CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA NGUỒN QUANG Thông số điện: - Dòng điện ngưỡng: Khi dòng điện kích thích cho Laser có trị số nhỏ, Laser hoạt động chế độ phát xạ tự phát nên công suất phát thấp Khi kích thích với dòng điện lớn, Laser hoạt động chế độ kích thích, công suất quang tăng nhanh theo dòng kích thích Dòng ngưỡng Laser thay đổi theo nhiệt độ Đối với laser đời cũ, dòng ngưỡng có giá trị từ 50mA đến 100mA Những laser đời dòng ngưỡng khoảng 10mA đến 20mA - Dòng điện kích thích: từ vài chục đến vài trăm mA tùy theo loại - Laser hoạt động chế độ phát xạ kích thích dòng điện kích thích lớn dòng điện ngưỡng - Đối với LED, dòng điện hoạt động tiêu biểu từ 50mA-300mA - Điện áp sụt Laser, LED: từ 1.5V đến 2.5V Công suất phát quang: - Công suất phát quang công suất tổng cộng mà nguồn quang phát ra, phụ thuộc vào dòng điện kích thích - Công suất phát laser thường từ đến 10mW, laser đời lên đến 50mW hay - Công suất phát LED từ 1-3mW Đối với loại phát sáng cao (HighRadinnce) công suất phát lên đến 10mW Các LED phát xạ mặt công suất cao LED phát xạ rìa với dòng điện kích thích Nhưng điều nghĩa sợi quang nhận công suất quang từ LED phát xạ mặt cao LED phát xạ rìa - Công suất phát quang thay đổi theo dòng điện kích thích mô tả đặc tuyến P-I sau: SLED có công suất phát lớn ELED Góc phát quang: - Công suất ánh sáng nguồn quang phát cực đại trục phát giảm dần theo góc hợp với trục - Góc phát quang xác định mức công suất quang giảm nửa (3dB) so với mức cực đại (theo hình ) - Hình Góc phát quang SLED, ELED Laser Theo hình cho thấy, SLED phân bố công suất có dạng: P = P0 Với góc góc hướng quan sát trục vuông góc với mặt phát xạ Như vậy, nửa mức công suất đạt với Mặt bao góc phát quang SLED có dạng hình nón Góc phát quang ELED theo hướng song song với lớp tích cực Ở hướng vuông góc với lớp tích cực, góc phát quang giảm Như vậy, góc phát quang ELED nhỏ so với SLED Ánh sáng Laser dạng giống ELED SLED Thay vào đó, mặt bao góc phát quang Laser có mặt nón có đáy hình elip với:   Góc theo phương ngang với lớp tích cực: 5◦-10◦ Góc theo phương vuông góc với lớp tích cực: 40◦ So với LED, Laser có góc phát quang nhỏ, đồng thời công suất phát quang lớn mật độ lượng ánh sáng Laser phát lớn nhiều so với LED Năng lượng ánh sáng tập trung Vì vậy, cường độ ánh sáng Laser phát mạnh gây hư hại mắt Do đó, cảnh báo nguy hiểm ánh sáng Laser phải thực thiết bị quang có nguồn phát Laser Hiệu suất ghép quang: - Hiệu suất ghép quang tỷ số công suất quang ghép vào sợi quang Popt công suất phát quang nguồn quang Ps - Hiệu suất ghép quang phụ thuộc vào:  Kích thước vùng phát quang  Góc phát nguồn quang    Góc thu nhận (hay NA) sợi quang Vị trí tương đối nguồn quang sợi quang Bước sóng ánh sáng Hình Ghép ánh sáng từ nguồn quang vào sợi quang - Hiệu suất ghép quang số loại nguồn quang:  SLED: 1-5%  ELED: 5-15%  Laser: Laser có vùng phát sáng nhỏ, góc phát sáng hẹp nên có hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao 60% sợi quang đơn mode (SMF) 90% sợi quang đa mode (MMF) So sánh hiệu suất ghép quang ELED SLED, ta thấy dù SLED có công suất phát quang lớn so với ELED hiệu suất ghép quang thấp nên công suất ánh sáng thực có ích ( công suất ánh sáng truyền sợi quang) thấp so với ELED - Để tăng hiệu suất ghép, người ta tạo thêm chi tiết phụ nguồn quang sợi quang đặt thêm thấu kính nguồn quang sợi quang, tạo đầu sợi quang có dạng mặt cầu Độ rộng phổ: (Spectral width) - Nguồn quang phát công suất cực đại bước sóng trung tâm giảm dần phia - Độ rộng phổ khoảng bước sóng mà công suất quang không nhỏ phân nửa công suất đỉnh - Laser có độ rộng phổ hẹp so với LED: +Laser: - nm +LED: 35 - 100 nm Một số loại Laser (DFB Laser) sử dụng kỹ thuật WDM có ∆λ VD) cho bán dẫn p-n, điện tử bán dẫn n vượt qua vùng tiếp giáp p-n chạy phía cực dương nguồn điện (đồng thời lỗ trống phía cực âm nguồn điện), tạo thành dòng điện chạy qua bán dẫn p-n Đây nguyên lý hoạt động diode bán dẫn Trong trình điện tử từ bán dẫn n chạy điện cực dương, điện tử gặp lỗ trống bán dẫn p (bán dẫn có thừa lỗ trống) Khi đó, điện tử lỗ trống kết hợp với tạo liên kết cộng hóa trị nguyên tử bán dẫn Xét mặt lượng, điện tử kết hợp với lỗ trống có nghĩa điện tử chuyển từ trạng thái lượng cao (vùng dẫn) sang trạng thái lượng thấp (vùng hóa trị) giống tượng phát xạ tự phát Khi đó, theo định luật bảo tòan lượng, bán dẫn phát lượng với độ chênh lệch vùng dẫn vùng hóa trị Nếu chất bán dẫn sử dụng có dải cấm lượng trực tiếp lượng phát dạng photon ánh sáng Đây nguyên lý phát xạ ánh sáng diode phát quang LED (Light emitting diode) Đặc tính phổ LED Trong thông tin quang, ánh sáng nguồn quang phát bước sóng mà khoảng bước sóng Điều dẫn đến tương tán sắc sắc thể (chromatic dispersion) làm hạn chế cự ly dung lượng truyền dẫn tuyến quang Tính chất nguồn quang nói chung LED nói riêng giải thích sau: Hình 2: Đặc tính P – I LED * Các nguồn quang thông tin quang chế tạo từ chất bán dẫn Do đó, điện tử nằm vùng lượng mức lượng * Các điện tử chuyển từ các mức lượng Ej vùng dẫn xuống mức lượng Ei vùng hoá trị tạo photon có bước sóng: * Do có nhiều mức lượng khác vùng lượng nên có nhiều bước sóng ánh sáng tạo * Phân bố mật độ điện tử vùng dẫn vùng hoá trị không nhau, dẫn đến công suất phát quang bước sóng khác không Bước sóng có công suất lớn gọi bước sóng trung tâm Bước sóng thay đổi theo nhiệt độ phân bố mật độ điện tử vùng lượng thay đổi theo nhiệt độ Hình 3: Nguồn quang dẫn phát ánh sáng khoảng bước sóng Độ rộng phổ nguồn quang định nghĩa khoảng bước sóng ánh sáng nguồn quang phát có công suất 0.5 lần công suất đỉnh (hay giảm dB) Độ rộng phổ LED phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo nguồn quang Ánh sáng có bước sóng 1,3 um LED chế tạo bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ 50-60nm LED chế tạo bán dẫn GaAs (=850nm) phát ánh sáng có độ rộng phổ hẹp 1,7 lần so với LED chế tạo bán dẫn InGaAsP LED phát xạ mặt SLED (Surface LED) loại LED có ánh sáng phát phía mặt LED Hình 3.15 minh hoạ loại SLED, gọi LED Burrus cấu trúc LED chế tạo Burrus Dawson [3] Trong cấu trúc này, vùng phát xạ ánh sáng (vùng phát quang) LED giới hạn vùng hẹp cách sử dụng lớp cách điện để hạn chế vùng dẫn điện tiếp xúc P Do đó, vùng tích cực LED có mật độ dòng điện cao dẫn đến hiệu suất phát quang lớn Ánh sáng SLED đưa vào sợi quang phía mặt tiếp xúc N Tại đây, tiếp xúc N lớp N cắt bỏ phần có kích thước tương ứng với sợi quang Bằng cách hạn chế hấp thụ photon lớp N tăng hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang Tuy nhiên, có phần lớn lượng ánh sáng phát vùng đặt sợi quang Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang SLED không cao, thấp so với ELED LED phát xạ cạnh ELED (Edge LED) loại LED có ánh sáng phía cạnh LED (hình 3.16) Trong cấu trúc này, điện cực tiếp xúc (bằng kim loại) phủ kín mặt đáy LED Ánh sáng phát lớp tích cực (active layer) mỏng Lớp tích cực làm chất bán dẫn có chiết suất lớn kẹp hai lớp bán dẫn P N có chiết suất nhỏ Cấu trúc hình thành ống dẫn sóng ELED Do vậy, ánh sáng phát lớp tích cực giữ lại lan truyền dọc theo ống dẫn sóng Kết là, ánh sáng phát hai đầu ống dẫn sóng, tức phát xạ phía cạnh LED Sợi quang đặt đầu lớp tích cực để ghép ánh sáng vào Với đặc điểm cấu trúc vậy, ELED có vùng phát sáng hẹp góc phát quang nhỏ Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang lớn so với SLED LASER Cấu tạo, nguyên lý hoạt động Laser bán dẫn Về bản, cấu tạo laser có đặc điểm sau: - Cấu trúc nhiều lớp bán dẫn p, n - Ánh sáng phát giữ lớp tích cực (active layer) - Lớp tích cực mỏng, làm vật liệu có chiết suất lớn kẹp hai lớp P N có chiết suất nhỏ Cấu trúc tạo thành ống dẫn sóng - Ánh sáng laser phát phía cạnh, giống LED phát xạ cạnh (ELED) - Ở hai đầu lớp tích cực hai lớp phản xạ với hệ số phản xạ R