# data[].attributes.body
Chương này sẽ giới thiệu và đưa ra cái nhìn tổng quát về một hệ thống FSO điển hình thông qua các nội dung cơ bản sau đây:

- Tìm hiểu về máy phát quang

- Tìm hiểu về máy thu quang.

- Các loại máy thu quang: máy thu tách sóng trực tiếp và máy thu tách sóng kết hợp.

# data[].attributes.body
Máy phát quang đóng vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để phát đến máy thu. Thành phần chính của máy phát quang là nguồn quang. LED và LASER diode là các nguồn quang bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong thông tin quang vô tuyến nhờ kích thước nhỏ, độ tin cậy và hiệu suất cao, có khả năng điều chế trực tiếp tại các tần số cao, giá thành và tiêu hao năng lượng thấp.

Trong thông tin quang vô tuyến, LED thường được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn VLC. Trong khi đó LASER diode thích hợp với các hệ thống FSO. Trong chương này sẽ tập trung tìm hiểu về LASER diode, bởi vì công suất phát quang trong hệ thống FSO lớn nên thường sử dụng các loại LASER có cấu trúc buồng cộng hưởng đứng.

# data[].attributes.headline
 LASER phát xạ bề mặt có buồng cộng hưởng đứng VCSEL

# data[].attributes.subject
 LASER phát xạ bề mặt có buồng cộng hưởng đứng VCSEL

# data[].attributes.body
Hình này mô tả cấu trúc cơ bản của LASER diode VCSEL điển hình, gồm có buồng cộng hưởng đứng vuông góc với lớp tích cực. Phía bên trên và dưới lớp tích cực theo chiều dọc là các lớp gương dải hẹp, chùm ánh sáng được phát ra từ bề mặt của lát bán dẫn thông qua đế bán dẫn loại n. Các gương dải hẹp được làm từ những lớp có chỉ số khúc xạ cao và thấp luân phiên nhau

Xét về mặt vật liệu, VCSEL loại GaAs rất phổ biến bởi vì tương đối dễ dàng chế tạo. Chỉ số khúc xạ của GaAlAs có thể thay đổi đáng kể theo hàm lượng nhôm có trong vật liệu do đó cung cấp độ tương phản chỉ số khúc xạ cần thiết cho các gương đa lớp. VCSEL hoạt động tại bước sóng 850nm được tạo ra từ quá trình này được sử dụng rộng rãi trong thông tin quang. Gần đây VCSEL được chế tạo từ hỗn hợp InGaAsP có thể phát ra ánh sáng tại các cửa sổ bước sóng 1300nm và 1550nm.

# data[].attributes.headline
Các đặc trưng được liệt kê dưới đây để phân biệt VCSEL với các loại LASER khác là

# data[].attributes.subject
Các đặc trưng được liệt kê dưới đây để phân biệt VCSEL với các loại LASER khác là

# data[].attributes.body
Dao động quang trực giao với bề mặt của lớp tích cực mỏng, do đó phát xạ chùm tia ngõ ra tròn khác với LASER kiểu phát xạ cạnh.

Hốc cộng hưởng ngắn (2μm) của VCSEL đảm bảo hoạt động đơn mode và điều chế trực tiếp với tốc độ trên 1Gbps.

Công suất bức xạ thấp và tốc độc chuyển mạch cao hơn LASER phát xạ cạnh.

VCSEL có thể bức xạ công suất ngõ ra 3mW tại dòng thuận 10mA và băng thông điều chế thực lên tới 200GHz.

Dòng ngưỡng tương đối thấp cho hiệu suất cao.

VCSEL có thể hoạt động ổn định với nhiệt độ lên đến 80 độ C.

VCSEL có các chiều rất nhỏ với hốc cộng hưởng và đường kính vùng tích cực từ 1-5 μm và độ dày của lớp tích cực 25nm, điều này cho phép chế tạo nhiều diode trên một đế đơn. Do đó việc tạo ra mảng diode hai chiều nguyên khối cho các chuyển mạch và mạng toàn quang hoàn toàn có thể thực hiện trong thực tế.

# data[].attributes.body
Máy thu quang đóng một vai trò rất quan trọng trong hệ thống FSO, nó chuyển đổi tín hiệu quang nhận được thành tín hiệu điện ban đầu. Hình trên trình bày sơ đồ khối tổng quát của một máy thu quang. Nó gồm một bộ ghép, một photodiode, một bộ giải điều chế và mạch điện tử thực hiện nhiệm vụ điều khiển và hồi tiếp. Bộ ghép tập trung tín hiệu quang vào bộ tách sóng quang.

Hầu hết các hệ thống thông tin quang vô tuyến hiện nay sử dụng phương pháp điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp IM-DD. Bộ tách sóng trong trường hợp này được thực hiện bởi mạch quyết định nhằm phát hiện bit 1 hay bit 0 dựa vào biên độ tín hiệu đến. Tính chính xác của mạch quyết định phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR của tín hiệu điện thu được từ bộ tách sóng quang.

Một thông số quan trọng của máy thu là độ nhạy. Nó được định nghĩa là công suất quang trung bình nhỏ nhất đến máy thu sao cho máy thu vẫn làm việc bình thường. Nghĩa là thỏa mãn tit số BER cho trước ứng với tốc độ bit nhất định.

Độ nhạy phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu, nghĩa là phụ thuộc vào các loại nguồn nhiễu khác nhau tác động vào máy thu. Độ nhạy máy thu phụ thuộc vào tốc độ bit và tỉ lệ lỗi BER.

Có hai loại photodiode bán dẫn được sử dụng phổ biến trong máy thu quang là PIN và APD, đồ án này chỉ tìm hiểu về PIN bởi vì các hệ thống thông tin FSO hiện nay chủ yếu sử dụng loại photodiode này.

# data[].attributes.body
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PIN:

Photodiode PIN là bộ tách sóng dùng để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Hình trên mô tả cấu trúc cơ bản của photodiode PIN. Một điện áp ngược được cung cấp từ bên ngoài để hút các hạt mang trong các vùng của photodiode về hai hướng khác nhau. Trong lớp chuyển tiếp hình thành một vùng thiếu các điện tử và lỗ trống gọi là vùng nghèo và nó chịu tác động bởi một điện trường cao.

Thông thường, bộ tách sóng quang được thiết kế sao cho ánh sáng đến tác động chủ yếu vào vùng nghèo này.

# data[].attributes.body
Photodiode cần có tốc độ đáp ứng nhanh để có thể chuyển đổi kịp thời các tín hiệu có tốc độ bit cao. Tốc độ đáp ứng của photodiode được đo bằng thời gian lên của tín hiệu ra tương ứng với biên độ xung biến thiên từ 10% đến 90% giá trị đỉnh khi ánh sáng tác động tức thời vào đầu vào. Tương tự, thời gian xuống của photodiode cũng được đo bằng khoảng thời gian biên độ xung ra giảm từ 90% đến 10% giá trị đỉnh của nó.

# data[].attributes.body
Chương này đã đưa ra một cái nhìn tổng quan về các thành phần cơ bản trong hệ thống FSO cũng như về các cấu kiện thường được sử dụng trong máy phát và máy thu các hệ thống quang vô tuyến. Trong thông tin FSO thường sử dụng LASER diode VCSEL có buồng cộng hưởng đứng có kiểu phát xạ bề mặt, khác với trong thông tin sợi quang sử dụng LASER diode có buồng cộng hưởng nằm ngang và kiểu phát xạ cạnh.

Hệ thống thông tin FSO có nhiều ưu điểm nổi trội so với các hệ thống RF như: không yêu cầu cấp phép phổ tần vô tuyến, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, băng thông rộng, tính bảo mật cao, cho phép truyền dữ liệu lên đến hàng Gbps, … các hệ thống này trong tương lai sẽ là nền tảng của xu thế IoT hiện nay.

Ngoài ra nội dung chương 1 cũng đã khảo sát được các đặc tính cơ bản của máy thu quang sử dụng kỹ thuật tách sóng trực tiếp và máy thu quang sử dụng kỹ thuật tách sóng kết hợp, các loại nhiễu trong máy thu quang để áp dụng vào việc tính toán mô phỏng ở chương tiếp theo. Mô hình tính toán của kênh truyền FSO sẽ được trình bày trong chương tiếp theo.