Nghiên cứu miền công tác của photodiode trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao

Các phần tử biến đổi quang - điện trong hệ thống thông tin quang

Các phần tử biến đổi quang-điện

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). 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. 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 chíng lại tái hợp với nhau ngay trong các miền P+ và N+.

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, khi các điện tử trong miền I di chuyển đến miền thác PN+ chúng được 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. Đặc tuyến tĩnh của PIN – Photodiode & APD là đặc tuyến mô tả mối quan hệ giữa dòng ra của photodiode và công suất quang một chiều hay công suất quang có tốc độ biến đổi chậm đưa vào photodiode.

Để xác định được mối quan hệ giữa dòng ra của photodiode và công suất quang một chiều hay công suất quang có tốc độ biến đổi chậm đưa vào Photodiode, trước hết cần xác định được dòng pho to của các photodiode (dòng photo chính là dòng do các photon trực tiếp tạo ra). Khi các photon đi vào PIN – Photodiode và APD tạo ra các cặp Điện tử & Lỗ trống, dưới tác dụng của điện trường ngoài, các phần từ này sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện.

Các tham số truyền dẫn của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao

Vì tín hiệu truyền dẫn từ nguồn phát (LD/LED) qua sợi quang bị suy hao, nên khi đến các photodiode thường rất nhỏ, ta có thể bỏ qua tính phi tuyến của các photodiode. Vì vậy, khi phân tích trạng thái của PIN – photodiode & APD trong mối quan hệ với tham số của luồng ánh sáng đến, ta chỉ cần phân tích ảnh hưởng của tần số hay tốc độ bit/s đến các tham số truyền dẫn của các photodiode. 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.

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. 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. Trong đó, IT(jω), PT(jω) và HT(jω) là tương ứng phổ của tín hiệu ra, phổ công suất ánh sáng tới và hàm truyền dẫn của APD & PIN – Photodiode.

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. 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.

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. 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). 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).

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. Trong đó, IT 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]. 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.

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.