Tổng công ty bưu chính viễn thôngviệt nam
học viện công nghệ bưu chính viễn thông
------------------
Nguyễn Vĩnh Nam
Nghiên cứu miền công tác của
các photodiode trong hệ thống thông tin quang
tốc độ cao
Hà nội, 5-2005
Tổng công ty bưu chính viễn thôngviệt nam
học viện công nghệ bưu chính viễn thông
------------------
Nguyễn Vĩnh Nam
Nghiên cứu miền công tác của
các photodiode trong hệ thống thông tin quang
tốc độ cao
luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Người hướng dẫn: TS. Hoàng Văn Võ
Hà nội, 5-2005
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1 - học viện công nghệ BC-VT
Mc lc
Ch vi t t t v ký hi u ..........................................................................3
Danh sỏch cỏc hỡnh v..........................................................................6
L I C M N .......................................................................................................7
L i núi u .......................................................................................................8
Ch ng 1. Cỏc ph n t bi n i quang - i n trong h
th ng thụng tin quang .................................................11
1.1. T ng quan v c u trỳc c b n v nguyờn lý ho t ng c a h th ng
thụng tin quang...............................................................................................11
1.1.1. C u trỳc c b n c a h th ng thụng tin quang ...........................11
1.1.2. Nguyờn lý ho t ng c a h th ng thụng tin quang ...................12
1.2. Cỏc ph n t bi n i quang- i n ........................................................13

3.7. T s tớn hi u trờn nhi u ......................................................................43
3.7.1. M t s khỏi ni m c b n .............................................................43
3.7.2. Truy n d n analog ........................................................................44
3.7.3. Truy n d n s ...............................................................................47
ch ng 4. mi n cụng tỏc c a cỏc photodiode ....................54
4.1 Cỏc i u ki n xỏc nh mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode ...........54
4.2. Mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode trong truy n d n analog ..............56
4.3. Mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode trong truy n d n s .....................58
4.4. Vớ d tớnh toỏn mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode ...........................60
4.4.1. Mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode trong truy n d n analog ...60
4.4.2. Mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode trong truy n d n s ...........65
K t lu n v ki n ngh ...........................................................................70
1. K t lu n .....................................................................................................70
2. Ki n ngh ....................................................................................................72
Ti li u tham kh o .................................................................................74
Ph l c A: Ch ng trỡnh tớnh toỏn mi n cụng tỏc c a
photodiode ..........................................................................75
A.1. L a ch n ngụn ng l p trỡnh ................................................................75
A.2. Gi i thi u ch ng trỡnh tớnh toỏn .......................................................76
A.3. Tớnh toỏn mi n cụng tỏc c a Photodiode .............................................81
A.3.1. Mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode trong truy n d n analog ....81
A.3.2. Mi n cụng tỏc c a cỏc Photodiode trong truy n d n Digital ....82
A.4 M t s hỡnh nh mụ t k t qu tớnh toỏn ...........................................84
Ph l c B. Ch ng minh cụng th c (4-24) ........................................87
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - học viện công nghệ BC-VT
Ch vit tt v ký hiu

Hiu sut lng t hoỏ ca PIN Photodiode/APD.


cp
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
in dn ca lp tip giỏp PN,
G
T
in dn ti ca Photodiode,
g
T
Hm trng lng ca Photodiode
g

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
NL
Dũng nhiu lng t tớn hiu
i
nT
Dũng in nhit trờn in tr ti,
I
P
Dũng photo
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4 - học viện công nghệ BC-VT
I
T
Ph tớn hiu ra
i
r
Dũng in rũ,
i
T
Dũng in ti,
i
T

)
Hm truyn dn ca b tin khuch i v mt hoc nhiu b khuch i in ỏp,
L(j

)
Hm truyn dn ca b lc thụng thp.
M H s khuch i ca APD.
m sõu iu ch
n Tham s ph thuc vo vt liu v cu trỳc ca APD.
P
N
Cụng sut mt ngun nhiu
P
N


Cụng sut nhiu tng
P
NL
Cụng sut nhiu lng t tớn hiu
P
NN
Cụng sut nhiu nhit
P
Nr
Cụng sut nhiu dũng in rũ
p
NT
Cụng sut nhiu dũng in ti
P





Giỏ tr t s tớn hiu trờn nhiu cho phộp (i vi truyn dn analog) bo m cht lng
truyn dn cho phộp ca h thng,
S
N
(j

)
Mt cụng sut ph ca dũng nhiu
S
NN
(j

)
Mt cụng sut ph ca nhiu nhit
S
Nr
(j

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





















+
+








+=

+=
2
2
2
1,
g
am
c
m



m
1
=

22
2
1
MHa
T
=
2
maA
=
( )
[ ]



















+
+








+





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

gT
HMMFeb

2
1
)(
2
1
=
[ ]
RTCrT
x
BGGkTIIeMc )(4)(2
2
+++=
+










( )


=



=
1
0
)(22
1)(
n
i
iTt
i
T
nQ
nQgdg
ebenTtL

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 6 - học viện công nghệ BC-VT
Danh sỏch cỏc hỡnh v
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV

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
khuyn ngh.
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 9 - học viện công nghệ BC-VT
Tham s t s tớn hiu trờn nhiu (i vi truyn dn analog) hoc BER
(i vi truyn dn s) ca h thng h thng thụng tin quang c xỏc nh

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
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11 - học viện công nghệ BC-VT
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.
Hỡnh 1.1. Cu trỳc c bn ca h thng thụng tin quang s dng b lp ng
dõy (a) v s dng cỏc b khuch i quang (b)
Trong ú: I
V
(t): tớn hiu vo (tớn hiu din)
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

(t)
i
V
(t)
B khuch i quang si
(b)
P
p
(t)
B phỏt
quang
B phỏt
quang
P
T
(t)
B thu
quang
B thu
quang
B lp
B lp
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 12 - học viện công nghệ BC-VT
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
cỏc thit b lp.
Ngoi ra, tu theo cỏc iu kin v cỏc nhu cu c th trờn cỏc tuyn thụng tin
quang ngi ta cũn s dng cỏc b khuch i quang si, cỏc b bự tỏn sc
hoc cỏc b tỏch ghộp bc súng quang,...
1.1.2. Nguyờn lý hot ng ca h thng thụng tin quang

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).
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 13 - học viện công nghệ BC-VT
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
Cu to
Nguyờn tc bin i quang-in ca PIN-Photodiode da vo nguyờn lý bin
i quang-in ca lp tip giỏp p-n c phõn cc ngc. Cu trỳc c bn
ca PIN-Photodiode c ch ra hỡnh 1.2
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
P

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
+
vỡ cú
in ỏp õm).
Mt khỏc, cỏc in t mi sinh ra trong min P
+
khuch tỏn sang min I nh
gradien mt ti tip giỏp P
+
I, ri chy v phớa N
+
vỡ cú in ỏp dng v l
trng mi sinh ra trong min N
+
khuch tỏn sang min I nh gradien mt
ti tip giỏp N
+

+
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
Cu trỳc c bn ca APD c ch ra hỡnh 1.3.
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
P
P
P
+
N
+
I
i n
c c
i n c c
vũng
L p ch ng ph n
x

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
c tuyn tnh ca PIN Photodiode & APD l c tuyn mụ t mi quan h
gia dũng ra ca photodiode v cụng sut quang mt chiu hay cụng sut
quang cú tc bin i chm a vo photodiode.
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 17 - học viện công nghệ BC-VT
xỏc nh c mi quan h gia dũng ra ca photodiode v cụng sut
quang mt chiu hay cụng sut quang cú tc bin i chm a vo
Photodiode, trc ht cn xỏc nh c dũng pho to ca cỏc photodiode
(dũng photo chớnh l dũng do cỏc photon trc tip to ra).
Dũng photo ca PIN Photodiode & APD
Khi cỏc photon i vo PIN Photodiode v APD to ra cỏc cp in t & L
trng, di tỏc dng ca in trng ngoi, cỏc phn t ny sinh ra mch
ngoi mt dũng in. ú chớnh l dũng photo ca PIN Photodiode/APD.
Dũng photo I
P
ca PIN Photodiode/APD c xỏc theo cụng thc:
I
P
= H
T
P
T
(1-1)
Trong ú: (1-2)
gi l h s bin i quang - in ca photodiode.
P

PIN- Photodiode l photodiode khụng cú hiu ng quang thỏc, do ú dũng ra
ca nú chớnh l dũng photo, tc l:
i
T-PIN
= i
P
= H
T
P
T
(1-5)
i vi APD
i vi APD, do cú hiu ng quang khỏc m dũng ra ca APD c tng lờn
M ln, tc l:
i
T-APD
= Mi
P
= MH
T
P
T
,

(1-6)
Trong ú:

1
1
n

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 - 19 - học viện công nghệ BC-VT
Vỡ tớn hiu truyn dn (cụng sut ỏnh sỏng) n b thu quang b suy hao rt
ln bi ng truyn, nờn cng ỏnh sỏng ti u b thu quang thng rt
nh. Vỡ vy, tớnh phi tuyn ca b thu quang thng b qua v c tuyn tnh
ca PIN- Photodiode v APD l nhng ng thng. Tuy nhiờn, vỡ cú hiu
ng quang thỏc nờn dc ca c tuyn tnh ca APD ln hn ca PIN-
Photodiode.
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 20 - học viện công nghệ BC-VT
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

ny l nhng quỏ trỡnh bin i ng.
2.2. S in tng ng ca PIN Photodiode v APD
Hỡnh 2.1. S in tng ng ca PIN-Photodiode (a) v APD (b)
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
R
D
i
P
G
C
C
C
C
T
i
T
R
T
M
(b)
(a)
R
D
i
P
G
C
C
C
C

D
- in tr dõy ni ca Photodiode,
M H s khuch i ca APD.
2.3. Mụ hỡnh toỏn hc ca PIN Photodiode v APD
2.3.1. Mụ hỡnh truyn dn tớn hiu
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
(a)
G
T
C
T
G
c
C
c
i
p
(b)
G
T
C
T
G
c
C
c
i
p
M


Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV