4.6. Cấu trúc mạch bộ thu quang
4.6.4 Đặc tính bộ thu quang có mạch tích hợp
Thời gian gần đây, yêu cầu xây dựng các tuyến thông tin quang tốc độ nhiều Gbit/s đòi hỏi các thiết bị thu phải có độ nhạy thu cao vμ nhiễu rất thấp nhằm đáp ứng cho các tốc
độ cao nμy. Vì thế, công nghệ mạch tích hợp đ−ợc đặt ra cho các thiết bị thu quang, vμ hiện nay các thiết bị có công nghệ cao nμy đã được thương mại khá phổ biến trên hệ thống thực tế. Trong hầu hết các thiết bị thu quang, loại trừ photodiode thì tất cả các thμnh phần thiết bị nh− đã chỉ ra trong hình 4.10 đều lμ các thμnh phần điện chuẩn. Các thμnh phần nμy đều có thể dễ dμng đ−ợc tổ hợp trên cùng một chip (hay mạch) bằng cách sử dụng công nghệ mạch tổ hợp IC (Integrated circuit) đã đ−ợc phát triển cho các thiết bị vi mạch. Gần đây, những cố gắng đáng kể đã hướng trọng tâm vμo việc phát triển các thiết bị thu quang đơn khối nhằm tổ hợp toμn bộ các phần tử bao gồm cả bộ tách sóng quang trên cùng một chip nhờ việc áp dụng công nghệ OEIC (Optoelectronic Integrated-circuit).
Việc tổ hợp toμn bộ thiết bị như vậy lμ tương đối dễ với bộ thu GaAs, vμ công nghệ phía sau OEIC dựa trên GaAs lμ hoμn toμn tiên tiến. Đối với các hệ thống thông tin quang hoạt
động tại vùng bước sóng 1,3 đến 1,6 μm thì cần phải có các bộ thu OEIC dựa trên InP. Vì
công nghệ IC đối với GaAs đã thμnh thục hơn nhiều đối với InP cho nên đôi khi người ta thực hiện áp dụng cho bộ thu với công nghệ InGaAs. Công nghệ nμy gọi lμ công nghệ OEIC flip-chip, trong đó các thμnh phần điện đ−ợc tổ hợp trên chip GaAs, ng−ợc lại photodiode đ−ợc lμm trên đỉnh của chip InP. Rồi sau đó hai chip đ−ợc ghép nối với nhau bằng cách đặt nhẹ chip InP lên trên chip GaAs. Tính tiên tiến của công nghệ nμy lμ
photodiode vμ các thμnh phần điện của bộ thu có thể đ−ợc lμm tối −u một cách độc lập trong khi vẫn giữ đ−ợc tính chất kí sinh (nh− điện dung đầu vμo chẳng hạn).
Công nghệ IC dựa trên InP đã đ−ợc phát triển đáng kể trong những năm 1990, nhằm để tạo ra các bộ thu OEIC trên nền InGaAs. Một cách tiếp cận công nghệ khác lμ việc tổ hợp photodiode p-i-n với FET hoặc các transistor có độ linh động điện tử cao HEMT (High- electron-mobility transistor) giáp với trên nền InP. Năm 1993, bộ thu HEMT đã đ−ợc chế tạo với độ nhạy thu cao tại tốc độ 10 Gbit/s. Hiện tại, loại bộ thu nμy đã cho ra băng tần cao tới 22 GHz, vμ có thể sử dụng cho bộ thu của hệ thống 20 Gbit/s. Gần đây, có một công nghệ khác đã sử dụng transistor l−ỡng cực tiếp giáp dị thể HBT (heterojunction- bipolar transistor) để chế tạo photodiode p-i-n trong bản thân cấu trúc HBT với cấu hình cực góp chung. Các transistor nh− vậy đ−ợc gọi lμ transistor quang dị thể. Năm 1995, bộ thu OEIC sử dụng công nghệ HBT đã đạt đ−ợc băng tần 16 GHz mμ lại có khuếch đại cao. Các bộ thu nμy có thể đáp ứng tốc độ 20 Gbit/s cho các hệ thống 1550 nm. Một công nghệ nữa cho việc chế tạo bộ thu OEIC trên nền InP lμ tổ hợp photodiode kim loại - bán dẫn - kim loại MSM (Metal-semiconductor-metal) với HEMT. Bộ thu kiểu nμy đã cho ra băng tần 15 GHz vμo năm 1995, vμ sau đó nâng lên đ−ợc 18,5 GHz do sử dụng mạch khuếch đại hỗ dẫn ng−ợc.
Hình 4.19. Thiết kế mạch tiền khuếch đại IC cho bộ thu 10 Gbit/s.
Nhìn chung, trong việc thiết kế tổ hợp thiết bị thu quang, front-end của bộ thu quang lμ một bộ phận khó thiết kế nhất, đặc biệt trong hệ thống truyền dẫn quang tốc độ bit cao vμ cự ly dμi, bởi vì độ nhạy của các hệ thống nμy thường lμ bị giới hạn từ đặc tính của mạch front-end đòi hỏi một sự hμi hoμ giữa tốc độ bit vμ độ nhạy thu. Front-end bộ thu thường
đ−ợc phân cấp thμnh Hybrid IC (HIC), Microwave Monolithic IC (MMIC), vμ Optoeletronic IC (OEIC) bằng cách lμ cả bộ tách sóng quang vμ tiền khuếch đại lμ đ−ợc kết hợp với nhau. Đối với các hệ thống thông tin sợi quang nhiều Gbit/s nh− lμ 10 Gbit/s, HIC có thể đ−ợc sử dụng. Tuy nhiên, các đặc tính mâu thuẫn của từng thμnh phần thụ
động tích cực riêng rẽ có sự vi hiệu chỉnh để đạt đ−ợc độ nhạy cao nhất của nó. Đây cũng
•
VCC VPD
IC tiÒn khuếch đại
50Ω
lμ điểm yếu vμ hạn chế đối với các phần tử ký sinh. Vì vậy mμ hiện nay các thiết kế MMIC hoặc OEIC lμ thích hợp cho hệ thống tin cậy [34]. Hình 4.19 mô tả một sơ đồ thiết kế mạch tổ hợp tiền khuếch đại IC cho bộ thu 10 Gbit/s.
Tương tự như thiết bị phát quang, việc đóng vỏ hộp cho thiết bị thu quang cũng rất quan trọng. Việc ghép sợi quang vμo photodiode cũng rất được lưu tâm, đặc biệt đối với bộ thu dùng cho hệ thống có tốc độ bit cao, vì tại đầu sợi quang phía thu chỉ có một l−ợng rất nhỏ công suất tín hiệu quang đi vμo bộ tách sóng. Vấn đề phản xạ quang từ bộ thu quang ng−ợc lại về sợi truyền dẫn cũng cần đ−ợc quan tâm vì điều nμy có thể gây ảnh h−ởng tới
đặc tính hệ thống, vμ tốt nhất lμ lμm sao giảm đ−ợc phản xạ nμy cμng nhỏ cμng tốt. Trong thực tế, đầu sợi quang thường được cắt có độ vát với một góc nμo đó nhằm để giảm sự phản hồi quang. Đối với hệ thống có tốc độ bit cao tới 10 Gbit/s trở lên, người ta phải áp dụng một số kỹ thuật đóng hộp bộ thu quang để cho thiết bị có thể hoạt động tin cậy.
Chẳng hạn nh− thực hiện ghép sợi quang có đầu cắt nghiêng kết hợp với các vi thấu kính ngay trên một photodiode trong lúc chế tạo. Nhìn chung, những giải pháp đóng vỏ hộp cho bộ thu quang sẽ giúp cho việc nâng cao năng lực vμ độ tin cậy của thiết bị.
CH¦¥NG-5
Thiết kế hệ thống thông tin quang
Hệ thống thông tin quang cơ bản đ−ợc cấu trúc từ ba thμnh phần chính lμ sợi quang, thiết bị phát quang, vμ thiết bị thu quang. Các thμnh phần nμy đã đ−ợc thảo luận một cách độc lập từ các ch−ơng trên trong tμi liệu nμy. Khi muốn xây dựng các hệ thống thông tin quang, các thμnh phần nμy phải đ−ợc liên kết với nhau để tạo ra một hệ thống liên hoμn
để truyền tín hiệu thông tin trên nó. Như vậy, nội dung của chương nμy sẽ tiến hμnh xem xét các vấn đề có liên quan tới việc thiết kế hệ thống khi các thμnh phần nμy đ−ợc kết nối với nhau tạo thμnh hệ thống thông tin quang thực tiễn. Từ đó cũng có thể đánh giá các tham số đặc tính hệ thống có ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn. Để thuận lợi cho việc
áp dụng thực tiễn, chúng tôi áp dụng ph−ơng pháp tiếp cận tiến bộ hay đ−ợc sử dụng gần
đây theo cơ chế đền bù công suất ứng với từng tác động của các tham số hệ thống để tìm ra quỹ công suất toμn tuyến. Vì vậy, có thể thuận lợi hơn trong việc xác định cấu hình hệ thống thông tin quang khi thực hiện tính toán thiết kế tuyến.