LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU MIỀN CÔNG TÁC CỦA CÁC PHOTODIODE TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (8.39 MB, 473 trang )
Tổng công ty bưu chính viễn thôngviệt nam
học viện công nghệ bưu chính viễn thông
Nguyễn Vĩnh Nam
Nghiên cứu miền công tác của
các photodiode trong hệ thống thông tin
quang tốc độ cao
Hà nội, 5-2005
Tổng công ty bưu chính viễn thôngviệt nam
học viện công nghệ bưu chính viễn thông
Nguyễn Vĩnh Nam
Nghiên cứu miền công tác của
các photodiode trong hệ thống thông tin
quang tốc độ cao
luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Người hướng dẫn: TS. Hoàng Văn Võ
Hà nội, 5-2005
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - Cao học điện tử viễn thông khoá IV
Mc lc
Ch vit tt v ký hiu 3
Danh sỏch cỏc hỡnh v 6
LI CM N 8
Li núi u 9
Chng 1. Cỏc phn t bin i quang - in trong h thng thụng tin quang
12
1.1. Tng quan v cu trỳc c bn v nguyờn lý hot ng ca h thng
thụng tin quang 12
1.1.1. Cu trỳc c bn ca h thng thụng tin quang 12
1.1.2. Nguyờn lý hot ng ca h thng thụng tin quang 13
1.2. Cỏc phn t bin i quang-in 14
1.2.1. Mt s yờu cu i vi cỏc phn t bin i quang-in 14
1.2.2. PIN-Photodiode 14
1.2.3. Diode quang thỏc APD 16
1.2.4. c tuyn tnh ca APD & PIN-Photodiode 17
chng 2. mụ hỡnh toỏn hc ca cỏc photodiode hot ng tc cao 21
2.1. Cỏc yu t xỏc lp c tớnh ng ca PINPhotodiode v APD 21
2.2. S in tng ng ca PIN Photodiode v APD 22
2.3. Mụ hỡnh toỏn hc ca PIN Photodiode v APD 23
2.3.1. Mụ hỡnh truyn dn tớn hiu 23
2.3.2. Mụ hỡnh nhiu 24
chng 3. Cỏc tham s truyn dn ca cỏc photodiode hot ng tc cao
27
3.1. H s khuych i ca APD 27
3.2. Hm truyn dn ca PIN- Photodiode v APD 27
3.2.1. Hm truyn dn ca PIN- Photodiode 27
3.2.2. Hm truyn dn ca APD 28
3.3. Hm trng lng ca PIN- Photodiode v APD 29
3.3.1. Hm trng lng ca PIN- Photodiode 29
3.3.2. Hm trng lng ca APD 29
3.4. Hm quỏ ca PIN- Photodiode v APD 29
3.5. Tớn hiu ra ca PIN Photodiode v APD 30
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 2 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
3.5.1. Truyn dn analog 30
3.5.2. Truyn dn s 32
3.6. Nhiu ca PIN Photodiode v APD 36
3.6.1. Nhiu v phõn loi nhiu trong PIN-Photodiode v APD 36
3.6.2. Cụng sut cỏc nhiu trong PIN-Photodiode v APD 37
3.7. T s tớn hiu trờn nhiu 46
3.7.1. Mt s khỏi nim c bn 46
3.7.2. Truyn dn analog 47
3.7.3. Truyn dn s 49
chng 4. min cụng tỏc ca cỏc photodiode 56
4.1 Cỏc iu kin xỏc nh min cụng tỏc ca cỏc Photodiode 56
4.2. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong truyn dn analog 59
4.3. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong truyn dn s 61
4.4. Vớ d tớnh toỏn min cụng tỏc ca cỏc Photodiode 64
4.4.1. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong truyn dn analog 64
4.4.2. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong truyn dn s 68
Kt lun v kin ngh 74
1. Kt lun 74
2. Kin ngh 76
Ti liu tham kho 78
Ph lc A: Chng trỡnh tớnh toỏn min cụng tỏc ca photodiode 79
A.1. La chn ngụn ng lp trỡnh 79
A.2. Gii thiu chng trỡnh tớnh toỏn 80
A.3. Tớnh toỏn min cụng tỏc ca Photodiode 85
A.3.1. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong truyn dn analog 85
A.3.2. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong truyn dn Digital 86
A.4 Mt s hỡnh nh mụ t kt qu tớnh toỏn 88
Ph lc B. Chng minh cụng thc (4-24) 91
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Ch vit tt v ký hiu
Hiu sut lng t hoỏ ca PIN Photodiode/APD.
Bc súng ca ỏnh sỏng.
APD
Hng s thi gian c trng cho quỏ trỡnh bin i quang-in ca APD khi cụng sut lung
quang bin i nhanh thỡ hng s thi gian ca APD trong quỏ trỡnh bin i quang-in
g-APD
Tn s gúc gii hn ca APD
g-PIN
Tn s gúc gii hn ca PIN Photodiode
LA
Hng s thi gian c trng cho quỏ trỡnh bin i quang-in ca APD
RC
Hng s thi gian c trng cho s bin i quang-in ca APD khi cụng sut lung quang
bin i nhanh
n
H s ion hoỏ in t trong vựng quang thỏc
p
H s ion hoỏ l trng trong vựng quang thỏc
BER
cp
Giỏ tr xỏc sut sai lm bit cho phộp (i vi truyn dn s) bo m cht lng truyn
dn cho phộp ca h thng.
B
R
Bng tn tp õm ca photodiode
c
Vn tc ỏnh sỏng (c = 3.10
8
m/s).
C
c
in dung ca lp tip giỏp PN,
C
T
in tr ti ca Photodiode,
e
ờn tớch ca in t (e = 1,602.10
-19
As).
F
H s nhiu do quỏ trỡnh quang thỏc (trong APD).
F(M)
H s tp õm ph thờm ca APD
G
c
in dn ca lp tip giỏp PN,
G
T
in dn ti ca Photodiode,
g
T
Hm trng lng ca Photodiode
g
T-APD
Hm trng lng ca APD- Photodiode
g
T-PIN
Hm trng lng ca PIN- Photodiode
h
Hng s Plank (h = 6,62.10
-34
Ws
2
).
h(t)
Hm quỏ ca Photodiode
H
P
(j
)
Hm truyn dn ca Photodiode (APD/PIN- Photodiode),
H
T
Hm truyn dn ca Photodiode
H
T-APD
Hm truyn dn ca APD Photodiode hot ng tc cao
H
T-PIN
Hm truyn dn ca PIN Photodiode hot ng tc cao
h
T-APD
Hm quỏ ca APD- Photodiode
h
T-PIN
Hm quỏ ca PIN- Photodiode
i
N
(t)
Dũng nhiu
i
nC
Dũng in nhit trờn in tr lp tip giỏp PN,
I
NL
Dũng nhiu lng t tớn hiu
i
nT
Dũng in nhit trờn in tr ti,
I
P
Dũng photo
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
I
T
Ph tớn hiu ra
i
r
Dũng in rũ,
i
T
Dũng in ti,
i
T
(t)
Dũng tớn hiu ra ca photodiode,
I
T0
Ph tớn hiu ra tc thp
I
T0-APD
Ph tớn hiu ra ca APD-Photodiode tc thp
I
T0-PIN
Ph tớn hiu ra ca PIN-Photodiode tc thp
i
T-APD
Dũng ra ca photodiode APD
i
T-PIN
Dũng ra ca photodiode PIN
I
V
(t)
Tớn hiu vo (tớn hiu din)
T
I
Giỏ tr trung bỡnh ca dũng in ti
r
I
Giỏ tr trung bỡnh ca dũng in ti
k
Hng s Bolzomal,
K(j
)
Hm truyn dn ca b tin khuch i v mt hoc nhiu b khuch i in ỏp,
L(j
)
Hm truyn dn ca b lc thụng thp.
M
H s khuch i ca APD.
m
sõu iu ch
n
Tham s ph thuc vo vt liu v cu trỳc ca APD.
P
N
Cụng sut mt ngun nhiu
P
N
Cụng sut nhiu tng
P
NL
Cụng sut nhiu lng t tớn hiu
P
NN
Cụng sut nhiu nhit
P
Nr
Cụng sut nhiu dũng in rũ
p
NT
Cụng sut nhiu dũng in ti
P
P (t)
Cụng sut ỏnh sỏng bc x ca b phỏt quang
P
T
(t)
Cụng sut ỏn sỏng truyn n u vo b thu quang hoc biờn chui xung s
P
T-cpmax
Giỏ tr cụng sut ỏnh sỏng u vo b thu quang cho phộp cc i
P
th
Cụng sut ca tớn hiu ra photodiode
T
P
Giỏ tr trung bỡnh ca cụng sut ỏnh sỏng n photodiode
R
D
in tr dõy ni ca Photodiode,
R
T
in tr ti ca Photodiode,
S/N
T s tớn hiu trờn nhiu
(S/N)
APD
T s tớn hiu trờn nhiu ca Photodiode APD
cp
N
S
Giỏ tr t s tớn hiu trờn nhiu cho phộp (i vi truyn dn analog) bo m cht lng
truyn dn cho phộp ca h thng,
S
N
(j
)
Mt cụng sut ph ca dũng nhiu
S
NN
(j
)
Mt cụng sut ph ca nhiu nhit
S
Nr
(j
)
Mt cụng sut ph ca nhiu dũng rũ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 5 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
S
NT
(j
)
Mt cụng sut ph ca nhiu dũng ti
T
Chu k chui xung
T
0
Nhit tuyt i.
T
d
rng xung
U
ờn ỏp t vo APD.
U
D
in ỏp ỏnh thng ca APD
u
r
(t)
Tớn
hiu ra b thu quang (tớn hiu in).
u
r
(t)
in ỏp tớn hiu ra sau b lc.
u
T
(t)
in ỏp tớn hiu ra ca b khuch i,
2
2
2
2
1
2
1
11
2
,
g
g
m
am
b
m
2
2
2
1,
g
am
c
m
m
1
22
2
1
MHa
T
2
maA
nTtaa
Qg
exp1
1
*
a
1
= M H
P
RT
x
BHMeb
2
2
2
2
2
1
2
1
11
g
g
cp
m
N
S
bB
)(1
1
*
1
nTtDbb
Q
)(1
1
*
2
nTtLbb
Q
gT
HMMFeb
2
1
)(
2
1
RTCrT
x
BGGkTIIeMc )(4)(2
2
2
2
1
g
cp
N
S
cC
)(1)(
)(2
nTtLenTtD
nQ
nTt
nQ
nQg
1
0
)(22
1)(
n
i
iTt
i
T
nQ
nQgdg
ebenTtL
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 6 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Danh sỏch cỏc hỡnh v
Hỡnh 1.1. Cu trỳc c bn ca h thng thụng tin quang s dng b lp
ng dõy (a) v s dng cỏc b khuch i quang (b) 12
Hỡnh 1.2. Cu to ca PIN-Photodiode 15
Hỡnh 1.3. Cu to ca APD 17
Hỡnh 1.4. c tuyn tnh ca PIN Photodiode & APD 19
Hỡnh 2.1. S in tng ng ca PIN-Photodiode (a) v APD (b) 22
Hỡnh 2.2. Mụ hỡnh toỏn hc truyn dn tớn hiu ca PIN (a), APD (b) 24
Hỡnh 2.3. Mụ hỡnh nhiu ca PIN photodiode (a) v APD (b) 25
Hỡnh 3.1. Tớn hiu ỏnh sỏng ti p
T~
(t) 33
Hỡnh 4.1. Mụ hỡnh cu trỳc c bn ca mt b thu quang trong truyn dn
analog 64
Hỡnh 4.2. Min cụng tỏc ca Photodiode trong truyn dn analog 68
Hỡnh 4.3. Mụ hỡnh cu trỳc c bn ca mt b thu quang trong truyn dn
s 69
Hỡnh 4.4. Min cụng tỏc ca Photodiode trong truyn dn Digital 72
Hỡnh A.1. Lu chng trỡnh thc hin tớnh toỏn min cụng tỏc ca
Photodiode 81
Hỡnh A.2. Giao din chớnh ca chng trỡnh 81
Hỡnh A.3. Ca s la chn cỏc trng hp tớnh toỏn 82
Hỡnh A.4. Ca s giao din chng trỡnh tớnh toỏn xỏc nh
min cụng tỏc ca photodiode 82
Hỡnh A.5. Ca s chng trỡnh tớnh toỏn xỏc nh S/N theo tn s vi nhy
thu xỏc nh 84
Hỡnh A.6. Minh ho ton b chng trỡnh 85
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 7 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Hỡnh A.7. Kt qu tớnh toỏn xỏc nh min cụng tỏc ca photodiode trong
truyn dn analog 88
Hỡnh A.8. Kt qu tớnh toỏn xỏc nh S/N theo tn s vi nhy thu trong
truyn dn analog 88
Hỡnh A.9. Kt qu tớnh toỏn so sỏnh cỏc ng c nhy thu theo tn s
trong truyn dn analog 89
Hỡnh A.10. Kt qu tớnh toỏn xỏc nh min cụng tỏc ca photodiode trong
truyn dn Digital 89
Hỡnh A.11. Kt qu tớnh toỏn xỏc nh S/N theo tn s vi nhy thu trong
truyn dn Digital 90
Hỡnh A.12. Kt qu tớnh toỏn so sỏnh cỏc ng c tuyn nhy thu theo
tn s trong truyn dn Digital 90
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 8 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
LI CM N
Lun ỏn thc s k thut Nghiờn cu min cụng tỏc ca cỏc photodiode trong
h thng thụng tin quang tc cao c hon thnh trong thi gian o
to, nghiờn cu ti Hc vin cụng ngh Bu chớnh Vin thụng - Tng Cụng ty
Bu chớnh Vin thụng Vit Nam. cú c kt qu ny, trc ht tụi xin
trõn trng cm n TS. Hong Vn Vừ ó to iu kin, giỳp , tn tỡnh h-
ng dn, gii quyt nhng vn khoa hc trong quỏ trỡnh thc hin lun ỏn.
Tụi xin trõn trng cm n Tng Cụng ty Bu chớnh Vin thụng Vit
Nam (VNPT), Hc vin cụng ngh Bu chớnh Vin thụng (PTIT), Vin Khoa
hc k thut Bu in (RIPT) ó to iu kin, cho phộp tụi c tham gia
khúa o to nghiờn cu.
Tụi xin chõn thnh cm n cỏc thy cụ giỏo ó truyn th nhng kin
thc b ớch trong sut khoỏ hc, cỏc thy cụ giỏo Khoa Quc t v o tao sau
i hc ó to mi iu kin tt nht chỳng tụi hon thnh khoỏ hc
Tụi xin chõn thnh cm n lónh o Hc vin, lónh o Vin KHKT
Bu in, lónh o v tp th cỏc CBCNV trong phũng Qun lý
NCKH&TTTL Hc vin CNBCVT, lónh o v tp th cỏc CBCNV trong
phũng NCKT Thụng tin quang - Vin KHKT Bu in ó dnh cho tụi s
ng h quý giỏ.
Tụi xin chõn thnh cm n tt c cỏc nh chuyờn gia, khoa hc, ng
nghip ó dnh thi gian c v gúp ý hon thin cho lun ỏn.
Cui cựng, tụi xin cm n m, v v con tụi, cựng tt c nhng ngi
thõn trong gia ỡnh v bn bố, ng nghip ó luụn dnh cho tụi s ng h
nhit tỡnh, c v, ng viờn tụi cú iu kin hon thnh bn lun ỏn ny.
H Ni, ngy 18 thỏng 05 nm 2005
Nguyn Vnh Nam
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 9 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Li núi u
Ngy nay, th gii ang bc sang k nguyờn ca nn kinh t tri thc,
trong ú thụng tin l ng lc thỳc y s phỏt trin ca xó hi. Do ú, nhu
cu truyn thụng ngy cng ln vi nhiu dch v mi bng rng v a
phng tin trong i sng kinh t xó hi ca tng quc gia cng nh kt
ni ton cu.
ỏp ng c vai trũ ng lc thỳc y s phỏt trin ca k nguyờn
thụng tin, mng truyn thụng cn phi cú kh nng truyn dn tc cao,
bng thụng rng, dung lng ln. Mt trong gii phỏp to ra mng truyn
thụng cú kh nng truyn dn tc cao hay bng rng vi dung lng ln v
a dch v, ú l cụng ngh truyn dn thụng tin quang tc cao.
Khi truyn dn tớn hiu cú tc cao hay bng tn rng, thỡ quỏ trỡnh
bin i in quang ca cỏc phn t phỏt quang (LED, LD) v quỏ trỡnh
bin i quang-in ca cỏc phn t thu quang (PIN-Photodiode, APD) khụng
tuõn theo c tuyn tnh ca nú na, m l hm s ca tn s (ú chớnh l quỏ
trỡnh bin i ng ca cỏc phn t phỏt v thu quang). Khi tc truyn dn
cng ln v do ú tn s truyn dn ca h thng cng cao, thỡ nh hng ca
quỏ trỡnh bin i ng ca cỏc phn t phỏt v thu quang n cht lng
truyn dn cng ln.
Cng nh tt c cỏc h thng vin thụng khỏc, trong h thng thụng tin
quang mt trong nhng tham s truyn dn cú tớnh cht quyt nh cht lng
ca h thng, ú l t s tớn hiu trờn nhiu (i vi truyn dn analog) hoc
BER (i vi truyn dn s). bo m cht lng truyn dn cho phộp thỡ
t s tớn hiu trờn nhiu ca h thng h thng thụng tin quang (i vi truyn
dn analog) cn phi ln hn mt giỏ tr cho trc hoc BER (i vi truyn
dn s) cn phi nh hn mt giỏ tr cho trc, cỏc giỏ tr ny ó c ITU-T
khuyn ngh.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 10 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Tham s t s tớn hiu trờn nhiu (i vi truyn dn analog) hoc BER
(i vi truyn dn s) ca h thng h thng thụng tin quang c xỏc nh
thụng qua cỏc phn t phỏt quang, thu quang v si quang trong h thng.
h thng bo m t s tớn hiu trờn nhiu (i vi truyn dn analog) ln hn
mt giỏ tr cho trc hoc BER (i vi truyn dn s) nh hn mt giỏ tr
cho trc, trc ht cỏc phn t phỏt quang, thu quang v si quang trong h
thng cng phi bo m t s tớn hiu trờn nhiu (i vi truyn dn analog)
ln hn mt giỏ tr cho trc hoc BER (i vi truyn dn s) nh hn mt
giỏ tr cho trc.
Khi truyn dn tớn hiu cú tc cao hay bng tn rng, thỡ t s tớn
hiu trờn nhiu (i vi truyn dn analog) hoc BER (i vi truyn dn s)
ca cỏc b thu quang khụng ch l hm s ca cỏc tham s cu trỳc m cũn l
hm s ca cỏc tham s tớn hiu truyn dn ti u vo cỏc Photodiode (biờn
v tn s/tc bit ca ỏnh sỏng ti).
Vỡ vy, cn phi xem xột vi iu kin no ca tớn hiu truyn dn ti
u vo cỏc Photodiode trong cỏc h thng thụng tin quang tc cao t
s tớn hiu trờn nhiu ca Photodiode (i vi truyn dn analog) ln hn mt
giỏ tr cho trc hoc BER (i vi truyn dn s) nh hn mt giỏ tr cho
trc. Gii quyt vn ny, s dn ta n vic xỏc nh min cụng tỏc ca
cỏc Photodiode.
Min cụng tỏc ca Photodiode l tp hp cỏc giỏ tr (cỏc tham s)
ca tớn hiu u vo Photodiode trong cỏc h thng thụng tin quang tc
cao t s tớn hiu trờn nhiu ca Photodiode (i vi truyn dn analog)
ln hn mt giỏ tr cho trc hoc BER (i vi truyn dn s) nh hn
mt giỏ tr cho trc.
Do ú, vic nghiờn cu xỏc nh c min cụng tỏc ca cỏc
Photodiode trong h thng thụng tin quang tc cao l mt vn cp thit.
thc hin mc tiờu ú, ti Nghiờn cu min cụng tỏc ca cỏc
photodiode trong h thng thụng tin quang tc cao ó c t ra v mt
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
chng trỡnh mỏy tớnh xỏc nh c min cụng tỏc ca cỏc photodiode trong
cỏc h thng thụng tin quang tc cao. Trờn c s nghiờn cu ú, ti
cung cp cỏc c s khoa hc, cụng c tớnh toỏn h tr cho cỏc nh tớnh toỏn
thit k cỏc h thng thụng tin quang la chn ti u cỏc phn t ca h thng
hay s dng hiu qu cỏc phn t thụng tin quang hin cú.
t c mc tiờu ú, ti ó thc hin cỏc ni dung chớnh sau õy:
- Cỏc phn t bin i quang in trong h thng thụng tin quang
- Mụ hỡnh toỏn hc ca cỏc photodiode hot ng tc cao
- Cỏc tham s truyn dn ca cỏc photodiode hot ng tc cao
- Min cụng tỏc ca cỏc photodiode hot ng tc cao
- Chng trỡnh phn mm xỏc nh min cụng tỏc ca cỏc photodiode
hot ng tc cao
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 12 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Chng 1. Cỏc phn t bin i quang - in trong h thng
thụng tin quang
1.1. Tng quan v cu trỳc c bn v nguyờn lý hot ng ca h thng
thụng tin quang
1.1.1. Cu trỳc c bn ca h thng thụng tin quang
Cu trỳc c bn ca mt h thng thụng tin quang c ch ra hỡnh 1.1.
Hỡnh 1.1. Cu trỳc c bn ca h thng thụng tin quang s dng b lp ng
dõy (a) v s dng cỏc b khuch i quang (b)
Trong ú: I
V
(t): tớn hiu vo (tớn hiu din)
P
P (t)
: Cụng sut ỏnh sỏng bc x ca b phỏt quang
P
T
(t): Cụng sut ỏn sỏng truyn n u vo b thu quang
u
r
(t): Tớn
hiu ra b thu quang (tớn hiu in).
Si quang
P
p
(t)
u
r
(t)
B phỏt
quang
B thu
quang
i
V
(t)
P
T
(t)
(a)
u
r
(t)
i
V
(t)
B khuch i quang si
(b)
P
p
(t)
B phỏt
quang
P
T
(t)
B thu
quang
B lp
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 13 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Cu trỳc c bn ca h mt thng thụng tin quang bao gm cỏc phn t ch
yu sau: b phỏt quang, b thu quang, si quang, cỏc b khuch i quang v
cỏc thit b lp.
Ngoi ra, tu theo cỏc iu kin v cỏc nhu cu c th trờn cỏc tuyn thụng tin
quang ngi ta cũn s dng cỏc b khuch i quang si, cỏc b bự tỏn sc
hoc cỏc b tỏch ghộp bc súng quang,
1.1.2. Nguyờn lý hot ng ca h thng thụng tin quang
- B phỏt quang: bin i tớn hiu vo i
V
(t)
thnh tớn hiu ỏnh sỏng P
p
(t)
ghộp vo si quang. Quỏ trỡnh ny gi l iu bin/ hay iu ch quang.
- Si quang: truyn dn ỏnh sỏng t u phỏt n u thu
Trong quỏ trỡnh truyn ỏnh sỏng trong si quang, ỏnh sỏng b suy hao v b
tỏn sc. C ly truyn dn cng di thỡ ỏnh sỏng cng b suy hao v tỏn sc.
Vi cỏc tuyn truyn dn di, thỡ ỏnh sỏng truyn n u thu P
T
(t) b suy
gim ln v tỏn sc ln nờn khụng m bo b thu khụi phc li tớn hiu
truyn dn ban u. Do ú, trờn tuyn truyn dn ngi ta thng mc cỏc b
khuch i quang (hỡnh 1.1.a). Khi cỏc tuyn truyn dn khỏ di, ngi ta cũn
phi mc cỏc b lp ng dõy (hỡnh 1.1.b) hoc kt hp c hai b khuch
i quang v b lp ng dõy.
- Cỏc b lp (i vi truyn dn s) hay cỏc b tỏi sinh tớn hiu (i vi truyn
dn analog): tỏi to li tớn hiu do suy hao v cỏc tỏc ng khỏc ca ng
truyn.
- B thu quang: bin i ỏnh sỏng ti P
T
(t) tr thnh tớn hiu in u
r
(t). Tớn
hiu u
r
(t) cú dng ging nh tớn hiu truyn dn ban u i
V
(t). Tuy nhiờn,
cú th cú tp õm v mộo kốm theo (i vi truyn dn analog) hoc li bớt
(i vi truyn dn s).
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 14 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
1.2. Cỏc phn t bin i quang-in
1.2.1. Mt s yờu cu i vi cỏc phn t bin i quang-in
Trong k thut thụng tin quang, cỏc phn t bin i in-quang s dng
trong cn phi tho món mt s yờu cu c bn sau:
- Thi gian ỏp ng nhanh,
- nhy v hiu sut bin i quang in cao,
- Nhiu thp,
- iu kin ghộp vi si quang thun tin,
- Kớch thc nh.
ỏp ng cỏc yờu cu trờn, trong k thut thụng tin quang, ngi ta thng
s dng cỏc phn t bin i quan-in:
- PIN-Photodiode v
- Diode quang thỏc APD.
Di õy chỳng ta s nghiờn cu nguyờn lý bin i quang-in, cu to v
tớnh cht ca cỏc phn t ny [1, 2, 4, 7, 8, 9].
1.2.2. PIN-Photodiode
Cu to
Nguyờn tc bin i quang-in ca PIN-Photodiode da vo nguyờn lý bin
i quang-in ca lp tip giỏp p-n c phõn cc ngc. Cu trỳc c bn
ca PIN-Photodiode c ch ra hỡnh 1.2
P
+
N
+
I
i n
cc
i n cc
vũng
Lp ch ng
ph n x
ỏnh sỏng ti
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 15 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Hỡnh 1.2. Cu to ca PIN-Photodiode
Cu to ca PIN-Photodiode bao gm:
- Mt tip giỏp gm 2 bỏn dn tt l P
+
v N
+
lm nn, gia cú mt lp
mng bỏn dn yu loi N hay mt lp t dn I (Intrisic).
- Trờn b mt ca lp bỏn dn P
+
l mt in cc vũng ( gia cho
ỏnh sỏng thõm nhp vo min I).
- ng thi trờn lp bỏn dn P
+
cú ph mt lp mng cht chng phn x
trỏnh tn hao ỏnh sỏng vo.
- in ỏp phõn cc ngc cho dio de khụng cú dũng in (ch cú th
cú mt dũng ngc rt nh, gi l dũng in ti).
Nguyờn lý hot ng:
Khi cỏc photon i vo lp P
+
cú mc nng lng ln hn rng ca di
cm, s sinh ra trong min P
+
, I, N
+
ca PIN-Photodiode cỏc cp in t v l
trng (ch yu lp I).
Cỏc in t v l trng trong min I va c sinh ra b in trng mnh hỳt
v hai phớa (in t v phớa N
+
vỡ cú in ỏp dng, l trng v min P
+
vỡ cú
in ỏp õm).
Mt khỏc, cỏc in t mi sinh ra trong min P
+
khuch tỏn sang min I nh
gradien mt ti tip giỏp P
+
I, ri chy v phớa N
+
vỡ cú in ỏp dng v l
trng mi sinh ra trong min N
+
khuch tỏn sang min I nh gradien mt
ti tip giỏp N
+
I, ri chy v phớa v min P
+
vỡ cú in ỏp õm.
Tt c cỏc phn t ny sinh ra mch ngoi ca PIN-Photodiode mt dũng
in v trờn ti mt in ỏp.
Cú mt s in t v l trng khụng tham gia vo quỏ trỡnh to ra dũng in
ngoi, vỡ chỳng c sinh ra min P
+
v N
+
cỏch xa cỏc lp tip giỏp P
+
I
v N
+
I khụng c khuch tỏn vo min I (do khong cỏch xa hn di
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 16 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
khuch tỏn ca ng t thiu s), nờn chớng li tỏi hp vi nhau ngay trong
cỏc min P
+
v N
+
.
Trong trng hp lý tng, mi photon chiu vo PIN-Photodiode s sinh ra
mt cp in t v l trng v giỏ tr trung bỡnh ca dũng in ra t l vi
cụng sut chiu vo. Nhng thc t khụng phi nh vy, vỡ mt phn ỏnh
sỏng b tn tht do phn x b mt.
Kh nng thõm nhp ca ỏnh sỏng vo cỏc lp bỏn dn thay i theo bc
súng. Vỡ vy, lp P
+
khụng c quỏ dy. Min I cng dy thỡ hiu sut lng
t cng ln, vỡ xỏc sut to ra cỏc cp in t v l trng tng lờn theo dy
ca min ny v do ú cỏc photon cú nhiu kh nng tip xỳc vi cỏc nguyờn
t hn. Tuy nhiờn, trong truyn dn s di ca xung ỏnh sỏng a vo phi
ln hn thi gian trụi T
d
cn thit cỏc phn t mang in chy qua vựng
trụi cú rng d ca min I. Do ú, d khụng c ln quỏ vỡ nh th tc
bit s b gim i.
Khi bc súng ỏnh sỏng tng thỡ kh nng i qua bỏn dn cng tng lờn, ỏnh
sỏng cú th i qua bỏn dn m khụng to ra cỏc cp in t v l trng. Do
ú, vi cỏc vt liu phi cú mt bc súng ti hn.
1.2.3. Diode quang thỏc APD
Cu to
Cu trỳc c bn ca APD c ch ra hỡnh 1.3.
P
P
P
+
N
+
I
i n
cc
i n cc
vũng
Lp ch ng
ph n x
ỏnh sỏng ti
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 17 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Hỡnh 1.3. Cu to ca APD
Cu to ca APD c bn ging nh PIN-Photodiode. Ngoi ra trong APD cũn
cú mt lp bỏn dn yu P c xen gia lp I v lp N
+
. Bờn trỏi lp I b gii
hn bi lp P
+
, cũn bờn phi lp I b gii hn bi tip giỏp PN
+
.
in ỏp phõn cc ngc t vo APD rt ln, ti hng trm vụn.
in trng thay i theo cỏc lp c ch ra bi hỡnh (b). Trong vựng I, in
trng tng chm, nhng trong tip giỏp PN
+
in trng tng rt nhanh. Lp
tip giỏp PN
+
l min thỏc, õy xy ra quỏ trỡnh nhõn in t.
Nguyờn lý hot ng:
Do APD c t mt in ỏp phõn cc ngc rt ln, ti hng trm vụn,
cho nờn cng in trng min in tớch khụng gian tng lờn rt cao.
Do ú, khi cỏc in t trong min I di chuyn n min thỏc PN
+
chỳng c
tng tc, va chm vo cỏc nguyờn t gii phúng ra cỏc cp in t v l trng
mi, gi l s ion hoỏ do va chm.
Cỏc phn t th cp ny n lt mỡnh li to ra s s ion hoỏ do va chm
thờm na, gõy lờn hiu ng quang thỏc v lm cho dũng in tng lờn ỏng
k.
Thụng qua hiu ng quang thỏc ny m vi cựng mt s lng photon ti,
APD gii phúng ra cỏc in t nhiu hn rt nhiu ln so vi PIN-Photodiode.
1.2.4. c tuyn tnh ca APD & PIN-Photodiode
c tuyn tnh ca PIN Photodiode & APD l c tuyn mụ t mi quan h
gia dũng ra ca photodiode v cụng sut quang mt chiu hay cụng sut
quang cú tc bin i chm a vo photodiode.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 18 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
xỏc nh c mi quan h gia dũng ra ca photodiode v cụng sut
quang mt chiu hay cụng sut quang cú tc bin i chm a vo
Photodiode, trc ht cn xỏc nh c dũng pho to ca cỏc photodiode
(dũng photo chớnh l dũng do cỏc photon trc tip to ra).
Dũng photo ca PIN Photodiode & APD
Khi cỏc photon i vo PIN Photodiode v APD to ra cỏc cp in t & L
trng, di tỏc dng ca in trng ngoi, cỏc phn t ny sinh ra mch
ngoi mt dũng in. ú chớnh l dũng photo ca PIN Photodiode/APD.
Dũng photo I
P
ca PIN Photodiode/APD c xỏc theo cụng thc:
I
P
= H
T
P
T
(1-1)
Trong ú: (1-2)
gi l h s bin i quang - in ca photodiode.
P
T
: l cụng sut ỏnh sỏng chiu vo photodiode
=
S cp ờn t & L trng sinh ra
S photon hp th
l hiu sut lng t hoỏ ca PIN
Photodiode/APD.
: bc súng ca ỏnh sỏng.
e: ờn tớch ca in t (e = 1,602.10
-19
As).
h: hng s Plank (h = 6,62.10
-34
Ws
2
).
c: vn tc ỏnh sỏng (c = 3.10
8
m/s).
Dũng ra ca PIN Photodiode & APD
i vi PIN- Photodiode
(1-3)
hc
e
H
T
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 19 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
PIN- Photodiode l photodiode khụng cú hiu ng quang thỏc, do ú dũng ra
ca nú chớnh l dũng photo, tc l:
i
T-PIN
= i
P
= H
T
P
T
(1-5)
i vi APD
i vi APD, do cú hiu ng quang khỏc m dũng ra ca APD c tng lờn
M ln, tc l:
i
T-APD
= Mi
P
= MH
T
P
T
,
(1-6)
Trong ú:
1
1
n
D
P
T
U
U
i
i
M
(1-7)
l h s khuych i ca APD,
U : ờn ỏp t vo APD.
U
D
: in ỏp ỏnh thng ca APD
n: nhn cỏc giỏ tr t 1,5 6, tu thuc vo vt liu v cu
trỳc ca APD.
c tuyn tnh ca PIN Photodiode & APD
T cỏc cụng thc (1-5) v (1-6), ngi ta xỏc nh c c tuyn tnh ca
PIN- Photodiode & APD theo hỡnh 1.4.
Hỡnh 1.4. c tuyn tnh ca PIN Photodiode & APD
0
i
T
APD
PIN-Photodiode
P
T
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 20 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Vỡ tớn hiu truyn dn (cụng sut ỏnh sỏng) n b thu quang b suy hao rt
ln bi ng truyn, nờn cng ỏnh sỏng ti u b thu quang thng rt
nh. Vỡ vy, tớnh phi tuyn ca b thu quang thng b qua v c tuyn tnh
ca PIN- Photodiode v APD l nhng ng thng. Tuy nhiờn, vỡ cú hiu
ng quang thỏc nờn dc ca c tuyn tnh ca APD ln hn ca PIN-
Photodiode.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 21 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
chng 2. mụ hỡnh toỏn hc ca cỏc photodiode hot ng tc
cao
Khi truyn dn tớn hiu cú tc cao, quỏ trỡnh bin i quang-in ca cỏc
phn t thu quang (PIN-Photodiode, APD) khụng tuõn theo c tuyn tnh
ca nú na, m l hm s ca tn s. ú chớnh l quỏ trỡnh bin i ng ca
cỏc phn t thu quang.
2.1. Cỏc yu t xỏc lp c tớnh ng ca PINPhotodiode v APD
Trong cu to ca PIN - Photodiode v APD luụn tn ti cỏc thnh phn:
- in dung lp in tớch khụng gian (lp tip giỏp ca cỏc lp P v N)
trong PIN - Photodiode & APD
- Cỏc hiu ng ký sinh ca PIN Photodiode & APD,
Khi PIN - Photodiode v APD hot ng khu vc tn s thp (thng nh
hn 1 GHz), tc l khi tớn hiu truyn dn l nhng chui xung cú tc bớt
thp (i vi truyn dn s) hay cú tn s thp (i vi truyn dn analog), thỡ
nh hng ca in dung tip giỏp ca cỏc lp P N trong PIN - Photodiode
& APD v cỏc hiu ng ký sinh cú th b qua trong quỏ trỡnh bin i quang-
in ca PIN-Photodiode v APD. Khi ú, dũng photo to ra ca PIN-
Photodiode v APD ch l hm s ca cng ỏnh sỏng chiu vo APD &
PIN- Photodiode v nú c xỏc nh theo c tuyn bin i quang-in tnh
ca PIN- Photodiode v APD (hỡnh 1.4).
Khi PIN-Photodiode v APD hot ng khu vc tn s cao (thng ln hn
1 GHz), tc l khi tớn hiu truyn dn l nhng chui xung cú tc bớt cao
(i vi truyn dn s) hay cú tn s cao (i vi truyn dn analog), thỡ nh
hng ca in dung tip giỏp ca cỏc lp P N trong APD & PIN -
Photodiode v cỏc hiu ng ký sinh s nh hng ỏng k n quỏ trỡnh bin
i quang-in ca APD & PIN Photodiode [2, 4]. Khi ú, dũng photo to ra
ca APD & PIN- Photodiode khụng xỏc nh theo c tuyn bin i quang-
in tnh ca APD & PINPhotodiode na v nú c xỏc nh theo mt hm
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 22 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
s khụng ch ca cng ỏnh sỏng chiu vo APD & PINPhotodiode, m
nú cũn l hm s ca tn s. Quỏ trỡnh bin i quang-in ca APD & PIN-
Photodiode khụng ch ph thuc vo cng ln ca cụng sut ỏnh sỏng
chiu vo photodiode, m cũn ph thuc vo tn s gi l quỏ trỡnh bin ng
ca PIN- Photodiode v APD. Nh vy, c tớnh bin i quang-in ca
PIN-Photodiode & APDph thuc rt nhiu vo cỏc tham s ca cụng sut
ỏnh sỏng chiu vo.
Ngy nay, ngi ta thng s dng k thut truyn dn thụng tin quang tc
cao xõy dng cỏc tuyn siờu xa l thụng tin phc v cho nhu cu trao
i thụng tin v phỏt trin nn kinh t quc dõn. Trong k thut truyn dn
thụng tin quang, vi tc nh hn hoc bng 5 Gbit/s ngi ta thng s
dng cỏc phn t bin i quang-in l APD & PIN - Photodiode. Khi ú,
quỏ trỡnh bin i quang-in ca APD & PIN-Photodiode trong trng hp
ny l nhng quỏ trỡnh bin i ng.
2.2. S in tng ng ca PIN Photodiode v APD
Hỡnh 2.1. S in tng ng ca PIN-Photodiode (a) v APD (b)
R
D
i
P
G
C
C
C
C
T
i
T
R
T
M
(b)
(a)
R
D
i
P
G
C
C
C
C
T
i
T
R
T
