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

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin ngành viễn thông các phần tử quang điện trong thông tin quang

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 làvật lý bán dẫn Tuy nhiên do tín hiệu xử lý của các phần tử này là ánh sáng nên cáckiến thức vật lý về ánh sáng (như đã nêu ở chương 1) cũng được sử dụng trongphần tử tích cực

Khi hoạt động, các phần tử này cần phải có nguồn kích thích Các nguồn nàyluôn đi kèm theo nên yêu cầu của các phần tử tích cực cũng phức tạp hơn phần tửthụ động Vị trí đặt thiết bị, các vấn đề về bảo dưỡng, an toàn về điện cũng cầnđược quan tâm Trước hết ta xét đến cơ sở vật lý chung cho các phần tử tích cựcnày

Ở mức nhiệt độ thấp, tinh thể bán dẫn thuần túy sẽ có vùng dẫn hoàn toàn trốngcác điện tử và vùng hóa trị lại đầy các điện tử Vùng dẫn cách vùng hóa trị một dảicấm năng lượng, dải này không tồn tại một mức năng lượng nào cả Khi nhiệt độtăng lên, một số các điện tử sẽ bị kích thích nhiệt và vượt qua dải cấm (chẳng hạnnhư 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) Cácđiện tử tự do và lỗ trống sẽ di chuyển trong vật liệu và vật liệu thể hiện tính dẫnđiện 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 Sựtập trung của điện tử và lỗ trống được xem là sự tập trung bản chất bên trong, kíhiệu là ni và được thể hiện bằng công thức sau :

me, mh là khối lượng của điện tử và lỗ trống

T là nhiệt độ tuyệt đối

Các vật liệu pha tạp như vậy dùng khá phổ biến trong viễn thông (đặc biệt làtrong 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

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)

Chuyển dich điện tử

Vùng cấm

điện tử Phân bố mậtđộ điện tử

Loại vật liệu Tên vật liệu Dải cấm Bước sóng

2,24 eV2,09 eV1,42 eV1,33 eV0,34 eV

0,55 m0,59 m0,87 m0,93 m3,6 mCác vật liệu

ba hoặc bốn

thành phần

AlGaAs (Nhôm-Gali-Asen)

InGaAsP Phốt pho)

(Indi-Gali-Asen-1,42 – 1,61 eV0,74 – 1,13 eV

0,77 – 0,87 m1,1 – 1,67 m

Bảng 3.1 Dải cấm và bước sóng của một số vật liệu bán dẫn

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 hình3.2b) Nếu phân cực ngược cho tiếp giáp p – n, vùng nghèo sẽ bị mở rộng ra về cảhai phía Điều này càng cản trở các hạt mang đa số tràn qua tiếp giáp Tuy nhiênvẫn 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 vậtliệu n, còn cực dương nối với vật liệu p như hình 3.2c) thì các điện tử vùng dẫnphía n và các lỗ trống vùng hóa phía p lại được phép khuếch tán qua tiếp giáp Lúcnày việc kết hợp các hạt mang thiểu số tăng lên Các hạt mang tăng lên sẽ tái hợpvới hạt mang đa số Quá trình tái kết hợp các hạt mang dư ra chính là cơ chế đểphát ra ánh sáng

Hình 3.2 Phân cực cho các lớp tiếp giáp

a) Tiếp giáp p-n

c) Phân cực thuận b) Phân cực ngược

Các chất bán dẫn thường được phân ra thành vật liệu có giải cấm trực tiếp vàvật 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 Còntrong trường hợp vật liệu có dải cấm gián tiếp, các mức năng lượng nhỏ nhất ởvùng dẫn và các mức năng lượng nhỏ nhất ở vùng hóa lại xảy ra ở các giá trị độnglượng khác nhau Như vậy việc tái kết hợp ở đây cần phải có phần tử thứ ba để duytrì động lượng bởi vì động lượng photon là rất nhỏ

Hình 3.3 Sự phát photon với vật liệu dải cấm trực tiếp (a) và gián tiếp (b)

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 giữavật chất và môi trường xung quanh, và tạo ra các hiện tượng phát xạ, bức xạ hayhấp thụ… Để phân tích các quá trình phát xạ và hấp thụ ta xét một hệ có hai mứcnăng lượng E1 và E2 với E2 > E1 như hình 3.4 sau Trong đó E1 là trạng thái cơ sở,còn E2 là trạng thái kích thích

Khi photon có năng lượng hf = E 2 – E 1 đi vào vật chất, điện tử sẽ hấp thụ vàchuyển lên mức kích thích E2 Đây là quá trình hấp thụ ánh sáng Các điện tử ởmức kích thích E2, đây là trạng thái không bền nên nó nhanh chóng chuyển về mức

cơ sở E1 và lúc đó sẽ phát ra một photon có năng lượng là hf = E 2 – E 1 Ta có quátrình 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 kíchthích và phát xạ ra các photon giống hệt nhau về năng lượng và pha Ta có cácphương 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 : N1, N2 là mật độ nguyên tử tại mức E1 và E2,

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 theothống kê Boltzman như sau :

Sinh viªn Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT

) exp(

) exp(

1

2

T k

hf T

k

E N

N

B B

Trong đó : T là nhiệt độ tuyệt đối của hệ nguyên tử

N1, N2 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 :

Từ công thức 3-2 và 3-3 ta có mật độ phổ năng lượng được tính như sau :

1)



T k

hf B

C

B A B

Theo công thức Plank mật độ phổ năng lượng chiếu xạ phải bằng mất độ phổ

phát xạ vật đen tuyệt đối :

1exp

f h

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 cóphát xạ kích thích ta phải thực hiện tăng số lượng lớn các điện tử và lỗ trống trongvùng dẫn và vùng hóa trị Ta xét một tiếp giáp p – n với hai loại vật liệu bán dẫnloại n và p pha tạp cao đến mức suy biến Mức Fermi bên bán dẫn loại n nằm vàobên 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 nàykhông có quá trình bơm hạt tải (hình 3.5a) Khi phân cực thuận đủ lớn, các mứcFermi ở hai miền tách ra, lúc này thì các điện tử bên bán dẫn loại n và lỗ trống bênbán dẫn p được bơm điện tích không gian (hình 3.5b) Khi điện thế đặt vào tiếpgiáp p-n tăng đủ lớn để quá trình bơm này đạt đến mức cao thì trong miền điện tíchkhông 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 mậtđộ

Như vậy điều kiện để có trạng thái đảo mật độ là bán dẫn ở hai miền p và nphải 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 vàvùng hóa trị Hiệu hai mức Fermi ở hai vùng bán dẫn loại n và p lớn hơn nănglượng vùng cấm, nghĩa là : Efc – Efv > Eg.

Trên đây là các cơ sở vật lý bán dẫn để phân tích cơ chế hoạt động của cácphần tử tích cực trong thông tin quang được đề cập trong các phần tiếp theo

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 vùngbước sóng phát quang thích hợp vói sợi quang và có thể điều biến trực tiếp bằngdòng bơm với tần số khá cao

Sinh viªn Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT

c, Bơm cao phát xạ photon

Hình 3.5 Giản đồ năng lượng của tiếp giáp p-n với bán dẫn suy biến

56

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 đamode 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 điểmcủa cấu trúc dị thể kép là có hai lớp bán dẫn khác nhau ở mỗi bên của vùng bán dẫntích 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 trụccủa sợi dẫn quang (hình 3.6a) Vùng tích cực thường có dạng phiến tròn, đườngkính khoảng 50μm và độ dày khoảng 25μm Mẫu phát chủ yếu là đẳng hướng vớim và độ dày khoảng 25μm và độ dày khoảng 25μm Mẫu phát chủ yếu là đẳng hướng vớim Mẫu phát chủ yếu là đẳng hướng với

độ rộng chùm phát khoảng 120o 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 nhaunhưng công suất lại giảm theo hàm cosβ với β là góc hợp giữa hướng quan sát vớipháp tuyến của bề mặt Công suất giảm 50% so với đỉnh khi β =60

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 táihợp các điện tử và lỗ trống ở vùng tiếp giáp p-n Do vậy, LED sẽ phát sáng nếuđược 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

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 tạitrung tâm của lớp tích cực (hình 3.7) Sự khác nhau về độ rộng vùng cấm của cáclớp kề cận đã giam giữ các hạt điện tích ở bên trong lớp tích cực Đồng thời, sựkhác nhau về chiết suất của các lớp kề cận này đã giam giữ trường quang và các hạtdẫn 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 táihợp 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 bơmvào các phần bán dẫn tỷ lệ với cường độ dòng điện của LED, do đó cường độ phátquang của LED tỷ lệ với cường độ dòng điện qua điốt

Hình 3.6a Cấu trúc LED phát xạ mặt Các lớp dị

thể kép

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 Dòngđiện 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 vànhiệt độ tiếp giáp tăng Độ đáp ứng giảm xuống Nó được xây dựng từ công thức :

 = P/I = hf ex /I =  ext hf/e =  ext (1,24/)

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

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)

Trong đó : θ c = arcsin

n

1

và n là chiết suất vật liệu,

T f là độ truyền lan qua Fresnel



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 suấtgiảm 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 vùngliên tục các bước sóng rộng cỡ vài chục nm Nó phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ vàbước sóng phát xạ trung tâm Ngoài ra phổ của LED cũng phụ thuộc vào tốc độ

R sp (ω)=A)=A p (ω)=A - E g ) 1/2 exp[-(ω)=A - E g )/k B T] Công thức tính độ rộng phổ nửa giá trị

cực đại được xác định như sau :

Δff1,8

h

T

k B hay Δff Δfλ. 2



c

Tại nhiệt độ T=300oK, Δff =11THz với Δλ =50 – 60 nm cho λ=1300nm.

Hình 3.10 thể hiện phổ của hai loại LED

1

1/2

Bước sóng phát xạ trung tâm

 [m]

Hình 3.10 Độ rộng phổ của LED

SLED ELED

P/P0

P0 là công suất đỉnh

I dt

- Dòng điều biến LED : I(t)= I b + I m exp(iω)=A m t)

Trong đó : ωm là tần số điều biến tín hiệu

Ib là dòng định thiên và Im là dòng điều biến

Tại I=Ib dòng bơm ban đầu ta có nồng độ hạt tải được xác định theo công thức :

qV

I

N c b b

m c m m

i

qV I N

/ )

Khi công suất điều chế Pm phụ thuộc tuyến tính vào Nm, hàm truyền đạt sẽ có

dạng :

c m m

m m

N H

0 (

) ( )

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

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 ứnglưọng tử thấp Nó thường chỉ được áp dụng cho các mạng có khoảng cách ngằn nhưmạng LAN Tuy nhiên do công suất đầu ra của nó ít phụ thuộc vào nhiệt độ và cóchế tạo đơn giản, độ ổn định cao, LED vẫn được sử dụng rộng rãi trong các hệthống 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 cócác đặc tính riêng của nó, tuy nhiên ưu thế hơn cả là Laser bán dẫn (thường sử dụngtrong hệ thống thông tin quang)

Vật liệu chế tạo Laser bán dẫn là các vật liệu bán dẫn có vùng cấm thẳng (đáyvùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị có cùng giá trị của vectơ sóng k trên giản đồ nănglượng) Vì trong bán dẫn vùng cấm thẳng (trực tiếp), quá trình chuyển mức bức xạvectơ sóng được bảo toàn một cách tự động nên có xác suất lớn hơn nhiều so vớibán dẫn có vùng cấm nghiêng (gián tiếp), sự chuyển mức bức xạ có sự tham giacủa 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 dụnglớp chuyển tiếp p –n được phân cực thuận để bơm điện tử và lỗ trống, làm phát sinhánh sáng Cấu trúc LD được thiết kế để tạo ra một hốc quang để dẫn các photonđược tạo ra Hốc quang cơ bản là một buồng cộng hưởng, trong đó photon đượcphản xạ liên tiếp Photon được phát xạ ra chỉ có một phần rất nhỏ dời khỏi buồngcộng 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 làbuồng cộng hưởng kiểu Farby – Perot Thành phần quan trọng nhất của hốc là haimặt gương phản xạ song song để đảm bảo các mode cộng hưởng được sinh ra tronghốc Các mode cộng hưởng phải có bước sóng thỏa mãn biểu thức :

L = k./2 với k là một số nguyên.

L là chiều dài hộp cộng hưởngBên trong bộ cộng hưởng là một môi trường tích cực, trong đó luôn có các quátrình 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 cỡ0,1 μm và độ dày khoảng 25μm Mẫu phát chủ yếu là đẳng hướng vớim, nằm giữa hai lớp bán dẫn khác loại n và p Hai lớp này có bề rộng vùngcấm cao hơn lớp ở giữa Chúng tạo thành chuyển tiếp dị thể p-n Trong cấu trúc nàymode quang bị giam theo hướng vuông góc với bề mặt của lớp chuyển tiếp do cáclớp vỏ có chiết suất nhỏ hơn so với chiết suất vùng tích cực Để đạt được một modechính ổn định với dòng ngưỡng nhỏ cần phải có sự giam quang dọc theo bề mặt củalớp chuyển tiếp Nếu không có sự giam các mode biên, Laser sẽ hoạt động nhưLaser bán dẫn vùng mở rộng Các Laser bán dẫn diện rộng này chịu sự suy hao rấtlớn nên ít được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang Sự quay trở lại của cáchạt tải đòi hỏi dòng ngưỡng cao Cường độ dòng ngưỡng khoảng 1kA trên một cm2hốc, điều này khiến lợi ích của Laser bơm dòng bị hạn chế Việc khắc phục sự phátquang trên diện rộng có thể thực hiện bằng cách tạo ra các kết cấu có sự giamquang 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 quangtheo bề mặt của lớp chuyển tiếp chủ yếu được xác định bởi bề rộng của vùng cộnghưởng quang học (bề rộng của vùng được bơm), tiêu biểu nằm trong vùng 5 – 10

μm và độ dày khoảng 25μm Mẫu phát chủ yếu là đẳng hướng vớim Trong loại Laser cấu trúc dải chiết suất, vùng ở giữa hẹp có chiết suất tỉ đốicao hơn so với trong mặt lớp chuyển tiếp giam mode phát Laser Loại này đượcchia thành hai loại, đó là loại ống dẫn sóng dải chiết suất yếu có vùng phân cực làliên tục còn phần vỏ có chiết suất không đều đặn, có bề dày thay đổi được và loạiống dẫn sóng dải chiết suất mạnh thường thấy cấu trúc dị thể vùi (BH) với độchênh 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 dòngbơm vào một vùng nhỏ theo bề mặt lớp chuyển tiếp Nhờ sử dụng dòng bơm quadải băng hẹp, Laser bán dẫn này có ưu điểm là giải quyết được vấn để giam giữ cáchạt 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 hình3.11, nó gồm lớp p có cửa sổ được mở cho dòng phun vào Phần còn lại của lớp pnày được phủ lớp cách điện SiO2 Do chuyển tiếp có tính chất phân cực thuận nêndòng qua chuyển tiếp chỉ có thể qua cửa sổ Trong hầu hết các Laser được thiết kế,cửa sổ này rộng khoảng 5μm và độ dày khoảng 25μm Mẫu phát chủ yếu là đẳng hướng vớim 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 biếnđổi một vùng nhỏ trên đỉnh lớp bán dẫn loại n thành loại p Khi đặt điện áp thuậnvào 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 cấyvào tạo thành một cùng có điện trở cao làm hạn chế dòng chảy tới một lớp mởtrong 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 baogồm một ống dẫn sóng có chất liệu khác được ghép lên trên hoặc bên dưới lớp tíchcực Điều này tạo sự thay đổi chiết suất hiệu dụng cỡ 1% giữa hai bên của thànhống 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 dẫnsóng 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 Bướcnhảy chiết suất bề mặt dọc theo mặt của lớp chuyển tiếp vào cỡ 0,2 trong các Lasercấu trúc này Các đặc trưng phát xạ Laser của các Laser dị thể vùi chủ yếu đượcxác định bằng ống dẫn sóng chữ nhật giam mode ở bên trong vùng tích cực Nhữngloại 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

n-InP

n-InP p-InP

p-InPa) Laser dẫn sóng ridge b) Laser lớp epitaxi dị thể

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

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 đóchính là sự khác nhau cơ bản giữa qúa trình bức xạ tự phát của LED và bức xạ kíchthích 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 tượngxảy ra Khi chuyển tiếp p-n được phân cực thuận, các điện tử và lỗ trống được bơmvào trong vùng tích cực của Laser Các điện tử và lỗ trống tái hợp với nhau để phátsinh ra các photon Tuy nhiên vì số lượng các điện tử và lỗ trống lúc này còn ít (vìdòng bơm chưa đủ lớn) không đủ để xảy ra hiện tượng đảo mật độ, nên quá trìnhphát xạ ở đây là tự phát, LD hoạt động như một LED Khi dòng bơm vào tiếp tụctăng lên, nhiều hạt tải được đưa vào vùng tích cực, cung cấp cho buồng cộng hưởngmột 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 cộnghưởng (chính là hai gương phản xạ), va chạm với các nguyên tử bán dẫn làm tăngmật 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 Lasertăng mạnh và có sự đồng nhất về pha Ánh sáng này là ánh sáng kết hợp, có dạnghình elip, có chiều hẹp khoảng 100 chiều rộng khoảng 300 Do đó có độ mở nhỏnhưng tính định hướng cao

Để hiểu được toàn bộ hoạt động của Laser bán dẫn thì cần phải xét cụ thể cácquá trình khuếch đại và điều kiện dòng ngưỡng trong Laser

Sinh viªn Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT

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

a, Quá trình khuếch đại và hệ số khuếch đại của LD

Để quá trình kích thích chiếm ưu thế hơn so với quá trình phát xạ tự phát thìtrước hết ta phải có điều kiện để xảy ra trạng thái đảo mật độ như nói ở mục 3.1.2.2tức là có Efc – Efv >E2 – E1 >Eg Theo hình 3.16 thì mật độ hạt càng nhiều thì độchênh lệch E càng lớn Và với mỗi một giá trị mật độ phổ công suất khác nhau thìmột hệ số khuếch đại khác nhau

Như vậy hệ số khuếch đại tăng tuyến tính theo nồng độ hạt tải N Tính gầnđúng giá trị ta có công thức của hệ số khuếch đại như sau :

Trong đó : NT là mật độ hạt tải tại gm = 0

σg là hằng số tỷ lệ phụ thuộc từng vật liệu

b, Điều kiện ngưỡng

Quá trình hồi tiếp qua lại của các photon bị giữ trong hộp cộng hưởng thực hiện

bởi hai gương có độ phản xạ là R= 2

Ngưỡng trong Laser là sự cân bằng photon sinh ra do phát xạ kích thích vàphoton bị mất đi do các suy hao trong môi trường hộp Để số lượng photon đượckhuếch đại thì số photon sinh ra phải lớn hơn số photon bị mất đi Tức là dòng bơm(Ib ) vào phải lớn hơn dòng ngưỡng (Ith) Lúc đó Laser mới có thể phát ánh sáng rangoài được Gọi độ phản xạ của hai gương trong hộp cộng hưởng là R1 và R2.Chiều dài hộp cộng hưởng (hay lớp tích cực) là L ta có biên độ tín hiệu quang saumột lộ trình (đi và phản xạ về) là :

E(z+2L)=E 0 R1R2 exp(g.L)exp(-α int L)exp(2ikL)

với αint là suy hao trong hộp

Để sau một lộ trình biên độ tín hiệu được khuếch đại hơn thì E(z+2L)≥E(z), và

điều kiện ngưỡng là khi dấu bằng xảy ra

Về biên độ : điều kiện ngưỡng là khi E(z+2L)=E(z), nó phải thỏa mãn :

- Biên độ sau mỗi lộ trình phải tăng lên

- Pha của tín hiệu sau mỗi lộ trình là không đổi

Từ đó ta có : R1R2 exp[(g-α int )L] ≥ 1 Dấu bằng xảy ra ta có :

g th = α itn +

2 1

1 ln 2

1

R R

L = α int + α mir = α cav

Như vậy hệ số khuếch đại tới hạn là giá trị phụ thuộc vào suy hao lớp tích cực,suy hao của gương gọi chung là suy hao tổng của hộp cộng hưởng

Về pha : điều kiện về pha không đổi nên ta có : exp(i2kL)=1  2kL= 2mπ

3.2.2.3 Đặc tính của Laser bán dẫn

a, Đặc tính công suất

Một đặc trưng không thể thiếu của Laser bán dẫn là sự phụ thuộc của nănglượng quang ra vào dòng bơm cho Laser, gọi là đặc trưng công suất Tùy vào đặcđiểm cấu tạo và điều kiện hoạt động mà mỗi LD có các đặc trưng công suất khácnhau Khi dòng qua LD tăng, đầu tiên bức xạ tự phát tăng chậm (tỉ lệ với dòng qua

f(λ)

g

Δf

Suy hao Khuếch đại Các mode phát xạ

Hình 3.17 Đặc tính suy hao và khuếch đại của Laser

LD – ID) Sau đó, khi dòng tăng trên mức dòng ngưỡng thì dao động Laser bắt đầu

và công suất ra tăng đột ngột Ta có thể xác định được dòng ngưỡng của Laser bằngcách kéo dài đoạn đặc trưng công suất ở trên dòng ngưỡng cho cắt trục hoành tạimột điểm Đó chính là dòng ngưỡng của Laser Khi nhiệt độ tăng lên làm cho dòngngưỡng tăng lên và công suất ra ở một dòng cố định giảm đi nên các đường đặctrưng công suất bị dịch dần về bên phải Nhiệt độ tăng thì độ nghiêng của đoạn trêndòng ngưỡng của đặc trưng công suất ra cũng giảm đi Điều này càng thể hiện rõnét ở các nhiệt độ cao Hình 3.18 biểu diễn các đường đặc trưng công suất ra phụthuộc vào dòng kích thích ở các nhiệt độ khác nhau của LD cấu trúc dải dị thể vùi

b, Đặc trưng phổ

Phổ phát xạ của LD dạng phổ vạch và đường bao quanh phổ quyết định bởi mặt

cắt khuếch đại thường có dạng hình Gauss: g(λ)= g(0)exp[ 2

2 0

2

) (

ra

[mw]

25

Hình 3.18 Đặc trưng công suất ra phụ thuộc vào dòng kích thích ở các nhiệt độ

khác nhau của LD dải dị thể vùi

g(λ)

λ

λ λ … λ λ

Hình 3.19 Độ rông phổ của Laser bán dẫn

3.2.3 Một số nguồn quang hiện đại

Ban đầu các phần tử nguồn quang chủ yếu được sử dụng là LED và Laser hộpcộng hưởng Farby – Perot Laser loại hộp cộng hưởng Farby – Perot thường chophổ đa mode Để hoạt động trong các hệ thống thông tin quang có tốc độ cao và cự

ly truyền dẫn xa ta cần phải sử dụng các nguồn quang, đặc biệt là Laser có độ rộnghẹp Trong khi đó công nghệ bán dẫn ngày càng phát triển, có khả năng tạo ra cácphần tử nguồn quang mới với nhiều ứng dụng tiến bộ hơn trước rất nhiều Cácnguồn quang này có thể đáp ứng được cả yêu cầu đối với các hệ thống thông tinquang như WDM Do vậy hiện nay không sử dụng các nguồn quang đa mode màchuyển sang sử dụng các nguồn quang đơn mode, cụ thể là các Laser đơn mode.Các Laser này chỉ chứa mode dọc và mode ngang đơn Để làm được các mode nàythì có nhiều phương pháp khác nhau và ta có nhiều cấu trúc Laser khác nhau Talần lượt xét các Laser sau

3.2.3.1 Laser hồi tiếp phân bố (DFB) và Laser phản hồi phân bố (DBR)

Laser DFB và DBR sẽ cho ta cơ chế triệt các mode bên (nhờ sử dụng các mặtbên một cách hợp lý) và chỉ để lại một mode dọc chính duy nhất nên đã và đangđược ứng dụng rất rộng rãi trong truyền dẫn WDM với các hệ thống IM/DD

Về nguyên lý, các Laser này sử dụng nguyên lý phản xạ Bragg (như đã nêu ởphần trên) Đối với Laser DFB, khi có dòng điện vào Laser, trong hộp có phức hợpđiện tử - lỗ trống bức xạ ra năng lượng tương ứng với quang tử, những quang tửnày bị một sợi lưới quang trong bề mặt lớp có nguồn phản xạ, dạng phản xạ Bragg,

chỉ khác là trong sự phản hồi Bragg của Laser DFB có góc θ = π/2 do đó chu kỳ cách tử sẽ là : A=

Đối với Laser DBR, đặc điểm căn bản cũng giống Laser DFB, chỉ có một sốđiểm khác biệt đó là : Vật liệu chế tạo của DBR là khó khăn hơn Laser DFB vì nókhông nhất thiết đòi hỏi sự ghép công suất giữa các vùng thụ động và tích cực Thứhai đặc tính phụ thuộc nhiệt độ thì khác nhau, khi nhiệt độ tăng thì trong DBR có

sự chuyển đổi từ mode này qua mode khác còn với Laser DFB thì thể hiện đặc tính

ổn định nhiệt độ trong một dải rộng

Cấu trúc các Laser này có dạng như hình 3.20

Về căn bản kết cấu Laser DRB và DFB khác nhau, dù cùng dựa vào nguyên lýhoạt động là cách tử Bragg Chỗ khác nhau về cấu trúc của hai loại Laser này làDBR có kết cấu lưới phản xạ nằm ngoài hốc cộng hưởng Với sự khác biệt này, ởDBR phần điều khiển hốc cộng hưởng Laser và phần điều khiển tần số theo nguyên

lý Bragg là hoàn toàn độc lập

Ưu điểm của các loại Laser DFB và DBR là :

 Dao động đơn mode dọc có dải hẹp

 Tính ổn định của bước sóng tốt

3.2.3.2 Laser với hốc cộng hưởng kép

Một Laser có hốc cộng hưởng kép là Laser có hai hốc cộng hưởng đặt liên tục.Trong đó, hoặc cả hai hốc cộng hưởng đều là tích cực hoặc một tích cực một thụđộng như hình 3.21

Với loại có một hốc cộng hưởng tích cực và một hốc cộng hưởng thụ động(hình 3.21a) thì hốc cộng hưởng thụ động là một Laser bán dẫn thông thườngkhông có nguồn bơm gắn với hốc cộng hưởng ở bên ngoài Tức là hốc cộng hưởngsau chỉ đóng vai trò chọn lọc bước sóng mà không tạo sự khuếch đại Giữa hai hốccộng hưởng có thể có một đoạn sợi quang đóng vai trò như thấu kính Grin để tăngmức kết hợp và tránh mất mát do tán xạ

Với loại có hai hốc cộng hưởng tích cực, mỗi phần có thể được bơm dòng riêngbiệt và có thể điều khiển linh hoạt hơn so với cấu trúc trước Vật liệu của hai hốccộng hưởng thường là giống nhau Công nghệ chế tạo loại Laser này thường dùng

Hình 3.20 Cấu trúc Laser DFB (a) và Laser DBR (b)