Bài giảng thông tin quang nâng cao - Phần 4 pdf

Khi ghộp 2 bỏn dẫn loại n và p lại với nhau => một tiếp giỏp p-n được tạora => cỏc hạt tải đa số sẽ khuếch tỏn qua nú, tức là cỏc điện tử trong lớpbỏn dẫn n được khuếch tỏn qua tiếp giỏp

Trang 1

PhÇn 1: Tæng quan vÒ kü thuËt th«ng tin quang

Gi¶ng viªn: Hoµng V¨n Vâ

PhÇn 2: C¸c phÇn tö c¬ b¶n trong kü thuËt th«ng tin quang

PhÇn 3: C¬ së kü thuËt th«ng tin quang

PhÇn 4: hÖ thèng th«ng tin quang

Gi¶ng viªn: Vò TuÊn L©m

PhÇn 5: mét sè c«ng nghÖ quang tiªn tiÕn

Gi¶ng viªn: Vò TuÊn L©m

Trang 3

1 Mô hình và chức năng của bộ thu quang

2 Cấu trúc bộ thu quang

3 Một số khái niệm cơ bản

4 Các phần tử biến đổi quang-điện

Trang 4

1 Mô hình và chức năng của bộ thu quang

 Chøc n¨ng:

Biến đổi ánh sáng tới PT(t) ®Çu vµo trở thành tín hiệu điện uR(t) ®Çu ra

có dạng giống như tín hiệu truyền dẫn ban đầu.

Có thể có nhiễu và méo kèm theo (đối với truyền dẫn analog) hoặc lỗi bít (đối với truyền dẫn số).

 Mô hình bộ thu quang

Bé thu quang

uR(t)

PT(t)

H×nh 4.1 M« h×nh bé thu quang

Trang 5

- Cấu trúc bộ thu quang analog

- Cấu trúc bộ thu quang digital

Có 2 loại cấu trúc bộ thu quang tương ứng với 2 kỹ thuật truyền dẫn thông tin quang là truyền dẫn analog và truyền dẫn digital:

Trang 6

E

pT(t) iT(t) uT(t) ur(t)

 Cấu trúc bộ thu quang analog

Bộ biến đổi quang điện: biến đổi tín hiệu ánh sáng tới PT(t) thành tín hiệuđiện iT(t) Các phần tử sử dụng để biến đổi quang-điện là PIN-Photodiode

và diode quang thác APD

Bộ khuếch đại: bao gồm bộ tiền khuếch đại và bộ khếch đại điện áp Bộ

tiền khuếch đại cần phải có tạp âm rất thấp

Bộ lọc: dùng để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.

2 Cấu trúc các bộ thu quang

H×nh 4.2 M« h×nh cÊu tróc bé thu quang analog

Trang 7

 Cấu trúc bộ thu quang digital

Bộ biến đổi quang điện: biến đổi tín hiệu ánh sáng tới PT(t) thành tín hiệuđiện iT(t) Các phần tử sử dụng để biến đổi quang-điện là PIN-Photodiode

và diode quang thác APD

Bộ khuếch đại: bao gồm bộ tiền khuếch đại và bộ khếch đại điện áp Bộ

tiền khuếch đại cần phải có tạp âm rất thấp

Bộ lọc kết hợp với bộ quyết định: dùng để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.

Trang 8

Khi ghộp 2 bỏn dẫn loại n và p lại với nhau => một tiếp giỏp p-n được tạo

ra => cỏc hạt tải đa số sẽ khuếch tỏn qua nú, tức là cỏc điện tử trong lớpbỏn dẫn n được khuếch tỏn qua tiếp giỏp và lấp đầy cỏc lỗ trống trong lớpbỏn dẫn p và do vậy sẽ để lại lỗ trống trong lớp bỏn dẫn n của tiếp giỏp.Kết quả là một điện trường tiếp xỳc hay một điện thế tiếp xỳc sẽ xuất hiệntại vựng tiếp giỏp Điện trường này sẽ ngăn cản việc chuyển động tự docủa cỏc hạt tải cho đến khi cõn bằng được thiết lập

Tại vựng tiếp giỏp lỳc này sẽ khụng cũn hạt mang điện tự do, do cỏc điện

tử và lỗ trống đó bị giữ lại trong cỏc liờn kết đồng húa trị Khi đú, vựng tiếpgiỏp được gọi là vựng nghốo hoặc vựng khụng cú điện tử tự do

3.1 Tiếp giáp p-n:

 Khi ch-a có điện áp ngoài tác động

3 Một số khỏi niệm cơ bản

Trang 9

Hình 4.4 Tiếp giáp p-n (a) và

giản đồ năng l-ợng khi không có điện áp ngoài tác động (b)

Trang 10

Trong trường hợp cực dương của nguồn nối với bỏn dẫn p vàcực õm nối với bỏn dẫn n thỡ tiếp giỏp khi đú phõn cực thuận.

Lỳc này, điện trường tiếp giỏp và điện trường ngoài sẽ ngượcchiều nhau, nếu điện trường ngoài đủ lớn, sẽ phỏ vỡ liờn kếtcộng húa trị tại lớp tiếp giỏp và cỏc hạt mang điện đa số sẽđược khuếch tỏn ồ ạt qua lớp tiếp giỏp

+ Tiếp giáp p-n phân cực thuận

 Khi có điện tr-ờng ngoài tác động:

3 Một số khỏi niệm cơ bản

Trang 11

Khi một điện thế ngoài được đưa vào tiếp giỏp p-n, nếu cực dương củanguồn nối với bỏn dẫn n và cực õm nối với bỏn dẫn p thỡ tiếp giỏp khi đúđược phõn cực ngược.

Dưới tỏc dụng của điện ỏp phõn cực ngược, độ rộng lớp nghốo sẽ mởrộng ra ở cả hai phớa lớp p và lớp n hay điện trường lớp tiếp giỏp đượctăng cường

Điện trường tiếp giỏp tiếp tục ngăn cản chuyển động của cỏc hạt tải đa sốnhưng lại trở thành điện trường thuận với cỏc hạt tải thiểu số khi đi qualớp tiếp giỏp Dũng của cỏc hạt tải thiểu số tạo ra được gọi là dũng dũ

+ Tiếp giáp p-n phân cực ng-ợc

 Khi có điện tr-ờng ngoài tác động:

Trang 12

Hình 4.5 Tiếp giáp p-n (a) và

giản đồ năng l-ợng khi có điện áp ngoài tác động (phân cực ng-ợc)- (b)

Vùng điện tích không gian

Trang 13

3.2 Nguyên lý biến đổi quang-điện của lớp tiếp giáp p-n

Khi các photon đi vào tiếp giáp p-n có mức năng lượng lớn hơn độ rộng của dảicấm, sẽ sinh ra trong tiếp giáp p-n các cặp điện tử và lỗ trống Các điện tử và lỗtrống trong vùng điện tích không gian vừa được sinh ra bị điện trường mạnh hút

về hai phía (điện tử về phía n 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 vùng điện tích khônggian nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp P+I, rồi chạy về phía N + vì có điện ápdương và lỗ trống mới sinh ra trong miền N+ khuếch tán sang miền I nhờgradien 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 một dòng điện và trên tải một điệnáp

Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo ra dòng điệnngoài, vì chính 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 dàikhuếch tán của động tử thiểu số), nên chíng lại tái hợp với nhau ngay trong cácmiền P+ và N+

Trang 14

Cho điện tr-ờng ngoài tác động

lên tiếp giáp: phân cực ng-ợc

(hình 4.6a)

Giản đồ năng l-ợng của tiếp

giáp p-n và quá trình tạo ra các

cặp điện tử - lỗ trống khi có ánh

sáng tới đ-ợc chỉ ra ở hình 4.6b

Khi cho ánh sáng tới tiếp giáp

p-n, các photon sẽ đi vào tiếp

giáp Giản đồ năng l-ợng ánh

sáng trong tiếp giáp p-n giảm

theo hàm mũ (hình 4.6c)

Hình 4.6 Quá trình biến đổi

quang-điện của tiếp

3.2 Nguyờn lý biến đổi quang-điện của lớp tiếp giỏp p-n

c)

a)

b)a/s tới

Bán dẫn p

Vùng điện tích

Trang 15

Công suất của tín hiệu i(t) được xác định theo công thức:

3.3 Công suất tín hiệu

Công suất của một nguồn nhiễu iN(t) của một mạng 4 cực được xác địnhtheo công thức:

t g t

i t

) (

).

(

) ( )

( )

(

Trong đó, iN(t), SN(j) : nguồn nhiễu và phổ của nó,

g(t), H(j) : hàm trọng lượng và hàm truyền dẫn của mạng 4 cực

3.4 Công suất nhiễu

(4-1)

(4-2)

Trang 16

Do sự chuyển động hỗn loạn của các điện tử (chuyển động Brown) trên mộtđiện trở R, va chạm với ion trong mạng tinh thể của điện trở làm cho nhiệt độcủa điện trở tăng lên Mặc dù khi có dòng điện chạy qua, trên điện trở R vẫn có

sự chuyển động Brown của các điện tử, nên xuất hiện nguồn nhiễu trên điện trở

R Gọi là nhiễu nhiệt

Phổ năng lượng của nhiễu nhiệt trên một điện trở R được xác định theo côngthức:

G T

k R

T k j

SNN(  )  2  2

Trong đó:

T

T R

G  1 : điện dẫn của điện trở lớp R

3.5 Phổ năng lượng của nhiễu nhiệt trên một điện trở

K : hằng số Bolzomal,

T : Nhiệt độ tuyệt đối

(4-3)

Trang 17

Băng tần nhiễu của một mạng 4 cưc hàm truyền dẫn H(jf) được xác định theo công thức:

BR

Trong đó: H ( jf ) là hàm truyền dẫn chuẩn hóa của H(jf)

3.5 Băng tần nhiễu

(4-4)

Trang 18

Công suất tín hiệu/điện áp tín hiệu/dòng tín hiệu



N

S

Công suất nhiễu/điện áp nhiễu/dòng nhiễu

3.6 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức:

3.8 Quan hệ giữa tỷ số lỗi bit và tỷ số tín hiệu trên nhiễu

erf BER

(4-5)

(4-6)

(4-7)

Trang 19

4.1 Mô hình và chức năng của các phần tử biến đổi

quang-điện

4.2 Một số yêu cầu đối với các phần tử biến đổi

quang-điện sử dụng trong kỹ thuật thông tin quang

4.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các phần tử biến

Trang 20

4.1 Mụ hỡnh và chức năng của cỏc phần tử biến đổi quang-điện

 Mụ hỡnh của cỏc phần tử biến đổi quang-điện

Biến đổi ánh sáng tới PT(t) thành tín hiệu hiện iT(t) có dạng giốngnh- tín hiệu truyền dẫn ban đầu

Quá trình này gọi là giải điều biến quang hay giải điều chế quang

Trong quá trình biến đổi này có thể có nhiễu và méo tín hiệu kèmtheo

Hình 4.7 Mô hình của các phần tử biến đổi quang-điện

 Chức năng của cỏc phần tử biến đổi quang-điện

iT(t)

PT(t) O

E

Trang 21

- Thời gian đáp ứng nhanh,

- Độ nhạy và hiệu suất biến đổi quang điện cao,

- Nhiễu thấp,

- Điều kiện ghép với sợi quang thuận tiện,

- Kích thước nhỏ.

Một số yêu cầu đối với các phần tử thu quang sử dụng trong

kỹ thuật thông tin quang:

Trang 22

4.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các phần tử biến

Trang 23

- Nguyên tắc biến đổi quang-điện của PIN-Photodiode dựa vào nguyên lýbiến đổi quang-điện của lớp tiếp giáp p-n được phân cực ngược Do đó, cấutạo của PIN-Photodiode chủ yếu dựa trên tiếp giáp p-n gồm 2 bán dẫn loạitốt là P+ và N+.

- Tuy nhiên, để có thể hoạt động tại các bước sóng dài mà tại đó ánh sángthâm nhập sâu hơn vào vật liệu bán dẫn thì miền điện tích không gian rộng

là rất cần thiết Để thực hiện điều đó, người ta thêm vào giữa tiếp giáp p-nmột 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 ánhsáng thâm nhập vào miền I) Đồng thời trên lớp bán dẫn P+ có phủ một lớpmỏng chất chống phản xạ để tránh tổn hao ánh sáng vào

- Điện áp phân cực ngược để cho photodiode không có dòng điện (chỉ có thể

có một dòng ngược rất nhỏ, gọi là dòng điện tối)

 Cấu tạo

Trang 24

 Cấu tạo

§iÖn cùc

§iÖn cùc vßng

Líp chèng ph¶n x¹

Trang 25

 Nguyên lý hoạt động PIN-Photodiode

- Khi các photon đi vào lớp P+ có mức năng lượng lớn hơn độ rộng củadải cấm, sẽ sinh ra trong miền P+, I, N+ của PIN-Photodiode các cặpđiện tử và lỗ trống (chủ yếu ở lớp I)

- Các điện tử và lỗ trống trong miền I vừa được sinh ra bị điện trườngmạnh hút về hai phía (điện tử về phía N+, lỗ trống về miền P+)

- 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+ và lỗ trốngmới sinh ra trong miền N+ khuếch tán sang miền I nhờ gradien mật độtại tiếp giáp N+I, rồi chạy về phía về miền P+

- Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN-Photodiode mộtdòng điện và trên tải một điện áp

Trang 26

Một số lưu ý:

1 Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo radòng điện ngoài, vì chính được sinh ra ở miền P+ và N+ ở cách xacác 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+

2 Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào sẽ sinh ra mộtcặp điện tử và lỗ trống và giá trị trung bình của dòng điện ra tỷ lệvới công suất chiếu vào Nhưng thực tế không phải như vậy, vì mộtphần ánh sáng bị tổn thất do phản xạ bề mặt

4.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PIN-Photodiode

Trang 27

Một số lưu ý:

3 Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổitheo bước sóng Vì vậy, lớp P+ không được quá dầy Miền I càngdầy 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 cácphoton có nhiều khả năng tiếp xúc với các nguyên tử hơn Tuynhiên, trong truyền dẫn số độ dài của sung ánh sáng đưa vào phải

đủ lớn hơn thời gian trôi Td cần thiết để các phần tử mang điệnchạy qua vùng trôi có độ rộng d của miền I Do đó, d không đượclớn quá vì như thế tốc độ bit sẽ bị giảm đi

4 Khi bước sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua bán dẫn cũngtăng lên, ánh sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặpđiện tử và lỗ trống Do đó, với các vật liệu phải có một bước sóng

Trang 28

Cấu tạo của APD cơ bản giống như PIN-Photodiode Ngoài ra trong

APD còn có một lớp bán dẫn yếu P được xen giữa lớp I và lớp N+ Bên trái lớp I bị giới hạn bởi lớp P+, còn bên phải lớp I bị giới hạn bởi tiếp giáp PN+

Điện áp phân cực ngược đặt vào APD rất lớn, tới hàng trăm vôn

Trong vùng I, điện trường tăng chậm, nhưng trong tiếp giáp PN+ điệntrường tăng rất nhanh Lớp tiếp giáp PN+ gọi là miền thác, ở đây xảy raquá trình nhân điện tử

4.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của diode quang thác APD

 Cấu tạo

Trang 29

 Cấu tạo

§iÖn cùc

§iÖn cùc vßng

Líp chèng ph¶n x¹

(a)

Hình 4.9 Cấu tạo của APD

(a) và sơ đồ phân bố điện

trường theo các lớp (b)

Cấu tạo của APD và

sơ đồ phân bố điện

trường theo các lớp

Trang 30

 Nguyên lý hoạt động của APD

Do APD được đặt một điện áp phân cực ngược rất lớn, tới hàng trămvôn, cho nên cường độ điện trường ở miền điện tích không gian tăng lênrất cao

Do đó, khi các điện tử trong miền I di chuyển đến miền thác PN+ chúngđược tăng tốc, va chạm vào các nguyên tử giải phóng ra các cặp điện tử

và lỗ trống mới, gọi là sự ion hoá do va chạm

Các phần tử thứ cấp này đến lượt mình lại tạo ra sự sự ion hoá do vachạm thêm nữa, gây lên hiệu ứng quang thác và làm cho dòng điện tănglên đáng kể

Thông qua hiệu ứng quang thác này mà với cùng một số lượngphoton tới, APD giải phóng ra các điện tử nhiều hơn rất nhiều lần so với

4.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của diode quang thác APD

Trang 31

4.4.1 Các tham số đặc tính của PIN-Photodiode

4.4.2 Các tham số đặc tính của APD

Trang 32

4.4.1 Các tham số đặc tính của PIN-Photodiode

1 Dòng photo của PIN - Photodiode

2 Dòng ra của PIN - Photodiode

3 Đặc tuyến tĩnh của PIN - Photodiode

4 Nhiễu trong PIN - Photodiode

Trang 33

Khi các photon đi vào PIN - Photodiode tạo ra các cặp điện tử - lỗtrống, dưới tác dụng của điện trường ngoài, các phần từ này sinh ra ởmạch ngoài một dòng điện Đó chính là dòng photo của PIN -Photodiode (dòng photo chính là dòng do các photon tạo ra)

T T

I 

Trong đó:

IP : dòng photo của photodiode

PT : Công suất ánh sáng chiếu vào photodiode

HT : hệ số biến đổi điện-quang của photodiode

(4-8)

Trang 34

 Hệ số biến đổi điện-quang của PIN-Photodiode

là liệu suất lượng tử hoá của PIN - Photodiode

4.4.1 Các tham số đặc tính của PIN - Photodiode

(4-9)

(4-10)

Trang 35

Đối với PIN- Photodiode, quá trình biến đổi quang-điện là quá trình

không có sự khuếch đại dòng photo, mà chỉ có quá trình khi cácphoton đi vào PIN - Photodiode tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống, dưới tácdụng của điện trường ngoài, các phần từ này sinh ra ở mạch ngoài mộtdòng điện dòng photo chính là dòng do các photon tạo ra

Do đó, dòng ra chính là dòng photo tứclà:

T T p

PIN

I   

Trong đó:

IP : dòng photo của photodiode

PT : Công suất ánh sáng chiếu vào photodiode

HT : hệ số biến đổi điện-quang của photodiode

(4-11)

Trang 36

Khi truyền dẫn analog, tín hiệu truyền dẫn là liên tục Để đơn giản, giảthiết tín hiệu ánh sáng tới các photodide có dạng hình sin:

p T (t) = P TO + P T cost (4-12)Khi đó, tín hiệu ra của PIN – Photodiode theo các công thức: