Nâng cao tốc độ tuyến bằng cách tăng tốc độ tín hiệu quang

o¶ng 14 GPa. Trong khi ®ã sîi thÐp chÞu 20 GPa. Sù kh¸c nhau ®ã lµ do tÝnh kh«ng thÓ co gi·n ®­îc cña sîi thñy tinh so víi sîi kim lo¹i, khi tíi ng­ìng g©y ®øt, sîi thñy tin cã thÓ gi¶m mét l­îng kh«ng ®¸ng kÓ kho¶ng 1% tr­íc khi bÞ kÐo ®øt. Trªn thùc tÕ, sù tån t¹i nh÷ng tËp trung øng suÊt ë bÒ mÆt cña c¸c vÕt nøc hoÆc vÕt r¹n sÏ giíi h¹n ®é dµi trung b×nh cña c¸c sîi quang dµi n»m trong kho¶ng 700 ®Õn 3500 MPa. Lùc g·y nøt cña ®é dµi sîi ®· cho ®­îc x¸c ®Þnh dùa vµo kÝch cì vµ cÊu tróc h×nh häc cña vÕt nøt nghiªm träng nhÊt trªn sîi. VÝ dô mét kiÓu vÕt nøt c¬ häc sau, nã cã d¹ng h×nh elip nh­ vËy quy vÒ d¹ng chung cã tªn lµ vÕt r¹n Griffich. NÕu gäi ®é réng vÕt nøt lµ W, ®é s©u lµ X vµ b¸n kÝnh ®Çu mót lµ d th× søc bÒn cña vÕt r¹n sîi thñy tinh cã quan hÖ sau: K = Y. d . ÖX trong ®ã: K: c­êng ®é øng suÊt (®¬n vÞ lµ: megaposcal) X: (mm) Y: h»ng sè Gi¸ trÞ lín nhÊt cña K sÏ phô thuéc vµo thµnh phÇn cña thñy tinh nh­ng dù kiÕn n»m trong d¶i tõ 0,6 ¸ 0,9 MN/Cai3P B¸n kÝnh ®Çu W x mót 0 øng suÊt d H×nh 2-7.MÉu gi¶ ®Þnh vÒ vÕt r¹n nøt trªn sîi dÉn quang Nh×n chung, trªn sîi dÉn quang cã chøa nhiÒu vÕt r¹n nøt cã sù ph©n bè ngÉu nhiªn cho nªn lùc g·y ®øt ph¶i ®­îc x¸c ®Þnh theo thèng kª. NÕu gäi F(d,L) lµ x¸c suÊt tÝch lòy, L lµ chiÒu dµi sîi bÞ giíi h¹n d­íi mét øng suÊt d, vµ gi¶ thiÕt r»ng c¸c vÕt nøt lµ ®éc lËp ®­îc ph©n bè ngÉu nhiªn trªn sîi dÉn quang vµ sù g·y ®øt sÏ x¶y ra ë vÕt nøt nghiªm träng nhÊt, th× ta cã: F(d,L) = 1 - e-LN(d) víi N(d) sè tÝch lòy c¸c vÕt nøt trªn mét ®¬n vÞ ®é dµi cã mét søc bÒn nhá h¬n d. Ng­îc l¹i, ®é mái l¹i liªn quan ®Õn sù lín dÇn cña c¸c vÕt nøt cã trªn sîi dÉn quang d­íi t¸c ®éng cña ®é Èm vµ øng suÊt c¨ng. Sù lín dÇn cña vÕt nøt lµm cho sîi bÞ ®øt ë mét øng suÊt thÊp kÐm so víi øng suÊt dïng ®Ó kiÓm tra ®é bÒn cña sîi. VÕt nøt nh­ vÝ dô trªn sÏ c¾t th«ng qua sîi d©y do sù ¨n mßn cña vËt liÖu sîi t¹i ®Çu mót vÕt nøt. Nguyªn nh©n thø nhÊt lµ sù xuÊt hiÖn cña n­íc tõ m«i tr­êng ngoµi x©m nhËp vµo, nã lµm gi¶m sù liªn kÕt ph©n tö SiO2 trong thuû tinh. Tèc ®é cña ph¶n øng sÏ t¨ng khi sîi chÞu sù t¸c ®éng cña øng suÊt ®Æt vµo nã. Nh­ng theo thùc nghiÖm th× sù mái tÜnh häc sÏ kh«ng x¶y ra nÕu nh­ møc øng xuÊt nhá h¬n xÊp xØ 0,20 søc bÒn. Trong thùc tÕ c¸c lo¹i vá bäc dïng trong sîi dÉn quang hiÖn nay cã kh¶ n¨ng ®Ó b¶o vÖ chèng lai sù ¨n mßn cña m«i tr­êng ngoµi, mét yÕu tè quan träng n÷a lµ ®é mái ®éng. Khi c¸c sîi d©y quang ®Æt vµo trong ®­êng èng c¸p ,nã ph¶i chÞu øng xuÊt lÆp ®i lÆp l¹i do t¸c ®éng cña d©y c¸p lªn. C¸p bÞ d©ng lµ do nh÷ng cä s¸t gi÷ c¸p vµ ®­êng èng hoÆc dông cô dÉn c¸p trong c¸c bÓ c¸p ë c¸c tuyÕn c¸p ®i l­în vßng. C¸p treo còng chÞu c¸c øng xuÊt t¨ng lªn do c¸c t¸c ®éng cña giã . VËt liÖu chÕ t¹o sîi quang bao gåm c¸c lo¹i sau : - Sîi thuû tinh :Chñ yÕu dïng dioxit Silic (SiO2). - Sîi thuû tinh Halogen :Lµ thuû tinh thuéc hä Halogen tõ c¸c nguyªn tè nhãm VII cña b¶ng hÖ thèng tuÇn hoµn . - Sîi thuû tinh tÝch cùc :Lµ sù kÕt hîp c¸c nguyªn tè ®Êt hiÕm vµo sîi thô ®éng b×nh th­êng thuû tinh: - C¸c lo¹i sîi vá chÊt dÎo :Vá th­êng ®­îc chÕ t¹o tõ hçn hîp P«lime cã chØ sè chiÕt suÊt ho¸ bëi dioxit Silic. - Sîi chÊt dÎo : Lµ lo¹i sîi sîi chiÕt xuÊt ph©n bËc cã lâi vµ vá ph¶n x¹ hoµn toµn ®­îc cÊu t¹o tõ vËt liÖu chÊt dÎo . 6. Suy gi¶m tÝn hiÖu trªn sîi dÉn quang: a. Suy hao do hÊp thô: - Sù hÊp thô cña c¸c t¹p chÊt kim lo¹i: C¸c t¹p chÊt kim lo¹i trong thuû tinh lµ mét trong nh÷ng nguån hÊp thô n¨ng l­îng ¸nh s¸ng. C¸c t¹p chÊt th­êng gÆp lµ S¾t (Fe), §ång (Cu), Mangan (Mn), Chromium (Cr), Cobal (Co), Niken (Ni). Møc ®é hÊp thô cña tõng lo¹i t¹p chÊt phô thuéc vµo nång ®é t¹p chÊt vµ b­íc sãng ¸nh s¸ng truyÒn qua nã. Víi nång ®é t¹p chÊt mét phÇn triÖu (10-6) th× ®é hÊp thô cña vµi t¹p chÊt nh­ trªn. H×nh2-8: §é hÊp thô cña c¸c t¹p chÊt kim lo¹i §Ó cã ®­îc sîi quang cã ®é suy hao d­íi 1 dB/Km cÇn ph¶i cã thuû tinh thËt tinh khiÕt víi nång ®é t¹p chÊt kh«ng qu¸ mét phÇn tØ (10-9). - Sù hÊp thô cña ion OH: Sù cã mÆt cña c¸c ion OH trong sîi quang còng t¹o ra mét ®é suy hao hÊp thô ®¸ng kÓ. §Æc biÖt, ®é hÊp thô t¨ng vät ë c¸c b­íc sãng gÇn 950nm, 1240nm, 1400nm. Nh­ vËy ®é Èm còng lµ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n g©y suy hao cña sîi quang. Trong qu¸ tr×nh chÕ t¹o nång ®é cña c¸c ion OH trong lâi sîi ®­îc gi÷ ë møc d­íi mét phÇn tØ ®Ó gi¶m ®é hÊp thô cña nã. H×nh2-9: §é hÊp thô cña ion OH(víi nång ®é 10-6) - Sù hÊp thô b»ng cùc tÝm vµ hång ngo¹i: Ngay c¶ khi sîi quang vµ thuû tinh cã ®é tinh khiÕt cao sù hÊp thô vÉn x¶y ra. B¶n th©n thuû tinh tinh khiÕt còng hÊp thô ¸nh s¸ng trong vïng cùc tÝm vµ vïng hång ngo¹i. §é hÊp thô thay ®æi theo b­íc sãng, sù hÊp thô trong vïng hång ngo¹i g©y trë ng¹i cho khuynh h­íng sö dông c¸c b­íc sãng dµi trong th«ng tin quang. H×nh2-10: Suy hao hÊp thô vïng cùc tÝm vµ hång ngo¹i b. Suy hao do t¸n x¹ - T¸n x¹ Rayleigh: Nãi chung khi sãng ®iÖn tõ truyÒn trong m«i tr­êng ®iÖn m«i gÆp nh÷ng chç kh«ng ®ång nhÊt sÏ x¶y ra hiÖn t­îng t¸n x¹. Nh÷ng chç kh«ng ®ång nhÊt sÏ x¶y ra hiÖn t­îng t¸n x¹. Nh÷ng chç kh«ng ®ång nhÊt trong sîi quang do c¸ch s¾p xÕp cña c¸c phÇn tö thuû tinh, c¸c khuyÕt tËt cña sîi nh­ bät kh«ng khÝ, c¸c vÕt nøt ... khi kÝch th­íc cña vïng kh«ng ®ång nhÊt vµo kho¶ng mét phÇn m­êi b­íc sãng th× chóng trë thµnh nh÷ng nguån ®iÓm ®Ó t¸n x¹. C¸c tia s¸ng truyÒn qua nh÷ng chç kh«ng ®ång nhÊt nµy sÏ to¶ ra nhiÒu h­íng. ChØ mét phÇn n¨ng l­îng ¸nh s¸ng tiÕp tôc truyÒn theo h­íng cò, phÇn cßn l¹i truyÒn theo h­íng kh¸c, thËm chÝ truyÒn ng­îc vÒ phÝa nguån quang. §é suy hao cña t¸n x¹ Rayleigh tû lÖ nghÞch víi luü thõa bËc 4 cña b­íc sãng (l-4) nªn gi¶m rÊt nhanh vÒ b­íc sãng dµi. ë b­íc sãng 850nm suy hao do t¸n x¹ Rayleigh cña sîi silica kho¶ng 1 ®Õn 2 db/km vµ ë b­íc sãng 1300nm suy hao chØ kho¶ng 0,3db/km. ë b­íc sãng 1550nm suy hao nµy cßn thÊp h¬n n÷a. CÇn l­u ý r»ng t¸n x¹ Rayleigh lµ mét nguyªn nh©n g©y suy hao cho sîi quang nh­ng hiÖn t­îng nµy l¹i ®­îc øng dông ®Ó ®o l­êng trong c¸c m¸y ®o quang déi. H×nh2-11:Suy hao do t¸n x¹ Rayleigh - T¸n x¹ do mÆt ph©n c¸ch gi÷a lâi vµ líp bäc kh«ng hoµn h¶o: Khi tia s¸ng truyÒn ®Õn nh÷ng chç kh«ng hoµn h¶o gi÷a lâi vµ líp bäc tia s¸ng sÏ bÞ t¸n x¹. Lóc ®ã mét tia tíi sÏ cã nhiÒu tia ph¶n x¹ víi c¸c gãc ph¶n x¹ kh¸c nhau. Nh÷ng tia cã gãc ph¶n x¹ nhá h¬n gãc tíi h¹n sÏ khóc x¹ ra líp bäc vµ bÞ suy hao dÇn. c. Suy hao do sîi bÞ uèn cong: - Vi uèn cong: Khi sîi quang bÞ chÌn Ðp t¹o nªn nh÷ng chç uèn cong nhá th× suy hao cña sîi còng t¨ng lªn. Sù suy hao nµy xuÊt hiÖn do tia s¸ng bÞ lÖch trôc khi ®i qua nh÷ng chç vi uèn cong ®ã. Mét c¸ch chÝnh x¸c h¬n, sù ph©n bè tr­êng bÞ x¸o trén khi ®i qua nh÷ng chç vi uèn cong vµ dÉn tíi sù ph¸t x¹ n¨ng l­îng ra khái lâi sîi. §Æc biÖt sîi ®¬n mode rÊt nh¹y c¶m víi nh÷ng chç vi uèn cong, nhÊt lµ vÒ phÝa b­íc sãng dµi. - Uèn cong khi sîi bÞ uèn cong víi b¸n kÝnh uèn cong cµng nhá th× suy hao cµng t¨ng. DÜ nhiªn kh«ng thÓ tr¸nh ®­îc viÖc uèn cong sîi quang trong qu¸ tr×nh chÕ t¹o vµ l¾p ®Æt. Song nÕu gi÷ cho b¸n kÝnh uèn cong lín h¬n mét b¸n kÝnh tèi thiÓu cho phÐp th× suy hao do uèn cong kh«ng ®¸ng kÓ. B¸n kÝnh uèn cong tèi thiÓu do nhµ s¶n xuÊt ®Ò nghÞ th«ng th­êng tõ 30mm ®Õn 50mm. H×nh2-12: Suy hao do uèn cong thay ®æi theo b¸n kÝnh R Ch­¬ng III: C¸p quang 1.Kh¸i qu¸t chung: §Ó ®­a ®­îc sîi dÉn quang vµo sö dông trong m«i tr­êng thùc tÕ cña m¹ng l­íi viÔn th«ng, c¸c sîi cÇn ph¶i kÕt hîp l¹i thµnh c¸p víi m«i tr­êng l¾p ®Æt. CÊu tróc cña c¸p sîi quang rÊt ®a d¹ng vµ kh¸c nhau ë nhiÒu ®iÓm, tuú thuéc vµo c¸c ®iÒu kiÖn cô thÓ vµ dùa vµo m«i tr­êng ®Æt c¸p mµ cp¸ quang còng cã c¸c tªn nh­ c¸p kim lo¹i lµ: - c¸p ch«n trùc tiÕp d­íi ®Êt - c¸p kÐo trong cèng - c¸p treo ngoµi trêi - C¸p ®Æt trong nhµ - C¸p nèi gi÷a c¸c thiÕt bÞ - C¸p ngËp n­íc - C¸p th¶ biÓn... §èi víi tõng lo¹i c¸p kh¸c nhau sÏ cã thiÕt kÕ kh¸c nhau, nh­ng c¸c nguyªn lý c¬ b¶n vÒ thiÕt kÕ ®Òu ph¶i cã trong mäi lo¹i c¸p. §Æc thï vÒ cÊu tróc sîi quang cã ®­îc lµ do cã ®Æc tÝnh c¬ häc cña sîi thuû tinh. Mét ®Æc tÝnh c¬ häc quan träng lµ t¶i träng quanh trôc cho phÐp lín nhÊt trªn c¸p v× yÕu tè nµy sÏ x¸c ®Þnh ®é dµi cña c¸p ®­îc ®Æt. 2. C¸c phÇn tö cña c¸p: Còng nh­ c¸p kim lo¹i ,c¸p quang c òng cã nh÷ng yªu cÇu ,®Æc ®iÓm cÇn ph¶i ®¸p øng tr­íc hÕt líp vá bao bªn ngoµi ®Ó b¶o vÖ sîi quang khái ¶nh h­ëng cña m«i tr­êng nh­ c«n trïng, ®é Èm, nhiÖt ®é hoÆc c¸c lùc c¬ häc t¸c ®éng. C¸p cÇn ®¸p øng c¸c yªu cÇu sau: - Kh«ng bÞ ¶nh h­ëng nhiÔu ®iÖn tö. - Kh«ng thÊm n­íc, läc n­íc. - Chèng ®­îc c¸c ¶nh h­ëng cña t¸c ®éng c¬ häc nh­ va ch¹m, lùc kÐo, lùc nÐn, uèn cong .... - æn ®Þnh nhiÖt khi nhiÖt ®é thay ®æi. - Ýt bÞ b·o hoµ ,cã thêi gian lµm viÖc l©u. - Träng l­îng nhá vµ kÝch th­íc bÐ. CÊu t¹o cña c¸p quang gåm: a. Lâi c¸p : C¸c sîi c¸p ®· ®­îc bäc chÆt n»m trong cÊu tróc láng ,c¶ sîi vµ cÊu tróc láng hoÆc r·nh kÕt hîp víi nhau t¹o thµnh lâi c¸p .Lâi th­êng bao quanh phÇn tö gia c­êng cña c¸p. C¸c thµnh phÇn t¹o r·nh hoÆc c¸c èng bäc th­êng ®­îc lµm b»ng chÊt dÎo. B¶ng 3-1: C¸c ®Æc tÝnh vËt liÖu dïng lµm lâi : VËt liÖu Lùc c¨ng (KG/mm2) §é gi¶m dµi ph¸ huû c¸p (90) Module young (KG/mm2. 102) Gi¶m nhiÖt 10-5/0C Sîi quang 500 5 71 0,05 Nylon 5,6 ¸ 6,5 300 1,3 ¸ 2,4 20 Polyethylene: MËt ®é cao 2,1 ¸ 3,8 15 ¸ 100 0,4 ¸ 0,7 11 ¸ 13 Polyethylene: MËt ®é thÊp 0,7 ¸ 1,4 90 ¸ 650 0,1 ¸ 0,24 10 ¸ 22 Polypropylene 3,3 ¸ 4,2 200 ¸ 700 1,1 ¸ 1,4 8 ¸ 9,5 Polyvinilehlo Rride (PVC) 0,7 ¸ 0,24 200 ¸ 400 0,1 7 ¸ 21 Fluoroethylen Propylene (FEP) 2 ¸ 3,2 250 ¸ 330 0,35 8,3 ¸ 10,5 Plybuthylen Terephthalete (PBT) ~ 6 200 2,5 6 ¸ 9 b. Thµnh phÇn gia c­êng: lµ c¸c phÇn tö t¹o cho c¸p cã lùc c¬ häc cÇn thiÕt ®Ó chÞu ®­îc c¨ng vµ co ®Æc biÖt lµ b¶o ®¶m tÝnh æn ®Þnh cho c¸p. C¸c vËt liÖu cã Modul Young cao th­êng ®­îc sö dông lµm thµnh phÇn gia c­êng .Ngoµi ra,yªu cÇu vËt liÖu gia c­êng lµ ph¶i nhÑ ,cã ®é mÒm dÎo .§ay lµ c¸c ®Æc tÝnh quang träng qu¸ tr×nh l¾p ®Æt kÐo c¸p trong cèng .Thµnh phÇn gia c­êng lµ kim lo¹i hay phi kim .Nã cã thÓ ®­îc ®Æt ë t©m c¸p hoÆc ph©n bè ë c¸c líp ngoµi ®ång t©m víi c¸p . B¶ng 3-2: C¸c ®Æc ®iÓm cña vËt liÖu thµnh phÇn gia c­êng. VËt liÖu Träng l­îng riªng Modul young (KG/mm2) øng suÊt thu ®­îc (KG/mm2) §é gi·n dµi thu ®­îc (90) øng suÊt ph¸ vì (KG/mm2) §é gi·n dµi g·y ®øt (90) - Sîi thÐp - Sîi cacbon - Sîi chÊt dÎo pha thñy tinh (GFRP) - Kevlav 49 - Kevlav 29 7,86 1,5 2,48 1,44 1,44 20 . 103 10-20.103 9 . 103 13 . 103 6 . 103 40 – 150 150 – 200 300 300 70 0,2 – 1 1 - 1,5 3 2 1,2 50 – 300 150 – 200 300 300 300 20 - 25 1,5 2,4 2 4 C¸c thµnh phÇn kim lo¹i th­êng lµ thÐp v× thÐp cã modul Young cao,hÖ sè gi·n në nhiÖt thÊp. ThÐp lµ vËt liÖu kh«ng ®¾t nh­ng cÇn ph¶i b¶o vÖ chèng ¨n mßn vµ chèng phãng ®iÖn khi cã ®iÖn ¸p trªn nã. Dïng thÐp lµm thµnh phÇn gia c­êng sÏ kh«ng hîp víi c¸c lo¹i thÐp cã yªu cÇu cã tÝnh mÒn dÎo cao. C¸c thµnh phÇn gia c­êng phi kim lo¹i th­êng lµ c¸c sîi dÎo pha thuû tinh hoÆc sîi aramid.C¸c sîi aramid kh«ng cã hiÖu qu¶ trong viÖc chèng hiÖu øng co, v× vËy th­êng ®­îc ®Æt ë phÇn ngoµi cña c¸p. Modul Young cña sîi aramid rÊt cao, träng l­îng rÊt thÊp cho nªn nã c¹nh tranh víi c¶ thÐp.C¸c lo¹i c¸p sîi quang chØ sö dông c¸c thµnh phÇn gia c­êng lµ chÊt dÎo hoÆc sîi aramid gäi lµ c¸p phi kim lo¹i, c¸p nµy cã träng l­îng nhá vµ kh«ng nh¹y c¶m víi ¶nh h­ëng cña tr­êng ®iÖn. C¸c sîi c¸cbon còng cã thÓ lµm gia c­ßng cho c¸p nh­ng gi¸ thµnh cao nªn ch­a ®­îc sö dông réng r·i. c.Vá c¸p: Vá c¸p sîi quang cã chøc n¨ng c¬ b¶n lµ b¶o vÖ c¸p vµ cã tÝnh chÊt quyÕt ®Þnh tuæi thä cña c¸p .Vá c¸p cã thÓ ®­îc bäc ®Öm ®Ó b¶o vÖ lâi c¸p khái bÞ c¸c t¸c ®éng cña øng xuÊt c¬ häc vµ m«i tr­êng bªn ngoµi .VËt liÖu chÕ t¹o vá ngoµi c¸p th­êng lµ PVCpolyetylen vµ Polyurthane vµ p«lyurethane. Trong c¸c vËt liÖu nµy, PVC cã c¸c ®Æc tÝnh c¬ häc tèt, rÊt mÒm dÎo vµ chËm b¾t löa, nh­ng l¹i dÔ hót Èm. P«lyªthylen cã ®é hót Èm thÊp h¬n PVC kho¶ng 100 lÇn, cã ®Æc tÝnh c¬ häc vµ ho¸ häc cao nh­ng l¹i dÔ ch¸y vµ Ýt mÒm dÎo h¬n PVC. P«lyurethan cã ®é ma s¸t thÊp cho nªn rÊt phï hîp cho c¸p kÐo trong èng.Cßn p«lyurethan th­êng lµm vá bäc trong cña c¸p v× nã rÊt mÒm, nã kh«ng ®­îc sö dông lµm vá bäc ngoµi v× cã hÖ sè ma s¸t cao, c¸c ®Æc tÝnh c¬ häc thÊp. Vá bäc,kim lo¹i cña c¸p th­êng lµ c¸c b¨ng thÐp nh½n hoÆc c¸c sîi thÐp xÕp thµnh h×nh vá bäc. C¸c vá nµy th­êng dïng cho c¸c lo¹i c¸p ch«n trùc tiÕp ®Ó b¶o vÖ chèng c¸c øng suÊt c¬ häc,gÆm nhÊm, chèng sù ph¸ huû cña c«n trïng vµ c¸c sinh vËt. CÊu t¹o chung cña c¸p . 1 1 1 2 2 3 3 3 2 2 1. PhÇn tö gia c­êng 2. Lâi c¸p 3. Vá bäc PVC ¦u ®iÓm cña c¸p quang v× lµ phi kim kh«ng cã hiÖn t­îng c¶m øng ®iÖn tõ nªn cã thÓ l¾p ®Æt c¹nh c¸c ®­êng cña ®iÖn lùc vµ n¬i kh¸c. VËt liÖu chÕ t¹o rÎ, tiªu hao nhá d­íi 1ds/km d¶i tÇn truyÒn dÉn réng, tèc ®é truyÒn dÉn cao ®¹t ®Õn hµng chôc Gbit/s... Ngoµi ra c¸p quang cßn cã mét sè nh­îc ®iÓm vÒ tÝnh chÊt vµ kü thuËt ®ã lµ v× thµnh phÇn lâi lµ sîi quang rÊt gißn, dÔ g·y do t¸c ®éng gi·n në kÐo dµi. Cßn vÒ ph­¬ng diÖn truyÒn nãng th× nÕu c¸p uèn cong ngoµi yªu cÇu cho phÐp th× sÏ dÉn ®Õn sù suy hao th«ng tin truyÒn trong c¸p... Ngoµi ra ­u nh­îc ®iÓm cña c¸p quang cßn phô thuéc vµo sù ph©n lo¹i sö dông c¸p theo yªu cÇu kü thuËt nh­ c¸p truyÒn dÉn ®­êng dµi, néi h¹t hay lµ trªn m¹ng trung kÕ... vµ theo yªu cÇu vÒ ®Þa lý nh­ c¸p ch«n trong cèng, c¸p th¶ d­íi n­íc... 3.C¸c lo¹i c¸p vµ øng dông : ThiÕt kÕ vµ lùa chän c¸p sîi quang chñ yÕu phô thuéc vµo m«i tr­êng l¾p ®Æt. Cã rÊt nhiÒu nhµ chÕ t¹o c¸p cho ra c¸c chñng lo¹i c¸p rÊt ®a d¹ng,nh­ng nh×n chung s¶n phÈm c¸p sîi quang ®­îc ph©n ra c¸c lo¹i chÝnh sau ®©y: a.C¸p treo C¸p treo cã thÓ cã cÊu t¹o «m s¸t vµo thµnh phÇn gia c­êng kim lo¹i hoÆc phi kim lo¹i ®éc lËp, hoÆc d­íi d¹ng tù chÞu lùc. C¸p ë tr­êng hîp thø nhÊt th­êng dïng cho m«i tr­êng cã b¨ng tuyÕt vµ giã, cã cù ly dµi. T­êng hîp thø hai lµ c¸p tù chÞu lùc, c¸p chÞu ¶nh h­ëng cña øng suÊt c¬ häc vµ nhiÖt ®é. C¸p tù chÞu lùc ®ßi hái cã søc bÒn cao vµ cÇn ph¶i ë d¹ng cÊu tróc bäc láng ®Ó sîi cã kho¶ng tù do lín h¬n. b.C¸p treo trong cèng C¸p treo trong cèng ph¶i chÞu ®­îc lùc kÐm vµ xo¾n, cã träng lùc nhÑ ®Ó dÔ ®Æt vµ ph¶i rÊt mÒn dÎo ®Ó v­ît qua c¸c ch­íng ng¹i trong khi l¾p ®Æt. Lo¹i c¸p nµy còng ph¶i chÞu ®­îc Èm vµ n­íc v× trong cèng c¸p th­êng hay ®äng n­íc. ChÝnh v× vËy trong cÊu tróc cña c¸p th­êng cã chÊt ®én jelly vµ thµnh phÇn chèng Èm b»ng kim lo¹i. Trong tr­êng hîp c¸p kh«ng ®­îc ®én ®Çy th× cÇn ph¶i cã hÖ thèng b¬m h¬i cho c¸p. Líp bäc thÐp ®«i khi còng ®­¬c sö dông vµo lo¹i c¸p nµy ®Ó chèng gÆm nhÊm vµ c«n trïng. C¸p kÐo trong cèng cã ë tÊt c¶ c¸c d¹ng cÊu tróc bäc chÆt, bäc láng trong èng, bäc láng b»ng khe d­íi d¹ng b¨ng hoÆc bã sîi. c.C¸p tr«n trùc tiÕp. C¸c ®Æc ®iÓm cña c¸p tr«n trùc tiÕp t­îng tù nh­ c¸p kÐo trong cèng võa xÐt ë trªn nh­ng cã b¶o vÖ tèt h¬n thÓ hiÖn ë mét sè ®iÓm lµ c¸p tr«n th­¬ng ph¶i cã líp vá bäc lim lo¹i tèt ®Ó tr¸nh sù ph¸ huû do ®µo bíi ®Êt hoÆc c¸c t¸c ®«ng kh¸c trong ®Êt. Vá béc thÐp bªn ngoµi gåm c¸c sîi thÐp hoÆc c¸c b¨ng thÐp. Vá bäc ngoµi líp thÐp nµy lµ vá chÊt dÎo. C¸p ch«n trùc tiÕp còng cã ®ñ c¸c d¹ng cÊu ytóc bäc chÆt, láng trong èng vµ khe, d¹ng b¨ng vµ bã sîi. d. C¸p ®Æt trong nhµ vµ c¸p nh¶y. Lo¹i c¸p nµy th­êng cã sè sîi dÉn quang Ýt, c¸c ®Æc tÝnh chñ yÕu lµ: kÝch th­íc bªn ngoµi nhá, mÒm dÎo, cho phÐp uèn cong, dÔ dµng thao t¸c vµ hµn nèi. C¸p cÇn cã ®Æc tÝnh chèng gÆm nhÊm tèt. V× lo¹i c¸p nµy th­êng b¸m s¸t t­êng nhµ vµ thiÕt bÞ cho nªn nã ph¶i b¶o ®¶m kh«ng dÉn löa, kh«ng ph¸t ra khÝ ®éc trong phßng. CÊu tróc lo¹i c¸p nµy th­êng ë d¹ng bäc chÆt ®Ó b¶o ®¶m kÝch tr­íc nhá vµ ch¾c. e. C¸p ngËp n­íc vµ th¶ biÓn C¸p ngËp n­íc sö dông ®Ó th¶ qua s«ng hoÆc qua khu vùc cã n­íc ngËp c¹n, ®ång lÇy..., v× vËy lo¹i c¸p nµy cÇn ph¶i ®¸p øng c¸c yªu cÇu sau: + TÝnh chèng Èm vµ chèng thÊm nøoc t¹i c¸c vïng cã ¸p suÊt ®Æc biÖt lín. + Cã kh¶ n¨ng chèng sù dÉn n­íc däc theo c¸p + Cã kh¶ n¨ng chÞu ®­îc sù kÐo khi l¾p ®Æt vµ söa ch÷a c¸p. + Chèng l¹i ®­îc c¸c ¸p lùc thèng kª. + Cho kh¶ n¨ng hµn nèi söa ch÷a dÔ dµng. + Cã cÊu tróc t­¬ng thÝch víi c¸p ®Æt trªn ®Êt liÒn. CÊu tróc cña c¸p th¶ biÓn ®ßi hái rÊt phøc t¹p. Cã thÓ xem ®©y lµ c¸p ®Æc chñng v× nã ®ßi hái nhiÒu yªu cÇu cßn kh¾t khe h¬n lo¹i c¸p ngËp n­íc ë trªn nhiÒu lÇn.Ngoµi c¸c yÕu tè trªn, c¸p th¶ biÓn cßn ph¶i chÞu t¸c ®éng ®Æc biÖt kh¸c nh­ kh¶ n¨ng th©m nhËp cña n­íc biÓn, sù ph¸ ho¹i cña c¸c ®äng vËt d­íi biÓn, sù cä s¸t cña tµu thuyÒn... Ch­¬ng iv: phÇn tö chuyÓn ®æi ®iÖn quang-quang ®iÖn I. PhÇn biÕn ®æi ®iÖn quang: * C¸c chøc n¨ng chung: Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn ®­îc ®Æt ë hai ®Çu sîi quang, cã hai lo¹i linh kiÖn quang ®iÖn : - Linh kiÖn biÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn sang tÝn hiÖu quang, ®­îc gäi lµ nguån quang linh kiÖn nµy cã nhiÖm vô ph¸t ra ¸nh s¸ng cã c«ng suÊt tû lÖ víi dßng ®iÖn ch¹y qua nã. N¨ng l­îng ®iÖn tö T¸i hîp ®iÖn tö vµ lç trèng Dßng lç trèng hv = 820 nm - 1,51eV + Vïng tÝch cùc Vïng dÉn sãng - Linh kiÖn biÕn ®æi tÝn hiÖu quang sang tÝn hiÖu ®iÖn. Cßn gäi lµ linh kiÖn t¸ch sãng quang,(hay linh kiÖn thu quang). Linh kiÖn nµy cÝ nhiÖm vô ng­îc l¹i so víi nguån quang, tøc lµ t¹o ra dßng ®iÖn cã c­êng ®é tû lÖ víi c«ng suÊt quang chiÕu vµo nã. ChÊt l­îng cña c¸c linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn vµ chÊt l­îng cña sîi quang quyÕt ®Þnh cù ly, dung l­îng vµ chÊt l­îng cña tuyÕn truyÒn dÉn quang. §i«t ph¸t quang LED a. CÊu tróc cña LED. CÊu tróc cña LED (Light - EmittinPg Diode) lµ mét lo¹i nguån ph¸t quang cho c¸c hÖ thèng cã tèc ®é bit d­íi 200 Mbit/s sö dông sîi ®a Mode. Tuy nhiªn ngµy nay trong phßng thÝ nghiÖm ng­êi ta cã thÓ sö dông ë c¶ tèc ®é bÝt tíi 565MbÝt/s do cã sù c¶i tiÕn c«ng nghÖ cao. §Ó sö dông tèt trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang, LED ph¶i cã c«ng suÊt bøc x¹ cao, thêi gian ®¸p øng nhanh vµ hiÖu suÊt l­îng tö cao. Sù bøc x¹ cña nã lµ c«ng suÊt quang ph¸t x¹ theo gãc trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch cña bÒ mÆt ph¸t vµ ®­îc tÝnh b»ng Watt. ChÝnh c«ng suÊt bøc x¹ cao sÏ t¹o ®iÒu kiÖn cho viÖc ghÐp gi÷a sîi dÉn quang vµ LED dÔ dµng vµ ®­a ra ®­îc c«ng suÊt ph¸t ra tõ ®Çu sîi lín. Cã hai lo¹i: cÊu tróc LED ®­îc sö dông réng r·i lµ cÊu tróc tiÕp gi¸p thuÇn nhÊt vµ cÊu tróc tiÕp gi¸p dÞ thÓ kÐp ( kh«ng thuÇn nhÊt).Tuy nhiªn trong qu¸ tr×nh kh¶o s¸t vµ tiÕn hµnh nghiªn cøu vµ ®iÒu tra, ng­êi ta thÊy cÊu h×nh dÞ thÓ kÐp mang l¹i hiÖu qu¶ nhÊt vµ ®­îc øng dông nhiÒu nhÊt. Vïng chiÕt suÊt thÊp Vïng chiÕt suÊt cao Vïng chiÕt suÊt cao Suy hao Vïng tÝch cùc D¶i kim lo¹i Cæng ph¸t -200 00 200 -100 00 100 -100 00 100 CÊu tróc cña dÞ thÓ kÐp cã hai líp hîp kim kh¸c nhau ë mçi bªn cña vïng b¸n dÉn tÝch cùc, ®©y còng lµ cÊu tróc ®­îc triÓn khai rÊt sím tr­íc khi nghiªn cøu Laser. Víi cÊu tróc nµy, c¸c h¹t mang vµ tr­êng quang ®Òu ®­îc gi÷ ë trong líp tÝch cùc n»m ë trung t©m. Sù kh¸c nhau vÒ d¶i cÊm cña c¸c líp l©n cËn H×nh 4-1: CÊu tróc dÞ thÓ kÐp tiªu biÓu sÏ giíi h¹n c¸c h¹t mang ®iÖn tÝch. Trong khi ®ã tån t¹i sù kh¸c vÒ chØ sè chiÕt suÊt cña c¸c líp l©n cËn l¹i giíi h¹n tr­êng quang tíi líp tÝch cùc ë trung t©m. §iÒu nµy t¹o ra sù ph¸t x¹ cao rÊt cã hiÖu qu¶. ë ®©y, c¸c tham sè kh¸c cã ¶nh h­ëng tíi ®Æc tÝnh cña thiÕt bÞ lµ sù hÊp thô ¸nh s¸ng trong vïng tÝch cùc ( Tù hÊp thô ), sù t¸i kÕt hîp h¹t mang phun vµo vµ ®é dÇy cña líp tÝch cùc. LED cã hai lo¹i cÊu tróc ®­îc sö dông cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang lµ cÊu tróc ph¸t mÆt ( LED ph¸t mÆt )vµ cÊu tróc ph¸t c¹nh ( LED ph¸t c¹nh ). §èi víi ph¸t mÆt th× mÆt ph¼ng cña vïng ph¸t ra ¸nh s¸ng vu«ng gãc víi trôc cña sîi dÉn quang. Vïng tÝch cùc th­êng cã d¹ng phiÕn trßn, ®­êng kÝnh kho¶ng 50 mm vµ ®é dµy kho¶ng 2,5 mm. MÉu ph¸i chñ yÕu lµ ®¼ng h­íng víi ®é réng chïm ph¸i kho¶ng 1200. MÉu ®¼ng h­íng nµy cßn ®­îc gäi lµ mÉu lambertian, khi quan s¸t tõ bÊt k× h­íng nµo th× ®é réng cña nguån ph¸t còng ngang b»ng nhau nh­ng c«ng suÊt l¹i gi¶m theo hµm cosq víi q lµ gãc hîp gi÷a h­íng quan s¸t víi ph¸p tuyÕn cña bÒ mÆt. Cèng suÊt nµy gi¶m xuèng 50% so víi ®Ønh khi q = 60°. LED ph¸t c¹nh cã cÊu tróc gåm mét vïng tiÕp gi¸p tÝch cùc cã vai trß lµ nguån ph¸t ¸nh s¸ng kh«ng kÕt hîp, vµ hai líp dÉn.C¶ hai líp dÉn ®Òu cã chiÕt suÊt thÊp h¬n chØ sè chiÕt suÊt cña vïng tÝch cùc nh­ng l¹i cao h¬n chØ sè chiÕt suÊt cña c¸c vËt liÖu bao quanh. CÊu tróc nµy h×nh thµnh mét kªnh dÉn nãng ®Ó h­íng sù ph¸t x¹ ¸nh s¸ng vÒ phÝa lâi sîi. §Ó t­¬ng quan víi lâi sîi dÉn quang cã ®­êng kÝnh nhá tõ 50 ¸ 100 mm, c¸c d¶i tiÕp xóc víi LED ph¸t c¹nh ph¶i réng tõ 50 ¸ 70 mm. §é dµi cña c¸c vïng tÝch cùc th­êng lµ 100 ¸ 150 mm. MÉu ph¸t cña LED ph¸t c¹nh cã ®Þnh h­íng tèt h¬n so víi LED ph¸t mÆt. Si02 Si02 PhiÕn táa nhiÖt VËt liÖu bao phñ Kim lo¹i hãa ChÊt nÒn Líp cÊu tróc dÞ thÓ kÐp Sîi quang GiÕng kh¾c h×nh trßn C¸c líp h¹n chÕ H×nh 4-2: CÊu tróc LED ph¸t mÆt Gi¶i tiÕp xóc MiÒn ho¹t tÝnh Kim lo¹i ChÊt nÒn Táa nhiÖt Líp dÉn ¸nh s¸ng Líp Si02 c¸ch ®iÖn C¸c líp dÞ thÓ kÐp ¸nh s¸ng ra kÕt hîp H×nh 4-3: CÊu tróc LED ph¸t c¹nh b. VËt liÖu cña nguån ph¸t quang: c¸c vËt liÖu b¸n dÉn ®­îc dïng cho líp tÝch cùc cña nguån ph¸t quang trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang ph¶i cã d¶i cÊm trùc tiÕp. Trong b¸n dÉn cã d¶i cÊm trùc tiÕp, c¸c ®iÖn tö vµ lç trèng cã thÓ t¸i kÕt hîp trùc tiÕp qua d¶i cÊm mµ kh«ng cÇn qua phÇn tö thø ba ®Ó b¶o tån ®éng l­îng. ChØ cã vËt liÖu d¶i cÊm trùc tiÕp míi cã sù t¸i kÕt hîp ®ñ lín ®Ó ®­a ra ®­îc møc ph¸t quang tho¶ ®¸ng. Trong thùc tÕ kh«ng tån t¹i b¸n dÉn ®¬n ph©n tö cho c¸c d¶i cÊm trùc tiÕp, mµ vËt liÖu d¶i cÊm trùc tiÕp chØ cã thÓ t¹o ra tõ c¸c hçn hîp ghÐp ph©n tö. B¶ng 4-1: §Æc tÝnh d¶i cÊm vµ b­íc sãng cña c¸c vËt liÖu ghÐp Lo¹i vËt liÖu Tªn vËt liÖu D¶i cÊm B­íc sãng C¸c vËt liÖu hai thµnh phÇn GaP (Gali - Phèt pho) GaAs (Gali - Asªn) AlAs (Nh«m - Asen) InP (In®i - Phèt pho) InAs (in®i - Asen) 2,24 eV 2,09 eV 1,42 eV 1,33 eV 0,34 eV 0,55 mm 0,59 mm 0,87 mm 0,93 mm 3,6 mm VËt liÖu 3 vµ 4 thµnh phÇn AlGaAs (Nh«m-Gali-Asen) InGaAsP(In®i-Gali-Asen) 1,42 ¸ 1,6 eV 0,74 ¸ 1,13 eV 6,77 ¸ 0,87 mm 1,1 ¸ 1,67 mm c. §iot ph¸t quang LED cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang: Khi c«ng nghÖ th«ng tin quang ch­a ®­îc ph¸t triÓn, ®iot quang th­êng dïng cho c¸c sîi dÉn quang ®a mode. Nh­ng chØ sau mét thêi gian ng¾n, khi mµ c¸c hÖ thèng th«ng tin quang ®­îc triÓn khai kh¸ réng r·i, c¸c sîi dÉn quang ®¬n mode ®­îc ¸p dông vµo c¸c hÖ thèng th«ng tin quang lµ chñ yÕu th× LED còng ®· cã d­íi d¹ng s¶n phÈm lµ c¸c modul cã sîi dÉn ra ( Pigtail ) lµ sîi dÉn quang ®¬n mode. V× vËy ë ®©y ta còng chØ chñ yÕu xem xÐt LED cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang sîi ®¬n mode. C¸c ®iot ph¸t quang dïng cho sîi ®¬n mode SMF ( Single Mode Fibre ) lµ c¸c nguån ph¸t hÊp dÉn ®èi víi m¹ng néi h¹t vµ c¸c tuyÕn cã cù ly ng¾n kh¸c v× nã cã gi¸ thµnh rÎ. C«ng suÊt quang ®Çu ra cña nã Ýt phô thuéc vµo nhiÖt ®é vµ th­êng chóng cã m¹ch ®iÒu khiÓn ®¬n gi¶n. d. §Æc tÝnh øng dông cña c¸c diot ph¸t quang: Cã hai d¹ng cÊu tróc cña LED s½n cã lµ ph¸t mÆt vµ ph¸t c¹nh. Qu¸ tr×nh ®ãng thµnh s¶n phÈm modul kh¸ ®¬n gi¶n vµ ®iÒu nµy gióp cho chi phÝ vÒ gi¸ thµnh thÊp. Lo¹i diot ph¸t c¹nh ELED cßn ph¶i b¶o ®¶m ®é tin cËy ®Ó duy tr× chÊt l­îng th«ng tin tèt. C¸c møc c«ng suÊt th­êng ghÐp víi ELED n»m trong kho¶ng tõ 2 ¸ 10 mm ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é phßng. Cã mét sè lo¹i ®Æc biÖt cã thÓ t¹o ra c«ng suÊt lín h¬n do cã sù ph¸t x¹ cùc khoÎ. Tuy nhiªn c«ng suÊt thªm nµy còng bÞ rµng buéc víi ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é thay ®æi. Tèc ®é ®iÒu biÕn phô thuéc vµo cÊu tróc cña nguån ph¸t LED vµ ®iÒu kiÖn ®iÓu khiÓn. C¸c thiÕt bÞ ë thÞ tr­êng hiÖn nay ®¹t tèc ®é 200 mbit/s cßn thiÕt bÞ thùc nghiÖm cho ELED th× cao h¬n ®¹t 565 mbit/s ®Õn 1,2 Gbit/s. Lo¹i LED ph¸t mÆt sö dông víi s¬i ®¬n mode cã ­u ®iÓm ®ã lµ liªn kÕt ®¬n gi¶n nh­ng c«ng suÊt ph¸t ra t­¬ng ®èi thÊp, kho¶ng 1,5 mW khi lµm viÖc ë tèc ®é 565 mbit/s vµ d¶i phæ réng. Thùc tÕ sö dông LED víi sîi dÉn quang ®¬n Mode ®· thu ®­îc kÕt qu¶ kh¸ kh¶ quan. Thùc nghiÖm ®é dµi tuyÕn ®¹t tíi 9,6 Km ë tèc ®é 2 Gbit/s vµ 100 Km víi ®é 16 mbit/s. §é dµi tuyÕn bÞ giíi h¹n v× quý c«ng suÊt vµ t¸n s¾c g©y ra do ®é réng phæ cña LED. Tuy nhiªn, c¸c tuyÕn th«ng tin trªn thùc tÕ th× sù sai sè vÒ c«ng nghÖ chÕ t¹o còng nh­ sù thay ®æi nhiÖt ®é ®èi víi b­íc sãng trung t©m cña LED,®é réng phæ cho t¸n s¾c sîi, sù thay ®æi suy hao. Nh­ vËy c¶ hai lo¹i LED ph¸t c¹nh vµ ph¸t mÆt ®Òu cã thÓ sö dông cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang sîi ®¬n mode. Chóng cã ­u ®iÓm dÔ dµng nhËn thÊy lµ gi¸ thµnh thÊp vµ ®é tin cËy cao. C¸c ­u ®iÓm nµy cã thÓ phï hîp víi c¸c gi¶i ph¸p x©y dùng m¹ng néi h¹t vµ c¸c tuyÕn th«ng tin quang cã cù li vµi km tèc ®é trung b×nh vµ thÊp mét c¸ch cã hiÖu qu¶. B¶ng4-2: C¸c ®Æc tÝnh ELED tiªu biÓu - C«ng suÊt ra ®èi víi sîi ®¬n Mode SMF (250C, dßng ®iÒu khiÓn 150 mA) - Thêi gian lªn/xuèng - §é réng phæ nöa c«ng suÊt (250) - HÖ sè nhiÖt ®é c«ng suÊt ®Çu ra - Sù thay ®æi b­íc sãng trung t©m theo t0 - §é gi·n phæ 2 ¸ 10 mW 3 ns max 80 ¸100 nm 1,2% / 0C 0,5 ¸ 0,8 nm/ 0C 0,4 nm/ 0C 2. §i«t Laser: cã nhiÒu d¹ng víi ®ñ mäi kÝch th­íc tõ nhá nh­ h¹t thãc ®Õn rÊt lín. Chóng cã ë d¹ng khÝ, láng, tinh thÓ hoÆc b¸n dÉn. §èi víi c¸c hÖ thèng th«ng tin quang chñ yÕu dïng Laser b¸n dÉn vµ th­êng lµ ®iot Laser (LD). VÒ c¬ b¶n nguyªn lý ho¹t ®éng cña c¸c lo¹i Laser lµ nh­ nhau th«ng qua ba qu¸ tr×nh mÊu chèt, ®ã lµ hÊp thô photon, ph¸t x¹ tù ph¸t vµ ph¸t x¹ kÝch thÝch. Víi n¨ng l­îng tr¹ng th¸i nÕu lµ E1 vµ E2 lµ n¨ng l­îng tr¹ng th¸i kÝch thÝch theo ®Þnh luËt Plank th× sù chuyÓn dÞch gi÷a hai tr¹ng th¸i nµy cã liªn quan ®Õn qu¸ tr×nh hÊp thô hoÆc ph¸t x¹ cña c¸c photon cã n¨ng l­îng hv12 = E2 - E1. B×nh th­êng hÖ thèng ë tr¹ng nÒn ( ®Êt ). Khi mét photon cã n¨ng l­îng hv12 t¸c ®éng vµo hÖ thèng th× mét ®iÖn tö ë tr¹ng th¸i E1 cã thÓ hÊp thô n¨ng l­îng photon vµ ®­îc kÝch thÝch lªn tr¹ng th¸i E2. V× ®©y lµ tr¹ng th¸i kh«ng bÒn v÷ng nªn ®iÖn tö sÏ nhanh chãng quay l¹i tr¹ng th¸i ban ®Çu, v× thÕ ph¸t ra mét photon cã n¨ng l­îng hv12. hv12 E2 E1 hv12 hv12 E2 E1 E2 E1 (Ph¸t x¹ kÝch thÝch) (Ph¸t x¹ tù ph¸t) (HÊp thô) H×nh4.4: Ba qu¸ tr×nh chuyÓn dÞch trong ho¹t ®éng cña Laser §iÒu nµy x¶y ra mµ kh«ng cã sù kÝch thÝch bªn ngoµi nµo vµ ®­îc gäi lµ ph¸t x¹ tù ph¸t. Ph¸t x¹ nµy ®¼ng h­íng, cã pha ngÉu nhiªn vµ xuÊt hiÖn nh­ mét ®Çu ra Gaussian b¨ng hÑp. §iÖn tö còng cã thÓ ®­îc sinh ra ®Ó t¹o ra mét h­íng chuyÓn dÞch ®i xuèng tõ møc kÝch thÝch tíi møc nÒn nhê cã sù kÝch thÝch bªn ngoµi. NÕu mét photon cã n¨ng l­îng hv12 t¸c ®éng vµo hÖ thèng trong khi ®iÖn tö vÉn cßn ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch cña nã, th× ®iÖn tö sÏ ®­îc kÝch thÝch ngay lËp tøc ®Ó r¬i xuèng tr¹ng th¸i nÒn vµ cho ra photon cã n¨ng l­îng hv12.Photon d­îc ph¸t ra nµy cã pha lµ pha cña photon tíi vµ sù bøc x¹ ë ®©y ®­îc gäi lµ ph¸t x¹ kÝch thÝch. ë ®iÒu kiÖn c©n b»ng nhiÖt mËt, ®é c¸c ®iÖn tö ®­îc kÝch thÝch lµ rÊt nhá, cho nªn hÇu hÕt c¸c photon tíi trªn hÖ thèng ®Òu bÞ hÊp thô, vµ ph¸t x¹ kÝch thÝch hÇu nh­ kh«ng cã. Ph¸t x¹ kÝch thÝch sÏ v­ît qua ®­îc sù hÊp thô chØ khi nµo tÝch luü ë trªn tr¹ng th¸i kÝch thÝch lín h¬n ë tr¹ng th¸i nÒn. §iÒu nµy ®­îc gäi lµ nghÞch ®¶o tÝch luü. V× ®©y kh«ng ph¶i lµ ®iÒu kiÖn c©n b»ng cho nªn nghÞch ®¶o tÝch luü ®­îc thùc hiÖn b»ng kü thuËt b¬m. Trong Laser b¸n dÉn, nghÞch ®¶o tÝch luü ®­îc tiÕn hµnh b»ng c¸ch phun c¸c ®iÖn vµo trong vËt liÖu t¹i tiÕp ®iÓm thiÕt bÞ ®Ó lÊp c¸c tr¹ng th¸i n¨ng l­îng thÊp h¬n cña vïng dÉn. a. C¸c cÊu tróc cña diot Laser vµ c¸c mÉu bøc x¹: CÊu tróc diot Laser dïng cho th«ng tin quang sîi, tíi nay ®· cã rÊt nhiÒu c¸c ph­¬ng ph¸p thö nghiÖm ®Ó nh»m ®­a ra c¸c mÉu cÊu tróc cã hiÖu qu¶. Møc ®é thµnh c«ng cña c¸c ph­¬ng ph¸p cã kh¸c nhau nh­ng nh×n chung ®Òu cïng mét môc ®Ých ®ã lµ lµm h¹n chÕ c¸c mode bªn ®Ó cã ®­îc qu¸ tr×nh ph¸t Laser æn ®Þnh, ®¶m b¶o dßng ng­ìng t­¬ng ®èi nhá. - CÊu tróc thø nhÊt lµ cã mét d¶i ®iÖn cùc víi ®é réng nhá h¬n 8 mm ®­îc ®Æt däc theo chiÒu dµi cña ®i«t laser. Sù phun c¸c ®iÖn tö vµo lç trèng vµo thiÕt bÞ lµm thay ®æi trùc tiÕp chØ sè chiÕt suÊt cña líp tÝch cùc ë d­íi d¶i. Lo¹i nµy ®­îc gäi lµ Laser ®iÒu khiÓn khuÕch ®¹i (GGL). ¦u ®iÓm lµ cã thÓ ph¸t c«ng suÊt lín trªn 100 mW nh­ng l¹i rÊt kh«ng æn ®Þnh vµ cã tÝnh Astimatic cao. - C¸c cÊu tróc tiÕp theo cã tÝnh æn ®Þnh h¬n. C¸c lo¹i nµy cÊu t¹o theo h­íng bªn. Sù thay ®æi chØ sè chiÕt suÊt thùc cña vËt liÖu kh¸c nhau trong cÊu tróc nµy sÏ ®iÒu khiÓn c¸c Mode bªn trong Laser. Nªn c¸c thiÕt bÞ nµy gäi lµ c¸c Laser ®iÒu khiÓn chiÕt suÊt (IGL). NÕu nh­ Laser ®iÒu khiÓn chiÕt suÊt riªng chØ cho mode ngang c¬ b¶n hoÆc mode däc c¬ b¶n th× ®­îc gäi lµ laser ®¬n mode. Nh­ vËy thiÕt bÞ sÏ ph¸t chïm tia ®¬n hoµn toµn chuÈn trùc víi mét mÆt c¾t cã d¹ng ®­êng cong Gaussian h×nh chu«ng. - C¸c Lasez ®iÒu khiÓn chiÕt suÊt cã thÓ cã c¸c cÊu tróc h¹n chÕ sãng chiÕt suÊt d­¬ng hoÆc h¹n chÕ sãng chiÕt suÊt ©m. Trong cÊu tróc dÉn sãng chiÕt suÊt d­¬ng, vïng trung t©m cã chØ sè chiÕt suÊt cao h¬n vïng ngoµi. V× vËy toµn bé ¸nh s¸ng ®­îc ph¶n x¹ t¹i ranh giíi ®iÖn m«i, tùa nh­ tiÕp gi¸p vá-lâi trong sîi dÉn quang.B»ng c¸ch chän thÝch hîp chØ sè chiÕt suÊt vµ ®é réng cña vïng chiÕt suÊt cao h¬n th× cã thÓ t¹o ra ®­îc thiÕt bÞ chØ ho¹t ®éng cho mét mode bªn c¬ b¶n. Cßn ë cÊu tróc dÉn sãng chiÕt suÊt ©m, vïng t©m cña líp tÝch cùc cã chØ sè chiÕt suÊt thÊp h¬n vïng xung quanh. T¹i vïng bªn, mét phÇn ¸nh s¸ng ®­îc ph¶n x¹ vµ phÇn cßn l¹i ®­îc khóc x¹ vµo trong vËt liÖu ë xung quanh vµ sÏ bÞ tiªu hao ë ®©y. Suy hao bøc x¹ nµy xuÊt hiÖn trong mÉu bøc x¹ tr­êng gÇn c¸c bóp bªn hÑp.V× c¸c mode c¬ b¶n trong cÊu tróc nµy cã suy hao bøc x¹ nhá h¬n c¸c mode kh¸c, cho nªn nã ph¸t ®Çu tiªn. Trong hai cÊu nµy th× Laser chiÕt suÊt d­¬ng ®­îc sö dông th«ng dông h¬n. b.C¸c mode vµ ®iÒu kiÖn ng­ìng cña ®iot laser: Sù bøc x¹ quang trong hèc céng h­ëng cña ®iot laser ®· t¹o nªn mét mÉu v¹ch tr­êng ®iÖn vµ tõ ®­îc gäi lµ c¸c mode cña hèc céng h­ëng. C¸c mode nµy cã thÓ chia ra hai tËp hîp mode ®éc lËp lµ c¸c mode ®iÖn ngang (TE) vµ c¸c mode tr­êng ngang (TM).Tõng tËp hîp mode cã thÓ ®­îc m« t¶ d­íi d¹ng sù biÕn thiªn nöa h×nh sin däc, ngang vµ bªn cña c¸c tr­êng ®iÖn tõ däc theo c¸c trôc chÝnh cña hèc. C¸c mode däc cã liªn quan tíi ®é dµi L cña hèc vµ x¸c ®Þnh cÊu tróc c¬ b¶n cña phæ tÇn sè trong bøc x¹ quang ®­îc ph¸t ra.V× L lín h¬n nhiÒu so víi b­íc sãng ph¸t tia Laser cã ®é dµi kho¶ng 1mm, cho nªn nhiÒu mode däc cã thÓ tån t¹i. C¸c mode bªn n»m trong mÆt ph¼ng cña tiÕp gi¸p p-n. C¸c mode nµy phô thuéc vµo sù chÕ t¹o v¸ch bªn vµ ®é réng cña hèc, chóng x¸c ®Þnh h×nh d¹ng mÆt c¾t bªn cña chïm tia Laser. C¸c mode ngang cã liªn quan tíi tr­êng ®iÖn tõ vµ mÆt c¾t chïm tia n»m theo h­íng vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng cña chuyÓn tiÕp p-n. C¸c mode nµy rÊt quan träng v× chóng x¸c ®Þnh c¸c ®Æc tÝnh cña Laser còng nh­ mÉu bøc x¹ (sù ph©n bè gãc cña c«ng suÊt quang ®Çu ra) vµ mËt ®é dßng ng­ìng... - §Ó x¸c ®Þnh c¸c ®iÒu kiÖn ph¸t tia Laser vµ c¸c tÇn sè céng h­ëng, chóng ta diÔn d¶i sù lan truyÒn sãng ®iÖn tõ theo h­íng däc ( däc theo trôc vu«ng gãc víi c¸c g­¬ng) d­íi d¹ng pha tr­¬ng ®iÖn. E(z,t)=I(z)ej(vt-bz) ë ®©y I(z):lµ c­êng ®é tr­êng quang v:lµ tÇn sè bøc x¹ quang b:lµ h»ng sè lan truyÒn c. C¸c ®iot laser ®¬n mode: ®Ó x©y dùng hÖ thèng th«ng tin quang trong m¹ng viÔn th«ng cã tèc ®é cao vµ cù ly truyÒn xa, ta cÇn sö dông c¸c lo¹i ®iot laser cã ®é réng phæ hÑp, ®ã chÝnh lµ c¸c laser ®¬n mode. C¸c laser nµy chØ chøa mode däc vµ mode ngang ®¬n.§Ó t¹o ra Laser chØ cã mét mode däc th× ph¶i gi¶m ®é ®­îc ®é dµi L cña hèc ph¸t tia Laser tíi lóc khi mµ kho¶ng c¸ch tÇn sè Df cña c¸c mode bªn ®· cho lín h¬n ®é réng phæ Laser, ®iÒu nµy cã nghÜa lµ chØ cã mét mode däc ®¬n r¬i vµo b¨ng t¨ng Ých cña thiÕt bÞ. VÝ dô nh­ ®èi víi hèc Fabry-Perot toµn bé c¸c mode däc gÇn nh­ cã suy hao ngang b»ng vµ c¸ch nhau vµo kho¶ng 1nm, trong mét hèc dµi 250mm t¹i b­íc sãng 1300nm. B»ng c¸ch gi¶m L tõ 250 xuèng 25mm th× kho¶ng c¸ch mode sÏ t¨ng tõ 1nm ®Õn 10nm. Tuy nhiªn sÏ n¶y sinh vÊn ®Ò rÊt khã ®iÒu khiÓn thiÕt bÞ cã ®é dµi nµy, mÆt kh¸c c«ng suÊt ph¸t cña nã còng l¹i gi¶m ®i chØ cßn vµi miliwatt. - Mét sè cÊu tróc kh¸c ®· ®­îc triÓn khai trong ®ã ph¶i kÓ ®Õn Laser ph¸t mÆt vµ c¸c cÊu tróc cã hèc céng h­ëng lùa chän tÇn sè.ë cÊu tróc Laser ph¸t mÆt ®é dµy vïng tÝch cùc nhá h¬n 10mm vµ nh­ vËy nã gièng nh­ mét th¼ng ®øng ng¾n. CÊu h×nh nh­ vËy sÏ gièng nh­ Laser ph¸t c¹nh nh­ng sù bøc x¹ quang ®­îc h­íng vÒ phÝa mÆt nhê c¸c g­¬ng 45° hoÆc c¸c bé ph¶n x¹ Bragg ph©n bè cÊp hai. d. §iÒu biÕn tÇn sè cao: - cã hai ph­¬ng ph¸p nh»m thay ®æi c«ng suÊt quang ®Çu ra lµ ®iÒu biÕn xung dïng cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang truyÒn dÉn sè vµ ®iÒu biÕn biªn ®é dïng cho c¸c hÖ thèng th«ng tin truyÒn dÉn tÝn hiÖu analog. Mét trong nh÷ng ­u ®iÓm cã ý nghÜa nhÊt cña laser b¸n dÉn lµ nã cã thÓ ®iÒu biÕn trùc tiÕp nhê thay ®æi dßng cÊp cho laser. §i«t laser cã thêi gian ®¸p øng nhanh cho nªn cho phÐp thùc hiÖn ®iÒu biÕn ë tÇn sè rÊt cao. TÇn sè ®iÒu biªn bÞ giíi h¹n bëi hai c¬ chÕ. Tr­íc hÕt ®ã lµ giíi h¹n ®iÖn tö do c¸c phÇn tö t¹p ký sinh. Nã ®­îc nãi tíi cho nh÷ng ®iÖn tö nèi tiÕp vµ ®iÖn dung song song cã trong d©y dÉn kim lo¹i. C¬ chÕ thø hai c¬ b¶n h¬n cã liªn quan ®Õn ®Æc tÝnh ®éng cña laser lµm n¶y sinh tÇn sè céng h­ëng trong d¶i GHZ. TÇn sè nµy tû lÖ víi c¨n bËc hai c«ng suÊt ®Çu ra. H»ng sè tû lÖ phô thuéc vµo sè c¸c tham sè trong néi t¹i Laser vµ cã thÓ ®­îc c¶i thiÖn trong thiÕt kÕ laser. Khi sö dông diot laser cho c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn tèc ®é cao, tÇn sè ®iÒu biÕn cã thÓ kh«ng lín h¬n tÇn sè dao ®éng tÝch th¸ot cña cña tr­êng laser. Giao ®éng tÝch tho¸t phô thuéc vµo c¶ thêi gian sèng tù ph¸t tsp vµ thêi gian sèng photon tsp, ®©y lµ c¸c tham sè lµm giíi h¹n tèc ®é ®iÒu biÕn cña laser. VÒ lý thuyÕt, dao ®éng tÝch tho¸t x¶y ra xÊp xØ t¹i: f = víi tsp vµo kho¶ng 1ns vµ tsp kho¶ng 2ns ®èi víi laser dµi 300mm, th× lóc mµ dßng phun lín gÊp hai dßng ng­ìng Ith, tÇn sè ®iÒu biÕn lín nhÊt kho¶ng vµi GHz. D¶i ®éng laser còng cã thÓ chÞu ¶nh h­ëng tõ c¸c hiÖu øng quang phi tuyÕn , ®iÒu nµy ®Æc biÖt quan träng khi diot laser ph¸t c«ng suÊt cao. Qu¸ tr×nh nµy ®· ®­îc x¸c minh rÊt râ rµng trong c¸c thùc nghiÖm ®· ®­îc tiÕn hµnh, nh­ng møc ®é ¶nh h­ëng vµ tÝnh chÝnh x¸c ë ®©y ch­a ®­îc hoµn toµn kh¼ng ®Þnh. e. C¸c ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é: chñ yÕu lµ sù phô thuéc vµo nhiÖt cña dßng ng­ìng Ith (T). Dßng ng­ìng nµy sÏ t¨ng theo nhiÖt ®é trong tÊt c¶ c¸c lo¹i laser b¸n dÉn do nhiÒu c¸c yÕu tè phô thuéc nhiÖt ®é r¾c rèi g©y ra.TÝnh phøc t¹p cña nhiÒu c¸c yÕu tè nµy t¹o ra mét sù khã kh¨n trong qu¸ tr×nh h×nh thµnh mét ph­¬ng tr×nh minh b¹ch râ rµng. Tuy vËy sù thay ®æi cña Ith theo nhiÖt ®é còng cã thÓ ®­îc biÓu diÔn b»ng ph­¬ng tr×nh rót ra tõ kinh nghiÖm: Ith(T)=IzeT/To víi To: lµ gi¸ trÞ ®o cña ®é nh¹y nhiÖt ®é t­¬ng ®èi Iz: lµ mét h»ng sè II. PhÇn biÕn ®æi quang ®iÖn 1.Nguyªn lý c¬ b¶n cña c¸c bé t¸ch sãng quang Bé t¸ch sãng quang trong bé thu quang thùc hiÖn chøc n¨ng c¬ b¶n lµ biÕn dæi tÝn hiÖu quang tíi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn. Chøc n¨ng kh¸c cña bé thu quang lµ khuÕch ®¹i vµ khi thùc hiÖn truyÒn dÉn sè th× cã thÓ võa t¸i t¹o tÝn hiÖu võa ®iÒu khiÓn tÇng sau cña bé thu quang. Trong th«ng tin quang, c¸c bé t¸ch sãng quang ph¶i tho¶ m·n c¸c yªu cÇu vÒ tèc ®é nhanh, ®é nh¹y thu cao , t¹p ©m thÊp vµ b­íc sãng ho¹t ®éng phï hîp. Cã mét sè lo¹i bé t¸ch sãng quang hiÖn nay ®ang ®­îc sö dông v× cã kÝch th­íc nhá, vËt liÖu phï hîp, ®é nh¹y cao vµ thêi gian ®¸p øng nhanh.Cã hai lo¹i photodiode ®­îc dïng lµ lo¹i photodiode PIN vµ photodiode th¸c (APD). 2. Bé t¸ch sãngPhotodi«t PIN: - cÊu tróc c¬ b¶n gåm c¸c vïng P vµ n c¸ch nhau b»ng mét líp tù dÉn i rÊt máng. §Ó thiÕt bÞ ho¹t ®éng, th× cÇn ph¶i cÊp mét thiªn ¸p ng­îc ®Ó vïng bªn trong rót hÕt c¸c h¹t mang. Khi ®ã sù tËp trung h¹t mang n vµ P lµ nhá kh«ng ®¸ng kÓ so víi sù tËp trung t¹p chÊt trong vïng nµy. Khi cã ¸nh s¸ng ®i vµo photodi«t qu¸ tr×nh x¶y ra lµ nÕu mét photon trong chïm ¸nh s¸ng tíi mang mét n¨ng l­îng hv lín h¬n hoÆc ngang b»ng víi n¨ng l­îng d¶i cÊm cña vËt liÖu b¸n dÉn trong poto®iot, th× photon cã thÓ kÝch thÝch ®iÖn tö tõ vïng hãa trÞ sang vïng dÉn. Qu¸ tr×nh nµy sÏ lµm ph¸t ra c¸c cÆp ®iÖn tö lç trèng mµ ®«i khi ®­îc gäi lµ h¹t mang quang. Th«ng th­êng, bé t¸ch sãng quang ®­îc thiÕt kÕ sao cho c¸c h¹t mang nµy chñ yÕu ph¸t ra t¹i vïng tr«i, n¬i mµ hÇu hÕt ¸nh s¸ng ®Õn bÞ hÊp thô sù cã mÆt tr­êng ®iÖn cao trong vïng tr«i lµm cho c¸c h¹t mang t¸ch nhau ra vµ ®­îc chu nhËn qua tiÕp gi¸p cã thiªn ¸p ng­îc. §iÒu nµy lµm t¨ng luång dßng ë m¹ch ngoµi, víi mét luång dßng ®iÖn sÏ øng víi nhiÒu cÆp h¹t mang ®­îc ph¸t ra. Luång dßng nµy ®­îc gäi lµ dßng photo. T¸ch nãng Thiªn ¸p vïng cÊm P Vïng dÉn Vïng hãa trÞ TÝn hiÖu ra §iÖn trë t¶i hv photon §iÖn tö hv ³ EF Lç trèng Vïng nghÌo n n R1 IP i i H×nh 4-5: Vïng n¨ng l­îng cña photo®iot PIN V× c¸c h¹t mang tÝch ®iÖn ch¸y qua vËt liÖu, cho nªn mét sè c¸c cÆp ®iÖn tö - lç trèng sÏ t¶i kÕt hîp vµ råi biÕn mÊt. B×nh th­êng, c¸c h¹t mang tÝch ®iÖn di chuyÓn víi cù ly Ln ®èi víi ®iÖn tö lµ Lp ®èi víi lç trèng. Cù ly nµy ®­îc gäi "§é dµi khuÕch t¸n". Thêi gian cÇn thiÕt ®Ó cho mét ®iÖn tö hoÆc lç trèng t¸i hîp ®­îc gäi lµ "tuæi thä h¹t mang" vµ ®­îc m« t¶ b»ng c¸c ®¹i l­îng tn vµ tp t­¬ng øng. Quan hÖ gi÷a tuæi thä vµ ®é dµi khuÕch t¸n nh­ sau: Ln = (Dn tn) 1/2 vµ Lp = (Dp tp)1/2 Víi Dn lµ hÖ sè khuÕch t¸n ®iÖn tö Dp lµ hÖ sè khuÕch t¸n lç trèng. ®­îc ®o b»ng centimet vu«ng trªn gi©y. Bøc x¹ quang bÞ hÊp thô trong vËt liÖu b¸n dÉn tu©n theo hµm mò sau. P(x) = P0(1 - e -as (lm); ë ®©y as (l) lµ hÖ sè hÊp thô t¹i b­íc sãng l,P0 lµ møc c«ng suÊt quang tíi, vµ P(x) lµ c«ng suÊt quang ®­îc hÊp thô ë cù ly x. 104 103 102 105 HÖ sè hÊp thô ¸nh s¸ng (Cm) 10 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0,4 B­íc sãng (mm) Ge GaAs Ci H×nh 4-6: HÖ sè hÊp thô quang thay ®æi theo b­íc sãng HÖ sè hÊp thô quang thay ®æi theo b­íc sãng. Sù phô thuéc cña hÖ sè hÊp thô quang vµo b­íc sãng ®èi víi mét sè vËt liÖu cã thÓ cho ta thÊy as phô thuéc rÊt nhiÒu vµo b­íc sãng. Nh­ vËy vËt liÖu b¸n dÉn chØ cã thÓ ®­îc sö dông trªn mét ph¹m vi b­íc sãng giíi h¹n mµ th«i. §Æc tÝnh cña photo®i«t th­êng ®­îc ®Æc tr­ng bëi ®¸p øng (hÖ sè chuyÓn ®æi) R. Nã liªn quan ®Õn hÖ suÊt l­îng tö. §¸p øng A (W) InGaAs Si Ge Si 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 B­íc sãng (mm) IP hq R = = P0 hv H×nh 4-7:So s¸nh ®¸p øng vµ hiÖu suÊt l­îng tö ®èi víi photodiot PIN Tham sè nµy rÊt hay sö dông v× nã ®Æc tr­ng cho dßng photon ph¸t ra trªn mét ®¬n vÞ c«ng suÊt quang. §¸p øng photo®i«t PIN th­êng lµ hµm sè cña b­íc sãng nh­ h×nh trªn. C¸c gi¸ trÞ ®ã lµ 0,6 mA/mW ®èi víi Si t¹i b­íc sãng 900 nm; 0,45 mA/mW ®èi víi Ge t¹i b­íc sãng 1,3 mm. Trong hÇu hÕt c¸c photo®iot, hiÖu suÊt l­îng tö kh«ng phô thuéc vµo møc c«ng suÊt ®æ vµo bé t¸ch sãng t¹i n¨ng l­îng photon ®· cho. Nh­ vËy ®¸p øng lµ hµm tuyÕn tÝnh cña c«ng suÊt quang. Cã nghÜa lµ, dßng photon Ip tû lÖ trùc tiÕp víi c«ng suÊt quang P0 tíi bé t¸ch sãng, vµ nh­ vËy ®¸p øng R lµ h»ng sè t¹i b­íc sãng ®· cho (gi¸ trÞ hv). Tuy vËy, hiÖu suÊt l­îng tö kh«ng lµ h»ng sè ë tÊt c¶ c¸c b­íc sãng v× nã thay ®æi theo n¨ng l­îng photon. VËy ®¸p øng lµ mét hµm c¸c b­íc sãng vµ cña vËt liÖu lµm photodiot (vËt liÖu kh¸c nhau cã n¨ng l­îng gi¶i cÊm kh¸c nhau). §èi víi vËt liÖu ®· cho, b­íc sãng cña photon tíi cµng dµi th× n¨ng l­îng photon cµng nhá ®Ó kÝch thÝch ®iÖn tö tõ vïng hãa trÞ tíi vïng dÉn, lóc nµy ®¸p øng dãc nhanh h¬n. 3. Photo®iot th¸c: - B¶n chÊt l­îng tö cña ¸nh s¸ng ®· ®Þnh ra giíi h¹n c¬ b¶n ®èi víi chÊt l­îng, tøc lµ tØ lÖ tÝn hiÖu trªn t¹p ©m, vµ ®iÒu nµy ®­îc thÓ hiÖn ë c¸c bé thu quang. Tuy nhiªn, ë c¸c bé c¸ch sãng trùc tiÕp t¹p ©m cã thÓ lín lªn do cã sù ph©n bè t¶i vµ bé tiÒn khuyÕch ®¹i. Cho nªn khi sö dông c¸c bé t¸ch sãng PIN th× chØ cã c¸ch lµm gi¶m sù phô thuéc c¸c ph©n bè nµy theo sù c¶i thiÖn c¸c ®Æc tÝnh bé tiÒn khuyÕch ®¹i. §èi víi c¸c tÝn hiÖu nhá, photo®iot th¸c cã ®Æc tÝnh tèt h¬n, sau khi biÕn ®æi c¸c photon thµnh c¸c ®iÖn tö, nã khuÕch ®¹i ngay dßng photo ngay trªn trong nã tr­íc khi dßng nµy ®i vµo m¹ch khuÕch ®¹i tiÕp theo vµ ®iÒu nµy lµm t¨ng møc tÝnh hiÖu dÉn ®Õn ®é nh¹y thu t¨ng lªn ®¸ng kÓ. §Ó thu ®­îc tÝn hiÖu øng nh©n bªn trong, c¸c h¹t mang quang sÏ ®­îc t¨ng dÇn n¨ng l­îng tíi møc ®ñ lín ®Ó ion ho¸ c¸c ®iÖn tö xung quanh do va ch¹m víi chóng. C¸c ®iÖn tö xung quanh ®­îc ®Èy tõ vïng ho¸ trÞ tíi vïng dÉn, råi t¹o ra c¸c cÆp ®iÖn tö- lç trèng míi s½n sµng dÉn ®iÖn. C¸c h¹t mang míi ®­îc t¹o ra nµy sÏ tiÕp tôc ®­îc gia tèc nhê ®iÖn tr­êng cao vµ l¹i cã thÓ ph¸t ra c¸c cÆp ®iÖn tö- lç trèng míi kh¸c. HiÖn t­îng nµy gäi lµ hiÖu øng th¸c. Qu¸ tr×nh th¸c dÉn tíi lµm t¨ng dßng. §èi víi photo®iot SI, ng­ìng tr­êng ®iÖn cÇn thiÕt ®Ó thu ®­îc sù nh©n lµ ë møc 105 V/cm. - VÒ nguyªn lý, c¶ hai qu¸ tr×nh hÊp thô vµ khuÕch ®¹i ®Òu x¶y ra ë trong cïng mét vïng tr«i, ë c¸c cÊu tróc Pn hoÆc PIN ®¬n gi¶n. CÊu tróc th«ng dông cña photo®iot. n+ n+ n+ n+ P P+ + - Vïng nghÌo Tr­êng ®iÖn Vïng th¸c Tr­êng tèi thiÓu cÇn thiÕt ®Ó t¸c ®éng ion hãa H×nh 4-8: CÊu tróc photodiot th¸c vµ tr­êng ®iÖn tõ gåm cã vËt liÖu P ®iÖn trë suÊt cao ®Æt lµm líp epitaxi nÒn P+. Sau ®ã khuÕch t¸n hoÆc cÊy líp n+ (lo¹i n pha t¹p nÆng). Hai vïng c¸ch nhau bëi mét vïng tr­êng ®iÖn thÊp lµ n¬i c¸c photon ®­îc hÊp thô vµ c¸c h¹t mang quang tr«i theo chiÒu ph©n cùc, vµ mét vïng tr­êng ®iÖn cao lµ n¬i c¸c h¹t mang ®­îc gia tèc vµ chÞu qu¸ tr×nh nh©n. §èi víi Si, chÊt kÝch t¹p ë vïng nµy th­êng t­¬ng øng lµ B0 hoÆc photpho. CÊu tróc nh­ vËy th­êng ®­îc gäi lµ cÊu tróc cËn xuyªn p+ipn+ - . Líp i (hay II) c¬ b¶n lµ líp vËt liÖu tù dÉn cã pha t¹p mét chót p. Khi cã mét thiªn ¸p ng­îc nhá, hÇu hÕt ®iÖn thÕ r¬i vµo tiÕp gi¸p pn+, vïng tr«i sÏ më réng ra cïng víi sù t¨ng cña thiªn ¸p cho ®Õn khi ®¹t ®­îc ®Õn mét gi¸ trÞ ®iÖn ¸p mµ t¹i ®ã tr­êng ®iÖn tiÕp gi¸p pn+ vµo kho¶ng 5 ¸ 10% phÇn phÝa d­íi, ®©y lµ gi¸ trÞ ®ñ ®Ò g©y ra th¸c ®æ. Lóc nµy vïng tr«i chØ "cÇn xuyªn" vïng tù dÉn. - Photo®iot th¸c cËn xuyªn (RAPD) ho¹t ®éng theo kiÓu hoµn toµn tr«i. ¸nh s¸ng ®i vµo thiÕt bÞ xuyªn qua vïng p+ vµ ®­îc hÊp thô trong vËt liÖu i, ®ãng vai trß nh­ mét vïng nhËn c¸c h¹t mang quang ®­îc ph¸t ra. Khi ®ang ®­îc hÊp thô, photon sÏ ph¸t ra n¨ng l­îng cña nã v× thÕ t¹o rak c¸c cÆp ®iÖn tö lç trèng, vµ chóng bÞ t¸ch ra do t¸c ®éng cña tr­êng ®iÖn trong vïng i. C¸c ®iÖn tö ®­îc ph¸t ra tr«i qua vïng i tíi tiÕp gi¸p pn+, n¬i tån t¹i tr­êng ®iÖn cao vµ t¹i ®©y sÏ x¶y ra sù nh©n h¹t mang quang. - Sè cÆp ®iÖn tö- lç trèng trung b×nh ®­îc h¹t mang t¹o ra trong mét ®¬n vÞ ®é dµi di chuyÓn ®­îc gäi lµ tèc ®é ion ho¸. HÇu hÕt c¸c vËt liÖu cã tèc ®é ion ho¸ ®iÖn tö a kh¸c nhau vµ tèc ®é ion ho¸ lç trèng b kh¸c nhau. KÕt qu¶ thùc nghiÖm thu ®­îc c¸c gi¸ trÞ a vµ b víi n¨m lo¹i vËt liÖu b¸n dÉn kh¸c nhau. Tû sè k= cña hai gi¸ trÞ ion ho¸ sÏ x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh cña bé t¸ch sãng quang. 4. M¹ch ®iÖn s¬ l­îc cña bé thu quang ~ A Rb Ra Ca (t) ia (t) ib (t) Cb C©n b»ng Photodiot (PIN hoÆc APD) Bé khuÕch ®¹i vµ c¸c tham sè ®Çu vµo cña nã Photodiode vµ ®iÖn trë ®Þnh thiªn H×nh 4-9: S¬ l­îc m¹ch ®iÖn cña bé thu quang Trong s¬ ®å trªn, photodiode cã thÓ lµ APD cã hÖ sè khuÕch ®¹i trung b×nh lµ M hoÆc photodiode PIN víi M = 1. HiÖu suÊt l­îng tö cña photodiode lµ h vµ ®iÖn dung cña nã lµ Cd. §iÖn trë thiªn ¸p cña bé t¸ch sãng cã gi¸ trÞ Rb ph¸t ra dßng t¹p ©m nhiÖt lµ ib (+). §iÖn trë Ra m¾c song song víi ®iÖn dung Ca t¹o nªn trë kh¸ng ®Çu vµo cña bé khuÕch ®¹i. Khi cã ®iÖn ¸p cÊp qua m¹ch trë kh¸ng nµy sÏ t¹o ra dßng ®iÖn ch¶y qua bé khuÕch ®¹i. Nguån dßng cã ®iÒu khiÓn t¹o ra sù khuÕch ®¹i ë ®©y ®­îc t¸c ®éng bëi ®é hç dÉn gm (®o b»ng ampe/v«n hoÆc simen). Cã hai nguån t¹p ©m khuÕch ®¹i. Nguån dßng t¹p ©m ®Çu vµo ia(+) xuÊt hiÖn do t¹p ©m nhiÖt cña ®iÖn trë ®Çu vµo ®¹i Ra' ng­îc l¹i nguån ¸p t¹p ©m Ca (+) biÓu hiÖn t¹p ©m nhiÖt cña kªnh khuÕch ®¹i. C¸c nguån t¹p ©m nµy ®­îc gi¶ thiÕt cã d¹ng thèng kª Gaussian,phæ ph¼ng.Bé hiÖu chØnh tÝn hiÖu n»m ë sau bé khuÕch vµ th­êng lµ bé läc tÇn sè tuyÕn tÝnh ,nã ®­îc sö dông ®Ó gi¶m c¸c ¶nh h­ëng cña trÔ tÝn hiÖu vµ nhiÔu b¶n th©n. Mét c¸ch lý t­ëng th× nã chÊp nhËn ®¸p øng tÇn sè kÕt hîp cña bé ph¸t, m«i tr­êng truyÒn dÉn,vµ bé thu, råi chuyÓn nã thµnh d¹ng ®¸p øng tÝn hiÖu phï hîp víi m¹ch sö lý tÝn hiÖu ë sau. Trong vµi tr­êng hîp, bé hiÖu chØnh cã thÓ chØ ®­îc dïng ®Ó hiÖu chØnh ®¸p øng tÇn sè cña photodiode vµ bé khuÕch ®¹i. 5. C¸c m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i trong bé thu quang: C¸c m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i (Preamplifier) th­êng ®­îc thiÕt kÕ víi môc tiªu sao cho cã tû lÖ tÝn hiªô trªn t¹p ©m lín nhÊt víi møc nhiÔu b¶n th©n lµ nhá nhÊt.C¸c ®Æc tÝnh chÝnh khi nhËn d¹ng m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i lµ: + T¹p ©m do b¶n th©n m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i ph¸t ra ph¶i ®­îc gi÷ ë møc cµng thÊp cµng tèt. T¹p ©m tiÒn khuÕch ®¹i th­êng ¸m chØ tíi t¹p ©m nhiÖt. + CÊu tróc cña m¹ch. + Lo¹i thiÕt bÞ linh kiÖn tÝch cùc ®­îc sö dông trong m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i ch¼ng h¹n nh­ c¸c transistor l­ìng cùc,JFET,MOSFET vµ MESFET. + B¨ng tÇn vµ hÖ sè khuÕch ®¹i. C¸c m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i cã trong c¸c bé thu th«ng tin quang sîi cã thÓ ®­îc ph©n cÊp thµnh 3 lo¹i. §ã lµ lo¹i trë kh¸ng thÊp, lo¹i trë kh¸ng cao vµ hç dÉn ng­îc. M¹ch tiÒn khuÕch ®¹i cã trë kh¸ng thÊp lµ lo¹i cÊu tróc Ýt phøc t¹p nhÊt, nh­ng kh«ng thÓ thiÕt kÕ ®­îc bé tiÒn khuÕch ®¹i tèi ­u ®­îc. ë ®©y photodiode ho¹t ®éng víi mét bé khuÕch ®¹i cã trë kh¸ng thÊp (cã thÓ ë 50 «m).ë ®©y cã thiªn ¸p hoÆc ®iÖn trë t¶i Rb ®­îc dïng ®Ó phèi hîp víi trë kh¸ng bé khuÕch ®¹i. MÆc dï c¸c bé khuÕch ®¹i trë kh¸ng thÊp cã thÓ ho¹t ®éng ë b¨ng tÇn lín, nh­ng nã kh«ng cho ra ®­îc mét bé thu quang cã ®é nh¹y thu cao, bëi v× chØ cã mét ®iÖn ¸p tÝn hiÖu nhá cã thÓ ®i qua ®­îc trë kh¸ng ®Çu vµo bé khuÕch ®¹i vµ ®iÖn trë Rb. §iÒu nµy ®· h¹n chÕ cù ly truyÒn dÉn. C¸c m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i trë kh¸ng cao ®· cho phÐp gi¶m ®­îc nguån t¹p ©m tíi møc rÊt nhá. §Ó ®¹t ®­îc ®iÒu nµy,ng­êi ta lµm gi¶m ®iÖn dung ®Çu vµo th«ng qua viÖc lùa chän c¸c thiÕt bÞ cã ®iÖn dung thÊp, tÇn sè cao b»ng c¸ch lùa chän bé t¸ch sãng víi c¸c dßng tèi ­u nhá vµ nhê viÖc lµm gi¶m t¹p ©m nhiÖt do c¸c ®iÖn trë thiªn ¸p g©y ra. T¹p ©m nhiÖt cã thÓ ®­îc gi¶m khi sö dông c¸c bé khuÕch ®¹i trë kh¸ng cao (nh­ transistor l­ìng cùc hoÆc FET) kÕt hîp víi ®iÖn trë thiªn ¸p bé t¸ch sãng lín Rb.V× trë kh¸ng cao sinh ra h»ng sè thêi gian RC ®Çu vµo lín cho nªn d¶i tÇn tõ ®Çu ®Õn cuèi nhá h¬n b¨ng tÇn tÝn hiÖu.Nh­ vËy tÝn hiÖu ®Çu vµo ®­îc tæ hîp vµ cÇn ph¶i thùc hiÖn c¸c kü thuËt hiÖu chØnh ®Ó bï cho nã. ~ A Rb Ra Ca (t) ia (t) ib (t) Cb C©n b»ng Photodiot PIN hoÆc APD) Bé khuÕch ®¹i vµ c¸c tham sè ®Çu vµo cña nã Photodiode vµ ®iÖn trë ®Þnh thiªn Rf H×nh 4-10:M¹ch t­¬ng ®­¬ng cña thiÕt kÕ bé thu hç dÉn ng­îc M¹ch tiÒn khuÕch ®¹i hç dÉn ng­îc ®­îc thiÕt kÕ chñ yÕu ®Ó kh¾c phôc nh÷ng h¹n chÕ cña m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i trë kh¸ng cao. CÊu tróc cña m¹ch nµy sö dông bé khuÕch ®¹i trë kh¸ng cao, t¹p ©m nhá, cã ®iÖn trë hèi tiÕp ©m Rf víi dßng t¹p ©m nhiÖt t­¬ng ®­¬ng if (t) m¾c ph©n dßng ®Çu vµo nh­ ë h×nh trªn. M¹ch khuÕch ®¹i cã ®Çu vµo m¾c nèi tiÕp víi nguån t¹p ©m ®iÖn ¸p ea (t), m¾c ph©n dßng víi t¹p ©m dßng ia(t) vµ trë kh¸ng ®Çu vµo ®­îc cho bëi tæ hîp m¾c song song Ra vµ Ca. Môc lôc Trang lêi nãi ®Çu .............................................................................. 1 Ch­¬ngI: Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang .......... 2 I. Giíi thiÖu vÒ th«ng tin quang ................................ 2 1.Kh¸i qu¸t chung ..................................................... 2 2. CÊu tróc vµ c¸c thµnh phÇn chÝnh trong HTTTQ . 4 II. S¬ ®å tæng qu¸t cña HTTTQ ..................................... 6 1. C¸c chøc n¨ng cña hÖ thèng th«ng tin quang ...... 6 2. ¦u nh­¬c ®iÓm cña hÖ thèng th«ng tin quang ...... 8 Ch­¬ng II: Sîi quang vµ sù truyÒn ¸nh s¸ng trong s¬i quang 1.B¶n chÊt cña ¸nh s¸ng ......................................... 10 2.Nguyªn lý truyÒn dÉn ¸nh sang .............................. 10 3.C¸c d¹ng ph©n bè chiÕt suÊt trong sîi quang ........ 11 a.KhÈu ®é sè NA ....................................................... 11 b.Sîi quang cã chiÕt suÊt nh¶y bËc (SI) ...................... 12 c.Sîi quang cã chiÕt suÊt gi¶m dÇn (GI) ..................... 13 d.Sîi ®a mode ............................................................ 14 e.Sîi ®¬n mode .......................................................... 15 4. CÊu tróc c¸c lo¹i sîi dÉn quang ............................ 15 5.Suy gi¶m tÝn hiÖu trªn sîi dÉn quang ..................... 17 a. Suy hao do hÊp thô ................................................ 20 b. Suy hao do t¸n x¹ .................................................. 21 c. Suy hao do sîi bÞ uèn cong .................................... 23 Ch­¬ng III: C¸p quang ................................................................... 24 1. Kh¸i qu¸t chung ............................................ 24 2. C¸c phÇn tö cña c¸p ....................................... 24 a. Lâi c¸p ........................................................... 25 b. Thµnh phÇn gia c­êng .................................... 25 c. Vá c¸p ............................................................. 26 3. C¸c lo¹i c¸p vµ øng dông ................................. 27 a. C¸p treo ........................................................... 27 b. C¸p treo trong cèng ......................................... 28 c. C¸p tr«n trùc tiÕp ............................................... 28 d. C¸p ®Æt trong nhµ vµ c¸p nh¶y ......................... 28 e. C¸p ngËp n­íc vµ th¶ biÓn ................................. 28 Ch­¬ng IV: PhÇn tö chuyÓn ®æi ®iÖn quang- quang ®iÖn . I. PhÇn biÕn ®æi ®iÖn quang .................................... 29 C¸c chøc n¨ng chung .......................................... 29 §i«t ph¸t quang LED ........................................... 35 §i«t Laser ............................................................. 37 II. PhÇn biÕn ®æi quang ®iÖn ................................... 40 Nguyªn lý c¬ b¶n cña c¸c bé t¸ch sãng quang .... 40 Bé t¸ch sãng photodiot PIN ................................. 41 Photodiot th¸c ...................................................... 44 CÊu h×nh bé thu quang ........................................ 46 5. C¸c m¹ch khuyÕch ®¹i cu¶ bé thu quang ................. 47