LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU MIỀN CÔNG TÁC CỦA CÁC PHOTODIODE TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO

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 [...]... cỏc photodiode trong h thng thụng tin quang tc cao ó c t ra v mt Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11 - học viện công nghệ BC-VT 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. .. khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 12 - học viện công nghệ BC-VT 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 iV(t) B phỏt quang B thu quang B lp Pp(t) ur(t) PT(t) (a) Si quang iV(t) B phỏt Pp(t) PT(t) quang. .. vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV - 14 - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật học viện công nghệ BC-VT 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... 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 Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông. .. Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV - 23 - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật học viện công nghệ BC-VT Khi cụng sut lung quang bin i nhanh (tn s ca lung quang cao - i vi tuyn dn analog hay tc bit/s - i vi truyn dn s) thỡ ờn dung ca lp chn, cỏc hiu ng ký sinh ca photodiode s nh hng ỏng k n quỏ trỡnh bin i quang- ờn ca photodiode Quỏ trỡnh bin i quang- in trong trng hp ny ca photodiode gi l quỏ... 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 PINPhotodiode Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 21 - học viện công nghệ BC-VT chng 2 mụ hỡnh toỏn hc ca cỏc photodiode hot ng tc cao Khi truyn dn tớn hiu cú tc cao, ... học viện công nghệ BC-VT 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... quang (b) B thu quang ur(t) B khuch i quang si 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: IV (t): tớn hiu vo (tớn hiu din) PP (t) : Cụng sut ỏnh sỏng bc x ca b phỏt quang PT (t): Cụng sut ỏn sỏng truyn n u vo b thu quang ur (t): Tớn hiu ra b thu quang (tớn hiu in) Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ... 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 quangin tnh ca APD & PINPhotodiode na v nú c xỏc nh theo mt hm Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV - 22 - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật học viện công nghệ BC-VT 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... PIN Photodiode & APD i vi PIN- Photodiode Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV - 19 - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật học viện công nghệ BC-VT PIN- Photodiode l photodiode khụng cú hiu ng quang thỏc, do ú dũng ra ca nú chớnh l dũng photo, tc l: iT-PIN = iP = HT PT (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: iT-APD = MiP = MHTPT , (1-6) Trong . 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. 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. 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