ttq1 chuong 4

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNGBÀI GIẢNG

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANGKỸ THUẬT THÔNG TIN QUANGFundamental of Optical Fiber Communications

Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc HợpBộ môn: Thông Tin Quang – Khoa Viễn thông 2ộ g Q g gEmail: [email protected], [email protected]

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG 4

BỘ THU QUANGBỘ THU QUANG

www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 2

NỘI DUNG CHƯƠNG 4

• Các khái niệm cơ bảnCác khái niệm cơ bản• Các phần tử chuyển đổi quang- điện bán

dẫndẫn • Các bộ tiền khuyếch đại

Nhiễ t bộ th• Nhiễu trong bộ thu quang• Các tham số của bộ thu quang


Các Khái Niệm Cơ Bản

• Linh kieän taùch soùng quang: - Bieán ñoåi tín hieäu aùnh saùng thaønh tín hieäu ñieän ä g ä ä

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− Hieän töôïng haáp thuï (absorption)ä g p ( p )


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


Các Thông Số Cơ Bản

• Hieäu suaát löôïng töû (Quantum Efficiency)ne: soá löôïng ñieän töû taùch ra

ηeIn phe /

==nph: soá löôïng photon chieáu vaøo

Hieäu suaát bieán ñổi quang ñieän

νη

hPn optph /==

− Hieäu suat bien ñổi quang-ñieän− η cuûa moãi vaät lieäu thay ñoåi theo böôùc soùng aùnh saùng



• Ñaùp öùng (Responsivity):Iph: doøng quang ñieän ηeI

R ph == Popt: coâng suaát quang

− Phu thuoäc:

νhPR

opt

==

Phuï thuoäc:+ hieäu suaát löôïng töû+ bước soùng hoạt động

R (A/W)

0,88

Photodiode lý tưởng

Photodiode điển hình0,44

(mm)0


(mm)00,5 1 c


• Ñoä nhaïy (Sensitivity):− Laø möùc coâng suaát quang thaáp nhaát maø linh kieän thu

ù h å h ñ ùi ä û á l ãi (BER) h áquang coù theå thu ñöôïc vôùi moät tyû soá loãi (BER) nhaát ñònh

− Phu thuoäc vaøo loai linh kieän taùch soùng quang vaø muùcPhuï thuoäc vao loaïi linh kieän tach song quang va muc nhieãu cuûa boä khueách ñaïi ñieän

− Toác ñoä bit ruyeàn daãn caøng cao thì ñoä nhaïy cuûa thieát bò thu caøng keùm



• Daûi ñoäng (Dynamic Range):− Laø khoaûng cheânh leäch giöõa möùc coâng suaát quang

h á ø ù â á h á h á ø li hcao nhaát vaø möùc coâng suaát quang thaáp nhaát maø linh 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

Iphph

Popt


Dải động Vùng bão hòa


• Nhieãu (Noise):− Nhieãu nhieät:

+Do ñieän trôû taûi cuûa diode thu quang cuõng nhö trôû khaùng vaøo cuûa boä tieàn khueách ñaïi

+Phu thuoäc vaøo nhieät ñoä beà roäng baêng tap aâm+Phuï thuoäc vao nhieät ñoä, be roäng bang taïp am, ñieän trôû taûi:

BKTIt .42 >=<

– K = 1,38.10-23 J/oK: hằng số BoltzmanT: nhiệt độ tuyệt đối oK

BR

It .><

– T: nhiệt độ tuyệt đối, oK– B: bề rộng băng, Hz– R: điện trở tải, Ω



• Nhieãu (Noise):− Nhieãu löôïng töû:

+Do bieán ñoäng ngaãu nhieân naêng löôïng cuûa caùc photon ñaäp vaøo diode thu quang

+Doøng nhieãu löông töû:+Dong nhieu löôïng tö:

BIeBPReI pq ..2...2 02 =>=<

− Nhieãu doøng toái:+Doøng ñieän nhieãu do caùc diode thu quang phaùt ra

khi khoâng coù aùnh saùng chieáu vaøo+Doøng toái: BIeI dd ..22 >=<


dd

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

á hầ tử ử lý tí hiệ điệ− các phần tử xử lý tín hiệu điện


Các Khái Niệm Cơ Bản• Độ đaùp ứng phần tử chuyển đổi quang-điện:

Photodiode cần có tốc độ đáp ứng nhanh để có thể hoạt động ới tín hiệ tốc độ caođộng với tín hiệu tốc độ cao.Tốc độ đáp ứng của photodiode: 10% đến 90% giá trị đỉnh tín hiệuPhụ thuộc: bước sóng, độ rộng vùng hiếm, sự thay đổi giá trị điện dung, sự thay đổi giá trị điện trở của PD


Các Phần Tử Chuyển Đổi Quang- Điện Bán Dẫn

• Photodiode P-N:mối nối P-N hoạt động ở chế độ dòng phân cực ngược

Eg = Ec - Ev

Eph = hν

Ev

Ec-

+



• Photodiode P-N:− Quaù trình haáp thuï xaûy ra chuû yeáu trong vuøng hieám− Vuøng hieám ñöôïc taïo ra töï nhieân heïp hieäu suaát

thaápMuoán taêng hieäu suaát bieán ñoåi quang ñieän:− Muon tang hieäu suat bien ñoi quang-ñieän:+ Taêng ñoä roäng cuûa vuøng hieám baèng caùch taêng

ñieän aùp phaân cöïc khoâng hieäu quaû g+ Ñaët giöõa hai lôùp baùn daãn P vaø N moät lôùp baùn daãn

coù ñoä roäng lôùn coù tính chaát töông töïï nhö vuøng hieámhiem

diode thu quang PIN



• Photodiode PINGoàm 3 lôùp baùn daãn P-I-NLớp I (Intrinsic): lôùp baùn daãn khoâng pha taïp chaát hoaëc pha vôùi noàng ñoä raát thaápQuaù trình haáp thu photon xaûy ra trong lôùp IQua trình hap thuï photon xay ra trong lôp ILôùp I caøng daøy thì hieäu suaát löôïng töû caøng cao nhöng thôøi gian troâi cuûa caùc ñieän töû seõ caøng chaäm g g g

giaûm khaû naêng hoaït ñoäng vôùi toác ñoä cao cuûa PIN



• Photodiode PINCấu tạo bên trong của PIN:

hfLớp chống

phản xạ

I

P

Vòng tiếp xúc kim loại

Cách điện (SiO2)I

N

( )

Tiế úTiếp xúc kim loại



• Photodiode APD:Goàm 4 lôùp P+ P-P N-

P+ vaø N-: baùn daãn coù noàng ñoä taïp chaát raát caoP-: baùn daãn coù noàng ñoä taïp chaát raát thaáp (thay cho lôùp I cuûa PIN)lôp I cua PIN)


Các Bộ Tiền Khuyếch Đại

• Bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp:Điện trở điển hình là 50ΩNhược điểm:• điện áp nhỏ

dò hiễ ẽ ả h hưở đá kể t ê điệ t ở R• dòng nhiễu sẽ ảnh hưởng đáng kể trên điện trở R nhỏ, vì nhiễu nhiệt tỉ lệ nghịch với điện trở



• Bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp:Điện trở lớn hơn 50ΩChuyển đổi dòng có cường độ yếu thành ápNếu trở kháng cao quá lớn thì dòng tối của photodidoecó thể gây cho photodiode bảo hoàcó thể gây cho photodiode bảo hoàĐể trách sự bảo hoà, PIN phải duy trì áp phân cực ítnhất vài vôn.



• Bộ tiền khuếch đại hồi tiếp:Độ nhạy cao và băng thông lớnĐiện trở R đóng vai trò chuyển đổi dòng thành ápTạo áp ở ngõ ra tỉ lệ với dòng photon. L i bỏ ả h hưở điệ d ký i h ủ dâ dẫ àLoại bỏ ảnh hưởng điện dung ký sinh của dây dẫn và của diode


Nhiễu Trong Bộ Thu Quang

• Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (signal-to-noise ratio):

><>< 22 4/ SSSignal iRiPS

• SNR độc lập với giá trị điện trở><

=><

== 22 4/ N

S

N

S

Noise

Signal

iRiPN

ộ ập g ị ệchỉ cần tính giá trị dòng trung bình bình phương.

• Hai cơ chế gây nhiễu trên photodiode:Nhiễu nổ (shot noise): tổng hợp của nhiễu lượng tử ( ) g ợp ợ g(quantum noise) và nhiễu dòng tối (dark current noise)Nhiễu nhiệt (thermal noise)


Nhiễu Trong Bộ Thu Quang

• Tổng dòng nhiễu bình phương trung bình ở ngõ ra của photodiode:

T đó

><+><+>>=<< 2222tdqN IIII

Trong đó,: nhiễu lượng tử: nhiễu dòng tối

)(2 22 MFBMeII pq >=<)(2 22 MFBMeII dd >=< : nhiễu dòng tối

(M: hệ số nhân thác lũ của APD; F(M) = Mx: hệ số nhiễu của APD, x = 0,3 - 0,5 đối với APD silicon và 0,7 -1 đối với APD germanium)

)(dd

: nhiễu nhiệtL

t RKTFnBI 42 >=<


Nhiễu Trong Bộ Thu Quang• Dòng tín hiệu bình phương trung bình:

220

2 )()( MRPI =

trong đó, R: đáp ứng của PD; P0: công suất quang ngõ vào.

0 )()( MRPI p

• Tỷ số SNR được đánh giá thông qua biểu thức sau:

I )( 222

LdpN

p

RKTFnBMFBMIIeMRP

II

SNR/4)()(2

)()(2

220

2

2

++=

><=

• Nếu bộ thu sử dụng PIN, M và F(M) bằng 1


Nhiễu Trong Bộ Thu Quang• Trong một số trường hợp thực tế, nhiễu nổ rất bé so với

nhiễu nhiệtnhiễu nhiệt ảnh hưởng chủ yếu đến chất lượng bộ thunhiễu nhiệt ảnh hưởng chủ yếu đến chất lượng bộ thu

• Khi đó: RPR

SNR L )( 20=

• SNR thay đổi theo (P0)

KTFnBSNR

4=

y ( 0)• Cải thiện SNR bằng cách: tăng điện trở tải

hầu hết các bộ thu sử dụng bộ tiền khuếch đại có trở khá õ àkháng ngõ vào cao


Nhiễu Trong Bộ Thu Quang• Công suất nhiễu tương đương NEP (Noise Equivalent

Power):Mức công suất tối thiểu trên một đơn vị băng thông cầnMức công suất tối thiểu trên một đơn vị băng thông cần thiết để tạo ra SNR =1

4KTFP2

0 4RR

KTFB

PNEP

L

n==

Xác định công suất quang cần thiết để đạt được giá trị SNR cần thiết nếu băng thông B biết trướcGiá trị điển hình của NEP là từ 1 10 pW/(Hz)1/2Giá trị điển hình của NEP là từ 1 – 10 pW/(Hz)1/2


Các Tham Số Của Bộ Thu Quang

• Tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Ratio):

Tín

hiệu

T

hiệu

Tín

h

(a) Tín hiệu tái tạo được ở bộ thu

(b) Mật độ phân bố xác suất Gaussian của bit 1 và 0


(b) Mật độ phân bố xác suất Gaussian của bit 1 và 0.


• Tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Ratio): tD là thời điểm lấy mẫu để quyết định bit

ẫGiá trị mẫu dao động xung quang giá trị I0 đối với bit 0 và giá trị I1 đối với bit 1.Mạch quyết định bit sẽ so sánh giá trị mẫu I với giá trịMạch quyết định bit sẽ so sánh giá trị mẫu I với giá trị ngưỡng ID:

• Nếu I > ID thì quyết định đó là bit 1• Nếu I < ID thì quyết định đó là bit 0

Lỗi xảy ra nếu:I < I trong trường hợp bit 1 hoặc• I < ID trong trường hợp bit 1 hoặc

• I > ID trong trường hợp bit 0



• Tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Ratio): Xác suất lỗi:

BER = p(1)P(0/1) + p(0)P(1/0)

Trong đó:• p(0) và p(1) là xác suất nhận bit 0 và bit 1.• P(0/1) là xác suất quyết định bit 0 khi nhận bit 1

P(1/0) là xác suất quyết định bit 1 khi nhận bit 0• P(1/0) là xác suất quyết định bit 1 khi nhận bit 0

Nếu p(1) = p(0) tức xác suất nhận bit 1 và 0 bằngNếu p(1) = p(0), tức xác suất nhận bit 1 và 0 bằng nhau:

BER = ½ [P(0/1) + P(1/0)][ ( ) ( )]



• Tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Ratio): P(0/1) và P(1/0) phụ thuộc vào hàm mật độ xác suất(I) ủ iá ị ẫ Ip(I) của giá trị mẫu I.

Dạng hàm p(I) phụ thuộc vào thống kê nguồn nhiễu tácđộng lên dòng tín hiệuđộng lên dòng tín hiệu.Nhiễu nhiệt It: thống kê dạng Gaussian có trị trung bìnhbằng 0 và phương sai σ2

t.Nhiễu nỗ Is: thống kê xấp xỉ dạng Gaussian đối vớiphotodiode PIN với phương sai σ2

s.giá trị mẫu I có hàm mật độ phân bố xác suất Gaussiangiá trị mẫu I có hàm mật độ phân bố xác suất Gaussianvới phương sai:

σ2 = σ2t + σ2

s.t s



• Tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Ratio): Giá trị trung bình và phương sai của bit 1 và bit 0 làkhá h ì I h h ộ à bi hậ đkhác nhau vì Ip phụ thuộc vào bit nhận được.Nếu gọi σ2

0 và σ21 lần lược là phương sai dòng tín hiệu

nhận được ứng với bit 0 và bit 1 ta có:nhận được ứng với bit 0 và bit 1, ta có:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−= ∫

∞− 221

2)(exp

21)1/0(

1

121

21

1 σσπσD

I IIerfcdIIIPD

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−= ∫

∞

221

2)(

exp2

1)0/1(0

020

20

0 σσπσII

erfcdIII

P D

ID

Trong đó, : hàm xác suất lỗi bù∫∞

−=x

dzzxerfc )exp(2)( 2

π



• Tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Ratio):

ỗ⎤⎡⎟⎞

⎜⎛ −⎟

⎞⎜⎛ −1 IIII

Xác suất lỗi:

BER h th ộ à ưỡ ết đị h I

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

2241

0

0

1

1

σσII

erfcII

erfcBER DD

BER phụ thuộc vào ngưỡng quyết định ID

chọn ID sao cho BER là nhỏ nhấtBER nhỏ nhất khi I thỏa mãn phương trình:BER nhỏ nhất khi ID thỏa mãn phương trình:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−=

−

0

121

21

20

20 ln

2)(

2)(

σσ

σσDD IIII

Nếu σ0=σ1=σ; I0 = 0 và ID = I1/2:

⎠⎝ 010 σσ

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

2221 1

σI

erfcBER


⎠⎝ 222 σ


• Mối quan hệ giữa BER và SNR:SNR điện ở bộ thu quang:

2

Biể diễ tỷ ố lỗi bit BER th tỷ ố SNR

2

21

σI

SNR =

Biểu diễn tỷ số lỗi bit BER theo tỷ số SNR:

hoặc⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=1 SNRerfcBER ⎟⎟

⎞⎜⎜⎛

=SNRQBERhoặc

với Q(x) là hàm xác xuất lỗi:

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=222

erfcBER ⎟⎠

⎜⎝ 2

QBER

với Q(x) là hàm xác xuất lỗi:

∫∞

−=x

duuxQ )2

exp(21)(

2

π)

2(

21)( xerfcxQ =



• Hàm xác suất lỗi Q(x): có thể xác định dưới dạng bảng hoặc đồ thị

• Nếu SNR càng cao thì BER càng nhỏ, tức hệ thống có chất lượ àlượng càng cao



• Bảng xác suất lỗi của hàm Q(x):

…


ttq1 chuong 4

Documents