BỘ THU QUANG

Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 57 - Các loại laser bán dẫn hiện nay có thời gian hoạt động lớn hơn 5.10 4 giờ ở điều kiện T=300 0 K, đặc biệt có một số laser sử dụng trong hệ thống cáp ngầm dưới biển có thời gian hoạt động lên đến 10 6 giờ. CHƯƠNG IV BỘ THU QUANG Vai trò của bộ thu quang là chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và phục hồi các số liệu đã truyền qua hệ thống thông tin quang. Linh kiện chủ yếu trong bộ thu quang là các photodiode có cấu trúc và vật liệu chế tạo thích hợp cho băng tần và bước sóng cần thu. §1. Cơ sở lý thuyết của thu tách quang Cơ chế cơ bản của quá trình thu tách tín hiệu quang là hấp thụ quang. Xét có m ột chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm E g , nếu photon tới có năng lượng hν lớn hơn E g , một cặp điện tử-lỗ trống sẽ được tạo ra trong bán dẫn khi photon bị hấp thụ và khi áp đặt một điện thế V vào chất bán dẫn, điện tử và lỗ trống sinh ra sẽ chuyển động về hai cực và tạo thành dòng điện qua bán dẫn. Ta thấy dòng điện do photon sinh ra I p tỷ lệ thuận với công suất quang tới bán dẫn: I p = R. P in (4.1) R là h ệ số tương thích của bộ tách quang. R có đơn vị là W A Hiệu suất lượng tử η của bộ tách quang là: η = (tốc độ sinh điện tử)/(tốc độ photon tới) = P in I h q R P q h    (4.2.a) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 58 - ta có : 1,24 q R h      (4.2.b) Trong bán d ẫn khi hν < E g , hiệu suất lượng tử η = 0. Hiệu suất lượng tử η phụ thuộc vào bước sóng λ thông qua hệ số hấp thụ α. Giả sử ta có một lớp bán dẫn độ dày W; hệ số phản xạ trên bề mặt bán dẫn R≈ 0. Công suất quang chiếu vào bán dẫn là P in và công suất truyền qua lớp bán dẫn là P tr , công suất quang bị hấp thụ trong lớp bán dẫn là P abs = P in – P tr . Ta bi ết P tr = P in exp(–αW) suy ra :   1 exp W abs in P P         (4.3) M ỗi một photon hấp thụ trong bán dẫn sỉnh ra một cặp điện tử-lỗ trống, hiệu su ất lượng tử η sẽ là:   1 exp W abs in P P       (4.4) Ta th ấy η tiến đến 0 khi α gần bằng 0 và η gần bằng 1 khi αW >> 1. Các chất bán dẫn đều có độ rộng vùng cấm xác định, vì vậy chỉ có các photon có năng lượng hν ≥ E g mới có thể hấp thụ trong bán dẫn và sinh cặp điện Ohmic Contact hγ Hình 4.1. Sơ đồ hấp thụ quang trong khối bán dẫn Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 59 - tử - lỗ trống. Lưu ý rằng ν.λ = c vậy g c hc h E     . Bước sóng ánh sáng λ c tại đó α = 0 gọi là bước sóng cắt, vì thế bán dẫn có thể sử dụng là các bộ thu quang cho các bước sóng λ < λ c . Thí dụ λ c = 1,1µm cho Si ; Ge có λ c =1,6µm ; In 0,63 Ga 0,47 As có λ c = 1,7µm; GaAs có λ c = 0,89µm. Các ch ất bán dẫn có α ~ 10 4 cm –1 rất thích hợp để chế tạo bộ thu quang và η có th ể đạt đến 100% khi W = 10µm. Đây là các thông số rất hữu ích để chế tạo các linh kiện thu quang. Băng tần của bộ thu quang xác định bằng thời gian đủ để d òng quang điện tăng từ 10% đến 90% khi công suất quang tới đột ngột thay đổi: thời gian lên   ln9 r tr RC T     (4.5) Vùng nghèo Loại p Loại n W hγ P k.tán Cuốn _ + + + V 0 E c E v _ _ Hình 4.2. Sơ đồ chuyển tiếp p-n của bộ thu quang bán dẫn Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 60 - Trong đó τ tr là thời gian chuyển tải và τ RC là hằng số thời gian của mạch RC của bộ thu quang. τ tr có nghĩa là thời gian thu góp điện tử sau khi nó được sinh ra do photon hấp thụ. τ RC giảm khi độ dày bán dẫn W giảm. τ RC hạn chế băng tần thu quang do nhiễu điện. Băng tần Δf liên hệ với thời gian lên và thời gian RC theo công thức sau:   1 2 tr RC f            (4.6) Ngoài ra t ần số và thời gian đáp ứng của bộ thu quang, dòng tối I d cũng là một thông số rất quan trọng. Dòng tối là dòng sinh ra trong bộ thu quang do các ánh sáng nền và do năng lượng nhiệt tạo ra cặp điện tử - lỗ trống. Đối với bộ thu quang chất lượng cao I d < 10nA. §2. Thiết kế bộ thu quang Linh kiện thu quang từ bán dẫn có 2 loại: loại quang dẫn và loại photodiode. Linh kiện quang dẫn là một khối bán dẫn đồng nhất có contact ohmic ở hai đầu. Khi ánh sáng chiếu được hấp thụ trong nó sẽ sinh ra cặp điện tử - lỗ trống và các hạt tải sẽ chuyển động về hai phía cực do điện trường áp đặt tạo ra và như vậy làm giảm điện trở của khối bán dẫn. Linh kiện quang dẫn có băng tần v à hiệu suất thu góp không cao, do đó hiện nay không còn được sử dụng trong các thiết bị quang-điện tử tần số cao. Chúng ta sẽ tập trung khảo sát cấu trúc của photodiode là linh kiện dùng trong các thiết bị thông tin quang.  Photodiode p-n Photodiode được cấu tạo từ 2 loại bán dẫn có tính chất điện n và p và có c ấu trúc chuyển tiếp p-n. Khi chuyển tiếp p-n được áp đặt thiên áp ngược, lớp chuyển tiếp tạo thành vung nghèo có độ rộng W và có điện trường nội khá lớn. Điện trường này có xu hướng ngăn cản d òng điện tử di chuyển từ vùng n sang vùng p (và l ỗ trống từ vùng p sang vùng n). Nếu chuyển tiếp p-n này được chiếu Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 61 - sáng từ một phía (thí dụ từ phía p theo hình vẽ), các cặp điện tử-lỗ trống được sinh ra do hấp thu photon. Do điện trường nội trong vùng chuyển tiếp khá lớn các hạt tải sinh ra trong vùng nghèo sẽ được “cuốn” về hai phía n và p và kết quả ta sẽ thu được dòng quang-điện. Thiên áp ngược của chuyển tiếp p-n hoạt động như một linh kiện thu quang v à linh kiện loại này gọi là photodiode. Dòng quang điện tỷ lệ với cường độ chùm sáng tới theo biểu thức I p = R.P in với R khá lớn. Băng tần của p-n photodiode bị hạn chế bởi thời gian chuyển tải τ tr . Nếu W là độ rộng vùng nghèo và v d là vần tốc “cuốn” (drift) của hạt tải, thời gian chuyển tải sẽ là: d W v tr   (4.7) Thông thưòng: W=10µm, v d ~ 10 5 m/s và τ tr =100ps. Các thông số W, τ tr có thể thiết kế tối ưu để giảm τ tr . Độ rộng vùng nghèo phụ thuộc vào mật độ donor và acceptor pha tạp trong bán dẫn loại n và p, do đó W có thể kiểm soát được bằng mật độ pha tạp. Vận tốc cuốn v d phụ thuộc vào điện thế thiên áp ngược và sẽ đạt đến tốc độ cuốn bão hòa (~10 5 m/s). Vận tốc cuốn bão hòa phụ thuộc vào bản chất của chất bán dẫn. Thời gian RC được tính theo biểu thức:   RC L S P R R C    (4.8) T rong đó R L là điện trở tải, R s là điện trở nội tiếp của photodiode và C p là điện dung ký sinh của chuyển tiếp p-n. τ RC ~ 100ps và có thể giảm xuống nữa khi có thiết kế thích hợp. Các giá trị τ tr và τ RC đều khá nhỏ và băng tần của photodiode trong khoảng 1Gb/s. Dòng hạt tải khuếch tán là một yếu tố hạn chế băng tần của photodiode. Bản chất vật lý của dòng hạt tải khuếch tán là: các photon được hấp thụ vùng p hoặc n nằm ngoài vùng nghèo sẽ sinh ra các cặp điện tử-lỗ trống. Điện tử sinh ra trong vùng p sẽ khuếch tán về phía biên vùng nghèo trước khi nó có thể cuốn về phía n (tương tự lỗ trống sinh ra trong vùng n sẽ khuếch tán về phía biên vùng nghèo). Quá trình khuếch tán là quá trình chậm, các hạt tải cần khoảng nano-giây để di chuyển khoảng cách 1µm. Quá trình khuếch tán Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 62 - hạt tải này sẽ gây ra méo dạng tín hiệu thu thời gian (méo dạng xung) của photodiode. N ếu ta giảm độ rộng của vùng p và n và tăng độ rộng vùng nghèo W sao cho đại đa số ánh sáng tới được hấp thụ trong vùng này thì sẽ hạn chế được ảnh hưởng của dòng khuếch tán (và làm giảm độ méo tín hiệu quang-điện).  Photodiode p-i-n: lớp bán dẫn thuần được đưa vào giữa 2 lớp p và n, điện trường do thiên áp tạo ra sẽ tập trung chủ yếu tại vùng này. Vì là lớp bán dẫn thuần, do đó chúng có điện trở khá cao. * Độ dày lớp i là bao nhiêu thì thích hợp? Xung quang t 1 t t Khuếch tán Công suất quang Dòng quang điện Xung quang điện t 2 Lớp p Lớp n i hγ Z E P InP i n InP n+-InP (Đế) Công tắc Công tắc Au/Au-S Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 63 - Độ dày W cần phải thoả mãn các yêu cầu về tốc độ và độ nhạy của photodiode. Nếu độ dày W tăng, thì η→100%, tuy nhiên thời gian thích ừng (thời gian chuyển tải) cũng sẽ tăng theo. Si ; Ge (bán dẫn chuyển tiếp nghiêng):W ≈ 20÷30µm;τ tr > 200ps v d = 10 5 m/s InGaAs (bán d ẫn chuyển tiếp thẳng) : W ≈ 3÷5µm; τ tr > 30÷50ps Và t ừ InGaAs ta có thể chế tạo photodiode có băng tần thu Δf =3÷5GHz n ếu τ tr >> τ RC . Photodiode có c ấu trúc dị thể kép có thể làm tăng các thông số có lợi của linh kiện thu quang. Lớp i kẹp giữa hai lớp n và p chế tạo từ các chất bán dẫn có độ rộng v ùng cấm khác biệt sao cho ánh sáng tới chỉ hấp thụ trong vùng i. C ấu trúc InP-InGaAs-InP có các thông số: E g ̣(InP) = 1,35eV sẽ trong suốt đối với các bước sóng lớn hơn 0,92µm. E g (InGaAs) = 0,75eV có bước sóng cắt 1,65µm, do đó lớp InGaAs hấp thụ rất mạnh các bước sóng trong vùng 1,3-1,6µm. η trong vùng InGa As đạt tới 100% khi W = 4÷5µm. Photodiode t ốc độ cao được nghiên cứu phát triển rất mạnh trong những năm 90. Băng tần đạt đến 70GHz khi sử dụng lớp hấp thụ có độ d ày <1µm và làm gi ảm điện dung ký sinh C P bằng giảm kích thước của photodiode. Tuy nhiên, photodiode này có hi ệu suất lượng tử thấp. Năm 1995, photodiode có băng tần 10GHz đ ã được chế tạo với việc giảm thời gian RC xuống cỡ 1ps. Rất nhiều kỹ thuật đã được nghiên cứu phát triển để tăng hiệu suất lượng tử của photodiode tốc độ cao, trong đó đáng chú ý là tạo cộng hưỏng Fabry-Perot chung quanh c ấu trúc p-i-n để tăng hiệu suất lượng tử và sử dụng dẫn sóng quang ghép nối theo cạnh để giảm τ RC . Hiệu suất lượng tử trong các cấu trúc này đ ã tăng đáng kể (>80%) và băng tần thu có thể đạt tới >100GHz.  Photodiode thác lũ (Avalanche Photodiode – APD) Các bộ thu quang cần có một dòng cực tiểu nào đó để hoạt động. Dòng quang điện cực tiểu yêu cầu có công suất quang tới hạn P in I P R  để tạo ra nó. Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 64 - Bộ thu quang có R lớn sẽ chỉ cần công suất quang P in nhỏ. Hệ số tương thích R của p-i-n có giá trị cực đại theo (4.2) là ln q R   (η=1). Photodiode thác lũ (ký hiệu là APD) có thể đạt được R lớn khi nó thiết kế để có khuếch đại d òng điện nội trong bộ thu. Hiện tượng vật lý để khuếch đại dòng điện nội là hiệu ứng ion hoá. Với điều kiện điện trường cao, các điện tử có gia tốc lớn do điện trường cung cấp sẽ đủ năng lượng để tạo thêm các cặp điện tử-lỗ trống trong bán dẫn. Điện tử có năng lượng cao có thể truyền một phần động năng của m ình cho điện tử ở vùng hoá trị và làm cho điện tử này nhảy lên vùng d ẫn, tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống mới. Quá trình này tiếp tục xảy ra nhiều lần trong bán dẫn và ta sẽ thu được dòng quang - điện được khuếch đại. Tốc độ sinh hạt được kiểm soát bằng 2 thông số sau: α e và α h gọi là hệ số ion hoá của điện tử và lỗ trống. Giá trị của α e và α h phụ thuộc vào vật liệu và điện trường áp đặt để gia tốc hạt tải. Điện trường 2 - 4.10 5 V/cm sẽ cho các giá trị α e , α h ~10 4 cm –1 cho các chất InGaAs và GaAs. Để tạo được trường này, thiên áp cho APD s ẽ phải đạt >100V. Dòng khuếch đại của APD có thể tính toán khi sử dụng 2 công thức sau: E Lớp p Z i n+ Hấp thụ Khuếch đại dòng i Pt Công tắc P n+ hγ Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 65 - e e e h h h e e h h di i i dx di i i dx          (4.9) i e là dòng điện tử và i h là dòng lỗ trống. Tổng dòng quang điện là: I = i e (x) + i h (x) (4.10) Gi ả thiết là không đổi tại mọi điểm trong vùng khuếch đại, thay i h = I – i e ta có:   e e h e h di i I dx       α e , α h là hàm của x nếu điện trường trong vùng khuếch đại không đồng nhất. Để đơn giản, ta giả thiết E=const trong vùng khuếch đại, và α e > α h , độ dài d. Quá trình thác l ũ bắt đầu xảy ra do điện tử tại điểm x=0. Sử dụng điều kiện i h (h) = I. Yếu tố khuếch đại M xác định bằng biểu thức     0 e e i d M i  sẽ được tính bằng công thức:   1 exp 1 A A e A K M K d K           (4.11) trong đó h A e K    Nếu α h = 0 → M=exp(α e d) và khuếch đại thác lũ theo quy luật hàm mũ với d. Nếu α e =α h → K A =1 và   1 1 e M d     . Khi α e d =1 M → 0. Điều kiện này gọi là điều kiện đánh thủng thác lũ. Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 66 - Hiệu ứng thác lũ trong thực tế sủ dụng các trường hợp α e >> α h hoặc α h >> α e và quá trình thác l ũ xảy ra chỉ với một loại hạt tải. Hệ số thích ứng: APD q R MR M h     (4.12) Băng tần của APD phụ thuộc vào M. Hệ số khuếch đại APD giảm tại tần số cao do sự tăng của thời gian chuyển tiếp τ tr . Sự giảm M phụ thuộc tần số được tính theo công thức:     1 2 2 0 0 1 e M M M          (4.13)   0 0M M là hệ số khuếch đại tần số thấp, τ e - thời gian chuyển tải hiệu dụng phụ thuộc vào h A e K    . Trong trường hợp α h < α e ; τ e = C A K A τ tr với C A là hằng số và gần bằng 1. Giả thiết τ RC << τ tr băng tần của APD được tính gần đúng là:   1 0 2 e f M     . Đa số các APD có độ dày lớp hấp thụ ~ 1µm để hiệu suất lượng tử η vượt quá 50%. Độ d ày lớp hấp thụ ảnh hưởng đến thời gian τ tr và thiên áp V b . Năm 1997 kết quả thí nghiệm đã đưa ra băng tần APD là 300GHz. Hiện nay APD có băng tần >9GHz với M = 35 và η = 60% đã trở nên thông dụng trong các hệ thống thông tin quang. M ột số cấu trúc Schottky cũng có thể tạo ra các linh kiện thu quang, tuy nhiên linh ki ện này không được sử dụng phổ biến trong hệ thống thông tin quang hiện nay. §3. Thiết kế bộ thu quang điện tử Hiện nay các bộ thu quang-điện đang có xu hướng tổ hợp trên một đế bán dẫn với đầy đủ các tính năng khuếch đại và sửa dạng trong một mạch tổ hợp IC. Các mạch này gọi là tổ hợp quang-điện (Optoelectronic Integrated Circuit – [...]... - 67 - Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS Phạm Văn Hội §5 Độ nhạy của bộ thu quang - điện Các bộ thu quang- điện cho tín hiệu số được đặc trưng bởi tỷ số lỗi bit (Bit-error Rate – BER) xác định bằng xác suất nhận dạng sai bit của bộ thu Trong thực tế BER cho các hệ thống thông tin quang yêu cầu phải nhỏ hơn 10–9 Độ nhạy của bộ thu được xác định bằng công suất thu quang trung bình nhỏ... quang- điện lên rất cao Tiền KĐ KĐ chính Tín hiệu vào PD Bộ lọc tín hiệu Sửa dạng Điều chỉnh KĐ tự động Nguồn V Số liệu ra Bộ giữ nhịp Sơ đồ nguyên lí của bộ thu quang – điện tử RL G -G Tiền KĐ Tiền KĐ RL Mạch thu quang trở kháng cao Mạch thu quang hồi tiếp §4 Tạp âm của bộ thu quang - điện  Tạp âm shot – nguyên nhân do dòng điện tạo ra bởi các điện tử được sinh ra ngẫu nhiên theo thời gian  Tạp âm... 69 - (4.19) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang khi Q>7 khi Q≥6  PGS.TS Phạm Văn Hội ta có BER . lỗ trống. Đối với bộ thu quang chất lượng cao I d < 10nA. §2. Thiết kế bộ thu quang Linh kiện thu quang từ bán dẫn có 2 loại: loại quang dẫn và loại. thu quang hồi tiếp R L Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 68 - §5. Độ nhạy của bộ thu quang - điện Các bộ thu quang- điện