Tham khảo bài thuyết trình 'bài giảng thông tin quang nâng cao - phần 4', kỹ thuật - công nghệ, kĩ thuật viễn thông phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Bài giảng thông tin quang nâng cao - Phần 4
- Néi dung m«n häc Th«ng tin quang n©ng cao
PhÇn 1: Tæng quan vÒ kü thuËt th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Hoµng V¨n Vâ
PhÇn 2: C¸c phÇn tö c¬ b¶n trong kü thuËt th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Hoµng V¨n Vâ
PhÇn 3: C¬ së kü thuËt th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Hoµng V¨n Vâ
PhÇn 4: hÖ thèng th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Vò TuÊn L©m
PhÇn 5: mét sè c«ng nghÖ quang tiªn tiÕn
Gi¶ng viªn: Vò TuÊn L©m
1
- PhÇn 2: C¸c phÇn tö c¬ b¶n trong kü thuËt
th«ng tin quang
1. Sîi quang
2. Bộ phát quang
3. Bộ thu quang
2
- 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
3
- 1. Mô hình và chức năng của bộ thu quang
Mô hình bộ thu quang
PT(t) uR(t)
Bé thu
quang
H×nh 4.1. M« h×nh bé thu quang
Chøc n¨ng:
Biến đổi ánh sáng tới PT(t) ®Çu vµo trở thành tín hiệu điện uR(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).
4
- 2. Cấu trúc các bộ thu quang
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:
- Cấu trúc bộ thu quang analog
- Cấu trúc bộ thu quang digital
5
- 2. Cấu trúc các bộ thu quang
Cấu trúc bộ thu quang analog
uT(t) ur(t)
pT(t) iT(t)
O
E
H×nh 4.2. M« h×nh cÊu tróc bé thu quang analog
Bộ biến đổi quang điện: biến đổi tín hiệu ánh sáng tới PT(t) thành tín hiệu
điện iT(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.
6
- 2. Cấu trúc các bộ thu quang
Cấu trúc bộ thu quang digital
O ur(t)
uT(t)
pT(t) iT(t)
E
H×nh 4.3. M« h×nh cÊu tróc bé thu quang digital
Bộ biến đổi quang điện: biến đổi tín hiệu ánh sáng tới PT(t) thành tín hiệu
điện iT(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.
7
- 3. Một số khái niệm cơ bản
3.1. TiÕp gi¸p p-n:
Khi ch-a cã ®iÖn ¸p ngoµi t¸c ®éng
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.
8
- 3. Một số khái niệm cơ bản
3.1. TiÕp gi¸p p-n:
Khi ch-a cã ®iÖn ¸p ngoµi
B¸n dÉn p Vïng ®iÖn tÝch B¸n dÉn n
t¸c ®éng kh«ng gian
C¸c phÇn C¸c phÇn a)
tö ®a sè: p tö ®a sè: e
E
Ec
H×nh 4.4. TiÕp gi¸p p-n (a) vµ
Ef
gi¶n ®å n¨ng l-îng
khi kh«ng cã ®iÖn ¸p E
b)
ngoµi t¸c ®éng (b)
EV
9
- 3. Một số khái niệm cơ bản
3.1. TiÕp gi¸p p-n:
Khi cã ®iÖn tr-êng ngoµi t¸c ®éng:
+ TiÕp gi¸p p-n ph©n cùc thuËn
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.
10
- 3. Một số khái niệm cơ bản
3.1. TiÕp gi¸p p-n:
Khi cã ®iÖn tr-êng ngoµi t¸c ®éng:
+ TiÕp gi¸p p-n ph©n cùc ng-îc
Khi một điện thế ngoài được đưa vào tiếp giáp p-n, nếu cực dương của
nguồn nối với bán dẫn n và cực âm nối với bán dẫn p thì tiếp giáp khi đó
được phân cực ngược.
Dưới tác dụng của điện áp phân cực ngược, độ rộng lớp nghèo sẽ mở
rộng ra ở cả hai phía lớp p và lớp n hay điện trường lớp tiếp giáp được
tăng cường.
Điện trường tiếp giáp tiếp tục ngăn cản chuyển động của các hạt tải đa số
nhưng lại trở thành điện trường thuận với các hạt tải thiểu số khi đi qua
lớp tiếp giáp. Dòng của các hạt tải thiểu số tạo ra được gọi là dòng dò.
11
- 3. Một số khái niệm cơ bản
3.1. TiÕp gi¸p p-n:
B¸n dÉn p Vïng ®iÖn tÝch B¸n dÉn n
kh«ng gian
Khi cã ®iÖn ¸p ngoµi
- +
t¸c ®éng C¸c phÇn C¸c phÇn
tö ®a sè: p tö ®a sè: e
a)
E
H×nh 4.5. TiÕp gi¸p p-n (a) vµ
gi¶n ®å n¨ng l-îng Ec
khi cã ®iÖn ¸p ngoµi
E
t¸c ®éng (ph©n cùc
ng-îc)- (b) EV
b)
12
- 3. Một số khái niệm cơ bản
3.2. Nguyên lý biến đổi quang-điện của lớp tiếp giáp p-n
Khi các photon đi vào tiếp giáp p-n có mức năng lượng lớn hơn độ rộng của dải
cấm, sẽ sinh ra trong tiếp giáp p-n các cặp điện tử và lỗ trống. Các điện tử và lỗ
trống trong vùng điện tích không gian vừa được sinh ra bị điện trường mạnh hút
về hai phía (điện tử về phía n có điện áp dương, lỗ trống về miền P+ vì có điện
áp âm).
Mặt khác, các điện tử mới sinh ra trong miền P khuếch tán vùng điện tích không
gian nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp P+I, rồi chạy về phía N--+ vì có điện áp
dương và lỗ trống mới sinh ra trong miền N+ khuếch tán sang miền I nhờ
gradien mật độ tại tiếp giáp N+I, rồi chạy về phía về miền P+ vì có điện áp âm.
Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện và trên tải một điện
áp.
Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo ra dòng điện
ngoài, vì chính được sinh ra ở miền P+ và N+ ở cách xa các lớp tiếp giáp P+I và
N+I không được khuếch tán vào miền I (do ở khoảng cách xa hơn độ dài
khuếch tán của động tử thiểu số), nên chíng lại tái hợp với nhau ngay trong các
miền P+ và N+.
13
- 3. Một số khái niệm cơ bản
3.2. Nguyên lý biến đổi quang-điện của lớp tiếp giáp p-n
Cho ®iÖn tr-êng ngoµi t¸c ®éng
lªn tiÕp gi¸p: ph©n cùc ng-îc Vïng ®iÖn
a/s tới
(h×nh 4.6a). tÝch
B¸n dÉn p B¸n dÉn n a)
kh«ng gian
Gi¶n ®å n¨ng l-îng cña tiÕp
gi¸p p-n vµ qu¸ tr×nh t¹o ra c¸c
cÆp ®iÖn tö - lç trèng khi cã ¸nh
s¸ng tíi ®-îc chØ ra ë h×nh 4.6b.
b)
Khi cho ¸nh s¸ng tíi tiÕp gi¸p
Ec
p-n, c¸c photon sÏ ®i vµo tiÕp a/s tới
E
gi¸p. Gi¶n ®å n¨ng l-îng ¸nh
s¸ng trong tiÕp gi¸p p-n gi¶m EV
theo hµm mò (h×nh 4.6c). p
H×nh 4.6. Qu¸ tr×nh biÕn ®æi
c)
quang-điện cña tiÕp
gi¸p p-n
14
- 3. Một số khái niệm cơ bản
3.3. Công suất tín hiệu
Công suất của tín hiệu i(t) được xác định theo công thức:
T
1
lim i 2 (t )dt
P (4-1)
Th
T 2T
T
3.4. Công suất nhiễu
Công suất của một nguồn nhiễu iN(t) của một mạng 4 cực được xác định
theo công thức:
i 2 (t ) iN (t ) g 2 (t )
(4-2)
S N ( j ). H ( j ) d
2
Trong đó, iN(t), SN(j) : nguồn nhiễu và phổ của nó,
g(t), H(j) : hàm trọng lượng và hàm truyền dẫn của mạng 4 cực
15
- 3. Một số khái niệm cơ bản
3.5. Phổ năng lượng của nhiễu nhiệt trên một điện trở
Do sự chuyển động hỗn loạn của các điện tử (chuyển động Brown) trên một
điện trở R, va chạm với ion trong mạng tinh thể của điện trở làm cho nhiệt độ
của điện trở tăng lên. Mặc dù khi có dòng điện chạy qua, trên điện trở R vẫn có
sự chuyển động Brown của các điện tử, nên xuất hiện nguồn nhiễu trên điện trở
R. Gọi là nhiễu nhiệt.
Phổ năng lượng của nhiễu nhiệt trên một điện trở R được xác định theo công
thức:
2kT
S NN ( j ) 2kT G (4-3)
R
1
GT
Trong đó: : điện dẫn của điện trở lớp R
RT
: hằng số Bolzomal,
K
: Nhiệt độ tuyệt đối.
T
16
- 3. Một số khái niệm cơ bản
3.5. Băng tần nhiễu
Băng tần nhiễu của một mạng 4 cưc hàm truyền dẫn H(jf) được xác định
theo công thức:
BR H ( jf ) df
2
(4-4)
0
H ( jf ) là hàm truyền dẫn chuẩn hóa của H(jf)
Trong đó:
17
- 3. Một số khái niệm cơ bản
3.6. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức:
Công suất tín hiệu/điện áp tín hiệu/dòng tín hiệu
S
(4-5)
N Công suất nhiễu/điện áp nhiễu/dòng nhiễu
3.7. Tỷ số lỗi bit
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức:
Số bit bị lỗi
BER (4-6)
Tổng số bít phát đi
3.8. Quan hệ giữa tỷ số lỗi bit và tỷ số tín hiệu trên nhiễu
S
1 erf N
1
BER 2 (4-7)
2
18
- 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 tử biến đổi quang-
điện sử dụng trong kỹ thuật thông tin quang
4.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các phần tử biến
đổi quang-điện
4.4. Các tham số đặc tính của các phần tử biến đổi
quang-điện
4.5. Đặc tính động của các phần tử biến đổi quang-điện
19
- 4.1. Mô hình và chức năng của các phần tử biến đổi quang-điện
Mô hình của các phần tử biến đổi quang-điện
iT(t)
PT(t)
O
E
H×nh 4.7. M« h×nh của c¸c phÇn tö biÕn ®æi quang-®iÖn
Chức năng của các phần tử biến đổi quang-điện
BiÕn ®æi ¸nh s¸ng tíi PT(t) thµnh tÝn hiÖu hiÖn iT(t) cã d¹ng gièng
nh- tÝn hiÖu truyÒn dÉn ban ®Çu.
Qu¸ tr×nh nµy gäi lµ gi¶i ®iÒu biÕn quang hay gi¶i ®iÒu chÕ quang.
Trong qu¸ tr×nh biÕn ®æi nµy cã thÓ cã nhiÔu vµ mÐo tÝn hiÖu kÌm
theo
20
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
