Teză prezentată pentru obținerea diplomei de DOCTORAT ÎN ȘTIINȚE DE LA UNIVERSITATEA CONSTANTINĂ 1
REPUBLICA POPULARĂ ȘI DEMOCRATICĂ DIN ALGERIA MINISTERUL ÎNVĂȚĂMÂNTULUI SUPERIOR ȘI CERCETĂRI ȘTIINȚIFICE UNIVERSITATEA CONSTANTINĂ 1 FACULTATEA DE ȘTIINȚE ALE TEHNOLOGIEI DEPARTAMENTUL DE ELECTRONICĂ Teză prezentată pentru obținerea diplomei de DOCTORAT ÎN ȘTIINȚA ELECTRONICII UNIVERSITATEA 1 Specialitatea: Diploma: Universitatea 1 Specialitatea: Specialitatea: 06/07/2014 În fața juriului Prof. LATRECHE Universitatea Saida Constantin 1 Președinte Prof. HOBAR Farida University Constantine 1 Raportor Dr. HERVE Universitatea Yannick din Strasbourg Coraportor Prof. BOUGUECHAL Universitatea Nour-Eddine din Batna Examinator Prof. CHALABI Școala Politehnică Națională Djillali Oran Examinator Prof. BOUCHEMAT Universitatea Mohamed Constantine 1 Examinator
Lista tabelelor Lista tabelelor Capitolul II Tabelul II.1: Fluxul și forțele legate de diferite câmpuri fizice. 49 Anexe Tabelul A.1: Studiu comparativ între MATLAB, Modelica, MAST și VHDL-AMS 152 Tabelul A.2: Compararea simulatoarelor VHDL-AMS. 153
Cuprins Cuprins Introducere generală. 1 Capitolul I: Prezentarea componentelor optoelectronice care constituie o legătură optică I.1 Introducere. 6 I.2 Obiectivele modelării. 7 I.2.1 Obiectivele modelării VCSEL. 8 I.2.2 Obiectivele modelării fibrelor optice. 8 I.2.3 Obiectivele modelării cu fotodiodă PIN. 8 I.3 Bloc de transmisie. 8 I.3.1 Avantajele VCSEL. 9 I.3.2 Principiul de funcționare al unui laser semiconductor. 10 I.3.2.1 Un mediu de amplificare. 10 I.3.2.2 Condiție de câștig. 10 I.3.2.3 Starea fazei. 11 I.3.3 Funcționarea VCSEL. 11 I.3.3.1 Procese optice ale unui VCSEL. 12 I.4 Fibre optice. 13 I.4.1 Propagarea luminii prin fibra optică. 15 I.4.1.1 Unghiul critic φ c. 15 I.4.1.2 Deschidere digitală. 16 I.4.2 Avantajul fibrelor optice. 16 I.4.3 Tipuri de fibre optice. 17 I.4.3.1 Fibra optică multimodală. 11 A. Fibra multimodă a indexului gradientului.11 B. Fibra multimodă a indexului gradului. 11 I.4.3.2 Fibra optică monomod. 22 I.4.4 Atenuarea fibrelor optice. 21 I.4.4.1 Atenuarea intrinsecă (legată de materialul utilizat). 21 I.4.4.2 Absorbție. 21 I.4.4.3 Răspândirea Rayleigh. 21 I.4.4.4 Dispersie. 22 A. Dispersie modală (D mod). 22 B. Dispersia cromatică (Dλ). 22
Cuprins IV.2.4.2 Forțele Langevin. 112 IV.2.4.3 Influența zgomotului. 111 IV.3 Rezultatele simulării fibrelor optice. 111 IV.3.1 Rezultatele simulării unei fibre optice cu gradient index. 111 IV.3.1.1 Efectul dispersiei modale și cromatice. 122 IV.3.1.2 Lățimea de bandă. 122 IV.3.1.3 Pierderi prin curbură. 122 IV.3.1.4 Viteza transmisiei. 123 IV.3.2 Modelarea rezultatelor unei fibre optice la indicele Hopping. 124 IV.3.2.1 Dispersie modală și cromatică. 124 IV.3.2.2 Lățime de bandă. 122 IV.3.2.3 Pierderi prin curbură. 122 IV.3.3 Modelarea fibrelor optice monomod. 122 IV.3.3.1 Pierderi prin dispersie cromatică, banda de trecere și îndoire. 121 IV.3.4 Puterea optică la ieșirea fiecărei componente. 121 IV.4 Rezultatele simulării unei fotodiode PIN. 132 III. 4.1 Modelul electric al fotodiodei. 132 IV.4.1.1 Analiza statică. 131 IV.4.1.2 Fotocurent la ieșirea fotodiodei PIN. 141 IV.4.1.3 Tensiunea la ieșirea amplificatorului de transimpedență. 142 IV.5 Concluzie. 143 IV.6 Referințe bibliografice. 143 Concluzie generală. 142 Glosar. 141 Anexe. 122
Capitolul Introducere generală, vă prezentăm modelele componentelor optoelectronice care constituie sistemul nostru de transmisie. Vă explicăm în această parte cum să declarați componente optoelectronice în VHDL-AMS și cum să utilizați conexiuni optice/electrice. De asemenea, prezentăm influența temperaturii, dispersiei modale și dispersiei cromatice asupra liniei de transmisie optică. Încheiem această teză cu un ultim capitol dedicat aplicării metodologiilor limbajului VHDL-AMS pe modelele noastre. Acest lucru ne permite mai ales să abordăm și să perfecționăm pasul de validare a modelului. În cele din urmă, sintetizăm diferitele rezultate ale simulării. 3
Prezentarea componentelor optoelectronice care constituie o legătură optică
Capitolul I: Prezentarea componentelor optoelectronice care constituie o legătură optică I.4.4.5 Atenuări extrinseci. 22 I.4.4.6 Pierderi prin coturi și micro-coturi. 23 A. Pierderi prin curbură. 23 B. Pierderi prin micro-curbură. 23 I.4.4.7 Pierderea prin conexiune. 24 I.4.5 Fereastra optimă a unei fibre optice. 25 I.5 Bloc receptor. 26 I.5.1 Fotodetectorul. 26 I.5.1.1 Principiul fotodetectării. 27 I.5.1.2 Caracteristicile unui fotodetector. 27 I.5.1.3 Fotodiodele PIN. 28 I.6 Metode de introducere și detectare a datelor. 30 I.6.1 Tehnici de modulare. 30 II.6.1.1. Modulație directă a amplitudinii. 30 I.6.2 Detectare directă. 30 I.7 Concluzie. 30 I.8 Referințe bibliografice. 31 5
Capitolul I: Prezentarea componentelor optoelectronice care constituie o legătură optică Figura I.1: Diagrama bloc generală a unui sistem de comunicații cu fibră optică. I.2 Obiectivele modelării Sistemul de transmisie pe care intenționăm să îl simulăm este reprezentat de Figura I.2. Acest sistem constă dintr-un dispozitiv emițător care este un laser care emite suprafața cavității verticale (VCSEL) (convertește semnalul electric injectat într-un semnal luminos), un cablu de fibră optică și o fotodiodă PIN care primește semnalul luminos și îl convertește. semnal. Figura I.2: Schema bloc a unui lanț de transmisie optică. Ulterior, expunem obiectivele de modelare ale fiecărui bloc al liniei de transmisie optică. 7
Capitolul I: Prezentarea componentelor optoelectronice care constituie o legătură optică I.4.4.6 Pierderi prin curbură și micro-curbură Curburile fibrei vor modifica distribuția acestor căi de-a lungul propagării. A. Pierderi la îndoire Când se îndoaie fibrele așa cum se arată în Figura I.14, o parte a energiei luminoase a modului poate scăpa de ghid și poate ieși în placare. În practică, efectul unei curburi locale este neglijabil atunci când raza de curbură R este mare în comparație cu o rază critică de curbură R c dată empiric prin ecuația (I.6) pentru fibrele multimodale și ecuația (I.7) pentru unica fibre mod [I.18]. Figura I.14: Curbura unei fibre optice. B. Pierderi de microîndoire Acestea apar în timpul fabricării cablurilor atunci când solicitările mecanice provoacă micro-deformări ale fibrelor, așa cum se arată în figura I.15, ceea ce duce la pierderi de lumină. Aceste pierderi cresc foarte repede atunci când diametrul fibrei scade. Figura I.15: Micro-curbură a unei fibre optice. 23