Hệ thống hóa các công thức môn Mạng Truyền Tải Quang

Công thức FULL…………………………………………………………………… LED……………………………………………………………………………… ………3-4 LAZE DIODE ………………………………………….…………………………………5-6 SUY HAO………………………………………………………………………………… TÁN SẮC…………………………………………………………………………… 8-9 NGUYÊN LÝ QUANG HÌNH……………………………………………………… 10-11 BỘ THU PHÁT QUANG………………………………………………………… 12 PIN……………………………………………………………………………….13 APD……………………………………………………………………………14 Số mode Cơng suất vỏ Tần số chuẩn hóa Cơng suất lõi Với sợi đơn mode V=K.a.NA= Đơn mode V MM-SI: MM-GI: PIN APD Khơng nói Fn=1, FA=1 với PIN / ; ; ; LED Cấu tạo: Cấu trúc dị thể kép phân cực thuận, gồm lớp - Lớp bán dẫn mỏng có Eg nhỏ hay cịn gọi lớp tích cực làm cho mật độ điện tích vùng hoạt tính tăng lên cao - Hai lớp P N bên có Eg lớn (Lớp hạn chế) để chặn không cho điện tử di chuyển vùng p lỗ trống di chuyển vùng n  Giam hãm hạt tải photon để điện tử lỗ trống tái hợp, phát ánh sáng vùng hoạt tính với cơng suất lớn Hoạt động: dựa chế phát xạ tự phát Khi có điện trường phân cực thuận: e từ lớp n h từ lớp p đưa vào vùng tích cực, tái hợp → phát xạ ánh sáng Phổ: Thể phân bố mật độ công suất phát theo  Ánh sáng phát ánh sáng khơng kết hợp, có độ rộng phổ lớn  Độ rộng chùm phát xạ lớn, hiệu suất ghép nối với sợi quang nhỏ Phân loại: LED xạ mặt LED xạ cạnh Đặc tính P-I: đường đặc tính tỷ lệ tuyến tính theo I bão hòa dòng bơm cao Nhiệt độ tăng cao, độ đáp ứng giảm Ưu nhược điểm: Nhược điểm: - Công suất ghéo vào sợi quang thấp - Băng tần điều chế hẹp - Độ rộng phổ lớn Ưu điểm: Độ tin cậy cao, công suất nguồn tiêu thụ thấp, cấu trúc đơn giản, dễ sản xuất, giá thành thấp Phù hợp với cự ly truyền dẫn ngắn LASER DIODE (LD) Cấu tạo: cấu tạo dựa cấu trúc dị thể kép phân cực thuận có hốc cộng hưởng ánh sáng Cấu trúc dị thể kép, gồm lớp - Lớp bán dẫn mỏng có Eg nhỏ hay cịn gọi lớp tích cực làm cho mật độ điện tích vùng hoạt tính tăng lên cao - Hai lớp P N bên có Eg lớn (Lớp hạn chế) để chặn không cho điện tử di chuyển vùng p lỗ trống di chuyển vùng n  Giam hãm hạt tải photon để điện tử lỗ trống tái hợp, phát ánh sáng vùng hoạt tính với cơng suất lớn Hốc cộng hưởng có tác dụng khuếch đại tín hiệu quang chọn lọc bước sóng Hoạt động dựa chế xạ kích thích tượng cộng hưởng Khi mật độ hạt tải lớp tích cực lớn giá trị xác đinh xảy đảo lộn mật độ vùng tích cực->Mơi trường khuếch đại quang Hiện tượng cộng hưởng: có ánh sáng thỏa mãn điều kiện pha hốc cộng hưởng lan truyền cộng hưởng hốc cộng hưởng Phổ:  Phổ có dạng phổ vạch (rời rạc): mode chính, mode phụ  Tần số phát xạ thứ m: fm=mc/(2nL)  Khoảng cách mode phát xạ: ∆f=fm+1-fm=c/(2nL); Đặc tính P-I: Khi I=Ith, chế độ phát laser Bức xạ kích thích chiếm ưu Ưu nhược điểm: Thời gian đáp ứng nhỏ ns, độ rộng phổ hẹp, ánh sáng phát ánh sáng kết hợp nên phù hợp cho việc ghép nối vào sợi quang có kích thước nhỏ SUY HAO TRONG SỢI QUANG Định nghĩa : suy giảm cơng suất trung bình ánh sáng lan truyền sợi quang Công thức : Với hệ số suy hao Các nguyên nhân gây suy hao: a) Suy hao hấp thụ Suy hao tán xạ Suy hao uốn công Do nguyên nhân khác Suy hao hấp thụ: +) hấp thụ vật liệu thủy tinh tạo sợi tạo +) hấp thụ cực tím liên quan đến kích thích điện tử +) hấp thụ hồng ngoại : tương tác liên kết dao động liên kết quang +) hấp thụ ngồi có mặt tạp chất kim loại chuyển tiếp (Fe, Cu,Zn,Mn,Co,Cr, ) ion OH b) Suy hao tán xạ Do không đồng nhỏ lõi sợi (về vật liệu, cấu trúc) => suy hao công suất lượng AS bị chuyển sang mode rò mode xạ + Tán xạ Mie: - Xảy khơng đồng kích thước cỡ bước sóng - Có thể giảm đến mức khơng đáng kể nhờ kiểm sốt chặt chẽ q trình chế tạo sợi cáp, tăng độ lệch chiết suất tương đối, loại bỏ tạp chất + Tán xạ Rayleigh: - Là chế tổn hao nội mạnh vùng bước sóng làm việc sợi quang - Xảy khơng đồng có kích thước nhỏ so với bước sóng c) Suy hao uốn cong + Uốn cong vi mô: Sợi bị uốn cong nhỏ cách ngẫu nhiên + Uốn cong vĩ mô: Là uốn cong có bán kính uốn cong lớn đường kính sợi Sợi bị uốn cong => Suy hao tăng => Bán kính uốn cong cho phép (Rc) => R>=Rc d ) Do nguyên nhân khác - Do hàn nối - Do môi trường chiế xạ - Do cấu trúc khơng hồn hảo sợi - Các giá trị suy hao điển hình cửa số: 850: 1-2dB/Km 1310: 0,3-0,35 dB/km 1550: 0,2-0,25dB/Km TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG Định nghĩa: tán sắc sợi quang tượng thành phần tín hiệu quang(mode, bước sóng) lan truyền với tốc độ khác gây nên dãn xung  Nhiễu xuyên tín hiệu (ISI) nên thu tín hiệu bị lỗi Phân loại: - Tán sắc mode - Tán sắc mode phân cực - Tán sắc vận tốc nhóm +) tán sắc vật liệu +) tán sắc ống dẫn sóng - tán sắc bậc cao a) Tán sắc mode Tín hiệu truyền sợi quang mode khác nhau, mode có số truyền lan khác nên chúng lan truyền với tốc độ khác => chênh lệch thời gian mode Với sợi MM-SI độ tán sắc độ lệc thời gian truyền tia ngắn nhất(mode bậc thấp nhất) tia dài nhất(mode bậc cao nhất) Với sợi MM-GI tia sáng ngắn truyền với tốc độ nhỏ ngược lại Sợi MM-GI có mặt cắt chiết suất tối ưu có trê thời gian nhỏ Độ tán sắc b) Tán sắc vận tốc nhóm (GVD) Nguyên nhân: phụ thuộc vận tốc nhóm (hằng số tuyền lan) vào tần số (bước sóng), bước sóng có vận tốc khác gây lên dãn xung - Tán sắc vật liệu: Do phụ thuộc chiết suất vật liệu vào tần số( bước sóng) Độ trễ nhóm: Hệ số tán sắc - Tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc số truyền lan vào cấu trúc sợi (tham số V) Do phần công suất thành phần phổ thẩm thấu ngồi vỏ có chiết suất nhỏ khác nhau=> tốc độ nhóm khác Độ trễ nhóm Hệ số tán sắc : Hệ số tán sắc nhóm tổng: c) Tán sắc mode phân cực(PMD) - Sợi đơn mode có mode phân cực trực giao - Mỗi mode có chiết suất mode khác  Độ chênh lệch chiết suất mode phân cực - Xung quang sợi: mộ phầ công suất mang mộ trạng thái phân cực (trục nhanh), mộ phầ mang trạng thái khác (trục chậm)- PMD Độ trễ thời gian mode phân cực : Đối với sợi quang dài có ghép cặp mode=> cân thời gian truyền để giảm PMD Ghép nhiều cặp mode tương ứng với giá tị PMD hiệu dụng-> độ trễ nhóm vi sai DGD d) Tán sắc bậc cao - Hiệu ứng tán sắc không triệt tiêu hoàn toàn xung tán sắc bậc cao - Nguyên nhân D hàm bước sóng nên xung trải qua dãn - Tốc dộ tán sắc bậc cao: Trong sợi đơn Mode, tán sắc mode, ảnh hưởng tán sắc GVD bao gồm thành phần tán sắc vật liệu tán sắc ống dẫn sóng Trong sợi đa mode, tín hiệu quang truyền nhiều mode khác nên tán sắc chủ yếu tán sắc mode tán sắc bậc cao Đối với sợi MM-GI, tia lan truyền với quãng đường khác tốc độ khác chiết suất lõi biến đổi Những tia có quãng đường ngắn thường sát với trục sợi nơi có chiết suất cao nên tốc độ lan truyền chậm hơn,và ngược lại tia có quãng đường dài thường sát phía biên lõi vỏ nơi có chiết suất nhỏ nên có tốc độ lan truyền nhanh Như sợi MMGI, có bù trừ quãng đường tốc độ lan truyền mode dẫn nên độ trễ thời gian mode nhỏ nhiều so với sợi MM-SI 10 Cấu tạo nguyên lý truyền ánh sáng sợi MMSI MMGI theo phương pháp quang hình Sợi MM-SI:Quỹ đạo tia sáng hình zigzac, gồm loại tia: tia kinh tuyếnvà tia nghiêng tia xoắn Do chiết suất mơi trường ngồi thường nhỏ chiết suất lõi sợi nên tia sáng bị khúc xạ phía trục sợi với góc khúc xạ r xác định qua định luật Snell: Tia sáng sau tới bề mặt tiếp giáp lõi vỏ với góc tới  Nếu góc tới nhỏ góc tới hạn c tia sáng bị khúc xạ ngồi vỏ, cịn lớn góc tới hạn tia sáng phản xạ toàn phần lõi sợi lan truyền sợi quang Góc tới hạn xác định qua định luật Snell: Những tia sáng vào sợi có góc >c bị giam hãm sợi thơng qua phản xạ tồn phần nên góc lớn là: NA độ số đặc trưng cho khả ghép ánh sáng nguồn sợi quang Với độ lệch chiết suất độ số sợi 11 Sợi MM-GI Các tia lan truyền theo dạng đường cong hình sin bị đổi hướng liên tục lan truyền sợi Gồm loại tia: tia trục tia xiên Với sợi MM-GI Khẩu độ số: Góc nhận lớn tâm lõi sợi, xa tâm, góc nhận nhỏ 12 Vẽ sơ đồ chức thu quang phát quang, n Bộ điều khiển Tín hiệu điện Nguồn quang Bộ ghép quang Bộ điều chế TH Quang Bộ điều khiển có chức điều khiển cơng suất ánh sáng nguồn quang Nguồn quang tạo ánh sáng để điều chế với tín hiệu điện, thơng thường nguồn laze LED Bộ điều chế: điều chế tín hiệu quang theo tín hiệu điện để ghép nối vào sợi quang Bộ ghép quang ghép nối tín hiệu quang vào sợi sau điều chế, dựa vào đặc điểm sợi ta tính tốn góc ghép (Khẩu độ số) Bộ thu quang: Bộ tách sóng quang có chức chuyển đổi tín hiệu quang thành ín hiệu điện, thơng thường photodiode PIN APD Do tín hiệu ngõ vào bị suy hao đường truyền nên cần tiền khuếch đại tín hiệu quang Bộ cân để cân băng thông Bộ khuệch đại làm cho tín hiệu đủ mạch để xử lý tiếp, thường dùng GAC để tăng độ lợi Bộ lọc để loại bỏ phần thơng số khơng mong muốn q trình xử lý tín hiệu Dữ liệu cần đồng bên thu bên phát nên cần mạch khôi phcuj xung đồng hồ Mạch định để định bit hay bit thông qua ngưỡng định Sau qua khối ta thu tín hiệu quang 13 PIN Cấu tạo : gồm lớp p-i-n định thiên ngược, lớp i xen lớp p n - Lớp i có điện trở cao  hầu hết điện áp rơi vùng thành phần trôi >> thành phần khuyếch tán - Độ rộng W định độ dày lớp i Nguyên lý hoạt động -Khi photon vào lớp P+ chuyển động mức lượng lớn độ rộng dải cấm sinh miền P+, I, N+ PIN cặp điện tử lỗ trống (chủ yếu lớp I) -Các điện tử lỗ trông miền I nới sinh bị điện trường mạnh hút phía (điện tử phía N+, Lỗ trống phía P+ -mặt khác điện tử sinh miền P+ khuếch tán sang miền I nhờ Gradien mật độ tiếp giáo P+,I chạy phía N+ lỗ trống sinh miền N+ khuếch tán sang miền I nhờ gradien mật độ tiếp giáp N+,I chạy phía P+ -tất phần tử sinh mạch PIN dòng điện tải điện áp 14 APD Cấu tạo : Cấu trúc: gồm lớp, bổ sung thêm lớp lớp i n+ - Điện trường cao vùng tiếp giáp p-n+  Vùng nhân - Hoạt động: • Hấp thụ photon chủ yếu vùng i -Điện trường miền nghèo APD điều khiển lỗi trống điện tử chuyển động ngược hướng với Dưới tác động điện trường phân cực ngược, lỗ trống lớp hướng tới lớp p+, điện tử hướng tới lớp n+ Tại miền nhân, điện trở suất lớp cao nên hình thành vùng điện trường lớn tiếp giáp p-n+ Đi vào miền này, gặp điện trường lớn, điện tử-lỗ trống tăng tốc, va đạp mạnh vào nguyên tử bán dẫn tạo cặp điện tử -lỗ trống thứ cấp thơng qua q trình ion hóa va chạm Các hạt tải điện thứ cấp qua miền điện trường lớn lại tăng tốc chúng có đủ động để tạo cặp điện tử-lỗ trống mới……vv Đó q trình nhân Q trình làm tăng dịng điện mạch ngồi 15