Tổng công ty bưu chính viễn thôngviệt nam
học viện công nghệ bưu chính viễn thông
Nguyễn Vĩnh Nam

Nghiên cứu miền công tác của
các photodiode trong hệ thống thông tin
quang tốc độ cao Người hướng dẫn: TS. Hoàng Văn Võ Hà nội, 5-2005
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1 - học viện công nghệ BC-VT

Nguyễn vĩnh nam - Cao học điện tử viễn thông khoá IV
Mc lc

Ch vit tt v ký hiu 3
Danh sỏch cỏc hỡnh v 6
LI CM N 8
Li núi u 9
Chng 1. Cỏc phn t bin i quang - in trong h thng thụng tin quang
12
1.1. Tng quan v cu trỳc c bn v nguyờn lý hot ng ca h thng
thụng tin quang 12
1.1.1. Cu trỳc c bn ca h thng thụng tin quang 12
1.1.2. Nguyờn lý hot ng ca h thng thụng tin quang 13
1.2. Cỏc phn t bin i quang-in 14
1.2.1. Mt s yờu cu i vi cỏc phn t bin i quang-in 14
1.2.2. PIN-Photodiode 14
1.2.3. Diode quang thỏc APD 16
1.2.4. c tuyn tnh ca APD & PIN-Photodiode 17
chng 2. mụ hỡnh toỏn hc ca cỏc photodiode hot ng tc cao 21

4.3. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong truyn dn s 61
4.4. Vớ d tớnh toỏn min cụng tỏc ca cỏc Photodiode 64
4.4.1. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong truyn dn analog 64
4.4.2. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong truyn dn s 68
Kt lun v kin ngh 74
1. Kt lun 74
2. Kin ngh 76
Ti liu tham kho 78
Ph lc A: Chng trỡnh tớnh toỏn min cụng tỏc ca photodiode 79
A.1. La chn ngụn ng lp trỡnh 79
A.2. Gii thiu chng trỡnh tớnh toỏn 80
A.3. Tớnh toỏn min cụng tỏc ca Photodiode 85
A.3.1. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong truyn dn analog 85
A.3.2. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong truyn dn Digital 86
A.4 Mt s hỡnh nh mụ t kt qu tớnh toỏn 88
Ph lc B. Chng minh cụng thc (4-24) 91
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Ch vit tt v ký hiu


Hiu sut lng t hoỏ ca PIN Photodiode/APD.


Bc súng ca ỏnh sỏng.

APD


Giỏ tr xỏc sut sai lm bit cho phộp (i vi truyn dn s) bo m cht lng truyn
dn cho phộp ca h thng.
B
R

Bng tn tp õm ca photodiode
c
Vn tc ỏnh sỏng (c = 3.10
8
m/s).
C
c

in dung ca lp tip giỏp PN,
C
T

in tr ti ca Photodiode,
e
ờn tớch ca in t (e = 1,602.10
-19
As).
F
H s nhiu do quỏ trỡnh quang thỏc (trong APD).
F(M)
H s tp õm ph thờm ca APD
G
c


Hm truyn dn ca Photodiode (APD/PIN- Photodiode),
H
T

Hm truyn dn ca Photodiode
H
T-APD

Hm truyn dn ca APD Photodiode hot ng tc cao
H
T-PIN

Hm truyn dn ca PIN Photodiode hot ng tc cao
h
T-APD

Hm quỏ ca APD- Photodiode
h
T-PIN

Hm quỏ ca PIN- Photodiode
i
N
(t)
Dũng nhiu
i
nC

Dũng in nhit trờn in tr lp tip giỏp PN,
I

T0

Ph tớn hiu ra tc thp
I
T0-APD

Ph tớn hiu ra ca APD-Photodiode tc thp
I
T0-PIN

Ph tớn hiu ra ca PIN-Photodiode tc thp
i
T-APD

Dũng ra ca photodiode APD
i
T-PIN

Dũng ra ca photodiode PIN
I
V
(t)
Tớn hiu vo (tớn hiu din)
T
I

Giỏ tr trung bỡnh ca dũng in ti
r
I


NN
Cụng sut nhiu nhit
P
Nr
Cụng sut nhiu dũng in rũ
p
NT
Cụng sut nhiu dũng in ti
P
P (t)

Cụng sut ỏnh sỏng bc x ca b phỏt quang
P
T
(t)
Cụng sut ỏn sỏng truyn n u vo b thu quang hoc biờn chui xung s
P
T-cpmax

Giỏ tr cụng sut ỏnh sỏng u vo b thu quang cho phộp cc i
P
th

Cụng sut ca tớn hiu ra photodiode
T
P

Giỏ tr trung bỡnh ca cụng sut ỏnh sỏng n photodiode
R
D

S
NN
(j

)
Mt cụng sut ph ca nhiu nhit
S
Nr
(j

)
Mt cụng sut ph ca nhiu dũng rũ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 5 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
S
NT
(j

)
Mt cụng sut ph ca nhiu dũng ti
T
Chu k chui xung
T
0

Nhit tuyt i.
T
d

rng xung



























2
2
2
2

2
1,
g
am
c
m




m
1



22
2
1
MHa
T


2
maA



































nTtDbb
Q


)(1
1
*
2
nTtLbb
Q



gT
HMMFeb

2
1
)(
2
1
RTCrT
x
BGGkTIIeMc )(4)(2
)(1)(
)(2
nTtLenTtD
nQ
nTt
nQ
nQg












1
0
)(22
1)(
n
i

s 69
Hỡnh 4.4. Min cụng tỏc ca Photodiode trong truyn dn Digital 72

Hỡnh A.1. Lu chng trỡnh thc hin tớnh toỏn min cụng tỏc ca
Photodiode 81
Hỡnh A.2. Giao din chớnh ca chng trỡnh 81
Hỡnh A.3. Ca s la chn cỏc trng hp tớnh toỏn 82
Hỡnh A.4. Ca s giao din chng trỡnh tớnh toỏn xỏc nh
min cụng tỏc ca photodiode 82
Hỡnh A.5. Ca s chng trỡnh tớnh toỏn xỏc nh S/N theo tn s vi nhy
thu xỏc nh 84
Hỡnh A.6. Minh ho ton b chng trỡnh 85
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 7 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Hỡnh A.7. Kt qu tớnh toỏn xỏc nh min cụng tỏc ca photodiode trong
truyn dn analog 88
Hỡnh A.8. Kt qu tớnh toỏn xỏc nh S/N theo tn s vi nhy thu trong
truyn dn analog 88
Hỡnh A.9. Kt qu tớnh toỏn so sỏnh cỏc ng c nhy thu theo tn s
trong truyn dn analog 89
Hỡnh A.10. Kt qu tớnh toỏn xỏc nh min cụng tỏc ca photodiode trong
truyn dn Digital 89
Hỡnh A.11. Kt qu tớnh toỏn xỏc nh S/N theo tn s vi nhy thu trong
truyn dn Digital 90
Hỡnh A.12. Kt qu tớnh toỏn so sỏnh cỏc ng c tuyn nhy thu theo
tn s trong truyn dn Digital 90


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 9 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV Li núi u
Ngy nay, th gii ang bc sang k nguyờn ca nn kinh t tri thc,
trong ú thụng tin l ng lc thỳc y s phỏt trin ca xó hi. Do ú, nhu
cu truyn thụng ngy cng ln vi nhiu dch v mi bng rng v a
phng tin trong i sng kinh t xó hi ca tng quc gia cng nh kt
ni ton cu.
ỏp ng c vai trũ ng lc thỳc y s phỏt trin ca k nguyờn
thụng tin, mng truyn thụng cn phi cú kh nng truyn dn tc cao,
bng thụng rng, dung lng ln. Mt trong gii phỏp to ra mng truyn
thụng cú kh nng truyn dn tc cao hay bng rng vi dung lng ln v
a dch v, ú l cụng ngh truyn dn thụng tin quang tc cao.
Khi truyn dn tớn hiu cú tc cao hay bng tn rng, thỡ quỏ trỡnh
bin i in quang ca cỏc phn t phỏt quang (LED, LD) v quỏ trỡnh
bin i quang-in ca cỏc phn t thu quang (PIN-Photodiode, APD) khụng
tuõn theo c tuyn tnh ca nú na, m l hm s ca tn s (ú chớnh l quỏ
trỡnh bin i ng ca cỏc phn t phỏt v thu quang). Khi tc truyn dn
cng ln v do ú tn s truyn dn ca h thng cng cao, thỡ nh hng ca
quỏ trỡnh bin i ng ca cỏc phn t phỏt v thu quang n cht lng
truyn dn cng ln.
Cng nh tt c cỏc h thng vin thụng khỏc, trong h thng thụng tin
quang mt trong nhng tham s truyn dn cú tớnh cht quyt nh cht lng
ca h thng, ú l t s tớn hiu trờn nhiu (i vi truyn dn analog) hoc
BER (i vi truyn dn s). bo m cht lng truyn dn cho phộp thỡ
t s tớn hiu trờn nhiu ca h thng h thng thụng tin quang (i vi truyn
dn analog) cn phi ln hn mt giỏ tr cho trc hoc BER (i vi truyn
dn s) cn phi nh hn mt giỏ tr cho trc, cỏc giỏ tr ny ó c ITU-T

thc hin mc tiờu ú, ti Nghiờn cu min cụng tỏc ca cỏc
photodiode trong h thng thụng tin quang tc cao ó c t ra v mt
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
chng trỡnh mỏy tớnh xỏc nh c min cụng tỏc ca cỏc photodiode trong
cỏc h thng thụng tin quang tc cao. Trờn c s nghiờn cu ú, ti
cung cp cỏc c s khoa hc, cụng c tớnh toỏn h tr cho cỏc nh tớnh toỏn
thit k cỏc h thng thụng tin quang la chn ti u cỏc phn t ca h thng
hay s dng hiu qu cỏc phn t thụng tin quang hin cú.
t c mc tiờu ú, ti ó thc hin cỏc ni dung chớnh sau õy:
- Cỏc phn t bin i quang in trong h thng thụng tin quang
- Mụ hỡnh toỏn hc ca cỏc photodiode hot ng tc cao
- Cỏc tham s truyn dn ca cỏc photodiode hot ng tc cao
- Min cụng tỏc ca cỏc photodiode hot ng tc cao
- Chng trỡnh phn mm xỏc nh min cụng tỏc ca cỏc photodiode
hot ng tc cao

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 12 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Chng 1. Cỏc phn t bin i quang - in trong h thng
thụng tin quang

1.1. Tng quan v cu trỳc c bn v nguyờn lý hot ng ca h thng
thụng tin quang
1.1.1. Cu trỳc c bn ca h thng thụng tin quang
Cu trỳc c bn ca mt h thng thụng tin quang c ch ra hỡnh 1.1.


i
V
(t)
P
T
(t)
(a)
u
r
(t)
i
V
(t)
B khuch i quang si
(b)
P
p
(t)
B phỏt
quang
P
T
(t)
B thu
quang
B lp
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 13 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Cu trỳc c bn ca h mt thng thụng tin quang bao gm cỏc phn t ch
yu sau: b phỏt quang, b thu quang, si quang, cỏc b khuch i quang v

- B thu quang: bin i ỏnh sỏng ti P
T
(t) tr thnh tớn hiu in u
r
(t). Tớn
hiu u
r
(t) cú dng ging nh tớn hiu truyn dn ban u i
V
(t). Tuy nhiờn,
cú th cú tp õm v mộo kốm theo (i vi truyn dn analog) hoc li bớt
(i vi truyn dn s).
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 14 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
1.2. Cỏc phn t bin i quang-in
1.2.1. Mt s yờu cu i vi cỏc phn t bin i quang-in
Trong k thut thụng tin quang, cỏc phn t bin i in-quang s dng
trong cn phi tho món mt s yờu cu c bn sau:
- Thi gian ỏp ng nhanh,
- nhy v hiu sut bin i quang in cao,
- Nhiu thp,
- iu kin ghộp vi si quang thun tin,
- Kớch thc nh.
ỏp ng cỏc yờu cu trờn, trong k thut thụng tin quang, ngi ta thng
s dng cỏc phn t bin i quan-in:
- PIN-Photodiode v
- Diode quang thỏc APD.
Di õy chỳng ta s nghiờn cu nguyờn lý bin i quang-in, cu to v
tớnh cht ca cỏc phn t ny [1, 2, 4, 7, 8, 9].
1.2.2. PIN-Photodiode

+
v N
+
lm nn, gia cú mt lp
mng bỏn dn yu loi N hay mt lp t dn I (Intrisic).
- Trờn b mt ca lp bỏn dn P
+
l mt in cc vũng ( gia cho
ỏnh sỏng thõm nhp vo min I).
- ng thi trờn lp bỏn dn P
+
cú ph mt lp mng cht chng phn x
trỏnh tn hao ỏnh sỏng vo.
- in ỏp phõn cc ngc cho dio de khụng cú dũng in (ch cú th
cú mt dũng ngc rt nh, gi l dũng in ti).
Nguyờn lý hot ng:
Khi cỏc photon i vo lp P
+
cú mc nng lng ln hn rng ca di
cm, s sinh ra trong min P
+
, I, N
+
ca PIN-Photodiode cỏc cp in t v l
trng (ch yu lp I).
Cỏc in t v l trng trong min I va c sinh ra b in trng mnh hỳt
v hai phớa (in t v phớa N
+
vỡ cú in ỏp dng, l trng v min P
+

I khụng c khuch tỏn vo min I (do khong cỏch xa hn di
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 16 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
khuch tỏn ca ng t thiu s), nờn chớng li tỏi hp vi nhau ngay trong
cỏc min P
+
v N
+
.
Trong trng hp lý tng, mi photon chiu vo PIN-Photodiode s sinh ra
mt cp in t v l trng v giỏ tr trung bỡnh ca dũng in ra t l vi
cụng sut chiu vo. Nhng thc t khụng phi nh vy, vỡ mt phn ỏnh
sỏng b tn tht do phn x b mt.
Kh nng thõm nhp ca ỏnh sỏng vo cỏc lp bỏn dn thay i theo bc
súng. Vỡ vy, lp P
+
khụng c quỏ dy. Min I cng dy thỡ hiu sut lng
t cng ln, vỡ xỏc sut to ra cỏc cp in t v l trng tng lờn theo dy
ca min ny v do ú cỏc photon cú nhiu kh nng tip xỳc vi cỏc nguyờn
t hn. Tuy nhiờn, trong truyn dn s di ca xung ỏnh sỏng a vo phi
ln hn thi gian trụi T
d
cn thit cỏc phn t mang in chy qua vựng
trụi cú rng d ca min I. Do ú, d khụng c ln quỏ vỡ nh th tc
bit s b gim i.
Khi bc súng ỏnh sỏng tng thỡ kh nng i qua bỏn dn cng tng lờn, ỏnh
sỏng cú th i qua bỏn dn m khụng to ra cỏc cp in t v l trng. Do
ú, vi cỏc vt liu phi cú mt bc súng ti hn.
1.2.3. Diode quang thỏc APD
Cu to

cú mt lp bỏn dn yu P c xen gia lp I v lp N
+
. Bờn trỏi lp I b gii
hn bi lp P
+
, cũn bờn phi lp I b gii hn bi tip giỏp PN
+
.
in ỏp phõn cc ngc t vo APD rt ln, ti hng trm vụn.
in trng thay i theo cỏc lp c ch ra bi hỡnh (b). Trong vựng I, in
trng tng chm, nhng trong tip giỏp PN
+
in trng tng rt nhanh. Lp
tip giỏp PN
+
l min thỏc, õy xy ra quỏ trỡnh nhõn in t.
Nguyờn lý hot ng:
Do APD c t mt in ỏp phõn cc ngc rt ln, ti hng trm vụn,
cho nờn cng in trng min in tớch khụng gian tng lờn rt cao.
Do ú, khi cỏc in t trong min I di chuyn n min thỏc PN
+
chỳng c
tng tc, va chm vo cỏc nguyờn t gii phúng ra cỏc cp in t v l trng
mi, gi l s ion hoỏ do va chm.
Cỏc phn t th cp ny n lt mỡnh li to ra s s ion hoỏ do va chm
thờm na, gõy lờn hiu ng quang thỏc v lm cho dũng in tng lờn ỏng
k.
Thụng qua hiu ng quang thỏc ny m vi cựng mt s lng photon ti,
APD gii phúng ra cỏc in t nhiu hn rt nhiu ln so vi PIN-Photodiode.
1.2.4. c tuyn tnh ca APD & PIN-Photodiode


=
S cp ờn t & L trng sinh ra
S photon hp th
l hiu sut lng t hoỏ ca PIN
Photodiode/APD.
: bc súng ca ỏnh sỏng.
e: ờn tớch ca in t (e = 1,602.10
-19
As).
h: hng s Plank (h = 6,62.10
-34
Ws
2
).
c: vn tc ỏnh sỏng (c = 3.10
8
m/s).
Dũng ra ca PIN Photodiode & APD
i vi PIN- Photodiode
(1-3)
hc
e
H
T




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 19 - học viện công nghệ BC-VT

n
D
P
T
U
U
i
i
M










(1-7)
l h s khuych i ca APD,
U : ờn ỏp t vo APD.
U
D
: in ỏp ỏnh thng ca APD
n: nhn cỏc giỏ tr t 1,5 6, tu thuc vo vt liu v cu
trỳc ca APD.
c tuyn tnh ca PIN Photodiode & APD
T cỏc cụng thc (1-5) v (1-6), ngi ta xỏc nh c c tuyn tnh ca
PIN- Photodiode & APD theo hỡnh 1.4.

chng 2. mụ hỡnh toỏn hc ca cỏc photodiode hot ng tc
cao
Khi truyn dn tớn hiu cú tc cao, quỏ trỡnh bin i quang-in ca cỏc
phn t thu quang (PIN-Photodiode, APD) khụng tuõn theo c tuyn tnh
ca nú na, m l hm s ca tn s. ú chớnh l quỏ trỡnh bin i ng ca
cỏc phn t thu quang.
2.1. Cỏc yu t xỏc lp c tớnh ng ca PINPhotodiode v APD
Trong cu to ca PIN - Photodiode v APD luụn tn ti cỏc thnh phn:
- in dung lp in tớch khụng gian (lp tip giỏp ca cỏc lp P v N)
trong PIN - Photodiode & APD
- Cỏc hiu ng ký sinh ca PIN Photodiode & APD,
Khi PIN - Photodiode v APD hot ng khu vc tn s thp (thng nh
hn 1 GHz), tc l khi tớn hiu truyn dn l nhng chui xung cú tc bớt
thp (i vi truyn dn s) hay cú tn s thp (i vi truyn dn analog), thỡ
nh hng ca in dung tip giỏp ca cỏc lp P N trong PIN - Photodiode
& APD v cỏc hiu ng ký sinh cú th b qua trong quỏ trỡnh bin i quang-
in ca PIN-Photodiode v APD. Khi ú, dũng photo to ra ca PIN-
Photodiode v APD ch l hm s ca cng ỏnh sỏng chiu vo APD &
PIN- Photodiode v nú c xỏc nh theo c tuyn bin i quang-in tnh
ca PIN- Photodiode v APD (hỡnh 1.4).
Khi PIN-Photodiode v APD hot ng khu vc tn s cao (thng ln hn
1 GHz), tc l khi tớn hiu truyn dn l nhng chui xung cú tc bớt cao
(i vi truyn dn s) hay cú tn s cao (i vi truyn dn analog), thỡ nh
hng ca in dung tip giỏp ca cỏc lp P N trong APD & PIN -
Photodiode v cỏc hiu ng ký sinh s nh hng ỏng k n quỏ trỡnh bin
i quang-in ca APD & PIN Photodiode [2, 4]. Khi ú, dũng photo to ra
ca APD & PIN- Photodiode khụng xỏc nh theo c tuyn bin i quang-
in tnh ca APD & PINPhotodiode na v nú c xỏc nh theo mt hm
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 22 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV

G
C
C
C
C
T
i
T

R
T
M
(b)
(a)
R
D
i
P
G
C
C
C
C
T
i
T

R
T