TKMH kĩ thuật thông tin quang

TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
MỤC LỤC

CHƯƠNG I. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA SỢI QUANG
1


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
1.Cấu tạo cơ bản sợi quang
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được
chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:
-

Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d
= 2a, làm bằng thủy tinh có chiết suất, được gọi là lõi
(core) sợi.

-

Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên
được gọi là lớp bọc (cladding), có đường kính D = 2b,
làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất < .

Cấu trúc tổng quát này được minh họa ở hình 1.1

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản sợi quang, gồm lõi (core) và lớp
bọc (cladding)
Ánh sáng truyền từ đầu này đến đầu kia sợi quang bằng
cách phản xạ toàn phần tại mặt ngăn cách giữa lõi-lớp bọc,
và được định hướng trong lõi.

Hình 1.2 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang
2.Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang
Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả
năng của các hệ thống thông tin quang, bao gồm:
•

Suy hao

•

Tán sắc

•

Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang.
Tuy nhiên, đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh
2


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
hưởng của các yếu tố này cũng khác nhau. Ví dụ:
•

Ðối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp
thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao.

•

Ðối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn
thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao và tán

sắc.

•

Ðối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất
lớn thì ngoài

Hai yếu tố trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi
tuyến.
Trong phần này chúng ta sẽ tập trung khảo sát chi tiết các
hiện tượng suy hao và tán sắc.
2.1 Suy hao
Suy hao trên sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng
trong việc thiết kế hệ thống, là tham số xác định khoảng
cách giữa phía phát và phía thu. Ảnh hưởng của nó có thể
được tính như sau: công suất ngõ ra Pout ở cuối sợi quang có
chiều dài L có liên hệ với công suất ngõ vào như sau:
Pout = Pine-αL
với là suy hao sợi quang.

Hình 1.3 Khái niệm suy hao trong sợi quang
Thường suy hao được tính theo đơn vị là dB/Km, vì vậy suy
hao dB/Km có nghĩa là tỉ số Pout trên Pin đối với L = 1 Km
thỏa mãn:

Thường thì suy hao sợi được gán giá trị dương do đó tổng
quát hệ số suy hao được xác định bằng công thức như sau:
3

TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
(dB / km) =
Các nguyên nhân chính gây ra suy hao là: do hấp thụ, do tán
xạ tuyến tính và do uốn cong.
2.1.1 Suy hao do hấp thụ
Bao gồm hấp thụ của bản thân vật liệu chế tạo sợi, còn
gọi là tự hấp thụ, và hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi không
tinh khiết.
•

Hiện tượng hấp thụ do tạp chất
Nếu vật liệu chế tạo thuần túy tinh khiết thì ánh sáng
truyền qua không bị suy hao. Thực tế, vật liệu chế tạo hoàn
toàn không tinh khiết, mà lẫn các ion kim loại (Fe, Cu, Cr,
...), và đặc biệt là các ion OH - của nước (H2O).
Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại.

-

Các hệ thống thông tin quang hiện nay chủ yếu làm việc ở
cửa sổ thứ 2 (= 1300 nm) và cửa sổ 3 (= 1550 nm). Nhưng ở
hai cửa sổ này ánh sáng lại rất nhạy cảm với sự không tinh
khiết của vật liệu. Mức độ hấp thụ phụ thuộc vào nồng độ tạp
chất và bước sóng làm việc. Chẳng hạn, nếu nồng độ tạp chất
khoảng vài phần triệu (10-6) thì khoảng vài dB/Km; muốn <
1dB/Km thì nồng độ tạp chất phải là 10-8 Và với công nghệ
chế tạo sợi hiện nay đều này không còn lo ngại nữa.
Sự hấp thụ của ion OH-

-

Sự có mặt của ion OH - trong sợi quang góp phần tạo ra
suy hao đáng kể. Ðặc biệt, độ hấp thụ tăng vọt ở ba bước
sóng: 950 nm, 1240 nm, và 1380 nm. Ví dụ: nếu nồng độ
ion OH - bằng 10-6 thì 40 dB/Km. Và nồng độ cho phép
của ion OH- trong chế tạo sợi là < 10-9 (một phần tỷ).
•

Hiện tượng tự hấp thụ

Các nguyên tử của vật liệu chế tạo sợi cũng phản ứng với
ánh sáng theo đặc tính chọn lọc bước sóng. Tức là, vật liệu
cơ bản chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng qua tự do trong
một dải bước sóng xác định với suy hao rất nhỏ hoặc hầu
như không suy hao. Còn ở một số bước sóng nhất định sẽ
4


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
có hiện tương cộng hưởng quang, quang năng bị hấp thụ
và chuyển hóa thành nhiệt năng.
2.1.2

Suy hao do tán xạ tuyến tính
Tán xạ tuyến tính trong sợi quang là do tính không đồng
đều rất nhỏ của lõi sợi, có thể là những thay đổi nhỏ trong
vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm
khuyết trong quá trình chế tạo sợi. Ngoài ra, do thuỷ tinh
được tạo ra từ các loại oxit như: SiO2, GeO2, P2O5 nên có
thể xảy ra sự thay đổi thành phần giữa chúng. Hai yếu tố này

làm tăng sự thay đổi chiết suất, tạo ra tán xạ. Tán xạ tuyến
tính làm cho năng lượng quang từ một mốt lan truyền được
truyền tuyến tính (tỉ lệ thuận với công suất mốt) sang một
mốt khác. Quá trình này làm suy hao công suất quang được
truyền đi vì công suất được truyền sang một mốt rò hay mốt
bức xạ (leaky or radiation mode) là những mốt không tiếp tục
lan truyền trong lõi sợi quang mà bức xạ ra khỏi sợi. Tán xạ
tuyến tính sẽ không làm thay đổi tần số tán xạ. Tán xạ tuyến
tính thường được phân thành hai loại: tán xạ Rayleigh và tán
xạ Mie.

2.1.3

Suy hao do uốn cong
Suy hao của sợi quang một cách tổng quát được phân
làm hai loại: suy hao bên trong và suy hao bên ngoài. Suy
hao bên trong (gồm suy hao hấp thụ, suy hao do tán xạ
mà ta đã xét ở trên) thuộc về bản chất của sợi quang do
quá trình chế tạo, công nghệ chế tạo mà ra. Suy hao bên
ngoài không thuộc về bản chất của sợi, là suy hao do uốn
cong khi vận hành, sử dụng sợi trên thực tế.
Suy hao uốn cong gồm có hai loại:
- Uốn cong vi mô: là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên,
trường hợp này thường xảy ra khi sợi được bọc thành cáp.
- Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong lớn hơn
hoặc tương đương đường kính sợi.
Khi ánh sáng tới chổ sợi quang bị uốn cong, một phần
ánh sáng sẽ ra ngoài lớp bọc. Sợi bị uốn cong ít, chỉ một
phần nhỏ ánh sáng lọt ra ngoài. Sợi càng bị uốn cong suy
hao càng tăng.

2.1.4

Suy hao và dải thông
5


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
Dải thông có thể được xác định bằng Δλ hoặc Δf. Chúng
liên hệ với nhau bởi phương trình:
Phương trình này có thể rút ra từ quan hệ f = c/λ. Xét các
bước sóng 1.3 và 1.5 µm, đây là các bước sóng cơ bản của hệ
thống thông tin quang ngày nay, dải thông hữu ích có thể
được tính dựa trên suy hao dB trên km trong hệ số 2, được
xấp xỉ 80 nm ở bước sóng 1.3 µm và 180 nm ở bước sóng
1.55 µm. Trong tần số quang, dải thông này lên đến khoảng
35000 GHz. Ðây là một dải thông rất lớn, trong khi đó tốc độ
bit cần cho các ứng dụng ngày nay không vượt quá vài chục
Mbps.
Dải thông hiệu dụng của sợi quang trong hầu hết các mạng
đường dài ngày nay bị giới hạn bởi dải thông bộ khuếch đại
EDFA (Erbium Dope Fiber Amplifier). Dựa vào khả năng sẵn có
của bộ khuếch đại, suy hao ở bước sóng λ = 1.55 µm được
chia làm ba vùng. Vùng ở giữa từ 1530-1565nm là dải C nơi
mà hệ thống WDM đã hoạt động sử dụng bộ khuếch đại EDFA
thông thường (Conventional). Dải từ 1565-1625 nm, chứa
các bước sóng dài hơn trong dải C, được gọi là dải L và được
sử dụng trong các hệ thống WDM dung lượng cao ngày nay
sử dụng bộ khuếch đại GSEDA (Gain-Shifred Erbium-Doped
Amplifier). Dải dưới 1530 nm, gồm những bước sóng ngắn

hơn dải C, được gọi là dải S. Bộ khuếch đại quang sợi
Raman (Fiber-Raman Amplifier) được sử dụng để khuếch đại
dải này.
2.2

Tán sắc
2.2.1 Tán sắc mode
Nguyên nhân:
Khi phóng ánh sáng vào sợi đa mode, năng lượng ánh
sáng phân thành nhiều mode. Mỗi mode lan truyền với vận
tốc nhóm khác nhau nên thời gian lan truyền của chúng
trong sợi khác nhau. Chính sự khác nhau về thời gian lan
truyền của các mode gây ra tán sắc mode.
Xác định độ tán sắc mode của sợi đa mode SI :
Trong sợi đa mode SI, mọi tia sáng đi với cùng một vận tốc:

v=
6


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
2.2.2 Tán sắc vật liệu
Nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu: do sự chênh lệch
các vận tốc nhóm của các thành phần phổ khác nhau trong
sợi. Nó xảy ra khi vận tốc pha của một sóng phẳng lan truyền
trong môi trường điện môi biến đổi không tuyến tính với bước
sóng, và một vật liệu được gọi là tồn tại tán sắc chất liệu khi
đạo hàm bậc hai của chiết suất theo bước sóng khác không ().
Ðộ trải rộng xung do tán sắc vật liệu có thể thu được bằng
cách khảo sát thời gian trễ nhóm trong sợi quang.

2.2.3 Tán sắc ống dẫn sóng
Ðối với sợi đơn mode, khi nói đến tán sắc sắc thể, ngoài
tán sắc vật liệu ta còn phải xét đến tán sắc ống dẫn sóng. Khi
ánh sáng được ghép vào sợi quang để truyền đi, một phần
chính truyền trong phần lõi sợi, phần nhỏ truyền trong phần lớp
vỏ với những vận tốc khác nhau do chiết suất trong phần lõi và
vỏ của sợi quang khác nhau, minh họa trên hình 2.31. Sự khác
biệt vận tốc truyền ánh sáng gây nên tán sắc ống dẫn sóng. Tán
sắc ống dẫn sóng Dwg() cũng là một hàm theo bước sóng.
2.2.4 Tán sắc phân cực mode
Mặc dù ta gọi sợi quang là đơn mốt nhưng trên thực
tế nó luôn truyền 2 mốt sóng được gọi chung cùng một tên.
Các mốt này là các sóng điện từ được phân cực tuyến tính
truyền trong sợi quang trong những mặt phẳng vuông góc với
nhau. Nếu chiết suất của sợi quang là không như nhau trên
phương truyền của hai mốt trên, hiện tượng tán sắc phân cực
mốt xảy ra. Trên thực tế, hằng số lan truyền của mỗi phân cực
thay đổi theo chiều dài sợi quang cho nên thời gian trễ trên
mỗi đoạn sợi quang là ngẫu nhiên và có xu hướng khử lẫn
nhau. Do đó tán sắc phân cực mốt tỉ lệ tuyến tính với căn bậc
2 chiều dài sợi quang.
2.3 Các hiệu ứng phi tuyến
Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của
nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất). Các hiện
tượng phi tuyến có thể bỏ qua đối với các hệ thống thông tin
quang hoạt động ở mức công suất vừa phải (vài mW) với tốc
độ bit lên đến 2.5 Gbps. Tuy nhiên, ở tốc độ bit cao hơn như
7

TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
10 Gbps và cao hơn và/hay ở mức công suất truyền dẫn lớn,
việc xét các hiệu ứng phi tuyến là rất quan trọng. Trong các
hệ thống WDM, các hiệu ứng phi tuyến có thể trở nên quan
trọng thậm chí ở công suất và tốc độ bit vừa phải.
Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia ra làm hai loại. Loại
thứ nhất phát sinh do tác động qua lại giữa các sóng ánh
sáng với các phonon (rung động phân tử) trong môi trường
silica- một trong nhiều loại hiệu ứng tán xạ mà chúng ta đã
xem xét là tán xạ Rayleigh. Hai hiệu ứng chính trong loại
này là tán xạ do kích thích Brillouin (SBS) và tán xạ do kích
thích Raman (SRS).
Loại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào
cường độ điện trường hoạt động, tỉ lệ với bình phương biên
độ điện trường. Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng trong
loại này là hiệu ứng tự điều pha (SPM - Self-Phase
Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - CrossPhase Modulation) và hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM Four-Wave Mixing). Loại hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng
Kerr.
Trong các hiệu ứng tán xạ phi tuyến, năng lượng từ một
sóng ánh sáng được chuyển sang một sóng ánh sáng khác có
bước sóng dài hơn (hoặc năng lượng thấp hơn). Năng lượng
mất đi bị hấp thụ bởi các dao động phân tử hoặc các phonon
(loại phonon liên quan đến sự khác nhau giữa SBS và SRS).
Sóng thứ hai được gọi là sóng Stokes. Sóng thứ nhất có thể
gọi là sóng bơm (Pump) gây ra sự khuếch đại sóng Stokes.
Khi sóng bơm truyền trong sợi quang, nó bị mất năng lượng
và sóng Stokes nhận thêm năng lượng. Trong trường hợp
SBS, sóng bơm là sóng tín hiệu và sóng Stokes là sóng không
mong muốn được tạo ra do quá trình tán xạ. Trong trường hợp
SRS, sóng bơm là sóng có năng lượng cao và sóng Stokes là

sóng tín hiệu được khuếch đại từ sóng bơm.
Trong trường hợp tự điều pha SPM, các xung truyền bị
hiện tượng chirp (tần số xung truyền đi thay đổi theo thời
gian). Ðiều này làm cho hệ số chirp (chirped factor) trở nên
đáng kể ở các mức năng lượng cao. Sự có mặt của hiện
tượng chirp làm cho hiệu ứng giãn xung do tán sắc màu tăng
8


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
lên. Do vậy, chirp xảy ra do SPM (SPM induced chirp) có thể
gây tăng độ giãn xung do tán sắc màu trong hệ thống. Ðối
với các hệ thống tốc độ bit cao, chirp do SPM có thể làm
tăng một cách đáng kể độ giãn xung do tán sắc màu thậm
chí ở các mức công suất vừa phải. Ảnh hưởng của SPM
không chỉ phụ thuộc vào dấu tham số GVD (Group Velocity
Dispersion) mà còn phụ thuộc vào chiều dài của hệ thống.
Trong hệ thống WDM đa kênh, chirp xảy ra trong một kênh
phụ thuộc vào sự thay đổi chiết suất theo cường độ của các
kênh khác. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điều chế
xuyên pha (CPM - Cross-Phase Modulation). Khi xem xét hiện
tượng chirp trong một kênh do sự thay đổi chiết suất theo
cường độ của chính kênh đó, ta gọi là hiệu ứng này SPM.
Trong các hệ thống WDM, một hiệu ứng quan trọng khác
đó là hiệu ứng trộn bốn bước sóng. Nếu hệ thống WDM bao
gồm các tần số f1, f2, …, fn, hiệu ứng trộn bốn bước sóng
sinh ra các tín hiệu tại các tần số như là 2fi - fj, và fi + fj fk. Các tín hiệu mới này gây ra xuyên kênh (crosstalk) với
các tín hiệu có sẵn hệ thống. Xuyên kênh này ảnh hưởng đặc
biệt nghiêm trọng khi khoảng cách giữa các kênh hẹp. Việc
giảm tán sắc màu làm tăng xuyên kênh gây ra bởi hiệu ứng

trộn bốn bước sóng. Vì vậy, hệ thống sử dụng sợi quang dịch
chuyển tán sắc chịu ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn bước
sóng nhiều hơn là hệ thống sử dụng sợi đơn mốt. Tuy nhiên
hiện tượng này có thể loại bỏ nếu duy trì một ít tán sắc màu
trong sợi quang.
Nhìn chung các ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến
giảm đi khi sử dụng sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn.

CHƯƠNG II. CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA NGUỒN QUANG
1.Đặc tuyến P-I của nguồn quang
9


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
Công suất phát quang là công suất tổng cộng mà nguồn
quang phát ra. Công suất phát quang của nguồn quang thay
đổi theo dòng điện kích thích và được biểu diễn bằng đặc
tuyến P-I.

Hình 2.1 Đặc tuyến P-I của 3 loại nguồn quang: SLED, ELED
và Laser
Đặc tuyến P-I của 3 loại nguồn quang SLED, ELED và Laser
trên hình 2.1 cho thấy:
Laser chỉ hoạt động ở chế độ phát xạ kích thích khi dòng
điện kích thích lớn hơn dòng điện ngưỡng Ith.
So với LED, Laser có công suất phát quang lớn hơn với
cùng một dòng điện kích thích (với điều kiện I>Ith).
SLED có công suất phát quang lớn hơn ELED với cùng một
dòng điện kích thích. Tuy nhiên, điều này chưa quyết định
ánh sáng truyền trong sợi quang do loại nguồn quang nào

phát ra thì lớn hơn vì còn phụ thuộc vào hiệu suất ghép
quang.
Yêu cầu đối với một nguồn quang lý tưởng là đặc tuyến
P-I phải là đường thẳng, tức là công suất phát quang và
dòng điện kích thích phải có quan hệ tuyến tính. Khi đó, tín
hiệu ánh sáng do nguồn quang được tạo ra không bị méo
dạng so với tín hiệu điện. Tuy nhiên, trên thực tế sự tuyến
tính trong đặc tuyến P-I chỉ xảy ra tương đối trong một
10


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
khoảng dòng điện kích thích.
2.Góc phát quang
Công suất ánh sáng do nguồn quang phát ra cực đại ở
trục phát và giảm dần theo góc hợp với trục. Góc phát quang
được xác định ở mức công suất quang giảm một nữa (3dB) so
với mức cực đại.

Hình 2.2 Góc phát quang của SLED, ELED và Laser
Hình 2.2 cho thấy, SLED phát ra ánh sáng có dạng
Lambertian, nghĩa là phân bố công suất phát quang có
dạng:
P = . cos
với là góc giữa hướng quan sát và trục vuông góc với mặt
phát xạ. Như vậy, một nữa mức công suất đỉnh đạt được
với =60o. Mặt bao của góc phát quang của SLED có dạng
hình nón 120o.
11

TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
Góc phát quang của ELED chỉ có dạng Lambertian theo
hướng song song với lớp tích cực (2=120o). Ở hướng
vuông góc với lớp tích cực, góc phát quang giảm đi chỉ còn
30o. Như vậy, góc phát quang của ELED nhỏ hơn so với
SLED.
Ánh sáng laser phát ra không có dạng Lambertian. Thay
vào đó, mặt bao góc phát quang của Laser có mặt nón có
đáy hình elip với:
- Góc

theo phương ngang với lớp tích cực: 10o

- Góc

theo phương vuông góc với lớp tích cực: 30o

So với LED, Laser có góc phát quang nhỏ, đồng thời công
suất phát quang lớn, do đó mật độ năng lượng ánh sáng do
laser phát ra lớn rất nhiều so với LED. Năng lượng ánh sáng
được tập trung. Vì vậy, cường độ ánh sáng do laser phát ra rất
mạnh có thể gây hại mắt. Do đó, các cảnh báo nguy hiểm của
ánh sáng laser phải được thực hiện tại các thiết bị quang có
nguồn phát laser.
3. Hiệu suất ghép quang
Hiệu suất ghép quang là tỷ số giữa công suất quang ghép
vào sợi quang Popt trên công suất phát quang của nguồn
quang

Hiệu suất ghép quang phụ thuộc vào:
-

Kích thước vùng phát quang

-

Góc phát quang của nguồn quang

-

Góc thu nhận (hay NA) của sợi quang

-

Vị trí tương đối giữa nguồn quang và sợi quang

-

Bước sóng ánh sáng

12


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG

Hình 2.3 Ghép ánh sáng từ nguồn quang vào trong sợi quang
Hiệu suất ghép quang của một số loại nguồn
quang:
- SLED: 1-5%

- ELED: 5-15%
- Laser: + 60% đối với sợi quang đơn mode (SMF)
+ 90% đối với sợi quang đa mode (MMF)
So sánh hiệu suất ghép quang giữa SLED và ELED, ta thấy
rằng, dù SLED có công suất phát quang lớn hơn so với ELED
nhưng do hiệu suất ghép quang thấp nên công suất ánh
sáng thực sự có ích (công suất ánh sáng truyền trong sợi
quang) thấp hơn so với ELED.
4.Độ rộng phổ
Nguồn quang phát ra công suất cực đại ở bước sóng
trung tâm và giảm dần về hai phía. Độ rộng phổ là khoảng
bước sóng mà công suất quang không nhỏ hơn phân nữa
mức công suất đỉnh
Độ rộng phổ của nguồn quang là một nguyên nhân gây nên
tán sắc trong sợi quang, nhất là đối với các sợi quang đơn
mode. Tán sắc lớn sẽ làm hạn chế cự ly và tốc độ bit truyền
của tín hiệu quang trong sợi quang. Do đó, yêu cầu về nguồn
quang laser đơn tần (single frequency laser) có độ rộng phổ
hẹp là rất cần thiết để tăng chất lượng của hệ thống thông tin
quang.
Với độ rộng phổ lớn (50-60nm), LED thường chỉ được sử
dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng sợi
quang đa mode, cự ly truyền dẫn ngắn và tốc độ bit truyền
13


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
thấp.
Với đặc tính của một laser đa mode MLM có độ rộng phổ
từ 2-4nm, laser Fabry Perot được sử dụng trong các hệ

thống truyền dẫn quang SDH, sử dụng sợi quang SMF
(G.652), truyền tại bước sóng 1310nm. Do tại bước sóng
1310nm, tán sắc sắc thể đơn vị của sợi quang SMF bằng
không nên yêu cầu về độ rộng phổ của nguồn quang
không nghiêm ngặt lắm. Tuy nhiên, khi truyền ánh sáng
tại bước sóng 1550nm (có suy hao thấp nhất đối với sợi
quang bằng thủy tinh) tán sắc sắc thể của sợi SMF khá lớn
(20ps/nm.km), tín hiệu quang phát ra từ nguồn quang phải
đơn mode và có độ độ rộng phổ rất hẹp. Ngoài ra, trong
trong các hệ thống ghép kênh đa bước sóng WDM, với
khoảng cách các kênh 50GHz (ITU G.694) độ rộng phổ yêu
cầu đối với một nguồn quang phải nhỏ hơn 0.1nm. Laser
Fabry-Perot không đáp ứng được các yêu cầu này. Do đó,
trong các hệ thống truyền dẫn quang có cự ly dài và dung
lượng truyền lớn hiện nay, người ta không sử dụng laser
Fabry-Perot. Thay vào đó là các nguồn quang bán dẫn đơn
mode (SLM – Single Longitudinal Mode) có độ rộng phổ nhỏ
như laser hồi tiếp phân bố (DFB), laser hốc cộng hưởng
ghép …
4.1 Thời gian lên (rise time)
Thời gian lên là thời gian để công suất quang ở ngõ ra
của nguồn quang tăng từ 10% đến 90% mức công suất ổn
định khi có xung dòng điện kích thích nguồn quang
Thời gian lên ảnh hưởng đến tốc độ bit của tín hiệu điều
chế. Muốn điều chế ở tốc độ bit càng cao thì nguồn quang
phải có thời gian chuyển càng nhanh. Thời gian chuyển
của Laser (không quá 1 ns) rất nhanh so với LED (2–50 ns
tùy loại). Do đó, laser thường được sử dụng làm nguồn
quang trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao.
4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi nhiệt độ thay đổi, chất lượng của nguồn quang bị ảnh
hưởng. Nó làm thay đổi các tính chất của nguồn quang như
bước sóng phát quang và công suất phát quang. Ảnh hưởng
14


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
của nhiệt độ xảy nhiều hơn với laser hơn là LED.
Bước sóng phát quang thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Đối
với laser đơn mode, độ dịch chuyển mode thay đổi trong
khoảng 0.05 – 0.08 nm/oK suy ra ảnh hưởng lớn đến hệ thống
truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo bước sóng
(WDM) khi các laser đơn mode được sử dụng làm nguồn
quang.
Dòng ngưỡng của Laser thay đổi khi nhiệt độ thay đổi (hình
3.28). Khi nhiệt độ tăng, giá trị của dòng ngưỡng tăng. Do đó,
nếu dòng điện phân cực cho laser không đổi, khi nhiệt độ
tăng, công suất phát quang của laser giảm (theo đặc tuyến
P-I của laser). Laser có thể không hoạt động được nếu dòng
điện cung cấp nhỏ hơn dòng điện ngưỡng tăng lên do nhiệt
độ tăng.

Hình 2.4 Dòng điện ngưỡng Ith của laser thay đổi khi nhiệt
độ thay đổi
Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của mật độ dòng điện ngưỡng có
thể được biểu diễn gần đúng như sau:
Jth exp (T/)
Trong đó, T là nhiệt độ tuyệt đối của linh kiện, là hệ số
nhiệt độ nguỡng cho biết ảnh hưởng của nhiệt đối với dòng
ngưỡng. sự phụ thuộc vào chất lượng của laser, cấu trúc

của laser và loại vật liệu chế tạo.
15


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
Đối với laser được chế tạo bởi AlGaAs, nằm trong khoảng từ
120 -190oK,
Đối với laser được chế tạo bởi InGaAsP, nằm trong khoảng
từ 40 - 75oK,
Ví dụ: So sánh tỷ số mật độ dòng điện ngưỡng tại 20oC và
80oC đối với laser AlGaAs có To = 160oK và laser InGaAsP có
To = 55oK
Đối với laser AlGaAs:
Jth (200C) exp (293/160) = 6,24
Jth (800C) exp (353/160) = 9,08
Vậy tỷ số mật độ dòng điện ngưỡng
20oC và 80oC là:
Jth (800C)/Jth (200C) = 9,08/6,24 = 1,46
Đối với laser InGaAsP:
Jth (200C) exp (293/55) = 205,88
Jth (800C) exp (353/55) = 612,89
Vậy tỷ số mật độ dòng điện ngưỡng 20oC và 80oC là:
Jth (800C)/Jth (200C) = 612,89/205,88 = 2,98
So sánh hai trường hợp ta thấy, nhiệt độ ảnh hưởng
nhiều đối với các laser được chế tạo bằng InGaAsP (đuợc sử
dụng trong các laser phát ra ánh sáng có bước sóng dài
nằm trong hai cửa sổ bước sóng 1300nm và 1550nm) so
với các laser được chế tạo bằng AlGaAs (đuợc sử dụng
trong các laser phát ra ánh sáng nằm trong cửa sổ bước
sóng 850nm)

Do vậy, cần phải ổn định nhiệt cho Laser. Trong thực tế,
laser thường được chế tạo dưới dạng module, bao gồm các
thành phần ổn định nhiệt cho Laser.

16


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG III:BỘ TÁCH SÓNG QUANG
1.Bộ tách sóng photo diode PIN
- Đây là bộ tách sóng quang được sử dụng rộng rãi nhất. Một
photo diode thông thường có cấu trúc gồm các vùng p và n cách
nhau bởi một vùng i. Để thiết bị hoạt động thì phải cấp một thiên
áp ngược cho nó. Trong chế độ hoạt động bình thường, thiên áp
ngược đủ lớn được đặt cắt ngang thiết bị để cho vùng bên trong
đảm bảo hoàn toàn trôi được các hạt mang.
- Do cấu trúc cơ bản bên trong của nó, lớp i nằm ở giữa có trở
kháng cao và hầu hết điện áp đặt vào phần ngang của nó. Kết
quả là có một điện trường lớn tồn tại trong lớp i. Khi có một
photon đi tới mà mang một năng lượng lớn hơn (hoặc bằng) với
năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo photo
diode, photon này có thể bỏ ra năng lượng của nó và kích thích
một điện tử vùng hóa trị sang vùng dẫn. Qúa trình này sẽ phát ra
17


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
các cặp điện tử-lỗ trống tự do, các cặp này chủ yếu được phát ra
trong vùng trôi và được gọi là các hạt mang photo hoắc các hạt

điện tử photo.
- Sự phát ánh sang được hấp thụ trong vật liệu tương ứng với
một hàm mũ sau đây:
P(x) = (1 - )
Trong đó:
là hệ số hấp thụ tại bước sóng .
là mức công suất quang tới photo diode.
P(x) là công suất quang được hấp thụ ở cự ly x.
Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào một vài loại vật liệu bán dẫn
thường được sử dụng để chế tạo photo diode. Bước sóng cắt phía
trên mà tại đó bằng không được gọi là bước song cắt, từ đó vật
liêu có thể sử dụng cho bộ tách sóng khi . Bước sóng cắt trên
được xác định từ năng lượng dải cấm của vật liệu. Khi được diễn
giải bằng đơn vị Vôn (Ev) và được tính bằng micromet m) thì ta
có :
= =
Với c là vận tốc ánh sáng, h là hằng số Planck. Bước sóng cắt
của Si vào khoảng 1.06 m và của Ge khoảng 1.6 m. Đối với bước
sóng dài hơn, năng lượng của photon không đủ để kích thích điện
tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn. Đối với bước sóng ngắn hơn,
đáp ứng của photo sẽ cắt xuống vì thế giá trị của tại bước sóng
ngắn hơn là rất lớn. Trong trường hợp này các photo diode được
hấp thụ rất gần với bề mặt của bộ tách sóng quang, nơi mà thời
gian tái hợp của các cặp điện tử-lỗ trống là rất ngắn.
Nếu như vùng trôi có độ rộng w, công suất tổng được hấp thụ ở
cự ly w sẽ là :
Khi tính đến sự phản xạ của tại lối vào bề mặt photo diode,
dòng
photo ban đầu có từ sự hấp thụ công suất ở công thức 2.3
được viết như sau :

e: là điện tích điện tử ; hv là là năng lượng photon, h = 6.625
Js là hằng số Planck, và v là tần số của sóng ánh sáng.

18


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
Khi nói đến các tham số của photo diode, có hai tham số rất
quan trọng phải kể đến. Thứ nhất mỗi photo diode có một hiệu
suất lượng tử của nó.

Tham số thứ hai là hệ số chuyển đổi dòng photo R còn gọi là
đáp ứng R. Đặc tính của photo diode được đặc trưng bởi đáp ứng
R này :

Cả hiệu suất lượng tử và R đều phụ thuộc vào dải cấm vật liệu,
bước sóng công tác, độ dày của các vùng p,n,i của photo diode.
Khi thiết bị có vùng trôi đủ dày, hiệu suất lượng tử của nó sẽ cao.
Tuy nhiên vùng trôi càng dày thì các hạt mang photo phát ra
càng phải cần tới thời gian trôi dài hơn ngang qua tiếp giáp phân
cực ngược. Vì thì gian trôi của các hạt mang xác định tốc độ đáp
ứng của photo diode, nên cần phải dung hòa giữa hiệu suất lượng
tử và tốc độ đáp ứng.
Đặc tính của các photo diode PIN có thể được cải thiện đáng kể
bằng cấu trúc dị thể kép. Tương tự như cấu trúc của laser LD 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 chỉ được hấp thụ
trong lớp i. Cấu trúc photo diode kiểu này thường sử dụng InGaAs
làm lớp giữa và InP làm lớp p và n bao quanh. Lớp InGaAs ở giữa

sẽ hấp thụ mạnh bước sóng ở cùng 1.3-1.6 m. Mặt trước thường
được phủ bằng lớp cách điện phù hợp để giảm phản xạ tới mức
nhỏ nhất. Hiệu suất lượng tử hầu hết là đạt được gần như 100%
từ InGaAs tới độ dày 4-5m. Các photo diode sử dụng InGaAs là
hoàn toàn phù hợp cho cá bộ thu quang thực tế trong hệ thống
thông tin quang.

19


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG

Hình 3.1: Hiệu suất lượng tử và đáp ứng là các hàm số của
bước sóng với các vật liệu làm photo diode khác nhau.

Bảng 3.1 : Các đặc tính của cá photo diode PIN tiêu biểu
2.Thời gian đáp ứng và dòng photo vùng trôi của bộ tách
sóng quang
2.1 Thời gian đáp ứng
- Thời gian đáp ứng là một yếu tố quan trọng của bộ tách
sóng quang để xác đinh khả năng làm việc của bộ thu quang với
các tốc độ khác nhau của hệ thống truyền dẫn. Thời gian đáp ứng
của photo diode cùng với các mạch điện đầu ra của nó phụ thuộc
chủ yếu vào 3 yếu tố sau :
20


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
+ Thời gian chuyển dịch của các hạt mang photo trong
vùng trôi

+ Thời gian khuếch tán các hạt mang photo được phát
ra bên ngoài vùng trôi.
+ Hằng số thời gian RC cảu photo diode và các mạch
điện liên quan của nó.
Các tham số có liên quan của photo diode đối với các tham số
này là hệ số hấp thụ , độ rộng vùng trôi w, các điện dung tiếp
giáp photo diode và dòng vỏ, điện dung khuếch đại điện, điện trở
tải bộ tách song, điện trở đầu vào bộ khuếch đại, điện trở nối tiếp
của photo diode. 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.
2.2 Dòng photo vùng trôi
Khi thảo luận về bộ tách sóng quang, photo diode phải thu
tín hiệu quang rất yếu để biến đổi nó thành tín hiệu điện. Tín hiệu
quang đi vào thiết bị thông qua lớp p và tạo ra các cặp điện tử-lỗ
trống vì nó được hấp thụ trong vật liệu bán dẫn. Các cặp điện tửlỗ trống ấy mà đã được phát trong vùng trôi hoặc độ dài khuếch
tán của nó, sẽ được phân cách bởi môi trường điện áp ngược, từ
đó dẫn đến dòng điện chảy trong mạch ngoài vì có sự trôi hạt
mang ngang qua vùng trôi.
Vì các hạt mang điện tích chảy qua vật liệu, một số các cặp
điện tử lỗ trống sẽ tái hợp và rồi biến mất. Trung bình các hạt
mang điện sẽ chuyển động với một cự ly là Ln đối với các điện tử
và Lp đối với các lỗ trống. Cự ly này được gọi là độ dài khuếch
tán. Thời gian để hoàn thành sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống
gọi là tuổi thọ của hạt mang. Các tuổi thọ và độ dài khuếch tán
có mối quan hệ như sau :
Ln =
; Lp =
Với và tương ứng là các hệ số khuếch tán điện tử và lỗ trống,
được diễn giải bằng đơn vị centimeter bình phương trên giây.Ở cá

điều kiện trạng thái bền vững, mật độ dòng điện chảy qua vung
trôi là: = +
Với là mật độ dòng trôi sinh ra từ các hạt mang ở bên trong
vùng trôi, và là mật độ dòng khuếch tán có từ các hạt mang
được tạo ra ở ngoài vùng trôi trong khối bán dẫn (trong các vùng
p,n) và các khuếch tán vào tiếp giáp phân cực ngược. Vì lớp p bề
mặt của photo diode PIN thường là rất mỏng, dòng khuếch tán
21


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
được xác định chủ yếu bởi sự khuếch tán lỗ trống từ vùng n. Cuối
cùng G. Keiser đã đưa ra kết quả như sau :

Với là mật độ lỗ trống cân bằng. Số hạng có liên quan thường
làm hỏ để dòng photo được phát ra tỷ lệ với dòng photon .
3. Photo diode thác APD
Tất cả các bộ tách sóng luôn đòi hỏi một dòng tối thiểu nào
đó để hoạt động một cách tin cậy. Dòng này được chuyển thành
công suất tối thiểu thông qua quan hệ = /R. Vì vậy các bộ tách
sóng quang có đáp ứng R lớn và cần thiết vì chúng yêu cầu một
công suất quang nhỏ hơn là đủ. Chúng ta biết rằng các photo
diode PIN, vì nó được thiết kế để cho ra sự khuếch đại dòng bên
trong. Sau khi biến đổi các photo thành các điện tử photo, nó
khuếch đaih ngay dòng photo ở bên trong nó trước khi dòng này
đi vào mạch khuếch đại điện tiếp theo 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 tăng dần năng
lượng tới mức đủ lớn đẻ ion hóa các điện tử xung quanh do va
chạm với chúng. Các điện tử xung quanh được đẩy từ vùng hóa

trị tới vùng dẫn, rồi tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống mới sẵn sàng
dẫn điện.
Cấu trúc của một photo diode thác APD thông dụng có thể
mô tả như sau. 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 (loại n pha tạp nặng). Hai vùng cách nhau bởi một
điện trường thấp và một điện trường cao. Đối với Si, chất kích tạp
ở vùng này thường tương ứng là Bo hoặc photpho. Cấu trúc như
vậy thường được gọi là cấu trúc cận xuyên .
Về hoạt động của APD thì có thể hiểu như sau. Khi có một
thiên áp phân cực ngược nhỏ đặt vào APD, hầu hết các điện thế
rơi ngay qua lớp tiếp giáp . Vùng trôi sẽ mở rộng theo sự tăng dần
của thiên áp cho tới một giá trị điện áp nào đó mà điện trường
đỉnh tại tiếp giáp vào khoảng 5 đến 10% dưới trường điện cần
thiết để gây ra hiệu ứng thác. Tịa thời điểm này, vùng troi chỉ
‘‘cận xuyên ’’ tới vùng tự dẫn.
Từ phân tích trên ta thấy rõ ràng rằng các photo diode thác
đã khuếch đại tại chỗ dòng phôt tín hiệu ban đầu trước khi đi vào
mạch đầu vào của bộ khuếch đại điện. Vì dòng photo diode được
22


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
nhân trước khi nhiễu nhiệt phát sinh ở mạch điện.,cho nên nó làm
tăng độ nhạy thu. Để quá trình nhân hạt mang được xảy ra đúng
lúc, các hạt mang phát ra dòng photo phải đi qua vùng nơi có
điện trương rất cao. Dưới vùng điện trường cao này, một điện tử
được gia tốc có thể đủ năng lượng để phát ra các cặp điện tử-lỗ
trống mới. Điều này có nghĩa rằng nó ion hóa các điện tử bao
quanh trong vùng hóa trị do va chạm với chúng. Cơ chế nhân hạt

mang như vậy được gọi là sự ion hóa do va chạm. Các hạt mang
mới được tạo ra cũng có thể được gia tốc bằng điện trường cao,
khi thu được đủ năng lượng, chúng có thể tạo ra tiếp quá trình ion
hóa và va chạm. Như vậy kết quả thực hiện quá trình ion hóa do
va chạm. có nghĩa rằng, chỉ đơn thuần một điện tử ban đầu được
phát thông qua quá trình hấp thụ photo sữ tạo ra nhiều điện tử và
lỗ trống thứ cấp.

Tham số
Bước
sóng

Đơn vị

Si
0,4-4,1

Ge
0,8-1,8

InGaSa
1,0-1,7

A/W

80-130

3-30

5-20

Hệ
số
nhân M

-

100-500

50-200

10-40

Hệ số k

-

0,7-1,0

0,5-0,7

Dòng tối

nA

0,020,05
01,1-1

50-500

1-5

Thời gian
lên
Băng tần

Ns

01,-2

0,5-0,8

0,1-0,5

GHz

0,2-1

0,4-0,7

1-3

Thiến áp
Vb

V

200-500

20-40

20-30

Đáp ứng
R

Bảng : Các đặc tính của photo diode thác APD
4.Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ tách sóng quang
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR là tham số rất quan trọng
trong bộ tách song quang. Nó xác định chất lượng bộ thu quang
23


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
tương tự và là yếu tố chủ yếu quyết định chất lượng của bộ thu
quang số. Sau khi lan truyền dọc theo sợi quang, mức công suất
tín hiệu quang thường rất yếu tại bộ thu quang. Tín hiệu quang bị
suy hao trong khi lan truyền dọc theo sợi quang. Sợi quang càng
dài thì tín hiệu quang càng bị suy hao nhiều. Vì vậy trong các hệ
thống thông tin quang, các bộ tách song quang được yêu cầu là
phải tách được tín hiệu quang rất yếu. Để có được một bộ thu
quang tốt, bộ tách song quang và các mạch khuếch đại sau nó
phải được kết hợp tối ưu để cho ra được tín hiệu trên nhiễu SNR
cao. Điều này có nghĩa là:
- Bộ tách sóng quang cần có hiệu suất lượng tử cao để phát
ra công suất tín hiệu lớn.
- Nhiễu của bộ tách song quang phảu càng thấp càng tốt.
4.1 Các nguồn nhiễu trong bộ tách sóng quang
* Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng PIN
Các nguỗn nhiễu của bộ tách sóng quang bao gồm nhiễu bộ

tách song sinh ra từ bản chất thống kê của quá trình biến đổi
photon thành điện tử và nhiễu nhiệt có liên quan tới các mạch
khuếch đại bên trong bộ thu. Trong các bộ tách song quang thực
tế, hiệu suất lượng tử của photo diode thường đạt tới giá trị lớn
nhất của nó. Vì thế, các dòng nhiễu là các yếu tố chính xác định
tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ tách song quang trong hệ thống
thông tin quang.
*Các nguồn nhiễu của photo diode thác APD
Đối với bộ tách song APD, các photo diode thực hiện khuếch
đại bên trong dòng tín hiệu ban đầy bằng hệ số nhân M trước khi
đi tới mạch khuếch đại điện phía sau. Đây là nguyên nhân của sự
tang tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong bộ thu quang APD. Nhìn
chung, các bộ thu quang photo diode thác cho ra tỷ số tín hiệu
trên nhiễu cao hơn so với SNR của bộ thu quang PIN với cùng một
công suất quang đầu vào.
4.2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Từ dòng tín hiệu và các dòng nhiễu được xác định như ở trên,
tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của bộ tách sóng photo diode PIN là:
SNR = =
Trên thực tế người ta đã sử dụng sự biến đổi công suất như
là bình phương của dòng điện, vậy thì tỷ số SNR cho bộ thu photo
diode PIN được viết lại là:
=
24


TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG
Trong giới hạn nhiễu nhiệt, là nhỏ hơn nhiều so với ( ), vì vật tỷ
số tín hiệu trên nhiễu nhiệt cho bộ photo diode PIN thu được trở
thành:

=
Còn trong giới hạn nhiễu nhiệt lượng tử, là lớn hơn nhiều ( ),
lúc này ta có:
=
Trong các bộ thu quang thực tế sử dụng bộ tách sóng quang
PIN, nhiễu trội là nhiễu nhiệt . Vì bộ tách sóng có điện trở tải tách
sóng, nó sinh ra dòng nhiễu nhiệt khá lớn để tạo ra nhiễu nhiêt.
Trong nhiều bộ thu quang dòng nhiễu nhiệt hữu dụng lớn gấp 20
lần dòng nhiễu nhiệt lượng tử hiệu dụng, và khoảng 100 lần dòng
tối hữu dụng. Nhiễu dòng tối và dòng rò bề mặt còn có thể được
kết hợp lại và gọi chung là nhiễu dòng tối. Vì vậy ta có thể gọi
thay thế bởi () trong một số các trường hợp để tiện cho việc xem
xét các nguồn nhiễu chung của bộ thu. Ngoài ra nếu việc thiết kế
bộ thu ko được làm cẩn thận, các phần tử tích cực của mạch
khuếch đại có thể tạo ra dòng nhiễ khuếch đại .
Tương tự ta cũng có thể viết tỷ số tín hiệu trên nhiễu cho bộ
tách sóng quang photo diode thac APD.

Như đã phân tích ở phần trước về photo diode PIN, dòng tối
được kết hợp từ () cho nên =2e(), ta viết cho bộ thu quang như
sau:
Trong giới hạn nhiễu nhiệt, là nhỏ hơn nhiều so với ( ), vì vậy tỷ
số tín hiệu trên nhiễu của bộ tách sóng quang photo diode thác
APD thu trở thành:
Và hy vọng được cải thiện so với bộ thu quang PIN. Ngược lại
trong giới hạn nhiễu lượng tử là lớn hơn nhiều ( ), lúc này ta có

Và tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR bị giảm đi so với hệ nhiễu trội
so với bộ photo diode PIN.

25