,... 3 , 2 , 1 , 2 = = m n m L λ
. Khi đó các tia sáng tới và tia phản xạ truyền dọc hộp sẽ phản xạ liên tiếp tại hai mặt hai gương hai đầu hộp có pha cách nhau là 2mπ (đồng pha với nhau), với m=1, 2, 3, …
- Dòng thiên áp thuận đặt lên LD phải đạt trên giá trị dòng ngưỡng, để đảm bảo trạng thái nghịch đảo nồng độ điện tử trong vùng hoạt tính.
Để vùng hoạt tính là môi trường khuếch đại ánh sáng, thì nồng độ hạt dẫn do thiên áp tạo ra trong nó cần đạt trên giá trị ngưỡng. Chẳng hạn đối với bán dẫn InGaAsP thì nồng độ ngưỡng là NT = (0,9÷1,5).1018/cm3. Trong điều kiện như vậy, ánh sáng do tái hợp bức xạ truyền trong vùng hoạt tính sẽ được khuếch đại mà không bị hấp thụ.
Khác với LED, diode làm việc dựa trên nguyên tắc bức xạ ánh sáng kích thích của vùng hoạt tính của cấu trúc dị thể kép chất bán dẫn - Khi LD được cấp thiên áp thuận, điện tử từ vùng N và lỗ trống từ vùng P nhận năng lượng và phun vào vùng hoạt tính và bị giam tại đây do hàng rào thế, tạo nên trạng thái kích thích của điện tử. Sự bức xạ tái hợp tự phát xảy ra trong vùng hoạt tính và ánh sáng bị giam trong vùng hoạt tính sẽ truyền đi theo mọi hướng. Chỉ những photon bức xạ truyền dọc vùng hoạt tính do bị phản xạ liên tiếp tại hai gương hai đầu hộp cộng hưởng nên truyền được nhiều lấn trong vùng này.
- Trên đường đi, những photon này đập vào các điện tử trong vùng hoạt tính nằm ở trạng thái bị kích thích làm cho chúng dịch chuyển trở về trạng thái ổn định và bức xạ ra ánh sáng cưỡng bức có cùng tần số với photon đập vào.
- Khi dòng bơm nhỏ hơn giá trị ngưỡng, ánh sáng của bức xạ kích thích phát ra trong vùng hoạt tính bị hấp thụ hết trong vùng này, nên ánh sáng phát ra của LD khi đó chỉ là bức xạ tự phát, có cường độ rất yếu.
- Khi ta nâng dòng thiên áp bơm lên vượt giá trị ngưỡng, trong vùng hoạt tính thực hiện được trạng thái “nghịch đảo nồng độ điện tử”. Khi đó vùng hoạt tính trở thành môi trường khuếch đại bức xạ kích thích. Khi bức xạ kích thích truyền dọc nhiều lần
giữa hai gương trong vùng này được khuếch đại lên rất lớn và đạt được điều kiện cộng hưởng trong hộp. Nên trong LD xảy ra quá trình dao động của bức xạ kích thích, có cường độ rất mạnh, vượt trội sự tiêu hao do hấp thụ trong cộng hưởng và qua một khe của gương bán phản xạ để phát ra ngoài. Vì vậy ánh sáng của LD trong chế độ này là ánh sáng kết hợp (chế độ dao động của Laser).
c. Các đặc trưng kỹ thuật của LD
- Đặc tuyến vào ra P-I
Hình2. 22: Đặc tuyến vào ra P-I của LD
Đặc tuyến P-I cho biết sự phụ thuộc công suất quang ra vào dòng thiên áp thuận cho phép điều chế trực tiếp nguồn phát quang bằng dòng điện thiên áp. Đường đặc tuyến P-I hình thành 2 đoạn rõ rệt là: khi I < Ing thì công suất ra tăng chậm, ánh sáng phát ra là ánh sáng tự phát giống như LED, khi I > Ing thì công suất ra tăng đột biến, đường đặc tuyến có độ dốc lớn khá tuyến tính, ánh sáng phát ra là ánh sáng kích thích. Điểm uốn của đặc tuyến cho phép xác định giá trị dòng Ing.
Đặc tuyến P-I của LD thay đổi theo nhiệt độ, điểm khác biệt quan trọng so với LED. Do đó cả công suất ra và giá trị ngưỡng của LD đều phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc. Vì vậy để LD làm việc ổn định cần có mạch tự động ổn định dòng ngưỡng, công suất ra và nhiệt độ của nó.
Tốc độ điều chế của LD cao hơn nhiều so với LED có thể đạt giá trị fm=1÷2 GHz. Vì vậy LD được ứng dụng trong các hệ thống thông tin quang tốc độ bit cao và cự ly dài, nhưng giá thành chế tạo LD cao hơn nhiều so với LED.
+ Giản đồ cường độ bức xạ của LD nói chung hẹp hơn nhiều so với LED. Hiệu suất ghép ánh sáng từ LD vào sợi quang lớn hơn nhiều so với LED.
+ Phổ bức xạ của LD là dạng gián đoạn bao gồm nhiều tần số khác nhau phân bố trong một dải thỏa mãn điều kiện cộng hưởng của hộp cộng hưởng. Mỗi một tấn số phát của LD được gọi là một mode.
- Phổ bức xạ của LD
Mode có biên độ lớn nhất gọi là mode chính, các mode khác gọi là mode biên. Độ rộng đường phổ của LD hẹp hơn nhiều so với LED, ở LD đa mode Fabry-Pero độ rộng đường phổ Δλ=2 nm, ở các LD đơn mode thì Δλ=0,1 nm. Khoảng cách giữa các bước sóng trung tâm của các mode lân cận của laser đa mode tính theo công thức:
Ln
2
2
λ
δλ = , L là chiều dài hộp cộng hưởng, n là chiết suất vùng hoạt tính.
Hình2. 23: Phân bố mật độ phổ công suất của LD d. Mạch điện cơ bản điều khiển LD
- Các nhiệm vụ của mạch điều khiển phát cho LD là:
+ Biến tín hiệu điều chế từ điện áp về dòng điện và khuếch đại lên đủ mức để điều chế dòng thiên áp của LD.
+ Cấp nguồn nuôi và chọn chế độ làm việc (dòng ngưỡng) đúng cho LD. + Tự động ổn định công suất ra trung bình và dòng ngưỡng của LD. + Tự động ổn định nhiệt cho LD.
Nói chung mạch điện điều khiển cho LD phát phức tạp và giá thành cao hơn nhiều so với mạch điện điều khiển cho LED. Để ổn định nhiệt độ làm việc của LD, người ta dùng phương pháp nhiệt điện với mạch điều khiển tự động riêng.
Các mạch điện điều khiển LD phát.
Hình2. 24: Mạch điều khiển phát có ổn định công suất ra trung bình của LD
Hình2. 25: Mạch điều khiển phát không có mạch ổn định công suất ra
2.5.NGUỒN THU QUANG
- Nguồn thu quang sử dụng trong thông tin quang sợi là photo diode. Có hai loại photo diode được dùng phổ biến là photo diode PIN và photo diode thác APD. Photo diode có nhiệm vụ thu biến đổi tín hiệu quang từ máy phát truyền dọc sợi quang về dạng tín hiệu điện.
- Photo diode dùng trong hệ thống thông tin quang cần đáp ứng các yêu cầu sau: có độ nhạy cao, đáp ứng thời gian nhanh, tạp âm thấp, độ tin cậy cao, giá thành hợp lý, kích thước phù hợp với kích thước của lõi sợi quang.
- Photo diode làm việc dựa trên hiệu ứng quang điện của lớp chuyển tiếp bán dẫn P- N khi được cấp thiên áp điện ngược (điện áp âm đặt lên lớp P).
2.5.1.Photo diode P-N
a. Cấu tạo và nguyên tắc tách sóng quang
- Cấu tạo
Photo diode P-N được cấu tạo từ một chuyển tiếp P-N từ bán dẫn như Si và được một thiên áp ngược (điện áp âm đặt lên lớp P).
Hình2. 26: Tiết diện và giản đồ mức năng lượng của photo diode P-N
- Nguyên lý tách sóng quang của photo diode P-N
Do sự khuếch đại của điện tử và lỗ trống nên giữa hai lớp P và N của bán dẫn hình thành một lớp chuyển tiếp P-N có rất ít điện tích tự do được gọi là lớp nghèo động tử độ rộng l và có một điện trường tiếp xúc Etx. Ở trạng thái cân bằng, điện trường này ngăn cản sự khuếch tán tiếp theo của các điện tử và lỗ trống qua lớp nghèo.
Do đó trong diode không có dòng điện chảy qua. Sự tách sóng quang của photo diode P-N tiến hành như sau:
+ Khi diode được đặt một thiên áp ngược và không có ánh sáng chiếu vào, do thiên áp tạo điện trường ngoài có cùng dấu với điện trường tiếp xúc Etx dẫn đến làm tăng độ rộng l của lớp nghèo, do đó điện trường tổng trên lớp tiếp xúc ngăn cản các hạt dẫn đa số đi qua nó, nên trong diode không có dòng điện chảy qua. Tuy nhiên do trong bán dẫn tồn tại các hạt mang điện thiểu số, và chúng dịch chuyển được qua lớp nghèo dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc, nên trong diode vẫn tồn tại một dòng điện ngược rất nhỏ gọi là dòng tối It (cỡ 0,01÷nA).
+ Khi ánh sáng với năng lượng của photon E=hν ≥ EG chiếu vào diode từ lớp P, trong các lớp P, N và nghèo khi hấp thụ năng lượng của photon các điện tử dịch chuyển lên vùng dẫn và tạo ra các lỗ trống ở vùng hóa trị. Kết quả trong các lớp của bán dẫn hình thành các cặp điện tử và lỗ trống.
+ Các điện tử và lỗ trống vừa được hình thành trong các lớp P và N đầu tiên khuếch tán đến lớp nghèo, rồi chuyển động trôi qua lớp này dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc theo hai hướng ngược nhau để đi đến các cực Anot và Katot của diode. Còn các điện tử và lỗ trống tạo ra trong lớp nghèo thì chuyển động kéo theo qua nó để đi đến hai cực của diode. Kết quả trong diode xuất hiện một dòng điện ngược chảy qua gọi là dòng quang điện IP. Dòng quang điện của photo diode có giá trị tỷ lệ với công suất quang chiếu vào theo biểu thức sau:
t
P RP
I = ở đây R (đơn vị là A/W hay μA/μW) gọi là độ nhạy hay đáp ứn của photo
diode.
b. Các đặc trưng kỹ thuật
- Độ nhạy R
Độ nhạy của photo diode được biểu diễn qua hiệu suất lượng tử η của nó theo biểu thức: 24 , 1 ηλ ν η = = h e
R ở đây e=1,6.10-19C là điện tích của điện tử, còn
ν
λ =C (μm).
Hiệu suất lượng tử của photo diode được xác định bởi tỷ số tốc độ tạo điện tử trên tốc độ photon tới. Nó có dạng sau:
η=toc do tao dien tu / toc do photon toi =
e h P I t P ν
Do hiệu suất lượng tử của photo diode được xác định qua hệ số hấp thụ ánh sáng, mà hệ số hấp thụ ánh sáng của photo diode lại phụ thuộc vào bước sóng, nên cuối cùng hiệu suất lượng tử η và độ nhạy R của photo diode cũng là hàm của bước sóng.
- Đáp ứng thời gian của photo diode P-N
Đáp ứng thời gian của photo diode chỉ mức độ phản ứng của photo diode với ánh sáng chiếu vào nó, hay biểu thị quán tính của photo diode. Đáp ứng thời gian của photo diode quyết định bởi các yếu tố sau:
+ Thời gian dịch chuyển của dòng điện khuếch tán của hạt dẫn ngoài vùng trôi (trong lớp P và lớp N) của diode.
+ Thời gian dịch chuyển của dòng điện trôi của các hạt dẫn qua lớp nghèo trong diode.
Để giảm đáp ứng thời gian, photo diode được chế tạo với hai vùng P và N khá mỏng. Còn để tăng hiệu suất lượng tử, tức là tăng số cặp điện tử và lỗ trống được tạo ra trong photo diode, lớp nghèo được chế tạo có độ dày càng lớn càng tốt, nhưng không làm tăng đáp ứng thời gian của photo diode.
c. Nhược điểm của photo diode P-N
Photo diode P-N có hai chiều nhược điểm cơ bản là: hiệu suất lượng tử thấp do độ rộng lớp nghèo nhỏ và đáp ứng thời gian lớn do ảnh hưởng của dòng khuếch tán lớn, nên trong thực tế kỹ thuật nó ít sử dụng làm bộ thu quang.
2.5.2.Photo diode PIN
a. Cấu tạo và nguyên tắc làm việc
Photo diode PIN được cấu tạo từ bán dẫn loại Si hay InGaAs gồm ba lớp là P, N và lớp giữa I (Instrinsic) là bán dẫn tinh khiết có trở kháng cao. Tại hai lớp P và N
có gắn lớp tiếp xúc kim loại để tạo thành các điện cực Anot và Katot. Hình 2.27 mô tả cấu trúc tiếp xúc tiết diện dọc và phân bố điện trường cùng mạch cấp thiên áp ngược cho photo diode PIN. Điện trở tải của photo diode là RL.
Hình2. 27: Tiết diện dọc và phân bố điện trường của PIN
Vùng bán dẫn tinh khiết I có trở kháng cao nên điện trường do thiên áp đặt từ ngoài lên vùng này có cường độ trường khá lớn, vì vậy tăng được tốc độ trôi của dòng điện hạt dẫn qua lớp nghèo lên nhiều lần so với photo diode P-N. Để giảm đáp ứng thời gian người ta chế tạo hai lớp P và N rất mỏng, để cho các cặp điện tử và lỗ trống chỉ được tạo ra trong lớp nghèo, nên giảm được dòng khuếch tán. Lớp nghèo chiếm cả vùng I và mở rộng một chút sang hai bên P và N, nó có độ rộng l lớn hơn, nên tăng được thiên áp đặt vào, do đó tăng hiệu suất lượng tử của diode.
Hai ưu điểm nổi trội của PIN so với photo diode P-N là hiệu suất lượng tử cao và đáp ứng thời gian nhỏ. Do vậy photo diode PIN được ứng dụng trong các hệ thống thông tin quang tốc độ trung bình, cự ly trung bình, có giá thành rẻ, tin cậy.
b. Bảng các tham số kỹ thuật của PIN
Bảng dẫn ra các tham số của một số photo diode PIN tiêu biểu làm từ các loại bán dẫn khác nhau:
Tham số (ký hiệu) Đơn vị Si Ge InGaAs
Bước sóng λ μm 0,4-1,1 0,8-1,8 1,0-1,7
Đáp ứng R A/W 0,4-0,6 0,5-0,7 0,6-0,9
Hiệu suất lượng tử η % 79-90 50-55 60-70
Dòng tối It nA 1-10 50-500 1-20
Thời gian lên τr ns 0,5-1 0,1-0,5 0,05-0,5
Băng tần Δf GHz 0,3-0,6 0,5-3 1-5
Thiên áp Vb V 50-100 6-10 5-6
Bảng2. 8: Các tham số của PIN
2.5.3.Photo diode thác APD
a. Cấu tạo và nguyên tắc làm việc
Photo diode thác APD được cậu tạo từ bán dẫn Si hoặc InGaAs, bao gồm 4 lớp P+, N+, I và P trở kháng cao. Ở đây các vùng bán dẫn có dấu + được pha tạp chất với nồng độ cao. Trong photo diode thác APD, dòng quang điện được khuếch đại lên nhiều lần do hiệu ứng nhân thác xảy ra bởi sự ion hóa do va chạm của điện tử được tạo ra với mạng tinh thể trong lớp nhân thác của photo diode để tạo ra nhiều cặp điện tử và lỗ trống mới trong khoảng thời gian rất ngắn.
Hình2. 28: Cấu trúc và cường độ trường của APD
Do có trở kháng khá cao nên dưới tác dụng của thiên áp đặt vào photo diode, điện trường trong lớp P đạt giá trị cao hơn giá trị điện trường ngưỡng nhân thác (cỡ Eng
= 3.105 V/cm). Lớp I là bán dẫn tinh khiết, là lớp nghèo dùng chủ yếu để hấp thụ ánh sáng và tạo ra các điện tử, lỗ trống trong diode. Hiệu ứng nhân thác xảy ra như sau:
- Khi photon tới có năng lượng E = hν >EG chiếu vào photo diode, trong lớp I sinh ra các cặp điện tử và lỗ trống ban đầu gọi là sơ cấp. Các điện tử này trôi dưới tác dụng của điện trường đi đến lớp P có điên trường rất cao, tại đây chúng được tăng tốc mạnh nên có vận tốc rất cao, đủ sức ion hóa khi va chạm với các điện tử trong mạng tinh thể của lớp P để tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống mới gọi là thứ cấp. Đến lượt các điện tử thứ cấp lại được trường tăng tốc và tiếp tục ion hóa va chạm với các điện tử trong mạng tinh thể để tạo ra nhiều cặp điện tử thứ cấp nữa. Quá trình ion hóa do va chạm xảy ra theo phản ứng dây chuyền trong thời gian rất ngắn để tạo ra một số lượng rất lớn các điện tử thứ cấp nên gọi là hiệu ứng nhân thác. Do đó dòng quang điện chảy trong photo diode thác đã được khuếch đại lên nhiều lần so với photo diode PIN. Lớp P được gọi là lớp nhân thác của photo diode.
b. Các tham số kỹ thuật của APD
Thừa số nhân thác M đặc trưng cho sự nhân thác dòng quang điện trong photo diode APD. Nó được biểu thị bởi tỷ lệ của dòng quang điện trung bình tổng đầu ra trên
dòng ban đầu không được nhân:
P I I M _ = .
Do đó độ nhạy của photo diode thác được biểu thị qua công thức sau: