BÀI TẬP THÔNG TIN QUANG 1CHƯƠNG 3 NGUỒN QUANG

3.1. Trình bày cơ chế phát quang của LED. Hãy cho biết ảnh hưởng của cơ chế này đến tính chất của LED khi sử dụng trên hệ thống thông tin quang.

3.2. Trình bày tóm tắt ưu điểm và nhược điểm của LED so với LASER khi sử dụng làm nguồn quang trong hệ thống thông tin quang.

3.3. Công suất phát quang nội của LED là 28,4mW ở dòng kích 60mA. Xác định bước sóng phát xạ đỉnh của LED khi thời gian sống của hạt mang điện tái hợp gây ra phát xạ và không phát xạ trong vùng tích cực là bằng nhau.

3.4. Chiều dài khuếch tán LD (chiều dài trung bình các hạt mang điện di chuyển trước khi tái hợp trong lớp tích cực) của LED được xác định như sau: LD = (Dτ)1/2 với D là hệ số khuếch tán, τ là thời gian sống của hạt mang điện tái hợp. Tính hệ số khuếch tán trong GaAs khi chiều dài khuếch tán là 21µm và thời gian sống của hạt mang điện tái hợp phát xạ và không phát xạ là bằng nhau và bằng 90ns.

3.5. Xác định hiệu suất công suất ngoài của LED planar GaAs khi hệ số truyền của mặt tiếp giáp GaAs-Không khí là 0,68 và công suất phát quang nội của LED bằng 30% công suất điện cung cấp cho linh kiện. Chiết suất của GaAs là 3,6.

3.6. Hiệu suất công suất ngoài của LED planar InGaAsP/InP là 0,75% khi công suất quang nội là 30mW. Xác định hệ số truyền của InP-Không khí nếu dòng kích là 37mA và điện áp rơi trên linh kiện là 1,6V. Biết chiết suất của InP là 3,46.

3.7. LED planar GaAs phát xạ bước sóng 850nm có hiệu suất lượng tử nội là 60% khi dòng điện thuận ngang qua LED là 20mA. Xác định công suất quang phát ra ngoài của LED và hiêu suất công suất ngoài nếu áp rơi trên linh kiện là 1V. Giả sử hệ số truyền GaAs-không khí là 0,68 và chiết suất của GaAs là 3,6.

3.8. Hiệu suất công suất ngoài của LED GaAs là 1,5% khi dòng phân cực thuận là 50mA và áp rơi trên linh kiện là 2V. Xác định công suất quang được tạo ra trong LED biết hệ số truyền GaAs-Không khí là 0,8.

3.9. Xác định suy hao (theo dB) khi ghép công suất quang phát từ linh kiện vào sợi SI có góc nhận sáng 140. Giả sử LED nhỏ nhơn lõi sợi quang và chúng được đặt sát nhau.

3.10. Xét LED ở bài 3.5, tính:

(a) Hiệu suất ghép và suy hao quang do ghép quang tử LED vào sợi SI có khẩu độ số

0,15. Giả sử LED được đặt gần nhất có thể và nhỏ hơn lõi sợi quang.

(b) Suy hao quang do công suất quang phát ra từ LED ra ngoài không khí trước khi

vào ghép vào sợi.

3.11. Hệ số phản xạ Fresnel ở lõi của sợi có chiết suất n1 được xác định như sau:

Fr = [(n1 – n)/(n1 + n)]2

với n là chiết suất của môi trường xung quanh

(a) Xác định suy hao quang do phản xạ Fresnel ở lõi sợi quang với GaAs có chiết suất

lần lượt là 1,5 và 3,6.

(b) Tính công suất quang ghép vào sợi SI có đường kính sợi 200µm, khẩu độ số 0,3 từ

LED phát xạ mặt GaAa có đường kính phát xạ 90µm và hệ số phát xạ 40W/

(sr.cm2). Giải thích kết quả.

(c) Xác định công suất quang phát xạ vào không khí của LED ở câu (b).

3.12. Phân tích mối quan hệ giữa băng thông điều chế điện và quang của hệ thống thông tin quang. Xác định băng thông quang 3dB tương ứng với băng thông điện 3dB là 50MHz. Giả sử đáp ứng tần số có dạng Gaussian.

3.13. Xác định băng thông điều chế quang của LED trong bài 3.11 biết linh kiện phát ra công suất quang 840µW vào không khí khi được điều chế ở tần số 150MHz.

3.14. Xác định băng thông điều chế điện của LED có thời gian sống hạt mang điện tái hợp 8ns. Giả sử đáp ứng tần số của linh kiện là Gaussian.

Tóm tắt một số kiến thức về LED

1. Công suất và hiệu suất của LED

• Tốc độ tái hợp tổng được xác định:

rt = J/(ed) = rr + rnr (1/m3) (3.1)

Với rr là tốc độ tái hợp có phát xạ trong 1 đơn vị thể tích và rnr là tốc độ tái hợp không

phát xạ trong 1 đơn vị thể tích.

Khi dòng phân cực thuận đi qua linh kiện là i thì tổng số hạt mang điện tái hợp trong một

giây sẽ là

Rt = i/e (3.2)

• Hiệu suất lượng tử nội được định nghĩa là tỉ số giữa tốc độ tái hợp có phát xạ với tốc độ

tái hợp tổng:

ηint = rr/rt = rr/(rr + rnr) = Rr/Rt (3.3)

Rr là số hạt mang điện tái hợp gây phát xạ trong 1 giây. Từ (3.2) và (3.3) suy ra:

Rr = ηint(i/e) (3.4)

Vì Rr cũng tương đương với tổng số photon được tạo ra trong một giây, và một hạt

photon có năng lượng bằng hf nên công suất quang được tạo ra bên trong LED là :

Pint =Rrhf = ηint(i/e)hf =ηint(ihC/eλ) (W)

Hiệu suất lượng tử nội cũng có thể xác định theo biểu thức:

ηint = 1/(1 + rnr/rr) = 1/(1+τr/τnr) (3.5)

Thời gian sống của hạt mang điện tái hợp được xác định:

1/τ = 1/τr + 1/τnr (3.6)

Với τr và τnr là thời gian sống của hạt mang điện tái hợp gây phát xạ và không phát xạ.

Suy ra: ηint = τ/τr (3.7)

• Hiệu suất công suất ngoài là tỉ số giữa công suất quang phát ra bên ngoài Pext với công

suất điện P cung cấp cho linh kiện:

ηep ≈ (Pe/P)×100% (3.8)

• Công suất quang phát ra bên ngoài đi từ môi trường tích cực của LED có chiết suất n x đến

môi trường có chiết suất thấp hơn n được tính:

Pext =Pint .F.n2/4.nx2 (3.9)

• Với Pint là công suất quang được phát xạ bên trong và F là hệ số truyền qua mặt tiếp giáp

Chất bán dẫn-Môi trường ngoài. Hệ số truyền F = (1 – Fr), Fr là hệ số phản xạ Fresnel.

• Hiệu suất ghép ánh sáng từ nguồn quang vào sợi quang có khẩu độ số NA được xác định:

ηc = (NA)2 (3.10)

• Đối với LED phát xạ mặt (SLED), công suất ghép từ LED vào sợi đa mode được xác định

như sau:

Pc = π(1-Fr).A.RD.(NA)2 (3.11)

Với Fr là hệ số phản xạ Fresnel ở bề mặt sợi, A là diện tích phát xạ hoặc diện tích tiếp xúc

giữa lõi sợi quang và vùng phát xạ, RD là hệ số phát xạ của nguồn và NA là khẩu độ số sợi

quang.

• Hiệu suất công suất chuyển đổi ηpc được định nghĩa là tỉ số giữa công suất quang đã ghép

vào sợi Pc với công suất điện cung cấp cho linh kiện P:

ηpc = Pc/ P (3.12)

2. Băng thông điều chế

• Nếu đáp ứng tần số của hệ thống có dạng phân bố Gaussian thì băng thông quang lớn hơn

băng thông điện với hệ số √2.

• Nếu bỏ qua điện dung của LED, tốc độ dòng điều chế LED bị giới hạn bởi thời gian sống

hạt mang điện tái hợp:

Pe(ω)/Pdc = 1/[1+(ωτi)2]1/2 (3.13)

Trong đó Pe(ω) là công suất quang ngõ ra và ω là tàn số điều chế, τi là thời gian sống của hạt

mang điện được bơm vào vùng tái hợp, Pdc là công suất quang dc ngõ ra.