Bài giảng Kỹ thuật thông tin sợi quang: Chương 3.1 - Trần Thủy Bình

Bài giảng "Kỹ thuật thông tin sợi quang" Chương 3.1: Thiết bị phát quang, cung cấp cho người học những kiến thức như một số vấn đề vật lý bán dẫn (bán dẫn, bán dẫn p, n, tiếp giáp p-n, tiếp giáp p-n dị thể kép); Các quá trình quang cơ bản (hấp thụ, phát xạ tự phát, phát xạ kích thích); Vật liệu chế tạo nguồn quang. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Kỹ thuật thông tin sợi quang: Chương 3.1 - Trần Thủy BìnhChương 3 - Thiết bị phát quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NỘI DUNGChương 3: Bộ phát quang1. Một số vấn đề cơ bản (Agrawal - mục 3.1): - Một số vấn đề vật lý bán dẫn (bán dẫn, bán dẫn p, n, tiếp giáp p-n, tiếp giáp p-n dị thể kép) - Các quá trình quang cơ bản (hấp thụ, phát xạ tự phát, phát xạ kích thích) - Vật liệu chế tạo nguồn quang2. Các loại nguồn quang2.1 LED- Cấu tạo- Nguyên lý hoạt động- Đặc tính P-I, đặc tính phổ- Một số loại LED (ELED, SLED) NỘI DUNGChương 3: Bộ phát quang2.2 Laser- Laser F-P:  Cấu tạo, nguyên lý hoạt động  Đặc tính P-I, đặc tính phổ- Một số loại nguồn laser khác (laser đa mode, laser đơn mode, laser khả chỉnh bước sóng)3. Các phương thức điều chế nguồn quang- Điều chế trực tiếp- Điều chế ngoài Một sè vÊn ®Ò c¬ b¶n Nguyên lý biến đổi quang điệnDựa trên 3 hiện tượng: hấp thụ, bức xạ tự phát, bức xạ kích thích E2 E2 E1 E1 Quá trình hấp thụ Điều kiện: Eph = Eg = E2-E1 Mét sè vÊn ®Ò c¬ b¶n E2 E2 E1 E1 Quá trình phát xạ tự phát- e chuyển từ E2E1 và giải phóng năng lượng Eg=E2-E1 dưới dạng photon AS- Quá trình xảy ra tự nhiên- Photon phát xạ có hướng, pha, tấn số, phân cực là ngẫu nhiên  AS không kết hợp- Bước sóng phát xạ được xác định bởi năng lượng của e đã được giải phóng (E=hf) Mét sè vÊn ®Ò c¬ b¶nE2 E2E1 E1 Quá trình phát xạ kích thích Photon kích thích có Eph = E2 – E1Photon phát xạ có tần số, pha, phân cực và hướng truyền cùng với photon kích thích  AS kết hợp Mét sè vÊn c¬ b¶nChất bán dẫn  Có tính chất nằm giữa chất cách điện và dẫn điện  Các nguyên tố thuộc nhóm 4 của bảng tuần hoàn (có 4 điện tử hóa trị)  Đặc tính dẫn điện có thể được mô tả bằng các vùng năng lượng: vùng dẫn, vùng cấm, vùng hóa trị. Mét sè vÊn ®Ò vËt lý c¬ b¶n trong kü thuËt th«ng tin quang Một số vấn đề cơ bản trong vật lý bán dẫnChất bán dẫn - Cấu trúc vùng năng lượng Cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu bán dẫn Eg=1,1 eV (Si) Dải cấm hẹp Eg=0,67 eV (Ge) Mét sè vÊn ®Ò c¬ b¶nBán dẫn thuần và bán dẫn pha tạp Xung quanh mỗi nguyên tử bán dẫn luôn có 4 nguyên tử kế cận liên kết với nguyên tử đó  điện tử khó tách rời khỏi hạt nhân và số lượng hạt dẫn không nhiều. Bán dẫn thuần Mét sè vÊn ®Ò vËt lý c¬ b¶n trong kü thuËt th«ng tin quang Một số vấn đề cơ bản trong vật lý bán dẫnBán dẫn thuần và bán dẫn pha tạp Pha tạp thêm nguyên tố nhóm 3 hoặc nhóm 5 Bán dẫn pha tạp loại p Bán dẫn pha tạp loại n Thiếu 1e trong liên kết cộng hóa trị Dư 1e trong liên kết cộng hóa trị 1010-1018 nguyên tử/cm3 Mét sè vÊn ®Ò c¬ b¶n Một số vấn đề cơ bản trong vật lý bán dẫnBán dẫn thuần và bán dẫn pha tạp Cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn pha tạp e là hạt tải đa số, h là hạt tải thiểu số h là hạt tải đa số, e là hạt tải thiểu số Mét sè vÊn ®Ò vËt lý c¬ b¶n trong kü thuËt th«ng tin quang Một số vấn đề cơ bản trong vật lý bán dẫnBán dẫn thuần và bán dẫn pha tạp Các loại vật liệu thường được sử dụng để pha tạp Nồng độ pha tạp khoảng 1010 -1018 nguyên tử/cm3 Mét sè vÊn ®Ò c¬ b¶n Tiếp giáp pn. Khi chưa đặt điện áp phân cực: -Có sự khuếch tán các hạt tải đa số qua lớp tiếp giáp  hình thành điện trường tiếp xúc (Etx) có chiều từ n sang p (hàng rào thế). -Trạng thái cân bằng được thiết lập  vùng nghèo (không có các hạt tải linh động) Mét sè vÊn ®Ò c¬ b¶n Tiếp giáp pn. Khi đặt điện áp phân cực ngược: vùng nghèo mở rộng ra  điện tử và lỗ trống khó gặpnhau để tái hợp phát ra ánh sáng Mét sè vÊn ®Ò c¬ b¶n Tiếp giáp pn. Khi đặt điện áp phân cực thuận: vùng nghèo thu hẹp lại (hay hàng rào thế thấp xuống) điện tử và lỗ trống dễ dàng bơm vào vùng nghèo, táihợp phát ra ánh sáng Mét sè vÊn ®Ò vËt lý c¬ b¶n trong kü thuËt th«ng tin quang Một số vấn đề cơ bản trong vật lý bán dẫn Tiếp giáp pn dị thể kép:Tiếp giáp p-n đơn: vùng nghèo rộng (vài m)  không tạo ra đượckhả năng phát xạ lớn sử dụng cấu trúc dị thể kép:  Thêm một lớp bán dẫn có năng lượng dải cấm nhỏ hơn (có thể là bán dẫn thuần hoặc bán dẫn pha tạp)  Độ dày  0,1 µmTiếp giáp pn dị thể kép  Giam giữ hạt tải.  Giam giữ photon. Mét sè vÊn ®Ò c¬ b¶n Vật liệu chế tạo nguồn quang Dải cấm trực Dải cấm gián tiếp tiếp Động lượng của e và Tái hợp của e-h cần h bằng nhau. có sự tham gia của phononint (GaAs, InP0,5 (1 khibức xạ kích thích chiếm ưu thế) int (Si, Ge)  10-5 Mét sè vÊn ®Ò c¬ b¶n Vật liệu chế tạo nguồn quangGiá trị bước sóng tạo ra bằng cách thay đổi tỷ lệ kết hợpcác chất (ví dụ In1-xGaxAs1-yPy) ...