Vật liệu và thiết bị Thu Quang

NỘI DUNG : NGUYÊN LÍ THU QUANG ĐẶC TRƯNG CỦA THU QUANG THIẾT KẾ BỘ THU QUANG PHOTODIODE DIODE THU QUANG PIN AVALANCHE PHOTODIODE (APD) PHOTODETECTOR TRANZITO PHOTODETECTOR SCHOTTKY DETECTOR QUANG DẪN

THU QUANG

• NỘI DUNG :

I NGUYÊN LÍ THU QUANG

II ĐẶC TRƯNG CỦA THU QUANG

III THIẾT KẾ BỘ THU QUANG

IV PHOTODIODE

V DIODE THU QUANG P-I-N

VI AVALANCHE PHOTO-DIODE (APD)

VII PHOTODETECTOR TRANZITO

VIII PHOTODETECTOR SCHOTTKY

IX DETECTOR QUANG DẪN

I Nguyên Lý Hoạt Động

Thu Quang

I Nguyên Lý Hoạt Động

Thu Quang

Nguyên lý hoạt động

• Thiết bị thu quang là một trong những bộ phận quan trọng

nhất của hệ thống thông tin quang sợi vì nó nằm 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.

• Vì vậy hoạt động của bộ thu quang liên quan trực tiếp tới chất

lượng toàn bộ hệ thống truyền dẫn.

• Tại bộ thu quang (O/E) sóng tín hiệu quang từ phía phát đi tới

được biến đổi thành tín hiệu điện rồi được khuyếch đại và phục hồi thành tín hiệu cùng dạnh như ở đầu vào thiết bị phát quang.

Nguyên lý hoạt động

• Bộ thu quang trong hệ thông tin gồm bộ tách sóng, bộ

khuyếch đại, bộ xử lý tín hiệu Chia làm 3 phần:

+ Front-end.

+ Kênh tuyến tính.

+ Khôi phục tín hiệu.

• Photodiode có nhiệm vụ đón nhận bức xạ quang (năng lượng photon)

và chuyển đổi thành tín hiệu điện

• Các linh kiện biến đổi trực tiếp từ năng lượng photon sang

điện được gọi là linh kiện tách sóng quang.

• Linh kiện tách sóng quang hoạt động dựa trên hai cơ chế:

1 Hiệu ứng quang ngoại – external photoelectric effect

2 Hiệu ứng quang nội – internal photoelectric effect

Hình 3.

Cấu tạo Front-end

Hình 3.

Cấu tạo Front-end

• Khi có năng lượng photon

(E=hf > E G ) chiếu vào Năng

lượng này bị hấp thụ và

electron sẽ vượt qua vùng

cấm đi từ vùng hóa trị lên

sẽ di chuyển lên vùng hiếm

Sự di chuyển này gây nên

dòng chảy ở mạch ngoài.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động

• Kênh tuyến tính bao gồm bộ khuyếch đại

chính và mạch cân bằng.

• Bộ khuyến đại chính là bộ khuyếch đại có

độ khuyếch đại cao.

• Mạch cân bằng ở ngay sau bộ khuyếch

đại thường là bộ lọc tần số tuyến tính

được sử dụng để làm giảm ảnh hưởng của

méo và ISI tín hiệu

• Một số trường hợp mạch cân bằng có thể

chỉ để hiệu chỉnh đáp ứng tần số điện của

bộ tách sóng quang và bộ khuyếch đại.

• Độ khuyếch đại được điều chỉnh một cách

tự động để giới hạn điện áp đầu ra trung

bình tới mức cố định bất kể công suất

Hình 5 Cấu tạo kênh tuyến tính Hình 5 Cấu tạo kênh tuyến tính

Nguyên lý hoạt động

• Phần khôi phục tín hiệu bao gồm

mạch quyết định và mạch phục hồi.

• Mạch quyết định so sách tín hiệu từ

kênh tuyến tính với mức ngưỡng tại

các thời điểm lấy mẫu được xác

định bởi mạch hồi phục Clock và

quyết định xem tín hiệu có tương

tứng hay không.

• Quyết định sẽ dựa trên sự so sánh

với các bit 1 và bit 0, thời điểm lấy

mẫu tốt nhất sẽ ứng với vị trí và

trong đó sự khác nhau về mức tín

hiệu giữa bit 1 và bit 0 là lớn nhất.

Hình 5 Cấu tạo phần khôi phục tín hiệu Hình 5 Cấu tạo phần khôi phục tín hiệu

II Các đặc trưng của thu quang

CÁC ĐẶC TRƯNG

• ĐÁP ỨNG CỦA BỘ THU

• HIỆU SUẤT LƯỢNG TỬ

• ĐỘ RỘNG BĂNG TẦN NGUỒN THU

• ĐỘ NHẠY

• DẢI ĐỘNG

ĐÁP ỨNG CỦA BỘ THU

• Đáp ứng của bộ thu là thông số cho biết đặc trưng chuyển đổi của detector(tức là dòng photon trên một đơn vị công suất tới)

• Xem xét một tấm bán dẫn như trên hình 4-1

Hình 4-1 Minh họa nguyên tắc thu quang

• Khi chiếu ánh sáng vào tấm bán dẫn này,

nếu năng lượng của photon đến (E=hv)

lớn hơn năng lượng vùng cấm của bán

dẫn, photon khi bị hấp thụ sẽ tạo ra một

cặp điện tử - lỗ trống

• Dưới tác động của điện trường ngoài đặt vào tấm bán dẫn, các điện tử và lỗ trống này sẽ dịch chuyển qua tấm bán dẫn đi ra mạch ngoài và tạo thành

dòng điện, gọi là dòng quang điện (Ip) Dòng quang điện tạo ra tỷ lệ thuận với công suất quang đến Pin

�� = �� in

=>R= ��/� in

R là đáp ứng của diode thu quang (đơn vị là A/W)

Hiệu suất lượng tử

• Hiệu suất lượng tử ) của bộ thu được định (�

nghĩa như sau:

�=(Ip/q)/(Pin/hv)=(hv/q).(Ip/Pin)=hvR/q

Từ đây ta rút ra: R= q/hv ≈ lanđa/1,24 � �

• Từ công thức trên có thể thấy rằng, đáp ứng

của diode thu quang tăng theo bước sóng

• Tuy nhiên sự tăng này có giới hạn

Vì khi bước sóng tăng đến một mức nào đó,

năng lượng của photon sẽ nhỏ hơn năng

lượng vùng cấm của chất bán dẫn (hv<Eg) làm

cho hiệu suất lượng tử sẽ giảm về 0

• Sự phụ thuộc của hiệu suất lượng tử vào bước sóng được thể hiện qua hệ số hấp thụ alpha

• Nếu giả thiết các mặt của tấm bán dẫn trên

hình 4.1 được phủ lớp chống phản xạ thì ta có công suất ánh sáng truyền qua tấm bán dẫn có

bề dày W như sau

• Khi đó, công suất bị hấp thụ bởi tấm bán dẫn sẽ

được tính theo công thức sau:

• Vì mỗi photon bị hấp thụ sẽ tạo ra một cặp điện tử

- lỗ trống nên hiệu suất lượng tử sẽ được tính theo

công thức dưới đây:

• Dễ dàng nhận thấy hiệu suất lượng tử sẽ=0 khi hệ

số hấp thụ=0.Mặt khác khi tích số giữa hệ số hấp

thụ với bề dày lớn thì hiệu suất lượn g tử sẽ tiên

đến 1.

• Trên hình 4.2 thể hiện sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ

vào bước sóng của một số loại vật liệu bán dẫn hay được

sử dụng để làm các diode thu quang trong các hệ thống

thông tin quang

• Bước sóng mà tại đó hệ só hấp thụ bằng 0 được gọi là bước sóng cắt và vật liệu chỉ có thể sử dụng

để chế tạo các diode thu quang khi bước sóng của ánh sáng đến bộ thu nhỏ hơn bước sóng cắt.

• Hầu hết các vật liêu bán dẫn đều có hệ số hấp thụ lớn(xấp xỉ 10000cm -1 ) và hiệu suất lượng tử có thể đạt đến 100% khi bề dày W= 10 micromet

ĐỘ RỘNG BĂNG TẦN NGUỒN THU

Băng tần của bộ thu được xác định bởi tốc độ

mà tại đó photodiode đáp ứng với sự thay đổi

của công suất quang đến.

Băng tần này liên quan đến thời gian đáp ứng

của bộ thu.

THỜI GIAN ĐÁP ỨNG CỦA BỘ THU

là thời gian chuyển tiếp Ttr(Ttr=tg dịch chuyển trong vùng trôi +tg

khuếch tán)

• 2: Hằng số thời gian RC của photodiode và các mạch điện có liên quan trong bộ thu TRC

Thời gian dịch chuyển của các hạt

mang điện trong vùng trôi

• Đây là thời gian cần thiết để các hạt mang điện đi ngang qua vùng trôi

• Thời gian chuyển dịch này phụ thuộc vào vận tốc trôi hạt mang và độ rộng vùng trôi

• Nếu chúng ta gọi thời gian chuyển dịch là Tt , vận tốc trôi hạt mang là Vd và độ rộng vùng trôi là w thì ta có:

Tt=w/Vd

w càng nhỏ thì Tt càng nhỏ và sẽ càng ít bị giới hạn đến thời gian trôi.Nhưng w nhỏ thì lại làm

giới hạn hiệu suất lượng tử

• Trong thực tế, trường điện trong vùng trôi nhìn chung là đủ lớn để các hạt mang đạt được vận tốc giới hạn tán xạ của chúng

• Ví dụ:Đối với Si, tốc độ lớn nhất của các điện tử

là 8,4 x 10^6 cm/s khi cường độ trường ở mức 2

x 10^4 V/cm Photodiode Silic tốc độ cao có độ rộng vùng trôi điển hình là 10 micromet nên có giới hạn thời gian đáp ứng vào khoảng 0,1 ns

Thời gian khuếch tán của các hạt mang điện

được tạo ra bên ngoài vùng trôi

• Quá trình khuếch tán là chậm so với sự trôi của các hạt mang trong vùng có trường điện cao

• Vì vậy, để được photodiode tốc độ cao, các hạt mang điện cần phải được sinh ra ở vùng trôi hoặc gần với vùng này để giảm thiểu thời gian khuếch tán của hạt.

• Ảnh hưởng của thời gian khuếch tán là lớn khi ta

xem xét thời gian đáp ứng của photodiode

HẰNG SỐ THỜI GIAN RC –THỜI

GIAN ĐÁP ỨNG

• Thời gian đáp ứng photodiode được mô tả bằng

thời gian lên và xuống của tín hiệu tại đầu ra bộ

tách sóng khi bộ tách sóng tiếp nhận một xung tín

hiệu quang có dạng nhảy bậc tại đầu vào

• Thời gian lên Tr được định nghĩa là thời gian để giá trị

dòng quang điện tăng từ 10% đến 90% giá trị cuối cùng

của nó (sườn lên)

• Khi công suất quang đến bộ thu tăng một cách đột

ngột, thời gian xuống Tf thường được xác định là thời

gian để giá trị dòng quang điện giảm từ giá trị điểm

90% đến 10% ở sườn sau (sườn xuống) của xung đầu ra

• Với điện áp phân cực đủ lớn, thời gian lên

và thời gian xuống có thể coi là bằng nhau

• Giá trị của Tr sẽ phụ thuộc vào thời gian

các điện tử và lỗ trống dịch chuyển về hai

điện cực Ngoài ra, Tr còn phụ thuộc vào

tốc độ của mạch điện xử lý dòng quang

điện.

28

Với Trc=RC là hằng số thời gian của mạch RC

• Áp dụng công thức (3) cho bộ thu quang, ta có thời gian lên của bộ thu quang sẽ như sau:

= T� (�� T�� 9)( + Trc)

Ttr là thời gian chuyển tiếp và Trc là hằng số thời gian của mạch RC tương đương

• Có thể thấy rằng, thời gian lên sẽ giảm khi w

giảm

• Tuy nhiên, từ phương trình tính hiệu suất lượng

tử ta thấy rằng, khi tích hệ số hấp thụ và bề dày

bán dẫn<3 thì hiệu suất lượng tử giảm mạnh.

• Giá trị của Trc và Tr sẽ phụ thuộc vào thiết kế của

bộ thu và có thể thay đổi trên một phạm vi

tương đối rộng

• Băng tần của bộ thu quang được tính theo công

thức sau:

II Các Đặc Trưng Thu Quang (tiếp)

Dải động

• Dải động của 1 linh kiện thu quang là khoảng chênh lệch

giữa các mức công suất cao nhất và mức công suất thấp

nhất mà linh kiện có thể thu nhận được trong một giới

hạn tỷ số lỗi nhất định

Dải động của 1 linh kiện thu quang được minh họa ở hính

4.4

• Trong những tuyến truyền dẫn quang cự ly gần có thể

dùng thêm bộ suy hao quang để giới hạn mức công suất

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

• Tỉ số tín hiệu trên nhiễu được tính theo công thức:

• Bộ thu sử dụng PIN :

• Bộ thu ADP:

• VD: 1 máy thu quang có độ nhạy S=-25 dBm

với BER=10^-9 có nghĩa là công suất quang cần thiết đến bộ thu phải lớn hơn hoặc bằng

-25dBm thì máy thu mới có thể thu và hoạt

động với mức chất lượng BER=10^-9.Nếu tín hiệu có mức công suất đến máy thu nhở hơn -25dBm thì máy thu cũng có thể nhận được

nhưng không đảm bảo BER =10^-9,BER lúc này

có thể lớn hơn như BER=10^-6

III Thiết kế bộ thu quang

Một số vấn đề trong thiết kế bộ

thu

- Thiết kế của bộ thu phụ thuộc vào dạng điều chế tín hiệu được thực hiện ở phía phát.

- Vì phần lớn các hệ thống thông tin quang sử dụng điều chế cường

độ nhị phân nên phần này tập trung vào một số vấn đề liên quan đến thiết kế của bộ thu

quang số.

Hình 1: Mô hình bộ thu quang

1 Phần trước (Front end) của bộ thu quang

- Gồm 1 photodiode và bộ tiền

khuếch đại điện.

- Việc có đáp ứng được cho các

hệ thống tin quang có tốc độ bit

cao và cự ly xa hay không phụ

thuộc phần lớn vào việc thiết kế

front end của bộ thu.

- Thông thường có 2 mạch

front-end là: trở kháng cao và

hố dẫn ngược

- Có thể tăng điện áp đầu vào

mạch tiền khuếch đại bằng cách

sử dụng điển trở tải RL có giá

trị lớn  front – end trở kháng

cao.

Hình 2: Front-end trở kháng cao

- Mạch front-end hỗ dẫn ngược cho phép vừa đạt được độ nhạy thu cao, vừa đạt được băng tần lớn.

- Mạch RL đóng vai trò như điện trở hồi tiếp

- + RL lớn -> Hồi tiếp âm làm giảm trở kháng đầu vào G lần (G là

hệ số khuếch đại)

- -> Băng tần tăng lên G lần

Hình 3: Front-end hố dẫn ngược

2 Kênh tuyến tính

• Gồm bộ khuếch đại chính và bộ lọc thông thấp.

• Bộ khuếch đại chính thường có hệ số KĐ lớn.

• Bộ lọc thông thấp được sử dụng để điều chỉnh dạng xung điện áp với mục đích làm giảm nhiễu (do nhiễu bộ thu tỉ lệ vs bang tần bộ thu)

• Băng tần của bộ thu được quyết định bởi băng tần của bộ lọc do

thành phần khác của bộ thu được thiết kế bang tần lớn hơn của bộ lọc

• Mạch quyết định so sánh tín hiệu ra từ kênh tuyến tính với mức

ngưỡng tại các thời điểm lấy mẫu được xác định bởi mạch hồi phục đồng hồ.

4 Một số kiểu mạch tiền khuếch đại của bộ

thu quang

• Sau photodiode thì mạch tiền khuếch đại là quan trọng nhất

• Đặc tính của mạch tiền khuếch đại bao gồm:

- Cấu trúc mạch tiền khuếch đại

- Loại thiết bị linh kiện điện tích cực được sử dụng trong mạch tiền khuếch đại (tranzito lưỡng cực, JFET, MOSFET)

- Băng tần và hệ số khuếch đại.

4a Các mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao

• Đối với hệ thống thông tin quang có tốc độ Gbit/s bộ thu quang

thường sử dụng các mạch tiền khuếch đại GaAs MESFET

• Đối với các tốc độ thấp hơn các mạch MOSFET hoặc JFET silic

thường được sử dụng phổ biến.

4b Các bộ khuếch đại tranzisto lưỡng cực trở

kháng cao.

• Ưu điểm: Có thể tăng điện áp đầu vào mạch tiền khuếch

đại bằng cách sử dụng điển trở tải RL có giá trị lớn

-> Giảm nhiễu nhiệt, tăng độ nhạy thu

• Nhược điểm: Băng tần hẹp, bị giới hạn bởi thành phần có

băng tần nhỏ nhất trong bộ thu-> Ít khi sử dụng mạch trở

kháng cao

- Để tăng băng tần có thể sử dụng mạch cân bằng (equalizer)

đóng vai trò như bộ lọc các nhiễu

4c Bộ khuếch đại hỗ dẫn ngược

• Ưu điểm của bộ khuếch đại hỗ dẫn ngược :

- Có dải động lớn so với bộ khuếch đại trở kháng cao

- Điện trở đầu ra nhỏ làm cho bộ khuếch đại ít bị tích lũy

nhiễu

- Đặc tính chuyển đổi của bộ khuếch đại là hỗ dẫn ngược, có điện trở hồi tiếp âm  dễ dàng điều khiển và có tính ổn định

4d Bộ thu quang có mạch tích hợp

• Do yêu cầu xây dựng các tuyến thông tin quang tốc độ nhiều Gbit/s

 thiết bị thu có độ nhạy cao và nhiễu rất thấp.

• Trong hầu hết các thiết bị thu quang loại trừ photodiode thì tất cả các thành phần khác đều là thành phần điện chuẩn nên có thể dễ dàng tổ hợp trên cùng 1 chip bằng cách sử dụng công nghệ mạch tổ hợp IC.

NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG VÀ CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ BỘ THU

QUANG

I NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG

1 Quá trình thu quang

Dựa trên quá trình hấp thụ ánh sáng

của diode thu quang.

E = hυ > Ec

Với điều kiện quá trình biến đổi từ quang sang điện là

không có nhiễu:

Ip = R.PinR: Đáp ứng của bộ thu quang (A/W).

Thực tế trong bộ thu quang luôn có nhiễu.

2 cơ chế nhiễu cơ bản: + Nhiễu nổ (Nhiễu Schottky)

+ Nhiễu nhiệt.

2 Nhiễu nổ (Nhiễu Schottki).

Việc tạo ra cặp điện tử - lỗ trống thông qua việc hấp thụ photon

là một quá trình thống kê, và dòng photon tự bản thân nó tạo ra dao động trong dòng photo.

Khi công suất quang đến bộ thu là không đổi thì dòng photo tạo ra:

I(t)=Ip+is(t)

Ip: Dòng trung bình.

is là thăng giáng về dòng do nhiễu nổ gây ra

σ s2 =‹i s2 (t)›=2q(I p +I d )Δf

Nếu quá trình thu quang dùng diode APD

(diode thác lũ) Thì nhiễu nổ trở thành nhiễu

3.Nhiễu nhiệt.

Nhiễu nhiệt sinh ra do chuyển động ngẫu nhiên của các điện tử

bên trong điện trở tải gây nên sự thang giáng về dòng Với sự đóng góp của nhiễu nhiệt ta có phương trình sau:

I(t)=Ip+is(t)+iT(t) Với iT(t) là sự thăng giáng về dòng do nhiễu nhiệt gây ra

σT2=‹iT2›=(4kbT/RL)Δf

• k b : Hằng số Bolzman.

• T: Nhiệt độ tuyệt đối.

• RL: Điện trở tải.

Giới hạn nhiễu nhiệt: Trong giới hạn nhiễu nhiệt,

σs nhỏ hơn nhiều σT (σs σT), Vì vậy tỷ số tín hiệu trên nhiễu trở thành:

Có thể cải thiện nhiễu bằng cách:

Tăng độ ổn định của giải tần tín hiệu (Δf)

Tăng điện trở tải (RL)

•  

Giới hạn nhiễu nổ: Còn trong giới hạn nhiễu nổ, σs σT

Phương sai của nhiễu nổ tỷ lệ tuyến tính với Pin nên có thể đạt giới hạn nhiễu nổ khi công suất quang đến bộ thu lớn Khi đó:

Vì nhiễu nổ bị ảnh hưởng bới quá trình nhân trong điode APD nên riêng với APD ta có:

• Và tỷ số nhiễu nổ trên bị giảm đi với hệ số nhiễu trội F(M)

so với bộ thu P-I-N

•  

II CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CỦA

BỘ THU QUANG

1 Tỉ lệ lỗi Bit (BER).

Được định nghĩa là là xác suất nhận dạng bit sai tại mạch quyết định của bộ thu Tiêu chuẩn cho các hệ thống thông tin quang là:

Tỉ lệ lỗi bit BER được xách định như sau:

Trong đó:

là xác suất thu được

bit 0 và bit 1.

P(1/0) là xác suất sai của bit 1 thành bit 0

P(0/1) là xác suất sai của bit 0 thành bit 1.

•