Nghiên cứu miền công tác của các photodiode trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao

Diode quang thác APD ..... Hàm tr ng lọ ượng c a PIN- Photodiode và APDủ... Danh sách các hình vẽ.

h c vi n công ngh b u chính vi n thông ọ ệ ệ ư ễ

-Nguy n Vĩnh Nam ễ

Nghiên c u mi n công tác c a ứ ề ủ

quang t c đ cao ố ộ

Hà n i, 5-2005 ộ

-Nguy n Vĩnh Nam ễ

Nghiên c u mi n công tác c a ứ ề ủ

quang t c đ cao ố ộ

lu n văn th c sĩ k thu t ậ ạ ỹ ậ

Ng ườ ướ i h ng d n: TS Hoàng Văn Võ ẫ

Hà n i, 5-2005 ộ

M c l c ụ ụ

Ch vi t t t và ký hi uữ ế ắ ệ 4

Danh sách các hình vẽ 8

L I C M Nờ ả Ơ 9

L i nói đ uờ ầ 10

Chương 1 Các ph n t bi n đ i quang - đi n trong hầ ử ế ổ ệ ệ th ng thông tin quangố 13

1.1 T ng quan v c u trúc c b n và nguyên lýổ ề ấ ơ ả ho t đ ng c a h th ng thông tin quangạ ộ ủ ệ ố 13

1.1.1 C u trúc c b n c a h th ng thông tin ấ ơ ả ủ ệ ố quang 13

1.1.2 Nguyên lý ho t đ ng c a h th ng thông ạ ộ ủ ệ ố tin quang 14

1.2 Các ph n t bi n đ i quang-đi nầ ử ế ổ ệ 15

1.2.1 M t s yêu c u đ i v i các ph n t bi n ộ ố ầ ố ớ ầ ử ế đ i quang-đi n ổ ệ 15

1.2.2 PIN-Photodiode 15

1.2.3 Diode quang thác APD 17

1.2.4 Đ c tuy n tĩnh c a APD & PIN-Photodiode ặ ế ủ

19

chương 2 mô hình toán h c c a các photodiode ho tọ ủ ạ đ ng t c đ caoộ ở ố ộ 22

2.1 Các y u t xác l p đ c tính đ ng c a PIN–ế ố ậ ặ ộ ủ Photodiode và APD 22

2.2 S đ đi n tơ ồ ệ ương đương c a PIN – Photodiodeủ và APD 23

2.3 Mô hình toán h c c a PIN – Photodiode và APDọ ủ

24

2.3.1 Mô hình truy n d n tín hi u ề ẫ ệ 24

2.3.2 Mô hình nhi u ễ 25

27

chương 3 Các tham s truy n d n c a các photodiodeố ề ẫ ủ ho t đ ng t c đ caoạ ộ ở ố ộ 28

3.1 H s khuy ch đ i c a APDệ ố ế ạ ủ 28

3.2 Hàm truy n d n c a PIN- Photodiode và APD ề ẫ ủ . 28

3.2.1 Hàm truy n d n c a PIN- Photodiode ề ẫ ủ 28

3.2.2 Hàm truy n d n c a APD ề ẫ ủ 29

3.3 Hàm tr ng lọ ượng c a PIN- Photodiode và APDủ . 30

3.3.1 Hàm tr ng l ọ ượ ng c a PIN- Photodiode ủ . 30

3.3.2 Hàm tr ng l ọ ượ ng c a APD ủ 30

3.4 Hàm quá đ c a PIN- Photodiode và APDộ ủ 30

3.5 Tín hi u ra c a PIN – Photodiode và APD ệ ủ 31

3.5.1 Truy n d n analog ề ẫ 31

3.5.2 Truy n d n s ề ẫ ố 34

3.6 Nhi u c a PIN – Photodiode và APDễ ủ 37

3.6.1 Nhi u và phân lo i nhi u trong PIN- ễ ạ ễ Photodiode và APD 37

3.6.2 Công su t các nhi u trong PIN-Photodiode ấ ễ và APD 39

3.7 T s tín hi u trên nhi uỷ ố ệ ễ 47

3.7.1 M t s khái ni m c b n ộ ố ệ ơ ả 47

3.7.2 Truy n d n analog ề ẫ 48

3.7.3 Truy n d n s ề ẫ ố 51

chương 4 mi n công tác c a các photodiode ề ủ 58

4.1 Các đi u ki n đ xác đ nh mi n công tác c aề ệ ể ị ề ủ các Photodiode 58

4.2 Mi n công tác c a các Photodiode trongề ủ truy n d n analog ề ẫ 61

4.3 Mi n công tác c a các Photodiode trong truy nề ủ ề d n s ẫ ố 63

4.4 Ví d tính toán mi n công tác c a cácụ ề ủ Photodiode 66

4.4.1 Mi n công tác c a các Photodiode trong ề ủ truy n d n analog ề ẫ 66

4.4.2 Mi n công tác c a các Photodiode trong ề ủ truy n d n s ề ẫ ố 70

K t lu n và ki n nghế ậ ế ị 77

1 K t lu nế ậ 77

2 Ki n nghế ị 79

Tài li u tham kh oệ ả 81

Ph l c A: Chụ ụ ương trình tính toán mi n công tác c aề ủ

photodiode 82

A.1 L a ch n ngôn ng l p trìnhự ọ ữ ậ 82

A.2 Gi i thi u chớ ệ ương trình tính toán 83

A.3 Tính toán mi n công tác c a Photodiodeề ủ 88

A.3.1 Mi n công tác c a các Photodiode trong ề ủ truy n d n analog ề ẫ 88

A.3.2 Mi n công tác c a các Photodiode trong ề ủ truy n d n Digital ề ẫ 89

A.4 M t s hình nh mô t k t qu tính toánộ ố ả ả ế ả 91

Ph l c B Ch ng minh công th c (4-24)ụ ụ ứ ứ 94

Ch vi t t t và ký hi u ữ ế ắ ệ

η Hi u su t l ệ ấ ượ ng t hoá c a PIN– Photodiode/APD ử ủ

λ B ướ c sóng c a ánh sáng ủ

τAPD H ng s th i gian đ c tr ng cho quá trình bi n đ i quang-đi n c a APD khi công su t ằ ố ờ ặ ư ế ổ ệ ủ ấ

lu ng quang bi n đ i nhanh thì h ng s th i gian c a APD trong quá trình bi n đ i quang- ồ ế ổ ằ ố ờ ủ ế ổ

đi n ệ

ωg-APD T n s góc gi i h n c a AP ầ ố ớ ạ ủ D

ωg-PIN T n s góc gi i h n c a PIN – Photodiode ầ ố ớ ạ ủ

τLA H ng s th i gian đ c tr ng cho quá trình bi n đ i quang-đi n c a APD ằ ố ờ ặ ư ế ổ ệ ủ

τRC H ng s th i gian đ c tr ng cho s bi n đ i quang-đi n c a APD khi công su t lu ng ằ ố ờ ặ ư ự ế ổ ệ ủ ấ ồ

quang bi n đ i nhanh ế ổ

αn H s ion h ệ ố oá đi n t trong vùng quang thác ệ ử

αp H s ion hoá l tr ng trong vùng quang thác ệ ố ỗ ố

BER cp Giá tr xác su t sai l m bit cho phép (đ i v i truy n d n s ) đ b o đ m ch t l ị ấ ầ ố ớ ề ẫ ố ể ả ả ấ ượ ng truy n ề

d n cho phép c a h th ng ẫ ủ ệ ố

B R Băng t n t p âm c a photodiode ầ ạ ủ

c V n t c ánh sáng (c = 3.10 ậ ố 8 m/s).

C c Đi n dung c a l p ti p giáp PN, ệ ủ ớ ế

C T Đi n tr t i c a Photodiode, ệ ở ả ủ

e Đ ên tích c a đi n t (e = 1,602.10 ị ủ ệ ử -19 As).

F H s nhi u do quá trình quang thác (trong APD) ệ ố ễ

F(M) H s t p âm ph thêm c a APD ệ ố ạ ụ ủ

G c Đi n d n c a l p ti p giáp PN, ệ ẫ ủ ớ ế

G T Đi n d n t i c a Photodiode, ệ ẫ ả ủ

g T Hàm tr ng l ọ ượ ng c a Photodiode ủ

g T-APD Hàm tr ng l ọ ượ ng c a APD- Photodiode ủ

g T-PIN Hàm tr ng l ọ ượ ng c a PIN- Photodiode ủ

h H ng s Plank (h = 6,62.10 ằ ố -34 Ws 2 ).

h(t) Hàm quá đ c a Photodiode ộ ủ

H P (jω) Hàm truy n d n c a Photodiode (APD/PIN- Photodiode), ề ẫ ủ

H T Hàm truy n d n c a Photodiode ề ẫ ủ

H T-APD Hàm truy n d n c a APD Photodiode ho t đ ng t c đ cao ề ẫ ủ ạ ộ ở ố ộ

H T-PIN Hàm truy n d n c a PIN Photodiode ho t đ ng t c đ cao ề ẫ ủ ạ ộ ở ố ộ

h T-APD Hàm quá đ c a APD- Photodiode ộ ủ

h T-PIN Hàm quá đ c a PIN- Photodiode ộ ủ

i N (t) Dòng nhi u ễ

i nC Dòng đi n nhi t trên đi n tr l p ti p giáp PN, ệ ệ ệ ở ớ ế

I NL Dòng nhi u l ễ ượ ng t tín hi u ử ệ

i nT Dòng đi n nhi t trên đi n tr t i, ệ ệ ệ ở ả

I P Dòng photo

I T Ph tín hi u ra ổ ệ

i r Dòng đi n rò, ệ

i T Dòng đi n t i, ệ ố

i T (t) Dòng tín hi u ra c a photodiode, ệ ủ

I T0 Ph tín hi u ra t c đ th p ổ ệ ở ố ộ ấ

I T0-APD Ph tín hi u ra c a APD-Photodiode t c đ th p ổ ệ ủ ở ố ộ ấ

I T0-PIN Ph tín hi u ra c a PIN-Photodiode t c đ th p ổ ệ ủ ở ố ộ ấ

i T-APD Dòng ra c a photodiode APD ủ

i T-PIN Dòng ra c a photodiode PIN ủ

I V (t) Tín hi u vào (tín hi u di n) ệ ệ ệ

T

I Giá tr trung bình c a dòng đi n t iị ủ ệ ố

r

I Giá tr trung bình c a dòng đi n t iị ủ ệ ố

k H ng s Bolzomal, ằ ố

K(jω) Hàm truy n d n c a b ti n khu ch đ i và m t ho c nhi u b khu ch đ i đi n áp, ề ẫ ủ ộ ề ế ạ ộ ặ ề ộ ế ạ ệ

L(jω) Hàm truy n d n c a b l c thông th p ề ẫ ủ ộ ọ ấ

M H s khu ch đ i c a APD ệ ố ế ạ ủ

m Đ sâu đi u ch ộ ề ế

n Tham s ph thu c vào v t li u và c u trúc c a APD ố ụ ộ ậ ệ ấ ủ

P N Công su t m t ngu n nhi u ấ ộ ồ ễ

P NΣ Công su t nhi u t ng ấ ễ ổ

P NL Công su t nh ấ i u l ễ ượ ng t tín hi u ử ệ

P NN Công su t nhi u nhi t ấ ễ ệ

P Nr Công su t nhi u dòng đi n rò ấ ễ ệ

p NT Công su t nhi u dòng đi n t i ấ ễ ệ ố

P P (t) Công su t ánh sáng b c x c a b phát quang ấ ứ ạ ủ ộ

P T (t) Công su t án sáng truy n đ n đ u vào b thu quang ho c biên đ chu i xung s ấ ề ế ầ ộ ặ ộ ỗ ố

P T-cpmax Giá tr công su t ánh sáng đ u vào b thu quang cho phép c c đ i ị ấ ầ ộ ự ạ

P th Công su t c a tín hi u ra photodiode ấ ủ ệ

T

P Giá tr trung bình c a công su t ánh sáng đ n photodiodeị ủ ấ ế

R D Đi n tr dây n i c a Photodiode, ệ ở ố ủ

R T Đi n tr t i ệ ở ả c a Photodiode, ủ

S/N T s tín hi u trên nhi u ỷ ố ệ ễ

(S/N) APD T s tín hi u trên nhi u c a Photodiode APD ỷ ố ệ ễ ủ

cp

N

S











 Giá tr t s tín hi u trên nhi u cho phép (đ i v i truy n d n analog) đ b o đ m ch t ị ỷ ố ệ ễ ố ớ ề ẫ ể ả ả ấ

l ượ ng truy n d n cho phép c a h th ng, ề ẫ ủ ệ ố

S N (jω) M t đ công su t ph c a dòng nhi u ậ ộ ấ ổ ủ ễ

S NN (jω) M t đ công su t ph c a nhi u nhi t ậ ộ ấ ổ ủ ễ ệ

S Nr (jω) M t đ công su t ph c a nhi u dòng rò ậ ộ ấ ổ ủ ễ

S NT (jω) M t đ công su t ph c a nhi u dòng t i ậ ộ ấ ổ ủ ễ ố

T Chu kỳ chu i xung ỗ

T 0 Nhi t đ tuy t đ i ệ ộ ệ ố

T d Đ r ng xung ộ ộ

U Đ ên áp đ t vào APD ị ặ

U D Đi n áp đánh th ng c a APD ệ ủ ủ

u r (t) Tín hi u ra b thu quang (tín hi u đi n) ệ ộ ệ ệ

u r (t) Đi n áp tín hi u ra sau b l c ệ ệ ộ ọ

u T (t) Đi n áp tín hi u ra c a b khu ch đ i, ệ ệ ủ ộ ế ạ















































 +

+

















+

2 1

1 1

2

,

g g

m am

b

m

ω ω ω

ω ω

α













+

= 2 1 22

,

g

am

c

m

ω

ω ω

β

m

1

=

ε

2

2

2

1

M

H

2

m

a

A=

[ ]











a 1 1 exp ωg Q

*

a 1 = M H P

R T

M

e

b= 2 2 +







































 +

+









+













−

=

2 2

2 1

2 1

1 1

g

g cp

m N

S

b

B

ω ω ω

ω

( )

1

*

1

*

g T

H M M

F

e

2

1

=

eM

















+













−

g cp

N

S

c

C

ω ω

)

n

Q

n Q

−

=

ω

( )∑−

=

−

−

0

) ( 2 2

1 )

i

iT t i T n

Q

n Q g

e

nT

t

Danh sách các hình vẽ

L I C M N ờ ả Ơ

Lu n án th c sĩ k thu t “ậ ạ ỹ ậ Nghiên c u mi n công tác c a các photodiode ứ ề ủ trong h th ng thông tin quang t c đ cao ệ ố ố ộ ” đư c hoàn thành trong th i gianợ ờ đào t o, nghiên c u t i H c vi n công ngh B u chính Vi n thông - T ngạ ứ ạ ọ ệ ệ ư ễ ổ Công ty B u chính Vi n thông Vi t Nam Đ có đư ễ ệ ể ư c k t qu này, trợ ế ả ư cớ

h t tôi xin trân tr ng c m n TS Hoàng Văn Võ đã t o đi u ki n, giúp đ ,ế ọ ả ơ ạ ề ệ ỡ

t n tình hậ ư ng d n, gi i quy t nh ng v n đ khoa h c trong quá trình th cớ ẫ ả ế ữ ấ ề ọ ự

hi n lu n án.ệ ậ

Tôi xin trân tr ng c m n T ng Công ty Bọ ả ơ ổ ưu chính Vi n thông Vi tễ ệ Nam (VNPT), H c vi n công ngh Bọ ệ ệ ưu chính Vi n thông (PTIT), Vi nễ ệ Khoa h c k thu t Bọ ỹ ậ ưu đi n (RIPT) đã t o đi u ki n, cho phép tôi đệ ạ ề ệ ư cợ tham gia khóa đào t o nghiên c u ạ ứ

Tôi xin chân thành c m n các th y cô giáo đã truy n th nh ng ki nả ơ ầ ề ụ ữ ế

th c b ích trong su t khoá h c, các th y cô giáo Khoa Qu c t và đào taoứ ổ ố ọ ầ ố ế sau đ i h c đã t o m i đi u ki n t t nh t đ chúng tôi hoàn thành khoáạ ọ ạ ọ ề ệ ố ấ ể

h cọ

Tôi xin chân thành c m n lãnh đ o H c vi n, lãnh đ o Vi n KHKTả ơ ạ ọ ệ ạ ệ

B u đi n, lãnh đ o và t p th các CBCNV trong phòng Qu n lýư ệ ạ ậ ể ả NCKH&TTTL – H c vi n CNBCVT, lãnh đ o và t p th các CBCNVọ ệ ạ ậ ể trong phòng NCKT Thông tin quang - Vi n KHKT B u đi n đã dành cho tôiệ ư ệ

s ng h quý giá.ự ủ ộ

Tôi xin chân thành c m n t t c các nhà chuyên gia, khoa h c, đ ngả ơ ấ ả ọ ồ nghi p đã dành th i gian đ c và góp ý hoàn thi n cho lu n án.ệ ờ ọ ệ ậ

Cu i cùng, tôi xin c m n m , v và con tôi, cùng t t c nh ng ngố ả ơ ẹ ợ ấ ả ữ ư iờ thân trong gia đình và b n bè, đ ng nghi p đã luôn dành cho tôi s ng hạ ồ ệ ự ủ ộ nhi t tình, c vũ, đ ng viên đ tôi có đi u ki n hoàn thành b n lu n án này.ệ ổ ộ ể ề ệ ả ậ

Hà N i, ngày 18 tháng 05 năm 2005ộ

Nguy n Vĩnh Nam ễ

L i nói đ u ờ ầ

Ngày nay, th gi i đang bế ớ ước sang k nguyên c a n n kinh t triỷ ủ ề ế

th c, trong đó thông tin là đ ng l c thúc đ y s phát tri n c a xã h i Doứ ộ ự ẩ ự ể ủ ộ

đó, nhu c u truy n thông ngày càng l n v i nhi u d ch v m i băng r ngầ ề ớ ớ ề ị ụ ớ ộ

và đa phương ti n trong đ i s ng kinh t – xã h i c a t ng qu c gia cũngệ ờ ố ế ộ ủ ừ ố

nh k t n i toàn c u ư ế ố ầ

Đ đáp ng để ứ ược vai trò đ ng l c thúc đ y s phát tri n c a kộ ự ẩ ự ể ủ ỷ nguyên thông tin, m ng truy n thông c n ph i có kh năng truy n d n t cạ ề ầ ả ả ề ẫ ố

đ cao, băng thông r ng, dung lộ ộ ượng l n M t trong gi i pháp đ t o raớ ộ ả ể ạ

m ng truy n thông có kh năng truy n d n t c đ cao hay băng r ng v iạ ề ả ề ẫ ố ộ ộ ớ dung lượng l n và đa d ch v , đó là công ngh truy n d n thông tin quangớ ị ụ ệ ề ẫ

t c đ cao.ố ộ

Khi truy n d n tín hi u có t c đ cao hay băng t n r ng, thì quá trìnhề ẫ ệ ố ộ ầ ộ

bi n đ i đi n – quang c a các ph n t phát quang (LED, LD) và quá trìnhế ổ ệ ủ ầ ử

bi n đ i quang-đi n c a các ph n t thu quang (PIN-Photodiode, APD)ế ổ ệ ủ ầ ử không tuân theo đ c tuy n tĩnh c a nó n a, mà là hàm s c a t n s (đóặ ế ủ ữ ố ủ ầ ố chính là quá trình bi n đ i đ ng c a các ph n t phát và thu quang) Khi t cế ổ ộ ủ ầ ử ố

đ truy n d n càng l n và do đó t n s truy n d n c a h th ng càng cao,ộ ề ẫ ớ ầ ố ề ẫ ủ ệ ố thì nh hả ưởng c a quá trình bi n đ i đ ng c a các ph n t phát và thuủ ế ổ ộ ủ ầ ử quang đ n ch t lế ấ ượng truy n d n càng l n ề ẫ ớ

Cũng nh t t c các h th ng vi n thông khác, trong h th ng thôngư ấ ả ệ ố ễ ệ ố tin quang m t trong nh ng tham s truy n d n có tính ch t quy t đ nh ch tộ ữ ố ề ẫ ấ ế ị ấ

lượng c a h th ng, đó là t s tín hi u trên nhi u (đ i v i truy n d nủ ệ ố ỷ ố ệ ễ ố ớ ề ẫ analog) ho c BER (đ i v i truy n d n s ) Đ b o đ m ch t lặ ố ớ ề ẫ ố ể ả ả ấ ượng truy nề

d n cho phép thì t s tín hi u trên nhi u c a h th ng h th ng thông tinẫ ỷ ố ệ ễ ủ ệ ố ệ ố quang (đ i v i truy n d n analog) c n ph i l n h n m t giá tr cho trố ớ ề ẫ ầ ả ớ ơ ộ ị ướ c

ho c BER (đ i v i truy n d n s ) c n ph i nh h n m t giá tr cho trặ ố ớ ề ẫ ố ầ ả ỏ ơ ộ ị ướ c, các giá tr này đã đị ược ITU-T khuy n ngh ế ị

Tham s t s tín hi u trên nhi u (đ i v i truy n d n analog) ho cố ỷ ố ệ ễ ố ớ ề ẫ ặ BER (đ i v i truy n d n s ) c a h th ng h th ng thông tin quang đố ớ ề ẫ ố ủ ệ ố ệ ố ượ c xác đ nh thông qua các ph n t phát quang, thu quang và s i quang trong hị ầ ử ợ ệ

th ng Đ h th ng b o đ m t s tín hi u trên nhi u (đ i v i truy n d nố ể ệ ố ả ả ỷ ố ệ ễ ố ớ ề ẫ analog) l n h n m t giá tr cho trớ ơ ộ ị ước ho c BER (đ i v i truy n d n s )ặ ố ớ ề ẫ ố

nh h n m t giá tr cho trỏ ơ ộ ị ước, trước h t các ph n t phát quang, thu quangế ầ ử

và s i quang trong h th ng cũng ph i b o đ m t s tín hi u trên nhi uợ ệ ố ả ả ả ỷ ố ệ ễ (đ i v i truy n d n analog) l n h n m t giá tr cho trố ớ ề ẫ ớ ơ ộ ị ước ho c BER (đ iặ ố

v i truy n d n s ) nh h n m t giá tr cho trớ ề ẫ ố ỏ ơ ộ ị ước

Khi truy n d n tín hi u có t c đ cao hay băng t n r ng, thì t s tínề ẫ ệ ố ộ ầ ộ ỷ ố

hi u trên nhi u (đ i v i truy n d n analog) ho c BER (đ i v i truy n d nệ ễ ố ớ ề ẫ ặ ố ớ ề ẫ

s ) c a các b thu quang không ch là hàm s c a các tham s c u trúc màố ủ ộ ỉ ố ủ ố ấ còn là hàm s c a các tham s tín hi u truy n d n t i đ u vào cácố ủ ố ệ ề ẫ ạ ầ Photodiode (biên đ và t n s /t c đ bit c a ánh sáng t i) ộ ầ ố ố ộ ủ ớ

Vì v y, c n ph i xem xét v i đi u ki n nào c a tín hi u truy n d nậ ầ ả ớ ề ệ ủ ệ ề ẫ

t i đ u vào các Photodiode trong các h th ng thông tin quang t c đ caoạ ầ ệ ố ố ộ

đ t s tín hi u trên nhi u c a Photodiode (đ i v i truy n d n analog) l nể ỷ ố ệ ễ ủ ố ớ ề ẫ ớ

h n m t giá tr cho trơ ộ ị ước ho c BER (đ i v i truy n d n s ) nh h n m tặ ố ớ ề ẫ ố ỏ ơ ộ giá tr cho trị ước Gi i quy t v n đ này, s d n ta đ n vi c xác đ nh mi nả ế ấ ề ẽ ẫ ế ệ ị ề công tác c a các Photodiode.ủ