Thông tin quang

Học viện công nghệ bưu chính viễn thông Khoa Viễn thông 1

*******

Bài tiểu luận

KỸ THUẬT THÔNG TIN SỢI QUANG Chuyên đề: Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang và khảo sát các dạng điều chế tín hiệu quang bằng phần mềm mô phỏng Optisystem

Sinh viên thực hiện: Nhóm 5- Lớp D08VT4 1. Nguyễn Hải Phong 2. Bùi Thị Phương Thảo 3. Lã Hà Thu 4. Ngô Quốc Tuấn 5. Nguyễn Quang Toàn Giảng viên hướng dẫn: Ths. Cao Hồng Sơn

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

MỤC LỤC Phần A: Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang………………….3 1. Bộ phát tín hiệu quang………………………………………………………3 1.1. Khái niệm bộ phát tín hiệu quang…………………………………………..3 1.2. Cấu trúc bộ phát tín hiệu quang…………………………………………….3 1.2.1. Sơ đồ khối bộ phát tín hiệu quang……………………………………3 1.2.2. Cấu trúc bộ phát tín hiệu quang………………………………………4 1.3. Phân loại bộ phát tín hiệu quang……………………………………………6 1.4. Ghép nối nguồn quang với sợi trong mạch phát tín hiệu quang……………7 2. Bộ phát tín hiệu quang điều chế trực tiếp……………………………………9 2.1. Khái niệm bộ phát tín hiệu quang điều chế trực tiếp…………………9 2.2. Mạch phát sử dụng LED……………………………………………...9 2.3. Mạch phát sử dụng LD………………………………………………..9 2.4. Ưu nhược điểm của bộ phát quang điều chế trực tiếp………………10 3. Bộ phát tín hiệu quang điều chế ngoài……………………………………..14 3.1. Sơ đồ khối bộ phát tín hiệu ngoài…………………………………..14 3.2. Ưu điểm của kỹ thuật điều chế ngoài so với kỹ thuật điều chế trực tiếp………………………………………………………………………….15 3.3. Phân loại các bộ điều chế ngoài sử dụng hiện nay…………………..15 3.3.1. Mach- Zehnder Modulator (MZM)……………………………………..16 3.3.2. Electroabsorption Modulator (EA)……………………………………..17 Phần B: Khảo sát các dạng điều chế tín hiệu quang bằng phần mềm mô phỏng Optisystem………………………………………………………………………...19 1. Bộ phát quang (Optical transmitters)………………………………………19 2. Bộ phát quang điều biến sử dụng LED (LED modulation response)………20 3. Bộ phát quang điều biến ngoài sử dụng LD (Semiconductor laser modulation response)……………………………………………………………………22 Danh mục hình vẽ ………………………………………………………………...26 Thuật ngữ viết tắt……………………………………………….…………………28 Tài liệu tham khảo………………………………………………………………...31 Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 2

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

PHẦN A: TÌM HIỂU BỘ PHÁT QUANG ĐIỂU CHẾ TRONG HỆ THỐNG QUANG 1. BỘ PHÁT TÍN HIỆU QUANG 1.1.

Khái niệm bộ phát tín hiệu quang

Bộ phát tín hiệu quang là một trong các thành phần quan trọng nhất của hệ thống thông tin sợi quang. Bộ phát tín hiệu quang có chức năng chuyển đổi tín hiệu thông tin đầu vào ở dạng điện thành tín hiệu quang tương ứng và ghép vào trong sợi để truyền dẫn tín hiệu.

1.2.

Cấu trúc bộ phát tín hiệu quang

1.2.1. Sơ đồ khối bộ phát tín hiệu quang

Hình 1.1. Cấu trúc bộ phát quang

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 3

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang Bộ điều khiển

Nguồn quang

Tín hiệu điện

Bộ điều chế

Bộ ghép quang

Tín hiệu quang đầu ra

Hình 1.2. Sơ đồ khối bộ phát quang 1.2.2. Cấu trúc bộ phát tín hiệu quang Sơ đồ khối bộ phát quang điển hình được biểu diễn như hình 1.2. Theo đó, một bộ phát quang bao gồm: một nguồn quang, bộ điều chế, bộ ghép tín hiệu quang, mạch điều khiển công suất. Tất cả các thành phần trên được đóng gói thành bộ phát quang như hình 1.3.

Hình 1.3. Bộ phát quang Nguồn quang của bộ phát tín hiệu quang thường là một laser bán dẫn hoặc một điốt phát quang.

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 4

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang Tín hiệu quang được tạo ra nhờ điều chế sóng mạng quang. Có hai phương thức điều chế tín hiệu quang, đó là điều chế trực tiếp và điều chế ngoài. Tùy thuộc vào yêu cầu hệ thống mà phương pháp điều chế nào được sử dụng. Điều chế trực tiếp thực hiện đơn giản bằng cách tác động trực tiếp vào dòng phân cực của laser nên hiệu quả hơn Bộ phát quang về cơ bản là một vi gương cho phép tập trung tín hiệu quang vào mặt phẳng tới của sợi quang sao cho có hiệu suất ghép sáng cao nhất. Công suất ghép quang là một tham số thiết kế quan trọng. Công suất ghép quang lớn sẽ giúp tăng khoảng cách giữa các trạm lặp/ bộ khuếch đại. Tuy nhiên các hiệu ứng phi tuyến lại giới hạn độ lớn của công suất này. Công suất của tín hiệu quang thường được biểu diễn theo đơn vị dBm với 1 mW được coi là mức tham khảo. (

)

(

(

)

)

Như vậy, 1mW tương đương với 0 dBm, và 1 W tương đương với -30 dBm. Công suất ghép quang thường khá nhỏ (< -10 dBm) đối với điốt phát quang nhưng đối với laser bán dẫn thì lên tới ~10 dBm. Điốt phát quang cũng bị giới hạn ở khả năng điều chế , vì thế hầu hết hệ thống thông tin sợi quang sử dụng Laser bán dẫn làm nguồn quang. Giới hạn về tốc độ bit tại các bộ phát quang thường do năng lực của các mạch điện tử không đáp ứng được chứ không phải do laser. Với thiết kế phù hợp, bộ phát quang đã cho phép điều chế ở tốc độ bit lên tới 40 Gbps. Dữ liệu từ nguồn phát bên ngoài được đưa vào bộ phát quang thông qua đơn vị biến đổi dữ liệu nhờ tín hiệu xung kích (clock). Tại đây dữ liệu được biến đổi về dạng phù hợp cung cấp cho mạch kích thích điều khiển dòng phân cực cho Laser. Trong trường hợp tổng quát bộ phát quang sử dụng Led cũng bao gồm các thành phần như hình 1.2. Tuy nhiên nếu tín hiệu cần phát là tín hiệu tương tự thì mạch chế biến tín hiệu sẽ đơn giản hơn nhiều. Đơn vị biến đổi dữ liệu (Data conversion Unit) bao gồm bộ giải mã tín hiệu đường truyền, bộ biến đổi song song- nối tiếp và bộ sửa dạng tín hiệu. Chức năng của bộ biến đổi dữ liệu là biến đổi tín hiệu điện ngõ vào song song về dạng mã thông dụng NRZ dạng nối tiếp và sửa dạng tín hiệu cung cấp cho mạch kích thích. Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 5

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Hình 1.4. Sơ đồ khối đơn vị biến đổi dữ liệu

1.3.

Phân loại bộ phát tín hiệu quang

Việc điều chế tín hiệu quang theo thông tin dữ liệu có thể được thực hiện nhờ điều chế trực tiếp và điều chế ngoài. Do đó có hai bộ phát tín hiệu quang, đó là bộ phát quang điều biến trực tiếp sử dụng LED hoặc LD và bộ phát quang điều biến ngoài sử dụng LD cùng với bộ điều chế ngoài. Điều chế trực tiếp được thực hiện bằng cách điều chế thông tin dữ liệu trực tiếp lên dòng nuôi cho nguồn quang nhờ thế nguồn quang sẽ phát xạ ánh sáng theo thông tin dữ liệu.

Laser Light output

1010110101… 1: light on 0: light off

Modulator Signal ( electrical) Hình 1.5. Sơ đồ khối bộ phát quang điều chế trực tiếp Trong trường hợp điều chế ngoài thì nguồn quang phát liên tục ánh sáng, thông tin được điều chế nhờ một bộ giao thoa kế nằm bên ngoài.

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 6

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Laser

Light output

Modulator

1010110101… 1: light on 0: light off

Modulator Signal ( electrical) Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ phát quang điều chế ngoài

1.4. Ghép nối nguồn quang với sợi trong mạch phát tín hiệu quang Công suất được ghép vào sợi càng lớn thì khả năng truyền dẫn càng xa. Tuy nhiên, lõi sợi rất nhỏ nên việc ghép nối nguồn và sợi phải có các phương pháp để giúp khả năng ghép nối được tốt hơn. Để tránh được hiện tượng phản xạ ánh sáng tại miền ghép nối giữa nguồn và sợi quang có thể sử dụng có hệ số chiết suất bằng chiết suất của lõi sợi. Một cách khác, đầu lõi sợi quang có thể được mài thành một thấu kính lồi để hướng các tia sáng vào lõi sợi hoặc sử dụng một thấu kính lồi riêng tại điểm ghép nối nguồn và sợi quang. Hình 1.7 mô tả một số cách thức ghép nối nguồn quang và sợi cho LED. Đối với laser, do nguồn sáng hẹp nên có thể sử dụng vi thấu kính để ghép ánh sáng thay vì sử dụng nguồn thấu kính thông thường.

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 7

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Hình 1.7. Một số cách ghép nối giữa nguồn và sợi quang cho LED . Đối với LD: Sử dụng vi thấu kính: ~ 40 - 90 %

Hình 1.8. Ghép nối LD vào sợi sử dụng vi thấu kính Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 8

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

2. BỘ PHÁT TÍN HIỆU QUANG ĐIỀU CHẾ TRỰC TIẾP 2.1.

Khái niệm bộ phát tín hiệu quang điều chế trực tiếp

Trong hệ thống thông tin sợi quang, bộ phát quang thực hiện phát tín hiệu quang mang thông tin từ nơi phát đến nơi thu. Để điều chế tín hiệu quang tại bộ phát phải có mạch điều biến cường độ. Tùy vào kiểu tín hiệu là tương tự hay tín hiệu số, mạch phát điều biến cường độ phải có những đặc điểm khác nhau nhất định.

2.2.

Mạch phát sử dụng LED

2.2.1. Đối với tín hiệu tương tự

Hình 2.1. Mạch kích thích sử dụng LED cho tín hiệu tương tự Đối với tín hiệu tương tự, mạch phát điều biến cường độ thường sử dụng transistor lưỡng cực. LED kết nối với cực góp hoặc cực phát thông qua một điện trở hạn chế dòng. Tín hiệu điện điều biến được đưa vào cực gốc của transistor. Giả thiết, dòng điều biến có dạng: ( ) Theo sơ đồ mạch hình 2.1, dòng qua cực gốc có dạng ( ) ( ) Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 9

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang Trong đó

. Khi đó, điện áp trên LED có dạng:

và

Và công suất quang thu được trên LED sẽ là ( ) là độ sâu điền biến quang

Với

2.2.2. Đối với tín hiệu số Đối với mạch kích thích sử dụng LED cho tín hiệu số không cần sử dụng các điện trở để phân cực cho transistor lưỡng cực. Vì tín hiệu số, tốc độ sườn xung thay đổi nhanh nên cần sử dụng thêm tụ C để tăng tốc độ điều biến

Hình 2.2.Mạch kích thích sử dụng LED cho tín hiệu số

2.3.

Mạch phát sử dụng LD

Khác với LED, các mạch kích thích cho LD phải sử dụng mạch vòng điều khiển ổn định công suất do laser rất nhạy với sự thay đổi nhiệt độ. Nhiệt độ càng tăng, thì công suất phát quang của laser càng giảm.

Dòng tín hiệu Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 10

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang Mạch điều khiển dòng kích thích Sợi quang Mạch điều khiển dòng bơm TEC Module LD

Hình 2.3. Mô-đun laser có hệ thống ổn định nhiệt Một mạch phát quang điều biến cường độ được biểu diễn như hình 2.4. Mạch phát quang này là sự kết hợp của mạch điều khiển ở hình 2.5 và mạch điều chế tín hiệu ở hình 2.6.

Hình 2.4. Mạch phát quang sử dụng LD điển hình

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 11

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Hình 2.5. Mạch kích thích

Hình 2.6. Mạch điều chế tín hiệu Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 12

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang Hoạt động của mạch phát quang điều biến cường độ có thể được phân tích dựa trên hoạt động của mạch điều khiển và mạch điều chế tín hiệu. Mạch kích thích có chức năng biến đổi nguồn điện áp từ bộ biến đổi dữ liệu về dạng dòng điện cung cấp dòng phân cực cho laser. Chức năng này là cần thiết vì nguồn điện cung cấp cho laser dưới dạng điện áp hơn là dòng điện. Dòng phân cực cho laser được tạo ra cần phải rất ổn định với dòng điện ngưỡng để có thể truyền tín hiệu dữ liệu không bị lỗi. Do vậy, dòng phân cực cần được điều khiển bởi tín hiệu hồi tiếp từ cảm ứng nhiệt. Trong mạch kích thích như hình 2.5, điện áp điều khiển, là điện áp đầu vào của opamp. Dòng điện chạy qua điện trở R chỉ phụ thuộc vào điện áp đầu vào mà không phụ thuộc vào điện trở tải, trong trường hợp này là laser diode. Do đó, bằng cách thay đổi , người ta có thể điều khiển được dòng phân cực . Khi nhiệt độ thay đổi, việc ổn định công suất quang ở đầu ra của laser diode được thực hiện bởi tín hiệu hồi tiếp từ photodiode PD. PD này thu ánh sáng từ laser phát ra và tạo ra dòng quang điện tỷ lệ với công suất phát quang của laser. Vì vậy, khi công suất quang đầu ra thay đổi, do sự thay đổi của nhiệt độ, dòng quang điện sẽ thay đổi làm cho dòng điện phân cực cũng thay đổi theo bù lại những thay đổi trong công suất quang của laser. Quá trình điều chế tín hiệu trong mạch phát điều biến cường độ được thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích từ mức phân cực đến mức cao nhất. Mạch điều chế tín hiệu được biểu diễn trên hình 2.6. Trong đó, quá trình điều chế được điều khiển bởi dòng phân cực qua laser. Chức năng chính của mạch là cung cấp dòng điện phân cực cực đại cho laser. Trong mạch điều chế, dữ liệu phát được đưa vào cực gốc transistor , cực B transistor được cố định bởi nguồn phân cực . Khi tín hiệu đầu vào lớn hơn , dẫn, tắt, dòng qua LD giảm làm LD ngưng phát sáng. Ngược lại, khi tín hiệu đầu vào nhỏ hơn , tắt, dẫn, dòng qua LD tăng làm LD phát sáng. đóng vai trò cung cấp nguồn dòng ổn định cho mạch vi sai và . kết hợp với mạch hồi tiếp dùng khuếch đại thuật toán (Op- Amp) ổn định dòng qua LD dưới tác động của nhiệt độ cũng như cung cấp tín hiệu cho việc giám sát Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 13

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang nhiệt độ làm việc của LD phục vụ công việc cảnh báo và bảo dưỡng bộ phát quang.

2.4.

Ưu nhược điểm của bộ phát quang điều chế trực tiếp

Trong kiểu điều chế trực tiếp, tín hiệu điều chế được thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích chạy qua laser. Kiểu điều chế này được gọi là điều chế nội hay điều chế trực tiếp. Ưu điểm của kiểu điều chế này là đơn giản. Tuy nhiên, hạn chế của kỹ thuật điều chế này là:  Băng thông điều chế này bị giới hạn bởi tần số dao động tắt dần của laser diode.  Hiện tượng chirp xảy ra đối với tín hiệu quang tăng độ rộng phổ của xung ánh sáng. Hiện tượng này xảy ra đối với laser DFB và vì vậy là yếu tố hạn chế nghiêm trọng đối với các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao (chủ yếu sử dụng laser DFB làm nguồn quang).  Hơn nữa, kỹ thuật điều chế này cũng không áp dụng được trong các hệ thống thông tin quang đòi hỏi công suất quang lớn ( >30mW) như các mạng truyền dẫn cự ly xa hay mạng truyền hình cáp vì việc chế tạo các mạch phát quang điều chế trực tiếp hoạt động ổn định khi điều chế tốc độ cao với dòng điện kích thích lớn ( >100mA) trở nên phức tạp và khó khăn hơn nhiều. Những hạn chế trên có thể khắc phục được khi sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài.

3. BỘ PHÁT TÍN HIỆU QUANG ĐIỀU CHẾ NGOÀI 3.1.

Sơ đồi khối bộ phát tín hiệu quang điều chế ngoài

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 14

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Hình 3.1.Sơ đồ khối bộ điều chế ngoài Sơ đồ khối bộ điều chế ngoài được biểu diễn trên hình 3.1. Theo đó điều chế tín hiệu quang không thực hiện bên trong laser mà được thực hiện bởi một linh kiện quang bên ngoài gọi là bộ điều chế ngoài (external modulator). Ánh sáng do laser phát ra dưới dạng sóng liên tục CW.

3.2. Ưu điểm của điều chế tín hiệu ngoài so với điều chế tín hiệu trực tiếp Với cấu trúc của bộ điều chế ngoài, kỹ thuật điều chế ngoài đã khắc phục được những hạn chế của kỹ thuật điều chế trực tiếp:  Băng thông hạn chế : do bộ điều chế ngoài quyết định, vì thế không bị giới hạn bởi tần số dao động tắt dần của laser diode. Ánh sáng laser trong trường hợp này đóng vai trò như sóng mang.  Không xảy ra hiện tượng chirp đối với tín hiệu quang vì laser được kích thích bởi dòng điện ổn định nên ánh sáng phát là sóng liên tục có tần số và độ rộng phổ ổn định. Đặc điểm này rất quan trọng đối với hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM vì yêu cầu về độ ổn định của bước sóng ánh sáng tại các kênh rất cần thiết.  Không bị giới hạn bởi công suất phát quang vì đặc tính điều chế do bộ điều chế ngoài quyết định.

3.3.

Phân loại bộ phát quang điều chế ngoài

Có hai bộ điều chế ngoài được sử dụng hiện nay là Mach- Zehnder Modulator (MZM) và Electroabsorption Modulator (EA). Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 15

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang 3.3.1. Mach- Zehnder Modulator (MZM) Mach- Zehnder Modulator (MZM) hay còn gọi là Lithium niobate (LiNb ) Modulator được chế tạo bằng vật liệu Lithium niobate có cấu trúc Mach Zehnder như hình 3.2. Chiết suất của Lithium niobate phụ thuộc vào điện áp phân cực. Ánh sáng do laser phát ra khi đi vào ống dẫn sóng được chia làm hai phần bằng nhau. Khi không có điện áp phân cực, cả hai nửa sóng ánh sáng tới không bị dịch pha. Vì vậy, ở ngõ ra của bộ điều chế sóng ánh sáng kết hợp có dạng của sóng ánh sáng ban đầu. Khi có điện áp phân cực, một nửa của sóng tới bị dịch pha vì chiết suất của một nhánh ống dẫn sóng giảm, làm tăng vận tốc truyền ánh sáng và làm giảm độ trễ. Một nửa kia của sóng tới ở nhánh còn lại của ống dẫn sóng bị dịch pha vì chiết suất tăng, làm vận tốc truyền ánh sáng giảm và làm tăng độ trễ. Kết quả là hai nửa sóng ánh sáng ở ngõ ra của MZM bị lệch pha và triệt tiêu lẫn nhau. Qua đó ta thấy, cường độ tín hiệu ánh sáng ở ngõ ra của MZM có thể được điều khiển bằng cách hiệu chỉnh điện áp phân cực. Bằng cách này, bất kỳ độ dịch pha của sóng ánh sáng tới ở hai nhánh của ống dẫn sóng cũng có thể được hiệu chỉnh.

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 16

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Hình 3.2. Nguyên lý hoạt động của bộ điều chế ngoài MZM a)Không có điện áp phân cực b) Có điện áp phân cực Điều chế ngoài MZM được sử dụng chủ yếu trong mạng quang truyền hình. MZM có một số hạn chế như sau: suy hao xen cao (lên đến 5dB) và điện áp điều chế tương đối cao (lên đến 10V). Ngoài ra, sử dụng MZM còn có một hạn chế nữa là MZM là một linh kiện quang tách biệt. Do MZM được chế tạo bởi LiNb không phải chất bán dẫn nên không thể tích hợp với laser DFB trong một chip. Những hạn chế này của MZM được hạn chế bởi một loại điều chế khác là và Electroabsorption Modulator (EA). 3.3.2. Electroabsorption Modulator (EA) Bộ điều chế ngoài EA có cấu tạo là một ống dẫn sóng làm bằng chất bán dẫn. Khi không có điện áp phân cực, ánh sáng do laser DFB phát ra được truyền qua ống dẫn sóng này vì bước sóng cắt của ống dẫn sóng ngắn hơn so với bước sóng của ánh sáng tới. Khi có điện áp điều chế, độ rộng dải cấm của vật liệu ống dẫn sóng giảm. Hiện tượng này được gọi là hiệu Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 17

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang ứng Franz- Keldysh và là nguyên lý hoạt động của EA. Khi độ rộng dải cấm giảm, bước sóng cắt sẽ tăng lên (do = 1024/ ) và vật liệu ống dẫn sóng sẽ hấp thụ sóng ánh sáng tới. Vì vậy, bằng cách hiệu chỉnh điện áp điều chế, có thể thay đổi các đặc tính của ống dẫn sóng. So với MZM, EA có những ưu điểm sau:  Điện áp điều chế, khoảng 2V, nhỏ hơn so với MZM (lên đến 10V)  Có thể tích hợp với laser DFB tạo thành các bộ phát quang có dạng chip. Với những ưu điểm trên, EA được sử dụng trong các hệ thống WDM.

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 18

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

PHẦN B: KHẢO SÁT CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU QUANG BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG OPTISYSTEM

1. Bộ phát quang (Optical transmitters) Vai trò của các máy phát quang là: • chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng quang học, và • khởi động các tín hiệu quang học kết quả vào sợi quang học. Các máy phát quang bao gồm các thành phần sau: • Nguồn quang • máy phát xung điện • Bộ điều chế quang (xem hình 1).

Hình 1 thành phần bộ phát Công suất ghép quang là một tham số thiết kế quan trọng. Công suất ghép quang lớn sẽ giúp tăng khoảng cách giữa các trạm lặp/ bộ khuếch đại. Tuy nhiên các hiệu ứng phi tuyến lại giới hạn độ lớn của công suất này. Công suất của tín hiệu quang thường được biểu diễn theo đơn vị dBm với 1 mW được coi là mức tham khảo.s

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 19

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Hình 2 đơn vị công suất laser

2. Bộ phát quang điều biến sử dụng LED (LED modulation response) Đáp ứng tần số của một đèn LED được xác định bởi sự vận động sóng mang (và do đó bị hạn chế bởi tuổi thọ sóng mang τn) và điện dung ký sinh của LED (được mô tả bởi RC liên tục τRC[2]. Nếu nhỏ, thiên vị về phía trước liên tục được áp dụng, ảnh hưởng của điện dung ký sinh của LED có thể được bỏ qua. 3-dB LED điều chế băng thông quang học được định nghĩa là tần số điều chế các chức năng chuyển giao công suất LED giảm 3 dB. Băng thông LED-3dB điều biến quang có thể được thể hiện như sau: ƒ 3dB=√ /2 /(τn+τRCn) Chúng tôi muốn chứng minh các tính chất phản ứng điều chế của đèn LED. Mô phỏng được mô tả trong hình sau:

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 20

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Các giá trị mặc định của tuổi thọ sóng mang τn và RC cố định τRC là 1 ns và1 ns, tương ứng. Do đó, ƒ3dB là khoảng 140 MHz. Thảo luận về các thông số số: ví dụ, bit rate là 300 Mb / s và chiều dài chuỗi 128 bit, do đó, cửa sổ thời gian là khoảng 430 ns. Mẫu cho mỗi bit là 256, do đó, tỷ lệ mẫu là 76 GHz. Do đó, độ phân giải mặc định là khoảng 2 MHz. Đầu tiên chúng ta giữ thời gian truyền Tn và RC cố định Trc, có nghĩa là ƒ3dB vào khoảng 140MHz, và phân tích sự đóng của sơ đồ mắt như một biện pháp thực hiên của hệ thống.Kết quả thu được cho 100Mb/s và 300Mb/s truyền được thể hiện ở Hình 2.

Hình 3 Hiệu n ng hệ thống với tốc độ bit t ng Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 21

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang R ràng hiệu suất của hệ thống kỹ thuật số giảm đi đáng kể sau khi tăng tỷ lệ bit trên bằng thông Led3-db quang học điều chế. nh hưởng của phản ứng điều chế của Led có thể được nghiên cứu bằng cách giữ tỷ lệ bit, ví dụ 300Mb/s ,và làm giảm thời gian truyền Tn và RC giữ nguyên Trc, do đó làm tăng ƒ3dB. Giả sử Tn=TRC 0.5ns,thì ƒ3db sẽ vào khoảng 280MHz Một cải tiến lớn trong việc thực hiện của hệ thống tại 300Mb/s so với hình cuối. Điều này được minh họa ở hình 3

Hình 4 Sự cải thiện tr ng hệ thống tại 3 Mb s

3. Bộ phát quang điều biến ngoài sử dụng LD (Semiconductor laser modulation response) Khi sử dụng một tia laser được điều chế trực tiếp cho hệ thống truyền tải tốc độ cao, tần số điều chế có thể không lớn hơn tần số của các dao động thư giãn.Dao động thư giãn phụ thuộc vào thời gian truyền và cả thời gian của photon.Biểu thức gần đúng của sự phụ thuộc của mình được cho bởi: ƒres=

(

Nhóm 5- Lớp D08VT4

)

(

)

Page 22

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang Các tần số dao động thư giãn tăng với sự thiên vị laser tức thời. Trong bài học này, chúng tôi sẽ chứng minh hiệu suất của hệ thống tốc độ cao trong khi sử dụng các tần số điều chế và tăng tần số cộng hưởng (thông qua việc cải thiện trong việc thực hiện hệ thống) với dòng thiên vị laser. Mô phỏng được mô tả trong hình 1:

Hình 5 ố tr

ô phỏng

Đối với các thông số mặc định của mô hình laser phương trình tốc độ của chúng tôi Ith=33.45mA. τsp=1ns,τph=3ps, Và nếu chúng ta giả định điều chế cao điểm tức thời I=40mA, và IB=40mA tần số cộng hưởng tương ứng theo quy định của trên phương trình sẽ là khoảng 1,3 GHz. Thảo luận về các thông số số: tỷ lệ bit là 1,3 Gb / s và trình tự chiều dài 128 bit, do đó, các cửa sổ thời gian khoảng 98,5 ns. Mẫu cho mỗi bit là 512, do đó, tỷ lệ mẫu là 670 GHz. Do đó, độ phân giải mặc định là 10 MHz. Trong hình 6 và hình 7, ảnh hưởng của tần số điều chế tăng lên trên một trong những cộng hưởng về hiệu năng hệ thống sẽ được thể hiện. Trong hình 6, 1.3 Gb / Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 23

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang s truyền (10GB / s) được nghiên cứu. Các thông số của các phương trình tốc độ tia laser là những mặc định (I=IB=40mA) như mô tả trước đây.

Hình 6: T ng tần số điều chế trên cộng hưởng R ràng, điều chế với tần số cao hơn các cộng hưởng dẫn đến hiệu suất hệ thống không thể chấp nhận được. Trong hình 7, ảnh hưởng của sự thiên vị tức thời vào tần số cộng hưởng, và do đó hiệu năng hệ thống, một tỷ lệ bit cố định sẽ được thể hiện. Chúng tôi sử dụng 1.3 Gb/s truyền, giữ tất cả các thông số khác giống nhau, và sử dụng IB=20mA

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 24

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Hình

iả sai lệch t c th i

Nếu bạn so sánh Hình 7 và Hình 6 (với tốc độ truyền 1.3Gb/s và IB=40mA),nó là chứng minh rõ ràng rằng giảm của dòng thiên vị bên dưới ngưỡng giá trị của nó dẫn đến giảm hiệu năng hệ thống. Trong bài học này, chúng tôi đã cho thấy sự phụ thuộc của hiệu suất của hệ thống tốc độ cao trên các tần số điều chế và thiên vị laser tức thời.

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 25

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

DANH MỤC HÌNH VẼ Phần A: Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang Hình 1.1. Cấu trúc bộ phát quang Hình 1.2. Sơ đồ khối bộ phát quang Hình 1.3. Bộ phát quang Hình 1.4. Sơ đồ khối đơn vị biến đổi dữ liệu Hình 1.5. Sơ đồ khối bộ phát quang điều chế trực tiếp Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ phát quang điều chế ngoài Hình 1.7. Một số cách ghép nối giữa nguồn và sợi quang cho LED Hình 1.8. Ghép nối LD vào sợi sử dụng vi thấu kính Hình 2.1. Mạch kích thích sử dụng LED cho tín hiệu tương tự Hình 2.2.Mạch kích thích sử dụng LED cho tín hiệu số Hình 2.3. Mô-đun laser có hệ thống ổn định nhiệt Hình 2.4. Mạch phát quang sử dụng LD điển hình Hình 2.5. Mạch kích thích Hình 2.6. Mạch điều chế tín hiệu Hình 3.1.Sơ đồ khối bộ điều chế ngoài Hình 3.2. Nguyên lý hoạt động của bộ điều chế ngoài MZM a)Không có điện áp phân cực b) Có điện áp phân cực

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 26

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Phần B: Khảo sát các dạng điều chế tín hiệu quang bằng phần mềm mô phỏng Optisystem Hình 1 thành phần bộ phát Hình 2 đơn vị công suất laser Hình 3: Hiệu năng hệ thống với tốc độ bit tăng Hình 4:Sự cải thiện trong hệ thống tại 300Mb/s Hình 5:Bố trí mô phỏng Hình 6: Tăng tần số điều chế trên cộng hưởng Hình 7: Giảm sai lệch tức thời

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 27

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A APD

Avalanche Photodiode

Diode tách sóng quang thác

AR ASE B BA BER BH C CW D DBR DCF DFB DR DR DWDM E ELED F FET FPA FPLD

Antireflection Coating Amplified Spontanous Emission

Vỏ chống phản xạ Bức xạ tự phát được khuếch đại

Booster Amplifier Bit Error Rate Burried Heterostructure

Bộ khuếch đại công suất Tỷ số lỗi bit Cấu trúc dị thể chôn

Continous Wave

Sóng liên tục

Distributed Bragg Reflector Dispersion Compensation Fiber Distributed Feedback Dynamic Range Distributed Reflector Dense WDM

Phản xạ phân bố Bragg Sợi bù tán sắc Phản hồi phân bố Dải động Bộ phản xạ phân bố WDM mật độ cao

Edge emitting LED

LED phát xạ cạnh

Field Effect Transistor Fabry – Perot Amplifier Fabry – Perot Laser Diode

FWHM

Full Width at Half Maximum

FWM G GI GVD

Four Wave Mixing

Transistor hiệu ứng trường Bộ khuếch đại Fabry – Perot Laser diode có khoang cộng hưởng Fabry – Perot Độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất Trộn bốn sóng

Graded Index Group Velocity Dispersion

Chỉ sốGradien Tán sắc vận tốc nhóm

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 28

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang I IM IM – DD ISI L LA LD LED M MCVD

Intensity Modulation Intensity Modulation – Direct Detection Intersymbol Interference

Điều chế cường độ Điều chế cường độ - Tách sóng trực tiếp Nhiễu giữa các kí tự

Line Amplifier Laser diode Light Emitting Diode

Khuếch đại đường truyền Diode laser Diode phát quang

Modified Chemical Vapor Deposition MESFET Metal Semiconductor Field Effect Transistor

Ngưng đọng hơi hóa chất biến đổi

Mode Field Diameter MFD MOSFET Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor

Đường kính trường mode Transistor trường oxit Silic kim loại

MQW MZ N NA NF NLS O OA P PA PMD PIN R RIN

Transistor trường bán dẫn kim loại

Multiple Quantum Well Mach – Zehnder

Giếng lượng tử Bộ điều chế Mach – Zehnder

Numerical Aperture Noise Figure Nonlinear Schroedinger

Khẩu độ số Hình ảnh nhiễu Schroedinger phi tuyến

Optical Amplifier

Bộ khuếch đại quang

Pre-Amplifier Polarization Mode Dispersion Positive Intrinsic Negative

Bộ tiền khuếch đại Tán sắc mode phân cực Cấu trúc PIN

Relative Intensity Noise

Nhiễu cường độ tương đối

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 29

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang RMS RZ S SBS SE SLED SI SMF SNR SPM W WDM

Root Mean Square Return Zero

Căn trung bình bình phương Trở về 0

Stimulated Brillouin Scattering Spontaneous Emission Surface emitting LED Step Index Single Mode Fiber Signal – to – Noise Ratio Self Phase Modulation

Tán xạ Brillouin kích thích Phát xạ tự phát LED phát xạ cạnh Chỉ số chiết suất phân bậc Sợi quang đơn mode Tỉ số tín hiệu trên nhiễu Tự điều chế pha

Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 30

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Ngô Thị Thu Trang, Cao Hồng Sơn, Nguyễn Thành Nam, Bài giảng kỹ thuật thông tin quang , Học Viện CNBCVT, 6/2010 2. Vũ Văn San, Hệ thống thông tin quang, NXB Bưu điện, 2008 3. http://www.e-ptit.edu.vn/hoctap/hoclieu/TTQ1.pdf

Nhóm 5- Lớp D08VT4

Page 31