện quản lý cấu hình, quản lý sự cố, quản lý tính năng, quản lý an toàn và nối với hệ thống quản lý lớp trên (như TMN – mạng quản lý viễn thông). 2.2 PHẦN TỬ PHÁT QUANG. 2.2.1. Light – Emitting Diodes (LED). 2.2.1.1 Cấu trúc của LED. Điôt phát quang LED là một loại nguồn phát quang dùng rất phù hợp cho các hệ thống thông tin quang có tốc độ bít không quá 200Mbit/s sử dụng sợi dẫn quang đa mode. Tuy nhiên ngày nay trong phòng thí nghiệm người ta có thể sử dụng ở tốc độ bít tới 565Mbít/s do có sự cải tiến công nghệ cao. Để sử dụng tốt trong các hệ thống thông tin quang, LED phải có công suất bức xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao. Chính công suất bức xạ cao sẽ tạo điều kiện cho việc ghép giữa sợi dẫn quang và LED dễ dàng và đưa ra được công suất phát ra từ đầu sợi lớn. Có hai kiểu cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi là cấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc dị thể kép (không thuần nhất). Tuy nhiên trong quá trình khảo sát và tiến hành nghiên cứu điều tra, người ta thấy cấu hình dị thể kép mang lại hiệu quả nhất và được ứng dụng nhiều nhất, cấu trúc của nó có thể mô tả như hình 2.2. Đặc điểm của cấu trúc dị thể kép là có hai lớp hợp kim khác nhau ở mỗi bên của vùng bãn dẫn tích cực, đây cũng là cấu trúc được triển khai rất sớm khi nghiên cứu diode Laser. Với cấu trúc này, cả các hạt mang và trường quang đều được giữ ở trong lớp tích cực nằm ở trung tâm. Sự khác nhau về giải cấm của các lớp lân cận sẽ giới hạn các hạt mang điện tích (như ở hình 2.2a) , trong khi đó tồn tại sự khác nhau về chỉ số chiết suất của các lớp lân cận lại giới hạn trường quang tới lớp tích cực ở trung tâm (hình 2.2b). Điều này tạo ra sự phát xạ cao rất hiệu quả. Ở đây, các tham số khác có ảnh hưởng tới đặc tính của thiết bị là LuËn v¨n tèt nghiÖp - 13 - TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi sự hấp thụ ánh sáng trong vùng tích cực (tự hấp thụ), sự tái kết hợp và độ dày của lớp tích cực. Dòng điện tử a) Năng lượng điện tử 1,51eV hv = 820nm Dòng lỗ trống Vùng tích cực b) Chỉ số chiết suất 1 2 3 4 5 Vùng dẫn sóng Hình 2.2Cấu trúc dị thể kép của LED a) Sơ đồ vùng năng lượng; b) Sự thay đổi chỉ số chiết suất 2.2.1.2 Ứng dụng của LED cho hệ thống WDM. Ghép bước sóng đã giúp đưa ra các giải pháp về phát triển mạng. Nhưng giá thành của mạng liên quan đến số sợi quang và trong trường hợp yêu cầu chỉ tiêu của nguồn quang nghiêm ngặt thì giá thành của mạng cũng tăng lên đáng kể. Nếu tốc độ bít của tín hiệu không quá cao và cự ly truyền ngắn thì thường dùng nguồn quang LED để hạ giá thành. Nhưng bề rộng phổ của LED thường rộng hơn LD, vì thế muốn ghép nhiều bước sóng phải sử dụng kĩ thuật cắt phổ. Năm 1982 trên tuyến ngắn và tốc độ thấp đã ứng dụng ghép các bước sóng từ các LED giống nhau. Vào năm 1983 đã ghép các bước sóng của 20 LED giống nhau trên tuyến dài 2 km cho sợi đa mode 50/125µm. Các LED giống nhau này được nối đến các đầu vào của bộ ghép. Năm 1984 đã dùng kĩ thuật cắt phổ LED thành từng mảnh rộng 1nm xung quanh bước sóng 820nm truyền được 42 kênh trên sợi đa mode 100/140. Hiện nay sợi đơn mode được sử dụng phổ biên để ghép các bước sóng theo phương pháp cắt phổ LED. Lần đầu tiên tại Anh đã cắt phổ của LED xung quanh bước sóng 1300nm LuËn v¨n tèt nghiÖp - 14 - TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi thành bốn mảnh dùng cho bốn kênh, mỗi kênh chiếm 20nm và tốc độ bít của tín hiệu là 2Mb/s . Năm 1990 đã tiến hành cắt phổ để ghép 16 kênh trên sợi đơn mode. Tuy nhiên, kĩ thuật cắt phổ này bị hạn chế do sự thay đổi nhiệt độ của nguồn quang. Kết quả nghiên cứu của HunWichks cho thấy rằng tại bước sóng 1300nm thì khi nhiệt độ của LED thay đổi từ 00C đến 700C làm cho bước sóng thay đổi một lượng là 0,54nm/0C và trong hệ thống bốn kênh suy hao đã tăng thêm 3,8dB và trong hệ thống 10 kênh suy hao tăng 4,7dB (hình 2.2). Biên độ phổ λ0 = 1200nm, 100C, ∆λ = 86nm λ0 = 1300nm, 200C, ∆λ = 92nm λ 0 = 1302nm, 300C, ∆λ = 94nm λ0 = 1306nm, 400C, ∆λ = 96nm λ0 = 1308nm, 500C, ∆λ = 102nm λ0 = 1313nm, 600C, ∆λ = 104nm λ 0 = 1318nm, 700C, ∆λ = 104nm λ(nm) Hình 2.3: Phổ của LED 1300nm khi nhiệt độ thay đổi Đặc tính của bộ ghép các mảnh của LED được thể hiện trên hình 2.3. Hình 2.3 thể hiện cho trường hợp LED hoạt động tại bước sóng 1300nm, ghép 10 kênh trên sợi đơn mode, khoảng cách giữa các kênh là 9nm, hàm truyền đạt mỗi LE MUX λ(nm) 122 126 130 134 138 Hình 2.4: Đặc tính phổ của LED và các mảnh cắt ghép kênh phía ghép là 1,6nm và phía tách là 6nm. Suy hao xen 5dB và suy hao xuyên kênh âm là -31dB. LuËn v¨n tèt nghiÖp - 15 - TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi Trong mạch vòng thuê bao quang cũng đã sử dụng kĩ thuật cắt phổ LED. Lần đầu tiên Chpuran đã thực nghiệm có kết quả trên tuyến dài 7km cho 10 kênh ở tốc độ bít 150Mb/s và 16 kênh ở tốc độ bít 50Mb/s. 2.2.2 Điốt Laser Laser (Light Amplication by Stimulate Emission of Radiation) có nhiều dạng với đủ mọi kích thước. Chúng có ở dạng khí, chất lỏng, tinh thể hoặc bán dẫn. Đối với các hệ thống thông tin quang, các nguồn phát Laser là các Laser bán dẫn và thường là điốt Laser (LD). Các loại Laser có thể là khác nhau nhưng nguyên lý hoạt động cơ bản là như nhau. Hoạt động của Laser gồm 3 quá trình, đó là hấp thụ photon, phát xạ tự phát, và phát xạ kích thích. Ba quá trình này được mô tả ở sơ đồ hai mức năng lượng đơn giản (hình 2.5). Ở đây, E1 là năng lượng trạng thái nền (đất) và E2 là năng lượng trạng thái kích thích. Theo định luật Planck thì sự chuyển dịch giữa hai trạng thái này có liên quan tới quá trình hấp thụ hoặc phát xạ của các photon có năng lượng hv12 = E2 – E1. Bình thường, hệ thống ở trạng thái nền (đất). Khi một photon có năng lượng hv12 tác động vào hệ thống thì một điện tử ở trạng thái E1 có thể hấp thụ năng lượng photon và được kích thích lên trạng thái E2 như ở hình 2.5a). Vì đây là trạng thái không bền vững nên điện tử sẽ nhanh chóng quay lại trạng thái ban đầu như ở hình 2.5b), vì thế phát ra một photon có năng lượng hv12. Điều này xảy ra mà không có sự kích thích bên ngoài nào và được gọi là phát xạ tự phát. Phát xạ này đẳng hướng, có pha ngẫu nhiên và xuất hiện như một đầu ra Gaussian băng hẹp. Điện tử cũng có thể được sinh ra để tạo ra một hướng chuyển dịch đi xuống từ mức kích thích tới mức nền nhờ có sự kích thích bên ngoài. Trong hình 2.5c), nếu một photon có năng lượng hv12 tác động vào hệ thống trong khi điện tử vẫn còn ở trạng thái kích thích của nó, thì điện tử sẽ được kích thích ngay lập tức để rơi xuống trạng thái nền và cho ra photon có năng lượng hv12. Photon được phát ra này có pha là pha của photon tới, và sự bức xạ ở đây được gọi là phát xạ kích thích. LuËn v¨n tèt nghiÖp - 16 - TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi E2 E2 E2 hv12 hv12 hv12 hv12 E1 E1 Hấp thụ (a) E1 Phát xạ tự phát (b) Phát xạ kích thích (c) Hình 2.5: Ba quá trình chuyển dịch trong hoạt động của Laser Ở điều kiện cân bằng nhiệt, mật độ các điện tử được kích thích là rất nhỏ, cho nên hầu hết các photon tới trên hệ thống đầu bị hấp thụ, và phát xạ kích thích hầu như không có. Phát xạ kích thích sẽ vượt qua được sự hấp thụ chỉ khi nào tích luỹ ở trên trạng thái kích thích lớn hơn ở trạng thái bền. Điều này được gọi là nghịch đảo tích luỹ. Vì đây không phải là điều kiện cân bằng cho nên nghịch đảo tích luỹ được thực hiện bằng kĩ thuật bơm. Trong Laser bán dẫn, nghịch đảo tích luỹ được tiến hành bằng cách phun các điện tử vào trong vật liệu tại tiếp điểm thiết bị để lấp các trạng thái năng lượng thấp hơn vùng dẫn. 2.3 PHẦN TỬ THU QUANG 2.3.1 Bộ tách sóng Photodiot PIN Bộ tách sóng bán dẫn được sử dụng thông dụng nhất là Photodiot PIN. Cấu trúc cơ bản của Photodiot PIN gồm các vùng p và n đặt cách nhau bằng một lớp tự dẫn i rất mỏng. Để thiết bị hoạt động, thì cần phải cấp một điện áp ngược để vùng bên trong (nội tại) rút hết các hạt mang. Khi đó sự tập trung hạt mang n và p là nhỏ không đáng kể so với sự tập trung tạp chất trong vùng này. LuËn v¨n tèt nghiÖp - 17 - TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi Thiên áp RL Tách sóng Ip Lỗ trống Điện tử Điện Tín hiệu ra trở tải n hv Photon Vùng cấm Điện tử p Vùng dẫn i n hv ≥ Ef Lỗ trống Vùng hoá trị Vùng nghèo Hình 2.6: Sơ đồ vùng năng lượng của photodiot PIN Khi có ánh sáng đi vào Photodiot, quá trình xảy ra sẽ như sau. Nếu một photon trong chùm ánh sáng tới mang một năng lượng hv lớn hơn hoặc ngang bằng với năng lượng dải cấm của vật liệu bán dẫn trong photodiot, thì photon có thể kích thích điện tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn. Quá trình sẽ làm phát ra các cặp điện tử – lỗ trống mà đôi khi được gọi là hạt mang quang, (hình 2.6). Thông thường, bộ tách sóng quang được thiết kế sao cho các hạt mang quang này chủ yếu được phát ra tại vùng trôi (vùng nghèo), nơi mà hầu hết ánh sáng tới bị hấp thụ. Sự có mặt trường điện cao trong vùng trôi làm cho các hạt mang tách nhau ra và được thu nhận qua tiếp giáp có thiên áp ngược. Điều này làm tăng luồng dòng ở mạch ngoài, với một luồng dòng điện sẽ ứng với nhiều cặp hạt mang được phát ra. Luồng dòng này được gọi là dòng photon. Vì các hạt mang tích điện chảy qua vật liệu, cho nên một số các cặp điện tử lỗ trống sẽ tái kết hợp và rồi biến mất. Bình thường, các hạt mang tích điện di chuyển với cự ly Ln đối với điện tử và Lp đối với lỗ trống. Cự ly này được gọi là Độ dài khuếch tán. Thời gian cần thiết để cho một điện tử hoặc lỗ trống tái hợp được LuËn v¨n tèt nghiÖp - 18 - TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi gọi là tuổi thọ hạt mang và được mô tả bằng các đại lượng τn và τp tương ứng. Quan hệ giữa tuổi thọ và độ dài khuếch tán như sau: Ln = (Dnτn)1/2 và Lp = (Dpτp)1/2 với Dn là hệ số khuếch tán điện tử và Dp là hệ số khuếch tán lỗ trống, được đo bằng centimet vuông trên giây. Có hai đặc tính rất quan trọng của bộ tách sóng quang là hiệu suất lượng tử và tốc độ đáp ứng của nó. Các tham số này phụ thuộc vào dải cấm của vật liệu, bước sóng làm việc và độ dày của các vùng p, i và n của thiết bị. Hiệu suất lượng tử η là tỉ số giữa các cặp hạt mang điện tử – lỗ trống được phát ra trên số photon có năng η= Số các cặp điện tử – lỗ trống phát ra Số photon tới = Ip/q P0/hv lượng hv tới. ở đây Ip là dòng photon trung bình được phát ra do công suất quang trung bình P0 đi tới bộ tách sóng quang. Trong thực tế ở photodiot, cứ 100 photon sẽ tạo ra khoảng từ 30 đến 95 cặp điện tử - lỗ trống, như vậy hiệu suất lượng tử tách sóng nằm trong khoảng từ 30 đến 95%. Để đạt được hiệu suất lượng tử cao, vùng trôi phải đủ dày để cho phép phần lớn ánh sáng tới được hấp thụ. Tuy nhiên, vùng trôi càng dày thì nó càng tạo cho các hạt mang photon trôi qua tiếp giáp phân cực ngược càng lâu. Vì thời gian trôi các hạt mang xác định tốc độ đáp ứng của photodiot cho nên cần có một sự hài hoà giữa tốc độ đáp ứng và hiệu suất lượng tử. 2.3.2 Photodiot Thác Bản chất lượng tử của ánh sáng đã định ra giới hạn cơ bản đối với chất lượng, tức là tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm, và điều này được thể hiện ở các bộ thu quang. Tuy LuËn v¨n tèt nghiÖp - 19 - TriÖu Quèc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi nhiên, ở các bộ tách sóng trực tiếp, tạp âm có thể lớn hơn do có sự phân bố tải và các bộ tiền khuếch đại. Cho nên khi sử dụng các bộ tách sóng PIN thì chỉ có cách làm giảm sự phụ thuộc các phân bố này theo sự cải thiện các đặc tính bộ tiền khuếch đại. Đối với các tín hiệu nhỏ, photodiot thác (APD – Avalanche Photodiode) có đặc tính tốt hơn, sau khi biến đổi các photon thành các điện tử, nó khuếch đại ngay dòng photon ở bên trong nó trước khi dòng này đi vào mạch khuếch đại tiếp sau và điều này làm tăng mức tín hiệu, dẫn tới độ nhạy thu được tăng lên đáng kể. Để thu được hiệu ứng nhân bên trong, các hạt mang quang sẽ được tăng dần năng lượng tới mức đủ lớn để ion hoá các điện tử xung quanh do va chạm với chúng. Các điện tử xung quanh được đẩy từ vùng hoá trị tới vùng dẫn, rồi tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống mới sẵn sàng dẫn điện. Các hạt mang mới được tạo ra này sễ tiếp tục được gia tốc nhờ điện trường cao và lại có thể phát ra các cặp điện tử – lỗ trống mới khác. Hiệu tượng này được gọi là hiệu ứng thác. Quá trình thác dẫn tới làm tăng dòng. Đối với photodiot Si, ngưỡng trường điện cần thiết để thu được sự nhân là ở mức 105V/cm. Về nguyên lý, cả hai quá trình hấp thụ và khuếch đại đều xảy ra ở trong cùng một vùng trôi, ở các cấu trúc pn hoặc PIN đơn giản. Cấu trúc thông dụng của một Photodiot thác có thể mô tả như ở hình 2.7. Nó được cấu tạo gồm có vật liệu loại p điện trở suất cao đặt làm lớp epitaxi nền p+. Sau đó người ta khuếch tán hoặc cấy lớp n+ (loại n pha tạp nặng). Hai vùng cách nhau bởi một vùng trường điện thấp (nơi mà các photon được hấp thụ và các hạt mang quang trôi theo chiều phân cực của nó) và một vùng trường điện cao (nơi mà các hạt mang được gia tốc và chịu quá trình nhân). Đối với Si, chất kích tạp ở vùng này thường tương ứng là Bo hoặc phôtpho. Cấu trúc như vậy thường được gọi là cấu trúc cận xuyên p+ipn+. Lớp i (hay π) cơ bản là lớp vật liệu tự dẫn có pha tạp một chút p. LuËn v¨n tèt nghiÖp - 20 - TriÖu Quèc Khanh
- Xem thêm -