Trong chất bán dẫn, các điện tử phân bố trong hai vùng năng lượng tách biệt nhau được gọi là: vùng hóa trị (valence band) và vùng dẫn (conduction band). Vùng hóa trị là vùng năng lượng có năng lượng thấp và là vùng năng lượng bền vững của điện tử. Các điện tử luôn có xu hướng chuyển về vùng hóa trị sau một khoảng thời gian sống ở vùng dẫn. Vùng dẫn là vùng năng lượng cao hơn của các eletron. Sự dẫn điện của chất bán dẫn được thực hiện bởicác điện tử nằm ở vùng dẫn này. Quá trình biến đổi quang điện xảy ra trong chất bán dẫn cũng được giải thích dựa trên ba hiện tượng: hấp thụ (absorption), phát xạ tự phát (spontaneous emission) và phát xạ kích thích (stimulated emission) như trong biểu đồ mức năng lượng. Nghĩa là, điều kiện để một điện tử có thể chuyển từ trạng thái năng lượng thấp (vùng hóa trị) sang trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) là: năng lượng mà điệntử nhận được phải bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa hai vùng năng lượng hóa trị và vùng dẫn. Nếu năng lượng được cung cấp không bằng vớibất kỳ độ chênh lệch năng lượng nào giữa hai vùng năng lượng này thì quá trình hấp thụ cũngnhư phát xạ kích thích sẽ khôngxảy ra.
3.1.4. Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source)
Nguồn quang là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng có công suất tỷ lệvới dòng điện chạy qua nó. Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang:
- Diode phát quang LED (Light Emitting Diode)
- Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
Các yêu cầu đối với một nguồn quang sử dụng trong hệ thống thông tin quang là [3]: - Có kích thuớc nhỏ tương ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang. Lý tưởng, ánh sáng ở ngõ ra của nguồn quang phải có tính định hướng cao.
- Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạngvà nhiễu lên tín hiệu. Lý tưởng, nguồn quang phải tuyến tính.
- Phát ra ánh sáng có bước sóng phù hợp với vùng bước sóng mà sợi quang có suy hao thấp và tán sắc thấp, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bước sóng này.
- Có khả năngđiều chế tín hiệu một cách đơn giản (vídụ như điều chế trực tiếp) trên dải tần rộng trải dài từ tần sốâm thanh tớidải tần Giga Hezt.
- Hiệu suất ghép quang tốt để giảm suy hao ghép từ nguồn quang vào trong sợi quang. - Độ rộng phổhẹp để giảm tán sắc trong sợi quang
- Duy trì mức công suất ngõ ra ổn định và không bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố môi trường bên ngoài.
- Giá thành thấp và có độ tin cậy cao để cạnh tranh với các kỹ thuật truyền dẫn khác. Loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang là các loại nguồn quang bán dẫn vì có thể đáp ứng được các yêu cầu trên. Vì vậy, cấu tạo cũngnhư nguyên lý hoạt động của nguồnquang (cũng như linh kiện thu quang) được trình bày trong phần này là các nguồn quang bán dẫn. Tuy nhiên, không phải chất bán dẫn nào cũng được sử dụng để chế tạo nguồn quang trong thông tin quang. Để có thể được sử dụng trong thông tin quang, các chất bán dẫn cần phải có dải cấm năng lượng trực tiếp [3] và độ rộng của dải cấm năng lượng phù hợp sao cho có thể tạo ra ánh sáng có bước sóng nằm trong vùng bước sóng hoạt động của thông tin quang. Khi xảy ra quá trình phát xạ ánh sáng, năng lượng của photon phát xạ bằng với độ chênh lệch năng lượng của điện tử khi ở vùng dẫn và vùng hóa trị.Do đó, năng lượng của photon:
Eph = hc/λ = Eg (3.4) với Eg là độ chênh lệch năng lượng của điện tử khi ở vùng dẫn và vùng hóa trị. Khi đó, ánh sáng được phát xạ có bước sóng: λ = h.c/Eg (3.5)
Do mỗi loại vật liệu khác nhau sẽ có phân bố các vùng năng lượng khác nhau nên có thể nói rằng bước sóng của ánh sáng do nguồn quang phát ra chỉ phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang. Trong thông tin quang, ánh sáng chỉ được sử dụng tại 3 cửa sổ bước sóng 850nm, 1300nm và 1550nm nên vật liệu bán dẫn được sử dụng để chế tạo nguồn quang phải có dải cấm năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị phù hợp với các cửa sổ bước sóng hoạt động này