I. Bộ tách quang bán dẫn
Các bộ tách sóng quang trong bộ thu quang thực hiện chức năng cơ bản là biến đổi tín hiệu quang thành tính hiệu điện. Bộ thi quang còn có chức năng khuyếch đại và khi thực hiện truyền dẫn số thì có thể vừa tái tạo tín hiệu vừa điều khiển tầng sau của bộ thu quang.
Trong hệ thống thông tin quang, các bộ tách quang phải thoả mãn các yêu cầu về tốc độ nhanh, độ nhạy thu cao, tạp âm thấp và bớc sóng hoạt đông phù hợp. Hiện nay có một số loại bộ tách sóng quang đang đợc sử dụng với các mịc đích khác nhau, nhng tách quang bán dẫn là
đợc sử dụng vì: - kích thớc nhỏ - vật liệu phù hợp - độ nhạy thu cao - thời gian đáp ứng nhỏ
Bộ tách sóng quang lợng tử đợc chia ra hai dạng: linh kiện sử dụng hiệu ứng quang nội và linh kiện sử dụng hiệu ứng quang ngoại
Hiệu ứng quang nội là quá trình tạo ra các phần tử mang điện trong chất rắn, nghĩa là tạo ra cặp điện tử – lỗ trống trong bán dẫn khi có tác dụng của l- ợng tử ánh sáng. Các linh kiện này gồm điện tử quang photo diode, transistor và thusistri quang – có hai loại photo diode đợc sử dụng là photo diode PIN và photo diode thac APP (avalanced photo diode). Cả hai loại này đều dùng hiệu ứng quang nội xảy ra ở cùng lân cận tiếp giáp P – N.
Quá trình chuyển đổi quang điện xảy ra ngợc với quá trình xảy ra trong LED và LD. Lớp tiếp giáp P – N ở diode quang đợc đặt một điện áp phân cực ngợc để tạo ra trờng dịch chuyển, các phần tử tải điện thiểu số sẽ đợc sinh ra. Khi cha có tác động của ánh sáng thì trong diode thu cha có dòng điện và chỉ xuất hiện dòng điện dò rất nhỏ vì diode bị khoá. Khi có ánh sáng tác động vào, năng lợng các photon đợc chuyển cho các điện tử để nâng điện tử lên dải dẫn. Tại tiếp giáp P – N sinh ra một miền điện tích không gian. Các điện tử thiểu số từ miền N, các lỗ trống từ miền N sang miền P.
Nh vậy trên mạch ngoài có một dòng điện chạy qua gọi là dòng quang điện có tần số và cờng độ hoàn toàn phụ thuộc vào tần số và cờng độ ánh sáng chiếu vào. Độ rộng miền điện tích không gian và tốc độ trôi của các phần tử mang điện thiểu số quyết định thời gian trôi của chúng.
Các diode quang hoạt động gắn liền với mạch khuyếch đại thu để đảm bảo yêu cầu về chất lợng truyền dẫn, các diode quang phải thoả mãn các yêu cầu sau:
1- thời gian tăng trởng (rise time) nhỏ 2- điện dung tiếp giáp nhỏ
3- dòng ngợc nhỏ 4- tạp âm nội nhỏ
5- đáp ứng quang điện (tỷ số giữa dòng điện sinh ra và công thức ánh sáng đa vào)
Nguyên lý chung của hai loại diode PIN và diode APD về cơ bản giống nhau. ánh sáng đa vào miền tiếp giáp P – N đợc phân cực ngợc, tạo ra cặp điện tử lỗ trống đợc dịch nhờ điện trờng ngoài tạo ra dòng điện. Loại điode APD có khả năng khuyếch đại dòng quang điện nhờ hiện tợng ion hoá do va chạm gây ra sự tăng đáp ứng quang
Có hai loại photo diode đợc dùng tách quang là : photo diode PIN và photo diode thac ( APD – avalaced photodiode)
- các yêu cầu kỹ thuật đốivới bộ tách sóng quay:
+ bớc sóng: nhạy đối với bớc sóng hoạt động của hệ thống (850, 1300, 1550nm)
+ độ nhạy: có độ nhạy càng cao càng tốt, tức là khả năng tách đợc các tín hiệu quang ứng với công suất thật nhỏ với tỷ số lỗi (BER) trong phạm vi cho phép. Linh kiện tách quang càng nhạy thì càng có khả năng tăng cự ly thông tin
+ đáp ứng nhanh: để có thể làm việc trong hệ thống có tốc độ bit cao tách sóng quang vẫn có dòng điện nhiễu chạy qua. Dòng điện này càng nhỏ càng tốt.
+ tạp âm: có tạp âm càng thấp càng tốt để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N)
+ độ tin cậy cao + giá thành rẻ. - Photo diode PIN
Cấu trúc của diode PIN đợc mô tả trên hình vẽ sau gồm ba lớp bán dẫn không phải tạp chất hoặc pha với nồng độ rấ thấp. Quá trình hấp thụ photon để tách ra các điện tử và lỗ trống xảy ra trong lớp I, do đó lớp I càng dày thì hiệu suất lợng tử càng cao nhng đông thời thời gian trôi của các điện tử sẽ càng chậm. Điều này làm giảm khả năng hoạt động với tốc độ bit cao của PIN.
Bề dày của lớp phụ thuộc khả năng thâm nhập của ánh sáng vào bán dẫn, ánh sáng có bớc sóng càng dài thì khả năng thâm nhập vào bán dẫn càng lớn.
Hình: sơ đồ tơng đơng của phitodiode PIN
Trên hình là mạch tơng đơng của photodiode PIN trong đó Iph = RPopt : dòng điện quay, R : đáp ứng, Pópt : vòng suất quay, Rs : điện trở hồi tiếp (từ vài đến vài chục Ω.)
Trong đó Id : dòng qua diode, Is : dòng bão hoà của diode
ở 300K ] 1 ln[ s t i I Id V V =− + mv e KT VT = =26
Ngời ta sử dụng hiệu ứng nhân điện trong bán dẫn chế tạo ra APD gồn 4 lớp: P+, N-, P- nh hình vẽ sau, mục đích để tăng đáp ứng quang của diode quang.
Lớp P+ và N- là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao, còn P- là lớp có nồng độ tạp chất thấp (thay vị trí lớp I của PIN)
Hình: cấu trúc diode thac và trờng điện trong vùng trôi. +cấu tạo
+phân bố cờng độ điện trờng + quá trình nhân điện tử
Dới tác dụng của nguồn phân cực ngợc, sự phân bố cờng độ điện trờng trong các lớp bán dẫn. Trong đó điện trờng vùng tiếp giáp PN cao nhất, quá trình nhân điện tử xẩy ra ở vùng này. Vùng này gọi là “ vùng thác lũ “.
Khi có ánh sáng chiếu vào, các photon bị hấp thụ trong lớp P- và tạo ra cặp điện tử – lỗ trống. Lỗ trống di chuyển về phía lớp P+ nối với cực âm của nguồn, còn điện tử di chuyển về phía tiếp giáp PN- Điện trờng cao trong vùng
tiếp giáp PN- sẽ tăng tốc cho điện tử. Điện tử va chạm vào các nguyên tử của tinh thể bán dẫn tạo ra các cặp điện tử – lỗ trống mới ( gọi là ion hoá do va chạm), các điện tử thứ cấp mới đợc tạo ra lại có khả năng gây ra sự ion hoá do va chạm. Quá trình tiếp diễn,và số lợng các hạt tải điện tăng lên rất lớn. Do quá trình và chạm và tăng các hạt tải điện nh vậy dòng quang điện phát sinh ứng với một điện tử sơ cấp.
Hình: cấu tạo APD nhóm III-V (hãng AT và T)
Dòng quang điện do APD tạo ra sẽ là:
Trong đó R: đáp ứng (A/ω ), m: hệ số nhân , Popt : công suất quang
Hệ số nhân m thay đổi theo điện áp phân cực ngợc và cũng phụ thuộc nhiệt độ hình() nên việc giữ cho hệ số nhân m ổn định rất khó khăn.
Ngoài ra nếu vùng thác lũ càng rộng thì hệ số m càng lớn. Nhng lúc đó
opt
ph RmP
Hình: hệ số nhân m của APD
Giá trị của hệ số m trên lý thuyết từ 10 – 1000 lần, trên thực tế chỉ chọn điểm phân cực cho APD sao cho m = 50 – 200 lần vì m càng lớn thì dòng nhiễu của APD cũng càng cao.