Đề tài Bộ thu quang

ớc sóng Đáp ứng RAPD Hệ số nhân M Hệ số k kA Dòng tối Id Thời gian lên Tr Băng tần f Thiên áp Vb A/W - - nA ns GHz V 0,4-1,1 80-130 100-500 0,02-0,05 0.1-1 0.1- 2 0,2-1,0 200-500 0,8-1,8 3-30 50-200 0,7-1,0 50-500 0,5-0,8 0,4-0,7 20-40 1,0-1,7 5-20 10-40 0,5-0,7 1-5 0,1-0,5 1-3 20-30 Trong bảng 1 vì kA đối với silic là rất nhỏ hơn 1, nên các photo- điốt thác silic được sử dụng để cho ra các đặc tính tốt hơn. Các photo-điốt này rất thông dụng cho các hệ thống thong tin quang ở bước sóng 0,85 tại tốc độ bit ~ 100 Mbit/s. Đối với các hệ thống nằm ở bước song từ 1,3 -1,6, các photo-điốt thác APD loại Ge và InGaAs nên được sử dụng vì các vật liệu này hấp thụ ánh sáng trong vùng bước sóng dài. Các photo-điốt thác loại APD đã được cải tiến có thiết kế phù hợp. loại photo-điốt thác tiêu biểu là loại sử dụng cấu trúc dị thể với lớp InP cho vùng khuếch đại. vì vùng hấp thụ (lớp InGaAs loại i) và vùng nhân (lớp InP loại n ) là cách nhau, cấu trúc này được gọi là SAM. Trong cấu trúc này có sự lệch nhau khá lớn về vùng cấm giữa InP có Eg = 1,35 và InGaAs co Eg = 0,75. do bước nhảy vùng hóa trị vào khoảng 0,4 cho nên các lỗ trống phát ra trong vùng InGaAs bị mắc lại tại tiếp giáp dị thể và chúng bị chậm đáng kể trước khi tiến tới vùng khuếch đại (lớp InP). Photo-điốt thác APD như vậy sẽ có đáp ứng cực kỳ chậm và băng tần lại tương đối hẹp. để giải quyết vấn đề này, cấu trúc SAM photo-điốt thác được cải tiến bằng cách sử dụng them một lớp khác đặt giữa các lớp hấp thụ và nhân; nó có vùng cấm là trung gian giữa các vùng cấm của lớp InP và InGaAs. Lớp này được làm bằng hỗn hợp bốn vật liệu InGaAsP cùng như vật liệu chế tạo laser bán dẫn. cấu trúc này được gọi là SAGM. Nó có băng tần khuếch đại là: MB= 70GHz với M=12. Cấu trúc APD thành công nhất cho loại InGaAs là sử dụng cấu trúc siêu lưới đối với vùng nhân. Trong cấu trúc này, vùng nhân dày 231nm gồm có 11 chu kỳ giếng lượng tử loại InAlGaAs dày 9nm, được cách nhau bởi các lớp chắn dày 12nm. Lớp đệm loại InP cách vùng hấp thụ InGaAs bằng vùng nhân siêu lưới. APD loại này có băng tần 15GHz với hệ số nhân M=10. photo – điốt kiểu này có thể đáp ứng cho các hệ thống thông tin quang hoạt động tại chế độ bit tới 30Gbit/s. 4.Vật liệu chế tạo phô tô-điốt Trong phần thảo luận về cấu trúc của phô tô-điốt ở trên, chúng ta biết về hệ số hấp thụ αs và đáp ứng R của thiết bị. Hệ số hấp thụ αs của các vật liệu bán dẫn thay đổi lớn theo bước sóng như được chỉ ra ở hình 7. Đáp ứng của bộ tách sóng được xác định chủ yếu bởi cấu trúc bộ tách sóng và loại vật liệu được sử dụng. Trong các phô tô-điốt thực tế, vật liệu có năng lượng dải cấm hơi ít hơn năng lượng của photon tại bước sóng dài nhất mà ta quan tâm có thể cho ra được đáp ứng tốt nhất và hiệu suất lượng tử cao nhất. Ngoài việc bảo đảm có được hiệu suất và đáp ứng tốt, cấu trúc như vậy cũng giữ được dòng tối của phô tô-điốt thấp. Trong vùng phổ từ 800 nm đến 900 nm, một số các vật liệu khác nhau như Si, Ge, GaAs có thể được sử dụng làm phô tô-điốt. Tuy nhiên, Si là vật liệu phù hợp nhất và được dùng cho nhiều loại thiết bị tách sóng quang. Vật liệu Si có tạp âm thấp nhất, như vậy nó cho ra được độ nhạy thu của bộ thu cao. Hơn thế nữa, công nghệ để phát triển vật liệu này đã đạt được ở mức cao. Ở bước sóng dài hơn, từ trên 1100 nm đến 1700 nm, sử dụng vật liệu Si là không phù hợp. Đáp ứng của nó quá thấp để sử dụng chế tạo phô tô-điốt, các photon trong các bước sóng dài này không có đủ năng lượng để kích thích một điện tử ngang qua được dải cấm 1,17 eV của vật liệu. Trong vùng này, một số các vật liệu được dùng để triển khai các bộ tách sóng quang như Ge, InP, InGaAsP, InGaAs, GaAlSb và GaAb. Đối với các phô tô-điốt p-i-n và APD hoạt động ở bước sóng dài, InGaAs là vật liệu phù hợp nhất vì nó có hấp thụ ánh sáng với bước sóng dài tới 1650 nm. Gemanium Ge cũng là vật liệu dùng cho bộ tách sóng ở bước sóng dài. Hệ số hấp thụ của nó lớn tới 104 cm-1 trên vùng bước sóng từ 1100 nm đến 1550 nm. Với các đặc tính này, vật liệu Ge có thể được sử dụng làm phô tô-điốt lý tưởng cho các hệ thống thông tin quang ở bước sóng dài. Nhưng đáng tiếc là Ge lại có một số nhược điểm của nó. Vì dải cấm của Ge hẹp hơn dải cấm của Si, dòng tối khối là cao hơn nhiều, điều này làm hạn chế tăng ích trong phô tô-điốt thác APD. Hơn nữa, Ge lại có hệ số nhiễu trội cao trong hiệu ứng nhân thác do tỷ lệ hệ số ion hóa hạt mang chỉ là 2. Hình 7. hệ số hấp thụ ánh sáng là một hàm số của bước sóng. Một số các vật liệu khác là hợp kim bán dẫn III-V cũng được sử dụng cho bước sóng dài như là InGaAsP, GaSb, GaAlSb, InGaAs. Đây là các loại vật liệu tốt cho vùng bước sóng dài, vì các dải cấm các hợp kim như vậy phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của chúng, cạnh hấp thụ có thể được lựa chọn bằng cách thay đổi các tập trung phân tử của các nguyên tố thành phần của hợp kim. Các vật liệu này có thể tạo ra phô tô-điốt có tốc độ đáp ứng nhanh, hiệu suất lượng tử cao, và dòng tối thấp. III. TỶ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU CỦA BỘ TÁCH SÓNG QUANG Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal – to – Noise Ration) là tham số rất quan trọng trong bộ tách sóng quang. Nó xác định chất lượng bộ thu quang tương tự và là yếu tố chủ yếu quyết định độ nhạy thu của bộ thu quang số. Sau khi lan truyền dọc theo sợi quang, mức công suất tín hiệu quang thường là rất yếu tại bộ thu quang. Tín hiệu quang bị suy hao trong khi lan truyền dọc theo sợi quang. Sợi quang càng dài thì tín hiệu quang càng bị suy hao nhiều. Vì vậy trong các hệ thống thông tin quang, các bộ tách sóng quang được yêu cầu là phải tách được tín hiệu quang rất yếu. Để có được một bộ thu quang tốt, bộ tách sóng quang và các mạch điện khuếch đại sau nó phải được kết hợp tối ưu để cho ra được tín hiệu trên nhiễu SNR cao. Điều này có nghĩa là: Bộ tách sóng quang cần có hiệu suất lượng tử cao để phát ra công suất tín hiệu lớn. Nhiễu của bộ tách sóng quang và bộ khuếch đại điện phải càng thấp càng tốt. Trước hết, ta hãy xem xét các nguồn nhiễu trong bộ tách sóng quang. 1. Các nguồn nhiễu trong bộ tách sóng quang a. Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng p-i-n Các nguổn nhiễu trong bộ tách sóng quang bao gồm nhiễu bộ tách sóng sinh ra từ bản chất thống kê của quá trình biến đổi photon thành điện tử và nhiễu nhiệt có liên quan tới các mạch khuếch đại điện trong bộ thu. Trong các bộ tách sóng quang thực tế, hiệu suất lượng tử của phô tô-điốt thường đạt tới giá trị lớn nhất của nó. Vì thế, các dòng nhiễu là các yếu tố chính xác định tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang, chúng ta sẽ xem xét dòng photo và các loại nhiễu khác nhau và các quan hệ tương tác của tham số này. Ta hãy khảo sát một mẫu bộ thu quang sử dụng tách sóng phô tô-điốt p-i-n đơn giản được thể hiện như hình 8. Trong hình này, cả bộ thu đơn giản và mạch tương đương của nó được mô tả. Ở đây Rs là một điện trở nối tiếp có giá trị rất nhỏ, Cd là điện dung tổng, nó gồm điện dung ghép nối và điện dung đóng vỏ thiết bị, RL là điện trở tải của bộ tách sóng, thông thường thì RL >> Rs. Trong bộ thu quang, các mạch khuếch đại điện đóng một vai trò rất quan trọng. Để đơn giản, có thể có bộ khuếch đại chính ở sau bộ tiền khuếch đại. Bộ tiền khuếch đại cũng là một bộ khuếch đại quan trọng nhất trong bộ thu vì nó trực tiếp tham gia vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Trong hình 8, Cα và Rs tương ứng là điện dung và điện trở đầu vào của mạch khuếch đại điện phía sau bộ tách sóng quang. Hình 8. Mô hình đơn giản của một bộ thu tách sóng quang và mạch tương đương của nó. Khi có một công suất quang đã được điều chế P(t) đi vào phô tô-điốt, dòng photo được phát ra tương ứng với tín hiệu quang được hiểu như sau: i(t) = RP(t) = Dòng photo này bao gồm dòng một chiều Ip là dòng photo trung bình có được từ công suất tín hiệu quang, và dòng tín hiệu is(t) có liên quan tới nhiễu lượng tử (hay còn gọi là nhiễu bắn) có dòng tín hiệu trung bình bình phương = . Quan hệ Ip = RPin sẽ vẫn còn được duy trì nếu như Ip là một dòng trung bình. Tuy nhiên, nhiễu điện được sinh ra từ sự biến động dòng đã làm ảnh hưởng tới đặc tính bộ thu. Để thu được tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của bộ thu quang, việc xem xét các dạng nhiễu khác nhau là một vấn đề quan trọng để xác định xem SNR là cao hay thấp. Trong bộ tách sóng quang, các nhiễu cơ bản là nhiễu lượng tử, nhiễu dòng tối và nhiễu dòng rò bề mặt. Nhiễu lượng tử phát sinh do bản chất thống kê của quá trình tách sóng và tính lựa chọn của các điện tử photo khi có tín hiệu quang đi tới bộ tách sóng quang. Nhiễu lượng tử bắt nguồn từ sự không chắc chắn về thời gian đến của các điện tử hoặc các photon tại bộ tách sóng. Tính thống kê này được thể hiện theo một quá trình Poisson. Đối với bộ tách sóng p-i-n, sự biến đổi nhiễu lượng tử trong băng tần hiệu dụng Be (hoặc còn gọi là băng tần điện) là giá trị bình phương trung bình của dòng nhiễu lượng tử được cho bởi: σs2 = (ish2) = 2eIpBe Giá trị này tỷ lệ với giá trị bình phương của dòng photo Ip. Nhiễu dòng tối được phát ra từ vật liệu khối của phô tô-điốt. Nhiễu dòng tối phô tô-điốt là dòng mà nó luôn xuất hiện ngay cả khi không có ánh sáng đi tới phô tô-điốt. Dòng tối này chảy qua mạch thiên áp của thiết bị. Vì nó được phát ra từ vật liệu khối cho nên nó tăng theo các điện tử và (hoặc) lỗ trống được phát theo nhiệt trong tiếp giáp pn của phô tô-điốt, và nó cũng được gọi là dòng tối khối idb. Sự biến đổi nhiễu của dòng này được viết như sau: σdb2 = (idb2) = 2eIdBe Với Id là dòng tối khối ban đầu của bộ tách sóng. Dòng rò bề mặt phô tô-điốt isl cũng được xem như là dòng tối bề mặt, hoặc để cho đơn giản thì gọi là dòng rò. Dòng này phụ thuộc vào sự khiếm khuyết, điện tích bề mặt, mức độ sạch của bề mặt và điện áp định thiên. Biến đổi nhiễu của dòng rò như sau: σsl2 = (isl2) = 2eIlBe Với Il là dòng rò rỉ ban đầu. Để làm giảm dòng rò, cách tốt nhất là sử dụng cấu trúc mắc “ring” bảo vệ, điều này làm rẽ các dòng rò cho điện trở tải. Một nguồn nhiễu nữa mà nó tham gia vào nhiễu tổng trong bộ thu quang là dòng nhiễu nhiệt ir. Dòng nhiễu này có một ảnh hưởng đáng kể tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ thu quang. Để đơn giản, chúng ta giả thiết trở kháng đầu vào của mạch khuếch đại điện bộ thu là lớn hơn nhiều so với điện trở tải. Điều này dẫn tới nhiễu nhiệt của nó nhỏ hơn nhiều nhiễu nhiệt từ điện trở tải RL. Nó có nghĩa rằng dòng nhiễu nhiệt được phát từ điện trở tải bộ tách sóng là chính. Biến đổi nhiễu được cho như sau: σr2 = (ir2) = (4kBT/RL)FηBe Với kB là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối (Kenvil). Ký hiệu Fη là hệ số nhiễu được khuếch đại, nó thể hiện một hệ số mà ở đó nhiễu nhiệt tăng do sử dụng các điện trở khác nhau trong mạch tiền khuếch đại và khuếch đại chính. Từ những thành phần nhiễu ở trên, công suất nhiễu tổng được viết là: σ2 = (i2total) = 2eBe(Ip + Id + Il) + (4kBT/RL)FηBe b. Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng APD Đối với bộ tách sóng APD, các phô tô-điốt thác thực hiện khuếch đại bên trong dòng tín hiệu ban đầu bằng hệ số nhân M trước khi đi tới mạch khuếch đại điện phía sau. Đây là nguyên nhân của sự tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong bộ thu quang APD. Nhìn chung, các bộ thu quang phô tô-điốt thác cho ra tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn so với SNR ở bộ thu p-i-n với cùng một công suất quang đầu vào. Với mức công suất quang tới là Pin, dòng ban đầu IP được viết là: IP = RMPin = RAPDPin Với RAPD là đáp ứng của phô tô-điốt thác, nó được nhân lên M so với phô tô-điốt p-i-n. Vì thế dòng tín hiệu trung bình bình phương được viết cho APD là: (Is2) = [Ip2(t)]M2 Vậy thì tỷ số tín hiệu trên nhiễu hy vọng sẽ được tăng thêm hệ số M2 nếu như các nhiễu bộ thu không bị ảnh hưởng từ cơ chế khuếch đại bên trong của phô tô-điốt APD. Nhưng đáng tiếc là nhiễu của bộ thu phô tô-điốt thác cũng tăng, và tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ thu lại bị giảm đi. Dựa vào việc thảo luận đối với nhiễu, bộ tách sóng p-i-n ở trên, ta có thể tìm thấy các thành phần nhiễu của bộ tách sóng quang APD. Nhiễu lượng tử hoặc nhiễu bắn và nhiễu dòng tối sẽ tăng M2 lần. Trong khi đó cần lưu ý rằng, quá trình nhân thác là một quá trình hiệu ứng khối, dòng rò bề mặt isl không bị ảnh hưởng từ khuếch đại thác. Nhiễu nhiệt cũng không chịu ảnh hưởng từ hiệu ứng thác vì nó có nguồn gốc phát sinh từ các thành phần điện không có liên quan tới phô tô-điốt thác. Đây không giống như trường hợp của nhiễu lượng tử. Do đó ta có thể viết nhiễu tổng của bộ tách sóng APD như sau: σ2APD = (i2APDtotal) = 2eBe(IP + Id)M2FA + 2eBeIl + (4kBT/RL) Với FA là hệ số nhiễu trội của APD phụ thuộc vào M[1], nó có liên quan tới bản chất ngẫu nhiên của quá trình thác. Qua nghiên cứu, người ta tìm ra được: FA = kAM + (1 – kA)(2 – 1/M) Từ các kết quả thực nghiệm, FA được coi là xấp xỉ bằng: FA ~ Mx Tham số x là phân tử gam, và giá trị của nó bằng 0,3 đối với phô tô-điốt thác Silic, bằng 0,7 đối với InGaAs, và bằng 1 đối với Germanium. Hình 4.9. Sự phụ thuộc của hệ số nhiễu trội vào M của APD. 2. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Từ dòng tín hiệu và các dòng nhiễu được xác định như ở trên, tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (hay còn gọi là tỷ số trên nhiễu điện eSNR) của bộ thu phô tô-điốt được xác định là: SNR = = Trên thực tế, người ta đã sử dụng sự biến đổi công suất như là bình phương của dòng điện, vậy thì tỷ lệ SNR cho bộ thu phô tô-điốt p-i-n được viết là: SNRpin = Trong giới hạn nhiễu nhiệt, σs là nhỏ hơn nhiều σT (σs<< σT), vì vậy tỷ số tín hiệu nhiễu nhiệt cho bộ thu phô tô-điốt p-i-n thu được trở thành: SNRpin = R2P2in Còn trong giới hạn nhiễu lượng tử, σs là lớn hơn nhiều σT (σs>> σT), lúc này ta có: SNRpin = = Trong các bộ thu quang thực tế sử dụng bộ tách sóng p-i-n, nhiễu trội là nhiễu nhiệt iT. Vì bộ tách sóng có điện trở tải tách sóng, nó sinh ra dòng nhiễu nhiệt khá lớn để tạo ra nhiễu nhiệt. Trong nhiều bộ thu quang, dòng nhiễu nhiệt hữu dụng lớn gấp 20 lần dòng nhiễu lượng tử hiệu dụng, và khoảng 100 lần dòng tối hữu dụng. Nhiễu dòng tối idb và dòng rò bề mặt isl còn có thể được kết hợp lại và gọi chung là nhiễu dòng tối. Vì vậy ta có thể gọi thay thế Id bởi (Id + Il) trong một số các trường hợp để tiện cho việc xem xét các nguồn nhiễu chung của bộ thu. Ngoài ra, nếu việc thiết kế bộ thu không được làm cẩn thận, các phần tử tích cực của mạch khuếch đại có thể tạo ra dòng nhiễu khuếch đại iamp. Tương tự, ta có thể viết tỷ số tín hiệu trên nhiễu cho bộ thu quang phô tô-điốt thác APD như sau: SNRAPD = Như đã phân tích về nhiễu ở phần trước cho phô tô-điốt p-i-n, dòng tối Id được kết hợp từ Id + Il, cho nên σs2 = 2e(Ip + Id)Be, ta viết cho bộ thu quang APD như sau: σ2sAPD = 2eBe(RPin + Id)M2FA Trong giới hạn nhiễu nhiệt, σs là nhỏ hơn nhiều σT (σs<< σT), vì vậy tỷ số tín hiệu nhiễu cho bộ thu phô tô-điốt thác APD thu được trở thành: SNRAPD = R2M2P2in Và hy vọng được cải thiện M2 so với bộ thu phô tô-điốt p-i-n. Ngược lại trong giới hạn nhiễu lượng tử, σs là lớn hơn nhiều σT (σs>> σT), lúc này ta có: SNRAPD = = Và tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR bị giảm đi với hệ nhiễu trội FA so với bộ thu phô tô-điốt p-i-n. IV. BỘ THU QUANG 1. Cấu hình bộ thu quang Bộ thu quang trong hệ thống thông tin quang bao gồm bộ tách sóng quang,bộ khếch đại điện và mạch xử lý tín hiệu.Các thành phần thiết bị này trong bộ thu có các chức năng tương ứng là biến đổi năng lượng tín hiệu quang yếu đi vào phô tô điot thành tín hiệu điện và rồi khếch đại tín hiệu này tới mức đủ lớn để nó có thể được xử lý bằng các mạch điện theo sau.Như đã đề cập ở trên,phần khếch đại điện của bộ thu quang có thể bao gồm mạch tiền khếch đại và mạch khếch đại chính,ta sẽ xét bộ thu với cấu hình này.Hơn nữa hầu hết các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng dạng điều chế số nên ở tài liệu này sẽ tập trung vào phân tích bộ thu quang số.Cấu hình tiêu chuẩn của bộ thu quang sử dụng phô tô điot được thể hiện ở hình 10.Các thành phần tiêu biểu của bộ thu này thường được sắp xếp theo thứ tự ba nhóm: phần trước bộ thu,kênh tuyến tính và phần hồi phục tín hiệu số. Quyết Định Clock Ext Pre-amp PD hv Khếch Đại Chính Tín hiệu số ra RL Front- end bộ thu Clock ra Hình 10 Cấu hình bộ thu quang số tiêu biểu Trong phần đầu của chương này chúng tôi cũng đã giới thiệu về bộ tách sóng với các thành phần nhiễu của nó để đạt được tỷ số tín hiệu trên nhiễu.Tuy nhiên cần phải nhấn mạnh rằng tỷ số tín hiệu trên nhiễu điện eSNR tại bộ tách sóng quang là chỉ đủ để đánh giá chất lượng của tín hiệu thu được có đáp ứng được tiêu chuẩn hệ thống đã cho hay không,như trong trường hợp truyền dẫn analog cơ bản cho thông tin tiếng nói và video.Nhưng đối với các hệ thống truyền dẫn số tỷ số tín hiệu trên nhiễu điện tự bản thân nó không là một hình ảnh mang ý nghĩa có giá trị.Điều này có thể được chỉ ra bằng việc xem xét nguyên lý cơ bản của bộ tách sóng số.Trong bối cảnh bộ thu quang số,các nhiễu và méo tin hiệu khác nhau sẽ không thể tránh khỏi trong quá trình thu và có thể dẫn tới lỗi trong việc thuyên chuyển tín hiệu thu được.Dòng được lấy ra từ bộ tách sóng thường là rất yếu và bị ảnh hưởng bất lợi do các nhiễu ngẫu nhiên có lien quang tới quá trình tách sóng quang.Để thiết kế bộ thu quang việc xác định các đặc tính của nó dựa trên các mô hình toán học về các trạng thái bộ thu khác nhau là một việc làm cần thiết.Các mô hình này phải tính tới các thành phần nhiễu và méo và chúng ta cần được chỉ ra cho người thiết kế các thành phần nào là có thể lựa chọn để bộ thu đáp ứng được các chuẩn mực đặc tính mong muốn.Tiêu chuẩn có ý nghĩa nhất để xác định đặc tính của hệ thống thông tin số là xác suất xuất hiện lỗi trung bình.Trong khi đó tiêu chuẩn trung thực thường được đặc trung dưới dạng tỷ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu hiệu dụng trong hệ thống analog. Cấu hình bộ thu quang số dưới dạng giản đồ được mô tả trong hình 4.11.Ở đây bộ thu quang bao gồm bộ tách sóng quang,bộ khếch đại điện,mạch cân bằng và mạch quyết định.Ta giả thiết là phô tô điot PIN được sử dụng trong bộ thu này.Bộ tách sóng phô tô điot có hiệu suất lượng tử η, điện dung Cd.Điện trở RL là điện trở tải hoặc điện trở thiên áp Rb và ib là dòng nhiễu nhiệt phát ra từ điện trở tải trong bộ tách sóng.Trong khi đó bộ khếch đại có điện trở Ra và điện dung Ca tại đầu vào và hai thành phần này được kết hợp thành trở kháng đầu vào do sự mắc sun. Hình 11: Sơ đồ bộ thu quang số Trong cấu hình bộ thu quang này có hai yếu tố đáng chú ý.Đó là dòng nhiễu đầu vào ia(t) do nhiễu nhiệt của điện trở đầu vào bộ khếch đại Ra sinh ra,và nguồn điện áp nhiễu ea(t) thể hiện nhiễu nhiệt của kênh bộ khếch đại.Hai nguồn nhiễu này được coi là thống kê Gaussian,phổ phẳng và không tương quang.Theo sau bộ khếch đại điện là mạch cân bằng.Mạch này thường là bộ lọc sharp-tần số tuyến tính,và được dung để giảm các ảnh hưởng của méo tín hiệu và giao thoa giữa các ký tự ISI.Mạch quyết định ở sau mạch cân bằng để khôi phục tín hiệu và cho ra chuỗi tín hiệu số.Tín hiệu clock phải được đưa vào đầu vào quyết định để xác định các thời gian lấy mẫu.Như vậy,để thiết kế bộ thu quang ta xem xét 3 thành phần chính cấu trúc nên thiết bị như sau: Front- end Front-end của bộ thu quang bao gồm một phô tô điot và một bộ tiền khếch đại.Phô tô điot biến đổi luồng bit ánh sáng thành tín hiệu điện thay đổi theo thời gian.Bộ tiền khếch đại điện có vai trò khếch đại tín hiệu điện cho quá trình xử lý tiếp sau.Việc thiết kế front-end đòi hỏi sự tương xứng giữa tốc độ bit và độ nhạy thu.Khả năng của bộ thu quang có đáp ứng được cho hệ thống thông tin quang có tốc độ bit cao và cự ly xa không phụ thuộc phần lớn vào việc thiết kế front-end thu.Khi sử dụng điện trở tải RL có giá trị lớn,điện áp đầu vào mạch tiền khếch đại có thể tăng và khi đó ta có bộ front-end trở kháng cao.Giá trị điện trở RL lớn có thể giảm nhiễu nhiệt và do đó tăng được độ nhạy thu.Nếu như không quá quan tâm đến độ nhạy thu ta có thể giảm RL để tăng băng tần hệ thống,và khi đó ta có bộ front-end trở kháng thấp. Kênh tuyến tính Kênh tuyến tính trong bộ thu quang bao gồm bộ khếch đại chính và mạch cân bằng.Bộ khếch đại chính thường là bộ khếch đại có độ khếch đại cao.Mạch cân bằng ở ngay sau bộ khếch đại thường là bộ lọc sharp-tần số tuyến tính.Nó được sử dụng để làm giảm ảnh hưởng của méo và ISI tín hiệu.Trong một số các trường hợp mạch cân bằng có thể được sử dụng chỉ để hiệu chỉnh đáp ứng tần số điện của bộ tách sóng quang và bộ khếch đại.Độ khếch đại của bộ khếch đại được điều khiển một cách tự động để giới hạn điện áp đầu ra trung bình tới mức cố định bất kể công suất quang trung bình đến bộ thu như thế nào.Bộ lọc thông thấp sẽ tạo xung điện áp. Để tính toán với các xung chữ nhật được gửi từ phía phát,có thể mô tả như sau.Nếu P(t) là công suất quang thu được trên bộ tách sóng thì chuỗi xung số nhị phân trên bộ tách sóng có thể được diễn giải bằng biểu thức sau: Với bn là tham số biên độ thể hiện digit tín hiệu thứ n nó có thể lấy giá trị “1” và “0”; Tb là chu kì bit và hp(t) là dạng xung bộ thu mà là dương cho mọi t.Nếu ta giả thiết xung đầu vào phô tô điot không âm,h(t) được chuẩn hóa để có vùng bằng 1 thì: Dòng đầu ra trung bình từ photo-điot tại điểm t có thể viết như sau: Với R là đáp ứng của photo-diot, khi sử dụng APD thì thay bằng RAPD Dòng này được khuếch đại và được lọc để cho ra điện áp trung bình tại đầu ra của mạch cân bằng được cho bởi tích chập của dòng với đáp ứng xung bộ khuếch đại. điện áp này được viết như sau: Với A là khuếch đại của bộ khuếch đại,hB(t) là đáp ứng xung của mạch thiên áp, heq(t) là đáp ứng xung mạch cân bằng , và * là ký hiệu tích chập. dựa vào hình 4.11, hB(t) được cho bởi dạng chuyển đổi Fourier ngược của hàm truyền đạt mạch thiên áp HB(f) và được viết như sau: Với F là ký hiệu thuật toán dạng chuyển đổi Fourier. Hàm truyền đạt dòng thiên áp HB(f) đơn giản là điện kháng của tổ hợp mắc song song của Rb, Ra,Ca và Cd được viết là: Với và Tương ứng như ở biểu thức (4.32), điện áp trung bình ở đầu ra mạch cân bằng được viết như sau: Ở đây: Là dạng của xung được khuếch đại và lọc cô lập . dạng chuyển đổi Fourier của biểu thức (4-40) có thể được viết như là: Với Hp(f) là hàm chuyển đổi của dạng xung thu được hp(t),Heq(f) là hàm truyền đạt của bộ cân bằng. Khôi phục tín hiệu Phần khôi phục tín hiệu số của bộ thu quang bao gồm mạch quyết định và mạch hồi phục clock.Mạch quyết định so sánh tín hiệu ra từ kênh tuyến tính với mức ngưỡng tại các thời điểm lấy mẫu được xác định bởi mạch hồi phục clock,và quyết định xem tín hiệu có tương ứng với bit “1” hoặc “0” hay không.Thời điểm lấy mẫu tốt nhất sẽ ứng với vị trí mà trong đó sự khác nhau về mức tín hiệu giữa các bit “0” và “1” là lớn nhất.Điều này có thể được xác định từ đồ hình mắt được tạo bằng việc xếp chồng các chuỗi xung điện dài 2-3 bit trong chùm bit trên đỉnh với nhau.Thời điểm lấy mẫu tốt nhất tương ứng với độ mở mắt lớn nhất.Vì nhiễu tồn tại ở mọi bộ thu,cho nên sẽ luôn luôn có một xác suất nhất định mà bit có thể được nhận dạng một cách không chính xác tại mạch quyết định.Tuy nhiên bộ thu quang số có thể có giá trị tỷ số lỗi bit rất nhỏ là do mạch quyết định thường được thiết kế để hoạt động theo cách như vậy. 2. Các nguồn lỗi trong bộ thu quang Nhìn chung ,việc thiết kế bộ thu quang là phức tạp hơn nhiều so với thiết kế bộ phát quang vì bộ thu phải tách sóng các tín hiệu yếu và bị méo dạng,rồi quyết định xem tín hiệu số nào đã được phát tới từ phía phát.Quá tình tách sóng trong bộ tách sóng quang của bộ thu quang phải chịu ảnh hưởng từ các nhiễu khác nhau và các tác động khác có liên quan tới tách sóng tín hiệu trong thiết bị.Các nguồn nhiễu không mong muốn này xuất phát từ nhiều yếu tố.Các nguồn nhiễu có thể đến từ ngoài hệ thống như nhiễu khí quyển,và nhiễu của thiết bị nào đó,hoặc có từ bên trong bản thân hệ thống.Trong tài liệu này ta xem xét nhiễu bên trong của hệ thống.Nhiễu này được phát ra từ những sự không ổn định tự phát của dòng điện hoặc điện áp trong mạch điện.Như đã phân tích ở trên ,nhiễu lượng tử và nhiễu nhiệt là hai nhiễu trội trong bộ thu quang.Tốc độ đến ngẫu nhiên của các phô tôn là nguyên nhân sinh ra nhiễu lượng tử trong bộ tách sóng quang.Nhiễu này luôn phụ thuộc vào mức tín hiệu ,vậy thì nó rất quan trọng cho bộ thu sử dụng phô tô điot p-i-n thường có các mức đầu vào quang lớn.Đặc biệt khi sử dụng bộ tách sóng qang APD,nhiễu lượng tử còn tăng lên do bản chất thống kê của quá trình nhân thác;và mức nhiễu có thể tăng theo hệ số nhân M.Nhiễu nhiệt sinh ra từ điện trở tải của bộ tách sóng và các mạch điện khếch đại trong bộ thu quang.Loại nhiễu này sẽ trội khi bộ tách sóng phô tô điot p-i-n có tỷ số tín hiệu trên nhiễu SRN thấp.Vì nhiễu nhiệt là nhiễu có bản chất Gaussian,chúng có thể được hạn chế nhờ áp dụng các giải pháp kỹ thuật chuẩn. Dòng photon ban đầu được phát từ phô tô điot là một quá trình Poisson biến đổi theo thời gian có từ sự đến ngẫu nhiên của các photon tại bộ tách sóng.Khi đó có một công suất tín hiệu quang P(t) tới bộ tách sóng quang, số trung bình các cặp điện tử-lỗ trống được phát trong thời gian τ được cho như sau: Với η là hiệu suất lượng tử,hv là năng lượng photon,và E là năng lượng thu được tron