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