Bộ tách sóng quang (PD) chuyển đổi đã nhận đượcquang họctín hiệu thành tín hiệu điện, từ đó hoàn thành quá trình chuyển đổi tín hiệu quang-sang-tín hiệu điện. Các yêu cầu cơ bản đối với một PD là:
1) Nó có độ phản hồi đủ cao ở bước sóng hoạt động của hệ thống, nghĩa là nó có thể tạo ra dòng quang lớn nhất có thể đối với công suất ánh sáng tới nhất định.
2) Nó có tốc độ phản hồi đủ nhanh, phù hợp với các hệ thống băng thông rộng hoặc tốc độ cao.
3) Nó có độ ồn thấp nhất có thể để giảm thiểu ảnh hưởng của thiết bị đến tín hiệu.
4) Chúng có kích thước nhỏ và tuổi thọ hoạt động lâu dài.
Hiện nay, có hai bộ tách sóng quang bán dẫn được sử dụng phổ biến: điốt quang PIN (PIN{0}}PD) và điốt quang tuyết lở (APD). Phần này chủ yếu giới thiệu các nguyên tắc, chỉ số hiệu suất và hai loại bộ tách sóng quang thường được sử dụng.
Nguyên lý của bộ tách sóng quang
Bộ tách sóng quang sử dụng hiệu ứng quang điện của vật liệu bán dẫn để đạt được sự chuyển đổi quang điện. Hiệu ứng quang điện của vật liệu bán dẫn được thể hiện như hình dưới đây.
Khi năng lượng hv của photon tới nhỏ hơn vùng cấm E thì hiệu ứng quang điện sẽ không xảy ra bất kể cường độ của ánh sáng tới. Nghĩa là, điều kiện sau đây phải được đáp ứng để xảy ra hiệu ứng quang điện:
Nói cách khác, ánh sáng tới có tần số v < E/h không thể tạo ra hiệu ứng quang điện. Chuyển đổi v thành bước sóng, λc=hc/E. Nghĩa là, chỉ ánh sáng tới có bước sóng λ < λc mới có thể tạo ra các hạt mang quang trong vật liệu này. Do đó, λc là bước sóng cực đại của ánh sáng tới cần thiết để tạo ra hiệu ứng quang điện, còn được gọi là bước sóng cắt và v tương ứng được gọi là tần số cắt. Mỗi photon được vật liệu bán dẫn hấp thụ sẽ tạo ra một cặp lỗ trống electron. Nếu đặt một điện trường vào vật liệu bán dẫn, cặp lỗ trống electron sẽ di chuyển qua vật liệu bán dẫn, tạo thành dòng quang điện.
Ngoài việc có bước sóng giới hạn, hiệu suất chuyển đổi của photodiode còn giảm khi bước sóng ánh sáng tới quá ngắn. Trong photodiode, các photon tới bị hấp thụ, tạo ra các cặp lỗ trống electron. Khi khoảng cách x=0 thì công suất quang là P(0). Sau khoảng cách x, công suất quang hấp thụ là:
Trong công thức, (λ) là hệ số hấp thụ của vật liệu, là hàm của bước sóng.
Khi bước sóng ánh sáng tới rất ngắn thì hệ số hấp thụ của vật liệu rất lớn. Kết quả là, một số lượng lớn photon bị hấp thụ ở bề mặt của photodiode, tạo ra vùng trường-điện-bằng không. Các cặp lỗ trống electron-được tạo ra ở đây trước tiên phải khuếch tán đến lớp cạn kiệt trước khi được mạch ngoài thu thập. Tuy nhiên, ở khu vực này, số ít chất mang có thời gian tồn tại rất ngắn và khuếch tán rất chậm, thường tái hợp trước khi được thu thập. Điều này làm giảm hiệu quả của bộ tách sóng quang. Do đó, điốt quang làm bằng vật liệu nhất định có phạm vi đáp ứng bước sóng cụ thể. Ví dụ: phạm vi đáp ứng bước sóng của điốt quang Si là 0,5–10 μm và của điốt quang InGaAs là 1,1–1,6 μm.
Đặc điểm của bộ tách sóng quang
hiệu suất lượng tử
Ánh sáng tới (công suất P) chứa một lượng lớn photon. Tỷ số giữa số photon có thể chuyển hóa thành dòng quang điện trên tổng số photon tới được gọi là hiệu suất lượng tử, được tính theo công thức sau:
Trong công thức, là điện tích của electron,=1.6 × 10⁻¹ độ ; I là dòng quang điện được tạo ra; h là hằng số Planck; và v là tần số của photon. Hiệu suất lượng tử dao động từ 50% đến 90%.
Nếu độ phản xạ của bề mặt tới là r và các cặp lỗ electron-được tạo ra trong lớp bề mặt trường-điện{2}}không thể chuyển đổi một cách hiệu quả thành dòng quang điện và công suất ánh sáng tới là P(0), thì dòng quang điện là:
Trong công thức, là hệ số hấp thụ của vùng trường 0{0}}và lớp cạn kiệt, là độ dày của vùng trường 0-và là chiều rộng của lớp cạn kiệt. Khi đó hiệu suất là:
sự đáp ứng
Tỷ lệ dòng quang với công suất ánh sáng tới trong bộ tách sóng quang được gọi là độ phản hồi (được đo bằng A/W).
Đặc tính này cho thấy hiệu quả của bộ tách sóng quang trong việc chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Giá trị điển hình cho R nằm trong khoảng từ 0,5 đến 1,0 A/W. Ví dụ, giá trị R của bộ tách sóng quang Si là 0,65 A/W ở bước sóng 900 nm; giá trị R cho bộ tách sóng quang Ge là 0,45 A/W (ở 1300 nm); và độ phản hồi của InGaAs là 0,9 A/W ở 1300 nm và 1,0 A/W ở 1550 nm.
Đối với một bước sóng nhất định, độ đáp ứng là một hằng số, nhưng nó không phải là hằng số khi xem xét phạm vi bước sóng lớn. Khi bước sóng của ánh sáng tới tăng lên, năng lượng của các photon tới giảm xuống và khi nó nhỏ hơn vùng cấm, độ phản hồi giảm nhanh ở bước sóng cắt.
Phổ phản ứng
Để tạo ra các hạt mang quang, năng lượng của photon tới phải lớn hơn dải cấm của vật liệu tách sóng quang. Điều kiện này có thể được biểu diễn như sau:
Trong công thức, λ là bước sóng cắt.
Nói cách khác, đối với một vật liệu phát hiện chất bán dẫn nhất định, chỉ có thể phát hiện được ánh sáng có bước sóng ngắn hơn bước sóng ngưỡng và hiệu suất lượng tử của máy dò thay đổi theo bước sóng; đặc tính này được gọi là phổ đáp ứng. Do đó, bộ tách sóng quang không phổ biến và phổ phản ứng của các vật liệu khác nhau cũng khác nhau. Các vật liệu bán dẫn quang điện thường được sử dụng bao gồm Si, Ge, InGaAs, InGaAsP và GaAsP và phổ phản ứng của chúng được thể hiện trong Hình x.
Thời gian đáp ứng
Tốc độ mà dòng quang được tạo ra bởi photodiode tuân theo tín hiệu ánh sáng tới thường được biểu thị bằng thời gian đáp ứng. Thời gian phản hồi là một thông số phản ánh khả năng của bộ tách sóng quang trong việc phản hồi các tín hiệu ánh sáng được điều biến tốc độ cao hoặc-nhanh chóng. Nó chủ yếu bị ảnh hưởng bởi ba yếu tố sau:
1) Thời gian vận chuyển của các tế bào quang điện trong vùng cạn kiệt.
2) Thời gian khuếch tán của các tế bào quang điện được tạo ra bên ngoài vùng cạn kiệt.
3) Hằng số thời gian RC của photodiode và mạch liên quan của nó.
Thời gian đáp ứng có thể được biểu thị bằng thời gian tăng và thời gian giảm của xung đầu ra của bộ tách sóng quang. Khi điện dung tiếp giáp của photodiode tương đối nhỏ, thời gian tăng và thời gian giảm ngắn và tương đối nhất quán; khi điện dung tiếp giáp của photodiode tương đối lớn, thời gian đáp ứng bị giới hạn bởi hằng số thời gian RC được hình thành bởi điện trở tải và điện dung tiếp giáp, dẫn đến thời gian tăng giảm dài hơn.
Nói chung, các thông số kỹ thuật của bộ tách sóng quang cung cấp thời gian tăng. Đối với điốt quang PIN, thời gian tăng t0thường là<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
Dòng điện tối
Dòng điện tối dùng để chỉ dòng điện trong bộ tách sóng quang khi không có ánh sáng tới. Mặc dù không có ánh sáng tới nhưng ở một nhiệt độ nhất định, năng lượng nhiệt bên ngoài có thể tạo ra một số điện tích tự do trong vùng cạn kiệt. Các điện tích này chảy dưới tác động của điện áp phân cực ngược, tạo thành dòng điện tối. Rõ ràng, nhiệt độ càng cao thì càng có nhiều electron bị kích thích bởi nhiệt độ và dòng điện tối càng lớn. Đối với photodiode PIN, đặt dòng tối ở nhiệt độ T là I(T). Khi nhiệt độ tăng lên T thì:
Trong công thức, C là hằng số thực nghiệm và C=8 cho điốt quang Si.
Dòng điện tối cuối cùng xác định công suất quang tối thiểu có thể phát hiện được, đó là độ nhạy của photodiode.
Tùy thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng, dòng điện tối thay đổi trong khoảng từ 0,1 đến 500 nA.
