Các bài thực hành chuyên đề công nghệ quang tử và nano

Xác đ ịn h bư ớc són g đỉnh phổ, độ bán rộng phổ của LEỈD... Đặc trưng công suất quang - dòng bơm của LBD Hình 2.4.. Đặc trưng dòng - thế I-V của LBD... xác dịnh hộ số khuếch dại... Gs =

MỤC LỤC

Lời nói đầu 9

Bài 1 Đ O Đ Ặ C T R U N G Đ I Ò T PH Á T Q U A N G (LED) I Mục đích yêu c ầ u 11

II Phần íý th uy ết 11

Hi Phần thực h à n h 15

Câu hỏi chuẩn b ị 19

Bài 2 Đ O Đ Ặ C T R Ư N G LASER B Á N D Ấ N (LBD) I Mục đích yêu c ầ u 21

II Phần lý th uy ết 21

Hỉ Phần thực h à n h 25

Cáu hỏi chuẩn b ị 27

Bài 3 K H Á O SÁT K H U Ế C H ĐẠÍ LASER BÁN D Ẫ N I Mục đích yêu c ầ u 29

II Phần lý th uy ết 29

III Phàn thực h à n h 36

Càu hỏi chuắn b ị 37

Bài 4 T H Ụ C H À N H T H Ô N G TIN Q U A N G SỢI s ố H O Á I Mục đích yêu c ầ u 39

II Phần lý thuyết 39

Mỉ Phần thực h à n h 42

Câu hỏl chuẩn b i 43

Bài 5

T H Ự C H À N H BIẾN Đ IỆ U PCM VÀ M Ả H O Á MANCHESTER C H O TÍN HIỆU T H O Ạ I

I Mục đích yêu c ầ u 45

II Phần lý thuyết 45

III Phần thực h à n h 46

Câu hỏi chuẩn b ị 50

Bài 6 NGHIÊN c ứ u ĐẶC TRƯNG c ơ BẢN C Ủ A SỢI Q U A N G P H A TẠP ERBIUM I Mục đích yêu c ầ u 51

II Phần tý thuyết 51

III Phần thực h à n h 57

Câu hỏi chuẩn b ị 57

Bài 7 XÁC Đ Ị N H N G U Ỏ N SIÊU BÚC XẠ TỪ Q U A N G SỢI PHA TẠP ERBIUM I Mục đích yêu c ầ u 39

II Phần lý thuyết

III Phần thực h à n h 66

Câu hỏi chuẩn b ị 67

Bài 8 C Á C H T Ử B R A G G I Mục đích yêu c ầ u 69

II Phần lý thuyết 69

íll Phần thực h à n h 71

Câu hỏl chuẩn b ị 72

M ụ c lục • • _ 5

Bài 9

LASER Q U A N G SỢI PHA TẠP ERBIUM - CHÊ Đ Ộ T ĨN H

I Mục đích yêu c ầ u 73

II Phần lý thuyết 73

III Phần thực h à n h 85

Câu hỏi chuẩn b ị 86

Bài 10 N G H IÊ N C Ứ U Đ Ộ N G H Ọ C LASER Q U A N G SỢI P H A TẠP ERBIUM V Ớ I C Ấ U H ÌN H T H Ẳ N G I Mục đích yêu c ầ u 87

II Phần lý thuyết 87

III Phần thực h à n h 91

Câu hói chuẩn b ị 92

Bài 11 K H U Ế C H Đ Ạ I Q U A N G SỢI PH A TẠP ERBIUM I Mục đích yêu c ầ u 93

II Phần lý thuyết 93

III Phần tliực h à n h 97

Câu hỏi chuẩn b ị 98

Bài 12 T H Ự C H À N H TRUYỀN T H U SIÊU C A O TẦN B Ằ N G CÁP Q U A N G VÀ THIẾT B| LẶP LẠI T H Ô N G TIN S Ó ĐẾN 1 5 5 , 2 M b p s I Mục đích yêu c ầ u 101

II Phần lý thuyết 101

IM Phần thực h à n h 105

Câu hỏi chuẩn b i 109

Bài 13

CHÊ T Ạ O Đ Ẩ U TÍP KIM LOẠI KÍCH T H Ư Ớ C N A N O MÉT B Ầ N G

P H Ư Ơ N G PH Á P Ả N M Ò N Đ IỆ N H Ó A

I Mục đích yêu c ầ u 111

II Phần lý thuyết 111

ỉll Phần thực h à n h 116

Câu hòi chuẩn b ị ì J1 Bài 14 C H Ế T Ạ O Ó N G N A N O C A R B O N B Ă N G P H Ư Ơ N G PH Á P L Ắ N G Đ Ọ N G P H A H Ơ I H Ó A H Ọ C I Mục đích yêu c ầ u 1 23 II Phần lý thuyết 1 23 III Phần thực h à n h 127

Câu hỏi chuẩn b ị 1 31 Bài 15 CHÊ T Ạ O VẬT LIỆU N A N Ô B A N G P H Ư Ơ N G P H Á P Đ Á O MIXEN ỉ Mục đích yêu c ầ u 133

II Phần lý thuyết 133

III Phần thực h à n h 141

Câu hỏi chuẩn b ị 144

Bài 16 K H Ả O SÁT Đ Ặ C T R U N G V À KHẢ N Ả N C Ứ N G D Ụ N G C Ủ A C Ả M BIẾN ÁP S U Ấ T MEM S I Mục đích yêu c ầ u 145

II Giới thiệu cơ sở công nghệ MEMS 145

III Phần thực h à n h 156

Câu hỏi chuẩn b ị 169

Bài 2 0

K H Á O SÁT T ừ T ÍN H B A N G T Ừ KÊ M Ẳ U R U N G

I Mục đích yêu c ầ u 215

II Lý t h u y ế t 215III Phần thực h à n h 222

M ụ c lục ♦ • _7

Bài 2 2

K H Ả O SÁT CÁC TÍN H C H Ấ T SẮT ĐIỆN

I Mục đích ỵêu c ầ u 235

II Lý t h u y ế t 235III Phần íhưc h à n h 242

Lời nói đầu

G i á o trinh “ C á c bài thực hành chuyên đề công nghệ quang tử và ìiano ” đư ợ c t ậ p thể g iả n g viên K h o a V ật lý Kỹ thuật & C ô n g n g h ệ nano,

T r ư ờ n g Đại h ọ c C ô n g ng hệ - Đ H Q G H N biên soạn do G S T S N g u y ễ n

N ă n g Đ ị n h là m chù bièn n h ằ m phục vụ dạy và học thực h àn h c h o sinh viôn c ù a n g à n h Vật lý K ỹ thuật, T r ư ờ n g Đại học C ò n g ng h ệ, Đại học

Q u ố c gia Hà Nội G iá o trình giúp sinh viên cù n g cố và n ắ m v ữ n g các

k i ế n thức c ơ s ở ng àn h và c h u y ê n ngành , đồng thời thực tập về kĩ thuật,

c ò n g ngh ệ q u a n g từ và c ô n g n gh ệ vật liệu cấu Irúc nano G i á o trình gồ m

22 bài, tron g dó các tác giả sau đ ây chịu trách nhiệm biên so ạn các bài

t ư ơ n g ứng:

PGS Vũ D o ãn M icn (Bài 1 - 5), PGS, Trần Thị T â m (Bài 6 - 1 1 ) ,

P G S P h ạ m Văn Hội (Bài 12), PGS Phan Ngọc Minh (Bài 13 - 14), GS

N g u y ễ n Dức N g h ĩa (Bài 15), TS N g u yễ n Thăng Long (Bài 16 -18), PGS

P h ạ m ỉ)ứ c T h ắ n g (Bài 19 - 22) và TS Đỗ 7'hị ll i n m g Gia ng (Bài 20 - 21)

G S N g u y ỗ n N ă n g Đ ịn h ch ịu trách nhiệm hiệu dính và ch ỉn h sử a tất

c á c a c bài C á c bài ihực h à n h đều có cấu trúc gồm các p h ần mục đích yêu cũn p hân lỳ thuyết, phân thực hành và câu hoi chuún bị cho sinh viên

Nội d u n g các bài đ ư ợ c trinh bà y từ lý thuyết dến thực hành, h ư ớ n g dẫn

c á c h xác đ ịnh các đặc trưng, tính chất của linh kiện q u a n g tử; cá ch chế lạo và p h â n tích m ộ t số th ô n g số c ơ bản của vật liệu n an o n h ậ n đ ư ợc Vì

v ậ y g i á o trình có tác d ụ n g n h ư tài liệu đề học các p h ư ơ n g p h á p c ô n g nghệ

q u a n g tử và n a n o hiện đại, q u a đó g iú p sinh viên và người đọc có thể nắm

bẩ t d ư ợ c bàn ch ất kĩ th uật q u a n g tử và công nghệ vật liệu cấ u trúc na no

từ n h ữ n g đối t ư ợ n g cụ thể

T r o n g quá trình biên soạn, tập thể tác già k h ô n g trá nh khỏi n h ữ n g thiếu SÓI hoặc kh iếm khuyết C h ú n g tôi rất biết ơ n tất cà dộc già về

n h ữ n g dóiig gó p ý kicn nhận xét, để giáo trình “ C á í ' hàt th ự c h à n h

lượng vừ a có hiệu quà sừ d ụ n g cao trong các trư ờn g đại học thuộc khối

k h oa học tự nhiên, kỹ ihuật và c ô n g ntỉhệ, c ũ n g n h ư tr on g các c ơ sở nghicii cứ u và sàn xuất, v.v

c s N g u y ễ n N ă n g Đ ịn h

o Lố ơỗDg ữO ũg vÙQg hoá m

Hình 1.1 Giàn đồ năng lượng cùa chuyển tiếp p-n khi không phân cực (a)

hợ p với nhau sinh ra bức xạ tự phát (hay h u v n h q uan g) Bức xạ lự phát

g ồ m các p h o t o n có n ăn g lượng hv = Eg, có các h ư ớ n g lan truyền, ph a và

p h â n cự c kh ác n h a u , đó là án h sá ng phát ra c ù a L E D ( H ì n h l l b ) T u y

1 2 CÁC BÀI THỰ C HÀNH CHUYÊN ĐỀ c ò n g n g h ệ q u a n g t ử v à NANO

nhiên, cấu trúc LEI ) đơn c h u y ể n liếp p-n c h o hi ệu suấ t phát quant> rất yếu nẽn n h ữ n g LIÍD trôn thực té có cấu trúc dị c h u y ể n liếp kép Hinh 1.2 là

s ơ đồ cấu lạo (a,d) và gián đồ n ă n g l ư ợ n g c ủ a L E D dị c h u y ề n tiếp kép

A l G a A s / G a A s khi k h ô n g p h ân cự c (b) và p h â n cự c thu ận (c) Phát xạ lự phát xáy ra t ro ng vù ng tích c ự c G a A s khi đi ện t ừ và lỗ tr ổ n g đ ư ợ c ticin

v ào d o ph ân cực thuận Hinh 1.3a là cấ u tạo c ú a m ộ t ch ip LHD phát mạt

llình 1.2 Sơ dồ câu tạo (a, d) và giàn đồ nănu ỉưọng (b c)

của LED dị chuyển liếp kép AlGaA s/GaAs

Bài 1 Đ o đ ặ c trưng Đ i ô t p h á t q u a n g (LED) 13

ánh sáng Jốiia

n

Substrate

Lóp cách điện (oxir)

L ^ e p i a x i

— E>é'

Vó nhựa trong y

Chuyển àếp pn

(a)

B ư ớ c s ó n g ánh s án g L E D p h á t ra p h ụ thuộc v ào vật liệu ở v ù n g tĩch cực, h ay cụ th ể hơ n - v à o đ ộ r ộ n g v ù n g c ấ m Eg cù a vật liệu n ày [4]:

X = h v / E g » 1,24/ Eg

với X tí n h t h e o Ịim v à Eg t h e o eV

60-70 um

E>ãệiicục dâi Láp cách, điệa

1 4 CÁC BÀI THỰC HÀNH CHUYÊN ĐỀ c ô n g n g h ệ q u a n g t ử v à NANO

CcKTtig dộ ánh *áog

ttiơDg đỗl

1

-CLiời^độtuơugđỗi

65f'nni

> i

công suất quang - dòng

bơm của LED

với p = q/rikaT, V - thế đặt vào (sụt trôn diodc), q - điện tích điện lử,

kn - h ằ n g số Bo ll zm an, T - nhiệt độ Khi d ò n g b ư m ^ 0 sụt thế trên

c h u y ể n tiép tăng đột ngột tới giá trị Vf (sụl thế thuận), sau đỏ thế tăng từ

lừ và đạl giá trị kh ôn g đổi khi d ò n g b ơ m tăng tiếp tro ng t rư ờ n g hợp lý tưởn g , khi có điện trở nối tiếp củ a LED , V lăng tiếp tục khi 1 lăng, [ỉiệu suất lư ợn g từ ngoại cùa L E D là hiệu suất c h u yể n đồi n ă n c lư ợn u điẹn thành nàng lượng q u a n g phát ra đ ư ợ c tính theo c ô n g thức [1 ];

n c x t = ( P o m / I V ) X 1 0 0 %

với Pout là c ôn g suất quan g, 1 và V là d ò n g b ơ m và ihé sụt trcn LED

Ph ổ q u a n g của L E D có độ bán rộng phồ A k có thể tínli gần đứn g theo c ô n g ihức f 1 ]:

AẰ [|im] [)im] ( 3k T /h c) [cV

với X là bư ớc s ó n g da nh đ ị n h c ùa LE D, k- h ằn g số B o l z m a n và T là nhiệt

Bài 1 Đ o đ ặ c trưng Đ iô t phát q u a n g (LED) 15

h ư ó n g son g s o n g và góc m ở 20 ~ 2 X 45 “ theo liưứng v u ô n g góc với lớp

c h uy ển tiếp p-n [1,4] (iỉiiih 1.8) Phân bổ chù m tia củ a L E D phát cạnh theo

h à m L am bc rti an (~ poC osG ) cho h ư ớn g song sontỉ với c hu y ển tiếp p-n Đối với h ư ớ n g v u ô n g góc với ch uy ển tiếp p-n phân bổ c h ù m tia h ẹp hưn nhi ều do sự phân kỳ bị hạn chế bởi dẫn sóng tầng (slab) theo h ư ớn g vu ô n g góc với chuyển tiếp (bề d ày vùng tích cực 0,05 ^ 0,25 Ịam trong khi độ rộng 50 -r 70 Ị.im) [2] Đối với LE D phát mặt phân bố c h ù m tia tuân theo

16 CÁC BÀI THỰC HÀNH CHUYÊN ĐỀ c ô n g n g h ệ q u a n g t ử v à NANO

T hi ết bị đo th ô n g số linh kiện q u a n g điện t ử bao g ồ m các chức năng

đo n h ư đ ặc t rưn g cô n g suất q u a n g p h ụ thu ộ c d ò n g b ơ m (P-1), dò n g - thế (I-V), p h â n bố t rư ờ n g xa (P -A ) c ủ a L E D , lascr diode T h i ế t bị được ghép nối với m á y tính qua c ổ ng nổi tiếp R S 2 3 2 (H ì n h 1 9 ) S ư đ ồ khối cùa thiết bị đư ợ c trình bày trên hì nh 1.10

L B D và đầu thu photodiode ứxỉng ỉdii đo đặc ữ ư ng P-I, P-A Kết quả đo được hiển thị ư ê n màn hình m á y vi tính, c ó tíiể lưu g iữ trong bộ nhớ máy tính và in ra giấy C ó thể hiển thị c ù n g m ột lúc 5 kết quả đo dưới dạng các đường c o n g (với các màu khác nhau) trên màn hình và đưa vảo m áy

in Thiết bị c ó các tính năng như ứiay đổi tốc đ ộ đo, thay đổi dòng DC

cự c đại được quét d ể nuôi L E D , L B D , ch ứ c năng ”zooin" để c h ọ n chế độ hiển ứiị phù hợp và x e m chi tiết các đặc ư u n g đo, c ó khả năng hiệu chinh

Bài 1 Đ o đ ặ c trung Đ iô t phát q u a n g (LED) 17

kết q u à đ o c h o d ú n g với giá trị so sánh chuấ n N g oà i ra, thiết bị ch o pliép i h a y dồi các th ô n g số hiển thị dặc Irưiig (Jo n h ư m à u , dộ d ậ m nél cùa d o ihị cũnt’ n h ư nhiều tính n ă n g khác rất c à các tính n ă n g do

d i a ;c lliực hiện n h ừ c h ư ơ n g trình đo O P T - T H S T H R lập trinh trên c ư sở

p h ẩn m ề m Visual Basic Cá c yêu cầu ch o việc c h ạ y c h ư ơ n g trình ph ần

m è m và m ộ t số chi dẫn đ o đạc c h o nuưừi sử d ụ n g có tr o n g p h ần trợ

g i ú p c u a cl iư ưng trinh

ị linh 1.11, H in h 1.12 là s ơ đồ nguyên lý hệ đo th ô n g số cù a LED

c ho th ấy m ột sổ h in h ành giao diện đo

lOC

100AníW)

Hình l I l : Một số hình ảnh giao diện đo

Hình 1.12: Sơ đồ nguycn ỉý hệ đo các ihôrm số cùa LED

(60 0 n m < < 1 100 nm) L E D và pho to di o de P D cần d ư ợ c cấm chân

c ắ m theo đ ú n g điện cực dư ơn g, âm chỉ rõ trên m á y (LHI) luôn luôn phải

đ ư ợ c phân cực thuận, PD có thể k h ô n g phân cực hoặc chỉ d ược phân circ

n gư ợc ) Đư a PD (trượt trên ray) vào sát L E D và ch in h q u a n g dể có c ô n g suất q u a n g thu đ ược lớn nhất Vào c h ư ơ n g trình đo ( 0 P 1 - T E S T E R ) ,

c họ n Ligth - Cu rr ent chacteristics trên giao diện đ o a) n h ư trên hình 1.12

C ó thể thay đổi các iha n g giá trị p, I trên các trục toạ độ, giá trị d ò n g

b ơ m tối đa có thể quét cho laser, thay đổi tốc đ ộ ( S p c c d ) quét d ò n g do (vào m e n u Options, Basic tab trên thanh c ô n g cụ n h ư ở hình 1.12b),

c hu y ển đổi p hé p đo (từ PI sa ng IV, PA); thực hiện các chế độ z o o m dế

x e m chi tiết các phần của đ ư ờ n g c o n g đo n ga y trên g i a o diện đ o n h ư

đo I-V

C ó thể thay đồi các th an g giá trị I, V trên các trục toạ độ, giá trị

d ò n g b ơ m tối đa, lốc độ quét d ò n g giố ng n h ư c h o t rư ờ n g hợ p do P-I thực hiện và các chế độ z o o m để x e m chi tiết các p hầ n cùa đư ờntỉ c o ng do

Hiển thị kết quả đo Irên rnàn hình, n h ớ kết q u ả đo và in trên m à y in

Bài 1 Đ o đ ặ c trưng Đ i ô t phát q u a n g (LED) 19

q u a n g {nếu c ô n g suất ph át c ù a L E D yếu có thê l ă n g độ r ộ n g khe sáng hoặc dưa PD g ần vào LED)

C ó thể ihay đổi các th an g giá trị p, A (góc) trên các trục toạ độ, d ò n g

b a m DC cho laser, thay đổi tốc độ quay góc đo, z o o m để x e m chi tiết các

p h ần cùa đ ư ờ n g co n g đo, điều chinh bằng nhắp c h u ộ t góc c ủ a laser so với trục ray đo n g ay trên giao diện đo tư ơn g lự n h ư khi đo P-1 (xcni m c n u lỉclp) Hiển thị kết q uả đo trên m àn hình, n h ớ kết q u à đ o và in trôn m á y

Hình 1.13 Sơ đồ đo phổ quang của LED

S ử d ụ n g m á y phân tích phổ qua ng (Optical Spec trum A n al ys er O S A ) hoặc sử d ụ n g hệ đo phổ trên c ơ sờ m áy đưii sắc g hé p nối m á y tính để đo phổ q ua n g của các loại L E D khác nhau và ở các dò n g b ơ m khác nhau

L ED được nuôi bằng ngu ồn d ò ng DC hoặc nguồn dò n g xung ( f < 10 0 0 Hz),

á nh sán g L E Đ cần đ ư ợ c hội tụ b ằn g hệ thấu kính vào lối v ào của hệ hay thict bị đo q u a n g (Hinh 1.13)

Xác đ ịn h bư ớc són g đỉnh phổ, độ bán rộng phổ của LEỈD

CẢU H Ỏ I C H U Ẩ N BỊ•

• N ê u n g u y ê n lý h o ạ t đ ộ n g c ù a LED

• Hãy nêu nguyên nhân gây ra sự bão hoà của đặc ư ư n g P-I trong LED

• H ã y tính độ bán rộ n g ph ổ q u a n g của L E D và so sánh với kết quả

đo thực tế

• P h â n bố t r ư ờ n g x a c ù a L E D tuân t h e o h à m p h â n b ố n à o , hãy làm p h ù h ợ p (íìt ti n g ) đ ư ờ n g thực n g h i ệ m do đ ư ợ c với h à m p h ân

bố lý t hu y ết

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 s.o Kasap Optoelecĩroìiỉcs a n d Phoíonics: Priỉiciplcs ÍỈỈUÍ Prưctices Prcnticc Hall, Inc Uppcr Saddlc Rivcr, Ncvv Jcrscy, 2001,

2 Ta k a h ir o Nuniai F u n d a m e n ía ls o f S c m ic o n d iic ỉo r Lưscrs

Sprinecr, Nc\v York, Bcrlin l ỉ ci dsc nbc rg , 2004

Bài 2

ĐO ĐẶC TRƯNG LASER BÂN DẪN (LBD)

I M Ụ C Đ ÍC H YÊU CẦU

- N ắ m d ư ợ c nguycn lý hoại động, cấu lạo của L B D

- {)o dặc trưng công suất q u a n e - dò n g bơ m {!’- I), đặc trưng dòiig - ihc (I - V ) , ph ân bố Irưừng xa và phố quaiií* cua I.BD

II P H Ầ N LÝ THUYẾT

1 N g u y ê n lý h o ạ t đ ộ n g và c ấ u t ạ o c ủ a LBD

C ấ u tạo cùa lascr diode dị chuyển tiếp kép c ù n g t ư ưn u tự n h ư cúa LHD l u y nhiôn, các lớp bán dẫn vỏ ( n -A I G aA s / G u A s và p - A l G a A s / G a A s ỉìlur ircĩì hình 2 la) phủi đư ợc pha lạp mạ nh (bán dần suy bicn) để dề dàiiu dạl d ư ợ c diều kiện dào m ậl dộ trạng lliái khi phân cực thuận, ở diều kiệii này, các diện từ và lỗ Irống lái hợ p Iroiiíỉ lóp tích cự c (CiaAs) sinh ra hức xụ c ư ờ n u bức hay có sự kh uếc h dại qu an u (H ì n h 2.1b) N g h ĩ a là

p h u t o n á n h s án g c ư ở n g bức (liav c ảm ửnii) có c ù nu tần số, plia phân cực

\ à h ư ớ n u lan truyền với pholon ánh sáng chicu tới (có thc từ bcii nuoài lìoặc do tái hợ p tự phát) hav la có ánh sáng kcl họp Khi dộ kliuéch dại

\ ơ ợ l C | u a c á c l ì i ấ l m á l d o l á i h ấ p t h ụ , l á n x ạ ở d i c u k i ệ n c ó s ự p h à n h ồ i

quaiìu tron g b u ồ n g cộ n g h ư ờ n g ta có tia lascr Gưcnm phản xạ của b u ồn g

c ộ n u lìưởnu tro ng lascr diodc bán dẫn thườim là các m ặl bổ tinh lliể với

d ộ ph ản xạ R~-30% và la có lascr Pabry-Pcrut (Fỉ^) 1’ro ng tr ư ò n u hợ p sự phan \ ạ q u a n u xãv ra Ircn cách từ nam sát và dọc tlico v ù n g tích cực' ta có lascr d o n tần I)F[Ỉ, c ò n khi sự phàn xạ quaim \ ủ y ra trên các cá c h tử nàm

ơ m ộ t phía hoặc cà hai phía của vù n g lích cực ta có lascr dơ n lần DBR Dòniĩ b ơ m m à lại dó xày ra sự phát lacer là dò n u n g ư ờ n u phát Itiv Chiết

suất của G a A s ở lớp tích cự c cao hơn các lớp vò A I G a A s (An ~ 5“/o) (H ìn h l l c ) nên ta có s ự nhốt q u a n g tro ng lóp tích cực {theo c h i ề u thẳng

đ ứ n g n h ư hinh l l d ) giúp ch o sự k h u ế c h đại tăng lên Hinh 2.2 là cấu tạo

cù a ch ip laser diode dị c h u y ể n tiếp contact dải A I G a A s / G a A s ph át cạnh

Mậ t độ d ò n g b ơ m ở đ ây đ ư ợ c tập tru ng ở v ù n g hẹp phía dưới dài contacl

do vậy chiết suất vùng này ca o hơ n cũ n g n h ư ánh sá ng đư ợc tập trung ở vừng này Đ ây là loại laser dẫn h ư ớ n g k hu ếc h đại (gain -gu id ed) Tu y nhiên, để có sự nhốt q u a n g tốt hơn th eo chiều nằm n g a n g dối với các laser ph át ở bư ớc sóng 1310 n m và 1550 n m ỉn G a A s P / I n P , n gư ời ta sứ

d ụ n g loại cấ u trúc dị thề vùi BH (bu ried-h ctero struc ture) N go ài ra còn có nhiều loại cấu trúc khác cùa L B D n h ư cấ u trúc dẫn són g gò (ridge), dái (rib), laser ph át mặt, laser gi ến g lư ợng từ với lóp tích c ự c đ ư ợ c tạo thành

từ nhiều lớp gi ếng lư ợng tử C ác chip laser đ ư ợ c hàn lên đế toả nhiệt kim loại (Cu), hàn d â y v àn g với các ch ân điện cực và có thể gắn th ê m chip

p h o t o d io d e m o n i t o r phía sau chip laser c ho m ụ c đích điều kh iể n phản hồi

và ánh sáng (d) của LBD dị chuyển tiếp kép AlGaA

Bài 2 Đ o đ ặ c trưng Laser bán dẫn (LBD) 23

bơ m nhò h ơ n d ò n g n g ư ỡ n g ta có sự p hát xạ t ự phát giố n g n h ư c ho LED,

ờ d ò n g n g ư ỡ n g Iih đ ư ờ n g c o n g P-1 tăng đột ng ột và tuyến lính, ta có sự bức xạ c ư ỡ n g bức

Hình 2.3 Đặc trưng công suất quang -

dòng bơm của LBD

Hình 2.4 Đặc trưng dòng - thế (I-V)

của LBD

Tid = ( 2 q / h v ) d P / d lvới q là diện lích của điện từ, h v là n ă n g lư ợ n g của p h o to n on I r o n u

ir ư ừ n g h ợ p phân bố t rư ờ n g xa (h ay p h ân bố k h ô n g g ia n ) cu a L B D thay đồi (ví dụ lừ đơ n m ố t sang đ a mố t) khi d ò n g b ơ m ihay đổi có thể sè quan sát thấy c hỗ g ày (kink) trôn đặc tr ư n g P-I

Đặc Irưng d ò n g - thế (1-V) c ủ a L B D cũníỉ là đườriíí c o n ụ phi tuyén

gi ố n g n h ư t rư ờ n g hợ p LED:

I = l j c x p ( p v ) l ]

với p = q/T-ỊkíiT, V - Ihé dặt vào (sụt trôn diodc), q - điện tích điện tử, kịị - hàng

số Bo lt zm an , T - nhiệt độ Khi d ò n g b ơ m ^ 0 sụl íhế trcn c h uy ền tiếp lãntí đột nuột lới ^iá irị Vf (V ị - 0,8 -í- 2 V), sau d ó llìế l ă n g lừ từ và dạl giá írị k h ô n g đôi khi d ò n g b ơ m t ă n g ti ế p ironíi I rư ờn g h ợ p lý tưởnụ khi

cỏ diện irơ nối ticp của L B l) , V l ă n g tiếp lục khi I lãiig

I*hàn bố trường xa của L B D tương lự như cua L H U phát cạnli, nehĩa

là do hiệu ínm nhiễu xạ, bè d à y vùnti tích cự c (0,2 •^0,5 I-U11) nlio hcrn

n hiều dộ rộ nu (2 -í-5 (.irn) nên c h ù m lia lascr ph át ra có d ạ n u clip với phân

bố Gauss Tuy ihco t ừ n g loai L l ì D góc m ờ t h e o h ư ứ n g sonii s o ng với

ch u yề n tiep p-n 10'’ -^-20"^ và v u ô n g góc với c h u y c n ti cp p-n 2 ( f ^ 40".

P hồ q u a n g cù a L B D tron g I rư ờn g h ợ p lascr \ V là đa mốt và số mốt

có the lliay dổi khi íăim d ò n g b ơ m c h o laser ( l l i n h 2.4) Lỉưức sỏntỉ phát Ằ

của lascr đ ược lính iheo cô n g ihức [ 1 , 2

m Ằ / 2 n = L

Bài 2 Đ o đ ặ c trưng Laser bán dẫn (LBD) 25

với m là số n g u y c n dươn g, n là chiết suất ở vùng lích cực vù L là độ dài cua bu ồ ng c ộ n g h ư ờ n g (ch ip LB D) Đ ộ bán rộng p hổ q u a n g AX < 0,1 n m

ch o lascr D F B h oặ c D B R L a sc r FP có dộ bán rộng c o u n lu r phổ q ua nu vào khoàim vài n m và p hổ q u a n g là đ a mốl Kh oảnu cá ch giữa các mốt ÃpsK ironií pho c ù a laser FP đ ư ợ c xác đị nh như sau [2]:

^FSR I 2nr/.Lvơi Xo la bước s ó n g trun g tâm, Hrx là ch ic t suất hiệu d ụ n g tươniỉ đ ư ư n g ỉìay chiet suaí hiệu d ụ n g với lán sắc đ ư ợ c xác dịnh:

Hình 2.5 !*hân bố trườĩìg xa của lascr

dii.)de theo hưt.rng song song (Qh) và

\ nòng góc (Qv) với chuyển tiếp p-n

Hình 2.6 Phồ quang của lascr diode Fí* ở các dòng bơm khác nhau

III PHẦN T H Ự C N G H IỆ M

1 M ô tả t h iế t bị v à s ơ đ ồ t h í n g h i ệ m

Thi ết bị s ử d ụ n g và s ơ đ ồ thí n g h i ệ m dể đo các dặc t rưn g c ơ bàn của

L B I ) cũ n g gi ố n g n h ư cho t r ư ờ n g h ợ p L E D là ihiét bị O P T - T E S T E R ghép

nối m á y tính Mọi tha o tác khi đo c ũ n g tư ơn g tự như c ho t rườ ng liựp

L E D (xein bài 1) c ầ n lưu ý là các laser bán dần rất n h ạ y vứi các loại

xu n g điện n h ư thế tĩnh điện c ù a ng ư ời , xung d o c h ậ p c h ờ n tiếp x ú c châ n lascr, tiếp xúc ph íc h c ấ m n g u ồ n n u ô i , Nh ữn g loại xu n g náy có thế gây

hỏ n g laser nôn cần có các biện p h á p an toàn khi ihí ng h iệ m VCTÌ LBD

2 Đ o đ ặ c trutig c ô n g s u ấ t q u a n g - d ò n g b ơ m (P-l)

Đo đặc t r ư n g c ô n g suất q u a n g d òn g b ơ m cho các laser FP

A l G a A s / G a A s p h á t ở bước s ó n g 780 nm và m o d u lc laser đư n mố t

I n G a A s P /I n P phát ở các bư ớ c s ó n g 1310 nm và 1550 nm Trontỉ t rườ ng

hợ p đo c ho L B D 7 8 0 nm sử d ụ n g p h o to d io d e Si làm đ ầu thu, c ò n khi đo các m o d u l e lascr s ừ d ụ n g m o d u l e p h o to di o de I nG aA s làm đ ầu thu S ơ dồ

n g u y ê n lý hệ đo g i ố n g n h u sơ d ồ n g u y ê n lý đo các thô ng sổ của L E D n h ư

m ặ t P D Si, đ ư a P D ra cá ch L B D m ộ t kh oản g 6 H- 8 cm , chinh q u a n g và

đo đặc t rưn g P- A b ằ n g thiết bị đo O P T - T E S T E R Đo p h â n bố t r ư ờ n g xa cùa laser theo hai h ư ớ n g s on g s o n g và vu ô ng góc với c h u y ể n tiếp p-n, xác định góc m ở c ù a laser th eo hai h ư ớ n g này,

5 Đ o p h ổ q u a n g

S ử d ụ n g s ơ đ ồ đo p h ổ q u a n g ch o L E D với hộ thấu kính để hội tụ

c h ù m tia laser v à o khe lối vào c ù a m á y phân lích phổ q u a n g ( O S A ) hay

m á y đ ơ n sắc n h ư tr o n g bài số I đ ể đo phồ qu ang cho laser diode 78 0 nm Đối với m o d u l e laser 1310 nm và 1550 nin nối trực tiếp m o d u l c laser v ào

d â y n h ả y q u a n g lối vào c ủ a O S A th ô n g qua a da p t o r q u a n g loại F'C X ác

dịnli dộ bán rộ n g phổ i\Ằ và k h o ả n g cácli giữa các mốt 'l'hav dổi dòníỉ

bcíiii c h o lascr và mod ul e laser đề k h à o sát dạnii và sự dịch ch uyể n cùa pliỏ qu an g , tínli s ự dịch c hu y ền của p h ổ q ua ng ( n m / m A ) T r o n g tr ườ ng

h ợp dơ ch o m o d u l c lascr có thể gắn m o d u l e lascr lên ph iến toà nhiệt của pin lạnh Peltier đ ề ổn định nhiệt độ c ho modiile lascr

4 i l à y n êu s ự khác biệt giữa ph ân bố Irường gần và p h â n bố Irường

xa của l.BD Yếu tố nào ảnh h ư ở n g dến phân bố m ố t k h ô n g gian

c ủa L B D ?

5 Nôu n g u y c n nhân sự phát đa m ố t dọc của laser í-abry-Perot và lính k h o ả n g cá ch giữa các m ố t d ọc A.PSR của p h ổ q u a n g đo được

TÀI LIỆU T H A M KHẢO

1 O.Kasap Opíoelectronics and Photonics: Princỉples and Practỉces

P re nti cc Hall, Inc U p p e r Sa d d le Rivcr, N c w Jcrscy, 2001

2 T a k a h i r o Numai P undam entals ọl Sem iconductor Lasers

Sp ringc r, Nevv York, Bcrlin, H ci ds en b cr g, 2004

3 J o s c p h c P a l a i s F ib e r O p lic C nin in u n ìca iỉo iis. 4 " ’ Ed

P r c n t i c c - l l a l l I n t e r n a t i o n a l , I n c , U p p c r S a d d l c R i v c r , N e\ v

J c r s c y , 1998

- Do dặc trưng công suất q u a n g - dò ng bơm (P- I), ph ổ bức xạ lự

ph át k h u c c h đại AS E xác dịnh hộ số khuếch dại độ nh ắp nhô (ripple), sự

|)hụ ih uộc dộ kh uếch dại vào phân cự c, ,

II PHẦN LÝ THUYẾT

Khuếcli dại quarm bán dẫn ( S O A ) dược sư d ụn g dc kh uếc h dại lín lìiệu ironu các liệ ihốniỉ thông lin q u a n g c ũ n g như cho các ứng d ụ n g chức nànu 1 uy nlìicn, do sự ành hưỏTìg cùa phân cực tín lìiỘLi lối vào dến lìệ số klìucclì dại cũng như ảnh hưởng cùa nhiột dộ dcn dộ 011 dịnh hoạt động còn

íu o n g đối lớn nen đc khuếch đại tín hiệu ờ vùng s ón g 1550 n m chủ yếu nuuòi ta vẫn dùng khuếch dại quang sợi, còn dối với vù n g sóng 1310 nm rnuoii k h u cc h dại lín hiệu cần sử d ụ n g SOA N hừ n u ứng d ụ n ụ ch ứ c năng

CUIÌ S O A n h ư làiii chiivcn m ạch quan g, bién diệu quang, c h u y ể n dôi bước

sóng, n u à y một Irở nôn quan trọnu troníi các hệ ihố n u thôntỉ tin quang

C ó hai loại klìucch dại q u a n g bán dẫn là khuếch dại c ộ n e h ư ờ n g (hay klìuccli dại Pabry-Pcrot) và k hu ếch đại sónu chạy Kh uốch dại cộníA liương thực lé là chip lascr bán dẫn FP hay clìip k h u ếc h dại dư ợ c ghép nối với sợi q u a n g lừ hai phía cùa bu ồn g cộng hưởng Khi m ộ t hoặc vài lììốt dọc củ a lín hiệu lối vào Irùng với các mốt dọc của bàn ihân ch ip lascr

ha y ch ip k hu éc h dại được phân cực thuận ta cỏ sự k h u ếc h dại c ộ nu hươiìu llộ số khuếch đại cùa khuếch đại cộim hướníỉ l lu àrn e lón ( - 3 0 dB)

n h ư ng k h ô n g ổn định do s ự th ăn g gi án g mố t d ọc gây bởi sự tliăng giáng cùa nhiệt độ vù ng tích cực, d ò n g bơm,., và sự ảnh h ư ờ n g c ú a pliân cực đến dộ k h uếc h đại lớn nên k hu ếch đại loại này ít đ ư ợ c s ử dụng Kh u ếch đại q u a n g bán dẫn th ư ờn g d ù n g là loại S O A trên c ơ s ở g h cp nối chip laser bán dẫn hay chip k hu ếc h đại có phù lớp c h ố n g p h à n xạ ở hai mặt

b u ồ n g c ộ n g h ư ờ n g với sợi q u a n g đơ n m ố t từ hai phía ( tìb er -t o -tl bc r) Dộ phàn xạ cùa mặt g ư ơ n g laser (mặ t bồ tinh thề) từ R ~ 3 0 % giàm x u ố n g

~10"^ h ay 10'^, vỉ vậy ánh sá ng tín hiệu lối vào chi đi q u a v ù n g tích cực cùa S O A m ộ t lần và được k h uế ch đại n h ờ bức xạ c ư ỡ n g bức tron g S OA khi phân cực thuận nôn kh uếc h đại c ò n được gọi là k h u ế c h dại s ón g chạy (TW) Bức xạ cư ỡ n g bức xảy ra trong S O A ở diều kiện d ao mật độ trạnu thái khi hạt tài đư ợc bơ m vào đù m ạ n h cũ ng giố ng n h ư tron g laser bán dẫn, tuy nhiôn, d o c ó lớp c h ố n g phản xạ ở hai m ặt b u ồ n g c ộ n g h ư ờ n g nên

d ò n g n g ư ỡ n g phát laser tăng lên nhiều hoặc kh ôn g c ò n q ua n sát tháy tron g S O A và d ò n g hoạt đ ộ n g cùa S O A t h ư ờ n g lớn h ơ n của LB D Ánh

sá ng lối ra có cù n g tần số, hư ớn g , pha và p hâ n cực với á nh sán g lối vào

n h ư ng đ ư ợ c k h uế ch đại lên nhiều lần

Hình 3.1 là sơ đồ n g u y ê n lý cùa S O A , lóp c h ố n g phân xạ (AK)

t h ư ớ n g là các m à n g m ò n g điện môi (ví dụ T Ì O2/ S Ì O2), ng oài ra ngưừi ta

cũ n g th ư ờ n g làm các chip k h u ế c h đại với dài tích cực n g h i ê n g iíóc so với

Bài 3 Khảo sát khuếch đại laser bán dẫn 31

K h u ếc h đại S O A (hay m o d u le S OA ) gồ m c h ip k h uế ch đại hàn Icn

dc toả nhiệt kim loại, đế toả nhiệt này đ ư ợ c đặt trôn pin pcltier với se nso r nhiệt để ổn đị nh nhiệt độ, dây A u đ ược sử dụ ng để nối các cơnlact của chip S O A , s e n s o r nhiệt và pin pcltier với các châ n c ắ m lối ra hoặc tr ư ờ n g

h ợ p d ơ n liiản c ó thể không có pin pelíicr Các sợi q u a n g v uốt nhọn đư ợc

gh ép nối với c h ip S O A từ hai phía (Hình 3a) Hình 3b là hình ảnh kh uếch dại q u a n g SO A

Clỉip SOA

Vi thầu kỉnh

M ộ t số tín h ch ấ t c ơ bản củ a S O A

Đặ c tr ư n g cô n g suất q u a n g - dò n g b ơ m P-I cù a S O A có d ò n g

n g ư ờ n g rất ca o ho ặc kh ôn g còn q u an sát thấy C ô n g suất q u a n g ở đ ây là

c ô n g suất bức xạ tự phát k h u ế c h dại (AS l:) C ác líììh chất c ơ han cua

S O A ba o gồm:

d H ệ số k h u ế c h đ ạ i tín h iệ u n h ỏ và d á i tầiì số k h u ế c h đ ạ i

C ó hai khái niệm về hệ số k h uế ch dại c ơ ban c h o các S O A ;

- Hộ số k hu ếc h đại nội cù a S O A , là lì số g iữ a lín hiệu ra nhận dược

ở mặt lối ra và lín hiệu vào ở m ặ t lối v ào của c h ip S O A

- Hệ số k h u ế c h đại g h é p nối ( r i b r c - t o - í l b r e g a i n ) , hộ số k h u ế c hdại n ày b a o g ồ m cả tồn h a o g h é p nối ớ d ằ u v à o , d ầ u ra và hệ số

k h u ế c h dại nội

Phổ kh uếc h đại của mỗi S O A phụ th uộc v ào cấu trúc, vậl liệu và các

th ô n g số của nó Tron g hầu hết các ử nn dụn u hệ số klìuech dại lớn và dảilần k hu ếch đại rộng luôn đ ư ợ c i no nụ m u ố n Tín hiệu n h ỏ là lín hiệu mà ảnh h ư ở n g của nó đến hệ số k h u ế c h đại của S O A là n h ò có ihể bỏ qua khi đó hộ số k hu ếc h đại nội c ú a S O A Pabry - Pcrot ở tần số V dư ợc tính

v'o là tần số c ộ n g hưcVng của m iền tích cự c gần \'ới tần số V nhất, rần sổ cộnụ

h ư ở n g xáy ra tại các số n g u y ê n lần cù a Av Và t h ừ a số s i n ’| 7I( v-v,|)/Av

b à n g k h ô n g tại các tần số cộntì h ư ờ n g và bằim 1 lại c á c lần sổ bị chặn

Hệ số k h uế ch đại hiệu d ụ n g đ ư ợ c tính n h ư sau:

với r là hệ số giam giữ q u a n g học c ùa m i ề n tích cực a là hệ số hấp ihụ

Gs = là hệ số khuếch đại Iruyền qua

Bài 3 KhAo sát k h u ếch đại laser bán dẫn 33

sư d ụ n g cau irúc S O A dặc biệt n h ư đ ã nỏi ờ Ircn

Dài k hu ếc h đại hay b ă n g t h ô n g (bandxvidtlì) Bopt củ a k h uế ch dại dược định nghĩa là k h o ả n g b ư ớ c s ó n g m à ớ dó tín hiệu k h u ế c h đại khônii nhô hơn mộ t n ử a giá trị đinh c ù a nó C h ú n g la có thề đạt đ ư ợ c dài k hu ếc h dại rộim trong S O A với m i ề n lích cự c đtrợc clìế tạo t ừ vật liệu cắu Irúc

g i ế n g lượng lử ( q u a n l u m vvell) h ay đ a g i c n g liKTiig tứ ( multip le quanlLim well) lỉộ số k h u é c h đại nội c ự c đại m à có thè dạt d ư ợ c tro ng các klìuếch đại Ihực ng h iệ m t h ư ờ n g n ằ m tr o n g kh ơ ủ n u 30-40 dB ỉ ỉ ệ số ktìuéch dại

I ibcr -to- lìhcr i h ô n g t h ư ờ n g - 20 ” 25 dl3 Dải klìuéch dại lín hiệu nhỏ nàni tron g klioảng 3 0 - 6 0 n m , dài k h u ế c h dại cỏ thè tính từ dặc irưim phồ

đ ư ợ c đề c ậ p ờ trên Tạ i bư ớ c s ó n g cần k h u ế c h dại, c ô n g suất bức xạ ra ti

lệ vứi cô n g suất lín hiệu và hệ số khucctì dại c ư ờ n g bức Dự a vào các

Iham số đã đư ợc xác định ở trên và sử d ụ n g m ô phòiig ngưừi la có thc ilui

đư ợc cấu trúc phổ dọc củ a k h uế ch đại q u a n g bán dẫn ờ v ù n g tín hi ệu nhò

dẫ n sóng ( w av egu ide ), bản ch ất phụ th uộc sự p h ân cực c ù a các lớp c h ố n g

ph ản xạ và vật liệu k hu ếc h đại S ự truyền s ó n g c ù a bộ k h u ế c h dại đặc

t rưn g bời hai m o d e phân cự c n g a n g gọi là m o d e điện n g a n g TE và m o d c

từ n g a n g T M T r ạ n g thái p h â n cự c cù a tín hiệu vào t h ư ờ n g n ằ m ờ m ộ t vị trí nào đó giữa hai m o d e són g n g a n g này Đ ộ nh ạy p h ân cực đ ư ợ c dị nh

ng h ĩa là sự khác nhau về độ lớn củ a hệ số k h u ế c h đại g iữ a hai in o d e s ón g

G te và G tm

G tetm = I G te - G tm I dB

Để gi ảm thiểu sự nhạy p h â n cực , người ta th ư ờ n g c h ế tạo S O A vứi

các lớp epita xy có hằng số mạng hơi khác nhau để tàng s ứ c c à n g g i ữ a c á t

lớp (strained epitaxial layer)

d Sự bão hoà của hệ số khuếch đ ạ i tín hiệu

Hệ số k h u ế c h đại c ù a S O A bị ản h h ư ở n g m ạ n h bởi c ả c ô n g s u ất tín hiệu vào và n h i ễ u nội sinh ra do q u á trình k h u ế c h đại Khi tăng c ô n g suấ t tín hiệu, m ậ t đ ộ hạt tải trong m i ề n tích cự c bị suy g iảm , d ẫ n đế n g i ả m hệ

Bài 3 Khảo sát k h u ếch đại laser bán dẫn 35

số k h u ế c h dại S ự bão hoà hệ số kh uếc h đại này c ó thể dẫn đến sự sai lệch tín hiệu đ á n g kể Hệ số k h uế ch đại cùa S Ơ A diển hì nh p h ụ thu ộ c vào

cô n g suất ra đ ư ợ c m ô tả n h ư trên hình 3.5 M ột dại lượng t h ư ờ n g đ ược

d ù n g để xác đ ịn h hệ số khuếch đại bão hoà là cỏntỉ s uấ t ra b ão hoà, Poutsai

đư ợc định ng hĩ a là c ô ng suất ra m à ứng với nó hệ số k h u ế c h đại bằ n g m ột nửa hệ số k h u ế c h đại trong tr ư ờ n g h ợ p k h uếc h đại tín hiệu nhỏ, n hữ n g SO.A điển hình th ư ờ n g có Puutsainằm trong khoảní; 5 đế n 10 dB

C ông suắt quang lối ra (dỉhn)

vào công suất quang tín hiệu lối ra

e Chi số tạp âm

M ộ t t hò ng số h ữ u hiệu trong việc đ m h lượng nhiễu t ro ng k h u ế c h đại

q u a n g là chỉ số tạp âm (noise íigure) F đ ư ợ c định nghĩa là tỉ lệ giữa ti số tín hiệu v ào trên nh iễ u và tỉ số tín hiệu ra trên nhiễu

F = ( S / N ị

Với s là tín hiệu, N là nhiễu, các chi số dưứi i là đầu vào, o là đầu

ra Ti số tín hiệu trôn nhiễu nhận đ ư ợ c khi c ô ng suất tín hiệu v ào v à ra

dư ợ c ghi nhận b ằ n g m ộ t p h ot od ete cto r lý tưởniỉ

Chi số nh iễ u cù a các S O A thực tế thư ờn g vào k h o ả n g 7 đến 12 dB Chi sổ nhi ễu bị g iả m bời tổn hao g h ép nối đầu vào T ổ n h ao g h é p nối thườiig b ằ n g 3 d B n ên chi số nhiễu t h ư ờ n g bằng 10 đ ến 15 dB

III PHẦN T H Ự C HÀNH

1 MÔ tả th iế t bị và s ơ đ ồ t h í n g h i ệ m

Thiết bị và sư dồ d o dặc tr ưn g P-I c h o S O A eiốntĩ n h ư do clìo

t rư òn g hợp dối với m od u le laser n h ư ờ bài số 2 Sơ đồ đo p h ỏ q u a n g AS['

n h ư Ircn hình 3.6 khi k h ô n g có tín hiệu loi vào ĩừ m o d u l c laser í)í-[ỉ

ỉ ỉi n h 3.6 là sơ dồ do hệ số k h uế ch dại (Gaiíì = l\,ut / Pin) sự anh hưong cua phân cực và chỉ số nhiễu của S O A ( c ỏ n u suất tín lìiệu lối \ à o \ à ĩ! lệ

tín hiệu trcn nhiễu lối vào đ ư ợ c do khi nối Irực ticp m u d u l c lascr ỉ)\ H

với máv phân tích phổ q u a n g O S A ha> máv dơỉi sắc) 1 ha> dối giá trị bộ suy hao q ua ng điều chình d ư ợ c ( V O A ) dể tha> dồi c ô n e suất tín hiỘLí lối vào Th a y đổi vị trí các vò ng ki ểm soát pliân cực (polarization controller)

dê thay đổi phân cực tín hiệu ánh sáníỉ lối vào

P o ỉa riiíỉtĩo n

Hình 3.6 Sơ dồ đo hệ số khuếch đại, sự ánh hưởnií cũa phân cực,

chi số nhiều LÍÌO S(JA

2 Đ o đ ặ c t r ư n g c ô n g s u ấ t q u a n g ASE - d ò n g b(Jm (P-l) v à p h ổ ẮSF

T h ự c hiện do đặc tr ưn g P“1 c h o k lm cc h dại q ua ng bán dan loại Pabr y-P cr ot và kh uếc h dại s ó n g ch ạy (1 W) Do phố q u a n g cu a bức \ ạ lự

phát kh uếc h dại A S E ở các d ò n g boiiì D C khác Iihau c h o S O A , trcn cơ sư

dó xác dịnlì dinh phô, dộ bán rộ ng ph ỏ A S E dẻ dánlì ìivẳ dai ph ô kỉiLiẽcli

dại Do dộ nhắp nhô (ripple) c ù a p h ố A S L

3 Đ o h ệ s ố k h u ế c h đ ạ i , x á c đ ị n h c ô n g s u ấ t b ã o h o à k h u ế c h đại

Th ự c hiện đo độ k h u ế c h dại của S O A với các cô n u suất tín hiội

q u a n g lổi vào khá c nhau và d ò n g b a m nc c ho S O A k h á c nhau Vẽ

Btii 3 K h ảo sát k h u ế c h đại l a s e r b á n d ẫ n • 37

d ư ù n i ’ c o n e hệ số khuếch dại p hụ ih u ộ c vào cônu suắt tín hiệu lối ra, Ircn

cư sơ dó xác úịnh cô n g suất băo h oà khucclì dại.

4 Đ o s ự p h ụ t h u ộ c c ủ a h ệ s ố k h u ế c h đ ạ i v à o p h â n c ự c á n h s á n g

lối v à o và chỉ s ố n h iễu

Do s ụ phụ llìuộc cua hệ số k h u é c h dại vào phân cực ánlì sá nu lối vào

khi thay dỏi vị trí các vòng ki ểm soat phân cực cho b ư ớ c s ó n a 1550 nm

Do và xác dịnh clìi số nhiễu F với các côim suất tín hiệu lối vào khác

iihau vã d ò n u bơ m khác nhau c h o S O A

3 i lãy ncu vai Irò sự phụ t h u ộ c cù a dộ khuếch dại vào p hâ n cực ánh

s án g và chi số nhicu tron g hệ ih ố n g Iruvền d ần quang

4 I lày ncu m ột sổ ÚTig d ụ n g c ù a k h u ế c h đại q u a n g bán dẫn

TÀI LIỆU T H A M K H Ả O

1 Ciovind ị \ Agra\val and N i l o y K Dutta S c m ic o n d u c to r lưsers

\ ' a n Nostraiid RcinhoLIM), Nevv York 1993

2 Micha cl J Connclly S c m i c o n d u c t o r o p í i c a l A m p liíìers K l u u c r

Acadcỉiiic Piiblishers, í ỉo st on , 2002

3- 11 G haf uri-Shiras F w ĩ d a m e n í a l s o j la scr d io d c a m plijìcr John

\Villcy & Sons, Ncw York, 1995

Bài 4

THỰC HÀNH THÔNG TIN QUANG SỢI s ố HOÁ

I M Ụ C Đ Í C H YÊU CẦU•

- N ắ m đư ợ c n g uy ên lý truyền dẫn số hoá qua môi tr ư ờ n g q u a n g sựi

- T h ự c hiện truyền số liệu tín hiệu T T L băng tần rộng ( 1 ^ 1 0 Mb/s),

d o tín hiệu ờ các đi ểm trên đ ư ờ n g truyền và hiêu rõ đư ợc hệ truyền số hoá q u a n g sợi đơ n giàn

II PHẦN LÝ THUYẾT

1 N g u y ê n lý t r u y ề n d ẫ n tín h iệ u s ố h o á q u a m ô i t r ư ờ n g q u a n g sợi

Ch uồ i tín hiệu số hoá biểu diễn các trạng tliái logic 1 và 0 hay băng tần c ơ sở là tín hiệu kh ôn g q ua y về 0 (NFÍ.Z) tliường đư ợ c m ã hoá trước khi đ ư a vào đ ư ờ n g truyền để dễ d àn g hơn troiig việc đ ồ n g bộ hay phục

vụ các m ục đích bảo mật T r ư ờ n g h ọ p đơn giàn, người ta m ã h o á theo

d ạ n g tín hiệu q u ay về 0 (RZ), ph ức tạp h(ĩn !à m ã lioá M a n c h c s t c r hay

cá c d ạ n g m ã ho á khác Hệ thố ng truyền quantí số hoá nói c h u n g phải gồ m

bộ biến đổi điện q u a n g ( E / 0 ) hay m áy phát qu an g, môi t rườ ng truyền là

c á p sợi q u a n g và bộ biến đổi q u a n g điện (0/f'-) hay m á y thu quang Trôn niòi tr ư ờ n g truyền có thể thê m các bộ khuếch dại q u a n g để k h u ếc h đại tín hiệu bị suy hao trên đ ư ờ n g truyền Để t ă n e c ư ờ n g d u n g lư ợng và tốc độ

t m y ề n dẫn, người ta thực hiện việc g h ép kênli theo thời gian ( T D M ) hay ihco bước sóng ( W D M ) ở bên phía m á y phát và p h ân kênh t ư ơ n g ứng

b ên ph ía m á y thu T h ự c tế, b ăn g th ôn g truyền d ẫn c ù a môi tr ư ờ ng truyền

q u a n g sợi là vô c ù n g lớn ( A f ~ 10‘‘’ Hz) Vì Im y ền số h oá nôn tín hiệu thu

đ ư ợ c có thề dễ p h ục hồi n h ờ sử d ụ n g các n g ư ờ n g so sánh T u y nhiên, đối

40 CÁC BÀI TH Ự C HÀNH CHUYÊN OỀ CÒNG NGKỆ QUANG TỬ VẢ NANO

với truyèn dẫn tốc dộ cao, các biện pháp uiàm thicu sự lán sãc Iroiìi! sọ'i

q u a n g và nhiễu của các phân lư iroiiu hệ thống càn pliai d ư ợ c ap dụim dè

đ à m báo tốc dộ lỗi bit ( i ỉ E R < 10 '^) Ngoài ra cần clìú ỷ uVi J ộ d ự irù cỏiiu SLiắl dai dộníi cúa hệ lliống khi tlìict kc một hộ lliònu tiii

q u a n u sợi

Tín hiệu diẹn lối vào cỏ thể dư ợc dùiiR dẻ diều bicn irực licp dOìỉìu

b ư m c ho niodulc phát lascr Irong tr ư ờ n g hợp lốc dộ Iruycn d ần klu)ní4 cao

2 H ệ t r u y ề n d ẫ n s ố h o á t ố c đ ộ 1 0 M b / s q u a m ô i t r ư ờ n g q u a n g sựi

Oui

TU

Oui

Hình 4.1 Sơ đồ níiuycn ỉỷ của hệ truyền quaim sợi số hoá tỏc dỏ 10 Mh s

N h ư trình bày Ircn sơ đ ồ nguNCii lý cùa hộ lru>ền q u a n g sợi số !ioá tốc dộ l ơ M b /s (H i n h 4.1) nựuồn lín hiệu lối vào là lín hiệu số lìoá 1'11

d ư ợ c lấy lừ ináy phát 111 M á y phái XUÍÌÍÌ Ỉ I L ( T T L G e n c r a l o r ) tan số

biến dổi có dài tần số có thể thay đổi từ 50ơkl \z dcn 5M1 lz ĩ r o n g ca dái

tằn số, ti lệ giữa dộ rộng và dộ rỗng xunu là 1:1 \ à không thav dùi \ ớ i bicn

độ 5V, M á y phái x u n g d ự a trẽn c ơ sờ vi m ạc h 7 4 H C I 4 Má> p h á t xung

có n h iệ m vụ lạo lín hiệu sổ m ẫu c ho quá trinh Iruycn dần q u a c á p sợi quanu Sau đó tín hiệu dưực đ ư a vào m ạch điều clìc c I k ) m o d u l c plìát lascr

Bài 4 Thực hành th ô n g tin q u a n g sợi s ố lióa 41

Bộ diều clic d ò n g bơ m cho lascr diodc sLf dụim vi mạcli 7 4 I I C 0 0 cung cấp d ò n u bư m c h o lascr diode l B l) gồm dònu tín hiệu AC trên nền một lIiiôu I)C c ó tliê tliay dồi biên dộ Dòn g bơ m cho lascr di od e có thê dư ợc kicm tra Lascr diocle ở dây là m o d u l c iascr dơn mốt InGa A s P / l n í ' phát ờ

bư ớc sóim 1310 nm có dầu nối c o nn cc to r FC Mod ule phát d ư ực nối với

ni odule ihu pliotodiodc có dầu nổi con ne ct or FC ừ phía m á y thu q u a n g Ihỏnu q ua a d a p t o r qua ng và dày nhảy sợi quang

I

Hình 4,2 Hệ thí nghiệm thòng tin quang SỢ! sồ lìoá tốc dộ ỈOMbps

M a y llìu q u a n g g ồ m m o d u l e ihu p-i-n pl ìo lo di o de I n G a A s c ó tiền

k h u ế c h d ạ i c h u y ể n Irờ k h á n g ( T I A ) g ắn bôn Irong (i n - s it u ) h o ạ i d ộ n g vái băim t h ô n g lối da i5()iviỉlz, dộ nh ạv ihu - 3 7 d B m T í n hiệu ihu

d ư ọ c lừ IMN p h o l o d i o d e sau klìi q ua bộ licn klìuéch dại đi v ào m ạ c h sừa d ạ n g x u n g trcn c ơ sở !C M C 1 0 M 6 D ạ n ụ íín hiệu b; m é o Ircn

d ư o n g t ru yề n sẽ d ư ợ c phục hồi dần sau klìi di qua các t ầ n g c ủ a IC sửa

d ạ n u ri n hiệu n à y có llìể ki ểm tra ở di cm kicin ira Sau dó tín hiệu

d ư ợ c di q u a plìần k h u ế c h dại c ô n g suấl (buíTcr) trên c ơ sở t r a n s i s t o r

2 N 2 9 0 5 và cu ối c ù t m d ư ợ c sử a dạnti lại lằn nCra bởi IC 7 4 1 I C I 4 C ác lin hiệu '11 1 lối ra có pha tr ù n g và nííirực pha 180^^ so với tín hiệu lôi vào d ư ợ c dưa ra q u a 2 c ồ n g lối ra N h ờ cỏ hộ liền k h u ế c h dại dộ nlìạy

ca o và dộ k h u c c h đại lớn c ũ n g n h ư các bộ p h ạ n sửa dạrm tín hiệu dần dần nên tần số lín hiệu lối vào m á y phát có thê ihay dồi tr o n g m ộ t dai rộnu ( 5 0 0 k l ỉ z 5 M l l z ) mà li lệ độ rộnu \ à độ rỗ nu x u n u vần dư ợc dain bao ờ lối ra m áv thu i )ie u này c h o llia\ việc dồ ng bộ cu a hệ th ô n g

dư ợ c d am bào và sự truyền dẫ n là tin cộv l ỉ ệ thố ng ihu phát q u a n g

c ũ n g có thể hoạt đ ộ n g ờ tần số thấ p (dải K H z ) 1 lình 4 2 lá h ì n h ànli hệthí n g h i ệ m th ô n g tin qu an g sợi số hoá 10 Mb/s.

Hệ truyền q u a n g sợi số h o á tốc độ 10 M b / s c ò n đi k è m với máy đo

c ô n g suất q u a n g và bộ suy h ao quang M á y đ o c ô n g suất q u a n g c ho phép

đo c ô n g suất ánh sáng ờ b ư ớ c són g 1310 nm (h oặ c 1550 n m ) với dài do

0 0 1 0 m W ^ 1 0 m W (độ ch ín h xác ± 5 % ) với nút ch ì n h OF"FSET dể diều chỉnh về 0 m W á nh sáng nền M á y đ o sử d ụ n g d ầ u đo là m o d u l c thu PIN

p h o t o d i o d c I nG A s c ó c o n n e c t o r q u a n g FC và a d a p t o r q u a n g thuận tiện

c ho việc đo cô n g suất lối ra c ủ a m o d u l e ph át q u a n g học Kết q u à đo được hiển thị trên m à n h ìn h chỉ thị 4 digits M á y đo c ô n g suất quanti đ ư ợ c nuôi

b ằn g ng uồ n nuôi chinh luii 9V

Bộ suy hao quang sử dụng sợi quang đơn m ode 9/125 Ị.UT1 có gần

conncctor qu ang FC và adaptor q ua ng thuận tiện cho việc sừ dụriíi trong

m ạn g thông tin quang Độ suy hao cố định là 10 dB c h o b ước sónq 1310 nm (có thể thay đổi đ ộ suy hao khi cần thiết)

sườn xuống (íầll time) cùa xu n g tín hiệu, xác dịnh tì lộ độ rộng, độ rồng

cùa tin hiệu

- Đ o tín hiệu d ò n g đư ợ c đi ều biến trên điện tr ở tải c ù a m o d u l e laser, thay đồi biên độ d ò n g bơm, xác định thành phần D C và A C của d ò n g bưm

- Đ o tín hiệu thu đ ư ợ c v à đ ã đ ư ợ c k h u ế c h đại ờ lối ra c ù a modiile thu, đ o tín hiệu thu đã đ ư ợ c q u a bộ sừ a d ạ n g và so s án h hai tín hiệu Đo tín hiệu ở các lối ra thuận v à n g ư ợ c p h a c ù a m á y thu, so sán h c h ú n g với tín hiêu lối vào