Bài giảng kỹ thuật thông tin quang chương 3 bộ phát quang

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀ
I
GIẢ
NG
BÀ
I

GIẢ
NG
KỸ
THU
Ậ
T THÔNG TIN QUANG
KỸ

THU
Ậ
T

THÔNG

TIN

QUANG
Fundamental of Optical Fiber Communications
Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp
B
ộ
môn: Thôn
g

Tin
Q
uan
g
–Khoa Vi
ễ
n thôn
g
2
ộ
gQg
g
Email: ,
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
CHƯƠNG 3
B
Ộ PHÁT QUANG
B
Ộ

PHÁT

QUANG
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 2
NỘI DUNG CHƯƠNG 3
•
Nguyên lý chung về biến đổi quang điện

Nguyên

lý

chung

về

biến

đổi

quang

điện
• LED
•
Laser diode (LD)
•
Laser

diode

(LD)
• Các đặc tính kỹ thuật của nguồn quang
á ồ á ẫ
• C
á
c n
g

u
ồ
n laser b
á
n d
ẫ
n đơn mode
• Bộ phát quang
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 3
Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Mứcnăng lượng (Energy Level):
 Tính chấthạtcủa ánh sáng:
• E
ph
= h
f
h: hằng s
ố
Plank (h= 6,625x10
-34
J.s)
f : tầnsố của photon ánh sáng
• E
ánh
sáng
= N
ph

x E
ph
N
ph
: s
ố
p
hoton
ánh
sáng
ph
ph
ph
p
 Tính lượng tử của vật chất:
• Hat nhân: điệntíchdương
• Các điệntử: điệntíchâm
–
Q
ua
y
q
uanh h
ạ
t nhân theo các
q
u
ỹ
Qy
q

ạ
q ỹ
đạo ổn định
– Mang mộtmứcnăng lượng nhất định
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 4
Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Mứcnăng lượng (Energy Level):
 Biểu đồ mứcnăng lượng (energy level diagram):
E
3
E
4
Năng lượng E(eV)

Trạng thái nền (ground state)
E
1
E
0
E
2
Dải cấm năng luợng (energy gap)
ΔE
ij
=E
j
- E

i

• Biểudiễntrạng thái năng lượng của điệntử trong mộtnguyêntử
• Các mứcnăng lượng này không liên tục Æ rờirạc nhau
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 5
Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Mứcnăng lượng (Energy Level):
 Hàm phân bố Boltzmann:

Năn
g
lư
ợ
n
g
E
Δ
E
:
độ
chênh
lệch
năng
lượng
giữa
E
và

E
;
ex
p(
-
Δ
E
i
/k
B
T
)
E
i
]/[
0
TkE
i
Bi
eNN
Δ−
×=
Δ
E
i
:

độ
chênh
lệch

năng
lượng
giữa
E
i
và
E
0
;
k
B
: hằng số Boltzmann (1,38.10
-23
(J/
o
K))
T: nhiệt
độ tuyệt đối(
o
K).
Mật độ điện tử
E
0
N
i
N
0
• Phân b
ố
mật độ điệntửở các trạng thái năng lượng khác nhau

• Khi “cân bằng về nhiệt”
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 6
Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Mứcnăng lượng (Energy Level):
 Nhậnxét:
• N
i
> N
j
(vớii<j) Æ mật độ điệntửở trạng thái nềnlàlớnnhất.
• T = 0
o
K: tòan bộđiệntửở trạng thái nền
•
T
> 0
o
K: đi
ệ
ntử hấ
p
th
ụ
năn
g
lư
ợ

n
g
nhi
ệ
t Æ tha
y
đổitr
ạ
n
g
thái
ệ
p
ụ
g
ợ g
ệ
y
ạ g
năng lượng Æ chuyểntừ E
0
lên các mứcnăng lượng cao hơn
• Sốđiệntửở các mứcnăng lượng kích thích tăng lên khi T
o
tăng
•
Trạng
thái
nền
là

trạng
thái
năng
lượng
bền
vững
của
điện
tử
Trạng
thái
nền
là
trạng
thái
năng
lượng
bền
vững
của
điện
tử
– Xu hướng chuyểnvề các trạng thái năng lượng thấp
– Thờigiansống (lifetime) của điệntử
•
Khi
điện
tử
chuyển
từ

E
Æ
E
(
với
i
<j):
giải
phóng
một
phần
năng
•
Khi
điện
tử
chuyển
từ
E
j
Æ
E
i
(
với
i
<j):

giải
phóng

một
phần
năng
lượng bằng đúng độ chênh lệch giữahaimứcnăng lượng
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 7
Ngun Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Ngun lý biến đổi quang điện:
Hấp thụ
(Absortion)
Phát xạ tự phát
(Spontaneous emission)
Phát xạ kích thích
(Stimulated emission)
Biến đổi quang -điện
Biến đổi điện - quang
Biến đổi điện - quang
Linh kiện thu quang
(Photo detector)
LED
(Light Emitting Diode)
Laser
(Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2
Trang 8

Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Nguyên lý biến đổi quang điện:
a. Hiện tượng hấp thụ và phát xạ tự phát b. Hiện tượng phát xạ kích thích
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 9
Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Ánh sáng kết hợp (Coherent Light)
 Các photon do hiện tượng phát xạ kích thích phát ra có:
• Cùng pha
• Cùng tần số
• Cùn
g

p
hân c
ự
c
gp ự
• Cùng hướng truyền
Æ Ánh sáng laser có tính kết hợp (coherent)
 Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo
ra mộtcáchngẫu nhiên theo thời gian và không gian
ra

một

cách

ngẫu

nhiên

theo

thời

gian

và

không

gian
Æ Ánh sáng LED không có tính kết hợp
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 10
Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Nguồn quang bán dẫn(Semiconductor Light Source)
 Nguồn quang: là linh kiệnbiến đổitínhiệu điện thành tín
hiệ
áh
á
ó
ô
ấ
ỷ

lệ
ới
dò
điệ
h
hiệ
u
á
n
h
s
á
ng c
ó
c
ô
ng su
ấ
tt
ỷ
lệ
v
ới
dò
ng
điệ
nc
h
ạyqua
nó.


Có
hai
loại
nguồn
quang
được
sử
dụng
trong
thông
tin
Có
hai
loại
nguồn
quang
được
sử
dụng
trong
thông
tin

quang:
• Diode phát quang LED (Light Emitting Diode)
L (Li ht A lifi ti b Sti l t d E i i f R di ti )
•
L
aser

(Li
g
ht

A
mp
lifi
ca
ti
on
b
y
Sti
mu
l
a
t
e
d

E
m
i
ss
i
on o
f

R
a

di
a
ti
on
)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 11
Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Nguồn quang bán dẫn(Semiconductor Light Source)
 Đượcsử dụng trong thông tin quang vì có thểđáp ứng
đ
á
ê
ầ
đ
ượcc
á
cy
ê
uc
ầ
u:
• Kích thuớcnhỏ tương ứng vớisợi quang
•
T
hu nh
ậ
ntínhi

ệ
u đi
ệ
nn
g
õvàom
ộ
t cách chính xác
ậ
ệ
ệ
g
ộ
• Bướcsóngphùhợpvới vùng bướcsónghoạt động củasợi quang
• Điềuchế tín hiệumộtcáchđơngiảntrêndảitầnrộng trảidàitừ
tần
số
âm
thanh
tới
dải
tần
gigahezt
tần
số
âm
thanh

tới
dải

tần
gigahezt
.
• Hiệusuất ghép quang cao
• Độ rộng phổ hẹp
D
tì
ứ
ô
ất
õ
ổ
đị h
•
D
uy
t
r
ì
m
ứ
cc
ô
ng su
ất
ng
õ
ra
ổ
n

đị
n
h
• Giá thành thấpvàcóđộ tin cậycao
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 12
Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source)
 Chấtbándẫn đượcsử dụng cầnphảicó
• Dảicấmnăng lượng trựctiếp
• Độ rộng củadảicấmnăng lượng phù hợp để tạo ra ánh sáng có
bướcsóngnằm trong vùng bướcsónghoạt động củaTTQ
Æ Vậtliệu nhóm IV (Si, Ge,…) không thỏa điềukiện
 Bướcsóngcủa ánh sáng do nguồn quang phát ra chỉ phụ
thuộc
vào
vật
liệu
chế
tạo
nguồn
quang
thuộc
vào
vật
liệu
chế
tạo

nguồn
quang
.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 13
Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source)
(a) Dảicấmnăng lượng trựctiếp(b)Dảicấmnăng lượng gián tiếp
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 14
(a)
.
Dải

cấm

năng

lượng

trực

tiếp

(b)
.

Dải

cấm

năng

lượng

gián

tiếp
Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Nguồn quang bán dẫn(Semiconductor Light Source)
 Kếthợpvậtliệu nhóm III (Ga, Al, …) và nhóm V (As, P,
I)
I
n, …
)

InGaAsP
AlGaAs
GaAs/InP
GaAs
GaAsP
0,5 0,6 0,7 0,85 1,0 1,3 1,55
λ
(
μ
m
)

Bước sóng ánh sáng phát xạ của một số loại bán dẫn
nhóm III kếthợpvới nhóm V
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 15
nhóm

III

kết

hợp

với

nhóm

V

Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Vùng năng lượng (Energy Band):
E
Vuøng daãn
(Conduction band)
Vuøn
g
hoaù tr
ò
Dải cấm năng lượng

(Energy band gap)

Trong
chất
bán
dẫn
:
gò
(Valence band)


Trong
chất
bán
dẫn
:
• Các mứcnăng lượng rấtgần nhau Æ vùng năng lượng
• Hai vùng năng lượng tách biệt nhau: vùng hóa trị (valence band)
à
ù
dẫ
(dibd)
v
à
v
ù
ng
dẫ
n
(

con
d
uct
i
on
b
an
d)
.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 16
LED
Cutovnguyờnlýhot ng:
Hot ng datrờntipgiỏppnphõnccthunvhin
hỏ
hỏ
tng p
hỏ
tx t p
hỏ
t
V
+
-
I
-
-
-

+
+
+
Vuứng hieỏm
(Depletion region)
V>V
Phaựt xa
ù
tử
ù

p
haựt
p
n
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+

+
+
+
+
+
-
V
+
-
photon
V>V
D
ùùp
-
+

V
D
E
Loó troỏn
g
+
ẹ
ie
ọ
n t
ử
ỷ-
E
ph

= h

E
v
E
c
-
+
E
g
= E
c
- E
v
www.ptit.edu.vn
GING VIấN: VN VIT EM - PHM QUC HP
B MễN: THễNG TIN QUANG KHOA VIN THễNG 2
Trang 17
+

LED
• ĐặctínhP-I của LED:
 Mốiquanhệ giữacôngsuất phát quang và dòng điện:
• Công suất quang:
P = E/t = N
ph
.E
ph
/t= (N
e

.η
int
.E
ph
)/t
• Hi
ệ
usuấtlư
ợ
n
g
tử n
ộ
i:
P(mW)
ệ
ợ g
ộ
η
int
= N
ph
/ N
e
• Dòng điện:
I=
N
e
/t
P(mW)

10
I

=

N
e
.
e
/t

Æ P = [(η
int
.E
ph
)/e].I
5
• NếuE
ph
đư
ợ
ctínhbằn
g
đv
(
eV
)
: P
(

mW
)
=
[(
η
int
.E
ph
(
e
V
)]
.I
(
m
A
)

I(mA)
100
200
0
ph
ợ
g
() (
)[(
η
int
ph

(
)] (
)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 18
LED
• Đặctínhphổ của LED:
E
Vuøng daãn
(
Conduction band
)

E

Công suất
c
h
uẩ
n h
óa
()
λ
1
λ
2
λ
3

λ
4
Δ
λ

cuẩ óa
1
0.5
Vuøng hoaù trò
(Valence band)
λ
p
λ
(nm)
1, 24
()
()
i
j
m
EV
λμ
=
V
ới E
ij
= E
j
-E
i

www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 19
()
j
ij
E
e
V
ij
j
i
LED
• Đặctínhphổ của LED:
 Nguồn quang bán dẫn: vùng năng lượng
 Các photon đượctạoracóbướcsóng:
1, 24
()
()
i
j
m
EV
λμ
=
Với E
i
j
= E

j
-E
i
 NhiềumứcNL Æ nhiềubướcsóngásđượctạora.

Công
suất
phát
quang
tại
các
bước
sóng
khác
nhau
()
j
ij
E
e
V

Công
suất
phát
quang
tại
các
bước
sóng

khác
nhau
không đều nhau
 Bước sóng trung tâm:
• Công suấtlớnnhất
• Thay đổi theo nhiệt độ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 20
LED
• Cấu trúc của LED:

Ánh sán
g
p
hát x
ạ

Ánh sán
g
p
hát x
ạ
b
án dẫn
p

điện cực
tiếp xúc

n
p
b
án dẫ
n
n
đi
ệ
n c
ự
c ti
ếp
xúc
p
Cấu trúc LED planar
Cấu trúc LED dome
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 21
LED
• Cấu trúc của LED:
Cấu trúc LED Burrus
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 22
LED
• Cấu trúc của LED:
LED phát xạ cạnh (ELED)

www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 23
LASER
• Cấu tạo laser Fabry – Perot:
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 24
LASER
• Cấutạo laser Fabry – Perot:
 Cấu trúc nhiềulớpbándẫnp, n
 Lớptíchcực (active layer):
• Rấtmỏng
•
Có
chiết
suất
lớn
kẹp
giữa
hai
lớp
P
và
N
có
chiết
suất

nhỏ
hơn
Có
chiết
suất
lớn
kẹp
giữa
hai
lớp
P

và
N

có
chiết
suất
nhỏ
hơn
.
Æ ống dẫnsóng.
 Ánh sáng phát ra và đượcgiữ trong lớptíchcực
 Ánh sáng của laser phát ra ở phía cạnh, giống như ELED
 Hai lớpphảnxạở hai đầulớptíchcựccóhspxR<1
Æ
hố
ộ
hưở
Fb

Pt
Æ
hốc
c
ộ
n
g
hưở
n
g
F
a
b
r
y
-
P
ero
t
 Anh sáng được đưa ra ngoài qua mộtphần đượccắt
nhẵn
của
một
mặt
phản
xạ
nhẵn
của
một
mặt

phản
xạ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 25