Nghiên cứu các đặc trưng của diode phát quang và diode laser ứng dụng trong thông tin quang

Khác với thông tin vô tuyến và các loại thông tin hữu tuyến khác, thôngtin quang là một hệ thống truyền tin bằng ánh sáng qua sợi quang.. qua sợi quang vào bộ tách sóng quang để sau đó n

Trờng đại học vinh Khoa vật lý

- -Phan đức thuận

nghiên cứu các đặc trng của diode phát quang và diode laser ứng dụng trong thông tin quang

Luận văn tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: quang học - quang phổ

Vinh - 2006

Lời cảm ơn

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại khoa Vật lý - Trờng Đại học Vinh, tôi đã đợc các giảng viên trong cũng nh ngoài khoa truyền đạt nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu và cần thiết Tôi xin đợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trớc tinh thần giảng dạy nhiệt tình, hết mình và đầy

trách nhiệm của các thầy cô giáo.

Luận văn này đợc thực hiện và hoàn thành nhờ thạc sĩ Nguyễn Văn Phú Ngời thầy đã trực tiếp hớng dẫn tôi thực hiện bản luận văn này, đã cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu và sự giảng giải nhiệt tình trong suốt thời gian tôi làm luận văn.

Nhân đây tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa Vật lý đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua.

Gia đình, ngời thân và bạn bè là nguồn động viên, chỗ dựa cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu, xin cảm ơn những tình cảm quý báu

và sự hỗ trợ lớn lao đó Đó chính là động lực giúp tôi vợt qua khó khăn để có kết quả nh ngày hôm nay

Vinh, ngày 08 tháng 05 năm 2006 Sinh viên : Phan Đức Thuận

Phần mở đầu

Chúng ta đang ở vào thế kỷ 21 – kỷ nguyên của xã hội thông tin, trong

đó vai trò của thông tin và kiến thức trở thành yếu tố quyết định sự thành côngcủa mỗi ngành và mỗi quốc gia

Nhìn lại lịch sử phát triển của xã hội loài ngời thì thông tin đã có từ lâu bởicon ngời luôn tìm cách trao đổi với nhau bằng nhiều phơng thức Thông tin quangcũng ra đời từ rất sớm trên các phơng tiện sơ khai nh là khả năng nhận biết của conngời về chuyển động, hình dạng và màu sắc của sự vật qua đôi mắt, tiếp đến là dùng

ánh sáng để báo hiệu (nh lửa, đèn hải đăng, đèn báo hiệu…)

Ngày nay với trình độ phát triển cao về thông tin thì hệ thống thông tinquang đã nổi lên và trở thành hệ thống thông tin tiên tiến vào hàng bậc nhất bởi

nó có nhiều u điểm là dải thông rộng, khoảng cách đờng truyền dẫn lớn, tránh

đợc các nhiễu điện từ, tính bảo mật cao… Loại hình này đã đợc triển khainhanh trên mạng lới viễn thông của hầu hết các nớc trên thế giới với đủ loại cấuhình linh hoạt, tốc độ và cự ly truyền dẫn phong phú, chất lợng dịch vụ viễnthông đợc đảm bảo Có thể nói, các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi nhọncho các dịch vụ viễn thông cao cấp

Khác với thông tin vô tuyến và các loại thông tin hữu tuyến khác, thôngtin quang là một hệ thống truyền tin bằng ánh sáng qua sợi quang Hệ thốngnày đáp ứng tốt cho cả tín hiệu tơng tự (Analog Signal) và tín hiệu số (DigitalSignal) với mọi tốc độ và cự ly khác nhau Hiểu một cách đơn giản với tín hiệutơng tự thì thông tin (âm thanh, hình ảnh, dữ liệu…) đợc đa vào nguồn quang để

đi ra sợi quang và từ sợi quang qua bộ tách sóng quang ta thu đợc thông tin cầntruyền Với tín hiệu số thì thông tin gốc đợc mã hoá chuyển tới nguồn quang đi

qua sợi quang vào bộ tách sóng quang để sau đó nhờ bộ giải mã ta lại thu đợcthông tin ban đầu.

Xu hớng chung của các hệ thống thông tin quang là tín hiệu số, bởi tínhiệu số có nhiều u việt hơn tín hiệu tơng tự

Với tất cả hệ thống thông tin quang đều cần đến chuyển đổi điện quang(E/O) Có thể nói đây là linh hồn của hệ thống bởi thông tin gốc(data,video,voice…) là tín hiệu điện trong khi đó đờng truyền là sợi quang thì tínhiệu truyền đi là ánh sáng

Chính vì vậy mà bộ biến đổi điện quang là bộ phận rất cần thiết và khôngthể thiếu đợc trong hệ thống thông tin quang Trong bộ chuyển đổi điện quangthì nguồn phát sóng thờng dùng Diode phát quang (LED) và Diode laser bándẫn (LD) Nguồn LED chỉ dùng cho những hệ thống yêu cầu công nghệ khôngcao đáp ứng cho các mạng nội hạt với tốc độ trung bình và cự li ngắn Để truyềnthông tin đi xa hơn thì ngời ta phải dùng đến Laser bán dẫn vì nó có nhiều u

điểm mà LED không có đợc (ánh sáng đơn sắc, năng lợng cao…)

Laser bán dẫn là một linh kiện quan trọng trong hệ thống thông tinquang Nhng để truyền đợc ánh sáng này qua sợi quang thì ta phải tạo ra cáclaser module (thực chất là ghép nối với sợi quang vào chip laser diode)

Để cho các nguồn phát quang có chất lợng tốt, phù hợp với mục đích củamình thì ta phải nghiên cứu các đặc trng cơ bản của Diode phát quang (LED) vàDiode laser bán dẫn (LD)

Chính vì mục đích đó mà trong bản luận văn này chúng tôi đặt vấn đề

nghiên cứu “Các đặc trng của Diode phát quang và Diode laser ứng dụng

trong thông tin quang“

Ngoài phần mơ đầu và kết luận, nội dung của luận văn gồm hai chơng

Chơng I: Tổng quan về thông tin quang và cáp sợi quang

Trong chơng này chúng tôi trình bày một cách tổng quan về nguyên lý,cấu tạo, cách phân loại và tính chất của sợi quang cùng với điều kiện đảm bảotối u quá trình truyền dẫn trong sợi quang

Chơng II: Các đặc trng của Diode phát quang (LED) và Diode laser bán dẫn (LD)

Trong chơng này chúng tôi trình bày các kiến thức cơ bản của Diode phát quang, khuếch đại laser và Diode laser bán dẫn nh: Sự khuếch đại, quá trình bơm, cấu trúc dị chất của laser bán dẫn Bên cạnh

đó chúng ta đi sâu tìm hiểu các đặc trng về công suất ra, phân bố phổ, phân bố không gian, ngỡng phát và các mode của laser diode Trên cơ sở

đó đa ra các biểu thức hiệu suất, độ nhạy và thời gian đáp ứng của LED.

Do hạn chế về thời gian và trình độ, bản luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót Chúng tôi mong nhận đợc sự thông cảm và các góp

ý của quý thầy, cô giáo và các bạn sinh viên.

Mục lục

Lời Mở đầu 1

Chơng I Tổng quan về thông tin quang và cáp sợi quang……… 4

I Nguyên lý tổ chức hệ thống truyền dẫn quang …………

4 II Cấu tạo và phân loại sợi quang ………. 7

1 Cấu tạo sợi quang ……… 7

2 Phân loại sợi quang ……… 8

2.1 Phân loại theo vật liệu ……… 8

2.2 Phân loại theo mode lan truyền ……… 8

2.3 Phân loại theo chiết suất ……… 8

III Điều kiện lan truyền mode dẫn truyền trong các sợi quang giật cấp ……… 9

1 Điều kiện phản xạ toàn phần ……… 9

2 Điều kiện giao thoa ……… 10

IV u điểm của kỹ thuật truyền dẫn quang 10

Chơng 2. Các đặc trng của Diode phát quang và Diode laser

13 1 Quá trình hấp thụ photon, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích ……… 13

2 Đảo lộn mật độ c trú và điều kiện để có đảo lộn mật độ c trú ……… 15

3 Diode phát quang, khuếch đại laser và diode laser (LD) 17

3.1 Diode phát quang LED ……… 17

3.1.1 Cấu tạo của LED ……… 17

3.1.2 Các đặc trng của diode phát quang LED ……… 18

3.2 Khuếch đại laser bán dẫn ………. 27

3.2.1 Sự khuếch đại ……… 27

3.2.2 Quá trình bơm ……… 33

3.2.3 Cấu trúc dị chất ……… 35

3.3 Diode laser bán dẫn dạng phun ……… 39

3.3.1 Cấu tạo ……… 39

3.3.2 Ngỡng phát của laser……… ……… 40

3.3.3 Đặc trng công suất của laser ……… 42

3.3.4 Đặc trng I – V ……… 44

3.3.5 Đặc trng phổ bức xạ của laser diode ……… 45

3.3.6 Phân bố không gian ……… 47

3.3.7 Các mode của laser diode ……… 49

3.3.8 Lựa chọn mode và một số cấu trúc laser bán dẫn đặc trng 50 Kết luận

54 Phụ lục 55

Tài liệu tham khảo 59

Chơng I

Tổng quan về thông tin quang và cáp sợi quang

I Nguyên lý tổ chức hệ thống truyền dẫn quang

Cho đến nay, các hệ thống thông tin quang không còn đợc gọi là các hệthống thông tin mới nữa, nó đã trải qua nhiều năm khai thác trên mạng lới vớicác cấu trúc khác nhau Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang thờng phùhợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết các quá trình phát triển của

hệ thống thông tin quang đều đi theo hớng này Theo quan niệm thống nhất nhvậy, ta có thể xem xét cấu trúc của tuyến truyền thông tin quang bao gồm cácthành phần chính nh hình (1.a)

Hình 1.a: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang

Các thành phần chính của tuyến gồm có thiết bị phát quang - còn gọi là

bộ phát quang, cáp sợi quang và thiết bị thu quang - hay bộ thu quang Thiết bịphát quang đợc cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điềukhiển liên kết với nhau Cáp sợi quang gồm các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọcxung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trờng bên ngoài Thiết bị thuquang đợc cấu tạo từ bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tínhiệu hợp thành Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn

có bộ ghép quang (connector), các mối hàn, các bộ chia quang và các trạm lặp;

ở các tuyến thông tin quang hiện đại còn có thể có các bộ khuếch đại quang,thiết bị bù tán sắc và các trạm xen rẽ kênh, tất cả tạo nên một tuyến thông tinquang hoàn chỉnh Trong tuyến truyền dẫn cáp sợi quang thông thờng gồm cóhai thành phần cơ bản đó là hệ thống thông tin điện hình (1.b) và hệ thốngthông tin quang hình (1.c)

Trên sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống truyền dẫn quang cho trênhình (1.c) Chức năng của các phần tử của hệ thống có thể nhận biết sơ bộ nhờ

so sánh với một hệ thống truyền dẫn tín hiệu điện cổ điển nh hình (1.b) Trong

đó các phần tử của hai hệ thống là tơng đồng nhau

Hình1.b: Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin điện

Hình 1.c: Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang

Nguồn tín hiệu thông tin là nh nhau, đều là các dạng thông tin thờnghiện nay nh tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn bản…

Phần điện tử là phần chung của hai hệ thống Để xử lý nguồn tin tạo ra cáctín hiệu điện đa vào các hệ thống Để xử lý nguồn tin tạo ra các tín hiệu điện đavào các hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu analog hoặc digital (điểm A)

Bộ biến đổi điện quang (E/O) để thực hiện điều biến tín hiệu điện vào ờng độ bức xạ quang để cho phát đi, có chức năng nh bộ điều biến trên hình(1.b) Cũng nh thông tin điện, với phơng thức điều biến khác nhau, trong thôngtin quang cũng có nhiều phơng pháp điều biến tín hiệu điều biến vào bức xạquang Các hệ thống hiện nay đang làm việc theo nguyên lý điều biến trực tiếpcờng độ ánh sáng, còn các hệ thống coherenec trong tơng lai thì áp dụngnguyên lý điều biến gián tiếp bằng cách điều pha hoặc điều tần các tia bức xạcoherenec là các bức xạ kết hợp Tín hiệu phát ra (điểm C) trên hình (1.c) là tínhiệu quang, khác với tín hiệu ra (điểm C) trên hình (1.b) là các tín hiệu cao tần

c-đợc điều biến về biên độ hoặc pha hoặc tần số

Sợi quang (SQ) để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã điềubiến, có vai trò nh kênh truyền dẫn trên hình (1.b)

Bộ biến đổi quang điện (O/E) là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợiquang đa vào và biến đổi trở lại thành tín hiệu điện nh tín hiệu phát đi Nó cóvai trò nh bộ giải điều hình (1.b) Tín hiệu vào của hai bộ này (điểm D) khácdạng nhau (điện hoặc quang), nhng tín hiệu ra của chúng (điểm B) là tín hiệu

điện giống nhau để đa vào phần tử điện tử, tách ra tín hiệu thu giống nh tínhiệu phát đi ở nguồn tin phát đi ở nguồn tin ban đầu

Bộ phận tải tin, trong hệ thống phát điện, tải tin là các sóng điện từ caotần, trong hệ thống quang, ánh sáng là sóng điện từ có tần số cao (1014 đến

1015 ) Hz do vậy tải tin quang rất thuận lợi cho các tín hiệu băng rộng

Về vấn đề chuyển tiếp tín hiệu Cũng nh ở hệ thống điện, tín hiệu truyền

đa trên đờng truyền bị tiêu hao, nên sau một khoảng cách nhất định phải có

cha thực hiện đợc khuếch đại hoặc tái sinh tín hiệu quang, nên tại các trạmkhuếch đại không gian hoặc các trạm lặp phải thực hiện 3 bớc sau

- Chuyển đổi tín hiệu từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện

- Sữa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh dới dạng điện

- Chuyển đổi tín hiệu điện đã đợc khuếch đại hoặc tái sinh tín hiệu quang

để tiếp tục phát đi

Năng lực truyền dẫn của hệ thống đợc đánh giá qua hai đại lợng :

- Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn đợc

- Cự ly trạm lặp hoặc độ dài đoạn chuyển tiếp

II Cấu tạo và phân loại sợi quang

1 Cấu tạo sợi quang

Sợi quang thờng có tiết diện tròn, đờng kính từ (100ữ400)àm gồm haiphần; phần lõi dẫn quang đặc có chiết suất n1, bán kính là a và đờng kính dk;phần vỏ có chiết suất n2 (n2 > n1) xung quanh lõi và có đờng kính là dm Cáctham số n1 , n2, a quyết định đặc tính truyền dẫn, ngời ta gọi đó là các tham sốcấu trúc

Hình 1.2: Cấu tạo sợi quang

Ta có độ lệch chiết suất ∆n=n1 −n2và độ lệch chiết suất tơng đối :

2 1

2 2

2 1

1

2 1

n n n

n n n

Hai thông số này cũng quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang Vậtliệu cấu tạo ra lõi sợi thông thờng là thuỷ tinh, còn vỏ phản xạ có thể là thuỷtinh hoặc chất dẻo trong suốt hoặc loại sợi có cấu trúc vật liệu, nh vậy thờng cósuy hao nhỏ và trung bình Loại sợi có lõi là chất dẻo thờng có suy hao lớn vàtrong thông tin nó không đợc sử dụng Căn cứ vào sự phân bố chiết suất của lớplõi, ngời ta chia sợi quang thành hai dạng Dạng sợi quang mà lõi có chiết suấtkhông đổi gọi là sợi quang giật cấp và dạng có phần lõi có chiết suất phân bốgiảm dần từ trong ra ngoài gọi là sợi quang liên tục.

2 Phân loại sợi quang

Dựa vào các đặc điểm cấu tạo của sợi quang nh chiết suất, loại vật liệu

và mode truyền dẫn ngời ta có ba cách phân loại sợi quang nh sau:

2.1 Phân loại theo vật liệu

Ta có ba loại sợi thuỷ tinh đa vật liệu, sợi quang thạch anh và sợi quangbằng nhựa Các sợi quang thạch anh không chỉ chứa thạch anh nguyên chất(Si02) mà còn có các tạp chất thêm vào nh Ge, B và F … để làm thay đổi chiếtsuất khúc xạ

Các sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu là Sodalime, thuỷ tinhhoặc thuỷ tinh Bo – Silicat và các kim loại kiềm làm chất phụ gia nh Na, Ca…

Đối với các sợi quang bằng nhựa thì các nguyên vật liệu chủ yếu là Silinsesin

và acrelieresin

Trong thực tế sử dụng thì sợi thuỷ tinh thạch anh đợc sử dụng nhiềunhất vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp và có tính truyền dẫn

ổn định trong thời gian dài

2.2 Phân loại theo mode lan truyền

Theo mode lan truyền ngời ta phân loại sợi quang thành hai loại Một làsợi quang đơn mode, loại sợi này chỉ cho một mode lan truyền Loại thứ hai làloại đa mode cho phép nhiều mode lan truyền

2.3 Phân loại theo chiết suất

Trong cách phân loại này sợi quang cũng đợc chia làm hai loại Một làsợi quang chiết suất phân bậc (viết tắt là sợi SI), loại sợi này chiết suất thay đổitheo bậc lõi và vỏ, nó đợc dùng ở chế độ đơn mode và đa mode Loại thứ haigọi là sợi quang có chiết suất biến đổi (Sợi quang GI) loại sợi này có chiết suấtthay đổi liên tục từ lõi đến vỏ

Hình 1.3: Cấu trúc các loại sợi quang

( Sự lan truyền của ánh sáng trong các loại sợi quang khác nhau)

III Điều kiện lan truyền mode dẫn truyền trong Các sợi Quang giật cấp

Để một mode dẫn truyền đợc trong một sợi quang giật cấp cần thoả mãn

1 Điều kiện phản xạ toàn phần

Để đợc dẫn truyền trong sợi quang, tia sáng phải có góc tới thoả mãn

điều kiện phản xạ toàn phần:

2 Điều kiện giao thoa

Xét quá trình lan truyền của sóng ở trong sợi quang đợc mô tả ở hình(1.3) Sóng lan truyền trong sợi quang sau khi phản xạ liên tiếp tại các thànhbiên của sợi

Hình 1.3: Sơ đồ giải thích các mode đợc phép dẫn truyền trong sợi quang

Nh vậy trong sợi quang có sự lan truyền của sóng tới và sóng phản xạ,chúng gặp nhau và có thể giao thoa với nhau Để tránh sự triệt tiêu năng lợng

do hiện tợng giao thoa của các sóng tới và sóng phản xạ không đồng pha, trên

độ lệch pha tổng cộng giữa hai điểm A và B nằm trên trục lõi phải thoả mãn

2 1

m d

n k

2 1

m d

n k

m

+

=

từ đó ta nhận đợc:

cos ( ) ( / )

) / ( 2

.

π δ

λ π

δ λ

π ϕ

+

= +

=

m

d n m

d n

m

) / ( 2

3 Điều kiện biên

Để ánh sáng lan truyền ở trong môi trờng dẫn sóng và liên tiếp phản xạtoàn phần tại mặt biên của lõi và vỏ thì cần thiết phải có điện trờng giới hạntrong lõi sợi quang do vậy tại mặt biên thì cờng độ điện trờng E= 0 tại mặtbiên giao thoa của sóng tới và sóng phản xạ Khi đó từ điều kiện cho cực tiểu giaothoa, chúng ta nhận đợc biểu thức để cờng độ điện trờng E= 0 là:

d.sinϕm = d.cos ( )

2 1

với m = 0, 1, 2, 3…N – 1; trong đó m là số thứ tự mode với N là số mode có thể

Nh vậy trong sợi quang có nhiều mode, mỗi mode lan truyền theo mộthớng khác nhau và dẫn đến sự tán sắc giữa các mode

IV u điểm của kỹ thuật truyền dẫn quang

So với các hệ thống truyền dẫn trên cáp kim loại, hệ thống truyền dẫntrên cáp quang có những u điểm sau:

- Sợi quang nhỏ và nhẹ hơn các cáp kim loại, đờng kính mẫu của sợi quang

là 0,1nm, nhỏ hơn rất nhiều so với sợi cáp đồng trục có đờng kính 10 nm

- Cáp sợi quang nhỏ hơn sợi cáp kim loại, nhẹ hơn, dễ uốn cong, chi phívật liệu chế tạo cáp ít, cáp lại đợc lắp đặt dễ dàng và thuận tiện, ngay cả bằngtay Các cáp quang hiện nay cho phép tăng đợc nhiều kênh truyền dẫn mà chỉtăng đờng kính rất ít

- Sợi quang đợc chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh là môi trờng trung tínhvới ảnh hởng của nớc, axít, kiềm… nên không sợ bị ăn mòn và ngay cả khi lớp

vỏ bảo vệ bên ngoài có bị h hỏng, nhng sợi thuỷ tinh còn tốt thì vẫn bảo đảmtruyền tin tốt Nó hoàn toàn cách điện và không bị chập mạch

- Tín hiệu truyền trong sợi quang không sợ ảnh hởng của điện từ trờngngoài, nên có thể sử dụng sợi quang để cho các hệ thống thông tin ở những nơi

có nhiễu điện từ trờng mạnh nh trong các nhà máy điện… mà không cần chechắn ảnh hởng điện từ

- Do nhẹ và không bị ảnh hởng của điện từ nên sợi quang cũng đợc sửdụng nhiều trong máy bay, tàu thuỷ hoặc trong công nghiệp để truyền số liệu

- Không gây nhiễu ra bên ngoài và cũng không gây xuyên âm giữa cácsợi quang, đảm bảo không bị nghe trộm

- Vì sợi quang là sợi điện môi nên đầu vào và đầu ra của hệ thống hoàntoàn cách điện và không có mạch vòng chạy qua đất

- Trong sợi quang, các tiêu hao nhỏ không phụ thuộc vào tần số tín hiệu

và tiêu hao nhỏ trong giải tần rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền

đợc tốc độ lớn hơn cáp kim loại khi cùng chi phí xây dựng Trong tơng lai làmcáp thuê bao cho các dịch vụ giải rộng cũng rất phù hợp

- Cự ly khoảng lặp lớn hơn của cáp kim loại rất nhiều Ngời ta tính toánrằng nếu chế tạo đợc 100.000 km/năm thì giá thành một hệ thống truyền dẫnquang chỉ bằng 1/10 giá thành của hệ thống truyền dẫn trên kim loại có cùngnăng lực truyền dẫn

Chơng II các đặc trng của diode phát quang và diode laser

Có thể nói rằng thiết bị phát quang là một trong các thành phần quantrọng nhất của hệ thống thông tin quang Chức năng của thiết bị phát quang làbiến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang tơng ứng và phát tín hiệuquang này vào trong sợi quang để thực hiện truyền dẫn thông tin

Thành phần chủ yếu nhất của thiết bị phát quang là nguồn phát quanghay còn gọi là nguồn quang, ở đây các nguồn quang bán dẫn thờng đợc sử dụngtrong các hệ thống thông tin quang là Diode phát quang (LED) và Diode laserbán dẫn (LD) Có thể nói đây là các loại nguồn phát có nhiều u điểm kết hợpchẳng hạn nh kích cỡ nhỏ gọn, hiệu suất cao, bảo đảm độ tin cậy, dải bớc sóngphù hợp, vùng phát xạ hẹp tơng xứng với kích thớc lõi sợi quang và khả năng

điều chế trực tiếp tại các tần số tơng đối cao

Trong chơng này chúng tôi sẽ đi sâu tìm hiểu các đặc tính cơ bản vềhoạt động của LED và laser bán dẫn Tuy nhiên trớc khi đi vào mô tả và phântích các nguồn quang, chúng ta cần nắm đợc các quan niệm cơ bản cần thiết

về chúng vì nó liên quan đến cấu hình hệ thống thông tin quang

1 Quá trình hấp thụ photon, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích

Khi bơm điện tử vào một cấu hình vật liệu bán dẫn, tuỳ thuộc vào năng ợng bơm và cấu trúc vùng năng lợng của vật liệu bán dẫn, điện tử có thể nhảy lêncác mức năng lợng tơng ứng hệ hai mức, hệ ba mức, hệ bốn mức năng lợng…Tuỳtheo số mức năng lợng tồn tại trong hệ mà điện tử có thể chiếm chỗ sau khi bơm.

l-Để đơn giản, ở đây chúng ta chỉ xét hệ hai mức năng lợng

Cho một hệ 2 mức năng lợng E1 và E2 nh hình (2.1a) dới đây Gọi mật độ

c trú hạt tại 2 mức là N1 và N2 Hiệu năng lợng giữa hai mức là ∆E

∆E= E2 - E1 (=Eg) (2.1)(trong trờng hợp bán dẫn là Eg khi hai mức năng lợng ở tại đáy vùng dẫn và

Nhng trong điều kiện bình thờng chúng ta không quan sát thấy quá trìnhphát xạ này vì chúng rất nhỏ Gọi thời gian trung bình của một điện tử tồn tạitrạng thái quá độ là τ 21, khi đó xác suất mà điện tử sẽ phát xạ tự phát trongkhoảng thời gian dt sẽ là:

A21.dt =

21 τ

tần số, cùng pha, cùng độ phân cực phát ra theo cùng một hớng xác định ánhsáng phát ra lớn hơn nhiều so với ánh sáng kích thích, kết quả cho thấy có mộtquá trình khuếch đại ánh sáng đã xẩy ra.

Hình vẽ 2.1: Sơ đồ hai mức năng lợng (a), sự hấp thụ photon (b), sự phát xạ

tự phát (c) và sự phát xạ photon kích thích (d)

2 Đảo lộn mật độ c trú và điều kiện để có đảo lộn mật độ c trú

Để có phát xạ kích thích thì cần phải tạo ra đợc một số lợng lớn các

điện tử và lỗ trống trong vùng dẫn và vùng hoá trị Vậy khi nào và với điều kiện

nh thế nào thì có đảo lộn mật độ trạng thái ?

Chúng ta xét một chuyển tiếp PN đợc tạo ra trên cơ sở hai loại vật liệubán dẫn loại n và loại p pha tạp cao đến mức suy biến Mức Fermi bên bán dẫnloại n nằm vào bên trong vùng dẫn và mức Fermi trong bán dẫn loại p nằm vàobên trong vùng hoá trị Tại cân bằng nhiệt mức Fermi hai bên loại bán dẫn n và pnằm trùng nhau, lúc này không có quá trình tiêm hạt tải hình (2.2a) Khi mà phâncực thuận đủ lớn, các mức Fermi ở hai miền tách ra, lúc này thì các điện tử bênbán dẫn loại n và lỗ trống bên bán dẫn loại p đợc tiêm chích vào miền điện tíchkhông gian hình (2.2b) Khi thế thuận đặt vào chuyển tiếp PN tăng đủ lớn đểquá trình tiêm chích này đạt đến mức tiêm chích cao thì trong miền điện tíchkhông gian có độ rộng là d sẽ có một số lợng lớn các điện tử nằm trên vùng dẫn

và một số lợng lớn lỗ trống nằm dới vùng hoá trị Trạng thái này gọi là đảo lộnmật độ c trú Điện tử và lỗ trống có thể tái hợp phát ra photon hình (2.2c)

Hình vẽ 2.2: Giản đồ năng lợng của chuyển tiếp PN chế tạo từ bán

dẫn suy biến tại cân bằng nhiệt (a), khi có thế hiệu thuận các mức năng ợng Fermi tách ra (b) và giản đồ năng lợng dới điều kiện mức tiêm chích cao (c).

l-Nh vậy điều kiện đảo lộn mật độ c trú là bán dẫn ở hai miền p và n phảipha tạp mạnh để các mức Fermi nằm vào bên trong vùng dẫn và vùng hoá trị.Khi đó thế phân cực thuận phải đủ lớn để điện tử và lỗ trống có thể tiêm chíchvào vùng bán dẫn và vùng hoá trị Hiệu hai mức Fermi ở hai vùng bán dẫn loại

n và p lớn hơn năng lợng vùng cấm, nghĩa là:

Efc- Efν> Eg (2.4)

3 Diode phát quang, khuếch đại laser và Diode laser bán dẫn dạng phun

Diode phát quang (LED) là một chuyển tiếp PN đợc chế tạo trên bándẫn có vùng cấm thẳng với cấu trúc PN tiếp giáp đơn hay tiếp giáp dị thể Khiphân cực thuận LED phát ánh sáng Tuỳ thuộc vào dòng thuận đặt vào, LED cóthể phát ra ánh sáng tự phát yếu hay mạnh (trong trờng hợp này điều kiện để có

đảo lộn mật độ c trú trong LED không bắt buộc phải đặt ra)

Nếu thế thuận đặt vào điốt đủ lớn, thì số điện tử và lỗ trống trong miềnchuyển tiếp có thể đạt nhiều đến mức tạo ra sự đảo độ c trú Khi có photon tớivới bức xạ kích thích mạnh hơn hấp thụ thì linh kiện sẽ phát ra là ánh sáng kếthợp Lúc này điốt có lớp chuyển tiếp PN hoạt động nh một khuếch đại laser.Khuếch đại laser có thêm liên kết phản hồi quang đợc gọi là điốt laser

3.1 Diode phát quang LED

3.1.1 Cấu tạo của LED

Cấu trúc thực của LED đợc làm từ vật liệu bán dẫn loại n thờng gặp làGaAs hoặc GaAs1 −y py, sau đó pha tạp chất tạo một lớp p trên bán dẫn loại nnày, nh vậy ngời ta thu đợc một tiếp giáp PN dị chất Khi phân cực ánh sángphát ra mọi phía và phụ thuộc mục đích hớng ánh sáng về phía nào mà ngời ta

có thể chế tạo thêm một lớp hấp thụ ánh sáng hay lớp trong suốt để sau đó ánhsáng phản hồi qua gơng đi ra phía mặt ngoài Lớp hấp thụ ánh sáng có thể tạo ra

ở phía sau lớp đế, lớp này là vật liệu GaAs hoặc GaAs1- ypy với thành phần xác

định Bên cạnh đó phía sau lớp đế cho phép ta chế tạo một lớp vật liệu trong suốtcùng với các gơng để hớng ánh sáng ra ngoài, có thể dùng vật liệu GaP và hợp kim

Ga As1-yPy với các thành phần xác định Hình (2.3) biểu thị cấu trúc thực của haikiểu LED

3.1.2.1 Dòng photon nội

Nh đã trình bày ở trên, để làm tăng dòng photon một cách đáng kể, cầnphải tạo ra nhiều điện tử và lỗ trống trong cùng một miền không gian gọi làmiền tích cực Khi này có thể thực hiện bằng cách đặt vào lớp chuyển tiếp PNmột thế phân cực thuận Nếu gọi cờng độ dòng điện qua điốt là i, thì tổng số hạt

điện tử đi qua miền chuyển tiếp trong 1 giây là i/q, với q là điện tích của hạt tải,

do đó tốc độ phun hạt tải điện có thứ nguyên (hạt/s.cm3) sẽ đợc tính theo côngthức sau:

V

q i

n= ( / ) τ

Dòng photon đợc sinh ra là φ = ηi RVnên φ = ηi q i (2.7)với ηi là tỷ số của số photon sinh ra và số điện tử đợc phun vào chuyển tiếp, đợc

gọi là hiệu suất lợng tử nội

3.1.2.2 Dòng photon ngoài và hiệu suất

Trong điốt phát quang (LED), dòng photon nội sinh ra trong lớpchuyển tiếp PN đợc phát đều ra mọi phơng, nhng dòng photon ló ra từ điốt phụthuộc vào hớng bức xạ hình (2.4) Hãy xét các tia sáng truyền đi theo 3 hớng A,

B, C

Dòng photon truyền theo hớng A bị yếu đi một thừa số là:

) exp( l1

η = − trong đó α là hệ số hấp thụ của bán dẫn loại n, l1 là khoảng cách

từ lớp chuyển tiếp đến mặt ngoài của dụng cụ Ngoài ra, sự phản xạ còn xuấthiện ở mặt phân cách bán dẫn – không khí nên chỉ cho phép một phần ánh

2 2

) 1 (

4 )

1 (

) 1 ( 1

+

= +

n

trong đó n là chiết suất của chất bán dẫn Độ truyền qua toàn phần của dòng

Hình vẽ 2.4: Các hớng phát quang của LED và dòng ló ra bên ngoài, phần

ánh sáng phát ra phía đế bị hấp thụ hết không vẽ ở trên hình

Dòng photon đi theo hớng B phải đi đoạn đờng dài hơn, do đó bị hấp thụnhiều hơn, tia này cũng bị phản xạ nhiều hơn, dẫn đến độ truyền qua tia nhỏhơn so với tia A, hiệu suất bé hơn ηB < ηA

Dòng photon đi theo hớng C nằm ở góc giới hạn phản xạ toàn phần sẽchịu phản xạ toàn phần và hoàn toàn không truyền ra ngoài dụng cụ đợc Khi đóphần ánh sáng phát ra nằm trong giới hạn của góc này là:

Nh vậy, với n = 3,6 chỉ có 3,9% dòng photon đợc sinh ra cụ thể truyền ra ngoàidụng cụ

Dòng photon ngoài tức là dòng photon ló ra đợc phía ngoài, kí hiệu là φ 0 sẽ là:

0

φ = η φe

= ηeηi q i

(2.10)trong đó ηelà hệ số truyền qua toàn phần, biểu thị số phần của dòng photon ló

đợc ra bên ngoài cấu trúc LED Đặt ηex ≡ ηeηi đại lợng này đợc gọi là hiệu suấtlợng tử ngoài (nó biểu thị tỷ số của số photon thoát ra ngoài dụng cụ) và số hạttải phun vào trong thời gian 1 giây khi đó:

0

Công suất quang của LED đợc ký hiệu P0 sẽ tỷ lệ với dòng photon ngoài, do đó

có thể tính nh sau: P0 = hνφ 0= hνηex q i (2.12)

Hiệu suất lợng tử toàn phần η(gọi là hiệu suất biến đổi công suất) đợc định

nghĩa là tỷ số của công suất ánh sáng phát ra và công suất tiêu thụ điện củaLED Nh vậy: η= ex

24 , 1

Hình 2.5: Công suất quang phụ thuộc vào dòng điện phun vào LED

Nhng trong thực tế, quan hệ này chỉ đúng trong một khoảng hẹp Vớidòng lớn hơn, độ nhạy không còn là hằng số nữa mà giảm khi i tăng

Thí dụ: trên hình (2.5) dẫn ra đặc trng P0(i) của LED thờng gặp P0 chỉ tỷ lệ với

i khi i < 75 mA, trong miền này độ nhạy có giá trị không đổi bằng 25àW/mA Vớidòng lớn hơn, độ nhạy không còn là hằng số nữa mà giảm khi i tăng

3.1.2.4 Phân bố phổ

Đối với LED, mật độ phổ của ánh sáng phát ra một cách tự phát từ chất bándẫn trong trạng thái chuẩn cân bằng là hàm số của nồng độ hạt tải phun vào ∆n.Trong điều kiện phun yếu, sao cho Ec- Efc >> kBT và Efν- Ec >> kBT tốc độ huỳnhquang có thể biểu diễn nh sau:

T k

E h E

h D

B

g g

E E E h

m

B

g f fc r

τ

π exp

2 2

2 / 3

(2.17)

Đại lợng này đợc vẽ trên hình (2.6), nó bắt đầu tăng nhanh từ giá trị Egvà đạt

giá trị cực đại tần số = +h 

T k

p

2 /

ν

Hình 2.6: Mật độ phổ của tốc độ điện huỳnh quang phun trực tiếp

vùng-vùng r sp (γ) phụ thuộc vào hγ [photon/s/Hz/cm3].

Độ bán rộng phổ là ∆ ν ≈ 1 , 8k B T/h, giá trị này không phụ thuộc vào tần

số ν Độ rộng bớc sóng∆ λứng với độ rộng tần số trên đợc biểu thị nh sau:

λ

∆ = 1,45.λ2p k B T (2.18) trong đó kBT tính ra eV, λp =c/ νp là bớc sóng có giá trị rsp( )ν cực đại, ở đóthứ nguyên λ tính ra àm Sự tỷ lệ của ∆λ vào λ2 có thể thấy rõ trên hình

vẽ Đối với mật độ phổ của một số LED hoạt động trong vùng nhìn thấy vàhồng ngoại gần, ở T = 300K nếu λp = 1 àm thì giá trị ∆λ ≈36nm.

3.1.2.5 Các vật liệu dùng để chế tạo LED

Nh chỉ ra trên hình (2.7) Các LED hoạt động từ vùng tử ngoại gần đếnvùng hồng ngoại gần Trong vùng hồng ngoại gần, nhiều chất bán dẫn 2 thànhphần đợc sử dụng để làm LED vì có hiệu suất cao do có vùng cấm thẳng

Ví dụ: nh GaAs(λg= 0,87àm); GaSb(λg= 1,7àm), InP(λg= 0,92àm),InAs (λg= 3,5àm), InSb (λg= 7,3àm) Các hợp chất 3 hay 4 thành phần cóvùng cấm thẳng cũng đợc dùng rộng rãi Các vật liệu này có u điểm là bằngcách thay đổi thành phần, có thể điều chỉnh bớc sóng bức xạ của chúng, thí dụ

nh AlxGa1-xAs phát quang trong dải sóng từ (0,75 đến 0,87)àm và In

1-xGaxAs1-yPy phát từ (1,1 đến 1,6)àm…Để hoạt động trong vùng tử ngoại vàvùng nhìn thấy, một số vật liệu có vùng cấm nghiêng cũng đợc dùng (nh GaN,GaP, GaAs1-x) mặc dù hiệu suất lợng tử trong của chúng rất thấp Những vật liệunày thờng đợc pha tạp với một số nguyên tử tạp thích hợp, chúng đóng vai trò lànhững tâm tái hợp để làm tăng tái hợp bức xạ

Hình 2.7: Mật độ phổ tơng đối theo bớc sóng đối với một số vật liệu bán dẫn

dùng trong chế tạo LED

3.1.2.6 Thời gian phản ứng của LED

Thời gian phản ứng của LED chủ yếu bị giới hạn bởi thời gian sống τ

của các hạt tải thiểu số đợc phun vào, các hạt tải này quyết định trong quá trìnhtái hợp bức xạ Khi tốc độ phun khá nhỏ, quá trình phun tái hợp đợc mô tả bởimột phơng trình vi phân tuyến tính bậc nhất và khi đó linh kiện sẽ có đáp ứng

đối với các tín hiệu hình sin Nếu dòng phun có dạng i = i0 +i1cos ( tΩ ), trong đó

i1 có giá trị đủ nhỏ để công suất quang phát ra là p = p0 + p1cos (Ωt+ ϕ) thay đổituyến tính với dòng phun thì hàm phản ứng đợc định nghĩa là:

Nếu thời gian tăng lên của LED kí hiệu là τ( )s thì độ rộng của băng tần

ở chỗ suy giảm 3 dB sẽ đợc tính nh sau:

1 1 1

+

= , nếu giảmthời gian sống của hạt tải không bức xạ τnr thì τ sẽ giảm, khi đó sẽ kéo theo sự

giảm của hiệu suất lợng tử nội (

3.1.2.7 Các loại cấu trúc của LED

Các LED có thể có cấu trúc theo kiểu phát sáng bề mặt hoặc phát sángcạnh bên nh hình ở hình (2.8).

Hình 2.8: Cấu trúc LED phát sáng bề mặt (a) và phát từ cạnh (b)

LED phát sáng bề mặt sẽ phát kiểu ánh sáng từ mặt của dụng cụ theochiều vuông góc với mặt phẳng lớp chuyển tiếp ánh sáng phát ra từ mặt đốidiện bị hấp thụ bởi đế của linh kiện rồi mất mát, hoặc bị phản xạ từ tiếp xúc kimloại nếu dùng đế trong suốt Ngày nay với công nghệ tiên tiến và với việc sửdụng vật liệu có vùng cấm hẹp làm vùng tích cực có thể tạo đợc các loại LED

có chất lợng cao Hình (2.9) biểu thị một loại LED làm từ vật liệu có vùng cấmhẹp để tích tụ hạt tải và lớp bán dẫn loại n là lớp bán dẫn trong suốt để cho ánhsáng truyền qua ra phía ngoài

Hình 2.9: LED có tiếp giáp dị thể sử dụng bán dẫn vùng cấm hẹp làm vùng

tích cực, các hạt tải đợc tiêm vào giếng lợng tử rồi tái hợp phát ra ánh sáng

đi qua lớp trong suốt ra ngoài 3.1.2.8 Giản đồ không gian của ánh sáng do LED phát ra

Giản đồ định hớng của ánh sáng phát ra đợc vẽ trên hình (2.10), trêngiản đồ này:

a Không có thấu kính: giản đồ phát có dạng tròn, không định hớng cao

b Có thấu kính bán cầu: có định hớng tốt hơn nhng góc vẫn to

c Có thấu kính parabol: có định hớng tốt nhất, góc định hớng hẹp và mạnh.Các thấu kính làm bằng epoxy thờng làm giảm sự mở rộng góc của chùm sáng