Tài liệu Kỹ thuật thông tin quang - Bài 4: Linh kiện biến đổi quang điện pptx

KYế THUAT THONG TIN QUANGKYế THUAT THONG TIN QUANG
Baứi 4:
LINH KIEN BIE

NẹO

I QUANG ẹIEN
LINH

KIEN

BIEN

ẹOI

QUANG

ẹIEN
1
NỘI DUNG
 Các khái niệm cơ bản:
− Mức năng lượng (Energy Level)
− Vùng năng lượng (Energy Band)
− Chất bán dẫn (Semiconductor)
− Nguyên lý biến đổi quang điện
 N
g
uồn quan
g
(Li
g

ht Source)
− LED (Light Emitting Diode)
− Laser
(
Li
g
ht Am
p
lification b
y
Stimulated Emittin
g
of Radiation
)
(g p y g )
− Các thông số kỹ thuật của nguồn quang
 Linh kiện tách sóng quang (Light Detector)
−
PIN
2
−
PIN
− APD (Avalanche Photodiode)
− Các thông số kỹ thuật của linh kiện thu quang
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
 Lý thuyết lượng tử của Borh:
− Một nguyên tử bao gồm hạt nhân (+) được bao quanh bởi các điện
tử (-)
− Các điện tử quay quanh hạt nhân theo một quỹ đạo ổn đònh và do
đó mang một mức năng lượng xác đònh

− Các điện tử chỉ thay đổi trạng thái năng lượng khi chuyển từ quỹ
đạo này sang một quỹ đạo khác
Ỉ toàn bo
ä
n
g
u
y
ên tử man
g
các mức năn
g
lươ
ï
n
g
rời ra
ï
c
ägy g g ïg ï
Ỉ năng lượng của nguyên tử được lượng tử hóa
3
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
 Mức năng lượng (Energy level):
Nê l E(V)
E
2
E
3
E

4
N
a
ê
n
g

l
ượn
g

E(
e
V)
E
Δ
E
E
E
Ground state
E
1
E
0
2
E
ner
gy

g

a
p

Δ
E
ij
=
E
j
-
E
i
− Các mức năng lượng trong của điện tử trong nguyên tử không liên tục
− Một điện tử chỉ có thể mang một trong các mức năng lượng rời rạc này
4
− Mức năng lượng thấp nhất E
0
được gọi là mức nền (ground state) Ỉ
trạng thái ổn đònh của nguyên tử
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
 Mức năng lượng (tt):
− Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng cao E
j
xuống mức năng lượng
j
thấp E
i
thì nó sẽ phát ra một năng lượng
Δ
E = E

ij
= E
j
–
E
i
− ΔE được phát ra dưới dạng nhiệt hoặc dưới dạng photon ánh sáng (sự
bức xạ ánh sáng (radiation) )
− Năng lượng của một photon được bức xạ:
E
photon
= ΔE = hf = hc/λ Ỉ λ = hc/ ΔE
Ỉ
Bươ
ù
cso
ù
ng a
ù
nh sa
ù
ng pha
ù
t xa phu thuộc va
ø
o khoa
û
ng ca
ù
ch giư

õ
aca
ù
c
Ỉ
Bươc

song

anh

sang

phat

xa
ï
phu
ï
thuộc

vao

khoang

cach

giưa

cac

mức năng lượng của vật liệu
5
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
 Mức năng lượng (tt):
− Khi nguyên tử nhận một năng lượng E từ bên ngoài cung cấp sẽ xảy
ra hai trường hợp:
+ Nếu E = E
ij
(i,j= 0,1,2 …), điện tử có trạng thái năng lượng E
i
sẽ hấp thụ
(absorption) năng lượng E và di chuyển lên mức năng lượng cao hơn E
j
á
á
+ Ne
á
u ΔE
≠
E
ij
(i,
j
= 0,1,2 …) khôn
g
xả
y
ra ha
áp

thụ
E(eV) E(eV)
E
i
E
j
(E
ij
= E
j
–E
i
)
E= E
ij
E
i
E
j
(E
ij
= E
j
–E
i
)
E ≠ E
ij
6
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 Quá trình biến đổi quang điện xảy ra dựa trên 3 hiện tượng sau:
Hấp thụ
(Absortion)
Phát xạ tự phát
(Spontaneous emission)
Phát xạ kích thích
(Spontaneous emission)
Biến đổi quang -điện
Biến đổi điện - quang
Biến đổi điện - quang
7
Linh kiện thu quan
g
(Photo detector)
LED
(Light Emitting Diode)
Laser
(Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation)
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
 nh sáng kết hợp (Coherent Light)
− nh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo ra có tính kết hợp,
nghóa các photon ánh sáng có:
+ Cùng tần số
+ Cùng pha
+ Cùn
g
cùn
g

p
hân cực
+ Cùng hướng truyền
Ỉ nh sáng do laser phát ra có tính kết hợp
− Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra tự nhiên do các điện tử luôn có
khuynh hướng chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái
ổn đònh có năng lượng thấp hơn
8
Ỉ nh sáng do LED phát ra không có tính có tính kết hợp
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
 Vùng năng lượng (Energy band):
− Trong chất bán dẫn (hay chất rắn nói chung), các mức năng lượng
rời rạc nhau nhưng rất gần nha
u
Ỉ các điện tử xem như nằm ở các vùng năng lượng (energy band)
− Tron
g
chất bán dẫn
,
có thể
p
hân bie
ä
t thành hai vùn
g
năn
g
lươ
ï
n

g
:
g,pä ggïg
+ Vùng hoá trò (Valence band): vùng năng lượng thấp, là vùng năng
lượng bền vững của điện tử.
+ Vùng dẫn (Connection band): vùng năng lượng cao
− Các điện tử có thể nằm ở một trong các vùng năng lượng này (vùng
dẫn hoặc vùng hoá trò) nhưng không thể nằm giữa các vùng năng
lượng Ỉ energy gap
9
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
 Vùng năng lượng (tt):
E
E
Vùng dẫn
(Conduction band)
Ener
gy

g
a
p
(Conduction

band)
Vùng hoá trò
(Valence band)
gy g p
10
(Valence

band)
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
 Chất bán dẫn (Semiconductor):
− Khi T= 0
o
K, tất cả các điện tử đều tập trung trong vùng hóa trò
(
trang tha
ù
ina
ê
ng lương o
å
n đònh), kho
â
ng co
ù
điện tư
û
na
è
m trong vu
ø
ng
(
tra
ï
ng

thai

nang

lươ
ï
ng

on

đònh),

khong

co

điện

tư

nam

trong

vung

dẫn Ỉ chất bán dẫn hoạt động ở trạng thái cách điện
− T>0
o
K, một số điện tử sẽ nhận năng lượng nhiệt và chuyển lên

vùng dẫn có mức năng lượng cao hơn Ỉ chất bán dẫn hoạt động
ã
ở trạng thái da
ã
n
− Khi điện tử (electron) chuyển lên vùng dẫn, nó được gọi là điện
tử tự do và để lại lỗ trống torng vùng hoá trò
Vøhùòløø êl åđòhûđiä û
Ỉ
ùđiä
−
V
u
ø
ng
h
oa
ù
tr
ò

l
a
ø
vu
ø
ng na
ê
ng
l

ượng o
å
n
đò
n
h
cu
û
a
đi
e
ä
n t
ử
Ỉ
ca
ù
c
đi
e
ä
n
tử luôn có khuynh hướng chuyển từ vùng dẫn xuống vùng hóa trò
− Thời gian điện tử ở vùng dẫn trước khi di chuyển xuống vùng
da
ã
n đươc goi la
ø
lifetime t
11

dan

đươ
ï
c

go
ï
i

la

lifetime

t
f
.
− t
f
phụ thuộc vào loại bán dẫn
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
 Chất bán dẫn (tt):
− Tại trạng thái cân bằng về nhiệt (T=const), số lượng điện tử di
chuye
å
ntư
ø
vu
ø
ng hoa

ù
trò le
â
nvu
ø
ng da
ã
nva
ø
ngươc lai tư
ø
vu
ø
ng da
ã
n
chuyen

tư

vung

hoa

trò

len

vung

dan

va
,
ngươ
ï
c

la
ï
i
,
tư

vung

dan

xuống vùng hoá trò là cân bằng nhau
− Muốn tạo ra ánh sáng (số lượng photon phát ra nhiều hơn số
photon bò ha
á
p thu) thì ca
à
n tao ra một trang tha
ù
igoila
ø“
nghòch
photon

bò

hap

thu
ï
)

thì

can

ta
ï
o

ra

một

tra
ï
ng

thai

go
ï
i

la

nghòch

đảo mật độ” (population conversion)
12
NGUO
À
NQUANG
NGUON

QUANG
(LIGHT SOURCE)
 Đònh nghóa:
Nguồn quang là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu
a
ù
nh sa
ù
ng co
ù
co
â
ng sua
á
tty
û
lệ vơ
ù

ido
ø
ng điện chay qua no
ù
anh

sang

co

cong

suat

ty

lệ

vơi

dong

điện

cha
ï
y

qua

no
.
 Có hai loại nguồn quang:
− LED (Light Emitting Diode)
− Laser ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
 Bước sóng do nguồn quang tạo ra chỉ phụ thuộc vào vật
liệu che
á
tao:
liệu

che

ta
ï
o:
()
g
hc
E
J
λ
=
1, 24
()
()
g
m
E
eV

λμ
=
13
NGUO
À
NQUANG
NGUON

QUANG
(LIGHT SOURCE)
 Trong TTQ, nguồn quang được chế tạo bằng vật liệu bán
dẫn, gồm các vật liệu nhóm III và V kết hợp với nhau.
Ỉ GaP, GaAsP, AlGaAs, GaAs, InP, InGaAsP
GaAs/InP
InGaAsP
GaAs
GaAsP
AlGaAs
GaAs/InP
GaAs
0,5 0,6 0,7 0,85 1,0 1,3 1,55 λ(μm)
14
In
1-x
Ga
x
As
1-y
P
y

: thay đổi các giá trò x,y phù hợp sẽ tạo ra ánh sáng
có bước sóng thích hợp
NGUO
À
NQUANG
NGUON

QUANG
(LIGHT SOURCE)
 Độ rộng phổ:
− Trong TTQ, ánh sáng do nguồn quang phát ra không phải tại một
bươ
ù
cso
ù
ng ma
ø
tai một khoa
û
ng bươ
ù
cso
ù
ng:
bươc

song

ma

ta
ï
i

một

khoang

bươc

song:
+ Các điện tử nằm trong một vùng năng lượng chứ không phải ở một
mức năng lượng
+ Các điện tử khi chuyển từ các các mức năng lượng E
j
trong vùng
dã á ù ê l E
øhùòõ h ù
d
a
ã
n xuo
á
n
g
mư
ù
c na
ê
n

g

l
ượn
g

E
i
tron
g
vu
ø
n
g

h
oa
ù
tr
ò
se
õ
tạo ra
ph
oton co
ù

bước sóng:
1, 24
()

()
ij
m
EeV
λμ
=
với E
i
j
= E
j
-E
i
+ Do có nhiều mức năng lượng khác nhau trong các vùng năng lượng
nên sẽ có nhiều bước sóng ánh sáng được tạo ra
()
ij
EeV
15
NGUO
À
NQUANG
NGUON

QUANG
(LIGHT SOURCE)
E
 Độ rộng phổ (tt):
Vùng dẫn
(Conduction band)

Công suất
chuẩn hoá
1
λ
1
λ
2
λ
3
λ
4
Δλ
1
0.5
Vùng hoá trò
(Valance band)
λ
p
λ(nm)
16
với E
ij
= E
j
-E
i
1, 24
()
()
ij

ij
m
E
eV
λμ
=
NGUO
À
NQUANG
NGUON

QUANG
(LIGHT SOURCE)
 Độ rộng phổ (tt):
− Phân bố mật độ điện tử trong vùng dẫn và vùng hoá trò không
đe
à
u nhau
Ỉ
co
â
ng sua
á
t pha
ù
tquangtaica
ù
cbư
ù
ơc so

ù
ng kha
ù
c nhau
đeu

nhau

Ỉ
cong

suat

phat

quang

ta
ï
i

cac

bươc

song

khac

nhau

không đều nhau
− Bứơc sóng có công suất lớn nhất được gọi là bứơc sóng trung
ta
â
mBươ
ù
cso
ù
ng na
ø
ythao
å
i theo nhiệt độ do pha
â
nbo
á
mật độ
tam
.
Bươc

song

nay

thay

đoi

theo

nhiệt

độ

do

phan

bo

mật

độ

điện tử trong các vùng năng lượng thay đổi theo nhiệt độ.
− Độ rộng phổ: khoảng bước sóng ánh sáng do nguồn quang phát
ra co
ù
co
â
ng sua
á
tba
è
ng 0 5 la
à
nco
â

ng sua
á
tđỉnh
ra

co

cong

suat

bang

0
.
5

lan

cong

suat

đỉnh
− Độ rộng phổ làm tăng tán sắc của sợi quang Ỉ hạn chế cự ly và
tốc độ bit truyền của tín hiệu
17
Ỉ Làm cách nào để giảm độ rộng phổ của nguồn quang?
LED
LED

(Light Emitting Diode)
 Nguyên lý hoạt động: dựa trên hiện tượng phát xạ tự phát
 Cấu tạo:
− Phát triển từ diode bán dẫn Ỉ tiếp giáp pn được phân cực thuận
− Trên thực tế, LED có cấu trúc phức tạp hơn, gồm nhiều lớp bán dẫn
để đáp ứng đồng thời các yêu cầu kỹ thuật của một nguồn quang
 Quá trình phát quang:
18
LED
LED
(Light Emitting Diode)
V
+
-
I
-
-
+
+
Vùng hiếm
(Depletion region)
Ph ùt tư h ùt
p
n
-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
photon
V>V
D
Ph
a
ùt
xạ
tư
ï p
h
a
ùt
-

+
-
V
D
E
Lỗ trống
+
Điện tư
û
-
E
g
= E
c
-E
v
E
ph
= hν
E
c
-
19
Điện

tư
E
v
+
LED

LED
(Light Emitting Diode)
 Phân loại:
− LED phát xạ mặt SLED (Surface
LED):
LED):
+ Ánh sáng phát ra ở phía mặt của
LED
+
Hiệu sua
á
t ghe
ù
pa
ù
nh sa
ù
ng va
ø
osơi
+
Hiệu

suat

ghep

anh

sang

vao

sơ
ï
i

quang thấp
+ LED tiếp xúc mặt GaAs, LED
Burrus …
Cấu trúc LED tiếp xúc mặt GaAs
20
Cấu trúc LED Burrus
LED
LED
(Light Emitting Diode)
− LED phát xạ cạnh ELED (Edge
LED):
+ Các điện cực tiếp xúc (bằng kim
û
loại)
p
hu
û
kín mặt trên và đá
y

+ nh sáng phát ra và được giữ trong
lớp tích cực (active layer)
+

Lơ
ù
ptíchcưcra
á
tmo
û
ng la
ø
mba
è
ng
+
Lơp

tích

cư
ï
c

rat

mong
,
lam

bang

vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa
hai lớp P và N có chiết suất nhỏ

hơn Ỉ ống dẫn sóng
+
A
Ù
nh sa
ù
ng pha
ù
tr
û
hai đa
à
uo
á
ng da
ã
n
+
Anh

sang

phat

ra

ơ

hai

đau

ong

dan

sóng này Ỉ phát xạ cạnh
+ Một đầu của ống dẫn sóng được nối
với sợi quang
Cấu trúc LED phát xạ cạnh (ELED)
21
+ Vùn
g

p
hát sán
g
hẹ
p
,
g
óc
p
hát sán
g

nhỏ Ỉ hiệu súât ghép ánh sáng
vào sợi quang lớn.
LASER
(Light Amplification by Stimulated Emission

(Light

Amplification

by

Stimulated

Emission

of Radiation)
 Nguyên lý hoạt động: dựa trên hai hiện tượng:
− Phát xạ kích thích Ỉ khuếch đại ánh sáng
û
àá
− Cộng hươ
û
ng Ỉ chọn lọc ta
à
n so
á
(bứơc sóng)
 Cấu tạo của laser Fabry-Perot:
− Cấu trúc nhiều lớ
p
bán dẫn
p
, n
pp
− nh 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 Ỉ ống dẫn sóng
− Ánh sáng phát ra ở phía cạnh Ỉ phát xạ cạnh (giống ELED)
− Ở hai đầu lớp lớp tích cực phủ hai lớp phản xạ tạo thành
hốc cộng hưởng
Fabry-Perot Ỉ
ánh sáng được tạo ra và phản xạ qua lại trong hốc công
hươ
û
ng na
ø
y
22
hương

nay
− nh sáng được đưa ra ngoài qua một phần được cắt nhẵn của một
mặt phản xạ
LASER
(Light Amplification by Stimulated Emission
(Light

Amplification

by

Stimulated

Emission

of Radiation)
23
LASER
(Light Amplification by Stimulated Emission
(Light

Amplification

by

Stimulated

Emission

of Radiation)
 nh sáng phát ra theo chiều dọc của hốc cộng hưởng sẽ bò
phản xạ qua lại giữa hai mặt phản xạ.
åà á
 Tron
g
quá trình di chu
y
e
å
n theo chie
à
u dọc của ho
á
c cộn
g

hưởng sẽ xảy ra đồng thời 3 hiện tượng:
− Hấp thụ Ỉ n
absor
p
tion
photon bò hấp thụ
p
− Phát xạ tự phát Ỉ n
spontaneous
photon được tạo ra
− Phát xạ kích thích Ỉ n
stimulated
photon được tạo ra

Đie
à
u kiện đe
å
a
ù
nh sa
ù
ng đươc khuye
á
ch đai trong qua
ù
trong

Đieu

kiện

đe

anh

sang

đươ
ï
c

khuyech

đa
ï
i

trong

qua

trong

phản xạ qua lại giữa hai hốc cộng hưởng là:
n
spontaneous
+ n
stimulated

> n
aborption
24
Ỉ
Xác suất để xả
y
ra phát xạ photon phải lớn hơn so với
việc photon bò hấp thu
LASER
(Light Amplification by Stimulated Emission
(Light

Amplification

by

Stimulated

Emission

of Radiation)
 Điều này có nghóa là số electron nằm ở vùng dẫn n
2
(có
năng lượng cao E
2
) phải nhiều hơn số photon nằm ở vùng
hóa trò n
1
(có năn

g
lượn
g
thấp E
1
)
Ỉ
trạng thái nghòch đảo nồng độ
(
population inversion
)
Ơ
Û
tthùibìhthø

Ơ

t
rạn
g

th
a
ùi

bì
n
h

th

ươ
ø
n
g
: n
1
>n
2
Ỉ để có thể đạt được điều kiện này cần phải cung cấp năng lượng từ
bên ngoài đủ lớn
 Đối với laser bán dẫn, n
g
uồn năn
g
lượn
g
bên n
g
oài nà
y

được cung cấp dưới dạng dòng điện
Ỉ
Do
ø
ng điện to
á
ithie
å
e

å
co
ù
the
å
xa
û
yraqua
ù
trình khue
á
ch đai a
ù
nh sa
ù
ng
25
Ỉ
Dong

điện

toi

thieu

đe

co

the

xay

ra

qua

trình

khuech

đa
ï
i

anh

sang

được gọi là
dòng ngưỡng