Bài giảng Thông tin sợi quang - Chương 3: Máy phát

Bài giảng Thông tin sợi quang - Chương 3: Máy phát cung cấp cho học viên những thông tin về nguyên lí phát xạ ánh sáng; cấu tạo và đặc điểm của LED; cấu tạo và đặc điểm Laser Diode; các ứng dụng LED và Laser;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chương MÁY PHÁT 3/2/2019 Nội dung chương  3/2/2019 Nguyên lí phát xạ ánh sáng,  Cấu tạo đặc điểm LED  Cấu tạo đặc điểm Laser Diode  Các ứng dụng LED Laser Đặc điểm chung LED Laser LED Laser hoạt động theo chế phát xạ hoạt động theo chế phát xạ tự phát kích thích phát ánh sáng o kết hợp phát ánh sáng kết hợp có cấu trúc dị thể kép để giam có cấu trúc dị thể kép để giam hạt mang buồng cộng hạt mang buồng cộng hưởng hưởng khơng có gương phản xạ có gương phản xạ +cơ chế bơm để giam khuếch đại photon tạo ánh sáng kết hợp cường độ cao có phổ rộng: vài chục nm có phổ hẹp: (0,05-0,1) nm 3/2/2019 Nguyên lý phát xạ ánh sáng 3/2/2019 Vật liệu có dải cấm trực tiếp gián tiếp 3/2/2019 Vật liệu có dải cấm trực tiếp gián tiếp Ví dụ 3.1: Silicon vật liệu bán dẫn thích hợp ngành điện tử Tuy nhiên cấu trúc vùng cấm gián tiếp nên không sử dụng để tạo nguồn phát quang Nếu có vùng cấm trực tiếp cơng nghệ tích hợp mạch điện-quang xuất sớm Vật liệu chế tạo nguồn quang hệ thứ GaAs Năng lượng vùng cấm 1,43 eV nhiệt độ 300 K Từ biểu thức (3.2) ta có: c ch 108  6,6251034     870 nm 19 f Eg 1,43 1,6 10 3/2/2019 Cấu trúc dị thể Một cấu trúc dị thể mối nối vật liệu có lượng vùng cấm (bandgap) khác Do đó, người ta gọi mối nối dị thể Một mối nối dị thể n-P (dùng chữ P hoa để tên vật liệu có độ rộng vùng cấm lớn hơn) biểu hình vẽ- Do mức lượng mối nối dị thể khác nên xuất điểm nhảy dải hố trị hình vẽ 3/2/2019 Cấu trúc dị thể kép, sơ đồ hình học giản đồ lượng Sơ đồ hình học cấu trúc dị thể kép Giản đồ lượng cấu trúc dị thể kép 3/2/2019 Vật liệu có dải cấm trực tiếp gián tiếp Quan hệ tham số mạng lượng vùng cấm họ hợp chất III-V [1] 3/2/2019 Tham số mạng lượng vùng cấm Ví dụ 3.2: Khảo sát Laser InGaAsP với lớp vỏ InP Hình 3.6 InP có tham số mạng 5,9 1010 nm Để lớp tích cực InGaAsP bước sóng 1,5 m có tham số mạng, cần hợp chất In1xGaxAsyP1y vùng tô đậm 3/2/2019 10 Cấu tạo Laser DFB có cấu trúc dị thể kép 3/2/2019 32 Phổ phân bố đối xứng DFB lí tưởng Phổ đầu phân bố đối xứng DFB lí tưởng 3/2/2019 33 Cấu tạo Laser DFB (tt) Laser DFB sử dụng phản xạ Bragg để nén mode không mong muốn: Đặt cấu trúc lượn sóng có chu kỳ  hốc Nhờ cấu trúc có chu kỳ mà sóng chạy hướng tiến hướng lùi giao thoa với Để đạt điều này, thay đổi pha sóng vòng chu kỳ phải 2m , m số nguyên gọi bậc nhiễu xạ Bragg m=1 tương ứng với bước sóng Bragg bậc (  B) tính sau: 2  2 2n B  B  n Suy Do đó, chu kỳ cấu trúc lượn sóng định bước sóng Laser đơn mode DFB 3/2/2019 34 Cấu trúc lượn sóng DFB 3/2/2019 35 Laser đơn mode (tt) Cấu tạo Laser DBR 3/2/2019 36 Laser hốc kép C3 3/2/2019 37 Laser hố lượng tử 3/2/2019 38 Laser hố lượng tử (tt) Các mức lượng điện tử dải dẫn biểu diễn sau: 2 h i Eic  Ec  8d me với i=1,2,3, Các mức lượng lỗ dải hoá trị biểu diễn sau: h2 j E jh  Ev  8d mh với j=1,2,3,… Trong đó, d độ dày lớp tích cực, me mh khối lượng hiệu dụng điện tử lỗ trống i j số nguyên Từ mức lượng rời rạc, ta biểu diễn độ lệch lượng sau Ei , j 3/2/2019 h2 i j2  Eg  (  ) 8d me mh 39 Laser hố lượng tử (tt)  Với E g  Ec  Ev Ta thấy lớp tích cực d mỏng độ lệch lượng E g  Ec  Ev lớn Vì d nhỏ nên thành phần thứ đủ lớn so so với thành phần thứ Do đó, thay đổi d thay đổi Ei , j thay đổi bước sóng ánh sáng phát  Giãn nở độ rộng đường tượng mà độ rộng đường Laser bị mở rộng nguồn quang bị điều chế trực tiếp tín hiệu điện vào Chẳng hạn, Laser DFB C3 khơng cịn Laser đơn mode bị điều chế trực tiếp tín hiệu tốc độ bít cao Khi xảy hiệu ứng Chirp 3/2/2019 40 Laser hố lượng tử (tt)  Mặc dù Laser hố lượng tử phụ thuộc vào nhiệt độ có độ giãn nở phổ nhỏ điều chế tín hiệu trực tiếp, lớp tích cực mỏng nên hốc giam hạt mang phô ton nhỏ làm cho công suất bị hạn chế  Để khắc phục nhược điểm người ta chế tạo loại Laser đa hố lượng tử Trong đó, có nhiều lớp tích cực có lượng dải cấm nhỏ đặt xen kẽ với lớp lót có lượng dải cấm lớn Do đó, hốc giam hạt mang phơ ton lớn nhiều so với Laser hố lượng tử thông thường 3/2/2019 41 Laser hố lượng tử 3/2/2019 42 Laser thay đổi bước sóng 3/2/2019 43 Laser thay đổi bước sóng(tt)  Giải thích hoạt động Laser thay đổi bước sóng: Đầu tiên, tổ hợp hai vùng tích cực pha xem loại Laser FP đặc biệt mà mặt có độ phản xạ vùng phản xạ Bragg xem lọc quang   ánh sáng tạo từ phần Laser FP phải qua lọc quang trước ngồi Do lọc Bragg có độ rộng phổ hẹp nên có mode dọc xun qua cịn mode dọc khác bị nén 3/2/2019 44 Laser thay đổi bước sóng (tt)  Khi thay đổi dịng điện phân cực bước sóng Bragg thay đổi Nghĩa làm dịch chuyển bước sóng trung tâm băng thơng Bragg  Khi dịng điện phân cực thay đổi đủ lớn bước sóng trung tâm dịch đủ rộng làm cho mode dọc ban đầu bị nén mode kế cận lựa chọn, bước sóng Laser bị thay đổi  Khi hai vùng cách tử vùng pha điều chỉnh đồng thời bước sóng thay đổi khoảng (10  15) nm 3/2/2019 45 Laser thay đổi bước sóng (tt) Phổ công suất Laser thay đổi bước sóng TWFL-100 3/2/2019 46 ... cấm gián tiếp nên khơng sử dụng để tạo nguồn phát quang Nếu có vùng cấm trực tiếp cơng nghệ tích hợp mạch điện -quang xuất sớm Vật liệu chế tạo nguồn quang hệ thứ GaAs Năng lượng vùng cấm 1,43 eV... cực bước sóng phát xấp xỉ giá trị m với y  0,4 3/2/2019 11 Cấu trúc LED phát xạ mặt Sơ đồ cấu trúc LED phát xạ mặt 3/2/2019 12 Cấu trúc LED phát xạ mặt 3/2/2019 13 Cấu trúc LED phát xạ cạnh... chung LED Laser LED Laser hoạt động theo chế phát xạ hoạt động theo chế phát xạ tự phát kích thích ? ?phát ánh sáng o kết hợp ? ?phát ánh sáng kết hợp có cấu trúc dị thể kép để giam có cấu trúc dị