HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ TRUYỀN THÔNG SỢI QUANG Bộ môn: Thông tin quang - Khoa VT1 Năm biên soạn: 2010 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Nội dung Tổng quan kỹ thuật thông tin quang Sợi quang Chương Bộ phát quang Bộ thu quang Một số vấn đề thiết kế truyền TTQ đơn kênh điểm – điểm www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Chương 4- Bộ thu quang Các khái niệm Các phần tử chuyển đổi quang- điện bán dẫn (Photodiode) Các tiền khuyếch đại Nhiễu thu quang Các tham số thu quang www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN (1)  Mạch thu quang: Optical signal Detector Preamp Equal Amp Filter Nguồn thu quang: chuyển đổi O/E Decision Data Clock Recov Bộ tiền khuyếch đại: chuyển đổi I/V khuyếch đại, đảm bảo nhiễu thấp Bộ cân bằng: kết hợp với tiền khuyếch đại đảm bảo băng tần thu Bộ khuyếch đại: khuyếch đại giữ ổn định tín hiệu điện đầu Bộ lọc: hạn chế bớt nhiễu, loại bỏ thành phần tần số không muốn Mạch định: Tái sinh tín hiệu số www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN (2)  Độ đáp ứng: Quá trình thu tín hiệu quang: hấp thụ lượng photon Đối với vật liệu bán dẫn: lượng photon đủ lớn hν ≥ Eg ⇒ photon bị hấp thụ ⇒ sinh cặp e - h tự Dưới tác động điện trường đặt vào ⇒ điện tử lỗ trống bị quét mạch sinh dòng điện www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN (3)  Độ đáp ứng: Dòng quang điện tỉ lệ trực tiếp với công suất quang vào (4.1) Trong đó: R - độ đáp ứng (độ nhạy) nguồn thu (đơn vị: A/W) Hiệu suất lượng tử: (4.2) Độ đáp ứng: (4.3) ⇒ Hiệu suất chuyển đổi O/E R tăng theo bước sóng www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN (4)  Độ đáp ứng: Sự phụ thuộc η vào λ: liên quan đến hệ số hấp thụ Giả sử lớp bán dẫn bọc lớp chống phản xạ ⇒ công suất truyền qua lớp bán dẫn: (4.4) Công suất bị hấp thụ: (4.5) Mỗi photon bị hấp thụ ⇒ cặp e-h tự tạo ⇒ Hiệu suất lượng tử: (4.6) ⇒ η= α = , η → αW >> www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN (5)  Độ đáp ứng: Sự phụ thuộc α vào λ: α = λ = λc α tăng λ giảm α lớn ~ 104 cm-1 ⇒ η → W ~ 10 µm www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN (6)  Thời gian lên độ rộng băng tần: Độ rộng băng tần photodiode: Tốc độ đáp ứng với thay đổi công suất quang vào Thời gian lên: thời gian dòng tăng từ 10 đến 90 % giá trị đỉnh công suất quang vào dạng bậc Tr phụ thuộc vào: - Thời gian mà điện tử lỗ trống dịch chuyển tới điện cực - Thời gian đáp ứng mạch điện www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN (7)  Thời gian lên độ rộng băng tần: Thời gian lên mạch tuyến tính: thời gian đáp ứng tăng từ 10 đến 90 % giá trị đỉnh đầu vào dạng bậc Điện áp đầu vào mạch RC thay đổi tức thời từ đến V0 Điện áp đầu thay đổi: (4.7) Trong đó: R - điện trở, C - điện dung mạch RC Thời gian lên: (4.8) Trong đó: τRC = RC - số thời gian mạch RC www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 10 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.6 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (1)  Nhiễu nổ: Nguyên nhân: trình lượng tử hoá điện tích thành hạt q tương đương với trình lượng tử hoá lượng ánh sáng thành photon Các photon tới trình sinh hạt tải photon ngẫu nhiên mô tả thống kê Poisson www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 26 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.6 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (2)  Nhiễu nổ: Mật độ phổ nhiễu nổ không đổi xác định: (4.11) Phương sai nhiễu: (4.12) Khi xét tới hàm truyền thành phần thu: (4.13) (4.14) Trong đó: ∆f - độ rộng băng tần nhiễu hiệu dụng Ip - dòng trung bình đầu PD, σs - dòng nhiễu rms www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 27 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.6 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (3)  Nhiễu nổ: Đối với PIN: dòng sinh từ PD gồm thành phần I = I p + Ib + I d (4.15) Trong đó: Ip - dòng quang điện sinh ánh sáng tới Ib - dòng trình xạ Id - dòng tối sinh xạ ánh sáng vào, nhiệt lớp tiếp giáp dòng dò bề mặt khuyết tật Đối với APD: trình nhân thác đóng góp nhiễu (4.16) Trong đó: FA - hệ số nhiễu trội, hàm M phụ thuộc vào vật liệu, dạng cường độ trường E tốc độ ion hoá hạt tải www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 28 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.6 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (4)  Nhiễu nổ: Hệ số nhiễu vượt: (4.17) Gần đúng: FA ≈ Mx (4.18) Si: x ~ 0,3-0,5 Ge: x ~ InGaAs: x ~ 0,5-0,7 www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 29 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.6 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (5)  Nhiễu nhiệt: Tại nhiệt độ xác định, điện tử chuyển động ngẫu nhiên vật dẫn (điện trở) ⇒ gây thăng giáng dòng (thành phần nhiễu bổ xung gọi nhiễu nhiệt - nhiễu Johnson) Dòng quang điện sinh ra: (4.19) Trong đó: iT - thăng giáng dòng gây nhiễu nhiệt Mật độ phổ nhiễu: (4.20) Trong đó: kB - số Boltzman, T - nhiệt độ tuyệt đối, RL - điện trở tải Phương sai nhiễu: (4.21) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 30 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.6 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (6)  Nhiễu nhiệt: Bộ thu quang gồm nhiều thành phần điện khác ⇒ bổ sung nhiễu nhiệt Nhiễu khuyếch đại (KĐ): chủ yếu nhiễu nhiệt (bổ xung phụ thuộc vào kiểu tiền KĐ KĐ sử dụng Nhiễu nhiệt KĐ khác đặc trưng qua đại lượng Fn - hình ảnh nhiễu khuyếch đại (4.22) Hệ số Fn đặc trưng cho tăng cường nhiễu nhiệt điện trở khác sử dụng tiền khuyếch đại khuyếch đại www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 31 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.6 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (7)  Nhiễu tổng: Dòng nhiễu tổng: cộng đóng góp nhiễu nổ nhiễu nhiệt Vì is(t) iT(t) trình ngẫu nhiên độc lập thống kê gần dạng Gauss Phương sai dòng tổng: (4.23) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 32 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.6 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (8)  Tỉ số tín hiệu nhiễu: Tỉ số SNR đặc trưng cho chất lượng thu quang: (4.24) Đối với thu sử dụng PIN: (4.25) Trong đó: độ đáp ứng www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 33 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.6 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (9)  Tỉ số tín hiệu nhiễu: Giới hạn nhiễu nhiệt (σT2 >> σs2): (4.26) Giới hạn nhiễu nổ (σT2 ID - Quyết định bit I < ID www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 36 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.7 CÁC THAM SÔ BỘ THU QUANG (3)  Tỉ số lỗi bit: Đối với bit 1, lỗi xảy I < ID Đối với bit 0, lỗi xảy I > ID Xác suất lỗi: (4.30) Trong đó: p(1), p(0) - xác suất thu bit P(0/1) - xác suất định bit thu bit P(1/0) - xác suất định bit thu bit Khi bit & có xác suất xuất nhau: (4.31) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 37 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.7 CÁC THAM SÔ BỘ THU QUANG (4)  Công suất thu tối thiểu: Xét trường hợp đơn giản: - Bit không mang công suất quang P0 ≈ ⇒ I0 = - Bit mang công suất P1 ⇒ đó: www.ptit.edu.vn (4.90) I1 = MRP1 = 2MR Pr (4.32) công suất quang thu trung bình BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 38 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.7 CÁC THAM SÔ BỘ THU QUANG (5)  Công suất thu tối thiểu: Đối với thu PIN: giới hạn nhiễu nhiệt (4.33) Đối với thu APD: tối ưu M ⇒ P nhỏ (4.34) ⇒ Đối với thu lý tưởng: (4.35) (4.36) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 39 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4.7 CÁC THAM SÔ BỘ THU QUANG (6)  Giới hạn lượng tử: Bộ thu lý tưởng: không nhiễu nhiệt, không dòng tối, η = 1, không nhiễu nổ bit 0, cần photon cho bit Nhiễu nổ tuân theo thống kê Poisson, Gauss Đối với bit 0: Np = 0, P(1/0) = Đối với bit 1: P(0/1) = ? Lỗi xảy cặp hạt tải sinh (n = 0) ⇒ P(0/1) = exp(-Np) ⇒ (4.38) (4.37) ⇒ Các thu thực tế thường hoạt động xa giới hạn lượng tử > 20 dB www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 40 [...]... tổng: (4. 23) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 32 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4. 6 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (8)  Tỉ số tín hiệu trên nhiễu: Tỉ số SNR đặc trưng cho chất lượng của bộ thu quang: (4. 24) Đối với các bộ thu sử dụng PIN: (4. 25) Trong đó: độ đáp ứng www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 33 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4. 6 NHIỄU... www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 20 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4. 4 DIODE THU QUANG APD (4) Nâng cao tính năng của APD: - Cấu trúc vùng nhân và hấp thụ tách rời (SAM) - Cấu trúc vùng nhân, giảm dần và hấp thụ tách rời (SAGM) - Cấu trúc siêu mạng www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 21 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4. 4 DIODE THU QUANG APD (5) SAM... không có tín hiệu quang Một PD tốt: Id < 10 nA www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 12 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4. 2 DIODE THU QUANG P-N (1) Cấu trúc: tiếp giáp p-n phân cực ngược ⇒ vùng nghèo Khi không có ánh sáng chiếu vào ⇒ không có dòng www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 13 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4. 2 DIODE THU QUANG P-N (2) ... MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 26 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4. 6 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (2)  Nhiễu nổ: Mật độ phổ của nhiễu nổ là không đổi và được xác định: (4. 11) Phương sai nhiễu: (4. 12) Khi xét tới hàm truyền của các thành phần bộ thu: (4. 13) (4. 14) Trong đó: ∆f - độ rộng băng tần nhiễu hiệu dụng Ip - dòng trung bình đầu ra PD, σs - dòng nhiễu rms www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG... VT1 Trang 14 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4. 3 DIODE THU QUANG PIN (1) Cấu trúc: gồm 3 lớp, lớp i được xen giữa lớp p và n Lớp i có điện trở cao ⇒ hầu hết điện áp rơi trên vùng này ⇒ thành phần trôi >> thành phần khuyếch tán Độ rộng W được quyết định bởi độ dày lớp i www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 15 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4. 3 DIODE THU QUANG PIN... THUẬT THÔNG TIN QUANG 4. 4 DIODE THU QUANG APD (1) Cấu trúc: gồm 4 lớp, bổ xung thêm 1 lớp p giữa lớp i và n+ Điện trường cao ở vùng tiếp giáp p-n+ ⇒ Vùng nhân Hoạt động: - Hấp thụ chủ yếu tại vùng i - Các e trôi qua i tới vùng p-n+ ⇒ Xảy ra quá trình nhân hạt tải (quá trình ion hoá do va chạm) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 18 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4. 4 DIODE... THUẬT THÔNG TIN QUANG 4. 6 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (9)  Tỉ số tín hiệu trên nhiễu: Giới hạn bởi nhiễu nhiệt (σT2 >> σs2): (4. 26) Giới hạn bởi nhiễu nổ (σT2 ... MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 19 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4. 4 DIODE THU QUANG APD (3) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 20 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG... MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 21 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 4. 4 DIODE THU QUANG APD (5) SAM Superlattice www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 22 BÀI GIẢNG...BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Nội dung Tổng quan kỹ thuật thông tin quang Sợi quang Chương Bộ phát quang Bộ thu quang Một số vấn đề thiết kế truyền TTQ đơn kênh điểm