Luận án thạc sĩ kỹ thuật “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 Mc lc Ch vi t t t v ký hi u 3 Danh sỏch cỏc hỡnh v 6 L I C M N .7 L i núi u .8 Ch ng 1. Cỏc ph n t bi n i quang - i n trong h th ng thụng tin quang .11 1.1. T ng quan v c u trỳc c b n v nguyờn lý ho t ng c a h th ng thụng tin quang .11 1.1.1. C u trỳc c b n c a h th ng thụng tin quang .11 1.1.2. Nguyờn lý ho t ng c a h th ng thụng tin quang .12 1.2. Cỏc ph n t bi n i quang- i n 13 1.2.1. M t s yờu c u i v i cỏc ph n t bi n i quang- i n 13 1.2.2. PIN-Photodiode 13 1.2.3. Diode quang thỏc APD .15 1.2.4. c tuy n t nh c a APD & PIN-Photodiode 16 ch ng 2. mụ hỡnh toỏn h c c a cỏc photodiode ho t ng t c cao 20 2.1. Cỏc y u t xỏc l p c tớnh ng c a PINPhotodiode v APD 20 2.2. S i n t ng ng c a PIN Photodiode v APD .21 2.3. Mụ hỡnh toỏn h c c a PIN Photodiode v APD 22 2.3.1. Mụ hỡnh truy n d n tớn hi u 22 2.3.2. Mụ hỡnh nhi u 23 25 ch ng 3. Cỏc tham s truy n d n c a cỏc photodiode ho t ng t c cao 26 3.1. H s khuy ch i c a APD .26 3.2. H m truy n d n c a PIN- Photodiode v APD .26 3.2.1. H m truy n d n c a PIN- Photodiode 26 3.2.2. H m truy n d n c a APD .26 3.3. H m tr ng l ng c a PIN- Photodiode v APD 27 3.3.1. H m tr ng l ng c a PIN- Photodiode .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 3.3.2. H m tr ng l ng c a APD .27 3.4. H m quỏ c a PIN- Photodiode v APD 28 3.5. Tớn hi u ra c a PIN Photodiode v APD 28 3.5.1. Truy n d n analog .28 3.5.2. Truy n d n s .31 3.6. Nhi u c a PIN Photodiode v APD 34 3.6.1. Nhi u v phõn lo i nhi u trong PIN-Photodiode v APD 34 3.6.2. Cụng su t cỏc nhi u trong PIN-Photodiode v APD 35 3.7. T s tớn hi u trờn nhi u 43 3.7.1. M t s khỏi ni m c b n .43 3.7.2. Truy n d n analog 44 3.7.3. Truy n d n s .47 ch ng 4. mi n cụng tỏc c a cỏc photodiode 54 4.1 Cỏc i u ki n xỏc nh mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode .54 4.2. Mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode trong truy n d n analog 56 4.3. Mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode trong truy n d n s .58 4.4. Vớ d tớnh toỏn mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode .60 4.4.1. Mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode trong truy n d n analog .60 4.4.2. Mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode trong truy n d n s .65 K t lu n v ki n ngh .70 1. K t lu n .70 2. Ki n ngh 72 Ti li u tham kh o .74 Ph l c A: Ch ng trỡnh tớnh toỏn mi n cụng tỏc c a photodiode 75 A.1. L a ch n ngụn ng l p trỡnh 75 A.2. Gi i thi u ch ng trỡnh tớnh toỏn .76 A.3. Tớnh toỏn mi n cụng tỏc c a Photodiode .81 A.3.1. Mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode trong truy n d n analog 81 A.3.2. Mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode trong truy n d n Digital 82 A.4 M t s hỡnh nh mụ t k t qu tớnh toỏn .84 Ph l c B. Ch ng minh cụng th c (4-24) 87 Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - học viện công nghệ BC-VT 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 Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4 - học viện công nghệ BC-VT 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 Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 5 - học viện công nghệ BC-VT 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 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 - 6 - học viện công nghệ BC-VT Danh sỏch cỏc hỡnh v Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 7 - học viện công nghệ BC-VT 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 B- u 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 hng 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 Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 8 - học viện công nghệ BC-VT 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. Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV [...]... 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 B phỏt quang quang B thu B thu quang quang B lp B lp Pp(t) ur(t) PT(t) (a) Si quang iV(t) B phỏt B phỏt Pp(t) PT(t) quang quang (b) B thu B thu quang quang ur(t)... thông khoá IV - 13 - 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 thc nh ỏp ng cỏc yờu cu trờn, trong. .. 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 thuật - 12 - học viện công nghệ... 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 khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11 - học viện công nghệ BC-VT Chng 1... vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV - 22 - 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 trỡnh bin... PIN Photodiode & APD i vi PIN- Photodiode Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV (1-3) - 18 - 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. .. 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 - 21 - 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... cao học điện tử viễn thông khoá IV - 17 - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật học viện công nghệ BC-VT 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.. .Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -9- học viện công nghệ BC-VT 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, ... 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 PINPhotodiode Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 20 - học viện công nghệ BC-VT chng 2 mụ hỡnh toỏn hc ca cỏc photodiode hot ng tc cao Khi . ------------------ 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 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 ------------------