Đồ án Hệ thống thông tin quang - Thiết kế tuyến cáp quang Hà nội - Hải phòng

ần góc tới nằm trong một giới hạn nhất định mới có thể đưa được vào lõi quang. Hình 1.4: Góc nhận của sợi quang Trên hình vẽ tại điểm đưa vào sợi quang được chia thành 3 môi trường liền nhau có chiết suất khúc xạ khác nhau. Đó là môi trường không khí, lõi và vỏ của sợi quang có giá trị chiết suất lần lượt là n0(-1), n1 và n2. ở đây góc nhận lớn nhất là qmax là góc mở đối với tia số (2) có góc tới bằng góc tới hạn qc. Tại biên của không khí và lõi, lõi và vỏ áp dụng định luật Smell cho ta hai phương trình: Sin qmax = n1Sin qc. Sin (900 -qc)= Cos qc = Khi n1 = n2 thì góc mở được tính : Sin qmax == n1 Trong đó D = (n1 - n2)/n1: Độ lệch chiết suất tương đối Các tia sáng đưa tới sợi quang với các góc nằm trong góc mở lớn nhất của sợi sẽ truyền lan suốt dọc theo lõi sợi bằng cách lặp đi lặp lại các phản xạ toàn phần giữa biên của lớp lõi và vỏ. 3. ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode bậc: Sợi quang đa mode chiết suất ánh sáng bậc có chiết suất lõi không đổi, đường kính lõi gần bằng 100mm, bọc bên ngoài là vỏ cũng bằng lớp thuỷ tinh có đường kính lớn hơn và chiết suất bé hơn lõi. Độ rộng băng tần đạt 100MHz Km. Khi một tia sáng đi vào sợi quang với một góc tương đối hẹp, nó bị phản xạ liên tục ở đường biên cho tới khi nó chạy ra ở đầu cuối. Hình 1.5: Các tia sáng truyền đi cắt trục quang đa mode bậc Loại sợi quang này truyền được hàng ngàn dạng sóng khác nhau. Khi các tia sáng chiếu vào đầu sợi quang, chúng truyền với nhiều tốc độ khác nhau, lần lượt phản xạ qua các mặt tiếp giáp giữa lõi và vỏ và đi ra ngoài sợi quang không cùng một thời gian. Do đó mà các xung ánh sáng ở đầu ra so với đầu vào thì bề rộng của xung thường bị nới rộng ra. Điều này dẫn đến việc truyền xung ánh sáng trong sợi đa mode bậc tín hiệu dễ bị sai lệch. Các tham số cơ bản: Để đặc trưng cho dạng sóng truyền trong sợi quang, người ta tính ra các đại lượng tần số chuẩn hoá F: F= Trong đó: l là bước sóng của tia sáng A là góc mở với A = Sin qc = n1, n2: lần lượt là chiết suất lõi và vỏ a : bán kính lõi sợi Trong sợi đa mode bậc gồm nhiều dạng sóng, trong đó có các tia cơ bản (LP01) là những tia truyền vào lõi sợi quang với góc tới a0 = 900 thì những tia truyền trong lõi sẽ song song với trục của lõi. Còn các tia khác lần lượt với bậc cao hơn tạo thành góc qc cho đến bậc cao nhất (LP11) là những tia có góc tới hạn tới góc giới hạn qc thì những tia này lần lượt phản xạ nhiều lần qua mặt phân cách giữa lõi và vỏ sợi quang. 4. ánh sáng truyền qua sợi quang đơn mode: a- Đặc điểm: Để tránh vấn đề tán sắc giữa các mạch là thiết kế sợi quang dẹt sao cho nó chỉ truyền một mode. Vì chỉ có một mode lan truyền nên không lệch thời gian ở cuối sợi, không méo tín hiệu do đó sợi có băng tần lớn và cho phép truyền được lượng thông tin rất lớn đi xa. Lượng thông tin đạt được là 100Gb/s, bước sóng l = 1.300nm b- Cấu trúc cơ bản của sợi quang đơn mode tối ưu: Loại sợi quang đơn mode l = 1.300nm có đặc điểm quan trọng là suy hao bằng 0 tại bước sóng 1.300nm nên gọi là sợi quang tối ưu. Sự phân bố công suất trong lõi sợi hầu hết là công suất quang truyền trong lõi, khi mà bước sóng tăng cao hơn bước sóng cắt thì một phần truyền ra ngoài lõi. Về cấu trúc của sợi quang tối ưu có 2 dạng cơ bản sau: Loại chỉ số đơn bậc: Có đường kính trường mode khoảng 10mm, góc mở l = 0,11. Như vậy loại cấu trúc này có hệ số khúc xạ, hệ số góc mở lớn. Loại chỉ số 3 bậc: Loại này có đường kính mode bé khoảng 9mm IV- Suy hao trong sợi quang Đo suy hao quang để xác định suy hao công suất ánh sáng lan truyền trong sợi quang. Nếu suy hao nhỏ hơn thì sẽ cho phép khoảng cách truyền dẫn tín hiệu lớn hơn. Suy hao tín hiệu được định nghĩa là tỉ số công suất quang lối ra Pout của sợi quang có độ dài L và công suất quang đầu vào Pin. Tỉ số công suất này là một hàm của bước sóng. a = Suy hao sợi quang có thể chia thành các loại: 1. Suy hao hấp thụ: Hấp thụ do các thiếu hụt nguyên tử trong thành phần phân tử. Việc thiếu hụt này là những cấu trúc nguyên tử chất liệu chế tạo sợi quang. Các suy hao này chở nên đáng kể khi sợi chịu các bức xạ nguyên tử mạch. Hấp thụ do nguyên tử không thuần khiết trong chất liệu thủy tinh. Chủ yếu do sự chuyển hoá các ion kim loại như Crôm, coban, đồng...Các suy hao hấp thụ này xuất hiện do chuyển tiếp các điện tử giữa các mức năng lượng lớn bên trong không được làm đầy của các ion này hoặc do các chuyển tiếp từ ion này tới ion khác. Hấp thụ vật liệu do các dải hấp thụ điện tử trong vùng cực tím và các dải dao động nguyên tử trong vùng hồng ngoại. Quá trình hấp thụ xuất hiện khi một photon tương tác với một điện tử trong vùng hoá trị và kích thích điện tử lên vùng cao hơn. 2. Suy hao tán xạ: Còn gọi là suy hao tán xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh là một hiện tượng mà ánh sáng bị tán xạ theo các hướng khác nhau khi nó gặp phải một vật nhỏ có kích thước không quá lớn so với bước sóng của ánh sáng. Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỉ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng (a ) Nguyên nhân: Do cấu trúc sợi quang không đồng nhất gây ra: Các sợi quang thực tế không thể có cấu trúc tròn lý tưởng và cấu trúc hình trụ đều dọc suốt vỏ và lõi sợi. Tại bề mặt biên giữa lõi và vỏ đôi chỗ có sự gồ ghề không nhẵn, tại những chỗ này ánh sáng bị tán xạ và một vài chỗ phát xạ ánh sáng ra ngoài. Như vậy những chỗ không bằng phẳng này gây nên suy hao, nó làm tăng suy hao quang vì có các phản xạ bất bình thường đối với ánh sáng lan truyền. 3. Suy hao do sợi bị uốn cong: Suy hao vi cong: Khi sợi quang chịu những lực nén không đồng nhất thì trục của sợi quang bị uốn cong đi một lượng nhỏ làm tăng suy hao của sợi quang. Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục đi khi đi qua những chỗ uốn cong đó. Suy hao uốn cong: Khi sợi bị uốn cong bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng. ( H1.7). V- Méo TH trong các ống dẫn sóng quang Khi truyền TH trên sợi quang, nó sẽ bị suy hao và méo là hai điều khó tránh khỏi. Méo TH là do tác động của tán sắc mode và trễ giữa các mode. Có thể hiểu tán sắc mode là sự giãn xung xuất hiện trong một mode do vận tốc nhóm là biểu hàm của bước sóng l. Vì tán sắc mode phụ thuộc vào bước sóng nên tác động của nó tăng theo độ rộng phổ của nguồn sáng. Yếu tố khác làm tăng độ giãn xung là trễ giữa các mode do mỗi mode có giá trị vận tốc nhóm khác nhau, tại cùng một tần số. Khái niệm “Vận tốc nhóm ” là tốc độ truyền năng lượng của mode trong sợi. Hình 1.8 : Quá trình giãn và suy giảm xung lân cận khi truyền trong sợi a) Hai xung ban đầu tách rời nhau. b) Hai xung chồng lên nhau nhưng không tách được. c) Các xung chồng lên nhau khó tách được. d) Các xung chồng lên nhau rất nhiều và không tách được. VI- Tán xạ trong sợi quang: 1. Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng: Khi truyền dẫn các TH digital qua sợi quang, xuất hiện hiện tượng dãn rộng các xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp các xung lân cận đè lên nhau, khi đó không phân biệt được các xung được gọi là hiện tượng tán xạ. Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do ảnh hưởng của sợi quang mà tồn tại các thời gian chạy khác nhau cho các thành phần ánh sáng phát đi đồng thời. Tán xạ có ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn, cụ thể: - Khi truyền TH digital trong miền thời gian gây ra sự dãn rộng các xung ánh sáng. - Khi truyền TH analog thì ở đầu thu biên độ TH bị giảm nhỏ và có hiện tượng dịch pha. Độ rộng băng truyền dẫn của sợi do đó bị giới hạn. Hình 1.10: ảnh hưởng của tán xạ lên TH digital (a) và analog (b) S chỉ TH phát, E chỉ TH thu Tán xạ chủ yếu tập trung ở những loại sau: - Tán xạ vật liệu - Tán xạ mode còn gọi là tán xạ đa mode - Tán xạ mặt cắt - Tán xạ sợi dẫn sóng 2. Hiện tượng tán xạ vật liệu: Theo hình vẽ 2.5 thì chiết suất của vật liệu thuỷ tinh chế tạo sợi biến đổi theo bước sóng của TH ánh sáng lan truyền, tức là n = n(l). Nếu nguồn bức xạ quang phát ra sóng ánh sáng với duy nhất một bước sóng l0 thì không có hiện tượng lệch thời gian truyền dẫn giữa các thành phần xung của ánh sáng vì theo v = = const chúng sẽ lan truyền với cùng vận tốc v = = const. Thế nhưng các nguồn phát quang như diode phát quang LED hay diode lazer không phải chỉ bức xạ ra một vạch phổ ứng với bước sóng l0 mà chúng bức xạ ra một dải phổ Dl quanh bước sóng l0 ở mức biên độ 0,5 như hình vẽ 2.5 Hình 2.5: Phổ bức xạ của LED và LD 3. Hiện tượng tán xạ mode: Nguyên nhân là các thành phần ánh sáng lan truyền nhờ các mode riêng rẽ với thời gian khác nhau, nên có sự chênh lệch về thời gian, sinh ra méo xung. Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode. ánh sáng truyền trong sợi SI lan truyền dưới nhiều tia chạy theo các đường dicdắc khác nhau với độ dài khác nhau, trong đó tia song song với trục quang có độ dài ngắn nhất. Vì chiết suất n1 của thuỷ tinh chế tạo ruột không thay đổi, nên vận tốc lan truyền của các tia sóng thành phần là như nhau. Vì vậy thời gian cần thiết để lan truyền các tia là rất khác nhau. Các tia đến đầu cuối sợi không cùng một lúc mà có sự chênh lệch thời gian, gây ra dãn xung. Thời gian chênh lệch giữa tia sáng nhanh nhất và chậm nhất là: Dt = ánh sáng lan truyền trong sợi GI lan truyền theo đường cong hình sin những tia gần trục quang đường đi ngắn nhưng chiết suất của ruột sợi ở phần gần tâm sợi lớn, nên vận tốc lan truyền v = nhỏ. Các tia ở gần sát mặt phân cách vỏ ruột có đường đi dài hơn song chiết suất của ruột lại nhỏ hơn nên có vận tốc lan truyền lớn. Như vậy thời gian truyền lan của các tia tương đối đều nhau hơn, các tia đi đến cuối sợi không lệch nhau nhiều lắm. Thời gian lệch giữa tia sóng nhanh nhất và chậm nhất là : Dt = 4. Hiện tượng tán xạ mặt cắt: Trong quá trình nghiên cứu khi giá trị chiết suất có biến thiên theo bước sóng, người ta đều coi độ lệch chiết suất tương đối không phụ thuộc vào bước sóng l. Thế nhưng xem xét kỹ thì thấy rằng chiết suất n1 và n2 của ruột và vỏ biến thiên theo bước sóng không cùng một mức độ như nhau, nên giá trị cũng thay đổi theo bước sóng gây nên hiện tượng tán xạ phụ gọi là tán xạ mặt cắt và đặc trưng qua tham số tán xạ P: p = Trong đó: n0 là chiết suất ở tâm ruột nn là chiết suất nhóm Hình 2.6: Sự phụ thuộc của tham số tán xạ mặt cắt và bước sóng 5. Tán sắc dẫn sóng: Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng ở trong lõi, vì vậy còn 20% áng sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng ở trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode S là một hàm số của ánh sáng, nó thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng cần được quan tâm trong sợi đơn mode. VII- Thiết bị trạm dẫn cuối quang: Thiết bị trạm dẫn cuối giao tiếp với thiết bị ghép kênh và sợi dẫn quang. Sơ đồ khối như hình vẽ 1.9 Hướng phát: Tiếp nhận TH điện từ thiết bị ghép kênh đưa đến đổi TH sang dạng mà thích hợp với đường dây quang và cho TH điện kích thích nguồn quang để phát ra TH quang. Hướng thu: Tín hiệu quang được chuyển thành TH điện. Sau khi được KĐ, phục hồi, TH điện được chuyển sang dạng mã thích hợp với thiết bị ghép kênh. Ngoài ra thiết bị đầu cuối cũng có bộ phận giám sát và khối truyền kênh nghiệp vụ. Chức năng chính của các khối được mô tả như sau: a) Hướng phát: - Sửa dạng: TH điện từ thiết bị ghép kênh đưa đến được KĐ, san bằng và sửa dạng xung. - Đổi mã B/U (Bipolar / Unipolar - Nhị cực/ đơn cực). Mô truyền dẫn của TH điện thường là mã nhị cực, có 3 trạng thái +V,O và -V, không phù hợp với đường truyền dẫn quang là loại chỉ truyền 2 trạng thái sáng và tối. Do đó khối đổi mã chuyển TH ở mã nhị cực sang mã đơn cực. Mã nhị cực thường dùng là mã HDB3 còn mã đơn cực là mã NRZ. - Ngẫu nhiên hóa ( SCR : Scrambler): Có tác dụng trộn chuỗi xung một cách ngẫu nhiên theo một quy định nhất định để tránh sự lặp lại của một chuỗi dài các bit giống nhau, sự xáo trộn này nhằm làm cho sự phân phổ của TH cần truyền đồng đều hơn. - Mã hóa (coder): Lại một lần nữa chuỗi xung được đổi sang dạng mã thích hợp với đường truyền dẫn quang. Loại mã này có tác dụng loại trừ sự xuất hiện các nhóm bit chứa nhiều bit “ 1 ” hoặc “0 ” liên tiếp và chứa một số nhóm bit để phát hiện lỗi. Loại mà thường dùng trong truyền dẫn quang là mã SBGB. - Mã kích thích (Driver): Tổng hợp dòng điện phân cực và chuỗi xung tín hiệu để kích thích nguồn quang. - Nguồn quang: Linh kiện phát thường là lazer. Công suất phát của lazer luôn được mạch, điều khiển công suất (APC: Automatic Power Control) thăm dò để điều chỉnh dòng phân cực nhằm giữ cho công suất phát được ổn định. b) Hướng thu: - Mạch thu quang: Biến đổi TH quang sang TH điện nhớ các diot thu quang (Photo diode). Diode thu quang có thể là PIN hoặc APD. VIII- So sánh các loại sợi dẫn quang: Từ các đặc tính về mặt truyền dẫn, tán xạ và tiêu hao có thể so sánh các loại sợi để đánh giá khả năng của chúng. 1. Sợi đa mode SI truyền dẫn rất nhiều mode, có tán xạ mode và tán xạ vật liệu lớn. Chỉ được sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn tốc độ bé trên các cự li rất ngắn. 2. Sợi đa mode GI: Tán xạ mode nhỏ. Tán xạ vật liệu bằng 0 ở l = 1,304mm. Khi sử dụng diode lazer có độ rộng phổ bức xạ mode là lớn. Sợi có thể được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn đường dài, dung lượng lớn. 3. Sợi đơn mode không có tán xạ mode. Tán xạ chủ yếu là tán xạ vật liệu và tán xạ sợi dẫn sóng, ở bước sóng trên 1mm sợi công tác ở chế độ đơn mode, tức ở vùng cửa sổ truyền dẫn thứ 2 và thứ 3 với tán xạ và tiêu hao đều rất bé. ở bước sóng 1,55mm, có tiêu hao nhỏ nhất cho nên xu hướng chế tạo sợi có tán xạ dịch chuyển có tán xạ bằng không ở 1,55mm rất được chú ý cho các hệ thống truyền dẫn hiện đại. 4. Trong các hệ thống truyền dẫn tốc độ lớn, trên khoảng cách xa thì xu hướng hiện nay là chỉ sự dụng sợi đơn mode ở bước sóng 1,3mm hoặc sợi có tán xạ dịch chuyển n ở bước sóng 1,55mm. Khi sử dụng lazer phát đơn mode thì ảnh hưởng của tán xạ là rất bé sẽ phát huy tối đa ưu điểm cuả sợi đơn mode. Trong mạch thu quang còn có mạch tiền khuyếch đại. - Khối KĐ: Tín hiệu thu được KĐ chủ yếu trong khối này. Độ KĐ điều chỉnh được giữ cho mức TH ra đồng đều khi TH vào thay đổi. Mạch điều chỉnh độ KĐ (Automatic Gain Control) thực hiện chức năng này. - Mạch phục hồi (Regenerator): Qua đường truyền, ngoài việc biên độ TH bị suy giảm do độ suy hao của sợi quang, dạng của TH còn bị méo do độ tán sắc của sợi quang. Mạch phục hồi có tác dụng khôi phục lại dạng xung và định thời gian nhịp của xung. - Giải mã (Decoder): Chuyển từ dạng mã GB về dạng mã SB theo quy tắc đã được mã hoá ở đầu phát. Khối giải mã cũng phát hiện lõi, đếm lõi để thực hiện cảnh báo trong bộ giám sát. - Giải ngẫu nhiên (Descramber): Trộn TH theo quy luật ngược lại quá trình ngẫu nhiên hóa ở đầu phát. - Đổi mã U/B (Unipolar/ Bipolar): Đổi mã đơn cực sang mã nhị cực để truyền đến thiết bị ghép kênh. Tín hiệu nghiệp vụ cũng được chuyển sang dạng số rồi đưa vào mạch kích thích để điều chế biên độ TH quang của luồng chính ở hướng thu tín hiệu nghiệp vụ được tách ra từ khối KĐ. Chương II: thông tin quang I- Cấu trúc và các thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang Hình 3.2: Cấu trúc của tuyến truyền dẫn quang Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang gồm phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại của môi trường. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuyếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang- conector, các mối hàn, các bộ chia quang và các trạm lắp tất cả tạo nên một truyền thông tin hoàn chỉnh. Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang LED hoặc lazer bán dẫn LD. Cả hai loại nguồn phát quang này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang với TH quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến. TH điện ở đầu vào thiết bị phát quang ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự và thiết bị phát sẽ có nhiệm vụ biến đổi TH này thành TH quang II- Hệ thống phát TH quang: 1. Sơ đồ khối: Ps: Công suất phát ra từ nguồn quang AT: Suy hao ghép nguồn vào sợi quang PT: Là công suất đầu ra truyền ánh sáng vào sợi quang( Trên đoạn nối từ đầu sợi quang vào nguồn quang) Tín hiệu vào máy phát là dây xung lưỡng cực có tốc độ Vs nào đó. Bộ biến mã chuyển dây xung lưỡng cực thành dây xung đơn cực và tốc độ đầu ra thường lớn hơn Vs để phù hợp với thông số của môi trường và đặc tính của nguồn quang. Xung đơn cực đưa vào bộ kích thích và điều khiển để được TH điều chế cường độ quang của nguồn quang ( nguồn quang thường dùng là diode phát quang LED hay lazer diode LD). Công suất phát quang sau khi đã được điều chế được phóng vào sợi quang để truyền đến máy thu của trạm đối phương. 2. Các mạch phát cơ bản a) Mạch phát tín hiệu analog b) Mạch phát tín hiệu digital Trên hình vẽ a) công suất phát của nguồn là Ps. Nếu suy hao ghép nguồn sợi là AT thì công suất phát (công suất đầu ra đoạn sợi nối với nguồn) là Pt được tính Pt (dBm) - Ps(dBm)- At(db) và suy hao ghép: AT = 10log . Để bù lại đặc tính phi tuyến của nguồn cần mắc thêm mạng phối hợp diode. Như vậy sẽ giảm được méo sóng hài của TH analog. Trong trường hợp tín hiệu có tần số cao MHz thì sử dụng bộ khuyếch đại RF khoảng 50W để chuyển điện áp vào thành nguồn dòng tuyến tính có tốc độ cao và có mạch phối hợp trở kháng với nguồn. Vì trasitor có tốc độ chuyển mạch thấp nên sơ đồ chỉ dùng khi tín hiệu có tốc độ thấp hơn 10Mb/s. Khi tín hiệu có tốc độ cao cần trang bị thêm mạch tăng tốc. Hình 2.5: Máy phát dùng lazer diode a) Cho tín hiệu analog b) Cho tín hiệu digital Vì LD có đáp ứng nhanh nên có thể sử dụng khi tín hiệu vào đạt tới vài GHz. Trong cả hai sơ đồ trên đều có bộ phận ổn định toả nhiệt độ của LD và mạch tách quang để điều khiển dòng định thiên khi nhiệt độ thay đổi. III- Hệ thống thu tín hiệu quang: 1. Sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu quang: Hình 2.7: Sơ đồ khối của bộ thu quang điển hình trong hệ thống truyền dẫn số 2. Nguyên lý công tác: ánh sáng sợi quang được chiếu vào diode tách quang để tách tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện. Diode tách quang thường dùng diode PIN hay diode thác APD. Tín hiệu thu được sau khi tách quang là dây xung đơn cực, là tín hiệu điện được đưa vào bộ khuyếch đại. Trong bộ KĐ có mạch cân bằng để tạo ra tỉ số cực đại không có giao thoa giữa các ký hiệu. Đồng hồ được tách ra từ luồng xung đơn cực, nó được sử dụng điều khiển hoạt động của bộ giải mã và các khối khác. Sau khi được giải mã, tín hiệu nhận được ra khỏi máy thu có tốc độ Vo = Vs ( là tốc độ và dạng xung mã khi đưa vào nhánh phát quang). Bộ lọc ở đây giới hạn băng tần bộ thu, làm giảm tối thiểu tạp âm phát ra từ bộ tách sóng và khuyếch đại. Các mạch tiền KĐ thường được thiết kế với mục tiêu sao cho tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm lớn nhất với mức nhiều bản thân là nhỏ nhất. Các mạch tiền KĐ có trong các bộ thu thông tin quang sợi có thể được phân thành ba loại. Đó là loại hỗ trợ kháng thấp, loại trở kháng cao và hở dẫn ngược. Nhìn chung, đặc tính bộ thu quang được đánh giá theo độ nhạy thu, tức là lượng công suất quang được yêu cầu để đạt được tỉ lệ lỗi bit đã cho trước. Đặc tính của bộ tách sóng quang kết hợp với mạch tiền KĐ là yếu tố chính xác định độ nhạy thu cuả bộ thu quang. chương III Lazer và các phần tử quang điện, điện quang I- Lazer 1. Cơ sở lý thuyết về lazer: Vào năm 1900, nhà bác học người Đức là Planck đã phát minh ra thuyết lượng tử ánh sáng. Học thuyết này được phát biểu: Những nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục mà thành từng phần riêng biệt đứt quãng. Mỗi phần đó mang một năng lượng hoàn toàn xác định có độ lớn là e = hf Trong đó: f - Tần số ánh sáng mà nó phát ra h - Hằng số Planck (h = 6,625.10-34JS). Mỗi lượng tử ánh sáng rất nhỏ, mỗi chùm sáng dù yếu cũng chứa một số rất lớn lượng tử ánh sáng. Do đó ta có cảm giác chùm ánh sáng là liên tục. Khi ánh sáng được truyền đi, các lượng tử ánh sáng không bị thay đổi, không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng. Năm 1905, nhà bác học vĩ đại Einstein đã vận dụng thuyết lượng tử áng sáng, ông cho chùm sáng như một chùm hạt và gọi mỗi hạt sáng là một photon- mỗi photon ứng với một lượng tử ánh sáng. Như vậy ta có thể coi các photon là các hạt. Tuy nhiên chúng cũng có tính chất sóng và năng lượng photon tỉ lệ nghịch với bước sóng, điều này biểu thị rõ ràng qua các thí nghiệm giao thoa ánh sáng. 2. Tương tác giữa ánh sáng và nguyên tử: Quang phổ phát xạ và hấp thụ của các nguyên tử và phân tử là quang phổ vạch. Giả sử Em và En là hai mức năng lượng của nguyên tử hoặc phân tử. Giản đồ năng lượng được thể hiện trên hình 4.1, 4.2. Theo định luật bảo toàn năng lượng thì năng lượng của photon phải bằng hiệu năng lượng giữa mức cao và mức thấp. Em - En = hfmn đfmn = và lmn = = Hình 4.1: Quá trình bức xạ photon Hình 4.2: Quá trình hấp thụ photon Quá trình bức xạ photon chính là quá trình các nguyên tử ở trạng thái kích thích có mức năng lượng lớn hơn trạng thái nền ( trạng thái năng lượng thấp nhất) sẽ có khuynh hướng tự nhiên trở về trạng thái nền. Trong quá trình đó, năng lượng chênh lệch chính là năng lượng một photon phát ra. Quá trình hấp thụ photon là quá trình ngược lại. Tức khi photon có mức năng lượng bằng độ chênh lệch giữa hai mức của chuyển tiếp va chạm với nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp. Khi đó photon sẽ bị hấp thụ và nguyên tử sẽ bị kích thích lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn. Hình 4.3: Phát xạ tự kích Phát xạ tự kích đóng vai trò quan trọng trong quá trình KĐ quang học và KĐ quang học này chính là các bước tạo ra tia lazer. Hiện tượng phát xạ tự kích là kết quả của việc các nguyên tử bị kích thích bởi quang học tới và nó nhảy từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp và phát ra một photon có năng lượng thích hợp. Một đặc điểm hết sức quan trọng của các photon bởi hiện tượng phát xạ kích thích là chúng có cùng phân cực cùng pha và cùng hướng. Hơn nữa photon kích thích sẽ bị kích thích tới cùng trạng thái của các photon đến. Hiện tượng này là cơ sở cho việc KĐ quang học và hiện tượng lazer. Định nghĩa lazer: Lazer là một cấu trúc quang học hay máy phát quang học dùng để phát ra và KĐ ánh sáng nhìn thấy được, ánh sáng do bức xạ cảm ứng phát sinh ra là ánh sáng có liên kết về pha ( ) và đơn sắc. 3. Cấu trúc của lazer: Lazer thông thường được cấu tạo bằng ba lớp như hình 2.16. Dao động của lazer xảy ra ở vùng kẹp giữa của tinh thể bán dẫn “P ” và “N” gọi là lớp hoạt chất, vùng này đóng vai trò như một vùng cộng hưởng. Khi có một dòng bơm từ phía (+) tới phía (-) theo hình vẽ thì ánh sáng được phát ra theo hướng mũi tên. Hình 2.16: Cấu trúc của Lazer Để lazer hoạt động được cần phải thỏa mãn các điều kiện sau: - Sự chênh lệch mức năng lượng giữa vùng dẫn của chất bán dẫn loại P và vùng dẫn ở trong lớp hoạt chất phải cao hơn. - Sự chênh lệch giữa vùng dẫn và vùng hoá trị của bán dẫn loại P cũng phải đủ lớn. - Đối với bán dẫn loại N ở chuyển tiếp, mức năng lượng vùng hoá trị phải nhỏ hơn tại vùng hoạt chất. * Hoạt động: Khi có dòng điện chạy qua từ lớp P tới lớp N của chất bán dẫn mà các lớp chuyển tiếp thỏa mãn các điều kiện đề cập ở trên thì các điện tử đôi trong vùng “N” chuyển động về phía vùng P và lỗ trống đôi ở vùng “P” chuyển động về phía vùng N. Như vậy điện tử và lỗ trống có mặt ở lớp hoạt chất. Các điện tử và lỗ trống được bơm vào lớp hoạt chất và bị giam trong lớp này bởi hàng rào năng lượng, nhờ hàng rào này mà dễ dàng tạo được trạng thái đảo lộn mật độ và làm tăng cường độ phát xạ. 4. Các diode lazer đơn mode: Để xây dựng các hệ thống thông tin quang trong mạng viễn thông có tốc độ cao và cự ly truyền dẫn xa ta cần phải sử dụng các loại diode lazer có độ rộng phổ rất hẹp, đó là các lazer đơn mode. Các lazer này chỉ chứa mode dọc và mode ngang đơn. Để tạo lazer chỉ có một mode dọc thì phải giảm được độ dài L của hốc phát tia lazer tới khi mà khoảng cách tần số Df của các mode lớn hơn độ rộng phổ của lazer. Df = Df: Khoảng cách tần số của các mode L: Chiều dài sợi II- Các phân tử quang điện điện quang 1. Biến đổi điện quang: a) Cơ chế phát xạ ánh sáng trong bộ biến đổi điện quang. Giả sử rằng có một điện tử đang nằm ở mức năng lượng thấp 1 và không có điện tử nào ở trạng thái mức năng lượng cao 2 trên hình 2.13. ở điều kiện này nếu có một năng lượng bằng mức năng lượng chênh lệch giữa các mức (E2 - E1 tương ứng với hai mức chênh lệch) cấp cho điện tử thì điện tử này sẽ nhảy lên mức E2 như hình 2.13b sau khi hấp thụ năng lượng này. Điện tử rời khỏi mức E2 sẽ bị hạt nhân nguyên tử hút và quay trở về trạng thái ổn định như hình 2.13a. Khi quay trở về trạng thái ổn định E1, một năng lượng đúng bằng E2 - E1 được giải phóng như hình 2.13c. Khi ánh sáng có năng lượng tương đương bằng (E2 - E1) đập vào một điện tử ở trạng thái kích thích như hình 2.13b, điện tử ở trạng thái E2 theo xu hướng sẽ chuyển rời về trạng thái năng lượng E1 nay bị cưỡng bức trở về trạng thái E1, sau khi hấp thụ năng lượng áng sáng đập vào như hình vẽ 2.13d. b) Tiếp giáp Pn: Khi tạo ra tiếp