Luận án thạc sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu miền công tác của các photodiode trong hệ thống 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).
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
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 1 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
Mục lục
Chữ viết tắt và ký hiệu............................4
Danh sách các hình vẽ...............................8
LờI CảM ƠN.........................................9
Lời nói đầu........................................10
Chương 1. Các phần tử biến đổi quang - điện trong hệ
thống thông tin quang....................13
1.1. Tổng quan về cấu trúc cơ bản và nguyên lý
hoạt động của hệ thống thông tin quang..........13
1.1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin
quang..........................................13
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông
tin quang......................................14
1.2. Các phần tử biến đổi quang-điện............15
1.2.1. Một số yêu cầu đối với các phần tử biến
đổi quang-điện ................................15
1.2.2. PIN-Photodiode..........................15
1.2.3. Diode quang thác APD....................17
1.2.4. Đặc tuyến tĩnh của APD & PIN-Photodiode
...............................................19
chương 2. mô hình toán học của các photodiode hoạt
động ở tốc độ cao........................22
2.1. Các yếu tố xác lập đặc tính động của PIN–
Photodiode và APD................................22
2.2. Sơ đồ điện tương đương của PIN – Photodiode
và APD ..........................................23
2.3. Mô hình toán học của PIN – Photodiode và APD
.................................................24
2.3.1. Mô hình truyền dẫn tín hiệu ...........24
2.3.2. Mô hình nhiễu .........................25
27
chương 3. Các tham số truyền dẫn của các photodiode
hoạt động ở tốc độ cao...................28
NguyÔn vÜnh nam - Cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 2 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
3.1. Hệ số khuyếch đại của APD.................28
3.2. Hàm truyền dẫn của PIN- Photodiode và APD . 28
3.2.1. Hàm truyền dẫn của PIN- Photodiode. . . . .28
3.2.2. Hàm truyền dẫn của APD..................29
3.3. Hàm trọng lượng của PIN- Photodiode và APD. 30
3.3.1. Hàm trọng lượng của PIN- Photodiode. . . .30
3.3.2. Hàm trọng lượng của APD.................30
3.4. Hàm quá độ của PIN- Photodiode và APD......30
3.5. Tín hiệu ra của PIN – Photodiode và APD . . .31
3.5.1. Truyền dẫn analog.......................31
3.5.2. Truyền dẫn số...........................34
3.6. Nhiễu của PIN – Photodiode và APD..........37
3.6.1. Nhiễu và phân loại nhiễu trong PIN-
Photodiode và APD..............................37
3.6.2. Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
và APD.........................................39
3.7. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu..................47
3.7.1. Một số khái niệm cơ bản ................47
3.7.2. Truyền dẫn analog ......................48
3.7.3. Truyền dẫn số ..........................51
chương 4. miền công tác của các photodiode ....58
4.1 Các điều kiện để xác định miền công tác của
các Photodiode...................................58
4.2. Miền công tác của các Photodiode trong
truyền dẫn analog ...............................61
4.3. Miền công tác của các Photodiode trong truyền
dẫn số ..........................................63
4.4. Ví dụ tính toán miền công tác của các
Photodiode .....................................66
4.4.1. Miền công tác của các Photodiode trong
truyền dẫn analog .............................66
4.4.2. Miền công tác của các Photodiode trong
truyền dẫn số .................................70
Kết luận và kiến nghị..............................77
1. Kết luận......................................77
2. Kiến nghị......................................79
Tài liệu tham khảo.................................81
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 3 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
Phụ lục A: Chương trình tính toán miền công tác của
photodiode ..............................82
A.1. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình................82
A.2. Giới thiệu chương trình tính toán..........83
A.3. Tính toán miền công tác của Photodiode.....88
A.3.1. Miền công tác của các Photodiode trong
truyền dẫn analog .............................88
A.3.2. Miền công tác của các Photodiode trong
truyền dẫn Digital.............................89
A.4 Một số hình ảnh mô tả kết quả tính toán.....91
Phụ lục B. Chứng minh công thức (4-24)............94
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 4 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
Chữ viết tắt và ký hiệu
η Hiệu suất lượng tử hoá của PIN– Photodiode/APD.
λ Bước sóng của ánh sáng.
τAPD Hằng số thời gian đặc trưng 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
ωg-APD Tần số góc giới hạn của APD
ωg-PIN Tần số góc giới hạn của PIN – Photodiode
τLA Hằng số thời gian đặc trưng cho quá trình biến đổi quang-điện của APD
τRC Hằng số thời gian đặc trưng cho sự biến đổi quang-điện của APD khi công suất luồng
quang biến đổi nhanh
αn Hệ số ion hoá điện tử trong vùng quang thác
αp Hệ số ion hoá lỗ trống trong vùng quang thác
BERcp Giá trị xác suất sai lầm bit cho phép (đối với truyền dẫn số) để bảo đảm chất lượng truyền
dẫn cho phép của hệ thống.
BR Băng tần tạp âm của photodiode
c Vận tốc ánh sáng (c = 3.108 m/s).
Cc Điện dung của lớp tiếp giáp PN,
CT 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
Gc Điện dẫn của lớp tiếp giáp PN,
GT Điện dẫn tải của Photodiode,
gT Hàm trọng lượng của Photodiode
gT-APD Hàm trọng lượng của APD- Photodiode
gT-PIN Hàm trọng lượng của PIN- Photodiode
h Hằng số Plank (h = 6,62.10-34 Ws2).
h(t) Hàm quá độ của Photodiode
HP(jω) Hàm truyền dẫn của Photodiode (APD/PIN- Photodiode),
HT Hàm truyền dẫn của Photodiode
HT-APD Hàm truyền dẫn của APD Photodiode hoạt động ở tốc độ cao
HT-PIN Hàm truyền dẫn của PIN Photodiode hoạt động ở tốc độ cao
hT-APD Hàm quá độ của APD- Photodiode
hT-PIN Hàm quá độ của PIN- Photodiode
iN(t) Dòng nhiễu
inC Dòng điện nhiệt trên điện trở lớp tiếp giáp PN,
INL Dòng nhiễu lượng tử tín hiệu
inT Dòng điện nhiệt trên điện trở tải,
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 5 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
IP Dòng photo
IT Phổ tín hiệu ra
ir Dòng điện rò,
iT Dòng điện tối,
iT(t) Dòng tín hiệu ra của photodiode,
IT0 Phổ tín hiệu ra ở tốc độ thấp
IT0-APD Phổ tín hiệu ra của APD-Photodiode ở tốc độ thấp
IT0-PIN Phổ tín hiệu ra của PIN-Photodiode ở tốc độ thấp
iT-APD Dòng ra của photodiode APD
iT-PIN Dòng ra của photodiode PIN
IV (t) Tín hiệu vào (tín hiệu diện)
IT Giá trị trung bình của dòng điện tối
Ir Giá trị trung bình của dòng điện tối
k Hằng số Bolzomal,
K(jω) Hàm truyền dẫn của bộ tiền khuếch đại và một hoặc nhiều bộ khuếch đại điện áp,
L(jω) 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.
PN Công suất một nguồn nhiễu
PNΣ Công suất nhiễu tổng
PNL Công suất nhiễu lượng tử tín hiệu
PNN Công suất nhiễu nhiệt
PNr Công suất nhiễu dòng điện rò
pNT Công suất nhiễu dòng điện tối
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 hoặc biên độ chuỗi xung số
PT-cpmax Giá trị công suất ánh sáng đầu vào bộ thu quang cho phép cực đại
Pth Công suất của tín hiệu ra photodiode
PT Giá trị trung bình của công suất ánh sáng đến photodiode
RD Điện trở dây nối của Photodiode,
RT 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
S Giá trị tỷ số tín hiệu trên nhiễu cho phép (đối với truyền dẫn analog) để bảo đ ảm chất
N cp lượng truyền dẫn cho phép của hệ thống,
SN(jω) Mật độ công suất phổ của dòng nhiễu
SNN(jω) Mật độ công suất phổ của nhiễu nhiệt
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 6 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
SNr(jω) Mật độ công suất phổ của nhiễu dòng rò
SNT(jω) Mật độ công suất phổ của nhiễu dòng tối
T Chu kỳ chuỗi xung
T0
Nhiệt độ tuyệt đối.
Td Độ rộng xung
U Địên áp đặt vào APD.
UD Điện áp đánh thủng của APD
ur (t) Tín hiệu ra bộ thu quang (tín hiệu điện).
ur(t) Điện áp tín hiệu ra sau bộ lọc.
uT(t) Điện áp tín hiệu ra của bộ khuếch đại,
b1 ω 2 m
α ( m, ω ) = 1 + 1 +
2 2
2am ω g ω
2
1+
2ω
g
c ω2
β ( m, ω ) = 1 +
am 2 ω2
g
1
ε=
m
1 2
a = HT M 2
2
A = a m2
[
a * = a1 1 − exp − ωg (tQ − nT ) ]
a1 = M HP
b = 2.e.M 2+x H T BR
2
S ω m
B = − b1 1 + 2 1 +
ω
N cp 2
g ω
1+
2ω
g
[
b1* = b1 ( ε − 1) + D (tQ − nT ) ]
[
b2 = b1 ( ε − 1) + L(tQ − nT )
*
]
1
b1 = e F (M ) M 2 H Tω g
2
[
c = 2eM 2+ x ( I T + I r ) + 4kT (GC + GT ) BR ]
S ω2
C =−c 1 +
N cp ω2
g
[
D (tQ − n − nT ) = 1 − e
− 2ω g ( t Q − n − nT )
] + L(t Q−n − nT )
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 7 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
( )
n −1
− 1 ∑ bi e
2ω gTd −2ω g ( t Q − n−iT )
L(tQ−n − nT ) = e
i =0
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 8 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
Danh sách các hình vẽ
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 9 - häc viÖn c«ng nghÖ 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 ” được hoàn thành trong thời gian
đào tạo, nghiên cứu tại Học viện công nghệ Bưu chính Vi ễn thông - T ổng
Công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam. Để có được kết quả này, trước
hết tôi xin trân trọng cảm ơn TS. Hoàng Văn Võ đã t ạo đi ều ki ện, giúp đ ỡ,
tận tình hướng dẫn, giải quyết những vấn đề khoa học trong quá trình thực
hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Tổng Công ty B ưu chính Viễn thông Việt
Nam (VNPT), Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông (PTIT), Viện
Khoa học kỹ thuật Bưu điện (RIPT) đã tạo điều kiện, cho phép tôi được
tham gia khóa đào tạo nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã truy ền th ụ nh ững ki ến
thức bổ ích trong suốt khoá học, các thầy cô giáo Khoa Qu ốc t ế và đào tao
sau đại học đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để chúng tôi hoàn thành khoá
học
Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Học viện, lãnh đạo Viện KHKT
Bưu điện, lãnh đạo và tập thể các CBCNV trong phòng Quản lý
NCKH&TTTL – Học viện CNBCVT, lãnh đạo và tập thể các CBCNV
trong phòng NCKT Thông tin quang - Viện KHKT Bưu điện đã dành cho tôi
sự ủng hộ quý giá.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các nhà chuyên gia, khoa học, đồng
nghiệp đã dành thời gian đọc và góp ý hoàn thiện cho luận án.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn mẹ, vợ và con tôi, cùng t ất c ả nh ững ng ư ời
thân trong gia đình và bạn bè, đồng nghiệp đã luôn dành cho tôi s ự ủng h ộ
nhiệt tình, cổ vũ, động viên để tôi có điều kiện hoàn thành bản luận án này.
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 10 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
Hà Nội, ngày 18 tháng 05 năm 2005
Nguyễn Vĩnh Nam
Lời nói đầu
Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của nền kinh tế tri
thức, trong đó thông tin là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã h ội. Do
đó, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng
và đa phương tiện trong đời sống kinh tế – xã hội của từng quốc gia cũng
như kết nối toàn cầu.
Để đáp ứng được vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ
nguyên thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truy ền d ẫn t ốc
độ cao, băng thông rộng, dung lượng lớn. Một trong giải pháp để t ạo ra
mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn tốc độ cao hay băng rộng với
dung lượng lớn và đa dịch vụ, đó là công nghệ 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 s ố c ủa tần s ố (đó
chính là quá trình biến đổi động của các phần tử phát và thu quang). Khi tốc
độ truyền dẫn càng lớn và do đó tần số truy ền dẫn c ủa h ệ th ống càng cao,
thì ảnh hưởng của quá trình biến đổi động của các phần t ử phát và thu
quang đến chất lượng truyền dẫn càng lớn.
Cũng như tất cả các hệ thống viễn thông khác, trong hệ th ống thông
tin quang một trong những tham số truyền dẫn có tính ch ất quy ết đ ịnh ch ất
lượng của hệ thống, đó là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (đối với truy ền d ẫn
analog) hoặc BER (đối với truyền dẫn số). Để bảo đảm chất lượng truy ền
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 11 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
dẫn cho phép thì tỷ số tín hiệu trên nhiễu c ủa h ệ th ống h ệ th ống thông tin
quang (đối với truyền dẫn analog) cần phải lớn hơn một giá trị cho trước
hoặc BER (đối với truyền dẫn số) cần phải nhỏ h ơn một giá trị cho tr ước,
các giá trị này đã được ITU-T khuyến nghị.
Tham số tỷ số tín hiệu trên nhiễu (đối với truyền dẫn analog) hoặc
BER (đối với truyền dẫn số) của hệ thống h ệ thống thông tin quang được
xác định thông qua các phần tử phát quang, thu quang và s ợi quang trong h ệ
thống. Để hệ thống bảo đảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (đối với truy ền d ẫn
analog) lớn hơn một giá trị cho trước hoặc BER (đối với truy ền d ẫn s ố)
nhỏ hơn một giá trị cho trước, trước hết các phần tử phát quang, thu quang
và sợi quang trong hệ thống cũng phải bảo đảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu
(đối với truyền dẫn analog) lớn hơn một giá trị cho trước hoặc BER (đối
với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá trị cho trước.
Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao hay băng tần rộng, thì t ỷ s ố tín
hiệu trên nhiễu (đối với truyền dẫn analog) hoặc BER (đối với truy ền dẫn
số) của các bộ thu quang không chỉ là hàm s ố của các tham s ố c ấu trúc mà
còn là hàm số của các tham số tín hiệu truyền dẫn tại đầu vào các
Photodiode (biên độ và tần số/tốc độ bit của ánh sáng tới).
Vì vậy, cần phải xem xét với điều kiện nào của tín hiệu truy ền d ẫn
tại đầu vào các 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 trước hoặc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một
giá trị cho trước. Giải quyết vấn đề này, sẽ dẫn ta đến vi ệc xác đ ịnh mi ền
công tác của các Photodiode.
Miền công tác của Photodiode là tập hợp các giá trị (các tham s ố)
của tín hiệu đầu vào Photodiode trong các hệ thống thông tin quang t ốc
độ cao để tỷ số tín hiệu trên nhiễu của Photodiode (đối v ới truy ền d ẫn
analog) lớn hơn một giá trị cho trước hoặc BER (đối với truy ền d ẫn
số) nhỏ hơn một giá trị cho trước.
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 12 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
Do đó, việc nghiên cứu xác định được miền công tác của các
Photodiode trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao là một vấn đ ề c ấp
thiết.
Để thực hiện mục tiêu đó, đề tài “Nghiên cứu miền công tác c ủa các
photodiode trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao” đã được đặt ra và
một chương trình máy tính xác định được 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 thống thông tin quang lựa ch ọn t ối ưu các ph ần t ử
của hệ thống hay sử dụng hiệu quả các phần tử thông tin quang hiện có.
Để đạt được 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 tác của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao
- Chương trình phần mềm xác định miền công tác của các photodiode
hoạt động ở tốc độ cao
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 13 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
Chương 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
1.1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang được chỉ ra ở hình 1.1.
iV(t Bộ phát Bộ thu ur(t
Bộ phát Bộ llặp
Bộ ặp Bộ thu
) quang
quang quang
quang )
Pp(t
PT(t
(a) )
)
Sợi quang
iV(t Bộ phát
Bộ phát
Pp(t PT(t Bộ thu
Bộ thu ur(t)
quang
quang
) quang
quang ) )
(b) Bộ khuếch đại quang sợi
Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang sử dụng bộ lặp
đường 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).
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 14 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
Cấu trúc cơ bản của hệ một thống thông tin quang bao gồm các ph ần t ử
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 th ể trên các tuy ến thông
tin quang người ta còn sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi, các b ộ bù tán
sắc hoặc các bộ tách ghép bước sóng quang,...
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 càng bị suy hao và tán sắc.
Với các tuyến truyền dẫn dài, thì ánh sáng truyền đến đầu thu P T (t) bị suy
giảm lớn và tán sắc lớn nên không đảm bảo để bộ thu khôi phục lại tín
hiệu truyền dẫn ban đầu. Do đó, trên tuyến truyền dẫn người ta thường
mắc các bộ khuếch đại quang (hình 1.1.a). Khi các tuyến truyền dẫn khá
dài, người ta còn phải mắc các bộ lặp đường dây (hình 1.1.b) hoặc kết
hợp cả hai bộ khuếch đại quang và bộ lặp đường 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 và các tác động khác của
đường truyền.
- Bộ thu quang: biến đổi ánh sáng tới PT (t) trở thành tín hiệu điện ur(t).
Tín hiệu ur(t) có dạng giống như tín hiệu truyền dẫn ban đầu i V(t). Tuy
nhiên, có thể có tạp âm và méo kèm theo (đối với truy ền d ẫn analog)
hoặc lỗi bít (đối với truyền dẫn số).
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 15 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
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 sử dụng
trong cần phải thoả mãn một số 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 thước nhỏ.
Để đáp ứng các yêu cầu trên, trong kỹ thuật thông tin quang, người ta
thường sử dụng các phần tử biến đổi quan-điện:
- PIN-Photodiode và
- Diode quang thác APD.
Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu nguyên lý biến đổi quang-điện, cấu tạo
và tính chất của các phần tử này [1, 2, 4, 7, 8, 9].
1.2.2. PIN-Photodiode
Cấu tạo
Nguyên tắc biến đổi quang-điện của PIN-Photodiode dựa vào nguyên lý
biến đổi quang-điện của lớp tiếp giáp p-n được phân cực ngược. Cấu trúc
cơ bản của PIN-Photodiode được chỉ ra ở hình 1.2
Điện cực Điện
vòng cực
ánh sáng
tới P+ I N+
Lớp chống
phản xạ
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 16 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
Hình 1.2. Cấu tạo của PIN-Photodiode
Cấu tạo của PIN-Photodiode bao gồm:
- Một tiếp giáp gồm 2 bán dẫn tốt là P + và N+ làm nền, ở giữa có một
lớp mỏng bán dẫn yếu loại N hay một lớp tự dẫn I (Intrisic).
- Trên bề mặt của lớp bán dẫn P+ là một điện cực vòng (ở giữa để cho
ánh sáng thâm nhập vào miền I).
- Đồng thời trên lớp bán dẫn P+ có phủ một lớp mỏng chất chống phản
xạ để tránh tổn hao ánh sáng vào.
- Điện áp phân cực ngược để cho dio de không có dòng điện (ch ỉ có
thể có một dòng ngược rất nhỏ, gọi là dòng điện tối).
Nguyên lý hoạt động:
Khi các photon đi vào lớp P+ có mức năng lượng lớn hơn độ rộng của dải
cấm, sẽ sinh ra trong miền P+, I, N+ của PIN-Photodiode các cặp điện tử và
lỗ trống (chủ yếu ở lớp I).
Các điện tử và lỗ trống trong miền I vừa được sinh ra bị điện trường mạnh
hút về hai phía (điện tử về phía N + vì có điện áp dương, lỗ trống về miền
P+ vì có điện áp âm).
Mặt khác, các điện tử mới sinh ra trong miền P + khuếch tán sang miền I
nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp P+I, rồi chạy về phía N+ vì có điện áp
dương và lỗ trống mới sinh ra trong miền N + khuếch tán sang miền I nhờ
gradien mật độ tại tiếp giáp N+I, rồi chạy về phía về miền P+ vì có điện áp
âm.
Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN-Photodiode một
dòng điện và trên tải một điện áp.
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 17 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình t ạo ra dòng
điện ngoài, vì chúng được sinh ra ở miền P+ và N+ ở cách xa các lớp tiếp
giáp P+I và N+I không được khuếch tán vào miền I (do ở khoảng cách xa
hơn độ dài khuếch tán của động tử thiểu số), nên chíng lại tái hợp với nhau
ngay trong các miền P+ và N+.
Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào PIN-Photodiode sẽ sinh
ra một cặp điện tử và lỗ trống và giá trị trung bình của dòng điện ra tỷ lệ
với công suất chiếu vào. Nhưng thực tế không phải như vậy, vì một ph ần
ánh sáng bị tổn thất do phản xạ bề mặt.
Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đ ổi theo b ước
sóng. Vì vậy, lớp P+ không được quá dầy. Miền I càng dầy thì hiệu suất
lượng tử càng lớn, vì xác suất tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống tăng lên
theo độ dầy của miền này và do đó các photon có nhi ều kh ả năng ti ếp xúc
với các nguyên tử hơn. Tuy nhiên, trong truyền dẫn số độ dài của xung ánh
sáng đưa vào phải đủ lớn hơn thời gian trôi T d cần thiết để các phần tử
mang điện chạy qua vùng trôi có độ rộng d của miền I. Do đó, d không
được lớn quá vì như thế tốc độ bit sẽ bị giảm đi.
Khi bước sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua bán dẫn cũng tăng lên, ánh
sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặp điện t ử và lỗ tr ống. Do
đó, với các vật liệu phải có một bước sóng tới hạn.
1.2.3. Diode quang thác APD
Cấu tạo
Cấu trúc cơ bản của APD được chỉ ra ở hình 1.3.
Điện cực Điện
vòng cự c
ánh sáng tới P
P +
I P N+
Lớp chống
phản xạ
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 18 - häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT
Hình 1.3. Cấu tạo của APD
Cấu tạo của APD cơ bản giống như PIN-Photodiode. Ngoài ra trong APD
còn có một lớp bán dẫn yếu P được xen giữa lớp I và l ớp N +. Bên trái lớp I
bị giới hạn bởi lớp P+, còn bên phải lớp I bị giới hạn bởi tiếp giáp PN+.
Điện áp phân cực ngược đặt vào APD rất lớn, tới hàng trăm vôn.
Điện trường thay đổi theo các lớp được chỉ ra bởi hình (b). Trong vùng I,
điện trường tăng chậm, nhưng trong tiếp giáp PN+ điện trường tăng rất
nhanh. Lớp tiếp giáp PN+ là miền thác, ở đây xảy ra quá trình nhân điện tử.
Nguyên lý hoạt động:
Do APD được đặt một điện áp phân cực ngược rất lớn, t ới hàng trăm
vôn, cho nên cường độ điện trường ở miền điện tích không gian tăng lên
rất cao.
Do đó, khi các điện tử trong miền I di chuyển đến mi ền thác PN + chúng
được tăng tốc, va chạm vào các nguyên tử giải phóng ra các c ặp đi ện tử và
lỗ trống mới, gọi là sự ion hoá do va chạm.
Các phần tử thứ cấp này đến lượt mình lại tạo ra sự sự ion hoá do va chạm
thêm nữa, gây lên hiệu ứng quang thác và làm cho dòng điện tăng lên đáng
kể.
NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV
