7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.4. Bộ tách sóng quang
Hình 1.13. Đáp ứng phổ của bộ tách sóng quang.
Mục đích của bộ tách sóng quang là để chuyển đổi ánh sáng phát ra từ sợi quang thở thành tín hiệu điện. Việc chọn bộ tách sóng quang phụ thuộc vào một vài yếu tố gồm bước sóng, sự đáp ứng nhanh, và tốc độ hay thời gian lên (rise time). Hình 1.13 miêu tả các loại bộ tách sóng khác nhau và đáp ứng phổ của chúng.
Quá trình mà ánh sáng được chuyển đổi thành tín hiệu điện là ngược lại với quá trình tạo ra ánh sáng. Ánh sáng đưa tới bộ tách sóng tạo ra một dòng
điện nhỏ mà được khuếch đại bởi một mạch bên ngoài. Các photon liên tục kích thích các điện tử từ vùng hóa trị tới vùng dẫn điện, kết quả là tạo ra một cặp điện tử (electron) lỗ trống.
Hình 1.14. Mạch khuếch đại tách sóng quang điển hình.
Dưới ảnh hưởng của điện áp bias các phần tử mang này di chuyển qua vật liệu và tạo ra một dòng trong mạch điện ngoài. Mỗi cặp điện tử lỗ trống được tạo ra, kết quả là một dòng chảy điện tử trong mạch điện. Thông thường dòng điện ở mức nhỏ và đòi hỏi một vài sự khuếch đại được thể hiện trong hình 1.14.
Các photodetector phổ biến nhất là PIN và APD. Kết cấu vật liệu của thiết bị quyết định độ nhạy bước sóng. Thông thường, các thiết bị thạch anh được sử dụng cho tách sóng trong vùng phổ nhìn thấy được. Tinh thể InGaAs được sử dụng trong vùng phổ gần vùng hồng ngoại giữa 1000 nm và 1700 nm, và germanium PIN và APD được sử dụng giữa 800 nm và 1500 nm.
Tách sóng quang
Bước sóng (nm) Đáp ứng (A/W) Dòng tối (nA) Rise time (ns) Thạch anh PN 550-850 0.4-0.7 1-5 5-10 Thạch anh PIN 850-950 0.6-0.8 10 0.07 InGaAs PIN 1310-1550 0.85 05.-1.0 0.005-5 InGaAs APD 1310-1550 0.80 30 0.1 Germanium 1000-1500 0.70 1000 12
- Đáp ứng (Responsivity ): tỷ lệ của dòng điện với công suất quang đầu ra của bộ tách sóng.
- Hiệu suất quang tử (Quantum efficiency): tỷ lệ của số điện tử được sinh ra bởi bộ tách sóng với số photon tới bộ tách sóng.
- Hiệu suất quang tử = (số hạt điện tử)/photon
- Dòng tối (Dark current): tổng dòng điện được sinh ra bởi bộ tách sóng khi không có anh sáng đưa vào. Dòng tối tăng lên khoảng 10% đối với mỗi lần nhiệt độ tănglên 10𝐶 và tăng lên nhiều hơn với Ge và InGaAs ở các bước sóng dài hơn và với thạch anh ở các bước sóng ngắn hơn.
- Thời gian đáp ứng (Response time): thời gian yêu cầu bộ tách sóng để đáp ứng tín hiệu đầu vào quang. Thời gian đáp ứng liên quang tới băng thông của bộ tách sóng BW = 0.35/tr. Trong đó, tr là rise time của thiết bị. Rise time là thời gian đòi hỏi bộ tách sóng lên với giá trị là 63,2% của trạng thái đọc bền vững cuối cùng của nó.