Bài giảng Thông tin quang: Phần 2 - Trường Đại học Thái Bình

Tiếp nội dung phần 1, Bài giảng Thông tin quang: Phần 2 cung cấp cho người đọc những kiến thức như: Khuếch đại quang; linh kiện của hệ thống thông tin quang; Mạng đồng bộ quang SONET-SDH. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Thông tin quang: Phần 2 - Trường Đại học Thái Bình Chương 5 KHUẾCH ĐẠI QUANG 5.1. Các khái niệm cơ bản Trong các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier) tín hiệu ánh sáng được khuếch đại trực tiếp trong miền quang mà không thông qua việc biến đổi sang miền điện. Các bộ khuếch đại quang có các ưu điểm sau:  Không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương thức điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệ thống  Khuếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi quang. 1. Nguyên lý khuếch đại quang Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiện dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình khuếch đại. d. Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emission) là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang. Các hiện tượng này được minh họa trên hình sau (a). Hấp thụ (b). Phát xạ tự phát (c). Phát xạ kích thích Hình 7.8. Các hiện tượng biến đổi quang điện  Hiện tượng phát xạ kích thích, hình c, xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hν12 bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg= E2 – E1). Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu.  Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số (tính kết hợp, coherent, của ánh sáng). Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện.  Hiện tượng này được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (OSA) và khuếch đại quang sợi (OFA).Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser.  Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa laser và các bộ khuếch đại quang là trong các bộ khuếch đại quang không xảy hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng. Vì nếu xảy ra quá trình hồi tiếp và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra các ánh sáng kết hợp của riêng nó cho dù không có tín hiệu quang ở ngõ vào. Nguồn ánh sáng này được xem là nhiễu xảy ra trong bộ khuếch đại. Do vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánh sáng được đưa vào ngõ vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kết hợp của riêng nó ở ngõ ra. e. Hiện tượng hấp thụ (absorption)  Hiện tượng hấp thụ, hình (a), xảy ra khi một photon có năng lượng hf12 bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp. Quá trình này chỉ xảy ra khi năng lượng hf12 của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg = E2 – E1). Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao. Hay nói cách khác, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang. Quá trình này xảy ra đồng thời với hai hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích trong môi trường tích cực (active medium) của bộ khuếch đại. f. Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission)  Hiện tượng phát xạ tự phát, hình (b), xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát ra một năng lượng Eg= E2 – E1 dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử. Sau một khoảng thời gian được gọi là thời gian sống (life time) của điện tử ở mức năng lượng cao, các điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng bền vững). Tùy theo loại vật liệu khác nhau, thời gian sống của điện tử sẽ khác nhau.  Cho dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng, nhưng trong khuếch đại quang, phát xạ tự phát không tạo ra độ lợi khuếch đại. Nguyên nhân là do hiện tượng này xảy ra một cách tự phát không phụ thuộc vào tín hiệu ánh sáng đưa vào bộ khuếch đại. Nếu không có ánh sáng tín hiệu đưa vào, vẫn có năng lượng ánh sáng được tạo ra ở ngõ ra của bộ khuếch đại.Ngoài ra, ánh sáng do phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp như hiện tượng phát xạ kích thích.  Do vậy, phát xạ tự phát được xem là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại quang. Loại nhiễu này được gọi là nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission noise). 2. Phân loại khuếch đại quang Tổng quát, cấu tạo của một bộ khuếch đại quang có thể được biểu diễn như hình sau Hình 7.9. Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang  Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ra trong trong một môi trường được gọi vùng tích cực (active medium). Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ tùy thuộc vào năng lượng được cung cấp từ một nguồn bên ngoài gọi chung là nguồn bơm (Pump Source). Các nguồn bơm này có tính chất như thế nào tùy thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói cách khác phụ thuộc vào cấu tạo của vùng tích cực.  Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính:  Khuếch đại quang bán dẫn SOA ( Semiconductor Optical Amplifier) - Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn. - Cấu trúc của vùng tích cực của SOA tương tự như vùng tích cực của laser bán dẫn. Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ở trạng thái dưới mức ngưỡng phát xạ. - Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòng điện  Khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier) - Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm. Do đó, OFA còn được gọi là DFA (Doped-Fiber Amplifier) ...