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

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

Tổng công ty bu chính viễn thôngviệt nam học viện công nghệ bu 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 Hµ néi, 5-2005 Tổng công ty bu chính viễn thôngviệt nam học viện công nghệ bu 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 Ngời hớng dẫn: TS. Hoàng Văn Võ Hà nội, 5-2005 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1 - học viện công nghệ BC-VT Mục lục Chữ viết tắt và ký hiệu 4 Danh sách các hình vẽ .7 LờI CảM ƠN 8 Lời nói đầu 9 Chơng 1. Các phần tử biến đổi quang - điện trong hệ thống thông tin quang 12 1.1. Tổng quan về cấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang .12 1.1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang 12 1.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang 13 1.2. Các phần tử biến đổi quang-điện .13 1.2.1. Một số yêu cầu đối với các phần tử biến đổi quang-điện .13 1.2.2. PIN-Photodiode 14 1.2.3. Diode quang thác APD .16 1.2.4. Đặc tuyến tĩnh của APD & PIN-Photodiode 17 chơng 2. mô hình toán học của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao 20 2.1. Các yếu tố xác lập đặc tính động của PINPhotodiode và APD .20 2.2. Sơ đồ điện tơng đơng của PIN Photodiode và APD 21 2.3. Mô hình toán học của PIN Photodiode và APD .22 2.3.1. Mô hình truyền dẫn tín hiệu 22 2.3.2. Mô hình nhiễu 23 25 chơng 3. Các tham số truyền dẫn của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao .26 3.1. Hệ số khuyếch đại của APD .26 3.2. Hàm truyền dẫn của PIN- Photodiode và APD 26 3.2.1. Hàm truyền dẫn của PIN- Photodiode .26 3.2.2. Hàm truyền dẫn của APD .26 3.3. Hàm trọng lợng của PIN- Photodiode và APD 27 Nguyễn vĩnh nam - Cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 2 - học viện công nghệ BC-VT 3.3.1. Hàm trọng lợng của PIN- Photodiode .27 3.3.2. Hàm trọng lợng của APD 27 3.4. Hàm quá độ của PIN- Photodiode và APD 28 3.5. Tín hiệu ra của PIN Photodiode và APD .28 3.5.1. Truyền dẫn analog 28 3.5.2. Truyền dẫn số 31 3.6. Nhiễu của PIN Photodiode và APD 34 3.6.1. Nhiễu và phân loại nhiễu trong PIN-Photodiode và APD .34 3.6.2. Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode và APD 35 3.7. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu .43 3.7.1. Một số khái niệm cơ bản 43 3.7.2. Truyền dẫn analog .43 3.7.3. Truyền dẫn số .47 chơng 4. miền công tác của các photodiode .53 4.1 Các điều kiện để xác định miền công tác của các Photodiode .53 4.2. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn analog .55 4.3. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn số .57 4.4. Ví dụ tính toán miền công tác của các Photodiode .59 4.4.1. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn analog 59 4.4.2. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn số 63 Kết luận và kiến nghị .69 1. Kết luận .69 2. Kiến nghị .71 Tài liệu tham khảo .72 Phụ lục A: Chơng trình tính toán miền công tác của photodiode 73 A.1. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình .73 A.2. Giới thiệu chơng trình tính toán 74 A.3. Tính toán miền công tác của Photodiode 78 A.3.1. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn analog 78 A.3.2. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn Digital .80 A.4 Một số hình ảnh mô tả kết quả tính toán .81 Phụ lục B. Chứng minh công thức (4-24) .84 Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - học viện công nghệ BC-VT Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4 - học viện công nghệ BC-VT Chữ viết tắt và ký hiệu Hiệu suất lợng tử hoá của PIN Photodiode/APD. Bớc sóng của ánh sáng. APD Hằng số thời gian đặc trng cho quá trình biến đổi quang-điện của APD khi công suất luồng quang biến đổi nhanh thì hằng số thời gian của APD trong quá trình biến đổi quang-điện g-APD Tần số góc giới hạn của APD g-PIN Tần số góc giới hạn của PIN Photodiode LA Hằng số thời gian đặc trng cho quá trình biến đổi quang-điện của APD RC Hằng số thời gian đặc trng cho sự biến đổi quang-điện của APD khi công suất luồng quang biến đổi nhanh n Hệ số ion hoá điện tử trong vùng quang thác p Hệ số ion hoá lỗ trống trong vùng quang thác BER cp Giá trị xác suất sai lầm bit cho phép (đối với truyền dẫn số) để bảo đảm chất l ợng truyền dẫn cho phép của hệ thống. B R Băng tần tạp âm của photodiode c Vận tốc ánh sáng (c = 3.10 8 m/s). C c Điện dung của lớp tiếp giáp PN, C T Điện trở tải của Photodiode, e Địên tích của điện tử (e = 1,602.10 -19 As). F Hệ số nhiễu do quá trình quang thác (trong APD). F(M) Hệ số tạp âm phụ thêm của APD G c Điện dẫn của lớp tiếp giáp PN, G T Điện dẫn tải của Photodiode, g T Hàm trọng lợng của Photodiode g T-APD Hàm trọng lợng của APD- Photodiode g T-PIN Hàm trọng lợng của PIN- Photodiode h Hằng số Plank (h = 6,62.10 -34 Ws 2 ). h(t) Hàm quá độ của Photodiode H P (j ) Hàm truyền dẫn của Photodiode (APD/PIN- Photodiode), H T Hàm truyền dẫn của Photodiode H T-APD Hàm truyền dẫn của APD Photodiode hoạt động ở tốc độ cao H T-PIN Hàm truyền dẫn của PIN Photodiode hoạt động ở tốc độ cao h T-APD Hàm quá độ của APD- Photodiode h T-PIN Hàm quá độ của PIN- Photodiode i N (t) Dòng nhiễu i nC Dòng điện nhiệt trên điện trở lớp tiếp giáp PN, I NL Dòng nhiễu lợng tử tín hiệu i nT Dòng điện nhiệt trên điện trở tải, I P Dòng photo Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 5 - học viện công nghệ BC-VT I T Phổ tín hiệu ra i r Dòng điện rò, i T Dòng điện tối, i T (t) Dòng tín hiệu ra của photodiode, I T0 Phổ tín hiệu ra ở tốc độ thấp I T0-APD Phổ tín hiệu ra của APD-Photodiode ở tốc độ thấp I T0-PIN Phổ tín hiệu ra của PIN-Photodiode ở tốc độ thấp i T-APD Dòng ra của photodiode APD i T-PIN Dòng ra của photodiode PIN I V (t) Tín hiệu vào (tín hiệu diện) T I Giá trị trung bình của dòng điện tối r I Giá trị trung bình của dòng điện tối k Hằng số Bolzomal, K(j ) Hàm truyền dẫn của bộ tiền khuếch đại và một hoặc nhiều bộ khuếch đại điện áp, L(j ) Hàm truyền dẫn của bộ lọc thông thấp. M Hệ số khuếch đại của APD. m Độ sâu điều chế n Tham số phụ thuộc vào vật liệu và cấu trúc của APD. P N Công suất một nguồn nhiễu P N Công suất nhiễu tổng P NL Công suất nhiễu lợng tử tín hiệu P NN Công suất nhiễu nhiệt P Nr Công suất nhiễu dòng điện rò p NT Công suất nhiễu dòng điện tối P P (t) Công suất ánh sáng bức xạ của bộ phát quang P T (t) Công suất án sáng truyền đến đầu vào bộ thu quang hoặc biên độ chuỗi xung số P T-cpmax Giá trị công suất ánh sáng đầu vào bộ thu quang cho phép cực đại P th Công suất của tín hiệu ra photodiode T P Giá trị trung bình của công suất ánh sáng đến photodiode R D Điện trở dây nối của Photodiode, R T Điện trở tải của Photodiode, S/N Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) APD Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của Photodiode APD cp N S Giá trị tỷ số tín hiệu trên nhiễu cho phép (đối với truyền dẫn analog) để bảo đảm chất l ợng truyền dẫn cho phép của hệ thống, S N (j ) Mật độ công suất phổ của dòng nhiễu S NN (j ) Mật độ công suất phổ của nhiễu nhiệt S Nr (j ) Mật độ công suất phổ của nhiễu dòng rò Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 6 - học viện công nghệ BC-VT S NT (j ) Mật độ công suất phổ của nhiễu dòng tối T Chu kỳ chuỗi xung T 0 Nhiệt độ tuyệt đối. T d Độ rộng xung U Địên áp đặt vào APD. U D Điện áp đánh thủng của APD u r (t) Tín hiệu ra bộ thu quang (tín hiệu điện). u r (t) Điện áp tín hiệu ra sau bộ lọc. u T (t) Điện áp tín hiệu ra của bộ khuếch đại, ( ) + + += 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 gcp 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 gcp N S cC [ ] )(1)( )(2 nTtLenTtD nQ nTt nQ nQg += ( ) = = 1 0 )(22 1)( n i iTt i T nQ nQgdg ebenTtL Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 7 - học viện công nghệ BC-VT Danh sách các hình vẽ Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV [...]... nghệ BC-VT thống thông tin quang lựa chọn tối u các phần tử của hệ thống hay sử dụng hiệu quả các phần tử thông tin quang hiện có Để đạt đợc mục tiêu đó, đề tài đã thực hiện các nội dung chính sau đây: - Các phần tử biến đối quang điện trong hệ thống thông tin quang - Mô hình toán học của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao - Các tham số truyền dẫn của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao - Miền công. .. công tác của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao - Chơng trình phần mềm xác định miền công tác của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 12 - học viện công nghệ BC-VT Chơng 1 Các phần tử biến đổi quang - điện trong hệ thống thông tin quang 1.1 Tổng quan về cấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang. .. hệ thống thông tin quang tốc độ cao để tỷ số tín hiệu trên nhiễu của Photodiode (đối với truyền dẫn analog) lớn hơn một giá trị cho trớc hoặc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá trị cho trớc Do đó, việc nghiên cứu xác định đợc miền công tác của các Photodiode trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao là một vấn đề cấp thiết Để thực hiện mục tiêu đó, đề tài Nghiên cứu miền công tác của các photodiode. .. photodiode trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao đã đợc đặt ra và một chơng trình máy tính xác định đợc miền công tác của các photodiode trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao Trên cơ sở nghiên cứu đó, đề tài cung cấp các cơ sở khoa học, công cụ tính toán hỗ trợ cho các nhà tính toán thiết kế các hệ Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11 - học viện công. .. Photodiode trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao để tỷ số tín hiệu trên nhiễu của Photodiode (đối với truyền dẫn analog) lớn hơn một giá trị cho trớc hoặc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá trị cho trớc Giải quyết vấn đề này, sẽ dẫn ta đến việc xác định miền công tác của các Photodiode Miền công tác của Photodiode là tập hợp các giá trị (các tham số) của tín hiệu đầu vào Photodiode trong các. .. 1.1.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang đợc chỉ ra ở hình 1.1 iV(t) Bộ phát Bộ phát quang quang Bộ thu Bộ thu quang quang Bộ lặp Bộ lặp Pp(t) ur(t) PT(t) (a) Sợi quang iV(t) Bộ phát Bộ phát Pp(t) PT(t) quang quang (b) Bộ thu Bộ thu quang quang ur(t) Bộ khuếch đại quang sợi Hình 1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang sử dụng bộ lặp đờng...Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -8- học viện công nghệ BC-VT LờI CảM ƠN Luận án thạc sĩ kỹ thuật Nghiên cứu miền công tác của các photodiode trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao đợc hoàn thành trong thời gian đào tạo, nghiên cứu tại Học viện công nghệ Bu chính Viễn thông - Tổng Công ty Bu chính Viễn thông Việt Nam Để có đợc kết quả này, trớc hết tôi xin trân trọng cảm... tin quang bao gồm các phần tử chủ yếu sau: bộ phát quang, bộ thu quang, sợi quang, các bộ khuếch đại quang và các thiết bị lặp Ngoài ra, tuỳ theo các điều kiện và các nhu cầu cụ thể trên các tuyến thông tin quang ngời ta còn sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi, các bộ bù tán sắc hoặc các bộ tách ghép bớc sóng quang, 1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang - Bộ phát quang: biến đổi tín... truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao hay băng tần rộng, thì quá trình biến đổi điện quang của các phần tử phát quang (LED, LD) và quá trình biến đổi quang- điện của các phần tử thu quang (PIN -Photodiode, APD) không tuân theo đặc tuyến tĩnh của nó nữa, mà là hàm số của tần số (đó chính là quá trình biến đổi động của các phần tử phát và thu quang) Khi tốc độ truyền... tĩnh của PINPhotodiode và APD là những đờng thẳng Tuy nhiên, vì có hiệu ứng quang thác nên độ dốc của đặc tuyến tĩnh của APD lớn hơn của PIN- Photodiode Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 20 - học viện công nghệ BC-VT chơng 2 mô hình toán học của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao, quá trình biến đổi quang- điện của các