1 Phần 1: Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang Giảng viên: Hoàng Văn Võ Phần 2: Các phần tử cơ bản trong kỹ thuật thông tin quang Giảng viên: Hoàng Văn Võ Phần 3: Cơ sở kỹ thuật thông tin quang Giảng viên: Hoàng Văn Võ Phần 4: hệ thống thông tin quang Giảng viên: Vũ Tuấn Lâm Phần 5: một số công nghệ quang tiên tiến Giảng viên: Vũ Tuấn Lâm Nội dung môn học Thông tin quang nâng cao 2 Phần 2: Các phần tử cơ bản trong kỹ thuật thông tin quang 1. Sợi quang 2. B phỏt quang 3. B thu quang 3 3. Bộ thu quang 1. Mô hình và chức năng của bộ thu quang 2. Cấu trúc bộ thu quang 3. Một số khái niệm cơ bản 4. Các phần tử biến đổi quang-điện 4 1. Mô hình và chức năng của bộ thu quang  Chøc n¨ng: Biến đổi ánh sáng tới P T (t) ®Çu vµo trở thành tín hiệu điện u R (t) ®Çu ra có dạng giống như tín hiệu truyền dẫn ban đầu. Có thể có nhiễu và méo kèm theo (đối với truyền dẫn analog) hoặc lỗi bít (đối với truyền dẫn số).  Mô hình bộ thu quang Bé thu quang u R (t) P T (t) H×nh 4.1. M« h×nh bé thu quang 5 2. Cấu trúc các bộ thu quang - Cấu trúc bộ thu quang analog - Cấu trúc bộ thu quang digital Có 2 loại cấu trúc bộ thu quang tương ứng với 2 kỹ thuật truyền dẫn thông tin quang là truyền dẫn analog và truyền dẫn digital: 6 O E p T (t) i T (t) u T (t) u r (t)  Cấu trúc bộ thu quang analog Bộ biến đổi quang điện: biến đổi tín hiệu ánh sáng tới P T (t) thành tín hiệu điện i T (t). Các phần tử sử dụng để biến đổi quang-điện là PIN-Photodiode và diode quang thác APD Bộ khuếch đại: bao gồm bộ tiền khuếch đại và bộ khếch đại điện áp. Bộ tiền khuếch đại cần phải có tạp âm rất thấp Bộ lọc: dùng để khôi phục lại tín hiệu ban đầu. 2. Cấu trúc các bộ thu quang H×nh 4.2. M« h×nh cÊu tróc bé thu quang analog 7  Cấu trúc bộ thu quang digital Bộ biến đổi quang điện: biến đổi tín hiệu ánh sáng tới P T (t) thành tín hiệu điện i T (t). Các phần tử sử dụng để biến đổi quang-điện là PIN-Photodiode và diode quang thác APD Bộ khuếch đại: bao gồm bộ tiền khuếch đại và bộ khếch đại điện áp. Bộ tiền khuếch đại cần phải có tạp âm rất thấp Bộ lọc kết hợp với bộ quyết định: dùng để khôi phục lại tín hiệu ban đầu. O E p T (t) i T (t) u T (t) u r (t) 2. Cấu trúc các bộ thu quang H×nh 4.3. M« h×nh cÊu tróc bé thu quang digital 8 Khi ghép 2 bán dẫn loại n và p lại với nhau => một tiếp giáp p-n được tạo ra => các hạt tải đa số sẽ khuếch tán qua nó, tức là các điện tử trong lớp bán dẫn n được khuếch tán qua tiếp giáp và lấp đầy các lỗ trống trong lớp bán dẫn p và do vậy sẽ để lại lỗ trống trong lớp bán dẫn n của tiếp giáp. Kết quả là một điện trường tiếp xúc hay một điện thế tiếp xúc sẽ xuất hiện tại vùng tiếp giáp. Điện trường này sẽ ngăn cản việc chuyển động tự do của các hạt tải cho đến khi cân bằng được thiết lập. Tại vùng tiếp giáp lúc này sẽ không còn hạt mang điện tự do, do các điện tử và lỗ trống đã bị giữ lại trong các liên kết đồng hóa trị. Khi đó, vùng tiếp giáp được gọi là vùng nghèo hoặc vùng không có điện tử tự do. 3.1. TiÕp gi¸p p-n:  Khi ch-a cã ®iÖn ¸p ngoµi t¸c ®éng 3. Một số khái niệm cơ bản 9 Hình 4.4. Tiếp giáp p-n (a) và giản đồ năng l-ợng khi không có điện áp ngoài tác động (b) E E c E f E V E Các phần tử đa số: e Các phần tử đa số: p Vùng điện tích không gian Bán dẫn p Bán dẫn n a) b) Khi ch-a có điện áp ngoài tác động 3.1. Tiếp giáp p-n: 3. Mt s khỏi nim c bn 10 Trong trường hợp cực dương của nguồn nối với bán dẫn p và cực âm nối với bán dẫn n thì tiếp giáp khi đó phân cực thuận. Lúc này, điện trường tiếp giáp và điện trường ngoài sẽ ngược chiều nhau, nếu điện trường ngoài đủ lớn, sẽ phá vỡ liên kết cộng hóa trị tại lớp tiếp giáp và các hạt mang điện đa số sẽ được khuếch tán ồ ạt qua lớp tiếp giáp. + TiÕp gi¸p p-n ph©n cùc thuËn  Khi cã ®iÖn tr-êng ngoµi t¸c ®éng: 3.1. TiÕp gi¸p p-n: 3. Một số khái niệm cơ bản [...]... ( 4- 6 ) 3.8 Quan h gia t s li bit v t s tớn hiu trờn nhiu S 1 BER 1 erf N 2 2 ( 4- 7 ) 18 4 Cỏc phn t bin i quang- in 4. 1 Mụ hỡnh v chc nng ca cỏc phn t bin i quang- in 4. 2 Mt s yờu cu i vi cỏc phn t bin i quangin s dng trong k thut thụng tin quang 4. 3 Cu to v nguyờn lý hot ng ca cỏc phn t bin i quang- in 4. 4 Cỏc tham s c tớnh ca cỏc phn t bin i quang- in 4. 5 c tớnh ng ca cỏc phn t bin i quang- in... 20 4. 1 Mt s yờu cu i vi cỏc phn t bin i quang- in Mt s yờu cu i vi cỏc phn t thu quang s dng trong k thut thụng tin quang: - Thi gian ỏp ng nhanh, - nhy v hiu sut bin i quang in cao, - Nhiu thp, - iu kin ghộp vi si quang thun tin, - Kớch thc nh 21 4. 3 Cu to v nguyờn lý hot ng ca cỏc phn t bin i quang- in ỏp ng cỏc yờu cu trờn, trong k thut thụng tin quang, ngi ta thng s dng cỏc phn t bin i quan-in: -. .. ln so vi PIN-Photodiode 30 4. 4 Cỏc tham s c tớnh ca cỏc phn t bin i quang- in 4. 4.1 Cỏc tham s c tớnh ca PIN-Photodiode 4. 4.2 Cỏc tham s c tớnh ca APD 31 4. 4.1 Cỏc tham s c tớnh ca PIN-Photodiode 1 Dũng photo ca PIN - Photodiode 2 Dũng ra ca PIN - Photodiode 3 c tuyn tnh ca PIN - Photodiode 4 Nhiu trong PIN - Photodiode 32 4. 4.1 Cỏc tham s c tớnh ca PIN - Photodiode 1 Dũng photo ca PIN - Photodiode... in -quang ca PIN-Photodiode e HT hc ( 4- 9 ) Trong ú: = Số cặp điện tử - Lỗ trống sinh ra ( 4- 1 0) Số photon hấp thụ l liu sut lng t hoỏ ca PIN - Photodiode : bc súng ca ỏnh sỏng e: ờn tớch ca in t (e = 1,602.1 0-1 9 As) h: hng s Plan (h = 6,62.1 0-3 4 Ws2) c: vn tc ỏnh sỏng (c = 3.108 m/s) 34 4 .4. 1 Cỏc tham s c tớnh ca PIN - Photodiode 2 Dũng ra ca PIN - Photodiode i vi PIN- Photodiode, quỏ trỡnh bin i quang- in... Nguyờn lý bin i quang- in ca lp tip giỏp p-n Cho điện tr-ờng ngoài tác động lên tiếp giáp: phân cực ng-ợc (hình 4. 6a) a/s ti Giản đồ năng l-ợng của tiếp giáp p-n và quá trình tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống khi có ánh sáng tới - c chỉ ra ở hình 4. 6b Khi cho ánh sáng tới tiếp giáp p-n, các photon sẽ đi vào tiếp giáp Giản đồ năng l-ợng ánh sáng trong tiếp giáp p-n giảm theo hàm mũ (hình 4. 6c) a/s ti Bán... tin quang, ngi ta thng s dng cỏc phn t bin i quan-in: - PIN-Photodiode - Diode quang thỏc APD 22 4. 3.1 Cu to v nguyờn lý hot ng ca PIN-Photodiode Cu to - Nguyờn tc bin i quang- in ca PIN-Photodiode da vo nguyờn lý bin i quang- in ca lp tip giỏp p-n c phõn cc ngc Do ú, cu to ca PIN-Photodiode ch yu da trờn tip giỏp p-n gm 2 bỏn dn loi tt l P+ v N+ - Tuy nhiờn, cú th hot ng ti cỏc bc súng di m ti ú ỏnh... phn t bin i quang- in 19 4. 1 Mụ hỡnh v chc nng ca cỏc phn t bin i quang- in Mụ hỡnh ca cỏc phn t bin i quang- in PT(t) O iT(t) E Hình 4. 7 Mô hình ca các phần tử biến đổi quang- điện Chc nng ca cỏc phn t bin i quang- in Biến đổi ánh sáng tới PT(t) thành tín hiệu hiện iT(t) có dạng giống nh- tín hiệu truyền dẫn ban đầu Quá trình này gọi là giải điều biến quang hay giải điều chế quang Trong quá trình biến... khỏi nim c bn 3.1 Tiếp giáp p-n: Khi có điện áp ngoài tác động Bán dẫn p Vùng điện tích Bán dẫn n không gian - Các phần tử đa số: p + Các phần tử đa số: e a) E Hình 4. 5 Tiếp giáp p-n (a) và giản đồ năng l-ợng khi có điện áp ngoài tác động (phân cực ng-ợc )- (b) Ec E EV b) 12 3 Mt s khỏi nim c bn 3.2 Nguyờn lý bin i quang- in ca lp tip giỏp p-n Khi cỏc photon i vo tip giỏp p-n cú mc nng lng ln hn rng... gian Bán dẫn n a) Ec b) E EV p Hình 4. 6 Quá trình biến đổi quang- in của tiếp giáp p-n c) 14 3 Mt s khỏi nim c bn 3.3 Cụng sut tớn hiu Cụng sut ca tớn hiu i(t) c xỏc nh theo cụng thc: P Th 1 lim T 2T T i 2 (t )dt ( 4- 1 ) T 3 .4 Cụng sut nhiu Cụng sut ca mt ngun nhiu iN(t) ca mt mng 4 cc c xỏc nh theo cụng thc: i 2 (t ) iN (t ) g 2 (t ) S N ( j ) H ( j ) d 2 ( 4- 2 ) Trong ú, iN(t), SN(j) : ngun nhiu... PIN - Photodiode to ra cỏc cp in t - l trng, di tỏc dng ca in trng ngoi, cỏc phn t ny sinh ra mch ngoi mt dũng in ú chớnh l dũng photo ca PIN Photodiode (dũng photo chớnh l dũng do cỏc photon to ra) I p HT PT ( 4- 8 ) Trong ú: IP : dũng photo ca photodiode PT : Cụng sut ỏnh sỏng chiu vo photodiode HT : h s bin i in -quang ca photodiode 33 4. 4.1 Cỏc tham s c tớnh ca PIN - Photodiode 1 Dũng photo ca PIN - . bản ( 4- 5 ) ( 4- 6 ) ( 4- 7 ) 19 4. Các phần tử biến đổi quang- điện 4. 1. Mô hình và chức năng của các phần tử biến đổi quang- điện 4. 2. Một số yêu cầu đối với các phần. tiến Giảng viên: Vũ Tuấn Lâm Nội dung môn học Thông tin quang nâng cao 2 Phần 2: Các phần tử cơ bản trong kỹ thuật thông tin quang 1. Sợi quang 2. B phỏt quang 3.