Máy phát quang được phát triển và hoạt động như thế nào
Việc sử dụng sóng ánh sáng để truyền tín hiệu truyền hình và thông tin dữ liệu là một ngành khoa học công nghệ mới được phát triển vào cuối thế kỷ 20. Sự xuất hiện của nó đã cho phép thế giới'ngành công nghiệp thông tin phát triển nhanh chóng. Hiện nay công nghệ truyền dẫn cáp quang đang phát triển với tốc độ vượt xa con người'sự tưởng tượng của bạn. Tốc độ truyền quang của nó cao hơn 100 lần so với 10 năm trước và ước tính nó sẽ tăng khoảng 100 lần trong quá trình phát triển trong tương lai. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ truyền dẫn cáp quang, việc ghép kênh, phân kênh, định tuyến và chuyển mạch có thể được thực hiện trong miền quang. Mạng có thể sử dụng tài nguyên băng thông khổng lồ của cáp quang để tăng dung lượng mạng và thực hiện việc truyền tải “trong suốt” của nhiều dịch vụ.
Hệ thống truyền dẫn quang chủ yếu bao gồm các máy phát quang, máy thu quang, bộ tách quang, cáp quang và các thành phần khác.
I. Nguyên lý cơ bản của việc truyền tín hiệu quang bằng sợi quang
Truyền dẫn quang là công nghệ truyền dưới dạng tín hiệu quang giữa người gửi và người nhận. Quá trình truyền dẫn quang tín hiệu TV được thực hiện giữa bộ phát quang, sợi quang và bộ thu quang; bộ phát quang trong phòng máy tính trung tâm chuyển đổi tín hiệu TV RF đầu vào thành tín hiệu quang, bao gồm bộ chuyển đổi điện/quang (Bộ chuyển đổi quang điện (E/O) đã hoàn thành và tín hiệu quang đã chuyển đổi được nhận bởi thiết bị thu dẫn hướng truyền dẫn sợi quang (bộ thu quang) và bộ thu quang chuyển đổi tín hiệu quang thu được từ sợi quang thành tín hiệu điện. Do đó, nguyên lý cơ bản của tín hiệu truyền quang là toàn bộ quá trình điện/quang và quang/. chuyển đổi điện, còn được gọi là liên kết quang.
Phương pháp truyền dẫn quang hiện nay sử dụng điều chế cường độ ánh sáng. Ví dụ, một thiết bị phát sáng dựa trên tia laser phát ra cái gọi là ánh sáng kết hợp có cùng pha. Do đó, một phương pháp điều chế làm thay đổi cường độ sáng tổng thể được áp dụng. Nó sử dụng sự thay đổi tuyến tính của công suất quang đầu ra tương ứng với sự thay đổi của dòng tín hiệu đầu vào của bộ chuyển đổi điện/quang. đặc trưng.
Trong Bộ chuyển đổi quang-điện (O/E), dòng điện đầu ra tỷ lệ thuận với cường độ tín hiệu quang đầu vào. Do đó, dạng sóng dòng điện đầu ra của bộ chuyển đổi quang/điện tương tự như dạng sóng dòng điện đầu vào của bộ chuyển đổi điện/quang, đạt được mục đích truyền tín hiệu.
Vậy sợi quang dẫn tín hiệu quang như thế nào? Hiện nay, sợi quang được sử dụng trong hệ thống truyền hình cáp là sợi quang hình trụ, bao gồm một trụ sợi quang và lớp bọc và là vật liệu thủy tinh thạch anh. Lớp bọc có vai trò bao bọc chặt ánh sáng trong sợi quang, bảo vệ lõi và tăng cường độ bền của chính sợi quang. Vai trò của lõi sợi là truyền tín hiệu quang. Mặc dù cả lõi và lớp bọc đều được làm bằng vật liệu thủy tinh thạch anh, nhưng có sự khác biệt về thành phần pha tạp của cả hai trong quá trình sản xuất, dẫn đến chỉ số khúc xạ khác nhau (lõi là 1,463 ~ 1,467 và lớp bọc là 1,45 ~ 1,46), tất nhiên, cũng liên quan đến các vật liệu khác nhau được sử dụng. Khi nguồn sáng do tia laser phát ra đi vào lõi sợi, khi ánh sáng đi vào giao diện của lớp bọc, miễn là góc tới lớn hơn góc tới hạn thì sự phản xạ toàn phần sẽ xảy ra trong lõi và ánh sáng sẽ không rò rỉ vào tấm ốp. Tín hiệu quang trong lõi sẽ tiếp tục truyền đi không gián đoạn cho đến khi được truyền tới bộ thu quang. Quá trình này là nguyên tắc cơ bản của việc truyền tín hiệu quang trong sợi quang.
II. Biến dạng trong truyền dẫn quang
Khi ánh sáng được truyền trong sợi quang, một số biến dạng cũng sẽ xảy ra. Nguyên nhân của sự biến dạng như sau:
(1) Trong hệ thống truyền dẫn cáp quang, do đặc tính chuyển đổi điện/quang của laser bán dẫn không tuyến tính, tín hiệu quang đầu ra không phù hợp với sự thay đổi của dòng điện kích thích, dẫn đến méo, gọi là méo điều chế. Giá trị của chỉ số điều chế M không được phép quá lớn. Cần phải chọn máy phát quang có hiệu suất cao và công nghệ xử lý tiền biến dạng mạnh. Công nghệ xử lý biến dạng trước sử dụng thiết kế nhân tạo để tạo ra biến dạng trước nhằm cải thiện độ tuyến tính điều chế, nhằm loại bỏ và giảm thiểu hệ thống truyền dẫn cáp quang. Mục đích của CSO và CTB.
(2) Trong hệ thống truyền dẫn quang, do bộ khuếch đại RF điều khiển và bộ khuếch đại RF thu ít có khả năng bị biến dạng, nên photodiode PIN tuyến tính có thể bỏ qua hiện tượng méo nhẹ vì mức tín hiệu không quá cao. Lý do chính là sự biến dạng của đặc tính điều chế laser bán dẫn và sự phân tán sợi quang.
(3) Khi tia laser điều chỉnh cường độ ánh sáng, bước sóng của ánh sáng sẽ thay đổi và điều chế tần số bổ sung sẽ xuất hiện, điều này sẽ mở rộng tần số tín hiệu và gây ra hiệu ứng chirp, biểu hiện chủ yếu là biến dạng CSO.
(4) Đặc tính phân tán của sợi quang sẽ gây ra sự khác biệt về độ trễ nhóm của các bước sóng khác nhau, dẫn đến hiện tượng méo do thời gian đến thiết bị đầu cuối không nhất quán, chủ yếu là méo CSO.
Biến dạng tạo ra trong hệ thống truyền dẫn cáp quang chủ yếu là biến dạng CSO và mức độ biến dạng CTB nhỏ hơn nhiều so với biến dạng CSO. Để đảm bảo chất lượng truyền của hệ thống và làm cho tỷ lệ sóng mang trên tạp âm và hiệu suất biến dạng của hệ thống trong phạm vi hợp lý, các biện pháp được thực hiện là sử dụng chung các chỉ báo CNR để cân bằng các chỉ báo CSO và CTB. Nếu bạn tăng hoặc giảm giá trị CNR thêm 1dB thì CSO sẽ xấu đi hoặc cải thiện thêm 1dB và chỉ số CTB sẽ xấu đi hoặc cải thiện thêm 2dB.
III. Nguyên lý làm việc của máy phát quang
Thiết bị quang học quan trọng nhất trong máy phát quang là laser bán dẫn. Trên thực tế, nó là một diode laser (LD). Tất nhiên, một số không sử dụng điốt laser mà sử dụng điốt phát quang bán dẫn (Light Eming Diode, LED). của.
Máy phát quang 1310nm thường áp dụng chế độ điều chế trực tiếp (điều chế biên độ dải biên vết tích, chế độ VSB-AM). Chức năng của nó là chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang, có thể đạt được bằng cách thay đổi nguồn điện của tia laser được bơm thông qua một mạch điện bên ngoài. Mạch phân cực mà nó thiết lập có thể cung cấp nguồn năng lượng phân cực tốt nhất cho tia laser. Laser sẽ có công suất đầu ra khác nhau khi dòng điện phân cực khác nhau. Để đảm bảo đầu ra công suất quang ổn định, cần thiết kế mạch điều khiển tự động cho công suất quang và nhiệt độ laser, chẳng hạn như sử dụng máy vi tính để đạt được trạng thái hoạt động tốt nhất của điều khiển tự động của máy phát quang.
Laser được sử dụng rộng rãi làm bộ dao động quang học (tức là các thiết bị phát sáng), dựa vào sự tương tác giữa trạng thái năng lượng của vật liệu môi trường laser và ánh sáng.
Để tia laser hoạt động, phải có một dòng điện nhất định. Có một mối quan hệ nhất định giữa kích thước của dòng điện này và cường độ ánh sáng. Khi dòng điện tăng thì cường độ ánh sáng tăng mạnh. Điều này cho thấy tia laser đã bắt đầu hoạt động. Điều này làm cho tia laser hoạt động. Dòng điện được gọi là dòng ngưỡng. Nó càng nhỏ thì càng tốt vì nó đã cho phép tia laser hoạt động. Nếu dòng ngưỡng tiếp tục tăng thì vùng bão hòa đầu ra sẽ được hình thành. Khi dòng điện vùng bão hòa đạt đến một giá trị nhất định, tín hiệu sẽ được truyền đi. Về công suất cần thiết để truyền dẫn cáp quang, công suất đầu ra của một vài megawatt trong vùng tuyến tính có thể đáp ứng yêu cầu truyền tín hiệu và thông tin ở khoảng cách xa. Ngoài cường độ ánh sáng, chất lượng truyền ánh sáng còn liên quan đến các vấn đề như quang phổ và nhiễu.
Phổ đa bước sóng không phù hợp để truyền tín hiệu analog chất lượng cao. Ngay cả khi nó hoạt động ở chế độ đơn, phổ phát xạ của nó vẫn có độ rộng. Chiều rộng càng hẹp thì sóng ánh sáng càng tinh khiết và càng kết hợp theo thời gian. Đó là sóng ánh sáng có sự kết hợp tốt. Sóng ánh sáng có độ kết hợp tốt không cần thấu kính và các thiết bị khác để hội tụ nó thành một điểm nhỏ và nó phù hợp hơn với tần số của sợi quang.
IV. Nguyên lý hoạt động của máy thu quang
Thành phần chính của bộ thu quang là bộ tách sóng quang, tức là điốt quang có độ nhạy cao (PIN). Photodiode sử dụng hiệu ứng quang điện của chất bán dẫn để hoàn thành việc phát hiện tín hiệu quang để tín hiệu quang được khôi phục thành tín hiệu TV RF, sau đó là tín hiệu RF Sau khi khuếch đại và điều khiển mức AGC, tín hiệu RF đủ tiêu chuẩn được xuất ra cho phân phối mạng.
Các công nghệ chính của máy thu quang là C/N, C/CTB và C/CSO. Ba chỉ số kỹ thuật này đều được xác định bởi hiệu suất của mô-đun chuyển đổi quang điện. Trong trường hợp đầu vào nguồn quang giống nhau, mức RF của đầu ra chuyển đổi sẽ khác nhau. Khi hiệu suất chuyển đổi của mô-đun quang điện cao, công suất đầu ra của nó Ngay cả khi ở mức cao, chỉ số giá trị C/N do nó mang lại là tốt và ngược lại, chỉ số giá trị C/N trở nên kém hơn. Hai chỉ tiêu kỹ thuật C/CSO và C/CTB được xác định bởi tính tuyến tính của môđun quang điện. Mô-đun quang điện chất lượng cao cho phép dải công suất thu rộng hơn trong cùng chỉ báo C/CSO và C/CTB.
V. Triển vọng phát triển của thiết bị quang học
Với sự cập nhật liên tục của công nghệ truyền dẫn cáp quang trong mạng băng thông rộng và sự cải tiến liên tục của các dịch vụ đa chức năng, yêu cầu về đặc tính truyền dẫn của thiết bị quang và cáp quang ngày càng cao hơn. Thời đại cáp quang thay thế dây đồng cuối cùng cũng sắp đến. Với bước chân của thời đại thông tin Với sự ra đời, triển vọng phát triển của công nghệ truyền dẫn quang học là rất rộng lớn.
Lựa chọn và sử dụng máy phát quang
Bộ phát quang là thiết bị cốt lõi của hệ thống truyền dẫn cáp quang. Chức năng của nó là điều chỉnh quang học đầu vào tín hiệu điện truyền hình cáp tần số vô tuyến đến máy phát quang để đạt được chuyển đổi điện và quang (E/O) và gửi tín hiệu quang liên tục, ổn định và đáng tin cậy đến hệ thống cáp quang. Các loại máy phát quang hiện nay trên thị trường: theo các phương pháp điều chế khác nhau, chúng được chia thành hai loại: máy phát quang điều chế trực tiếp và máy phát quang điều chế ngoài. Máy phát quang điều chế trực tiếp chủ yếu được sử dụng trong hệ thống cáp quang 1310nm và máy phát quang điều chế bên ngoài chủ yếu được sử dụng trong hệ thống cáp quang 1550nm. Bất kể nó là máy phát quang được điều chế trực tiếp hay điều chế bên ngoài, thành phần cốt lõi của nó bao gồm các tia laser.
Điều chỉnh trực tiếp máy phát laser
1. Thành phần
Thành phần của máy phát quang điều chế trực tiếp, ngoài các thành phần laser DFB thành phần cốt lõi, còn có nguồn điện, mạch phân cực laser, mạch khởi động chậm laser, mạch bảo vệ quá tải và mạch bảo vệ truyền động, mạch điều khiển công suất và làm mát, ánh sáng mạch phát hiện, mạch bù méo, chip tách sóng quang (PIN) (để phát hiện công suất quang và điều khiển công suất tự động), tủ lạnh bán dẫn và nhiệt điện trở để điều khiển nhiệt độ tự động hai chiều (ATC), v.v.
2. Quy trình làm việc
Tín hiệu đầu vào của máy phát quang là tín hiệu tần số vô tuyến TV (RF). Ở đầu trước, nhiều tín hiệu RF được trộn thành một tín hiệu bằng bộ ghép kênh và sau đó được gửi đến đầu vào của máy phát quang. Sau khi được khuếch đại bởi bộ tiền khuếch đại, nó được điều khiển suy giảm, bù méo và điều khiển mức công suất tự động bằng điện tử. , Sau đó điều khiển chip laser thực hiện điều chế điện/quang và chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu điều chế quang. Việc thêm bộ cách ly quang vào đầu ra có thể làm giảm đáng kể ảnh hưởng của sóng ánh sáng phản xạ từ cáp quang lên tia laser. Tín hiệu quang được gửi đến cáp quang thông qua khớp di động quang và tín hiệu quang được truyền đến từng điểm quang thông qua cáp quang.
Có thể thấy, công suất truyền và độ méo phi tuyến của laser phụ thuộc vào dòng điện phân cực (IO), do đó bộ phát quang được trang bị mạch phân cực và mạch bù méo của laser để đảm bảo sự ổn định của chỉ số phi tuyến và đầu ra truyền tải.
Khi nhiệt độ của tia laser tăng lên, ngưỡng sẽ tăng lên, cường độ ánh sáng đầu ra bão hòa sẽ giảm và phạm vi tuyến tính của đường cong PI sẽ giảm (tức là phạm vi tự động thứ 2 sẽ giảm). Để đảm bảo bộ phát quang luôn hoạt động bình thường thì phải đảm bảo tia laser hoạt động ở nhiệt độ không đổi (thường là 25bằng cấpC). Bộ làm mát bán dẫn và nhiệt điện trở dùng để điều khiển nhiệt độ tự động hai chiều (ATC) của bộ phát quang được đảm bảo hoạt động ở nhiệt độ không đổi 25bằng cấpC.
Có một bộ vi xử lý trong bộ phát quang và dữ liệu trạng thái hoạt động tốt nhất của tia laser được lưu trữ trong chip. Tia laser có thể được khởi động chậm và dòng truyền động RF TV có thể tự động ngắt kết nối để bảo vệ tia laser. Các công tắc khác nhau ở mặt trước của bộ phát quang được điều khiển bởi bộ vi xử lý.
Sự thay đổi nhiệt độ và sự lão hóa của thiết bị sẽ gây ra những thay đổi về dòng ngưỡng laser và hiệu suất chuyển đổi quang điện. Nếu muốn kiểm soát chính xác công suất đầu ra quang của laser, bạn nên giải quyết nó từ hai khía cạnh: một là kiểm soát dòng điện phân cực của laser để nó tự động theo dõi ngưỡng. Sự thay đổi dòng điện đảm bảo tia laser luôn hoạt động ở trạng thái phân cực tốt nhất; thứ hai là điều khiển biên độ của dòng điều chế laser để tự động theo dõi sự thay đổi của hiệu suất chuyển đổi điện và quang. Điều khiển công suất tự động hoàn thành hai nhiệm vụ trên để đảm bảo rằng tia laser phát ra công suất quang chính xác.
Máy phát quang được điều chế bên ngoài
Máy phát quang được điều chế bên ngoài bao gồm bộ điều biến bên ngoài, laser, mạch điều khiển laser, mạch điều khiển điều chế, bộ vi xử lý, mạch tiền biến dạng, bộ tách sóng quang, bộ suy giảm tín hiệu RF, bộ khuếch đại, nguồn điện, v.v.
3. So sánh máy phát quang điều chế trực tiếp và điều chế ngoài
Máy phát điều chế trực tiếp chủ yếu được sử dụng cho laser DFB. Laser DFB có độ tuyến tính tốt và có thể thu được giá trị CTB và CSO tốt hơnkhông có sự bù đắp của các mạch tiền biến dạng. Tuy nhiên, do điều chế trực tiếp nên có thêm điều chế tần số và các chỉ số méo phi tuyến (đặc biệt là giá trị CSO) khó có thể cao lắm.
Máy phát DFB có hiệu suất ổn định, cấu trúc đơn giản và giá thành thấp nên được sử dụng rộng rãi.
Công suất của máy phát quang điều chế trực tiếp nhìn chung không quá lớn, trong vòng 18nw, do đó khoảng cách truyền bị hạn chế và thường được sử dụng trong mạng phân phối địa phương và mạng truyền dẫn cáp quang cấp thị trấn. Loại máy phát quang này chủ yếu được sử dụng trong mạng cáp quang 131{4}nm và độ suy giảm cáp quang 1310nm là 0,35db/km nên khoảng cách truyền tối đa không vượt quá 35 km.
Máy phát quang được điều chế bên ngoài: công suất đầu ra cao, lên tới 2×20mw trở lên (hai đầu ra), độ nhiễu thấp và không có biến dạng cso do sự kết hợp giữa đặc tính điều chế tần số bổ sung và phân tán sợi tương tự như LD. Vì vậy, nó thường được sử dụng trong truyền dẫn đường dài của các hệ thống có dây quy mô lớn. Các máy phát quang được điều chế bên ngoài thường sử dụng laser YAG. Sau khi laser YAG được điều chế bên ngoài, độ tuyến tính rất kém và phải sử dụng các mạch tiền biến dạng để bù lại. Do độ phân tán ít hơn nên máy phát quang YAG rất phù hợp với sợi quang có bước sóng 1550nm, chủ yếu được sử dụng trong mạng cáp quang 1550nm. Ánh sáng YAG được truyền trong mạng cáp quang 1550nm, có thể được sử dụng để khuếch đại và chuyển tiếp. Sợi quang 1550nm có độ suy giảm nhỏ (0,25db/km), do đó máy phát quang YAG có thể được sử dụng để truyền khoảng cách siêu dài. Máy phát quang điều chế bên ngoài được sử dụng trong mạng cáp quang 1310nm và khoảng cách truyền có thể đạt tới 50 km, cũng nhanh hơn khoảng cách truyền của máy phát quang điều chế trực tiếp. Tuy nhiên, các máy phát quang được điều chế bên ngoài rất đắt tiền và mạng cáp quang để truyền khoảng cách ngắn hiếm khi sử dụng các máy phát quang được điều chế bên ngoài.
4. Các chỉ số kỹ thuật của máy phát quang
Các chỉ số kỹ thuật của bộ phát quang là cơ sở để lựa chọn bộ phát quang, các thông số hoạt động tốt của bộ phát quang ảnh hưởng trực tiếp đến các chỉ số kỹ thuật tốt của toàn bộ hệ thống truyền hình cáp.
5. Lựa chọn máy phát quang
Điều rất quan trọng đối với các kỹ thuật viên truyền hình cáp là phải hiểu và nắm vững thành phần, nguyên lý làm việc và các thông số hoạt động của máy phát quang, bởi vì chỉ khi nắm vững nguyên lý làm việc cơ bản và các chỉ số hoạt động kỹ thuật của máy phát quang thì máy phát quang mới có thể được sử dụng hiệu quả và hợp lý. Bảo trì hàng ngày tốt.
Hiện nay có rất nhiều nhà sản xuất máy phát quang trong và ngoài nước. Có nhiều loại máy phát quang hơn, các chỉ số hoạt động và giá bán lẻ cũng rất khác nhau. Lựa chọn hợp lý có lợi rất lớn trong việc đảm bảo chất lượng của mạng cáp quang và giảm chi phí xây dựng mạng. Tỷ lệ hiệu suất-giá cao, hệ thống đảm bảo chất lượng đáng tin cậy và đảm bảo dịch vụ hậu mãi tốt là sự lựa chọn của thiết bị quang học
