Tài liệu bộ biến đổi quang điện

ĐỀ TÀI: bộ biến đổi quang điện

Ch­ương1: KHáI QUáT Về THÔNG TIN QUANGI. Khái quátDo sự phát triển của hệ thống truyền dẫn, đ̣i hỏi tổ chức các luồng kênh cực lớn. Với kỹ thuật thông tin quang người ta cũng có thể tạo ra các hệ thống truyền dẫn nhiều kênh hơn các hệ thống điện. Hiện nay các hệ thống truyền dẫn từ chục Mb tới vài Gb/s.
Trước tiên sử dụng các khoá điện tử, rồi sau đó đến các hệ thống chuyển mạch photon “dùng ánh sáng để chuyển mạch”. Khi đó mạng thuê bao đă chuyển sang dùng cáp quang và mạng là thông tin thuần túy. Hiện nay thông tin quang đang ở giai đoạn phát triển ban đầu. Nó được ứng dụng để hoạt động song song với các hệ thống truyền dẫn và truyền dẫn thông tin điện bằng tải tin quang nhờ các quá tŕnh chuyển đổi điện quang và quang điện ở bên thu và bên phát.
II. Hệ thống truyền dẫn quang Các thành phần chính của tuyến có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động môi trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuyếch đại, tái tạo tín hiệu thành phần. Ngoài các thành phần chủ yếu này c̣n có các mối hàn bộ nối quang, chia quang và các trạm lặp. Tất cả tạo thành tuyến thông tin quang hoàn chỉnh.



















III. Phạm vi ứng dụng của kĩ thuật truyền dẫn quangNgày nay các hệ thống truyền dẫn quang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống. Trong lĩnh vực thông tin, các hệ thống truyền dẫn quang được ứng dụng vào các hên thống trung kế giữa các hệ thống tổng đài điện thoại và các tuyến truyền dẫn đường trục có dung lượng lớnvà cự li xa. Trong mạng digital dịch vụ tổng hợp, sợi quang c̣n được sử dụng vào miền thuê bao để cho phép truyền dẫncác loại thông tin khác nhau: tiếng nói, h́nh ảnh, số liệu . Trong mạng truyền h́nh cáp, sợi được sử dụng có hiệu quả, thay thế cho việc truyền dẫn qua không gian bằng sóng vô tuyến. Ngoài ra sóng c̣n được sử dụng trong các hệ thống cự li rất ngắn để truyền cac số liệu đo lường , điều khiển, số liệu giữa các thiết bị tính toán hoặc các thông tin văn pḥng trong phạm vi mạng LAN.
Hệ thống truyền dẫn quang xếp thành 2 loại theo phạm vi ứng dụng: hệ thống thông tin đường dài và hệ thống thông tin cù li ngắn.
Hệ thống truyền dẫn gồm : cáp quang, linh kiện phát quang ở đầu phát và linh kiện thu quang ở đầu thu, các bộ nối, các chỗ hàn nốivà linh kiện thụ động. Chúng quyết định giá thành của hệ thống. Với hệ thống đường dài, tuyến cáp quang qm nhiều đoạn cáp hàn nối với nhau, nhiều trạm lặp nằm cách nhau 1 khoảng lặp. V́ cáp quang cần khối lượng lớn nhưng nó là phần tử quyết định giá cả. Để tăng khoảng lặp dùng cáp có tiêu hao nhỏ, phần tử phát có công suất lớn. V́ vậy sợi quang đơn mốt được ưu tiên sử dụng, kèm theo đó là cáac bộ hàn bộ nối đắt tiền. Điot LED Ưt được sử dụng v́ công suất nhỏ, mà LD được sử dụng nhiều hơn. Điot thu cũng được lưu ư chọn có độ nhạy cao, chẳng hạn APD hoặc PIN-FET.
Với hệ thống cự li ngắn th́ cáp không có vai tṛ quyết định, mà ngược lại là các bộ nối và linh kiện thu, phát quang. Có thể sử dụng sợi quang đường kính lớn nh­ sọi đa mốt SI và GI. Công suất phát quang cũng không cần lớn, nên có thể dùng LED. Tốc độ truyền dẫn cũng không lớn, nên diot thu cũng không cần loại băng rộng và đọ nhạy cao, có thể dùng diot PIN.Nh­ vậy tuyến truyền dẫn quang trong 2 trường hợp là có những chỉ tiêu tối ưu khác nhau.

IV. Các phương pháp ghép kênh1. Ghép kênh tín hiệu điện PCM và tín hiệu quang theo thời gianHiện nay tồn tại 2 tiêu chuẩn truyền dẫn điều xung mă PCM. Đó là của châu Âu 2,048Mb/s cho 30 kênh thoại tiêu chuẩn và của Mỹ-Nhật 1,544Mb/s cho 24 kênh thoại tiêu chuẩn. V́ sợi quang có tiêu hao nhỏ và độ rộng băng lớn nên có thể tăng số kênh đến 1,6 hoặc 2,2Gb/s mà không phải rút ngắn khoảng lặp. Khi tăng tốc độ truyền dẫn PCM bằng các xung phát đi ngày càng hẹp lại , đ̣i hỏi độ rộng băng truyền dẫn tăng lên rất lớn. Chỉ có sợi quang với độ rộng băng truyền dẫn rộng mới có thể cho phép truyền dẫn tín hiệu PCM tốc độ lớn hơn nh­ thế. Từ khả năng ghép thời gian trên các hệ thống truyền dẫn có thể ghép tín hiệu theo thời gian. Mỗi tín hiệu quang là chùm PCM đă qua biến đổi điẹn quang. Nhờ đó tốc độ truyền dẫn tăng lên cao hơn.











2.Ghép kênh theo bước sóng


[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]












Trong phương pháp phân kênh theo thời gian cần sử dụng 2 sợi quang cho hai hướng thu phát độc lập. Ngoài ra thực hiện thu phát kênh theo bước sóng để thực hiện truyền dẫn 2 chiều theo cùng 1 sợi quang. Nhiều tín hiệu PCM ghép theo thời gian sẽ được truyền dẫn cùng 1 sợi quang nhờ ghép vào các bước sóng khác nhau nguyên tắc tổ chứcghép luồng hiển thị ở h́nh dưới.
Các thiết bị ghép và tách luồng MULDEX là các bộ lọc ánh sáng. Máy phát P1, P2 phát xạ ánh sáng có bước sóng. C̣n ở đầu kia máy phát P3,P4 bức xạ ánh sáng bước sóng  Các tần số quang được các bộ lọc ở 2 đầu đường dây tách ra. Tại trạm lặp tách riêng tín hiệu quang để tái sinh sau đó ghép trở lại đi trên tuyến chung.
3. Phương pháp ghép luồng rẽ hướng
[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]












Hai luồng quang 1và 2 ḥan ṭan độc lập với bước sóng sử dụng và phương pháp ghép kênh tín hiệu điện, được tách thành luồng quang đi và luồng đến. Hai gương ở đầu thu G[SUB]1[/SUB], G[SUB]2[/SUB] là loại thu một chiều . Một gương sẽ cho luồng béc xạ phát của máy phát tại đó đi qua và một phần tổn thất ra ngoài, không lọt vào điôt thu. Các gương làm nhiệm vụ tách luồng thu và phát được trên cùng một sợi quang.
Các phương pháp trên độc lập nhau, nên có thể kết hợp chung để sử dụng, tăng hiệu suất cho sợi .

V. Phân loại các hệ thống truyền dẫn quang1. Phân loại theo dạng tín hiệu điệnTín hiệu đưa vào điều biến có thể là analog hoặc digital. Hệ thống analog Ưt được chế tạo sử dụng, nhất là hệ thống băng tần tín hiệu rất rộng v́ đặc tính công tácphi tuyến của diot laser phát, của diot thu quang, ảnh hưởng của tán xạ sợi quang
Các hệ thống thu quang dải rộng hiện nay truyền dẫn digital dưới dạng ghép kênh PCM theo các cấp tiêu chuẩn.
2.Theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu biênTheo phương pháp điều biến quang ở đầu phát và tách tín hiệu quang ở đầu thu nên phân ra các loại sau:
a. Hệ thống thu trực tiếp: Đầu phát thực hiện điều biến trực tiếp các diot laser. Các tín hiệu điện điều biến vào cường độ bức xạ nguồn quang. ở đầu thu tách tín hiệu điện trực tiếp trên diot quang từ công suất quang dưa vào. Các phần tử của hệ thống làm việc ở chế độ dơn mốt một tần số mà vẫn đẩm bảo khả năng truyền dẫn. Nhưng các hệ thống có tốc độ cực lớn th́ bị hạn chế về độ nhạy về độ rộng băng truyền dẫn và cự li khỏang lặp.
b. Hệ thống thu kết hợp: Phương pháp này điều biến gián tiếp nguồn quang ở đầu phát. Luồng tín hiệu điện và luồng bức xạ quang dơn sắc đưa vào được điều biến trong bộ điều biến quang.
Ở đầu thu cần nguồn quang đơn sắc, độc lập với nguồn quang ở đầu phát. Luồng tín hiệu quang thu được từ sợi quang được đưa vào bộ trọn là diot quang cùng với nguồnquang đơn sắc của bộ phát quang nội để lấy ở đầu ra một tần số trung gian, được đưa đến mạch tách sóng để tách ra tín hiệu điện ban đầu.


[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]











Tín hiệu điều biến với nguồn quang có bước sóng [SUB][/SUB] tương ứng phần bước sóng f1 điều biến tải tin có thể là điều biên, điều tần hoặc điều pha. Tại đầu thu có bộ phát quang nội, phát xạ tia có bước sóng  tương ứng fo. Cả f1, fo đưa vào bộ trộn là diot quang để lấy tần số trung gian /f1-fo/ chọn đủ lớn cỡ 10GHz. Đủ để mang tín hiệu điều biến ban đầu có độ rộng băng lớn. Nhưng cũng không quá lớn để đảm bảo khả năng khuếch đại củamạch khuếch đại điện tử. Sau quá tŕnh tách sóng và lọc sẽ thu được tín hiệu ban đầu.
So với phương pháp trực tiếp th́ phương pháp này có độ nhạy cao hơn, tỉ số tín hiện nhiễu S/N lớn hơn nên tăng cự li trạm lặp nên có thể truyền các tín hiệu băng tần rất rộng. Hiện nó đang được sử dụng rộng răi
3. Theo tốc độ và cự li truyền dẫnCác hệ thống đường dài chủ yếu đươch sử dụng trên mạng điện bao gồm các mạng két nối truyền dẫn giừa các vùng, mạng trung kế giữa các tổng đài, mạng thuê bao của mạng dịch vụ tổng hợp và các mạng phân phối truyền h́nh. Hiện nay có thể phân phối thành các loại:
Hệ thống có dung lượng truyền dẫn nhỏ, tốc độ truyền dẫn8 Mb/s hoặc dung lượng trung b́nh với tốc độ34Mb/s sử dụng trên mạng thuê bao ISDN và mạng trung kế giữa các tổng đài, cự li truyền đẫn khỏang 1km trong thành phố hoặc 20_30km ở vùng nông thôn , không có trạm lặp.
Các hệ thống liên tỉnh với dung lượng rất lớn và tốc độ truyền dẫn 140Mb/s trở lên, cự li truyền dẫn rất xa. Hệ thống gồm các trạm đầu cuốivà các trạm lặp với cự li khỏang lặp lớn hơn 50km cho đến hàng trăm km.
Đặc biệt các hệ thống cáp quang quốc tế dưới biển hiện nay đều được thiết kế với tốc độ 280,420,565,1200 và 2400Mb/s với cự li khỏang lặp từ40-->400km.
VI. Các thế hệ phát triển của hệ thống truyền dẫn quang1. Thế hệ thứ nhất Bắt đầu từ những năm 1970. Sợi sử dung chủ yếu là loại SI hoặc GI, bước sóng ngắn 0,85mm. Linh kiện pháp là LD hoặc LED. Linh kiện thu là diot quang Si. V́ có ảnh hưởng của tán xạ vật liệu và tán xạ mốt. Nên tích số độ rộng băng (B) và độ dài khỏang lặp (L) nhá. BL=400-->1200MHz. Tán xạ và tiêu hao của sợi quang lớn nên hạn chế tốc độ truyền và cự li khỏang lặp. Hệ thống có dung lượng nhỏ và trung b́nh, chủ yếu sử dụng trong mạng trung kế và tổng đài.
2.Thế hệ thứ haiNhờ tiến bộ của công nghệ sợi quang chuyeern sang sử dung bước sóng dài 1,3mm. Sợi loại đa mốt GI, linh kiện phát là LD,LED loại InGaAsP. Linh kiện thu là APD Hoặc PIN nhóm III-IV hoặc tổ hợp PIN-GaAsMESFET. Không c̣n tán xạ vật liệu, c̣n tán xạ mốt, tích số BL tăng lên. Tốc độ truyền trung b́nh 34Mb/s cù li trung b́nh 3km.
3. Thế hệ thứ baSử dụng sợi đơn mốt SM, bước sóng dài 1,3m.Không c̣n tán xạ mốt và vật liệu. Tán xạ tổng cộng rất bé. Hệ thống dùng cho đường trục với dung lượng lớn, tốc độ truyền dẫn cao và vượt cự li xa.
Thực tế độ dài khỏang lặp L tỉ lệ nghịch với tán xạ trung b́nh và độ rộng phổ bức xạ, do đó muốn tăng L th́ giảm tán xạ của sợi quang hoặc gỏam độ rộng phổ bức xạ.
Nếu sử dụng LD cộng hưởng Fabry-Perot thông thường (FP-LD) đạt cự li 50-60km cho hệ thống 140MB/s ở bứoc sóng 1,3mm
Nếu tốc độ cao 400MB/s và 565MB/s để cự li 50km. Khi dùng FP-LD th́ phải chọn và điều khiển cáp có tán xạ nhỏ và độ rộng phổ nhỏ, cáp được lắp đặt tốt.
Với tốc độ cao 1GB/s, muốn đạt 59km th́ chọn nguồn bức xạ có độ rộng phổ nhỏ. Loại FP_LD có vạch phổ rộng làm giảm L do tán xạ tăng, gây ra tạp âm phân bố mốt. Thế hệ này được sử dụng rộng răi trên thế giới.
4. Thế hệ thứ tư Tăng tốc độ truyền dẫn, cự li khỏang lặp lớn th́ phải:
Giảm tổn hao sợi quang đồng thời có tán xạ nhỏ. Sợi quang đơn mốt có tán xạ dịch chuyển DS-SM được sử dụng.
Sử dông diot laser phát tin cậy, có độ rộng phổ bức xạ bé, đơn mốt. Các diot laser BH-LD và DFB-LD được chọn.
Chọn diot thu quang có độ nhạy cao. Loại APD cấu tạo gồm nhiều lớp InGaAsP có tạp âm nội và ḍng tối nhỏ. Loại PIN có tạp âm nhỏ dùng với GaAs-MESFET làm bộ tiền khuếch đại có trở kháng vào cao và điện dung kƯ sinh nhá. Cho phép tăng đọ nhạy thu.
5. Xu thế phát triển của hệ thống truyền dẫn quang tương lai- Sử dụng kĩ thuật phân kênh theo bứoc sóng WDM sử dụng khi nhu cầu truyền dẫn tăng vượt quá số lượng đường thông tin hiện có. Mỗi kênh quang cần có bộ lặp trung gian riêng. Ghép nhiều kênh quang với tốc độ bít của mỗi kênh rất lớn.
- Sử dụng kĩ thuật ghép kênh tần số quang FDM kết hợp thu Coherent, nhờ đạt mật độ kênh rất cao. Trong tương lai phương pháp Coherent đóng vai tṛ chủ yếu v́ tăng độ nhạyh máy thu quang lên 17dB. Cù li khỏang lặp kéo dài đáng kể .
Truyền dẫn 46bit qua khỏang lặp 155km
Truyền dẫn 36bit/s và 400Mbit/s vượt khỏang lặp 300km. Khó khăn là chế tạo diot leser bức xạ ánh sáng kết hợp chất lương cao.
- Phát triển các loại sợi quang trên vật liệu mới Flor(F) thay SiO[SUB]2[/SUB], đạt giá trị tiêu hao bé, cự li khỏang lặp hàng ngàn km.
- Phát triển vi mạch quang. Tích hợp và quang điện tử tích hợp DEIC. Sử dụng cách thức mới sử dụng tín hiệu điện, quang để xử lí ánh sáng

VII. Ưu điểm của kĩ thuật truyền dẫn quangSợi quang nhỏ và nhẹ hơn cáp kim loại. Đường kính mẫu của sợi quang là 0,1mm nhỏ hơn nhiều cáp đồng trục có đường kính là 10mm.
Do nhỏ và nhẹ hơn, dễ uốn cong, chi phí chế tạo Ưt, lại được lắp đặt dễ dàng ngay cả bằng tay. Các cáp quang hiện nay cho phép tăng cường được nhiều kênh truyền mà tăng đường kính Ưt.
Sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh là môi trường trung tính với ảnh hưởng của nước, axit, kiềm v.v nên không sợ bị ăn ṃn nếu lớp ngoài bảo vệ có hư hỏng th́ bên trong sợi thuỷ tinh c̣n tốt th́ vẫn hoạt động được .
Sợi thuỷ tinh là sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện không sợ bị chập mạch.
Tín hiệu truyền trong sợi quang không sợ bị ảnh hưởng của điện từ bên ngoài. Nên có thể sử dụng ở những nơi có nhiễu điện từ trường mạnh nh­ là trong nhà máy, nhà máy điện
V́ nhẹ và không ảnh hưởng của điện từ nên được dùng trong máy bay, tàu thuỷ, trong công nghiệp truyền số liệu.
V́ không gây nhiễu ra bên ngoài và không gây xuyên âm giữa các sợi quang nên bảo đảm không bị nghe trém.
V́ là sợi điện môi nên đầu vào và ra cách điện nhau không có mạch ṿng chạy qua đất.
Tiêu hao nhỏ và không phụ thuộc vào tần số tín hiệu. Tiêu hao nhá trong dải tần rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng truy nhập tốc độ lớn hơn cáp kim loại khi có cùng chi phí xây dựng.
V́ tiêu hao nhỏ nên cho phép khoảng lặp lớn.
VIII. Nhược điểmTruyền dẫn quang đ̣i hỏi đầu tư ban đầu rất lớn và tốn kém. Nước ta là nước đang pháp triển nên vấn đề này gặp nhiều khó khăn.
Lắp đặt giữa các sợi quang đ̣i hỏi độ chính xác cao, thiết bị th́ đắt tiền













Chương 2: Sợi quangI. Nguyên lí truyền dẫn ánh sáng, cấu tạo và phân loại1. Nguyên lí Dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trừơng. Khi nó đi từ môi trường chiết suất cao hơn sang môi trường chiết suất thấp hơn để truyền ánh sáng trong sợi quang