Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang: Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:113

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang: Phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như Bộ phát quang; Thiết bị thu quang; Thiết kế hệ thống thông tin quang. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang: Phần 2

Chương 3 BỘ PHÁT QUANG 3.1. GIỚI THIỆU Thiết bị phát quang là một trong các thành phần quan trọng nhất cùa hệ thống thông tin quang. Đây là bộ biến đổi quang duy nhất sử dụng hiệu ứng điện/quang cho phép biến đổi trực tiếp tín hiệu điện thành tín hiệu quang mà không qua bất kỳ một bộ biến đổi trung gian nào, sau đó phát tín hiệu quang vào trong sợi quang để thực hiện truyên dẫn thông tin. Thành phần chù yếu của thiết bị phát quang là nguồn phát quang, hay còn gọi là nguồn quang. Các nguồn quang được sử dụng trong hệ thống thông tin quang chủ yếu bao gồm: Laser Diode và Diode phát quang (Light Emitting Diode - LED). Cả hai loại này đều có cấu trúc dị thể kép. Các miền dị thể kép gồm các lớp bán dẫn ghép với nhau có các dài năng lượng khác nhau. Chỉ có cấu trúc này mới tương thích với các sợi quang được ứng dụng. Các Laser Diode và LED đều có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, tiêu hao năng lượng thấp và tuồi thọ cao. Hiệu suất cao và có dài bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương ứng với kích thước lõi sợi. Việc xem xét nghiên cứu một cách chi tiết về cấu trúc, đặc tính của các nguồn quang nhàm mục đích đánh giá được vai trò của nguồn quang trong hệ thống; và từ đó thấy hết được các yếu tố ành hưởng cùa nguôn quang tới quá trình truyền dẫn ánh sáng trong hệ thống thông tin quang. Đồng thời, để lựa chọn được các nguồn quang phù hợp với một hệ thống được thiết kế. Một số yêu cầu đối với nguồn quang đó là: - Có kích thước nhò tương ứng với sợi quang để có thề ghép ánh sáng vào trong sợi quang. Điều kiện lý tưởng, thì ánh sáng ờ đầu ra cùa nguồn quang phải có tính định hướng cao. 105
- Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác đẽ làm giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu. Điều kiện lý tưởng, thì nguồn quang phải tuyến tính. - Phát ra ánh sáng có vùng bước sóng phù hợp với vùng bước sóng mà sợi quang có suy hao và tán sắc thấp. Đồng thời linh kiện thu quang cũng hoạt động hiệu quả tại bước sóng này. - Công suất đù lớn và duy trì mức công suât ngõ ra ôn định, không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài. - Độ rộng phổ hẹp để giảm tán sác trong sợi quang. - Có khả năng điều chế tín hiệu một cách đơn giàn trên dài tân rộng, từ tần số âm thanh tới dài tần GHz. - Khả năng ghép ánh sáng vào sợi tốt để giảm suy hao ghép từ nguồn quang vào sợi. - Giá thành thấp, độ tin cậy cao để cạnh tranh với các kỹ thuật truyền dẫn khác. Ta thấy rang, loại nguồn quang được sừ dụng trong thông tin quang là các loại nguồn quang bán dẫn, vì nó có thể đáp ứng được các yêu cầu trên. Vì vậy, cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của nguồn quang được trinh bày trong phần này sẽ là nguồn quang bán dẫn. 3.2. NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA BỘ PHÁT QUANG 3.2.1. Các khái niệm cơ bản Bất kỳ một nguyên từ nào cũng có ba quá trình cơ bàn xảy ra giữa các mức trạng thái năng lượng cùa chúng đó là quá trình: hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ kích thích như hình 3.1 dưới đây. E; hf hf VMA* VW W E; at H áp thụ b )B ử c xạ tự p h á t C) B ưc xạ kích thích Hình 3.1. Ba quá trình cơ bản xảy ra giữa các trạng thái năng lượng cúa nguyên tử 106
Ở đây các mức năng lượng Ei và E 2 tương ứng là trạng thái năng lượng thấp và trạng thái năng lượng cao của nguyên tử. - Quá trình hấp thụ: xảy ra khi một photon có năng lượng h f , bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện từ (Eg = E 2 - E |), bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp. Khi đó diện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao. - Hiện tượng phát xạ tự phát: xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức cao E2 xuống mức thấp E| và phát ra một nàng lượng Eg = hf dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tò. Vì vậy, sau một khoảng thời gian sống của điện tử ở mức cao, các điện từ sẽ tự động trờ về trạng thái năng lượng thấp (trạng thái bền vũng). - Hiện tượng phát xạ kích thích: xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E 2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hfbang với mức năng lượng Eg. Khi đó điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp và tạo ra một photon có năng lượng bằng với photon kích thích ban đầu. Chúng có cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số. 3.2.2. Nguyên lý bức xạ ánh sáng không kết hợp Theo mẫu nguyên tử Bohr, các điện tử mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân mang điện tích dương với các quỹ đạo xác định và bán kính của quỹ đạo tỷ lệ với bình phương của số nguyên. Tỷ lệ: 1 : 4 : 9 ... Nguyên từ hydro độc lập có một e quay quanh hạt nhân. Khi cung cấp cho nguyên tà một năng lượng ngoài, e sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển lên múc cao hơn, tới các quỹ đạo càng xa thì thời gian tồn tại trên các quỹ đạo của điện tử càng ngắn. Điện tử có xu hướng chuyển dời về quỹ đạo gần hạt nhân nhất theo cách thức nhảy thẳng hay nhảy từng bậc. Để cho các điện từ nhảy từ một quỹ đạo sang quỹ đạo kế cận thì cần phải cung cấp cho nó một năng lượng bằng một lượng từ Plank ( hf ). Khi điện từ nhảy từ quỹ đạo xa về quỹ đạo gần thì năng lượng hấp 107
thụ trước đó sẽ được giải phóng, năng lượng này dưới dạng photon với tân số tương ứng với các quỹ đạo khác nhau: Mối quan hệ giữa năng lượng và tần số của photon là: E = hf, (3.1) (h = 6,625*10-34 J.S là hàng số Plank). t t t Hình 3.2. Bức xạ photon ờ các mức năng lượng '-■(ỳ-ỳ} M Với: m và n là số thứ tự của quỹ đạo. R = 3,92* 10 15 1/sec là hàng số độc lập với vật chất bức xạ. Ánh sáng của nguyên từ bức xạ là ánh sáng tổng hợp cua các xung ánh sáng khi điện tử rời từ các quỹ đạo khác nhau. Các xung này không có cùng tần số và pha (do ánh sáng bức xạ luôn biến đổi ngẫu nhiên, nên pha của chúng luôn biến động và biến động rất nhanh). Do vậy, ánh sáng nhận được không phải là ánh sáng kết hợp. Đặc tính không giao thoa của ánh sáng tự nhiên được gọi là tính không kết hợp. 3.2.3. Nguyên lý bức xạ ánh sáng kết hợp - nguvên lý laser Trong các nguyên từ phức tạp hay trong một mạng tinh thề, nguyên lý bức xạ ánh sáng là không thay đổi so với trường hợp nguyên tử hydro độc lập. Nhưng không đơn giản như thế mà giữa các neuvên tử có sự ành hưởng lẫn nhau. 108
Các trạng thái năng lượng theo các quỹ đạo có sự chênh lệch trong một dải rộng. Do vậy, người ta dùng khái niệm dải năng lượng thay cho mức năng lượng. Đồng thời việc chuyển dời từ mức năng lượng này sang một mức năng lượng khác có thể bị cấm nhiều, cấm ít hoặc cấm hẳn. Xét trường hợp của laser hồng ngọc: Các ion có ba mức năng lượng khác nhau được gọi là các mức E], Eỉ, Ej. Trong đó: E |: Mức năng lượng cơ bản - Mức siêu bền. E 2 : Mức quan trọng. E 3 : Mức năng lượng bình thường. Một điện từ có thể dừng ở trạng thái E 2 là 10~2 S, ở E 3 là 10~8 S. Như vậy, có thể nói rằng điện tử ở trạng thái E 2 là hoàn toàn ổn định và coi nhu các điện từ bị cấm từ mức E 2 sang mức E |. Mức E 2 được coi như kho chứa năng lượng. Do vậy, khi có một ánh sáng lạ thích hợp chiếu vào tinh thể có chứa ion này thì các điện tử được tập trung ở mức E2 , khi này điện tử coi như được kích thích nghĩa là trong nguyên tử xảy ra việc chuyển đồi chiếm đóng các dải năng lượng. M úc năng lượng thấp bình thường được chiếm giữ bởi nhiều điện từ giờ đây bị trống. Mức E2 ban đầu ít điện tử bây giờ lại bị chiếm đầy. Trạng thái này của nguyên tử hầu như được giữ ổn định (năng lượng đã được chứa lại). Quá trinh này được gọi là quá trình nghịch đảo mật độ tích luỹ. Đến đây, nếu ngẫu nhiên xảy ra quá trình bức xạ cùa một nguyên tử bị kích thích sẽ xảy ra phản ứng dây chuyền. N ếu như nguyên từ có điện tử nhảy từ mức E 2 về E| sẽ bức xạ ra một dao động ngắn. Dao động này sẽ lan truyền và tác động đến điện tử khác trong mạng tinh thể. Tần số này xác định bởi mức chênh lệch năng lượng giữa Ei và E 2 . Như vậy, tất cả các điện tử nằm ở mức E 2 được coi như điều hưởng ở cùng tần số hay cùng một bước sóng. Các xung ánh sáng có tần số và phase trùng với tân số và phase của các dao động kích thích. Và ánh sáng ở đây gọi là ánh sáng kết hợp. Do vậy, người ta gọi là hiện tượng khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ cưỡng bức - Laser (Light Am plication by Stimulate Emission o f Radiation - Sự phát xạ của ánh sáng được khuếch đại bởi dao động cưỡng bức). 109
Nếu khi bức xạ đi qua mạng tinh thể mà có độ khuếch đại lớn hơn các tổn hao trong mạng tinh thể, thì tạo ra được một ánh sáng liên tục trong mạng tinh thể và bức xạ được diễn ra cho tới khi nào không còn các điện từ được kích thích. Để cho ánh sáng được bức xạ ra bên ngoài, người ta tạo ra “hôc cộng hường” (không gian trong mạng tinh thê) quang học, băng cách tiến hành mài nhẵn các bề mặt của mạng tinh thể (hai mặt đôi diện đê tạo ra các gương). G ư cm ạđiéc (p h à n xạ 100°-o) Hình 3.3. Hốc cộng hường Ánh sáng bức xạ ra là ánh sáng kết hợp. Nguyên lý này đúng cho tất cả các loại laser. Người ta gọi là nguyên lý Fabry-Perot (F-P). So với các loại laser thì laser bán dẫn rất nhỏ, có tuổi thọ rất cao, có năng lượng tiêu thụ bé, tạo ra các phương án mạch phức tạp mới. Vì vậy hiện nay trong thông tin quang chì sử dụng các laser bán dẫn. 3.2.4. Nguyên lý bức xạ ánh sáng của laser bán dẫn 3.2.4.1. N guyên lý Laser bán dẫn cũng có nguyên lý chung như các loại laser khác. Đó là lúc điện từ chuyển đổi từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp thì sẽ bức xạ ra photon. Quá trình bức xạ laser là quá trình bức xạ kích thích xuất hiện khi hệ số khuếch đại cùa bộ cộng hưởng lớn hơn tôn hao bức xạ. Trước khi cho bức xạ photon, chất bán dẫn phải được kích thích, tức là phá vỡ sự cân bằng nhiệt. Phương pháp kích thích là chiếu ánh sáng lạ hay có một điện trường ngoài cho bán dẫn. Hai phương pháp này làm cho các phần từ mang điện cơ bản trong chất bán dẫn được khuếch tán qua một vùng đồng nhất (miền hoạt tính, miền tiếp giáp). 110
Phương pháp điện trường ngoài được sử dụng thông dụng bàng cách đặt một thiên áp thuận lên hai chất bán dẫn p và N, để tạo ra sự chuyển đổi việc chiếm dùng các dải năng lượng. Bước sóng bức xạ là: h.c x =- (3.3) Dài dẫn Ed Vùng câm Eg X= — V W \A * E. Eh Dái hoá trị Hình 3.4. Cấu trúc dải năng lượng Theo hình 3.4 khi có dòng điện phân cực thuận thì các điện từ ở dải hoá trị nhận được năng lượng sẽ chuyển qua vùng cấm E g để lên dài dẫn E d, và dừng ở đó như là trạng thái ổn định. Như thế bán dẫn đã được kích thích, và đã chứa năng lượng lại. Cũng có thể nói nó đã phá vỡ sự cân bằng của các phần tử mang điện là điện tử và lỗ trống. Quá trình bức xạ ánh sáng cũng như các loại laser khác. Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái bị kích thích về trạng thái cũ, điện tử chuyển từ mức năng lượng cao ở dải dẫn về mức thấp ở dải hoá trị, để tái họp với lỗ trống, và năng lượng bức xạ ra dưới dạng photon. 3.2.4.2. Hiệu ứng chích động tử qua miền tiếp giáp P -N Các laser đang được sừ dụng trong thông tin quang đều sừ dụng các loại laser dùng hiệu ứng chích động từ. Các loại laser hoạt động theo nguyên tắc này có ưu điểm sau: + Có kích thước và trọng lượng nhỏ. + Tiêu hao năng lượng thấp. + Có thể điều khiển bức xạ bằng dòng bơm. + Là loại duy nhất có thể biến đổi trực tiếp năng lượng điện thành năng lượng quang. 111
Hiệu ứng chích động tử: Hai khối bán dẫn suy biến khác loại đặt tiếp xúc với nhau thì tại lớp tiếp xúc (tiếp giáp pn), điều kiện nghịch đảo mật độ tích luỹ được hình thành. Các điện tù sẽ có xu hướng chuyên dời từ bán dẫn n sang p, và các lỗ trống sẽ có xu hướng khuẻch tán từ p sang n. Tại miền tiếp giáp, các cặp điện tử - lỗ trống sẽ tái hợp và bức xạ ra photon có tần số chuyển dời. Do quá trình khuếch tán các phần tử mang điện ban đâu. Các điện tích khối đuợc hình thành ờ hai phía tiếp giáp p - n. Vì vậy hình thành hàng rào thế năng eUo. Trong đó, Uo là điện trường tiếp xúc có huớng theo chiều từ n sang p. Hàng rào thế năng này ngăn cản khòng cho phân tử mang điện cơ bản được khuếch tán qua miền tiếp giáp p - n. Đồng thời múc Fecmi cùa hai chất bán dẫn nàm ở trên một đường thẳng ngang băng nhau. Muốn tạo ra nghịch đảo mật độ tích luỹ phải làm cho hiệu mức Fecmi của bán dẫn p và n lớn hơn độ rộng vùng cấm: E fn - E fp > E g. Để đạt được điều này, phải đặt một điện áp phân cực thuận lên tiếp giáp: (+) lên p và (-) lên n. Vủng Các điện tũ Tiẽp giáp pn nghèo khuèch tản Phian ‘ Phiap © e I © © © © © © Ị 0 Q ; © © Dòng mang hạt thiếu 50 0 b) V úngnghéohẹplại Phian Pliia p 0© © -*-© © © 0 0 0 + •*-© © © e e e > ■4- © © ẽ Hình 3.5. a) Tiếp giáp p - n; b) Phân cực ngược; c) Phân cực thuận 112
Ev ww* M iẻ n N b) Hình 3.6. Miền tiếp giáp P-N a) C hưa có điện áp phân cực; b) Cố điện áp phân cực Điện trường ngoài có hướng ngược chiều với điện trường tiếp xúc sẽ làm giảm chiều cao của hàng rào thế năng đi một lượng là eU. Lúc này điện tử có thể khuếch tán từ n sang p, và các lỗ trống thì khuếch tán từ p sang n. Hai dòng động từ khuếch tán ngược chiều nhau sẽ tham gia vào quá trình tái hợp và tạo thành bức xạ laser. Việc sinh ra photon còn phụ thuộc vào điều kiện: nhiệt độ, mật độ, đặc tính p, n. Hiệu ứng: Số động tử cơ bản được chích vào các miền phụ thuộc vào điện áp đặt trên miền tiếp giáp p - n, tức là phụ thuộc vào dòng điện chạy qua miền tiếp giáp. Điện áp u đặt trên tiếp giáp p - n thoả mãn điều kiện Efn - Efp > Eg. Do vậy, vùng làm việc của đặc tuyến V -A của laser bán dẫn tương ứng với giá trị điện áp cao. Khi đó, hàng rào thế năng hầu như bị xoá bò, điện trường trong hầu như không còn đủ sức cản quá trình khuếch tán cùa các phần tử mang điện cơ bản. Kết quả là tạo ra một dòng điện thuận lớn chảy qua tiếp giáp. Trong dòng điện thuận có một giá trị nào đó mà ứng với nó thì công suất bức xạ cưỡng bức bẳt đầu bù trừ được tất cả các tổn hao và xuât hiện hiệu ứng laser. Người ta gọi đó là dòng điện ngưỡng. Theo đặc tính phát xạ ánh sáng, người ta chia ra làm hai loại diode phát quang (LED) và diode laser (LD). - Quá trình các nguyên tử chuyển từ trạng thái bị kích thích về trạng thái cũ, hay là quá trình tái hợp là ngẫu nhiên thì ánh sáng phát ra là ánh sáng không kết hợp. Điện áp và dòng điện đặt vào tiếp giáp p - n càng lớn thì số nguyên từ bị kích thích càng nhiều, công suất ánh sáng bức xạ ra càng lớn. Đây là quá trình bức xạ ngẫu nhiên, không đồng bộ, nên ánh sáng là không kết hợp. Lúc này ta có diode phát quang LED. 113
Hình 3.7. Dòng điện ngưỡng - Muốn có diode laser thì cần có bộ cộng hường quang là các gương phản xạ. Nhờ có công suất ánh sáng sinh ra đù lớn và nhờ cộng hưởng phản xạ mà đạt đuợc hiện tượng hồi tiếp và đồng bộ, ánh sáng sinh ra là ánh sáng kết hợp về thời gian và không gian. Lúc này diode trở thành diode laser, công suất ánh sáng tăng nhanh theo dòng điện. 3.3. CÁC BỘ PHÁT QUANG 3.3.1. Yêu cầu về v ật liệu chế tạo LED và LD bán dẫn Các loại vật liệu bán dẫn có khả năng bức xạ ánh sáng có rất nhiều, song bước sóng ánh sáng bức xạ ra phụ thuộc vào khoảng cách năng lượng giữa dải hoá trị và dải dẫn cùa từng vật liệu (công thức 3.3), và nằm ở nhiều vùng bước sóng khác nhau. Vật liệu được chọn phải bức xạ ra ánh sáng thuộc ba cùa sổ công tác của sợi quang, là các vùng 850nm, 1300nm và 1550nm. Vật liệu chil yếu được sử dụng là hợp chất GaAs (Galium - Arsenid) ở vùng bước sóng 850nm. Ờ nhiệt độ phòng (300°K) nó bức xạ ra bước sóng 900nm, còn ờ 77°K thì có X = 840nm. Đẻ đạt được bước sóng nhỏ dịch về phía 800nm ở nhiệt độ phòng thì cần thay đổi mức năng lượng chênh lệch, bàng cách thêm AI vào để có bán dẫn Gai_xAlxAs, với X là hàm lượng AI và (1-x) là hàm lượng Ga. Chọn tỷ lệ phù hợp AI và Ga để có giá trị Eg phù hợp, để có bước sóng yêu cầu. 114
InGaAsP 1 ! G a A sln P 1 i AlGaAs 1 1 GaAsP í .........1 GaP 1 1 0.5 0.6 0." 0.85 1 1.3 1.55 1.8 Ã (nm) Ga : Gallium As : Arsenic In : Indium p : Phosphorus A l : Aluminium Hình 3.8. Bước sóng ánh sáng phát xạ của một số loại bán dẫn nhóm III—V Ỏ vùng bước sóng từ 1 2 0 0nm đến 1600nm thì vật liệu chù yếu là bán dẫn InGaAsP, bằng cách thay đổi hàm lượng các chất theo quan hệ InxGai_x X A s y P i_ y thì cũng thay đổi được giá trị Eg và đạt được bước sóng bức xạ ra yêu cầu. Đây là các bán dẫn loại III— vì tạo thành từ V các nguyên tố hoá học thuộc nhóm III và V. Trong tương lai cũng có thể chế tạo LED và LD từ các hỗn hợp tinh thể bán dẫn II—VI/III—V. 3.3.2. LED 3.3.2.1. Đặc điểm - Diode bức xạ LED là một trong những thiết bị quang đơn giàn nhất, ứ n g dụng của nó rất quan trọng trong các thiết bị hiển thị và được sử dụng trong máy phát quang của hệ thống thông tin. Tuy nhiên việc sử dụng LED được áp dụng đối với các hệ thống thông tin quang số có tốc độ truyền dẫn nhỏ (< 100 Mbps) cự ly truyền ngắn, yêu cầu chất lượng không quá cao. Do đó nàng lượng quang ghép vào cỡ vài chục mW. - Nguôn quang LED có ưu điểm sau: Mạch điều khiển đơn giàn, không cần thiết phải có mạch ổn định nhiệt quang, chi phí chế tạo thấp, vùng phát xạ của diode phát quang được thiết kế phù hợp với thiết kế của sợi quang. 115
- Nguyên lý bức xạ LED: Là quá trình bức xạ tự phát khi có tái hợp ngẫu nhiên cùa các cặp điện tử lỗ trống trong tiếp giáp p-n. Công suất ánh sáng bức xạ tỳ lệ trực tiếp với cường độ dòng điện. Lúc dó, ánh sáng bức xạ được phát ra từ một khe trống rất mỏng cùa lớp bán dẫn khi có sự kết hợp của các cặp điện tử lỗ trống thông qua chức năng phân bô của mức năng lượng Fecmi. - Một số yêu cầu đối với LED: + Cường độ bức xạ quang phải cao. + Phải có thời gian đáp ứng nhanh. + Phải có hiệu suất lượng từ hoá cao. 3.3.2.2. Cấu trúc cơ bản của LED - Để đạt được yêu cầu thì LED phải có cấu trúc sao cho có thể tập trung được ờ mức độ cao nhất các phần tử mang điện cơ bản tại miền tiếp giáp. Còn gọi là miền hoạt tính. Lúc đó nó sẽ tập trung được số lượng photon lớn nhất tại miền này. Hầu hết tất cả các miền sáng quang điện đều dựa trên công nghệ tinh thể EPITAXIAL. Đó là lớp hoạt tính mỏng (một vài |am). Được cấy trên một lớp nền cỡ ~ 200|im. - LED có hai dạng cấu trúc cơ bản là cấu trúc dị thể đơn và cấu trúc dị thể kép. Trong đó: Cấu trúc dị thể đơn: Làm cho độ rộng phổ của ánh sáng bức xạ là rất rộng. Do đó không phù hợp với hệ thống thông tin quang. Cấu trúc dị thế kép: Gồm có ba lớp cơ bản người ta đưa thêm vào hai mặt đối diện của lớp bán dẫn công tác một lớp bán dẫn khác có dải dẫn rộng hơn. Lúc đó các LED có cấu trúc dị thể kép sẽ hạn ché được các hạt mang điện cơ bản trong khu vực dải dẫn, dải hoá trị cùa miền hoạt tính. - Miền dị thể kép bao gồm: + Miền hoạt tính trung tâm và chất bán dẫn n tạo thành bời hợp chất: n-Gai_yAlyAs, có chiết suất lớn nhất. Có hai lớp mỏng có chiết suất khác nhau đặt trên mỗi mặt của miền hoạt tính. Đó là các lớp bán dẫn sau: 116
+ Chất bán dẫn p có cấu trúc là Gai_xA lxAs có độ rộng dải cấm lớn để ngăn chặn không cho các điện từ chạy về phía các điện cực p và lớp nền. + Chất bán dẫn n có cấu trúc Gai_xAlxAs cũng có độ rộng dải cấm lớn tạo nên một ngưỡng cao nhàm không cho lỗ trống dịch chuyển sang phía n. + Lớp tiếp giáp dị thể kép: Tất cả các hạt mang điện và trường quang, các photon đều được hạn chế trong miền hoạt tính trung tâm. Khoảng cách các khe năng lượng của các lớp cận kề có tác dụng tập trung trường quang vào miền hoạt tính. Và nhờ phương thức này nên hiệu suất lượng tử hoá cao và cường độ bức xạ ánh sáng lớn. - Các LED bức xạ ra ánh sáng không kết hợp và phuơng của ánh sáng vuông góc với miền hoạt tính. Các tham số ảnh hường tới quá trình bức xạ theo cấu trúc này gồm: + Sự hấp thụ trong miền hoạt tính. + Phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc của cấu trúc dị thể kép. + Be dày miền hoạt tính cũng như bề dày của lớp dị thể kép. + Tỷ lệ chích động tử vào miền hoạt tính. 3.3.2.S. Phăn loại LED LED là loại bức xạ đẳng hướng nên có khả năng ghép ánh sáng thấp. Vì vậy, để tăng hiệu suất ghép ánh sáng từ nguồn LED (ở cấu trúc dị thể kép) với sợi, thì phải tập trung ánh sáng theo một hướng. Nếu thu hẹp được miền hoạt tính thì vừa tăng khả năng tập trung các phần tử tích điện để tăng hiệu suất, lại vừa có khả năng để tạo ra một lớp bán dẫn quang hẹp để tập trung được các photon. Bên cạnh đó cần ngăn chặn sự hấp thụ các photon trong lớp bán dẫn n. Vậy có các phương pháp tập trung bức xạ sau: - Tập trung bức xạ ánh sáng theo cạnh, song song với miền hoạt tính: ELED. - Tập trung bức xạ ánh sáng theo mặt, vuông góc với miền hoạt tính: SLED. 117
a) LED bức xạ mặt (SLED) ả n h sá n g X hựa epoxv Đ iện cực , kim loại / Lớp đế Lớp hạn M iên hoạt tinh chế < SiO; SiO: Lớp tan Đ iệiicực nhiệt k im lo ạ i Hình 3.9. Cấu trúc cơ bản của SLED SLED bức xạ vuông góc với miền hoạt tính. Đe tăng hiệu xuất ánh sáng vào sợi, người ta cắm liền sợi quang vào lỗ khoét cùa SLED với đường kính lỗ tròn từ 20|um -ỉ- 50|^m tương thích với sợi quang đa mode và đơn mode. Sợi quang và SLED được gắn chặt bàng nhựa epoxy, bản thân SLED cũng là một bức xạ có cấu trúc dị thể kép với miền hoạt tính mỏng. Như vậy photon được bức xạ trực tiếp vào sợi quang. Mầu bức xạ của SLED là đảng hướng. Công xuất hay cường độ trường bàng 1 / 2 giá trị cường độ điện trường cực đại với góc mở là 1 2 0 °. Emax Ema Emax 2 Hình 3.10. Giản đò bức xạ cường độ điện trướng của SLED b) LED bức xạ cạnh (ELED') Đối với ELED thì ánh sáng bức xạ ra theo phương dọc theo lớp hoạt tính nhờ có cấu trúc sau: 118
- Miền dị thể kép gồm miền hoạt tính và hai lớp dẫn quang có chiết xuất nhỏ hom miền hoạt tính. Nhằm tập trung trường quang của miền hoạt tính, lớp kim loại dạng vạch sẽ không cho ánh sáng có thể bức xạ vuông góc với miền hoạt tính. - Bề dày cùa miền hoạt tính không lớn hơn 0,25|am. - Độ rộng miền hoạt tính phụ thuộc vào độ rộng kim loại vạch và có độ dày 50nm -T 70(im, chiều dài lOO^m -ỉ- 150(im. Kim loại v ạ ch \ Đ ién cực > L ơp d ẫ n quang M iên dị S thề kép L ớp đ iện cực Miẻn h o ạ t tinh / L ớp đ ế L ớp tà n nhiệt U Hình 3.11. cáu trúc bức xạ của ELED Mầu bức xạ cùa ELED có tính năng đẳng hướng cao hơn so với SLED, trong mặt phang song song của miền hoạt tính thì mẫu bức xạ giông SLED và không có tác dụng của lớp dẫn quang. Hình 3.12. Mẫu bức xạ cường độ điện trường của SLED 119
3.3.2.4. Đặc tính của LED a) Công suất bức xạ Công suất bức xạ phụ thuộc vào tỷ lệ tuyến tính với dòng kích thích Ib- Gọi lo là dòng giới hạn, khi Ib > l o thì do tác động của nhiệt độ, đặc tuyến mất tuyến tính. Chọn thời điểm làm việc cùa LED tại gốc toạ độ Ib = 0. P(mW) TP > T (phái xạ mội) i 00 300 500 I(mA) Hình 3.13. Đặc tuyến bức xạ của LED. Hình 3.14. Đặc tuyến bức xạ giữa S L E D -E L E D Mặt khác khi đưa dòng Ib vào trong LED thì sẽ có một dòng bức xạ do năng lượng của photon từ diode là Iph! Ik b (3.4) e Trong đó: TiTot thể hiện toàn bộ quá trình biến đổi dòng photon từ năng lượng của diode. Ngoài ra công suất bức xạ cùa LED còn bị ảnh hường bởi nhiệt độ. Nhiệt độ tăng thì đặc tuyến bức xạ sẽ phảng hom. Tuy nhiên LED được chế tạo từ hợp chất GaAs nên thường ít bị ảnh hường hơn so với vật liệu InGaAsP. b) Mau bức xạ Được đặc trưng bời góc phát xạ. Góc phát xạ của nó quyết định hiệu suất ghép ánh sáng giữa LED và sợi. Khi mà góc phát xạ phù hợp với góc đón ánh sáng. Điều này làm cho hiệu suất đón ánh sáng là cực đại. 120
Góc phát xạ phụ thuộc vào cường độ bức xạ trên một đơn vị góc khối. Hình 3.16. Mầu bức xạ cường độ trường của S LE D và E LE D SLED: Có đặc tính bức xạ không đổi trên toàn vùng bức xạ không thay đổi tại mọi vị trí trong vùng bức xạ và không phụ thuộc vào gốc thòi gian. Mặt phẳng bức xạ: 1(9) = Io.cose. (3.5) Trong đó: lo là cường độ phát xạ trên trục đứng với 9 = 0. 9 là góc giữa hướng phát xạ và trục phát xạ. Như vậy, một nửa mức công suất đinh đạt được ở 9 = 60°. Mặt bao của góc phát quang của SLED có dạng hình nón 120°. 121
ELED: Góc phát xạ của ELED: Ở hướng song song với lớp tích cực thì giống như SLED, còn hướng vuông góc với lớp tích cực. thì lớp phát quang giảm đi chỉ còn 30°. Do đó, góc phát quang cùa ELED nhỏ hơn so với SLED. c) Độ rộng phổ bức xạ Độ rộng phổ phải được chú ý bời nó ảnh hường trực tiêp tới cự ly và chất lượng truyền dẫn cùa hệ thống. Các nguồn quang không phải bức xạ ra duy nhất một bước sóng mà năng lượng được phân bô trong dài sóng từ x.| -f- X - Chúng được đặc trưng bởi hàm mật độ phân bố .2 công suất theo bước sóng. Hình 3.17. Phổ bức xạ Có: PW =J => p =xjp(?0ca. (3.6) ^1 Trong đó: p là công suất bức xạ. Đối với nguồn quang bán dẫn thì bước sóng bức xạ ra được xác định bởi năng lượng dài cấm X = hc/ Eg. Do bán dẫn có cấu trúc mạng tinh the hay có tạp chất cho và nhận nên giá trị A bị biến động trong một . dạng nhất định xung quanh bước sóng trung tâm. Phân bố hàm mật độ công suất là dạng hình chuông. 122
P (* ) = Pv e 1 J. (3.7) Trong đó: P).o là giá trị lớn nhất cùa hàm phân bố mật độ công suất. Ầo là bước sóng trung tâm. AX là khoảng cách giữa hai bước sóng. Hình 3.18. Hàm phân bố mật độ công suất Khi đó, độ rộng phổ là khoảng bước sóng mà trong đó công suất quang không nhỏ hơn phân nửa mức công suất đình. Thông thường LED có độ rộng phổ từ 35nm -T lOOnm. - Neu nhiệt độ miền hoạt tính tăng l° c thì bước sóng trung tâm dịch chuyển về bước sóng dài 0 ,6 nm. Độ rộng phổ SLED cỡ lOOnm ; với Ào = 1300nm. Độ rộng phổ ELED cỡ 60 4 - 80run ; với Ằ = 1300nm. .0 d) Hiệu suất lượng từ hoá - Định nghĩa: Là tỷ lệ các cặp điện tử lỗ trống tái hợp sinh ra photon với tổng số cặp điện tử lỗ trống tái hợp. cặp điện tử - lỗ trống tái hợp sinh ra photon ^g ^ c ặ p đ iệ n tử - lỗ trống tái hợp Gọi mật độ điện tử là An, mật độ lỗ trống là Ap được coi là bàng nhau. 123
Khi các điện tử và lỗ trống khuếch tán qua miền hoạt tính, chúng tái hợp với nhau và sinh ra photon. Khi ngừng chích động tử, mật độ điện tử và lỗ trống giảm theo hàm mũ: An = An0 .e“rI. (3.9) Trong đó: Ano là mật độ điện tử ban đầu. T là hàng sổ thời gian, khoảng lnm + l/1000ms. Phụ thuộc vào vật liệu chế tạo dụng cụ. Các cặp điện từ lỗ trống tái hợp không bức xạ ra photon thì năng lượng giải phóng dưới dạng nhiệt. Nếu gọi: Rr là tốc độ tái hợp có bức xạ ở mỗi đom vị thể tích; R„r là tốc độ tái hợp không bức xạ. - Hiệu suất lượng từ hoá: (3I0) - Thời gian tồn tại của tái hợp phát xạ là: An An T" Rnr Rnr (311) - Thời gian tồn tại của tái họp không phát xạ là: An Ap x' - t ; - í ự (312) - Hiệu suất lượng tử hoá: =— — • (3.13) 1 + Ì L Tn r + * r e)Hiệu suất ghép quang Là tỳ số giữa công suất quang ghép vào sợi Popc trên công suất phát quang cùa nguồn quang ps: 1 - ^ (3.14) 124