Tìm hiểu bộ thu quang

Bộ biến đổi quang điện thường là một bộ tách sóng Photodiode, tách sóng theo luật bình phương vì nó biến đổi công suất quang thu được trực tiếp thành dòng điệndòng photo tại đầu ra của n

Mục lục

Mục lục 2

Danh mục hình vẽ 4

Các chữ viết tắt 4

Chương 1: Giới thiệu 5

1.1 Giới thiệu 5

1.2 Giới thiệu bộ biến đổi quang điện 5

Chương 2: Phân công công việc cho các thành viên 7

2.1 Quản lý tiến độ dự án 7

2.2 Phân công công việc cụ thể 7

Chương 3: Tìm hiểu về bộ tách sóng photodiode 9

3.1 Bộ tách sóng photodiode p-i-n 9

3.2 Thời gian đáp ứng 12

3.3 Dòng photo vùng trôi 13

3.4 Photodiode APD 14

3.4.1 Giới thiệu 14

3.4.2 Cấu trúc 14

3.4.3 Hoạt động 15

3.5 Vật liệu chế tạo photodiode 16

Chương 4: Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ tách sóng quang 17

4.1 Các nguồn nhiễu trong bộ tách sóng quang 17

4.1.1 Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng p-i-n 17

4.1.2 Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng APD 18

4.2 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu 19

Chương 5: Bộ thu quang 21

5.1 Cấu hình bộ thu quang 21

5.1.1 Front-end 22

5.1.2 Kênh tuyến tính 23

5.1.3 Khôi phục tín hiệu 24

5.2 Các nguồn lỗi trong bộ thu quang 25

5.2.1 Nhiễu lượng tử 25

5.2.2 Nhiễu nhiệt 25

5.2.3 Nhiễu giao thoa giữa các ký tự ISI 26

Chương 6: Độ nhạy bộ thu quang 27

6.1 Độ nhạy thu và tỉ số lỗi bit của bộ thu quang 27

6.1.1 Tỉ số lỗi bit trong bộ thu quang 27

6.1.2 Độ nhạy thu của bộ thu quang 27

6.2 Các tham số có ảnh hưởng tới bộ thu quang 28

6.2.1 Giới hạn lượng tử trong tách sóng quang 28

6.2.2 Tỉ số phân biệt 29

Chương 7: Cấu trúc mạch bộ thu quang 31

7.1 Các mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao 31

7.2 Các bộ khuếch đại tranzisto lưỡng cực trở kháng cao 32

7.3 Bộ khuếch đại hỗ dẫn ngược 32

7.4 Bộ thu quang có mạch tích hợp 33

Kết luận 35

8.1 Kinh nghiệm, bài học rút ra 35

8.2 Lời cám ơn 35

Tài liệu tham khảo 36

Danh mục hình vẽ

Hình 3.2 Hiệu suất lượng tử và đáp ứng là các hàm số của bước sóng với các vật

liệu làm photodiode khác nhau 12

Hình 3.3 Đáp ứng photodiode cho xung đầu vào và photodiode không hoàn toàn nghèo 13

Hình 3.4 Sự phân bố trường điện và cấu trúc APD cận xuyên Silic 15

Hình 4.1 Mô hình đơn giản của một bộ thu tách sóng quang 17

Hình 5.1 Cấu hình bộ thu quang số tiêu biểu 21

Hình 5.2 Sơ đồ bộ thu quang digital 22

Hình 6.1 Độ nhạy thu của bộ thu quang 10 Gbit/s phụ thuộc vào tỷ số phân biệt 30

Hình 7.1 Mạch tiền khuếch đại trở kháng cao đơn giản sử dụng FET 31

Hình 7.2 Bộ tiền khuếch đại trở kháng cao sử dụng transisto lưỡng cực 32

Hình 7.3 Mạch tương đương của thiết kế bộ thu hỗ dẫn ngược 32

Hình 7.4 Thiết kế mạch tiền khuếch đại IC cho bộ thu 10 Gbit/s 33

Các chữ viết tắt

JFET Junction Fiel-Effect Transistor Transistor trường liên kết

MESFET Metal Semiconductor Transistor trường bán dẫn

MOSFET

Metal Oxide Silicon Field Effect

Transistor

Transistor trường oxyt silic kim loại

SNR Signal-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

Chương 1: Giới thiệu

1.1 Giới thiệu

Hệ thống thông tin được hiểu đơn giản là hệ thống để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác Thông tin có thể được truyền thông qua các sóng điện với các dải tần số khác nhau Hệ thống thông tin sợi quang là hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng, và sử dụng sợi quang để truyền thông tin Các hệ thống này được phát triển rất nhanh và đang được sử dụng rộng rãi trên các mạng truyền dẫn từ năm 1980 Cho đến nay các hệ thống thông tin quang vẫn là các hệ thống thông tin chủ đạo Chúng còn tiềm tàng khả năng rất lớn trong việc hiện đại hóa các mạng lưới viễn thông trên thế giới

Thiết bị thu quang là một trong những linh kiện quan trọng trong hệ thống thông tin sợi quang dùng để biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện Thiết bị thu quang cần phải có độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành

hạ, bảo đảm độ tin cậy cao

1.2 Giới thiệu bộ biến đổi quang điện

Tín hiệu qua được biến đổi thành tín hiệu điện tại bộ biến đổi quang điện(O/E)

Bộ biến đổi quang điện thường là một bộ tách sóng Photodiode, tách sóng theo luật bình phương vì nó biến đổi công suất quang thu được trực tiếp thành dòng điện(dòng photo) tại đầu ra của nó Bộ thu kiểu này được gọi là bộ thu tách sóng trực tiếp DD(Direct Ditection) Thành phần thực hiện tách sóng trong bộ biến đổi O/E có thể

là photodiode p-i-n hoặc photodiode thác APD( Avalanche Photodiode)

Tín hiệu quang từ phía phát đi vào sợi quang sẽ bị suy hao dần, và bị méo tăng lên theo độ dài cự ly truyền dẫn do tác động của tán xạ, hấp thụ và tán sắc trong sợi dẫn quang Nếu bộ thu quang phải hoạt động trong điều kiện gặp nhiều yếu tố tác động Việc thiết kế thiết bị thu quang sẽ khó khắn và phức tạp hơn rất nhiều so với thiết kế thiết bị phát quang Bộ thu phải đảm bảo thu được tín hiệu rất yếu, bị méo và phải tách được các thành phần nhiễu khá lớn so với tín hiệu

Trong các bộ thu quang số thực tế, tín hiệu điện yếu thu được tại đầu ra bộ tách sóng sẽ được khuếch đại, cân bằng tại các bộ khuếch đại điện và bộ cân bằng tương ứng Cuối cùng tín hiệu sẽ được phục hồi tại mạch quyết định

Chất lượng của các hệ thống thông tin quang phụ thuộc chủ yếu vào bộ thu quang Để có được tuyến truyền dẫn dài với tốc độ bit lớn, bộ thu quang cần phải thỏa mãn các yêu cầu chính sau:

 Có tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR lớn và độ nhạy thu cao

 Hoạt động được trong điều kiện tín hiệu có băng tần lớn

Có được bộ thu quang tốt là điều rất cần thiết, nhưng điều này luôn luôn phụ thuộc vào phần tử tách sóng quang, các bộ khuếch đại điện, mạch quyết định và quá trình thiết kế tối ưu bộ thu

Chương 2: Phân công công việc cho các thành

viên

2.1 Quản lý tiến độ dự án

Thời gian Công việc

2.2 Phân công công việc cụ thể

hoàn thành Phạm

Chương 3: Tìm hiểu về bộ tách sóng photodiode

3.1 Bộ tách sóng photodiode p-i-n

Bộ tách sóng quang được sử dụng thông dụng nhất là bộ tách sóng photodiode p-i-n Một photodiode p-i-n thông thường có cấu trúc gồm các vùng p và n cách nhau bởi một vùng i Để thiết bị hoạt động được thì phải cấp một thiên áp ngược cho nó Photodiode PIN được phát minh bởi Jun-ichi Nishizawa và các đồng nghiệp của ông vào năm 1950

Hi ̀nh 3.1Mạch điện và sơ đồ vùng năng lượng cho photodiode p-i-n

[Tài liệu tham khảo 1]

PIN diode được phân cực ngược Trong điều kiện phân cực ngược, diode này không hoạt động nhưng khi một photon có năng lượng đủ để đăng nhập vào vùng nghèo của diode, nó sẽ làm phát sinh cặp điện tử lỗ trống Do hiện tương phân cực ngược các hạt mang điện sẽ được quét tạo thành dòng

Độ nhạy của bộ thu sẽ biến đổi theo bước sóng của ánh sáng tới Si: 𝜆 𝑐 = 1,06 𝜇𝑚, Ge 𝜆𝑐 = 1,6 𝜇𝑚, InGaAs 𝜆𝑐 = 1,7 𝜇𝑚 Do cấu trúc cơ bản bên trong nó, lớp i nằm ở giữa có trở kháng cao và hầu hết điện áp đặt vào phần ngang của nó Kết quả

là có một trường điện lớn tồn tại trong lớp i Khi có một photon đi tới mà mang một năng lượng lớn hơn( hoặc bằng) với năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn dùng

để chế tạo photodiode, photon này có thể bỏ ra năng lượng của nó và kích thích một điện tử vùng hóa trị sang vùng dẫn Quá trình này sẽ phát ra các cặp điện tử- lỗ trống

tự do

Công thức của sự phát sáng được hấp thụ trong vật liệu tương ứng:

Trong đó:

 𝛼𝑠(λ) là hệ số hấp thụ tương ứng tại bước sóng λ

 𝑃𝑖𝑛 là mức công suất quang tới photodiode

 𝑃𝑥 là công suất quang hấp thụ ở cự ly x

 𝛼 phụ thuộc vào loại vật liệu bán dẫn sử dụng

Nếu gọi λc là bước sóng cắt:

Trong đó:

 Với c là vận tốc ánh sáng

 h: là hằng số Planck

Công thức tính dòng photo ban đầu khi có tính đến sự phản xạ Rf tại lối vào bề mặt photodiode:

Trong đó 𝐼𝑃 là dòng photo có giá trị trung binh

Để hiệu suất lượng tử cao, vùng tối phải đủ dày để hầu hết các photon đi tới được hấp thụ trong vùng này

Hệ số chuyển đổi dòng photo R:

Khi thiết bị có vùng tối đủ dày, hiệu suất lượng tử của nó sẽ cao Tuy nhiên vùng tối càng dày thì các hạt mang photo được phát ra càng phải cần thời gian dài hơn ngang qua tiếp giáp phân cực ngược vì thời gian trôi của hạt mang xác định tốc

độ đáp ứng của photodiode, nên cần dung hòa giữa hiệu suất lượng tử và tốc độ đáp ứng:

 Với Si, Ge: vùng tối 𝑤 = 20 ÷ 25𝜇𝑚

 Với vật liệu InGaAs 𝑤 = 3 ÷ 5 𝜇𝑚

Hiệu suất lượng tử n không phải là một hằng số ở mọi bước sóng, vì nó thay đổi theo năng lượng photon

Hi ̀nh 1.2 Hiệu suất lượng tử và đáp ứng là các hàm số của bước sóng với các vật liệu làm photodiode khác nhau

[Tài liệu tham khảo 1]

Một vài kỹ thuật đã được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất của các photodiode tốc độ cao Hốc cộng hưởng Fabry-Perot(FP) được tạo xung quanh cấu trúc p-i-n để làm tăng hiệu suất lượng tử Photodiode hiện nay có thể đạt được hiệu suất lượng tử gần 100% là nhờ việc tạo thành công trong hốc FP bằng biện pháp tạo dải phản xạ Bragg trong lớp AlGaAs/AlAs Cấu trúc này có thể cho phép tạo được các photodiode với băng tần rất cao trên 100 GHz mà vẫn có hiệu suất lượng tử cao

Một cách tiếp cận khác để tạo ra các photodiode tốc độ cao là sử dụng một ống dẫn sóng quang để ghép cạnh tín hiệu quang Các photodiode như vậy được gọi

là các photodiode sóng chạy các photodiode làm từ GaAs dựa trên cấu trúc này có băng tần trên 170Ghz và hiệu suất lượng tử đạt trên 50% khi mà ống dẫn sóng rộng 1µm, trở kháng 50Ω

3.2 Thời gian đáp ứng

Thời gian đáp ứng dùng để xác định khả năng làm việc của bộ thu quang với các tốc độ khác nhau của hệ thống truyền dẫn và là thời gian chuyển dịch của các hạt mang photo trong vùng trôi

Nếu gọi Tf là thời gian dịch chuyển của các hạt mang photo trong vùng trôi:

là gần như nhau

Hi ̀nh 3.3 Đáp ứng photodiode cho xung đầu vào và photodiode không hoàn toàn nghèo

[Tài liệu tham khảo 1]

3.3 Dòng photo vùng trôi

Các cặp điện tử-lỗ trống mà đã được phát trong vùng trôi hoặc trong độ dài khuếch tán của nó, sẽ được phân cách bởi môi trường điện áp ngược từ đó dẫn đến dòng điện chảy trong mạch ngoài vì có sự trôi hạt mang điện ngang qua vùng trôi Nếu gọi hạt mang điện tích sẽ chuyển động với một cự ly là Ln với điện tử, Lp với lỗ

trống và tuổi thọ trung bình hạt mang τn, τp và Dn, Dp là hệ số khuếch tán điện tử và

lỗ trống [cm2/s] thì 𝐿𝑛 = √𝐷𝑛τ𝑛 , 𝐿𝑝 = √𝐷𝑝τ𝑝

Với Jdr là mật độ dòng trôi sinh ra từ các hạt mang ở bên trong vùng trôi

Jdi là mật độ dòng khuếch tán có từ hạt mang được tạo ra ở ngoài vùng trôi trong khối bán dẫn

Dòng khuếch tán được xác định chủ yếu bởi sự khuếch tán lỗ trống từ vùng n

3.4 Photodiode APD

3.4.1 Giới thiệu

Photodiode PIN có hạn chế là do tham số đáp ứng R vì giá trị lớn nhất là 𝑅 =

𝑒

ℎ𝑣 khi hiệu suất lượng tử 𝜂 = 1 Các photodiode thác APD có giá trị R lớn hơn nhiều

so với photodiode PIN, vì nó được thiết kế để cho ra sự khuếch đại dòng bên trong Sau khi bến đổi các photon thành các điện tử photo, nó khuêch đại ngay dòng photo

ở bên trong nó trước khi dòng này đi vào mạch khuếch đại điện tiếp sau và điều này làm tăng mức tín hiệu, dẫn tới độ nhạy thu được tăng lên đáng kể

Để thu được hiệu ứng nhân bên trong, các hạt mang quang sẽ được tăng dần năng lượng tới mức đủ lớn để ion hóa các điện tử xung quanh, do va chạm với chúng các điện tử xung quanh được đẩy từ vùng hóa trị tới vùng dẫn, tạo ra các cặp điện tử

lỗ trống mới sẵn sàng dẫn điện Các hạt mang mới được tạo ra này sẽ tiếp tục được gia tốc nhờ điện trường cao và lại có thể phát ra các cặp điện tử lỗ trống mới khác

Hiện tượng này được gọi là “Hiệu ứng thác” Quá trình thác dẫn tới làm tăng dòng

điện tử photo

3.4.2 Cấu trúc

Gồm các vật liệu loại p điện trở suất cao đặt làm lớp epitaxi nền p+ Sau đó người ta khuếch tán hoặc cấy lớp n+( loại n pha tạp nặng) Hai vùng cách nhau bởi

một điện trường thấp và một vùng trường điện cao Đối với Si, chất kích thích tạp ở vùng này thường tương ứng là Bo hoặc phốt pho Cấu trúc như vậy thường được gọi

là cận xuyên p+ipn+

Hi ̀nh 3.4 Sự phân bố trường điện và cấu trúc APD cận xuyên Silic

[Tài liệu tham khảo 1]

3.4.3 Hoạt động

Các photodiode APD khuếch đại tại chỗ dòng photo tín hiệu ban đầu trước khi

đi vào mạch đầu vào của bộ khuếch đại điện, nên làm tăng độ nhạy thu Các hạt phát

ra dòng photo phải đi qua vùng nơi có điện trường rất cao Dưới vùng điện trường cao này, một điện tử được gia tốc có thể đủ năng lượng để phát ra các cặp điện tử -

lỗ trống mới, tức là ion hóa các điện tử bao quanh trong vùng hóa trị do va chạm với chúng Các hạt mang mới được tạo ra cũng có thể được gia tốc bằng trường điện cao, khi thu được đủ năng lượng, chúng có thể tạo ra tiếp quá trình ion hóa va chạm

Hệ số nhân M cho tất cả các hạt mang được phát ra trong photodiode APD là:

Trong đó:

 IM là giá trị trung bình của dòng tổng đầu ra đã được nhận

 IP là dòng photo ban đầu chưa được nhận

Đáp ứng R của photodiode APD:

Băng tần nội tại phụ thuộc hệ số nhân M Thời gian chuyển dịch tăng đáng kể bởi sự phát ra và lựa chọn các cặp điện tử lỗ trống thứ cấp mà nó sinh ra thời gian phụ

3.5 Vật liệu chế tạo photodiode

Trong phổ từ 800 nm đến 900 nm, một số các vật liệu khác nhau như Si, Ge, GaAs có thể dùng làm photodiode, tuy nhiên Si phù hợp nhất vì Si có tạp âm thấp nhất nên độ nhạy thu cao Trong phổ từ 1100 nm đến 1700 nm, dùng vật liệu Ge, InP, InGaAsP, InGaAs, GaAlSb, và GaAb Đối với các photodiode PIN và APD hoạt động

ở bước sóng dài InGaAs là vật liệu phù hợp nhất vì nó có thể hấp thụ ánh sáng với bước sóng dài tới 1650 nm

Chương 4: Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ tách

sóng quang

4.1 Các nguồn nhiễu trong bộ tách sóng quang

4.1.1 Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng p-i-n

Hi ̀nh 4.1 Mô hình đơn giản của một bộ thu tách sóng quang

[Tài liệu tham khảo 1]

Trong bộ tách sóng quang, các nhiễu cơ bản là nhiễu lượng tử, nhiễu dòng tới

và nhiễu dòng rò bề mặt Nhiễu lượng tử phát sinh do bản chất thống kê của quá trình tách sóng và tính lựa chọn của các điện tử photo khi có tín hiệu quang đi tới bộ tách sóng quang, bắt nguồn từ sự không chắc chắn về thời gian đến của các điện tử hoặc các photon tại bộ tách sóng Nhiễu lượng tử trong băng tần hiệu dụng Be là:

Nhiễu dòng tối được phát ra từ vật liệu khối của photodiode Nhiễu dòng tối photodiode là dòng mà nó luôn xuất hiện ngay cả khi không có ánh sáng đi tới photodiode Vì nó được phát từ vật liệu khối cho nên nó tăng theo các điện tử và lỗ trống được phát theo nhiệt trong tiếp giáp pn của photodiode Sự biến đổi nhiễu của dòng này được viết như sau:

Dòng rò bề mặt photodiode phụ thuộc và sự khiếm khuyết, diện tích bề mặt, mức độ sạch của bề mặt và điện áp định thiên Biến đổi nhiễu của dòng rò như sau:

Ngoài ra còn một nguồn nhiễu nữa mà nó tham gia vào nhiễu tổng trong bộ thu quang là dòng nhiễu nhiệt Biến đổi nhiễu nhiệt được cho như sau:

Từ những thành phần nhiễu trên, công suất nhiễu tổng được viết là:

4.1.2 Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng APD

Các photodiode thác thực hiện khuếch đại bên trong dòng tín hiệu ban đầu bằng hệ số nhân M trước khi tín hiệu đi tới mạch khuếch đại điện phía sau Đây là nguyên nhân tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong bộ thu quang ADP

Nhiễu lượng tử hoặc nhiễu bắn và nhiễu dòng tối sẽ tăng M2 lần trong khi đó cần lưu ý quá trình nhân thác là một quá trình hiệu ứng khối, dòng rò bề mặt không

bị ảnh hưởng từ khuếch đại thác Nhiễu nhiệt cũng không chịu ảnh hưởng từ hiệu ứng thác vì nó có nguồn gốc phát sinh từ các thành phần điện không có liên quan tới photodiode thác Do đó ta có thể viết nhiễu tổng của bộ tách sóng APD như sau:

Ở đây FA là hệ số nhiễu trội của APD phụ thuộc vào M Qua nghiên cứu người

ta tìm ra được: