Ánh sáng có thể phát ra từ vật liệu bán dẫn là kết quả của quá trình tái hợp điện tử và lỗ trống (e-h). Trong điều kiện cân bằng nhiệt, tỷ lệ phát xạ kích thích rất nhỏ so với phát xạ tự phát, tức là nồng độ e – h sinh ra do kích thích rất thấp. Để có phát xạ kích thích ta phải thực hiện tăng số lượng lớn các điện tử và lỗ trống trong vùng dẫn và vùng hóa trị. Ta xét một tiếp giáp p – n với hai loại vật liệu bán dẫn loại n và p pha tạp cao đến mức suy biến. Mức Fermi bên bán dẫn loại n nằm vào bên trong vùng dẫn và mức Fermi trong bán dẫn p nằm vào bên trong vùng hóa trị. Tại cân bằng nhiệt mức Fermi hai bên bán dẫn loại n và p nằm trùng nhau, lúc này không có quá trình bơm hạt tải (hình 3.3a). Khi phân cực thuận đủ lớn, các mức Fermi ở hai miền tách ra, lúc này thì các điện tử bên bán dẫn loại n và lỗ trống bên bán dẫn p được bơm điện tích không gian (hình 3.3b). Khi điện thế đặt vào tiếp giáp p-n tăng đủ lớn để quá trình bơm nàyđạt đến mức cao thì trong miền điện tích không gian có độ rộng là d sẽ có một số lượng lớn các điện tử nằm trên vùng dẫn và một số lượng lớn lỗ trống nằm dưới vùng hóa trị. Trạng thái này gọi là đảo mật độ.
Hình 3.3. Giản đồ năng lượng của tiếp giáp p-n với bán dẫn suy biến.
Như vậy điều kiện để có trạng thái đảo mật độ là bán dẫn ở hai miền p và n phải pha tạp mạnh để các mức Fermi nằm vào bên trong vùng dẫn và vùng hóa trị. Thế phân cực thuận phải đủ lớn để điện tử và lỗ trống có thể bơm vào vùng dẫn và vùng hóa trị. Hiệu hai mức Fermi ở hai vùng bán dẫn loại n và p lớn hơn năng lượng vùng cấm, nghĩa là :
Efc – Efv > Eg. (3.3)
Trên đây là các cơ sở vật lí bán dẫn để phân tích cơ chế hoạt động của các phần tử tích cực trong thông tin quang được đề cập trong các phần tiếp theo.
3.2. Nguồn quang
Vai trò của các bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang này vào sợi quang để truyền tới phía thu. Linh kiện chính trong bộ phát quang là nguồn phát quang. Cơ sở vật lí của các nguồn quang bán dẫn này như đã nêu ở trên. Chúng có nhiều ưu điểm như : kích thước nhỏ, hiệu
suất chuyển đổi quang điện rất cao, có vùng bước sóng phát quang thích hợp với sợi quang và có thể điều biến trực tiếp bằng dùng bơm với tần số khácao.
Có hai loại nguồn phát quang :
+ Diode phát quang LED (Light Emitting Diode). + Diode Lazer bán dẫn LD (Lazer Diode).
3.2.1. Điốt phát quang ( LED )
LED ( Light Emitted Diode ) là một loại nguồn phát quang phù hợp cho các hệ thống thông tin quang có tốc độ bít không quá 200Mb/s sử dụng sợi dẫn quang đa mode. Tuy nhiên hiện nay trong phòng thí nghiệm người ta có thể sử dụng cả ở tốc độ bít tới 556 Mb/s do có sự cải tiến công nghệ cao.