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
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
Mục lục
Nguyễn vĩnh nam - Cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 2 - học viện công nghệ BC-VT
Chữ viết tắt và ký hiệu
η
Hiệu suất lượng tử hoá của PIN– Photodiode/APD.
λ
Bước sóng của ánh sáng.
τ
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
G
c
Điện dẫn của lớp tiếp giáp PN,
G
T
Điện dẫn tải của Photodiode,
g
T
Hàm trọng lượng của Photodiode
g
T-APD
Hàm trọng lượng của APD- Photodiode
i
N
(t) Dòng nhiễu
i
nC
Dòng điện nhiệt trên điện trở lớp tiếp giáp PN,
I
NL
Dòng nhiễu lượng tử tín hiệu
i
nT
Dòng điện nhiệt trên điện trở tải,
I
P
Dòng photo
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - học viện công nghệ BC-VT
I
T
Phổ tín hiệu ra
i
r
Dòng điện rò,
i
T
Dòng điện tối,
i
T
(t) Dòng tín hiệu ra của photodiode,
I
L(j
ω
)
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
N
Σ
Công suất nhiễu tổng
P
NL
Công suất nhiễu lượng tử tín hiệu
P
NN
Công suất nhiễu nhiệt
P
Nr
Công suất nhiễu dòng điện rò
p
NT
Công suất nhiễu dòng điện tối
P
P (t)
Công suất ánh sáng bức xạ của bộ phát quang
Giá trị tỷ số tín hiệu trên nhiễu cho phép (đối với truyền dẫn analog) để bảo đảm chất lượng
truyền dẫn cho phép của hệ thống,
S
N
(j
ω
)
Mật độ công suất phổ của dòng nhiễu
S
NN
(j
ω
)
Mật độ công suất phổ của nhiễu nhiệt
S
Nr
(j
ω
)
Mật độ công suất phổ của nhiễu dòng rò
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4 - học viện công nghệ BC-VT
S
NT
(j
ω
)
Mật độ công suất phổ của nhiễu dòng tối
+
+
+=
2
2
2
2
1,
g
am
c
m
ω
ω
ωβ
m
1
=
ε
22
2
1
MHa
T
=
2
maA
=
( )
[ ]
+
+
+
)(1
1
*
2
nTtLbb
Q
−+−=
ε
gT
HMMFeb
ω
2
1
)(
2
1
=
[ ]
RTCrT
x
BGGkTIIeMc )(4)(2
2
+++=
+
−−
−
−
ω
( )
∑
−
=
−−
−
−
−=−
1
0
)(22
1)(
n
i
iTt
i
T
nQ
nQgdg
ebenTtL
ωω
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 5 - học viện công nghệ BC-VT
Danh sách các hình vẽ
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 6 - học viện công nghệ BC-VT
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
phương tiện trong đời sống kinh tế – xã hội của từng quốc gia cũng như kết
nối toàn cầu.
Để đáp ứng được 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 lượng lớn. Một trong giải pháp để tạo ra mạng truyền
thông có khả năng truyền dẫn tốc độ cao hay băng rộng với dung lượng 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
biến đổi điện – quang của các phần tử phát quang (LED, LD) và quá trình
biến đổi quang-điện của các phần tử thu quang (PIN-Photodiode, APD) không
tuân theo đặc tuyến tĩnh của nó nữa, mà là hàm số của tần số (đó chính là quá
trình biến đổi động của các phần tử phát và thu quang). Khi tốc độ truyền dẫn
càng lớn và do đó tần số truyền dẫn của hệ thống càng cao, thì ảnh hưởng của
quá trình biến đổi động của các phần tử phát và thu quang đến chất lượng
truyền dẫn càng lớn.
Cũng như tất cả các hệ thống viễn thông khác, trong hệ thống thông tin
quang một trong những tham số truyền dẫn có tính chất quyết định chất lượng
của hệ thống, đó là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (đối với truyền dẫn analog) hoặc
BER (đối với truyền dẫn số). Để bảo đảm chất lượng truyền dẫn cho phép thì
tỷ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống hệ thống thông tin quang (đối với truyền
dẫn analog) cần phải lớn hơn một giá trị cho trước hoặc BER (đối với truyền
dẫn số) cần phải nhỏ hơn một giá trị cho trước, các giá trị này đã được ITU-T
khuyến nghị.
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 8 - học viện công nghệ BC-VT
Tham số tỷ số tín hiệu trên nhiễu (đối với truyền dẫn analog) hoặc BER
(đối với truyền dẫn số) của hệ thống hệ thống thông tin quang được xác định
thông qua các phần tử phát quang, thu quang và sợi quang trong hệ thống. Để
cung cấp các cơ sở khoa học, công cụ tính toán hỗ trợ cho các nhà tính toán
thiết kế các hệ thống thông tin quang lựa chọn tối ưu các phần tử của hệ thống
hay sử dụng hiệu quả các phần tử thông tin quang hiện có.
Để đạt được 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
- Chương trình phần mềm xác định miền công tác của các photodiode
hoạt động ở tốc độ cao
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 10 - học viện công nghệ BC-VT
Chương 1. Các phần tử biến đổi quang - điện trong hệ
thống thông tin quang
1.1. Tổng quan về cấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động của hệ thống
thông tin quang
1.1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang được chỉ ra ở hình 1.1.
Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang sử dụng bộ lặp đường
dây (a) và sử dụng các bộ khuếch đại quang (b)
Trong đó: I
V
(t): tín hiệu vào (tín hiệu diện)
P
P (t)
: Công suất ánh sáng bức xạ của bộ phát quang
P
T
(t): Công suất án sáng truyền đến đầu vào bộ thu quang
u
(b)
P
p
(t)
Bộ phát
quang
P
T
(t)
Bộ thu
quang
Bộ lặp
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11 - học viện công nghệ BC-VT
Cấu trúc cơ bản của hệ một thống thông tin quang bao gồm các phần tử chủ
yếu sau: bộ phát quang, bộ thu quang, sợi quang, các bộ khuếch đại quang và
các thiết bị lặp.
Ngoài ra, tuỳ theo các điều kiện và các nhu cầu cụ thể trên các tuyến thông tin
quang người ta còn sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi, các bộ bù tán sắc
hoặc các bộ tách ghép bước sóng quang,...
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang
- Bộ phát quang: biến đổi tín hiệu vào i
V
(t)
thành tín hiệu ánh sáng P
p
(t)
để
ghép vào sợi quang. Quá trình này gọi là điều biến/ hay điều chế quang.
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:
- Thời gian đáp ứng nhanh,
- Độ nhạy và hiệu suất biến đổi quang điện cao,
- Nhiễu thấp,
- Điều kiện ghép với sợi quang thuận tiện,
- Kích thước nhỏ.
Để đáp ứng các yêu cầu trên, trong kỹ thuật thông tin quang, người ta thường
sử dụng các phần tử biến đổi quan-điện:
- PIN-Photodiode và
- Diode quang thác APD.
Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu nguyên lý biến đổi quang-điện, cấu tạo và
tính chất của các phần tử này [1, 2, 4, 7, 8, 9].
1.2.2. PIN-Photodiode
1 Cấu tạo
Nguyên tắc biến đổi quang-điện của PIN-Photodiode dựa vào nguyên lý biến
đổi quang-điện của lớp tiếp giáp p-n được phân cực ngược. Cấu trúc cơ bản
của PIN-Photodiode được chỉ ra ở hình 1.2
Hình 1.2. Cấu tạo của PIN-Photodiode
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
P
+
N
+
I
Điện
cực
Điện cực vòng
Lớp chống phản
xạ
về hai phía (điện tử về phía N
+
vì có điện áp dương, lỗ trống về miền P
+
vì có
điện áp âm).
Mặt khác, các điện tử mới sinh ra trong miền P
+
khuếch tán sang miền I nhờ
gradien mật độ tại tiếp giáp P
+
I, rồi chạy về phía N
+
vì có điện áp dương và lỗ
trống mới sinh ra trong miền N
+
khuếch tán sang miền I nhờ gradien mật độ
tại tiếp giáp N
+
I, rồi chạy về phía về miền P
+
vì có điện áp âm.
Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN-Photodiode một dòng
điện và trên tải một điện áp.
Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo ra dòng điện
ngoài, vì chúng được sinh ra ở miền P
+
và N
+
ở cách xa các lớp tiếp giáp P
sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Do
đó, với các vật liệu phải có một bước sóng tới hạn.
1.2.3. Diode quang thác APD
1 Cấu tạo
Cấu trúc cơ bản của APD được chỉ ra ở hình 1.3.
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
P
P
P
+
N
+
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
Hình 1.3. Cấu tạo của APD
Cấu tạo của APD cơ bản giống như PIN-Photodiode. Ngoài ra trong APD còn
có một lớp bán dẫn yếu P được xen giữa lớp I và lớp N
+
. Bên trái lớp I bị giới
hạn bởi lớp P
+
, còn bên phải lớp I bị giới hạn bởi tiếp giáp PN
+
.
Điện áp phân cực ngược đặt vào APD rất lớn, tới hàng trăm vôn.
( Dòng photo của PIN – Photodiode & APD
Khi các photon đi vào PIN – Photodiode và APD tạo ra các cặp Điện tử & Lỗ
trống, dưới tác dụng của điện trường ngoài, các phần từ này sinh ra ở mạch
ngoài một dòng điện. Đó chính là dòng photo của PIN – Photodiode/APD.
Dòng photo I
P
của PIN – Photodiode/APD được xác theo công thức:
I
P
= H
T
P
T
(1-1)
Trong đó: (1-2)
gọi là hệ số biến đổi quang - điện của photodiode.
P
T
: là công suất ánh sáng chiếu vào photodiode
η
=
Số cặp Địên tử & Lỗ trống sinh ra
Số photon hấp thụ
là hiệu suất lượng tử hoá của PIN–
Photodiode/APD.
λ: bước sóng của ánh sáng.
e: địên tích của điện tử (e = 1,602.10
-19
As).
h: hằng số Plank (h = 6,62.10
h Đối với APD
Đối với APD, do có hiệu ứng quang khác mà dòng ra của APD được tăng lên
M lần, tức là:
i
T-APD
= Mi
P
= MH
T
P
T
,
(1-6)
Trong đó:
1
1
n
D
P
T
U
U
i
i
M
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 18 - học viện công nghệ BC-VT
của PIN- Photodiode và APD là những đường 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
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 19 - học viện công nghệ BC-VT
chương 2. mô hình toán học của các photodiode hoạt
động ở tốc độ cao
Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao, quá trình biến đổi quang-điện của các
phần tử thu quang (PIN-Photodiode, APD) không tuân theo đặc tuyến tĩnh
của nó nữa, mà là hàm số của tần số. Đó chính là quá trình biến đổi động của
các phần tử thu quang.
2.1. Các yếu tố xác lập đặc tính động của PIN–Photodiode và APD
Trong cấu tạo của PIN - Photodiode và APD luôn tồn tại các thành phần:
- Điện dung lớp điện tích không gian (lớp tiếp giáp của các lớp P và N)
trong PIN - Photodiode & APD
- Các hiệu ứng ký sinh của PIN – Photodiode & APD, ...
Khi PIN - Photodiode và APD hoạt động ở khu vực tần số thấp (thường nhỏ
hơn 1 GHz), tức là khi tín hiệu truyền dẫn là những chuỗi xung có tốc độ bít
thấp (đối với truyền dẫn số) hay có tần số thấp (đối với truyền dẫn analog), thì
ảnh hưởng của điện dung tiếp giáp của các lớp P – N trong PIN - Photodiode
& APD và các hiệu ứng ký sinh có thể bỏ qua trong quá trình biến đổi quang-
điện của PIN-Photodiode và APD. Khi đó, dòng photo tạo ra của PIN-
Photodiode và APD chỉ là hàm số của cường độ ánh sáng chiếu vào APD &
PIN- Photodiode và nó được xác định theo đặc tuyến biến đổi quang-điện tĩnh
của PIN- Photodiode và APD (hình 1.4).
Khi PIN-Photodiode và APD hoạt động ở khu vực tần số cao (thường lớn hơn
1 GHz), tức là khi tín hiệu truyền dẫn là những chuỗi xung có tốc độ bít cao
(đối với truyền dẫn số) hay có tần số cao (đối với truyền dẫn analog), thì ảnh
hưởng của điện dung tiếp giáp của các lớp P – N trong APD & PIN -
C
C
T
i
T
R
T
M
(b)
(a)
R
D
i
P
G
C
C
C
C
T
i
T
R
T
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 21 - học viện công nghệ BC-VT
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 hưởng đáng kể đến
quá trình biến đổi quang-địên của photodiode. Quá trình biến đổi quang-điện
trong trường hợp này của photodiode gọi là quá trình biến đổi động của nó.
T
G
c
C
c
i
p
(b)
G
T
C
T
G
c
C
c
i
p
M
Copyright: Tài liệu đại học ©