Đề tài bộ phát quang ppt

- Hiện tượng phát xạ kích thích stimulated emision Các linh kiện biến đổi quang điện dùng trong thông tin quang sẽ dựa vào một trong các hiện tượng này để thực hiện quá trình biến đổi qu

THÔNG TIN QUANG

Bộ phát quang

1 Nguyên lý chung

1.1 Các nguyên lý biến đổi điện sang quang: dựa trên 3 hiện tượng

- Hiện tượng hấp thụ (absorption)

- Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission)

- Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emision)

Các linh kiện biến đổi quang điện dùng trong thông tin quang sẽ dựa vào một trong các hiện tượng này để thực hiện quá trình biến đổi quang điện theo chức năng của từng loại linh kiện

1.2 Vùng năng lượng

điện tử phân bố trong hai vùng

năng lượng tách biệt nhau:

+ Vùng hóa trị (valence band) là vùng năng lượng có năng

lượng thấp và là vùng năng lượng

bền vững của điện tử Các điện tử

luôn có xu hướng chuyển về vùng

hóa trị sau một khoảng thời gian

sống ở vùng dẫn

+ Vùng dẫn (conduction band) là vùng năng lượng cao hơn

của các eletron Sự dẫn điện của

chất bán dẫn được thực hiện bởi

các điện tử nằm ở vùng dẫn này

1.3Sơ đồ vùng năng lượng

- Quá trình biến đổi quang điện xảy ra trong chất bán dẫn cũng được giải thích dựa trên ba hiện tượng: hấp thụ (absorption), phát xạ tự phát (spontaneous emission) và phát xạ kích thích (stimulated emission) như trong biểu đồ mức năng lượng

- Điều kiện để một điện tử có thể chuyển từ trạng thái năng lượng thấp (vùng hóa trị) sang trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) là: năng lượng mà điện tử nhận được phải bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa hai vùng năng lượng hóa trị và vùng dẫn Nếu năng lượng được cung cấp không bằng với bất kỳ độ chênh lệch năng lượng nào giữa hai vùng năng lượng này thì quá trình hấp thụ cũng như phát xạ kích thích

sẽ không xảy ra

1.3 Nguồn quan: Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang

- Diode phát quang LED (Light Emitting Diode)

- Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Các yêu cầu đối với một nguồn quang sử dụng trong hệ thống thông tin quang là:

sợi quang

nhiễu lên tín hiệu

suy hao thấp và tán sắc thấp, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bước sóng này

dải tần rộng trải dài từ tần số âm thanh tới dải tần GHz

quang

tố môi trường bên ngoài

khác

- Đối với dải cấm trực tiếp, phần đáy (có năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm đối diện với phần đỉnh (có năng lượng cao) của vùng hóa trị Do đó, các điện tử

ở hai vùng này có động lượng bằng nhau

- Đối với dải cấm gián tiếp, phần đáy (có năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm cách xa so với phần đỉnh (có năng lượng cao) của vùng hóa trị Do đó, các điện

tử ở hai vùng này có động lượng không bằng nhau bằng nhau

=> Như vậy, chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo nguồn quang cần phải có: dải cấm trực tiếp và năng lượng chênh lệch giữa vùng dẫn và vùng hóa trị phải phù hợp để có thể tạo ra bước sóng nằm trong các cửa sổ bước sóng hoạt động trong thông tin quang

2 Thiết bị phát quang

2.1 LED

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo của LED được phát triển từ diode bán dẫn, hoạt động dựa trên tiếp giáp

pn được phân cực thuận

Gồm 3 lớp bán dẫn loại P,N và lớp tích cực ở giữa

Nguyên lý hoạt động:

LED, nối Anot vào điện áp dương và Katot vào điện áp âm

giữa Anot và Katot sẽ có điện trường với chiều hướng từ Anot đến Katot Dưới tác dụng của điện trường này

các điện tử bán dẫn N dịch chuyển

vào lớp tích cực và các lỗ trống cũng dịch chuyển từ bán dẫn P+ vào lớp

tích cực Tại lớp tích cực điện tử sẽ tái hợp với lỗ trống tạo ra ánh sáng Ánh sáng thông qua lớp bán dẫn N đi vào sợi quang

2.1.2 Cấu trúc LED

Về cấu trúc, LED được chia làm bốn loại:

- LED planar (planar LED)

- LED dome (dome LED)

- LED phát xạ mặt SLED (surface LED)

- LED phát xạ cạnh ELED (edge LED) Trong 4 loại LED này, LED planar và LED dome không được sử dụng trong thông tin quang vì cho dù có cấu tạo đơn nhưng hai loại LED này

có vùng phát quang rộng, ánh sáng phát ra không có tính định hướng để

có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang một cách hiệu quả Thay vào

đó, hai loại LED này được sử dụng trong các ứng dụng hiển thị, quang báo trong các thiết bị điện tử, TV, đèn bảng hiệu …

LED phát xạ mặt SLED (Surface LED) là loại LED

có ánh sáng được phát ra ở phía mặt của LED,

được gọi là LED Burrus do cấu trúc của LED được chế tạo đầu tiên bởi Burrus và Dawson

- Trong cấu trúc này, vùng phát xạ ánh sáng (vùng phát quang) của LED được giới hạn trong một

vùng hẹp bằng cách sử dụng một lớp cách điện để hạn chế vùng dẫn điện của tiếp xúc P Do đó, tại vùng tích cực của LED có mật độ dòng điện cao dẫn đến hiệu suất phát quang lớn

- Ánh sáng của SLED được đưa vào trong sợi quang tại phía mặt tiếp xúc N Tại đây, tiếp xúc N và lớp nền N được cắt bỏ đi một phần có kích thước

tương ứng với sợi quang Bằng cách này sẽ hạn chế được sự hấp thụ photon trong lớp N và tăng hiệu suất ghép ánh sáng vào trong sợi quang

- Tuy nhiên, vẫn có một phần lớn năng lượng ánh sáng được phát ra ngoài vùng đặt sợi quang Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang của SLED

LED phát xạ cạnh ELED (Edge LED) là loại LED

có ánh sáng ở phía cạnh của LED

kim loại) phủ kín mặt trên và đáy của LED Ánh sáng phát ra trong lớp tích cực (active layer) rất mỏng Lớp tích cực này được làm bằng chất bán dẫn có chiết suất lớn được kẹp giữa bởi hai lớp bán dẫn P và N có chiết suất nhỏ hơn

ELED Do vậy, ánh sáng phát ra ở lớp tích cực được giữ lại và lan truyền dọc theo trong ống dẫn sóng này Kết quả là, ánh sáng được phát ra ở hai đầu ống dẫn sóng, tức là phát xạ ở phía cạnh của LED Sợi quang sẽ được đặt ở một đầu của lớp tích cực để ghép ánh sáng vào

phát sáng hẹp và góc phát quang nhỏ Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang lớn hơn so

+ Lớp tích cực rất mỏng, làm bằng vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa hai lớp P và N có chiết suất nhỏ hơn

Cấu trúc này tạo thành ống dẫn sóng.+ Ánh sáng của laser phát ra ở phía cạnh

+ Ánh sáng được đưa ra ngoài qua một phần được cắt nhẵn của một mặt phản xạ

Nguyên lý làm việc:

- Cấp nguồn: Phân cực thuận cho Laser

- Khi Laser được cấp nguồn đúng thì điện

tử từ bán dẫn N và lỗ trống từ bán dẫn P dưới tác dụng của điện từ trường do nguồn

E tạo ra sẽ dịch chuyển vào lớp tích cực +Tại lớp tích cực điện tử sẽ tái hợp với

lỗ trống tọa ra ánh sáng Ánh sáng được tạo ra sẽ lan truyền trong lớp tích cực gặp các gương phản xạ ánh sáng tại các gương

sẽ kích thích các điện tử tái hợp với lỗ trống trong lớp tích cực tạo thêm lượng ánh sáng mới Ánh sáng được tạo ra sẽ có một phần qua gương 1 để tạo vào sợi

quang

+ Nhờ quá trình phản xạ ánh sáng trong lớp tích cực đã kích thích các điện tử với các lỗ trống cho nên công suất ánh sáng do Laser phát ra rất lớn so với LED

Cấu trúc:

Cấu trúc của LASER tương tự như LED nhưng phức tạp hơn, phần lớn vì yêu cầu thêm về việc giam giữ dòng điện trong một hốc cộng hưởng nhỏ.(Fabry Perot)

Trong hốc cộng hưởng Fabry Perot của

điôt LASER, có một bộ phận các gương phản chiếu được định hướng Các mặt

gương được tạo ra bằng 2 mặt chẻ tách tự nhiên của tinh thể bán dẫn

Mục đích của các gương này là để cung

cấp sự hồi tiếp quang theo hướng chiều

dài, và để bù lại sự tổn thất quang trong

hốc cộng hưởng

2.2.2Nhiễu trong Laser

- Nhiễu lượng tử (quantum noise) là loại nhiễu được tạo ra do sự ngẫu nhiên và rời rạc trong quá trình phát xạ photon ánh sáng

+ Tần số điều chế của tính hiệu quang: tần số càng cao ảnh hưởng càng lớn

+ Nguồn quang đa mode hay đơn mode: ảnh hưởng nhiều hơn đối với laser đa mode Đây là ưu điểm của nguồn quang đơn mode so với

nguồn quang đa mode khi sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao.

+ Dòng điện phân cực: nhiễu giảm khi dòng điện phân cực lớn hơn

dòng ngưỡng của laser

- Nhiễu thành phần (partition noise) trong các nguồn quang đa mode xảy ra khi các mode được phát ra không ổn định Sự thay đổi của nhiệt độ làm thay đổi phân bố công suất giữa các mode dọc (longitudinal mode) Điều này làm tăng tán sắc trên đường truyền

+ Nguồn quang chất lượng kém hoặc do suy giảm theo thời gian sử dụng

+ Đặc tính kỹ thuật của nguồn quang thay đổi khi dòng điện cung cấp thay đổi

Cấu trúc của LED càng phức tạp thì

công suất phát càng cao, góc phát sáng

càng hẹp, thời gian chuyển càng nhanh.

- 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 hẹp: vài nm