bài giảng cơ sở kỹ thuật thông tin quang

TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Nhóm biên soạn: TS Nguyễn Đức Nhân ThS Trần Thủy Bình ThS Ngô Thu Trang ThS Lê Thanh Thủy HÀ NỘI 12-2013     i     LỜI MỞ ĐẦU Từ đời thông tin quang trở thành hệ thống truyền dẫn trọng yếu mạng lưới viễn thông Trước đây, nhắc đến hệ thống truyền dẫn quang thường nghĩ đến hệ thống truyền dẫn với tốc độ cao, dung lượng lớn đóng vai trò mạng đường trục viễn thông Nhưng đây, thông tin quang phát triển nhanh chóng cấp độ mạng truy nhập Có thể thấy để đáp ứng nhu cầu truyền tải bùng nổ thông tin, hệ thống viễn thông cần phải phát triển qui mô cấu trúc mạng Mạng truyền dẫn dựa hệ thống truyền thông sợi quang xương sống mạng viễn thông Do để xây dựng hệ thống thông tin quang cần tìm hiểu đầy đủ Nhằm cung cấp cho sinh viên kiến thức phần tử cấu thành hệ thống thông tin sợi quang, tham số nguyên lý vận hành hệ thống, nhóm tác giả viết giảng “Kỹ thuật thông tin sợi quang” kênh tài liệu tham khảo bổ ích cho môn học Tài liệu gồm chương với nội dung sau: • Chương 1: Chúng trình bày tổng quan kỹ thuật thông tin sợi quang, lịch sử phát triển, sơ đồ khối hệ thống thông tin sợi quang số khái niệm liên quan đến kỹ thuật thông tin quang • Chương 2: Giới thiệu cấu trúc loại sợi quang, trình lan truyền ánh sáng sợi quang theo quan điểm quang hình sóng điện từ Các đặc tính truyền dẫn sợi quang trình bày Ngoài ra, giới thiệu cấu trúc cáp sợi quang số vấn đề kết nối cáp • Chương 3: Bộ phát quang phần tử quan trọng hệ thống thông tin sợi quang Trong chương này, giới thiệu cấu trúc đặc tính quan trọng nguồn phát quang bán dẫn sử dụng chủ yếu hệ thống thông tin sợi quang LED laser Các vấn đề thiết kế phát quang điều biến cường độ sử dụng LED laser trình bày • Chương 4: Cấu trúc thu tín hiệu quang phần tử chuyển đổi quang điện quan trọng PIN APD trình bày cụ thể Các vấn đề nhiễu thiết kế thu quang phân tích đánh giá • Chương 5: Giới thiệu vấn đề thiết kế hệ thống thông tin quang bao gồm hệ thống thông tin quang số hệ thống thông tin quang tương tự Ngoài vấn đề thiết kế hệ thống đơn kênh, số khái niệm nguyên lý hệ thống đa kênh giới thiệu ii     Chúng hy vọng giảng tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên chuyên ngành viễn thông người quan tâm Với khối lượng lớn kiến thức nhóm tác giả cố gắng chắt lọc để giới thiệu tới bạn đọc số lượng trang sách định để giúp bạn đọc nắm bắt vấn đề kỹ thuật thông tin sợi quang Chúng mong nhận ý kiến đóng góp quí thầy cô, bạn sinh viên người quan tâm để hoàn thiện tài liệu Nhóm biên soạn iii     MỤC LỤC Chương Tổng quan hệ thống thông tin quang 1.1 Lịch sử phát triển thông tin quang 1.2 Một số khái niệm thông tin quang 1.2.1 Băng tần phổ quang 1.2.2 Ghép kênh 1.2.3 Đơn vị công suất 10 1.3 Mô hình tổng quát hệ thống thông tin quang 11 1.3.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang 11 1.3.2 Các thành phần hệ thống thông tin quang sợi 12 1.3.3 Đặc điểm hệ thống thông tin sợi quang 14 1.4 Các tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin quang 16 Câu hỏi/bài tập chương 17 Chương Sợi quang 18 2.1 Cấu tạo phân loại sợi quang 18 2.1.1 Cấu tạo sợi quang 18 2.1.2 Phân loại sợi quang 19 2.2 Truyền sóng ánh sáng sợi quang 21 2.2.1 Mô tả theo quang hình học 21 2.2.2 Lý thuyết truyền sóng 24 2.3 Suy hao sợi quang 37 2.3.1 Hệ số suy hao sợi quang 37 2.3.2 Nguyên nhân gây suy hao 38 2.4 Tán sắc sợi quang 45 2.4.1 Khái niệm phân loại tán sắc 45 2.4.2 Tán sắc mode 46 2.4.3 Tán sắc vận tốc nhóm 48 2.4.4 Tán sắc bậc cao 55 2.4.5 Tán sắc mode phân cực 56 2.5 Các giới hạn truyền dẫn gây tán sắc 58 2.5.1 Phương trình truyền dẫn 58 2.5.2 Truyền xung Gauss có chirp 60 iv     2.5.3 Giới hạn tốc độ bit 63 2.5.4 Độ rộng băng tần sợi quang 66 2.6 Các hiệu ứng quang phi tuyến 68 2.6.1 Nguồn gốc hiệu ứng quang phi tuyến 68 2.6.2 Hiệu ứng tán xạ kích thích 70 2.6.3 Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến 73 2.6.4 Trộn bốn sóng 75 2.7 Cáp sợi quang 76 2.7.1 Chế tạo sợi quang 76 2.7.2 Cáp sợi quang 79 2.7.3 Hàn kết nối sợi quang 82 Câu hỏi/bài tập chương 86 Chương Bộ phát quang 88 3.1 Một số vấn đề vật lí quang bán dẫn 88 3.1.1 Quá trình phát xạ hấp thụ 88 3.1.2 Các vật liệu bán dẫn 92 3.1.3 Tiếp giáp p-n 98 3.1.4 Tái hợp không xạ 101 3.2 Nguồn LED 103 3.2.1 Cấu tạo phân loại nguồn LED 103 3.2.2 Đặc tính LED 107 3.3 Laser laser bán dẫn (LD) 114 3.3.1 Cấu tạo nguồn laser bán dẫn 114 3.3.2 Đặc tính LD 120 3.3.3 Các nguồn LD đơn mode 130 3.4 Điều biến nguồn quang 134 3.5 Một số vấn đề thiết kế phát quang 142 3.5.1 Ghép nối nguồn - sợi quang 142 3.5.2 Mạch kích thích nguồn quang 144 3.5.3 Ổn định nguồn quang 148 Câu hỏi/bài tập chương 148 Chương Bộ thu quang 150 v     4.1 Một số khái niệm 150 4.1.1 Đáp ứng thu 150 4.1.2 Hiệu suất lượng tử 151 4.1.3 Độ rộng băng tần nguồn thu 152 4.1.4 Thời gian đáp ứng 152 4.2 Các loại diode thu quang 155 4.2.1 Diode thu quang p-i-n 155 4.2.2 Diode thu quang thác APD 157 4.2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động 157 4.3 Một số vấn đề thiết kế thu quang 164 4.3.1 Phần trước (Front end) thu quang 164 4.3.2 Kênh tuyến tính 165 4.3.3 Mạch định 166 4.3.4 Một số kiểu mạch tiền khuếch đại thu quang 166 4.3.4.a Các mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao 168 4.3.4.b Các khuếch đại tranzisto lưỡng cực trở kháng cao 170 4.3.4.c Bộ khuếch đại hỗ dẫn ngược 171 4.3.4.d Bộ thu quang có mạch tích hợp 173 4.4 Nhiễu thu quang 175 4.4.1 Các chế nhiễu 176 4.4.1.a Nhiễu nổ 176 4.4.1.b Nhiễu nhiệt 177 4.4.2 Nhiễu thu p-i-n 178 4.4.3 Nhiễu thu APD 179 4.5 Các tham số đánh giá hiệu thu quang 181 4.5.1 Xác suất lỗi 181 4.5.2 Độ nhạy thu 184 4.5.3 Giới hạn lượng tử thu quang 187 4.6 Kỹ thuật thu coherent 188 4.6.1 Khái niệm 189 4.6.2 Kỹ thuật thu homodyne 190 4.6.3 Kỹ thuật thu heterodyne 191 4.6.4 Tỷ số tín hiệu nhiễu thu coherent 192 vi     Chương Hệ thống thông tin quang sợi 195 5.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 195 5.1.1 Tuyến điểm – điểm 195 5.1.2 Hệ thống thông tin quang số 196 5.1.3 Hệ thống thông tin quang tương tự 200 5.2 Cơ sở thiết kế hệ thống 204 5.2.1 Hệ thống bị giới hạn suy hao 205 5.2.2 Hệ thống bị giới hạn tán sắc 206 5.2.3 Quỹ công suất quang 208 5.2.4 Quỹ thời gian lên 209 5.3 Bù công suất 211 5.3.1 Bù công suất nhiễu mode 211 5.3.2 Bù công suất nhiễu phần mode 213 5.3.3 Bù công suất dãn xung tán sắc 214 5.3.4 Bù công suất chirp tần 216 5.3.5 Bù công suất nhiễu phản xạ 217 5.4 Hệ thống đa kênh 221 5.4.1 Hệ thống thông tin quang WDM 221 5.4.2 Hệ thống thông tin quang OTDM 223 5.4.3 Hệ thống thông tin quang SCM 224 5.4.4 Hệ thống ghép kênh theo mã (CDM) 225 Câu hỏi/bài tập chương 226 Tài liệu tham khảo 227 vii     DANH SÁCH THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt A APD Avalanche Photodiode AR ASE Antireflection Coating Amplified Spontanous Emission Diode tách sóng quang thác Vỏ chống phản xạ Bức xạ tự phát khuếch đại B BA BER BH C CW D DBR DCF DFB DR DR DWDM E ELED F FET FPA Booster Amplifier Bit Error Rate Burried Heterostructure Bộ khuếch đại công suất Tỷ số lỗi bit Cấu trúc dị thể chôn Continuous 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 FPLD Fabry – Perot Laser Diode FWHM Full Width at Half Maximum FWM G GI GVD I Four Wave Mixing Transistor hiệu ứng trường Bộ khuếch đại Fabry – Perot Laser diode có khoang cộng hưởng Fabry – Perot Độ rộng toàn phần nửa lớn Trộn bốn sóng Graded Index Group Velocity Dispersion Chỉ sốGradien Tán sắc vận tốc nhóm viii     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 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 hóa chất biến đổi Transistor trường bán dẫn kim loại MFD MOSFET Mode Field Diameter Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor Đường kính trường mode Transistor trường oxit Silic kim loại MQW MZ 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 Root Mean Square Return Zero Nhiễu cường độ tương đối Căn trung bình bình phương Trở Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích N NA NF NLS O OA P PA PMD PIN R RIN RMS RZ S SBS ix     SE SLED SI SMF SNR SPM W WDM Spontaneous Emission Surface emitting LED Step Index Single Mode Fiber Signal – to – Noise Ratio Self Phase Modulation Phát xạ tự phát LED phát xạ cạnh Chỉ số chiết suất phân bậc Sợi quang đơn mode Tỉ số tín hiệu nhiễu Tự điều chế pha Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng x     Hình 5-11 Công suất giảm nhiễu mode Tham số M tổng số mode dọc mà công suất vượt 10% công suất đỉnh 5.3.2 Bù công suất nhiễu phần mode Nhiễu phần mode (MPN) sinh từ laser bán dẫn đa mode Hiện tượng xảy không tương quan cặp mode dọc Mặc dù tổng công suất quang phát không đổi, MNP làm cho cường độ mode bị thăng giáng tương đối lớn Khi tán sắc sợi quang, MNP không ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống tất mode trì đồng suốt trình truyền dẫn tách sóng quang Tuy nhiên thực tế, ảnh hưởng tán sắc vận tốc nhóm, mode lan truyền với vận tốc khác trở nên không đồng Điều gây nên thăng giáng dòng quang điện thu dẫn đến suy giảm SNR Để trì chất lượng hệ thống (đạt BER yêu cầu MNP), lượng công suất cần phải bù để tăng SNR hệ thống Ảnh hưởng MPN đến chất lượng hệ thống nghiên cứu nguồn laser bán dẫn đa mode nguồn laser gần đơn mode Trong trường hợp laser bán dẫn đa mode, mức thiệt thòi công suất MNP gây tính theo công thức sau: δ mpn = −5 log10 (1 − Q rmpn ) (5.22) Trong rmpn mức nhiễu tương đối công suất thu có MPN xác định qua mô hình đơn giản sau ( rmpn = k ){ [ 2 − exp − (πBLDσ λ ) ]} (5.23) với σλ độ rộng RMS mode k hệ số cạnh tranh mode liên hệ với hệ số tương quan chéo γcc theo 𝑘 = − 𝛾!! Giá trị k xác định khoảng 0÷1 Rất khó xác định giá trị k giá trị khác nguồn laser khác Các phép đo thực nghiệm cho thấy giá trị k thường nằm khoảng 0,6-0,8 khác cặp mode Có thể dùng ptr.(5.22) (5.23) để tính toán mức độ thiệt thòi công suất MPN gây Hình 5-12 cho thấy độ thiệt thòi công suất BER 10-9 (Q = 6) hàm tham số tán sắc chuẩn hóa BLDσλ vài giá trị k Quan sát hình 5-12 ta thấy, giá trị cho k, δmpn tăng nhanh theo BLDσλ đạt giá trị vô BLDσλ đạt đến giá trị tới hạn Với k > 0,5, độ 213     thiệt thòi công suất lớn BLDσλ lớn 0,15 Tuy nhiên, độ thiệt thòi giảm xuống tới mức không đáng kể (δmpn < 0,5 dB) hệ thống thông tin quang thiết kế cho BLDσλ < 0,1 Hình 5-12 Độ thiệt thòi công suất MPN gây phụ thuộc BLDσλ nguồn laser bán dẫn đa mode có độ rộng phổ hiệu dụng σλ Các đường cong khác tương ứng với giá trị khác hệ số phân bố mode k 5.3.3 Bù công suất dãn xung tán sắc Hầu hết hệ thống thông tin quang sử dụng sợi đơn mode có tán sắc vận tốc nhóm giới hạn tích BL phân tích chương Bên cạnh đó, dãn xung tán sắc gây làm suy giảm độ nhạy thu Sự dãn xung tán sắc ảnh hưởng tới hiệu thu theo hai cách sau: - Thứ nhất, phần lượng xung bị trải rộng khỏi khe bit cấp phát gây giao thoa ký tự (ISI) - Thứ hai, lượng xung khe bit bị giảm xung quang bị dãn rộng Điều làm giảm SNR mạch định Để trì chất lượng hệ thống theo yêu cầu SNR cần trì mức xác định, công suất trung bình thu đòi hỏi phải lớn Đây nguồn gốc thiệt thòi công suất giãn xung gây (δd) Việc tính toán xác giá trị δd công việc khó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ví dụ dạng xung thu Trong trường hợp đơn giản giả sử xung có 214     dạng Gauss, độ thiệt thòi công suất δd (tính theo dB) tính theo công thức sau: (5.24) δ d = 10 log10 f b Trong fb hệ số dãn xung Đối với hệ thống thông tin quang sợi thiết kế sử dụng nguồn quang băng rộng fb xác định theo công thức sau [ ] 1/ f b = σ σ = + (DLσ λ σ ) (5.25) Với σλ độ rộng phổ hiệu dụng (rms) nguồn quang giả định có phân bố Gauss σ0 độ rộng xung hiệu dụng (rms) phát quang liên hệ với chu kỳ độ rộng dc xung RZ 4𝜎! = 𝑑! 𝑇! , 𝑇! = 1/𝐵 độ rộng khe bit tốc độ B xác định Sử dụng 𝜎! = 𝑑! (4𝐵) vào (5.25) sử dụng (5.24), độ thiệt thòi công suất [ δ d = log10 + (4BLDσ λ d c )2 ] (5.26) Đối với hệ thống khoảng cách lớn thiết kế sử dụng nguồn quang phổ hẹp xung chirp tần, độ thiệt thòi công suất xác định [ δ d = log10 + (8β B L d c2 ) ] (5.27) Hình 5-13 cho thấy độ thiệt thòi công suất hàm tổ hợp tham số = 𝛽! 𝐵! 𝐿 cho ba giá trị dc Mặc dù độ thiệt thòi bỏ qua giá trị µ < 0,05 dc > 0,5 tăng nhanh theo µ lớn dB µ = 0,1 dc = 0,5 Do quan trọng để giữ µ nhỏ 0,1 215     Hình 5-13 Độ thiệt thòi công suất tán sắc gây phụ thuộc = 𝛽! 𝐵! 𝐿 ba giá trị chu kỳ độ rộng xung luồng bit RZ 5.3.4 Bù công suất chirp tần Hiện tượng chirp tần xung quang sinh từ điều chế trực tiếp nguồn laser bán dẫn tăng cường dãn xung tán sắc sợi làm suy giảm chất lượng hệ thống đề cập chương Việc tính toán xác độ thiệt thòi công suất chirp gây (δc) không dễ dàng chirp tần số phụ thuộc vào dạng độ rộng xung quang Trong trường hợp xung dạng Gauss chirp tuyến tính, độ thiệt thòi công suất ước tính qua hệ số dãn xung có chirp (5.24) với 𝑇! = 2𝑑! (4𝐵) sau [ 2 δ c = log10 (1 + 8Cβ B L d c2 ) + (8β B L d c2 ) ] (5.28) 216     Hình 5-14 Công suất giảm chirp gây hàm B2L vài giá trị tham số chirp C Hình 5-14 cho thấy độ thiệt thòi công suất chirp gây hàm 𝛽! 𝐵! 𝐿 cho vài giá trị hệ số chirp C với dc = Tham số β2 lấy giá trị âm trường hợp hệ thống thông tin quang hoạt động vùng bước sóng 1,55µm Đường cong C = tương ứng với trường hợp xung chirp Độ thiệt thòi công suất bỏ qua (