Trong các phần trước của chương-3, ta đã tập trung vμo phân tích những đặc tính của các nguồn quang. Mặc dù nguồn quang lμ một thμnh phần chính của thiết bị phát quang (hay còn gọi lμ máy phát quang), nh−ng nó không phải lμ thμnh phần duy nhất. Nguồn quang cần phải đ−ợc kết nối với các thμnh phần thiết bị khác để tạo thμnh thiết bị phát quang có đầy đủ các yếu tố nhằm thoả mãn các yêu cầu cho hệ thống thông tin quang.
Các thμnh phần khác của một thiết bị phát quang bao gồm một bộ điều chế để chuyển đổi dữ liệu từ dạng tín hiệu điện sang dạng tín hiệu quang, một module ghép sợi để đ−a tín hiệu quang từ cổng phát vμo trong sợi quang vμ một mạch điện tử để cung cấp dòng cho nguồn quang. Trong thực tế, các LED vμ các laser bán dẫn có thể đ−ợc điều chế một cách trực tiếp vμ trong tr−ờng hợp nμy sẽ không cần bộ điều chế ngoμi. Tuy nhiên, trong các hệ thống thông tin tốc độ cao thì có thể phải sử dụng thêm bộ điều chế ngoμi để tăng tính ổn
định nguồn phát. Phần nμy tập trung vμo việc cấy ghép laser với sợi quang vμ việc thiết kế một máy phát quang. Các máy phát với một bộ điều chế ngoμi đi kèm với nó cũng đ−ợc
đề cập đến.
3.3.1 Cấy ghép vμ đóng hộp Laser-sợi
Để cho tinh thể laser đ−ợc sử dụng trong các hệ thống thông tin quang thì nó phải
đ−ợc giao tiếp về điện vμ quang với môi tr−ờng bên ngoμi một cách thuận lợi vμ tin cậy.
Để thực hiện điều nμy các tinh thể laser đ−ợc chế tạo thμnh module laser-sợi.
Các tinh thể laser đ−ợc liên kết với một bộ tản nhiệt để giảm trở kháng nhiệt tới mức nhỏ nhất. Điều nμy th−ờng đ−ợc thực hiện bằng cách hμn với bộ tản nhiệt đ−ợc lμm từ vật liệu dẫn nhiệt cao như đồng, vμng hoặc kim cương. Chất hμn được lựa chọn có tính tương thích kim loại vμ không gây ra ảnh hưởng về độ tin cậy khi khuếch tán các phần tử vμo bản thân tinh thể laser.
Chùm ánh sáng phân kỳ từ tinh thể laser phải đ−ợc ghép có hiệu quả với sợi quang có
đường kính lõi nhỏ tới 8 μm ở sợi đơn mode. Có hai phương pháp thông dụng để ghép tinh thể laser vμo sợi. Ph−ơng pháp đầu tiên lμ bắn (hoặc vuốt) lăng kính sợi, ở ph−ơng pháp nμy lăng kính đ−ợc hình thμnh tại đầu sợi quang. Nhờ nhiệt độ nóng, thủy tinh sẽ chảy tại đầu sợi vμ co lại thμnh lăng kính. Sau đó sợi đ−ợc đặt cố định sao cho đầu sợi có lăng kính đối diện với mặt phát tia laser với mức ghép công suất lớn nhất. Phương pháp nμy cho phép đạt được hệ số ghép trong khoảng 30ữ40%[12]. Phương pháp thứ hai có thể thực hiện nhờ sử dụng các bộ phận cấu thμnh các lăng kính riêng rẽ. Kỹ thuật thông dụng nhất ở đây lμ sử dụng các lăng kính thanh chỉ số chiết suất Gradien để ghép vμo đầu sợi
đã đ−ợc tách hoặc đánh bóng. Hệ số ghép ở đây thay đổi tùy thuộc vμo các lăng kính
đ−ợc sử dụng vμ nằm trong khoảng 25ữ50%. Cấu trúc ghép phải đảm bảo tính ổn định, tin cậy cao, chịu nhiệt vμ các ứng suất cơ học tốt để duy trì đ−ợc hệ số ghép khi đ−a ra sử dụng trên thực tế.
Các module laser th−ờng chứa thêm các bộ tách sóng quang với mục tiêu giữ cho công suất ổn định. Nhiều cấu trúc thiết kế cũng chứa bộ phận lμm lạnh có dạng Peltier để giữ
cho nhiệt độ không đổi vμ diode laser lμm việc có hiệu quả hơn. Để đảm bảo độ tin cậy cao, các thiết kế đóng hộp đều có dạng đóng kín. Quá trình gắn sợi lối vμo thường bằng ph−ơng pháp kim loại hóa vμ hμn ống dẫn lối vμo. Nên tránh dùng các loại vật liệu hữu cơ
nh− epoxy. Hình dáng bên ngoμi module có thể mô tả nh− ở hình 3.25. ở đây có ba cấu hình thông dụng, hình 3.25a) lμ kiểu hai đ−ờng (D.I.L- Dial-in-Line) có bộ tản nhiệt nằm một phía vμ đuôi sợi pigtail quang ở phía kia. Loại nμy cho phép tốc độ hoạt động không lớn hơn 860 Mbit/s[27]. Hình 3.25b) lμ kiểu đồng trục (Coaxial) có dạng hình trụ, cho phép lμm việc với tốc độ tới 1,2 Gbit/s. Loại như ở hình 3.25c) lμ kiểu con bướm (Butterfly) có hình dạng giống loại D.I.L ở trên nh−ng các chân nối tín hiệu điện đ−ợc sử lý với công nghệ kim loại gốm, cho nên rất phù hợp với điều kiện lμm việc ở tốc độ bit cao tới trên 2,5 Gbit/s. Loại nμy sẽ đ−ợc sử dụng cho các hệ thống thông tin tiên tiến khác nh− các hệ thống thông tin quang Coherent, các hệ thống có tốc độ cao nhiều Gbit/s.
Hình 3.25. Các module laser th−ơng mại tiêu biểu.
Nh− vậy, thực chất vμ mục đích của việc thiết kế đối với bất kỳ một máy phát quang nμo lμ ghép đ−ợc cμng nhiều ánh sáng vμo trong sợi quang cμng tốt để tăng công suất phát.
Trong thực tế, hiệu suất ghép phụ thuộc vμo dạng của nguồn quang (LED hoặc laser bán dẫn) cũng nh− dạng của sợi quang (đơn mode hay đa mode). Ghép có thể không hiệu qủa khi ánh sáng từ một LED đ−ợc ghép vμo trong một sợi quang đơn mode. Ng−ợc lại, hiệu suất ghép đối với các laser bán dẫn với sợi nμy có thể đạt từ 45% -50%. Do có sự ghép laser-sợi mμ mỗi một máy phát quang sẽ có một đoạn ngắn sợi quang thò ra (gọi lμ đuôi
~ 2,2Gbit/s c) Module phát laser “BUTTERFLY”
∼ 1,2Gbit/s b) Module phát laser “COAXIAL”
∼ 860 Mbit/s
a) Module phát laser “D.I.L”
sợi hay pigtail). Mỗi một cách ghép có những −u điểm riêng vμ việc lựa chọn ph−ơng pháp nμo phụ thuộc vμo mục đích thiết kế. Một tiêu chuẩn quan trọng của việc ghép nguồn quang vμo sợi quang đó lμ hiệu suất ghép phải không đ−ợc thay đổi theo thời gian.
Vì vậy độ ổn định về mặt cơ khí của cơ cấu ghép lμ rất cần thiết.
Sự phản xạ từ các mặt giao tiếp quang trong hệ thống thông tin quang trở về tinh thể laser có thể gây tổn hại tới đầu ra laser. Hiệu suất ghép của sợi quang đối với một khẩu độ sè NA cho tr−íc lμ:
ηc =(1−Rf ) ( )NA 2 (3-27) Trong đó Rf lμ độ phản xạ tại đầu cuối sợi quang. Giá trị của Rf vμo khoảng 4% nếu có một khoảng trống lμ không khí giữa nguồn quang vμ sợi quang. Nh−ng Rf có thể đ−ợc giảm tới gần bằng 0 bằng cách đặt vμo khoảng trống đó một dung dịch có chỉ số chiết suất phù hợp. Để giảm các phản xạ nμy, ng−ời ta cũng có thể phủ các lớp chống phản xạ lên bề mặt thủy tinh. Đối với các hệ thống tốc độ cao (lớn hơn 2 Gbit/s) cần phải sử dụng các bộ cách ly quang để ngăn chặn các yếu tố gây hại nh− vậy. Có thể áp dụng biện pháp dùng các thấu kính ngoμi để nâng cao hiệu suất ghép, nh−ng phải tốn thêm chi phí cho việc giảm dung sai cơ khí.
Nhìn chung, ghép nguồn quang từ một laser bán dẫn sang một sợi quang th−ờng có hiệu qủa hơn từ một LED. Việc đ−a ra ph−ơng pháp ghép theo thấu kính lμ rất quan trọng vμ một vμi lược đồ ghép theo phương pháp nμy đã được phát triển trong suốt những năm 1990.
3.3.2 Mạch hồi tiếp quang
Một vấn đề quan trọng cần phải xem xét khi thiết kế một thiết bị phát quang lμ sự liên quan giữa tính cực kỳ nhạy cảm của các laser bán dẫn đối với sự hồi tiếp quang. Thậm chí một l−ợng phản hồi rất nhỏ (< 0,1 %) cũng có thể lμm giảm độ ổn định của laser vμ lμm
ảnh hưởng đến đặc tính hệ thống thể hiện qua các hiện tượng như lμm dãn độ rộng phổ, nhảy mode, vμ tăng nhiễu cường độ tương đối RIN. Đã có những cố gắng nhằm lμm giảm phản hồi vμo trong các hốc laser bằng cách dùng các lớp phủ chống phản xạ. Ngoμi ra, cũng có thể giảm phản hồi bằng cách cắt đỉnh đầu sợi quang với một góc nhỏ không đáng kể để sao cho ánh sáng phản xạ không đập vμo vùng tích cực của laser. Những công việc phòng ngừa nμy đủ để lμm giảm sự hồi tiếp quang đến một mức cho phép. Tuy nhiên, để
đáp ứng đ−ợc những yêu cầu cao hơn trong các ứng dụng khác thì cần phải đặt một bộ cách ly quang giữa laser vμ sợi trong máy phát quang. Tr−ờng hợp nμy th−ờng dùng cho các hệ thống thông tin quang hoạt động tại các tốc độ bit cao có laser DFB độ rộng phổ hẹp.
Hầu hết các bộ cách ly quang đều sử dụng hiệu ứng Faraday. Hiệu ứng nμy chi phối sự quay mặt phẳng phân cực của một chùm sáng khi có từ tr−ờng. ánh sáng truyền dẫn song song hoặc không song song với hướng của từ trường đều phải quay cùng hướng. Bộ cách ly quang bao gồm một thanh vật liệu Faraday ví dụ gacnet sắt ytri (YIG), mμ độ dμi của nó đ−ợc lựa chọn để sao cho có góc quay lμ 450. Thanh YIG đ−ợc đặt kẹp giữa hai bộ
phân cực mμ các trục của nó đ−ợc đặt lệch nhau một góc 450. ánh sáng truyền theo một hướng nμo đó sẽ đi qua bộ phân cực thứ hai do sự quay Faraday. Nhưng nếu truyền theo hướng ngược lại sẽ bị bộ phân cực thứ nhất chặn lại. Các đặc tính mong muốn có được của bộ cách ly khi hoạt động lμ có suy hao xen thấp, độ cách ly cao (> 30 dB), kích thước gọn vμ phổ rộng.
3.3.3 Mạch điện điều khiển
Mục đích của mạch điện điều khiển lμ cung cấp một năng l−ợng điện cho nguồn quang vμ điều chế tín hiệu quang đầu ra t−ơng ứng với tín hiệu đ−ợc phát đi. Các mạch điều khiển thường khá đơn giản đối với máy phát quang LED nhưng lại tương đối phức tạp đối với các máy phát quang tốc độ cao có sử dụng các laser bán dẫn lμm nguồn quang. Nh−
đã đề cập trong mục 3.2 trước đây, các laser bị phân cực gần đến ngưỡng vμ được điều chế thông qua một tín hiệu điện biến thiên theo thời gian. Vì lý do nμy mμ mạch điều khiển đ−ợc thiết để cung cấp một dòng thiên áp cố định tựa nh− một tín hiệu điện đ−ợc
điều chế. Hình 3.26 mô tả một mạch điều khiển đơn giản. Mạch điện nμy điều khiển công suất quang trung bình thông qua một cơ cấu hồi tiếp. Photodiode (xem ch−ơng-4) sẽ điều khiển đầu ra của laser bằng việc tạo ra một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh mức thiên áp của laser. Phía sau của laser thường được dùng cho mục đích điều khiển. Trong một số máy phát quang, người ta sử dụng khoảng trống phần trước để lμm lệch một phần rất nhỏ công suất đầu ra tới bộ tách sóng. Việc điều khiển mức độ phân cực laser lμ rất quan trọng vì ng−ỡng của laser rất nhạy đối với nhiệt độ hoạt động. Dòng ng−ỡng sẽ tăng cùng với độ giμ hoá của nguồn quang do sự xuống cấp dần của laser bán dẫn.
Hình 3.26. Mạch điều khiển dùng cho thiết bị phát laser.
Mạch điều khiển trong hình 3.26 thực hiện điều khiển mức thiên áp một cách động nhưng nó lại tạo ra một dòng điện điều chế không đổi. Phương pháp nμy có thể chấp nhận
đ−ợc nếu độ dốc (hiệu suất nghiêng) của laser không thay đổi theo sự giμ hoá của máy phát quang. Độ dốc của laser thường giảm khi nhiệt độ tăng. Người ta thường lắp thêm
Tín hiệu
VBB
Thiên áp
- +
Vdrive
VDC
§iÒu khiÓn ®Çu ra
-5,2 V
một bộ phận lμm mát cho laser để ổn định nhiệt độ của laser. Ngoμi ra, có một phương pháp khác lμ tạo ra hệ thống gồm có các mạch điều khiển; các mạch điều khiển nμy sử dụng các mạch điện hồi tiếp vòng kép có thể điều chỉnh cả thiên áp vμ dòng điện điều chế một cách tự động.
3.3.4 Tích hợp quang -điện
Các linh kiện điện tử được sử dụng trong các mạch điều khiển thường quyết định tốc độ tín hiệu tại đầu ra của thiết bị phát quang. Đối với các máy phát quang hoạt động tại tốc
độ bit lớn hơn 1 Gbit/s thì các thμnh phần ký sinh trên các transistor vμ các linh kiện khác thường gây ảnh hưởng xấu đến hoạt động của máy phát. Tuy nhiên có thể lμm tăng hoạt
động của máy phát tốc độ cao bằng cách tích hợp đơn khối laser với bộ điều khiển. Vì các thiết bị quang vμ điện đ−ợc tạo ra trên cùng một chip nên các máy phát quang nh− vậy
đ−ợc gọi lμ các máy phát quang mạch điện tích hợp quang-điện tử OEIC (Optoelectronic Integrated-circuit). OEIC trước hết được sử dụng để tích hợp các laser GaAs vì các công nghệ tạo ra các thiết bị điện tử GaAs đã có khá tốt trước đó. Kỹ thuật tạo ra các InP OEIC đã phát triển rất nhanh chóng trong suốt những năm 1990. Năm 1988 người ta đã
giới thiệu máy phát OEIC 1,5 μm có thể hoạt động ở tốc độ bit 5 Gbit/s. Năm 1992 đã
chế tạo đ−ợc các máy phát quang laser tốc độ 10 Gbit/s bằng cách tích hợp các laser DFB 1,55 μm với các transistor hiệu ứng tr−ờng đ−ợc tạo từ hệ thống hỗn hợp vật liệu InGaAs/InAlAs. Vì thế, các máy phát OEIC với nhiều laser trên cùng một chip đã đ−ợc phát triển cho các ứng dụng đa kênh.
Một phương pháp khác liên quan đến các OEIC, tích hợp laser bán dẫn với một bộ tách sóng quang vμ/hoặc với một bộ điều chế. Bộ tách sóng quang th−ờng đ−ợc sử dụng
để điều khiển vμ ổn định công suất ra của laser. Vai trò của bộ điều chế lμ nhằm giảm chirp động xảy ra khi laser bán dẫn đ−ợc điều chế một cách trực tiếp. Các bộ tách sóng quang còn có thể được tạo ra bằng cách dùng vật liệu tương tự như vật liệu đã dùng cho laser. Tuy nhiên sự tích hợp bộ điều chế lại yêu cầu một ph−ơng pháp khác .
Kỹ thuật hay đ−ợc sử dụng lμ kỹ thuật dùng hiệu ứng Franz-Keldysh, phỏng theo kiểu vùng cấm của laser bán dẫn giảm khi có một điện tr−ờng cung cấp cho nó. Nh− vậy, lớp bán dẫn thông suốt sẽ bắt đầu hấp thụ ánh sáng khi vùng cấm của lớp bán dẫn đó giảm do việc cung cấp một điện áp ngoμi. Các bộ điều chế nh− vậy đ−ợc gọi lμ các bộ điều chế hấp thụ điện. Khi tốc độ bit khoảng vμi Gbit/s, tỷ số phân biệt có thể lμ 15 dB hoặc hơn với một điện áp phân cực ng−ợc 2V. Truyền dẫn tốc độ 5 Gbit/s với chirp thấp đã đ−ợc giới thiệu năm 1994 bằng cách tích hợp một bộ điều chế hấp thụ điện với một laser DFB.
Các máy phát quang đ−ợc tích hợp nh− vậy có thể hoạt động tại tốc độ bit rất cao tới 20 Gbit/s. Do đó các máy phát nμy còn đ−ợc sử dụng để tạo ra các xung cực ngắn cho các hệ thống truyền dẫn soliton. Laser giếng l−ợng tử luyện MQW DFB đ−ợc tích hợp đơn khối với một bộ điều chế MQW, đã đ−ợc sử dụng năm 1993 để tạo ra một chuỗi xung 20 Gbit/s. Các xung đầu ra 7 ps gần nh− lμ bất biến vì bộ điều chế có chirp quá thấp.
Giao thoa kế Math-Zehnder(MZ) còn được dùng cho việc điều chế cường độ. Sự tích hợp của nó đòi hỏi phải phân chia tia sáng laser thμnh 2 sóng dẫn, độ dịch pha trong mỗi
nhánh phụ thuộc vμo điện áp vμ tính kết hợp đầu ra. Khi thực hiện cấu trúc nμy, laser DFB phải đ−ợc tích hợp với một bộ điều chế MZ bằng cách sử dụng 2 bộ ghép chữ Y vμ 2 ống dẫn sóng MQW. Độ dịch pha vi sai giữa 2 sóng dẫn đ−ợc tạo ra thông qua sự khúc xạ-
điện. Các thiết bị nh− vậy có thể sử dụng tại tốc độ bit xấp xỉ 10 Gbit/s.
Khái niệm tích hợp đơn khối có thể mở rộng để tạo ra các máy phát quang đơn chip bằng cách tổ hợp tất cả các chức năng vμo trong một chip. H−ớng lμm nμy tập trung vμo việc phát triển các OEIC vμ th−ờng đ−ợc gọi lμ các mạch tích hợp quang. Mạch nμy đ−ợc tích hợp rất nhiều các linh kiện quang trên một chip nh− các laser, các bộ tách sóng, các bộ lọc vμ các ống dẫn sóng. Các mạch tích hợp nμy đã chứng tỏ đ−ợc toμn bộ những lợi ích của kỹ thuật truyền dẫn sóng quang.
ch−ơng-4
thiết bị thu quang
Thiết bị thu quang, hay còn gọi lμ bộ thu quang, lμ một trong những bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống thông tin quang vì nó ở vị trí sau cùng của tổ chức hệ thống truyền dẫn nơi mμ thiết bị nμy thu nhận mọi đặc tính tác động trên toμn tuyến đ−a tới, vμ cũng vì thế cho nên hoạt động của nó có liên quan trực tiếp tới chất l−ợng toμn bộ hệ thống truyền dẫn. Chức năng chính của nó lμ biến đổi tín hiệu quang thu đ−ợc thμnh tín hiệu điện. Thiết bị thu quang cần phải có độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá
thμnh hạ, vμ bảo đảm có độ tin cậy cao. Nh− vậy rõ rμng lμ việc xem xét phân tích thiết bị thu quang phải mang tính toμn diện vμ khá chi tiết trên cả cấu trúc vμ các tham số đặc tính kỹ thuật. Trong chương nμy, chúng tôi sẽ giới thiệu một cách khá đầy đủ về bộ thu quang theo cách thức dễ dμng tiếp cận với thực tế để người đọc có thể liên hệ trực tiếp với các hệ thống đang khai thác trên mạng truyền dẫn quang. Sau đây ta sẽ đi vμo nghiên cứu cụ thể về thiết bị nμy.