Các thiết bị thông tin quang sử dụng hai diode tách quang (PD), đó là PIN diode và diode quang thác (APD).
Cả hai loại PD đều dựa vào tiếp giáp p-n phân cực ngược. khi ánh sáng chiếu vào PD có bước sóng trong không gian tự do nhỏ hơn bước sóng cắt được xác định theo biểu thức:
] [
] . [ 24 , 1
eV E
m eV
g c
λ = à (1.15)
Trong đó Eg là độ rộng dải cấm, thì bán dẫn sẽ hấp thụ các photon.
Hấp thụ một photon sẽ kích thích điện tử trong dải hóa trị nhảy lên dải dẫn và để lại lổ trống, tạo thành cặp điện tử-lổ trống. Biểu thức 1.15 chỉ là điều kiện cần cho tách quang. Điều kiện đủ là cặp điện tử-lổ trống sẽ không tái hợp trước khi hình thành dòng điện qua mạch ngoài.
4.2-Diode tách quang p-n
Diode tách quang p-n như hình 4.1
Hình 4.1-diode tách quang p-n
lổ trống tạo thành các ion dương. Dòng khuếch tán hướng từ p sang n, hai phía tiếp giáp xuất hiện 2 khối điện tích cố định trái dấu gọi là vùng nghèo, có độ dày khoảng 1àm.
Hai khối điện tích trái dấu tạo ra điện trường tiếp xúc (ETX) có vecto cường độ điện trường hướng từ dương sang âm.
Tiếp xúc P-N phân cực ngược
Do vùng nghèo có ít hạt tải điện nên có điện trở lớn hơn vùng nằm ngoài vùng ngèo, nguồn phân cực ngược V tạo ra trên vùng nghèo một điện tường Engoai gần bằng V và chiều của vecto cường độ điện trường ngoài cùng chiều với vecto cường độ điện trường tiếp xúc, tạo ra trên lớp tiếp giáp p-n một hàng rào thế ngăn cản sự khuếch tán của hạt tải điện, một số hạt tải điện lọt qua tạo dòng điện ngược gọi là dòng tối,dòng điện ngược nhanh chóng đạt giá trị bảo hòa.
Khi có ánh sáng tới
Anh sáng đi vào PD qua lớp p rất mỏng, qua vùng nghèo truyền vào lớp n, các photon bị hấp thụ suốt chiểu dọc PD, cường độ ánh sáng giảm theo hàm số mũ.
Việc hấp thụ các photon ánh sáng xảy ra trong vùng nghèo, tạo ra dòng tách quang được đánh giá theo hệ số lượng tử η và đáp ứng R.
4.3-Diode tách quang PIN 4.3.1-Cấu tạo và hoạt động :
Diode tách quang p-i-n dựa trên cấu trúc của PD p-n bằng cách xen vào giữa lớp p và lớp n một lớp bán dẫn thuần i như hình 4.2. Vùng trong diode tách quang p-i-n bao gồm toàn bộ lớp i.
Diode p-i-n cải thiện được đáp ứng tần số do điện dung của diode CD rất bé.
)
0 ( d C =ε εr A
Trong đó ε0 là hằng số điện môi của không gian tự do, εr là hằng số điện môi của môi trường giữa hai bản tụ điện, A là diện tích của bản tụ điện, d là khoảng cách giữa 2 bản tụ điện.
Đáp ứng tần số cũng phụ thuộc vào thời gian chuyển dịch của các hạt tải điện qua vùng nghèo, vùng nghèo càng rộng thì thời gian chuyển dịch càng dài.
Hình 4.2- Cấu tạo của diode tách quang p-i-n 4.3.2-Tạp âm trong p-i-n diode
Tạp âm dòng tối
Dòng đầu ra diode tách quang xuất hiện ngay cả khi không có tín hiệu tách quang hay còn gọi là dòng tối Id. Trung bình bình phương của dòng tối được xác định theo biểu thức:
<id>2=2eId∆f (1.17) Tạp âm nhiệt
Tạp âm nhiệt còn gọi là tạp johnson hay tạp Nyquist là do chuyển động ngẫu nhiên của các điện tử tự do qua mạch điện. tạp âm nhiệt là quá trình ngẫu nhiên Gauss, mật độ phổ của tạp âm nhiệt phân bố đều trên trục tần số trong miền xa cực tím. Nếu điện trở là R(Ω), tại nhiệt độ Kelvin T và B là độ rộng băng tần máy thu trị trung bình bình phương của tạp âm nhiệt là:
R f Ith kT∆
=
>
< 2 4
(1.18) Trong đó k=1,38x10-23J/K là hằng số Boltzman.
4.4-Diode quang thác (APD)
Hình 4.3-APD và phân bố điện trường bên trong
Ánh sáng đi vào APD qua lớp p+ rất mỏng, toàn bộ hấp thụ photon đều xảy ra trong vùng nghèo là bán dẫn p pha tạp chất nhẹ. Điện trường trong vùng nghèo điều khiển lổ trống và điện tử chuyển động ngược hướng với nhau, các lổ trống hướng tới lớp p+, còn các điện tử hướng tới lớp n+.
Điện áp phân cực ngược đặt lên PD gần với mức đánh thủng zener tạo ra điện trường lớn (hay miền tăng tốc) tại tiếp giáp p-n+. Khi các điện tử và lổ trống qua miền điện trường lớn này được tăng tốc, va đập mạnh vào các nguyên tử của bán dẫn và tạo ra các cặp điện tử-lổ trống thứ cấp thông qua quá trình ion hoá do va chạm. Các hạt tải điện qua miền điện trường lớn lại được tăng tốc và chúng có đủ động năng tạo ra các cặp điện tử- lổ trống mới, gọi là hiệu ứng thác hay hiệu ứng nhân. Quá trình này làm tăng dòng điện bên ngoài.
Hình 4.4-quá trình nhân
Từ một cặp điện tử-lổ trống ban đầu, hiệu ứng nhân tạo ra 6 cặp điện tử khác. Hệ số ion hoá của các điện tử αe và lổ trống αh là xác xuất của một va chạm giữa một hạt mang điện đã được tăng tốc và một nguyên tử bán dẫn để sinh ra một cặp điện tử-lổ trống. Hệ số ion hoá tăng rất nhanh khi cường độ điện trường tăng.
Hình 4.5- sự thay đổi của M khi V và nhiệt độ thay đổi Hệ số nhân M được tính như sau:
1
Hệ số nhân M đạt cực đại khi sử dụng các vật liệu có α lớn, tuy nhiên lại có đáp ứng tần số chậm. APD yêu cầu nghiêm ngặt về ổn định nguồn định thiên và nhiệt độ.
4.4.2-Tạp âm trong APD:
Hiệu ứng nhân chỉ xảy ra với dòng tách quang và dòng tối, không khuếch đại tạp âm nhiệt. Vì vậy tạp âm chủ yếu trong APD là tạp âm nổ, được xác định như sau:
<ish>2=M2[2e F R P ∆f ] Trong đó: F- hệ số tạp âm
M- hệ số nhân R- đáp ứng của APD
P- công suất ánh sáng đầu vào APD.
4.5-Bộ thu quang
Sơ đồ khối bộ thu quang
Hình 4.6- Sơ đồ khối bộ thu quang
Ánh sáng từ sợi quang chiếu vào bộ tách sóng quang, đầu ra bộ tách quang là tín hiệu điện, sau đó tín hiệu qua các bước xử lý tiếp theo để khôi phục lại tín hiệu ban đầu như ở đầu vào máy phát.
Bộ tách quang là PIN hoặc APD thực hiện chuyển đổi công suất quang đầu vào thành tín hiệu điện, bộ khuếch đại biến đổi tín hiệu điện với mức điện áp phù hợp, sau đó tín hiệu qua bộ cân bằng để hiệu chỉnh hàm truyền đạt của bộ khuếch đại.
Bộ lọc giới hạn băng tần và định ra đáp ứng tần số của máy thu nhằm tối ưu hoá chất lượng máy thu. Xung đồng hồ (clock) được lấy ra từ bộ tách đồng hồ, bằng cách lấy trích ra từ luồng dữ liệu số chung và để tái tạo lại tín hiệu số trong mạch quyết định, tín hiệu số đơn cực ở đầu ra bộ quyết định được đưa vào bộ giải mã để chuyển thành mã đường lưỡng cực tương ứng.