MỤC LỤC
Nội dung Trang
LỜI NÓI ĐẦU 3
CHƯƠNG I. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN 4
1.1. Phân bố động các vùng năng lượng 4
1.1.1. Khái quát chung 4
1.1.2. Chất dẫn điện và chất bán dẫn 5
1.2. Điện tử trên quỹ đạo hạt nhân 5
1.2.1. Khái quát chung 5
1.2.2. Mẫu nguyên tử của BOHR 5
1.3. Tiếp giáp P-N 7
1.3.1. Khái quát chung 7
1.3.2. Sự hình thành tiếp giáp P-N 7
1.3.3. Dòng tiếp xúc và giản đồ năng lượng 8
1.4. Phân cực cho tiếp giáp P-N 11
1.4.1. Phân cực ngược cho tiếp giáp P-N 11
1.4.2. Phân cực thuận cho tiếp giáp P-N 13
1.5. Sự bức xạ ánh sáng ở chất bán dẫn 15
1.5.1. Khái niệm 15
1.5.2. Sự bức xạ ánh sáng tự phát và cưỡng bức 15
1.5.3. Điều kiện để có bức xạ trong bán dẫn 17
1.5.4. Cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép 17
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC CỦA CÁC PHẦN TỬ ĐIỆN QUANG SỬ
DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 20
2.1. Diode laze phun 20
2.1.1. Nguyên lý hoạt động của diode laze phun 20
2.1.2. Laze Fabry –perot 23
2.1.3. Laze đơn mot 28
2.2. Diode tách sóng quang 33
CHƯƠNG III. HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 36
3.1. Giới thiệu chung 36

3.1.1. Khái niệm về thông tin quang Coherent 36
1
3.1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang Coherent 37
3.1.3. Các dạng điều chế quang Coherent 38
3.2. Máy thu quang Coherent 44
3.2.1. Các nguyên lý tách sóng 44
3.2.2. Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang Coherent 47
3.2.3. Tách sóng Heterodyne đồng bộ 49
3.2.4. Tách sóng quang Heterodyne không đồng bộ 50
3.2.5. Tách sóng quang Homodyne 51
3.2.6. Vòng khóa pha trong máy thu quang Coherent 52
3.3. Tỉ số lỗi bit ( BER ) trong hệ thống thông tin quang Coherent 53
3.3.1. Nhiễu trong máy thu quang Coherent 53
3.3.2. Tách sóng quang Heterodyne ASK 55
3.3.3. Tách sóng quang Heterodyne FSK 58
3.3.4. Tách sóng quang Heterodyne PSK 60
3.3.5. Tách sóng quang Homodyne ASK và PSK 62
3.3.6. So sánh độ nhạy của các hệ thống Coherent 63
Kết luật đồ án 65
Tài liệu tham khảo 66
Thuật ngữ chữ viết tắt 67
2
LỜI NÓI ĐẦU
Gắn liền với sự phát triển nhân loại thông tin liên lạc đã trở nên hết sức quan
trọng ,không thể thiếu trong đời sống con người và phát triển của xã hội.Và để đáp
ứng được nhu cầu của con người ngày càng cao , thông tin quang ra đời ,phát triển
với nhịp độ rất nhanh có những tính năng ưu việt vượt bậc hơn hẳn những hệ thống
thông tin hữu tuyến trước nó.Sự ra đời của thông tin quang cũng góp phần rất lớn
vào sự hoàn thiện mạng lưới viễn thông ,với khả năng truyền dẫn lớn ,tốc độ cao, cự
ly dài , độ suy hao nhỏ , không bị ảnh hưởng của sóng điện tử xuyên âm…Vấn đề

đặt ra là trong hệ thống thông tin quang có nhiều hệ thống thông tin quang khác
nhau, các phần tử quang xử dụng cũng khác nhau ,nên ta phải biết chúng khác nhau
thế nào để xử dụng hợp lý ,triệt để nhất
Trong khuôn khổ thời gian có hạn nên trong đồ án này, em tìm hiểu một cách
chung nhất về các phần tử quang trong hệ thống thông tin quang kết hợp, đồng thời
lĩnh vực này còn mới.Nên không tránh khỏi những thiếu sót.Em rất mong được sự
đánh giá , đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn bè.
3
CHƯƠNG I
CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN
1.1. PHÂN BỐ ĐỘNG CÁC VÙNG NĂNG LƯỢNG
1.1.1. Khái quát chung.
Mỗi điện tử đều có mức năng lượng riêng và năng lượng của điện tử có thể
thay đổi theo các yếu tố của môi trường song sự thay đổi năng lượng của điện tử
biểu hiện theo từng mức và không liên tục. Do vậy không có điện tử nào có năng
lượng giống năng lượng của điện tử lân cận
Khảo sát các mức năng lượng của điện tử ta thấy khi năng lượng của điện tử
nhỏ hơn mức hóa trị thì chúng chiếm chỗ trên quỹ đạo hạt nhân. Và khi năng lượng
của nó đủ lớn đạt tới mức dẫn thì chúng bứt khỏi quỹ đạo của hạt nhân để trở thành
điện tử tự do chúng chuyển lên mức dẫn.
Khoảng chênh lệch giữa vùng dẫn và vùng hóa trị gọi là vùng cấm. Trong
vùng cấm không có các điện tử tự do. Do vậy khi một điện tử có năng lượng lớn
hơn mức hóa trị thì chúng sẽ xâm nhập vào cùng cấm tại đó hoặc nhận năng lượng
tiếp tục để chuyển vào vùng dẫn, hoặc chuyển hóa năng lượng dư thừa để chuyển
trở lại vào vùng hóa trị.
Có những điện tử tuy năng lượng của nó xấp xỉ mức dẫn tuy chưa đủ lớn để bứt
khỏi quỉ đạo quanh hạt nhân vì vậy chúng chiếm chỗ trong vùng cấm gần mức dẫn.
Ranh giới giữa các điện tử có năng lượng hóa trị trong vùng cấm với các
điện tử có năng lượng dẫn trong vùng cấm gọi là mức Fecmi.
Hình 1.1.Các mức năng lượng của điện tử.

4
Vùng hoá
trị
Vùng Dẫn
Vùng
Cấm
Mức
Fecmi
E
1.1.2. Chất dẫn điện và chất bán dẫn.
Theo tính chất dẫn điện người ta chia vật chất thành 3 nhóm chính trên cơ sở của
khả năng dẫn điện.
a. Chất dẫn điện: Bao gồm kim loại và một số hợp chất điển hình của nó có điện
trở suất nhỏ ς < 10
-4
Ωcm
b. Chất cách điện là những chất có điện trở suất lớn ς > 10
7
Ωcm
c. Chất bán dẫn điện là những chất có điện trỏ suất 10
-4
Ωcm <ς < 10
7
Ωcm.
Trong đó chất bán dẫn là những chất được sử dụng để chế tạo các dụng cụ điện
tử và vi mạch điện tử.Người ta thường sử dụng các loại bán dẫn Ge, Si, Ga, As, và
một số chất bán dẫn khác như Se, Ti, hoặc một số loại Oxyt, Cacbon, Sulfua để chế
tạo các linh kiện bán dẫn và vi mạch.
1.2. ĐIỆN TỬ TRÊN QUỸ ĐẠO HẠT NHÂN.
1.2.1. Khái quát chung.

Ta đã biết rằng vật chất được cấu tạo bởi rất nhiều các phần tử giống nhau về
tính chất vật lý và hóa học gọi là phân tử. Như vậy là phân tử là phần tử nhỏ nhất
của một chất tinh khiết mà vẫn đảm bảo được đầy đủ các tính chật lý-hóa học của
chất đó.
Một phân tử được cấu tạo bởi một số phần tử nhỏ gọi là nguyên tử
Ví dụ một giọt nước nguyên chất gồm nhiều phân tử nước H
2
O. và một phân tử
nước nguyên chất gồm 2 nguyên tử hydro và một nguyên tử Oxy
1.1.2. Mẫu nguyên tử của BOHR.
Cấu tạo của nguyên tử gồm 1 hạt nhân ở giữa và một số điện tử quay xung
quanh hạt nhân.
Hạt nhân mang điện tích dương bao gồm Proton va Notron .
Proton có khối lượng nặng gấp 1800 lần khối lượng của điện tử và có điện tích
dương.
Nơtron có khối lượng bằng proton nhưng không mang điện tích (trung hòa về điện)
Điện tử có điện tích âm.
Nguyên tử trung hòa về điện là hạt nhân có điện tích bằng điện tích của tất cả các
điện tử quay xung quanh.
5
Số lượng điện tử của mỗi chất đều có ghi trong bảng tuàn hoàn Mendeleef. Các điện
tử được sắp xếp theo từng lớp. từ trong ra có các lớp K, L, M, N. Số lượng điện tử
lớn nhất của mỗi lớp là lớp K = 2 (2.1
2
), L = 8 ( 2.2
2
), M = 18 ( 2.3
2
), N = 32 ( 2.4
2

)
…
Các điện tử sắp xếp theo qui luật chừng nào lớp trong đủ điện tử thì mới sắp xếp ra
lớp ngoài. Nên thường lớp ngoài cùng không đủ số lượng điện tử lớn nhất theo qui
định .
Các điện tử ở lớp ngoài cùng đóng vai trò quan trọng việc liên kết với các nguyên tử
khác và chi phối khả năng dẫn điện của nó. Các điện tử lớp ngoài cùng này thường
gọi là điện tử hóa trị. Số lượng điện tử ở lớp ngoài cùng này chính bằng hóa trị của
chất đó.
Ví dụ cấu tạo nguyên tử của Ge, Si.
Hình 1.2.Cấu tạo nguyên tử của vật chất.
Mối liên kết giữa hạt nhân và các điện tử ở lớp trong là bền vững hơn rất nhiều
so với các điện tử ở lớp ngoài. Càng xa hạt nhân thì mối liên kết càng lỏng lẻo. Tính
chất dẫn điện và liên kết chủ yếu do các điện tử lớp vỏ ngoài cùng quyết định.
Nếu vì một nguyên nhân nào đó nguyên tử có thêm hoặc mất đi một điện tử ở lớp
vỏ ngoài cùng thì trạng thái trung hòa sẽ trở thành trạng thái Ion hóa. Nếu mất điện
tử chúng sẽ trở thành Ion dương. Ngược lại nếu thêm điện tử nó sẽ trở thành ion âm
Việc liên kết giữa các nguyên tủ trong phân tử có hai loại:
6
- -
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Ge
-
-
Ge
-
-
-

-
-
-
C

- -
-
-
-
-
C
+ Liên kết ion
+ Liên kết cộng hóa trị.
1.3. TIẾP GIÁP P-N.
1.3.1. Khái quát chung.
Khi cho 2 khối bán dẫn loại P và loại N tiếp xúc đơn tinh thể với nhau thì
miền tiếp giáp giữa 2 khối bán dẫn loại P và loại N được gọi là chuyển tiếp P-N lớp
chuyển tiếp P-N này là cơ sở của hầu hết các dụng cụ bán dẫn.
Chuyển tiếp P-N được hình thành bằng 2 loại tiếp xúc cơ bản.
+ Chuyển tiếp mặt: Diện tích tiếp xúc 2 đơn tinh thể lớn.
+ Chuyển tiếp điểm: Diện tích tiếp xúc giữa 2 đơn tinh thể nhỏ.
Hình 1.3. Chuyển tiếp mặt và chuyển tiếp điểm.
1.3.2. Sự hình thành tiếp giáp P-N.
Khi có tiếp xúc đơn tinh thể giữa 2 bán dẫn loại N và loại P do mật độ điện
tử bên N rất lớn, còn nồng độ lỗ trống bên khối bán dẫn loại P lớn hơn phía bên N,
nên khi tiếp xúc với nhau do sự chênh lệch về mật độ các hạt tải cơ bản nên sẽ có sự
khuếch tán của các hạt tải cơ bản từ miền này sang miền kia (Cụ thể là điện tử từ N
sang P và lỗ trống từ P sang N) tạo thành dòng khuếch tán qua lớp chuyển tiếp cụ
thể ở đây là:
7
P
N
Chuyển
tiếp
Chuyển

tiếp
P
Dây
W
N
Tiếp mặt
Tiếp
điểm
+ Điện tử từ miền N khuếch tán sẽ khuếch tán sang P tạo thành dòng khuếch tán
nkt
J
+ Lỗ trống từ miền P sẽ khuếch tán sang miền N tạo thành dòng khuếch tán lỗ trống
pkt
J
Khi rời bán dẫn gốc các hạt tải cơ bản để lại trong vùng biên giới giữa 2 miền bán
dẫn N và P các nguyên tử đã Ion hóa (cụ thể các Ion dương bên miền bán dẫn N và
các Ion âm bên bán dẫn loại P) các Ion này liên kết với mạng tinh thể, vì được giữ
cố định nên chúng tạo thành điện trường nội định xứ trong miền biên giới và có
hướng từ N sang P. Điện trường này có xu hướng cản trở dòng khuếch tán của các
hạt cơ bản.
Như vậy ở vùng biên giới giữa 2 bán dẫn N và P xuất hiện một hàng rào điện thế
cản trở sự khuếch tán của các hạt tải cơ bản có chiều từ N sang P. Hàng rào điện thế
này tạo nên một điện trường hướng từ N sang P gọi là điện trường tiếp xúc. Phần
bán dẫn biên giới giữa hai hàng rào điện thế rất nghèo các hạt tải điện được gọi là
miền điện tích không gian. Hay còn gọi là miền nghèo
1.3.3. Dòng tiếp xúc và giản đồ năng lượng.
Khi đặt 2 loại bán dẫn loại P và N tiếp xúc đơn tinh thể với nhau vì có sự
chênh lệnh về mật độ các hạt tải điện nên tại bề mặt tiếp giáp sẽ có 1 gradian mật
độ.
x

p
d
d
và
x
n
d
d

Chính Gradian mật độ này tạo nên dòng khuếch tán, ta biết độ lớn của dòng khuếch
tán là: (1.1)
x
p
p
x
n
nktpktnkt
d
d
Dq
d
d
DqJJJ
p
n

−=+=
8
Tùy theo từng loại bán dẫn mà chúng có độ lớn
của điện trường tiếp xúc khác nhau.E

tx
= 0.3V đối với
Ge, E
tx
= 0.6V đối với Si
- +
- +
E
tx
Miền điện tích không gian
ktn
J
: Dòng khuếch tán điện tử
ktp
J
: Dòng khuếch tán lỗ trống

n
D
: Hệ số khuếch tán điện tử

p
D
: Hệ số khuếch tán lỗ trống
Hình 1.4. Giản đồ năng lượng của tiếp giáp.
Kết quả là bên N tích điện dương còn bên P sẽ tích điện âm lúc này chúng sẽ tạo
nên một điện trường
E
hường từ N sang P.
9

+
+
+
+
-
-
-
-
NP
E
tx
E
E
CP
E
FP
E
CN
E
FN
x
U
x
φ
K
E
E
CP
E
VP

x
E
CN
E
VN
E
F
Mặt khác khi xuất hiện điện trường thì dưới tác dụng của điện trường này chúng sẽ
sinh ra dòng điện cuốn. dòng điện cuốn này sẽ là dòng cuốn của các hạt tải không
cơ bản nghĩa là lỗ trống từ N sang P còn điện tử từ P sang N công thức tính mật độ
dòng cuốn sẽ là:
(1.2)
Jc
=
Jcn
+
Jcp
=
txnp
Enq
µ
+
txpn
Epq
µ
cpcn
JJ ,
: là dòng cuốn điện tử, lỗ trống
:,
pn

µµ
là độ linh động của điện tử và lỗ trống
Từ phân tích trên ta thấy dòng khuếch tán do các hạt tải điện đa số tạo thành, còn
dòng cuốn do các hạt thiểu số tạo thành. Hai dòng này sẽ ngược nhau tại miền tiếp
giáp.
Như vậy mật độ dòng tổng qua miền tiếp giáp P-N là tổng của dòng khuếch tán và
dòng cuốn.
(1.3)
ckt
JJJ
+=
Σ
=
txpntxnp
x
p
p
x
n
n
EpqEnq
d
d
Dq
d
d
Dq
p
n


µµ
++−
Khi không có điện trường ngoài thì ở trạng thái cân bằng động dòng qua tiếp giáp
sẽ bằng không hay nói cách khác là:
(1.4)
0
=++−=
Σ
txpntxnp
x
p
p
x
n
n
EpqEnq
d
d
Dq
d
d
DqJ
p
n
µµ
Từ công thức trên ta có thể tính được điện trường tiếp xúc là:
(1.5)
10
)ln(.)ln(.
n

p
T
p
n
Tktx
p
p
n
n
E
ϕϕϕ
===
Trong đó
q
KT
T
=
ϕ
là thế nhiệt, khi T=300
0
K (25
0
C) thì
mVV
T
26026.0
==
ϕ
n
n

, n
p
: là mật độ điện tử trong bán dẫn N và bán dẫn P
p
n
, p
p
: Là mật độ lỗ trống trong bán dẫn N và bán dẫn P
Như vậy khi không có điện trường ngoài tác động thì mức Fecmi của 2 loại bán dẫn
nằm ngang nhau.
1.4. PHÂN CỰC CHO TIẾP GIÁP P-N.
1.4.1. Phân cực ngược cho tiếp giáp P-N.
Khi ta mắc một tiếp giáp P-N với một điện trường ngoài sao cho cực dương
của điện trường ngoài nối với bán dẫn loại N còn cực âm của điện trường ngoài nối
với bán dẫn loại P ta gọi là phân cực ngược cho tiếp giáp P-N.
Khi phân cực ngược do U
ng
cùng chiều với E
tx
nên miền nghèo (miền điện tích
không gian) được mở rộng độ cao hàng rào điện thế tăng lên, lúc này độ cao hàng
rào điện thế sẽ là
ngk
UU
+=
ϕ
11
Hình 1.5. Giản đồ năng lượng của tiếp giáp P-N khi phân cực ngược.
Trạng thái cân bằng nhiệt bị phá vỡ khi đó mật độ dòng khuếch tán
nktpktkt

JJJ
+=
sẽ giảm xuống. Mật độ dòng cuốn
ncpcC
JJJ
+=
không thay đổi
và khi tăng U
ng
chỉ làm tăng vận tốc cuốn của các hạt tải điện chứ không tăng mật
độ dòng của chúng.
Dòng chạy qua miền tiếp xúc P-N lúc này là:
(1.6)
)1()1(
.
00
−=−=
−
−
KT
Uq
U
ng
ng
K
ng
eIeII
ϕ
I
0

: dòng ngược bảo hòa
φ
K
= 0.1 – 0.13V
12
+
+
+
+
-
-
-
-
NP
E
tx
E
E
CP
E
FP
x
φ
N
E
E
CP
E
VP
x

E
CN
E
VN
E
F
U
ng
V
ng
V
ng
Hình 1.6. Đặc tính Vol-ampe của tiếp giáp P-N khi phân cực
thuận.
Nếu
Kng
U
ϕ
3
≤
lúc này I
ng
tăng tuyến tính với U
ng .
Nếu
Kng
U
ϕ
)54(
−≥

thì
0
≈
−
k
ng
U
e
ϕ
nên dòng I
ng
= I
0
dòng bão hòa ngược này
không phụ thuộc vào U
ng
mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. ở nhiệt độ phòng
)27(300
00
CKT
=
dòng
AI
79
0
1010
−−
−=
.
Dòng ngược được xác định bởi các hạt

tải không cơ bản (dòng cuốn).Khi có điện áp ngược thì mức Fecmi của 2 bên chênh
nhau 1 điện thế bằng U
ng
Nếu U
ng
tăng đến U
ngđth
thì xảy ra hiện tượng đánh thủng và dòng I
0
sẽ tăng lên đột
ngột đánh thủng tiếp giáp P-N ở đây kèm theo đánh thủng nhiệt. Sự đánh thủng có
thể giải thích như sau.Khi nhiệt độ môi trường tăng thì dòng ngược cũng tăng theo
công thức:
(1.7)
C
I
I
TT
T
T
0
)(
)(0
)(0
)108(
2.
0
0
−
=

−
1.4.2.Phân cực thuận cho tiếp giáp P-N.
Khi mắc một điện áp ngoài U
th
có cực dương nối vào bán dẫn loại P còn cực
âm của điện trường ngoài nối vào khối bán dẫn loại N, lúc này ta nói phân cực
thuận cho tiếp giáp P-N. Khi phân cực thuận ta thấy điện trường ngoài ngược chiều
với điện trường tiếp xúc. Vì vậy miền điện tích không gian (Miền nghèo) của
chuyển tiếp P-N bị thu hẹp lại. độ dẫn điện của nó tăng lên.
13
φ
T
U
ngdth
T
0
T>T
0
V
ng
Hình 1.7. Giản đồ năng lượng của tiếp giáp P-N khi phân cực thuận.
Vì dưới tác dụng của U
th
thì các điện tử chuyển động về phía P còn lỗ trống chuyển
động về phía N.Điện áp U
th
đặt vào làm cho hàng rào điện thế hạ xuống một lượng
là U
th
và tạo điều kiện cho sự phun hạt tải cơ bản. Lỗ trống từ P sang N và ngựợc lại

điện tử từ N sang P. Khi đó qua lớp chuyển tiếp P-N sẽ có dòng thuận lớn đó là
dòng các hạt tải cơ bản qua tiếp giáp P-N. U
th
càng lớn hàng rào điện thế càng hạ
thấp xuống dẫn đến dòng thuận tiếp tục tăng. Dòng cuốn có giá trị không đổi.Dòng
thuận gồm dòng lỗ trống và điện tử và được tính theo công thức:
(1.8)
)1(
0
−=+=
T
th
U
npth
eIIII
ϕ
Đường biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện thuận và điện áp phân cực thuận có
dạng quan hệ hàm mũ.Theo công thức tính dòng thuận ở trên thì dòng I
th
ngoài việc
14
+
+
+
+
-
-
-
-
NP

E
tx
U
x
E
E
CP
E
VP
x
E
CN
E
VN
E
FP
P
U
th
U
th
U
ng
E
FN
phụ thuộc vào điện áp U
th
nó còn phụ thộc vào nhiệt độ khi nhiệt độ càng tăng thì I
th
càng tăng hay độ dốc đường đặc tuyến càng dốc. Tổng hợp mối quan hệ giữa dòng

điện chạy qua tiếp giáp P-N và điện áp đặt ở 2 đầu tiếp giáp kể cả khi phân cực
thuận và phân cực ngược người ta gọi là đặc tuyến Vol-Ampe của tiếp giáp P-N có
dạng như hình vẽ:
Hình 1.8. Đặc tính Vol-Ampe của tiếp giáp.
Bán dẫn có mật độ pha tạp cao được gọi là bán dẫn suy biến. Khi đó độ rộng của
chuyển tiếp rất hẹp vùng hóa trị bên P cao lên trùng với vùng dẫn bên N. khi đó
điện tử từ N sang P và người ta gọi nó là hiệu ứng đường hầm.
1.5. SỰ BỨC XẠ CHẤT BÁN DẪN.
1.5.1. Khái niệm.
Các nguồn phát quang bán dẫn dùng trong hệ thống quang điện làm việc
trên nguyên lý cơ bản của bức xạ ánh sáng do tái hợp giữa điện tử và lỗ trống trong
vùng chuyển tiếp p-n của chất bán dẫn.Vùng này còn được gọi là vùng hoạt tính hay
vùng tái hợp của các phần tử điện quang.
1.5.2. Sự bức xạ ánh sáng tự phát và cưỡng bức.
Từ lý thuyết vật lý chất bán dẫn chũng ta biết đc tinh thể chất bán dẫn các
vùng điện tử hoá trị của các nguyên tử có sự phân bố các mức năng lượng theo các
dải . Vùng dưới bao gồm các mức năng lượng thấo hơn gọi là vùng hoá trị có mức
15
φ
T
U
ngd
th
T
0
T>T
0
U
T
0

T>T
0
I
đỉnh kí hiệu là Ev ,còn vùng có các mức năng lượng cao hơn gọi là vùng dẫn có
mức thấp nhất là Ec.Vùng trung gian giữa hai vùng hoá trị và vùng dẫn không tồn
tại mức năng lượng nào .Hiệu giữa hai năng lượng Ec và Ev gọi là độ rộng vùng
cấm hay khe năng lượng được ký hiệu là Eg. (1.9)
Eg =Ec - Ev.
Tuỳ theo trạng thái của chất bán dẫn trong tùng vùng năng lượng của nó các mức
năng lượng có thể bị điện tử chiếm đầy mà hoàn toàn , chiếm một phần hoặc bỏ
trống hoàn toàn.
Trong điều kiện cân bằng nhiệt ,trong chất bán dẫn đa số các điện tử nằm ở vùng
hoá trị ,có rất ít điện tử nằm ở vùng dẫn.Nếu điện tử được cấp năng lượng từ bên
ngoài sao cho E> Eg thì một số điện tử vùng hoá trị có năng lượng lớn hơn Eg sẽ
nhảy lên vùng dẫn ( từ E
1
lên E
2
).Điện tử ở mức E
2
trong vùng dẫn gọi là điện tử
trạng thái bị kích thích và sự dịch chuyển của điện tử ở mức E
1
đến E
2
gọi là sự dịch
chuyển của điện tử.Vì trạng thái kích thích của điện tử là trạng thái không ổn
định,nên nó bị hạt nhân nguyên tử hút và quay trở trở về trạng thái ổn định E
1
của

vùng hoá trị.Khi điện tử chuyển dịch từ mức E
2
xuống E
1
một năng lượng được giải
phóng.Nếu năng lượng được giải phóng dưới dạng ánh sáng ( photon) thì dịch
chuyển chuyển bức xạ .Ánh sáng phát ra có bước sóng nhất định nhất định được
tính theo định luật Plank:
(1.10)
12
.
EE
hC
−
=
λ
C: vận tốc ánh sáng trong chân không
h=60625.
34
10
−
.J.S
S là hằng số Plank
Nếu năng lượng giải phóng dưới dạng nhiệt đốt nóng mạng tinh thể (gọi là pho non)
thì chuyển dịch gọi là chuyển dịch không bức xạ.Sự chuyển dịch bức xạ một cách
tự nhiên được gọi là bức xạ tự phát ,ánh sáng phát ra là ánh sáng bức xạ tự phát
,diode phát quang Led dựa trên nguyên lý này.Khi ánh sáng có năng lượng photon
chiếu vào điện tử ở trạng thái kích thích nằm ở mức E
2
làm nó nhảy về trạng thái E

1
16
sau khi hấp thụ năng lượng E của photon.Sự chuyển dịch của điện tử cũng bức xạ
ánh sáng có bước sóng trên người ta gọi là bức xạ cưỡng bức .Ánh sáng cưỡng bức
có cường độ lớn hơn ánh sáng tự phát .Diod Laze phun bán dẫn dựa trên nguyên lý
bức xạ ánh sáng cưỡng bức.
1.5.3. Điều kiện để có bức xạ trong bán dẫn.
Sự bức xạ ánh sáng dó tái hợp xảy ra dễ dàng với xác suất lớn trong chất
bán dẫn có độ rộng năng lượng ,vùng cấm loại gián tiếp thì bức xạ ánh sáng do tái
hợp khó xảy ra và có xác suất nhỏ.Chất bán dẫn có vùng cấm loại trực tiếp là chất
mà trong giản đồ vùng năng lượng của nó đáy thấp nhất của vùng dẫn và đỉnh cao
nhất của vùng hoá trị ứng với cùng một giá trị của xung lượng P hay về vecto sóng
K của điện tử.Chất bán dẫn này sử dụng chế tạo Led ,diod laze trong hệ thống thông
tin quang. Chất bán dẫn có vùng cấm loại gián tiếp là chất bán dẫn trong giản đồ
vùng năng lượng của nó đáy thấp nhất của vùng dẫn và là đỉnh cao nhất của vùng
hoá trị ứng với các giá trị khác nhau của xung lượng P hay vecto sóng K của điện tử
.Vd: Ge,Si…hoặc GaP.
1.5.4. Cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép.
Cấu trúc chuyển tiếp p-n được xây dựng trên cùng một chất bán dẫn gọi
là chuyển tiếp p-n đồng nhất.Trong cấu trúc này độ rộng năng lượng vùng cấm Eg
và chiết suất của 2 vùng p,n của chuyển tiếp xấp xỉ bằng nhau.Cấu trúc chuyển tiếp
p-n đồng nhất có hiệu suất bức xạ ánh sáng thấp ,không dùng chế tạo các nguồn
phát quang.
Cấu trúc chuyển tiếp được xây dựng từ chất bán dẫn có khe năng lượng hay độ rộng
năng lượng vùng cấm Eg khác nhau nên gọi là chuyển tiếp dị thể hay chuyển tiếp
không đồng nhất.Cấu trúc chuyển tiếp dị thể dưới dạng n-n,p-p.Trong cấu trúc
chuyển tiếp dị thể chiết suất và khe năng lượng Eg của các vùng chuyển tiếp có giá
trị khác nhau.Nếu có hai lớp chuyển tiếp dị thể cấu trúc sát nhau sẽ tạo ra cấu trúc
dị thể kép.Như vậy cấu trúc dị thể kép gồm 3 vùng ,vùng ở giữa 2 chuyển tiếp gọi là
vùng hoạt tính,2 vùng bên gọi là vùng vỏ.Xây dựng vùng hoạt tính của chuyển tiếp

dị thể kép từ chất bán dẫn có vùng cấm năng lượng loại trực tiếp như
Ga,InGasP.Vùng hoạt tính có khe năng lượng Eg nhỏ hơn so với khe năng lượng
của hai vỏ hai bên,còn chiết suất của vùng hoạt tính lại lớn hơn chiết suất của hai
vùng vỏ.Do vậy cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép còn đặc trưng của ống dẫn sóng
17
điện môi.Và trong đó xảy ra hiệu ứng phản xạ ánh sáng toàn phần tại mặt giới hạn
giữa vùng hoạt tính và vỏ.Ánh sáng bức xạ do tái hợp sẽ bị giam trong vùng hoạt
tính và truyền dọc nó như ống dẫn sóng điện môi.Độ dày của vùng hoạt tính cỡ từ
0.3-1mm.Hai vùng vỏ có thể xây dựng từ chất bán dẫn loại vùng cấm năng lượng
trực tiếp hoặc gián tiếp nhưng phải có độ rộng năng lượng Eg lớn hơn so với vùng
hoạt tính,đông thời chiết suất của hai vùng vỏ nhỏ hơn so với vùng hoạt tính.Ngoài
ra vùng vỏ phải có hằng số mạng tinh thể xấp xỉ bằng hằng số mạng tinh thể của
vùng hoạt tính.Thường hai vùng thích hợp nhất với vùng hoạt tính là GaAs là chất
AlGaAs còn ứng với vùng hoạt tính InGasP là chất InP.Hai vùng vỏ có độ dầy lớn
hơn so với vùng hoạt tính .Để tạo sự tiếp xúc điện tốt sát hai vùng của chuyển tiếp
dị thể kép người ta còn xây dựng hai lớp bán dẫn thích hợp là lớp tiếp xúc và lớp
nền. Ta thấy rằng giữa vùng hoạt tính và hai vùng vỏ của cấu trúc chuyển tiếp có
các hàng rào thế đối với điện tử và lỗ trống.Do đó nếu chuyển tiếp dị thể kép đựoc
phân cực thuận (điện áp dương đặt vào vùng p)thì các điện tử được phun từ vùng n
vào vùng hoạt tính và bị giam lại bởi hàng rào thế các lỗ trống được phun từ p vào
vùng hoạt tính và bị giam lại trong nó bởi hàng rào thế. Kết quả tạo ra trạng thái đảo
mật độ.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
n-G A
<4 m
P-

a
s
n-AlG A
a
s
G A
a
s
P-AlG A
a
s
P-G A
a
s
<1 m
<4 m
(1): lớp nền (2): lớp vỏ (3): vùng hoạt tính.
(4): lớp vỏ (5): lớp tiếp xúc.
18
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
n-G A
1 m
a
s
Ga Al As
x

P-G A
a
s
0,3 m
1 m
1-x
Ga Al As
y
1-y
Ga Al As
x
1-x
(1): lớp nền (2): lớp vỏ x > y (3): vùng hoạt tính
(4): lớp vỏ (5): lớp tiếp xúc
Hình 1.9. Cấu trúc tiết diện ngang của hai dạng chuyển tiếp dị thể kép
cùng giản đồ vùng năng lượng của chúng.
19
CHƯƠNG II
CẤU TRÚC CỦA CÁC PHẦN TỬ ĐIỆN QUANG SỬ DỤNG
TRONG HỆ THÔNG THÔNG TIN QUANG COHERENT
2.1. DIODE LAZE PHUN (ILD).
Diode laze phun bán dẫn là nguồn phát quang dung chủ yếu trong hệ thống thông
tin quang sợi có độ rộng dải tần lớn hơn 200Mhz và trong các hệ thống thông tin
quang sợi đường dài ,có tốc độ lớn .So với Led ,diode laze phun có các ưu điểm sau
:
-Công suất quang ghép vào sợi lớn hơn nhiều ,độ rộng đường phổ hẹp ,phản ứng
thời gian nhanh và độ rộng điều chế lớn hơn.
Tuy nhiên ILD có cấu trúc phức tạp ,công tác cần mạch ổn định nhiệt độ nên giá
thành cao và mạch kích phức tạp hơn.Ngày nay ILD được dùng hầu hết trong các hệ
thống thông tin quang sợi.

2.1.1.Nguyên lý hoạt động của diode laze phun.
Nguyên lý hoạt động của ILD cơ bản dựa trên sự bức xạ ánh sáng cưỡng bức trong
vùng hoạt tính của chuyển tiếp dị thể kép bán dẫn .Để có sự hoạt động của ánh sáng
Laze ,cấu trúc của ILD phải đạt được các điều kiện sau:
+) Sự phản hồi quang của ánh sáng bức xạ cưỡng bức trong vùng hoạt tính củaILD
phải là dương ,nghĩa là phải đạt được sự đồng pha của các tia tới và tia phản xạ liên
tiếp hai lần tại các mặt giới hạn hai đầu của laze dọc theo trục vùng hoạt tính.
+) Nguồn bơm bên ngoài đối với ILD là dòng thiên áp thuận đặt lên chuyển tiếp để
phun điện tử và lỗ trống phải đạt được giá trị nhất định gọi là dòng ngưỡng.Sự hoạt
động của diode laze phun diễn ra như sau:
Khi cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép của ILD đặt dưới thiên áp thuận ,điện tử từ vùng
n và lỗ trống từ vùng P phun vào vùng hoạt tính chúng bị giam tại đây do hàng rào
thế.Sự tái hợp bức xạ tự phát đi mọi hướng .Những pho ton bức xạ truyền dọc theo
trục của vùng hoạt tính đi đến 2 mặt phân cách giữa laze và không khí sẽ bị phản xạ
tại đây và truỳên dọc vùng hoạt tính nhiều lần.Nhưng photon này đập vào các
20
nguyên tử vùng hoạt tính ở trạng thái kích thích làm chúng phát ra những ánh sáng
cưỡng bức có cùng tần số với ánh sáng đập vào.Khi dòng bơm nhỏ hơn giá trị dòng
ngưỡng thì các ánh sáng bức xạ cưỡng bức phát ra trong vùng hoạt tính bị hấp thụ
hết trong nó ,nên ánh sáng của Laze phun ra ngoài là ánh sáng bức xạ tự phát tương
tự như trường hợp của LED.Khi dòng phun tăng vượt giá trị dòng ngưỡng ,trong
vùng hoạt tính xảy ra trạng thái “đảo mật độ”.Sự bức xạ cưỡng bức chiếm ưu thế so
với sự hấp thụ ánh sáng trong vùng này.Vùng hoạt tính của ILD trở thành môi
trường khuyếch đại đối với ánh sáng bức xạ cưỡng bức khi chúng truyền và phản xạ
nhiều lần tại các mặt cuối của laze gọi là các mặt gương phản xạ.Không gian vùng
hoạt tính năm giữa 2 gương tạo nên một hộp công hưởng của diode laze gọi là hộp
cộng hưởng Fabry-pero (FP).Khi chiều dài L của hộp cộng hưởng FP đạt được điều
kiện cộng hưởng , nghĩa là có sự phản hồi quang dương với bức xạ cưỡng bức ,thì
trong diode laze xảy ra quá trình dao dộng và ánh sáng bức xạ cưỡng bức được
khuyếch đại lớn hơn bị tổn hao trong hộp cộng hưởng FP rồi được phát ra ngoài qua

một gương của Diode laze.Ánh sáng do diode laze phát ra trong chế độ này (chế độ
laze) có tính đồng bộ cả về thời gian và không gian(có tính đơn sắc và định hướng
không gian cao)với công suất lớn hơn nhiều so với chế độ bức xạ tự phát .Ánh sáng
truyền trong nó dọc theo trục Z của vùng hoạt tính có cuờng độ trường quang phân
bố theo quy luật hàm mũ.
(2.1)
0
( ) exp[( ( ) ) ]
g th
I Z I Z
λ α
= Γ −
Ở đây
Γ
là hệ số gọi là thừa số giam quang ,thường
Γ

≈
0.3-0.5.
th
α
là hệ số tiêu hao hiệu dụng quang trong hộp cộng hưởng FP
Hệ số khuyếch đại quang của vùng hoạt tính phụ thuộc vào mật độ các hạt dẫn được
phun N (1/cm3) và vào bứơc sóng .Nó có giá trị âm hoặc dương.Khi dòng phun lớn
hơn giá trị dòng ngưỡng,trạng thái đảo mật độ trong vùng hoạt tính đựơc thực hiện
thì g(
λ
)có giá trị dương và môi trường truyền dẫn quang là môi trường khuếch
đại.Còn khi g(
λ

)< 0 nó là môi trường hấp thụ .
21
-250
-200
-150
-100
-50
50
100
150
200
250
1,28
1,30
1,32
1,34 1,36
g [cm ]
-3
g < 0
g > 0
1,2
1,4
1,6
N = 1,8 x 10
[ m]
18
3
Hình 2.1. Sơ đồ đường cong hệ số khuếch đại g(
λ
)đối với vùng hoạt tính

InGaAsP trong dải sóng với bước sóng =1.3
µ
m với các giá trị mật độ hạt
dẫn phun N khác nhau.
Từ sơ đồ trên ta thấy khi
18
1.10N
≤
/cm3 thì g(
λ
)<0 nghĩa là vùng hoạt tính là môi
trường hấp thụ ánh sáng ở mọi bước sóng ,hoạt động của laze không thể xảy ra .Khi
N.>
18
10
/cm3 thì g(
λ
)>0 trong một dải sóng và dải sóng đó có thì g(
λ
)>0 khi N
tăng .Khi người ta xây dựng từ thực nghiệm được công thức liên quan giữa giá trị
cực đại của hệ số khuyếch đại
axm
g
(
λ
) và mật độ hạt dẫn phun trong vùng hoạt tính
như:
Công thức :
ax

.( )
m T
g A N N
= −
Ở đây Nt gọi là giá trị trong suốt của mật độ hạt dẫn phun. A là hệ số khuyếch đại vi
phân cả hai đại luợng này đèu phụ thuộc vào vật liệu hoạt tính. Như vậy điều kiện
tạo môi trường khuyếch đại quang của diode laze đạt được khi thực hiện được
N>Nt. Laze có giá trị A càng lớn càng tốt vì với cùng một giá trị hệ số khuyếch đại
g(
λ
) cần đạt được có thể giảm mật độ hạt dẫn phun hay tương đương giảm nhỏ
mật độ dòng phun. Hệ số khuyếch đại nhỏ nhất mà tại đó bắt đầu xảy ra sự hoạt
động của quá trình bức xạ laze gọi là hệ số khuyếch đại ngưỡng. Nó tính bằng công
thức:
(2.2 )
22
1 2
1 1
ln
2 .
ng th
g
L R R
α
Γ = +
Ở đây L là chiều dài hộp cộng hưởng FP,R
1
,R
2
là hệ số phản xạ tại hai gương của

hai mặt cuối hộp cộng hưởng. Hệ số khuyếch đại ngưỡng tỉ lệ với mật độ dòng
ngưỡng phun (Jng) nên ta có thể xác định được mật độ dòng ngưỡng, như vậy quá
trình hoạt động của bức xạ laze xảy ra khi đạt điều kiện là :
(2.3)
1 2
1 1
ln
2 .
ng th
g
L R R
α
Γ ≥ +
2 2L m
β
= Π
⇒
2
L m
n
λ
=
ở đây n là chiết suất của môi trường lớp hoạt tính ,hệ số pha
2
.n
β
λ
Π
=
.

.n : 1,2 là
số nguyên. Vì chiết suất của vùng hoạt tính n = 3-4 nên các mặt cuối của laze chỉ
cần mài nhẵn đủ đảm bào hệ số phản xạ R1,R2 khá lớn tạo thành hai gương của hộp
cộng hưởng FP.
2.1.2. Laze Fabry –perot.
Laze Fabry- perot là laze phun bán dẫn phổ biến nhất và có cấu trúc đơn giản
nhất,nó gồm cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép dạng khối hình chữ nhật như hình vẽ
W
S
L
Hình 2.2. Cấu trúc Diode Laze Fabry –perot.
23
Vùng hoạt tính của laze có chiều dài cỡ 250-500 (
m
µ
) , chiều rộng S cỡ 5-15(
m
µ
)
và còn được gọi là cạnh bên và độ dày W cỡ 0.1-0.2 (
m
µ
) còn gọi là chiều ngang
.Như vậy hộp cộng hưởng FP của diode laze có các kích thước dọc L,bên S và
ngang W. Do hộp cộng hưởng FP có kích thước dọc và bên lớn hơn nhiều so với
bước sóng quang của diode laze phát ra ,nên trong hộp tồn tại nhiều mot của trường
bức xạ phân bố ứng với các kích thước của hộp.Các mot của trường bức xạ trong
hộp cộng hưởng tương ứng gọi là các mot dọc ,mot bên và mot ngang .Bên cạch của
hộp FP làm dạng thô để tạo sự hấp thụ lớn nên không xảy ra sự bức xạ laze theo
hướng bên.Người ta chọn kích thước bên và độ dày mỏng để theo các hướng này

trường bức xạ của laze chỉ tồn tại một mot gọi là đơn mot.Nên laze Fabry-pero tạo
ra bức xạ đa mot dọc .Tần số cộng hưởng của các mot dọc bức xạ thoả mãn điều
kiện cộng hưởng (2.3)
Khoảng cách giữa các bước sóng của mot lân cận nhau được suy từ (2.3) và có dạng
:
2
2Ln
λ
λ
∆ =
Phổ bức xạ của diode laze FP có vùng hoạt tính từ AIGaAs trong dải 0.82(
m
µ
).Độ
rộng đường phổ của laze FP nhỏ hơn Led nhiều trung bình từ 2-5
nm
.Vì hệ số
khuyếch đại g(bước sóng) của vùng hoạt tính có dải sóng khá rộng nhưng không
đều với các bước sóng khác nhau nên các mot dọc có cường độ bức xạ khác
nhau.Một dọc ứng với g max là mot chính có cường độ lớn nhất .Để giảm số các
mot dọc và tăng khoảng cách giữa các các mot dọc sát cạnh nhau,ta giảm chiều dài
L của hộp cộng hưởng.Song nếu giảm quá L dẫn đến giảm hệ số khuyếch đai, g(
λ
)và làm giảm công suất bức xạ của laze.
Độ rộng chùm tia bức xạ của Laze FP hẹp hơn nhiều so với Led
11
5
θ
≈
-

10
o
C
Đặc
trưng công suất quang phụ thuộc vào dòng phun P-I của laze FP.Chúng ta xác định
được giá trị dòng phun ngưỡng Ing, Từ đặc trưng công suất -dòng phun P-I cho
chúng ta khả năng xác định bằng thực nghiệm hiệu suất lượng tử ngoài của diode
laze.Nó đựơc tính theo công thức sau:
24
(2.5)
.
( )
a b
ng
a b
P P
e P
h
h I
I I
e
η
γ
γ
−
∆
= =
∆
−
Ở đây Pa,Pb là công suất quang ra của diode laze ứng với dòng phun Ia,Ib trên đặc

trưng của đoạn tuyến tính (Ia ,Ib>Ing),
a b
a b
P P P
I I I
∆ = −
∆ = −
Mối quan hệ lý thuyết giữa hiệu suất lượng tử trong và ngoài có dạng (2.6).
1 2
1 2
1 1
ln( )
2
1 1
ln( )
2
ng tr
th
L R R
L R R
η η
α
=
+
Hiệu suất lượng tử trong diode laze được xác định giống như trường hợp của
Led .Nó phụ thuộc vào cấu trúc của chuyển tiếp dị thể kép và vật liệu tại vùng hoạt
tính.Cũng từ đặc trưng P-I ta thấy có thể điều chế trực tiếp cường độ laze bằng dòng
phun trong đoạn tuyến tính khá rộng của nó.Đây là một đặc tính ưu việt của ILD so
với các loại laze khí và chất rắn.
Diode laze FP có thể điều chế cường độ trực tiếp bởi dòng phun dạng liên tục

hoặcdạng xung.Giới hạn tần số điều chế ILD là thời gian sống của các hạt bức xạ tự
phát
1
ph
nm
τ
≈

10
cb
ps
τ
≈
và thời gian sống của các hạt bức xạ cưỡng bức ,thời gian
sống của pho ton
2
ph
ps
τ
≈
.Người ta thấy rằng tần số điều chế cao nhất với laze
không vượt được tần số dao động phục hồi của nó (khoảng 3 Ghz).Do vậy độ rộng
điều chế của diode laze đạt vài GHz , lớn hơn nhiều so với Led.
Trên hình 2.3 a,b vẽ đáp ứng điều chế trong hai trường hợp tín hiệu nhỏ (điều chế
sin dạng liên tục)và trưòng hợp tín hiệu dạng xung (tín hiệu lớn).Từ hình 2.3a ta
thấy công suất ánh sáng ra của diode laze giảm rất nhanh khi tần số điều chế
m
f
>
ph

f
25