Дисертація на здобуття диплома ДОКТОРАТ НАУКИ ВІД КОНСТАНТИНСЬКОГО УНІВЕРСИТЕТУ 1
ПОПУЛЯРНО-ДЕМОКРАТИЧНА РЕСПУБЛІКА АЛЖИР МІНІСТЕРСТВО ВИЩОЇ НАВЧАННЯ ТА НАУКОВО-ДОСЛІДЖЕНЬ КОНСТАНТИНСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ 1 ФАКУЛЬТЕТ НАУК ТЕХНОЛОГІЇ КАФЕДРА ЕЛЕКТРОНІКИ Дисертація на здобуття диплома: 06.07.2014 р. Перед журі проф. LATRECHE Університет Саїди Костянтин 1 Президент Проф. HOBAR Університет Фаріда Костянтин 1 Доповідач д-р HERVE Страсбурський університет імені Янніка Співдоповідач проф. BOUGUECHAL Nour-Eddine University of Batna Examiner Проф. ЧАЛАБІ Джиллалі Національна політехнічна школа Оран Екзаменатор Проф. БУШЕМАТ Університет Костянтина Мохамеда 1 Екзаменатор
Список таблиць Список таблиць Розділ II Таблиця II.1: Потік і сили, що відносяться до різних фізичних полів. 49 Додатки Таблиця A.1: Порівняльне дослідження між MATLAB, Modelica, MAST та VHDL-AMS 152 Таблиця A.2: Порівняння симуляторів VHDL-AMS. 153
Зміст Зміст Загальний вступ. 1 Глава I: Презентація оптоелектронних компонентів, що становлять оптичну ланку I.1 Вступ. 6 I.2 Цілі моделювання. 7 I.2.1 Цілі моделювання VCSEL. 8 I.2.2 Завдання моделювання оптичного волокна. 8 I.2.3 Цілі моделювання PIN-фотодіодів. 8 I.3 Блок передачі. 8 I.3.1 Переваги VCSEL. 9 I.3.2 Принцип роботи напівпровідникового лазера. 10 I.3.2.1 Підсилюючий носій. 10 I.3.2.2 Умова перемоги. 10 I.3.2.3 Стан фази. 11 I.3.3 Експлуатація VCSEL. 11 I.3.3.1 Оптичні процеси VCSEL. 12 I.4 Оптичні волокна. 13 I.4.1 Поширення світла через оптичне волокно. 15 I.4.1.1 Критичний кут φ c. 15 I.4.1.2 Цифрова відкритість. 16 I.4.2 Перевага оптичного волокна. 16 I.4.3 Типи оптичних волокон. 17 I.4.3.1 Багатомодове оптичне волокно. 11 А. Індекс градієнта багатомодового волокна . 11 В. Індекс кроку багатомодового волокна. 11 I.4.3.2 Одномодове оптичне волокно. 22 I.4.4 Затухання в оптичних волокнах. 21 I.4.4.1 Власне послаблення (пов’язане із використаним матеріалом). 21 I.4.4.2 Поглинання. 21 I.4.4.3 Релеєве розсіювання. 21 I.4.4.4 Дисперсія. 22 А. Модальна дисперсія (D мод). 22 B. Хроматична дисперсія (Dλ). 22
Зміст IV.2.4.2 Сили Лангевена. 112 IV.2.4.3 Вплив шуму. 111 IV.3 Результати моделювання оптичного волокна. 111 IV.3.1 Результати моделювання оптичного волокна з градієнтом індексу. 111 IV.3.1.1 Вплив модальної та хроматичної дисперсії. 122 IV.3.1.2 Пропускна здатність. 122 IV.3.1.3 Втрати через кривизну. 122 IV.3.1.4 Швидкість передачі. 123 IV.3.2 Моделювання результатів оптичного волокна за індексом стрибка. 124 IV.3.2.1 Модальна та хроматична дисперсія. 124 IV.3.2.2 Пропускна здатність. 122 IV.3.2.3 Втрати через кривизну. 122 IV.3.3 Моделювання одномодового оптичного волокна. 122 IV.3.3.1 Втрати хроматичної дисперсії, смуги пропускання та кривизни. 121 IV.3.4 Оптична потужність на виході кожного компонента. 121 IV.4 Результати моделювання PIN-фотодіода. 132 III. 4.1 Електрична модель фотодіода. 132 IV.4.1.1 Статичний аналіз. 131 IV.4.1.2 Фотострум на виході PIN-фотодіода. 141 IV.4.1.3 Напруга на виході підсилювача трансимпедансу. 142 IV.5 Висновок. 143 IV.6 Бібліографічні посилання. 143 Загальний висновок. 142 Глосарій. 141 Додатки. 122
Загальний вступний розділ, ми представляємо моделі оптоелектронних компонентів, що становлять нашу систему передачі. У цій частині ми пояснюємо, як декларувати оптоелектронні компоненти у VHDL-AMS та як використовувати оптичні/електричні з'єднання. Ми також представляємо вплив температури, модальної дисперсії та хроматичної дисперсії на оптичну лінію передачі. Ми закінчуємо цю тезу останнім розділом, присвяченим застосуванню методологій мови VHDL-AMS на наших моделях. Це дозволяє нам більш конкретно підійти та вдосконалити етап перевірки моделі. Нарешті, ми синтезуємо різні результати моделювання. 3
Презентація оптоелектронних компонентів, що становлять оптичну ланку
Глава I: Презентація оптоелектронних компонентів, що становлять оптичну ланку I.4.4.5 Зовнішні ослаблення. 22 I.4.4.6 Втрати на вигини та мікрозгини. 23 А. Втрати через кривизну. 23 B. Втрати при мікрокривизні. 23 I.4.4.7 Втрата через з'єднання. 24 I.4.5 Оптимальне вікно оптичного волокна. 25 I.5 Блок приймача. 26 I.5.1 Фотодетектор. 26 I.5.1.1 Принцип фотовизначення. 27 I.5.1.2 Характеристики фотодетектора. 27 I.5.1.3 PIN-фотодіоди. 28 I.6 Методи введення та виявлення даних. 30 I.6.1 Методи модуляції. 30 II.6.1.1. Пряма амплітудна модуляція. 30 I.6.2 Пряме виявлення. 30 I.7 Висновок. 30 I.8 Бібліографічні посилання. 31 5
Глава I: Презентація оптоелектронних компонентів, що складають оптичну ланку Рисунок I.1: Загальна блок-схема системи оптичного волокна зв'язку. I.2 Цілі моделювання Система передачі, яку ми плануємо імітувати, представлена на малюнку I.2. Ця система складається з випромінюючого пристрою, який є лазером, що випромінює вертикальну поверхню порожнини (VCSEL) (він перетворює вводиться електричний сигнал у світловий сигнал), волоконно-оптичного кабелю та PIN-фотодіода, який приймає світловий сигнал і перетворює його в електричний сигналу. Рисунок I.2: Блок-схема ланцюга оптичної передачі. Згодом ми розкриваємо цілі моделювання кожного блоку оптичної лінії передачі. 7
Глава I: Презентація оптоелектронних компонентів, що складають оптичну ланку I.4.4.6 Втрати через кривизну та мікровигинання Кривизни волокна змінять розподіл цих шляхів протягом усього поширення. A. Втрати на згинання При згинанні волокна, як показано на малюнку I.14, частина світлової енергії режиму може виходити з напрямної та виходити в облицювання. На практиці ефект локальної кривизни є незначним, коли радіус кривизни R великий у порівнянні з критичним радіусом кривизни R c, який дається емпірично рівнянням (I.6) для багатомодових волокон та рівнянням (I.7) для одно- режим волокон [I.18]. Рисунок I.14: Викривлення оптичного волокна. B. Втрати на мікрозгин Вони виникають під час виготовлення кабелів, коли механічні напруження спричиняють мікродеформації волокна, як показано на малюнку I.15, що призводить до втрат світла. Ці втрати дуже швидко збільшуються, коли діаметр волокна зменшується. Рисунок I.15: Мікровикривлення оптичного волокна. 23
Глава I: Презентація оптоелектронних компонентів, що становлять оптичну ланку I.4.4.7 Втрата через з'єднання Зв'язок між двома подібними волокнами здійснюється двома способами: У першій техніці зрощування здійснюється за допомогою спеціалізованої машини, що здійснює реальну зварюють між двома волокнами, розміщеними кінцем до кінця, плавленням з мікрофакелом або частіше за допомогою електричної дуги. Взаємне розташування двох волокон досягається за допомогою оптично керованих мікроманіпуляторів шляхом направлення інтенсивного променя в одне з волокон і вимірювання кількості світла, що передається в інше. Очевидно, ідеальне позиціонування збігається з максимумом пропусканого світла. Для з'єднання волокон між собою або з кінцевими елементами (лазерний діод або фотодіод) є спеціальні з'єднувачі. Дійсно, під час наскрізного з'єднання можна мати втрати внаслідок поздовжнього роз'єднання, радіального зсуву або кутового зсуву [I.23], як показано на малюнку I.16. Рисунок I.16: Розрахунок ослаблення з'єднання в оптичних волокнах. 24
Глава I: Презентація оптоелектронних компонентів, що становлять оптичну ланку I.4.5 Оптимальне вікно оптичного волокна Беручи до уваги загасання і дисперсію оптичних волокон, а також характеристики оптоелектронних компонентів, зазвичай визначаються вікна передачі, які відповідають діапазонам довжин хвиль. На багаторежимних та одномодових кремнеземних оптичних волокнах є, по суті, три вікна передачі. Ці вікна відповідають довжинам хвиль 850 нм, 1310 нм та 1550 нм, ослаблення яких відповідно складають порядку 3 дБ/км, 1 дБ/км та 0,2 дБ/км [I.24] (див. Малюнок I.17). Рисунок I.17: Оптимальні вікна оптичного волокна [I.25]. Перше вікно (0,8-0,9 мкм) Високе загасання (
3 дБ/км); Дуже недорогі компоненти (світлодіоди); Використовується лише в багаторежимному режимі; Використовується Optical Datacom; Низька вартість і споживання. Друге вікно (1,3-1,31 мкм) 25
Глава I: Презентація оптоелектронних компонентів, що становлять оптичну ланку, практично однорідне електричне поле, яке розділяє носії. Одна із зон, які перетинає світло (P або N), повинна бути тонкою, покритою антивідбивальним шаром, який покращує зовнішню квантову ефективність і захищає матеріал. PIN-фотодіод зазвичай використовує матеріал InGaAs для області I та матеріал InP для шарів P та N. Важливими параметрами, залежно від матеріалу та структури, що характеризують PIN-фотодіод, є чутливість, темний струм та час відгуку. Фотострум I ph прямо пропорційний падаючій оптичній силі P opt відповідно до рівняння (I.10). Де S - чутливість фотодіода в А/В (рівняння (I.11)), темний струм. Дійсно, S виражається як функція квантової ефективності η. Рисунок I. 19: Рівні енергії PIN-фотодіода. Що стосується часу відгуку, найкращі поточні фотодетектори можна використовувати до 100 ГГц [I.29]. 29
VHDL-AMS та методологія моделювання мультидисциплінарних систем
Глава II: VHDL-AMS та методологія моделювання мультидисциплінарних систем II.4 Основні елементи мови VHDL-AMS II.4.1 Структура моделі VHDL-AMS Модель VHDL-AMS складається з двох основних частин: специфікації сутності ( ключове слово: ENTITY), що відповідає зовнішньому вигляду моделі та архітектурі сутності (ключове слово: ARCHITECTURE), що відповідає внутрішньому погляду моделі. На малюнку II.3 показано структуру моделі VHDL-AMS [II.1, II.10]. Рисунок II.3: Структура моделі VHDL-AMS. II.4.1.1 Сутність Ми можемо порівняти сутність із чорним полем, де видно лише вузли взаємозв’язку. Це дозволяє після виклику корисних бібліотек (ключове слово: LIBRARY) та 44
Розділ II: VHDL-AMS та методологія моделювання мультидисциплінарних систем Рисунок II.5: Термінали організації. Природа - це асоціація двох реальних типів та ідентифікатора, вона пов'язана з ключовими словами зусиллями "поперек" та потоком "через", ідентифікатор пов'язаний із ключовим словом "посилання" (таблиця II.1). Таблиця II.1: Потік та зусилля, що стосуються різних фізичних доменів. Природа (домен) Сила (поперек) Потік (наскрізний) Електрична напруга Струм Теплова температура Потужність (Тепловий потік) Механіка обертання Кут швидкості Кручення Поступальна механіка Швидкість Магнітна сила Магнітна сила Магнітний потік Гідравлічний тиск Потік (потік) II.4.2.2 Кількості Кількості об'єкти, що несуть безперервні сигнали часу. Кількість може бути безкоштовною, галузевою, джерельною або мається на увазі. A. Вільна кількість (free_quantity) Кількість може бути оголошена в банку або локально в архітектурі. У цьому другому випадку він доступний лише локально. Його можна ініціалізувати (початкове значення за замовчуванням дорівнює нулю), призначити та брати участь у одночасних рівняннях. Декларування вільної кількості "Q" повинно здійснюватися згідно із зазначенням наступного коду: КІЛЬКІСТЬ Q: реальне: = 2,0; - Початкове значення (при t0-) Q дорівнює 2,0 49
miramond/cv/cvlg/node20.html. [II.23] А. ВАШУ, "Моделювання аналогових та змішаних систем - вступ до VHDLAMS", примітки до курсу 2003 EPFL. http://lsmwww.epfl.ch/design_languages/model_sys_mix/documents/modelmix03.pdf. [II.24] Р. Фреверт, Дж. Хаазе, Р. Янке, У. Кнохель, П. Шварц, Р. Какеров та М. Даріанян, Моделювання та моделювання для проектування РЧ-системи, Спрингер, перше видання, 2005. [II .25] J. Hartung, HJ Wassener, G. Tränkle, M. Schröter, сесія гарячих тем: RF Design Technolohy для високоінтегрованих систем зв'язку, IEEE, 2003. 63
Модель оптичного ланцюга передачі
Розділ III: Моделі оптичного ланцюга передачі A. Model_FO_GI. 92 B. Model_FO_SI. 95 III.6.2.2 Моделювання одномодового оптичного волокна. 95 III.6.2.3 Моделювання муфт VCSEL-Fibre та Fibre1-Fiber2. 95 III.6.3 Моделювання приймального блоку. 96 III.6.3.1 Моделювання перетворювача струму-напруга. 97 III. 6.4 Моделювання основної функції. 98 III.7 Висновок. 99 III.8 Бібліографічні посилання. 99 67
Глава III: Моделі оптичного ланцюга передачі Рисунок III.1: Типова блок-схема моделі компонента. На малюнку III.2 показана вся оптична лінія передачі. Це подання дає змогу виділити не тільки різні компоненти, що моделюються, але також їх вхідні/вихідні величини, а отже і площі, які слід враховувати на кожному рівні лінії. Рисунок III.2: Структурна схема оптоелектронної лінії передачі. III.3.2 Фізичне вивчення Певна кількість фізичних досліджень проводиться теоретичним шляхом або за підтримки спеціалізованих комп’ютерних засобів, тоді було можливим встановлення моделей низького рівня на основі основних рівнянь компонентів більш абстрактні моделі, що мають достатню ефективність для наміченої мети. За допомогою цієї методології систему можна повністю змоделювати на декількох рівнях абстракції. Після того, як результати моделювання на найнижчому рівні абстракції відповідають специфікаціям, можна змінити характеристики компонента, технології або муфти, щоб вивчити наслідки для всієї системи. Результати 71
Результати моделювання та аналіз
Глава IV: Результати моделювання та аналізу alpha_m: real: = 1.5e3; - коефіцієнт втрат дзеркал Брегга (1/м) xsi: реальний: = 0,25; - норма амортизації etafm: реальна: = 600,0e9; m0: реальний: = 0,089416; --чирп в смузі пропускання (Гц/А) - коефіцієнт струму в температурі (наближення - параболічний m1: реальний: = - 6.052e-4; m2: реальний: = 1.024e-6); - поточний температурний коефіцієнт (з експериментальної кривої - коефіцієнт поточної температури (віддаючи Ioff (A) - як функцію T (K)) IV.2.1 Статичні характеристики VCSEL (аналіз постійного струму) Як показано на малюнку IV.1, ми бачимо, що нижче порога випромінювання (I th = 1,5 мА) кількість фотонів дорівнює нулю, а кількість носіїв пропорційне струму впорскування I d. коли I d більше При I th, починається лазерний ефект і кількість носіїв стабілізується при постійному значенні, що називається порогом лазерного ефекту (N-го), тоді як число фотонів збільшується майже лінійно з введеним струмом. .1 (d) показує вихідну потужність як функцію введеного струму, який дорівнює 2,4 мвт при 8 мА. Пороговий струм 1,5 мА дає диференціальну квантову ефективність ΔP opt/ΔI = 0, 12 Вт/А. Результати моделювання статичного відгуку VCSEL аналогічні тим, що продемонстровані в [IV .4] [IV.5]. 107
Глава IV: Результати моделювання та аналізу Рисунок IV.1: Реакція VCSEL у статичному режимі: (a) Кількість носіїв; (b) Кількість фотонів; (c) Натяг по порожнині; (d) Оптична вихідна потужність. IV.2.2 Динамічні характеристики VCSEL IV.2.2.1 Поточна реакція: синусоїдальна, квадратна та псевдовипадкова Для того, щоб знайти динамічні характеристики VCSEL, ми живимо нашу систему спочатку частотною синусоїдою, потім квадратним струмом і, нарешті, псевдовипадковий струм, як показано на малюнках IV.2, IV.3 та IV.4. У всіх трьох випадках ми використовували як мінімальну інтенсивність струм, що перевищує поріг освітленості (1,5 мА), тому що, якщо ми використовуємо нульовий струм як мінімальну інтенсивність, потрібен певний час, щоб VCSEL починав пропускати світло, що може спричинити затримки, які можуть викликати неприємності при роботі на високих частотах. Справді, якщо я помру