Bài giảng thông tin quang nâng cao - Phần 4 pdf

1
Phần 1: Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang
Giảng viên: Hoàng Văn Võ
Phần 2: Các phần tử cơ bản trong kỹ thuật thông tin quang
Giảng viên: Hoàng Văn Võ
Phần 3: Cơ sở kỹ thuật thông tin quang
Giảng viên: Hoàng Văn Võ
Phần 4: hệ thống thông tin quang
Giảng viên: Vũ Tuấn Lâm
Phần 5: một số công nghệ quang tiên tiến
Giảng viên: Vũ Tuấn Lâm
Nội dung môn học Thông tin quang nâng cao
2
Phần 2: Các phần tử cơ bản trong kỹ thuật
thông tin quang
1. Sợi quang
2. B phỏt quang
3. B thu quang
3
3. Bộ thu quang
1. Mô hình và chức năng của bộ thu quang
2. Cấu trúc bộ thu quang
3. Một số khái niệm cơ bản
4. Các phần tử biến đổi quang-điện
4
1. Mô hình và chức năng của bộ thu quang
 Chøc n¨ng:
Biến đổi ánh sáng tới P
T
(t) ®Çu vµo trở thành tín hiệu điện u
R

(t) ®Çu ra
có dạng giống như tín hiệu truyền dẫn ban đầu.
Có thể có nhiễu và méo kèm theo (đối với truyền dẫn analog) hoặc lỗi
bít (đối với truyền dẫn số).
 Mô hình bộ thu quang
Bé thu
quang
u
R
(t)
P
T
(t)
H×nh 4.1. M« h×nh bé thu quang
5
2. Cấu trúc các bộ thu quang
- Cấu trúc bộ thu quang analog
- Cấu trúc bộ thu quang digital
Có 2 loại cấu trúc bộ thu quang tương ứng với 2 kỹ thuật
truyền dẫn thông tin quang là truyền dẫn analog và truyền
dẫn digital:
6
O
E
p
T
(t) i
T
(t)
u

T
(t)
u
r
(t)
 Cấu trúc bộ thu quang analog
Bộ biến đổi quang điện: biến đổi tín hiệu ánh sáng tới P
T
(t) thành tín hiệu
điện i
T
(t). Các phần tử sử dụng để biến đổi quang-điện là PIN-Photodiode
và diode quang thác APD
Bộ khuếch đại: bao gồm bộ tiền khuếch đại và bộ khếch đại điện áp. Bộ
tiền khuếch đại cần phải có tạp âm rất thấp
Bộ lọc: dùng để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
2. Cấu trúc các bộ thu quang
H×nh 4.2. M« h×nh cÊu tróc bé thu quang analog
7
 Cấu trúc bộ thu quang digital
Bộ biến đổi quang điện: biến đổi tín hiệu ánh sáng tới P
T
(t) thành tín hiệu
điện i
T
(t). Các phần tử sử dụng để biến đổi quang-điện là PIN-Photodiode
và diode quang thác APD
Bộ khuếch đại: bao gồm bộ tiền khuếch đại và bộ khếch đại điện áp. Bộ
tiền khuếch đại cần phải có tạp âm rất thấp
Bộ lọc kết hợp với bộ quyết định: dùng để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.

O
E
p
T
(t)
i
T
(t)
u
T
(t)
u
r
(t)
2. Cấu trúc các bộ thu quang
H×nh 4.3. M« h×nh cÊu tróc bé thu quang digital
8
Khi ghép 2 bán dẫn loại n và p lại với nhau => một tiếp giáp p-n được tạo
ra => các hạt tải đa số sẽ khuếch tán qua nó, tức là các điện tử trong lớp
bán dẫn n được khuếch tán qua tiếp giáp và lấp đầy các lỗ trống trong lớp
bán dẫn p và do vậy sẽ để lại lỗ trống trong lớp bán dẫn n của tiếp giáp.
Kết quả là một điện trường tiếp xúc hay một điện thế tiếp xúc sẽ xuất hiện
tại vùng tiếp giáp. Điện trường này sẽ ngăn cản việc chuyển động tự do
của các hạt tải cho đến khi cân bằng được thiết lập.
Tại vùng tiếp giáp lúc này sẽ không còn hạt mang điện tự do, do các điện
tử và lỗ trống đã bị giữ lại trong các liên kết đồng hóa trị. Khi đó, vùng tiếp
giáp được gọi là vùng nghèo hoặc vùng không có điện tử tự do.
3.1. TiÕp gi¸p p-n:
 Khi ch-a cã ®iÖn ¸p ngoµi t¸c ®éng
3. Một số khái niệm cơ bản

9
Hình 4.4. Tiếp giáp p-n (a) và
giản đồ năng l-ợng
khi không có điện áp
ngoài tác động (b)
E
E
c
E
f
E
V
E
Các phần
tử đa số: e
Các phần
tử đa số: p
Vùng điện tích
không gian
Bán dẫn p Bán dẫn n
a)
b)
Khi ch-a có điện áp ngoài
tác động
3.1. Tiếp giáp p-n:
3. Mt s khỏi nim c bn
10
Trong trường hợp cực dương của nguồn nối với bán dẫn p và
cực âm nối với bán dẫn n thì tiếp giáp khi đó phân cực thuận.
Lúc này, điện trường tiếp giáp và điện trường ngoài sẽ ngược

chiều nhau, nếu điện trường ngoài đủ lớn, sẽ phá vỡ liên kết
cộng hóa trị tại lớp tiếp giáp và các hạt mang điện đa số sẽ
được khuếch tán ồ ạt qua lớp tiếp giáp.
+ TiÕp gi¸p p-n ph©n cùc thuËn
 Khi cã ®iÖn tr-êng ngoµi t¸c ®éng:
3.1. TiÕp gi¸p p-n:
3. Một số khái niệm cơ bản
11
Khi một điện thế ngoài được đưa vào tiếp giáp p-n, nếu cực dương của
nguồn nối với bán dẫn n và cực âm nối với bán dẫn p thì tiếp giáp khi đó
được phân cực ngược.
Dưới tác dụng của điện áp phân cực ngược, độ rộng lớp nghèo sẽ mở
rộng ra ở cả hai phía lớp p và lớp n hay điện trường lớp tiếp giáp được
tăng cường.
Điện trường tiếp giáp tiếp tục ngăn cản chuyển động của các hạt tải đa số
nhưng lại trở thành điện trường thuận với các hạt tải thiểu số khi đi qua
lớp tiếp giáp. Dòng của các hạt tải thiểu số tạo ra được gọi là dòng dò.
+ TiÕp gi¸p p-n ph©n cùc ng-îc
 Khi cã ®iÖn tr-êng ngoµi t¸c ®éng:
3.1. TiÕp gi¸p p-n:
3. Một số khái niệm cơ bản
12
Hình 4.5. Tiếp giáp p-n (a) và
giản đồ năng l-ợng
khi có điện áp ngoài
tác động (phân cực
ng-ợc)- (b)
Vùng điện tích
không gian
Bán dẫn p Bán dẫn n

Các phần
tử đa số: e
Các phần
tử đa số: p
+
-
a)
E
E
c
E
V
E
b)
Khi có điện áp ngoài
tác động
3.1. Tiếp giáp p-n:
3. Mt s khỏi nim c bn
13
3.2. Nguyên lý biến đổi quang-điện của lớp tiếp giáp p-n
Khi các photon đi vào tiếp giáp p-n có mức năng lượng lớn hơn độ rộng của dải
cấm, sẽ sinh ra trong tiếp giáp p-n các cặp điện tử và lỗ trống. Các điện tử và lỗ
trống trong vùng điện tích không gian vừa được sinh ra bị điện trường mạnh hút
về hai phía (điện tử về phía n có điện áp dương, lỗ trống về miền P
+
vì có điện
áp âm).
Mặt khác, các điện tử mới sinh ra trong miền P khuếch tán vùng điện tích không
gian nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp P
+

I, rồi chạy về phía N
+
vì có điện áp
dương và lỗ trống mới sinh ra trong miền N
+
khuếch tán sang miền I nhờ
gradien mật độ tại tiếp giáp N
+
I, rồi chạy về phía về miền P
+
vì có điện áp âm.
Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện và trên tải một điện
áp.
Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo ra dòng điện
ngoài, vì chính được sinh ra ở miền P
+
và N
+
ở cách xa các lớp tiếp giáp P
+
I và
N
+
I không được khuếch tán vào miền I (do ở khoảng cách xa hơn độ dài
khuếch tán của động tử thiểu số), nên chíng lại tái hợp với nhau ngay trong các
miền P
+
và N
+
.

3. Một số khái niệm cơ bản
14
Cho điện tr-ờng ngoài tác động
lên tiếp giáp: phân cực ng-ợc
(hình 4.6a).
Giản đồ năng l-ợng của tiếp
giáp p-n và quá trình tạo ra các
cặp điện tử - lỗ trống khi có ánh
sáng tới đ-ợc chỉ ra ở hình 4.6b.
Khi cho ánh sáng tới tiếp giáp
p-n, các photon sẽ đi vào tiếp
giáp. Giản đồ năng l-ợng ánh
sáng trong tiếp giáp p-n giảm
theo hàm mũ (hình 4.6c).
Hình 4.6. Quá trình biến đổi
quang-in của tiếp
giáp p-n
3.2. Nguyờn lý bin i quang-in ca lp tip giỏp p-n
c)
a)
b)
a/s ti
Bán dẫn p
Vùng điện
tích
không gian
Bán dẫn n
a/s ti
p
E

c
E
V
E
3. Mt s khỏi nim c bn
15
Công suất của tín hiệu i(t) được xác định theo công thức:




T
T
T
Th
dtti
T
P )(
2
1
lim
2
3.3. Công suất tín hiệu
Công suất của một nguồn nhiễu i
N
(t) của một mạng 4 cực được xác định
theo công thức:







djHjS
tgtiti
N
N
2
22
)().(
)()()(
Trong đó, i
N
(t), S
N
(j) : nguồn nhiễu và phổ của nó,
g(t), H(j) : hàm trọng lượng và hàm truyền dẫn của mạng 4 cực
3.4. Công suất nhiễu
3. Một số khái niệm cơ bản
(4-1)
(4-2)
16
Do sự chuyển động hỗn loạn của các điện tử (chuyển động Brown) trên một
điện trở R, va chạm với ion trong mạng tinh thể của điện trở làm cho nhiệt độ
của điện trở tăng lên. Mặc dù khi có dòng điện chạy qua, trên điện trở R vẫn có
sự chuyển động Brown của các điện tử, nên xuất hiện nguồn nhiễu trên điện trở
R. Gọi là nhiễu nhiệt.
Phổ năng lượng của nhiễu nhiệt trên một điện trở R được xác định theo công
thức:
GTk

R
Tk
jS
NN
2
2
)( 

Trong đó:
T
T
R
G
1

: điện dẫn của điện trở lớp R
3.5. Phổ năng lượng của nhiễu nhiệt trên một điện trở
K : hằng số Bolzomal,
T : Nhiệt độ tuyệt đối.
3. Một số khái niệm cơ bản
(4-3)
17
Băng tần nhiễu của một mạng 4 cưc hàm truyền dẫn H(jf) được xác định
theo công thức:




0
2

)( dfjfHB
R
Trong đó:
)( jfH

là hàm truyền dẫn chuẩn hóa của H(jf)
3.5. Băng tần nhiễu
3. Một số khái niệm cơ bản
(4-4)
18
Công suất tín hiệu/điện áp tín hiệu/dòng tín hiệu

N
S
Công suất nhiễu/điện áp nhiễu/dòng nhiễu
3.6. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
3.7. Tỷ số lỗi bit
Số bit bị lỗi
BER
Tổng số bít phát đi
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức:
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức:
3.8. Quan hệ giữa tỷ số lỗi bit và tỷ số tín hiệu trên nhiễu


















2
1
2
1
N
S
erfBER
3. Một số khái niệm cơ bản
(4-5)
(4-6)
(4-7)
19
4. Các phần tử biến đổi quang-điện
4.1. Mô hình và chức năng của các phần tử biến đổi
quang-điện
4.2. Một số yêu cầu đối với các phần tử biến đổi quang-
điện sử dụng trong kỹ thuật thông tin quang
4.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các phần tử biến
đổi quang-điện
4.4. Các tham số đặc tính của các phần tử biến đổi

quang-điện
4.5. Đặc tính động của các phần tử biến đổi quang-điện
20
4.1. Mụ hỡnh v chc nng ca cỏc phn t bin i quang-in
Mụ hỡnh ca cỏc phn t bin i quang-in
Biến đổi ánh sáng tới P
T
(t) thành tín hiệu hiện i
T
(t) có dạng giống
nh- tín hiệu truyền dẫn ban đầu.
Quá trình này gọi là giải điều biến quang hay giải điều chế quang.
Trong quá trình biến đổi này có thể có nhiễu và méo tín hiệu kèm
theo
Hình 4.7. Mô hình ca các phần tử biến đổi quang-điện
Chc nng ca cỏc phn t bin i quang-in
i
T
(t)
P
T
(t)
O
E
21
4.1. Một số yêu cầu đối với các phần tử biến đổi
quang-điện
- Thời gian đáp ứng nhanh,
- Độ nhạy và hiệu suất biến đổi quang điện cao,
- Nhiễu thấp,

- Điều kiện ghép với sợi quang thuận tiện,
- Kích thước nhỏ.
Một số yêu cầu đối với các phần tử thu quang sử dụng trong
kỹ thuật thông tin quang:
22
4.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các phần tử biến
đổi quang-điện
Để đáp ứng các yêu cầu trên, trong kỹ thuật thông tin quang,
người ta thường sử dụng các phần tử biến đổi quan-điện:
- PIN-Photodiode
- Diode quang thác APD.
23
- Nguyên tắc biến đổi quang-điện của PIN-Photodiode dựa vào nguyên lý
biến đổi quang-điện của lớp tiếp giáp p-n được phân cực ngược. Do đó, cấu
tạo của PIN-Photodiode chủ yếu dựa trên tiếp giáp p-n gồm 2 bán dẫn loại
tốt là P
+
và N
+
.
- Tuy nhiên, để có thể hoạt động tại các bước sóng dài mà tại đó ánh sáng
thâm nhập sâu hơn vào vật liệu bán dẫn thì miền điện tích không gian rộng
là rất cần thiết. Để thực hiện điều đó, người ta thêm vào giữa tiếp giáp p-n
một lớp mỏng bán dẫn yếu loại n hay một lớp tự dẫn I (Intrisic).
- Trên bề mặt của lớp bán dẫn P
+
là một điện cực vòng (ở giữa để cho ánh
sáng thâm nhập vào miền I). Đồng thời trên lớp bán dẫn P
+
có phủ một lớp

mỏng chất chống phản xạ để tránh tổn hao ánh sáng vào.
- Điện áp phân cực ngược để cho photodiode không có dòng điện (chỉ có thể
có một dòng ngược rất nhỏ, gọi là dòng điện tối).
4.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PIN-Photodiode
 Cấu tạo
24
 Cấu tạo
§iÖn
cùc
§iÖn cùc
vßng
Líp chèng
ph¶n x¹
¸nh s¸ng tíi
N
+
I
P
+
(b)
(a)
E
Hình 4.8. Cấu tạo của
PIN-Photodiode (a) và
sơ đồ phân bố điện
trường theo các lớp (b)
Cấu tạo của PIN-
Photodiode và sơ
đồ phân bố điện
trường theo các lớp

4.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PIN-Photodiode
25
 Nguyên lý hoạt động PIN-Photodiode
- Khi các photon đi vào lớp P
+
có mức năng lượng lớn hơn độ rộng của
dải cấm, sẽ sinh ra trong miền P
+,
I, N
+
của PIN-Photodiode các cặp
điện tử và lỗ trống (chủ yếu ở lớp I).
- Các điện tử và lỗ trống trong miền I vừa được sinh ra bị điện trường
mạnh hút về hai phía (điện tử về phía N
+
, lỗ trống về miền P
+
).
- Mặt khác, các điện tử mới sinh ra trong miền P
+
khuếch tán sang miền
I nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp P
+
I, rồi chạy về phía N
+
và lỗ trống
mới sinh ra trong miền N
+
khuếch tán sang miền I nhờ gradien mật độ
tại tiếp giáp N

+
I, rồi chạy về phía về miền P
+
.
- Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN-Photodiode một
dòng điện và trên tải một điện áp.
4.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PIN-Photodiode