Tìm hiểu bộ thu quang

Mục lục Mục lục Danh mục hình vẽ .4 Các chữ viết tắt Chương 1: Giới thiệu 1.1 Giới thiệu .5 1.2 Giới thiệu biến đổi quang điện Chương 2: Phân công công việc cho thành viên 2.1 Quản lý tiến độ dự án 2.2 Phân công công việc cụ thể Chương 3: Tìm hiểu tách sóng photodiode .9 3.1 Bộ tách sóng photodiode p-i-n 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 nhiễu tách sóng quang 17 4.1 Các nguồn nhiễu tách sóng quang .17 4.1.1 Các nguồn nhiễu tách sóng p-i-n .17 4.1.2 Các nguồn nhiễu tách sóng APD 18 4.2 Tỉ số tín hiệu nhiễu .19 Chương 5: Bộ thu quang 21 5.1 Cấu hình 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 thu quang .25 5.2.1 Nhiễu lượng tử 25 5.2.2 Nhiễu nhiệt 25 5.2.3 Nhiễu giao thoa ký tự ISI .26 Chương 6: Độ nhạy thu quang .27 6.1 Độ nhạy thu tỉ số lỗi bit thu quang 27 6.1.1 Tỉ số lỗi bit thu quang 27 6.1.2 Độ nhạy thu thu quang 27 6.2 Các tham số có ảnh hưởng tới thu quang .28 6.2.1 Giới hạn lượng tử tách sóng quang .28 6.2.2 Tỉ số phân biệt .29 Chương 7: Cấu trúc mạch thu quang 31 7.1 Các mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao .31 7.2 Các 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, học rút 35 8.2 Lời cám ơn 35 Tài liệu tham khảo .36 Danh mục hình vẽ Hình 3.2 Hiệu suất lượng tử đáp ứng hàm số bước sóng với vật liệu làm photodiode khác 12 Hình 3.3 Đáp ứng photodiode cho xung đầu vào photodiode không hoàn toàn nghèo 13 Hình 3.4 Sự phân bố trường điện cấu trúc APD cận xuyên Silic .15 Hình 4.1 Mô hình đơn giản thu tách sóng quang 17 Hình 5.1 Cấu hình thu quang số tiêu biểu 21 Hình 5.2 Sơ đồ thu quang digital 22 Hình 6.1 Độ nhạy thu 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 thiết kế thu hỗ dẫn ngược .32 Hình 7.4 Thiết kế mạch tiền khuếch đại IC cho thu 10 Gbit/s 33 Các chữ viết tắt BER JFET MESFET Bit Error Rate Junction Fiel-Effect Transistor Metal Semiconductor Metal Oxide Silicon Field Effect MOSFET Transistor RF Radio Frequency SNR Signal-Noise Ratio Tỷ lệ lỗi bít Transistor trường liên kết Transistor trường bán dẫn Transistor trường oxyt silic kim loại Tần số vô tuyến Tỷ số tín hiệu nhiễu Chương 1: Giới thiệu 1.1 Giới thiệu Hệ thống thông tin hiểu đơn giản hệ thống để truyền thông tin từ nơi đến nơi khác Thông tin truyền thông qua sóng điện với dải tần số khác Hệ thống thông tin sợi quang hệ thống thông tin sóng ánh sáng, sử dụng sợi quang để truyền thông tin Các hệ thống phát triển nhanh sử dụng rộng rãi mạng truyền dẫn từ năm 1980 Cho đến hệ thống thông tin quang hệ thống thông tin chủ đạo Chúng tiềm tàng khả lớn việc đại hóa mạng lưới viễn thông giới Thiết bị thu quang linh kiện quan trọng hệ thống thông tin sợi quang dùng để biến đổi tín hiệu quang thu 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 biến đổi quang điện Tín hiệu qua biến đổi thành tín hiệu điện biến đổi quang điện(O/E) Bộ biến đổi quang điện thường tách sóng Photodiode, tách sóng theo luật bình phương biến đổi công suất quang thu trực tiếp thành dòng điện(dòng photo) đầu Bộ thu kiểu gọi thu tách sóng trực tiếp DD(Direct Ditection) Thành phần thực tách sóng biến đổi O/E photodiode p-i-n photodiode thác APD( Avalanche Photodiode) Tín hiệu quang từ phía phát vào sợi quang bị suy hao dần, bị méo tăng lên theo độ dài cự ly truyền dẫn tác động tán xạ, hấp thụ tán sắc sợi dẫn quang Nếu thu quang phải hoạt động điều kiện gặp nhiều yếu tố tác động Việc thiết kế thiết bị thu quang khó khắn phức tạp nhiều so với thiết kế thiết bị phát quang Bộ thu phải đảm bảo thu tín hiệu yếu, bị méo phải tách thành phần nhiễu lớn so với tín hiệu Trong thu quang số thực tế, tín hiệu điện yếu thu đầu tách sóng khuếch đại, cân khuếch đại điện cân tương ứng Cuối tín hiệu phục hồi mạch định Chất lượng hệ thống thông tin quang phụ thuộc chủ yếu vào thu quang Để có tuyến truyền dẫn dài với tốc độ bit lớn, thu quang cần phải thỏa mãn yêu cầu sau:  Có tỉ số tín hiệu nhiễu SNR lớn độ nhạy thu cao  Hoạt động điều kiện tín hiệu có băng tần lớn Có thu quang tốt điều cần thiết, điều luôn phụ thuộc vào phần tử tách sóng quang, khuếch đại điện, mạch định trình thiết kế tối ưu thu Chương 2: Phân công công việc cho thành viên 2.1 Quản lý tiến độ dự án Thời gian Từ 20/2 đến 25/2 Từ 26/2 đến 28/2 Từ 29/2 đến 4/3 Từ 5/3 đến 8/3 9/3 Công việc Làm nội dung báo cao Hoàn thành báo cáo word Làm slide thuyết rình Thống ý tưởng buổi thuyết trình Thuyết trình tập lớn 2.2 Phân công công việc cụ thể Họ tên Công việc Thời hạn hoàn thành Phạm Quang Vương 25/2 Nguyễn Thị Trang 25/2 Phạm Thị Lan Hương 25/2 Dương Văn Hiển 25/2 Dương Văn Trung 25/2 Chương 3: Tìm hiểu tách sóng photodiode 3.1 Bộ tách sóng photodiode p-i-n Bộ tách sóng quang sử dụng thông dụng tách sóng photodiode p-i-n Một photodiode p-i-n thông thường có cấu trúc gồm vùng p n cách vùng i Để thiết bị hoạt động phải cấp thiên áp ngược cho Photodiode PIN phát minh Jun-ichi Nishizawa đồng nghiệp ông vào năm 1950 Hình 3.1Mạch điện sơ đồ vùng lượng cho photodiode p-i-n [Tài liệu tham khảo 1] PIN diode phân cực ngược Trong điều kiện phân cực ngược, diode không hoạt động photon có lượng đủ để đăng nhập vào vùng nghèo diode, làm phát sinh cặp điện tử lỗ trống Do tương phân cực ngược hạt mang điện quét tạo thành dòng Độ nhạy thu biến đổi theo bước sóng ánh sáng tới Si: 𝜆𝑐 = 1,06 𝜇𝑚, Ge 𝜆𝑐 = 1,6 𝜇𝑚, InGaAs 𝜆𝑐 = 1,7 𝜇𝑚 Do cấu trúc bên nó, lớp i nằm có trở kháng cao hầu hết điện áp đặt vào phần ngang Kết có trường điện lớn tồn lớp i Khi có photon tới mà mang lượng lớn hơn( bằng) với lượng vùng cấm vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo photodiode, photon bỏ lượng kích thích điện tử vùng hóa trị sang vùng dẫn Quá trình phát cặp điện tử- lỗ trống tự Công thức phát sáng hấp thụ vật liệu tương ứng: Trong đó:  𝛼𝑠 (λ) hệ số hấp thụ tương ứng bước sóng λ  𝑃𝑖𝑛 mức công suất quang tới photodiode  𝑃𝑥 công suất quang hấp thụ cự ly x  𝛼 phụ thuộc vào loại vật liệu bán dẫn sử dụng Nếu gọi λc bước sóng cắt: Trong đó:  Với c vận tốc ánh sáng  h: số Planck 10 Công thức tính dòng photo ban đầu có tính đến phản xạ Rf lối vào bề mặt photodiode: Trong đó:  e: điện tích điện tử  hv: lượng photon, 6,625 10−34 𝐽 𝑆 số Planck, v tần số sóng ánh sang Hiệu suất lượng tử photodiode tỉ số giữ cặp điện tử lỗ trống phát số cac photon mang lượng hv tới Trong 𝐼𝑃 dòng photo có giá trị trung binh Để hiệu suất lượng tử cao, vùng tối phải đủ dày để hầu hết photon tới hấp thụ vùng Hệ số chuyển đổi dòng photo R: Khi thiết bị có vùng tối đủ dày, hiệu suất lượng tử cao Tuy nhiên vùng tối dày hạt mang photo phát phải cần thời gian dài ngang qua tiếp giáp phân cực ngược thời gian trôi hạt mang xác định tốc độ đáp ứng photodiode, nên cần dung hòa hiệu suất lượng tử tốc độ đáp ứng:  Với Si, Ge: vùng tối 𝑤 = 20 ÷ 25𝜇𝑚 11 tách sóng Trong khuếch đại có điện trở Ra điện dung Ca đầu vào hai thành phần kết hợp thành trở kháng đầu vào Hình 5.2 Sơ đồ thu quang digital [ Tài liệu tham khảo 1] Trong cấu hình thu quang này, có hai yếu tố đáng ý Đó dòng nhiễu đầu vào ia(t) nhiễu nhiệt điện trở đầu vào khuếch đại Ra sinh nguồn điện áp nhiễu ea(t) thể nhiễu nhiệt kênh khuếch đại Hai nguồn nhiễu coi thống kê Gaussian, phổ phẳng không tương quan Theo sau khuếch đại điện mạch cân Mạch thường lọc sharp-tần số tuyến tính, dùng để giảm ảnh hưởng méo tín hiệu giao thoa ký tự ISI Mạch định sau mạch cân để khôi phục tín hiệu cho chuỗi tín hiệu số Tín hiệu clock phải đưa vào đầu vào định để xác định thời gian lấy mẫu Như vậy, để thiết kế thu quang ta xem xét ba thành phần cấu trúc nên thiết bị sau 5.1.1 Front-end Front-end thu quang gồm photodiode tiền khuếch đại (preamplifier) điện  Photodiode biến đổi luồng bit ánh sáng thành tín hiệu điện thay đổi theo thời gian  Bộ tiền khuếch đại điện có vai trò khuếch đại tín hiệu điện cho trình sử lý tiếp sau Việc thiết kế front-end đòi hỏi tương xứng tốc độ bit độ nhạy thu Khả thu quang có đáp ứng cho hệ thống thông tin quang có tốc độ bit cao cự ly xa hay không phụ thuộc phần lớn vào việc thiết kế front-end thu 22 Khi sử dụng điện trở tải RL có giá trị lớn, điện áp đầu vào mạch tiền khuếch đại tăng, ta có front-end trở kháng cao Giá trị RL lớn giảm nhiễu nhiệt tăng độ nhạy thu Nếu không quan tâm tới độ nhạy thu, ta giảm RL để tăng băng tần hệ thống, ta có front-end trở kháng thấp 5.1.2 Kênh tuyến tính Kênh tuyến tính thu quang bao gồm khuếch đại mạch cân  Bộ khuếch đại thường khuếch đại có độ khuếch đại cao  Mạch cân sau khuếch đại thường lọc sharp-tần số tuyến tính Mạch cân sử dụng để giảm ảnh hưởng méo ISI tín hiệu Trong số trường hợp, mạch cân sử dụng để hiệu chỉnh đáp ứng tần số điện tách sóng quang khuếch đại Độ khuếch đại khuếch đại điều khiển cách tự động để giới hạn điện áp đầu trung bình tới mức cố định công suất quang trung bình đến thu Bộ lọc thông thấp tạo dạng xung điện áp Để tính toán với xung chữ nhật gửi đến từ phía phát, mô tả sau Nếu P(t) công suất quang thu tách sóng chuỗi xung số nhị phân tách sóng diễn giải biểu thức sau: Ở bn tham số biên độ thể digit tín hiệu thứ n, lấy giá trị ''1'' ''0''; Tb chu kỳ bit; hp(t) dạng xung thu mà dương cho t Nếu ta giả thiết xung đầu vào photodiode không âm, h(t) chuẩn hoá để có vùng thì: Dòng đầu trung bình từ photodiode thời điểm t viết sau: 23 với R đáp ứng photodiode, sử dụng APD thay RAPD Dòng khuếch đại lọc điện áp trung bình đầu mạch cân cho tích chập dòng với đáp ứng xung khuếch đại Điện áp viết sau: Ở A khuếch đại khuếch đại, hB(t) đáp ứng xung mạch thiên áp, heq(t) đáp ứng xung mạch cân bằng, * ký hiệu tích chập Dựa vào hình 4.11, hB(t cho dạng chuyển đổi Fourier ngược hàm truyền đạt mạch thiên áp HB(f) viết sau: Ở F ký hiệu thuật toán dạng chuyển đổi Fourier Hàm truyền đạt dòng thiên áp HB(f) đơn giản điện kháng tổ hợp mắc song song Rb, Ra, Ca vμ Cd viết là: 𝑅 = 𝑅𝑎 + 𝑅𝐿 𝐶 = 𝐶𝑎 + 𝐶𝑑 Công thức tính điện áp trung bình đầu mạch cân bằng: Trong đó: Với Hp(f)là hàm chuyển đổi dạng xung thu hp(t), Heq(f)là hàm truyền đạt cân 5.1.3 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 24 ngưỡng thời điểm lấy mẫu xác định mạch hồi phục clock, 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 ''1'' vμ ''0'' lớn Điều xác định từ sơ đồ hình mắt tạo việc xếp chồng chuỗi xung điện dài 2-3 bit chùm bit đỉnh với Thời điểm lấy mẫu tốt tương ứng với độ mở mắt lớn Vì nhiễu tồn thu, luôn có xác suất định mà bit nhận dạng cách không xác mạch định Tuy nhiên, thu quang digital có giá trị tỷ số lỗi bit nhỏ mạch định thường thiết kế để hoạt động theo cách 5.2 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, định xem tín hiệu số loại phát tới từ phía phát Quá trình 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 Các nguồn nhiễu không mong muốn xuất phát từ nhiều yếu tố Các nguồn nhiễu đến từ hệ thống nhiễu khí quyển, nhiễu thiết bị đó, có từ bên thân hệ thống Ở đây, xem xét nhiễu bên hệ thống Nguyên nhân từ không ổn định tự phát dòng điện điện áp mạch điện Có loại nhiễu trội là: Nhiễu lượng tử (nhiễu bắn) nhiễu nhiệt 5.2.1 Nhiễu lượng tử Tốc độ đến ngẫu nhiên photon nguyên nhân sinh nhiễu lượng tử tách sóng quang Nhiễu phụ thuộc vào mức tín hiệu, quan trọng cho thu sử dụng photodiode p-i-n thường có mức đầu vào quang lớn Đặc biệt sử dụng tách sóng APD, nhiễu lượng tử tăng lên từ chất thống kê trình nhân thác; mức nhiễu tăng theo hệ số nhân M 5.2.2 Nhiễu nhiệt Nhiễu nhiệt sinh từ điện trở tải tách sóng mạch điện khuếch đại thu quang Loại nhiễu trội tách sóng photodiode PIN 25 có tỷ số tín hiệu nhiễu SNR thấp Vì nhiễu nhiệt nhiễu có chất Gaussian, chúng hạn chế nhờ việc áp dụng giải pháp kỹ thuật chuẩn Dòng photo ban đầu phát từ photodiode 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: η hiệu suất lượng tử, hν lượng photon, E lượng thu khoảng thời gian τ Trong thu quang thực tế, số cặp điện tử-lỗ trống thực m phát dao động quanh số trung bình theo phân bố Poisson Vì xác suất Pr(m)mà m cặp điện tử-lỗ trống phát khoảng τ là: Trên thực tế, dự báo xác có cặp điện tử-lỗ trống phát từ công suất quang cho đến photodiode Đó nguồn gốc nhiễu lượng tử 5.2.3 Nhiễu giao thoa ký tự ISI Là loại nhiễu phát sinh từ dãn xung sợi quang Mỗi xung tín hiệu thường đặc trưng khe thời gian định, xung phát đi, hầu hết lượng xung tới thu quang khe thời gian tương ứng Vì xung bị dãn trải trình lan truyền dọc theo sợi, phần lượng phát dãn dần sang khe thời gian lân cận Sự có mặt lượng khe thời gian lân cận làm cho tín hiệu giao thoa, giao thoa ký tự (các xung) 26 Chương 6: Độ nhạy thu quang 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 quang yếu tố quan trọng đánh giá khả chất lượng hệ thống thông tin sợi quang Độ nhạy cao thể khả để thu mức công suất quang thấp Độ nhạy thu cao cho phép thiết kế hệ thống thông tin quang tốc độ cao cự ly xa 6.1 Độ nhạy thu tỉ số lỗi bit thu quang 6.1.1 Tỉ số lỗi bit thu quang Nếu ta gọi I1 dòng trung bình ứng với bit 1, I0 dòng trung bình ứng với bit 𝜎21 𝜎20 phương sai ứng với bit “1” bit “0” ta có giá trị tỉ số lỗi bit(BER) xấp xỉ bằng: Trong đó: 6.1.2 Độ nhạy thu thu quang 6.1.2.1 Độ nhạy thu thu p-i-n Với thu p-i-n (M=1), thường nhiễu nhiệt chiếm ưu nên ta tính công suất trung bình thu theo công thức rút gọn đây: Trong đó: 27 6.1.2.2 Độ nhạy thu thu APD Độ nhạy thu APD thu photodiode thác APD xác định từ công thức: Từ công thức ta thấy độ nhạy thu APD bị giảm nhanh tốc độ bit B tăng Sự giảm đặc tính chung cho thu có giới hạn nhiễu nổ Ngoài ra, chế khuếch đại photodiode APD nhạy cảm với nhiệt độ hệ số ion hóa điện tử lỗ trống phụ thuộc vào nhiệt độ, đặc biệt điện áp định thiên lớn Sự thay đổi nhỏ nhiệt độ gây biến động lớn cho khuếch đại APD 6.2 Các tham số có ảnh hưởng tới thu quang 6.2.1 Giới hạn lượng tử tách sóng quang Giới hạn lượng tử hiểu đơn giản công suất quang thu nhỏ yêu cầu đặc tính tỷ số lỗi bit xác định hệ thống truyền dẫn quang Nếu gọi NP số trung bình photon bit "1" BER cho dạng diễn giải đơn giản sau: Với BER