Ghép kênh quang phân chia theo thời gian Otdm

hiệu ứng tán sắc màu trong sợi quang sẽ giảm nhỏ nếu sử dụng LD này. Do đó F-P LD được sử dụng làm nguồn phát quang chính trong hệ thống thông tin cự ly trung bình với tốc độ cao. Các loại laser đa mode F-P có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, giá thành hạ, nhưng có nhược điểm là phát ra nhiều mode dọc có cường độ khác nhau, nên khi truyền trong sợi quang xuất hiện tạp phân mode làm tăng tạp âm dẫn đến làm giảm độ nhạy ở máy thu. 3.4.2.2. LASER đơn mode Các LASER này chỉ phát ánh sáng ở một tần số hay một mode dọc. Laser đơn mode có 2 ưu điểm so với laser đa mode là có độ rộng phổ rất hẹp nên giảm được sự tán sắc màu trong sợi quang và tạp phân mode. Vì vậy các laser đơn mode được dùng làm nguồn phát quang nhất là trong hệ thống kết hợp (Coherent). Để có được laser đơn mode đạt tỉ lệ nén biên độ giữa mode chính và các mode bên SMSR (Side Mode Suppession Ratio) rất lớn, khi đó trong nguồn quang hầu như chỉ còn tồn tại mode dọc chính. Laser có khoảng cách giữa mode dọc khoảng () nhỏ hơn rất nhiều so với đường cong khuếch đại, do đó công suất của các mode sẽ rất khác nhau, trong khi đó suy hao truyền dẫn giữa các mode lại không đáng kể. Tỉ số nén mode bên được đưa ra để xác định chế độ hoạt động của laser, nó được xác định bằng tỉ số công suất của mode chính P0 và công suất P1 của mode cạnh mode chính. Chỉ tiêu chất lượng của LD đơn mode được đánh giá bởi đại lượng gọi là tỉ số dập mode sau:. Về mắt cấu trúc có nhiều loại laser đơn mode, trong đó phổ biến là 2 loại sau: laser phân bố phản hồi DFB và laser dùng hộp cộng hưởng liên kết. a. Laser DFB (Distribued Feed Back) Ở laser này có sự phản hồi quang được thực hiện không phải ở 2 gương mà tiến hành trên cả chiều dài vùng hoạt tính của hộp cộng hưởng, gọi là sự phản hồi phân bố. Để tạo ra sự phản hồi phân bố, người ta tạo ra các bộ phản xạ cách tử có tính chọn lọc tần số gắn sát mặt của lớp hoạt tính của LASER. Đây là một lớp điện môi ống dẫn sóng làm từ vật liệu như lớp vỏ của chuyển tiếp có dạng gấp nếp để tạo ra chiết suất thay đổi chu kì dọc theo chiều dài. Sóng truyền dọc theo bước sóng nhất định gọi là bước sóng Bragg theo điều kiện Bragg như sau: (3.5) Ở đây: là bước sóng Bragg ne là chiết suất hiệu dụng của mode sóng k là bậc nhiễu xạ Bragg lc là chu kì cách tử Một dạng biến thế của laser DFB là laser phản xạ phân tán Bragg, DBR (Distributed Bragg Reflector) laser. Không giống như công nghệ được sử dụng trong laser DFB, trong laser DBR cáp cách tử chiều dài ngắn đóng vai trò bộ phản xạ chọn lọc tần số thay thế cho buồng cộng hưởng Fabry- Perot. Cấu trúc cách tử nằm ở hai bên vùng hoạt tính có tác dụng như hai gương phản xạ với các bước sóng thoả mãn điều kiện phản xa. Như vậy sẽ có nhiều mode trong vùng hoạt tính nhưng chỉ có một bước sóng được phản xạ trở lại và được khuếch đại. Cũng giống như laser DFB, laser DBR có hệ số nén mode rất cao, trên thị trường hiện nay tỉ số SMSR có thể lên tới. Dòng điện ngưỡng của hai loại laser này chỉ cỡ 20mA và độ rộng vạch phổ hết sức hẹp, nhỏ hơn 0.5nm. Do đó các tuyến cự ly xa, yêu cầu tốc độ cao thường sử dụng hai loại diode laser trên. b. Laser đơn mode cộng hưởng liên kết Một phương pháp đơn giản để chế tạo laser có thể điều chỉnh được bước sóng ánh sáng ra là sử dụng bộ chọn lọc bước sóng ngoài sẽ chọn lọc một mode sóng Fabry- perot duy nhất trong số các mode Fabry- Perot cùng tồn tại của laser bằng cách điều chính các tham số của bộ lọc. Điều chỉnh bộ lọc sẽ điều chỉnh được bước sóng chọn cho tới khi bước sóng chọn phù hợp với bước sóng của một mode sóng Fabry- Perot nào đó. Có rất nhiều cấu trúc của bộ lọc ngoài được áp dụng nhưng chủ yếu vẫn là phương pháp cách tử nhiễu xạ có cấu trúc như hình vẽ: Hình 3.6. Cấu trúc của bộ lọc ngoài Một trong những mặt cuối của laser được phủ một lớp chống phản xạ, chùm tia sáng đi ra từ mặt này được trực chuẩn khi tới cách tử nhiễu xạ. Cách tử nhiễu xạ đóng vai trò là gương phản xạ và bộ lọc bước sóng hẹp. Mọi thay đổi của cách tử nhiễu xạ đều dẫn đến thay đổi được sóng lựa chọn, khi quay góc nghiêng của cách tử ta sẽ điều chỉnh được một khoảng rộng bước sóng, khi thay đổi vị trí cách tử theo chiều dọc thì bước sóng chọn sẽ được vi chỉnh. Hiện nay, với công nghệ này giới hạn điều chỉnh được bước sóng có thể đạt được trong khoảng tại bước sóng. Laser dùng bộ chọn lọc bước sóng ngoài tuy có nhiều ưu điểm nhưng việc điều chỉnh cách tử đạt được độ chính xác cao là rất khó khăn. Cũng dựa vào sự chọn lọc và phản xạ của cách tử nhiễu xạ, thay thế việc phải thay đổi và di chuyển cách tử người ta dùng mảng hai chiều các sọc hoạt tính kết hợp với cách tử nhiễu xạ cố định được gọi là laser Magic (Multistripe Array Grating Intergrated Cavity). Các sọc hoạt tính này có thể được lựa chọn và ghép với sọc hoạt tính trung tâm ở chỉ một bước sóng. Số lượng bước sóng có thể lựa chọn phụ thuộc vào số sọc hoạt tính, với mô hình có 15 sọc hoạt tính thì khoảng thay đổi giữa các mode được chọn là 1.89nm. 3.4.3. Các đặc trưng của laser a) Đặc tính phổ của diode laser Trong trong diode laser chỉ một số sóng ánh sáng có bước sóng nhất định mới có thể lan truyền được trong buồng cộng hưởng. Điều kiện để truyền lan ánh sáng là sóng phản xạ và sóng tới phải đồng pha với nhau. Điều kiện truyền lan của sóng là pha của 2 sóng tại x=0 phải bằng nhau, nghĩa là: (3.6) Do vậy: (N là số tự nhiên) (3.7) Vì nên (3.8) L: là chiều dài hộp cộng hưởng n: là chiết suất vùng hoạt tính. Như vậy ta thấy rằng laser chỉ khuếch đại những bước sóng thoả mãn điều kiện ở trên. Mỗi bước sóng đó gọi là một mode dọc hay đơn giản là mode. Tập hợp đỉnh của các mode này sẽ tạo thành đường bao phổ bức xạ của diode laser. Từ biểu thức tính ta sẽ tìm được khoảng cách về mặt tần số giữa hai mode liên tiếp nhau. Phổ bức xạ của laser phụ thuộc rất nhiều vào dòng điện định thiên. Khi laser hoạt động ở chế độ dưới ngưỡng, bức xạ tự phát chiếm ưu thế và do đó độ rộng vạch phổ giống với LED. Tuy nhiên, nếu diode laser hoạt động ở chế độ lớn hơn chế độ ngưỡng thì độ rộng vạch phổ sẽ giảm xuống. Vạch phổ hẹp lại do tác động của buồng cộng hưởng và khuếch đại theo hàm mũ những mode đạt tới mức ngưỡng, đồng thời bỏ qua tất cả các mode khác. Ánh sáng ra độ rộng vạch phổ P (a) (b) độ rộng vạch phổ Ánh sáng ra (d) (c) Hình 3.7. Đồ thị phổ bức xạ của LASER Trong thực tế, các mode bên cạnh gần với mode cơ bản cũng được khuyến khích đại đáng kể do đó đầu ra bao gồm một số mode phụ thuộc vào đường cong khuếch đại. Tập hợp các mode này ta sẽ có một đường bao của vạch phổ và có thể xấp xỉ đường bao này bằng phân số Gauss: (3.9) Trong đó: là độ rộng vạch phổ của bức xạ laser. Kết quả trên cùng với phổ vạch làm cho phổ bức xạ có dạng như hình trên. Độ rộng vạch phổ đối với loại diode laser tiếp xúc sọc khá nhỏ chỉ khoảng 2 đến 5nm. Nếu diode laser hoạt động với dòng điện cao hơn rất nhiều so với mức ngưỡng, thì đường bao khuếch đại có thể dịch đi một chút để một trong những mode gần với bước sóng danh định chiếm ưu thế. Hiệu ứng này gọi là mode- hopping và nó làm gãy đường đặc tính công suất dòng điện. Nếu điều chế laser bằng cách biến đổi dòng điện điều khiển, mode- hopping có thể gây tác động xấu đến tuyến cáp tốc độ cao. Nếu tuyến đang hoạt động ở mức tán sắc bước sóng bằng 0 thì bất kỳ chirp của xung ánh sáng nào cũng sẽ làm biến đổi bước sóng hoạt động do đó gây ra hiện tượng giãn xung. Vì vậy, diode laser tiếp xúc sọc thông thường không được sử dụng trong các tuyến tốc độ cao. CHƯƠNG IV. NGUỒN THU QUANG 4.1. Khái quát về nguồn thu quang Nguồn quang sử dụng trong thông tin sợi quang là diode bán dẫn quang gọi là photo diode. Có hai loại photo diode được sử dụng phổ biến là photo diode PIN và và photo diode thác APD. Photo diode có nhiệm vụ thu và biến đổi tín hiệu quang từ máy phát truyền dọc sợi quang về dạng tín hiệu điện. Photo diode dùng trong hệ thống thông tin quang cần đáp ứng những yêu cầu sau: Có độ nhậy cao Đáp ứng thời gian nhanh Tạp âm thấp Độ tin cậy cao Giá thành hợp lý Kích thước phù hợp với kích thước lõi sợi quang. Photo diode làm việc dựa trên hiệu ứng quang điện của lớp chuyển tiếp bán dẫn P-N khi được cấp điên áp ngược (điện áp âm đặt lên lớp P). 4.2. Photo diode P-N 4.2.1. Cấu tạo và nguyên tắc tách sóng quang của photo diode P-N Photo diode P-N được cấu tạo từ một chuyển tiếp P-N từ bán dẫn như Si và được cấp một thiên áp ngược (hình 4.1) Do sự khuếch tán của điện tử và lỗ trống nên giữa hai lớp P-N của bán dẫn hình thành một lớp chuyển tiếp P- N có rất ít điện tích tự do được gọi là lớp nghèo với độ rộng là l và có một điện trường tiếp xúc Etx. Ở trạng thái cân bằng, điện trường này ngăn cản sự khuếch tán tiếp theo của các điện tử và lỗ trống qua lớp nghèo. Do đó trong diode không có dòng điện chạy qua. Sự tách sóng quang của photo diode được tiến hành như sau: Khi đặt một điện áp ngược và không có ánh sáng chiếu vào, do điện áp tạo điện trường ngoài cùng dấu với điện trường tiếp xúc Etx dẫn đến làm tăng độ rộng của lớp nghèo l do đó điện trường tổng trên lớp tiếp xúc ngăn cản các hạt dẫn đa số đi qua nó, nên trong diode không có dòng điện chạy qua. Tuy nhiên do trong bán dẫn tồn tại các hạt mang điện thiểu số mang điện và chúng dịch chuyển được qua lớp nghèo dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc nên trong diode tồn tại một dòng điện ngược rất nhỏ gọi là dòng tối It (cỡ 0,1-1nA ) Khi có ánh sáng với năng lượng của photon chiếu vào diode từ lớp P, trong các lớp P- N và nghèo khi hấp thụ năng lượng của photon các điện tử dịch chuyển lên vùng dẫn và tạo ra các lỗ trống ở vùng hoá trị. Kết quả là trong các lớp bán dẫn P và N đầu tiên sẽ khuếch tán đến lớp nghèo, rồi chuyển động trôi qua lớp này dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc theo hai hướng ngược nhau để đi đến các cực của anot và catot của diode. Còn các điện tử và lỗ trống tạo ra trong lớp nghèo thì chuyển động kéo theo qua nó để đi tới 2 cực của diode. Kết quả là trong diode xuất hiện một dòng điện ngược chạy qua gọi là dòng điện Ip. Dòng quang điện của photo diode có giá trị tỷ lệ với công suất quang chiếu vào theo biểu thức sau: (4.1) Trong đó: R (hay) gọi là độ nhạy hay đáp ứng của photo diode. Từ biểu thức trên ta thấy quy luật dòng quang điện của photo diode lặp lại đúng quy luật của ánh sáng chiếu vào, rõ ràng là photo đã làm được nhiệm vụ tách sóng tín hiệu quang để chuyển về dạng tín hiệu điện. 4.1.3. Các đặc tính kỹ thuật của photo diode P- N a. Độ nhạy R Độ nhạy của photo diode được biểu diễn qua hiệu suất lượng tử của nó theo biểu thức: (4.2) Ở đây: e=1,6.10-19C là điện tích của điện tử b. Hiệu suất lượng tử Hiệu suất lượng tử của photo diode được xác định bởi tỷ số tốc độ tạo điện tử trên tốc độ photon tới, có dạng: (4.3) Do hiệu suất lượng tử của photo diode được xác định qua hệ số hấp thụ ánh sáng mà hệ số hấp thụ ánh sáng của photo diode lại phụ thuộc vào bước sóng, nên cuối cùng hiệu suất lượng tử và độ nhạy R của photo diode cũng là hàm của bước sóng . Hình 4.1. Đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử Hình 4.1 biểu diễn các đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử phu thuộc vào bước sóng của các chất bán dẫn dung chế tạo photo diode như Si, Ge và InGaAs. Từ đồ thị ta thấy mỗi photo diode chỉ làm việc trong vùng. Bước sónggọi là bước sóng cắt. Tại vùng độ nhạy của photo diode. Khi đó ánh sáng chiếu vào có ứng với mức năng lượng của photon nên không đủ để kích các điện tử lên vùng dẫn, nên trong diode không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống, kết quả là không có dòng quang điện chạy qua diode. c. Đáp ứng thời gian của photo diode P-N Từ đồ thị hình 4.2 ta thấy photo diode làm từ Si làm việc thích hợp trong vùng bước sóng. Còn trong vùng bước sóng từ 1,3 đến 1,6µm thì dùng photo diode làm từ InGaAs hoặc Ge. Tuy nhiên do Ge có tạp âm lớn nên trong thực tế nó ít được sử dụng làm bộ thu quang. Đáp ứng thời gian của photo diode chỉ mức độ phản ứng của diode với ánh sáng chiếu vào nó hay biểu thị tính quán tính của diode. Đáp ứng thời gian của photo diode được quyết định bởi các yếu tố sau: Thời gian dịch chuyển của dòng điện khuếch tán của hạt dẫn ngoài vùng trôi (trong lớp P và lớp N) của diode. Thời gian dịch chuyển của dòng điện trôi của các hạt dẫn qua lớp nghèo trong diode. Vì tốc độ trôi của hạt dẫn trong lớp nghèo dưới điện trường tiếp xúc lớn hơn nhiều tốc độ dịch chuyển của dòng điện khuếch tán trong hai vùng P và N, nên thời gian dịch chuyển của dòng điện khuếch tán ảnh hưởng đến đáp ứng thời gian của photo diode P- N. Vì vậy để giảm thời gian khuếch tán, tức giảm thời gian đáp ứng, photo diode được chế tạo với hai vùng P và N khá mỏng. Ngoài ra để tăng hiệu suất lượng tử tức tăng số cặp điện từ và lỗ trống được tạo ra trong photo diode, thì lớp nghèo có độ dày càng lớn càng tốt, như vậy lại làm tăng đáp ứng thời gian của diode. Như vậy photo diode P- N có hai nhược điểm cơ bản là hiệu suất lượng tử thấp do độ rộng lớp nghèo nhỏ và đáp ứng thời gian lớn do dòng khuếch tán lớn, nên trong thực tế kỹ thuật nó ít được sử dụng làm bộ thu quang. 4.3. Photo diode PIN 4.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc Photo diode PIN được cấu tạo từ bán dẫn loại Si hay InGaAs gồm 3 lớp là P, N và lớp giữa I (I là chất tinh khiết cao ôm- Instrinsic). Tại hai lớp P và N có gắn lớp tiếp xúc kim loại để tạo thành các điện cực là anôt và catot. Nhờ có thêm vùng bán dẫn tinh khiết I nên điện trường do điện áp đặt từ ngoài lên vùng này có cường độ trường khá lớn, vì vậy tăng được tốc độ trôi của dòng điện hạt dẫn qua lớp nghèo lên nhiều lần so với photo diode P-N. P I N Chiều dầy Trở tải RL Thiên áp Photon tới Điện trường + X Y Hình 4.2. Cấu tạo của photo diode quang Ngoài ra 2 lớp P và N được chế tạo rất mỏng, để cho các cặp điện tử và lỗ trống chỉ được tạo ra ở lớp nghèo, nên giảm được dòng điện khuếch tán, do đó làm giảm thời gian đáp ứng. Lớp nghèo chiếm cả vùng I và mở rộng sang 2 bên lớp P và N một phần, do đó làm tăng hiệu suất lượng tử của diode. Như vậy photo diode PIN đã khắc phục được hai nhược điểm của photo diode P-N về hiệu suất lượng tử và đáp ứng thời gian. 4.3.2. Tham số kỹ thuật của PIN Bảng 4.1 thể hiện các tham số kỹ thuật của một số photo diode PIN tiêu biểu làm từ các loại bán dẫn khác nhau: Tham số (ký hiệu) Đơn vị Si Ge InGaAs Bước sóng λ Đáp ứng R Hiệu suất lượng tử η Dòng tối It Thời gian lên τr Băng tần Δf Thiên áp Vb μm A/W % nA ns GHz V 0,4-1,1 0,4-0,6 79-90 1-10 0,5-1 0,3-0,6 50-100 0,8-1,8 0,5-0,7 50-55 50-500 0,1-0,5 0,5-3 6-10 1,0-1,7 0,6-0,9 60-70 1-20 0,05-0,5 1-5 5-6 Bảng 4.1. Các tham số kỹ thuật của photo diode PIN Photo diode PIN được ứng dụng trong các hệ thống thông tin tốc độ trung bình, cự ly trung bình, có giá thành rẻ và tin cậy. 4.4. Photo diode thác APD Photo diode thác APD có nhược điểm là độ nhậy bị hạn chế, do vậy trong các tuyến thông tin yêu cầu độ nhậy của máy thu cao, ta cần phải sử dụng một loại photo diode có độ nhậy cao hơn gọi là photo diode thác APD. Trong photo diode thác APD dòng quang điện được khuếch đại lên nhiều lần do hiệu ứng nhân thác xảy ra bởi sự ion hoá do va chạm của điện tử được tạo ra với mạng tinh thể trong lớp nhân thác của diode để tạo ra nhiều cặp điện tử và lỗ trống mới trong khoảng thời gian rất ngắn. 4.4.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc Photo diode thác APD được cấu tạo từ chất bán dẫn Si hoặc InGaAs bao gồm 4 lớp là P+, N+, I và P cao ôm. Ở đây các vùng bán dẫn + được pha tạp chất với nồng độ cao. Hình 4.3. Cấu tạo của diode thác APD Do có điện trở khá cao nên dưới tác dụng của thiên áp đặt vào diode điện trường trong lớp P đạt giá trị cao hơn giá trị điện trường ngưỡng nhân thác (cỡ Eng=3.105v/cm).Lớp I là bán dẫn tinh khiết, là lớp nghèo dùng chủ yếu để hấp thụ ánh sáng và tạo ra các cặp điện tử, lỗ trống trong diode. Hiệu ứng nhân thác xảy ra như sau: khi photon tới có năng lượng E=hv>EG chiếu vào photo diode, trong lớp I sinh ra các cặp điện tử và lỗ trống ban đầu gọi là hạt sơ cấp. Các điện tử này trôi dưới tác dụng của điện trường đi đến lớp P có điện trường rất cao, tại đây chúng được tăng tốc mạnh nên có vận tốc cao, đủ sức ion hoá khi va chạm với các điện tử trong mạng tinh thể P để tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống gọi là thứ cấp. Đến lượt các điện tử thứ cấp lại được tăng tốc và tiếp tục ion hoá va chạm với các điện tử trong mạng tinh thể để tạo ra nhiều cặp điện tử thứ cấp nữa. Quá trình ion hoá do va chạm trên xảy ra theo phản ứng dây truyền trong thời gian rất ngắn để tạo ra một số lượng rất lớn các điện tử thứ cấp nên gọi là hiệu ứng nhân thác. Do đó dòng quang điện chạy trong photo diode thác đã được khuếch đại lên nhiều lần so với photo diode PIN. Lớp P được gọi là lớp nhân thác của photo diode. 4.4.2. Các tham số kỹ thuật của APD Để đặc trưng cho sự nhân thác dòng quang điện trong photo diode APD, ta đưa vào tham số gọi là thừa số nhân thác M. Nó được biểu thị bởi tỷ số của dòng quang điện trung bình tổng đầu ra trên dòng ban đầu không được nhân là: (4.4) Độ nhạy của photo diode thác được biểu thị qua công thức sau: (4.5) Ở đây R1 là độ nhạy của APD ứng với thừa số nhân thác M=1 Vì trong thực tế không phải mọi cặp điện tử và lỗ trống được tạo ra trong photo diode đều cùng được nhân thác, nên cơ chế nhân thác là một quá trình thống kê. Do đó giá trị của thừa nhân thác M được tính một cách trung bình. Để đảm bảo cường độ trường trong lớp nhân P đạt được giá trị ngưỡng nhân thác thì thiên áp đặt vào photo diode thác phải đủ lớn (cỡ vài chục đến hang trăm vol), nhưng phải nhỏ hơn mức đánh thủng cỡ 10% để khỏi hỏng diode. Để tăng độ nhạy của APD, cần phải chọn thừa số nhân thác có giá trị lớn, tuy nhiên khi M lớn thì làm cho tạp âm của photo diode APD cũng tăng, dẫn đến giảm tỷ số tín/ tạp S/N và độ nhạy của nó. Vì vậy trong thực tế cần chọn một giá trị tối ưu cho thừa số nhân thác là Mopt của APD. Giá trị tối ưu Mopt phụ thuộc vào chất bán dẫn làm photo diode APD. Thông thường nó có giá trị cỡ 30-100. So với PIN, APD có độ nhạy cao hơn, thiên áp ngược có giá trị lớn hơn, nhưng giá thành đắt hơn. Photo diode thác APD được sử dụng làm bộ thu quang trong các hệ thống thông tin quang có tốc độ bit rất cao, cự ly rất dài. Bảng 4.2 các thông số kỹ thuật APD. Tham số (ký hiệu) Đơn vị Si Ge InGaAs Bước sóng λ Đáp ứng R Thừa số nhân M Dòng tối It Thời gian lên τr Băng tần Δf Thiên áp VP μA A/m - nA ns GHz V 0,4-1,1 80-130 100-500 0,1-1,0 0,1-2 0,2-1 200-250 0,8-1,8 3-30 50-200 50-500 0,5-0,8 0,4-0,7 20-40 1,0-1,7 5-20 10-40 0,1-0,5 0,1-0,5 1,0-3,0 20-30 Bảng 4.2. Các thông số kỹ thuật APD CHƯƠNG V. GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN 5.1. Tổng quan về hệ thống ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin quang đã đạt được những thành tựu rất to lớn trong đó phải kể đến kỹ thuật ghép kênh quang, nó thực hiện việc ghép các tín hiệu ánh sáng để truyền trên sợi quang nhằm tăng dung lượng kênh truyền và tạo ra các tuyến thông tin có tốc độ cao. Việc xây dựng các hệ thống thông tin quang tốc độ cao trên 10Gbit/s TDM cho mỗi luồng đơn kênh quang gặp khó khăn trong việc phát triển các thành phần thiết bị điện tử ở tốc độ 20Gbit/s và 40Gbit/s do sự hạn chế của các mạch điện tử trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn và bản thân các mạch điện tử không đảm bảo được việc đáp ứng xung tín hiệu cực kỳ hẹp cùng với nó là chi phí cao. Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian (OTDM – Optical Time Division Multiplexing) ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên bởi vì quá trình ghép các luồng tín hiệu quang thành các luồng tín hiệu có tốc độ cao hơn không thông qua một quá trình biến đổi nào về điện. Sự phát triển của chúng đòi hỏi nhiều loại bộ phát và thu quang mới sử dụng kỹ thuật ghép tách kênh toàn quang. Nhờ công nghệ OTDM mà có thể xây dựng được các hệ thống tốc độ cao tới hàng trăm Gbit/s đến trên 1Tbit/s. Hơn nữa, OTDM ra đời thích hợp với công nghệ truyền dẫn SDH. Kỹ thuật SDH sẽ ghép các kênh để tạo ra các luồng tín hiệu quang, còn OTDM sẽ thực hiện việc ghép các luồng quang này để tạo ra các tuyến truyền dẫn có dung lượng cao. 5.1.1. Nguyên lý ghép kênh trong hệ thống OTDM Quá trình ghép kênh trong hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, chuỗi xung quang hẹp được phát ra từ nguồn laser thích hợp. Các tín hiệu này có thể đưa vào và khuếch đại để nâng mức tín hiệu đủ lớn đáp ứng được yêu cầu, nếu cần thiết. Sau đó được chia thành N luồng, mỗi luồng sẽ đưa vào điều chế nhờ các bộ điều chế ngoài với tín hiệu nhánh tốc độ BGbit/s. Để thực hiện ghép các tín hiệu quang này với nhau, các tín hiệu nhánh phải được đưa qua bộ trễ quang. Tùy theo vị trí của từng kênh theo thời gian trong khung mà các độ trễ này sẽ thực hiện trễ dịch các khe thời gian quang một cách tương ứng. Thời gian trễ là một nửa chu kỳ của tín hiệu clock. Như vậy tín hiệu sau khi được ghép có tốc độ là (NxB)Gbit/s. Sau khi được truyền trên đường truyền, các thiết bị tách kênh bên thu sẽ thực hiện tách kênh và khôi phục xung clock và đưa ra ở từng kênh riêng rẽ tương ứng với các kênh quang ở đầu vào bộ ghép phía phát. Thời gian Thời gian Nguồn phát quang KĐ quang Bộ chia quang Bộ điều chế Bộ điều chế Bộ điều chế Bộ điều chế Bộ ghép quang KĐ quang Khối phát clock Bộ tách kênh Kênh Tín hiệu Trễ quang Sợi quang Kênh 1 Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4 1 2 33 4 1 2 3 44 Hình 5.1. Sơ đồ hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM ghép 4 kênh quang 5.1.2 Phát tín hiệu trong hệ thống OTDM Hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh OTDM áp dùng hai kỹ thuật phát tín hiệu chủ yếu sau: Tạo luồng số liệu quang số RZ thông qua việc xử lý quang luồng NRZ. Dựa vào việc điều chế ngoài của các xung quang. Trong kỹ thuật tạo luồng số liệu quang số RZ thông qua việc xử lý quang luồng NRZ, từ luồng NRZ ta thực hiện biến đổi chúng để đưa về dạng tín hiệu RZ bằng cách cho luồng tín hiệu NRZ qua phần tử xử lý quang có đặc tính chuyển đổi phù hợp. Quá trình biến đổi ánh sáng liên tục (CW) thàng các xung dựa vào bộ khuếch đại điện – quang. Đầu vào CW là luồng tín hiệu quang NRZ và thường thì mỗi luồng NRZ yêu cầu một phân tử xử lý riêng. Nhưng với các hệ thống tiên tiến hơn sẽ cho phép đồng thời thực hiện cả biến đổi và xen quang NRZ thành NZ nhờ một thiết bị chuyển mạch tích cực điện – quang 2x2. Vì vậy, chùm tín hiệu ban đầu NRZ tốc độ B Gbit/s sẽ được lấy mẫu nhờ bộ điều chế Mach-Zehnder, bộ điều chế này được điều khiển với một sóng hình sin với tần số B GHz và được làm bằng biên độ cho đến giá trị điện áp chuyển mạch. Tín hiệu quang số này sẽ được biến đổi thành dạng RZ ở tốc độ B Gbit/s với độ rộng xung bằng nửa chu kỳ bit và việc này nhằm mục đích tạo ra một khoảng để xen vào một luồng tín hiệu dạng RZ thứ hai. Việc xen kênh thứ hai được thực hiện nhờ bộ ghép. Công nghệ nguồn phát quang trong ghép kênh cũng được lưu ý, đó là các Laser có thể phát xung rất hẹp ở tố độ cao và đầu ra của nguồn là các bộ chia quang thụ động, các bộ điều chế ngoài và tiếp đó là các bộ trễ thời gian, các bộ tái hợp vẫn sử dụng coupler. Các sản phẩm của phía phát OTDM được phát hầu như dựa vào công nghệ tổ hợp mạch lai ghép và điều này đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiến hành nghiên cứu. Đối với hệ thống sử dụng kĩ thuật OTDM, khi lựa chọn tuyến quang cho hệ thống ta cần quan tâm đến tỉ lệ “đánh điểm-khoảng trống” và nó tùy thuộc vào mức độ ghép kênh đặt ra. Trong hệ thống OTDM 4 kênh, tỷ lệ “đánh điểm-khoảng trống” lớn hơn đối với nguồn phát xung quanh. Khi tuyến truyền dẫn rất xa thì tỉ lệ này sẽ yêu cầu cao hơn. Các nguồn phát xung phù hợp với hệ thống OTDM đang được sử dụng rộng rãi: Các laser hốc cộng hưởng ngoài gõ mode 4x5Gbit/s. Các laser DFB chuyển mạch khuếch đại 8x6Gbit/s. Các laser vòng sợi khóa mode 4x10Gbit/s và 16x6.25Gbit/s. Các nguồn phát liên tục 16x6.25Gbit/s. Nguồn phát liên tục 16x6.2Gbit/s là một công cụ thực hiện linh hoạt dựa trên sự mở rộng quang phổ bằng cách truyền những xung năng lượng cao trên dây cáp quang. 5.2 Giải ghép và xen rẽ kênh trong hệ thống OTDM 5.2.1 Giải ghép Khi xem xét các hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ OTDM, người ta quan tâm đến việc ghép và giải ghép trong vùng thời gian quang. Với hệ thống thông tin quang có cấu hình điểm-điểm thì công việc giải ghép ở phía thu là việc tách hoàn toàn các kênh quang tương ứng đã được phát ở đầu phát. Nhưng đối với mạng thông tin quang sử dụng kĩ thuật OTDM thì việc giải ghép ở phía thu không chỉ đơn thuần là tách các kênh quang mà còn thực hiện việc xen và rẽ kênh từ luồng truyền dẫn. Đối với các bộ giải ghép kênh cần phải xem xét các thông số cơ bản về tách kênh kể cả tỷ số phân biệt quang, suy hao quang, suy hao xen và mặt cắt cửa sổ chuyển mạch có thể đạt được. Tỷ số phân biệt có ảnh hưởng rất lớn đến mức độ xuyên âm. EX = 10logA/B Với A: Mức công suất quang trung bình ở mức logic 1. B: Mức công suất quang trung bình ở mức logic O. Ngoài ra, xuyên kênh cũng sẽ bị tăng do sự phủ chờm giữa các kênh lân cận với nhau tạo thành cửa sổ chuyển mạch. Và kết quả là độ rộng của cửa sổ chuyển mạch sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến tố độ đường truyền do đó ta phải đặt ra các yêu cầu về độ rộng xung tín hiệu sau khi truyền dẫn để giảm nhỏ xuyên kênh. Loại chuyển mạch Tín hiệu điều khiển Các đặc tính và cửa sổ chuyển mạch nhỏ nhất Bộ điều chế Niobate ghép tầng Sóng điện hình sin 40>10Gbit/s cửa sổ 19ps Bộ điều khiển băng rộng Sóng điện hai tần số 40>10Gbit/s cửa sổ 22ps, rẽ và xen kênh Bộ điều khiển điện hấp thụ Sóng điện hình sin Không nhạy cảm phân cực 40>10Gbit/s, cửa sổ 10ps Quang Kerr Xung quang 40Gbit/s, 5Gbit/s 100>6,25Gbit Trộn sóng: sợi Xung quang 40>20Gbit/s Gương vòng: sợi Xung quang 100>6,25Gbit/s, cửa sổ 6ps Rẽ và xen kênh Trộn sóng: bán dẫn Xung quang 40Gbit/s*10Gbit/s 20>5Gbit/s Quang Kerr: bán dẫn Xung quang 20>19Gbit/s Gương vòng: bán dẫn Xung quang 40>10Gbit/s 250>1Gbit/s cửa sổ 4ps. Bảng 5.1. Bảng tóm tắt các phương pháp ghép kênh OTDM Có hai loại sơ đồ giải ghép chính là điều khiển điện và điều khiển quang. Trong thời gian đầu, cơ bản tập trung vào hướng sử dụng các bộ điều chế Mach-Zehnder Lithium Niobate, nó cho phép khai thác đáp ứng hình sin để giải ghép bốn lần tốc độ tín hiệu cơ bản. Nhưng gần đây, người ta lại quan tâm đến việc ứng dụng các công nghệ xử lý quang hoàn toàn cho giải ghép với các đặc tính nổi bật sau: Cho phép thỏa mãn về các mức độ giải ghép kênh. Lấy được kênh, truy cập đến các kênh đang truyền để thực hiện việc xen và rẽ kênh. Các cửa sổ chuyển mạch có các ưu điểm nổi bật cho hệ thống OTDM, điều này cho phép sử dụng các xung tín hiệu rộng hơn trước khi các kênh kề nhau gây ra xuyên kênh. Hiệu ứng Kerr là hiệu ứng mà trong đó đặc tính phân cực của sợi quang phụ thuộc vào sự đồng nhất theo hình trụ của chỉ số chiết suất. Sự ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến lên sự đồng nhất này và các hiệu ứng truyền dẫn xảy ra sau đó thường được gọi chung là hiệu ứng Kerr. Hình 5.2. Nguyên lý của bộ ghép kênh thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển mạch phân cực quang 5.2.2. Xen rẽ kênh Tín hiệu đến bộ chia 3dB chia ra giữa các nhánh của gương vòng. Sau khi lan truyền vòng quanh vài km sợi trong vòng thì hai chuỗi xung sẽ giao thoa, tái hợp với nhau và được phản xạ từ gương vòng dưới các điều kiện tương thích. Chu trình hoạt động cơ bản này là động và tuyến tính. Tuy nhiên, nếu có chuỗi xung clock công suất cao hơn được đưa vào vòng mà trùng hợp với tín hiệu số nhưng chỉ lan truyền theo một hướng thì các xung clock sẽ biến đổi chỉ số chiết suất của lõi sợi. Việc điều chế ngang pha vừa đủ đã có thể có trong các xung tín hiệu để tạo ra các xung phù hợp được chuyển mạch qua phía tín hiệu để tạo ra các xung phù hợp được chuyển mạch qua phía đối diện của gương vòng. Kết quả là tín hiệu cần thiết lấy ra ở nút được thiết bị phản xạ trong khi đó các kênh còn lại sẽ đi qua và tái hợp tại chỗ với tín hiệu được phát cho hướng truyền dẫn phia trước cửa sổ chuyển mạch của thiết bị và của sổ này được xác định không chỉ bằng dạng của các xung điều khiển mà còn bằng cả các vận tốc tương đối của các tín hiệu và xung điều khiển một cách đối xứng ở hai phía của tán sắc sợi bằng không mà cửa sổ chuyển mạch sẽ thu được từ các xung tín hiệu và điều khiển là tương hợp về vận tốc. Các gương vòng phi tuyến (NOLM: Nonlinear Loop Mirror) cũng có thể được cấu trúc từ thiết bị Laser bán dẫn thay cho sợi trong một số trường hợp. Nhược điểm chính của NOLM là do độ dài của sợi (khoảng 10km ), mà cần phải lựa cho việc tán sắc bằng không và bước sóng tín hiệu điều khiển để đạt được cửa sổ chuyển mạch hợp lý. 5.2.3 Đồng bộ quang trong hệ thống OTDM Tín hiệu clock ra Bước sóng λ2 Tín hiệu quang tới LDA Bộ lọc quang Bộ thu quang và lặp Bộ so pha VCO E/O Phát tín hiệu clock quang Bước sóng λ1 λ1+ λ2 Bước sóng λ2 f0+∆f ∆f ∆f f0+∆f f0 Hình 5.3. Cấu hình PLL quang để trích lấy clock Kĩ thuật tách lấy tín hịệu clock là một quá trình không thể thiếu được để tạo ra tín hiệu định thời với tốc độ của tín hiệu là một quá trình không thể thiếu khi thực hiện xử lý các tín hiệu PCM tốc độ cao. Trong các hệ thống thông tin quang hiện nay đang khai thác, việc trích lấy thời gian được thực hiện trên các mạch khóa pha PLL điện (phase-locked-loop) sau khi tín hiệu quang thu được biến đổi thành tín hiệu điện thì các thiệt bị truyền dẫn như các thiết bị đầu cuối quang, thiết bị xen kẽ kênh và cả các trạm lắp đều có PLL. Việc trích lấy xung clock đòi hỏi một cách chính xác. Các mạch PLL điện chỉ đáp ứng đươc các hệ thống truyền dẫn với tốc độ bít nhỏ, khi tốc độ truyền dẫn tăng lên thì chúng không còn phù hợp nữa. Nó sẽ bị hạn chế vì băng tần của các bộ biến đổi quang_điện và mạch điện tử không đáp ứng kịp. Đối với các hệ thống OTDM tốc độ làm việc rất cao và tính chất quang hóa của các hệ thống này thể hiện rất rõ cho nên cấn phải xử dụng việc tách tín hiệu clock dựa trên công nghệ quang. Các mạch PLL đã đáp ứng được tốc độ cực nhanh của tín hiệu trên hệ thống OTDM cũng như các hệ thống thông tin tốc độ cao khác. Trong cấu hình mạch PLL quang, bộ khuếch đại Laser LDA có chức năng như một mạch kết hợp ngang quang có tốc độ cực nhanh. Khi có cả tín hiệu quang và xung từ clock đi tới, bộ khuếch đại LDA sẽ kết hợp hai tín hiệu này và cho ra tín hiệu tần số thấp có chứa thành phần ∆f với ∆f là sự lệch tần số của hai tín hiệu này, sau đó tổ hợp tín hiệu này được tách sóng và lọc để tạo ra tín hiệu ∆f tương ứng với tín hiệu nội so sánh. Dịch pha này được kiểm tra bởi mạch so pha, kết quả so pha sẽ được đưa vào bộ dao động điều khiển điện áp VCO để phát ra tần số f. Máy phát tín hiệu quang sẽ biến đổi tín hiệu điện có tần số f+∆f thành tín hiệu quang tương ứng. Tín hiệu clock quang sẽ được lấy ra từ bộ biến đổi điện – quang E/O và cấp vào thiết bị giải ghép quang trong hệ thống OTDM. 5.3. Đặc tính truyền dẫn của OTDM Do ánh sáng truyền trong sợi quang bị giải rộng ra do sự tán sắc của sợi quang, trong khi đó các hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM hoạt động với tốc độ rất cao, điều đó đòi hỏi các xung phát ra phải rất ngắn. Ta có thể đưa truyền dẫn Soliton và hệ thống để khắc phục vấn đề tán sắc. Tuy vậy, vẫn phải quan tâm tới vấn đề xung cực hẹp. Giả sử các bộ khuếch đại quang thường được sử dụng để tăng các mức tín hiệu dọc theo tuyến thông tin quang khi cần. Trong truyền dẫn tuyến tính tín hiệu RZ trên sợi có tán sắc, vấn đề bù cho hệ thống theo nghĩa bù trừ tán sắc chỉ thiết lập cho các xung tín hiệu bị mất năng lượng vào các khe thời gian lân cận. Tuy vậy, một khi điều này xảy ra thì hệ thống bị suy giảm nhanh nên để tăng cực đại khoảng cách truyền dẫn thì phải đưa các hệ thống truyền dẫn OTDM và các tuyến của tán sắc tiến tới không. Giải pháp đầu tiên là nguồn phát phải làm việc tại bước sóng gần với bước sóng của tán sắc sợi bằng không và điều này rất khó thực hiện bởi giảm công suất tín hiệu để tránh dãn xung cần thiết nhưng điều này có thể làm cho đặc tính của hệ thống bị giới hạn do tỉ lệ S/N. Giải pháp thứ hai là các kỹ thuật điều tiết tán sắc ánh sáng có thể được sử dụng để duy trì hình thức truyền dẫn tuyến tính của tuyến. Hệ thống sử dụng các bộ phát OTDM trong truyền dẫn số phi tuyến có ưu điểm lớn. Các dạng xung ngắn phù hợp với truyền dẫn Soliton để khắc phục tán sắc của sợi dẫn quang. Với hệ thống Soliton thì khoảng lặp của hệ thống OTDM phi tuyến có thể được tăng lên rất lớn bằng cách thực hiện kỹ thuật điều khiển Soliton, thông qua việc sử dụng các bộ lọc dẫn hoặc định thời tích cực. Các bộ lọc dẫn rất thuận lợi khi áp dụng vào môi trường có hiệu ứng Gordon-Haus gây ra Jitter, còn lại việc định lại thời gian tích cực sẽ loại bỏ Jitter đối với bất kì một cơ chế hoạt động nào. Nhờ các công nghệ này người ta có thể thực hiện một trạm lặp bao gồm khối khôi phục clock điện để điều khiển thiết bị điện-quang hoặc quang hoàn toàn nhằm đưa ra dịch pha. 5.4. Bộ khuếch đại sợi quang pha trộn ERBIUM (EDFA) 5.4.1 Các cấu trúc EDFA Coupler LASER bơm Isolator Isolator Er3+ Doped Fiber Hình 5.4. Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) được minh họa trên hình 5.4. Trong đó bao gồm:          Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA. Cấu tạo của sợi quang pha ion Er3+ được minh họa như hình 5.5. Hình 5.5. Mặt cắt ngang của một sợi quang ion Erbium Trong đó, vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3 -6 μm) của EDF được pha trộn ion Er3+ là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất. Việc pha các ion Er3+ trong vùng này cung cấp sự chồng lắp của năng lượng bơm và tín hiệu với các ion Erbium lớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn. Lớp bọc (Cladding) có chiết suất thấp hơn bao quanh vùng lõi. Lớp phủ (Coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi quang tổng cộng là 250 μm. Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớp bọc dùng để loại bỏ bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang. Nếu không kể đến chất pha Erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn mode chuẩn trong viễn thông. Ngoài ra, EDF còn được chế tạo bằng các bằng các loại vật liệu khác như sợi thủy tinh flouride (Flouride-Based Glass Fiber) hoặc sợi quang thủy tinh đa vật liệu (Multicomponent Glass Fiber).  Laser bơm (Pumping Laser): cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực. Laser bơm phát ra ánh sáng có bước sóng 980nm hoặc 1480nm. WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào trong sợi quang. Loại coupler được sử dụng là WDM coupler cho phép ghép các tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm. Bộ cách ly quang (Optical Isolator): ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường phản xạ ngược về EDFA. 5.4.2. Lý thuyết khuếch đại trong EDFA         a) Giản đồ phân bố năng luợng của Er3+ Hình 5.6. Giản đồ năng lượng của ion Er3+ Giản đồ phân bố năng lượng của Er3+ trong sợi silica được minh họa trong hình 5.6. Theo đó, các ion Er3+ có thể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khác nhau được ký hiệu: 4I15/2, 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 4H11/2. Trong đó: Vùng 4I15/2 có mức năng lượng thấp nhất, được gọi là vùng nền (ground-state band). Vùng 4I13/2 được gọi là vùng giả bền (mestable band) vì các ion Er3+ có thời gian sống (lifetime) tại vùng này lâu (khoảng 10ms) trước khi chuyển xuống vùng nền. Thời gian sống này thay đổi tùy theo loại tạp chất được pha trong lõi của EDFA. Vùng 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 4H11/2 là các vùng năng lượng cao, được gọi là vùng kích thích hay vùng bơm (Pumping Band). Thời gian các ion Er3+ có trạng thái năng lượng trong các vùng này rất ngắn (khoảng 1 μs). Sự chuyển đổi năng lượng của các ion Er3+ có thể xảy ra trong các trường hợp sau: Khi các ion Er3+ ở vùng nền nhận một mức năng lượng bằng độ chênh lệch năng lượng giữa vùng nền và vùng năng lượng cao hơn, chúng sẽ chuyển lên vùng có mức năng lượng cao hơn (sự hấp thụ năng lượng). Khi các ion Er3+ chuyển từ các vùng năng lượng cao xuống vùng năng lượng thấp hơn sẽ xảy ra hai trường hợp sau: Phân rã không bức xạ (Nonradiative Decay): năng lượng được giải phóng dưới dạng photon tạo ra sự dao động phân tử trong sợi quang. Phát xạ ánh sáng (Radiation): năng lượng được giải phóng dưới dạng photon. Độ chênh lệch năng lượng giữa vùng giả bền (4I13/2) và vùng nền (4I15/2) [1]: +) 0.775eV (tương ứng với năng lượng của photon có bước sóng 1600nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đỉnh của vùng nền.  +) 0.814eV (1527 nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đáy của vùng nền. +) 0.841 eV (1477nm) tính từ đỉnh vùng giả bền đến đáy của vùng nền. Hình 5.7. Phổ hấp thụ và phổ độ lợi Mật độ phân bố năng lượng của các ion Er3+ trong vùng giả bền không đều nhau: các ion Er3+ có khuynh hướng tập trung nhiều ở các mức năng lượng thấp. Điều này dẫn đến khả năng hấp thụ và phát xạ photon của ion Erbium thay đổi theo bước sóng. Phổ hấp thụ (Absortion Spectrum) và phổ độ lợi (Gain Spectrum) của EDFA có lõi pha Ge được biểu diễn trên hình 5.7. b. Nguyên lý hoạt động của EDFA Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích. Quá trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện theo các bước như hình 2.13. Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton =1.27eV) và chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn  ở vùng bơm (pumping band) (1) Tại vùng bơm, các ion Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1μs) và chuyển xuống vùng giả bền (2). Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền (3). Hình 5.8. Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra với 2 bước sóng bơm 980nm và 1480nm. Các ion Er3+ trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùng năng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4). Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu không được kích thích bởi các photon có năng lượng thích hợp (phát xạ kích thích) các ion Er3+ sẽ chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn ở vùng nền và phát xạ ra photon (phát xạ tự phát) (5). Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra đồng thời hai hiện tượng sau: Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er3+ ở vùng nền (6). Tín hiệu ánh sáng bị suy hao, các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng giả bền (7). Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra. Khi đó, các ion Er3+  bị kích thích sẽ chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao ở vùng giả bền xuống mức năng lượng thấp ở vùng nền và phát xạ ra photon mới có cùng hướng truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng bước sóng. Tín hiệu ánh sáng được khuếch đại. Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích (khuếch đại) xảy ra trong khoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm. Đây cũng là vùng bước sóng hoạt động của EDFA. Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng tại các bước sóng lớn hơn 1565 nm và bằng 0 dB tại bước sóng 1616nm. 5.4.3. Yêu cầu đối với nguồn bơm Bước sóng bơm Với các vùng năng lượng được nêu ở trên ánh sáng bơm có thể được sử dụng tại các bước sóng khác nhau 650 nm (4F9/2), 800 nm (4I9/2), 980 nm (4I11/2), 1480 nm (4I13/2). Tuy nhiên, khi bước sóng bơm càng ngắn thì các ion Er3+ phải trải qua nhiều giai đoạn chuyển đổi năng lượng trước khi trở về vùng nền và phát xạ ra photon ánh sáng. Do đó, hiệu suất bơm không cao, năng lượng bơm sẽ bị hao phí qua việc tạo ra các phonon thay vì photon. Vì vậy, trên thực tế, ánh sáng bơm sử dụng cho EDFA chỉ được sử dụng tại hai bước sóng 980nm và 1480nm.             Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt được sự nghịch đảo nồng độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion erbium lên trạng thái kích thích. Có hai cách thực hiện quá trình này: bơm trực tiếp tại bước sóng 1480 nm hoặc bơm gián tiếp ở bước sóng 980 nm. Phương pháp bơm gián tiếp (bơm ở 980 nm): Trong trường hợp này, ion Erbium liên tục được chuyển tiếp từ vùng năng lượng 4I15/2  thấp lên vùng năng lượng cao 4I11/2, sau đó các ion sẽ phân rã xuống vùng 4I13/2 nhưng không phát xạ. Từ vùng này, khi có ánh sáng kích thích thì các ion sẽ phát xạ bước sóng mong muốn (từ 1550 đến 1600 nm) khi chuyển từ vùng năng lượng 4I13/2  xuống vùng 4I15/2. Đây chính là hệ thống ba mức. Thời gian sống của ion Erbium ở mức 4I11/2 khoảng 1μs trong khi ở 4I13/2 thì tới 10ms. Với thời gian sống dài, vùng 4I15/2   được gọi là vùng ổn định. Vì vậy, các ion được bơm lên mức cao, sau đó nhanh chóng rơi xuống vùng 4I13/2 và tồn tại ở đó trong một khoảng thời gian tương đối dài tạo nên sự nghịch đảo về nồng độ. Với phương pháp bơm trực tiếp (1480 nm): các ion erbium chỉ hoạt động trong hai vùng năng lượng 4I13/2 và 4I15/2. Đây là hệ thống 2 mức. Các ion Erbium liên tục được chuyển từ vùng năng lượng nền 4I15/2 lên vùng năng lượng kích thích 4I13/2 nhờ năng lượng bơm. Vì thời gian tồn tại ở mức này dài nên chúng tích lũy tại đây tạo ra sự nghịch đảo nồng độ. Nguồn bơm có hiệu quả cao ở cả hai bước sóng 980 và 1480 nm. Để có hệ số khuếch đại hơn 20 dB thì chỉ cần tạo ra nguồn bơm có công suất nhỏ hơn 5 mW, nhưng vẫn cần phải có nguồn bơm từ 10 đến 100 mW để đảm bảo cho công suất ra đủ lớn.  Chỉ số nhiễu lượng tử giới hạn là 3 dB đạt được ở bước sóng 980 nm. Đối với bước sóng 1480 nm thì chỉ số nhiễu là vào khoảng 4 dB vì tiết diện ngang phát xạ tại1480 nm cao hơn tại 980 nm và sự bức xạ kích thích do nguồn bơm đã giới hạn sự nghịch đảo tích luỹ tại 1480nm. Do đó, bước sóng bơm 980 nm được ứng dụng cho các bộ khuếch đại tạp âm thấp. Hệ số độ lợi tại bước sóng bơm 980 nm cao hơn tại 1480 nm tại cùng công suất bơm. Do đó, để đạt được cùng một hệ số độ lợi thì công suất bơm tại 1480 nm phải cao hơn tại 980 nm. Vì ông suất bơm ở 1480 nm lớn hơn nên công suất ngõ ra lớn hơn, do đó bơm ở bước sóng 1480nm được ứng dụng cho các bộ khuếch đại công suất. Ngoài ra, bước sóng bơm 1480 nm được truyền trong sợi quang với suy hao thấp. Do đó, nguồn bơm laser có thể đặt xa bộ khuếch đại. Hiện nay, bơm bước sóng 1480nm được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng sẵn có hơn và độ tin cậy cao hơn. Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nó dùng để bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu. Các thiết bị khuếch đại công suất đòi hỏi công suất bơm cao nhất và độ ổn định của chúng là mấu chốt trong quá trình nghiên cứu phát triển chúng. Nếu tăng được độ ổn định của laser có bước sóng 980 nm thì có thể chúng sẽ được chọn làm nguồn bơm. Một số EDFA được bơm tại cả hai bước sóng để tận dụng ưu điểm của cả hai bước sóng. Bước sóng bơm 980nm 1480nm Tính chất: Độ lợi Cao hơn Thấp hơn Độ lợi công suất bơm Thấp hơn Cao hơn Suy hao công suất bơm Cao hơn Thấp hơn Hệ số nhiễu Thấp hơn Cao hơn Ứng dụng Tiền khuếch đại Khuếch đại công suất Bảng 5.2. So sánh hai mức bơm 980nm và 1480nm c. Công suất bơm Công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion Erbium bị kích thích để trao đổi năng lượng với tín hiệu cần khuếch đại và sẽ làm cho hệ số khuếch đại tăng lên. Tuy nhiên, hệ số khuếch đại không thể tăng mãi theo công suất bơm vì số lượng các ion erbium được cấy vào sợi là có giới hạn. Ngoài ra, khi công suất bơm tăng lên thì hệ số nhiễu sẽ giảm. Điều này sẽ được trình bày trong phần tính hệ số nhiễu của EDFA. d. Hướng bơm Bộ khuếch đại EDFA có thể được bơm theo ba cách: Bơm thuận (Codirectional Pumping): nguồn bơm được bơm cùng chiều với hướng truyền tín hiệu. Bơm ngược (Counterdirectional Pumping): nguồn bơm được bơm ngược chiều với hướng truyền tín hiệu. Bơm hai chiều (Dual Pumping): sử dụng hai nguồn bơm và bơm được theo hai chiều ngược nhau. Hướng bơm thuận có ưu điểm nhiễu thấp vì nhiễu khá nhạy cảm với độ lợi mà độ lợi tín hiệu cao nhất khi công suất tín hiệu vào thấp nhất. Trong khi đó, hướng bơm ngược cung cấp công suất ra bão hoà cao nhưng có hệ số nhiễu cao hơn bơm thuận. Do vậy, người ta đề nghị sử dụng cả hai laser bơm có bước sóng bơm khác nhau. Việc bơm tại bước sóng 1480 nm thường được sử dụng theo chiều ngược với hướng truyền tín hiệu và bơm tại 980 nm theo hướng thuận để sử dụng tốt nhất ưu điểm của mỗi loại bơm. Bơm tại 1480 nm có hiệu suất lượng tử cao hơn nhưng có hệ số nhiễu cao hơn, trong khi bơm tại bước sóng 980 nm có thể cung cấp một hệ số nhiễu gần mức giới hạn lượng tử. Hệ số nhiễu thấp phù hợp cho các ứng dụng tiền khuếch đại. Một EDFA  được bơm bằng một nguồn bơm có thể cung cấp công suất  đầu ra cực  đại khoảng +16 dBm trong vùng bão hoà hoặc hệ số nhiễu từ 5-6 dB trong vùng tín hiệu nhỏ. Cả hai bước sóng bơm được sử dụng đồng thời có thể cung cấp công suất đầu ra cao hơn. Một EDFA được bơm kép có thể cung cấp công suất ra tới +26 dBm trong vùng công suất bơm cao nhất có thể đạt được. Hình 5.9 thể hiện một EDFA được bơm kép.  Giá trị các đặc tính của bộ khuếch đại EDFA được trình bày trong bảng 5.2. Hình 5.9. Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép 5.4.4. Phổ khuếch đại Phổ độ lợi của EDFA được trình bày trong hình 5.9 là tính chất quan trọng nhất của EDFA khi xác định các kênh tín hiệu được khuếch đại trong hệ thống WDM. Hình dạng của phổ khuếch đại phụ thuộc vào bản chất của sợi quang, loại tạp chất (Ge, Al) và nồng độ tạp chất được pha trong lõi của sợi quang. Hình 5.9 cho thấy phổ độ lợi của EDFA có lõi pha Ge khá rộng. Tuy nhiên, phổ độ lợi này không bằng phẳng. Điều này sẽ dẫn đến việc hệ số khuếch đại khác nhau đối với các bước sóng khác nhau. Nếu  độ lợi của các kênh tín hiệu không  đồng nhất, nhất là sau khi qua nhiều tầng EDFA, sai số độ lợi này sẽ tích luỹ tuyến tính đến mức khi tới đầu thu kênh bước sóng có độ lợi cao làm cho đầu vào máy thu quá tải. Ngược lại, kênh tín hiệu có độ lợi nhỏ thì tỉ số SNR không đạt yêu cầu. Sự làm phẳng độ lợi là cần thiết để loại bỏ sự khuếch đại méo các tín hiệu qua các EDFA đường truyền ghép tầng. Một số biện pháp được sử dụng để khắc phục sự không bằng phẳng của phổ độ lợi: Chọn lựa các bước sóng có độ lợi gần bằng nhau. WDM làm việc ở dải sóng băng C (1530 – 1565 nm). Trong dải bước sóng này chọn 40 bước sóng làm bước sóng công tác của WDM. Các bước sóng này có độ lợi gần bằng nhau. Công nghệ cân bằng độ lợi: dùng bộ cân bằng (Equalizer) hấp thụ bớt công suất ở bước sóng có độ lợi lớn và bộ khuếch đại để tăng công suất của bước sóng có độ lợi nhỏ. Thay đổi thành phần trộn trong sợi quang: dùng sợi quang trộn thêm nhôm, photpho nhôm hay flo cùng với Erbium sẽ tạo nên bộ khuếch đại có băng tần được mở rộng và phổ khuếch đại bằng phẳng hơn. Ngoài ra, phổ độ lợi của EDFA còn phụ thuộc vào chiều dài của sợi EDF. Lý do là vì trạng thái nghịch đảo nồng độ thay đổi dọc theo chiều dài của sợi quang khi công suất bơm thay đổi.  Bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở băng C (1530-1565 nm). Tuy nhiên, độ lợi của sợi pha tạp có đuôi trải rộng đến khoảng 1605 nm. Điều này kích thích sự phát triển của các hệ thống hoạt động ở băng L từ 1565 đến 1625 nm. Nguyên lý hoạt động của EDFA băng L giống như EDFA băng C. Tuy nhiên, có sự khác nhau trong việc thiết kế EDFA cho băng C và băng L. Các phần tử bên trong bộ khuếch đại quang như bộ cách ly (isolator) và bộ ghép (coupler) phụ thuộc vào bước sóng nên chúng sẽ khác nhau trong băng C và băng L. Sự so sánh các tính chất của EDFA trong băng C và băng L được thể hiện trong bảng 5.3. Tính chất Băng C Băng L Độ lợi Cao hơn Nhỏ hơn khoảng 3 lần Phổ độ lợi Ít bằng phẳng hơn Bằng phẳng hơn Nhiễu ASE Thấp hơn Cao hơn Bảng 5.3. Bảng so sánh EDFA hoạt động trong băng C và L Bảng 5.3 trình bày cấu trúc của một bộ khuếch đại băng L làm bằng phẳng độ lợi trong khoảng bước sóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng. 5.5. Kết luận chương Qua nghiên cứu về kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo thời gian (OTDM) cho thấy các đặc điểm nổi bật sau: Dung lượng kênh truyền dẫn lớn. Tốc độ truyền dẫn cao. Vận dụng tốt phổ hẹp của Laser. Kết hợp được với kỹ thuật điều khiển Siliton để tăng khả năng lặp của hệ thống phi tuyến lên rất lớn. Ghép kênh quang phân chia theo thời gian phù hợp với các loại Laser tạo ra các xung có độ dài ít hơn độ dài khe thời gian của tín hiệu cho phép. KẾT LUẬN Đề tài “kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian” trong hệ thống thông tin quang đã thực sự đem lại cho chúng em nhiều hiểu biết về thông tin sợi quang. Khi tìm hiểu về hệ thống thông tin sợi quang ở chương 1 đã trình bày một cách khái quát về hệ thống và đã giúp cho chúng em có tầm nhìn về hệ thống thông tin sợi quang một cách tổng quát. Các chương tiếp theo sẽ tập trung vào trình bày một cách then chốt các vấn đề như đặc điểm, cấu tạo chức năng của hệ thống cáp sợi quang. Với những ưu điểm kể trên việc sử dụng sợi quang làm phương tiện truyền dẫn là rất cần thiết. Thế nhưng khi sử dụng sợi quang trong thực tế không phải điều đơn giản, cơ chế ánh sáng lan truyền trong sợi quang cũng như độ tổn hao là những yếu tố cần phải tính đến trước tiên khi chọn sợi quang làm phương tiện truyền dẫn tín hiệu. Tuy nhiên, để tăng tốc độ truyền dẫn, băng thông, dung lượng…thì vấn đề ghép kênh quang là một tất yếu. Có ba loại ghép kênh quang là ghép kênh phân chia theo thời gian (OTDM), ghép kênh phân chia theo tần số (OTDM), ghép kênh quang phân chia theo bước sóng (WDM). Trong cả ba phương án trên thì ghép kênh quang phân chia theo thời gian và phổ biến nhất với các tính năng ưu việt của nó. Trong những năm gần đây, các nước đang phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Đức…đang nghiên cứu để đua ra công nghệ mới: WDM là truyền dẫn tốc độ cao vài trăm Gbit đến Tbit. Dùng công nghệ WDM để mở rộng dung lượng, tiết kiệm được số lượng lớn điểm bộ lặp, bộ tái sinh, giảm giá thành của hệ thống. Nó là nền móng cho sự phát triển lâu dài trong tương lai. DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Công nghệ truyền dẫn quang Tổng cục bưu điện_ Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hệ thống thông tin quang (2 tập) Vũ Văn San_ Nhà xuất bản bưu điện Kỹ thuật ghép kênh quang. Kỹ thuật thông tin quang Tổng công ty bưu chính viễn thông Việt Nam