Bộ thu quang trong thông tin quang

Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang Chương 4 BỘ THU QUANG Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.1. Giới thiệu Bộ thu quang: Chuyển đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện mang thông tin. ƒ Gồm một photodiode và một hay nhiều tầng KĐ + mạch tái tạo tín hiệu Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.2. Các loại photodiode Hai loại photodiode thông dụng: ƒ PIN photodiode: độ nhạy thu thấp, mạch đơn giản, dễ sử dụng ƒ APD photodiode ( Avalanche Photodiode): độ nhạy thu cao, băng thông lớn, cần điện áp định thiên lớn. APD photodiode (Hamamatsu Corp.)PIN photodiode Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.2.1 PIN-photodiode • Giữa hai lớp bán dẫn có độ pha tạp cao p+ và n- là một vùng bán dẫn có độ pha tạp thấ, còn gọi là lớp tự dẫn (lớp i) Lớp chống phản xạ Tiếp xúc kim loại hình tròn Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang • Nguyên lý hoạt động: • Khi phân cực ngược tiếp giáp p-n: không có dòng điện chạy qua ! • Khi chiếu một photon có năng lượng hν > Eg => kích thích một điện tử nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo thành điện tử tự do. 4.2.1 PIN-photodiode (tiếp) • Bước sóng cắt )( 24,1 eVEg c =λ • Năng lượng dải cấm Eg phụ thuộc vào vật liệu chế tạo photodiode, do vậy mỗi loại vật liệu có bước sóng cắt khác nhau: • PIN chế tạo bằng Si có λc = 1.06 µm • PIN chế tạo bằng Ge có λc = 1.6 µm Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang • Ưu điểm của PIN-photodiode: – Điện áp cung cấp nhỏ (5v - 10v) – Tạp âm thấp – Mạch điều khiển đơn giản • Nhược điểm của PIN-photodiode: – Độ nhạy thu thấp ( khoảng -30 dBm, do 1 photon tới chỉ sinh ra 1 điện tử) – Băng thông nhỏ ( < 3GHz) => Nghiên cứu chế tạo APD để khắc phục nhược điểm trên ! Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.2.2. Photodiode thác lũ (APD: Avalanche Photodiode) Tiếp xúc Nhân thác lũ (Lớp p pha tạp thấp) Hấp thụ Lớp gương ¾ Thêm một lớp bán dẫn p vào giữa lớp π và n+ => tạo ra một điện trường lớn trên tiếp giáp p-n+: ™ Gia tốc các điện tử ™ Điện tử va chạm với các nguyên tử sinh ra điện tử tự do mới => ion hóa do va chạm ™ Gây ra hiệu ứng thác lũ ¾ Khuyếch đại dòng photon trong lên M lần do ion hóa va chạm iAPD = M.iPD ¾ Điện áp định thiên nằm dưới điện áp trung bình của diode -> APD hoạt động như PIN-photodiode Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang • Ưu điểm của APD: 9 Độ nhậy cao (tới -40 dBm) 9 Băng thông lớn (tích M.B = 20-250 GHz với InGaAs-APD) • Nhược điểm của APD: o Điện áp hoạt động cao ( 30v với Ge-APD, 150v với Si-APD) o Quá trình khuyếch đại phụ thuộc vào nhiệt độ -> cần điều khiển nhiệt độ để giữ hệ số khuyếch đại là hằng số Điều khiển nhiệt độ Đến khuyếch đại trước Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.3. Các thông số cơ bản 4.3.1 Hiệu suất lượng tử = số lượng cặp điện tử - lỗ trống sinh ra / số lượng photon tới. o ph q P h q I υη •= 1=qη ¾ Mỗi photon tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống • Thông thường, hiệu suất lượng tử có thể đạt từ 30 – 95 %. • Ví dụ: Trong một tín hiệu quang (xung 100 ns) có 6 triệu photon ở λ = 1300 nm tới một photodiode InGaAs và có 5,4 triệu cặp điện tử - lỗ trống sinh ra. Hiệu suất lượng tử η = 90 %. Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang • Hiệu suất lượng tử có đặc tính phụ thuộc bước sóng, phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn và cấu trúc của photodiode • Với Si, hiệu suất lượng tử gần như bằng 1 Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.3. Các thông số cơ bản (tiếp) 4.3.2 Đáp ứng quang R (Responsivity) • Đáp ứng quang R = dòng điện sinh ra trên một đơn vị công suất quang tới (A/W). • R phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và bước sóng. • Ví dụ: o R = 0.65 A/W với vật liệu Si ở λ = 900 nm. o R = 0.45 A/W với vật liệu Ge ở λ = 1300 nm. o R = 0.9 A/W với vật liệu InGaAs ở λ = 1300 nm. o R = 1 A/W với vật liệu InGaAs ở λ = 1550 nm. • Bài tập: Công suất quang thu được trên photodiode InGaAs ở λ = 1300 nm là Po= 10 µW (R = 0.9 A/W). Hãy tính dòng quang điện sinh ra bởi photodiode ? Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.4. Độ nhạy thu (Sensibility) 4.4.1. Khái niệm: • Độ nhạy thu là công suất quang tối thiểu mà photodiode có thể tách tín hiệu ra khỏi nhiễu. • Giới hạn của độ nhạy của bộ thu quang được xác định thông qua: ¾ Hiệu suất lượng tử ¾ Phần nhiễu • Trong những photodiode ngày nay, hiệu suất lượng tử gần giá trị lý tưởng • Ở những bộ thu quang dải rộng, có những nguồn nhiễu khác nhau: ¾ nhiễu nhiệt ¾ nhiễu Schottky ¾ nhiễu nhân dòng (chỉ có ở APD) Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.4.2. Bộ thu quang và tạp âm Receiver = detector + subsequent electronics Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang Tổng quan về những nguồn nhiễu Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.4.3. Cơ bản vật lý về nhiễu • Chúng ta quan tâm đến nhiễu do dao động ngẫu nhiên hơn là nhiễu là đặc điểm của hệ thống đồng trục • Có 3 loại nhiễu chính do dao động ngẫu nhiên trong tuyến truyền dẫn quang: ¾ nhiễu nhiệt ¾ nhiễu dòng tối ¾ nhiễu lượng tử Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.4.3.1. Nhiễu nhiệt • Do chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của điện tích • Dao động ngẫu nhiên do tương tác nhiệt giữa: ¾ Điện tử tự do và ion dao động trong môi trường dẫn • Dòng nhiễu nhiệt it và trở kháng R được mô tả bằng giá trị trung bình bình phương của nó: R kTBit 42 = k: hằng số Boltzmann = 1,38. 10-23 Ws/K T: nhiệt độ tuyệt đối B=∆f: dải thông sau tách sóng của hệ thống Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang • Công suất nhiễu nhiệt Pt tương ứng với nhiệt độ tuyệt đối T fTkPt ∆⋅⋅= Nguồn nhiễu nhiệt R Nguồn điện áp thay thế Nguồn dòng điện thay thế Mạch thay thế khi nhiễu được mô tả qua điện áp Mạch thay thế khi nhiễu được mô tả qua dòng điện Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.4.3.2. Nhiễu dòng tối • Không có công suất quang vào bộ tách sóng, vẫn có một dòng rò nhỏ chảy từ thiết bị đầu cuối • Nhiễu dòng tối = nhiễu schottky trên dòng photon BeIi dd ⋅= 22 • Nhiễu dòng tối có thể giảm bằng cách thiết kế và chế tạo bộ tách sóng một cách cẩn thận Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.4.3.3. Nhiễu lượng tử • Ánh sáng có bản chất lượng tử • Năng lượng của lượng tử ánh sáng hoặc photon: TKh hW ⋅>⋅ = ν ν ¾ dao động lượng tử chiếm ưu thế so với dao động nhiệt Tách sóng ánh sáng bằng photodiode là một quá trình rời rạc vì việc tạo ra cặp điện tử-lỗ trống bắt nguồn từ việc hấp thụ một photon, và tín hiệu thoát ra từ bộ tách sóng được mô tả bởi sự thống kê của photon tới. Vì vậy, sự thống kê cho bức xạ kết hợp đơn sắc tới bộ tách sóng tuân theo phân bố xác suất rời rạc độc lập với số lượng photon đã được tách sóng trước đó Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.4.3.4. Nhiễu Schottky • Việc tạo ra cặp điện tử lỗ trống thông qua việc hấp thụ photon là một quá trình thống kê ¾ Dòng photon tự bản thân nó tạo ra dao động trong dòng photo: nhiễu schottky • Nhiễu schottky có thể được mô tả như một nguồn điện với trung bình bình phương của dòng nhiễu ish2 hoặc phổ công suất S(f) ( )fSeIi df d phsh == 22 • Mỗi dòng điện thông qua một chuyển tiếp pn gây ra nhiễu schottky (nhiễu dòng tối) Mạch thay thế nhiễu của photodiode Phổ công suất Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.4.3.5. Nhiễu trong photodiode thác lũ • Bản chất thống kê của quá trình khuyếch đại tạo ra nhiễu nhân • Dòng tín hiệu Iph và dòng tối Idb sẽ được khuyếch đại trong vùng nhân với hệ số khuyếch đại (hệ số nhân) M • Phổ công suất: ( ) ( ) 22 2 MIIei df dfS dbphsh +⋅== • Nhiễu nhân được biểu diễn qua hệ số nhiễu cộng thêm F(M): ( ) ( ) ( )MFMIIei df dfS dbphsh ⋅+⋅== 22 2 • F(M): đại lượng biểu diễn chất lượng của quá trình khuyếch đại • F(M) = 1 : quá trình thác lũ lý tưởng Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.4.4. Công suất nhiễu tương đương • Để có thể nhận dạng được tín hiệu, tín hiệu phải không được nhỏ hơn nhiễu ¾ tín hiệu nhỏ nhất mà cường độ bức xạ của nó có thể đo lường được định nghĩa thông qua tín hiệu đầu vào tương đương tạp âm • Tín hiệu vào tương đương tạp âm là tín hiệu vào mà tạo ra cùng mức đầu ra như tạp âm không có tín hiệu vào, được gọi là công suất tạp âm tương đương (NEP: noise equivalent power) là một đại lượng đo lường độ nhạy của bộ tách sóng • Quan hệ với độ nhạy dòng S(λ) và dòng nhiễu In ta có: ( )λSINEP n= • Dòng nhiễu tổng cộng In = nhiễu schottky của diode Ish + dòng nhiễu nhiệt Ith Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.4.5. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và giới hạn hiệu suất lượng tử • Trong kỹ thuật tương tự, chất lượng của bộ thu được mô tả thông qua tỷ số tín hiệu trên nhiễu: NEP P N S NoisepowerrSignalpoweNS inlog10 ⋅=⇒ = • Trong kỹ thuật số, chất lượng của bộ thu được mô tả thông qua tỷ số lỗi bit BER • Giới hạn lượng tử: Năng lượng quang nhỏ nhất P, mà một tỷ số lỗi bit đã cho sẵn trong hệ thống số cần thiết để mô tả một bit 1 ¾ tỷ số lỗi bit = ¾ giới hạn vật lý 21 photon / bit ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⋅⋅− Bh Pq e ν η Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.5.5.1. Tạp âm lượng tử trong truyền dẫn tương tự • Trong tuyến truyền dẫn quang tương tự, tạp âm lượng tử là tạp âm Schottky • Dòng tạp âm schottky is2 trên dòng photon Ip: ps eBIi 2 2 = • Không quan tâm đến những nguồn tạp âm khác thì SNR tại bộ thu: eBiN S p s p 22 == • Dòng photon Ip: II 2 ν η h ePI p 0= • Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR: Bh P N S ⋅⋅= ν η 2 0 Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang Ví dụ: • Một tuyến sợi quang tương tự • Giả sử: ™ Hoạt động tại bước sóng 1000nm ™ Dải thông sau tách sóng 5MHz ™ Bộ tách sóng lý tưởng ™ Chỉ quan tâm đến tạp âm lượng tử trên tín hiệu ™ SNR tại bộ thu là 50dB • Tính: công suất quang tới cần thiết Vì bộ tách sóng lý tưởng nên η=1, ta có P0=-37dBm Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.5.5.2. Tạp âm lượng tử tín hiệu số • Năng lượng một xung ánh sáng (một bit) để có thể tách sóng được với một xác suất lỗi cho sẵn (BER) • Bộ thu lý tưởng, có tạp âm khuyếch đại đủ thấp để tách sóng dòng điện tạo ra bởi một cặp điện tử-lỗ trống (một photon riêng lẻ được tách sóng ¾ vì vậy, trong trường hợp không có ánh sáng, và không tính đến dòng tối, không có dòng điện chảy qua • Chỉ có một cách lỗi có thể xuất hiện là khi có xung ánh sáng mà không tạo ra cặp điện tử-lỗ trống • Xác suất không có cặp điện tử-lỗ trống được tạo ra khi có xung ánh sáng: ( ) mzeP −=10 Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang • P(0/1) là xác suất lỗi hệ thống P(e), do đó: ( ) mzeeP −= • Phương trình trên mô tả độ nhạy thu tuyệt đối cho phép xác định giới hạn cơ bản trong truyền dẫn tín hiệu quang số. Đây là năng lượng xung nhỏ nhất cần thiết Emin để có được tỷ số lỗi bit cho trước BER mà bất cứ bộ thu thực tế nào phải thỏa mãn và được gọi là giới hạn lượng tử • Công suất quang tới nhỏ nhất ở bộ thu để có BER = 10e-9 ¾ Tại 10Mbit/s: 20,6pW hoặc -76,9dBm ¾ Tại 10Gbit/s: 20,6nW hoặc -46,9dBm ¾ thực tế (tại bước sóng 1550nm): ™-20dBm (không có khuyếch đại quang) ™-30dBm (có khuyếch đại quang) Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications 8/2009 Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang 4.5. Mạch bộ thu Photodiode detector Hiệu ứng quang điện Khuyếch đại trong Khuyếch đại trước Chỉ có ở photodiode thác lũ Nguồn nhiễu bên ngoài Nguồn nhiễu trong bộ tách sóng quang Nguồn nhiễu trong bộ khuyếch đại trước Nhiễu schottky từ: • tín hiệu • nền Nhiễu schottky từ: • dòng photon • dòng tối Nhiễu schottky Nhiễu nhiệt Nhiễu phụ thêm: • dòng photon • dòng tối