Xem mẫu
- CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG
CHƯƠNG 4
BỘ THU QUANG
Bộ thu có chức năng nhận tín hiệu quang, chuyến tín hiệu quang thành điện, xử lý và
khôi phục dạng tín hiệu. Trong chương này sẽ trình này cấu trúc tổng quát của bộ
thu quang số, các mạch tiền khuếch đại, khảo sát nhiễu trong bộ thu quang, và
đánh giá chất lượng của hệ thống quang.
4.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
4.1.1. Độ đáp ứng phần tử chuyển đổi quang - điện
Photodiode cần phải có tốc độ đáp ứng nhanh để có thể hoạt động với tín hiệu tốc độ
cao. Nếu ngõ ra của photodiode không theo kịp với sự thay đổi của dạng tín hiệu quang
ngõ vào thì dạng xung ngõ ra sẽ bị méo.Điều này sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của
tuyến do lỗi bit. Tốc độ đáp ứng của photodiode có thể đo theo thời gian lên của tín hiệu
ngõ ra, từ 10% đến 90% giá trị đỉnh tín hiệu ngõ ra khi ngõ vào của photodiode chuyển
sang vừa chuyển trạng thái on. Tương tự như vậy khi tín hiệu ngõ ra chuyển xuống từ
90% đến 10% giá trị đỉnh, gọi là thời giang xuống. Thời gian lên và thời gian xuống
được minh họa ở hình 4.1.
Thời gian lên và thời gian xuống phụ thuộc vào các nhân tố như mức độ hấp thụ ánh
sáng ở một sóng nào đó, độ rộng vùng hiếm, sự thay đổi giá trị điện dung, sự thay
đổi giá trị điện trở của photodiode
Hình 4.1. Đáp ứng của photodiode với xung ánh sáng biểu diễn thời gian
lên 10 % đến 90% và thời gian xuống 90% đến 10%.
45
- CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG
4.1.2. Thời gian đáp ứng phần tử chuyển đổi quang - điện
Tốc độ đáp ứng hay băng thông của photodiode phụ thuộc vào ba yếu tố: thời gian vượt
ra khỏi vùng hiếm (gọi là thời gian trôi) của các hạt mang điện tạo ra từ các photon tới
vùng này, đáp ứng tần số được xác định bởi thời hằng RC (phụ thuộc vào điện dung của
diode), và sự khuếch tán các hạt mang điện ra khỏi vùng hiếm.
Thời gian hạt mang điện vượt khỏi vùng hiếm có chiều dài w được xác định theo
biểu thức sau:
(4.1)
Với vd là vận tốc trôi của hạt mang điện. w càng nhỏ thì τt càng nhỏ và sẽ càng ít bị
giới hạn đến thời gian trôi. Ngược lại, w nhỏ sẽ làm giới hạn hiệu suất lượng tử.
Chúng ta xét ví dụ đối với photodiode PIN Si có độ rộng lớp I là 20µm, vận tốc trôi
của các hạt electron là 105m/s. Do đó, thời gian để vượt qua vùng I là 200ps. Còn
nếu vật liệu chế tạo PIN là InGaAs có độ rộng lớp I là 5µm thì thời gian trôi là 50ps.
Các giá trị tính được ở trên tương ứng với thời gian chuyên lên của photodiode.
Bên cạnh đó, điện dung của photodiode cũng đóng vai trò đáng kể. Nếu diện tích của
diode là A và vùng hiếm có độ rộng là w thì điện dung mối nối là:
Trong đó ε là hằng số điện môi của chất bán dẫn. Trong mạch hình 4.1, tốc độ đáp
ứng được xác định bởi thời hằng RC. Do đó thời gian lên (10%-90%) là:
(4.2)
Trong công thức trên, giảm w để giảm thời gian trôi thì sẽ làm tăng thời gian lên
do điện dung. Chúng ta có thể cân bằng hai đại lượng này bằng cách giảm điện trở
tại RL. Băng thông của photodiode được xác định bởi RL và Cd như sau:
(4.3)
Rõ ràng để có được thời gian lên nhỏ, photodiode phải có diện tích A nhỏ, độ rộng
vùng hiếm w lớn và điện trở tải RL nhỏ.
4.2. CÁC PHẦN TỬ CHUYỂN ĐỔI QUANG - ĐIỆN BÁN DẪN
4.2.1. Photodiode p - n
Photodiode P-N là mối nối P-N hoạt động ở chế độ dòng phân cực ngược, được
minh họa như hình 4.1. Ánh sáng tới phải lọt vào vùng hiếm của mối nối P-N. Ánh
sáng này sẽ được hấp thụ trong vùng hiếm và phân phối năng lượng cho vật liệu.
Nếu năng lượng hấp thụ đủ lớn. một cặp điển tử -lỗ trống được tạo ra. Sự phân cực
ngược mối nối P-N tạo ra một điện trường lớn trên vùng hiếm, điện trường này sẽ
làm cho cặp điện tử-lỗ trống này di chuyển ra khỏi vùng hiếm và ra mạch ngoài tạo
46
- CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG
thành dòng điện. Dòng điện này say khi qua điện trở tải RL để chuyển thành điện áp
Vout. Tín hiệu này sẽ được qua các tần tiếp theo để xử lý. Số lượng cặp điện tử-lỗ
trống được tạo ra trong một giây phụ thuộc tuyến tính với công suất trường ánh
sáng tới, do đó cường độ dòng điện ở mạch ngoài tỉ lệ với công suất ánh sáng tới.
Hình 4.2. Sơ đồ photodiode P-N
4.2.2. Photodiode PIN
Cấu tạo của diode PIN gồm ba lớp bán dẫn, trong đó lớp I (Intrinsic) là lớp bán dẫn
không pha tạp chất hoặc pha tạp chất rất ít nên không có điện tử tự do nên có diện trở
rất lớn. Và lớp này nằm giữa hai lớp P và N. Lớp I đóng vai trò giống vùng hiếm trong
mối nối P-N nhưng có chiều dài lớn hơn nhằm tăng hiệu suất hấp thụ photon tới.
Hình 4.3. Sự phân bố năng lượng điện trường trong các lớp bán dẫn của PIN
Bởi vì lớp I rất rộng nên xác suất tiếp nhận photon ở lớp này cao hơn và do đó sự
hấp thụ photon ở lớp này nhiều hơn so với hai lớp P và N. Như vậy khi lớp I càng
dày thì hiệu suất lượng tử càng cao. Tuy nhiên khi đó thời gian trôi của điện tử lớn
47
- CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG
nên làm giảm khả năng hoạt động tốc độ cao của PIN.
Khả năng thâm nhập ánh sáng phụ thuộc vào bề dày lớp P. Ánh sáng có bước sóng
càng dài càng dễ thâm nhập vào bán dẫn.
Ví dụ: Hãy xác định công suất nhỏ nhất có thể phát hiện được của PIN diode, có R =
2Ohm và ID =1nA.
Giả sử chúng ta có thể phân biệt được sự hiện diện của công suất quang khi dòng tín
hiệu tạo ra bằng với dòng tối.
Do đó: P = I2p.R = 2nW.
4.2.3. Photodiode APD
APD là bộ tách sóng mối nối bán dẫn, có độ lợi nội (internal gain) và độ lợi nội này
làm tăng đáp ứng so với PN photodiode hay PIN photodiode.
Người ta chế tạo ADP gồm bốn lớp: P+ π P N+
P+ N+ là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao, nên điện trở của hai vùng này
nhỏ, do đó áp rơi rất nhỏ.
Π là vùng có nồng độ tạp chất rất ít và gần như tinh khiết. Nó giống như lớp I của
PIN. Hầu như tất cả các photon bị hấp thu trong vùng này, và tạo ra các cặp lỗ trống
- điện tử tự do.
Hình 4.4 Sự phân bố năng lượng điện trường trong các lớp bán dẫn
Sự nhân dòng theo cơ chế thác lũ diễn ra như sau:
Dưới tác dụng của nguồn phân cực ngược, sự phân bố cường độ điện trường trong
các lớp bán dẫn như hình 4.4. Trong đó trường vùng tiếp giáp PN+ cao nhất, quá
trình nhân điện tử xảy ra ở vùng này. Vùng này còn được gọi là vùng “thác lũ”.
Khi có ánh sáng chiếu vào, các photon bị hấp thụ trong lớp π, tạo các cặp e-p
(electron-lỗ trống). Dưới sự định hướng của điện trường ngoài, các lỗ trống di
chuyển về phía P+ (nối cực âm của nguồn) còn các điện tử di chuyển về phía tiếp
giáp PN+. Điện trường cao trong vùng tiếp giáp PN+ sẽ tăng tốc cho điện tử. Khi
những điện tử này đập vào các nguyên tử tinh thể bàn dẫn tạo ra thêm các cặp điện
tử và lỗ trống mới. Những hạt mang điện mới này được gọi là những hạt mang điện
thứ cấp (secondary charge). Những hạt mang điện thứ cấp này bản thân nó được
48
- CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG
tăng tốc và tạo ra nhiều hạn mang điện thứ cấp khác. Quá trình cứ tiếp diễn và số
lượng hạt mang điện được tạo ra rất nhiều. Quá trình này được gọi là quá trình nhân
thác lũ.
4.3. NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG
Trong đặc tính kỹ thuật về chất lượng nhiễu của bộ thu quang, người ta thường sử dụng
tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR (signal-to-noise). Tín hiệu ở đây là công suất tín hiệu,
nhiễu ở đây là công suất nhiễu, cả hai đại lượng này giả sử dòng của chúng cùng chảy
trên giá trị điện trở chuẩn. SNR có thể được biểu diễn như sau:
(4.4)
4.3.1. Nhiễu nổ
Nhiễu nổ được tạo ra do thực tế là dòng photon được tạo ra bao gồm các hạt mang điện
được tạo ra một cách ngẫu nhiên theo thời gian. Tính thống kê của quá trình ngẫu nhiên
này tuân theo luật phân bố Poisson. Như vậy, khi công suất quang đến bộ thu là không
đổi thì dòng photo tạo ra sẽ như sau:
Với Ip=RPin là dòng trung bình và is(t) là thăng giáng về dòng do nhiễu nổ gây ra. Về
mặt toán học, is(t) là quá trình ngẫu nhiên dừng tuân theo luật thống kê Poisson (thường
được xấp xỉ bằng luật thống kê Gauss). Hàm tự tương quan của is(t) và mật độ phổ công
suất Ss(f) quan hệ với nhau theo định lý Weiner-Khinchin như sau:
Mật độ phổ công suất của nhiễu nổ Ss(f) là hằng số và Ss(f)=qIp. Lưu ý rằng, Ss(f) là
một độ phổ công suất 2 phía (bao gồm cả các thành phần tần số âm). Nếu chỉ xét đến
các thành phần tần số dương, mật độ phổ công suất một phía sẽ là 2qIp.
Thay vào phương trình ta sẽ có phương sai nhiễu nổ được tính theo công thức sau:
Với ∆f là băng tần nhiễu hiệu dụng của bộ thu. Giá trị chính xác của ∆f phụ thuộc vào
thiết kế của bộ thu.
Vì dòng tối Id cũng tạo ra nhiễu nổ. Nên nếu ta thay Ip bằng Ip+Id thì phương sai nhiễu
nổ tổng sẽ được tính theo công thức sau:
(4.5)
Giá trị này chính là giá trị hiệu dụng (rms) của dòng nhiễu tạo ra bởi nhiễu nổ.
49
- CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG
4.3.2. Nhiễu nhiệt
Nhiễu nhiệt sinh ra do chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của các điện tử bên trong điện trở
tải gây nên sự thăng giáng về dòng. Nhiễu này còn được gọi là nhiễu Nyquist hay nhiễu
Johnson. Với sự đóng góp của nhiễu nhiệt, phương trình được viết lại như sau:
Với iT(t) là sự thăng giáng về dòng do nhiễu nhiệt gây ra.Về mặt toán học, nhiễu nhiệt
cũng có thể được coi là một quá trình ngẫu nhiên dừng tuân theo luật phân bố Gauss với
mật độ phổ không phụ thuộc vào tần số f lên đến 1THz (gần giống nhiễu trắng) và được
tính theo công thức sau:
Với kB là hằng số Bolzman, T là nhiệt độ tuyệt đối, RL là điện trở tải. Cũng giống như
nhiễu nổ, ST(f) là mật độ phổ hai phía. Hàm tự tương quan của iT(t) cũng được tính
theo công thức, nếu ta thay is(t) trong công thức này bằng iT(t). Thay vào phương
trình ta sẽ có phương sai nhiễu nhiệt được tính theo công thức sau:
Với ∆f là băng tần nhiễu hiệu dụng của bộ thu. Lưu ý rằng, khác với phương sai nhiễu
nổ, phương sai nhiễu nhiệt không phụ thuộc vào dòng trung bình Ip.
Phương trình mới chỉ tính đến nhiễu nhiệt tạo ra trên điện trở tải. Mạch thu, trong thực
tế còn gồm rất nhiều phần tử điện khác. Các thành phần này cũng góp phần tạo ra nhiễu.
Để đơn giản, người ta đưa thêm vào công thức, hệ số nhiễu khuếch đại, khi đó được viết
lại như sau:
(4.6)
Vì is(t)và iT(t) là các quá trình ngẫu nhiên độc lập và đều có thể gần đùng bằng quá
trình ngẫu nhiên Gauss nên phương sai nhiễu tổng (bao gồm nhiễu nổ và nhiễu nhiệt)
được tính theo công thức sau:
(4.7)
BÀI TẬP CHƯƠNG 4
Câu 1: Các đặc tính về độ đáp ứng và thời gian đáp ứng ảnh hưởng đến tính năng của
bộ thu quang như thế nào?
Câu 2: Trình bày cấu trúc của các phần tử thu quang Photodiode P-N.
50
- CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG
Câu 3: Trình bày cấu trúc của các phần tử thu quang Photodiode PIN và APD.
Câu 4: Hãy so sánh đặc tính chuyển đổi quang-điện của các Photodiode sử dụng trong
bộ thu quang?
Câu 5: Nhiễu có tác động như thế nào trong bộ thu quang?
Câu 6: So sánh tác động giữa các loại nhiễu nổ và nhiễu nhiệt.
Câu 7: Hãy xác định công suất nhỏ nhất có thể phát hiện được của PIN diode, có R =
1Ohm và ID =3nA.
Câu 8: Hãy xác định công suất nhỏ nhất có thể phát hiện được của APD diode, có R =
0.5Ohm và ID =2nA..
Câu 9: Hãy xác định dòng có thể phát hiện được của PIN diode, có R = 1Ohm và PD
=10nW.
Câu 10: Cho vận tốc trôi Vd=105 m/s, độ rộng W=200ps. Xác định thời gian
vượt qua vùng hiếm.
51
- CHƯƠNG 5: KHUYẾCH ĐẠI QUANG
CHƯƠNG 5
KHUYẾCH ĐẠI QUANG
Trang bị cho sinh viên: Kiến thức cơ bản về bộ khuếch đại quang.
5.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
5.1.1. Phổ và độ rộng băng tần khuếch đại quang
Phổ độ lợi của EDFA được trình bày trong hình 5 .1 là tính chất quan trọng nhất
của EDFA khi xác định các kênh tín hiệu được khuếch đại trong hệ thống WDM. Hình
dạng của phổ khuếch đại phụ thuộc vào bản chất của sợi quang, loại tạp chất (Ge, Al)
và nồng độ tạp chất được pha trong lõi của sợi quang.
Hình 5.1 cho thấy phổ độ lợi của EDFA có lõi pha Ge khá rộng. Tuy nhiên, phổ độ lợi
này không bằng phẳng. Điều này sẽ dẫn đến việc hệ số khuếch đại khác nhau đối với
các bước sóng khác nhau. Nếu độ lợi của các kênh tín hiệu không đồng nhất, nhất
là sau khi qua nhiều tầng EDFA, sai số độ lợi này sẽ tích luỹ tuyến tính đến mức khi
tới đầu thu kênh bước sóng có độ lợi cao làm cho đầu vào máy thu quá tải. Ngược lại,
kênh tín hiệu có độ lợi nhỏ thì tỉ số SNR không đạt yêu cầu. Sự làm phẳng độ lợi là
cần thiết để loại bỏ sự khuếch đại méo các tín hiệu qua các EDFA đường truyền ghép
tầng.
Hình 5.1 Phổ hấp thụ (absorption spectrum)
và phổ độ lợi (gain spectrum) của EDFA có lõi pha Ge.
Một số biện pháp được sử dụng để khắc phục sự không bằng phẳng của phổ độ lợi:
52
- CHƯƠNG 5: KHUYẾCH ĐẠI QUANG
+ Chọn lựa các bước sóng có độ lợi gần bằng nhau. WDM làm việc ở dải sóng
băng C (1530 - 1565 nm). Trong dải bước sóng này chọn 40 bước sóng làm bước sóng
công tác của WDM. Các bước sóng này có độ lợi gần bằng nhau
+ Công nghệ cân bằng độ lợi: dùng bộ cân bằng (equalizer) hấp thụ bớt công
suất ở bước sóng có độ lợi lớn và bộ khuếch đại để tăng công suất của bước sóng có
độ lợi nhỏ.
+ Thay đổi thành phần trộn trong sợi quang: dùng sợi quang trộn thêm nhôm,
photpho nhôm hay flo cùng với erbium sẽ tạo nên bộ khuếch đại có băng tần được mở
rộng và phổ khuếch đại bằng phẳng hơn.
Ngoài ra, phổ độ lợi của EDFA còn phụ thuộc vào chiều dài của sợi EDF. Lý do là
vì trạng thái nghịch đảo nồng độ thay đổi dọc theo chiều dài của sợi quang khi công
suất bơm thay đổi.
Bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở băng C (1530-1565 nm). Tuy nhiên, độ lợi của sợi
pha tạp có đuôi trải rộng đến khoảng 1605 nm. Điều này kích thích sự phát triển của
các hệ thống hoạt động ở băng L từ 1565 đến 1625 nm. Nguyên lý hoạt động của
EDFA băng L giống như EDFA băng C. Tuy nhiên, có sự khác nhau trong việc thiết
kế EDFA cho băng C và băng L. Các phần tử bên trong bộ khuếch đại quang như bộ
cách ly (isolator) và bộ ghép (coupler) phụ thuộc vào bước sóng nên chúng sẽ khác
nhau trong băng C và băng L. Sự so sánh các tính chất của EDFA trong băng C và băng
L được thể hiện trong bảng 5.1.
Bảng 5.1. Bảng so sánh EDFA hoạt động trong băng C và băng L
Tính chất Băng C Băng L
Độ lợi Phổ độ lợi Cao hơn Nhỏ hơn khoảng 3 lần
Nhiễu ASE Ít bằng phẳng hơn Bằng phẳng hơn
Thấp hơn Cao hơn
Hình 5.2 Cấu hình của một bộ khuếch băng L làm bằng phẳng độ lợi
trong khoảng bước sóng 1570nm - 1610nm với thiết kế hai tầng
53
- CHƯƠNG 5: KHUYẾCH ĐẠI QUANG
Hình 5.2 trình bày cấu trúc của một bộ khuếch đại băng L làm bằng phẳng độ lợi trong
khoảng bước sóng 1570nm - 1610nm với thiết kế hai tầng [3]. Tầng đầu tiên được bơm
ở bước sóng 980nm và hoạt động như một bộ EDFA truyền thống (sợi quang dài 20 -
30nm) có khả năng cung cấp độ lợi trong khoảng bước sóng 1530 - 1570 nm. Ngược lại,
tầng thứ hai có sợi quang dài 200m và được bơm hai chiều sử dụng laser 1480nm. Một
bộ isolator được đặt giữa hai tầng này cho phép nhiễu ASE truyền từ tầng thứ 1 sang
tầng thứ 2 nhưng ngăn ASE truyền ngược về tầng thứ nhất. Với cấu trúc nối tiếp như
vậy, khuếch đại hai tầng có thể cung cấp độ lợi phẳng trên một vùng băng thông rộng
trong khi vẫn duy trì mức nhiễu thấp.
5.1.2. Nhiễu trong bộ khuếch đại quang
Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch đại quang đều tạo ra nhiễu. Nguồn
nhiễu chính trong các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát. Vì sự phát xạ tự phát
là các sự kiện ngẫu nhiên, pha của các photon phát xạ tự phát cũng ngẫu nhiên. Nếu
photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyền của các photon tín hiệu, chúng
sẽ tương tác với các photon tín hiệu gây nên sự dao động về pha và biên độ. Bên cạnh
đó, năng lượng do phát xạ tự phát tạo ra cũng sẽ được khuếch đại khi chúng truyền qua
bộ khuếch đại về phía ngõ ra. Do đó, tại ngõ ra của bộ khuếch đại công suất quang thu
được Pout bao gồm cả công suất tín hiệu được khuếch đại và công suất nhiễu phát xạ tự
phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission).
Pout = G.Pin + PASE (5.1)
Ảnh hưởng của nhiễu đối với bộ khuếch quang được biểu diễn bởi hệ số nhiễu NF
(Noise Figure), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio)
do nhiễu của bộ khuếch đại thêm vào. Hệ số NF được cho bởi công thức sau:
(5.2)
Trong đó, SNRin, SNRout là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại ngõ vào và ngõ ra của bộ
khuếch đại.
Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt. Giá trị nhỏ nhất của NF có
thể đạt được là 3dB. Những bộ khuếch đại thỏa mãn hệ số nhiễu tối thiếu này được
gọi là đang hoạt động ở giới hạn lượng tử.
Ngoài bốn thông số kỹ thuật chính được nêu ở trên, các bộ khuếch đại quang còn
được đánh giá dựa trên các thông số sau:
+ Độ nhạy phân cực (Polarization sensitivity) là sự phụ thuộc của độ lợi của bộ
khuếch đại vào phân cực của tín hiệu.
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ lợi và băng thông độ lợi.
+ Xuyên nhiễu (crosstalk).
5.1.3. Ứng dụng của bộ khuếch đại quang
Khuếch đại quang được ứng dụng trong các các hệ thống truyền dẫn quang như các bộ
khuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường truyền, khắc phục
suy hao do sợi quang và các mối hàn, nối xảy ra trên đường truyền. Tùy theo vị trí lắp
đặt, các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang được chia làm ba loại:
54
- CHƯƠNG 5: KHUYẾCH ĐẠI QUANG
Khuếch đại công suất (Booster Amplifier): là bộ khuếch đại quang được đặt ngay sau
thiết bị phát nhằm mục đích làm tăng công suất tín hiệu quang đến mức cao nhất để
làm cho khoảng cách truyền cực đại. Yêu cầu của các bộ khuếch đại công suất là tạo
ra công suất đầu ra cực đại chứ không phải độ lợi cực đại vì công suất tín hiệu ngõ vào
lớn.
Khuếch đại đường dây (In-line Amplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt trên
tuyến quang nhằm mục đích bù mất mát công suất gây ra bởi suy hao sợi, suy hao do
kết nối và suy hao do việc phân phối tín hiệu quang trong mạng. Các bộ khuếch đại
đường dây có thể được lắp đặt nối tiếp nhau trên đường truyền để gia tăng khoảng
cách lắp đặt. Tuy nhiên, việc lắp đặt nối tiếp các bộ khuếch đại quang sẽ làm giảm hệ
số SNR ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống truyền dẫn quang. Yêu cầu của bộ
khuếch đại đường dây là độ ổn định trên toàn bộ dải thông của hệ thống WDM, giữ
nhiễu ở mức cực tiểu và thực hiện việc trao đổi tốt tín hiệu quang với sợi quang truyền
dẫn.
Tiền khuếch đại (Preamplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt ngay trước thiết
bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tín hiệu được đưa vào thiết bị.
Điều này làm giảm yêu nghiêm ngặt của độ nhạy thiết bị thu và cho phép hệ thống
truyền dẫn quang hoạt động với tốc độ bit cao hơn. Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền
khuếch đại hoạt động với công suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu thu cao. Do
vậy, yêu cầu của một bộ tiền khuếch đại là độ nhạy lớn, độ lợi lớn và nhiễu thấp.
Ngoài các ứng dụng chính làm các bộ khuếch đại trên đường truyền quang, các bộ
khuếch đại quang SOA và OFA còn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi bước sóng.
Việc chuyến đổi bước sóng được thực hiện dựa trên hiện tượng bảo hòa độ lợi và hiện
tượng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave Mixing) xảy ra trong các bộ khuếch đại
quang.
5.2. MỘT SỐ VẤN DỀ TRONG ỨNG DỤNG CỦA CAC BỘ KHUẾCH DẠI
QUANG
5.2.1. Tiền khuếch đại quang
Ngõ vào của bộ thu bao gồm bộ tiền khuếch đại và photodiode. Tín hiệu quang được
ghép vào photodiode và photodiode sẽ biến đổi chuỗi bit quang thành tín hiệu điện. Vai
trò của bộ tiền khuếch đại là để khuếch đại tín hiệu điện trước khi xử lý. Việc thiết kế
tầng này yêu cầu sự trả giá giữa tốc độ hoạt động và độ nhạy. Trong số các bộ tiền
khuếch đại như bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp, bộ tiền khuếch đại trở kháng cao, bộ
tiền khuếch đại hồi tiếp,và bộ tiền khuếch đại tốc độ cao thì bộ tiền khuếch đại trở
kháng cao thường được sử dụng.
Đối với bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp (hình 5.3), điện trở điển hình là 50Ω, còn
đối với bộ tiền khuếch đại trở kháng cao thì giá trị này phải lớn hơn 50Ω.
Xét bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp, điện trở 50Ω biến đổi dòng điện photon ở
ngõ ra của photodiode IP thành áp V0 theo định luật Ohm: V0 = RIp = 50ΩIp. Lưu
ý rằng mạch thụ động đơn giản này làm trở kháng ngõ vào của bộ khuếch đại.
Nhược điểm dễ thấy của mạch tiền khuếch đại trở kháng thấp là cấp giá rị trở
kháng ngõ vào cho bộ khuếch đại thấp, do đó điện áp được ra sẽ nhỏ. Một nhược
điểm nữa là dòng nhiễu sẽ ảnh hưởng đáng kể trên điện trở R nhỏ, vì nhiễu nhiệt tỉ
55
- CHƯƠNG 5: KHUYẾCH ĐẠI QUANG
lệ nghịch với điện trở.
Hình 5.3. Khuếch đại trở kháng thấp
Để khắc phục nhược điểm này chúng ta sử dụng bộ tiền khuếch đại trở kháng cao.
Phương pháp thường sử dụng để chuyển đổi dòng có cường độ yếu thành áp được
minh họa ở hình 5.4. Kỹ thuật trở kháng cao sử dụng một điện trở để tăng áp tỷ lệ
với dòng điện ngõ ra của photodidoe. Tuy nhiên, mạch này có nhiều nhược điểm.
Nếu điện trở của mạch trở kháng cao quá lớn thì dòng tối của photodidoe có thể gây
cho photodiode bảo hoà, cản trở quá trình tách sóng của photodiode. Sự bảo hoà xảy
ra khi áp rơi trên điện trở bằng áp phân cực cho photodiode. Để trách sự bảo hoà,
PIN phải duy trì áp phân cực ít nhất vài vôn.
Hình 5.4. Khuếch đại trở kháng cao.
5.2.2. Tích luỹ nhiễu trong hệ thống quang cự li dài
Trong các hệ thống thông tin quang cự ly dài, các bộ khuếch đại quang thường được
mắc nối tiếp với nhau để bù suy hao của sợi quang cũng như suy hao do hàn nối dọc
theo tuyến quang. Nhiễu do bộ khuếch đại này tạo ra là yếu tố chính ảnh hưởng đến
chất lượng của đường truyền. Có hai lý do. Thứ nhất, trong một chuỗi các bộ khuếch
đại quang mắc nối tiếp, nhiễu ASE tích lũy qua nhiều bộ khuếch đại và làm giảm hệ
số tín hiệu trên nhiễu quang (optical SNR) khi số bộ khuếch đại tăng lên. Thứ hai,
khi công suất nhiễu tăng lên, nó làm bảo hòa khuếch đại quang và làm giảm độ lợi của
khuếch đại quang trên đường truyền. Kết quả là công suất tín hiệu giảm trong khi mức
56
- CHƯƠNG 5: KHUYẾCH ĐẠI QUANG
nhiễu ASE tăng lên. Rõ rằng, nếu số bộ khuếch đại nhiều, tỷ số SNR sẽ giảm nhiều
ở máy thu và tỉ số bit lỗi BER tăng vượt mức cho phép.
Công suất nhiễu ASE trên một kênh và tỷ số SNR dọc theo một chuỗi bảy bộ khuếch
đại quang mắc nối tiếp trong một tuyến quang WDM.
Ví dụ: Công suất tín hiệu vào bắt đầu tại mức công suất 6dBm và bị suy giảm do suy
hao sợi quang khi truyền dọc đường truyền. Khi công suất tín hiệu giảm xuống -
24dBm, nó được khuếch đại lên 6dBm bởi một bộ khuếch đại quang. Giả sử công
suất nhiễu ASE trong mỗi bộ khuếch đại bằng nhau PASE = -22 dBm.
Tại ngõ ra bộ khuếch đại quang thứ 1, ta có:
Công suất nhiễu PN (1) = PASE = -22 dBm
Công suất tín hiệu: Ps = 6dBm
Tỉ số SNR = Ps – PN = 6 – (-22) = 28dB
Tại ngõ vào bộ khuếch đại thứ 2, ta có:
Công suất nhiễu PN(1)’ = -22 dBm – 30dB = - 52dBm
Công suất tín hiệu: Ps(2)= -24 dBm
Tỉ số SNR = Ps – PN = -24 – (-52) = 28dB
Tại bộ khuếch đại thứ 2, tín hiệu và nhiễu đều được khuếch đại với độ lợi G = 6 – (-24)
= 30dB. Tại ngõ ra bộ khuếch đại thú 2, ta có:
Công suất nhiễu PN (2) = G . PN (1)’ + PASE = -19 dBm
Công suất tín hiệu: Ps = 6dBm
Tỉ số SNR = Ps – PN = 6 – (-19) = 25 dB
Như vậy, tỷ số SNR đã giảm đi 3dB.
Thực hiện tính toán tương tự cho các bộ khuếch đại tiếp theo, ta có tỷ số SNR = 22dB
và PN = -16dBm tại bộ khuếch đại thứ 4.
Qua đó, ta có nhận xét như sau:
+ Độ lợi càng cao thì công suất nhiễu càng tăng nhanh.
+ SNR giảm nhanh tại các bộ khuếch đại đầu tiên và giảm chậm dần khi số9 bộ
khuếch đại tăng.
Trong ví dụ này, SNR giảm 3dB khi số bộ khuếch đại tăng từ 1 lên 2, nhưng SNR
chỉ giảm 3dB khi số bộ khuếch đại tăng từ 2 lên 4, và từ 4 lên 8.
57
- CHƯƠNG 5: KHUYẾCH ĐẠI QUANG
BÀI TẬP CHƯƠNG 5
Câu 1: Đặc tính phổ độ lợi ảnh hưởng gì đến bộ khuếch đại quang?
Câu 2: Trình bày một số biện pháp được sử dụng để khắc phục sự không bằng phẳng
của phổ độ lợi.
Câu 3: So sánh EDFA hoạt động trong băng C và băng L.
Câu 4: Nhiễu có ảnh hưởng gì đến bộ khuếch đại quang?
Câu 5: Giải thích cấu hình của một bộ khuếch băng L làm bằng phẳng độ lợi trong
khoảng bước sóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng.
Câu 6: So sánh ưu và nhược điểm giữa các bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp và bộ
tiền khuếch đại trở kháng cao.
Câu 7: Cho biết khuếch đại quang được ứng dụng trong các các hệ thống truyền dẫn
quang như thế nào?
Câu 8: Hãy giai thích tại sao nếu số bộ khuếch đại nhiều, tỷ số SNR sẽ giảm nhiều ở
máy thu và tỉ số bit lỗi BER tăng vượt mức cho phép.
Câu 9: Công suất tín hiệu vào bắt đầu tại mức công suất 10dBm và bị suy giảm do
suy hao sợi quang khi truyền dọc đường truyền. Khi công suất tín hiệu giảm xuống -
25 dBm, nó được khuếch đại lên 10dBm bởi một bộ khuếch đại quang. Giả sử công
suất nhiễu ASE trong mỗi bộ khuếch đại bằng nhau PASE = -22 dBm. Hãy xác định tỉ
số SNR tại các bộ khuếch đại.
Câu 10: Cho Psignal=1dB, Pnoise=2dB. Tính tỉ số tín hiệu nhiễu.
Câu 11: Cho Psignal=4dB, SNR = 3dB. Tính công suất tín hiệu nhiễu Pnoise.
Câu 12: Cho tín hiệu trên nhiễu ngỏ vào và ngõ ra lần lượt là 4dB và 2dB. Tính tỉ số tín
hiệu trên nhiễu SNR.
Câu 13: Cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR là 2, tín hiệu trên nhiễu ngõ ra là 3dB. Tính
tín hiệu trên nhiễu ngõ vào.
58
- CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
CHƯƠNG 6
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Trong hệ thống thông tin quang, tín hiệu được truyền có thể là dạng analog hoặc
dạng số. Tương ứng chúng ta sẽ có hệ thống quang analog hoặc hệ thống quang
số
6.1. HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TƯƠNG TỰ
6.1.1. Tổng quan về tuyến TTQ tương tự
Hệ thống thông tin quang tương tự được sử dụng trong các mạng truyền hình cáp
(CATV) và các hệ thống truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang (RoF). Hình 6.1 cho thấy
các phần tử cơ bản của một hệ thống thông tin quang tương tự. Bộ phát quang có thể sử
dụng nguồn LED hoặc LD và cần chú ý xác định điểm định thiên để đảm bảo tại điểm
giữa vùng điều biến tuyến tính. Tín hiệu tương tự sau đó có thể điều biến sử dụng một
số kỹ thuật trong đó kỹ thuật đơn giản nhất là điều biến cường độ trực tiếp. Như vậy tín
hiệu bản tin được phát trực tiếp ở băng gốc. Một phương pháp hiệu quả hơn nhưng cũng
phức tạp hơn là chuyển dịch tín hiệu băng gốc lên một sóng mang con điện trước khi
điều biến cường độ nguồn quang. Quá trình này có thể được thực hiện qua một số kỹ
thuật cơ bản như điều biến biên độ (AM), điều tần (FM) hoặc điều pha (PM). Đối với
quá trình điều biến tín hiệu tương tự, một số vấn đề cần chú ý đó là méo phi tuyến điều
chế, nhiễu điều biến tương hỗ, nhiễu cường độ tương đối (RIN) trong laser và hiệu ứng
xén của laser.
Hình 6.1. Các phần tử cơ bản trong hệ thống thông tin quang tương tự.
Đối với kênh sợi quang, do sự ảnh hưởng của tán sắc gây ra sự phụ thuộc của biên độ,
pha và độ trễ nhóm vào tần số nên phải đảm bảo băng tần tín hiệu truyền qua sợi có
đáp ứng trễ nhóm và biên độ phẳng để tránh méo tuyến tính.
Trong phân tích hiệu năng các hệ thống tương tự, ta thường tính tỉ lệ công suất sóng
mang hiệu dụng trên công suất nhiễu hiệu dụng tại đầu vào bộ thu RF ngay tiếp sau quá
trình tách sóng quang. Tham số này có thể gọi ngắn gọn là tỉ lệ sóng mang trên nhiễu
(Carrier to noise ratio - CNR). Đối với dữ liệu số sử dụng khóa dịch tần (FSK), biên
độ sóng mang duy trì không đổi nhưng pha song mang sẽ dịch từ một tần số này đến
59
- CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
một tần số khác để đặc trưng cho các tín hiệu nhị phân. Để đáp ứng yêu cầu BER là 10-
9 và 10-15 trong trường hợp này thì cần giá trị CNR tối thiểu là 36 (15.6 dB) và 64 (18
dB) tương ứng. Đối với dữ liệu tương tự, phân tích sẽ phức tạp hơn vì phụ thuộc vào
mức độ cảm nhận chất lượng tín hiệu của người sử dụng, ví dụ như xem một hình ảnh
truyền hình. Nếu sử dụng điều chế biên độ (AM) thì sẽ đòi hỏi một CNR cỡ 56 dB vì
nhu cầu cho hiệu quả băng thông dẫn đến một tỉ lệ CNR cao. Nhưng trong điều chế tần
số (FM) chỉ yêu cầu CNR cỡ 15 - 18 dB.
Trong hệ thống có N yếu tố gây suy giảm tín hiệu, tỉ số CNR tổng được xác định:
(6.1)
Trong đó CNRi là tỉ số CNR cho một yếu tố ảnh hưởng cụ thể. Đối với các hệ thống
đơn kênh, các yếu tố suy giảm bao gồm các thăng giáng nhiễu cường độ, hiệu ứng cắt
xén cường độ laser, nhiễu diode thu quang và nhiễu ASE. Đối với hệ thống đa kênh hoạt
động tại các tần số sóng mang khác nhau, có thể thêm ảnh hưởng của méo phi tuyến.
Hình 6.2. Quá trình điều chế laser tín hiệu tương tự
Ở đây dòng kích thích nguồn quang bao gồm thành phần dòng định thiên một chiều IB
và dòng xoay chiều của tín hiệu tương tự Id = IB + Is . Nguồn quang hoạt động như
một linh kiện quy luật bình phương, do vậy công suất quang đầu ra P(t) có dạng
giống như dòng kích thích đi vào nếu điểm định thiên và độ lớn dòng tín hiệu được xác
định thích hợp đảm bảo biến đổi dòng nằm trong vùng tuyến tính của đường đặc tính
P-I của nguồn quang. Nếu giả sử tín hiệu kích thích tương tự ký hiệu là s(t) thì công
60
- CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
suất quang đầu ra được xác định:
(6.2)
trong đó PB là công suất quang đầu ra tại mức dòng định thiên và m là chỉ số điều chế.
Theo đại lượng công suất quang, chỉ số điều chế có thể được xác định:
(6.3)
Ppeak là giá trị mức công suất quang đỉnh đầu ra. Giá trị điển hình của m trong hệ thống
tương tự nằm trong dải 0,25 đến 0,5.
Đối với một tín hiệu tương tự thu được dạng sóng sin, công suất sóng mang C tại đầu ra
bộ thu (đơn vị A2) sẽ là:
Trong đó là đáp ứng của diode thu quang tại M = 1, M là hệ số khuyeechs đại dòng
của diode thu quang (M = 1 cho PIN), P¯ là công suất quang thu được trung bình.
Trong trường hợp hệ thống đơn kênh AM, tỉ số CNR tổng cộng có thể được xác định cụ
thể từ phương trình trên:
(6.4)
Hay có thể viết lại:
(6.5)
Trong đó CNRP , CNRT và CNRRIN là các tỉ số CNR thành phần bị ảnh hưởng bởi
nhiễu của diode thu quang (gồm chủ yếu nhiễu nổ và nhiễu dòng tối), nhiễu nhiệt của
bộ tiền khuyếch đại và nhiễu RIN tương ứng.
Ở đây RIN là tỉ lệ nhiễu trên công suất tín hiệu được đo theo dB/Hz và được định nghĩa
bởi:
(6.6)
Trong đó 〈(∆PL)2〉 đặc trưng cho độ thăng giáng cường độ trung bình bình phương
của đầu ra laser và P¯L là cường độ ánh sáng laser trung bình. Nhiễu này sẽ giảm khi
tăng cường độ dòng bơm cho laser tỉ số sóng mang trên nhiễu được viết lại thành:
61
- CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Tùy thuộc vào mức công suất quang đi vào bộ thu, hệ thống hoạt động ở các điều kiện
giới hạn khác nhau. Khi mức công suất quang thu được thấp, tỉ số CNR bị giới hạn bởi
nhiễu nhiệt. Trong trường hợp này công suất quang thu được thay đổi 1 dB thì CNR sẽ
thay đổi khoảng 2 dB. Ở mức công suất quang trung bình khi nhiễu dòng tối của PD
nhỏ thì CNR bị giới hạn bởi nhiễu nổ của PD. Trong trường hợp này, tỉ số CNR thay
đổi 1 dB khi mức công suất quang biến đổi 1 dB. Ở mức công suất quang thu được cao
hơn tỉ số CNR có thể sẽ bị giới hạn bởi RIN, khi đó tỉ số CNR chỉ được cải thiện khi
tăng chỉ số điều chế. Hình 6-3 cho thấy dạng biến đổi CNR theo mức công suất quang
tại bộ thu. Tuy nhiên cần lưu ý rằng các yếu tố giới hạn có thể biến đổi rất nhiều phụ
thuộc vào các đặc tính của bộ phát và bộ thu cụ thể.
Hình 6.3. Sự phụ thuộc tỉ số CNR vào mức công suất quang thu.
6.1.2. Tuyến điểm nối điểm và điểm nối đa điểm
Các tuyến điểm - điểm:
Các tuyến điểm - điểm hình thành nên hệ thống thông tin quang sợi đơn giản nhất bao
gồm một bộ phát quang, một bộ thu quang và đường truyền dẫn sợi quang như cho thấy
trong hình 6-4. Các hệ thống này thiết lập cơ sở cho các cấu trúc hệ thống phức tạp hơn.
Hình 6.4. Sơ đồ tuyến kết nối điểm - điểm
62
- CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Tùy thuộc vào đặc tính nguồn tin đầu vào bộ phát quang là tương tự hay số mà hệ thống
có thể được phân loại thành hệ thống thông tin quang tương tự và hệ thống thông tin
quang số. Mặc dù mỗi loại hệ thống có những tính chất và các yêu cầu đặc thù riêng
nhưng việc thiết kế tuyến kết nối điểm - điểm cho những hệ thống này vẫn có những
quy tắc chung cần xem xét. Quá trình thiết kế một tuyến thông tin quang điểm - điểm
nói chung liên quan đến nhiều tham số đặc tính quan hệ với nhau nên việc phân tích và
thiết kế tuyến thực tế có thể đòi hỏi quá trình lặp vài lần trước khi hoàn thành đảm bảo
thỏa mãn các yêu cầu đặt ra.Vì các ràng buộc về hiệu năng và chi phí là những yếu tố
quan trọng trong các tuyến thông tin quang sợi nên kỹ sư thiết kế phải lựa chọn cẩn
thận các thành phần hệ thống để đảm bảo mức hiệu năng mong muốn được duy trì trong
suốt tuổi thọ dự kiến của hệ thống mà không xác định quá mức các đặc tính của các
thành phần.
Các yêu cầu cơ bản của hệ thống nói chung cần thiết cho việc phân tích tuyến đó là:
+ Khoảng cách truyền dẫn có thể (hoặc mong muốn)
+ Tốc độ dữ liệu hoặc độ rộng băng tần của kênh truyền
+ Tỉ số lỗi bít (BER) hoặc tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) yêu cầu
Để đáp ứng được các yêu cầu này kỹ sư thiết kế cần phải lựa chọn các thành phần và
xem xét các đặc tính cơ bản liên quan như sau:
+ Sợi quang đa mode hoặc đơn mode: các tham số cơ bản cần xem xét bao gồm kích
thước lõi, mặt cắt chiết suất, độ rộng băng tần hoặc tán sắc, hệ số suy hao, khẩu độ số
hoặc đường kính trường mode.
+ Bộ phát quang sử dụng nguồn quang LED hoặc laser diode: các tham số cơ bản
cần xem xét bao gồm bước sóng phát, độ rộng phổ, công suất phát xạ, diện tích phát xạ
hiệu dụng, mẫu phát xạ và số lượng mode phát xạ.
+ Bộ thu quang sử dụng PIN hoặc APD: các tham số cơ bản cần xem xét bao gồm
độ đáp ứng, bước sóng hoạt động, tốc độ và độ nhạy thu.
+ Thông thường sẽ có hai phân tích cơ bản đó là quỹ công suất và quỹ thời gian lên
để đảm bảo hiệu năng yêu cầu. Tùy thuộc vào hệ thống thông tin quang là số hay tương
tự, các yêu cầu về hiệu năng sẽ khác nhau. Đối với hệ thống thông tin quang số yêu cầu
hiệu năng cần đảm bảo là tỉ số lỗi bít, còn đối với hệ thống thông tin quang tương tự
yêu cầu hiệu năng cần đảm bảo là tỉ số sóng mang trên nhiễu. Một số vấn đề về thiết kế
các hệ thống này sẽ được đề cập cụ thể trong các phần sau.
Các tuyến điểm - đa điểm:
Công nghệ AON (Active Optical Network): là mạng truy nhập quang để phân phối tín
hiệu sử dụng các thiết bị cần nguồn cung cấp.
Dữ liệu từ phía nhà cung cấp của khách hàng nào sẽ chỉ được chuyển đến khách hàng
đó, dữ liệu của khách hàng sẽ tránh được xung đột khi truyền trên đường vật lý chung.
63
- CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Hình 6.5. Công nghệ AON
Công nghệ PON: là một kiến trúc mạng điểm - đa điểm, sử dụng các bộ chia quang thụ
động (không có nguồn cung cấp) để chia công suất quang từ một sợi quang tới các sợi
quang cung cấp cho nhiều khách hàng
Hình 6.6. Công nghệ PON
6.2. HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỐ
Hệ thống thông tin quang số là hệ thống phổ biến hiện nay sử dụng trên các cấu trúc
mạng thông tin. Trong hệ thống thông tin quang số, định dạng điều chế có ý nghĩa quan
trọng để đảm bảo bộ thu có thể tách được thông tin định thời chính xác từ tín hiệu quang
thu được. Kiểu điều chế sử dụng phổ biến hiện nay là điều chế cường độ (IM) trong đó
các bít nhị phân đặc trưng bởi sự thay đổi cường độ quang đầu ra.
64
nguon tai.lieu . vn
