CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG Bộ môn: thông tin quang sợi GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải DANH SÁCH THÀNH VIÊN STT và tên MSSV 1 Đoàn Hồng Trung 20182835 2 Nguyễn Ngọc Hưng 20182564 3 Trịnh Anh Quân 20182733 4 Đào Minh Quang 20193065 4.1 GIỚI THIỆU BỘ THU QUANG - PHOTODETECTOR •Nguồn thu quang: Là thiết bị thu tín hiệu quang biến đổi thành tín hiệu điện •Các thiết bị thu quang phải có độ nhạy cao, đáp ứng nhanh và độ tin cậy cao •Để có được một tuyến truyền dẫn dài với tốc độ bit lớn. Bộ thu cần: - Noise thấp và khuếch đại lớn để SNR lớn - Độ nhạy thu cao để thu được tín hiệu nhỏ - Hoạt động trong điều kiện băng tần lớn Một số module Photodetector 4.2 NGUYÊN LÝ BỘ THU QUANG 4.2 NGUYÊN LÝ BỘ THU QUANG Bộ thu quang gồm: bộ tách sóng, bộ khuếch đại và mạch xử lí tín hiệu •Photodiode biến đổi ánh sáng thành tín hiệu điện •Bộ tiền khuếch đại có vai trò khuếch đại tín hiệu điện cho quá trình xử lí sau •Bộ khuếch đại chính có độ khuếch đại cao hơn bộ tiền khuếch đại •Mạch lọc loại bỏ méo và nhiễu ISI Mạch quyết định giải mã tín hiệu trở thành tín hiệu nhị phân (0,1) 4.3 PHOTODIODE •Diode thu quang (Photodiode) là thành phần đầu tiên của bộ thu quang, đổi tín hiệu quang thành điện, hai phần sau là kênh tuyến tính và khôi phục dữ liệu. •Có 2 loại chính: - Photodiode PIN: độ nhạy thu thấp, mạch đơn giản, dễ sử dụng - Photodiode APD( Avalanche Photodiode): độ nhạy thu cao, băng thông lớn, cần điện áp định thiên lớn Photodiode PIN Photodiode APD 4.3.1 PHOTODIODE PIN Bộ tách sóng photodiode PIN: •Gồm: vùng p và vùng n được ngăn cách bởi vùng intrinsic (I) pha tạp n rất ít 4.3.1 PHOTODIODE PIN Nguyên lý hoạt động: •Khi không có ánh sáng => Không có dòng •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 •Khi photon bị hấp thụ, các cặp e-h được sinh ra. Dưới tác động của điện trường phân cực ngược, e dịch về phía n, h chạy về phía p => sinh ra dòng photocurrent Photodiode chỉ hoạt động khi bước sóng photon nhỏ hơn bước sóng cắt 4.3.1 PHOTODIODE PIN •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 •Hiệu suất lượng tử: • Hệ số chuyển đổi dòng: 4.3.1 PHOTODIODE PIN 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 ( < 3 GHz) => Nghiên cứu chế tạo APD để khắc phục nhược điểm trên 4.3.2 PHOTODIODE APD •APD nhân dòng quang điện trước khi đi vào bộ khuếch đại => Tăng độ nhạy thu, tăng đáp ứng trước khi chịu nhiễu nhiệt ở các thành phần sau của bộ thu •Cấu trúc gồm 4 lớp: p+, I, p, n+ •Thêm một lớp bán dẫn p vào giữa lớp I 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 4.3.2 PHOTODIODE APD Điện áp định thiên nằm dưới điện áp trung bình của diode => APD hoạt động như PIN-photodiode 4.3.2 PHOTODIODE APD 4.3.2 PHOTODIODE APD 4.3.2 PHOTODIODE APD Ưu điểm của APD: •Độ nhậy cao (tới -40 dBm) •Băng thông lớn (tích M.B = 20-250 GHz với InGaAs-APD) Nhược điểm của APD: •Điện áp hoạt động cao ( 30v với Ge-APD, 150v với Si-APD) •Quá trình khuyếch đại phụ thuộc vào nhiệt độ -> cần điều khiển nhiệt độ để giữ hệ số khuyếch đại là hằng 4.4 THÔNG SỐ CƠ BẢN •Nhiễu nguồn nội bộ •SNR •Độ nhạy thu •Đáp ứng thời gian •Hiệu suất lượng tử 4.4.1 HIỆU SUẤT LƯỢNG TỬ • Hiệu suất lượng tử = số lượng cặp điện tử - lỗ trống sinh ra / số lượng photon tới 4.4.1 HIỆU SUẤT LƯỢNG TỬ 4.4.2.1 NHIỄU NGUỒN NỘI BỘ APD 4.4.2.2 NHIỄU NGUỒN NỘI BỘ PIN 4.4.3 SNR 4.4.4 ĐỘ NHẠY THU •Độ nhạy của bộ thu quang là yếu tố quan trọng nhất đánh giá khả năng và chất lượng của hệ thống thông tin sợi qu ang. •Độ nhạy cao thể hiện một khả năng để thu được mức công suất cao rất thấp. •Độ nhạy của bộ thu quang bị tác động trực tiếp từ tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của bộ tách song quang, SNR càng cao thì độ nhạy cao hơn. 4.4.4 ĐỘ NHẠY THU •Mức công suất quang trung bình thu được nhỏ nhất mà vẫn duy trì được tỉ lệ lỗi bit BER cho trước •BER phụ thuộc vào hệ số Q •Công thức tính độ nhạy thu - PIN: - APD: 4.4.5 ĐÁP ỨNG THỜI GIAN Đáp ứng thời gian của photodiode tương đương một bộ lọc thông thấp, có tần số cắt: Với R/ và C/ là tổng điện trở và điện dung tương đương THANK YOU !