Nghiên cứu mô hình truyền dữ liệu giữa 2 máy tính bằng laser bán dẫn qua không khí ở cự ly ngắn

Các linh kiện truyền thông bằng chùm sáng ngày nay được tìm thấy trong nhiều thiết bị thông dụng, các thiết bị điện thoại, các hệ thống máy tính.. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu c

NGUYỄN MẠNH TƯỜNG

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TRUYỀN DỮ LIỆU GIỮA HAI MÁY TÍNH BẰNG LASER BÁN DẪN QUA KHÔNG KHÍ Ở

CỰ LY NGẮN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT LASER Mã số ngành: 2.07.07

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2005

Tp HCM, ngày tháng năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN MẠNH TƯỜNG Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 13/07/1978 Nơi sinh: Tây Ninh

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật (Kỹ thuật laser) MSHV: 01203293

I-TÊN ðỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TRUYỀN DỮ LIỆU GIỮA HAI MÁY TÍNH BẰNG

LASER BÁN DẪN QUA KHÔNG KHÍ Ở CỰ LY NGẮN II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiệm vụ và nội dung ñề tài gồm hai phần sau:

1 Nghiên cứu kỹ thuật truyền thông bằng laser qua không khí

2 Xây dựng mô hình truyền dữ liệu giữa hai máy tính bằng laser bán dẫn qua không khí ở cự ly ngắn

III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ( Ngày ký quyết ñịnh giao ñề tài): 07/07/2005 IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/12/2005

V-HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Cẩn Văn Bé

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký) Nội dung và ñề cương luận văn thạc sĩ ñã ñược Hội ðồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày tháng năm

bỏ ngỏ ở Việt Nam

Vì lý do trên, người viết mong muốn cùng các bạn nghiên cứu cặn kẽ về truyền thông bằng laser qua không khí Nhưng do khả năng và thời gian có hạn, ñề tài luận văn thạc sĩ này sẽ dừng lại ở mức ñộ “Nghiên cứu mô hình truyền thông bằng laser qua không khí giữa hai máy tính ở cự ly ngắn” Và mục tiêu trước mắt của ñề tài là xây dựng mô hình truyền dữ liệu giữa hai máy tính bằng laser bán dẫn qua không khí ở cự ly ngắn Về lâu dài, ñề tài sẽ tiến ñến nghiên cứu kỹ thuật truyền thông bằng laser bán dẫn trong không trung Tuy vậy, nhiệm vụ chính của ñề tài không chỉ là nghiên cứu mà còn là chế tạo hệ thống truyền dữ liệu (thông ñiệp và tập tin) giữa hai máy tính qua cổng RS-232 và viết chương trình giao tiếp giữa hai máy tính này

Luận văn ñược chia làm ba phần: phần ñầu giới thiệu về những cơ sở lý thuyết cần thiết; phần thứ hai giới thiệu phương án thiết kế một mô hình truyền thông giữa hai máy tính; phần cuối cùng là phụ lục, trích dẫn các datasheet của các

vi mạch ñược dùng trong ñề tài

Với mong muốn phương pháp truyền thông bằng laser qua không khí sẽ nhận ñược sự quan tâm hơn của các nhà ñầu tư trong và ngoài nước, người thực hiện ñề tài xin ñược khép lại bằng một chút tham vọng - mong muốn ñóng góp chút ít vào công cuộc công nghiệp hóa và hiện ñại hóa ñất nước

Luận văn còn nhiều sai sót khó tránh khỏi, ñược sự góp ý và phê bình quý thầy cô cùng các bạn là niềm vinh hạnh cho tôi

ABSTRACT

Telecommunications and related industries are currently among of the fastest growing industries in Vietnam Vietnam's telecom sector has been rated by the International Telecommunication Union as the second fastest-growing telecom market in the world after China At present, there are six licensed-operators and fifteen licensed-ISPs In December 2007, the market for basic voice telephone should be liberalized, under the recently implemented Vietnam – US Bilateral Trade Agreement (BTA) This trade agreement is meant to prepare the way for Vietnam enter the World Trade Organization (WTO) Despite a large number of domestic service providers, they are known that having weak competitiveness compare to oversea ones, especially technology The WTO accession would make competition fiercer, with the entry of foreign corporations and firms It’s opportunity to catch up with the fast development of technology In there, laser technology considered in many developed countries is still left open in Vietnam

For above reason, the writer desire to research into laser communication through the air in detail with you This master’s thesis will halt in level “Research into model of laser communication through the air between two computer in a short distance” within my reach That is an immediate objective must be resolved before reaching to study of free-space laser communication However, the main task isn’t only researching but also making a data (messages and files) communication system for two computers by using RS-232 port, and writing a window program interfacing for two computers

This thesis is divided into three parts: the first is the theory basic introduction part; the second is the design solution part presenting how to establish an optical through the air between two computer communication system; and the last is the appendix part quoting some IC datasheets I used

Hoping that domestic and foreign investors would be more interested in laser communication through the air, the writer want to end my word with a little ambition – a desire to contribute to demands of industrializing and modernizing the country

There are still many errors and omissions I haven’t found out yet I welcome all criticisms and advices form teachers and readers of this thesis

MỤC LỤC

Lời cảm ơn 5

Tóm tắt luận văn thạc sĩ 6

Abstract 7

Mục lục 8

Chương mở đầu Giới thiệu chung 10

I Tổng quan 10

II Mục tiêu của đề tài 13

III Phạm vi nghiên cứu 13

IV Đối tượng nghiên cứu 14

VI Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài 14

Phần 1 Cơ sở lý thuyết 15

Chương 1 Một số khái niệm quang học cần thiết 16

1.1 Quang phổ và đáp ứng của mắt người 16

1.2 Đáp ứng của đầu dò silic 18

1.3 Các đại lượng ánh sáng 18

1.4 Công suất ánh sáng và cường độ sáng 19

Chương 2 Đầu thu và nhiễu ở đầu thu quang 20

2.1 Photodiode Silic PIN 21

2.2Photodiode InGaAs PIN 22

2.3 Các đặc tính của photodiode silic PIN tiêu biểu 23

2.4 Phototransistor 28

2.5 Photodiode APD 29

2.6 Ống nhân quang 30

2.7 Bộ thu tạo phách quang 32

2.8 Các đầu thu trong tương lai 33

2.9 Nhiễu ở đầu thu 34

2.10 Mức ánh sáng tối thiểu có thể dò được 36

Chương 3 Các bộ phát quang trong truyền thông 38

3.1 Diode phát quang (LED) 39

3.2 Laser bán dẫn 42

3.3 Các nguồn sáng khác 48

Chương 4 Cấu hình của hệ quang học 53

4.1 Cấu hình đối nghịch 53

4.2 Cấu hình phản xạ khuếch tán 54

4.3 Cấu hình phản xạ ngược lại 56

Chương 5 Lý thuyết xử lý ánh sáng 59

5.1 Góc phân kỳ và góc nhận 59

5.2 Bộ chuẩn trực 61

5.3 Bộ lọc quang 64

5.4 Khoảng cách truyền 66

5.5 Aûnh hưởng của môi trường đến việc lựa chọn bước sóng 67

Chương 6 Giao tiếp máy tính qua cổng nối tiếp 74

6.1 Vài nét về nguồn gốc cổng nối tiếp và kỹ thuật truyền nối tiếp 74

6.2 Cáp RS-232 75

6.3 Các đầu nối của cổng RS-232 76

6.4 Các mức điện áp đường truyền 78

6.5 Khuôn mẫu khung truyền 80

6.6 Điều khiển thông tin nối tiếp giữa hai thiết bị 80

6.7 Một số tiêu chuẩn truyền thông nối tiếp khác 83

Phần 2 Thiết kế và thi công 85

Chương 7 Phương án thiết kế 86

7.1 Chọn cấu hình quang học 86

7.2 Chọn bộ thu và bộ phát quang 88

7.3 Chọn chuẩn giao tiếp máy tính 92

7.4 Thiết kế mạch giao tiếp máy tính 94

7.5 Lập sơ đồ giải thuật và viết phần mềm điều khiển 101

7.6 Sourcecode 106

Chương 8 Kết quả thực hiện và hướng phát triển 117

8.1 Kết quả thực hiện 117

8.2 Hướng phát triển đề tài 121

Phần 3 Phụ lục 125 Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG MỞ ðẦU GIỚI THIỆU CHUNG

I Tổng quan

1) Giới thiệu

Truyền thông bằng ánh sáng không còn phải là một khoa học mới Các di tích của người La Mã cổ đại đã cho biết rằng các đĩa kim loại bóng láng thỉnh thoảng được dùng như gương phản chiếu ánh sáng mặt trời để truyền tín hiệu ở khoảng cách xa Quân đội Mỹ đã dùng các thiết bị có năng lượng tương tự như ánh sáng mặt trời để gửi thông điệp từ đỉnh núi đến đỉnh núi ở đầu những năm

1800 Đến năm 1880 Alexander Graham Bell đã thí nghiệm với photophone sử dụng ánh sáng mặt trời phản chiếu từ một gương dao động và một tế bào quang học để truyền tín hiệu thoại qua không khí rộng hơn 200m Trong hai cuộc chiến tranh thế giới, một vài cuộc thử nghiệm truyền thông bằng ánh sáng đã được chỉ đạo, nhưng sóng vô tuyến và radar đã đạt nhiều thành công hơn và giành được sự chú ý cao Mãi đến khi laser ra đời, kèm theo sự phát triển của linh kiện bán dẫn và cáp quang vào những năm 1960, truyền thông quang học cuối cùng đã bắt đầu giành được sự thu hút thật sự

Khoảng 30 năm gần đây, lĩnh vực quang điện tử đã có những bước tiến dài Các linh kiện truyền thông bằng chùm sáng ngày nay được tìm thấy trong nhiều thiết bị thông dụng, các thiết bị điện thoại, các hệ thống máy tính Nhiều chương trình nghiên cứu phòng thủ đang tiến hành để phá vỡ truyền thông quang qua khoảng cách lớn Ngày nay người ta có thể xây dựng một hệ thống phát và nhận âm thanh, truyền hình và thậm chí truyền dữ liệu máy tính tốc độ cao qua khoảng cách lớn sử dụng các thành phần rẻ tiền

2) Tại sao phải truyền thông quang qua không khí?

Từ khi vô tuyến được phát minh, ngày càng có nhiều phổ tần số điện từ được sử dụng cho thương mại, quân sự, truyền thông giải trí và điện thoại Chẳng hạn như các thành phố của ta, sóng vô tuyến đã trở nên đông nghẹt Các doanh nghiệp đang tìm cách cải thiện hệ thống thông tin của họ và thử nghiệm cho các

mong muốn riêng đều gây nản chí bởi các sự giới hạn và các nguyên tắc phát thông tin bằng vô tuyến Có ít nhất năm nhà cung cấp dịch vụ ở nước ta (MobiFone, Vinaphone, S-phone, Viettel, VP Telecom, có thể có thêm Hanoi Telecom và Vishipel) Chỉù một băng thông nhỏ dành cho phổ tần vô tuyến để truyền nhiều kênh thông tin, tần số vô tuyến ngày càng đông nghẹt Trong các lĩnh vực còn lại như PSTN, ADSL, truyền hình cáp,… cũng khoảng năm nhà cung cấp Hệ thống mạng cáp của nước ta hiện nay quá chằng chịt, điều này vừa mất mỹ quan lại vừa nguy hiểm Đào đường? Không phải nơi nào cũng đào được Đường sá trong các thành phố hiện nay đang trong tình trạng đào lên và lấp xuống quá nhiều Hơn nữa, giao thông ách tắc là vấn đề đáng ngại ở Việt Nam

Vì lý do này nhiều công ty và cá nhân đã tìm đến ánh sáng như là cách cần thiết để cung cấp nhiều chỗ cho việc mở rộng truyền thông Bằng cách sử dụng ánh sáng được điều biến như là một sóng mang thay cho sóng vô tuyến và hầu như vô hạn, phổ ánh sáng trở nên hữu dụng Lấy một ví dụ xem có bao nhiêu thông tin được phát trong một hệ thống thông tin quang Hình ảnh một nguồn sáng laser đơn, chẳng hạn như laser bán dẫn phát một ánh sáng có bước sóng hẹp Như vậy các linh kiện đã được phát triển có sẵn để có thể điều biến một tốc độ lớn hơn 60GHz Nếu điều biến ở một tốc độ 10Ghz thì một nguồn laser đơn có thể truyền một giây: 900 đĩa mềm, 650.000 trang văn bản, 1000 cuốn tiểu thuyết,

200 phút nhạc chất lượng cao, 10.000 hình TV Hơn nữa, nếu ta thêm vào nguồn sáng nhiều bước khác nhau thì nhiều kênh thông tin có thể được đưa thêm vào mà không làm nhiễu Một dung lượng thông tin rất lớn mà sóng vô tuyến không thể làm được

Đánh giá về tìm năng của phương pháp truyền thông bằng laser qua không khí, một số tạp chí khoa học của Mỹ đã cho rằng đây là phương pháp giải quyết được hiện tượng nghẽn cổ chai trong thời kỳ thông tin bùng nổ hiện nay

3) Những hạn chế của truyền thông qua không khí

Yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng của truyền thông qua không khí là thời tiết Sương mù, mưa nặng hạt, và tuyết có thể ngăn chặn ánh sáng và truyền thông bị ngắt quãng May mắn là mắt chúng ta nhận biết kém một tín hiệu có thể

đi bao nhiêu Một vài bước sóng hồng ngoại có thể xuyên qua thời tiết xấu tốt hơn ánh sáng khả kiến Nếu khoảng cách truyền không quá lớn (nhỏ hơn 5 dặm), hệ thống có thể được thiết kế với hiệu suất cao, xuyên qua hầu hết các điều kiện thời tiết Thật không may mắn là có rất ít thông tin tồn tại bởi ảnh hưởng của thời tiết qua khoảng cách lớn Nhưng điều này không phải là trở ngại để phát triển hệ thống truyền thông qua không khí bởi vì nhiều vùng trên trái đất, thời tiết tồi tệ

hiếm khi xảy ra Hơn nữa, nếu chúng ta dùng sóng vô tuyến thì ảnh hưởng của thời tiết không phải là không có Thật rõ ràng rằng những thuận lợi của truyền thông bằng laser qua không khí lớn hơn nhiều những bất lợi do ảnh hưởng thời tiết

Một hạn chế khác của việc truyền thông bằng laser là ánh sáng không thể

đi xuyên qua cây, đồi hay tòa nhà Một đường truyền ánh sáng phải “thoáng” tồn tại giữa bộ phát và bộ thu Điều này có nghĩa rằng chúng ta sẽ phải định vị và cài đặt phần cứng sao cho đường đi của ánh sáng được thuận lợi

Hạn chế thứ ba mà thường không được chú ý đến, đó là vị trí của mặt trời có liên quan đến ánh sáng truyền giữa bộ thu và bộ phát Một vài hệ thống vi phạm nguyên tắc khi lắp đặt bộ thu và bộ phát ở vị trí mà ánh sáng mặt trời có thể chiếu trực tiếp lên đầu dò hoặc đầu phát trong suốt một năm Điều này dễ gây nhiễu và làm tổn hại đến các linh kiện Khi cài đặt, nếu có thể cố gắng sắp xếp theo hướng Bắc – Nam để tránh tối đa việc ánh sáng mặt trời chiếu vào

4) Thực trạng truyền thông quang qua không khí hiện nay

Truyền thông quang qua không khí hoặc không gian tự do được dự đoán là sẽ đóng vai trò quan trọng trong thế kỷ này Nhiều người trong chúng ta đã và đang sử dụng công nghệ mới này mà không nhận biết nó Hầu hết các thiết bị điều khiển từ xa cho TV, VCR … đều dựa trên các xung ánh sáng thay cho sóng vô tuyến Nhiều headphone thương mại không dây đang sử dụng công nghệ quang để truyền tín hiệu âm tần chất lượng cao trong phòng cho phép người nghe tự do di chuyển Hơn nữa, nhiều nghiên cứu đang kiểm tra tính khả thi của truyền thông quang qua không khí ở các ứng dụng khác nhau Một số công ty nghiên cứu thuộc quân đội đang xem xét cách gửi dữ liệu từ vệ tinh này đến vệ tinh khác bằng laser Nhiều cơ quan không gian cũng đang khảo sát kỹ thuật laser để truyền thông với các tàu vũ trụ ở khoảng cách lớn Một số khu đại học và một số khu thương mại rộng đang thử nghiệm kỹ thuật truyền thông bằng laser qua không khí đối với mạng máy tính tốc độ cao mà có thể hình thành các kết nối thông tin giữa các tòa nhà

Ở Việt Nam hiện đã nghiên cứu và ứng dụng thông tin quang trong các bộ điều khiển từ xa, các bộ cảnh báo, các bộ điều khiển vô tuyến hồng ngoại và trong các hệ thống thông tin cáp quang Trong y học, ánh sáng còn được ứng dụng để châm cứu chữa bệnh, đặc biệt là châm cứu bằng laser được ứng dụng ở một số bệnh viện ở Việt Nam Tuy nhiên, một số thiết bị các thiết bị laser phẫu thuật, các thiết bị truyền dẫn cáp quang thì Việt Nam vẫn mua hàng nước ngoài

Đặc biệt là trong lĩnh vực truyền thông bằng laser qua không khí thì chưa được quan tâm và sử dụng Mặc dù đã có một vài đề tài tốt nghiệp nghiên cứu như đo lường bằng laser, ứng dụng quang học trong hệ truyền âm thoại qua không khí nhưng nói chung vẫn chỉ là đề tài tốt nghiệp

II Mục tiêu đề tài

Truyền thông bằng laser là lĩnh vực còn đang được nghiên cứu, thử nghiệm và chưa hoàn thiện Các cuộc nghiên cứu và thử nghiệm cho kỹ thuật này có thể tóm tắt ở ba ứng dụng sau:

- Truyền dữ liệu thời gian thực (tín hiệu thoại, video,…) thay cho sóng vô tuyến và cáp đồng

- Kết nối dữ liệu máy tính tạo thành mạng máy tính không dây truyền ở khoảng cách xa và tốc độ cao

- Thông tin giữa các vệ tinh trong không gian

Đây là phạm vi rất rộng, đề tài chỉ đi sâu vào nghiên cứu trong phạm vi truyền dữ liệu (message, file) giữa hai máy tính bằng laser bán dẫn qua không khí ở cự ly ngắn

III Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài được chia làm hai phần, các phần được trình bày theo các chương như sau:

1) Nghiên cứu kỹ thuật truyền thông bằng laser qua không khí

- Chương 1: Một số khái niệm quang học cần thiết

- Chương 2: Đầu thu và nhiễu ở đầu thu quang

- Chương 3: Các bộ phát quang được dùng trong truyền thông

- Chương 4: Các cấu hình của hệ quang học

- Chương 5: Lý thuyết xử lý ánh sáng

- Chương 6: Giao tiếp máy tính qua cổng nối tiếp

2) Xây dựng mô hình truyền dữ liệu giữa hai máy tính bằng laser qua không khí ở cự ly ngắn

- Chương 7: Phương án thiết kế

• Thiết kế và thi công mô hình truyền dữ liệu giữa hai máy tính Thực hiện kết nối qua cổng COM theo chuẩn giao tiếp RS-232

• Thực hiện phần mềm giao tiếp chạy trên hệ điều hành Window

- Chương 8: Kết quả thực hiện và hướng phát triển

IV ðối tượng nghiên cứu

Đối tượng được nghiên cứu chính của đề tài là năng lực truyền thông của laser bán dẫn qua không khí Dựa trên kết quả của hệ thống truyền dữ liệu giữa hai máy tính để đánh giá khả năng ứng dụng vào thực tiễn

V Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài

Mô hình truyền thông bằng laser qua không khí đặc biệt thuận lợi trong những trường hợp mang tính khẩn cấp và tạm thời Khi có nhu cầu thông tin trong điều kiện địa hình không thể liên lạc bằng cáp được như nơi đồi núi, ngoài biển khơi hay qua một vùng nguy hiểm, việc đầu tư cho viba thì rất tốn kém nhưng dễ

bị phát hiện và phá sóng Trong những trường hợp như vậy, việc xây dựng mô hình truyền thông bằng laser là giải pháp cuối cùng mang lại hiệu quả cao Điều này rất thích hợp trong lĩnh vực quân sự Hiện nay tôi đang công tác tại Công ty Viễn Thông Quân Đội (Viettel), sẽ rất hữu ích nếu ứng dụng kỹ thuật truyền thông bằng laser qua không khí vào thông tin quân sự Trên cơ sở nghiên cứu của đề tài, tôi hy vọng có thể đóng góp phần nào đó cho công ty nói riêng và cho quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước nói chung Đó là lý do tôi chọn đề tài này

PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM QUANG HỌC CẦN THIẾT

1.1 Quang phổ và đáp ứng của mắt người

Aùnh sáng là một dạng của năng lượng Hầu như các năng lượng chúng ta sử dụng hàng ngày đều bắt đầu từ năng lượng mặt trời Các thực vật hấp thu năng lượng mặt trời và chuyển đổi nó sang hóa năng Sau đó chúng ta sử dụng năng lượng đó như thực phẩm và nhiên liệu Những năng lượng mặt trời còn lại làm nóng bề mặt trái đất, không khí và đại dương

Với sự trợ giúp của một lăng kính (hình 1.1a), chúng ta có thể chứng minh rằng ánh sáng trắng từ mặt trời thực sự là tổng hợp Ở hình 1.1b ta thấy có một vài phần của phổ ánh sáng rơi vào vùng khả kiến, các bước sóng còn lại rơi vào vùng bất khả kiến như các tia hồng ngoại và các tia cực tím

1Hình 1.1a: Aùnh sáng trắng tán sắc qua một lăng kính Phổ phát xạ của ánh sáng mặt trời khá rộng, tuy nhiên mắt người chỉ đáp ứng một phần ánh sáng này theo đường cong biểu diễn ở hình 1.1c

1 Hình 1.1a - trang 10, Tài liệu tham khảo 01

2Hình 1.1b:Phổ phát xạ của ánh sáng mặt trời

Phần phổ ánh sáng nằm bên ngoài giới hạn đỏ của mắt người gọi là vùng hồng ngoại gần (Near Infrared) hoặc ngắn gọn là IR Đây là vùng phổ được sử dụng nhiều trong các hệ thống thông tin quang ngày nay

2 Hình 1.1b – trang 10, Tài liệu tham khảo 01

3 Hình 1.1c – trang 10, Tài liệu tham khảo 01

3Hình 1.1c Đáp ứng phổ của mắt người

Theo hình 1.1b ựaõ trình baụy, aùnh saùng maẻt trôụi laụ moảt nguoàn raát maỉnh caùc daũi saùng; vì vaảy coù theă xem noù laụ caùc boùng ựeụn chieáu saùng chuaăn vaụ ựeụn chieáu saùng tỏụ caùc nguoàn camera Tuy nhieân caùc ựeụn saùng nhaân taỉo nhỏ caùc ựeụn huyụnh quang hoaẻc caùc boùng ựeụn ựỏôụng phaùt raát ắt aùnh saùng hoàng ngoaỉi

1.2 đáp ứng của ựầu dò silic

Maét ngỏôụi chữ nhaỉy ựoái vôùi moảt vaụi bỏôùc soùng naụo ựoù nhỏ hình 1.1c Tuy nhieân, moảt ựaàu doụ quang silic ựieăn hình coù ựỏôụng cong ựaùp ỏùng roảng (xem hình 1.2), tỏụ vuụng hoàng ngoaỉi trung, qua vuụng khaũ kieán, ựeán vuụng tỏũ ngoaỉi

Tắnh chaát noăi baảt nhaát cuũa ựỏôụng cong naụy laụ:

- ứaùp ỏùng ựaỉt giaù trò ựữnh ôũ khoaũng bỏôùc soùng 880 nm

- ứaùp ỏùng cuũa aùnh saùng ựoũ 600 nm khoaũng 1/2 giaù trò ựữnh

Caùc tắnh chaát naụy cho ta bieát raèng, baát kyụ moảt nguoàn saùng naụo vôùi bỏôùc soùng 880 nm seõ coù khaũ naêng ựỏôỉc ựaàu doụ silic thu toát nhaát Nhieàu diode phaùt quang (LED) vaụ laser diode (LD) coù bỏôùc soùng phaùt hoàng ngoaỉi gaàn vôùi giaù trò ựữnh 880 nm

4Hình 1.2 ứaùp ỏùng phoă cuũa ựaàu doụ Silic

1.3 Các ựại lượng ánh sáng

Nhỏ hình 1.3, moảt boùng ựeụn ựoát noùng tungsten phaùt moảt phoă aùnh saùng raát roảng Neáu chuùng ta quan taâm ựeán taát caũ caùc bỏôùc soùng bao goàm luoân caũ caùc bỏôùc soùng baát khaũ kieán, thì hieảu suaát chuyeăn ựoăi naêng lỏôỉng ựieản Ờ quang gaàn nhỏ 100% Tuy nhieân, nguoàn aùnh saùng naụy chỏùa nhieàu bỏôùc soùng ôũ vuụng hoàng ngoaỉi

4 Hình 1.2 Ờ trang 11, Tài liệu tham khảo 01

xa là các bước sóng nhiệt Mặc dù vẫn được xem là ánh sáng nhưng các bước sóng nhiệt này vượt quá khả năng đáp của mắt người và của bộ thu bán dẫn Nếu chúng ta chỉ quan tâm tới phần khả kiến của phổ thì hiệu suất chiếu sáng của bóng đèn sẽ chỉ là 10% Tuy nhiên, đối với đầu dò nhạy với bước sóng nhiệt, hiệu suất của bóng đèn gần đến 90% Điều này chỉ ra cách chúng ta định nghĩa độ sáng và cường độ sáng của nguồn sáng

1.4 Cơng suất ánh sáng và cường độ sáng

Công suất ánh sáng có đơn vị là Watt Cường độ của ánh sáng cũng có thể được mô tả như công suất ánh sáng Tuy nhiên, công suất không nên nhầm lẫn với năng lượng Năng lượng được định nghĩa như công suất nhân với thời gian Một nguồn sáng phát càng lâu thì năng lượng phát càng nhiều Nhưng tất cả các đầu dò ánh sáng được trình bày trong luận văn này đều độc lập với năng lượng Các đầu dò này chuyển đổi công suất ánh sáng sang công suất điện và ngược lại bằng nhiều cách khác nhau Sự chuyển đổi này không phụ thuộc vào thời gian Điều này là một khái niệm rất quan trọng đối với một số mạch thông tin Để minh họa, chúng ta lấy hình ảnh hai nguồn sáng, một nguồn phát ánh sáng 1W trong 1s trong khi nguồn còn lại phát 1000W trong thời gian 1000s Cả hai trường hợp đều cho năng lượng là như nhau Tuy nhiên, vì các đầu thu quang nhạy với công suất quang nên các xung ánh sáng càng ngắn thì càng sớm được dò hơn

5 Hình 1.3 – trang 11, Tài liệu tham khảo 01

5Hình 1.3 Bức xạ của đèn Tungsten

CHƯƠNG 2 ðẦU THU VÀ NHIỄU Ở ðẦU THU QUANG

Trong vô tuyến, thông tin được phát đến bộ thu ở xa và thường được nâng lên thành dòng điện tần số cao xen nhau hoạt động như một sóng mang thông tin Để truyền tải thông tin, tín hiệu sóng mang phải được điều biến ở một số kiểu Hầu hết các hệ thống vô tuyến thường được điều biến biên độ sóng mang (AM) hoặc điều biến tần số sóng mang (FM) Để lấy lại thông tin từ sóng mang ở các bộ thu, một vài mạch thu được sử dụng

Trong thông tin quang, một nguồn sáng hình thành và cũng phải được điều biến để phát thông tin Hầu như tất cả các hệ thống thông tin quang hiện có đều sử dụng cách điều biến cường độ nguồn sáng, trong đó các bộ phát thường chỉ đơn giản là mở hoặc tắt Để giải mã thông tin từ các xung ánh sáng, một vài đầu thu quang được sử dụng Công việc của đầu thu quang là chuyển đổi các tín hiệu quang ở bộ thu Các tín hiệu điện được sinh bởi sự chuyển đổi năng lượng quang của đầu thu thì dễ điều biến hơn nhiều so với các tín hiệu thuần khiết quang

6 Hình 2 – trang 15, Tài liệu tham khảo 01

6Hình 2 Một số đầu thu quang

Như đã trình bày ở chương trước, mặc dù ánh sáng là một dạng của năng lượng mà tính mạnh hay yếu thể hiện bằng cường độ hoặc công suất của ánh sáng Do đó, công việc thực sự của đầu thu quang là chuyển đổi công suất quang sang công suất điện, độc lập với năng lượng của xung ánh sáng phát

2.1 Photodiode Silic PIN

Mặc dù chúng ta có thể nhận biết nhiều loại đầu thu quang như transistor quang, quang trở, các tế bào quang điện… nhưng có ít thiết bị thực hiện truyền thông quang qua không khí Nhiều mạch được giới thiệu trong các bài báo đã chỉ định transistor quang như là đầu thu ánh sáng chủ yếu mặc dù photodiode cũng thu rất tốt

7 Hình 2.1a Đáp ứng phổ của photodiode PIN

Các ký tự PNP và NPN chỉ định loại của vật liệu bán dẫn được dùng để làm transistor Ký tự “I” trong “PIN” photodiode cho biết rằng linh kiện được làm từ các lớp bán dẫn P và N với một lớp trung tính I ở giữa Hầu hết các photodiode PIN được làm bằng silic Từ đường cong đáp ứng ở hình 2.1a ta thấy linh kiện nhạy nhất ở vùng hồng ngoại gần, có bước sóng khoảng 900nm Nhận thấy rằng đáp ứng của linh kiện không vượt quá 1000nm, nhưng có độ dốc dần dần hướng về vùng có bước sóng thấp hơn và bao gồm vùng khả kiến Chú ý rằng

7 Hình 2.1a – trang 15, Tài liệu tham khảo 01

đáp ứng của linh kiện giảm xuống còn ½ giá trị đỉnh ở bước sóng đỏ (640nm) Điều này hiển nhiên rằng nếu chúng ta muốn đạt tối đa hiệu suất chuyển đổi năng lượng, chúng ta nên chọn thông số của đầu phát quang sao cho gần xứng với giá trị đỉnh của đáp ứng của PIN photodiode silic Hầu hết các diode phát quang (LED) và laser hồng ngoại phát ở bước sóng gần 880nm, thuận lợi cho việc truyền thông tin

Đầu thu photodiode PIN làm việc rất giống một tế bào pin mặt trời nhỏ chuyển đổi năng lượng quang sang điện Giống như tế bào pin mặt trời, photodiode PIN sinh ra một điện thế (khoảng 0.5V) khi tương tác với ánh sáng và sẽ sinh ra một dòng tỉ lệ với cường độ của ánh sáng thu được Tuy nhiên, cách thức dòng nguồn không phân cực hoặc cách thức quang – áp ít khi được sử dụng trong truyền thông qua không khí vì hiệu suất thấp và đáp ứng chậm đối với các xung sáng ngắn Cấu hình thông thường là theo cách thức phân cực ngược hoặc quang dẫn

Hình 2.1b Cách thức phân cực ngược photodiode

Trong cách thức phân cực ngược, photodiode được phân cực bởi một dòng cung cấp bên ngoài có điện áp khoảng vài volt đến cỡ 50V Khi được phân cực, thiết bị hoạt động như một diode rò rỉ có điện áp rỉ phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng chiếu vào vùng tích cực của linh kiện

2.2 Photodiode InGaAs PIN

Silic không phải là vật liệu duy nhất làm ra đầu thu quang Các photodiode khác được chế tạo từ các chất bán dẫn Gallium và Indium hoạt động tốt ở các bước sóng hồng ngoại xa hơn các linh kiện silic Các linh kiện này đã được sử dụng trong hệ thống thông tin cáp quang có các bước sóng dài hơn Các sợi quang thủy tinh hoạt động hiệu quả hơn ở các bước sóng dài hơn này Đường cong biểu diễn dưới đây là đáp ứng tiêu biểu cho đáp ứng này nhưng đỉnh có thể được dịch chuyển nhỏ khi cần thiết

- +

R

Như ở hình 2.2 biểu diễn trên, một photodiode InGaAs có đáp ứng bao gồm chỉ vài bước sóng mà một photodiode silic có Tuy nhiên hầu hết các linh kiện được thiết kế cho các hệ thống thông tin cáp quang và do đó có các vùng tích cực rất nhỏ Các linh kiện này cũng đắt hơn nhiều

2.3 Các đặc tính của photodiode silic PIN tiêu biểu

2.3.1 Hình dáng

Các photodiode silic PIN được làm với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau Một số photodiode thương mại có bước sóng hồng ngoại đặc biệt (IR) được đóng gói bằng chất dẻo trong suốt Chất dẻo này ngăn hầu hết các bước sóng khả kiến trong khi cho phép ánh sáng hồng ngoại đi qua (xem hình 2.3.1) Chất dẻo này có màu đỏ tía nếu được quan sát bằng mắt thường, nhưng nó trong suốt đối với ánh sáng hồng ngoại Có một số được đặt một thấu kính hội tụ nhỏ phía trước vùng tích cực để thu được nhiều ánh sáng hơn Với điều kiện ánh sáng được dò cũng là ánh sáng hồng ngoại thì các linh kiện sẽ hoạt động ở loại được lọc hoặc không lọc Tuy nhiên nếu chúng ta sử dụng nguồn sáng phát là ánh sáng khả kiến thì chúng ta phải dùng một linh kiện PIN không lọc

8 Hình 2.2 – trang 16, Tài liệu tham khảo 01

8Hình 2.2 Đáp ứng phổ của photodiode InGaAs PIN

2.3.2 Vùng tích cực

Thường có một vùng tích cực được chỉ định cho các photodiode PIN Vùng này tương xứng với kích thước của vùng nhạy sáng thực tế của photodiode, tùy thuộc vào kích thước của gói (package) Các photodiode với vùng tích cực lớn sẽ bắt giữ ánh sáng nhiều hơn nhưng thường chậm hơn và sinh ra nhiều nhiễu hơn Tuy nhiên, nếu một linh kiện nhỏ có gắn thấu kính nó sẽ thu được nhiều ánh sáng hơn một linh kiện lớn hơn mà không có thấu kính Nhưng các linh kiện có gắn thấu kính sẽ thu ánh sáng với một góc tới hẹp hơn (chúng ta sẽ giải thích điều này ở mục 5.2) Các linh kiện có bề mặt phẳng thường được dùng nếu ánh sáng phải thu qua một vùng lớn Đối với hầu hết các ứng dụng, một trong hai kiểu sẽ được chọn Đối với các ứng dụng cần tốc độ cao, một linh kiện với vùng tích cực nhỏ luôn luôn được đề nghị Tuy nhiên có sự cân đối giữa tốc độ linh kiện và vùng tích cực Đối với hầu hết các ứng dụng có cự ly dài, chùm tia mở rộng thì cần thiết phải có một thấu kính, nên dùng linh kiện có diện tích lớn để giữ góc tới không quá nhỏ Các góc tới quá nhỏ gây khó khăn cho việc nhắm đến bộ thu thẳng hướng để thu ánh sáng từ bộ phát ở xa Ta có bảng so sánh:

- Đáp ứng nhanh, ít nhiễu

- Góc thu hẹp

- Đáp ứng chậm, nhiều nhiễu

- Góc thu rộng

9 Hình 2.3.1 – trang 16, Tài liệu tham khảo 01

9 Hình 2.3.1 Đáp ứng phổ của một photodiode PIN lọc

2.3.3 Thời gian đáp ứng

Thời gian đáp ứng là là hệ số quyết định cho nhiều đầu thu quang, đặc biệt là trong các ứng dụng truyền tin Nó được biểu diễn bằng hai cách: như thời hằng hoặc thời gian lên và xuống

- Thời hằng được sử dụng khi các đáp ứng là hàm mũ mà thường là các bộ cảm biến nhiệt Nó là thời gian bộ cảm biến cần để đạt đến (1 - 1/e) hoặc 63% của đáp ứng cuối cùng của nó

- Thời gian lên và xuống là thời gian cần để đạt từ 10% đến 90% của đáp ứng cuối cùng Hình 2.3.3a minh họa các thuật ngữ này

10Hình 2.3.3a Thời gian đáp ứng của đầu thu quang

Trong đó: tr là thời gian lên, tf là thời gian xuống và τ là thời hằng

Các bộ cảm biến quang biểu diễn thời gian đáp ứng bằng thời gian lên và thời gian xuống Tất cả các photodiode sẽ có một thời gian đáp ứng thường cỡ nano giây Tốc độ đáp ứng xác định thời gian để linh kiện phản ứng lại một xung ánh sáng ngắn Thời gian đáp ứng càng ngắn, linh kiện đáp ứng càng nhanh Thường thì thời gian xuống chậm hơn thời gian lên một chút Linh kiện có diện tích lớn luôn luôn đáp ứng chậm hơn Để thực hiện cho hầu hết các ứng dụng, linh kiện nên có thời gian đáp ứng nhỏ hơn 500ns Tuy nhiên có một số ứng dụng chỉ đòi hỏi các linh kiện có thời gian đáp ứng vài chục µs khi xung ánh sáng dài vài ms Một linh kiện chậm sẽ đáp ứng lại một xung ánh sáng ngắn bằng cách sinh ra một tín hiệu có độ rộng xung dài hơn nhiều so với một xung ánh sáng thật sự Hiệu suất chuyển đổi cũng thấp hơn Đầu dò nên có một thời gian đáp ứng nhỏ hơn thời gian tối đa cần cho việc dò nguồn sáng điều biến (xem phần thiết kế hệ thống) Ví dụ, nếu xung ánh sáng kéo dài 1µs thì photodiode được dùng nên có một thời gian đáp ứng nhỏ hơn ½ µs

10 Hình 2.3.3a – trang 4.5, Tài liệu tham khảo 04

Thời gian đáp ứng cũng có thể liên hệ đến điện áp phân cực ngược Tất cả các linh kiện sẽ đáp ứng nhanh hơn khi dùng một điện áp phân cực ngược lớn hơn Một số linh kiện có đường cong thời gian đáp ứng như là một hàm của điện áp phân cực Để sử dụng linh kiện an toàn, chúng ta nên dùng đường cong thời gian đáp ứng kết hợp với chỉ vài volt điện áp phân cực trên đường cong thời gian theo điện áp

Nếu chúng ta vẽ một đường cong công suất ánh sáng cực tiểu có thể thu được dùng photodiode và độ rộng xung ánh sáng thu được, chúng ta sẽ thu được đường cong như hình 2.3.3b:

11 Hình 2.3.3b Công suất ánh sáng theo độ rộng xungTừ đường cong trên ta thấy rằng, cứ mỗi một xung ánh sáng rất ngắn 100ps, chúng ta có ít nhất 100µW công suất ánh sáng được dò Nhưng nếu các xung ánh sáng kéo dài hơn 1ms thì công suất ánh sáng dò được sẽ giảm xuống khoảng 10pW Đường cong này thực sự cần thiết cho chúng ta trong việc thiết kế một hệ thống thông tin quang, để tính toán độ rộng xung ánh sáng phát đi sao cho công suất ánh sáng dò được như mong muốn

2.3.4 Hiệu suất lượng tử của photodiode:

Hiệu suất lượng tử mô tả hiệu suất nội tại của bộ phát hiện quang, nó là

tỉ số của số cặp điện tử – lỗ trống được giải phóng với số photon tới được hấp

11 Hình 2.3.3b - trang 17, Tài liệu tham khảo 01

thu ở một bước sóng cho trước Hiệu suất lượng tử là một hệ số quyết định cho các nhà thiết kế các linh kiện nhạy quang

Khi ánh sáng dò tìm là ánh sáng hồng ngoại có bước sóng 900nm ở bước sóng đáp ứng đỉnh, một PIN photodiode tiêu biểu sẽ có dòng điện rỉ khoảng 1mA cho mỗi 2mW của công suất ánh sáng chiếu Khi đó ta nói hiệu suất lượng tử η là 50%

Đối với hầu hết các linh kiện, mối quan hệ này tuyến tính trong một khoảng hơn 120dB, từ vài chục mW đến vài nW Tất nhiên các bước sóng ngoài 900nm sẽ không đạt được hiệu suất chuyển đổi 50% Nếu một nguồn sáng đỏ được sử dụng, hiệu suất dòng điện sẽ đạt chỉ 25%

2.3.5 Hệ số chuyển đổi của photodiode

Dòng điện đáp ứng ở ngõ ra Ip so với công suất ánh sáng ở ngõ vào P0hay còn gọi là hệ số chuyển đổi hay còn gọi là độ nhạy RE là đặc tính quan trọng nhất của photodiode PIN

Mối quan hệ công suất quang – dòng điện cũng ngụ ý rằng việc chuyển đổi độc lập với độ rộng của xung ánh sáng Chỉ cần đầu thu đủ nhanh, nó sẽ sinh ra một dòng điện như nhau dù xung ánh sáng là một giây hay một phần tỉ giây

2.3.6 ðiện dung

Khi chọn một đầu thu quang thích hợp từ nhà sản xuất, trong data-sheet của nhà sản xuất có thể có liệt kê một tổng điện dung của photodiode PIN Điện dùng này thường khoảng pF Có một sự tương quan trực tiếp giữa vùng tích cực và tổng điện dung của photodiode Mối tương quan này ảnh hưởng đến tốc độ của linh kiện Tuy nhiên điện dung không phải là một giá trị cố định, nó sẽ giảm với những điện áp phân cực ngược lớn hơn Ví dụ, một linh kiện photodiode PIN tiểu biểu có vùng tích cực 1mm2, có thể có một điện dung 30pF ở điện áp phân cực là 0V Các linh kiện có diện tích lớn hơn sẽ luôn luôn có điện dung lớn hơn, do đó có tốc độ chậm hơn các linh kiện có diện tích nhỏ hơn Nếu chúng ta muốn dò các xung ánh sáng ngắn, hãy lựa chọn một linh kiện có điện dung thấp nhất

2.3.7 Dịng điện tối

Tất cả các photodiode PIN đều có dòng tối ID Dòng này tương ứng với dòng điện rỉ còn dư qua linh kiện trong cách thức phân cực ngược, trong điều kiện chưa có bức xạ

12Hình 2.3.7: Đặc tính V-A của photodiode

Dòng điện này thường nhỏ và có giá trị cỡ nA, kể cả các linh kiện có diện tích lớn Khi có bức xạ, dòng bức xạ IL sẽ lớn hơn rất nhiều (mA) Các linh kiện có diện tích lớn hơn có dòng điện tối lớn hơn các linh kiện nhỏ Tuy nhiên bằng cách sử dụng một mạch dò được đề cập trong phần bộ thu ánh sáng, thậm chí dòng điện rỉ lớn, sẽ ít ảnh hưởng đến việc dò tìm các tín hiệu yếu

2.4 Phototransistor

Một trong những đầu dò quang phổ biến khác là phototransistor Các phototransistor thường rẻ, dễ sử dụng và có nhiều trong các mạch truyền thông Như hình 2.4, một phototransistor là một photodiode nối với cực B và cực E của một transistor Cấu tạo của phototransistor tương tự với transistor thông thường ngoại trừ tiếp xúc B-E được phơi sáng để nhận bức xạ và thường được gắn thấu kính sẵn bên trong Nếu phototransistor được làm bằng silic, nó sẽ có đường cong đáp ứng tương tự như đường cong đáp ứng của một photodiode silic PIN chuẩn

Vì photodiode được nối thẳng với transistor nên nó không bị phân cực ngược và

12 Hình 2.3.7 - trang 4 -47, Tài liệu tham khảo 04

hoạt động ở cách thức quang - áp Dòng điện sinh ra bởi photodiode qua transistor cung cấp một dòng điện có độ lợi khá lớn

Vì có sự khuếch đại dòng điện nên phototransistor có độ nhạy nhạy quang lớn hơn nhiều so với photodiode PIN Tuy nhiên mối nối transistor – photodiode bên trong phototransistor làm cho thời gian đáp ứng của linh kiện chậm lại đột ngột Hầu hết các phototransistor có thời gian đáp ứng khoảng vài chục µs, chậm hơn 100 lần so với photodiode PIN Việc giảm tốc độ đáp ứng như vậy cũng làm giảm sự hữu ích trong hầu hết các hệ truyền thông Phototransistor còn có điểm bất lợi khác nữa là vùng tích cực nhỏ và nhiễu cao Chúng ta thường tìm thấy các phototransistor trong các ứng dụng phản xạ và thu quang đơn giản mà không cần đáp ứng xung nhanh Nhìn chung thì photodiode PIN là lựa chọn tốt hơn nhiều cho các bộ thu trong các hệ truyền thông

2.5 Photodiode APD

Mặc dù các đầu thu photodiode silic PIN được dùng thông dụng nhất trong tất cả các ứng dụng truyền thông quang gần đây, nhưng cũng có một vài linh kiện đáng giá khác được đề cập đến Trong số đó có APD (Avalanche Photodiode) hay còn gọi là photodiode thác lũ Một APD là một diode thu quang đặc biệt, nó được cấu tạo giống như một photodiode PIN, nhưng khác ở chỗ nó chỉ cần một điện áp phân cực vài volt để thực hiện đúng chức năng Một APD có thể được phân cực với điện áp lên đến 150 volt Khi ánh sáng chiếu vào linh kiện, nó sẽ sinh ra dòng điện rỉ giống như trường hợp của photodiode PIN Nhưng dòng điện sinh ra ở mức độ lớn hơn rất nhiều Như ở trên, một photodiode PIN sinh ra một

13 Hình 2.4 - trang 4 – 64, Tài liệu tham khảo 04

dòng khoảng 1 µA cho công suất 2 µw, còn một APD có thể sinh ra một dòng cỡ

100 µA cho mỗi 1 µw Yếu tố độ lợi phụ thuộc rất nhiều vào điện áp phân cực và nhiệt độ hoạt động của APD Các mối quan hệ này thuận lợi trong một vài hệ thống và cho độ lợi mong muốn Khi sử dụng bộ lọc quang có băng thông hẹp và nguồn sáng laser, APD có thể cho phép một hệ thống truyền qua không khí có độ nhạy quang cao hơn và cự ly truyền xa hơn trong trường hợp với photodiode Tuy nhiên trong các hệ thống sử dụng LED, có nhiễu sinh ra do các ánh sáng của xung quang tập trung vào linh kiện làm giảm nhiều ưu thế về độ lợi của APD so với photodiode PIN Ngoài ra, hầu hết các APD thương mại có vùng tích cực rất nhỏ làm cho chúng không phổ biến trong các ứng dụng truyền thông qua không khí Giá thành của một linh kiện APD cũng đắt hơn gấp 20 lần một photodiode PIN Điện áp phân cực cao và nhạy với nhiệt độ của APD làm cho các mạch thu trở nên phức tạp hơn Tuy vậy, với kỹ thuật cải tiến, giá thành của APD thấp với vùng tích cực lớn thì APD có thể rất hữu ích APD thường được dùng trong các hệ thống cáp quang đường trục

2.6 Ống nhân quang

Một linh kiện cũ hơn nhưng vẫn còn được sử dụng để dò các ánh sáng có cường độ yếu là ống nhân quang (photo multiplier tube – PMT, xem hình 2.6a) Đây là một ống chân không hoạt động có phần giống như một photodiode thác lũ Ánh sáng chiếu vào một vật liệu đặc biệt gọi là photo cathode làm sinh ra các electron Một điện áp phân cực cao giữa cathode và bản anode gần đó làm các electron hướng về phía anode nhanh hơn Các electron tốc độ cao đập vào anode đầu tiên làm cho các vật liệu khác phủ trên anode sinh ra nhiều electron hơn Các electron này sau đó lại được gia tốc hướng đến anode thứ hai Quá trình được lặp lại khoảng 10 lần Tới khi các electron sinh ra từ anode cuối cùng thì dòng điện có thể lớn hơn gấp 10.000 lần dòng được sinh ra bởi photodiode PIN

Độ lợi cao làm cho ống nhân quang là linh kiện có độ nhạy quang lớn nhất Chúng cũng có thời gian đáp ứng nhanh Một vài ống nhân quang có thời gian đáp ứng đạt đến thời gian đáp ứng của photodiode PIN Tuy nhiên, ống nhân quang cũng có nhiều mặt hạn chế Nó là một linh kiện vật lý lớn Hơn nữa, vì nó được làm bằng thủy tinh nên nó dễ vỡ hơn các linh kiện rắn đặc khác Ngoài ra,

vì đòi hỏi điện áp phân cực cao làm cho các mạch cung cấp phức tạp hơn nhiều Cuối cùng là vì độ lợi rất cao nên các ánh sáng nhiễu tạp phải được tính toán để giữ ở mức thấp nhất

Aùnh sáng môi trường xung quanh trong các hệ truyền thông qua không khí sẽ gây ra một vài vấn đề nghiêm trọng Chúng ta sẽ phải sử dụng nguồn sáng laser với bộ lọc quang thông dãi có băng thông rất hẹp để tận dụng ưu điểm của ống nhân quang Như chúng ta thấy ở hình 2.6b, hầu hết các ống nhân quang thích hợp với ánh sáng khả kiến và ánh sáng cực tím hơn ánh sáng hồng ngoại

14 Hình 2.6a, hình 2.6b - trang 20, Tài liệu tham khảo 01

Hình 2.6a: Photo Multiplier Tub

14Hình 2.6b Đáp ứng phổ của ống nhân quang

Chỉ một ít các ống nhân quang mới nhất mới có đáp ứng đáng kể trong vùng hồng ngoại gần (xem hình 2.6c)

Ống nhân quang thường rất đắt, tuy vậy, ống nhân quang có bề mặt tích cực khá lớn Nếu được sử dụng với các ánh sáng laser có bước sóng khả kiến và bộ lọc quang băng hẹp, một ống nhân quang với bề mặt tích cực lớn có thể cho phép một hệ thu tập hợp ánh sáng rất lớn bằng các thấu kính Nếu được tối ưu, một hệ thống như vậy có thể hoạt động được ở cự ly rất lớn Nhưng nhìn chung, những bất lợi của ống nhân quang ảnh hưởng nhiều hơn là những thuận lợi của nó trong hầu hết các ứng dụng

2.7 Bộ thu tạo phách quang

Một mô hình khác của đầu dò mà đã được chứng minh trong phòng thí nghiệm là bộ thu tạo phách quang (optical heterodyning) Mô hình này không thật sự dùng một đầu dò mới mà đúng hơn là một cách xử lý ánh sáng mới với một đầu dò hiện tại Trong lĩnh vực vô tuyến điện tử chúng ta đã biết về kỹ thuật tạo phách trong các bộ thu vô tuyến Tóm lại, phương pháp này tổng hợp các tần số từ các tín hiệu vô tuyến đến với tần số dao động nội khác Kết quả là tổng và hiệu của tần số mà có thể dễ khuếch đại hơn và được sử dụng để tách tín hiệu từ tạp âm và nhiễu Nguyên tắc tương tự như vậy hiện được áp dụng trong lĩnh vực của các tần số quang

15 Hình 2.6c - trang 20, Tài liệu tham khảo 01

15 Hình 2.6c Đáp ứng phổ của ống nhân quang cải tiến

Để bộ tạo phách làm việc, phải sử dụng các nguồn laser đặc biệt được thiết kế kỹ lưỡng để ánh sáng bức xạ là đơn sắc nhất Khi hai nguồn sáng laser có bước sóng sai lệch nhỏ hội tụ trên một đầu dò, tần số ở ngõ ra của đầu dò tương ứng với cộng và trừ của hai bước sóng Trong thực tế, ánh sáng từ một nguồn laser ở gần sinh ra với một bước sóng sai lệch nhỏ so với nguồn phát ở xa Như trong kỹ thuật vô tuyến, bộ thu tạo phách quang cho phép các tín hiệu rất yếu được xử lý dễ hơn và cũng cho phép nhiều ánh sáng riêng biệt được truyền hơn mà không có giao thoa Một đầu dò quang đơn giản có thể được sử dụng chung với nhiều nguồn laser Kỹ thuật này thường được nhắc đến như ghép kênh chia bước sóng và có thể cho phép các hệ thống thu đơn chọn lựa một kênh màu từ hàng ngàn kênh được phát Nhưng đối với những người thực hành trung bình với các ứng dụng vừa phải, những kỹ thuật như vậy sẽ gây nhiều rắc rối

2.8 Các đầu thu trong tương lai

Nghiên cứu thực nghiệm trong có thể dẫn đến các đầu dò quang hữu ích ở một lúc nào đó trong tương lai Có khả năng một linh kiện được phát triển sẽ khuếch đại quang giống như việc một transistor khuếch đại dòng điện Linh kiện như vậy sẽ sử dụng một phần nào ánh sáng bên ngoài mà sẽ được điều biến bởi ánh sáng tới Có thể ánh sáng được phát xạ từ một nguồn bất biến sẽ đến linh kiện ở một góc và sẽ được điều biến bởi ánh sáng yếu hơn chiếu vào linh kiện ở một góc khác Vì các linh kiện này chỉ khuếch đại quang ánh sáng đến mà không có sự biến đổi từ quang sang điện nên chúng sẽ đáp ứng rất nhanh và có mặt tích cực lớn Các đầu dò như vậy thậm chí cho phép dò từng photon một với mức độ điều biến cao Nếu các đầu dò cao cấp như vậy được chế tạo, sẽ có nhiều hệ thống truyền thông qua không khí có thể được thiết kế với cự ly xa hơn như hiện nay rất nhiều Có thể kết hợp các nguồn sáng công suất cao hơn và các đầu thu nhạy quang hơn sẽ cho phép một hệ thống tương lai được mở rộng hơn hiện nay

Hơn nữa, đầu dò theo kiểu toàn quang như trên có thể là loại khác của đầu dò được phát triển để làm việc theo khái niệm hoàn toàn khác Một vài thực nghiệm trên các vật liệu đặc biệt đã gợi ý một linh kiện quang – từ có thể làm đầu dò tốt Một linh kiện như vậy sẽ sinh ra một từ trường thay đổi khi đáp ứng với ánh sáng tới Một cuộn dây được quấn xung quanh vật liệu có thể được dùng để dò sự thay đổi nhỏ của từ trường và vì vậy cho phép ánh sáng nhỏ được dò Như việc tiến bộ của ngành khoa học điện – quang, chúng ta mong đợi nhiều linh kiện mới và hữu ích sẽ được chế tạo và sử dụng

2.9 Nhiễu ở đầu thu

Không giống như truyền thông bằng sợi quang, các hệ thống truyền thông qua không khí thu thêm ánh sáng từ môi trường xung quanh Aùnh sáng từ mặt trời, ánh sáng từ đường phố, ánh sáng từ các đèn chiếu sáng và thậm chí ánh sáng từ mặt trăng, tất cả có thể tập trung lên đầu dò Các ánh sáng rải rác tranh giành với ánh sáng điều biến từ bộ phát ở xa Nếu ánh sáng của môi trường đủ mạnh, nó có thể giao thoa với ánh sáng từ nguồn phát Như đã biết, khi ánh sáng chiếu lên đầu dò thì sẽ có dòng điện DC được sinh ra tỷ lệ với cường độ ánh sáng chiếu Nhưng trong phạm vi tín hiệu DC được sinh ra, còn có một vài thành phần nhiễu

AC Nguyên nhân là do các hạt dẫn cơ bản (điện và quang đều có tính chất hạt) không bao giờ hoàn toàn xác lập mà luôn có một số biến động nhỏ dẫn đến việc luôn có thành phần ngẫu nhiên xuất hiện gọi là nhiễu Nhiễu sinh ra làm cho tín hiệu điện dao động không ổn định Cường độ của nhiễu AC trong một bộ thu quang thường nhỏ nhưng có thể đủ để gây phiền phức Nhiễu làm giảm độ nhạy của đầu thu Chúng ta sẽ bàn đến các cách làm giảm nhiễu sinh ra ở đầu thu từ ánh sáng xung quanh trong phần giới thiệu các mạch thu quang Nhưng chừng nào có nhiều ánh sáng tập trung ở đầu thu thì vẫn luôn luôn có nhiễu Người ta phân loại nhiễu như sau đây

2.9.1 Nhiễu nhiệt

Nhiễu nhiệt còn được gọi là nhiễu Jonhson hay Nyquist được tạo bởi sự chuyển động nhiệt của các hạt tích điện trong phần tử điện trở Nhiễu này có trong mọi điện trở, bất chấp loại và cấu tạo điện trở Dòng điện nhiễu phụ thuộc vào giá trị điện trở, nhiệt độ và băng thông hệ thống Nó được tính như sau:

R

Bw T k

IJrms 4

Với: IJrms là dòng điện nhiễu nhiệt hiệu dụng (RMS) ở điện trở tải R

k = 1,38x10-23 (J/0K) là hằng số Boltzmann

T là nhiệt độ tuyệt đối (oK)

Bw là băng thông của hệ thống (Hz)

2.9.2 Nhiễu phát xạ

Nhiễu phát xạ (shot noise) sinh ra trong các đầu dò quang bởi bản chất rời rạc hay hạt của photon sinh ra Nó phụ thuộc vào dòng điện trung bình đi qua đầu thu và băng thông của hệ thống Phương trình biểu diễn ở hình 2.9.2

16 (2.9.1) Trang 4 - 6, Tài liệu tham khảo 04

mô tả cách biến đổi nhiễu của đầu dò theo ánh sáng xung quanh Quan hệ này theo một hàm căn bậc hai Phương trình này cho biết, nếu ánh sáng xung quanh tăng một bội số của 4 thì nhiễu ở đầu thu sẽ tăng gấp đôi Tính chất này đều có lợi lẫn hại cho mạch thu, phụ thuộc vào hệ thống được sử dụng với ánh sáng ở ban ngày hay ban đêm Phương trình cho biết rằng, đối với ánh sáng xung quanh lớn như trong điều kiện ban ngày thì chúng ta sẽ phải làm giảm mạnh lượng ánh sáng xung quanh chiếu lên đầu thu để giảm lượng nhiễu đáng kể ở mạch thu

2.9.3 Nhiễu sinh - tái hợp

Nhiễu sinh tái hợp (generation – recombination noise) trong quang dẫn tạo bởi ảnh hưởng của ảnh hưởng của tốc độ sinh hạt dẫn dòng điện, tốc độ tái hợp trong quang dẫn hoặc bán dẫn Loại nhiễu này chiếm chủ yếu trong các đầu thu quang ở các bước sóng dài (IR), được tính bởi công thức sau:

Bw EA G

e

IGRrms= 2 η (2.9.3)18

Với: G là độ lợi quang dẫn,

G = số điện tử tích cực/ số điện tử được tạo ra

η là hiệu suất lượng tử

E là độ rọi bức xạ (W/cm2)

A là diện tích nhận của đầu thu (cm2)

IGRrms là dòng điện nhiễu sinh – tái hợp

17 Hình 2.9.2 - trang 22, Tài liệu tham khảo 01

18 (2.9.3) - Trang 4 - 7, Tài liệu tham khảo 04

17 Hình 2.9.2 Nhiễu phát xạ ở đầu thu quang

2.9.4 Nhiễu nhấp nháy hay 1/f

Nhiễu này xảy ra trong tất cả các vật dẫn mà môi trường dẫn không phải là kim loại (ví dụ: bán dẫn và carbon) Không có giải thích hợp lý cho nguồn gốc của nhiễu này Nó phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng và cách xử lý bề mặt của nó Không có phương trình chính xác để tính nhiễu này, nhưng nó theo quan hệ sau:

b

a dc Frms

f

Bw I k

Với: IFrms là dòng điện nhiễu nhấp nháy hiệu dụng

Idc là dòng điện DC qua vật dẫn

f là tần số làm việc

k, a, b là các hằng số bất kỳ Hằng số a khoảng 2, hằng số b khoảng 1, hằng số k phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn và cách xử lý nó Phương trình trên không hữu ích lắm để tính dòng nhiễu, tuy nhiên ta thấy một đặc tính quan trọng của nhiễu này là biên độ của nó tỉ lệ nghịch với tần số Thông thường thì nhiễu này chủ yếu ở các tần số nhỏ hơn 100Hz và tồn tại trong tất cả các dụng cụ bán dẫn mà cần dòng phân cực để hoạt động Chú ý, đây là phương trình thực nghiệm nên nhiễu không tiến tới vô cực ở DC

Ngoài nhiễu trong chính các đầu thu quang, nhiễu cũng phát sinh trong các thiết bị khuếch đại có thể đi sau đầu thu quang Các mạch khuếch đại có những nguồn nhiễu tương tự với các nguồn nhiễu được mô tả ở trên

Nhiễu tương đương toàn phần INeq có thể tính được bằng cách cộng tất cả các điện áp hoặc dòng điện nhiễu theo cách RMS như ở phương trình dưới đây:

2 2

2 2

Frms GRrms

Srms Jrms

2.10 Mức ánh sáng tối thiểu cĩ thể dị được

Nhiễu thường được tính theo NEP (Noise Equivalent Power) là công suất tương đương nhiễu NEP là công suất đưa vào một bộ thu mà tạo ra một tín hiệu

ra bằng giá trị ra nhiễu từ bộ thu Vì rất khó phát hiện sự bức xạ tạo ra một giá trị

ra nhỏ hơn giá trị ra nhiễu vốn có của bộ thu nên NEP mô tả mức bức xạ thấp

19 (2.9.3a) - Trang 4 - 7 Tài liệu tham khảo 04

20 (2.9.3b) - Trang 4 - 8, Tài liệu tham khảo 04

nhất có thể phát hiện được của một thiết bị cho trước NEP được tính khi tỉ số tín hiệu/ nhiễu bằng 1 (SNR = 1), khi đó:

RE

I NEP = Neq (2.10)21

Với INeq là dòng điện nhiễu toàn phần (A), RE là độ nhạy (A/W)

Tín hiệu quang yếu nhất được điều biến mà có thể dò được bởi một photodiode PIN tiêu biểu sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố Yếu tố quan trọng nhất là nhiễu sinh ra ở đầu thu Như đã đề cập ở trên, nhiễu đầu thu phụ thuộc rất nhiều vào ánh sáng tạp bên ngoài chiếu vào đầu thu Đối với các ứng dụng có tốc độ trung bình, tín hiệu quang được điều biến yếu nhất có thể được dò vào khoảng 0,1 nW Nhưng độ nhạy có thể chỉ được thiết kế dưới điều kiện rất tối, khi hầu như không có ánh sáng rải rác của môi trường tập trung lên đầu dò Trong nhiều điều kiện ban ngày, lượng ánh sáng xung quanh sẽ đủ lớn để tối thiểu tín hiệu có thể dò được là khoảng 10nW Tuy nhiên, để bảo đảm cho kết nối tốt, chúng ta nên dự tính thu đủ ánh sáng cho tín hiệu đến từ bộ phát ở xa Biên độ ánh sáng phải đảm bảo lớn hơn 10 lần biên độ nhiễu Quy tắc là tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR tối thiểu là 20dB

21 (2.10) – trang 4 -3, Tài liệu tham khảo 04

CHƯƠNG 3 CÁC BỘ PHÁT QUANG TRONG TRUYỀN THƠNG

Không hạn chế như các đầu thu quang, có rất nhiều bộ phát quang có thể sử dụng cho truyền thông quang qua không khí Các hệ thống của chúng ta sẽ phụ thuộc nhiều vào loại nguồn sáng sử dụng hơn là phụ thuộc vào đầu thu quang Chúng ta nên chọn nguồn sáng dựa vào loại thông tin cần phát và cự ly đến bộ thu Trong tất cả các trường hợp, nguồn sáng phải được điều biến (thường là bật và tắt hoặc điều biến cường độ) để phát thông tin

Tốc độ điều biến sẽ xác định tốc độ cực đại mà thông tin có thể được phát Chúng ta có thể phải cân bằng giữa tốc độ điều biến, cự ly truyền và chi phí phải bỏ ra

Nhiều nguồn sáng được liệt kê sau đây sẽ hữu ích cho điều biến tốc độ thấp và trung bình và có thể phát vài km Nếu chúng ta cần truyền thông tin tốc độ cao thì chỉ có vài chọn lựa và rất đắt tiền

22 Hình 3 - trang 23, Tài liệu tham khảo 01

22Hình 3 Một số bộ phát quang

3.1 Diode phát quang (LED)

Hầu hết các ứng dụng truyền qua không khí đều sử dụng diode phát quang hồng ngoại (IrLED) làm bộ phát Mặc dù cũng có các linh kiện phát ánh sáng khả kiến, nhưng các linh kiện hồng ngoại vẫn thường được chọn vì hiệu suất cao và có bước sóng thuận lợi, đặc biệt là khi sử dụng đầu thu là photodiode silic PIN

Các đặc tính quan trọng nhất của LED để dùng trong truyền thông là:

- Bước sóng phát xạ (màu)

- Thời gian đáp ứng

- Cường độ phát xạ

Chúng ta có thể đo được thời gian đáp ứng và cường độ phát xạ nhưng sẽ không đo được bước sóng phát xạ vì thiết bị cần cho việc này rất đắt Nhưng vấn đề này không quan trọng lắm vì các LED hồng ngoại mà chúng ta có được hầu hết có bước sóng phát nằm một trong ba vùng sau:

- Bước sóng 880nm (thường là loại GaAlAs)

- Bước sóng 900nm (thường là loại GaAs)

- Bước sóng 940nm (thường là loại GaAs pha Silic)

3.1.1 LED GaAlAs

LED GaAlAs (gallium aluminum arsenic) được sử dụng rộng rãi để làm LED hồng ngoại Nó có hiệu suất chuyển đổi điện – quang không lớn lắm (4% ở dòng điện thấp) và nó sinh ra dòng phù hợp với đường cong đáp ứng của photodiode silic PIN thông thường Hầu hết các linh kiện có thể tạo xung ở dòng điện cao với điều kiện công suất trung bình không vượt quá công suất tối đa được cho bởi nhà sản xuất (điển hình 0,25W) Một số linh kiện có thể tạo xung lên tới 10A nếu hệ số Duty (tỷ số giữa thời gian lên và chu kỳ xung) nhỏ hơn 0,2% (0,002:1) Một vài linh kiện nhanh hơn có đáp ứng thời gian cho phép chúng được điều khiển với dòng xung ngắn cỡ 100ns Nhưng hầu hết các linh kiện yêu cầu dòng xung ngắn nhất là 900ns Ở dòng điện khoảng 6A, một linh kiện đạt chất lượng có thể phát khoảng 0,15W ánh sáng hồng ngoại Tuy nhiên ở dòng điện cao hơn, hiệu suất thường rất kém, giảm xuống còn ít hơn 0,5% (xem hình 3.1a, hình 3.1b, hình 3.1c) Các LED hồng ngoại và khả kiến thường được đúc bằng nhựa và có lắp các thấu kính nhỏ khoảng 3/16" ở đầu Vị trí thật của LED trong phạm vi của linh kiện được đóng gói xác định độ phân kỳ của ánh sáng phát Tiểu biển là loại T-1 3/4 có nữa góc phân kỳ nằm trong khoảng 15o – 40o, giá thành thấp, tốc độ trung bình (đến 1µs ), tuổi thọ hoạt động dài (hơn 100.000 giờ)

Loại LED này thường được ứng dụng khi cần băng thông nhỏ hơn 1MHz LED này là lựa chọn tốt cho các kết nối ở khoảng cách ngắn và trung và thường được ứng dụng trong truyền thông Khi được sử dụng với một thấu kính lớn Khi được sử dụng với một thấu kính lớn hoặc được thiết kế thành dãy nhiều linh kiện, bộ phát có thể phát thông tin với cự ly xa hơn, bề mặt phát rộng hơn Giá thành từ 0,3 USD đến 2 USD

23 Hình (3.1a – 3.1c) - trang 24 - 25, Tài liệu tham khảo 01

23 Hình 3.1a Đáp ứng phổ của LED GaAlAs

23Hình 3.1b Đặc tuyến A-W của LED GaAlAs

23Hình 3.1c Đặc tuyến A-V của LED GaAlAs