Giáo án điện tử công nghệ: quang điện tử docx

Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang WDM – Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang.. Hiện

Khái niệm về kỹ thuật ghép kênh phân

chia theo bước sóng -WDM

Khái niệm về kỹ thuật ghép kênh phân

chia theo bước sóng -WDM

Hình 6.4 H th ng WDM ệ ố đơ n h ướ ng k t h p N tín hi u ế ợ ệ độ ậ để c l p truy n ề trên 1 s i quang ợ đơ n.

• Trong hình trên, linh ki n WDM ệ đơ n h ướ ng đượ ử c s

d ng ụ để ế ợ k t h p các b ướ c sóng mang tín hi u khác nhau ệ trên m t s i quang ộ ợ đơ ạ n t i m t ộ đầ u và để tách chúng vào b ộ tách quang thích h p t i ợ ạ đầ u kia.

Khái niệm về kỹ thuật ghép kênh phân

chia theo bước sóng -WDM

Hình 6.5 H th ng WDM hai h ệ ố ướ ng, trong ó, hai b đ ướ c sóng ho c nhi u ặ ề

h n ơ đượ c truy n ề đồ ng th i trong các h ờ ướ ng ng ượ c nhau trên cùng m t s i ộ ợ quang.

• S ơ đồ này g m vi c g i tin t c trong m t h ồ ệ ử ứ ộ ướ ng t i m t ạ ộ

b ướ c sóng 1 và λ đồ ng th i trong h ờ ướ ng ng ượ ạ ạ c l i t i

b ướ c sóng 2 λ

Khái niệm về kỹ thuật ghép kênh phân

chia theo bước sóng -WDM

B l c quang b ng các linh ki n tán s c (hay b ghép kênh tán ộ ọ ằ ệ ắ ộ

s c c nh) ắ ạ

Hình 6.6 S ơ đồ ể bi u di n m t ph n t WDM tán s c c nh cho 3 b ễ ộ ầ ử ắ ạ ướ c sóng Nhi u ề

b ướ c sóng có th k t h p ho c phân chia v i lo i linh ki n này ể ế ợ ặ ớ ạ ệ

• Khi linh ki n s d ng nh m t b ph n kênh, ánh sáng t s i quang i ệ ử ụ ư ộ ộ ậ ừ ợ đ

ra đượ c chu n tr c b ng th u kính L1 (g i là th u kính chu n tr c) ẩ ự ằ ấ ọ ấ ẩ ự

và i qua ph n t tán s c c nh và nó đ ầ ử ắ ạ đượ c phân chia thành các kênh có

b ướ c sóng i vào các chùm tia có nh h đ đị ướ ng không gian khác nhau Th u ấ kính L2 (th u kính h i t ) s h i t các tia ấ ộ ụ ẽ ộ ụ đầ u ra vào các s i quang thu ợ thích h p ho c các b tách quang thích h p ợ ặ ộ ợ

Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng

quang (WDM)

Ghép/tách tín hi u ệ

Hình 6.10 S ơ đồ ch c n ng h th ng WDM ứ ă ệ ố

Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng

quang (WDM)

– Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn

sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh

sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại

mỗi cổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các bộ

tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot

– Khi dùng bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham

số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung

tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ, xuyên âm đầu gần đầu xa

Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng

quang (WDM)

Truy n d n tín hi u ề ẫ ệ

• Quá trình truy n d n tín hi u trong s i quang ch u s ề ẫ ệ ợ ị ự

nh h ng c a nhi u y u t : suy hao s i quang, tán

s c, các hi u ng phi tuy n, v n ắ ệ ứ ế ấ đề liên quan đế n

khu ch ế đạ i tín hi u M i v n ệ ỗ ấ đề ể k trên đề u ph ụ thu c r t nhi u vào y u t s i quang (lo i s i quang, ộ ấ ề ế ố ợ ạ ợ

ch t l ấ ượ ng s i ) ợ

• Khu ch ế đạ i tín hi u ệ

• Có ba ch ế độ khu ch ế đạ i: khu ch ế đạ i công su t, ấ

khu ch ế đạ đườ i ng và ti n khu ch ề ế đạ i

• Thu tín hi u ệ

• Thu tín hi u trong các h th ng WDM c ng s d ng các ệ ệ ố ũ ử ụ

b tách sóng quang nh trong h th ng thông tin quang ộ ư ệ ố thông th ườ ng: PIN, APD.

Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng

quang (WDM)

Phân lo i h th ng WDM ạ ệ ố

Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng

truy n theo m t chi u trên s i quang Do v y, ề ộ ề ợ ậ để truy n ề thông tin gi a hai i m c n hai s i quang H th ng ữ đ ể ầ ợ ệ ố WDM song h ướ ng, ng ượ ạ c l i, truy n hai chi u trên m t ề ề ộ

s i quang nên ch c n 1 s i quang ợ ỉ ầ ợ để có th trao ể đổ i

thông tin gi a 2 i m ữ đ ể

• Xét v dung l ề ượ ng, h th ng ệ ố đơ n h ướ ng có kh n ng ả ă

cung c p dung l ấ ượ ng cao g p ôi so v i h th ng song ấ đ ớ ệ ố

h ướ ng Ng ượ ạ c l i, s s i quang c n dùng g p ôi so ố ợ ầ ấ đ

Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng

quang (WDM)

Các linh ki n trong ki n trong h th ng WDM ệ ệ ệ ố

• Các linh ki n ệ đượ ử ụ c s d ng trong các m ng quang hi n ạ ệ

• b khu ch ộ ế đạ i quang (optical amplifiers)

• b chuy n m ch quang (optical switches) ộ ể ạ

• b l c (filters) ộ ọ

• b ghép/tách kênh (multiplexers) ộ

Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler)

Đị nh ngh a ĩ

B ghép/tách tín hi u (Coupler) là thi t b quang dùng ộ ệ ế ị để ế k t

h p các tín hi u truy n ợ ệ ề đế ừ n t các s i quang khác nhau ợ

N u coupler ch cho phép ánh sáng truy n qua nó theo m t ế ỉ ề ộ

chi u, ta g i là coupler có h ề ọ ướ ng (directional coupler) N u ế

nó cho phép ánh sáng i theo 2 chi u, ta g i là coupler song đ ề ọ

h ướ ng (bidirectional coupler).

Hình 6.13 C u t o coupler FBT 2 x 2 ấ ạ Hình 6.14 Coupler hình sao v i 8 ngõ ớ

vào và 8 ngõ ra

Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler)

• Nguyên lý ho t ạ độ ng

Khi hai s i quang ợ đượ đặ ạ c t c nh nhau, ánh sáng s ẽ đượ c ghép t ừ

s i này sang s i kia và ng ợ ợ ượ ạ c l i Ðó là do quá trình truy n m t ánh sáng ề ố trên s i quang qua vùng ghép s khác so v i truy n trên s i quang ợ ẽ ớ ề ợ đơ n Khi ó, toàn b ánh sáng thu c m t s i quang s đ ộ ộ ộ ợ ẽ đượ c ghép hoàn toàn sang s i quang ghép v i nó, ph n ánh sáng này l i ti p t c ợ ớ ầ ạ ế ụ đượ c ghép

ng ượ c tr l i sang s i quang ban ở ạ ợ đầ u theo m t chu k tu n hoàn ộ ỳ ầ khép kín K t qu ta có c ế ả ườ ng độ ườ tr ng i n t đ ệ ừ ở đầ u ra c a ủ

b ghép ộ

• ng d ng Ứ ụ

- B coupler v i t s ghép 1 ộ ớ ỉ ố α ≈ đượ c dùng để trích m t ph n nh ộ ầ ỏ tín hi u quang, ph c v cho m c ích giám sát ệ ụ ụ ụ đ

- Coupler còn là b ph n c b n ộ ậ ơ ả để ạ t o nên các thành ph n quang khác, ầ

ch ng h n nh : các b chuy n m ch t nh, các b i u ch , b ẳ ạ ư ộ ể ạ ĩ ộ đ ề ế ộ

giao thoa

- Th c hi n ghép/tách b ự ệ ướ c sóng trên s i quang Coupler 2 x 2 ghép ợ

50:50 phân b công su t ánh sáng t m t ố ấ ừ ộ đầ u vào ra làm 2 ph n b ng ầ ằ nhau 2 ngõ ra Coupler này còn ở đượ c g i là coupler 3 dB, ng d ng ọ ứ ụ

ph bi n nh t ổ ế ấ

Bộ isolator/circulator

• Isolator là thi t b không thu n ng ế ị ậ ượ c (nonreciprocal) Nó

ch truy n ánh sáng qua nó theo m t chi u và ng n không cho ỉ ề ộ ề ă truy n theo chi u ng ề ề ượ ạ c l i Nó đượ c dùng t i ạ đầ u ra c a ủ các thi t b quang (b khu ch ế ị ộ ế đạ i, ngu n phát laser) ồ để

ng n quá trình ph n x ng ă ả ạ ượ c tr l i các thi t b ó, gây ở ạ ế ị đ

nhi u và h h i thi t b Hai tham s chính c a Isolator là ễ ư ạ ế ị ố ủ suy hao xen và độ cách ly.

• Circulator c ng th c hi n ch c n ng t ũ ự ệ ứ ă ươ ng t nh b ự ư ộ Isolator nh ng nó th ư ườ ng có nhi u c ng, th ề ổ ườ ng là 3 ho c ặ

4 c a Chính vì s t ử ự ươ ng đồ ng gi a hai lo i thi t b , ta ữ ạ ế ị

s ch trình bày ho t ẽ ỉ ạ độ ng c a b Isolator mà thôi ủ ộ

Bộ isolator/circulator

S ơ đồ kh i c a b ố ủ ộ isolator/circulator

Hình 6.15

(a) S ơ đồ kh i c a b Circulator 3 c a ố ủ ộ ử (b) S ơ đồ kh i c a b Circulator 4 c a ố ủ ộ ử (c) S ơ đồ kh i c a b Isolator ố ủ ộ

Bộ isolator/circulator

Nguyên lý ho t ạ độ ng

Ánh sáng truy n trong s i quang v i tr ng thái phân c c b t ề ợ ớ ạ ự ấ

kì đượ đư đế c a n b tách/ghép tr ng thái phân c c SWP ộ ạ ự

(Spatial Walk-off Polarizer), tách thành hai dòng tín hi u phân ệ

c c d c và ngang theo hai ự ọ đườ ng độ ậ c l p nhau Ti p theo, ế

n b quay pha Faraday, quay pha 45o theo chi u kim

ng h M t ph ng

đồ ồ ặ ẳ λ/2 (Half-wave plate) th c hi n ự ệ

quay pha 45o theo chi u kim ề đồ ng h ồ đố ớ i v i tín hi u ệ

truy n t trái sang ph i, quay pha 45o theo chi u ng ề ừ ả ề ượ c

kim đồ ng h theo chi u truy n ng ồ ề ề ượ ạ c l i Cu i cùng, tín ố

hi u hai nhánh ệ ở đượ c k t h p l i nh b SWP th hai ế ợ ạ ờ ộ ứ

N u theo chi u ng ế ề ượ ạ c l i, hai b SWP s kh l n nhau ộ ẽ ử ẫ Ánh sáng truy n qua b SWP th hai, qua b quay pha ề ộ ứ ộ

Faraday s không th k t h p l i ẽ ể ế ợ ạ đượ ạ ộ c t i b SWP th ứ

nh t nh minh ho trên Hình 6.16 ấ ư ạ

Bộ isolator/circulator

ng d ng

• B Isolator và Circulator có nh ng ng d ng sau: ộ ữ ứ ụ

• B Isolator th ộ ườ ng đứ ng tr ướ đầ c u ra b khu ch ộ ế đạ i quang ho c ngu n phát laser ặ ồ để ng n ánh sáng ph n x ă ả ạ

ng ượ c tr l i thi t b gây nhi u và có th làm h thi t b ở ạ ế ị ễ ể ư ế ị

• B Circulator ộ đượ c dùng nh m t b ph n ư ộ ộ ậ để ch t o ế ạ

ph n t xen r t quang OADM ầ ử ớ

THUY T TRÌNH QUANG I N T Ế Đ Ệ Ử

KH O SÁT Ả GHÉP QUANG VÀ KHU CH Ế ĐẠ I QUANG

GVHD: Th y ầ giáo Hoàng Phú An

Phó trư ng ở khoa i Đ n ệ - i Đ n ệ t ử SVTH:

1 V V n Tài ũ ă 4 Nguy n ễ Th Ki ị ề u

2 Nguy n Duy Thìn ễ 5 Ngô Ti n ế Huân

3 Nguy n V nTrung ễ ă

Các vấn đề cơ bản

• Ghép quang

• B ghép quang v i photothyristor và phototriac,… ộ ớ

• Khu ch ế đạ i quang

• B khu ch ộ ế đạ i quang bán d n (SOA) ẫ

• B khu ch ộ ế đạ i quang s i pha t p Erbium ợ ạ

(EDFA)

• B khu ch ộ ế đạ i quang RAMAN (RA)

Bộ ghép quang

• C ch ho t ơ ế ạ độ ng

Hình 7.1 Opto-Couplers

Bộ ghép quang và cơ chế hoạt động

1 Ghép quang

B ghép quang còn g i là Photo coupled isolator, Photo- ộ ọ

couplers, Photo-coupled pairs và Optically Coupled pairs.T ừ thông th ườ ng nh t cho linh ki n này là Opto-Couplers B ấ ệ ộ ghép quang dùng để truy n ề đạ t tín hi u và ệ đồ ng th i t o s ờ ạ ự cách i n gi a nh ng m ch i n Ngoài ra nó còn dùng tránh đ ệ ữ ữ ạ đ ệ các vòng đấ t (ground circuit circuit terrestre) gây nhi u trong ễ

m ch i n S truy n ạ đ ệ ự ề đạ t tín hi u ệ đượ c th c hi n qua ự ệ ánh sáng.

2 C ch ho t ơ ế ạ độ ng

Thông th ườ ng b ghép quang g m 1 diot v i v t li u bán d n ộ ồ ớ ậ ệ ẫ

lo i III/V (v.d.GaAs) phát ra tia h ng ngo i và 1 ạ ồ ạ phototransitor v i v t li u silic.V i dòng i n thu n, diot ớ ậ ệ ớ đ ệ ậ phát ra b c x h ng ngo i v i chi u dài sóng kho ng 650- ứ ạ ồ ạ ớ ề ả 950nm Dòng i n thu n IF có c đ ệ ậ ườ ng độ kho ng 1-30mA ả

Cơ chế hoạt động của bộ ghép quang

Năng lượng bức xạ này được chiếu lên

trên bề mặt của phototransitor (face to

face) hay chiếu gián tiếp qua một môi

trường dẫn quang Bộ ghép quang face

to face thường được dùng nhất

Đầu tin tín hiệu được phần phát (LED

hồng ngoại) trong bộ ghép quang

biến thành tín hiệu ánh sáng Sau đó

tín hiệu ánh sáng được phần nhận

(photodiot, phototransitor, IC có tổ hợp

diot) biến lại thành tín hiệu điện

Hình 7.2 Nguyên lý làm việc của Opto-

Couplers

nh chân ngõ ra ư ở đượ c n i t t ố ắ

Các tính chất quan trọng của

bộ ghép quang

• Đ ệ i n th cách ly ế

i n th cách ly là i n th cao nh t gi a ngõ vào và ra mà b Đ ệ ế đ ệ ế ấ ữ ộ ghép quang có th ch u ể ị đự ng n i i n th cách ly còn tu ổ Đ ệ ế ỳ thu c vào c u trúc c a b ghép quang, không khí… ộ ấ ủ ộ

• Hi u ng tr ệ ứ ườ ng

D ướ i 1 m t th khá cao gi a LED và phototransitor có ộ ế ữ

kho ng cách khá g n, ta có 1 i n tr ả ầ đ ệ ườ ng khá l n N u b ớ ế ộ ghép quang làm vi c v i i u ki n nh th liên t c vài ngày, các ệ ớ đ ề ệ ư ế ụ thông s c a b ghép quang ( ố ủ ộ đặ c bi t là phototransitor) b ệ ị thay đổ i.

• S lão hoá ự

V i th i gian, công su t phát sáng c a LED b gi m i, do ó ớ ờ ấ ủ ị ả đ đ

ta có h s truy n ệ ố ề đạ ủ t c a 1 b ghép quang bé i ộ đ Để cho

b ghép quang làm vi c lâu dài không b lão hoá nhanh, nhi t ộ ệ ị ệ độ xung quanh và dòng i n làm vi c càng th p càng t t đ ệ ệ ấ ố

transfer ratio-CTR) giống

như độ khuếch đại dòng

điện của 1 transitor Hệ số

Bộ ghép quang với phototransistor

Bộ ghép quang với phototransistor

Thông th ườ ng c c g c c a phototransitor ự ố ủ đượ c n i ra ngoài ( ví d ố ụ trong tr ườ ng h p v i m ch ph n h i ) Tuy nhiên b ghép quang ợ ớ ạ ả ồ ộ

v n làm vi c trong tr ẫ ệ ườ ng h p không có c c g c trong tr ợ ự ố ườ ng h p ợ không có c c g c, b ghép quang có h s truy n ự ố ộ ệ ố ề đạ t gi a LED và ữ phototransitor l n h n, vì b m t c c g c không b che l p 1 ph n ớ ơ ề ặ ự ố ị ấ ầ

b i công t c c a c c g c.Tuy nhiên không có c c g c b ghép quang ở ắ ủ ự ố ự ố ộ

v n có nh ng b t l i ẫ ữ ấ ợ

B ghép quang làm vi c không n nh v i nhi t ộ ệ ổ đị ớ ệ độ cao ( vì dòng i n đ ệ

ng ượ ă c t ng cao v i nhi t ớ ệ độ ).

+ B ghép quang làm vi c ch m h n N u ta n i gi a c c g c và c c ộ ệ ậ ơ ế ố ữ ự ố ự phát 1 i n tr b ghép quang làm vi c nhanh h n, dòng i n ng đ ệ ở ộ ệ ơ đ ệ ượ c

bé h n Tuy nhiên h s truy n ơ ệ ố ề đạ ũ t c ng bé i vì 1 ph n dòng i n đ ầ đ ệ

c a c c g c b d n i m t ủ ự ố ị ẫ đ ấ

+ C ườ ng độ sáng c a LED b gi m i, nh ng dòng quang i n c a ủ ị ả đ ư đ ệ ủ phototransitor gia t ng khi nhi t ă ệ độ ă t ng cao Do ó b ghép quang đ ộ làm vi c khá n nh v i nhi t ệ ổ đị ớ ệ độ

Bộ ghép quang với photo-darlingtontransistor

Hoạt động của một bộ ghép quang với darlingtontransistor giống như với 1 phototransistor, nhưng với hệ số truyền đạt lớn hơn(từ 200…1500) nhờ

photo-sự khuếch đại khá lớn của darlington-transistor Tuy nhiên với photo darlington-transistor ta có một số nhược điểm

• Thời gian đóng mở chậm

• Dòng tối tăng

• Tuỳ thuộc nhiều vào nhiệt độ

Không có điện trở, bộ ghép quang

có hệ số truyền đạt lớn với dòng điện qua diot nhỏ, nhưng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ rất lớn.Với điện trở (trong khoảng

M Ω )bộ ghép quang có hệ số truyền đạt bé hơn nhưng làm

việc tốt với nhiệt độ cao

Bộ ghép quang với photothyristor và

phototriac

Bộ ghép quang với photothyristor và

phototriac

Với ánh sáng ,ta có dòng điện IB làm thông photothyristor dẫn

điện Để cho photoristor nhạy với ánh sáng nó chỉ có thể làm việc với điện áp và dòng điện bé vì cấu trúc của nó bé và mỏng.

Khi điện thế và cường độ dòng điện thay đổi nhanh theo thời gian ,trị số dV/dt và di/dt khá lớn ,thyristor có thể tự kích và dẫn điện ngoài ý muốn.Để chống lại hiệu ứng này,ta có thể nối 1 điện trở Rgk giữa catôt và Gate.Với trị số Rgk bé ,chống nhiễu

dV/dt tốt

Đặc tính các linh kiện ghép tín hiệu

Khuếch đại quang

Khu ch ế đạ i quang

Trong các b khu ch ộ ế đạ i quang (Optical Amplifier) tín hi u ánh ệ sáng đượ c khu ch ế đạ i tr c ti p trong mi n quang mà không ự ế ề thông qua vi c bi n ệ ế đổ i sang mi n i n Các b khu ch ề đ ệ ộ ế đạ i quang có các u i m sau: ư đ ể

• Không ph thu c vào t c ụ ộ ố độ bit và ph ươ ng th c i u ch tín ứ đ ề ế

hi u nên nâng c p h th ng ệ ấ ệ ố

• Khu ch ế đạ i nhi u tín hi u có b ề ệ ướ c sóng khác nhau cùng truy n ề trên m t s i quang ộ ợ

Nguyên lý khu ch ế đạ i quang

Nguyên lý khu ch ế đạ i quang trong các b khu ch ộ ế đạ i quang

c th c hi n d a trên hi n t ng phát x kích thích và

không có s c ng h ự ộ ưở ng x y ra trong quá trình khu ch ả ế đạ i.

Các hiện tượng biến đổi quang điện

(a) Hấp thụ (b) Phát xạ tự phát (c) Phát xạ kích

thích

Hình 7.8 Các hiện tượng biến đổi quang điện

1 Hiện tượng phát xạ kích thích, hình c, xảy ra khi một

điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích

thích bởi một photon có năng lượng hν12 bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao

và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg= E2 –

E1) Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu