Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng

ền loại N và lớp phát loại P. Ở mặt ngoài lớp P phủ 1 lớp chống phản xạ để ghép với sợi quang. Khi các điện tử và lỗ trống khuyếch tán sang P và N gặp hàng dào điện thế và dừng lại trong lớp hoạt tính. Ở đây có các cặp lỗ trống-điện tử nên chúng tái hợp phát ra ánh sáng (ánh sáng phát ra của các loại LED này không kết hợp thành tia mạnh, không định hướng nên công suất vào sợi thấp. Ánh sáng ở đây là dạng phát xạ tự phát). Chất nền - Với cấu trúc phát cạnh ELED (Edge LED) có điện cực tiếp xúc bằng kim loại phủ kín mặt trên và đáy làm cho ánh sáng không phát ra 2 mặt mà bị giữ lại trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp. Lớp này rất mỏng, có chiết suất lớn được kẹt giữa 2 lớp P và N có chiết suất nhỏ hơn. Cấu trúc này hình thành nên một kênh dẫn sóng để hướng sự phát xạ ánh sáng về phía lõi sợi đồng thời chính cấu trúc này có ưu điểm là vùng phát xạ hẹp và góc phát sáng nhỏ nhờ đó hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao ánh sáng có tính định hướng hơn Led phát mặt. Tuy nhiên nó có một hạn chế là khi hoạt động nhiệt độ của nó tăng khá cao đòi hỏi phải có giải nhiệt. Giải tiếp xúc Kim loại SiO2 cách điện Miền hoạt tính Toả nhiệt nhiệt Chất nền Lớp dẫn ánh sáng Hình IV.5: Cấu trúc của ELED. + Đặc tính tiêu biểu của ELED: Công suất phát ra với sợi SM (250C, dòng điều khiển 150mA ): 2¸10mW Thời gian lên/xuống (risetime): 3ns max Độ rộng phổ nửa công suất: 80¸100nm Hệ số nhiệt độ công suất đầu ra: 1,2% 0C Sự thay đổi bước sóng trung tâm theo nhiệt độ: 0,5 ¸0,8nm/ 0C Độ dãn phổ: 0,4 nm/ 0C * Đặc tính kỹ thuật của LED - Dòng điện hoạt động: 50mA ¸ 30mA - Điện áp sụt trên LED: 1.5 ¸ 2.5V - Công suất phát quang : 1¸ 3mW. Đối với loại phát sáng cao có thể là 10mW. Các LED phát mặt có công suất phát cao hơn LED phát rìa với cùng dòng điện kích thích. ELED LED phát mặt P(mW) 100 300 500 I(mA) Hình IV.6: Đặc tuyến công suất phát của LED và ELED 0O 30O 120O 1 0,5 Công suất tương đối 900 900 Góc phát Hình IV.7 - Góc phát quang: được xác định ở mức công suất phát giảm 3 dB so với mức cực đại. Pg: Công suất ghép vào sợi Pp: Công suất phát tổng cộng - Hiệu suất ghép: Hiệu suất ghép: LED phát mặt 1¸5%, ELED phát cạnh 5¸15%. Từ đó thấy tuy công suất phát của LED phát mặt cao hơn LED phát rìa nhưng công suất ghép vào sợi quang của LED phát rìa lại lớn hơn khoảng hai lần. - Độ rộng phổ: Thông thường trong khoảng 35 ¸ 100nm. Dl l(nm) 800 850 900 40nm 1 0,5 0 P tương đối Hình IV.8: Độ rộng phổ của LED - Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng thì công suất giảm tuy nhiên mức ảnh hưởng bởi nhiệt độ của LED không cao. l = 1300nm và 1550 nm : Độ ảnh hưởng 2% ¸ 4%/ 0C. IV.2.2.2 Diốt laser (LD): Jf P P N Tiếp giáp PN Oxit cách điện Dòng laser Nguyên lý cấu tạo LASER bán dẫn Hoạt động theo nguyên tắc phát xạ kích thích. Có cấu tạo gần giống với ELED. Điểm khác biệt cơ bản là trong laser có 2 mặt phản xạ ở 2 đầu tạo ra hốc cộng hưởng bị phản xạ lại qua hai mặt. Trong quá trình di chuyển dọc theo hốc ánh sáng kích thích các phản xạ đồng thời kích thích các điện tử và lỗ trống để phát ra các photon mới. Ánh sáng phát ra theo phương khác bị suy hao dần chỉ có ánh sáng phát ra theo chiều dọc được khuyếch đại. Mặt sau được phủ một lớp phản xạ mặt còn mặt trước được cắt nhẵn để một phần ánh sáng phần còn một phần chiếu ra ngoài. Có rất nhều loại laser nhưng ta chỉ ngiên cứu 3 loại sau: - LASER FP: Fabry - Perot (bộ cộng hưởng quang) được chế tạo theo nguyên lý bộ cộng hưởng quang có lớp kích thích kẹp giữa 2 lớp chất bán dẫn P,N. Khi có 1 photon bức xạ vào giữa 2 lớp. Một nguyên tử bị kích thích sẽ dao động và lan truyền đập vào nguyên tử khác làm nguyên tử khác cũng dao động và cứ như vậy. Nhờ gương phản xạ một phần ở 1 đầu laser mà ánh sáng được lấy ra phần lớn. Gương còn lại của bộ cộng hưởng là gương phản xạ toàn phần (100%). Hai gương này tạo thành bộ cộng hưởng quang. Khoảng cách 2 gương là: Loại LASER FP ít được dùng do LASER BH và DFB có những ưu việt hơn. LASER - FP có đặc tính chọn lọc tần số. Chỉ có ánh sáng của bước sóng nào có thể tạo ra trong hốc cộng hưởng một sóng đứng thì mới giữ nguyên pha, để tạo ra phản ứng dây truyền chỉ phản xạ kích thích. - LASER BH (Burried Heteroustructure): có cấu trúc dị thể kép chôn là một trong laser điều khiển chiết suất (IGL - index guided laser) tức là sự thay đổi chỉ số chiết suất thực của vật liệu khác nhau trong cấu trúc sẽ điều khiển các mode bên trong laser. Nó tạo ra trong miền hoạt tính 1 ống dẫn quang, ống có chiết suất cao hơn lớp bao làm cho năng lượng không bị rò ra bên ngoài miền hoạt tính. Loại này chỉ làm việc chế độ đơn mode. Vùng phát ánh sáng có phổ rất hẹp Dl = 2 ¸ 3 nm cộng vớì vùng phát sóng 2mm x 0,2 mm nên hiệu suất ghép ánh sáng cao. Lớp N Lớp N Lớp N Lớp P Tiếp xúc P Cách điện SiO2 Lớp tích cực Lớp P Tiếp xúc N Hình IV.9: Cấu trúc LASER BH - Diode laser loại phản hồi phân bố DFB (Distributed Feedback) Bản thân diode laser BH tuy làm việc ở chế độ công tác đơn mode nhưng bề rộng phổ vẫn còn lớn (2 ¸ 3nm) gây méo tín hiệu do tán xạ vật liệu khi truyền trên sợi quang vì thế cần có 1 loại khác đó là DFB với Dl £ 0.1 nm Nó cho phép sử dụng trong hệ thống có tốc độ cao và cự ly khoảng lặp lớn. DFB sử dụng nguyên lý tán xạ nội bộ để tạo ra cơ chế hồi tiếp phân bố nhưng có tính chọn lọc tần số. Do đó gần như chỉ có một bước sóng cộng hưởng được khuyếch đại tạo ra bức xạ đơn mode. Nó không sử dụng các bộ gương cộng hưởng quang mà thay vào đó là tạo ra các cấu trúc có chu kỳ gọi là bộ phản xạ chọn lọc theo tần số. Đặc tính kỹ thuật: - Công suất phát 1 ¸ 10 mW hiện nay lên tới 50mW. - Góc phát sáng quang theo phương ngang của lớp tích cực trong khoảng 5 ¸ 100, theo phương vuông góc với lớp tích cực góc phát có thể lên tới 400. - Hiệu suất ghép: Laser có vùng phát sáng nhỏ, góc phát hẹp nên có hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao.Trung bình hiệu suất ghép trong khoảng: 30% ¸ 40% với sợi đơn mode SM. 60% ¸ 90% với sợi đa mode MM. Để tăng hiệu suất ghép sử dụng thêm thấu kính hội tụ đặt giữa nguồn và sợi. - Đặc tuyến bức xạ: Led Chế độ Led LD I I ngưỡng I P P Hình IV.10: Đặc tuyến bức xạ. + Ingưỡng: 10 ¸ 20mA. + Điện áp sụt trên Laser: 1.5V ¸2,5V. - Độ rộng phổ phát xạ của laser: là đặc tuyến tổng hợp khuyếch đại (do bề rộng khe năng lượng thay đổi)và đặc tuyến chọn lọc hốc cộng hưởng quang (phụ thuộc vào chiều dài hốc). So với LED phổ phát xạ của LASER rất hẹp. LED : Dl = 35 ¸ 100nm. LD : Dl = 1 ¸ 4nm. l0 l(nm) l0=1550nm l(nm) P P 0 -3 -25 0 -3 HìnhIV.11: Phổ phát xạ. LED LD Đối với Laser hồi tiếp phân bố DFB gần như chỉ có một bước sóng được cộng hưởng và khuếch đại nên phổ của DFB rất hẹp khoảng 0,1 ¸0,2nm. - Thời gian để công suất quang tăng từ 10 % ¸ 90% mức công suất xác lập của Laser rất nhanh so với LED, thông thường không quá 1ns. Ảnh hưởng của nhiệt độ: khi nhiệt độ thay đổi thì dòng ngưỡng của Laser thay đổi làm cho công suất phát thay đổi nếu giữ nguyên dòng điện kích thích. Khi nhiệt độ tăng thì dòng ngưỡng cũng tăng theo dạng hàm mũ của sự gia tăng nhiệt độ. Trung bình độ gia tăng dòng ngưỡng vào khoảng +1%/0C. Ngoài ra, khi nhiệt độ thay đổi thì công suất phát ra cũng thay đổi nhưng ở mức độ ảnh hưởng rất thấp. Hình IV.12: Sơ đồ modul của một bộ phát LASER Sợi quang Mạch điều khiển tia Laser Bộ dò mặt sau Laser Cảm biến Sợi quang nhiệt Tản nhiệt IV.3. Thu quang: IV.3.1 Yêu cầu kỹ thuật : Các máy thu phải thoả mãn yêu cầu cao về chất lượng truyền dẫn -> các diode phải có nhiều đặc tính tốt : - Có hiệu suất lượng tử cao: + nph : Số lượng photon hấp thụ. + ne : Số điện tử tách ra. - Đáp ứng quang điện R lớn Trong đó: Ie = Số điện tử sinh ra x Điện tích hạt. Pph = Số photon hấp thụ x Năng lượng photon - Tạp âm (được thể hiện dưới dạng dòng diện tạp âm) nhỏ. Tạp âm = tạp âm nhiệt + tạp âm lượng tử + tạp âm dòng tối. + Tạp âm nhiệt: do diện trở tải của diode thu quang cũng như trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại gây ra. + Tạp âm lượng tử: do biến động ngẫu nhiên năng lượng của các photon đập vào diode thu quang. + Dòng diện nhiễu do các diode thu quang phát ra khi không có ánh sáng chiếu vào cũng gây nên tạp âm, và dược gọi là tạp âm dòng tối. Độ nhạy (là mức công suất quang thấp nhất mà linh kiện quang có thể thu được với một tỉ số lỗi nhất định) càng cao càng tốt (tỷ số BER < 1010) . - Dải động: là khoảng chênh lệch giữa mức công suất cao nhất và mức công suất thấp nhất mà linh kiện có thể thu được trong giới hạn lỗi nhất định. IV.3.2 Phân loại: Trong kỹ thuật thông tin quang hiện nay sử dụng hai loại cơ bản là diode PIN và diode APD. IV.3.2.1 Diode PIN: Cấu tạo gồm 3 lớp P,I,N trong đó lớp I (Intrinsic) là lớp bán dẫn không pha tạp chất hoặc pha với nồng độ rất thấp. Quá trình thu photon và tách điện tử xảy ra ở lớp I. Khi lớp I càng dày thì hiệu suất lượng tử càng cao nhưng thời gian trôi điện tử thấp. Điều này làm giảm khả năng hoạt động với tốc độ cao của PIN. Bề dày lớp P phụ thuộc khả năng thâm nhập của ánh sáng. Ánh sáng có bước sóng càng dài thì khả năng thâm nhập vào bán dẫn càng lớn Trên mặt lớp P có phủ 1 lớp mỏng chống phản xạ để tránh tổn thất ánh sáng. P I n Ánh sáng Lớp chống phản xạ Vòng tiếp xúc kim loại Cách điện SiO2 Tiếp xúc kim loại Hình IV.13: Cấu tạo của diode thu quang loại PIN IV.3.2.2 Diode quang thác APD (Avalanche Photo Diode): Để tăng đáp ứng của diode thu người ta ứng dụng hiệu ứng nhân điện tử trong các bộ nhân quang điện. Người ta chế tạo APD có P+ và N+ là 2 chất bán dẫn có nồng độ tạp chất cao hơn lớp P và N (có trong PIN thay, thế cho vị trí lớp I). Dưới tác dụng của nguồn phân cực ngược, điện trường trong vùng PN cao nhất, quá trình nhân điện tử xảy ra trong vùng này. Vùng này được gọi là vùng “ thác lũ ”. Khi ánh sáng chiếu vào lớp P sẽ hấp thụ và tạo ra các cặp điện tử- lỗ trống. Lỗ trống di chuyển về P+ nối với cực âm nguồn còn điện tử đi về phía tiếp giáp PN. Điện trường trong vùng sẽ tăng tốc cho điện tử. Các điện tử va chạm với các nguyên tử của tinh thể sẽ tạo ra điện tử và lỗ trống (thứ cấp). Các điện tử và lỗ trống này sẽ lặp lại quá trình kể trên làm cho số lượng các hạt tải điện tăng lên rất lớn. Như vậy dòng quang điện nhân lên với M lần (số điện tử thứ cấp phát sinh ứng với 1 điện tử sơ cấp). Dòng quang điện sẽ là: I = R. M. P (P: công suất quang) I: Cường độ dòng điện sinh ra. R: Đáp ứng (A/W) của diode thu. Hệ số nhân M thay đổi theo điện áp phân cực và cũng phụ thuộc nhiệt độ nên giữ cho M ổn định rất khó. M = 10 ¸1000 lần.Thực tế chọn M=50¸200 M càng lớn nhiễu càng lớn. N+ P i(n) P+ Trường tối thiểu - + Vùng thác Vùng nghèo Trường điện Hình IV.14: Cấu trúc của diode thu quang APD IV.3.2.3 Đặc tính kỹ thuật của APD và PIN: - Độ nhậy APD > PIN từ 5 ¸ 15 dB. Thực tế thường kết hợp PIN - FET lúc đó thì độ nhạy của APD và PIN - FET là như nhau. S = 0.7. - Dải động APD rộng hơn PIN vì có thể điều chỉnh được nhờ thay đổi điện áp phân cực để thay đổi hệ số nhân M. - Độ ổn định PIN > APD do APD có hệ số nhân M vừa phụ thuộc nhiệt độ và cũng vừa phụ thuộc điện áp phân cực. - Dòng tối (dòng điện nhiễu do các diode thu quang phát ra khi không có ánh sáng chiếu vào gây nên tạp âm thăng giáng) của APD lớn hơn của PIN. - Điện áp phân cực APD cao hơn PIN. (APD hàng trăm volt, PIN thường dưới 20 volt). RT U out thiên áp AMP Hình IV.15: Sơ đồ bộ thu tách quang Ưu điểm của hai loại này trái ngược hẳn nhau. Đặc tính kỹ thuật của APD chỉ hơn PIN về độ nhạy và tốc độ làm việc. Các mặt hạn chế của APD là: chế độ làm việc kém ổn định, dòng nhiễu lớn, điện áp phân cực cao và yêu cầu độ ổn định cao. Þ A W Giả sử Rt = 100KW muốn U = 1 mV thì : Chứng tỏ với công suất rất bé thì thiết bị vẫn thu được -> độ nhậy quang rất cao. Do đó đối với thông tin quang, thông tin có thể đi rất xa mà vẫn không cần công suất quang lớn. Đây chính là ưu thế của thông tin quang. Thực tế P phát 10mW thông tin đi được 160km. Hình IV.16: Sơ đồ cấu hình thiết kế bộ phát của LD truyền tín hiệu số FILT Ib ILD DET Chuyển mạch dòng điện Bias Tín hiệu Điều khiển thiên áp ngưỡng Mẫu so sánh TEC T Sợi quang Bộ phận làm mát hay cảm biến nhiệt IF i Trích thời gian Mạch quyết định Data Khuyếch đại Photodetector Hình VI.17: Sơ đồ khối của bộ thu quang điển hình CLK Bộ lọc Bộ cân bằng Tiền khuếch đại CHƯƠNG V KỸ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG V.1. Kỹ thuật ghép bước sóng quang WDM. Kỹ thuật ghép bước sóng quang sẽ cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và cũng không dùng thêm sợi quang; nó đã thực hiện truyền các luồng ánh sáng với bước sóng khác nhau trên cùng một sợi. Lý do là ở chỗ, các nguồn phát có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống thông tin quang thông thường chỉ sử dụng phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi sẵn có. V.1.1 Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang. Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh hoạ như hình 1. Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau l1, l2...ln.Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi dẫn quang. Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ một bộ ghép kênh: bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi được ghép sè được truyền dọc theo sợi để tới phias thu. Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu và và sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng. On(ln) O1(l1) In(ln) I1(l1) MUX DMUX 0(l1…ln) I(l1…ln) Sợi dẫn quang Hình V.1 : Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng Ở hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang WDM. Phương án 1: truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng: là kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi tại mọt đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia. Phương án 2: truyền dẫn WDM hai hướng: là không qui định phát ở một đầu và thu ở một đầu; điều này có nghĩa là có thể phát thông tin theo một tại bước sóng l1 và đồng thời cũng phát đi thông tin khác theo hướng ngược lại tại bước sóng l2. l1, l2…ln Nguồn l1 Nguồn l2 Nguồn lN Thiết bị WDM Kênh 1 Kênh 2 Kênh N Nguồn l1 Nguồn l2 Nguồn lN Thiết bị WDM Kênh 1 Kênh 2 Kênh N Một sợi Hình V.2: Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng. Kênh vào Thu l2 Kênh ra Nguồn l1 Thu l2 Thiết bị WDM Kênh ra Một sợi Kênh vào l1 l2 Nguồn l1 Thiết bị WDM HìnhV.3: Hệ thống ghép bước sóng theo hai hướng. Để thực hiện một hệ thống WDM theo một hướng, thì cần phải có bộ ghép kênh ở đầu phát để kết hợp các tín hiệu quang từ các nguồn phát quang khác nhau đưa vào một sợi dẫn quang chung. Tại đầu thu cần phải có một bộ ghép kênh để thực hiện tách các kênh quang tương ứng. Nhìn chung, các tín hiệu quang không phát một lượng công suất đáng kể nào ngoài độ rộng phổ kênh đã định trước cho của chúng cho nên vấn đề xuyên tâm là không đáng lưu ý ở đầu phát. Vấn đè đáng lưu tâm ở đây là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép ít bị suy hao. Đối với bộ giải ghép kênh, vì các bộ tách sóng quang thường nhạy cảm trên cả một vùng rộng các bước sóng cho nên nó có thể thu được toàn bộ các bước sóng được phát đi. Như vậy để ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có các biện pháp cách ly tốt các kênh quang. Để thực hiện điều này, cần thiết kế các bộ giải ghép thật chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định có bước sóng cắt chính xác. Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành ba loại: các bộ ghép (MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ ghép và giả hỗn hợp (MUX-DEMUX). Các bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn loại thứ ba (Mũ -DEMUX) được sử dụng cho phương án truyền dẫn theo hai hướng. Hình 4 là sơ đồ miêu tả thiết bị giải ghép và giải ghép kênh hỗn hợp. O(lk) Ii(li) Ik(lk) Các tín hiệu được ghép Các tín hiệu được giải ghép I(lk) Sợi dẫn quang Hình V.4: Mô tả thiết bị ghép và giải ghép (MUX và DMUX) V.1.2 Các tham số cơ bản. Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính của các bộ ghép – giải ghép hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh. Các ký hiệu I(li) và O(lk) tương ứng là các tín hiệu đã được ghép dạng có mặt ở đường chung. Ký hiệu Ik(lk) là tín hiệu đầu vào được ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k. Ký hiệu Oi(li) là tín hiệu có bước sóng li đã được giả ghép và đi ra cửa thứ i. Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép bước sóng quang ƯDM. Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao bản thân các thiêt bị ghép gây ra. MUX O(li) Ii(li) Li = -10log DEMUX Oi(li) I(li) Li = -10log Với Li là suy hao (tại bước sóng li) khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn. Các tham số này phải luôn được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị. Xuyên kênh ngụ ý mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này được ghép sang kênh khác. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc vào trường hợp áp dụng. Nhưng nhìn chung phải đảm bảo nhỏ hơn(-30dB) trong mọi trường hợp. Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB như sau: Ui(lk) I(lk) Di(lk) = -10log Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ ghép kênh ở hình 5.a) thì Ui(lk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng lk do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng li.. Trong thiết bị ghép và giải ghép hỗn hợp như ở hình 5.b) việc xác dịnh suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng như bộ giải ghép. Ở trường hợp này phải xem xét cả hai loại xuyên kênh. “Xuyên kênh đầu ra” là do các kênh ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I(lk) sinh ra Ui(lk). “Xuyên kênh đầu vào” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị, như Ui(lj). DEMUX Sợi quang I(li).......I(lk) Oi(li)+Ui(li) Sợi quang Oi(li)+Ui(li)+Ui(li) Ii(li) (lj) (lk) O(lj) Hình V.5: Xuyên kênh a) ở bộ giải ghép kênh và b) ở bộ giải ghép kênh hỗn hợp. I(li).......I(lk) Độ rộng kênh là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang riêng. Nếu nguồn phát quang là các điốt laser thì các độ rộng kênh được yêu cầu váo khoảng vài chục nanomet để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra. Đối với nguồn phát là điôt phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi vị độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn. V.2. Ghép kênh quang theo tần số OFDM. Trong ghép kênh OFDM, băng tần của sóng ánh sáng được phân chia thành một số kênh thông tin riêng biệt; ở đây, các kênh ánh sáng có các tần số quang khác nhau sẽ được biến đổi thành các luồng song song để cùng truyền đồng thời trên cùng một sợi quang. Các sóng náh sáng có một tiềm năng thông tin rất lớn vì nó có tần số cao, tới hơn 200000Ghz(1Ghz =109Hz). Hơn thế nữa sợi quang vốn có suy hao nhỏ ở dải bước sóng từ 0,8mm¸1,8mm cũng tương đương ở băng tần 200000Ghz. Như vậy, ghép kênh quang theo tàn số được xem xét như là cấp cao hơn WDM vì số kênh ghép được trong băng tần quang sẵn có rất lớn OFDM có thể coi như là biện pháp ghép kênh quang có mật độ ghép dày đặc hơn. Hình 6 minh hoạ một hệ thống ghép kênh quang theo tần số ; ở đây, tín hiệu quang được ghép được xây dựng theo phương pháp tựa như các kỹ thuật thông thường, nhưng quá trìng biến đổi điện nào. Tổng số các chùm bit được ghép sẽ phụ thuộc vào tốc độ ghép của mỗi luồng (kênh) riêng rẽ sẽ được khôi phục lại. Sợi cáp quang 1550nm Điều biến ngoài (PSK) f S1 Mix f1 S2 Mix f2 Sn Mix fn Bộ kết hợp Laser f S1 Mix f1 S2 Mix f2 Sn Mix fn Tách quang PLL quang Bộ chia công suất Hình V.6: Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh quang OFDM. + Các công nghệ ban đầu của OFDM. Các hệ thống ghép kênh quang theo tần số phải dựa trên các nguồnphát quang có các tần số ổn định, các thiết bị quang thụ động như các bộ lọc quang, các bộ khuyếch đại quang băng tần rộng có thể khuêchs đại nhiều kênh OFDM cùng một lúc. Các nguồn phát quang ổn định về tần số là rất cần thiết để ngăn chặn xuyên kênh. Các laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp có thểư dụng làm nguồn phát cho hệ thống OFDM. Tuy nhiên khi laser có độ rộng hẹp thì lại không ổn định về tần số, do đó phải dung hoà về mặt này. Để có nguồn phát laser có độ rộng phổ hẹp mà lại ổn định thì phải sử dụng loại mạch gõ tần số quang ( gõ mode) . Hiện nay các hệ thống OFDM thử nghiệm đã sử dụng các mạch gõ tần số quang có bộ lọc hiệu chỉnh đáp ứng tần số quang. Các thiết bị quang thụ động cũng rất quan trọng để kết hợp các tín hiệu quang OFDM riêng rẽ. Đối với các sóng quang có độ rộng phổ hẹp được ổn định tần số, cộng hưởng giao thoa và các hiện tượng khác luôn đòi hỏi phải có các bộ lọc quang chính xác. Các bộ lọc này có tíh chuẩn xác tựa như các bộ lọc trong các hệ thống viba. Công nghệ gần đây đã cho ra được bộ lọc quang 100 kênh có khả năng tạo khoảng cách kênh 5¸10Ghz. Các bộ khuyếch đại quang sẽ thực hiện khuyếch đại các kênh quang FDM đồng thời một lúc, nó tạo ra cự ly băng tần truyền dẫn của hệ thống được dài hơn. Hiện nay, các bộ khuyếch đại quang cho òDM đã có khả năng khuyếch đại được 100 kênh quang. Điều nà mở ra một hướng ứng dụng OFDM vào các môi trường khai thác đa dạng. V.3. Ghép kênh quang theo thời gian OTDM. Ghép kênh OTDM: là quá trình ghép các luồng tín hiệu quang. không thông qua 1 quá trình biến đổi về điện nào, kỹ thuật ghép ở đây có liên quan đến luồng tín hiệu ghép, dạng mã và tốc độ đường truyền. V.3.1 Nguyên lý ghép kênh OTDM. Hoạt động của một hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM có thể mô tả như hình 7. Trong hệ thống ghép kênh quang OTDM, chuỗi xung quang hẹp được phát ra từ nguồn phát thích hợp. Các tín hiệu này được đưa vào khuyếch đại để nâng mức tín hiệu đủ lớn để đáp ứng được yêu cầu. Sau đó được chia thành N luồng, mỗi luồng sẽ đưa vào điều chế nhờ ngoài với tín hiệu nhánh tốc độ B Gbit/s. Để thực hiện ghép các tín hiệu quang này với nhau, các tín hiệu nhánh phải được đưa qua các bộ trễ quang. Tuỳ theo vị trí của từng kênh theo thời gian trong khung mà các bộ trễ này sẽ thực hiện trễ để dịch các khe thời gian trong khung mà các bộ trễ này sẽ thực hiện trễ để dịch các khe thời gian một cách tương ứng. Thời gian trễ là một nửa chu kỳ của tín hiệu clock. Như vậ, tín hiệu sau khi được ghép sẽ có tốc độ là N.BGbit/s. Sau khi được truyền trên đường truyền, thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ thực hiện tách kênh và khôi phục xung clock và đưa ra được từng kênh quang riêng biệt tương ứng với các kênh quang ở đầu vào bộ ghép phía phát. Sợi dẫn quang Bộ chia quang Tín hiệu Trễ quang Thời gian Khuyếch đại quang Bộ tách kênh Bộ ghép quang Kênh 1 2 3 4 1 2 3 4 Thời gian Kênh 1 Kênh 4 Hình V.7: Sơ đồ tuyến thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM ghép 4 kênh quang. Bộ điều chế Bộ điều chế Bộ điều chế Bộ điều chế Nguồn phát Khuyếch đại quang EDFA Khối phát clock Các hệ thống ghép kênh OTDM thường hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm, tại bước sóng này sẽ có suy hao quang nhỏ, lại phù hợp với bộ khuyếch đại quang sợi có mặt trong hệ thống. Các bộ khuyếch đại sợi quang có chức năng duy trì quỹ công suất của hệ thống nhằm đảm bảo tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm (S/N) ở phía thu quang. Nguyên lý hoạt động này có thể đáp ứng xây dựng các hệ thống thông tin với tốc độ 200Gbit/s. Tuy nhiên ở tốc độ này phải xem xét tới việc bù tán sắc cho hệ thống. V.3.2 Giải ghép và xe rẽ kênh. Khi xem xét các hệ thống OTDM và các hệ thống thông tin quang có ghép kênh TDM, người taq thấy sự khác nhau chủ yếu ở đây là việc ghép và giải ghép trong vùng thời gian quang, mà nó được thể hiện như một chức năng tích cực. Thực hiện việc giải ghép trong hệ thống OTDM điểm nối điểm ở phía thu chính là việc tách hoàn toàn các kênh quang. Tuy nhiên khi xem xét trên cục diện mạng OTDM thì lại phải xem xét cả khả năng xen và rẽ kênh từ luồng truyền dẫn. Đối với giải bộ ghép kênh, cần phải xem xét các tham số cơ bản về tách kênh, kể cả tỷ số phân biệt quang, suy hao xen và cắt cửa sổ chuyển mạch có thể đạt được. Đối với các nút xen và rẽ kênh thì phải đánh giá cả hiệu suất chuyển mạch, đo đạc phần công suất được lấy ra từ kênh tương ứng. Ở đây tỷ số phân biệt rõ ràng có ảnh hưởng tới mức độ xuyên kênh. (Tỷ số phân biệt EX = 10log10(A/B), với A là mức công suất quang trung bình ở mức logic 1 và B là mức công suất quang trung bình ở mức logíc 0), 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. Kết quả là độ rộng của cửa sổ chuyển mạch sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ đường truyền. V.3.3 Đặc tính truyền dẫn của OTDM. Tán sắc của sợi quang làm cho các xung ánh sáng lan truyền trên sợi bị dãn rộng ra trong khi đó các hệ thống thông tin quang OTDM có tốc độ rất cao, như vậy đòi hỏi các xung phát ra phải rất ngắn. Mặc dù vấn đề tán sắc có thể