1.2.3.1.Cỏc loại nguồn quang
Nguồn quang trong thiết bị thụng tin quang là linh kiện cú khả năng chuyển đổi tớn hiệu điện thành tớn hiệu quang ở dải bước súng truyền trong sợi quang. Cú hai loại nguồn quang, đú là diode phỏt xạ (LED) và laser diode (LD). Sau đõy trỡnh bày một số khỏi niệm liờn quan đến chức năng của nguồn quang.
Nếu trong nguyờn tử (hoặc phõn tử) chuyển động của cỏc điện tửđược giới hạn trong một phạm vi hẹp cỡ bằng kớch thước nguyờn tử, thỡ ở trong cỏc chất rắn núi chung và chất bỏn dẫn núi riờng, cỏc điện tử hoỏ trị cú thể chuyển động từ nguyờn tửở nỳt mạng tinh thể này đến nguyờn tửở nỳt mạng tinh thể khỏc và là sở hữu chung của cả mạng tinh thể. Vỡ cỏc mức năng lượng của điện tử phụ thuộc vào vị trớ tương đối của nú so với mạng tinh thể, mà sốđiện tử lại rất nhiều, do đú số cỏc mức năng lượng của cỏc điện tử hoỏ trị trong toàn mạng tinh thể là một số vụ cựng lớn. Ngoài ra trong chất rắn, cỏc nguyờn tử được phõn bố sỏt nhau, cỏc lớp vỏđiện tử của chỳng đặc biệt là những lớp phớa ngoài che phủ lờn nhau và tương tỏc với nhau rất mạnh. Sự tương tỏc này gõy nờn những dịch chuyển vị trớ và làm tỏch cỏc mức năng lượng điện tử ra thành nhiều phõn mức khỏc nhau.
Đối với cỏc chất bỏn dẫn, những vựng năng lượng cho phộp được ngăn cỏch với nhau bởi tập hợp cỏc giỏ trị năng lượng vựng cấm. Thụng thường độ rộng vựng cấm của cỏc chất bỏn dẫn điển hỡnh khoảng 0,1ữ1,0 eV. Trong số cỏc vựng năng lượng cho phộp, vựng trờn cựng đó dồn đầy cỏc điện tử hoỏ trịđược gọi là vựng dẫn. Vựng tiếp theo đú cũn hoàn toàn trống ở nhiệt độ 0K gọi là vựng cấm và vựng dưới cựng gọi là vựng hỏo trị. Vỡ quỏ trỡnh vật lý xẩy ra trong cỏc chất bỏn dẫn chỉ liờn quan đến cỏc điện tử ở vựng hoỏ trị hoặc ở đỏy vựng dẫn do đú khi vẽ giản đồ năng lượng của bỏn dẫn chỉđể ý đến hai vựng này như hỡnh 1.32.
Hỡnh 1.32: Sơ đồ vựng năng lượng của bỏn dẫn
Ở nhiệt độ thấp thỡ bỏn dẫn trở thành chất điện mụi. Khi nhiệt độ tăng thỡ bỏn dẫn trở thành chất dẫn điện. Bởi vỡ khi đú cỏc điện tử của vựng hoỏ trị nhận được năng lượng đủ lớn để vượt qua vựng cấm lờn vựng dẫn và trở thành cỏc điện tử dẫn. Khi đú ở vựng hoỏ trị, tại nơi điện tử vừa đi khỏi sẽ xuất hiện cỏc lỗ trống như hỡnh 1.33.
Hỡnh 1.33: Sơ đồ phõn bố mật độ cỏc điện tử và lỗ trống
Quỏ trỡnh này được gọi là quỏ trỡnh tạo cặp điện tử và lỗ trống bằng nhiệt. Quỏ trỡnh xẩy ra khụng chỉ do nung núng bỏn dẫn, mà cú thể hỡnh thành dưới tỏc dụng cỏc dạng kớch thớch khỏc. Vớ dụ như bằng ỏnh sỏng, dũng điện, bắn phỏ bởi cỏc điện tử và ion bờn ngoài.
Song song với quỏ trỡnh trờn, trong tinh thể bỏn dẫn cũn xẩy ra quỏ trỡnh ngược lại gọi là quỏ trỡnh tỏi hợp điện tử-lỗ trống, cỏc điện tử của vựng dẫn cú thể thực hiện chuyển dời tự phỏt xuống vựng hoỏ trị và chiếm lấy cỏc mức năng lượng tự do ởđú.
Cỏc thực nghiệm về quang phổđều cho thấy khi cỏc nguyờn tử hấp thụ và bức xạđều hỡnh thành phổ vạch. Hiện tượng này được giải thớch dựa vào mức năng lượng rời rạc tương ứng với cỏc trạng thỏi của nguyờn tử. Ký hiệu E1 và E2 là hai mức năng lượng của một nguyờn tử. Ở đõy, E1 là năng lượng trạng thỏi nền và E2 là năng lượng trạng thỏi kớch thớch. Tại trạng thỏi cõn bằng nhiệt thỡ cỏc điện tử ở mức năng lượng thấp E1 (hỡnh 1.34a). Theo định luật Planck thỡ sự dịch chuyển giữa hai trạng thỏi này cú liờn quan tới quỏ trỡnh hấp thụ và phỏt xạ của cỏc photon cú năng lượng hν12= E2-E1. Bỡnh thường, hệ thống ở trạng thỏi nền. Khi cú một năng lượng hν12 tỏc động vào hệ thống thỡ một điện tử ở trạng thỏi E1 sẽ hấp thụ năng lượng này và được kớch thớch lờn trạng thỏi E2 (hỡnh 1.34b). Vỡ đõy là trạng thỏi khụng bền vững nờn điện tử sẽ nhanh chúng quay lại trạng thỏi ban đầu và sẽ giải phúng một năng lượng bằng E-E . Hiện tượng này gọi là
Vựng dẫn Vựng hoỏ trị Vựng cấm Eg Vựng dẫn Vựng hoỏ trị Vựng cấm Chuyển dịch điện tử Điện tử Lỗ trống Mật độ cỏc điện tử Mật độ cỏc lỗ trống Năng lượng cỏc điện tử EC EV E0
phỏt xạ tự phỏt (hỡnh 1.34c) và khi năng lượng được giải phúng dưới dạng ỏnh sỏng thỡ gọi là ỏnh sỏng phỏt xạ tự phỏt. Phỏt xạ này đẳng hướng, cú pha ngẫu nhiờn. Một số chất dễ dàng phỏt sỏng, và một số chất khỏc khụng phỏt sỏng.
Hỡnh 1.34: Biểu đồ mức năng lượng và quỏ trỡnh phỏt xạ
Theo cơ học lượng tử thỡ bước súng ỏnh sỏng khi phỏt xạ hoặc hấp thụđược xỏc định theo biểu thức sau đõy:
E2-E1 = hν12,ν12 = (E2- E1)/ h
Vậy: λ = c/ν12 = hc/(E2-E1) (1.13) Trong đú: h = 6,626 ì 10-34 J.s là hằng số Planck
c = 3ì108 m/s là tốc độ ỏnh sỏng trong khụng gian tự do.
Khi ỏnh sỏng cú năng lượng bằng E2 - E1 tỏc động vào hệ thống trong khi điện tử đang ở trạng thỏi kớch thớch thỡ điện tử hấp thụ năng lượng ỏnh sỏng tới buộc nú trở về mức năng lượng E1và giải phúng ra năng lượng. Năng lượng ỏnh sỏng được giải phúng tại thời điểm này sẽ lớn hơn năng lượng ỏnh sỏng phỏt xạ tự phỏt và pha của nú là pha của ỏnh sỏng tới. Hiện tượng này gọi là phỏt xạ cưỡng bức (hỡnh 1.34d). Bước súng phỏt xạ cưỡng bức cũng được xỏc định theo biểu thức (1.13).
1.2.3.2.Diode phỏt quang (LED)
LED phỏt xạ mặt (SLED)
Diode phỏt xạ mặt cú cấu trỳc dị thể kộp được ký hiệu là DH SLED. Mặt cắt ngang của DH SLED kiểu chụn như hỡnh 1.35. E1 E2 Điện tử a) Lỗ trống b) c) d) Ánh sỏng Bức xạ tự phỏt Bức xạ cưỡng bức Ánh sỏng Lớp tiếp xỳc Lớp tiếp xỳc dươ à t ả Vựng hoạt tớnh Lớp nền n-GaAs 150μm 50μm 60μm p-GaAs SiO
Lớp hoạt tớnh cú bề rộng gần bằng đường kớnh lừi sợi đa mode và phớa nối với sợi quang khoột một hố sõu để chụn đầu sợi quang gần lớp hoạt tớnh. Như vậy sẽ hứng được nhiều tia sỏng đi vào lừi sợi, đồng thời giảm suy hao cụng suất ỏnh sỏng. Lớp cỏch điện SiO2 phủ lờn lớp tiếp xỳc dương chỉ trừ một vựng đối diện với lớp hoạt tớnh để tập trung mật độ dũng qua lớp hoạt tớnh và sẽ nõng cao được hiệu suất phỏt xạ. Lớp tiếp xỳc dương đặt gần lớp hoạt tớnh sẽ toả nhiệt và đảm bảo cho nhiệt độ của nguồn quang khụng vượt giới hạn cho phộp. Nếu nhiệt độ lớp hoạt tớnh vượt quỏ phạm vi cho phộp sẽ gõy ra ba hậu quả là bước súng bức xạ thay đổi theo nhiệt độ, hệ số lượng tử bờn trong giảm do tăng tốc độ tỏi hợp khụng bức xạ khi nhiệt độ tăng, giảm tuổi thọ của LED. Qua tớnh toỏn và thực nghiệm thấy rằng cụng suất phỏt của LED giảm 50% nếu nhiệt độ trong phũng tăng tới 900C ữ 1000C. LED chế tạo từ GaAlAs và InGaAsP thỡ nhiệt độđỉnh của tiếp giỏp phải duy trỡ thấp hơn 600C ữ700C.
Hỡnh 1.36 minh hoạ nguyờn lý hoạt động của LED.
Hỡnh 1.36: Nguyờn lý hoạt động của LED
LED gồm đảo mật độ cỏc hạt tải điện, bức xạ tự phỏt và phỏt ỏnh sỏng vào sợi. LED sử dụng nguồn phõn cực thuận, tức là cực dương của nguồn nối với lớp tiếp xỳc dương. Khi cú dũng bơm qua LED thỡ cỏc điện tử từ dải hoỏ trị nhảy lờn dải dẫn. Dưới tỏc động của điện trường phõn cực thuận, cỏc điện tử từ lớp N chuyển dịch vào lớp hoạt tớnh, cũn cỏc lỗ trống từ lớp P chuyển dịch vào lớp hoạt tớnh. Cỏc cặp điện tử lỗ trống tỏi hợp với nhau và bức xạ photon.
N P e Lớp hoạt tớnh Vựng dẫn Vựng hoỏ trị Vựng cấm Điện tử Lỗ trống Hàng rào dị thể Hàng rào dị thể d c c d e Lớp hoạt tớnh V N P Tỏi hợp Phỏt xạ tự phỏt p hoặc
LED phỏt xạ cạnh (ELED)
Diode phỏt xạ cạnh cú cấu trỳc dị thể kộp cú ký hiệu là DH ELED và cú cấu tạo như hỡnh 1.37.
Cụng suất quang được truyền dọc theo lớp hoạt tớnh nhờ phản xạ bờn trong tại cỏc tiếp giỏp dị thể và đi tới mặt bờn của diode. Lớp hoạt tớnh được qui định bởi lớp tiếp xỳc và rónh sõu cuối lớp hoạt tớnh. Nhờ vậy mà lớp hoạt tớnh được thu ngắn nhưng kớch thước của chip lại khụng quỏ bộ. Tự hấp thụ của lớp hoạt tớnh giảm do lớp này rất mỏng. Cụng suất quang bị hấp thụ lớn nhất xảy ra tại dải bước súng ngắn. Nhờ vậy mà thu hẹp bề rộng phổ so với LED phỏt xạ mặt. Độ rộng phổ giảm từ 35nm xuống 25nm tại bước súng 0,9μm và từ 100nm xuống 70nm tại 1,3μm.
Ánh sỏng đầu ra của DH ELED cú dạng hỡnh chúp elip, gúc mở theo chiều đứng là 300 và theo chiều ngang là 1200. Gúc phỏt xạ như vậy sẽ ghộp nối ELED với sợi đa mode cú hiệu quả hơn so với SLED và cũng cú thể phúng vào sợi đơn mode một cụng suất quang đỏng kể. So với SLED thỡ ELED khú toả nhiệt hơn. Nhưng so với laser diode thỡ ELED dễ chế tạo hơn, hoạt động đơn giản hơn, độ tin cậy cao hơn và rẻ hơn. Vỡ vậy nú được sử dụng rộng rói trong cỏc hệ thống mà độ tin cậy và giỏ thành được ưu tiờn hơn chất lượng.
Hỡnh 1.37: Sơ đồ cấu trỳc của diode phỏt xạ cạnh
Cỏc lớp bao gồm: ← Lớp cỏch điện; ↑ p+-GaAs; → P-Ga0,6Al0,04As; ↓ Lớp hoạt tớnh n-
Ga0,9Al0,1As; ° N- Ga0,6Al0,4As; ± n-GaAs
Cỏc tham số của LED Cỏc tham số cơ bản của LED như bảng 1.5. 350μm Lớp nền n-GaAs Lớp tiếp xỳc và toả nhiệt Au 150μm ∼1200 ∼300 50μm ← ↑ → ↓ ⊗ ⊕ 3μm 2μm 0,05μm 2μm 3μm
Bảng 1.5. Cỏc tham số của LED
Cỏc tham số Giải bước súng
800 nm ữ 850nm Bước súng 1300nm
Vật liệu lớp hoạt tớnh Ga Al As Ga In As P
Độ rộng phổ, nm 30 ữ 60 50 ữ 150
Cụng suất phỏt, mW 0,5 ữ 4,0 0,4 ữ 0,6
Cụng suất phúng vào sợi, mW:
- đa mode 2a = 50μm
SLED ELED đơn mode ELED
0,01 ữ 0,05 0,05 ữ 0,13 0,015 ữ 0,035 0,03 ữ 0,06 0,003 ữ 0,03 Dũng điều khiển, mA 50 ữ 150 100 ữ 150
Thời gian tăng sườn xung, ns SLED ELED 4 ữ 14 2 ữ 10 2,5 ữ 10 Tần số điều chế, GHz 0,08 ữ 0,15 0,1 ữ 0,3 Tuổi thọ, 106 h 1 ữ 10 50 ữ 100
1.2.3.3.Laser diode cú khoang cộng hưởng Fabry- perot
Laser diode cú cấu trỳc dị thể kộp như LED, nhưng cú khả năng khuếch đại. Đểđạt được mục đớch này thường dựng khoang cộng hưởng Fabry - Perot, bằng cỏch mài nhẵn hai đầu dị thể kộp thành hai gương phản xạ như hỡnh 1.38a. Cấu trỳc này của laser diode được viết tắt là FP-LD.
Khoảng cỏch hai gương trong Laser diode Fabry-Perot là L. Cỏc gương này cú cú khả năng tạo ra hồi tiếp tớch cực, tức là sự quay lại của cỏc photon kớch thớch trong vựng hoạt tớnh sẽ kớch thớch nhiều photon hơn. Ánh sỏng đi ra ngoài qua hai gương phản xạ.
Xột điều kiện khuếch đại trong laser diode Fabry-Perot: một súng truyền từ gương bờn trỏi tới gương bờn phải, như hỡnh 1.38b. Tại gương bờn phải, súng này sẽ phản xạ và tiếp tục truyền như thế. Dạng súng này gọi là súng đứng. Để trong buồng cộng hưởng chỉ cú súng với bước súng ổn định thỡ nú phải là súng đứng. Yờu cầu vật lý này cú thểđược viết như biểu thức
2L/λ=N (1.14)
Trong đú: L- khoảng cỏch hai gương N- số nguyờn.
Để thoả món điều kiện cộng hưởng, hai gương phản xạ phải cỏch nhau một quóng là L bằng số nguyờn lần nửa bước súng.
Quỏ trỡnh phỏt xạ của FP-LD được thực hiện khi một vài bước súng cộng hưởng nằm trong đường cong khuếch đại cú hệ số khếch đại lớn hơn suy hao như hỡnh 1.38c.
Hỡnh 1.38: Laser diode Fabry-Perot: (a) Cấu tạo của khoang cộng hưởng;
(b) Hỡnh thành súng đứng trong khoang cộng hưởng;
(c) Đường cong tổn hao-khuếch đại; (d) Phổ phỏt xạ của FP-LD
1.2.3.4.Mỏy phỏt tớn hiệu quang
Chức năng chuyển đổi điện-quang của mỏy phỏt quang được thể hiện trong hỡnh 1.39.
Hỡnh 1.39: Sơ đồ khối mỏy phỏt tớn hiệu quang
Bộ lập mó cú chức năng chuyển mó đường thành mó thớch hợp với hoạt động của nguồn quang và đường truyền. Bộđiều khiển chuyển điện ỏp tớn hiệu đơn cực thành dũng bơm Ip cho nguồn quang. Nếu dũng Ip đạt giỏ trị cực đại thỡ cụng suất phỏt của nguồn quang cũng đạt giỏ trị cực đại. Ngược lại, khi Ip cực tiểu thỡ cụng suất phỏt của nguồn quang gần bằng zero. Đõy là phương thức điều chế cường độ bức xạ của nguồn quang.