6.1 GIỚI THIỆU 1 6.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 1 6.1.2 Sơ lược cấu trúc hệ thống thông tin quang 4 6.1.3 Ưu điểm và nhược điểm 6 6.2.1 SỢI CÁP QUANG 7 6.2.1 Khái niệm và những ứng dụng của sợi quang 7 6.2.1.1 Khái niệm 7 6.2.1.2 Ứng dụng 7 6.2.2 Cấu trúc sợi quang 7 6.2.2.1 Sợi quang 8 6.2.2.2 Cáp quang 8 6.2.2.3 Cấu trúc sợi quang 10 6.2.3 Các mode sợi quang 10 6.2.3.1 Khái niệm mode 10 6.2.3.2 Sợi đa mode 10 6.2.4 Các thông số của sợi quang 12 6.2.4.1 Công suất 12 6.2.4.2 Hệ số suy hao 12 6.2.5 Các đặc tính truyền dẫn sợi quang 13 6.2.5.1 Suy hao 13 6.2.5.2 Tán sắc 16 6.2.5.3 Hiêu ứng phi tuyến trong sợi quang 18 6.3. BỘ PHÁT QUANG 18 6.3.1 Các khái niệm cơ bản 18 6.3.1.1 Mức năng lượng 20 6.3.1.2 Các nguyên lí biến đổi quang điện 21 6.3.1.3 Vùng năng lượng 21 6.3.1.4 Các tiếp giáp pn 22 6.3.2 Nguồn phát quang 24 6.3.2.1 Diode phát quang LED 24 6.3.2.2 Laser 29 6.4 THIẾT BỊ THU QUANG 34 6.4.1 Giới thiệu 34 6.4.2 Các loại photodiode 34 6.4.2.1 Photodiode pin 34 6.4.2.2 Photodiode thác lũ 36 6.4.3 Các thông số cơ bản 37 6.4.3.1 Hiệu suất lượng tử 37 6.4.3.1 Đáp ứng quang R 38 6.4.4 Độ nhạy thu 39 6.4.4.1 Các cơ chế nhiễu 40 6.4.4.1.1 Nhiễu nổ 40 6.4.4.1.2 Nhiễu nhiệt 40 6.4.4.1.3 Nhiễu trong bộ thu pin 41 6.4.4.1.4 Nhiễu trong bộ thu APD 41 6.4.4.1.5 Nhiễu Schottky 42 6.4.5 Một số vấn đề khác trong thiết kế bộ thu quang 42 6.5 QUẢN LÝ MẠNG QUANG 43 6.5.1 Các phần tử mạng quang 43 6.5.2 Các chức năng quản lí mạng 45 6.5.2.1 Quản lý sự cố 45 6.5.2.2 Quản lý cấu hình 45 6.5.2.3 Quản lý bảo mật 48 6.5.2.4 Quản lý bảo mật 48 6.5.2.5 Quản lý kế toán 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG --- BÁO CÁO HỆ THỐNG VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GVHD: ThS Hide NHÓM: LỚP: DV14 TP.HỒ CHÍ MINH, 12 - 2017 ii Hệ thống thơng tin quang MỤC LỤC 6.1 GIỚI THIỆU .1 6.1.1 Lịch sử hình thành phát triển 6.1.2 Sơ lược cấu trúc hệ thống thông tin quang 6.1.3 Ưu điểm nhược điểm 6.2.1 SỢI CÁP QUANG 6.2.1 Khái niệm ứng dụng sợi quang .7 6.2.1.1 Khái niệm .7 6.2.1.2 Ứng dụng 6.2.2 Cấu trúc sợi quang .7 6.2.2.1 Sợi quang 6.2.2.2 Cáp quang .8 6.2.2.3 Cấu trúc sợi quang 10 6.2.3 Các mode sợi quang 10 6.2.3.1 Khái niệm mode 10 6.2.3.2 Sợi đa mode 10 6.2.4 Các thông số sợi quang .12 6.2.4.1 Công suất 12 6.2.4.2 Hệ số suy hao 12 6.2.5 Các đặc tính truyền dẫn sợi quang .13 6.2.5.1 Suy hao .13 6.2.5.2 Tán sắc 16 6.2.5.3 Hiêu ứng phi tuyến sợi quang 18 Hệ thống thông tin quang 6.3 BỘ PHÁT QUANG 18 6.3.1 Các khái niệm 18 6.3.1.1 Mức lượng 20 6.3.1.2 Các nguyên lí biến đổi quang điện .21 6.3.1.3 Vùng lượng .21 6.3.1.4 Các tiếp giáp p-n 22 6.3.2 Nguồn phát quang 24 6.3.2.1 Diode phát quang LED 24 6.3.2.2 Laser 29 6.4 THIẾT BỊ THU QUANG 34 6.4.1 Giới thiệu 34 6.4.2 Các loại photodiode 34 6.4.2.1 Photodiode p-i-n 34 6.4.2.2 Photodiode thác lũ 36 6.4.3 Các thông số 37 6.4.3.1 Hiệu suất lượng tử 37 6.4.3.1 Đáp ứng quang R 38 6.4.4 Độ nhạy thu .39 6.4.4.1 Các chế nhiễu 40 6.4.4.1.1 Nhiễu nổ 40 6.4.4.1.2 Nhiễu nhiệt 40 6.4.4.1.3 Nhiễu thu p-i-n 41 6.4.4.1.4 Nhiễu thu APD 41 Hệ thống thông tin quang 6.4.4.1.5 Nhiễu Schottky 42 6.4.5 Một số vấn đề khác thiết kế thu quang 42 6.5 QUẢN LÝ MẠNG QUANG 43 6.5.1 Các phần tử mạng quang 43 6.5.2 Các chức quản lí mạng .45 6.5.2.1 Quản lý cố 45 6.5.2.2 Quản lý cấu hình .45 6.5.2.3 Quản lý bảo mật 48 6.5.2.4 Quản lý bảo mật 48 6.5.2.5 Quản lý kế toán .48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 Hệ thống thông tin quang 6.1.GIỚI THIỆU 6.1.1.Lịch sử hình thành phát triển Từ xa xưa để truyền thông tin cho nhau,con người biết liên lạc với cách dấu.Trải qua thời gian dài lịch sử,thơng tin quang có bước phát triển hồn thiện tóm tắt qua lịch sử đây: Năm 1775:Paul Revere sử dụng ánh sáng để báo hiệu quân đội Anh từ Boston kéo tới Năm 1790:Claude Chappe,kỹ sư người Pháp xây dựng hệ thống điện báo quang `Hình 6.1.1.Hệ thống điện báo quang Năm 1854:John Tyndall,nhà vật lý tự nhiên người Anh,đã thực thành cơng thí nghiệm đáng ý ánh sáng truyền qua mơi trường điện mơi suốt Năm 1870:cũng ơng chứng minh ánh sáng dẫn theo vòi nước uốn cong dựa vào ngun lí phản xạ tồn phần Hệ thống thơng tin quang Hình 6.1.2.Hiện tượng phản xạ tồn phần Năm 1880:Alexander Graham Bell,người Mỹ,đã phát minh hệ thống thông tin ánh sáng,đó hệ thống photophone Hình 6.1.3.Hệ thống photophone Năm 1934:Norman R.French,kỹ sư người Mỹ,nhận sáng chế hệ thống thông tin quang.Phương tiện truyền dẫn ông thủy tinh Năm 1950:Brian O’Brien,Harry Hopkins Naiorger Kapany phát triển sợi quang có hai lớp,bao gồm lớp lõi(Core) bên lớp bọc(Cladding) bao bọc xung quanh bên nhằm giữ ánh sáng lõi Năm 1958: Charles H.Townes phát minh Laser Hệ thống thơng tin quang Hình 6.1.3.Tia laser Năm 1960:Theodor H.Mainman đưa laser vào hoạt động thành công,làm tăng dung lương hệ thống thông tin quang cao Năm 1966:Charles K.Kao George Hockham nhận thủy tinh chế tạo đủ tinh khiết ánh sáng truyền xa nhiều Km Năm 1967:Suy hao sợi quang 1000 dB/Km Năm 1970:Hãng Corning Glass Works chế tạo thành cơng sợi SI có suy hao 200ps) Ngược lại, photodiode chế tạo từ vật liệu có dải cấm trực tiếp,ví dụ InGaAs, W nhỏ tới 5m mà đảm bảo hiệu suất lượng tử Thời gian chuyển tiếp photodide loại r 10ps mà độ rộng băng tần cải thiện (f 10GHz) 6.4.2.2 Photodiode thác lũ (APD: Avalanche Photodiode) Có thể thấy rằng, tất thu quang ln đòi hỏi dòng tối thiểu để hoạt động cách tin cậy Do công suất đến photodiode dòng photo tạo có mối quan hệ Pin= Ip/R nên người ta mong muốn tách sóng có đáp ứng R lớn cần lượng nhỏ công suất quang đến thu, thu hoạt động tin cậy Độ nhạy thu thu p-i-n bị giới hạn cơng thức 158 (4.3) có giá trị lớn R=q/h =1 Vì có chế khuếch đại nội nên photodiode thác APD có giá trị R lớn nhiều so với photodiode p-i-n Sau hấp thụ photon, hình thành nên cặp điện tử-lỗ trống, APD khuếch đại dòng quang điện bên trước dòng vào mạch khuếch đại điện điều làm tăng mức tín hiệu, dẫn tới độ nhạy thu tăng lên đáng kể Hiện tượng vật lý đằng sau chế khuếch đại nội tượng ion hóa va chạm Để hiểu rõ trình này, phần trình bày cấu tạo hoạt động photodiode APD Cấu trúc thông dụng photodiode APD mơ tả hình 4-6 So với cấu trúc p-i-n, APD có thêm lớp p cấu tạo từ vật liệu loại p có điện trở suất cao.Lớp đóng vai trò vùng nhân cặp điện tử-lỗ trống thứ cấp tạo Hệ thống thông tin quang vùng nhờ tượng ion hóa va chạm Lớp i APD đóng vai trò vùng hấp thụ tương tự photodiode p-i-n Hình 4-6.Cấu trúc photodiode APD phân bốđiện trường APD định thiên ngược Hoạt động APD: Ánh sáng vào APD qua lớp p + mỏng Hầu toàn hấp thụ photon xảy miền nghèo (miền i), miền bán dẫn bán dẫn pha tạp nhẹ Cũng diode tách quang p-i-n, điện trường miền nghèo APD điều khiển lỗ 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 + Khi vào miền này, gặp điện trường lớn, điện tử - lỗ trống tăng tốc, va đập mạnh vào nguyên tử bán dẫn tạo cặp điện tử - lỗ trống 159 thứ cấp thông 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 v.v Đó hiệu ứng thác, hay gọi hiệu ứng nhân Q trình làm tăng dòng điện bên ngồi tăng độ nhạy APD Để xảy tượng ion hóa va chạm, điện trường vùng nhân phải gần với mức đánh thủng zener Đối với photodiode Si, ngưỡng trường điện cần thiết để thu nhân mức 105V/cm 6.4.3 Các thông số 6.4.3.1 Hiệu suất lượng tử : số lượng cặp điện tử - lỗ trống sinh / số lượng photon tới Mỗi photon tạo cặp điện tử - lỗ trống • Thơng thường, hiệu suất lượng tử đạt từ 30 – 95 % • Ví dụ: Trong tín hiệu quang (xung 100 ns) có triệu photon λ = 1300 nm tới photodiode InGaAs có 5,4 triệu cặp điện tử - lỗ trống sinh Hiệu suất lượng tử η = 90 % Hệ thống thơng tin quang • Hiệu suất lượng tử có đặc tính phụ thuộc bước sóng, phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn cấu trúc photodiode • Với Si, hiệu suất lượng tử gần 6.4.3.2 Đáp ứng quang R (Responsivity) Đáp ứng quang R = dòng điện sinh đơn vị cơng suất quang tới (A/W) R phụ thuộc vào vật liệu chế tạo bước sóng Ví dụ: R = 0.65 A/W với vật liệu Si λ = 900 nm R = 0.45 A/W với vật liệu Ge λ = 1300 nm R = 0.9 A/W với vật liệu InGaAs λ = 1300 nm R = A/W với vật liệu InGaAs λ = 1550 nm Bài tập: Công suất quang thu photodiode InGaAs λ = 1300 nm Po = 10 µW (R = 0.9 A/W) Hãy tính dòng quang điện sinh photodiode ? Tổng quan nguồn nhiễu Hệ thống thông tin quang 6.4.4 Độ nhạy thu (Sensibility) Độ nhạy thu công suất quang tối thiểu mà photodiode tách tín hiệu khỏi nhiễu Giới hạn độ nhạy thu quang xác định thông qua hiệu suất lượng tử phần nhiễu Trong photodiode ngày nay, hiệu suất lượng tử gần giá trị lý tưởng Ở thu quang dải rộng, có nguồn nhiễu khác nhau: Nhiễu nhiệt Nhiễu Schottky Nhiễu nhân dòng (chỉ có APD) Hệ thống thơng tin quang 6.4.4.1 Các chế nhiễu 6.4.4.1.1 Nhiễu nổ Nhiễu nổ tạo thực tế dòng quang điện tạo bao gồm hạt mang điện tạo cách ngẫu nhiên theo thời gian Tính thống kê q trình ngẫu nhiên tn theo luật phân bố Poisson Như vậy, công suất quang đến thu khơng đổi dòng quang điện tạo sau: � � = �� + (�) (4.36) Với Ip=RPin dòng trung bình is(t) thăng giáng dòng nhiễu nổ gây Về mặt tốn học, is(t) q trình ngẫu nhiên dừng tuân theo luật thống kê Poisson (thường xấp xỉ luật thống kê Gauss) 6.4.4.1.2 Nhiễu nhiệt Nhiễu nhiệt sinh chuyển động nhiệt ngẫu nhiên điện tử bên điện trở tải gây nên thăng giáng dòng Nhiễu gọi nhiễu Nyquist hay nhiễu Johnson Với đóng góp nhiễu nhiệt, phương trình (4.4.1) viết lại sau: � � = �� + �� � + ��(�) (4.40) Với iT(t) thăng giáng dòng nhiễu nhiệt gây ra.Về mặt toán học, nhiễu nhiệt coi q trình ngẫu Hệ thống thông tin quang nhiên dừng tuân theo luật phân bố Gauss với mật độ phổ không phụ thuộc vào tần số f lên đến 1THz (gần giống nhiễu trắng) tính theo cơng thức sau: �� � = 2���/� 6.4.4.1.3 Nhiễu thu p-i-n Chất lượng thu phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) Trong phần đề cập đến SNR thu PIN SNR thu APD đề cập đến phần sau Ta có SNR tín hiệu điện định nghĩa sau: ��� = �ơ���� ấ��í���ệ������� ì�� �ơ���� â����ễ� = �� � (4.45) Thay phương trình (4.44) Ip=R.Pin vào (4.45) ta có SNR liên quan đến công suất quang đến thu Pin sau: ��� = � 2��� 2(���� +� )∆�+ 4���/�� ∆� (4.46) Với R đáp ứng photodiode p-i-n Giới hạn nhiễu nhiệt: Trong giới hạn nhiễu nhiệt, s nhỏ nhiều T (S< 6.4.4.1.4 Nhiễu thu APD Bộ thu quang sử dụng APD thường có SNR cao thu sử dụng p-i-n với công suất quang đến Điều đạt APD có chế khuếch đại nội làm tăng dòng quang điện lên M lần Tuy nhiên chế nhân làm tăng nhiễu APD Do nhiễu nhiệt khơng bị ảnh hưởng q trình nhân nên nhiễu nhiệt APD giống nhiễu nhiệt p-i-n Ngược lại, nhiễu nổ APD lại bị ảnh hưởng q trình nhân tính theo cơng thức sau: �� = 2��2(���� + �� ) ∆� (4.50) Với FA hệ số nhiễu trội APD tính theo cơng thức sau: �� � = ��� + (1 − ��)(2 − � ) (4.51) Với kA=e /h h>e kA=h/e e>h Tức 0