4.2.1. Cấu tạo và nguyên tắc tách sóng quang của photo diode P-N
Photo diode P-N được cấu tạo từ một chuyển tiếp P-N từ bán dẫn như Si và được cấp một thiên áp ngược (hình 4.1)
Do sự khuếch tán của điện tử và lỗ trống nên giữa hai lớp P-N của bán dẫn hình thành một lớp chuyển tiếp P- N có rất ít điện tích tự do được gọi là lớp nghèo với độ rộng là l và có một điện trường tiếp xúc Etx. Ở trạng thái cân bằng, điện trường này ngăn cản sự khuếch tán tiếp theo của các điện tử và lỗ trống qua lớp nghèo. Do đó trong diode không có dòng điện chạy qua. Sự tách sóng quang của photo diode được tiến hành như sau:
Khi đặt một điện áp ngược và không có ánh sáng chiếu vào, do điện áp tạo điện trường ngoài cùng dấu với điện trường tiếp xúc Etx dẫn đến làm tăng độ rộng của lớp nghèo l do đó điện trường tổng trên lớp tiếp xúc ngăn cản các hạt dẫn đa số đi qua nó,
nên trong diode không có dòng điện chạy qua. Tuy nhiên do trong bán dẫn tồn tại các hạt mang điện thiểu số mang điện và chúng dịch chuyển được qua lớp nghèo dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc nên trong diode tồn tại một dòng điện ngược rất nhỏ gọi là dòng tối It (cỡ 0,1-1nA )
Khi có ánh sáng với năng lượng của photon E=hv≥EG chiếu vào diode từ lớp
P, trong các lớp P- N và nghèo khi hấp thụ năng lượng của photon các điện tử dịch chuyển lên vùng dẫn và tạo ra các lỗ trống ở vùng hoá trị. Kết quả là trong các lớp bán dẫn P và N đầu tiên sẽ khuếch tán đến lớp nghèo, rồi chuyển động trôi qua lớp này dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc theo hai hướng ngược nhau để đi đến các cực của anot và catot của diode. Còn các điện tử và lỗ trống tạo ra trong lớp nghèo thì chuyển động kéo theo qua nó để đi tới 2 cực của diode.
Kết quả là trong diode xuất hiện một dòng điện ngược chạy qua gọi là dòng điện Ip. Dòng quang điện của photo diode có giá trị tỷ lệ với công suất quang chiếu vào theo biểu thức sau:
t p RP
I = (4.1)
Trong đó: R (A/W hayµA/µw) gọi là độ nhạy hay đáp ứng của photo diode. Từ biểu thức trên ta thấy quy luật dòng quang điện của photo diode lặp lại đúng quy luật của ánh sáng chiếu vào, rõ ràng là photo đã làm được nhiệm vụ tách sóng tín hiệu quang để chuyển về dạng tín hiệu điện.
4.1.3. Các đặc tính kỹ thuật của photo diode P- N a. Độ nhạy R
Độ nhạy của photo diode được biểu diễn qua hiệu suất lượng tử η của nó theo
biểu thức: 24 , 1 ηλ η = = hv e R (4.2)
Ở đây: e=1,6.10-19C là điện tích của điện tử
( )m v c µ λ =
b. Hiệu suất lượng tử( )η
Chương IV: Nguồn thu quang
(4.3) Do hiệu suất lượng tử của photo diode được xác định qua hệ số hấp thụ ánh sáng mà hệ số hấp thụ ánh sáng của photo diode lại phụ thuộc vào bước sóng, nên cuối cùng hiệu suất lượng tử η và độ nhạy R của photo diode cũng là hàm của bước sóng .
Hình 4.1. Đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử η
Hình 4.1 biểu diễn các đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tửη phu thuộc
vào bước sóng của các chất bán dẫn dung chế tạo photo diode như Si, Ge và InGaAs. Từ đồ thị ta thấy mỗi photo diode chỉ làm việc trong vùngλ <λc. Bước sóngλcgọi là
bước sóng cắt. Tại vùngλ >λc độ nhạy của photo diodeλ=0. Khi đó ánh sáng chiếu vào cóλ >λ0 ứng với mức năng lượng của photon e=hv<EG nên không đủ để kích
các điện tử lên vùng dẫn, nên trong diode không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống, kết quả là không có dòng quang điện chạy qua diode.
c. Đáp ứng thời gian của photo diode P-N
Từ đồ thị hình 4.2 ta thấy photo diode làm từ Si làm việc thích hợp trong vùng
µ λ <
làm từ InGaAs hoặc Ge. Tuy nhiên do Ge có tạp âm lớn nên trong thực tế nó ít được sử dụng làm bộ thu quang.
Đáp ứng thời gian của photo diode chỉ mức độ phản ứng của diode với ánh sáng chiếu vào nó hay biểu thị tính quán tính của diode. Đáp ứng thời gian của photo diode được quyết định bởi các yếu tố sau:
Thời gian dịch chuyển của dòng điện khuếch tán của hạt dẫn ngoài vùng trôi (trong lớp P và lớp N) của diode.
Thời gian dịch chuyển của dòng điện trôi của các hạt dẫn qua lớp nghèo trong diode. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vì tốc độ trôi của hạt dẫn trong lớp nghèo dưới điện trường tiếp xúc lớn hơn nhiều tốc độ dịch chuyển của dòng điện khuếch tán trong hai vùng P và N, nên thời gian dịch chuyển của dòng điện khuếch tán ảnh hưởng đến đáp ứng thời gian của photo diode P- N. Vì vậy để giảm thời gian khuếch tán, tức giảm thời gian đáp ứng, photo diode được chế tạo với hai vùng P và N khá mỏng. Ngoài ra để tăng hiệu suất lượng tử tức tăng số cặp điện từ và lỗ trống được tạo ra trong photo diode, thì lớp nghèo có độ dày càng lớn càng tốt, như vậy lại làm tăng đáp ứng thời gian của diode. Như vậy photo diode P- N có hai nhược điểm cơ bản là hiệu suất lượng tử thấp do độ rộng lớp nghèo nhỏ và đáp ứng thời gian lớn do dòngkhuếch tán lớn, nên trong thực tế kỹ thuật nó ít được sử dụng làm bộ thu quang.
4.3. Photo diode PIN
4.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Photo diode PIN được cấu tạo từ bán dẫn loại Si hay InGaAs gồm 3 lớp là P, N và lớp giữa I (I là chất tinh khiết cao ôm- Instrinsic). Tại hai lớp P và N có gắn lớp tiếp xúc kim loại để tạo thành các điện cực là anôt và catot. Nhờ có thêm vùng bán dẫn tinh khiết I nên điện trường do điện áp đặt từ ngoài lên vùng này có cường độ trường khá lớn, vì vậy tăng được tốc độ trôi của dòng điện hạt dẫn qua lớp nghèo lên nhiều lần so với photo diode P-N.
P
I
N Thiên áp
Photon tới Điện trường
+
Chương IV: Nguồn thu quang
Hình 4.2. Cấu tạo của photo diode quang
Ngoài ra 2 lớp P và N được chế tạo rất mỏng, để cho các cặp điện tử và lỗ trống chỉ được tạo ra ở lớp nghèo, nên giảm được dòng điện khuếch tán, do đó làm giảm thời gian đáp ứng. Lớp nghèo chiếm cả vùng I và mở rộng sang 2 bên lớp P và N một phần, do đó làm tăng hiệu suất lượng tử của diode.
Như vậy photo diode PIN đã khắc phục được hai nhược điểm của photo diode P-N về hiệu suất lượng tử và đáp ứng thời gian.
4.3.2. Tham số kỹ thuật của PIN
Bảng 4.1 thể hiện các tham số kỹ thuật của một số photo diode PIN tiêu biểu làm từ các loại bán dẫn khác nhau:
Bảng 4.1. Các tham số kỹ thuật của photo diode PIN
Photo diode PIN được ứng dụng trong các hệ thống thông tin tốc độ trung bình, cự ly trung bình, có giá thành rẻ và tin cậy.
4.4. Photo diode thác APD
Photo diode thác APD có nhược điểm là độ nhậy bị hạn chế, do vậy trong các tuyến thông tin yêu cầu độ nhậy của máy thu cao, ta cần phải sử dụng một loại photo diode có độ nhậy cao hơn gọi là photo diode thác APD. Trong photo diode thác APD dòng quang điện được khuếch đại lên nhiều lần do hiệu ứng nhân thác xảy ra bởi sự ion hoá do va chạm của điện tử được tạo ra với mạng tinh thể trong lớp nhân thác của diode để tạo ra nhiều cặp điện tử và lỗ trống mới trong khoảng thời gian rất ngắn.
4.4.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Photo diode thác APD được cấu tạo từ chất bán dẫn Si hoặc InGaAs bao gồm 4 lớp là P+, N+, I và P cao ôm. Ở đây các vùng bán dẫn + được pha tạp chất với nồng độ cao.
Tham số (ký hiệu) Đơn vị Si Ge InGaAs
Bước sóng λ Đáp ứng R Hiệu suất lượng tử η
Dòng tối It Thời gian lên τr
Băng tần Δf Thiên áp Vb μm A/W % nA ns GHz V 0,4-1,1 0,4-0,6 79-90 1-10 0,5-1 0,3-0,6 50-100 0,8-1,8 0,5-0,7 50-55 50-500 0,1-0,5 0,5-3 6-10 1,0-1,7 0,6-0,9 60-70 1-20 0,05-0,5 1-5 5-6
Chương IV: Nguồn thu quang
Hình 4.3. Cấu tạo của diode thác APD
Do có điện trở khá cao nên dưới tác dụng của thiên áp đặt vào diode điện trường trong lớp P đạt giá trị cao hơn giá trị điện trường ngưỡng nhân thác (cỡ Eng=3.105v/cm).Lớp I là bán dẫn tinh khiết, là lớp nghèo dùng chủ yếu để hấp thụ ánh sáng và tạo ra các cặp điện tử, lỗ trống trong diode.
Hiệu ứng nhân thác xảy ra như sau: khi photon tới có năng lượng E=hv>EG chiếu vào photo diode, trong lớp I sinh ra các cặp điện tử và lỗ trống ban đầu gọi là hạt sơ cấp. Các điện tử này trôi dưới tác dụng của điện trường đi đến lớp P có điện trường rất cao, tại đây chúng được tăng tốc mạnh nên có vận tốc cao, đủ sức ion hoá khi va chạm với các điện tử trong mạng tinh thể P để tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống gọi là thứ cấp. Đến lượt các điện tử thứ cấp lại được tăng tốc và tiếp tục ion hoá va chạm với các điện tử trong mạng tinh thể để tạo ra nhiều cặp điện tử thứ cấp nữa. Quá trình ion hoá do va chạm trên xảy ra theo phản ứng dây truyền trong thời gian rất ngắn để tạo ra một số lượng rất lớn các điện tử thứ cấp nên gọi là hiệu ứng nhân thác. Do đó dòng quang điện chạy trong photo diode thác đã được khuếch đại lên nhiều lần so với photo diode PIN. Lớp P được gọi là lớp nhân thác của photo diode.
4.4.2. Các tham số kỹ thuật của APD (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Để đặc trưng cho sự nhân thác dòng quang điện trong photo diode APD, ta đưa vào tham số gọi là thừa số nhân thác M. Nó được biểu thị bởi tỷ số của dòng quang điện trung bình tổng đầu ra trên dòng ban đầu không được nhân là:
p
I i
M = (4.4)
Độ nhạy của photo diode thác được biểu thị qua công thức sau:
1 APD R MR hv e M = = η (4.5)
Ở đây R1 là độ nhạy của APD ứng với thừa số nhân thác M=1
Vì trong thực tế không phải mọi cặp điện tử và lỗ trống được tạo ra trong photo diode đều cùng được nhân thác, nên cơ chế nhân thác là một quá trình thống kê. Do đó giá trị của thừa nhân thác M được tính một cách trung bình.
Để đảm bảo cường độ trường trong lớp nhân P đạt được giá trị ngưỡng nhân thác thì thiên áp đặt vào photo diode thác phải đủ lớn (cỡ vài chục đến hang trăm vol), nhưng phải nhỏ hơn mức đánh thủng cỡ 10% để khỏi hỏng diode.
Để tăng độ nhạy của APD, cần phải chọn thừa số nhân thác có giá trị lớn, tuy nhiên khi M lớn thì làm cho tạp âm của photo diode APD cũng tăng, dẫn đến giảm tỷ số tín/ tạp S/N và độ nhạy của nó. Vì vậy trong thực tế cần chọn một giá trị tối ưu cho thừa số nhân thác là Mopt của APD. Giá trị tối ưu Mopt phụ thuộc vào chất bán dẫn làm photo diode APD. Thông thường nó có giá trị cỡ 30-100.
So với PIN, APD có độ nhạy cao hơn, thiên áp ngược có giá trị lớn hơn, nhưng giá thành đắt hơn. Photo diode thác APD được sử dụng làm bộ thu quang trong các hệ thống thông tin quang có tốc độ bit rất cao, cự ly rất dài. Bảng 4.2 các thông số kỹ thuật APD.
Chương IV: Nguồn thu quang
Bước sóng λ Đáp ứng R Thừa số nhân M
Dòng tối It Thời gian lên τr
Băng tần Δf Thiên áp VP μA A/m - nA ns GHz V 0,4-1,1 80-130 100-500 0,1-1,0 0,1-2 0,2-1 200-250 0,8-1,8 3-30 50-200 50-500 0,5-0,8 0,4-0,7 20-40 1,0-1,7 5-20 10-40 0,1-0,5 0,1-0,5 1,0-3,0 20-30
CHƯƠNG V. GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN
5.1. Tổng quan về hệ thống ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM
Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin quang đã đạt được những thành tựu rất to lớn trong đó phải kể đến kỹ thuật ghép kênh quang, nó thực hiện việc ghép các tín hiệu ánh sáng để truyền trên sợi quang nhằm tăng dung lượng kênh truyền và tạo ra các tuyến thông tin có tốc độ cao. Việc xây dựng các hệ thống thông tin quang tốc độ cao trên 10Gbit/s TDM cho mỗi luồng đơn kênh quang gặp khó khăn trong việc phát triển các thành phần thiết bị điện tử ở tốc độ 20Gbit/s và 40Gbit/s do sự hạn chế của các mạch điện tử trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn và bản thân các mạch điện tử không đảm bảo được việc đáp ứng xung tín hiệu cực kỳ hẹp cùng với nó là chi phí cao. Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian (OTDM – Optical Time Division Multiplexing) ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên bởi vì quá trình ghép các luồng tín hiệu quang thành các luồng tín hiệu có tốc độ cao hơn không thông qua một quá trình biến đổi nào về điện. Sự phát triển của chúng đòi hỏi nhiều loại bộ phát và thu quang mới sử dụng kỹ thuật ghép tách kênh toàn quang. Nhờ công nghệ OTDM mà có thể xây dựng được các hệ thống tốc độ cao tới hàng trăm Gbit/s đến trên 1Tbit/s.
Hơn nữa, OTDM ra đời thích hợp với công nghệ truyền dẫn SDH. Kỹ thuật SDH sẽ ghép các kênh để tạo ra các luồng tín hiệu quang, còn OTDM sẽ thực hiện việc ghép các luồng quang này để tạo ra các tuyến truyền dẫn có dung lượng cao.
5.1.1. Nguyên lý ghép kênh trong hệ thống OTDM
Quá trình ghép kênh trong hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, chuỗi xung quang hẹp được phát ra từ nguồn laser thích hợp. Các tín hiệu này có thể đưa vào và khuếch đại để nâng mức tín hiệu đủ lớn đáp ứng được yêu cầu, nếu cần thiết. Sau đó được chia thành N luồng, mỗi luồng sẽ đưa vào điều chế nhờ các bộ điều chế ngoài với tín hiệu nhánh tốc độ BGbit/s. Để thực hiện ghép các tín hiệu quang này với nhau, các tín hiệu nhánh phải được đưa qua bộ trễ quang. Tùy theo vị trí của từng kênh theo thời gian trong khung mà các độ trễ này sẽ thực hiện trễ dịch các khe thời gian quang một cách tương ứng. Thời gian trễ là một
Chương V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian
nửa chu kỳ của tín hiệu clock. Như vậy tín hiệu sau khi được ghép có tốc độ là (NxB)Gbit/s. Sau khi được truyền trên đường truyền, các thiết bị tách kênh bên thu sẽ thực hiện tách kênh và khôi phục xung clock và đưa ra ở từng kênh riêng rẽ tương ứng với các kênh quang ở đầu vào bộ ghép phía phát.
Hình 5.1. Sơ đồ hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM ghép 4 kênh quang
5.1.2 Phát tín hiệu trong hệ thống OTDM
Hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh OTDM áp dùng hai kỹ thuật phát tín hiệu chủ yếu sau:
Tạo luồng số liệu quang số RZ thông qua việc xử lý quang luồng NRZ. Dựa vào việc điều chế ngoài của các xung quang.
Trong kỹ thuật tạo luồng số liệu quang số RZ thông qua việc xử lý quang luồng NRZ, từ luồng NRZ ta thực hiện biến đổi chúng để đưa về dạng tín hiệu RZ bằng cách