Đang tải... (xem toàn văn)
NỘI DUNG : NGUYÊN LÍ THU QUANG ĐẶC TRƯNG CỦA THU QUANG THIẾT KẾ BỘ THU QUANG PHOTODIODE DIODE THU QUANG PIN AVALANCHE PHOTODIODE (APD) PHOTODETECTOR TRANZITO PHOTODETECTOR SCHOTTKY DETECTOR QUANG DẪN
THU QUANG • NỘI DUNG : I NGUN LÍ THU QUANG II ĐẶC TRƯNG CỦA THU QUANG III THIẾT KẾ BỘ THU QUANG IV PHOTODIODE V DIODE THU QUANG P-I-N VI AVALANCHE PHOTO-DIODE (APD) VII PHOTODETECTOR TRANZITO VIII.PHOTODETECTOR SCHOTTKY IX DETECTOR QUANG DẪN I Nguyên Lý Hoạt Động Thu Quang Nguyên lý hoạt động • Thiết bị thu quang phận quan trọng hệ thống thơng tin quang sợi nằm vị trí sau tổ chức hệ thống truyền dẫn nơi mà thiết bị thu nhận đặc tính tác động tồn tuyến đưa tới • Vì hoạt động thu quang liên quan trực tiếp tới chất lượng toàn hệ thống truyền dẫn • Tại thu quang (O/E) sóng tín hiệu quang từ phía phát tới biến đổi thành tín hiệu điện khuyếch đại phục hồi thành tín hiệu dạnh đầu vào thiết bị phát quang Hình Cấu trúc hệ thống thông tin quang Nguyên lý hoạt động • Bộ thu quang hệ thơng tin gồm tách sóng, khuyếch đại, xử lý tín hiệu Chia làm phần: + Front-end + Kênh tuyến tính + Khơi phục tín hiệu Hình Cấu tạo thu quang Nguyên lý hoạt động • Front-end thu quang bao gồm photodiode tiền khuyếch đại • Bộ tiền khuyếch đại có vai trị khuyếch đại tín hiệu cho q trình xử lý • Photodiode có nhiệm vụ đón nhận xạ quang (năng lượng photon) chuyển đổi thành tín hiệu điện • Các linh kiện biến đổi trực tiếp từ lượng photon sang điện gọi linh kiện tách sóng quang • Linh kiện tách sóng quang hoạt động dựa hai chế: Hiệu ứng quang ngoại – external photoelectric effect Hiệu ứng quang nội – internal photoelectric effect Hình Cấu tạo Front-end Ngun lý hoạt động • Khi có lượng photon (E=hf > EG) chiếu vào Năng lượng bị hấp thụ electron vượt qua vùng cấm từ vùng hóa trị lên vùng dẫn dạng tự để lại lỗ trống vùng hóa trị dạng tự • Electron di chuyển xuống vùng lỗ trống di chuyển lên vùng Sự di chuyển gây nên dòng chảy mạch ngồi Hình Mối nối P-N phân cực ngược Nguyên lý hoạt động • • • • • Kênh tuyến tính bao gồm khuyếch đại mạch cân Bộ khuyến đại khuyếch đại có độ khuyếch đại cao Mạch cân sau khuyếch đại thường lọc tần số tuyến tính sử dụng để làm giảm ảnh hưởng méo ISI tín hiệu Một số trường hợp mạch cân để hiệu chỉnh đáp ứng tần số điện tách sóng quang khuyếch đại Độ khuyếch đại điều chỉnh cách tự động để giới hạn điện áp đầu trung bình tới mức cố định cơng suất quang trung bình đến thu Hình Cấu tạo kênh tuyến tính Ngun lý hoạt động • Phần khơi phục tín hiệu bao gồm mạch định mạch phục hồi • Mạch định so sách tín hiệu từ kênh tuyến tính với mức ngưỡng thời điểm lấy mẫu xác định mạch hồi phục Clock định xem tín hiệu có tương tứng hay khơng • Quyết định dựa so sánh với bit bit 0, thời điểm lấy mẫu tốt ứng với vị trí khác mức tín hiệu bit bit lớn Hình Cấu tạo phần khơi phục tín hiệu II Các đặc trưng thu quang 10 7.2 Chế độ làm việc photodetector Schottky Sơ đồ vận hành photodetector Schottky • Hình a: vận hành chế phát xạ bên quang điện tử hấp thụ photon có lượng hv > (0m-Xsc)(rào Schottky) • Hình b: tạo cặp điện tử lỗ trống kích thích quang học chất bán dẫn với photon có lượng hv > Eg • Hình c: với hiệu điện phân cực ngược lớn, photodetector Schottky 130 • Bộ tiếp giáp dị thể kim loại - bán dẫn tạo lên rào Schottky Bộ tiếp giáp làm xuất mặt phân cách vật liệu rào e0 khoảng cách mức lượng Fermi kim loại đáy vùng dẫn chất bán dẫn e0 = e0 eX Với e0 cơng kim loại, eX lượng cần thiết để giữ điện tử bên chất bán dẫn (ái lực) • Nguyên lý vận hành diode quang Schottky dựa chế phát xạ bên vật liệu quang điện tử từ kim loại sang vùng dẫn chất bán dẫn có kích thích quang học (trên hình a) • Một chùm tia tới gồm photon có lượng hv > hấp thụ màng mỏng kim loại, chùm tia chuyển giao lượng photon cho điện tử mà lượng mức Fermi kim loại ms ms s s– sc sc ms 131 Các quang điện tử phát xạ vào bên vật liệu bán dẫn cách vượt qua rào e0 , tạo ra dịng quang điện • Loại phát xạ bên vật liệu đòi hỏi bước sóng bắt buộc xác định bằng: λ = 1,24 / e0 (àm) ã S hp th photon ca màng mỏng kim loại thấp, kim loại quang điện tử bị lượng đoạn đường di chuyển ngắn bị va chạm Ngồi khơng phải tất quang điện tử kích thích lượng để vượt rào hoàn toàn xâm nhập vào chất bán dẫn, bởi vì phương chuyển động quang điện tử không thiết phương xâm nhập vào bên bán dẫn ms ms 132 7.3 Ưu điểm, nhược điểm photodetector Schottky • Ưu điểm: - Cấu trúc thiết kế đơn giản, khơng có mặt ghép p_n - Độ dày nhỏ vùng hoạt động đạt được, tốc độ phản hồi cao • Nhược điểm: - Tỷ số điện áp đảo ngược tương đối thấp, dòng rò rỉ đảo ngược tương đối cao - Hiệu suất không cao 133 DETECTOR QUANG DẪN 134 GIỚI THIỆU : o Detector quang học linh kiện có chức chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện để chúng xử lý linh kiện điện tử o Các detector quang học dùng truyền thông quang học detector lượng tử làm bán dẫn o Chức : biến đổi công suất quang vào thành dịng điện ngõ 135 1.Ngun lí vận hành • Ba chế đo lượng tử sóng quang học: • (a) phép đo tương ứng vói chuyển dịch quang học hai vùng kèm với với tạo cặp điện tử-lỗ trống • (b) với chế vượt rào tượng quang phát xạ bên vật liệu • (c) dịch chuyển quang học từ mức liên kết đến mức tự 136 • dịch chuyển quang học hai tập hợp mức lượng lượng tử nguồn gốc chế đo sóng quang học (hay đo thơng lượng phơtơn) • Ngun lý giải thích người ta dùng tên gọi chủng loại chung cho detector quang học bán dẫn detector lượng tử 137 Các đặc trưng chung • CÁC ĐẶC CHƯNG CỦA DETECTOR QUANG DẪN GỒM: • a) Hiệu suất lượng tử • b) Đáp ứng đặc trưng theo phổ • c) Độ nhạy • d) Đáp ứng thời gian 138 a) Hiệu suất lượng tử • Hiệu suất lượng tử : ηi = (Thông lượng hạt quang tải điện)/(Thông lượng phơtơn tới) = 1- exp(- αd) • ● Hiệu suất quang học : ηoptique = – R • ● Hiệu suất tồn (hiệu suất lượng tử) : • η= ηi ηoptique = (1-R)[ 1- exp(-αd)] • R;hệ số phản xạ • α (đơn vị m-1) hệ số hấp thụ vật liệu • d (đơn vị m) độ dài (hay độ sâu) vùng hấp thụ detector • Hiệu suất lượng tử hàm số bước sóng hệ số hấp thụ hệ số phản xạ thay đổi theo bước sóng 139 b) Đáp ứng đặc trưng theo phổ • Đáp ứng đặc trưng đềtéctơ định nghĩa tỷ số sau : • ℜi = (Cường độ dịng quang điện)/(Cơng suất chiếu sáng sóng quang tới) • ℜi=Iph/Pinc= ηge/hv= ηgλ/1,24 (A/W) • η : hiệu suất lượng tử; • g : hệ số khuếch đại đềtéctơ ; • e : điện tích ; • ν λ : tần số bước sóng sóng quang tới 140 • Đáp ứng đặc trưng detector lượng tử phụ thuộc vào bước sóng tới • Các đường biểu diễn đáp ứng đặc trưng detector lượng tử có giới hạn theo bước sóng (bước sóng ngưỡng) tương ứng với độ rộng vùng cấm chất bán dẫn 141 • Đáp ứng detector bị xuống cấp tuỳ theo điều kiện chiếu sáng • Một đáp ứng phải đáp ứng phụ thuộc vào công suất chiếu sáng sóng tới • Thế nhưng, đáp ứng detector trở nên bão hồ mà chiếu sáng mức • cần thiết phải biết dải động đáp ứng tetector quang học để sử dụng thiết bị 142 c) Đáp ứng thời gian -Thời gian đáp ứng detector thời gian nhận lượng photon chiếu tới đến lúc chuyển thành dòng điện đầu -Các số thời gian đóng góp vào việc giới hạn đáp ứng thời gian đềtéctơ quang học là: +Thời gian để hạt quang tải điện vượt qua vùng hoạt tính bán dẫn + Hằng số thời gian RC + Hằng số thời gian thiết lập hệ số khuếch đại đềtéctơ quang học dùng hiệu ứng nhân điện 143 d) Độ nhạy • Độ nhạy mức cơng suất quang nhỏ sóng quang tới mà không bị lẫn với tiếng ồn detector gọi độ nhạy detector • Người ta định nghĩa độ nhạy đặc trưng D* đại lượng sau : • D* /NEP • Lưu ý độ nhạy đặc trưng D* hàm số bước sóng λ: D* =D*(λ) 144