Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Khoa Viễn thông 1

*******

Bài tiểu luận

KỸ THUẬT THÔNG TIN SỢI QUANG

Chuyên đề:

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang và khảo sát các dạng điều chế tín hiệu quang bằng phần mềm mô

phỏng Optisystem

Sinh viên thực hiện: Nhóm 5- Lớp D08VT4

1. Nguyễn Hải Phong

2. Bùi Thị Phương Thảo

3. Lã Hà Thu

4. Ngô Quốc Tuấn

5. Nguyễn Quang Toàn

Giảng viên hướng dẫn: Ths Cao Hồng Sơn

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Phần A: Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang……….3

1. Bộ phát tín hiệu quang………3

1.1. Khái niệm bộ phát tín hiệu quang……… 3

1.2. Cấu trúc bộ phát tín hiệu quang……….3

1.2.1.Sơ đồ khối bộ phát tín hiệu quang………3

1.2.2.Cấu trúc bộ phát tín hiệu quang………4

1.3. Phân loại bộ phát tín hiệu quang………6

1.4. Ghép nối nguồn quang với sợi trong mạch phát tín hiệu quang………7

2. Bộ phát tín hiệu quang điều chế trực tiếp………9

2.1.Khái niệm bộ phát tín hiệu quang điều chế trực tiếp………9

2.2.Mạch phát sử dụng LED……… 9

2.3.Mạch phát sử dụng LD……… 9

2.4.Ưu nhược điểm của bộ phát quang điều chế trực tiếp………10

3. Bộ phát tín hiệu quang điều chế ngoài……… 14

3.1. Sơ đồ khối bộ phát tín hiệu ngoài……… 14

3.2.Ưu điểm của kỹ thuật điều chế ngoài so với kỹ thuật điều chế trực tiếp……….15

3.3.Phân loại các bộ điều chế ngoài sử dụng hiện nay……… 15

3.3.1. Mach- Zehnder Modulator (MZM)……… 16

3.3.2. Electroabsorption Modulator (EA)……… 17

Phần B: Khảo sát các dạng điều chế tín hiệu quang bằng phần mềm mô phỏng Optisystem……… 19

1. Bộ phát quang (Optical transmitters)………19

2. Bộ phát quang điều biến sử dụng LED (LED modulation response)………20

3. Bộ phát quang điều biến ngoài sử dụng LD (Semiconductor laser modulation response)………22

Danh mục hình vẽ ……… 26

Thuật ngữ viết tắt……….………28

Tài liệu tham khảo……… 31

PHẦN A: TÌM HIỂU BỘ PHÁT QUANG ĐIỂU CHẾ

TRONG HỆ THỐNG QUANG

1. BỘ PHÁT TÍN HIỆU QUANG

Bộ phát tín hiệu quang là một trong các thành phần quan trọng nhất của hệ

thống thông tin sợi quang Bộ phát tín hiệu quang có chức năng chuyển đổi tín hiệu thông tin đầu vào ở dạng điện thành tín hiệu quang tương ứng và ghép vào trong sợi để truyền dẫn tín hiệu

1.2.1.Sơ đồ khối bộ phát tín hiệu quang

Hình 1.1 Cấu trúc bộ phát quang

Bộ điều

khiển

Tín hiệu điện

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ phát quang

1.2.2.Cấu trúc bộ phát tín hiệu quang

Sơ đồ khối bộ phát quang điển hình được biểu diễn như hình 1.2 Theo đó, một bộ phát quang bao gồm: một nguồn quang, bộ điều chế, bộ ghép tín hiệu quang, mạch điều khiển công suất Tất cả các thành phần trên được đóng gói thành

Bộ ghép quang

Bộ điều chế Nguồn

quang

Bộ phát quang về cơ bản là một vi gương cho phép tập trung tín hiệu quang vào mặt phẳng tới của sợi quang sao cho có hiệu suất ghép sáng cao nhất.

Công suất ghép quang là một tham số thiết kế quan trọng Công suất ghép quang lớn sẽ giúp tăng khoảng cách giữa các trạm lặp/ bộ khuếch đại Tuy nhiên các hiệu ứng phi tuyến lại giới hạn độ lớn của công suất này Công suất của tín hiệu quang thường được biểu diễn theo đơn vị dBm với 1 mW được coi là mức tham khảo

Như vậy, 1mW tương đương với 0 dBm, và 1W tương đương với -30 dBm Công suất ghép quang thường khá nhỏ (< -10 dBm) đối với điốt phát quang nhưng đối với laser bán dẫn thì lên tới ~10 dBm Điốt phát quang cũng bị giới hạn ở khả năng điều chế , vì thế hầu hết hệ thống thông tin sợi quang sử dụng Laser bán dẫn làm nguồn quang Giới hạn về tốc độ bit tại các bộ phát quang thường do năng lực của các mạch điện tử không đáp ứng được chứ không phải do laser Với thiết kế phù hợp, bộ phát quang đã cho phép điều chế ở tốc độ bit lên tới 40 Gbps

Dữ liệu từ nguồn phát bên ngoài được đưa vào bộ phát quang thông qua đơn

vị biến đổi dữ liệu nhờ tín hiệu xung kích (clock) Tại đây dữ liệu được biến đổi vềdạng phù hợp cung cấp cho mạch kích thích điều khiển dòng phân cực cho Laser Trong trường hợp tổng quát bộ phát quang sử dụng Led cũng bao gồm các thành phần như hình 1.2 Tuy nhiên nếu tín hiệu cần phát là tín hiệu tương tự thì mạch chế biến tín hiệu sẽ đơn giản hơn nhiều

Đơn vị biến đổi dữ liệu (Data conversion Unit) bao gồm bộ giải mã tín hiệu đường truyền, bộ biến đổi song song- nối tiếp và bộ sửa dạng tín hiệu Chức năng của bộ biến đổi dữ liệu là biến đổi tín hiệu điện ngõ vào song song về dạng mã thông dụng NRZ dạng nối tiếp và sửa dạng tín hiệu cung cấp cho mạch kích thích

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Hình 1.4 Sơ đồ khối đơn vị biến đổi dữ liệu

Việc điều chế tín hiệu quang theo thông tin dữ liệu có thể được thực hiện nhờ điều chế trực tiếp và điều chế ngoài Do đó có hai bộ phát tín hiệu quang,

đó là bộ phát quang điều biến trực tiếp sử dụng LED hoặc LD và bộ phát quangđiều biến ngoài sử dụng LD cùng với bộ điều chế ngoài

Điều chế trực tiếp được thực hiện bằng cách điều chế thông tin dữ liệu trực tiếplên dòng nuôi cho nguồn quang nhờ thế nguồn quang sẽ phát xạ ánh sáng theo thông tin dữ liệu

Hình 1.5 Sơ đồ khối bộ phát quang điều chế trực tiếp

Trong trường hợp điều chế ngoài thì nguồn quang phát liên tục ánh sáng, thông tin được điều chế nhờ một bộ giao thoa kế nằm bên ngoài

Nhóm 5- Lớp D08VT4 Page 6

1010110101…

1: light on 0: light off Light output

Laser

Modulator Signal

( electrical)

1010110101… 1: light on 0: light off

Light output

Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ phát quang điều chế ngoài

Công suất được ghép vào sợi càng lớn thì khả năng truyền dẫn càng

xa Tuy nhiên, lõi sợi rất nhỏ nên việc ghép nối nguồn và sợi phải có các phương pháp để giúp khả năng ghép nối được tốt hơn Để tránh được hiện tượng phản xạ ánh sáng tại miền ghép nối giữa nguồn và sợi quang có thể

sử dụng có hệ số chiết suất bằng chiết suất của lõi sợi Một cách khác, đầu lõi sợi quang có thể được mài thành một thấu kính lồi để hướng các tia sángvào lõi sợi hoặc sử dụng một thấu kính lồi riêng tại điểm ghép nối nguồn và sợi quang Hình 1.7 mô tả một số cách thức ghép nối nguồn quang và sợi cho LED Đối với laser, do nguồn sáng hẹp nên có thể sử dụng vi thấu kính

để ghép ánh sáng thay vì sử dụng nguồn thấu kính thông thường

Hình 1.7 Một số cách ghép nối giữa nguồn và sợi quang cho LED

Đối với LD: Sử dụng vi thấu kính: ~ 40 - 90 %

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Hình 1.8 Ghép nối LD vào sợi sử dụng vi thấu kính

2. BỘ PHÁT TÍN HIỆU QUANG ĐIỀU CHẾ TRỰC TIẾP

Trong hệ thống thông tin sợi quang, bộ phát quang thực hiện phát tín hiệu quang mang thông tin từ nơi phát đến nơi thu Để điều chế tín hiệu quang tại bộ phát phải có mạch điều biến cường độ Tùy vào kiểu tín hiệu là tương tự hay tínhiệu số, mạch phát điều biến cường độ phải có những đặc điểm khác nhau nhất định

2.2.1.Đối với tín hiệu tương tự

Hình 2.1 Mạch kích thích sử dụng LED

cho tín hiệu tương tự

Đối với tín hiệu tương tự, mạch phát điều biến cường độ thường sử dụng transistor lưỡng cực LED kết nối với cực góp hoặc cực phát thông qua một điện trở hạn chế dòng Tín hiệu điện điều biến được đưa vào cực gốc của transistor

Giả thiết, dòng điều biến có dạng:

Theo sơ đồ mạch hình 2.1, dòng qua cực gốc có dạng

Trong đó và Khi đó, điện áp trên LED có dạng:

Và công suất quang thu được trên LED sẽ là

Với là độ sâu điền biến quang

2.2.2.Đối với tín hiệu số

Đối với mạch kích thích sử dụng LED cho tín hiệu số không cần sử dụng các điện trở để phân cực cho transistor lưỡng cực Vì tín hiệu số, tốc độsườn xung thay đổi nhanh nên cần sử dụng thêm tụ C để tăng tốc độ điều biến

V s

R 1

R 2

R

V d c

L E D

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Hình 2.2.Mạch kích thích sử dụng LED cho tín hiệu số

Khác với LED, các mạch kích thích cho LD phải sử dụng mạch vòng điều khiển ổn định công suất do laser rất nhạy với sự thay đổi nhiệt độ Nhiệt độ càng tăng, thì công suất phát quang của laser càng giảm

Dòng tín hiệu

LD TEC T PD

Hình 2.3 Mô-đun laser có hệ thống ổn định nhiệt

Một mạch phát quang điều biến cường độ được biểu diễn như hình 2.4 Mạch phát quang này là sự kết hợp của mạch điều khiển ở hình 2.5 và mạch điều chế tín hiệu ở hình 2.6

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Hình 2.5 Mạch kích thích

Hình 2.6 Mạch điều chế tín hiệu

Hoạt động của mạch phát quang điều biến cường độ có thể được phân tích dựa trên hoạt động của mạch điều khiển và mạch điều chế tín hiệu.

Mạch kích thích có chức năng biến đổi nguồn điện áp từ bộ biến đổi dữ liệu

về dạng dòng điện cung cấp dòng phân cực cho laser Chức năng này là cần thiết vì nguồn điện cung cấp cho laser dưới dạng điện áp hơn là dòng điện Dòng phân cực cho laser được tạo ra cần phải rất ổn định với dòng điện

ngưỡng để có thể truyền tín hiệu dữ liệu không bị lỗi Do vậy, dòng phân cực cần được điều khiển bởi tín hiệu hồi tiếp từ cảm ứng nhiệt

Trong mạch kích thích như hình 2.5, điện áp điều khiển, là điện áp đầu vào của opamp Dòng điện chạy qua điện trở R chỉ phụ thuộc vào điện áp đầu vào

mà không phụ thuộc vào điện trở tải, trong trường hợp này là laser diode Do

đó, bằng cách thay đổi , người ta có thể điều khiển được dòng phân cực

Khi nhiệt độ thay đổi, việc ổn định công suất quang ở đầu ra của laser diode được thực hiện bởi tín hiệu hồi tiếp từ photodiode PD PD này thu ánh sáng từ laser phát ra và tạo ra dòng quang điện tỷ lệ với công suất phát quang của laser

Vì vậy, khi công suất quang đầu ra thay đổi, do sự thay đổi của nhiệt độ, dòng quang điện sẽ thay đổi làm cho dòng điện phân cực cũng thay đổi theo bù lại những thay đổi trong công suất quang của laser

Quá trình điều chế tín hiệu trong mạch phát điều biến cường độ được thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích từ mức phân cực đến mức cao nhất

Mạch điều chế tín hiệu được biểu diễn trên hình 2.6 Trong đó, quá trình điều chế được điều khiển bởi dòng phân cực qua laser Chức năng chính của mạch là cung cấp dòng điện phân cực cực đại cho laser

Trong mạch điều chế, dữ liệu phát được đưa vào cực gốc transistor , cực B transistor được cố định bởi nguồn phân cực Khi tín hiệu đầu vào lớn hơn , dẫn, tắt, dòng qua LD giảm làm LD ngưng phát sáng Ngược lại, khi tín hiệu đầu vào nhỏ hơn , tắt, dẫn, dòng qua LD tăng làm LD phát sáng

đóng vai trò cung cấp nguồn dòng ổn định cho mạch vi sai và kết hợp với mạch hồi tiếp dùng khuếch đại thuật toán (Op- Amp) ổn định dòng qua LD dưới tác động của nhiệt độ cũng như cung cấp tín hiệu cho việc giám sát nhiệt

độ làm việc của LD phục vụ công việc cảnh báo và bảo dưỡng bộ phát quang

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

Trong kiểu điều chế trực tiếp, tín hiệu điều chế được thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích chạy qua laser Kiểu điều chế này được gọi là điều chế nội hay điều chế trực tiếp Ưu điểm của kiểu điều chế này là đơn giản.Tuy nhiên, hạn chế của kỹ thuật điều chế này là:

• Băng thông điều chế này bị giới hạn bởi tần số dao động tắt dần của laser diode

• Hiện tượng chirp xảy ra đối với tín hiệu quang tăng độ rộng phổ của xung ánh sáng Hiện tượng này xảy ra đối với laser DFB và vì vậy là yếu

tố hạn chế nghiêm trọng đối với các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao (chủ yếu sử dụng laser DFB làm nguồn quang)

• Hơn nữa, kỹ thuật điều chế này cũng không áp dụng được trong các hệ thống thông tin quang đòi hỏi công suất quang lớn ( >30mW) như các mạng truyền dẫn cự ly xa hay mạng truyền hình cáp vì việc chế tạo các mạch phát quang điều chế trực tiếp hoạt động ổn định khi điều chế tốc

độ cao với dòng điện kích thích lớn ( >100mA) trở nên phức tạp và khó khăn hơn nhiều

Những hạn chế trên có thể khắc phục được khi sử dụng kỹ thuật điều chếngoài

3. BỘ PHÁT TÍN HIỆU QUANG ĐIỀU CHẾ NGOÀI

Hình 3.1.Sơ đồ khối bộ điều chế ngoài

Sơ đồ khối bộ điều chế ngoài được biểu diễn trên hình 3.1 Theo đó điều chế

kiện quang bên ngoài gọi là bộ điều chế ngoài (external modulator) Ánh sáng

do laser phát ra dưới dạng sóng liên tục CW

• Không xảy ra hiện tượng chirp đối với tín hiệu quang vì laser được kích thích bởi dòng điện ổn định nên ánh sáng phát là sóng liên tục có tần số

và độ rộng phổ ổn định Đặc điểm này rất quan trọng đối với hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM vì yêu cầu về độ ổn định của bước sóngánh sáng tại các kênh rất cần thiết

• Không bị giới hạn bởi công suất phát quang vì đặc tính điều chế do bộ điều chế ngoài quyết định

Có hai bộ điều chế ngoài được sử dụng hiện nay là Mach- Zehnder Modulator (MZM) và Electroabsorption Modulator (EA)

3.3.1.Mach- Zehnder Modulator (MZM)

Mach- Zehnder Modulator (MZM) hay còn gọi là Lithium niobate (LiNb) Modulator được chế tạo bằng vật liệu Lithium niobate có cấu trúc Mach Zehnder như hình 3.2 Chiết suất của Lithium niobate phụ thuộc vào điện áp phân cực Ánh sáng do laser phát ra khi đi vào ống dẫn sóng được chia làm hai phần bằng nhau Khi không có điện áp phân cực, cả hai nửa sóng ánh sáng tới không bị dịch pha Vì vậy, ở ngõ ra của bộ điều chế sóng ánh sáng kết hợp có dạng của sóng ánh sáng ban đầu Khi có điện áp phân cực, một nửa của sóng tới bị dịch pha vì chiết suất của một nhánh ống dẫn sóng giảm, làm tăng vận tốc truyền ánh sáng và làm giảm độ trễ Một nửa kia của sóng tới ở nhánh còn lại của ống dẫn sóng bị dịch pha vì chiết suất tăng, làm vận tốc truyền ánh sáng giảm và làm tăng độ trễ Kết quả là hai

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

đó ta thấy, cường độ tín hiệu ánh sáng ở ngõ ra của MZM có thể được điều khiển bằng cách hiệu chỉnh điện áp phân cực Bằng cách này, bất kỳ độ dịch pha của sóng ánh sáng tới ở hai nhánh của ống dẫn sóng cũng có thể được hiệu chỉnh

Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động của bộ điều chế ngoài MZM

a)Không có điện áp phân cực b) Có điện áp phân cực

Điều chế ngoài MZM được sử dụng chủ yếu trong mạng quang truyền hình.MZM có một số hạn chế như sau: suy hao xen cao (lên đến 5dB) và điện áp điều chế tương đối cao (lên đến 10V) Ngoài ra, sử dụng MZM còn

có một hạn chế nữa là MZM là một linh kiện quang tách biệt Do MZM được chế tạo bởi LiNb không phải chất bán dẫn nên không thể tích hợp với laser DFB trong một chip Những hạn chế này của MZM được hạn chế bởi một loại điều chế khác là và Electroabsorption Modulator (EA)

3.3.2.Electroabsorption Modulator (EA)

Bộ điều chế ngoài EA có cấu tạo là một ống dẫn sóng làm bằng chất bándẫn Khi không có điện áp phân cực, ánh sáng do laser DFB phát ra được truyền qua ống dẫn sóng này vì bước sóng cắt của ống dẫn sóng ngắn hơn

so với bước sóng của ánh sáng tới Khi có điện áp điều chế, độ rộng dải cấmcủa vật liệu ống dẫn sóng giảm Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Franz-Keldysh và là nguyên lý hoạt động của EA Khi độ rộng dải cấm giảm, bước sóng cắt sẽ tăng lên (do = 1024/) và vật liệu ống dẫn sóng sẽ hấp thụ sóng ánh sáng tới Vì vậy, bằng cách hiệu chỉnh điện áp điều chế, có thể thay đổi các đặc tính của ống dẫn sóng

So với MZM, EA có những ưu điểm sau:

• Điện áp điều chế, khoảng 2V, nhỏ hơn so với MZM (lên đến 10V)

• Có thể tích hợp với laser DFB tạo thành các bộ phát quang có dạng chip

Với những ưu điểm trên, EA được sử dụng trong các hệ thống WDM

Tìm hiểu bộ phát quang điều chế trong hệ thống quang

PHẦN B: KHẢO SÁT CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU QUANG BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG OPTISYSTEM

1. Bộ phát quang (Optical transmitters)

Vai trò của các máy phát quang là:

• chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng quang học, và

• khởi động các tín hiệu quang học kết quả vào sợi quang học

Các máy phát quang bao gồm các thành phần sau:

• Nguồn quang

• máy phát xung điện

• Bộ điều chế quang (xem hình 1)