Đánh giá hoạt động của Photodiode trong Hệ thống thông tin quang tốc độ cao

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

Ngoài ra, tuỳ theo các điều kiện và các nhu cầu cụ thể trên các tuyến thông tin quang ngời ta còn sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi, các bộ bù tán sắc hoặc các bộ tách ghép bớc sóng quang,. Khi các photon đi vào lớp P+ có mức năng lợng 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 dơng 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 đợc sinh ra ở miền P+ và N+ ở cách xa các lớp tiếp giáp P+I và N+I không đợc 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 đa 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 đợc 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 đa vào photodiode. Để xác định đợc mối quan hệ giữa dòng ra của photodiode và công suất quang một chiều hay công suất quang có tốc độ biến đổi chậm đa vào Photodiode, trớc hết cần xác định đợc dòng pho to của các photodiode (dòng photo chính là dòng do các photon trực tiếp tạo ra).

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

- τLA là hằng số thời gian đặc trng cho quá trình biến đổi quang-điện của APD, đợc xác định ở công thức (3-2). 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 hởng 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 đợc 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 nh tín hiệu vào và tín hiệu không bị mÐo. Khi tần số truyền dẫn cao, quan hệ giữa tín hiệu ra và công suất chiếu vào của APD & PIN – Photodiode không đợc xác định theo đặc tuyến tĩnh của các Photodiode mà phải thông qua hàm truyền dẫn hay hàm trọng lợng của chúng. Khi tốc độ truyền dẫn thấp, quan hệ giữa tín hiệu ra và công suất chiếu vào của APD & PIN – Photodiode đợc 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 đợc xác định theo đặc tuyến tĩnh của các Photodiode mà phải thông qua hàm truyền dẫn hay hàm trọng lợng của chúng. Do tín hiệu ánh sáng đến bộ thu quang rất yếu vì bị suy hao trên dờng 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. Nhiễu lợng 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 lợng 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 ngời ta còn ký hiệu nhiễu gây ra bởi các nhiễu lợng tử tín hiệu, nhiễu dòng tối, nhiễu dòng rò là Shot noise (Nhiễu bắn). Khi phân tích, tính toán công suất các nhiễu cũng nh 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.

Còn công suất các nhiễu và nhiễu tổng của PIN-Photodiode đợc suy ra từ các công thức công suất các nhiễu và nhiễu tổng của APD khi: M =1 và thay ωg-APD bằng ωg-PIN. 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. Nhiễu lợng tử tín hiệu sinh ra trong quá trình giải phóng ra các cặp điện tử – lỗ trống do các photon chiếu vào photodiode.

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 lợng tử tín hiệu là tạp âm phụ thuộc tín hiệu, cần phải đợc xem xét tín hiệu truyền dẫn tơng tự hay số, tín hiệu truyền dẫn biến đổi nhanh hay chậm.