Tìm hiểu bộ biến đổi quang điện

nhau dl đây là phổ vạch và hầu nh­ không đổi . Nếu độ dài bộ cộng hưởng là Lr, chiết suất miền hoạt tính là nF thì bước sóng trong vật liiệu bán dẫn là l/nK. Thì điều kiện cộng hưởng là dl=l2/2.nK.Lr. 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ Khi nhiệt độ môi trường thay đổi thì đặc tính bức xạ của chúng bị ảnh hưởng cả về công suất lẫn phổ bức xạ. a. Công suất: khi nhiệt độ tăng thì đặc tính bức xạcủa LED&LD giảm. 200C 300C a)LED P I T 200C 500C T P I b)LD Nhiệt độ tăng thì đặc tính bức xạ của LED sẽ phẳng hơn, còn đặc tính bức xạ của LD sẽ dịch chuyển về phía dòng ngưỡng nhiều hơn. Ban đầu nhiệt độ chưa cao thì đặc tính hầu như song song với nhau, khi nhiệt độ tăng thì đặc tính bị nghiêng hơn (hình b). LED&LD chế tạo từ vật liệu liên kết bốn InGaAsP cho các bước sóng dài 1,3 và 1,55mm. Hiện nay rất nhạy với nhiệt độ so với loại chế tạo từ vật liệu GaAlAs cho bước sóng ngắn 0,85mm. Sự phụ thuọc của dòng ngưỡng ing của LD thể qua công thức ing(T+DT)= ing(T).eDT/To. T: nhiệt độ ban đầu, DT nhiệt độ gia tăng, To: nhiệt độ phụ thuộc vào vật liệu. b. Phổ bức xạ: Khi nhiệt độ thay đổi 1oC thì phổ bức xạ LD dịch chuyển đi vài phần mười(nm) thay đổi bước sóng bước xạ. Một tần số cộng hưởng của bộ cộng hưởng dịch chuyển sang một tần số lân cận, làm cho phổ bức xạ ra không ổn định. c. Biện pháp ổn nhiệt: Cần có các biẹn pháp ổn định để giữ cho công suất bức xạ và bước sóng chỉ biến động trong giới hạn nhỏ. Phương pháp hữu hiệu là điều chỉnh tự động các đại lượng này. Lấy tín hiệu điều khiển điều chỉnh từ chính công suất bức xạ ra. Loại diot laser chế tạo hiện nay có sẵn mạch điều chỉnh, chế tạo chung trong một môdum Được chế tạo có sẵn 1 đoạn sơi quang để dẫn ánh sáng ra. Phôto điot M đóng vai trò như một phần tử giám sát, nó chuyển thành tín hiệu điện, qua khuếch đại để ra điều chỉnh điểm công tác LD. Sợi dây náng T giám sát nhiệt độ của LD và phần tử làm mát P được điều chỉnh qua tíb\n hiệu thăm dò của T, để giữ nhiệt độ không thay độ. T&P được đấu nối với mạch điện điều chỉnh bên ngoài. Ngoài ra còn có các phần tử phụ thực hiện chức năng phụ giám sát bức xạ, điều chỉnh công suất và bức xạ. V. Điều biến các nguồn quang 1. Định nghĩa và phương thức điều biến a. Định nghĩa: Quá trình điều biến các nguồn quang là làm thay đổi nguồn bức xạ theo thời gian nhờ một tín hiệu điện, thường là tín hiệu có Ých. Luồng bức xạ quang là tải tin. Tin tức điều khiển biên độ, tần số, hoặc pha của tải tin. Trong thông tin quang tín hiệu tin tức điều khiển cường độ bức xạ của nguồn quang, gọi là điều biến cường độ hoặc điều biến pha. Bøc x¹ ®iÒu biÕn b. Các phương thức điều biến: Diều biến trực tiếp và gián tiếp gọi là điều biến ngoài. Bøc x¹ ®iÒu biÕn Nguån quang TÝn hiÖu ®iÖn §iÒu biÕn quang Nguån quang §iÒu ®iÕn trùc tiÕp §iÒu ®iÕn gi¸n tiÕp Trong điều biến trực tiếp: Dùng tín hiệu điện vào điều khiển dòng điện diot để thay đổi cường độ bức xạ ra. Cường độ bức xạ được điều khiển trực tiếp bằng tín hiệu điện. Phương thức này đang được phổ biến. Điều biến gián tiếp: Sử dụng một nguồn bức xạ quang có sẵn, đưa tín hiệu điện vào điều biến với tải tin quang trong bộ điều biến quang bên ngoài. Nên tín hiệu điện mang tin có thể tác động vào cường độ hoặc vào pha của tải tin quang. Ta tập chung nghiên cứu vào phương pháp điều biến trực tiếp. 2. Đặc điểm điều biến Trong điều biến Analog chon điểm công tác AK trên đặc tuyến. Đặc tuyếnđiều biến của LED và LD khác nhau vì đặc tuyến công tác, thể hiện mối quan hệ giữa công suất ánh sáng và dòng điện kích thích. ánh sáng ra cửa LED tăng tỉ lệ đều với dòng điện cung cấp. Với dòng lớn thì đặt chế độ bão hòa nên đặc tuyến bị uốn cong một chút, công suất ra mới tăng chập. P P I LED LD I C¸c ®Æc tuyÕn bøc x¹ cña LED vµ LD LD có đặc tuyến gãy. Bên dưới dòng ngưỡng công suất ánh sáng ra bé và tăng rất Ýt khi dòng điện tăng. Bên trên dòng ngưỡng LD làm việc ở chế độ laser. Dòng điện tăng thì công suất ánh sáng tăng nhanh. Trong điều biến Analog này gây méo tín hiệu, tín hiệu riêng rẽ trong chùm tín hiệu sẽ ảnh hưởng lẫn nhau. Nên Ýt sử dụng điều biến Analog. Trong thông tin quang người ta chú trọng truyền dẫn tín hiệu số. Trên đặc tuyến công tác chọn điểm công tác Ad . Với LD thì Ad nằm dưới dòng ngưỡng hoặc kề sát trên dòng ngưỡng này. Với LED thì chọn điểm công tác tại gốc tạo độ hoặc một điểm bất kì trên đặc tuyến (hình trên). Trong thông tin điện, ngày càng nhiều phương pháp truyền dẫn tất cả các dạng thông tin dưới dạng tín hiệu digital. Vì vậy kết hợp đặc tuyến điều biến của LD và LED thì hệ thống truyền dẫn quang thích hợp hơn. 3. Đặc tuyến điều biến tĩnh Phản ánh mối quan hệ giữa công suất bức xạ PS và dòng điện đưa vào iS . iS gồm dòng một chiều iSOvà dòng xoay chiều iS(t). Với LED thì đặc tuyến tăng dần theo quan hệ gần nh­ tuyến tính. Dòng điện khá lớn thì do ảnh hưởng nhiệt độ mới xuất hiệ phi tuyến. Với LD thì ngược lại, người ta thường sử dụng đopạn công tác bên trên dòng ngưỡng iig. Công suất bức xạ tăng nhanh, bắt đầu quá trình laser trong diot, bên dưới iig thì LD như LED. PS(t)= SS.iS(t). với SS=().iSO [mW/mA]. Với LD thì SS= 500mW/mA ; với LED thì SS=5--> 50mW/mA. Khi thiết kế chú ý đến hệ số điều khiển zS với analog thì zS=, Preff là trị hiệu dụng của Ps. Với digital zS== với PS1, PS0 là công suất bức xạ cho các mức logic "0" và "1". 4. Đặc truyến điều biến động a. Điot LED iD CD iS RD a F/fg 1 1/ bn S¬ ®å t­¬ng ®­¬ng cña LED víi dßng ®iÒu biÕn nhá §Æc tuyÕn biªn ®é cña ®é dèc ®iÒu biÕn cña diot LED Có PS(f)= Ss(f).iS(f) Thực chất Ps được xác định theo dòng điện iR chảy qua thuần trở RD: PS(f)= Ss(f).iS(f). Từ quan hệ của mạng hai cực CD-RD có giá trị iR(f): iR(f)= với fg=, fg là tần số cắt hay tầb số giới hạn. Từ trên có Ss(f)= nên giá trị tuyệt đối của biên độ là : Ss*=//= . Đặc tuyến biên độ của S*s được biểu diễn ở hình b. Từ Ps(f)= Ss(f).iS(f) biến đổi Frurier với t >=0 sẽ có đáp ứng xung hS(t)=.e-t/ts. Với zS= RD.CD. Với tín hiệu kích có dạng xung nhảy iS thì Ss(t)= Ss.iS(1- e-t/ts). Đặc tuyến của hàm đáp ứng xung chuẩn hóa h*S(t) và đáp ứng xung kích thích S*S(t). Thời gian xác lập của đáp ứng xung zS= RD.CD Thời gian xác lập của đáp ứng kích thíchtừ 10%-->90% giá trị cuối cùng (hình b) là tA=2,2. RD.CD. Nó có hạn chế do thời gian xác lập đáp ứng, tần số công tác càng cao thì càng bị hạn chế vì zS, tA tăng theo CD t t h*S(t) S*S(t) §Æc tÝnh x¸c lËp cña LED zS= RD.CD zS= RD.CD d*S do/f0 LS b. Điot LD. 10 O,05 O,1 iR=PS CP iS O,2 f/f0 1 Sù phô thuéc cña ®é c©u ®iÒu biÕn vµo tÇn sè S¬ ®å t­¬ng t­¬ng LD,víi dßng ®iÒu khiÓn nhá vµvíi dßng ban ®Çubªn trªn dßng ng­ìng Có giá trị fo= và =. Thành phần dòng chảy trên RD để xác định công suất là iR(f)= Với độ sâu điều biến là Ss(f)=. Hàm chuẩn hóa Ss*= có giá trị tuyệt đối của biên độ là : Ss*=//=. Khi do/fo<1/thì đỉnh cộnh hưởng tại tần số fch=fo. Khi do/fo<<1 thì gần đúng fch=fo=1/2p. Khi do=0 đáp ứng xung của dao động tắt dần: hS(t)=.e-2pdT.sin2pfST. Với tần số dao động là fs=. Khi do/fo<=1 thì fs=fo dao động tắt dần quanh giá trị xác lập: Ss(t)=Ss.iS(1-2-2p.do.T.cos2pfot. do/fo=0,05 do/fo=0,2 h*S(t) t S*S(t) t §¸p øng xung chuÈn hãa h*S(t) §¸p øng xung chuÈn hãa S*S(t) Đáp ứng xungvà đáp ứng kích thíchcó tính dao động mạnh khi chưa xác lập, là do tăng đỉnh cộng hưởng của độ dốc điều biến, gọi là dao động tích thóat của LD. Nó ảnh hưởng xấu khi truyền dẫn khi truyền dẫn tín hiệu băng rộng, do đó cần duy trì đỉnh dao động càng bé càng tốt. 5. ảnh hưởng của điều biến đến phổ bức xạ Một nguồn bức xạ có phổ Pl được điều biến với tín hiệu điện, ởđàu ra bộ điều biến phổ bị dãn rộng, làm dãn rộng phổ bức xạ. Nguồn bức xạ vạch phổ đơn sắclo, tín hiệu cóđộ rộng băng bN, phổ điều biến sẽ dãn rộng có giá trị Dl. Từ f= c/l có //=.Có //= Độ dãn rộng phổ tương đối là =.2bN. Pl Dl l ¶nh h­ëng cña ®iÒuy biÕn phæ lªn bøc x¹ lo Giả sử bN=1.109Hz, l. =900nm, c=3.108m/s. thì phổ dãn rộng tương đối là : =6.10-6. Chương 5: Bộ BIếN ĐổI QUANG ĐIệN I. Nguyên lí biến đổi điện quang 1.Các nguyên lí tách quang Các linh kiện được chia làm hai nhóm: Nhóm 1: Biến đổi quang năng thành nhiệt, để chuyển đổi tiếp giáp thành tín hiệu điện. loại này Ýt được sử dụng. Nhóm 2: Biến đổi lượng tử ánh sáng thành tín hiệu điện, gọi là tách quang lượng tử. Các bộ tách quang dược chia thành linh kiện sử dụng hiệu ứng quang ngoại, nội. Hiệu ứng quang ngoại: Quá trình phát xạ các điện tử từ vật rắn vào không gian khi có tác động của lượng tử ánh sáng. Các linh kiện này là tế bào quang điện chân không hoặc có bộ nhận quang điện. Nó có nhược điểm là kích thước lớn, điện áp cung cấp là trăm vôn cà hiệu suất lượng tử hoá là rất thấp ở các bước sóng dài. Hiệu suất quang nội: Là quá trình tạo ra các phần tử mang diện trong chất rắn, tạo ra các cặp điện tử – lỗ trống trong bán dẫn. Các linh kịen này gồm điện trở quang, photon diot,transsitor quang và thisistor quang. Hiện nay sử dụng chủ yếu diot PIN và diot quang thác APD. Hiệu ứng quang nội xảy ra ở vùng lân cận 1 lớp tiếp giáp p-n. 2.Nguyên lí chuyển đổi quang điện tại lớp tiếp giáp p-n Quá trình xảy ra ngược với diot LED và LD do ảnh hưởng của điện áp thuận đặt vào mà các diện tử và lỗ trống tái hợp với nhau để bwscxaj ra các photon. ở tiếp giáp p-n diot thu quang có đặt điện áp phân cực ngược khi chưa có tác động của ánh sáng vào thì trong diot thu quang chưa có dòng điện, chỉ xuất hiện các dòng tối hoặc dòng rò rất nhỏ, vì diot hoàn toàn bị khoá. Khi ánh sáng tác dộng vào năng lượng hf của photon được trao cho các điện tử để nâng điện tử ở dải hoá lên dải dẫn. D¶i ho¸ Ef Møc fermi Eh d¶i ho¸ hf d E Nguyªn t¾c t¹o c¸c cÆp lç trèng-®iÖn tö cña tiÕp gi¸p p-n Tại chính tiếp giáp p-n sinh ra miền điện tích không gian do chính điẹn áp phân cực ngược đặt vào, đó là một điện trường. Các điện tử-lỗ trống mới sinh ra ở vùng điện tích không gian là phần điện tử tiểu số. Do tác động của điện trường của miền điện tích không gian, các điện tử từ vùng tiểu số p sang vùng n và lỗ trống tiểu số từ miền n sang p . Nh­ vậy mạch ngoài chảy theo dòng quang điện. Tần số và cường độ của dòng điện này do cường độ và tần số của ánh sáng quyết định. Độ rông của miền điện tích không gian và tố độ trôi của các điện tử mang dòng tiểu số quyết định thời gian trôi của chúng. Do đó khi sử dụng để truyền dẫn với tốc độ cao, xung ánh sáng rất hẹp. II. Các loại diot quang 1.Các yêu cầu cơ bản Các diot quang hoạt động gắn liền với mach khuyếch đại thu. Các mạch tu thoả mãn đại lượng truyền dẫn. Các diot quang có nhiều đặc tính tốt, thoả mãn yêu cầu: Hiệu suất lượng tử cao h= nc /nph= . Thời gian tăng nhỏ. Điện dùng tiếp giasp nhá. Dòng tối (dòng ngược ) nhỏ. Tạp âm nội nhỏ. Có độ nhạy lớn a=IS /p=[A/W]. 2.Diot PIN(p-i-n) Cấu tạo. Gồm lớp bán dẫn tốt n+ làm nền, trên đó phủ lớp n dẫn yếu hoặc lớp tự dẫn i, rồi đấn lớp mỏng p+ dẫn tốt. Bên trên lớp p điẹn cực là điện cực vòng, nó chỉ tiếp xúc với rìa xung quanh, để ánh sáng có thể xâm nhập vào miền i . Trên mặt lớp p có phủ lớp chống phản xạ để chống tổn thất ánh sáng vào. Điện áp phân cực ngược làm diot không có dòng, chỉ có dòng ngược rất nhỏ gọi là dòng tối. CÊu t¹o cña doit quang PIN U ¸nh s¸ng Sio2 E Ed Eh Ph©n bè d¶i n¨ng l­îng Rt ®iÖn cùc P+ N+ d i MiÒn tr«i Líp chèng ph¶n x¹ ®iÖn cùc vßng Nguyên tắc hoạt động: Khi ánh sáng đi vào lớp p, trong trường hợp lí tưởng các photon sẽ sinh ra trong miền p,i,n một cặp điện tử lỗ trống. Các địên tử và lỗ trống vừa sinh ra dã bị hút về hai phía. Các điện tử về miền N vì có áp dương, còn các lỗ trống thì về miền P vì có áp âm. Các điện tử mới sinh ra trong miền P+ ở vùng tiếp giáp P+-I sẽ khuếch tán sang miền I, nhờ Gradien mật độ của các phẩn tử mang điện tiểu số tại tiếp giáp này, rồi chạy vào miền n+ nhờ điện trường ngoài. Cũng tương tự cho lỗ trống ở miền N+. Vậy các phần tử mang điện sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện và trên tải một điện áp. Có mộ số điện tử- lổtống không tham gia vào quá trình tạo dòng điện ngoài, nằm ở xa miền tiếp giáp P+-I và I-N+, chúng không được khuếch tán sang miền I mà tự chúng còn tái hợp lại trong miền P+ vàN+. Thời gian trôi là td =d/vs với với vs là tốc độ trôi bão hoà: 104à105m/s Nếu d=70mm thì thời gian trôi là td=0,7à7ns. Vì vậy xung ánh sáng duy trì đủ lâu, nên tốc độchuỗi tín hiệu sẽ bị giảm đi hay điot quang sẽ bị chậm đi khi diot ở lớp I đầy lên. Hằng số thời gian d=RC của mạch điện tạiđiện trở Rt và điện dung tạp tán của diot phải nhỏ hơn thời gian tồn tại xung. 3.Diot quang thác APD Về cơ bản giống PIN, nhưng lớp I của PIN được thay bằng bán dẫn P chủ yếu là Sp. Hai lớp bán dẫn còn lại là P+ và N+. Miền Sp tạo thành miền trôi, là nơi sinh ra điện tử và lỗ trống. Sù ph©n bè c­êng ®é ®iÖn tr­êng CÊu t¹o diot quang th¸c ¸nh s¸ng U N N N+ P+ Sp ®iÖn cùc vßng Rt ®iÑn cùc Vïng th¸c Bên trái Sp bị giới hạn bởi lớp P+, còn bên ngoài bị giới hạn bởi P-N+. Điện trường do điện áp phân cực ngược bên ngoài đặt vào thay đổi theo líp nh­ hình b. Trong vùng Sp điện trường tăng chậm, nhưng trong vùng tiếp giáp P-N+ thì tăng nhanh. Lớp tiếp giáp P-N+ là miền thác, xảy ra quá trình nhân điện tử. Nguyên lí hoạt động của APD: Về cơ bản giống PIN, kho có điện tử trong miền Sp dịh chuyển đến miền thác P-N+ thì nhận thêm năng lượngtĩnh của dải cấm, do điện trường nạnh nên chúng được tăng tốc, vca trạm vào các nguyên tử để tạo ra phần tử tái điện mới, gọi là ion hoá do va trạm. Nên số lượng các phần tử tải tăng nhanh. Giữa hai quá trình là thời gian d. Độ lớn khuếch đại M phụ thuộc vào diẹn áp phân cực và có thể đạt đến 200 lần. Nh­ thế điện áp của APD lớn hơn của PIN nhiều. M 200 100 10 U 100 Để đánh giá khả năng làm việc của APD, ta có hệ số khuếch đại và độ rộng băng do quá trình thác là MB=1/2d. Nếu d=1ps yhì MB=160GHz. Nếu N=200 thì B=0,8GHz. 4. Các đặc trưng và tham số cơ bản a. Hiệu suất lượng tử: Thường đạt h= 60 à80%, một số diot đạt 90%. b. Độ nhạy quang Cho biết khả năng bién đổi quang thành điện. Tại mét số bước sóng có số phôton rơi là No và năng lượng mổi photon là Fw=hc/l thì công suất thu quang là PQ=hc/ l.. Lượng điện tích được sinh ra là qo=No.e.h với e=1,602.10-19As. Dòng điện sinh ra từ các photon là ip=h.e. Se= mlz/ hc: độ nhạy quang. Nên độ nhạy phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, bước sóng . Nếu cho rằng trong dải phổ có phân bố năng lượng đều thì gần đúng có PQ= PlQ(lo).Dl, và ip=M.SE(lo).PQ. Trong trường hợp nguồn bức xạ không đơn sắc, có công suấtphân bố là PlQ. c. Tạp âm. Tạp âm thăng giáng của dòng suất hiện trong quá trình lượng tử háo, là do đặc tính hạt của phần tử mang điện iq2=2eSEPQB, với B là độ rộng băng tạp âm tương đương. Tạp âm thăng giáng do dòng rò và dòng tối iD của diot iD2=2e.ID.B. Tạp âm nhiệt độ do điện trở công tác gây ra iN2=4kTB/R với k là hằng số bonzoman, T là nhiệt độ tuyệt đối ở điều kiện phòng. Công suất tạp âm trưng bình tổng cộng i2=iQ2+iD2+iN2. Hiệu ứng quang thác gây ra hệ số tạp âm phụ F. III. Các đặc tính giải điều của điot quang 1. Các phương pháp thu và giải điều quang Giải điều trực tiếp công suất quang tại diot quang (hình a) Giải điều gián tiếp nhờ thu quang ngoại sai dùng một nguồn quang nội bộ . Trong mạch giải điều trực tiếp có một diot quang bán dẫn, điện trở tải RL và bộ khuếch đại điện áp để khuếch đại điện áp ra trên tải. Trong mạch giải điều trực tiếp, nguyên tắt cũng giống nh­ trong các máy thu vô tuyến kiểu dải tần. Người ta dùng một gương cho qua một chiều để dẫn luồng quang thu và lái một luồng quang đơn sắc khác do bộ phát quang nội bộ cung cấp, đưa vào bộ trộn trong một diôt quang để tách ra tín hiệu trung tần cung cấp cho khuếch đại trung tần. Yêu càu là cả hai luồng quàng đưa đến diôt quang phải kết hợp cả thời gian và không gian. Cả hai nguyên tắc thu và tách quang trên thì diôt quang thực hiện chức năng dải điều. Biến đổi tín hiệu quang đưa thành tín hiệu dòng điện tỷ lệ với chúng. 2. Đặc tính dải điều tĩnh Tác động dải điều của diôt quang là dòng quang điẹn tỷ lệ với công suất quang ip = M.SE.Pq (M =1 với diôt PIN). Nếu luồng quang thay đổi chậm thì iE(t) = M.SE.Pq (t). Hình iE(t) A PQ(t) t PRo PQ(t) t §Æc tuyÕn d¶i ®iÒu tÜnh cña diot quang Hình trên biểu diễn quan hệ giữa dòng thu iE và công suất quang cung cấp PQ. Tại A dộ dốc của đắc tuyến là tích số của độ nhậy SE và hệ số khuếch đại dòng M, tức là M.SE = .PEo . Dòng ra hầu nh­ tỉ lệ tuyến tính với công suất quang 3. Đặc tuyến dải điều động LS RL CS IP S¬ ®å t­¬ng ®­¬ng cña ®iot quang Từ mạch điện, dòng iE cung cấp qua tải RLlà: iE(t)= tấn số cắt fCcủa mạch là fS=. Độ nhạy quang cũng là hàm số của tần số vàcó đáp tuyến tần số là: SE(f)=. Đáp tuyến tàn số của độ nhạy S*E= /A./= 1/. SE* 1 1/ f/fg 1 §¸p tuyÕn tÇn sè cña ®é nh¹y chuÈn hãa cña ®i«t quang IV. So sánh các loại diot quang Ta xét chủ yếu xét diot quang PIN và APD để thấy được ưu , nhược điểmcủa chúng. Diot PIN có tạp âm nội nhỏ, song không có khả năng khuyếch đại dòng điện, nên độ nhạy không nâng cao được. Ngược lại APD có khả năng khuếch đại dòng điện, có độ nhạy tăng lên, song lại có tạp âm lớn. Nên hạn chế công suất thu tối thiểu cho phép. Các diot PIN có hạn chế là tốc độ bit không lớn lắm vài trăm Mbit/s. Còn APD có hàng Gbit/s. Mặt khác PIN có điện áp cung cấp nhỏ, nhưng APD thì lớn tới trăm vôn, và đặc tính thì phụ thuộc vào nhiệt độ nhiều, do vậy cần sử dụng nguồn áp điều chỉnh nhiệt độ để bù lại những điểm này. Do đó PIN và APD luôn được chọn lựavà sử dụng cùng nhau. Chương 6 : HàN NốI Và BảO Vệ SợI QUANG I. Các biện pháp bảo vệ sợi quang 1. Độ sâu chôn cáp Cáp được chôn trực tiếp trong lòng đất. Tuyến cáp có thể đi qua các loại địa hình khác nhau đồi núi ,đồng ruộng, có thể đi dọc các đường giao thông, đường sắt. Phải trôn đủ độ sâu để tránh các tác động cơ học trên bề mặt đất , làm sợi quang bị rạn, phát sinh tiêu hao phụ, hoặc có thể gây gãy sợi. Líp ®Êt ®Çm chÆt G¹ch 22x10,6x6 hoÆc b­ng chÊt dÎo, bª t«ng C¸p sîi quang C¸p Hình trên là cách trôn cáp, mặt cắt ngang rãnh cáp trôn. Nếu địa hình gặp nhiều khó khăn, nhiều sởi đá, không đủ độ sâqu cần thiết f phải đặt trong ống nhựa PVC. Cả cáp lẫn ống nhựa đều đặt trong ống sắt đường kính 80-->100mm, hoặc trong rãnh bê tông. Nếu cáp vượt qua đường giao thông, cầu hoặc hầm... cũng phải dùng ống sắt và lắm đến sợi quang bên trong cáp. 2. Chống mối và chuột Cáp quang có vỏ ngoài PE là nhựa mật độ thấp, nên mối, kiến có thể gặm nhắm vỏ nhựă. Để tránh thì bên ngoài có bọc thêm thép chống mối và chuột. Trôn nhiều năm sẽ bị ăn mòn vài chỗ nhỏ cũng không ảnh hưởng đến sợi quang bên trong cáp. Đặc biệt ở việt nam có nhiều chuột, đi qua cống rãnh ta dùng các băng thép bọc nhựa quấn xung quanh cáp trần. Nếu cáp đi qua lỗ cống thì bịt kín đầu lỗ cống không cho chuột chui vào. 3. Chống ảnh hưởng của sét ảnh hưởng của sét phụ thuọc vào nhiều yếu tố: Điện trở suất của đất, cường độ của sét,, tần suất sét đánh vào từng vùng. Do đó cần xem sét tỉ mỉ các yếu tố này. a. ảnh hưởng của dòng sét đánh ở vùng sét đánh: Sét có cường độ I khi phóng điện vào vùng đất sẽ gây ra ảnh hưởng hình cầu có bán kính ảnh hưởng r được tính r = k với I: cường độ dòng sét (kA); P: điện trở suất của đất; K: hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào sự rạn nứt của đất. Nếu trọn cường độ I= 50kA thì vùng ảnh hưởnh nh­ sau Vùng có điện trở suất thấp với P<100 có r = 0,36 Vùng có điện trở suất cao với P>100 có có r = 0,22. Vùng có điện trở suất trung bình của đất P =100 ôm-mét thì bán kính ảnh hưởng là3,6m. Nếu P =1000 ôm-mét thì bán kính nguy hiểm là 7m. Khả năng ảnh hưởng của sét vào đất phụ thuộc vào tham số cảm ứng sét n tính trên 1km2 trong 10 ngày có sét. Nh­ vậy thì ảnh hưởng của sét dọc tuyến cáp phải tính trên vùng ảnh hưởng xung quanh cáp. Vùng này có bán kính là S=2.10-3r.l(km2). Với l là độ dài tuyến cáp; r thì tính theo công thức trên. Nh­ vậy thì cáp bị ảnh hưởng từ cáp ở cả hai phía bên trên cáp. Vùng có sét đánh trung bình trong năm M, thì số lần sét đánh vào đất 1km2 trong một năm là N được tíngh như sau: N = M.n/10. Với n =0,93lần/km2/10 ngày thì N =0,93M. b. Tần suất sét đánh vào đất: Không thể đếm số lần sét đánh vào đất, mà phải dựa vào số lượng thống kê ngày có sét trong năm M, ở Việt Nam các số liệu nh­ sau. Vùng Hà Nội : 52 ngày sét / năm. Vùng Nha Trang: 26 ngày sét / năm. Vùng TP. Hồ Chí Minh: 84 ngày sét / năm. Tần suất sét đánh vào đát với bán kính ảnh hưởng hạn chế xung quanh cáp là f =2.0,93.10-3.M.r.l. Chẳng hạn ở vùng Hà Nội, độ dài tuyến cáp là l =650km2 cvới điện trở suất P =100 thì có r =3,6m nên N=0,93.52/10 = 4,8 lần/km2/năm. S = 10-3.2.3,6.650 =4,68 km2 Tần suất của sét là f=4,68.4,8 = 22 lần/năm. c. Khả năng hư hỏng và biện pháp bảo vệ. Sét đánh vào các vùng đất lân cận cáp thì khá lớn nhưng khả năng hư hỏnh thì rất nhỏ vì: Sét đánh vào mùa mưa, nên điện trở suất của đát là nhỏ khả năng sét đánh vào cáp là Ýt đi. Cường độ sét nói chung là nhỏ hơn 50kA. Bên cạnh đó khả năng chịu đựng xung điện áp của vỏ PE của cáp là lớn tới 100kV. ở miền núi cao, đất có nhiều đá điện trở suất của đát cao mà thường sét đánh vào các mô đát cao nh­ đồi , ngọn cây,... Khả năng hư hỏng của cáp phụ thuộc vào điện trở suất của đất. Điện trở suất càng cao thì khả năng hư hỏng càng nhiều. Nên người ta quy định đo điện trơt suất sau 2km một. Nếu: Điện trở suất P<100 ôm-met thì không cần biện pháp bảo vệ nào. Điện trở suất P>100 ôm-met dùng dây thép mạ có đường kính 3-->5m rải dọc sợi cáp, ở ben trên sợi cáp 250-->300mm. II. Hàn nối và bảo vệ sợi 1. Yêu cầu kĩ thuật Các sợi quang của đoạn cáp quang phải đợc hàn nối với nhau, hoặc được hàn nối với các linh kiện thu, phát quang. Nếu hàn nối không tốt sẽ gây tổn thất dòng, áp tín hiệu trên điện trở tiếp xúc. Nên yêu cầu hàn nối phải đạt tổn hao càng bé càng tốt . Nhưng do đường kính sợi bé, nên không tránh khỏi ánh sáng bị suy hao, do đaafu sợi quang không khớp xít với nhau. 1 1 2 2 GhÐp nèi hai sîi quang Người ta tính tóan rằng mỗi chỗ nối mất đi 4% tương đương 0,15dB. Do đó nhiều mối hàn tăng lên. Dùng dung dịch Glyxêrin để dính hai sợi, chiết suất của nó bằng ruột sợi làm cho tia đi không bị lệch hướng, nên giảm suy hao đi, nên bản thân nó cũng bị bất lợi vì: Dung dịch dán dễ bị khô cứng, bị già hóa, bị bụi bẩn bám dễ dàng. Phải không còn không khí sót lại, nên phải dùng áp lực chặt hai đàu sợi, nên nếu dán sợi vào đầu của linh kiện thu, phát thì dễ làm hư hỏng linh kiện đó. Sîi ®¬n mèt f 5,6mm Sîi ®a mèt f 50mm §é lÖch trôc x/S1m Tiªu hao dB 2 4 6 x Tiªu hao phô do khíp nèi lÖch trôc Ngoài ra trục sợi phải giữ cho song song nhau, không lệch trục, nên yêu cầu độ chính xác cao. Nếu đặt lệch nhau sẽ phát sinh tiêu hao phụ lớn. Bản thân hai đầu sợi nếu không khít nhau còng sinh thêm tiêu hao ( ta chỉ xét cùng loại sợi dây). Vì vậy ta cần có các phương pháp hàn nối sợi quang tốt để giảm đến mức thấp nhất tổn hao do mối hàn, đẻ đảm bảo chất lượng truyền dẫn. 2. Các phương pháp hàn nối sợi quang Để nối hai sợi quang với nhau nhười ta đã nghiên cứu các phương pháp sau: Dùng bộ nối tháo rời được và bộ nối không tháo rời được. Hàn nói băng keo dính và băng hồ dính. Phương pháp dùng các loại bộ nối thường đạt độ chính xác không cao, nên chỉ được sử dụng với những loại sợi yêu cầu không cao, hệ thống truyền dẫn cự li ngắn,... với tốc độ truyền dẫn bé, nên ta không xem sét hướng kĩ thuật này. Phương pháp hàn nối thì sợi chắc chắn, nên độ chính xác cao, ta chủ yếu xét phương pháp này. a. Phương pháp dùng keo dính. Phương pháp này thực hiện hòan tòan công nhân, điều chỉnh tinh nên độ chính xác không cao. Chỉ áp dụng cho loại sợi đa mốt có đường kính ruột lớn vật liệu thực hiện gồm ổ nối hình V, một miếng đệm và một cái kẹp . Hai đầu sợi quang được nối đặt vào đáy chữ V. Cấu tạo của bộ nối nh­ hình B. Phương phát thực hiện nối nh­ hình A. Sîi 1 Sîi 2 æ nèi KÑp gi÷ Keo d¸n MiÕng ®Öm M¸ng ®Öm a) b) Ph­¬ng ph¸p nèi b»ng keo dÝnh Tuốt sạch lớp phủ bảo vệ ở hai đầu sợi 1 và 2. Đặt cả hai đầu sợi vào đáy ổ chữ V. Đặt miếng đệm lên trên đầu hai sợi, ở miếng đệm có lỗ hổng để quan sát, điều vchỉnh khoảng cách hai đầu sợi; từ hai đầu sợi nằm ở hai đáy ổ V đã đổng trục với nhau một cách tương tự. Đặt kẹp giữ vào để giữ chặt miếng đệm. Giỏ một giọt keo gián qua lỗ miếng đệm xuống để nối hai đầu sợi. Sấy nhiệt hoặc dùng nguồn bức xạ cực tím để làm khô keo dính. Sau khi ổ nối đã khô, đặt lại oỏ vào miéng đệm, dán chặt hai đầu lại, đã có một mối nối cơ học bền chắc. Toàn bộ mối nối được bảo vệ bằng ống nhựa co nóng nhờ nhiệt. Phương pháp này không thể quan sát khả năng chỉnh đồng trục cho hai đầu sợi được nên hạn chế sử dụng. b. Phương pháp hàn nối bằng hồ quang a) b) c) d) Ph­¬ng ph¸p hµn nèi b»ng hå quang e) Phương pháp này thục hiện bằng các máy hàn. Hồ quang được tạo ra nhờ các lửa điện phóng điện. Nguyên lý nh­ hình trên, các bước tiến hành nh­ sau: Dùng hóa chất để tách và tẩy sạch lớp vỏ bảo vệ ở hai đầu sợi cần nối. Kẹp hai đầu sợi lên bộ gá (Hình a) Điều chỉnh cho hai đầu sợi lại gần nhau khoảng cách giữa chúng là 10% đường kính sợi quang có thể cho tia hồ quang làm sạch từng đầu sợi riêng rẽ trước khi chỉnh chúng lại gần nhau . Quá trình này thực hiện nhờ kính hiển vi hoặc kính lúp. Nhờ bộ phận gương lắp kèm theo, có thể quan sát cả chiều ngang, đứng để hai đầu sợi hoàn toàn đồng trục, đồng tâm với nhau Hình b Khi hoàn thành bước trên thì đóng mạch tia lửa điện hai đầu sợi nóng chảy và sau vài giây chúng sẽ dính chặt với nhau.Quá trình này xảy ra tù động. Thời gian phóng điện phù hợp loại sợi và kích thước sợi( hình c). Kiểm tra mối nối, nếu không có gì coi nh­ là được, nếu không thì làm lại. Mối hàn tốt nhìn thấy đều đặn là một đọan sợi bình thường( hình d). Gia cố cơ học để đảm bảo mối nối (hình e). Phương pháp hiện nay dùng ống bọc nhựa co nóng có đệm đoạn vật liệu gia cường Sîi quang ®· hµn VËt liÖu gia c­êng èng nhùa co nãng B¶o vÖ mèi nèi b»ng èng nhùa co nãng Ngày nay các máy hànđã được thiết kế hiện đại, nhiều công việc đã được làm tự động, để tăng chất lượng và thời gian thực hiện mối hàn . 3. Baỏ vệ mối nối Khi nối hai cáp quang với nhau, tại chỗ nối có nhiều mối nối, các soịư quang bị tách ra, không còn các lớp bảo vệcủa vỏ cáp. Tùy theo các điều kiện khác nhau mà có các biện pháp khác nhau. Cấu trúc điển hình của mỗi hộp bảo vệ phải có các bộ phận phù hợp và lắp ráp theo các quy trình sau. - Hộp chứa sợi: vì các sọi sau khi hàn nối còn dư lại phần không bảo vệ nì đã tách vỏ cáp ra. Nên được ghép vào trong một hộp chứa sợi. Sau khi đóng hộp, thêm các phần tử gia cường thì dùng băng quấn chặt lại cả trên vỏ cáp để các sợi nằm cố định trong hộp bảo vệ. - ống măng sông có hai nửa ống và hai vòng chốt để chứa tòan bộ đoạn cáp vừa đựoc nối. Khi đã đặt xong vào ống măng sông thì có các đai hãm cố định bên ngoài. - Tòan bộ ống măng sông cố định này được đặt trong ống bảo vệ băng nhựa cứng. Sau đó đã chặt vào hộp bảo vệ, hộp được gắn chặt lại. Vßng chèt C¸p 4 1 5 3 2 èng m¨ng s«ng bäc c¸p nèi CHƯƠNG 7 : THIếT Kế MạNG THÔNG TIN QUANG I . Đặt vấn đề Trong những năm gần đây,thông tin quang đã phát triển nhanh ở Việt Nam và sẽ trở thành một chiến lược cáp quang hoá toàn quốc. Khi xây dựng một tuyến thông tin quang,ngoài các chỉ tiêu kỹ thuật,vấn đề giá thành cũng là một yếu tố quan trọng. Hiện nay,trên thị trường thế giới có rất nhiều loại linh kiện hệ thống khác nhau, vì vậy thiết kế tối ưu hệ thống đã trở thành một yêu cầu rất cần thiết. Trong chương này, chúng ta hãy tóm tắt các thông số,các kiến thức liên quan tới việc thiết kế hệ thống và thủ tục thiết kế một tuyến thông tin quang ,tham số tối ưu được chọn là giá thành hạ. Một tuyến thông tin quang gồm có: -Thiết bị đầu cuối quang ( Gồm bộ phát quang và bộ thu quang ) Sợi quang Trạm lặp Hệ thống cảnh báo Hệ thống chuyển mạng bảo vệ tư động ở đây, chúng ta chỉ nghiên cứu lựa chọn nguồn sáng, sợi, bộ tách quang là những linh kiện chính của một tuyến thông tin quang. II. Các tham số thiết kế hệ thống 1.Tốc độ tín hiệu Tốc độ tín hiệu của tuyến thông tin quang được biểu diễn bằng Mbps 2 . Kiểu tín hiệu Tuyến thông tin quang sử dụng hai loại tín hiệu đơn cực tính NRZ ( Non Retum to Ze ro ) H×nh7.1 3.Suy hao nối ( Connector Loss ) Đây là suy hao công suất quang khi hai sợi quang được nối với nhau bởi một bộ nối , đo bằng dB. 4. Suy hao ghép (Coupling Loss ) Đây là suy hao công suất quang khi nguồn sáng được ghép với sợi. 5. Nhiệt độ hệ thống 6. Suy hao hàn 7. Dự trữ hệ thống Dự trữ hệ thống là công suất quang dự phòng cho việc sửa chữa thay thế ,nâng cấp trong tương lai và sự già hoá của các linh kiện . 8. Tỷ lệ lỗi bít ( BER). Các tuyến thông tin quang hiện nay yêu cầu tỷ lệ lỗi bít BER là 10-10 hoặc 10-11 , đặc biệt mạng LAN cần có BER là 10-14 . 9. Độ nhạy thu . Đây là công suất quang yêu cầu tối thiểu của bộ tách quang để đảm bảo tỷ số BER cho trước . III. Nguyên tắc lựa chọn tốc độ tín hiệu ,bước sóng công tác,sơi quang ,thiết bị đầu cuối quang Tốc độ tín hiệu ,số sợi quang được dùng phụ thuộc vào dung lượng đường chuyền ,được xác định qua soó thuê bao của mỗi khu vực và mức độ sử dung các dịch vụ viễn thông của khu vực đó . Khi tính lưu lượng đường chuuyền để chọn tốc độ tín hiệu và số sợi quang , ta phải tính đến xu hướng phát triển đến khu vực đó trong tương lai và một số sợi dự phòng . Sự lựa chọn số bước sóng công tác ( 1300 mm hay 1550 mm) , kiểu sợi (G.651 – G.654 ) phụ thuộc vào việc các linh iệ quang tương ứng có sắn trên thị trường hay không và phạm vi ứng dụng hệ thống thông tin sợi quang định thiết kế . Phần lớn các tuyến cự ly dài hiện nay hoạt động ở các bước sóng 1300 nm và sử dụng sợi đen mode thông thường . Nhưng trong những năm tới , laser đa mode MMLD hoặc LED thường được ưu tiên sử dụng vì giá thành hạ và tuổi thọ lại cao . Sợi đa mode với độ mở số lớn cùng với diode laser da mode và LED hoạt động ở bước sóng 850 nm và 1300 nm thường được dùng trong mạng máy tính , mạng thuê bao và mạng LAN. Tuy nhiên , với sự phát triển của multimedia, TV cáp ,hệ thống thông tin đa dịch vụ băng rộng B-ISDN,lưu lượng mạng nội hạt trong tương lai có thể lên tới vài Gb/s , lúc đó bước sóng 1550 nm, diode laser đơn mode ,sợi quang có tán xạ dịch chuyển SM-DS sẽ được dùng ngay cả trong mạng nội hạt và mạng thuê bao . IV. Các thông số cần thiết cho việc thiết kế tuyến thông tin quang 1 . Công suất quang yêu cầu ( độ nhạy thu ) Một số thông số cần thiết quan trọng của tuyến thông tin quang là công suất quang yêu cầu tối thiểu .Công suất quang yêu cầu là một hàm số của tỷ lệ lỗi bit BER ( hay tỷ số S/N) và còn phụ thuộc cả tốc độ tín hiệu . Mét linh kiện tách quang chỉ được chọn khi đáp ứng quang thu của nó lớn hơn công suất quang yêu cầu tối thiểu . Sau đây ta sẽ xây dựng một công thức biểu diễn quan trọng giữa tỷ số S/N và công suất quang yêu cầu tối thiểu . Ta giả thiết phổ của loại xung ra là loại cosin tăng với độ uốn cong . Trong các điều kiện này ,giả thiết rằng nhiễu tạp âm là tập âm cộng Gauss, Vậy xác xuất lỗi đó với tỷ số đỉnh tín hiệu trên tạp âm ở tại điểm quyết định là một hàm erfc . Giả thiết các xung quanh được phát đi có dạng chữ nhật với gái trị đỉnh Pt và chu trình chế độ hoạt động dc , và công suất quang kông được phát đi khi không có xung ; lúc đó dòng tín hiệu đỉnh I tại thời điểm quyết định cho bởi : I = .M.dc.Pt.exp[-2.a.L] Từ đó ta suy ra công suất phát trung bình Pt liên hệ với Pt theo biểu thức : Pt = . dc.Pt. ở đây h là nghịch đảo xác xuất “ 1 “,và : Pr = Pt.exp[-2.a.L] Biểu diễn I là một hàm cảu công suất thu được trung bình : I = h..M.Pr Đối với các mã đường quang hai trạng thái , nghĩa là các tín hiệu cùng đồng xác xuất thì h = 2. Nếu hệ thống không sử dụng các loại tín hiệu đó mà là tín hiệu nhiều mức ,thì (5.4) không đúng nhưng h phụ thuộc thống kê vào tín hiệu, và nói chung là lớn hơn 2 ,nhưng đôi lúc vẫn giả thiết bằng 2. Từ (5.4) với h=2 ta rót ra tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại thời điểm quyết định là: = Để đánh giá chất lượng mong muốn đối với tín hiệu được tách , thường là cố định , từ phương trình (5.5),ta thấy để đảm bảo đã cho thì công suất quang thu được phải là : Pr = . [ 1+ ] (5.6) Từ đây ta thấy rằng đối với đã cho ,công suất yêu cầu tỷ lệ với độ rộng bằng tần nhiễu tương đương của độ khuếch đại . Hình 5.6 biểu thị công suất yêu cầu trên một đơn vị độ rộng băng tần đối với ,với những giá trị FC khác nhau ; với trường hợp diode PIN thì G =1, = 0,5 A/W . Từ hình này ta thấy : nếu yêu cầu cao thì công suất quang còng cao ,diều đó kéo theo tạp âm lượng tử cũng cao . Trong miền này công suất có xu hướng tăng 1 dBm/dB với yêu cầu . đặc tính này còn gọi là tạp âm lượng tử đã giới hạn , thường trong truyền hình tương tự tỷ số tín hiệu đỉnh trên tạp âm yêu cầu cao hơn 50dB. Trong trường hợp truỳên dẫn số , giá trị thấp khoảng 23dB , tương ứng với xác xuất thấp hơn 10-10 , tạp âm nhiệt là chủ yếu và độ tăng công suất yêu cầu là 0,5 dB/mdB đối với cả và FC. 100 pF FC= 10 pF 1 pF 0,1 pF 0,01 pF NhiÔu l­îng tö giíi h¹n NhiÔu nhiÖt giíi h¹n 0 -20 -40 -60 100 80 60 40 20 Hình7.2: công suất trung bình quang trên một đơn vị độ rộng băng tầng đối với tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở thời điểm quyết định đối với PIN diode. Trong trường hợp các diode thác quang APD, từ (5.6) ,có thể nhận thấy ,đối với mỗi một giá trị có một giá trị M ,cho bằng 0, rót ra : Mopt = (5.7) Từ 5.7 nhận thấy rằng tăng Ých tối ưu không phụ thuộc vào độ rộng băng tần , hơn nữa đối với giá trị cao thì Mopt có thể bé hơn 1; điều kiện này rõ ràng là không thực hiện được ,vậy (5.7) chỉ đúng khi Mopt>1. Cũng từ đaay có thể thấy rằng ,trong khi dòng tín hiệu tỷ lệ với M ,thì độ tăng dòng nhiễu lượng tử nhanh hơn theo tỷ lệ M(1+a); như vậy khi nhiễu lượng tử chiếm ưu thế (giá trị cao ) thì khoong nên sử dụng các diode thác quang APD. Ta tính độ tiết kiệm công suất quang thu được cực đại Pmax bằng diode thác quang so với diode PIN . từ (5.6) ,lập tỷ số Pr tính được đối với M=1,và Pr đối với M = Mopt, chóng ta sẽ có : Pmax =. (5.8) Vì Mopt không phụ thuộc vào độ rộng băng tần nên P max không phụ thuộc vào độ rộng băng tần. Từ các mỗi tương quan tước đây , ta nhận thấy rằng :chất lượng bộ khuếch đại càng thấp (FC cao ) hoặc diode quang càng tốt (a nhỏ ), thì các diode thác quang APD càng có thể đạt tới độ tiết kiệm công suất tốt hơn , thậm chí nếu yêu cầu các giá trị Mopt cao hơn ,kết quả là ,nếu chọn được một diode thác quang APD nhiễu khá tháp thì có thể bù được phần nào đối với việc thiết kế bộ khuếch đại có độ chính xác thấp :ưu điểm diode thác quang APD giảm theo cao thì ưu điểm đó không còn nữa . Đối với các hệ thống thông tin số truyền truyền hai mức ,yêu càu khoảng 23 dB ,thì khả năng tiết kiệm FC = 1pF vào khoảng 13 dB ; tăng Ých thác cần thiết khoảng 34dB, đó là giá trị ở dưới giá trị cực đại có thể đạt được (40-50 dB). Thay (5.7) vào (5.6) có thể tính công suất thu tối thiểu yêu cầu đối với một mong muốn Pm = ..[(1+a).] 2. Các ảnh hưởng a. ảnh hưởng của điều chế nguồn không hoàn hảo Nh­ chóng ta đã biết ,trong các nguồn quang, ngay cả khi không có tín hiệu điện kích thích thì ánh sáng phát ra của nó không hoàn toàn tắt hẳn. Trong nhiều trường hợp người ta còn tạo ra một định thiên ban đầu thích hợp tương đương với nền để các nguồn sáng làm việc trong vùng đặc tính truyền đạt đạt tuyến tính và băng tần của rộng hơn. Giả thiết rằng khi không có tín hiệu vào, công xuất quang được phát ra bằng một phần giá trị đỉnh Pt. Lúc đó công suất phát trung bình là: Pt = .[1+].Pt (5.10) Ở máy thu, công suất tín hiệu thu được trung bình Prs tỷ lệ với biên độ tín hiệu ở điểm quyết định liên quan đến tổng công suất trung bình Pr,tỷ lệ với giá trị trung bình bình phương của nhiễu lượng tử. Prs = (5.11) Đưa ( 5.5 ) vào ( 5.1 ),ta rót ra rằngcác mối tương quan và các đồ thị trức đây vẫn còn đúng ngay cả lúc tồn tại một nền ánh sáng,lúc đó chỉ cần thay bằng ’ : ’= [1+2/(1-).dc]. (5.12) Bình thường khoảng 0,1 ; trong trường hợp chung dc= 0,5 ’ , cao hơn là 3,2 dB. b . Ảnh hưởng của nhiệt độ Khi niệt độ của môi trường xung quanh thay đổi ,hoặc do chính sự hoạt động của các phần tử trong thiết bị làm ảnh hưởng đến các tham số của thiết bị thu và chính nó lại làm ảnh hưởng đến công suất quang thu yêu cầu bé nhất. Sauđây tóm tắt một số ảnh hưởng đó: -Nhiệt độ tăng sẽ làm tăng dòng tối id của bộ tách quang -Nhiễu nhiệt trong các điện trở là hàm trực tiếp của nhiệt độ -Tăng Ých của APD thay đôie nhiều theo nhiệt độ -Thời gian đáp ứng, tăng Ých của bộ tách quang và các phần tử tích cực khác cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. - Nhiệt độ có thể gây ra sự lệch các thành phần trong băng tần xác định, do đó tăng méo tín hiệu, giao thoa giữa các ký hiệu hoặc độ rộng băng nhiễu. - Nhiệt độ có thể tạo ra những mốc xê dịch điều khiển tăng Ých, định thiên và các mạch quyết định ngưỡng; các sự xê dịch này có ảnh hửng đáng kể đến công suất quang yêu cầu tối thiểu. Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến độ ghép vật lý sợi thiết bị, nhưng thường bỏ qua ảnh hưởng này. c. Các ảnh hửng của sự hoá già Sau một thời gian sử dụng, bộ tách quang sẽ bị giảm đáp ứng quang thu do sự già hoácủa diode còng nh­ các phần tử trong mạch khuếch đại. Khi thiết kế hệ thống, người ta thường coi đáp ứng quang của diode giảm 5% mỗi năm. Do vậy, taphải dàng 1,5 – 2 dB dự trữ công suất cho sự già hoá của bộ tách quang. d. Quan hệ giữa đáp ứng quang thu tối thiểu và tốc độ tín hiệu Khi tốc độ tín hiệu tăng thì đáp ứng quang thu giảm xuống. Việc xác lập công thức biểu diễn quan hệ giữa đáp ứng quang thu và tốc độ tín hiệu là rất khó khăn nên người ta đưa ra tiêu chuẩn quy định đáp ứng quang thu ứng với tốc độ tín hiệu khác nhau. 3. Khoảng cách giữa các bộ lặp của hệ thống sợi quang Trong ( 5.6 ) đối với các diode PIN (M = 1) và (5.9 ) đối với các diode thác quang APD (M = Mopt) biểu thị công suất quang trung bình yêu cầu Pr đối với đã cho (và cũng chính với xác suất lỗi đã cho), xuất phát từ (5.2) chóng ta có thể tính được khoảng cách của bộ lặp. Tuy vậy,có một khó khăn là Pr phụ thuộc vào độ rộng bằng tần nhiễu tương đương B N , khi có sợi thì nó lại là một hàm của độ dài L. Đầu tiên chúng ta coi sợi không gây ra giới hạn băng tần. Trong trường hợp này, độ rộng băng nhiễu tương đương chỉ phụ thuộc vào chu trình công tác của xung phát dc và vào hệ số uốn của phổ tín hiệu ở điểm quyết định, và có thể coi bằng: BN = Bo = kb .fr (5.13) ở đây fr là tốc độ ký hiệu và kb là hằng số # 0,5 đối với các giá trị dc và thông thường. Trong đièu kiện này ,vì công suất yêu cầu ở máy thu không phụ thuộc vào độ dài L ,từ (5.2 ). Dễ dàng tính được : L = .[ 10.logPt – 10.logPro ] (5.14) ở đây Pro là công của máy thu được tính theo (5.4) và (5.8) trong điều kiện xác định bởi (5.14) và là tiêu hao bằng dB/km . Trong hình sau vẽ công suất yêu càu Pro để truyền dẫn tín hiệu số hai mức có xác xuất lỗi Po < 10-10 (=23 dB) đối với fr cho cả hai diode PIN (M = 10) và diode APD Si (M = Mopt, a= 0,2) , trong trường hợp bằng 0,5 A/W và FC =1 pF và với Bo bằng fr/2 .Cũng hình đó , còn cho các mức công suất trung bình mà các nguồn Laser và LED tiêm vào sợi ,với giả thiết giá trị công suất đỉnh bằng +3dB và -12dBm trong hai trừơng hợp tương ứng và chu trình công tác dc bằng 0,4. Không thể sử dụng các nguồn LED ở các tốc độ cao vì sự giới hạn băng tầng nội tại của chúng .hiện giữa các công suất phát và với tốc độ ký hiệu quan tâm, cho khả năng tổng tiêu hao trên sợi ,và căn cứ vào (5.14)xác định được độ dài của đoạn lặp . Từ (5.5) và (5.8) và từ hình vẽ tổng tiêu hao cho phép khi không có tán sắc sợi đối với tập các phần tử quang điện đã cho và với độ chính xác của bộ khuếch đại của thu cố định có dạng sau ( dB ) : Pt - Pro = AL – 10 logfr (5.15). ở đây AL biểu thị tổn hao cho phép đối với một tốc độ ký hiệu duy nhất . Ví dụ trong trường hợp hình vẽ ,AL =6,7 dB /Mb/s đối với tổ hợp Laser –APD và bằng 52/dB/Mb/s đối với tổ hợp LED – APD. Pc<10-10 sFc=1pF dc=0,5 0 30 Laser PIN 50 60 APD fr 1000 100 10 Hình7.3: trên các mức công suất công suất quang phát và thu (Pt, Pro đối với tốc độ ký hiệu fr khi truyền tín hiệu số hai mức không có sự cắt của sợi (băng tần vô hạn ) với xác xuất lỗi <10-10. Một điều đáng chú ý khi thiết kế tuyến quang là phải cho thêm vào một độ dự trữ nào đó cảu tuyến . người ta thường lấy độ dự trữ công suất vào quang 3-5 dB. Ta xét đến một trường hợp tổng quát hơn. đó là trường hợp xét đến sự giới hạn băng tần do băng sợi sinh ra . Phương trình (5.2) có thể được viết như sau : L = 10.log = 10 .log - 10.log (5.16) ở đây thành phần thứ nhất là tổn hao tính bằng dB cho phép khi không có sự cắt của sợi có thể trực tiếp đọc từ hình trên đối với mỗi tốc độ ký hiệu Trong lúc đố thành phần thứ hai biểu thị độ thiệt thòi công suất do sự cắt của sợi. Đưa vào biểu thức(5) và (8) có thể có độ thiệt thòi công suất hP=10.log=10.log+10.logMq (17). Mq là hệ số hiệu chỉnh đưa vào sự tính toán sự phụ thuộc công suất nhiễu lượng tử và các xung kế cận khi giao thoa giữa các kí hiệu tồn tại trong tín hiệu quang ở đầu vào của máy thu. Bn=.Ip[2.ln2(fr/ft)2.x2].[c(x.b)2]dx (18). Ft là tần số cắt của sợi ; (a,b) là hàm cosin của hàm hệ số uốn b. Hệ số hiệu chỉnh Mq được tính bằng kinh nghiệm,bằng cách so sánh định lí xấp xỉ hiệu tại các định lí chính xác hơn, người ta tìm thấy gần đúng chính xác Mq: Mq=2.exp[-0,1(fr/ft)2] (19). Từ (18)và (19) có thể thấy rằng độ thiệt thòi công suất cho bởi (17) là hàm của tỉ số fr/ft giữa tỉ số lặp lại cũa xung và tẫn số cắt của sợi. Hình dưới biểu thị độ thiệt thòi công suất fr/ft với các giá trị xuống khác nhau của phổ tín hiệu cosin nâng tại điểm quyết định. Giả sử cho chu trình làm việc dC =0,5 đối với các xung phát và không có sự giới hạn băng tần trong nguồn quang. Có thể thấy rằng, đối với giá trị fr/ft thấy, thực tế độ thiệt thòi công suất khônng phụ thuộc vào b, trong lúc đó đối với các giá trị fr/ft cao thì độ thiệt thòi công suất giảm khi b giảm. Mặt khác cần chú ý rằng độ phức tạp của bộ lọc và khôi phục đồng bộ cũng ảnh hưởng đến b. Với b cao thì đơn giản hơn. Néu lưu ý đến sự cắt của sợi thì giá trị b tốt nhất nằm trong khoảng 0,6-->0,9. Mp(dB) fc/ft b= 1 0,7 0,5 0 20 10 0 5 4 3 2 1 H×nh7.4 Trở lại tính khoảng lặp, giả sử chúng ta biết quan hệ (10) dưới dạng Pt-aL=Pro+ hP(fr/ft) (20) ở đay các đại lượng biểu diễn bằng dB. Dạng có độ thiệt thòicong suất đối với fr/ft, được xấp xỉ, bằng giá trị nào đó hàm Parabol hP=c(fr/ft)2. Với c là hằng số phụ thuộc vào độ uốn cong b của phổ tín hiệu đã cân bằng. Ví dụ: c=1,5 với b=1 và c=1 với b=0,4. sai số xấp xỉ với các đường cong tương ứng bé hơn 1dB đối với các giá trị fr/ft thấp hơn 3 đến 4. f2t= . Do đó (16) trở thành aL=AL- 10.logfr- c(fr/fl)2.L2-- c(fr/fm)2.L (22), các đại lượng tính băng dB. ở đây các đại lượng fm, fl là tần số cắt trên một đơn vị chiều dài do tán sắc vật liệu tương ứng, và liên quan đến độ mở rộng xung fm,l=ln4/p.zm.l. Và AL là tổn hao có thể cókhi không có độ tán sắc của sợi. Gỉai phương trình (22) ta được:L=1/2.{a/c.(fl/fr)2+(fl/fm)2]2+.(fl/fr)2-[a/c.( .(fl/fr)2.(fl/fm)2]}. Công thức trên cho thấy độ dài đoạn lặp là một hàm của fr,a,fm,fl và đối với sự chọn lọc nào đó các thành phần quang- điện và thiết bị bộ khuếch đại thu... Công thức trên rất hữu Ých và cho các khoảng lặp đối với một tổ hợp linh kiện đã được chọn Xp aL Pt Pr 9 5 4 2 -60 -20 -40 H×nh7.5 Công suất Pr yêu cầu Pe=1-->10 và công suất có thể có Pt-aL ở máy thu theo độ dài đoạn lặp đối với hệ thống truyền dẫn số 34Mb/s sử dụng LED(Dl=50nm ở 850nm) APD và sợi có a=4 dB/km. 4. Tán xạ trong sợi quang a. Hiện tượng tán xạ vật liệu. Độ dãn xung do tán xạ vật liệuđược tính nh­ sau: Dm=Mm.Dl.L(ps). Trong đó : Mm là hệ số tán xạ vật liệu (ps/nm/km). l là bề rộng phổ của nguồn (nm). L là khoảng cách cần truyền (km). b. Hiện tán xạ mốt. Độ dãn xung do tán xạ mốt được tính nh­ sau: Di= n1.D./c với sợi SI Di= n1.D2./2c với sợi GI. Trong đó n1 là chiết suất của ruột sợi D là độ lệch chiết suất tương đối c là vận tốc ánh sáng. L là chiều dài tuyến (L>>1km) c. Hiện tượng tán xạ dẫn quang. Độ dẫn xung do tán xạ dẫn quang dợc tính nh­ sau: Dw= Mw.Dl.L(ps). Trong đó Mw là hệ số tán xạ sợi dẫn quang(ps/nm.km) Dl bề rộng phổ của nguồn(nm). L là khoảng cách cần truyền (km). d. Tổng độ rộng xung gây ra bởi sợi quang. Dt2= Dmw2+Di2 Trong đó Di là độ rộng xung do tán xạ mốt. Dmw là độ rộng xung do tán sắc sợi và tán sắc vật liệu. 5.Các tham số của linh kiện tách quang a. Thời gian tăng trưởng Tổng thời gian tăng trưởng của phôtodetecter tpd2=ttr2+tct2 Trong đó ttr= ttr cho bởi nhà sản xuất, thông thường ttr=1us. tct hằng số thời gian của mạch. tct= 2,19.RL.Cd. (RL điện trở tải). Cd điện dung lớp tiếp giáp (Cd= 1-->10pF) b. Đáp ứng quang. Dòng điện sinh ra trong bộ tách quang do tác động của ánh sáng được tính nh­ sau i= trong đó đáp ứng quang P=. Trong đó M: hệ số khuếch đại của APD (hệ số tăng Ých) W:hệ số của APD e: điện tích của điện tử. P: giá trị công suất. C: tốc độ lan truyền của ánh sáng. l: bước sóng công tác. 6. Quan hệ giữa nhiễu và BER Mặc dù nhiễu hệ thống không được đo trực tiếp trên một tuyến quang nh­ tỉ lệ lỗi BER là nột trong những thông số quan trọng phụ thuộc vào nhiễu. Trong hệ thống thông tin sợi quang hiện nay, nhiễu nhiệt là chiếm ưu thế hơn và tỉ số S/N khoảng 20-->30dB, thoả mãn viẹc thực hiện tỉ số BER. Vì vậy chúng ta cho rằng hệ thống chỉ cónhiễu nhiệt. Chúng ta bá qua hiệu ứng dòng tối. Công suất nhiễu nhiệt= 4.K.T.Df. Tín hiệu điện nhật được=p.P (ám) Do đó tỷ số S/N=. K là hằng số bozonam T nhiệt độ tuỵet đối p là đáp ứng quang, đo băng A/W. P là giá trị công suất quangđo băng Watts Df là dải tần nhiễu tương đương RL là điện trở tải. Với tín hiệu nhị phân, xác suất lỗi Pe có thể lấy bằng BER và nó có thể quan hệ với S/N nh­ sau. BER=Pe=1/2erfc(x). trong đó x=/0,354(x)/ S/N không phải đo bằng dB mà kà tỉ số hiện tại và erfc được xácđịnh nh­ sau: Erfc(x)= .Với x>1 trong mọi dạng ứng dụng thông tin, nên BER=1,2. .. Ta thấy quan hẹ giữa BER và S/N là quan hệ hàm mũ,vì vậy một sự thay đổi nhỏ cuả S/N sẽ tạo ra một sự cải thiện đáng kể ở BER. V. Thiết kế hệ thống Với những chỉ tiêu kĩ thuật đã cho và các kinh kiện hệ thống sẵn có, hệ thống được xác định lần đầu tiên. Nếu hệ thống không thoả mãn các tham số thiết kế thì hệ thống sẽ không được thiết kế lại bằng cách chọn các thiết bị khác. * Phương pháp cơ bản được sử dụng trong hệ thống sợi quang là: Thiết kế theo quỹ công suất, thiết kế theo quỹ thời gian lên của xung. Việc thiết kế phải thoả mãn cả hai quỹ này. * Các bước thiết kế tuần tự nh­ sau: - Thiết kế hệ thống theo quan điểm thời gian lên của xung để đảm bảo độ rộng băng tần. - Thiết kế hệ thống theo quan điểm quỹ công suất. - Tính S/ N cho hệ thống. - Tính BER. Tại bất cứ điểm nào, nếu hệ thống không thảo mãn các tham số thiết kế, viịec lựa chọn lại các thiết bị được tiếp tục. Việc tạo ra các tổ hợp nguồn sáng - sợi quang - tách quang phải tuân theo các nguyên tắc sau: - LED không được sử dụng với sợi đơn mốt. - LED thường không được sử dụng với diotde APD. - Diot laser không được sử dụng với sợi đa mốt. - Laser đơn mốt thường được sử dụng với APD. - Laser đơn mốt không hoạt động ở bước sóng 800 nm. 1. Thủ tục thiết kế Sau khi xem xét đặc điểm các loại sợi, nguồn sáng, bộ thu quang, ta có thể thiết kế hệ thống một cách rễ ràng và đúng đắn. a. Thiết kế quỹ thời gian lên của xung. Nếu tín hiệu là NRZ: ts = 0,7/ RNRZ. Nếu tín hiệu là NZ: ts = 0,35/ RRZ. Trong tín hiệu RNRZ và RRZ là tốc độ tín hiệu (Bit/ s). b. Sự phân phối quỹ thời gian lên của hệ thống . Quỹ thời gian của hệ thống, t2s = t2ls + t2fb + t2pd. Trong đó: tls: thời gian tăng trưởng của nguồn phát tfb: thời gian tăng trưởng của sợi tpd: thời gian tăng trưởng của photodiode LED có thời gian tăng trưởng lớn, còn diot laser có thời gian tăng trưởng nhỏ và tăng hẹp. Thời gian tăng trưởng của sợi được tính bởi công thức. T2fb = D2i + D2mw Trong đó Di là độ dãn xung do tán sắc mốt Di = n1.D./c với sợi SI Di = n1.D2./2c với sợi GI. Dmw là độ dãn xung do tán sắc vật liệu và sợi dẫn quang: Dmw= (-Mm+Mw).L.Dl. Với Mm,Mw là tán sắc vật liệu và tán sắc sọi dẫn quang. Các linh kiện phù hợp sẽ được lựa chọn sao cho chúng thoả mãn quỹ thời gian lên của chúng. Sau đó chúng thực hiẹn các bước tiếp theo. c. Thiết kế quỹ công suất. Thiết kế phải thoả mãn các yêu cầu: Pt-(LCP+LCT+LSP+Lfb+MARG)>=Srec. Trong đó Pt là công suất của nguồn quang. LCT suy hao sợi khi nối sợi vào sợi LCP suy hao khi nguốn sáng được ghép vào sợi quang LSP suy hao của một mối hàn Lfb Tổng suy hao của sợi Marg là dự trữ của hệ thống. Srec là độ nhạy tối ưu.. 2. Sự lựa chọn tối ưu của hệ thống Sự lựa chọn một kiểu tối ưu một kiểu hệ thống truyền dẫn thường được lựa chọn trên sự so sánh các chi phí giữa hệ thống cáp đồng , viba, cáp sợi quang. Hệ thống cáp đồng sử dụng ở tốc độ thấp. Phần chi phí lớn nhất của hệ thống của cáp quang là cáp và các chi phí lắp đặt, có thể chiếm tới 80-->90% giá thành. Mạng viễn thông công cộng thường được chia thành 3 phần: Mạng trung kế. Mạng chuyển mạch. Mạng thuê bao. Hiện nay cáp quang sử dụng là mạng trung kế. Trong tương lai, khi mật độ điện thoại tại một số khu vực lên cao (vài nghìn máy atị các khu như Kim liên, Châu quỳ,...)và nhu cầu về thông tin đa dịch vụ tổng hợp ,để đảm bảo lưu lượng đường truyền, việc sử dụng cáp quang cho mạng thuê bai sẽ trở thành cần thiết và lúc đó, việc tính toán tối ưu của hệ thống nguồn sáng- sợi quang- tách quang với giá thành hợp lýcho từng khu vực của mạng nội hạt sẽ có ý nghĩa lớn. TÀI LIỆU THAM KHẢO Kỹ thuật thông tin quang - Hoàng Ứng Huyền Kỹ thuật thông tin quang - Vũ Văn San Các đồ án cao học của trường Bách Khoa MỤC LỤC