Thông tin quang / C4___ Bộ thu quang pot

Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang Chương 4 BỘ THU QUANG Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.1. Giới thiệu Bộ thu quang: Chuyển đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện mang thông tin.  Gồm một photodiode và một hay nhiều tầng KĐ + mạch tái tạo tín hiệu Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.2. Các loại photodiode Hai loại photodiode thông dụng:  PIN photodiode: độ nhạy thu thấp, mạch đơn giản, dễ sử dụng  APD photodiode ( Avalanche Photodiode): độ nhạy thu cao, băng thông lớn, cần điện áp định thiên lớn. APD photodiode (Hamamatsu Corp.) PIN photodiode Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.2.1 PIN-photodiode • Giữa hai lớp bán dẫn có độ pha tạp cao p+ và n- là một vùng bán dẫn có độ pha tạp thấ, còn gọi là lớp tự dẫn (lớp i) Lớp chống phản xạ Tiếp xúc kim loại hình tròn Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang • Nguyên lý hoạt động: • Khi phân cực ngược tiếp giáp p-n: không có dòng điện chạy qua ! • Khi chiếu một photon có năng lượng hν > Eg => kích thích một điện tử nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo thành điện tử tự do. 4.2.1 PIN-photodiode (tiếp) • Bước sóng cắt )( 24,1 eVE g c = λ • Năng lượng dải cấm Eg phụ thuộc vào vật liệu chế tạo photodiode, do vậy mỗi loại vật liệu có bước sóng cắt khác nhau: • PIN chế tạo bằng Si có λc = 1.06 µm • PIN chế tạo bằng Ge có λc = 1.6 µm Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang • Ưu điểm của PIN-photodiode: – Điện áp cung cấp nhỏ (5v - 10v) – Tạp âm thấp – Mạch điều khiển đơn giản • Nhược điểm của PIN-photodiode: – Độ nhạy thu thấp ( khoảng -30 dBm, do 1 photon tới chỉ sinh ra 1 điện tử) – Băng thông nhỏ ( < 3GHz) => Nghiên cứu chế tạo APD để khắc phục nhược điểm trên ! Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.2.2. Photodiode thác lũ (APD: Avalanche Photodiode) Tiếp xúc Nhân thác lũ (Lớp p pha tạp thấp) Hấp thụ Lớp gương ¾ Thêm một lớp bán dẫn p vào giữa lớp π và n+ => tạora một điệntrường lớn trên tiếpgiápp-n+:  Gia tốc các điện tử  Điện tử va chạm với các nguyên tử sinh ra điện tử tự do mới => ion hóa do va chạm  Gây ra hiệu ứng thác lũ ¾ Khuyếch đại dòng photon trong lên M lần do ion hóa va chạm i APD = M.i PD ¾ Điện áp định thiên nằm dưới điện áp trung bình của diode -> APD hoạt động như PIN-photodiode Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang • Ưu điểm của APD: 9 Độ nhậy cao (tới -40 dBm) 9 Băng thông lớn (tích M.B = 20-250 GHz với InGaAs-APD) • Nhược điểm của APD: o Điện áp hoạt động cao ( 30v với Ge-APD, 150v với Si-APD) o Quá trình khuyếch đại phụ thuộc vào nhiệt độ -> cần điều khiển nhiệt độ để giữ hệ số khuyếch đại là hằng số Điều khiển nhiệt độ Đến khuyếch đại trước Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.3. Các thông số cơ bản 4.3.1 Hiệu suất lượng tử = số lượng cặp điện tử -lỗ trống sinh ra / số lượng photon tới. o ph q P h q I υ η •= 1= q η ¾ Mỗi photon tạo ra một cặp điện tử -lỗ trống • Thông thường, hiệu suất lượng tử có thể đạt từ 30 – 95 %. • Ví dụ: Trong một tín hiệu quang (xung 100 ns) có 6 triệu photon ởλ= 1300 nm tới một photodiode InGaAs và có 5,4 triệu cặp điện tử -lỗ trống sinh ra. Hiệu suất lượng tửη= 90 %. Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang • Hiệu suất lượng tử có đặc tính phụ thuộc bước sóng, phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn và cấu trúc của photodiode • Với Si, hiệu suất lượng tử gần như bằng 1 [...]... quang Chương 4 4.4.2 Bộ thu quang và tạp âm Receiver = detector + subsequent electronics Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2 009 Chương 4 Bộ thu quang trong thông tin quang Chương 4 Tổng quan về những nguồn nhiễu Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2 009 Chương 4 Bộ thu quang trong thông tin quang Chương 4 4.4.3 Cơ... suất quang tới nhỏ nhất ở bộ thu để có BER = 10e-9 Tại 10Mbit/s: 20,6pW hoặc -76,9dBm Tại 10Gbit/s: 20,6nW hoặc -46,9dBm thực tế (tại bước sóng 1550nm): -20dBm (không có khuyếch đại quang) -30dBm (có khuyếch đại quang) Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2 009 Chương 4 Bộ thu quang trong thông tin quang Chương 4 4.5 Mạch bộ thu Photodiode detector Hiệu ứng quang. .. 8/2 009 Chương 4 Bộ thu quang trong thông tin quang Chương 4 4.3 Các thông số cơ bản (tiếp) 4.3.2 Đáp ứng quang R (Responsivity) • Đáp ứng quang R = dòng điện sinh ra trên một đơn vị công suất quang tới (A/W) • R phụ thu c vào vật liệu chế tạo và bước sóng • Ví dụ: o R = 0.65 A/W với vật liệu Si ở λ = 900 nm o R = 0.45 A/W với vật liệu Ge ở λ = 1300 nm o R = 0.9 A/W với vật liệu InGaAs... A/W với vật liệu InGaAs ở λ = 1550 nm • Bài tập: Công suất quang thu được trên photodiode InGaAs ở λ = 1300 nm là Po= 10 µW (R = 0.9 A/W) Hãy tính dòng quang điện sinh ra bởi photodiode ? Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2 009 Chương 4 Bộ thu quang trong thông tin quang Chương 4 4.4 Độ nhạy thu (Sensibility) 4.4.1 Khái niệm: • Độ nhạy thu là công suất quang. .. Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2 009 Chương 4 Bộ thu quang trong thông tin quang Chương 4 Ví dụ: • Một tuyến sợi quang tương tự • Giả sử: Hoạt động tại bước sóng 1000nm Dải thông sau tách sóng 5MHz Bộ tách sóng lý tưởng Chỉ quan tâm đến tạp âm lượng tử trên tín hiệu SNR tại bộ thu là 50dB • Tính: công suất quang tới cần thiết Vì bộ tách sóng lý tưởng nên η=1, ta có P0=-37dBm Hanoi... nhạy của bộ thu quang được xác định thông qua: Hiệu suất lượng tử Phần nhiễu • Trong những photodiode ngày nay, hiệu suất lượng tử gần giá trị lý tưởng • Ở những bộ thu quang dải rộng, có những nguồn nhiễu khác nhau: nhiễu nhiệt nhiễu Schottky nhiễu nhân dòng (chỉ có ở APD) Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2 009 Chương 4 Bộ thu quang trong thông tin quang Chương... Electronics and Telecommunications 8/2 009 Chương 4 Bộ thu quang trong thông tin quang Chương 4 • P( 0/1 ) là xác suất lỗi hệ thống P(e), do đó: P(e ) = e − zm • Phương trình trên mô tả độ nhạy thu tuyệt đối cho phép xác định giới hạn cơ bản trong truyền dẫn tín hiệu quang số Đây là năng lượng xung nhỏ nhất cần thiết Emin để có được tỷ số lỗi bit cho trước BER mà bất cứ bộ thu thực tế nào phải thỏa mãn và... Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2 009 Chương 4 Bộ thu quang trong thông tin quang Chương 4 4.5.5.1 Tạp âm lượng tử trong truyền dẫn tương tự • Trong tuyến truyền dẫn quang tương tự, tạp âm lượng tử là tạp âm Schottky • Dòng tạp âm schottky is2 trên dòng photon Ip: is2 = 2eBI p • Không quan tâm đến những nguồn tạp âm khác thì SNR tại bộ thu: 2 Ip S Ip = 2 = N is 2eB • Dòng photon Ip:... Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2 009 Chương 4 Bộ thu quang trong thông tin quang Chương 4 4.4.3.2 Nhiễu dòng tối • Không có công suất quang vào bộ tách sóng, vẫn có một dòng rò nhỏ chảy từ thiết bị đầu cuối • Nhiễu dòng tối = nhiễu schottky trên dòng photon 2 id = 2eI d ⋅ B • Nhiễu dòng tối có thể giảm bằng cách thiết kế và chế tạo bộ tách sóng một cách cẩn thận Hanoi University of... R được mô tả bằng giá trị trung bình bình phương của nó: it2 = 4kTB R k: hằng số Boltzmann = 1,38 10-23 Ws/K T: nhiệt độ tuyệt đối B=∆f: dải thông sau tách sóng của hệ thống Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2 009 Chương 4 Bộ thu quang trong thông tin quang Chương 4 • Công suất nhiễu nhiệt Pt tương ứng với nhiệt độ tuyệt đối T Pt = k ⋅ T ⋅ ∆f Nguồn nhiễu nhiệt . Telecommunications 8/2 009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang Chương 4 BỘ THU QUANG Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2 009 Chương 4Chương 4. Bộ thu. Telecommunications 8/2 009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.1. Giới thiệu Bộ thu quang: Chuyển đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện mang thông tin.  Gồm một photodiode và một. Electronics and Telecommunications 8/2 009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.3. Các thông số cơ bản (tiếp) 4.3.2 Đáp ứng quang R (Responsivity) • Đáp ứng quang R = dòng điện sinh ra