BỘ THU QUANG, hệ thống thông tin quang

SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

MỤC LỤC
MỤC LỤC......................................................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH ẢNH............................................................................................................2
I. GIỚI THIỆU........................................................................................................................3
II. BỘ THU QUANG..............................................................................................................3
1. Cấu hình bộ thu quang....................................................................................................3
2. Các nguồn lỗi trong bộ thu quang...................................................................................4
III. ĐỘ NHẠY THU CỦA BỘ THU QUANG......................................................................5
1. Giới thiệu về độ nhạy thu quang.....................................................................................5
2. Độ nhạy thu và tỉ số lỗi bít của bộ thu quang.................................................................5
IV. CẤU TRÚC MẠCH BỘ THU QUANG.........................................................................13
1. Các mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao..............................................................13
2. Các Bộ Khếch Đại Transistor Lưỡng Cực Trở Kháng Cao..........................................15
3. Bộ Khuếch Đại Hỗ Dẫn Ngược....................................................................................16
4. Đặc tính bộ thu quang có mạch tích hợp.......................................................................17
V. KHẢO SÁT......................................................................................................................17
1. chương trình khảo sát trên optisystem:.........................................................................17
2.Sơ đồ phổ.......................................................................................................................18
3. sơ đồ khảo sát trên optisystem khi thay đổi độ nhạy của bộ thu quang:.......................18
4. công suất bộ thu quang:................................................................................................20
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................................21

-1-


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 Cấu hình bộ thu quang số ..............................................................................................3
Hình 2: Sơ đồ bộ thu quang số....................................................................................................4
Hình 3 : Sự thể hiện giao diện của hệ thống truyền dẫn quang.............................................5
Hình 4: Tín hiệu dao động được phát ra tại bộ thu và mật độ xác suất Gaussian của các
bít “1” và “0”.................................................................................................................................7
Hình 5: Tỷ lệ lỗi bit BER là một hàm của hệ số Q..................................................................9
Hình6: Độ nhạy thu của bộ thu quang 10Gbit/s phụ thuộc vào tỷ số phân biệt................13
Hình 7: Mạch tiền khếch đại trở kháng cao đơn giản sử dụng FET...................................14
Hình 8: Bộ tiền khếch đại trở kháng cao sử dụng transistor lưỡng cực.............................15
Hình 9 : Mạch tương đương của bộ thiết kế hỗ dẫn ngược..................................................16
Hinh 3.1 khảo sát bộ thu quang trên optisystem...................................................................17
Hình 3.2 đồ thị trước và sau khi phổ........................................................................................18
Hình 3.3 đồ thị BER....................................................................................................................19
Hình 3.4 công suất bộ thu quang.............................................................................................20

-2-


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

I. GIỚI THIỆU
- Thiết bị thu quang, hay còn gọi là bộ thu quang, là một trong những bộ
phận quan trọng nhất trong hệ thống thông tin quang vì nó ở vị trí sau cùng của
tổ chức hệ thống truyền dẫn nơi mà thiết bị này thu nhận mọi đặc tính tác động
trên toàn tuyến đưa tới, và cũng vì thế cho nên hoạt động của nó có liên quan

trực tiếp tới chất lượng toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Chức năng chính của nó là
biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện. Thiết bị thu quang cần có
độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ và bảo đảm độ tin cậy
cao.
- Để có được một tuyến truyền dẫn dài với tốc độ bit lớn, bộ thu quang
cần phải thỏa mãn những yêu cầu chính sau đây:
+ Có tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal to Noise Ration) lớn và độ
nhạy thu cao.
+ Hoạt động trong điều kiện tín hiệu có băng tần lớn.

II. BỘ THU QUANG
1. Cấu hình bộ thu quang
Bộ thu quang trong hệ thống thông tin quang bao gồm bộ tách sóng quang,bộ
khếch đại điện và mạch xử lý tín hiệu.
PD
hv

Khếch Đại Chính
Quyết
Định

Pre
-

Tín hiệu số ra

am
p

RL

Clock
Ext

Front- end bộ thu

Hình 1 Cấu hình bộ thu quang số .

-3-

Clock ra


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

Hình 2: Sơ đồ bộ thu quang số
Front- end
Front-end của bộ thu quang bao gồm một phô tô điot và một bộ tiền khếch
đại.Phô tô điot biến đổi luồng bit ánh sáng thành tín hiệu điện thay đổi theo thời
gian.Bộ tiền khếch đại điện có vai trò khếch đại tín hiệu điện cho quá trình xử
lý.
Kênh tuyến tính
Kênh tuyến tính trong bộ thu quang bao gồm bộ khếch đại chính và mạch
cân bằng.Bộ khếch đại chính thường là bộ khếch đại có độ khếch đại cao.Mạch
cân bằng ở ngay sau bộ khếch đại thường là bộ lọc sharp-tần số tuyến tính
Khôi phục tín hiệu
Phần khôi phục tín hiệu số của bộ thu quang bao gồm mạch quyết định và
mạch hồi phục clock.Mạch quyết định so sánh tín hiệu ra từ kênh tuyến tính với
mức ngưỡng tại các thời điểm lấy mẫu được xác định bởi mạch hồi phục

clock,và quyết định xem tín hiệu có tương ứng với bit “1” hoặc “0” hay
không.Thời điểm lấy mẫu tốt nhất sẽ ứng với vị trí mà trong đó sự khác nhau về
mức tín hiệu giữa các bit “0” và “1” là lớn nhất.
2. Các nguồn lỗi trong bộ thu quang
Nhìn chung ,việc thiết kế bộ thu quang là phức tạp hơn nhiều so với thiết kế
bộ phát quang vì bộ thu phải tách sóng các tín hiệu yếu và bị méo dạng,rồi quyết
định xem tín hiệu số nào đã được phát tới từ phía phát.Quá tình tách sóng trong
bộ tách sóng quang của bộ thu quang phải chịu ảnh hưởng từ các nhiễu khác
nhau và các tác động khác có liên quan tới tách sóng tín hiệu trong thiết bị.
Dòng photon ban đầu được phát từ phô tô điot là một quá trình Poisson biến
đổi theo thời gian có từ sự đến ngẫu nhiên của các photon tại bộ tách sóng.Khi
đó có một công suất tín hiệu quang P(t) tới bộ tách sóng quang, số trung bình
các cặp điện tử-lỗ trống <N> được phát trong thời gian τ được cho như sau:
N =

η τ
ηE
P( t )dt =
∫
hv 0
hv

Với η là hiệu suất lượng tử,hv là năng lượng photon,và E là năng lượng thu
được trong khoảng thời gian τ.Trong bộ tu quang thực tế các cặp điện tử-lỗ trống
thực sự m được phát ra sẽ dao động quanh số trung bình theo phân bố
-4-


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

Poisson.Vì thế xác suất Pr(m) mà m là cặp điện tử-lỗ trống được phát trong
khoảng τ sẽ là:
Pr ( m ) = N

m

e

− N

m!

Trên thực tế không thể dự báo chính xác có bao nhiêu cặp điện tử-lỗ trống là
được phát ra từ một công suất quang đã cho đi đến phô tô điot.Đó là nguồn gốc
của nhiễu lượng tử.

III. ĐỘ NHẠY THU CỦA BỘ THU QUANG
1. Giới thiệu về độ nhạy thu quang
Độ nhạy của bộ thu quang là yếu tố quang trọng nhất đánh giá khả năng và
chất lượng của hệ thống thông tin sợi quang.Độ nhạy thu cao cho phép thiết kế
hệ thống thông tin quang có tốc dộ cao và cự ly xa.Độ nhạy của bộ thu quang bị
tác động trực tiếp từ tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của bộ tách sóng quang.Tỷ số
tín hiệu trên nhiễu càng cao thì bộ thu quang càng có độ nhạy cao hơn.Trong bộ
thu quang,độ nhạy thu cao hơn có nghĩa là mức công suất thu được càng nhỏ đi
với cùng một chỉ tiêu chất lượng truyền dẫn.
Trong thông tin truyền dẫn số các tín hiệu quang được tạo bởi các ký hiệu
“đánh điểm” và “khoảng trống” ,được truyền tải bằng ánh sáng đã điều chế.Các
ký tự này thường được gọi là “1” hoặc “0” tương ứng.Đối với các đặc tính của

hệ thống truyền dẫn quang số,độ nhạy của bộ thu quang luôn luôn bị rang buột
bởi tỷ số lỗi bit BER.Độ nhạy phải cần được thể hiện bởi một công suất quang
có thể thu được càng nhỏ càng tốt mà vẫn đảm bảo được tỷ số lỗi bit đã cho.

Hình 3 : Sự thể hiện giao diện của hệ thống truyền dẫn quang
Như vậy ta độ nhạy của bộ thu quang được xác định là mức công suất quang
trung bình thu được nhỏ nhất có thể chấp nhận được tại điểm tham chiếu trên sợi
quang ở ngay trước bộ nối quang phía thu mà vẫn duy trì được một tỷ lệ lỗi bit
BER định trước.
2. Độ nhạy thu và tỉ số lỗi bít của bộ thu quang
2.1 Tỷ số lỗi bít trong bộ thu quang
Để xác định được tỷ số xác định xảy ra,ta có thể sử dung cách tiếp cận
chung bằng cách chia số các xung lỗi xảy ra N, trên tổng số các xung
N, trong khoảng thời gian xác định t.Nó được gọi là tỉ số lỗi BER:
-5-


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

Ne

BER =

Nt

Tỷ số lỗi bít BER phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR (hay
eSNR).như vậy,với BER=2.10-6 sẽ tương ứng với trung bình có 2 lỗi xảy ra trong
một triệu bit.để xác định BER tại đầu thu ,sự phân bố xác xuất tín hiệu tại đầu ra

của mạch cân bằng là rất quang trọng vì điều ấy quyết định rằng bít 1 hay 0 là
được gửi đi. Với lý do như vậy ta xem chủ đề này thong qua hệ thống thông tin
số với các xung “1” và “0”.hình 4.13 mô tả cơ chế tín hiệu dao động bất thường
bỡi một mạch quyết định mà nó lấy mâu tại hằng số quyết định t D được xác định
thông qua sự phục hổi xung đồng hổ.Gía trị lầy mẫu I sẽ dao động từ bit sang bít
xung quanh giá trị trung bình <i o>)hoặc <i1>tùy thuộc vào bít tương ứng là 1 hay
0 trong trùm bit. Mạch quyết định sẽ so sánh giá trị đã lấy mẫu với giá trị
ngưỡng ID và gọi nó là bít “0” nếu I < ID hoặc là bít “1” nếu I >ID .Lỗi xảy ra nếu
như I > ID đối với bít “0” do nhiễu bộ thu sinh ra và lỗi cũng xãy ra với bít “1”
nếu như I < ID.Cả hai nguồn nhiễu có thể gọp lại bởi xác suất lỗi gọi là tỉ số lỗi
bit BER và được xác định như sau:
BER=p(0)P(1/0) + p(1)P(/0/1)
(a)
Với p(1/0) thể hiện một xác suất có điều kiện với mạch quyết định điện
(tách ra) nhầm ký tự “1”khi “0” được phát từ phía phát tới ,và p(1/0) biểu thị xác
suất có điều kiện đối với mạch quyết định điện phát hiện nhầm ký tự “0” khi
“1”được gủi tới. các số hạng P(0) và p(1)biều thị xác suất rằng “0”và “1” là
được phát tương ứng .trong trường hợp khi mà số các bít N trong chuỗi tín hiệu
là lớn (n>=2.1015), việc truyền dẫn “0” và “1”được coi là ngang nhau
p(0)=p(1)=0.5; khi đó tỉ số lỗi bit BER được viết lại như sau:
P(1/0)+P(0/1)

BER=

2

Điều quang trọng là lựa chọn ngưỡng quyết định mà tại đó BER có giá trị
nhỏ nhất.vì tính thống kê của điện áp đầu ra tại thời điểm lấy mẫu là rất phức
tạp,tính toán chính xác là rất khó .hiện tại đã có vài phương pháp xấp xỉ khác
nhau được áp dụng để tính toán đặc tính của bộ thu quang nhị phân.phương

pháp đơn giản nhất là dựa tren tính xấp xỉ Gaussian.trong Phương pháp này
được giả thiết rằng ,khi có một chuỗi các xung quang được biết ,điện áp đầu ra
mạch cân bằng Vout(t) là biến ngẫu nhiên Gaussian.Vì thế để tính toán xác suất
lỗi ,ta chỉ cẩn biết sự chệch tiêu chuẩn và trung bình của điện áp tín hiệu đầu ra
mạch cân bằng.

-6-


GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

Tin hieu

SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

Ky tu "1"

i1
Tin hieu

i0
i2

P(1/0)
P(0/1)
Ky tu "0"

Thoi gian

P(I)

Xac suat

Hình 4: Tín hiệu dao động được phát ra tại bộ thu và mật độ xác suất Gaussian
của các bít “1” và “0”
Quá trình tích phân là tương đương để tính đến các điện tử photo (các cặp
điện tử- lỗ trống) được phát ra trong chu kỳ bit.bằng cách giả thiết rằng các phân
bố xác suất của lượng đếm điện tử photo cho các bit 1 và 0 tương ứng là P n(0)
vàPn(0)
P(1/0) =
P(0/1) =

∞

∑ P (0)
n =0

n

I P −1

∑ P (1)
n =0

n

Hình 13 chỉ ra p(1/0)và p(0/1) phụ thuộc vào hàm mật độ xác suất p(I)sẽ
phụ thuộc vào tính thống kê của nguồn nhiễu đối với các biến động dòng .như
đã thảo luận về các nguồng nhiễu của bộ tách sóng quang tại phần trước vì dòng
tới Id cũng phát ra nhiễu lượng tử ,nên sự đóng góp của nó được lấy từ việc thay
thế dòng photo ban đầu Ip bằng IP+Id.dòng này được phát ra từ phôtô-diot là một

quá trình poisson này có thể xấp xỉ bằng thống kê Gaussian.mặt khác dòng
nhiễu nhiệt It cũng được mô tả bằng thống kê Gaussian.với những lý do đó ,ta có
biến đổi nhiễu của nhiễu lượng tử (nhiễu bắn) tổng có thể được viết là:
σ

2

S

= 2e( I P + I d ) Be

Và biến đổi nhiễu nhiệt như sau:
σ 2T =

4 K B TBe
Fn
RL

Vì tổng của hai biến đổi ngẫu nhiên Gaussian cũng là một biến đổi ngẫu
nhiên Gaussian,cho nên giá trị lấy mẫu được ngẫu nhiên Gaussian,cho nên giá
trị được lấy mẫu I có mật độ xác suất Gaussian với biến đổi σ 2 = σ 2 S + σ 2 T
-7-


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

Trong việc phân tích này,nếu <io> và <i1> là các dòng trung bình, σ 2 0 và σ 21
, là các biến đổi nhiễu tương ứng từ các dòng photo trung bình liên quan tới các

bít “0” và “1”,và ID là mức quyết định ,thì xác suất lỗi có điều kiện p(1/0) và
p(0/1)được xác định như sau :
1

P(1/0)=
P(0/1)=

σ0

 ( I − < I 0 >) 2 
( I D − < i0 > )
1
exp

 dl = erfc
2
∫
2
2σ 0
2π I D
σ0 2


∞

 ( I − < I 1 >) 2 
( < I1 > − I D )
1
exp −
 dl = erfc

2
∫
2
2σ 1
2π −∞ 
σ1 2

IF

1

σ1

(* )
(**)

Thay thế các biểu thức (*) và( **)vào biểu thức (a)ta thu được:
BER(ID) =

 < i > −I D
1
erfc 1
4 
 σ1 2

 I − < I 0 > 


 + erfc D


 σ 2 

0



Như vậy, ta thấy BER phụ thuộc vào mức độ quyết định I D và ta viết các
tham số:
Q1 =

< i1 > − I D
σ1

và

Q0 =

I D − < i0 >
σ0

Trong thực tế ID tối ưu để giảm tới mức nhỏ nhất BER.giá trị nhỏ nhất có
được khi ID được chọn sao cho Q1=Q0=Q .vì vậy,từ các biểu thức ta thu được
mức quyết định ID như sau:
ID=

σ 1 < i0 > +σ 0 < i1 >
σ1 + σ 0

Hệ số Q có thể viết như sau:
Q=

< i1 > − < i0 >

σ1 + σ 0
2

Khi σ 1 = σ 0 , I D =

2

i1 + i0
mà nó ứng với thiết lập ngưỡng quyết định ở giữa,tỷ
2

số lỗi bit BER với sự thiết lập tối ưu mức ngưỡng quyết định được viết là
1
2

 Q 

 2

BER= erfc

ở đây đã áp dụng hàm erfc(x)=1- erf(x) là hàm lỗi phụ ,trong đó erf(x) là
hàm lỗi. Hàm erf(x) được viết dưới dạng chuỗi như sau:
(−1) n
x 2 n +1
erf(x) =
∑

n!( 2n + 1)
π
2

BER được viết như sau :
 Q2
exp −
BER=
Q 2π
 2
1

∞

 Q2
Q  2π
 +

− 2 − ∑  −
Q
2
2
2
π

n =0 



-8-

n


1


(
n
+
1
)!
(
2
n
+
1
)




SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

BER ≈

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

 Q2
exp −

Q 2π
 2
1





LOG (BER)

Hình 14 là kết quả tính toán mô phỏng đường cong BER như là một hàm số
của hệ số Q .Ta thấy BER sẽ được cải thiện khi Q tăng vàtrở nên nhỏ hơn 10 -12
khi Q>7 .độ nhạy thu ứng với công suất quang trung bình đối với Q=6 sẽ có
BER=10-9.
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
-11
-12
-13
-14
-15
-16

---------{1/Q(2π)1/2}exp(-Q2/2)
0.5 erfc(Q/21/2)

2

3

4

5

6

7

8

9

Hình 5: Tỷ lệ lỗi bit BER là một hàm của hệ số Q
2.2 Độ nhạy thu của bộ thu quang
Như đã biết rằng độ nhậy thu công suất quang trung bình thu được nhỏ
nhất có thể chấp nhận được với BER đã cho.Bộ thu quang hoạt động tin cậy với
một tỷ số lỗi bit có giá trị xác lập.khi tính toán độ nhạy thu quang, công suất
quang đến photo-diôt là một yếu tố quang trọng .Vì thế hệ số Q có quang hệ với
công suất quang đến bộ tách sóng ,và đây cũng là mục tiêu của phẩn này.
Bộ thu quang phôtô-diốt p-i-n
Để đơn giản hóa việc tính toán, trước hết chúng ta hãy xác định trong trường
hợp bộ thu quang phôtô-điốt p-i-n.ta hãy xét trong trường hợp giả thiết rằng bít

“0“ không mang công suất quang để sao cho p0=0,vậy thì
<i0>=0.Nếu gọi là công suất quang trung bình của cả các bít “1” và”0”,và
có thể viết như sau:
<Prec > =

P1+P0
2

Trong khi đó công suất P t tại các bít “1” có liên quan tới <i 1> trong bộ tách
sóng quang p-i-n như sau:

-9-


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

<i1>= RP1 =2R<Prec> (với P0=0 )
Các biến đổi nhiễu RMS là σ 1 va σ 0 bao gồm các thành phần của nhiễu lượng tử
và nhiểu nhiệt.vì vậy chúng có thể được viết như sau:
2
σ 1 = σ 2 S + σ T và σ 0 = σ T
Bỏ qua thành phần dòng tối ,các biến đổi nhiễu có thể viết như sau:
σ 2 S = 2e(2 R < Prec >) Be
4 K B TBe
σ 2T =
Fn
RL

Hệ số Q được cho như sau:

2R < P

< i. >

>

rec
1
Q= σ + σ =
2
2
σ s +σ T +σT
1
0
Độ nhạy thu của bộ thu quang phôtô-điôt p-i-n được tìm thấy như sau:
<Prec>p-i-n=
(eBeQ + σ T )

R

Độ nhạy thu <Prec> phụ thuộc vào các tham số bộ thu khác nhau.như vậy đối
với bộ thu quang p-i-n thì nhiễu nhiệt thường là trội, và khi đó <P rec> có thể
được viết dưới dạng đơn giản như sau:
<Prec>p-i-n=

Qσ T
R

σ T phụ thuộc không chỉ vào tham số như Rl và Fn ,mà còn phụ thuộc vào cả

tốc độ bít thông qua băng tầng điện Be của bộ thu quang.Nhìn chung,Be=B/2,ở
đây B là tốc độ bít. Vì thế,<Prec> tăng theo B1/2 trong giới hạn nhiễu nhiệt,và điều
đó có nghĩa rằng bộ nhạy thu sẽ giảm khi tốc độ bít tăng.
Độ nhạy thu của bộ thu quang phôtô–diôt thác APD
Độ nhạy thu của bộ thu quang phôtô–diôt thác APD sẽ được xem xét tương
tự như bộ thu phôtô-điôp p-i-n.như vậy ta cũng xem xét các trường hợp các bit 0
là không mang công suất quang để cho P0=0, vậy thì <i0>=0. Thay RAPD=MR thì
sẽ có công suất tại các bit 1 có liên quang tới i 1 trong bộ thu quang APD như
sau:
<i1>=RAPDP1=MRP1=2MR<Prec> (vì P0=0)
Bỏ qua thành phần dòng tối ,các biến đổi nhiễu trong bộ thu phô tô- điôp
thác có thể được thu như sau:
σ 2 S = 2eM 2 RFA (2 < Prec >) Be
4 K B TBe
σ 2T =
Fn
RL

-10-


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

Tham số Q được viết như là :

2MR < P

<i >

>

rec
1
Q = σ +σ =
2
2
σ S +σ T +σT
1
0
Với giá trị BER đã cho,ta có thể xác dịnh tham số Q và độ nhạy thu <P rec>APD đối với bộ thu phô tô –điôp thác APD sẽ được xác định là:

Q
R

<Prec>APD= (eQFA Be +

σT
M

Nếu như nhiễu nhiệt luôn luôn trội ,công suất thu được nhỏ nhất <P rec>APD
sẽ giảm đi bằng hệ số M,và coi như độ nhạy thu cũng được cải thiện cùng hệ số
M.tuy nhiên,nhiễu lượng tử cũng tăng đáng kể trong bộ thu APD.Nhìn chung,độ
nhạy của bộ thu quang APD được cải thiện nhiều nhất là từ 6 đến 8 db.sự cải
thiện này có thể thu được trong các bộ phôtô-diôp thác APD loại InGaAs mà nó
được coi là loại tốt nhất của bộ thu phôtô–diôp thác.
Ta thấy rằng <Prec>APD ở bộ thu phôtô-điôp thác sẽ tăng tuyến tính với tốc độ

bit B(Be=B/2),ngược với <Prec>p-i-n trong bộ thu phôtô-diôp p-i-n chỉ tăng với B1/2
trong giới hạn nhiễu nhiệt mà trường hợp này là trội.vì thế mà độ nhạy của bộ
thu quang bị giảm nhanh hơn khi tốc độ bít B tăng. Sự giảm này là đặc tính
chung cho các bộ thu có giới hạn nhiễu lượng tử. .ngoài ra khuếch đại của
phôtô-điôp thác rất nhạy cảm với nhiệt độ vì các ion hóa điện tử và lỗ trống phụ
thuộc vào nhiệt độ.đặc tính này là cá biệt tại các điện áp thiên áp cao.sự thay đỗi
nhỏ về nhiệt độ có thể gây ra sự biến cộng lớn cho khuếch đại APD.
2.3 Các tham số có ảnh hưởng tới độ nhạy thu quang.
Giới hạn lượng tử trong tách sóng quang.
Trong các đặc tính của bộ thu quang, hiệu suất lượng tử là một tham số rất
quan trọng. Tham số này thường được cân nhắc để có được tỷ số tín hiệu trên
nhiễu SRN cao hơn. Bộ tách sóng quang lý tưởng là một bộ tách sóng có hiệu
suất lượng tử bằng 1 và không có dòng tối. Điều đó có nghĩa rằng bộ tách sóng
quang này có hiệu suất bằng 100% và không có cặp điện tử-lỗ trống nào là được
phát ra khi không có mức công suất quang đi tới photodiode. Với điều kiện đã
cho này, hoàn toàn có thể tìm được công suất quang thu được nhỏ nhất được yêu
cầu đối với đặc tính tỷ số lỗi bit xác định trong hệ thống truyền dẫn quang.
Trong trường hợp này công suất quang thu được nhỏ nhất được gọi là giới hạn
lượng tử.
Nếu Np là số trung bình các photon trong từng bit “1”, xác suất để phát ra m
cặp điện tử -lỗ trống được cho bởi phân bố Poissin là:
Xác suất P(1/0) mà “1” nhận biết khi “0” được thu là bằng “0”, vì không có
cặp điện tử-lỗ trống được phát đi khi Np = 0. Xác suất P(0/1) thu được bằng cách
thiết lập m = 0 với phương trình (4-74), vì “0” được quyết định trong trường hợp
ngay cả “1” được thu. Vì vậy, P(1/0) = exp( - N p), và BER được cho bằng dạng
diễn giải đơn giản sau:

-11-

SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang
exp ( - N p )

BER =

2

-9

Với BER < 10 , Np phải vượt quá 20 photon trong một bit. Vì yêu cầu này là
một kết quả trực tiếp của sự thay đổi lượng tử có liên quan tới ánh sáng đi đến;
nó được xem như là “giới hạn lượng tử”. Điều này có nghĩa rằng mỗi bit “1”
phải chứa đựng ít nhất 20 photon để được tách với BER < 10 -9. Số photon này
được biến đổi thành công suất quang bằng cách sử dụng P 1 = NphvB. Kết quả là,
độ nhạy thu được xác định như là <P rec> = (P1 + P0)/2 = P1/2 được cho bởi biểu
thức sau:
Prec =

N p hvB
2

= N p hvB

Ở đây <Np> thể hiện được độ nhạy thu dưới dạng số photon trung bình cho mỗi
một bit,và có liên quan tới Np bằng quan hệ <Np> = <Np>/2 khi các bit “0”
không mang năng lượng.
Tỷ số phân biệt
Nhìn chung hầu hết các thiết bị thu quang thường phát ra một lượng công

suất nào đó ngay cả khi ở trạng thái công suất đóng. Trong thiết bị phát quang sử
dụng laser bán dẫn, công suất đóng (ngắt) P 0 sẽ phụ thuộc vào dòng thiên áp I be
và dòng ngưỡng Ith. Khi Ibe nhỏ hơn Ith, công suất quang vẫn còn phát trong thời
gian truyền các bit “0” là do bức xạ tự phát. Công suất P 0 thường là nhỏ hơn
nhiều công suất P1 ở trạng thái mở. Trong trường hợp nào đó, công suất P 0 có thể
lớn đáng kể so với công suất P1 nếu như laser được phân áp chỉ vừa vượt qua
mức ngưỡng. Vì vậy, tỉ số phân biệt được xác định bởi:
Rext =

P1
P0

Đối với bộ thu quang photodiode PIN, ta có <i 1> = RP1 và <i0> = RP0 . Sử
dụng <Prec> = (P1+ P0)/2, tham số Q có thể được viết như sau:
Q=

Rext − 1 2 R Prcc
Rext + 1 σ 1 + σ 0

Thông thường, σ1 và σ0 phụ thuộc vào <Prec> do có sự phụ thuộc vào
thành phần nhiễu lượng tử vào tín hiệu quang thu được. Tuy nhiên, cả hai đều có
thể xấp xỉ với nhiễu nhiệt σ T khi đặt tính bộ thu là trội do nhiễu nhiệt. Khi σ 1 ≈
σ0 ≈ σT, độ nhạy thu <Prec> có thể được cho như sau:
Prec

ext

=

Rext + 1 σ T Q

Rext − 1 R

Trong biểu thức này, <Prec> tăng khi Rext ≠ 0. Sự mất mát công suất được
xác định như sau với đơn vị decibel (dB) :
Pext = 10 log10

-12-

Prec
Prec

ext

= 10 log10

Rext + 1
Rext − 1


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

dBm
8
9
10
11
12
13

14
15
16
17
18
19
20
21
22

B = 10 Gbps
BER = 10-12
B0 = 7.5 GHz
? =558.98 nm
RL = 50 ?

dB

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Ty so phan biet

Hình6: Độ nhạy thu của bộ thu quang 10Gbit/s phụ thuộc vào tỷ số phân biệt.
Trong đó <Prec> là độ nhạy thu khi tính đến ảnh hưởng của tỷ số phân biệt.
Hình 15 là kết quả tính toán mô phỏng độ nhạy thu quang của bộ thu 10Gbit/s
phụ thuộc vào tỷ số phân biệt. Khi tỷ số phân biệt lớn tới 20 dB thì hầu như
không ảnh hưởng tới độ nhạy có giá trị bằng -20,6dBm tại
BER=10-12. Nhưng khi tỷ số phân biệt giảm dưới 10dB thì độ nhạy thu giảm
đáng kể và làm xuống cấp hệ thống. Như vậy mất mát công suất tăng khi R ext
giảm. Đền bù 1dB xảy ra với Rext = 8,33 và tăng tới 6 dB cho Rext=1,67. Trong
thực tế, các laser được phân áp dưới mức ngưỡng, R ext tiêu biểu là trên 20 và đền

bù công suất tương ứng (<0,4) là không đáng kể. Khi tỷ số phân biệt lớn thì độ
nhạy thu sẽ không bị xuống cấp.

IV. CẤU TRÚC MẠCH BỘ THU QUANG
1. Các mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao
Trong thiết kế các bộ thu quang ,có thể có các transistor hiệu ứng trường
FET khác nhau.Đối với hệ thống thông tin quang có tốc độ Gbit/s sử dụng mạch
tiền khuếch đại GaAs MESFET.Đối với các tốc độ thấp hơn thì dùng mạch
MOSFET hoặc JFETsilic thường được sử dụng phổ biến.Mạch điện của bộ tiền
khếch đại FET đơn giản được chỉ ra như hình sau:

-13-


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

+V
Khếch đại chính
PD

A
m
p

hv
D

Cân

bằng

G

C ghép

FET
RL

RS

S

Hình 7: Mạch tiền khếch đại trở kháng cao đơn giản sử dụng FET
Các nguồn nhiễu cơ bản là nhiễu nhiệt liên quan tới điện dẫn kênh FET,
nhiễu nhiệt từ tải hoặc điện trở hồi tiếp và nhiễu tăng từ dòng rò.Nguồn nhiễu
thứ tư là nhiễu FET 1/f.Nó không có trong quá trình phân tích ở trên vì nó chỉ
tham gia vào nhiễu tổng thể ở tốc độ bit rất thấp.Vì điện trở đầu vào bộ khuếch
đại là rất lớn cho nên mật độ phổ nhiễu dòng đầu vào S1 được viết là:
S1,FET =

4k B T
+ 2eI gate ≈ 2eI gate
Ra

Trong đó Igate là dòng rò cổng của FET
-Mật độ phổ nhiễu điện áp:

SE =

4 k B TΓ
gm

với gm là độ hỗ dẫn.
Γ là hệ số nhiễu kênh FET,là hằng số
-Đặc tính nhiễu nhiệt W tại đầu ra của bộ cân bằng là :
1
W = e2 B
L

2

4k T 4 k TΓ 
2ΠC  4k B TΓ
 2eI gate + B + B 2  I 2 + 
I 3 BL


RL
g m R L 
 e  gm


B L :băng thông

-14-


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

-Bảng các giá trị tham số của GaAs MESFET,Si MOSFET và Si JFET
Tham số
gm(ms)
Cgs(pF)
Cgd(pF)

SI JFET
5-10
3-6
0,5-1,0
0,7
0,01-0,1
<0,1

Γ

Igate(nA)
Fc(Mhz)

SI MOSFET
20-40
0,5-1,0
0,05-0,1
1,5-3,0
0
1-10

GaAs MESFET

15-50
0,2-0,5
0,01-0,05
1,1-1,75
1-1000
10-100

⇒ Để giảm được nhiễu trong mạch có trở kháng cao nên chọn điện trở thiên áp

có giá trị rất lớn.
2. Các Bộ Khếch Đại Transistor Lưỡng Cực Trở Kháng Cao
+V

R1
hv

Khếch đại chính
Cân
A
Bằn
m
p
g

PD

Vout

C ghép

RL

R2

Hình 8: Bộ tiền khếch đại trở kháng cao sử dụng transistor lưỡng cực
k BT
eI BL

-Điện trở đầu vào của transistor lưỡng cực :
Rin =
Với IBL là dòng thiên áp cơ bản
-Khi thiết kế mạch có nhiễu thấp ,R1và R2 được chọn lớn hơn nhiều Rin sao cho
Ra ≈ Rin.điều này ngược với bộ khuếch đại FET,sẽ điều ch ỉnh Ra .
-Mật độ phổ(tính bằng A2/Hz) của nguồn dòng nhiễu đầu vào do nhiễu lượng tử
của dòng lượng tử cơ bản :
2k B T

S1=2eIBL= R
in
-Chiều cao phổ(tính bằng V2/Hz)của nguồn điện áp nhiễu:
2k B T

SE= g
m
-15-


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

β

eI

c
-Với gm là độ hỗ dẫn,Ic là dòng collector: gm= k T = R
B
in

-Nêú điện trở thiên áp bộ tách sóng quang RL lớn hơn nhiều điện trở bộ khuếch
đại Ra,R ≈ Ra ≈ Rin thì:
2k T
W= B2
e

(

)

 Tb β + 1

2Π C 2
I
+
Rin I 3 
2

βTb
 Rin β



⇒ Tải điện kháng bộ tách sóng quang sẽ tích phân tín hiệu đầu ra bộ tách sóng

và vi phân tín hiệu này tại mạch lọc cân bằng .
3. Bộ Khuếch Đại Hỗ Dẫn Ngược

Hình 9 : Mạch tương đương của bộ thiết kế hỗ dẫn ngược
-Để so sánh giữa mạch hồi tiếp và không hồi tiếp ,ta giả thiết cả hai đều có hàm
chuyển đổi Hout(f)/Hp(f).Đặc tính nhiễu nhiệt là:
Tb
WTZ= 2
e


 S1 + 4k B T + S E
2

R'L
R'


( )

2

 I 2 + ( 2Π C ) S E I 3

e 2Tb


RL R f

(9)

Trong đó:R’L= RL + R f
-Thực tế Rf>Ra .Do vậy R ≈ R nên WTZ viết lại là:
Tb 4k B T

WTZ=WHZ + e 2 R I 2
f
-Trong đó WHZ là đặc tính nhiễu bộ khuếch đại trở kháng cao
-Và thu được băng tần là:
BTZ=

A
4 RC

⇒ Tức là gấp A lần băng tần thiết kế trở kháng cao

-Ưu điểm:
•

Có dải động lớn hơn so với bộ khuếch đại trở kháng cao.

-16-


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

Không cần phải tiến hành hiệu chỉnh do có sự kết hợp của Rin
và Rf .
• Điện trở đầu ra nhỏ,ít tích lũy nhiễu ,xuyên âm ,nhiễu điện từ
trường
• Dễ dàng điều khiển và có tính ổn định
4. Đặc tính bộ thu quang có mạch tích hợp
- Hiện nay với nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều ,đòi hỏi xây dựng các tuyến
thông tin quang có tốc độ cao từ Gbps trở lên đòi hỏi các thiết bị thu quang phải
có độ nhạy thu cao và nhiễu rất thấp.vì thế ,công nghệ mạch tích hợp ra đời bằng
cách sử dụng công nghệ mạch tổ hợp IC(integrated circuit)
- Nhìn chung ,trong việc thiết kế tổ hợp thiết bị thu quang ,front-end của bộ
thu quang là bộ phận khó thiết kế nhất, đặc biệt trong hệ thống quang tốc độ bit
cao và cự ly dài.Front –end bộ thu quang thường được phân cấp thành Hybrid
(HIC),Microwave Monolithic (MMIC),và opto eletronic IC (OEIC) bằng cách là
cả bộ tách sóng quang và tiên khuếch đại kết hợp với nhau.
-Việc đóng vỏ hộp cho thiết bị thu quang nhằm giảm sự phản hồi quang ,nâng
cao năng lực và độ tin cậy của thiết bị .
•

V. KHẢO SÁT
1. chương trình khảo sát trên optisystem:

Hinh 3.1 khảo sát bộ thu quang trên optisystem.

-17-


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

2.Sơ đồ phổ

Hình 3.2 đồ thị trước và sau khi phổ
3. sơ đồ khảo sát trên optisystem khi thay đổi độ nhạy của bộ thu quang:
Tham số
gm(ms)
Cgs(pF)
Cgd(pF)
Γ

Igate(nA)
Fc(Mhz)

SI JFET
5-10
3-6
0,5-1,0
0,7
0,01-0,1
<0,1

SI MOSFET
20-40
0,5-1,0
0,05-0,1
1,5-3,0
0
1-10

-18-

GaAs MESFET
15-50
0,2-0,5
0,01-0,05
1,1-1,75
1-1000
10-100


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

Hình 3.3 đồ thị BER

-19-


SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

4. công suất bộ thu quang:

Hình 3.4 công suất bộ thu quang

-20-

SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

LỜI CẢM ƠN
Sau quãng thời gian, chúng em đã được trang bị một số kiến thức cơ bản
để thực hiện bài thiết kế môn học. Đó là kết quả học tập và nghiên cứu của
chúng em có sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy.
Và khoảng thời gian làm thiết kế môn học, chính là điều kiện để chúng em
kiểm tra và củng cố lại kiến thức đã thu thập được và đồng thời bổ sung thêm
kiến thức mới để có thể hoàn thiện cơ sở lý thuyết cho môn học.Tuy nhiên vì thời
gian còn hạn và sự hạn chế về kiến thức, chắc chắn bài thiết kế này sẽ không
tránh khỏi những sai sót. Rất mong được sự chỉ dẫn thêm của thầy.
Em xin chân thành cảm ơn.

-21-