Tài liệu Kỹ thuật thông tin quang - Bài 4: Linh kiện biến đổi quang điện pptx

KYế THUAT THONG TIN QUANGKYế THUAT THONG TIN QUANG Baứi 4: LINH KIEN BIE NẹO I QUANG ẹIEN LINH KIEN BIEN ẹOI QUANG ẹIEN 1 NỘI DUNG  Các khái niệm cơ bản: − Mức năng lượng (Energy Level) − Vùng năng lượng (Energy Band) − Chất bán dẫn (Semiconductor) − Nguyên lý biến đổi quang điện  N g uồn quan g (Li g ht Source) − LED (Light Emitting Diode) − Laser ( Li g ht Am p lification b y Stimulated Emittin g of Radiation ) (g p y g ) − Các thông số kỹ thuật của nguồn quang  Linh kiện tách sóng quang (Light Detector) − PIN 2 − PIN − APD (Avalanche Photodiode) − Các thông số kỹ thuật của linh kiện thu quang CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Lý thuyết lượng tử của Borh: − Một nguyên tử bao gồm hạt nhân (+) được bao quanh bởi các điện tử (-) − Các điện tử quay quanh hạt nhân theo một quỹ đạo ổn đònh và do đó mang một mức năng lượng xác đònh − Các điện tử chỉ thay đổi trạng thái năng lượng khi chuyển từ quỹ đạo này sang một quỹ đạo khác Ỉ toàn bo ä n g u y ên tử man g các mức năn g lươ ï n g rời ra ï c ägy g g ïg ï Ỉ năng lượng của nguyên tử được lượng tử hóa 3 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Mức năng lượng (Energy level): Nê l E(V) E 2 E 3 E 4 N a ê n g l ượn g E( e V) E Δ E E E Ground state E 1 E 0 2 E ner gy g a p Δ E ij = E j - E i − Các mức năng lượng trong của điện tử trong nguyên tử không liên tục − Một điện tử chỉ có thể mang một trong các mức năng lượng rời rạc này 4 − Mức năng lượng thấp nhất E 0 được gọi là mức nền (ground state) Ỉ trạng thái ổn đònh của nguyên tử CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Mức năng lượng (tt): − Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng cao E j xuống mức năng lượng j thấp E i thì nó sẽ phát ra một năng lượng Δ E = E ij = E j – E i − ΔE được phát ra dưới dạng nhiệt hoặc dưới dạng photon ánh sáng (sự bức xạ ánh sáng (radiation) ) − Năng lượng của một photon được bức xạ: E photon = ΔE = hf = hc/λ Ỉ λ = hc/ ΔE Ỉ Bươ ù cso ù ng a ù nh sa ù ng pha ù t xa phu thuộc va ø o khoa û ng ca ù ch giư õ aca ù c Ỉ Bươc song anh sang phat xa ï phu ï thuộc vao khoang cach giưa cac mức năng lượng của vật liệu 5 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Mức năng lượng (tt): − Khi nguyên tử nhận một năng lượng E từ bên ngoài cung cấp sẽ xảy ra hai trường hợp: + Nếu E = E ij (i,j= 0,1,2 …), điện tử có trạng thái năng lượng E i sẽ hấp thụ (absorption) năng lượng E và di chuyển lên mức năng lượng cao hơn E j á á + Ne á u ΔE ≠ E ij (i, j = 0,1,2 …) khôn g xả y ra ha áp thụ E(eV) E(eV) E i E j (E ij = E j –E i ) E= E ij E i E j (E ij = E j –E i ) E ≠ E ij 6 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Quá trình biến đổi quang điện xảy ra dựa trên 3 hiện tượng sau: Hấp thụ (Absortion) Phát xạ tự phát (Spontaneous emission) Phát xạ kích thích (Spontaneous emission) Biến đổi quang -điện Biến đổi điện - quang Biến đổi điện - quang 7 Linh kiện thu quan g (Photo detector) LED (Light Emitting Diode) Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  nh sáng kết hợp (Coherent Light) − nh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo ra có tính kết hợp, nghóa các photon ánh sáng có: + Cùng tần số + Cùng pha + Cùn g cùn g p hân cực + Cùng hướng truyền Ỉ nh sáng do laser phát ra có tính kết hợp − Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra tự nhiên do các điện tử luôn có khuynh hướng chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái ổn đònh có năng lượng thấp hơn 8 Ỉ nh sáng do LED phát ra không có tính có tính kết hợp CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Vùng năng lượng (Energy band): − Trong chất bán dẫn (hay chất rắn nói chung), các mức năng lượng rời rạc nhau nhưng rất gần nha u Ỉ các điện tử xem như nằm ở các vùng năng lượng (energy band) − Tron g chất bán dẫn , có thể p hân bie ä t thành hai vùn g năn g lươ ï n g : g,pä ggïg + Vùng hoá trò (Valence band): vùng năng lượng thấp, là vùng năng lượng bền vững của điện tử. + Vùng dẫn (Connection band): vùng năng lượng cao − Các điện tử có thể nằm ở một trong các vùng năng lượng này (vùng dẫn hoặc vùng hoá trò) nhưng không thể nằm giữa các vùng năng lượng Ỉ energy gap 9 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Vùng năng lượng (tt): E E Vùng dẫn (Conduction band) Ener gy g a p (Conduction band) Vùng hoá trò (Valence band) gy g p 10 (Valence band) [...]... + + + + + Kích thước vùng phát quang Góc phát quang của nguồn Góc thu nhận (hay NA) của sợi quang Vò trí tương đối giữa nguồn quang và sợi quang Bước sóng ánh sáng 32 CAC CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA KY CUA NGUỒN QUANG Hiệu suất ghép quang (tt): − Hiệu suất ghép quang của một loại nguồn quang: + SLED 1 5% SLED: 1-5 % + ELED: 5-1 5% + Laser: - 60% đối với sợi đơn mode (SMF) - 90% đ ái vớùi sợi đa mod đố đ... phức tạp hơn, gồm nhiều lớp bán dẫn để đáp ứng đồng thời các yêu cầu kỹ thuật của một nguồn quang Quá trình phát quang: 18 LED (Light Emitting Diode) I V + p Vùng hiếm (Depletion region) - Phá Ph ùt xạ tư pháùt tự h + photon Ec Eph = hν Eg = Ec - Ev Ev - + + + + + + + + + + + V>VD n - VD + + E Lỗ trống - Điện tử tư + 19 LED (Light Emitting Diode) Phân loại: − LED phát xạ mặt SLED (Surface LED): Cấu trúc... dòng Đặc tuyến P-I: P(mW) − Công suất p t quang của phá q g nguồn quang thay đổi theo dòng điện kích thích − Laser chỉ hoạt động ở chế độ h đ ä pháùt xạ kí h thí h khi kích thích dòng điện kích thích I>Ing − Ing: dòng ngưỡng − SLED co công suat phát có cong suất phat quang lớn hơn ELED LASER 10 SLED ELED 5 I(mA) 0 Ing 100 200 30 CAC CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA KY CUA NGUỒN QUANG Góc phát quang: − Công... QUANG (LIGHT SOURCE) Đònh nghóa: Nguồn quang là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu anh sáng có cong suất ty với dong ánh sang co công suat tỷ lệ vơi dòng điện chay qua nó chạy no Có hai loại nguồn quang: − LED (Light Emitting Diode) − Laser ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Bước sóng do nguồn quang tạo ra chỉ phụ thuộc vào vật liệu che tao: chế tạo: λ= hc Eg ( J )... Emission of Radiation) Grating Active layer n5 n4 n3 n2 n1 Nguyên lý cấu tạo DFB Laser Nguyên lý cấu tạo của C3 Laser (Cleaved-Coupled-Cavity Laser) Grating Active layer y Nguyên lý cấu tạo của DBR Laser Nguyên lý cấu tạo của External Cavity Laser 29 CAC CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA KY CUA NGUỒN QUANG Công suất phát quang: − Là công suất tổng cộng mà nguồn quang phát ra − Phu thuộc vào dong điện kích thích Phụ... cực: 40o − G ùc pháùt quang củûa l Gó h laser nhỏû mậät độä năng h đ lượng ánh sáng do laser phát ra lớn 31 nh sáng do laser phát ra có thể gây hại mắt CAC CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA KY CUA NGUỒN QUANG Hiệu suất ghép quang: − Đònh nghóa: η= Popt Ps Popt: công suất quang ghép vào sợi Ps: công s ất phát q ang cua nguon q ang cong suat phat quang c ûa ng ồn quang − Hiệu suất ghép quang phụ thuộc vào: +... 1, 24 Eg (eV ) 13 NGUON NGUỒN QUANG (LIGHT SOURCE) Trong TTQ, nguồn quang được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn, gồm các vật liệu nhóm III và V kết hợp với nhau GaP, GaAsP, AlGaAs, GaAs, InP, InGaAsP InGaAsP GaAs/InP AlGaAs GaAsP GaAs 0,5 0,6 0,7 0,85 1,0 1,3 1,55 λ(μm) In1-xGaxAs1-yPy: thay đổi các giá trò x,y phù hợp sẽ tạo ra ánh sáng có bước sóng thích hợp 14 NGUON NGUỒN QUANG (LIGHT SOURCE) Độ rộng... LED vào sợi quang: 33 CAC CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA KY CUA NGUỒN QUANG Độ rộng phổ (Spectral width): − Nguồn quang phát ra công suất cực đại ở bước sóng trung tâm và giảm dần về hai phía Công suất − Độ rộng phổ là khoảng bước sóng chuẩn hoá 1 mà công suất q g không nhỏ hơn quang Δλ 0.5 phân nữa mức công suất đỉnh − Laser có độ rộng phổ rất hẹp so với LED: λ λ(nm + Laser: 1- 4 nm 1 + LED: 3 5-1 00nm p )... dụng trong kỹ thuật WDM có Δλ < 0 1nm 0,1nm 34 CAC CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA KY CUA NGUỒN QUANG Thời gian chuyển lên (Rise time): − Là thời gian để công suất ra tăng từ 10% đến 90% mức sông suất ổn g đònh khi có xung dòng điện kích thích nguồn quang Công suất tương đối 1 0.9 t 0.1 tr − Thời gian lên ảnh hưởng đến tốc độ bit của tín hiệu điều chế Muốn điều chế ở tốc độ bit càng cao thì nguồn quang phải... Laser (không quá 1 ns) rất nhanh so với LED 35 (2–50 ns tùy loại) CAC CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA KY CUA NGUỒN QUANG nh hưởng của nhiệt độ: − Bước sóng thay đổi khi nhiệt độ thay đổi ảnh hưởng lớn đến hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo bứơc sóng (WDM) − Dòøng ngưỡng của Laser thay đổi khi nhiệät độä thay đổi (+1%/oC) g y y ( ) Laser chòu ảnh hưởng bởi nhiệt độ lớn hơn so với LED cần phải . thích (Spontaneous emission) Biến đổi quang - iện Biến đổi điện - quang Biến đổi điện - quang 7 Linh kiện thu quan g (Photo detector) LED (Light Emitting Diode) Laser (Light. ùt p n - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + - photon V>V D Ph a ùt xạ tư ï p h a ùt - + - V D E Lỗ trống + Điện tư û - E g = E c -E v E ph