Bộ tách sóng quang thực chất là các photodiode PD được cấu tạo từ các chất bán dẫn, thực hiện chức năng cơ bản là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện. Bộ tách sóng phải đảm bảo yêu cầu sau: tốc độ lớn, độ nhạy thu cao, bước sóng hoạt động thích hợp. Hai loại photodiode được sử dụng rộng rãi là photodiode PIN và photodiode thác APD.
Nguyên lý chuyển đổi quang điện của cả hai loại photodiode đều hoạt động dựa vào lớp tiếp giáp p-n phân cực ngược. Khi ánh sáng có bước sóng trong không gian tự do bé hơn bước sóng cắt được tính theo công thức (2.4) chiếu vào PD thì các photon được chất bán dẫn hấp thụ.
λC (μm) = 1,24Eg(eV(eV.µ)m)
(2.4) Eg là độ rộng dải cấm của tiếp giáp p-n.
Khi một photon được hấp thụ nó sẽ kích thích một điện tử trong dải hoá trị nhảy lên dải dẫn tạo nên một cặp điện tử-lỗ trống. Điện áp phân cực ngược tạo ra một điện trường mạnh trong lớp nghèo. Dưới tác dụng của điện trường này, điện tử và lỗ trống bị quét rất nhanh ra khỏi vùng nghèo. Lỗ trống từ vùng nghèo đi vào lớp p, điện tử từ vùng nghèo đi vào lớp n tạo thành dòng khuếch tán. Chúng trở thành các hạt tải điện đa số trong các vùng này. Khi điện tử đi tới điện cực bên phải (hình 2.13), dưới tác dụng của nguồn phân cực ngược buộc nó phải đi qua mạch ngoài để tạo thành dòng tách quang. Các điện tử qua mạch ngoài và đi tới điện cực bên trái (hình 2.13), đi vào vùng p, tái hợp với lỗ trống ở vùng này. Như vậy, đã duy trì được trung hoà điện tích.
+ + + + + + + + V p n E ngoài E Tx E x Ánh sáng tới a) b) Hình 2.13: Diode tách quang p – n.
Tuy nhiên, biểu thức (2.4) trên chỉ là điều kiện cần cho tách quang. Điều kiện đủ cho tách quang là các cặp điện tử-lỗ trống được tạo ra do hấp thụ photon sẽ không tái hợp trước khi hình thành dòng điện qua mạch ngoài do các điện tử và lỗ trống chuyển dịch dưới tác dụng của điện trường như trình bày trên. Không phải tất cả các photon được hấp thụ trong photodiode đều tham gia vào sự hình thành đáp ứng photodiode.
Riêng đối với APD trong kết cấu có một lớp bán dẫn có điện trường cao nên khi điện tử vào lớp này nó sẽ được gia tốc và va chạm với nhiều nguyên tử tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống theo hệ số thác M. Cần chú ý khi sử dụng APD thì chọn hệ số thác
chỉ khoảng M = 10, nếu lớn quá thì công suất nhiễu sẽ tăng nhanh hơn mức tăng công suất của tín hiệu nên làm giảm chất lượng của mạch.