Đang tải... (xem toàn văn)
TKMH kĩ thuật thông tin quang
TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG MỤC LỤC CHƯƠNG I CÁC ĐẶC TÍNH CỦA SỢI QUANG TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG 1.Cấu tạo sợi quang Ứng dụng tượng phản xạ toàn phần, sợi quang chế tạo gồm có hai lớp: - Lớp có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm thủy tinh có chiết suất, gọi lõi (core) sợi - Lớp thứ hai có dạng hình trụ bao quanh lõi nên gọi lớp bọc (cladding), có đường kính D = 2b, làm thủy tinh plastic, có chiết suất < Cấu trúc tổng quát minh họa hình 1.1 Hình 1.1 Cấu trúc sợi quang, gồm lõi (core) lớp bọc (cladding) Ánh sáng truyền từ đầu đến đầu sợi quang cách phản xạ toàn phần mặt ngăn cách lõi-lớp bọc, định hướng lõi Hình 1.2 Ánh sáng lan truyền sợi quang 2.Các đặc tính truyền dẫn sợi quang Có yếu tố sợi quang ảnh hưởng đến khả hệ thống thông tin quang, bao gồm: • Suy hao • Tán sắc • Hiện tượng phi tuyến xảy sợi quang Tuy nhiên, hệ thống khác mức độ ảnh TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG hưởng yếu tố khác Ví dụ: • Ðối với hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp yếu tố chủ yếu cần quan tâm suy hao • Ðối với hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn yếu tố chủ yếu cần quan tâm suy hao tán sắc • Ðối với hệ thống cự ly dài dung lượng lớn Hai yếu tố cần phải xem xét đến hiệu ứng phi tuyến Trong phần tập trung khảo sát chi tiết tượng suy hao tán sắc 2.1 Suy hao Suy hao sợi quang đóng vai trò quan trọng việc thiết kế hệ thống, tham số xác định khoảng cách phía phát phía thu Ảnh hưởng tính sau: công suất ngõ Pout cuối sợi quang có chiều dài L có liên hệ với công suất ngõ vào sau: Pout = Pine-αL với suy hao sợi quang Hình 1.3 Khái niệm suy hao sợi quang Thường suy hao tính theo đơn vị dB/Km, suy hao dB/Km có nghĩa tỉ số Pout Pin L = Km thỏa mãn: Thường suy hao sợi gán giá trị dương tổng quát hệ số suy hao xác định công thức sau: TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG (dB / km) = Các nguyên nhân gây suy hao là: hấp thụ, tán xạ tuyến tính uốn cong 2.1.1 Suy hao hấp thụ Bao gồm hấp thụ thân vật liệu chế tạo sợi, gọi tự hấp thụ, hấp thụ vật liệu chế tạo sợi không tinh khiết • Hiện tượng hấp thụ tạp chất Nếu vật liệu chế tạo túy tinh khiết ánh sáng truyền qua không bị suy hao Thực tế, vật liệu chế tạo hoàn toàn không tinh khiết, mà lẫn ion kim loại (Fe, Cu, Cr, ), đặc biệt ion OH - nước (H2O) Sự hấp thụ tạp chất kim loại - Các hệ thống thông tin quang chủ yếu làm việc cửa sổ thứ (= 1300 nm) cửa sổ (= 1550 nm) Nhưng hai cửa sổ ánh sáng lại nhạy cảm với không tinh khiết vật liệu Mức độ hấp thụ phụ thuộc vào nồng độ tạp chất bước sóng làm việc Chẳng hạn, nồng độ tạp chất khoảng vài phần triệu (10-6) khoảng vài dB/Km; muốn < 1dB/Km nồng độ tạp chất phải 10-8 Và với công nghệ chế tạo sợi không lo ngại Sự hấp thụ ion OH- - Sự có mặt ion OH - sợi quang góp phần tạo suy hao đáng kể Ðặc biệt, độ hấp thụ tăng vọt ba bước sóng: 950 nm, 1240 nm, 1380 nm Ví dụ: nồng độ ion OH - 10-6 40 dB/Km Và nồng độ cho phép ion OH- chế tạo sợi < 10-9 (một phần tỷ) • Hiện tượng tự hấp thụ Các nguyên tử vật liệu chế tạo sợi phản ứng với ánh sáng theo đặc tính chọn lọc bước sóng Tức là, vật liệu chế tạo sợi quang cho ánh sáng qua tự dải bước sóng xác định với suy hao nhỏ không suy hao Còn số bước sóng định TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG có tương cộng hưởng quang, quang bị hấp thụ chuyển hóa thành nhiệt 2.1.2 Suy hao tán xạ tuyến tính Tán xạ tuyến tính sợi quang tính không đồng nhỏ lõi sợi, thay đổi nhỏ vật liệu, tính không đồng cấu trúc khiếm khuyết trình chế tạo sợi Ngoài ra, thuỷ tinh tạo từ loại oxit như: SiO2, GeO2, P2O5 nên xảy thay đổi thành phần chúng Hai yếu tố làm tăng thay đổi chiết suất, tạo tán xạ Tán xạ tuyến tính làm cho lượng quang từ mốt lan truyền truyền tuyến tính (tỉ lệ thuận với công suất mốt) sang mốt khác Quá trình làm suy hao công suất quang truyền công suất truyền sang mốt rò hay mốt xạ (leaky or radiation mode) mốt không tiếp tục lan truyền lõi sợi quang mà xạ khỏi sợi Tán xạ tuyến tính không làm thay đổi tần số tán xạ Tán xạ tuyến tính thường phân thành hai loại: tán xạ Rayleigh tán xạ Mie 2.1.3 Suy hao uốn cong Suy hao sợi quang cách tổng quát phân làm hai loại: suy hao bên suy hao bên Suy hao bên (gồm suy hao hấp thụ, suy hao tán xạ mà ta xét trên) thuộc chất sợi quang trình chế tạo, công nghệ chế tạo mà Suy hao bên không thuộc chất sợi, suy hao uốn cong vận hành, sử dụng sợi thực tế Suy hao uốn cong gồm có hai loại: - Uốn cong vi mô: sợi bị cong nhỏ cách ngẫu nhiên, trường hợp thường xảy sợi bọc thành cáp - Uốn cong vĩ mô: uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương đường kính sợi Khi ánh sáng tới chổ sợi quang bị uốn cong, phần ánh sáng lớp bọc Sợi bị uốn cong ít, phần nhỏ ánh sáng lọt Sợi bị uốn cong suy hao tăng 2.1.4 Suy hao dải thông TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG Dải thông xác định Δλ Δf Chúng liên hệ với phương trình: Phương trình rút từ quan hệ f = c/λ Xét bước sóng 1.3 1.5 µm, bước sóng hệ thống thông tin quang ngày nay, dải thông hữu ích tính dựa suy hao dB km hệ số 2, xấp xỉ 80 nm bước sóng 1.3 µm 180 nm bước sóng 1.55 µm Trong tần số quang, dải thông lên đến khoảng 35000 GHz Ðây dải thông lớn, tốc độ bit cần cho ứng dụng ngày không vượt vài chục Mbps Dải thông hiệu dụng sợi quang hầu hết mạng đường dài ngày bị giới hạn dải thông khuếch đại EDFA (Erbium Dope Fiber Amplifier) Dựa vào khả sẵn có khuếch đại, suy hao bước sóng λ = 1.55 µm chia làm ba vùng Vùng từ 1530-1565nm dải C nơi mà hệ thống WDM hoạt động sử dụng khuếch đại EDFA thông thường (Conventional) Dải từ 1565-1625 nm, chứa bước sóng dài dải C, gọi dải L sử dụng hệ thống WDM dung lượng cao ngày sử dụng khuếch đại GSEDA (Gain-Shifred Erbium-Doped Amplifier) Dải 1530 nm, gồm bước sóng ngắn dải C, gọi dải S Bộ khuếch đại quang sợi Raman (Fiber-Raman Amplifier) sử dụng để khuếch đại dải 2.2 Tán sắc 2.2.1 Tán sắc mode Nguyên nhân: Khi phóng ánh sáng vào sợi đa mode, lượng ánh sáng phân thành nhiều mode Mỗi mode lan truyền với vận tốc nhóm khác nên thời gian lan truyền chúng sợi khác Chính khác thời gian lan truyền mode gây tán sắc mode Xác định độ tán sắc mode sợi đa mode SI : Trong sợi đa mode SI, tia sáng với vận tốc: v= TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG 2.2.2 Tán sắc vật liệu Nguyên nhân gây tán sắc vật liệu: chênh lệch vận tốc nhóm thành phần phổ khác sợi Nó xảy vận tốc pha sóng phẳng lan truyền môi trường điện môi biến đổi không tuyến tính với bước sóng, vật liệu gọi tồn tán sắc chất liệu đạo hàm bậc hai chiết suất theo bước sóng khác không () Ðộ trải rộng xung tán sắc vật liệu thu cách khảo sát thời gian trễ nhóm sợi quang 2.2.3 Tán sắc ống dẫn sóng Ðối với sợi đơn mode, nói đến tán sắc sắc thể, tán sắc vật liệu ta phải xét đến tán sắc ống dẫn sóng Khi ánh sáng ghép vào sợi quang để truyền đi, phần truyền phần lõi sợi, phần nhỏ truyền phần lớp vỏ với vận tốc khác chiết suất phần lõi vỏ sợi quang khác nhau, minh họa hình 2.31 Sự khác biệt vận tốc truyền ánh sáng gây nên tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc ống dẫn sóng Dwg() hàm theo bước sóng 2.2.4 Tán sắc phân cực mode Mặc dù ta gọi sợi quang đơn mốt thực tế truyền mốt sóng gọi chung tên Các mốt sóng điện từ phân cực tuyến tính truyền sợi quang mặt phẳng vuông góc với Nếu chiết suất sợi quang không phương truyền hai mốt trên, tượng tán sắc phân cực mốt xảy Trên thực tế, số lan truyền phân cực thay đổi theo chiều dài sợi quang thời gian trễ đoạn sợi quang ngẫu nhiên có xu hướng khử lẫn Do tán sắc phân cực mốt tỉ lệ tuyến tính với bậc chiều dài sợi quang 2.3 Các hiệu ứng phi tuyến Hiệu ứng quang gọi phi tuyến tham số phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất) Các tượng phi tuyến bỏ qua hệ thống thông tin quang hoạt động mức công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ bit lên đến 2.5 Gbps Tuy nhiên, tốc độ bit cao TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG 10 Gbps cao và/hay mức công suất truyền dẫn lớn, việc xét hiệu ứng phi tuyến quan trọng Trong hệ thống WDM, hiệu ứng phi tuyến trở nên quan trọng chí công suất tốc độ bit vừa phải Các hiệu ứng phi tuyến chia làm hai loại Loại thứ phát sinh tác động qua lại sóng ánh sáng với phonon (rung động phân tử) môi trường silica- nhiều loại hiệu ứng tán xạ mà xem xét tán xạ Rayleigh Hai hiệu ứng loại tán xạ kích thích Brillouin (SBS) tán xạ kích thích Raman (SRS) Loại thứ hai sinh phụ thuộc chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động, tỉ lệ với bình phương biên độ điện trường Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng loại hiệu ứng tự điều pha (SPM - Self-Phase Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - CrossPhase Modulation) hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM Four-Wave Mixing) Loại hiệu ứng gọi hiệu ứng Kerr Trong hiệu ứng tán xạ phi tuyến, lượng từ sóng ánh sáng chuyển sang sóng ánh sáng khác có bước sóng dài (hoặc lượng thấp hơn) Năng lượng bị hấp thụ dao động phân tử phonon (loại phonon liên quan đến khác SBS SRS) Sóng thứ hai gọi sóng Stokes Sóng thứ gọi sóng bơm (Pump) gây khuếch đại sóng Stokes Khi sóng bơm truyền sợi quang, bị lượng sóng Stokes nhận thêm lượng Trong trường hợp SBS, sóng bơm sóng tín hiệu sóng Stokes sóng không mong muốn tạo trình tán xạ Trong trường hợp SRS, sóng bơm sóng có lượng cao sóng Stokes sóng tín hiệu khuếch đại từ sóng bơm Trong trường hợp tự điều pha SPM, xung truyền bị tượng chirp (tần số xung truyền thay đổi theo thời gian) Ðiều làm cho hệ số chirp (chirped factor) trở nên đáng kể mức lượng cao Sự có mặt tượng chirp làm cho hiệu ứng giãn xung tán sắc màu tăng TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG lên Do vậy, chirp xảy SPM (SPM induced chirp) gây tăng độ giãn xung tán sắc màu hệ thống Ðối với hệ thống tốc độ bit cao, chirp SPM làm tăng cách đáng kể độ giãn xung tán sắc màu chí mức công suất vừa phải Ảnh hưởng SPM không phụ thuộc vào dấu tham số GVD (Group Velocity Dispersion) mà phụ thuộc vào chiều dài hệ thống Trong hệ thống WDM đa kênh, chirp xảy kênh phụ thuộc vào thay đổi chiết suất theo cường độ kênh khác Hiệu ứng gọi hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - Cross-Phase Modulation) Khi xem xét tượng chirp kênh thay đổi chiết suất theo cường độ kênh đó, ta gọi hiệu ứng SPM Trong hệ thống WDM, hiệu ứng quan trọng khác hiệu ứng trộn bốn bước sóng Nếu hệ thống WDM bao gồm tần số f1, f2, …, fn, hiệu ứng trộn bốn bước sóng sinh tín hiệu tần số 2fi - fj, fi + fj fk Các tín hiệu gây xuyên kênh (crosstalk) với tín hiệu có sẵn hệ thống Xuyên kênh ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng khoảng cách kênh hẹp Việc giảm tán sắc màu làm tăng xuyên kênh gây hiệu ứng trộn bốn bước sóng Vì vậy, hệ thống sử dụng sợi quang dịch chuyển tán sắc chịu ảnh hưởng hiệu ứng trộn bốn bước sóng nhiều hệ thống sử dụng sợi đơn mốt Tuy nhiên tượng loại bỏ trì tán sắc màu sợi quang Nhìn chung ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến giảm sử dụng sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn CHƯƠNG II CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA NGUỒN QUANG 1.Đặc tuyến P-I nguồn quang TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG Công suất phát quang công suất tổng cộng mà nguồn quang phát Công suất phát quang nguồn quang thay đổi theo dòng điện kích thích biểu diễn đặc tuyến P-I Hình 2.1 Đặc tuyến P-I loại nguồn quang: SLED, ELED Laser Đặc tuyến P-I loại nguồn quang SLED, ELED Laser hình 2.1 cho thấy: Laser hoạt động chế độ phát xạ kích thích dòng điện kích thích lớn dòng điện ngưỡng Ith So với LED, Laser có công suất phát quang lớn với dòng điện kích thích (với điều kiện I>Ith) SLED có công suất phát quang lớn ELED với dòng điện kích thích Tuy nhiên, điều chưa định ánh sáng truyền sợi quang loại nguồn quang phát lớn phụ thuộc vào hiệu suất ghép quang Yêu cầu nguồn quang lý tưởng đặc tuyến P-I phải đường thẳng, tức công suất phát quang dòng điện kích thích phải có quan hệ tuyến tính Khi đó, tín hiệu ánh sáng nguồn quang tạo không bị méo dạng so với tín hiệu điện Tuy nhiên, thực tế tuyến tính đặc tuyến P-I xảy tương đối 10 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG + Thời gian chuyển dịch hạt mang photo vùng trôi + Thời gian khuếch tán hạt mang photo phát bên vùng trôi + Hằng số thời gian RC cảu photo diode mạch điện liên quan Các tham số có liên quan photo diode tham số hệ số hấp thụ , độ rộng vùng trôi w, điện dung tiếp giáp photo diode dòng vỏ, điện dung khuếch đại điện, điện trở tải tách song, điện trở đầu vào khuếch đại, điện trở nối tiếp photo diode Trong tách sóng thực tế, điện trở nối tiếp thường nhỏ bỏ qua so với điện trở tải điện trở đầu vào khuếch đại 2.2 Dòng photo vùng trôi Khi thảo luận tách sóng quang, photo diode phải thu tín hiệu quang yếu để biến đổi thành tín hiệu điện Tín hiệu quang vào thiết bị thông qua lớp p tạo cặp điện tử-lỗ trống hấp thụ vật liệu bán dẫn Các cặp điện tửlỗ trống mà phát vùng trôi độ dài khuếch tán nó, phân cách môi trường điện áp ngược, từ dẫn đến dòng điện chảy mạch có trôi hạt mang ngang qua vùng trôi Vì hạt mang điện tích chảy qua vật liệu, số cặp điện tử lỗ trống tái hợp biến Trung bình hạt mang điện chuyển động với cự ly Ln điện tử Lp lỗ trống Cự ly gọi độ dài khuếch tán Thời gian để hoàn thành tái hợp điện tử lỗ trống gọi tuổi thọ hạt mang Các tuổi thọ độ dài khuếch tán có mối quan hệ sau : Ln = ; Lp = Với tương ứng hệ số khuếch tán điện tử lỗ trống, diễn giải đơn vị centimeter bình phương giây.Ở cá điều kiện trạng thái bền vững, mật độ dòng điện chảy qua vung trôi là: = + Với mật độ dòng trôi sinh từ hạt mang bên vùng trôi, mật độ dòng khuếch tán có từ hạt mang tạo vùng trôi khối bán dẫn (trong vùng p,n) khuếch tán vào tiếp giáp phân cực ngược Vì lớp p bề mặt photo diode PIN thường mỏng, dòng khuếch tán 21 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG xác định chủ yếu khuếch tán lỗ trống từ vùng n Cuối G Keiser đưa kết sau : Với mật độ lỗ trống cân Số hạng có liên quan thường làm hỏ để dòng photo phát tỷ lệ với dòng photon Photo diode thác APD Tất tách sóng đòi hỏi dòng tối thiểu để hoạt động cách tin cậy Dòng chuyển thành công suất tối thiểu thông qua quan hệ = /R Vì tách sóng quang có đáp ứng R lớn cần thiết chúng yêu cầu công suất quang nhỏ đủ Chúng ta biết photo diode PIN, thiết kế khuếch đại dòng bên Sau biến đổi photo thành điện tử photo, khuếch đaih dòng photo bên trước dòng vào mạch khuếch đại điện điều làm tăng mức tín hiệu, dẫn tới độ nhạy thu tăng lên đáng kể Để thu hiệu ứng nhân bên trong, hạt mang quang tăng dần lượng tới mức đủ lớn đẻ ion hóa điện tử xung quanh va chạm với chúng Các điện tử xung quanh đẩy từ vùng hóa trị tới vùng dẫn, tạo cặp điện tử-lỗ trống sẵn sàng dẫn điện Cấu trúc photo diode thác APD thông dụng mô tả sau Nó cấu tạo gồm có vật liệu loại p điện trở suất cao đặt làm lớp epitaxi p Sau người ta khuếch tán cấy lớp (loại n pha tạp nặng) Hai vùng cách điện trường thấp điện trường cao Đối với Si, chất kích tạp vùng thường tương ứng Bo photpho Cấu trúc thường gọi cấu trúc cận xuyên Về hoạt động APD hiểu sau Khi có thiên áp phân cực ngược nhỏ đặt vào APD, hầu hết điện rơi qua lớp tiếp giáp Vùng trôi mở rộng theo tăng dần thiên áp giá trị điện áp mà điện trường đỉnh tiếp giáp vào khoảng đến 10% trường điện cần thiết để gây hiệu ứng thác Tịa thời điểm này, vùng troi ‘‘cận xuyên ’’ tới vùng tự dẫn Từ phân tích ta thấy rõ ràng photo diode thác khuếch đại chỗ dòng phôt tín hiệu ban đầu trước vào mạch đầu vào khuếch đại điện Vì dòng photo diode 22 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG nhân trước nhiễu nhiệt phát sinh mạch điện.,cho nên làm tăng độ nhạy thu Để trình nhân hạt mang xảy lúc, hạt mang phát dòng photo phải qua vùng nơi có điện trương cao Dưới vùng điện trường cao này, điện tử gia tốc đủ lượng để phát cặp điện tử-lỗ trống Điều có nghĩa ion hóa điện tử bao quanh vùng hóa trị va chạm với chúng Cơ chế nhân hạt mang gọi ion hóa va chạm Các hạt mang tạo gia tốc điện trường cao, thu đủ lượng, chúng tạo tiếp trình ion hóa va chạm Như kết thực trình ion hóa va chạm có nghĩa rằng, đơn điện tử ban đầu phát thông qua trình hấp thụ photo sữ tạo nhiều điện tử lỗ trống thứ cấp Tham số Bước sóng Đơn vị Si 0,4-4,1 Ge 0,8-1,8 InGaSa 1,0-1,7 A/W 80-130 3-30 5-20 Hệ số nhân M - 100-500 50-200 10-40 Hệ số k - 0,7-1,0 0,5-0,7 Dòng tối nA 0,020,05 01,1-1 50-500 1-5 Thời gian lên Băng tần Ns 01,-2 0,5-0,8 0,1-0,5 GHz 0,2-1 0,4-0,7 1-3 Thiến áp Vb V 200-500 20-40 20-30 Đáp ứng R Bảng : Các đặc tính photo diode thác APD 4.Tỷ số tín hiệu nhiễu tách sóng quang Tỷ số tín hiệu nhiễu SNR tham số quan trọng tách song quang Nó xác định chất lượng thu quang 23 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG tương tự yếu tố chủ yếu định chất lượng thu quang số Sau lan truyền dọc theo sợi quang, mức công suất tín hiệu quang thường yếu thu quang Tín hiệu quang bị suy hao lan truyền dọc theo sợi quang Sợi quang dài tín hiệu quang bị suy hao nhiều Vì hệ thống thông tin quang, tách song quang yêu cầu phải tách tín hiệu quang yếu Để có thu quang tốt, tách song quang mạch khuếch đại sau phải kết hợp tối ưu tín hiệu nhiễu SNR cao Điều có nghĩa là: - Bộ tách sóng quang cần có hiệu suất lượng tử cao để phát công suất tín hiệu lớn - Nhiễu tách song quang phảu thấp tốt 4.1 Các nguồn nhiễu tách sóng quang * Các nguồn nhiễu tách sóng PIN Các nguỗn nhiễu tách sóng quang bao gồm nhiễu tách song sinh từ chất thống kê trình biến đổi photon thành điện tử nhiễu nhiệt có liên quan tới mạch khuếch đại bên thu Trong tách song quang thực tế, hiệu suất lượng tử photo diode thường đạt tới giá trị lớn Vì thế, dòng nhiễu yếu tố xác định tỷ số tín hiệu nhiễu tách song quang hệ thống thông tin quang *Các nguồn nhiễu photo diode thác APD Đối với tách song APD, photo diode thực khuếch đại bên dòng tín hiệu ban đầy hệ số nhân M trước tới mạch khuếch đại điện phía sau Đây nguyên nhân tang tỷ số tín hiệu nhiễu thu quang APD Nhìn chung, thu quang photo diode thác cho tỷ số tín hiệu nhiễu cao so với SNR thu quang PIN với công suất quang đầu vào 4.2 Tỷ số tín hiệu nhiễu Từ dòng tín hiệu dòng nhiễu xác định trên, tỷ số tín hiệu nhiễu SNR tách sóng photo diode PIN là: SNR = = Trên thực tế người ta sử dụng biến đổi công suất bình phương dòng điện, tỷ số SNR cho thu photo diode PIN viết lại là: = 24 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG Trong giới hạn nhiễu nhiệt, nhỏ nhiều so với ( ), vật tỷ số tín hiệu nhiễu nhiệt cho photo diode PIN thu trở thành: = Còn giới hạn nhiễu nhiệt lượng tử, lớn nhiều ( ), lúc ta có: = Trong thu quang thực tế sử dụng tách sóng quang PIN, nhiễu trội nhiễu nhiệt Vì tách sóng có điện trở tải tách sóng, sinh dòng nhiễu nhiệt lớn để tạo nhiễu nhiêt Trong nhiều thu quang dòng nhiễu nhiệt hữu dụng lớn gấp 20 lần dòng nhiễu nhiệt lượng tử hiệu dụng, khoảng 100 lần dòng tối hữu dụng Nhiễu dòng tối dòng rò bề mặt kết hợp lại gọi chung nhiễu dòng tối Vì ta gọi thay () số trường hợp để tiện cho việc xem xét nguồn nhiễu chung thu Ngoài việc thiết kế thu ko làm cẩn thận, phần tử tích cực mạch khuếch đại tạo dòng nhiễ khuếch đại Tương tự ta viết tỷ số tín hiệu nhiễu cho tách sóng quang photo diode thac APD Như phân tích phần trước photo diode PIN, dòng tối kết hợp từ () =2e(), ta viết cho thu quang sau: Trong giới hạn nhiễu nhiệt, nhỏ nhiều so với ( ), tỷ số tín hiệu nhiễu tách sóng quang photo diode thác APD thu trở thành: Và hy vọng cải thiện so với thu quang PIN Ngược lại giới hạn nhiễu lượng tử lớn nhiều ( ), lúc ta có Và tỷ số tín hiệu nhiễu SNR bị giảm so với hệ nhiễu trội so với photo diode PIN 25 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG IV: SƠ ĐỒ MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THAM SỐ CỦA NGUỒN QUANG, SỢI QUANG, BỘ TÁCH SÓNG QUANG VỚI CỰ LY KHOẢNG LẶP Trong việc thiết kế hệ thống, yếu tố chất lượng truyền dẫn toàn hệ thống, dung lượng hệ thống cự ly khoảng lặp yêu cầu chung Trong mục tìm hiểu chủ yếu tham số nguồn quang, sợi quang tách sóng quang ảnh hưởng đến cự ly khoảng lặp, từ xây dựng sơ đồ mối quan hệ tham số với cự ly khoảng lặp 1.Các thông số Trong thiết kế hệ thống truyền dẫn sợi quang, người ta ý đến yếu tố để lựa chọn bước sóng hoạt động, sợi quang, linh kiện phát quang, linh kiện thu quang tách/ghép quang theo góc độ yêu cầu chất lượng truyền dẫn, khoảng cách lặp, dung lượng truyền dẫn 26 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG Hình 4.1 Các thông số thiết kế ảnh hưởng đến cự ly khoảng lặp Trong việc lựa chọn năm thông số cho vật liệu linh kiện thu phát ánh sáng dược xác định bước sóng công tác, điều không cần nói tới, yếu tố có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn bước sóng đặc tính suy hao độ rộng băng tần (tán sắc) sợi quang Đối với linh kiện phát quang, yếu tố thiết kế điều chế tuyến tính, độ rộng phổ công suất đầu ra, đáp ứng tần số linh kiện thu quang độ nhạy thu, đáp ứng tần số Khi sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng phải ý đến ảnh hưởng suy hao ghép/tách quang gây sợi quang phải phù hợp đặc tính suy hao độ rộng băng (1)Bước sóng Các bước sóng sử dụng cho thông tin quang sợi phân thành hai nhóm: vùng 0.85 thường gọi bước sóng ngắn vùng 1.3 1.55 đượcgọi bước sóng dài Nghiên cứu cáp quang cho thấy cáp quang có đặc tính tốt vùng bước sóng dài suy hao truyền dẫn tán sắc nhân tố định để xác định khoảng lặp Đến nay, linh phụ kiện sử dụng vùng sóng dài đắt vùng bước sóng ngắn thường sử dụng cho hệ thống mạng thuê bao chủ yếu hoạt động tốc độ thấp vùng bước sóng dài sử dụng cho hệ thống mạng đường dài đòi hỏi khoảng cách truyền dẫn trung bình lớn với tốc độ 27 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG truyền dẫn lớn Tuy nhiên, với tiến triển công nghệ linh kiện quang vùng bước sóng dài với đặc điểm ưu việt cảu hệ thống thông tin quang sử dụng rộng rãi tương lai Hiện tại, vùng sóng dài thường dùng bước sóng 1,3 gần triển vọng sử dụng vùng bước sóng 1,55 cho phép tăng khoảng cách lặp ngày tăng đến mức việc sử dụng bước sóng 1,3 tùy thuộc vào yêu cầu khoảng lặp Hình 4.2 Lựa chọn sợi quang Có hai loại cáp sợi quang: loại đơn mode SM đa mode chiết xuất biến đổi GI Như hình 4.2 loại sợi SM có đặc tính suy hao tần số tốt Mặt khác loại GI có giá thành thấp nên sử dụng tùy thuộc vào yêu cầu thiết kế tính chất khác Bởi vậy, loại SM sử dụng phổ biến cho hệ thống đường dài, dung lượng cao đòi hỏi rộng băng suy hao thấp loại GI sử dụng cho hệ thống mạng thuê bao tốc độ thấp Tuy hiên, chênh lệch giá giảm nhờ có phát triển công nghệ sản xuất sợi quang tạo điều kiện cho việc sử dụng loại sợi cáp SM rộng rãi (2) Các linh kiên phát quang Đối với linh kiện, laser có đặc tính ưu so với LED trình bày hình 4.3 quan điểm giá thành LED lại rẻ Bởi laser thường dùng hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao có khả cho phép kéo dài độ dài trạm lặp độ rộng băng công suất phát lớn, độ rộng phổ hẹp đáp ứng nhanh Đối với LED phù hợp với hệ thống thuê bao tốc độ thấp truyền dẫn tương tự 28 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG Quang Mục Loại LASER LED Độ rộng phổ Tuyến tính Hẹp Rộng Tốt Tốt Lớn Nhỏ Tốc độ thoát Gía thành Nhanh Chậm Cao Thấp Hình 4.3 Lựa chọn phần tử phát quang Mục Loại APD PD Tốc độ hoạt dộng Độ nhạy Giá thành Nhanh Chậm Tốt Không tốt Cao Thấp Ứng dụng APDs: hệ thống mạng đường dùng tốc độ cao ứng dụng PD hệ thống mạng thuê bao tốc độ thấp Hình 4.4 Lựa chọn linh kiên thu quang Độ tin cậy yếu tố định việc lựa chọn laser LED Nhưng ngày laser đạt MTBF (do độ tin cậy: khoảng thời gian lỗi ) vượt qua 200 ngàn khó khăn so sánh đến khác tính ổn định laser LED Thêm vào đó, góc độ phù hợp với loại sợi đơn mode SM laser chiếm ưu sử dụng rộng rãi tương lai (3) Các linh liện thu quang Đối với linh kiện thu quang APD PD lựa chọn quan điểm cân nhắc tới đặc tính giá thành giống linh kiện phát quang ADP cung giống laser thường phù hợp với hệ thống mạng lưới đường dài có tốc độ độ nhạy cao Trong PD phù hợp với hệ thống thuê bao tốc độ thấp (4) Bộ ghép/tách quang Trong việc thực ghép kênh phân chia theo bước sóng suy hao quang tách/ghép quang tránh được, dẫn đến làm ngắn khoảng cách trạm lặp Vì việc lựa chọn ghép kênh theo bước sóng định sở xem xét tới tính kinh tế yếu tố giảm giá thành giảm số lượng sợi quang, tăng trạm lặp khoảng cách trạm lặp bị giảm đivà giá thành trội them có ghép/tách kênh.Nói chung ghép/tách kênh thường sử dụng mạng tuyến cáp thuê bao cự li ngắn lúc việc đặt thêm tách /ghép kênh không gây ảnh hưởng 29 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG Mục tiêu lựa chọn bước sóng, sợi quang linh kiện thu /phát quang ghép tách quang mô tả phạm vi ứng dụng trình bày Chúng ta hiểu linh kiện quang LED PD hoạt động bước sóng 0,85µm ứng dụng hệ thống mạng thuê bao dung lương nhỏ Ngoài để kinh tế người ta sử dụng sợi quang GI loại mạng Nói cách khác , LED APD hoạt đông bước sóng dài với sợi SM ứng dụng rộng dãi hệ thống đường dài Tuy nhiên, với tiến nhanh công nghệ sợi quang linh kiện quang tiên đoán việc sử dụng bước sóng dài ngày phổ biến tất hệ thống 2.Tín hiệu tạp âm quang Hình 4.5 cho ta thông số suy giảm tín hiệu quang thông tin sợi quang bao gồm nhiễu, suy giảm dạng sóng, biến đổi biên độ, điều chỉnh lỗi loại mạch điện(ví dụ chênh lệch hệ số khuếch đại cân bằng, đặt lỗi mức khác để tái tạo xung.v.v ) độ suy giảm đặc trưng vid lí tuổi thọ Hình 4.5 Các thông số suy giảm truyền dẫn sợi quang Nói chung tỉ số tín hiệu nhiễu S/N sở để thiết kế hệ thống méo dạng sóng biến đổi biên độ coi thay đổi đầu sau truyền dẫn (bản thân S chứa biến đổi này) nhiễu nguồn phát 30 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG sáng dòng tối xác định cấu hình mạch diều khiển phương pháp điều chế vật liệu phát thu quang; coi lượng xác định suy giảm S/N giống điều chỉnh lỗi mạch điện tử Thông số S/N hệ thống thông tin quang sợi thường mô tả công thức đây: e – Điện tích điện từ(1,6×10-10) I – Dòng quang điện k – Hằng số boltzman(1,38×10-23J/K) T – Nhiệt độ tuyệt đối B – độ rộng băng hệ thu bao gồm trạm lặp R –Điện trở tải linh kiện thu n –Tạp âm khuếch đại M –Hệ số nhân dòng linh kiện thu F –Tạp âm đôi linh kiện thu Trong công thức trên, số hạng mẫu số nhiễu đốm linh kiên thu quang tạo ra; tỉ lệ thuận với công suất quang thu hệ số nhân linh kiện thu ánh sáng độ rộng băng hệ thống thu Số hạng thứ hai tạp nhiệt dobooj khuếch đại Nhiễu đốm dòng thăng giáng sinh điện tử tách ngẫu nhiên thiết bị thu quang, xuất thu xung quang M hiệu ứng nhân dòng điện APD dòng tạp khuếch đại Nhân dòng thác xuất ion hóa điện tử lỗ trống bán dẫn thành phần tạp độc lập với tín hiệu vậ biểu diễn tạp âm đôi F Giá trị F thường sử dụng với loại APD 0,3 InGaAs 0,5 APD cấu tạo Ge Từ phương trình thấy thực giá trị tối ưu M để S/N đạt giá trị lớn từ mối quan hệ nhiều đốm tạp nhiệt thu tín hiệu quang không đổi Nói chung M có gí trị khoảng 10 đến 100 Mối quan hệ S/N lỗi bit hệ thống thông tin khác với hệ thống thôn tin cáp kim loại cáp kim loại có tạp âm nhiệt lên tới N Như trình bày nhiễu đốm phụ thuộc vào công suất quang thu Như vây công suất tạp biến đổi theo thời điểm phụ thuộc vào có 31 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG Hình 4.6 Lỗi bit mức định Và xung quang trường hợp có xung (S 1) tham gia tạp trải rộng so với so với trường hợp xung hình 4.6 Như hình vẽ chúng ts nhìn thấy mức định làm cho lỗi bit trở thành nhỏ giá trị ( S0 +S1 )/2 – giá trị tối ưu tồn tạp nhiệt Đây đặc tính kết hợp thiết kế S/N hệ thống thông tin quang sợi Ở phải đặc biệt ý tới độ rộng băng độ cân Các xung quang đucợ sử dụng hệ thống thông tin quang có thành phần tần số không hạn định, sợi quang có độ rộng băng định, xẩy méo dạng sóng không nhiều Tuy nhiên, việc thương mại hóa trở nên khó khăn độ rộng băng tăng lên nhiễu đốm tăng tỉ lệ thuận với độ rộng băng Đề cập đến vấn đề coi dạng Gauss uốn cosine, với đặc tính biết, sử dụng rộng rãi để cải thiện S/N 32 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG 3.Khoảng cách lặp Công suất phát quang độ nhạy máy thu hình 4.7 Khoảng cách lặp xác định thông số độ suy hao tán sắc sợi quang (đối với loại sợi GI có tán sắc mode, sợi SM có tạp nhiễu phần mode) sợi suy hao khoảng cách lặp lớn Hình 4.7: Tốc độ truyền dẫn khoảng cách lặp lại Hình 4.8 Cách thiết kế khoảng lặp lại Theo hình vẽ giới hạn suy hao phụ thuộc vào bước sóng sử dụng, giới hạn tán sắc xác đinh mối quan hệ 33 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG điều kiện mode-dao động (toàn dải bước sóng dao động nửa biên độ) linh kiện phát quang lượng tán sắc sợi Đặc biệt hiệu ứng tán sắc linh kiện phát quang hạt lượng tán sắc sợi bắt đầu tăng lên điểm đinh, việc thiết kế thường thực điểm mà hiệu ứng tán sắc không đóng vai trò quan trọng tức điểm mà có suy hao đáng kể cần phải tính đến Tuy nhiên khoảng cách lặp hàm số tốc độ bit (tốc độ truyền dẫn) giá trị suy hao định sợi quang hiệu ứng tạo nhiệt tương ứng độ rộng băng yêu cầu mạch điều khiển Hình 4.8 trình bày phương pháp thiết kế khoảng cách lặp sở thiết lập S/N Khoảng cách trạm lọc bắt nguồn từ thông số công suất P, máy phát, cong suất thu quang nhỏ P, máy thu xác định từu tỉ số S/N cần thiết suy hao máy phát máy thu Suy hao cho phép cáp sợi quang tính chênh lệch công suất từ đầu phát đầu thu trừ suy hao nội P0 đấu kết nói lặp sợ quang công suất dự phòng P suy giảm công suất tuổi thọ… Khoảng cách lặp lại L tính tỉ số suy hao cho phép L độ suy hao đơn vị khoẳng cách sợi quang Sơ đồ quan hệ tham số nguồn quang, sợi quang, tách sóng quang với cự ly khoảng lặp 34 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG Hình 4.9 Sơ đồ mối quan hệ tham số nguồn quang, sợi quang, tách sóng quang với cự ly khoảng lặp 35 [...]... bị quang có nguồn phát laser 3 Hiệu suất ghép quang Hiệu suất ghép quang là tỷ số giữa công suất quang ghép vào sợi quang Popt trên công suất phát quang của nguồn quang Hiệu suất ghép quang phụ thuộc vào: - Kích thước vùng phát quang - Góc phát quang của nguồn quang - Góc thu nhận (hay NA) của sợi quang - Vị trí tương đối giữa nguồn quang và sợi quang - Bước sóng ánh sáng 12 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG. .. sóng quang Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR là tham số rất quan trọng trong bộ tách song quang Nó xác định chất lượng bộ thu quang 23 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG tương tự và là yếu tố chủ yếu quyết định chất lượng của bộ thu quang số Sau khi lan truyền dọc theo sợi quang, mức công suất tín hiệu quang thường rất yếu tại bộ thu quang Tín hiệu quang bị suy hao trong khi lan truyền dọc theo sợi quang Sợi quang. .. truyền của tín hiệu quang trong sợi quang Do đó, yêu cầu về nguồn quang laser đơn tần (single frequency laser) có độ rộng phổ hẹp là rất cần thiết để tăng chất lượng của hệ thống thông tin quang Với độ rộng phổ lớn (50-60nm), LED thường chỉ được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng sợi quang đa mode, cự ly truyền dẫn ngắn và tốc độ bit truyền 13 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG thấp Với đặc... với cự ly khoảng lặp 1.Các thông số cơ bản Trong thiết kế hệ thống truyền dẫn sợi quang, người ta chú ý đến các yếu tố cơ bản để lựa chọn là bước sóng hoạt động, sợi quang, các linh kiện phát quang, linh kiện thu quang và các bộ tách/ghép quang theo góc độ yêu cầu của chất lượng truyền dẫn, khoảng cách lặp, dung lượng truyền dẫn 26 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG Hình 4.1 Các thông số thiết kế cơ bản ảnh... PIN 25 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG IV: SƠ ĐỒ MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THAM SỐ CỦA NGUỒN QUANG, SỢI QUANG, BỘ TÁCH SÓNG QUANG VỚI CỰ LY KHOẢNG LẶP Trong việc thiết kế hệ thống, các yếu tố như chất lượng truyền dẫn toàn hệ thống, dung lượng hệ thống và cự ly khoảng lặp là các yêu cầu cơ bản chung Trong mục này chúng ta sẽ tìm hiểu chủ yếu các tham số của nguồn quang, sợi quang và bộ tách sóng quang. .. thu quang thực tế trong hệ thống thông tin quang 19 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG Hình 3.1: Hiệu suất lượng tử và đáp ứng là các hàm số của bước sóng với các vật liệu làm photo diode khác nhau Bảng 3.1 : Các đặc tính của cá photo diode PIN tiêu biểu 2.Thời gian đáp ứng và dòng photo vùng trôi của bộ tách sóng quang 2.1 Thời gian đáp ứng - Thời gian đáp ứng là một yếu tố quan trọng của bộ tách sóng quang. . .TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG khoảng dòng điện kích thích 2.Góc phát quang Công suất ánh sáng do nguồn quang phát ra cực đại ở trục phát và giảm dần theo góc hợp với trục Góc phát quang được xác định ở mức công suất quang giảm một nữa (3dB) so với mức cực đại Hình 2.2 Góc phát quang của SLED, ELED và Laser Hình 2.2 cho thấy, SLED phát ra... mấy 29 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG Mục tiêu trong lựa chọn bước sóng, sợi quang các linh kiện thu /phát quang và bộ ghép tách quang được mô tả ở trên và các phạm vi ứng dụng trình bày Chúng ta có thể hiểu rằng các linh kiện quang như LED và PD hoạt động ở bước sóng 0,85µm ứng dụng trong các hệ thống mạng thuê bao hoặc dung lương nhỏ Ngoài ra để kinh tế hơn người ta còn có thể sử dụng sợi quang GI... được tín hiệu quang không đổi Nói chung M có gí trị trong khoảng 10 đến 100 Mối quan hệ giữa S/N và lỗi bit trong hệ thống thông tin khác với các hệ thống thôn tin cáp kim loại là ở cáp kim loại chỉ có tạp âm nhiệt lên tới N Như đã trình bày ở trên nhiễu đốm phụ thuộc vào công suất quang thu được Như vây công suất tạp biến đổi theo thời điểm phụ thuộc vào khi có 31 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG Hình 4.6... công suất phát quang có dạng: P = cos với là góc giữa hướng quan sát và trục vuông góc với mặt phát xạ Như vậy, một nữa mức công suất đỉnh đạt được với =60o Mặt bao của góc phát quang của SLED có dạng hình nón 120o 11 TKMH KĨ THUẬT THÔNG TIN QUANG Góc phát quang của ELED chỉ có dạng Lambertian theo hướng song song với lớp tích cực (2=120o) Ở hướng vuông góc với lớp tích cực, góc phát quang giảm đi