CHƯƠNG 1:read.pudn.com/downloads165/doc/756711/Ghep kenh/chuong1… · Web view- Các bộ phận...

Chương 1: Hệ thống thông tin quang

CHƯƠNG 1:

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Trong sự phát triển của mạng viễn thông Việt Nam nói riêng và trên toàn thế giới nói chung, thông tin quang đã có những đóng góp rất quan trọng về cả qui mô phát triển cũng như nâng cao chất lượng toàn mạng. Hệ thống thông tin bằng cáp sợi quang là hệ thống truyền dẫn với kỹ thuật và công nghệ tiên tiến, cho phép tạo ra các tuyến truyền dẫn dài, với dung lượng rất lớn, cấu trúc hệ thống linh hoạt, độ tin cậy cao... Thông tin quang sẽ đáp ứng nhu cầu phát triển mạng truyền dẫn phục vụ cho sự phát triển đa dạng các dịch vụ viễn thông đòi hỏi tốc độ cao, đặc biệt phục vụ cho sự phát triển đột phá Internet tốc độ cao và các dịch vụ IP.

Trong chương này trình bày các thành phần của một tuyến truyền dẫn quang; cấu tạo, đặc điểm, suy hao tín hiệu của sợi quang; nguyên lý, đặc tính, các tham số của thiết bị phát quang và thiết bị thu quang.

1.1. Hệ thống thông tin quang:

1.1.1 Các thành phần chính của một tuyến thông tin quang:Các thành phần chính của tuyến thông tin quang gồm có thiết bị phát

quang, cáp sợi quang và thiết bị thu quang:

+ Thiết bị phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau.

+ Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài.

+ Thiết bị thu quang được cấu tạo từ bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành.

1


Ngoài các thành phần chủ yếu trên, tuyến thông tin quang còn có các bộ ghép nối quang (connector), các mối hàn, các bộ chia quang và trạm lặp; ở các tuyến thông tin quang hiện đại còn có thể có các bộ khuếch đại quang, thiết bị bù tán sắc và các trạm xen rẽ kênh. Các thành phần chủ yếu của tuyến thông tin quang sẽ được trình bày ở các phần sau.

1.1.2. Các ưu điểm của hệ thống thông tin quang:Độ rộng băng tần lớn (khoảng 15THz ở 1550nm) và suy hao thấp (0,2-

0,25 dB/km ở bước sóng 1550nm).Sợi quang không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.Tính an toàn và tính bảo mật cao do không bị dò sóng điện từ như cáp kim

loại.Sợi quang có kích thước nhỏ, không bị ăn mòn bởi môi trường axit, kiềm,

nước,... nên có độ bền cao.Vật liệu chế tạo sợi quang có sẵn trong tự nhiên.Hệ thống truyền dẫn quang có khả năng nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bit

cao hơn bằng cách thay đổi bước sóng công tác và kỹ thuật ghép kênh.

Bên cạnh những ưu điểm trên, hệ thống thông tin quang còn có nhược điểm sau:

2

Mạch điều khiển

Nguồn phát quang

Thu quang

Phát quang

THIẾT BỊ PHÁT QUANG

mạch điện

Khuếch đại quang

Tách sóng quang

Chuyển đổi tín hiệu

TRẠM LẶP

THIẾT BỊ THU QUANG

Bộ nối quang

Mối hàn

Xen rẽ kênh

Tín hiệu điện vào

Tín hiệu điện ra

Bù tán sắc

Các t/bị khác

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang


- Các bộ phận biến đổi quang - điện đắt tiền, khó chế tạo, khả năng ghép nối với sợi quang khó khăn.

- Việc ghép nối sợi quang đòi hỏi thiết bị cơ khí có độ chính xác cao. Các khớp của đầu ghép nối không tương hợp hay có vết nứt trên sợi quang là nguyên nhân gây ra suy hao.

- Việc ghép các kênh truyền quang học gặp nhiều khó khăn.

1.2 Sợi quang:1.2.1 Đặc điểm của ánh sáng:

Ánh sáng truyền thẳng trong môi trường chiết suất đồng nhất. Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng xảy ra khi ánh sáng truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường có chỉ số chiết suất khác nhau, tia sáng nào khi tới mặt phân cách giữa hai môi trường mà quay trở lại môi trường ban đầu đó là tia phản xạ, còn tia sáng nào đổi hướng đi qua mặt phân cách vào môi trường khác đó là tia khúc xạ. Theo định luật Snell ta có quan hệ:

n1 sin 1 = n2 sin 2 (1.1)- n1 : chỉ số chiết suất môi trường thứ nhất; - n2 : chỉ số chiết suất môi trường thứ hai;- 1: góc hợp bởi tia tới với pháp tuyến mặt phân cách giữa n1 và n2 ; - 2: góc hợp bởi tia khúc xạ với pháp tuyến mặt phân cách giữa n1 và n2 ;

n2

n1

Hình 1.2: Góc tới (1) và góc phản xạ (3) bằng nhau. Giả sử n1 >n2, thì 1< 2 và tỷ lệ với nhau, tăng 1 sao cho 2 =/2 khi đó nếu tiếp tục tăng 1 thì không còn tia khúc xạ khi đó xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. Hiện tượng phản xạ toàn phần chỉ xảy ra khi tia sáng đi từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn hơn sang môi trường có chỉ số chiết suất nhỏ hơn và góc tới (1) phải lớn hơn góc tới hạn (c). Theo định luật Snell c được xác định như sau:

3

2

1 3

Tia khúc xạ

n2 < n1

Tia phản xạTia tới

Hình 1.2

(1.2)


* Khẩu độ số NA=n.Sin0 max (n: chiết môi trường bên ngoài, 0 max: góc vào sợi quang lớn nhất) : Thể hiện sự tiếp nhận ánh sáng và khả năng tập trung ánh sáng vào sợi quang do đó cho phép ta tính toán hiệ quả quá trình ghép nguồn sáng vào sợi quang.

1.2.1 Cấu trúc của sợi quang:

Sợi quang có cấu trúc như một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang, tức là có dạng hình trụ và chức năng dẫn sóng ánh sáng lan truyền theo hướng song song với trục của nó. Cấu trúc cơ bản gồm một lõi hình trụ làm bằng vật liệu thủy tinh có chỉ số chiết suất n1 lớn và bao quanh lõi là một vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2 > n1. Lớp vỏ phản xạ mặc dù không là môi trường truyền ánh sáng nhưng nó là môi trường tạo ra ranh giới với lõi và ngăn chặn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài, tham gia bảo vệ lõi và gia cường thêm độ bền của sợi.

Sự lan truyền ánh sáng dọc theo sợi quang được mô tả dưới dạng các sóng điện từ truyền dẫn được gọi là cac mode trong sợi. Đặc điểm của các mode truyền trong sợi quang:

- Mỗi một mode truyền là một mẫu các đường trường điện và trường từ được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng.

- Các mode hoàn toàn độc lập với nhau.- Mỗi mode có tốc độ lan truyền riêng và có bước sóng xác định.

1.3 Phân loại sợi quang:1.3.1 Phân loại sợi quang theo chỉ số chiết suất:

Việc phân loại sợi dẫn quang phụ thuộc vào sự thay đổi thành phần chiết suất của lõi sợi, được chia làm ba loại sợi quang thông dụng như sau:

4

n1: Chiết suất lõi sợi quang

n2: Chiết suất vỏ sợi quang

(1.3)


1.3.1.1 Sợi quang có chiết suất phân bậc (Sợi SI: Step-Index):

Đây là loại có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi và khác nhau rõ rệt với chiết suất lớp vỏ phản xạ. Các tia sáng từ nguồn sáng truyền vào sợi quang với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường truyền khác nhau, tức là truyền cùng vận tốc nhưng thời gian đến cuối sợi sẽ khác nhau. Do đó khi đưa một xung ánh sáng vào đầu sợi do hiện tượng tán sắc ánh sáng nên cuối sợi nhận được một xung ánh sáng rộng hơn. Loại sợi này có độ tán sắc lớn nên không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao và cự ly quá dài.

1.3.1.2 Sợi quang có chiết suất giảm dần (Sợi GI: Gradien-Index):Sợi GI có phân chiết suất hình Parabol, chỉ số chiết suất của lõi không đều

nhau, mà nó thay đổi một cách liên tục giảm dần từ tâm lõi ra ranh giới phân cách lõi - vỏ, nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần. Độ tán sắc của GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

Hình 1.4 Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI: Gradien-Index)

1.3.2 Phân loại theo mode truyền dẫn:1.3.2.1 Sợi đa mode (MM: Multi Mode):Sợi đa mode là sợi truyền dẫn đồng thời nhiều mode sóng khác nhau, có

thể là đa mode có chiết suất phân bậc hoặc chiết suất giảm dần.

5

Hình 1.3 Sợi quangđa mode chỉ số chiết suất phân bậc (SI:Step Index)


Cấu trúc của sợi đa mode: đường kính lõi a=50m, đường kính lớp bọc 125m, độ lệch chiết suất =0,01, chiết suất lõi n=1,46.

Tần số chuẩn hóa V (hay còn gọi là tham số V) xác định như sau:

Tần số mode M đi vào được xác định (gần đúng)

1.3.2.2 Sợi đơn mode (SM: Single Mode):Sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất phân bậc và chỉ truyền một

mode sóng trong sợi, do đó độ tán sắc xấp xỉ bằng không.

Thông số cấu trúc của sợi đơn mode: đường kính lõi (a=9-10m), đường kính lớp bọc 125m, độ lệch chiết suất =0,003, chiết suất lõi n=1,46.

Đường kính trường mode MFD (Mode Field Diameter): là một hàm của bước sóng cho các loại đơn mode khác nhau, nó biểu thị sự phân bố tập trung trong không gian của cường độ trường mode cơ bản.

Bước sóng cắt là bước sóng nhỏ nhất tại đó sợi quang làm việc như sợi đơn mode.

Gọi c : bước sóng cắt trên đoạn sợi chưa bọc cáp. cc : bước sóng cắt trên đoạn sợi đã bọc thành cáp.

6

Hình 1.5 Sợi quangđơn mode (SM:Single Mode)

(1.4)

(1.5)

(1.6)


Sợi quang hoạt động ở chế độ đơn mode khi >c . Các giá trị c, cc thỏa mãn:

1100nm<c <1280nm cc<1270nm

1.4 Các đặc tính của sợi dẫn quang: Sợi quang ứng dụng trong viễn thông có 2 đặc tính cơ bản:- Đặc tính vật lý: mặt cắt, chỉ số khúc xạ, lực căng, kích thước.- Đặc tính truyền dẫn: suy hao, tán sắc, bước sóng cắt.

1.4.1 Suy hao tín hiệu trong sợi quang:Khi truyền tín hiệu từ phía phát đến phía thu thì sẽ bị suy hao và méo tín

hiệu, đây là 2 yếu tố quan trọng. Nó tác động vào quá trình thiết kế hệ thống, xác định khoảng cách và tốc độ truyền dẫn cũng như cấu hình của hệ thống thông tin quang.

Suy hao tín hiệu thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao () và được xác định bằng tỷ số giữa công suất quang đầu ra Pout của sợi dẫn quang dài L với công suất quang đầu vào Pin :

L: [km]: được tính bằng dB/km

1.4.1.1 Suy hao hấp thụ trong sợi quang:+ Hấp thụ do tạp chất:Trong thủy tinh thông thường có các tạp chất như nước và ion sắt, crôm,

đồng, ion OH. Các tạp chất này gây ra sự suy hao rất lớn và đặc biệt liên kết OH hấp thụ ánh sáng nên gây ra suy hao rất lớn đến vài nghìn dB/km. Để giảm suy

7

(1.7)


hao, người ta chế tạo sợi quang sao cho các sự tập trung ion OH rất nhỏ để suy hao 0,2dB/km tại bước sóng 1550nm.

+ Hấp thụ vật liệu:Do các liên kết nguyên tử của vật liệu sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng

dài gọi là hấp thụ vật liệu.

+ Hấp thụ điện tử: Trong vùng cực tím ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích thích các

điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn. Vì vậy cũng gây ra sự suy hao nhỏ ở cửa sổ đường truyền.

1.4.1.2 Suy hao do tán xạ Rayleigh:Tán xạ Rayleigh là hiện tượng ánh sáng bị tán xạ theo các bước sóng khác

nhau, khi nó gặp phải một vật có kích thước không quá nhỏ so với bước sóng của nó. Nguyên nhân do quá trình chế tạo có sự không đồng nhất về mật độ vật liệu và sự thay đổi thành phần oxit (P2O5, SiO2, GeO2).

1.4.1.3 Suy hao uốn cong (suy hao bức xạ):Đây là suy hao ngoài bản chất của sợi, sợi dẫn quang khi bị uốn cong gây

ra hiện tượng phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi. Có 2 loại uốn cong:

- Uốn cong vĩ mô: là uốn cong là uốn cong có bán kính uốn cong lớn hơn hay bằng đường kính sợi khi ta uốn sợi theo một góc nào đó.

- Vi uốn cong: Trong lúc sợi được tạo thành cáp, sợi có thể bị uốn cong một cách ngẫu nhiên.

1.4.2 Méo tín hiệu trong sợi dẫn quang:Tán sắc làm cho các xung ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị dãn rộng

ra và điều này gây nên méo tín hiệu. Khi xung bị dãn quá sẽ có thể gây ra hiện tượng phủ chờm các xung kề nhau, phủ chờm đến một mức nào đó thiết bị thu quang sẽ không phân biệt được các xung này nữa và sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu. Như vậy đặc tính tán sắc đã hạn chế dung lượng truyền dẫn của sợi.

8


Trong thông tin sợi quang, tán sắc trong sợi được chia ra làm các loại như sau:1.4.2.1 Tán sắc mode:

Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, nó tồn tại trên các sợi đa mode vì các mode trong sợi sẽ lan truyền theo các đường đi khác nhau, do đó thời gian lan truyền khác nhau. Các sợi đơn mode không có tán sắc mode.

1.4.2.2 Tán sắc vật liệu:Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng và do sự thay đổi về chỉ số

chiết suất của vật liệu lõi tạo nên. Nó làm cho bước sóng luôn phụ thuộc vào vận tốc nhóm của bất kỳ mode nào.

1.4.2.3 Tán sắc dẫn sóng:Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng

lượng ở trong lõi, vì vậy còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng ở trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode là một hàm số của a/, nó thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại cần quan tâm trong sợi đơn mode.

1.5 Bộ phát quang:

1.5.1 Nguyên lý phát xạ ánh sáng:

a) Cân bằng nhiệt b) Hấp thụ c) Phát xạ tự phát d) Phát xạ cưỡng bức

Hình 1.6 Nguyên lý phát xạ ánh sáng

Giả sử có một electron đang nằm ở mức năng lượng thấp E1 và không electron nào nằm ở mức năng lượng E2 (hình a). Khi đó có một mức năng lượng bằng với mức năng lượng chênh lệch E2 - E1 cấp cho electron này thì electron nhảy lên mức năng lượng E2 sau khi hấp thụ năng lượng (hình b). Việc cung cấp

9

E2

E1 E1 E1 E1

E2 E2 E2


năng lượng gọi là kích thích. Trạng thái E2 là không bền vững nên electron sẽ nhanh chóng quay về trạng thái E1 và phát ra photon có năng lượng:

Hiện tượng này gọi là phát xạ ánh sáng đó gọi là phát xạ tự phát (hình b).

Trong khi electron vẫn ở mức năng lượng E2 , nếu có một photon có năng lượng hv12 đập vào, thì electron sẽ rời khỏi mức năng lượng E2 xuống mức năng lượng thấp E1 , đồng thời phát ra photon có năng lượng hv12. Hiện tượng này gọi là phát xạ tự kích (hình d).

Cơ chế phát xạ của chất bán dẫn:Cơ chế phát xạ ánh sáng trong chất bán dẫn là nhờ khả năng tái hợp bức

xạ phát quang của các hạt bán dẫn ở trạng thái kích thích. Ở điều kiện cân bằng nhiệt, mật độ các electron được kích thích rất nhỏ nên các photon tới đều bị hấp thụ và phát xạ kích thí hầu như không xảy ra. Nó chỉ vượt qua sự hấp thụ khi nào tích lũy trạng thái kích thích lớn hơn ở trạng thái bền, điều này gọi là nghịch đảo tích lũy và thực hiện bằng kỹ thuật bơm.

1.5.2 Diode phát quang LED (Light Emitting Diode):

Có hai kiểu cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi là cấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể kép (không đồng nhất). Qua thực tế và nghiên cứu thì cấu trúc dị thể kép có hiệu quả, được sử dụng nhiều nhất.

1.5.2.1 Cấu tạo: Gồm các lớp bán dẫn p và n của miền hoạt tính, khi hoạt động được phân cực thuận, như hình vẽ:

10

Loại n Loại p

- - - - - - - - - - - -

Loại n Loại p

- - -

- - - - - -

Tiếp giáp pn Vùng nghèo Electron khuếch tán

Vùng ngèo hẹp lại

Nguồn ngoài

(1.8)


a) Tiếp giáp pn b) Phân cực thuận

Hình 1.7 cấu trúc LED

1.5.2.2 Hoạt động: Khi có điện áp phân cực thuận đặt vào lớp tiếp giáp pn thì cân bằng điện

tích bị phá vỡ, các electron dễ dàng đi qua miền tiếp giáp, các điện tích từ miền n và các lỗ trống ở vùng p sẽ kết hợp với nhau tại miền hoạt tính, bức xạ ra photon. Quá trình bức xạ ánh sáng xuất hiện. Trong thông tin quang có 02 loại LED được sử dụng:

- Cấu trúc LED phát mặt (SLED: Surface Emitting Led).

- Cấu trúc LED phát cạnh (ELED:Edgle Emitting Led).

11

Phiến tỏa nhiệtKim loại hóa (điện cực)

SiO2 SiO2

Sợi quang

Vật liệu bao

Kim loại hóa

Chất nền

Lớp cấu trúc dị thể kép

Giếng khắc hình tròn

Các lớp giam

Hình 1.8 Cấu trúc của LED phát mặt

Kim loại hóa

Lớp SiO2 cách ly

Các lớp dị thể kép

Ánh sáng ra kết hợp

Lớp dẫn ánh sáng

Chất nềnKim loại hóa

Tỏa nhiệt

Hình 1.9 Cấu trúc dị thể kép của LED phát cạnh


1.5.3 Cấu trúc Laser Diode (LD):1.5.3.1 Cấu tạo: Gồm các lớp bán dẫn p và lớp n của miền hoạt tính và lớp hoạt chất. Lớp hoạt chất này là một cặp phiến phẳng - là gương phản xạ được đặt qua vào nhau để phản xạ ánh sáng bức xạ hay còn gọi là hốc cộng hưởng (Fabry-Frot).

1.5.3.2 Hoạt động: Khi có một lớp điện áp phân cực được đặt vào lớp tiếp giáp thì các electron sẽ được bơm vào, lớp hoạt chất được kích thích, sau đó tái hợp với các lỗ trống có điện tích dương tại đó, đồng thời sinh ra năng lượng dưới dạng quang và nhiệt. Hốc cộng hưởng (Fabry-Frot) tạo ra sự tương tác giữa photon và electron diễn ra nhiều lần và có thể tạo ra công suất quang lớn.

Có 02 loại diode laser: diode laser đa mode và diode laser đơn mode:- Diode laser đa mode thông thường sẽ cho đa phổ nhưng làm việc không

ổn định ở tốc đọ cao.- diode laser đơn mode có đọ rộng phổ hẹp, hoạt động dựa theo nguyên lý

bộ phản xạ cách tử Bragg. Chúng đáp ứng tốt yêu cầu làm việc ổn định ở các hệ thống thông tin có tốc độ cao và cự ly truyền dẫn xa.

1.5.4 So sánh LED và LD:- LED có chi phí thấp hơn LD.- LED có cấu trúc đơn giản hơn LD.

12

Bán dẫn loại p

Lớp hoạt chất

Bán dẫn loại n Điện cực

Hình 1.10: Cấu trúc LD

Mặt phát xạ

Ánh sáng

(-)

(+)


- LED bức xạ ánh sáng đúng hướng, góc mở bức xạ lớn nên khả năng ghép vào sợi quang thấp.

- LD có ánh sáng bức xạ lớn, góc mở bức xạ bé (tạo một phổ vạch). Do đó khả năng ghép vào sợi quang tốt.

1.6 Bộ thu quang:

1.6.1 Nguyên lý cơ bản của bộ thu quang:

Bộ thu quang có chức năng chính là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện, rồi khuếch đại và hồi phụ trở lại thành tìn hiệu cùng dạng ở đầu vào thiết bị phát quang.

Bộ biến đổi quang điện thường là bộ tách sóng photondiode. Trong thông tin quang bộ tách sóng quang phải thỏa mãn yêu cầu về độ nhạy thu cao, tốc độ nhanh, tạp âm thấp và bước sóng hoạt động phù hợp. Những bộ tách sóng quang bán dẫn được sử dụng là vì có kích thước nhỏ, vật liệu phù hợp, độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh.

Có 02 loại photondiode được dùng là photondiode PIN và photondiode thác APD.

1.6.2 Bộ tách sóng photondiode PIN (Passive Intricsic Negative):

Cấu trúc cơ bản của PIN gồm các vùngbán dẫn p, n ở giữa là một lớp tự dẫn i rất mỏng. Khi diode PIN được phân cực ngược thì diode không có dòng, chỉ có dòng ngược rất nhỏ gọi là dòng tới. Khi đó ánh sáng đi vào photondiode nếu một photon sinh ra tại lớp p, i, n một cặp điện tử và lỗ trống. Các điện tử thì bị hút về miền n vì có điện áp dương, còn các lỗ trống thì về phía miền p có điện áp âm nhờ điện trường ngoài. Tất cả các phần tử mang điện này sinh ra ở mặt ngoài một dòng điện và điện áp.

Quá trình phát ra các cặp điện tử và lỗ trống còn gọi là hạt mang quang (hình 1.11).

13


Luồng dòng tạo ra trên tải gọi là photon, tần số và cường độ dòng này phụ thuộc vào ánh sáng đầu vào. Tuy nhiên độ dài của xung ánh sáng đưa vào phải đủ lớn hơn thời gian trôi td cần thiết để các phần tử mang điện chạy qua vùng trôi với độ rộng d (trong miền i).

Vs: Tốc độ trôi bão hòa

1.6.3 Diode quang thác APD (Avalanche Photodiode):Cấu trúc gồm lớp bán dẫn p, n và lớp bán dẫn yếu p-n+ còn gọi là miền

thác, cường độ điện trường trong miền này rất lớn, ở đây xảy ra quá trình nhân điện tử.

14

(1.9)

Lỗ trống i Điện tửP - n

n Lỗ trống Vùng hóa trị

Vùng nghèo

Vùng cấm

hv Eg

Ip RL: Điện trở tải

Tín hiệu ra

Vùng dẫn - Điện tử

Hình 1.11: Sơ đồ vùng năng lượng của photodiode PIN

p+ i P

RL

n+

Vùng thácTrường tối thiểucần thiết để tácđộng Ion hóa


Nguyên lý làm việc của APD:Ánh sáng đi vào thiết bị xuyên qua vùng Pt và được hấp thụ trong vùng vật

lý i, khi có photon bị hấp thụ nó sẽ truyền năng lượng cho điện tử để tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống và chúng bị tách dưới tác động của điện trường trong vùng i. Các điện tử này qua vùng i đến miền p-n+ thì chúng nhận thêm năng lượng do điện trường mạnh tại đây. Năng lượng thêm này mạnh đến mức các điện tử khi va chạm vào các nguyên tử lại tạo ra các phần tử mang điện mới gọi là Ion hóa do va chạm, số lượng các phần tử mang điện tăng nhanh, dòng điện sinh ra được khuếch đại nhiều lần so với PIN, do đó độ nhạy cũng tăng lên. Đối với photodiode Sc, ngưỡng điện trường cần thiết để thu nhận ở mức 105 V/cm.

1.6.3.1 Hiệu suất lượng tử và hệ số chuyển đổi:Các tham số này phụ thuộc dải cấm của vật liệu, bước sóng làm việc và độ

dày của các vùng P,I và N của thiết bị.+ Hiệu suất lượng tử : là tỷ số giữa các hạt mang điện - lỗ trống được

phát ra trên photon có năng lượng hv tới.

Số các cặp điện tử-lỗ trống phát ra Ip/q = = Số photon phát ra P0/hv

Với Ip là dòng photon trung bình do công suất quang trung bình đi tới bộ tách sóng quang.

+ Hệ số chuyển đổi R: là tỷ lệ giữa dòng photodiode thu được và công suất quang:

15

(1.10)

Hình 1.12: Cấu trúc của APD và điện trường vùng trôi


Trong đó:+ R: hệ số chuyển đổi.+ Ip: dòng photon.+ : hiệu suất lượng tử.+ h: hằng số Plank (h=6,625.10-34Js).

1.6.3.2 Độ nhạy thu quang:Độ nhạy thu quang cho biết khả năng biến đổi công suất quang thành dòng

điện. Nếu tại một bước sóng có số photon đến là N0 và năng lượng mỗi photon E= hc/ thì công suất quang thu được:

Lượng điện tích sinh ra q0=.N0.e (e=1,6.10-19C).

Từ đó có thể tính được dòng điện sinh ra từ các photon:

Quan hệ ip và PQ:

Với SE= ./h.e, gọi là độ nhạy quang.

Dòng điện của diode APD có hệ số khuếch đại M là:

1.6.3.3 Tạp âm trong bộ tách sóng:Tại đầu thu thì tỷ lệ tín hiệu tạp âm:

16

(1.11)

(1.12)

(1.13)

(1.14)


Trong bộ thu quang, tạp âm xuất hiện là do quá trình biến đổi photon thành các điện tử và tạp âm nhiệt từ các mạch khuếch đại tín hiệu.

1.6.3.4 Thời gian đáp ứng:Thời gian đáp ứng của photodiode với mạch đầu vào chủ yếu phụ thuộc

các yếu tố sau:- Thời gian chuyển dịch các hạt mang photon trong vùng trôi.- Thời gian khuếch tán các hạt mang photon ra bên ngoài vùng trôi.- Hằng số thời gian RC của photodiode và các mạch điện liên quan của nó.

Tốc độ đáp ứng của photodiode cơ bản bị giới hạn do thời gian tạo ra các hạt mang phát photon để di chuyển qua vùng trôi.

Thời gian dịch chuyển td phụ thuộc vào vận tốc trôi hạt mang Vd và độ rộng vùng trôi td = W/Vd.

1.6.3.5 So sánh PIN và APD:Hai loại diode quang PIN và APD đều được phân cực ngược, để khi

không có ánh sáng thì chỉ có dòng trôi rất nhỏ. Khi có ánh sáng vào, dòng này tăng tuyến tính với dòng ánh sáng và công suất bức xạ. Dòng này gây trên tải một điện áp để đưa vào khuếch đại cho ra một tín hiệu nguyên thủy.

Diode PIN có tạp âm nội nhỏ, song không có khả năng khuếch đại dòng điện nên không nâng cao độ nhạy máy thu được. Ngược lại diode APD có tạp âm nội lớn nhưng có khả năng khuếch đại dòng điện nên nâng cao độ nhạy, song diode Ge-APD lại có tạp âm nội lớn, nên hạn chế công suất thu tối thiểu cho phép.

Các diode PIN chỉ hoạt động với tốc độ bit không lớn đến vài ba trăm Mbit/s, còn APD có thể hoạt động với tốc độ bit tới hàng Gbit/s.

Diode PIN cần điện áp cung cấp nhỏ, ngược lại APD cần điện áp cung cấp lớn hàng trăm volt, đặc tính làm việc của APD phụ thuộc vào nhiệt độ nhiều do đó cần sử dụng nguồn áp để điều chỉnh nhiệt độ, nên chi phí tăng.

17


1.7 Kết luận chương:

Từ ưu khuyết điểm của sợi dẫn quang, ứng dụng của nó vào truyền dẫn rất đa dạng. Tuy nhiên tùy khoảng cách giữa máy phát và máy thu, dung lượng, tốc độ truyền dẫn mà chọn loại sợi cho phù hợp với tuyến.

Đối với thiết bị phát quang, nếu cự ly truyền dẫn ngắn, tốc độ thấp và trung bình thì sử dụng LED phát xạ cạnh vì giá thành thấp, độ tin cậy cao, công suất phát từ 5mW đến 10mW, độ rộng phổ lớn. Với tuyến truyền dẫn cự ly dài, tốc độ cao thì phải sử dụng diode laser đơn mode vì nó có phổ hẹp, công suất ghép vào sợi lớn, đặc biệt DFR có độ ổn định nhiệt cao, sử dụng điều biến trực tiếp.

Trong hệ thống truyền dẫn dung lượng lớn và tốc độ cao, để đáp ứng nhu cầu, hiện nay người ta thường sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM và ghép kênh quang phân chia theo bước sóng DWDM. Trong đó kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo bước sóng DWDM với những ưu điểm hơn hẳn so với kỹ thuật OTDM. Chương tiếp theo đồ án này sẽ trình bày phần nghiên cứu về kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo bước sóng.

____________________________________

18

CHƯƠNG 1:read.pudn.com/downloads165/doc/756711/Ghep kenh/chuong1… · Web view- Các bộ phận...

Documents

Transcript of CHƯƠNG 1:read.pudn.com/downloads165/doc/756711/Ghep kenh/chuong1… · Web view- Các bộ phận...