w
Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA HÀ N Ộ I
KHOA C Ô N G NGHÊ

Nguyễn Như Thưởng

THIẾT KÊ VÀ XÂY D Ự NG BỘ DIÊU K H IỂN
HÊ TH Ố N G C A M E R A ĐA K Ê N H G H É P NỐI VỚI M Â Y TÍNH

Chuyên ngành :

KỸ THUẬT v ơ TUYỂN ĐIỆN TỬ
VÀ THƠNG TIN LIÊN LẠC

M ã sơ

:

2.07.00

LUẬN
VĂN THẠC
s ĩ KHOA HỌC
•
•
•

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Phạm Văn Hội
OAI

O U Ó -: ' - A

TRO?::'

\

v -u r /

HA N Õ !

!

ìHirv,'^ '

TỊ!ỌM

M

HÀ N Ộ I - 2002
4 ]


M ỤC LỤC
M Ở ĐẨU
CHƯƠNG I : TỔNG Q U A N VỀ HỆ TIỈỔNCỈ TIN Q U A N G ............................ ..5
1.1. M ộ t sô ưu đ iể m c ủ a k ỹ th u ậ t tr u y ề n dần q u a n g : .......................... 5
1.2. C ấ u tr ú c hệ th ố n g t h ô n g tin sợi q u a n g : ........................................... .. 5
1.3. C á c đ ặ c tín h tr u v ề n d ẫ n c ủ a sợi q u a n g : ........................................... . 9
1.3.1. Độ suy hao:.............................................................................................................9

a) Suy hao hấp th ụ:......................................................................................... . . 9
b) Suy hao do tán x ạ : ................................................................................... 10
c) Suy hao do bị uốn c o n g : ........................................................................ 10
d) Suy hao do hàn nối, lắp ghép sợi với thiết bị phát quang:.... 10
1.3.2. Độ tán sắc:.............................................................................................................II
a) Tán sắc m o d e .............................................................................................. I 1
b) Tán sắc bước s ó n g : .................................................................................. I I
CHƯƠNG 2: BỘ THU Q U A N G ................................................................................. 12
2 .1 . Sự h ấp th ụ ánh s á n g t r o n g c h ấ t bán d ầ n ........................................ 12
2.2 . Bộ tách s ó n g q u a n g d ầ n ............................................................................ 13
2 .3 . Hộ th u q u a n g p - i - n ....................................................................................... 16
2.4 . íỉộ thu q u a n g th á c (AIM) - A v a la n c h e P h o t o D e t e c t o r ) .......... 19
2 .5 . N h iè u và giới h ạ n đ o .................................................................................... 22
CHƯƠNG 3: B Ộ PIIÁT Q U A N G - L A S iR IM ODI'........................................... 27
3 .1 . C á u tr ú c c ủ a L a s e r ....................................................................................... 27
3 .2 . H iệ u s u ấ t lư ợ n g tử t r o n g và n g o à i ..................................................... 30
3 .3 . H iệu s u ấ t n ă n g lư ợ n g .................................................................................. 31
3 .4 . C á c tín h c h ấ t đ ộ n g c ủ a la s e r tiê m c h íc h ......................................... 32
3 .5 . Đ iề u c h ế biên đ ộ ............................................................................................ 34
3.5.1. Điều chế tíu hiệu lớn:.......................................................................................... .37
3.5.2. Điểu chế tín hiệu nhỏ:......................................................................................... .38
3 .6 . Ả nh h ư ởn g c ủ a n h iệ t d ộ tới l a s e r ........................................................ 39
3.6.1. Ánh hưởng cùa nhiệt độ tới dòng ngưỡng........................................................ .39
3.6.2. Ảnh hưỏìig của nhiệt độ tới tần số phát x ạ ....................................................... .40
CHƯƠNG 4: TĨIIẾT KẾ HỆ TIIỔNG Đ i ề u KIIlỂN T ổ HỢP CAMM IA... 42
4.1. ( ỉiớ i th iệ u hệ t h ô n g ....................................................................................... 42
4 .2 . M õ tá so bộ hệ t h ô n g đ iề u k h iê n c a m e r a ....................................... 44
4.2.1. Yêu cẩu của hệ thống......................................................................................... .44
4.2.2. Cổng Mối tiếp RS-232 và khn mẫu tín hiệu từ máy tính:............................... .44
4 .2 .2 .1 . Lý do sử dụng c ổ n g nối tiếp: ................................................. 44



MỎ ĐẦU
Từ xa xưa con người đã m ơ ước truyền được hình ánh và âm thanh
từ nơi này đến nơi khác. Sự tìm ra tính chất cách điệu cua s e le n d o nhà bác
học Tlm ỵ Đ iểu Berzlius năm 1817 và sự phát hiện ra lính chất nhạy sán g
cúa seien khống tháng 5 năm 1873 ch o thấy khả năng biến đổi ánh sáng
từ một hình ảnh thành tíu hiệu đ iện . Đ ến năm 1892, khi E lster và G eitel
c h ế tạo ra tế bào quang điện thì ứng dụng này mới được đưa vào sử dụng.
T hơng tin hình ánh là một lĩnh vực rất quan trọng, có đặc thù riên g, đang
được phát triển mạnh mẽ. T h ô n g tin hình ảnh được hiểu là quá trình phân
tích ảnh (tạo tín hiệu hình ảnh), g h i, xử lý, lưu, truyền - phát s ó n g , biểu
diễn và thu nhận hình anh (tố n g hợp hình ánh). Hình ánh là m ột dạn g
thơng tin đặc biệt, thích hợp đối với con người.
Khác với thông tin hữu tuyến và vô tuyến truyền th ôn g, th ông tin
quang truyền dẫn thông tin qua sợi quang: T hơng tin được biến đổi thành
tín hiệu ánh sá n g và truyền đi trong sợi thu ý tinh theo n g u y ên lý phán xạ
tồn phần. Như vậy, m ơi trường truyền dẫu của thịng tiu q u ang là sợi
quang và dạng tín hiệu truyền đi trong sợi là ánh sáng.
Hệ thống thông tin q u ang có một s ố ưu điểm s o với các hệ thống
thông tin sứ dụng cáp đ ổ n g c ổ điển CỈO sử dụng đặc tính của sợi qu ang,
linh kiện thu quang, phát quang.
Sợi cáp quang c ó các đặc điểm chù yếu sau:
- Suy hao thấp hơn hẳn so với cáp đ ồ n s c ổ điển
- Đ ộ rộng băng: Cáp q u a n g c ó thể truyển tái tín hiệu có tần s ố cao
hơn rất nhiều so với cáp đ ồn g.
- Đ ường kính sợi nhỏ, trọng lượng nhẹ.
- Đ ặc lính cách điệu: bởi vì thủy tinh k h ơng dần đ iệ n , do vạy cáp
sợi quang không chịu ánh hưởng của điện - lừ trường bèn n go à i, đặc tính
này có một ưu thế rất lớn trong một s ố các ứng dụng cụ thể.

- Tiết kiệm tài nguyên: Thạch anh là nguyên liệu c h ín h đê sán xuất
sợi quang, so với kim loại, nguồn n g u y ên liệu này dổi dào hơn. Hơn nữa,

L u ậ n văn (hạc sỹ k h o a học

Trang I


Đ ặ c thù cua hệ thống th ông tin quang là sứ dụng tín hiệu quang đế
truyền thơng liu. V iệ c phát minh và ứng đụng Laser làm nguồn quang đã
m ở ra một thời kỳ mới có ý ngh ĩa to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông till
quang sứ sụng dái tần số ánh sá n g . Đ ó là m ột nguồn sán g lý tưởng: Đơn
sắ c, c ô n g suất lớn, tính định hướng c a o, độ suy hao và tán sá c thấp... cho
phép tăng hiệu quá sử dụng, kh oả n g cách truyền dẫn và độ tin c ậ y ...
Hiện nay cáp q u a n s k h ô n g những được sử dụng trong th ơng till
quang sợi mà cịn đang được n g h iên cứu sử dụng rộng rãi trono c á c hệ
th ống điều khiển và xử lý tíu hiệu. Sử dụng cáp quang c ó ưu thế rõ rệt
trong việc tránh nhiễu do từ (rường, dung lượng truyền dẫn lớn vói lỗi
truyền thu nhỏ, bí mật thơng tin được bảo đám . cự ly truyền thu dài. an
toàn trong các môi trường dễ c h á y nổ và giám thiếu được s ố lượng các
thiết bị điện tử đi k èm , tăng tính ổn định của hệ thống. C ác hệ thống
truyền thu tín hiệu hình ảnh từ các cam era hiện nay đã được cáp quang
hóa để đâm báo chất lượng hình ảnh trêiì đường truyền dài tới trung tâm
xứ lý có ý nghĩa cá về mặt c ô n g nghệ và kinh tế.
Cụm cảng Hàng k h ô n g m iền Bắc là một doanh n gh iệp c ô n g ích hoạt
đ ộn g trong ngành Hàng k h ôn g dân dụng. Hiên tại, nhà ga hành khách
qu ốc tế TI do Cụm cảng là chủ đầu tư đã được đưa vào sử đ ụ n g , đày là
một nhà ga
Do đặc thù


hành khách lớn và hiện đại nhất trong khu vực Đ ô n g Nam Á.
của ngành Hàng k h ô n g dân dụng là m ột ngành kinh tế đặt độ

an toàn là yếu tố quyết định đầu tiên cho nên việc đám bảo an ninh, an

nhà ga hành khách luôn
nhân viên ngành hàng k h ơ n g đặt

tồn cho m ỗi chun bay và c h o toàn bộ khu vực
được lãnh đạo và tồn thể cán bộ c ơ n g
lên hàng đầu.

Hiện tại, nhà ga hành khách TI đang trang bị một hệ th ố n g g ồ m 130
cam era đặt tại tất cả khu vực trong và ngoài nhà ga. N ếu chi cần quan tâm
đến vấn đề

giám sát

an ninh và điều hành trong khu vực nhà ga thì với 130

cam era này hồn tồn có thể đáp
ninh và điều

hành.

ứng được

Vấn đề đật ra ừ đây chính là việc đưa c á c

hình ánh đó đến chỏ trực điều hành của bail

liên quan mà vị trí

c á c yêu cầu của lực

giám đốc

lượng an
thông till,

và các khu vực có

lại k h ơng nam trong khu vực ga như C ục Xuất nhập

Ỉ.mi/I văn (hạc .vỹ kh o a học

T ran g 3


canh - Bộ c ơ n g an có trung tâm đặt tại Hàng Bài - Hà Nội. Chính từ yêu
cầu này, bán luận văn xin được đưa ra giái pháp đối vứi hệ thống điều
khiến, truyền tín hiệu hình ảnh từ cam era sử dụng cáp quang để có thể đáp
ứng được c á c yêu cầu về k h o ả n g cách cũng như chất lượng hình ánh. giái
quyết được vấn đề điều khiển tồn bộ hệ thống một cách đơi) gián và chính
xác bằng phán m ềm lập trình c h o m áy tính.

L u ậ n văn thạc XV k h o a học

Trang 4



C h ư ơ n g I: T ó m ỉ q u a n vè hệ t h o n g tin q u a n g

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỂ HỆ THÔNG TIN QUANG
1.1. M Ộ T S Ổ ƯU Đ I Ể M C Ủ A KỸ T H U Ậ T T R U Y Ể N d a n Q U A N G :
So với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp kim loại, th ông tin cáp
quang có ưu điểm nổi trội hưu han, đó là:
•

Sợi quang Iihỏ và nhẹ hơn cáp kim loại (đường kính sợi quang
cỡ 0 . 125nm , nhỏ hơn rất nhiều so với cáp đ ồ n g ).

•

Sợi quang được c h ế tạo từ thuỷ tinh thạch anh là chất hồn
tồn cách điện nên k h ơ n g sợ chập m ạch, là m ôi trường trung
tính với ảnh hưởng của nước, axit, k iề m ... nên k h ơn g bi ăn
m ịn. N g a y cá khi lớp vỏ báo vệ bên ngồi bị hư hóng nhưng
sợi tliuỷ tinh cịn tốt thì vẫn đám báo truyền tin tốt.

•

Tíu hiệu truyền trong sợi quang k h ô n g bị ảnh hưởng của điện
từ trường bên ngồi nên có thể sử dụ ng cho các hệ thơng tin ớ
những nơi c ó nhiễu điện từ (rường mạnh nhu' trong c á c nhà
máy điện mà không cần ch e chắn ánh hưởng điện từ.

•

Ti êu hao nhỏ, k h ơ n g phụ thuộc tần s ố tín hiệu Irong dải tần

rộng cho phép truyền dẫn bâng rộng và tốc độ c a o so với cáp
kim loại với cù n g chi phí xây dựng m ạng.

•

Vì suy hao nhỏ nên cho phép đạt cự ly kh oá n g lặp lớn so với
cáp kim

loại.

Người ta tính tốn rằng nếu c h ế tạo được

I OO.OOOkm/nãm thì giá thành hệ truyền dẫn q u a n g chỉ bằng
1/10 g iá thành hệ truyền dãn kim loại với c ù n g m ột năng lực
truyền dẫn.
1.2. C Ấ U T R Ú C H Ệ T H Ố N G T H Ô N G T I N S Ợ I Q U A N G :
Từ năm I9 6 0 , laser được phát hiện đã m ở ra m ột ký n g u y ên mới
trong lĩnh vực thơng tin và I1Ĩ thực sự trở thành điểm m ố c 1ich sử của
ngành truyền thông. Đ ể truyền tin dưới dạng ánh sáng lan truyền trong
một sợi quang thì phải có hệ th ố n g truyền thơng quang học. C ũn g g iố n g

Ị.nạn văn thạc sỹ k h o a học

Trang 5


( ' h ư ơ n g ! : T ống (¡11(111 vê hệ th òn g tin t/nơnỉỉ
như các hệ thống khác, hệ thống này bao gồm một số các bộ phận riêng rẽ
g h ép với nhau theo một phương thức để chúng có thể thực hiệu được các
yêu cầu đặt ra cùa hệ thống. Vì vậy, để truyền tin chính xác và bí mật

bằng sợi quang thì các bộ phận trong hệ thống nhất thiết phải tương thích
sao cho hoạt động của mồi bộ phận lãng cường cho nhau chứ khơng làm
suy giám hoạt động của tồn hệ thống.
Hình I chi ra các bộ phận cơ bản của hệ thống truyền thông bằng
sợi quang (ch o cá tín hiệu s ố và tín hiệu tương tự). Thiết bị E/O bao gồm
một bộ mã hố thơng tin hoặc mạch định dạng tín hiệu, một bộ điều c h ế
hoặc m ột táng điều khiển điện tử đê điều khiển nguồn quang. Ánh sáng
phát ra từ nguồn quang được đưa vào cáp quang, cáp này được dùng làm
phương tiện truyền ánh sáng. Tại bộ thu, ánh sáng được biến đổi ngược lại
thành tín hiệu điện nhờ m ột bộ thu quang. Sau đó, tín hiệu điệu này được
khuếch đại trước khi giải mã hoặc giai điều c h ế thu c thụng tin ban
u.
elephonằ

Bú tô.Nn
Nrt 'itiaiKi
Mớv tinh(H Iiii

Televition
(T(nWiiiliới|

(TinhôA
(Tinhaftuã

(KnhiAuiMiO

Hỡnh i . Các bộ phận cơ bàn ( lia một hệ tlion í; thơn {ị tin soi I/IIIỊ
Đ ế các bộ phận này c ó thể kết hợp vói nhau một cách tốt nhất thành

hệ thống thông tin sợi quang thì cần phải xem xét sự ảnh hưởng của từng
bộ phận, rồi sau đó phải đánh giá hoạt động của tồn bộ hệ thống. Hơn
nữa, đê tối ưu hố hệ thống trong các ứng dụng thì cần phải biết đặc tính
của các linh kiện dê đảm bảo khơng làm ánh hương tới hoạt động của các
linh kiện khác. Trong hệ thống thơng tin quang, các linh kiện điện tử đóng
một vai trò quan trọng, tuỳ theo các bộ phận quang được sử dụng, nhà

l.itặn vân thạc sỹ kh oa học

Tr an g 6


Ch ư ơn g I : T ổn g quan về hệ th áng Íi/I quang
thiết k ế hệ thống có thê lựa chọn thêm các bộ phận đê cải tiến hoạt động
của hệ thống.
Bộ phát và bộ tlui quang đóng vai trị rất quan trọng trong hệ thống
thơng tiu quang.
* Bộ phát q u an g:
Bộ phát có nhiệm vụ chuyên đổi tín hiệu đầu vào thành tín hiệu
quang tương dirons và đưa vào lõi sợi quang làm thành một kênh truyền
thơng. Thành phần chính của bộ phát là một nguồn quang. Nguốn quang
trong bộ phát phái thoả mãn những yêu cầu kỹ thuật:
- Bước sóng của ánh sáng phát ra: Vì độ suy hao của ánh sáng
truyền dẫn trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, thấp nhất ở
3 cửa sổ 850nm , I300nm , 1550nm. Do đó nguồn quang nên phát ánh sáng
có bước sóng phù hợp với 3 cứa sổ này.
- Công suất phát: Cự ly thông tin được quyết định bởi cô n g suất
quang đưa vào đầu sợi. Do đó nguồn quang phải có cơng suất càng lớn
càng tốt.
- Đ ộ rộng phổ: Ánh sáng của các nguồn quang phát ra thực tế khơng

đơn sắc mà gồm một dải bước sóng xác định. Khống này càng rộng thì độ
lán sắc vật liệu càng lớn và do đó, làm hạn c h ế dai Ihơng của tuyến truyền
dẫn quang vì vậy độ rộng phổ của nguồn quang càng hẹp càng tốt.
- Góc phát ánh sáng: Nhu' đã biết đường kính lõi sợi quang rất nhỏ
(vài đến vài chục ụm ) nên nếu kích tlurớc nguồn quang lớn và g ó c phát
quang rộng thì rất khó đưa ánh sáng vào sợi với hiệu suất cao. Mặt khác,
điếu kiện phản xạ toàn phần cũng giới hạn góc tới của ánh sáng vào đầu
sợi quang đế ánh sáng có thể truyền đi trong sợi. Do đó, nguồn quang phải
có vùng phát sáng và góc phát sáng càng hẹp càng tốt.
- Thời gian đáp ứng: Đ ể có thể răng dung lượng đường truyền
(truyền till hiệu số đi với tốc độ bít cao) thì thời gian chuyển trạng thái
của nguồn quang phải nhỏ.
- Độ

011

định: Công suất quang của các nguồn quang thực lế phụ

thuộc vào nhiệt độ môi trường làm việc, vào thời gian sử dụng và đôi khi

Luận ván thạc .vỹ khoa hoc

Trang 7


Ch ươn ự / : Tốn Q quan về hệ tho ng (in quan g
CÒI)

phụ I h LI ộc vào cường độ ánh sáng xung quanh. Đê đám báo độ trung

tliực cua thông tiu, công suất của nguồn quang càng ổn định càng tốt.
- Ngoài ra nguồn quang phái bều và có

đ ơ n

giá thấp.

Nguồn quang thơng thường là diode bán dẫn hoạt đ ộn g trên nguyên
lý biến đối quang điện: LED (Li^ht Emitting D iode), LD (Laser Diode)
với những ưu điểm nổi bât sẵn có như kích thước nhỏ, độ tin cày cao...
Tuv nhiêu ánh sáng LED ít được sử dụng trong thơng tiu quang vì những
nhược điểm: Kém đơn sắc, có pha ngẫu nhiên, cơng suất phát nhỏ, độ rộng
phố IỚI1. Ánh sáng laser ưu việt ho'11 hẳn ở tính định hướng phát xạ, độ đơn
sắc cao, cơng suất phát lớn. Do đó, đối với các hệ thõng tin quans, thực
tiễu, các nguồn phát laser chú yếu là laser bán dẫn.
* Hộ thu quang:
Bộ thu quang có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang sang tín hiệu
điện, khỏi phục lại dạng tín hiệu đã truyền đi. Thành phần chính của I1Ĩ là
một photodiode với u cầu kỹ thuật tương thích với nguồn quang. Đ ó là:
- Nhạv với bước sóng của 3 cửa sổ 850nm , 1300m n, I550nm vì ở đó
ánh sáng phát ra có độ suy hao thấp.
- Đáp ứng nhanh để có thể làm việc với những hệ thống tốc độ cao.
- Dòng tối nhó (dịng dị chạy qua khi chưa có ánh sáng chiếu vào).
- Tạp âm càng thấp càng tốt, đảm báo tỉ số tín hiệu/tạp âm
(BER< lí)-*’).
- Độ

tin cậy

cao, giá thành rẻ.

I.IIỘII văn thạc sỹ khoa học

Tr an g 8


C h ư ơ n g I : T ohịị q u a n vé hệ t h o n g tin q u a n g
1.3. C Á C Đ Ặ C T Í N H T R U Y Ề N D A N c ủ a s ợ i Q U A N G :
Ánh sáng truyền đi trong sợi quang sẽ bị su y hao và táu sắc làm
giảm chất lượng đường truyền.
1.3.1. f) ộ su v hao:
Đ ộ suy hao ánh hưởng trực tiếp đến tốc độ truyền dẫn và kh oáng
cách trạm lặp của hệ thông tin quang. X ác định độ suy hao để xác định
c ô n g suất lan truyền trong sợi nếu suy hao IIhị thì k h o ả n g cá ch truyền dẫn
sẽ được tăng lên.
Đ ộ suy hao của sợi quang được tính bằng c ơ n g thức:
A(cỉB) = 10 l o g

(1)

Trong đó:
P| = P (0) là c ô n g suất đưa vào sợi
p> = P(L) là c ô n g suất ra ỏ' cuối sợi quang dài L
Hệ số suy hao trung bình trên lkm :

a(c/B/km) = ^ D _
L(km)

(2)

N gu yên nhân gây ra su y hao có thè chia làm 2 loại:
* Suy hao thuần tuý sợi quang
* Suy hao phụ do lắp đặt và vận hành hệ thống.

a) Suy han hấp thụ:
Trong tluiỷ tinh làm sợi quang có một s ố tạp chất như Te, Mu, Cu,
Co, Ni. Đ ây là các nguồn hấp thụ năng lượng ánh sá n g với mức độ khác
nhau tuỳ từng loại, từng nồn g độ và phụ thuộc vào bước s ó n g truyền qua
nó.
Sự có mặt củ a các ion O H - trong sợi quang (do độ ẩm g â y ra) cũ n g
gây suy hao hấp thụ đán g kể. N g a y c á khi thuỷ tinh tinh k h iết và thực sự
được ch ố n g ẩm thì sợi quang vẫn có hấp thụ xày ra trong vùn g cực tím và
hổng; ngoại. Sự hấp thụ trong vùn g hồn g ngoại gâ y trứ ngại cho v iệc sử
dụng các bước s ó n g dài.

L u ậ n vân thạc S'Ỹ k h o a học

Trang 9


C h ư ơ n g I : T o n ự q u a n vé hệ Ihó/Iự tin quaníỊ
Ta thấy rang 3 vùng có bước s ó n g suy hao Ihấp, gọi là 3 cứa số. Đ ó

là:
Cứa sổ 8 5 0 m n : Có suy hao thấp nhất đối vói những sợi quang c h ế
tạo trong giai đoạn đầu (cỡ 2 -3 d B /k m ) nhưng với k ỹ thuật hiện Iiay suy
hao đó chưa phái là thấp nhất.
Cửa sổ 1 3 0 0 n m ; Có su y hao 0 ,4 - 0,5 dB/km , đặc biệt khi đó độ tán
sác là rất thấp nên bước s ó n g này được sử dụ ng khá rộng rãi.
Của sổ 1 5 5 0 n m : Có su y hao c ỡ 0 ,2 dB/km , thấp hơn cửa số 1300nm

nhưng độ tán sắc lại cao hơn.

b) Suy han do tán xạ:
Tán xạ R a yleig h : só n g điện từ trong m ôi trường điện môi k h ơng
đồng nhất (c ỡ 1/10 bước s ó n g ) xá y ra hiện tượng tán xạ ánh sáng: Các tia
sáng đi tới sẽ toá ra nhiều hướng, một phần tiếp tục truyền theo hướng cũ,
một phần truyền theo cá c hướng khác, thậm c h í ngược lại hướng cũ.

c) Suy hao do bị uốn cong:
- Vi uốn cong: khi sợi quang bị chèn ép (trong quá trình đưa vào vỏ
đệm ) sẽ tạo lên những chỗ uốn c o n g đù rất nhỏ (vào khoảng vài |jm ) cũng
g ây nên xáo trộn phân b ố trường dẫu đến phát xạ năng lượng ra khỏi lõi.
- U ốn cong: Khi c h ế tạo và lắp đật, sợi quang k h ôn g tránh khỏi
những chỗ bị uốn c o n g . Báĩi kính UỐI1 cotig cà n g nhỏ thì s u y hao càng
tăng. Các nhà sán xuất đề ra g iá trị bán kính uốn c o n g tối đa c ữ 4 0 m m thì
suy hao mới k h ông đáng kể.

(!) Suy hao do hàn nối, lắp ghép sợi với thiết bị phát quang:
Vì đường kính cua sợi q u ang là rất nhỏ nên khi hàn nối hoặc ghép
Mối với các linh kiệu thu phát q u an g chíínơ k h ơ n g hồn toàn đ ồ n g trục với
nhau, chún g k h ơng được gắn với nhau hồn tồn và đ ồ n g nhất liên một
phần ánh sá n e bị lọt ra ngoài g â y su y hao.

¡yiiận văn th ạc sỹ k h o a hoc

T r a n g 10


Ch ư ơn g I : Tổn ự (¡non về hệ IhoníỊ tin q u ang
1.3.2. Đ ộ tán sác:

tì) Tán sắc mode.
Trong các sợi quang đa mode, tốc độ lan truyền cúa các mode là
khác nhau. Đày là nguyên nhân gây liên hiện tượng méo xung. Hiện tượng
này gọi là tán sắc mode, nó làm khống cách giữa các xung ngắn hơn so
với lúc truyền. Trong các sợi quang đa mode đày là nguyên nhàn chính
làm cho độ rộng băng truyền bị giới hạn.

b) Tán sắc bước sóng:
Trong mơi trường đồng nhất, chiết suất khúc xạ của môi trường biến
đổi theo bưóc sóng, khi đó tốc độ truyền dẫn cũng biến đối theo bước
sóng. Đ ầy là một yếu tố giới hạn độ rộng băng truyền g iố n g như trong tán
sắc mode và I1Ó được gọi là tán sắc vật liệu.
Khi chiết suất khúc xạ giữa lớp lõi và lớp vỏ của sợi quang khác
nhau chút ít thì hiện tượng phản xạ tồn phần tại bề mặt biên khơng hồn
tồn giố n g như hiện tượng phan xạ tồn phần trên mật gương mà có thêm
thành phần thẩm thấu ánh sáng qua lớp vỏ. Mức độ thẩm thấu này cũng
biến đổi theo bước sóng, độ dài của đường truyền thay đổi (heo bước sóng.
Hiện tượng này được gọi là tán sắc cấu trúc. Tán sắc vật liệu và tán sắc
cấu trúc được gọi chung là tán sắc bước sóng.
Nói chung, độ lớn

của tán

sắc mode »

tán sắc vật liệu > tán sắc

cấu trúc. Bởi vậy, trong

hầu hết

các trường hợp sợi quang đa m od e, độ

rộng băng truyền bị giới

hạn hầu

như chi do nguyên nhân tán sắc m ode,

táu sắc bước sóng chỉ có

một g iá

trị rất nhỏ. Trong sợi đơn m ode thì tán

sác bước sóng là chủ yếu khi đó ta phái chọn những bước só n g sao cho ánh
hưởng của tán sắc vật liệu là nhỏ Iìhất.

I.UIỊÌI vùn tliạc sỹ khoa hoc

Trang I I


ChươniỊ 2: Bó thu quatiíỊ

CHƯƠNG 2
BỘ THU QUANG
2.1. S ự H Ấ P T H Ụ Ả N H S Á N G T R O N G C H Ấ T B Ả N D A N .
Khi ánh sáng chiếu vào một chất bán dầu,

11ó

có thè giái phóng điện

tử ở vùng hố trị và chuyển điện tử đó đến vùng dẫn. Quá trinh này được
gọi là sự hấp thụ photon. Muốn chuyển một điệu tử từ vùng hoá trị đầy lên
vùng dẫn cịn trống thì năng lượng của photon cung cấp cho điệu tử tối
thiểu cũng phải báng độ rộng vùng cấm chất báu dẫn.
Đối với các chất bán dẫn có sự chuyển dịch trực tiếp, hệ số hấp thụ
như sau:
u Ợ ì(ủ ) =

2nrcmịen ĨKO

(3)

Trong đó:
111,*

là khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống ( m / = khối

lượng cua điệu tử - khối lượng của lỗ trống).
II, là chỉ sỏ khúc xạ. ỉì(0 là năng lượng photon.
E,, là độ rộng vùng cấm.
p0 là xung lượng nguyên tố cho phép sự dịch chuyển xảy ra.
Đ ối với các chất bán dẫn chuyển dịch (rực tiếp, khi các giá trị hằng
s ố khác nhau được gán vào phương trình 3 thì hệ s ố hấp thụ trở thành:

(4)

Sự sinh ra cặp điện từ -lỗ trống

11hờ

sự dịch chuyển của điệu tử từ

vùng này đến vùng khác (có nghĩa là một điện tử được chuyển từ vùng hóa
trị đến vùng dẫn) không phái là cách duy nhất đê phát hiện photon. Trong
các bộ thu “ pha tạp”, một chất bán dẫn được kích hoạt bằng một chất pha
tạp đặc biệt. Các bộ thu “ pha tạp” tạo ra một loại bộ thu quan trọng cỉìing
trong việc phát hiện các bức xạ có bước són g đài. Các bộ thu “ pha lọp” có
thế hoạt độim với bước sóng nhỏ hưu 120j.tm ờ nhiệt độ thấp b a n s cách sử

l.tiận văn thạc sỹ khoa học

Trang 12


Chư ơng 2: Họ íliu qua ng
dụng các châì pha tạp trong Ge hoặc Si. Hệ sô hấp thụ đối với sự hấp thụ
pha tạp dù sao cũng khá nhỏ (~ 1 0 c m '1).
Khi ánh sáng chiếu vào một chất bán dẫu và sinh ra các cặp điện tử
- lồ trống, hoạt động của bộ thu phụ thuộc vào việc thu nhận các phần tử
tái điện này, vì vậy phụ thuộc vào sự thay đối độ dẫn điện cùa vật liệu
hỗc sinh ra một tín hiệu điện thế. Nếu khơng có điên trường hoặc
gradient hút, các điện tử - lỗ trống sẽ tái hợp với nhau và không sinh ra
được tín hiệu. Một đặc tính quan trọng đặc trưng bởi độ nhạy cua nó, tạo
ra liịng điện bởi một cơng suất tín hiệu quang nào đó. Rph được định nghĩa
như sau:

Pop
Trong đó,

¡1

Pop

(5)

là dịng quang điện được tạo ra trong thiết bị có diện

tích A, J ! là mật độ dịng photon, Popc ơn g suất tín hiệu quang.
Đê thu được các cặp điệu tứ - lổ trống sinh ra cần phai có điện
trường. Điệu tnrờng này có thể được tạo ra bằng cách sứ dụng lớp tiếp xúc
cùa chất hán dẫn hoặc sử dụng một diode p-n. Phương pháp đấu cho ta bộ
thu quang dẫn, trong đó các cặp điện tử - lổ trống làm thay đổi độ dẫn của
chất bán dẫn. Diode p-n (hay p-i-n) được sứ dụng rộng rãi như một bộ thu
và khai thác điện trường tiếp xúc ở lớp tiếp giáp có

SỪ

dụng sự phân cực

ngược để thu điện tử và lỗ trống.
Đ ộ nhạy của bộ thu phụ thuộc nhiều vào bước sóng của photon. Nếu
bước sóng của photon lớn hơn bước sóng giới hạn trên thì sẽ khơng có sự
hấp thụ photon và dịng quang điện sẽ khơng được sinh ra. Khi bước só n g
nhị hơn X, thì năng lượng photon sẽ lớn hơn năns lượng vùng cấm và năng
lượng thừa sẽ được toả ra dưới dạng nhiệt. Vì vậy, mặc dù năng lượng
photon có lớn hơn năng lượng vùng cấm, thì vẫn chì tạo ra cùng một số

cập điện tứ - lỗ trống, khi đó, độ Iihạy bắt đầu giảm.
Ngồi các diode ra, các transistor cũng cỏ thể được dùng để phát
hiện các till hiệu quang. Các transistor quang được sử dụng rộng rãi trong
công nghệ quang điện tứ. Các transistor quang có hệ s ố khuếch đại cao
nhờ hệ số khuếch đại của transistor.
2.2. BỘ T Á C H S Ó N G Q U A N G D Â N .

ỈAHỊII văn thạc .vỹ khoa học

Trail”
o 13


Ch ươn g 2: Họ Ihu qua ng
Bộ tách sóng quang dẫn là một trong Iiliữnạ bộ thu đơn giản nhất,
khi ánh sáng có bước sóng thích hợp chiếu vào chất hán dẫn, thì các cặp
điện tử- lỗ trống được hình thành và bị hút bởi điện trường, làm thay đối
độ dẫn điện của vật liệu. Trường điện từ sẽ làm dịch chuyển các điệu lử và
lỗ trống theo hai hướng ngược nhau và tạo ra dòng điện. Các hạt tái giữ
nguyên trong hệ thống cho đến khi chúng tái hợp hoặc bị thu nhận tại tiếp
điếm. Hãy xem xét trường hợp sau: nếu ta có một càu trúc

11-i-n

có tốc

độ

lái hợp là R ưh, tốc độ này bằng tốc độ phát quang:
Re h - — - Gị

(6 )
ơ đây

Tp

là thời gian tái hợp của các hạt táithừa. Giá sử rằng chúng

ta có một thiết bị loại n được kích thích mà ỏ' đó các điện tử chi phối

độ

dẫu. Nếu khơng có ánh sáng chiếu vào thì độ dẫn điện là:

Ơ0 =e(í-inn0+HpP0)

(7)

ơ đây n(),p(i là mật độ điện tử và lỗ trống khi chưa có ánh sáng chiếu
vào.
Nếu tín hiệu quang sinh ra mật độ các hạt tải ỗn=ơp, thì độ dẫn là:
ơ = e [ j . i n( n 0+ 5 n ) + n p( p 0+ 8 p ) ]

(8 )

Mật độ các hạt tai dư ở đây là:
Ơ n= 5p= G ,T p

(9 )

trong đó Gị là tốc độ sinh ra các cập điện tử- lỗ trống. Sự thay đổi

độ dán điện của các chất dưới tác dụng của tíu hiệu quang gọi là suất
quang dẫn và được tính bằng cơng thức (6).

A
ơ=eổf)(/jn
(10)
Nếu tác dụng một trường điện từ E thì mật độ cỉịng là:
,J = ( . / , + . / , ) = (cr0 + A ơ ) / ì

(11)
0

đày J,| là mật độ dòng tối cứa bộ thu khi chưa chiếu sáng. Vì vậy

dịng quang điện là:
I| =J|..A = p(jLin + fip)AE = eCi,

Ì.uậiì vú 11 thạc .vỹ k hoa hục

T p(Mn

+ Mp)AE

( I 2)

T r a ng 14


C h ư tm q 2: lỉộ thu í/ 11(111 ự
jll,,E

và j.ipE tượng trưng c ho tốc độ cùa điận tử và lỗ tr ố n g và cổ (hể

k h ơ n g tăng tuyến tính với cư ờn g độ điện trường. 0 điện (rường c ao , n nE và
HpE là các vận tốc bão hoà k h ô n g phụ t huộc vào trường. Thời gian dịch
c h u y ể n các điệu lử trong thiết bị được định nghĩa như sau:

L
(13)

Hình 2.
(diện tícli A.
(b) Mộl loại mạch tlìiêH úp của detector (ỊttaiHỊ. Ánli xán ự iỊắỵ ra sự
thay đổi trong điện trở của chất </na/it> dần. Tụ chắn c có thể được sử
(lung nến chỉ có tín hiệu AC được thu.

Thay ị.inE= — . Dòng quang điện trở thành:

I, - eG,

1+ tỈJL AL
(14)

Đây là dòng quang điện được sinh ra trong mạch, chúng ta có thể
tính dịng quang điện sơ cấp như sau:
l , , = eG ,.A L

(15)

Đây là dòi)ơ quang điện mà mồi cặp điện tử- lỗ trống chi đóng góp
vai trị cua I1Ĩ một lần (tức là khơng có sự khuếch đại trong thiết bị),
nhưng thực tế thì khơng phái như vậy. Hệ s ố khuếch đại của bộ thu quang
dẫn bây giờ là:

L uậ n văn (hạc .vỹ khoa liọc

T r a ng 15


C hư ơ ng 2: ỉiọ thu quang

G,,h

L

ÍL.
■
u» )

(16)

Hệ sơ khuếch đại trong thiết bị tăng lên bởi điện tử chạy quanh
mạch một vài vòng trước khi kết hợp với lỗ trống. Mỗi vịng điện tử chạy
quang mạch nó sẽ cung cấp một dòng điện như được minh hoạ trên hình 3.

l'holüii s 1 111) ra c ậ p iliụn tử
lỏ t r ố n g ;

1=

D iện lir hi Ihu Ihâp I.II liếp
(liếm Irirớc kill lỏ tríing có
lliổ bị ha'p 111 ụ

t = I« + (|

MỘI (liọn lừ (lược plum 111 lừ
liếp <1lõm kh á c lie (lu y tri
ilìệ n I It'll I ru 11g hồ;
I = to + 11 + íỉt

Hình 3. Gián đổ chi ra cách tạo hệ sô kliuếch đại trong detector n-i-n
nhờ vài "sự dịch chuyển vồng trịn" một diệu tử có thể tạo ra trước khi
tái hợp với lổ trấnq tại tiếp điểm lioặc troniỊ miền i chất bán dẫn.
Nếu Tị, lớn và tIr nhỏ thì Gph lớn. Với các thiết bị làm bằng Si (có Tị>
rất lớn) thì hệ số khuếch đại có thể đạt được lớn hơn 1000. Tuy nhiên, hệ
s ố khuếch đại cũng có thê bị Ihay đổi khi lốc đô thay đổi, do tốc độ được
điểu khiến bởi T|. chứ khơng phải tlr. Vì vậy, độ khuếch đại trong băng tần
là một hằng số. Bêu cạnh ưu điểm là bộ thu quang dẫn có thể tạo ra một hệ
số khuếch đại lớn, thì nó CỊI1 có nhược điểm là dịng nhiều trong bộ thu
khi chưa có ánh sáng chiếu vào.
2.3. BỘ T H U Q U A N G P -I-N .
Một kiêu hoạt động quan trọng của diode p-n (hoặc p-i-u) dưới tác
dụng của ánh sáng là khi diode được mắc ngược.
Vì thiết bị hoạt động ớ c h ế độ phân cực ngược nên dòng diode trong
vùng tối là I„ không phụ thuộc vào điện áp đặt trên diode. D ịng quang

ÌAiặìì văn thạc sỹ khoa học

T r a n g 16


C hư ơ ng 2: li ọ íliu (Ị 11(1IIÍỊ
điện I, chủ yếu phụ thuộc vào các phần tử tái điện sinh ra ở vùng nghèo
(vùng i). Diode được mắc ngược nên toàn bộ vùng i trở thành vùng nghèo
và có trường điện rất mạnh. Phái) ứng của thiết bị rất nhanh vì dịng quang
điện sơ cấp phụ thuộc vào dòng quang điện sinh ra bới trường điện rất
mạnh này. Dịng quang điện cực đại có thể thu được là (giá sử rằng vùng
không pha tạp lớn hơn độ dài khuếch tán cua e và lỗ trống):
IỊ = e/iịcỈỊ (x)dx

•

(17)

0 đây w là độ rộng của vùng nghèo. Trong phần này chúng ta sẽ
tính đến hiện tượng là: khi các photon xâm nhập vào vật chất thì mật độ
ciĩa nó sẽ giảm do sự hấp thụ. Tốc độ sinh ra các phần lử tải điện ở điểm X
nhận được từ phương trình 17 là:
G L(x)=a<Ị>0( 0 ) e x p ( - a x )

(18)

Trong đó, <ị)o(0) là d ịn ° photon tại điểm x=0 (s ố ph oton/cm 2 trong I
see). Từ phương trình 34 ta tính được dịng photon:
I, = e A ệ o( 0 ) [ 1- e x p ( - a W ) ]

( 19)

Nếu R là độ phản xạ của bề mặt thì 1-R là phần photon bị hấp thụ
trong thiết bị, đòng photon là:
I, = e A ộ o( 0 ) ( I - R ) [ I - e x p ( - a W ) ]

(20)

Hiệu suất của bộ thu tỷ lệ giữa mậl độ dòng quang điện và dòng tối
là:
n

dct=

I,

1 - r =(l-R )[l-exp(-a\V )]

eAcpo(O)

Muốn có hiệu suất cao thì R phải nhỏ và

(21 )

vv phải dài. Nhưng nếu w

quá dài thì thời gian dịch chuyển của điện tử để điều khiển tốc độ của thiết
bị lớn VÌ1 làm giảm tốc độ của thiết bị. Các thiết bị tốc độ cao có

w cỡ <

I |,im và có thể hoạt động ở tốc độ trên 10 GHz.

ỉ.uận vân tliạc sỹ klioa học

T r a n g 17


Ch ươn {Ị 2: liọ thu (¡nang
v„

w

o

Các hạt lái được Ihu thập lư
miền nghèo

ho / V X A -

hm 'V X A * - 0

Hình 4. Sơ đồ dái nàiìí’ lượng và mặt cắt cấu trúc của bộ thu p-i-n.
Các phần tử tái điện sinh ra ở vùn1>Hiịhèo dược hấp thụ và tạo nên
(JỎIII> diện.
Khi đã chọn x o n g vật liệu, vấn đề quan trọng trong thiết kế thiết bị
là:
a) Làm giảm độ phán xạ trên bề mặt: điểu này thường được xử lv
bằng phương pháp phủ lớp ch ố n g phản xạ, cách này có thể làm giảm độ
liêu hao do phán xạ có khi lừ 40% x u ố n g còn 2-3%.
b) Làm tăng sự hấp thụ ở vùng nghèo: để hiệu suất của bộ thu cao
thì sự hấp thụ ở vùng suy giám phải cà n g lớn càng tốt. Tuy nhiên, việc

tàng độ rộng của vùng suy giám k h ông phải lúc nào cũng tốt cho tốc độ.
Người ta thường sử dụng các g ư ơ n g kim loại để tăng độ dài tương tác
quang học của thiết bị bằng cách bắt các chùm sáng phản xạ nhiều lần
trong thiết bị.
c) Giám sự tái hợp của cá c hạt tá i: để tăng hiệu suất của thiết bị thì
cần phải giảm sự tái hợp các hạt tải ở vùng nghèo xuốn g càng nhó càng
lốt. Đ ê làm được điều này cần phái sử dụng vật liệu có độ tinh khiết cao
nhằm loại bỏ cá c tâm tái hợp.
cl) Giám thời gian dịch chuyến: Đ é có tốc độ cao, thời gian dịch
chuyến phái là tối thiểu điều đó có nghĩa là vùng nghèo càng hẹp càng tốt.

ỉ.nặn văn thạc sỹ k h o a học

Tr a n g I 8


C hư ơn g 2: liọ lim quang
Ngoài ra, đáp ứng thời gian được điều khiển bằng các thông s ố của
mạch. Giả sử lối ra của diode được đưa vào bộ khuếch đại. Đ iện dung của
diode trong trường hợp phân cực ngược là:

trong đó,

w là độ rộng vùng nghèo của thiết bị; A là diện tích của

diode. Diode có điện trở R s và độ dẫn G D. Đ ể có đáp ứng tầu s ố cao thì
điện dung và điện trở phải là tối thiếu, điều đó có nghĩa là phái giảm diện
lích A, vì nếu

w tăng quá nhiều thì sẽ bị hạn c h ế về hiệu ứng thời gian

dịch chuyển.
Nếu điện dung và điện trở là tối ưu thì thời gian dịch chuyến được
điểu khiển bời độ rộng của vùng nghèo và vận tốc bão hồ, và được tính
bằng cơng thức:

w

(23)
Vì vậy muốn cỏ tần số cao thì độ rộng vùng nghèo phải hẹp.
2.4. B Ộ T H U Q U A N G T H Á C ( A P D - A V A L A N C H E
PHOTODETECTOR)
N goài bộ thu p -i- 11, một loại bộ thu quan trọng sử dụng sự tác động
của q trình ion hố hoặc q trình thác lũ đế có được thiết bị có hệ số
khuếch đại cao. Trong khi ở bộ thu p-i-n hệ sỏ khuếch đại hầu như bằng
một thì ở bộ thu APD có hệ số khuếch đại rất lớn.
Q trình thác lũ là quá trình một điện từ hoặc lỗ trống có năng
lượng cao tạo liên một cặp điện tử- lỗ trống. Thường thì quá trình này xuất
hiện ở điện trường cao hạn c h ế đặc tính của các thiết bị, nhưng trong các
APD thì

11Ĩ được

dùng để nhân các phẩn tử tải điện sinh ra bởi một photon.

Đế tạo ra quá trình thác lũ thì điện tử g ố c phải có năng lượng lớn
hơn

Iiăug lượng cùa độ rộng vùng cấm do cá hai định luật bảo toàn năng

lượng và động lượng. Hệ s ố ion hoá đối với điện tử- lỗ trống được biểu thị
bằng a mip và P„,,p.

ì.nan vãn thạc sỹ khoa học

Tra ng 19


C hư ơ ng 2: fíộ thu (Ịnang
Chính nhờ có sự nhân các phần tứ tai điệu lên mà APD có
khuếch đại rất cao và vì vây nó được sứ dụng rộng rãi trong các

hệ

hệ

sô

Ihống

thông tin quang. Tuy nhiên, do quá trình nhân là ngẫu nhiêu nên thiết bị
tirơng đối

nhiễu.

Đ ộ nhiễu phụ

thuộc

vào hệ số

nhân các

phần từ lái điện

và tý số a imp/(3jtnp. Một số hệ thống vật liệu bao gồm Ge, Si và rất nhiều
hợp chất bán dẫn III-V được sử dụng trong các bộ

thu quang.

0 phần tiếp

theo chúng ta sẽ tháo luận về một s ố vấn đề thiết k ế đối với các APD.
C á c giái ph áp th iết k ế A P I).
Cũng Iilur trong bộ thu p-i-n, vấn đề đầu tiên đối với việc thiết kế
A PD là vùng nghèo phải đù dày đế cho phép hấp thụ tín hiệu quang. Vùng
này phái có độ dày ~l/cc (tưo) và nằm trong khống I

(.1111

đối với chất báu

dẫn dịch chuyển trực tiếp đến vài chục Ị.un đối với các vật liệu dịch
chuyên gián tiếp.

Giữa vùng thác lũ và vùng hấp thụ nói chung ln giữ

một khoảng cách (đặc biệt nếu độ dày vùng hấp thụ > l ụ m ) , bởi vì. việc
duy trì một điện trường cao không đổi qua vùng rộng là rất khó. Trường
điệu từ chủ yếu có giá trị > l(F V /c m được sử dụng cho quá trình thác lũ.

Nếu trường này khơng đồng nhất thì dao động điện tích cục bộ có thế khó
điều khiển và dự đoán đầu ra.
Một cấu trúc quan trọng của APD là cấu trúc “vươn qua” (reach
through). Người ta thiết kế như vậy đê điện trường ở vùng hấp thụ đủ lớn
làm tất cả các phần tử tải điện dịch chuyển với vận tốc bão hoà (v s(h) và
vs(e)). Ca điện tử hoặc lỗ trống đều có thè được chọn để thâm nhập vào
vùng thác lũ. Quá trình thác lũ được bắt đầu bằng việc một phần tử tái
điện có hằng số

ÍOI)

hố do va chạm cao để tối ưu hoá đáp ứng thời gian

của thiết bị.
Trong APD, hê số khuếch đai dòng khơng chi phu thuộc nhiều vào
thiên áp đặt lên nó mà cịn phụ thuộc nhiều vào dao động nhiệt. Vì vậy,

L uận vãn thạc s V khoa học

Tr an g 2 0


Ch ư ơn g 2: lì ọ (hu qu ang
việc hạ thấp nhiệt độ xuống là rất quan trọng đối với các thiết bị này.
Photons

Oxide
rt-type
guard
ring

Hình 5 .
((I)) Mặt cắt của APD chỉ rõ VÍIIIÌỊ hố trị vùng hấp thụ. Tro/IÍỊ CÚII trúc
Iiày, rúc điện tử sẽ lù yếu tô iịúy ra sư mở đầu cho quá trìnli nhân.
(c) Đồ tliị cườnẹ độ điện tnỉờniỊ ( lía APD. Điện trurìiìíỊ mạnh ở lớp
tiếp ỳáp II*p sẽ (Ị(ĩy rư (¡UÚ ti ìnli tliác lít.

Luận văn /liạc sỹ k hoa học

Trans 2 1


C hư ơ ng 2: Họ thu quang
h
p ' InG oA s

Lớp cá ch

ly

p ’ In p
I

n InP '

4

11 I n G u A s

II

vung th ác

vung

}

I n 0 14G a M ( A s

lũ

G raded

L ớ p h ố p th u á n h

sá n g 1.5y^irn

v ủ n g đ ổ n* In P
tiép x á c

Hình 6. Sơ đồ mặt cắt did diode thúc lũ ỉiiGaAsllnP. Quá trình thác 111
xuất liiện tại lớp tiếp giáp InH khi sự lp thụ xuất lìiện ỉroiiiỊ vùng
hĩGaAs

2.5. N H I Ề U VÀ G IỚ I H Ạ N Đ O .
Để đánh giá chất lượng của các bộ thu quang thì ta phải phát triển
các bộ đánh giá các 1hơng s ố của bộ thu. Thịng s ố quan trọng nhất của bộ
thu là thông số của nguồn bức xạ yếu nhất I1Ĩ có thể thu được.
I = D ò n g tr u n g binh, a = D ò n g d iè n ti c h t r u n g binh

0 ->
N

0 *
0 *

■©*

ọ *

p

(a)
t
P{N At)

(c)

________________________________ ^
Th ời g i a n

-----►

Hình 7.

ịu) Các diện tử tro n ch ấ t bán dần chuyển động một cách IIIỊÍỈH nhiêu
tlieo một liàm phân phối nhất dinli;

L u ậ n văn thạc sỹ khoa học

T r a n 5 22


Ch ư ơn g 2: ỉiộ Hui ¡¡nang

(h) Xác suât fini N điện tử di qua diện tích A tì oui’ khoang thịi [>¡<111 pt.
Dịiìíị hạt trung hình là a, \>¡á trị trniìíị bình día hạt le) N —a pt;
(c) Sơ (lồ của (lịm> điện trong thiết bị. Thơng ké sự biên đối kct trong nhií'II trong dịm; điện.
Tín hiệu quang phái phát ra một dịng tín hiệu lớn hơn nhiễu cua
thiết bị. Các điệu tử tạo ra dòng trong thiết bị là các hạt rời rạc mang điện
tích rời rạc. Khi có dịng chạy trong thiết bị thì các điện tử được phân phối
theo năng lượng và động lượng của một s ố hàm phân phối. Kếl quả là lất
cả các điện tử sẽ không định chuyển với một năng lượng và vận tốc xác
định.

Vì vậy, nếu một thiết bị định vị ờ một điện cực và đếm s ố điện tử

đến trong khống thời gian At thì s ố này sẽ không phái là hằng số, điều
này được chỉ ra trên hình 7. Khoảng thời gian At càng ngắn thì sự khác
nhau này càng lớn.
Giá sử rằng sự khác nhau về s ố lượng các điện tử đến trong khoáng
thời gian At được phân bố theo hàm Poisson. Theo phân b ố thống kê, nếu
aÀt là trung bình cứa số các hạt đến

trono

khoảng thời gian At thì xác suất

nhận được N hạt trong khoáng thời gian At là (vì N rất lớn):
1

P(N, A/) = 1-------7-------- \
yj27ĩ(aAl)

ị {N-a)2)
V
2aAf

Ị AN2' Ị

1

1

■—

s ln N

cxp

I

J

(2 4 )
Trong đó N là giá trị trung bình (=aAt) và AN là độ thăng giáng so
với giá trị trung bình. Hàm này được chỉ ra trên hình 7b. Hàm này đạt
được cực đại khi:

N = N==uAt

(2 5 )

Đ ộ lệch bình phương trung bình của hàm phân phối P oisson tức là
nhiễu theo lý thuyết xác suất thống kê được tính:
V(AN)2 = t¡(n - n )2 =yfÑ
(2 6 )
Nhiễu Iiày được gọi là nhiễu do phát xạ (shot n oise), nó có thể xuất
hiện troné dịng các photon tác động lên bộ thu hoặc dòn g do sự sinh ra
cặp điện tử-lỗ trống trong bộ thu, vì cá hai trường hợp này đểu liên quan
đến các hai rời rac.

L u ậ n văn thạc sỹ khoa học

T r a n g 23


C hư ơn g 2: Hộ lỉm qtitìtìỊỊ
Tín hiệu trung bình trong thiết bị là N(=aAi). Một thơng số quan
Irọng của thiết bị là tỷ số giữa tín hiệu phát ra và tạp ngẫu nhiên. Tì số tín
hiệu/ tạp (SNR ) cùa nhiễu sinh ra do phát xạ là:

SNR =- ~ = J n =4ãKí
vw

(27)

Nếu dịng qua thiết bi là I, đại lượng a là dòng các hạt và được tính

bởi c ỏ n s thức:
/

a=—
e

(28)

Từ phương trình (2 7) thấy, SNR tăng thì khoảng thời gian quan sát
At tăng. Ta có độ rộng dải cùa thiết bị f là:

' " 2M

(29)
a

SNR =

2/

(30)

Về mặt vật lý thì SNR giám khi thiết bị hoạt động ờ tần s ố cao hơn.
Nhiễu bình phương trung bình của bộ thu được gọi là dòng nhiễu do phát
x ạ (/,/,) ta đ ư ợ c :

w ịỹ _ =
AI

= [—

M

Ngoài nhiễu do phát xạ cịn có

(31)
nhiều loại nhiễu khác do va chạm

trong hệ thống. Thường các tín hiệu được tạo ra bởi bộ thu là phán ứng cùa
I1Ĩ đối với tín hiệu quang và được khuếch đại lên. Bộ khuếch đại này cũng
tự gây ra nhiễu. Nguồn nhiễu khác là ồn nhiệt liên quan tới hức xạ của vật
đen. 0 nhiệt độ T, theo ]ý thuyết phát

xạ vật đen của Planck, bức xạ toàn

phán sẽ tồn tại theo hàm phân phối:
2c

N(ã ) =
Ã4 exp

tì ũ )

(32)

kBr

Các photon có năng lượng h(0 >Eị, sẽ tạo ra nhiễu bằng cách hình
thành các cặp điệu tử- lỗ trống. Tuy nhiên, nếu k|,T nhỏ hơn độ rộng vùng
cấm 1hì ổn nhiệt có thể bỏ qua. Vì vậv, ở háu hết các tầu số quang thì ổn
nhiệt là khơng đáng kè.

I.IIỌII ván thạc sỹ khoa học

T r a n g 24