t t nh t là t i đi m m t m to nh t.
Khe bit
Bi u đ m t c a tín hi u d ng NRZ
Hai linh ki n th ng s d ng b thu quang là PIN và APD. M i linh ki n đ u cĩ u nh c đi m c a mình. u đi m c a PIN là đ n đnh cao, dịng t i nh (gây nhi u th p). u đi m c a APD là d i đ ng r ng, đ nh y cao, đáp ng l n. Tùy theo m c đích s d ng c a h th ng mà chúng ta s l a ch n linh ki n s d ng phù h p. Các thơng s c a b thu c n xem xét là đ nh y, dịng t i, d i đ ng, đi n áp phân c c, đáp ng và đ n đnh. i l ng đ nh y là m t torng các thơng s cĩ nh h ng đ n c ly truy n d n. B thu cĩ đ nh y càng cao thì c ly truy n d n càng dài.
M t thơng s đ đánh giá ch t l ng h th ng truy n d n s là t s l i bit BER. H th ng cĩ ch t l ng t t n u BER th p. i v i h th ng truy n d n quang, t s BER th ng là 10-9 và cĩ th đ t đ c giá tr BER th p h n, cĩ th đ t đ n m c 10-12. T s SNR c a tín hi u đ n b thu s quy t đnh BER theo quan h :
⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = 2 2 2 2 1 SNR Q SNR erfc BER
H th ng quang mà chúng ta đã kh o sát trong mơn h c này là h th ng quang IM/DD. ây là h th ng đi u ch c ng đ và tách sĩng tr c ti p. Th hi n c a đi u ch c ng đ là tín hi u quang s là tín hi u nh phân cĩ hai tr ng thái là sáng (1) và t i (0) và đ phân bi t hai tr ng thái này, bit 1 đ c đi u ch cĩ cơng su t quang l n cịn bit 0 đ c ch v i m c cơng su t t i thi u. Tín hi u cĩ cơng su t càng l n thì c ly truy n d n càng xa. duy trì h th ng quang ho t đ ng m c t s l i bit BER khơng đ i m c nào đĩ thì tín hi u t i b thu c n cĩ m c cơng su t quang t i thi u, đ c bi t v i tên là đ nh y. M i h th ng quang s ho t đ ng t c đ bit xác đnh, đ duy trì BER cho tr c thì đ nh y c a b thu s đ c xác đnh theo quan h :
2 0 T mhfB z P =
Trong đĩ zm là s photon trung bình c n thi t đ phân bi t bit 1 đ u thu.
Hay nĩi cách khác, đ nh y c a b thu quang s ph i g n li n v i t c đ ho t đ ng và ch t l ng c a h th ng.
166
4.1. Photodiode PIN trung bình t o ra 1 c p l tr ng – electron trên 3 photon t i b c sĩng 0,8μm. Gi s t t c các electron này đ u nhu nh n đ c. Tính:
(a) Hi u su t l ng t c a linh ki n;
(b) N ng l ng vùng c m c c đ i cĩ th c a PIN;
(c) Dịng photon trung bình ngõ ra khi thu đ c cơng su t quang 10-7W. 4.2. M t photodiode p-n cĩ hi u su t l ng t 50% b c sĩng 0,9μm. Tính:
(a) áp ng c a linh ki n b c sĩng 0,9μm;
(b) Cơng su t quang đã thu đ c n u dịng photon trung bình là 10-6A. (c) S photon thu đ c t ng ng v i b c sĩng này.
4.3. Khi 800 photon/s t i photodiode PIN đang ho t đ ng b c 1,3μm, chúng t o ra trung bình 550 electron/s. Tính đáp ng c a linh ki n.
4.4. M t APD cĩ h s nhân thác l là 20 ho t đ ng b c sĩng 1,5μm. Tính hi u su t l ng t và dịng photon ngõ ra c a APD n u đáp ng c a linh ki n b c sĩng này là 0,6A/W và 1010 photon/s b c sĩng này t i linh ki n.
4.5. Cho tr c các thơng s c a APD. Tính h s nhân thác l . Cơng su t quang thu đ c b c sĩng 1,35μm = 0,2 μW
Dịng photon ngõ ra (sau khi cĩ đ l i c a c ch nhân thác l ) = 4,9 μA Hi u su t l ng t b c sĩng 1,35μm = 40%
4.6. M t APD cĩ hi u su t l ng t 45% 0,85μW. Khi th nghi m phát x b c sĩng này, nĩ t o ra dịng photon 10μA (sau đ l i thác l ) v i h s nhân 250. Tính cơng su t quang thu đ c c a linh ki n. Cĩ bao nhiêu photon đ n trong m t giây?
4.7. M t photodiode silicon cĩ đáp ng 0,5 A/W b c sĩng 850nm. Xác đnh cơng su t quang t i thi u c n thi t t i photodidoe b c sĩng này đ duy trì BER = 10-7, gi s t1n hi u nh phân là lý t ng và cĩ t c đ 35Mbit/s.
4.8. M t photodiode PIN silicon cĩ hi u su t l ng t 65% b c sĩng 800nm. Xác đnh: (a) dịng photon trung bình khi cơng su t quang 5μW cĩ b c sĩng 800nm t i b tách
sĩng;
(b) dịng nhi u l ng t hi u d ng rms v i b ng thơng sau b tách sĩng là 20MHz; (c) SNR theo dB khi dịng photon trung bình là dịng tín hi u.
4.9. Photodiode bài 4.8 cĩ đi n dung 8pF. Tính:
(a) đi n tr t i t i thi u t ng ng v i b ng thơng sau b tách sĩng là 20MHz; (b) dịng nhi u nhi t hi u d ng rms trong đi n tr trên nhi t đ 250C; (c) SNR (theo dB) khi dịng t i c a photodiode là 1 nA.
4.10. Photodiode bài t p 4.8 và 4.9 đ c s d ng b thu v i b khu ch đ i cĩ h s nhi u 2dB và đi n dung ngõ vào là 7pF. Xác đnh:
(a) i n tr ngõ vào c c đ i c a b khu ch đ i đ duy trì b ng thơng sau b tách sĩng là 20MHz (khơng cĩ cân b ng);
(b) Cơng su t quang t i thi u c n thi t t i b thu đ đ c SNR = 50dB.
4.11. Photodiode germanium đ c s d ng trong b thu quang làm vi c b c sĩng 1550nm cĩ dịng t i 500nA. Khi cơng su t quang đ n b c sĩng làm vi c là 10-6W và đáp ng c a linh ki n là 0,6 A/W, nhi u n chi m u th . Xác đnh SNR (theo dB) b thu khi b ng thơng sau tách sĩng là 100MHz.
4.12. M t APD silicon cĩ hi u su t l ng t 95% b c sĩng 0,9μm, cĩ h s nhi u thác l M0,3 và đi n dung 2pF. Gi s b ng thơng sau tách sĩng (ch a cân b ng) là 25MHz, dịng t i khơng đáng k nhi t đ 2900K. Xác đnh cơng su t quang t i thi u t i APD đ đ t SNR = 23dB.
4.13. V i linh ki n và các đi u ki n bài t p 4.12, tính:
(a) SNR đ t đ c khi h s nhân thác l c a APD ch cịn m t n a giá tr t i u đã tính đ c;
(b) Cơng su t quang c n thi t đ khơi ph c SNR = 23 dB v i M=0,5Mopt.
4.14. M t APD germanium (cĩ x =1) ho t đ ng b c sĩng 1,35μm v i đáp ng 0,45A/W. Dịng t i 200nA nhi t đ ho t đ ng 250K và đi n dung c a linh kiên 3pF. Xác đnh SNR max cĩ th khi cơng su t quang t i là 8.10-7W và b ng thơng sau tách sĩng khi ch a cân b ng là 560MHz.
4.15. Photodiode bài t p 4.14 cĩ s d ng b khuêch đ i v i h s nhi u 3dB và đi n dung ngõ vào 3pF. Xác đnh giá tr m i SNR khi ho t đ ng d i cùng đi u ki n.
4.16. M t b tách sĩng quang APD silicon đ c s d ng trong b thu PCM nh phân d i n n cĩ ng ng quy t đnh n m gi a m c 1 và 0. Linh ki n cĩ hi u su t l ng t 70% và t s t c đ ion hố 0,05 và h s nhân thác l khi ho t đ ng là 65. Gi s ph tín hi u cĩ d ng cosine và t l bit 1 và 0 là b ng nhau.
(a) Xác đnh s photon c n thi t b thu đ nh n d ng bit 1 v i BER = 10-10;
(b) Tính cơng su t quang c n thi t t i APD khi h th ng ho t đ ng b c sĩng cĩ t c đ truy n d n 34Mbit/s;
(c) Giá tr câu (b) s là bao nhiêu n u mã đ ng truy n c a h th ng là 3B4B.
4.17. M t photodiode PIN c n 2.104 photon t i b thu đ nh n d ng bit 1 v i BER = 10-9. Linh ki n cĩ hi u su t l ng t 65%. Hãy xác đnh (theo dB) m c v t tr i c a tín hi u so v i nhi u gi i h n l ng t c a photodiode đ duy trì BER = 10-9.
4.18. M t h th ng quang s d ng LED b phát cĩ cơng su t quang trung bình 300μW b c sĩng 800nm đ c ghép vào s i quang. S i quang cĩ suy hao trung bình 4dB/Km (bao g m c m i n i). B thu APD yêu c u 1200 photon t i đ nh n d ng bit 1 v i BER = 10-10. Hãy xác đnh kho ng cách truy n d n l n nh t (khơng s d ng tr m l p) c a h th ng trong các tr ng h p t c đ ho t đ ng sau:
168
(b) 1 Gbit/s Nh n xét k t qu
4.19. APD so v i PIN cĩ u đi m gì?
a. T c đ ho t đ ng ch m h n b. nh y cao h n
c. Giá thành th p h n d. Dịng t i nh h n
4.20. Linh ki n tách sĩng quang cĩ nhi m v gì?
a. Khu ch đ i ánh sáng b. Bi n đ i tín hi u quang thành tín hi u đi n
c. S a d ng tín hi u quang d. Bi n đ i tín hi u đi n thành tín hi u quang
4.21. APD th ng đ c s d ng trong các h th ng quang nào?
a. T c đ truy n d n cao và r t cao b. C ly truy n d n ng n c. H th ng ch t l ng th p d. C a và b đ u đúng 4.22. APD so v i PIN cĩ nh c đi m gì?
a. T c đ ho t đ ng ch m h n b. Dịng t i l n h n
c. Giá thành th p h n d. nh y th p h n 4.23. đ Yêu c u đ i v i m t linh ki n tách sĩng quang là gì?
a. Nh y v i b c sĩng c a h th ng b. nh y càng cao càng t t
c. D i đ ng càng h p càng t t d. áp ng ph i nhanh
4.24. PIN cĩ các thơng s sau: cơng su t quang thu c c đ i cho phép –20 dBm và d i đ ng 25 dB. V y PIN này cĩ đ nh y b ng bao nhiêu
a. -25 dBm b. -20 dBm
c. -5 dBm d. -45 dBm
4.25. Hi n t ng nhân thác l h t mang đi n xu t hi n trong c u trúc c a linh ki n nào
a. LED b. LD
c. PIN d. APD
4.26. PIN là linh ki n bán d n ho t đ ng theo nguyên lý nào?
a. Phát x t phát b. Phát x kích thích
Prentice Hall, 1993.
[2] Optical Fiber Communications Third edition, McGraw-Hill, 2000. [3] . Optical Communication Systems. Second edition, Prentice-Hall, 1993.
[4] Fiber-Optic Communication Systems. Second edition, John Wiley & Sons, 1997.
[5] . Principles and Applications of Optical Communications, 2001. [6] V . H th ng Thơng Tin Quang, t p 1. Nhà xu t b n B u i n, 7-2003. [7] . Digital Communications. Third edition, McGrawHill, 1995.
[8] Schilling. Principles of Communications Systems. McGraw-Hill, 1986.
170
H
Trong các ch ng tr c, chúng ta đã đ c p đ n ba thành ph n chính c a h th ng thơng tin quang – s i quang, các b phát quang và các b thu quang. Trong ch ng này, chúng ta xem xét các y u t liên quan đ n thi t k và ch t l ng h th ng khi ba thành ph n nĩi trên đ c g n v i nhau đ hình thành m t h th ng thơng tin quang th c t . Ph n 5.1 trình bày t ng quan v các ki n trúc h th ng thơng tin quang. Ph n h ng d n thi t k h th ng thơng tin quang, bao g m vi c xem xét nh h ng c a suy hao và tán s c đ c đ c p trong ph n 5.2. Qu cơng su t và qu th i gian lên c ng đ c gi i thi u trong ph n 5.2. Ph n 5.3 xem xét các v n đ liên quan đ n ch t l ng h th ng, đ c bi t là s suy gi m ch t l ng khi tín hi u lan truy n qua s i quang. Ph n cu i c a ch ng này s trình bày t ng quan v các lo i h th ng thơng tin quang đ chúng ta cĩ cái nhìn t ng quát v h th ng.
T quan đi m ki n trúc, các h th ng truy n thơng cáp s i quang cĩ th đ c phân lo i thành 3 lo i – các tuy n k t đi m- đi m, các m ng phân b và m ng c c b . Trong ph n này chúng ta s t p trung xem xét nh ng đ c đi m chính c a 3 ki n trúc này.
đi đi
Tuy n đi m n i đi m là lo i ki n trúc đ n gi n nh t c a h th ng thơng tin quang. Vai trị c a chúng là chuy n t i thơng tin trong d ng lu ng s bit t m t n i này đ n m t n i khác m t cách chính xác nh t cĩ th đ c. Chi u dài tuy n cĩ th thay đ i t nh h n 1 km (c ly ng n) đ n hàng ngàn km (c ly dài), ph thu c vào ng d ng.
Khi chi u dài tuy n v t quá m t giá tr nào đĩ, n m trong kho ng t 20-100 km ph thu c vào b c sĩng cơng tác, c n thi t ph i bù đ p các suy hao trong s i quang, ng c l i tín hi u s tr nên quá y u đ cĩ th tách ra phía thu.
Hình 5.1 trình bày hai s đ th ng s d ng đ bù suy hao quang. Các b l p quang đi n, cịn đ c g i là tr m tái t o b i vì chúng tái t o l i các tín hi u quang, duy nh t đ c s d ng cho đ n nh ng n m 1990. Nh trên hình 5.1 (a) b tái t o ch ng qua là m t c p thu – phát tách tín hi u quang đ n, khơi ph c l i bit đi n, r i chuy n đ i ng c l i thành tín hi u quang b ng cách đi u ch m t ngu n quang. S ti n b trong cơng ngh khu ch đ i quang sau đĩ đã làm m t cách m ng trong s phát tri n các h th ng thơng tin quang [8]-[10]. Các b khu ch đ i quang đ c bi t cĩ giá tr cho các h th ng ghép kênh phân chia theo b c sĩng (WDM) b i vì chúng cĩ th khu ch đ i nhi u kênh đ ng th i. Các b khu ch đ i đ c đ c p đ n trong cu n sách “H th ng thơng tin quang – T p 2”.
Các b khu ch đ i quang gi i quy t v n đ suy hao nh ng chúng l i b xung thêm nhi u và làm tr m tr ng thêm nh h ng c a tán s c và các hi u ng phi tuy n b i vì s suy gi m tín hi u s đ c tích l y các t ng khu ch đ i. Th c t , các h th ng thơng tin quang đ c khu ch đ i m t cách đnh k th ng b gi i h n b i tán s c tr khi các k thu t bù tán s c đ c s d ng. Các b l p quang đi n khơng b nh h ng b i v n đ này b i vì chúng tái t o l i các lu ng bit ban đ u và do đĩ bù tr hi u qu t t c các ngu n suy gi m tín hi u m t cách t đ ng. thay th cho b l p quang đi n t , b tái t o quang ph i th c hi n ba ch c n ng t ng t – tái t o (regeneration), s a d ng (reshaping), và đnh th i l i (retiming) tín hi u (vì th cịn đ c g i là b l p 3R). M c dù cĩ nh ng n l c đáng k trong vi c nghiên c u phát tri n các khu c đ i tồn quang (b khu ch đ i quang), h u h t h th ng m t đ t hi n nay s d ng m t k t h p hai k thu t trong hình 5.1 và đ t m t b tái t o quang đi n sau m t s l ng nh t đnh các b khu ch đ i quang. Cho đ n n m 2000, kho ng cách b l p 3R trong t m 600-800 km. C ng k t đĩ các h th ng đ ng c c dài đ c phát tri n cĩ th truy n tín hi u quang xa h n 3000 km mà khơng c n s d ng b l p 3R [12].
Kho ng cách L gi a các b tái t o ho c b khu ch đ i quang (hình 5.1) th ng đ c đ c g i là kho ng l p (repeater spacing), là m t tham s thi t k ch y u b i vì giá thành h th ng gi m khi L t ng. Tuy nhiên, nh đã th o lu n trong m c 2.4, do tán s c kho ng cách L ph thu c vào t c đ bít B. Tích t c đ bit - kho ng cách, BL, thơng th ng đ c s d ng nh là