Đang tải... (xem toàn văn)
n 1934: Norman R.French (Myừ) Nhaọn baống saựng cheỏ veà heọ thoỏng thoõng tin quang Duứng thanh thuỷy tinh ủeồ truyeàn aựnh saựng Moõi trửụứng truyeàn aựnh saựng thớch hụùp n 1958: A. Schawlow vaứ Charles H.Townes (Myừ) Xaõy dửùng vaứ phaựt trieồn laser ệÙng duùng trong nhieàu lúnh vửùc: y hoùc, quaõn sửù … à Nguoàn quang duứng trong thoõng tin quang n 1966: Charles H.Kao vaứ George A. Hockham (Myừ) Duứng sụùi thuỷy tinh ủeồ truyeàn daón aựnh saựng Suy hao lụựn ( > 1000dBkm)
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Bài 4: LINH KIỆN BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN NỘI DUNG Các khái niệm bản: − − − − Nguồn quang (Light Source) − − − Mức lượng (Energy Level) Vùng lượng (Energy Band) Chất bán dẫn (Semiconductor) Nguyên lý biến đổi quang điện LED (Light Emitting Diode) Laser (Light Amplification by Stimulated Emitting of Radiation) Các thông số kỹ thuật nguồn quang Linh kiện tách sóng quang (Light Detector) − − − PIN APD (Avalanche Photodiode) Caùc thông số kỹ thuật linh kiện thu quang CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Lý thuyết lượng tử Borh: − − − Một nguyên tử bao gồm hạt nhân (+) bao quanh điện tử (-) Các điện tử quay quanh hạt nhân theo quỹ đạo ổn đònh mang mức lượng xác đònh Các điện tử thay đổi trạng thái lượng chuyển từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác toàn nguyên tử mang mức lượng rời rạc lượng nguyên tử lượng tử hóa CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mức lượng (Energy level): E4 E3 E2 E1 E0 − − − Năng lượng E(eV) Energy gap ∆Eij=Ej - Ei Ground state Các mức lượng điện tử nguyên tử không liên tục Một điện tử mang mức lượng rời rạc Mức lượng thấp E gọi mức (ground state) trạng thái ổn đònh nguyên tử CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mức lượng (tt): − Khi điện tử chuyển từ mức lượng cao Ej xuống mức lượng thấp Ei phát lượng ∆E = Eij = Ej – Ei − ∆E phát dạng nhiệt dạng photon ánh sáng (sự xạ ánh sáng (radiation) ) Năng lượng photon xaï: Ephoton = ∆E = hf = hc/λ λ = hc/ ∆E − Bước sóng ánh sáng phát xạ phụ thuộc vào khoảng cách mức lượng vật liệu CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mức lượng (tt): − Khi nguyên tử nhận lượng E từ bên cung cấp xảy hai trường hợp: + + Nếu E = Eij (i,j= 0,1,2 …), điện tử có trạng thái lượng Ei hấp thụ (absorption) lượng E di chuyển lên mức lượng cao Ej Nếu ∆E ≠ Eij (i,j= 0,1,2 …) không xảy hấp thuï E(eV) E(eV) Ej Ej E= Eij Ei (Eij = Ej – Ei) Ei E≠ Eij (Eij = Ej – Ei) CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Quá trình biến đổi quang điện xảy dựa tượng sau: Biến đổi quang -điện Phát xạ tự phát (Spontaneous emission) Biến đổi điện quang Phát xạ kích thích (Spontaneous emission) Biến đổi điện quang Linh kiện thu quang (Photo detector) LED (Light Emitting Diode) Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Hấp thụ (Absortion) CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN nh sáng kết hợp (Coherent Light) − nh sáng tượng phát xạ kích thích tạo có tính kết hợp, nghóa photon ánh sáng có: Cùng tần số + Cùng pha + Cùng phân cực + Cùng hướng truyền nh sáng laser phát có tính kết hợp + − Hiện tượng phát xạ tự phát xảy tự nhiên điện tử có khuynh hướng chuyển từ trạng thái lượng cao xuống trạng thái ổn đònh có lượng thấp nh sáng LED phát tính có tính kết hợp CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Vùng lượng (Energy band): − − Trong chất bán dẫn (hay chất rắn nói chung), mức lượng rời rạc gần điện tử xem nằm vùng lượng (energy band) Trong chất bán dẫn, phân biệt thành hai vùng lượng: + + − Vùng hoá trò (Valence band): vùng lượng thấp, vùng lượng bền vững điện tử Vùng dẫn (Connection band): vùng lượng cao Các điện tử nằm vùng lượng (vùng dẫn vùng hoá trò) nằm vùng lượng energy gap CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Vùng lượng (tt): E Vùng dẫn (Conduction band) Energy gap Vùng hoá trò (Valence band) 10 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA NGUỒN QUANG Thời gian chuyển lên (Rise time): − Là thời gian để công suất tăng từ 10% đến 90% mức sông suất ổn đònh có xung dòng điện kích thích nguồn quang 0.9 Công suất tương đối t 0.1 − − tr Thời gian lên ảnh hưởng đến tốc độ bit tín hiệu điều chế Muốn điều chế tốc độ bit cao nguồn quang phải có thờøi gian chuyển nhanh Thời gian chuyển Laser (không ns) nhanh so 35 với LED (2–50 ns tùy loại) CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA NGUỒN QUANG nh hưởng nhiệt độ: − − − Bước sóng thay đổi nhiệt độ thay đổi ảnh hưởng lớn đến hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo bứơc sóng (WDM) Dòøng ngưỡng Laser thay đổi nhiệt độ thay đổi (+1%/oC) Laser chòu ảnh hưởng nhiệt độ lớn so với LED cần phải ổn đònh nhiệt cho Laser Laser thường chế tạo dạng module, bao gồm thành phần ổn đònh nhiệt cho Laser 36 LINH KIỆN TÁCH SÓNG QUANG (PHOTO DECTECTOR) Đònh nghóa: Linh kiện tách sóng quang linh kiện biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện có cường độ dòng điện tỷ lệ với công suất ánh sáng chiếu vào Nguyên lý hoạt động: − − Có hai loại linh kiện tách sóng quang sử dụng: − − Mối tiếp giáp pn phân cực ngược Hiện tượng hấp thụ (absorption) PIN: diode thu quang có lớp bán dẫn P, I, N APD (Avelanche Photodiode) : diode thác lũ Vùng bước bước sóng hoạt động linh kiện thu quang phụ thuộc vào vật liệu chế tạo 37 LINH KIỆN TÁCH SÓNG QUANG (PHOTO DECTECTOR) Hiệu suất lượng tử (Quantum Efficiency) η= ne n ph ne: số lượng điện tử tách nph: số lượng photon chiếu − − vào Hiệu suất biến đội quang-điện η vật liệu thay đổi theo bước sóng ánh sáng 38 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA LINH KIỆN TÁCH SÓNG QUANG Đáp ứng (Responsivity): R= − I ph Iph: dòng quang điện Popt Popt: công suất quang Phụ thuộc hiệu suất lượng tử vật liệu bứơc sóng hoạt động 39 LINH KIỆN TÁCH SÓNG QUANG (PHOTO DECTECTOR) Quá trình tách sóng quang: - Ec Eg = Ec E Ev v Eph = hν + 40 LINH KIỆN TÁCH SÓNG QUANG (PHOTO DECTECTOR) Nhận xét: − − − Quá trình hấp thụ xảy chủ yếu vùng (vùng có điện tích tự do) Vùng tạo tự nhiên hẹp hiệu suất thấp Muốn tăng hiệu suất biến đổi quang-điện (hiệu suất lượng tử): + + Tăng độ rộng vùng cách tăng điện áp phân cực không hiệu Đặt hai lớp bán dẫn P N lớp bán dẫn có độ rộng lớn có tính chất tương tựï vùng hieám diode thu quang PIN 41 DIODE THU QUANG PIN Cấu tạo: gồm lớp bán dẫn P-I-N, I (Intrinsic) lớp bán dẫn không pha tạp chất pha với nồng độ thấp Quá trình hấp thụ photon xảy lớp I Lớp I dày hiệu suất lượng tử cao thời gian trôi điện tử chậm giảm khả hoạt động với tốc độ cao PIN 42 DIODE THU QUANG APD (Avalanche Photo Diode) Cấu tạo: gồm lớp P+ P-P N-, P+ N- hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao, P- lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất thấp (thay cho lớp I PIN) Quá trình biến đổi quang-điện: 43 DIODE THU QUANG APD (Avalanche Photo Diode) 44 DIODE THU QUANG APD (Avalanche Photo Diode) Hiệu suất lượng tử APD: η >1 Dòng quang điện APD tao ra: R: đáp ứng (A/W) Iph = R.M.Popt M: hệ số nhân Popt: công suất quang Hệ số nhân M: − − − − − Là số điện tử thứ cấp phát sinh ứng với điện tử sơ cấp Thay đổi theo điện áp phân cực ngược Phụ thuộc vào nhiệt độ tính ổn đònh APD Vùng thác lũ lớn hệ số M lớn, thời gian trôi điện tử chậm nên tốc độ hoạt động APD giảm M= 10-1000 lần, thực tế M hiệu 45 chỉnh 50-200 lần để giảm nhiễu CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA LINH KIỆN TÁCH SÓNG QUANG Độ nhạy (Sensitivity): − − − − Là mức công suất quang thấp mà linh kiện thu quang thu với tỷ số lỗi (BER) đònh Phụ thuộc vào loại linh kiện tách sóng quang múc nhiễu khuếch đại điện Tốc độ bit ruyền dẫn cao độ nhạy thiết bò thu APD nhạy PIN (từ 5dB đến 15dB) 46 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA LINH KIỆN TÁCH SÓNG QUANG Dải động (Dynamic Range) − Là khoảng chênh lệch mức công suất quang cao mức công suất quang thấp mà linh kiện thu quang thu giới hạn tỷ số lỗi (BER) đònh − Phụ thuộc vào loại linh kiện tách sóng quang, độ tuyến tính giới hạn bảo hoà khuếch đại thu Dải động APD rộng so với PIN điều chỉnh cách thay đổi điện áp phân cực để thay đổi hệ số nhân M − 47 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA LINH KIỆN TÁCH SÓNG QUANG Tạp âm (Noise): − Tạp âm nhiệt: + + Do điện trở tải diode thu quang trở kháng vào khuếch đại Phụ thuộc vào nhiệt độ, bề rộng băng tạp âm, điện trở tải: KT I = ×B R t − Tạp âm lượng tử: + + − Do biến động ngẫu nhiên lượng photon đập vào diode I q2 =thu 2e.Rquang Popt B = 2e.I ph B Dòng tạp âm lượng tử: Tạp âm dòng tối: + + Dòng điện nhiễu diode thu quang phát ánh sáng I q2 = 2e.chiếu iD B vào 48 Dòng tối: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA LINH KIỆN TÁCH SÓNG QUANG Độ ổn đònh: Độ ổn đònh PIN tốt APD hệ số nhân M APD vứa phụ thuộc vào điện áp phân cực vừa thay đổi theo nhiệt độ Điện áp phân cực: − − − APD cần điện áp phân cực cao PIN APD: hàng trăm Volt PIN: thøng 20 volt 49 ... Độ rộng phổ (tt): E Vùng dẫn (Conduction band) λ1 λ2 λ3 4 Công suất chuẩn hoá Vùng hoá trò (Valance band) ∆λ λ p λij ( µ m) = 1, 24 với Eij = Ej - Ei Eij (eV ) λ(nm ) 16 NGUOÀN QUANG (LIGHT... Laser ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Bước sóng nguồn quang tạo 1,ra hc 24 λ= λ ( µ m) = phụ thuộc vào vật Eg ( J ) liệu chế tạo: Eg (eV ) 13 NGUỒN QUANG (LIGHT SOURCE)... 1,3 1,55 λ(µm) In1-xGaxAs1-yPy: thay đổi giá trò x,y phù hợp tạo ánh sáng có bước sóng thích hợp 14 NGUỒN QUANG (LIGHT SOURCE) Độ rộng phổ: − Trong TTQ, ánh sáng nguồn quang phát bước sóng mà