Giáo trình Thông tin quang: Phần 2 - CĐ Kỹ Thuật Cao Thắng

(NB) Giáo trình Thông tin quang: Phần 2 gồm có 3 chương tiếp phần 1 gồm các nội dung chính được trình bày như sau: Bộ thu quang; Khuyếch đại quang; Hệ thống thông tin quang. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung của giáo trình.

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%

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

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:

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

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 =

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

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

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

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 =

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:

+ 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

Nhỏ hơn khoảng 3 lần Bằng phẳng 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

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)

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:

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:

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

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

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

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

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

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

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

suất quang đầu ra được xác định:

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:

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:

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