Néi dung m«n häc Th«ng tin quang n©ng cao
PhÇn 1: Tæng quan vÒ kü thuËt th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Hoµng V¨n Vâ
PhÇn 2: C¸c phÇn tö c¬ b¶n trong kü thuËt th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Hoµng V¨n Vâ
PhÇn 3: C¬ së kü thuËt th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Hoµng V¨n Vâ
PhÇn 4: hÖ thèng th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Vò TuÊn L©m
PhÇn 5: mét sè c«ng nghÖ quang tiªn tiÕn
Gi¶ng viªn: Vò TuÊn L©m
1
PhÇn 2: C¸c phÇn tö c¬ b¶n trong kü thuËt th«ng tin quang
1. Sîi quang
2. Bộ phát quang
3. Bộ thu quang
2
3. Bộ thu quang
1. Mô hình và chức năng của bộ thu quang
2. Cấu trúc bộ thu quang
3. Một số khái niệm cơ bản
4. Các phần tử biến đổi quang-điện
3
1. Mô hình và chức năng của bộ thu quang
Mô hình bộ thu quang
PT(t)
Bé thu quang
uR(t)
Chøc n¨ng:
Biến đổi ánh sáng tới PT(t) ®Çu vµo trở thành tín hiệu điện uR(t) ®Çu ra có dạng giống như tín hiệu truyền dẫn ban đầu.
Có thể có nhiễu và méo kèm theo (đối với truyền dẫn analog) hoặc lỗi bít (đối với truyền dẫn số).
4
H×nh 4.1. M« h×nh bé thu quang
2. Cấu trúc các bộ thu quang
Có 2 loại cấu trúc bộ thu quang tương ứng với 2 kỹ thuật
truyền dẫn thông tin quang là truyền dẫn analog và truyền
dẫn digital:
- Cấu trúc bộ thu quang analog
- Cấu trúc bộ thu quang digital
5
2. Cấu trúc các bộ thu quang
Cấu trúc bộ thu quang analog
ur(t)
uT(t) pT(t) iT(t)
O
E
H×nh 4.2. M« h×nh cÊu tróc bé thu quang analog
Bộ biến đổi quang điện: biến đổi tín hiệu ánh sáng tới PT(t) thành tín hiệu điện iT(t). Các phần tử sử dụng để biến đổi quang-điện là PIN-Photodiode và diode quang thác APD
Bộ khuếch đại: bao gồm bộ tiền khuếch đại và bộ khếch đại điện áp. Bộ tiền khuếch đại cần phải có tạp âm rất thấp
6
Bộ lọc: dùng để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
2. Cấu trúc các bộ thu quang
Cấu trúc bộ thu quang digital
O
ur(t) uT(t) pT(t) iT(t)
E
H×nh 4.3. M« h×nh cÊu tróc bé thu quang digital
Bộ biến đổi quang điện: biến đổi tín hiệu ánh sáng tới PT(t) thành tín hiệu điện iT(t). Các phần tử sử dụng để biến đổi quang-điện là PIN-Photodiode và diode quang thác APD
Bộ khuếch đại: bao gồm bộ tiền khuếch đại và bộ khếch đại điện áp. Bộ tiền khuếch đại cần phải có tạp âm rất thấp
7
Bộ lọc kết hợp với bộ quyết định: dùng để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
3. Một số khái niệm cơ bản
3.1. TiÕp gi¸p p-n:
Khi ghép 2 bán dẫn loại n và p lại với nhau => một tiếp giáp p-n được tạo ra => các hạt tải đa số sẽ khuếch tán qua nó, tức là các điện tử trong lớp bán dẫn n được khuếch tán qua tiếp giáp và lấp đầy các lỗ trống trong lớp bán dẫn p và do vậy sẽ để lại lỗ trống trong lớp bán dẫn n của tiếp giáp.
Kết quả là một điện trường tiếp xúc hay một điện thế tiếp xúc sẽ xuất hiện tại vùng tiếp giáp. Điện trường này sẽ ngăn cản việc chuyển động tự do của các hạt tải cho đến khi cân bằng được thiết lập.
Tại vùng tiếp giáp lúc này sẽ không còn hạt mang điện tự do, do các điện tử và lỗ trống đã bị giữ lại trong các liên kết đồng hóa trị. Khi đó, vùng tiếp giáp được gọi là vùng nghèo hoặc vùng không có điện tử tự do.
8
Khi ch a cã ®iÖn ¸p ngoµi t¸c ®éng
3. Một số khái niệm cơ bản
3.1. TiÕp gi¸p p-n:
B¸n dÉn p
B¸n dÉn n
Vïng ®iÖn tÝch kh«ng gian
Khi ch a cã ®iÖn ¸p ngoµi
a)
C¸c phÇn tö ®a sè: p
C¸c phÇn tö ®a sè: e
E
Ec Ef
E
b)
t¸c ®éng
EV
9
H×nh 4.4. TiÕp gi¸p p-n (a) vµ gi¶n ®å n¨ng l îng khi kh«ng cã ®iÖn ¸p ngoµi t¸c ®éng (b)
3. Một số khái niệm cơ bản
3.1. TiÕp gi¸p p-n:
Khi cã ®iÖn tr êng ngoµi t¸c ®éng:
+ TiÕp gi¸p p-n ph©n cùc thuËn
Trong trường hợp cực dương của nguồn nối với bán dẫn p và cực âm nối với bán dẫn n thì tiếp giáp khi đó phân cực thuận.
Lúc này, điện trường tiếp giáp và điện trường ngoài sẽ ngược chiều nhau, nếu điện trường ngoài đủ lớn, sẽ phá vỡ liên kết cộng hóa trị tại lớp tiếp giáp và các hạt mang điện đa số sẽ được khuếch tán ồ ạt qua lớp tiếp giáp.
10
3. Một số khái niệm cơ bản
3.1. TiÕp gi¸p p-n:
Khi cã ®iÖn tr êng ngoµi t¸c ®éng:
+ TiÕp gi¸p p-n ph©n cùc ng îc
Khi một điện thế ngoài được đưa vào tiếp giáp p-n, nếu cực dương của nguồn nối với bán dẫn n và cực âm nối với bán dẫn p thì tiếp giáp khi đó được phân cực ngược.
Dưới tác dụng của điện áp phân cực ngược, độ rộng lớp nghèo sẽ mở rộng ra ở cả hai phía lớp p và lớp n hay điện trường lớp tiếp giáp được tăng cường.
Điện trường tiếp giáp tiếp tục ngăn cản chuyển động của các hạt tải đa số nhưng lại trở thành điện trường thuận với các hạt tải thiểu số khi đi qua lớp tiếp giáp. Dòng của các hạt tải thiểu số tạo ra được gọi là dòng dò.
11
3. Một số khái niệm cơ bản
3.1. TiÕp gi¸p p-n:
B¸n dÉn p
B¸n dÉn n
Vïng ®iÖn tÝch kh«ng gian
Khi cã ®iÖn ¸p ngoµi
t¸c ®éng
-
+
C¸c phÇn tö ®a sè: p
C¸c phÇn tö ®a sè: e
a)
E
Ec
E
EV
b)
12
H×nh 4.5. TiÕp gi¸p p-n (a) vµ gi¶n ®å n¨ng l îng khi cã ®iÖn ¸p ngoµi t¸c ®éng (ph©n cùc ng îc)- (b)
3. Một số khái niệm cơ bản 3.2. Nguyên lý biến đổi quang-điện của lớp tiếp giáp p-n
Khi các photon đi vào tiếp giáp p-n có mức năng lượng lớn hơn độ rộng của dải cấm, sẽ sinh ra trong tiếp giáp p-n các cặp điện tử và lỗ trống. Các điện tử và lỗ trống trong vùng điện tích không gian vừa được sinh ra bị điện trường mạnh hút về hai phía (điện tử về phía n có điện áp dương, lỗ trống về miền P+ vì có điện áp âm).
Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện và trên tải một điện áp.
Mặt khác, các điện tử mới sinh ra trong miền P khuếch tán vùng điện tích không gian 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.
13
Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo ra dòng điện ngoài, vì chính 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+.
3. Một số khái niệm cơ bản
3.2. Nguyên lý biến đổi quang-điện của lớp tiếp giáp p-n
Vïng ®iÖn
a/s tới
B¸n dÉn p
B¸n dÉn n
a)
tÝch kh«ng gian
Cho ®iÖn tr êng ngoµi t¸c ®éng lªn tiÕp gi¸p: ph©n cùc ng îc (h×nh 4.6a).
b)
a/s tới
Ec E
EV
Khi cho ¸nh s¸ng tíi tiÕp gi¸p p-n, c¸c photon sÏ ®i vµo tiÕp gi¸p. Gi¶n ®å n¨ng l îng ¸nh s¸ng trong tiÕp gi¸p p-n gi¶m theo hµm mò (h×nh 4.6c).
p
c)
Gi¶n ®å n¨ng l îng cña tiÕp gi¸p p-n vµ qu¸ tr×nh t¹o ra c¸c cÆp ®iÖn tö - lç trèng khi cã ¸nh s¸ng tíi ® îc chØ ra ë h×nh 4.6b.
14
H×nh 4.6. Qu¸ tr×nh biÕn ®æi quang-điện cña tiÕp gi¸p p-n
3. Một số khái niệm cơ bản 3.3. Công suất tín hiệu
(4-1)
Công suất của tín hiệu i(t) được xác định theo công thức:
3.4. Công suất nhiễu
Công suất của một nguồn nhiễu iN(t) của một mạng 4 cực được xác định theo công thức:
(4-2)
Trong đó, iN(t), SN(j) : nguồn nhiễu và phổ của nó,
15
g(t), H(j) : hàm trọng lượng và hàm truyền dẫn của mạng 4 cực
3. Một số khái niệm cơ bản
3.5. Phổ năng lượng của nhiễu nhiệt trên một điện trở
Do sự chuyển động hỗn loạn của các điện tử (chuyển động Brown) trên một điện trở R, va chạm với ion trong mạng tinh thể của điện trở làm cho nhiệt độ của điện trở tăng lên. Mặc dù khi có dòng điện chạy qua, trên điện trở R vẫn có sự chuyển động Brown của các điện tử, nên xuất hiện nguồn nhiễu trên điện trở R. Gọi là nhiễu nhiệt.
Phổ năng lượng của nhiễu nhiệt trên một điện trở R được xác định theo công thức:
(4-3)
: điện dẫn của điện trở lớp R
Trong đó:
K : hằng số Bolzomal,
16
T : Nhiệt độ tuyệt đối.
3. Một số khái niệm cơ bản
3.5. Băng tần nhiễu
Băng tần nhiễu của một mạng 4 cưc hàm truyền dẫn H(jf) được xác định theo công thức:
(4-4)
Trong đó:
17
là hàm truyền dẫn chuẩn hóa của H(jf)
3. Một số khái niệm cơ bản
3.6. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Công suất tín hiệu/điện áp tín hiệu/dòng tín hiệu
(4-5)
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức:
Công suất nhiễu/điện áp nhiễu/dòng nhiễu
3.7. Tỷ số lỗi bit
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức:
Số bit bị lỗi
(4-6) Tổng số bít phát đi
3.8. Quan hệ giữa tỷ số lỗi bit và tỷ số tín hiệu trên nhiễu
18
(4-7)
4. Các phần tử biến đổi quang-điện
4.1. Mô hình và chức năng của các phần tử biến đổi
quang-điện
4.2. Một số yêu cầu đối với các phần tử biến đổi quang-
điện sử dụng trong kỹ thuật thông tin quang
4.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các phần tử biến
đổi quang-điện
4.4. Các tham số đặc tính của các phần tử biến đổi
quang-điện
4.5. Đặc tính động của các phần tử biến đổi quang-điện
19
4.1. Mô hình và chức năng của các phần tử biến đổi quang-điện
Mô hình của các phần tử biến đổi quang-điện
iT(t)
PT(t)
O
E
Chức năng của các phần tử biến đổi quang-điện
H×nh 4.7. M« h×nh của c¸c phÇn tö biÕn ®æi quang-®iÖn
BiÕn ®æi ¸nh s¸ng tíi PT(t) thµnh tÝn hiÖu hiÖn iT(t) cã d¹ng gièng nh tÝn hiÖu truyÒn dÉn ban ®Çu.
Trong qu¸ tr×nh biÕn ®æi nµy cã thÓ cã nhiÔu vµ mÐo tÝn hiÖu kÌm theo
20
Qu¸ tr×nh nµy gäi lµ gi¶i ®iÒu biÕn quang hay gi¶i ®iÒu chÕ quang.
4.1. Một số yêu cầu đối với các phần tử biến đổi
quang-điện
Một số yêu cầu đối với các phần tử thu quang sử dụng trong kỹ thuật thông tin quang:
- 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.
21
4.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các phần tử biến
đổi quang-điện
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
- Diode quang thác APD.
22
4.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của 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. Do đó, cấu tạo của PIN-Photodiode chủ yếu dựa trên tiếp giáp p-n gồm 2 bán dẫn loại tốt là P+ và N+.
- Tuy nhiên, để có thể hoạt động tại các bước sóng dài mà tại đó ánh sáng thâm nhập sâu hơn vào vật liệu bán dẫn thì miền điện tích không gian rộng là rất cần thiết. Để thực hiện điều đó, người ta thêm vào giữa tiếp giáp p-n 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 photodiode không có dòng điện (chỉ có thể
có một dòng ngược rất nhỏ, gọi là dòng điện tối).
23
4.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PIN-Photodiode
§iÖn cùc vßng
§iÖn cùc
¸nh s¸ng tíi
Cấu tạo
P+ N+ I
Cấu tạo của PIN- Photodiode và sơ đồ phân bố điện trường theo các lớp
Líp chèng ph¶n x¹
E
(a)
Hình 4.8. Cấu tạo của PIN-Photodiode (a) và sơ đồ phân bố điện trường theo các lớp (b)
24
(b)
4.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PIN-Photodiode
Nguyên lý hoạt động PIN-Photodiode
- 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+, lỗ trống về miền P+).
- 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+ 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+.
- Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN-Photodiode một
dòng điện và trên tải một điện áp.
25
4.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PIN-Photodiode
Nguyên lý hoạt động PIN-Photodiode
Một số lưu ý:
1. Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo ra dòng điện ngoài, vì chính 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 chúng lại tái hợp với nhau ngay trong các miền P+ và N+.
2. Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào 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 phần ánh sáng bị tổn thất do phản xạ bề mặt.
26
4.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PIN-Photodiode
Nguyên lý hoạt động PIN-Photodiode
Một số lưu ý:
3. Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bước 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 nhiều khả năng tiếp xúc với các nguyên tử hơn. Tuy nhiên, trong truyền dẫn số độ dài của sung ánh sáng đưa vào phải đủ lớn hơn thời gian trôi Td 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.
4. 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 tử và lỗ trống. Do đó, với các vật liệu phải có một bước sóng tới hạn.
27
4.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của diode quang thác 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 lớp 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.
Trong vùng I, điện trường tăng chậm, nhưng trong tiếp giáp PN+ điện trường tăng rất nhanh. Lớp tiếp giáp PN+ gọi là miền thác, ở đây xảy ra
quá trình nhân điện tử.
28
Cấu tạo
4.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của diode quang thác APD
§iÖn cùc vßng
§iÖn cùc
¸nh s¸ng tíi
Cấu tạo
P
N+
P+
I
Cấu tạo của APD và sơ đồ phân bố điện trường theo các lớp
Líp chèng ph¶n x¹
RT
(a)
E
Hình 4.9. Cấu tạo của APD (a) và sơ đồ phân bố điện trường theo các lớp (b)
29
(b)
4.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của diode quang thác APD
Nguyên lý hoạt động của APD
Do APD được đặt một điện áp phân cực ngược rất lớn, tới 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 miền thác PN+ chúng được tăng tốc, va chạm vào các nguyên tử giải phóng ra các cặp điện 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.
số lượng Thông qua hiệu ứng quang thác này mà với cùng một photon tới, APD giải phóng ra các điện tử nhiều hơn rất nhiều lần so với PIN-Photodiode.
30
4.4. Các tham số đặc tính của các phần tử biến đổi
quang-điện
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN-Photodiode
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
31
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN-Photodiode
1. Dòng photo của PIN - Photodiode
2. Dòng ra của PIN - Photodiode
3. Đặc tuyến tĩnh của PIN - Photodiode
32
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
Khi các photon đi vào PIN - Photodiode tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống, dưới tác dụng của điện trường ngoài, các phần từ này sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện. Đó chính là dòng photo của PIN - Photodiode (dòng photo chính là dòng do các photon tạo ra).
(4-8)
Trong đó:
IP : dòng photo của photodiode
PT : Công suất ánh sáng chiếu vào photodiode
HT : hệ số biến đổi điện-quang của photodiode
33
1. Dòng photo của PIN - Photodiode
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
1. Dòng photo của PIN - Photodiode
Hệ số biến đổi điện-quang của PIN-Photodiode
Trong đó:
Sè cÆp ®iÖn tö - Lç trèng sinh ra
(4-9)
=
Sè photon hÊp thô
là liệu suất lượng tử hoá của PIN - Photodiode.
: bước sóng của ánh sáng.
e: địên tích của điện tử (e = 1,602.10-19 As).
h: hằng số Plan (h = 6,62.10-34 Ws2).
c: vận tốc ánh sáng (c = 3.108 m/s).
34
(4-10)
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
2. Dòng ra của PIN - Photodiode
Đối với PIN- Photodiode, quá trình biến đổi quang-điện là quá trình không có sự khuếch đại dòng photo, mà chỉ có quá trình khi các photon đi vào PIN - Photodiode tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống, dưới tác dụng của điện trường ngoài, các phần từ này sinh ra ở mạch ngoài một
Do đó, dòng ra chính là dòng photo tứclà:
dòng điện dòng photo chính là dòng do các photon tạo ra
Trong đó:
IP : dòng photo của photodiode
PT : Công suất ánh sáng chiếu vào photodiode
HT : hệ số biến đổi điện-quang của photodiode
35
(4-11)
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
Trong truyền dẫn analog
Khi truyền dẫn analog, tín hiệu truyền dẫn là liên tục. Để đơn giản, giả thiết tín hiệu ánh sáng tới các photodide có dạng hình sin:
(4-12)
pT(t) = PTO + PT cost
Khi đó, tín hiệu ra của PIN – Photodiode theo các công thức:
(4-13)
iT(t) = IT0 + IT cost
Trong đó:
IT0 = HT PT0 là thành phần không đổi của dòng ra của PIN – Photodiode.
là biên độ dòng ra của PIN – Photodiode.
IT = HT PT
36
2. Dòng ra của PIN - Photodiode
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
Trong truyền dẫn digital
PT
2. Dòng ra của PIN - Photodiode
t
Td
T
Khi truyền dẫn digital, tín hiệu ánh sáng tới PIN-photodide là một chuỗi xung có dạng:
(4-14)
Hình 4.10. Tín hiệu ánh
Trong đó:
sáng tới pT~(t)
(4-15)
T: chu kỳ chuỗi xung,
37
PT: là biên độ của chuỗi xung, Td: độ rộng xung, bn = { 0,1 } tuỳ theo xung truyền dẫn là bit “0” hay bit “1”
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
Trong truyền dẫn digital
2. Dòng ra của PIN - Photodiode
Khi tín hiệu ánh sáng tới là một chuỗi xung, tín hiệu ra của PIN-Photodiode được xác định theo các công thức:
(4-16)
Trong đó:
IT0 = HT PT0 : thành phần không đổi của dòng ra của PIN – Photodiode.
(4-17)
IT = HT PT : biên độ dòng ra của PIN – Photodiode.
38
: thành phần biến đổi của dòng ra của PIN – Photodiode
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
3. Đặc tuyến tĩnh của PIN - Photodiode
IT
Đặc điểm:
(b)
- Độ dốc của đặc tuyến tĩnh của APD lớn hơn của PIN-photodiode (vì APD có độ khuếch đại)
- Ở gần gốc tọa độ, đặc tuyến tĩnh của cả 2 phần tử đều tuyến tính
(a)
H×nh 4.11. §Æc tuyÕn biÕn ®æi quang-điện tÜnh cña PIN-Photodiode (a) và APD (b)
PT
0
39
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Tổng quan về các loại nhiễu trong PIN-Photodiode
- Nhiễu lượng tử tín hiệu,
Nhiễu của các phần tử biến đổi quang-điện PIN-Photodiode bao gồm các nhiễu cơ bản sau:
- Nhiễu dòng điện tối,
- Nhiễu dòng dò,
40
- Nhiễu nhiệt.
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Phân loại nhiễu
Một số quan điểm phân loại nhiễu
Trong kỹ thuật thông tin quang, người ta có thể phân loại nhiễu theo 2 quan điểm sau:
- Theo bản chất gây nên nhiễu,
41
- Theo quan điểm truyền dẫn tín hiệu.
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Phân loại nhiễu
Theo bản chất gây nên nhiễu
- Nhiễu lượng tử tính hiệu,
Theo bản chất gây nên nhiễu, nhiễu trong PIN - Photodiode có các loại sau:
- Nhiễu dòng điện tối,
- Nhiễu dòng rò,
42
- Nhiễu nhiệt.
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Phân loại nhiễu
Quan điểm truyền dẫn tín hiệu
Theo quan điểm truyền dãn tín hiệu, nhiễu trong PIN – Photodiode có các loại sau:
- Nhiễu lượng tử tín hiệu
Nhiễu phụ thuộc tín hiệu, gồm có:
Nhiễu không phụ thuộc tín hiệu, gồm có:
- Nhiễu dòng tối,
- Nhiễu dòng rò,
- Nhiễu nhiệt.
43
Ngoài ra, trong kỹ thuật tin quang người ta còn ký hiệu nhiễu gây ra bởi các nhiễu lượng tử tín hiệu, nhiễu dòng tối, nhiễu dòng rò là Shot noise (Nhiễu nổ).
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode và APD
Các loại nhiễu:
- Nhiễu dòng điện tối,
- Nhiễu dòng dò,
- Nhiễu nhiệt,
- Nhiễu lượng tử tín hiệu,
- Nhiễu tổng.
44
Nguyên nhân và công suất các loại nhiễu trong PIN - Photodiode
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Mô hình nhiễu trong PIN-Photodiode
GT
ip iT inC ir inT
H×nh 4.12. M« h×nh nhiÔu trong PIN-Photodiode
- Dßng ®iÖn rß,
GT - §iÖn dÉn t¶i, Ip - Dßng photo, iT - Dßng ®iÖn tèi, - Dßng ®iÖn rß, Ir
45
Ir Inc - Dßng ®iÖn nhiÖt trªn ®iÖn trë líp tiÕp gi¸p PN, inT - Dßng ®iÖn nhiÖt trªn ®iÖn trë t¶I,
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
Nhiễu dòng điện tối
Nhiễu dòng tối là do dòng điện tối của photodiode sinh ra.
Khi không có ánh sáng tới Photodiode, nhưng vẫn xuất hiện một dòng điện nhỏ chảy qua tải. Dòng điện tối gồm rất nhiều xung không có quy luật. Người ta chỉ xác định được trị hiệu dụng của nó, phổ biên độ của chúng bằng phẳng ở mọi tần số.
Mật độ công suất phổ của nhiễu dòng tối của PIN-Photodiode SNT(j) được xác định theo công thức:
(4-18)
là trị trung bình của dòng điện tối của PIN-Photodiode.
46
Trong đó: e là điện tích của điện tử,
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
Công suất nhiễu dòng tối của PIN-Photodiode theo công thức :
Nhiễu dòng điện tối
(4-19)
Trong đó, e : điện tích của điện tử,
: trị trung bình của dòng điện tối của PIN-Photodiode.
47
: băng tần nhiễu của PIN-Photodiode BR
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
Nhiễu dòng dò
Nhiễu dòng rò là do dòng điện rò của photodiode tạo ra. Dòng điện rò là do các tia sáng phía trong và ánh sáng bên cạnh tạo ra. Trên thực tế người ta chỉ xác định được giá trị trung bình của dòng điện rò.
Mật độ công suất phổ của nhiễu dòng rò của PIN-Photodiode SNr(j) được xác định theo công thức:
(4-20)
Trong đó, e : điện tích của điện tử,
48
: trị trung bình của dòng điện tối của PIN-Photodiode.
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
- Nhiễu dòng rò
Công suất nhiễu dòng rò của PIN-Photodiode theo công thức :
Trong đó, e
: điện tích của điện tử,
(4-21)
: trị trung bình của dòng điện rò của PIN-Photodiode.
49
: băng tần nhiễu của PIN-Photodiode BR
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
Nhiễu nhiệt
Trong Photodiode luôn tồn tại: điện trở lớp chắn và điện trở tải. Nhiễu nhiệt của Photodiode là nhiễu xuất hiện trong điện trở lớp chắn, điện trở tải, do chuyển động nhiệt của các điện tử trong điện trở tạo ra. Mật độ công suất phổ của nhiễu nhiệt SNN(j) trên điện trở lớp chắn và điện trở tải của PIN-Photodiode được xác định thêo công thức:
(4-22)
Trong đó:
RC : điện trở lớp chắn của PIN-Photodiode
T : Nhiệt độ tuyệt đối.
50
RT : điện điện trở lớp tải của PIN-Photodiode K : hằng số Bolzomal,
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
Nhiễu nhiệt
Công suất nhiễu nhiệt của PIN-Photodiode pNN được xác định theo công thức :
Trong đó:
(4-23)
K : hằng số Bolzomal,
T : nhiệt độ tuyệt đối.
: điện dẫn của điện trở lớp tải RT
: điện dẫn của điện trở lớp chắn RC
51
: băng tần nhiễu của PIN-Photodiode BR
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
- Nhiễu lượng tử tín hiệu
Nhiễu lượng tử tín hiệu sinh ra trong quá trình giải phóng ra các cặp điện tử – lỗ trống do các photon chiếu vào PIN-Photodiode. Tức là có ánh sáng chiếu vào photodiode và do đó có quá trình giải phóng ra các cặp điện tử – lỗ trống là có nhiễu xuất hiện.
Dòng nhiễu do lượng tử tín hiệu của PIN-Photodiode gây ra được xác định theo công thức:
(4-24)
Trong đó:
: dòng photo của PIN-Photodiode
: điện tích của điện tử
: hệ số biến đổi quang điện của PIN-Photodiode
52
e iP(t) HT p(t) : công suất ánh sáng chiếu vào PIN-Photodiode
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
Nhiễu lượng tử tín hiệu
Nhiễu lượng tử tín hiệu sinh ra trong quá trình giải phóng ra các cặp điện tử – lỗ trống do các photon chiếu vào PIN-Photodiode.
Nhiễu lượng tử tín hiệu là nhiễu phụ thuộc vào ánh sáng truyền dẫn chiếu vào photodiode tức là phụ thuộc vào tín hiệu truyền dẫn.
53
Do đó, để xác định nhiễu lượng tử tín hiệu của PIN-Photodiode cần phải được xem xét tín hiệu truyền dẫn tương tự hay số, tín hiệu truyền dẫn biến đổi nhanh hay chậm.
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
Công suất nhiễu lượng tử tín hiệu
Trong truyền dẫn quang analog, ánh sáng tín hiệu truyền dẫn là liên tục theo thời gian và có cường độ biến đổi một cách ngẫu nhiên theo tín hiệu cần truyền. Do đó, người ta không xác định được giá trị tức thời của cường độ ánh sáng tới photodiode mà thường xác định được giá trị trung bình của công suất ánh sáng tới.
- Công suất nhiễu lượng tử trong truyền dẫn analog:
Do đó, công suất nhiễu lượng tử của PIN-Photodiode pNL được xác định theo công thức :
(4-25)
Trong đó, e : điện tích của điện tử
: hệ số biến đổi quang điện của PIN-Photodiode BR : băng tần tạp âm của PIN-Photodiode HT
54
: Giá trị trung bình của công suất ánh sáng đến PIN-Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
Công suất nhiễu lượng tử tín hiệu
- Công suất nhiễu lượng tử trong truyền dẫn digital:
Trong truyền dẫn quang digital, ánh sáng tín hiệu truyền dẫn thường là chuỗi xung vuông với 2 mức P0 và P0+PT chênh lệch nhau khá lớn. Trong đó, P0 là thành phần công suất ánh sáng không đổi, thường có giá trị rất nhỏ, còn PT là biên độ của chuỗi xung tín hiệu, thường có giá trị khá lớn.
55
Do đó, để xác định công suất nhiễu lượng tử trong truyền dẫn digital người ta không xác định theo giá trị giá trị trung bình của chuỗi xung công suất ánh sáng tới, người ta phải xác định công suất nhiễu lượng tử trong truyền dẫn digital tại khoảng thời gian có xung và không có xung ánh sáng.
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
Công suất nhiễu lượng tử tín hiệu
- Công suất nhiễu lượng tử trong truyền dẫn digital:
Công suất nhiễu lượng tử của PIN-Photodiode được xác định theo công thức:
Trong khoảng thời gian [nT, nT+Td]:
(4-26)
Trong khoảng thời gian [ nT+Td , (n+1)T]:
(4-27)
Trong đó, e : điện tích của điện tử
: hệ số biến đổi quang điện của PIN-Photodiode
: biên độ xung công suất ánh sáng đến PIN-Photodiode
: thành phần công suất ánh sáng không đổi đến PIN-Photodiode
56
BR : băng tần tạp âm của PIN-Photodiode HT P0 PT
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
Nhiễu tổng của PIN-Photodiode
Trong thực tế, các nguồn nhiễu chỉ ra ở mô hình toán học của photodiode là không tương quan nhau.
Do đó, công suất nhiễu tổng của photodiode được tính theo công thức:
57
(4-28)
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
Nhiễu tổng của PIN-Photodiode
Công suất nhiễu tổng của PIN-Photodiode trong truyền dẫn analog:
58
(4-29)
4.4.1. Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode
4. Nhiễu trong PIN - Photodiode
Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode
Nhiễu tổng của PIN-Photodiode
Truyền dẫn digital:
Công suất nhiễu tổng của PIN-Photodiode trong truyền dẫn digital:
Trong khoảng thời gian [nT, nT+Td]:
(4-30)
Trong khoảng thời gian [ nT+Td , (n+1)T]:
59
(4-31)
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
1. Dòng photo của APD
2. Dòng ra của APD
3. Đặc tuyến tĩnh của APD
4. Hệ số khuyếch đại của APD
5. Độ rộng băng của APD
6. Nhiễu trong APD
60
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
1. Dòng photo của APD
Cũng tương tự như PIN - Photodiode, khi các photon đi vào APD tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống, dưới tác dụng của điện trường ngoài, các phần từ này sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện. Đó chính là dòng photo của APD (dòng photo chính là dòng do các photon tạo ra).
Trong đó:
IP : dòng photo của APD
PT : Công suất ánh sáng chiếu vào APD
HT : hệ số biến đổi điện-quang của APD
61
(4-32)
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
1. Dòng photo của APD
Hệ số biến đổi điện-quang của APD
Trong đó:
(4-33)
Sè cÆp ®iÖn tö - Lç trèng sinh ra
=
Sè photon hÊp thô
là liệu suất lượng tử hoá của APD.
: bước sóng của ánh sáng.
e: địên tích của điện tử (e = 1,602.10-19 As).
h: hằng số Plon (h = 6,62.10-34 Ws2).
c: vận tốc ánh sáng (c = 3.108 m/s).
62
(4-34)
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
2. Dòng ra của APD
Đối với APD, do có hiệu ứng quang khác, mà dòng ra của APD được tăng lên M lần, tức là
Trong đó:
(4-36)
là hệ số khuyếch đại của APD,
U : địên áp đặt vào APD. UD : điện áp đánh thủng của APD N : nhận các giá trị từ 1,5 6, tuỳ thuộc vào vật liệu và cấu trúc của
APD.
63
(4-35)
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
Trong truyền dẫn analog
Khi truyền dẫn analog, tín hiệu truyền dẫn là liên tục. Để đơn giản, giả thiết tín hiệu ánh sáng tới các APD có dạng hình sin:
(4-37)
pT(t) = PTO + PT cost
Khi đó, tín hiệu ra của APD theo các công thức:
(4-38)
iT(t) = IT0 + IT cost
Trong đó:
: thành phần không đổi của dòng ra của APD
IT0 = M HT PT0
2. Dòng ra của APD
64
: thành phần biến đổi của dòng ra của APD. IT = M HT PT
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
Trong truyền dẫn digital
2. Dòng ra của APD
PT
truyền dẫn digital,
t
Td
T
Khi tín hiệu ánh sáng tới APD là một chuỗi xung có dạng:
Hình 4.13. Tín hiệu ánh
(4-39)
Trong đó:
sáng tới pT~(t)
(4-40)
T: chu kỳ chuỗi xung,
65
PT: là biên độ của chuỗi xung, Td: độ rộng xung, bn = { 0,1 } tuỳ theo xung truyền dẫn là bit “0” hay bit “1”
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
Trong truyền dẫn digital
2. Dòng ra của APD
Khi tín hiệu ánh sáng tới là một chuỗi xung, tín hiệu ra của APD được xác định theo các công thức:
(4-41)
Trong đó:
IT0 = HT M PT0 : thành phần không đổi của dòng ra của APD
(4-42)
: thành phần biến đổi của dòng ra của APD
IT = HT M PT
66
: biên độ của dòng ra của APD
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
3. Đặc tuyến tĩnh của APD
IT
Đặc điểm:
(a)
- Độ dốc của đặc tuyến tĩnh của APD lớn hơn của PIN-photodiode (vì APD có độ khuếch đại)
- Ở gần gốc tọa độ, đặc tuyến tĩnh của cả 2 phần tử đều tuyến tính
(b)
H×nh 4.14. §Æc tuyÕn biÕn ®æi quang- điện tÜnh cña APD (a) vµ PIN-Photodiode (b)
PT
0
67
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
4. Hệ số khuyếch đại của APD
* Khi công suất luồng ánh sáng biến đổi chậm:
(4-43)
* Khi công suất luồng quang biến đổi nhanh:
(4-44)
Trong đó: (4-45)
68
LA là hằng số thời gian đặc trưng cho quá trình biến đổi quang-điện của APD, nó có giá trị từ 0,8 ps đối với Si-APD và 5 đối với Ge-APD.
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
5. Độ rộng băng của APD
Độ rộng băng của APD phụ thuộc vào hệ số khuyếch đại M của APD
được xác định theo công thức:
(4-46)
69
Từ công thức (4-46) ta thấy: M càng lớn thì BLA càng nhỏ và ngược lại.
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Tổng quan về các loại nhiễu trong APD
Cũng tương tự như PIN-Photodiode, nhiễu của các phần tử biến đổi quang-điện APD bao gồm các nhiễu cơ bản sau:
- Nhiễu lượng tử tín hiệu,
- Nhiễu dòng điện tối,
- Nhiễu dòng dò,
- Nhiễu nhiệt,
Ngoài ra, APD còn có:
70
- Nhiễu do hiệu ứng quang thác sinh ra.
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Phân loại nhiễu
Một số quan điểm phân loại nhiễu
Trong kỹ thuật thông tin quang, người ta có thể phân loại nhiễu theo 2 quan điểm sau:
- Theo bản chất gây nên nhiễu,
71
- Theo quan điểm truyền dẫn tín hiệu.
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Phân loại nhiễu
Theo bản chất gây nên nhiễu
Theo bản chất gây nên nhiễu, nhiễu trong và APD có các loại sau:
- Nhiễu lượng tử tính hiệu,
- Nhiễu dòng điện tối,
- Nhiễu dòng rò,
- nhiễu do hiệu ứng quang thác (trong APD).
72
- Nhiễu nhiệt và
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Phân loại nhiễu
Quan điểm truyền dẫn tín hiệu
Theo quan điểm truyền dãn tín hiệu, nhiễu trong APD có các loại sau:
Nhiễu không phụ thuộc tín hiệu, gồm có:
Nhiễu phụ thuộc tín hiệu, gồm có: - Nhiễu lượng tử tín hiệu
- Nhiễu dòng tối, - Nhiễu dòng rò, - Nhiễu nhiệt.
73
Ngoài ra, trong kỹ thuật tin quang người ta còn ký hiệu nhiễu gây ra bởi các nhiễu lượng tử tín hiệu, nhiễu dòng tối, nhiễu dòng rò là Shot noise (Nhiễu nổ).
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Các loại nhiễu:
- Nhiễu do hiệu ứng quang thác sinh ra,
- Nhiễu dòng điện tối,
- Nhiễu dòng dò,
- Nhiễu nhiệt,
- Nhiễu lượng tử tín hiệu,
- Nhiễu tổng.
74
Nguyên nhân và công suất các loại nhiễu APD
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Mô hình nhiễu trong APD
inC
inT
ip iT ir
M
RT
F
- Dßng ®iÖn rß,
Ir Inc - Dßng ®iÖn nhiÖt trªn ®iÖn trë líp tiÕp gi¸p PN, inT - Dßng ®iÖn nhiÖt trªn ®iÖn trë t¶i, F - HÖ sè nhiÔu do hiÖu øng quang th¸c
H×nh 4.15. M« h×nh nhiÔu trong APD
75
GT - §iÖn dÉn t¶i, Ip - Dßng photo, iT - Dßng ®iÖn tèi, - Dßng ®iÖn rß, Ir
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
Nhiễu do hiệu ứng quang thác
- Nguồn gốc xuất hiện
Đối với APD, trong quá trình quang thác xuất hiện một loại nhiễu. Nhiễu này phụ thuộc vào hệ số khuyếch đại và tỷ lệ với tỷ số giữa hệ số ion hoá lỗ trống và hệ số ion hoá điện tử trong vùng khuyếch đại quang thác.
- Đại lượng đặc trưng
76
Tạp âm do hiệu ứng quang thác được đặc trưng qua hệ số nhiễu F(M)
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
Hệ số nhiễu F(M) và nó được xác định gần đúng theo công thức:
Nhiễu do hiệu ứng quang thác
(4-47)
Trong đó: M là hệ số khuyếch đại của APD,
(4-48)
77
n là hệ số ion hoá điện tử trong vùng quang thác, p là hệ số ion hoá lỗ trống trong vùng quang thác.
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
Nhiễu do hiệu ứng quang thác
Trong thực tế, người ta có thể sử dụng gần đúng F(M) bởi:
F(M) = MX
Trong đó, giá trị đặc trưng của x:
(4-49)
x = 0,3 – 0,5 đối với Si – APD,
x = 0,7 đối với InGaAsP-APD và
78
x=1 đối với Ge-APD
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
Nhiễu dòng điện tối
Nhiễu dòng tối là do dòng điện tối của photodiode sinh ra.
Cũng tương tự như PIN-Photodiode, khi không có ánh sáng tới APD, nhưng vẫn xuất hiện một dòng điện nhỏ chảy qua tải. Dòng điện tối gồm rất nhiều xung không có quy luật. Người ta chỉ xác định được trị hiệu dụng của nó, phổ biên độ của chúng bằng phẳng ở mọi tần số.
Mật độ công suất phổ của nhiễu dòng tối của APD SNT(j) được xác định theo công thức:
(4-50)
Trong đó: e : điện tích của điện tử,
: trị trung bình của dòng điện tối của APD,
79
F(M) : hệ số nhiều của APD.
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
Nhiễu dòng điện tối
Do đó, từ công thức (4-) ta xác định được công suất nhiễu dòng điện tối pNT theo công thức :
(4-51)
: trị trung bình của dòng điện tối của APD,
Trong đó: e : điện tích của điện tử,
M : hệ số khuếch đại của APD,
F(M) : hệ số nhiễu của APD,
80
: băng tần nhiễu của APD. BR
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
Nhiễu dòng rò
Nhiễu dòng rò là do dòng điện rò của photodiode tạo ra. Dòng điện rò là do các tia sáng phía trong và ánh sáng bên cạnh tạo ra. Trên thực tế người ta chỉ xác định được giá trị trung bình của dòng điện rò.
Mật độ công suất phổ của nhiễu dòng rò của APD SNr(j) được xác định theo công thức:
(4-52)
Trong đó: e : điện tích của điện tử,
: trị trung bình của dòng điện tối của APD,
81
F(M) : hệ số nhiễu của APD.
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
Nhiễu dòng rò
Do đó, từ công thức (4-) ta xác định được công suất nhiễu dòng rò của APD theo công thức :
(4-53)
: trị trung bình của dòng điện rò của APD,
Trong đó: e : điện tích của điện tử,
M : hệ số khuếch đại của APD,
F(M) : hệ số nhiễu của APD,
82
: băng tần nhiễu của APD. BR
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
Nhiễu nhiệt
Trong Photodiode luôn tồn tại: điện trở lớp chắn và điện trở tải. Nhiễu nhiệt của Photodiode là nhiễu xuất hiện trong điện trở lớp chắn, điện trở tải, do chuyển động nhiệt của các điện tử trong điện trở tạo ra. Mật độ công suất phổ của nhiễu nhiệt SNN(j) trên điện trở lớp chắn và điện trở tải của APD được xác định thêo công thức:
(4-54)
Trong đó: RC : điện trở lớp chắn của APD
RT : điện điện trở lớp tải của APD
K : hằng số Bolzomal,
83
T : Nhiệt độ tuyệt đối.
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
Nhiễu nhiệt
Công suất nhiễu nhiệt của APD pNN được xác định theo công thức :
Trong đó:
(4-55)
K : hằng số Bolzomal,
T : nhiệt độ tuyệt đối.
: điện dẫn của điện trở lớp tải RT
: điện dẫn của điện trở lớp chắn RC
84
: băng tần nhiễu của APD BR
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
- Nhiễu lượng tử tín hiệu
Tương tự như PIN-Photodiode, nhiễu lượng tử tín hiệu của APD sinh ra trong quá trình giải phóng ra các cặp điện tử – lỗ trống do các photon chiếu vào APD. Tức là có ánh sáng chiếu vào photodiode và do đó có quá trình giải phóng ra các cặp điện tử – lỗ trống là có nhiễu xuất hiện.
Dòng nhiễu do lượng tử tín hiệu của APD gây ra được xác định theo công thức:
(4-56)
Trong đó: : điện tích của điện tử
: hệ số biến đổi quang điện của PIN-Photodiode
: dòng photo của PIN-Photodiode
85
e iP(t) HT p(t) F(M) : công suất ánh sáng chiếu vào PIN-Photodiode : hệ số nhiễu của APD.
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
Nhiễu lượng tử tín hiệu
Nhiễu lượng tử tín hiệu là nhiễu phụ thuộc vào ánh sáng truyền dẫn chiếu vào photodiode tức là phụ thuộc vào tín hiệu truyền dẫn.
Nhiễu lượng tử tín hiệu sinh ra trong quá trình giải phóng ra các cặp điện tử – lỗ trống do các photon chiếu vào APD.
86
Do đó, để xác định nhiễu lượng tử tín hiệu của APD cần phải được xem xét tín hiệu truyền dẫn tương tự hay số, tín hiệu truyền dẫn biến đổi nhanh hay chậm.
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
Công suất nhiễu lượng tử tín hiệu
- Công suất nhiễu lượng tử trong truyền dẫn analog:
Trong truyền dẫn quang analog, ánh sáng tín hiệu truyền dẫn là liên tục theo thời gian và có cường độ biến đổi một cách ngẫu nhiên theo tín hiệu cần truyền. Do đó, tức thời của cường độ ánh sáng tới người photodiode mà thường xác định được giá trị trung bình của công suất ánh sáng tới.
ta không xác định được giá trị
Do đó, công suất nhiễu lượng tử của APD pNL được xác định theo công thức :
(4-57)
Trong đó, e : điện tích của điện tử,
: giá trị trung bình của công suất ánh sáng đến APD,
: hệ số biến đổi quang điện của APD, BR : băng tần tạp âm của APD, HT
87
M : hệ số khuếch đại của APD, F(M) : hệ số nhiễu của APD.
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
Công suất nhiễu lượng tử tín hiệu
Cũng tương tự như PIN-Photodiode, trong truyền dẫn quang digital, ánh sáng tín hiệu truyền dẫn thường là chuỗi xung vuông với 2 mức P0 và P0+PT chênh lệch nhau khá lớn. Trong đó, P0 là thành phần công suất ánh sáng không đổi, thường có giá trị rất nhỏ, còn PT là biên độ của chuỗi xung tín hiệu, thường có giá trị khá lớn.
- Công suất nhiễu lượng tử trong truyền dẫn digital:
88
Do đó, để xác định công suất nhiễu lượng tử trong truyền dẫn digital người ta không xác định theo giá trị giá trị trung bình của chuỗi xung công suất ánh sáng tới, người ta phải xác định công suất nhiễu lượng tử trong truyền dẫn digital tại khoảng thời gian có xung và không có xung ánh sáng.
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
Công suất nhiễu lượng tử tín hiệu
- Công suất nhiễu lượng tử trong truyền dẫn digital:
Công suất nhiễu lượng tử của APD được xác định theo công thức:
Trong khoảng thời gian [nT, nT+Td]:
(4-58)
Trong khoảng thời gian [ nT+Td , (n+1)T]:
(4-59)
Trong đó, e : điện tích của điện tử
: hệ số biến đổi quang điện của APD
: thành phần công suất ánh sáng không đổi đến APD
89
: biên độ xung công suất ánh sáng đến APD BR : băng tần tạp âm của APD HT P0 PT
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
- Nhiễu tổng của APD
Cũng tương tự như PIN-Photodiode, trong thực tế các nguồn nhiễu chỉ ra ở mô hình toán học của APD là không tương quan nhau.
Do đó, công suất nhiễu tổng của APD được tính theo công thức:
90
(4-60)
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
- Nhiễu tổng của APD
Truyền dẫn analog
Công suất nhiễu tổng của APD trong trường hợp này theo công thức:
(4-61)
Thay F(M) vào công thức (4-), công suất nhiễu tổng của APD có thể biểu diễn dưới dạng:
91
(4-62)
4.4.2. Các tham số đặc tính của APD
6. Nhiễu trong APD
Công suất các nhiễu trong APD
- Nhiễu tổng của APD
Công suất nhiễu tổng được xác định theo công thức:
Truyền dẫn digital
Trong khoảng thời gian [nT, nT+Td]:
(4-63)
Trong khoảng thời gian [ nT+Td , (n+1)T]:
92
(4-64)
4.5. Đặc tính động của các phần tử biến đổi
quang-điện
4.5.1. Đặc tính động của PIN-Photodiode
4.5.2. Đặc tính động của APD
93
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Các yếu tố xác lập đặc tính động của PIN - Photodiode
Sơ đồ điện tương đương của PIN - Photodiode
Hàm truyền dẫn của PIN - Photodiode
Hàm trọng lượng của PIN - Photodiode
Hàm quá độ của PIN – Photodiode
Tín hiệu ra của PIN - Photodiode
Ảnh hưởng của đặc tính động của PIN - Photodiode đến chất
lượng truyền dẫn
94
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Các yếu tố xác lập đặc tính động của PIN - Photodiode
- Điện dung lớp điện tích không gian (lớp tiếp giáp của các lớp P – N)
Trong cấu tạo của PIN - Photodiode luôn tồn tại các thành phần:
trong PIN - Photodiode
- Các hiệu ứng ký sinh của PIN - Photodiode, ...
Khi đó, dòng photo tạo ra của PIN- Photodiode chỉ là hàm số của cường độ ánh sáng chiếu vào PIN- Photodiode và nó được xác định theo đặc tuyến biến đổi quang-điện tĩnh của PIN- Photodiode.
95
Khi PIN - Photodiode hoạt động ở khu vực tần số thấp (thường nhỏ hơn 2,5 GHz), tức là khi tín hiệu truyền dẫn là những chuỗi xung có tốc độ bít thấp (đối với truyền dẫn số) hay có tần số thấp (đối với truyền dẫn analog), thì ảnh hưởng của điện dung tiếp giáp của các lớp P – N trong PIN - Photodiode và các hiệu ứng ký sinh có thể bỏ qua trong quá trình biến đổi quang-điện của PIN-Photodiode.
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Các yếu tố xác lập đặc tính động của PIN - Photodiode
Khi đó, dòng photo tạo ra của PIN- Photodiode không xác định theo đặc tuyến biến đổi quang-điện tĩnh của PIN–Photodiode nữa và nó được xác định theo một hàm số không chỉ của cường độ ánh sáng chiếu vào PIN– Photodiode, mà nó còn là hàm số của tần số.
Quá trình biến đổi quang-điện của PIN- Photodiode không chỉ phụ thuộc vào cường độ lớn của công suất ánh sáng chiếu vào photodiode, mà còn phụ thuộc vào tần số gọi là quá trình biến động của PIN- Photodiode.
96
Khi PIN-Photodiode hoạt động ở khu vực tần số cao (thường lớn hơn 2,5 GHz), tức là khi tín hiệu truyền dẫn là những chuỗi xung có tốc độ bít cao (đối với truyền dẫn số) hay có tần số cao (đối với truyền dẫn analog), thì ảnh hưởng của điện dung tiếp giáp của các lớp P – N trong PIN - Photodiode và các hiệu ứng ký sinh sẽ ảnh hưởng đáng kể đến quá trình biến đổi quang-điện của PIN– Photodiode.
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Sơ đồ điện tương đương của PIN - Photodiode
RD
iT
iP
RT
CT
GC
CC
Quá trình biến đổi quang-địên động của PIN - Photodiode được diễn tả bởi các sơ đồ địên tương đương sau:
H×nh 4.16. S¬ ®å ®iÖn t ¬ng ® ¬ng cña PIN-Photodiode
Gc - Điện dẫn của lớp tiếp giáp PN,
97
Trong đó : ip- Dòng photo, Cc - Điện dung của lớp tiếp giáp PN, GT - Điện dẫn tải của PIN-Photodiode, CT - Điện trở tải của PIN-Photodiode, RD - Điện trở dây nối của PIN-Photodiode
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Hàm truyền dẫn của PIN- Photodiode
(4-65)
Trong đó :
(4-66)
là tần số góc giới hạn của PIN – Photodiode,
98
HT là hệ số biến đổi quang-điện của PIN-Photodiode.
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Hàm trọng lượng của PIN- Photodiode
Đối với PIN- Photodiode, từ công thức (2-103) thực hiện biến đổi Fourier ta thận được hàm trọng lượng của PIN- Photodiode như sau
(4-67)
Trong đó :
là tần số góc giới hạn của PIN – Photodiode,
99
là hệ số biến đổi quang-điện của PIN-Photodiode. HT
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Hàm quá độ của PIN- Photodiode
(4-68)
Đối với PIN- Photodiode, từ công thức (...) thực hiện biến đổi toán học ta thận được hàm quá độ của PIN- Photodiode như sau
là tần số góc giới hạn của PIN – Photodiode,
Trong đó :
100
là hệ số biến đổi quang-điện của PIN-Photodiode. HT
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Tín hiệu ra của PIN - Photodiode
Truyền dẫn analog
Khi PIN - Photodiode hoạt động ở khu vực tần số thấp, thì ảnh hưởng của điện dung tiếp giáp của các lớp P – N trong PIN - Photodiode và các hiệu ứng ký sinh có thể bỏ qua trong quá trình biến đổi quang-điện của PIN-Photodiode.
101
Khi đó, dòng photo tạo ra của PIN-Photodiode không xác định theo đặc tuyến biến đổi quang-điện tĩnh của PIN-Photodiode nữa và nó được xác định theo một hàm số không chỉ của cường độ ánh sáng chiếu vào PIN-Photodiode, mà nó còn là hàm số của tần số.
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Tín hiệu ra của PIN - Photodiode
Truyền dẫn analog
Khi đó, từ mô hình toán học của các PIN-Photodiode và sau một số biến đổi toán học, ta nhận được tín hiệu ra của PIN – Photodiode theo các công thức:
Trong đó:
(4-69)
(4-70)
(4-71)
102
(4-72)
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Tín hiệu ra của PIN - Photodiode
Truyền dẫn analog
Nhận xét: từ các công thức (4-69) – (4-72) ta nhận thấy, khi tần
số truyền dẫn cao thì trong dòng ra của PIN-Photodiode xuất
hiện méo biên độ và méo pha.
Các méo này phụ thuộc tần số. Tần số càng cao thì méo pha và
103
méo biên độ của PIN - Photodiode càng lớn.
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Tín hiệu ra của PIN - Photodiode
Truyền dẫn digital
P T
t
Td
tín hiệu ánh sáng tới các Khi photodide là một chuỗi xung có dạng:
T
(4-73)
Hình 4.17. Tín hiệu ánh sáng tới pT~(t)
Trong đó:
(4-74)
T: chu kỳ chuỗi xung, PT: là biên độ của chuỗi xung, Td: độ rộng xung,
104
bn = { 0,1 } tuỳ theo xung truyền dẫn là bit “0” hay bit “1”
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Tín hiệu ra của PIN - Photodiode
Truyền dẫn digital
Do tín hiệu ánh sáng đến bộ thu quang rất yếu vì bị suy hao trên dường truyền dẫn, nên tính phi tuyến của PIN – Photodiode có thể bỏ qua, nên đáp ứng của PIN – Photodiode đối với chuỗi xung ánh sáng tới sẽ bằng tổng các đáp ứng của từng xung riêng lẻ. Tức là, tín hiệu ra của PIN – Photodiode đước xác định theo công thức:
(4-75)
(4-76)
Trong đó:
: thành phần một chiều của dòng ra
105
IT0 = HT PT0 iTn (t-nT) : đáp ứng của xung thứ n.
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Tín hiệu ra của PIN - Photodiode
Truyền dẫn digital
iTn (t-nT) là đáp ứng của xung thứ n được xác định theo công thức:
(4-77)
Nhận xét:
Từ các công thức (4-77), ta nhận thấy, khi tốc độ truyền dẫn tốc độ cao thì trong các xung dòng ra của PIN-Photodiode xuất hiện các méo sườn trước và méo sườn sau.
106
Các méo này phụ thuộc tốc độ bit. Tốc độ bit càng cao thì méo sườn trước và méo sườn sau của xung tín hiệu ra của PIN-Photodiode càng lớn.
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Ảnh hưởng của đặc tính động của PIN - Photodiode đến chất
lượng truyền dẫn
Truyền dẫn analog
Khi ¸nh s¸ng tíi PIN-Photodiode cã d¹ng h×nh sin th× dßng ra cña PIN- Photodiode sÏ xuÊt hiÖn c¸c mÐo biªn ®é vµ mÐo pha. C¸c mÐo nµy ® îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
Méo biên độ
(4-78)
107
Méo pha (4-79)
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Ảnh hưởng của đặc tính động của PIN - Photodiode đến chất
lượng truyền dẫn
TruyÒn dÉn digital
Khi ¸nh s¸ng tíi PIN-Photodiode lµ mét chuçi xung vu«ng th× th× dßng
ra cña PIN-Photodiode sÏ xuÊt hiÖn c¸c mÐo s ên tr íc vµ s ên sau.
C¸c mÐo nµy ® îc bao gåm:
- MÐo do b¶n th©n xung thø n
xung thø n
108
- MÐo do xuyªn nhiÔu cña n-1 xung phÝa tr íc t¸c ®éng ®Õn
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Ảnh hưởng của đặc tính động của PIN - Photodiode đến chất
lượng truyền dẫn
TruyÒn dÉn digital
Méo do bản thân xung thứ n gồm có:
- Méo trong khoảng thời gian [nT t nT+Td]
- Méo trong khoảng thời gian [nT+Td < t < (n+1)T]
Méo tổng của xung thứ n:
109
Méo tổng = Méo do bản thân xung n + Méo do xuyên nhiễu
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Ảnh hưởng của đặc tính động của PIN - Photodiode đến chất
lượng truyền dẫn
TruyÒn dÉn digital
* Méo do bản thân xung thứ n:
Trong khoảng thời gian [nT t nT+Td]:
Trong khoảng thời gian [nT+Td < t < (n+1)T]:
(4-80)
110
(4-81)
4.5.1. Đặc tính động của PIN - Photodiode
Ảnh hưởng của đặc tính động của PIN - Photodiode đến chất
lượng truyền dẫn
TruyÒn dÉn digital
* Méo do xuyên nhiễu của các xung phía trước đến xung thứ n
(4-82) Trong đó :
là tần số góc giới hạn của PIN – Photodiode,
111
là hệ số biến đổi quang-điện của PIN-Photodiode. HT
4.5.2. Đặc tính động của APD
Các yếu tố xác lập đặc tính động của APD
Sơ đồ điện tương đương của APD
Hàm truyền dẫn của APD
Hàm trọng lượng của APD
Hàm quá độ của APD
Tín hiệu ra của APD
Ảnh hưởng của đặc tính động của APD đến chất lượng
truyền dẫn
112
4.5.2. Đặc tính động của APD
Các yếu tố xác lập đặc tính động của APD
Cũng tương trự như PIN-Photodiode, trong cấu tạo của APD luôn tồn tại các thành phần:
- Điện dung lớp điện tích không gian (lớp tiếp giáp của các lớp P – N)
trong APD
- Các hiệu ứng ký sinh của APD, ...
Khi đó, dòng photo tạo ra của APD chỉ là hàm số của cường độ ánh sáng chiếu vào APD và nó được xác định theo đặc tuyến biến đổi quang-điện tĩnh của APD
113
Khi APD hoạt động ở khu vực tần số thấp (thường nhỏ hơn 2,5 GHz), tức là khi tín hiệu truyền dẫn là những chuỗi xung có tốc độ bít thấp (đối với truyền dẫn số) hay có tần số thấp (đối với truyền dẫn analog), thì ảnh hưởng của điện dung tiếp giáp của các lớp P – N trong APD và các hiệu ứng ký sinh có thể bỏ qua trong quá trình biến đổi quang-điện của APD.
4.5.2. Đặc tính động của APD
Các yếu tố xác lập đặc tính động của APD
Khi APD hoạt động ở khu vực tần số cao (thường lớn hơn 2,5 GHz), tức là khi tín hiệu truyền dẫn là những chuỗi xung có tốc độ bít cao (đối với truyền dẫn số) hay có tần số cao (đối với truyền dẫn analog), thì ảnh hưởng của điện dung tiếp giáp của các lớp P – N trong APD và các hiệu ứng ký sinh sẽ ảnh hưởng đáng kể đến quá trình biến đổi quang-điện của APD.
Khi đó, dòng photo tạo ra của APD không xác định theo đặc tuyến biến đổi quang-điện tĩnh của APD nữa và nó được xác định theo một hàm số không chỉ của cường độ ánh sáng chiếu vào APD, mà nó còn là hàm số của tần số.
114
Quá trình biến đổi quang-điện của APD không chỉ phụ thuộc vào cường độ lớn của công suất ánh sáng chiếu vào APD, mà còn phụ thuộc vào tần số gọi là quá trình biến động của APD.
4.5.2. Đặc tính động của APD
Sơ đồ điện tương đương của APD
RD
M
iT
iP
RT
GC
CC CT
Quá trình biến đổi quang-địên động của APD được diễn tả bởi các sơ đồ địên tương đương sau:
H×nh 4.18. S¬ ®å ®iÖn t ¬ng ® ¬ng cña APD
Trong đó : ip- Dòng photo, Cc - Điện dung của lớp tiếp giáp PN, GT - Điện dẫn tải của APD, CT - Điện trở tải của APD, RD - Điện trở dây nối của APD M – Hệ số khuếch đại của APD.
115
Gc - Điện dẫn của lớp tiếp giáp PN,
4.5.2. Đặc tính động của APD
Hàm truyền dẫn của APD
- LA là hằng số thời gian đặc trưng cho quá trình biến đổi quang-điện
Trong quá trình biến đổi quang-điện của APD, khi công suất luồng quang biến đổi nhanh thì tồn tại 2 hằng số thời gian:
của APD, được xác định ở công thức (2-101).
- RC là hằng số thời gian đặc trưng cho sự biến đổi quang-điện của APD khi công suất luồng quang biến đổi nhanh và được xác định theo công thức:
(4-83)
Do đó, khi công suất luồng quang biến đổi nhanh thì hằng số thời gian của APD trong quá trình biến đổi quang-điện được xác định theo công thức:
116
(4-84)
4.5.2. Đặc tính động của APD
Hàm truyền dẫn của APD
Từ các mô hình toán học truyền dẫn tín hiệu (hình 2.49) ta xác định được các hàm truyền dẫn của APD hoạt động ở tốc độ cao theo công thức:
Trong đó :
(4-85)
là tần số góc giới hạn của APD,
(4-86)
117
HT là hệ số biến đổi quang-điện của APD.
4.5.2. Đặc tính động của APD
Đối với APD, từ công thức (4-85) thực hiện biến đổi Fourier ta nhận được hàm trọng lượng của APD như sau:
Hàm trọng lượng của APD
Trong đó :
(4-87)
là tần số góc giới hạn của APD,
118
là hệ số biến đổi quang-điện của APD. HT
4.5.2. Đặc tính động của APD
Hàm quá độ của APD
Đối với APD, từ công thức (4-87) thực hiện biến đổi toán học ta nhận
được hàm quá độ của APD như sau:
Trong đó :
(4-88)
là tần số góc giới hạn của APD,
119
HT là hệ số biến đổi quang-điện của APD.
4.5.2. Đặc tính động của APD
Tín hiệu ra của APD
Truyền dẫn analog
Khi APD hoạt động ở khu vực tần số cao, thì ảnh hưởng của điện dung tiếp giáp của các lớp P – N trong APD và các hiệu ứng ký sinh sẽ ảnh hưởng đáng kể đến quá trình biến đổi quang-điện của APD.
120
Khi đó, dòng photo tạo ra của APD không xác định theo đặc tuyến biến đổi quang-điện tĩnh của APD nữa và nó được xác định theo một hàm số không chỉ của cường độ ánh sáng chiếu vào APD, mà nó còn là hàm số của tần số.
4.5.2. Đặc tính động của APD
Tín hiệu ra của APD
Truyền dẫn analog
Khi đó, từ mô hình toán học của các Photodiode và sau một số biến đổi toán
học, ta nhận được tín hiệu ra của APD theo các công thức:
Trong đó:
(4-89)
(4-90)
(4-91)
121
(4-92)
4.5.2. Đặc tính động của APD
Tín hiệu ra của APD
Truyền dẫn analog
Nhận xét: từ các công thức (4-89) – (4-92) ta nhận thấy, khi tần
số truyền dẫn cao thì trong dòng ra của APD xuất hiện méo biên
độ và méo pha.
Các méo này phụ thuộc tần số. Tần số càng cao thì méo pha và
122
méo biên độ của APD càng lớn.
4.5.2. Đặc tính động của APD
Tín hiệu ra của APD
Truyền dẫn digital
P T
t
tín hiệu ánh sáng tới các
Td
T
Khi APD là một chuỗi xung có dạng:
(4-93)
Hình 4.19. Tín hiệu ánh sáng tới pT~(t)
Trong đó:
(4-94)
T: chu kỳ chuỗi xung, PT: là biên độ của chuỗi xung, Td: độ rộng xung,
123
bn = { 0,1 } tuỳ theo xung truyền dẫn là bit “0” hay bit “1”
4.5.2. Đặc tính động của APD
Tín hiệu ra của APD
Truyền dẫn digital
Do tín hiệu ánh sáng đến bộ thu quang rất yếu vì bị suy hao trên dường truyền dẫn, nên tính phi tuyến của APD có thể bỏ qua, nên đáp ứng của APD đối với chuỗi xung ánh sáng tới sẽ bằng tổng các đáp ứng của từng xung riêng lẻ. Tức là, tín hiệu ra của APD đước xác định theo công thức:
(4-95)
(4-96) Trong đó:
là thành phần một chiều của dòng ra của APD IT0 = M H TPT0
124
iTn (t-nT) là đáp ứng của xung thứ n.
4.5.2. Đặc tính động của APD
Tín hiệu ra của APD
Truyền dẫn digital
iTn (t-nT) là đáp ứng của xung thứ n của APD và được xác định theo công thức:
(4-97)
Nhận xét:
Từ các công thức (4-97), ta nhận thấy, khi tốc độ truyền dẫn tốc độ cao thì trong các xung dòng ra của APD xuất hiện các méo sườn trước và méo sườn sau.
125
Các méo này phụ thuộc tốc độ bit. Tốc độ bit càng cao thì méo sườn trước và méo sườn sau của xung tín hiệu ra của APD càng lớn.
4.5.2. Đặc tính động của APD
Ảnh hưởng của đặc tính động của APD đến chất lượng
truyền dẫn
Truyền dẫn analog
Khi ¸nh s¸ng tíi APD cã d¹ng h×nh sin th× dßng ra cña APD sÏ xuÊt hiÖn c¸c mÐo biªn ®é vµ mÐo pha. C¸c mÐo nµy ® îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
Méo biên độ (4-98)
Méo pha
126
(4-99)
4.5.2. Đặc tính động của APD
Ảnh hưởng của đặc tính động của APD đến chất lượng
truyền dẫn
TruyÒn dÉn digital
Khi ¸nh s¸ng tíi APD lµ mét chuçi xung vu«ng th× th× dßng ra cña
APD sÏ xuÊt hiÖn c¸c mÐo s ên tr íc vµ s ên sau. C¸c mÐo nµy
® îc bao gåm:
- MÐo do b¶n th©n xung thø n
xung thø n
127
- MÐo do xuyªn nhiÔu cña n-1 xung phÝa tr íc t¸c ®éng ®Õn
4.5.2. Đặc tính động của APD
Ảnh hưởng của đặc tính động của APD đến chất lượng
truyền dẫn
TruyÒn dÉn digital
Méo do bản thân xung thứ n gồm có:
- Méo trong khoảng thời gian [nT t nT+Td]
- Méo trong khoảng thời gian [nT+Td < t < (n+1)T]
Méo tổng của xung thứ n:
128
Méo tổng = Méo do bản thân xung n + Méo do xuyên nhiễu
4.5.2. Đặc tính động của APD
Ảnh hưởng của đặc tính động của APD đến chất lượng
truyền dẫn
TruyÒn dÉn digital
* Méo do bản thân xung thứ n:
Trong khoảng thời gian [nT t nT+Td]:
Trong khoảng thời gian [nT+Td < t < (n+1)T]:
(4-100)
129
(4-101)
4.5.2. Đặc tính động của APD
Ảnh hưởng của đặc tính động của APD đến chất lượng
truyền dẫn
TruyÒn dÉn digital
* Méo do xuyên nhiễu của các xung phía trước đến xung thứ n
130
(4-102)
4.5.2. Đặc tính động của APD
Ảnh hưởng của đặc tính động của APD
TruyÒn dÉn digital
* Méo tổng của xung thứ n:
- Trong khoảng thời gian [nT t nT+Td]:
- Trong khoảng thời gian [nT+Td < t < (n+1)T]:
(4-103)
131
(4-104)
