Ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM

Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang Cự ly tuyến truyền dẫn L km, tốc độ bit B Mbit/s Tỉ số tín trên tap điện S/N SRN hay quang OSNR Tỉ số lỗi bit BER Độ rộng băng tần điệ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ———******———

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ THÔNG TIN QUANG

ĐỀ TÀI: Ghép Kênh Quang Phân Chia Theo

Thời Gian OTDM

GV hướng dẫn: TS Hoàng Văn Võ GV hướng dẫn: TS Hoàng Văn Võ

SV thực hiện : Đinh Huy Mười

Lê Trường Nam Trần Văn Binh

Nhóm 27 - Lớp: H10.VT1

Hà Nội 03,2012

 CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu của con người đối với thông tin ngày càng cao Để đáp ứng được nhu cầu đó đòi hỏi mạng viễn thông phải có dung lượng lớn, tốc độ cao,băng thông rộng …Mặt khác mấy năm gần đây do dịch vụ thông tin phát triển nhanh chóng,để thích ứng không ngừng với sự phát triển của dung lượng truyền dẫn thông tin, thì hệ thốngthông tin quang ra đời đã khẳng định được chính mình

Với việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn vào năm 1960 Bằng khuyến nghị của Kao và Jockham 1966 về việc chế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp Bốn năm sau, Kapron đã chế tạo ra được sợi quang trong suốt có độ suy hao đường dẫn khoảng 20dB/km

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.2 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang

Thiết bị đầu cuối phát quang Trạm lặp

Thiết bị đầu cuối thu quang

1.2.1 Chức năng các khối

1 Khối dồn kênh /tách kênh (MUX/DEMUX) nhằm ghép các luồng tín hiệu có tốc độ thấp (2Mbit/s, 4Mbit/s, 140Mbit/s, 158Mbit/s….) thành luồng tín hiệu có tốc độ cao hơn và ngược lại

2 Khối phát có mạch điều khiển, nguồn quang thực hiện việc điều biến các tín hiệu điện thành các tín hiệu quang để truyền thông qua cáp sợi quang

3 Cáp sợi quang có nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu ánh sáng

4 Trạm lặp (Reqeater) hoặc bộ khuếch đại quang đối vói tuyến có cự ly dài

5 Khối thu quang gồm có photodiode để chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu

điện, khối khuyếch đại và khôi phục tín hiệu.

1.2.2 Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang

Cự ly tuyến truyền dẫn L (km), tốc độ bit B (Mbit/s)

Tỉ số tín trên tap điện S/N (SRN) hay quang OSNR

Tỉ số lỗi bit BER

Độ rộng băng tần điện BW (MHz) hay quang BWo (MHz)

Đối với sợi quang: hệ số suy giảm riêng (dB/km), độ mở số NA, tích cự ly và

tốc độ bit BxL (Mbit/skm)

Đối với máy phát quang: công suất phát ghép vào sợi Pt (mW hay dBm), bước sóng làm việc, độ rộng phổ (nm), thời gian tăng trưởng phát (ns)

Đối với máy thu quang: độ nhạy thu Pr min (mW hay dBm)

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

2.1 Cấu tạo và phân loại cáp sợi quang

2.1.1 Cấu tạo cáp sợi quang

Sợi quang có cấu tạo hình trụ, gồm hai lớp chính từ chất điện môi đồng tâm nhau Lớp trong gọi là lớp lõi (core), lớp ngoài là lớp vỏ (clading) Ngoài ra còn có lớp bảo vệ và vỏ bọc bên ngoài

2.1.2 Phân loại sợi quang:

Có nhiều cách phân loại sợi quang như phân loại theo vật liệu chế tạo, phân loại theo phân bố chiết suất, phân loại theo mode lan truyền.

Phân loại theo vật liệu chế tạo gồm có sợi quang thạch anh, sợi quang làm bằng thủy tinh hỗn hợp và sợi quang làm bằng chất dẻo.

Phân loại theo phân bố chiết suất có sợi quang chiết suất nhảy bậc SI (Step Index), sợi quang chiết suất biến đổi Gradien GI (Gradex Index)

2.2 Cở sở lý thuyết truyền dẫn ánh sáng

2.2.1 Cơ sở lý thuyết

Việc truyền dẫn sóng ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng khúc xạ trong lõi sợi

và phản xạ toàn phần ánh sáng trên bề mặt phân chia giữa lớp lõi và lớp vỏ của sợi

quang Để giải thích hiện tượng trên ta xét sự phản xạ và khúc xạ sóng ánh sáng trên bề mặt phân chia hai môi trường điện môi có chiết suất khác nhau là n1>n2 khi sóng ánh

sáng truyền từ môi trường một sang môi trường hai.

Để cho đơn giản ta coi mặt phân chia hai môi trường là phẳng rộng vô hạn.

Hình 2.1 Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng Hình 2.2 Truyền ánh sáng trong sợi quang

CHƯƠNG II CÁP SỢI QUANG

Hình 2.3 Khẩu điều chế số

2.2 Cở sở lý thuyết truyền dẫn ánh sáng

2.2.3 Lý thuyết mode sóng

Lý thuyết mode sóng dựa trên việc tìm nghiệm phương trình Mac-xoen hay phương trình sóng thuần nhất trong và điều kiện bờ trên mặt phân chia của các lớp sợi

quang Các phương trình đó có dạng như sau:

CHƯƠNG II CÁP SỢI QUANG

2.3 Các đặc trưng suy hao của sợi quang

2.3.1 Các đặc trưng suy hao của sợi quang

Sóng ánh sáng khi truyền dọc theo sợi quang bị suy giảm cường độ theo chiều dài sợi Đó là đặc tính vật lý vốn có của sợi quang gọi là sự suy hao Nếu xét trên 1km chiều dài sợi quang, Pv là công suất tại cuối sợi quang thì lượng suy hao của ánh sáng trên đoạn sợi tính theo đơn vị dB có dạng là:

2.3.2 Phổ suy hao

nên suy hao tổng hợp của sợi được biểu thị là hàm của bước sóng gọi là phổ suy hao.

Hình 2.4 Phổ suy hao của sợi quang

CHƯƠNG II CÁP SỢI QUANG

Sự tán sắc của sợi quang: khi ánh sáng truyền trong sợi quang ngoài bị suy hao còn bị mở rộng độ rộng xung quanh, hiện tượng trên gọi là sự tán sắc ánh sáng trong sợi quang Hình 2.6 dưới mô tả sự tán sắc của sợi quang

Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn đặc tính tán sắc của sợi quang

CHƯƠNG III NGUỒN PHÁT QUANG

3.1 Nguyên lý bức xạ ánh sáng của chất bán dẫn

3.1.1 Nguyên lý bức xạ ánh sáng

Nguồn phát quang dùng trong thông tin sợi quang thích hợp là các linh

kiện quang bán dẫn gồm diode bức xạ ánh sáng LED và diode laser LD

Các nguồn phát quang bán dẫn dùng trong thông tin quang như LED và

diode laser LD dựa trên nguyên lý bức xạ ánh sáng do sự tái hợp giữa

điện tử và lỗ trống xảy ra trong vùng chuyển tiếp P-N của chất bán dẫn

được đặt dưới điện áp thuận

3.1.2 Các chất bán dẫn dùng để chế tạo nguồn phát quang

Không phải mọi chất bán dẫn đều có thể bức xạ ra ánh sáng, mà chỉ có một

số chất bán dẫn có các tính chất nhất định mới bức xạ ra ánh sáng.

Quá trình tái hợp giữa điện tử và lỗ trống tuân theo định luật bảo toàn năng

lượng và bảo toàn xung lượng.

Hình 3.1.Dải cấm năng lượng trực tiếp

Hình 3.2 Dải cấm năng lượng gián tiếp

3.2 Phân loại nguồn phát quang

Nguồn phát quang là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng có công suất tỉ

lệ với dòng điện chạy qua nó.Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang.

3.3 Diode phát quang (LED)

Hiện nay, người ta sử dụng chủ yếu hai loại LED trong các hệ thống thông tin cáp sợi quang

là SLED phát xạ mặt (surface light emitting diode) và ELED phát xạ cạnh (Edge Light Emitting Diode) Cả hai loại này đều dùng cấu trúc dị thể kép để “giam” hạt đa số và ánh sáng vào một lớp hoạt tính.

Bảng 3.1 So sánh ELED và SLED

3.3.1 LED phát xạ mặt

Diode dị thể kép được hình thành trên nền của một chất bán dẫn loại N, ở phía trên của diode

có khoét thêm một lỗ tròn

Hình 3.3 Cấu tạo của LED phát xạ mặt

CHƯƠNG III NGUỒN PHÁT QUANG

3.3.2 LED phát xạ cạnh

Để giảm mất mát do hấp thụ trong lớp hoạt tính và làm cho chùm tia định hướng hơn, ta có thể lấy ánh sáng ra từ cạnh của led Loại led này được gọi là led phát xạ cạnh (ELED) Cấu trúc như hình vẽ.

Hình 3.4 Cấu trúc LED phát xạ cạnh

3.3.3 Các đặc trưng kỹ thuật của LED

Đặc tính phổ: sự phát xạ ánh sáng do dịch chuyển ngẫu nhiên của các

điện tử qua dải cấm gọi là phát xạ tự phát

3.4 LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation)

Thông thường diode laser được sử dụng trong các tuyến cự li dài tốc độ cao (các tuyến này dùng sợi quang đơn mode SM) Nói chung yêu cầu đặt ra đối với diode laser trong thông tin quang là giảm thiểu độ rộng vạch phổ và hoạt động chế độ đơn mode và yêu cầu quan trọng là tăng hiệu suất thì cần phải giảm dòng điện ngưỡng.

3.4.1 Cấu trúc và nguyên tắc làm việc

Không giống như LED (ánh sáng phát ra là do bức xạ tự phát), ánh sáng LASER được tạo ra bằng bức xạ kích thích Bức xạ kích thích xảy ra khi một photon sơ cấp (hv)1 va đập vào một nguyên tử đã được kích thích và thay vì hấp thu photon này lại kích thích cho một điện tử dịch chuyển xuống qua dải cấm và sinh ra một photon mới gọi là photon thứ cấp (hv)2

CHƯƠNG III NGUỒN PHÁT QUANG

thích

3.4.2 Một số loại laser được sử dụng

3.4.2.1 Laser đa mode Fabry_Pero (F_P)

3.4.2.2 LASER đơn mode

a Laser DFB (Distribued Feed Back)

Ở laser này có sự phản hồi quang được thực hiện không phải ở 2 gương mà tiến hành trên cả chiều dài vùng hoạt tính của hộp cộng hưởng, gọi là sự phản hồi phân bố Để tạo ra sự phản hồi phân bố, người ta tạo ra các bộ phản xạ cách tử có tính chọn

b Laser đơn mode cộng hưởng liên kết

Một phương pháp đơn giản để chế tạo laser có thể điều chỉnh được bước sóng ánh sáng ra là

sử dụng bộ chọn lọc bước sóng ngoài sẽ chọn lọc một mode sóng Fabry- perot duy nhất trong

số các mode Fabry- Perot cùng tồn tại của laser bằng cách điều chính các tham số của bộ lọc

Hình 3.6 Cấu trúc của bộ lọc ngoài

3.4.3 Các đặc trưng của laser

a) Đặc tính phổ của diode laser

Trong trong diode laser chỉ một số sóng ánh sáng có bước sóng nhất định mới có thể lan truyền được trong buồng cộng hưởng Điều kiện để truyền lan ánh sáng là sóng phản xạ và sóng tới phải đồng pha với nhau

1 5 0

độ rộng vạch phổ

λ

Ánh sáng ra

(d) (c )

Hình 3.7 Đồ thị phổ bức xạ của LASER

CHƯƠNG III NGUỒN PHÁT QUANG

Nguồn quang sử dụng trong thông tin sợi quang là diode bán dẫn quang gọi là photo diode Có hai loại photo diode được sử dụng phổ biến là photo diode PIN và và photo diode thác APD Photo diode có nhiệm vụ thu và biến đổi tín hiệu quang từ máy phát truyền dọc sợi quang về dạng tín hiệu điện.

4.2 Photo diode P-N

4.2.1 Cấu tạo và nguyên tắc tách sóng quang của photo diode P-N

Photo diode P-N được cấu tạo từ một chuyển tiếp P-N từ bán dẫn như Si và được cấp một thiên áp ngược (hình 4.1)

Do sự khuếch tán của điện tử và lỗ trống nên giữa hai lớp P-N của bán dẫn hình

thành một lớp chuyển tiếp P- N có rất ít điện tích tự do được gọi là lớp nghèo với độ rộng là l và có một điện trường tiếp xúc Etx Ở trạng thái cân bằng, điện trường này ngăn cản sự khuếch tán tiếp theo của các điện tử và lỗ trống qua lớp nghèo

4.2.3 Các đặc tính kỹ thuật của photo diode P- N

a Độ nhạy R

Độ nhạy của photo diode được biểu diễn qua hiệu suất lượng tử của nó theo biểu thức:

Ở đây: e=1,6.10-19C là điện tích của điện tử

b Hiệu suất lượng tử

Hình 4.1 biểu diễn các đường cong độ nhạy

R và hiệu suất lượng tử phu thuộc vào bước

sóng của các chất bán dẫn dung chế tạo photo

diode như Si, Ge và InGaAs Từ đồ thị ta thấy

mỗi photo diode chỉ làm việc trong vùng Bước

sónggọi là bước sóng cắt Tại vùng độ nhạy

của photo diode

24,1

Hình 4.1 Đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử

CHƯƠNG IV NGUỒN THU QUANG

4.2.3 Các đặc tính kỹ thuật của photo diode P- N

4.3 Photo diode PIN

4.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Photo diode PIN được cấu tạo từ bán dẫn loại Si hay InGaAs gồm 3 lớp là P, N và lớp giữa I (I là chất tinh khiết cao ôm- Instrinsic) Tại hai lớp P và N có gắn lớp tiếp xúc kim loại để tạo thành các điện cực là anôt và catot Nhờ có thêm vùng bán dẫn tinh khiết I nên điện trường do điện áp đặt từ ngoài lên vùng này có cường độ trường khá lớn, vì vậy tăng được tốc độ trôi của dòng điện hạt dẫn qua lớp nghèo lên nhiều lần so với photo diode P-N

P

I

N

Chiều dầy Trở tải RL

4.3.2 Tham số kỹ thuật của PIN

Bảng 4.1 thể hiện các tham số kỹ thuật của một số photo diode PIN tiêu biểu làm từ các loại bán dẫn khác nhau:

Bảng 4.1 Các tham số kỹ thuật của photo diode PIN

CHƯƠNG IV NGUỒN THU QUANG

4.4 Photo diode thác APD

Photo diode thác APD có nhược điểm là độ nhậy bị hạn chế, do vậy trong các tuyến thông tin yêu cầu độ nhậy của máy thu cao, ta cần phải sử dụng một loại photo diode có độ nhậy cao hơn gọi là photo diode thác APD Trong photo diode thác APD dòng quang điện được khuếch đại lên nhiều lần do hiệu ứng nhân thác xảy ra bởi sự ion hoá do va chạm của điện tử được tạo ra với mạng tinh thể trong lớp nhân thác của diode để tạo ra nhiều cặp điện tử và lỗ trống mới trong khoảng thời gian rất ngắn.

4.4.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Photo diode thác APD được cấu tạo từ chất bán dẫn Si hoặc InGaAs bao gồm 4 lớp là P+, N+, I

và P cao ôm Ở đây các vùng bán dẫn + được pha tạp chất với nồng độ cao.

Hình 4.3 Cấu tạo của diode thác APD

4.4.2 Các tham số kỹ thuật của APD

Để đặc trưng cho sự nhân thác dòng quang điện trong photo diode APD, ta đưa vào tham số gọi là thừa số nhân thác M Nó được biểu thị bởi tỷ số của dòng quang điện trung bình tổng đầu

ra trên dòng ban đầu không được nhân là:

Độ nhạy của photo diode thác được biểu thị qua công thức sau:

5.1 Tổng quan về hệ thống ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM

Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin quang đã đạt được những thành tựu rất to lớn trong đó phải kể đến kỹ thuật ghép kênh quang, nó thực hiện việc ghép các tín hiệu ánh sáng để truyền trên sợi quang nhằm tăng dung lượng kênh truyền và tạo ra các tuyến thông tin có tốc độ cao

5.1.1 Nguyên lý ghép kênh trong hệ thống OTDM

Quá trình ghép kênh trong hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, chuỗi xung quang hẹp được phát ra từ nguồn laser thích hợp Các tín hiệu này

có thể đưa vào và khuếch

Nguồ

n phát quang

KĐ quan g

Bộ chia quan g

Bộ điều chế

Bộ điều chế

Bộ điều chế

Bộ điều chế

Bộ ghép quan g

KĐ quan g

Khối phát clock

Bộ tách kênh

Kênh

Tín hiệu

Trễ quang

Sợi quan

4 1 2 3 4

4 Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM ghép 4 kênh quang

5.1.2 Phát tín hiệu trong hệ thống OTDM

Hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh OTDM áp dùng hai kỹ thuật phát tín hiệu chủ yếu sau:

Tạo luồng số liệu quang số RZ thông qua việc xử lý quang luồng NRZ

Dựa vào việc điều chế ngoài của các xung quang

Trong kỹ thuật tạo luồng số liệu quang số RZ thông qua việc xử lý quang luồng NRZ,

từ luồng NRZ ta thực hiện biến đổi chúng để đưa về dạng tín hiệu RZ bằng cách cho luồng tín hiệu NRZ qua phần tử xử lý quang có đặc tính chuyển đổi phù hợp Quá trình biến đổi ánh sáng liên tục (CW) thàng các xung dựa vào bộ khuếch đại điện – quang Đầu vào CW là luồng tín hiệu quang NRZ và thường thì mỗi luồng NRZ yêu cầu một phân tử xử lý riêng

Nhưng với các hệ thống tiên tiến hơn sẽ cho phép đồng thời thực hiện cả biến đổi và xen quang NRZ thành NZ nhờ một thiết bị chuyển mạch tích cực điện – quang 2x2

Vì vậy, chùm tín hiệu ban đầu NRZ tốc độ B Gbit/s sẽ được lấy mẫu nhờ bộ điều chế Mach-Zehnder, bộ điều chế này được điều khiển với một sóng hình sin với tần số B GHz và được làm bằng biên độ cho đến giá trị điện áp chuyển mạch

CHƯƠNG V GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA

THEO THỜI GIAN

5.2 Giải ghép và xen rẽ kênh trong hệ thống OTDM

5.2.1 Giải ghép

Khi xem xét các hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ OTDM, người ta quan tâm đến việc ghép và giải ghép trong vùng thời gian quang Với hệ thống thông tin quang có cấu hình điểm-điểm thì công việc giải ghép ở phía thu là việc tách hoàn toàn các kênh quang tương ứng đã được phát ở đầu phát Nhưng đối với mạng

thông tin quang sử dụng kĩ thuật OTDM thì việc giải ghép ở phía thu không chỉ đơn thuần là tách các kênh quang mà còn thực hiện việc xen và rẽ kênh từ luồng truyền dẫn

Đối với các bộ giải ghép kênh cần phải xem xét các thông số cơ bản về tách kênh

kể cả tỷ số phân biệt quang, suy hao quang, suy hao xen và mặt cắt cửa sổ chuyển mạch có thể đạt được Tỷ số phân biệt có ảnh hưởng rất lớn đến mức độ xuyên âm

EX = 10logA/B