Tài liệu Bài giảng kỹ thuật thông tin quang chương 4 - học viện cn bưu chính viễn thông

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Fundamental of Optical Fiber Communications Giảng viên: Bộ ộ môn: Email: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp Thông g Tin Q Quang g – Khoa Viễn thông g2 [email protected], [email protected] KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 4 BỘ THU QUANG www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 2 NỘI DUNG CHƯƠNG 4 • Các khái niệm cơ bản • Các phần tử chuyển đổi quang- điện bán dẫn • Các bộ tiền khuyếch đại • Nhiễu Nhiễ ttrong bộ th thu quang • Các tham số của bộ thu quang www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 3 Các Khái Niệm Cơ Bản • Linh kieän taùch soùng quang: - Bieán ñoåi tín hieääu aùnh saùng thaønh tín hieääu ñieään coù cöôøng ñoä doøng ñieän tyû leä vôùi coâng suaát aùnh saùng chieáu vaøo noù. • Nguyeân lyù hoaït ñoäng: − Moái tieáp giaùp pn phaân cöïc ngöôïc ( p ) − Hieään töôïng haáp thuï (absorption) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 4 Các Khái Niệm Cơ Bản • Hai loaïi linh kieän taùch soùng quang: − PIN: diode thu quang coù 3 lôùp baùn daãn P, I, N − APD (Avelanche Photodiode) : diode thaùc luõ • Vuøng böôùc böôùc soùng hoaït ñoäng cuûa linh kieän thu quang phuï thuoäc vaøo vaät lieäu cheá taïo www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 5 Các Thông Số Cơ Bản • Hieäu suaát löôïng töû (Quantum Efficiency) I ph / e ne η= = n ph Popt / hν ne: soá löôïng ñieän töû taùch ra nph: soá löôïng photon chieáu vaøo − Hieäu suaá suatt bien bieán ñổi quang-ñieä quang ñieän − η cuûa moãi vaät lieäu thay ñoåi theo böôùc soùng aùnh saùng www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 6 Các Thông Số Cơ Bản • Ñaùp öùng (Responsivity): I ph ηe Iph: doøng quang ñieän R= = Popt: coâng suaát quang Popt hν − Phuï Phu thuoäc: + hieäu suaát löôïng töû + bước soùng hoạt động R (A/W) 0,88 Photodiode lý tưởng Photodiode điển hình 0,44 0 (mm) 0,5 www.ptit.edu.vn 1 GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 c Trang 7 Các Thông Số Cơ Bản • Ñoä nhaïy (Sensitivity): − Laø möùc coâng suaát quang thaáp nhaát maø linh kieän thu quang coùù theå h å thu h ñöôï ñ c vôùùi moäät tyûû soáá loã l ãi (BER) nhaá h át ñònh − Phuï Phu thuoäc vaø vao o loaï loaii linh kieän tach taùch song soùng quang va vaø muc muùc nhieãu cuûa boä khueách ñaïi ñieän − Toác ñoä bit ruyeàn daãn caøng cao thì ñoä nhaïy cuûa thieát bò thu caøng keùm www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 8 Các Thông Số Cơ Bản • Daûi ñoäng (Dynamic Range): − Laø khoaûng cheânh leäch giöõa möùc coâng suaát quang cao nhaá h át vaøø möùùc coââng suaáát quang thaá h áp nhaá h át maøø linh li h kieän coù theå thu ñöôïc trong moät giôùi haïn tyû soá loãi ((BER)) nhaát ñònh ò − Phuï thuoäc vaøo loaïi linh kieän taùch soùng quang, ñoä tuyeán tính vaø giôùi haïn baûo hoaø cuûa boä khueách ñaïi thu Iph Popt Dải động www.ptit.edu.vn Vùng bão hòa GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 9 Các Thông Số Cơ Bản • Nhieãu (Noise): − Nhieãu nhieät: + Do ñieän trôû taûi cuûa diode thu quang cuõng nhö trôû khaùng vaøo cuûa boä tieàn khueách ñaïi + Phuï Phu thuoäc vaø vao o nhieät ñoä, beà be roäng baê bang ng tap taïp am, aâm ñieän trôû taûi: 4 KT 2 < It > >= .B R – – – – K = 1,38.10-23 J/oK: hằng số Boltzman T: nhiệt độ tuyệt đối, đối oK B: bề rộng băng, Hz R: điện trở tải, Ω www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 10 Các Thông Số Cơ Bản • Nhieãu (Noise): − Nhieãu löôïng töû: + Do bieán ñoäng ngaãu nhieân naêng löôïng cuûa caùc photon ñaäp vaøo diode thu quang + Dong Doøng nhieu nhieãu löôï löông ng tö: töû: < I q2 >= 2 e . R . P0 . B = 2 e . I p . B − Nhieãu doøng toái: + Doøng ñieän nhieãu do caùc diode thu quang phaùt ra khi khoâng coù aùnh saùng chieáu vaøo + Doøng toái: 2 < I d >= 2 e . I d . B www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 11 Các Khái Niệm Cơ Bản • Sơ Ñồ Khối Bộ Thu Quang: − Bộ thu quang: laø sự tổ hợp của − bộ tách sóng quang − bộ tiền khuếch đại điện − các á phần hầ tử xử ử lý tín tí hiệu hiệ điệ điện www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 12 Các Khái Niệm Cơ Bản • Độ đaùp ứng phần tử chuyển đổi quang-điện: ƒ Photodiode cần có tốc độ đáp ứng nhanh để có thể hoạt động với ới tín hiệu hiệ tốc độ cao cao. ƒ Tốc độ đáp ứng của photodiode: 10% đến 90% giá trị đỉnh tín hiệu ƒ Phụ thuộc: bước sóng, độ rộng vùng hiếm, sự thay đổi giá trị điện dung, sự thay đổi giá trị điện trở của PD www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 13 Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn Photodiode P-N: • ƒ mối nối P-N hoạt động ở chế độ dòng phân cực ngược - Ec Eg = Ec - Ev Eph = hν Ev www.ptit.edu.vn + GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 14 Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn • Photodiode P-N: Quaù trình haáp thuï xaûy ra chuû yeáu trong vuøng hieám Vuøng hieám ñöôïc taïo ra töï nhieân Æ heïp Æ hieäu suaát thaáp − Muon Muoán tang taêng hieäu suaá suatt bien bieán ñoi ñoåi quang-ñieä quang ñieän: + Taêng ñoä roäng cuûa vuøng hieám baèng caùch taêng ñieän aùp phaân cöïc Æ khoâng hieäu quaû + Ñaët giöõa hai lôùp baùn daãn P vaø N moät lôùp baùn daãn coù ñoä roäng lôùn coù tính chaát töông töïï nhö vuøng hieám hiem Æ diode thu quang PIN − − www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 15 Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn Photodiode PIN • ƒ ƒ ƒ ƒ Goàm 3 lôùp baùn daãn P-I-N Lớp I (Intrinsic): lôùp baùn daãn khoâng pha taïp chaát hoaëc pha vôùi noàng ñoä raát thaáp Quaù trình hap Qua haáp thuï thu photon xay xaûy ra trong lôù lôp pI Lôùp I caøng daøy thì hieäu suaát löôïng töû caøng cao nhöng g thôøi g gian troâi cuûa caùc ñieän töû seõ caøng chaäm Æ giaûm khaû naêng hoaït ñoäng vôùi toác ñoä cao cuûa PIN www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 16 Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn Photodiode PIN • ƒ Cấu tạo bên trong của PIN: Lớp chống phản xạ hf Vòng tiếp xúc kim loại P I Cách điện ((SiO2) N Tiếp xúc Tiế ú kim loại www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 17 Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn Photodiode APD: • ƒ ƒ ƒ Goàm 4 lôùp P+ P-P NP+ vaø N-: baùn daãn coù noàng ñoä taïp chaát raát cao P-: baùn daãn coù noàng ñoä taïp chaát raát thaáp (thay cho lôùp I cua lôp cuûa PIN) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 18 Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 19 Các Bộ Tiền Khuyếch Đại Bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp: • ƒ ƒ Điện trở điển hình là 50Ω Nhược điểm: • điện áp nhỏ • dòng dò nhiễu hiễ sẽ ẽả ảnh h hưởng hưở đá đáng kể ttrên ê điệ điện trở tởR nhỏ, vì nhiễu nhiệt tỉ lệ nghịch với điện trở www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 20