Tổng công ty bu chính viễn thôngviệt nam
học viện công nghệ bu chính viễn thông
------------------
Nguyễn Vĩnh Nam
Nghiên cứu miền công tác của
các photodiode trong hệ thống
thông tin quang tốc độ cao
luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Hµ néi, 5-2005
Tổng công ty bu chính viễn thôngviệt nam
học viện công nghệ bu chính viễn thông
------------------
Nguyễn Vĩnh Nam
Nghiên cứu miền công tác của
các photodiode trong hệ thống
thông tin quang tốc độ cao
luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Ngời hớng dẫn: TS. Hoàng Văn Võ
Hà nội, 5-2005
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1 - học viện công nghệ BC-VT
Mục lục
Chữ viết tắt và ký hiệu..........................................................................4
Danh sách các hình vẽ...........................................................................7
LờI CảM ƠN......................................................................................................8
Lời nói đầu......................................................................................................9
Chơng 1. Các phần tử biến đổi quang - điện trong hệ
thống thông tin quang................................................12
1.1. Tổng quan về cấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động của hệ thống thông
tin quang.........................................................................................................12
1.1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang..............................12
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang......................13

3.6.2. Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode và APD....................35
3.7. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu.........................................................................43
3.7.1. Một số khái niệm cơ bản ................................................................43
3.7.2. Truyền dẫn analog .........................................................................43
3.7.3. Truyền dẫn số .................................................................................47
chơng 4. miền công tác của các photodiode .....................53
4.1 Các điều kiện để xác định miền công tác của các Photodiode.................53
4.2. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn analog .................55
4.3. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn số .........................57
4.4. Ví dụ tính toán miền công tác của các Photodiode ...............................59
4.4.1. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn analog ......59
4.4.2. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn số ..............63
Kết luận và kiến nghị...........................................................................69
1. Kết luận.......................................................................................................69
2. Kiến nghị.....................................................................................................71
Tài liệu tham khảo.................................................................................72
Phụ lục A: Chơng trình tính toán miền công tác của
photodiode ..........................................................................73
A.1. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình...................................................................73
A.2. Giới thiệu chơng trình tính toán..............................................................74
A.3. Tính toán miền công tác của Photodiode................................................78
A.3.1. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn analog ......78
A.3.2. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn Digital.......80
A.4 Một số hình ảnh mô tả kết quả tính toán.................................................81
Phụ lục B. Chứng minh công thức (4-24).......................................84
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - học viện công nghệ BC-VT
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4 - học viện công nghệ BC-VT
Chữ viết tắt và ký hiệu


Hệ số ion hoá lỗ trống trong vùng quang thác
BER
cp

Giá trị xác suất sai lầm bit cho phép (đối với truyền dẫn số) để bảo đảm chất l ợng truyền dẫn
cho phép của hệ thống.
B
R
Băng tần tạp âm của photodiode
c
Vận tốc ánh sáng (c = 3.10
8
m/s).
C
c

Điện dung của lớp tiếp giáp PN,
C
T

Điện trở tải của Photodiode,
e
Địên tích của điện tử (e = 1,602.10
-19
As).
F
Hệ số nhiễu do quá trình quang thác (trong APD).
F(M)
Hệ số tạp âm phụ thêm của APD

)
Hàm truyền dẫn của Photodiode (APD/PIN- Photodiode),
H
T
Hàm truyền dẫn của Photodiode
H
T-APD
Hàm truyền dẫn của APD Photodiode hoạt động ở tốc độ cao
H
T-PIN
Hàm truyền dẫn của PIN Photodiode hoạt động ở tốc độ cao
h
T-APD

Hàm quá độ của APD- Photodiode
h
T-PIN

Hàm quá độ của PIN- Photodiode
i
N
(t)
Dòng nhiễu
i
nC
Dòng điện nhiệt trên điện trở lớp tiếp giáp PN,
I
NL
Dòng nhiễu lợng tử tín hiệu
i

Dòng ra của photodiode APD
i
T-PIN
Dòng ra của photodiode PIN
I
V
(t) Tín hiệu vào (tín hiệu diện)
T
I

Giá trị trung bình của dòng điện tối
r
I

Giá trị trung bình của dòng điện tối
k Hằng số Bolzomal,
K(j

)
Hàm truyền dẫn của bộ tiền khuếch đại và một hoặc nhiều bộ khuếch đại điện áp,
L(j

)
Hàm truyền dẫn của bộ lọc thông thấp.
M Hệ số khuếch đại của APD.
m Độ sâu điều chế
n Tham số phụ thuộc vào vật liệu và cấu trúc của APD.
P
N
Công suất một nguồn nhiễu

P
Giá trị trung bình của công suất ánh sáng đến photodiode
R
D

Điện trở dây nối của Photodiode,
R
T

Điện trở tải của Photodiode,
S/N
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
(S/N)
APD
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của Photodiode APD
cp
N
S







Giá trị tỷ số tín hiệu trên nhiễu cho phép (đối với truyền dẫn analog) để bảo đảm chất l ợng
truyền dẫn cho phép của hệ thống,
S
N
(j

U Địên áp đặt vào APD.
U
D
Điện áp đánh thủng của APD
u
r
(t) Tín

hiệu ra bộ thu quang (tín hiệu điện).
u
r
(t) Điện áp tín hiệu ra sau bộ lọc.
u
T
(t) Điện áp tín hiệu ra của bộ khuếch đại,
( )















,
g
g
m
am
b
m





( )








+=
2
2
2
1,
g
am
c
m

*
a
1
= M H
P
RT
x
BHMeb
+
=
2
..2



















11
g
gcp
m
N
S
bB




( )
[ ]
)(1
1
*
1
nTtDbb
Q
+=

( )
[ ]
)(1
1
*
2
nTtLbb
Q
+=



=
2
2
1
gcp
N
S
cC


[ ]
)(1)(
)(2
nTtLenTtD
nQ
nTt
nQ
nQg
+=





( )


=

(VNPT), Học viện công nghệ Bu chính Viễn thông (PTIT), Viện Khoa học kỹ
thuật Bu điện (RIPT) đã tạo điều kiện, cho phép tôi đợc tham gia khóa đào tạo
nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã truyền thụ những kiến thức
bổ ích trong suốt khoá học, các thầy cô giáo Khoa Quốc tế và đào tao sau đại
học đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để chúng tôi hoàn thành khoá học
Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Học viện, lãnh đạo Viện KHKT Bu
điện, lãnh đạo và tập thể các CBCNV trong phòng Quản lý NCKH&TTTL
Học viện CNBCVT, lãnh đạo và tập thể các CBCNV trong phòng NCKT Thông
tin quang - Viện KHKT Bu điện đã dành cho tôi sự ủng hộ quý giá.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các nhà chuyên gia, khoa học, đồng
nghiệp đã dành thời gian đọc và góp ý hoàn thiện cho luận án.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn mẹ, vợ và con tôi, cùng tất cả những ngời thân
trong gia đình và bạn bè, đồng nghiệp đã luôn dành cho tôi sự ủng hộ nhiệt tình,
cổ vũ, động viên để tôi có điều kiện hoàn thành bản luận án này.
Hà Nội, ngày 18 tháng 05 năm 2005
Nguyễn Vĩnh Nam
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 9 - học viện công nghệ BC-VT
Lời nói đầu
Ngày nay, thế giới đang bớc sang kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức,
trong đó thông tin là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội. Do đó, nhu cầu
truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa phơng tiện
trong đời sống kinh tế xã hội của từng quốc gia cũng nh kết nối toàn cầu.
Để đáp ứng đợc vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên
thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng
thông rộng, dung lợng lớn. Một trong giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có
khả năng truyền dẫn tốc độ cao hay băng rộng với dung lợng lớn và đa dịch vụ,
đó là công nghệ truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao.
Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao hay băng tần rộng, thì quá trình

số/tốc độ bit của ánh sáng tới).
Vì vậy, cần phải xem xét với điều kiện nào của tín hiệu truyền dẫn tại
đầu vào các Photodiode trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao để tỷ số
tín hiệu trên nhiễu của Photodiode (đối với truyền dẫn analog) lớn hơn một giá
trị cho trớc hoặc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá trị cho trớc. Giải
quyết vấn đề này, sẽ dẫn ta đến việc xác định miền công tác của các
Photodiode.
Miền công tác của Photodiode là tập hợp các giá trị (các tham số) của
tín hiệu đầu vào Photodiode trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao
để tỷ số tín hiệu trên nhiễu của Photodiode (đối với truyền dẫn analog) lớn
hơn một giá trị cho trớc hoặc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá
trị cho trớc.
Do đó, việc nghiên cứu xác định đợc miền công tác của các Photodiode
trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao là một vấn đề cấp thiết.
Để thực hiện mục tiêu đó, đề tài Nghiên cứu miền công tác của các
photodiode trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao đã đợc đặt ra và một ch-
ơng trình máy tính xác định đợc miền công tác của các photodiode trong các hệ
thống thông tin quang tốc độ cao. Trên cơ sở nghiên cứu đó, đề tài cung cấp các
cơ sở khoa học, công cụ tính toán hỗ trợ cho các nhà tính toán thiết kế các hệ
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11 - học viện công nghệ BC-VT
thống thông tin quang lựa chọn tối u các phần tử của hệ thống hay sử dụng hiệu
quả các phần tử thông tin quang hiện có.
Để đạt đợc mục tiêu đó, đề tài đã thực hiện các nội dung chính sau đây:
- Các phần tử biến đối quang điện trong hệ thống thông tin quang
- Mô hình toán học của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao
- Các tham số truyền dẫn của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao
- Miền công tác của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao
- Chơng trình phần mềm xác định miền công tác của các photodiode
hoạt động ở tốc độ cao

r
(t)
Bộ phát
quang
Bộ phát
quang
Bộ thu
quang
Bộ thu
quang
i
V
(t)
P
T
(t)
(a)
u
r
(t)
i
V
(t)
Bộ khuếch đại quang sợi
(b)
P
p
(t)
Bộ phát
quang

Trong quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang, ánh sáng bị suy hao và bị tán
sắc. Cự ly truyền dẫn càng dài thì ánh sáng càng bị suy hao và tán sắc. Với các
tuyến truyền dẫn dài, thì ánh sáng truyền đến đầu thu P
T
(t) bị suy giảm lớn và
tán sắc lớn nên không đảm bảo để bộ thu khôi phục lại tín hiệu truyền dẫn ban
đầu. Do đó, trên tuyến truyền dẫn ngời ta thờng mắc các bộ khuếch đại quang
(hình 1.1.a). Khi các tuyến truyền dẫn khá dài, ngời ta còn phải mắc các bộ lặp
đờng dây (hình 1.1.b) hoặc kết hợp cả hai bộ khuếch đại quang và bộ lặp đờng
dây.
- Các bộ lặp (đối với truyền dẫn số) hay các bộ tái sinh tín hiệu (đối với truyền
dẫn analog): tái tạo lại tín hiệu do suy hao và các tác động khác của đờng
truyền.
- Bộ thu quang: biến đổi ánh sáng tới P
T
(t) trở thành tín hiệu điện u
r
(t). Tín
hiệu u
r
(t) có dạng giống nh tín hiệu truyền dẫn ban đầu i
V
(t). Tuy nhiên, có
thể có tạp âm và méo kèm theo (đối với truyền dẫn analog) hoặc lỗi bít (đối
với truyền dẫn số).
1.2. Các phần tử biến đổi quang-điện
1.2.1. Một số yêu cầu đối với các phần tử biến đổi quang-điện
Trong kỹ thuật thông tin quang, các phần tử biến đổi điện-quang sử dụng trong
cần phải thoả mãn một số yêu cầu cơ bản sau:
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV

I
Điện
cực
Điện cực
vòng
Lớp chống
phản xạ
ánh sáng tới
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 15 - học viện công nghệ BC-VT
- Trên bề mặt của lớp bán dẫn P
+
là một điện cực vòng (ở giữa để cho ánh
sáng thâm nhập vào miền I).
- Đồng thời trên lớp bán dẫn P
+
có phủ một lớp mỏng chất chống phản xạ
để tránh tổn hao ánh sáng vào.
- Điện áp phân cực ngợc để cho dio de không có dòng điện (chỉ có thể có
một dòng ngợc rất nhỏ, gọi là dòng điện tối).
Nguyên lý hoạt động:
Khi các photon đi vào lớp P
+
có mức năng lợng lớn hơn độ rộng của dải cấm, sẽ
sinh ra trong miền P
+
, I, N
+
của PIN-Photodiode các cặp điện tử và lỗ trống (chủ
yếu ở lớp I).
Các điện tử và lỗ trống trong miền I vừa đợc sinh ra bị điện trờng mạnh hút về

+
I và
N
+
I không đợc khuếch tán vào miền I (do ở khoảng cách xa hơn độ dài khuếch
tán của động tử thiểu số), nên chíng lại tái hợp với nhau ngay trong các miền P
+
và N
+
.
Trong trờng hợp lý tởng, mỗi photon chiếu vào PIN-Photodiode sẽ sinh ra một
cặp điện tử và lỗ trống và giá trị trung bình của dòng điện ra tỷ lệ với công suất
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 16 - học viện công nghệ BC-VT
chiếu vào. Nhng thực tế không phải nh vậy, vì một phần ánh sáng bị tổn thất do
phản xạ bề mặt.
Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bớc sóng.
Vì vậy, lớp P
+
không đợc quá dầy. Miền I càng dầy thì hiệu suất lợng tử càng
lớn, vì xác suất tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống tăng lên theo độ dầy của miền
này và do đó các photon có nhiều khả năng tiếp xúc với các nguyên tử hơn. Tuy
nhiên, trong truyền dẫn số độ dài của xung ánh sáng đa vào phải đủ lớn hơn thời
gian trôi T
d
cần thiết để các phần tử mang điện chạy qua vùng trôi có độ rộng d
của miền I. Do đó, d không đợc lớn quá vì nh thế tốc độ bit sẽ bị giảm đi.
Khi bớc sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua bán dẫn cũng tăng lên, ánh
sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Do đó,
với các vật liệu phải có một bớc sóng tới hạn.

ờng tăng chậm, nhng trong tiếp giáp PN
+
điện trờng tăng rất nhanh. Lớp tiếp
giáp PN
+
là miền thác, ở đây xảy ra quá trình nhân điện tử.
Nguyên lý hoạt động:
Do APD đợc đặt một điện áp phân cực ngợc rất lớn, tới hàng trăm vôn, cho
nên cờng độ điện trờng ở miền điện tích không gian tăng lên rất cao.
Do đó, khi các điện tử trong miền I di chuyển đến miền thác PN
+
chúng đợc
tăng tốc, va chạm vào các nguyên tử giải phóng ra các cặp điện tử và lỗ trống
mới, gọi là sự ion hoá do va chạm.
Các phần tử thứ cấp này đến lợt mình lại tạo ra sự sự ion hoá do va chạm thêm
nữa, gây lên hiệu ứng quang thác và làm cho dòng điện tăng lên đáng kể.
Thông qua hiệu ứng quang thác này mà với cùng một số lợng photon tới, APD
giải phóng ra các điện tử nhiều hơn rất nhiều lần so với PIN-Photodiode.
1.2.4. Đặc tuyến tĩnh của APD & PIN-Photodiode
Đặc tuyến tĩnh của PIN Photodiode & APD là đặc tuyến mô tả mối quan hệ
giữa dòng ra của photodiode và công suất quang một chiều hay công suất quang
có tốc độ biến đổi chậm đa vào photodiode.
Để xác định đợc mối quan hệ giữa dòng ra của photodiode và công suất quang
một chiều hay công suất quang có tốc độ biến đổi chậm đa vào Photodiode, trớc
hết cần xác định đợc dòng pho to của các photodiode (dòng photo chính là dòng
do các photon trực tiếp tạo ra).
Dòng photo của PIN Photodiode & APD
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 18 - học viện công nghệ BC-VT
Khi các photon đi vào PIN Photodiode và APD tạo ra các cặp Điện tử & Lỗ

).
c: vận tốc ánh sáng (c = 3.10
8
m/s).
Dòng ra của PIN Photodiode & APD
Đối với PIN- Photodiode
PIN- Photodiode là photodiode không có hiệu ứng quang thác, do đó dòng ra
của nó chính là dòng photo, tức là:
i
T-PIN
= i
P
= H
T
P
T

(1-5)
Đối với APD
Đối với APD, do có hiệu ứng quang khác mà dòng ra của APD đợc tăng lên M
lần, tức là:
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
(1-3)
hc
e
H
T


=





==
(1-7)
là hệ số khuyếch đại của APD,
U : địên áp đặt vào APD.
U
D
: điện áp đánh thủng của APD
n: nhận các giá trị từ 1,5 ữ 6, tuỳ thuộc vào vật liệu và cấu
trúc của APD.
Đặc tuyến tĩnh của PIN Photodiode & APD
Từ các công thức (1-5) và (1-6), ngời ta xác định đợc đặc tuyến tĩnh của PIN-
Photodiode & APD theo hình 1.4.
Hình 1.. Đặc tuyến tĩnh của PIN Photodiode & APD
Vì tín hiệu truyền dẫn (công suất ánh sáng) đến bộ thu quang bị suy hao rất lớn
bởi đờng truyền, nên cờng độ ánh sáng tại đầu bộ thu quang thờng rất nhỏ. Vì
vậy, tính phi tuyến của bộ thu quang thờng bỏ qua và đặc tuyến tĩnh của PIN-
Photodiode và APD là những đờng thẳng. Tuy nhiên, vì có hiệu ứng quang thác
nên độ dốc của đặc tuyến tĩnh của APD lớn hơn của PIN- Photodiode.
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
0
i
T
APD
PIN-Photodiode
P
T

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 21 - học viện công nghệ BC-VT
của cờng độ ánh sáng chiếu vào APD & PINPhotodiode, mà nó còn là hàm
số của tần số. Quá trình biến đổi quang-điện của APD & PIN- Photodiode
không chỉ phụ thuộc vào cờng độ lớn của công suất ánh sáng chiếu vào
photodiode, mà còn phụ thuộc vào tần số gọi là quá trình biến động của PIN-
Photodiode và APD. Nh vậy, đặc tính biến đổi quang-điện của PIN-Photodiode
& APDphụ thuộc rất nhiều vào các tham số của công suất ánh sáng chiếu vào.
Ngày nay, ngời ta thờng sử dụng kỹ thuật truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao
để xây dựng các tuyến siêu xa lộ thông tin phục vụ cho nhu cầu trao đổi thông
tin và phát triển nền kinh tế quốc dân. Trong kỹ thuật truyền dẫn thông tin
quang, với tốc độ nhỏ hơn hoặc bằng 5 Gbit/s ngời ta thờng sử dụng các phần tử
biến đổi quang-điện là APD & PIN - Photodiode. Khi đó, quá trình biến đổi
quang-điện của APD & PIN-Photodiode trong trờng hợp này là những quá trình
biến đổi động.
2.2. Sơ đồ điện tơng đơng của PIN Photodiode và APD
Hình 2.. Sơ đồ điện tơng đơng của PIN-Photodiode (a) và APD (b)
Khi công suất luồng quang biến đổi nhanh (tần số của luồng quang cao - đối với
tuyến dẫn analog hay tốc độ bit/s - đối với truyền dẫn số) thì địên dung của lớp
chắn, các hiệu ứng ký sinh của photodiode sẽ ảnh hởng đáng kể đến quá trình
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
R
D
i
P
G
C
C
C
C
T

G
c
- Điện dẫn của lớp tiếp giáp PN,
C
c
- Điện dung của lớp tiếp giáp PN,
G
T
- Điện dẫn tải của Photodiode,
C
T
- Điện dung tải của Photodiode,
R
D
- Điện trở dây nối của Photodiode,
M Hệ số khuếch đại của APD.
2.3. Mô hình toán học của PIN Photodiode và APD
2.3.1. Mô hình truyền dẫn tín hiệu
Hình 2.. Mô hình toán học truyền dẫn tín hiệu của PIN (a), APD (b)
Trong kỹ thuật thông tin quang, ngời ta thờng sử dụng PIN- Photodiode
và APD chất lợng cao, R
D
rất nhỏ, có thể bỏ qua (R
D
= 0). Do đó, từ các sơ đồ
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
(a)
G
T
C