Luận án thạc sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu miền công tác của các photodiode trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao

ư ễ ệ

ệ

t nam T ng công ty b u chính vi n thôngvi ổ h c vi n công ngh b u chính vi n thông ễ ệ ư ọ ------------------

Nguy n Vĩnh Nam

ễ

ứ

ủ

Nghiên c u mi n công tác c a ề các photodiode trong h th ng thông tin ệ ố quang t c đ cao

ố ộ

Hà n i, 5-2005 ộ

ư ễ ệ

ệ

T ng công ty b u chính vi n thôngvi t nam ổ h c vi n công ngh b u chính vi n thông ễ ệ ư ọ ------------------

Nguy n Vĩnh Nam

ễ

ứ

ủ

Nghiên c u mi n công tác c a ề các photodiode trong h th ng thông tin ệ ố quang t c đ cao

ố ộ

lu n văn th c sĩ k thu t ậ ạ

ậ

ỹ

Ng

ng d n: TS. Hoàng Văn Võ

i h ườ ướ

ẫ

Hà n i, 5-2005 ộ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 1 -

M c l c ụ ụ

ữ ế ệ ắ Ch vi t t t và ký hi u 4 ............................

Danh sách các hình vẽ 8 ...............................

ả Ơ ờ L I C M N 9 .........................................

ầ ờ L i nói đ u 10 ........................................

ươ ử ế ệ ầ ổ Ch ng 1. Các ph n t bi n đ i quang - đi n trong h ệ

13 .................... ơ ả

ệ ủ ổ ộ

ố ấ ệ ủ ố th ng thông tin quang ề ấ 1.1. T ng quan v c u trúc c b n và nguyên lý ố ho t đ ng c a h th ng thông tin quang ơ ả

ố ộ ạ ệ

ạ 1.1.1. C u trúc c b n c a h th ng thông tin quang 1.1.2. Nguyên lý ho t đ ng c a h th ng thông tin quang ổ ệ ế ử 1.2. Các ph n t bi n đ i quang-đi n ớ ộ ầ ầ

ổ ố ệ

ủ ế ặ

ủ ọ ch ở ố ộ ộ đ ng t c đ cao

13 .......... 13 .......................................... ủ 14 ...................................... ầ 15 ............ ế ử ố 1.2.1. M t s yêu c u đ i v i các ph n t bi n đ i quang-đi n 15 ................................ 1.2.2. PIN-Photodiode 15 .......................... 1.2.3. Diode quang thác APD 17 .................... 1.2.4. Đ c tuy n tĩnh c a APD & PIN-Photodiode 19 ............................................... ạ ươ ng 2. mô hình toán h c c a các photodiode ho t 22 ........................ ặ ủ ế ậ ố ộ

ươ ủ ệ ng đ

ọ

ề ẫ

2.1. Các y u t xác l p đ c tính đ ng c a PIN– Photodiode và APD 22 ................................ ơ ồ ươ ng c a PIN – Photodiode 2.2. S đ đi n t 23 và APD .......................................... ủ 2.3. Mô hình toán h c c a PIN – Photodiode và APD 24 ................................................. ệ 24 ........... 25 ......................... 2.3.1. Mô hình truy n d n tín hi u 2.3.2. Mô hình nhi u ễ

NguyÔn vÜnh nam - Cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ươ ủ ch ề ng 3. Các tham s truy n d n c a các photodiode ộ ạ ộ ố ẫ ở ố 28 ................... ho t đ ng t c đ cao

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 2 -

ế ủ ệ ố

ề 3.1. H s khuy ch đ i c a APD 3.2. Hàm truy n d n c a PIN- Photodiode và APD

ủ ủ ạ ủ ẫ 3.2.1. Hàm truy n d n c a PIN- Photodiode ẫ 3.2.2. Hàm truy n d n c a APD ẫ ề ề ượ

ọ 3.3.1. Hàm tr ng l 3.3.2. Hàm tr ng l 3.3. Hàm tr ng l ọ ọ ộ ủ

ệ ủ ượ ượ 3.4. Hàm quá đ c a PIN- Photodiode và APD 3.5. Tín hi u ra c a PIN – Photodiode và APD

ẫ ẫ

ễ 28 ................. . 28 28 . . . . . 29 .................. ủ ng c a PIN- Photodiode và APD . 30 ủ ng c a PIN- Photodiode 30 . . . . ủ 30 ................. ng c a APD 30 ...... . . . 31 31 ....................... ố 34 ........................... 37 .......... 3.6. Nhi u c a PIN – Photodiode và APD ề 3.5.1. Truy n d n analog ề 3.5.2. Truy n d n s ủ ễ ễ ạ

ễ ấ

ệ

ề ề ố 3.6.1. Nhi u và phân lo i nhi u trong PIN- 37 Photodiode và APD .............................. 3.6.2. Công su t các nhi u trong PIN-Photodiode 39 ......................................... và APD ỷ ố ễ 47 .................. 3.7. T s tín hi u trên nhi u ố ộ ơ ả 47 ................ 3.7.1. M t s khái ni m c b n ẫ 3.7.2. Truy n d n analog 48 ...................... ẫ 51 .......................... 3.7.3. Truy n d n s

ươ ủ ề ch ng 4. mi n công tác c a các photodiode

ị ể ệ ề 58 .... ủ

ề 58 ...................................

ề

ủ

ố ẫ

ủ ụ ề

ề

ề ẫ ố 4.1 Các đi u ki n đ xác đ nh mi n công tác c a các Photodiode ủ ề 4.2. Mi n công tác c a các Photodiode trong ẫ truy n d n analog 61 ............................... ề ề 4.3. Mi n công tác c a các Photodiode trong truy n 63 .......................................... d n s 4.4. Ví d tính toán mi n công tác c a các Photodiode 66 ..................................... ủ ề 4.4.1. Mi n công tác c a các Photodiode trong ẫ truy n d n analog 66 ............................. ủ ề 4.4.2. Mi n công tác c a các Photodiode trong 70 ................................. truy n d n s

ế ế ậ ị 77 .............................. K t lu n và ki n ngh

ậ ế

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

77 ...................................... 1. K t lu n ị ế 2. Ki n ngh 79 ...................................... ệ ả 81 ................................. Tài li u tham kh o

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 3 -

ụ ụ ề Ph l c A: Ch ng trình tính toán mi n công tác c a

ươ photodiode ủ 82 ..............................

ọ ự ữ ậ

ớ ệ ươ ng trình tính toán ủ A.1. L a ch n ngôn ng l p trình A.2. Gi i thi u ch ề A.3. Tính toán mi n công tác c a Photodiode

ề

ủ ề A.3.1. Mi n công tác c a các Photodiode trong ẫ truy n d n analog ủ ề A.3.2. Mi n công tác c a các Photodiode trong ẫ truy n d n Digital ố ả ế ề ộ ả ả 82 ................ 83 .......... 88 ..... 88 ............................. 89 ............................. 91 .....

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

A.4 M t s hình nh mô t k t qu tính toán ụ ụ ứ ứ Ph l c B. Ch ng minh công th c (4-24) 94 ............

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 4 -

Ch vi

t t

t và ký hi u

ữ ế ắ

ệ

Hi u su t l

ng t

hoá c a PIN– Photodiode/APD.

ấ ượ

ệ

ử

ủ

B c sóng c a ánh sáng. ủ

ướ

ố ờ

ệ ủ

ổ

t APD

ố ờ

ặ ổ

ủ

ế

ằ

ổ

ấ H ng s th i gian đ c tr ng cho quá trình bi n đ i quang-đi n c a APD khi công su t ằ ế lu ng quang bi n đ i nhanh thì h ng s th i gian c a APD trong quá trình bi n đ i quang- ồ đi nệ

T n s góc gi

i h n c a AP

ầ ố

ớ ạ ủ

T n s góc gi

i h n c a PIN – Photodiode

ầ ố

ớ ạ ủ

H ng s th i gian đ c tr ng cho quá trình bi n đ i quang-đi n c a APD

ệ ủ

ố ờ

ế

ằ

ặ

ổ

ằ

ệ ủ

ự ế

ấ

w g-APD w g-PIN t LA t RC

H ng s th i gian đ c tr ng cho s bi n đ i quang-đi n c a APD khi công su t lu ng ồ ố ờ ổ ặ quang bi n đ i nhanh ế

ổ

H s ion h

oá đi n t

trong vùng quang thác

ệ ố

ệ ử

H s ion hoá l

tr ng trong vùng quang thác

ệ ố

ỗ ố

a n a p

BERcp

ị

ẫ ố ể ả

ố ớ

ề

ả

ấ ượ

ề ng truy n

Giá tr xác su t sai l m bit cho phép (đ i v i truy n d n s ) đ b o đ m ch t l ấ d n cho phép c a h th ng. ẫ

ầ ủ ệ ố

Băng t n t p âm c a photodiode

ầ ạ

ủ

V n t c ánh sáng (c = 3.10

8 m/s).

ậ ố

Đi n dung c a l p ti p giáp PN,

ủ ớ

ệ

ế

Đi n tr t

i c a Photodiode,

ở ả ủ

ệ

Đ ên tích c a đi n t

(e = 1,602.10

-19 As).

ệ ử

ủ

ị

H s nhi u do quá trình quang thác (trong APD).

ệ ố

ễ

F(M)

H s t p âm ph thêm c a APD ụ

ệ ố ạ

ủ

Đi n d n c a l p ti p giáp PN,

ệ ẫ ủ ớ

ế

Đi n d n t

i c a Photodiode,

ệ ẫ ả ủ

Hàm tr ng l

ng c a Photodiode

ọ

ượ

ủ

Hàm tr ng l

ng c a APD- Photodiode

gT-APD

ọ

ượ

ủ

Hàm tr ng l

ng c a PIN- Photodiode

gT-PIN

ọ

ượ

ủ

H ng s Plank (h = 6,62.10

-34 Ws2).

ằ

ố

Hàm quá đ c a Photodiode

ộ ủ

Hàm truy n d n c a Photodiode (APD/PIN- Photodiode),

ẫ ủ

ề

h(t) HP(jw )

Hàm truy n d n c a Photodiode ẫ ủ

ề

Hàm truy n d n c a APD Photodiode ho t đ ng

t c đ cao

HT-APD

ạ ộ ở ố ộ

ẫ ủ

ề

Hàm truy n d n c a PIN Photodiode ho t đ ng

t c đ cao

HT-PIN

ẫ ủ

ạ ộ

ề

ở ố ộ

Hàm quá đ c a APD- Photodiode

hT-APD

ộ ủ

Hàm quá đ c a PIN- Photodiode

hT-PIN

ộ ủ

iN(t)

Dòng nhi u ễ

Dòng đi n nhi

t trên đi n tr l p ti p giáp PN,

inC

ệ

ở ớ

ệ

ế

Dòng nhi u l

ng t

tín hi u

INL

ễ ượ

ử

ệ

Dòng đi n nhi

inT

ệ

t trên đi n tr t ệ

ở ả

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 5 -

Dòng photo

Ph tín hi u ra

ệ

ổ

Dòng đi n rò,

ệ

Dòng đi n t

ệ ố

iT(t)

Dòng tín hi u ra c a photodiode,

ủ

ệ

Ph tín hi u ra

IT0

ệ

ổ

t c đ th p ở ố ộ ấ

IT0-APD

Ph tín hi u ra c a APD-Photodiode ủ

ệ

ổ

t c đ th p ở ố ộ ấ

IT0-PIN

Ph tín hi u ra c a PIN-Photodiode ủ

ệ

ổ

t c đ th p ở ố ộ ấ

Dòng ra c a photodiode APD

iT-APD

ủ

Dòng ra c a photodiode PIN

iT-PIN

ủ

Tín hi u vào (tín hi u di n)

IV (t)

ệ

Giá tr trung bình c a dòng đi n t

i ệ ố

ủ

ị

Giá tr trung bình c a dòng đi n t

i ệ ố

ủ

ị

H ng s Bolzomal,

ằ

ố

Hàm truy n d n c a b ti n khu ch đ i và m t ho c nhi u b khu ch đ i đi n áp,

ẫ ủ ộ ề

ề

ế

ề

ế

ệ

ạ

ặ

ạ

ộ

Hàm truy n d n c a b l c thông th p. ẫ ủ ộ ọ

ề

ấ

rI k K(jw ) L(jw )

H s khu ch đ i c a APD.

ạ ủ

ệ ố

ế

Đ sâu đi u ch

ề

ộ

ế

Tham s ph thu c vào v t li u và c u trúc c a APD. ậ ệ

ố ụ

ủ

ấ

ộ

Công su t m t ngu n nhi u ộ

ễ

ấ

ồ

Công su t nhi u t ng

ễ ổ

ấ

PNS

ng t

tín hi u

PNL

Công su t nhấ

i u l ễ ượ

ử

ệ

Công su t nhi u nhi

PNN

ễ

ấ

ệ

PNr

Công su t nhi u dòng đi n rò ễ

ệ

ấ

pNT

Công su t nhi u dòng đi n t ễ

ệ ố

ấ

PP (t)

Công su t ánh sáng b c x c a b phát quang

ứ ạ ủ ộ

ấ

PT (t)

Công su t án sáng truy n đ n đ u vào b thu quang ho c biên đ chu i xung s

ề

ế

ầ

ấ

ặ

ộ

ỗ

ộ

ố

PT-cpmax

Giá tr công su t ánh sáng đ u vào b thu quang cho phép c c đ i ự ạ

ầ

ấ

ộ

ị

Pth

Công su t c a tín hi u ra photodiode

ấ ủ

ệ

Giá tr trung bình c a công su t ánh sáng đ n photodiode

ủ

ế

ấ

ị

TP RD

Đi n tr dây n i c a Photodiode, ố ủ

ệ

ở

Đi n tr t

ở ả c a Photodiode,

ủ

ệ

S/N

T s tín hi u trên nhi u ệ

ỷ ố

ễ

(S/N)APD

T s tín hi u trên nhi u c a Photodiode APD

ễ ủ

ỷ ố

ệ

ố ớ

ể ả

ệ

ề

ễ

ả

ẫ

ng truy n d n cho phép c a h th ng,

Giá tr t l ượ

s tín hi u trên nhi u cho phép (đ i v i truy n d n analog) đ b o đ m ch t ấ ị ỷ ố ề

ủ ệ ố

ẫ

S cpN

M t đ công su t ph c a dòng nhi u

ậ ộ

ổ ủ

ễ

ấ

M t đ công su t ph c a nhi u nhi

ậ ộ

ổ ủ

ễ

ấ

ệ

SN(jw ) SNN(jw )

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) ł Ł

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 6 -

M t đ công su t ph c a nhi u dòng rò

ậ ộ

ổ ủ

ễ

ấ

M t đ công su t ph c a nhi u dòng t

ậ ộ

ổ ủ

ễ

ấ

ố

SNr(jw ) SNT(jw )

Chu kỳ chu i xung

ỗ

Nhi

t đ tuy t đ i.

ệ ộ

ệ ố

Đ r ng xung

ộ ộ

Đ ên áp đ t vào APD. ặ

ị

Đi n áp đánh th ng c a APD

ủ

ệ

ur (t)

Tín hi u ra b thu quang (tín hi u đi n).

ệ

ộ

ur(t)

Đi n áp tín hi u ra sau b l c. ệ

ộ ọ

ệ

uT(t)

Đi n áp tín hi u ra c a b khu ch đ i,

ủ ộ

ệ

ế

ạ

(

)

m ,

w w

b 1 am

2 g

w w 2

(

)

m ,

2 1

w w

c am

2 g

2 MH T

1=e m 1 2 2maA =

ø Ø œ Œ œ Œ (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł (cid:246) (cid:230) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ß º (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł

(

)

]

[ exp

a 1

t Qg

a1 = M HP b

..2

+ x BHMe

(cid:252) (cid:236) - - - (cid:253) (cid:237) (cid:254) (cid:238)

b 1

w w

S N

2 g

w w 2

[

(

ø Ø œ Œ œ Œ (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ł Ł (cid:246) (cid:230) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ß º

) 1

tD (

* b 1

b 1

[

(

- -

) 1

tL (

]) ])

* b 2

b 1

(

b 1

) THMMFe

1= 2

[

]

2 eM

(

+ 4)

(

)

GGkT T C

B R

- -

w w

S cpN

2 g

w 2

(

)

]

[ -= 1)

tD (

tL (

)

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

(cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł ł Ł - - - - - - -

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 7 -

w 2

(

)

T dg

(

)

tL (

)(cid:229)

eb i

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

- - - - - - -

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 8 -

Danh sách các hình vẽ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 9 -

L I C M N ờ ả Ơ

ỹ ậ ủ

ờ

ạ ứ ố ộ ệ ọ

t Nam. Đ có đ ư c k t qu này, tr ư ệ

ế ề ả ệ

ứ ạ ễ ả ơ ả ư ng d n, gi ợ ạ ọ ọ ẫ ữ ế ề ấ

Lu n án th c sĩ k thu t “ ậ Nghiên c u mi n công tác c a các photodiode ạ ề trong h th ng thông tin quang t c đ cao ” đư c hoàn thành trong th i gian ệ ố ợ đào t o, nghiên c u t i H c vi n công ngh B u chính Vi n thông - T ng ổ ệ ư ễ ư cớ Công ty B u chính Vi n thông Vi ể h t tôi xin trân tr ng c m n TS. Hoàng Văn Võ đã t o đi u ki n, giúp đ , ỡ ế ự i quy t nh ng v n đ khoa h c trong quá trình th c t n tình h ớ ậ hi n lu n án. ậ ệ

Tôi xin trân tr ng c m n T ng Công ty B ả ơ u chính Vi n thông Vi ễ ư ổ

ư ệ

ệ u đi n (RIPT) đã t o đi u ki n, cho phép tôi đ ề ư ệ t u chính Vi n thông (PTIT), Vi n ệ ư cợ ễ ệ ệ ạ ọ ỹ

ọ Nam (VNPT), H c vi n công ngh B ọ Khoa h c k thu t B ậ tham gia khóa đào t o nghiên c u. ứ ạ

ữ ề

ứ ổ ả ơ ọ ố

ế Tôi xin chân thành c m n các th y cô giáo đã truy n th nh ng ki n ầ và đào tao ầ t nh t đ chúng tôi hoàn thành khoá ấ ể ạ ọ ệ ố ề ọ

ụ th c b ích trong su t khoá h c, các th y cô giáo Khoa Qu c t ố ế sau đ i h c đã t o m i đi u ki n t ạ h cọ

ệ ệ ạ ọ

ệ ư ả ơ ậ ể ả

ạ ọ ể ệ ạ ậ

ư ệ ệ

Tôi xin chân thành c m n lãnh đ o H c vi n, lãnh đ o Vi n KHKT ạ B u đi n, lãnh đ o và t p th các CBCNV trong phòng Qu n lý NCKH&TTTL – H c vi n CNBCVT, lãnh đ o và t p th các CBCNV trong phòng NCKT Thông tin quang - Vi n KHKT B u đi n đã dành cho tôi s ng h quý giá. ộ ự ủ

Tôi xin chân thành c m n t ồ t c các nhà chuyên gia, khoa h c, đ ng ọ

nghi p đã dành th i gian đ c và góp ý hoàn thi n cho lu n án. ệ ệ ậ ờ ả ơ ấ ả ọ

Cu i cùng, tôi xin c m n m , v và con tôi, cùng t ố ấ ả

ả ơ ạ ệ ồ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ẹ ợ thân trong gia đình và b n bè, đ ng nghi p đã luôn dành cho tôi s ng h nhi ư iờ ộ t tình, c vũ, đ ng viên đ tôi có đi u ki n hoàn thành b n lu n án này. ề t c nh ng ng ữ ự ủ ậ ể ệ ệ ả ổ ộ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 10 -

Hà N i, ngày 18 tháng 05 năm 2005 ộ

Nguy n Vĩnh Nam ễ

L i nói đ u

ờ

ầ

i đang b Ngày nay, th gi c sang k nguyên c a n n kinh t ế ớ ế

ứ ướ ự ủ ể ộ ộ

ề ủ ụ ớ

ề ệ ờ ố ế ố

tri ỷ th c, trong đó thông tin là đ ng l c thúc đ y s phát tri n c a xã h i. Do ẩ ự ộ đó, nhu c u truy n thông ngày càng l n v i nhi u d ch v m i băng r ng ề ầ ị ớ ớ và đa ph – xã h i c a t ng qu c gia cũng ng ti n trong đ i s ng kinh t ươ ộ ủ ừ nh k t n i toàn c u. ư ế ố ầ

Đ đáp ng đ c vai trò đ ng l c thúc đ y s phát tri n c a k ộ ẩ ể ứ ự ượ ự

ạ ề ể ề ả

ầ ớ ượ ả ộ

ể ạ ộ ề ả ộ

ả ng l n. M t trong gi ộ ẫ ố ệ ượ ụ ề ẫ ớ ị

ỷ ủ ẫ ố nguyên thông tin, m ng truy n thông c n ph i có kh năng truy n d n t c i pháp đ t o ra đ cao, băng thông r ng, dung l ộ ớ m ng truy n thông có kh năng truy n d n t c đ cao hay băng r ng v i ề ạ dung l ng l n và đa d ch v , đó là công ngh truy n d n thông tin quang t c đ cao. ố ộ

ề ệ

ệ

ế ế ổ ổ

ố

ủ ủ ế ổ ộ ế

ữ ầ ử ề ớ

ẫ ủ ệ ố ầ ử ủ

Khi truy n d n tín hi u có t c đ cao hay băng t n r ng, thì quá trình ẫ ầ ộ ố ộ bi n đ i đi n – quang c a các ph n t phát quang (LED, LD) và quá trình ầ ử bi n đ i quang-đi n c a các ph n t thu quang (PIN-Photodiode, APD) ầ ử ệ không tuân theo đ c tuy n tĩnh c a nó n a, mà là hàm s c a t n s (đó ủ ố ủ ầ ặ ố phát và thu quang). Khi t c chính là quá trình bi n đ i đ ng c a các ph n t ủ đ truy n d n càng l n và do đó t n s truy n d n c a h th ng càng cao, ẫ ầ ố ề ộ thì nh h phát và thu ng c a quá trình bi n đ i đ ng c a các ph n t ưở ả quang đ n ch t l ế ổ ộ ế ng truy n d n càng l n. ớ ẫ ủ ấ ượ ề

Cũng nh t ư ấ ả

ệ ố ế ị ệ ố ố ữ ẫ

ộ ng c a h th ng, đó là t ệ ố ủ ề

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

t c các h th ng vi n thông khác, trong h th ng thông tin quang m t trong nh ng tham s truy n d n có tính ch t quy t đ nh ch t ấ ấ s tín hi u trên nhi u (đ i v i truy n d n l ẫ ỷ ố ố ớ ễ ượ ề ng truy n analog) ho c BER (đ i v i truy n d n s ). Đ b o đ m ch t l ề ễ ề ệ ẫ ố ấ ượ ố ớ ể ả ặ ả

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 11 -

ệ ệ ố

ố ớ ỷ ố ề

s tín hi u trên nhi u c a h th ng h th ng thông tin ễ ủ ệ ố ướ c ướ c, ơ ỏ ơ ẫ ề ộ ộ ị ị ặ

d n cho phép thì t ẫ quang (đ i v i truy n d n analog) c n ph i l n h n m t giá tr cho tr ho c BER (đ i v i truy n d n s ) c n ph i nh h n m t giá tr cho tr ố ớ các giá tr này đã đ ị ả ớ ầ ả ẫ ố ầ c ITU-T khuy n ngh . ị ượ ế

Tham s t ẫ ề ễ ệ ố ỷ ố

ề ố ớ ệ ố ẫ ố ủ ệ ố

phát quang, thu quang và s i quang trong h ị

ố ợ ố ớ ả

ể ệ ố ơ ớ ề ẫ

c, tr ầ ử ộ ị ướ

ệ ố ả

s tín hi u trên nhi u (đ i v i truy n d n analog) ho c ặ ố ớ ượ c ệ ẫ s tín hi u trên nhi u (đ i v i truy n d n ễ ố c ho c BER (đ i v i truy n d n s ) ề ố ớ phát quang, thu quang ễ s tín hi u trên nhi u ố c ho c BER (đ i ế ả ả ộ ệ ặ ướ ơ

ị c. BER (đ i v i truy n d n s ) c a h th ng h th ng thông tin quang đ xác đ nh thông qua các ph n t ầ ử th ng. Đ h th ng b o đ m t ệ ỷ ố ả analog) l n h n m t giá tr cho tr ướ ặ ị nh h n m t giá tr cho tr c h t các ph n t ướ ộ ỏ ơ và s i quang trong h th ng cũng ph i b o đ m t ỷ ố ợ (đ i v i truy n d n analog) l n h n m t giá tr cho tr ố ớ v i truy n d n s ) nh h n m t giá tr cho tr ớ ề ẫ ẫ ố ỏ ơ ớ ộ ướ ề ị

ề ệ ầ ộ

ẫ ố ớ ỷ ố ề ố ớ ề

ặ ố ủ ỉ

ề ạ ố

s tín Khi truy n d n tín hi u có t c đ cao hay băng t n r ng, thì t ố ộ ẫ hi u trên nhi u (đ i v i truy n d n analog) ho c BER (đ i v i truy n d n ẫ ệ s ) c a các b thu quang không ch là hàm s c a các tham s c u trúc mà ố ấ ố ủ còn là hàm s c a các tham s tín hi u truy n d n t i đ u vào các ầ i). Photodiode (biên đ và t n s /t c đ bit c a ánh sáng t ễ ộ ố ủ ộ ầ ố ố ộ ệ ủ ẫ ớ

ớ ả ầ ậ ủ ệ ề

ố ộ

ẫ

ố ớ

Vì v y, c n ph i xem xét v i đi u ki n nào c a tín hi u truy n d n ẫ ề ệ i đ u vào các Photodiode trong các h th ng thông tin quang t c đ cao ệ ố s tín hi u trên nhi u c a Photodiode (đ i v i truy n d n analog) l n ớ ố ớ ễ ủ ộ c ho c BER (đ i v i truy n d n s ) nh h n m t ề ặ ướ ề i quy t v n đ này, s d n ta đ n vi c xác đ nh mi n ế ấ ề ẫ ố ệ ỏ ơ ị ẽ ẫ ề ế ả

t ạ ầ đ t ệ ể ỷ ố h n m t giá tr cho tr ị ộ ơ giá tr cho tr c. Gi ướ ị công tác c a các Photodiode. ủ

ủ ậ ợ ị

ệ ố

ệ

ễ ủ ướ ộ ặ ị

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Mi n công tác c a Photodiode là t p h p các giá tr (các tham s ) ố ề ố c a tín hi u đ u vào Photodiode trong các h th ng thông tin quang t c ệ ầ ủ s tín hi u trên nhi u c a Photodiode (đ i v i truy n d n ề ẫ đ cao đ t ố ớ ể ỷ ố ộ analog) l n h n m t giá tr cho tr ẫ c ho c BER (đ i v i truy n d n ề ố ớ ơ ớ s ) nh h n m t giá tr cho tr c. ộ ỏ ơ ố ướ ị

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 12 -

Do đó, vi c nghiên c u xác đ nh đ ệ ứ ề ị

ượ ố ộ ấ ệ ố ộ

c mi n công tác c a các ủ ề ấ Photodiode trong h th ng thông tin quang t c đ cao là m t v n đ c p thi t. ế

ệ ề ề ể ự

ứ ộ ụ ệ ố ượ ặ

ng trình máy tính xác đ nh đ ươ ố ề ị

ứ ộ

ụ

ệ ố ọ ấ t k các h th ng thông tin quang l a ch n t ế ế ỗ ợ ọ ố ư ơ ở ệ ố

i u các ph n t ự thông tin quang hi n có. Đ th c hi n m c tiêu đó, đ tài “Nghiên c u mi n công tác c a các ủ c đ t ra và photodiode trong h th ng thông tin quang t c đ cao” đã đ c mi n công tác c a các photodiode m t ch ủ ượ ộ trong các h th ng thông tin quang t c đ cao. Trên c s nghiên c u đó, ơ ở ố đ tài cung c p các c s khoa h c, công c tính toán h tr cho các nhà ề tính toán thi ầ ử c a h th ng hay s d ng hi u qu các ph n t ủ ệ ố ầ ử ử ụ ệ ệ ả

Đ đ t đ ể ạ ượ c m c tiêu đó, đ tài đã th c hi n các n i dung chính sau đây: ệ ự ụ ề ộ

- Các ph n t bi n đ i quang đi n trong h th ng thông tin quang ầ ử ế ệ ố ệ ố

- Mô hình toán h c c a các photodiode ho t đ ng t c đ cao ọ ủ ạ ộ ở ố ộ

- Các tham s truy n d n c a các photodiode ho t đ ng t c đ cao ẫ ủ ạ ộ ề ố ở ố ộ

- Mi n công tác c a các photodiode ho t đ ng t c đ cao ạ ộ ủ ề ở ố ộ

- Ch ng trình ph n m m xác đ nh mi n công tác c a các photodiode ề ủ ị

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ươ ho t đ ng ạ ộ ầ ề t c đ cao ở ố ộ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 13 -

Ch

ng 1. Các ph n t

ươ

ầ ử ế

ệ

ệ ố bi n đ i quang - đi n trong h th ng ổ thông tin quang

1.1. T ng quan v c u trúc c b n và nguyên lý ho t đ ng c a h ạ ộ ơ ả ủ ệ ề ấ

ổ th ng thông tin quang ố

1.1.1. C u trúc c b n c a h th ng thông tin quang ơ ả ủ ệ ố ấ

C u trúc c b n c a m t h th ng thông tin quang đ hình 1.1. ộ ệ ố ơ ả ủ ấ ượ c ch ra ỉ ở

ộ ặB l p ộ ặ B l p

B phát ộ B phát ộ quang quang

B thu ộ B thu ộ quang quang

i (t r (t V ) u )

S i quang

ợ

P P (t p ) (a) (t T )

B phát ộ B phát ộ

B thu ộ B thu ộ quang quang

quang quang

B khu ch đ i quang s i ợ ạ

ế

ộ

P P u i (t) r (t p ) (t T ) (t V )

(b)

ộ ặ Hình 1.1. C u trúc c b n c a h th ng thông tin quang s d ng b l p

ử ụ ng dây (a) và s d ng các b khu ch đ i quang (b) đ ơ ả ủ ệ ố ử ụ ấ ườ ế ạ ộ

Trong đó: IV (t): tín hi u vào (tín hi u di n) ệ ệ ệ

PP (t) : Công su t ánh sáng b c x c a b phát quang ứ ạ ủ ộ ấ

PT (t): Công su t án sáng truy n đ n đ u vào b thu quang ề ế ầ ấ ộ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ur (t): Tín hi u ra b thu quang (tín hi u đi n). ệ ệ ệ ộ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 14 -

ủ ệ ộ ồ ố

ấ ủ ế ế ộ ợ ộ

t b l p. ầ ử C u trúc c b n c a h m t th ng thông tin quang bao g m các ph n t ơ ả ạ ch y u sau: b phát quang, b thu quang, s i quang, các b khu ch đ i ộ quang và các thi ế ị ặ

ệ

ầ ụ ể ạ ế ộ ế ợ

ộ c sóng quang,... Ngoài ra, tuỳ theo các đi u ki n và các nhu c u c th trên các tuy n thông ề tin quang ng i ta còn s d ng các b khu ch đ i quang s i, các b bù tán ườ ử ụ s c ho c các b tách ghép b ộ ắ ướ ặ

1.1.2. Nguyên lý ho t đ ng c a h th ng thông tin quang ủ ệ ố ạ ộ

- B phát quang: bi n đ i tín hi u vào i ế ệ ộ ổ

V(t) thành tín hi u ánh sáng P ệ ế

p(t) ế

ề ề ợ ọ

để ghép vào s i quang. Quá trình này g i là đi u bi n/ hay đi u ch quang.

- S i quang: truy n d n ánh sáng t đ u phát đ n đ u thu ề ẫ ợ ừ ầ ế ầ

ị ợ ề

ị ắ ự

ế

ớ ả

ề ế ầ ể ộ ề ả ế ẫ ẫ

ề ẫ ề ẫ ắ ớ ầ ạ ườ ề ế ế

ề ộ i ta còn ph i m c các b l p đ ắ ộ ặ ẫ ặ ườ ườ

ng dây. ị Trong quá trình truy n ánh sáng trong s i quang, ánh sáng b suy hao và b ắ tán s c. C ly truy n d n càng dài thì ánh sáng càng b suy hao và tán s c. T (t) b suy V i các tuy n truy n d n dài, thì ánh sáng truy n đ n đ u thu P ớ ị i tín gi m l n và tán s c l n nên không đ m b o đ b thu khôi ph c l ả ụ ạ ườ hi u truy n d n ban đ u. Do đó, trên tuy n truy n d n ng ng i ta th ệ m c các b khu ch đ i quang (hình 1.1.a). Khi các tuy n truy n d n khá ắ dài, ng ế ng dây (hình 1.1.b) ho c k t ả h p c hai b khu ch đ i quang và b l p đ ợ ả ộ ặ ườ ế ạ ộ

ố ớ ệ ộ

- Các b l p (đ i v i truy n d n s ) hay các b tái sinh tín hi u (đ i v i ố ớ ẫ ố ủ i tín hi u do suy hao và các tác đ ng khác c a ệ ộ

ộ ặ ề ẫ ng truy n. ề truy n d n analog): tái t o l ạ ạ đ ườ ề

- B thu quang: bi n đ i ánh sáng t ộ ổ ế ệ ở

i P r(t) có d ng gi ng nh tín hi u truy n d n ban đ u i ớ T (t) tr thành tín hi u đi n u ẫ ư ệ ố

r(t). ệ ầ V(t). Tuy Tín hi u uệ nhiên, có th có t p âm và méo kèm theo (đ i v i truy n d n analog) ho c l

ề ố ớ ề ể ẫ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

i bít (đ i v i truy n d n s ). ạ ạ ố ớ ẫ ố ặ ỗ ề

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 15 -

1.2. Các ph n t bi n đ i quang-đi n ầ ử ế ổ ệ

1.2.1. M t s yêu c u đ i v i các ph n t bi n đ i quang-đi n ầ ố ớ ộ ố ầ ử ế ổ ệ

ử ụ bi n đ i đi n-quang s d ng ệ ầ ử ế

Trong k thu t thông tin quang, các ph n t ổ trong c n ph i tho mãn m t s yêu c u c b n sau: ậ ả ỹ ầ ầ ơ ả

ờ ứ

ệ ệ ạ ấ ộ ổ

ấ

ề ệ ệ ậ

c nh . ỏ ướ ộ ố ả - Th i gian đáp ng nhanh, - Đ nh y và hi u su t bi n đ i quang đi n cao, ế - Nhi u th p, ễ - Đi u ki n ghép v i s i quang thu n ti n, ớ ợ - Kích th

i ta ỹ ườ

Đ đáp ng các yêu c u trên, trong k thu t thông tin quang, ng th ng s d ng các ph n t bi n đ i quan-đi n: ầ ầ ử ế ứ ử ụ ể ườ ậ ệ ổ

- PIN-Photodiode và - Diode quang thác APD.

ướ ứ ệ ẽ ổ

D i đây chúng ta s nghiên c u nguyên lý bi n đ i quang-đi n, c u t o ấ ạ ế và tính ch t c a các ph n t này [1, 2, 4, 7, 8, 9]. ấ ủ ầ ử

1.2.2. PIN-Photodiode

 C u t o ấ ạ

ổ ắ ế ự

c phân c c ng ổ ượ ự

ượ hình 1.2 ệ ế ượ c ch ra ỉ ở

N+

P+

Nguyên t c bi n đ i quang-đi n c a PIN-Photodiode d a vào nguyên lý ủ bi n đ i quang-đi n c a l p ti p giáp p-n đ c. C u trúc ế ấ ệ ủ ớ c b n c a PIN-Photodiode đ ơ ả ủ ự ệ Đi n c c vòng Đi n ệ c cự

ánh sáng t iớ

ớ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ố ạ L p ch ng ph n xả

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 16 -

Hình 1.2. C u t o c a PIN-Photodiode ấ ạ ủ

C u t o c a PIN-Photodiode bao g m: ấ ạ ủ ồ

+ và N+ làm n n,

t là P ộ ế ẫ ố ồ ề ở ữ ộ gi a có m t - M t ti p giáp g m 2 bán d n t

+ là m t đi n c c vòng ( gi a đ cho

d n I (Intrisic). l p m ng bán d n y u lo i N hay m t l p t ế ớ ộ ớ ự ẫ ẫ ạ ỏ

ẫ ở ữ ể ệ ự ộ

- Trên b m t c a l p bán d n P ề ặ ủ ớ ánh sáng thâm nh p vào mi n I). ề ậ

+ có ph m t l p m ng ch t ch ng ph n ả ỏ

ồ ờ ẫ ớ ủ ộ ớ ấ ố

- Đ ng th i trên l p bán d n P ổ x đ tránh t n hao ánh sáng vào. ạ ể

c đ cho dio de không có dòng đi n (ch có ệ ự ượ ệ ể ỉ

c r t nh , g i là dòng đi n t i). - Đi n áp phân c c ng th có m t dòng ng ộ ể ượ ấ ỏ ọ ệ ố

 Nguyên lý ho t đ ng: ạ ộ

+ có m c năng l ứ +, I, N+ c a PIN-Photodiode các c p đi n t

ượ ớ ơ

ẽ ng l n h n đ r ng c a d i ủ ả ộ ộ ệ ử và ặ ủ

ề l p I). Khi các photon đi vào l p Pớ c m, s sinh ra trong mi n P ấ tr ng (ch y u l ỗ ố ủ ế ở ớ

và l c sinh ra b đi n tr ỗ ố ệ ử ị ệ ườ

tr ng trong mi n I v a đ ề v phía N ng, l ề ừ ượ + vì có đi n áp d ệ ệ ử ề ươ ạ ng m nh ề tr ng v mi n ề ỗ ố

Các đi n t hút v hai phía (đi n t P+ vì có đi n áp âm). ệ

+I, r i ch y v phía N

ề ế

ệ

m i sinh ra trong mi n P i ti p giáp P tr ng m i sinh ra trong mi n N ạ + khu ch tán sang mi n I nh

+I, r i ch y v phía v mi n P

+ khu ch tán sang mi n I ề + vì có đi n áp ề ờ ề ế + vì có đi n ápệ

i ti p giáp N ệ ử ớ ậ ộ ạ ế ớ ậ ộ ạ ế ồ ề ạ ề ề ề ồ

M t khác, các đi n t ặ nh gradien m t đ t ờ ng và l d ỗ ố ươ gradien m t đ t âm.

này sinh ra các ph n t ở ạ ộ m ch ngoài c a PIN-Photodiode m t ủ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

T t cấ ả dòng đi n và trên t ệ ầ ử i m t đi n áp. ộ ả ệ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 17 -

và l ỗ ố ộ ố ệ ử

+ và N+ ề

ệ ở mi n P ề ớ ở

c khu ch tán vào mi n I (do thi u s ), nên chíng l ộ tr ng không tham gia vào quá trình t o ra dòng ạ ế cách xa các l p ti p c sinh ra kho ng cách xa ở i tái h p v i nhau ạ ể ố ả ợ ớ

ượ ượ ủ ộ + và N+. Có m t s đi n t đi n ngoài, vì chúng đ giáp P+I và N+I không đ ế h n đ dài khu ch tán c a đ ng t ử ế ơ ngay trong các mi n Pề

ỗ ế

ưở và l ủ ệ

ỗ ố ư ả ộ

ng, m i photon chi u vào PIN-Photodiode s sinh Trong tr ẽ ườ l ỷ ệ tr ng và giá tr trung bình c a dòng đi n ra t ra m t c p đi n t ị ộ ặ ầ không ph i nh v y, vì m t ph n v i công su t chi u vào. Nh ng th c t ư ậ ự ế ớ ánh sáng b t n th t do ph n x b m t. ng h p lý t ợ ệ ử ế ấ ạ ề ặ ấ ị ổ ả

+ không đ

ớ ổ ả ậ ủ

ầ ề

ng t và l ử ớ ớ ượ càng l n, vì xác su t t o ra các c p đi n t ấ ạ ặ

ầ ỗ ố ả ế

ủ ề

t đ các ph n t ệ ử ề ẫ ố ộ d c n thi ầ ề ử ơ ả ủ ớ ế ể ư ơ ờ

ệ ề ạ

ủ c l n quá vì nh th t c đ bit s b gi m đi. ướ c Kh năng thâm nh p c a ánh sáng vào các l p bán d n thay đ i theo b ẫ ấ c quá d y. Mi n I càng d y thì hi u su t sóng. Vì v y, l p P ệ ậ l tr ng tăng lên ượ theo đ d y c a mi n này và do đó các photon có nhi u kh năng ti p xúc ộ ầ ủ h n. Tuy nhiên, trong truy n d n s đ dài c a xung ánh v i các nguyên t ớ ầ ử sáng đ a vào ph i đ l n h n th i gian trôi T mang đi n ch y qua vùng trôi có đ r ng d c a mi n I. Do đó, d không ộ ộ đ ẽ ị ả ư ế ố ộ ượ ớ

ướ ả

c sóng ánh sáng tăng thì kh năng đi qua bán d n cũng tăng lên, ánh Do tr ng. và l ẫ ệ ử ỗ ố ể ẫ ạ

Khi b sáng có th đi qua bán d n mà không t o ra các c p đi n t đó, v i các v t li u ph i có m t b c sóng t ặ i h n. ớ ạ ộ ướ ậ ệ ả ớ

1.2.3. Diode quang thác APD

 C u t o ấ ạ

hình 1.3. ượ c ch ra ỉ ở

C u trúc c b n c a APD đ ơ ả ủ ự

ấ ệ Đi n c c vòng Đi n ệ c cự

N+

P+

ánh sáng t iớ P P

ớ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ố ạ L p ch ng ph n xả

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 18 -

Hình 1.3. C u t o c a APD ấ ạ ủ

ấ ạ ố

ủ ộ ớ ế

ơ ả ẫ ượ +, còn bên ph i l p I b gi i h n b i ti p giáp PN i h n b i l p P C u t o c a APD c b n gi ng nh PIN-Photodiode. Ngoài ra trong APD ư +. Bên trái l p Iớ còn có m t l p bán d n y u P đ c xen gi a l p I và l p N b gi ị ớ ạ ữ ớ ị ớ ạ ớ ở ế ở ớ ả ớ

Đi n áp phân c c ng c đ t vào APD r t l n, t i hàng trăm vôn. ự ệ ượ ặ ấ ớ ớ

ượ ớ ở ỉ

ổ ậ ườ ư

Đi n tr ệ đi n tr ệ nhanh. L p ti p giáp PN ng thay đ i theo các l p đ ng tăng ch m, nh ng trong ti p giáp PN + là mi n thác, ề c ch ra b i hình (b). Trong vùng I, + đi n tr ng tăng r t ấ ế ệ . đây x y ra quá trình nhân đi n t ệ ử ườ ườ ớ ế ả ở

 Nguyên lý ho t đ ng: ạ ộ

c đ t m t đi n áp phân c c ng ượ ớ

ng i hàng trăm c r t l n, t mi n đi n tích không gian tăng lên ặ ườ ộ ệ ng đ đi n tr ộ ệ ườ ở ượ ấ ớ ệ ự ề

Do APD đ vôn, cho nên c r t cao. ấ

ế ề ề

+ chúng và ệ ử

trong mi n I di chuy n đ n mi n thác PN ể gi i phóng ra các c p đi n t ử ả ặ

Do đó, khi các đi n t ệ ử c tăng t c, va ch m vào các nguyên t đ ạ ượ tr ng m i, g i là s ion hoá do va ch m. l ự ỗ ố ố ớ ạ ọ

th c p này đ n l ế ượ ạ ạ ự ự

ầ ử ứ ấ ữ ệ ứ ệ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ạ Các ph n t i t o ra s s ion hoá do va ch m t mình l thêm n a, gây lên hi u ng quang thác và làm cho dòng đi n tăng lên đáng k .ể

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 19 -

ng photon t ệ ứ ớ

i phóng ra các đi n t ớ i, nhi u h n r t nhi u l n so v i PIN- ề ộ ố ượ ầ ử ề ệ ả ấ ơ ớ

Thông qua hi u ng quang thác này mà v i cùng m t s l APD gi Photodiode.

1.2.4. Đ c tuy n tĩnh c a APD & PIN-Photodiode ủ ế ặ

ế ủ ặ

ả ố ề ấ

Đ c tuy n tĩnh c a PIN – Photodiode & APD là đ c tuy n mô t m i quan ặ ế h gi a dòng ra c a photodiode và công su t quang m t chi u hay công ộ ệ ữ su t quang có t c đ bi n đ i ch m đ a vào photodiode. ổ ấ ủ ố ộ ế ư ậ

ố ể

ị ộ ủ ộ ế ệ ữ ấ ư ậ ố

ượ ề ướ ế ầ ượ ị

ấ c m i quan h gi a dòng ra c a photodiode và công su t Đ xác đ nh đ quang m t chi u hay công su t quang có t c đ bi n đ i ch m đ a vào ổ c dòng pho to c a các photodiode c h t c n xác đ nh đ Photodiode, tr ủ (dòng photo chính là dòng do các photon tr c ti p t o ra). ự ế ạ

 Dòng photo c a PIN – Photodiode & APD ủ

ạ ng ngoài, các ph n t ặ này sinh ra i tác d ng c a đi n tr ầ ừ ướ ủ ụ ệ

ỗ ố ạ ủ ệ

Khi các photon đi vào PIN – Photodiode và APD t o ra các c p Đi n t & ệ ử ở L tr ng, d ườ m ch ngoài m t dòng đi n. Đó chính là dòng photo c a PIN – ộ Photodiode/APD.

Dòng photo IP c a PIN – Photodiode/APD đ c xác theo công th c: ủ ượ ứ

IP = HTPT (1-1)

HT Trong đó:

e hc

(1-2)

g i là h s bi n đ i quang - đi n c a photodiode. ệ ố ế ệ ủ ọ ổ

PT: là công su t ánh sáng chi u vào photodiode ế ấ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

& L tr ng sinh ra S c p Đ ên t ố ặ ị ử ỗ ố h = (1-3) S photon h p th ố ấ ụ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 20 -

ng t ệ ấ ượ ử hoá c a PIN– ủ

là hi u su t l Photodiode/APD. l : b c sóng c a ánh sáng. ướ ủ

-19 As).

e: đ ên tích c a đi n t (e = 1,602.10 ệ ử ủ ị

-34 Ws2).

h: h ng s Plank (h = 6,62.10 ằ ố

8 m/s).

c: v n t c ánh sáng (c = 3.10 ậ ố

 Dòng ra c a PIN – Photodiode & APD ủ

• Đ i v i PIN- Photodiode ố ớ

ệ ứ

PIN- Photodiode là photodiode không có hi u ng quang thác, do đó dòng ra c a nó chính là dòng photo, t c là: ủ ứ

iT-PIN = iP = HT PT (1-5)

• Đ i v i APD ố ớ

c tăng ệ ứ ủ ượ

Đ i v i APD, do có hi u ng quang khác mà dòng ra c a APD đ ố ớ lên M l n, t c là: ầ ứ

iT-APD = MiP = MHTPT , (1-6)

i == T i

Trong đó:

U U

(cid:246) (cid:230) (1-7) (cid:247) (cid:231) - (cid:247) (cid:231) ł Ł

là h s khuy ch đ i c a APD, ệ ố ạ ủ ế

U : đ ên áp đ t vào APD. ặ ị

UD: đi n áp đánh th ng c a APD ủ ủ ệ

‚ 1,5 6, tuỳ thu c vào v t li u và ị ừ ậ ệ ộ

n: nh n các giá tr t ậ c u trúc c a APD. ấ ủ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

 Đ c tuy n tĩn ế ặ h c a PIN – Photodiode & APD ủ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 21 -

i ta xác đ nh đ ừ ứ ị ượ ủ c đ c tuy n tĩnh c a ế ặ

i T

T các công th c (1-5) và (1-6), ng ườ PIN- Photodiode & APD theo hình 1.4.

PIN- Photodiode

P T

APD

Hình 1.4. Đ c tuy n tĩnh c a PIN – Photodiode & APD ủ ế ặ

ề ị

ấ ế ng đ ánh sáng t ẫ ng truy n, nên c ề ộ i đ u b thu quang th ạ ầ

ườ ế ộ ủ ậ ộ ỏ

ườ ữ ủ ế ẳ

ủ ế ớ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Vì tín hi u truy n d n (công su t ánh sáng) đ n b thu quang b suy hao r t ấ ệ ườ l n b i đ ng ộ ở ườ ớ ặ ng b qua và đ c r t nh . Vì v y, tính phi tuy n c a b thu quang th ườ ỏ ấ ng th ng. Tuy nhiên, tuy n tĩnh c a PIN- Photodiode và APD là nh ng đ vì có hi u ng quang thác nên đ d c c a đ c tuy n tĩnh c a APD l n h n ơ ộ ố ủ ặ ệ ứ c a PIN- Photodiode. ủ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 22 -

ch

ươ

ọ ủ

ạ ộ ở

ng 2. mô hình toán h c c a các photodiode ho t đ ng t c đ cao ố ộ

ố ẫ ệ ề ế ộ ổ

ặ

ố ủ ầ ữ ế ố

thu quang. ệ ủ Khi truy n d n tín hi u có t c đ cao, quá trình bi n đ i quang-đi n c a các ph n tầ ử thu quang (PIN-Photodiode, APD) không tuân theo đ c tuy n ế ổ tĩnh c a nó n a, mà là hàm s c a t n s . Đó chính là quá trình bi n đ i đ ng c a các ph n t ộ ủ ủ ầ ử

2.1. Các y u t ế ố xác l p đ c tính đ ng c a PIN–Photodiode và APD ủ ộ ậ ặ

Trong c u t o c a PIN - Photodiode và APD luôn t n t i các thành ph n: ấ ạ ủ ồ ạ ầ

- Đi n dung l p đi n tích không gian (l p ti p giáp c a các l p P và N) ủ ế ệ ệ ớ ớ ớ

trong PIN - Photodiode & APD

- Các hi u ng ký sinh c a PIN – Photodiode & APD, ... ệ ứ ủ

khu v c t n s th p (th ở

ề ỏ ơ

ề

ả ề ủ ứ ố ớ ưở ố ấ ỗ ố ớ ớ ế

ể ỏ

ệ ủ ế ổ

ố ủ ườ ủ ộ ỉ

ượ ế ế ị

ng Khi PIN - Photodiode và APD ho t đ ng ườ ự ầ ạ ộ ố nh h n 1 GHz), t c là khi tín hi u truy n d n là nh ng chu i xung có t c ữ ẫ ệ ẫ đ bít th p (đ i v i truy n d n s ) hay có t n s th p (đ i v i truy n d n ầ ố ấ ẫ ố ấ ộ analog), thì nh h ng c a đi n dung ti p giáp c a các l p P – N trong PIN ủ ệ - Photodiode & APD và các hi u ng ký sinh có th b qua trong quá trình ệ ứ bi n đ i quang-đi n c a PIN-Photodiode và APD. Khi đó, dòng photo t o ạ ế ng đ ánh sáng chi u ra c a PIN- Photodiode và APD ch là hàm s c a c vào APD & PIN- Photodiode và nó đ ổ c xác đ nh theo đ c tuy n bi n đ i ặ quang-đi n tĩnh c a PIN- Photodiode và APD (hình 1.4). ủ ệ

ườ

ệ ở ẫ ố

ề

ứ ố ớ ả ầ ế ẫ ủ ố ệ ưở ủ

ng đáng k ẽ ả ưở

ệ ủ ổ

ế ạ ủ ị

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

khu v c t n s cao (th ng l n ớ Khi PIN-Photodiode và APD ho t đ ng ự ầ ố ạ ộ ộ h n 1 GHz), t c là khi tín hi u truy n d n là nh ng chu i xung có t c đ ỗ ữ ề ơ ẫ bít cao (đ i v i truy n d n s ) hay có t n s cao (đ i v i truy n d n ố ớ ố ề analog), thì nh h ng c a đi n dung ti p giáp c a các l p P – N trong ớ ể APD & PIN - Photodiode và các hi u ng ký sinh s nh h ệ ứ đ n quá trình bi n đ i quang-đi n c a APD & PIN– Photodiode [2, 4]. Khi ế ặ đó, dòng photo t o ra c a APD & PIN- Photodiode không xác đ nh theo đ c tuy n bi n đ i quang-đi n tĩnh c a APD & PIN–Photodiode n a và nó ữ ủ ệ ế ế ổ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 23 -

c xác đ nh theo m t hàm s không ch c a c ị ộ ố ộ ỉ ủ ườ ế

ố ủ ầ

ố ỉ ụ ộ

ng đ l n c a công su t ánh sáng chi u vào photodiode, mà còn ph ệ ộ ớ ủ ủ ế ấ

ủ ộ

ế ệ ổ

đ ng đ ánh sáng chi u vào ượ ế APD & PIN–Photodiode, mà nó còn là hàm s c a t n s . Quá trình bi n đ i quang-đi n c a APD & PIN- Photodiode không ch ph thu c vào ổ ụ c ườ thu c vào t n s g i là quá trình bi n đ ng c a PIN- Photodiode và APD. ộ ế Nh v y, đ c tính bi n đ i quang-đi n c a PIN-Photodiode & APDph ụ ư ậ thu c r t nhi u vào các tham s c a công su t ánh sáng chi u vào. ố ủ ộ ấ ầ ố ọ ặ ề ủ ấ ế

i ta th ỹ ề ườ

ườ ể

ậ ố

ườ ặ

d ng các ph n t ng s ể ớ ố ầ ử ụ ử

ế ỏ ơ ổ ổ ế ế

ng s d ng k thu t truy n d n thông tin quang Ngày nay, ng ậ ẫ ử ụ thông tin ph c v cho nhu c u ầ t c đ cao đ xây d ng các tuy n siêu xa l ụ ụ ộ ố ộ ự ế ề qu c dân. Trong k thu t truy n trao đ i thông tin và phát tri n n n kinh t ỹ ề ổ i ta d n thông tin quang, v i t c đ nh h n ho c b ng 5 Gbit/s ng ằ ộ ẫ th bi n đ i quang-đi n là APD & PIN - ệ ườ Photodiode. Khi đó, quá trình bi n đ i quang-đi n c a APD & PIN- ệ Photodiode trong tr ng h p này là nh ng quá trình bi n đ i đ ng. ủ ổ ộ ườ ữ ế ợ

2.2. S đ đi n t ng đ ng c a PIN – Photodiode và APD ơ ồ ệ ươ ươ ủ

i i

C G C R

(a )

R M

i i

C G C R

(b )

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Hình 2.1. S đ đi n t ng đ ng c a PIN-Photodiode (a) và APD (b) ơ ồ ệ ươ ươ ủ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 24 -

ố ủ ồ

ổ ộ ồ ẫ ề

ẫ ố ẽ ả ắ

ấ ế ủ ớ ể ế ầ ố ớ ủ ủ ế ố ệ ứ ổ

ế ườ ị ủ ệ ọ ợ

Khi công su t lu ng quang bi n đ i nhanh (t n s c a lu ng quang cao - đ i v i tuy n d n analog hay t c đ bit/s - đ i v i truy n d n s ) thì đ ên ị ố ớ ng dung c a l p ch n, các hi u ng ký sinh c a photodiode s nh h ưở ế đáng k đ n quá trình bi n đ i quang-đ ên c a photodiode. Quá trình bi n đ i quang-đi n trong tr ế ng h p này c a photodiode g i là quá trình bi n ổ đ i đ ng c a nó. ổ ộ ủ

ủ ế ượ c

Quá trình bi n đ i quang-đ ên đ ng c a PIN - Photodiode & APD đ di n t ng hình 2.1 ổ b i các s đ đ ên t ơ ồ ị ộ ng đ ươ ễ ả ở ị ươ

Trong đó :

ố ủ ở

ip- Dòng photo, Gc - Đi n d n c a l p ti p giáp PN, ế ệ ẫ ủ ớ Cc - Đi n dung c a l p ti p giáp PN, ủ ớ ệ ế i c a Photodiode, GT - Đi n d n t ẫ ả ủ ệ CT - Đi n dung t i c a Photodiode, ệ ả ủ RD - Đi n tr dây n i c a Photodiode, ệ M – H s khu ch đ i c a APD. ế ệ ố ạ ủ

2.3. Mô hình toán h c c a PIN – Photodiode và APD ọ ủ

2.3.1. Mô hình truy n dề ẫn tín hi u ệ

i C G G C

)

M

i C G C G

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

)

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 25 -

Hình 2.2. Mô hình toán h c truy n d n tín hi u c a PIN (a), APD (b) ệ ủ ề ẫ ọ

D r t nh , có th b qua (R

Trong k thu t thông tin quang, ng i ta th ỹ ậ ử ụ

ng cao, R ườ ể ỏ ườ ỏ

ấ ng ta xác đ nh đ ấ ượ ng đ các s đ đi n t ơ ồ ệ ươ ượ ươ ừ ọ ị

ng s d ng PIN- D = 0). Do c mô hình toán h c mô quá trình đ ng truy n d n tín hi u c a PIN- Photodiode và APD (hình ủ ệ ề ẫ ộ

Photodiode và APD ch t l đó, t t ả 2.2).

2.3.2. Mô hình nhi u ễ

ế ổ

Trong quá trình bi n đ i quang-đi n c a PIN- Photodiode và APD còn xu t ấ ệ ủ hi n các nhi u. ễ ệ

bi n đ i quang-đi n bao g m các nhi u c c a m t ph n t ộ ủ ầ ử ế ệ ễ ồ ổ ơ

Nhi uễ b n sau: ả

- Nhi u l ng t tín hi u, ễ ượ ử ệ

- Nhi u dòng đi n t i, ệ ố ễ

- Nhi u dòng dò, ễ

t, - Nhi u nhi ễ ệ

- Nhi u do hi u ng quang thác sinh ra (ch có APD). ệ ứ ễ ỉ ở

tín hi u sinh ra trong quá trình gi ả ệ

ễ ượ – l ệ ử ử ỗ ố

ỗ ố

i phóng ra m t c p Đi n t ỗ ố ộ

c gi ộ ậ ấ ị đ ệ ử ượ ệ ử ố

ộ ặ ộ ậ ứ ả ủ ễ ễ

ặ i phóng ra các c p ng t * Nhi u l ế đi n t tr ng do các photon chi u vào photodiode. Các photon chi u ế vào photodiode là đ c l p th ng kê và có phân b Poispon. M i photon ố v i m t xác su t nh t đ nh gi & L tr ng. ả ấ ớ i phóng cũng đ c l p th ng kê và có phân Do đó, các đi n t ọ b Poisson. Vì v y dòng ra c a photodiode có ch a nhi u. Nhi u đó g i ố là nhi u l ng t ậ tín hi u. ử ễ ượ ệ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

* Dòng đi n t i là dòng đi n do các dòng sau t o nên: ệ ố ệ ạ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 26 -

c t o ra do nhi t đ trong l p I c a photodiode, - Các đi n tích đ ệ ượ ạ ệ ộ ủ ớ

- Các dòng đi n b m t, ề ặ ệ

- Các đ ng t thi u s t o ra do nhi các l p p và n trôi v l p I. ộ ử ể ố ạ t t ệ ử ề ớ ớ

i g m r t nhi u xung không có quy lu t. Ng ề ỉ

Dòng đi n t ệ ố ồ đ ượ ị ặ ụ i ta ch xác đ nh ườ ị m i t n s . c tr ho c d ng c a nó, ph biên đ c a chúng b ng ph ng ẳ ở ọ ầ ố ậ ằ ấ ủ ộ ủ ổ

* Dòng đi n rệ ò là do các tia sáng phía trong và ánh sáng bên c nh t o ra. ạ ạ

ệ

ụ ệ trong đi n tr ấ i, do chuy n đ ng nhi ể ở ớ t xu t hi n trong m t đi n tr , ví d đi n tr l p ệ ộ ở t c a các đi n t ệ ệ ủ ở ệ ử ệ ộ

* Dòng đi n nhi u nhi ễ ệ ch n, đi n tr t ở ả ệ ắ t o ra. ạ

ộ ạ ệ

ấ ộ ế

tr ng và h s ion hoá đi n t v i t ễ s gi a h s ion hoá l ệ ố ệ ố ệ ố

ệ * Đ i v i APD, trong quá trìng quang thác xu t hi n m t t p âm do hi u ố ớ ng quang thác sinh ra. Nhi u này ph thu c vào h s khuy ch đ i và ạ ệ ử l ượ c ụ ỗ ố ễ ệ ứ

ứ t ỷ ệ ớ ỷ ố ữ trong vùng khuy ch đ i quang thác. Nhi u do hi u ng quang thác đ đ c tr ng qua h s t p âm F. ặ ế ạ ệ ố ạ ư

các s đ đi n t ng ta xác đ nh đ ng đ c ừ ươ ị

ượ mô hình toán h cọ quá trình đ ng truy n d n tín hi u c a PIN- Photodiode và APD ệ ơ ồ ệ ươ ề ủ ẫ ộ

Do đó, t mô t ả (hình 2.2).

i i i i i

C G G C c (a

)

M

i i i i i

G C G C (b

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

) F

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 27 -

Hình 2.3. Mô hình nhi u c a PIN – photodiode (a) và APD (b) ễ ủ

Trong đó :

- Đi n d n c a l p ti p giáp PN, Gc ẫ ủ ớ ế ệ

Cc - Đi n dung c a l p ti p giáp PN, ủ ớ ệ ế

- Đi n d n t i c a Photodiode, GT ẫ ả ủ ệ

i c a Photodiode, RT - Đi n tr t ệ ở ả ủ

- Dòng photo, ip

- Dòng đi n t i, iT ệ ố

- Dòng đi n rò, ir ệ

inC - Dòng đi n nhi t trên đi n tr l p ti p giáp PN, ệ ệ ở ớ ế ệ

inT - Dòng đi n nhi i, ệ ệ t trên đi n tr t ệ ở ả

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

F - H s nhi u do quá trình quang thác (trong APD). ệ ố ễ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 28 -

ch

ươ

ạ ng 3. Các tham s truy n d n c a các photodiode ho t

ề

ố đ ng

ẫ ủ t c đ cao

ộ ở ố ộ

3.1. H s khuy ch đ i c a APD ế ạ ủ ệ ố

nh, h s khu ch đ i c a APD ế ạ ủ ệ ố ổ

( jM

)

Khi công su t lu ng quang bi n đ i nha đ ế ồ c xác đ nh theo công th c: ấ ị ượ ứ

(3-1)

Trong đó: M đ c xác đ nh ượ ị ở công th c (1-7) ứ

1 LA M t )1 (

(3-2) -

ằ ố ờ ế ổ

ố ớ ặ ị

t LA là h ng s th i gian đ c tr ng cho quá trình bi n đ i quang-đi n ệ ư c a APD, nó có giá tr 0,8 ps đ i v i Si-APD và 5ps đ i v i Ge- ố ớ ủ APD.

3.2. Hàm truy n d n c a PIN- Photodiode và APD ẫ ủ ề

3.2.1. Hàm truy n d n c a PIN- Photodiode ề ẫ ủ

c các ừ ề ọ ị ượ

T các mô hình toán h c truy n d n tín hi u (hình 2.2) ta xác đ nh đ ẫ hàm truy n d n c a PIN- Photodiode ho t đ ng t c đ cao: ệ ạ ộ ở ố ộ ẫ ủ ề

(

)

PIN w

- - (3-3) (8 ) -

Trong đó:

+ GG T + C C T

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

- (3-4)

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 29 -

là t n s góc gi i h n c a PIN – Photodiode. ầ ố ớ ạ ủ

3.2.2. Hàm truy n d n c a APD ề ẫ ủ

ế ấ ồ

i 2 h ng s th i gian: Trong quá trình bi n đ i quang-đi n c a APD, khi công su t lu ng quang ệ ủ ổ bi n đ i nhanh thì t n t ố ờ ồ ạ ế ằ ổ

- t LA là h ng s th i gian đ c tr ng cho quá trình bi n đ i quang-đi n ệ ư ế ặ ổ

c a APD, đ ủ ở công th c (3-2). ứ ố ờ ằ c xác đ nh ị ượ

- ằ ự ế ổ

t RC là h ng s th i gian đ c tr ng cho s bi n đ i quang-đi n c a ệ ủ ư c xác đ nh theo công ổ ố ờ ồ ặ ế ượ ấ ị

APD khi công su t lu ng quang bi n đ i nhanh và đ th c:ứ

( (

) )

+ CC T + GG T

(3-5)

ố ờ ấ ằ

c xác đ nh theo công th c: ủ Do đó, khi công su t lu ng quang bi n đ i nhanh thì h ng s th i gian c a ổ ế APD trong quá trình bi n đ i quang-đi n đ ệ ượ ồ ế ứ ổ ị

APD

(3-6)

ừ ọ

Khi đó, t đ các mô hình toán h c truy n d n tín hi u (hình 2.2) ta xác đ nh ẫ ề t c đ cao theo công th c: ạ ộ c các hàm truy n d n c a APD ho t đ ng ẫ ủ ệ ở ố ộ ị ứ ượ ề

(

)

APD

APD w

T +

- - (3-7)

APD

g-APD là t n s góc gi ầ ố

i h n c a APD và đ c xác đ nh theo công ớ ạ ủ ượ ị

Trong đó, w th c:ứ

APD

1 +

APD

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

- (3-8)

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 30 -

3.3. Hàm tr ng l ng c a PIN- Photodiode và APD ọ ượ ủ

3.3.1. Hàm tr ng l ng c a PIN- Photodiode ọ ượ ủ

ố ớ ứ ự ệ

gT-PIN(t) = HT-PIN w g-PIN exp (-w g-PIN t) (3-9)

Đ i v i PIN- Photodiode, t c hàm tr ng l Fourier ta th n đ ổ công th c (3-3) th c hi n bi n đ i ng c a PIN- Photodiode nh sau: ậ ượ ọ ừ ượ ế ư ủ

3.3.2. Hàm tr ng l ng c a APD ọ ượ ủ

công th c (3-7) th c hi n bi n đ i Fourier ta th n đ ứ ự ế ệ ậ ổ ượ c

ừ ng c a APD nh sau: Đ i v i APD, t ố ớ hàm tr ng l ọ ượ ư ủ

= Ht )(

w M

exp(

)

APD

- (3-10) - - - -

3.4. Hàm quá đ c a PIN- Photodiode và APD ộ ủ

c xác ị ộ ủ ẽ ượ

Theo đ nh nghĩa, hàm quá đ c a PIN – Photodiode và APD s đ đ nh theo công th c: ị ứ

(cid:242)=

)( th T

)( tg T

(3-11)

ứ ừ ộ ố ế ổ ọ

c hàm quá đ c a PIN – Photodiode & APD theo các công ộ ủ ượ

T các công th c (3-9), (3-10), (3-11) và sau m t s bi n đ i toán h c, ta xác đ nh đ ị th c:ứ

(

* Đ i v i PIN – Photodiode: ố ớ

= )( Ht

[ 1

exp

]t )

h T

- - - - (3- 13)

(

* Đ i v i APD: ố ớ

)( MHt

[ 1

exp

]t )

h T

APD

- - - -

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

(3- 14)

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 31 -

3.5. Tín hi u ra c a PIN – Photodiode và APD ủ ệ

ngu n phát (LD/L ề ẫ ừ ị

ệ ế ồ ườ

ỏ ạ

ế

ậ ệ ớ ủ ầ ố ủ ố ưở ế ả ố ộ ố

ED) qua s i quang b suy hao, Vì tín hi u truy n d n t ợ ế nên khi đ n các photodiode th ng r t nh , ta có th b qua tính phi tuy n ể ỏ ấ c a các photodiode. Vì v y, khi phân tích tr ng thái c a PIN – photodiode & ủ ủ APD trong m i quan h v i tham s c a lu ng ánh sáng đ n, ta ch c n ỉ ầ ồ ố ề ng c a t n s hay t c đ bit/s đ n các tham s truy n phân tích nh h d n c a các photodiode. ẫ ủ

3.5.1. Truy n d n analog ề ẫ

ị ể ệ ề

Đ xác đ nh tín hi u ra c a PIN – Photodiode & APD trong tuy n d n ẫ analog, ta gi t công su t ánh sáng chi u t i photodiode có d ng: thi ế ớ ủ ấ ế ả ạ

pT(t) = PTO + pT~ (t)

= PTO + PT cos w t (3-16)

3.5.1.1. T n s truy n d n th p ầ ố ề ẫ ấ

ố ấ ẫ ệ ấ

ề c xác đ nh theo đ c tuy n tĩnh c a các Photodiode. Do đó, t ệ ữ ế ặ

ủ ượ ượ ứ ủ ệ ậ

Khi t n s truy n d n th p, quan h gi a tín hi u ra và công su t chi u ế ầ ừ vào c a nó đ ị ủ các công th c (1-1) và (3-16), ta nh n đ c tín hi u ra c a PIN – Photodiode & APD theo các công th c:ứ

iT(t) = IT0 + iT~ (t)

= IT0 + IT cos w t (3-17)

Trong đó:

- Đ i v i PIN – Diode: ố ớ

IT0 = HT PT0 ; IT = HT PT (3-18)

- Đ i v i APD: ố ớ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

IT0 = M HT PT0 ; IT = M HT PT (3-19)

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 32 -

ủ ề ầ ộ

là thành ph n m t chi u và biên đ c a dòng ra c a PIN – Photodiode& ộ ủ APD.

ứ ề ệ ấ ậ ấ

ầ ố ố ẫ ệ ư ạ

T công th c (3-17), ta nh n th y: khi t n s truy n d n th p tín hi u ra ừ ệ c a APD & PIN – Photodiode có d ng gi ng nh tín hi u vào và tín hi u ủ không b méo. ị

3.5.1.2. T n s truy n d n cao ầ ố ề ẫ

ẫ ề ầ ố ệ ế ấ

ượ ị

ế ọ ề ả ẫ

Khi t n s truy n d n cao, quan h gi a tín hi u ra và công su t chi u vào ệ ữ c xác đ nh theo đ c tuy n tĩnh c a c a APD & PIN – Photodiode không đ ủ ặ ủ các Photodiode mà ph i thông qua hàm truy n d n hay hàm tr ng l ượ ng c a chúng. ủ

mô hình toán h c c a các Photodiode, ta nh n đ c tín hi u ra ừ ọ ủ ậ ượ ệ

Khi đó, t c a APD & PIN – Photodiode theo các công th c: ủ ứ

 Trong không gian t n s : ầ ố

IT(jw ) = PT(jw ) . HT(jw ) (3-20)

ng ng ph c a tín hi u ra, ph công ) là t ổ ủ ệ ổ

Trong đó, IT(jw su t ánh sáng t ấ ), PT(jw ươ ứ i và hàm truy n d n c a APD & PIN – Photodiode. ớ ) và HT(jw ề ẫ ủ

công th c (3-3), hàm ẫ ủ ượ ị ở ứ

c xác đ nh Hàm truy n d n c a PIN – Photodiode đ ề truy n d n c a APD đ ẫ ủ c xác đ nh công th c (3-7). ứ ượ ề ở ị

 Trong không gian th i gian: ờ

iT (t) = pT(t) * gT(t) (3-21)

ượ ọ

ng c a APD ho c PIN – Photodiode. Hàm công th c (3-9), hàm ặ ị ứ ở

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Trong đó, gT(t) là hàm tr ng l tr ng l ọ tr ng l ọ ủ ng c a PIN – Photodiode đ c xác đ nh ượ công th c (3-10). c xác đ nh ng c a APD đ ứ ở ượ ượ ủ ủ ượ ị

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 33 -

ọ

ổ ế

ậ T các công th c (3-16), (3-21) và sau m t s bi n đ i toán h c, ta nh n ừ ộ ố ế c dòng ra c a Photodiode khi tín hi u ánh sáng đ n APD và PIN – đ ệ ượ Photodiode có d ng hình sin theo công th c: ứ ứ ủ ạ

iT(t) = IT0 + IT (w ) cos [ w t + j T(w )] (3-22)

Trong đó:

- Đ i v i PIN –Photodiode: ố ớ

w (

)

IT0-PIN = HT-PIN PT (3-23)

PH TT w

(3-24)

2 g

( w

)

arctg

- (3-25) -

- Đ i v i APD: ố ớ

w (

)

IT0-APD = HTM PT0 (3-26)

APD

MPH T T w

(3-27)

2 g

APD

w (

)

arctg

APD

- (3-28) -

ậ ứ ừ ấ ậ

ầ ố ộ ệ ấ

ủ ộ ầ ụ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ề Nh n xét: t các công th c (3-22) – (3-28) ta nh n th y, khi t n s truy n d n cao thì trong dòng ra c a photodiode xu t hi n méo biên đ và méo ẫ pha. Các méo này ph thu c t n s . T n s càng cao thì méo pha và méo ố ầ biên đ c a PIN – Photodiode và APD càng l n. ố ớ ộ ủ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 34 -

3.5.2. Truy n d n s ề ẫ ố

ể ề

t công su t ánh sáng đ n photodiode có d ng (hình ố thi ế ế ả ạ

Đ xác đ nh các tham s truy n d n c a APD & PIN – Photodiode trong ẫ ủ ị tuy n d n s , ta gi ấ ẫ ố ề 3-1):

pT(t) = PTO + pT~ (t) (3-29)

)

t )(

p T

( tXPb T n

- (cid:229) (3-30)

Trong đó:

PT: là biên đ c a chu i xung, ộ ủ ỗ

khi

( tX

)

[

+ +

]

nT t

t nT

nT nT

;

1 0

T d T d

£ £ (cid:236) - (cid:237) (3-31) ˇ (cid:238)

T: chu kỳ chu i xung, ỗ

Td: đ r ng xung, ộ ộ

bn = { 0,1 } tuỳ theo xung truy n d n là bit “0” hay bit “1”. ề ẫ

t T

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Hình 3.1. Tín hi u ánh sáng t ệ ớ T~(t) i p

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 35 -

3.5.2.1. T c đ truy n d n th p ấ ố ộ ề ẫ

ộ ấ ẫ ề ệ ấ

ố ủ

ị các công th c (1-1) và (3-31), ta nh n đ ệ ữ ượ ứ ế ậ ượ ừ

Khi t c đ truy n d n th p, quan h gi a tín hi u ra và công su t chi u ế ủ c xác đ nh theo đ c tuy n tĩnh c a vào c a APD & PIN – Photodiode đ ặ c tín các Photodiode. Do đó, t hi u ra c a APD & PIN – Photodiode theo các công th c: ứ ủ ệ

iT(t) = IT0 + iT~ (t)

t )(

)

i T

tXIb ( Tn

= 1

- (cid:229) (3- 32)

Trong đó:

- Đ i v i PIN – Photodiode: ố ớ

IT0 = HT PT0 , IT = HT PT (3-33)

- Đ i v i APD: ố ớ

IT0 = M HT PT0 , IT = M HT PT (3-34)

ộ ủ ủ ề ầ ộ

là thành ph n m t chi u và biên đ c a dòng ra c a APD & PIN – Photodiode.

ứ ề ẫ ấ

ố ộ ư ấ ạ ệ ố

T các công th c (3-32)-(3-34), ta nh n th y: Khi t c đ truy n d n th p tín ậ hi u ra c a APD & PIN – Photodiode có d ng gi ng nh tín hi u vào và tín ủ hi u ra không b méo. ừ ệ ệ ị

3.5.2.2. T c đ truy n d n cao ố ộ ề ẫ

ẫ ề ố ộ ế

ệ ị ượ

ấ ế ọ ề ả ẫ

Khi t c đ truy n d n cao, quan h gi a tín hi u ra và công su t chi u vào ệ ữ c xác đ nh theo đ c tuy n tĩnh c a c a APD & PIN – Photodiode không đ ủ ặ ủ ượ ng các Photodiode mà ph i thông qua hàm truy n d n hay hàm tr ng l c a chúng. ủ

ấ ế ế ị

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ườ ng Do tín hi u ánh sáng đ n b thu quang r t y u vì b suy hao trên d truy n d n, nên tính phi tuy n c a APD & PIN – Photodiode có th b qua, ộ ế ủ ệ ẫ ể ỏ ề

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 36 -

ủ ứ

i ớ ủ . T c là, tín hi u ra c a ủ ừ ệ ổ

nên đáp ng c a APD & PIN – Photodiode đ i v i chu i xung ánh sáng t ố ớ s b ng t ng các đáp ng c a t ng xung riêng l ứ ẽ ằ APD & PIN – Photodiode đ ỗ ẻ ứ c xác đ nh theo công th c: ứ ướ ị

iT(t) = IT0 + iT~ (t) (3-35)

t )(

t (

)

i T

ib n

= 1

- (3-36) (cid:229)

Trong đó iTn (t-nT) là đáp ng c a xung th n. ủ ứ ứ

ộ ồ

ớ ầ ố ộ ầ ố ứ ụ

ủ ng ng v i t n s cao) thì c a ph thu c t n s . Do đó, theo T.1(t) c a c a APD ủ ủ ủ ộ ữ ứ ế ế ề ẫ

Khi lu ng ánh sáng có tôc đ bít cao (t ươ APD & PIN – Photodiode là nh ng ph n t ầ ử lý thuy t truy n d n ta có đáp ng c a đ t bi n xung P & PIN – Photodiode là :

iT(t) = IT. hT (t) (3-37)

T đ

i có biên đ là P c t o nên t ồ ớ ộ ượ ạ ừ 2

Do xung th n c a lu ng ánh sáng t ủ ứ đ t bi n: ế ộ

T ﬁ

ﬁ PT t T 0 ừ ạ i th i đi m t = nT ể ờ

0 t i th i đi m t = nT + T T Pừ ạ ể ờ

Do đó đáp ng c a APD & PIN – Photodiode cho xung th n s là : ứ ứ ủ ẽ

(cid:236)

t (

)

i Tn

(cid:239) - - (cid:237)

0 thPH ( TTT thPH [ (

)

)]

Tth ( T d

(cid:239) d - - - - (cid:238) t < nT nT £ t £ nT+T

d (3-38)

t > nT+T

ừ ủ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

T các công th c (3-13), (3-14) và (3-38) ta có: dòng ra c a APD & PIN – Photodiode đ i v i xung đi u khi n th n là: ứ ố ớ ứ ể ề

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 37 -

}

[

]

( t

)

(

)

(

]

)

exp w

) w

{ 1 [ exp

( t nT PIN ] [ 1 exp

t nT > t

nT t nT

nT Td

0 PH T T PH T T

(cid:236) (cid:239) £ £ - - - - (cid:237) - - (cid:239) - - - - - (cid:238)

(3-39)

}

]

( t

)

nT t

i Tn

APD

T d

)

(

]

)

[ exp ( w

) w

t nT >

{ [ exp

( t APD ] 1

nT [ exp

0 MPH T T MPH T T

g T d

APD

T d

(cid:236) (cid:239) £ £ - - - - (cid:237) - - (cid:239) - - - - - (cid:238)

(3-40)

ậ ứ ừ ậ ố ộ

ấ ấ ệ ộ

ố ầ ụ ố

ề Nh n xét: T các công th c (3-39)-(3-40) ta nh n th y, khi t c đ truy n d n cao thì trong các xung dòng ra c a photodiode xu t hi n méo biên đ và ủ ẫ méo pha. Các méo này ph thu c t n s . T n s càng cao thì méo pha và ộ ầ méo biên đ c a tind hi u ra c a PIN – Photodiode và APD càng l n. ộ ủ ủ ệ ớ

3.6. Nhi u c a PIN – Photodiode và APD ễ ủ

3.6.1. Nhi u và phân lo i nhi u trong PIN-Photodiode và APD ễ ễ ạ

3.6.1.1. Nhi u trong PIN-Photodiode và APD ễ

ph n 1.3.3.2., nhi u c a m t ph n t ễ ủ ầ ử ế bi n đ i quang- ổ ầ ộ

Nh đã trình b y ầ ở đi n bao g m các nhi u c b n sau: ễ ơ ả ư ệ ồ

- Nhi u l ng t tín hi u, ễ ượ ử ệ

- Nhi u dòng đi n t i, ệ ố ễ

- Nhi u dòng dò, ễ

t, - Nhi u nhi ễ ệ

- Nhi u do hi u ng quang thác sinh ra (ch có APD). ệ ứ ễ ỉ ở

ng t tín hi u sinh ra trong quá trình gi ử ệ ả ặ

ễ ượ ỗ ố ế

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ệ i phóng ra các c p đi n Nhi u l t tr ng do các photon chi u vào photodiode. Đi u đó có nghĩa là: có – l ử ễ ánh sáng chi u vào photodiode, thì trong tín hi u ra c a nó có ch a nhi u. ề ủ ứ ế ệ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 38 -

i là do dòng đi n t i c a photodiode sinh ra. ễ

ệ

ệ ố ủ ễ ạ t l p ch n, đi n tr ở ả ắ ễ ệ ễ i) do chuy n đ ng nhi ể ấ ộ ệ ủ

Nhi u dòng rò là ộ t là nhi u xu t hi n trong m t t c a các t o ra. Đ i v i APD, ngoài các nhi u trên, còn có ở ạ ễ

Nhi u dòng t ố do dòng rò c a photodiode t o ra. Nhi u nhi ủ (đi n tr đi n tr ệ ở ớ ệ ệ ở trong đi n tr đi n t ố ớ ệ ệ ử nhi u do hi u ng quang thác sinh ra. ễ ệ ứ

3.6.1.2. Phân lo i nhi u ễ ạ

ườ i ta có th phân lo i nhi u theo 2 quan ạ ể ễ ậ

Trong k thu t thông tin quang, ng ỹ đi m sau: ể

- Theo b n ch t gây nên nhi u, ấ ễ ả

- Theo quan đi m truy n d n tín hi u. ề ệ ể ẫ

a. Theo b n ch t gây nên nhi u ễ ấ ả

ng t tính hi u,

ệ nhi u dòng ễ t và nhi u do hi u ng quang thác (trong ấ ễ ễ ễ ệ ễ ượ ễ ử ệ ứ

Theo b n ch t gây nên nhi u, có: nhi u l ả đi n t i, nhi u dòng rò, nhi u nhi ệ ố APD).

b. Quan đi m truy n d n tín hi u ệ ể ề ẫ

* Nhi u ph thu c tín hi u, g m có: ộ ụ ệ ễ ồ

- Nhi u l ng t ễ ượ ử tín hi u ệ

* Nhi u không ph thu c tín hi u, g m có: ụ ệ ễ ộ ồ

i, - Nhi u dòng t ễ ố

- Nhi u dòng rò, ễ

t. - Nhi u nhi ễ ệ

ễ ệ ở

ng t ễ ượ ậ ệ ử ễ ườ ố i ta còn ký hi u nhi u gây ra b i các ễ i, nhi u dòng rò là Shot noise (Nhi u ễ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Ngoài ra, trong k thu t tin quang ng ỹ tín hi u, nhi u dòng t nhi u l b n).ắ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 39 -

ấ ễ

ư ủ ấ

ễ ổ ỉ ầ ầ

ễ ấ

ễ ữ ủ c suy ra t 3.6.2. Công su t các nhi u trong PIN-Photodiode và APD Khi phân tích, tính toán công su t các nhi u cũng nh nhi u t ng c a APD và PIN-Photodiode trong ph n này và nh ng ph n sau, ta ch phân tích, tính ễ toán công su t các nhi u và nhi u t ng c a APD. Còn công su t các nhi u ấ ễ ổ ấ các công th c công su t và nhi u t ng c a PIN-Photodiode đ ứ ễ ổ ượ ừ ủ

g-PIN .

g-APD b ng ằ

w w các nhi u và nhi u t ng c a APD khi: M =1 và thay ủ ễ ổ ễ

Đ cho g n các công th c, ta g i APD là Photodiode và thay: ọ ứ ể ọ

g-APD = w

g, HT-APD = HT,

HT-APD (jw )= HT(jw ), (3-42)

gT-APD(t) = gT(t), ...

ấ ủ ễ ề ộ ồ

Theo lý thuy t truy n tin [2, 3, 6], công su t c a m t ngu n nhi u c a ủ Photodiode đ c xác đ nh theo công th c: ế ượ ứ ị

)( t

)( tp N

2 )( tg T

(

w d

)

¥ (3-43)

( jH T

(cid:242) ¥ -

Trong đó:

iN(t), SN(jw ) : dòng nhi u và ph c a nó, ổ ủ ễ

gT(t), HT(jw ) : hàm tr ng l ng và hàm truy n d n c a Photodiode. ọ ượ ẫ ủ ề

3.6.2.1. Nhi u dòng t i ễ ố

i là do dòng đi n t i c a photodiode sinh ra. Dòng đi n t ố ễ ệ ố ủ

i ta ch xác đ nh đ ề ườ ượ ị

i ệ ố ặ c tr ho c ị m i t n s . Theo [11, 12], ấ ủ ậ ằ ộ ủ ổ ỉ ẳ ở ọ ầ ố

) đ c xác đ nh thêo công Nhi u dòng t g m r t nhi u xung không có quy lu t. Ng ồ d ng c a nó, ph biên đ c a chúng b ng ph ng ụ ố SNT(jw i ậ ộ ổ ủ ễ ấ ượ ị

(

)

( IMFe

)

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

m t đ công su t ph c a nhi u dòng t th c:ứ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 40 -

công th c (3-43) ta xác đ nh đ c c i p ứ ị ượ ông su t nhi u dòng đi n t ệ ố NT ễ ấ

) IMMFe

(

Do đó, t ừ theo công th c : ứ

B R

(3-44)

là gía tr trung bình c a dòng đi n t i, giá tr trung bình này ị ệ ố ủ ị

ề ặ ế ấ ệ ẫ ộ ệ ộ t đ

Trong đó, TI ph thu c ch t li u bán d n, di n tích b m t ti p xúc P-N và nhi ệ ụ [10].

)

¥ *

jfH ( T

(cid:242)

= 0,707 B (3-45)

ủ ề ẩ

T*(j f) là hàm truy n d n chu n hoá c a hàm ẫ ứ T(j f) và B là băng thông c a photodiode.

Trong công th c (3-45), H truy n d n H ủ ề ẫ

3.6.2.2. Nhi u dòng rò ễ

ễ ủ ệ ạ

ng ệ ự ế ườ ạ

c giá tr trung bình c a dòng đi n rò. Nhi u dòng rò là do dòng đi n rò c a photodiode t o ra. Dòng đi n rò là do i ta các tia sáng phía trong và ánh sáng bên c nh t o ra. Trên th c t Theo [11, 12], m t đậ ộ ch xác đ nh đ ạ ệ ượ ủ ỉ ị ị

(

)

( IMFe

)

công su t ph c a nhi u dòng rò ) đ c xác đ nh thêo công th c: SNr(jw ổ ủ ễ ấ ượ ứ ị

r theo

công th c (3-43) ta xác đ nh đ c ứ ị ượ công su t nhi u dòng rò p ễ ấ ừ

(

)

Do đó, t công th c :ứ

BIMMFe R

(3-46)

rI là giá tr trung bình c a dòng đi n rò.

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Trong đó, ủ ệ ị

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 41 -

3.6.2.3. Nhi u nhi t ễ ệ

ắ l p ch n,

Nhi u nhi ễ đi n tr t trong đi n tr t o ra. ở ả ệ t c a Photodiode là nhi u xu t hi n trong đi n tr ễ ệ ủ i, do chuy n đ ng nhi ệ ủ ể ệ ấ t c a các đi n t ệ ử ệ ệ ộ ở ớ ở ạ

ệ SNN(jw t ) trên đi n tr R ệ ở cượ đ ậ ộ ổ ủ ễ ấ

(

=w )

S NN

Tk R

Theo [1], m t đ công su t ph c a nhi u nhi xác đ nh thêo công th c: ứ ị

NN c a photodiode

t p ứ ễ ấ ệ ủ

)

(

Do đó, theo công th c (3-43) công su t nhi u nhi đ c xác đ nh theo công th c : ượ ứ ị

+ BGGTk C R

(3-47)

Trong đó: GC = là đi n d n c a đi n tr l p ch n R ệ ẫ ủ ở ớ ệ ắ

1 CR 1 TR

GT = i R là đi n d n c a đi n tr t ẫ ủ ở ả T, ệ ệ

k: h ng s Bolzomal, ằ ố

T: Nhi t đ tuy t đ i. ệ ộ ệ ố

3.6.2.4. Nhi u do hi u ng quang thác ệ ứ ễ

ụ ộ

ệ ố tr ng và h s ion hoá v i t ễ l ỗ ố ệ ố ạ

Đ i v i APD, nhi u do hi u ng quang thác sinh ra ph thu c vào h s ố ớ khuy ch đ i và t ế đi n t ệ ử ệ ứ s gi a h s ion hoá l ỷ ệ ớ ỷ ố ữ ệ ố ạ trong vùng khuy ch đ i quang thác. ế

c đ c tr ng qua h s t p âm F(M) và ượ ệ ố ạ ư

c xác đ nh g n đúng theo công th c: Nhi u do hi u ng quang thác đ ễ nó đ ượ ệ ứ ị ặ ứ ầ

( MF

)

Mk i

1 M

(cid:246) (cid:230) - - (cid:247) (cid:231) (3-48) ł Ł

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Trong đó:

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 42 -

M là h s khuy ch đ i c a APD, ạ ủ ệ ố ế

(3-49) a

n là h s ion hoá đi n t

a trong vùng quang thác, ệ ố ệ ử

p là h s ion hoá l

a tr ng trong vùng quang thác. ệ ố ỗ ố

Trong th c t , ng i ta có th s d ng g n đúng F(M) b i: ự ế ườ ể ử ụ ầ ở

F(M) = MX (3-50)

ố ớ ị ặ ư

ố Trong đó, giá tr đ c tr ng c a x = 0,3 – 0,5 đ i v i Si – APD, x = 0,7 đ i v i InGaAsP-APD và x=1 đ i v i Ge-APD ớ ủ ố ớ

3.6.2.5. Nhi u l ng t ễ ượ ử tín hi u ệ

ng t ử ệ ả ệ i phóng ra các c p đi n ặ

tín hi u sinh ra trong quá trình gi tr ng do các photon chi u vào photodiode. Nhi u l t – l ử ễ ượ ỗ ố ế

i, t p âm dòng rò và t p âm nhi ạ ạ ệ ạ ữ

ụ ố ạ ộ ệ

ủ tín hi u là t p âm ph thu c tín hi u, c n ph i đ ng t ụ ệ ộ

ạ ng t ệ ẫ ươ ả ượ ế ự ề ệ ẫ ổ ố

ạ t t p âm là nh ng t p Các t p âm dòng t âm không ph thu c tín hi u c a APD và PIN-Photodiode. Còn t p âm ạ l c xem xét tín ầ ử ượ hi u truy n d n t hay s , tín hi u truy n d n bi n đ i nhanh hay ề ệ ch m.ậ

ng t đ c xác đ nh thêo công ễ ượ ử tín hi u gây ra ệ ượ ị

t )(

iMFe ( )

t )(

Theo [11, 12], dòng nhi u do l th c:ứ

tpHMFe ) )(

(

(3- 51)

 Truy n d n analog ề ẫ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Khi t n s tín hi u truy n d n th p ấ ệ ầ ố ề ẫ o

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 43 -

Khi t n s tín hi u truy n d n th p, quá trình bi n đ i quang đi n c a các ệ ủ ầ ố ế ề ệ ẫ ấ ổ

ụ

ng t c c a photodiode trong tr ộ ượ công su t nhi u l ầ ố ễ ượ t ừ ử ủ ấ các công th c (3-43) và (3- ứ ườ ng

2 BPHMMFe

(

)

(3-52) Photodiode không ph thu c vào t n s . Do đó, 51) ta xác đ nh đ ị h p này theo công th c: ợ ứ 2=

Trong đó:

TP : Giá tr trung bình c a công su t ánh sáng đ n photodiode

ủ ế ấ ị

e: đi n tích c a đi n t ệ ử ủ ệ

BR: băng t n t p âm c a photodiode ầ ạ ủ

F(M): h s t p âm ph thêm c a APD ệ ố ạ ụ ủ

M: h s khuy ch đ i c a APD ệ ố ạ ủ ế

HT: h s bi n đ i quang đi n c a photodiode ệ ố ế ệ ủ ổ

Khi t n s tín hi u truy n d n cao ệ ầ ố ề ẫ o

ề ệ ầ ố ệ ủ ế ổ

ứ

t ừ trong tr ụ c ng t ễ ượ ườ ử ấ ợ

Khi t n s tín hi u truy n d n cao, quá trình bi n đ i quang đi n c a các ẫ các công th c (3-43) và (3-51) ta Photodiode ph thu c vào t n s . Do đó, ầ ố ộ ng h p này theo công ượ công su t nhi u l xác đ nh đ ị th c:ứ

)( t

2 )( tpHMMFe

)

(

2 )( tg T

22 w g

) HMMFe

(

2 g

)( tp T

(3-53) - *

ự ệ ậ

Khi ánh sáng t ch p ta nh n đ ng t ớ ậ ượ i Photodiode có d ng hình sin, th c hi n thu t toán tích ạ : c công su t nhi u l ử ễ ượ ấ ậ

22 w g

)( t

) HMMFe

(

cos

)

2 g

P 0

P T

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

- *

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 44 -

P T

w cos(

)

ø Ø

t )(

w w 2

œ Œ (cid:246) (cid:230) œ Œ (cid:247) (cid:231) (3-54) œ Œ (cid:247) (cid:231) ł Ł œ Œ

œ Œ ß º

(

Trong đó:

b 1

) THMMFe

1= 2

arctan

(3-55) .

w w 2

(3-56)

 Truy n d n digital ề ẫ

Khi t c đ tín hi u truy n d n th p ấ ệ ố ộ ề ẫ o

ng t ề ự ư ươ ố ộ ề ệ ẫ

ế ổ

ẫ nh trong truy n d n analog, khi t c đ tín hi u truy n d n ụ c xác đ nh theo công ủ ng t đ ử ượ ầ ấ ố ị

Cũng t th p thì quá trình bi n đ i quang đi n c a các Photodiode không ph ệ ấ thu c vào t n s và công su t nhi u l ễ ượ ộ th c:ứ

d]:

[

 Trong kho ng th i gian [nT, nT+T ả ờ

( t

)

(

)

PHMMFe 0

] BP T

- (3-57)

d , (n+1)T]:

 Trong kho ng th i gian [ nT+T ả ờ

( t

)

2 2 BPHMMFe

)

(

- (3-58)

Khi t c đ tín hi u truy n d n cao ệ ố ộ ề ẫ o

ng t ự ươ ố ộ ề ệ ề

ộ

c xác đ nh theo công th c: ng t ẫ nh trong truy n d n analog, khi t c đ tín hi u truy n d n Cũng t ẫ cao thì quá trình bi n đ i quang đi n c a các Photodiode ph thu c vào t n ầ ệ ủ s và công su t nhi u l ố ư ế ổ ễ ượ đ ử ượ ụ ứ ấ ị

d]:

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

 Trong kho ng th i gian [nT, nT+T ả ờ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 45 -

w 2

(

)

w 2

(

iTt

)

T dg

(cid:252) (cid:236) - - - -

]

(

( t

)

- - - (cid:253) (cid:237)

[ 1

) 1

Pb 1 0

Pb Tn

P T

eb i

(cid:229) (cid:254) (cid:238)

(3-59)

Trong đó, b1 đ c xác đinh ượ ở công th c (3-55). ứ

d , (n+1)T]:

 Trong kho ng th i gian [ nT+T ả ờ

w 2

(

iTt

)

T dg

(

( t

)

) 1

Pb 1 0

P T

eb i

(cid:252) (cid:236) - - - - (cid:253) (cid:237) (3-60) (cid:229) (cid:254) (cid:238)

3.6.2.6. Nhi u t ng c a photodiode ễ ổ ủ

, các ngu n nhi u ch ra ễ ồ ỉ ở

ng quan nhau. Do đó, công su t nhi u t ng c a photodiode đ ấ mô hình toán h c c a photodiode là ọ ủ ượ c ủ ễ ổ

Trong th c t ự ế không t ươ tính theo công th c:ứ

=(cid:229)

(3-61)

 Truy n d n analog ề ẫ

Khi t n s tín hi u truy n d n th p ấ ệ ầ ố ề ẫ o

ậ ượ c

[

Thay các công th c (3-52), (3-44), (3-46), (3-47) vào (3-61) ta nh n đ ứ công su t nhi u t ng c a APD: ễ ổ ủ ấ

(

)

+ 4)

] + BGGkT

)

(

APD

PHMMeF T

(3-62) - (cid:229)

ứ ế ổ

[

Thay công th c (3-50) vào công th c (3-62) và th c hi n bi n đ i toán h c, ọ ta nh n đ ứ c công su t nhi u t ng c a APD d ễ ổ ự ệ i d ng: ướ ạ ậ ượ ủ ấ

(

+ 4)

)

(

APD

PH T T

] + BGGkT R

(3-63) - (cid:229)

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Khi t n s tín hi u truy n d n cao ệ ầ ố ề ẫ o

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 46 -

ậ ượ c

i d ng: Thay các công th c (3-53), (3-44), (3-46), (3-47) vào (3-61) ta nh n đ ứ công su t nhi u t ng c a APD d ễ ổ ướ ạ ủ ấ

w 22 g

{

}

)( t

) HMMeF

(

cos

)

APD

2 g

P 0

P T

) BI r R

( GkT C

) BG T

- * - (cid:229)

(3- 65)

công th c (3-54), ta ứ ớ

Khi ánh sáng t nh n đ ừ c a Photodiode theo công th c: ậ ượ i Photodiode có d ng hình sin và t ạ ng t ử ủ ễ ượ c công su t nhi u l ấ ứ

P T

w cos(

)

)( t

ø Ø

APD

w w 2

œ Œ - (cid:229) (cid:246) (cid:230) œ Œ (3- 66) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) ł Ł œ Œ

œ Œ ß º

{

}

) IMMFe (

(

+ 4)

( GkT

)

G T

Trong đó, ký hi u:ệ

(3- 67)

 Truy n d n digital ề ẫ

Khi t c đ tín hi u truy n d n th p ấ ệ ố ộ ề ẫ o

ph n trên, ta nh n đ c công su t nhi u t ng c a APD ừ ậ ượ ễ ổ ủ ấ

T các công th c trong tr ứ ở ầ ng h p này là: ợ ườ

d]:

{

]

(

)

(

)

} + BGGkT )

(

 Trong kho ng th i gian [nT, nT+T ả ờ

[ 2 2 PPHMMeF T

APD

- (cid:229)

(3-68)

d , (n+1)T]:

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

 Trong kho ng th i gian [ nT+T ả ờ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 47 -

[

(

)

(

+ 4)

] + BGGkT

)

(

APD

PHMMeF 0

(3-69) - (cid:229)

Khi t c đ tín hi u truy n d n cao ệ ố ộ ề ẫ o

ph n trên, ta nh n đ c công su t nhi u t ng c a APD ừ ậ ượ ễ ổ ủ ấ

T các công th c trong tr ứ ở ầ ng h p này là: ợ ườ

d]:

 Trong kho ng th i gian [nT, nT+T ả ờ

w 2

(

)

w 2

(

iTt

)

T dg

]

(

( t

)

[ 1

) 1

+(cid:247)

APD

Pb 1 0

Pb Tn

P T

eb i

(cid:246) (cid:230) - - - - (cid:247) (cid:231) - - - (cid:229) - (cid:229) (cid:231) ł Ł

Trong đó, c đ c xác đ nh ượ ị ở công th c (3-67). ứ (3- 70)

d , (n+1)T]:

 Trong kho ng th i gian [ nT+T ả ờ

w 2

(

iTt

)

w 2

T dg

(

( t

)

) 1

eb i

APD

Pb 1 0

P T

(cid:252) (cid:236) - - - - (cid:253) (cid:237) (cid:229) - (cid:229) (cid:254) (cid:238) (3- 71)

Trong đó, c đ c xác đ nh ượ ị ở công th c (3-67). ứ

3.7. T s tín hi u trên nhi u ỷ ố ễ ệ

3.7.1. M t s khái ni m c b n ộ ố ơ ả ệ

• Đ nh nghĩa t s tín hi u trên nhi u c a photodiode: ị ỷ ố ễ ủ ệ

ệ

c bi u di n d ỷ ố ệ ễ ủ ấ ỷ ố ủ ượ s c a công su t/đi n áp tín ệ ướ ạ i d ng ấ ễ ể

T s tín hi u trên nhi u c a photodiode là t ễ ủ hi u trên công su t/đi n áp nhi u c a chúng và đ ệ công th c: ứ

S Công su t tín hi u/đi n áp tín hi u/dòng đi n tín hi u ệ ệ ệ ệ ệ ấ (3-72) = N Công su t nhi u/đi n áp nhi u/dòng đi n nhi u ễ ệ ễ ệ ễ ấ

• Công su t tín hi u: ấ ệ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

c xác đ nh theo công th c: Công su t c a tín hi u ra c a photodiode đ ệ ấ ủ ủ ượ ứ ị

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 48 -

)( t

2 i T

lim T

1 T 2

(3-73) (cid:242) ¥ ﬁ -

Trong đó, iT(t) là dòng tín hi u ra c a photodiode. ủ ệ

• Công su t nhi u: ấ ễ

T công th c (3-43), công su t c a m t ngu n nhi u c a Photodiode đ ễ ủ ấ ủ ứ ừ ộ ồ ượ c

xác đ nh theo công th c: ứ ị

)( t

)( tp N

i T

2 )( tg T

( jS

)

¥ (3-74)

( jH T

(cid:242) ¥ -

Trong đó:

iT(t), S(jw ) : dòng nhi u và ph c a nó, ổ ủ ễ

gT(t), HT(jw ) : hàm tr ng l ọ ượ ẫ ủ ng và hàm truy n d n c a ề

photodiode.

3.7.2. Truy n d n analog ề ẫ

3.7.2.1. T n s tín hi u truy n d n th p ấ ầ ố ề ệ ẫ

c xác đ nh theo công th c: Tín hi u ra c a photodiode đ ủ ệ ượ ứ ị

iT~ (t) = M HT pT~ (t)

= M HT PT cos w t

= IT cos w t (3-75)

Trong đó:

IT = M HT PT (3-76)

ủ ệ ấ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Theo lý thuy t truy n d n tín hi u thì công su t c a tín hi u c a ủ ệ photodiode đ ẫ c xác đ nh theo công th c: ế ượ ề ị ứ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 49 -

P Th

2 2 )( tPHM TT

2 2 PHM TT

lim T

1 T 2

1 2

P =

(3-77) (cid:242) ¥ ﬁ -

P ,TO

Thay công th c (3-63), (3-77) vào (3-72) và l u ý ta nh n đ ư ứ ậ ượ c

2 PMH T

2 T

1 2

t s tín hi u/nhi u c a photodiode nh sau: ỷ ố ễ ủ ư ệ

S N

2 eM

(

+ 4)

(3-78) ø Ø

PH TT

( G C

) BG T

œ Œ ß º

Ta có th bi u di n công th c (3-78) d i d ng: ể ể ứ ễ ướ ạ

2 aP T +

S N

(3-79)

Trong đó, đ t:ặ

2 MH T

1 2

(3-80)

..2

+ x BHMe

= [

]

(

+ 4)

(

)

(3-81)

GGkT C T

B R

(3-82)

ậ ầ ộ ủ T0 c a ánh sáng càng l n thì nhi u c a ủ ễ

Nh n xét: thành ph n m t chi u P photodiode càng l n và do đó t ớ ề s tín hi u nhi u càng nh . ỏ ỷ ố ễ ệ ớ

3.7.2.2. T n s tín hi u truy n d n cao ầ ố ề ệ ẫ

c xác ầ ố ủ ề ệ ẫ ượ

Khi t n s tín hi u truy n d n cao, thì tín hi u ra c a photodiode đ đ nh theo công th c: ị ệ ứ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

iT(t) = IT0 + IT (w ) cos [ w t + j T(w )] . (3-83)

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 50 -

ộ ố ế ứ ọ

w (

)

2 HM

Khi đó, t nh n đ các công th c (3-73), (3-83) và sau m t s bi n đ i toán h c ta ổ ừ c công su t tín hi u ra c a photodiode theo công th c: ậ ượ ứ ủ ệ ấ

P T

APD

2 T

1 2

2 P T w w

2 g

- (3-84)

ứ ớ ư ị ự

t+j R) = 1 và sau m t s bi n đ i toán h c, ta nh n đ s tín c t ượ ỷ ố ộ ố ế ậ ọ

Thay các công th c (3-66), (3-84) vào (3-72), v i l u ý giá tr c c đ i ạ cos(w hi u trên nhi u c a APD theo công th c: ệ ễ ủ ổ ứ

2 Pa T

S N

APD

P T

Pb 0 1

w w

2 g

w w 2

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (3-85) (3- 85) ł Ł ø Ø (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:246) (cid:230) œ Œ ł Ł (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ß º

Trong đó: a, b1, c đ c xác đ nh các công th c (3-80), (3-55) và (3-82). ượ ị ở ứ

i d ng: N u công su t ánh sáng t ấ ế i đ ớ ượ ễ ướ ạ ể

(

cos

)( tp T

P 0

(3-86) c bi u di n d )t

P T P 0

s tín v i ớ (m g i là h s đi u ch hay đ sâu đi u ch ), thì t ế ệ ố ề ề ế ọ ộ ỷ ố

ứ ủ ẽ ượ ễ c bi u di n ể

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

hi u trên t p âm c a Photodiode theo công th c (3-85) s đ d ạ i d ng: ệ ướ ạ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 51 -

2 2 Pma 0 T

S N

APD

Pb 01

w w

2 g

w w 2

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) ł Ł ø Ø (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (3- 87) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:246) (cid:230) œ Œ ł Ł (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ß º

g) c a Photodiode, ph

Nh n xét: Khi t n s cao, t s tín hi u trên t p âm c a Photodiode không ầ ố ậ ỷ ố ủ ệ

ỉ ụ ộ

ch ph thu c vào các tham s c u trúc (a, b ố ấ thu c vào thành ph n m t chi u P ề ụ ủ ộ T0, đ sâu đi u ch ; mà còn ph thu c ế ụ ầ ộ ộ ộ ạ 1, c, w ề

/2p . ầ ố w vào t n s f=

ớ ề ầ ấ ộ

ỏ ứ ữ ế ệ ỏ

ộ Khi t n s càng l n, thành ph n công su t ánh sáng m t chi u càng l n, đ ớ sâu đi u ch càng nh (t c là biên đ tín hi u h u ích càng nh ) thì t ỷ ố s tín hi u trên t p âm càng nh và ng i. ầ ố ề ệ ộ c l ượ ạ ạ ỏ

3.7.3. Truy n d n s ề ẫ ố

ng xác đ nh t i ta th ườ ị

ỹ ễ ậ ủ ỷ ố ộ ườ ộ

ệ s tín hi u ố i đ u vào b quy t đ nh). B thu quang ế ị ạ ầ ộ ề c b n sau: Photodiode, b ti n ồ

Trong k thu t thông tin quang s ng trên nhi u c a b thu quang (t trong truy n d n s bao g m các ph n t khu ch đ i, b khu ch đ i đi n áp, b l c th p và b quy t đ nh. ầ ử ơ ả ộ ọ ộ ẫ ố ế ộ ề ạ ế ị ệ ế ạ ấ ộ

ạ ứ ị ỷ ố ễ ủ s tín hi u trên nhi u c a ệ

Trong ph m vi nghiên c u, ta mu n xác đ nh t các photodiode. Do đó, ta gi ố t: thi ế ả

- Hàm truy n d n c a t ng các ph n t : b ti n khu ch đ i, b ủ ổ ề ẫ ầ ử ộ ề ế ạ ộ

W khu ch đ i đi n áp, b l c th p c a b thu quang là 1 . ấ ủ ộ ộ ọ ệ ế ạ

B qua nhi u c a các ph n t ầ ử ộ ề ạ b ti n khu ch đ i, b khu ch đ i ạ ủ ế ế ỏ ộ

- đi n áp, b l c th p. ộ ọ ễ ấ ệ

Do đó, đ l n c a đi n áp tín hi u và công su t nhi u c a b thu quang s ễ ủ ộ ộ ớ ủ ệ ệ ấ ẽ

W c xác đ nh b ng đ l n c a dòng đi n tín hi u (x 1 ủ ộ ớ ệ ệ ằ ) và công su tấ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

đ ị ượ nhi u c a các photođiode. ễ ủ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 52 -

ệ ễ ủ ề

ị ỷ ố ầ ị i ta c n ph i xác đ nh t ả

ườ ề ỷ ố

ề ề ở

ề ợ

ẫ s tín hi u trên nhi u c a các photodiode trong truy n d n Đ xác đ nh t ể s tín hi u trên nhi u c a các photodiode s , ng ễ ủ ỷ ố ệ ố s tín hi u trên nhi u c a các khi truy n bit “1” (có xung truy n d n) và t ễ ủ ệ ẫ ề ệ photodiode khi truy n bit “0” (không có xung truy n d n), b i vì c tín hi u ả ẫ truy n d n l n t p âm c a các photodiode trong các tr ề ng h p khi truy n ườ ủ bit “1” và khi truy n bit “0” là hoàn toàn khác nhau. ẫ ẫ ạ ề

s tín hi u trên t p âm đ c xác đ nh: Đ i v i truy n d n s , t ề ẫ ố ỷ ố ố ớ ệ ạ ượ ị

)

S N

Q )

t (

=(cid:247) 1

tU ( QT 1 p 1

- (cid:246) (cid:230) (cid:231) ł Ł (cid:229) (3- 88)

)

S N

tUU ( QT t ( )

=(cid:247) 0

- (cid:246) (cid:230) (cid:231) ł Ł (cid:229) (3- 89)

Trong đó: UQ là ng ng c a b quy t đ nh, ưỡ ủ ộ ế ị

Q ˛

[nT, nT+Td] tQ là th i đi m quy t đ nh, t ờ ế ị ể

ệ ạ ệ ủ i th i đi m quy t đ nh a ế ị ể ờ

U1T(tQ), U0T(tQ) là đi n áp tín hi u t tín hi u khi truy n bit “1” và khi truy n bit “0”. ề ề ệ

ờ ạ ổ ị ễ ế

ề

ng ng là t ạ ứ ươ

ấ là công su t nhi u t ng ể t i th i đi m quy t đ nh khi truy n bit “1” và khi ề truy n bit “0”. s tín hi u trên t p âm c a ủ ệ ỷ ố ứ s tín hi u trên t p âm c a các ỷ ố ệ ủ ạ ề

Các công th c (3-88) và (3-89) t photodiode khi truy n bit “1” và t photodiode khi truy n bit “0”. ề

1 = (S/N)0 đi n áp ng

S là t

ng h p (S/N) ng U ệ ưỡ ố ư ệ i u. Khi đó, đi n

)

Trong tr áp ng ườ ng đ ợ c xác đ nh theo công th c: ưỡ ượ ứ ị

p 0

tUt ( ( QT 1 Q

tUt ( ( QT Q 0

p 1

opt

t (

)

(

)

p 1

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

(cid:229) (cid:229) - (3- 90) (cid:229) (cid:229)

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 53 -

T s tín hi u trên nhi u trong tr ng t i u là: ỷ ố ễ ệ ườ ng h p ng ợ ưỡ ố ư

)

S N

tU ( QT 1 t (

)

t (

)

opt

p 0

tU ( 0 QT p 1

- (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (3- 91) ł Ł (cid:229) (cid:229)

3.7.3.1. T c đ tín hi u truy n d n th p ệ ố ộ ề ấ ẫ

ớ ệ ệ ệ

i có t c đ bit/s th p thì đi n áp tín hi u và đi n áp ấ ề i th i đi m quy t đ nh c a tín hi u khi truy n bit “1” và khi truy n ệ ộ ủ ề ể

Khi lu ng ánh sáng t ồ nhi u t ễ ạ bit “0” đ ố ế ị ờ c xác đ nh theo các công th c: ượ ứ ị

UT1(tQ) = a1(PT0 + PT) (3-92)

UT0(tQ) = a1PT0 (3-93)

( t

)

p 1

( Pb T

P T

(3-94) (cid:229)

( t

)

p 0

Pb T

(3-95) (cid:229)

Trong đó:

a1 = M HP (3-96)

b, c: đ c xác đ nh các công th c (3-81) và (3-82). ượ ị ở ứ

Khi đó, t c xác đ nh theo công ỷ ố s tín hi u trên nhi u c a photodiode đ ễ ủ ệ ượ ị

th c:ứ

S N

++ c

)

bP T

P T

Pa 1 T ( 0 Pb

(3-97)

N u ký hi u ệ ế

P T +

P 0

P T

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

(3-98)

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 54 -

ệ ố ề ề ạ

Pa 1 T

ỷ ố c bi u di n d s tín hi u trên t p âm ệ i d ng: g i là h s đi u ch hay đ sâu đi u ch , thì t ọ ế c a photodiode theo công th c (3-97) s đ ủ ế ẽ ượ ễ ướ ạ ộ ứ ể

S N

++ c

P T

1 m

(3- 99) (cid:246) (cid:230) - (cid:247) (cid:231) ł Ł

(

Hay:

S N

) 1

Pa 1 T ++ c

P T

e Pb T

- (3- 100)

Trong đó,

1=e m

(3- 101)

Theo lý thuy t truy n d n tín hi u s , BER đ c xác đ nh theo công th c: ệ ố ế ề ẫ ượ ứ ị

BER

erf

1 2

N 2

ø Ø (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) œ Œ - (cid:247) (cid:231) œ Œ (3- 102) (cid:247) (cid:231) ł Ł ß º

3.7.3.2. T c đ tín hi u truy n d n cao ố ộ ề ệ ẫ

Khi lu ng ánh sáng t ệ ệ

ộ ả ớ ố ỗ ỉ

ứ ệ ề ẫ

ệ ệ ệ ủ ủ ệ ệ ướ ề ệ ẫ

ủ i t c đ bit/s cao thì đi n áp tín hi u ra c a ồ Photodiode trong m i kho ng [nT, (n+1)T] không ch có đi n áp tín hi u ra c a xung tín hi u truy n d n th n, mà còn có đi n áp tín hi u ra c a các xung tín hi u truy n d n tr ứ c xung tín hi u th n do quá trình quá đ gây ra. ộ

c đi n áp tín hi u t ứ ượ

ờ i th i i bi n đ i nhanh khi ừ ể ậ ồ ủ ệ ạ ổ ế ớ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

T các công th c (3-36), (3-40), ta nh n đ ệ đi m quy t đ nh c a Photodiode khi lu ng ánh sáng t ế ị truy n bit “1” ( ng v i b ớ n = 1) theo công th c:ứ ứ ề

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 55 -

(

)

(

)

T dg

]

(

)

[ 1

) 1

tU ( 1 T

P 0

P T

eb i

- (cid:246) (cid:230) - - - - - - - - - (cid:247) (cid:231) (cid:229) - ł Ł

(88 ) (3-103)

khi truy n bit “0” ( ng v i b ớ n = 0) theo công th c:ứ ứ ề

(

)

T dg

(

)

) 1

tU ( 0 T

P 0

P T

eb i

- (cid:246) (cid:230) - - - - - (cid:247) (cid:231) (3-104) (cid:229) - ł Ł

ễ ạ i th i đi m quy t đ nh c a Photodiode khi truy n bit ủ ế ị ề ờ

Còn đi n áp nhi u t “1” đ c xác đ nh theo công th c: ệ ượ ị ể ứ

w 2

(

)

w 2

(

)

T dg

- (cid:246) (cid:230) - - - - - -

]

(

+(cid:247)

- - - (cid:231)

[ 1

( t

)

) 1

p 1

Pb 1 0

P T

eb i

(cid:229) - (cid:229) ł Ł

(3-105)

c xác đ nh theo công th c: và khi truy n bit “0” đ ề ượ ứ ị

w 2

(

)

T dg

(

+(cid:247)

( t

)

) 1

Pb 1 0

P T

eb i

- (cid:246) (cid:230) - - - - - (cid:231) (cid:229) - (cid:229) ł Ł

(3-106)

Trong đó: b1, c đ c xác đ nh các công th c (3-55) và (3-82). ượ ị ở ứ

‚ ộ ố ế ổ

(3-106) và sau m t s bi n đ i toán s tín hi u trên nhi u c a Photodiode theo công th c: T các công th c (3-94), (3-103) ứ ừ c t h c, ta nh n đ ậ ượ ỷ ố ọ ễ ủ ứ ệ

(

)

t nQg

]

[ 1

Pa 1 T

S N

- - - -

]

)

[ Pb 1 0

( tDP T

[ Pb 1 0

( tLP T

(3- 107) - - - -

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Trong đó:

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 56 -

w 2

(

)

]

tD (

[ -= 1)

tL (

)

- - - - - (3-108) - -

w 2

(

)

T dg

(

)

tL (

)(cid:229)

eb i

- - - - - - (3-109) -

ệ ộ ỷ ố ệ s tín hi u

ứ ế c bi u di n d i d ng: S d ng khái ni m đ sâu đi u ch - công th c (3-98), thì t ề trên t p âm c a photodiode s đ ẽ ượ ử ụ ạ ễ ướ ạ ủ ể

)

( t nQg

]

[ 1

Pa 1 T

S N

- - - -

+(cid:247) 1

( tD

)

+(cid:247) 1

( tL

)

+œ

Pb 1 T

1 m

ø Ø ø Ø (3- 110) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) - - - - (cid:231) (cid:231) - - Œ Œ ł Ł ł Ł ß º ß º

Hay:

)

( t nQg

]

[ 1

Pa 1 T

S N

- - - -

[

(

[

(

]

) 1

( tD

)

) 1

( tL

)

Pb 1 T

(3- 111) - - - - - -

Còn BER v n đ c xác đ nh theo công th c (3-102). ẫ ượ ứ ị

Nh n xét: ậ

t c đ bit cao (t ở ố ươ ứ ộ

Khi Photodiode ho t đ ng t ng ng v i t n s cao), thì ớ ầ ố ộ s tín hi u trên t p âm (hay BER) c a Photodiode không ch ph thu c ạ ộ ạ ỷ ố ủ ụ ệ ỉ

ủ ộ

ụ ộ

1, b1, c, w g) c a Photodiode, ph thu c vào thành T0, đ sâu đi u ch m; mà còn ph thu c vào chu kỳ T, ụ ề là ph thu c vào t c đ truy n d n c a ủ ố ượ c

ầ ờ ế ụ ẫ ộ

ề d càng nh và ng ỏ ộ ớ ẫ ố ộ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

vào các tham s c u trúc (a ố ấ ph n m t chi u P ề ộ ộ d , t cứ th i gian có xung T Photodiode (vì t c đ truy n d n càng l n thì T và T ề i). ạ l

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 57 -

ộ ề ầ ấ ớ ộ

ố ớ ữ ệ ế

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ề Khi t c đ truy n d n càng l n, thành ph n công su t ánh sáng m t chi u càng l n, đ sâu đi u ch càng nh (t c là biên đ tín hi u h u ích càng ỏ ứ nh ) thì t i. ộ s tín hi u trên t p âm càng nh và ng ỷ ố ộ c l ượ ạ ẫ ề ệ ạ ỏ ỏ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 58 -

ch

ng 4. mi n công tác c a các photodiode

ươ

ủ

ề

4.1 Các đi u ki n đ xác đ nh mi n công tác c a các Photodiode ủ ề ề ể ệ ị

ễ ệ ố ệ ố

ố ẫ ữ ế ị ấ

ng c a h th ng, đó là t ư ấ ả ộ ủ ệ ố

ặ ỷ ố ầ ẫ

ng truy n d n cho phép thì t ễ ề ệ ấ ẫ ề

ẫ

ả ớ ơ ẫ ố ầ ầ ề ầ

t c các h th ng vi n thông khác, trong h th ng thông tin Cũng nh t quang m t trong nh ng tham s truy n d n có tính ch t quy t đ nh ch t ấ ề ẫ l s tín hi u trên nhi u S/N (đ i v i truy n d n ề ố ớ ệ ượ analog) ho c xác su t sai l m bit (đ i v i truy n d n s ). Đ b o đ m ả ố ớ ể ả ố ễ ủ ệ ố s tín hi u trên nhi u c a h th ng ch t l ỷ ố ấ ượ h th ng thông tin quang (đ i v i truy n d n analog) c n ph i l n h n m t ộ ệ ố ề giá tr cho tr ả c ho c xác su t sai l m bit (đ i v i truy n d n s ) c n ph i ướ ị nh h n m t giá tr cho tr ộ ỏ ơ ố ớ ấ ố ớ c, các giá tr này đã đ ị c ITU-T khuy n ngh . ị ặ ị ướ ượ ế

ặ ẫ ễ ố ỷ ố

ẫ ề ề ệ ố

ầ ượ

ệ

ố ớ ả ơ ị

ướ ị ướ ề ẫ ộ

ặ ướ ệ ố

ỷ ố ộ ỏ ơ ợ ố ớ ễ ệ ẫ ơ

ớ ẫ ố ề ố ớ ỷ ố ướ ề ầ ấ

Tham s t s tín hi u trên nhi u (đ i v i truy n d n analog) ho c xác ố ớ ệ su t sai l m bit (đ i v i truy n d n s ) c a h th ng h th ng thông tin ố ủ ố ớ ệ ố ấ phát quang, thu quang và s i quang đ ợ c xác đ nh thông qua các ph n t ầ ử ị ễ ủ ệ ố s tín hi u trên nhi u c a h th ng quang trong h th ng. Đ b o đ m t ể ả ệ ố c ho c xác su t sai (đ i v i truy n d n analog) l n h n m t giá tr cho tr ề ấ ớ ẫ l m bit (đ i v i truy n d n s ) nh h n m t giá tr cho tr ế c h t c, tr ố ố ớ ầ ả phát quang, thu quang và s i quang trong h th ng cũng ph i các ph n t ầ ử s tín hi u trên nhi u (đ i v i truy n d n analog) l n h n m t b o đ m t ộ ả ả ỏ ơ c ho c xác su t sai l m bit (đ i v i truy n d n s ) nh h n giá tr cho tr ị m t giá tr cho tr ặ c. T c là: ứ ướ ộ ị

- Đ i v i truy n d n analog: ề ố ớ ẫ

S N

S cpN

(cid:246) (cid:230) ‡ (cid:247) (cid:231) (4-1) ł Ł

BER £

BER

- Đ i v i truy n d n s : ẫ ố ố ớ ề

(4-2)

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Trong đó:

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 59 -

S (cid:247) cpN

(cid:246) (cid:230) (cid:231) là giá tr t ị ỷ ố ề s tín hi u trên nhi u cho phép (đ i v i truy n ố ớ ệ ễ ł Ł

ả ấ ượ ng truy n d n cho phép ẫ ề

d n analog) đ b o đ m ch t l ẫ ể ả c a h th ng, ủ ệ ố

ề ấ

BERcp giá tr xác su t sai l m bit cho phép (đ i v i truy n d n s ) ẫ ố ố ớ ng truy n d n cho phép c a h th ng. ị đ b o đ m ch t l ả ể ả ầ ấ ượ ủ ệ ố ề ẫ

ị ớ ề ổ ủ ủ

ụ ề ề ệ ủ ệ ẫ

ạ ầ ệ ẫ

ẫ

ề ẫ ố ố ớ ỏ ơ ướ

Trong khuôn kh c a đ tài v i m c tiêu xác đ nh mi n công tác c a các ề Photodiode, chúng ta s xem xét đi u ki n c a tín hi u truy n d n (đi u ề ẽ i đ u vào các Photodiode ki n c a các tham s c a tín hi u truy n d n) t ệ ủ ề ố ủ s tín hi u trên nhi u c a Photodiode (đ i v i truy n d n analog) l n đ t ớ ố ớ ễ ủ ể ỷ ố ộ c ho c BER (đ i v i truy n d n s ) nh h n m t h n m t giá tr cho tr ề ặ ộ ơ giá tr cho tr ị ệ ị c. ướ

ặ ư

ị ộ ộ ướ ệ ể

ứ ầ ạ

ầ ế ộ ẽ ế ẽ ấ ủ

ị ệ ậ

ỹ

ng t ổ ợ ộ ượ ệ ạ

ưở ớ

ả ề

ệ ố ớ ả ố ớ ấ ề ả ẫ ầ ầ

M t khác, cũng nh các h th ng thông tin khác công su t tín hi u đ u vào ầ ấ ệ ố các b thu quang cũng c n ph i nh h n m giá tr cho tr c đ tránh quá ỏ ơ ả i cho b thu, t c là tr ng thái c a b thu quang không còn là tuy n tính t ộ ủ ả ỏ n a mà s là phi tuy n. Khi đó, tín hi u đ u ra c a photodiode s r t nh ệ ữ và b méo vì trong tín hi u ra có các thành ph n sóng hài b c cao và các ầ ấ h p. Ngoài ra, trong k thu t thông tin quang công su t thành ph n sóng t ầ ậ tín hi u đ u vào các b thu quang càng l n s t o ra t p âm l cũng ớ ẽ ạ ầ ử ủ ng đ n t s tín hi u trên nhi u c a càng l n, do đó làm nh h ễ ỷ ố ế Photodiode (đ i v i truy n d n analog) ho c BER (đ i v i truy n d n s ). ẫ ố ặ ề Do đó, công su t ánh sáng đ u cào b thu quang c n ph i tho mãn đi u ộ ki n:ệ

P T P T

max

£ - (4-3)

Nghiên c u v n đ này, chúng ta s xem xét hai tr ứ ẽ ề ấ ườ ẫ ng h p: truy n d n ề ợ

analog và truy n d n s . ẫ ố ề

ố ớ ẫ ề

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Đ i v i truy n d n analog, nh đã phân tích ư c xác đ nh theo các đi u ki n t Photodiode đ trên mi n công tác c a các ủ (4-1) và (4-3). T c là: ở ệ ừ ề ượ ề ị ứ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 60 -

S N

(cid:236) (cid:246) (cid:230) ‡ (cid:247) (cid:231) (cid:239) ł Ł (cid:237) (4-4)

S N P T

P T

max

(cid:239) £ - (cid:238)

c xác đ nh ố ớ ề ề ượ ị

Đ i v i truy n d n s , mi n công tác c a các Photodiode đ ủ ố ẫ (4-2) và (4-3). T c là: theo các đi u ki n t ệ ừ ứ ề

BER

‡ (cid:236)

P T

max

(cid:237) (4-5) £ - (cid:238)

Nh đã trình b y c xác ch ầ ở ươ ư ng III, trong truy n d n tín hi u s BER đ ẫ ệ ố ề ượ

đ nh theo công th c (3-99). Đi u đó có nghĩa là: xác su t sai l m bit BER và ị ứ ề ầ ấ

t s tín hi u trên nhi u S/N c a h th ng h th ng có quan h ch t ch ỷ ố ủ ệ ố ệ ố ệ ệ ễ ặ ẽ

s tín hi u trên nhi u S/N c a h th ng h th ng ta hoàn v i nhau. T t ớ ừ ỷ ố ủ ệ ố ệ ố ễ ệ

toàn xác đ nh đ ị ượ c xác su t sai l m bit BER và ng ầ ấ c l ượ ạ ề i. Do đó, mi n

công tác c a các Photodiode đ c xác đ nh theo các đi u ki n t (4-14) ủ ượ ệ ừ ề ị

cũng có th xác đ nh theo đi u ki n (4-4), t c là: ứ ệ ể ề ị

S N

(cid:236) (cid:246) (cid:230) ‡ (cid:247) (cid:231) (cid:239) ł Ł (cid:237) (4-6)

S N P T

P T

max

(cid:239) £ - (cid:238)

nh ng v i l u ý: t s tín hi u trên nhi u S/N trong đi u ki n này đ ớ ư ư ỷ ố ề ệ ệ ễ ượ c

h th ng s (xác đ nh theo công th c (3-107)) . xác đ nh ị ở ệ ố ứ ố ị

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Trên c s đó, ta s xác đ nh mi n công tác c a các Photodiode. ề ơ ở ủ ẽ ị

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 61 -

4.2. Mi n công tác c a các Photodiode trong truy n d n analog ủ ề ề ẫ

ề ẫ

ư ề ch ầ ở ươ s tín hi u trên nhi u c a Photodiode đ ễ ỷ ố ng III, trong truy n d n analog v i t n s tín hi u ệ ễ c bi u di n ớ ầ ố ượ ủ ể

các công th c (3-87) và (4-1) ta có: Nh đã trình b y truy n d n cao t ệ ẫ b i công th c (3-87). Do đó, t ở ứ ừ ứ

2 2 Pma 0 T

S N

Pb 1 0

w w

2 g

w w 2

(cid:246) (cid:230) ‡ (cid:247) (cid:231) (4-7) (cid:246) (cid:230) ø Ø ł Ł (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) ł Ł ß º ł Ł

t công ể ế ứ ớ ơ

Vì m u s c a v trái công th c (4-7) l n h n “0”, nên ta có th vi th c (4-7) d i d ng: ẫ ố ủ ế ướ ạ ứ

2 2 Pma T 0

Pb 1 0

w w

S N

2 g

w w 2

(cid:246) (cid:230) ø Ø (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ‡ - (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ł Ł (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) (4- 8) ł Ł ß º ł Ł

Ta có th vi i b t ph ng trình (4-8) d i d ng: t l ể ế ạ ấ ươ ướ ạ

ø Ø

œ Œ

2 2 Pma 0 T

b 1

P 0

w w

S N

2 g

w w 2

œ Œ (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ‡ - - (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ł Ł ł Ł ł Ł (cid:246) (cid:230) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ß º

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Ta có th bi u di n b t ph ng trình (4-9) d i d ng: ể ể ễ ấ ươ ướ ạ (4- 9)

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 62 -

2 PA T 0

PB 0

‡

(4- 10)

2maA =

Trong đó:

(4- 11)

ø Ø

œ Œ

b 1

w w

S N

2 g

w w 2

œ Œ (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ł Ł (cid:246) (cid:230) (4- 12) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ß º

w w

S cpN

2 g

(cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł ł Ł (4- 13)

ng trình (4-10) v i l u ý công su t ánh sáng không âm, ta ươ ớ ư ấ

Gi nh n đ i b t ph c: ả ấ ậ ượ

P 0

w w

S N

b 1 am

2 g

w w 2

ø Ø œ Œ œ Œ (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) œ Œ ‡ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ł Ł (cid:246) (cid:230) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (4- 14) œ Œ ł Ł ß º

w w

S N

b 1 am

c am

2 g

w w 2

(cid:252) (cid:236) ø Ø (cid:239) (cid:239) œ Œ (cid:239) (cid:239) œ Œ (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:239) (cid:239) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:253) (cid:237) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ł Ł (cid:239) (cid:239) ł Ł ł Ł (cid:246) (cid:230) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:239) (cid:239) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:239) (cid:239) ł Ł ß º (cid:254) (cid:238)

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Ta có th bi u di n công th c (4-14) d i d ng: ể ể ứ ễ ướ ạ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 63 -

(

)

(

)

(

)

m ,

P 0

S N

(cid:252) (cid:236) (cid:239) (cid:239) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) ‡ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (4-15) (cid:253) (cid:237) (cid:239) (cid:239) ł Ł ł Ł ł Ł (cid:254) (cid:238)

Trong đó ký hi u:ệ

(

)

m ,

w w

b 1 am

2 g

w w 2

ø Ø œ Œ œ Œ (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) œ Œ (4-16) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł (cid:246) (cid:230) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ß º

(

)

m ,

2 1

w w

c am

2 g

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (4-17) (cid:247) (cid:231) ł Ł

ừ ủ ứ ề ượ c

T các công th c (4-4) và (4-15), mi n công tác c a các Photodiode đ xác đ nh theo công th c: ứ ị

(

)

(

)

(

)

m ,

P 0

S N

P 0

max

(cid:236) (cid:252) (cid:236) (cid:239) (cid:239) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:239) ‡ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:253) (cid:237) (cid:239) (cid:239) (cid:239) ł Ł ł Ł ł Ł (cid:254) (cid:238) (cid:237) (4- 18) (cid:239) (cid:239) £ - (cid:238)

Nh n xét: ậ Khi truy n d n tín hi u v i t n s cao, mi n công tác c a các ớ ầ ố ủ ệ ề ề ẫ

g) c aủ

1, c, w /2p

ố ấ ụ ỉ

. Photodiode không ch ph thu c vào các tham s c u trúc (a, b ộ ầ ố w Photodiode, đ sâu đi u ch m; mà còn ph thu c vào t n s f= ụ ề ế ộ ộ

4.3. Mi n công tác c a các Photodiode trong truy n d n s ẫ ố ủ ề ề

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

T các công th c (4-4) và (3-107), ta nh n đ c: ậ ượ ừ ứ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 64 -

)

( t Qg

]

[ 1

Pa 1 T

S N

]

)

[ Pb 1 0

( tDP T

[ Pb 1 0

( tLP T

- - - (cid:246) (cid:230) ‡ (cid:247) (cid:231) ł Ł - -

(4- 19) c xác đ nh b i các công th c (3-108) và ượ ứ ở ị

Trong đó, D(tQ-nT), L(tQ-nT) đ (3-109).

ử ụ ộ ố ế ứ ứ ổ ọ

S d ng công th c (3-98) và sau m t s bi n đ i toán h c, công th c (4- 19) s tr thành: ẽ ở

)

( t Qg

]

[ 1

Pa 1 T

S N

+(cid:247) 1

( tD

)

+(cid:247) 1

( tL

)

+œ

Pb 1 T

1 m

- - - (cid:246) (cid:230) ‡ (cid:247) (cid:231) ł Ł ø Ø ø Ø (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (4- 20) - - - - (cid:231) (cid:231) Œ Œ ł Ł ł Ł ß º ß º

S d ng công th c (3-101), công th c (4-20) s tr thành: ẽ ở ử ụ ứ ứ

)

( t Qg

]

[ 1

Pa 1 T

S N

[

(

]

[

(

) 1

( tD

)

) 1

( tL

)

Pb 1 T

- - - (cid:246) (cid:230) ‡ (cid:247) (cid:231) ł Ł (4- 21) - - - -

Đ t:ặ

(

)

]

[ exp

a 1

t Qg

[

(

(cid:252) (cid:236) - - - (cid:253) (cid:237) (cid:254) (cid:238)

) 1

tD (

])

* b 1

b 1

- -

[

(

(4- 22)

) 1

tL (

])

* b 2

b 1

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

- -

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 65 -

Khi đó, công th c (4-21) tr thành: ứ ở

Pa T

S N

* (cid:246) (cid:230) ‡ (cid:247) (cid:231) ł Ł

* Pb 1 T

* Pb 2 T

(4- 23)

Gi i b t ph ng trình (4-23) (xem ph l c 1), ta nh n đ c: ả ấ ươ ậ ượ ụ ụ

S N

P T

* b 1

* b 2

* * bb 1 2

a S N

(cid:252) (cid:236) ø Ø ø Ø (cid:246) (cid:230) (cid:239) (cid:239) (cid:247) (cid:231) œ Œ œ Œ (cid:239) (cid:239) ł Ł œ Œ œ Œ ‡ (cid:253) (cid:237) (4-24) œ Œ œ Œ (cid:246) (cid:230) (cid:239) (cid:239) (cid:247) (cid:231) œ Œ œ Œ (cid:239) (cid:239) ł Ł ß º ß º (cid:254) (cid:238)

ừ ủ ứ ề ượ c

T các công th c (4-4) và (4-24), mi n công tác c a các Photodiode đ xác đ nh theo công th c: ứ ị

S N

P T

* b 1

* b 2

* * bb 2 1

a S N

(cid:236) (cid:252) (cid:236) ø Ø ø Ø (cid:246) (cid:230) (cid:239) (cid:239) (cid:239) (cid:247) (cid:231) œ Œ œ Œ (cid:239) (cid:239) (cid:239) ł Ł œ Œ œ Œ ‡ (cid:239) (cid:253) (cid:237) (cid:239) œ Œ œ Œ (cid:246) (cid:230) (cid:239) (cid:239) (cid:237) (cid:247) (cid:231) (4-25) œ Œ œ Œ (cid:239) (cid:239) ł Ł (cid:239) ß º ß º (cid:254) (cid:238) (cid:239)

P T

max

(cid:239) £ (cid:239) - (cid:238)

*, b2

* và c đ

Trong đó, a*, b1 c xác đ nh công th c (4-22) và (3-82). ượ ị ở ứ

Khi Photodiode ho t đ ng t c đ bit cao (t ậ ở ố ươ ứ ộ

Nh n xét: s cao), thì t ố ớ ầ ng ng v i t n ỉ s tín hi u trên t p âm (hay BER) c a Photodiode không ch ạ ộ ạ ỷ ố ủ ệ

ộ ụ ủ

1, b1, c, w ề

ộ ụ ế

ụ ộ ố

ộ g) c a Photodiode, ph thu c ụ T0, đ sâu đi u ch m; mà còn ph thu c vào ộ ộ ẫ d, t cứ là ph thu c vào t c đ truy n d n ề ộ d càng nh vàỏ ề ẫ ố ộ ớ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ph thu c vào các tham s c u trúc (a ố ấ vào thành ph n m t chi u P ề ầ chu kỳ T và th i gian có xung T ờ c a Photodiode (vì t c đ truy n d n càng l n thì T và T ủ ng i). c l ượ ạ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 66 -

4.4. Ví d tính toán mi n công tác c a các Photodiode ủ ụ ề

4.4.1. Mi n công tác c a các Photodiode trong truy n d n analog ề ẫ ủ ề

Mô hình c u trúc b thu quang trong truy n d n analog ề ấ ẫ ộ

ị ể ủ ề ắ

Đ xác đ nh mi n công tác c a các Photodiode, ta càn g n các Photodiode này vào trong các c u trúc b thu quang c th . ụ ể ấ ộ

ỹ ộ ộ ơ ả ủ ấ

Trong k thu t thông tin quang, c u trúc c b n c a m t b thu quang trong truy n d n analog bao g m: ậ ẫ ề ồ

- Photodiode (APD/PIN- Photodiode)

- B ti n khu ch đ i và m t ho c nhi u b khu ch đ i đi n áp, ặ ộ ề ệ ề ế ế ạ ạ ộ ộ

- B l c thông th p. ộ ọ ấ

ộ ộ ơ ả ủ ề ẫ

Mô hình c u trúc c b n c a m t b thu quang trong truy n d n analog đ hình 4.1. ấ c ch ra ỉ ượ ở

(t T (t T (t T (t r u ) p ) i ) u ) O E

(jw L(jw ) K(jw ) H )

Hình 4.1. Mô hình c u trúc c b n m t b thu quang trong truy n d n analog ộ ộ ơ ả ề ấ ẫ

) : Hàm truy n d n c a Photodiode (APD/PIN- Photodiode), ẫ ủ ề

Trong đó: HP(jw K(jw ) ủ ề ế ẫ ạ ộ

ặ : Hàm truy n d n c a b ti n khu ch đ i và m t ho c ộ ề nhi u b khu ch đ i đi n áp, ế ệ ề ạ ộ

) : Hàm truy n d n c a b l c thông th p. ẫ ủ ộ ọ ề ấ

ệ

ủ ộ ế ạ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

L(jw pT(t) iT(t) uT(t) ur(t) : Tín hi u ánh sáng t i photodiode, ớ : Dòng tín hi u ra c a photodiode, ủ : Đi n áp tín hi u ra c a b khu ch đ i, ệ : Đi n áp tín hi u ra sau b l c. ệ ộ ọ ệ ệ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 67 -

ề ề ị

M c tiêu c a đ tài là xác đ nh mi n công tác c a các Photodiode, nên ta gi t b thu quang analog g m các ph n t ủ sau: ủ ế ộ ụ thi ả ầ ử ồ

* Photodiode Ge-APD v i các tham s : ố ớ

M = 50; IT = 80nA; Ir = 0;

-1 ,

(4- 26) GC = 1 W CC = 2 pF ; t LA= 5ps

* ạ B ti n khu ch đ i và b khu ch đ i đi n áp v i hàm truy n đ t ế ệ ề ạ ạ ớ ộ

ộ ề lý t ế ng: ưở

K(jw ) =1,

GK » 0, CK = 3 pF (4- 27)

* B l c v i hàm truy n đ t lý l ng trong băng thông công tác: ộ ọ ớ ề ạ ưở

L(jw ) =1 (4- 28)

Đ ng th i, gi thi t: ồ ờ ả ế

* Đ sâu đi u ch : m = 0,7 ề ế ộ

ng t = 0,7 * Hi u su t l ệ ấ ượ ử h : (4- 29)

l * B c sóng ánh sáng: = 1,5 m m ướ

oK.

* Nhi t đ công tác: T = 300 ệ ộ

thi t trên và s d ng công th c (1-2), ta nh n đ ả ử ụ ứ ậ ượ ệ ố ế c h s bi n

V i các gi ớ đ i quang - đi n c a photodiode là: ổ ế ệ ủ

HT = 0,85 A/W. (4-30)

i c a photodiode chính là ủ ộ ấ ở ả ủ

T c u trúc c a b thu quang, ta th y tr kháng t tr kháng vào c a b khu ch đ i. Do đó, ta có: ừ ấ ở ủ ộ ế ạ

GT-APD = GK » 0,

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

(4- 31)

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 68 -

CT-APD = CK = 3 pF.

t (4-26), ta nh n đ thi c ế ả ậ ặ ượ h ng s th i gian đ c ố ờ ằ

T công th c (3-4) và gi ứ tr ng cho s bi n đ i quang-đi n c a APD: ự ế ệ ủ ừ ư ổ

t RC = 5 ps. (4-32)

ừ v i l u ý đ i v i photodiode Ge-APD thì ớ ư

c ằ t LA =5ps, ượ h ng s th i gian c a APD trong quá trình bi n đ i quang- ổ ố ớ ủ ố ờ ế

T công th c (4-32) và ứ ta xác đ nh đ ị đi n là: ệ

t APD = t RC + t LA = 10 ps. (4-33)

c t n s góc gi ứ ị ượ ầ ố ớ ạ ủ i h n c a

T các công th c (3-10) và (4-33), ta xác đ nh đ ừ APD:

g-APD = 1011 .

w (4-34)

g và theo công th c (3-45), ta

‚ t băng t n c a b thu quang t 0 w ừ ứ ế

c băng t n t p âm c a b thu quang là: thi Gi ả nh n đ ậ ượ ầ ủ ộ ầ ạ ủ ộ

707

RB =

g p 2

(4-35)

‚ (4-26) ị ừ (4-35) vào các công th c (3-55), (3-80) và (3-82) ứ

Thay các giá tr t ta nh n đ c: ậ ượ

(4-36) a = 9,3 . 102 ,

(4-37) b1 = 0,68 . 10-5 ,

(4-38) c = 13,97 . 10-10 .

‚ Thay các giá tr t (4-38) vào các công th c (4-16) và (4-17) ị ừ ứ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ta nh n đ c các giá tr ) và b (m,w ậ ượ ) theo các công th c:ứ (4-34), (4-36) ị a (m,w

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 69 -

7,0

(

)

10.6,9

1 4

ø Ø œ Œ ø Ø œ Œ (cid:246) (cid:230) - (cid:247) (cid:231) œ Œ (4-39) œ Œ ł Ł œ Œ ß º (cid:246) (cid:230) œ Œ (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ß º

(

)

10.06,3

ø Ø (cid:246) (cid:230) - (cid:247) (cid:231) œ Œ (4-40) ł Ł œ Œ ß º

ề ứ ủ ẽ ố

s tín hi u trên nhi u và đ c xác đ nh theo công th c: Khi đó, mi n công tác c a các Photodiode theo công th c (4-6) s là hàm s c a t n s và t ủ ầ ố ỷ ố ượ ứ ễ ệ ị

(

)

(

)

(

)

P 0

S N

P 0

max

Trong đó, a (w ) và b (w ) đ c xác đ nh các công th c (4-39) và (4-40). ượ ị ở ứ

ng h p này đ ủ ườ ợ ượ ễ c bi u di n ể

Và mi n công tác c a các Photodiode trong tr ề trên hình 4.2.

T hình 4.2, ta có nh n xét: ừ ậ

ộ ạ ư ầ

ạ ộ ủ ạ

ố ấ ở ầ ố ủ ề ầ ố ệ ủ ộ ầ ố ấ ầ ụ ệ ộ

V i mi n t n s th p, đ nh y thu c a photodiode g n nh không thay ề ầ ớ ổ mi n t n s cao, đ nh y thu c a photodiode thay đ i đ i. Khi ho t đ ng ổ ph thu c vào t n s c a tín hi u, t n s tín hi u tăng, công su t đ u vào c a photodiode cũng tăng theo. ủ

ạ ộ ụ ủ ệ ộ

ỉ ố ử ụ ố ớ ệ ố ụ ầ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Ngoài ra, ho t đ ng c a photodiode cũng ph thu c vào t s tín hi u trên t p âm (S/N) yêu c u đ i v i h th ng. Trong ví d này s d ng tính toán ạ ố ớ v i các yêu c u S/N khác nhau và cho ra các đ c tuy n khác nhau đ i v i ớ ế ầ ặ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 70 -

ủ ng h p. Khi yêu c u v S/N tăng lên thì công su t đ u vào c a ấ ầ ề ầ ợ ỗ ườ

m i tr photodiode cũng tăng lên

ợ ể

r t quan tr ng khi ho t đ ng ế ạ ộ ộ ế ố ấ

ệ ố ụ

ạ ộ ệ ữ ệ ề

t n s cao các tham s ớ ệ ố

ạ ộ ở ầ ố ậ ầ ố ạ ế

1.00E+03

S/N=500

S/N=1000

S/N=2000

S/N=5000

1.00E+02

1.00E+01

1.00E+00

)

1.00E-01

(

u s

g n ô C

o à v ầu

đ ất 1.00E-02

1.00E-03

1.00E-04

1.00E-01

1.00E+01

1.00E+03

1.00E+05

1.00E+07

1.00E+09

1.00E+11

1.00E+13

1.00E+15

tần số góc (w )

Vi c xác đ nh đi m ho t đ ng phù h p cho h th ng d a vào các đ ệ ố ị ệ đ c tuy n là m t y u t ạ ộ ọ ặ V i các h th ng ho t đ ng ộ ạ ở ầ ố ấ ớ nhi u vào t n s tín hi u nên vi c xác đ nh đi m ho t đ ng không gi ầ ố ể ị trò quan tr ng, tuy nhiên v i h th ng ho t đ ng ạ ộ ọ đ nh y thu và t n s l i liên quan đ n nhau m t cách m t thi ộ gi m t c đ tín hi u h th ng s ph i tr giá b ng công su t và ng ẽ ả ườ ng ự mi n t n s cao. ề ầ ố ở ộ t n s th p, đ nh y thu không ph thu c vai ố t. Vi c tăng ệ ượ ạ i. c l ạ ố ộ ế ả ả ệ ố ộ ằ ệ ấ

Hình 4.2. Mi n công tác c a Photodiode trong truy n d n analog ủ ề ề ẫ

4.4.2. Mi n công tác c a các Photodiode trong truy n d n s ề ẫ ố ủ ề

Mô hình c u trúc b thu quang trong truy n d n s ẫ ố ề ấ ộ

ỹ ộ ộ ơ ả ủ ấ

Trong k thu t thông tin quang, c u trúc c b n c a m t b thu quang ậ trong truy n d n s bao g m: ẫ ố ề ồ

- Photodiode (APD/PIN- Photodiode)

- B ti n khu ch đ i và m t ho c nhi u b khu ch đ i đi n áp, ặ ộ ề ế ề ế ệ ạ ạ ộ ộ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

- B l c thông th p, ộ ọ ấ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 71 -

- B quy t đ nh. ế ị ộ

ơ ả ủ ề ẫ ố ượ c

ấ hình 4.3. Mô hình c u trúc c b n c a m t b thu quang trong truy n d n s đ ộ ộ ch ra ỉ ở

(t T (t T (t r

p ) u ) u ) i ( T t)

K(jw ) O E (jw

H P ) L(jw ) ộ ộ ề ấ

Hình 4.3. Mô hình c u trúc c b n c a m t b thu quang trong truy n d n ẫ ơ ả ủ số

Trong đó:

HP(jw ) : Hàm truy n d n c a Photodiode (APD/PIN- Photodiode), ẫ ủ ề

K(jw ề ) : Hàm truy n d n c a b ti n khu ch đ i và m t ho c nhi u ề ế ạ ặ ộ

b khu ch đ i đi n áp, ộ ế ẫ ủ ộ ề ạ ệ

L(jw ) : Hàm truy n d n c a b l c thông th p. ẫ ủ ộ ọ ề ấ

pT(t) : Tín hi u ánh sáng t i photodiode, ệ ớ

iT(t) : Dòng tín hi u ra c a photodiode, ệ ủ

uT(t) : Đi n áp tín hi u ra c a b khu ch đ i, ệ ủ ộ ế ệ ạ

ur(t) : Đi n áp tín hi u ra sau b l c và t ộ ọ ệ ệ ạ ầ i đ u vào b quy t đ nh. ộ ế ị

ng t ư ự ủ ề ề ẫ ớ

t b thu quang s nh trong truy n d n analog, v i m c tiêu c a đ tài là xác ố ụ thi ả ế ộ ủ

sau: Cũng t ươ đ nh mi n công tác c a các Photodiode, nên ta gi ị ề g m các ph n t ồ ầ ử

* (4-26) Photodiode Ge-APD v i các tham s xác đ nh ớ ố ị ở

* B ti n khu ch đ i và b khu ch đ i đi n áp v i hàm truy n đ t và ộ ề ề ế ệ ế ạ ạ ớ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ộ (4-27) các tham s xác đ nh ố ở ạ ị

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 72 -

* B l c v i hàm truy n đ t lý l ng trong băng thông công tác xác ề ạ ưở

ớ (4-28). ộ ọ đ nh ở ị

l thi t hi u su t l ng t c sóng ánh sáng ả

, b Còn đ sâu đi u ch ta gi t đ công tác xác đ nh ử h ấ ượ ệ công th c (4-29). ứ ở ế ị ướ ộ và ả ế ề

Đ ng th i, cũng gi ờ ồ nhi ệ ộ t: ế thi

m = 0,99 . (4-42)

Và do đó, theo (3-101) e có giá tr : ị

e = 1,01. (4-43)

V i các gi thi t trên, ta nh n cũng nh n đ ớ ả ế ậ ượ ệ ố ế ệ c h s bi n đ i quang - đi n ổ ậ

T theo công th c (4-30),

w i h n c a APD t n s góc gi ầ ố ớ ạ ủ

g- R theo công 1 , c theo các công th c (4-36), (4-37) và (4-38).

c a photodiode H ứ ủ APD theo công th c ứ (4-34), băng t n t p âm c a b thu quang B ầ ạ th c (4-35) và các giá tr a, b ủ ộ ứ ứ ị

Theo (3-96) và (4-30), ta nh n đ c: ậ ượ

a1 = 42,5. (4-44)

‚ (4-38), (4-44) vào các công th c (4-22) ta ứ

* theo các công th c:ứ

Thay các giá tr t nh n đ ị ừ c các giá tr a ậ ượ ị

(

)

]

5,42

(cid:252) (cid:236) - - - (cid:253) (cid:237) (4-34), (4-36) * và b2 *, b1 [ exp (4-45) - (cid:254) (cid:238)

[

10.68,0

01,0

tD (

* b 1

- - - (4-46)

[

nT ]) nT ])

10.68,0

01,0

tL (

* b 2

- - - (4-47)

Trong đó:

]

tD (

)

[ xpe1

10.2

t (

)

tL (

)

(cid:252) (cid:236) - - - - - (cid:253) (cid:237) - - - (4-48) (cid:254) (cid:238)

[

(

]

)

(

)

tL (

)

exp

10.2

] 1

[ exp

10.2

T d

b i

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

- - - - (cid:229) - - (4-49)

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 73 -

* và c đ

*, b2

ị

c xác đ nh theo công công th c (4-45),(4- ượ ẫ c xác đ nh ở ượ ứ ị ứ

Khi đó, mi n công tác c a các Photodiode v n đ ủ ề *, b1 th c (4-25), nh ng a ư 46),(4-47) và (4-38).

ọ ế ủ ố

ủ ề ỉ

ố ủ ể ố ủ ế ị ờ

ỗ N u g i f =1/T là t n s xung (t c đ bit), trong đó T là chu kỳ c a chu i ầ ố ộ ố ấ xung, thì mi n xác đ nh c a APD không ch là hàm s c a các tham s c u ị cp và tQ (th i đi m quy t đ nh khôi trúc c a APD mà còn là hàm s c a (S/N) ủ ph c tín hi u). ụ ệ

gi a kho n th i gian có xung (t c là t ủ ằ ở ữ ứ ờ

ớ

ề ị

*, b1

Q = 0,5 Td ) Khi tQ c a các xung n m ả và Td = 0,5 T và xét nhóm 4 xung v i bớ i=1 (truy n bit “1”) v i i = 0, 1, 2, 3 c xác đ nh theo công th c (4-25). thì mi n xác đ nh c a APD v n đ ượ ị ề Nh ng các đ i l ạ ượ

ẫ * đ * và b2 ủ ng a ứ c xác đ nh theo các công th c: ứ ượ ư ị

15,42

exp

25,0 F

(cid:252) (cid:236) ø Ø - - (cid:253) (cid:237) (4-50) œ Œ ß º (cid:254) (cid:238)

[

10.68,0

01,0

tD (

* b 1

- - - (4-51)

[

10.68,0

01,0

tL (

])3 T ])3 T

* b 2

- - - (4-52)

Trong đó:

tD (

T )3

xpe1

tL (

T )3

5,0 F

(cid:252) (cid:236) ø Ø - - - - (cid:253) (cid:237) (4-53) - - œ Œ ß º (cid:254) (cid:238)

(

( tL

)3 T

exp

25,3

)œ

1 F

2 F

ø Ø ø Ø (cid:246) (cid:230) - - - (cid:247) (cid:231) (cid:229) (4-54) - œ Œ Œ ß º ł Ł ß º

ệ

Trong các công th c trên ta ký hi u: ứ 10- (4-55)

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

g i là t n s xung chu n hoá (t c đ bit chu n hoá). ọ ố ộ ầ ố ẩ ẩ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 74 -

ề ề

c xác đ nh theo công th c (4-25). Trong đó, các đ i l ứ ị

Khi tQ-n = Td và Td = 0,5 T và n=1, bi=1 (truy n bit “1”), thì mi n xác đ nh ị ạ ượ ng c a APD v n đ ủ * và b2 a*, b1 c xác đ nh theo các công th c: ẫ ượ * đ ượ ứ ị

15,42

exp

5,0 F

(cid:252) (cid:236) ø Ø - - (cid:253) (cid:237) (4-56) œ Œ ß º (cid:254) (cid:238)

[

10.68,0

01,0

tD (

* b 1

- - - (4-57)

[

10.68,0

01,0

tL (

])3 T ])3 T

* b 2

- - - (4-58)

Q-3-3T) và L(tQ-3-3T) đ

ng D(t c xác đ nh theo các ạ ượ ượ ị

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Trong đó, các đ i l công th c:ứ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 75 -

tD (

T )3

xpe1

tL (

T )3

1 F

(cid:252) (cid:236) ø Ø - - - - (cid:253) (cid:237) (4-59) - - œ Œ ß º (cid:254) (cid:238)

(

( tL

)3 T

exp

5,3

)œ

1 F

2 F

1.E+01

S/N=20

S/N=30

S/N=50

S/N=40

1.E+00

1.E-01

u s

1.E-02

g n ô C

o à v ầu

đ ất

1.E-03

1.E-04

1.0E+08

1.0E+09

1.0E+10

1.0E+11

1.0E+12

1.0E+13

Tần số (f)

ø Ø ø Ø (cid:246) (cid:230) - - - (cid:247) (cid:231) (cid:229) (4-60) - œ Œ Œ ß º ł Ł ß º

Hình 4.4. Mi n công tác c a Photodiode trong truy n d n Digital ủ ề ề ẫ

ng h p này đ ề ườ ợ ượ ể c bi u

Khi đó, mi n công tác c a các Photodiode trong tr ủ di n trên hình 4.4. ễ

T hình 4.4, ta có nh n xét: ừ ậ

ề ầ ố ấ ạ

ớ ư ộ ề ầ ạ

ố ộ ạ ộ ộ ộ ầ ố ầ ố ủ ố ệ ụ ệ

V i mi n t n s th p hay t c đ bít th p, đ nh y thu c a photodiode g n ầ ủ ấ ủ nh không thay đ i. Khi ho t đ ng mi n t n s cao, đ nh y thu c a ở ổ photodiode thay đ i ph thu c vào t n s c a tín hi u, t n s tín hi u càng ổ tăng, công su t đ u vào c a photodiode cũng tăng theo. ấ ầ ủ

ạ ộ

l ạ ộ ng ng v i t l ứ ỉ ố ệ ố ớ ệ ố ủ ớ ỉ ệ ỗ ầ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Ho t đ ng c a photodiode cũng ph thu c vào t s tín hi u trên t p âm ụ i bít (S/N, BER) yêu c u đ i v i h th ng. Trong ví t ươ ặ d này s d ng tính toán v i các yêu c u S/N khác nhau và cho ra các đ c ụ ử ụ ầ ớ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 76 -

ng h p. Khi yêu c u v S/N tăng lên thì ế ỗ ườ ợ ề ầ

tuy n khác nhau đ i v i m i tr công su t đ u vào c a photodiode cũng tăng lên ố ớ ủ ấ ầ

ợ ể ạ ộ ệ ố

r t quan tr ng khi photodiode ho t đ ng ở ố

ế ớ ự ạ ộ ạ ộ

ề ộ ấ ị ệ ộ

ạ ộ ệ ộ vai trò quan tr ng, tuy nhiên v i h th ng ho t đ ng ữ ể ạ ộ

ớ ệ ố i liên quan đ n nhau m t cách m t thi ố ộ ậ

ầ ố ạ ệ ở ố ộ ằ ế ả ả ố ộ ệ ố ẽ ả ấ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ng ườ Vi c xác đ nh đi m ho t đ ng phù h p cho h th ng d a vào các đ ị ệ ộ t c đ đ c tuy n là m t y u t ọ ặ ộ ế ố ấ ụ cao. V i các h th ng ho t đ ng t c đ th p, đ nh y thu không ph ệ ố ở ố thu c nhi u vào t c đ tín hi u nên vi c xác đ nh đi m ho t đ ng không ạ ộ ố t c đ cao, các gi ộ ọ ế tham s đ nh y thu và t n s l t. ạ Vi c tăng gi m t c đ tín hi u h th ng s ph i tr giá b ng công su t và ng i. ệ c l ượ ạ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 77 -

K t lu n và ki n ngh ị

ế

ậ

1. K t lu n ế ậ

ề ệ ầ ộ

ế

ữ

ẫ ệ ủ ủ ủ ố ủ ầ ố ề ố ộ

ệ ố ủ ề

ế ổ ộ ố ổ ộ ổ ặ ế ầ ế ẫ ưở ề ẫ ủ ế

Khi truy n d n tín hi u có t c đ cao hay băng t n r ng, thì quá trình ố ộ bi n đ i quang-đi n c a các Photodiode (PIN-Photodiode, APD) không tuân theo đ c tuy n tĩnh c a nó n a, mà là hàm s c a t n s (đó chính là quá trình bi n đ i đ ng c a các Photodiode). Khi t c đ truy n d n càng l n và ớ ng c a quá do đó t n s truy n d n c a h th ng càng cao, thì nh h ủ ả trình bi n đ i đ ng c a các Photodiode đ n ch t l ng truy n d n càng ẫ ấ ượ l n. ớ

ả ố ớ

ệ ặ ể ệ ố ớ ề ẫ

ề thu quang trong h ộ ị ả ị ướ ế

ỏ ơ ố

s tín hi u trên nhi u (đ i v i truy n d n ẫ ễ ố c ho c BER (đ i v i truy n d n s ) ố ớ ệ c h t các ph n t ầ ử s tín hi u trên nhi u (đ i v i truy n d n analog) ố ớ ỏ ơ c ho c BER (đ i v i truy n d n s ) nh h n ướ ướ ệ ặ ề ẫ ẫ ố ễ ố ớ ướ ề ơ

c. Đ h th ng b o đ m t ỷ ố analog) l n h n m t giá tr cho tr ơ nh h n m t giá tr cho tr c, tr ộ th ng ph i b o đ m t ả ả ỷ ố l n h n m t giá tr cho tr ộ ớ m t giá tr cho tr ộ ả ị ướ ị

ề ệ ầ ộ

ễ ẫ ố ớ ỷ ố ề ố ớ ề

ặ ố ủ

ề ạ

s tín Khi truy n d n tín hi u có t c đ cao hay băng t n r ng, thì t ố ộ ẫ hi u trên nhi u (đ i v i truy n d n analog) ho c BER (đ i v i truy n d n ẫ ệ s ) c a các Photodiode không ch là hàm s c a các tham s c u trúc mà ố ấ ỉ ố ủ còn là hàm s c a các tham s tín hi u truy n d n t i đ u vào các ầ ố i). Photodiode (biên đ và t n s /t c đ bit c a ánh sáng t ố ủ ộ ầ ố ố ộ ệ ủ ẫ ớ

Vì v y, vi c xem xét đi u ki n c a tín hi u truy n d n t ậ ệ ệ ệ ủ ề

ẫ ạ ầ vùng t c đ cao hay băng t n r ng đ t ạ ộ

ầ ộ ơ ễ ủ ẫ ộ

c ho c BER (đ i v i truy n d n s ) nh h n m t giá tr cho tr ớ ộ ặ ị

ố ộ ề ẫ ố i bài toán xác đ nh mi n công tác c a các Photodiode trong h ề ở ố ớ ề ề ỏ ơ ủ ả

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

t. i đ u vào ể ỷ ố s các Photodiode khi ho t đ ng ị tín hi u trên nhi u c a nó (đ i v i truy n d n analog) l n h n m t giá tr ệ ướ c, cho tr ướ t c là gi ệ ứ th ng thông tin quang t c đ cao, là c n thi ố ố ớ ị ố ộ ế ầ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 78 -

Đ đ t đ c các n i dung chính ể ạ ượ c m c tiêu đó, đ tài đã th c hi n đ ề ự ụ ệ ượ ộ

bi n đ i quang đi n trong h th ng thông ầ ử ế ệ ố ệ ố

• Nghiên c u các ph n t ứ tin quang

t c đ • Xây d ng mô hình toán h c c a các photodiode ho t đ ng ọ ủ ạ ộ ự ở ố ộ

cao

• Xác đ nh các tham s truy n d n c a các photodiode ho t đ ng ẫ ạ ộ ủ ề ố ở

ị t c đ cao ố ộ • Xây d ng đ ự ượ ứ ề ị

c các bi u th c xác đ nh mi n công tác c a các ủ ề ng h p truy n ườ ầ ợ

photodiode ho t đ ng d n analog và truy n d n s ẫ ạ ộ ề ể vùng t n s cao cho 2 tr ở ố ẫ ố

• Xây d ng đ c ch ự ượ ươ ề ề ị

t c đ cao c a các photodiode ho t đ ng ủ ng trình ph n m m xác đ nh mi n công tác ạ ộ ầ ở ố ộ

K t qu đ tài có ý nghĩa lý thuy t và th c ti n cao: ự ễ ả ề ế ế

V m t lý thuy t, ề ặ ấ ượ ớ ề ề

ộ ố

ế đ tài đã đ xu t đ c các công th c m i v S/N ứ ề c a các photodiode trong các h th ng thông tin quang t c đ cao và khái ệ ố ủ ni m m i v đ nh y thu c a các photodiode. ệ ớ ề ộ ủ ậ

V S/N c a các photodiode trong các h th ng thông tin quang t c đ ủ

c đây ng ị ư ườ ề ướ ủ

ệ ố ố ủ ỉ

ấ ủ ễ

i photodiode. Còn đ tài đã xây d ng đ ề ủ ự ượ ứ

ệ ố ớ ủ ộ ố

ấ ủ ố ấ ỉ

ấ ớ

ố ộ ệ ố cao, tr i ta đ a ra các công th c xác đ nh S/N c a các ứ photodiode trong các h th ng thông tin quang ch là hàm s c a các tham ấ s c u trúc, công su t c a các ngu n nhi u c a photodiode và công su t ồ ố ấ c các công th c xác ánh sáng t đ nh S/N c a các photodiode trong các h th ng thông tin quang t c đ cao ị ồ không ch là hàm s c a các tham s c u trúc, công su t c a các ngu n ố ủ i photodiode, mà còn là hàm nhi u c a photodiode và công su t ánh sáng t ễ ủ s c a t n s hay t c đ bit. ố ủ ầ ố ố ộ

c đây ng ậ V đ nh y thu c a các photodiode, tr ủ ườ ướ ị

ệ ố ỉ

ề ấ ớ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ộ i ta xác đ nh đ ị nh y thu c a các photodiode trong các h th ng thông tin quang ch là giá tr ự i photodiode. Còn đ tài đã xây d ng nh nh t c a công su t ánh sáng t c đ nh y thu c a các photodiode trong các h th ng thông tin quang đ ề ộ ủ ấ ủ ậ ộ ậ ỏ ượ ệ ố ủ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 79 -

ộ ố ấ

ấ ủ i photodiode, và là hàm s ễ ủ ớ

ứ ừ ệ

ố ộ ủ ư ệ ố ộ

ậ ệ ề ớ

t c đ cao là hàm s c a các tham s c u trúc, công su t c a các ngu n ồ ố ủ ố ố nhi u c a photodiode và công su t ánh sáng t ấ ườ c a t n s hay t c đ bit. T các công th c này ta đ a ra khái ni m đ ng ủ ầ ố cong đ nh y thu c a các photodiode trong các h th ng thông tin quang hay khái ni m m i “Mi n xác đ nh c a các photodiode” thay cho kho ng ả xác đ nh c a photodiode nh tr ị ủ c đây. ư ướ ủ ị

V m t th c ti n, ấ ề ở ứ ọ

ế

ơ ở ồ ự ề ề ẫ ố

ả ẫ ở ứ ệ ấ

ử ụ ầ ử ụ ả ố ộ ơ ở ệ

ự ễ đ tài đã cung c p các s c khoa h c đ tính ể ề ặ ầ ử t k hi u qu các các tuy n thông tin quang trên c s nhu c u s toán thi ế ế ệ ề d ng t c đ truy n d n hay c ly truy n d n mong mu n. Đ ng th i, đ ờ ộ ố ụ tài còn cung c p các s c khoa h c đ tính toán s d ng hi u qu các các ọ ể ề h th ng thông tin quang hi n có trên c s nhu c u s d ng t c đ truy n ệ ố d n hay c ly truy n d n mong mu n. ề ẫ ự ẫ ố

Tóm l i đ tài đã hoàn thành đ c m c tiêu, n i dung và k t qu ượ ụ ộ ế ả

ạ ề ng khoa h c đã đăng ký ọ c a đ c ủ ề ươ

2. Ki n ngh ế ị

V m t lý thuy t, ề ặ ấ ượ ớ ề ề

ố ộ

c các công th c m i v S/N ế đ tài đã đ xu t đ ứ ề c a các photodiode trong các h th ng thông tin quang t c đ cao và khái ủ ệ ố ni m m i v đ nh y thu c a các photodiode. ệ ớ ề ộ ủ ậ

V m t th c ti n, ự ễ nhóm th c hi n đ tài xin ki n ngh có th áp ề ế ể ệ ị

ề ặ ế d ng k t qu đ tài trong các lĩnh v c: ụ ả ề ự ự

Ch t o linh ki n thu cho các h th ng thông tin quang t c đ cao ệ ố ố ộ ế ạ ệ

Tính toán thi

ế ế ệ ộ ố ầ ử ụ ả ẫ ơ ở ế t ự ề ề ẫ

t k hi u qu các các tuy n thông tin quang trên c s ế nhu c u s d ng t c đ truy n d n hay c ly truy n d n cho các nhà thi k . ế

ệ ệ

ử ụ ầ ử ụ ệ ố ẫ ả ộ ơ ở ự ề ề ẫ ố

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Tính toán s d ng hi u qu các các h th ng thông tin quang hi n có trên c s nhu c u s d ng t c đ truy n d n hay c ly truy n d n mong mu n cho các nhà khai thác. ố

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 80 -

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 81 -

Tài li u tham kh o

ệ

ả

Govind P.Agrawal :

Fiber-Optic Comunication Systems, 1999

Fasshauer, H. :

[1] [

Optische Nachrichtensysteme: Eigenschaften und Projektierung. Dr Alfred Verlag Heidelberg, 1984.

[2]

2002

K thu t thông tin quang – T ng c c b u đi n 1993

ứ

ề

ụ ư

ệ

ậ

ổ

ỹ

[3] GigaComm Corporation: High-Speed GaAs PIN Photodiode – GPD-G002,

H th ng thông tin quang – NXB BĐ - 2002

ệ ố

[4] Hoàng ng Huy n:

[5] Vũ Văn San

Zhang and U. Keller :

Ultrafast high-intensity nonlinear absorption dynamics in low-temperature grown gallium arsenide

[6] U. Siegner, R. Fluck, G.

Sarah R. Bolton, R. A. Jenks, and C.N. Elkinton:

Nonlinear Dynamics in Ultrafast Lasers - IEEE Journal of selected topics in quantum electronics.Apr 2000

Chai Yeh:

[7]

Handbook of fiber optics theory and applications – Acaddemic Press, 1991

Optical Fiber Communications – Mc Graw-Hill, 1991

[8]

G. Guekos :

Photonic Devices for Telecommunications – Berlin – 1999

[9] Gerd Keiser :

Nowak, W. ; Grimm, E.:

Lichtwellenleitertechnik –Dr. Alfred Huethig Verlag Heidelberg-1989.

[10 ]

Baier, W.:

Analyse digitaler optischer Empfaenger. Nachrichten Electronik, 11 (1985).

[11 ]

Geckeler, S. :

[12 ]

Lichtwelenleiter fuer die optische Nachrichtenuebertragung: Grundlagen, Eigenschaften und Uebertrangsmedien. Berlin [West], Heidelberg, 1987.

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

[13 ]

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 82 -

Ph l c A: Ch

ụ ụ

ươ

ủ ng trình tính toán mi n công tác c a

ề

photodiode

A.1. L a ch n ngôn ng l p trình ữ ậ ự ọ

 M t s yêu c u v l a ch n ngôn ng : ữ ề ự ộ ố ầ ọ

ng trình c n ph i đáp ng đ ữ ự ươ ứ ầ ả ượ ầ c m t s yêu c u ộ ố

Ngôn ng xây d ng ch sau:

- Tính toán đ ộ ố ủ ọ

ượ thu quang t ố ặ ề ủ ừ ị

i tác đ ng c a quá trình đ ng và yêu c u ch t l ầ c m t s tham s đ c tính đ ng quan tr ng c a các ph n ộ đó xác đ nh mi n công tác c a photodiode thu quang ẫ ng truy n d n ề ấ ượ ầ ộ

ủ này. t ử d ướ c a các ph n t ủ ộ ầ ử

- Giao di n tr c quan, thu n ti n cho ng i s d ng. ự ệ ệ ậ ườ ử ụ

- K t qu tính toán bi u di n đ c d i d ng nhi u đ th mô t tác ễ ượ ướ ạ ồ ị ề ả

ể ế đ ng c a các tham s . ố ộ ả ủ

- Ch ng trình đ c l p, d dàng m r ng, phát tri n v sau. ươ ộ ậ ở ộ ễ ề ể

- Tính toán nhanh và chính xác.

 L a ch n ngôn ng : ữ ự ọ

Hi n nay có r t nhi u ngôn ng l p trình ph c v cho vi c xây d ng và ữ ậ ụ ự ụ ệ ệ ề ấ

phát tri n các ch ể ươ ụ ng trình ph n m m theo nh ng qui mô và công d ng ữ ề ầ

khác nhau. Ví d các ngôn ng l p trình đa năng nh Basic, Pascal, Fortran, ữ ậ ư ụ

ộ C, Assembler,…ho c cũng có các ph n m m chuyên d ng ph c v cho m t ầ ụ ụ ụ ề ặ

m c tính toán nh Matlab, Excel, MathCad, qu n lý c s d li u nh ơ ở ữ ệ ụ ư ả ư

FoxPro, Access, SQL…

ứ Visual Basic là m t trong nh ng ngôn ng m nh đ phát tri n các ng ữ ạ ữ ể ể ộ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

c h tr d ng trong Windows. Ngôn ng Visual Basic đ ụ ữ ượ ỗ ợ ử các hàm x lý

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 83 -

toán h c, có th t o các giao di n thân thi n v i ng i s d ng. Đ c bi ể ạ ệ ệ ọ ớ ườ ử ụ ặ ệ t

do b n ch t toàn di n c a mình, vi c s d ng và liên h p v i các tính năng ệ ử ụ ệ ủ ả ấ ớ ợ

MicroSoft Office nh Excel, Access …r t thu n ti n. T ng s n ph m này ừ ư ệ ả ậ ẩ ấ

tác đ ng nh m t OLE Server cho ra m t s tính ch t, ph ng pháp và s ư ộ ộ ố ấ ộ ươ ự

ki n s n có cho th gi i bên ngoài. Chính vì v y vi c k t h p s d ng các ệ ẵ ế ớ ệ ế ợ ử ụ ậ

tính ch t s n có c a Excel nh b ng tính, đ th , quy chi u,… v i Visual ấ ẵ ư ả ồ ị ủ ế ớ

Basic là kh năng l a ch n phù h p v i các tiêu chí đ t ra trên, ph c v ự ả ặ ọ ớ ợ ở ụ ụ

cho ch ng trình tính toán này. ươ

Ch thu quang đ c vi t trên ươ ng trình xác đ nh mi n công tác các ph n t ề ầ ử ị ượ ế

ngôn ng Visual Basic ch y đ c l p trên h đi u hành Windows, ch ệ ề ộ ậ ữ ạ ươ ng

trình đ ượ ụ c xây d ng d a trên giao di n đ h a và k thu t tính l p liên t c ồ ọ ự ự ệ ặ ậ ỹ

i s d ng có th giúp cho vi c s d ng r t d dàng và thu n ti n. Ng ấ ễ ệ ử ụ ệ ậ ườ ử ụ ể

ệ quan sát m t cách liên t c s thay đ i c a các hàm đ c tr ng c a linh ki n ổ ủ ụ ự ư ủ ặ ộ

theo các thông s c u trúc l i vào và yêu c u ch t l ố ấ ố ấ ượ ầ ng đ i v i h th ng. ố ớ ệ ố

A.2. Gi ng trình tính toán ớ i thi u ch ệ ươ

ọ ọ

tính toán Ch n ph n t ầ ử Ch n ph n t tính toán ầ ử (APD/ PIN-Photodiode) (APD/ PIN-Photodiode)

ng ng

ươ ươ

Xác l p ch đ tính toán (t ế ộ ậ Xác l p ch đ tính toán (t ậ ế ộ /s , lo i đ c tính) t ạ ặ ự ố /s , lo i đ c tính) t ạ ặ ự ố

Nh p s li u ố ệ Nh p s li u ố ệ

ậ ậ

Tính toán: Tính toán: Mi n xác đ nh c a Photodiode ủ ị Mi n xác đ nh c a Photodiode ị ủ

ề ề

Hi n th k t qu ả Hi n th k t qu ả

ị ế ị ế

ể ể

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

 C u trúc ch ng trình: ấ ươ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 84 -

Hình A.1. L u đ ch ư ồ ươ ủ ng trình th c hi n tính toán mi n công tác c a ề

ệ ự Photodiode

Đ đáp ng đ ứ ể ượ c yêu c u tính toán xác đ nh mi n công tác c a các ị ủ ề ầ

các ch ng trình tính Photodiode nh đã trình b y ư ầ ở ươ ng trên, c u trúc ch ấ ươ

toán đ c xác đ nh nh hình A1. ượ ư ị

 Giao đi n ch ng trình: ệ ươ

ươ ườ ử i s

ng h p tính toán phù h p. Là ch d ng có th d dàng l a ch n các tr ụ ng trình đ c l p nên có c a s v i menubar quen thu c. Ng ử ổ ớ ườ ộ ậ ự ộ ợ ể ễ ợ ọ

Hình A.2. Giao di n chính c a ch ng trình ủ ệ ươ

Giao di n ch ng trình cho phép: ệ ươ

- L a ch n đ tính toán trong truy n d n Analog ự ề ể ẫ ọ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

- L a ch n đ tính toán trong truy n d n Digital ự ể ề ẫ ọ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 85 -

ng h p tính toán Hình A.3. C a s l a ch n các tr ử ổ ự ọ ườ ợ

Trong đó có th l a ch n đ tính toán cho các tr ọ ể ự ể ườ ng h p: ợ

- Đ c tuy n mi n công tác c a Photodiode ủ ế ề ặ

- Xác đ nh S/N theo t n s ầ ố ị

- So sánh các đ ườ ng đ c tuy n đ nh y thu theo t n s . ầ ố ạ ế ặ ộ

ậ ả ự

các tham s , g ể ả ả ườ ử ụ ả ế

ướ ạ ươ ồ ị ẽ ị

ủ ủ ị ậ

T n sầ

ố

ế i s d ng và bi u di n k t Đ đ m b o tính tr c quan, thu n ti n cho ng ệ ễ ể ố iao di nệ i d ng đ th các đ c tuy n mô t qu tính toán d ặ ề ng trình s bao g m c a s hi n th hàm xác đ nh mi n tính toán c a ch ử ổ ể ồ công tác c a photodiode và các c a s so n th o đ nh p các thông s c u ố ấ ể ả ử ổ ạ trúc c a linh ki n c n tính toán (hình A.4). ệ ầ ủ

ng trình tính toán xác đ nh ệ ị

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

mi n công tác c a photodiode Hình A.4. C a s giao di n ch ử ổ ề ươ ủ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 86 -

Các c a s giao di n c a ch ng trình bao g m: ệ ủ ử ổ ươ ồ

• Các c a s nh p d li u: ậ ữ ệ ử ổ

ng đ c tr ng cho quá trình đ ng c a APD và PIN- ạ ượ ủ ư ặ ộ - Các đ i l

Photodiode:

‚ + Đ sâu đi u ch : m v i các giá tr (0,7 1) ế ề ộ ớ ị

‚ 50) + H s khu ch đ i tĩnh c a APD: M v i các giá tr (0 ủ ệ ố ế ạ ớ ị

c l p ti p giáp (đ n v là

-1), v i các giá tr (0

W ‚ + Đi n d n G 5) ệ ẫ ế ớ ơ ị ớ ị

T (đ n v là

-1), v i các giá tr (0

W ‚ i G 5) + Đi n d n t ệ ẫ ả ơ ị ớ ị

, v i các giá tr (0

c (đ n v là pF) ị

‚ + Đi n dung l p ti p giáp C ớ ế ệ ơ ớ ị

, v i các giá tr (0

‚ i C 6) + Đi n dung t ệ ả t (đ n v là pF) ơ ị ớ ị

‚ 5000) + T s tín hi u trên nhi u: S/N v i các giá tr (0 ễ ỉ ố ệ ớ ị

• C a s đ th bi u di n mi n công tác c a ph n t thu quang ử ổ ồ ị ể ầ ử ủ ề ễ

c xây d ng ệ ượ trên, các thông s c u trúc có th đ ố ấ

ổ ị

ươ ặ ỉ ầ ả

ể ề

ố ấ ư ộ ươ ệ ặ ụ

ự ử ổ ạ ấ ơ ẽ ử ổ ưở ị ổ ố ủ ẽ ấ ả ủ ư ủ ặ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

c ể ượ V i giao di n đ ở ớ ử t. S nh p ngay trong c a s so n th o ho c thay đ i v trí các thanh tr ượ ả ậ ủ ng trình r t đ n gi n, ch c n nh p các thông s c u trúc c a d ng ch ậ ụ linh ki n, ch ng trình s tính toán và hi n th hàm đ c tr ng mi n công ệ ố ấ tác c a linh ki n lên các c a s . Vi c thay đ i liên t c m t thông s c u ệ ng c a thông s đó đ n đ c tr ng c a linh trúc s cho ta th y nh h ế ki n. ệ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 87 -

S/N

T n sầ

ố

Hình A.5. C a s ch ử ổ ươ ng trình tính toán xác đ nh S/N theo t n s v i đ ị ầ ố ớ ộ

nh y thu xác đ nh ạ ị

ng trình còn có th tính toán cho các tr ể ườ ẫ ng h p truy n d n ề ợ

Ngoài ra ch ươ analog và digital v i các đ ng ớ ườ

- Xác đ nh S/N theo t n s ầ ố ị

- So sánh các đ ườ ng đ c tuy n đ nh y thu theo t n s ầ ố ạ ế ặ ộ

ng trình s Sau khi thay đ i l a ch n ch đ ho t đ ng c a linh ki n, ch ế ộ ạ ộ ổ ự ủ ệ ọ ươ ẽ

đ ng tính toán và hi n th các hàm đ c tr ng trên c a linh ki n đ c tính t ự ộ ệ ượ ủ ư ể ặ ị

ộ toán, nh v y ta có th theo dõi s thay đ i các đ c tính c a linh ki n m t ư ậ ủ ự ệ ể ặ ổ

cách liên t c theo các thông s c u trúc đ u vào. ố ấ ụ ầ

Đ ng th i ch ng trình còn có th hi n th cùng lúc t ờ ồ ươ ể ệ ị ấ ả ử ổ ể t c các c a s đ có

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

th ti n theo dõi k t qu ể ệ ế ả

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 88 -

Hình A.6. Minh ho toàn b ch ng trình ộ ươ ạ

A.3. Tính toán mi n công tác c a Photodiode ủ ề

A.3.1. Mi n công tác c a các Photodiode trong truy n d n analog ề ẫ ủ ề

Trên c s mô hình toán h c mô t quá trình đ ng c a APD, ta s xác đ nh ơ ở ọ ả ủ ẽ ộ ị

đ c công su t tín hi u và nhi u t ượ ễ ạ ầ ủ i đ u ra APD. T đó mi n công tác c a ừ ề ệ ấ

các Photodiode đ c xác đ nh theo công th c: ượ ứ ị

(

)

(

)

(

)

P 0

S N

P 0

max

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Trong đó ký hi u:ệ

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 89 -

(

)

m ,

w w

b 1 am

2 g

w w 2

(cid:246) (cid:230) ø Ø (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:246) (cid:230) ł Ł œ Œ (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) ł Ł œ Œ œ Œ ß º

(

)

m ,

2 1

w w

c am

2 g

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł

2 MH T

1 2

..2

+ x BHMe

= [

]

(

+ 4)

(

)

GGkT C T

B R

v i ớ

ầ ạ

ệ

ủ

ế

BR : HT: m: M: Gc: GT: Cc: Ct: S/N: Băng t n t p âm: H s bi n đ i đi n quang ệ ố ế ổ Đ sâu đi u ch ế ề ộ H s khu ch đ i tĩnh c a APD ạ ế ệ ố Đi n d n l p ti p giáp ẫ ệ ế ớ Đi n d n t i ẫ ả ệ Đi n dung l p ti p giáp ớ ệ Đi n dung t ả ệ T s tín hi u trên nhi u ễ ệ ỉ ố

IT: Dòng t iố

Ir: Dòng rò

A.3.2. Mi n công tác c a các Photodiode trong truy n d n Digital ề ẫ ủ ề

Trên c s mô hình toán h c mô t quá trình đ ng c a APD, ta s xác đ nh ơ ở ọ ả ủ ẽ ộ ị

đ c công su t tín hi u và nhi u t ượ ễ ạ ầ ủ i đ u ra APD. T đó, mi n công tác c a ừ ề ệ ấ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

các Photodiode đ c xác đ nh theo công th c: ượ ứ ị

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 90 -

S N

P T

* b 1

++ * b 2

* * bb 2 1

a S N

P T

max

(cid:236) (cid:252) (cid:236) ø Ø ø Ø (cid:246) (cid:230) (cid:239) (cid:239) (cid:239) (cid:247) (cid:231) œ Œ œ Œ (cid:239) (cid:239) (cid:239) ł Ł œ Œ œ Œ ‡ (cid:239) (cid:253) (cid:237) (cid:239) œ Œ œ Œ (cid:246) (cid:230) (cid:239) (cid:239) (cid:237) (cid:247) (cid:231) œ Œ œ Œ (cid:239) (cid:239) ł Ł (cid:239) ß º ß º (cid:254) (cid:238) (cid:239) (cid:239) £ (cid:239) - (cid:238)

Trong đó:

(

)

]

[ exp

a 1

[

(

(cid:252) (cid:236) - - - (cid:253) (cid:237) (cid:254) (cid:238)

) 1

tD (

])

* b 1

b 1

[

(

- -

) 1

tL (

])

* b 2

b 1

- -

Q-nT), L(tQ-nT) đ

{

V i D(t c xác đ nh b i các công th c: ớ ượ ứ ở ị

tD (

)

exp[

w 2

t (

} )]

tL (

)

- - - - -

[

tL (

)

w 2 exp(

exp[

w 2

t (

)]

](cid:229) 1)

T dg

b i

= 0

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

- - - -

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 91 -

T n sầ

ố

A.4 M t s hình nh mô t ộ ố ả ả ế k t qu tính toán ả

ủ ề ế ả ị

T n sầ

ố

Hình A.7. K t qu tính toán xác đ nh mi n công tác c a photodiode trong truy n d n analog ẫ ề

ầ ố ớ ộ ế ả ạ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Hình A.8. K t qu tính toán xác đ nh S/N theo t n s v i đ nh y thu trong truy n d n analog ẫ ị ề

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 92 -

T n sầ

ố

ườ ế ả ng đ c đ nh y thu theo t n s ạ ặ ộ ầ ố

trong truy n d n analog Hình A.9. K t qu tính toán so sánh các đ ẫ ề

ủ ề ế ả ị

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Hình A.10. K t qu tính toán xác đ nh mi n công tác c a photodiode trong truy n d n Digital ẫ ề

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 93 -

ầ ố ớ ộ ế ả ạ

Hình A.11. K t qu tính toán xác đ nh S/N theo t n s v i đ nh y thu ị trong truy n d n Digital ề ẫ

Hình A.12. K t qu tính toán so sánh các đ ng đ c tuy n đ nh y thu ế ặ ế ạ ộ

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

ả theo t n s trong truy n d n Digital ườ ẫ ầ ố ề

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 94 -

Ph l c B. Ch ng minh công th c (4-24)

ụ ụ

ứ

T công th c (4-21): ứ ừ

Pa T

S N

* Pb 1 T

* Pb 2 T

* (cid:246) (cid:230) ‡ (cid:247) (cid:231) ł Ł (B1)

t công ể ế ứ ớ ơ

Vì m u s c a v trái công th c (B1) l n h n “0”, nên ta có th vi th c (B1) d i d ng: ẫ ố ủ ế ướ ạ ứ

(cid:246) (cid:230)

(

‡ (cid:247) (cid:231)

)cPb

* Pa T

* cPb 1 T

* 2

S N

(B2) ł Ł

Đ t:ặ

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (B3) ł Ł

S cpN t l ể ế ạ ấ

Ta có th vi i b t ph ng trình (B2) d i d ng: ươ ướ ạ

++ c

P T

* Pb 1 T

* Pb 2 T

a r

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) ‡ (cid:247) (cid:231) (B4) ł Ł

(

2 c

2 P T

b 1

) Pb 2 T

* Pb 1 T

)( * Pbc 2 T

a r

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) ‡ (cid:222) (cid:247) (cid:231) ł Ł

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 95 -

(

[

]

b 1

) Pb T 2

2 Pbb T 21

( bc 1

) Pb T 2

2 P T

a r

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) ‡ - (cid:222) (cid:247) (cid:231) ł Ł

[

(

]

c 2

2 P T

b 1

) Pb T 2

2 Pbb 4 T 21

( bc 1

) Pb T 2

a r

(cid:252) (cid:236) (cid:246) (cid:230) (cid:239) (cid:239) (cid:247) (cid:231) ‡ - (cid:222) (cid:253) (cid:237) (cid:247) (cid:231) (cid:239) (cid:239) ł Ł (cid:254) (cid:238)

[

(

]

) Pb 2 T

b 1

4 P T

[ ( 2 bP 1 T

) Pb 2 T

a r

(cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ‡ - (cid:222) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł ł Ł

c 4

( 4

2 P T

) 2 Pbb 21 T

a r

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł

)

(

)

2 P T

( bP 1 T

b 2

b 1

b 2

bb 21

a r

ø Ø (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ‡ - (cid:222) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ł Ł ł Ł ß º

(

)

P T

b 1

b 2

bb 21

a r

ø Ø ø Ø (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ œ Œ ‡ - (cid:222) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ œ Œ ł Ł ł Ł ß º ß º

(

)

P T

b 1

b 2

bb 21

a r

(cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ‡ - (cid:222) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł ł Ł

(

)

P T

b 1

b 2

bb 21

a r

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

(cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ‡ (cid:222) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł ł Ł

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

häc viÖn c«ng nghÖ BC-VT

- 96 -

(

)

P T

b 1

b 2

bb 21

a r

cp * a

ø Ø (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ‡ (cid:222) (B5) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ł Ł œ Œ ß º

Thay công th c (B3) vào (B5), ta nh n đ c: ậ ượ ứ

S N

P T

* b 1

* b 2

* * bb 1 2

a S N

(cid:252) (cid:236) ø Ø ø Ø (cid:246) (cid:230) (cid:239) (cid:239) (cid:247) (cid:231) œ Œ œ Œ (cid:239) (cid:239) ł Ł œ Œ œ Œ ‡ (B6) (cid:253) (cid:237) œ Œ œ Œ (cid:246) (cid:230) (cid:239) (cid:239) (cid:247) (cid:231) œ Œ œ Œ (cid:239) (cid:239) ł Ł ß º ß º (cid:254) (cid:238)

NguyÔn vÜnh nam - cao häc ®iÖn tö viÔn th«ng kho¸ IV

Công th c (B6) chính là công th c (4-24) ng 4. ứ ứ ch ở ươ