a) Laser dị thể vựi ghộp kờnh phẳng b) Laser dị thể strip
3.3Bộ tỏch quang
Bộ thu quang là phần chịu trỏch nhiệm chuyển đổi tớn hiệu quang thu được từ mụi trường truyền dẫn sang tớn hiệu điện và phục hồi cỏc số liệu đó truyền qua hệ
Thấu kớnh LD Màng AR Tăng ớch Chọn bước súng Lưới quang Chỉnh thụ (50 -240 nm) Chỉnh tinh Tớn hiệu quang ra
Hỡnh 3.25 Laser bỏn dẫn điều chỉnh ngoài khoang cộng hưởng
12 mm Tớn hiệu quang ra Lưới quang cố định 2 mm Hỡnh 3.26 Laser MAGIC
thống thụng tin quang này. Linh kiện chủ yếu để thực hiện chức năng chuyển đổi quang điện trong bộ thu quang là cỏc bộ tỏch quang cũn được gọi là detector. Hai bộ tỏch quang thường được sử dụng trong thụng tin quang là photodiode loại PIN và APD.
3.3.1 Photodiode PIN
Đõy là bộ tỏch súng quang thụng dụng nhất được sử dụng. Đặc điểm của cỏc Photodiode PIN là đơn giản. Nú khụng cú khả năng khuếch đại dũng quang điện nhưng nú lại trỏnh được sự khuếch đại nhiễu.
3.3.1.1 Cấu trỳc của PIN
Cấu trỳc cơ bản của Photodiode PIN là bao gồm một lớp tiếp giỏp p-n và cỏch giữa hai lớp bỏn dẫn này là nột lớp bỏn dẫn yếu loại N tự kớch hoạt nội tại hay cũn gọi là lớp tự dẫn i. Lớp p thường rất mỏng để hấp thụ hết cỏc photon vàp lớp bỏn dẫn i. Lỳc này độ rộng của vựng nghốo (W) được tăng vỡ chiều dài cửa lớp bỏn dẫn i (i càng dày thỡ W càng lớn). Thờm vào đú để trỏnh gõy tổn hao ỏnh sỏng vào thỡ trờn bề mặt của vựng nghốo cú phủ thờm một lớp chống phản xạ. Cấu trỳc này được mụ tả trong hỡnh 3.27 sau.
3.3.1.2 Nguyờn lý hoạt động
Nguyờn lý hoạt động của Photodiode PIN dựa trờn hiệu ứng quang điện. Khi chiếu một photon cú năng lượng lớn hơn năng lượng vựng cấm vào bề mặt bỏn dẫn
của Photodiode thỡ quỏ trỡnh hấp thụ photon xảy ra. Khi hấp thụ một photon, một điện tử được kớch thớch từ vựng húa trị lờn vựng dẫn để lại một trong vựng húa trị một lỗ trống, ta núi photon đó tạo ra một cặp điện tử và lỗ trống (như hỡnh 3.28).
Cỏc cặp điện tử - lỗ trống này được sinh ra trong vựng nghốo. Khi cú điện trường đặt vào linh kiện, sẽ cú sự chuyển rời cỏc điện tớch về hai cực (điện tử về phớa n cong lỗ trống hỳt về phớa p như hỡnh 3.28) tạo ra dũng điện ở mạch ngoài, dũng điện này được gọi là dũng quang điện. Bỡnh thường một photon chỉ cú thể tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống, với giả thiết hiệu suất lượng tử bằng 1, nghĩa là với một lượng photon xỏc định chỉ cú thể tạo ra một dũng điện xỏc định. Tuy nhiờn trong thực tế khụng được như vậy vỡ ỏnh sỏng cũn bị tổn hao do nhiều yếu tố trong đú cú yếu tố phản xạ bề mặt.
Ta cú cụng thức bức xạ quang bị hấp thụ trong vật liệu bỏn dẫn tuõn theo hàm mũ sau : P(x)= Pin (1- e−α(λ)) (3-8)
Trong đú : P(x) là cụng suất quang được hấp thụ ở cự ly x Pin là cụng suất quang tới
α(λ) là hệ số hấp thụ tại bước súng λ.
Như vậy khả năng thõm nhập của ỏnh sỏng vào lớp bỏn dẫn thay dổi theo bước súng. Vỡ vậy, lớp bỏn dẫn p khụng được quỏ dày. Miền i càng dày thỡ hiệu suất
lượng tử càng lớn, vỡ xỏc suất tạo ra cỏc cặp điện tử và lỗ trống tăng lờn theo độ dày của miền này và do đú cỏc photon cú nhiều khả năng tiếp xỳc với cỏc nguyờn tử hơn. Tuy nhiờn, nếu độ dài miền i cao thỡ thời gian trụi của cỏc hạt này dài hơn, xung ỏnh sỏng đưa vào cũng phải tăng lờn tương ứng với thời gian trụi tăng., điều này khiến cho độ đỏp ứng và băng tần điều biến bị hạn chế. Do đú, độ rộng của miền i khụng được quỏ lớn vỡ như thế tốc độ bớt sẽ bị giảm đi. Ta phải chọn độ dài miền i đủ rộng để đảm bảo điều kiện nhất định là hấp thụ hết photon trong vựng nghốo và khụng ảnh hưởng thời gian trụi.
Thường hay chọn : α α 2 1 <
< W Với α tựy thuộc vào vật liệu.
Khi bước súng ỏnh sỏng tăng thỡ khả năng đi qua bỏn dẫn cũng tăng lờn, ỏnh sỏng cú thể đi qua bỏn dẫn mà khụng tạo ra cỏc cặp điện tử và lỗ trống. Do đú vật liệu bỏn dẫn phải được sử dụng ở bước súng tới hạn. Bước súng này được tớnh dựa vào độ rộng vựng cấm Eg theo cụng thức sau :
λc =Ehc E1,(24eV)
g g
=
Túm lại PIN hoạt động dựa trờn nguyờn lý hấp thụ ỏnh sỏng để biến đổi tớn hiệu quang thu vào thành dũng tớn hiệu điện. Cỏc thụng số biển đổi của chức năng này được phõn tớch ở phần tiếp theo sau đõy.
3.3.1.3 Đặc tớnh của PIN
Đặc tớnh của Photodiode thường được đặc trưng bởi hệ số đỏp ứng ℜ (cũn gọi là độ nhậy của nguồn thu) và hiệu suất lượng tử η.
a, Hiệu suất lượng tử
Hiệu suất lượng tử được định nghĩa là xỏc suất để một photon rơi vào bề mặt linh kiện bị hấp thụ làm sinh ra một cặp điện tử và lỗ trống gúp phần vào dũng điện mạch ngoài. Khi cú nhiều photon đến bề mặt bỏn dẫn thỡ hiệu suất lượng tử là tỷ số của thụng lượng cỏc cặp điện tử và lỗ trống sinh ra gúp phần tạo ra dũng quang điện ở mạch ngoài trờn thụng lượng của photon tới. Như vậy, hiệu suất lượng tử của PIN là tỷ số giữa số lượng hạt tải chạy trong mạch và số photon di vào được bề mặt PIN trong cựng một đơn vị thời gian.
ℜ= = = e h h P e I in p ν ν
η với ℜ là độ đỏp ứng của PIN (3-9) Theo cụng thức 3-8 thỡ hiệu suất lượng tử phụ thuộc vào bước súng. Khi ta xột đến phần ỏnh sỏng bị phản xạ tại bề mặt tiếp xỳc bỏn dẫn thỡ cụng suất truyền qua của ỏnh sỏng chỉ cũn là : P = Pin .e−αW(1-R) với R là hệ số phản xạ của bề mặt bỏn dẫn. Lỳc đú hiệu suất lượng tử của PIN sẽ được tớnh như sau :
η = (1- R) ξ[1-exp(-αd)] (3-10) Thành phần d (độ dày vựng tự dẫn) cụng thức cho thấy rằng Photodiode PIN cú hiệu suất lượng tử càng lớn khi kớch thước vựng i càng lớn.
b, Độ nhậy của PIN
Khi hiện tượng hấp thụ ỏnh sỏng xảy ra ở PIN thỡ cú một dũng quang điện được sinh ở mạch ngoài. Dũng này tỷ lệ với cụng suất đi vào PIN, và được xỏc định theo cụng thức sau : Ip = ℜ. Pin
Trong đú ℜ là độ nhạy của PIN. Theo cụng thức 3-9 ta suy ra :
24, , 1 . . λ ηλ η ν η = ≈ = ℜ c h e h e [A/W]
Như vậy độ nhạy PIN tỷ lệ với bước súng, với một hiệu suất lượng tử là hằng số thỡ độ nhạy PIN tăng tuyến tớnh theo bước súng. Ta cú hỡnh 3.29 mụ tả sự hụ thuộc của độ nhạy vào bước súng.
Mặt khỏc, hiệu suất lượng tử của PIN phụ thuộc vào một độ dày W của vựng trụi và hệ số hấp thụ α của vật liệu bỏn dẫn tao ra PIN. Do đú, độ nhạy của PIN cũng phụ thuộc vào hệ số hấp thụ của vật liệu bỏn dẫn hay phụ thuộc vào vật liệu bỏn dẫn lựa chọn để làm PIN.
λ[μm]
Hỡnh 3.29 Sự phụ thuộc của độ nhạy vào bước súng. ℜ[A/W]
3.3.2 Photodiode quang thỏc APD
Photodiode APD là loại Photodiode khụng chỉ cú khả năng chuyển đổi quang điện như PIN mà cũn cú khả năng hoạt động với cơ chế khuếch đại bờn trong, tức là dũng quang điện do APD tạo ra cú khả năng được khuếch đại lờn nhiều lần do một số cơ chế nhõn hạt tải.
3.3.2.1 Cấu trỳc của APD
Về cơ bản, cấu trỳc APD giống như cấu trỳc của PIN nhưng APD bao gồm 4 lớp : p+ - i - p - n+ . Bỏn dẫn p+, n+ làcỏc bỏn dẫn pha tạp mạnh. Vựng nhõn hạt tải của APD được hỡnh thành do bỏn dẫn p – n+
3.3.2.2 Nguyờn lý hoạt động
Cũng dựa vào hiện tượng hấp thụ như cỏc Photodiode khỏc để tạo ra cỏc cặp điện tử và lỗ trống. Bờn cạnh đú, APD cũn hoạt động dựa trờn nguyờn lý khuếch đại dũng.
Ban đầu, khi cỏc photon được chiếu vào bề mặt APD, chỳng được hấp thụ và sản sinh ra một cặp điện tử và lỗ trống. Đặt một điện ỏp ngược vào APD như hỡnh 3.30a, ta thấy cú hiện tượng khuếch đại xảy ra khi điện ỏp này đạt đờn một giỏ trị đủ lớn để gõy hiệu ứng “thỏc lũ” : Cỏc hạt mang trong vựng nhõn p- n+ cú điện trường rất mạnh, điện trường này khiến cho chỳng tăng năng lượng dần dần đến khi đạt được trạng thỏi iụn húa, chỳng được tăng tốc, và va chạm vào cỏc nguyờn tử trong vựng nhõn tạo ra cỏc cặp điện tử và lỗ trống mới. Cỏc hạt mang điện mới này
z
Hỡnh 3.30 Cấu trỳc APD và phõn bố năng lượng.
Vựng nghốo Vựng nhõn hạt tải a) p+ i p n+ RL E b) p+ n+ i p Vựng va cham iụn tạo khuếch đại
lại tiếp tục được tăng tốc, va chạm và tạo ra cỏc cặp điện tử và lỗ trống mới. Vỡ thế mà cỏc hạt mang cứ tiếp tục nhõn lờn và dũng quang điện phỏt ra ngoài được khuếch đại. Mà ta gọi là hiệu ứng “thỏc lũ”. Ta cú thể xột quỏ trỡnh này thụng qua cỏc biểu thức toỏn học sau đõy. Trước hết, ta thấy rằng tốc độ sinh ra hạt tải thứ cấp được đặc trưng bởi cỏc hệ số iụn húa αe và αh [cm-1]. Đại lượng này cho biết số lượng hạt tải mới được sinh ra hay số lượng hạt tải dịch đi trong 1cm chiều dài. Lỳc đú quỏ trỡnh khuếch đại dũng của APD thể hiện qua phương trỡnh tốc độ sau :
=dx dx die αe.ie + αh.ih và − = dx die αe.ie + αh.ih
Trong đú : ie , ih là dũng điện tử e và lỗ trống h (tức là cả điện tử và lỗ trống đều tham gia vào qỳa trỡnh nhõn hạt tải) và dũng tổng là : I = ie + ih.
Nếu coi dũng tổng khụng đổi, ta cú :
dx die
= (αe – αh )ie + αh .I
Xột trường hợp khả năng iụn húa của điện tử lớn hơn của năng iụn húa của lỗ trống ta cú : αe>αh. Coi như dũng điện tử chiếm chủ yếu, và chỉ cú điện tử đi qua được vựng biờn đến vựng bỏn dẫn n, thỡ ih(d) = 0 ⇒ ie(d)=I. Ta cú hệ số khuếch đại dũng (hay hệ số nhõn M) được định nghĩa là tỷ lệ giữa dũng đó được khuếch đại và dũng khi chưa được khuếch đại. Như vậy :
)0 0 ( ) ( e e i d i
M = với d là độ dày của vựng nhõn hạt tải.
Kết hợp với phương trỡnh tốc độ ta cú : A e A A k d k k M − − − − = ] ) 1 ( exp[ 1 α với kA eh α α = (3-11)
Như vậy, APD đó thực hiện biến đổi dũng tớn hiệu quang vào thành dũng tớn hiệu điện ra, đồng thời khuếch đại dũng ra với một hệ số khuếch đại là M như cụng thức 3-11.
3.3.2.3 Đặc trưng của APD
Cũng như PIN, APD cú cỏc đặc trưng của một Photodiode, tuy nhiờn vỡ APD cú khả năng khuếch đại so với PIN nờn cỏc tham số đặc trưng của nú cú thờm hệ số nhõn M.
ℜAPD = ℜ.M = ν η h e . .M Trong đú ℜ là độ nhạy của PIN.
Như vậy độ nhạy của APD cũng phụ thuộc vào bước súng như PIN đồng thời cũng phụ thuộc vào hệ số khuếch đại. Thực chất cơ chế khuếch đại là một quỏ trỡnh thống kờ, nú phụ thuộc vào hệ số iụn húa của cỏc nguyờn tử khỏc nhau.
Theo như cụng thức 3-10, thỡ thấy rằng M rất nhạy cảm với cỏc hệ số αe , và αh. Xột đối với cỏc trường hợp khỏc nhau sau :
+ Khi αh = 0 (quỏ trỡnh nhõn hạt tải chủ yếu chỉ do điện tử) thỡ kA = 0. Lỳc đú : M = exp (αe.d)
+ Khi αe = αh tương tự ta cú : kA = 1.Lỳc đú ta cú :
M ≈ lim kk d k d e A e A A α α − ≈ − − − − 1 1 ] ) 1 ( exp[ 1
Cỏc vật liệu khỏc nhau thỡ hệ số iụn húa điện tử và lỗ trống khỏc nhau. Khi αe.d→ 1 thỡ M→ ∞, nờn APD thường chọn αe ằ αh hoặc αh ằ αe. để quỏ trỡnh nhõn hạt tải chỉ bới một loại hạt.
Bờn cạnh đú M là một hàm phụ thuộc vào tần số : M(ω)= M0[1+(ω τe.M0)2]-1/2 Trong đú : M0 là giỏ trị M tại ω = 0
τe là thời gian chuyển tiếp hiệu dụng
M cũn là hàm Vb(V) phụ thuộc vào nhiệt độ. Như mụ tả trong hỡnh 3.31 thỡ M tăng khi Vb tăng và đặc tuyến này tựy thuộc vào cỏc nhiệt độ khỏc nhau.
100 200 300 Vb(V) T1 T2 T3