CHƯƠNG 3 : BỘ PHÁT QUANG
3.2. LED (Light Emitting Diode)
3.2.2. Đặc tính P-I của LED
Nguyên lý hoạt động của LED cho thấy rằng, số photon phát xạ phụ thuộc vào số điện tử (do dòng điện cung cấp) chạy qua vùng tiếp giáp pn, kết hợp với lỗ trống trong lớp bán dẫn p. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, không phải điện tử nào đi qua lớp bán dẫn p cũng kết hợp với lỗ trống và không phải quá trình kết hợp điện tử lỗ trống (chuyển trạng thái năng lượng từ vùng dẫn sang vùng hóa trị) nào cũng tạo ra photon ánh sáng. Năng lượng được tạo ra này có thể dưới dạng năng lượng nhiệt. Do vậy, số photon được tạo ra còn phụ thuộc vào hiệu suất lượng tử nội ηint (internal quantum efficient) của chất bán dẫn. Hiệu suất ηint được định nghĩa là tỷ số giữa số photon được tạo ra trên số điện tử được dòng điện bơm vào LED:
ηint = Nph/Ne (3.6) Công suất phát quang (năng lượng ánh sáng trên một đơn vị thời gian) của LED có thểđược xác định theo số photon phát xạ như sau:
Ngoài ra, ta có cường độ dòng điện chạy qua LED:
I = Ne.e/t (3.8)
với Ne là số điện tử do dòng điện cung cấp, e là điện tích của điện tử.
Do đó, mối quan hệ P-I giữa công suất phát quang và dòng điện được xác dịnh như sau:
P = [(ηint.Eph)/e].I (3.9)
Trong công thức trên, Eph có đơn vị là (J). Nếu Eph được tính bằng đơn vị (eV), thì công suất phát quang:
P(mW) = [(ηint.Eph(eV)].I(mA) (3.10)
Hiệu suất lượng tử nội ηint phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng và cấu trúc củanguồn quang. Do đó, đốivới mỗi loại nguồn quang khác nhau sẽ có đặc tuyến P-I khác nhau. Công suất phát quang tỷ lệ thuận với dòng điện cung cấp và trong trường hợp lý tưởng, đặc tuyến P-I thay đổi tuyến tính như hình 3.10.
Hình 3.10. Đặc tuyến P-I của LED 3.2.3. Đặc tính phổ của LED 3.2.3. Đặc tính phổ của LED
Trong thông tin quang, ánh sáng do nguồn quang phát ra không phải tại một bước sóng mà tại một khoảng bước sóng. Điều này dẫn đến hiện tương tán sắc sắc thể (chromatic dispersion) làm hạn chế cự ly và dung lượng truyền dẫn của tuyến quang. Tính chất này của nguồn quang nói chung và LED nói riêng được giải thích như sau [1] (hình 3.11):
- Các nguồn quang trong thông tin quang được chế tạo từ chất bán dẫn. Do đó, các điệntử nằm trong một vùng năng lượng chứ không phải ở mộtmức năng lượng
- Các điện tử khi chuyển từ các các mức năng lượng Ej trong vùng dẫn xuống mức năng lượng Ei trong vùng hoá trị sẽ tạo ra photon có bước sóng
- Do có nhiều mức năng lượng khác nhau trong các vùng năng lượng nên sẽ có nhiều bước sóng ánh sáng được tạo ra.
- Phân bố mật độ điện tử trong vùng dẫn và vùng hoá trị không đều nhau, dẫn đến công suất phát quang tại các bước sóng khác nhau không đều nhau
- Bước sóng có công suất lớn nhất được gọi là bước sóng trung tâm. Bước sóng này thay đổi theo nhiệt độ do phân bố mật độ điện tử trong các vùng năng lượng thay đổi theo nhiệt độ.
Hình 3.11. Nguồn quang bán dẫn phát ra ánh sáng trong một khoảng bước sóng
Hình 3.12. Đặc tính phổ của LED
Độ rộng phổ nguồn quang được định nghĩa là khoảng bước sóng ánh sáng do nguồn quang phát ra có công suất bằng 0.5 lần công suất đỉnh (hay giảm 3 dB). Độ rộng phổ của LED phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo nguồn quang. Ánh sáng có bước sóng
1,3 μm do LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ 50-60nm. LED được chế tạo bằng bán dẫn GaAs (λ=850nm) phát ra ánh sáng có độ rộng phổ hẹp hơn 1,7 lần so với LEDchếtạo bằng bán dẫn InGaAsP [4].
3.2.4. Cấu trúc của LED
Về cấu trúc, LED có thể được chia làm bốn loại [3]: - LED planar (planar LED)
- LED dome (dome LED)
- LED phát xạ mặt SLED (surface LED) - LED phát xạ rìa ELED (edge LED)
Trong 4 loại LED này, LED planar và LED dome không được sử dụng trong thông tin quang vì cho dù có cấu tạo đơn giản (xem hình 3.13 và 3.14) nhưng hai loại LED này có vùng phát quang rộng, ánh sáng phát ra không có tính định hướng để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang một cách hiệu quả. Thay vào đó, hai loại LED này được sử dụng trong các ứng dụnghiểnthị, quang báo trong các thiết bị điện tử, TV, đèn bảng hiệu …
Hình 3.13. Cấu trúc LED Planar
LED phát xạ mặt SLED (Surface LED) là loại LED có ánh sáng được phát ra ở phía mặt của LED. Hình 3.15 minh hoạ một loại SLED, được gọi là LED Burrus do cấu trúc của LED được chế tạo đầu tiên bởi Burrus và Dawson [3]. Trong cấu trúc này, vùng phát xạ ánh sáng (vùng phát quang) của LED được giới hạn trong một vùng hẹp bằng cách sử dụng mộtlớp cách điện để hạn chế vùng dẫnđiện của tiếp xúc P. Do đó, tại vùng tích cực của LED có mật độ dòng điện cao dẫn đến hiệu suất phát quang lớn. Ánh sáng của SLED được đưa vào trong sợi quang tại phía mặt tiếp xúc N. Tại đây, tiếp xúc N và lớp nền N đượccắt bỏ đi một phần có kích thước tương ứng với sợi quang. Bằng cách này sẽ hạn chế đượcsự hấp thụ photon trong lớp N và tăng hiệu suất ghép ánh sáng vào trong sợi quang. Tuy nhiên, vẫn cómột phần lớn năng lượng ánh sáng được phát ra ngoài vùng đặt sợi quang. Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang của SLED không cao, thấp hơn so với ELED.
Hình 3.15. Cấu trúc LED Burrus
LED phát xạ cạnh ELED (Edge LED) là loại LED có ánh sáng ở phía cạnh của LED (hình 3.16). Trong cấu trúc này, các điện cực tiếp xúc (bằng kim loại) phủ kín mặt trên và đáy của LED. Ánh sáng phát ra trong lớp tích cực (active layer) rất mỏng. Lớp tích cực này được làm bằng chấtbán dẫn có chiết suất lớn đượckẹp giữa bởi hai lớp bán dẫn P và N có chiết suất nhỏ hơn. Cấu trúc này hình thành một ống dẫn sóng trong ELED. Do vậy, ánh sáng phát ra ở lớp tích cực đượcgiữ lại và lan truyền dọc theo trong ống dẫn sóng này. Kết quả là, ánh sángđược phát ra ở hai đầu ống dẫn sóng, tức là phát xạ ở phía cạnh của LED. Sợi quang sẽ được đặt ở một đầu của lớp tích cực để ghép ánh sáng vào. Với đặc điểm cấu trúc như vậy, ELED có vùng phát sáng hẹp và góc phát quang nhỏ. Do đó, hiệu suất ghép ánh sángvào sợi quang lớn hơn so với SLED.
Hình 3.16. LED phát xạ cạnh (ELED)
3.3. LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 3.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser 3.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser
Về cơ bản, cấu tạo của laser có các đặc điểm sau: - Cấu trúc nhiềulớp bán dẫn p, n.
- Ánh 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 nhỏhơn. Cấu trúc này tạo thành ống dẫn sóng.
- Ánh sáng của laser phát ra ở phía cạnh, giống như LED phát xạ cạnh (ELED). - Ở hai đầu lớp tích cực là hai lớp phản xạ với hệ số phản xạ R <1. Cấu trúc này tạo thành hốc cộng hưởng Fabry-Perot. Ánh sáng được tạo ra và phản xạ qua lại trong hốc cộng hưởng này. Loại laser có cấu trúc hốc cộng hưởng Fabry-Perot này được gọi là laser Fabry-Perot (hình 3.17).
- Ánh sáng được đưa ra ngoài qua một phần được cắt nhẵn của một mặt phản xạ.
Nguyên lý hoạt động của Laserdựa trên hai hiện tượng:
- Hiện tượng phát xạ kích thích: tạo ra sự khuếch đại ánh sáng trong Laser. Khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích, photon ánh sáng kích thích điện tử ở vùng dẫn tạo ra một photon thứ hai. Hai photon này tiếp tục quá trình phát xạ kích thích để tạo ra nhiều photon hơn nữa theo cấp số nhân. Các photon này được tạo ra có tính kết hợp (cùng tần số, cùng pha, cùng hướng và cùng phân cực). Như vậy, ánh sáng kết hợp được khuếch đại.
- Hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh khi lan truyền trong laser: quá trình chọn lọc tần số (hay bước sóng) ánh sáng. Theo đó, chỉ những sóng ánh sáng có tần số (hay bước sóng) thỏa điều kiện về pha của hốc cộng hưởng thì mới có thể lan truyền và cộng hưởng trong hốc cộng hưởng được. Như vậy, số sóng ánh sáng (có bước sóng khác nhau) do laser Fabry-Perot phát xạ bị giới hạn, làm giảm độ rộng phổ laser so với LED.
3.3.2. Hốc cộng hưởng Fabry-Perot
Hốc cộng hưởng Fabry-Perot được tạo ra bằng cách mài bóng và song song hai cạnh của lớp tích cực tạo thành hai gương phản xạ có hệ số phản xạ R1 và R2 (<100%) (hình 3.18.a). Hốc cộng hưởng quang này, giống như một bộ dao động hơn là một bộ khuếch đại do quá trình hồi tiếp dương xảy ra khi sóng ánh sáng phản xạ qua lại giữa hai mặt phản xạ đặt ở hai đầu hốc cộng hưởng. Khi tín hiệu quang được phản xạ nhiều lần, khuếch đại quang xảy ra trong hốc cộnghưởng.
Hình 3.18. Hốc cộng hưởng Fabry-Perot
Một sóng ánh sáng phát xạ trong lớp tích cực có thể tồn tại và được khuếch đại trong hốccộng hưởng khi thỏa điều kiện về pha của sóng ánh sáng. Khi đó, sóng ánh sáng phải hình thành nên sóng đứng giữa hai mặt phản xạ của hốc cộng hưởng (hình 3.18.c).
Hay nói cách khác là xảy ra cộng hưởng của sóng ánh sáng. Các sóng đứng này chỉ tồn tại tại các tần số màkhoảng cáchgiữa hai mặt phản xạ bằng bội số của nữa bước sóng [3]:
L = q.(2n/λ) (3.11)
Trong đó, λ là bước sóng ánh sáng, n làchiết suất của lớp tích cực, q là số nguyên (q = 1,2,3, …). Hay nói cách khác, sóng ánh sáng có thể tồn tại và khuếch đại được trong hốc cộng hưởngcủa laser Fabry-Perot có bước sóng:
λ = q.(2n/L) (3.12)
Các bước sóng này không liên tục nhau và được xác định bởi số nguyên q. Mỗi một bước sóng này tạo nên một mode sóng do laser phát ra với khoảng cách giữa hai mode sóng kề nhau:
Δλ = 2n/L (3.13)
3.3.3. Độ khuếch đại quang
Xét một sóng ánh sáng phản xạ qua lại trong hốc cộng hưởng như hình 3.19.
Hình 3.19. Công suất của ánh sáng khi lan truyền và phản xạ qua lại trong hốc cộng hưởng Fabry-Perot
Trong quá trình lan truyền trong hốc cộng hưởng, năng lượng của sóng ánh sáng chịunhững ảnh hưởng như sau:
- Suy hao xảy ra trong hốc cộng hưởng do hiện tượng hấp thụ photon, hiện tưởng tán xạ ánh sáng …, được biểu diễn bởihệsố suy hao α
- Độ lợi trong hốc cộng hưởng do hiện tượng phát xạ kích thích, được biểu diễn bởi hệ số khuếch đại g
- Suy hao xảy ra tại hai mặt phản xạ có hệ số phản xạ R1 và R2 (R1, R2 < 1) Nếu gọi P(0) là cộng suất của ánh sáng tại mặt phản xạ R1 thì cộng suất thu được sau khi
lan truyền được một chu kỳ trong hốc cộng hưởng (lan truyền dọc theo hốc cộng hưởng, phản xạtại mặt phản xạ R2, truyền ngược về và phản xạ tạimặt phản xạ R1) là:
P’(0) = R1.R2.P(2L) = P(0).R1.R2.e(g-α).2L (3.14) Điều kiện để một sóng ánh sáng được khuếch đại trong hốc cộng hưởng là: độ lợi khuếch đại phải lớn hơn tổng các suy hao khi sóng ánh sáng thực hiện một chu kỳ phản xạ qua lại giữa hai mặt phản xạ. Nói cách khác, cộng suất ánh sáng xét tại một điểm nào đó trong hốc cộnghưởng sau khi ánh sáng thực hiện mộtchu kỳ phản xạ qua lại trong hốc cộng hưởng phải lớn công suất ánh sáng trước khi truyền.
P’(0) ≥ P(0) (3.15)
→R1.R2.e(g-α).2L≥ 1 (3.16)
→g ≥ α + (1/2L).ln(1/R1.R2) (3.17)
Nhưvậy, điềukiện để ánh sáng được khuếch đại trong quá trình lan truyền và phản xạ qualại giữa hai hốc cộng hưởng là độ lợi do phát xạ kích thích phải lớn hơn so với độ suy hao do hấp thụ. Điều này có nghĩa là, số photon được tạo ra do phát xạ kích thích (và phát xạtự phát)phảinhiều hơn số photon bịhấp thụ:
Nspontaneous + Nstimulated > Nabsorption (3.18) Trong đó, Nabsorption là số photon bị hấp thụ, Nspontaneous và Nstimulated là số photon được tạo ra do các hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích. Điều kiện (3.17) có thể đạt được khi số điện tử ở trạng thái năng lượng cao N2 (nằm ở vùng dẫn), phải nhiều hơn số điện tử ở trạng thái năng lượng thấp N1 (nằm ở vùng hóa trị). Điều kiện này được gọi là trạng thái nghịch đảo mật độ (population inversion) vì ở điều kiện bình thường (ở trạng thái cân bằng về nhiệt), mật độ củacác điện tử tại các mức năng lượng khác nhauđược phân bố theo hàm phân bố Boltzmann (số điện tửở trạng thái năng lượng thấp N1 luôn cao hơn so với số điện tử ở trạng thái năng lượng cao N2). Do vậy, để có thể đạt được trạng thái nghịch đảo mật độ cần phải cung cấp năng lượng từ bên ngoài đủ lớn để làm tăng số điện tử ở trạng thái năng lượng cao. Quá trình này được gọi làquá trình “bơm” (pumping). Tùy theo loại vật liệu chế tạo nguồn quang hay khuếch đại quang, có nhiều phương pháp bơm khác nhau như dùng ánh sáng, trường sóng vô tuyến tần số cao, dòngđiện …Đối với laser bán dẫn, nguồn bơm này được cung cấp dưới dạng dòng điện. Dòng điện cung cấp cho laser càng lớn thì số điện tử ở vùng dẫn càng nhiều. Dòng điện tối thiểu để đạt được trạng thái nghịch đảonồng độ, điều kiện để có thể xảy ra quá trình khuếchđại ánh sáng, được gọi là dòng ngưỡng. Giá trị của dòng ngưỡng
phụ thuộc vào tính chất khuếch đại và suy hao của vật liệu bán dẫn và cấu trúc của hốc cộng hưởng.
3.3.4. Đặc tính phổ của Laser Fabry-Perot
Phổ của Laser Fabry-Perot là tổng hợp của phổ độ lợi khuếch đại của quá trình phát xạ kích thích xảy ra trong lớp tích cực của laser (phụthuộc vàoloại vật liệu chế tạo nguồn quang như phổ của LED) và đặc tính chọn lọc tần sốcủa hốc cộng hưởng.
Hình 3.20. Phổ của Laser Fabry-Perot
Kết quả từ hình 3.20 cho thấy, ánh sáng ở ngõ ra của laser chỉ giới hạn trong các mode nằm trong độ rộng phổ của đường cong khuếch đại. Ngoài ra, theo định nghĩa độ rộng phổ (3dB) của nguồn quang, chỉ các mode sóng nằm trong giới hạn 3dB mới cần được quan tâm.
Do các tần số cộng hưởng (các mode sóng) có giá trị phụ thuộc vào chiều dài L của hốc cộng hưởng (điều kiện 3.11) nằm theo trục dọc (longitudinal axis) của hốc cộng hưởng của laser nên các mode này đựợc gọi là các mode dọc (longitudinal mode). Phổ của ánh sáng do laser Fabry-Perot phát ra có nhiều mode nên loại laser này được gọi là laser đa mode MLM (Multi Longitudinal Mode).
3.3.5. Nhiễu trong Laser
Nhiễu trong laser xảy ra khi tín hiệu quang phát ra không ổn định về công suất phát quang, bước sóng phát quang cũng như độ rộng phổ khi điều kiện hoạt động của laser không thay đổi. Nguyên nhân gây ra nhiễu bao gồm các loại sau [3],[1]: Nhiễu lượng tử (quantum noise) là loại nhiễu được tạo ra do sự ngẫu nhiên và rời rạc trong quá trình phát xạ photon ánh sáng (phát xạ tự phát và phát xạ kích thích). Đây là bản chất tự nhiên của nguồn quang. Nhiễu lượng tử làm cho công suất phát quang ở ngõ ra bị dao động,không ổn định. Nó phụ thuộc vào:
- Tầnsố điều chế của tính hiệu quang: tần số càng cao ảnh hưởng càng lớn
- Nguồnquang đa mode hay đơn mode: ảnh hưởng nhiều hơn đối với Laser đa mode. Đây là ưu điểm của nguồn quang đơn mode so với nguồn quang đa mode khi sử dụng trong các hệ thống truyềndẫn quang tốc độ cao.
- Dòng điện phân cực: nhiễu giảm khi dòng điện phân cực lớn hơn dòng ngưỡng của Laser.
Sự không ổn định của nguồn quang xảy ra do:
- Nguồn quang chất lượng kém hoặc do suy giảm theo thời gian sử dụng. - Đặc tính kỹ thuật của nguồn quang thay đổi khi dòng điện cung cấp thay đổi. Đối với laser đơn mode, tần số (hay bước sóng) ánh sáng của mode phát xạ tăng lên khi dòng điện tăng lên (hình 3.21). Sự dịch chuyển này không là hàm liên tục của dòng điện nhưng sẽxảy ra khi dòng điện thay đổi 1-2mA [4]. Tần số dịch chuyển khoảng 100MHz- 1GHz trên 1mA dòng điện kích thích [1]. Hiện tượng nàycòn được gọi là chirp.
Hình 3.21. Nhảy mode trong laser đơn mode vềphía bước sóng dài khi công suất ngõ ra