Tổng quan về Diode phát quang, vật liệu bán dẫn
quang quang ® ® i i Ö Ö n n t t ö ö v v μ μ th th « « ng ng tin tin quang quang s s î î i i VLKT 2007 1.2 Linh kiện dẫn sóng quang, sự lan truyền của ánh sáng trong linh kiện dẫn sóng quang 1.2.1 Hệ sợi quang - Mạch quang tích hợp và nhng đặc điểm ắ Cuối thập kỷ 60, khái niệm quang học tích hợp (integrated optics) xuất hiện ắ Quang học tích hợp là phơngpháptruyềnvàxửlítínhiệu bằng tia sáng ắ Một số u điểm và nhợc điểm của phơng pháp truyền dẫn bằng sợi quang so với các phơng pháp truyền dẫn truyền thống: u điểm: -Tránhđợc sự giao thoa của sóng điện từ. -Tránhđợc sự chập mạch điện hay bị nối đất. - An toàn trong truyền tin, tránh đợc nghe trộm - Tổn hao nhỏ (có thể đạt 0,2dB/ km). - Dải thông rộng, khả năng phức hợp cao. -Kíchthớc nhỏ, trọng lợng nhẹ. - Vật liệu rẻ, dồi dào Nhợc điểm: Không chuyển tải đợc năng lợng điện. 1 2 1 2 Sơ đồ hệ sợi quang, mạch quang tích hợp Du điểm của mạch quang tích hợp: - Tăng độ rộng dải thông. - Mở rộng sự phức hợp phân tần (frequency division multiplexing). - Khớp nối ít tổn hao. - Mở rộng chuyển mạch đa cực. -Kíchthớc nhỏ, trọng lợng nhẹ, công suất tiêu thụ ít. - Tiết kiệm trong sản xuất. - Độ lăp lại cao. D Nhợc điểm: Cần đầu t đổi mới công nghệ cao tốn kém. 1.2.2 Phơng thức truyền sóng (mode) trong linh kiện dẫn sóng bn phẳng (lý thuyết quang sóng) -Mode quang học là cách thức phân bố theo không gian của năng lợng quang trong một hay nhiều chiều toạ độ. -Về toán học mode là điện trờng tho mãn phơng trỡnh sóng Maxwell với nhng điều kiện biên nhất định Mô hỡnh linh kiện dẫn sóng bn phẳng -Linh kiện dẫn sóng bản phẳng là linh kiện dẫn sóng gmbalớpcóba vùng chiết suất khác nhau: +Lớp một và ba là nửa vô hạn theo trục x, +Lớp hai có bề dày giới hạn theo trục x là d g , +Ba lớp đều vô hạn theo hai trục y và z. Ph−¬ng trình sãng Maxwell () () ( ) () 22 22 22 nr r,t r, t ; n r ct ∂ ∇= =με ∂ ε ε G G GG G G Tr−êng hîp sãng ®¬n s¾c () () it r, t r e ω =εε GG GG () () () 222 rknr r0∇+⋅ ⋅=εε GGG GG Giả sösãnglantruyÒntheotrôcz () ( ) ( ) ( ) rx,y,zx,yexpiz== −βεε ε G GG G Trong ®ã β lµ hÖ sè lan truyÒn () () () ( ) 22 22 2 22 x, y x, y kn r x, y 0 xy ∂∂ ⎡⎤ + +−β = ⎢⎥ ⎣⎦ ∂∂ εε ε G GG G 1 2 3 4 5 Linh kiện dẫn sóng đợc gi thiết vô hạn theo y () () 2 22 2 1 2 x, y kn x, y 0 x + = () () 2 22 2 2 2 x, y kn x, y 0 x + = () () 2 22 2 2 2 x, y kn x, y 0 x + = vùng 1 vùng 2 vùng 3 Trờng hợp sóng điện ngang (TE) là sóng phẳng truyền theo trục z: và bằng không, nghĩa là sóng phân cực theo trục y. không phụ thuộc vào y và z, vỡ theo các trục đó các lớp vật liệu là vô hạn nên không có sự phn xạ, không tạo thành sóng đứng x z ( ) ( ) y x, y x, y = G y 6 7 8 Trongbavùngtrêntacólờigii () () () () () yg gg A exp qx 0 x xBcoshxCsinhx dx0 Dexp p x d x d =+ + Các hằng số A, B, C và D có thể đợc xác định từ các điều kiện liên tục của và của tại x = 0 và x = -d g , y x y () () ()( ) () () () () ( ) ' ' y ' ggg c exp qx xccoshxq/hsinhx c cos hd q / h sin hd exp p x d = ++ ể xác định q, h và p chúng ta thay vào phơng trỡnh sóng y 9 10 ( ) 2/1 22 1 2 knq = ( ) 2/1 22 2 2 = nkh ( ) 1/2 222 3 pnk= Dùng điều kiện liên tục của tại x = -dg y x () ( )() ( ) ( ) sin cos / sin gg g g hhdqcoshdphdqhhd = + () () 2 /1 hqph pq hdtg g + = Phơng trỡnh siêu việt này gii bằng phơngphápđồthị(vẽ hai vế theo ). Kết qa cho ta một tập hợp các giá trị gián đoạn cho phép của ứng với các mode cho phép, kí hiệu là m 11 12 13 14 ắĐối với trờng hợp n 2 > n 3 > n 1 ta có thể nhận đợc các mode có dạng nh ở hình bên. Một linh kiện dẫn sóng làm từ vật liệu có chiết suất n 2 trên đế có chiết suất n 3 và bao quanh là không khí có chiết suất n 1 . y (x) y (x) y (x) y (x) y (x) Sự phụ thuộc vào x trong các mode khác nhau ắ Điều kiện cần thiết của linh kiện dẫn sóng là n2 > n1 và n3. - Mode (a) không có ý nghĩa vật lí, vì tăng không giới hạn khi - Mode (b) và (c) là sóng đợc dẫn truyền (guided mode) . Sóng ngang điện trờng bậc không và bậc một: TE 0 và TE 1 . - Mode (d) giảm theo exp khi ra ngoài nhng tồn tại theo hàm sin trong đế và gọi là mode bức xạ đế (substrate radiation mode). Nó không có lợi trong việc truyền tín hiệu, nhng có thể rất có lợi trong việc dùng để ghép nối, ví dụ trong khớp hình nêm (tapered coupler). - Mode (e) là mode không truyền đợc trong linh kiện dẫn sóng + x ắChỉ có nhng giá trị nằm trong khong kn 3 < < kn 2 mới ứng với các mode có thể dẫntruyềnđợc trong linh kiện dẫn sóng - S ố mode cho phép phụ thuộc vào bề dày của linh kiện dẫn sóng và các đại lợng , n 1 , n 2 và n 3 . -Khichotrớc bớc sóng ánh sáng , chiết suất của các lớp vật liệu trong linh kiện dẫn sóng phi đợc chọn nh thế nào để có thể truyền dẫn một mode cho trớc - Linh kiện bất đối xứng với n 1 << n 3 thì điều kiện đối với chiết suất sẽ là: ( ) ( ) 2 2 2 0 2 32 32/12 g dnmnnn += () () 0 1/ 2 22 23 1 1 2 g m d nn + = 15 16 n: chờnh chitsut () y x - Trng hp cu trỳc i xng: n 2 > n 1 = n 3 () 0 1/ 2 22 23 1 2 g m d nn = [...]... phân loại sợi quang Sợi quang thờng có tiết diện tròn, gồm hai phần: lõi và vỏ; đờng kính khoảng 100m ữ 400m - Lớp vỏ có chiết suất không đổi n2 nhỏ hơn chiết suất lớp lõi n1 Phân loại theo cấu tạo -Loại sợi quang dật cấp :chiết suất bậc thang -Loại sợi quang liên tục :chiết suất giảm dần Phân loại theo số mode - Sợi quang đơn mode - Sợi quang đa mode 8 12 m 125m 50 200 m 125 400 m Sợi quang dật cấp... sợi quang có phân bố chiết suất theo thiết kế trớc Các thỏi phôi đợc đặt trong các lò nung để nâng cao nhiệt độ, phôi đặt thẳng đứng, ở đầu cuối của phôi đạt nhiệt độ nóng chảy và từ đó kéo ra sợi quang, gồm lõi và vỏ Sợi quang kéo xuống phía dới đợc bọc lớp bảo vệ polyme Những sợi quang nh thế này thờng có độ dài từ vài km đến hàng chục km Cáp quang đợc chế tạo từ vài sợi quang đến vài chục sợi quang, ... kiện dẫn sóng quang, trong công nghệ vi điện tử đã dùng rất nhiều giải pháp công nghệ khác nhau: - Phơng pháp phủ màng mỏng dẫn quang (thuỷ tinh, nitrit, oxit) - Bắn phá bằng ion (cấy ion) khuếch tán tạp chất để tạo lớp dẫn quang - Phát triển lớp epitaxy dị chất dẫn quang - Tạo lớp kém dẫn (làm giảm nồng độ hạt dẫn bằng các hiệu ứng tiếp xúc), bằng epitaxy, khuếch tán tạp, cấy ion 1.3 Sợi quang 1.3.1... Sợi quang đa mode 8 12 m 125m 50 200 m 125 400 m Sợi quang dật cấp a ơn mode b đa mode 50m 125m Sợi quang liên tục 3 Các thông số quan trọng của sợi quang a Độ chênh chiết suất Ngời ta biểu diễn độ chênh chiết suất bằng đại lợng : = n1 n2 n1 (1.43) -Đối với sợi quang đơn mode, = 0,005 -Đối với sợi quang đa mode, = 0,02 b Khẩu độ số NA (numeral aperture) 2 1/ 2 (1.44) NA = sin imax = (n12 n2 ) r... của sợi quang Sợi quang phải có độ tổn hao thấp độ tổn hao chủ yếu bao gồm hai quá trình: hấp th bức xạ và tán xạ bức xạ Nh vậy để giảm tổn hao phải lựa chọn vật liệu và bớc sóng laser tơng ứng sao cho hệ số hấp thụ thấp nhất, phải nâng cao chất lợng vật liệu và giảm thiểu sự tán xạ của bức xạ - Sợi quang phải có tính chất cơ học thích hợp, phải có độ bền, độ chịu mỏi do rung động cao - Sợi quang phải... vào lõi còn gây nên hiện tợng phản xạ toàn phần ở ranh giới lõi và vỏ NA = ( n n 2 1 ) 2 1/ 2 2 (1.45) Khẩu độ số đặc trng cho sự ghép nối hiệu qa gia nguồn laser với sợi quang 4 Công nghệ chế tạo sợi quang Công nghệ chế tạo sợi quang đợc chia làm hai giai đoạn: giai đoạn chế tạo phôi (preform) và giai đoạn kéo sợi Giai đoạn chế tạo phôi: phơng pháp lắng đọng hoá học từ pha hơi (chemical vapour deposition/...1.2.3 Phơng thức truyền sóng trong linh kiện dẫn sóng quang theo mô hình quang học-tia (ray optic) Trong phơng pháp quang học-tia sự lan truyền ánh sáng theo trục z đợc xem nh tạo nên bởi sự lan truyền của các sóng phẳng theo đờng zig-zag trong mặt phẳng x-y do sự phn xạ toàn phần từ các... mode, cho nên thành phần z của vận tốc pha của chúng khác nhau Sơ đồ tia ứng với hai mode TE0 và TE1lan truyền trong linh kiện dẫn sóng ba lớp với n2 > n3 > n1 1 0 a- S liên quan gia hai phơng pháp quang lý v quang hỡnh Lời giải phơng trình sóng có dạng y ( x, y ) sin ( hx + ) 17 Thay vào phơng trỡnh 7 2 y ( x, y ) 2 2 2 + k n x 2 ( y ( x, y ) = 0 ) h 2 sin ( hx + ) + k 2 n 2 2 sin ( hx... mode truyền dẫn sin 2 = / kn2 (kn3 / kn2 ) = n3 / n2 26 iều kiện này phù hợp với (23) sin 2 = / kn2 1 - Nếu kn2 27 Trờng hợp ny không có ý nghĩa vật lí Nh vậy những kết quả nghiên cứu bằng quang hình và quang lí là phù hợp với nhau b Bn chất gián đoạn của hệ số lan truyn iều kiện t hp -Sóng truyền trong linh kiện dẫn sóng sẽ lặp lại chính nó sau hai lần phn xạ liên tiếp trên mặt phân biên n1ữn2... tới hạn của hiện tợng phn xạ toàn phần bên trong ở mặt phân cách n2 - n3 thỡ tia sáng bị nhốt lại hoàn toàn, ứng với mode truyền dẫn hỡnh c 2 arcsin(n3 / n2 ); n sin 2 > 3 n2 23 Từ lý thuyết quang lý: sin 2 = / kn2 24 - Mode bức xạ xuất hiện khi kn1 sin 2 kn1 / kn2 = n1 / n2 iều kiện này phù hợp với (21) 25 - Nếu lớn hơn kn1 và nhỏ hơn kn3 thì có thể duy trì mode đế - Chỉ khi kn3 . m = 1, 2, 3, 28 29 a 23 và 21 là góc dịch pha khi phnxạ toàn phần 2sinAC AB d = 22 123 0 2 2sin 2 m nd m = Hay 29 b 22 123 22 m kn dcos m = 0 2 k = Với () () 22 2/ 1 2 32 22 223 cos/sin nnntg. bn) m 22 321 0 2 2sinnd = + () 22 321 0 2 2cosfnd ==+ c s 2 0 2 0 2 nd () f 23 21 2 = + 23 21 + là góc tới hạn phản xạ toàn phần (1 -2) . là góc tới hạn phản xạ toàn phần (2- 3 ). c s 39 40 41 42 1 .2. 4. ) 22 22 2 22 x, y x, y kn r x, y 0 xy ∂∂ ⎡⎤ + +−β = ⎢⎥ ⎣⎦ ∂∂ εε ε G GG G 1 2 3 4 5 Linh kiện dẫn sóng đợc gi thiết vô hạn theo y () () 2 22 2 1 2 x, y kn x, y 0 x + = () () 2 22 2 2 2 x,