a. Hiệu suất lượng tủ.
Là tỉ số giữa số điện tử được tạo ra và số lượng photon hấp thụ của chất bỏn dẫn. hiệu suất được viết bởi cụng thức.
Bán dẫn P Vùng hiểm Bán dẫn N
Photo
Vùng trời
Ev Ec
Trong đú: là hiệu xuất lương tử. ne: là số lượng điện tử được tạo ra nph là số lương photon hấp thụ.
Mỗi chất bỏn dẫn chỉ nhạy với một khoảng bức súng ỏnh sỏng nhất định vỡ hiệu suất lượng tử của từng chất bỏn dẫn thay theo bước súng của ỏnh sỏng.
b. Đỏp ứng.
Là tỉ số giữa dũng quang điện sinh ra và cụng suất quang tỏc động vào chất bỏn dẫn. Đỏp ứng được viết bởi cụng thức:
R =
Trong đú:
R: Đỏp ứng cú đơn vị là A/W. Iph dũng quang điện cú đơn vị là A Ioph: Cụng suất quang cú đơn vị là W
R phụ thuộc vào hiệu suất lượng tử của vật liệu là hoạt động theo cụng thức
Trong đú: e. Điện tớch điện tử là e = 1,6.10-9 (hay As) h: Hằng số planck: h= 6,625-10-34
c. Độ nhạy.
Đú là mức cụng suất ỏnh sỏng nhỏ nhất mà linh kiện thu quang (PIN) thu được với tỷ số lồi BER theo tiờu chuẩn CCIII, BER = 10-10. Độ nhạy càng cao cú khả năng tăng cự ly thụng tin.
d. Dải động.
Là khoảng cỏch chờnh lệch giữa mức cụng suất quang cao nhất và mức cụng suất quang thấp nhất mà linh kiện thu quang (PIN) thu được trong một giới hạn tỉ
số lồi BER theo tiờu chuẩn.
e. Tạp õm.
Tạp õm trong cỏc linh kiện thu quang được thể hiện dưới dạng dũng điện tạp õm. Cỏc nguồn tạp õm đỏng kể của linh kiện thu quang là:
- Tạp õm nhiệt: Gõy ra do R tải và diode thu quang và trở khỏng của bộ khuếch đại đầu. Tạp õm nhiệt It phụ thuộc nhiệt độ, độ rộng bằng tạp õm, R tải hệ số tạp õm của bộ khuếch đại.
I2
t = .B
Trong đú: K: Hằng số Bolizman 1,38 .10-38 J/0k T: nhiệt dộ tuyệt đối 0k
B: Bề rộng bằng (Hz) R: Điện trở tải (ohm) - Tạp õm lương tử:
Do biến động ngẫu nhiờn năng lượng của photon đập vào diode thu quang. Dũng tạp õm lượng tử Iq được tớnh bởi.
Iq2= 2.e.R.Popt.B = 2e.Iph.B
- Tạp õm dũng tời là dũng điện chạy qua PIN khi chưa cú ỏnh sỏng chiếu vào nú tạp õm do dũng tời được tớnh bởi cụng thức.
ID2 =2e.iD.B
ID là dũng tời của diode phỏt quang
3. Diot thu PIN
Cấu tạo của diode thu quang gồm 3 lớp bỏn dẫn P-I-N trong đú lớp I là lớp khụng pha tạp chất. Quỏ trỡnh hấp thụ phonton để tỏch ra cỏc điện tử và cổ trống xảy ra trong lớp I. Do đú lớp I càng dày thỡ hiệu suất lương tử càng cao nhưng thời gian trải điện tử sẽ càng chậm. Giảm khả năng làm việc với tốc độ cao của PIN.
Bề dày lớp P phụ thuộc khả năng thõm nhập của ỏnh sỏng và bỏn dẫn ỏnh sỏng cú dài thỡ khả năng thõm nhập càng lớn.
Cấu tạo của Mode thu quang PIN. Ta cú mạch tương đương: Trong đú: RS Id V1 V Iph = R. Popt
Vòng tiếp xúc kim loại Cách điện (SiO2)
Lớp chống phản xạ P
I
N
Tiếp xúc kim loại
Iph: Dũng điệnV Vi = VT. ln= R: Đỏp ứng
RS: R nối tiếp
Id: Dũng qua diodeV VT = = 26mv ở 3000K IS: Dũng bóo hũa của diode.
4. Diot thu APD.
Ứng dụng hiệu ứng nhận điện tử trong bỏn dẫn người ta chế tạo APD gồm 3 lớp là: P+, P-, PN-; Trong đú P+, PN- là hai lớp bỏn dẫn cú nồng độ tạp chất cao cũn P- là lớp cú nồng độ tạp chất thấp.
Dưới tỏc dụng của nguồn phõn cực ngược quỏ trỡnh nhõn điện tử xảy ra trong vựng tiếp giỏp PN- là cao nhất. Vựng này gọi là vựng thỏc lũ. Khi cú ỏnh sỏng chiếu vào cỏc photon được hấp thụ trong lớp P- và tạo ra cặp điện tử - lỗ trống. Lỗ trống di chuyển về phớa lớp P+ nối cực õm của nguồn cũn điện tử di chuyển về phớa tiếp giỏp PN-. Điện trở cao trong vựng PN- sẽ tăng tốc độ cho điện tử. Điện tử va chạm vào cỏc nguyờn tử của tinh thể bỏn dẫn tạo ra cỏc cặp điện tử và lỗ trống mới. Quỏ trỡnh tiếp diễn và số lượng cỏc hạt tải điện tăng lờn rất lớn. Nh vậy trong APD dũng quang điện đó được nhõn lờn M lần với M là số điện tử thứ cấp phỏt sinh ứng với một điện tử sơ cấp.
Dũng quang điện do APD tạo ra sẽ là: Iph = R. M. Popt
Trong đú: M: hệ số nhõn R: Đỏp ứng (A/w)
Popt: Cụng suất quang (w)
Hệ số nhõn M thay đổi theo điện ỏp phõn cực ngược và cũng phụ thuộc nhiệt độ nờn việc giữ cho hệ số nhõn M ổn định rất khú khăn.
Ngoài ra, nếu vựng thỏc lũ càng rộng thỡ hệ số M cũng càng lớn. Nhưng lỳc đú thời gian trụi của điện tử càng chậm nờn tốc độ hoạt động của APD giảm.
Giỏ trị của hệ số nhõn M từ 10 1000 lần, trờn thực tế chỉ chọn điểm phõn cực cho APD sao cho M = 50 200 lần vỡ M càng lớn thỡ dũng nhiễu của APD cũng càng cao.
Cấu tạo của một APD.
5. Đặc tớnh kỹ thuật của PIN và APD.
- Độ nhạy: Độ nhạy của APD lớn hơn độ nhạy của PIN từ 5 15dB, tuy nhiờn nếu dựng PIN kết hợp với FET thỡ độ nhạy của PIN - FET gần bằng độ nhạy của APD.
- Điện ỏp phõn cực: Điện ỏp phõn cực của APD lớn hơn điện ỏp phõn cực của PIN (APD khoảng Hà Nộiàg trăm vụn, PIN khụng dưới vài chục vụn)..
- Dải động: Dải động của APD lớn hơn dải động của PIN và cú thể điều chỉnh được bằng cỏch thay đổi điện ỏp phõn cực để thay đổi hệ số nhõn M.
- Dũng tối của APD lớn hơn dũng tối của PIN.
- Độ ổn định khi làm việc của APD nhỏ hơn PIN vỡ hệ số nhõn của APD vừa
Tiếp xúc N N- (Ingu Ac) N (Ingu AS) N (Iup) P (Iup) P (Iup) Tiếp xúc P ánh sáng Cấu tạo APD nhóm III - V
phụ thuuộc điện ỏp phõn cực vừa thay đổi theo nhiệt độ.
* Ưu điểm của 2 loại tỏch súng quang PIN và APD trỏi ngược nhau khụng giống nh hai loại nguồn quang LED và Leser.
Đặc tớnh kỹ thuật của leser tốt hơn LED về nhiều mặt trong khi đú APD chỉ hơn PIN về độ nhạy và tốc độ làm việc. Cỏc mặt hạn chế của APD là:
- Chế độ làm việc kộm ổn định nờn cần mạch điện phức tạp. - Dũng nhiễu lớn.
- Điện ỏp phõn cực cao và yờu cầu độ ổn định cao. - Giỏ thành cao.
Do đú APD và PIN đều tồn tại song song. Cú thể khắc phục được cỏc nhược điểm của PIN bằng cỏch dựng kết hợp PIN với một transistor trường (FET).
Trong mạch khuếch đại. Nếu linh kiện kết hợp này được gọi là PIN - FET chỳng được sử dụng khỏ phổ biến trong cỏcd hệ thống thụng tn quang hiện nay, độ nhạy của PIN - FET cú thể so sỏnh được với APD.
2.5. Hàn nối sợi quang.
1. Cỏc yờu cầu nối.
Do những hạn chế về kỹ thuật chế tạo, phương tiện chuyển cũng như trong quỏ trỡnh lắp đặt và vận hành hệ thống thụng tin quang, việc hàn nối giữa cỏc sợi quang với nhau hoặc giữa cỏc sợi quang với linh kiện thu - phỏt đúng một vai trũ quan trọng. Hàn nối tốt cũng làm giảm suy hao đường truyền hàn nối sợi quang gồm những phương phỏp sau: + Dựng keo dớnh. 1 10 100 1000 Tốc độ bít ( b/s) - 30 . - 40 . - 50 . - 60 . - 70 . . . . APD PIN -
+ Hàn nối bằng hồ quang.
+ Dựng bộ nối thỏo rời và bộ nối khụng thỏo rời.
Những phương phỏp chớnh hiện nay là hàn nối bằng hồ quang gồm cỏc bước
nh sau:
a.
Quỏ trỡnh hàn nối sợi
a. Dựng húa chất để tẩy và tỏch sạch lớp vỏ bảo vệ của 2 sợi quang cần nối
b
c
kẹp 2 đầu lờn bộ giỏ đỡ.
b. Điều chỉnh cho 2 đầu sợi dõy gần nhau (bằng 10% đường kớnh lừi)
c. Đúng mạch tia lửa điện. Quỏ trỡnh này xảy ra tự động thời gian phúng điện được tớnh toỏn sao cho phự hợp với từng loại sợi và kớch thước của sợi.
d. Nối xong nếu khuyết tật phải cho hàn lại. e. Gia cố cơ học để bảo vệ mối nối.
Ngày nay cỏc mỏy hàn đó được thiết kế hiện đại, việc hàn nối đó được mỏy hàn tự động hàn hết cỏc khõu quan trọng. Con người chỉ thực hiện cỏc động tỏc đơn giản nh: tỏch sợi, tẩy bỏ lớp bảo vệ, bọc mối nối, hàn nối vỏ gia cụng chịu lực bảo vệ cỏc mối nối. Do đú tiờu hao mối hàn nối rất thấp.
Mỏy hàn cũ sản xuất năm 1992 tiờu hao hàn nối: = 0,2 0,6dB Mỏy hàn mới sản xuất năm 1995: tb = 0,038dB
Trong thực tế thường chấp nhận: = 0,1dB
Sau đõy là một vài vớ dụ suy hao do mối hàn của mỏy Furukawa - S5147S của Nhật.
Phõn bố suy hao của mối hàn (sợi đa mode)
n: Số mối hàn
AVG: Suy hao trung bỡnh : Suy hao trờn một mối hàn
Số mối hàn (n) Suy hao (dB) 40 30 20 10 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12
2.6. Hệ thống thụng tin quang.
1. Khỏi niệm.
Một hệ thống thụng tin quang bao gồm: - Linh kiện phỏt quang ở phần phỏt - Cỏp quang
- Cỏp bộ nối
- Cỏc thiết bị tiếp vận và cỏc thiết bị ghộp kờnh - Chỗ hàn nối
- Linh kiện thu quang ở phần thu
Cỏc hệ thống đang sử dụng hiện nay thuộc loại điều chế và tỏch súng quang trực tiếp, khụng thụng qua một giai đoạn biến đổi tần số quang nào. Và truyền T/h số (Digital) xd T/h điều chế xung mó PCM qua cỏc bước ghộp kờnh số cấp cao để tận dụng khả năng truyền dẫn băng rộng của sợi quang. Để mở rộng dải thụng tin truyền dẫn và kộo dài cự ly tiếp vận cỏc phần tử sau được chọn:
- Sợi quang loại dơn Mode SM, hoạt động ở bước súng 1300nm hoặc 1550nm.
- Nguồn quang: Sử dụng laser đơn mode.
- Tỏch súng quang: Sử dụng diode quang APD hoặc PIN - FET.
2. Cấu trỳc hệ thống thụng tin quang.
* Chức năng:
- Hướng phỏt: Tiếp nhận tớn hiệu từ thiết bị ghộp kờnh đưa đến, đổi tớn hiệu điện sang dạng mó thớch hợp với đường dõy quang và cho tớn hiệu điện kớch thớch nguồn quang phỏt ra tớn hiệu quang.
- Hường thu: Tớn hiệu quang được chuyển thành tớn hiệu điện. Sau khi được khuếch đại, phục hồi, tớn hiệu điện được chuyển sang mó thớch hợp với thiết bị ghộp kờnh.
* Hướng phỏt:
+ Sử dụng: Từ đầu vào (ghộp kờnh) cú một chuỗi xung tớn hiệu điện đưa đến, đi qua bộ sử dụng xung, san bằng san khi đó được khuếch đại. Đồng thời được
đồng bộ (xỏc định xung clock).
+ Biến đổi mó: B/v (Bipalar/ Unipolor): Mó truyền dẫn của tớn hiệu điện thường là mó nhị cực cú 3 trạng thỏi + V, 0, - V khụng phự hợp với đường truyền dẫn quang. Là loại chi 2 trạng thỏi sỏng và tối. Do đú khối đổi mó chuyển tớn hiệu ở mó nhị cực sang mó đơn cực. Mó nhị cực thường dựng là mó HDB3 cũn mó đơn cực thường dựng là mó NRZ.
+ Ngẫu nhiờn húa: (SCR: Scramhler): Cú tỏc dụng trộn chuỗi xung một cỏch ngẫu nhiờn theo một quy luật nhất định để trỏnh sự lặp lại một chuỗi dài cỏc bớt giống nhau. Sự sỏo trộn này làm cho sự phõn bố phổ của tớn hiệu cần chuyển động đều hơn.
+ Mó húa: Lại một lần nữa chuỗi xung được đổi sang dạng mó thớch hợp với đường truyền dẫn quang. Loại mó này tỏc dụng trỏnh tỡnh trạng xuất hiện cỏc nhúm bớt chứa nhiều bớt "1" hoặc "0" liờn tiếp đầu thu khụng nhận được. Trừ một nhúm bớt để phỏt hiện lỗi. Loại thường dựng là mó 5B. 6B.
Một nhúm 5 bớt được đổi thành 6 bớt. 5B: gồm 32 nhúm tổ hợp: 6B: gồm 64 nhúm tổ hợp 00000 000000 00001 000001 … … 11111 111111
Trong 64 hàng của mó 6B người ta chọn lấy 32 hàng khụng chứa 5 số khụng liờn tiếp. Do đú 32 trường hợp 5B cho tương ứng 32 trường hợp 6B đó được chọn.
Số bớt 5B đổi thành 6B tăng thờm 20%: tức là tốc độ bớt tăng thờm 6/5 lần khi dựng mó 5B 6B.
Nếu truyền tốc độ 35MB/s thỡ tốc độ trờn đường dõy quang là 42MB/s, 140MB/s trở thành 168 MB/s. Người ta cú thể dựng 32 tổ hợp để phỏt hiện lỗi.
+ Mạch kớch thước: Tổng hợp dũng điện phõn cực và chuyển xung tớn hiệu để kớch thớch nguồn quang. Chuyển từ Uxung -> Ixung.
+ Nguồn quang: Linh kiện thường là laser. Cụng suất phỏt luụn được mạch điều khiển cụng suất APC. Thăm dũ để điều chỉnh dũng phõn cực nhằm giữ cho
cụng suất quang được ổn định.
* Hướng thu:
+ Mạch thu quang: Biến đổi tớn hiệu quang sang tớn hiệu điện sử dụng diode quang sang tớn hiệu điện sử dụng diode thu quang cú thể là PIN hoặc APD trong đú cú mạch điều khiển khuếch đại.
+ Khối khuếch đại: Tớn hiệu thu, điều chỉnh được bộ khuếch đại để giữ mức tớn hiệu ra đồng đều khi tớn hiệu vào thay đổi. Mạch điều chỉnh bộ khuếch đại AGC làm nhiệm vụ này.
+ Mạch phục hồi: Qua đường truyền ngoài việc biờn độ tớn hiệu bị suy giảm do suy hao sợi quang, dạng tớn hiệu cũn bị mộo do tỏn sắc của sợi. Mạch phục hồi cú tỏc dụng khụi phục lại xung và định lại thời gian nhịp của quang.
+ Giải mó: Chuyển từ mó 6B về 5B theo quy tắc đó mó húa ở đầu phỏt và phỏt hiện cảnh bỏo trong bộ giảm sỏt.
+ Giải ngẫu nhiờn: Trộn tớn hiệu theo quy luật ngược lại quỏ trỡnh ngẫu nhiờn húa ở đầu phỏt.
+ Đổi mó: Chuyển từ mó đơn cực sang mó nhị cực sau đú chuyển đến thiết bị ghộp kờnh.
+ Tớn hiệu nghiệp vụ: Được chuyển sang dạng số, đưa vào mạch kớch thớch để điều chế biờn độ tớn hiệu quang của luồng tớn hiệu chớnh. Ở hướng thu tớn hiệu nghiệp vụ được tỏch ra từ khối khuếch đại.
+ Thiết bị ghộp kờnh: Thiết bị ghộp kờnh trong hệ thống thụng tin quang hiện nay là thiết bị ghộp kờnh số. tớn hiệu được biến đổi thành tớn hiệu điều chế xung mó (PCM) và ghộp kờnh theo nguyờn tắc phõn kờnh thời gian (TDM) cỏc tiờu chuẩn PCM được dựng hiện nay là:
Tiờu chuẩn Chõu Âu (CEPT) tốc độ luồng tớn hiệu số cơ bản là 2.048 Mb/s gồm 30 kờnh, tốc độ mỗi kờnh là 64 Kb/s.
Tiờu chuẩn Bắc Mỹ và Nhật Bản: Tốc độ luồng cơ bản là 1,54 Mb/s gồm 24 kờnh, tốc độ mỗi kờnh là 64 Kb/s.
Tiờu chuẩn Đặc trưng Cấp bậc
Cấp 1Cấp 2Cấp 3Cấp 4Cấp 5 Cấp 2 Cấp 3 Cấp 4Cấp 5
Chõu õu Tốc độ bit Hệ số nhõn Số kờnh thoại 2.0488.448 34.368 139.264 8.448 34.368 139.264 2.048 444 4 4 4 4 4 30480 480 1920 7680 480 480 1920 7680 Bắc Mỹ Tốc độ bit Hệ số nhõn Số kờnh thoại 1.5446.312 44.736 274.176565 6.312 44.736 274.176 565 1.544 476 2 4 7 6 2 24 966724032 8064 96 672 4032 8064 Nhật Bản Tốc độ bit Hệ số nhõn Số kờnh thoại 1.544 6.312 32.06497.728 397.2 6.312 32.064 97.728 397.2 1.544 45 3 4 4 5 3 4 24 964801440 5760 96 480 1440 5760
Ở Việt Nam xõy dựng hệ thống ghộp kờnh theo tiờu chuẩn Chõu Âu. Một kờnh thoại tiờu chuẩn cú phổ giới hạn 0,3 3,4 KHZ được chuyển sang dạng số cú tốc độ 64 Kb/s. Một kờnh truyền thanh được truyền với tốc độ 384 Kb/s tương đương với 6 kờnh thoại.
* Thiết bị tiếp vận: Khỏc với thiết bị trạm đầu cuối, thiết bị trạm tiếp vận giao tiếp với đường dõy quang ở cả 2 phớa. Trong thiết bị tiếp vận khụng cú cỏc khối mó B/V ngẫu nhiờn mó húa và cỏc bộ biến đổi ngược lại. Vỡ dạng mó trờn đường dõy quang được giữ nguyờn chức năng của cỏc khối cũn lại tương tự chức năng của cỏc khối tương ứng trong thiết bị trạm đầu cuối.