Bài giảng kỹ thuật thông tin quang chương 4 bộ thu quang

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀ
I
GIẢ
NG
BÀ
I

GIẢ
NG
KỸ
THU
Ậ
T THÔNG TIN QUANG
KỸ

THU
Ậ
T

THÔNG

TIN

QUANG
Fundamental of Optical Fiber Communications
Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp
B
ộ
môn: Thôn
g

Tin
Q
uan
g
–Khoa Vi
ễ
n thôn
g
2
ộ
gQg
g
Email: ,
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
CHƯƠNG 4
BỘ THU QUANG
BỘ

THU

QUANG
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 2
NỘI DUNG CHƯƠNG 4
•
Các khái niệmcơ bản
Các

khái

niệm

cơ

bản
• Các phần tử chuyển đổi quang- điện bán
dẫn
dẫn

• Các bộ tiền khuyếch đại
Nhiễ tbộ th
•
Nhiễ
u
t
ron
g

bộ

th
u quan
g
• Các tham số của bộ thu quang
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 3

Các Khái Niệm Cơ Bản
• Linh kiện tách sóng quang:
- Biến đổi tín hie
ä
u ánh sán
g
thành tín hie
ä
u đie
ä
n
äg ää
có cường độ dòng điện tỷ lệ với công suất
ánh sáng chiếu vào nó.
• Nguyên lý hoạt động:
− Mối tiếp giáp pn phân cực ngược
− Hie
ä
n tượn
g
hấ
p
thụ
(
absor
p
tion
)
ägp(p)
www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2
Trang 4
Các Khái Niệm Cơ Bản
• Hai loại linh kiện tách sóng quang:
− PIN: diode thu quang có 3 lớp bán dẫn P, I, N
− APD (Avelanche Photodiode) : diode thác lũ
• Vùng bước bước sóng hoạt động của linh kiện
thu quang phụ thuộc vào vật liệu chế tạo
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2
Trang 5
Các Thơng Số Cơ Bản
• Hiệu suất lượng tử (Quantum Efficiency)
n
e
: số lượng điện tử tách ra
η
eI
n
ph
e
/
=
=
n
ph
: số lượng photon chiếu vào
Hiệu sua

á
tbie
á
nđ
ổ
i quang
điện
ν
η
hPn
optph
/
=
=
−
Hiệu

suat

bien

đ
ổ
i

quang
-
điện
− η của mỗi vật liệu thay đổi theo bước sóng ánh sáng
www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2
Trang 6
Các Thơng Số Cơ Bản
• Đáp ứng (Responsivity):
I
ph
: dòng quang điện
η
e
I
R
ph
=
=
P
opt
: công suất quang
−
Phu thuộc:
ν
hP
R
opt
=
=
Phu
ï
thuộc:
+ hiệu suất lượng tử

+ bước sóng hoạt động
R (A/W)
0,88
Photodiode
lý tưởng
Photodiode
điển hình
0,44
(
mm
)
0
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2
Trang 7
(
mm
)
0
0,5 1
c
Các Thơng Số Cơ Bản
• Độ nhạy (Sensitivity):
− Là mức công suất quang thấp nhất mà linh kiện thu
ù h å h đ ùi ä û á l ãi (BER) h á
quang co
ù
t
h

e
å
t
h
u
đ
ược vơ
ùi
mo
ä
t ty
û
so
á

l
o
ãi

(BER)
n
h
a
á
t
đònh
−
Phu thuộc va
ø
o loai linh kiện ta

ù
ch so
ù
ng quang va
ø
mu
ù
c
Phu
ï
thuộc

vao

loa
ï
i

linh

kiện

tach

song

quang

va

muc

nhiễu của bộ khuếch đại điện
− Tốc độ bit ruyền dẫn càng cao thì độ nhạy của thiết
bò thu càng kém
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2
Trang 8
Các Thơng Số Cơ Bản
• Dải động (Dynamic Range):
− Là khoảng chênh lệch giữa mức công suất quang
há ø ù â á há há ølih
cao n
h
a
á
t va
ø
mư
ù
c co
â
ng sua
á
t quang t
h
a
á
p n

h
a
á
t ma
ø

li
n
h

kiện có thể thu được trong một giới hạn tỷ số lỗi
(
BER
)
nhất đ
ò
nh
() ò
− Phụ thuộc vào loại linh kiện tách sóng quang, độ
tuyến tính và giới hạn bảo hoà của bộ khuếch đại thu
I
ph
ph
P
opt
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2
Trang 9
Dải độn

g
Vùng bão hòa
Các Thơng Số Cơ Bản
• Nhiễu (Noise):
− Nhiễu nhiệt:
+ Do điện trở tải của diode thu quang cũng như trở
kháng vào của bộ tiền khuếch đại
+
Phu thuộc va
ø
o nhiệt độ be
à
rộng ba
ê
ng tap a
â
m
+
Phu
ï
thuộc

vao

nhiệt

độ
,
be

rộng

bang

ta
ï
p

am
,
điện trở tải:
B
KT
I
t
.
4
2
>
=
<
– K = 1,38.10
-23
J/
o
K: hằng số Boltzman
T: nhiệt độ tuyệt đối
o
K
B

R
I
t
.
>
<
–
T:

nhiệt

độ

tuyệt

đối
,
o
K
– B: bề rộng băng, Hz
– R: điện trở tải, Ω
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2
Trang 10
Các Thơng Số Cơ Bản
• Nhiễu (Noise):
− Nhiễu lượng tử:
+ Do biến động ngẫu nhiên năng lượng của các
photon đập vào diode thu quang

+
Do
ø
ng nhie
ã
ulươngtư
û
:
+
Dong

nhieu

lươ
ï
ng

tư:
BIeBPReI
pq
2 2
0
2
=>=<
− Nhiễu dòng tối:
+ Dòng điện nhiễu do các diode thu quang phát ra
khi không có ánh sáng chiếu vào
+ Dòng tối:
B
I

e
I
d
d
2
2
>=
<
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2
Trang 11
d
d
Các Khái Niệm Cơ Bản
• Sơ Ñồ Khối Bộ Thu Quang:
− Bộ thu quang: laø sự tổ hợp của
− bộ tách sóng quang
− bộ tiền khuếch đại điện
áhầ tử ử lý tí hiệ điệ
− c
á
c p
hầ
n
tử
x
ử

lý

tí
n
hiệ
u
điệ
n
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 12
Các Khái Niệm Cơ Bản
• Độ đaùp ứng phần tử chuyển đổi quang-điện:
 Photodiode cần có tốc độ đáp ứng nhanh để có thể hoạt
động ớitínhiệ tốc độ cao
động
v
ới

tín

hiệ
u
tốc

độ

cao
.
 Tốc độ đáp ứng của photodiode: 10% đến 90% giá trị đỉnh

tín hiệu
 Phụ thuộc: bước sóng, độ rộng vùng hiếm, sự thay đổi giá trị
điện dung, sự thay đổi giá trị điện trở của PD
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 13
Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn
• Photodiode P-N:
 mối nối P-N hoạt động ở chế độ dòng phân cực ngược
E
g
= E
c
-E
v
E
ph
= hν
E
v
E
c
-
+
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 14
Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn

• Photodiode P-N:
− Quá trình hấp thụ xảy ra chủ yếu trong vùng hiếm
− Vùng hiếm được tạo ra tự nhiên Ỉ hẹp Ỉ hiệu suất
thấp
Muo
á
nta
ê
ng hiệu sua
á
tbie
á
nđo
å
i quang
điện:
−
Muon

tang

hiệu

suat

bien

đoi

quang

-
điện:
+ Tăng độ rộng của vùng hiếm bằng cách tăng
điện áp phân cực Ỉ khôn
g
hiệu quả
g
+ Đặt giữa hai lớp bán dẫn P và N một lớp bán dẫn
có độ rộng lớn có tính chất tương tựï như vùng
hie
á
m
hiem
Ỉ diode thu quang PIN
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2
Trang 15
Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn
• Photodiode PIN
 Gồm 3 lớp bán dẫn P-I-N
 Lớp I (Intrinsic): lớp bán dẫn không pha tạp chất
hoặc pha với nồng độ rất thấp

Qua
ù
trình ha
á
p thu photon xa
û

y ra trong lơ
ù
pI

Qua

trình

hap

thu
ï
photon

xay

ra

trong

lơp

I
 Lớp I càng dày thì hiệu suất lượng tử càng cao
nhưn
g
thời
g
ian trôi của các điện tử sẽ càn
g

chậm
gg g
Ỉ giảm khả năng hoạt động với tốc độ cao của PIN
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2
Trang 16
Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn
• Photodiode PIN
 Cấu tạo bên trong của PIN:
hf
Lớp chống
phản xạ
I
P
Vòng tiếp xúc
kim loại
Cách điện
(
Si
O
2
)
I
N
(
)
Tiế ú
Tiế
p x

ú
c
kim loại
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 17
Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn
• Photodiode APD:
 Gồm 4 lớp P
+
P
-
P N
-
 P
+
và N
-
: bán dẫn có nồng độ tạp chất rất cao
 P
-:
bán dẫn có nồng độ tạp chất rất thấp (thay cho
lơ
ù
pIcu
û
aPIN
)
lơp

I

cua

PIN
)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2
Trang 18
Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 19
Các Bộ Tiền Khuyếch Đại
• Bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp:
 Điện trở điển hình là 50Ω
 Nhược điểm:
• điện áp nhỏ
dò hiễ ẽ ả hhưở đákể tê điệ t ở R
•
dò
ng n
hiễ
u s
ẽ

ả

n
h

hưở
ng
đá
ng
kể

t
r
ê
n
điệ
n
t
r
ở

R

nhỏ, vì nhiễu nhiệt tỉ lệ nghịch với điện trở
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 20
Các Bộ Tiền Khuyếch Đại
• Bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp:
 Điện trở lớn hơn 50Ω
 Chuyển đổidòngcócường độ yếu thành áp

 Nếutrở kháng cao quá lớn thì dòng tốicủa photodidoe
có
thể
gây
cho
photodiode
bảo
hoà
có
thể
gây
cho
photodiode
bảo
hoà
 Để trách sự bảohoà,PINphảiduytrìápphâncựcít
nhất vài vôn.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 21
Các Bộ Tiền Khuyếch Đại
• Bộ tiền khuếch đại hồi tiếp:
 Độ nhạy cao và băng thông lớn
 Điện trở R đóng vai trò chuyển đổi dòng thành áp
 Tạo áp ở ngõ ra tỉ lệ với dòng photon.
L ibỏ ả hhưở điệ dkýihủ dâ dẫ à

L
oạ

i

bỏ

ả
n
h

hưở
ng
điệ
n
d
ung
ký
s
i
n
h
c
ủ
a
dâ
y
dẫ
n v
à

của diode
www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 22
Nhiễu Trong Bộ Thu Quang
• Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (signal-to-noise ratio):
><>
<
22
4/
S
S
Signal
iRi
P
S
• SNR đ
ộ
c l
ập
với
g
iá tr
ị
đi
ệ
n trở
><
=
><
=

=
22
4/
N
S
N
S
Noise
Signal
iRi
PN
ộ ập g ị ệ
Æ chỉ cần tính giá trị dòng trung bình bình phương.
• Hai cơ chế gây nhiễu trên photodiode:
 Nhiễu nổ
(
shot noise
)
: tổn
g
h
ợp
của nhiễu lư
ợ
n
g
tử
()g ợp ợ g
(quantum noise) và nhiễu dòng tối (dark current noise)
 Nhiễu nhiệt (thermal noise)

www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 23
Nhiễu Trong Bộ Thu Quang
• Tổng dòng nhiễu bình phương trung bình ở ngõ ra
của photodiode:
T đó
><
+
>
<
+
>>=<<
2222
tdqN
IIII
T
rong
đó
,
: nhiễu lượng tử
: nhiễudòngtối
)(2
22
MFBMeII
pq
>=<
)
(

2
22
M
F
B
Me
I
I
d
d
>=<
:

nhiễu

dòng

tối
(M: hệ số nhân thác lũ của APD; F(M) = M
x
: hệ số nhiễu của APD,
x = 0,3 - 0,5 đối với APD silicon và 0,7 -1 đối với APD germanium)
)
(
d
d
: nhiễu nhiệt
L
t
R

KTFnB
I
4
2
>=<
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 24
Nhiễu Trong Bộ Thu Quang
• Dòng tín hiệu bình phương trung bình:
22
0
2
)
(
)
(
M
RP
I
=
trong đó, R: đáp ứng của PD; P
0
: công suất quang ngõ vào.
0
)
(
)
(

M
RP
I
p
• Tỷ số SNR được đánh giá thông qua biểu thức sau:
I
)
(
2
2
2
LdpN
p
RKTFnBMFBMIIe
M
R
P
I
I
SNR
/4)()(2
)(
)
(
2
2
2
0
2
2

++
=
><
=
• Nếu bộ thu sử dụng PIN, M và F(M) bằng 1
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 25