BỘ PHÁT QUANG

Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 29 - CHƯƠNG III BỘ PHÁT QUANG Vai trò của bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang vào sợi quang. Linh kiện chính trong bộ phát quang là nguồn phát quang : hệ thống thông tin quang sợi thường sử dụng các bộ nguồn phát quang bán dẫn là điốt phát quang (LED) và laser bán dẫn (LD). Linh kiện phát quang bán dẫn có ưu điểm: kích thước rất nhỏ, hiệu suất chuyển đổi điện quang rất cao, rất bền, có vùng bước sóng phát thích hợp, kích thước chùm tia thích h ợp với kích thước của sợi quang và có thể điều biến trực tiếp bằng dòng bơm với tần số khá cao §1. Cơ sở lý thuyết của hấp thụ và phát quang trong vật chất Trong điều kiện bình thường các vật liệu hấp thụ ánh sáng nhiều hơn là phát xạ. Quá trình hấp thụ và phát xạ ánh sáng trong vật chất có thể giải thích bằng sơ đồ mức năng lượng: Giả sử ta có 2 mức năng lượng E 1 và E 2 với E 2 >E 1 . E 1 gọi là trạng thái cơ së với E 2 - trạng thái kích thích. Khi photon có năng lượng hν = E 2 – E 1 đi vào vật chất, nguyên tử sẽ hấp thụ nó và chuyển lên mức kích thích E 2 . Các nguyên tử ở mức kích thích E 2 sẽ chuyển dời về mức cơ sở E 1 và phát xạ photon. Cơ chế phát xạ photon trong vật chất được chia làm 2 loại: phát xạ ngẫu nhiên (spontaneous emission) và phát xạ cưỡng bức. h E 1 Hấp thụ Phát xạ ngẫu nhiên Phát xạ cưỡng bức E 2 h h h h Hình 3.1. Sơ đồ biểu diễn quá trình hấp thụ và phát xạ giữa các mức năng lượng Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 30 - Phát xạ ngẫu nhiên (hay tự phát) phát ra các photon có hướng ngẫu nhiên và không có liên h ệ về pha giữa chúng. Phát xạ cưỡng bức xảy ra khi có một photon có năng lượng ph ù hợp tương tác với nguyên tử ở trạng thái kích thước và phát x ạ ra 2 photon giống hệt nhau về năng lượng và hướng truyền. Các loại laser đều hoạt động tr ên nguyên lý phát xạ cưỡng bức. Điốt phát quang phát xạ ánh sáng ngẫu nhiên. 1.1. Phương trình tốc độ cho phát xạ và hấp thụ Giả thiết ta có hệ nguyên tử 2 mức tương tác với ánh sáng. Gọi N 1 và N 2 là m ật độ nguyên tử tại mức E 1 và E 2 (cơ sở và kích thích): ρ ph (ν) là mật độ phổ của năng lượng chiếu xạ. Tốc độ của phát xạ ngẫu nhiên, phát xạ cưỡng bức và h ấp thụ có thể viết như sau: R spon =AN 2 ; R shim =BN 2 ρ ph (ν) ; R abs =B’N 1 ρ ph (ν) (3.1) A, B, B’ là các h ằng số. Ở trạng thái cân bằng nhiệt, mật độ nguyên tử phân bố theo thống kê Boltzman: 1 2 exp exp g B B E N h N k T k T                  (3.2) trong đó : k B -hằng số Boltzman, T-nhiệt độ tuyệt đối của hệ nguyên tử N 1 , N 2 không phụ thuộc thời gian trong trạng thái cân bằng nhiệt, nghĩa là chuy ển dời lên và xuống phải bằng nhau. AN 2 + BN 2 ρ ph = B’N 1 ρ ph (3.3) T ừ biểu thức (3.2) và (3.3) ta có thể xác định mật độ phổ chiếu xạ ρ ph : Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 31 -     exp 1 ph B A B h B B k T      (3.4) Ở trạng thái cân bằng nhiệt, mật độ phổ chiếu xạ ρ ph phải bằng mật độ phổ phát xạ vật đen tuyệt đối theo công thức Plank:   3 3 8 exp 1 ph B h c h k T       (3.5) So sánh bi ểu thức (3.4) và (3.5) ta thu được: 3 3 8 h A B c          và B=B’ (3.6) Bi ểu thức trên do Einstein tìm ra đầu tiên, và A,B gọi là hệ số Einstein. Một số hệ quả của công thức (3.1) đến (3.6): - Nguồn phát xạ nhiệt hoạt động trên cơ chế R spon lớn hơn cả hai R shim và R abs khi k B T>hν. - Khi phát xạ tại vùng khả kiến và hồng ngoại (hν~1eV) phát xạ ngẫu nhiên luôn luôn l ớn hơn phát xạ cưỡng bức trong trạng thái cân bằng nhiệt tại nhiệt dộ phòng (k B T ≈ 25meV):   1 exp 1 shim B spon R h k T R           << 1 (3.7) Như vậy, muốn cho laser hoạt động cần phải có nguồn bơm ngoài để phá vỡ trạng thái cân bằng nhiệt. Để quá tr ình khuếch đại xảy ra khi có nguồn bơm ngoài, phát xạ cưỡng bức phải lớn hơn quá trình hấp thụ. Ta thấy R shim >R abs chỉ khi N 2 >N 1 , nghĩa là có trạng Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 32 - thái đảo mật độ phân bố. Trạng thái đảo mật độ phân bố không thể nào xảy ra trong điều kiện cân bằng nhiệt (xem 3.2). 1.2. Phát xạ và hấp thụ quang trong bán dẫn Trạng thái đảo mật độ phân bố là điều kiện tiên quyết cho hoạt động của khuếch đại quang và laser. Trong hệ nguyên tử, trạng thái đảo mật độ phân bố có thể thực hiện với sơ đồ 3 và 4 mức năng lượng. Trong chất bán dẫn có cấu trúc vùng năng lượng gồm vùng dẫn và vùng hóa tr ị. Cấu trúc vùng đơn giản nhất trong bán dẫn là cấu trúc parabol của vùng dẫn và vùng hóa trị ( xem hình 3.2). Phát xạ ngẫu nhiên chỉ xảy ra khi mức năng lượng E 2 lấp đầy và mức năng lượng E 1 trống (lỗ trống). Xác suất lấp đầy điện tử trong vùng dẫn và vùng hóa trị tuân theo phân bố Fermi-Dirac:     1 2 2 1 1 1 1 exp 1 exp f C B f V b E E f E k T E E f E k T                                     C V (3.8) E k Vector sóng Vùng dẫn Vùng hóa trị E c E v E g E fc E fv Hình 3.2. Sơ đồ vùng năng lượng trong chất bán dẫn có pha tạp suy biến nặng Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 33 - f E C , f E V là mức Fermi trong các vùng dẫn và vùng hóa trị. Tốc độ phát xạ ngẫu nhiên tổng thể giữa 2 vùng là tổng các chuyển dời có thể giữa 2 vùng với năng lượng photon là:         1 2 2 1 2 , 1 spon C V CV E R A E E f E f E dE           C (3.9) V ới h = E ph = E 2 - E 1 ; ω = 2πν; 2 h  h và ρ cv - mật độ liên kết giữa các mức, xác định bằng số mức trong một đơn vị thể tích đối với đơn vị vùng năng lượng:     3 2 1 2 2 2 3 2 2 CV g m E     h h (3.10) g E - độ rộng vùng cấm; m r - khối lượng suy biến → 2 C V C V m m m m m   trong đó : m C , m V - khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống trong vùng dẫn và vùng hóa trị. ρ cv không phụ thuộc vào E 2 do đó ta đưa ra khỏi dấu tích phân trong (3.9). Tương tự, tốc độ phát xạ cưỡng bức và hấp thụ trong bán dẫn sẽ là:         1 2 2 1 2 , . 1 shim C V CV ph E R B E E f E f E dE            C (3.11)         1 2 1 2 2 , . 1 abs V C CV ph E R B E E f E f E dE            C (3.12) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 34 - Điều kiện mật độ R shim >R abs khi so sánh (3.11) và (3.12), ta có     2 1e V f E f E . K ết hợp vói biểu thức (3.8), ta thu đuợc : 2 1f f g E E E E E    C V (3.13) Điểu kiện (3.13) có được khi mức fermi nằm trong vùng dẫn và vùng hoá trị, nghĩa là chất bán dẫn được pha tạp suy biến nặng. §2. Chuyển tiếp p – n Nguồn phát quang bán dẫn dựa trên cơ sở chuyển tiếp p-n được tạo bởi liên k ết hai loại bán dẫn n và p vào với nhau. Để tạo ra chất bán dẫn n hoặc p người ta pha tạp các chất khác nhau vào bán dẫn thuần. Loại donor cho điện tử thừa tạo thành chất n và loại acceptor bắt điện tử cho loại bán dẫn p. Khi pha tạp donor (hoặc acceptor) với nồng độ cao, chất bán dẫn trở thành suy biến nặng và m ức fermi nằm trong vùng dẫn (hoặc vùng hoá trị). Tại cân bằng nhiệt, mức năng lượng fermi bằng nhau trong t oàn chuyển tiếp p-n.(xem hình 3.3a) Khi áp đặt điện áp thuận đủ lớn vào chuyển tiếp p-n, mức fermi f E C và f E V sẽ được tách vể hai phía và điện trường nội trong chuyển tiếp giảm đi. Dòng điện qua chuyển tiếp tăng theo quy luật exponential với điện áp thuận: Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 35 - S exp 1 B qV I I k T               (3.14) I s là dòng bão hòa và phụ thuộc vào hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống. Trong vùng nghèo điện tử và lỗ trống được bơm vào khi có điện áp thuận, và chúng s ẽ tái hợp với nhau thông qua phát xạ ngẫu nhiên hoặc phát xạ cưỡng bức và phát ra photon. Chuyển tiếp p-n trình bày trong hình vẽ trên là chuyển tiếp đồng chất, nghĩa l à chúng có cùng một nguồn gốc vật liệu bán dẫn. Độ rộng vùng cấm của chúng giống nhau. Trong chuyển tiếp đồng chất, độ rộng vùng nghèo c ỡ khoảng 1÷10µm phụ thuộc vào độ dài khuếch tán của điện tử và lỗ trống trong bán dẫn và điện tử-lỗ trống tái hợp trong vùng khá rộng, làm giảm mật độ hạt tải tái hợp. a) b) E V Bán dẫn loại p Vùng điện tích không gian (vùng nghèo) h E fv E fc E c Bán dẫn loại n E fv E V E fc E c Hình 3.3. Sơ đồ chuyển tiếp p-n khi không có thiên áp (a) và khí có thiên áp thuận (b) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 36 - Vùn g ho ạt động Điện tử Vùng dẫn Vùng hóa trị Loại n Δn = n 1 – n 2 E Chiết suất Khoảng cách Loại p 0,2μm Lỗ trống Cường độ ánh sáng * g E Hình 3.5. Sơ đồ chuyển tiếp p-n cấu trúc dị thể E fv E v Loại p Cân bằng nhiệt Có thiên áp Vùng hoạt tính Lo ại n E v E fc E c E c E fc hγ E v Hình 3.4. Sơ đồ chuyển tiếp p-n có cấu trúc dị thể ở trạng thái cân bằng nhiệt không có thiên áp (trên) và khi có thiên áp thuận (dưới) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 37 - Để tăng mật độ hạt tải tái hợp nguời ta sử dụng chuyển tiếp dị chất (hetero- junction) v ới cấu trúc giữa các lớp p và n có một lớp bán dẫn mỏng với độ rộng vùng cấm nhỏ hơn 2 lớp kẹp chung quanh. Lớp bán dẫn mỏng ở giữa p và n có th ể pha tạp hoặc không pha tạp giữ vai trò giam giữ hạt tải bơm trong vùng này khi có thiên áp thuận. Các chất bán dẫn này có cấu trúc tinh thể (hằng số mạng) gi ống nhau, nhưng khác nhau về độ rộng vùng cấm. Độ dày của vùng hoạt tính có thể kiểm soát được bằng công nghệ chế tạo, thông thường cỡ khoảng 0,1µm v à dòng bơm sẽ tạo ra trong vùng mật độ hạt tải rất cao. Cấu trúc của laser bán dẫn loại dị thể có thể có nhiều lớp và có cấu hình giam gi ữ hạt tải và chùm sáng bằng độ rộng vùng cấm và bằng chiết suất giữa các lớp. Thông thường laser bán dẫn có 5 lớp hoặc nhiều hơn. §3. Chuyển dời không phát xạ 3.1. Hiệu suất phát xạ lượng tử nội Một số điện tử hoặc lỗ trống trong bán dẫn tái hợp nhưng không có phát xạ photon. Cơ chế tái hợp không phát xạ trong bán dẫn bao gồm tái hợp với bẫy tâm sâu hoặc khuyết tật mạng, tái hợp bề mặt hoặc tái hợp Auger. Tái hợp Auger đóng vai trò quan trọng trong các nguồn phát quang bán dẫn trong vùng 1,3÷1,6µm. Trên quan điểm hiệu suất phát xạ, các chuyển dời không phát xạ là vô ích. Hi ệu suất lượng tử nội trong bán dẫn được xác định bởi: int rr rr tt rr nr R R R R R     (3.15) trong đ ó : R rr - tốc độ tái hợp phát xạ; R nr - tốc độ tái hợp không phát xạ. Thời gian tái hợp phát xạ và không phát xạ ký hiệu là τ rr và τ nr và rr rr N R   ; nr nr N R   ; N - mật độ hạt tải ta có: int nr rr nr       (3.16) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 38 - Thời gian tái hợp phát xạ và không phát xạ trong các chất bán dẫn rất khác nhau và phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn. Trong bán d ẫn chuyển dời thẳng (đỉnh vùng hoá trị và đáy vùng dẫn ở hệ toạ độ E-k trùng nhau): τ rr ≈ τ nr , suy ra int 1 2   , còn trong bán dẫn chuyển dời nghiêng (đỉnh vùng hoá trị và đáy vùng dẫn không nằm trên một toạ độ k) τ nr có giá trị rất nhỏ (khoảng 10 -5 τ rr ). Trong bán d ẫn chuyển dời thẳng, tái hợp điện tử lỗ trống chuyển đổi năng lượng và xung lượng trong photon rất dễ dàng, không cần có sự tham gia của thành phần thứ 3 để bảo toàn năng lượng và xung lượng. Trong bán dẫn chuyển dời riêng để bảo toàn xung lượng cần phải có sự tham gia của phonon. Chính điều này đã làm giảm xác suất chuyển dời phát xạ trong bán dẫn chuyển dời nghiêng. Silic (Si) và Gecmani (Ge) là hai ch ất bán dẫn có chuyển dời nghiêng điển hình, do hiệu suất lượng tử nội 5 int 10    nên Si và Ge không thích hợp cho việc chế tạo các linh kiện phát quang, mặc dù chúng được dùng rất phổ biến trong các linh kiện điện tử. Hai chất bán dẫn chuyển dời thẳng điển hình là GaAs và InP có int 0,5   và sẽ đạt đến 1 khi hiệu ứng phát xạ cưỡng bức là ch ủ yếu. Xét R rr = R stim + R spon trong trường hợp tổng quát. Đối với diode phát quang LED, R stim không đáng kể so với R spon ta có thể cho R rr = R spon đối với LED. Th ời gian sống của hạt tải τ e là một thông số hữu ích để biểu thị thời gian tái hợp tổng của hạt tải khi không có tái hợp cưỡng bức. τ e được xác định là: spon nr e N R R    (3.17) trong đó N - mật độ hạt tải. Nếu R spon và R nr thay đổi tuyến tính theo N, thì τ e là m ột hằng số. Trên thực tế R spon và R nr tăng không tuyến tính theo N, và thoả mãn điều kiện sau: [...]... xạ Hình 3.7 Cấu trúc diode phát quang bề mặt(trái) và phát cạnh (phải) của điốt phát cạnh có thể đạt tới 200MHz Việc lựa chọn điốt phát mặt hay cạnh phụ thuộc vào giá cả và mục đích sử dụng §5 Laser bán dẫn Laser bán dẫn là linh kiện phát quang lý tưởng cho thông tin quang do: công suất phát quang cao, góc phân kỳ nhỏ do đó tăng hiệu suất ghép nối laser - sợi quang, ánh sáng phát xạ kết hợp với độ rộng... Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang 4.4 PGS.TS Phạm Văn Hội Cấu trúc của điốt phát quang LED Có 2 loại điốt phát quang là điốt phát mặt (surface – emitting diode) và điốt phát cạnh (edge – emitting diode) Các loại điốt này chỉ khác nhau về vị trí phát xạ, còn cấu trúc của nó đều dựa trên chuyển tiếp p-n kiểu đồng thể hoặc dị thể có lớp hoạt tính được kẹp giữa 2 lớp p và lớp n Điốt phát mặt là... sợi quang trên đế phải có độ dãn nở nhiệt gần bằng nhau Giá thành của các loại modul phát quang rất đa dạng, từ vài chục đôla Mỹ (loại thông thường không có ổn nhiệt) đến vài ngàn đôla Mỹ - 55 - Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS Phạm Văn Hội + Bộ điện tử bơm dòng cho laser: Thông thường laser bán dẫn cần ổn định công suất phát, do đó các bộ điện tử bơm dòng cho laser phải hồi quang. .. yếu để chế tạo các linh kiện phát quang với cấu trúc lượng tử (giếng lượng tử, dây lượng tử và chấm lượng tử) MOCVD và MBE có thể kiểm soát độ dày của vùng đến 1nm (10 lớp nguyên tử) §4 Điốt phát quang LED Các đặc trưng cơ bản của điốt phát quang bán dẫn LED là : + + + + + Có cấu trúc chuyển tiếp p-n (đồng thể hoặc dị thể); Ánh sáng phát xạ không kết hợp,; Độ rộng phổ của phát xạ lớn (30÷60nm); Góc tán... thống viễn thông Laser này phát đơn mốt dọc do buồng cộng hưởng cực ngắn (cỡ 1µm), phát bề mặt như LED phát mặt nên dễ ghép nối với ma trận quang sợi để có thể chế tạo tổ hợp modul phát nhiều kênh, kích thước chúm sáng ra khỏi laser đồng đều dạng tròn làm tăng hiệu suất ghép nối laser-sợi quang Laser loại này rất thích hợp với hệ thống WDM §6 Đặc trưng dòng bơm – công suất phát xạ của laser Đối với... có T0 = 120K) Laser InGaAsP không phát xạ khi nhiệt độ lên đến 100°C P 100C 200C 300C 400C 500C 600C 700C I(mA) 50 100 150 200 Hình 3.13 Đường đặc trưng P-I của laser 1,3µm ở các nhiệt độ khác nhau  Thiết kế bộ phát tín hiệu quang: + Kỹ thuật ghép nối laser-sợi quang: - bằng đầu vi thấu kính trên sợi quang - bằng thấu kính bán kính nhỏ Hiện nay các modul laser-sợi quang được cố định bằng các vật liệu... kết hợp với độ rộng phổ khá hẹp Hiện nay laser bán dẫn đã có thể phát chùm sáng với độ rộng phổ < 0,1nm tại -3dB và tần số điều - 45 - Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS Phạm Văn Hội biến trực tiếp có thể đạt hơn 25GHz Đa số hệ thống thông tin quang hiện nay sử dụng laser bán dẫn là nguồn phát tín hiệu quang 5.1 Tăng ích quang Điều kiện đảo mật độ trong laser bán dẫn được thực hiện bằng... điện tử bơm dòng cho laser phải hồi quang để điều chỉnh công suất quang Trong các modul quang đều có lắp sẵn photodiode thu quang từ mặt sau của laser để làm nhiệm vụ phản hồi quang- điện để điều chỉnh công suất phát Trong một số mạch bơm laser hiện đại cho các modul quang chất lượng cao có ổn định nhiệt độ, cần phải có các nguồn nuôi cho bộ làm lạnh Peltier và cảm biến đo nhiệt dộ đế laser Sơ đồ dưới... Điốt phát cạnh có cấu trúc giống laser bán dẫn công tắc dải nhưng không có gương phản xạ Góc phân kỳ tại FWHM chỉ khoảng 30° do đó hiệu suất ghép nối vào sợi dẫn quang tăng lên rất nhiều so với điốt phaá mặt Băng tần điều chế Giếng do ăn mòn Công tắc kim loại Hướng phát xạ Loại n GaAs Loại n GaAs SiO2 Công tắc kim loại n-AlGaAs p-GaAs P-AlGaAs Pt-GaAs Công tắc kim loại Phát cạnh Phát mặt Vùng phát. .. tính G - tốc độ phát xạ cưỡng bức; Rspon - tốc độ của phát xạ ngẫu nhiên τp - thời gian sống của photon trong vùng hoạt tính - 52 - Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS Phạm Văn Hội τe - thời gian sống hạt tải Cần nhớ rằng Rspon trong công thức nhỏ hơn tổng phát xạ ngẫu nhiên do chúng chỉ có trong vùng dọc theo buồng cộng hưởng Ta có Rsp = nspG với nsp - gọi là yếu tố phát xạ ngẫu nhiên . hiệu quang và đưa tín hiệu quang vào sợi quang. Linh kiện chính trong bộ phát quang là nguồn phát quang : hệ thống thông tin quang sợi thường sử dụng các bộ. Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 29 - CHƯƠNG III BỘ PHÁT QUANG Vai trò của bộ phát quang là biến đổi tín