Bài giảng Thông tin sợi quang - Chương 3: Máy phát

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:46

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Thông tin sợi quang - Chương 3: Máy phát cung cấp cho học viên những thông tin về nguyên lí phát xạ ánh sáng; cấu tạo và đặc điểm của LED; cấu tạo và đặc điểm Laser Diode; các ứng dụng LED và Laser;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Thông tin sợi quang - Chương 3: Máy phát

Chương 3 MÁY PHÁT 3/2/2019 1
Nội dung của chương 3  Nguyên lí phát xạ ánh sáng,  Cấu tạo và đặc điểm của LED  Cấu tạo và đặc điểm Laser Diode  Các ứng dụng LED và Laser. 3/2/2019 2
Đặc điểm chung của LED và Laser LED Laser hoạt động theo cơ chế phát xạ hoạt động theo cơ chế phát xạ tự phát kích thích phát ra ánh sáng o kết hợp phát ra ánh sáng kết hợp có cấu trúc dị thể kép để giam có cấu trúc dị thể kép để giam hạt mang trong buồng cộng hạt mang trong buồng cộng hưởng hưởng không có gương phản xạ có 2 gương phản xạ +cơ chế bơm để giam và khuếch đại photon tạo ra ánh sáng kết hợp cường độ cao có phổ rộng: vài chục nm có phổ hẹp: (0,05-0,1) nm 3/2/2019 3
Nguyên lý phát xạ ánh sáng 3/2/2019 4
Vật liệu có dải cấm trực tiếp và gián tiếp 3/2/2019 5
Vật liệu có dải cấm trực tiếp và gián tiếp Ví dụ 3.1: Silicon là vật liệu bán dẫn rất thích hợp đối với ngành điện tử. Tuy nhiên do cấu trúc vùng cấm gián tiếp nên nó không được sử dụng để tạo ra các nguồn phát quang. Nếu nó có vùng cấm trực tiếp thì công nghệ tích hợp mạch điện-quang sẽ xuất hiện sớm hơn. Vật liệu chế tạo nguồn quang thế hệ thứ nhất là GaAs. Năng lượng vùng cấm của nó là 1,43 eV tại nhiệt độ 300 K. Từ biểu thức (3.2) ta có: c ch 3 108  6,6251034    19  870 nm. f Eg 1,43 1,6 10 3/2/2019 6
Cấu trúc dị thể Một cấu trúc dị thể là một mối nối của 2 vật liệu có năng lượng vùng cấm (bandgap) khác nhau. Do đó, người ta còn gọi là mối nối dị thể. Một mối nối dị thể n-P (dùng chữ P hoa để chỉ tên vật liệu có độ rộng vùng cấm lớn hơn) được biểu trên hình vẽ-. Do mức năng lượng tại mối nối dị thể khác nhau nên sẽ xuất hiện điểm nhảy trong dải hoá trị như hình vẽ. 3/2/2019 7
Cấu trúc dị thể kép, sơ đồ hình học và giản đồ năng lượng Sơ đồ hình học của cấu trúc dị thể kép Giản đồ năng lượng của cấu trúc dị thể kép 3/2/2019 8
Vật liệu có dải cấm trực tiếp và gián tiếp Quan hệ giữa tham số mạng và năng lượng vùng cấm của họ hợp chất III-V [1] 3/2/2019 9
Tham số mạng và năng lượng vùng cấm Ví dụ 3.2: Khảo sát Laser InGaAsP với lớp vỏ InP. Hình 3.6 chỉ ra rằng InP có tham số mạng bằng 5,9. 1010 nm. Để lớp tích cực InGaAsP tại bước sóng 1,5 m và có cùng tham số mạng, chúng ta cần hợp chất In1xGaxAsyP1y trong vùng được tô đậm. 3/2/2019 10
Vật liệu có dải cấm trực tiếp và gián tiếp Chú ý đường nối InAs và InP biểu diễn InAsyP1y và đường nối InAs và GaAs biểu diễn In1yGayAs. Vì thế, nếu In1yGayAs được dùng thay vì lớp tích cực thì bước sóng phát ra xấp xỉ giá trị 2 m với y  0,4. 3/2/2019 11
Cấu trúc LED phát xạ mặt Sơ đồ cấu trúc của LED phát xạ mặt 3/2/2019 12
Cấu trúc LED phát xạ mặt 3/2/2019 13
Cấu trúc LED phát xạ cạnh Sơ đồ cấu trúc của LED phát xạ cạnh 3/2/2019 14
Cấu trúc LED phát xạ cạnh 3/2/2019 15
Độ rộng đường của LED Biểu thức liên hệ giữa bước sóng và tần số được biểu diễn: f  c Đạo hàm hai vế theo ta được:  df c  2 d  Gọi là độ rộng đường thì độ rộng phổ được xác định:  f  c 2 f   c tương tự f2 Ví dụ bằng số: Độ rộng đường của LED AlGaAs xấp xỉ bằng 30nm. Hoạt động ở bước sóng bằng 870nm thì tương ứng với độ rộng đường như sau:  30.109 f  c 2  3.108  12.000GHz  9 2 ( 870.10 ) 3/2/2019 16
Độ rộng phổ của LED Ví dụ 3.3: Độ rộng đường của LED AlGaAs xấp xỉ bằng 30 nm. Hoạt động ở bước sóng bằng 870 nm thì tương ứng với độ rộng phổ như sau:  30  109 f  c 2  3  108  12000  (870  10 ) 9 2 MHz Chú ý độ rộng phổ 12000 GHz là quá lớn so với hầu hết các băng tần cơ sở của các tín hiệu. Do đó, loại diode này không dùng để điều chế tín hiệu theo phương pháp điều tần và điều pha được. Trong thực tế, người ta chỉ sử dụng phương pháp điều biên cho các LED. 3/2/2019 17
Độ rộng phổ của LED Ví dụ 3.4: Đối với LED AlGaAs ở 300 0K thì f được tính như sau: 2kT 2  1,38  1023  300 f    12400 h 6,62  10 34 GHz. Nó xấp xỉ với giá trị đã tính ở trên. Do LED là nguồn phát ra ánh sáng không kết hợp, có độ rộng phổ lớn nên thường được dùng cho các hệ thống thông tin quang Rb< 200 Mbit/s, trong các mạng nội hạt, khoảng cách truyền dẫn ngắn. Tuy nhiên, LED có ưu điểm là giá thành thấp, công suất quang đầu ra ít phụ thuộc vào nhiệt độ và thường chúng có mạch điều khiển đơn giản. 3/2/2019 18
Sự tái hợp và phát xạ phô ton trong Laser Diode bán dẫn 3/2/2019 19
Khuếch đại quang dương: nghịch đảo tích luỹ Ở trạng thái cân bằng, hạt mang có cùng tốc độ giữa hai trạng thái. Theo biểu thức Einstein: A21 N 2  B21 N 2 S  B12 N 1 S  RP S: mật độ năng lượng phô ton [joule/m3.Hz], N1 và N [1/m3]: mật độ hạt mang ứng với mức năng lượng E1 và E2. B12 là hệ số tốc độ hấp thụ kích thích, B21 là hệ số tốc độ phát xạ kích thích, A21 là hệ số tốc độ phát xạ tự phát [1/s]. RP là tốc độ bơm bên ngoài trong một đơn vị thể tích [1/m3sec]. Do đó, vế trái của biểu thức (3.4) biểu diễn tốc độ toàn phần từ E2 đến E1, và vế phải là tốc độ toàn phần từ E1 đến E2. 3/2/2019 20