CẢI THIỆN tốc độ điều CHẾ KHÓA tắt mở TRONG hệ THỐNG TRUYỀN THÔNG BẰNG ÁNH SÁNG VÙNG NHÌN THẤY

Nhận thức được cơ hội phát triển của truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy, em đã tìm hiểu và lựa chọn đề tài “Cải thiện tốc độ điều chế khóa tắt mở trong hệ thống truyền thông bằng

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Trung Hưng MSSV: 20112728

Tên đồ án: Cải thiện tốc độ điều chế khóa tắt mở trong hệ thống truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:

Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả

thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng

dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5 Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực

hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống 1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều

được phân tích và đánh giá thỏa đáng 1 2 3 4 5

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết

quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận

để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic

và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số

thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu

cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận

chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập

luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học

(quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh

sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt

giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về

chuyên ngành như TI contest

làm việc của sinh viên)

Ngày: / /2016 Người nhận xét (Ký và ghi rõ họ tên)

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Trung Hưng MSSV: 20112728

Tên đồ án: Cải thiện tốc độ điều chế khóa tắt mở trong hệ thống truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:

Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả

thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng

dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5 Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực

hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống 1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều

được phân tích và đánh giá thỏa đáng 1 2 3 4 5

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết

quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận

để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic

và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số

thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu

cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận

chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập

luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học

(quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh

sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt

giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về

chuyên ngành như TI contest

Ngày: / /2016 Người nhận xét (Ký và ghi rõ họ tên)

Hiện nay, với ưu điểm băng thông lớn, bảo mật cao, thông tin quang đang đang

ngày càng khẳng định được chỗ đứng của mình trong lĩnh vực truyền thông Trong đó,

với sự kết hợp truyền thông cùng chiếu sáng, truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy

(VLC – visible light communications) đang nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà

khoa học Nhận thức được cơ hội phát triển của truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn

thấy, em đã tìm hiểu và lựa chọn đề tài “Cải thiện tốc độ điều chế khóa tắt mở trong hệ

thống truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy” cho đồ án tốt nghiệp kỹ sư của mình

Trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được sự chỉ bảo,

hướng dẫn tận tình của PGS TS Phạm Ngọc Nam (Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học

Bách Khoa Hà Nội) và PGS TS Phí Hòa Bình (Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam) Sự dạy bảo, hướng dẫn tận tình của các thầy giúp

cho em có được những kinh nghiệm quý báu trong học tập cũng như cuộc sống Em xin

chân thành cám ơn các thầy Kính chúc các thầy sức khỏe để tiếp tục công tác tốt!

Em cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học

Bách Khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo, cung cấp cho em những kiến thức vững

vàng trong suốt 5 năm học

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã ở bên cạnh động viên,

giúp đỡ em trong thời gian qua

Sinh viên

Nguyễn Trung Hưng

Trong báo cáo đồ án tốt nghiệp kỹ sư này, em trình bày cái nhìn tổng quan về truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy cũng như các tính chất của LED – nguồn sáng thích hợp nhất cho hệ thống VLC Mục tiêu đề ra của đồ án là nâng cao tốc độ điều chế khóa tắt mở (OOK – on-off keying) của LED trong hệ thống truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy Trong đồ án, em trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp cải thiện tốc độ điều chế LED sử dụng hiệu ứng “peaking” (đỉnh nhọn) và hiệu ứng “carrier sweep-out” (quét hạt tải) được tạo bởi mạch vi phân có ngưỡng gồm hai diode Shottky

và một tụ điện Đồ án cũng trình bày sơ đồ thiết kế của máy phát, máy thu và sơ đồ bố trí thí nghiệm một đường truyền tín hiệu quang không dây cự ly ngắn (0.5 m) Các thí nghiệm khảo sát một số đặc trưng ở chế độ một chiều, đặc trưng điều chế tín hiệu nhỏ của LED, cũng như thí nghiệm đo đồ thị mắt và tỷ lệ lỗi bit của đường truyền VLC được trình bày trong Chương 3 và Chương 4 của đồ án Các kết quả thí nghiệm cho thấy, bằng cách sử dụng hiệu ứng “peaking” và hiệu ứng “carrier sweep-out” được tạo ra bởi mạch

vi phân có ngưỡng, em có thể cải thiện được tốc độ điều chế của LED màu đỏ (vật liệu AlInGaP) trong RGB-LED thương mại B5-4RGB-CBA lên 5 lần Hiệu quả cải thiện của phương pháp đề ra áp dụng cho LED màu lục và LED màu lam là thấp hơn do ảnh hưởng của trường áp điện trong các cấu trúc LED dựa trên vật liệu III-nitride Để giải quyết vấn

đề đối với các LED màu lục và màu lam, cần có thêm các nghiên cứu về trường áp điện

do sự sai lệch hằng số mạng tinh thể và phương pháp áp dụng hiệu ứng “carrier out” cho loại vật liệu này Em sẽ tìm hiểu thêm về vấn đề này trong các nghiên cứu tiếp theo

sweep-In this graduate project thesis, I present the overview of visible light communications and the characteristics of LED – a light source of VLC systems The purpose of this project is to enhance the on-off keying (OOK) modulation rate of the LEDs in the VLC systems In this thesis, I present the principle of a method using the peaking and carrier sweep-out effects, which generated by the differentiator circuit with

an inserted threshold voltage [also named current-shaping circuit (CSC)], to improve the OOK-NRZ (nonreturn-to-zero) modulation rate of a commercial RGB LED The thesis also presents proposed schematics of a transmitter and a receiver, and the experimental setup of a short distance optical wireless link (0.5 m) The experiments used to determine the DC characteristics and the small signal modulation characteristic of the LED, the eye-diagram measurements and the bit error rate tests are presented in the chapter 3 and

4 of the thesis The experimental results show that, by implying the peaking and sweep-out effects generated by the CSC, I can improve the OOK modulation rate of the AlInGaP red LED by a factor of 5 However, the efficiency of our method is reduced when applying to the green and the blue LEDs by the impacts of the piezoelectric field

carrier-in the LEDs which are based on the III-nitride wide band gap semiconductors For further studies, I expect to improve the carrier sweep-out effect on GaN-based LED

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 6

ABTRACT 7

DANH SÁCH HÌNH VẼ 11

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 13

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 14

PHẦN MỞ ĐẦU 15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VLC 19

1.1 Lịch sử truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy 19

1.2 Nguồn sáng trong hệ thống VLC 19

1.2.1 Laser diode (LD) 19

1.2.2 LED (light emitting diode) 20

1.3 Thách thức của hệ thống VLC 23

1.3.1 Tốc độ dữ liệu 23

1.3.2 Đường truyền hai chiều 23

1.3.3 Điều khiển tối 24

1.4 Các phương pháp điều chế 24

1.4.1 Điều chế khóa tắt mở (OOK - on-off keying) 24

1.4.2 Điều chế biên độ xung đa mức (m-PAM – multilevel Pulse Amplitude Modulation) 24

1.4.3 Điều chế đa tần rời rạc (DMT – discrete multitone) 25

1.5 Kết luận 25

2.2 Các tính chất của LED 29

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED 29

2.2.2 Tái hợp có phát xạ và không phát xạ 31

2.2.3 Hiệu suất lượng tử của LED 33

2.3 Đặc trưng điều chế của LED 34

2.4 Mạch tạo dạng dòng 36

2.4.1 Hiệu ứng “peaking” 36

2.4.2 Hiệu ứng “carrier sweep-out” 37

2.4.3 Mạch tạo dạng dòng 39

2.5 Kết luận 41

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG – ĐIỆN CỦA LED 43

3.1 Phổ phát xạ của LED 43

3.2 Đặc trưng I-P 44

3.3 Băng thông điều chế tín hiệu nhỏ 47

3.3.1 Bố trí thí nghiệm 47

3.3.2 Kết quả thí nghiệm 48

3.4 Kết luận 49

CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI HỆ THỐNG 50

4.1 Kiến trúc máy phát 50

4.2 Kiến trúc máy thu 52

4.3 Dựng hệ đo 53

KẾT LUẬN CHUNG 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT-ANH 63

Hình 0.1: Dải tần của ánh sáng vùng nhìn thấy 16

Hình 0.2: Ứng dụng của VLC trong mạng Internet-of-Things (IoT) 17

Hình 2.1 : So sánh về tuổi thọ và hiệu suất phát quang của các nguồn sáng [6] 27

Hình 2.2: Cấu trúc và giản đồ năng lượng của lớp tiếp giáp p-n 30

Hình 2.3: Giản đồ năng lượng của một DH-LED 31

Hình 2.4: Quá trình tái hợp hạt tải không phát xạ: (a) tái hợp Shockley-Read-Hall và (b) tái hợp Auger (c) quá trình tái hợp hạt tải phát xạ ra photon 32

Hình 2.5: Sơ đồ mạch điện tương đương của một LED 35

Hình 2.6: Dạng xung dòng và xung quang trong trường hợp (a) không có hiệu ứng “peaking” và (b) có hiệu ứng “peaking” 37

Hình 2.7: Dạng xung điện áp và xung quang trong trường hợp (a) không có hiệu ứng “carrier sweep-out” và (b) có hiệu ứng “carrier sweep-out” 38

Hình 2.8: Xu hướng chuyển động của các hạt tải sau khi tắt kích thích trong trường hợp (a) LED bị phân cực ngược và (b) LED không phân cực 39

Hình 2.9: Sơ đồ mạch điều khiển LED sử dụng mạch vi phân RC 39

Hình 2.10: Dạng xung dòng điện qua LED và xung quang trong trường hợp (a) không có hiệu ứng và (b) có hiệu ứng “peaking” và hiệu ứng “carrier sweep-out” 40

Hình 2.11: (a) Sơ đồ mạch điều khiển LED sử dụng mạch vi phân có ngưỡng (b) Đặc trưng volt-ampere của diode lý tưởng 41

Hình 2.12: Sơ đồ mạch điều khiển LED sử dụng mạch tạo dạng dòng cải tiến 41

Hình 3.1: Kết quả thí nghiệm đo phổ phát xạ của RGB-LED B5-4RGB-CBA 44

Hình 3.2: Kết quả thí nghiệm đo đặc trưng I-P của LED B5-4RGB-CBA 45

Hình 3.3: Sơ đồ thí nghiệm đo băng thông điều chế tín hiệu nhỏ của LED 47

Hình 3.4: Kết quả đo băng thông điều chế tín hiệu nhỏ của LED B5-4RGB-CBA 48

hiệu dòng điện qua LED 50

Hình 4.2: Sơ đồ một máy thu thông tin quang đơn giản 52

Hình 4.3: Sơ đồ khối máy thu 53

Hình 4.4: Sơ đồ khối thí nghiệm đo đồ thị mắt và tỷ lệ lỗi bit của hệ thống 54

Hình 4.5: Bố trí thí nghiệm đo đồ thị mắt và tỉ lệ lỗi bit của hệ thống 54

Hình 4.6: Đồ thị mắt đo được của tín hiệu sau máy thu ở tốc độ dữ liệu 125 Mbit/s đối với (a) LED màu đỏ, (b) LED màu lục, và (c) LED màu lam 56

Bảng 1.1 So sánh thông số của một số loại LED 22 Bảng 2.1 Một số vật liệu chế tạo LED và khoảng bước sóng phát xạ 29

Từ viết tắt Diễn giải

VLC Visible light communication

MIMO Multiple input, multiple output

m-PAM Multilevel pulse amplitude modulation

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong hầu hết các hệ thống thông tin hiện nay chủ yếu sử dụng sóng vô tuyến nhờ

ưu điểm chống nhiễu tốt Tuy nhiên, với sự phát triển nhu cầu trao đổi thông tin, băng thông sóng vô tuyến dần không đáp ứng được lưu lượng thông tin cần trao đổi Để giải quyết vấn đề này, hệ thống thông tin quang đang ngày càng được phát triển Trong đó,

hệ thống truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy (VLC – Visible light communications) sử dụng ánh sáng nhìn thấy có dải tần nằm trong khoảng từ 400-800 THz (Hình 0.1) đang nhận được rất nhiều quan tâm với rất nhiều ưu điểm như:

- Tính bảo mật cao: Sóng vô tuyến có khả năng đi xuyên qua các vật che chắn như tường ngăn cách, trong khi ánh sáng vùng nhìn thấy có thể bị chặn lại hoàn toàn bởi các vật che chắn Do đó, tính bảo mật của ánh sáng vùng nhìn thấy rất lớn, thông tin hoàn toàn chỉ tồn tại trong một phạm vi nhất định

- An toàn: ánh sáng vùng nhìn thấy không gây ảnh hưởng tới sức khỏe của con người

và động vật

- Tái sử dụng không gian: Do thông tin ánh sáng vùng nhìn thấy yêu cầu độ định hướng cao, vì vậy thông tin chỉ tồn tại trong một không gian nhất định Vượt qua ngoài khoảng không gian này, người ta hoàn toàn có thể sử dụng lại tần số ánh sáng đấy để truyền thông tin mà không gây ra nhiễu

- Tính chống nhiễu: Dải tần ánh sáng vùng nhìn thấy hoàn toàn không gây ra nhiễu với sóng vô tuyến Vì vậy, triển khai hệ thống VLC không gây ảnh hưởng đến các hệ thống vô tuyến sẵn có

Hình 0.1: Dải tần của ánh sáng vùng nhìn thấy

Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, LED (light emitting diode) đang dần thay thế các nguồn sáng truyền thống trong các ứng dụng chiếu sáng, hiển thị

và tín hiệu Với các tính năng nổi trội so với các nguồn sáng khác như tiêu thụ ít năng lượng, hiệu suất cao, tuổi thọ lớn, đặc biệt là băng thông điều chế cao (so với các nguồn sáng truyền thống), LED đang trở thành nguồn sáng chính trong các nghiên cứu phát triển hệ thống VLC Sự phát triển của LED kéo theo sự phát triển của truyền thông sử dụng ánh sáng vùng nhìn thấy Trong tương lai, các ứng dụng trong thông tin quang cự

ly ngắn sử dụng LED kết hợp chiếu sáng có thể phát triển theo hướng Internet-of-Things (IoT) như Hình 0.2

Hình 0.2: Ứng dụng của VLC trong mạng Internet-of-Things (IoT)

Một thách thức lớn còn tồn tại đối với việc sử dụng LED trong truyền thông là băng thông điều chế của LED rất thấp (vài chục MHz) đo đó hạn chế tốc độ truyền tín hiệu Để giải quyết vấn đề này, rất nhiều giải pháp đã được đưa ra nhằm cải thiện tốc độ của hệ thống như giảm kích thước LED để tăng băng thông điều chế (µ-LED), sử dụng các phương pháp điều chế để tăng hiệu suất sử dụng băng thông hay sử dụng kiến trúc

đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO – multiple input, multiple output) Tuy nhiên, các phương pháp trên đều yêu cầu hệ thống phức tạp và có giá thành rất lớn Vì vậy, trong đồ án tốt nghiệp của mình tác giả đã chọn đề tài “Cải thiện tốc độ điều chế khóa tắt mở trong

hệ thống truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy” với mục đích nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp tăng tốc độ điều chế của LED Đồ án tập trung vào phương pháp điều chế khóa tắt mở là phương pháp điều chế đơn giản nhất và cho tỷ lệ lỗi bit (BER – bit error rate) thấp nhất Đồ án được trình bày trong 4 chương với bố cục sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống VLC – Chương này trình bày một cách tổng

quan về hệ tống truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy (VLC) Lịch sử phát triển,

các loại nguồn sáng, các phương pháp điều chế và những thách thức của hệ thống VLC

sẽ được giới thiệu một cách khái quát

Chương 2: Các đặc trưng quang – điện của LED – Chương này trình bày lịch

sử phát triển của công nghệ sản xuất LED, một số đặc tính quang học và động học hạt tải, mô hình mạch điện tương đương cùng với các đặc trưng điều chế của LED Trong chương cũng trình bày cơ sở lý thuyết của hiệu ứng “peaking” và hiệu ứng “carrier sweep-out”, hai hiệu ứng mà tác giả sử dụng nhằm cải thiện tốc độ điều chế của LED Cuối cùng, tác giả trình bày nguyên lý và các cải tiến của mạch tạo dạng dòng, mạch điện được dùng để tạo ra hiệu ứng “peaking” và hiệu ứng “carrier sweep-out”

Chương 3: Thí nghiệm khảo sát các đặc trưng quang – điện của LED –

Chương này trình bày một số phép đo nhằm khảo sát các đặc trưng làm việc ở chế độ tĩnh (một chiều) và băng thông điều chế tín hiệu nhỏ của RGB-LED B5-4RGB-CBA của hãng Roithner LaserTechnik Các phép đo được thực hiện nhằm xác định vùng làm việc tuyến tính của LED và băng thông điều chế tín hiệu nhỏ đối với LED xác định

Chương 4: Triển khai hệ thống – Chương này trình bày về kiến trúc máy phát

và máy thu Bên cạnh đó, một đường truyền VLC với khoảng cách giữa máy phát và máy thu là 0.5 m được thiết lập Phép đo đồ thị mắt và tỉ lệ lỗi bit (BER – bit error rate) được thực hiện để đánh giá hiệu năng của hệ thống sử dụng chuỗi dữ liệu nhị phân giả ngẫu nhiên độ dài 27− 1 được cấp bởi máy đo tỷ lệ lỗi bit OPB3200 của hãng optellent

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VLC

Chương này trình bày một cách tổng quan về hệ thống truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy (VLC) Lịch sử phát triển, các loại nguồn sáng, các phương pháp điều chế và những thách thức của hệ thống VLC sẽ được giới thiệu một cách khái quát

1.1 Lịch sử truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy

Truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy (VLC) lần đầu tiên được biết tới năm

1880 bởi nhà khoa học Alexander Graham Bell khi ông phát minh ra photophone có thể truyền dữ liệu tiếng nói qua khoảng cách 200m sử dụng chùm tia sáng mặt trời [1] Khái niệm sử dụng sự đóng ngắt nhanh các LED như là điều chế ánh sáng cho truyền thông được trình bày lần đầu tiên bởi Pang và đồng sự năm 1999 [2] Năm 2003, hiệp hội truyền thông sử dụng ánh sáng vùng nhìn thấy (VLCC) được thành lập tại Nhật Bản để xúc tiến và chuẩn hóa công nghệ VLC [3] Năm 2011, chuẩn IEEE 802.15.7 dành cho VLC lần đầu được công bố nằm trong nhóm chuẩn IEEE 802.15 dành cho mạng cá nhân không dây (WPAN) [4] Cho đến nay, có rất nhiều nghiên cứu về VLC được thực hiện

Dự án OMEGA (hOME Gigabit Access) của châu Âu được đưa ra với mục tiêu đạt được tốc độ truyền dữ liệu Gigabit cho các ứng dụng trong nhà Đã có nhiều nghiên cứu về VLC được công bố từ dự án này

1.2 Nguồn sáng trong hệ thống VLC

1.2.1 Laser diode (LD)

Laser diode là nguồn sáng kết hợp có:

- Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán

- Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất

Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường

có chiết suất khác nhau Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào

có

- Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây (ns), pico giây (ps), cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn

Nhờ những ưu điểm nêu trên, LD đang đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin quang hiện nay Tốc độ điều chế lớn, công suất phát xạ lớn cùng với tính định hướng và tính đơn sắc cao khiến cho LD là lựa chọn tối ưu cho vị trí nguồn quang trong các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang Tuy nhiên, LD mang một số khuyết điểm như:

- Nhạy với nhiệt độ: LD hoạt động trong một khoảng nhiệt độ rất hẹp, điều này hạn chế LD khó triển khai trong một số ứng dụng trong môi trường có biên độ biến thiên nhiệt lớn như công nghiệp ô-tô, máy bay…

- Không an toàn: một nguồn laser có công suất vài mili watts có thể gây ảnh hưởng xấu đến mắt người, những nguồn laser có công suất lớn hơn ảnh hưởng đến các tế bào sống Vì vậy sử dụng nguồn laser không an toàn, nhất là với các ứng dụng truyền thông quang không dây

- Giá thành của laser diode đắt hơn so với LED

Do những ưu, khuyết điểm trên của LD, nguồn sáng kết hợp này thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang hữu tuyến, yêu cầu tốc độ cao, khoảng cách lớn Trong các hệ thống VLC kết hợp chiếu sáng, Laser Diode rất khó sử dụng do giá thành cao và không an toàn

1.2.2 LED (light emitting diode)

Trong khi LD đang chiếm giữ chủ đạo trong các hệ thống ứng dụng thông tin với tốc độ cao (hàng gigabit), LED tìm thấy chỗ đứng của mình trong các lĩnh vực yêu cầu tốc độ thấp, cự ly ngắn như VLC, hệ thống truyền thông tin quang dựa trên sợi cáp quang nhựa (POF - Plastic optical fiber) như hệ thống FTTH (fiber to the home), FITH (fiber

in the home), Với một số ưu điểm nổi trội hơn so với LD như an toàn với mắt, giá thành rẻ, độ ổn định với nhiệt độ cao, tiêu thụ công suất thấp, LED là lựa chọn tối ưu cho hệ thống truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy Tuy nhiên, băng thông điều chế của LED tương đối thấp (dưới 100MHz) đang là một vấn đề lớn cho các hệ thống VLC Băng thông điều chế thấp ảnh hưởng đến giới hạn tốc độ tối đa của dữ liệu (theo

lý thuyết, tốc độ truyền dữ liệu tối đa ~ 2 × 𝑓−3𝑑𝐵) Có một số phương pháp nhằm tăng băng thông điều chế của LEDs như thu nhỏ diện tích hoặc pha tạp mạnh vùng hoạt động của LEDs Tuy nhiên các phương pháp này dẫn tới sự suy giảm năng lượng quang phát

xạ của LEDs Vì vậy, cần một điểm cân bằng giữa năng lượng quang phát xạ và băng thông điều chế của LEDs

Phân loại LEDs:

 pc-LED: có 2 loại LED có thể cho ánh sáng trắng, một trong số đó là LED phosphor (pc-LED – phosphor converted LED) pc-LED bao gồm một chip LED InGaN cho ánh sáng xanh lam và được bao phủ bởi vỏ Yttrium Aluminum Garnet (YAG) phosphor Vỏ phosphor sau khi được kích thích bởi ánh sáng xanh da trời sẽ phát xạ

ra ánh sáng các màu đỏ, vàng và xanh lục Những ánh sáng do vỏ phosphor phát ra kết hợp với ánh sáng xanh lam từ chip thoát ra tạo thành ánh sáng trắng Dựa vào các hợp chất có trong vỏ, ánh sáng trắng phát ra được chia làm 3 loại: trắng ấm, trắng vừa và trắng lạnh

 LED đa chip: là loại LED được tạo thành nhiều hơn hoặc bằng 3 loại chip Mỗi chip cho ra một ánh sáng có bước sóng xác định Tổ hợp các ánh sáng này tạo thành ánh sáng trắng LED đa chip đặc trưng là RGB-LED cho 3 bước sóng cơ bản tương ứng

là đỏ, lục, và lam Phối hợp 3 bước sóng này cho ta ánh sáng trắng LED đa chip có băng thông điều chế rộng hơn so với LED phosphor cũng như màu sắc ánh sáng có thể điều chỉnh được thông qua sự pha trộn các màu cơ bản Tuy nhiên, LED đa chip khó chế tạo hơn cũng như có giá thành cao hơn nhiều so với pc-LED

 rc-LED (resonant-cavity LED): là LED có vùng phát xạ nằm trong hốc cộng hưởng quang học rc-LED kế thừa tất cả các ưu điểm của LED như giá thành thấp, ổn định

với nhiệt độ, thời gian sống lớn Bên cạnh đó, do vùng phát xạ nằm trong hốc cộng hưởng quang học nên rc-LED có một số ưu điểm nổi bật hơn như phổ hẹp (∆λ~20nm) băng thông điều chế rộng (~100MHz) Do các ưu điểm nêu trên, rc-LED thường được lựa chọn cho các ứng dụng mạng thông tin quang khoảng cách ngắn, tốc độ trung bình như FTTH, FITH hay trong các chuẩn công nghiệp (MOST, ) sử dụng sợi POF

 µ-LED: Một phương pháp để nâng cao băng thông điều chế của LED là giảm kích thước của vùng hoạt động Tuy nhiên việc giảm kích thước kéo theo sự giảm công suất phát quang của LED µ-LED được nghiên cứu và phát triển dựa trên nguyên lý này nhằm tăng tốc độ truyền thông tin cho các hệ thống thông tin quang sử dụng ánh sáng vùng nhìn thấy µ-LED thường được phát triển trên vật liệu AlGaN phát xạ ở bước sóng từ 370-520nm, và được xếp thành các mảng để tăng công suất Hiện nay, µ-LED vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu phát triển cho hệ thống thông tin quang

sử dụng ánh sáng vùng nhìn thấy

Bảng 1.1: So sánh thông số của một số loại LED

Thông số pc-LED RGB LED rc-LED µ-LED

Băng thông 3-5 MHz 10-20 MHz ~100 MHz ≥ 300 MHz

Hiệu suất 130 lm/W 65 lm/W N/A N/A

Độ phức tạp Thấp Trung bình Cao Cao nhất

Ứng dụng Chiếu sáng Chiếu sáng Thông tin Hiển thị

Bảng 1.1 so sánh một số thông số của các loại LED hiện nay Trong các loại LED trên, chỉ có hai loại LED cho ánh sáng trắng là pc-LED và LED đa chip cho ba màu cơ bản đỏ-lục-lam (RGB-LED) Do đó, hai loại LED này trở thành nguồn sáng thích hợp nhất cho hệ thống VLC

1.3 Thách thức của hệ thống VLC

1.3.1 Tốc độ dữ liệu

Hai loại LED cho ánh sáng trắng sử dụng trong hệ thống truyền thông kết hợp chiếu sáng là pc-LED và RGB-LED Một thách thức lớn đối với hệ thống VLC là băng thông điều chế của cả hai loại LED trên đều rất thấp ở vài MHz đối với pc-LED và vài chục MHz đối với RGB-LED Băng thông điều chế thấp hạn chế tốc độ truyền dữ liệu tối đa của hệ thống Theo lý thuyết, với phương pháp điều chế khóa tắt mở, tốc độ truyền

dữ liệu tối đa xấp xỉ hai lần băng thông điều chế Do vậy, tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống VLC bị hạn chế dưới 100Mbit/s nếu không có cách cải thiện hiệu suất sử dụng băng thông Băng thông điều chế của LEDs thường khó cải thiện vì liên hệ chặt chẽ với công suất phát xạ, vì vậy việc nâng cao hiệu suất sử dụng băng thông là một yêu cầu lớn được đặt ra khi phát triển hệ thống VLC Các phương pháp cơ bản để nâng cao hiệu suất

sử dụng băng thông là thay đổi phương pháp điều chế ở phía phát hoặc thiết kế các bộ san bằng ở phía thu Các hệ thống sử dụng kiến trúc MIMO cũng được áp dụng nhằm khai thác khả năng truyền dữ liệu song song, nâng cao tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống Các nghiên cứu gần đây đã công bố tăng tốc độ dữ liệu lên hàng Gbit/s, tuy nhiên, các

hệ thống này vẫn chưa thể áp dụng vào thực tế do cấu trúc còn quá phức tạp Vì vậy, việc nâng cao tốc độ điều chế của LED sử dụng kiến trúc thu phát đơn giản vẫn đang được quan tâm nghiên cứu trong thời gian tới

1.3.2 Đường truyền hai chiều

VLC là truyền thông quảng bá, vì vậy xây dựng kênh thông tin đường lên cho hệ thống VLC đang là một trở ngại trong việc xây dựng hệ thống Có một số phương án được đưa ra để xây dựng đường lên trong hệ thống VLC như sử dụng sóng vô tuyến, ánh sáng hồng ngoại hoặc ánh sáng flash Tuy nhiên, vẫn chưa tìm ra được phương pháp tối

ưu cho đường truyền lên Trong tương lai, cần quan tâm tới việc xây dựng và phát triển đường truyền lên cho hệ thống VLC

1.3.3 Điều khiển tối

Hệ thống truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy kết hợp chiếu sáng và truyền

dữ liệu Do đó, thông thường thì có ánh sáng mới có dữ liệu Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp (ví dụ vào ban ngày, ánh sáng tự nhiên có cường độ lớn), người dùng có nhu cầu truyền dữ liệu nhưng không có nhu cầu về chiếu sáng Để giải quyết vấn đề này, người ta đưa ra giải pháp giảm cường độ ánh sáng của hệ thống tới mức mà mắt người cảm thấy là đèn đang tắt Tại vùng làm việc tuyến tính, công suất phát quang của LED

tỷ lệ với cường độ dòng điện qua LED Do đó, để điều chỉnh cường độ sáng của LED,

ta điều chỉnh trực tiếp biên độ của dòng điều chế qua LED hoặc điều chỉnh độ rộng xung của dòng điều chế Áp dụng các phương pháp này vào trong hệ thống thực tế vẫn đang

là một thách thức lớn của VLC

1.4 Các phương pháp điều chế

1.4.1 Điều chế khóa tắt mở (OOK - on-off keying)

Một dạng điều chế thường được dùng trong thông tin quang là điều chế khóa tắt

mở (OOK) OOK là kỹ thuật điều chế đơn giản nhất khi sử dụng tắt (bit 0) mở (bit 1) LED để điều chế dữ liệu Ưu điểm của điều chế OOK là tín hiệu được điều chế trực tiếp, mạch thu phát đơn giản, giá thành thấp Tuy nhiên, điều chế OOK có hiệu suất sử dụng băng thông thấp dẫn tới hạn chế tốc độ dữ liệu (250Mbps với RC-LED [5])

1.4.2 Điều chế biên độ xung đa mức (m-PAM – multilevel Pulse

Amplitude Modulation)

Điều chế biên độ xung là phương pháp điều chế cơ bản nâng cao hiệu suất sử dụng băng tần Dữ liệu được điều chế vào biên độ của các xung tín hiệu Phương pháp điều chế sử dụng nhiều mức biên độ như PAM có thể gây ra sự không tuyến tính cho hiệu suất phát sáng của LED

1.4.3 Điều chế đa tần rời rạc (DMT – discrete multitone)

Kỹ thuật điều chế đa tần rời rạc thường được các nhà khoa học lựa chọn nhiều trong nghiên cứu, phát triển hệ thống VLC nhờ hiệu suất sử dụng băng tần cao Ý tưởng cơ bản của DMT là chia dải thông thành các sóng mang con, DMT có khả năng phân phối

dữ liệu, do đó lưu lượng thông tin tại mỗi sóng mang con là lớn nhất Các sóng mang con không thể mang dữ liệu có thể được tắt và do đó hiệu suất sử dụng băng thông được tối ưu

Một ví dụ của DMT là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM - Orthogonal frequency division multiplexing) Kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang con trực giao với nhau, nhờ vậy phổ của các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn khôi phục được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ giúp cho OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn

Tuy nhiên, việc sử dụng kỹ thuật điều chế đa tần rời rạc yêu cầu xử lý tín hiệu số

ở cả phía thu và phía phát Việc này khiến cho hệ thống trở nên phức tạp và có giá thành cao hơn Cũng như việc truyền dữ liệu thời gian thực trở nên khó khăn hơn khi tín hiệu cần qua các bộ biến đổi tín hiệu – số và ngược lại

1.5 Kết luận

Với những ưu điểm của mình, truyền thông bằng ánh sáng vùng nhìn thấy đang trở thành một công nghệ hứa hẹn giải quyết nhu cầu trao đổi thông tin đang ngày càng tăng hiện nay Cùng với đó, sự phát triển của VLC đang thúc đẩy sự phát triển của IoT, mọi đồ vật đều được kết nối với nhau giúp cho việc quản lý của con người trở nên dễ dàng hơn.Với các tính năng nổi trội so với các nguồn sáng khác như tiêu thụ ít năng lượng, hiệu suất cao, tuổi thọ lớn, an toàn với con người và động vật, LED đang trở thành nguồn sáng chính trong các nghiên cứu phát triển hệ thống VLC Tuy nhiên, vẫn còn những thử thách lớn đối với sự phát triển của hệ thống VLC như băng thông điều chế của LED thấp, khó khăn trong việc tạo đường truyền 2 chiều cũng như điều khiển tối Những thách thức này đang thu hút được rất nhiều dự án nghiên cứu trên toàn thế giới,

đặc biệt là vấn đề tăng tốc độ điều chế của LED Các nghiên cứu gần đây đã công bố

tăng tốc độ dữ liệu lên hàng Gbit/s, tuy nhiên, các hệ thống này vẫn chưa thể áp dụng

vào thực tế do cấu trúc còn quá phức tạp Vì vậy, việc nâng cao tốc độ điều chế của LED

sử dụng kiến trúc thu phát đơn giản vẫn đang được quan tâm nghiên cứu trong thời gian

tới Mặc dù OOK là phương pháp điều chế có hiệu suất sử dụng băng thông không cao,

nhưng đây là phương pháp đơn giản nhất và cho tỷ lệ lỗi bit thấp nhất

CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG – ĐIỆN

CỦA LED

Chương này trình bày lịch sử phát triển của công nghệ sản xuất LED, một số đặc tính quang học và động học hạt tải, mô hình mạch điện tương đương cùng với các đặc trưng điều chế của LED Trong chương cũng trình bày cơ sở lý thuyết của hiệu ứng

“peaking” và hiệu ứng “carrier sweep-out”, hai hiệu ứng mà tác giả sử dụng nhằm cải thiện tốc độ điều chế của LED Cuối cùng, tác giả trình bày nguyên lý và các cải tiến của mạch tạo dạng dòng, mạch điện được dùng để tạo ra hiệu ứng “peaking” và hiệu ứng

“carrier sweep-out”

2.1 Lịch sử phát triển của LED

Hình 2.1: So sánh về tuổi thọ và hiệu suất phát quang của các nguồn sáng [6].

Trong những năm gần đây, LED đang dần chiếm lĩnh thị trường chiếu sáng và hiện thị Cùng với sự cải thiện đáng kể về tuổi thọ, hiệu suất chiếu sáng, LED đang dần thay thế các nguồn sáng truyền thống như bóng đèn dây tóc hay bóng đèn huỳnh quang trong các ứng dụng chiếu sáng trong và ngoài nhà cũng như trong các lĩnh vực hiển thị như biển báo hay giao thông Hình 2.1 thể hiện sự so sánh về tuổi thọ cũng như hiệu suất phát sáng của bốn loại nguồn sáng hiện nay: nến, bóng đèn dây tóc, bóng đèn huỳnh quang, và LED Qua đó ta thấy, LED có tuổi thọ cũng như hiệu suất phát quang lớn hơn

ba nguồn sáng còn lại

Để có được những đèn LED với hiệu suất cao và tuổi thọ lớn như hiện nay, lịch

sử phát triển hơn một trăm năm của LED có những mốc thời gian quan trọng như:

- Năm 1907 kỹ sư người Anh Henry Joseph Round phát hiện ra rằng vật liệu vô cơ

có thể phát ra ánh sáng khi có dòng điện chạy qua Trong thí nghiệm của mình, ông đã sử dụng SiC, một trong những vật liệu được nghiên cứu để chế tạo LED sau này Trong cùng năm đó, ông ấy công bố phát hiện của mình trên tạp chí

“Electical World” [7] Tuy nhiên, phát hiện này nhanh chóng bị lãng quên

- Năm 1921 nhà vật lý học người Nga Oleg Losev một lần nữa quan sát thấy hiệu ứng Round về sự phát xạ ánh sáng Trong những năm tiếp theo, từ 1927 đến 1942, ông ấy đã kiểm tra và mô tả hiện tượng này một cách chi tiết hơn [8]

- Năm 1935 nhà vật lý học người Pháp Georges Destriau phát hiện ra sự phát xạ ánh sáng của vật liệu ZnS Để ghi nhận sự đóng góp của nhà khoa học O Losev, ông

ấy gọi hiệu ứng này là ánh sáng Losev Ngày nay Georges Destriau được biết đến như người phát minh ra điện phát quang

- Năm 1951 sự phát triển của transistor đánh dấu một bước tiến trong vật lý bán dẫn

Từ đó, người ta có thể giải thích được sự phát xạ ánh sáng

- Năm 1962 đánh dấu sự ra đời của chiếc LED đỏ đầu tiên (dựa trên vật liệu GaAsP) được phát triển bởi nhà khoa học người Mỹ Nick Holonyak [9] Chiếc LED đầu tiên trong khoảng bước sóng vùng nhìn thấy đánh dấu sự ra đời của công nghệ sản xuất LED

- Năm 1971 nhờ sự phát triển của các vật liệu bán dẫn mới, LEDs được chế tạo với nhiều màu sắc mới như xanh lục, da cam, và vàng Hiệu suất của LED cũng liên tục được cải thiện hơn

- Sự khó khăn trong việc chế tạo bán dẫn loại p cho vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng dựa trên vật liệu III-Nitride đã cản trở các nhà khoa học phát triển LED có bước sóng ngắn Năm 1993 Shuji Nakamura đã giải quyết được vấn đề này và phát triển chiếc LED màu lam đầu điên Ông đã nhận được giải thưởng Nobel về vật lý năm

2014 cho phát minh này

- Năm 1995 chiếc LED phát ra ánh sáng trắng đầu tiên được giới thiệu và đã có mặt trên thị trường hai năm sau đó

- Năm 2006 đánh dấu sự ra đời của chiếc LED đầu tiên đạt hiệu suất phát quang 100 lm/W Đến nay, tuổi thọ và hiệu suất phát sáng của LED không ngừng được cải thiện và đã vượt qua các nguồn sáng khác Nhờ đó, LED đang dần chiếm lĩnh thị trường chiếu sáng và hiển thị

Bảng 2.1: Một số vật liệu chế tạo LED và khoảng bước sóng phát xạ

Hình 2.2: Cấu trúc và giản đồ năng lượng của lớp tiếp giáp p-n

Về cơ bản, LED có cấu trúc là một lớp tiếp giáp p-n Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương ghép với khối bán dẫn n chứa nhiều điện tử

tự do mang điện tích âm Tại lớp tiếp giáp, do sự chênh lệch về nồng độ điện tử và lỗ trống, các lỗ trống trong khối bán dẫn loại p có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử từ khối n chuyển sang Kết quả là khối

p tích điện âm trong khi khối n tích điện dương Quá trình khuếch tán tạo ra một điện trường hướng từ khối n sang khối p tại lớp tiếp giáp Điện trường này tác dụng lên các hạt tải điện và có xu hướng chống lại chuyển động khuếch tán Tại thời điểm cân bằng, giữa lớp tiếp giáp p-n tồn tại một vùng không gian mà tại đó, hạt tải chịu ảnh hưởng bởi điện trường và bị đẩy về hai phía (lỗ trống về khối p và điện tử về khối n) tạo ra lớp nghèo hạt tải Khi LED được phân cực thuận, kích thước lớp nghèo dần bị thu hẹp Khi điện áp phân cực lớn hơn điện áp sẵn có của lớp tiếp giáp (Vbuilt-in), lỗ trống từ bán dẫn loại p được bơm sang bán dẫn loại n và ngược lại, điện tử từ bán dẫn loại n được bơm sang bán dẫn loại p Trong quá trình này, điện tử và lỗ trống có khả năng tái hợp với

nhau và tạo ra các phần tử trung hòa về điện Năng lượng giải phóng trong quá trình tái hợp dưới dạng một photon ánh sáng hoặc một phonon nhiệt Quá trình tái hợp hạt tải được mô tả trong Hình 2.2 bằng mô hình các mức năng lượng trong bán dẫn Khi một electron từ dải dẫn tái hợp với một lỗ trống trong dải hóa trị sẽ phát ra một photon có năng lượng đúng bằng độ rộng dải cấm của bán dẫn đó

Hiện nay, để nâng cao khả năng tái hợp của hạt tải, nhiều cấu trúc đã được đưa ra như cấu trúc dị thể kép, cấu trúc sử dụng các giếng lượng tử (quantum well) hay các chấm lượng tử (quantum dot) Nguyên lý chung của các phương pháp này là bắt nhốt hạt tải trong các vùng không gian nhất định để tăng nồng độ hạt tải Từ đó tăng hiệu suất tái hợp hạt tải tự phát Hình 2.3 mô tả giản đồ năng lượng của một LED có cấu trúc dị thể kép (DH – double heterostructure)

Hình 2.3: Giản đồ năng lượng của một DH-LED

2.2.2 Tái hợp có phát xạ và không phát xạ

Một electron và một lỗ trống khi tái hợp có thể phát xạ ra một photon hoặc không phát xạ Trong các thiết bị phát xạ ánh sáng, quá trình tái hợp có phát xạ là hữu ích Vì vậy, nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm mục đích tăng quá trình tái hợp có phát xạ

và giảm thiểu quá trình tái hợp không phát xạ Tuy nhiên, trong các thiết bị thực tế, quá trình tái hợp không phát xạ không thể giảm về không

Hình 2.4: Quá trình tái hợp hạt tải không phát xạ: (a) tái hợp Shockley-Read-Hall

và (b) tái hợp Auger (c) quá trình tái hợp hạt tải phát xạ ra photon

Một số quá trình tái hợp của điện tử và lỗ trống không phát xạ ra photon gồm tái hợp Auger, tái hợp Shockley-Read-Hall và tái hợp bề mặt Các khuyết tật trong cấu trúc tinh thể là một trong những nguyên nhân chính gây ra tái hợp không phát xạ Các khuyết tật tạo ra một hoặc nhiều mức năng lượng nằm trong dải cấm của LED Điện tử (lỗ trống)

có thể bị bắt lại ở vùng năng lượng này trước khi tái hợp với lỗ trống (điện tử) Quá trình tái hợp này không phát xạ ra photon và được gọi là tái hợp Shockley-Read-Hall Hình 2.4(a) thể hiện quá trình tái hợp Shockley-Read-Hall trên giản đồ năng lượng của vật liệu bán dẫn

Tái hợp Auger là hiện tượng năng lượng sinh ra do quá trình tái hợp electron và

lỗ trống được truyền cho một electron tự do ở vùng dẫn hoặc một lỗ trống tự do ở vùng hóa trị mà không phát xạ ra photon Quá trình tái hợp Auger được thể hiện trên Hình 2.4(b) Các hạt tải được kích thích dần đánh mất năng lượng sau khi phát xạ ra các phonon Tốc độ tái hợp Auger tỷ lệ với lập phương nồng độ hạt tải [10]:

𝑅𝐴𝑢𝑔𝑒𝑟 = 𝐶𝑛3, (2.1)

với C là hệ số Auger Tái hợp Auger gây giảm mạnh hiệu suất phát quang của LED ở điều kiện kích thích cao (n lớn) Khi nồng độ hạt tải thấp (kích thích thấp) ảnh hưởng của tái hợp Auger có thể bỏ qua Thời gian tái hợp hạt tải tự phát (𝜏𝑠) của vật liệu bán dẫn phụ thuộc vào thời gian tái hợp hạt tải phát quang (𝜏𝑟) và thời gian tái hợp hạt tải không phát quang (𝜏𝑛𝑟):

2.2.3 Hiệu suất lượng tử của LED

Vùng hoạt tính của diode lý tưởng phát xạ một photon cho mỗi electron bơm vào Tuy nhiên, trong thực tế số photon phát ra luôn nhỏ hơn số electron bơm vào Hiệu suất lượng tử nội được định nghĩa bằng tỷ số giữa số photon phát xạ từ vùng hoạt tính trên một đơn vị thời gian trên số electron bơm tới LED trong thời gian đó [10]:

𝜂𝑖𝑛𝑡 = 𝑃𝑖𝑛𝑡/(ℎ𝑣)

𝐼/𝑒 , (2.2) với 𝑃𝑖𝑛𝑡 là công suất quang phát xạ từ vùng hoạt tính, 𝑣 là tần số ánh sáng, h là hằng số planck (h = 6.626 x 10−34 J.s), I là dòng tiêm, và e là điện tích nguyên tố

Photon phát xạ bởi vùng hoạt tính phải thoát khỏi đế LED để ra ngoài không gian Đối với một LED lý tưởng, tất cả photon phát xạ bởi vùng hoạt tính đều đi vào không gian và có hiệu suất thoát ly bằng 1 Tuy nhiên, trong thực tế, không phải tất cả photon phát xạ bởi vùng hoạt tính có thể thoát ra ngoài không gian tự do Photon có thể bị tái hấp thu bởi đế của LED hoặc bởi kim loại ở vùng tiếp xúc Hiệu suất thoát ly được định nghĩa là:

𝜂𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝑃/(ℎ𝑣)

𝑃𝑖𝑛𝑡/(ℎ𝑣), (2.3)với P là công suất quang phát xạ ra không gian tự do Để tăng hiệu suất thoát ly, có thể tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của LED bằng các cấu trúc tinh thể quang tử (photonic crystal)

Trên thực tế, đối với các thiết bị chiếu sáng, ta thường chỉ quan tâm đến công suất phát xạ ánh sáng thực ra không gian tự do và công suất điện bơm tới LED Do đó, trong nhiều trường hợp, người ta thường quan tâm đến hiệu suất lượng tử ngoại của LED Hiệu suất lượng tử ngoại được định nghĩa bởi tỷ số giữa số photon phát xạ ra không gian trong một đơn vị thời gian trên số electron được bơm tới LED trong thời gian đó:

𝜂𝑒𝑥𝑡 = 𝑃/(ℎ𝑣)

𝐼/𝑒 (2.4)

Từ phương trình (2.2) đến (2.4) ta thấy: 𝜂𝑒𝑥𝑡 = 𝜂𝑖𝑛𝑡× 𝜂𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛. (2.5) Trong công nghiệp chế tạo LED, người ta luôn mong muốn đạt được hiệu suất lượng tử ngoại lớn nhất Tuy nhiên, cũng như việc không thể giảm tái hợp không phát

xạ về bằng không, hiệu suất lượng tử của LED không thể đạt được bằng đơn vị

2.3 Đặc trưng điều chế của LED

Hình 2.5 thể hiện mô hình mạch điện tương đương của một LED [11] với 𝐶𝑠 là điện dung lớp nghèo, 𝐶𝑑 là điện dung khuếch tán, 𝑅𝑠 là điện trở nối tiếp được xác định bởi cấu trúc của LED và điện trở suất của lớp tiếp giáp p-n, một điện trở không tuyến tính thể hiện đặc trưng I-V của LED với 𝑖𝑑, 𝑣𝑑 lần lượt là dòng qua LED và hiệu điện thế lớp tiếp giáp

Hình 2.5: Sơ đồ mạch điện tương đương của một LED

Thông thường, khả năng điều chế của LED phụ thuộc vào thời gian tái hợp hạt tải tự phát và hằng số thời gian RC của mạch điện tương đương Tuy nhiên, khi mức dòng tiêm cao, ảnh hưởng của hằng số thời gian RC có thể bỏ qua [11] Băng thông điều chế của một LED được khảo sát với mô hình tín hiệu nhỏ Với mô hình này, LED được phân cực bởi dòng một chiều không đổi Tín hiệu điều chế tần số ω có biên độ bằng 1/5

- 1/10 cường độ dòng phân cực Hàm truyền đạt của công suất quang phát xạ có dạng [10]:

đi một nửa so với giá trị ở tần số thấp [12] Đối với photodiode, công suất điện đáp ứng

tỷ lệ với bình phương công suất quang tại đầu thu:

𝑅𝑏 ≤ 2 × 𝑓−3𝑑𝐵 (3.1)

Tuy nhiên, ta có thể cải thiện tốc độ điều chế OOK-NRZ bằng cách giảm 𝜏𝑟 và

𝜏𝑓 của xung quang Phương pháp giảm 𝜏𝑟 và 𝜏𝑓 sẽ được trình bày trong phần tiếp theo của đồ án

2.4 Mạch tạo dạng dòng

2.4.1 Hiệu ứng “peaking”

Như đã trình bày trong phần trước của đồ án, để cải thiện tốc độ điều chế của LED, ta cần giảm 𝜏𝑟 và 𝜏𝑓 của xung quang Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ta có thể giảm thời gian thiết lập (𝜏𝑟) của một xung quang bằng cách sử dụng dòng điện kích thích

có dạng đỉnh nhọn như Hình 2.6(b) Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng “peaking” [11], [13], [14]

Hình 2.6: Dạng xung dòng và xung quang trong trường hợp (a) không có hiệu ứng

“peaking” và (b) có hiệu ứng “peaking”

Với giả thiết rằng điện dung 𝐶𝑠 thay đổi rất chậm theo dòng điện so với 𝐶𝑑 và có thể coi là hằng số, Zucker đã đưa ra mô hình dự đoán sự phụ thuộc của 𝜏𝑟 vào dòng đỉnh

𝐼𝑃, dòng dừng 𝐼0, và điện dung lớp nghèo 𝐶𝑠 [13], [14]:

𝜏𝑟 = 𝐶𝑠

𝛽𝐼𝑃𝑙𝑛9 + (𝐶𝑠

𝛽𝐼𝑃+ 𝜏𝑠) ln (1−

𝐼0 10𝐼𝑃

2.4.2 Hiệu ứng “carrier sweep-out”

Trong trường hợp LED không phân cực, sau khi tắt kích thích, các hạt tải đang bị nhốt trong vùng hoạt tính tiếp tục tái hợp với nhau Do đó, thời gian phân rã của xung quang (𝜏𝑓) sau khi tắt kích thích phụ thuộc vào thời gian tái hợp hạt tải tự phát 𝜏𝑠 theo phương trình (3.0) Tuy nhiên, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, thời gian phân rã của