II. Phân loại cáp quang:
4.4.Linh kiện biến đổi quang điện (O/E):
hoá Tái tạo và trễ Giải m∙ Lọc
4.4.Linh kiện biến đổi quang điện (O/E):
4.4.1. Nhiệm vụ và nguyên lý :
ở đầu cuối hệ thống truyền dẫn, các máy thu có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang điều khiển từ cáp quang đa tới thành tín hiệu ban đầu đa vào thiết bị ghép kênh đầu cuối. Ngoài ra trên đờng truyền dẫn tại các trạm lập cũng cha có khả năng thực hiện khuyếch đại quang. Cũng giống nh trong máy thu, tín hiệu quang trớc tiên đợc chuyển đổi thành tín hiệu điện để tái sinh, tức là đợc
P(opt)
0,1nm
khuyếch đại và tái tạo dạng xung nhị phân để lại đa vào điều khiển một diode LED hoặc LD cho phát tiếp đi tín hiệu quang. Phân tử ở phía trớc máy thu để thực hiện chức năng này là bộ biến đổi quang điện, cũng còn gọi là linh kiện thu quang hoặc bộ tách quang.
Các linh kiện tách quang có nhiệm vụ đón nhận bức xạ quang và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Chúng đợc phân chia thành hai nhóm.
* Nhóm 1: Là linh kiện hoạt động theo nguyên lý biến đổi quang năng thành nhiệt, để chuyển đổi gián tiếp ánh sáng thành tín hiệu điện hầu nh không đợc ứng dụng trong kỹ thuật viễn thông.
* Nhóm 2: Là các linh kiện hoạt động theo nguyên lý biến đổi trực tiếp l- ợng tử ánh sáng thành tín hiệu điện, đợc gọi là bộ tách quang lợng tử, hoặc đơn giản là bộ tách quang, bởi vì hiện này là linh kiện chính đợc sử dụng trong kỹ thuật viễn thông.
Các bộ tách quang lợng tử lại đợc chia ra thành linh kiện sử dụng hiệu ứng quang ngoại và hiệu ứng quang nội. Hiệu ứng quang ngoại nghĩa là quá trình phát xạ các điện tử từ vật rắn vào không gian khi có tác động của các lợng tử ánh sáng. Các linh kiện này là các tế bào quang điện chân không hoặc các bộ nhân quang điện, rất phổ biến trong các thiết bị còn dùng đèn điện tử. Chúng có nhợc điểm là kích thớc lớn, cần điện áp cung cấp lớn hằng trăm vôn và hiệu suất lợng từ hoá rất thấp ở các bớc sóng dài.
Hiệu ứng quang nội là quá trình tạo ra các phân tử mạng điện trong chất rắn, cụ thể là tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống trong bán dẫn, khi có tác động của các lợng tử ánh sáng. Các linh kiện loại này bao gồm điển trở quang, phô to diode, transistor quang và thysistor quang. Các linh kiện này phù hợp cho sử dụng trong các hệ thống thông tin hiện đại, vì phù hợp với công nghệ vi điện tử. Trong các hệ thống thông tin quang hiện nay chỉ sử dụng hại loại diode quang phổ biến là diode PIN và diode quang thác APD. Cả hai đều sử dụng hiệu ứng quang nội xảy ra ở vùng lân cận lớp tiếp giáp P - N. Trong các phần tiếp theo cũng chỉ chú trọng tìm hiểu vào hai loại diode này.
Quá trình biến đổi quang điện ngợc lại với quá trình trong diode LED và LD. Mở LED và LD do ảnh hởng của điện áp thuận dặt vào mà các cặp điện tử
và lỗ trống tái hợp với nhau để bức xạ ra các photon. Lớp tiếp giáp P - N cảu diode thu quang có đặt một điện áp phân cực ngợc để tạo ra trờng dịch chuyển các phân tử tải điện thiểu số sẽ đợc sinh ra, sao cho khi cha có tác dụng của ánh sáng vào thì trong diode thu cha có dòng điện, chỉ có thể xuất hiện một dòng tối hoặc một dòng rò rất nhỏ, bởi vì diode hoàn toàn bị khoá.
Khi cho ánh sáng tác động vào, năng lợng h.f của các photon đợc trao cho các điện tử để nâng điện tử dải khoá lên dải dẫn.
Hình 4.14: Nguyên tắc tạo các cặp điện tử lỗ trống ở tiếp giáp P - N– Tại chính tiếp giáp P - N sinh ra một miền điện tích không gian do chính điện áp phân cực ngợc đặt vào và ở đó có một điện trờng. Các điện tử - lỗ trống mới sinh ra ở lân cận vùng điện tích không gian này là các phần tử thiểu số. Do tác động của điện trờng vùng điện tích không gian các điện tử thiểu số từ miền P đợc dịch chuyển qua vùng này sang miền N và các lỗ trống thiểu số từ miền N trôi sang miền P, nh thế trên mạch ngoài có một dòng điện chảy qua gọi là dòng quang điện. Tần số và cờng độ của dòng này hoàn toàn do tần số và cờng độ của ánh sáng kích thích quyết định .
Độ rộng của miền điện tích không gian và tốc độ trôi của các phần tử mang dòng thiểu số quyết định thời gian trôi của chúng, do đó cần lu ý khi sử dụng để truyền với tốc độ cao, vì lúc đó các xung ánh sáng rất hẹp
4.4.2. Phân loại và những thông số cơ bản
Ed dài dần Ef mức fecmi Eh dải hoá E E P h.f n h.f
Các diode quang hoạt động gắn liền với mạch khuyếch đại thu. Các máy thu phải thoã mãn các yêu cầu cao về chất lợng truyền dẫn, do đó các diode quang cũng phải có nhiều đặc tính tốt. Chúng phải thõa mãn các yêu cầu sau :
Có hiệu suất lợng tử hoá cao. Hiệu suất đợc định nghĩa là
thụ háp c o dư photon số ra sinh dược tử iện d số n n ph e = = η
Có thời gian tăng nhỏ Điện dung tiếp giáp nhỏ. Dòng tối ( dòng ngợc) nhỏ. Tạp âm nội nhỏ.
Có độ nhạy lớn. Độ nhạy phổ của diode quang có nhiều cách định nghĩa, trong đó có một định nghĩa đơn giản, đó là tỉ số của dòng quang điện sinh ra và công suất ánh sáng đa vào :
[A/W]10 10 . 24 , 1 n P I 6 s − λ = = α b. Phân loại
Trong kỹ thuật thông tin quang hiện nay sử dụng hai loại cấu trúc diode quang cơ bản là diode PIN và diode quang thác APD. Nguyên lý chung của chúng về cơ bản giống nhau ở chỗ ánh sáng đa vào miền tiếp giáp P _N đợc phân cực ngợc, tạo ra trong đó các cặp điện tử - lỗ trống để dịch chuyển nhờ điện trờng ngoài, tạo thành dòng quang điện. Diode APD còn có khả năng khuyếch đại dòng quang điện nhờ hiện tợng ion hoá do va chạm, do đó tăng đợc độ nhạy.
* Diode PIN
Hình 4.15: Cấu tạo diode quang PIN (a) và phân bố dải năng lợng (b)
Trong ba lớp bán dẫn P - I - N của diode PIN thì lớp bán dẫn I là lớp bán dẫn không pha tạp chất hoặc rất ít. Quá trình hấp thụ photon để tách ra các tia điện tử và lỗ trống xảy ra trong lớp 1. Bề dày lớp P phụ thuộc vào khả năng xâm nhập của ánh sáng vào bán dẫn. Khi bớc sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua chất bán dẫn tăng.
* Diode quang thác APD.
Để tăng độ nhạy của diode quang, ngời ta có thể ứng dụng hiệu ứng giống nh hiệu ứng nhân điện từ trong các bộ phận nhân quang điện. Cấu tạo của diode quang sẽ có dạng đặc biệt, đó là diode quang thác nh hình 4.16 sau
Về cơ bản cấu tạo của APD giống của PIN, lớp I của PIN đợc thay thế bằng một lớp bán dẫn P dẫn yếu là Sp. Hai lớp còn lại vẫn là bán dẫn, dẫn tốt P+
và N+. Miền Sp tạo thành miền trôi, và là nơi sinh ra các cặp điện từ - lỗ trống. Ed Eh N+ Điện cực Miền trôi Rt U I d P+ Điện cực vòng ánh sáng Lớp chống phản xạ SiO2 a) b)
Hình 4.16: Cấu tạo của diode APD (a) và sự phân bố cờng độ điện trờng
Khi có ánh sáng đập vào miền dẫn thì năng lợng từ ánh sáng sẽ đợc truyền vào các điện tử làm cho điện tử trở thành điện tử tự do và nó đợc gia tốc bởi điện thế phân cực. Các điện tử đợc gia tốc sẽ nhập vào các điện tử và làm cho các điện tử đó trở thành điện tử tự do và cứ lặp đi lặp lại trở thành dòng thác lũ điện tử.
Vậy trong APD dòng quang điện đợc nhân lên m lần. Dòng quang điện do APD tạo nên sẽ là
Iph = S.M.Popt
APD có hệ số khuyếch đại tuỳ thuộc vào vật liệu.
* So sánh APD và PIN
κκĐộ nhạy : APD có độ nhạy cao hơn PIN. Độ nhạy của APD lớn hơn PIN từ 5
ữ 15dB (hình 4.17). Tuy nhiên do diode PIN có tạp âm rất nhỏ nên ngời ta làm thêm trong transitor trờng nửa là PIN - FET, lúc này thì PIN sẽ có độ nhạy cao gần bằng APD.
λλ àà νν οο p+ N N+ SP Điện cực N Rt ánh sáng Điện cực vòng Vùng thác U a) b)
ππ
θθ
ρρHình 4.17: Độ nhậy của PIN và APD
σσThời gian đáp ứng : APD có thời gian đáp ứng nhanh hơn PIN do đó dải thông của APD rộng hơn nhiều.
ττ Đáp ứng định nhiệt : PIN có độ ổn định nhiệt cao hơn APD.
υυDòng tối : Của APD cao hơn so với PIN.
ϖϖGiá thành : APD cao hơn khoảng 5 ữ 10 so với PIN. ADP Tốc độ bit (Mbit/s) PIN 10 100 1000 1 -70 -60 -50 -40 -30 Độ nhạy (dB)
Chơng 5
Hệ thống quang dẫn quang Digital
5.1.Đặc trng kỹ thuật cơ bản:
Chơng này nhằm giới thiệu tổng quát về hệ thống truyền dẫn quang digital đang đợc sử dụng phổ biến hiện nay trên mạng viễn thông toàn thế giới, đó là các hệ thống truyền dẫn quang thu trực tiếp, ghép kênh thời gian rín hiệu điện nhờ kỹ thuật điều xung mã PCM. Các hệ thống đợc xem xét là các hệ thống băng rộng, với tốc độ truyền dẫn từ 32 Mbit/s hoặc 34 Mbit/s trở lên.
5.1.1. Phần tín hiệu điện:
Các thông tin cần truyền nh tiếng nói, tín hiệu truyền thanh, truyền hình, truyền số.. đều đợc sử lý thành tín hiệu digital và ghép với nhau thành chùm tín hiệu tốc độ cao nhờ kỹ thuật PCM. Hiện tại có hai hệ thống ghép kênh PCM cơ bản là PCM - 30 với tốc độ cơ sở là 2,048 Mbit/s và PCM - 24 với tốc độ 1,544Mbit/s. Các hệ thống này đều là ghép kện truyền dẫn không đồng bộ. Khi ghép các luồng tốc độ nhỏ để có luồng tốc độ cao hơn cần phải phối hợp tốc độ các luồng bằng cách đa các bit chèn và bit báo chèn bổ xung.
Các hệ thống truyền dẫn digital đợc sử dụng ở VN đều là loại xây dựng theo ghép kện cơ sở PCM - 30 của Châu âu, trog đó kênh thoại đợc truyền với tốc độ 64 Kbit/s dới dạng digital. Tín hiệu truyền thanh chất lợng cao đợc truyền dẫn với tốc độ 384 Kbit/s tơng đơng với 6 kênh thoại. Còn tín hiệu truyền hình màu đợc truyền với tốc độ 34 Kbit/s nhờ kỹ thuật DPCM (điều xung mã vi phân).
5.1.2. Phần truyền dẫn quang:
Sử dụng nguyên lý điều biến quang trực tiếp ở đầu thu và giải điều trực tiếp ở đầu thu sau khi các tín hiệu điện đã đợc số hoá. Điều đó có nghĩa là thực hiện điều biến quang.
Cũng nh trong thông tin điện, quá trình điều biến một nguồn quang la làm thay đổi luồng bức xạ theo thời gian nhờ một tín hiệu điện, thờng là tín hiệu có ích. Nh thế luồng bức xạ quang là một tải tin. Trong thông tin điện thế tín hiệu tin tức điều khiển biên độ hoặc tần số hoặc pha của tải tin, còn trong thông tin quang thì hiệu tin tức điều khiển cờng độ hoặc điều biến pha.
Các phần tử đều truyền dẫn bằng rộng và ngời ta cần có cự ly khoảng lặp lớn nên các phần tử của hệ thống đều đợc chọn cẩn thận:
Sợi quang là sợi đơn mode, làm việc ở bớc sóng là 1,3àm hoặc 1,55àm với tán xạ dịch chuyển.
Diode phát quang là diode laser đơn mode.
Diode thu và máy thu là diode APD, PIN với bộ khuyếch đại tạp âm bé, hoặc tổ hợp PIN- MESFET. Có tạp âm bé và độ nhạy lớn.
5.1.3. Yêu cầu truyền dẫn:
Theo sơ đồ khối tổng quát tổ chức hệ thống truyền dẫn nh trên hình 1. Về phía thiết bị ghép kênh (điện) ở các đầu cuối cần có các mạch giao tiếp (Interface) chuẩn, đảm bảo truyền luông tín hiệu đigital không bị hạn chế, không phụ thuộc vào nội dung chuỗi xung. Tổ chức CCITT đã có khuyếch nghị cho các điểm giao tiếp theo tốc độ luồng bit theo tiêu chuẩn của tổ chức CEPT.
Chuỗi tín hiệu cần dịch chuyển đổi theo mã đờng dây phù hợp để có phổ đồng đều, đảm bảo tái sinh tín hiệu không có lỗi và tái sinh nhịp chính xác. Sự suy giảm chất lợng truyền dẫn, nhng phải đảm bảo tỷ lệ lỗi bit BER là 10-9, 10-10
hoặc 10-11 trên mỗi khoảng lặp. Nh thế đối với cáp quang cần có dự trữ cho lắp đặt và hàn nối.
Trong quá trình hoạt động cần phải luôn giám sát tình trạng và cho cảnh báo chính xác. Nếu cáp có sự cố bị hỏng thỉ phải cắt mạch laser để an toàn cho con ngời.