Việc truyền tớn hiệu t phớa phỏt tới phớa thu sẽ bị suy hao và mộo tớn hiệu , ừ đõy là hai yếu tố quan trọng, nú tỏc động vào toàn bộ quỏ trỡnh thụng tin, định cỡ về khoảng cỏch và tốc đ
SỢI DẪN QUANG DÙNG TRONG HỆ THỐNG QUANG TỐC ĐỘ CAO
Suy hao tín hiệu truyền trong sợi quang
Tại P(0) là công suất quang ở đầu phát Đối với một tuyến dài L(km) thì P(L) phải lớn hoặc bằng r
Khoảng cách tối đa giữa đầu phát và đầu thu, cũng như giữa các bộ khuyếch đại, phụ thuộc vào suy hao chung A, vượt quá công suất đầu ra của đầu phát Suy hao thấp nhất, đạt 0,2 dB/km, xảy ra tại bước sóng 1550 nm.
Trên một tuyến thông tin quang, suy hao có thể xảy ra giữa nguồn phát quang và sợi quang, giữa các sợi quang với nhau, cũng như giữa sợi quang và đầu thu quang, và được coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn Ngoài ra, việc uốn cong sợi quang quá giới hạn cho phép cũng gây ra suy hao Tuy nhiên, bài viết này tập trung vào suy hao bản chất bên trong sợi quang, nơi mà quá trình truyền ánh sáng dẫn đến suy hao tín hiệu qua khoảng cách Cơ chế suy hao trong sợi quang bao gồm suy hao do hấp thụ, tán xạ và bức xạ năng lượng ánh sáng Suy hao do hấp thụ liên quan đến vật liệu sợi, bao gồm hấp thụ từ tạp chất và hấp thụ điện, trong khi suy hao do tán xạ liên quan đến vật liệu và cấu trúc không hoàn hảo của sợi Cuối cùng, suy hao bức xạ là kết quả của sự xáo trộn hình học trong sợi quang.
Từ phương trình trên ta có suy hao là
1.2.1 Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang
Hấp thụ do tạp chất là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất của sợi dẫn quang, với các tạp chất như nước và ion kim loại chuyển tiếp làm tăng đặc tính suy hao Trong thuỷ tinh thông thường, các ion như sắt, crôm, coban, đồng và ion OH có thể khiến suy hao đạt mức cao, lên đến hàng nghìn dB/km ở các lăng kính thông thường Các sợi dẫn quang trước đây có lượng tạp chất từ 1 đến 10 phần tỷ (ppb) thường có suy hao khoảng 1 đến 10 dB/km Hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoảng 2,7 µm, cùng với sự tương tác của cộng hưởng silic, tạo ra các đỉnh hấp thụ tại 1400, 950 và 750 nm Giữa các đỉnh này là các vùng suy hao thấp, tạo thành các cửa sổ truyền dẫn 850 nm, 1300 nm và 1550 nm, được các hệ thống thông tin sử dụng để truyền ánh sáng hiệu quả.
C, E0 là hằng số rút ra từ kinh nghiệm, E là năng lượng photon Do E tỉ lệ nghịch với bước sóng λ, cho nên đặc tính hấp thụ cực tím đi xuống theo bậc hàm mũ so với chiều tăng của bước sóng
Hình 1.2 Các đặc tính suy hao theo bước sóng của sợi dẫn quang với các cơ chế 1.2.2 Suy hao do tán xạ
B: hằng số Boltzman βT: hệ số nén đẳng nhiệt
1.2.3 Suy hao uốn cong sợi
Hình 1.3: Sự suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R
Tán sắc tín hiệu truyền trong sợi quang
Khi ánh sáng di diffract qua fiber tốc độ các xung ánh sáng lan trong sợi dẫn quang sẽ mở rộng, tạo nên tần số ánh sáng Xung ánh sáng liên tục sẽ bị elongate, gây khan cận với nhau và trở nên khó phân tích tại đầu thu Kết quả thu được sẽ bị sai lệch và gây ra lỗi bit (BER), giới hạn khoảng cách truyền (L, km) và tốc độ truyền dẫn (B, Gb/s) trong quá trình gửi thông tin.(Note: This response summarizes the original content while maintaining its core meaning The sentences are structured to follow SEO rules and improve readability.)
Tín hiệu truyền qua sợi dẫn thường bị méo do hiện tượng tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode Tán sắc này được hiểu qua việc khảo sát vận tốc nhóm của các mode truyền, với vận tốc nhóm là tốc độ lan truyền năng lượng trong các mode riêng biệt Tán sắc bên trong mode gây ra sự dãn xung tín hiệu ánh sáng, và vì nó phụ thuộc vào bước sóng, ảnh hưởng của nó đến méo tín hiệu sẽ tăng khi độ rộng phổ nguồn phát tăng Độ rộng phổ là dải bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng Độ dãn xung có thể được mô tả bằng công thức: λ τ λσ λ δ τ n s d.
L : Độ dài sợi dẫn quang τ n : Sự trễ nhóm đối với một đơn vị độ dài λs : Bước sóng trung tâm σλ: Độ rộng trung bình bình phương của phổ nguồn phát
Có thể viết tán sắc vật liệu như sau: λ λ ω π d dn c d
= (1.8) n 2 g : chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi
Bj : Cường độ dao động
Hình 1.4 Chỉ số chiết suất và chỉ số nhóm
Các tham số Bj và ω j được xác định dựa trên kinh nghiệm bằng cách điều chỉnh các đường cong tán sắc đo được với M=3 Những tham số này phụ thuộc vào hàm lượng các chất kích tạp và được phân loại thành nhiều loại sợi khác nhau.
Hình 1.5 Tham số b và các vi phân của nó d(Vb)dV và Vd 2 (Vb)dV 2 thay đổi theo V
2 ω ω λ π (1.11) n 2 g : chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi b: Hằng số lan truyền chuẩn
Hình 1.6 minh họa tán sắc Dw, DM và tán sắc tổng D = Dw + DM cho sợi quang đơn mode tiêu biểu Tán sắc dẫn sóng chủ yếu ảnh hưởng đến bước sóng λZD, dịch chuyển khoảng 30-40nm để đạt tán sắc tổng D bằng không gần 1310nm Đồng thời, nó cũng làm giảm D từ giá trị tán sắc vật liệu DM trong vùng bước sóng 1,3-1,6, rất hấp dẫn cho các hệ thống thông tin quang Giá trị tán sắc D tiêu biểu nằm trong khoảng 15÷20ps/km.nm gần bước sóng 1,55μm, khu vực này đang thu hút nhiều sự quan tâm do có suy hao sợi nhỏ nhất Giá trị tán sắc D cao sẽ hạn chế hiệu suất của các hệ thống thông tin quang hoạt động ở bước sóng 1550nm.
1.3.3 Tán sắc vận tốc nhóm
Vận tốc nhóm kết hợp với mode cơ bản là một đặc trưng phụ thuộc tần số
Tán sắc vận tốc nhóm (GVD) xảy ra khi các thành phần phổ khác nhau của xung lan truyền với các vận tốc nhóm khác nhau Hiện tượng này được gọi là tán sắc bên trong mode.
T = / với vg là vận tốc nhóm được xác định:
Với β=nk0=nω/c suy ra v g = c / n g, n là chỉ số mode, ng là chỉ số nhóm: ω ω d n dn n g = + (1.13)
Với ω=2πc/λ và Δω= (-2πc/λ 2 ) Δλ thì biểu thức trên có thể viết thành: λ λ ω ω ω ∆ = ∆
NGUỒN PHÁT VÀ NGUỒN THU QUANG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO
Nguồn phát quang dùng cho hệ thống 40Gbit/s
Laser đơn mode được phát triển để khắc phục những vấn đề không mong muốn từ các nguồn quang đa mode, bao gồm laser phản hồi phân phối (DFB) và laser phản xạ Bragg phân phối.
- Phổ hẹp : Phổ hẹp sẽ làm giảm nhiễu pha, từ đó dẫn đến giảm hiện tượng giãn xung ánh sáng do đó tăng được tốc độ truyền
Công suất ra lớn giúp tăng tỷ số tín hiệu/tạp âm, cho phép truyền tải tín hiệu ở khoảng cách xa hơn Để đạt được công suất cao, nguồn quang cần được thiết kế với hiệu suất ghép tối ưu.
- Dòng ngưỡng nhỏ : Đối với diode laser, hiện tượng laser chỉ xảy ra khi dòng thiên áp lớn hơn một giá trị min gọi là dòng ngưỡng
- Bước sóng : Các sóng ánh sáng tại các bước sóng khác nhau sẽ có các đặc tính lan truyền khác nhau
Đối với các ứng dụng ghép kênh theo bước sóng, khả năng điều chỉnh bước sóng của diode laser là rất quan trọng Một diode laser điều chỉnh được có từ hai đầu mối trở lên, cho phép người sử dụng dễ dàng điều chỉnh bước sóng Để đạt hiệu quả tối ưu, một diode laser điều chỉnh tốt cần có vùng điều chỉnh lên tới vài nghìn GHz.
2.1.1 Laser phản hồi phân tán DFB
Va : thể tích lớp tích cực (1,5.10 -16 ) τc : thời gian sống của hạt mang (3.10 -10 ) τp : thời gian sống của photon (3.10 -12 )
N0: mật độ hạt mang ở trạng thái trong suốt (10 12 ) Γ : hệ số giam quang (0,4) a0 : hệ số tăng ích (3,2.10 -20 ) vg : vận tốc nhóm (7,5.10 7 )
Hình dưới đây mô tả cấu trúc Laser DFB
Hình 2.1: Cấu trúc của DFB.
Sự thay đổi chu kỳ của chỉ số khúc xạ hiệu dụng dọc theo hướng truyền sóng gây ra hồi tiếp ánh sáng nhờ hiện tượng nhiễu xạ Bragg Khác với các laser Fabry-Pérot thông thường, hồi tiếp trong laser DFB không chỉ tập trung ở bề mặt mà còn phân bổ đều dọc theo toàn bộ hốc laser.
Hồi tiếp chỉ xảy ra đối với bước sóng λB, thoả mãn điều kiện Bragg : m A n
= 2 λ (2.2) với A : chu kỳ cách tử, m : số nguyên cho biết bậc của nhiễu xạ Bragg, n : chỉ số khúc xạ hiệu dụng của môi trường nếp gấp
Laser DFB cho thấy sự nổi bật về mật độ ổn định và tỷ lệ nén mode biên (SMSR) Cấu trúc tối ưu cho hoạt động đơn mode ổn định hiện nay là laser DFB dịch một phần tư sóng, với cách tử dịch khoảng λn/4 ở giữa hốc, mang lại giá trị SMSR điển hình khoảng 30dB.
Bộ thu quang dùng cho hệ thống quang 40Gbit/s
"Bộ thu quang là một phần quan trọng trong hệ thống thông tin quang, vận hành chủ yếu tại nơi nhận tất cả thuộc tính tác động trên toàn tuyến Nó giao diện giữa hệ thống với môi trường ngoài, với tác động lớn đến chất lượng của toàn bộ hệ thống truyền dẫn Chức năng chính của bộ thu quang là chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Để đáp ứng yêu cầu, bộ thu quang cần có độ nhạy thu cao, tốc độ phản hồi nhanh, độ nhiễu thấp, giá thành hợp lý và độ tin cậy cao."
Cấu trúc 1 bộ thu quang tổ hợp OEICs được mô tả như hình sau:
Hình 2.6: Cấu trúc bộ thu quang tổ hợp OEICs
Bộ tách sóng được tích hợp thông qua việc hình thành lớp MOVPE trên lớp dẫn sóng và photodiode tích cực, với hiệu suất tối ưu khi sử dụng bộ tách sóng kép như TWIN thay vì bộ tách sóng đơn Tiếp theo, bộ khuếch đại điện được tích hợp, bao gồm lớp HEMT trên nền InP OEICs được chế tạo qua hai bước, kết hợp lớp MOVPE/MBE enpitaxy để tối ưu hóa sự độc lập giữa các thiết bị Tất cả thiết bị được tích hợp trên bề mặt lớp nền, bao gồm ba lớp dẫn quang trong InP và một lớp dẫn sóng dày ở trên Photodiode kép được hình thành trên bề mặt khối trên.
Có hai loại bộ tách sóng đem lại nhiều lợi ích nhất là bộ tách sóng Twin và bộ tách sóng Balance.
KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA DÙNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
Ba dạng cấu trúc khác nhau của EDFA được mô tả qua hình (3 1)
EDFA hoạt động thông qua hệ thống 3 mức năng lượng Hình vẽ (3.2) miêu tả quá trình này
Các mức E1 , E2 ,E3 , tương ứng là mức đất, mức gần ổn định và mức bơm Mật độ của ion Er3+ được biểu thị bởi các N1, N2, N3 trong đó N1> N2> N3 khi hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt ( không bơm) Khi bơm, những mật độ này thay đổi do các ion di chuyển qua lại giữa các mức năng lượng, kèm theo sự phát xạ hoặc hấp thụ photon ở các tần số được xác định bởi sự sai khác giữa các mức năng lượng Bước sóng λđối với mỗi chuyển đổi được cho bởi quan hệ lượng tử : λ= hc / ∆ E, trong đó h là hằng số Planck và ∆ E là sự sai khác giữa các mức năng lượng Trong thực tế,ba mức trong sơ đồ trên là các dải hẹp, do đó mỗi chuyển đổi thực tế được kết hợp với một dải bước sóng
Hai bước sóng b m ơ điển hình được sử dụng trong EDFA là 980nm và 1,480nm Như chỉ ra ở hình trên, bằng cách hấp thụ năng lượng từ một cái bơm 980nm, các ion Er +3 ở trạng thái đất nhảy lên đến trạng thái E3 Tốc độ mà ở đó xảy ra những dịch chuyển này tỷ lệ thuận với N1Pp trong đó Pp là công suất bơm Các ion được kích thích này lại phân rã một cách tự phát xuống trạng thái gần ổn định E2, và dịch chuyển này ở tốc độ lớn hơn nhiều so với dịch chuyển từ mức
Hình 3.1 : Các cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại quang EDFA
Hình 3.2: Các mức năng lợng trong EDFA
Các đặc tính cơ bản của EDFA
3.2.1 Nguồn bơm quang Để kích thích các hạt mang lên mức năng lượng cao hơn để có phát xạ kích thích, cần phải có một nguồn bơm quang ngoài, hoạt động ở tần số cao hơn tần số của tín hiệu cần khuếch đại Hình (3.3) mô tả biểu độ năng lượng của Er 3+ Mức đất được kí hiệu là 4 I 15 / 2 , mức gần ổn định (mức phát xạ kích thích) kí hiệu là 4 I 13 / 2 Sự chênh lệch năng lượng giữa hai mức này gây ra sự phát xạ tự phát ở bước sóng 1530nm Để bơm các hạt mang từ mức đất lên mức gần ổn định, người ta sử dụng các nguồn bơm ở các bước sóng 1450nm, 980nm, 800nm Nó kích hoạt các điện tử lên các mức tương ứng là 4 I 13 / 2 , 4 I 11 / 2 , 4 I 9 / 2 Các điện tử được kích hoạt ở
Hình 3.3 Giản đồ năng lượng của Er 3+
Bảng so sánh các công nghệ ghép bước sóng:
Tham số Hàn sợi Điện môi Cách tử
Hình 3.4: Bơm 1540nm, do ảnh hưởng Stark nên xảy ra sự tách biệt trong mức cơ bản và mức gần ổn định ra nhiều mức nhỏ riêng biệt
Suy hao xen, dB SSMF LEAF ≈ SSMF≈ TW-
Ảnh hưởng của dạng điều chế trên các hệ thống quang được quản lý tán sắc
6.2.2.Thiết lập hệ thống và mô hình toán học
Sơ đồ khối của mô hình được sử dụng để mô phỏng như trên hình 6.6
Mỗi nhánh truyền dẫn quang được khuếch đại, trừ nhánh cuối cùng, bao gồm 100 km sợi SSMF và 1 modul DCF Modul DCF có độ dài 21.25 km được đặt giữa hai bộ EDFA đường, với mức nhiễu của mỗi EDFA là 4dB Các đặc điểm chi tiết của SSMF và DCF được trình bày trong bảng 6.3.
Bảng 6.3: Các thông số của SSMF và DCF
Tham số tán sắc D[s/m2] 17e-6 -80e-6 chỉ số phi tuyến n2
Diện tích lõi Aeff SSMF
Số nhánh tối đa Nmax được tìm thấy khi EOP có bù tán sắc tối ưu chieudaituyen Then frmDisplay.txtbutansac.Text = "khong can bu tan sac"
'D2 la luong tan sac bu cho moi nhanh
D2 = D1 * Ln frmDisplay.txtbutansac.Text = str(D2)
'tinh quy cong suat o dau ra
Pthu = Ptx_db - alpha_db + N * G_db
7.4.4 Hàm mô phỏng hệ thống trình bày trong chương 6:
Dim N, Pin, buocsong, NF, G, B, Be, Q, L_spm, L_ase As Currency
If frmTinhtoan.txtbangthong.Text = "" Then MsgBox ("chua nhap bang thong")
If frmTinhtoan.txtbuocsong.Text = "" Then MsgBox ("chua nhap bang thong")
If frmTinhtoan.txtG.Text = "" Then MsgBox ("chua nhap he so khuech dai")
If frmTinhtoan.txtNF.Text = "" Then MsgBox ("chua nhap NF")
If frmTinhtoan.txtPin.Text = "" Then MsgBox ("chua nhap Pin")
If frmTinhtoan.txtQ.Text = "" Then MsgBox ("chua nhap he so chat luong Q")
If frmTinhtoan.txtbangthong.Text "" And frmTinhtoan.txtbuocsong "" And frmTinhtoan.txtG "" And frmTinhtoan.txtNF "" And frmTinhtoan.txtPin "" And frmTinhtoan.txtQ "" Then
Pin = Val(frmTinhtoan.txtPin.Text) buocsong = Val(frmTinhtoan.txtbuocsong.Text) * 10 ^ -9
NF = Val(frmTinhtoan.txtNF.Text)
N = Int((buocsong * Pin) / (2 * (Q ^ 2) * h * c * NF * (G - 1) * Be * k0)) L_ase = N * Ln 'km
N = Int((buocsong * Pin) / (2 * (Q ^ 2) * h * c * NF * (G - 1) * Be * k1)) L_ase = N * Ln 'km
N = Int((buocsong * Pin) / (2 * (Q ^ 2) * h * c * NF * (G - 1) * Be * k2)) L_ase = N * Ln 'km
N = Int((buocsong * Pin) / (2 * (Q ^ 2) * h * c * NF * (G 1) * Be * k3))- L_ase = N * Ln 'km
End Select frmTinhtoan.txtN.Text = str(N) frmTinhtoan.txtSPM.Text = str(L_spm) frmTinhtoan.txtASE.Text = str(L_ase)