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

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!

Chương 3

MÁY PHÁT

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.

Đặc điểm chung của LED và Laser

hưởng

có 2 gương phản xạ +cơ chế bơm để giam và khuếch đại photon tạo ra ánh sáng kết hợp cường độ cao

Nguyên lý phát xạ ánh sáng

V ật liệu có dải cấm trực tiếp và gián tiếp

V ật 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:

nm

870 10

625 , 6 10

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

Cấu trúc dị thể kép, sơ đồ hình học

và giản đồ năng lượng

Sơ đồ hình học của cấu trúc dị thể kép

V ật liệu có dải cấm trực tiếp và gián tiếp

Quan hệ giữa tham số mạng và năng lượng vùng cấm của họ hợp chất

Tham số mạng và năng lượng vùng cấm

V ật 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.

Cấu trúc LED phát xạ mặt

Sơ đồ cấu trúc của LED phát xạ mặt

Cấu trúc LED phát xạ mặt

Cấu trúc LED phát xạ cạnh

Sơ đồ cấu trúc của LED phát xạ cạnh

Cấu trúc LED phát xạ cạnh

Độ rộng đường của LED

Biểu thức liên hệ giữa bước sóng và tần số được biểu diễn:

Đạo hàm hai vế theo ta được:

Gọi là độ rộng đường thì độ rộng phổ được xác định:

.

c

2 9

9 8

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:

MHzChú 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

12000 )

10 870

(

10

30 10

9 8

Độ rộng phổ của LED

Ví dụ 3.4:

Đối với LED AlGaAs ở 300 0K thì f được tính như sau:

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

12400 10

62 , 6

300 10

38 , 1 2 2

Sự tái hợp và phát xạ phô ton trong Laser Diode bán dẫn

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:

S: mật độ năng lượng phô ton [joule/m3.Hz], N 1 và N [1/m3]:

mật độ hạt mang ứng với mức năng lượng E 1 và E 2 B 12 là hệ số

tốc độ hấp thụ kích thích, B 21 là hệ số tốc độ phát xạ kích thích,

A 21 là hệ số tốc độ phát xạ tự phát [1/s] R P 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 E 2 đến E 1 , và vế

PR S

N B

S N B

N

A21 2  21 2  12 1 

Khuếch đại quang dương:

Trong biểu thức trên ta đã thay

trong đó n là chiết suất của môi trường.

Để tăng tốc độ phát xạ, cần tăng cường độ ánh sáng S Cường độ

ánh sáng tăng tỉ lệ với hiệu số giữa tốc độ phát xạ kích thích và

tự phát

)1

1(

81

)/

(

/

/ 3

3 3

2 21 1

12

21 21

n hf N

B N

3 21

21 / B 8 hf n / c

Khuếch đại quang dương:

nghịch đảo tích luỹ(tt)

Vì vậy, để tăng cường độ ánh sáng ta phải có: :nghịch đảo độ tích luỹ (nghịch đảo dân số)

và yêu cấu N 2 >N 1 khi B 12 = B 21 Để đạt được nghịch đảo tích

luỹ, thì bơm bên ngoài cần có tốc độ R P lớn hơn tốc độ phát xạ tự

phát

Do S>0, nên R P cần>(A 21 N 2) khi

(*)Trong LED, do mất mát trong hốc lớn nên các phô ton tạo ra

không đủ lớn do đó không thoả mãn điều kiện (*) không tạo ra

cường độ ánh sáng đủ lớn

S N B N

( 21 2  12 1

1 12 2

21N B N

1 12 2

21

2 21

N B N

B

N A

Giam ánh sáng trong buồng cộng hưởng

Laser cổ điển Fabry-Perot Khoảng cách giữa các mode dọc liên tiếp

Quan hệ giữa chiều dài L của buồng cộng hưởng và bước sóng của mode dọc:

n: chiết suất môi trường

:bước sóng của mode dọc thứ m

Khi m là một số nguyên lớn thì khoảng cách giữa 2 mode dọc liên tiếp được biểu diễn:

Ln m

m m

doc

2

1 2

} 1

1 m

1 { 2

2 2

Sự phụ thuộc Laser Diode vào nhiệt độ

Dòng điện ngưỡng chuẩn hoá và nhiệt độ

Laser Diode Fabry-Perot

Phổ tiêu biểu của Laser Diode GaAlAs/GaAs

Số mode dọc và khoảng cách giữa chúng

Ví dụ: Giả sử hốc của Laser InGaAsP có chiều dài L=500 µm

và trong dải bước sóng [1,54-1,56] độ khuếch đại của nó lớn hơn giá trị yêu cầu, hãy tìm khoảng cách giữa 2 mode dọc liên tiếp và số mode dọc có thể có Tính khoảng cách này trong đơn

vị GHz Giả sử chiết suất có giá trị 3,63

Số mode dọc và khoảng cách giữa chúng

Ví dụ: Giả sử hốc của Laser InGaAsP có chiều dài L=500 µm

và trong dải bước sóng [1,54-1,56] độ khuếch đại của nó lớn hơn giá trị yêu cầu, hãy tìm khoảng cách giữa 2 mode dọc liên tiếp và số mode dọc có thể có Tính khoảng cách này trong đơn

vị GHz Giả sử chiết suất có giá trị 3,63

+Ta có:

+Số mode dọc có thể có:

+Khoảng các 2 mode dọc tính trong đơn vị GHz:

nm Ln

m m

m

63 , 3 10 500

2

10 55 , 1

12 2

, 0

1540 1560

Cấu trúc tổng quan và đặc tính phổ

của 2 loại Laser Diode cổ điển và DFB

Cấu tạo của Laser DFB

và có cấu trúc dị thể kép

Phổ phân bố đối xứng trong DFB lí tưởng

Phổ đầu ra được phân bố đối xứng trong

Cấu tạo của Laser DFB (tt)

Laser DFB sử dụng phản xạ Bragg để nén các mode không mong muốn: Đặt một cấu trúc lượn sóng có chu kỳ bằng trong hốc Nhờ cấu trúc có chu kỳ này mà các sóng chạy

hướng tiến và hướng lùi giao thoa với nhau Để đạt được điều này, sự thay đổi pha khi sóng đi một vòng trong một chu kỳ phải bằng , trong đó m là một số nguyên và được gọi là bậc nhiễu xạ Bragg m=1 tương ứng với bước sóng Bragg bậc

1 ( ) và được tính như sau:

Cấu trúc lượn sóng DFB

Laser đơn mode (tt) Cấu tạo của Laser DBR

Laser hốc kép C3

Laser hố lượng tử

Trong đó, d là độ dày của lớp tích cực, m e và m h là khối

lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống i và j là các số nguyên.

Từ các mức năng lượng rời rạc, ta có thể biểu diễn độ lệch năng lượng như sau

e

c ic

m

i d

h E

E

2 2

m

j d

h E

E

2 2

2 2

2

j i

h E



Laser hố lượng tử (tt)

 Với Ta thấy khi lớp tích cực d càng

mỏng thì độ lệch năng lượng càng lớn Vì d nhỏ nên thành phần thứ 2 đủ lớn so so với thành phần thứ nhất

Do đó, khi thay đổi d thì thay đổi được và thay đổi

được bước sóng của ánh sáng phát ra

 Giãn nở độ rộng đường là hiện tượng mà độ rộng đường của Laser bị mở rộng khi nguồn quang bị điều chế trực tiếp bởi tín hiệu điện vào Chẳng hạn, Laser DFB và C3 không còn là Laser đơn mode nữa khi bị điều chế trực tiếp bởi tín hiệu tốc độ bít cao Khi đó sẽ xảy ra hiệu ứng Chirp

v c

E  

j i



v c

g E E

E  

Laser hố lượng tử (tt)

 Mặc dù các Laser hố lượng tử ít phụ thuộc vào nhiệt độ

và có độ giãn nở phổ nhỏ khi điều chế tín hiệu trực tiếp,

nhưng do lớp tích cực quá mỏng nên hốc giam hạt mang và phô ton nhỏ làm cho công suất ra bị hạn chế

 Để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo loại Laser

đa hố lượng tử Trong đó, nó có nhiều lớp tích cực có năng lượng dải cấm nhỏ đặt xen kẽ với các lớp lót có năng lượng dải cấm lớn hơn Do đó, hốc giam hạt mang và phô ton của

nó lớn hơn nhiều so với Laser hố lượng tử thông thường

Laser hố lượng tử

Laser thay đổi bước sóng

Laser thay đổi bước sóng(tt)

 Giải thích hoạt động của Laser thay đổi bước sóng: Đầu tiên,

tổ hợp hai vùng tích cực và pha được xem như một loại Laser FP đặc biệt mà một mặt có độ phản xạ bằng 0 và vùng phản xạ

Bragg được xem như một bộ lọc quang

  ánh sáng được tạo ra từ phần Laser FP phải qua bộ lọc

quang trước khi ra ngoài Do bộ lọc Bragg có độ rộng phổ hẹp nên chỉ có một mode dọc được xuyên qua còn các mode dọc

khác thì bị nén

Laser thay đổi bước sóng (tt)

 Khi thay đổi dòng điện phân cực thì bước sóng Bragg thay đổi Nghĩa là làm dịch chuyển bước sóng trung tâm của băng thông Bragg

 Khi dòng điện phân cực thay đổi đủ lớn thì bước sóng trung tâm dịch đủ rộng làm cho mode dọc ban đầu bị nén và mode kế cận được lựa chọn, do đó bước sóng ra của Laser bị thay đổi

 Khi cả hai vùng cách tử và vùng pha được điều chỉnh đồng thời thì bước sóng ra có thể thay đổi khoảng (10  15) nm

Laser thay đổi bước sóng (tt)