Tham khảo bài thuyết trình 'bài giảng thông tin quang nâng cao - phần 3', kỹ thuật - công nghệ, kĩ thuật viễn thông phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Bài giảng thông tin quang nâng cao - Phần 3
- Néi dung m«n häc Th«ng tin quang n©ng cao
PhÇn 1 : Tæng quan vÒ kü thuËt th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Hoµng V¨n Vâ
PhÇn 2: C¸c phÇn tö c¬ b¶n trong kü thuËt th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Hoµng V¨n Vâ
PhÇn 3: c¬ së kü thuËt th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Hoµng V¨n Vâ
PhÇn 4: hÖ thèng th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Vò TuÊn L©m
PhÇn 5: mét sè c«ng nghÖ quang tiªn tiÕn
Gi¶ng viªn: Vò TuÊn L©m
1
- PhÇn 2: C¸c phÇn tö c¬ b¶n trong kü thuËt
th«ng tin quang
1. Sîi quang
2. C¸c phÇn tö biÕn ®æi ®iÖn - quang
(ph¸t quang)
3. C¸c phÇn tö biÕn ®æi quang - ®iÖn
(thu quang)
2
- BỘ PHÁT QUANG
1. Mô hình và chức năng của bộ phát quang
2. Một số yêu cầu đối với các phần tử phát quang
3. Một số khái niệm cơ bản
4. Các phần tử phát quang
5. Các bộ phát quang
3
- 1. Mô hình và chức năng của bộ phát quang
Mô hình bộ phát quang
Pp(t)
iD(t)
Bé ph¸t
quang
H×nh 3.1. M« h×nh bé ph¸t quang
• Chøc n¨ng:
BiÕn ®æi tÝn hiÖu vµo iD (t) thµnh tÝn hiÖu ¸nh s¸ng Pp (t) ®Ó ghÐp vµo
sîi quang.
Qu¸ tr×nh nµy gäi lµ ®iÒu biÕn quang hay ®iÒu chÕ quang.
4
- 2. Một số yêu cầu đối với các phần tử phát quang
Một số yêu cầu đối với các phần tử phát quang sử dụng trong kỹ thuật
thông tin quang:
- Ánh sáng được bức xạ ra phải có độ rộng phổ hẹp,
- Công suất ánh sáng phát xạ cao,
- Mật độ công suất lớn,
- Có khả năng điều chế trực tiếp,
- Hệ số biến đổi cao,
- Có khả năng điều chế với tín hiệu tốc độ cao (băng tần điều chế
lớn),
- Điều kiện ghép với sợi quang thuận tiện,
- Hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao.
5
- 2. Một số yêu cầu đối với các phần tử phát quang
Để đáp ứng các yêu cầu trên, trong kỹ thuật thông tin quang,
người ta thường sử dụng các phần tử phát quang là:
- LED (Light Emitting Diode) và
- LD (Laser Diode).
Các phần tử phát quang LED (Light Emitting Diode) và LD
(Laser Diode) là các phần tử phát quang bán dẫn
6
- 3. Một số khái niệm cơ bản
TiÕp gi¸p p-n:
Vïng ®iÖn tÝch
B¸n dÉn n B¸n dÉn p
kh«ng gian
C¸c phÇn C¸c phÇn
tö ®a sè: e tö ®a sè: p
Ec
E
Ef
H×nh 3.2. TiÕp gi¸p p-n vµ
gi¶n ®å n¨ng l-îng EV
khi kh«ng cã ®iÖn ¸p E
ngoµi t¸c ®éng
7
- 3. Một số khái niệm cơ bản
TiÕp gi¸p p-n:
Vïng ®iÖn tÝch
B¸n dÉn n B¸n dÉn p
kh«ng gian
C¸c phÇn C¸c phÇn
- +
tö ®a sè: e tö ®a sè: p
E
Ec
H×nh 3.3. TiÕp gi¸p p-n vµ
gi¶n ®å n¨ng l-îng
Ef
khi cã ®iÖn ¸p ngoµi E EV
t¸c ®éng
8
- 3. Một số khái niệm cơ bản
TiÕp gi¸p p-n:
Khi một tiếp giáp p-n được tạo ra, các hạt tải đa số sẽ khuếch tán qua
nó, tức là các điện tử trong lớp bán dẫn n được khuếch tán qua tiếp
giáp và lấp đầy các lỗ trống trong lớp bán dẫn p và do vậy sẽ để lại lỗ
trống trong lớp bán dẫn n của tiếp giáp.
Kết quả là một điện trường tiếp xúc hay một điện thế tiếp xúc sẽ xuất
hiện tại vùng tiếp giáp. Điện trường này sẽ ngăn cản việc chuyển động
tự do của các hạt tải cho đến khi cân bằng được thiết lập.
Tại vùng tiếp giáp lúc này sẽ không còn hạt mang điện tự do do các
điện tử và lỗ trống đã bị giữ lại trong các liên kết đồng hóa trị. Khi đó,
vùng tiếp giáp được gọi là vùng nghèo hoặc vùng không có điện tử tự
do.
9
- 3. Một số khái niệm cơ bản
TiÕp gi¸p p-n:
Khi một điện thế ngoài được đưa vào tiếp giáp p-n, nếu cực dương của
nguồn nối với bán dẫn n và cực âm nối với bán dẫn p thì tiếp giáp khi
đó được phân cực ngược.
Dưới tác dụng của điện áp phân cực ngược, độ rộng lớp nghèo sẽ mở
rộng ra ở cả hai phía lớp p và lớp n hay điện trường lớp tiếp giáp được
tăng cường.
Điện trường tiếp giáp tiếp tục ngăn cản chuyển động của các hạt tải đa
số nhưng lại trở thành điện trường thuận với các hạt tải thiểu số khi đi
qua lơp tiếp giáp. Dòng của các hạt tải thiểu số tạo ra được gọi là dòng
dò.
10
- 3. Một số khái niệm cơ bản
TiÕp gi¸p p-n:
Trong trường hợp cực dương của nguồn nối với bán dẫn p và cực
âm nối với bán dẫn n thì tiếp giáp khi đó phân cực thuận.
Lúc này, điện trường tiếp giáp và điện trường ngoài sẽ ngược chiều
nhau, nếu điện trường ngoài đủ lớn, sẽ phá vỡ liên kết cộng hóa trị
tại lớp tiếp giáp và các hạt mang điện đa số sẽ được khuếch tán ồ ạt
qua lớp tiếp giáp.
Đồng thời, các hạt tải đa số tái hợp với nhau và phát xạ ra ánh sáng.
11
- 3. Một số khái niệm cơ bản
Cấu trúc dị thể kép
Các hiện tượng vừa trình bày trên đây xảy ra với tiếp giáp giữa hai miền vật
liệu p và n còn được gọi là tiếp giáp đơn.
Có một vấn đề với tiếp giáp đơn đó là hiện tượng tái hợp điện tử và lỗ trống
xảy ra trong vùng nghèo khá rộng (~ 1 – 10 µm) do phụ thuộc vào chiều dài
khuếch tán của điện tử và lỗ trống. Do vậy, các hạt tải không tập trung hết vào
quanh lớp tiếp giáp nên không tạo ra được khả năng phát xạ lớn.
Giải quyết vấn đề này bằng cách đưa vào giữa hai lớp p và lớp n một lớp bán
dẫn có năng lượng giải cấm nhỏ hơn năng lượng giải cấm của lớp p và lớp n
hai bên. Lớp bán dẫn ở giữa có thể là bán dẫn không pha tạp hoặc có pha tạp
ít tùy theo thiết kế, và nó đóng vai trò giam giữ các hạt tải trong trường hợp
phân cực thuận.
Cấu trúc ba lớp như vậy được gọi là cấu trúc dị thể kép.
12
- 3. Một số khái niệm cơ bản
Cơ chế phát xạ ánh sáng
Mét ®iÖn tö ë tr¹ng th¸i n¨ng l-îng E1 ®-îc kÝch thÝch bëi mét nguån n¨ng l-îng
(vÝ dô: dßng ®iÖn, ¸nh s¸ng,...) sÏ nh¶y lªn møc n¨ng l-îng cao h¬n (E2).
Trong qu¸ tr×nh trë vÒ tr¹ng th¸i ban ®Çu nã sÏ gi¶i phãng ra mét n¨ng l-îng
¸nh s¸ng d-íi d¹ng sãng ®iÖn tõ ®óng b»ng n¨ng l-îng mµ nã ®· hÊp thô.
E
E2
N¨ng l-îng
kÝch thÝch
¸nh s¸ng
Qu¸ tr×nh Qu¸ tr×nh
ph¸t ra
hÊp thô ph¸t x¹
E1
§iÖn tö
H×nh 3.4. Qóa tr×nh ph¸t x¹ ¸nh s¸ng
13
- 3. Một số khái niệm cơ bản
Cơ chế phát xạ ánh sáng
N¨ng l-îng ¸nh s¸ng ph¸t x¹ E PX ®-îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:
E PX = E2 - E1 = h. (2-1)
h lµ h»ng sè Planck (b»ng 6,625.10-34 J.s)
Trong ®ã:
lµ tÇn sè ¸nh s¸ng ph¸t ra.
B-íc sãng cña ¸nh s¸ng ph¸t ra ®-îc x¸c ®Þnh theo:
BX = c/ = h.c. / (E2 - E1) (2-2)
Trong ®ã: c lµ vËn tèc ¸nh trong kh«ng gian tù do ( b»ng 3.108 m/s)
14
- 3. Một số khái niệm cơ bản
Cơ chế phát xạ ánh sáng
Ph¸t x¹ tù ph¸t
Mét ®iÖn tö ë tr¹ng th¸i n¨ng l-îng E1 ®-îc kÝch thÝch bëi mét
nguån n¨ng l-îng (vÝ dô: dßng ®iÖn, ¸nh s¸ng,...) sÏ nh¶y lªn
møc n¨ng l-îng cao h¬n E2.
Trong qu¸ tr×nh trë vÒ tr¹ng th¸i E1, nã sÏ gi¶i phãng ra mét
n¨ng l-îng ¸nh s¸ng d-íi d¹ng sãng ®iÖn tõ cã ®é lín b»ng
E2- E1.
HiÖn t-îng ph¸t x¹ nµy gäi lµ ph¸t x¹ tù ph¸t vµ ¸nh s¸ng
®-îc gi¶i phãng ra trong tr-êng hîp nµy gäi lµ ¸nh s¸ng ph¸t
x¹ tù ph¸t.
15
- 3. Một số khái niệm cơ bản
Cơ chế phát xạ ánh sáng
Ph¸t x¹ tù ph¸t
E
E2
N¨ng l-îng
¸nh s¸ng
kÝch thÝch
ph¸t ra
Qu¸ tr×nh Qu¸ tr×nh
hÊp thô ph¸t x¹
E1
§iÖn tö
H×nh 3.5. Qóa tr×nh ph¸t x¹ tù ph¸t
16
- 3. Một số khái niệm cơ bản
Cơ chế phát xạ ánh sáng
Ph¸t x¹ kÝch thÝch
Khi ¸nh s¸ng ph¸t ra trong qu¸ tr×nh ®iÖn tö trë vÒ tr¹ng th¸i E1 víi n¨ng
l-îng E2- E1 tiÕp tôc kÝch thÝch mét ®iÖn tö kh¸c ®ang ë tr¹ng th¸i kÝch
thÝch.
§iÖn tö nµy hÊp thô n¨ng l-îng ¸nh s¸ng tíi vµ trong qu¸ tr×nh ®iÖn tö
nµy trë vÒ tr¹ng th¸i E1 nã sÏ gi¶i phãng ra mét n¨ng l-îng sãng ®iÖn tõ
d-íi d¹ng ¸nh s¸ng.
Khi ®ã, c«ng suÊt ¸nh s¸ng bøc x¹ sÏ lín h¬n nhiÒu ®é lín E2- E1 (n¨ng
l-îng ph¸t x¹ tù ph¸t).
HiÖn t-îng ph¸t x¹ nµy gäi lµ ph¸t x¹ kÝch thÝch hay ph¸t x¹ c-ìng bøc
vµ ¸nh s¸ng ®-îc gi¶i phãng ra trong tr-êng hîp nµy gäi lµ ¸nh s¸ng
ph¸t x¹ kÝch thÝch.
17
- 3. Một số khái niệm cơ bản
Cơ chế phát xạ ánh sáng
Ph¸t x¹ kÝch thÝch
E
E2
N¨ng l-îng
kÝch thÝch
¸nh s¸ng
Qu¸ tr×nh Qu¸ tr×nh Qu¸ tr×nh
hÊp thô ph¸t ra
ph¸t x¹ ph¸t x¹ kÝch
E1 thÝch
§iÖn tö
H×nh 3.6. Qóa tr×nh ph¸t x¹ kÝch thÝch
18
- 3. Một số khái niệm cơ bản
Nguyên lý phát xạ ánh sáng của lớp tiếp giáp p-n
Khi cã ®iÖn tr-êng ngoµi t¸c
Ec
®éng, c¸c ®iÖn tö dÞch chuyÓn
tõ b¸n dÉn n sang p vµ ng-îc E
l¹i lç trèng dÞch chuyÓn tõ p
sang n.
a/s ph¸t x¹
Ef
Trong qu¸ tr×nh dÞch chuyÓn, lç
E
trèng vµ ®iÖn tö t¸i hîp víi Ev
nhau vµ gi¶i phãng ra n¨ng
l-îng ¸nh s¸ng d-íi d¹ng
sãng ®iÖn tõ
Vïng ®iÖn tÝch
B¸n dÉn n B¸n dÉn p
kh«ng gian
H×nh 3.7. TiÕp gi¸p pn vµ qu¸ tr×nh ph¸t x¹ a/s khi cã ®iÖn tr-êng ngoµi t¸c ®éng
19
- 3. Một số khái niệm cơ bản
Phát xạ ánh sáng kết hợp và không kết hợp
Phát xạ ánh sáng không kết hợp
Trong phát xạ tự phát, ánh sáng phát xạ ra thường ngẫu nhiên, độc
lập và không đồng pha với nhau. Ánh sáng phát xạ ra trong trường
hợp này gọi là ánh sáng không kết hợp và sự phát xạ này gọi là phát
xạ ánh sáng không kết hợp.
Phát xạ ánh sáng kết hợp
Các ánh sáng phát xạ (của Laser) có cùng pha theo mặt phẳng thẳng
đứng với phương truyền sóng của chúng gọi là ánh sáng kết hợp
không gian.
Ánh sáng phát xạ (của Laser) liên tục có bước sóng đơng hợp này gọi
là ánh sáng kết hợp thời gian.
20
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
