Diode phát quang

quang
quang
®
®
i
i
Ö
Ö
n
n
t
t
ö
ö
v
v
μ
μ
th
th
«
«
ng
ng
tin
tin
quang
quang
s
s
î

î
i
i
VLKT 2007
1.2 Linh kiện dẫn sóng quang, sự lan truyền của ánh
sáng trong linh kiện dẫn sóng quang
1.2.1 Hệ sợi quang - Mạch quang tích hợp và nhng đặc điểm
ắ Cuối thập kỷ 60, khái niệm quang học tích hợp (integrated
optics) xuất hiện
ắ Quang học tích hợp là phơngpháptruyềnvàxửlítínhiệu
bằng tia sáng
ắ Một số u điểm và nhợc điểm của phơng pháp truyền dẫn
bằng sợi quang so với các phơng pháp truyền dẫn truyền thống:
u điểm:
-Tránhđợc sự giao thoa của sóng điện từ.
-Tránhđợc sự chập mạch điện hay bị nối đất.
- An toàn trong truyền tin, tránh đợc nghe trộm
- Tổn hao nhỏ (có thể đạt 0,2dB/ km).
- Dải thông rộng, khả năng phức hợp cao.
-Kíchthớc nhỏ, trọng lợng nhẹ.
- Vật liệu rẻ, dồi dào
Nhợc điểm: Không chuyển tải đợc năng lợng điện.
1

2

1

2

Sơ đồ hệ sợi quang,
mạch quang tích hợp
Du điểm của mạch quang tích hợp:
- Tăng độ rộng dải thông.
- Mở rộng sự phức hợp phân tần (frequency division
multiplexing).
- Khớp nối ít tổn hao.
- Mở rộng chuyển mạch đa cực.
-Kíchthớc nhỏ, trọng lợng nhẹ, công suất tiêu thụ ít.
- Tiết kiệm trong sản xuất.
- Độ lăp lại cao.
D Nhợc điểm: Cần đầu t đổi mới công nghệ cao tốn kém.
1.2.2 Phơng thức truyền sóng (mode) trong linh kiện dẫn
sóng bn phẳng (lý thuyết quang sóng)
-Mode quang học là cách thức phân bố theo không gian của năng
lợng quang trong một hay nhiều chiều toạ độ.
-Về toán học mode là điện trờng tho mãn phơng trỡnh sóng
Maxwell với nhng điều kiện biên nhất định
Mô hỡnh linh kiện dẫn sóng
bn phẳng
-Linh kiện dẫn sóng bản phẳng là
linh kiện dẫn sóng gmbalớpcóba
vùng chiết suất khác nhau:
+Lớp một và ba là nửa vô
hạn theo trục x,
+Lớp hai có bề dày giới hạn
theo trục x là d
g
,
+Ba lớp đều vô hạn theo hai

trục y và z.
Ph−¬ng trình sãng Maxwell
()
() ( )
()
22
22
22
nr r,t
r, t ; n r
ct
∂
∇= =με
∂
ε
ε
G
G
GG
G
G
Tr−êng hîp sãng ®¬n s¾c
() ()
it
r, t r e
ω
=εε
GG
GG
() () ()

222
rknr r0∇+⋅ ⋅=εε
GGG
GG
Giả sösãnglantruyÒntheotrôcz
()
(
)
(
)
(
)
rx,y,zx,yexpiz== −βεε ε
G
GG G
Trong ®ã
β
lµ hÖ sè lan truyÒn
() ()
() ( )
22
22 2
22
x, y x, y
kn r x, y 0
xy
∂∂
⎡⎤
+
+−β =

⎢⎥
⎣⎦
∂∂
εε
ε
G
GG
G
1
2
3
4
5
Linh kiện dẫn sóng đợc gi thiết vô hạn theo y
()
()
2
22 2
1
2
x, y
kn x, y 0
x


+ =

()
()
2
22 2
2
2
x, y
kn x,
y
0
x


+ =





()
()
2
22 2
2
2
x, y
kn x, y 0
x

+ =





vùng 1
vùng 2
vùng 3
Trờng hợp sóng điện ngang (TE) là sóng phẳng truyền theo trục
z: và bằng không, nghĩa là
sóng phân cực theo trục y.
không phụ thuộc vào y và z, vỡ theo các trục đó các lớp vật
liệu là vô hạn nên không có sự phn xạ, không tạo thành sóng
đứng
x

z

(
)
(
)
y
x,
y
x,
y
=

G
y

6
7
8
Trongbavùngtrêntacólờigii
()
()
() ()
()
yg
gg
A exp qx 0 x
xBcoshxCsinhx dx0
Dexp p x d x d




=+



+

Các hằng số A, B, C và D có thể đợc xác định từ các điều kiện
liên tục của và của tại x = 0 và x = -d
g
,
y
x



y

()
()
()( ) ()
()
()
() ( )
'
'
y
'
ggg
c exp qx
xccoshxq/hsinhx
c cos hd q / h sin hd exp p x d

=






++




ể xác định q, h và p chúng ta thay vào phơng
trỡnh sóng
y

9
10
(
)
2/1
22
1
2
knq =

(
)
2/1

22
2
2

= nkh
(
)
1/2
222
3
pnk=
Dùng điều kiện liên tục của tại x = -dg
y
x



()
(
)()
(
)
(
)
sin cos / sin
gg g g
hhdqcoshdphdqhhd


= +

()
()
2
/1 hqph
pq
hdtg
g

+
=
Phơng trỡnh siêu việt này gii bằng phơngphápđồthị(vẽ
hai vế theo

). Kết qa cho ta một tập hợp các giá trị gián
đoạn cho phép của

ứng với các mode cho phép, kí hiệu là
m

11
12
13
14
ắĐối với trờng hợp n
2
> n
3
> n

1
ta có thể nhận đợc các mode có dạng nh
ở hình bên.
Một linh kiện dẫn sóng làm từ vật liệu có chiết suất n
2
trên đế có chiết suất n
3
và bao quanh là không khí có chiết suất n
1
.

y
(x)
y
(x)
y
(x)
y
(x)
y
(x)
Sự phụ thuộc vào x trong các
mode khác nhau
ắ Điều kiện cần thiết của linh kiện dẫn sóng là n2 > n1 và n3.
- Mode (a) không có ý nghĩa vật lí, vì tăng
không giới hạn khi
- Mode (b) và (c) là sóng đợc dẫn truyền
(guided mode) . Sóng ngang điện trờng bậc
không và bậc một: TE
0

và TE
1
.
- Mode (d) giảm theo exp khi ra ngoài nhng
tồn tại theo hàm sin trong đế và gọi là mode
bức xạ đế (substrate radiation mode). Nó
không có lợi trong việc truyền tín hiệu, nhng
có thể rất có lợi trong việc dùng để ghép nối, ví
dụ trong khớp hình nêm (tapered coupler).
- Mode (e) là mode không truyền đợc trong
linh kiện dẫn sóng
+

x
ắChỉ có nhng giá trị

nằm trong khong kn
3
<

< kn
2
mới ứng với các mode có thể
dẫntruyềnđợc trong linh kiện dẫn sóng
- S
ố
mode cho phép phụ thuộc vào bề dày của linh kiện dẫn sóng
và các đại lợng

, n

1
, n
2
và n
3
.
-Khichotrớc bớc sóng ánh sáng , chiết suất của các lớp vật
liệu trong linh kiện dẫn sóng phi đợc chọn nh thế nào để có thể
truyền dẫn một mode cho trớc
- Linh kiện bất đối xứng với n
1
<< n
3
thì điều kiện đối với chiết
suất sẽ là:
(
)
(
)
2
2
2
0
2
32
32/12
g
dnmnnn

+=

()
()
0
1/ 2
22
23
1
1
2
g
m
d
nn
+
=

15
16
n: chờnh chitsut
()
y
x

- Trng hp cu trỳc
i xng: n
2
> n
1
= n
3

()
0
1/ 2
22
23
1
2
g
m
d
nn

=

1.2.3 Phơng thức truyền sóng trong linh kiện dẫn sóng
quang theo mô hình quang học-tia (ray optic).
ắ Trong phơng pháp quang học-tia sự lan truyền ánh sáng theo
trục z đợc xem nh tạo nên bởi sự lan truyền của các sóng
phẳng theo đờng zig-zag trong mặt phẳng x-y do sự phnxạ
toàn phần từ các mặt phân cách tạo nên linh kiện dẫn sóng.
ắ Các sóng phẳng bao gồm nhng mode chuyển động với cùng
một vận tốc pha. Tuy nhiên do góc phn xạ tạo bởi các đờng
zig-zag l khác nhau đối với từng mode, cho nên thành phần z của
vận tốc pha của chúng khác nhau
ắ Sơ đồ tia ứng với hai mode TE
0
và TE
1
lan truyền trong linh
kiện dẫn sóng ba lớp với n

2
> n
3
> n
1
.
1

0

a- Sự liªn quan giữahaiph−¬ng ph¸p quang lý và quang hình
(
)
(
)
y
x, y sin hx
≈
+γε
Thay vµo ph−¬ng trình 7
()
()
2
22 2
y
y
2
x, y
kn x,
y

0
x
∂
⎛⎞
+−β =
⎜⎟
⎝⎠
∂
ε
ε
2
2
222
nkh =+
β
β
, h vµ kn
2
®Òu lµ c¸c hÖ sè lan truyÒn
Mét mode víi hÖ sè lan truyÒn theo trôc z lµ vµ hÖ sè lan
truyÒn theo trôc x lµ h, cã thÓ biÓu diÔn b»ng mét sãng ph¼ng
lantruyÒntheoph−¬ng lµm thµnh víi trôc z gãc
cã hÖ sè lan truyÒn kn
2
m
β
()
mm
h
β

θ
/arctan=
m
θ
m
ϕ
β
m
17
18
Lêigi¶iph−¬ng tr×nh sãng cã d¹ng
()
(
)
(
)
2222
sin sin 0hhx kn hx−+γ+−β+γ=
ắXét tia sáng lan truyền trong một linh kiện dẫn sóng ba lớp
bằng mô hỡnh quang học-tia
3

1

1

2

2

2

2

3

3

Tia ở hỡnh a ứng với mode bức xạ (mode a), ở hỡnh b là mode đế
(substrate mode), ở hỡnh c là mode đợc dẫn truyền (guided mode)
1
2
21
sin/sin
n
n
=

2
3
32
sin/sin
n
n
=

19
20
ắNếu từ giá trị
3

rất nhỏ (gần bằng không) và tăng dần ,
chúng ta sẽ thấy sự diễn biến sau:
-Khi
3
nhỏ tia sáng sẽ đi xuyên qua cả hai mặt phân cách, chỉ
xảy ra hiện tợng khúc xạ ở mặt phân cách đó. Trờng hợp đó
ứng với mode bức xạ (radiation mode), hình a.
-Khi
3
tng lên đạt đến giỏ tr góc tới hạn của hiện tợng phn
xạ toàn phần bên trong ở mặt phân cách n
2
- n
1
thỡ tiasángđãbị
nhốt lại một phần, ứng với mode đế, hỡnh b
Điều kiện phản xạ toàn phần là:
(
)
212
/arcsin nn

()
313
1
3
3
2
2
1

/arcsin
sin
sin
sin
sin
nnhay
n
n
=





- Khi
3
tiếp tục tng lên để cho đạt đến góc tới hạn của hiện tợng
phn xạ toàn phần bên trong ở mặt phân cách n
2
- n
3
thỡ tia sáng bị
nhốt lại hoàn toàn, ứng với mode truyền dẫn hỡnh c
()

>
2
3
2232
sin;/arcsin
n
n
nn

21
22
23
Từ lý thuyết quang lý:
22
/sin kn


=
2/1212
/sin nnknkn
=


-Nếu

lớn hơn kn
1
và nhỏ hơn kn

3
thì có thể duy trì mode đế.
- Chỉ khi mới có thể duy trỡ mode truyền dẫn
3
kn

-Nếu

kn
2
1/sin
22

=
kn


Trờng hợp ny không có ý nghĩa vật lí.
Nh vậy những kết quả nghiên cứu bằng quang hình và quang lí
là phù hợp với nhau.
24
25
iều kiện này phù hợp với (21).
(
)
232322
///sin nnknknkn
=
=

iều kiện này phù hợp với (23).
26
27
- Mode bức xạ xuất hiện khi

kn
1
b. Bnchấtgiánđoạn củahệsốlantruyn

.
êiều kiện t hp
-Sóng truyền trong linh kiện dẫn sóng sẽ lặp lại chính nó sau hai
lần phn xạ liên tiếp trên mặt phân biên n
1
ữn
2
và n
3
ữ n
2
.
- ộ dịch pha của sóng tới khi truyền từ A đến B phi bằng hoặc
khác biệt cỡ số nguyên lần 2 độ dịch pha của sóng phn xạ và
truyền từ A đến C rồi phn xạ một lần na.
Do
nên độ dịch pha tổng cộng có dạng:
với m = 1, 2, 3,
28
29a

23
và

21
là góc dịch pha khi phnxạ
toàn phần
2sinAC AB d

=
22123
0
2
2sin 2
m
nd m




=
Hay
29b
22123
22
m
kn dcos m


=

0
2
k


=
Với
()
()
22
2/1
2
32
22
223
cos/sin

nnntg =
()
()
22
2/1
2
12
22
221
cos/sin

nnntg =
-Trờng hợp sóng TE

30
31
- ối với m cho trớc có thể tính đợc

m
(hay

m
) nếu biết n
1
, n
2
,
n
3
và d
g
.
Nh vậy ta đợc một số giới hạn các giá trị

m
gián đoạn ứng với
các mode đợc phép khác nhau.
ối với mỗi mode đợc phép, ta có giá trị

m
tơng ứng
mmm
knkn

cossin
22
=
=
-Vận tốc lan truyền của ánh sáng theo phơng của linh kiện
dẫn sóng:
11
2
2
22 2
sin
mm
mm
kn
cc ck
v
nn n





===


Chiết suất hiệu dụng của linh kiện dẫn sóng :
()
m

mmeff
n
nkvcn


sin
//
2
2
2
1
===

32
33
34
ê iềukiệnmặtbiên
ểđợc dẫn truyền theo phơng vuông góc với mặt biên (phơng x
trong ví dụ), phicósự phn xạ toàn phần và tạo thành sóng đứng.
iện trờng của sóng ánh sáng trên các mặt biên phi bằng không,
do sự cộng hởng sóng tới và sóng phnxạ.
Hệ số truyền sóng hớng biên:
là bớcsóngcủasónghớng biên
iều kiện tạo sóng đứng theo phơng hớng biên
mm
knknh


sincos
22

=
=



;
2
2
=kn
là bớc sóng ánh sáng lan truyền theo đờng zig-zag
35
36
37
38
2
,h



=

2
22
m
dm
h



==

22
sin
m
h


==






md
m
d
m
m
== sin2
sin
2
2
2
Tính đến độ lệch pha do hiện tợng phnxạ
22321
0
2
2sin 2
m
nd m

=
trong đó: m = 0, 1, 2,
d
m

m

3
2
d


=
d


=
2
d


=
Sự phân bố cờng độ
điện trờng theo
phơng hớng biên
ểtỡm, tagii phơng trỡnh điều kiện

mặt biên bằng phơngphápvẽđồthị
ối với mode m = 0 (mode cơ bn)
m

22321
0
2
2sinnd




=
+
()
22321
0
2
2cosfnd




==+
c

s

2

0
2
0
2 nd


()
f

23 21
2


=
+
23 21


+

là góc tới hạn phản xạ toàn phần (1-2).
là góc tới hạn phản xạ toàn phần (2-3
).
c

s

39
40
41

42
1.2.4 Cấu trúc linh kiện dẫn sóng trong mạch quang tích hợp.
1. Linh kiện dẫn sóng dạng kênh.
Linh kiện dẫn sóng dạng kênh có kênh dẫn
sóng tiết diện ngang hỡnh ch nhật, chiết
suất n
2
, đợc bao quanh bởi một vật liệu có
chiết suất n
1
nhỏ hơn n
2
.
2. Linh kiện dẫn sóng dạng có di phủ (strip-
loaded waveguide).
-Linh kiện dẫn sóng này tạo thành bằng
cách phủ một di vật liệu có chiết suất n
3
nhỏ hơn lên phía trên một lớp dẫn sóng
phẳng với chiết suất n
2
, nằm trên đế có
chiết suất n
1
nhỏ hơn n
2
-Do điện áp đặt vào di phủ, chiết suất của
lớp nằm phía dới di phủ sẽ khác với hai
phần bên cạnh tạo nên một kênh dẫn sóng
Sơ đồ linh kiện dẫn sóng

dạng hai di phủ kim loại
Sơ đồ linh kiện dẫn sóng
dạng di phủ
Sơ đồ linh kiện dẫn sóng
dạng kênh
Để tạo các linh kiện dẫn sóng quang, trong công nghệ vi điện tử
đã dùng rất nhiều giải pháp công nghệ khác nhau:
-Phơng pháp phủ màng mỏng dẫn quang (thuỷ tinh, nitrit,
oxit).
- Bắn phá bằng ion (cấy ion) khuếch tán tạp chất để tạo lớp dẫn
quang.
- Phát triển lớp epitaxy dị chất dẫn quang.
- Tạo lớp kém dẫn (làm giảm nồng độ hạt dẫn bằng các hiệu
ứng tiếp xúc), bằng epitaxy, khuếch tán tạp, cấy ion.
1.3 Sợi quang.
1.3.1 Tính chất, phân loại và công
nghệ chế tạo.
1. Tính chất cần thiết của sợi quang.
- Sợi quang phải có độ tổn hao thấp. độ tổn hao chủ yếu bao
gồm hai quá trình: hấp th bức xạ và tán xạ bức xạ. Nh vậy
để giảm tổn hao phải lựa chọn vật liệu và bớc sóng laser
tơng ứng sao cho hệ số hấp thụ thấp nhất, phải nâng cao
chất lợng vật liệu và giảm thiểu sự tán xạ của bức xạ.
- Sợi quang phải có tính chất cơ học thích hợp, phải có độ bền,
độ chịu mỏi do rung động cao.
- Sợi quang phải có tính lão hoá thấp, có thể sử dụng ổn định
trong nhiều chục năm.