Szakdolgozat a konstantini egyetem tudományos tudományok doktora oklevél megszerzéséhez 1

ALGÍRIA NÉPI ÉS DEMOKRATIKUS KÖZTÁRSASÁG FELSŐOKTATÁSI ÉS TUDOMÁNYOS KUTATÁSI MINISZTÉRIUMA Konstantin Egyetem 1 TECHNOLÓGIATUDOMÁNYI KAR ELEKTRONIKAI TANSZÉK Tézis: 2014.06.06. A zsűri előtt Prof. LATRECHE Saida Egyetem Konstantin 1 elnök Prof. HOBAR Farida University Constantine 1 előadó Dr. HERVE Yannick Strasbourgi Egyetem társelőadó Prof. BOUGUECHAL Nour-Eddine Batna Egyetem vizsgáztató Prof. CHALABI Djillali Nemzeti Műszaki Iskola Oran vizsgáztató Prof. BOUCHEMAT Mohamed Konstantin Egyetem 1 vizsgáztató

egyetem

Táblázatok listája Táblázatok listája II. Fejezet II.1. Táblázat: Különböző fizikai mezőkhöz kapcsolódó fluxus és erők. 49 Mellékletek A.1. Táblázat: Összehasonlító vizsgálat a MATLAB, a Modelica, a MAST és a VHDL-AMS között 152 A.2. Táblázat: A VHDL-AMS szimulátorok összehasonlítása. 153

Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék Általános bevezetés. 1 I. fejezet: Az optikai összeköttetést alkotó optoelektronikai alkatrészek bemutatása I.1 Bevezetés. 6 I.2 A modellezés célkitűzései. 7 I.2.1 A VCSEL modellezés célkitűzései. 8 I.2.2 Az optikai szál modellezésének célkitűzései. 8 I.2.3 A PIN fotodióda modellezés célkitűzései. 8 I.3 Átviteli blokk. 8 I.3.1 A VCSEL előnyei. 9 I.3.2 A félvezető lézer működési elve. 10 I.3.2.1. Erősítő közeg. 10 I.3.2.2 Nyerési feltétel. 10 I.3.2.3. A fázisfeltétel. 11 I.3.3 A VCSEL működése. 11 I.3.3.1. A VCSEL optikai folyamatai. 12 I.4 Optikai szálak. 13 I.4.1 A fény terjedése az optikai szálon keresztül. 15 I.4.1.1. A kritikus szög φ c. 15 I.4.1.2 Digitális nyitottság. 16 I.4.2 Az optikai szál előnye. 16 I.4.3 Az optikai szálak típusai. 17 I.4.3.1 Multimódusú optikai szál. 11 A. Gradiens indexű multimódusú szálak . 11 B. Lépésindexű multimódusú szálak. 11 I.4.3.2 Egymódú optikai szál. 22 I.4.4. Optikai szálak csillapítása. 21 I.4.4.1. A belső csillapítás (a felhasznált anyaghoz kapcsolódik). 21 I.4.4.2 Felszívódás. 21 I.4.4.3 Rayleigh-szórás. 21 I.4.4.4. Szórás. 22 A. Modális diszperzió (D mod). 22 B. Kromatikus diszperzió (Dλ). 22.

Tartalomjegyzék IV.2.4.2. Langevin erők. 112 IV.2.4.3 A zaj hatása. 111 IV.3 Optikai szál szimulációs eredmények. 111 IV.3.1. Indexgradienssel rendelkező optikai szál szimulációs eredményei. 111 IV.3.1.1 A modális és a kromatikus diszperzió hatása. 122 IV.3.1.2 A sávszélesség. 122 IV.3.1.3. Görbület szerinti veszteségek. 122 IV.3.1.4 Átviteli sebesség. 123 IV.3.2. Optikai szál eredményeinek modellezése a Hopping indexen. 124 IV.3.2.1 Modális és kromatikus diszperzió. 124 IV.3.2.2 Sávszélesség. 122 IV.3.2.3. Görbület szerinti veszteségek. 122 IV.3.3 Egymódú optikai szál modellezése. 122 IV.3.3.1. Kromatikus diszperzió, sávszélesség és görbületveszteség. 121 IV.3.4 Optikai teljesítmény az egyes alkatrészek kimenetén. 121 IV.4 PIN-fotodióda szimulációs eredményei. 132 III. 4.1 A fotodióda elektromos modellje. 132 IV.4.1.1 Statikus elemzés. 131 IV.4.1.2. Fényáram a PIN-fotodióda kimenetén. 141 IV.4.1.3 Feszültség a transzimpedencia erősítő kimenetén. 142 IV.5 Következtetés. 143 IV.6 Bibliográfiai hivatkozások. 143 Általános következtetés. 142 Szójegyzék. 141 Mellékletek. 122

Általános bevezetés fejezet bemutatja az átviteli rendszerünket alkotó optoelektronikai alkatrészek modelljeit. Ebben a részben elmagyarázzuk, hogyan kell deklarálni az optoelektronikus alkatrészeket a VHDL-AMS-ben, és hogyan kell használni az optikai/elektromos csatlakozásokat. Bemutatjuk továbbá a hőmérséklet, a modális diszperzió és a kromatikus diszperzió hatását az optikai távvezetékre. Ezt a tézist egy utolsó fejezettel fejezzük be, amely a VHDL-AMS nyelv módszertanának modelljeinken történő alkalmazásával foglalkozik. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy megközelítsük és finomítsuk a modell érvényesítési lépését. Végül szintetizáljuk a különböző szimulációs eredményeket. 3

Az optikai összeköttetést alkotó optoelektronikai alkatrészek bemutatása

I. fejezet: Az optikai összeköttetést alkotó optoelektronikai komponensek bemutatása I.4.4.5. Külső csillapítások. 22 I.4.4.6. Hajlatokkal és mikrohajlásokkal okozott veszteségek. 23 A. Görbület szerinti veszteségek. 23 B. Veszteségek mikrogörbítéssel. 23 I.4.4.7. Kapcsolódási veszteség. 24 I.4.5 Optikai szál optimális ablaka. 25 I.5 Vevőblokk. 26 I.5.1. A fotodetektor. 26 I.5.1.1. A fotodetektálás elve. 27 I.5.1.2. A fotodetektor jellemzői. 27 I.5.1.3 PIN-fotodiódák. 28 I.6 Az adatok bevitelének és észlelésének módszerei. 30 I.6.1 Modulációs technikák. 30 II.6.1.1. Közvetlen amplitúdó-moduláció. 30 I.6.2 Közvetlen észlelés. 30 I.7 Következtetés. 30 I.8 Bibliográfiai hivatkozások. 31 5

I. fejezet: Az optikai összeköttetést alkotó optoelektronikai alkatrészek bemutatása I.1. Ábra: Az optikai szálas kommunikációs rendszer általános blokkvázlata. I.2 A modellezés céljai Az átviteli rendszert, amelyet szimulálni tervezünk, az I.2. Ábra szemlélteti. Ez a rendszer egy kibocsátó eszközből áll, amely egy függőleges üregfelületet kibocsátó lézer (VCSEL) (az injektált elektromos jelet fényjelgé alakítja), egy száloptikai kábelből és egy PIN-fotodiódából, amely a fényjelet fogadja és átalakítja. jel. I.2. Ábra: Optikai átviteli lánc blokkvázlata. Ezt követően kitesszük az optikai távvezeték minden blokkjának modellezési célkitűzéseit. 7

I. fejezet: Az optikai összeköttetést alkotó optoelektronikai komponensek bemutatása I.4.4.6 Görbület és mikrogörbület által okozott veszteségek A szál görbületei módosítják ezen utak eloszlását a terjedés során. A. Hajlítási veszteségek A szál hajlításakor az I.14. Ábra szerint az üzemmódú fényenergia egy része távozhat a vezetőből és a burkolatba. A gyakorlatban a helyi görbület hatása elhanyagolható, ha az R görbület sugara nagy ahhoz a kritikus R c görbületi sugárhoz képest, amelyet empirikusan adtak meg az (I.6) egyenlettel a multimódusú szálak és az (I.7) egyenlet az egyszeres módszálak [I.18]. I.14. Ábra: Optikai szál görbülete. B. Mikrohajlási veszteségek Ezek a kábelek gyártása során jelentkeznek, amikor a mechanikai igénybevételek a szál mikro-deformációit okozzák, az I.15. Ábra szerint, ami fényveszteséget eredményez. Ezek a veszteségek nagyon gyorsan nőnek, amikor a szál átmérője csökken. I.15. Ábra: Optikai szál mikrogörbülete. 23