Chữ viết tắt và ký hiệu 3
Danh sách các hình vẽ 6
LờI CảM ƠN 8
Lời nói đầu 9
Chương 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
1.2. Các phần tử biến đổi quang-điện 13
1.2.1. Một số yêu cầu đối với các phần tử biến đổi quang-điện 13
1.2.2. PIN-Photodiode 14
1.2.3. Diode quang thác APD 16
1.2.4. Đặc tuyến tĩnh của APD & PIN-Photodiode 17
chương 2. mô hình toán học của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao 20
2.1. Các yếu tố xác lập đặc tính động của PIN–Photodiode và APD 20
2.2. Sơ đồ điện tương đương của PIN – Photodiode và APD 21
2.3. Mô hình toán học của PIN – Photodiode và APD 22
2.3.1. Mô hình truyền dẫn tín hiệu 22
2.3.2. Mô hình nhiễu 23
chương 3. Các tham số truyền dẫn của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao 26
3.1. Hệ số khuyếch đại của APD 26
3.2. Hàm truyền dẫn của PIN- Photodiode và APD 26
3.2.1. Hàm truyền dẫn của PIN- Photodiode 26
3.2.2. Hàm truyền dẫn của APD 27
3.3. Hàm trọng lượng của PIN- Photodiode và APD 27
3.3.1. Hàm trọng lượng của PIN- Photodiode 27
3.3.2. Hàm trọng lượng của APD 28
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 29
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 36
3.7. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu 44
3.7.1. Một số khái niệm cơ bản 44
3.7.2. Truyền dẫn analog 45
3.7.3. Truyền dẫn số 48
chương 4. miền công tác của các photodiode 54
4.1 Các điều kiện để xác định miền công tác của các Photodiode 54
4.2. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn analog 57
4.3. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn số 59
4.4. Ví dụ tính toán miền công tác của các Photodiode 62
4.4.1. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn analog 62
4.4.2. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn số 66
Kết luận và kiến nghị 72
1. Kết luận 72
2. Kiến nghị 74
Tài liệu tham khảo 75
Phụ lục A: Chương trình tính toán miền công tác của photodiode 76
A.1. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình 76
A.2. Giới thiệu chương trình tính toán 77
A.3. Tính toán miền công tác của Photodiode 81
A.3.1. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn analog 81
A.3.2. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn Digital 83
A.4 Một số hình ảnh mô tả kết quả tính toán 84
Phụ lục B. Chứng minh công thức (4-24) 87
Chữ viết tắt và ký hiệu
Hiệu suất lượng tử hoá của PIN– Photodiode/APD.
Bước sóng của ánh sáng.
APD Hằng số thời gian đặc trưng 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 trưng cho quá trình biến đổi quang-điện của APD
RC Hằng số thời gian đặc trưng 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
BERcp Giá trị xác suất sai lầm bit cho phép (đối với truyền dẫn số) để bảo đảm chất lượng truyền dẫn cho phép của hệ thống.
BR Băng tần tạp âm của photodiode
c Vận tốc ánh sáng (c = 3.108 m/s).
Cc Điện dung của lớp tiếp giáp PN,
CT 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
Gc Điện dẫn của lớp tiếp giáp PN,
GT Điện dẫn tải của Photodiode,
gT Hàm trọng lượng của Photodiode
gT-APD Hàm trọng lượng của APD- Photodiode
gT-PIN Hàm trọng lượng của PIN- Photodiode
h Hằng số Plank (h = 6,62.10-34 Ws2).
h(t) Hàm quá độ của Photodiode
HP(j) Hàm truyền dẫn của Photodiode (APD/PIN- Photodiode),
HT Hàm truyền dẫn của Photodiode
HT-APD Hàm truyền dẫn của APD Photodiode hoạt động ở tốc độ cao
HT-PIN Hàm truyền dẫn của PIN Photodiode hoạt động ở tốc độ cao
hT-APD Hàm quá độ của APD- Photodiode
hT-PIN Hàm quá độ của PIN- Photodiode
iN(t) Dòng nhiễu
inC Dòng điện nhiệt trên điện trở lớp tiếp giáp PN,
INL Dòng nhiễu lượng tử tín hiệu
inT Dòng điện nhiệt trên điện trở tải,
IP Dòng photo
IT Phổ tín hiệu ra
ir Dòng điện rò,
iT Dòng điện tối,
iT(t) Dòng tín hiệu ra của photodiode,
IT0 Phổ tín hiệu ra ở tốc độ thấp
IT0-APD Phổ tín hiệu ra của APD-Photodiode ở tốc độ thấp
IT0-PIN Phổ tín hiệu ra của PIN-Photodiode ở tốc độ thấp
iT-APD Dòng ra của photodiode APD
iT-PIN Dòng ra của photodiode PIN
IV (t) Tín hiệu vào (tín hiệu diện)
Giá trị trung bình của dòng điện tối
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.
PN Công suất một nguồn nhiễu
PN Công suất nhiễu tổng
PNL Công suất nhiễu lượng tử tín hiệu
PNN Công suất nhiễu nhiệt
PNr Công suất nhiễu dòng điện rò
pNT Công suất nhiễu dòng điện tối
PP (t) Công suất ánh sáng bức xạ của bộ phát quang
PT (t) Công suất án sáng truyền đến đầu vào bộ thu quang hoặc biên độ chuỗi xung số
PT-cpmax Giá trị công suất ánh sáng đầu vào bộ thu quang cho phép cực đại
Pth Công suất của tín hiệu ra photodiode
Giá trị trung bình của công suất ánh sáng đến photodiode
RD Điện trở dây nối của Photodiode,
RT 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
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,
SN(j) Mật độ công suất phổ của dòng nhiễu
SNN(j) Mật độ công suất phổ của nhiễu nhiệt
SNr(j) Mật độ công suất phổ của nhiễu dòng rò
SNT(j) Mật độ công suất phổ của nhiễu dòng tối
T Chu kỳ chuỗi xung
T0 Nhiệt độ tuyệt đối.
Td Độ rộng xung
U Địên áp đặt vào APD.
UD Điện áp đánh thủng của APD
ur (t) Tín hiệu ra bộ thu quang (tín hiệu điện).
ur(t) Điện áp tín hiệu ra sau bộ lọc.
uT(t) Điện áp tín hiệu ra của bộ khuếch đại,
Danh sách các hình vẽ
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) 12
Hình 1.2. Cấu tạo của PIN-Photodiode 14
Hình 1.3. Cấu tạo của APD 16
Hình 1.4. Đặc tuyến tĩnh của PIN – Photodiode & APD 19
Hình 2.1. Sơ đồ điện tương đương của PIN-Photodiode (a) và APD (b) 21
Hình 2.2. Mô hình toán học truyền dẫn tín hiệu của PIN (a), APD (b) 22
Hình 2.3. Mô hình nhiễu của PIN – photodiode (a) và APD (b) 24
Hình 3.1. Tín hiệu ánh sáng tới pT~(t) 32
Hình 4.1. Mô hình cấu trúc cơ bản của một bộ thu quang trong truyền dẫn analog 62
Hình 4.2. Miền công tác của Photodiode trong truyền dẫn analog 66
Hình 4.3. Mô hình cấu trúc cơ bản của một bộ thu quang trong truyền dẫn số 67
Hình 4.4. Miền công tác của Photodiode trong truyền dẫn Digital 70
Hình A.1. Lưu đồ chương trình thực hiện tính toán miền công tác của Photodiode 77
Hình A.2. Giao diện chính của chương trình 78
Hình A.3. Cửa sổ lựa chọn các trường hợp tính toán 78
Hình A.4. Cửa sổ giao diện chương trình tính toán xác định miền công tác của photodiode 79
Hình A.5. Cửa sổ chương trình tính toán xác định S/N theo tần số với độ nhạy thu xác định 80
Hình A.6. Minh hoạ toàn bộ chương trình 81
Hình A.7. Kết quả tính toán xác định miền công tác của photodiode trong truyền dẫn analog 84
Hình A.8. Kết quả tính toán xác định S/N theo tần số với độ nhạy thu trong truyền dẫn analog 84
Hình A.9. Kết quả tính toán so sánh các đường đặc độ nhạy thu theo tần số trong truyền dẫn analog 85
Hình A.10. Kết quả tính toán xác định miền công tác của photodiode trong truyền dẫn Digital 85
Hình A.11. Kết quả tính toán xác định S/N theo tần số với độ nhạy thu trong truyền dẫn Digital 86
Hình A.12. Kết quả tính toán so sánh các đường đặc tuyến độ nhạy thu theo tần số trong truyền dẫn Digital 86
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” đư¬ợc hoàn thành trong thời gian đào tạo, nghiên cứu tại Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông - Tổng Công ty B¬ưu chính Viễn thông Việt Nam. Để có đư¬ợc kết quả này, trư¬ớc hết tôi xin trân trọng cảm ơn TS. Hoàng Văn Võ đã tạo điều kiện, giúp đỡ, tận tình hư¬ớng dẫn, giải quyết những vấn đề khoa học trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Tổng Công ty B¬ưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT), Học viện công nghệ B¬ưu chính Viễn thông (PTIT), Viện Khoa học kỹ thuật B¬ưu điện (RIPT) đã tạo điều kiện, cho phép tôi đư¬ợc 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 Bưu 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 Bưu 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 ngư¬ời 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.
Lời nói đầu
Ngày nay, thế giới đang bước 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 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.
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 hệ thống bảo đảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (đối với truyền dẫn analog) lớn hơn một giá trị cho trước hoặc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá trị cho trước, trước 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 trước hoặc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá trị cho trước.
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 trước hoặc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá trị cho trước. 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 trước hoặc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá trị cho trước.
Do đó, việc nghiên cứu xác định được 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 được đặt ra và một chương trình máy tính xác định được 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 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
94 trang |
Chia sẻ: maiphuongtl | Lượt xem: 2863 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Nghiên cứu miền công tác của các photodiode trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
os wt (3-16)
3.5.1.1. Tần số truyền dẫn thấp
Khi tần số truyền dẫn thấp, quan hệ giữa tín hiệu ra và công suất chiếu vào của nó được xác định theo đặc tuyến tĩnh của các Photodiode. Do đó, từ các công thức (1-1) và (3-16), ta nhận được tín hiệu ra của PIN – Photodiode & APD theo các công thức:
iT(t) = IT0 + iT~ (t)
= IT0 + IT cos wt (3-17)
Trong đó:
Đối với PIN – Diode:
IT0 = HT PT0 ; IT = HT PT (3-18)
Đối với APD:
IT0 = M HT PT0 ; IT = M HT PT (3-19)
là thành phần một chiều và biên độ của dòng ra của PIN – Photodiode& APD.
Từ công thức (3-17), ta nhận thấy: khi tần số truyền dẫn thấp tín hiệu ra của APD & PIN – Photodiode có dạng giống như tín hiệu vào và tín hiệu không bị méo.
3.5.1.2. Tần số truyền dẫn cao
Khi tần số truyền dẫn cao, quan hệ giữa tín hiệu ra và công suất chiếu vào của APD & PIN – Photodiode không được xác định theo đặc tuyến tĩnh của các Photodiode mà phải thông qua hàm truyền dẫn hay hàm trọng lượng của chúng.
Khi đó, từ mô hình toán học của các Photodiode, ta nhận được tín hiệu ra của APD & PIN – Photodiode theo các công thức:
Trong không gian tần số:
IT(jw) = PT(jw) . HT(jw) (3-20)
Trong đó, IT(jw), PT(jw) và HT(jw) là tương ứng phổ của tín hiệu ra, phổ công suất ánh sáng tới và hàm truyền dẫn của APD & PIN – Photodiode.
Hàm truyền dẫn của PIN – Photodiode được xác định ở công thức (3-3), hàm truyền dẫn của APD được xác định ở công thức (3-7).
Trong không gian thời gian:
iT (t) = pT(t) * gT(t) (3-21)
Trong đó, gT(t) là hàm trọng lượng của APD hoặc PIN – Photodiode. Hàm trọng lượng của PIN – Photodiode được xác định ở công thức (3-9), hàm trọng lượng của APD được xác định ở công thức (3-10).
Từ các công thức (3-16), (3-21) và sau một số biến đổi toán học, ta nhận được dòng ra của Photodiode khi tín hiệu ánh sáng đến APD và PIN – Photodiode có dạng hình sin theo công thức:
iT(t) = IT0 + IT (w) cos [ wt + jT(w)] (3-22)
Trong đó:
Đối với PIN –Photodiode:
IT0-PIN = HT-PIN PT (3-23)
(3-24)
(3-25)
Đối với APD:
IT0-APD = HTM PT0 (3-26)
(3-27)
(3-28)
Nhận xét: từ các công thức (3-22) – (3-28) ta nhận thấy, khi tần số truyền dẫn cao thì trong dòng ra của photodiode xuất hiện méo biên độ và méo pha. Các méo này phụ thuộc tần số. Tần số càng cao thì méo pha và méo biên độ của PIN – Photodiode và APD càng lớn.
3.5.2. Truyền dẫn số
Để xác định các tham số truyền dẫn của APD & PIN – Photodiode trong tuyền dẫn số, ta giả thiết công suất ánh sáng đến photodiode có dạng (hình 3-1):
pT(t) = PTO + pT~(t) (3-29)
(3-30)
Trong đó:
PT: là biên độ của chuỗi xung,
(3-31)
T: chu kỳ chuỗi xung,
Td: độ rộng xung,
bn = { 0,1 } tuỳ theo xung truyền dẫn là bit “0” hay bit “1”.
Td
T
t
PT
Hình 3.1. Tín hiệu ánh sáng tới pT~(t)
3.5.2.1. Tốc độ truyền dẫn thấp
Khi tốc độ truyền dẫn thấp, quan hệ giữa tín hiệu ra và công suất chiếu vào của APD & PIN – Photodiode được xác định theo đặc tuyến tĩnh của các Photodiode. Do đó, từ các công thức (1-1) và (3-31), ta nhận được tín hiệu ra của APD & PIN – Photodiode theo các công thức:
iT(t) = IT0 + iT~ (t)
(3-32)
Trong đó:
Đối với PIN – Photodiode:
IT0 = HT PT0 , IT = HT PT (3-33)
Đối với APD:
IT0 = M HT PT0 , IT = M HT PT (3-34)
là thành phần một chiều và biên độ của dòng ra của APD & PIN – Photodiode.
Từ các công thức (3-32)-(3-34), ta nhận thấy: Khi tốc độ truyền dẫn thấp tín hiệu ra của APD & PIN – Photodiode có dạng giống như tín hiệu vào và tín hiệu ra không bị méo.
3.5.2.2. Tốc độ truyền dẫn cao
Khi tốc độ truyền dẫn cao, quan hệ giữa tín hiệu ra và công suất chiếu vào của APD & PIN – Photodiode không được xác định theo đặc tuyến tĩnh của các Photodiode mà phải thông qua hàm truyền dẫn hay hàm trọng lượng của chúng.
Do tín hiệu ánh sáng đến bộ thu quang rất yếu vì bị suy hao trên dường truyền dẫn, nên tính phi tuyến của APD & PIN – Photodiode có thể bỏ qua, nên đáp ứng của APD & PIN – Photodiode đối với chuỗi xung ánh sáng tới sẽ bằng tổng các đáp ứng của từng xung riêng lẻ. Tức là, tín hiệu ra của APD & PIN – Photodiode đước xác định theo công thức:
iT(t) = IT0 + iT~ (t) (3-35)
(3-36)
Trong đó iTn (t-nT) là đáp ứng của xung thứ n.
Khi luồng ánh sáng có tôc độ bít cao (tương ứng với tần số cao) thì của APD & PIN – Photodiode là những phần tử phụ thuộc tần số. Do đó, theo lý thuyết truyền dẫn ta có đáp ứng của đột biến xung PT.1(t) của của APD & PIN – Photodiode là :
iT(t) = IT. hT (t) (3-37)
Do xung thứ n của luồng ánh sáng tới có biên độ là PT được tạo nên từ 2 đột biến:
Từ 0 ® PT tại thời điểm t = nT
Từ PT ® 0 tại thời điểm t = nT + Td
t < nT
nT £ t £ nT+Td
t > nT+Td
Do đó đáp ứng của APD & PIN – Photodiode cho xung thứ n sẽ là :
(3-38)
Từ các công thức (3-13), (3-14) và (3-38) ta có: dòng ra của APD & PIN – Photodiode đối với xung điều khiển thứ n là:
(3-39)
(3-40)
Nhận xét: Từ các công thức (3-39)-(3-40) ta nhận thấy, khi tốc độ truyền dẫn cao thì trong các xung dòng ra của photodiode xuất hiện méo biên độ và méo pha. Các méo này phụ thuộc tần số. Tần số càng cao thì méo pha và méo biên độ của tind hiệu ra của PIN – Photodiode và APD càng lớn.
3.6. Nhiễu của PIN – Photodiode và APD
3.6.1. Nhiễu và phân loại nhiễu trong PIN-Photodiode và APD
3.6.1.1. Nhiễu trong PIN-Photodiode và APD
Như đã trình bầy ở phần 1.3.3.2., nhiễu của một phần tử biến đổi quang-điện bao gồm các nhiễu cơ bản sau:
- Nhiễu lượng tử tín hiệu,
- Nhiễu dòng điện tối,
- Nhiễu dòng dò,
- Nhiễu nhiệt,
- Nhiễu do hiệu ứng quang thác sinh ra (chỉ có ở APD).
Nhiễu lượng tử tín hiệu sinh ra trong quá trình giải phóng ra các cặp điện tử – lỗ trống do các photon chiếu vào photodiode. Điều đó có nghĩa là: có ánh sáng chiếu vào photodiode, thì trong tín hiệu ra của nó có chứa nhiễu. Nhiễu dòng tối là do dòng điện tối của photodiode sinh ra. Nhiễu dòng rò là do dòng rò của photodiode tạo ra. Nhiễu nhiệt là nhiễu xuất hiện trong một điện trở (điện trở lớp chắn, điện trở tải) do chuyển động nhiệt của các điện tử trong điện trở tạo ra. Đối với APD, ngoài các nhiễu trên, còn có nhiễu do hiệu ứng quang thác sinh ra.
3.6.1.2. Phân loại nhiễu
Trong kỹ thuật thông tin quang, người ta có thể phân loại nhiễu theo 2 quan điểm sau:
- Theo bản chất gây nên nhiễu,
- Theo quan điểm truyền dẫn tín hiệu.
a. Theo bản chất gây nên nhiễu
Theo bản chất gây nên nhiễu, có: nhiễu lượng tử tính hiệu, nhiễu dòng điện tối, nhiễu dòng rò, nhiễu nhiệt và nhiễu do hiệu ứng quang thác (trong APD).
b. Quan điểm truyền dẫn tín hiệu
Nhiễu phụ thuộc tín hiệu, gồm có:
Nhiễu lượng tử tín hiệu
Nhiễu không phụ thuộc tín hiệu, gồm có:
Nhiễu dòng tối,
Nhiễu dòng rò,
Nhiễu nhiệt.
Ngoài ra, trong kỹ thuật tin quang người ta còn ký hiệu nhiễu gây ra bởi các nhiễu lượng tử tín hiệu, nhiễu dòng tối, nhiễu dòng rò là Shot noise (Nhiễu bắn).
3.6.2. Công suất các nhiễu trong PIN-Photodiode và APD
Khi phân tích, tính toán công suất các nhiễu cũng như nhiễu tổng của APD và PIN-Photodiode trong phần này và những phần sau, ta chỉ phân tích, tính toán công suất các nhiễu và nhiễu tổng của APD. Còn công suất các nhiễu và nhiễu tổng của PIN-Photodiode được suy ra từ các công thức công suất các nhiễu và nhiễu tổng của APD khi: M =1 và thay wg-APD bằng wg-PIN .
Để cho gọn các công thức, ta gọi APD là Photodiode và thay:
wg-APD = wg, HT-APD = HT,
HT-APD (jw)= HT(jw), (3-42)
gT-APD(t) = gT(t), ...
Theo lý thuyết truyền tin [2, 3, 6], công suất của một nguồn nhiễu của Photodiode được xác định theo công thức:
(3-43)
Trong đó:
iN(t), SN(jw) : dòng nhiễu và phổ của nó,
gT(t), HT(jw) : hàm trọng lượng và hàm truyền dẫn của Photodiode.
3.6.2.1. Nhiễu dòng tối
Nhiễu dòng tối là do dòng điện tối của photodiode sinh ra. Dòng điện tối gồm rất nhiều xung không có quy luật. Người ta chỉ xác định được trị hoặc dụng của nó, phổ biên độ của chúng bằng phẳng ở mọi tần số. Theo [11, 12], mật độ công suất phổ của nhiễu dòng tối SNT(jw) được xác định thêo công thức:
Do đó, từ công thức (3-43) ta xác định được công suất nhiễu dòng điện tối pNT theo công thức :
(3-44)
Trong đó, là gía trị trung bình của dòng điện tối, giá trị trung bình này phụ thuộc chất liệu bán dẫn, diện tích bề mặt tiếp xúc P-N và nhiệt độ [10].
= 0,707 B (3-45)
Trong công thức (3-45), HT*(j f) là hàm truyền dẫn chuẩn hoá của hàm truyền dẫn HT(j f) và B là băng thông của photodiode.
3.6.2.2. Nhiễu dòng rò
Nhiễu dòng rò là do dòng điện rò của photodiode tạo ra. Dòng điện rò là do các tia sáng phía trong và ánh sáng bên cạnh tạo ra. Trên thực tế người ta chỉ xác định được giá trị trung bình của dòng điện rò. Theo [11, 12], mật độ công suất phổ của nhiễu dòng rò SNr(jw) được xác định thêo công thức:
Do đó, từ công thức (3-43) ta xác định được công suất nhiễu dòng rò pr theo công thức :
(3-46)
Trong đó, là giá trị trung bình của dòng điện rò.
3.6.2.3. Nhiễu nhiệt
Nhiễu nhiệt của Photodiode là nhiễu xuất hiện trong điện trở lớp chắn, điện trở tải, do chuyển động nhiệt của các điện tử trong điện trở tạo ra.
Theo [1], mật độ công suất phổ của nhiễu nhiệt SNN(jw) trên điện trở R được xác định thêo công thức:
Do đó, theo công thức (3-43) công suất nhiễu nhiệt pNN của photodiode được xác định theo công thức :
(3-47)
Trong đó: GC = là điện dẫn của điện trở lớp chắn RC,
GT = là điện dẫn của điện trở tải RT,
k: hằng số Bolzomal,
T: Nhiệt độ tuyệt đối.
3.6.2.4. Nhiễu do hiệu ứng quang thác
Đối với APD, nhiễu do hiệu ứng quang thác sinh ra phụ thuộc vào hệ số khuyếch đại và tỷ lệ với tỷ số giữa hệ số ion hoá lỗ trống và hệ số ion hoá điện tử trong vùng khuyếch đại quang thác.
Nhiễu do hiệu ứng quang thác được đặc trưng qua hệ số tạp âm F(M) và nó được xác định gần đúng theo công thức:
(3-48)
Trong đó:
M là hệ số khuyếch đại của APD,
(3-49)
an là hệ số ion hoá điện tử trong vùng quang thác,
ap là hệ số ion hoá lỗ trống trong vùng quang thác.
Trong thực tế, người ta có thể sử dụng gần đúng F(M) bởi:
F(M) = MX (3-50)
Trong đó, giá trị đặc trưng của x = 0,3 – 0,5 đối với Si – APD, x = 0,7 đối với InGaAsP-APD và x=1 đối với Ge-APD
3.6.2.5. Nhiễu lượng tử tín hiệu
Nhiễu lượng tử tín hiệu sinh ra trong quá trình giải phóng ra các cặp điện tử – lỗ trống do các photon chiếu vào photodiode.
Các tạp âm dòng tối, tạp âm dòng rò và tạp âm nhiệt tạp âm là những tạp âm không phụ thuộc tín hiệu của APD và PIN-Photodiode. Còn tạp âm lượng tử tín hiệu là tạp âm phụ thuộc tín hiệu, cần phải được xem xét tín hiệu truyền dẫn tương tự hay số, tín hiệu truyền dẫn biến đổi nhanh hay chậm.
Theo [11, 12], dòng nhiễu do lượng tử tín hiệu gây ra được xác định thêo công thức:
(3-51)
Truyền dẫn analog
Khi tần số tín hiệu truyền dẫn thấp
Khi tần số tín hiệu truyền dẫn thấp, quá trình biến đổi quang điện của các
Photodiode không phụ thuộc vào tần số. Do đó, từ các công thức (3-43) và (3-51) ta xác định được công suất nhiễu lượng tử của photodiode trong trường hợp này theo công thức:
(3-52)
Trong đó:
: Giá trị trung bình của công suất ánh sáng đến photodiode
e: điện tích của điện tử
BR: băng tần tạp âm của photodiode
F(M): hệ số tạp âm phụ thêm của APD
M: hệ số khuyếch đại của APD
HT: hệ số biến đổi quang điện của photodiode
Khi tần số tín hiệu truyền dẫn cao
Khi tần số tín hiệu truyền dẫn cao, quá trình biến đổi quang điện của các Photodiode phụ thuộc vào tần số. Do đó, từ các công thức (3-43) và (3-51) ta xác định được công suất nhiễu lượng tử trong trường hợp này theo công thức:
(3-53)
Khi ánh sáng tới Photodiode có dạng hình sin, thực hiện thuật toán tích chập ta nhận được công suất nhiễu lượng tử:
(3-54)
Trong đó:
. (3-55)
(3-56)
Truyền dẫn digital
Khi tốc độ tín hiệu truyền dẫn thấp
Cũng tương tự như trong truyền dẫn analog, khi tốc độ tín hiệu truyền dẫn thấp thì quá trình biến đổi quang điện của các Photodiode không phụ thuộc vào tần số và công suất nhiễu lượng tử được xác định theo công thức:
Trong khoảng thời gian [nT, nT+Td]:
(3-57)
Trong khoảng thời gian [ nT+Td , (n+1)T]:
(3-58)
Khi tốc độ tín hiệu truyền dẫn cao
Cũng tương tự như trong truyền dẫn analog, khi tốc độ tín hiệu truyền dẫn cao thì quá trình biến đổi quang điện của các Photodiode phụ thuộc vào tần số và công suất nhiễu lượng tử được xác định theo công thức:
Trong khoảng thời gian [nT, nT+Td]:
(3-59)
Trong đó, b1 được xác đinh ở công thức (3-55).
Trong khoảng thời gian [ nT+Td , (n+1)T]:
(3-60)
3.6.2.6. Nhiễu tổng của photodiode
Trong thực tế, các nguồn nhiễu chỉ ra ở mô hình toán học của photodiode là không tương quan nhau. Do đó, công suất nhiễu tổng của photodiode được tính theo công thức:
(3-61)
Truyền dẫn analog
Khi tần số tín hiệu truyền dẫn thấp
Thay các công thức (3-52), (3-44), (3-46), (3-47) vào (3-61) ta nhận được công suất nhiễu tổng của APD:
(3-62)
Thay công thức (3-50) vào công thức (3-62) và thực hiện biến đổi toán học, ta nhận được công suất nhiễu tổng của APD dưới dạng:
(3-63)
Khi tần số tín hiệu truyền dẫn cao
Thay các công thức (3-53), (3-44), (3-46), (3-47) vào (3-61) ta nhận được công suất nhiễu tổng của APD dưới dạng:
(3-65)
Khi ánh sáng tới Photodiode có dạng hình sin và từ công thức (3-54), ta nhận được công suất nhiễu lượng tử của Photodiode theo công thức:
(3-66)
Trong đó, ký hiệu:
(3-67)
Truyền dẫn digital
Khi tốc độ tín hiệu truyền dẫn thấp
Từ các công thức ở phần trên, ta nhận được công suất nhiễu tổng của APD trong trường hợp này là:
Trong khoảng thời gian [nT, nT+Td]:
(3-68)
Trong khoảng thời gian [ nT+Td , (n+1)T]:
(3-69)
Khi tốc độ tín hiệu truyền dẫn cao
Từ các công thức ở phần trên, ta nhận được công suất nhiễu tổng của APD trong trường hợp này là:
Trong khoảng thời gian [nT, nT+Td]:
(3-70)
Trong đó, c được xác định ở công thức (3-67).
Trong khoảng thời gian [ nT+Td , (n+1)T]:
(3-71)
Trong đó, c được xác định ở công thức (3-67).
3.7. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
3.7.1. Một số khái niệm cơ bản
Định nghĩa tỷ số tín hiệu trên nhiễu của photodiode:
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của photodiode là tỷ số của công suất/điện áp tín hiệu trên công suất/điện áp nhiễu của chúng và được biểu diễn dưới dạng công thức:
S
=
Công suất tín hiệu/điện áp tín hiệu/dòng điện tín hiệu
(3-72)
N
Công suất nhiễu/điện áp nhiễu/dòng điện nhiễu
Công suất tín hiệu:
Công suất của tín hiệu ra của photodiode được xác định theo công thức:
(3-73)
Trong đó, iT(t) là dòng tín hiệu ra của photodiode.
Công suất nhiễu:
Từ công thức (3-43), công suất của một nguồn nhiễu của Photodiode được xác định theo công thức:
(3-74)
Trong đó:
iT(t), S(jw) : dòng nhiễu và phổ của nó,
gT(t), HT(jw) : hàm trọng lượng và hàm truyền dẫn của photodiode.
3.7.2. Truyền dẫn analog
3.7.2.1. Tần số tín hiệu truyền dẫn thấp
Tín hiệu ra của photodiode được xác định theo công thức:
iT~ (t) = M HT pT~(t)
= M HT PT cos wt
= IT cos wt (3-75)
Trong đó:
IT = M HT PT (3-76)
Theo lý thuyết truyền dẫn tín hiệu thì công suất của tín hiệu của photodiode được xác định theo công thức:
(3-77)
Thay công thức (3-63), (3-77) vào (3-72) và lưu ý ta nhận được tỷ số tín hiệu/nhiễu của photodiode như sau:
(3-78)
Ta có thể biểu diễn công thức (3-78) dưới dạng:
(3-79)
Trong đó, đặt:
(3-80)
(3-81)
(3-82)
Nhận xét: thành phần một chiều PT0 của ánh sáng càng lớn thì nhiễu của photodiode càng lớn và do đó tỷ số tín hiệu nhiễu càng nhỏ.
3.7.2.2. Tần số tín hiệu truyền dẫn cao
Khi tần số tín hiệu truyền dẫn cao, thì tín hiệu ra của photodiode được xác định theo công thức:
iT(t) = IT0 + IT (w) cos [ wt + jT(w)] . (3-83)
Khi đó, từ các công thức (3-73), (3-83) và sau một số biến đổi toán học ta nhận được công suất tín hiệu ra của photodiode theo công thức:
(3-84)
Thay các công thức (3-66), (3-84) vào (3-72), với lưu ý giá trị cực đại cos(wt+jR) = 1 và sau một số biến đổi toán học, ta nhận được tỷ số tín hiệu trên nhiễu của APD theo công thức:
(3-85)
(3-85)
Trong đó: a, b1, c được xác định ở các công thức (3-80), (3-55) và (3-82).
Nếu công suất ánh sáng tới được biểu diễn dưới dạng:
(3-86)
với (m gọi là hệ số điều chế hay độ sâu điều chế), thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của Photodiode theo công thức (3-85) sẽ được biểu diễn dưới dạng:
(3-87)
Nhận xét: Khi tần số cao, tỷ số tín hiệu trên tạp âm của Photodiode không chỉ phụ thuộc vào các tham số cấu trúc (a, b1, c, wg) của Photodiode, phụ thuộc vào thành phần một chiều PT0, độ sâu điều chế; mà còn phụ thuộc vào tần số f=w/2p.
Khi tần số càng lớn, thành phần công suất ánh sáng một chiều càng lớn, độ sâu điều chế càng nhỏ (tức là biên độ tín hiệu hữu ích càng nhỏ) thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm càng nhỏ và ngược lại.
3.7.3. Truyền dẫn số
Trong kỹ thuật thông tin quang số người ta thường xác định tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ thu quang (tại đầu vào bộ quyết định). Bộ thu quang trong truyền dẫn số bao gồm các phần tử cơ bản sau: Photodiode, bộ tiền khuếch đại, bộ khuếch đại điện áp, bộ lọc thấp và bộ quyết định.
Trong phạm vi nghiên cứu, ta muốn xác định tỷ số tín hiệu trên nhiễu của các photodiode. Do đó, ta giả thiết:
Hàm truyền dẫn của tổng các phần tử: bộ tiền khuếch đại, bộ khuếch đại điện áp, bộ lọc thấp của bộ thu quang là 1 W.
Bỏ qua nhiễu của các phần tử bộ tiền khuếch đại, bộ khuếch đại điện áp, bộ lọc thấp.
Do đó, độ lớn của điện áp tín hiệu và công suất nhiễu của bộ thu quang sẽ được xác định bằng độ lớn của dòng điện tín hiệu (x 1 W) và công suất nhiễu của các photođiode.
Để xác định tỷ số tín hiệu trên nhiễu của các photodiode trong truyền dẫn số, người ta cần phải xác định tỷ số tín hiệu trên nhiễu của các photodiode khi truyền bit “1” (có xung truyền dẫn) và tỷ số tín hiệu trên nhiễu của các photodiode khi truyền bit “0” (không có xung truyền dẫn), bởi vì cả tín hiệu truyền dẫn lẫn tạp âm của các photodiode trong các trường hợp khi truyền bit “1” và khi truyền bit “0” là hoàn toàn khác nhau.
Đối với truyền dẫn số, tỷ số tín hiệu trên tạp âm được xác định:
(3-88)
(3-89)
Trong đó: UQ là ngưỡng của bộ quyết định,
tQ là thời điểm quyết định, tQ Î [nT, nT+Td]
U1T(tQ), U0T(tQ) là điện áp tín hiệu tại thời điểm quyết định ủa tín hiệu khi truyền bit “1” và khi truyền bit “0”.
là công suất nhiễu tổng tại thời điểm quyết định khi truyền bit “1” và khi truyền bit “0”.
,
Các công thức (3-88) và (3-89) tương ứng là tỷ số tín hiệu trên tạp âm của photodiode khi truyền bit “1” và tỷ số tín hiệu trên tạp âm của các photodiode khi truyền bit “0”.
Trong trường hợp (S/N)1 = (S/N)0 điện áp ngưỡng US là tối ưu. Khi đó, điện áp ngưỡng được xác định theo công thức:
(3-90)
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong trường hợp ngưỡng tối ưu là:
(3-91)
3.7.3.1. Tốc độ tín hiệu truyền dẫn thấp
Khi luồng ánh sáng tới có tốc độ bit/s thấp thì điện áp tín hiệu và điện áp nhiễu tại thời điểm quyết định của tín hiệu khi truyền bit “1” và khi truyền bit “0” được xác định theo các công thức:
UT1(tQ) = a1(PT0 + PT) (3-92)
UT0(tQ) = a1PT0 (3-93)
(3-94)
(3-95)
Trong đó:
a1 = M HP (3-96)
b, c: được xác định ở các công thức (3-81) và (3-82).
Khi đó, tỷ số tín hiệu trên nhiễu của photodiode được xác định theo công thức:
(3-97)
Nếu ký hiệu
(3-98)
gọi là hệ số điều chế hay độ sâu điều chế, thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của photodiode theo công thức (3-97) sẽ được biểu diễn dưới dạng:
(3-99)
Hay:
(3-100)
Trong đó,
(3-101)
Theo lý thuyết truyền dẫn tín hiệu số, BER được xác định theo công thức:
(3-102)
3.7.3.2. Tốc độ tín hiệu truyền dẫn cao
Khi luồng ánh sáng tới tốc độ bit/s cao thì điện áp tín hiệu ra của Photodiode trong mỗi khoảng [nT, (n+1)T] không chỉ có điện áp tín hiệu ra của xung tín hiệu truyền dẫn thứ n, mà còn có điện áp tín hiệu ra của các xung tín hiệu truyền dẫn trước xung tín hiệu thứ n do quá trình quá độ gây ra.
Từ các công thức (3-36), (3-40), ta nhận được điện áp tín hiệu tại thời điểm quyết định của Photodiode khi luồng ánh sáng tới biến đổi nhanh khi truyền bit “1” (ứng với bn = 1) theo công thức:
(88)
(3-103)
khi truyền bit “0” (ứng với bn = 0) theo công thức:
(3-104)
Còn điện áp nhiễu tại thời điểm quyết định của Photodiode khi truyền bit “1” được xác định theo công thức:
(3-105)
và khi truyền bit “0” được xác định theo công thức:
(3-106)
Trong đó: b1, c được xác định ở các công thức (3-55) và (3-82).
Từ các công thức (3-94), (3-103) ¸ (3-106) và sau một số biến đổi toán học, ta nhận được tỷ số tín hiệu trên nhiễu của Photodiode theo công thức:
(3-107)
Trong đó:
(3-108)
(3-109)
Sử dụng khái niệm độ sâu điều chế - công thức (3-98), thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của photodiode sẽ được biểu diễn dưới dạng:
(3-110)
Hay:
(3-111)
Còn BER vẫn được xác định theo công thức (3-102).
Nhận xét:
Khi Photodiode hoạt động ở tốc độ bit cao (tương ứng với tần số cao), thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm (hay BER) của Photodiode không chỉ phụ thuộc vào các tham số cấu trúc (a1, b1, c, wg) của Photodiode, phụ thuộc vào thành phần một chiều PT0, độ sâu điều chế m; mà còn phụ thuộc vào chu kỳ T, thời gian có xung Td , tức là phụ thuộc vào tốc độ truyền dẫn của Photodiode (vì tốc độ truyền dẫn càng lớn thì T và Td càng nhỏ và ngược lại).
Khi tốc độ truyền dẫn càng lớn, thành phần công suất ánh sáng một chiều càng lớn, độ sâu điều chế càng nhỏ (tức là biên độ tín hiệu hữu ích càng nhỏ) thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm càng nhỏ và ngược lại.
chương 4. miền công tác của các photodiode
4.1 Các điều kiện để xác định miền công tác của các Photodiode
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 S/N (đối với truyền dẫn analog) hoặc xác suất sai lầm bit (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 xác suất sai lầm bit (đối với truyền dẫn số) cần phải nhỏ hơn một giá trị cho trước, các giá trị này đã được ITU-T khuyến nghị.
Tham số tỷ số tín hiệu trên nhiễu (đối với truyền dẫn analog) hoặc xác suất sai lầm bit (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 bảo đảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống (đối với truyền dẫn analog) lớn hơn một giá trị cho trước hoặc xác suất sai lầm bit (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá trị cho trước, trước 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 trước hoặc xác suất sai lầm bit (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá trị cho trước. Tức là:
- Đối với truyền dẫn analog:
(4-1)
- Đối với truyền dẫn số:
(4-2)
Trong đó:
là 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,
BERcp giá trị xác suất sai lầm bit cho phép (đối với truyền dẫn số) để bảo đảm chất lượng truyền dẫn cho phép của hệ thống.
Trong khuôn khổ của đề tài với mục tiêu xác định miền công tác của các Photodiode, chúng ta sẽ xem xét điều kiện của tín hiệu truyền dẫn (điều kiện của các tham số của tín hiệu truyền dẫn) tại đầu vào các Photodiode để tỷ số tín hiệu trên nhiễu của Photodiode (đối với truyền dẫn analog) lớn hơn một giá trị cho trước hoặc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá trị cho trước.
Mặt khác, cũng như các hệ thống thông tin khác công suất tín hiệu đầu vào các bộ thu quang cũng cần phải nhỏ hơn mộ giá trị cho trước để tránh quá tải cho bộ thu, tức là trạng thái của bộ thu quang không còn là tuyến tính nữa mà sẽ là phi tuyến. Khi đó, tín hiệu đầu ra của photodiode sẽ rất nhỏ và bị méo vì trong tín hiệu ra có các thành phần sóng hài bậc cao và các thành phần sóng tổ hợp. Ngoài ra, trong kỹ thuật thông tin quang công suất tín hiệu đầu vào các bộ thu quang càng lớn sẽ tạo ra tạp âm lượng tử cũng càng lớn, do đó làm ảnh hưởng đến tỷ số tín hiệu trên nhiễu của Photodiode (đối với truyền dẫn analog) hoặc BER (đối với truyền dẫn số). Do đó, công suất ánh sáng đầu cào bộ thu quang cần phải thoả mãn điều kiện:
(4-3)
Nghiên cứu vấn đề này, chúng ta sẽ xem xét hai trường hợp: truyền dẫn analog và truyền dẫn số.
Đối với truyền dẫn analog, như đã phân tích ở trên miền công tác của các Photodiode được xác định theo các điều kiện từ (4-1) và (4-3). Tức là:
(4-4)
Đối với truyền dẫn số, miền công tác của các Photodiode được xác định theo các điều kiện từ (4-2) và (4-3). Tức là:
(4-5)
Như đã trình bầy ở chương III, trong truyền dẫn tín hiệu số BER được xác định theo công thức (3-99). Điều đó có nghĩa là: xác suất sai lầm bit BER và tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N của hệ thống hệ thống có quan hệ chặt chẽ với nhau. Từ tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N của hệ thống hệ thống ta hoàn toàn xác định được xác suất sai lầm bit BER và ngược lại. Do đó, miền công tác của các Photodiode được xác định theo các điều kiện từ (4-14) cũng có thể xác định theo điều kiện (4-4), tức là:
(4-6)
nhưng với lưu ý: tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N trong điều kiện này được xác định ở hệ thống số (xác định theo công thức (3-107)) .
Trên cơ sở đó, ta sẽ xác định miền công tác của các Photodiode.
4.2. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn analog
Như đã trình bầy ở chương III, trong truyền dẫn analog với tần số tín hiệu truyền dẫn cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu của Photodiode được biểu diễn bởi công thức (3-87). Do đó, từ các công thức (3-87) và (4-1) ta có:
(4-7)
Vì mẫu số của vế trái công thức (4-7) lớn hơn “0”, nên ta có thể viết công thức (4-7) dưới dạng:
(4-8)
Ta có thể viết lại bất phương trình (4-8) dưới dạng:
(4-9)
Ta có thể biểu diễn bất phương trình (4-9) dưới dạng:
(4-10)
(4-11)
Trong đó:
(4-12)
(4-13)
Giải bất phương trình (4-10) với lưu ý công suất ánh sáng không âm, ta nhận được:
(4-14)
Ta có thể biểu diễn công thức (4-14) dưới dạng:
(4-15)
Trong đó ký hiệu:
(4-16)
(4-17)
Từ các công thức (4-4) và (4-15), miền công tác của các Photodiode được xác định theo công thức:
(4-18)
Nhận xét: Khi truyền dẫn tín hiệu với tần số cao, miền công tác của các Photodiode không chỉ phụ thuộc vào các tham số cấu trúc (a, b1, c, wg) của Photodiode, độ sâu điều chế m; mà còn phụ thuộc vào tần số f=w/2p.
4.3. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn số
Từ các công thức (4-4) và (3-107), ta nhận được:
(4-19)
Trong đó, D(tQ-nT), L(tQ-nT) được xác định bởi các công thức (3-108) và (3-109).
Sử dụng công thức (3-98) và sau một số biến đổi toán học, công thức (4-19) sẽ trở thành:
(4-20)
Sử dụng công thức (3-101), công thức (4-20) sẽ trở thành:
(4-21)
Đặt:
(4-22)
Khi đó, công thức (4-21) trở thành:
(4-23)
Giải bất phương trình (4-23) (xem phụ lục 1), ta nhận được:
(4-24)
Từ các công thức (4-4) và (4-24), miền công tác của các Photodiode được xác định theo công thức:
(4-25)
Trong đó, a*, b1*, b2* và c được xác định ở công thức (4-22) và (3-82).
Nhận xét: Khi Photodiode hoạt động ở tốc độ bit cao (tương ứng với tần số cao), thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm (hay BER) của Photodiode không chỉ phụ thuộc vào các tham số cấu trúc (a1, b1, c, wg) của Photodiode, phụ thuộc vào thành phần một chiều PT0, độ sâu điều chế m; mà còn phụ thuộc vào chu kỳ T và thời gian có xung Td, tức là phụ thuộc vào tốc độ truyền dẫn của Photodiode (vì tốc độ truyền dẫn càng lớn thì T và Td càng nhỏ và ngược lại).
4.4. Ví dụ tính toán miền công tác của các Photodiode
4.4.1. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn analog
Mô hình cấu trúc bộ thu quang trong truyền dẫn analog
Để xác định miền công tác của các Photodiode, ta càn gắn các Photodiode này vào trong các cấu trúc bộ thu quang cụ thể.
Trong kỹ thuật thông tin quang, cấu trúc cơ bản của một bộ thu quang trong truyền dẫn analog bao gồm:
- Photodiode (APD/PIN- Photodiode)
Bộ tiền khuếch đại và một hoặc nhiều bộ khuếch đại điện áp,
Bộ lọc thông thấp.
Mô hình cấu trúc cơ bản của một bộ thu quang trong truyền dẫn analog được chỉ ra ở hình 4.1.
ur(t)
iT(t)
uT(t)
pT(t)
O
E
HP(jw)
K(jw)
L(jw)
Hình 4.1. Mô hình cấu trúc cơ bản một bộ thu quang trong truyền dẫn analog
Trong đó:
HP(jw) : Hàm truyền dẫn của Photodiode (APD/PIN- Photodiode),
K(jw) : Hàm truyền dẫn của bộ tiền khuếch đại và một hoặc nhiều bộ khuếch đại điện áp,
L(jw) : Hàm truyền dẫn của bộ lọc thông thấp.
pT(t) : Tín hiệu ánh sáng tới photodiode,
iT(t) : Dòng tín hiệu ra của photodiode,
uT(t) : Điện áp tín hiệu ra của bộ khuếch đại,
ur(t) : Điện áp tín hiệu ra sau bộ lọc.
Mục tiêu của đề tài là xác định miền công tác của các Photodiode, nên ta giả thiết bộ thu quang analog gồm các phần tử sau:
Photodiode Ge-APD với các tham số:
(4-26)
M = 50; IT = 80nA; Ir = 0;
GC = 1 W-1 , CC = 2 pF ; tLA= 5ps
Bộ tiền khuếch đại và bộ khuếch đại điện áp với hàm truyền đạt lý tưởng:
(4-27)
K(jw) =1,
GK » 0, CK = 3 pF
Bộ lọc với hàm truyền đạt lý lưởng trong băng thông công tác:
(4-28)
L(jw) =1
Đồng thời, giả thiết:
(4-29)
Độ sâu điều chế: m = 0,7
Hiệu suất lượng tử: h = 0,7
Bước sóng ánh sáng: l = 1,5 mm
Nhiệt độ công tác: T = 300oK.
Với các giả thiết trên và sử dụng công thức (1-2), ta nhận được hệ số biến đổi quang - điện của photodiode là:
HT = 0,85 A/W. (4-30)
Từ cấu trúc của bộ thu quang, ta thấy trở kháng tải của photodiode chính là trở kháng vào của bộ khuếch đại. Do đó, ta có:
(4-31)
GT-APD = GK » 0,
CT-APD = CK = 3 pF.
Từ công thức (3-4) và giả thiết (4-26), ta nhận được hằng số thời gian đặc trưng cho sự biến đổi quang-điện của APD:
tRC = 5 ps. (4-32)
Từ công thức (4-32) và với lưu ý đối với photodiode Ge-APD thì tLA =5ps, ta xác định được hằng số thời gian của APD trong quá trình biến đổi quang-điện là:
tAPD = tRC + tLA = 10 ps. (4-33)
Từ các công thức (3-10) và (4-33), ta xác định được tần số góc giới hạn của APD:
wg-APD = 1011 . (4-34)
Giả thiết băng tần của bộ thu quang từ 0 ¸ wg và theo công thức (3-45), ta nhận được băng tần tạp âm của bộ thu quang là:
(4-35)
Thay các giá trị từ (4-26) ¸ (4-35) vào các công thức (3-55), (3-80) và (3-82) ta nhận được:
a = 9,3 . 102 , (4-36)
b1 = 0,68 . 10-5 , (4-37)
c = 13,97 . 10-10 . (4-38)
Thay các giá trị từ (4-34), (4-36) ¸ (4-38) vào các công thức (4-16) và (4-17) ta nhận được các giá trị a(m,w) và b(m,w) theo các công thức:
(4-39)
(4-40)
Khi đó, miền công tác của các Photodiode theo công thức (4-6) sẽ là hàm số của tần số và tỷ số tín hiệu trên nhiễu và được xác định theo công thức:
(4-41)
Trong đó, a(w) và b(w) được xác định ở các công thức (4-39) và (4-40).
Và miền công tác của các Photodiode trong trường hợp này được biểu diễn trên hình 4.2.
Từ hình 4.2, ta có nhận xét:
Với miền tần số thấp, độ nhạy thu của photodiode gần như không thay đổi. Khi hoạt động ở miền tần số cao, độ nhạy thu của photodiode thay đổi phụ thuộc vào tần số của tín hiệu, tần số tín hiệu tăng, công suất đầu vào của photodiode cũng tăng theo.
Ngoài ra, hoạt động của photodiode cũng phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) yêu cầu đối với hệ thống. Trong ví dụ này sử dụng tính toán với các yêu cầu S/N khác nhau và cho ra các đặc tuyến khác nhau đối với mỗi trường hợp. Khi yêu cầu về S/N tăng lên thì công suất đầu vào của photodiode cũng tăng lên
Việc xác định điểm hoạt động phù hợp cho hệ thống dựa vào các đường đặc tuyến là một yếu tố rất quan trọng khi hoạt động ở miền tần số cao. Với các hệ thống hoạt động ở tần số thấp, độ nhạy thu không phụ thuộc nhiều vào tần số tín hiệu nên việc xác định điểm hoạt động không giữ vai trò quan trọng, tuy nhiên với hệ thống hoạt động ở tần số cao các tham số độ nhạy thu và tần số lại liên quan đến nhau một cách mật thiết. Việc tăng giảm tốc độ tín hiệu hệ thống sẽ phải trả giá bằng công suất và ngược lại.
Hình 4.2. Miền công tác của Photodiode trong truyền dẫn analog
4.4.2. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn số
Mô hình cấu trúc bộ thu quang trong truyền dẫn số
Trong kỹ thuật thông tin quang, cấu trúc cơ bản của một bộ thu quang trong truyền dẫn số bao gồm:
- Photodiode (APD/PIN- Photodiode)
Bộ tiền khuếch đại và một hoặc nhiều bộ khuếch đại điện áp,
Bộ lọc thông thấp,
Bộ quyết định.
Mô hình cấu trúc cơ bản của một bộ thu quang trong truyền dẫn số được chỉ ra ở hình 4.3.
ur(t)
iT(t)
uT(t)
pT(t)
O
E
HP(jw)
K(jw)
L(jw)
Hình 4.3. Mô hình cấu trúc cơ bản của một bộ thu quang trong truyền dẫn số
Trong đó:
HP(jw) : Hàm truyền dẫn của Photodiode (APD/PIN- Photodiode),
K(jw) : Hàm truyền dẫn của bộ tiền khuếch đại và một hoặc nhiều bộ khuếch đại điện áp,
L(jw) : Hàm truyền dẫn của bộ lọc thông thấp.
pT(t) : Tín hiệu ánh sáng tới photodiode,
iT(t) : Dòng tín hiệu ra của photodiode,
uT(t) : Điện áp tín hiệu ra của bộ khuếch đại,
ur(t) : Điện áp tín hiệu ra sau bộ lọc và tại đầu vào bộ quyết định.
Cũng tương tự như trong truyền dẫn analog, với mục tiêu của đề tài là xác định miền công tác của các Photodiode, nên ta giả thiết bộ thu quang số gồm các phần tử sau:
Photodiode Ge-APD với các tham số xác định ở (4-26)
Bộ tiền khuếch đại và bộ khuếch đại điện áp với hàm truyền đạt và các tham số xác định ở (4-27)
Bộ lọc với hàm truyền đạt lý lưởng trong băng thông công tác xác định ở (4-28).
Đồng thời, cũng giả thiết hiệu suất lượng tử h , bước sóng ánh sáng l và nhiệt độ công tác xác định ở công thức (4-29). Còn độ sâu điều chế ta giả thiết:
m = 0,99 . (4-42)
Và do đó, theo (3-101) e có giá trị:
e = 1,01. (4-43)
Với các giả thiết trên, ta nhận cũng nhận được hệ số biến đổi quang - điện của photodiode HT theo công thức (4-30), tần số góc giới hạn của APD wg-APD theo công thức (4-34), băng tần tạp âm của bộ thu quang BR theo công thức (4-35) và các giá trị a, b1 , c theo các công thức (4-36), (4-37) và (4-38).
Theo (3-96) và (4-30), ta nhận được:
a1 = 42,5. (4-44)
Thay các giá trị từ (4-34), (4-36) ¸ (4-38), (4-44) vào các công thức (4-22) ta nhận được các giá trị a*, b1* và b2* theo các công thức:
(4-45)
(4-46)
(4-47)
Trong đó:
(4-48)
(4-49)
Khi đó, miền công tác của các Photodiode vẫn được xác định theo công thức (4-25), nhưng a*, b1*, b2* và c được xác định ở công thức (4-45),(4-46),(4-47) và (4-38).
Nếu gọi f =1/T là tần số xung (tốc độ bit), trong đó T là chu kỳ của chuỗi xung, thì miền xác định của APD không chỉ là hàm số của các tham số cấu trúc của APD mà còn là hàm số của (S/N)cp và tQ (thời điểm quyết định khôi phục tín hiệu).
Khi tQ của các xung nằm ở giữa khoản thời gian có xung (tức là tQ = 0,5 Td ) và Td = 0,5 T và xét nhóm 4 xung với bi=1 (truyền bit “1”) với i = 0, 1, 2, 3 thì miền xác định của APD vẫn được xác định theo công thức (4-25). Nhưng các đại lượng a*, b1* và b2* được xác định theo các công thức:
(4-50)
(4-51)
(4-52)
Trong đó:
(4-53)
(4-54)
Trong các công thức trên ta ký hiệu:
(4-55)
gọi là tần số xung chuẩn hoá (tốc độ bit chuẩn hoá).
Khi tQ-n = Td và Td = 0,5 T và n=1, bi=1 (truyền bit “1”), thì miền xác định của APD vẫn được xác định theo công thức (4-25). Trong đó, các đại lượng a*, b1* và b2* được xác định theo các công thức:
(4-56)
(4-57)
(4-58)
Trong đó, các đại lượng D(tQ-3-3T) và L(tQ-3-3T) được xác định theo các công thức:
(4-59)
(4-60)
Hình 4.4. Miền công tác của Photodiode trong truyền dẫn Digital
Khi đó, miền công tác của các Photodiode trong trường hợp này được biểu diễn trên hình 4.4.
Từ hình 4.4, ta có nhận xét:
Với miền tần số thấp hay tốc độ bít thấp, độ nhạy thu của photodiode gần như không thay đổi. Khi hoạt động ở miền tần số cao, độ nhạy thu của photodiode thay đổi phụ thuộc vào tần số của tín hiệu, tần số tín hiệu càng tăng, công suất đầu vào của photodiode cũng tăng theo.
Hoạt động của photodiode cũng phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên tạp âm tương ứng với tỉ lệ lỗi bít (S/N, BER) yêu cầu đối với hệ thống. Trong ví dụ này sử dụng tính toán với các yêu cầu S/N khác nhau và cho ra các đặc tuyến khác nhau đối với mỗi trường hợp. Khi yêu cầu về S/N tăng lên thì công suất đầu vào của photodiode cũng tăng lên
Việc xác định điểm hoạt động phù hợp cho hệ thống dựa vào các đường đặc tuyến là một yếu tố rất quan trọng khi photodiode hoạt động ở tốc độ cao. Với các hệ thống hoạt động ở tốc độ thấp, độ nhạy thu không phụ thuộc nhiều vào tốc độ tín hiệu nên việc xác định điểm hoạt động không giữ vai trò quan trọng, tuy nhiên với hệ thống hoạt động ở tốc độ cao, các tham số độ nhạy thu và tần số lại liên quan đến nhau một cách mật thiết. Việc tăng giảm tốc độ tín hiệu hệ thống sẽ phải trả giá bằng công suất và ngược lại.
Kết luận và kiến nghị
1. Kết luận
Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao hay băng tần rộng, thì quá trình biến đổi quang-điện của các Photodiode (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 Photodiode). 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 Photodiode đến chất lượng truyền dẫn càng lớn.
Để hệ thống bảo đảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (đối với truyền dẫn analog) lớn hơn một giá trị cho trước hoặc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá trị cho trước, trước hết các phần tử thu quang trong hệ thống phải bảo đảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (đối với truyền dẫn analog) lớn hơn một giá trị cho trước hoặc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá trị cho trước.
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 Photodiode 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, việc xem xét điều kiện của tín hiệu truyền dẫn tại đầu vào các Photodiode khi hoạt động ở vùng tốc độ cao hay băng tần rộng để tỷ số tín hiệu trên nhiễu của nó (đối với truyền dẫn analog) lớn hơn một giá trị cho trước hoặc BER (đối với truyền dẫn số) nhỏ hơn một giá trị cho trước, tức là giải bài toán xác định miền công tác của các Photodiode trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao, là cần thiết.
Để đạt được mục tiêu đó, đề tài đã thực hiện được các nội dung chính sau:
Nghiên cứu các phần tử biến đối quang điện trong hệ thống thông tin quang
Xây dựng mô hình toán học của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao
Xác định các tham số truyền dẫn của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao
Xây dựng được các biểu thức xác định miền công tác của các photodiode hoạt động ở vùng tần số cao cho 2 trường hợp truyền dẫn analog và truyền dẫn số
Xây dựng được chương trình phần mềm xác định miền công tác của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao
Kết quả đề tài có ý nghĩa lý thuyết và thực tiễn cao:
Về mặt lý thuyết, đề tài đã đề xuất được các công thức mới về S/N của các photodiode trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao và khái niệm mới về độ nhậy thu của các photodiode.
Về S/N của các photodiode trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao, trước đây người ta đưa ra các công thức xác định S/N của các photodiode trong các hệ thống thông tin quang chỉ là hàm số của các tham số cấu trúc, công suất của các nguồn nhiễu của photodiode và công suất ánh sáng tới photodiode. Còn đề tài đã xây dựng được các công thức xác định S/N của các photodiode trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao không chỉ là hàm số của các tham số cấu trúc, công suất của các nguồn nhiễu của photodiode và công suất ánh sáng tới photodiode, mà còn là hàm số của tần số hay tốc độ bit.
Về độ nhậy thu của các photodiode, trước đây người ta xác định độ nhậy thu của các photodiode trong các hệ thống thông tin quang chỉ là giá trị nhỏ nhất của công suất ánh sáng tới photodiode. Còn đề tài đã xây dựng được độ nhậy thu của các photodiode trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao là hàm số của các tham số cấu trúc, công suất của các nguồn nhiễu của photodiode và công suất ánh sáng tới photodiode, và là hàm số của tần số hay tốc độ bit. Từ các công thức này ta đưa ra khái niệm đường cong độ nhậy thu của các photodiode trong các hệ thống thông tin quang hay khái niệm mới “Miền xác định của các photodiode” thay cho khoảng xác định của photodiode như trước đây.
Về mặt thực tiễn, đề tài đã cung cấp các sở cứ khoa học để tính toán thiết kế hiệu quả các các tuyến thông tin quang trên cơ sở nhu cầu sử dụng tốc độ truyền dẫn hay cự ly truyền dẫn mong muốn. Đồng thời, đề tài còn cung cấp các sở cứ khoa học để tính toán sử dụng hiệu quả các các hệ thống thông tin quang hiện có trên cơ sở nhu cầu sử dụng tốc độ truyền dẫn hay cự ly truyền dẫn mong muốn.
Tóm lại đề tài đã hoàn thành được mục tiêu, nội dung và kết quả của đề cương khoa học đã đăng ký
2. Kiến nghị
Về mặt lý thuyết, đề tài đã đề xuất được các công thức mới về S/N của các photodiode trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao và khái niệm mới về độ nhậy thu của các photodiode.
Về mặt thực tiễn, nhóm thực hiện đề tài xin kiến nghị có thể áp dụng kết quả đề tài trong các lĩnh vực:
Chế tạo linh kiện thu cho các hệ thống thông tin quang tốc độ cao
Tính toán thiết kế hiệu quả các các tuyến thông tin quang trên cơ sở nhu cầu sử dụng tốc độ truyền dẫn hay cự ly truyền dẫn cho các nhà thiết kế.
Tính toán sử dụng hiệu quả các các hệ thống thông tin quang hiện có trên cơ sở nhu cầu sử dụng tốc độ truyền dẫn hay cự ly truyền dẫn mong muốn cho các nhà khai thác.
Tài liệu tham khảo
[
Govind P.Agrawal :
Fiber-Optic Comunication Systems, 1999
Fasshauer, H. :
Optische Nachrichtensysteme: Eigenschaften und Projektierung. Dr Alfred Verlag Heidelberg, 1984.
GigaComm Corporation:
High-Speed GaAs PIN Photodiode – GPD-G002, 2002
Hoàng ứng Huyền:
Kỹ thuật thông tin quang – Tổng cục bưu điện 1993
Vũ Văn San
Hệ thống thông tin quang – NXB BĐ - 2002
U. Siegner, R. Fluck, G. Zhang and U. Keller :
Ultrafast high-intensity nonlinear absorption dynamics in low-temperature grown gallium arsenide
Sarah R. Bolton, R. A. Jenks, and C.N. Elkinton:
Nonlinear Dynamics in Ultrafast Lasers - IEEE Journal of selected topics in quantum electronics.Apr 2000
Chai Yeh:
Handbook of fiber optics theory and applications – Acaddemic Press, 1991
Gerd Keiser :
Optical Fiber Communications – Mc Graw-Hill, 1991
G. Guekos :
Photonic Devices for Telecommunications – Berlin – 1999
Nowak, W. ; Grimm, E.:
Lichtwellenleitertechnik –Dr. Alfred Huethig Verlag Heidelberg-1989.
Baier, W.:
Analyse digitaler optischer Empfaenger. Nachrichten Electronik, 11 (1985).
Geckeler, S. :
Lichtwelenleiter fuer die optische Nachrichtenuebertragung: Grundlagen, Eigenschaften und Uebertrangsmedien. Berlin [West], Heidelberg, 1987.
Phụ lục A: Chương trình tính toán miền công tác của photodiode
A.1. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình
Một số yêu cầu về lựa chọn ngôn ngữ:
Ngôn ngữ xây dựng chương trình cần phải đáp ứng được một số yêu cầu sau:
Tính toán được một số tham số đặc tính động quan trọng của các phần tử thu quang từ đó xác định miền công tác của photodiode thu quang dưới tác động của quá trình động và yêu cầu chất lượng truyền dẫn của các phần tử này.
Giao diện trực quan, thuận tiện cho người sử dụng.
Kết quả tính toán biểu diễn được dưới dạng nhiều đồ thị mô tả tác động của các tham số.
Chương trình độc lập, dễ dàng mở rộng, phát triển về sau.
Tính toán nhanh và chính xác.
Lựa chọn ngôn ngữ:
Hiện nay có rất nhiều ngôn ngữ lập trình phục vụ cho việc xây dựng và phát triển các chương trình phần mềm theo những qui mô và công dụng khác nhau. Ví dụ các ngôn ngữ lập trình đa năng như Basic, Pascal, Fortran, C, Assembler,…hoặc cũng có các phần mềm chuyên dụng phục vụ cho một mục tính toán như Matlab, Excel, MathCad, quản lý cơ sở dữ liệu như FoxPro, Access, SQL…
Visual Basic là một trong những ngôn ngữ mạnh để phát triển các ứng dụng trong Windows. Ngôn ngữ Visual Basic được hỗ trợ các hàm xử lý toán học, có thể tạo các giao diện thân thiện với người sử dụng. Đặc biệt do bản chất toàn diện của mình, việc sử dụng và liên hợp với các tính năng MicroSoft Office như Excel, Access …rất thuận tiện. Từng sản phẩm này tác động như một OLE Server cho ra một số tính chất, phương pháp và sự kiện sẵn có cho thế giới bên ngoài. Chính vì vậy việc kết hợp sử dụng các tính chất sẵn có của Excel như bảng tính, đồ thị, quy chiếu,… với Visual Basic là khả năng lựa chọn phù hợp với các tiêu chí đặt ra ở trên, phục vụ cho chương trình tính toán này.
Chương trình xác định miền công tác các phần tử thu quang được viết trên ngôn ngữ Visual Basic chạy độc lập trên hệ điều hành Windows, chương trình được xây dựng dựa trên giao diện đồ họa và kỹ thuật tính lặp liên tục giúp cho việc sử dụng rất dễ dàng và thuận tiện. Người sử dụng có thể quan sát một cách liên tục sự thay đổi của các hàm đặc trưng của linh kiện theo các thông số cấu trúc lối vào và yêu cầu chất lượng đối với hệ thống.
A.2. Giới thiệu chương trình tính toán
Cấu trúc chương trình:
Tính toán:
Miền xác định của Photodiode
Hiển thị kết quả
Nhập số liệu
Xác lập chế độ tính toán (tương tự/số, loại đặc tính)
Chọn phần tử tính toán
(APD/ PIN-Photodiode)
Hình A.1. Lưu đồ chương trình thực hiện tính toán miền công tác của Photodiode
Để đáp ứng được yêu cầu tính toán xác định miền công tác của các Photodiode như đã trình bầy ở các chương trên, cấu trúc chương trình tính toán được xác định như hình A1.
Giao điện chương trình:
Là chương trình độc lập nên có cửa sổ với menubar quen thuộc. Người sử dụng có thể dễ dàng lựa chọn các trường hợp tính toán phù hợp.
Hình A.2. Giao diện chính của chương trình
Giao diện chương trình cho phép:
Lựa chọn để tính toán trong truyền dẫn Analog
Lựa chọn để tính toán trong truyền dẫn Digital
Hình A.3. Cửa sổ lựa chọn các trường hợp tính toán
Trong đó có thể lựa chọn để tính toán cho các trường hợp:
Đặc tuyến miền công tác của Photodiode
Xác định S/N theo tần số
So sánh các đường đặc tuyến độ nhạy thu theo tần số.
Để đảm bảo tính trực quan, thuận tiện cho người sử dụng và biểu diễn kết quả tính toán dưới dạng đồ thị các đặc tuyến mô tả các tham số, giao diện tính toán của chương trình sẽ bao gồm cửa sổ hiển thị hàm xác định miền công tác của photodiode và các cửa sổ soạn thảo để nhập các thông số cấu trúc của linh kiện cần tính toán (hình A.4).
Tần số
P
Hình A.4. Cửa sổ giao diện chương trình tính toán xác định miền công tác của photodiode
Các cửa sổ giao diện của chương trình bao gồm:
Các cửa sổ nhập dữ liệu:
Các đại lượng đặc trưng cho quá trình động của APD và PIN- Photodiode:
Độ sâu điều chế: m với các giá trị (0,7 ¸ 1)
Hệ số khuếch đại tĩnh của APD: M với các giá trị (0 ¸ 50)
Điện dẫn Gc lớp tiếp giáp (đơn vị là W-1), với các giá trị (0 ¸ 5)
Điện dẫn tải GT (đơn vị là W-1), với các giá trị (0 ¸ 5)
Điện dung lớp tiếp giáp Cc (đơn vị là pF) , với các giá trị (0 ¸ 6)
Điện dung tải Ct (đơn vị là pF) , với các giá trị (0 ¸ 6)
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu: S/N với các giá trị (0 ¸ 5000)
Cửa sổ đồ thị biểu diễn miền công tác của phần tử thu quang
Với giao diện được xây dựng ở trên, các thông số cấu trúc có thể được nhập ngay trong cửa sổ soạn thảo hoặc thay đổi vị trí các thanh trượt. Sử dụng chương trình rất đơn giản, chỉ cần nhập các thông số cấu trúc của linh kiện, chương trình sẽ tính toán và hiển thị hàm đặc trưng miền công tác của linh kiện lên các cửa sổ . Việc thay đổi liên tục một thông số cấu trúc sẽ cho ta thấy ảnh hưởng của thông số đó đến đặc trưng của linh kiện.
Tần số
S/N
Hình A.5. Cửa sổ chương trình tính toán xác định S/N theo tần số với độ nhạy thu xác định
Ngoài ra chương trình còn có thể tính toán cho các trường hợp truyền dẫn analog và digital với các đường
Xác định S/N theo tần số
So sánh các đường đặc tuyến độ nhạy thu theo tần số
Sau khi thay đổi lựa chọn chế độ hoạt động của linh kiện, chương trình sẽ tự động tính toán và hiển thị các hàm đặc trưng trên của linh kiện được tính toán, như vậy ta có thể theo dõi sự thay đổi các đặc tính của linh kiện một cách liên tục theo các thông số cấu trúc đầu vào.
Đồng thời chương trình còn có thể hiện thị cùng lúc tất cả các cửa sổ để có thể tiện theo dõi kết quả
Hình A.6. Minh hoạ toàn bộ chương trình
A.3. Tính toán miền công tác của Photodiode
A.3.1. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn analog
Trên cơ sở mô hình toán học mô tả quá trình động của APD, ta sẽ xác định được công suất tín hiệu và nhiễu tại đầu ra APD. Từ đó miền công tác của các Photodiode được xác định theo công thức:
Trong đó ký hiệu:
với
BR : Băng tần tạp âm:
HT: Hệ số biến đổi điện quang
m: Độ sâu điều chế
M: Hệ số khuếch đại tĩnh của APD
Gc: Điện dẫn lớp tiếp giáp
GT: Điện dẫn tải
Cc: Điện dung lớp tiếp giáp
Ct: Điện dung tải
S/N: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
IT: Dòng tối
Ir: Dòng rò
A.3.2. Miền công tác của các Photodiode trong truyền dẫn Digital
Trên cơ sở mô hình toán học mô tả quá trình động của APD, ta sẽ xác định được công suất tín hiệu và nhiễu tại đầu ra APD. Từ đó, miền công tác của các Photodiode được xác định theo công thức:
Trong đó:
Với D(tQ-nT), L(tQ-nT) được xác định bởi các công thức:
A.4 Một số hình ảnh mô tả kết quả tính toán
Tần số
Hình A.7. Kết quả tính toán xác định miền công tác của photodiode trong truyền dẫn analog
Tần số
Hình A.8. Kết quả tính toán xác định S/N theo tần số với độ nhạy thu trong truyền dẫn analog
Tần số
Hình A.9. Kết quả tính toán so sánh các đường đặc độ nhạy thu theo tần số trong truyền dẫn analog
Hình A.10. Kết quả tính toán xác định miền công tác của photodiode trong truyền dẫn Digital
Hình A.11. Kết quả tính toán xác định S/N theo tần số với độ nhạy thu trong truyền dẫn Digital
Hình A.12. Kết quả tính toán so sánh các đường đặc tuyến độ nhạy thu theo tần số trong truyền dẫn Digital
Phụ lục B. Chứng minh công thức (4-24)
Từ công thức (4-21):
(B1)
Vì mẫu số của vế trái công thức (B1) lớn hơn “0”, nên ta có thể viết công thức (B1) dưới dạng:
(B2)
Đặt:
(B3)
Ta có thể viết lại bất phương trình (B2) dưới dạng:
(B4)
(B5)
Thay công thức (B3) vào (B5), ta nhận được:
(B6)
Công thức (B6) chính là công thức (4-24) ở chương 4.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- T7893ng cng ty b432u chnh vi7877n thngvi7879t nam.doc