intTypePromotion=1

Mạng thông tin quang Chương 2: Các thành phần cơ bản của mạng thông tin quang

Chia sẻ: Le Quy Vien | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:137

0
154
lượt xem
44
download

Mạng thông tin quang Chương 2: Các thành phần cơ bản của mạng thông tin quang

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bộ phát quang biến đổi tín hiệu vào iD(t) thành tín hiệu ánh sáng Pp(t) để ghép vào sợi quang, quá trình này gọi là điều biến/ điều chế quang (hay còn gọi là biến đổi điện quang) Các phần tử biến đổi điện-quang sử dụng trong kỹ thuật thông tin quang cần phải thoả mãn một số yêu cầu cơ bản sau: + Ánh sáng được bức xạ ra phải có độ rộng phổ hẹp + Công suất ánh sáng phát xạ cao...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Mạng thông tin quang Chương 2: Các thành phần cơ bản của mạng thông tin quang

  1. Môn học tín chỉ: MẠNG THÔNG TIN QUANG Giảng viên: T.S Trần Thiện Chính Viện Khoa học kỹ thuật Bưu điện - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
  2. NỘI DUNG MÔN HỌC Chương 1: Tổng quan mạng thông tin quang  Giảng viên: T.S Trần Thiện Chính - Học viện CNBCVT Chương 2: Các thành phần cơ bản của mạng thông tin quang  Giảng viên: T.S Trần Thiện Chính - Học viện CNBCVT Chương 3: Mạng thông tin quang ghép bước sóng  Giảng viên: T.S Trần Thiện Chính - Học viện CNBCVT Chương 4: Mạng định tuyến bước sóng  Giảng viên: T.S Trần Thiện Chính - Học viện CNBCVT Chương 5: Công nghệ mạng quang thế hệ sau  Giảng viên: T.S Trần Thiện Chính - Học viện CNBCVT 2 20/03/2012
  3. CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MẠNG THÔNG TIN QUANG 2.1. Thiết bị thu phát quang 2.2. Khuếch đại quang 2.3. Chuyển mạch quang 2.4. Chuyển đổi bước sóng 2.5. Định tuyến bước sóng 2.6. Thành phần quang thụ động 2.7. Các Module chức năng 2.8. Cách tử quang 2.9. Cáp sợi quang 3 20/03/2012
  4. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG 2.1.1. Thiết bị phát quang Bộ phát quang biến đổi tín hiệu vào iD(t) thành tín hiệu ánh sáng Pp(t) để ghép vào sợi quang, quá trình này gọi là điều biến/ điều chế quang (hay còn gọi là biến đổi điện quang) Các phần tử biến đổi điện-quang sử dụng trong kỹ thuật thông tin quang cần phải thoả mãn một số yêu cầu cơ bản sau: + Ánh sáng được bức xạ ra phải có độ rộng phổ hẹp + Công suất ánh sáng phát xạ cao + Mật độ công suất lớn + Có khả năng điều chế trực tiếp + Hệ số biến đổi cao + Có khả năng điều chế với tín hiệu tốc độ cao (băng tần điều chế lớn) 4 20/03/2012
  5. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) 2.1.1. Thiết bị phát quang (tiếp theo) + Điều kiện ghép với sợi quang thuận tiện + Hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao Để đáp ứng các yêu cầu trên, trong kỹ thuật thông tin quang thường sử dụng các phần tử biến đổi điện - quang là các phần tử phát quang bán dẫn: LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode) Tùy theo yêu cầu sử dụng, thông qua cấu tạo của các phần tử phát xạ ánh sáng, có thể tạo ra các loại phát xạ ánh sáng kết hợp và không kết hợp + Phát xạ ánh sáng không kết hợp: Trong phát xạ tự phát, ánh sáng phát xạ ra thường ngẫu nhiên, độc lập và không đồng pha với nhau. ánh sáng phát xạ ra trong trường hợp này gọi là ánh sáng không kết hợp và sự phát xạ này gọi là phát xạ ánh sáng không kết hợp 5 20/03/2012
  6. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) + Phát xạ ánh sáng kết hợp: Trong kỹ thuật Laser đã sử dụng các bộ cộng hưởng quang, nên sóng ánh sáng phát xạ kích thích của Laser đồng pha với nhau theo mặt phẳng thẳng đứng với phương truyền sóng của chúng. ánh sáng phát xạ ra trong trường hợp này gọi là ánh sáng kết hợp không gian + Đồng thời, ánh sáng phát xạ kích thích của Laser còn liên tục có bước sóng đơn. ánh sáng phát xạ ra trong trường hợp này gọi là ánh sáng kết hợp thời gian Để đáp ứng các yêu cầu trên, trong kỹ thuật thông tin quang thường sử dụng các phần tử biến đổi điện - quang là các phần tử phát quang bán dẫn: LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode) 2.1.1.1. Nguyên lý phát xạ ánh sáng tiếp giáp p-n Trong kỹ thuật thông tin quang thường sử dụng các nguồn phát xạ ánh sáng là các phần tử bán dẫn dựa trên cấu trúc tiếp giáp p-n Khi có điện trường ngoài tác động, các điện tử dịch chuyển từ bán dẫn n sang p và ngược lại lỗ trống dịch chuyển từ p sang n 6 20/03/2012
  7. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) 2.1.1.1. Nguyên lý phát xạ ánh sáng tiếp giáp p-n (tiếp theo) Trong quá trình dịch chuyển, lỗ trống và điện tử tái hợp với nhau và giải phóng ra năng lượng ánh sáng dưới dạng sóng điện từ 7 20/03/2012
  8. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) Đi ốt phát quang LED: Nguyên tắc cấu trúc cơ bản của LED là sử dụng tiếp  giáp bán dẫn p-n. Có 2 cấu trúc LED cơ bản + Cấu trúc tiếp giáp p-n thuần nhất (chỉ thuần tuý là lớp tiếp giáp p-n) + Cấu trúc tiếp giáp p-n không thuần nhất (cấu trúc dị thể kép): Bên cạnh lớp hoạt tính, người ta thêm 2 lớp hoặc nhiều lớp vật liệu có độ rộng dải cấm lớn, để chặn không cho các điện tử di chuyển về vùng p và lỗ trống di chuyển về vùng n. Khi đó, các điện tích chủ yếu tập trung ở lớp hoạt tính và làm cho mật độ điện tích ở vùng hoạt tính tăng lên rất cao. Chúng tái hợp với nhau và phát ra ánh sáng trong vùng hoạt tính với công suất lớn Cấu tạo của Diode phát quang LED: Trong kỹ thuật thông tin quang, sử dụng  LED có cấu trúc dị thể kép làm nguồn phát quang. Đồng thời, LED có cấu trúc dị thể kép được chia làm 2 loại: LED phát mặt; LED phát cạnh 8 20/03/2012
  9. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) 9 20/03/2012
  10. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) Cấu trúc LD: Nguyên tắc cấu trúc cơ bản của LD cũng là sử dụng tiếp giáp  bán dẫn p-n kết hợp với khoang cộng hưởng ánh sáng. Cấu trúc khoang cộng hưởng ánh sáng của LD thường là một hình hộp chữ nhật. Cấu trúc của LD cũng sử dụng cấu trúc dị thể kép (tương tự như LED)  Vai trò của khoang cộng hưởng ánh sáng: + Khoang cộng hưởng ánh sáng: Tạo ánh sáng Laser (ánh sáng kết hợp dưới điều kiện bức xạ kích thích), lựa chọn mốt (trạng thái sóng ánh sáng) + Nguyên tắc cấu trúc: Chỉ khuếch đại các sóng ánh sáng chạy theo phương dọc của khoang cộng hưởng. Các sóng ánh sáng không chạy theo phương dọc của khoang cộng hưởng sẽ bị hấp thụ + Điều kiện cộng hưởng ánh sáng: Để sóng ánh sáng chạy theo phương dọc của khoang cộng hưởng, điều kiện cộng hưởng ánh sáng của LD như sau: 2 L là chiều dài của khoang cộng hưởng; n là chiết suất của vùng tích cực   0  là bước sóng của sóng ánh sáng ứng với tần số cộng hưởng 2 Ln 0 q là hệ số sóng (q là một số nguyên) 10 20/03/2012
  11. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) 11 20/03/2012
  12. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) 12 20/03/2012
  13. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) Cấu tạo LD: Trong kỹ thuật thông tin quang, sử dụng LD có cấu trúc dị thể  kép phát cạnh làm nguồn phát quang Nguyên lý phát xạ ánh sáng của LD:  13 20/03/2012
  14. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) Laser đi ốt (LD) với ứng dụng WDM:  + Bộ phát quang tạo kênh bước sóng riêng và các bước sóng này kết hợp với nhau nhờ bộ ghép kênh (MUX) để truyền đi trên sợi quang + Hệ thống WDM sử dụng LD phản hồi ngược phân bố (DFB) để tạo ra bước sóng theo yêu cầu, mỗi LD được điều khiển bởi dòng điều chế riêng, nhưng các LD lại được tổ hợp lại thành mảng LD để phát ra các bước sóng + Gần đây phát triển Laser phát xạ bề mặt cộng hưởng đứng (VCSEL) đã cho phép chế tạo ra mảng LD 3232, đồng thời cũng đã giải quyết được vấn đề ghép nối ánh sáng từ tất cả các Laser tích cực của mảng LD sang sợi quang đơn mode + Hạn chế chủ yếu của các Laser VCSEL là chỉ có thể phát ra ánh sáng trong vùng 850 nm  Các yêu cầu của bộ phát quang trong mạng WDM: + Chất lượng của ánh sáng được tạo ra: Độ rộng ánh sáng phát ra phải hẹp + Tỷ lệ nén mode bên cạnh (SMSR) phải cao (khoảng 35  40 dB) 14 20/03/2012
  15. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) + Laser phải hoạt động trong mode đơn theo chiều dọc (nhờ sử dụng cách tử Bragg quang) để tránh hồi tiếp quang + Triệt khử sự thay đổi động, vì bước sóng trung tâm sẽ thay đổi khi Laser DFB được điều khiển nhờ dòng điện biến thiên (yêu cầu của kỹ thuật điều chế) + Công suất tiêu thụ: Công suất tiêu thụ cần tối thiểu để giảm bức xạ nhiệt bởi LD, điều này càng quan trọng đối với các bộ phát WDM bởi vì sẽ có nhiều LD hoạt động + Độ ổn định: Những thay đổi công suất đầu ra dẫn tới thay đổi độ rộng ánh sáng phát ra sẽ gây nên các hiệu ứng phi tuyến trong sợi đơn mode như hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM) và hiệu ứng tán xạ kích thích Brillouin (SBS); để giữ cho khoảng cách kênh cố định thì cần phải giữ cho bước sóng đỉnh không biến thiên, nếu không sẽ bị mất thông tin do các kênh trộn lẫn gây nên xuyên kênh làm tăng tỷ lệ bit lỗi (BER); phải tối thiểu hóa nhiễu cường độ tương đối (RIN), bởi điều này làm mất ổn định công suất đầu ra 15 20/03/2012
  16. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) + Cần phải giữ ổn định trong ngắn và dài hạn, những thay đổi trong ngắn hạn do biến thiên nhiệt độ và tác động xung quanh, những thay đổi dài hạn do sự già hóa của các thành phần phát và Laser + Độ tin cậy: Độ tin cậy thể hiện bởi số lần hư hỏng trong một khoảng thời gian FIT (vài tỷ giờ hoạt động tích lũy) hoặc thời gian trung bình giữa các lần hư hỏng (MTBF); nhiệt độ thay đổi đột ngột sẽ ảnh hưởng đến độ tin cậy của bộ phát quang, nhiệt độ gấp đôi sẽ làm giảm MTBF xuống 3,5 lần và tăng FIT lên 5 lần + Khả năng điều hưởng: Hiện tại hệ thống 128 kênh đã được thương mại hóa, còn hệ thống 256 kênh cũng đã được chứng minh, vì vậy cần phải sử dụng số lượng rất lớn nguồn sáng riêng. Điều này sẽ rất tốn kém từ góc độ sản xuất cũng như bảo dưỡng, vì vậy các Laser có khả năng điều hưởng đối với tất cả các bước sóng WDM sẽ trở thành quan trọng nhất để thiết kế các bộ phát WDM. Đặc trưng mấu chốt của các Laser có thể điều hưởng là tốc độ và khả năng điều hưởng để phát đồng thời một số bước sóng 16 20/03/2012
  17. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) Laser điều hưởng:  + Laser điều chỉnh nhiệt độ tận dụng sự phụ thuộc vào nhiệt độ của chỉ số khúc xạ trong vùng hoạt động. Đặc tính này sẽ làm trôi bước sóng đỉnh bức xạ bởi LD. Phạm vi điều hưởng (lên tới 10 nm) và tốc độ điều hưởng (vài ms) của các Laser này chưa đáp ứng được yêu cầu. Tuy nhiên, tác động điều chỉnh nhiệt độ sử dụng để điều hưởng bước sóng bức xạ của một số loại Laser điều hưởng đã được thương mại hóa + Laser có khả năng điều hưởng cộng hưởng bên ngoài làm thay các đổi bước sóng nhờ thay đổi điều kiện cộng hưởng đối với bước sóng Laser trên cơ sở sử dụng cách tử nhiễu xạ như một bộ phản xạ Laser. Phạm vi điều hưởng 1500  1580 nm, độ phân giải bước sóng 1 pm, độ chính xác 0,1 nm + Laser có khả năng điều hưởng phản xạ Bragg phân bố (DBR) cục bộ điều hưởng tốc độ 10 ns cao hơn nhiều so với tốc độ điều hưởng của Laser có khả năng điều hưởng cộng hưởng bên ngoài 17 20/03/2012
  18. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) + Laser cộng hưởng bên trong hứa hẹn sẽ trở thành nguồn sáng lựa chọn cho WDM bởi vì chúng kết hợp những lợi thế như tốc độ cao và khả năng phát đồng thời nhiều bước sóng. Đặc trưng này rất quan trọng đối với mạng WDM chuyển mạch gói tốc độ cao Như vậy, Laser có khả năng điều hưởng là nguồn phát sáng hứa hẹn nhất cho mạng WDM, tất nhiên kể cả nguồn sáng cộng hưởng bên trong, cộng hưởng bên ngoài, điều chỉnh nhiệt độ, mảng Laser Sơ đồ khối bộ phát quang như Hình 2.6 Trong kỹ thuật thông tin quang, có hai loại điều biến quang cơ bản đó là điều biến quang trực tiếp và điều biến quang gián tiếp (hay điều biến ngoài) 18 20/03/2012
  19. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) 19 20/03/2012
  20. 2.1. THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG (tiếp) 2.1.1.2. Điều biến quang trực tiếp Sơ đồ điều biến quang trực tiếp như Hình 2.7. Đặc điểm điều biến quang trực tiếp: + Tín hiệu truyền dẫn Ip(t) điều khiển trực tiếp phần tử phát quang để một trong các tham số công suất phát Pp(t) biến đổi phù hợp với tín hiệu Ip(t) + Trong thông tin quang điều biến trực tiếp, thường điều khiển cường độ ánh sáng biến đổi theo tín hiệu truyền dẫn, gọi là điều biến cường độ ánh sáng (IM) 20 20/03/2012
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2