Thông tin quang
Nguồn phát quang
Bộ thu quang
Nội dung
3.1. Giới thiệu các loại nguồn quang trong thông tin quang
3.2. Nguyên lý phát quang
3.2.1. Các vùng năng lượng
3.2.2. Tiếp giáp p-n và cấu trúc dị thể kép
3.3. LED
3.3.1. Cấu trúc diode LED
3.3.2. Các thông số đặc trưng của LED
3.4. Diode laser
3.4.1. Nguyên lý hoạt động của diode laser
3.4.2. Phương trình tốc độ của diode LED
3.4.3. Diode laser Fabry-Perot
3.4.4. Diode laser đơn mode
3.4.5. Các thông số đặc trưng của diode của laser
3.1. Các loại nguồn quang
qCác loại nguồn quang:
- Nguồn quang phổ liên tục băng rộng (đèn sợi đốt)
- Đèn huỳnh quang
- LED
- Laser
qThông tin quang: LED, Laser
Đặc tính của các loại nguồn quang
q Ánh sáng ban ngày, đèn chiếu sáng:
- Phổ tần số rộng
- Không cùng hướng, pha, tần số.
q LED:
- Có phổ tần số tương đối hẹp gần mono-chromatic (trừ white-LED)
- Không cùng hướng, pha.
q Laser:
- Có phổ tần số cực kì hẹp, gần như là
1 tần số duy nhất – mono-chromatic
- Các tia sáng cùng hướng, pha, tần số
với nhau
Tính chất chung của LED vs Laser
q So sánh LED và Laser:
Đặc điểm
LED
Laser
Nguyên lý
Phát xạ tự phát
Phát xạ kích thích
Công suất đầu ra
Bé. Tỷ lệ tuyến tính với dòng điện
Lớn. Tỷ lệ với dòng ở trên ngưỡng nhất định
Dòng điện
cực đại ở 50-100 (mA)
dòng ngưỡng: 5-40 (mA)
Khẩu độ (NA)
Lớn hơn
Nhỏ hơn
Độ rộng phổ
FWHM = 40 - 190 (nm)
FWHM = 0.0001 – 10 (nm)
Loại fiber
Đa mode
Đơn mode, đa mode
Bước sóng hiện có
0.66 – 1.65 (nm)
0.78 – 1.65 (nm)
Mức độ dễ sử dụng
Dễ
Khó hơn
Hệ số chuyển đổi
năng lượng E/O
10% - 20%
30% - 70%
Tuổi thọ
Rất lớn
Lớn
An toàn mắt người
An toàn
Rất nguy hiểm, cần kính bảo hộ
Chi phí
Thấp ($5-$300)
Lớn ($100-$10000)
3.2. Nguyên lý phát quang
q Mức năng lượng nguyên tử:
Ø 𝐸!
: trạng thái đất - mức năng lượng thấp nhất
Ø 𝐸" , 𝐸# ,... : trạng thái kích thích – mức năng lượng cao
q Định luật bảo toàn năng lượng:
Ø Mức năng lượng thấp => cao: hấp thụ photon
Ø Mức năng lượng cao => thấp: bức xạ photon
Ø Chênh lệch 2 mức năng lượng = năng lượng photon: 𝐸$ − 𝐸% = hf =
&'
(
Bức xạ photon
q Hai loại bức xạ:
Ø Bức xạ tự phát (Spontaneous Emission): Các photon phát xạ với
hướng ngẫu nhiên, không có quan hệ về pha với nhau.
Ø Bức xạ kích thích (Stimulated Emission): Xảy ra khi một photon đi
qua một nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao. Nguyên tử sẽ bức xạ
photon có cùng tần số và pha theo photon của ánh sáng tới.
Nguyên lý Einstein
q Quan hệ giữa số photon tự phát và số photon kích thích:
Stimulated 𝑒mission 𝑟ate
1
=
Spontaneous emission rate exp hf − 1
K𝑇
Ví dụ: Với ánh sáng tần số 𝜆 = 0.5 𝜇𝑚, nguồn sáng nhiệt độ
1000K:
Stimulated 𝑒mission 𝑟ate
= 3.1 ∗ 10!""
Spontaneous emission rate
Þ Ở trạng thái cân bằng nhiệt, với nguồn sáng thông thường, tỉ lệ
photon do bức xạ kích thích là rất nhỏ.
Các vùng năng lượng
q Vật liệu bán dẫn tinh khiết:
Ø T = 0K, toàn bộ electron trong vùng hóa trị.
Ø T > 0K, một số electron tích đủ năng lượng thoát khỏi vùng cấm vào vùng dẫn, bỏ
lại vùng hóa trị các hole.
Ø T càng cao => Số electron vùng dẫn, hole vùng hóa trị càng nhiều.
Ø Mức fermi (là mức có 50% bị chiếm bởi electron) nằm chính giữa vùng cấm
Ø Xác suất electron chiếm vùng năng lượng E là:
1
P 𝐸 =
𝐸 − 𝐸!
1 + exp( KT )
Donor và Acceptor
Tạo vật liệu lớp n: Bổ sung tạp chất donor – bổ sung electron
Ø Electron là hạt dẫn chính. Mức fermi tăng lên
Tạo vật liệu lớp p: Bổ sung tạp chất acceptor – bổ sung hole
Ø Hole là hạt dẫn chính. Mức fermi giảm xuống
q Phân bố điện tử - lỗ trống:
pn = 𝑝) 𝑛) = 𝑛* "
Lớp p-n
q Điện tử ở lớp n khuếch tán về phía lớp p
q Lỗ trống ở lớp p khuếch tán về phía lớp n
=> Tạo ra vùng nghèo ở tiếp xúc p-n
Bức xạ tự phát ở lớp p-n
Khi áp đặt điện áp thuận vào lớp p-n, hàng rào thế bị giảm xuống.
Ø Nhiều electron đi từ lớp n vào lớp p
Ø Nhiều hole đi từ lớp p vào lớp n
•
•
Các hạt dẫn thiểu số tái hợp với các hạt đa số bức xạ photon
Năng lượng của photon phụ thuộc vào bandgap:
𝐸+ = hf
Tái hợp hạt dẫn
v 2 loại tái hợp hạt dẫn:
Ø Trực tiếp: xảy ra khi năng lượng cực đại ở vùng hóa trị có cùng momen
tinh thể với năng lượng cực tiểu của vùng dẫn.
Ø Gián tiếp: xảy ra khi hai điểm trên không cùng momen tinh thể.
Þ Vật liệu tái hợp trực tiếp cho hệ số tái hợp cao hơn.
Þ Hiệu suất phát quang của vật liệu tái hợp trực tiếp cao hơn.
Lớp tiếp giáp p-n LED
Hai loại cấu trúc tiếp giáp p-n:
Ø Tiếp giáp thuần nhất
Ø Tiếp giáp dị thể kép
q Cấu trúc dị thể kép có thể được
tạo ra bằng cách dope AlAs vào
hai bên active region.
Cấu trúc dị thể kép
q
Þ
Þ
Þ
Mục đích của cấu trúc dị thể:
Active region có chiết suất bé nhất, vùng xung quanh chiết suất thấp hơn
Ánh sáng bị giam bên trong active region
Tạo thành ống dẫn sóng đưa ánh sáng ra ngoài
Hạn chế sự hấp thụ ánh sáng bởi các lớp xung quanh
3.2. LED
LIGHT EMITTING DIODE
Cấu trúc LED
q Kiến trúc LED:
Ø LED phát mặt: Surface Emitting LED
Ø LED phát cạnh: Edge Emiting LED
Vật liệu dải cấm
•
Các vật liệu dải cấm khác nhau bức xạ ra bước sóng khác nhau:
•
Thay đổi tỉ lệ hợp chất trong vật liệu cho phép chọn được bước sóng mong
muốn:
Hiệu suất lượng tử trong
q Hiệu suất lượng tử trong 𝜂!"# (Internal quantum efficiency) là tỷ lệ
số hạt photon được bức xạ bên trong LED trên số electron được tái
hợp.
q Công thức tính hiệu suất lượng tử trong:
𝜏"$
𝜂!"# =
𝜏"$ + 𝜏%
• 𝜏"$ : thời gian sống trung bình của quá trình tái tổ hợp không bức xạ
• 𝜏% : thời gian sống trung bình của quá trình tái tổ hợp bức xạ
q Công suất bức xạ trong 𝑃!"# là công suất bức xạ bên trong LED và
chưa được bức xạ ra bên ngoài:
ℎ𝑐
𝑃!"# =
∗ I ∗ 𝜂!"#
𝜆
Hiệu suất lượng tử ngoài
q Không phải bất kì photon nào được tạo ra cũng được phát ra
bên ngoài.
Þ Hiệu suất lượng tử ngoài 𝜂#$% (External quantum efficiency) là
tỷ lệ số hạt photon được bức xạ ra khỏi LED trên số electron
được tái hợp (*). Tương tự, ta có công suất bức xạ ra bên ngoài
là 𝑃&
𝑃&
𝜂#$%
𝐹𝑛)
=
=
𝑃'(% 𝜂'(% 4𝑛* )
• F là hệ số truyền đạt giữa 2 mặt phân cách
• n là refractive index của môi trường truyền đi (ví dụ: không
khí)
• 𝑛* là refractive index của vật liệu tinh thể tạo nên LED
(*) Một số nguồn coi hiệu suất lượng tử là tỷ lệ số hạt photon được bức xạ ra bên
ngoài trên số hạt photon được tạo ra.
Hiệu suất coupling
q Ánh sáng khi được truyền vào trong sợi quang sẽ bị thất thoát
ở mặt phân cách.
Þ Hiệu suất coupling là tỷ lệ số hạt photon được truyền vào sợi
quang trên số hạt photon được phát ra bởi LED.
𝑃+
𝜂+ = = sin) 𝜃, = NA)
𝑃&
• NA: numerical aperture
• 𝜃, : acceptiance angle
Công suất phát quang của LED
q Công suất phát quang phụ thuộc cường độ dòng điện đi qua
LED.
q Điều kiện lý tưởng: công suất phát quang tỷ lệ thuận với
cường độ dòng.
Lý tưởng
Thực tế: AlGaAs LED
Công suất phát quang của LED
q Nhiệt độ càng lớn:
Ø Công suất phát quang càng giảm
Ø Tuy nhiên, độ tuyến tính tăng
Công suất phát quang theo nhiệt độ của 3
loại cấu trúc LED
Công suất phát quang theo dòng điện với
các nhiệt độ khác nhau của InGaAsP
Phổ tần số phát quang
q Thường có dạng chuông.
q FWHP là độ rộng của phổ tần số có công suất lớn hơn một nửa
công suất cực đại.
Ø FWHP thường từ 25-40 (nm) với LED có bước sóng chính từ 800-900
(nm)
Ø FWHP thường từ 50-160 (nm) với LED có bước sóng chính từ 11001700 (nm)
q Độ rộng phổ:
+
∆𝑣 = ∆𝜆 -" ≈ 1.8
.# /
0
FWHP
Phổ tần số phát quang
q FWHP thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
Thay đổi theo mật độ tạp chất
Thay đổi theo nhiệt độ
Thay đổi theo cấu trúc LED
3.4. LASER
LIGHT AMPLIFICATION OF STIMULATED
EMISSION OF RADIATION
Nguyên lý hoạt động
q Population inversion:
- Là hiện tượng số nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao nhiều
hơn ở trạng thái năng lượng thấp hơn.
- Laser chỉ có thể bức xạ coherent light khi population inversion
xảy ra.
Population Inversion
q Population inversion xảy ra đồng thời quá trình hấp thụ và bức xạ.
Hấp thụ
Bức xạ
q Lượng photon được tạo ra sau quá trình hấp thụ - bức xạ:
I = 𝐼) e,!" -!.-" /
q Để population inversion tồn tại và xảy ra khuếch đại dòng thì N" > 𝑁! .
Þ Lượng photon được tạo ra từ qúa trình bức xạ lớn hơn lượng photon bị mất
đi do quá trình hấp thụ
Þ Lượng photon đi ra lớn hơn lượng photon đi vào => Khuếch đại lượng
photon
Gốc cộng hưởng Fabry - Perot
q
-
Buồng cộng hưởng Fabry – Perot:
Gồm phiến phẳng là gương phản xạ nội bộ được đặt hướng quay vào nhau.
Hệ số phản xạ lớn > 99%
Khuếch đại lớn hơn suy hao.
q Điều kiện xảy ra cộng hưởng và khuếch đại:
Ø Hệ số khuếch đại >= Ngưỡng gây suy hao.
1
1
𝑔0& ≥ 𝛼1 = 𝛼3 + ln(
)
2L 𝑅! 𝑅"
Tần số cộng hưởng
q Tần số cộng hưởng:
- Các tần số cộng hưởng cách nhau
một số nguyên lần bước sóng.
- Khoảng cách giữa 2 tần số cộng
hưởng liên tiếp là:
𝑐
∆𝑓 =
2Ln
- Khoảng cách giữa 2 bước sóng
liên tiếp là:
𝜆"
∆𝜆 =
2nL
Diode laser đơn mode
• Các laser Fabry-Perot thường cho
phổ đa mode. Để tạo laser đơn
mode thì phải giảm được độ dài L
của hốc phát đến khi Δf lớn hơn độ
rộng phổ laser
• Ba cấu trúc bộ phản xạ lựa chọn
tần số:
– Laser phản hồi phân bố (DFB –
Distributed Feedback)
– Laser phản xạ phân bố Bragg
(DBR – Distributed Bragg
Reflector)
– Laser phản xạ phân tán (DR –
Distributed Reflector)
Diode laser đơn mode
• Các mode dài của Laser DFB lý tưởng:
• Với m = 0: Để phát đơn mode cần phải:
– Dịch cách tử đi ¼
– Sử dụng lớp vỏ phản xạ cao ở một đầu, đầu kia là chống phản xạ
Hiệu suất lượng tử của laser
q Hiệu suất lượng tử ngoài của laser:
𝜂* 𝑔0& − 𝛼3
𝜂230 =
𝑔0&
- 𝜂* : hiệu suất lượng tử trong, thường bằng 0.6 – 0.7 ở nhiệt độ phòng
- g 0& : hệ số khuếch đại ngưỡng
- 𝛼3 : suy hao ngưỡng
q Xác định bằng thực nghiệm:
𝑒 dP
dP(mW)
𝜂230 =
= 0.8065𝜆
𝐸+ dI
dI(mA)
-
45
46
có thể xác định bằng đồ thị công suất quang vs cường độ dòng
q Laser chuẩn: 𝜂230 = 15% − 20%
q Laser chất lượng cao: 𝜂230 = 30% − 40%
Công suất laser
q Công suất laser vs dòng:
• Dòng điện < ngưỡng: phát xạ tự phát (phổ rộng, không định hướng, không
cùng pha)
• Dòng điện > ngưỡng: phát xạ kích thích (phổ hẹp, định hướng cao), sự tăng
công suất phát quang tỉ lệ tuyến tính với sự tăng cường độ dòng.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
q Nhiệt độ tăng thì :
o Dòng điện ngưỡng 𝐼0& tăng
𝑇
𝐼0& 𝐼 = 𝐼) exp
𝑇)
o Tỷ lệ công suất quang / dòng điện
giảm
Þ Hiệu suất diode laser càng giảm
q Để ổn định công suất đầu ra
Þ Cần ổn định nhiệt độ diode.
Þ Cần thiết bị làm mát.
Đáp ứng xung của diode laser
q Xung tín hiệu khi đi qua diode
laser bị trải rộng do delay:
Þ Gây ISI
Þ Giới hạn tốc độ dữ liệu
Nhiễu trong nguồn phát laser
q Nhiễu của nguồn phát laser:
Ø Nhiễu mode
Ø Nhiễu cạnh tranh mode
Ø Nhiễu phản xạ
Chương 4 - Photodetector
4.1. Giới thiệu bộ thu quang
4.2. Nguyên lý hoạt động của bộ thu quang
4.3. Nguyên lý hoạt động của photodiode
- PIN
- APD
4.4. Thông số, cấu tạo
- Vật liệu cấu tạo
- Dòng photon vùng trôi
- Vùng gây nhiễu
- Tính toán SNR
- Độ nhạy thu
- Đáp ứng thời gian
Giới thiệu
• Nguồn thu quang: Là thiết bị thu tín hiệu quang biến đổi thành
tín hiệu điện
• Các thiết bị thu quang phải có đọ nhạy cao, đáp ứng nhanh và
độ tin cậy cao.
• Để có được một tuyến truyền dẫn dài với tốc độ bit lớn. Bộ thu
cần:
– Noise thấp và khuếch đại lớn để SNR lớn
– Độ nhạy thu cao để thu được tín hiệu nhỏ
– Hoạt động trong điều kiện băng tần lớn
Nguyên lý bộ thu quang
Bộ thu quang gồm: bộ tách song, bộ khuếch đại và mạch xử lí tín hiệu.
•
Photodiode biến đổi ánh sáng thành tín hiệu điện.
•
Bộ tiền khuếch đại có vai trò khuếch đại tín hiệu điện cho quá trình xử lí sau
•
Bộ khuếch đại chính có độ khuếch đại cao hơn bộ tiền khuếch đại
•
Mạch lọc loại bỏ méo và nhiễu ISI
•
Mạch quyết định giải mã tín hiệu trở thành tín hiệu nhị phân (0,1)
Photodiode
•
Diode thu quang (Photodiode) là thành phần đầu tiên của bộ thu quang, đổi tín
hiệu quang thành điện, hai phần sau là kênh tuyến tính và khôi phục dữ liệu.
•
Có hai loại chính:
- Photodiode p-i-n
- Photodiode thác APD
Photodiode PIN
•
Bộ tách sóng photodiode PIN:
– Gồm: vùng p và vùng n được
ngăn cách bởi vùng intrinsic (I)
pha tạp n rất ít
– Để hoạt động, thiết bị được cấp
một điện áp ngược
– Ở trong lớp I tồn tại một điện
trường lớn, thành phần trôi >>
thành phần hạt bị khuếch tán
– Khi có một lượng photon đủ lớn
tới, nó sẽ bị hấp thụ và tạo ra
một cặp điện tử - lỗ trống
Photodiode PIN
• Khi không có ánh sáng => Không có dòng
• Khi photon bị hấp thụ, các cặp e-h được sinh ra. Dưới tác động của
điện trường phân cực ngược, e dịch về phía n, h chạy về phía p =>
sinh ra dòng photocurrent.
• Photodiode chỉ hoạt động khi bước sóng photon nhỏ hơn bước sóng
cắt:
1.24
𝜆& 𝜇𝑚 =
𝐸' 𝑒𝑉
• Hiệu suất lượng tử:
𝐼( ⁄𝑒
𝑆ố 𝑐ặ𝑝 đ𝑖ệ𝑛 𝑡ử − 𝑙ỗ 𝑡𝑟ố𝑛𝑔
𝜂=
=
𝑠ố 𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜𝑛 đ𝑖 𝑡ớ𝑖
𝑃)* ⁄ℎ𝑣
• Hệ số chuyển đổi dòng:
𝐼(
𝜂𝑒
𝑅=
=
𝑃)* ℎ𝑣
Hiệu suất lượng tử và đáp ứng của các photodiode khác nhau
Photodiode APD
• APD nhân dòng quang điện trước khi đi vào bộ khuếch đại
=> Tăng độ nhạy thu, tăng đáp ứng trước khi chịu nhiễu nhiệt ở các thành
phần sau của bộ thu.
• Cấu trúc gồm 4 lớp: p+, I, p, n+
• Điện trường ở vùng tiếp giáp p-n+ rất cao => vùng nhân
• Hoạt động:
– Photon được hấp thụ chủ yếu ở vùng i tạo ra các electron
– Các e đi từ I đến p sẽ được khuếch đại
Giới thiệu
•
•
•
Đặc tính ion hóa được đặc trưng bởi tỉ số kA =
, là hệ số ion hóa lỗ
trống chia cho hệ số ion hóa electron
Hệ số khuếch đại:
với IM là ID dòng quang điện sau và trước
khuếch đại.
Đáp ứng của APD:
, phụ thuộc vào bước sóng
Nhiễu nguồn bộ PIN
Với bộ tách sóng p-i-n:
• Nhiễu lượng tử (Quantization): do sai số lượng tử của quá trình sample tín
hiệu và sự chênh lệnh thời gian đến của tín hiệu quang:
•
Nhiễu dòng tối: phát ra từ vật liệu khối diode
•
Dòng rò bề mặt: do khiếm khuyết chế tạo
•
Nhiễu nhiệt
Công suất nhiễu tổng:
Nhiễu nguồn bộ APD
•
•
Với bộ tách sóng APD: chỉ dòng rò và nhiễu nhiệt không chịu hiệu ứng
khuếch đại
Nhiễu lượng tử và nhiễu dòng tối sẽ tăng 𝑀" lần
•
Tổng nhiễu:𝜎 "78- = (4𝑘 9 𝑇⁄𝑅: )𝐹$ 𝐵; + 2𝑒𝐵; (𝐼< + 𝐼= )𝑀" 𝐹>
•
F? là hệ số nhiễu trội, liên quan đến bản chất ngãu nhiên, được tính theo
công thức:
SNR
Công thức SNR:
q PIN:
q APD:
Độ nhạy thu
• Mức công suất quang trung bình thu được nhỏ nhất mà vẫn duy trì
được tỉ lệ lỗi bit BER cho trước.
• BER phụ thuộc vào hệ số Q:
• Công thức tính độ nhạy thu:
– Với p-i-n:
– Với APD:
Đáp ứng thời gian
q Đáp ứng thời gian của photodiode tương đương một bộ lọc
thông thấp, có tần số cắt:
- Với R / và C / là tổng điện trở và điện dung tương đương