Tìm hiểu bộ ghép kênh và phân kênh quang

Trong quá trình truyền dẫn, tím hiệu quang bị suy hao do nhiều nguyên nhân. đó là khi ghép nguồn phát vào sợi quang, từ sợi quang vào bộ thu, tại các mối hàn, do quá trình phân nhánh hay do vật liệu làm sợi quang. Chính vì vậy tại các tuyến truyền dẫn xa, quá trình suy hao làm cho các tín hiệu thấp hơn ngưỡng nhạy của máy thu. để khắc phục tình trạng này người ta phải tạo ra bộ khuyếch đại quang. Có hai loại khuyếch đại quang là khuyếch đại bán dẫn và khuyếch đại quang sợi.

 Bộ khuyếch đại quang được sử dụng trong các trường hợp:

ỉ Bộ tăng cường (cũng được gọi là bộ khuếch đại công suất), khi được dùng ngay sau máy phát laser để tăng công suất và cho phép trạm lặp đầu tiên được bố trí càng xa càng tốt sau các liên kết.

 

doc37 trang | Chia sẻ: huong.duong | Ngày: 07/08/2015 | Lượt xem: 761 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Tìm hiểu bộ ghép kênh và phân kênh quang, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
g người ta nhận thấy sợi quang có suy hao thấp nhất tại 2 vùng bước sóng là : 1310 nm, 1550 nm. Dùng 2 bước sóng này ghép vào sợi quang, tại đầu thu dùng 2 cửa sổ thu 1310 nm, 1550 nm. Đây vẫn chưa mang tính công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM. Hiện nay, người ta dùng nhiều bước sóng trong mỗi cửa sổ ghép vào sợi quang. Như vậy, khoảng cách giữa các kênh quang sẽ rất gần nhau, bộ phát tín hiệu quang phải có đặc tính phát ra tín hiệu quang có phổ rất hẹp. Các khối chính của hệ thống thông tin quang : So với hệ thống thông tin quang thông thường thì hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng có thêm bộ ghép kênh quang và phân kênh quang. Do đó bao gồm các khối sau : Nguồn quang: thường là Diode phát quang LED và Diode Laser. Yêu cầu nguồn quang có phổ tín hiệu hẹp. Bộ ghép kênh quang: có thể là bộ lọc Filler, bộ ghép Coupler hoặc là cách tử gratting. Sợi quang. Bộ lặp: để bù lại phần công suất đã bị suy hao trên quãng đường truyền. Bộ phân kênh quang: giống như bộ ghép kênh quang. Bộ tách sóng: yêu cầu độ nhạy cao. Bộ khuyếch đại quang: trong các hệ thống có khoảng cách truyền dẫn xa như các tuyến trục quốc gia, quốc tế thì tín hiệu quang bị suy hao rất lớn nên cần có Bộ khuyếch đại. Cụ thể các khối như sau: Sợi quang: Sợi dẫn quang có cấu trúc như là một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang, như vậy nó có dạng hình trụ bình thường và có chức năng dẫn ánh sáng lan truyền theo hướng song song với trục của nó. Để đảm bảo được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi, cấu trúc cơ bản của nó gồm một lõi hình trụ làm bằng vật liệu thuỷ tinh có chỉ số chiết suất n1 lớn hơn và bao quanh lõi là một vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2<n1. Sự lan truyền của ánh sáng dọc theo sợi được mô tả dưới dạng các sóng điện từ truyền dẫn được gọi là các mode trong sợi. Mỗi một mode truyền là một mẫu các đường trường điện và trường từ được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng. Chỉ có một vài mode riêng biệt nào đó là có khả năng truyền dọc theo suốt chiều dài sợi trong số nhiều mode được ghép vào tại đầu sợi. Lớp vỏ phản xạ mặc dù không là môi trường truyền ánh sáng nhưng nó là môi trường tạo ra gianh giới với lõi và ngăn chặn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài, tham gia bảo vệ lõi và gia cường thêm độ bền của sợi. Các tham số cơ bản để xác định cấu trúc sợi quang là đường kính lõi sợi, đường kính lớp bao và khẩu độ số NA. Các thông số này ảnh hưởng đến một số đặc tính khác nhau của sợi quang như là suy hao quang, độ rộng băng truyền dẫn, sức bền cơ khí, bộ đấu nối sợi quang.... Có bốn thông số xác định cấu trúc của sợi quang đa mode là : Đường kính lõi sợi, đường kính lớp vỏ, khẩu độ số NA và dạng phân bố chiết suất khúc xạ. Tương phản với cấu trúc của các sợi quang đa mode, các sợi quang đơn mode được xác định bằng 3 thông số:Thông số trường mode,đường kính lớp vỏ&bước sóngcắt Việc phân loại sợi dẫn quang phụ thuộc vào sự thay đổi thành phần chiết suất của lõi sợi. Có 3 loại sợi quang : Sợi đa mode chỉ số chiết suất phân bậc: Loại sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi gọi là sợi có chỉ số chiết suất phân bậc (SI). Sợi đa mode chỉ số chiết suất Gradien: Loại sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi sợi ra tới tiếp giáp lõi và vỏ phản xạ gọi là sợi có chỉ số chiết suất Gradian. (GI) Sợi đơn mode: Chỉ cho phép truyền một mode truyền hay chỉ một tia chạy song song với trục sợi. Sợi đơn mode thường có đường kính rất nhỏ. Xung ánh sáng đưa vào sợi đơn mode là xung rất hẹp thì ở đầu ra của sợi đơn mode nhận được xung bị biến đổi tương đối nhỏ hơn so với xung ra ở sợi đa mode. Sợi đa mode: Cho phép nhiều mode truyền dẫn trên nó. Nếu đưa vào đầu vào của sợi một xung rất hẹp thì ở đầu ra của sợi đa mode xung bị biến dạng tương đối nhiều hơn so với sợ đơn mode. Sợ đa mode thường có đường kính ruột rất lớn. ũ Phân loại sợi quang: Phân loại theo vật liệu điện môi * Sợi quang thạch anh * Sợi quang bằng thuỷ tinh đa vật liệu * Sợi quang bằng nhựa Phân loại theo Mode truyền lan * Sợi quang đơn mode * Sợi quang đa mode Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ * Sợi quang chiết suất bậc * Sợi quang chiết suất biến đổi Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang: Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thủy tinh có chiết suất lớn và một lớp bọc cũng bằng thủy tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn. Chiết suất của lớp bọc không đổi còn chiết suất của lõi, nói chung thay đổi theo bán kính (khoảng cách tính từ trục của sợi ra). Sự biến thiên chiết suất theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát như sau: n(r) = r Ê a (trong lõi) ; a <r (lớp bọc) Trong đó: n1: chiết suất lớn nhất ở lõi. n2: chiết suất lớp bọc. : độ chênh lệch chiết suất. r: khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất a: bán kính lõi sợi b: bán kính lớp bọc g: số mũ quyết định dạng biến thiên; g ³ 1 Các giá trị thông dụng của g: g = 1 : dạng tam giác g = 2 : dạng parabol g đ Ơ : dạng nhảy bậc Sợi quang đa mode có chiết suất bậc SI - MM (Step Index - Multi Modes). Với mỗi loại sợi được chế tạo thì giá trị NA cho trước cho biết khả năng truyền dẫn của sợi. Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc giới hạn qmax. Sin của góc giới hạn này được gọi là khẩu độ số, ký hiệu là NA NA = sinqmax qmax là góc mở lý thuyết NA: Khẩu độ số áp dụng công thức Snell để tính NA: Tại điểm A, đối với tia 2: Mà no = 1 , chiết suất của không khí sin(90o - qc) = cosqc = = , vì sinqc = Do đó: NA = sinqmax = Trong đó : Với , độ lệch chiết suất tương đối ý nghĩa NA: Ta phải hội tụ một chùm sáng để bơm vào sợi quang với 1 nón ánh sáng Ê 2NA. Nếu ta không hội tụ tốt nghĩa là nón ánh sáng > 2NA thì những phần nằm ngoài NA đó không truyền được trong sợi quang. Các tia sáng chạy với các đường đi dích zắc khác nhau từ đầu sợi tới cuối sợi sẽ có độ dài các đường đi khác nhau. Nên các tia sáng thành phần có thời gian lan truyền tới cuối sợi là khác nhau bới vì chiết suất trong một sợi có chiết suất là n1 = const nên vận tốc lan truyền của các tia là như nhau: n = = const (*) Xét tia đi song song với trục sợi có độ dài đường đi là ngắn nhất và tia phản xạ toàn phần có độ dài đường đi là lớn nhất thì thời gian chênh lệch giữa hai tia này là lớn nhất: Dtmax = - . Thay (*) vào ta có: Dtmax = = Độ lệch thời gian trên 1 km sợi là: = = Độ lệch thời gian giữa các tia thành phần tỷ lệ thuận với độ mở NA (Khẩu độ số). Đối với sợi SI có độ mở NA lớn thì có độ lệch thời gian lớn dẫn tới hạn chế bằng tần truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn nên cần chọn loại sợi có khẩu độ số NA càng nhỏ càng tốt. Ngược lại, hiệu suất ghép ánh sáng từ nguồn bức xạ vào sợi quang tỉ lệ thuận với bình phương NA: h(%) ằ 2 D = Sợi quang đa mode có chiết suất biến đổi GI - MM (Graded Index - Multi Modes) Chiết suất trong ruột sợi thay đổi theo bán kính còn vỏ sợi có chiết suất không đổi. Trong một sợi chiết suất giảm dần từ giá trị lớn nhất no tại tâm sợi tới giá trị nhỏ nhất n2 tại mặt phân cách vỏ ruột và là một hàm của bán kính r hoặc tỉ số r/a: n(r/a) = no[1 - 2Df(r/a)]1/2 (r/a Ê 1) n(r/a) = no[1 - 2D]1/2 = n2 (r/a ³1) Với D là độ lệch chiết suất tương đối Hàm số f(r/a) thể hiện sự biến thiên của chiết suất khi bán kính sợi được gọi là hàm số mặt cắt. Nó thoả mãn điều kiện: 0 Ê f(r/a) Ê 1 Thực tế hàm f(r/a) biến thiên theo qui luật hàm mũ : f(r/a) = (r/a)g g: Tham số mặt cắt Sợi GI có tham số g thoả mãn điều kiện 1 Ê g Ê 3 thì có độ rộng bằng truyền dẫn lớn nhất, đặc biệt với g ằ 2. Các sợi quang sử dụng trong viễn thông đều được chọn là sợi có g = 2. Lúc này hàn f(r/a) biến thiên theo hàm số Parabol, nên đôi khi sợi GI có g = 2 là sợi có chiết suất Parabol. Do đó vận tốc truyền ánh sáng trong ruột là một hàm số biến thiên theo bán kính r. n = = = n(r) Góc mở lớn nhất của sợi GI - MM biến đổi theo bán kính r từ tâm ra tới mặt phân cách vỏ ruột: sinqmax = no Nếu đỉnh hình nón nằm đúng vào trục sợi (r/a=0) thì đạt giá trị bằng của sợi SI: sinqmax = no = n1= NA Do chiết suất của sợi biến thiên nên sợi GI có độ lệch thời gian giữa các tia sáng thành phần nhỏ. Khi g = gopt thì độ lệch thời gian trên một km sợi giảm nhỏ đạt: = với gopt là tham số mặt cắt tối ưu có giá trị là: gopt = 2 - 2P - D Mật độ bức xạ không gian của nguồn là N = N(W,A) thì lấy tích phân trên biểu đồ không gian pha thì ta có thể tính được công suất bức xạ của nguồn đưa vào sợi: P = dAdW [W/cm2.Sr] Trường hợp đơn giản cho rằng mật độ bức xạ của nguồn tại mọi chỗ trên miền diện tích A = p r2 và trong một vùng góc không gian W = p sin2q với điều kiện bờ là: 0 Ê r Ê a và 0 Ê q Ê arcsinNA Sau khi tích phân ta sẽ được công suất nguồn có thể đưa vào sợi SI là: P = N . p2 . a2. NA2 Còn sợi GI có cùng giá trị a và NA thì công suất ánh sáng có thể đưa vào sợi là P chỉ bằng một nửa công suất có thể đưa vào sợi SI. Như vậy sợi GI có nhược điểm cần lưu ý là ánh sáng đưa vào mặt cắt trên một diện tích bức xạ nhỏ hơn, hay một chùm tia sáng nhọn hơn. Sợi dẫn quang đơn mode: Cấu trúc của các loại sợi dẫn quang đơn mode dựa trên cơ sở kích thước của đường kính lõi và sự khác nhau về chỉ số chiết suất giữa lõi và vỏ sợi. Kích thước đường kính lõi sợi chỉ khoảng vài bước sóng. Khái niệm về mode ánh sáng được hiểu rất rộng có thể coi là các tia sáng được phép lan truyền hoặc là các dạng sóng được phép truyền lan hay là các nghiệm của hệ phương trình sóng. Để đánh giá đặc tính đơn mode hay đa mode của sợi chỉ có thể thông qua số mode được phép lan truyền. Số Mode được lan truyền phụ thuộc vào tỉ số giữa đường kính sợi và bước sóng công tác thể hiện qua tham số cấu trúc V của sợi: V = Số mode truyền được trong sợi phụ thuộc vào các thông số của sợi, trong đó có thừa số V: Trong đó: a: Bán kính lõi sợi l : Bước sóng K = : thừa số sóng NA: Khẩu độ số Tổng quát, số mode M truyền được trong sợi được tính gần đúng như sau: Trong đó: V : Thừa số V g: Số mũ trong hàm chiết suất Số mode truyền được trong sợi chiết suất nhảy bậc (SI) với g đ Ơ là: Với sợi chiết suất giảm dần (GI) có g = 2 thì số mode là : Ví dụ: Một sợi quang loại GI(g=2), a=25mm, NA=0,2, ở bước sóng l=1mm có thừa số V: Số mode truyền trong sợi này là: = Sợi có thể truyền được nhiều mode được gọi là sợi đa mode và sợi chỉ truyền một mode gọi là sợi đơn mode. Các mode trong sợi quang: Khái niệm về Mode Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ, muốn biết được bản chất thực của các quá trình truyền dẫn ánh sáng cần phải giải phương trình sóng, Một mode được hiểu là một trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm của phương trình sóng số lượng các mode có quan hệ với các sóng điện từ đơn thỏa mãn các phương trình Maxwel và điều kiện bờ là từ sợi quang. Các mode của các sóng điện từ có thể chia ra mode lõi với tổn hao thấp, mốt vỏ với tổn hao cao và các mốt rò có đặc tính của cả hai loại mốt trên. Các tia có thể có ở mặt sóng của một mốt phải có cùng pha để lan truyền dọc theo sợi. Điều kiện pha này chỉ cho phép một số N mốt nhất định được lan truyền tính theo tham số V như sau: V = Các mốt lan truyền có những đặc điểm sau: Mỗi mốt có sự phân bố cường độ điện từ trường đặc trưng riêng trên mặt cắt ngang của sợi, và không đổi dọc theo trục sợi trong khi lan truyền. Các mốt hoàn toàn độc lập với nhau Mỗi mốt có tốc độ lan truyền riêng Mối mốt chỉ tồn tại cho một bước sóng xác định của nguồn sáng, thực tế phải tồn tại một bước sóng giới hạn lg, sao cho các bước sóng l của các mốt đều phải tuân theo điều kiện : l < lg. Khi giải phương trình sóng Maxwell để tìm các mode các nghiệm chính thu được là các mode hồn hợp HE và EH rất phức tạp. Trong thực tế người ta ghép các mốt HE và EH lại thành các mốt phân cực tuyến tính LP. Các mốt LP là các sóng điện từ ngang, trong đó điện và từ trường phân bố vuông góc với phương truyền lan. Các mốt LP chỉ tồn tại với điều kiện độ lệch chiết suất tương đối D rất nhỏ, điều này luôn thỏa mãn vì sợi đơn mốt có D = 2.10-3, sợi đa mốt có D = 2.10-2. Ngoại trừ mốt cơ bản LP01 thì mỗi mốt có một bước sóng tới hạn lg, mốt có bậc càng cao thì lg của nó càng nhỏ. Bắt đầu từ mốt cơ bản, mốt tiếp theo LP11 sẽ được truyền đi nếu bước sóng của nó nhỏ hơn lg, hoặc tham số V tính theo (2-20) thỏa mãn điều kiện V>Vg = 2,405. Mode trong sợi quang đơn mode: Sợi đơn mode có vùng bước sóng truyền dẫn đơn mode, song cũng có vùng bước sóng truyền dẫn đa mốt. Mỗi mode LP có một thừa số V cắt (Vc) tương ứng, chỉ khi thừa số V nhỏ hơn Vcn thì mode đó mới truyền được. Trị số Vcn bậc thấp như sau: Vc1 = 2,405 Vc4 = 5,520 Vc2 = 3,832 Vc5 = 6,380 Vc3 = 5,138 Trị số của Vcn chính là nghiệm của hàm Bessel Jn(x) = 0 Thừa số V phụ thuộc vào bước sóng , ứng với thừa số V = Vcn thì l =lcn được gọi là bước sóng cắt. Trong sợi đơn mode (chỉ có 1 mode cơ bản LP01) bước sóng cắt lc1 là một trong những thông số quan trọng. Đó là bước sóng ngắn nhất mà sợi còn làm việc trong vùng đơn mode. Thường ký hiệu lc để chỉ lc1 Trên thực tế bước sóng cắt còn phụ thuộc vào chiều dài sợi và độ uốn cong của sợi quang. Sợi càng dài và bán kính uốn cong càng nhỏ thì lc càng nhỏ và ngược lại. Ví dụ: Với loại sợi đơn mode có các thông số: - Đường kính lõi : 2a = 9mm - Đường kính lớp bọc: 2b = 125 mm - Độ chênh lệch chiết suất : D = 0,002 = 0,2 % - Chiết suất lõi : n1 = 1,46 Nếu làm việc ở bước sóng l = 1300 nm thì thừa số V là: V ằ 2 Bước sóng cắt của sợi này là: Điều đó có nghĩa là: - Nếu l ³ 1,081 mm thì sợi truyền đơn mode - Nếu l Ê 1,081 mm thì sợi truyền đa mode * Đường kính trường mode: Năng lượng của trường mode được phân bố trên tiết diện ngang theo quy luật hàm mũ, một phần năng lượng lọt ra vỏ và truyền lan trong vỏ. Trong sợi đơn mode sự phân bố trường là một yếu tố quan trọng cần lưu ý khi xét điều kiện phóng ánh sáng vào sợi cũng như phân tích độ suy hao của các mối nối. Năng lượng ánh sáng thể hiện qua biên độ trường bức xạ F(r), không chỉ tập trung trong lõi sợi mà có một phần truyền ngoài lớp bọc. Sự phân bố trường của mode sóng cơ bản như hình vẽ 6. Bán kính trường mode p là bán kính mà tại đó biên độ trường giảm đi 1/e lần (1/e = 0,37 = 37%). Đường kính trường mode 2p phụ thuộc vào bước sóng l. Bước sóng càng dài, đường kính trường mode càng tăng (như hình vẽ trên) Đối với sợi đơn mode chiết suất nhảy bậc, đường kính trường mode hơi lớn hơn đường kính lõi và có thể tính theo công thức gần đúng: Hình 7. Sự phân bố trường của mode cơ bản Mode trong sợi quang đa mode: Vì đường kính ruột sợi dk và D rất nhỏ nên coi rằng hai mốt hỗn hợp điện và từ có tốc độ lan truyền như nhau nên cũng được gộp thành các mốt phân cực tuyến tính LP. Mỗi mốt LP được đặc trưng qua hướng phân cực và qua sự phân bố của cường độ trường trên mặt cắt ngang của sợi. Coi rằng các mốt LP có cùng tốc độ lan truyền, do vậy gộp các mốt thành một nhóm mốt đặc trưng bằng số lượng mốt M. Khi số mốt M quá lớn việc tính toán có thể dựa trên một hàm số liên tục chẳng hạn như vận tốc mốt là vận tốc lan truyền chung cho các mốt v = v(M). Do đó: Mục đích của tính toán mốt trong sợi đa mốt là để xác định tán xạ mốt một cách chính xác để tối ưu sự biến thiên của đường bao chiết suất theo mặt cắt ngang, hoặc để xem xét hiện tượng ghép mốt và ảnh hưởng phụ tới tiêu hao của sợi. Vì sợi có D nên kéo theo độ mở NA nhỏ, góc nhận tia sáng vào sợi nhỏ kéo theo vận tốc pha của các mốt hầu như không bằng nhau, do đó tán xạ mốt bé. Nhưng cũng do D nhỏ nên mỗi mốt ruột mang một phần năng lượng của trường vào vỏ và chạy dọc theo vỏ theo điều kiện bờ tại mặt phân cách và đi được khoảng cách xa. Năng lượng ánh sáng trong ruột suy giảm theo qui luật hàm mũ, song trong vỏ thì thầm chí còn phân bố đều. Mốt trong vỏ phản xạ tại mặt phân cách vỏ và lớp bảo vệ, sau đó có thể khúc xạ vào ruột sợi rồi lại khúc xạ vào vỏ. Vì có góc so với trục quang lớn nên các mốt trong vỏ dễ phát hiện ở trường xa. Muốn khử các mốt vỏ người ta có thể bọc sợi bằng vỏ bảo vệ có chiết suất lớn hơn n2 của vỏ, để các tia của mốt vỏ phản xạ tại mặt phân cách ít còn lại bị hấp thụ trong vỏ bảo vệ. Nguồn quang: Tín hiệu từ nguồn quang ra có dạn được biểu diến như sau : c(t) = A.cos(wct +j) A: Biên độ. wc : Tần số góc. j : góc pha. Trong đó: Thực tế đầu ra của sợi quang có dạng : c(t) = Ai.cos[wc,it +ji(t)] Ai : là biên độ lớn nhất của sóng mang và được gọi là Mode chính. Các sóng mang khác gọi là Mode bên. Wc,i : đại diện cho Mode dài. ji(t): nhiễu pha. Trong đó : Để có một hệ thống thông tin quang tốt, điều kiện về nguông quang như sau : Đơn Mode. Nhiễu thấp: để giảm hệ số BER trong thông tin. Phổ hẹp: giảm nhiễu pha, từ đó làm giảm hiện tượng dãn xung ánh sáng vì vầy tăng được tốc độ truyền. Công suất ra lớn: để làm tăng tỷ số . Dòng ngưỡng nhỏ: đối với Diode Laser, hiện tượng laser chỉ có thể xẩy ra khi dòng thiên áp ngược lớn hơn một giá trị min gọi là dòng ngưỡng. Bước sóng. Độ rộng phổ điều chế lớn. Độ dãn phổ nhỏ. Độ tuyến tính: đối với thông tin tương tự, độ méo tín hiệu do sự không tuyến rính của nguồn sáng cần được giảm thiểu. Độ không tuyến tính sẽ gây ra hiện tượng sóng hài và xuyên âm. Độ điều chỉnh được: để dễ dàng thực hiện việc ghép kênh theo bước sóng. Diode laser. Cấu trúc của diode laser cũng giống như LED phát xạ cạnh, bằng cách thêm vào một cấu trúc giam hãm photon người ta tạo ra được ánh sáng đồng nhất. Cũng giống như các loại laser khác, nguyên lí của laser bán dẫn là dựa trên bơm bên ngoài và khuyếch đại ánh sáng bên trong. Phân loại diode laser : Diode laser Fabry – Perot: Diode laser Fabry - Perot là diode laser có hốc cộng hưởng đơn giản hình lập phương, trong phần này ra xem xét đến độ khuyếch đại và suy hao công suất, các đặc tính Mode dọc của FPLD. Khuyếch đại và suy hao năng lượng: Khi photon phản xạ đi lại giữa hai mặt của hố FP, nó được khuyếch đại lên và cả suy hao. Khuyếch đại đạt được do phát xạ kích thích, suy hao do sự hấp thụ vật liệu và sự phản xạ không hoàn toàn tại hai đầu. Trong điều kiện ổn định, khuyếch đại và suy hao bằng nhau. Để đơn giản giả sử rằng sóng ánh sáng là vô hướng và có giá trị A tại điểm z = 0, hàm sóng theo chiều sang phải được biểu diễn dưới dạng : E+ (z) = A.e(j).z. Trong đó : bz : hắng số lan truyền dọc theo trục z a, g : là hệ số suy hao và khuyếch đại. Hệ số theo thời gian e- jwt bị bỏ qua bởi chúng không bị ảnh hưởng đến công suất. Như vậy công suất của sóng chạy tỷ lệ thuận với e(g - a)z. Tại z = L, hàm sóng có giá trị A.e(j).L. Giả sử mặt bên phải của hốc cộng hưởng có hệ số phản xạ là r2, sóng phản xạ theo chiều bên trái sẽ là : E - (z) = r2.A.e(j).(2L - z). Một chu trình sẽ được hoàn thành sau khi sóng theo chiều bên trái, được phản xạ tại mặt bên trái của buồng cộng hưởng với hệ số phản xạ r1. Sóng sau khi phản xạ tại mặt gương trái sẽ có giá trị công suất : E (2L) = r1.r2.A.e(j).2L . Như vậy điều kiện để duy trì hoạt động tự kích trong trạng thái ổn định là : E (2L) = r1.r2.A.e(j).2L = A g = a - = a + am = atot. Ta có : r1.r2.e(g-a)L = 1 và 2Lbz = 2mp với m là số nguyên Với am coi như là suy hao phản xạ tại các mặt của hố cộng hưởng Các Mode dọc. Thay bz = 2np/l vào phương trình 2Lbz = 2mp, ta suy ra : lm = Với n là chiết suất khúc xạ của môi trường khuyếch đại, lm là Mode dọc thứ m. Khi m lớn, khoảng cách Mode dọc giữa lm và lm + 1 là: Dl = lm - lm+1 = 2Ln ằ 2Ln = Như vậy là, tại một bước sóng l, khoảng cách Mode tỷ lệ thuận với bình phương bước sóng và tỷ lệ nghịch với độ dài của hố cộng hưởng. Các diode laser đơn Mode Diode laser FP tạo ra nhiều mode dọc không mong muốn. Một loại Diode laser khác gọi là Laser đơn Mode khử các Mode bên và tạo ra chỉ một Mode chính. Các loại laser đơn Mode bao gồm: Diode DFB ( Distributed Feedback Bragg- Phản hồi phân bố Bragg), laser DBR(Distributed Bragg Reflection - Phản xạ Bragg phân bố), laser ghép hố (C3 -Cleaved-Coupled-Cavity). Laser DFB Laser DFB dùng kiểu phản xạ Bragg để khử các Mode không mong muốn. Laser DBR Laser DBR cũng sử dụng nguyên lí phản xạ Bragg để tạo ra một mode dọc. Sự khác nhau giữa DBR và DFR là DBR có cấu trúc nhiễu xạ bên ngoài hố cộng hưởng. Với cấu trúc này, việc điều khiển laser ( hố laser) và điều khiển tần số ( hố phản xạ Bragg) có thể thực hiện độc lập. Bước sóng ra lB được quyết định bởi chu kì A của cách tử nhiễu xạ như sau: lB = Với ne là hằng số lan truyền của mode, l là số nguyên chỉ bậc của cách tử (thường bằng một). Laser điều chỉnh được. Dựa vào cấu trúc của DBR có ba loại diode laser điều chỉnh được. Chúng đều có vùng hoạt động A, vùng phản xạ Bragg (B). Để điều chỉnh tốt hơn, một số DBR còn có vùng điều chỉnh pha (P). nhìn chung bước sóng ra có thể điều chỉnh bằng cách dòng điện vào cực B, P hoặc cả hai. Có ba loại như sau: điều khiển phản xạ Bragg (hình a). điều khiển chọn pha ( hình b). điều khiển cả pha và Bragg ( hình c). P A P B A A B (a) (b) (c) Ngoài ra còn có một số loại diode laser khác như: Laser ghép hố. Laser quantum- well. Các đặc tính của công suất laser . Hiệu suất chuyển đổi. Hiệu suất chuyển đổi điện: h=Pra/VfIf. Pra: công suất quang ra khỏi nguồn quang. Vf: điện thế điều khiển. If: dòng điện điều khiển. VfIf: công suất điện vào Hiệu suất tích luỹ: h= . ý nghĩa vật lí của nó là độ nghiêng của đường đặc tuyến diode laser. . Độ tin cậy của laser Công suất phát ra của một diode laser sẽ giảm theo thời gian sử dụng theo công thức sau: Pra(t)=Pie-t/m Ghép nguồn quang với cáp quang. Phần lớn năng lượng bị tổn hao tại vùng tiếp giáp giữa cáp quang và nguồn quang. Hiệu suất ghép h được tính bằng công thức sau: = Pj: công suất vào trong cáp quang. Ps : công suất quang phát ra khỏi nguồn. Có hai loại là ghép gián tiếp và ghép trực tiếp: Ghép trực tiếp. ghép với cáp quang chiết suất bậc. h = (NA)2 với rs< a và h = (NA)2 với rs> a ghép với cáp quang chiết suất gradien: h = với rs < a. h = với rs > a. Ghép có thấu kính Phương pháp này thường được sử dụng khi thiết diện sợi quang lớn hơn diện tích vùng phát ánh sáng (thường gặp trong trường hợp dùng diode laser). Mục đích là để cho hai vùng này tương thích với nhau. Khi đó hiệu suất ghép sẽ tăng lên M lần. Mmax=dfiber/dnguồn. dfiber: đường kính sợi quang, dnguồn: đường kính vùng phát sáng. Góc phát của nguồn quang Góc thu của sợi quang Nguồn quang Sợi quang Hiệu suất ghép quang được tính bởi tỉ số công suất quang ghép vào sợi quang với công suất phát quang tổng cộng của nguồn quang. Hiệu suất ghép phụ thuộc vào kích thước vùng phát quang, góc phát quang của nguồn, góc thu nhận (NA) của sợi quang và vị trí đặt nguồn quang và sợi quang. Hiệu suất ghép của LED phát xạ mặt khoảng 1-5% và LED phát xạ rìa khoảng 5-15%. Từ đó, tuy công suất phát ra của LED phát xạ mặt lớn hơn nhưng công suất đưa vào sợi quang của LED phát xạ rìa lớn hơn (thương là khoảng 2 lần). Góc phát quang Góc phát quang giảm dần theo góc hợp với trục. Góc phát quang đươc xác định ở mức công suất quang giảm một nửa (3dB) so với mức cực đại. LED phát xạ mặt có góc phát quang lớn hơn so với LED phát xạ rìa. 90o 45o 0o 45o 90o 30o 120o 1.0 0.5 0 Phát xạ Mặt (surface Emitter) Phát xạ Rìa (Edge Emitter) Công suất tương đối Góc phát Độ rộng phổ l (nm) 1.0 0.5 0 Công suất tương đối Dl 40 nm Nguồn quang phát ra công suất cực đại ở bước sóng trung tâm và giảm dần về hai phía. độ rộng phổ là khoảng bước sóng mà trong đó công suất quang không nhỏ hơn phân nửa mức công suất đỉnh. Thông thường LED có độ rộng phổ trong khoảng từ 35 á100nm. Thời gian chuyển lên (rise time) Là khoảng thời gian để công suất ra tăng từ 10% đến 90% công suất ổn định khi có xung dòng điện kích thích nguồn quang. Thời gian chuyển của nguồn quang có ảnh hưởng đối với bit của tín hiệu điều chế. Muốn điều chế ở tốc độ càng cao thì nguồn quang phải có thời gian chuyển càng nhanh. Dải thông tối đa của tín hiệu điều chế phụ thuộc vào thời gian chuyển theo công thức gần đúng vơí mã RZ: B= B: dải thông của tín hiệu điều chế [MHz]. : thời gian chuyển của nguồn quang [s]. thời gian chuyển của LED trong khoảng : 5-50ns: với LED phát xạ thấp. 2-20ns: với LED phát xạ cao. ảnh hưởng của nhiệt độ Khi nhiệt độ môi trường tăng thì công suất phát của LED giảm. tuy nhiên mức độ ảnh hưởng không cao lắm. đối với bước sóng 850nm: độ ảnh hưởng là -1%/độ C. đối với bước sóng 1300nm đến 1550nm: độ ảnh hưởng là -2%/độ C đến -4%/ oC Bộ ghép kênh và phân kênh quang. Các đặc điểm chính : Bộ ghép kênh phải thực hiện ghép các tín hiệu với suy hao nhỏ nhất. Suy hao Pj theo dB tại bước sóng lj được tính như sau: Lj=10log(Pj/P0) Với Pj là công suất tín hiệu quang bơm vào đường truyền, Po là công suất vào trong đường truyền tại bước sóng lj. Tại bộ phân kênh quang, suy hao sen sẽ là: Lj=10log(Pj/Po) Với Pj là công suất tín hiệu quang bơm ra khỏi cổng thứ j của bộ tách, Po là công suất vào trong đường truyền tại bước sóng lj. Tại đầu bên kia, tín hiệu tại các bước sóng khác nhau được chia ra bởi bộ phân kênh. Lượng ánh sáng rò từ một kênh sang kênh khác được gọi là xuyên âm. xuyê

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docBC414.doc
Tài liệu liên quan