Thông tin quang / C4___ Bộ thu quang pot

Photodiode thác lũ APD: Avalanche PhotodiodeTiếp xúc Nhân thác lũ Lớp p pha tạp thấp Hấp thụ Lớp gương ¾ Thêm một lớp bán dẫn p vào giữa lớp π và n+ => tạo ra một điện trường lớn trên ti

Chương 4

BỘ THU QUANG

4.2 Các loại photodiode

Hai loại photodiode thông dụng:

ƒ PIN photodiode: độ nhạy thu thấp, mạch đơn giản, dễ sử dụng

ƒ APD photodiode ( Avalanche Photodiode): độ nhạy thu cao, băng

thông lớn, cần điện áp định thiên lớn.

APD photodiode (Hamamatsu Corp.) PIN photodiode

4.2.1 PIN-photodiode

• Giữa hai lớp bán dẫn có độ pha tạp cao p+ và n- là một vùng bán dẫn có độ pha tạp thấ, còn gọi là lớp tự dẫn (lớp i)

Lớp chống phản xạ

Tiếp xúc kim loại hình tròn

• Nguyên lý hoạt động:

• Khi phân cực ngược tiếp giáp p-n:

không có dòng điện chạy qua !

• Khi chiếu một photon có năng lượng

24 , 1

• PIN chế tạo bằng Si có λc = 1.06 µm

• PIN chế tạo bằng Ge có λc = 1.6 µm

• Ưu điểm của PIN-photodiode:

– Điện áp cung cấp nhỏ (5v - 10v)

– Tạp âm thấp

– Mạch điều khiển đơn giản

• Nhược điểm của PIN-photodiode:

– Độ nhạy thu thấp ( khoảng -30 dBm, do 1 photon tới chỉ sinh ra 1 điện tử)

– Băng thông nhỏ ( < 3GHz)

=> Nghiên cứu chế tạo APD để khắc phục nhược điểm trên !

4.2.2 Photodiode thác lũ (APD: Avalanche Photodiode)

Tiếp xúc

Nhân thác lũ

(Lớp p pha tạp thấp)

Hấp thụ

Lớp gương

¾ Thêm một lớp bán dẫn p vào giữa lớp π

và n+ => tạo ra một điện trường lớn trên tiếp giáp p-n+:

¾ Khuyếch đại dòng photon trong lên

M lần do ion hóa va chạm i APD = M.i PD

¾ Điện áp định thiên nằm dưới điện áp trung bình của diode -> APD hoạt động như PIN-photodiode

• Ưu điểm của APD:

9 Độ nhậy cao (tới -40 dBm)

9 Băng thông lớn (tích M.B = 20-250 GHz với InGaAs-APD)

• Nhược điểm của APD:

o Điện áp hoạt động cao ( 30v với Ge-APD, 150v với Si-APD)

o Quá trình khuyếch đại phụ thuộc vào nhiệt độ -> cần điều khiển nhiệt độ để giữ hệ số khuyếch đại là hằng số

Điều khiển nhiệt độ

Đến khuyếch đại trước

h q

η ¾ Mỗi photon tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống

• Thông thường, hiệu suất lượng tử có thể đạt từ 30 – 95 %.

• Ví dụ: Trong một tín hiệu quang (xung 100 ns) có 6 triệu photon ở λ = 1300 nm tới một photodiode InGaAs và có 5,4 triệu cặp điện tử - lỗ trống sinh ra Hiệu suất lượng tử η = 90 %.

• Hiệu suất lượng tử có đặc tính phụ thuộc bước sóng, phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn và cấu trúc của photodiode

• Với Si, hiệu suất lượng tử gần như bằng 1

4.3 Các thông số cơ bản (tiếp)

4.3.2 Đáp ứng quang R (Responsivity)

• Đáp ứng quang R = dòng điện sinh ra trên một đơn vị công suất quang tới (A/W).

• R phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và bước sóng.

• Ví dụ:

o R = 0.65 A/W với vật liệu Si ở λ = 900 nm.

o R = 0.45 A/W với vật liệu Ge ở λ = 1300 nm.

o R = 0.9 A/W với vật liệu InGaAs ở λ = 1300 nm.

o R = 1 A/W với vật liệu InGaAs ở λ = 1550 nm.

• Bài tập: Công suất quang thu được trên photodiode InGaAs ở λ = 1300 nm là Po=

10 µW (R = 0.9 A/W) Hãy tính dòng quang điện sinh ra bởi photodiode ?

4.4 Độ nhạy thu (Sensibility)

4.4.1 Khái niệm:

• Độ nhạy thu là công suất quang tối thiểu mà photodiode có thể tách tín hiệu ra khỏi nhiễu.

• Giới hạn của độ nhạy của bộ thu quang được xác định thông qua:

¾ Hiệu suất lượng tử

4.4.2 Bộ thu quang và tạp âm

Receiver = detector + subsequent electronics

Tổng quan về những nguồn nhiễu

4.4.3.1 Nhiễu nhiệt

• Do chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của điện tích

• Dao động ngẫu nhiên do tương tác nhiệt giữa:

¾ Điện tử tự do và ion dao động trong môi trường dẫn

• Dòng nhiễu nhiệt i t và trở kháng R được mô tả bằng giá trị

trung bình bình phương của nó:

R

kTB

it2 = 4

k: hằng số Boltzmann = 1,38 10 -23 Ws/K T: nhiệt độ tuyệt đối

B=∆f: dải thông sau tách sóng của hệ thống

• Công suất nhiễu nhiệt P t tương ứng với nhiệt độ tuyệt đối T

f T

Mạch thay thế khi nhiễu được mô tả qua điện áp

Mạch thay thế khi nhiễu được mô tả qua dòng điện

id2 = 2 d ⋅

• Nhiễu dòng tối có thể giảm bằng cách thiết kế và chế tạo bộ tách sóng một cách cẩn thận

4.4.3.3 Nhiễu lượng tử

• Ánh sáng có bản chất lượng tử

• Năng lượng của lượng tử ánh sáng hoặc photon:

T K h

• Nhiễu schottky có thể được mô tả như một nguồn điện với trung bình

bình phương của dòng nhiễu i sh 2 hoặc phổ công suất S(f)

( ) f S eI

i df

4.4.3.5 Nhiễu trong photodiode thác lũ

• Bản chất thống kê của quá trình khuyếch đại tạo ra nhiễu nhân

• Dòng tín hiệu I ph và dòng tối I db sẽ được khuyếch đại trong vùng nhân với hệ số khuyếch đại (hệ số nhân) M

• Phổ công suất:

2 e I I M

i df

d f

S = sh2 = ⋅ ph + db 2 ⋅

2

• F(M): đại lượng biểu diễn chất lượng của quá trình khuyếch đại

• F(M) = 1 : quá trình thác lũ lý tưởng

4.4.4 Công suất nhiễu tương đương

• Để có thể nhận dạng được tín hiệu, tín hiệu phải không được nhỏ hơn nhiễu

¾ tín hiệu nhỏ nhất mà cường độ bức xạ của nó có thể đo lường được định nghĩa thông qua tín hiệu đầu vào tương đương tạp âm

• Tín hiệu vào tương đương tạp âm là tín hiệu vào mà tạo ra cùng mức đầu ra như tạp âm không có tín hiệu vào, được gọi là công suất tạp âm tương đương (NEP: noise equivalent power) là một đại lượng

đo lường độ nhạy của bộ tách sóng

• Quan hệ với độ nhạy dòng S(λ) và dòng nhiễu I n ta có:

( ) λ

S I

NEP = n

• Dòng nhiễu tổng cộng I n = nhiễu schottky của diode I sh + dòng nhiễu nhiệt I

4.4.5 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và giới hạn hiệu suất lượng tử

• Trong kỹ thuật tương tự, chất lượng của bộ thu được mô tả thông qua

tỷ số tín hiệu trên nhiễu:

NEP

P N

S

Noisepower r

Signalpowe N

• Giới hạn lượng tử: Năng lượng quang nhỏ nhất P, mà một tỷ số lỗi bit

đã cho sẵn trong hệ thống số cần thiết để mô tả một bit 1

P

q

e ν

η

4.5.5.1 Tạp âm lượng tử trong truyền dẫn tương tự

• Trong tuyến truyền dẫn quang tương tự, tạp âm lượng tử là tạp âm Schottky

• Dòng tạp âm schottky i s 2 trên dòng photon I p :

Ví dụ:

• Một tuyến sợi quang tương tự

• Giả sử:

™ Hoạt động tại bước sóng 1000nm

™ Dải thông sau tách sóng 5MHz

4.5.5.2 Tạp âm lượng tử tín hiệu số

• Năng lượng một xung ánh sáng (một bit) để có thể tách sóng được với một xác suất lỗi cho sẵn (BER)

• Bộ thu lý tưởng, có tạp âm khuyếch đại đủ thấp để tách sóng dòng điện tạo ra bởi một cặp điện tử-lỗ trống (một photon riêng lẻ được tách sóng

¾ vì vậy, trong trường hợp không có ánh sáng, và không tính đến dòng tối, không có dòng điện chảy qua

• Chỉ có một cách lỗi có thể xuất hiện là khi có xung ánh sáng mà không tạo ra cặp điện tử-lỗ trống

• Xác suất không có cặp điện tử-lỗ trống được tạo ra khi có xung ánh sáng:

e

P 0 1 = −

• P(0/1) là xác suất lỗi hệ thống P(e), do đó:

( ) z m

e e

P = −

• Phương trình trên mô tả độ nhạy thu tuyệt đối cho phép xác định giới hạn cơ bản trong truyền dẫn tín hiệu quang số Đây là năng lượng xung nhỏ nhất cần thiết E min để có được tỷ số lỗi bit cho trước BER mà bất cứ bộ thu thực tế nào phải thỏa mãn

và được gọi là giới hạn lượng tử

• Công suất quang tới nhỏ nhất ở bộ thu để có BER = 10e-9

¾ Tại 10Mbit/s: 20,6pW hoặc -76,9dBm

¾ Tại 10Gbit/s: 20,6nW hoặc -46,9dBm

¾ thực tế (tại bước sóng 1550nm):

™-20dBm (không có khuyếch đại quang)

™-30dBm (có khuyếch đại quang)

4.5 Mạch bộ thu

Photodiode detector

Hiệu ứng quang điện đại trong Khuyếch đại trước Khuyếch

Chỉ có ở photodiode thác lũ

Nguồn nhiễu bên ngoài Nguồn nhiễu trong bộ tách sóng quang Nguồn nhiễu trong bộ khuyếch

Nhiễu phụ thêm:

• dòng photon

• dòng tối