Cơ sở vật lý chung của các phần tử tích cực

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 dẫn điện 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 bản chất bên trong, 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…Bảng 3.1 tổng hợp một số vật liệu với các dải cấm và bước sóng. 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. 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 Loại n Loại p Loại n Loại p Vùng nghèo Tiếp giáp p-n Hình 3.2 Phân cực cho các lớp tiếp giáp a) Tiếp giáp p-n c) Phân cực thuận b) Phân cực ngược 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 = E2 – E1 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 = E2 – E1. 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. P N Ec Efv Ev Efc Eg Ec Ev Efv Eg Efc VF Ec Ev Efv Efc VF d hf 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 phù 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 vuông 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 sát từ bất kỳ hướng nào thì độ rộng nguồn phát cũng ngang bằng nhau nhưng công suất lại giảm theo hàm cosβ với β là góc hợp giữa hướng quan sát với pháp tuyến của bề mặt. Công suất giảm 50% so với đỉnh khi β =60. b, Cấu trúc LED phát xạ cạnh LED phát xạ cạnh có cấu trúc gồm một vùng tiếp giáp tích cực có vai trò là nguồn phát ánh sáng không kết hợp, và hai lớp dẫn đều có chiết suất thấp hơn chỉ số chiết suất của vùng tích cực nhưng lại cao hơn chiết suất của các vùng vật liệu bao quanh (hình 3.6b). Cấu trúc này hình thành một kênh dẫn sóng để hướng sự phát xạ về phía lõi sợi. Để tương hợp được với lõi sợi dẫn quang có đường kính nhỏ ( cỡ 50- 100μm), các dải tiếp xúc đối với LED phát xạ cạnh phải rộng từ 50μm đến 70μm. Độ dài của các vùng tích cực thường là từ 100μm đến 150μm. Mẫu phát xạ cạnh có định hướng tốt hơn so với LED phát xạ mặt. 3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của LED Nguyên lý làm việc của LED dựa vào hiệu ứng phát sáng khi có hiện tượng tái hợp các điện tử và lỗ trống ở vùng tiếp giáp p-n. Do vậy, LED sẽ phát sáng nếu được phân cực thuận. Khi được phân cực thuận các hạt mang đa số sẽ khuếch tán ồ ạt qua tiếp giáp p-n : điện tử khuếch tán từ phía n sang phía p và ngược lại, lỗ trống khuếch tán từ phía p sang phía n, chúng gặp nhau và tái hợp phát sinh ánh sáng. Với cấu trúc dị thể kép, cả hai loại hạt dẫn và trường ánh sáng được giam giữ tại trung tâm của lớp tích cực (hình 3.7). Sự khác nhau về độ rộng vùng cấm của các lớp kề cận đã giam giữ các hạt điện tích ở bên trong lớp tích cực. Đồng thời, sự khác nhau về chiết suất của các lớp kề cận này đã giam giữ trường quang và các hạt dẫn này làm tăng độ bức xạ và hiệu suất cao. Chất nền Chất nền Tỏa nhiệt Kim loại Lớp dẫn ánh sáng Giải tiếp xúc Miền hoạt tính SiO2 Ánh sáng phát ra Hình 3.6b Cấu trúc LED phát xạ cạnh Sợi quang Phiến chịu nhiệt SiO2 SiO2 Các lớp tiếp giáp Giếng khắc hình tròn Vật liệu bao phủ Điện cực Lớp cấu trúc dị thể kép Hình 3.6a Cấu trúc LED phát xạ mặt Các lớp dị thể kép Để một chất bán dẫn phát sáng thì sự cân bằng nhiệt phải bị phá vỡ. Tốc độ tái hợp trong qúa trình tái hợp có bức xạ tỉ lệ với nồng độ điện tử trong phần bán dẫn p và nồng độ lỗ trống trong bán dẫn n. Đây là các hạt dẫn thiểu số trong chất bán dẫn. Để tăng tốc độ tái hợp – tức là tăng số photon bức xạ ra – thì cần phải gia tăng nồng độ hạt dẫn thiểu số trong các phần bán dẫn. Nồng độ hạt dẫn thiểu số được bơm vào các phần bán dẫn tỷ lệ với cường độ dòng điện của LED, do đó cường độ phát quang của LED tỷ lệ với cường độ dòng điện qua điốt. Eg Tái hợp điện tử và lỗ trống hf Dòng lỗ trống Dòng điện tử Năng lượng điện tử Vùng dẫn sóng Vùng tích cực Chỉ số chiết suất Hình 3.7 Cấu trúc dị thể kép – hiệu suất phát xạ cao nhờ chênh lệch: a) độ rộng vùng cấm và b) chênh lêch chiết suất a) b) 3.2.1.3 Đặc tính của LED a, Đặc tính P/ I Đặc tuyến P/I là đặc tuyến thể hiện mối quan hệ giữa công suất phát xạ photon và cường độ dòng kích thích. Công suất quang tỷ lệ tuyến tính với dòng điện. Dòng điện đạt giá trị cao khi đạt đến ngưỡng, có sự bão hòa. Khi đó công suất quang phát xạ không tăng, quá trình tái hợp tăng lên, hiệu suất lượng tử nội giảm xuống và nhiệt độ tiếp giáp tăng. Độ đáp ứng giảm xuống. Nó được xây dựng từ công thức : x = P/I = hffex/I = hexthf/e = hext.(1,24/l). Mà - Công suất quang nội : Pint =ηinthν - Công suất quang phát xạ : Pe = ηext .ηint hν Xét hiệu suất lượng tử ngoài ηext.(như hình 3.8). Giá trị này phụ thuộc vào góc mở chùm sáng phát xạ như sau : Trong đó : θc = arcsin và n là chiết suất vật liệu, Tf là độ truyền lan qua Fresnel Để đơn giản chọn θ = 0 lúc đó Tf (0)= Þ Hiệu suất này nhỏ, do đó công suất quang đưa vào sợi rất nhỏ. Ngoài ra đặc tuyến P/I còn phụ thuộc vào nhiệt độ : Nhiệt độ tăng thì công suất giảm. Mô hình đặc tuyến được mô tả như hình 3.9 sau. Ingưỡng P [mW] Hình 3.9 Đặc tuyến P/I của LED I [mA] T1 T2 (T2>T1) b, Đặc tính phổ Phổ của LED liên quan tới phổ phát xạ tự phát và là phổ đặc. Nó là một vùng liên tục các bước sóng rộng cỡ vài chục nm. Nó phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và bước sóng phát xạ trung tâm. Ngoài ra phổ của LED cũng phụ thuộc vào tốc độ Rsp(ω)=Ap( ω - Eg)1/2exp[-(ω - Eg)/kBT]. Công thức tính độ rộng phổ nửa giá trị cực đại được xác định như sau : Δf »1,8 hay Δf » Δλ. Tại nhiệt độ T=300oK, Δf =11THz với Δλ =50 – 60 nm cho λ=1300nm. 1 1/2 Bước sóng phát xạ trung tâm l [mm] Hình 3.10 Độ rộng phổ của LED SLED ELED P/P0 P0 là công suất đỉnh Hình 3.10 thể hiện phổ của hai loại LED c, Đáp ứng điều chế - Phương trình tốc độ của LED mô tả tốc độ thay đổi hạt tải theo thời gian và dòng biến đổi thay đổi theo thời gian như sau : với V là thể tích vùng tích cực. Từ phương trình ta thấy hạt tải bơm vào có thể bị mất đi theo giá trị . - Dòng điều biến LED : I(t)= Ib + Imexp(iωmt) Trong đó : ωm là tần số điều biến tín hiệu. Ib là dòng định thiên và Im là dòng điều biến. Tại I=Ib dòng bơm ban đầu ta có nồng độ hạt tải được xác định theo công thức : . Ta lại có : N(t)= Nb +Nmexp(iωmt). Do đó:. Khi công suất điều chế Pm phụ thuộc tuyến tính vào çNm÷, hàm truyền đạt sẽ có dạng : (3-5) Độ rộng băng tần là tỷ số điều biến mà tại đó hàm truyền đạt giảm đi chỉ còn nửa, do đó còn được gọi là băng tần điều chế 3dB. Thay vào 3-5 ta có : Đối với LED : cỡ khoảng vài ns (2¸5 ns) do đó f3dB» 50¸150MHz. 3.2.1.4 Ứng dụng của LED Thường thì ánh sáng phát xạ của LED là ánh sáng không kết hợp và là ánh sáng tự phát. Do đó công suất phát xạ của LED thấp, độ rộng phổ rộng và hiệu ứng lưọng tử thấp. Nó thường chỉ được áp dụng cho các mạng có khoảng cách ngằn như mạng LAN. Tuy nhiên do công suất đầu ra của nó ít phụ thuộc vào nhiệt độ và có chế tạo đơn giản, độ ổn định cao, LED vẫn được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền tốc độ thấp. 3.2.2 Laser bán dẫn Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là một cấu trúc quang học để tạo ra và khuếch đại ánh sáng đơn sắc có tính liên kết về pha. Laser có nhiều loại như Laser thể rắn, Laser thể khí và Laser bán dẫn… Mỗi loại có các đặc tính riêng của nó, tuy nhiên ưu thế hơn cả là Laser bán dẫn (thường sử dụng trong hệ thống thông tin quang). Vật liệu chế tạo Laser bán dẫn là các vật liệu bán dẫn có vùng cấm thẳng (đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị có cùng giá trị của vectơ sóng k trên giản đồ năng lượng). Vì trong bán dẫn vùng cấm thẳng (trực tiếp), quá trình chuyển mức bức xạ vectơ sóng được bảo toàn một cách tự động nên có xác suất lớn hơn nhiều so với bán dẫn có vùng cấm nghiêng (gián tiếp), sự chuyển mức bức xạ có sự tham gia của photon hoặc các tâm tán xạ để bảo toàn vectơ sóng và năng lượng. 3.2.2.1 Cấu trúc Laser bán dẫn Laser bán dẫn đơn giản nhất và thường gặp là Laser Diode (LD). Nó sử dụng lớp chuyển tiếp p –n được phân cực thuận để bơm điện tử và lỗ trống, làm phát sinh ánh sáng. Cấu trúc LD được thiết kế để tạo ra một hốc quang để dẫn các photon được tạo ra. Hốc quang cơ bản là một buồng cộng hưởng, trong đó photon được phản xạ liên tiếp. Photon được phát xạ ra chỉ có một phần rất nhỏ dời khỏi buồng cộng hưởng, do đó mật độ photon được tích tụ chủ yếu trong buồng cộng hưởng. Đối với Laser bán dẫn, cấu trúc buồng cộng hưởng được sử dụng nhiều nhất là buồng cộng hưởng kiểu Farby – Perot. Thành phần quan trọng nhất của hốc là hai mặt gương phản xạ song song để đảm bảo các mode cộng hưởng được sinh ra trong hốc. Các mode cộng hưởng phải có bước sóng thỏa mãn biểu thức : L = k.l/2 với k là một số nguyên. L là chiều dài hộp cộng hưởng Bên trong bộ cộng hưởng là một môi trường tích cực, trong đó luôn có các quá trình bức xạ đồng pha của tất cả các nguyên tử. Cấu trúc đơn giản nhất của môi trường tích cực trong LD bao gồm ba lớp : Lớp tích cực mỏng nhất có độ dày cỡ 0,1 μm, nằm giữa hai lớp bán dẫn khác loại n và p. Hai lớp này có bề rộng vùng cấm cao hơn lớp ở giữa. Chúng tạo thành chuyển tiếp dị thể p-n. Trong cấu trúc này mode quang bị giam theo hướng vuông góc với bề mặt của lớp chuyển tiếp do các lớp vỏ có chiết suất nhỏ hơn so với chiết suất vùng tích cực. Để đạt được một mode chính ổn định với dòng ngưỡng nhỏ cần phải có sự giam quang dọc theo bề mặt của lớp chuyển tiếp. Nếu không có sự giam các mode biên, Laser sẽ hoạt động như Laser bán dẫn vùng mở rộng. Các Laser bán dẫn diện rộng này chịu sự suy hao rất lớn nên ít được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang. Sự quay trở lại của các hạt tải đòi hỏi dòng ngưỡng cao. Cường độ dòng ngưỡng khoảng 1kA trên một cm2 hốc, điều này khiến lợi ích của Laser bơm dòng bị hạn chế. Việc khắc phục sự phát quang trên diện rộng có thể thực hiện bằng cách tạo ra các kết cấu có sự giam quang các mode biên. Các loại kết cấu để giam quang gồm có : - Laser có miền khuếch đại kiểu ống dẫn sóng - Laser ống dẫn sóng dải chiết suất. Ở Laser miền cộng hưởng dạng ống dẫn sóng có bề rộng của mode phát quang theo bề mặt của lớp chuyển tiếp chủ yếu được xác định bởi bề rộng của vùng cộng hưởng quang học (bề rộng của vùng được bơm), tiêu biểu nằm trong vùng 5 – 10 μm. Trong loại Laser cấu trúc dải chiết suất, vùng ở giữa hẹp có chiết suất tỉ đối cao hơn so với trong mặt lớp chuyển tiếp giam mode phát Laser. Loại này được chia thành hai loại, đó là loại ống dẫn sóng dải chiết suất yếu có vùng phân cực là liên tục còn phần vỏ có chiết suất không đều đặn, có bề dày thay đổi được và loại ống dẫn sóng dải chiết suất mạnh thường thấy cấu trúc dị thể vùi (BH) với độ chênh lệch chiết suất cỡ 0,2 giữa vùng tích cực và vùng biên. a, Laser có miền khuếch đại kiểu ống dẫn sóng Đó là loại Laser bơm dòng mà có đặc tính được chế tạo sao cho hạn chế dòng bơm vào một vùng nhỏ theo bề mặt lớp chuyển tiếp. Nhờ sử dụng dòng bơm qua dải băng hẹp, Laser bán dẫn này có ưu điểm là giải quyết được vấn để giam giữ các hạt tải trong miền tích cực… cấu trúc dòng đơn giản nhất là dạng cấu trúc dải oxit (được nghiên cứu, chế tạo đầu tiên Dymen). Cấu trúc này được chỉ ra trên hình 3.11, nó gồm lớp p có cửa sổ được mở cho dòng phun vào. Phần còn lại của lớp p này được phủ lớp cách điện SiO2. Do chuyển tiếp có tính chất phân cực thuận nên dòng qua chuyển tiếp chỉ có thể qua cửa sổ. Trong hầu hết các Laser được thiết kế, cửa sổ này rộng khoảng 5μm. Mật độ hạt tải (chủ yếu do quá trình khuếch tán) phân bố không đồng đều ở hai bên. Độ khuếch đại đạt giá trị cực đại tại tâm cửa sổ. n+ - InP (chất nền) n – InP InGaAsP p – InP SiO2 p – InGaAsP Hình 3.11 Laser bán dẫn miền tích cực Ngoài ra còn có : - Cấu trúc vạch chuyển tiếp mà ở đó có sự khuếch tán Zn biến đổi một vùng nhỏ trên đỉnh lớp bán dẫn loại n thành loại p. Khi đặt điện áp thuận vào lớp chuyển tiếp trên vùng còn lại sẽ tạo sự giam quang (hình 3.12a); - Cấu trúc dải photon hay deuteron mà ở đây các proton hay deuteron được cấy vào tạo thành một cùng có điện trở cao làm hạn chế dòng chảy tới một lớp mở trong vùng được cấy (hình 3.12b). n – InP (Chất nền) n – InP InGaAsP p – InP n – InP (chất nền) n – InP InGaAsP p – InP Vùng pha iôn p-InGaAsP p-InGaAsP Vùng có khuếch tán Zn a) Cấu trúc chuyển tiếp b) Cấu trúc dải proton Hình 3.12 Laser miền cộng hưởng dùng ống dẫn sóng b, Laser ống dẫn sóng dải chiết suất yếu Cấu trúc Laser dải chiết suất yếu có khả năng giam giữ quang tốt hơn. Nó bao gồm một ống dẫn sóng có chất liệu khác được ghép lên trên hoặc bên dưới lớp tích cực. Điều này tạo sự thay đổi chiết suất hiệu dụng cỡ 1% giữa hai bên của thành ống dẫn sóng. Các loại cấu trúc ống dẫn sóng chiết suất yếu phụ thuộc vào cấu trúc của Laser, đó là loại ống dẫn sóng “rib”, “stripe”, ống dẫn sóng phẳng lồi, ống dẫn sóng phẳng đế ghép kênh. Ta có hình 3.13 mô tả các cấu trúc Laser loại này. n – InP (đế) n – InP InGaAsP p-InP n – InP (đế) n – InP InGaAsP p-InP a) Laser dẫn sóng ridge b) Laser lớp epitaxi dị thể n-InP n-InP p-InP InGaAsP (lớp tích cực) n-InP p-InP p-InP InGaAsP n-InP p- InGaAsP Hình 3.13 Laser dị thể vùi với lớp tích cực thẳng c) Laser đế ghép kênh d)Laser rib đơn giản p-InGaAsP p-InP n-InGaAsP (ống dẫn sóng) n-InP (đế ) p-InGaAsP p-InP InGaAsP (lớp tích cực) n-InP (đế) Hình 3.14 Cấu trúc Laser chiết suất yếu c,Laser ống dẫn sóng dải chiết suất mạnh Trong cấu trúc Laser dải chiết suất mạnh, vùng tích cực nằm trong những lớp có vùng cấm lớn hơn. Vì lý do đó, các Laser này được gọi là Laser dị thể vùi. Bước nhảy chiết suất bề mặt dọc theo mặt của lớp chuyển tiếp vào cỡ 0,2 trong các Laser cấu trúc này. Các đặc trưng phát xạ Laser của các Laser dị thể vùi chủ yếu được xác định bằng ống dẫn sóng chữ nhật giam mode ở bên trong vùng tích cực. Những loại Laser này được chia thành hai nhóm : Nhóm các cấu trúc có lớp tích cực phẳng và nhóm các cấu trúc có lớp tích cực không phẳng như hình 3.14 và 3.15. n-InP n-InP n-InP InGaAsP n-InP n-InP InGaAsP InGaAsP (lớp tích cực) n-InP Hình 3.15 Cấu trúc Laser dị thể n-InGaAsP n-InP p-InP p-InP p- InGaAsP a) Laser dị thể vùi ghép kênh phẳng b) Laser dị thể strip 3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của Laser bán dẫn Laser bán dẫn bức xạ ra ánh sáng thông qua quá trình tái hợp cưỡng bức, và đó chính là sự khác nhau cơ bản giữa qúa trình bức xạ tự phát của LED và bức xạ kích thích của LD. Nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hiện tượng đảo mật độ. Ban đầu ở điều kiện bình thường, khi không có điện áp đặt vào chuyển tiếp p-n, Laser bán dẫn ở trạng thái bình thường cân bằng nhiệt, tức là không có hiện tượng xảy ra. Khi chuyển tiếp p-n được phân cực thuận, các điện tử và lỗ trống được bơm vào trong vùng tích cực của Laser. Các điện tử và lỗ trống tái hợp với nhau để phát sinh ra các photon. Tuy nhiên vì số lượng các điện tử và lỗ trống lúc này còn ít (vì dòng bơm chưa đủ lớn) không đủ để xảy ra hiện tượng đảo mật độ, nên quá trình phát xạ ở đây là tự phát, LD hoạt động như một LED. Khi dòng bơm vào tiếp tục tăng lên, nhiều hạt tải được đưa vào vùng tích cực, cung cấp cho buồng cộng hưởng một số lượng photon đủ lớn và số photon này bị giữ lại trong buồng cộng hưởng, chưa kịp phát xạ ra khỏi Laser. Chúng phản xạ qua lại hai thành của buồng cộng hưởng (chính là hai gương phản xạ), va chạm với các nguyên tử bán dẫn làm tăng mật độ hạt tải lên nhanh chóng và gây nên hiện tượng đảo mật độ. Quá trình phát xạ kích thích xảy ra và chiếm ưu thế hơn quá trình phát xạ tự phát, tín hiệu Laser tăng mạnh và có sự đồng nhất về pha. Ánh sáng này là ánh sáng kết hợp, có dạng hình elip, có chiều hẹp khoảng 100 chiều rộng khoảng 300. Do đó có độ mở nhỏ nhưng tính định hướng cao. Để hiểu được toàn bộ hoạt động của Laser bán dẫn thì cần phải xét cụ thể các quá trình khuếch đại và điều kiện dòng ngưỡng trong Laser. a, Quá trình khuếch đại và hệ số khuếch đại của LD Để quá trình kích thích chiếm ưu thế hơn so với quá trình phát xạ tự phát thì trước hết ta phải có điều kiện để xảy ra trạng thái đảo mật độ như nói ở mục 3.1.2.2 tức là có Efc – Efv >E2 – E1 >Eg. Theo hình 3.16 thì mật độ hạt càng nhiều thì độ chênh lệch E càng lớn. Và với mỗi một giá trị mật độ phổ công suất khác nhau thì một hệ số khuếch đại khác nhau. g(cm-1) Eg Efc- Efv E + - 0 N=1,6.1018 N=1,4.1018 N=1,2.1018 N=1.1018 Hình 3.16 Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào mật độ Như vậy hệ số khuếch đại tăng tuyến tính theo nồng độ hạt tải N. Tính gần đúng giá trị ta có công thức của hệ số khuếch đại như sau : gm = σg (N-NT) Trong đó : NT là mật độ hạt tải tại gm = 0 σg là hằng số tỷ lệ phụ thuộc từng vật liệu. b, Điều kiện ngưỡng Quá trình hồi tiếp qua lại của các photon bị giữ trong hộp cộng hưởng thực hiện bởi hai gương có độ phản xạ là R= Ngưỡng trong Laser là sự cân bằng photon sinh ra do phát xạ kích thích và photon bị mất đi do các suy hao trong môi trường hộp. Để số lượng photon được khuếch đại thì số photon sinh ra phải lớn hơn số photon bị mất đi. Tức là dòng bơm (Ib ) vào phải lớn hơn dòng ngưỡng (Ith). Lúc đó Laser mới có thể phát ánh sáng ra ngoài được. Gọi độ phản xạ của hai gương trong hộp cộng hưởng là R1 và R2. Chiều dài hộp cộng hưởng (hay lớp tích cực) là L ta có biên độ tín hiệu quang sau một lộ trình (đi và phản xạ về) là : E(z+2L)=E0.exp(g.L)exp(-αintL)exp(2ikL) với αint là suy hao trong hộp. Để sau một lộ trình biên độ tín hiệu được khuếch đại hơn thì E(z+2L)≥E(z), và điều kiện ngưỡng là khi dấu bằng xảy ra. Về biên độ : điều kiện ngưỡng là khi E(z+2L)=E(z), nó phải thỏa mãn : - Biên độ sau mỗi lộ trình phải tăng lên - Pha của tín hiệu sau mỗi lộ trình là không đổi. Từ đó ta có : exp[(g-αint)L] ≥ 1. Dấu bằng xảy ra ta có : gth = αitn + = αint + αmir = αcav Như vậy hệ số khuếch đại tới hạn là giá trị phụ thuộc vào suy hao lớp tích cực, suy hao của gương gọi chung là suy hao tổng của hộp cộng hưởng. Về pha : điều kiện về pha không đổi nên ta có : exp(i2kL)=1 Þ 2kL= 2mπ . Mà k = = nên ta có tần số phát xạ mode thứ m : fm = với m ÎZ. Từ đó ta có khoảng cách các mode phát xạ là Δf=fm+1 –fm=. f(λ) g Δf Suy hao Khuếch đại Các mode phát xạ Hình 3.17 Đặc tính suy hao và khuếch đại của Laser . Hình 3.17 mô tả khoảng cách giữa các mode phát xạ. Trong đó các mode lớn hơn mức suy hao thì mới phát xạ ra ngoài. 3.2.2.3 Đặc tính của Laser bán dẫn a, Đặc tính công suất Một đặc trưng không thể thiếu của Laser bán dẫn là sự phụ thuộc của năng lượng quang ra vào dòng bơm cho Laser, gọi là đặc trưng công suất. Tùy vào đặc điểm cấu tạo và điều kiện hoạt động mà mỗi LD có các đặc trưng công suất khác nhau. Khi dòng qua LD tăng, đầu tiên bức xạ tự phát tăng chậm (tỉ lệ với dòng qua LD – ID). Sau đó, khi dòng tăng trên mức dòng ngưỡng thì dao động Laser bắt đầu và công suất ra tăng đột ngột. Ta có thể xác định được dòng ngưỡng của Laser bằng cách kéo dài đoạn đặc trưng công suất ở trên dòng ngưỡng cho cắt trục hoành tại một điểm. Đó chính là dòng ngưỡng của Laser. Khi nhiệt độ tăng lên làm cho dòng ngưỡng tăng lên và công suất ra ở một dòng cố định giảm đi nên các đường đặc trưng công suất bị dịch dần về bên phải. Nhiệt độ tăng thì độ nghiêng của đoạn trên dòng ngưỡng của đặc trưng công suất ra cũng giảm đi. Điều này càng thể hiện rõ nét ở các nhiệt độ cao. Hình 3.18 biểu diễn các đường đặc trưng công suất ra phụ thuộc vào dòng kích thích ở các nhiệt độ khác nhau của LD cấu trúc dải dị thể vùi. Ib [mA] 100 200 300 115o 95o 45o 20o 35o Pra [mw] 25 Hình 3.18 Đặc trưng công suất ra phụ thuộc vào dòng kích thích ở các nhiệt độ khác nhau của LD dải dị thể vùi b, Đặc trưng phổ Phổ phát xạ của LD dạng phổ vạch và đường bao quanh phổ quyết định bởi mặt cắt khuếch đại thường có dạng hình Gauss: g(λ)= g(0)exp[] Phổ Laser có dạng như hình 3.19. Ảnh hưởng chính đến đặc tính phổ là số các mode dọc được kích thích. g(λ) λ λ0 λ1 …..λm-1 λm Độ rộng phổ Hình 3.19 Độ rông phổ của Laser bán dẫn . 3.2.3 Một số nguồn quang hiện đại Ban đầu các phần tử nguồn quang chủ yếu được sử dụng là LED và Laser hộp cộng hưởng Farby – Perot. Laser loại hộp cộng hưởng Farby – Perot thường cho phổ đa mode. Để hoạt động trong các hệ thống thông tin quang có tốc độ cao và cự ly truyền dẫn xa ta cần phải sử dụng các nguồn quang, đặc biệt là Laser có độ rộng hẹp. Trong khi đó công nghệ bán dẫn ngày càng phát triển, có khả năng tạo ra các phần tử nguồn quang mới với nhiều ứng dụng tiến bộ hơn trước rất nhiều. Các nguồn quang này có thể đáp ứng được cả yêu cầu đối với các hệ thống thông tin quang như WDM. Do vậy hiện nay không sử dụng các nguồn quang đa mode mà chuyển sang sử dụng các nguồn quang đơn mode, cụ thể là các Laser đơn mode. Các Laser này chỉ chứa mode dọc và mode ngang đơn. Để làm được các mode này thì có nhiều phương pháp khác nhau và ta có nhiều cấu trúc Laser khác nhau. Ta lần lượt xét các Laser sau. 3.2.3.1 Laser hồi tiếp phân bố (DFB) và Laser phản hồi phân bố (DBR) Laser DFB và DBR sẽ cho ta cơ chế triệt các mode bên (nhờ sử dụng các mặt bên một cách hợp lý) và chỉ để lại một mode dọc chính duy nhất nên đã và đang được ứng dụng rất rộng rãi trong truyền dẫn WDM với các hệ thống IM/DD. Về nguyên lý, các Laser này sử dụng nguyên lý phản xạ Bragg (như đã nêu ở phần trên). Đối với Laser DFB, khi có dòng điện vào Laser, trong hộp có phức hợp điện tử - lỗ trống bức xạ ra năng lượng tương ứng với quang tử, những quang tử này bị một sợi lưới quang trong bề mặt lớp có nguồn phản xạ, dạng phản xạ Bragg, chỉ khác là trong sự phản hồi Bragg của Laser DFB có góc θ = π/2 do đó chu kỳ cách tử sẽ là : A=. Đây là điều kiện phân bố phản hồi. Thông thường m =1, khi đó λn = 2A được gọi là bước sóng Bragg. Các tín hiệu có bước sóng thỏa mãn công thức trên mới được phản xạ mạnh và khuếch đại đủ lớn. Các bước sóng khác không thỏa mãn công thức sẽ không phát xạ được và bị loại. Thường thì trong loại Laser này, các mode bên bị triệt khoảng 30-40dB so với mode chính. Đối với Laser DBR, đặc điểm căn bản cũng giống Laser DFB, chỉ có một số điểm khác biệt đó là : Vật liệu chế tạo của DBR là khó khăn hơn Laser DFB vì nó không nhất thiết đòi hỏi sự ghép công suất giữa các vùng thụ động và tích cực. Thứ hai đặc tính phụ thuộc nhiệt độ thì khác nhau, khi nhiệt độ tăng thì trong DBR có sự chuyển đổi từ mode này qua mode khác còn với Laser DFB thì thể hiện đặc tính ổn định nhiệt độ trong một dải rộng. Hướng dọc Phần phản xạ Vùng họat tính Điều khiển hốc cộng hưởng Điều khiển tần số Phần phản xạ Bragg Vùng hoạt tính Điều khiển hốc cộng hưởng Hình 3.20 Cấu trúc Laser DFB (a) và Laser DBR (b) Cấu trúc các Laser này có dạng như hình 3.20. Về căn bản kết cấu Laser DRB và DFB khác nhau, dù cùng dựa vào nguyên lý hoạt động là cách tử Bragg. Chỗ khác nhau về cấu trúc của hai loại Laser này là DBR có kết cấu lưới phản xạ nằm ngoài hốc cộng hưởng. Với sự khác biệt này, ở DBR phần điều khiển hốc cộng hưởng Laser và phần điều khiển tần số theo nguyên lý Bragg là hoàn toàn độc lập. Ưu điểm của các loại Laser DFB và DBR là : Dao động đơn mode dọc có dải hẹp Tính ổn định của bước sóng tốt 3.2.3.2 Laser với hốc cộng hưởng kép Một Laser có hốc cộng hưởng kép là Laser có hai hốc cộng hưởng đặt liên tục. Trong đó, hoặc cả hai hốc cộng hưởng đều là tích cực hoặc một tích cực một thụ động. như hình 3.21. Với loại có một hốc cộng hưởng tích cực và một hốc cộng hưởng thụ động (hình 3.21a) thì hốc cộng hưởng thụ động là một Laser bán dẫn thông thường không có nguồn bơm gắn với hốc cộng hưởng ở bên ngoài. Tức là hốc cộng hưởng sau chỉ đóng vai trò chọn lọc bước sóng mà không tạo sự khuếch đại. Giữa hai hốc cộng hưởng có thể có một đoạn sợi quang đóng vai trò như thấu kính Grin để tăng mức kết hợp và tránh mất mát do tán xạ. Với loại có hai hốc cộng hưởng tích cực, mỗi phần có thể được bơm dòng riêng biệt và có thể điều khiển linh hoạt hơn so với cấu trúc trước. Vật liệu của hai hốc cộng hưởng thường là giống nhau. Công nghệ chế tạo loại Laser này thường dùng là kỹ thuật tách mặt nhằm tạo ra một Laser có 4 mặt tách như 4 mặt gương đặt song song nhau với độ phản xạ chừng 32% và cho phép mức ghép nối hai hốc cộng hưởng tương đối hợp lý miễn là khoảng cách giữa chúng không quá lớn (<5μs). Loại Laser đó còn được gọi là Laser C3 (Cleaved Coupler Cavity). Ánh sáng ra LD Thấu kính Grin Gương phản xạ Lớp chống phản xạ Đế giữ thấu kính Đế Hình 3.21 Cấu trúc Laser 2 hốc cộng hưởng Dải tích cực Đế tỏa nhiệt I1 I2 a) b) Nguyên lý hoạt động của các Laser này là tạo ra một mode dọc đơn duy nhất. Bước sóng theo mode mà có thể vượt qua cả hai hốc cộng hưởng thì buộc phải thỏa mãn điều kiện sau : (3-6) Trong đó : m1, m2 là hai số nguyên L1, L2 là chiều dài hai hốc cộng hưởng n là chiết suất hốc cộng hưởng Lúc này khoảng cách các mode dọc sẽ là : (3-7) Khi đó m1 và m2 phải thỏa mãn điều kiện : L1/m1 = L2/m2 = L0 Như vậy, khi khoảng cách các mode dọc là tương đối lớn thì chỉ có một mode dọc là nhận được khuếch đại đủ lớn để bức xạ ra ngoài. Đó chính là mode dọc trung tâm thỏa mãn điều kiện 3-7. Các mode biên còn lại bị nén ở mức 20-30 dB so với mode chính. Điều này được mô tả hình 3-22. Hình 3.22 Nguyên lý của Laser có hộp cộng hưởng kép Mode dọc của hộp cộng hưởng thứ 1 Bước sóng Bước sóng Bước sóng Tăng ích tối thiểu Tăng ích Mode dọc của hộp cộng hưởng thứ 2 3.2.3.3 Laser giếng lượng tử Giếng lượng tử (Quantum Well) có kết cấu tương tự như Laser có kết cấu 2 chất khác nhau, chỉ khác là độ dày của vùng có nguồn rất mỏng. Chiều dày của lớp có nguồn trong Laser có kết cấu 2 chất khác nhau thường là 0,1 – 0,2 μm, trong khi chiều dày tương ứng của giếng lượng tử chỉ là vài chục . Phân tích lý thuyết chỉ rõ : Khi chiều dày của vùng có nguồn cực nhỏ thì dải năng lượng của hai bên vùng có nguồn sẽ có hiện tượng không liên tục, tức là xuất hiện đột biến ở dải dẫn và dải hóa trị trên mặt giao tiếp hai chất khác nhau của vùng có nguồn.Từ đó vùng có nguồn của dải hẹp tạo ra bẫy (giếng) thế năng cho điện tử trong dải dẫn. Dải dẫn a) b) Hình 3.23 Kết cấu Laser một bẫy lượng tử có chiết suất bậc (a) và chiết suất giảm dần (b) Dải hóa trị Laser có một giếng lượng tử (SQW- Single Quantum Well) có cấu trúc đơn giản, nó chỉ có vùng tích cực. Trong đó lớp vỏ của loại Laser này có thể là dạng chiết suất bậc (hình 3.23a) và chiết suất giảm dần (hình3.23b). Loại Laser này cho ta khả năng ổn định nhiệt tốt, khả năng điều chế tần số cao, dòng ngưỡng thấp và hạn chế sự mở rộng phổ đường quang. Tuy nhiên sự giam hạt tải cũng như giam quang là rất kém vì nó có lớp tích cực quá mỏng. Để khắc phục điều này, có kết cấu Laser nhiều giếng lượng tử (MQW) như hình 3.24. Loại Laser này có rất nhiều vùng tích cực được sắp xếp đan xen nhau giữa các lớp vỏ, các lớp vỏ bấy giờ được coi như các vách ngăn và có thể là dạng vách ngăn có chiết suất giảm dần hoặc nhảy bậc. Với cấu trúc này, MQW cho phép sự giam dòng cũng như giam quang tốt hơn, dòng ngưỡng nhỏ hơn. Dải dẫn Dải hóa trị a) b) Dải dẫn Dải hóa trị Vùng tích cực Lớp vỏ Vùng tích cực Lớp vỏ Hình 3.24 Cấu trúc Laser MQW với lớp vỏ có thể là chiết suất giảm dần (a) và chiết suất nhảy bậc (b) 3.2.3.4 Laser bán dẫn có thể điều chỉnh được bước sóng phát Có một phương pháp điều chỉnh bước sóng trên phạm vi rộng là mạ trên mặt cắt theo hướng sau của khoang cộng hưởng Laser một màng chống phản xạ (AR). Sau đó, đặt ở ngoài một bộ lọc có thể điều chỉnh. Loại kết cấu này gọi là Laser bán dẫn có thể điều chỉnh ở ngoài khoang cộng hưởng. Ở mặt cắt phía sau LD mạ một lớp màng tăng thấu. Nhờ đó, ánh sáng được chiều qua thấu kính biến thành tín hiệu quang song song đi tới lưới quang. Tại đây, lưới quang sẽ đóng vai trò là gương phản xạ kiêm bộ lọc băng hẹp. Lưới quang quay có thể điều chỉnh theo bước sóng kích quang. Điều chỉnh vị trí dưới quang theo chiều dọc có thể chỉnh tinh bước sóng kích quang. Thấu kính LD Màng AR Tăng ích Chọn bước sóng Lưới quang Chỉnh thô (50 -240 nm) Chỉnh tinh Tín hiệu quang ra Hình 3.25 Laser bán dẫn điều chỉnh ngoài khoang cộng hưởng Ưu điểm chính của Laser điều chỉnh bước sóng ở ngoài khoang cộng hưởng là bề rộng đường phổ rất hẹp. Đó là do có sự kéo dài khoang dao động, làm tăng chiều dài hữu hiệu của khoang. 12 mm Tín hiệu quang ra Lưới quang cố định 2 mm Hình 3.26 Laser MAGIC Khuyết điểm của Laser bán dẫn điều khiển ngoài khoang là tốc độ điều chỉnh thấp, thể tích tương đối lớn, ổn định về mặt cơ học không cao. Để khắc phục những khuyết điểm trên, hiện nay đã đề xuất ra một kết cấu mới là Laser bán dẫn MAGIC (Multistripe Array Gratting Integrated Cavity). Nó không giống như kết cấu cũ gồm LD và lưới quang cơ động mà là lưới quang cố định và bố trí thành hai dãy LD tích hợp hai chiều như hình 3.26. Trong dãy, mỗi một thanh có nguồn đều có thể tìm thấy địa chỉ độc lập và kích phát ra một bước sóng nhất định. Lưới quang chỉ chọn phối ghép một bước sóng nào đó đưa vào thành trung tâm. 3.3 Bộ tách quang Bộ thu quang là phần chịu trách nhiệm chuyển đổi tín hiệu quang thu được từ môi trường truyền dẫn sang tín hiệu điện và phục hồi các số liệu đã truyền qua hệ thống thông tin quang này. Linh kiện chủ yếu để thực hiện chức năng chuyển đổi quang điện trong bộ thu quang là các bộ tách quang còn được gọi là detector. Hai bộ tách quang thường được sử dụng trong thông tin quang là photodiode loại PIN và APD. 3.3.1 Photodiode PIN Đây là bộ tách sóng quang thông dụng nhất được sử dụng. Đặc điểm của các Photodiode PIN là có thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao. Nó không có khả năng khuếch đại dòng quang điện nhưng nó lại tránh được sự khuếch đại nhiễu. 3.3.1.1 Cấu trúc của PIN Cấu trúc cơ bản của Photodiode PIN là bao gồm một lớp tiếp giáp p-n và cách giữa hai lớp bán dẫn này là nột lớp bán dẫn yếu loại N tự kích hoạt nội tại hay còn gọi là lớp tự dẫn i. Lớp p thường rất mỏng để hấp thụ hết các photon vàp lớp bán dẫn i. Lúc này độ rộng của vùng nghèo (W) được tăng vì chiều dài cửa lớp bán dẫn i (i càng dày thì W càng lớn). Thêm vào đó để tránh gây tổn hao ánh sáng vào thì trên bề mặt của vùng nghèo có phủ thêm một lớp chống phản xạ. Cấu trúc này được mô tả trong hình 3.27 sau. InGaAs p i n W E Độ dài Au/Au-Sn InP InP p i n n+-InP 4μm a) b) Hình 3.27 Cấu trúc PIN với phân bố trường dạng hình xiên(a) và cấu trúc PIN sử dụng vật liệu InGaAs (b). 3.3.1.2 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của Photodiode PIN dựa trên hiệu ứng quang điện. Khi chiếu một photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm vào bề mặt bán dẫn của Photodiode thì quá trình hấp thụ photon xảy ra. Khi hấp thụ một photon, một điện tử được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại một trong vùng hóa trị một lỗ trống, ta nói photon đã tạo ra một cặp điện tử và lỗ trống (như hình 3.28). Các cặp điện tử - lỗ trống này được sinh ra trong vùng nghèo. Khi có điện trường đặt vào linh kiện, sẽ có sự chuyển rời các điện tích về hai cực (điện tử về phía n cong lỗ trống hút về phía p như hình 3.28) tạo ra dòng điện ở mạch ngoài, dòng điện này được gọi là dòng quang điện. Bình thường một photon chỉ có thể tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống, với giả thiết hiệu suất lượng tử bằng 1, nghĩa là với một lượng photon xác định chỉ có thể tạo ra một dòng điện xác định. Tuy nhiên trong thực tế không được như vậy vì ánh sáng còn bị tổn hao do nhiều yếu tố trong đó có yếu tố phản xạ bề mặt. Ta có công thức bức xạ quang bị hấp thụ trong vật liệu bán dẫn tuân theo hàm mũ sau : P(x)= Pin (1- ) (3-8) Trong đó : P(x) là công suất quang được hấp thụ ở cự ly x Pin là công suất quang tới α(λ) là hệ số hấp thụ tại bước sóng λ. Như vậy khả năng thâm nhập của ánh sáng vào lớp bán dẫn thay dổi theo bước sóng. Vì vậy, lớp bán dẫn p không được quá dày. Miền i càng dày thì hiệu suất lượng tử càng lớn, vì xác suất tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống tăng lên theo độ dày của miền này và do đó các photon có nhiều khả năng tiếp xúc với các nguyên tử hơn. Tuy nhiên, nếu độ dài miền i cao thì thời gian trôi của các hạt này dài hơn, xung ánh sáng đưa vào cũng phải tăng lên tương ứng với thời gian trôi tăng. Điều này khiến cho độ đáp ứng và băng tần điều biến bị hạn chế. Do đó, độ rộng của miền i không được quá lớn vì như thế tốc độ bít sẽ bị giảm đi. Ta phải chọn độ dài miền i đủ rộng để đảm bảo điều kiện nhất định là hấp thụ hết photon trong vùng nghèo và không ảnh hưởng thời gian trôi. Thường hay chọn : Với α tùy thuộc vào vật liệu. Khi bước sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua bán dẫn cũng tăng lên, ánh sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Do đó vật liệu bán dẫn phải được sử dụng ở bước sóng tới hạn. Bước sóng này được tính dựa vào độ rộng vùng cấm Eg theo công thức sau : λc = Tóm lại PIN hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng để biến đổi tín hiệu quang thu vào thành dòng tín hiệu điện. Các thông số biển đổi của chức năng này được phân tích ở phần tiếp theo sau đây. 3.3.1.3 Đặc tính của PIN Đặc tính của Photodiode thường được đặc trưng bởi hệ số đáp ứng  (còn gọi là độ nhậy của nguồn thu) và hiệu suất lượng tử η. a, Hiệu suất lượng tử Hiệu suất lượng tử được định nghĩa là xác suất để một photon rơi vào bề mặt linh kiện bị hấp thụ làm sinh ra một cặp điện tử và lỗ trống góp phần vào dòng điện mạch ngoài. Khi có nhiều photon đến bề mặt bán dẫn thì hiệu suất lượng tử là tỷ số của thông lượng các cặp điện tử và lỗ trống sinh ra góp phần tạo ra dòng quang điện ở mạch ngoài trên thông lượng của photon tới. Như vậy, hiệu suất lượng tử của PIN là tỷ số giữa số lượng hạt tải chạy trong mạch và số photon đi vào được bề mặt PIN trong cùng một đơn vị thời gian. với  là độ đáp ứng của PIN (3-9) Theo công thức 3-8 thì hiệu suất lượng tử phụ thuộc vào bước sóng. Khi ta xét đến phần ánh sáng bị phản xạ tại bề mặt tiếp xúc bán dẫn thì công suất truyền qua của ánh sáng chỉ còn là : P = Pin .(1-R) với R là hệ số phản xạ của bề mặt bán dẫn. Lúc đó hiệu suất lượng tử của PIN sẽ được tính như sau : η = (1- R) x[1-exp(-αd)] (3-10) Thành phần d (độ dày vùng tự dẫn) công thức cho thấy rằng Photodiode PIN có hiệu suất lượng tử càng lớn khi kích thước vùng i càng lớn. b, Độ nhậy của PIN Khi hiện tượng hấp thụ ánh sáng xảy ra ở PIN thì có một dòng quang điện được sinh ở mạch ngoài. Dòng này tỷ lệ với công suất đi vào PIN, và được xác định theo công thức sau : Ip = Â. Pin Trong đó  là độ nhạy của PIN. Theo công thức 3-9 ta suy ra : [A/W] Như vậy độ nhạy PIN tỷ lệ với bước sóng, với một hiệu suất lượng tử là hằng số thì độ nhạy PIN tăng tuyến tính theo bước sóng. Ta có hình 3.29 mô tả sự hụ thuộc của độ nhạy vào bước sóng. λ[μm] Hình 3.29 Sự phụ thuộc của độ nhạy vào bước sóng. Â[A/W] Mặt khác, hiệu suất lượng tử của PIN phụ thuộc vào một độ dày W của vùng trôi và hệ số hấp thụ α của vật liệu bán dẫn tạo ra PIN. Do đó, độ nhạy của PIN cũng phụ thuộc vào hệ số hấp thụ của vật liệu bán dẫn hay phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn lựa chọn để làm PIN. 3.3.2 Photodiode quang thác APD Photodiode APD là loại Photodiode không chỉ có khả năng chuyển đổi quang điện như PIN mà còn có khả năng hoạt động với cơ chế khuếch đại bên trong, tức là dòng quang điện do APD tạo ra có khả năng được khuếch đại lên nhiều lần do một số cơ chế nhân hạt tải. 3.3.2.1 Cấu trúc của APD Về cơ bản, cấu trúc APD giống như cấu trúc của PIN nhưng APD bao gồm 4 lớp : p+ - i - p - n+ . Bán dẫn p+, n+ là các bán dẫn pha tạp mạnh. Vùng nhân hạt tải của APD được hình thành do bán dẫn p – n+ z Hình 3.30 Cấu trúc APD và phân bố năng lượng. Vùng nghèo Vùng nhân hạt tải a) p+ i p n+ RL E b) p+ n+ i p Vùng va cham iôn tạo khuếch đại 3.3.2.2 Nguyên lý hoạt động APD cũng dựa vào hiện tượng hấp thụ như các Photodiode khác để tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Bên cạnh đó, APD còn hoạt động dựa trên nguyên lý khuếch đại dòng. Ban đầu, khi các photon được chiếu vào bề mặt APD, chúng được hấp thụ và sản sinh ra một cặp điện tử và lỗ trống. Đặt một điện áp ngược vào APD như hình 3.30a, ta thấy có hiện tượng khuếch đại xảy ra khi điện áp này đạt đến một giá trị đủ lớn để gây hiệu ứng “thác lũ” : Các hạt mang trong vùng nhân p- n+ có điện trường rất mạnh, điện trường này khiến cho chúng tăng năng lượng dần dần đến khi đạt được trạng thái iôn hóa, chúng được tăng tốc, va chạm vào các nguyên tử trong vùng nhân tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống mới. Các hạt mang điện mới này lại tiếp tục được tăng tốc, va chạm và tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống mới. Vì thế các hạt mang cứ tiếp tục nhân lên và dòng quang điện phát ra ngoài được khuếch đại mà ta gọi là hiệu ứng “thác lũ”. Ta có thể xét quá trình này thông qua các biểu thức toán học sau đây. Tốc độ sinh ra hạt tải thứ cấp được đặc trưng bởi các hệ số iôn hóa αe và αh [cm-1]. Đại lượng này cho biết số lượng hạt tải mới được sinh ra hay số lượng hạt tải dịch đi trong 1cm chiều dài. Lúc đó quá trình khuếch đại dòng của APD thể hiện qua phương trình tốc độ sau : αe.ie + αh.ih và αe.ie + αh.ih Trong đó : ie , ih là dòng điện tử - e và lỗ trống - h (tức là cả điện tử và lỗ trống đều tham gia vào qúa trình nhân hạt tải) và dòng tổng là : I = ie + ih. Nếu coi dòng tổng không đổi, ta có : = (αe – αh )ie + αh .I Xét trường hợp khả năng iôn hóa của điện tử lớn hơn của năng iôn hóa của lỗ trống ta có : αe>αh. Coi như dòng điện tử chiếm chủ yếu, và chỉ có điện tử đi qua được vùng biên đến vùng bán dẫn n, thì ih(d) = 0 Þ ie(d)=I. Ta có hệ số khuếch đại dòng (hay hệ số nhân M) được định nghĩa là tỷ lệ giữa dòng đã được khuếch đại và dòng khi chưa được khuếch đại. Như vậy : với d là độ dày của vùng nhân hạt tải. Kết hợp với phương trình tốc độ ta có : với (3-11) Như vậy, APD đã thực hiện biến đổi dòng tín hiệu quang vào thành dòng tín hiệu điện ra, đồng thời khuếch đại dòng ra với một hệ số khuếch đại là M như công thức 3-11. 3.3.2.3 Đặc trưng của APD Cũng như PIN, APD có các đặc trưng của một Photodiode, tuy nhiên vì APD có khả năng khuếch đại so với PIN nên các tham số đặc trưng của nó có thêm hệ số nhân M. Độ nhạy của APD được xác định theo công thức sau : ÂAPD = Â.M =.M Trong đó  là độ nhạy của PIN. Như vậy độ nhạy của APD cũng phụ thuộc vào bước sóng như PIN đồng thời cũng phụ thuộc vào hệ số khuếch đại. Thực chất cơ chế khuếch đại là một quá trình thống kê, nó phụ thuộc vào hệ số iôn hóa của các nguyên tử khác nhau. Theo như công thức 3-10, thì thấy rằng M rất nhạy cảm với các hệ số αe , và αh. Xét đối với các trường hợp khác nhau sau : + Khi αh = 0 (quá trình nhân hạt tải chủ yếu chỉ do điện tử) thì kA = 0. Lúc đó : M = exp (αe.d) + Khi αe = αh tương tự ta có : kA = 1.Lúc đó ta có : M » lim Các vật liệu khác nhau thì hệ số iôn hóa điện tử và lỗ trống khác nhau. Khi αe.d→ 1 thì M→ ∞, nên APD thường chọn αe » αh hoặc αh » αe. để quá trình nhân hạt tải chỉ bới một loại hạt. Bên cạnh đó M là một hàm phụ thuộc vào tần số : M(ω)= M0[1+(ω τe.M0)2]-1/2 Trong đó : M0 là giá trị M tại ω = 0 τe là thời gian chuyển tiếp hiệu dụng M còn là hàm Vb(V) phụ thuộc vào nhiệt độ. Như mô tả trong hình 3.31 thì M tăng khi Vb tăng và đặc tuyến này tùy thuộc vào các nhiệt độ khác nhau. 100 200 300 Vb(V) T1 T2 T3 1000 100 10 M Hình 3.31 Sự phụ thuộc của đặc tuyến M/Vb vào nhiệt độ 3.3.3 Các bộ tách quang hiện đại Bộ tách quang là một phần tử quan trọng trong thông tin quang. Nhiệm vụ của các detector này là chuyển đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện. Do đó các phần tử này càng có nhiều ưu điểm thì càng được sử dụng nhiều trong hệ thống. Công nghệ hiện đại càng cho phép ta chế tạo ra nhiều phần tử quang điện có đặc tính tốt hơn. Phần này tìm hiểu về phần tử tách quang sử dụng giếng lượng tử hiện đang được nghiên cứu chế tạo và đưa vào ứng dụng. 3.3.3.1 APD sử dụng giếng lượng tử Cấu trúc giếng lượng tử chủ yếu được mô tả thông qua giản đồ năng lượng, cấu trúc hàm năng lượng của vật liệu cấu thành nên phần tử. Do vậy các linh kiện quang sử dụng cấu trúc giếng lượng tử có cơ chế hoạt động dựa vào việc sử dụng vật liệu bán dẫn được chọn lựa có thể thay đổi các chỉ số hoạt động của nó. a, Cấu trúc giếng lượng tử hυ hυ Ec Hình 3.32 Cấu trúc giếng lượng tử sử dụng cho Detector. b, Nguyên lý hoạt động của APD dựa trên giếng lượng tử Như ta đã biết vấn đề chất lượng của APD phụ thuộc vào tỷ số giữa tốc độ iôn hóa điện tử và lỗ trống (αe ,αh ). Để đạt được sự tối ưu thì αe » αh hoặc αh » αh. Đối với các vật liệu bán dẫn mối quan hệ giữa αe và αh phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng lượng và tốc độ tán xạ tương đối của điện tử và lỗ trống. Do vậy tỷ số kA=αe/αh của một chất bán dẫn đã cho là tương đối xác định. Nhưng nếu dựa vào cấu trúc giếng lượng tử thì tỷ số này có thể thay đổi được. Εv ΔΕc Εc ΔΕv Hình 3.33 Cấu trúc giếng lượng tử thay đổi tỷ số αe /αh Trong hình 3.33 khi các điện tử và lỗ trống chuyển động thay đổi qua một cấu trúc giếng lượng tử, quá trình chuyển tải của các hạt tải có thể thay đổi và sự thay đổi này cũng sẽ dẫn đến sự thay đổi về tỷ số αe /αh. Cụ thể như sau : Sự không cân xứng về chiều cao giếng lượng tử trong vùng dẫn và vùng hóa trị hay về tỷ số ΔΕc/ΔΕv. Nếu ΔΕc lớn hơn nhiều so với ΔΕv thì các điện tử vượt qua rào thế và chui vào giếng tăng thêm một lượng ΔΕc, còn các lỗ trống chỉ tăng một lượng ΔΕv. Điều này dẫn đến tốc độ hạt điện tử tăng hơn so với lỗ trống hay tỷ số αe /αh tăng lên. Ta cũng có thể tăng tỷ số αe /αh bàng việc sử dụng phương pháp giữ lại các lỗ trống trong giếng ở phía vùng hóa trị khi lỗ trống có khối lượng lớn. Ngoài ra APD sử dụng giếng lượng tử còn có quá trình nhân hạt tải ngay trong các giếng. Vì giếng có thể giữ một số hạt tải trong vùng dẫn và vùng hóa trị, nên khi chúng tán xạ trong lòng giếng sẽ va đập và đẩy các hạt tải khác thoát ra ngoài, kết quả là làm tăng dòng điện. Quá trình này không nhất thiết phải dùng đến sự chuyển đổi vùng – vùng. Ưu điểm của nó là tạo cho APD có độ nhiễu thấp nhất. 3.3.3.2 Detector sử dụng cấu trúc nhiều giếng lượng tử (MQW) Các bộ tách sóng quang MQW cơ bản dựa trên cấu trúc của giếng lượng tử đơn, tuy nhiên nó lại ghép rất nhiều cấu trúc giếng lại với nhau để tạo ra bộ tách quang nhiều bước sóng khác nhau (như hình 3.34). Nguyên lý hoạt động của nó dựa vào sự thay đổi điện áp đặt vào phần tử. Ban đầu khi chưa có điện áp đặt vào thì chưa có giếng lượng tử nào hoạt động. Khi đặt một điện áp V1 vào thì giếng lượng tử đầu tiên hoạt động, nó sẽ thu được bước sóng λ1. Khi tăng điện áp đến giá trị V2 thì giếng lượng tử thứ 2 hoạt động, nó sẽ thu sóng quang có bước sóng là λ2. Cứ như vậy ta có thể thu được một hay nhiều bước sóng quang khác nhau tùy thuộc vào sự điều khiển điện áp đặt vào MQW. V=0 MQW3 MQW2 MQW1 V1 V2 λ1 λ1 λ2   λ λ Hình 3.34 Detector sử dụng giếng lượng tử lựa chọn tách tín hiệu theo điện áp khác nhau λ1 λ1 λ2 3.4 Bộ khuếch đại Như đã đề cập trong phần trước, khoảng cách truyền dẫn của bất kỳ hệ thống thông tin quang sợi nào cũng bị hạn chế bởi các suy hao hay tán sắc. Trong các hệ thống thông tin quang đường dài các mất mát quang này được khắc phục bằng các trạm lặp, trong đó tín hiệu quang suy giảm được biến đổi thành tín hiệu điện và được đưa vào bộ phát lại để phục hồi tín hiệu quang rồi tiếp tục truyền đi. Tuy nhiên khi sử dụng các hệ thống thông tin quang ghép theo bước sóng WDM thì các thiết bị lặp này lại gây ra khó khăn, vì đòi hỏi kỹ thuật và vật liệu phức tạp, tốn kém hơn. Từ năm 1980, vấn đề khuếch đại quang trực tiếp bằng các linh kiện quang đã được nghiên cứu và trong những năm 1990 các hệ thống đường trục thông tin quang đã sử dụng các bộ khuếch đại quang trực tiếp một cách rộng rãi. Trong năm 1996, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng trong các tuyến cáp biển xuyên đại dương. Đến nay có nhiều bộ khuếch đại quang đã được nghiên cứu và ứng dụng như : khuếch đại quang Laser bán dẫn, các bộ khuếch đại quang pha tạp đất hiếm, các bộ khuếch đại Raman sợi, và các bộ khuếch đại Brillouin sợi. Trong đó, hai bộ khuếch đại được sử dụng rộng rãi nhất là : khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er (EDFA) và lần lượt được xét trong phần này. 3.4.1 Bộ khuếch đại quang bán dẫn. Các bộ khuếch đại quang bán dẫn hoạt động chủ yếu dựa trên nguyên lý của Laser bán dẫn, nguyên lý khuếch đại được sử dụng trước khi xảy ra ngưỡng phát xạ Laser. 3.4.1.1 Cấu trúc bộ SOA Cấu trúc cơ bản dựa trên cấu trúc của Laser bán dẫn thông thường, có dộ rộng vùng tích cực W, độ dày d và chiều dài L, chỉ số chiết suát là n. Hình 3.35 mô tả một bộ khuếch đại bán dẫn , tính phản xạ bề mặt đầu vào và ra được ký hiệu tương ứng là R1 và R2. d W L Pvào Pra R1 R2 Hình 3.35 Cấu trúc bộ khuếch đại bán dẫn. Có hai loại khuếch đại quang bán dẫn đó là khuếch đại sóng chạy (Travelling Wave -TWA) và khuếch đại quang Fabry- Perot (FPA). Bộ khuếch đại quang bán dẫn TWA là các Laser bán dẫn không có hộp cộng hưởng. Bộ này khuếch đại có hướng về phía trước mà không có phản hồi tín hiệu. Còn bộ khuếch đại quang FPA sử dụng các cạnh tinh thể là gương phản xạ trong bộ cộng hưởng (với R »32%), khi dòng bơm Laser bán dẫn ở dưới ngưỡng phát, nó sẽ hoạt động như một bộ khuếch đại, tuy nhiên các thành phần phản xạ trên ngưỡng vẫn tham gia vào qúa trình khuếch đại. 3.4.1.2 Các thông số của bộ khuếch đại SOA Các thông số trong các linh kiện khuếch đại bán dẫn bao gồm : hệ số khuếch đại, tạp âm và hiệu ứng nhạy phân cực. a, Hệ số khuếch đại Hệ số khuếch đại trong bộ khuếch đại quang bán dẫn được thể hiện thông qua công thức : G = Pra/Pvào. Tùy thuộc vào bộ khuếch đại AW hay FP mà ta có hệ số khuếch đại khác nhau tuy nhiên một hệ số chung được xét cho các bộ SOA này là hệ số khuếch đại bão hòa (hay hệ số tăng ích bão hòa). Tăng ích (khuếch đại) đỉnh giả thiết sẽ tăng dần theo mật độ hạt tải như sau: g(N)= (Gsg/V) (N-N0) (3-12) Trong đó : G là yếu tố chặn sg là tăng ích vi phân V là thể tích vùng hoạt tính N0 là giá trị của mật độ hạt tải cần thiết để môi trường trở nên trong suốt với bước sóng. Hệ số khuếch đại giảm khi yếu tố chặn G tính đến sự dãn nở của các mode dẫn sóng vượt ra khỏi vùng tăng ích. Mật độ hạt tải N thay đổi theo dòng bơm I. ta có công thức cho tốc độ thay đổi N là : (3-13) Trong đó : P là công suất quang tín hiệu tới sm là điện tích tiết diện của mode dẫn sóng tc là thời gian sống của hạt tải Khi chùm sáng tới là liên tục hoặc là xung với độ rộng lớn hơn tc, trạng thái dừng của N có thể xác định khi dN/dt = 0 . Thay vào công thức 3-12 ta tính được N. Thay giá trị N ở trạng thái dừng vào công thức 3-11Ta có : (3-14) Trong đó : g0 = (Gsg/V)(Itc/q-N0) Ps=hn.sm/(sgtc) là công suất bão hòa của bộ khuếch đại. Từ công thức ta thấy tăng ích bão hòa của SOA giống như hệ hai mức, lúc đó ta có công suất ra bão hòa của bộ khuếch đại là : Giá trị của công suất ra bão hòa trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn hiện nay thường là 5-10 mW. b,Tạp âm của SOA Tạp âm của SOA được định nghĩa là tỷ lệ giữa tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu vào và tín hiệu ra và được ký hiệu là Fn. Hệ số tạp âm này của SOA lớn hơn 3dB và phụ thuộc nhiều vào thông số, đặc biệt là yếu tố phát xạ ngẫu nhiên: Sự mất mát quang nội như hấp thụ quang do hạt tải tự do và tán xạ sẽ đóng góp thêm tạp âm vào hình ảnh nhiễu thông qua hệ số tăng ích g – αint. Do đó ta có tạp âm bộ khuếch đại được tính như sau : Thực tế giá trị thông thường của Fn trong bộ SOA nằm trong khoảng 5-7dB. c, Hiệu ứng nhạy phân cực Hệ số khuếch đại G đối với các mode TE và TM là khác nhau ( 5-6dB) do G và sg khác nhau với các mode phân cực trực giao. Hiệu ứng trên dẫn tới hệ số khuếch đại phụ thuộc vào trạng thái phân cực của chùm sáng tới. Hiệu ứng này không có lợi cho các hệ thống thông tin quang. Có rất nhiều phương án để làm giảm hiệu ứng nhạy phân cực của bộ khuếch đại SOA và phương án khả thi trong công nghệ chế tạo là độ dày và độ rộng của vùng hoạt tính phải tương thích. Thí dụ độ chênh lệch tăng ích giữa các mode TE và TM là 1,3dB khi độ dày của lớp hoạt tính là 0,26μm và độ dày là 0,4μm. 3.4.2 Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp đất hiếm Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm là một thành tựu của công nghệ thông tin quang, trong những năm cuối thế kỷ 20. Có thể nói rằng chưa có một công nghệ nào ứng dụng vào thực tiễn nhanh như khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium. Hiện nay, các bộ khuếch đại quang EDFA được sử dụng rất rộng rãi trong mạng truyền thông cáp quang, và đặc biệt trong các hệ thống thông tin quang đa kênh ghép theo bước sóng WDM. Bộ EDFA có băng tần khuếch đại khá rộng, có thể khuếch đại đồng thời hàng trăm bước sóng trong dải 1525-1600nm. Đặc biệt EDFA không có hiệu ứng nhạy phân cực của chùm sáng tới. Do đó có thể sử dụng dễ dàng trong sợi tuyến truyền dẫn quang sợi. 3.4.2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ EDFA Bộ khuếch đại quang sợi EDFA được cấu trúc bởi một đoạn quang sợi pha tạp Erbium cùng các thành phần cần thiết khác. Các thành phần này gồm các thành phần thiết bị ghép thụ động WDM, bộ cách ly quang Isolator, Laser bơm… Ta có thể mô tả một bộ EDFA thục tế như hình 3.35. Đây là cấu hình bơm xuôi của bộ EDFA. Tín hiệu vào Hình 3.36 Cấu trúc điển hình của bộ khuếch đại quang sợi EDFA. Tín hiệu ra EDF Coupler WDM LD Thành phần chính của bộ khuếch đại quang sợi EDFA là một đoạn sợi quang pha tạp Erbium, có chiều dài từ vài mét đến vài chục mét. Sợi này được xem là sợi tích cực vì chúng có khả năng khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu khi có kích thích phù hợp. Đoạn lõi sợi là thủy tinh SiO2 – Al2O3 pha trộn đất hiếm Erbium với nồng độ 100 -2000 ppm. Các sợi EDFA thường có lõi nhỏ hơn và khẩu độ số NA cao hơn so với sợi tiêu chuẩn. Các iôn Erbium tập trung ở phần trung tâm của lõi. Ngoài sự pha tạp Erbium trong vùng lõi, cấu trúc đoạn sợi quang pha tạp là hoàn toàn giống với cấu trúc của sợi đơn mode. Lớp vỏ thủy tinh có chỉ số chiết suất thấp hơn được bao quanh lõi để hoàn thiện cấu trúc dẫn sóng. Đường kính ngoài của lớp vỏ này là 125μm. Nguyên lý hoạt động của EDFA dựa vào đặc tính của nguyên tố Erbium- một nguyên tố có tính năng quang tích cực. Bơm năng lượng λ=980nm Mức kích thích Phân rã không bức xạ Mức siêu bền Tín hiệu được khuếch đại Mức cơ bản Tín hiệu tới Hình 3.37 Giản đồ năng lượng của Erbium Các iôn Erbium được bơm tới một mức năng lượng phía trên do sự hấp thụ ánh sáng từ một nguồn bơm, chẳng hạn như ở bước sóng 980nm. Sự chuyển dịch của điện tử từ mức năng lượng cao này xuống mức năng lượng cơ bản phát ra một photon, photon này được bức xạ có thể là do hiện tượng bức xạ tự phát hay bức xạ kích thích . Các photon tín hiệu trong EDFA kích thích sự “tái định cư” ở trạng thái kích thích và khuếch đại tín hiệu. Thời gian sống của điện tử ở mức năng lượng cao vào khoảng 14ms, đảm bảo rằng nhiễu bức xạ gây ra do quá trình bức xạ tự phát thay bằng các bức xạ kích thích do các nguyên tử Erbium. Sự hấp thụ ánh sáng bơm kích thích các iôn Erbium mà chúng tích trữ năng lượng sẽ xảy ra cho đến khi một cách lý tưởng là có một photon tín hiệu kích thích sự chuyển đổi nó thành một iôn tín hiệu khác. Ánh sáng bơm được truyền dọc theo sợi có pha Erbium và bị hấp thụ khi các iôn Erbium được đưa đến trạng thái kích thích. Do đó khi tín hiệu được truyền vào bộ EDFA, nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các iôn ở trạng thái kích thích, và khuếch đại công suất tín hiệu ở đầu ra. 3.4.2.2 Đặc tính của bộ EDFA Bộ EDFA cũng có những thông số như một bộ khuếch đại như các thông số về độ khuếch đại, tạp âm, độ nhạy phân cực. Sau đây lần lượt xét các thông số đặc tính này. a, Hệ số khuếch đại Hệ số khuếch đại công suất ra và nhiễu khuếch đại là các đặc tính quan trọng nhất của EDFA trong việc dùng nó trong hệ thống thông tin quang. Hệ số khuếch đại là tỷ số giữa công suất tín hiệu ra và công suất tín hiệu vào ở bước sóng 1530nm và 1550nm mà tại đó EDFA có khả năng khuếch đại cao nhất. Hệ số này của EDFA phụ thuộc nhiều vào thông số của linh kiện như : nồng độ iôn Er+3, độ dài khuếch đại, bán kính lõi sợi và bán kính pha tạp, công suất bơm … Để xác định hệ số khuếch đại này ta xét mô hình 2 mức năng lượng của EDFA (bỏ qua mức trung gian ) FPdP FSdS 1.Trạng thái nền 2. Trạng thái kích thích G21 Hình 3.38 Giản đồ năng lượng Gọi mật độ hạt ở mức năng lượng 1, 2, lần lượt là N1, N2. Ta có phương trình tốc độ được viết như sau : và N1 = Nt – N2 (3-15) Trong đó : Nt là mật độ của nguyên tử T1 là thời gian sống ở mức kích thích Wp, Ws là tốc độ chuyển dời của sóng bơm và sóng tín hiệu. Ta có : Wp = spPp/ap.hnp và Ws = ssPs/as.hns (3-16) Với sp, ss là tiết diện chuyển dời của tần số bơm và tín hiệu tại tần số bơm np và tần số tín hiệu ns ap, as diện tích tiết diện cảu mode bơm và mode tín hiệu Pp và Ps là công suất bơm và công suất tín hiệu. Từ việc giải các phương trình 3-15 và 3-16 ta xác định được công suất bão hòa: và . Công suất bơm phụ thuộc và công suất tín hiệu thay đổi dọc theo độ dài bộ khuếch đại bởi hấp thụ, phát xạ cưỡng bức và phát xạ ngẫu nhiên. Nếu coi thành phần tham gia của phát xạ ngẫu nhiên rất nhỏ, có thể bỏ qua, thì ta có thể xác định được giá trị tăng của công suất tín hiệu được khuếch đại trong EDFA. Hệ số khuếch đại còn phụ thuộc vào độ dài bộ khuếch đại L khi ta có dòng bơm cố định, khi độ dài L lớn hơn giá trị tối ưu của dòng bơm, đoạn sợi pha tạp thừa sẽ không được bơm đủ và trong bộ khuếch đại sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ tín hiệu đã được khuếch đại ở trước. Ta có biểu đồ hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất bơm và chiều dài khuếch đại như hình 3.38. b, Tạp âm của bộ khuếch đại Tạp âm trong bộ khuếch đại quang sợi được đánh giá thông qua các hệ số tạp âm Fn = 2nsp đã được phân tích ở trên. Yếu tố phát xạ ngẫu nhiên nsp luôn lớn hơn 1 vì vậy Fn luôn lớn hơn 3dB. Vì hệ số phát xạ ngẫu nhiên là thành phần phụ thuộc vào mật độ hạt tải N1 và N2 nên Fn cũng như hệ số khuếch đại, nó cũng phụ thuộc vào công suất dòng bơm, công suất tín hiệu và chiều dài khuếch đại. Thực nghiệm cho thấy : với Fn =3,2dB của bộ khuếch đại EDFA thì có độ dài 30m và bơm với công suất 11mW ở bước sóng 980nm. 3.5 Bộ chuyển đổi bước sóng Bộ chuyển đổi bước sóng được sử dụng nhằm chuyển bước sóng của một tín hiệu vào thành một bước sóng khác. Chúng có thể được sử dụng như một phần của chuyển mạch, bộ nối chéo hay một bộ lặp 3R. Các bộ lặp 3R là thiết bị có khả năng tái sinh biên độ tín hiệu trong miền tần số cũng như miền thời gian. Bộ chuyển đổi bước sóng có thể là thiết bị quang điện (không phổ biến) hoặc có thể là thiết bị dựa trên cơ sở cách tử quang hoặc bộ trộn sóng. 3.5.1 Bộ chuyển đổi bước sóng quang điện Trong bộ chuyển đổi bước sóng quang điện, tín hiệu quang đầu tiên được chuyển sang miền điện thông qua sử dụng Photodetector (ký hiệu R). Luồng bít điện được lưu lại trong một bộ đệm theo nguyên lý FIFO. Sau đó tín hiệu điện này được hướng vào một Laser điều chỉnh (ký hiệu T) được để điều khiển bước sóng mong muốn ở đầu ra. Hình 3.39 mô tả bộ chuyển đổi bước sóng quang điện. Nhược điểm của bộ này là ảnh hưởng đến tính trong suốt của tín hiệu. Ngoài ra nó còn yêu cầu tín hiệu phải có dạng và tốc độ bít cố định. 3.5.2 Bộ chuyển đổi bước sóng dùng cách tử quang Hai khả năng ứng dụng cách tử quang cho bộ chuyển đổi bước sóng là : Khả năng điều chế độ lợi chéo (cross-gain converter- XGC) và điều chế pha chéo (cross phase converter - XPC). XGC sử dụng độ lợi của các bộ khuếch đại bán dẫn SOA theo công suất đầu vào. Tín hiệu dò công suất thấp với bước sóng mong muốn được gửi tới bộ SOA. Vì tín hiệu dò có độ lợi thấp hơn so với tín hiệu đầu vào nên nó sẽ đạt được độ lợi cao khi tín hiệu đầu vào có trạng thái 1 (độ lợi thấp). Ngược lại tín hiệu dò sẽ có độ lợi thấp khi tín hiệu đầu vào có trạng thái 0 (độ lợi cao). Hình 3.40 chỉ ra nguyên lý của XGC. XPC sử dụng pha của tín hiệu dò để thay đổi cơ ban tín hiệu vào. Sau đó chuyển sang điều chế mật độ bằng việc sử dụng giao thoa kế. Phương pháp này có ưu điểm hơn XGC vì nó chỉ cần cung cấp công suất thấp. Thêm vào đó, nó không bị ảnh hưởng nhiều nếu méo xung. 3.5.3 Bộ chuyển đổi bước sóng dùng bộ trộn sóng Ý tưởng của bộ này là tạo một tín hiệu mong muốn bằng việc sử dụng các tín hiệu dò với các bước sóng mà khi đi cùng với tín hiệu vào có thể định dạng được tín hiệu ở đầu ra với bước sóng mong muốn. Ưu điểm của bộ trộn sóng là giữ được tính trong suốt của tín hiệu. Tuy nhiên nó lại tạo thêm tín hiệu ở đầu ra, do đó muốn thu được tín hiệu mong muốn thì phải lọc.