7 Thành phần thu trong hệ thống VLC

63



Nguyên lý hoạt động:

Khi các Photon đi vào lớp P+ có mức năng lượng lớn hơn độ rộng của dải cấm,

sẽ sinh ra trong miền P+, I, N+ của PIN-Photodiode các cặp điện tử và lỗ trống

(chủ yếu ở lớp I).

Các điện tử và lỗ trống trong miền I vừa được sinh ra bị điện trường mạnh hút

về hai phía (điện tử về phía N+ vì 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 sang miền I nhờ

Gradien mật độ tại tiếp giáp P+I, rồi chạy về phía N+ 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 miền P+ vì có điện áp âm.

Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN-Photodiode 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 chúng 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, nên chúng lại tái hợp với nhau ngay

trong các miền P+ và N+.

Trong trường hợp lý tưởng, mỗi Photon chiếu vào PIN-Photodiode sẽ sinh ra

một cặp điện tử, lỗ trống và giá trị trung bình của dòng điện ra tỷ lệ với công

suất chiếu vào. Nhưng trên thực tế là có một phần ánh sáng bị phản xạ bề mặt.

Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bước song.

Vì vậy, lớp P+ không được quá dày. Miền I càng dày thì hiệu suất lượng tử

càng lớn, vì xác suất tạo ra các cặp điện và lỗ trống tăng lên theo độ dày của

miền này, do đó các Photon có nhiều khả năng tiếp xúc với các nguyên tử hơn.

Tuy nhiên, trong truyền dẫn số độ dài của xung ánh sáng đưa vào phải đủ lớn

hơn thời gian trôi Td cần thiết để các phần mang điện chạy qua vùng trôi có độ

rộng d của miền I. Do đó, d không được lớn quá vì như thế tốc độ bit sẽ bị giảm

đi.

Khi bước sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua bán dẫn cũng tăng lên, ánh

sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Do đó,

với các vật liệu phải có một bước sóng tới hạn.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



64



• Diode quang thác APD.



Cấu tạo:

Cấu trúc cơ bản của APD được chỉ ra ở hình 2.44:



Hình 2.44: Cấu tạo của Diode quang thác APD.

Cấu tạo của APD cơ bản giống như PIN-Photodiode. Ngoài ra trong APD còn

có một lớp bán dẫn yếu P được xen giữa lớp I và lớp N+. Bên trái lớp I bị giới

hạn bởi lớp P+, còn bên phải lớp I bị giới hạn bởi lớp tiếp giáp PN+.

Điện áp phân cực ngược đặt vào APD rất lớn, tới hàng trăm vôn.

Điện trường thay đổi theo các lớp. Trong vùng I, điện trường tăng chậm, nhưng

trong tiếp giáp PN+ điện trường tăng rất nhanh. Lớp tiếp giáp PN+ là miền

thác, ở đây xảy ra quá trình nhân điện tử.

Nguyên lý hoạt động:

Do APD được đặt một điện áp phân cực ngược rất lớn, tới hàng trăm vôn, cho

nên cường độ điện trường ở miền điện tích không gian tăng lên rất cao.

Do đó, khi các điện tử trong miền I di chuyển đến miền thác PN+ chúng được

tăng tốc, va chạm vào các nguyên tử và giải phóng ra các cặp điện tử và lỗ

trống mới gọi là sự ion hóa do va chạm.

Các phần tử thứ cấp này đến lượt mình lại tạo ra sự ion hóa do va chạm thêm

nữa, gây nên hiệu ứng quang thác và làm cho dòng điện tăng lên đáng kể.

Thông qua hiêu ứng quang thác này cùng với một số lượng Photon tới, APD

giải phóng ra các điện tử nhiều hơn rất nhiều so với PIN-Photodiode.

Khi các photon đi vào PIN-Photodiode và APD tạo ra các cặp điện tử và

lỗ trống, dưới tác dụng của điện trường ngoài, các phần tử này sinh ra ở mạch

ngoài một dòng điện. Đó chính là dòng Photo của PIN-Photodiode và APD, gọi

là dòng tách quang được tính theo công thức 2.24:



T



PT



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



2

.

2

SVTH: Nghiên Văn Toản



65



4

HT = � là hệ số biến đổi quang- điện của photodiode.

PT là công suất ánh sáng chiếu vào Photodiode.

� = là hiệu suất lượng tử hóa

của PIN

Photodiode/APD.

� là bước sóng của ánh sáng chiếu vào.

e là điện tích của điện tử.

h là hằng số Plank.

c là vận tốc của ánh sáng.

Dòng ra của PIN – Photodiode và APD:

• Đối với PIN-Photodiode.

PIN-Photodiode là photodiode không có hiệu ứng quang thác, do đó dòng sinh

ra của nó chính là dòng Photon, tức là:

Trong đó:



iT-PIN = iP = HT PT



2.25



• Đối với APD.



Đối với APD, do có hiệu ứng quang thác mà dòng ra của nó được tăng lên M

lần là:

iT-APD = MiP = MHTPT ,



Trong đó:



2.26



M là hệ số khuếch đại của APD.



i

1

M =T =

iP

U



1−



U

 D



n













2.27



U:



địên áp đặt vào APD.



UD:



điện áp đánh thủng của APD



n:



nhận các giá trị từ 1,5 ÷ 6, tuỳ thuộc vào vật liệu và cấu trúc của

APD.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



66



Trong VLC thường sử dụng Diode Pin và APD Silicon với độ nhạy quang

từ 190nm đến 1000nm, phù hợp với khoảng bước sóng của VLC.

Đ

ộ



M

ã



S1

08

7

S1

13

3

S8

26

5

S1

78

704

S9

21

901



n

h

ạ

y

(

A

/

W

)



(n

m)



32

0

–

73

0

34

0

–

72

0

32

0

–

73

0

38

0

–

78

0



5

6

0



D

ò

n

g

t

ố

i

(

p

A

)



1

0

0

.

3



Diện

tích

hiệu

dụn

g

(mm

)



Ảnh



1.3x

1.3

2.4x

2.8



5

4

0



2

0



2.4x

2.8



5

6

0



1

0



2.4x

2.8



5

0



3.6x

3.6



5

5

0



0

.

2

2



Bảng 2.9: Một số loại Diode Pin.

2.7.2 Chip cảm biến hình ảnh (Image Sensor- IS)

Chip cảm biến hình ảnh sử dụng trong công nghệ VLC là chip cảm biến

ảnh chủ động (Active Pixel Sensor) CMOS, thường được sử dụng trong các

smartphone, máy ảnh. CMOS chứa một ma trận các cảm biến điểm ảnh, thực

chất mỗi điểm này cũng là những Photodiode rất nhạy sáng dùng để tách sóng

quang, cùng với bộ khuếch đại và các thành phần khác. Cường độ ánh sáng sau

khi thu được sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện.

GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



67



Chip cảm biến hình ảnh có thể cùng nhận tín hiệu đồng thời từ nhiều

nguồn sáng mà không chịu ảnh hưởng bởi nhiễu. Nên sẽ có thể truyền tín hiệu

với tốc độ rất cao.



Hình 2.45: Chip cảm biến hình ảnh CMOS.

2.7.3 Bộ tập trung quang

Tác dụng của bộ tập trung quang là tập trung ánh sáng vào máy thu, bộ tập

trung quang thường được sử dụng trong VLC là bộ tập trung quang CPC

(Compound Parabolic Concentrator).



Hình 2.46: Bộ tập trung quang CPC.

Cấu tạo của bộ tập trung quang CPC gồm có hai gương Parabol là AD và

BC và góc là góc tiếp nhận. Trường hợp nếu tia sáng tới có góc tới nhỏ hơn

góc , nó sẽ được phản xạ tới AB, nếu góc tới lớn hơn thì tia sáng tới sẽ bị phản

xạ ra ngoài.

Xét một ví dụ với ba tia sáng tới bộ tập trung quang CPC là r1, r2, r3 như mô tả

trong hình 2.47:



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



68



Hình 2.47: Qúa trình phản xạ tại CPC.

Tia tới r1, r2 có góc tới sẽ được phản xạ tới AB, tia tới r3 có góc tới sẽ bị

phản xạ ra ngoài. Đối với bộ tập trung quang CPC 3 chiều, tỉ số tập trung tối đa

C được tính theo công thức 2.28:

2

.

2

8



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



69



2.7.4 Bộ lọc quang

Dùng để lọc bỏ các ánh sáng không cần thiết từ các nguồn bên ngoài như:

ánh sáng mặt trời, ánh sáng đèn trong phòng… tránh gây nhiễu cho hệ thống

thu trong VLC. Bộ lọc được sử dụng trong VLC là bộ lọc Bandpass. Ánh sáng

đến hệ thống trước tiên phải đi qua bộ lọc Bandpass để loại bỏ những ánh sáng

không mong muốn từ nguồn nhiễu bên ngoài, sau đó ánh sáng được đưa qua bộ

tập trung quang, tiếp đến là đưa qua các thấu kính sau đó đưa tới Photodiode để

biến đổi quang- điện. ngoài ra tín hiệu sau đó sẽ được đưa qua các bộ khuếch

đại trước khi được giải điều chế. Hình 2.48.



Hình 2.48: Phía thu của hệ thống VLC.

2.8



Kết luận chương

Chương II trình bày về các phần tử cấu thành nên một hệ thống VLC. Do

phần tử thu quang có hai loại khác nhau, do đó sẽ có hai kiểu truyền tin khác

nhau và cũng có hai kiểu đường truyền khác nhau, nên tùy thuộc vào các ứng

dụng cụ thể khác nhau mà người sử dụng có thể lựa chọn hệ thống cho phù hợp.

Cũng như việc lựa chon các phương pháp điều chế và mã hóa cho hệ thống.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



70



CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG

ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

3.1



Ứng dụng của công nghệ VLC



3.1.1 Mô hinh ứng dụng VLC trong nhà

Hệ thống VLC có thể được triển khai cả với môi trường trong nhà và ngoài trời.

Đối với môi trường trong nhà, mô hình truyền dẫn VLC có thể được triển khai cho

những ứng dụng như trong hình 3.1:



Hình 3.1: Mô hình hệ thống VLC trong nhà.

Với mỗi thiết bị đầu cuối khác nhau, chúng ta có thể triển khai các dịch vụ khác

nhau ứng với từng nhiệm vụ cụ thể: Truyền dữ liệu, chia sẻ nội dung, truyền tải video,

định vị, hay đơn giản hơn là để phục vụ chức năng điều khiển trong nhà.

Sau khi xem xét các ứng dụng trong nhà, ta có bảng thống kê tương đối cho các ứng

dụng như sau:



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



71



Di động –

Di động

K

ết

n

ối

K

h

o

ả

n

g

c

á

c

h

T

ố

c

đ

ộ

Ứ

n

g

d

ụ

n

g



Di động –

Cố định



Di động

– LED



Cố định

– LED



Hai chiều



Hai chiều



Hai

chiều

hoặc

một

chiều



Hai

chiều

hoặc

một

chiều



Vài mét



Vài mét



Vài mét



Vài mét



~100Mbps



~100Mbps



~10Mbp

s



~10Mbp

s



Chia sẻ nội

dung



Truyền dữ

liệu

Truyền

Video

Thương mại

điện tử di

động



Định vị

Điều

khiển



Broadca

st

dữ

liệu



Bảng 3.1: Các ứng dụng với môi trường trong nhà.

Đối với môi trường truyền dẫn thông tin ngoài trời, chúng ta có thể thiết kế mô

hình hệ thống truyền dẫn dựa trên cơ sở hạ tầng đã có sẵn như: Cột đèn đường, đèn

giao thông, biển quảng cáo điện tử hay truyền dẫn thông qua những tấm Pin năng

lượng mặt trời trên các tòa nhà.

3.1.2 Mô hình ứng dụng VLC ngoài trời

Nếu như trong mô hình trong nhà các ứng dụng VLC được triển khai tương tự

như mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến. Thì đối với ứng dụng ngoài trời, công

nghệ VLC có một số ứng dụng hấp dẫn hơn, với những ứng dụng được triển khai trên

cơ sở hạ tầng sẵn có như Pin mặt trời, đèn đường hay các biển LED chỉ dẫn…



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản