BỘ THU QUANG, hệ thống thông tin quang

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.

SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH I GIỚI THIỆU II BỘ THU QUANG Cấu hình thu quang Các nguồn lỗi thu quang III ĐỘ NHẠY THU CỦA BỘ THU QUANG Giới thiệu độ nhạy thu quang Độ nhạy thu tỉ số lỗi bít thu quang .5 IV CẤU TRÚC MẠCH BỘ THU QUANG .13 Các mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao 13 Các Bộ Khếch Đại Transistor Lưỡng Cực Trở Kháng Cao 15 Bộ Khuếch Đại Hỗ Dẫn Ngược 16 Đặc tính thu quang có mạch tích hợp .17 V KHẢO SÁT 17 chương trình khảo sát optisystem: .17 2.Sơ đồ phổ .18 sơ đồ khảo sát optisystem thay đổi độ nhạy thu quang: .18 công suất thu quang: 20 LỜI CẢM ƠN 21 -1- SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Cấu hình thu quang số Hình 2: Sơ đồ thu quang số Hình : Sự thể giao diện hệ thống truyền dẫn quang Hình 4: Tín hiệu dao động phát thu mật độ xác suất Gaussian bít “1” “0” .7 Hình 5: Tỷ lệ lỗi bit BER hàm hệ số Q Hình6: Độ nhạy thu 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 : Mạch tương đương thiết kế hỗ dẫn ngược 16 Hinh 3.1 khảo sát thu quang optisystem 17 Hình 3.2 đồ thị trước sau phổ 18 Hình 3.3 đồ thị BER 19 Hình 3.4 công suất thu quang 20 -2- SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang I GIỚI THIỆU - Thiết bị thu quang, hay gọi thu quang, phận quan trọng hệ thống thông tin quang vị trí sau tổ chức hệ thống truyền dẫn nơi mà thiết bị thu nhận đặc tính tác động toàn tuyến đưa tới, hoạt động có liên quan trực tiếp tới chất lượng toàn hệ thống truyền dẫn Chức biến đổi tín hiệu quang thu thành tín hiệu điện Thiết bị thu quang cần có độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ bảo đảm độ tin cậy cao - Để có tuyến truyền dẫn dài với tốc độ bit lớn, thu quang cần phải thỏa mãn yêu cầu sau đây: + Có tỷ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ration) lớn độ nhạy thu cao + Hoạt động điều kiện tín hiệu có băng tần lớn II BỘ THU QUANG Cấu hình thu quang Bộ thu quang hệ thống thông tin quang bao gồm tách sóng quang,bộ khếch đại điện mạch xử lý tín hiệu PD hv Khếch Đại Chính Quyết Định Pre - Tín hiệu số am p RL Clock Ext Front- end thu Hình Cấu hình thu quang số -3- Clock SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Hình 2: Sơ đồ thu quang số Front- end Front-end thu quang bao gồm phô tô điot 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 trình xử lý Kênh tuyến tính Kênh tuyến tính thu quang bao gồm khếch đại mạch cân bằng.Bộ khếch đại thường khếch đại có độ khếch đại cao.Mạch cân sau khếch đại thường lọc sharp-tần số tuyến tính Khôi phục tín hiệu Phần khôi phục tín hiệu số thu quang bao gồm mạch định mạch hồi phục clock.Mạch định so sánh tín hiệu từ kênh tuyến tính với mức ngưỡng thời điểm lấy mẫu xác định mạch hồi phục clock,và định xem tín hiệu có tương ứng với bit “1” “0” hay không.Thời điểm lấy mẫu tốt ứng với vị trí mà khác mức tín hiệu bit “0” “1” lớn Các nguồn lỗi thu quang Nhìn chung ,việc thiết kế thu quang phức tạp nhiều so với thiết kế phát quang thu phải tách sóng tín hiệu yếu bị méo dạng,rồi định xem tín hiệu số phát tới từ phía phát.Quá tình tách sóng tách sóng quang thu quang phải chịu ảnh hưởng từ nhiễu khác tác động khác có liên quan tới tách sóng tín hiệu thiết bị Dòng photon ban đầu phát từ phô tô điot trình Poisson biến đổi theo thời gian có từ đến ngẫu nhiên photon tách sóng.Khi có công suất tín hiệu quang P(t) tới tách sóng quang, số trung bình cặp điện tử-lỗ trống phát thời gian τ cho sau: N = η τ ηE P( t )dt = ∫ hv hv Với η hiệu suất lượng tử,hv lượng photon,và E lượng thu khoảng thời gian τ.Trong tu quang thực tế cặp điện tử-lỗ trống thực m phát dao động quanh số trung bình theo phân bố -4- SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Poisson.Vì xác suất Pr(m) mà m cặp điện tử-lỗ trống phát khoảng τ là: Pr ( m ) = N m e − N m! Trên thực tế dự báo xác có cặp điện tử-lỗ trống phát từ công suất quang cho đến phô tô điot.Đó nguồn gốc nhiễu lượng tử III ĐỘ NHẠY THU CỦA BỘ THU QUANG Giới thiệu độ nhạy thu quang Độ nhạy thu quang yếu tố quang trọng đánh giá khả chất lượng hệ thống thông tin sợi quang.Độ nhạy thu cao cho phép thiết kế hệ thống thông tin quang có tốc dộ cao cự ly xa.Độ nhạy thu quang bị tác động trực tiếp từ tỷ số tín hiệu nhiễu SNR tách sóng quang.Tỷ số tín hiệu nhiễu cao thu quang có độ nhạy cao hơn.Trong thu quang,độ nhạy thu cao có nghĩa mức công suất thu nhỏ với tiêu chất lượng truyền dẫn Trong thông tin truyền dẫn số tín hiệu quang tạo ký hiệu “đánh điểm” “khoảng trống” ,được truyền tải ánh sáng điều chế.Các ký tự thường gọi “1” “0” tương ứng.Đối với đặc tính hệ thống truyền dẫn quang số,độ nhạy thu quang luôn bị rang buột tỷ số lỗi bit BER.Độ nhạy phải cần thể công suất quang thu nhỏ tốt mà đảm bảo tỷ số lỗi bit cho Hình : Sự thể giao diện hệ thống truyền dẫn quang Như ta độ nhạy thu quang xác định mức công suất quang trung bình thu nhỏ chấp nhận điểm tham chiếu sợi quang trước nối quang phía thu mà trì tỷ lệ lỗi bit BER định trước Độ nhạy thu tỉ số lỗi bít thu quang 2.1 Tỷ số lỗi bít thu quang Để xác định tỷ số xác định xảy ra,ta sử dung cách tiếp cận chung cách chia số xung lỗi xảy N, tổng số xung N, khoảng thời gian xác định t.Nó gọi 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 nhiễu SNR (hay eSNR).như vậy,với BER=2.10-6 tương ứng với trung bình có lỗi xảy triệu bit.để xác định BER đầu thu ,sự phân bố xác xuất tín hiệu đầu mạch cân quang trọng điều định bít gửi Với lý ta xem chủ đề thong qua hệ thống thông tin số với xung “1” “0”.hình 4.13 mô tả chế tín hiệu dao động bất thường bỡi mạch định mà lấy mâu số định t D xác định thông qua phục hổi xung đồng hổ.Gía trị lầy mẫu I dao động từ bit sang bít xung quanh giá trị trung bình )hoặc tùy thuộc vào bít tương ứng hay trùm bit Mạch định so sánh giá trị lấy mẫu với giá trị ngưỡng ID gọi bít “0” I < ID bít “1” I >ID Lỗi xảy I > ID bít “0” nhiễu thu sinh lỗi xãy với bít “1” I < ID.Cả hai nguồn nhiễu gọp lại xác suất lỗi gọi tỉ số lỗi bit BER xác định sau: BER=p(0)P(1/0) + p(1)P(/0/1) (a) Với p(1/0) thể xác suất có điều kiện với mạch định điện (tách ra) nhầm ký tự “1”khi “0” phát từ phía phát tới ,và p(1/0) biểu thị xác suất có điều kiện mạch định điện phát nhầm ký tự “0” “1”được gủi tới số hạng P(0) p(1)biều thị xác suất “0”và “1” phát tương ứng trường hợp mà số bít N chuỗi tín hiệu lớn (n>=2.1015), việc truyền dẫn “0” “1”được coi ngang p(0)=p(1)=0.5; tỉ số lỗi bit BER viết lại sau: P(1/0)+P(0/1) BER= Điều quang trọng lựa chọn ngưỡng định mà BER có giá trị nhỏ nhất.vì tính thống kê điện áp đầu thời điểm lấy mẫu phức tạp,tính toán xác khó có vài phương pháp xấp xỉ khác áp dụng để tính toán đặc tính thu quang nhị phân.phương pháp đơn giản dựa tren tính xấp xỉ Gaussian.trong Phương pháp giả thiết ,khi có chuỗi xung quang biết ,điện áp đầu mạch cân Vout(t) biến ngẫu nhiên Gaussian.Vì để tính toán xác suất lỗi ,ta cẩn biết chệch tiêu chuẩn trung bình điện áp tín hiệu đầu mạch cân -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 phát thu mật độ xác suất Gaussian bít “1” “0” Quá trình tích phân tương đương để tính đến điện tử photo (các cặp điện tử- lỗ trống) phát chu kỳ bit.bằng cách giả thiết phân bố xác suất lượng đếm điện tử photo cho bit tương ứng 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 p(1/0)và p(0/1) phụ thuộc vào hàm mật độ xác suất p(I)sẽ phụ thuộc vào tính thống kê nguồn nhiễu biến động dòng thảo luận nguồng nhiễu tách sóng quang phần trước dòng tới Id phát nhiễu lượng tử ,nên đóng góp lấy từ việc thay dòng photo ban đầu Ip IP+Id.dòng phát từ phôtô-diot trình poisson xấp xỉ thống kê Gaussian.mặt khác dòng nhiễu nhiệt It mô tả thống kê Gaussian.với lý ,ta có biến đổi nhiễu nhiễu lượng tử (nhiễu bắn) tổng viết là: σ S = 2e( I P + I d ) Be Và biến đổi nhiễu nhiệt sau: σ 2T = K B TBe Fn RL Vì tổng hai biến đổi ngẫu nhiên Gaussian biến đổi ngẫu nhiên Gaussian,cho nên giá trị lấy mẫu ngẫu nhiên Gaussian,cho nên giá trị lấy mẫu I có mật độ xác suất Gaussian với biến đổi σ = σ S + σ T -7- SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trong việc phân tích này,nếu dòng trung bình, σ σ 21 , biến đổi nhiễu tương ứng từ dòng photo trung bình liên quan tới bít “0” “1”,và ID mức định ,thì xác suất lỗi có điều kiện p(1/0) p(0/1)được xác định sau : P(1/0)= P(0/1)= σ0  ( I − < I >)  ( I D − < i0 > ) exp   dl = erfc ∫ 2σ 2π I D σ0   ∞  ( I − < I >)  ( < I1 > − I D ) exp −  dl = erfc ∫ 2σ 2π −∞  σ1  IF σ1 (* ) (**) Thay biểu thức (*) và( **)vào biểu thức (a)ta thu được: BER(ID) =  < i > −I D 1 erfc   σ1  I − < I >     + erfc D   σ     Như vậy, ta thấy BER phụ thuộc vào mức độ định I D ta viết tham số: Q1 = < i1 > − I D σ1 Q0 = I D − < i0 > σ0 Trong thực tế ID tối ưu để giảm tới mức nhỏ BER.giá trị nhỏ có ID chọn cho Q1=Q0=Q vậy,từ biểu thức ta thu mức định ID sau: ID= σ < i0 > +σ < i1 > σ1 + σ Hệ số Q viết sau: Q= < i1 > − < i0 > σ1 + σ Khi σ = σ , I D = i1 + i0 mà ứng với thiết lập ngưỡng định giữa,tỷ số lỗi bit BER với thiết lập tối ưu mức ngưỡng định viết  Q    2 BER= erfc áp dụng hàm erfc(x)=1- erf(x) hàm lỗi phụ ,trong erf(x) hàm lỗi Hàm erf(x) viết dạng chuỗi sau: (−1) n x n +1 erf(x) = ∑ n!( 2n + 1) π BER viết sau :  Q2 exp − BER= Q 2π  ∞   Q2 Q  2π  +  − − ∑  − Q 2 π  n =0    -8- n     ( n + )! ( n + )   SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc BER ≈ GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang  Q2 exp − Q 2π     LOG (BER) Hình 14 kết tính toán mô đường cong BER hàm số hệ số Q Ta thấy BER cải thiện Q tăng vàtrở nên nhỏ 10 -12 Q>7 độ nhạy thu ứng với công suất quang trung bình Q=6 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) Hình 5: Tỷ lệ lỗi bit BER hàm hệ số Q 2.2 Độ nhạy thu thu quang Như biết độ nhậy thu công suất quang trung bình thu nhỏ chấp nhận với BER cho.Bộ thu quang hoạt động tin cậy với tỷ số lỗi bit có giá trị xác lập.khi tính toán độ nhạy thu quang, công suất quang đến photo-diôt yếu tố quang trọng Vì hệ số Q có quang hệ với công suất quang đến tách sóng ,và mục tiêu phẩn Bộ thu quang phôtô-diốt p-i-n Để đơn giản hóa việc tính toán, trước hết xác định trường hợp thu quang phôtô-điốt p-i-n.ta xét trường hợp giả thiết bít “0“ không mang công suất quang để cho p0=0,vậy =0.Nếu gọi công suất quang trung bình bít “1” và”0”,và viết sau: = P1+P0 Trong công suất P t bít “1” có liên quan tới tách sóng quang p-i-n sau: -9- SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang = RP1 =2R (với P0=0 ) Các biến đổi nhiễu RMS σ va σ bao gồm thành phần nhiễu lượng tử nhiểu nhiệt.vì chúng viết sau: σ = σ S + σ T σ = σ T Bỏ qua thành phần dòng tối ,các biến đổi nhiễu viết sau: σ S = 2e(2 R < Prec >) Be K B TBe σ 2T = Fn RL Hệ số Q cho sau: 2R < P < i > > rec Q= σ + σ = 2 σ s +σ T +σT Độ nhạy thu thu quang phôtô-điôt p-i-n tìm thấy sau: p-i-n= (eBeQ + σ T ) R Độ nhạy thu phụ thuộc vào tham số thu khác nhau.như thu quang p-i-n nhiễu nhiệt thường trội,

viết dạng đơn giản sau: p-i-n= Qσ T R σ T phụ thuộc không vào tham số Rl Fn ,mà phụ thuộc vào tốc độ bít thông qua băng tầng điện Be thu quang.Nhìn chung,Be=B/2,ở B tốc độ bít Vì thế, tăng theo B1/2 giới hạn nhiễu nhiệt,và điều có nghĩa nhạy thu giảm tốc độ bít tăng Độ nhạy thu thu quang phôtô–diôt thác APD Độ nhạy thu thu quang phôtô–diôt thác APD xem xét tương tự thu phôtô-điôp p-i-n.như ta xem xét trường hợp bit không mang công suất quang P0=0, =0 Thay RAPD=MR có công suất bit có liên quang tới i thu quang APD sau: =RAPDP1=MRP1=2MR (vì P0=0) Bỏ qua thành phần dòng tối ,các biến đổi nhiễu thu phô tô- điôp thác thu sau: σ S = 2eM RFA (2 < Prec >) Be K B TBe σ 2T = Fn RL -10- SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Tham số Q viết : 2MR < P > rec Q = σ +σ = 2 σ S +σ T +σT Với giá trị BER cho,ta xác dịnh tham số Q độ nhạy thu

APD thu phô tô –điôp thác APD xác định là: Q R APD= (eQFA Be + σT M Nếu nhiễu nhiệt luôn trội ,công suất thu nhỏ

APD giảm hệ số M,và coi độ nhạy thu cải thiện hệ số M.tuy nhiên,nhiễu lượng tử tăng đáng kể thu APD.Nhìn chung,độ nhạy thu quang APD cải thiện nhiều từ đến db.sự cải thiện thu phôtô-diôp thác APD loại InGaAs mà coi loại tốt thu phôtô–diôp thác Ta thấy APD thu phôtô-điôp thác tăng tuyến tính với tốc độ bit B(Be=B/2),ngược với p-i-n thu phôtô-diôp p-i-n tăng với B1/2 giới hạn nhiễu nhiệt mà trường hợp trội.vì mà độ nhạy thu quang bị giảm nhanh tốc độ bít B tăng Sự giảm đặc tính chung cho thu có giới hạn nhiễu lượng tử .ngoài khuếch đại phôtô-điôp thác nhạy cảm với nhiệt độ ion hóa điện tử lỗ trống phụ thuộc vào nhiệt độ.đặc tính cá biệt điện áp thiên áp cao.sự thay đỗi nhỏ nhiệt độ gây biến cộng lớn cho khuếch đại APD 2.3 Các tham số có ảnh hưởng tới độ nhạy thu quang Giới hạn lượng tử tách sóng quang Trong đặc tính thu quang, hiệu suất lượng tử tham số quan trọng Tham số thường cân nhắc để có tỷ số tín hiệu nhiễu SRN cao Bộ tách sóng quang lý tưởng tách sóng có hiệu suất lượng tử dòng tối Điều có nghĩa tách sóng quang có hiệu suất 100% cặp điện tử-lỗ trống phát mức công suất quang tới photodiode Với điều kiện cho này, hoàn toàn tìm công suất quang thu nhỏ yêu cầu đặc tính tỷ số lỗi bit xác định hệ thống truyền dẫn quang Trong trường hợp công suất quang thu nhỏ gọi giới hạn lượng tử Nếu Np số trung bình photon bit “1”, xác suất để phát m cặp điện tử -lỗ trống cho phân bố Poissin là: Xác suất P(1/0) mà “1” nhận biết “0” thu “0”, cặp điện tử-lỗ trống phát Np = Xác suất P(0/1) thu cách thiết lập m = với phương trình (4-74), “0” định trường hợp “1” thu Vì vậy, P(1/0) = exp( - N p), BER cho dạng diễn giải đơn giản sau: -11- SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang exp ( - N p ) BER = -9 Với BER < 10 , Np phải vượt 20 photon bit Vì yêu cầu kết trực tiếp thay đổi lượng tử có liên quan tới ánh sáng đến; xem “giới hạn lượng tử” Điều có nghĩa bit “1” phải chứa đựng 20 photon để tách với BER < 10 -9 Số photon biến đổi thành công suất quang cách sử dụng P = NphvB Kết là, độ nhạy thu xác định

= (P1 + P0)/2 = P1/2 cho biểu thức sau: Prec = N p hvB = N p hvB Ở thể độ nhạy thu dạng số photon trung bình cho bit,và có liên quan tới Np quan hệ = /2 bit “0” không mang lượng Tỷ số phân biệt Nhìn chung hầu hết thiết bị thu quang thường phát lượng công suất trạng thái công suất đóng Trong thiết bị phát quang sử dụng laser bán dẫn, công suất đóng (ngắt) P phụ thuộc vào dòng thiên áp I be dòng ngưỡng Ith Khi Ibe nhỏ Ith, công suất quang phát thời gian truyền bit “0” xạ tự phát Công suất P thường nhỏ nhiều công suất P1 trạng thái mở Trong trường hợp đó, công suất P lớn đáng kể so với công suất P1 laser phân áp vừa vượt qua mức ngưỡng Vì vậy, tỉ số phân biệt xác định bởi: Rext = P1 P0 Đối với thu quang photodiode PIN, ta có = RP1 = RP0 Sử dụng = (P1+ P0)/2, tham số Q viết sau: Q= Rext − R Prcc Rext + σ + σ Thông thường, σ1 σ0 phụ thuộc vào có phụ thuộc vào thành phần nhiễu lượng tử vào tín hiệu quang thu Tuy nhiên, hai xấp xỉ với nhiễu nhiệt σ T đặt tính thu trội nhiễu nhiệt Khi σ ≈ σ0 ≈ σT, độ nhạy thu cho sau: Prec ext = Rext + σ T Q Rext − R Trong biểu thức này, tăng Rext ≠ Sự mát công suất xác định sau với đơn vị decibel (dB) : Pext = 10 log10 -12- Prec Prec ext = 10 log10 Rext + Rext − SVTH: Đỗ Nguyễn Văn Quốc GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang dBm 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 10 12 14 16 18 20 22 Ty so phan biet Hình6: Độ nhạy thu thu quang 10Gbit/s phụ thuộc vào tỷ số phân biệt Trong độ nhạy thu tính đến ảnh hưởng tỷ số phân biệt Hình 15 kết tính toán mô độ nhạy thu quang thu 10Gbit/s phụ thuộc vào tỷ số phân biệt Khi tỷ số phân biệt lớn tới 20 dB không ảnh hưởng tới độ nhạy có giá trị -20,6dBm BER=10-12 Nhưng tỷ số phân biệt giảm 10dB độ nhạy thu giảm đáng kể làm xuống cấp hệ thống Như mát công suất tăng R ext giảm Đền bù 1dB xảy với Rext = 8,33 tăng tới dB cho Rext=1,67 Trong thực tế, laser phân áp mức ngưỡng, R ext tiêu biểu 20 đền bù công suất tương ứng (