Chương 1 HỆ PHÁT DAO ĐỘNG QUANG ĐIỆN TỬ VÀ BỘ QUANG HỌC 1.Hệ phát dao động quang điện tử OEO Hệ OEO (OptoElectronic Oscillator) là một hệ phát dao động vi sóng đặc biệt có khả năng chuyển đổi nguồn năng lượng ánh sáng liên tục thành các tín hiệu vi sóng hoặc siêu cao tần RF. Các hệ OEO đóng vai trò chủ đạo trong việc cung cấp các tín hiệu định chuẩn để thiết lập hoặc chọn các kênh truyền chuyên biệt trong các hệ thống truyền thông hiện đại; chúng cũng kích hoạt các tín hiệu đồng bộ cho nhiều hệ thống điện tử khác trải rộng từ các bộ vi xử lí đến các trạm vô tuyến, radar, link truyền thông vệ tinh và các ứng dụng kết nối mạng quang. Phần này sẽ giới thiệu sơ lược về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính và một số ứng dụng của hệ OEO. Cấu tạo, nguyên lý và đặc tính quan trọng: Cấu tạo: Hệ OEO được nghiên cứu khá chi tiết trong nhiều công trình nghiên cứu [1-5].
Trong phạm vi nghiên cứu, luận văn chỉ trình bày ngắn gọn cấu tạo của hệ OEO, gồm một nguồn laser và một mạch hồi tiếp như được biểu diễn trong hình 1. Mạch hồi tiếp gồm: - Bộ điều biến quang học (modulator): điều biến tín hiệu. - Bộ trễ quang học (optical delay line): lưu trữ năng lượng, đặc trưng bởi hệ số phẩm chất Q. - Bộ tách sóng quang (photodetector): chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện.
- Bộ khuếch đại (amplifier): khuếch đại tín hiệu bù vào phần mát mát trong hệ thống. - Bộ lọc (filter): lọc lấy tín hiệu tại tần số mong đợi. HVTH: Nguyễn Thị Ngân Hà GVHD: TS. Ngô Thị Phương 2 Hình 1.
Sơ đồ cấu tạo hệ OEO Nguyên lý hoạt động: OEO là một bộ phát dao động cho phép tạo ra một tín hiệu cao tần hoặc siêu cao tần. Cấu tạo của bộ dao động OEO bao gồm bộ phận điện và bộ phận quang như hình 1. Ánh sáng từ laser đi vào một bộ điều biến quang (optical modulator). Năng lượng ánh sáng liên tục tạo ra từ một laser được điều biến biên độ bởi tín hiệu cao tần có được từ ngõ ra của bộ chia tín hiệu (coupler).
Sau khi được làm trễ, tín hiệu quang được chuyển thành tín hiệu điện nhờ bộ chuyển đổi quang - điện (photodiode). Trước khi đi vào bộ lọc tần số (filter) để lựa chọn tần số mong muốn, tín hiệu được khuếch đại nhờ bộ khuếch đại (amplier). Bộ khuếch đại có độ lợi G và bộ trễ pha cho phép xác định tần số ngõ ra với hệ số hồi tiếp 𝛽(𝑓). Theo điều kiện Barkhausen thì 𝐺.
Tín hiệu cao tần của bộ dao động OEO được xuất ra ở bộ chia tần số [5]. Thành phần quan trọng của bộ OEO là bộ trễ quang học, bộ trễ có thể được cấu tạo từ một sợi cáp quang được cuộn lại. Ví dụ, một cáp quang dài 4km sẽ tương ứng với thời gian trễ là 20 s. Hệ số phẩm chất của bộ dao động được xác định từ công thức 𝑄 = 2𝜋𝑓𝜏, ở đây 𝑓 là tần số của tín hiệu và 𝜏 là thời gian trễ được tạo bởi bộ trễ.
Đặc tính quan trọng: Các đặc tính quan trọng của hệ OEO như là dao động ổn định, tính phổ cao, sắc nét… cũng đã được nghiên cứu rất kỹ trong nhiều công trình nghiên cứu [1-5], HVTH: Nguyễn Thị Ngân Hà GVHD: TS. Ngô Thị Phương 3 trong đó phổ nhiễu pha là đặc tính quan trọng liên quan đến thời gian trễ của bộ quang học trong hệ OEO. Phổ nhiễu pha được xác định [3]: 𝜌𝑁𝐺𝐴2 /𝑃𝑜𝑠𝑐 𝑆𝑅𝐹 (𝑓) = (1.1) ta thấy nhiễu pha của hệ OEO giảm bậc hai so với tần số lệch f. Đối với giá trị f cố định thì nhiễu pha giảm bậc hai so với thời gian trễ của vòng.
Giá trị τ càng lớn thì nhiễu pha càng nhỏ. Tuy nhiên, nhiễu pha không thể giảm về 0 dù giá trị τ có lớn như thế nào bởi vì tại giá trị τ đủ lớn thì giả thuyết 2πfτ <<1 không thể giữ lâu hơn. Như vậy ta có thể tạo ra các tín hiệu vi sóng/ RF thuần phổ ổn định, tần số cao và nhiễu pha thấp với hệ OEO bằng cách tối ưu hóa bộ quang học để tăng giá trị τ hay nói cách khác là tạo ra các bộ quang học có hệ số Q cao.Ứng dụng: Hệ OEO được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Sau đây luận văn xin giới thiệu lại một số ứng dụng cụ thể của hệ OEO trong các hệ thống quang tử đã được đề cập khá rõ trong công trình nghiên cứu của X.
VCO (voltage- controlled oscillator) Hệ OEO là một VCO đặc biệt với đầu ra quang cũng như đầu ra điện. Vì vậy nó có thể thực hiện tất cả các chức năng mà một VCO có thể làm cho các hệ thống quang tử. Những chức năng này bao gồm sự vận hành, giám sát, làm sạch, khuếch đại, và phân phối các sóng mang. Các VCO quang tử cũng có thể sử dụng để phục hồi nhịp, phục hồi sóng mang, giải điều biến và điều biến tín hiệu, và tổng hợp tần số.
Trộn tín hiệu quang tử Hệ OEO cũng có thể được sử dụng để đảo tín hiệu quang tử. Đối với ứng dụng này thì một tín hiệu quang được điều biến tại tần số RF là cần thiết. Chỉ hệ OEO có HVTH: Nguyễn Thị Ngân Hà GVHD: TS. Ngô Thị Phương 4 thể hoàn thành điều này bởi vì một trong các đầu ra của nó cho dao động RF trong vùng quang.
Phân phối sóng mang Bởi vì hệ OEO có thể được bơm - khóa (injection-locking) bởi một tín hiệu quang từ xa nên nó có thể được dùng để phản hồi, khuếch đại và phân phối các sóng mang cao tần RF như một khả năng quan trọng trong các hệ thống quang tử lớn. Sự nhân tần số Đặc tính bơm- khóa của hệ OEO cũng có thể được dùng cho sự nhân tần tăng tích cao. Trong công trình nghiên cứu của mình, X. Malekiđã nêu ra một phương pháp khác bằng việcsử dụng kỹ thuật bơm - khóa hài bậc cao (subharmonic injection locking technique) và minh chứng được sự khóa pha hệ dao động làm việc tại 300 MHz đối với một tham chiếu 100 MHz của 4dBm.
Đầu ra của hệ dao động là 15dBm, dẫn đến độ tăng ích là 11 và hệ số nhân tần là 3. Ngoài ra phương pháp nêu trêncũng đã thực hiện sự nhân tần số bằng cách sử dụng sự phi tuyến của các diode laser. Hệ OEO được điều chỉnh để làm việc tại một tần số định chuẩn gần với hài bậc n của diode laser truyền tín hiệu tham chiếu. Nhờ vào sự bơm của đầu ra laser, hệ OEO sẽ bị khóa với hài bậc n.
Điều này đưa ra khả năng nhân tần từ xa và có thể hữu ích cho nhiều hệ thống RF quang tử. Tạo xung và tần số lược Hệ OEO cũng có thể được sử dụng để tạo ra các lược tần số và các xung vuông. Đối với ứng dụng này, hệ OEO phải được chọn để làm việc ở chế độ đa mode. Một tín hiệu hình sin với một tần số bằng khoảng mode hoặc một số bội lần khoảng mode được đưa vào trong hệ dao động.
Giống như khóa mode laser, tín hiệu được bơm vào này sẽ bắt buộc tất cả các mode dao động cùng pha. Trong vùng thời gian, tín hiệu đầu ra là các xung vuông. Phục hồi nhịp và sóng mang Trong các hệ thống truyền thông sợi quang tốc độ cao, khả năng khôi phục nhịp từ các dữ liệu đưa vào ngẫu nhiên là cốt yếu. Tính chất khóa bơm như nhau của hệ OEO có thể cũng được dùng để phụ hồi nhịp và sóng mang.
Dữ liệu đưa vào hệ OEO bằng cách bơm điện hay bơm quang. Hệ OEO tự do được điều chỉnh để HVTH: Nguyễn Thị Ngân Hà GVHD: TS. Ngô Thị Phương 5 dao động tại một tần số định chuẩn bằng với tần số nhịp của các dữ liệu đưa vào. Với việc bơm dữ liệu, hệ OEO sẽ được nhanh chóng khóa với tần số nhịp của dòng dữ liệu trong khi loại bỏ các thành phần tần số khác (các hài và hài bậc cao) đã kết hợp với dữ liệu.
Do đó, đầu ra của hệ OEO bị khóa là một sóng tuần hoàn liên tục được đồng bộ với dữ liệu đưa vào hoặc đơn giản với nhịp đã phục hồi. Một đặc tính quan trọng của kỹ thuật OEO là nhịp có thể được phục hồi trực tiếp từ dữ liệu chỉ thông qua một đường truyền sợi quang, không cần sự chuyển đổi quang- điện. Thêm vào đó, tín hiệu được khôi phục nhịp có cả dạng quang và điện và dễ dàng để ghép nối với một hệ thống truyền tin sợi quang. Tương tự như phục hồi nhịp, một sóng mang bị vùi trong nhiễu cũng có thể được phục hồi bởi hệ OEO.Bộ trễ quang học Như đã đề cập ở trên, để hệ OEO có thể tạo ra các tín hiệu thuần phổ ổn định, tần số cao và nhiễu thấp thì các cải tiến kỹ thuật nhằm tạo ra bộ trễ quang học có hệ số Q cao là cần thiết.
Bộ trễ quang học thông thường là các buồng cộng hưởng quang học, có nhiệm vụ chủ yếu là giam giữ năng lượng của sóng điện từ và lọc lựa bước sóng. Vì vậy, trong các buồng cộng hưởng này cần phải tạo ra các trạng thái dừng. Thông thường, muốn buồng cộng hưởng có thể tạo ra các cấu hình dừng của trường thì chúng ta phải từ một sự phân bố ban đầu của trường, sử dụng các định luật nhiễu xạ để biến đổi và vận chuyển chúng suốt chiều dài của buồng cộng hưởng. Sau khi phản xạ và trở về vị trí ban đầu chúng ta phải tìm lại một sự phân bố của trường giống như phân bố khi xuất phát về biên độ cũng như về pha (sai khác một số nguyên lần 2π).
Dạng trường này rất đặc biệt được gọi là mode riêng của buồng cộng hưởng. Hiện nay, có 2 loại bộ trễ quang học được quan tâm nhiều là bộ trễ sử dụng sợi quang và bộ trễ sử dụng buồng cộng hưởng WGM (Whispering Gallery Mode) 1.Bộ trễ quang học sử dụng sợi quang[4] Sợi quang học đóng vai trò như yếu tố trễ và cung cấp hệ số Q cao cho hệ dao HVTH: Nguyễn Thị Ngân Hà GVHD: TS. Ngô Thị Phương 6 động tạo ra một tín hiệu được đặc trưng bởi độ thuần phổ cao. Nhiễu tín hiệu bị ảnh hưởng bởi chiều dài của bộ trễ sợi quang (tỉ lệ với thời gian trễ).
Có thể giảm nhiễu bằng cách tăng chiều dài sợi quang, tuy nhiên việc này sẽ làm tăng số mode dẫn đến FSR (Free Spectral Range) giữa các mode càng nhỏ.