Chuyên đề Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

LỜI NÓI ĐẦU Trong hệ thống truyền tải, với sự ra đời của công nghệ mạng quang WDM đặc biệt là công nghệ DWDM được coi như là một công nghệ tối ưu thay thế cho công nghệ TDM truyền thống. Với sự ra đời của công nghệ WDM cho phép các nhà thiết kế mạng lựa chọn được phương án tối ưu nhất để tăng dung lượng đường truyền với chi phí thấp nhất. Cho đến nay hầu hết các hệ thống thông tin quang đường trục có dung lượng cao đều sử dụng công nghệ WDM. Ban đầu từ những tuyến WDM điểm – điểm đến nay đó xuất hiện các mạng với nhiều cấu trúc phức tạp. Tuy nhiên, do hiện nay số lượng bước sóng sử dụng trong hệ thống WDM là rất hạn chế, vấn đề đặt ra là phải làm thế nào để có thể sử dụng nguồn tài nguyên này một cách hiệu quả nhất. Giải quyết được vấn đề này tức là nâng cao năng lực của mạng với số tối đa tải trên một bước sóng cho trước, đây chính là vai trò của việc định truyến các bước sóng trong mạng. Việc định tuyến tốt sẽ cho phép sử dụng tối ưu các bước sóng khi xây dựng một mạng mới và làm giảm chi phí cho thiết bị. Do đó, vai trò của việc định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM là rất quan trọng. Việc sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM cho phép nâng cao đáng kể băng thông mà vẫn duy trì hiện trạng hoạt động của mạng, nó cũng đó được chứng minh là một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí cho các mạng đường dài. Vì vậy đề tài “Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM ” sẽ nghiên cứu vấn đề này một cách cụ thể hơn trong nội dung của đề tài này. Đề tài này bao gồm có 3 chương với nội dung được tóm tắt cụ thể như sau : Chương I : Giới thiệu chung về hệ thống ghép kênh theo bước sóng, các kỹ thuật cơ bản, nguyên ký hoạt động của các phần tử cơ bản của hệ thống quang WDM. Chương II : Giới thiệu về định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM Chương III : Đưa ra một số phương pháp định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM. Mặc dù có nhiều cố gắng xong do thời gian và trình độ có hạn nên đề tài này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn Hà Nội, ngày 25 tháng 8 năm 2011 Sinh viên thực hiện NHÓM 7 CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM 1.1 Sự phát triển của công nghệ WDM Công nghệ mạng quang đã trở thành nhân tố quan trọng trong sự phát triển của mạng viễn thông. Yêu cầu băng tần sử dụng lớn là hệ quả tất yếu của nhu cầu truyền thông dữ liệu ngày nay. Trong hai thập kỷ qua, công nghệ truyền tải quang WDM đó có sự phát triển vượt bậc. Sự phát triển này có được là nhờ công nghệ chế tạo linh kiện quang. Những thành tựu của công nghệ này đó góp phần tạo nên hệ thống WDM dung lượng lớn như ngày nay. Theo thời gian, xuất phát từ những nhu cầu thực tế, các hệ thống WDM ngày càng trở nên phức tạp. Ở một góc độ nào, sự phức tạp trong hệ thống WDM là trong những chức năng của thiết bị. Nhờ có chức năng này mà cấu hình hệ thống WDM chuyển từ đơn giản như cấu hình điểm- điểm sang cấu hình phức tạp như Ring và Mesh. Các hệ thống WDM đầu tiên xuất hiện từ cuối những năm 1980 sử dụng hai kênh bước sóng trong các vùng 1310nm và 1550nm và thường được gọi là hệ thống WDM băng rộng. Đầu những năm 1990 xuất hiện các hệ thống WDM thế hệ hai sử dụng các phần tử WDM thụ động, được gọi là hệ thống WDM băng hẹp từ 2 đến 8 kênh. Các kênh này nằm trong cửa sổ 1550nm và với khoảng cách kênh 400GHz. Đến giữa những năm 1990 đó có hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) sử dụng từ 16 đến 40 kênh với khoảng cách kênh từ 100 đến 200 GHz. Các hệ thống này đó tách hợp các chức năng xen rẽ và quản lý mạng. Các hệ thống WDM ban đầu sử dụng với khoảng cách kênh lớn. Việc lắp đặt hệ thống WDM chi phối bởi những lý do kinh tế. Việc nâng cấp thiết bị đầu cuối để khai thác các năng lực của WDM có chi phi thấp hơn việc lắp đặt cáp sợi quang mới. Sự xuất hiện bộ khuếch đại quang EDFA đó chuyển hầu hết các hệ thống WDM sang cửa sổ 1530 nm đến 1565nm. Các hệ thống WDM mới lắp đặt gần đây đó sử dụng các kênh quang có khoảng cách giữa các kênh hẹp từ 25 GHz đến 50 GHz. Nhu cầu về băng tần mạng đang tăng gần 100%/một năm sẽ tiếp tục gia tăng ít nhất là trong vài chục năm tiếp theo. Việc giảm giá thành của các nhà cung cấp và trên hết là ứng dụng phổ cập của Internet đũi hỏi băng tần lớn sẽ được tiếp tục đẩy mạnh. Các giải pháp thực tế đối với các vấn đề giới hạn ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực, hiệu ứng phi tuyến, sẽ làm tăng cả số lượng kênh và tốc độ bít của hệ thống WDM. Số lượng các kênh tăng đòi hỏi yêu cầu khắt khe hơn đối với độ ổn định của laser, độ chính xác của bộ lọc và vấn đề liên quan đến quản lý tán sắc, hiệu ứng phi tuyến... Mạng tiến dần tới mô hình toàn quang, do đó sẽ xuất hiện các hệ thống thiết bị quang mới có khả năng thực hiện các chức năng mà các thiết bị điện tử đang đảm nhận. Việc loại bỏ các yêu cầu khôi phục và tái tạo lưu lượng qua thiết bị điện tử làm giảm đáng kể tính phức tạp phần cứng của mạng, nhưng sẽ làm tăng các hiệu ứng quang khác. Mặc dù trên khía cạnh nào đó các kỹ thuật WDM mật độ cao sẽ đạt tới giới hạn của nó. Sự truyền dẫn của vài trăm kênh trên một sợi quang cũng đó được kiểm chứng. Nhờ có sự phát triển của công nghệ WDM, trong tương lai không xa sẽ xuất hiện các dịch vụ thông tin quang giá thành thấp tốc độ cao. 1.2 Kỹ thuật WDM 1.2.1 Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang WDM Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng có thể minh hoạ như hình 1.1. Giả sử có các nguồn quang làm việc ở các bước sóng khác nhau (1, (2, (3, …(j, ….(n. Các tín hiệu quang với các bước sóng khác nhau được ghộp lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh; bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi ghép sẽ được truyền dọc theo sợi đến phía thu. Bộ tách kênh quang ở phía thu sẽ tách các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ.
Hình 1.1 Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng. Có hai phương án thiết lập hệ thống WDM như hình 1.2 . Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng như trong hình 1.2(a), là kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi quang tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia. Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo hai hướng như trong hình 1.2(b) thì không quy định phát ở một đầu và thu ở một đầu; điều này có nghĩa là có thể phát thông tin theo một hướng tại bước sóng (1 và cũng đồng thời truyền thông tin theo hướng ngược lại tại bước sóng (2.
Hình 1.2 Hệ thống ghép bước sóng (a) theo một hướng (b) theo hai hướng Như vậy trên cùng một sợi có thể truyền đồng thời nhiều bước sóng quang. Mỗi bước sóng quang được gọi là một kênh quang, mỗi kênh quang sẽ mang lưu lượng từ các lớp trên như SDH, ATM …. Như vậy sử dụng công nghệ WDM dung lượng truyền dẫn được nâng cao mà không cần lắp đặt thêm cáp. Khi kết hợp các thuật toán định tuyến thông minh, sự phân bổ hợp lý tài nguyên các bước sóng sẽ nâng cao dung lượng tối đa của mạng WDM. 1.2.2 Cấu trúc hệ thống WDM Ghép kênh theo bước sóng là kỹ thuật sử dụng các kênh bước sóng quang để truyền tải luồng dữ liệu khác qua sợi quang trên mạng viễn thông. Trong trường hợp một tuyến WDM điểm- điểm, một tập các kênh quang được kết hợp lại trong bộ ghép kênh WDM, được truyền qua một tuyến sợi quang và được tách ra qua bộ giải ghép kênh WDM. Trong hình 1.3 chỉ ra một cấu trúc hệ thống chung WDM. Trong ví dụ này có bốn kênh quang tại các bước sóng (1, (2, (3 và (4 được ghép với nhau qua bộ ghộp kênh theo bước sóng. Bộ khuếch đại đường quang (OLA) khuếch đại các tín hiệu quang. Bộ xen tách quang (OADM) tách bước sóng (1 và xen một khờnh quang tại bước sóng (5.
Hình 1.3 Cấu trúc hệ thống WDM cơ bản Tại đầu thu, bộ giải ghép kênh WDM tách bốn kênh quang tại các bước sóng (2, (3, (4 và (5. Do vậy có một kênh từ node 1 đến node 2 bằng (1, ba kênh từ node 1 đến node 3 bằng (2, (3 và (4, một kênh từ node 2 sang node 3 bằng (5. Lý do chính của việc sử dụng WDM là cho phép truyền tải dung lượng rất cao và cung cấp khả năng mềm dẻo trong định tuyến và bảo vệ, thuận lợi cho quy hoạch và thiết kế mạng. 1.2.3 Các phần tử cơ bản của hệ thống WDM 1.2.3.1 Sợi quang Sợi quang G.652. Đây là loại sợi quang đơn mode được sử dụng phổ biến trên mạng lưới viễn thông nhiều nước hiện nay, nó có thể làm việc ở 2 cửa sổ truyền dẫn 1310 nm và 1550 nm. Khi làm việc ở cửa sổ 1310 nm, G.652 có tán sắc nhỏ nhất (xấp xỉ 0 ps/nm.km) và suy hao tương đối lớn. Ngược lại, khi làm việc ở cửa sổ 1550 nm, G.652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắc tương đối lớn (xấp xỉ 20 ps/nm.km). Sợi quang G.653. Muốn xây dựng các tuyến thông tin quang tốc độ cao, cự ly dài thì cần phải sử dụng một loại sợi có cả suy hao và tán sắc tối ưu tại một bước sóng. Hiện nay, bằng cách thay đổi mặt cắt chiết suất có thể chế tạo được sợi tán sắc dịch chuyển, tức là sợi có tán sắc và suy hao tối ưu ở cùng một bước sóng. Loại sợi này gọi là sợi DSF hay sợi G.653. Hình 1.4 mô tả đường cong tán sắc của sợi G.653. Hệ số suy hao của sợi DSF thường nhỏ hơn 0,50 dB/km ở cửa sổ 1300 nm và nhỏ hơn 0,3 dB/km ở cửa sổ 1550 nm. Hệ số tán sắc ở vùng bước sóng 1550 nm khoảng 20 ps/nm.km, còn ở vùng bước sóng 1300 nm nhỏ hơn 3,5 ps/nm.km. Bước sóng cắt thường nhỏ hơn 1270 nm. Xét về mặt kỹ thuật, sợi G.653 cho phép xây dựng các hệ thống thông tin quang với suy hao chỉ bằng khoảng một nửa suy hao của hệ thống làm việc ở bước sóng 1300 nm. Như vậy, cự ly trạm lặp của hệ thống sợi tán sắc dịch chuyển sẽ dài gấp đôi hệ thống sử dụng sợi G.652 bước sóng 1300 nm. Còn đối với các tuyến hoạt động ở bước sóng 1550 nm thì do sợi G.653 có hệ số tán sắc rất nhỏ nên nếu chỉ xét về tán sắc thì gần như không có sự giới hạn về tốc độ truyền tín hiệu trong các hệ thống này. Như vậy do giảm số trạm lặp trên tuyến mà giá thành cao của sợi G.653 phần nào được dung hoà. Sợi quang G.654. G.654 là sợi quang đơn mode tới hạn thay đổi vị trí bước sóng cắt. Loại sợi này có đặc điểm: suy hao ở bước sóng 1550 nm giảm nhưng tán sắc vẫn tương đối lớn; điểm tán sắc bằng không vẫn ở bước sóng 1310 nm; G.654 chủ yếu được sử dụng ở các tuyến cáp quang biển. Sợi quang G.655. Sử dụng sợi quang nào thích hợp nhất cho hệ thống WDM luôn là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm. Do tính chất ưu việt của sợi quang G.653 (DSF) ở bước sóng 1550 nm mà nó trở thành sợi quang được chú ý nhất. Nhưng nghiên cứu kỹ người ta phát hiện ra rằng khi dùng G.653 trong hệ thống WDM thì ở khu vực bước sóng có tán sắc bằng không sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi hiệu ứng phi tuyến. Đây là nhược điểm chính của DSF. Từ đó xuất hiện một loại sợi quang mới - sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không (NZ-DSF), còn gọi là sợi quang đơn mode G.655. Điểm tán sắc bằng không của nó không nằm ở 1550 nm mà dịch tới 1570nm hoặc gần 1510 - 1520 nm. Giá trị tán sắc trong phạm vi 1548 - 1565 nm là ở 1 ( 4 ps/nm.km đủ để đảm bảo tán sắc không bằng 0, trong khi vẫn duy trì được tán sắc tương đối nhỏ 1.2.3.2 Phần phát Phần phát quan trọng nhất là laser diode. Yêu cầu nguồn quang trong hệ thống WDM là phải có độ rộng phổ hẹp, ổn định tần số. Tuy nhiên laser diode có khoang cộng hưởng Fabry Perot có nhiều ưu điểm hẳn so với LED nhưng chưa thật sự là các nguồn đơn mode. Vẫn còn các mode khác ngoài mode cơ bản trong nguồn này. Trong hệ thống WDM nhất là hệ thống ghép bước sóng có mật độ cao DWDM cần có những laser đơn mode tạo ra một mode dọc chính, còn lại các mode bên cần được loại bỏ. Laser đơn mode có nhiều loại, điển hình là laser hồi tiếp phân tán (DFB )và laser phản xạ Bragg phân tán (DBR). Diode laser hồi tiếp phát tán(DFB) Laser DFB gồm có một lớp cách tử nhiễu xạ cú cấu trúc chu kỳ đặt cạnh lớp hoạt tính để tạo ra ánh sáng suốt chiều dài khoang cộng hưởng với mục đích nén các mode bên trong và chọn lọc tần số như hình 1.5. Sóng quang lan truyền song song với cách tử, do cách tử cú cấu trúc hoàn toàn theo chu kỳ tạo hiện tượng giao thoa giữa hai sóng ghép lan truyền ngược nhau. Để hiện tượng giao thoa này xảy ra thì sau một chu kỳ cách tử pha thay đổi 2
m, trong đó m là số nguyên được gọi là bậc của nhiễu xạ Bragg tức là: 2
m = 2˄
( 1.1) Trong đó: n chiết suất hiệu dụng của mode, ậ là chu kỳ cách tử, hệ số 2 suất hiện trong biểu thức vì ánh sáng phản xạ hai lần để cùng pha với sóng tới. Những điều kiện trên không thoả mãn thì ánh sáng tán xạ cách tử sẽ triệt tiêu nhau, kết quả là chỉ có có bước sóng thoả món là ởB. Khi m = 1 thì (B được gọi là bước sóng bậc một và (B = 2˄n.
Hình 1.5 Cấu trúc diode laser hồi tiếp phân tán Diode Laser phản xạ Bargg phân tán (DBR) Laser phản xạ Bargg phân tán (DBR) sử dụng nguyên lý phản xạ Bargg để chỉ tạo ra một mode dọc. Khác nhau giữa DBR và DEB là trong DBR các cách tử chiều dài ngắn đóng vai trò bộ phản xạ chọn lọc tần số. Có cấu trúc cách tử nằm ở hai bên vùng hoạt tính có tác dụng như hai gương phản xạ với các bước sóng thoả mãn điều kiện phản xạ như hình 1.6. Như vậy có nhiều mode trong vùng hoạt tính nhưng chỉ có một bước sóng được phản xạ trở lại và được khuếch đại.
Hình 1.6 Cấu trúc laser phản xạ phân tán Bargg DBR Hai loại laser này có dòng điện ngưỡng khoảng 20 mA, độ rộng phổ rất hẹp và nhỏ hơn cỡ 0,5nm, do đó các tuyến cự ly xa yêu cầu tốc độ cao thường sử dụng hai loại này. Diode Laser điều chỉnh bước sóng Bộ phát quang đơn mode có thể điều chỉnh được bước sóng là linh kiện quang then chốt của hệ thống WDM và mạng chuyển mạch quang. Chỉ tiêu tính năng của nó là điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh phạm vi bước sóng. Mặc dù đang còn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nhưng với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ bán dẫn, bộ phát quang bán dẫn có thể điều chỉnh được bước sóng chất lượng cao sẽ sớm được sử dụng trong tương lai. Như ta đã biết, bước sóng đầu ra bộ phát quang (kk (bước sóng trong không khí) quan hệ với bước sóng trong môi trường chất bán dẫn (bd theo công thức: (kk = (bd ( n (1.2) Từ công thức (1.2): khi thay đổi n (chiết suất của vật liệu bán dẫn) thì (kk sẽ thay đổi, tức là có thể thay đổi và điều khiển được bước sóng đầu ra của bộ phát quang trong phạm vi nhất định. Dưới đây sẽ giới thiệu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một số bộ phát quang biến đổi bước sóng tiên tiến. Bộ phát quang có thể điều chỉnh ngoài khoang Cấu tạo Thực hiện mạ trên mặt cắt ở phía sau của khoang cộng hưởng một màng tăng thấu (AR), sau đó ở ngoài đưa vào bộ lọc có thể điều chỉnh để tạo thành bộ phát quang có thể điều chỉnh ở ngoài khoang. Hình 1.7 mô tả cấu tạo bộ phát quang này. Nguyên lý hoạt động Các tia sáng đi qua màng tăng thấu, qua thấu kính biến thành chùm tia sáng song song đập vào cách tử. ở đây cách tử sẽ đóng vai trò gương phản xạ kiêm bộ lọc băng hẹp. Nếu ta quay cách tử thì có thể điều chỉnh thô bước sóng quang đầu ra. Còn nếu ta điều chỉnh cách tử theo chiều dọc thì có thể tinh chỉnh được bước sóng quang đầu ra. Ưu điểm, nhược điểm Ưu điểm chính của loại phát quang này là độ rộng phổ phát cực hẹp và có thể điều chỉnh bước sóng trong phạm vi rộng. Còn nhược điểm chính là tốc độ điều chỉnh thấp, thể tích tương đối lớn, độ ổn định về cơ không cao 1.2.3.3 Phần thu Bộ thu quang của hệ thống WDM cũng tương tự như bộ thu quang ở hệ thống đơn kênh. Chúng thực chất là các photodiode (PD), thực hiện chức năng cơ bản là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện. Bộ thu quang phải đảm bảo yêu cầu về tốc độ lớn, độ nhạy thu cao và bước sóng hoạt động thích hợp. Hai loại photodiode được sử dụng rộng rãi trong bộ thu quang là photodiode PIN và photodiode thác APD. Nguyên lý làm việc chung của PIN và APD Nguyên lý làm việc chung của PIN-photodiode và APD dựa trên nguyên lý bức xạ ánh sáng của lớp tiếp giáp P-N, được chỉ ra ở hình 1.7. Cả hai loại photodiode đều hoạt động dựa vào tiếp giáp p-n phân cực ngược. Khi ánh sáng có bước sóng trong không gian tự do bé hơn bước sóng cắt: (
((m) =
(1.3) chiếu vào Photodiode thì bán dẫn hấp thụ các photon. ở công thức (1.3), Eg là độ rộng dải cấm của tiếp giáp p-n. Khi một photon được hấp thụ trong vùng nghèo, nó sẽ kích thích một điện tử trong dải hoá trị nhảy lên dải dẫn và để lại trong dải hoá trị một lỗ trống. Như vậy mỗi photon được hấp thụ sẽ tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống. Điện áp phân cực ngược tạo ra một điện trường mạnh trong vùng nghèo hình 1.7 (b). Dưới tác dụng của điện trường mạnh, điện tử và lỗ trống bị quét rất nhanh ra khỏi vùng nghèo. Lỗ trống từ vùng nghèo đi vào lớp p, điện tử từ vùng nghèo đi vào lớp n tạo thành dòng khuyếch tán và chúng trở thành các hạt tải điện đa số trong các vùng này. Khi điện tử đi tới điện cực bên phải hình 1.7 (a), dưới tác dụng của nguồn phân cực ngược buộc nó phải đi qua mạch ngoài để tạo thành dòng tách quang. Các điện tử qua mạch ngoài và đi tới điện cực bên trái đi vào vùng p, tái hợp với lỗ trống ở vùng này. 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 ta sẽ trình bầy nguyên lý biến đổi quang-điện, cấu tạo và tính chất của các phần tử này. b. PIN-Photodiode 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 và phân bố điện trường của PIN-Photodiode được chỉ ra ở hình 1.8. Cấu tạo của PIN-Photodiode bao gồm: Một tiếp giáp gồm 2 bán dẫn tốt là P+ và N+ làm nền, ở giữa có một lớp mỏng bán dẫn yếu loại N hay một lớp tự dẫn I (Intrisic). Trên bề mặt của lớp bán dẫn P+ là một điện cực vòng (ở giữa để cho ánh sáng thâm nhập vào miền I). Trên lớp bán dẫn P+ phủ một lớp chống phản xạ. Điện áp phân cực ngược cho diode. Hình 1.8 Cấu tạo của PIN-Photodiode (a) và sơ đồ phân bố điện trường (b) Nguyên lý hoạt động: Khi các photon đi vào lớp P+ có mức năng lượng lớn hơn độ rộng của dải cấm, sẽ sinh ra trong miền P+, I, N+ của PIN-Photodiode các cặp điện tử và lỗ trống (chủ yếu ở lớp I). Các điện tử và lỗ trống trong miền I vừa được sinh ra bị điện trường mạnh hút 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+I và N+I không được khuếch tán vào miền I (do ở khoảng cách xa hơn độ dài khuếch tán của động tử thiểu số), nên chúng lại tái hợp với nhau ngay trong các miền P+ và N+. Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào PIN-Photodiode sẽ sinh ra một cặp điện tử và lỗ trống và giá trị trung bình của dòng điện ra tỷ lệ với công suất chiếu vào. Nhưng thực tế không phải như vậy, vì một phần ánh sáng bị tổn thất do phản xạ bề mặt. Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bước sóng. Vì vậy, lớp P+ không được quá dầy. Miền I càng dầy thì hiệu suất lượng tử càng lớn, vì xác suất tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống tăng lên theo độ dầy của miền này và do đó các photon có nhiều khả năng tiếp xúc với các nguyên tử hơn. Tuy nhiên, trong truyền dẫn số độ dài của xung ánh sáng đưa vào phải đủ lớn hơn thời gian trôi Td cần thiết để các phần tử mang điện chạy qua vùng trôi có độ rộng d của miền I. Do đó, d không được lớn quá vì như thế tốc độ bit sẽ bị giảm đi. Khi bước sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua bán dẫn cũng tăng lên, ánh sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Do đó, với các vật liệu phải có một bước sóng tới hạn. c. Diode quang thác APD Cấu tạo Cấu trúc cơ bản của APD được chỉ ra ở hình 1.9(a). 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