Представена дисертация за получаване на диплома ДОКТОРАТ В НАУКА ОТ КОНСТАНТИНСКИ УНИВЕРСИТЕТ 1

ПОПУЛЯРНА И ДЕМОКРАТИЧНА РЕПУБЛИКА АЛЖИР МИНИСТЕРСТВО НА ВИСШЕТО ОБРАЗОВАНИЕ И НАУЧНИ ИЗСЛЕДВАНИЯ КОНСТАНТИНСКИ УНИВЕРСИТЕТ 1 ФАКУЛТЕТ НА ТЕХНОЛОГИИТЕ КАФЕДРА ПО ЕЛЕКТРОНИКА Дисертация: Докторска степен: 06/07/2014 Пред журито проф. LATRECHE Saida University Константин 1 Президент Проф. HOBAR Университет Фарида Константин 1 Докладчик д-р HERVE Yannick University of Strasbourg Съдокладчик проф. BOUGUECHAL Nour-Eddine University of Batna Examiner Проф. ЧАЛАБИ Джилали Национална политехническа школа Оран изпит Проф. BOUCHEMAT Университет Мохамед Константин 1 Изпитващ

представена

Списък на таблици Списък на таблици Глава II Таблица II.1: Поток и сили, свързани с различни физически полета. 49 Приложения Таблица A.1: Сравнително проучване между MATLAB, Modelica, MAST и VHDL-AMS 152 Таблица A.2: Сравнение на VHDL-AMS симулатори. 153

Съдържание Съдържание Общо въведение. 1 Глава I: Представяне на оптоелектронните компоненти, съставляващи оптична връзка I.1 Въведение. 6 I.2 Цели на моделирането. 7 I.2.1 Цели на VCSEL моделирането. 8 I.2.2 Цели на моделирането на оптични влакна. 8 I.2.3 Цели на ПИН фотодиодното моделиране. 8 I.3 Предавателен блок. 8 I.3.1 Предимства на VCSEL. 9 I.3.2 Принцип на работа на полупроводников лазер. 10 I.3.2.1 Усилваща среда. 10 I.3.2.2 Условие за победа. 10 I.3.2.3 Фазово състояние. 11 I.3.3 Работа с VCSEL. 11 I.3.3.1 Оптични процеси на VCSEL. 12 I.4 Оптични влакна. 13 I.4.1 Разпространение на светлината през оптичното влакно. 15 I.4.1.1 Критичният ъгъл φ c. 15 I.4.1.2 Цифрова отвореност. 16 I.4.2 Предимство на оптичните влакна. 16 I.4.3 Видове оптични влакна. 17 I.4.3.1 Многомодово оптично влакно. 11 А. Индекс на градиента многомодово влакно ... 11 Б. Индекс на стъпало многомодово влакно. 11 I.4.3.2 Едномодово оптично влакно. 22 I.4.4 Затихване в оптичните влакна. 21 I.4.4.1 Вътрешно затихване (свързано с използвания материал). 21 I.4.4.2 Абсорбция. 21 I.4.4.3 Релеево разсейване. 21 I.4.4.4 Дисперсия. 22 А. Модална дисперсия (D мод). 22 Б. Хроматична дисперсия (Dλ). 22.

Съдържание IV.2.4.2 Сили на Лангевин. 112 IV.2.4.3 Влияние на шума. 111 IV.3 Резултати от симулация на оптични влакна. 111 IV.3.1 Резултати от симулация на оптично влакно с градиент на индекса. 111 IV.3.1.1 Ефект от модалната и хроматична дисперсия. 122 IV.3.1.2 Честотна лента. 122 IV.3.1.3 Загуби по кривина. 122 IV.3.1.4 Скорост на предаване. 123 IV.3.2 Моделиране на резултати от оптично влакно при индекс на скачане. 124 IV.3.2.1 Модална и хроматична дисперсия. 124 IV.3.2.2 Пропускателна способност. 122 IV.3.2.3 Загуби по кривина. 122 IV.3.3 Моделиране на едномодови оптични влакна. 122 IV.3.3.1 Загуби на хроматична дисперсия, честотна лента и кривина. 121 IV.3.4 Оптична мощност на изхода на всеки компонент. 121 IV.4 Резултати от симулация на ПИН фотодиод. 132 III. 4.1 Електрически модел на фотодиода. 132 IV.4.1.1 Статичен анализ. 131 IV.4.1.2 Фототок на изхода на ПИН фотодиода. 141 IV.4.1.3 Напрежение на изхода на усилвателя на трансимпеданс. 142 IV.5 Заключение. 143 IV.6 Библиографски справки. 143 Общо заключение. 142 Речник. 141 Приложения. 122

Глава с общо въведение, представяме моделите на оптоелектронните компоненти, които съставляват нашата предавателна система. В тази част обясняваме как да декларираме оптоелектронни компоненти във VHDL-AMS и как да използваме оптични/електрически връзки. Представяме също влиянието на температурата, модалната дисперсия и хроматичната дисперсия върху оптичната предавателна линия. Завършваме тази теза с последна глава, посветена на прилагането на методологиите на езика VHDL-AMS върху нашите модели. Това ни позволява по-специално да подходим и усъвършенстваме стъпката за проверка на модела. Накрая синтезираме различните резултати от симулацията. 3

Представяне на оптоелектронните компоненти, съставляващи оптична връзка

Глава I: Представяне на оптоелектронните компоненти, съставляващи оптична връзка I.4.4.5 Вътрешни затихвания. 22 I.4.4.6 Загуби от завои и микрозавивки. 23 А. Загуби от кривина. 23 Б. Загуби от микрокривина. 23 I.4.4.7 Загуба чрез връзка. 24 I.4.5 Оптимален прозорец на оптично влакно. 25 I.5 Блок на приемника. 26 I.5.1 Фотодетекторът. 26 I.5.1.1 Принцип на фотодетектиране. 27 I.5.1.2 Характеристики на фотодетектора. 27 I.5.1.3 ПИН фотодиоди. 28 I.6 Методи за записване и откриване на данни. 30 I.6.1 Техника на модулация. 30 II.6.1.1. Директна амплитудна модулация. 30 I.6.2 Директно откриване. 30 I.7 Заключение. 30 I.8 Библиографски справки. 31 5

Глава I: Представяне на оптоелектронните компоненти, съставляващи оптична връзка Фигура I.1: Обща блок-схема на комуникационна система с оптични влакна. I.2 Цели на моделирането Предавателната система, която планираме да симулираме, е представена от Фигура I.2. Тази система се състои от излъчващо устройство, което е лазер с излъчваща повърхност с вертикална кухина (VCSEL) (преобразува инжектирания електрически сигнал в светлинен сигнал), оптичен кабел и PIN фотодиод, който приема светлинния сигнал и го преобразува в електрически сигнал. Фигура I.2: Блок-схема на оптична верига на предаване. Впоследствие излагаме целите за моделиране на всеки блок на оптичната предавателна линия. 7

Глава I: Представяне на оптоелектронните компоненти, съставляващи оптична връзка I.4.4.6 Загуби от кривина и микроизкривяване Кривините на влакното ще променят разпределението на тези пътища по време на разпространението. А. Загуби при огъване При огъване на влакното, както е показано на фигура I.14, част от светлинната енергия в режим може да излезе от водача и да излезе в облицовката. На практика ефектът от локалната кривина е незначителен, когато радиусът на кривината R е голям в сравнение с критичния радиус на кривината R c, даден емпирично от уравнение (I.6) за многомодовите влакна и уравнение (I.7) за единични- режим влакна [I.18]. Фигура I.14: Кривина на оптично влакно. Б. Загуби при микро огъване Те се появяват по време на производството на кабели, когато механичните напрежения причиняват микродеформации на влакното, както е показано на фигура I.15, което води до загуби на светлина. Тези загуби се увеличават много бързо, когато диаметърът на влакното намалява. Фигура I.15: Микрокривина на оптично влакно. 23.