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

NỘI DUNG CHƯƠNG 4• Các khái niệm cơ bản Các khái niệm cơ bản • Các phần tử chuyển đổi quang- điện bán dẫn dẫn • Các bộ tiền khuyếch đại Nhiễ t bộ th • Nhiễu trong bộ thu quang • Các tha

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

Fundamental of Optical Fiber Communications

Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp

Bộ môn: ộ Thông Tin Quang – Khoa Viễn thông 2 g Q g g

Email: emdvv@ptit.edu.vn , pqhop@ptithcm.edu.vn

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG 4

BỘ THU QUANG

NỘI DUNG CHƯƠNG 4

• Các khái niệm cơ bản Các khái niệm cơ bản

• Các phần tử chuyển đổi quang- điện bán dẫn

dẫn

• Các bộ tiền khuyếch đại

Nhiễ t bộ th

• Nhiễu trong bộ thu quang

• Các tham số của bộ thu quang

Các Khái Niệm Cơ Bản

• Linh kiện tách sóng quang :

- Biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện ä g ä ä 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

− Hiện tượng hấp thụ (absorption) ä g p ( p )

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

Các Thơng Số Cơ Bản

• Hiệu suất lượng tử (Quantum Efficiency)

ne: số lượng điện tử tách ra

η n e I ph / e

=

=

nph: số lượng photon chiếu vào

Hiệu suất biến đổi quang điện

ν

η

h P

n ph = opt /

=

− Hiệu suat bien đổi quang-điện

− η của mỗi vật liệu thay đổi theo bước sóng ánh sáng

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 có thể thu được với một tỷ số lỗi (BER) nhất định

− Phu thuộc vào loai linh kiện tách sóng quang và múcPhụ thuộc vao loại 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

bị thu càng kém

Các Thơng Số Cơ Bản

− Là khoảng chênh lệch giữa mức công suất quang

− Phụ thuộc vào loại linh kiện tách sóng quang, độ

tuyến tính và giới hạn bảo hoà của bộ khuếch đại thu

I ph

P opt

Dải động Vùng bão hịa

+ Phu thuộc vào nhiệt độ bề rộng băng tap âm

+ Phụ thuộc vao nhiệt độ, be rộng bang tạp am, điện trở tải:

B R

<

– T: nhiệt độ tuyệt đối, o K – B: bề rộng băng, Hz – R: điện trở tải, Ω

+ Dòng nhiễu lương tử:

+ Dong nhieu lượng tư:

B I

e B

P R e

I q2 >= 2 0 = 2 p .

<

− 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 d2 >= 2 d .

< d d

Các Khái Niệm Cơ Bản

• Sơ Đồ Khối Bộ Thu Quang:

− Bộ thu quang: là sự tổ hợp của

− bộ tách sĩng quang

− bộ tiền khuếch đại điện

− các phần tử xử lý tín hiệu điện

Các Khái Niệm Cơ Bản

ƒ Photodiode cần có tốc độ đáp ứng nhanh để có thể hoạt

động ới tín hiệ tốc độ cao

động với tín hiệu tốc độ cao.

ƒ Tốc độ đáp ứng của photodiode: 10% đến 90% giá trị đỉnh tín hiệu

ƒ Phụ thuộc: bước sóng, độ rộng vùng hiếm, sự thay đổi giá trị điện dung, sự thay đổi giá trị điện trở của PD

Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn

Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn

− Quá trình hấp thụ xảy ra chủ yếu trong vùng hiếm

− Vùng hiếm được tạo ra tự nhiên Ỉ hẹp Ỉ hiệu suất

thấpMuốn tăng hiệu suất biến đổi quang điện:

− Muon tang hiệu suat bien đoi quang-điện:

+ Tăng độ rộng của vùng hiếm bằng cách tăng

điện áp phân cực Ỉ không 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 hiếm

Ỉ diode thu quang PIN

Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn

ƒ Gồm 3 lớp bán dẫn P-I-N

ƒ Lớp I (Intrinsic): lớp bán dẫn không pha tạp chất

hoặc pha với nồng độ rất thấp

ƒ Quá trình hấp thu photon xảy ra trong lớp I

ƒ Qua trình hap thụ photon xay ra trong lơp I

ƒ Lớp I càng dày thì hiệu suất lượng tử càng cao

nhưng thời gian trôi của các điện tử sẽ càng chậm g g g

Ỉ giảm khả năng hoạt động với tốc độ cao của PIN

Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn

ƒ Cấu tạo bên trong của PIN:

hf

Lớp chống phản xạ

I P

Vòng tiếp xúc kim loại Cách điện (SiO2) I

N

( )

Tiế ú Tiếp xúc kim loại

Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn

ƒ Gồm 4 lớp P+ P-P N

-ƒ P+ và N-: bán dẫn có nồng độ tạp chất rất cao

ƒ P-: bán dẫn có nồng độ tạp chất rất thấp (thay cho

lớp I của PIN)

Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn

Các Bộ Tiền Khuyếch Đại

ƒ Điện trở điển hình là 50Ω

ƒ Nhược điểm:

• dòng nhiễu sẽ ảnh hưởng đáng kể trên điện trở R

nhỏ, vì nhiễu nhiệt tỉ lệ nghịch với điện trở

Các Bộ Tiền Khuyếch Đại

ƒ Điện trở lớn hơn 50Ω

ƒ Chuyển đổi dòng có cường độ yếu thành áp

ƒ Nếu trở kháng cao quá lớn thì dòng tối của photodidoe

có thể gây cho photodiode bảo hoà

ƒ Để trách sự bảo hoà, PIN phải duy trì áp phân cực ít

nhất vài vôn

Các Bộ Tiền Khuyếch Đại

• Bộ tiền khuếch đại hồi tiếp:

ƒ Độ nhạy cao và băng thông lớn

ƒ Điện trở R đóng vai trò chuyển đổi dòng thành áp

ƒ Tạo áp ở ngõ ra tỉ lệ với dòng photon

L i bỏ ả h hưở điệ d ký i h ủ dâ dẫ à

ƒ Loại bỏ ảnh hưởng điện dung ký sinh của dây dẫn và của diode

Nhiễu Trong Bộ Thu Quang

• Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (signal-to-noise ratio):

• SNR độc lập với giá trị điện trở

S Noise

Signal

i R

i P

N

Æ chỉ cần tính giá trị dòng trung bình bình phương.

• Hai cơ chế gây nhiễu trên photodiode:

ƒ Nhiễu nổ (shot noise): tổng hợp của nhiễu lượng tử ( ) g ợp ợ g

(quantum noise) và nhiễu dòng tối (dark current noise)

ƒ Nhiễu nhiệt (thermal noise)

Nhiễu Trong Bộ Thu Quang

• Tổng dòng nhiễu bình phương trung bình ở ngõ ra của photodiode:

) (

2

M F BM eI

I q >= p

<

) (

2

M F BM eI

I d >= d

(M: hệ số nhân thác lũ của APD; F(M) = Mx: 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 Trong Bộ Thu Quang

• Dòng tín hiệu bình phương trung bình:

2

2 0

) ( I = RP M

trong đó, R: đáp ứng của PD; P0: công suất quang ngõ vào

0 ) (

) ( I p RP M

• Tỷ số SNR được đánh giá thông qua biểu thức sau:

I )

L d

p N

p

R KTFnB M

F BM I

I e

M RP

I

I SNR

/ 4

) (

) (

2

) (

2

+ +

Nhiễu Trong Bộ Thu Quang

• Trong một số trường hợp thực tế, nhiễu nổ rất bé so với nhiễu nhiệt

Æ nhiễu nhiệt ảnh hưởng chủ yếu đến chất lượng bộ thu

• Khi đó:

RP

R SNR L ( 0)2

• Cải thiện SNR bằng cách: tăng điện trở tải

Æ hầu hết các bộ thu sử dụng bộ tiền khuếch đại có trở khá õ à

kháng ngõ vào cao

Nhiễu Trong Bộ Thu Quang

• Công suất nhiễu tương đương NEP (Noise Equivalent

Power):

Mức công suất tối thiểu trên một đơn vị băng thông cần

ƒ Mức công suất tối thiểu trên một đơn vị băng thông cần thiết để tạo ra SNR =1

KTF B

P NEP

ƒ Giá trị điển hình của NEP là từ 1 10 pW/(Hz)1/2

ƒ Giá trị điển hình của NEP là từ 1 – 10 pW/(Hz)1/2

Các Tham Số Của Bộ Thu Quang

• Tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Ratio):

(a) Tín hiệu tái tạo được ở bộ thu

(b) Mật độ phân bố xác suất Gaussian của bit 1 và 0 (b) Mật độ phân bố xác suất Gaussian của bit 1 và 0

Các Tham Số Của Bộ Thu Quang

• Tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Ratio):

ƒ tD là thời điểm lấy mẫu để quyết định bit

ẫ

ƒ Giá trị mẫu dao động xung quang giá trị I0 đối với bit 0

và giá trị I1 đối với bit 1

ƒ Mạch quyết định bit sẽ so sánh giá trị mẫu I với giá trị

ƒ Mạch quyết định bit sẽ so sánh giá trị mẫu I với giá trị ngưỡng ID:

• Nếu I > ID thì quyết định đó là bit 1

• Nếu I < ID thì quyết định đó là bit 0

ƒ Lỗi xảy ra nếu:

I < I trong trường hợp bit 1 hoặc

• I < ID trong trường hợp bit 1 hoặc

• I > ID trong trường hợp bit 0

Các Tham Số Của Bộ Thu Quang

• Tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Ratio):

ƒ Xác suất lỗi:

BER = p(1)P(0/1) + p(0)P(1/0)

Trong đó:

• p(0) và p(1) là xác suất nhận bit 0 và bit 1

• P(0/1) là xác suất quyết định bit 0 khi nhận bit 1P(1/0) là xác suất quyết định bit 1 khi nhận bit 0

• P(1/0) là xác suất quyết định bit 1 khi nhận bit 0

ƒ Nếu p(1) = p(0) tức xác suất nhận bit 1 và 0 bằngNếu p(1) = p(0), tức xác suất nhận bit 1 và 0 bằng

nhau:

BER = ½ [P(0/1) + P(1/0)] [ ( ) ( )]

Các Tham Số Của Bộ Thu Quang

• Tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Ratio):

ƒ P(0/1) và P(1/0) phụ thuộc vào hàm mật độ xác suất

(I) ủ iá ị ẫ I

p(I) của giá trị mẫu I

ƒ Dạng hàm p(I) phụ thuộc vào thống kê nguồn nhiễu tácđộng lên dòng tín hiệu

σ2 = σ2

t + σ2

s

Các Tham Số Của Bộ Thu Quang

• Tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Ratio):

ƒ Giá trị trung bình và phương sai của bit 1 và bit 0 làkhá h ì I h h ộ à bi hậ đ

khác nhau vì Ip phụ thuộc vào bit nhận được

) (

exp 2

1 )

1 / 0 (

1

1 2

1

2 1

I I P

0 / 1 (

0

0 2

0

2 0

σ

I I

erfc dI

I I

x

π

Các Tham Số Của Bộ Thu Quang

• Tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Ratio):

4

1

0

0 1

1

σ σ

I

I erfc

I

I erfc

ƒ BER phụ thuộc vào ngưỡng quyết định ID

Æ chọn ID sao cho BER là nhỏ nhất

ƒ BER nhỏ nhất khi I thỏa mãn phương trình:

ƒ BER nhỏ nhất khi ID thỏa mãn phương trình:

1

2 1

2 0

)

(

σ

σ σ

2

σ

I erfc

BER

⎠

Các Tham Số Của Bộ Thu Quang

• Mối quan hệ giữa BER và SNR:

ƒ SNR điện ở bộ thu quang:

2

Biể diễ tỷ ố lỗi bit BER th tỷ ố SNR

2

2 1

σ

I SNR =

ƒ Biểu diễn tỷ số lỗi bit BER theo tỷ số SNR:

BER hoặc BER = Q⎜⎜⎛ SNR ⎟⎟⎞

với Q(x) là hàm xác xuất lỗi:

với Q(x) là hàm xác xuất lỗi:

(

2

1)

Q =

Các Tham Số Của Bộ Thu Quang

• Hàm xác suất lỗi Q(x): có thể xác định dưới dạng bảng hoặc đồ thị

• Nếu SNR càng cao thì BER càng nhỏ, tức hệ thống có chất lượ à

lượng càng cao

Các Tham Số Của Bộ Thu Quang

• Bảng xác suất lỗi của hàm Q(x):

…