VII.Các hiệu ứng tiếp xúc
6. Đặc tuyến V – A của các tiếp xúc đóng kim loại - bán dẫn:
Thuyết điốt:  Bề dày lớp nghèo WS mỏng, WS<l - quãng đường chuyển động tự
do trung bình của điện tử hay của lỗ trống;
 Dòng điện qua ranh giới tiếp xúc là dòng nhiệt phát xạ điện tử.
Trong điều kiện cân bằng, U = 0: Jsmo = Jmso
Khi U  0, dòng từ bán dẫn sang kim loại: Jsm  AT2eeU U  kT
Dòng điện tổng cộng từ kim loại sang bán dẫn:
K
J  Jms  Jsm  Jms  AT2eeU U  kT
K
Đặc tuyến V- A lý tưởng
2  eUK kT
Do: Jms  Jmso  Jsmo  AT e
J  JS  eeU kT 1
Đặc tuyến V-A thực tế
Với: Js  AT2eeU kT
K
U – thiên áp ngoài.
Thuyết điốt này không giải thích được một số kết quả thực nghiệm quan trọng:
 theo lý thuyết hệ số chỉnh lưu cao hơn 10 lần kết quả thực nghiệm
 theo lý thuyết mật độ dòng điện qua tiếp xúc phụ thuộc vào kim loại trong tiếp xúc,
thực nghiệm cho thấy mật độ dòng ít phụ thuộc vào vật liệu kim loại
VIII.Bán dẫn không đồng nhất, chuyển tiếp p –n
1. Lớp chuyển tiếp p- n:
Xét một chuyển tiếp lý tưởng với sự
phân bố tạp chất Nd và Na có tính chất
đột biến như sau:
Nd khi x  0
 0 khi x  0
Nd  x  
Na  x  
 0 khi x  0
Na khi x  0
Chuyển tiếp p – n như thế
gọi là chuyển tiếp đột biến,
là một mô hình lý tưởng chỉ
tồn tại trong thực tế một
cách gần đúng.
VIII.Bán dẫn không đồng nhất, chuyển tiếp p –n
2. Sự phân bố điện tích trong chuyển tiếp p –n đột biến: qua ranh
giới có dòng khuếch tán điện tử từ phần n sang phần p và ngược lại có
dòng khuếch tán lỗ trống từ phần p sang phần n.
Vùng kém dẫn hay vùng nghèo : là vùng điện tích địa phưong có nồng
độ hạt dẫn rất nhỏ, có điện trở suất gần bằng bán dẫn riêng ở giáp ranh
chuyển tiếp khi cân bằng.
Mật độ điện tích trong vùng kém dẫn:
2 V  x


n

i
kT
Khi x  0   x  e  Nd  e  V  x  0
Nd


2
V  x



n

i
kT
Khi x  0   x  e  Na  e  V  x  0
Na


Trong trường hợp nồng độ tạp chất Nd và Na lớn ta có thể viết:
  x  eNd ;   x  eNa
VIII.Bán dẫn không đồng nhất, chuyển tiếp p –n
3. Điện trường trong lớp chuyển tiếp p – n: điện trường cũng chỉ
thâm nhập vào hai phần p và n trong vùng giáp ranh mà thôi.
Giả sử bề dày lớp điện tích địa phương trong phần n là Wn trong phần p
là Wp ta có :
1 dV  x eNd
Khi Wn  x  0 Ei 

Wn  x  0
e dx
0
Khi
eNa
1 dV  x
0  x  Wp Ei 

x Wp   0

e dx
0
Từ điều kiện liên tục của điện trường ta có :
eNd
0
Wn 
eNa
0
Wp
NdWn  NaWp
VIII.Bán dẫn không đồng nhất, chuyển tiếp p –n
4. Sơ đồ vùng năng lượng trong chuyển tiếp p – n: khi chuyển tiếp p
– n nằm trong trạng thái cân bằng mức Fermi của hai phần phải bằng
nhau, nhưng các vùng năng lượng bị uốn cong.
Uk 
e
N W NW 

2
d
2
n
0
eUk  p n
a
2
p
VIII.Bán dẫn không đồng nhất, chuyển tiếp p –n
5. Phân bố nồng độ hạt dẫn trong lớp chuyển tiếp p – n
pp
nn
eUk  kT ln  kT ln
np
pn
pn – nồng độ lỗ trống bên phần n
n p - nồng độ lỗ trống bên phần p
Nhận xét: Khi hai phần bán dẫn càng pha tạp nhiều thì Uk càng lớn.
 eUk 
pn  Wn   pp exp  

kT


 eUk 
pp Wp   nn exp  

kT


VIII.Bán dẫn không đồng nhất, chuyển tiếp p –n
6. Tính chỉnh lưu của chuyển tiếp p – n:
Để đơn giản hóa bài toán ta giả thiết:
 lớp chuyển tiếp mỏng LD > W = (Wn + Wp ), có nghĩa là hạt dẫn đi
qua vùng điện tích địa phương không bị tái hợp, LD là độ dài khuếch tán
của hạt dẫn
 hai phần p – n của chuyển tiếp pha tạp mạnh pp  p0  pi ; nn  n0  nn
 không có hiện tượng tái hợp bề mặt
 điện áp đặt vào chuyển tiếp chỉ gây sụt thế trên lớp kém dẫn của
chuyển tiếp, các tiếp xúc kim loại với hai phần p, n của chuyển tiếp có
tính ômic và không ảnh hưởng đến tính chất của chuyển tiếp
Nếu chúng ta đặt vào chuyển tiếp p – n một điện áp U theo chiều
thuận ( cực - của nguồn nối với phần n, cực + của nguồn nối với phần
p ), hàng rào thế năng trên chuyển tiếp giảm xuống một lượng eU, dòng
điện qua chuyển tiếp trong trường hợp này là dòng khuếch tán các hạt
dẫn cơ bản nên mật độ dòng lớn.
VIII.Bán dẫn không đồng nhất, chuyển tiếp p –n
Nếu đặt vào chuyển tiếp p – n một điện áp U theo chiều ngược ( cực của nguồn nối với phần p, cực + của nguồn nối với phần n )  hàng
rào thế năng được nâng cao lên, hầu như chỉ có hạt dẫn không cơ bản
chuyển động cuốn qua biên giới và gây nên dòng ngược.
Tính chỉnh lưu: dòng ngược rất nhỏ so với dòng thuận.
Tìm đặc trưng V-A (bài toán một chiều) :
Thành phần dòng điện do lỗ trống gây nên Jp :
Nồng độ lỗ trống
Dòng
dp
Jp  ep pp E  ep Dp ,
dx
Trong phần p
Trong phần n
p0  pp   p,
p  x  pn   p
Jp  ep pp E; x  Wp
dp
Jp  ep Dp ; x  Wn
dx
Dp – hệ số khuếch tán của lỗ trống trong phần n
VIII.Bán dẫn không đồng nhất, chuyển tiếp p –n
Phương trình liên tục (trong chế độ dừng ) trong phần n (x < -Wn ):
1 dJp  p

0
ep dx  p
p , p – thời gian sống và nồng độ dư của lỗ trống
Giải phương trình trên với điều kiện biên:
Jp |xW  Jp |xW ta có:
p
n
ep Dp pn   eU    x Wn 
Jp  
exp  1 exp



Lp   kT    Lp 
Tại x = -Wn ta có:
ep Dp pn   eU  
Jp |xW  
exp  1

Lp   kT  
n
Tiến hành tương tự ta tính được mật độ dòng điện tử tại (x = Wp ):
en Dn np   eU  
Jn |xW 
exp   1

Ln   kT  
p
VIII.Bán dẫn không đồng nhất, chuyển tiếp p –n
Mật độ dòng điện chạy qua chuyển tiếp:
J  Jp  Wn   Jn  Wn   Jp  Wn   Jn Wp 
Thay các giá trị vào ta có :
 Dnnp Dnnp 

Đặt: Js  ep 

L
L
n 
 n
 Dnnp Dn np    eU  
J  ep 

 exp  1
Ln    kT  
 Ln
  eU  
Ta nhận được: J  Js exp   1
  kT  
Đặc trưng V- A của
chuyển tiếp p - n
VIII.Bán dẫn không đồng nhất, chuyển tiếp p –n
7. Bề dày của lớp chuyển tiếp p – n:
W  Wn Wp 
20  Na  Nd Uk
eNa Nd
Trong trường hợp có điện áp ngoài đặt vào  bề dày lớp điện tích địa
phương:
20  Na  Nd 
W U  
Uk U 
eNa Nd
VIII.Bán dẫn không đồng nhất, chuyển tiếp p –n
8. Chuyển tiếp dị chất:
Chuyển tiếp p – n dị chất: là chuyển tiếp p – n được cấu tạo từ hai loại
tinh thể khác nhau, ví dụ: Ge loại n và GaAs loại p
Chuyển tiếp dị chất có nhiều tính
chất quan trọng được ứng dụng đặc
biệt trong các linh kiện quang điện tử
 ∆Eg1  ∆Eg1
 ∆Ec = Ec2 – Ec1 ; ∆Ev = Ev2 – Ev1
 eUk = Vb1 + Vb2 ; ∆Ec = 1 – 2
I. Sóng điện từ
Định nghĩa: Sóng điện từ là trường điện từ biến thiên truyền đi trong
không gian.
1. Hệ phương trình Maxwell
1.
2.
3.
4.

D  

B  0

 
B
 E  
t

   D
 H  j 
t
Trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, ta có:

 
 

D  0 E; B  0 H ; j   E
I. Sóng điện từ
2. Phương trình sóng đối với trường điện từ
Trong môi trường đồng nhất, trung hòa ( = 0) và không dẫn


điện  j  0 :
  D

3.   H 
1. D  0
t




2. B  0
B
4.   E  
t

Lấy rot hai vế phương trình (3) của hệ trên:
  D

 H 
  
  B 
  
t
     E            B 
t
 t 

2
 

  
E
  E   E   0    H   0 0 2
t
t

 D  0

2
2

   E
E
E  0 0 2
E  2 2
1
t
c t
0 0  2
c
I. Sóng điện từ

  2 H
Tính toán tương tự, ta cũng nhận được: H  2 2
c t
Các phương trình trên đã chỉ ra sự tồn tại của sóng điện từ và vận tốc
pha của sóng: v  c

Trong chân không:     1
  n - Chiết suất của môi trường
n 1
3. Sóng điện từ phẳng đơn sắc
Sóng điện từ phẳng, đơn sắc là sóng điện từ có những đặc tính sau đây:


các mặt sóng là những mặt phẳng song song;
 
các vectơ E , H có phương không thay đổi và trị số của chúng là
hàm sin của thời gian t.
I. Sóng điện từ
Tính chất:


 
Hai vectơ E , H luôn vuông góc với nhau;
  
Ba vectơ E , H , v theo thứ tự hợp thành tam diện thuận ba mặt
vuông;




 E và H luôn luôn dao động cùng pha: 0 E  0 B
II. Sự lan truyền của ánh sáng trong linh kiện dẫn sóng quang
1. Hệ sợi quang - mạch quang tích hợp và những đặc điểm
QUANG HỌC TÍCH HỢP: là phương pháp truyền và xử lý tín hiệu
bằng tia sáng.
Đặc điểm:

dây điện bằng kim loại được thay thế bằng sợi quang hay linh kiện
dẫn sóng quang;
 mạch điện tích hợp được thay thế bằng mạch quang tích hợp.
II. Sự lan truyền của ánh sáng trong linh kiện dẫn sóng quang
Hệ thống truyền dẫn tín hiệu điện
Phần điện
tử
Điều biến
Kênh
truyền
dẫn
Giải điều
Phần điện
tử
Tín hiệu thu
Nguồn tín
hiệu
Hệ thống truyền dẫn quang
Phần điện
tử
Biến đổi
điệnquang
Sợi
quang
(SQ)
Biến đổi
quangđiện
Phần điện
tử
II. Sự lan truyền của ánh sáng trong linh kiện dẫn sóng quang
a. So sánh sợi quang với các phương pháp truyền dẫn khác
Ưu điểm
Nhược điểm
 Tránh được sự giao thoa của
sóng điện từ
 Tránh được sự chập mạch hay
nối đất
 An toàn trong truyền tin
 Tổn hao nhỏ
 Dải thông rộng
 Kích thước nhỏ, trọng lượng
nhẹ
 Vật liệu rẻ, dồi dào
 Không truyền tải được năng
lượng điện
II. Sự lan truyền của ánh sáng trong linh kiện dẫn sóng quang
b. So sánh mạch quang tích hợp và mạch điện tích hợp
Ưu điểm
Nhược điểm
 Tăng độ rộng của dải thông
 Cần đầu tư đổi mới công nghệ
 Mở rộng sự phức hợp phân tần
cao tốn kém
(frequency division
multiplexing)
 Khớp nối ít tổn hao
 Mở rộng chuyển mạch đa cực
 Kích thước nhỏ, trọng lượng
nhẹ, công suất tiêu thụ ít
 Tiết kiệm trong sản xuất
 Độ lặp cao
II. Sự lan truyền của ánh sáng trong linh kiện dẫn sóng quang
2. Kiểu truyền sóng (mode) trong các linh kiện dẫn sóng quang
Mode quang học:
- Cách thức phân bố theo không gian của năng lượng quang trong một
hay nhiều chiều tọa độ.
- Về toán học: điện trường thỏa mãn phương trình sóng Maxwell với
những điều kiện biên.
II. Sự lan truyền của ánh sáng trong linh kiện dẫn sóng quang
Xét mô hình linh kiện dẫn sóng bản phẳng: Giả sử ánh sáng lan truyền
theo trục z. Phương trình sóng Maxwell có dạng:
 
2 
2
n r   E r ,t 
 2 
 E  r , t   2
1
c
t 2



n2  r   
Thế dạng nghiệm trong trường hợp


sóng đơn sắc:E  r, t   E  r  eit vào (1) ta có:
 
 
2
2 2 
 E  r   k n  r  E  r   0  2
 

Giả thuyết sóng lan truyền theo trục z và có dạng: E  r   E  x, y  e i z
Khi thay vào phương trình (2) ta sẽ nhận được:  - gọi là hệ số lan truyền


2
2

 E  x, y   E  x, y 
2 2 
2

 k n  r     E  x, y   0
2
2
x
y
2
II. Sự lan truyền của ánh sáng trong linh kiện dẫn sóng quang
2 E  x , y 
vùng 1:
  k 2 n12   2  E  x, y   0
x
2 E  x , y 
vùng 2:
  k 2 n22   2  E  x, y   0
x
2 E  x , y 
vùng 3:
  k 2 n32   2  E  x, y   0
x
Vì linh kiện dẫn sóng
là vô hạn theo nên:
 *
Trường hợp sóng điện ngang TE:

A exp(qx)
Nghiệm trong 3 vùng: E y (x)  Bcos(hx)  Csin(hx)]
 D exp[p(x  d )]
g

0x
d g  x  0
   x  d g
Điều kiện biên: E y (x),   E y (x)  x liên tục tại các điểm: x = 0, x = -dg


c 'exp(qx)
0x

E y (x)  c '[cos(hx)  (q / h) sin(hx)]  d g  x  0

c '[cos(hd g )  (q / h) sin(hd g )]exp[p(x  d g )]    x  d g
II. Sự lan truyền của ánh sáng trong linh kiện dẫn sóng quang
Thế biểu thức này vào pt. * ta được:
q  (2  n12 k 2 )1/2 ; p  (2  n 32 k 2 )1/2
h  (k 2 n 22 2 )1/2 ;
k  / c
**
Xác định hệ số lan truyền : Dựa trên đk biên tại x = - dg
tan(hd g ) 
qp
h(1  qp / h 2 )
mode (a) không có ý nghĩa vật lý;
 mode (b) và (c) là sóng được dẫn
truyền;
 mode (d) giảm theo exp khi ra ngoài
nhưng tồn tại theo hàm sin trong đế
gọi là bức xạ đế;
 mode (e) là mode không dẫn truyền
theo được trong linh kiện dẫn song.

Giải bằng phương pháp đồ thị
II. Sự lan truyền của ánh sáng trong linh kiện dẫn sóng quang
3. Phương thức truyền sóng trong linh kiện dẫn sóng quang theo
mô hình quang học tia (ray-optics)
Phương pháp quang học-tia: sự lan truyền ánh sáng theo trục z được
xem như tạo nên bởi sự lan truyền các sóng bản phẳng theo đường zigzag trong mặt phẳng x-y do sự phản xạ toàn phần từ các mặt phân cách
tạo nên linh kiện dẫn sóng.
Góc phản xạ tạo bởi các đường zig-zag khác nhau đối với từng
mode, cho nên thành phần z của vận tốc pha của chúng khác nhau.
a. Sơ đồ tia trong linh kiện dẫn sóng bản phẳng ba lớp
Nghiệm trong vùng 2 (mode TE):
E  x, y   sin  hx   
h,  - phụ thuộc vào cấu trúc linh kiện dẫn sóng.
2
2
2
2
Thay bt. Trên vào pt. (*) vùng 2 ta có:   h  k n2
, h, kn2- là các hệ số lan truyền.
II. Sự lan truyền của ánh sáng trong linh kiện dẫn sóng quang
Sự liên quan giữa các hệ số lan truyền.
Các mode khác nhau trong mô hình
quang học tia.
sin 1 n2 sin 2 n3
 ;

sin 2 n1 sin 3 n2
Mode truyền dẫn (guided mode); 3  arcsin  n3 n2 
Mode đế (substrate mode); 2  arcsin  n1 n2 
Mode bức xạ (radiation mode)
2  arcsin  n1 n2 
Điều kiện xác định các mode có thể truyền dẫn: 
3  arcsin  n3 n2 
Các kết quả nghiên cứu bằng quang hình và quang lý phù hợp với
nhau.
II. Sự lan truyền của ánh sáng trong linh kiện dẫn sóng quang
b. Bản chất gián đoạn của hệ số lan truyền 
Kết quả nghiên cứu pt. truyền sóng Maxwell: chỉ có một số giá trị m gián đoạn
(được phép) trong khoảng: kn3≤  ≤ kn2 cho những mode được dẫn truyền.
Xét theo quan điểm quang học-tia:
Mặt sóng bản phẳng bị chặn, có sự chồng chất giữa sóng tới và sóng phản xạ. Độ
lệch pha tổng cộng giữa hai điểm A và B bằng một số nguyên lần 2 (điều kiện giao
thoa).
2 2n2 dg
.
 23  21  2m
0 cos m
k
2
0
; dg – bề dày của linh kiện dẫn sóng, 23, 21 – các góc lệch pha khi phản xạ
toàn phần, m =1,2,3….
2 12
3
n2 cos 2
2 12
1
n2 cos 2
2
2
tg


n
sin
2  n 

23
2
Đối với sóng TE:
tg21   n sin 2  n 
2
2
2
Thế vào pt. mô tả diều kiện giao thoa, ta có: m 

2
 m
Đối với m cho trước
có thể tính được n1,
n2, n3, dg, m. Như vậy
ta nhận được một số
giới hạn các giá trị m
(các mode được phép
khác nhau), m> c
II. Sự lan truyền của ánh sáng trong linh kiện dẫn sóng quang
4. Cấu trúc linh kiện dẫn sóng quang trong mạch quang tích hợp
a. Linh kiện dẫn sóng dạng kênh
 Tiết diện ngang hình chữ nhật
 Lõi có chiết suất n2 được bao quanh bởi
một vật liệu có chiết suất n1 (n1 < n2 )
b. Linh kiện dẫn sóng có dạng dải phủ
Được tạo thành bằng cách phủ
một dải vật liệu có chiết suất n3 lên
phía trên một lớp dẫn sóng bản phẳng
(chiết suất n2), nằm trên đế (chiết suất
n1); n3 < n2 < n1
III. Sợi quang
1. Tính chất, phân loại và công nghệ chế tạo
a. Tính chất cần thiết của sợi quang:
 Độ tổn hao thấp
 Phải có tính chất cơ học thích hợp
 Phải có tính lão hóa thấp
b. Cấu tạo và phân loại:
 Cấu tạo: gồm hai phần lõi và vỏ.
Phần lõi có chiết suất n1, phần vỏ có chiết suất không đổi n2 (n2 <n1)
 Phân loại:
 Theo phân bố chiết suất quang học: sợi quang giật cấp và sợi quang liên tục
 Kích thước của lõi: sợi quang giật cấp đơn mode và sợi quang giật cấp đa mode.
Sợi quang liên tục thường dẫn truyền nhiều mode  sợi quang liên tục đa mode
III. Sợi quang
Độ chênh chiết suất tuyệt đối: n = n1 – n2
n1  n2
Mức độ thay đổi chiết suất:  
;
n1
(fractional refractive-index change)
12
Khẩu độ số: NA  sin i ,max   n12  n22 
Đối với sợi quang đa
mode: ∆= 0,02, đơn
mode: ∆= 0,005.
Khẩu độ số đặc trưng cho sự ghép
nối hiệu quả giữa nguồn laser và sợi
quang
Xác định khẩu độ số: ir
NA  sin i ,max  n1 sin r ,max 
 n1 cos c  n1 1  sin2 c 
2
2 12
2
n1 1   n2 n1    n  n 
2
1
III. Sợi quang
c. Công nghệ chế tạo sợi quang: gồm hai giai đoạn:
 Giai đoạn chế tạo phôi (preform):
 Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi (Chemical Vapour
Deposition- CVD)
 Phương pháp lắng đọng theo trục từ pha hơi (Vapour Axial
Deposition-VAD)
 Giai đoạn kéo sợi:
 Từ các thỏi phôi có phân bố chiết suất xác định người ta kéo ra
các sợi quang có phân bố chiết suất theo thiết kế trước.
 Các thỏi phôi được đặt trong các lò nung để nâng cao nhiệt độ,
phôi đặt thẳng đứng, ở đầu cuối của phôi đạt nhiệt độ nóng chảy
và từ đó kéo ra sợi quang gồm lõi và vỏ.
 Sợi quang được kéo xuống phía dưới được bọc lớp bảo vệ
polymer.
III. Sợi quang
2. Các mode dẫn truyền trong sợi quang giật cấp
Để một mode sóng dẫn truyền được trong sợi quang giật cấp cần thỏa mãn các
điều kiện sau đây:
n2
n1

Điều kiện phản xạ toàn phần: sin  

Điều kiện giao thoa: Độ lệch pha tổng cộng giữa hai điểm A và B
phải bằng một số nguyên lần 2 : 2 . 2nd1  2  2m
0 cos m
m  1, 2,3,...
 - góc dịch pha khi phản xạ
2n1  d 0 
cos m 
m    
 0
cos m 
2n1 d

m 0
III. Sợi quang
3. Sự hạn chế dải thông do tán sắc giữa các mode trong sợi quang
giật cấp đa mode
Các mode có hướng lan
truyền khác nhau  m khác
nhau  quang lộ sẽ khác
nhau  khoảng thời gian cần
thiết để các mode đi qua một
chiều dài sợi quang như nhau
sẽ khác nhau.
Xét hai mode: một mode đi theo trục sợi quang (mode trục), mode thứ hai lan
truyền với góc m bằng góc phản xạ toàn phần (mode tới)
Thời gian lan truyền từ tiết diện A đến tiết diện B:
AB ABn1
t


 mode trục: min
v
c
AB
AB n1

 mode tới hạn: tmax 
vsin  sin c c
III. Sợi quang
Độ giãn xung sáng: có thể được gọi hiệu thời gian lan truyền của hai
mode trục và mode tới từ tiết diện A tới tiết diện B

 n1 
AB.n1  1
t  tmax  tmin 
 1  tmin   1

c  sin c 
 n2 
Hiện tượng tán sắc giữa các mode: xung sáng bị giãn ra do thời gian mà
các mode truyền qua cùng một chiều dài sợi quang là khác nhau.
Sự giãn các xung sáng  giới hạn độ rộng dải thông của sợi quang.
Độ giãn xung sáng biểu diễn qua chiều dài sợi quang L và thời gian lan
truyền của mode trục qua chiều dài L:
 n1  n2  L.n1
t  tmin 

 n1  n2 

 n2  c.n2
1
c.n2
1


Độ rộng dải thông cực đại B: B 
4t 4 L.n1 n1  n2
Ví dụ: L=1km; ∆ = 0,01; n1 = 1,5  B = 5Mbit/s.
III. Sợi quang
4. Sợi quang liên tục đa mode
Sợi quang liên tục đa mode: sợi quang trong đó chiết suất của lõi n1 thay
đổi liên tục sang chiết suất của vỏ n2.
Trong sợi quang liên tục đa
mode:
quy luật thay đổi chiết suất của
lõi đến vỏ tạo ra điều kiện để
những mode sóng có quang lộ
dài sẽ chuyển động cao hơn
những mode có quang lộ ngắn
 ∆t giảm.
Quy luật chiết suất thay đổi theo bán kính có dạng parabol  giảm ∆t
đến tối thiểu.
III. Sợi quang
5. Sợi quang giật cấp đơn mode
A. Điều kiện đơn mode
Tần số chuẩn hóa : V 
2 d
2 12
2
n n 


2
1
d – đường kính lõi
0 – bước sóng ánh sáng trong lõi
n1, n2 – chiết suất của lõi và vỏ
0
Điều kiện đơn mode: V  2, 405
2 d 2 2 1 2
Bước sóng cắt (cut-off wavelength): c 
n1  n2  Nếu 0 < c

2, 405
ta có đa mode
B. Cấu tạo
d
2
2 12
Nếu lấy n1 =1,53; ∆= 0,002   n1  n2   0,08   6
0
Thế hệ sợi quang hoạt động ở bước sóng 0 = 0,8 m không thích hợp
do:



có sự tán sắc do nguồn sáng LED có độ rộng phổ lớn;
sự tổn hao lớn;
kích thước lõi nhỏ (4 m) khó chế tạo.
Ngày nay sợi quang hoạt động ở bước sóng 0 = 1,3 m hay 1,5 m.
III. Sợi quang
6. Hiện tượng tán sắc trong sợi quang giật cấp đơn mode: Do
nguồn sáng có độ rộng phổ nhất định (chromatic dispersion), khác
không. Sự tồn tại độ rộng phổ nguồn  hai loại tán sắc:
 Tán sắc do linh kiện dẫn sóng
2n1 d
cos


Góc truyền được phép xác định bởi công thức:
m
m 0
 Tán sắc do vật liệu gây nên
Nếu trong nguồn sáng có một tập hợp các bước sóng: 1, 2, 3,...thì
mỗi bước sóng có một giá trị m (waveguide chromatic dispersion)
Trong sợi quang thực tế, n1 = n1()  sự giãn xung sáng (material
chromatic dispersion)
III. Sợi quang
7. Tổn hao trong sợi quang: có thể chia thành 2 loại:
a. Tổn hao do cơ cấu

Do uốn cong sợi quang (microbending losses)

Do khớp nối (coupling losses)

Do hàn nối (splicing losses)
b. Tổn hao do vật liệu

Hấp thụ bức xạ hồng ngoại: hấp thụ do các chuyển mức của
điện tử, hấp thụ do tạp chất, hấp thụ do kích thích các mức dao
động của liên kết Si-O. Trong sợi quang các gốc OH có vai trò quan
trọng hơn cả đối với sợi quang trong dải hồng ngoại
III. Sợi quang
Tán xạ gây tổn hao trong sợi quang:

Tán xạ tuyến tính:
o
Tán xạ trên các bất hoàn hảo của
sợi quang như giữa các mặt biên giữa
lõi và vỏ có độ gồ ghề.
o
Tán xạ trên các bất đồng nhất
trong vật liệu sợi quang (tán xạ
Rayleigh). Đây là loại tán xạ quan trọng nhất.

Tán xạ phi tuyến: là các quá trình nhiều photon có sự thay đổi năng
lượng.
IV. Nguyên lý điều biến quang
Điều biến quang: là sự điều biến sóng mang ( bức xạ của điôt phát
quang-LED hoặc laser điôt phát vào sợi quang) để các thông tin được
đưa vào các sóng mang đó có thể truyền được đi xa
Có hai phương pháp điều biến:
 điều biến trực tiếp: dùng xung điện của tín hiệu cần truyền cho tác động
trực tiếp vào mạch điện làm việc của điôt phát quang hoặc laser, qua đó điều
biến ánh sáng mà chúng phát ra
 điều biến ngoài: bức xạ nguồn phát ra chưa được điều biến, trước khi
truyền vào sợi quang, được đi qua một hệ điều biến
IV. Nguyên lý điều biến quang
Có ba cách điều biến quang:
o điều biên (còn gọi là khóa dịch biên – Amplitude shift keyed-ASK)
 tín hiệu có dạng: E  t   A  t  cos t    ; A  t   0,1
o điều pha (còn gọi là khóa dịch pha – Phase shift keyed-PSK)
 tín hiệu có dạng:E  t   A cos t     t ;   t   0,  
o điều tần (còn gọi là khóa dịch tần– Frequency shift keyed-FSK)
 tín hiệu có dạng: E  t   A cos     t    ; tần số sẽ tăng lên
hoặc giảm xuống  ứng với giá trị „0”, „1” trong một chu kỳ bít
Các phương pháp điều biến khác nhau đòi hỏi các phương pháp giải
điều (demodulation) thích hợp
IV. Nguyên lý điều biến quang
Có thể chia điều biến ra làm hai loại theo cơ chế vật lý và phương pháp
thực hiện:
 điều biến điện quang
 điều biến cơ quang
1. Điều biến điện quang:

Hiện tượng điện quang: là sự phụ thuộc của chiết suất của vật liệu vào
điện trường đặt trong tinh thể
 Các cơ cấu linh kiện điều biến điện quang:
a. Linh kiện điều biến dẫn sóng
b. Linh kiện điều biến nhiễu xạ
2d sin   
ba
I
I0
ng
 sin2  B.U 
IV. Nguyên lý điều biến quang
2. Điều biến cơ-quang:

Hiệu ứng cơ-quang: là sự phụ thuộc của chiết suất của vật liệu vào sự
biến dạng của tinh thể:
n  n6 p2107 Pa / 2  va3 A
n - chiết suất của vật liệu chưa biến dạng, p - một phần tử của tenxơ quang-đàn
hồi, Pa - công suất toàn phần của sóng âm (W),  - mật độ vật liệu, va - vận
tốc sóng âm, A – tiết diện ngang mà sóng đi qua.

Các cơ cấu linh kiện điều biến cơ-quang: một hệ cách tử tương tự như ở
hiện tượng điện quang có thể tạo nên nhờ sóng âm bằng hiệu ứng cơquang. Các linh kiện điều biến cơ-quang thường ứng dụng sóng đàn hồi
 cấu trúc cách tử được gây nên ở trong trạng thái chuyển động so với tia
sáng. Sự chuyển động này không gây hiệu ứng đáng kể vì tần số âm nhỏ
hơn tần số ánh sáng rất nhiều.
IV. Nguyên lý điều biến quang
z
Linh kiện điều biến cơ quang Bragg:
 ánh sáng lan truyền theo trục z
 sóng âm lan truyền theo trục y
 chiều dày linh kiện l >> 
 góc tới của tia sáng: sin  
Br

2
Thông thường người ta thu nhiễu xạ bậc 0 ở lối ra.
I0  I
2   
 sin 
Độ sâu điều biến:

I0
2


 – độ dịch pha của sóng ánh sáng khi có tác dụng của sóng âm.
y
V. Những nguyên lý cơ bản của các linh kiện phát quang bán
dẫn
Trong hệ sợi quang- mạch quang tích hợp, linh kiện quan trọng bậc
nhất là linh kiện phát quang (LED, laser bán dẫn).
1. Đặc điểm cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn
Đặc điểm thứ nhất:
2 k 2
Gần vùng dẫn - đối với điện tử: E  k   Ec  *
2m 2 2
k
Gần vùng hóa trị - đối với lỗ trống: E  k   Ec  *
2mp

Đặc điểm thứ hai: Cực tiểu vùng dẫn có thể nằm ở một điểm k   0,0,0 

hoặc có thể nằm ở một điểm k  0.

Cực đại vùng hóa trị thông thường nằm ở điểm có vectơ sóng k   0,0,0 
Bán dẫn vùng cấm thẳng: là bán dẫn có cực tiểu vùng dẫn và cực đại
vùng hóa trị ở cùng tại một điểm trong không gian k
Bán dẫn vùng cấm xiên: là bán dẫn có cực tiểu vùng dẫn và cực đại

vùng hóa trị tại hai điểm khác nhau trong không gian k
V. Những nguyên lý cơ bản của các linh kiện phát quang bán
dẫn
2. Chuyển mức năng lượng, quá trình hấp thụ
Các dạng chuyển mức năng lượng:
Ánh sáng
 giữa các mức tạp chất với vùng dẫn
Chất bán dẫn
 giữa vùng hóa trị và các mức tạp chất
 Giữa các phân vùng trong vùng dẫn hay
vùng hóa trị

quan trọng nhất là chuyển mức vùng –
vùng (chuyển mức cơ bản)
V. Những nguyên lý cơ bản của các linh kiện phát quang bán
dẫn
Chuyển mức cơ bản có thể xảy ra theo hai cơ chế khác nhau:
 chuyển mức thẳng: là chuyển mức mà trong đó xung lượng, hay
vectơ sóng của điện tử gần như không thay đổi và không có sự tham gia
của phonon, dao động mạng tinh thể
 

 
k1  qphot  k2  k1 ~ k2
E1  h phot  E2
 
E1, E2 – năng lượng của điện tử ở trạng thái đầu và trạng thái cuối, k1 , k2 – vectơ

q
sóng của điện tử ở trạng thái đầu và cuối, phon – vectơ sóng của phonon
Tần số ngưỡng hấp thụ cơ bản:  0 
Eg
h
V. Những nguyên lý cơ bản của các linh kiện phát quang bán
dẫn
 chuyển mức xiên: là chuyển mức mà trong đó xung lượng hay vectơ
sóng của của điện tử phải thay đổi đáng kể và bắt buộc phải có sự
tham gia của phonon, dao động mạng tinh thể
 

 


k1  qphot  qphon  k2  k1  qphon  k2
E1  h phot  phon  E2
Eg phon

Tần số ngưỡng hấp thụ cơ bản:  0 
h
2
V. Những nguyên lý cơ bản của các linh kiện phát quang bán
dẫn
3. Tái hợp bức xạ tự phát. Điốt phát quang (LED)
 tái hợp bức xạ tự phát: là sự chuyển mức của các điện tử ở lân cận
cực tiểu vùng dẫn xuống một trạng thái trống trong vùng hóa trị và
bức xạ ra một photon
Chuyển mức tái hợp bức xạ cũng có thể
xảy ra theo cơ chế chuyển mức thẳng
và cơ chế chuyển mức xiên
V. Những nguyên lý cơ bản của các linh kiện phát quang bán
dẫn
LED:
V. Những nguyên lý cơ bản của các linh kiện phát quang bán
dẫn
LASER BÁN DẪN:
Ưu điểm:
 kích thước nhỏ;
 dễ dàng điều biến ánh sáng phát
ra bằng cách điều biến thiên áp nuôi
điôt laser.
Tái hợp bức xạ kích thích: một cặp điện tử lỗ trống bị kích thích tái hợp
bởi một photon sinh ra trong quá trình bức xạ tự phát và phát ra một
photon mới, photon này giống hệt photon kích thích đã gây nên quá trình
tái hợp bức xạ đó về năng lượng, tần số, hướng, pha và mặt phân cực.
Điều kiện để tái hợp bức xạ kích thích được tăng cường và chiếm ưu thế:
 Tạo được trạng thái nghịch đảo mật độ;
 Mật độ photon cao.
V. Những nguyên lý cơ bản của các linh kiện phát quang bán
dẫn
Cấu tạo:
 chuyển tiếp p-n có dạng hình hộp, chiều rộng l 0,3mm, chiều cao a
 0,1mm, bề dày lớp chuyển tiếp d  2m;
 hai mặt bên phẳng, song song, được phủ kim loại bằng phương pháp
bốc bay kl. trong chân không hai mặt phản xạ của buồng cộng hưởng
Fabry-Perot.
Các mode cộng hưởng:
 Điều kiện chiều dài: L  m  2
m =1,2,3…;  = o/ nr – bước sóng
của ánh sáng trong môi trường; nr – chiết
suất của vật liệu;
 Các mode tồn tại trong buồng
cộng hưởng phải là bức xạ kích
thích.
VI. Những nguyên lý cơ bản của linh kiện thu quang
Linh kiện thu quang (photodetector): là những linh kiện bán dẫn có thể
chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện.
Nguyên lý hoạt động: có thể chia làm 3 khâu
Cho dòng điện tác
Vận chuyển hạt
dụng vào mạch ngoài
Phát sinh hạt
dẫn và khuếch đại
gây ra tín hiệu điện ở
dẫn tới
dòng hạt dẫn
lối ra
Ứng dụng: được sử dụng rất nhiều lĩnh vực: cảm biến hồng ngoại, các
bộ thu trong thông tin quang,...
Ưu điểm:






Độ nhạy cao
Thời gian đáp ứng ngắn
Mức nhiễu thấp
Gọn nhẹ
Nguồn nuôi (dòng, điện áp) nhỏ
Tiện dụng
VI. Những nguyên lý cơ bản của các linh kiện phát quang bán
dẫn
1. Linh kiện quang dẫn hay quang trở
Cấu tạo: gồm một phiến bán dẫn hai đầu có hai điện cực kim loại tiếp
xúc omic.
Khi chiếu ánh sáng lên bề mặt mẫu 
Trong mẫu phát sinh các điện tử và lỗ
trống  độ dẫn của mẫu tăng.
Nguyên lý hoạt động: số hạt dẫn  n  t  trong một đơn vị thể tích giảm
do tái hợp:
t  n0 – Số hạt dẫn phát sinh tại thời điểm t = 0;
 n  t    n0 exp   
    – Thời gian sống của hạt dẫn.

n d n
Tốc độ tái hợp:


dt
VI. Những nguyên lý cơ bản của các linh kiện phát quang bán
dẫn
Giả thiết:
 Diện tích bề mặt mẫu: A = WL;
 Thông lượng photon dọi xuống toàn bộ diện tích bề mặt mẫu là đồng đều;
 Popt – công suất ánh sáng tới, hv – là năng lượng của photon. Tổng số photon đến bề
mặt trong một đơn vị thời gian là: Popt / hv;
 D – bề dày mẫu bán dẫn là,  – hệ số hấp thụ ánh sáng, 1/  – độ sâu thâm nhập của
ánh sáng,  –hiệu suất lượng tử;
 E – cường độ điện trường, vd – vận tốc cuốn của hạt dẫn.
Trong trạng thái dừng: do tốc độ phát sinh bằng tốc độ tái hợp, ta có
(với D> 1/  ):
 . Popt / h 
 n  . Popt / h 
G

n 


WLD
WLD
Dòng quang dẫn chạy qua hai cực:
 Popt  n E
I p   EWD   en nE WD   e nvd WD  e 
 L
h



 Popt 
Nếu ký hiệu dòng sơ cấp: I ph  e 

I p n E 
 h 
g


I ph
L
tr
g – hệ số khuếch đại; tr =L/vd – thời gian chuyển vận.
VI. Những nguyên lý cơ bản của các linh kiện phát quang bán
dẫn
2. Photođiôt
Một photođiôt đơn giản là một chuyển tiếp p-n mắc thiên áp ngược.
Hiệu suất lượng tử: là số cặp điện tử- lỗ trống phát sinh trên một photon
tới:
1
Ip – dòng quang phát sinh do hấp
I
P
 p   opt 
thụ một công suất quang Popt ở bước
Hệ số hấp thụ  chi      
sóng , ứng với năng lượng photon
 e   h 
phối chủ yếu.
hv.
Phụ thuộc rất
mạnh vào cấu
trúc và vật liệu
chế tạo.
Tốc độ đáp ứng phụ thuộc vào các yếu tố sau:
 Sự khuếch tán hạt dẫn
 Thời gian sống của hạt dẫn trong lớp nghèo
 Điện dung của lớp nghèo
VI. Những nguyên lý cơ bản của các linh kiện phát quang bán
dẫn
a. Photođiôt P.I.N: là loại thông dụng nhất, gồm có 3 lớp chính:



n+ pha tạp loại n với nồng độ cao
i lớp bán dẫn riêng có bề dày tối ưu để có hiệu suất lượng tử và tốc độ đáp ứng
thích hợp
p+ lớp pha tạp loại p với nồng độ cao
VI. Những nguyên lý cơ bản của các linh kiện phát quang bán
dẫn
b. Photođiôt kim loại-bán dẫn: là một tiếp xúc kim loại-bán dẫn mắc theo
chiều ngược. Photođiôt loại này chủ yếu dùng trong vùng ánh sáng khả kiến
4
1
và tử ngoại. Trong vùng này  thường lớn   10 cm   Vùng photon
chủ yếu bị hấp thụ chỉ dày khoảng 1 m.
c. Photođiôt dị chất: là
một photođiôt gồm
một đế bán dẫn có
vùng cấm rộng ∆Eg1
được
phủ
bằng
phương pháp nuôi
ghép (epitaxy) một
lớp bán dẫn vùng
cấm hẹp ∆Eg2 < ∆Eg1.
Tín hiệu quang được
chiếu từ phía đế.
VI. Những nguyên lý cơ bản của các linh kiện phát quang bán
dẫn
d. Photođiôt thác lũ: gồm các chuyển tiếp p – n đột biến cấu tạo bởi
các lớp n+ - p – - p+
Photođiôt thác lũ làm việc ở chế độ phân cực ngược lớn đủ để gây ra
hiện tượng ion hóa va chạm (hiệu ứng thác lũ)