Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 2 - học viện công nghệ BC-VT
3.3.1. Hàm trọng lợng của PIN- Photodiode 27
3.3.2. Hàm trọng lợng của APD 27
3.4. Hàm quá độ của PIN- Photodiode và APD 28
3.5. Tín hiệu ra của PIN Photodiode và APD 28
3.5.1. Truyền dẫn analog 28
3.5.2. Truyền dẫn số 31
3.6. Nhiễu của PIN Photodiode và APD 34
3.6.1. Nhiễu và phân loại nhiễu trong PIN-Photodiode và APD 34
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
Hiệu suất lợng tử hoá của PIN Photodiode/APD.
Bớc sóng của ánh sáng.
APD
Hằng số thời gian đặc trng cho quá trình biến đổi quang-điện của APD khi công suất luồng
quang biến đổi nhanh thì hằng số thời gian của APD trong quá trình biến đổi quang-điện
g-APD
Tần số góc giới hạn của APD
g-PIN
Tần số góc giới hạn của PIN Photodiode
LA
Hằng số thời gian đặc trng cho quá trình biến đổi quang-điện của APD
RC
Hằng số thời gian đặc trng cho sự biến đổi quang-điện của APD khi công suất luồng quang
biến đổi nhanh
n
Hệ số ion hoá điện tử trong vùng quang thác
p
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
G
c
Điện dẫn của lớp tiếp giáp PN,
G
T
Điện dẫn tải của Photodiode,
g
T
Hàm trọng lợng của Photodiode
g
T-APD
Hàm trọng lợng của APD- Photodiode
g
T-PIN
Hàm trọng lợng của PIN- Photodiode
h
Hằng số Plank (h = 6,62.10
-34
Ws
2
).
h(t)
Hàm quá độ của Photodiode
H
P
(j
)
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
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 - 5 - 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
T0
Phổ tín hiệu ra ở tốc độ thấp
I
T0-APD
Phổ tín hiệu ra của APD-Photodiode ở tốc độ thấp
I
T0-PIN
Phổ tín hiệu ra của PIN-Photodiode ở tốc độ thấp
i
T-APD
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
N
Công suất nhiễu tổng
P
NL
Công suất nhiễu lợng 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
P
T
(t) Công suất án sáng truyền đến đầu vào bộ thu quang hoặc biên độ chuỗi xung số
P
T-cpmax
Giá trị công suất ánh sáng đầu vào bộ thu quang cho phép cực đại
P
th
Công suất của tín hiệu ra photodiode
T
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
)
Mật độ công suất phổ của dòng nhiễu
S
NN
(j
)
Mật độ công suất phổ của nhiễu nhiệt
S
Nr
(j
)
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 - 6 - học viện công nghệ BC-VT
S
NT
(j
)
Mật độ công suất phổ của nhiễu dòng tối
T Chu kỳ chuỗi xung
T
0
Nhiệt độ tuyệt đối.
T
d
Độ rộng xung
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,
( )
+
+
+=
2
2
2
2
1
2
1
11
2
,
g
g
m
am
b
m
( )
+=
2
2
2
1,
g
am
c
m
m
1
=
22
2
1
MHa
T
=
2
maA
=
( )
[ ]
=
nTtaa
Qg
exp1
1
*
a
1
= M H
P
RT
x
BHMeb
+
=
2
2
+
+
+
=
2
2
2
1
2
1
11
g
gcp
m
N
S
bB
( )
[ ]
)(1
1
*
1
nTtDbb
Q
+=
( )
[ ]
)(1
1
*
2
nTtLbb
Q
+=
gT
HMMFeb
2
1
)(
2
1
=
[ ]
RTCrT
x
BGGkTIIeMc )(4)(2
2
+++=
+
+
=
2
2
1
gcp
N
S
cC
[ ]
)(1)(
)(2
nTtLenTtD
nQ
nTt
nQ
nQg
+=
( )
=
=
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 - 7 - 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 - 8 - học viện công nghệ BC-VT
LờI CảM ƠN
Luận án thạc sĩ kỹ thuật Nghiên cứu miền công tác của các photodiode trong
hệ thống thông tin quang tốc độ cao đợc hoàn thành trong thời gian đào tạo,
nghiên cứu tại Học viện công nghệ Bu chính Viễn thông - Tổng Công ty Bu
chính Viễn thông Việt Nam. Để có đợc kết quả này, trớc hết tôi xin trân trọng
cảm ơn TS. Hoàng Văn Võ đã tạo điều kiện, giúp đỡ, tận tình hớng dẫn, giải
quyết những vấn đề khoa học trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Tổng Công ty Bu chính Viễn thông Việt Nam
(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
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 hởng của quá
trình biến đổi động của các phần tử phát và thu quang đến chất lợng truyền dẫn
càng lớn.
Cũng nh 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 lợng
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 lợng 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 trớc hoặc BER (đối với truyền dẫn số)
cần phải nhỏ hơn một giá trị cho trớc, các giá trị này đã đợc ITU-T khuyến
nghị.
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 đợc xác định
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 10 - học viện công nghệ BC-VT
thông qua các phần tử phát quang, thu quang và sợi quang trong hệ thống. Để
hệ thống bảo đảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (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, trớc hết các phần tử phát quang, thu quang và sợi quang trong hệ thống
cũng phải bảo đảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (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.
Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao hay băng tần rộng, thì tỷ số tín hiệu
trên nhiễu (đối với truyền dẫn analog) hoặc BER (đối với truyền dẫn số) của các
bộ thu quang không chỉ là hàm số của các tham số cấu trúc mà còn là hàm số
của các tham số tín hiệu truyền dẫn tại đầu vào các Photodiode (biên độ và tần
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
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét