Đề tài Tổng quan về hệ thống thông tin quang - Khái quát chung về hệ thống thông tin quang từ giai đoạn đầu đến nay

Hàm truyền đạt của bộ lọc Fabry-Perot là một hàm tuần hoàn. Dải phổ tự do FSR bằng chu kỳ của hàm này và được xác định như sau : suy ra FSR=1/2t=c/2nx (2-47) Độ mịn của bộ lọc được xác định bằng tỷ số của FSR và độ rộng phổ nửa công suất HPBW của bộ lọc (còn gọi là độ rộng phổ 3dB) HPBW của bộ lọc đặc trưng cho độ hẹp của đỉnh hàm truyền đạt và được xác định như sau : HPBW = c/2nx.(1-R)/ (2-48) Độ mịn có quan hệ chặt chẽ với số kênh mà bộ lọc có khả năng lựa chọn : F=FSR/HPBW=(p .)/(1-R) (2-49) Từ đây ta thấy rằng độ mịn F tăng lên (tức là số lượng kênh mà bộ lọc có khả năng lựa chọn tăng lên) thì hệ số phản xạ R của gương phải lớn. Ngoài ra để tránh mất mát do suy hao hoặc phản xạ thì hai gương phải rất phẳng và được đặt song song nhau. Bên cạnh đó ta có thể thay đổi việc chọn lựa bước sóng của thiết bị bằng việc thay đổi chiều dài khoang cộng hưởng hoặc chỉ số chiết suất của khoang cộng hưởng. 2.5 Bộ phân cực và ngăn cách tín hiệu Phân cực là một thuộc tính quan trọng của sóng điện từ. Ánh sáng là một dạng của sóng điện từ. Hiện tượng này đã được đề cập ở phần trước với các điểm chính như : Ánh sáng có thể phân cực tuyến tính, phân cực tròn hay tổng quát là phân cực elip. Thông thường ở một thời điểm bất kỳ một sóng ánh sáng phân cực nào cũng có thể phân tích thành hai thành phần E và H vuông góc với nhau. Hai thành phần này khác pha nhau 90o thì sóng tổng hợp phân cực tròn. 2.5.1 Đặc điểm, nguyên lý hoạt động của bộ phân cực Bằng việc thay đổi pha của hai thành phần, đầu ra có thể nhận được sự phân cực tuyến tính. Một số môi trường không đẳng hướng như thạch anh làm cho các sóng phân cực tuyến tính bị quay. Hiện tượng này được gọi là hoạt tính quang học và khả năng quay của sóng phân cực tuyến tính được đặc trưng bởi đại lượng p* gọi là công suất quay : p* = π (n - n+)/λ [ độ/cm] Trong môi trường có công suất quay p*, một phân cực tuyến tính sẽ quay đi một giá trị p*L khi đi qua một khoảng cách L. Đặc tính này được sử dụng để điều khiển phân cực và cách ly sóng phản xạ. Hiệu ứng Faraday : là hiệu ứng khi nhiều tinh thể có hoạt tính quang khi đặt trong môi trường từ tính mạnh. Trong trường hợp này công suất quang được đặc trưng bởi công thức : p* =V*.B Với B là từ trường trong hướng truyền của sóng. V* là hằng số Verdet. 2.5.2 Bộ ngăn cách tín hiệu Khi sóng phân cực tuyến tính đi qua bộ quay Faraday, nó bị quay một góc là φ. Sóng quang vào Sóng quang phản xạ đã quay đi 900 Bộ quay Faraday Sóng quang đã quay đi 450 Hình 3.28 Sơ đồ nguyên lý bộ ngăn cách tín hiệu. Nếu bị phản xạ lại, nó sẽ không thể trở về trạng thái phân cực ban đầu mà nó bị quay tiếp một góc φ. Vì chiều từ trường ngược lại do đó góc quay tổng cộng bây giờ là 2φ. Theo nguyên lý này ta có thể tạo ra các bộ ngăn cách tín hiệu. 2.5.3 Bộ Isolator và Circulator Isolator là thiết bị cho phép truyền dẫn chỉ theo một hướng và không cho truyền dẫn theo hướng nào khác nữa. Nó hoạt động dựa theo nguyên lý phân cực đê ngăn cách tín hiệu. Bằng cách sử dụng các bộ này thì các phản xạ từ các bộ khuếch đại hay laser có thể được cách ly khỏi tín hiệu. Circulator là một thiết bị tương tự Isolator, nhưng nó có nhiều cổng. Hình 2.29 mô tả một Circulator với 4 cổng vào và 4 cổng ra. Tín hiệu từ mỗi cổng được hướng tới một cổng ra và bị ngăn tại các cổng còn lại. 1 2 3 2 3 4 1 4 Hình 2.26 Circulator 4 cổng ra và 4 cổng vào Ứng dụng của bộ cách ly này có thể là dùng trong các module tách ghép kênh quang. Tín hiệu tại đầu ra mỗi bộ phát ở một bước sóng riêng, những tia sáng này được ghép lại và truyền vào sợi quang. Thiết bị thực hiện chức năng này gọi là bộ ghép kênh quang (Multiplexer hay MUX). Ngược lại, ở phía thu có một thiết bị tách tín hiệu quang thu được thành các kênh quang có bước sóng khác nhau để đưa đến mỗi bộ thu quang riêng biệt. Thiết bị này gọi là bộ tách kênh quang (Demultiplexer hay DEMUX). Các bộ ghép / tách kênh này có cấu tạo từ các bộ lọc và coupler quang. Mục đích của chúng là nhằm tăng dung lượng hệ thống bằng việc tăng số lượng kênh truyền được trên một sợi quang. 2.6 Bộ bù tán sắc Như ta biết ở phần trước, sợi quang đơn mode có giá trị suy hao nhỏ nhất tại bước sóng 1550nm trong 3 cửa sổ suy hao sợi quang hiện đang sử dụng. Tuy nhiên ở vùng bước sóng này lại tồn tại giá trị tán sắc rất lớn khoảng từ 16¸20 ps/nm.km. Bên cạnh đó, các bộ khuếch đại hiện nay có thể giải quyết vấn đề suy giảm tín hiệu do hiện tượng suy hao. Do đó, tán sắc sợi quang lại càng trở thành vấn đề quan trọng trong việc xây dựng các hệ thống thông tin quang vì tán sắc gây giảm tốc độ và cự ly truyền dẫn. Việc cần thiết nhất hiện nay là làm sao để bù được tán sắc, làm giảm giá trị tán sắc để trả lại dạng tín hiệu gốc từ phía phát. Bộ bù tán sắc (Dispersion Compensation Device) tạo ra sự tán sắc ngược với sự tán sắc do các thành phần trong hệ thống gây ra, kết quả là xung tín hiệu được khôi phục lại có độ rộng như ban đầu. Có hai loại thiết bị bù tán sắc hay được sử dụng là sợi quang bù tán sắc và cách tử bù tán sắc. 2.6.1 Kỹ thuật bù tán sắc Hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian sau một quãng đường truyền nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang. Có ba nguồn gây nên hiện tượng tán sắc đó là: - Tán sắc vật liệu - Tán sắc dẫn sóng - Tán sắc vận tốc nhóm Trong đó tán sắc do vận tốc nhóm là đáng chú ý và có thể giảm nhỏ bằng việc sử dụng các kỹ thuật được đề cập sau đây. 2.6.1.1 Kỹ thuật bù sau Kỹ thuật bù sau là một kỹ thuật điện có thể được sử dụng bù tán sắc vận tốc nhóm GVD ở trong bộ thu quang. Kỹ thuật này dựa trên nguyên tắc sau : Tín hiệu quang có thể bị suy giảm do GVD gây ra, nhưng có thể cân bằng các ảnh hưởng của tán sắc bằng phương pháp điện nếu sợi quang có vai trò như một hệ thống tuyến tính. Phương pháp này sử dụng bộ lọc băng thông có đáp ứng xung phụ thuộc vào hàm truyền đạt sau : Trong đó : L là chiều dài tuyến sợi quang. viF là tần số trung tần của tín hiệu quang chuyển đổi sang tín hiệu viba. Bộ lọc cần hoàn trả lại tín hiệu gốc từ tín hiệu thu được. Tuy nhiên phương pháp này chỉ thực tế đối với bù tán sắc trong hệ thống thông tin quang coherent. Còn đối với các hệ thống tách quang trực tiếp thì không khả thi. Do đó phương pháp cân bằng điện này chi dùng trong các hệ thống thông tin có tốc độ bit thấp,cự ly truyền dẫn không dài. 2.6.1.2 Kỹ thuật bù trước Kỹ thuật bù tán sắc trước là kỹ thuật áp dụng phương pháp tiếp cận trên cơ sở sửa đổi các đặc tính của các xung tín hiệu đầu vào tại thiết bị phát quang trước khi tín hiệu này được phát vào môi trường truyền dẫn. Nó dựa vào biên độ phổ của xung tín hiệu vào để thay đổi tán sắc vận tốc nhóm có liên quan. Tuy nhiên việc thực hiện phương pháp này cũng không dễ dàng bởi việc tính toán chính xác lượng bù cho tán sắc vận tốc nhóm là rất phức tạp. Và để đơn giản, phương pháp khác cũng hướng tới việc giảm GVD trước khi đưa tín hiệu vào môi trường truyền dẫn là đưa xung tín hiệu đầu vào bị chirp hợp lý sao cho giảm thiều sự dãn xung do GVD. Nhìn chung các phương pháp được áp dụng đều có khả năng hạn chế tán sắc cho tín hiệu được truyền dẫn, nhưng vẫn còn các giới hạn trong hoạt động. Ta lần lượt xét các phần tử tham gia vào quá trình thực hiện bù tán sắc sau. 2.6.2 Các thiết bị bù tán sắc 2.6.2.1 Sợi bù tán sắc a, Nguyên lý của sợi bù tán sắc-DCF (Dispersion Compensating Fiber) Sợi bù tán sắc xuất phát từ nguyên lý coi tín hiệu quang được truyền trên nhiều mảnh sợi ghép lại mà các mảnh này có các đặc tính tán sắc khác nhau. Ta xét trường hợp tín hiệu được truyền trên hai mảnh sợi và có thể viết bỉểu thức biên độ xung theo dạng sau : A(L,t)= (3-17) với L= L1+L2 và b2j là tham số tán sắc vận tốc nhóm GVD của đoạn sợi có độ dài Lj (j=1,2). Sử dụng Dj =-(2pc/λ2).b2j ta sẽ có điều kiện để bù tán sắc sợi có thể được viết như sau : D1L1+D2L2 = 0 (3-18) Vì A(L,t)=A(0,t) khi biểu thức 3-18 được thỏa mãn thì dạng xung sẽ được lưu cho dạng đầu vào của nó. Biểu thức 3-18 chỉ ra rằng : sợi bù tán sắc DCF phải có GVD chuẩn tại 1,55μm (D2 0 đối với sợi tiêu chuẩn để sao cho thỏa mãn điều kiện sau : L2= L1 Thường thì L2 càng nhỏ càng tốt nên DCF nên có D2 mang giá trị âm lớn. b, Cấu trúc DCF. Có hai cách thiết kế DCF để bù tán sắc như sau : Thứ nhất là dựa trên sợi đơn mode với giá trị tham số sợi V tương đối nhỏ (V»1). Vì phần đông các mode truyền bên trong lớp vỏ có chiết suất nhỏ, cho nên thành phần dẫn sóng đối với GVD là khác nhau đối với mỗi loại, điều đó làm cho D= -100ps/km.nm. Tuy nhiên theo cách này thì suy hao của DCF là khá lớn do đó nó không nổi trội Thứ hai là loại sợi hai mode, thiết kế với giá trị V sao cho mode bậc cao hơn gần với bước sóng cắt (V»2,5). Các sợi như vậy, hầu như có cùng suy hao như sợi đơn mode nhưng chúng có thể được thiết kế nhằm có các tham số tán sắc khác nhau với các mode khác nhau, tức là mode cao hơn có độ tán sắc D âm hơn, đồng thời nó còn cho phép bù tán sắc băng rộng. Việc sử dụng DCF hai mode đòi hỏi phải có thiết bị biến đổi mode, để biến đổi năng lượng mode cơ bản sang mode bậc cao hơn.. Thiết bị này thường sử dụng sợi hai mode có cách tử bên trong sao cho có thể ghép giữa hai mode, nó giúp giảm được suy hao xen và hệ số ghép của nó đạt tới 99%. Ta có hình 3.39 mô tả đặc tính tán sắc của hai loại sợi DCF đã nêu. 1500 1525 1550 1575 1600 λ(nm) D[ps/km.nm] -260 -270 -280 -290 -300 -310 -320 Hình 3.39 Đặc tính tán sắc của hai loại DCF. 2.6.2.2 Bộ bù tán sắc bằng cách tử Bragg sợi chu kỳ biến đổi tuyến tính Bù tán sắc bằng quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính là một sợi quang đơn mode có một đoạn lõi được gắn những cách tử có chu kỳ thay đổi một cách tuyến tính dọc theo chiều dài của quang sợi. Λ(z) = Λ0 + Λ1(z) Trong đó : Λ0 là chu kỳ ở điểm bắt đầu của đoạn cách tử Λ1 là sự thay đổi tuyến tính dọc theo chiều dài của đoạn cách tử. Tại vị trí z trên đoạn cách tử Bragg, một sóng ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại nếu bước sóng của nó thoả mản công thức: λB(z) = 2neff (z)Λ(z) Với λB(z) là bước sóng Bragg tại vị trí z tương ứng với chu kỳ cách tử Λ(z). Đặc tính của quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi là tại những vị trí tương ứng với chu kỳ dài hơn sẽ phản xạ những ánh sáng có bước sóng dài hơn. Giả sử xung tín hiệu đi vào đầu có chu kỳ dài hơn của đoạn cách tử như hình vẽ 3.40. Khi đó, những bước sóng dài hơn sẽ bị phản xạ ở gần phần đầu của đoạn cách tử hơn. Nói cách khác, những bước sóng ngắn hơn sẽ phải đi một quãng đường xa hơn trong đoạn cách tử trước khi chúng được phản xạ ngược lại. Kết quả là một khoảng thời gian trễ d sẽ được tạo ra giữa thành phần bước sóng ngắn so với thành phần bước sóng dài. (3-19) Trong đó : d là khoảng thời gian trễ neff là chiết xuất hiệu dụng L là độ dài đoạn cách tử Bragg Và Δλc là hiệu số giữa bước sóng bị phản xạ ở đầu đoạn cách tử (thành phần bước sóng dài nhất) so với bước sóng bị phản xạ ở cuối đoạn cách tử (thành phần ngắn nhất). Hình 3.40 Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi Đây là hiện tượng ngược với hiện tượng tán sắc và là nguyên lý của thiết bị bù tán sắc trong mạng thông tin quang dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính. Hình vẽ 3.41 là một mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính. Hình 3.41 Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bagg chu kỳ thay đổi tuyến tính Trên hình vẽ circulator là thiết bị ghép nối quang chỉ cho ánh sáng đi lần lượt các cổng 1, 2, 3 theo chiều kim đồng hồ. Một xung bị giãn rộng sau khi được khuếch đại sẽ đi qua một circulator để tới đoạn cách tử Bragg có chu kỳ biến đổi như hình vẽ. Tại đoạn cách tử, thành phần bước sóng ngắn tới trước do tán sắc sẽ phải đi thêm quãng đường nữa trước khi được phản xạ ngược lại để tới thiết bị đầu thu. Trong khi đó, thành phần bước sóng dài hơn, đến chậm hơn do bị tán sắc, sẽ được phản xạ ngay khi tới cách tử Bragg. Kết quả là xung tín hiệu sau khi đi qua thiết bị bù đã được co lại. Tính toán hợp lý các số liệu về độ dài đoạn cách tử Bragg, hàm thay đổi của chu kỳ các cách tử L(z), người ta có thể thu được xung ánh sáng có độ rộng như ở đầu phát. Nghiên cứu cho thấy rằng một đoạn cách tử Bragg dài 5,7cm có thể bù cho 100km quang sợi truyền thống có độ tán sắc 17ps/nm km dùng bước sóng 1550nm, độ rộng phổ 0,2 nm. Ưu điểm nổi trội của thiết bị bù tán sắc rất đơn giản, kích thước nhỏ (nằm hoàn toàn trong một sợi quang), hoàn toàn tương thích với mạng cáp quang nên tổn hao ghép nối rất nhỏ, có khả năng điều chỉnh độ bù tán sắc. 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 là vật lý bán dẫn. Tuy nhiên do tín hiệu xử lý của các phần tử này là ánh sáng nên các kiến thức vật lý về ánh sáng (như đã nêu ở chương 1) cũng được sử dụng trong phần tử tích cực. Khi hoạt động, các phần tử này cần phải có nguồn kích thích. Các nguồn này luôn đi kèm theo nên yêu cầu của các phần tử tích cực cũng phức tạp hơn phần tử thụ động. Vị trí đặt thiết bị, các vấn đề về bảo dưỡng, an toàn về điện cũng cần được quan tâm. Trước hết ta xét đến cơ sở vật lý chung cho các phần tử tích cực này. 3.1.1 Các khái niệm vật lý bán dẫn Vật lý bán dẫn là cơ sở hoạt động cho rất nhiều linh kiện điện tử trong đó có các phần tử tích cực hoạt động trong hệ thống thông tin quang. 3.1.1.1 Các vùng năng lượng Vật liệu bán dẫn là vật liệu có đặc tính dẫn điện, và cách điện, tức là ở trường hợp nào đó thì vật liệu bán dẫn là kim loại trong trường hợp khác chúng lại là chất cách điện. Ở mức nhiệt độ thấp, tinh thể bán dẫn thuần túy sẽ có vùng dẫn hoàn toàn trống các điện tử và vùng hóa trị lại đầy các điện tử. Vùng dẫn cách vùng hóa trị một dải cấm năng lượng, dải này không tồn tại một mức năng lượng nào cả. Khi nhiệt độ tăng lên, một số các điện tử sẽ bị kích thích nhiệt và vượt qua dải cấm (chẳng hạn như 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). Các điện tử tự do và lỗ trống sẽ di chuyển trong vật liệu và vật liệu thể hiện tính dẫn điện 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. Sự tập trung của điện tử và lỗ trống được xem là sự tập trung mang tính chất bên trong. Nó kí hiệu là ni và được thể hiện bằng công thức sau : n = p = ni = K.exp(-Eg/2kbT) (3-1) K = 2(2pkbT/h2)3/2(memh)3/4 Trong đó : Eg là độ rộng vùng cấm. kb là hằng số Boltzman h là hằng số Plank me, mh là khối lượng của điện tử và lỗ trống T là nhiệt độ tuyệt đối K là hằng số vật liệu Phân bố mật độ điện tử 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). Điện tử Vùng dẫn Chuyển dich điện tử Vùng cấm Vùng hóa trị Lỗ trống ~2KBT ~2KBT Phân bố mật độ lỗ trống Năng lượng điện tử Có thể tăng tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn bằng cách pha thêm một lượng nhỏ tạp chất thuộc các nguyên tố nhóm V (như P, As, Sb…) hoặc nhóm III (như Ga, Al, In …). Khi được pha tạp bởi các nguyên tố nhóm V, các điện tử tự do trong vùng dẫn gia tăng, lúc này vật liệu bán dẫn được gọi là vật liệu bán dẫn loại n. Khi được pha tạp bởi các nguyên tố nhóm III, các lỗ trống trong vùng hóa trị gia tăng, lúc này vật liệu bán dẫn được gọi là vật liệu bán dẫn loại p. Tính dẫn điện của vật liệu bây giờ tỷ lệ với sự tập trung hạt mang (các điện tử và lỗ trống ). Các vật liệu pha tạp như vậy dùng khá phổ biến trong viễn thông (đặc biệt là trong các bộ thu phát quang), có thể kể ra rất nhiều loại vật liệu như : InP, InAs.,GaAs, GaAsP, InGaAsP… Ta có thể xem qua bảng 3.1 tổng hợp một số vật liệu với các dải cấm và bước sóng dưới đây. Loại vật liệu Tên vật liệu Dải cấm Bước sóng Các vật liệu hai thành phần GaP (Gali – Phốt pho) AlAs (Nhôm - Asen) GaAs (Gali - Asen) InP (Indi – Phốt pho) InAs (Indi - Asen) 2,24 eV 2,09 eV 1,42 eV 1,33 eV 0,34 eV 0,55 mm 0,59 mm 0,87 mm 0,93 mm 3,6 mm Các vật liệu ba hoặc bốn thành phần AlGaAs (Nhôm-Gali-Asen). InGaAsP (Indi-Gali-Asen-Phốt pho) 1,42 – 1,61 eV 0,74 – 1,13 eV 0,77 – 0,87 mm 1,1 – 1,67 mm Bảng 3.1 Dải cấm và bước sóng của một số vật liệu bán dẫn. 3.1.1.2 Lớp tiếp giáp p-n Bản thân các vật liệu pha tạp loại p hay n chỉ như là những chất dẫn điện tốt hơn so với bán dẫn thuần. Tuy nhiên khi ta sử dụng kết hợp hai loại vật liệu này thì sẽ có được những đặc tính hết sức đáng chú ý. Một vật liệu loại p được ghép với vật liệu loại n sẽ cho ta một lớp tiếp xúc được gọi là tiếp giáp p-n. Khi tiếp giáp p – n được tạo ra, các hạt mang đa số sẽ khuếch tán qua nó : Lỗ trống bên p khuếch tán sang bên n, điện tử bên n khuếch tán sang bên p. Kết quả là tạo ra một điện trường tiếp xúc Etx đặt ngang tiếp giáp p – n. Chính điện trường này sẽ ngăn cản các chuyển động của các điện tích khi tình trạng cân bằng đã được thiết lập. Lúc này, vùng tiếp giáp không có các hạt mang di động. Vùng này gọi là vùng nghèo hay vùng điện tích không gian. 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 hình 3.2b). Nếu phân cực ngược cho tiếp giáp p – n, vùng nghèo sẽ bị mở rộng ra về cả hai phía. Điều này càng cản trở các hạt mang đa số tràn qua tiếp giáp. Tuy nhiên vẫn 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 vật liệu n, còn cực dương nối với vật liệu p như hình 3.2c) thì các điện tử vùng dẫn phía n và các lỗ trống vùng hóa phía p lại được phép khuếch tán qua tiếp giáp. Lúc này việc kết hợp các hạt mang thiểu số tăng lên và trở nên có ý nghĩa. Các hạt mang tăng lên sẽ tái hợp với hạt mang đa số. Quá trình tái kết hợp các hạt mang dư ra chính là cơ chế để phát ra ánh sáng. Loại n Loại p Vùng nghèo Tiếp giáp p-n a) Tiếp giáp p-n Loại n Loại p Loại n Loại p b) Phân cực ngược c) Phân cực thuận Hình 3.2 Phân cực cho các lớp tiếp giáp Các chất bán dẫn thường được phân ra thành vật liệu có giải cấm trực tiếp và vật liệu có giải cấm gián tiếp tùy thuộc dạng của dải cấm (như hình 3.3). Năng lượng vùng cấm trực tiếp Năng lượng vùng cấm gián tiếp Edir Chuyển dịch điện tử hf=Edir Eind hf=Eind+Eph Năng lượng photon Eph a) b) Hình 3.3 Sự phát photon với vật liệu dải cấm trực tiếp (a) và gián tiếp (b) Vùng dẫn Vùng dẫn Vùng hóa trị Vùng hóa trị 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. Còn trong trường hợp vật liệu có dải cấm gián tiếp, các mức năng lượng nhỏ nhất ở vùng dẫn và các mức năng lượng nhỏ nhất ở vùng hóa lại xảy ra ở các giá trị động lượng khác nhau. Như vậy việc tái kết hợp ở đây cần phải có phần tử thứ ba để duy trì động lượng bởi vì động lượng photon là rất nhỏ. 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 giữa vật chất và môi trường xung quanh, và tạo ra các hiện tượng phát xạ, bức xạ hay hấp thụ… Để phân tích các quá trình phát xạ và hấp thụ ta xét một hệ có hai mức năng 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. Hình 3.4 Sơ đồ quá trình hấp thụ, phát xạ và phát xạ kích thích E2 E1 hf hf hf1 hf2 hf a, Hấp thụ b, Phát xạ tự phát c, Phát xạ kích thích Khi photon có năng lượng hf = E1 – E2 đi vào vật chất, điện tử sẽ hấp thụ và chuyển lên mức kích thích E2. Đây là quá trình hấp thụ ánh sáng. Các điện tử ở mức 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=E1 – E2. Ta có quá trình 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 kích thích và phát xạ ra các photon giống hệt nhau về năng lượng và pha. Ta có các phương trình tốc độ đặc trưng cho các quá trình này như sau : Tốc độ phát xạ tự phát : Rspon=A.N2 Tốc độ phát xạ kích thích : Rstim = B.N2.ρ Tốc độ hấp thụ : Rabs = C. N1.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 theo thống kê Boltzman như sau : (3-2) 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 : A.N2+ B.N2.ρ= C. N1.ρ (3-3) Từ công thức 3-2 và 3-3 ta có mật độ phổ năng lượng được tính như sau : (3-4) Theo công thức Plank mật độ phổ năng lượng chiếu xạ phải bằng mất độ phổ phát xạ vật đen tuyệt đối : Như vậy : và C=B (với A, B là hệ số Anhxtanh). 3.1.2.2 Trạng thái đảo mật độ 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 có phát xạ kích thích ta phải thực hiện tăng số lượng lớn các điện tử và lỗ trống trong vùng dẫn và vùng hóa trị. Ta xét một tiếp giáp p – n với hai loại vật liệu bán dẫn loại n và p pha tạp cao đến mức suy biến. Mức Fermi bên bán dẫn loại n nằm vào bên 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 này không có quá trình bơm hạt tải (hình 3.5a). Khi phân cực thuận đủ lớn, các mức Fermi ở hai miền tách ra, lúc này thì các điện tử bên bán dẫn loại n và lỗ trống bên bán dẫn p được bơm điện tích không gian (hình 3.5b). Khi điện thế đặt vào tiếp giáp p-n tăng đủ lớn để quá trình bơm này đạt đến mức cao thì trong miền điện tích không 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 mật độ. Điện tử và lỗ trống có thể tái hợp để phát ra photon. P N Ec Efv Ev Efc Eg Ec Ev Efv Eg Efc VF Ec Ev Efv Efc VF d hν a, Ban đầu chưa bơm b, Mức Fermi tách ra khi có phân cực thuận c, Bơm cao phát xạ photon Hình 3.5 Giản đồ năng lượng của tiếp giáp p-n với bán dẫn suy biến Như vậy điều kiện để có trạng thái đảo mật độ là bán dẫn ở hai miền p và n phải 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 và vùng hóa trị. Hiệu hai mức Fermi ở hai vùng bán dẫn loại n và p lớn hơn năng lượng 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 các phần tử tích cực trong thông tin quang được đề cập trong các phần tiếp theo. 3.2 Nguồn quang Vai trò của các bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang này vào sợi quang để truyền tới phía thu. Linh kiện chính trong bộ phát quang là nguồn phát quang. Trong hệ thống thông tin quang các nguồn quang được sử dụng là điốt phát quang (LED) và laser bán dẫn (Laser Diode – LD). 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 vùng bước sóng phát quang thích hợp vói sợi quang và có thể điều biến trực tiếp bằng dòng bơm với tần số khá cao. 3.2.1 Điốt phát quang. LED (Light Emitted Diode) là một loại nguồn phát quang hù hợp cho các hệ thốn thông tin quang có tốc độ bít không quá 200Mb/s sử dụng sợi dẫn quang đa mode. 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 điểm của cấu trúc dị thể kép là có hai lớp bán dẫn khác nhau ở mỗi bên của vùng bán dẫn tích 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 vuôn góc với trục của sợi dẫn quang (hình 3.6a). Vùng tích cực thường có dạng phiến tròn, đường kính khoảng 50μm và độ dày khoảng 25μm. 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