Cơ sở kỹ thuật thông tin quang

TẬP ĐỒN BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG VIỆT NAM IT HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG PT BÀI GIẢNG CƠ SỞ KỸ THUẬT THƠNG TIN QUANG Nhóm biên soạn: TS Nguyễn Đức Nhân ThS Trần Thủy Bình ThS Ngơ 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 trị mạng đường trục viễn thông Nhưng đây, thơng tin quang cịn 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 IT 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 chúng tơi viết giảng “Kỹ thuật thông tin sợi quang” kênh tài liệu tham khảo bổ ích cho mơn học Tài liệu gồm chương với nội dung sau:  Chương 1: Chúng tơi 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 PT  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 Ngồi ra, chúng tơi 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, chúng tơi 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 PT IT 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 tơi mong nhận ý kiến đóng góp q thầy cơ, bạn sinh viên người quan tâm để hoàn thiện tài liệu iii MỤC LỤC PT IT DANH SÁCH THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 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 cơng suất 1.3 Mơ hình tổng qt hệ thống thông tin quang 1.3.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang 1.3.2 Các thành phần hệ thống thông tin quang sợi 1.3.3 Đặc điểm hệ thống thông tin sợi quang 1.4 Các tiêu chuẩncho hệ thống thông tin quang Chương Sợi quang 2.1 Cấu tạo phân loại sợi quang 2.1.1 Cấu tạo sợi quang 2.1.2 Phân loại sợi quang 2.2 Truyền sóng ánh sáng sợi quang 2.2.1 Mô tả theo quang hình học 2.2.2 Lý thuyết truyền sóng 2.3 Suy hao sợi quang 2.3.1 Hệ số suy hao sợi quang 2.3.2 Nguyên nhân gây suy hao 2.4 Tán sắc sợi quang 2.4.1 Khái niệm phân loại tán sắc 2.4.2 Tán sắc mode 2.4.3 Tán sắc vận tốc nhóm 2.4.4 Tán sắc bậc cao 2.4.5 Tán sắc mode phân cực 2.5 Các giới hạn truyền dẫn gây tán sắc 2.5.1 Phương trình truyền dẫn 2.5.2 Truyền xung Gauss có chirp 2.5.3 Giới hạn tốc độ bit 2.5.4 Độ rộng băng tần sợi quang 2.6 Các hiệu ứng quang phi tuyến 2.6.1 Nguồn gốc hiệu ứng quang phi tuyến 2.6.2 Hiệu ứng tán xạ kích thích 2.6.3 Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến 2.6.4 Trộn bốn sóng 2.7 Cáp sợi quang vii 1 6 10 11 11 12 14 15 17 17 17 17 20 20 23 36 36 37 44 44 45 47 54 54 57 57 58 62 65 67 67 68 72 74 75 iv PT IT 2.7.1 Chế tạo sợi quang 2.7.2 Cáp sợi quang 2.7.3 Hàn kết nối sợi quang Chương Bộ phát quang 3.1 Một số vấn đề vật lí quang bán dẫn 3.1.1 Quá trình phát xạ hấp thụ 3.1.2 Các vật liệu bán dẫn 3.1.3 Tiếp giáp p-n 3.1.4 Tái hợp không xạ 3.2 Nguồn LED 3.2.1 Cấu tạo phân loại nguồn LED 3.2.2 Đặc tính LED 3.3 Laser laser bán dẫn (LD) 3.3.1 Cấu tạo nguồn laser bán dẫn 3.3.2 Đặc tính LD 3.3.3 Các nguồn LD đơn mode 3.4 Điều biến nguồn quang 3.5 Một số vấn đề thiết kế phát quang 3.5.1 Ghép nối nguồn - sợi quang 3.5.2 Mạch kích thích nguồn quang 3.5.3 Ổn định nguồn quang Chương Bộ thu quang 4.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 4.1.1 Đáp ứng thu 4.1.2 Hiệu suất lượng tử 4.1.3 Độ rộng băng tần nguồn thu 4.1.3.a Thời gian đáp ứng 4.2 CÁC LOẠI DIODE THU QUANG 4.2.1 Diode thu quang p-i-n 4.2.2 Diode thu quang thác APD 4.2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động 4.3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ BỘ THU 4.3.1 Phần trước (Front end) thu quang 4.3.2 Kênh tuyến tính 4.3.3 Mạch định 4.3.4 Một số kiểu mạch tiền khuếch đại thu quang 4.3.4.a Các mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao 4.3.4.b Các khuếch đại tranzisto lưỡng cực trở kháng cao 4.3.4.c Bộ khuếch đại hỗ dẫn ngược 4.3.4.d Bộ thu quang có mạch tích hợp 4.4 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG 75 77 80 85 85 85 89 95 97 99 100 104 110 110 116 119 123 124 124 125 129 130 130 130 131 132 132 135 135 137 137 144 144 146 146 147 148 150 152 154 156 v PT IT 4.4.1 Các chế nhiễu 4.4.1.a Nhiễu nổ 4.4.1.b Nhiễu nhiệt 4.4.2 Bộ thu p-i-n 4.4.3 Bộ thu sử dụng APD 4.5 Hiệu thu quang 4.5.1 Xác suất lỗi 4.5.2 Độ nhạy thu 4.5.3 Giới hạn lượng tử thu quang 4.6 Kỹ thuật thu coherent 4.6.1 Khái niệm 4.6.2 Kỹ thuật thu homodyne 4.6.3 Kỹ thuật thu heterodyne 4.6.4 Tỷ số tín hiệu nhiễu Chương Hệ thống thông tin quang sợi 5.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 5.1.1 Tuyến điểm – điểm 5.1.2 Hệ thống thông tin quang số 5.1.3 Hệ thống thông tin quang tương tự 5.2 Cơ sở thiết kế hệ thống 5.2.1 Hệ thống bị giới hạn suy hao 5.2.2 Hệ thống bị giới hạn tán sắc 5.2.3 Quỹ công suất quang 5.2.4 Quỹ thời gian lên 5.3 Bù công suất 5.3.1 Bù công suất nhiễu mode 5.3.2 Bù công suất nhiễu phần mode 5.3.3 Bù công suất tán sắc 5.3.4 Bù công suất chirping 5.3.5 Bù công suất nhiễu phản xạ 5.4 Hệ thống đa kênh 5.4.1 Hệ thống thông tin quang WDM 5.4.2 Hệ thống thông tin quang OTDM 5.4.3 Hệ thống thông tin quang SCM 5.4.4 Hệ thống ghép kênh theo mã (CDM) 156 156 157 158 159 161 161 165 168 169 170 171 172 172 174 174 174 175 179 183 185 185 187 188 190 190 192 194 195 198 201 201 203 204 205 vi 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 Bộ khuếch đại công suất Tỷ số lỗi bit Cấu trúc dị thể chon IT Booster Amplifier Bit Error Rate Burried Heterostructure Continous 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 PT B BA BER BH C CW D DBR DCF DFB DR DR DWDM E ELED F FET FPA 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 tồn phần nửa lớn Trộn bốn sóng Graded Index Group Velocity Dispersion Chỉ sốGradien Tán sắc vận tốc nhóm vii IM IM – DD ISI L LA LD LED M MCVD MESFET 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 Ngưng đọng hóa chất biến đổi Metal Semiconductor Field Effect Transistor trường bán dẫn Transistor kim loại 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 RZ S SBS PT N NA NF NLS O OA P PA PMD PIN R RIN RMS IT MFD MOSFET 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 viii 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 IT Spontaneous Emission Surface emitting LED Step Index Single Mode Fiber Signal – to – Noise Ratio Self Phase Modulation PT SE SLED SI SMF SNR SPM W WDM ix Chương Tổng quan hệ thống thông tin quang PT IT 1.1Lịch sử phát triển thơng tin quang Hình 1-1 Sự tăng trưởng tích tốc đơ-khoảng cách BL khoảng thời gian 1850 đến 2000 Mỗi dấu tròn đen đánh dấu xuất công nghệ Thông tin quang kỹ thuật truyền thông tin ánh sáng từ xa xưa người sử dụng phương thức để báo tin cho khoảng cách xa Tuy nhiên phát triển hệ thống thông tin liên lạc trước 1980 dựa chế truyền dẫn điện trải qua trình phát triển từ điện báo, điện thoại cáp đồng, viba số Theo thời gian thay đổi mặt kỹ thuật công nghệ tạo tăng trưởng nhanh lực truyền dẫn thông tin Năng lực hệ thống thông tin đánh giá qua tích tốc độ bit khoảng cách (B.L), B tốc độ bit L khoảng cách truyền dẫn thiết bị lặp Việc đời hệ thống truyền dẫn quang tăng mạnh lực truyền dẫn mở thời kỳ cho hệ thống mạng viễn thông Những phát triểncủa thông tin quang có bắt nguồn từ nỗ lực nghiên cứu tiên phong nguồn quang laser bán dẫn từ trước năm hệ số cạnh tranhmode k liên quan đến γcc k =√1−γcc Giá trị k nằm 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 nằm khoảng 0,6-0,8 khác cặp mốt Có thể dùng phương trình (5.23) (5.24) để tính tốn mức độ thiệt thịi cơng suất MPN gây Hình 5.8 biểu thị độ thiệt thịi cơng suất BER 109 (Q = 6) hàm tham số tán sắc chuẩn hóa BLDσλ vài giá trị k Quan sát hình 5.8 ta thấy, giá trị cho k, δmpn tăng nhanh BLDσλ tăng đạt giá trị vô BLDσλ đạt giá trị tới hạn Với k > 0,5, BER MPN gây lớn BER xảy mở rộng xung tán sắc gây (xem Hình 5-12) Tuy nhiên, độ thiệt thịi cơng suất giảm xuống PT IT mức không đáng kể (δmpn < 0,5 dB) ta thiết kế hệ thống thông tin quang cho BLDσλ < 0,1 Hình 5-12: Cơng suất giảm tán sắc tăng gây xung Gaussian hàm BLDσλ Phổ nguồn quang giả định Gaussian có độ rộng RMS σλ 193 IT Hình 5-13: Cơng suất giảm MPN gây BLDσλ nguồn laser bán dẫn đa mốt có độ rộng phổ σλ Các đường cong khác tương ứng với giá trị khác hệ số phân bố mốt k 5.3.3Bù công suất tán sắc Việc sử dụng sợi đơn mode hệ thống thông tin quang giúp PT tránh gần hết vấn đề tán sắc mode nhiễu mode.Tuy nhiên,tán sắc vận tốc nhóm giới hạn tích BL ảnh hưởng tán sắc làm xung bị dãn khỏi khe thời gian xung Bên cạnh đó, dãn xung tán sắc gây làm suy giảm độ nhạy thu.Dãn xung tán sắc ảnh hưởng tới chất lượng thu theo hai cách sau : - Thứ nhất,một phần lượng xung bị trải rộng khỏi khe bit gây giao thoa ký tự(ISI) Trong thực tế,hệ thống thiết kế để tối thiểu ảnh hưởng ISI - Thứ hai,năng lượng xung khe bit bị giảm xung quang bị dãn ra.Điều làm giảm SNR mạch định Đểvẫn trì chất lượng hệ thống, u cầu cơng suất trung bình đến thu phải lớn hơn.Đây nguồn gốc thiệt thịi công suất giãn xung gây (δd) Việc tính tốn xác giá trị dd khó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ví dụ dạng xung thu Nếu xung có dạng Gauss, độ thiệt thịi cơng suất δd (tính theo dB)được tính theo cơng thức sau: 194 δd= 10 log10 fb, (5.25) Trong fb hệ số dãn xung.Khi dãn xung chủ yếu độ rộng phổ nguồn phát,thì fb tính theo cơng thức(2.4.24) : fb =σ /σ0 = [1+(DLσλ / σ0)2]1/2, (5.26) Với σ0 độ rộng phổ hiệu dụng (rms) nguồn phát quang đầu vào sợi σλ độ rộng phổ hiệu dụng (rms) nguồn quang giả định có phân bố Gauss Các phương trình (5.16) (5.17) sử dụng để ước lượng độ thiệtthịi cơng suất hệ thống thơng tin quang sử dụng sợi đơn mode kết hợp với nguồn quang laser đa mode nguồn quang LED Nhiễu ISI giảm thiếu giá trị 4Bσ ≤ 1, lượng xung lan truyền ngồi rãnh bit (TB = 1/B) Bằng cách sử dụng σ = (4B)-1, Phương trình (5.26) viết thành: (5.27) IT fb2= + (4BLDσλfb)2 Giải phương trình để tìm fb thay vào phương trình (5.25), độ thiệt thịi cơng suấtsẽ tính theo cơng thức sau: δd = -5 log10[1 - (4BLDσλ)2] (5.28) PT Trên hình 5-12 thể độ thiệt thịi cơng suất hàm BLDdl Độ thiệt thịi cơng suất bỏ qua (dd=0,38dB) BLDdl=0,1, độ thiệt thịi tăng lê 2,2 dB BLDdl=0,2, trở nên lớn BLDdl=0,25 Trong thực tế, hầu hết hệ thống thông tin quang thiết kế cho BLDdl