luan an thac si ky thuat

Tổng công ty bu viễn thôngviệt nam học viện công nghệ bu viễn thông Nguyễn Vĩnh Nam Nghiên cứu miền công tác photodiode hệ thống thông tin quang tốc độ cao luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hà nội, 5-2005 Tổng công ty bu viễn thôngviệt nam học viện công nghệ bu viễn thông Nguyễn Vĩnh Nam Nghiên cứu miền công tác photodiode 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 ký hiệu Danh sách hình vẽ LờI CảM ƠN Lời nói đầu Chơng Các phần tử biến đổi quang - điện hệ thống thông tin quang 10 1.1 Tổng quan cấu trúc nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin quang .10 1.1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 10 1.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin quang 11 1.2 Các phần tử biến đổi quang-điện 11 1.2.1 Một số yêu cầu phần tử biến đổi quang-điện 11 1.2.2 PIN-Photodiode 12 1.2.3 Diode quang thác APD 13 1.2.4 Đặc tuyến tĩnh APD & PIN-Photodiode 14 chơng mô hình toán học photodiode hoạt động tốc độ cao 17 2.1 Các yếu tố xác lập đặc tính động PINPhotodiode APD .17 2.2 Sơ đồ điện tơng đơng PIN Photodiode APD 18 2.3 Mô hình toán học PIN Photodiode APD .19 2.3.1 Mô hình truyền dẫn tín hiệu 19 2.3.2 Mô hình nhiễu .19 21 chơng Các tham số truyền dẫn photodiode hoạt động tốc độ cao .22 3.1 Hệ số khuyếch đại APD 22 3.2 Hàm truyền dẫn PIN- Photodiode APD 22 3.2.1 Hàm truyền dẫn PIN- Photodiode .22 3.2.2 Hàm truyền dẫn APD 22 3.3 Hàm trọng lợng PIN- Photodiode APD 23 3.3.1 Hàm trọng lợng PIN- Photodiode 23 3.3.2 Hàm trọng lợng APD 23 3.4 Hàm độ PIN- Photodiode APD 24 3.5 Tín hiệu PIN Photodiode APD 24 3.5.1 Truyền dẫn analog .24 3.5.2 Truyền dẫn số 27 3.6 Nhiễu PIN Photodiode APD 30 3.6.1 Nhiễu phân loại nhiễu PIN-Photodiode APD 30 3.6.2 Công suất nhiễu PIN-Photodiode APD 31 3.7 Tỷ số tín hiệu nhiễu .38 3.7.1 Một số khái niệm .38 3.7.2 Truyền dẫn analog .39 Nguyễn vĩnh nam - Cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -2- học viện công nghệ BC-VT 3.7.3 Truyền dẫn số 42 chơng miền công tác photodiode .48 4.1 Các điều kiện để xác định miền công tác Photodiode .48 4.2 Miền công tác Photodiode truyền dẫn analog .50 4.3 Miền công tác Photodiode truyền dẫn số 53 4.4 Ví dụ tính toán miền công tác Photodiode .55 4.4.1 Miền công tác Photodiode truyền dẫn analog .55 4.4.2 Miền công tác Photodiode truyền dẫn số .59 Kết luận kiến nghị 65 Kết luận 65 Kiến nghị 67 Tài liệu tham khảo .68 Phụ lục A: Chơng trình tính toán miền công tác photodiode 69 A.1 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình 69 A.2 Giới thiệu chơng trình tính toán 70 A.3 Tính toán miền công tác Photodiode 74 A.3.1 Miền công tác Photodiode truyền dẫn analog .74 A.3.2 Miền công tác Photodiode truyền dẫn Digital .75 A.4 Một số hình ảnh mô tả kết tính toán 77 Phụ lục B Chứng minh công thức (4-24) .80 Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -3- học viện công nghệ BC-VT Chữ viết tắt ký hiệu Hiệu suất lợng tử hoá PIN Photodiode/APD Bớc sóng ánh sáng APD g-APD Hằng số thời gian đặc trng cho trình biến đổi quang-điện APD công suất luồng quang biến đổi nhanh số thời gian APD trình biến đổi quang-điện Tần số góc giới hạn APD g-PIN Tần số góc giới hạn PIN Photodiode LA Hằng số thời gian đặc trng cho trình biến đổi quang-điện APD RC Hằng số thời gian đặc trng cho biến đổi quang-điện APD công suất luồng quang biến đổi nhanh Hệ số ion hoá điện tử vùng quang thác n p BERcp BR c Cc CT e F F(M) Gc GT gT gT-APD gT-PIN h h(t) HP(j) HT HT-APD HT-PIN hT-APD hT-PIN iN(t) inC INL inT IP IT ir iT iT(t) IT0 IT0-APD Hệ số ion hoá lỗ trống vùng quang thác Giá trị xác suất sai lầm bit cho phép (đối với truyền dẫn số) để bảo đảm chất l ợng truyền dẫn cho phép hệ thống Băng tần tạp âm photodiode Vận tốc ánh sáng (c = 3.108 m/s) Điện dung lớp tiếp giáp PN, Điện trở tải Photodiode, Địên tích điện tử (e = 1,602.10-19 As) Hệ số nhiễu trình quang thác (trong APD) Hệ số tạp âm phụ thêm APD Điện dẫn lớp tiếp giáp PN, Điện dẫn tải Photodiode, Hàm trọng lợng Photodiode Hàm trọng lợng APD- Photodiode Hàm trọng lợng PIN- Photodiode Hằng số Plank (h = 6,62.10-34 Ws2) Hàm độ Photodiode Hàm truyền dẫn Photodiode (APD/PIN- Photodiode), Hàm truyền dẫn Photodiode Hàm truyền dẫn APD Photodiode hoạt động tốc độ cao Hàm truyền dẫn PIN Photodiode hoạt động tốc độ cao Hàm độ APD- Photodiode Hàm độ PIN- Photodiode Dòng nhiễu Dòng điện nhiệt điện trở lớp tiếp giáp PN, Dòng nhiễu lợng tử tín hiệu Dòng điện nhiệt điện trở tải, Dòng photo Phổ tín hiệu Dòng điện rò, Dòng điện tối, Dòng tín hiệu photodiode, Phổ tín hiệu tốc độ thấp Phổ tín hiệu APD-Photodiode tốc độ thấp Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật IT0-PIN iT-APD iT-PIN IV (t) IT Ir k K(j) L(j) M m n PN PN PNL PNN PNr pNT PP (t) PT (t) PT-cpmax Pth PT RD RT S/N (S/N)APD S N cp -4- học viện công nghệ BC-VT Phổ tín hiệu PIN-Photodiode tốc độ thấp Dòng photodiode APD Dòng photodiode PIN Tín hiệu vào (tín hiệu diện) Giá trị trung bình dòng điện tối Giá trị trung bình dòng điện tối Hằng số Bolzomal, Hàm truyền dẫn tiền khuếch đại nhiều khuếch đại điện áp, Hàm truyền dẫn lọc thông thấp Hệ số khuếch đại APD Độ sâu điều chế Tham số phụ thuộc vào vật liệu cấu trúc APD Công suất nguồn nhiễu Công suất nhiễu tổng Công suất nhiễu lợng tử tín hiệu Công suất nhiễu nhiệt Công suất nhiễu dòng điện rò Công suất nhiễu dòng điện tối Công suất ánh sáng xạ phát quang Công suất án sáng truyền đến đầu vào thu quang biên độ chuỗi xung số Giá trị công suất ánh sáng đầu vào thu quang cho phép cực đại Công suất tín hiệu photodiode Giá trị trung bình công suất ánh sáng đến photodiode Điện trở dây nối Photodiode, Điện trở tải Photodiode, Tỷ số tín hiệu nhiễu Tỷ số tín hiệu nhiễu Photodiode APD Giá trị tỷ số tín hiệu nhiễu cho phép (đối với truyền dẫn analog) để bảo đảm chất l ợng truyền dẫn cho phép hệ thống, SN(j) Mật độ công suất phổ dòng nhiễu SNN(j) Mật độ công suất phổ nhiễu nhiệt SNr(j) Mật độ công suất phổ nhiễu dòng rò SNT(j) T T0 Td U UD ur (t) ur(t) uT(t) Mật độ công suất phổ nhiễu dòng tối Chu kỳ chuỗi xung Nhiệt độ tuyệt đối Độ rộng xung Địên áp đặt vào APD Điện áp đánh thủng APD Tín hiệu thu quang (tín hiệu điện) Điện áp tín hiệu sau lọc Điện áp tín hiệu khuếch đại, Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV -5- Luận văn thạc sĩ kỹ thuật học viện công nghệ BC-VT b m ( m, ) = + + 2am g 1+ g ( m, ) = + g c am m a = H T2 M 2 = A = a m2 [ ] a* = a1 exp g ( tQ nT ) a1 = M HP b = 2.e.M 2+x H T BR m S B = b1 + + N cp g 1+ g [ ] [ ] b1* = b1 ( 1) + D(tQ nT ) b2* = b1 ( 1) + L(tQ nT ) b1 = [ e F (M ) M H T g ] c = 2eM 2+ x ( I T + I r ) + 4kT (GC + GT ) BR + g S C =c N cp [ D(tQ n nT ) = e ( L(tQ n nT ) = e gTd g ( t Q n nT ) ) n bi e ] + L(t Qn nT ) g ( t Q niT ) i =0 Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -6- học viện công nghệ BC-VT Danh sách hình vẽ Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -7- học viện công nghệ BC-VT LờI CảM ƠN Luận án thạc sĩ kỹ thuật Nghiên cứu miền công tác photodiode hệ thống thông tin quang tốc độ cao đợc hoàn thành thời gian đào tạo, nghiên cứu Học viện công nghệ Bu Viễn thông - Tổng Công ty Bu Viễn thông Việt Nam Để có đợc kết này, trớc hết xin trân trọng cảm ơn TS Hoàng Văn Võ tạo điều kiện, giúp đỡ, tận tình hớng dẫn, giải vấn đề khoa học trình thực luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Tổng Công ty Bu Viễn thông Việt Nam (VNPT), Học viện công nghệ Bu Viễn thông (PTIT), Viện Khoa học kỹ thuật Bu điện (RIPT) tạo điều kiện, cho phép đợc tham gia khóa đào tạo nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo truyền thụ kiến thức bổ ích suốt khoá học, thầy cô giáo Khoa Quốc tế đào tao sau đại học tạo điều kiện tốt để hoàn thành khoá học Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Học viện, lãnh đạo Viện KHKT Bu điện, lãnh đạo tập thể CBCNV phòng Quản lý NCKH&TTTL Học viện CNBCVT, lãnh đạo tập thể CBCNV phòng NCKT Thông tin quang - Viện KHKT Bu điện dành cho ủng hộ quý giá Tôi xin chân thành cảm ơn tất nhà chuyên gia, khoa học, đồng nghiệp dành thời gian đọc góp ý hoàn thiện cho luận án Cuối cùng, xin cảm ơn mẹ, vợ tôi, tất ngời thân gia đình bạn bè, đồng nghiệp dành cho ủng hộ nhiệt tình, cổ vũ, động viên để có điều kiện hoàn thành luận án Hà Nội, ngày 18 tháng 05 năm 2005 Nguyễn Vĩnh Nam Lời nói đầu Ngày nay, giới bớc sang kỷ nguyên kinh tế tri thức, thông tin động lực thúc đẩy phát triển xã hội Do đó, nhu cầu truyền thông ngày lớn với nhiều dịch vụ băng rộng đa phơng tiện đời sống kinh tế xã hội quốc gia nh kết nối toàn cầu Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -8- học viện công nghệ BC-VT Để đáp ứng đợc vai trò động lực thúc đẩy phát triển kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung lợng lớn Một giải pháp để tạo mạng truyền thông có khả truyền dẫn tốc độ cao hay băng rộng với dung lợng lớn đa dịch vụ, công nghệ truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao hay băng tần rộng, trình biến đổi điện quang phần tử phát quang (LED, LD) trình biến đổi quang-điện phần tử thu quang (PIN-Photodiode, APD) không tuân theo đặc tuyến tĩnh nữa, mà hàm số tần số (đó trình biến đổi động phần tử phát thu quang) Khi tốc độ truyền dẫn lớn tần số truyền dẫn hệ thống cao, ảnh hởng trình biến đổi động phần tử phát thu quang đến chất lợng truyền dẫn lớn Cũng nh tất hệ thống viễn thông khác, hệ thống thông tin quang tham số truyền dẫn có tính chất định chất lợng hệ thống, tỷ số tín hiệu nhiễu (đối với truyền dẫn analog) BER (đối với truyền dẫn số) Để bảo đảm chất lợng truyền dẫn cho phép tỷ số tín hiệu nhiễu hệ thống hệ thống thông tin quang (đối với truyền dẫn analog) cần phải lớn giá trị cho trớc BER (đối với truyền dẫn số) cần phải nhỏ giá trị cho trớc, giá trị đợc ITU-T khuyến nghị Tham số tỷ số tín hiệu nhiễu (đối với truyền dẫn analog) BER (đối với truyền dẫn số) hệ thống hệ thống thông tin quang đợc xác định thông qua phần tử phát quang, thu quang sợi quang hệ thống Để hệ thống bảo đảm tỷ số tín hiệu nhiễu (đối với truyền dẫn analog) lớn giá trị cho trớc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ giá trị cho trớc, trớc hết phần tử phát quang, thu quang sợi quang hệ thống phải bảo đảm tỷ số tín hiệu nhiễu (đối với truyền dẫn analog) lớn giá trị cho trớc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ giá trị cho trớc Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao hay băng tần rộng, tỷ số tín hiệu nhiễu (đối với truyền dẫn analog) BER (đối với truyền dẫn số) thu quang không hàm số tham số cấu trúc mà hàm số tham số tín hiệu truyền dẫn đầu vào Photodiode (biên độ tần số/tốc độ bit ánh sáng tới) Vì vậy, cần phải xem xét với điều kiện tín hiệu truyền dẫn đầu vào Photodiode hệ thống thông tin quang tốc độ cao để tỷ số Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV - 68 - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật học viện công nghệ BC-VT Tài liệu tham khảo [1] [ [2] Govind P.Agrawal : Fiber-Optic Comunication Systems, 1999 Fasshauer, H : Optische Nachrichtensysteme: Eigenschaften und Projektierung Dr Alfred Verlag Heidelberg, 1984 [3] GigaComm Corporation: High-Speed GaAs PIN Photodiode GPD-G002, 2002 [4] Hoàng ứng Huyền: Kỹ thuật thông tin quang Tổng cục bu điện 1993 [5] Vũ Văn San Hệ thống thông tin quang NXB BĐ - 2002 [6] [8] U Siegner, R Fluck, G Zhang and U Keller : Sarah R Bolton, R A Jenks, and C.N Elkinton: Chai Yeh: Ultrafast high-intensity nonlinear absorption dynamics in low-temperature grown gallium arsenide Nonlinear Dynamics in Ultrafast Lasers - IEEE Journal of selected topics in quantum electronics.Apr 2000 Handbook of fiber optics theory and applications Acaddemic Press, 1991 [9] Gerd Keiser : Optical Fiber Communications Mc Graw-Hill, 1991 [7] [10] G Guekos : Photonic Devices for Telecommunications Berlin 1999 [11] Nowak, W ; Grimm, E.: Lichtwellenleitertechnik Dr Alfred Huethig Verlag Heidelberg-1989 [12] Baier, W.: Analyse digitaler optischer Empfaenger Nachrichten Electronik, 11 (1985) [13] Geckeler, S : Lichtwelenleiter fuer die optische Nachrichtenuebertragung: Grundlagen, Eigenschaften und Uebertrangsmedien Berlin [West], Heidelberg, 1987 Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV - 69 - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật học viện công nghệ BC-VT Phụ lục A: Chơng trình tính toán miền công tác photodiode A.1 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình Một số yêu cầu lựa chọn ngôn ngữ: Ngôn ngữ xây dựng chơng trình cần phải đáp ứng đợc số yêu cầu sau: - Tính toán đợc số tham số đặc tính động quan trọng phần tử thu quang từ xác định miền công tác photodiode thu quang dới tác động trình động yêu cầu chất lợng truyền dẫn phần tử - Giao diện trực quan, thuận tiện cho ngời sử dụng - Kết tính toán biểu diễn đợc dới dạng nhiều đồ thị mô tả tác động tham số - Chơng trình độc lập, dễ dàng mở rộng, phát triển sau - Tính toán nhanh xác Lựa chọn ngôn ngữ: Hiện có nhiều ngôn ngữ lập trình phục vụ cho việc xây dựng phát triển chơng trình phần mềm theo qui mô công dụng khác Ví dụ ngôn ngữ lập trình đa nh Basic, Pascal, Fortran, C, Assembler, có phần mềm chuyên dụng phục vụ cho mục tính toán nh Matlab, Excel, MathCad, quản lý sở liệu nh FoxPro, Access, SQL Visual Basic ngôn ngữ mạnh để phát triển ứng dụng Windows Ngôn ngữ Visual Basic đợc hỗ trợ hàm xử lý toán học, tạo giao diện thân thiện với ngời sử dụng Đặc biệt chất toàn diện mình, việc sử dụng liên hợp với tính MicroSoft Office nh Excel, Access thuận tiện Từng sản phẩm tác động nh OLE Server cho số tính chất, phơng pháp kiện sẵn có cho giới bên Chính việc kết hợp sử dụng tính chất sẵn có Excel nh bảng tính, đồ thị, quy chiếu, với Visual Basic khả lựa chọn phù hợp với tiêu chí đặt trên, phục vụ cho chơng trình tính toán Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV - 70 - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật học viện công nghệ BC-VT Chơng trình xác định miền công tác phần tử thu quang đợc viết ngôn ngữ Visual Basic chạy độc lập hệ điều hành Windows, chơng trình đợc xây dựng dựa giao diện đồ họa kỹ thuật tính lặp liên tục giúp cho việc sử dụng dễ dàng thuận tiện Ngời sử dụng quan sát cách liên tục thay đổi hàm đặc trng linh kiện theo thông số cấu trúc lối vào yêu cầu chất lợng hệ thống A.2 Giới thiệu chơng trình tính toán Cấu trúc chơng trình: Chọn Chọn phần phần tử tử tính tính toán toán (APD/ (APD/ PIN-Photodiode) PIN-Photodiode) Xác Xác lập lập chế chế độ độ tính tính toán toán (t(tơng ơng tự/số, tự/số, loại loại đặc đặc tính) tính) Nhập Nhập số số liệu liệu Tính Tính toán: toán: Miền Miền xác xác định định của Photodiode Photodiode Hiển kết Hình A Lu đồ chơng trình thực tính toán miền công tác Photodiode Hiển thị thị kết quả Để đáp ứng đợc yêu cầu tính toán xác định miền công tác Photodiode nh trình bầy chơng trên, cấu trúc chơng trình tính toán đợc xác định nh hình A1 Giao điện chơng trình: Là chơng trình độc lập nên có cửa sổ với menubar quen thuộc Ngời sử dụng dễ dàng lựa chọn trờng hợp tính toán phù hợp Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 71 - học viện công nghệ BC-VT Hình A Giao diện chơng trình Giao diện chơng trình cho phép: - Lựa chọn để tính toán truyền dẫn Analog - Lựa chọn để tính toán truyền dẫn Digital Hình A Cửa sổ lựa chọn trờng hợp tính toán Trong lựa chọn để tính toán cho trờng hợp: - Đặc tuyến miền công tác Photodiode - Xác định S/N theo tần số - So sánh đờng đặc tuyến độ nhạy thu theo tần số Để đảm bảo tính trực quan, thuận tiện cho ngời sử dụng biểu diễn kết tính toán dới dạng đồ thị đặc tuyến mô tả tham số, giao diện tính toán chơng trình bao gồm cửa sổ hiển thị hàm xác định miền công tác photodiode cửa sổ soạn thảo để nhập thông số cấu trúc linh kiện cần tính toán (hình A.4) Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 72 - học viện công nghệ BC-VT P Tần số Hình A Cửa sổ giao diện chơng trình tính toán xác định miền công tác photodiode Các cửa sổ giao diện chơng trình bao gồm: Các cửa sổ nhập liệu: - Các đại lợng đặc trng cho trình động APD PINPhotodiode: + Độ sâu điều chế: m với giá trị (0,7 ữ 1) + Hệ số khuếch đại tĩnh APD: M với giá trị (0 ữ 50) + Điện dẫn Gc lớp tiếp giáp (đơn vị -1), với giá trị (0 ữ 5) + Điện dẫn tải GT (đơn vị -1), với giá trị (0 ữ 5) + Điện dung lớp tiếp giáp Cc (đơn vị pF) , với giá trị (0 ữ 6) + Điện dung tải Ct (đơn vị pF) , với giá trị (0 ữ 6) + Tỉ số tín hiệu nhiễu: S/N với giá trị (0 ữ 5000) Cửa sổ đồ thị biểu diễn miền công tác phần tử thu quang Với giao diện đợc xây dựng trên, thông số cấu trúc đợc nhập cửa sổ soạn thảo thay đổi vị trí trợt Sử dụng chơng trình đơn giản, cần nhập thông số cấu trúc linh kiện, chơng trình tính toán hiển thị hàm đặc trng miền công tác linh kiện lên cửa sổ Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 73 - học viện công nghệ BC-VT Việc thay đổi liên tục thông số cấu trúc cho ta thấy ảnh hởng thông số đến đặc trng linh kiện S/N Tần số Hình A Cửa sổ chơng trình tính toán xác định S/N theo tần số với độ nhạy thu xác định Ngoài chơng trình tính toán cho trờng hợp truyền dẫn analog digital với đờng - Xác định S/N theo tần số - So sánh đờng đặc tuyến độ nhạy thu theo tần số Sau thay đổi lựa chọn chế độ hoạt động linh kiện, chơng trình tự động tính toán hiển thị hàm đặc trng linh kiện đợc tính toán, nh ta theo dõi thay đổi đặc tính linh kiện cách liên tục theo thông số cấu trúc đầu vào Đồng thời chơng trình thị lúc tất cửa sổ để tiện theo dõi kết Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 74 - học viện công nghệ BC-VT Hình A Minh hoạ toàn chơng trình A.3 Tính toán miền công tác Photodiode A.3.1 Miền công tác Photodiode truyền dẫn analog Trên sở mô hình toán học mô tả trình động APD, ta xác định đợc công suất tín hiệu nhiễu đầu APD Từ miền công tác Photodiode đợc xác định theo công thức: P S ( m, ) + 0T N cp P0T P0T max S S ( m, ) + ( m, ) N cp N cp Trong ký hiệu: Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV - 75 - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật b ( m, ) = 2am ( m, ) = c am với a= + g + g2 học viện công nghệ BC-VT m 1+ + g 2 HT M b = 2.e.M 2+x H T BR [ ] c = 2eM 2+ x ( I T + I r ) + 4kT (GC + GT ) BR BR : HT: m: M: G c: GT: Cc: Ct: S/N: IT: Ir: Băng tần tạp âm: Hệ số biến đổi điện quang Độ sâu điều chế Hệ số khuếch đại tĩnh APD Điện dẫn lớp tiếp giáp Điện dẫn tải Điện dung lớp tiếp giáp Điện dung tải Tỉ số tín hiệu nhiễu Dòng tối Dòng rò A.3.2 Miền công tác Photodiode truyền dẫn Digital Trên sở mô hình toán học mô tả trình động APD, ta xác định đợc công suất tín hiệu nhiễu đầu APD Từ đó, miền công tác Photodiode đợc xác định theo công thức: Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV - 76 - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật học viện công nghệ BC-VT S N cp * PT b1 + b2* + * a PT PT cp max a* * * b1 b2 + c S N cp Trong đó: [ ] a * = a1 exp g (tQn nT ) [ b1* = b1 ( 1) + D(tQn nT ) [ b2* = b1 ( 1) + L(tQn nT ) ] ] Với D(tQ-nT), L(tQ-nT) đợc xác định công thức: D (t Qn nT ) = { exp[2 g (t Qn nT )]} + L(t Qn nT ) [ ] n L(tQn nT ) = exp(2g Td ) bi exp[2g (tQn iT )] i =0 Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 77 - học viện công nghệ BC-VT A.4 Một số hình ảnh mô tả kết tính toán Tần số Hình A Kết tính toán xác định miền công tác photodiode truyền dẫn analog Tần số Hình A Kết tính toán xác định S/N theo tần số với độ nhạy thu truyền dẫn analog Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 78 - học viện công nghệ BC-VT Tần số Hình A Kết tính toán so sánh đờng đặc độ nhạy thu theo tần số truyền dẫn analog Hình A Kết tính toán xác định miền công tác photodiode truyền dẫn Digital Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 79 - học viện công nghệ BC-VT Hình A Kết tính toán xác định S/N theo tần số với độ nhạy thu truyền dẫn Digital Hình A Kết tính toán so sánh đờng đặc tuyến độ nhạy thu theo tần số truyền dẫn Digital Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV - 80 - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật học viện công nghệ BC-VT Phụ lục B Chứng minh công thức (4-24) Từ công thức (4-21): a PT b P +c + b P +c * T * T S N cp (B1) Vì mẫu số vế trái công thức (B1) lớn 0, nên ta viết công thức (B1) dới dạng: ( S a* PT b1* PT + c + b2* PT + c N cp ) (B2) Đặt: S = cp N cp (B3) Ta viết lại bất phơng trình (B2) dới dạng: a* PT b1* PT + c + b2* PT + c cp (B4) a* PT ( b1 + b2 ) PT + 2c + b1* PT + c b2* PT + c cp ( )( ) a* PT [ ( b1 + b2 ) PT + 2c ] b1b2 PT2 + c( b1 + b2 ) PT + c cp a * PT [ ( b1 + b2 ) PT + 2c ] 4b1b2 PT2 + c( b1 + b2 ) PT + c cp Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV - 81 - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật học viện công nghệ BC-VT a* a* 2 P + [ ( b1 + b2 ) PT ] P [ ( b + b2 ) PT ] T T cp cp a* PT + 4( b1b2 ) PT2 4c cp 2 * a* a* PT PT ( b1 + b2 ) + ( b1 + b2 ) 4b1b2 + c a cp cp cp 2 a * a* PT ( b1 + b2 ) 4b1b2 + c cp cp a* a* P ( b1 + b2 ) b1b2 + c T cp cp 2 a* a* P ( b1 + b2 ) + b1b2 + c T cp cp PT cp* a 2 * ( b + b ) + b b + c a cp (B5) Thay công thức (B3) vào (B5), ta nhận đợc: Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật S N cp PT a* - 82 - học viện công nghệ BC-VT * * a * * * b1 + b2 + b1 b2 + c S N cp (B6) Công thức (B6) công thức (4-24) chơng Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV [...]... 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 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 Bộ phát phát quang quang Bộ Bộ thu thu quang quang Bộ Bộ lặp lặp Pp(t) ur(t) PT(t) (a) Sợi quang iV(t) Bộ Bộ phát phát quang quang Pp(t)... Pp(t) PT(t) Bộ Bộ thu thu quang quang ur(t) (b)1 Cấu trúc cơ bản của Bộ quangtin sợiquang sử dụng bộ lặp đờng Hình hệkhuếch thốngđại thông dây (a) và sử dụng các bộ khuếch đại quang (b) Trong đó: IV (t): tín hiệu vào (tín hiệu diện) PP (t) : Công suất ánh sáng bức xạ của bộ phát quang PT (t): Công suất án sáng truyền đến đầu vào bộ thu quang ur (t): Tín hiệu ra bộ thu quang (tín hiệu điện) Cấu trúc... điện) Cấu trúc cơ bản của hệ một thống thông 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, Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông... yêu cầu cơ bản sau: - Thời gian đáp ứng nhanh, - Độ nhạy và hiệu suất biến đổi quang điện cao, - Nhiễu thấp, - Điều kiện ghép với sợi quang thuận tiện, - Kích thớc nhỏ Để đáp ứng các yêu cầu trên, trong kỹ thuật thông tin quang, ngời ta thờng sử dụng các phần tử biến đổi quan-điện: - PIN-Photodiode và - Diode quang thác APD Dới đây chúng ta sẽ nghiên cứu nguyên lý biến đổi quang-điện, cấu tạo và tính... công suất luồng quang biến đổi nhanh (tần số của luồng quang cao - đối với tuyến dẫn analog hay tốc độ bit/s - đối với truyền dẫn số) thì địên dung của lớp chắn, các hiệu ứng ký sinh của photodiode sẽ ảnh hởng đáng kể đến quá trình biến đổi quang-địên của photodiode Quá trình biến đổi quang-điện trong trờng hợp này của photodiode gọi là quá trình biến đổi động của nó Quá trình biến đổi quang-địên động... trình biến đổi quang-điện của APD, khi công suất luồng quang biến đổi nhanh thì tồn tại 2 hằng số thời gian: Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV (8) - 23 - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật học viện công nghệ BC-VT - LA là hằng số thời gian đặc trng cho quá trình biến đổi quang-điện của APD, đợc xác định ở công thức (3-2) - RC là hằng số thời gian đặc trng cho sự biến đổi quang-điện của APD... quang: biến đổi ánh sáng tới PT (t) trở thành tín hiệu điện ur(t) Tín hiệu ur(t) có dạng giống nh tín hiệu truyền dẫn ban đầu iV(t) Tuy nhiên, có thể có tạp âm và méo kèm theo (đối với truyền dẫn analog) hoặc lỗi bít (đối với truyền dẫn số) 1.2 Các phần tử biến đổi quang-điện 1.2.1 Một số yêu cầu đối với các phần tử biến đổi quang-điện Trong kỹ thuật thông tin quang, các phần tử biến đổi điện-quang... học viện công nghệ BC-VT 1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang - Bộ phát quang: biến đổi tín hiệu vào iV(t) thành tín hiệu ánh sáng Pp(t) để ghép vào sợi quang Quá trình này gọi là điều biến/ hay điều chế quang Sợi quang: truyền dẫn ánh sáng từ đầu phát đến đầu thu Trong quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang, ánh sáng bị suy hao và bị tán sắc Cự ly truyền dẫn càng dài thì ánh sáng... công thức (3-2) - RC là hằng số thời gian đặc trng cho sự biến đổi quang-điện của APD khi công suất luồng quang biến đổi nhanh và đợc xác định theo công thức: RC = ( Cc + CT ) ( Gc + GT ) (3-5) Do đó, khi công suất luồng quang biến đổi nhanh thì hằng số thời gian của APD trong quá trình biến đổi quang-điện đợc xác định theo công thức: APD = LA + RC (3-6) Khi đó, từ các mô hình toán học truyền dẫn tín... thu khôi phục lại tín hiệu truyền dẫn ban đầu Do đó, trên tuyến truyền dẫn ngời ta thờng mắc các bộ khuếch đại quang (hình 1.1.a) Khi các tuyến truyền dẫn khá dài, ngời ta còn phải mắc các bộ lặp đờng dây (hình 1.1.b) hoặc kết hợp cả hai bộ khuếch đại quang và bộ lặp đờng dây - Các bộ lặp (đối với truyền dẫn số) hay các bộ tái sinh tín hiệu (đối với truyền dẫn analog): tái tạo lại tín hiệu do suy hao