Báo cáo thông tin quang

Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang; Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang, Mạng truyền dẫn quang SDH tại Việt Nam,NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG, Cấu tạo sợi quang và nguyên lý truyền ánh sáng qua sợi quang,Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation); LED (Light Emitting Diode)LED (Light Emitting Diode)Nguồn quang,Các thông số kĩ thuật của nguồn quang, Linh kiện tách sóng quang (Light Detector),

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀNG KHÔNG  BÁO CÁO MÔN HỌC THÔNG TIN QUANG CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG GIÁO VIÊN BỘ MÔN : Ts LÊ NHẬT BÌNH SINH VIÊN THỰC HIỆN: ĐÀO CẨM NGỌC DIỆP MSSV: 1553020046 LỚP: ĐV1- K9 MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT I Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang 11 II Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang 12 Ưu điểm: 12 Nhược điểm: 13 Các thành phần tuyến truyền dẫn sợi quang 13 III Ứng dụng 14 IV Mạng truyền dẫn quang SDH Việt Nam 15 CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 16 Cơ sở quang học 16 I Tính chất ánh sáng 16 Tính lượng tử vật chất 16 Phổ sóng điện từ 17 Chiết suất môi trường 18 Sự phản xạ khúc xạ 18 II Cấu tạo sợi quang nguyên lý truyền ánh sáng qua sợi quang 20 III Khẩu độ số NA (Numerical Aperture) 21 IV Tán sắc mode 22 V Sợi quang GI (Graded Index Fiber) 23 VI Phân loại sợi quang 24 CHƯƠNG III: CÁC THÔNG SỐ SỢI QUANG 27 I Suy hao ( Attenuation) 27 Định nghĩa: 27 Khái niệm 27 Nguyên nhân gây suy hao: 28 a) Do trình hấp thụ: 28 b) Do trình tán xạ: 30 c) Do uốn cong: 31 Phổ suy hao sợi quang: 32 Tán sắc (Dispersion) 32 a) Nguyên nhân gây tán sắc 32 b) Ảnh hưởng tán sắc đến tốc độ bit truyền tối đa sợi quang 35 Thiết kế tuyến truyền dẫn quang 35 a) Tính tốn tuyến truyền dẫn quang 35 b) Khoảng cách lắp đặt hai trạm phụ thuộc vào 35 c) Mơ hình tuyến truyền dẫn quang 36 d) Phân bố suy hao tuyến 36 e) Trạm lặp 36 CHƯƠNG IV: LINH KIỆN BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN 38 I Lý thuyết lượng tử Borh 38 II Các khái niệm 38 Mức lượng tử (energy level) 38 Ánh sáng kết hợp ( Coherent Light ) 39 Vùng lượng (energy Band) 39 Chất bán dẫn(Semiconductor) 40 Nguyên lý biến đổi quang điện 41 III IV Nguồn quang 43 Độ rộng phổ: 44 LED (Light Emitting Diode) 45 Cấu tạo nguyên lý hoạt động: 45 a) Cấu tạo: 45 b) Nguyên lý hoạt động: 45 c) Phân loại 47 V Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 48 Cấu tạo 48 Nguyên lý hoạt động 49 Phổ Phát xạ Laser 51 VI Các thông số kĩ thuật nguồn quang 52 Công suất phát quang 52 Đặc tuyến P-I loại nguồn quang SLED, ELED Laser hình 3.24 cho thấy: 52 Góc phát quang 53 Hiệu suất ghép quang 53 Độ rộng phổ (Spectral width) 54 Thời gian chuyển lên (Rise time) 55 Ảnh hưởng nhiệt độ 55 VII Linh kiện tách sóng quang (Light Detector) 56 Định nghĩa 56 Nguyên lý hoạt động 57 Phân loại 58 Vùng bước sóng 58 Hiệu suất lượng tử 58 Đáp ứng 59 Nhận xét 60 VIII Diode thu quang PIN 60 IX ADP (Avalanche Photo Diode) 62 Định nghĩa 62 Cấu tạo 62 Quá trình biến đổi quang – điện 62 Hiệu suất lượng tử 63 Dòng quang điện 63 Hệ số nhân M Là số điện tử thứ cấp phát sinh ứng với điện tử sơ cấp 64 Các thông số kĩ thuật linh kiện thu quang 64 X Độ nhạy 64 Dải động (Dynamic Range) 65 Tạp âm (Noise) 65 a) Tạp âm nhiệt 65 b) Tạp âm lượng tử 66 c) Tập âm dòng tối 66 Độ ổn định 66 Điện áp phân cực 66 CHƯƠNG V: THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 67 I Các yêu cầu 67 Hệ thông thông tin quan đơn giản nhất(điểm – điểm) 67 Mục đích thiết kế 67 Các thành phần tuyến quang 67 a) Sợi quang 67 b) Nguồn quang 67 c) Thiết bị thu quang 67 II Quỹ Công suất 68 III Quỹ thời gian lên 69 IV Nhiễu hệ thống thông tin quang 69 V SNR 69 VI Các giá trị thành phần 70 Thiết bị phát quang 70 Cáp sợi quang 70 Suy hao mối hàn nối 71 Thiết bị thu 71 VII Bài Toán Thiết kế 71 VIII Các Bước thiết kế 72 IX Thực 72 Bước Chọn bước sóng làm việc tuyến 72 Bước Lựa chọn thành phần thiết bị hoạt động bước sóng 72 1) Chọn loại sợi quang 73 2) Chọn Thiết bị thu quang 73 3) Tổn hao đường truyền 73 Bước Chọn thiết bị thoả mãn yêu cầu đặt 74 1) Thiết bị thu: PIN 74 2) Thiết bị thu: ADP ( với B =Bt/2 =1,25Gb/s sử dụng mã NRZ) 75 3) Tính tốn thời gian lên 76 X Kết luận 76 MỤC LỤC HÌNH Hình 2.1: Mơ hình nguyên tử 17 Hình 2.2: Phổ sóng điện từ 17 Hình 3.2: Hiện tượng phản xạ khúc xạ ánh sáng 18 Hình 2.4: Ánh sáng từ môi trường chiết suất nhỏ sang môi trường chiết suất lớn ( 𝜃1 > 𝜃2) 19 Hình 2.5: Hiện tượng phản xạ tồn phần (a) Còn tia khúc xạ (b) xuất tia phản xạ số 3.( 𝜃1 < 𝜃2) 19 Hình 2.6: Cấu trúc ánh sáng lan truyền sợi quang 20 Hình 2.7: Ánh sáng lan truyền sợi quang uốn cong 20 Hình 2.8: Ba tình chiếu ánh sáng vào sợi quang 21 Hình 2.9: Góc nhận ánh sáng 2𝜃𝑚𝑎𝑥 21 Hình 2.10: Vùng nhận ánh sáng có dạng hình nón 22 Hình 2.11: Tán sắc mode sợi đa mode SI 22 Hình 2.12: Dạng phân bố chiết suất lõi sợi GI 23 Hình 2.13: Minh họa ánh sáng sợi quang GI 23 Hình 2.14: Quỹ đạo tia sáng sợi GI 23 Hình 2.15: Mặt cắt ngang mặt cắt chiết suất sợi chiết suất bậc(SI) sợi chiết suất biến đổi(GI) 24 Hình 2.16: Ba loại sợi quang sử dụng viễn thơng 25 Hình 1: Phổ suy hao sợi quang phụ thuộc bước sóng số chế suy hao 28 Hình 2: Phổ suy hao đặc tính tán sắc sợi khơ 30 Hình 3: Mơ tả trình tán xạ Rayleigh sợi quang 30 Hình 4: Mơ tả suy hao uốn cong theo lý thuyết tia Tại chỗ uốn cong tia thay đổi góc lan truyền lớn góc tới hạn khúc xạ ngồi vỏ 31 Hình 5: Phổ suy hao điển hình cửa sổ truyền dẫn sợi quang thủy tinh Đường đứt nét phổ suy hao sợi khơ có tên thương mại AllWave 32 Hình 6: Sự ảnh hưởng dãn rộng xung quang tán sắc gây 33 Hình 7: Các loại tán sắc xảy sợi quang 34 Hình 8: Mơ hình tuyến truyền dẫn quang 36 Hình 9: Phân bố suy hao tuyến 36 Hình 1: Biểu đồ múc lượng ((energy level diagram) 38 Hình 2: Vùng lượng chất bán dẫn 40 Hình 3: Các tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b) Phát xạ tự phát (c) Phát xạ kích thích 41 Hình 4: Quá trình biến đổi quang điện xảy dựa ba tượng 41 Hình 4.5: Bước sóng ánh sáng phát xạ số loại bán dẫn nhóm III kết hợp với nhóm V 43 Hình 6: Nguồn quang bán dẫn phát ánh sáng khoảng bước sóng đặc tính phổ LED 44 Hình 7: Cấu tạo nguyên lý hoạt động LED 45 Hình 8: Cấu trúc LED Burrus 47 Hình 9: LED phát xạ cạnh (ELED) 48 Hình 10: Cấu trúc laser Fabry-Perot 49 Hình 11: Cơng suất ánh sáng lan truyền phản xạ qua lại hốc cộng hưởng Fabry-Perot 50 Hình 12: Hốc cộng hưởng Fabry-Perot 51 Hình 13: Một số loại Laser khác 51 Hình 14: Đặc tuyến P-I loại nguồn quang: SLED, ELED Laser 52 Hình 15: Góc phát quang SLED, ELED Laser 53 Hình 16: Ghép ánh sáng từ nguồn quang vào sợi quang 54 Hình 17: Độ rọng phổ 54 Hình 18: Thời gian lên (rise time) nguồn quang 55 Hình 19: Dòng điện ngưỡng Ith laser thay đổi nhiệt độ thay đổi 56 Hình 20: Mối nối P-N phân cực ngược 57 Hình 21: Mơ hình vật lý photodiode 57 Hình 22: Hiệu suất vật liệu thay đổi theo bước sóng 58 Hình 23: Đồ thị biểu diễn R 𝜆 photo diode Si 59 Hình 24: Quá trình tách sóng 60 Hình 25: Cấu trúc PIN gồm ba lớp: “P-type” - “I-Intrinsic” - “N-type” 61 Hình 26: Sự phân bố lượng điện trường lớp bán dẫn PIN 61 Hình 27: Cấu tạo bên PIN 61 Hình 28: Cấu trúc bán dẫn APD 62 Hình 29: Sự phân bố lượng điện trường lớp bán dẫn 62 Hình 30: Hê số nhân APD silic với bước sóng khác thay đổi theo điện áp định thiên 63 Hình 31: Độ nhạy PIN APD 64 IX ADP (Avalanche Photo Diode) Định nghĩa APD tách sóng mối nối bán dẫn, có độ lợi nội (internal gain) độ lợi nội làm tăng đáp ứng so với PN photodiode hay PIN photodiode Cấu tạo Gồm lớp: P+ P P- N P+ N+ hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao, nên điện trở hai vùng nhỏ, áp rơi nhỏ  P- vùng có nồng độ tạp chất gần tinh khiết Nó giống lớp I PIN Hầu tất photon bị hấp thu vùng này, tạo cặp lỗ trống - điện tử tự Quá trình biến đổi quang – điện Hình 28: Cấu trúc bán dẫn APD Hình 29: Sự phân bố lượng điện trường lớp bán dẫn 62 Hình 30: Hê số nhân APD silic với bước sóng khác thay đổi theo điện áp định thiên - Dưới tác dụng nguồn phân cực ngược, phân bố cường độ điện trường lớp bán dẫn hình 4.26 Trong trường vùng tiếp giáp PN+ cao nhất, trình nhân điện tử xảy vùng Vùng gọi vùng “thác lũ” - Khi có ánh sáng chiếu vào, photon bị hấp thụ lớp P-, tạo cặp e-p (electron-lỗ trống) Dưới định hướng điện trường ngồi, lỗ trống di chuyển phía P+ (nối cực âm nguồn) điện tử di chuyển phía tiếp giáp PN+ Điện trường cao vùng tiếp giáp PN+ tăng tốc cho điện tử Khi điện tử đập vào nguyên tử tinh thể bàn dẫn tạo thêm cặp điện tử lỗ trống Những hạt mang điện gọi hạt mang điện thứ cấp (secondary charge) Những hạt mang điện thứ cấp thân tăng tốc tạo nhiều hạn mang điện thứ cấp khác Quá trình tiếp diễn số lượng hạt mang điện tạo nhiều Quá trình gọi trình nhân thác lũ Hiệu suất lượng tử Hiệu suất lượng tử APD 𝜂 > Dòng quang điện Dòng quang điện Apd tạo tích hệ số nhân M với đáp ứng công suất quang 63 𝐼𝑝ℎ = 𝑅 𝑀 𝑃𝑜𝑝𝑡 Trong đó: R đáp ứng(A/W) Popt công suất quang Hệ số nhân M Là số điện tử thứ cấp phát sinh ứng với điện tử sơ cấp  Thay đổi theo điện áp phân cực ngược  Phụ thuộc vào nhiệt độ tính ổn định APD  Vùng thác lũ lớn hệ số M lớn, thời gian trôi điện tử chậm nên tốc độ hoạt động APD giảm  M = 10 - 1000 lần, thực tế M hiệu chỉnh 50 - 200 lần để giảm nhiễu X Các thông số kĩ thuật linh kiện thu quang Độ nhạy - Là mức công quang thấp mà linh kiện thu quang thu với tỷ số lỗi (BER) định - Phụ thuộc vào loại linh kiện tách sóng quang múc nhiễu khuếch đại điện - Tốc độ bit ruyền dẫn cao độ nhạy thiết bị thu - APD nhạy PIN độ nhảy lớn PIN từ 5dB đến 15dB Tuy nhiên, PIN-FET có độ nhạy gần ADP Hình 31: Độ nhạy PIN APD 64 Dải động (Dynamic Range)  Dải động linh kiện thu quang khoảng chênh lệch mức công suất cao mức công suất thấp mà linh kiện thu nhận giới hạn tỷ số lỗi định Hình 32: Linh kiện thu quang hoạt động vùng tuyến tính dải động  Phụ thuộc vào loại linh kiện tách sóng quang, độ tuyến tính giới hạn bảo hoà khuếch đại thu  Dải động APD rộng so với PIN điều chỉnh cách thay đổi điện áp phân cực để thay đổi hệ số nhân M Tạp âm (Noise) Trong hệ tống thu quang tạp âm thường thể dạng dòng, gọi dòng nhiễu Các nguồn nhiễu hay tạp âm: a) Tạp âm nhiệt  Tạp âm nhiệt nhiễu gây điện trở tải diode thu quang trở kháng đầu vào tiền khuếch đại  Tạp âm nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ, bề rộng băng nhiễu điện trở tải 𝐼𝑡2 = Trong đó: 𝐾 𝑇 𝐵 𝑅 K = 1,38.10-23J/∘ 𝐾: số Boltzman T: nhiệt độ tuyệt đối (∘ 𝐾) 65 B: bề rộng băng (Hz); R: điện trở tải (Ω) b) Tạp âm lượng tử Nhiễu lượng tử sinh biến động ngẫu nhiên lượng photon đập vào diode thu quang Dòng nhiễu lượng tử xác định theo biểu thức sau: 𝐼𝑞2 = 2𝑒 𝑅 𝐵 𝑃𝑜𝑝𝑡 = 2𝑒 𝐼𝑝ℎ 𝐵 c) Tập âm dòng tối  Khi chưa có cơng suất quang đưa tới photodetector có lượng dòng điện nhỏ chảy mạch Dòng gọi dòng tối Nó phân phối đến nhiễu toàn hệ thống cho dao động ngẫu nhiên Nhiễu dòng tối xác định: 𝐼𝑑2 = 2𝑒 𝐵 𝐼𝐷 Trong Id dòng tối E điện tích electron  Dòng tối nhiễu linh kiên kiện tách sóng quang tạo Do APD có chế nhân thác lũ nên dòng tối APD nhân lên Vì dòng nhiễu APD lớn so với PIN nhiều Độ ổn định Độ ổn định PIN tốt APD hệ số nhân thác lũ M APD vừa phụ thuộc vào điện áp phân cực vừa thay đổi theo nhiệt độ Điện áp phân cực  Để APD hoạt động ápphân cực ngược cho APD cao  PIN nhỏ 20 volt  APD lên đến hàng trăn volt 66 CHƯƠNG V: THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN I Các yêu cầu Hệ thông thông tin quan đơn giản nhất(điểm – điểm) Hình 1: Sơ đồ đơn giản hệ thống thơng tin quang điểm điểm Mục đích thiết kế - Cự ly truyền dẫn 2000m sơi đa mode 40000m với sợi đơn mode - Tốc độ truyền dẫn dung lệnh kênh truyền tương đương - Tỷ số lỗi bit BER = Số bit lỗi/số bit truyền (%) nhỏ tốt 10-9 Các thành phần tuyến quang a) Sợi quang  Sợi đa mode hay đơn mode  Kích thước lõi sợi  Chỉ số chiết suất mặt cắt lõi  Suy hao sợi  Khẩu độ hay bán kính trường mode b) Nguồn quang  Bước sóng phát  Độ rộng phổ  Công suất phát  Vùng phát xạ có hiệu c) Thiết bị thu quang  Gồm PIN APD  Hệ số chuyển đổi 67  Bước sóng làm việc  Tốc độ làm việc  Độ nhạy thu II Quỹ Công suất  Suy hao tuyến: Suy hao sợi quang, mối hàn  Suy hao phần xác địnhtheo công thức: 𝐴 = −10 log10 ( 𝑃𝑜𝑢𝑡 ) (𝑚𝑊 ℎ𝑜ặ𝑐 𝑊) 𝑃𝑖𝑛  Cơng suất dự phòng cho tuổi thọ thành phần, cho thay đổi nhiệt độ: dB đến dB  Phương trình cân quỹ công suất ( điểm – điểm) là: 10 log10 [𝑃𝑠 (ℎ𝑠)] − 𝑀𝐷𝑃 = (𝛼 + 𝛼𝑐𝑎𝑝 ) 𝐿 + 𝑛𝛼𝐶 + 𝑚𝛼𝑆 + 𝛼𝑑 + 𝛼𝑑𝑒𝑣𝑖𝑐𝑒 Trong đó: Ps cơng suất phát(mW) Hs hiệu suất ghép quang(%) MDP độ nhạy máy thu = -27,5dBm 𝛼, 𝛼𝑐𝑎𝑝 hệ số suy hao cáp dự phòng cho cáp dB/Km L khoảng cách máy phát máy thu (km) n, m connector số mối hàn 𝛼𝐶 , 𝛼𝑆 Suy hao connector suy hao mối hàn(Db) 𝛼𝑑 suy hao ghép sợi quang thu (dB) 𝛼𝑑𝑒𝑣𝑖𝑐𝑒 suy hao dự phong cho thiết bị (dB)  Công suất quang tới (dB) 𝑃𝑑 = 10 log10 [𝑃𝑠 (ℎ𝑠)] − [(𝛼 + 𝛼𝑐𝑎𝑝 ) 𝐿 + 𝑛𝛼𝐶 + 𝑚𝛼𝑆 + 𝛼𝑑 + 𝛼𝑑𝑒𝑣𝑖𝑐𝑒 ] 68 Khi công suất quang tới nằm khoảng thời [ MDP đến (MDP+Over)] với Over hệ số tải máy thu Lúc tỷ số lỗi bit BER nhỏ mong muốn không bị tải máy thu III Quỹ thời gian lên  Thời gian lên khoảng thời gian t cho biên độ tín hiệu xung tang từ 10% đến 90% biên độ cucaj đại t = t2 - t1 = ln(9)RC =2,2RC Tín hiệu NRZ Tín hiệu RZ Thời gian lên tNRZ = 0,7/R TRZ = 0,35/R tuyến tt = √∑𝑁 𝑖=1 𝑡𝑖 Thời gian lên thiết Thời gian lên tán sắc mode bị thu: Tmode = 440.Lq/B0 (ns) Trx=350/B Thời gian lên tán sắc vật liệu tVL = D.L.𝜎  Thời gian lên tổng cộng 𝑡𝑡 = √𝑡𝑡𝑥 + (𝐷 𝐿 𝜎)2 + ( IV 440𝐿𝑞 350 ) +( ) 𝐵0 𝐵𝑟𝑥 Nhiễu hệ thống thông tin quang  Trong hệ thống tách sóng, độ nhạy hệ thống phụ thuộc nhiều vào loãi nhiễu hai nguồn nhiễu nhiễu lưỡng tử nhiễu nhiệt  Nhiễu lưỡng tử  Nhiễu nhiệt 𝑖𝑠ℎ𝑜𝑡 = 𝑒 𝐵 𝑖 𝑖 = 4𝐾𝑇𝐵/𝑅𝐿 Trong đó: K=1,38.10-23 J/°𝐾 số bolt T(°𝐾) =℃ + 273 i dòng nhiễu nhiệt 𝑖𝑠ℎ𝑜𝑡 dòng nhiễu lượng tử E điện tích điện tử V SNR 69 Trong hệ thống tách sóng, độ nhạy hệ thống phụ thuộc nhiều vào loại nhiễu hai nguồn nhiễu nhiễu lưỡng tử nhiễu nhiệt PIN ( 𝜂𝑒 × 𝑃𝑆 ) × 𝑅𝐿 ℎ𝑓 𝑆 = 𝑁 2𝑒 × ( 𝜂𝑒 × 𝑃 + 𝑖 ) × 𝐵 × 𝑅 + 4𝐾 × 𝐵 × 𝑇 𝑆 𝑑 𝐿 ℎ𝑓 APD ( 𝜂𝑒 × 𝑀 × 𝑃𝑆 ) × 𝑅𝐿 ℎ𝑓 𝑆 = 𝑁 2𝑒 × ( 𝜂𝑒 × 𝑃 + 𝑖 ) × 𝑀2+𝑥 × 𝐵 × 𝑅 + 4𝐾 × 𝐵 × 𝑇 𝑆 𝑑 𝐿 ℎ𝑓 VI Các giá trị thành phần Thiết bị phát quang Giá trị Tham số 1300nm hay 1550nm Bước sóng làm việc ±50𝑛𝑚 Dải sóng làm việc LED: -32 đến 15dBm Công suất LD: -12 đến 7dBm LED: 3ns(max) Thời gian lên LD: