Thông tin quang-Bộ phát quang

THÔNG TIN QUANG Bộ phát quang Nôi dung 1 Nguyên lý chung 1.1. Các nguyên lý biến đổi điện sang quang 1.2. Vùng năng lượng 1.3. Nguồn quang bán dẫn 2. Thiết bị phát quang 2.1 LED 2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 2.1.2 Cấu trúc của LED 2.2 LASER 2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 2.2.2 Nhiễu trong LASER 1. Nguyên lý chung 1.1 Các nguyên lý biến đổi điện sang quang: dựa trên 3 hiện tượng - Hiện tượng hấp thụ (absorption) - Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission) - Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emision) Các linh kiện biến đổi quang điện dùng trong thông tin quang sẽ dựa vào một trong các hiện tượng này để thực hiện quá trình biến đổi quang điện theo chức năng của từng loại linh kiện. 1.2 Vùng năng lượng - Trong chất bán dẫn, các điện tử phân bố trong hai vùng năng lượng tách biệt nhau: + Vùng hóa trị (valence band) là vùng năng lượng có năng lượng thấp và là vùng năng lượng bền vững của điện tử. Các điện tử luôn có xu hướng chuyển về vùng hóa trị sau một khoảng thời gian sống ở vùng dẫn. + Vùng dẫn (conduction band) là vùng năng lượng cao hơn của các eletron. Sự dẫn điện của chất bán dẫn được thực hiện bởi các điện tử nằm ở vùng dẫn này. 1.3Sơ đồ vùng năng lượng - Quá trình biến đổi quang điện xảy ra trong chất bán dẫn cũng được giải thích dựa trên ba hiện tượng: hấp thụ (absorption), phát xạ tự phát (spontaneous emission) và phát xạ kích thích (stimulated emission) như trong biểu đồ mức năng lượng. - Điều kiện để một điện tử có thể chuyển từ trạng thái năng lượng thấp (vùng hóa trị) sang trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) là: năng lượng mà điện tử nhận được phải bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa hai vùng năng lượng hóa trị và vùng dẫn. Nếu năng lượng được cung cấp không bằng với bất kỳ độ chênh lệch năng lượng nào giữa hai vùng năng lượng này thì quá trình hấp thụ cũng như phát xạ kích thích sẽ không xảy ra. 1.3 Nguồn quan: Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang - Diode phát quang LED (Light Emitting Diode) - Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Các yêu cầu đối với một nguồn quang sử dụng trong hệ thống thông tin quang là: Có kích thuớc nhỏ tương ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang. Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu. Phát ra ánh sáng có bước sóng phù hợp với vùng bước sóng mà sợi quang có suy hao thấp và tán sắc thấp, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bước sóng này. Có khả năng điều chế tín hiệu một cách đơn giản (như điều chế trực tiếp) trên dải tần rộng trải dài từ tần số âm thanh tới dải tần GHz. Hiệu suất ghép quang tốt để giảm suy hao ghép từ nguồn quang vào trong sợi quang. Độ rộng phổ hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang Duy trì mức công suất ngõ ra ổn định và không bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố môi trường bên ngoài. Giá thành thấp và có độ tin cậy cao để cạnh tranh với các kỹ thuật truyền dẫn khác. - Đối với dải cấm trực tiếp, phần đáy (có năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm đối diện với phần đỉnh (có năng lượng cao) của vùng hóa trị. Do đó, các điện tử ở hai vùng này có động lượng bằng nhau. - Đối với dải cấm gián tiếp, phần đáy (có năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm cách xa so với phần đỉnh (có năng lượng cao) của vùng hóa trị. Do đó, các điện tử ở hai vùng này có động lượng không bằng nhau bằng nhau. => Như vậy, chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo nguồn quang cần phải có: dải cấm trực tiếp và năng lượng chênh lệch giữa vùng dẫn và vùng hóa trị phải phù hợp để có thể tạo ra bước sóng nằm trong các cửa sổ bước sóng hoạt động trong thông tin quang. 2. Thiết bị phát quang 2.1 LED 2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Cấu tạo của LED được phát triển từ diode bán dẫn, hoạt động dựa trên tiếp giáp pn được phân cực thuận. Gồm 3 lớp bán dẫn loại P,N và lớp tích cực ở giữa Nguyên lý hoạt động: Cấp nguồn: phân cực thuận cho LED, nối Anot vào điện áp dương và Katot vào điện áp âm Khi LED được cấp nguồn đúng thì giữa Anot và Katot sẽ có điện trường với chiều hướng từ Anot đến Katot. Dưới tác dụng của điện trường này các điện tử bán dẫn N dịch chuyển vào lớp tích cực và các lỗ trống cũng dịch chuyển từ bán dẫn P+ vào lớp tích cực. Tại lớp tích cực điện tử sẽ tái hợp với lỗ trống tạo ra ánh sáng. Ánh sáng thông qua lớp bán dẫn N đi vào sợi quang. 2.1.2 Cấu trúc LED Về cấu trúc, LED được chia làm bốn loại: - LED planar (planar LED) - LED dome (dome LED) - LED phát xạ mặt SLED (surface LED) - LED phát xạ cạnh ELED (edge LED) Trong 4 loại LED này, LED planar và LED dome không được sử dụng trong thông tin quang vì cho dù có cấu tạo đơn nhưng hai loại LED này có vùng phát quang rộng, ánh sáng phát ra không có tính định hướng để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang một cách hiệu quả. Thay vào đó, hai loại LED này được sử dụng trong các ứng dụng hiển thị, quang báo trong các thiết bị điện tử, TV, đèn bảng hiệu … LED phát xạ mặt SLED (Surface LED) là loại LED có ánh sáng được phát ra ở phía mặt của LED, được gọi là LED Burrus do cấu trúc của LED được chế tạo đầu tiên bởi Burrus và Dawson. Trong cấu trúc này, vùng phát xạ ánh sáng (vùng phát quang) của LED được giới hạn trong một vùng hẹp bằng cách sử dụng một lớp cách điện để hạn chế vùng dẫn điện của tiếp xúc P. Do đó, tại vùng tích cực của LED có mật độ dòng điện cao dẫn đến hiệu suất phát quang lớn. Ánh sáng của SLED được đưa vào trong sợi quang tại phía mặt tiếp xúc N. Tại đây, tiếp xúc N và lớp nền N được cắt bỏ đi một phần có kích thước tương ứng với sợi quang. Bằng cách này sẽ hạn chế được sự hấp thụ photon trong lớp N và tăng hiệu suất ghép ánh sáng vào trong sợi quang. Tuy nhiên, vẫn có một phần lớn năng lượng ánh sáng được phát ra ngoài vùng đặt sợi quang. Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang của SLED không cao, thấp hơn so với ELED. LED phát xạ cạnh ELED (Edge LED) là loại LED có ánh sáng ở phía cạnh của LED. Trong cấu trúc này, các điện cực tiếp xúc (bằng kim loại) phủ kín mặt trên và đáy của LED. Ánh sáng phát ra trong lớp tích cực (active layer) rất mỏng. Lớp tích cực này được làm bằng chất bán dẫn có chiết suất lớn được kẹp giữa bởi hai lớp bán dẫn P và N có chiết suất nhỏ hơn. Cấu trúc này hình thành một ống dẫn sóng trong ELED. Do vậy, ánh sáng phát ra ở lớp tích cực được giữ lại và lan truyền dọc theo trong ống dẫn sóng này. Kết quả là, ánh sáng được phát ra ở hai đầu ống dẫn sóng, tức là phát xạ ở phía cạnh của LED. Sợi quang sẽ được đặt ở một đầu của lớp tích cực để ghép ánh sáng vào. Với đặc điểm cấu trúc như vậy, ELED có vùng phát sáng hẹp và góc phát quang nhỏ. Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang lớn hơn so với SLED. 2.2 LASER: 2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser: - Về cơ bản, cấu tạo của laser có các đặc điểm sau: + Cấu trúc nhiều lớp bán dẫn p, n. + Ánh sáng phát ra và được giữ trong lớp tích cực (active layer) + Lớp tích cực rất mỏng, làm bằng vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa hai lớp P và N có chiết suất nhỏ hơn. Cấu trúc này tạo thành ống dẫn sóng. + Ánh sáng của laser phát ra ở phía cạnh + Ánh sáng được đưa ra ngoài qua một phần được cắt nhẵn của một mặt phản xạ Nguyên lý làm việc: - Cấp nguồn: Phân cực thuận cho Laser - Khi Laser được cấp nguồn đúng thì điện tử từ bán dẫn N và lỗ trống từ bán dẫn P dưới tác dụng của điện từ trường do nguồn E tạo ra sẽ dịch chuyển vào lớp tích cực. +Tại lớp tích cực điện tử sẽ tái hợp với lỗ trống tọa ra ánh sáng. Ánh sáng được tạo ra sẽ lan truyền trong lớp tích cực gặp các gương phản xạ ánh sáng tại các gương sẽ kích thích các điện tử tái hợp với lỗ trống trong lớp tích cực tạo thêm lượng ánh sáng mới. Ánh sáng được tạo ra sẽ có một phần qua gương 1 để tạo vào sợi quang. + Nhờ quá trình phản xạ ánh sáng trong lớp tích cực đã kích thích các điện tử với các lỗ trống cho nên công suất ánh sáng do Laser phát ra rất lớn so với LED Cấu trúc: Cấu trúc của LASER tương tự như LED nhưng phức tạp hơn, phần lớn vì yêu cầu thêm về việc giam giữ dòng điện trong một hốc cộng hưởng nhỏ.(Fabry Perot) Trong hốc cộng hưởng Fabry Perot của điôt LASER, có một bộ phận các gương phản chiếu được định hướng. Các mặt gương được tạo ra bằng 2 mặt chẻ tách tự nhiên của tinh thể bán dẫn Mục đích của các gương này là để cung cấp sự hồi tiếp quang theo hướng chiều dài, và để bù lại sự tổn thất quang trong hốc cộng hưởng. 2.2.2Nhiễu trong Laser Nhiễu lượng tử (quantum noise) là loại nhiễu được tạo ra do sự ngẫu nhiên và rời rạc trong quá trình phát xạ photon ánh sáng + Tần số điều chế của tính hiệu quang: tần số càng cao ảnh hưởng càng lớn + Nguồn quang đa mode hay đơn mode: ảnh hưởng nhiều hơn đối với laser đa mode. Đây là ưu điểm của nguồn quang đơn mode so với nguồn quang đa mode khi sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao. + Dòng điện phân cực: nhiễu giảm khi dòng điện phân cực lớn hơn dòng ngưỡng của laser Nhiễu thành phần (partition noise) trong các nguồn quang đa mode xảy ra khi các mode được phát ra không ổn định. Sự thay đổi của nhiệt độ làm thay đổi phân bố công suất giữa các mode dọc (longitudinal mode). Điều này làm tăng tán sắc trên đường truyền Sự không ổn định của nguồn quang xảy ra do: + Nguồn quang chất lượng kém hoặc do suy giảm theo thời gian sử dụng. + Đặc tính kỹ thuật của nguồn quang thay đổi khi dòng điện cung cấp thay đổi. Kết luận LED - Hoạt động theo cơ chế phát xạ tự phát - Phát ra ánh sáng o kết hợp - Có cấu trúc dị thể kép để giam hạt mang trong buồng cộng hưởng - Không có gương phản xạ - Có phổ rộng: vài chục nm Nhận xét :Cấu trúc của LED càng phức tạp thì công suất phát càng cao, góc phát sáng càng hẹp, thời gian chuyển càng nhanh. LASER - Hoạt động theo cơ chế phát xạ kích thích - Phát ra ánh sáng kết hợp - Có cấu trúc dị thể kép để giam hạt mang trong buồng cộng hưởng - Có 2 gương phản xạ +cơ chế bơm để giam và khuếch đại photon tạo ra ánh sáng kết hợp cường độ cao - Có phổ hẹp: vài nm