các phần tử quang điện trong thông tin quang 3.doc

Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
CHƯƠNG 3
CÁC PHẦN TỬ TÍCH CỰC

3.1 Cơ sở vật lý chung của các phần tử tích cực
Khác với các phần tử thụ động, cơ sở vật lý chung cho các phần tử tích cực là
vật lý bán dẫn. Tuy nhiên do tín hiệu xử lý của các phần tử này là ánh sáng nên các
kiến thức vật lý về ánh sáng (như đã nêu ở chương 1) cũng được sử dụng trong
phần tử tích cực.
Khi hoạt động, các phần tử này cần phải có nguồn kích thích. Các nguồn này
luôn đi kèm theo nên yêu cầu của các phần tử tích cực cũng phức tạp hơn phần tử
thụ động. Vị trí đặt thiết bị, các vấn đề về bảo dưỡng, an toàn về điện cũng cần
được quan tâm. Trước hết ta xét đến cơ sở vật lý chung cho các phần tử tích cực
này.
3.1.1 Các khái niệm vật lý bán dẫn
Vật lý bán dẫn là cơ sở hoạt động cho rất nhiều linh kiện điện tử trong đó có
các phần tử tích cực hoạt động trong hệ thống thông tin quang.
3.1.1.1 Các vùng năng lượng
Vật liệu bán dẫn là vật liệu có đặc tính dẫn điện, và cách điện, tức là ở trường
hợp nào đó thì vật liệu bán dẫn là dẫn điện trong trường hợp khác chúng lại là chất
cách điện.
Ở mức nhiệt độ thấp, tinh thể bán dẫn thuần túy sẽ có vùng dẫn hoàn toàn trống
các điện tử và vùng hóa trị lại đầy các điện tử. Vùng dẫn cách vùng hóa trị một dải
cấm năng lượng, dải này không tồn tại một mức năng lượng nào cả. Khi nhiệt độ
tăng lên, một số các điện tử sẽ bị kích thích nhiệt và vượt qua dải cấm (chẳng hạn
như đối với Silic thì năng lượng này cỡ 1,1 eV – đây chính là năng lượng dải cấm).
Quá trình này xảy ra làm xuất hiện các điện tử tự do (kí hiệu là n) trong vùng dẫn
và khi các điện tử này dời đi sẽ để lại các lỗ trống tương ứng (kí hiệu là p). Các
điện tử tự do và lỗ trống sẽ di chuyển trong vật liệu và vật liệu thể hiện tính dẫn
điện khi các điện tử trong vùng hóa trị đi vào các lỗ trống. Lúc này có thể coi như
lỗ trống cũng di chuyển, sự di chuyển này ngược chiều di chuyển của điện tử. Sự

tập trung của điện tử và lỗ trống được xem là sự tập trung bản chất bên trong, kí
hiệu là n
i
và được thể hiện bằng công thức sau :
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
50
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
n = p = n
i
= K.exp(-Eg/2k
β
T) (3-1)
K = 2(2
π
k
β
T/h
2
)
3/2
(m
e
m
h
)
3/4
Trong đó : Eg là độ rộng vùng cấm.
k
β
là hằng số Boltzman

h là hằng số Plank
m
e
, m
h
là khối lượng của điện tử và lỗ trống
T là nhiệt độ tuyệt đối
K là hằng số vật liệu
Có thể tăng tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn bằng cách pha thêm một lượng
nhỏ tạp chất thuộc các nguyên tố nhóm V (như P, As, Sb…) hoặc nhóm III (như
Ga, Al, In …). Khi được pha tạp bởi các nguyên tố nhóm V, các điện tử tự do trong
vùng dẫn gia tăng, lúc này vật liệu bán dẫn được gọi là vật liệu bán dẫn loại n. Khi
được pha tạp bởi các nguyên tố nhóm III, các lỗ trống trong vùng hóa trị gia tăng,
lúc này vật liệu bán dẫn được gọi là vật liệu bán dẫn loại p. Tính dẫn điện của vật
liệu bây giờ tỷ lệ với sự tập trung hạt mang (các điện tử và lỗ trống ).
Các vật liệu pha tạp như vậy dùng khá phổ biến trong viễn thông (đặc biệt là
trong các bộ thu phát quang), có thể kể ra rất nhiều loại vật liệu như : InP,
InAs.,GaAs, GaAsP, InGaAsP…Bảng 3.1 tổng hợp một số vật liệu với các dải cấm
và bước sóng.
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
b)
a)
Hình 3.1 Sự kích thích điện tử vùng hóa sang vùng dẫn trong sơ đồ năng
lượng (a) và sự tập trung điện tử, lỗ trống (b).
Điện tử
Vùng dẫn
Chuyển dich
điện tử
Vùng
cấm

Vùng hóa trị
Lỗ trống
~2K
B
T
~2K
B
T
Phân bố mật độ
lỗ trống
Năng lượng
điện tử
51
Phân bố mật độ
điện tử
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
Loại vật liệu Tên vật liệu Dải cấm Bước sóng
Các vật liệu
hai thành
phần
GaP (Gali – Phốt pho)
AlAs (Nhôm - Asen)
GaAs (Gali - Asen)
InP (Indi – Phốt pho)
InAs (Indi - Asen)
2,24 eV
2,09 eV
1,42 eV
1,33 eV
0,34 eV

0,55 µm
0,59 µm
0,87 µm
0,93 µm
3,6 µm
Các vật liệu
ba hoặc bốn
thành phần
AlGaAs (Nhôm-Gali-Asen).
InGaAsP (Indi-Gali-Asen-
Phốt pho)
1,42 – 1,61 eV
0,74 – 1,13 eV
0,77 – 0,87 µm
1,1 – 1,67 µm
Bảng 3.1 Dải cấm và bước sóng của một số vật liệu bán dẫn.
3.1.1.2 Lớp tiếp giáp p-n
Bản thân các vật liệu pha tạp loại p hay n chỉ như là những chất dẫn điện tốt
hơn so với bán dẫn thuần. Tuy nhiên khi ta sử dụng kết hợp hai loại vật liệu này thì
sẽ có được những đặc tính hết sức đáng chú ý. Một vật liệu loại p được ghép với
vật liệu loại n sẽ cho ta một lớp tiếp xúc được gọi là tiếp giáp p-n. Khi tiếp giáp p –
n được tạo ra, các hạt mang đa số sẽ khuếch tán qua nó : Lỗ trống bên p khuếch tán
sang bên n, điện tử bên n khuếch tán sang bên p. Kết quả là tạo ra một điện trường
tiếp xúc E
tx
đặt ngang tiếp giáp p – n. Chính điện trường này sẽ ngăn cản các
chuyển động của các điện tích khi tình trạng cân bằng đã được thiết lập. Lúc này,
vùng tiếp giáp không có các hạt mang di động. Vùng này gọi là vùng nghèo hay
vùng điện tích không gian.
Khi cấp một điện áp cho tiếp giáp này, cực dương nguồn nối với vật liệu n, cực

âm nối với vật liệu p thì tiếp giáp này được gọi là phân cực ngược. (Như hình
3.2b). Nếu phân cực ngược cho tiếp giáp p – n, vùng nghèo sẽ bị mở rộng ra về cả
hai phía. Điều này càng cản trở các hạt mang đa số tràn qua tiếp giáp. Tuy nhiên
vẫn có một số lượng nhỏ hạt mang thiểu số tràn qua tiếp giáp tại điều kiện nhiệt độ
và điện áp bình thường. Còn khi phân cực thuận cho tiếp giáp (cực âm nối với vật
liệu n, còn cực dương nối với vật liệu p như hình 3.2c) thì các điện tử vùng dẫn
phía n và các lỗ trống vùng hóa phía p lại được phép khuếch tán qua tiếp giáp. Lúc
này việc kết hợp các hạt mang thiểu số tăng lên. Các hạt mang tăng lên sẽ tái hợp
với hạt mang đa số. Quá trình tái kết hợp các hạt mang dư ra chính là cơ chế để
phát ra ánh sáng.
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
52
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
Các chất bán dẫn thường được phân ra thành vật liệu có giải cấm trực tiếp và
vật liệu có giải cấm gián tiếp tùy thuộc dạng của dải cấm (như hình 3.3).
Xét quá trình tái hợp của lỗ trống và điện tử kèm theo sự phát xạ photon, người
ta thấy quá trình tái kết hợp dễ xảy ra nhất và đơn giản nhất khi mà lỗ trống và điện
tử có cùng động lượng. Trong trường hợp này ta có vật liệu giải cấm trực tiếp. Còn
trong trường hợp vật liệu có dải cấm gián tiếp, các mức năng lượng nhỏ nhất ở
vùng dẫn và các mức năng lượng nhỏ nhất ở vùng hóa lại xảy ra ở các giá trị động
lượng khác nhau. Như vậy việc tái kết hợp ở đây cần phải có phần tử thứ ba để duy
trì động lượng bởi vì động lượng photon là rất nhỏ.
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
53
Năng
lượng
vùng
cấm
trực
tiếp

Năng
lượng
vùng
cấm
gián
tiếp
E
dir
Chuyển dịch điện tử
hf=E
dir
E
ind
hf=E
ind
+E
ph
Năng lượng
photon E
ph
a) b)
Hình 3.3 Sự phát photon với vật liệu dải cấm trực tiếp (a) và gián tiếp (b)
Vùng dẫn Vùng dẫn
Vùng hóa trị
Vùng hóa trị
Loại n Loại pLoại n Loại p
Loại n Loại p
Vùng nghèo
Tiếp giáp
p-n

Hình 3.2 Phân cực cho các lớp tiếp giáp
a) Tiếp giáp p-n
c) Phân cực thuận
b) Phân cực ngược
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
3.1.2 Các quá trình đặc trưng trong vật lý bán dẫn
3.1.2.1 Quá trình hấp thụ và phát xạ
Trong vật liệu, ở điều kiện bình thường có xảy ra các quá trình tương tác giữa
vật chất và môi trường xung quanh, và tạo ra các hiện tượng phát xạ, bức xạ hay
hấp thụ… Để phân tích các quá trình phát xạ và hấp thụ ta xét một hệ có hai mức
năng lượng E
1
và E
2
với E
2
> E
1
như hình 3.4 sau. Trong đó E
1
là trạng thái cơ sở,
còn E
2
là trạng thái kích thích.
Khi photon có năng lượng hf = E
2
– E
1
đi vào vật chất, điện tử sẽ hấp thụ và
chuyển lên mức kích thích E

2
. Đây là quá trình hấp thụ ánh sáng. Các điện tử ở
mức kích thích E
2
, đây là trạng thái không bền nên nó nhanh chóng chuyển về mức
cơ sở E
1
và lúc đó sẽ phát ra một photon có năng lượng là hf = E
2
– E
1
. Ta có quá
trình phát xạ tự phát. Photon được tạo ra tự phát thì có hướng ngẫu nhiên và không
có liên hệ về pha, tức là ánh sáng không kết hợp. Còn phát xạ cưỡng bức xảy ra khi
có một photon có năng lượng phù hợp tương tác với nguyên tử ở trạng thái kích
thích và phát xạ ra các photon giống hệt nhau về năng lượng và pha. Ta có các
phương trình tốc độ đặc trưng cho các quá trình này như sau :
Tốc độ phát xạ tự phát : R
spon
=A.N
2
Tốc độ phát xạ kích thích : R
stim
= B.N
2
.ρ
Tốc độ hấp thụ : R
abs
= C. N
1.

ρ
Trong đó : N
1
, N
2
là mật độ nguyên tử tại mức E
1
và E
2
,
ρ là mật độ phổ năng lượng chiếu xạ.
Ở điều kiện cân bằng nhiệt thì mật độ phổ năng lượng chiếu xạ phân bố theo
thống kê Boltzman như sau :
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
E
2
E
1
hf hf
hf
1
hf
2
hf
a, Hấp thụ b, Phát xạ tự phát c, Phát xạ kích thích
54
Hình 3.4 Sơ đồ quá trình hấp thụ, phát xạ và phát xạ kích thích
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
)exp()exp(
1

2
Tk
hf
Tk
E
N
N
BB
g
−=−=
(3-2)
Trong đó : T là nhiệt độ tuyệt đối của hệ nguyên tử.
N
1
, N
2
không phụ thuộc thời gian trong trạng thái cân bằng nhiệt, nghĩa là tốc
độ chuyển dời lên xuống của nguyên tử phải bằng nhau. Do đó :
A.N
2
+ B.N
2
.ρ= C. N
1.
ρ (3-3)
Từ công thức 3-2 và 3-3 ta có mật độ phổ năng lượng được tính như sau :
1)exp( −
=
Tk
hf

B
C
B
A
B
ρ
(3-4)
Theo công thức Plank mật độ phổ năng lượng chiếu xạ phải bằng mất độ phổ
phát xạ vật đen tuyệt đối :
1exp
8
3
3
−






=
Tk
hf
c
f
h
B
π
ρ

Như vậy :
B
c
hf
A
3
3
8
π
=
và C=B (với A, B là hệ số Anhxtanh).
3.1.2.2 Trạng thái đảo mật độ
Ánh sáng có thể phát ra từ vật liệu bán dẫn là kết quả của quá trình tái hợp điện
tử và lỗ trống (e-h). Trong điều kiện cân bằng nhiệt, tỷ lệ phát xạ kích thích rất nhỏ
so với phát xạ tự phát, tức là nồng độ e – h sinh ra do kích thích rất thấp. Để có
phát xạ kích thích ta phải thực hiện tăng số lượng lớn các điện tử và lỗ trống trong
vùng dẫn và vùng hóa trị. Ta xét một tiếp giáp p – n với hai loại vật liệu bán dẫn
loại n và p pha tạp cao đến mức suy biến. Mức Fermi bên bán dẫn loại n nằm vào
bên trong vùng dẫn và mức Fermi trong bán dẫn p nằm vào bên trong vùng hóa trị.
Tại cân bằng nhiệt mức Fermi hai bên bán dẫn loại n và p nằm trùng nhau, lúc này
không có quá trình bơm hạt tải (hình 3.5a). Khi phân cực thuận đủ lớn, các mức
Fermi ở hai miền tách ra, lúc này thì các điện tử bên bán dẫn loại n và lỗ trống bên
bán dẫn p được bơm điện tích không gian (hình 3.5b). Khi điện thế đặt vào tiếp
giáp p-n tăng đủ lớn để quá trình bơm này đạt đến mức cao thì trong miền điện tích
không gian có độ rộng là d sẽ có một số lượng lớn các điện tử nằm trên vùng dẫn
và một số lượng lớn lỗ trống nằm dưới vùng hóa trị. Trạng thái này gọi là đảo mật
độ.
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
55
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực

Như vậy điều kiện để có trạng thái đảo mật độ là bán dẫn ở hai miền p và n
phải pha tạp mạnh để các mức Fermi nằm vào bên trong vùng dẫn và vùng hóa trị.
Thế phân cực thuận phải đủ lớn để điện tử và lỗ trống có thể bơm vào vùng dẫn và
vùng hóa trị. Hiệu hai mức Fermi ở hai vùng bán dẫn loại n và p lớn hơn năng
lượng vùng cấm, nghĩa là : E
fc
– E
fv
> E
g
.
Trên đây là các cơ sở vật lý bán dẫn để phân tích cơ chế hoạt động của các
phần tử tích cực trong thông tin quang được đề cập trong các phần tiếp theo.
3.2 Nguồn quang
Vai trò của các bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và
đưa tín hiệu quang này vào sợi quang để truyền tới phía thu. Linh kiện chính trong
bộ phát quang là nguồn phát quang. Trong hệ thống thông tin quang các nguồn
quang được sử dụng là điốt phát quang (LED) và laser bán dẫn (Laser Diode – LD).
Cơ sở vật lý của các nguồn quang bán dẫn này như đã nêu ở trên. Chúng có nhiều
ưu điểm như : kích thước nhỏ, hiệu suất chuyển đổi quang điện rất cao, có vùng
bước sóng phát quang thích hợp vói sợi quang và có thể điều biến trực tiếp bằng
dòng bơm với tần số khá cao.
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
P N
E
c
E
fv
E
v

E
fc
E
g
E
c
E
v
E
fv
E
g
E
fc
V
F
E
c
E
v
E
fv
E
fc
V
F
d
hf
a, Ban đầu chưa
bơm

b, Mức Fermi tách
ra khi có phân cực
thuận
c, Bơm cao phát xạ
photon
Hình 3.5 Giản đồ năng lượng của tiếp giáp p-n với bán dẫn suy biến
56
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
3.2.1 Điốt phát quang.
LED (Light Emitted Diode) là một loại nguồn phát quang phù hợp cho các hệ
thốn thông tin quang có tốc độ bít không quá 200Mb/s sử dụng sợi dẫn quang đa
mode. Tuy nhiên hiện nay trong phòng thí nghiệm người ta có thể sử dụng cả ở tốc
độ bít tới 556 Mb/s do có sự cải tiến công nghệ cao.
3.2.1.1 Cấu trúc LED
Có hai loại cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi là cấu trúc tiếp giáp thuần nhất
và cấu trúc tiếp giáp dị thể. Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu và thực nghiệm,
cấu trúc dị thể kép mang lại hiệu quả hơn và được ứng dụng nhiều hơn. Đặc điểm
của cấu trúc dị thể kép là có hai lớp bán dẫn khác nhau ở mỗi bên của vùng bán dẫn
tích cực, đây cũng chính là cấu trúc để khai triển nghiên cứu LASER . Với cấu trúc
dị thể ta có, hai loại đó là cấu trúc phát xạ mặt và phát xạ cạnh.
a, Cấu trúc LED phát xạ mặt
LED phát xạ mặt có mặt phẳng của vùng phát ra ánh sáng vuông góc với trục
của sợi dẫn quang (hình 3.6a). Vùng tích cực thường có dạng phiến tròn, đường
kính khoảng 50μm và độ dày khoảng 25μm. Mẫu phát chủ yếu là đẳng hướng với
độ rộng chùm phát khoảng 120
o
. Mẫu phát đẳng hướng này gọi là mẫu Lambertian.
Khi quan sát từ bất kỳ hướng nào thì độ rộng nguồn phát cũng ngang bằng nhau
nhưng công suất lại giảm theo hàm cosβ với β là góc hợp giữa hướng quan sát với
pháp tuyến của bề mặt. Công suất giảm 50% so với đỉnh khi β =60.

b, Cấu trúc LED phát xạ cạnh
LED phát xạ cạnh có cấu trúc gồm một vùng tiếp giáp tích cực có vai trò là
nguồn phát ánh sáng không kết hợp, và hai lớp dẫn đều có chiết suất thấp hơn chỉ
số chiết suất của vùng tích cực nhưng lại cao hơn chiết suất của các vùng vật liệu
bao quanh (hình 3.6b). Cấu trúc này hình thành một kênh dẫn sóng để hướng sự
phát xạ về phía lõi sợi. Để tương hợp được với lõi sợi dẫn quang có đường kính
nhỏ ( cỡ 50- 100μm), các dải tiếp xúc đối với LED phát xạ cạnh phải rộng từ 50μm
đến 70μm. Độ dài của các vùng tích cực thường là từ 100μm đến 150μm. Mẫu phát
xạ cạnh có định hướng tốt hơn so với LED phát xạ mặt.
3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của LED
Nguyên lý làm việc của LED dựa vào hiệu ứng phát sáng khi có hiện tượng tái
hợp các điện tử và lỗ trống ở vùng tiếp giáp p-n. Do vậy, LED sẽ phát sáng nếu
được phân cực thuận. Khi được phân cực thuận các hạt mang đa số sẽ khuếch tán ồ
ạt qua tiếp giáp p-n : điện tử khuếch tán từ phía n sang phía p và ngược lại, lỗ trống
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
57
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
khuếch tán từ phía p sang phía n, chúng gặp nhau và tái hợp phát sinh ánh sáng.
Với cấu trúc dị thể kép, cả hai loại hạt dẫn và trường ánh sáng được giam giữ tại
trung tâm của lớp tích cực (hình 3.7). Sự khác nhau về độ rộng vùng cấm của các
lớp kề cận đã giam giữ các hạt điện tích ở bên trong lớp tích cực. Đồng thời, sự
khác nhau về chiết suất của các lớp kề cận này đã giam giữ trường quang và các hạt
dẫn này làm tăng độ bức xạ và hiệu suất cao.
Để một chất bán dẫn phát sáng thì sự cân bằng nhiệt phải bị phá vỡ. Tốc độ tái
hợp trong qúa trình tái hợp có bức xạ tỉ lệ với nồng độ điện tử trong phần bán dẫn p
và nồng độ lỗ trống trong bán dẫn n. Đây là các hạt dẫn thiểu số trong chất bán dẫn.
Để tăng tốc độ tái hợp – tức là tăng số photon bức xạ ra – thì cần phải gia tăng nồng
độ hạt dẫn thiểu số trong các phần bán dẫn. Nồng độ hạt dẫn thiểu số được bơm
vào các phần bán dẫn tỷ lệ với cường độ dòng điện của LED, do đó cường độ phát
quang của LED tỷ lệ với cường độ dòng điện qua điốt.

Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
58
Chất nền
Chất nền
Tỏa nhiệt
Kim loại
Lớp dẫn
ánh sáng
Giải tiếp xúc
Miền hoạt tính
SiO
2
Ánh sáng phát ra
Hình 3.6b Cấu trúc LED phát xạ cạnh
Sợi quang
Phiến chịu nhiệt
SiO
2
SiO
2
Các lớp
tiếp giáp
Giếng khắc
hình tròn
Vật liệu bao phủ
Điện cực
Lớp cấu
trúc dị
thể kép
Hình 3.6a Cấu trúc LED phát xạ mặt

Các lớp dị
thể kép
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
3.2.1.3 Đặc tính của LED
a, Đặc tính P/ I
Đặc tuyến P/I là đặc tuyến thể hiện mối quan hệ giữa công suất phát xạ photon
và cường độ dòng kích thích. Công suất quang tỷ lệ tuyến tính với dòng điện. Dòng
điện đạt giá trị cao khi đạt đến ngưỡng, có sự bão hòa. Khi đó công suất quang phát
xạ không tăng, quá trình tái hợp tăng lên, hiệu suất lượng tử nội giảm xuống và
nhiệt độ tiếp giáp tăng. Độ đáp ứng giảm xuống. Nó được xây dựng từ công thức :
ξ
= P/I = hf
φ
ex
/I =
η
ext
hf/e =
η
ext
.(1,24/
λ
).
Mà - Công suất quang nội : P
int
=η
int
e
I
hν

- Công suất quang phát xạ : P
e
= η
ext
.η
int

e
I
hν
Xét hiệu suất lượng tử ngoài η
ext
.(như hình 3.8). Giá trị này phụ thuộc vào góc
mở chùm sáng phát xạ như sau :
∫
=
c
dT
ext
θ
θθπθ
π
η
0
1
)sin2)((
4
1

Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT

59
E
g
Tái hợp điện tử
và lỗ trống
hf
Dòng lỗ trống
Dòng điện tử
Năng
lượng
điện tử
Vùng dẫn sóng
Vùng tích
cực
Chỉ số
chiết
suất
Hình 3.7 Cấu trúc dị thể kép – hiệu suất phát xạ cao nhờ chênh lệch: a) độ rộng
vùng cấm và b) chênh lêch chiết suất
a)
b)
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực

Trong đó : θ
c
= arcsin
n
1
và n là chiết suất vật liệu,
T

f
là độ truyền lan qua Fresnel
Để đơn giản chọn θ = 0 lúc đó T
f
(0)=
( )
2
1
4
+n
n
⇒
2
)1(
1
+
=
nn
ext
η
Hiệu suất này nhỏ, do đó công suất quang đưa vào sợi rất nhỏ.
Ngoài ra đặc tuyến P/I còn phụ thuộc vào nhiệt độ : Nhiệt độ tăng thì công suất
giảm. Mô hình đặc tuyến được mô tả như hình 3.9 sau.
b, Đặc tính phổ
Phổ của LED liên quan tới phổ phát xạ tự phát và là phổ đặc. Nó là một vùng
liên tục các bước sóng rộng cỡ vài chục nm. Nó phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và
bước sóng phát xạ trung tâm. Ngoài ra phổ của LED cũng phụ thuộc vào tốc độ
R
sp
(ω)=A

p
(


ω - E
g
)
1/2
exp[-(
e
ω - E
g
)/k
B
T]. Công thức tính độ rộng phổ nửa giá trị
cực đại được xác định như sau :
Δf
≈
1,8
h
Tk
B
hay Δf
≈
Δλ.
2
λ
c
Tại nhiệt độ T=300
o

K, Δf =11THz với Δλ =50 – 60 nm cho λ=1300nm.
Hình 3.10 thể hiện phổ của hai loại LED
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
60
I
ngưỡng
P [mW]
Hình 3.9 Đặc tuyến P/I của LED
I [mA]
T
1
T
2

(T
2
>T
1
)
1
1/2
Bước sóng
phát xạ
trung tâm
λ [µm]
Hình 3.10 Độ rộng phổ của LED
SLED
ELED
P/P
0

P
0
là công
suất đỉnh
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
c, Đáp ứng điều chế
- Phương trình tốc độ của LED mô tả tốc độ thay đổi hạt tải theo thời gian và
dòng biến đổi thay đổi theo thời gian như sau :
c
N
qV
I
dt
dN
τ
−=
với V là thể tích vùng tích cực.
Từ phương trình ta thấy hạt tải bơm vào có thể bị mất đi theo giá trị
c
N
τ
.
- Dòng điều biến LED : I(t)= I
b
+ I
m
exp(iω
m
t)
Trong đó : ω

m
là tần số điều biến tín hiệu.
I
b
là dòng định thiên và I
m
là dòng điều biến.
Tại I=I
b
dòng bơm ban đầu ta có nồng độ hạt tải được xác định theo công thức :
qV
I
N
bc
b
τ
=
.
Ta lại có : N(t)= N
b
+N
m
exp(iω
m
t).
Do đó:
cm
mc
mm
i

qVI
N
τω
τ
ω
+
=
1
/
)(
.
Khi công suất điều chế P
m
phụ thuộc tuyến tính vào N
m
, hàm truyền đạt sẽ có
dạng :
cmm
mm
m
iN
N
H
τω
ω
ω
+
==
1
1

)0(
)(
)(
(3-5)
Độ rộng băng tần là tỷ số điều biến mà tại đó hàm truyền đạt giảm đi chỉ còn
nửa, do đó còn được gọi là băng tần điều chế 3dB. Thay vào 3-5 ta có :
c
dB
f
πτ
2
3
3
=
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
61
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
Đối với LED :
c
τ
cỡ khoảng vài ns (2÷5 ns) do đó f
3dB
≈ 50÷150MHz.
3.2.1.4 Ứng dụng của LED
Thường thì ánh sáng phát xạ của LED là ánh sáng không kết hợp và là ánh sáng
tự phát. Do đó công suất phát xạ của LED thấp, độ rộng phổ rộng và hiệu ứng
lưọng tử thấp. Nó thường chỉ được áp dụng cho các mạng có khoảng cách ngằn như
mạng LAN. Tuy nhiên do công suất đầu ra của nó ít phụ thuộc vào nhiệt độ và có
chế tạo đơn giản, độ ổn định cao, LED vẫn được sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống truyền tốc độ thấp.

3.2.2 Laser bán dẫn
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là một cấu
trúc quang học để tạo ra và khuếch đại ánh sáng đơn sắc có tính liên kết về pha.
Laser có nhiều loại như Laser thể rắn, Laser thể khí và Laser bán dẫn… Mỗi loại có
các đặc tính riêng của nó, tuy nhiên ưu thế hơn cả là Laser bán dẫn (thường sử dụng
trong hệ thống thông tin quang).
Vật liệu chế tạo Laser bán dẫn là các vật liệu bán dẫn có vùng cấm thẳng (đáy
vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị có cùng giá trị của vectơ sóng k trên giản đồ năng
lượng). Vì trong bán dẫn vùng cấm thẳng (trực tiếp), quá trình chuyển mức bức xạ
vectơ sóng được bảo toàn một cách tự động nên có xác suất lớn hơn nhiều so với
bán dẫn có vùng cấm nghiêng (gián tiếp), sự chuyển mức bức xạ có sự tham gia
của photon hoặc các tâm tán xạ để bảo toàn vectơ sóng và năng lượng.
3.2.2.1 Cấu trúc Laser bán dẫn
Laser bán dẫn đơn giản nhất và thường gặp là Laser Diode (LD). Nó sử dụng
lớp chuyển tiếp p –n được phân cực thuận để bơm điện tử và lỗ trống, làm phát sinh
ánh sáng. Cấu trúc LD được thiết kế để tạo ra một hốc quang để dẫn các photon
được tạo ra. Hốc quang cơ bản là một buồng cộng hưởng, trong đó photon được
phản xạ liên tiếp. Photon được phát xạ ra chỉ có một phần rất nhỏ dời khỏi buồng
cộng hưởng, do đó mật độ photon được tích tụ chủ yếu trong buồng cộng hưởng.
Đối với Laser bán dẫn, cấu trúc buồng cộng hưởng được sử dụng nhiều nhất là
buồng cộng hưởng kiểu Farby – Perot. Thành phần quan trọng nhất của hốc là hai
mặt gương phản xạ song song để đảm bảo các mode cộng hưởng được sinh ra trong
hốc. Các mode cộng hưởng phải có bước sóng thỏa mãn biểu thức :
L = k.
λ
/2 với k là một số nguyên.
L là chiều dài hộp cộng hưởng
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
62
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực

Bên trong bộ cộng hưởng là một môi trường tích cực, trong đó luôn có các quá
trình bức xạ đồng pha của tất cả các nguyên tử. Cấu trúc đơn giản nhất của môi
trường tích cực trong LD bao gồm ba lớp : Lớp tích cực mỏng nhất có độ dày cỡ
0,1 μm, nằm giữa hai lớp bán dẫn khác loại n và p. Hai lớp này có bề rộng vùng
cấm cao hơn lớp ở giữa. Chúng tạo thành chuyển tiếp dị thể p-n. Trong cấu trúc này
mode quang bị giam theo hướng vuông góc với bề mặt của lớp chuyển tiếp do các
lớp vỏ có chiết suất nhỏ hơn so với chiết suất vùng tích cực. Để đạt được một mode
chính ổn định với dòng ngưỡng nhỏ cần phải có sự giam quang dọc theo bề mặt của
lớp chuyển tiếp. Nếu không có sự giam các mode biên, Laser sẽ hoạt động như
Laser bán dẫn vùng mở rộng. Các Laser bán dẫn diện rộng này chịu sự suy hao rất
lớn nên ít được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang. Sự quay trở lại của
các hạt tải đòi hỏi dòng ngưỡng cao. Cường độ dòng ngưỡng khoảng 1kA trên một
cm
2
hốc, điều này khiến lợi ích của Laser bơm dòng bị hạn chế. Việc khắc phục sự
phát quang trên diện rộng có thể thực hiện bằng cách tạo ra các kết cấu có sự giam
quang các mode biên. Các loại kết cấu để giam quang gồm có :
- Laser có miền khuếch đại kiểu ống dẫn sóng
- Laser ống dẫn sóng dải chiết suất.
Ở Laser miền cộng hưởng dạng ống dẫn sóng có bề rộng của mode phát quang
theo bề mặt của lớp chuyển tiếp chủ yếu được xác định bởi bề rộng của vùng cộng
hưởng quang học (bề rộng của vùng được bơm), tiêu biểu nằm trong vùng 5 – 10
μm. Trong loại Laser cấu trúc dải chiết suất, vùng ở giữa hẹp có chiết suất tỉ đối
cao hơn so với trong mặt lớp chuyển tiếp giam mode phát Laser. Loại này được
chia thành hai loại, đó là loại ống dẫn sóng dải chiết suất yếu có vùng phân cực là
liên tục còn phần vỏ có chiết suất không đều đặn, có bề dày thay đổi được và loại
ống dẫn sóng dải chiết suất mạnh thường thấy cấu trúc dị thể vùi (BH) với độ
chênh lệch chiết suất cỡ 0,2 giữa vùng tích cực và vùng biên.
a, Laser có miền khuếch đại kiểu ống dẫn sóng
Đó là loại Laser bơm dòng mà có đặc tính được chế tạo sao cho hạn chế dòng

bơm vào một vùng nhỏ theo bề mặt lớp chuyển tiếp. Nhờ sử dụng dòng bơm qua
dải băng hẹp, Laser bán dẫn này có ưu điểm là giải quyết được vấn để giam giữ các
hạt tải trong miền tích cực… cấu trúc dòng đơn giản nhất là dạng cấu trúc dải oxit
(được nghiên cứu, chế tạo đầu tiên Dymen). Cấu trúc này được chỉ ra trên hình
3.11, nó gồm lớp p có cửa sổ được mở cho dòng phun vào. Phần còn lại của lớp p
này được phủ lớp cách điện SiO
2
. Do chuyển tiếp có tính chất phân cực thuận nên
dòng qua chuyển tiếp chỉ có thể qua cửa sổ. Trong hầu hết các Laser được thiết kế,
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
63
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
cửa sổ này rộng khoảng 5μm. Mật độ hạt tải (chủ yếu do quá trình khuếch tán)
phân bố không đồng đều ở hai bên. Độ khuếch đại đạt giá trị cực đại tại tâm cửa sổ.
Ngoài ra còn có : - Cấu trúc vạch chuyển tiếp mà ở đó có sự khuếch tán Zn biến
đổi một vùng nhỏ trên đỉnh lớp bán dẫn loại n thành loại p. Khi đặt điện áp thuận
vào lớp chuyển tiếp trên vùng còn lại sẽ tạo sự giam quang (hình 3.12a);
- Cấu trúc dải photon hay deuteron mà ở đây các proton hay deuteron được cấy
vào tạo thành một cùng có điện trở cao làm hạn chế dòng chảy tới một lớp mở
trong vùng được cấy (hình 3.12b).
b, Laser ống dẫn sóng dải chiết suất yếu
Cấu trúc Laser dải chiết suất yếu có khả năng giam giữ quang tốt hơn. Nó bao
gồm một ống dẫn sóng có chất liệu khác được ghép lên trên hoặc bên dưới lớp tích
cực. Điều này tạo sự thay đổi chiết suất hiệu dụng cỡ 1% giữa hai bên của thành
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
64
n
+
- InP (chất nền)
n – InP

InGaAsP
p – InP
SiO
2
p – InGaAsP
Hình 3.11 Laser bán dẫn miền tích cực
n – InP (Chất nền)
n – InP
InGaAsP
p – InP
n – InP (chất nền)
n – InP
InGaAsP
p – InP
Vùng pha iôn
p-InGaAsP
p-InGaAsP
Vùng có khuếch tán Zn
a) Cấu trúc chuyển tiếp b) Cấu trúc dải proton
Hình 3.12 Laser miền cộng hưởng dùng ống dẫn sóng
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
ống dẫn sóng. Các loại cấu trúc ống dẫn sóng chiết suất yếu phụ thuộc vào cấu trúc
của Laser, đó là loại ống dẫn sóng “rib”, “stripe”, ống dẫn sóng phẳng lồi, ống dẫn
sóng phẳng đế ghép kênh. Ta có hình 3.13 mô tả các cấu trúc Laser loại này.
c,Laser ống dẫn sóng dải chiết suất mạnh
Trong cấu trúc Laser dải chiết suất mạnh, vùng tích cực nằm trong những lớp
có vùng cấm lớn hơn. Vì lý do đó, các Laser này được gọi là Laser dị thể vùi. Bước
nhảy chiết suất bề mặt dọc theo mặt của lớp chuyển tiếp vào cỡ 0,2 trong các Laser
cấu trúc này. Các đặc trưng phát xạ Laser của các Laser dị thể vùi chủ yếu được
xác định bằng ống dẫn sóng chữ nhật giam mode ở bên trong vùng tích cực. Những

loại Laser này được chia thành hai nhóm : Nhóm các cấu trúc có lớp tích cực phẳng
và nhóm các cấu trúc có lớp tích cực không phẳng như hình 3.14 và 3.15.
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
n-InP
n-InP
p-InP
InGaAsP (lớp tích cực)
n-InP
p-InP
p-InP
InGaAsP n-InP
p- InGaAsP
Hình 3.13 Laser dị thể vùi với lớp tích cực thẳng
65
n – InP (đế)
n – InP
InGaAsP
p-InP
n – InP (đế)
n – InP
InGaAsP
p-InP
a) Laser dẫn sóng ridge b) Laser lớp epitaxi dị thể
c) Laser đế ghép kênh d)Laser rib đơn giản
p-InGaAsP
p-InP
n-InGaAsP
(ống dẫn sóng)
n-InP (đế )
p-InGaAsP

p-InP
InGaAsP
(lớp tích cực)
n-InP (đế)
Hình 3.14 Cấu trúc Laser chiết suất yếu
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của Laser bán dẫn
Laser bán dẫn bức xạ ra ánh sáng thông qua quá trình tái hợp cưỡng bức, và đó
chính là sự khác nhau cơ bản giữa qúa trình bức xạ tự phát của LED và bức xạ kích
thích của LD. Nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hiện tượng đảo mật độ.
Ban đầu ở điều kiện bình thường, khi không có điện áp đặt vào chuyển tiếp p-n,
Laser bán dẫn ở trạng thái bình thường cân bằng nhiệt, tức là không có hiện tượng
xảy ra. Khi chuyển tiếp p-n được phân cực thuận, các điện tử và lỗ trống được bơm
vào trong vùng tích cực của Laser. Các điện tử và lỗ trống tái hợp với nhau để phát
sinh ra các photon. Tuy nhiên vì số lượng các điện tử và lỗ trống lúc này còn ít (vì
dòng bơm chưa đủ lớn) không đủ để xảy ra hiện tượng đảo mật độ, nên quá trình
phát xạ ở đây là tự phát, LD hoạt động như một LED. Khi dòng bơm vào tiếp tục
tăng lên, nhiều hạt tải được đưa vào vùng tích cực, cung cấp cho buồng cộng hưởng
một số lượng photon đủ lớn và số photon này bị giữ lại trong buồng cộng hưởng,
chưa kịp phát xạ ra khỏi Laser. Chúng phản xạ qua lại hai thành của buồng cộng
hưởng (chính là hai gương phản xạ), va chạm với các nguyên tử bán dẫn làm tăng
mật độ hạt tải lên nhanh chóng và gây nên hiện tượng đảo mật độ. Quá trình phát
xạ kích thích xảy ra và chiếm ưu thế hơn quá trình phát xạ tự phát, tín hiệu Laser
tăng mạnh và có sự đồng nhất về pha. Ánh sáng này là ánh sáng kết hợp, có dạng
hình elip, có chiều hẹp khoảng 10
0
chiều rộng khoảng 30
0
. Do đó có độ mở nhỏ
nhưng tính định hướng cao.

Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
n-InP
n-InP
n-InP InGaAsP
n-InP
n-InP InGaAsP
InGaAsP (lớp tích cực)
n-InP
Hình 3.15 Cấu trúc Laser dị thể
n-InGaAsP
n-InP
p-InP
p-InP
p- InGaAsP
a) Laser dị thể vùi ghép kênh phẳng b) Laser dị thể strip
66