1). Nguyờn lý chung.
Cỏc linh kiện biến đổi quang điện hoạt động dựa trờn 3 hiện tượng sau:
- Khi cú một photon bức xạ vào chất bỏn dẫn, cung cấp năng lượng cho một điện tử đang ở trong vựng hoỏ trị thỡ điện tử sẽ chuyển lờn vựng dẫn. Photon biến mất, điện tử để lại một lỗ trống trong vựng hoỏ trị. Nh vậy, một photon cú năng lượng thớch hợp chiếu vào chất bỏn dẫn sẽ tạo ra một điện tử và một lỗ trống cũn Photon thỡ biến mất. Hiện tượng này gọi là sự hấp thụ. được ứng dụng trong photo diode để làm cỏc linh kiện tỏch súng quang.
- Nếu trong vựng dẫn cú số điện tử nhiều hơn mức cõn bằng thỡ điện tử thừa sẽ rơi xuống vựng hoỏ trị một cỏch tự phỏt để kết hợp với lỗ trống trong quỏ trỡnh chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, năng lượng chờnh lệch được bức xạ ra dưới dạng Photon. Nh vậy, khi một điện tử kết hợp với một lỗ trống cú thể làm ra bức xạ Photon. Hiện tượng này được gọi là sự bức xạ tự phỏt, được ỏp dụng trong diode phỏt quang (LED) dựng làm nguồn quang.
- Hiện tượng thứ ba gọi là sự phỏt xạ kớch thớch, được ỏp dụng trong laser diode dựng làm nguồn quang. Hiện tượng này xảy ra khi cỏc photon phỏt ra do quỏ trỡnh tỏi hợp điện tử và lỗ trống lại kớch thớch cỏc điện tử cú mức năng lượng cao chuyển sang mức năng lượng thấp và phỏt ra những photon mới. Quỏ trỡnh cứ tiếp diễn và số lượng photon phỏt ra rất lớn, ỏnh sỏng phỏt ra trong quỏ trỡnh phỏt xạ kớch thớch cú cựng bước súng và cựng pha.
Thu quang cú nghĩa là biến đổi ỏnh sỏng thành tớn hiệu điện. Cú hai cỏch để thực hiện điều này:
+ Biến đổi năng lượng quang → năng lượng nhiệt → năng lượng điện, Phương thức này gọi là hiệu ứng cảm nhiệt. Do phương phỏp này cú tớnh đỏp ứng chậm và độ nhạy khụng cao nờn khụng được sử dụng trong kỹ thuật thụng tin sợi quang.
+ Biến đổi trực tiếp tớn hiệu quang thành tớn hiệu điện, cơ sở của hiệu ứng này là quỏ trỡnh hấp thụ ỏnh sỏng trong chất bỏn dẫn → được sử dụng trong hệ thống thụng tin sợi quang. Cỏc linh kiện thu quang được gọi là cỏc photodiode bỏn dẫn ( PD ).
Tương tỏc chủ yếu trong quỏ trỡnh tỏch sũng bằng PD bỏn dẫn là sự hấp thụ photon và đồng thời là sự kớch thớch điện tử từ vựng hoỏ trị lờn vựng dẫn. Điều kiện để tỏch một photon là:
λ (àm) = Eg( )eV
24, , 1
λ : là bước súng ỏnh sỏng
Eg : là năng lượng để đưa 1e từ vựng hoỏ trị lờn vựng dẫn.
Trường quang tới cú thể được tỏch bằng PD chỉ khi cỏc quỏ trỡnh hấp thụ photon này sinh ra dũng điện đỏng kể ở mạch ngoài.
/. Chuyển đổi quang - điện tại lớp tiếp giỏp PN
SVTH : Trần Quốc Hoàn 46 + + + - - - P N E + - e Ánh sỏng
+ Lớp tiếp giỏp PN của PD được phõn cực ngược (hỡnh 38) để tạo ra trường dịch chuyển cỏc hạt thiểu số (e trong miền P và lỗ trống trong miền N) sẽ được sinh ra.
+ Ánh sỏng đi vào PD qua vựng P rất mỏng, vượt qua vựng nghốo của lớp N của lớp tiếp giỏp PD và tiếp tục được truyền vào vựng N của PD. Cỏc photon được hấp thụ dọc theo quóng đường này.
+ Vựng nghốo cú điện trường mạnh hướng từ điện tớch (+)→ (-). Khi photon bị hấp thụ ở vựng nghốo, e và lỗ trống sẽ di chuyển nhanh ra khỏi vựng nghốo nhờ điện trường mạnh này. Khi đú, e sẽ bị đẩy sang vựng N, lỗ trống bị đẩy sang vựng P, chỳng trở thành cỏc hạt dẫn dư thừa trong cỏc vựng P và N. Những hạt này sinh ra dũng khuyếch tỏn cú hướng từ vựng nghốo tới cỏc tiếp diện ở phớa cuối cỏc vựng P và N. Khi e tới tiếp điện ở cuối vựng N, nú sẽ được đẩy qua mạch ngoài, đi vũng qua dõy dẫn tới miền P. Tại đõy, e sẽ tỏi hợp với lỗ trống. Nh vậy ở mạch ngoài cú dũng điện chạy qua. Tần số và cường độ của dũng này hoàn toàn do tần số và cường độ của ỏnh sỏng kớch thớch quyết định .
+ Để PD đạt hiệu suất cao thỡ phải tạo đường dẫn quang qua vựng nghốo cú độ dài hiệu quả sao cho hõự hết ỏnh sỏng bị hấp thụ tại vựng này:
- Thay đổi thiờn ỏp và sự tập trung chất phụ gia - Thờm lớp khụng pha tạp vào giữa hai vựng P và N
+ Khụng phải tất cả cỏc e và lỗ trống sinh ra do photon hấp thụ tại vựng nghốo đều tới được mạch ngoài vỡ một số rất ít cỏc e và lỗ trống sẽ tỏi hợp tại vựng nghốo.
+ Một số cặp e và lỗ trống phỏt sinh do hấp thụ photon trong cỏc vựng khuyếch tỏn (rất gần vựng nghốo) sẽ khuyếch tỏn vào vựng nghốo → làm tăng đỏp ứng trễ → phỏt sinh ra hiệu ứng kộo dài biờn (hỡnh) khụng mong muốn → cú thể gõy nhiễu giữa cỏc ký tự ảnh hưởng tới chỉ tiờu BER
Trong hệ thống thụng tin sợi quang hiện nay sử dụng hai loại PD phổ biến là PIN - PD và APD - PD .
2). Cỏc linh kiện thu quang.
a/. Photodiode PIN ( PD - PIN ).
+ Cấu tạo
Photodiode P - I - N là sự thay đổi cấu trỳc của photodiode tiếp giỏp PN bằng cỏch thờm một lớp khụng pha tạp I (Intrinsic) vào giữa hai lớp bỏn dẫn loại P và N. Khi đú vựng nghốo của PIN_PD bao gồm toàn bộ vựng giữa này → độ dài của vựng nghốo được mở rộng → tăng số lượng photon ỏnh sỏng bị hấp thụ tại vựng nghốo.
+ Ưu điểm:
- Cải thiện được cỏc đặc tớnh đỏp ứng tần số sinh ra (do giảm điện dung của vựng nghốo ↓ = ↑
d A C ε.
).
- Hầu hết cỏc photon vào vựng nghốo được hấp thụ tại đõy và hầu
nh khụng cú photon nào đi qua vựng kế tiếp → tăng hiệu suất của PD và giảm hầu hết hiệu ứng kộo dài xung.
+ Tham số
SVTH : Trần Quốc Hoàn 48
Xung quang Đỏp ứng PD
Kộo dài biờn
Hỡnh : 39 + + + - - - P N + - Ánh sỏng I Vựng nghốo d số e được sinh ra số photon được hấp thụ
- Hiệu suất lượng tử : η = Thụng thường η = 60 ữ 80% , một số đạt 90% - Đỏp ứng (độ nhạy) : c h e hf e I I R o p . . . . ηλ η = = =
η : hiệu suất lượng tử Ip : dũng quang điện sinh ra
Po : cụng suất ỏnh sỏng đưa vào
+ Cỏc yờu cầu khỏc :
- Thời gian tăng nhỏ
- Điện dung tiếp giỏp nhỏ
- Dũng tối (dũng ngược) nhỏ (dũng qua diode khi chưa cú tỏc dụng của ỏnh sỏng vào) - Tạp õm nội nhỏ b/. Photodiode APD (thỏc lũ) + Cấu tạo: R λ
Hỡnh 40 : đặc tuyến R – λ của PIN_PD
P+ N+
+ - -
Ánh sỏng I P
+ Nguyờn lý làm việc:
- Khi thiờn ỏp ngược trờn diode bỏn dẫn được đặt ở gần mức đỏnh thủng zener, cỏc e và lỗ trống tự do sẽ được gia tốc mạnh do điện trường mạnh ở vựng nghốo. Xung đột giữa cỏc hạt dẫn cú năng lượng cao (do được gia tốc) và nguyờn tử bỏn dẫn sinh ra cỏc cặp e_ lỗ trống thứ cấp. Quỏ trỡnh này gọi là quỏ trỡnh “ion hoỏ do và chạm”. Cỏc hạt dẫn thứ cấp cũng được gia tốc và va chạm sinh ra cỏc cặp e_ lỗ trống mới vad cứ tiếp tục nh vậy. Quỏ trỡnh này được gọi là “hiệu ứng thỏc”. Nú làm tăng dũng mạch ngoài theo hệ số G :
p
II I G= =
- Ánh sỏng đi vào APD thụng qua vựng P+ rất mỏng. Hầu nh toàn bộ quỏ trỡnh hấp thụ photon vào được thực hiện tại vựng I. Cỏc e và lỗ trống trong vựng I sẽ bị đẩy theo cỏc hướng ngược nhau (lỗ trống bị kộo sang vựng P+, e bị kộp sang vựng N+). Trờn đường đi, e đi qua vựng thỏc và bắt đầu quỏ trỡnh khuyếch đại ở đú.
- Thiờn ỏp ngược mạnh vào vựng thỏc này (gần mức đỏnh thủng zener) sinh ra điện trường cường độ lớn trong vựng nghốo của lớp tiếp giỏp P - N+, hiệu ứng thỏc xảy ra toàn bộ trong vựng nhỏ này ( P - N+).
- Nếu thiờn ỏp ngược vượt qua mức đỏnh thủng zener thỡ dũng ra sẽ độc lập với ỏnh sỏng tới.
+ Hiệu số khuyếch đại :
p I I G = SVTH : Trần Quốc Hoàn 50 Hỡnh : 41 Hấp thụ Khuyếch đại Dũng đỏp ứng thật của APD
3). Cỏc đặc tớnh của linh kiện thu ỏnh sỏng và ứng dụng.
Linh kiện Photodiode thỏc APD Photodiode (PD) Cỏc đặc tớnh + Độ nhạy thu ỏnh sỏng cao
+ Tốc độ hoạt động nhanh + Tạp õm lớn
+ Điện thế hoạt động cao + Đắt + Độ nhạy thu ỏnh sỏng thấp + Tốc độ hoạt động chậm + Tạp õm ít + Điện thế hoạt động thấp + Khụng đắt Ứng dụng + Hệ thống đường trục dài + Hệ thống đường trục ngắn + Hệ thống thuờ bao + Hệ thống thuờ bao + Hệ thống nhỏnh riờng