Thiết kế và xây dựng bộ điều khiển hệ thống Camera đa kênh ghép nối với máy tính

w
ĐẠI HỌC Q U Ố C GIA HÀ NỘI
KHO A C Ô N G NGHÊ
Nguyễn Như Thưởng
THIẾT KÊ VÀ XÂY DỰNG BỘ DIÊU KHIỂN
HÊ THỐNG CAMERA ĐA KÊNH GHÉP NỐI VỚI MÂY TÍNH
Chuyên ngành : KỸ THUẬT v ô TUYỂN ĐIỆN TỬ
VÀ THÔNG TIN LIÊN LẠC
Mã sô : 2.07.00
LUẬN VĂN THẠC s ĩ KHOA HỌC
• • •
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Phạm Văn Hội
OAI OUÓ-: ' - A HA NÕ! !
TRO?::' TỊ!ỌM ìHirv,'^ '
\ v - u r / M
HÀ N Ộ I - 2002
4]
M Ở ĐẨU
MỤC LỤC
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ TIỈỔNCỈ TIN QUANG

1.1. Một sô ưu điểm của kỹ thuật truyền dần qu ang:

1.2. Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quan g:
1.3. Các đặc tính truvền dẫn của sợi qu an g:
1.3.1. Độ suy hao:
a) Suy hao hấp thụ:
b) Suy hao do tán xạ:
c) Suy hao do bị uốn cong:
d) Suy hao do hàn nối, lắp ghép sợi với thiết bị phát quang:

1.3.2. Độ tán sắc:
a) Tán sắc m ode
b) Tán sắc bước sóng:
CHƯƠNG 2: BỘ THU Q UAN G
2.1. Sự hấp thụ ánh sáng trong chất bán dần
2.2. Bộ tách sóng quang d ần
2.3. Hộ thu quang p-i-n
2.4. íỉộ thu quang thác (AIM) - Avalanche PhotoD etector)

2.5. Nhièu và giới hạn đo
CHƯƠNG 3: BỘ PIIÁT QUANG - LA SiR I MODI'
3.1. Cáu trúc của Laser
3.2. Hiệu suất lượng tử trong và n g o à i

3.3. Hiệu suất năng lượng
3.4. Các tính chất động của laser tiêm chích
3.5. Điều chế biên đ ộ
3.5.1. Điều chế tíu hiệu lớn:
3.5.2. Điểu chế tín hiệu nhỏ:
3.6. Ảnh hưởng của nhiệt dộ tới laser
3.6.1. Ánh hưởng cùa nhiệt độ tới dòng ngưỡng
3.6.2. Ảnh hưỏìig của nhiệt độ tới tần số phát xạ
CHƯƠNG 4: TĨIIẾT KẾ HỆ TIIỔNG Đ iề u KIIlỂN Tổ HỢP CAMMIA
4.1. (ỉiới thiệu hệ thông
4.2. Mõ tá so bộ hệ thông điều khiên ca m era

4.2.1. Yêu cẩu của hệ thống
4.2.2. Cổng Mối tiếp RS-232 và khuôn mẫu tín hiệu từ máy tính:

4.2.2.1. Lý do sử dụng cổng nối tiếp:

5
5
5
9
9
9
10
10
10
II
I 1
I I
12
12
13
16
19
22
27
27
30
31
32
34
.37
.38
39
.39
.40
42

42
44
.44
.44
44
MỎ ĐẦU
Từ xa xưa con người đã mơ ước truyền được hình ánh và âm thanh
từ nơi này đến nơi khác. Sự tìm ra tính chất cách điệu cua selen do nhà bác
học Tlmỵ Điểu Berzlius năm 1817 và sự phát hiện ra lính chất nhạy sáng
cúa seien khoáng tháng 5 năm 1873 cho thấy khả năng biến đổi ánh sáng
từ một hình ảnh thành tíu hiệu điện. Đến năm 1892, khi Elster và Geitel
chế tạo ra tế bào quang điện thì ứng dụng này mới được đưa vào sử dụng.
Thông tin hình ánh là một lĩnh vực rất quan trọng, có đặc thù riêng, đang
được phát triển mạnh mẽ. Thông tin hình ảnh được hiểu là quá trình phân
tích ảnh (tạo tín hiệu hình ảnh), ghi, xử lý, lưu, truyền - phát sóng, biểu
diễn và thu nhận hình anh (tống hợp hình ánh). Hình ánh là một dạng
thông tin đặc biệt, thích hợp đối với con người.
Khác với thông tin hữu tuyến và vô tuyến truyền thông, thông tin
quang truyền dẫn thông tin qua sợi quang: Thông tin được biến đổi thành
tín hiệu ánh sáng và truyền đi trong sợi thu ý tinh theo nguyên lý phán xạ
toàn phần. Như vậy, môi trường truyền dẫu của thòng tiu quang là sợi
quang và dạng tín hiệu truyền đi trong sợi là ánh sáng.
Hệ thống thông tin quang có một số ưu điểm so với các hệ thống
thông tin sứ dụng cáp đổng cổ điển CỈO sử dụng đặc tính của sợi quang,
linh kiện thu quang, phát quang.
Sợi cáp quang có các đặc điểm chù yếu sau:
- Suy hao thấp hơn hẳn so với cáp đồns cổ điển
- Độ rộng băng: Cáp quang có thể truyển tái tín hiệu có tần số cao
hơn rất nhiều so với cáp đồng.
- Đường kính sợi nhỏ, trọng lượng nhẹ.

- Đặc lính cách điệu: bởi vì thủy tinh không dần điện, do vạy cáp
sợi quang không chịu ánh hưởng của điện - lừ trường bèn ngoài, đặc tính
này có một ưu thế rất lớn trong một số các ứng dụng cụ thể.
- Tiết kiệm tài nguyên: Thạch anh là nguyên liệu chính đê sán xuất
sợi quang, so với kim loại, nguồn nguyên liệu này dổi dào hơn. Hơn nữa,
Luận văn (hạc sỹ khoa học
Trang I
Đặc thù cua hệ thống thông tin quang là sứ dụng tín hiệu quang đế
truyền thông liu. Việc phát minh và ứng đụng Laser làm nguồn quang đã
mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông till
quang sứ sụng dái tần số ánh sáng. Đó là một nguồn sáng lý tưởng: Đơn
sắc, công suất lớn, tính định hướng cao, độ suy hao và tán sác thấp cho
phép tăng hiệu quá sử dụng, khoảng cách truyền dẫn và độ tin cậy
Hiện nay cáp quans không những được sử dụng trong thông till
quang sợi mà còn đang được nghiên cứu sử dụng rộng rãi trono các hệ
thống điều khiển và xử lý tíu hiệu. Sử dụng cáp quang có ưu thế rõ rệt
trong việc tránh nhiễu do từ (rường, dung lượng truyền dẫn lớn vói lỗi
truyền thu nhỏ, bí mật thông tin được bảo đám. cự ly truyền thu dài. an
toàn trong các môi trường dễ cháy nổ và giám thiếu được số lượng các
thiết bị điện tử đi kèm, tăng tính ổn định của hệ thống. Các hệ thống
truyền thu tín hiệu hình ảnh từ các camera hiện nay đã được cáp quang
hóa để đâm báo chất lượng hình ảnh trêiì đường truyền dài tới trung tâm
xứ lý có ý nghĩa cá về mặt công nghệ và kinh tế.
Cụm cảng Hàng không miền Bắc là một doanh nghiệp công ích hoạt
động trong ngành Hàng không dân dụng. Hiên tại, nhà ga hành khách
quốc tế TI do Cụm cảng là chủ đầu tư đã được đưa vào sử đụng, đày là
một nhà ga hành khách lớn và hiện đại nhất trong khu vực Đông Nam Á.
Do đặc thù của ngành Hàng không dân dụng là một ngành kinh tế đặt độ
an toàn là yếu tố quyết định đầu tiên cho nên việc đám bảo an ninh, an
toàn cho mỗi chuyên bay và cho toàn bộ khu vực nhà ga hành khách luôn

được lãnh đạo và toàn thể cán bộ công nhân viên ngành hàng không đặt
lên hàng đầu.
Hiện tại, nhà ga hành khách TI đang trang bị một hệ thống gồm 130
camera đặt tại tất cả khu vực trong và ngoài nhà ga. Nếu chi cần quan tâm
đến vấn đề giám sát an ninh và điều hành trong khu vực nhà ga thì với 130
camera này hoàn toàn có thể đáp ứng được các yêu cầu của lực lượng an
ninh và điều hành. Vấn đề đật ra ừ đây chính là việc đưa các thông till,
hình ánh đó đến chỏ trực điều hành của bail giám đốc và các khu vực có
liên quan mà vị trí lại không nam trong khu vực ga như Cục Xuất nhập
Ỉ.mi/I văn (hạc .vỹ khoa học
Trang 3
canh - Bộ công an có trung tâm đặt tại Hàng Bài - Hà Nội. Chính từ yêu
cầu này, bán luận văn xin được đưa ra giái pháp đối vứi hệ thống điều
khiến, truyền tín hiệu hình ảnh từ camera sử dụng cáp quang để có thể đáp
ứng được các yêu cầu về khoảng cách cũng như chất lượng hình ánh. giái
quyết được vấn đề điều khiển toàn bộ hệ thống một cách đơi) gián và chính
xác bằng phán mềm lập trình cho máy tính.
Luận văn thạc XV khoa học
Trang 4
Chương I: Tómỉ quan vè hệ thong tin quang
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỂ HỆ THÔNG TIN QUANG
1.1. MỘT SỔ ƯU ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT TRUYỂN d a n QUANG:
So với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp kim loại, thông tin cáp
quang có ưu điểm nổi trội hưu han, đó là:
• Sợi quang Iihỏ và nhẹ hơn cáp kim loại (đường kính sợi quang
cỡ 0 .125nm, nhỏ hơn rất nhiều so với cáp đồng).
• Sợi quang được chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh là chất hoàn
toàn cách điện nên không sợ chập mạch, là môi trường trung
tính với ảnh hưởng của nước, axit, kiềm nên không bi ăn

mòn. Ngay cá khi lớp vỏ báo vệ bên ngoài bị hư hóng nhưng
sợi tliuỷ tinh còn tốt thì vẫn đám báo truyền tin tốt.
• Tíu hiệu truyền trong sợi quang không bị ảnh hưởng của điện
từ trường bên ngoài nên có thể sử dụng cho các hệ thông tin ớ
những nơi có nhiễu điện từ (rường mạnh nhu' trong các nhà
máy điện mà không cần che chắn ánh hưởng điện từ.
• Ti êu hao nhỏ, không phụ thuộc tần số tín hiệu Irong dải tần
rộng cho phép truyền dẫn bâng rộng và tốc độ cao so với cáp
kim loại với cùng chi phí xây dựng mạng.
• Vì suy hao nhỏ nên cho phép đạt cự ly khoáng lặp lớn so với
cáp kim loại. Người ta tính toán rằng nếu chế tạo được
I OO.OOOkm/nãm thì giá thành hệ truyền dẫn quang chỉ bằng
1/10 giá thành hệ truyền dãn kim loại với cùng một năng lực
truyền dẫn.
1.2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG:
Từ năm I960, laser được phát hiện đã mở ra một ký nguyên mới
trong lĩnh vực thông tin và I1Ó thực sự trở thành điểm mốc 1 ich sử của
ngành truyền thông. Để truyền tin dưới dạng ánh sáng lan truyền trong
một sợi quang thì phải có hệ thống truyền thông quang học. Cũng giống
Ị.nạn văn thạc sỹ khoa học
Trang 5
('hương ! : Tống (¡
11(111
vê hệ thòng tin t/nơnỉỉ
như các hệ thống khác, hệ thống này bao gồm một số các bộ phận riêng rẽ
ghép với nhau theo một phương thức để chúng có thể thực hiệu được các
yêu cầu đặt ra cùa hệ thống. Vì vậy, để truyền tin chính xác và bí mật
bằng sợi quang thì các bộ phận trong hệ thống nhất thiết phải tương thích
sao cho hoạt động của mồi bộ phận lãng cường cho nhau chứ không làm
suy giám hoạt động của toàn hệ thống.

Hình I chi ra các bộ phận cơ bản của hệ thống truyền thông bằng
sợi quang (cho cá tín hiệu số và tín hiệu tương tự). Thiết bị E/O bao gồm
một bộ mã hoá thông tin hoặc mạch định dạng tín hiệu, một bộ điều chế
hoặc một táng điều khiển điện tử đê điều khiển nguồn quang. Ánh sáng
phát ra từ nguồn quang được đưa vào cáp quang, cáp này được dùng làm
phương tiện truyền ánh sáng. Tại bộ thu, ánh sáng được biến đổi ngược lại
thành tín hiệu điện nhờ một bộ thu quang. Sau đó, tín hiệu điệu này được
khuếch đại trước khi giải mã hoặc giai điều chế để thu được thông tin ban
đầu.
Televition
(T(nWiiiliẠíi| (Tin h«A<i<|uanụ) (Tin haftu • (KnhiAuiMiO
Hình i . Các bộ phận cơ bàn ( lia một hệ tlion í; thôn {ị tin soi I/UÚIIIỊ
Đế các bộ phận này có thể kết hợp vói nhau một cách tốt nhất thành
hệ thống thông tin sợi quang thì cần phải xem xét sự ảnh hưởng của từng
bộ phận, rồi sau đó phải đánh giá hoạt động của toàn bộ hệ thống. Hơn
nữa, đê tối ưu hoá hệ thống trong các ứng dụng thì cần phải biết đặc tính
của các linh kiện dê đảm bảo không làm ánh hương tới hoạt động của các
linh kiện khác. Trong hệ thống thông tin quang, các linh kiện điện tử đóng
một vai trò quan trọng, tuỳ theo các bộ phận quang được sử dụng, nhà
ĩelephon»
Bó t«.Nn<jA
Míĩv tinh (HỈ Iiỏii
Nrt 'itiaiKi
l.itặn vân thạc sỹ khoa học Trang 6
Chương I : Tổng quan về hệ tháng Íi/I quang
thiết kế hệ thống có thê lựa chọn thêm các bộ phận đê cải tiến hoạt động
của hệ thống.
Bộ phát và bộ tlui quang đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống
thông tiu quang.
* Bộ phát quang:

Bộ phát có nhiệm vụ chuyên đổi tín hiệu đầu vào thành tín hiệu
quang tương dirons và đưa vào lõi sợi quang làm thành một kênh truyền
thông. Thành phần chính của bộ phát là một nguồn quang. Nguốn quang
trong bộ phát phái thoả mãn những yêu cầu kỹ thuật:
- Bước sóng của ánh sáng phát ra: Vì độ suy hao của ánh sáng
truyền dẫn trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, thấp nhất ở
3 cửa sổ 850nm, I300nm, 1550nm. Do đó nguồn quang nên phát ánh sáng
có bước sóng phù hợp với 3 cứa sổ này.
- Công suất phát: Cự ly thông tin được quyết định bởi công suất
quang đưa vào đầu sợi. Do đó nguồn quang phải có công suất càng lớn
càng tốt.
- Độ rộng phổ: Ánh sáng của các nguồn quang phát ra thực tế không
đơn sắc mà gồm một dải bước sóng xác định. Khoáng này càng rộng thì độ
lán sắc vật liệu càng lớn và do đó, làm hạn chế dai Ihông của tuyến truyền
dẫn quang vì vậy độ rộng phổ của nguồn quang càng hẹp càng tốt.
- Góc phát ánh sáng: Nhu' đã biết đường kính lõi sợi quang rất nhỏ
(vài đến vài chục ụm) nên nếu kích tlurớc nguồn quang lớn và góc phát
quang rộng thì rất khó đưa ánh sáng vào sợi với hiệu suất cao. Mặt khác,
điếu kiện phản xạ toàn phần cũng giới hạn góc tới của ánh sáng vào đầu
sợi quang đế ánh sáng có thể truyền đi trong sợi. Do đó, nguồn quang phải
có vùng phát sáng và góc phát sáng càng hẹp càng tốt.
- Thời gian đáp ứng: Để có thể răng dung lượng đường truyền
(truyền till hiệu số đi với tốc độ bít cao) thì thời gian chuyển trạng thái
của nguồn quang phải nhỏ.
- Độ 011 định: Công suất quang của các nguồn quang thực lế phụ
thuộc vào nhiệt độ môi trường làm việc, vào thời gian sử dụng và đôi khi
Luận ván thạc .vỹ khoa hoc Trang 7
Ch ươn ự /: Tốn Q quan về hệ thong (in quang
CÒI) phụ I h LI ộc vào cường độ ánh sáng xung quanh. Đê đám báo độ trung
tliực cua thông tiu, công suất của nguồn quang càng ổn định càng tốt.

- Ngoài ra nguồn quang phái bều và có đ ơ n giá thấp.
Nguồn quang thông thường là diode bán dẫn hoạt động trên nguyên
lý biến đối quang điện: LED (Li^ht Emitting Diode), LD (Laser Diode)
với những ưu điểm nổi bât sẵn có như kích thước nhỏ, độ tin cày cao
Tuv nhiêu ánh sáng LED ít được sử dụng trong thông tiu quang vì những
nhược điểm: Kém đơn sắc, có pha ngẫu nhiên, công suất phát nhỏ, độ rộng
phố IỚI1. Ánh sáng laser ưu việt ho'11 hẳn ở tính định hướng phát xạ, độ đơn
sắc cao, công suất phát lớn. Do đó, đối với các hệ thõng tin quans, thực
tiễu, các nguồn phát laser chú yếu là laser bán dẫn.
* Hộ thu quang:
Bộ thu quang có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang sang tín hiệu
điện, khỏi phục lại dạng tín hiệu đã truyền đi. Thành phần chính của I1Ó là
một photodiode với yêu cầu kỹ thuật tương thích với nguồn quang. Đó là:
- Nhạv với bước sóng của 3 cửa sổ 850nm, 1300mn, I550nm vì ở đó
ánh sáng phát ra có độ suy hao thấp.
- Đáp ứng nhanh để có thể làm việc với những hệ thống tốc độ cao.
- Dòng tối nhó (dòng dò chạy qua khi chưa có ánh sáng chiếu vào).
- Tạp âm càng thấp càng tốt, đảm báo tỉ số tín hiệu/tạp âm

(BER< lí)-*’).
- Độ tin cậy cao, giá thành rẻ.
I.IIỘII văn thạc sỹ khoa học
Trang 8
Chương I : Tohịị quan vé hệ thong tin quang
1.3. CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN DAN c ủ a s ợ i QUANG:
Ánh sáng truyền đi trong sợi quang sẽ bị suy hao và táu sắc làm
giảm chất lượng đường truyền.
1.3.1. f)ộ suv hao:
Độ suy hao ánh hưởng trực tiếp đến tốc độ truyền dẫn và khoáng
cách trạm lặp của hệ thông tin quang. Xác định độ suy hao để xác định

công suất lan truyền trong sợi nếu suy hao IIhò thì khoảng cách truyền dẫn
sẽ được tăng lên.
Độ suy hao của sợi quang được tính bằng công thức:
A(cỉB) = 10 log
(1)
(2)
Trong đó:
P| = P(0) là công suất đưa vào sợi
p> = P(L) là công suất ra ỏ' cuối sợi quang dài L
Hệ số suy hao trung bình trên lkm:
a(c/B/km) = ^ D _
L(km)
Nguyên nhân gây ra suy hao có thè chia làm 2 loại:
* Suy hao thuần tuý sợi quang
* Suy hao phụ do lắp đặt và vận hành hệ thống.
a) Suy han hấp thụ:
Trong tluiỷ tinh làm sợi quang có một số tạp chất như Te, Mu, Cu,
Co, Ni. Đây là các nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng với mức độ khác
nhau tuỳ từng loại, từng nồng độ và phụ thuộc vào bước sóng truyền qua
nó.
Sự có mặt của các ion OH- trong sợi quang (do độ ẩm gây ra) cũng
gây suy hao hấp thụ đáng kể. Ngay cá khi thuỷ tinh tinh khiết và thực sự
được chống ẩm thì sợi quang vẫn có hấp thụ xày ra trong vùng cực tím và
hổng; ngoại. Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trứ ngại cho việc sử
dụng các bước sóng dài.
Luận vân thạc S'Ỹ khoa học Trang 9
Chương I : Ton ự quan vé hệ Ihó/Iự tin quaníỊ
Ta thấy rang 3 vùng có bước sóng suy hao Ihấp, gọi là 3 cứa số. Đó
là:
Cứa sổ 850m n: Có suy hao thấp nhất đối vói những sợi quang chế

tạo trong giai đoạn đầu (cỡ 2-3dB/km) nhưng với kỹ thuật hiện Iiay suy
hao đó chưa phái là thấp nhất.
Cửa sổ 1300nm; Có suy hao 0,4 - 0,5 dB/km, đặc biệt khi đó độ tán
sác là rất thấp nên bước sóng này được sử dụng khá rộng rãi.
Của sổ 1550nm: Có suy hao cỡ 0,2 dB/km, thấp hơn cửa số 1300nm
nhưng độ tán sắc lại cao hơn.
b) Suy han do tán xạ:
Tán xạ Rayleigh: sóng điện từ trong môi trường điện môi không
đồng nhất (cỡ 1/10 bước sóng) xáy ra hiện tượng tán xạ ánh sáng: Các tia
sáng đi tới sẽ toá ra nhiều hướng, một phần tiếp tục truyền theo hướng cũ,
một phần truyền theo các hướng khác, thậm chí ngược lại hướng cũ.
c) Suy hao do bị uốn cong:
- Vi uốn cong: khi sợi quang bị chèn ép (trong quá trình đưa vào vỏ
đệm) sẽ tạo lên những chỗ uốn cong đù rất nhỏ (vào khoảng vài |jm) cũng
gây nên xáo trộn phân bố trường dẫu đến phát xạ năng lượng ra khỏi lõi.
- Uốn cong: Khi chế tạo và lắp đật, sợi quang không tránh khỏi
những chỗ bị uốn cong. Báĩi kính UỐI1 cotig càng nhỏ thì suy hao càng
tăng. Các nhà sán xuất đề ra giá trị bán kính uốn cong tối đa cữ 40mm thì
suy hao mới không đáng kể.
(!) Suy hao do hàn nối, lắp ghép sợi với thiết bị phát quang:
Vì đường kính cua sợi quang là rất nhỏ nên khi hàn nối hoặc ghép
Mối với các linh kiệu thu phát quang chíínơ không hoàn toàn đồng trục với
nhau, chúng không được gắn với nhau hoàn toàn và đồng nhất liên một
phần ánh sáne bị lọt ra ngoài gây suy hao.
¡yiiận văn thạc sỹ khoa hoc Trang 10
Chương I : Tổn ự (¡non về hệ IhoníỊ tin quang
1.3.2. Độ tán sác:
tì) Tán sắc mode.
Trong các sợi quang đa mode, tốc độ lan truyền cúa các mode là
khác nhau. Đày là nguyên nhân gây liên hiện tượng méo xung. Hiện tượng

này gọi là tán sắc mode, nó làm khoáng cách giữa các xung ngắn hơn so
với lúc truyền. Trong các sợi quang đa mode đày là nguyên nhàn chính
làm cho độ rộng băng truyền bị giới hạn.
b) Tán sắc bước sóng:
Trong môi trường đồng nhất, chiết suất khúc xạ của môi trường biến
đổi theo bưóc sóng, khi đó tốc độ truyền dẫn cũng biến đối theo bước
sóng. Đầy là một yếu tố giới hạn độ rộng băng truyền giống như trong tán
sắc mode và I1Ó được gọi là tán sắc vật liệu.
Khi chiết suất khúc xạ giữa lớp lõi và lớp vỏ của sợi quang khác
nhau chút ít thì hiện tượng phản xạ toàn phần tại bề mặt biên không hoàn
toàn giống như hiện tượng phan xạ toàn phần trên mật gương mà có thêm
thành phần thẩm thấu ánh sáng qua lớp vỏ. Mức độ thẩm thấu này cũng
biến đổi theo bước sóng, độ dài của đường truyền thay đổi (heo bước sóng.
Hiện tượng này được gọi là tán sắc cấu trúc. Tán sắc vật liệu và tán sắc
cấu trúc được gọi chung là tán sắc bước sóng.
Nói chung, độ lớn của tán sắc mode » tán sắc vật liệu > tán sắc
cấu trúc. Bởi vậy, trong hầu hết các trường hợp sợi quang đa mode, độ
rộng băng truyền bị giới hạn hầu như chi do nguyên nhân tán sắc mode,
táu sắc bước sóng chỉ có một giá trị rất nhỏ. Trong sợi đơn mode thì tán
sác bước sóng là chủ yếu khi đó ta phái chọn những bước sóng sao cho ánh
hưởng của tán sắc vật liệu là nhỏ Iìhất.
I.UIỊÌI vùn tliạc sỹ khoa hoc
Trang I I
ChươniỊ 2: Bó thu quatiíỊ
CHƯƠNG 2
BỘ THU QUANG
2.1. Sự HẤP THỤ ẢNH SÁNG TRONG CHẤT BẢN DAN.
Khi ánh sáng chiếu vào một chất bán dầu, 11 ó có thè giái phóng điện
tử ở vùng hoá trị và chuyển điện tử đó đến vùng dẫn. Quá trinh này được
gọi là sự hấp thụ photon. Muốn chuyển một điệu tử từ vùng hoá trị đầy lên

vùng dẫn còn trống thì năng lượng của photon cung cấp cho điệu tử tối
thiểu cũng phải báng độ rộng vùng cấm chất báu dẫn.
Đối với các chất bán dẫn có sự chuyển dịch trực tiếp, hệ số hấp thụ
như sau:
Trong đó:
111,* là khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống (m /= khối
lượng cua điệu tử - khối lượng của lỗ trống).
II, là chỉ sỏ khúc xạ. ỉì
(0
là năng lượng photon.
E,, là độ rộng vùng cấm.
p0 là xung lượng nguyên tố cho phép sự dịch chuyển xảy ra.
Đối với các chất bán dẫn chuyển dịch (rực tiếp, khi các giá trị hằng
số khác nhau được gán vào phương trình 3 thì hệ số hấp thụ trở thành:
Sự sinh ra cặp điện từ -lỗ trống 11 hờ sự dịch chuyển của điệu tử từ
vùng này đến vùng khác (có nghĩa là một điện tử được chuyển từ vùng hóa
trị đến vùng dẫn) không phái là cách duy nhất đê phát hiện photon. Trong
các bộ thu “pha tạp”, một chất bán dẫn được kích hoạt bằng một chất pha
tạp đặc biệt. Các bộ thu “pha tạp” tạo ra một loại bộ thu quan trọng cỉìing
trong việc phát hiện các bức xạ có bước sóng đài. Các bộ thu “pha lọp” có
thế hoạt độim với bước sóng nhỏ hưu 120j.tm ờ nhiệt độ thấp bans cách sử
u Ợ ì ( ủ ) =
2nrcmịen ĨKO
(3)
(4)
l.tiận văn thạc sỹ khoa học
Trang 12
Chương 2: Họ íliu quang
dụng các châì pha tạp trong Ge hoặc Si. Hệ sô hấp thụ đối với sự hấp thụ
pha tạp dù sao cũng khá nhỏ (~10 cm'1).

Khi ánh sáng chiếu vào một chất bán dẫu và sinh ra các cặp điện tử
- lồ trống, hoạt động của bộ thu phụ thuộc vào việc thu nhận các phần tử
tái điện này, vì vậy phụ thuộc vào sự thay đối độ dẫn điện cùa vật liệu
hoãc sinh ra một tín hiệu điện thế. Nếu không có điên trường hoặc
gradient hút, các điện tử - lỗ trống sẽ tái hợp với nhau và không sinh ra
được tín hiệu. Một đặc tính quan trọng đặc trưng bởi độ nhạy cua nó, tạo
ra liòng điện bởi một công suất tín hiệu quang nào đó. Rph được định nghĩa
như sau:
Trong đó,
¡1
là dòng quang điện được tạo ra trong thiết bị có diện
tích A, J! là mật độ dòng photon, Popcông suất tín hiệu quang.
Đê thu được các cặp điệu tứ - lổ trống sinh ra cần phai có điện
trường. Điệu tnrờng này có thể được tạo ra bằng cách sứ dụng lớp tiếp xúc
cùa chất hán dẫn hoặc sử dụng một diode p-n. Phương pháp đấu cho ta bộ
thu quang dẫn, trong đó các cặp điện tử - lổ trống làm thay đổi độ dẫn của
chất bán dẫn. Diode p-n (hay p-i-n) được sứ dụng rộng rãi như một bộ thu
và khai thác điện trường tiếp xúc ở lớp tiếp giáp có SỪ dụng sự phân cực
ngược để thu điện tử và lỗ trống.
Độ nhạy của bộ thu phụ thuộc nhiều vào bước sóng của photon. Nếu
bước sóng của photon lớn hơn bước sóng giới hạn trên thì sẽ không có sự
hấp thụ photon và dòng quang điện sẽ không được sinh ra. Khi bước sóng
nhò hơn X, thì năng lượng photon sẽ lớn hơn năns lượng vùng cấm và năng
lượng thừa sẽ được toả ra dưới dạng nhiệt. Vì vậy, mặc dù năng lượng
photon có lớn hơn năng lượng vùng cấm, thì vẫn chì tạo ra cùng một số
cập điện tứ - lỗ trống, khi đó, độ Iihạy bắt đầu giảm.
Ngoài các diode ra, các transistor cũng cỏ thể được dùng để phát
hiện các till hiệu quang. Các transistor quang được sử dụng rộng rãi trong
công nghệ quang điện tứ. Các transistor quang có hệ số khuếch đại cao
nhờ hệ số khuếch đại của transistor.

Pop Pop
(5)
2.2. BỘ TÁCH SÓNG QUANG DÂN.
ỈAHỊII văn thạc .vỹ khoa học
Trail” 13
o
Chương 2: Họ Ihu quang
Bộ tách sóng quang dẫn là một trong Iiliữnạ bộ thu đơn giản nhất,
khi ánh sáng có bước sóng thích hợp chiếu vào chất hán dẫn, thì các cặp
điện tử- lỗ trống được hình thành và bị hút bởi điện trường, làm thay đối
độ dẫn điện của vật liệu. Trường điện từ sẽ làm dịch chuyển các điệu lử và
lỗ trống theo hai hướng ngược nhau và tạo ra dòng điện. Các hạt tái giữ
nguyên trong hệ thống cho đến khi chúng tái hợp hoặc bị thu nhận tại tiếp
điếm. Hãy xem xét trường hợp sau: nếu ta có một càu trúc 11-i-n có tốc độ
lái hợp là Rưh, tốc độ này bằng tốc độ phát quang:
Re h - — - Gị
(6)
ơ đây Tp là thời gian tái hợp của các hạt tái thừa. Giá sử rằng chúng
ta có một thiết bị loại n được kích thích mà ỏ' đó các điện tử chi phối độ
dẫu. Nếu không có ánh sáng chiếu vào thì độ dẫn điện là:
Ơ0=e(í-inn0+HpP0) (7)
ơ đây n(),p(i là mật độ điện tử và lỗ trống khi chưa có ánh sáng chiếu
vào.
Nếu tín hiệu quang sinh ra mật độ các hạt tải ỗn=ôp, thì độ dẫn là:
ơ = e [ j . i n( n 0+ 5 n ) + n p( p 0 + 8 p ) ] ( 8 )
Mật độ các hạt tai dư ở đây là:
Ôn=5p=G,Tp (9)
trong đó Gị là tốc độ sinh ra các cập điện tử- lỗ trống. Sự thay đổi
độ dán điện của các chất dưới tác dụng của tíu hiệu quang gọi là suất
quang dẫn và được tính bằng công thức (6).

Aơ =
eổf)(/jn
(10)
Nếu tác dụng một trường điện từ E thì mật độ cỉòng là:
,J = (./, +./,) = (cr0 + A ơ)/ì
(11)
0 đày J,| là mật độ dòng tối cứa bộ thu khi chưa chiếu sáng. Vì vậy
dòng quang điện là:
I| =J| A = eôp(jLin + fip)AE = eCi, T p(Mn + Mp)AE ( I 2)
Ì.uậiì vú
11
thạc .vỹ khoa hục Trang 14
Chưtmq 2: lỉộ thu í/
11(111
ự
jll,,E và j.ipE tượng trưng cho tốc độ cùa điận tử và lỗ trống và cổ (hể
không tăng tuyến tính với cường độ điện trường. 0 điện (rường cao, nnE và
HpE là các vận tốc bão hoà không phụ thuộc vào trường. Thời gian dịch
chuyển các điệu lử trong thiết bị được định nghĩa như sau:
L
(13)
Hình 2.
(</) Cáu trúc liìnli học của bộ tách SÓIIÍỊ (ỊiianiỊ dần với độ dài L và
diện tícli A.
(b) Mộl loại mạch tlìiêH úp của detector (ỊttaiHỊ. Ánli xán ự iỊắỵ ra sự
thay đổi trong điện trở của chất </na/it> dần. Tụ chắn c có thể được sử
(lung nến chỉ có tín hiệu AC được thu.
Thay ị.inE= — . Dòng quang điện trở thành:
I, - eG,
1 +

tỈJL
AL
(14)
Đây là dòng quang điện được sinh ra trong mạch, chúng ta có thể
tính dòng quang điện sơ cấp như sau:
l,,= eG,.AL (15)
Đây là dòi)ơ quang điện mà mồi cặp điện tử- lỗ trống chi đóng góp
vai trò cua I1Ó một lần (tức là không có sự khuếch đại trong thiết bị),
nhưng thực tế thì không phái như vậy. Hệ số khuếch đại của bộ thu quang
dẫn bây giờ là:
Luận văn (hạc .vỹ khoa liọc
Trang 15
Chương 2: ỉiọ thu quang
G
L
,,h
ÍL.
■u» )
(16)
Hệ sô khuếch đại trong thiết bị tăng lên bởi điện tử chạy quanh
mạch một vài vòng trước khi kết hợp với lỗ trống. Mỗi vòng điện tử chạy
quang mạch nó sẽ cung cấp một dòng điện như được minh hoạ trên hình 3.
l'holüii s 1 111) ra cập iliụn tử
lỏ trống;
1 =
Diện lir hi Ihu Ihâp I.II liếp
(liếm Irirớc kill lỏ tríing có
lliổ bị ha'p 111 ụ
t = I« + (|
MỘI (liọn lừ (lược plum 111 lừ

liếp <1 lõm khác lie (luy tri
ilìện I It'll I ru 11 g hoà;
I = to + 11 + íỉt
Hình 3. Gián đổ chi ra cách tạo hệ sô kliuếch đại trong detector n-i-n
nhờ vài "sự dịch chuyển vồng tròn" một diệu tử có thể tạo ra trước khi
tái hợp với lổ trấnq tại tiếp điểm lioặc troniỊ miền i chất bán dẫn.
Nếu Tị, lớn và tIr nhỏ thì Gph lớn. Với các thiết bị làm bằng Si (có Tị>
rất lớn) thì hệ số khuếch đại có thể đạt được lớn hơn 1000. Tuy nhiên, hệ
số khuếch đại cũng có thê bị Ihay đổi khi lốc đô thay đổi, do tốc độ được
điểu khiến bởi T|. chứ không phải tlr. Vì vậy, độ khuếch đại trong băng tần
là một hằng số. Bêu cạnh ưu điểm là bộ thu quang dẫn có thể tạo ra một hệ
số khuếch đại lớn, thì nó CÒI1 có nhược điểm là dòng nhiều trong bộ thu
khi chưa có ánh sáng chiếu vào.
2.3. BỘ THU QUANG P-I-N.
Một kiêu hoạt động quan trọng của diode p-n (hoặc p-i-u) dưới tác
dụng của ánh sáng là khi diode được mắc ngược.
Vì thiết bị hoạt động ớ chế độ phân cực ngược nên dòng diode trong
vùng tối là I„ không phụ thuộc vào điện áp đặt trên diode. Dòng quang
ÌAiặìì văn thạc sỹ khoa học
Trang 16
Chương 2: li ọ íliu (Ị 11(1 IIÍỊ
điện I, chủ yếu phụ thuộc vào các phần tử tái điện sinh ra ở vùng nghèo
(vùng i). Diode được mắc ngược nên toàn bộ vùng i trở thành vùng nghèo
và có trường điện rất mạnh. Phái) ứng của thiết bị rất nhanh vì dòng quang
điện sơ cấp phụ thuộc vào dòng quang điện sinh ra bới trường điện rất
mạnh này. Dòng quang điện cực đại có thể thu được là (giá sử rằng vùng
không pha tạp lớn hơn độ dài khuếch tán cua e và lỗ trống):
IỊ = e/iịcỈỊ (x)dx
•• (17)
0 đây w là độ rộng của vùng nghèo. Trong phần này chúng ta sẽ

tính đến hiện tượng là: khi các photon xâm nhập vào vật chất thì mật độ
ciĩa nó sẽ giảm do sự hấp thụ. Tốc độ sinh ra các phần lử tải điện ở điểm X
nhận được từ phương trình 17 là:
GL(x)=a<Ị>0(0)exp (-ax ) (18)
Trong đó, <ị)o(0) là dòn° photon tại điểm x=0 (số photon/cm2 trong I
see). Từ phương trình 34 ta tính được dòng photon:
I, = eA ệo(0)[ 1 - exp(-aW )] ( 19)
Nếu R là độ phản xạ của bề mặt thì 1-R là phần photon bị hấp thụ
trong thiết bị, đòng photon là:
I, = eA ộo(0)(I-R )[ I - exp(-aW )] (20)
Hiệu suất của bộ thu tỷ lệ giữa mậl độ dòng quang điện và dòng tối
là:
n I,
dct= 1 -r =(l-R)[l-exp(-a\V)]
eAcpo(O) (21 )
Muốn có hiệu suất cao thì R phải nhỏ và vv phải dài. Nhưng nếu w
quá dài thì thời gian dịch chuyển của điện tử để điều khiển tốc độ của thiết
bị lớn VÌ1 làm giảm tốc độ của thiết bị. Các thiết bị tốc độ cao có w cỡ <
I |,im và có thể hoạt động ở tốc độ trên 10 GHz.
ỉ.uận vân tliạc sỹ klioa học
Trang 17
Ch ươn {Ị 2: liọ thu (¡nang
v„
w
o
Các hạt lái được Ihu thập lư
miền nghèo
ho /V X A -
hm 'VXA*- 0
Hình 4. Sơ đồ dái nàiìí’ lượng và mặt cắt cấu trúc của bộ thu p-i-n.

Các phần tử tái điện sinh ra ở vùn
1
> Hiịhèo dược hấp thụ và tạo nên
(JỎIII> diện.
Khi đã chọn xong vật liệu, vấn đề quan trọng trong thiết kế thiết bị
a) Làm giảm độ phán xạ trên bề mặt: điểu này thường được xử lv
bằng phương pháp phủ lớp chống phản xạ, cách này có thể làm giảm độ
liêu hao do phán xạ có khi lừ 40% xuống còn 2-3%.
b) Làm tăng sự hấp thụ ở vùng nghèo: để hiệu suất của bộ thu cao
thì sự hấp thụ ở vùng suy giám phải càng lớn càng tốt. Tuy nhiên, việc
tàng độ rộng của vùng suy giám không phải lúc nào cũng tốt cho tốc độ.
Người ta thường sử dụng các gương kim loại để tăng độ dài tương tác
quang học của thiết bị bằng cách bắt các chùm sáng phản xạ nhiều lần
trong thiết bị.
c) Giám sự tái hợp của các hạt tái: để tăng hiệu suất của thiết bị thì
cần phải giảm sự tái hợp các hạt tải ở vùng nghèo xuống càng nhó càng
lốt. Đê làm được điều này cần phái sử dụng vật liệu có độ tinh khiết cao
nhằm loại bỏ các tâm tái hợp.
cl) Giám thời gian dịch chuyến: Đé có tốc độ cao, thời gian dịch
chuyến phái là tối thiểu điều đó có nghĩa là vùng nghèo càng hẹp càng tốt.
là:
ỉ.nặn văn thạc sỹ khoa học Trang I 8
Chương 2: liọ lim quang
Ngoài ra, đáp ứng thời gian được điều khiển bằng các thông số của
mạch. Giả sử lối ra của diode được đưa vào bộ khuếch đại. Điện dung của
diode trong trường hợp phân cực ngược là:
trong đó, w là độ rộng vùng nghèo của thiết bị; A là diện tích của
diode. Diode có điện trở Rs và độ dẫn GD. Để có đáp ứng tầu số cao thì
điện dung và điện trở phải là tối thiếu, điều đó có nghĩa là phái giảm diện
lích A, vì nếu w tăng quá nhiều thì sẽ bị hạn chế về hiệu ứng thời gian

dịch chuyển.
Nếu điện dung và điện trở là tối ưu thì thời gian dịch chuyến được
điểu khiển bời độ rộng của vùng nghèo và vận tốc bão hoà, và được tính
bằng công thức:
w
(23)
Vì vậy muốn cỏ tần số cao thì độ rộng vùng nghèo phải hẹp.
2.4. BỘ THU QUANG THÁC (APD - AVALANCHE
PHOTODETECTOR)
Ngoài bộ thu p-i-11, một loại bộ thu quan trọng sử dụng sự tác động
của quá trình ion hoá hoặc quá trình thác lũ đế có được thiết bị có hệ số
khuếch đại cao. Trong khi ở bộ thu p-i-n hệ sỏ khuếch đại hầu như bằng
một thì ở bộ thu APD có hệ số khuếch đại rất lớn.
Quá trình thác lũ là quá trình một điện từ hoặc lỗ trống có năng
lượng cao tạo liên một cặp điện tử- lỗ trống. Thường thì quá trình này xuất
hiện ở điện trường cao hạn chế đặc tính của các thiết bị, nhưng trong các
APD thì 11Ó được dùng để nhân các phẩn tử tải điện sinh ra bởi một photon.
Đế tạo ra quá trình thác lũ thì điện tử gốc phải có năng lượng lớn
hơn Iiăug lượng cùa độ rộng vùng cấm do cá hai định luật bảo toàn năng
lượng và động lượng. Hệ số ion hoá đối với điện tử- lỗ trống được biểu thị
bằng a mip và P„,,p.
ì.nan vãn thạc sỹ khoa học
Trang 19
Chương 2: fíộ thu (Ịnang
Chính nhờ có sự nhân các phần tứ tai điệu lên mà APD có hệ sô
khuếch đại rất cao và vì vây nó được sứ dụng rộng rãi trong các hệ Ihống
thông tin quang. Tuy nhiên, do quá trình nhân là ngẫu nhiêu nên thiết bị
tirơng đối nhiễu. Độ nhiễu phụ thuộc vào hệ số nhân các phần từ lái điện
và tý số a imp/(3jtnp. Một số hệ thống vật liệu bao gồm Ge, Si và rất nhiều
hợp chất bán dẫn III-V được sử dụng trong các bộ thu quang. 0 phần tiếp

theo chúng ta sẽ tháo luận về một số vấn đề thiết kế đối với các APD.
Các giái pháp thiết kế API).
Cũng Iilur trong bộ thu p-i-n, vấn đề đầu tiên đối với việc thiết kế
APD là vùng nghèo phải đù dày đế cho phép hấp thụ tín hiệu quang. Vùng
này phái có độ dày ~l/cc (tưo) và nằm trong khoáng I (.1111 đối với chất báu
dẫn dịch chuyển trực tiếp đến vài chục Ị.un đối với các vật liệu dịch
chuyên gián tiếp. Giữa vùng thác lũ và vùng hấp thụ nói chung luôn giữ
một khoảng cách (đặc biệt nếu độ dày vùng hấp thụ >lụm ), bởi vì. việc
duy trì một điện trường cao không đổi qua vùng rộng là rất khó. Trường
điệu từ chủ yếu có giá trị >l(FV/cm được sử dụng cho quá trình thác lũ.
Nếu trường này không đồng nhất thì dao động điện tích cục bộ có thế khó
điều khiển và dự đoán đầu ra.
Một cấu trúc quan trọng của APD là cấu trúc “vươn qua” (reach
through). Người ta thiết kế như vậy đê điện trường ở vùng hấp thụ đủ lớn
làm tất cả các phần tử tải điện dịch chuyển với vận tốc bão hoà (vs(h) và
vs(e)). Ca điện tử hoặc lỗ trống đều có thè được chọn để thâm nhập vào
vùng thác lũ. Quá trình thác lũ được bắt đầu bằng việc một phần tử tái
điện có hằng số ÍOI) hoá do va chạm cao để tối ưu hoá đáp ứng thời gian
của thiết bị.
Trong APD, hê số khuếch đai dòng không chi phu thuộc nhiều vào
thiên áp đặt lên nó mà còn phụ thuộc nhiều vào dao động nhiệt. Vì vậy,
Luận vãn thạc sV khoa học
Trang 20
Chương 2: lì ọ (hu quang
việc hạ thấp nhiệt độ xuống là rất quan trọng đối với các thiết bị này.
Oxide
rt-type
guard
ring
Photons

Hình 5 .
(</) Sơ đồ của hộ thu Al}D loại reach through.
(I)) Mặt cắt của APD chỉ rõ VÍIIIÌỊ hoá trị vùng hấp thụ. Tro/IÍỊ CÚII trúc
Iiày, rúc điện tử sẽ lù yếu tô iịúy ra sư mở đầu cho quá trìnli nhân.
(c) Đồ tliị cườnẹ độ điện tnỉờniỊ ( lía APD. Điện trurìiìíỊ mạnh ở lớp
tiếp ỳáp II*p sẽ (Ị(ĩy rư (¡UÚ ti ìnli tliác lít.
Luận văn /liạc sỹ khoa học Trans 2 1
Chương 2: Họ thu quang
L ớ p c á c h ly
11 I n G u A s
h<n
p ' I n G o A s
p ’ I n p
n InP '
I vu n g t h á c lũ
4
II I n 0 14G a M ( A s
vủng đổ n* InP
v u n g G r a d e d
thu ánh
}
Lớp hốp
sá n g 1.5
y^irn
ti ép x á c
Hình 6. Sơ đồ mặt cắt did diode thúc lũ ỉiiGaAsllnP. Quá trình thác 111
xuất liiện tại lớp tiếp giáp InH khi sự luíp thụ xuất lìiện ỉroiiiỊ vùng
hĩGaAs
2.5. NHIỀU VÀ GIỚI HẠN ĐO.
Để đánh giá chất lượng của các bộ thu quang thì ta phải phát triển

các bộ đánh giá các 1 hông số của bộ thu. Thòng số quan trọng nhất của bộ
thu là thông số của nguồn bức xạ yếu nhất I1Ó có thể thu được.
I = Dòng trung binh, a = Dòng dièn tich trung binh
0
- >
0 *
N
0 * ■ © * ọ *
p
(a)
t
P{N At)
(c) ________________________________^
Thời gian

►
Hình 7.
ịu) Các diện tử tronchất bán dần chuyển động một cách IIIỊÍỈH nhiêu
tlieo một liàm phân phối nhất dinli;
Luận văn thạc sỹ khoa học Tran5 22
Chương 2: ỉiộ Hui ¡¡nang
(h) Xác suât fini N điện tử di qua diện tích A tì oui’ khoang thòi
[>¡<111
pt.
Dòiìíị hạt trung hình là a, \>¡á trị trniìíị bình día hạt le) N —a pt;
(c) Sơ (lồ của (lòm> điện trong thiết bị. Thông ké sự biên đối kct </H(í
trong nhi í'II trong dòm; điện.
Tín hiệu quang phái phát ra một dòng tín hiệu lớn hơn nhiễu cua
thiết bị. Các điệu tử tạo ra dòng trong thiết bị là các hạt rời rạc mang điện
tích rời rạc. Khi có dòng chạy trong thiết bị thì các điện tử được phân phối

theo năng lượng và động lượng của một số hàm phân phối. Kếl quả là lất
cả các điện tử sẽ không định chuyển với một năng lượng và vận tốc xác
định. Vì vậy, nếu một thiết bị định vị ờ một điện cực và đếm số điện tử
đến trong khoáng thời gian At thì số này sẽ không phái là hằng số, điều
này được chỉ ra trên hình 7. Khoảng thời gian At càng ngắn thì sự khác
nhau này càng lớn.
Giá sử rằng sự khác nhau về số lượng các điện tử đến trong khoáng
thời gian At được phân bố theo hàm Poisson. Theo phân bố thống kê, nếu
aÀt là trung bình cứa số các hạt đến trono khoảng thời gian At thì xác suất
nhận được N hạt trong khoáng thời gian At là (vì N rất lớn):
P(N, A/) =
1 ị {N-aAí)2) 1 Ị AN2 'Ị
1

7

\
yj2 7ĩ(aAl) V 2aAf
1
■— cx p
slnN
I J
(24)
Trong đó N là giá trị trung bình (=aAt) và AN là độ thăng giáng so
với giá trị trung bình. Hàm này được chỉ ra trên hình 7b. Hàm này đạt
được cực đại khi:
N = N==uAt (25)
Độ lệch bình phương trung bình của hàm phân phối Poisson tức là
nhiễu theo lý thuyết xác suất thống kê được tính:
V(AN)2 =t¡(n - n )2 =yfÑ

(26)
Nhiễu Iiày được gọi là nhiễu do phát xạ (shot noise), nó có thể xuất
hiện troné dòng các photon tác động lên bộ thu hoặc dòng do sự sinh ra
cặp điện tử-lỗ trống trong bộ thu, vì cá hai trường hợp này đểu liên quan
đến các hai rời rac.
Luận văn thạc sỹ khoa học
Trang 23
Chương 2: Hộ lỉm qtitìtìỊỊ
Tín hiệu trung bình trong thiết bị là N(=aAi). Một thông số quan
Irọng của thiết bị là tỷ số giữa tín hiệu phát ra và tạp ngẫu nhiên. Tì số tín
hiệu/ tạp (SNR) cùa nhiễu sinh ra do phát xạ là:
SNR = - ~ = J n = 4ãKí
vw (27)
Nếu dòng qua thiết bi là I, đại lượng a là dòng các hạt và được tính
bởi cỏns thức:
/
a = —
e (28)
Từ phương trình (27) thấy, SNR tăng thì khoảng thời gian quan sát
At tăng. Ta có độ rộng dải cùa thiết bị f là:
' " 2M (29)
SNR =
a
2 /
(30)
Về mặt vật lý thì SNR giám khi thiết bị hoạt động ờ tần số cao hơn.
Nhiễu bình phương trung bình của bộ thu được gọi là dòng nhiễu do phát
xạ (/,/,) ta được:
w ị ỹ _ = = [—
A I M (31)

Ngoài nhiễu do phát xạ còn có nhiều loại nhiễu khác do va chạm
trong hệ thống. Thường các tín hiệu được tạo ra bởi bộ thu là phán ứng cùa
I1Ó đối với tín hiệu quang và được khuếch đại lên. Bộ khuếch đại này cũng
tự gây ra nhiễu. Nguồn nhiễu khác là ồn nhiệt liên quan tới hức xạ của vật
đen. 0 nhiệt độ T, theo ]ý thuyết phát xạ vật đen của Planck, bức xạ toàn
phán sẽ tồn tại theo hàm phân phối:
2 c
N(ã) =
Ã4
tì ũ)
exp
kBr
(32)
Các photon có năng lượng h(
0
>Eị, sẽ tạo ra nhiễu bằng cách hình
thành các cặp điệu tử- lỗ trống. Tuy nhiên, nếu k|,T nhỏ hơn độ rộng vùng
cấm 1 hì ổn nhiệt có thể bỏ qua. Vì vậv, ở háu hết các tầu số quang thì ổn
nhiệt là không đáng kè.
I.IIỌII ván thạc sỹ khoa học
Trang 24