quang dien tu chuong23

11

QUANG §IÖN TöQUANG §QUANG §IÖNIÖN TTöö

TS. TrÇn ThÞ T©m

Khoa VËt lý Kü thuËt & C«ng nghÖ nano

Tr−êng §¹i häc C«ng nghÖ

Optoelectronics 2College of Technology

ChChươương 2:Các đầu thu quang ng 2:Các đầu thu quang bằng bán dẫnbằng bán dẫn

2.1 Các tính chất của đầu thu quang bằng bán 2.1 Các tính chất của đầu thu quang bằng bán dẫn. dẫn.

2.2 Các đầu thu quang dẫn.2.2 Các đầu thu quang dẫn.2.3 Photodiode 2.3 Photodiode 2.4 Các photodiode thác lũ. 2.4 Các photodiode thác lũ. 2.5 Nhiễu trong các đầu thu quang học2.5 Nhiễu trong các đầu thu quang học


Heinrich Hertz (1857Heinrich Hertz (1857--1894) phát 1894) phát minh ra bức xạ photon năm 1887minh ra bức xạ photon năm 1887

Siméon Poisson (1781Siméon Poisson (1781--1840) 1840) phát triển phân bố xác suất phát triển phân bố xác suất mô tả nhiễu của đầu thu mô tả nhiễu của đầu thu quangquang


Đ Đầu thu quang là thiết bị đo thông lượng ầu thu quang là thiết bị đo thông lượng photon hoặc công suất quang bằng cách chuyển đổi photon hoặc công suất quang bằng cách chuyển đổi nnăăng lng lưượng hấp thụ được của các photon sang dạng ợng hấp thụ được của các photon sang dạng đđo o đưđược. Có hai dạng đầu thu quang mà ta thường gặp: ợc. Có hai dạng đầu thu quang mà ta thường gặp: ĐĐầu thu nhiệtầu thu nhiệt và và đđầu thu quang điệnầu thu quang điện::•• Đ Đầu thu nhiệt biến đổi NL photon thu được sang ầu thu nhiệt biến đổi NL photon thu được sang dạng nhiệt. Tuy nhiên chúng không hiệu suất và chậm.dạng nhiệt. Tuy nhiên chúng không hiệu suất và chậm.•• Đ Đầu thu quang điện sử dụng ầu thu quang điện sử dụng hiệu ứng quang điệnhiệu ứng quang điện, , tạo ra các hạt tải điện, khi có hiệu điện thế, các hạt tải tạo ra các hạt tải điện, khi có hiệu điện thế, các hạt tải đđiện chuyển động iện chuyển động →→có dòng điện đo được.có dòng điện đo được.

22


Hiệu ứng quang điện có hai dạng: ngoài và Hiệu ứng quang điện có hai dạng: ngoài và trong. Dạng ngoài bao gồm trong. Dạng ngoài bao gồm bức xạ quang điệnbức xạ quang điện, trong , trong đđó các ó các ee-- rời khỏi vật liệu như các rời khỏi vật liệu như các ee-- tự do. Trong hiệu tự do. Trong hiệu ứng trong, ứng trong, quang dẫnquang dẫn, các hạt tải bị kích thích ở lại , các hạt tải bị kích thích ở lại trong vật liệu, thường là chất bán dẫn, và làm tăng độ trong vật liệu, thường là chất bán dẫn, và làm tăng độ dẫndẫn


Hiệu ứng quang ngoài: Bức xạ quang điện tửHiệu ứng quang ngoài: Bức xạ quang điện tử

hvE −=max ( )χ+−= gEhvEmax

(2.0.1)(2.0.1) (2.0.2)(2.0.2)

HHìình 2.0.1nh 2.0.1


(a) Ống (a) Ống thu quangthu quang

(b) (b) Nhân qNhân quang uang đđiện (x 10iện (x 1077))

Bức xạ thứ cấp từ các Bức xạ thứ cấp từ các dynodedynode

((Φ≈Φ≈ 10 10 µµm)m)

(c&d)Tấm (c&d)Tấm mao dẫn mao dẫn có độ dày có độ dày ≈≈ 1 mm 1 mm →→HHệệ khukhuếếch ch đđạại hi hìình nh ảảnh.nh. HHìình 2.0.2nh 2.0.2 Optoelectronics 8College of Technology

HiHiệệu u ứứng quang trong:ng quang trong:•• Quang dẫnQuang dẫn. . ĐĐộ dẫn điện ộ dẫn điện của các đầu thu quang dẫn của các đầu thu quang dẫn ttăăng lên khi vật liệu bị ng lên khi vật liệu bị chiếu sáng trực tiếp.chiếu sáng trực tiếp.

•• PhotodiodePhotodiode (PD) bán dẫn (PD) bán dẫn là cấu trúc trên chuyển tiếp là cấu trúc trên chuyển tiếp pp--nn dựa trên hiệu ứng dựa trên hiệu ứng quang trong. quang trong.


•• PD thác lũPD thác lũ (APDs) (APDs) --có thể dùng như KĐ laser (hoặc có thể dùng như KĐ laser (hoặc kết hợp với), trong đó tín hiệu quang được KĐ trước kết hợp với), trong đó tín hiệu quang được KĐ trước khi thu.khi thu.

33


Các đầu thu bán dẫn quang điện có KĐ bao Các đầu thu bán dẫn quang điện có KĐ bao gồm ba quá trình cơ bản sau:gồm ba quá trình cơ bản sau:

Sinh raSinh ra: hấp thụ các photon tạo ra các hạt tải tự do.: hấp thụ các photon tạo ra các hạt tải tự do.Chuyển độngChuyển động: : ĐĐiện trường áp vào làm cho các hạt iện trường áp vào làm cho các hạt

tải này chuyển động, dẫn đến có dòng điện.tải này chuyển động, dẫn đến có dòng điện.Khuếch đạiKhuếch đại: T: Trong ADPs, rong ADPs, đđiện trường lớn truyền iện trường lớn truyền

cho các hạt tải NL đủ lớn, đến lượt chúng lại gây ra cho các hạt tải NL đủ lớn, đến lượt chúng lại gây ra thêm các hạt tải bằng ion hóa do tương tác. Quá trình thêm các hạt tải bằng ion hóa do tương tác. Quá trình KKĐ Đ nội này làm tăng sự đáp ứng của đầu thu.nội này làm tăng sự đáp ứng của đầu thu.


2.1 Các tính chất của đầu thu 2.1 Các tính chất của đầu thu quang bằng bán dẫn.quang bằng bán dẫn.

Hiệu suất lượng tửHiệu suất lượng tử..ĐĐộ đáp ứngộ đáp ứng..Thời gian đáp ứngThời gian đáp ứng..


Hiệu suất lượng tử.Hiệu suất lượng tử.Hiệu suất lượng tử Hiệu suất lượng tử ηη (0 (0 ≤≤ ηη ≤≤ 1) c1) củủa a đđầầu thu quang u thu quang -- llàà ttỷỷ ssốố thông thông llưượợng cng cáác cc cặặp p ee--&&ee++ phpháát sinh t sinh đđóóng gng góóp vp vàào dòo dòng ng đđiiệện n trên ttrên thông hông llưượợng photon ng photon đđi vi vàào. Co. Cáác photon cc photon cóó ththểể mmấất t đđi i hohoặặc bc bịị phphảản xn xạạ ttừừ bbềề mmặặt ct củủa a đđầầu thu, mu thu, mộột st sốố ccặặp p ee--&&ee++ ttáái i hhợợp bp bềề mmặặt. t.

Hình 2.1.1: Hình 2.1.1: Hiệu ứng tác Hiệu ứng tác đđộng của hấp ộng của hấp thụ lên hiệu thụ lên hiệu suất lượng tử suất lượng tử ηη


Hiệu suất lượng tử bằngHiệu suất lượng tử bằng::

( ) ( )[ ]dαζη −−−= exp11 R (2.1.(2.1.11))

Trong Trong đđó ó RR là hệ số phản xạ bề mặt, là hệ số phản xạ bề mặt, ζζ là phần cặp là phần cặp ee--

&&ee++ đ đóng góp thành công vào dòng điện của đầu thu, óng góp thành công vào dòng điện của đầu thu, αα llàà hhệệ ssốố hhấấp thp thụụ ccủủa va vậật lit liệệu (cmu (cm--11), v), vàà dd llàà đ độộ sâu sâu ccủủa a đđầầu thu quang.u thu quang.

thể hiện tỷ phần thể hiện tỷ phần của thông lượng photon được hấp thụ trong vật liệu của thông lượng photon được hấp thụ trong vật liệu khối. Để tăng thừa số này cần tăng khối. Để tăng thừa số này cần tăng dd của thiết bị.của thiết bị.

( )[ ]ddxedxe xd x ααα −−=∫∫∞ −− exp1/

00

44


SSựự phphụụ thuthuộộc cc củủa a ηη vvàào bo bưướớc sc sóóng:ng:

ηη llàà hhààm sm sốố ccủủa ba bưướớc sc sóóng bng bởởi i αα phphụụ thuthuộộc c vvàào bo bưướớc sc sóóng. ng.

λλ0 0 ≤≤ λλgg==hchc00//EEgg -- B Bưướớc sc sóóng cng củủa va vùùng cng cấấm m λλgg xxáác c đđịịnh nh gigiớới hi hạạn bn bưướớc sc sóóng dng dàài ci củủa va vậật lit liệệu bu báán dn dẫẫn. (Bn. (Bảảng ng 1.1.3) cho m1.1.3) cho mộột st sốố chchấất bt báán dn dẫẫn thun thuầần. n.

Khi Khi λλ00 đ đủ nhỏ, ủ nhỏ, ηη ccũũng ging giảảm bm bởởi phi phầần ln lớớn photon bn photon bịị hhấấp p ththụụ ngay bngay bềề mmặặt (vt (víí ddụụ đ đốối vi vớới i αα = 10= 1044 cmcm--11, ph, phầần ln lớớn n áánh snh sááng bng bịị hhấấp thp thụụ trong khotrong khoảảng 1/ng 1/αα = 1= 1µµm). Thm). Thờời i gian tgian táái hi hợợp rp rấất ngt ngắắn gn gầần bn bềề mmặặt, nên ct, nên cáác hc hạạt tt tảải bi bịị ttáái i hhợợp trp trưướớc khi tc khi tạạo tho thàành dònnh dòng g đđiiệện.n.


ĐĐộ đáp ứng.ộ đáp ứng.ĐĐộ đáp ứngộ đáp ứng là quan hệ của dòng điện chạy trong thiết là quan hệ của dòng điện chạy trong thiết bị và công suất quang tới:bị và công suất quang tới:

PhvePeip ℜ==Φ=

ηη (2.1.2)(2.1.2)ĐĐộ đáp ứngộ đáp ứng

ĐĐộ đáp ứng ộ đáp ứng ℜℜ = = iipp//PP ccóó đơ đơn vn vịị llàà A/W bA/W bằằngng

24.10ληη

==ℜhv

eĐĐộộ đ đááp p ứứng cng củủa a đđầầu thu quang u thu quang

(A/W) ((A/W) (λλ00 ởở µµm)m)(2.1.3)(2.1.3)

ĐĐộ đáp ứng có thể bị suy giảm nếu như đầu thu bị chiếu bởi chùm sộ đáp ứng có thể bị suy giảm nếu như đầu thu bị chiếu bởi chùm sáng áng quá mạnh quá mạnh -- bão hòa của đầu thu, giới hạn phạm vi hoạt động tuyến tính bão hòa của đầu thu, giới hạn phạm vi hoạt động tuyến tính của đầu thu.của đầu thu.


ĐĐể chỉ ra độ chính ể chỉ ra độ chính xác của bậc độ xác của bậc độ lớn của đáp ứng: lớn của đáp ứng: cho cho ηη = = 1, 1, khi khi đđóóℜℜ = 1 A/W, ngh= 1 A/W, nghĩĩa a llàà 1 nW 1 nW →→ 1 nA, 1 nA, ttạại i λλ00=1,24 =1,24 µµm. m. SSựự t tăăng tuyng tuyếến tn tíính nh ccủủa a đđộộ đ đááp p ứứng ng vvớới bi bưướớc sc sóóng, ng, vvớới mi mộột git giáá trtrịị ηηccốố đ địịnh nh đã đã cho, cho, ththểể hihiệện trên hn trên hìình.nh.

ℜℜ ccũũng tng tăăng tuyng tuyếến tn tíính vnh vớới i ηη nnếếu u λλ00 ccốố đđịịnh.nh. Đ Đốối vi vớới i đđầầu thu nhiu thu nhiệệt t ℜℜ không phkhông phụụthuthuộộc vc vàào o λλ00 bbởởi ni nóó đ đááp p ứứng vng vớới công sui công suấất t quang, chquang, chứứ không phkhông phảải chi chùùm photon. m photon.

Hình 2.1.2Hình 2.1.2


CCáác thic thiếết bt bịị ccóó khukhuếếch ch đđạạii

GG ccóó ththểể llớớn hn hơơn hon hoặặc nhc nhỏỏ h hơơn 1.n 1.eqG = (2.1.4)(2.1.4)

hvePGeGqip

ηηη =Φ=Φ=Dòng quangDòng quang (2.1.5)(2.1.5)

24.10ληη G

hveG==ℜ (2.1.6)(2.1.6)

ĐĐộộ đ đááp p ứứng khi cng khi cóó KKĐ Đ (A/W) (A/W) ((λλ00 ởở µµm)m)

Một phép đo hữu dụng về hoạt động của đầu thu quang nữa là tỷ sốMột phép đo hữu dụng về hoạt động của đầu thu quang nữa là tỷ số tín tín hiệu trên nhiễu, và độ nhậy của đầu thu. Ta sẽ học ở các phần sahiệu trên nhiễu, và độ nhậy của đầu thu. Ta sẽ học ở các phần sau.u.

55


Hình 2.1.3: (a) chuyển động của eHình 2.1.3: (a) chuyển động của e--&e&e++. . (b) dòng e(b) dòng e++ & dòng e& dòng e-- & dòng tổng& dòng tổng ii((tt).).

Thời gian đáp ứng.Thời gian đáp ứng.TThhờời gian vi gian vưượợt qua t qua --mmộột ht hệệ ssốố quan trquan trọọng ng gigiớới hi hạạn tn tốốc c đđộộ hohoạạt t đđộộng cng củủa ta tấất ct cảả ccáác c đđầầu u thu quang bthu quang báán dn dẫẫn. n. NNếếu nhu nhưư ccặặp p ee--&&ee++

phpháát sinh tt sinh tạại vi vịị trtríí xxchuychuyểển n đđộộng theo ng theo hhưướớng ng xx. H. Hạạt tt tảải ci cóó đđiiệện tn tíích ch QQ ((ee++ ccóó Q Q = = ee, , ee-- ccóó Q Q = = --ee) chuy) chuyểển n đđộộng vng vớới vi vậận tn tốốc v(c v(tt) ) ttạạo ra dòng trong mo ra dòng trong mạạch ch ngongoàài.i.


Dòng chạy trong mạch ngoài: Dòng chạy trong mạch ngoài:

( ) ( )tvwQti −= (2.1.7)(2.1.7)ĐĐịịnh lý Ramonh lý Ramo

Công thức quan trọng của định lý Ramo có thể được Công thức quan trọng của định lý Ramo có thể được đưđưa ra bởi quan điểm NL. Nếu như hạt tải chuyển a ra bởi quan điểm NL. Nếu như hạt tải chuyển đđộng trong khoảng ộng trong khoảng dxdx, thời gian , thời gian dtdt, d, dưưới ảnh hưởng ới ảnh hưởng của điện trường của điện trường EE = = VV//ww, công sẽ bằng , công sẽ bằng ––QEdxQEdx = = --QQ((VV//ww))dxdx. Công này sẽ bằng NL cung ứng của mạch . Công này sẽ bằng NL cung ứng của mạch ngoài ngoài ii((tt))VdtVdt →→ ii((tt))VdtVdt = = -- QQ((VV//ww))dxdx →→ ii((tt) = ) = --((QQ//ww)()(dxdx//dtdt) = ) = --((QQ//ww)v()v(tt) n) nhhư ư công thcông thứức trên. c trên.


NNếếu nhu như ư ttồồn tn tạại mi mậật t đđộộ đ điiệện tn tíích ch đđồồng nhng nhấất t ρρ, , thay vì một điện tích điểm thay vì một điện tích điểm QQ, tổng điện tích bằng , tổng điện tích bằng ρρAwAw, , AA là mặt cắt là mặt cắt →→ công thức trên cho ta: công thức trên cho ta: ii((tt) = ) = --((ρρAwAw//ww)v()v(tt) = ) = -- ρρAAv(v(tt) ) →→ mmậật t đđộộ d dòng òng theo htheo hưướớng ng xx: : JJ((tt) = ) = -- ii((tt)/)/AA = = ρρv(v(tt). ). Khi cKhi cóó mmộột hit hiệệu u đđiiệện thn thếế EE ngongoàài i ááp vp vàào, ho, hạạt tt tảải trong i trong bbáán dn dẫẫn sn sẽẽ trôi vtrôi vớới vi vậận tn tốốc trung bc trung bìình:nh:

Eµ=v (2.1.8)(2.1.8)

µµ llàà đ độộ linh linh đđộộng cng củủa ha hạạt tt tảải. i. NhNhư ư vvậậy y JJ = = σσEE; ; σσ = = µρµρchchíính lnh làà đ độộ ddẫẫn.n.


Giả thiết rằng Giả thiết rằng ee++ chuyển động sang trái với vận chuyển động sang trái với vận tốc không đổi vtốc không đổi vhh, và , và ee-- sang phải với vsang phải với vee. .

→→ iihh = = --ee((--vvhh)/)/ww & & iiee = = --((--ee)v)vee//ww, (hình b). , (hình b).

Từng hạt tải đóng góp phần mình vào dòng một khi Từng hạt tải đóng góp phần mình vào dòng một khi còn chuyển động. Nếu như hạt tải tiếp tục chuyển còn chuyển động. Nếu như hạt tải tiếp tục chuyển đđộng cho đến khi đạt tới cạnh của vật liệu, ộng cho đến khi đạt tới cạnh của vật liệu, ee++ chuyển chuyển đđộng với thời gian ộng với thời gian xx/v/vhh và và ee-- với thời gian (với thời gian (ww--xx)/v)/vee. . Trong bán dẫn vTrong bán dẫn vee th thưường lớn hơn vờng lớn hơn vhh, cho nê, cho nên n đđộ rộng ộ rộng toàn bộ của thời gian vượt qua sẽ bằng toàn bộ của thời gian vượt qua sẽ bằng xx/v/vhh. . ĐĐiện tích tổng iện tích tổng qq đ đi vào mạch điện ngoài là tổng diện i vào mạch điện ngoài là tổng diện tích dưới tích dưới iiee và và iihh:: exw

wex

weq =

−+=

e

e

h

h

vv

vv

66


Nếu các cặp Nếu các cặp ee--&&ee++ phát sinh đồng nhất từ đầu phát sinh đồng nhất từ đầu đđến cuối vật liệu. Khi vến cuối vật liệu. Khi vhh<v<vee, , đđộ rộng tổng thể của thời ộ rộng tổng thể của thời gian vgian vưượt qua sẽ bằng ợt qua sẽ bằng ww/v/vhh chứ không phải chứ không phải xx/v/vhh. Bởi . Bởi sự chiếu sáng đồng nhất tạo ra các cặp hạt tải khắp sự chiếu sáng đồng nhất tạo ra các cặp hạt tải khắp nnơơi, ngay cả tại i, ngay cả tại xx==ww, là điểm mà tại đó , là điểm mà tại đó ee++ phải chuyển phải chuyển đđộng nhanh nhất trước khi có thể tái hợp tại ộng nhanh nhất trước khi có thể tái hợp tại xx=0.=0.


iihh((tt)) iiee((tt))ii((tt))

N N -- số số photonphoton

i(t) x (1/RC)exp(-t/RC) Optoelectronics 22College of Technology

2.2 Các đầu thu quang dẫn.2.2 Các đầu thu quang dẫn.

Khi photon bị vật liệu bán dẫn hấp thụ Khi photon bị vật liệu bán dẫn hấp thụ →→ phát sinh ra các hạt phát sinh ra các hạt tải linh động (1 cặp tải linh động (1 cặp ee--&&ee++/1photon hấp thụ) /1photon hấp thụ) →→ đ độộ ddẫẫn n đđiiệện cn củủa a vvậật lit liệệu tu tăăng lên tng lên tỷỷ llệệ vvớới thôi thông lng lưượợng photon. Mng photon. Mộột t đđiiệện trn trưườờng ng ááp vp vàào o →→ ee--&&ee++ bbịị chuychuyểển n đđộộng ng →→ d dòngòng đ điiệện trong mn trong mạạch ch iipp..



Độ dẫn tăng xuất phát từ dòng photon Φ(photon/ 1s). Tốc độ tạo cặp R (trên 1 đv thể tích) do vậy bằng R = ηΦ/wA. Nếu τ là thời gian sống tái hợp của các hạt tải dư, e- bị biến đi với tốc độ ∆n/τ trong đó ∆n mật độ quang điện tử. Trong điều kiện dừng (trạng thái ổn định) cả hai tốc độ bằng nhau (R = ∆n/τ) nên ∆n= ητΦ/wA. Sự tăng mật độ hạt tải điện tăng dẫn đến tăng độ dẫn:

( ) ( )Φ

+=+∆=∆

wAee he

henµµητµµσ (2.2.1)(2.2.1)

Trong Trong đđó ó µµee vvàà µµhh llàà đ độộ linh linh đđộộng cng củủa a ee-- vvàà ee++..Optoelectronics 24College of Technology

Do mật độ dòng Do mật độ dòng JJpp = = ∆∆σσEE vvàà vvee= = µµeeEE vvàà vvh h = = µµhhEE trong trong đđóó EE llàà đ điiệện trn trưườờng ng ááp vp vàào, PT trên cho ta: o, PT trên cho ta: JJpp = [= [eeητητ(v(vee+v+vhh)/)/wAwA]]ΦΦ t tươương ng ứứng vng vớới dòi dòng ng đđiiệện n iip p = = AJAJp p = [= [eeητητ(v(vee+v+vhh)/)/ww]]ΦΦ. N. Nếếu vu vh h << v<< vee vvàà ττe e = = ww/v/ve e ta cta cóó::

Φ≈e

p eiττη (2.2.2)(2.2.2)

Thống nhất với PT tỷ số Thống nhất với PT tỷ số ττ//ττee trong trong PT trênPT trên t tươương ứng với khuếch đại của đầu thu: ng ứng với khuếch đại của đầu thu: GG = = ττ//ττee. .

Φ=Φ= eGqip ηη

77


KhuKhuếếch ch đđạại:i:ĐĐộ đáp ứng của đầu thu quang dẫn trong PT . ộ đáp ứng của đầu thu quang dẫn trong PT . ττ > > ττee : Số lượng chuyến mà : Số lượng chuyến mà ee-- có thể thực hiện trước có thể thực hiện trước khi quá trình kết thúc bằng:khi quá trình kết thúc bằng:

e

Gττ

= (2.2.3)(2.2.3)

Trong Trong đđó ó ττ là thời gian sống tái hợp hạt tải dư và là thời gian sống tái hợp hạt tải dư và ττee = = ww/v/vee là thời gian là thời gian ee-- chuyển động qua mẫu. Điện tích do chuyển động qua mẫu. Điện tích do một cặp một cặp ee--&&ee++ mang mang đđến cho mạch trong trường hợp ến cho mạch trong trường hợp này bằng này bằng qq = = GeGe > > ee nên thiết bị thể hiện sự KĐ.nên thiết bị thể hiện sự KĐ.ττ < < ττee thời gian sống tái hợp khá ngắn, nên thời gian sống tái hợp khá ngắn, nên ee--&&ee++ tái tái hợp trước khi đến đầu kia của mẫu hợp trước khi đến đầu kia của mẫu →→ và và G G < 1< 1→→ hhạạt t ttảải chi chỉỉ đ đóóng gng góóp 1 php 1 phầần cn củủa a ee vvàào mo mạạch.ch.

hveGη

=ℜ


K KĐ Đ của đầu thu quang dẫn G = của đầu thu quang dẫn G = ττ//ττee có thể có thể đưđược giải thích như là phần độ dài trung bình của mẫu ợc giải thích như là phần độ dài trung bình của mẫu mà hạt tải bị kích thích đi qua trước khi tham gia vào mà hạt tải bị kích thích đi qua trước khi tham gia vào tái hợp. Thời gian di chuyển tái hợp. Thời gian di chuyển ττee phụ thuộc vào độ dài phụ thuộc vào độ dài của mẫu và hiệu điện thế áp vào qua công thức v=của mẫu và hiệu điện thế áp vào qua công thức v=µµEE. . Giá trị tiêu biểu của Giá trị tiêu biểu của ww = 1 mm và v= 1 mm và vee = 10= 1077 cm/s cho ta cm/s cho ta ττee ≈≈ 1010--88

s. Ths. Thờời gian si gian sốống tng táái hi hợợp p ττ có thể từ 10có thể từ 10--1313 s s đđến rất nhiều s, phụ ến rất nhiều s, phụ thuộc vào vật liệu và độ pha tạp. Nên thuộc vào vật liệu và độ pha tạp. Nên GG có thể nằm trong một có thể nằm trong một dải giá trị rất rộng, trên và dưới 1, phụ thuộc vào các tham số dải giá trị rất rộng, trên và dưới 1, phụ thuộc vào các tham số của vật liệu, kích thước của thiết bị và hiệu điện thế. KĐ của của vật liệu, kích thước của thiết bị và hiệu điện thế. KĐ của đđầu thu quang dẫn không thể vượt quá 10ầu thu quang dẫn không thể vượt quá 10--66, bởi giới hạn , bởi giới hạn không gian của dòng điện, tương tác ion hóa, và thế đánh không gian của dòng điện, tương tác ion hóa, và thế đánh thủng.thủng.


ĐĐááp p ứứng phng phổổ Đ Độ nhạy phổ của đầu thu quang dẫn bị điều ộ nhạy phổ của đầu thu quang dẫn bị điều

khiển cơ bản bởi sự phụ thuộc bước sóng của hiệu suất khiển cơ bản bởi sự phụ thuộc bước sóng của hiệu suất llưượng tử ợng tử ηη. Các chất bán dẫn thuần khác nhau có các . Các chất bán dẫn thuần khác nhau có các giới hạn bước sóng dài khác nhau. Các đầu thu quang giới hạn bước sóng dài khác nhau. Các đầu thu quang dẫn có thể hoạt động tốt trong vùng IR trên các chuyển dẫn có thể hoạt động tốt trong vùng IR trên các chuyển dời vùngdời vùng--vùng đến 2vùng đến 2µµm vm vàà ttạại i đđóó ccầần ln lààm lm lạạnhnh. . Tại các bước sóng dài hơn, các chất bán dẫn pha tạp Tại các bước sóng dài hơn, các chất bán dẫn pha tạp có thể dùng để làm các đầu thu quang. Các mức nhận có thể dùng để làm các đầu thu quang. Các mức nhận và cho trong vùng cấm của các chất bán dẫn pha tạp và cho trong vùng cấm của các chất bán dẫn pha tạp có thể có NL kích hoạt rất thấp có thể có NL kích hoạt rất thấp EEAA . . Trong trTrong trưường hợp ờng hợp này giới hạn bước sóng dài là này giới hạn bước sóng dài là λλAA==hchc00//EEAA. .


88


Hình 2.2.2: Độ Hình 2.2.2: Độ đđáp ứng tương áp ứng tương đđối phụ thuộc ối phụ thuộc vào bước sóng vào bước sóng λλ00 ((µµm)m) của 3 của 3 loại đầu thu loại đầu thu quang dẫn Ge quang dẫn Ge pha tạppha tạpĐĐộ đáp ứng tăng tuyến tính với ộ đáp ứng tăng tuyến tính với λλ00 phphùù hhợợp vp vớới ct i ct (2.1.6), c(2.1.6), cáác c đđỉỉnh thnh thấấp hp hơơn gin giớới hi hạạn bn bưướớc sc sóóng dng dàài i λλAAmmộột cht chúút vt vàà sau sau đđóó đ đi xui xuốống. Hing. Hiệệu suu suấất lt lưượợng tng tửử ηηttươương ng đđốối cao (i cao (≈≈0,5 Ge:Cu), m0,5 Ge:Cu), mặặc dc dùù K KĐ Đ ccóó ththểể ththấấp p hhơơn n đđiiềều kiu kiệện hon hoạạt t đđộộng bng bìình thnh thưườờng (Gng (G≈≈ 0,03 Ge:Hg)0,03 Ge:Hg)


ThThờời gian i gian đđááp p ứứngng

Thời gian đáp ứng của các đầu thu quang dẫn = thời Thời gian đáp ứng của các đầu thu quang dẫn = thời gian truyền + hằng số thời gian RC.gian truyền + hằng số thời gian RC.Thời gian đáp ứng chuyển hạt tải gần bằng thời gian Thời gian đáp ứng chuyển hạt tải gần bằng thời gian tái hợp tái hợp ττ, nê, nên n đđộộ rrộộng dng dải ải chuychuyểển hn hạạt tt tảải i BB ttỷỷ llệệ nghnghịịch ch vvớới i ττ. D. Do Ko KĐ Đ GG ttỷỷ llệệ vvớới i ττ, t, tăăng ng ττ nghnghĩĩa la làà t tăăng Kng KĐĐ, l, lààđđiiềều mong muu mong muốốn, nhn, nhưưng ging giảảm m BB llàà đ điiềều không mong u không mong mumuốốn. n. NhNhư ư vvậậy ty tíích Kch KĐĐ--đđộộ rrộộng ng G.BG.B mmộột ct cáách thô ch thô thithiểển không phn không phụụ thuthuộộc vc vàào o ττ. Gi. Giáá trtrịị G.BG.B tiêu bitiêu biểểu cu cóóththểể đ đếến n ≈≈ 101099..


2.3 Photodiode2.3 Photodiode

Photodiode pPhotodiode p--nn..Photodiode pPhotodiode p--ii--nn..Các photodiode cấu trúc hỗn hợpCác photodiode cấu trúc hỗn hợp..Chuỗi photodiodeChuỗi photodiode..


Photodiode pPhotodiode p--n.n.

HHìình 2.3.1 nh 2.3.1 Chuyển tiếp p-n dưới chiếu sáng. Photon bị hấp thụ khắp nơi với hệ số hấp thụ α. Các vùng trôi và khuếch tán được đánh dấu tương ứng 1 và 2.

99


Có 3 vị trí mà cặp Có 3 vị trí mà cặp ee--&&ee++ có thể phát sinh:có thể phát sinh:ee--&&ee++ phát sinh trong vùng nghèo (vùng 1) nhanh phát sinh trong vùng nghèo (vùng 1) nhanh

chóng trôi về hai hướng ngược nhau dưới ảnh hưởng chóng trôi về hai hướng ngược nhau dưới ảnh hưởng của điện trường mạnh. Do điện trường luôn theo của điện trường mạnh. Do điện trường luôn theo hhưướng ớng nn--pp, , ee-- chuyển động về phía chuyển động về phía nn và và ee++ về phía về phía pp. . Kết quả là, dòng quang điện tạo ra ở mạch ngoài luôn Kết quả là, dòng quang điện tạo ra ở mạch ngoài luôn theo htheo hưướng ngược lại (từ vùng ớng ngược lại (từ vùng nn sang vùng sang vùng pp). Từng ). Từng cặp hạt tải phát sinh trong mạch ngoài 1 xung có diện cặp hạt tải phát sinh trong mạch ngoài 1 xung có diện tích tích ee ((GG=1) bởi không có tái hợp trong vùng nghèo.=1) bởi không có tái hợp trong vùng nghèo.

Vùng 3:xa vùng nghèo,Vùng 3:xa vùng nghèo,ee--&&ee++ không thể được chuyển không thể được chuyển bởi không có điện trường. Chúng đi quanh co, rồi tái bởi không có điện trường. Chúng đi quanh co, rồi tái hợp. Chúng không đóng góp tín hiệu cho mạch ngoài.hợp. Chúng không đóng góp tín hiệu cho mạch ngoài.


Vùng 2: cặp Vùng 2: cặp ee--&&ee++ phát sinh ngay bên cạnh phát sinh ngay bên cạnh vùng nghèo, có khả năng đi vào vùng nghèo do vùng nghèo, có khả năng đi vào vùng nghèo do khuếch tán ngẫu nhiên. khuếch tán ngẫu nhiên. ee-- đ đi vào từ phía i vào từ phía pp nhanh nhanh chóng chuyển qua chuyển tiếp và do vậy đóng góp chóng chuyển qua chuyển tiếp và do vậy đóng góp đđiện tích iện tích ee vào mạch ngoài. vào mạch ngoài. ee++ đ đi vào từ vùng n cũng i vào từ vùng n cũng có hiệu ứng tương tự.có hiệu ứng tương tự.

PD PD đưđược sản xuất từ rất nhiều vật liệu bán ợc sản xuất từ rất nhiều vật liệu bán dẫn, như trong bảng 1.1.3, cũng như các hợp chất 3 và dẫn, như trong bảng 1.1.3, cũng như các hợp chất 3 và 4. Thiết bị thường được thiết kế sao cho ánh sáng tác 4. Thiết bị thường được thiết kế sao cho ánh sáng tác đđộng vuông góc với chuyển tiếp ộng vuông góc với chuyển tiếp pp--nn. T. Trong trrong trưường ờng hợp này dòng hạt tải khuếch tán cộng vào trong vùng hợp này dòng hạt tải khuếch tán cộng vào trong vùng nghèo làm tăng nghèo làm tăng ηη, nh, nhưưng ng đđiiềều nu nàày ly lààm mm mấất cân bt cân bằằng ng bbởởi gii giảảm m đđộộ ddàày cy củủa va vậật lit liệệu, tu, táác c đđộộng lng lààm gim giảảm m ηη..


ThThờời gian i gian đđááp p ứứngngThời gian di chuyển của hạt tải = thời gian trôi Thời gian di chuyển của hạt tải = thời gian trôi ττee(=(=wwdd/v/vee or or ττhh==wwdd/v/vhh) + ) + ττ ((RCRC) + th) + thờời gian i gian đđááp p ứứng do ng do khukhuếếch tch táán.n.ThThờời gian ci gian cựực c đđạại ci cóó ththểể ddàành cho khunh cho khuếếch tch táán, chn, chíính nh bbằằng thng thờời gian si gian sốống cng củủa ha hạạt tt tảải (i (ττpp cho cho ee-- trong vtrong vùùng ng ppvvàà ττnn cho cho ee++ trong vtrong vùùng ng nn). Th). Thờời gian khui gian khuếếch tch táán cn cóó ththểểgigiảảm m đđi nhi nhờờ ddùùng cng cấấu tru trúúc c pp--ii--nn. . Tuy nhiên PD nTuy nhiên PD nóói chung li chung làà nhanh h nhanh hơơn n đđầầu thu quang u thu quang ddẫẫn do trn do trưườờng mng mạạnh trong vnh trong vùùng nghng nghèèo to tươương tng táác gây c gây nên vnên vậận tn tốốc lc lớớn cho cn cho cáác quang hc quang hạạt tt tảải mi mớới phi pháát sinh.t sinh.HHơơn nn nữữa, PD không ba, PD không bịị ccáác hic hiệệu u ứứng bng bắắt git giữữ nh như ư trong trong đđầầu thu quang du thu quang dẫẫn.n.


Thiên Thiên áápp


PD có đặc trưng PD có đặc trưng ii--VV tuân theo hệ thức sau:tuân theo hệ thức sau:

pB

s iTk

eVii −⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1exp

1010


Có 3 kiểu hoạt động cơ bản của PD: Mạch Có 3 kiểu hoạt động cơ bản của PD: Mạch mở (photovoltaic), mạch nối tắt và thiên áp nghịch mở (photovoltaic), mạch nối tắt và thiên áp nghịch (photoconductive).(photoconductive).Trong mạch mở, ánh sáng bị hấp thụ tạo ra các cặp Trong mạch mở, ánh sáng bị hấp thụ tạo ra các cặp ee--

&&ee++ trong vùng nghèo, các trong vùng nghèo, các ee-- đư được giải phóng ở vùngợc giải phóng ở vùng

HHìình 2.3.3nh 2.3.3--MMạạch mch mởở

n n tái hợp với các tái hợp với các lỗ trống ở vùng p, lỗ trống ở vùng p, và ngược lại. Kết và ngược lại. Kết quả là điện trường quả là điện trường ttăăng lên, tạo nên ng lên, tạo nên hiệu điện thế hiệu điện thế quang quang VVp.p.


HHìình 2.3.4nh 2.3.4MMạạch nch nốối ti tắắtt

Mạch nối tắt (Mạch nối tắt (VV=0): dòng của mạch nối tắt =0): dòng của mạch nối tắt chính là dòng quang chính là dòng quang iipp..

Optoelectronics 39College of Technology HHìình 2.3.5nh 2.3.5

Mạch thiên áp nghịch: (a) kiểu “quang dẫn và Mạch thiên áp nghịch: (a) kiểu “quang dẫn và (b) có thêm điện trở tải. Điểm làm việc nằm trên (b) có thêm điện trở tải. Điểm làm việc nằm trên đưđường gạch nối.ờng gạch nối.


PD th PD thưường làm việc dưới chế độ thiên áp ờng làm việc dưới chế độ thiên áp nghịch lớn bởi:nghịch lớn bởi:

Thế thiên áp nghịch lớn tạo nên hiệu điện thế mạnh Thế thiên áp nghịch lớn tạo nên hiệu điện thế mạnh trên vùng chuyển tiếp, làm tăng vận tốc trôi của hạt trên vùng chuyển tiếp, làm tăng vận tốc trôi của hạt tải, do vậy giảm thời gian truyền.tải, do vậy giảm thời gian truyền.

Thế thiên áp nghịch lớn làm tăng độ dày vùng Thế thiên áp nghịch lớn làm tăng độ dày vùng nghèo, bởi vậy giảm điện dung vùng chuyển tiếp và nghèo, bởi vậy giảm điện dung vùng chuyển tiếp và cải thiện thời gian đáp ứng.cải thiện thời gian đáp ứng.

Sự tăng độ dày vùng nghèo dẫn đến diện tích nhạy Sự tăng độ dày vùng nghèo dẫn đến diện tích nhạy quang lớn hơn, làm cho dễ hơn và nhiều hơn trong quang lớn hơn, làm cho dễ hơn và nhiều hơn trong việc thu nhận ánh sáng.việc thu nhận ánh sáng.

1111


Photodiode Photodiode pp--ii--nn..PD với cấu trúc p-i-n có những ưu điểm sau:

Tăng độ rộng vùng nghèo của thiết bị (nơi mà các hạt tải phát sinh và có thể trôi) làm tăng diện tích có thể thu ánh sáng.

Tăng độ rộng của vùng nghèo làm giảm điện dung của chuyển tiếp, do vậy giảm hằng số thời gian RC. Mặt khác, thời gian truyền tăng lên do độ rộng vùng nghèo tăng.

Giảm tỷ lệ giữa độ dài khuếch tán và độ dài trôi của thiết bị dẫn đến tăng phần dòng phát sinh do quá trình trôi nhanh hơn. Optoelectronics 42College of Technology

HHìình 2.3.6 Cnh 2.3.6 Cấấu tru trúúc PD c PD pp--ii--nn, gi, giảản n đđồồ NL, phân bNL, phân bốố đ điiệện n ttíích, vch, vàà phân bphân bốố đ điiệện trn trưườờng. Thing. Thiếết bt bịị ccóó ththểể đư đượợc chic chiếếu u ssááng hong hoặặc vuông gc vuông góóc hoc hoặặc song song vc song song vớới li lớớp chuyp chuyểển tin tiếếp.p.


HHìình 2.nh 2.3.73.7 Đ Độộ đ đááp p ứứng theo bng theo bưướớc sc sóóng (ng (µµm)m) đ đốối vi vớới PD i PD pp--ii--nn l lý ý ttưưởởng vng vàà bbáán trên thn trên thịị tr trưườờng.ng.ĐĐạạt tt tớới thi thờời gian i gian đđááp p ứứng cng cỡỡ ps, t ps, tươương ng ứứng vng vớới i đđộộ rrộộng ng ≈≈50 GHz.50 GHz.

ChChúú ýý::λλmaxmax < < λλgg


Các photodiode cấu trúc hỗn hợp.Các photodiode cấu trúc hỗn hợp.Cấu trúc hỗn hợp, tạo nên từ hai chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác nhau, có thể thể hiện các ưu điểm so với cấu trúc p-n làm từ một vật liệu. Chuyển tiếp hỗn hợp, ví dụ như gồm có vật liệu có độ rộng vùng cấm rộng (Eg>>hv), sẽ hữu dụng dùng sự truyền qua của nó để giảm hấp thụ quang phía ngoài vùng nghèo. Vật liệu có độ rộng vùng cấm lớn được gọi là lớp cửa sổ. Sự sử dụng các vật liệu khác nhau giúp cho thiết bị có nhiều độ linh hoạt.

1212


Một số vật liệu được quan tâm đặc biệt:Một số vật liệu được quan tâm đặc biệt:AlAlxxGaGa11--xxAs/GaAs (mạng của AlGaAs phù hợp với mạng của As/GaAs (mạng của AlGaAs phù hợp với mạng của

nên GaAs) hữu ích trong dải 0,7nên GaAs) hữu ích trong dải 0,7--0,870,87µµm.m.InIn0,530,53GaGa0,470,47As/Inp hoAs/Inp hoạạt t đđộộng tng tạại 1,65 i 1,65 µµm trong vm trong vùùng NIR ng NIR

(E(Egg=0,75 eV). Gi=0,75 eV). Giáá trtrịị đ đặặc trc trưưng cng củủa a đđộộ đ đááp p ứứng ng ℜℜ ≈≈ 0,7 A/W 0,7 A/W vvàà ccủủa hia hiệệu suu suấất lt lưượợng tng tửử ηη ≈≈ 0 0,75.,75. Đ Độộ ddàài bi bưướớc sc sóóng vng vùùng ng ccấấm cm cóó ththểể đ điiềều khiu khiểển thay n thay đđổổi nhi nhờờ ththàành phnh phầần trong khon trong khoảảng ng quan tâm cquan tâm củủa thông tin quang 1,3a thông tin quang 1,3--1,6 1,6 µµm.m.

HgHgxxCdCd11--xxTe/CdTe hTe/CdTe hữữu du dụụng trong vng trong vùùng IR ging IR giữữa. Ca. Cáác vc vậật t liliệệu nu nàày y đđááp p ứứng ng đđộộ rrộộng vng vùùng cng cấấm cm cóó ththểể thay thay đđổổi nhi nhờờ ththàành nh phphầần, trong khon, trong khoảảng 3 ng 3 –– 17 17 µµm.m.

BdBdẫẫn 4n 4, nh, như ư InIn11--xxGaGaxxAsAs11--yyPPyy/InP v/InP vàà GaGa11--xxAlAlxxAsAsyySbSb11--yy/GaSb, /GaSb, hhữữu u íích trong khoch trong khoảảng 0,92 ng 0,92 –– 1,7 1,7 µµm.m.


Photodiode hPhotodiode hààng rng rààoo--SchottkySchottky

HHìình 2.3.8 (a) nh 2.3.8 (a) ccấấu tru trúúc vc vàà (b) (b) gigiảản n đđồồ NL cNL củủa a PD hPD hààng rng ràào o Schottky. NL Schottky. NL photon phphoton phảải li lớớn n hhơơn hn hààng rng ràào o ththếế Schottky Schottky hvhv>>WW--χχ

PD kim loạiPD kim loại--bán dẫnbán dẫn ( cũng còn được gọi là ( cũng còn được gọi là PD hàng ràoPD hàng rào--SchottkySchottky) tạo nên từ chuyển tiếp hỗn hợp kim loại) tạo nên từ chuyển tiếp hỗn hợp kim loại--bán dẫn. bán dẫn. Một lớp kim loại mỏng bán truyền qua sử dụng thay vào chỗ Một lớp kim loại mỏng bán truyền qua sử dụng thay vào chỗ lớp lớp pp (hoặc (hoặc nn) trong PD chuyển tiếp ) trong PD chuyển tiếp pp--nn. Lớp mỏng nhiều khi . Lớp mỏng nhiều khi làm từ hợp kim kim loạilàm từ hợp kim kim loại-- bán dẫn mà có đặc tính như kim loạibán dẫn mà có đặc tính như kim loại

Au / Si loại n : VISAu / Si loại n : VISPtSi / Si loại p : UVPtSi / Si loại p : UV-- IRIR


PD hàng ràoPD hàng rào--Schottky hữu ích bởiSchottky hữu ích bởi::Không phải tất cả các chất bán dẫn đều có thể chế Không phải tất cả các chất bán dẫn đều có thể chế

tạo dưới dạng tạo dưới dạng pp hoặc hoặc nn; nên cấu trúc hàng rào ; nên cấu trúc hàng rào Schottky Schottky đđặc biệt đáng quan tâm trong những chất nàyặc biệt đáng quan tâm trong những chất này

Các chất bán dẫn dùng để thu ánh sáng vùng nhìn Các chất bán dẫn dùng để thu ánh sáng vùng nhìn thấy hoặc cực tím với NL photon lớn hơn NL khe cấm thấy hoặc cực tím với NL photon lớn hơn NL khe cấm có hệ số hấp thụ lớn. Điều này làm tăng hệ số tái hợp có hệ số hấp thụ lớn. Điều này làm tăng hệ số tái hợp bề mặt và giảm hiệu suất lượng tử. Chuyển tiếp KLbề mặt và giảm hiệu suất lượng tử. Chuyển tiếp KL--BD có lớp nghèo ngay trên bề mặt, làm giảm tái hợp BD có lớp nghèo ngay trên bề mặt, làm giảm tái hợp bề mặt.bề mặt.


Đ Đáp ứng của PD áp ứng của PD pp--nn & & pp--ii--nn phần nào đó bị giới phần nào đó bị giới hạn dòng khuếch tán chậm gắn liền với các hạt tải phát hạn dòng khuếch tán chậm gắn liền với các hạt tải phát sinh gần, nhưng phía ngoài vùng nghèo. Một trong sinh gần, nhưng phía ngoài vùng nghèo. Một trong những cách để giảm hấp thụ không mong muốn là những cách để giảm hấp thụ không mong muốn là giảm độ rộng của 1 trong các vùng nghèo. Nhưng việc giảm độ rộng của 1 trong các vùng nghèo. Nhưng việc này đạt được thì lại tăng điện trở này đạt được thì lại tăng điện trở →→ t tăăng RC. Cng RC. Cấấu tru trúúc c hhààng rng ràào Schottky lo Schottky lààm m đưđượợc vic việệc nc nàày do KL cy do KL cóó đ điiệện n trtrởở ththấấp. p. HHơơn nn nữữa ca cấấu tru trúúc nc nàày ly làà ccấấu tru trúúc dc dẫẫn bn bằằng hng hạạt t ttảải chi chủủ yyếếu vu vàà do vdo vậậy cy cóó đ độộ đ đááp p ứứng nhanh vng nhanh vàà ddảải i rrộộng.ng. Đ Độộ đ đááp p ứứng cng cỡỡ ps, t ps, tươương ng ứứng vng vớới i đđộộ rrộộng ng ≈≈ 100 100 GHz.GHz.

1313


PD PD pp--ii--nn Si có thể có hiệu suất lượng tử xấp xỉ 1 nếu như có Si có thể có hiệu suất lượng tử xấp xỉ 1 nếu như có lớp chống phản xạ được phun trên bề mặt thiết bị. lớp chống phản xạ được phun trên bề mặt thiết bị. BBưướớc sc sóóng ng đđááp p ứứng tng tốối i ưưu cu củủa PD a PD pp--ii--nn 3 v3 vàà 4 4 ccóó ththểể đ điiềều khiu khiểển n đưđượợc c bbằằng thng thàành phnh phầần (hin (hiệệu suu suấất lt lưượợng tng tửử cho dcho dảải bi bưướớc sc sóóng ng đưđượợc c trtrìình bnh bàày cho InGaAs). Cy cho InGaAs). Cáác PD tc PD tạại bi bưướớc sc sóóng dng dàài (vi (víí ddụụ nh như ư InSb) phInSb) phảải li lààm lm lạạnh nh đđểể gigiảảm thim thiểểu ku kíích thch thíích do nhich do nhiệệt.t.

Hình 2.3.9 Hình 2.3.9 Một số hiệu suất lượng Một số hiệu suất lượng tử tiêu biểu cho PD tử tiêu biểu cho PD hàng ràohàng rào--Schottky và Schottky và pp--ii--nn. Hiệu suất lượng . Hiệu suất lượng tử tử ηη thay thay đđổi theo bước ổi theo bước sóng sóng λλ00 ((µµm)m) đ đối với ối với các PD khác nhau. các PD khác nhau.


Chuỗi photodiodeChuỗi photodiodePD riêng biệt ghi nhận thông lượng photon đập vào nó như hàm phụ thuộc vào thời gian. Còn một chuỗi chứa rất nhiều PD, có thể đồng thời ghi nhận các thông lượng photon (cũng là hàm phụ thuộc vào thời gian) từ rất nhiều điểm không gian. Loại đầu thu như vậy có thể tạo nên một hình ảnh điện tử (hình 2.0.2c).Kỹ thuật vi điện tử hiện đại cho phép chế tạo các loại chuỗi chứa một số lượng lớn các đầu thu quang bán dẫn riêng biệt (gọi là các ảnh điểm-pixel). Ví dụ trên hình là chuỗi gần 40,000 PD hàng rào-Schottky PtSi nhỏ trên Si loại p. Trong dải bước sóng từ UV-6µm.


HHìình 2.3.10 (a) nh 2.3.10 (a) GGóóc cc củủa ma mộột chut chuỗỗi PD i PD hhààng rng rààoo--Schottky 160 Schottky 160 x244 PtSi/Si. Mx244 PtSi/Si. Mỗỗi pixel i pixel kkíích thch thưướớc 40 c 40 µµm x 80 m x 80 µµm. m. PhPhầần mn mạạch ch đđọọc c đưđượợc trông c trông ththấấy. (b) My. (b) Mặặt ct cắắt ct củủa ma mộột t pixel pixel đơđơn trong chun trong chuỗỗi i CCD. CCD. HiHiệệu suu suấất lt lưượợng tng tửử ηη trong trong khokhoảảng 35ng 35--60% trong 60% trong vvùùng UV vng UV vàà VIS (VIS (λλ00 =290 =290 --900 nm) khi NL photon > 900 nm) khi NL photon > Eg.Eg.


1414


2.4 Các photodiode thác lũ.2.4 Các photodiode thác lũ.

Nguyên lý hoạt độngNguyên lý hoạt động..Khuếch đại và độ đáp ứngKhuếch đại và độ đáp ứng..Thời gian đáp ứngThời gian đáp ứng..


Nguyên lý hoạt động.Nguyên lý hoạt động.

HHìình 2.4.1 Ginh 2.4.1 Giảản n đđồồ ththểể hihiệện qun quáátrtrìình nhân trong APD.nh nhân trong APD.

Thiên áp ngược mạnh Thiên áp ngược mạnh →→ccác ác hhạt tải vừa phát sinhạt tải vừa phát sinhđưđược gia tốc ợc gia tốc →→ ttươương tác ng tác ion hoá ion hoá →→ ththác của các ác của các cặp hạt tải chuyển độngcặp hạt tải chuyển động


HHệệ ssốố ion hion hóóa:a:Hệ số ion hóa Hệ số ion hóa ααee vvàà ααhh ththểể hihiệện xn xáác suc suấất ion hot ion hoá á trên trên mmộột t đđv chiv chiềều du dàài (ti (tốốc c đđộộ ion hion hóóa cma cm--11); ); 1/1/ααee vvàà 1/1/ααhh ththểể hihiệện khon khoảảng cng cáách trung bch trung bìình ginh giữữa ca cáác c ion hion hóóa lia liềền nhau. n nhau. HHệệ ssốố ion hion hóóa ta tằằng cng cùùng vng vớới i đđiiệện trn trưườờng cng củủa va vùùng ng nghnghèèo (do no (do nóó đ đảảm bm bảảo so sựự gia tgia tốốc) vc) vàà gigiảảm khi nhim khi nhiệệt t đđộộccủủa thia thiếết bt bịị t tăăng. Bng. Bởởi khi ti khi tăăng nhing nhiệệt t đđộộ ddẫẫn n đđếến tn tăăng ng ttầần sn sốố va chva chạạm, gim, giảảm thim thiểểu khu khảả n năăng cng củủa ha hạạt tt tảải thu i thu đưđượợc c đđủủ NL cho ion hNL cho ion hóóa. a. Lý thuyLý thuyếết t đơđơn gin giảản n ááp dp dụụng ng ởở đâ đây cho ry cho rằằng ng ααee vvàà ααhh llààhhằằng sng sốố vvàà không phkhông phụụ thuthuộộc vc vàào vo vịị trtríí vvàà ququáá trtrìình cnh củủa a hhạạt tt tảải.i.


Một tham số quan trọng để đặc trưng hiệu Một tham số quan trọng để đặc trưng hiệu suất của APD chính là suất của APD chính là tỷ số ion hóatỷ số ion hóa::

e

h

αα

=k

Khi Khi ee++ không ion hóa một cách đáng kể (nghĩa là không ion hóa một cách đáng kể (nghĩa là ααhh<<<<ααee ((kk<<1), ph<<1), phầần ln lớớn qun quáá trtrìình ion hnh ion hóóa do a do ee-- ttạạo ra. o ra. Do vDo vậậy quy quáá trtrìình thnh tháác lc lũũ xxẩẩy ra ty ra từừ trtráái qua phi qua phảải (ti (từừphphíía a pp sang phsang phíía a nn). N). Nóó kkếết tht thúúc chc chậậm hm hơơn, sau khi tn, sau khi tấất t ccảả ccáác c ee-- đ đi i đđếến phn phíía loa loạại i nn ccủủa va vùùng nghng nghèèo. o. NNếếu nhu như ư ccảả ee-- vvàà ee+ ion h+ ion hóóa 1 ca 1 cáách ch đđááng kng kểể ((kk ≈≈ 1), l1), lỗỗtrtrốống chuyng chuyểển sang phn sang phíía tra tráái ti tạạo ra co ra cáác c ee-- chuychuyểển n đđộộng ng sang phsang phảải, li, lạại ti tạạo ra o ra ee++ chuychuyểển n đđộộng sang trng sang tráái, trong 1 i, trong 1 vòng không cvòng không cóó kkếết tht thúúc.c.

1515


Mặc dù Mặc dù kk ≈≈ 1 có thể làm tăng KĐ của thiết bị 1 có thể làm tăng KĐ của thiết bị (nghĩa là tăng (nghĩa là tăng qq//ee), tuy thế mà không được mong chờ ), tuy thế mà không được mong chờ bởi:bởi:

Tốn thời gian và bởi vậy giảm độ rộng dải của thiết Tốn thời gian và bởi vậy giảm độ rộng dải của thiết bị.bị.

Là ngẫu nhiên nên làm tăng nhiễu của thiết bị.Là ngẫu nhiên nên làm tăng nhiễu của thiết bị.Có thể không ổn định, bởi vậy dẫn đến sập thác lũ.Có thể không ổn định, bởi vậy dẫn đến sập thác lũ.

→→ chế tạo APD từ loại vật liệu chỉ cho phép 1 loại hạt chế tạo APD từ loại vật liệu chỉ cho phép 1 loại hạt tải để tương tác ion hóatải để tương tác ion hóa. Nếu là . Nếu là ee-- có có ααee cao, thcao, thìì ttốối i ưưu u llàà tiêm tiêm ee-- vvàào pho phíía va vùùng ng pp ccủủa va vùùng nghng nghèèo vo vàà chchọọn vn vậật t liliệệu cu cóó kk ththấấp nhp nhấất ct cóó ththểể. V. Với ới ee++ ththìì ng ngưượợc lc lạại. i. TrTrưườờng ng hhợợp lýp lý t tưưởởng cng củủa nhân 1 loa nhân 1 loạại hi hạạt tt tảải i đđạạt t đưđượợc khi c khi kk = 0 = 0 hohoặặc c ∞∞..


ThiThiếết kt kếế::

Thiết kế của APD: vùng hấp thụ và vùng nhân phải Thiết kế của APD: vùng hấp thụ và vùng nhân phải tách biệt [tách biệt [separateseparate--absorptionabsorption--multiplication (SAM) multiplication (SAM) APDAPD]. Hoạt động của nó có thể dễ hiểu khi xem xét ]. Hoạt động của nó có thể dễ hiểu khi xem xét với thiết bị có với thiết bị có k k ≈ 0 (ví dụ như Si). Photon bị hấp thụ ≈ 0 (ví dụ như Si). Photon bị hấp thụ trong vùng rộng của chất bán dẫn thuần hoặc vùng pha trong vùng rộng của chất bán dẫn thuần hoặc vùng pha tạp nhẹ. Các quang tạp nhẹ. Các quang ee-- trôi qua nó dưới tác động của trôi qua nó dưới tác động của đđiện trường trung bình, cuối cùng đi vào lớp nhân iện trường trung bình, cuối cùng đi vào lớp nhân mỏng có điện trường mạnh nơi xẩy ra thác lũ.mỏng có điện trường mạnh nơi xẩy ra thác lũ.


HHìình 2.4.2 Cnh 2.4.2 Cấấu tru trúúc vc vươươn tn tớớii--xuyên qua (reachxuyên qua (reach--through) APD through) APD pp++--ππ--pp--nn++. H. Hấấp thp thụụ photon trong vphoton trong vùùng ng ππrrộộng (vng (vùùng pha tng pha tạạp p rp p rấất nht nhẹẹ). ).

ee-- trôi qua vùng trôi qua vùng ππ vào vào chuyển tiếp chuyển tiếp pp--nn+ + mỏng, tại đó chúng mỏng, tại đó chúng trải qua điện trườngtrải qua điện trườngđđủ mạnh để tạo ra ủ mạnh để tạo ra thác. Thiên áp nghịch thác. Thiên áp nghịch áp vào thiết bị đủ lớn áp vào thiết bị đủ lớn đđể vùng nghèo vươn ể vùng nghèo vươn tới qua các vùng tới qua các vùng pp và và ππ vào lớp tiếp xúc vào lớp tiếp xúc pp+.+.


ThiThiếết bt bịị đ đa la lớớp:p:

NhiNhiễễu không ku không kếết ht hợợp trong qup trong quáátrtrìình nhân trong APD cnh nhân trong APD cóó ththểểgigiảảm m đưđượợc khi ta dc khi ta dùùng cng cấấu tru trúúc c bbậậc thang. Vc thang. Vùùng cng cấấm cm cóó ththểể chia chia bbậậc dc dùùng thng thàành phnh phầần (trên n (trên khokhoảảng cng cáách ch ≈≈ 10 nm) t10 nm) từừ vvậật lit liệệu u ccóó EEg1g1 ththấấp (GaAs) sang vp (GaAs) sang vậật lit liệệu u ccóó EEg2g2 cao (AlGaAs). Bcao (AlGaAs). Bởởi ti tíính nh chchấất ct củủa va vậật lit liệệu, ion hu, ion hóóa do ea do e++ bbịị ngngăăn, bn, bởởi vi vậậy giy giảảm tm tỷỷ ssốố ion hion hóóa a kk. C. Cáác c ưưu u đđiiểểm tim tiềềm nm năăng khng kháác c ccủủa thia thiếết bt bịị: v: vịị trtríí riêng rriêng rẽẽ ccủủa a llớpớp nhân, hinhân, hiệệu u đđiiệện thn thếế llààm vim việệc c ththấấp, thp, thờời gian i gian đđááp p ứứng nhanh. ng nhanh. NhNhưưng cng cấấu tru trúúc khc khóó llààm.m.

Giản đồ vùng NL của APD ba Giản đồ vùng NL của APD ba bậc thang. (a) không thiên áp và bậc thang. (a) không thiên áp và (b) thiên áp nghịch. Các bậc (b) thiên áp nghịch. Các bậc thang tròng vùng dẫn khuyến thang tròng vùng dẫn khuyến khích ion hóa tại các vị trí riêng khích ion hóa tại các vị trí riêng rẽ.rẽ.


1616


Khuếch đại và độ đáp ứng.Khuếch đại và độ đáp ứng.ααhh = 0 ; = 0 ; kk = 0.= 0.JJee((xx))-- mmậật t đđộộ d dòngòng đ điiệện do n do ee-- gây ra tgây ra tạại i đđiiểểm m xx..Trong khoTrong khoảảng ng dxdx, trong trung b, trong trung bìình, dòngnh, dòng t tăăng theo hng theo hệệssốố ( ) ( )dxxJxdJ eee α=


Từ đây ta có phương trình vi phân:Từ đây ta có phương trình vi phân:

( )xJdxdJ

eee α=

Lời giải: Lời giải: JJee((xx)=)=JJee(0)exp((0)exp(ααeexx))Optoelectronics 62College of Technology

Khuếch đại Khuếch đại GG = = JJee((ww)/)/JJee(0(0) n) nhhư ư vậy bằng:vậy bằng:

( )wG eαexp= (2.4.1)(2.4.1)

Khi vKhi vấấn n đđềề llàà nhân cnhân cảả hai lohai loạại hi hạạt tt tảải ta ci ta cầần bin biếết t JJee((xx) ) vvàà JJhh((xx). Khi gi). Khi giảả thithiếết cht chỉỉ ee-- đư đượợc tiêm vc tiêm vàào vo vùùng nhân. ng nhân. Do ion hDo ion hóóa do a do ee++ ccũũng tng tạạo ra o ra ee--, nên l, nên lúúc nc nàày:y:

( ) ( )xJxJdxdJ

hheee αα += (2.4.2)(2.4.2)

Do tính trung tính của điện tích Do tính trung tính của điện tích dJdJee//dx dx = = -- dJdJhh//dxdx, nên , nên tổng tổng JJee((xx)+)+JJhh((xx) phải là hằng số cho tất cả ) phải là hằng số cho tất cả xx trong trong đđiều iều kiện dừng.kiện dừng.


Hình 2.4.5 Sự không đổi trong tổng của mật độ dòng Hình 2.4.5 Sự không đổi trong tổng của mật độ dòng ee--&&ee++ qua mặt qua mặt phẳng tại bất kỳ điểm phẳng tại bất kỳ điểm xx nào.nào. (bốn tương tác ion hóa và 5 e(bốn tương tác ion hóa và 5 e--+e+e++ đ đi qua i qua từng mặt phẳng)từng mặt phẳng)


Do giả thiết không có Do giả thiết không có ee++ đư được tiêm vào điểm ợc tiêm vào điểm xx = = ww ; ; JJhh((ww) = 0 nên:) = 0 nên: ( ) ( ) ( )wJxJxJ ehe =+ (2.4.3)(2.4.3)

HìnhHìnhTừ đây ta có thể rút ra Từ đây ta có thể rút ra JJhh((xx), dẫn đến:), dẫn đến:

( ) ( ) ( )wJxJdxdJ

ehehee ααα +−= (2.4.4)(2.4.4)

PT vi phân bậc nhất này có thể giải được cho KĐ PT vi phân bậc nhất này có thể giải được cho KĐ GG = = JJee((ww)/)/JJee(0).(0). Đ Đối với ối với ααee ≠≠ ααhh, k, kếết qut quảả llàà G G = (= (ααe e -- ααhh)/)/ααe e exp[exp[--((ααe e -- ααhh))ww] ] -- ααhh ta c ta cóó::

( )[ ] kk

k

−−−−

=w

Geα1exp

1 (2.4.5)(2.4.5)KKĐ Đ ccủủa a

APDAPD

1717


Hình 2.4.6Hình 2.4.6 Sự Sự phát triển của phát triển của dòng dòng ee-- & & ee++ là là kết quả của quá kết quả của quá trình nhân.trình nhân.

Khi Khi k k = 0= 0 ta có ta có & & kk = = ∞∞ ththìì K KĐ Đ vvẫẫn bn bằằng 1 do chng 1 do chỉỉ ccóó ee-- đư đượợc tiêm vc tiêm vàào o vvàà ee-- không nhân lên. không nhân lên. kk = 1= 1 theo công ththeo công thứức (2.4.5) c (2.4.5) GG không xkhông xáác c đđịịnh vnh vàà K KĐ Đ phphảải i đưđượợc xc xáác c đđịịnh thnh thẳẳng tng từừ (2.4.4) th(2.4.4) thìì G G = 1/(1 = 1/(1 -- ααeeww). ). ĐĐộộ bbấất t ổổn xun xuấất hit hiệện khi n khi ααeew w = 1. = 1.

( )wG eαexp=


HHìình 2.4.7 Snh 2.4.7 Sựự phpháát t tritriểển cn củủa Ka KĐ Đ GG theo theo đđộộddàày cy củủa la lớớp nhâp nhân n đđốối i vvớới vi vàài gii giáá trtrịị ccủủa ta tỷỷ ssốốion hion hóóa a kk, gi, giảả thithiếết t rrằằng chng chỉỉ ccóó tiêm tiêm ee--..

ĐĐộ đáp ứng ộ đáp ứng ℜℜ = = GGηηee//hvhv. . NhNhữững vng vậật lit liệệu u đđááng quan tâm cng quan tâm cũũng chng chíính lnh làà nhnhữững vng vậật t liliệệu du dùùng cho PD, vng cho PD, vớới mi mộột t đđiiềều kiu kiệện ln làà chchúúng phng phảải ci cóóhhệệ ssốố ion hion hóóa a kk cao nhcao nhấất hot hoặặc nhc nhỏỏ nhnhấất. t. APD tAPD từừ Si cSi cóó kk = 0,006, l= 0,006, lààm vim việệc tuyc tuyệệt vt vờời trong vi trong vùùng ng bbưướớc sc sóóng 0,7 ng 0,7 –– 0,9 0,9 µm.


Thời gian đáp ứngThời gian đáp ứng HHìình 2.4.8: nh 2.4.8: (a): tại điểm 1 (a): tại điểm 1 của cạnh vùng hấp thụ quang của cạnh vùng hấp thụ quang ee-- đư được tạo nên. ợc tạo nên. ee-- trôi với trôi với vận tốc bão hòa vvận tốc bão hòa vee, , đđạt tới ạt tới cạnh của vùng nhân (điểm 2) cạnh của vùng nhân (điểm 2) sau khoảng thời gian trôi sau khoảng thời gian trôi wwdd/v/vee. Nội trong vùng nhân . Nội trong vùng nhân ee--

cũng vẫn chuyển động với cũng vẫn chuyển động với vvee. Qua quá trình va chạm . Qua quá trình va chạm ion hóa, nó tạo nên các cặp ion hóa, nó tạo nên các cặp ee--

&&ee++ tại điểm 3 & 4, phát sinh tại điểm 3 & 4, phát sinh ra 2 cặp ra 2 cặp ee--&&ee++. . ee++ chuyển chuyển đđộng về hướng ngược lại với ộng về hướng ngược lại với vvhh, và cũng có thể tạo ra các , và cũng có thể tạo ra các cặp cặp ee--&&ee++, ví dụ tại điểm , ví dụ tại điểm 5&6. Các hạt tải được tạo ra, 5&6. Các hạt tải được tạo ra, đđến lượt mình lại va chạm và ến lượt mình lại va chạm và tạo ra các cặp khác, duy trì tạo ra các cặp khác, duy trì vòng hồi tiếp. Quá trình kết vòng hồi tiếp. Quá trình kết thúc khi thúc khi ee++ cuối cùng rời cuối cùng rời khỏi vùng nhân (điểm 7) và khỏi vùng nhân (điểm 7) và đđi qua vùng trôi tới điểm 8.i qua vùng trôi tới điểm 8.

(b) Dòng của (b) Dòng của ee++&&ee-- cảm ứng trong mạch. Mỗi cặp hạt tải cảm ứng trong mạch. Mỗi cặp hạt tải cảm ứng điện tích cảm ứng điện tích ee trong mạch. Điện tích cảm ứng tổng trong mạch. Điện tích cảm ứng tổng bằng bằng qq, chính là diện tích dưới đường cong , chính là diện tích dưới đường cong iiee((tt)+)+iihh((tt) theo ) theo tt, sẽ bằng , sẽ bằng GeGe. Hình này là tổng quát hóa hình 2.1.3 cho . Hình này là tổng quát hóa hình 2.1.3 cho cặp cặp ee--&&ee++ đơ đơn.n.


Trong APD, ngoài những hiệu ứng bình Trong APD, ngoài những hiệu ứng bình ththưường như: trôi, khuếch tán, ờng như: trôi, khuếch tán, RCRC, ảnh hưởng lên thời , ảnh hưởng lên thời gian gian đđáp ứng của PD, còn có thêm thời gian nhân được áp ứng của PD, còn có thêm thời gian nhân được gọi là: gọi là: thời gian tạo nên thác lũthời gian tạo nên thác lũ. . Tổng thời gian Tổng thời gian ττ đò đòi hi hỏỏi cho toi cho toààn bn bộộ ququáá trtrìình (tnh (từừ đ đ1 1 ––đđ8) l8) làà ttổổng cng củủa ca cáác thc thờời gian truyi gian truyềền (1n (1--2 &72 &7--8) v8) vàà ththờời i gian nhân ký higian nhân ký hiệệu lu làà ττmm::

mh

d

e

d ww ττ ++=vv (2.4.6)(2.4.6)

Do quá trình nhân là ngẫu nhiên nên giá trị Do quá trình nhân là ngẫu nhiên nên giá trị ττmm cũng là cũng là ngẫu nhiên. Trong trường hợp ngẫu nhiên. Trong trường hợp k k = 0 (không nhân lỗ = 0 (không nhân lỗ trống), giá trị cực đại của trống), giá trị cực đại của ττmm::

h

m

e

mm

wwvv

+=τ (2.4.7)(2.4.7)

1818


Đ Đối với các giá trị ối với các giá trị GG lớn, và đối với tiêm lớn, và đối với tiêm ee--

với 0 < với 0 < kk <1, bậc độ lớn của giá trị <1, bậc độ lớn của giá trị ττmm trung bình thu trung bình thu đưđược bởi tăng số hạng đầu trong (2.4.7) với hệ số ợc bởi tăng số hạng đầu trong (2.4.7) với hệ số GGkk::

h

m

e

mm

wwGvv

+≈kτ (2.4.8)(2.4.8)

Lý thuyết chính xác hơn phức tạp hơn nhiều.Lý thuyết chính xác hơn phức tạp hơn nhiều.


Bài tập 2.4.1Bài tập 2.4.1. Thời gian tạo nên thác lũ trong APD . Thời gian tạo nên thác lũ trong APD Si: ta xem xét 1 APD Si với Si: ta xem xét 1 APD Si với wwdd= 50 = 50 µµm, m, wwmm= 0,5 = 0,5 µµm, vm, vee = =

101077cm/s, vcm/s, vhh = 5x10= 5x1066 cm/s, cm/s, GG = 100 v= 100 vàà kk = 0,1. = 0,1. TTínhính ττmm vvàà ττ..

Pt (2.4.7) cho Pt (2.4.7) cho ττmm = 5+10 = 15 ps, còn (2.4.6) cho = 5+10 = 15 ps, còn (2.4.6) cho ττ = 1020 ps = = 1020 ps = 1,02 ns. Mặt khác theo (2.4.8) cho 1,02 ns. Mặt khác theo (2.4.8) cho ττmm = 60 ps, cho nên = 60 ps, cho nên ττ = = 1065 ps =1065 ps =1,07 1,07 ns.ns. Đ Đối với PD ối với PD pp--ii--nn với cùng giá trị với cùng giá trị wwdd, v, vee và và vvhh thời gian truyền thời gian truyền wwdd/v/vee + + wwdd/v/vhh ≈≈ 1 ns. Các kết quả này 1 ns. Các kết quả này không khác nhau lắm bởi không khác nhau lắm bởi ττmm rất nhỏ trong các thiết bị bằng Si.rất nhỏ trong các thiết bị bằng Si.


2.5 Nhiễu trong các đầu thu quang 2.5 Nhiễu trong các đầu thu quang họchọc

Nhiễu quang điện tử.Nhiễu quang điện tử.Nhiễu khuếch đại.Nhiễu khuếch đại.Nhiễu mạch.Nhiễu mạch.Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và độ nhạy của Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và độ nhạy của đđầu thu.ầu thu.


ĐĐầu thu quang là một thiết bị để đo thông ầu thu quang là một thiết bị để đo thông llưượng photon (hoặc công suất quang). ợng photon (hoặc công suất quang). Khả năng để đo một tín hiệu QH rất yếu luôn bị giới Khả năng để đo một tín hiệu QH rất yếu luôn bị giới hạn bởi sự hiện diện của tiếng ồn trong quá trình đo.hạn bởi sự hiện diện của tiếng ồn trong quá trình đo.““TiTiếếng ng ồồnn”” (nhi(nhiễễu) (bruit/ noise) du) (bruit/ noise) dùùng ng đđểể chchỉỉccáác thc thăăng ging giááng ngng ngẫẫu nhiên trong tu nhiên trong tíín hin hiệệu u đđiiệện n do do đđầầu thu quang hu thu quang họọc cung cc cung cấấp.p.TiTiếếng ng ồồn nn nàày luôy luôn n đưđượợc thêm vc thêm vàào to tíín hin hiệệu phu phảải i đđo vo vàà do trong qudo trong quáá trtrìình nh đđo cho chúúng ta không ng ta không ththểể loloạại bi bỏỏ hohoààn ton toààn tin tiếếng ng ồồn, nên mn, nên mụục c đđíích ch ccủủa ta la ta làà ttììm cm cáách tch tốối i đđa hoa hoáá ttỷỷ ssốố ttíín hin hiệệu so u so vvớới tii tiếếng ng ồồnn..

1919


CCáác c khkháái nii niệệm thm thốống kê ng kê ccủủa tia tiếếng ng ồồn n trong ctrong cáác c đđầầu thu quang hu thu quang họọc:c:•• Công suCông suấất ct củủa tia tiếếng ng ồồn n đưđượợc bic biểểu diu diễễn bn bằằng ng phphươương sai ng sai σσ22 ccáác thc thăăng ging giááng cng củủa a đđạại li lưượợng ng đđo o đưđượợc c (dòng (dòng quang quang đđiiệện hay quang hin hay quang hiệệu thu thếế), ), chchẳẳng hng hạạn dòn dòng ng đđiiệện n ởở đ đầầu ra cu ra củủa a đđầầu thu quang u thu quang hhọọc:c:Lý Lý ttưưởng hóa, ởng hóa, iipp = = ηηeeΦΦ==ℜℜPP ((PP = = hvhvΦΦ) ) Trên thTrên thựực tc tếế, dò, dòng ng đđiiệện n ngngẫẫu nhiênu nhiên ii dao dao đđộộng trênng trênddưướới gii giáá trtrịị trung btrung bììnhnh <i><i> ≡≡ iipp = = ηηeeΦΦ==ℜℜPP. . T : thT : thờời gian ti gian tíích phân cch phân củủa a ququáá trtrìình nh đđo (integration o (integration time) hay ltime) hay làà hhằằng sng sốố ththờời i gian cgian củủa ta tíín hin hiệệu u đđiiệện n đưđượợc c đđầầu thu cung cu thu cung cấấpp


•• CCăăn bậc hai của phương sai n bậc hai của phương sai hay cònhay còn đư được gọi ợc gọi là là đđộ lệch chuẩn ộ lệch chuẩn (standard (standard deviation)deviation) đ đặc trưng ặc trưng cho cho tiếng ồn của đại lượng đo tiếng ồn của đại lượng đo ::

•• TrTrưường hợp có ờng hợp có nhiều nguồn tiếng ồn tồn tại nhiều nguồn tiếng ồn tồn tại cùng lúc trong quá trình đo cùng lúc trong quá trình đo tín hiệu quang, tiếng tín hiệu quang, tiếng ồn toàn phần trong quá trình đo được biểu thị ồn toàn phần trong quá trình đo được biểu thị bởi:bởi:


•• ViViệệc c đđo tio tiếếng ng ồồn trong cn trong cáác c đđầầu thu quang hu thu quang họọc thc thưườờng ng đưđượợc gc gắắn lin liềền vn vớới di dảải truyi truyềền qua n qua đđốối vi vớới ti tíín hin hiệệu u đđiiệện n trong htrong hệệ ththốống ng đđo to tíín hin hiệệu quang hu quang họọc, khi mc, khi màà th thông ông llưượợng cng cáác photc photoon tn tớới i đưđượợc bic biếến n đđiiệệu theo thu theo thờời gian.i gian.

•• Tr Trưườờng hng hợợp p đơđơn gin giảản nhn nhấất lt làà tr trưườờng hng hợợp mp màà hhệệ ththốống ng đđo o đđááp p ứứng mng mộột ct cáách ch đđồồng ng đđềều vu vớới mi mọọi ti tầần sn sốố bibiếến n đđiiệệu cu cóó gigiáá trtrịị gigiữữa a ff11 vvàà ff22 ; v; vàà ngongoàài khoi khoảảng tng tầần sn sốốnnàày không cy không cóó đ đááp p ứứng cng củủa ha hệệ ththốống (hng (hay ay đđááp p ứứng bng bằằng ng không) : dkhông) : dảải ri rộộng truyng truyềền qua nhn qua như ư vvậậy by bằằng ng BB = = ∆∆ff = = ff22–– ff11..


•• Trong thTrong thựực tc tếế, , đđááp p ứứng ng đđặặc trc trưưng cng củủa ma mộột t đđầầu thu u thu quang hquang họọc thc thưườờng phng phụụ thuôc vthuôc vàào to tầần sn sốố bibiếến n đđiiệệu. Nu. Nếếu u nhnhư đư đááp p ứứng cng củủa ha hệệ ththốống ng đđo to tíín hin hiệệu quang hu quang họọc thay c thay đđổổi mi mộột ct cáách liên tch liên tụục theo tc theo tầần sn sốố bibiếến n đđiiệệu, ta cu, ta cóó ththểểkhkháái qui quáát hot hoáá khkháái nii niệệm dm dảải truyi truyềền qua n qua đđốối vi vớới ti tíín hin hiệệu u đđiiệện theo n theo đđịịnh nghnh nghĩĩa sau a sau đâđây:y:

TfB

21

=∆=

(quan h(quan hệệ gigiữữa tha thờời gian ti gian tíích phân cch phân củủa ta tíín hin hiệệu quang hu quang họọc c vvàà ddảải truyi truyềền qua n qua đđốối vi vớới ti tíín hin hiệệu u đđiiệện cn củủa ma mộột ht hệệ ththốống ng đđo o ttíín hin hiệệu quang).u quang).

2020


CCóó mmộột vt vàài ngui nguồồn nhin nhiễễu không ku không kếết ht hợợp trong qup trong quáátrtrìình thu photon:nh thu photon:

a.a. NhiNhiễễu photonu photon::

•• ĐĐóó llàà ngunguồồn cn cơ ơ bbảản nhn nhấất ct củủa ca cáác tic tiếếng ng ồồn tn tựự thân thân (inherent noise) trong m(inherent noise) trong mộột qut quáá trtrìình nh đđo to tíín hin hiệệu quang.u quang.

•• TiTiếếng ng ồồn nn nàày y đưđượợc xem lc xem làà ccơ ơ bbảản n vvìì nnóó không xukhông xuấất xt xứứ ttừừccáác sai hc sai hỏỏng hay thing hay thiếếu su sóót ct củủa a đđầầu thu quang hu thu quang họọcc..

•• NguNguồồn gn gốốc cc củủa loa loạại tii tiếếng ng ồồn nn nàày ly làà ởở trong trong ccáác thc thăăng ng gigiááng ngng ngẫẫu nhiên cu nhiên củủa tha thờời gian ti gian tớới i ccủủa ca cáác photon trong c photon trong vvùùng hong hoạạt tt tíính cnh củủa a đđầầu thu.u thu.


TiTiếếng ng ồồn photon nhn photon như ư vvậậy y đđếến tn từừ hai nguhai nguồồn n ::

••-- TiTiếếng ng ồồn do thn do thăăng ging giááng cng củủa ca cáác photon trong tc photon trong tíín n hihiệệu quang tu quang tớới.i.

••-- TiTiếếng ng ồồn n nềnnền là nhiễu photon đi cùng với ánh sáng là nhiễu photon đi cùng với ánh sáng đđi tới đầu thu từ các nguồn sáng khác. Nhiễu nền i tới đầu thu từ các nguồn sáng khác. Nhiễu nền ththưường cá biệt không tốt trong hệ thống thu hồng ờng cá biệt không tốt trong hệ thống thu hồng ngoại giữa và xa bởi vật thể tại nhiệt độ phòng thường ngoại giữa và xa bởi vật thể tại nhiệt độ phòng thường bức xạ dồi dào bức xạ nhiệt trong vùng này.bức xạ dồi dào bức xạ nhiệt trong vùng này.


b.b.NhiNhiễễu quang u quang đđiiệện tn tửử ::•• NguNguồồn gn gốốc cc củủa loa loạại tii tiếếng ng ồồn nn nàày ly làà ởở trong ctrong cáác c

ththăăng ging giááng ngng ngẫẫu nhiên cu nhiên củủa dòa dòng ng đđiiệện tn tạạo co cặặp p bên trong chbên trong chấất bt báán dn dẫẫn, trong qun, trong quáá trtrìình nh đđo to tíín n hihiệệu quang.u quang.

•• ViViệệc tc tạạo eo e--&e&e++ (b(bằằng kng kíích thch thíích quang hay nhich quang hay nhiệệt) t) không thkhông thểể ttạạo ra o ra đưđượợc mc mộột dòt dòng ng đđiiệện hon hoààn ton toààn n khôngkhông đ đổổi i bbởởi vi vìì bbảản chn chấất ct cáác hc hạạt tt tảải i đđiiệện ln làà gigiáán n đđooạạn n vvàà bbởởi vi vìì ththờời i đđiiểểm mm màà chchúúng ng đưđượợc sinh ra c sinh ra llàà ngngẫẫu nhiên.u nhiên.

•• CCáác c ththăăng ging giááng trong dònng trong dòng g đđiiệện n bbắắt ngut nguồồn tn từừththăăng ging giááng cng củủa ma mậật t đđộộ ccáác hc hạạt tt tảải i đđiiệện n trong trong chchấất bt báán dn dẫẫn. Tin. Tiếếng ng ồồn nn nàày y đưđượợc gc gọọi li làà titiếếng ng ồồn n do sdo sựự ttạạo co cặặp vp vàà ttáái hi hợợpp.. Optoelectronics 80College of Technology

c.c. Nhiễu khuếch đạiNhiễu khuếch đại: :

Loại tiếng ồn này tồn tại trong các đầu thu quang Loại tiếng ồn này tồn tại trong các đầu thu quang học có quá trình tạo ra độ khuếch đại nội tại, như học có quá trình tạo ra độ khuếch đại nội tại, như trong diode quang dùng hiệu ứng nhân điện.trong diode quang dùng hiệu ứng nhân điện.

Quá trình khuếch đại dòng quang điện do hiệu ứng Quá trình khuếch đại dòng quang điện do hiệu ứng ion hoá bằng va chạm các nguyên tử là một quá ion hoá bằng va chạm các nguyên tử là một quá trình ngẫu nhiên. Quá trình này làm cộng thêm khá trình ngẫu nhiên. Quá trình này làm cộng thêm khá nhiều tiếng ồn vào dòng quang điện thu được. nhiều tiếng ồn vào dòng quang điện thu được.

G

2121


d.d. Nhiễu mạch thuNhiễu mạch thu: Các linh kiện khác nhau của : Các linh kiện khác nhau của mạch điện của đầu thu quang, như điện trở, mạch điện của đầu thu quang, như điện trở, transistor, transistor, đđều đóng góp phần mình vào nhiễu mạch.ều đóng góp phần mình vào nhiễu mạch.

•• ĐĐó chính là tiếng ồn nhiệt hay tiếng ồn Johnson (hay ó chính là tiếng ồn nhiệt hay tiếng ồn Johnson (hay còn gọi là tiếng ồn Nyquist) có nguồn gốc từ chuyển còn gọi là tiếng ồn Nyquist) có nguồn gốc từ chuyển đđộng nhiệt của các hạt tải điện trong một điện trở.ộng nhiệt của các hạt tải điện trong một điện trở.

•• Tiếng ồn này liên quan đến các thăng giáng ngẫu Tiếng ồn này liên quan đến các thăng giáng ngẫu nhiên của dòng điện do chuyển động nhiệt trong đầu nhiên của dòng điện do chuyển động nhiệt trong đầu thu.thu.


Ngoài ra còn có các nguồn nhiễu khác: Ngoài ra còn có các nguồn nhiễu khác: e.e. NNhiễu dòng tốihiễu dòng tối, tồn tại khi không có ánh sáng. Nó , tồn tại khi không có ánh sáng. Nó đưđược tạo nên bởi các cặp ợc tạo nên bởi các cặp ee--&&ee++ ngẫu nhiên phát sinh ngẫu nhiên phát sinh do nhiệt hay do xuyên ngầm. do nhiệt hay do xuyên ngầm.

f.f. 1/1/ff. . •• CCơ ơ chế vận hành của loại tiếng ồn này không được chế vận hành của loại tiếng ồn này không được

hiểu biết rõ, dù vậy tiếng ồn này tồn tại trong mọi hiểu biết rõ, dù vậy tiếng ồn này tồn tại trong mọi quá trình đo tín hiệu quang.quá trình đo tín hiệu quang.

•• Nó được gọi là tiếng ồn 1/Nó được gọi là tiếng ồn 1/ff bởi vì công suất của bởi vì công suất của tiếng ồn này giảm nhanh theo tần số tiếng ồn này giảm nhanh theo tần số ff, tần số mà ở , tần số mà ở đđó tín hiệu được đo.ó tín hiệu được đo.


22


Đ Đầu thu quang là một thành phần trong hệ thống truyền ầu thu quang là một thành phần trong hệ thống truyền thông tthông tin in đưđược đặc trưng bởi những đại lượng đo được sau:ợc đặc trưng bởi những đại lượng đo được sau:

Hiệu năng của một quá trình đo tín hiệu quang được đặc Hiệu năng của một quá trình đo tín hiệu quang được đặc trtrưưng bằng tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn (SNR ng bằng tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn (SNR –– signal to noise signal to noise ratio)ratio) đư được định nghĩa bằng tỷ số:ợc định nghĩa bằng tỷ số:

Chú ý rằng còn có môt cách biểu diễn khác tỷ số tín hiệu Chú ý rằng còn có môt cách biểu diễn khác tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn: tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn theo công suất được trên tiếng ồn: tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn theo công suất được đđịnh nghĩa bằng tỷ số giữa tín hiệu đo bằng công suất và công ịnh nghĩa bằng tỷ số giữa tín hiệu đo bằng công suất và công suất của tiếng ồn, nghĩa là :suất của tiếng ồn, nghĩa là :

Người ta cũng biểu diễn tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn bằng Người ta cũng biểu diễn tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn bằng décibel (dB):décibel (dB):

NN VVii //SNR ==

2222 //SNR NP VVi == σ

( ) ( ) ( )PdB SNRlog10SNRlog20SNR ==

2222


Đ Đầu thu quang là một thành phần trong hệ ầu thu quang là một thành phần trong hệ thống truyền thông tin được đặc trưng bởi những đại thống truyền thông tin được đặc trưng bởi những đại llưượng đo được sau:ợng đo được sau:

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR)Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR): Của một biến ngẫu : Của một biến ngẫu nhiênnhiên đư được xác định như sau: SNR = (giá trị tb)ợc xác định như sau: SNR = (giá trị tb)22/sự /sự thay thay đđổi = ổi = →→ của nhiễu photon SNR= của nhiễu photon SNR=

Tín hiệu thu được nhỏ nhấtTín hiệu thu được nhỏ nhất: : đưđược xác định như giá ợc xác định như giá trị trung bình có SNR = 1trị trung bình có SNR = 1ĐĐộ nhạy đầu thuộ nhạy đầu thu: cũng giống như tín hiệu thu được : cũng giống như tín hiệu thu được

nhỏ nhất, được xác định như là tín hiệu tương ứng với nhỏ nhất, được xác định như là tín hiệu tương ứng với một giá trị quy định: SNR = SNRmột giá trị quy định: SNR = SNR00. T. Thhưường chọn ờng chọn SNRSNR00=1, =1, tuy nhiên,tuy nhiên, th thưường chọn các giá trị cao hơn để ờng chọn các giá trị cao hơn để tin ttin tưưởng được và độ chính xác tốt (ví dụ SNRởng được và độ chính xác tốt (ví dụ SNR00 = 10 = 10 ––101033 →→ 10 10 --30 dB.30 dB.

22/ ii σ 2n

2/n σ


Nhiễu quang điện tử.Nhiễu quang điện tử.NhiNhiễễu photon:u photon:

Tiếng ồn photon là do các thăng giáng ngẫu nhiên tự Tiếng ồn photon là do các thăng giáng ngẫu nhiên tự thân của các photon chứa trong thông lượng tới.thân của các photon chứa trong thông lượng tới. Gọi Gọi PPincinc là công suất trung bình của tín hiệu quang là công suất trung bình của tín hiệu quang tới, thì thông lượng trung bình các photon là: Φ = tới, thì thông lượng trung bình các photon là: Φ = PPincinc/(/(hνhν) (photons/s)) (photons/s) Số Số nn photon tới trong quãng thời gian tích phân photon tới trong quãng thời gian tích phân TT bị bị ththăăng giáng theo một quy luật xác suất và quy luật này ng giáng theo một quy luật xác suất và quy luật này phụ thuộc vào bản chất vật lý của nguồn bức xạ. Số phụ thuộc vào bản chất vật lý của nguồn bức xạ. Số photon tới trung bình bằng :photon tới trung bình bằng : TΦ=n


•• Đ Đối với các bức xạ phát ra từ một nguồn laser hay ối với các bức xạ phát ra từ một nguồn laser hay một nguồn bức xạ nhiệt mà độ rộng của vạch phổ bức một nguồn bức xạ nhiệt mà độ rộng của vạch phổ bức xạ là rất lớn so với 1/xạ là rất lớn so với 1/TT, sự phân bố xác suất của số , sự phân bố xác suất của số photon tới tuân theo định luật Poisson :photon tới tuân theo định luật Poisson :

•• Trong quá trình này, giữa các photon tới không có Trong quá trình này, giữa các photon tới không có tồn tại một tương quan thời gian nào.tồn tại một tương quan thời gian nào.

•• Ph Phươương sai của phân bố này là :ng sai của phân bố này là : n2n =σ


Tỷ số SNR cuả số photon bởi vậy: Tỷ số SNR cuả số photon bởi vậy: 2n

2/n σ

nSNR = (2.5.1)(2.5.1)Tỷ số tín hiệu trên Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của số photonnhiễu của số photon

Và số photon thu được nhỏ nhất bằng photon. Và số photon thu được nhỏ nhất bằng photon. Nếu như thời gian quan sát Nếu như thời gian quan sát TT = 1 = 1 µµs vs vàà b bưướớc sc sóóng ng λλ0 0 = = 1,241,24µµm, m, đđiiềều nu nàày ty tươương ng đươđương vng vớới công sui công suấất nht nhỏỏ nhnhấất t thu thu đưđượợc 0c 0,16 ,16 pW.pW. Đ Độộ nhnhạạy cy củủa a đđầầu thu, tu thu, tíín hin hiệệu u đòđòi i hhỏỏi i đđểể thu thu đưđượợc SNR = 10c SNR = 1033 (30dB) l(30dB) làà 1000 photon. 1000 photon. Trong khoTrong khoảảng thng thờời gian i gian T T = 1= 10 n0 ns, ts, tươương ng đươđương vng vớới i đđộộnhnhạạy ly làà ccỡỡ 10101111photon/s hophoton/s hoặặc c đđộộ nhnhạạy công suy công suấất quang t quang ccỡỡ 16 nW (t16 nW (tạại i λλ00 = 1,24 = 1,24 µµm).m).

1=n

2323


NhiNhiễễu quang u quang đđiiệện tn tửử::

•• Th Thông ông llưượợng trung bng trung bìình cnh cáác phôton tc phôton tớới i ΦΦ(photons/s) t(photons/s) tạạo ra thôo ra thông lng lưượợng trung bng trung bìình cnh cáác hc hạạt t quang tquang tảải i đđiiệện bn bằằng ng ηηΦΦ (photoelectrons/s).(photoelectrons/s).

SSốố mm ccáác hc hạạt quang tt quang tảải i đđiiệện n đđo o đưđượợc trong c trong quãng thquãng thờời gian ti gian tíích phân ch phân TT llàà mmộột st sốố ngngẫẫu nhiên u nhiên mmàà gigiáá trtrịị trung btrung bìình cnh củủa na nóó bbằằng :ng :

CCáác thc thăăng ging giááng ngng ngẫẫu nhiêu nhiên trong thôn trong thông lng lưượợng ng photon tphoton tớới i đưđượợc chuyc chuyểển n đđổổi thi thàành cnh cáác thc thăăng ging giááng ng ngngẫẫu nhiên cu nhiên củủa ca cáác hc hạạt quang tt quang tảải i đđiiệện bn bằằng cng cơ ơ chchếếđđo to tíín hin hiệệu quang cu quang củủa a đđầầu thu quang hu thu quang họọc.c.

nm η=(2.5.2)(2.5.2)


NNếếu su sựự phân bphân bốố xxáác suc suấất ct cáác phôtôn tc phôtôn tớới tuân theo i tuân theo đđịịnh lunh luậật Poissont Poisson, th, thìì ssựự phân bphân bốố xxáác suc suấất ct củủa ca cáác c hhạạt quang tt quang tảải i đđiiệện cn cũũng tuânng tuân theo theo đđịịnh lunh luậật nt nààyy..


Ph Phươương sai số quang ng sai số quang ee-- sẽ chính xác bằng sẽ chính xác bằng cho nên: cho nên: m nm2

m ησ == (2.5.3)(2.5.3)Từ hệ thức này cho thấy rõ rằng nhiễu quang điện tử Từ hệ thức này cho thấy rõ rằng nhiễu quang điện tử và nhiễu photon là không cộng vào nhau. và nhiễu photon là không cộng vào nhau. Sự ngẫu nhiên ẩn chứa cố hữu trong số photon, vốn Sự ngẫu nhiên ẩn chứa cố hữu trong số photon, vốn đđóng góp nguồn cơ bản cho nhiễu, mà chúng ta phải óng góp nguồn cơ bản cho nhiễu, mà chúng ta phải vvưượt qua khi sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu, bởi ợt qua khi sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu, bởi vậy dẫn đến tỷ số tín hiệu trên nhiễu của số quang vậy dẫn đến tỷ số tín hiệu trên nhiễu của số quang ee--::

nmSNR η== (2.5.4)(2.5.4)TTỷỷ ssốố ttíín hin hiệệu trên u trên nhinhiễễu cu củủa sa sốố quang quang

đđiiệện tn tửửSố quang eSố quang e-- thu thu đưđược thấp nhất khi SNR=1 ợc thấp nhất khi SNR=1 ttươương ứng với ng ứng với ..ĐĐộộ nhnhạạy cho SNR = y cho SNR = 1000 l1000 làà 1000 quang e1000 quang e-- hohoặặc 1000/c 1000/ηη photonphoton

1nm ==η


NhiNhiễễu dòng quang:u dòng quang:

HHìình 2.5.2nh 2.5.2. . Mỗi hạt quang tải điện tạo ra trong mạch ngoài một xung điện Mỗi hạt quang tải điện tạo ra trong mạch ngoài một xung điện có độ rộng có độ rộng ττpp và một điện tích và một điện tích qq = = ee.. NhNhư ư vậy một thông lượng photon tới tạo ra một thông lượng các xung vậy một thông lượng photon tới tạo ra một thông lượng các xung đđiện ở mạch ngoài iện ở mạch ngoài →→ tổng hợp các xung điện này hình thành dòng điện tổng hợp các xung điện này hình thành dòng điện tức thời ở mạch ngoài.tức thời ở mạch ngoài.

nm η=

i(t)~ ηΦ

2424


Trong trTrong trưường hợp mà phân bố xác suất các photon ờng hợp mà phân bố xác suất các photon tới tuân theo định luật Poisson thì tiếng ồn của dòng tới tuân theo định luật Poisson thì tiếng ồn của dòng quang quang đđiện này được gọi làiện này được gọi là tiếng ồn Schottkytiếng ồn Schottky (còn gọi (còn gọi là tiếng ồn "lạo xạolà tiếng ồn "lạo xạo »» -- shot noiseshot noise-- nhiễu lượng tử).nhiễu lượng tử).Vì công thức tính toán loại tiếng ồn này được Schottky Vì công thức tính toán loại tiếng ồn này được Schottky đđề nghị lần đầu tiên.ề nghị lần đầu tiên.[W. Schottky, Ann. Phys. ( Leipzig) 57, 541, 1918][W. Schottky, Ann. Phys. ( Leipzig) 57, 541, 1918]


Đ Đối với xung dòng hình chữ nhật kéo dài ối với xung dòng hình chữ nhật kéo dài TT, , dòng và biến ngẫu nhiên của số quang dòng và biến ngẫu nhiên của số quang ee-- liên hệ với liên hệ với nhau bởi nhau bởi ii =(=(ee//TT))mm, do vậy giá trị trung bình và độ , do vậy giá trị trung bình và độ biến thiên bằng: biến thiên bằng: m

Tei = 2

22

mi Te σσ ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

(2.5.6)(2.5.6)ĐĐộ biến thiên của ộ biến thiên của

dòng quangdòng quang

(2.5.5)(2.5.5)Giá trị trung bình Giá trị trung bình của dòng quangcủa dòng quang

&&

Biei 22 =σ

Φ= ηei

trong trong đđó là số quang eó là số quang e-- thu nhặt được thu nhặt được trong khoảng thời gian trong khoảng thời gian TT=1/2=1/2BB. Lắp vào định . Lắp vào định luật Poisson và ta có giá trị trung bình và độ biến thiên luật Poisson và ta có giá trị trung bình và độ biến thiên của dòng quang điện:của dòng quang điện:

BT 2/Φ=Φ= ηηmm2

m =σ


mSNR =Φ

===BeB

ii

i 222

2 ησ

(2.5.7) (2.5.7) SNR SNR ccủủa dòa dòng quang ng quang

đđiiệệnn

VVí dụí dụ 2.4.1.2.4.1. SNR vSNR vàà đ độộ nhnhạạy cy củủa a đđầầu thu:u thu: Đ Đốối vi vớới = 10 nA i = 10 nA vvàà BB = 100 MHz, = 100 MHz, σσii ≈≈ 0 0,57 ,57 nA, tnA, tươương ng ứứng vng vớới SNR = 310 i SNR = 310 hohoặặc 25 dB. Trung bc 25 dB. Trung bìình cnh củủa 310 quang a 310 quang ee-- thu thu đưđượợc trong tc trong từừng ng khokhoảảng thng thờời gian 1/2i gian 1/2BB ≈≈ 5 5 ns. Tns. Thông hông llưượợng photon thu ng photon thu đưđượợc c nhnhỏỏ nhnhấất bt bằằng ng ΦΦ=2=2BB//ηη, v, vàà đ độộ nhnhạạy cy củủa a đđầầu thu u thu đđốối vi vớới SNR = i SNR = 101033 bbằằng ng ΦΦ=1000(2=1000(2BB//ηη)=2 x 10)=2 x 101111/ / ηη photon/s.photon/s.

i


Nhiễu khuếch đại.Nhiễu khuếch đại.

hvPeGeGi ηη =Φ=

Φ== BGeBieGi ησ 222 22

Trung bình và phương sai của dòng quang cho thiết bị Trung bình và phương sai của dòng quang cho thiết bị có có KKĐ Đ GG cố địnhcố định ( (đưđược định trước) được xác định bởi ợc định trước) được xác định bởi thay thay ee với với qq = = GeGe trong <trong <ii>=>=eeηηΦΦ và và σσii

22 = 2= 2ee<<ii>>BB::

(2.5.16)(2.5.16)

(2.5.17)(2.5.17)

mSNR =Φ

==BeGB

i22ηvàvà (2.5.18)(2.5.18)

SNR không phụ thuộc vào SNR không phụ thuộc vào G.G.

2525


HHìình 2.5.3. nh 2.5.3. TTừừng ng ccặặp p ee--&&ee++ quang quang trong trong đđầầu thu quang u thu quang ccóó K KĐ Đ ssẽẽ phpháát sinh t sinh ra sra sốố ngngẫẫu nhiên u nhiên GGℓℓccặặp p ee--&&ee++, t, từừng cng cặặp p trong strong sốố đ đóó ssẽẽ ttạạo ra o ra xung dòngxung dòng đ điiệện din diệện n ttíích ch eGeGℓℓ trong mtrong mạạch ch thu. Dòthu. Dòng ng đđiiệện tn tổổng ng ii((tt) l) làà ssựự chchồồng chng chậập p ccủủa ca cáác xung nc xung nàày.y.


Nếu biến số ngẫu nhiên Nếu biến số ngẫu nhiên GGℓℓ ccóó gigiáá trtrịị trung trung bbìình <nh <GG>= v>= vàà gigiáá trtrịị trung btrung bìình cnh củủa ba bìình phnh phươương ng <<GG22>>

G

Φ= ηGei

BFiGei 22 =σ

(2.5.19)(2.5.19)

(2.5.20)(2.5.20)

2

2

G

GF = (2.5.21)(2.5.21)

Dòng Dòng quang quang đđiện trung bình iện trung bình và phương sai của nó (đầu và phương sai của nó (đầu thu với KĐ ngẫu nhiên)thu với KĐ ngẫu nhiên)

Hệ số nhiễu dôi lên(hệ số nhiễu do KĐ)

(Excess Noise Factor)

Trong Trong đđó:ó:


Khi tKhi tồồn tn tạại Ki KĐ Đ ngngẫẫu nhiên, SNR bu nhiên, SNR bằằng:ng:

FFB

BFGeii

i

mSNR =

Φ===

2/22

2 ησ (2.5.22)(2.5.22)

là số quang là số quang ee-- trung bình thu được trong khoảng trung bình thu được trong khoảng TT=1/2=1/2BB. Giảm đi so với trường hợp KĐ xác định . Giảm đi so với trường hợp KĐ xác định FF lầnlần

m


HHệệ ssốố nhinhiễễu Ku KĐ Đ cho APD:cho APD:

Hệ số nhiễu KĐ Hệ số nhiễu KĐ FF trở nên phụ thuộc vào trung bình trở nên phụ thuộc vào trung bình của KĐ và tỷ số ion hóa:của KĐ và tỷ số ion hóa:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−+=

GGF 12)1( kk

Hệ số nhiễu do KĐ cho APD (2.5.23)(2.5.23)

PT có giá trị khi PT có giá trị khi ee-- đư được tiêm vào cạnh của vùng nghèo, nhưng ợc tiêm vào cạnh của vùng nghèo, nhưng cả cả ee--&&ee++ đ đều có khả năng khởi đầu tương tác ion hóa. Nhiễu ều có khả năng khởi đầu tương tác ion hóa. Nhiễu KKĐ đưĐ được giảm thiểu khi hệ số ion hóa cho hai loại hạt tải cần ợc giảm thiểu khi hệ số ion hóa cho hai loại hạt tải cần phải càng khác nhau càng tốt. Nhiễu KĐ được đưa vào APD phải càng khác nhau càng tốt. Nhiễu KĐ được đưa vào APD từ: sự ngẫu nhiên trong vị trí xẩy ra ion hóa và quá trình hồi từ: sự ngẫu nhiên trong vị trí xẩy ra ion hóa và quá trình hồi tiếp do cả hai loại hạt tải có thể tạo ra tương tác ion hóa. tiếp do cả hai loại hạt tải có thể tạo ra tương tác ion hóa.

2626


HHìình 2.5.4. nh 2.5.4. HHệệ ssốốnhinhiễễu do Ku do KĐ Đ FF cho cho APD, khi tiêm APD, khi tiêm ee--, l, lààhhààm cm củủa trung ba trung bìình nh ccủủa Ka KĐ Đ <<GG> cho > cho ccáác gic giáá trtrịị ccủủa ta tỷỷ ssốốion hion hóóa a kk khkháác c nhau.nhau. Đ Đốối vi vớới tiêm i tiêm ee++ kk đư đượợc thay bc thay bằằng ng 1/1/kk..


VVí dụí dụ 2.5.22.5.2. H. Hệệ ssốố nhinhiễễu do Ku do KĐ Đ ccủủa APD Si. APD Si ca APD Si. APD Si cóó kk ≈≈0,1 ; <0,1 ; <GG> => = 100 100, tiê, tiêm m đđiiệện tn tửử, c, cóó hhệệ ssốố nhinhiễễu do Ku do KĐ Đ FF = 11,8. = 11,8. SSửử ddụụng APD nng APD nàày ly làmàm t tăăng ging giáá trtrịị trung btrung bìình cnh củủa dòa dòng thu ng thu đưđượợc bc bằằng hng hệệ ssốố 100, trong khi gi100, trong khi giảảm SNR bm SNR bởởi hi hệệ ssốố 11,8. 11,8. Trong phTrong phầần tin tiếếp theo, sp theo, sẽẽ chchỉỉ ra rra rằằng, khi tng, khi tồồn tn tạại nhii nhiễễu mu mạạch sch sửửddụụng APD cng APD cóó ththểể t tăăng SNR tng SNR tổổng thng thểể..


HHệệ ssốố nhinhiễễu do Ku do KĐ Đ cho APD cho APD đđa la lớớp:p:

Về nguyên tắc cả nhiễu do sự ngẫu nhiên về vị trí và Về nguyên tắc cả nhiễu do sự ngẫu nhiên về vị trí và hồi tiếp cho APD có thể loại trừ bằng cách sử dụng hồi tiếp cho APD có thể loại trừ bằng cách sử dụng cấu trúc APD đa lớp. Điện tử trong vùng dẫn có thể cấu trúc APD đa lớp. Điện tử trong vùng dẫn có thể gia tgia tăăng NL ng NL đđủ để xúc tiến tương tác ion hóa tại tại các ủ để xúc tiến tương tác ion hóa tại tại các đđiểm nâng lên trong iểm nâng lên trong cấu trúc bậc thang, loại trừ sự cấu trúc bậc thang, loại trừ sự ngẫu nhiên trong vị tríngẫu nhiên trong vị trí. . Nhiễu hồi tiếp giảm do sự Nhiễu hồi tiếp giảm do sự không nối tiếp của vùng hóa trịkhông nối tiếp của vùng hóa trị, nằm trong hướng , nằm trong hướng không phải tạo ưu thế cho tương tác ion và bởi vậy sẽ không phải tạo ưu thế cho tương tác ion và bởi vậy sẽ dẫn đến giá trị của dẫn đến giá trị của kk nhỏ. nhỏ. Theo lý thuyết, có thể đạt Theo lý thuyết, có thể đạt đưđược nhân hoàn toàn không nhiễu (ợc nhân hoàn toàn không nhiễu (FF=1). Tuy nhiên =1). Tuy nhiên rất khó chế tạo loại thiết bị bậc thang nàyrất khó chế tạo loại thiết bị bậc thang này..


Nhiễu mạch.Nhiễu mạch.NhiNhiễễu nhiu nhiệệt:t:

Nhiễu nhiệtNhiễu nhiệt (hoặc còn được gọi là (hoặc còn được gọi là nhiễu Johnsonnhiễu Johnson hoặc hoặc nhiễu Nyquistnhiễu Nyquist--19281928) ) xuất hiện do chuyển động ngẫu xuất hiện do chuyển động ngẫu nhiên của các hạt tải trong các vật liệu điện trở tại nhiên của các hạt tải trong các vật liệu điện trở tại nhiệt độ nhất địnhnhiệt độ nhất định →→ d dòngòng đ điện ngẫu nhiên iện ngẫu nhiên ii((tt) ngay ) ngay cả khi không có nguồn điện ngoài. Trong điện trở R, cả khi không có nguồn điện ngoài. Trong điện trở R, dòngdòng đ điện do nhiệt là hàm ngẫu nhiên có giá trị trung iện do nhiệt là hàm ngẫu nhiên có giá trị trung bình <bình <ii((tt)> = 0 nghĩa là trong tất cả các hướng bằng )> = 0 nghĩa là trong tất cả các hướng bằng nhau. nhau. PhPhươương sai của dòng ng sai của dòng σσii

22=<i=<i22>t>tăăng cng cùùng nhing nhiệệt t đđộộ..

2727


Sử dụng luận cứ dựa trên cơ học thống kê, Sử dụng luận cứ dựa trên cơ học thống kê, đđiện trở R tại nhiệt độ iện trở R tại nhiệt độ TT thể hiện dòng điện ngẫu nhiên thể hiện dòng điện ngẫu nhiên ii((tt) ) đđặc trưng bởi mật độ phổ công suất:ặc trưng bởi mật độ phổ công suất:

(2.5.24)(2.5.24)( ) ( ) 1/exp4

−=

Tkhfhf

RfS

Bi

Trong vùng Trong vùng f f << << kkBBTT//hh, là vùng tần số mà các đầu thu , là vùng tần số mà các đầu thu QH vận hành, bởi QH vận hành, bởi kkBBTT//hh = 6,25 THz tại nhiệt độ = 6,25 THz tại nhiệt độ phòng, exp(phòng, exp(hf hf //kkBBTT) ) ≈≈ 1+ 1+ hf hf //kkBBTT nên: nên:

( ) RTkfS Bi /4≈(2.5.25)(2.5.25)

PhPhươương sai của dòng điện:ng sai của dòng điện: ( )∫=B

ii dffS0

2σOptoelectronics 106College of Technology

Khi Khi BB << << kkBBTT//hh ta thu ta thu đưđược:ợc:

RTBkBi /42 ≈σ (2.5.26)(2.5.26)Phương sai của dòng nhiễu nhiệt trong điện

trở R

HHìình 2.5.5. nh 2.5.5. ĐĐiiệện trn trởở R tR tạại nhii nhiệệt t đđộộ T T ttươương ng đươđương vng vớới i đđiiệện trn trởở không nhikhông nhiễễu u mmắắc song song vc song song vớới ni nóó vvớới ngui nguồồn nhin nhiễễu u dòng cdòng cóó ph phươương sai theo CT (2.5.26) ng sai theo CT (2.5.26) ((σσii

22=<=<i i 22> > ≈≈ 44kkBBTBTB//R R )) ..

BBàài ti tậập 2.5.3p 2.5.3. Nhi. Nhiễễu nhiu nhiệệt trong t trong đđiiệện trn trởở: : ĐĐiiệện trn trởở 1 k1 kΩΩ ttạại T = i T = 300K, trong m300K, trong mạạch cch cóó đ độộ rrộộng dng dảải B = 100 MHzi B = 100 MHz, th, thểể hihiệện dòng n dòng nhinhiễễu nhiu nhiệệt t rmsrms σσii ≈≈ 41 nA.41 nA.


*T*Tíính mnh mậật t đđộộ phphổổ công sucông suấất ct củủa nhia nhiễễu nhiu nhiệệt:t:Bây giờ ta tính công thức (2.5.24) bằng cách chứng minh rằng công suất điện đi cùng nhiễu nhiệt trong điện trở là giống như công suất điện từ bức xạ bởi vật đen một chiều. Hệ số hf/exp[(hf/kBT)-1] trong (2.5.24) được ghi nhận như năng lượng trung bình <E> của mode điện từ tần số f (ký hiệu v dùng cho các tần số quang học) trong cân bằng nhiệt tại nhiệt độ T (xem mục 12.3.8). Phương trình này do vậy có thể viết dưới dạng Si(f)R=4<E>. Công suất điện tiêu hao do dòng nhiễu i đi qua điện trở R là <i2>R=σi2R, cho nên số hạng Si(f)R thể hiện mật độ công suất điện (qua Hz) tiêu hao bởi dòng điện i(t) qua R. Chúng tôi chứng minh rằng 4<E> là mật độ công suất bức xạ bởi vật đen 1 chiều.


Tham sTham sốố nhinhiễễu mu mạạch:ch: đ đầầu thu quang giu thu quang giớới hi hạạn n -- đ điiệện trn trởở vvàà gigiớới hi hạạn n –– khukhuếếch ch đđạại:i:

iirr –– nguồn nhiễu tổng thể tương đương trong mạch.nguồn nhiễu tổng thể tương đương trong mạch.<<iirr> = 0 và > = 0 và σσrr

22 phphụụ thuthuộộc vc vàào: nhio: nhiệệt t đđộộ, , BB, c, cáác tham sc tham sốốmmạạch, vch, vàà loloạại thii thiếết bt bịị..

HHìình 2.5.6. nh 2.5.6. NhiNhiễễu trong mu trong mạạch cch củủa a đđầầu thu cu thu cóó ththểể đư đượợc thay bc thay bằằng ng ngunguồồn dòng ngn dòng ngẫẫu nhiêu nhiên n đơđơn vn vớới gii giáá trtrịị σσrr..

2828


Ta Ta đưđưa vào một đại lượng không đơn vị a vào một đại lượng không đơn vị σσqqbbằằng: ng:

BeeT rr

q 2σσσ == (2.5.27)(2.5.27)

σσrr llàà gigiáá trtrịị c căăn bn bậậc hai (cbh) cc hai (cbh) củủa nhia nhiễễu dòu dòng ng đđiiệện (n (σσii22)), ,

σσrr//ee llàà cbh ccbh củủa thôa thông lng lưượợng ng ee-- ((ee--/s) xu/s) xuấất hit hiệện do nhin do nhiễễu u mmạạch, vch, vàà σσqq=(=(σσrr//ee))TT ththểể hihiệện sn sốố cbh ccbh củủa ca cáác c ee-- nhinhiễễu u mmạạch thu ch thu đưđượợc trong thc trong thờời gian i gian TT. Ph. Phầần sau sn sau sẽẽ chchứứng ng minh cho thminh cho thấấy ly làà tham stham sốố nhinhiễễu mu mạạch ch σσqq xxứứng ng đđááng ng đđặặc trc trưưng cho phng cho phẩẩm chm chấất ct củủa ma mạạch ch đđầầu thu quang.u thu quang.


HHìình 2.5.7. nh 2.5.7. ĐĐầầu thu quang du thu quang dùùng ng đđiiệện trn trởở chchặặn.n.

Đ Đầu thu là ầu thu là loại giới hạn điện trởloại giới hạn điện trở nếu như dòng nếu như dòng nhiễu mạch do nhiễu nhiệt trong điện trở chặn cơ bản nhiễu mạch do nhiễu nhiệt trong điện trở chặn cơ bản nhiều hơn các nguồn khác. KĐ có thể được coi như nhiều hơn các nguồn khác. KĐ có thể được coi như không nhiễu và dòng trung bình của bình phương không nhiễu và dòng trung bình của bình phương nhiễu mạch đơn giản bằng:nhiễu mạch đơn giản bằng:

2/1

2 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

BReTk

L

Bqσ (2.5.28)(2.5.28)

Tỷ lệ nghịch với cbh Tỷ lệ nghịch với cbh của Bcủa B


BBàài ti tậập 2.5.4p 2.5.4. Tham s. Tham sốố nhinhiễễu mu mạạch. Tch. Tạại nhii nhiệệt t đđộộ ph phòng,òng, đ điiệện n trtrởở RRLL = 50 = 50 ΩΩ trong mtrong mạạch cch cóó đ độộ rrộộng dng dảải i BB = 100 MHz. T= 100 MHz. Tíính nh

σσrr và và tham stham sốố nhinhiễễu mu mạạch ch σσqq..

σσrr = 0,18 = 0,18 µµAA

σσqq ≈≈ 57005700


Đ Đầu thu sử dụng KĐ thiết kế tốt, nhiễu thấp ầu thu sử dụng KĐ thiết kế tốt, nhiễu thấp có thể mang lại tham số nhiễu mạch thấp hơn là mạch có thể mang lại tham số nhiễu mạch thấp hơn là mạch giới hạngiới hạn--đđiện trở. Ta xem xét đầu thu sử dụng KĐ iện trở. Ta xem xét đầu thu sử dụng KĐ FET. Nếu như điện trở vào lớn, nhiễu của KĐ có thể FET. Nếu như điện trở vào lớn, nhiễu của KĐ có thể bỏ qua, đầu thu bị giới hạn bởi nhiễu nhiệt trong kênh bỏ qua, đầu thu bị giới hạn bởi nhiễu nhiệt trong kênh nguồn và kênh máng của FET. nguồn và kênh máng của FET. BBằằng cng cáách sch sửử ddụụng bng bộộ ccàào bo bằằng ng đđểể t tăăng thng thếế ccáác tc tầần sn sốốcao vcao vốốn bn bịị suy gisuy giảảm bm bởởi tri trởở khkhááng ng đđiiệện dung ln dung lốối vi vàào o ccủủa ma mạạch, tham sch, tham sốố nhinhiễễu mu mạạch tch tạại nhii nhiệệt t đđộộ ph phòngòng đ đốối i vvớới ci cáác gic giáá trtrịị ththàành phnh phầần cn củủa ma mạạch tiêu bich tiêu biểểu su sẽẽ ththàành: nh:

100

2/1Bq ≈σ (2.5.29)(2.5.29)

Tham sTham sốố nhinhiễễu mu mạạch ch ((đđầầu thu cu thu cóó K KĐ Đ FET)FET)

2929


Ví dụ Ví dụ BB=100 MHz, thì =100 MHz, thì σσqq=100. Nhỏ đáng kể so với =100. Nhỏ đáng kể so với tham số nhiễu mạch đối với hệ KĐ giới hạn điện trở tham số nhiễu mạch đối với hệ KĐ giới hạn điện trở của cùng một độ rộng dải của cùng một độ rộng dải BB. Tham số nhiễu mạch . Tham số nhiễu mạch σσqq

ttăăng với ng với BB bởi hiệu ứng của bộ cào bằng.bởi hiệu ứng của bộ cào bằng.


Nhiễu 1/Nhiễu 1/ff.. Tiếng ồn này được đặc trưng bằng sự giảm biên độ Tiếng ồn này được đặc trưng bằng sự giảm biên độ của phương sai theo một quy luật gần đúng 1/của phương sai theo một quy luật gần đúng 1/ff, với , với ff là là tần số ở đó tiếng ồn được đo. Vì lý do đó mà loại tiếng tần số ở đó tiếng ồn được đo. Vì lý do đó mà loại tiếng ồn này được gọi tên là tiếng ồn 1/ồn này được gọi tên là tiếng ồn 1/ff.. Biểu thức thực nghiệm của phương sai tiếng ồn này Biểu thức thực nghiệm của phương sai tiếng ồn này đưđược viết :ợc viết :

β

α

σf

BCiDC=2

CC: hằng số phụ thuộc vào loại đầu thu QH : hằng số phụ thuộc vào loại đầu thu QH đưđược sử dụng ;ợc sử dụng ;iiDCDC: d: dòngòng đ điện một chiều chảy qua đầu thu iện một chiều chảy qua đầu thu quang học;quang học;αα : giá trị tiêu biểu là 2, nhưng giá trị đo được : giá trị tiêu biểu là 2, nhưng giá trị đo được thay thay đđổi trong quãng 1,5 ổi trong quãng 1,5 -- 4;4;ββ : giá trị tiêu biểu là 1, nhưng giá trị đo được : giá trị tiêu biểu là 1, nhưng giá trị đo được thay thay đđổi trong quãng 0,8 ổi trong quãng 0,8 –– 1,5.1,5.


Nh Như ư vậy tiếng ồn 1/vậy tiếng ồn 1/ff đư được viết là:ợc viết là:

Vì thành phần được biến điệu của dòng quang điện Vì thành phần được biến điệu của dòng quang điện khôngkhông đ đóng góp vào tiếng ồn 1/óng góp vào tiếng ồn 1/ff thể loại bỏ tiếng ồn thể loại bỏ tiếng ồn này trong quá trình đo bằng cách làm biến điệu tín này trong quá trình đo bằng cách làm biến điệu tín hiệu quang tới và lọc bỏ thành phần không đổi (hay hiệu quang tới và lọc bỏ thành phần không đổi (hay dòngdòng đ điện một chiều), chẳng hạn bằng phép dò đồng iện một chiều), chẳng hạn bằng phép dò đồng bộ (détection synchrone/ lockbộ (détection synchrone/ lock--in amplification)in amplification)

β

α

σf

BCiDC=


Phổ của công suất tiếng ồn trong đầu thu quang Phổ của công suất tiếng ồn trong đầu thu quang học bán dẫn (tiếng ồn do tạo cặp và tái hợp, tiếng ồn nhiệt và học bán dẫn (tiếng ồn do tạo cặp và tái hợp, tiếng ồn nhiệt và tiếng ồn 1/tiếng ồn 1/ff) ) đưđược biểu diễn trên hình:ợc biểu diễn trên hình:

Trong đường biểu diễn phổ này ta thấy rằng tiếng ồn do tạo cặp và tái hợp cũng như tiếng ồn nhiệt là các tiếng ồn trắng (bruits blancs/ white noises).

3030


Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và độ Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và độ nhạy của đầu thu.nhạy của đầu thu.

Mọi đầu thu quang học đều tạo ra nhiễu và tiếng ồn Mọi đầu thu quang học đều tạo ra nhiễu và tiếng ồn này cộng thêm vào tín hiệu cần đo.này cộng thêm vào tín hiệu cần đo.

Mục đích không phải là chỉ đi tìm riêng tín hiệu Mục đích không phải là chỉ đi tìm riêng tín hiệu (dòng (dòng quang quang đđiện iiện iSS chẳng hạn) mà là tách tín hiệu cần chẳng hạn) mà là tách tín hiệu cần đđo ra khỏi tiếng ồn (dòng điện tiếng ồn io ra khỏi tiếng ồn (dòng điện tiếng ồn iNN chẳng hạn).chẳng hạn).→→ ĐĐo một tín hiệu, như vậy, là tìm cách thu được một o một tín hiệu, như vậy, là tìm cách thu được một tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR lớn nhất có thể thu đượctỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR lớn nhất có thể thu được..


PhPhéép p đđo o đơđơn gin giảản nhn nhấất vt vềề chchấất lt lưượợng cng củủa a đđầầu thu lu thu lààSNR. SNR cSNR. SNR củủa dòng trên la dòng trên lốối vi vàào trong mo trong mạạch không ch không nhinhiễễu u (h2.5.6)(h2.5.6) llàà ttỷỷ ssốố ccủủa ba bìình phnh phươương dòng trung ng dòng trung bbìình trên tnh trên tổổng cng cáác phc phươương sai cng sai củủa ca cáác nguc nguồồn tn tạạo nhio nhiễễuu

( )222

2

2

2

22 rr FBGeGe

BFiGei

σηη

σ +ΦΦ

=+

=SNR

SNR của đầu thu quang

(2.5.30)(2.5.30)

ThThàành phnh phầần n đđầầu tiên trong mu tiên trong mẫẫu su sốố ththểể hihiệện n nhinhiễễu quang u quang đđiiệện tn tửử vvàà K KĐĐ. Th. Thàành phnh phầần 2: n 2: nhinhiễễu mu mạạch.ch. Đ Đầầu thu khôu thu không Kng KĐ Đ <<GG>=1 & >=1 & FF=1.=1.


Thuận tiện khi thể hiện SNR qua số trung Thuận tiện khi thể hiện SNR qua số trung bình của số quang ebình của số quang e-- thu thu đưđược trong thời gian phân ợc trong thời gian phân giải của đầu thu giải của đầu thu TT = 1/2= 1/2BB

m

BT

2Φ

=Φ=ηηm (2.5.31)(2.5.31)

và tham số nhiễu mạch và tham số nhiễu mạch σσqq==σσrr/2/2BeBe, bi, biểểu thu thứức cuc cuốối ci cùùng ng bbằằng:ng:

22

22

qσFGG

+=

mm

SNR (2.5.32)(2.5.32)SNR của đầu thu quang

ĐĐối với PD không KĐ ối với PD không KĐ <<GG> = > = F F = 1= 1 2

qσ+=

mm

SNR2

(2.5.33)(2.5.33)Optoelectronics 120College of Technology

BBàài ti tậập 2.5.5p 2.5.5. SNR c. SNR củủa a đđầầu thu cu thu cóó đ điiệện trn trởở chchặặn. Gin. Giảả thithiếết rt rằằng ng đđầầu thu quang trên hu thu quang trên hìình (2.5.7) dnh (2.5.7) dùùng PD ng PD pp--ii--nn l lý ý ttưưởởng (ng (ηη = 1) = 1) vvàà đ điiệện trn trởở RRLL bbằằng 50 ng 50 ΩΩ ttạại nhii nhiệệt t đđộộ phòng (phòng (TT = = 300K).300K). Đ Độộrrộộng dng dảải i BB = 100 MHz. T= 100 MHz. Tạại gii giáá trtrịị nnàào co củủa thôa thông lng lưượợng photon ng photon ΦΦ ththìì ph phươương sai dòng cng sai dòng củủa nhia nhiễễu quang u quang đđiiệện tn tửử bbằằng phng phươương ng sai csai củủa dòng nhia dòng nhiễễu nhiu nhiệệt ct củủa a đđiiệện trn trởở? Công su? Công suấất quang tt quang tươương ng ứứng bng bằằng bao nhiêu tng bao nhiêu tạại i λλ00 = 1,55 = 1,55 µµm?m?..

3131


SSựự phphụụ thuthuộộc cuc cuảả SNR vSNR vàào thôo thông lng lưượợng photonng photonTrTrưước tiên xem xét PD không có KĐ. ớc tiên xem xét PD không có KĐ.

Giới hạn nhiễu mạchGiới hạn nhiễu mạch: Nếu : Nếu ΦΦ khkháá nhnhỏỏ, nên, nên( ), nhi( ), nhiễễu photon cu photon cóó ththểể bbỏỏ qua vqua vàà nhinhiễễu u mmạạch trch trộội hi hơơn, ta cn, ta cóó::

GiGiớới hi hạạn nhin nhiễễu photonu photon: Khi : Khi ΦΦ khá lớn, nênkhá lớn, nên( ), thành phần nhiễu mạch có thể bỏ qua ( ), thành phần nhiễu mạch có thể bỏ qua và và

B/ 2Φ=ηm2qσ<<m

ησ /2 2qB<<Φ

2qσ>>m

ησ /2 2qB>>Φ

2SNRqσ

2m≈ (2.5.34)(2.5.34)

m≈SNR (2.5.35)(2.5.35)

2qσ+

=m

mSNR

2

&&


HHìình 2.5.8. nh 2.5.8. HHààm phm phụụ thuthuộộc cc củủa SNR va SNR vàào so sốố quang quang ee-- trung btrung bìình nh trên thtrên thờời gian phân gii gian phân giảải ci củủa a đđầầu thu, , cho PD vu thu, , cho PD vớới hai i hai gigiáá trtrịị ccủủa tham sa tham sốố nhinhiễễu mu mạạch ch σσqq..

B/ 2Φ=ηm


Khi nKhi nàào so sửử ddụụng APD ng APD đđảảm bm bảảo to tíính nh ưưu viu việệt:t:

So sánh So sánh

•• khá nhỏ (hoặc khá nhỏ (hoặc ΦΦ) ) →→ nhiễu mạch vượt trội. KĐ nhiễu mạch vượt trội. KĐ dòng dòng quang quang đđiện lên trên mức của nhiễu mạch sẽ cải iện lên trên mức của nhiễu mạch sẽ cải thiện SNR thiện SNR →→ ĐĐầu thu APD tốt hơnầu thu APD tốt hơn. .

•• đ đủ lớn (hoặc ủ lớn (hoặc ΦΦ), nhiễu mạch sẽ không đáng kể. ), nhiễu mạch sẽ không đáng kể. KKĐ Đ dòng dòng quang quang đđiện sẽ đưa vào nhiễu KĐ, bởi vậy iện sẽ đưa vào nhiễu KĐ, bởi vậy giảm SNR giảm SNR →→ ĐĐầu thu PD tốt hơnầu thu PD tốt hơn. .

m

m

22

22

qσFGG

+=

mm

SNR && 2qσ+

=m

mSNR

2


Nếu như điều kiện này không được đáp ứng, sử dụng Nếu như điều kiện này không được đáp ứng, sử dụng APD sẽ hại hơn là nâng cao chất lượng hoạt động của APD sẽ hại hơn là nâng cao chất lượng hoạt động của đđầu thu. Khi ầu thu. Khi σσqq rất nhỏ, ta thấy rõ từ công thức rằng rất nhỏ, ta thấy rõ từ công thức rằng SNR của APD = sẽ thua kém hơn của PD SNR SNR của APD = sẽ thua kém hơn của PD SNR = . = . m

F/m

( )1/2 −< Fσqm1>>G

( ) ( )1//11 22 −−< FGσqm

So sSo sáánh nh 2qσ+

=m

mSNR

2

&&22

22

qσFGG

+=

mm

SNR

SNR của APD lớn hơn của PD khi SNR của APD lớn hơn của PD khi

ĐĐốối vi vớới: i: thì APD sẽ ưu việtthì APD sẽ ưu việt

3232


HHìình 2.5.9. nh 2.5.9. HHààm phm phụụ thuthuộộc cc củủa SNR va SNR vàào cho PD o cho PD ((đưđườờng ng liliềền nn néét) cho APD vt) cho APD vớới vi vàà hhệệ ssốố nhinhiễễu Ku KĐ Đ FF = = 2 2 ((đưđườờng gng gạạch ch nnốối) i) thu thu đưđượợc tc từừ công thcông thứức (2.5.32). Tham sc (2.5.32). Tham sốố nhinhiếếu mu mạạch ch σσqq= 100 = 100 cho ccho cảả hai tr hai trưườờng hng hợợp. p. TrTrưườờng hng hợợp p ΦΦ nhnhỏỏ, APD c, APD cóó SNR cao h SNR cao hơơn n ccủủa PD.a PD. Đ Đốối vi vớới i ΦΦ llớớn, PD tn, PD tốốt ht hơơn APD. Sn APD. Sựự chuychuyểển gin giữữa hai va hai vùùng tng tạại i ..

B/ 2Φ=ηm

100=G

( ) 42 101/ =−≈ FσqmOptoelectronics 126College of Technology

SSựự phphụụ thuthuộộc cc củủa SNR va SNR vàào Ko KĐ Đ ccủủa APD:a APD:Sử dụng APD có lợi khi thông lượng photon nhỏ sao Sử dụng APD có lợi khi thông lượng photon nhỏ sao cho . cho . KKĐ Đ tối ưu của APD bây giờ được tối ưu của APD bây giờ được bằng:bằng:

( )1/2 −< Fσqm

mm

SNR/22

2

qσFGG+

= (2.5.37)(2.5.37)

ĐĐối với APD, bản thân hệ số nhiễu KĐ ối với APD, bản thân hệ số nhiễu KĐ FF là hàm số là hàm số của . Thay của . Thay FF vào ta có: vào ta có: G

mm

SNR/)2)(1( 223

2

qσGGGG

+−−+=

kk(2.5.38)(2.5.38)


HHìình 2.5.10. nh 2.5.10. HHààm phm phụụ thuthuộộc cc củủa SNR va SNR vàào Ko KĐ Đ trung btrung bìình cnh củủa APD a APD đđốối vi vớới ci cáác tc tỷỷ ssốố ion hion hóóa a kk khkháác nhau khi <m> = 1000 vc nhau khi <m> = 1000 vàà σσqq = 500.= 500.


SSựự phphụụ thuthuộộc cc củủa SNR va SNR vàào o đđộộ rrộộng ng ddảải ci củủa a đđầầu thu:u thu:

SNR bị chi phối bởi sự phụ thuộc vào phương sai của SNR bị chi phối bởi sự phụ thuộc vào phương sai của dòng nhiễu mạch dòng nhiễu mạch σσrr

22 vvàào o BB. Xem x. Xem xéét ba lot ba loạại i đđầầu thu:u thu: Đ Đầầu thu giu thu giớới hi hạạn n -- đ điiệện trn trởở ththểể hihiệện n σσrr

22∝∝BB(xem(2.5.26)) nên: (xem(2.5.26)) nên: SNR SNR ∝∝ BB--11 (2.5.38)(2.5.38) Đ Đầầu thu Ku thu KĐ Đ FET tuân theo FET tuân theo σσqq ∝∝ BB1/21/2 [xem(2.5.29)] [xem(2.5.29)]

nên nên σσrr = 2= 2eBeBσσqq ∝∝ BB3/23/2> > ĐĐiiềều nu nàày chy chứứng tng tỏỏ rrằằng sng sựự phphụụthuthuộộc cc củủa SNR va SNR vàào o BB ccóó ddạạng ng SNR SNR ∝∝ ((BB ++sBsB33))--11

(2.5.39) (2.5.39) ss llàà hhằằng sng sốố

( )222

2

2

2

22 rr FBGeGe

BFiGei

σηη

σ +ΦΦ

=+

=SNR

3333


K KĐ Đ transitor ltransitor lưưỡng cực có tham số nhiễu mạch ỡng cực có tham số nhiễu mạch σσqqhhầầu nhu như ư không phkhông phụụ thuthuộộc vc vàào B.o B. Nh Như ư vvậậy y σσrr ∝∝ B, nên B, nên SNR cSNR cóó ddạạng: ng:

SNR SNR ∝∝((BB ++ss’’BB22))--11 (2.5.40)(2.5.40)ss’’ llàà hhằằng sng sốốHHệệ ththứức nc nàày y đưđượợc thc thểể hihiệện trên hn trên hìình trang sau. SNR nh trang sau. SNR luôn giluôn giảảm khi m khi BB t tăăng.ng. Đ Đốối vi vớới i đđộộ rrộộng dng dảải i đđủủ nhnhỏỏ, t, tấất t ccảả ccáác c đđầầu thu u thu đđềều cu cóó SNR phSNR phụụ thuthuộộc vc vàào o BB--11. . ĐĐốối vi vớới i đđộộ rrộộng dng dảải li lớớn, SNR cn, SNR củủa ca cáác c đđầầu thu Ku thu KĐ Đ FET vFET vààtransitor ltransitor lưưỡỡng cng cựực nghiêc nghiêng ng đđộột ngt ngộột ht hơơn vn vớới i BB..


HHìình 2.5.11. nh 2.5.11. ĐĐồồ ththịị logarit logarit đôđôi thi thểể hihiệện sn sựự phphụụ thuthuộộc cc củủa SNR va SNR vàào o đđộộ rrộộng dng dảải B cho 3 loi B cho 3 loạại i đđầầu thu.u thu.


ĐĐộộ nhnhạạy cy củủa a đđầầu thu:u thu:

ĐĐộ nhạy của đầu thu là thông lượng photon cực tiểu ộ nhạy của đầu thu là thông lượng photon cực tiểu ΦΦ00, (, (ttươương ng ứứng vng vớới i PP00==hvhvΦΦ00 vvàà ssốố quang quang ee-- trung btrung bììnhnh ) ), , đđểể đ đạạt t đưđượợc gic giáá trtrịị ccủủa SNRa SNR00 quy quy đđịịnh. Ginh. Giảải SNR = SNRi SNR = SNR0 0 ccóó ththểể xxáác c đđịịnh nh đưđượợc . Ta sc . Ta sẽẽchchỉỉ xem xxem xéét trt trưườờng hng hợợp cp củủa a đđầầu thu cu thu cóó K KĐ Đ bbằằng 1,ng 1, đ đểểccóó llờời gii giảải chung hi chung hơơn (n (bbàài ti tậập)p)..GiGiảải PT bi PT bậậc hai (c hai (2.5.33) 2.5.33) cho ta thu cho ta thu đưđượợc:c:

B/ 20Φ=η0m

0m

0m

( )[ ]2/10

22002

1 SNR4SNRSNR qσ++=0m (2.5.41)(2.5.41)


Hai trHai trưường hợp giới hạn nổi lên:ờng hợp giới hạn nổi lên:

qq

q

σ

σ

σ2/10

02

002

)(4

SNR4

SNR

SNRm:

SNRm:

0

0

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ >>

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ <<

(2.5.42)(2.5.42)

(2.5.43)(2.5.43)

Giới hạn Giới hạn nhiễu nhiễu

photonphoton

Giới hạn Giới hạn nhiễu mạchnhiễu mạch

ĐĐộ nhạy của đầu thuộ nhạy của đầu thu

Khi sử dụng (2.5.41) để tính độ nhạy của đầu thu, cần phải Khi sử dụng (2.5.41) để tính độ nhạy của đầu thu, cần phải nhớ trong đầu rằng nhớ trong đầu rằng σσqq nnóói chung phi chung phụụ thuthuộộc vc vàào o BB nh như ư sau: sau: đđầầu u thu thu đđiiệện trn trởở chchặặn n σσqq∝∝ BB--1/21/2; K; KĐ Đ FET FET σσqq ∝∝ BB1/21/2 c còn òn KKĐ Đ transitor ltransitor lưưỡỡng cng cựực c σσqq không phkhông phụụ thuthuộộc vc vàào o BB..

3434


HHìình 2.5.12. nh 2.5.12. ĐĐồồ ththịị logarit logarit đôđôi ci củủa a đđộộ nhnhạạy y đđầầu thu (su thu (sốố quang equang e--

trung btrung bìình cnh cựực tic tiểểu trên thu trên thờời gian phân gii gian phân giảải i TT=1/2=1/2BB đ đảảm bm bảảo cho o cho SNRSNR00 ccựực tic tiểểu) lu) làà hhààm sm sốố phphụụ thuthuộộc vc vàào o BB cho 3 locho 3 loạại i đđầầu thu. Cu thu. Cáác c đưđườờng cong ting cong tiệệm cm cậận gin giớới hi hạạn nhin nhiễễu photon tu photon tạại gii giáá trtrịị ccủủa a BB sao cho sao cho

trong ttrong tấất ct cảả mmọọi tri trưườờng hng hợợp.p.

0m

002

4SNR

SNRm: 0 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ <<qσ


BBàài ti tậập 2.5.6p 2.5.6. . ĐĐộộ nhnhạạy cy củủa a đđầầu thu. Giu thu. Giảả thithiếết rt rằằng SNRng SNR00=10=1044, , ttươương ng ứứng vng vớới SNR 40 dB. Ni SNR 40 dB. Nếếu nhu như ư tham stham sốố nhinhiễễu mu mạạch ch σσq q << << 50,50, đ đầầu thu lu thu làà gigiớới hi hạạn nhin nhiễễu photon vu photon vàà đ độộ nhnhạạy cy củủa na nóó

=10,000 quang =10,000 quang ee-- trên thtrên thờời gian phân gii gian phân giảải ci củủa a đđầầu thu.u thu. Trong trTrong trưườờng hng hợợp cp cóó khkhảả n năăng hng hơơn khi n khi σσq q >> 50>> 50, , đđộộ nhnhạạy cy củủa a đđầầu thu u thu ≈≈ 100100 σσqq. N. Nếếu u σσqq = 500, th= 500, thìì đ độộ nhnhạạy =y = 50 50,000, ,000, ttươương ng ứứng vng vớới 2i 2BB = 10= 1055BB quang quang ee--/s./s. Đ Độộ nhnhạạy công suy công suấất quang Pt quang P00= 2= 2BB hvhv//ηη = = 101055hBv/hBv/ηη ttỷỷ llệệ thuthuậận vn vớới i B. B. NNếếu u BB = 100 MHz = 100 MHz vvàà ηη = = 0,8, 0,8, sau sau đđóó ttạại i λλ00 = 1,55 = 1,55 µµmm đ độộ nhnhạạy cy củủa a đđầầu thu u thu PP00 ≈≈1,61,6µµW. W.

0m

0m0m

0m


BBàài ti tậập 2.5.7p 2.5.7. . ĐĐộộ nhnhạạy cy củủa a đđầầu thu APD. Hãy tu thu APD. Hãy tíính binh biểểu thu thứức c ttươương tng tựự ( (2.5.41) 2.5.41) cho cho đđộộ nhnhạạy cy củủa a đđầầu thu APD cu thu APD cóó K KĐ Đ <<GG> > vvàà hhệệ ssốố nhinhiễễu do Ku do KĐ Đ FF. Ch. Chứứng minh rng minh rằằng trong ging trong giớới hi hạạn n nhinhiễễu mu mạạch khônch không g đđááng kng kểể, , đđộộ nhnhạạy cy củủa a đđầầu thu u thu đơđơn gin giảản n ththàành:nh:

0SNR.F=0m


ChChươương 3: Các thiết bị ng 3: Các thiết bị quangquang-- đ điện.iện.

3.1 Nguyên lý của các thiết bị quang3.1 Nguyên lý của các thiết bị quang--đđiện. Đặc iện. Đặc trtrưưng Ing I--V của các thiết bị quang điện dựa V của các thiết bị quang điện dựa trên chuyển tiếp trên chuyển tiếp pp--nn..

3.2 Phổ năng lượng của mặt trời.3.2 Phổ năng lượng của mặt trời.3.3 Hiệu suất hoạt động.3.3 Hiệu suất hoạt động.3.4 Các vật liệu cho pin mặt trời, thiết bị và 3.4 Các vật liệu cho pin mặt trời, thiết bị và

hiệu suất. hiệu suất. 3.5 Tiềm năng kinh tế và tương lai của quang 3.5 Tiềm năng kinh tế và tương lai của quang

đđiệniện

3535


Từ Quang điện "photovoltaic" (PV) Từ Quang điện "photovoltaic" (PV) là sự kết hợp của hai từ: ánh sáng là sự kết hợp của hai từ: ánh sáng (photon(photon--theo tiếng Hy lạp) và tên theo tiếng Hy lạp) và tên của nhà vật lý Allesandro Volta. Sự của nhà vật lý Allesandro Volta. Sự sử dụng tế bào NL mặt trời để sử dụng tế bào NL mặt trời để chuyển đổi ánh áng mặt trời thành chuyển đổi ánh áng mặt trời thành đđiện dựa trên hiệu ứng quang điện iện dựa trên hiệu ứng quang điện đưđược Alexander Bequerel phát minh ợc Alexander Bequerel phát minh nnăăm 1839. m 1839.

Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta

(1745-1827)


ThiThiếết bt bịị quang quang đđiiệện ln làà::Một thiết bị điện bằng chất rắn mà chuyển đổi ánh Một thiết bị điện bằng chất rắn mà chuyển đổi ánh sáng trực tiếp thành dòng điện một chiều có đặc trưng sáng trực tiếp thành dòng điện một chiều có đặc trưng thếthế--dòng (Idòng (I--V) là hàm của các đặc trưng của nguồn V) là hàm của các đặc trưng của nguồn ánh sáng và vật liệu bên trong và thiết kế của thiết bị. ánh sáng và vật liệu bên trong và thiết kế của thiết bị. Những thiết bị quang điện dùng ánh sáng mặt trời Những thiết bị quang điện dùng ánh sáng mặt trời đưđược làm từ nhiều loại nguyên liệu bán dẫn bao gồm ợc làm từ nhiều loại nguyên liệu bán dẫn bao gồm silic, cadmium sulfide, cadmium telluride, và gallium silic, cadmium sulfide, cadmium telluride, và gallium arsenide, trong dạng đơn tinh thể, đa tinh thể, hoặc arsenide, trong dạng đơn tinh thể, đa tinh thể, hoặc những dạng vô định hình và từ các hợp chất hữu cơ. những dạng vô định hình và từ các hợp chất hữu cơ.


Tế bào quang điện dùng năng lượng mặt Tế bào quang điện dùng năng lượng mặt trời hiện thực đầu tiên đã được phát triển tại PTN Bell trời hiện thực đầu tiên đã được phát triển tại PTN Bell Laboratories vào đầu những năm 1970, sự đi xuống Laboratories vào đầu những năm 1970, sự đi xuống của các nhà cung cấp dầu ảnh hưởng tới thế giới công của các nhà cung cấp dầu ảnh hưởng tới thế giới công nghiệp hóa dẫn đến việc xem xét nghiêm túc những nghiệp hóa dẫn đến việc xem xét nghiêm túc những hiện tượng quang điện như một nguồn cung cấp năng hiện tượng quang điện như một nguồn cung cấp năng llưượng trên mặt đất. Việc ứng dụng này tập trung các ợng trên mặt đất. Việc ứng dụng này tập trung các chú ý vào nghiên cứu lên chú ý vào nghiên cứu lên cải thiện hiệu suất, giảm giá cải thiện hiệu suất, giảm giá thành và tăng độ tin cậythành và tăng độ tin cậy. .


3.1 Nguyên lý của các thiết bị quang3.1 Nguyên lý của các thiết bị quang--đđiện. Đặc trưng Iiện. Đặc trưng I--V của các thiết bị V của các thiết bị quang quang đđiện dựa trên chuyển tiếp iện dựa trên chuyển tiếp pp--nn..

HHìình 3.1.1. Mnh 3.1.1. Mặặc dc dùù nhnhữững tng tếế bbàào quang o quang đđiiệện rn rấất t đđa da dạạng, cng, cấấu tru trúúc chung nhc chung nhấất lt lààmmộột cht chấất bt báán dn dẫẫn trong n trong đđóó mmộột t đđiôt ciôt cóódidiệện tn tíích rch rộộng, hong, hoặặc mc mộột chuyt chuyểển tin tiếếp pp p--n, n, đã đưđã đượợc hc hìình thnh thàành. Dnh. Dòngòng đ điiệện n đưđượợc c llấấy ra ty ra từừ thithiếết bt bịị qua mqua mộột ct cấấu tru trúúc tic tiếếp p xxúúc lc lưướới trên bi trên bềề mmặặt cho pht cho phéép p áánh snh sááng ng mmặặt trt trờời i đđếến, mn, mộột tit tiếếp xp xúúc trên mc trên mặặt sau t sau hohoààn thin thiệện mn mạạch ch đđiiệện, vn, vàà mmộột lt lớớp php phủủchchốống phng phảản xn xạạ gigiảảm thim thiểểu su sốố l lưượợng ng áánh nh ssááng mng mặặt trt trờời phi phảản xn xạạ ng ngưượợc lc lạại ti từừ thithiếết t bbịị. .

3636


HHìình 3.1.2. nh 3.1.2. HHìình nh ảảnh cnh củủa a mmộột chuyt chuyểển n titiếếp pp p--n.n.


Trong chuyển tiếp Trong chuyển tiếp pp--nn, các mật độ hạt tải hai , các mật độ hạt tải hai bên thỏa mãn hệ thức:bên thỏa mãn hệ thức:

(3.1.1)(3.1.1)

Khi có thiên áp, dòng có thể được miêu tả dưới dạng Khi có thiên áp, dòng có thể được miêu tả dưới dạng phphươương trình cho điôt lý tưởng: ng trình cho điôt lý tưởng:

(3.1.2)(3.1.2)Tại thời điểm hình thành, bên phía loại Tại thời điểm hình thành, bên phía loại nn, mở rộng tới chuyển , mở rộng tới chuyển tiếp, mật độ đồng nhất tiếp, mật độ đồng nhất nnn0n0 ee-- tự do di động và tự do di động và ppn0n0 ee++ tự do di tự do di đđộng. Phía loại ộng. Phía loại pp t tươương ứng là ng ứng là ppp0p0 và và nnp0p0, cũng trải dài tới , cũng trải dài tới chuyển tiếp. chuyển tiếp. nnii là mật độ hạt tải thuần tại nhiệt độ đã cho của là mật độ hạt tải thuần tại nhiệt độ đã cho của vật chất. vật chất. ở đây ở đây II là dòng ngoài, là dòng ngoài, IIss là dòng ngược bão hòa, là dòng ngược bão hòa, ee là điện tích là điện tích ccơ ơ bản của ebản của e--, , VV là điện áp áp vào, là điện áp áp vào, kkBB là hằng số Boltzmann, và là hằng số Boltzmann, và TT là nhiệt độ tuyệt đối.là nhiệt độ tuyệt đối.

2.. 0000 inpnpn ppnn ==

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1exp

TkeVii

Bs


Hình 3.1.3. Thiết bị Hình 3.1.3. Thiết bị quang quang đđiện có thể được mô hình iện có thể được mô hình hóa như một điôt lý tưởng mắc hóa như một điôt lý tưởng mắc song song với một máy phát song song với một máy phát dòng cảm ứng ánh sáng dòng cảm ứng ánh sáng IILL, , đđộ ộ lớn của nó là hàm của số các cặp lớn của nó là hàm của số các cặp đđiện tử iện tử -- lỗ trống phát sinh khi lỗ trống phát sinh khi hấp thụ ánh sáng đầu vào và hấp thụ ánh sáng đầu vào và hiệu suất tập hợp các hạt tải hiệu suất tập hợp các hạt tải đđiện này. iện này.

Những đặc trưng điện áp và dòng được biến đổi bởi Những đặc trưng điện áp và dòng được biến đổi bởi ánh sáng tới:ánh sáng tới:

(3.1.3)(3.1.3)p

Bs i

TkeVii −⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1exp


Hình 3.1.4. Đồ thị Hình 3.1.4. Đồ thị dòngdòng--đđiện áp, đặc iện áp, đặc trtrưưng những tham số ng những tham số hoạt động quan trọng hoạt động quan trọng của tế bào, trong số của tế bào, trong số đđó là dòng nối tắt ó là dòng nối tắt IIscsc, , đđiện áp hở mạch iện áp hở mạch VVococ, , đđiện áp và dòng ở tại iện áp và dòng ở tại đđiểm công suất cực iểm công suất cực đđại (ại (IImpmp và và VVmpmp, t, tươương ng ứng). Công suất cực ứng). Công suất cực đđại đầu ra đơn giản ại đầu ra đơn giản là tích của là tích của IImpmp và và VVmpmp. .

3737


Hình 3.1.5. Đồ thị dòng (I) Hình 3.1.5. Đồ thị dòng (I) theo theo đđiện áp (V), của tế bào iện áp (V), của tế bào NL mặt trời đặc trưng. NL mặt trời đặc trưng. ĐĐiện áp do tế bào NL mặt iện áp do tế bào NL mặt trời tạo ra phụ thuộc vào trời tạo ra phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn nào chế vật liệu bán dẫn nào chế tạo ra nótạo ra nó. T. Trong trrong trưường ờng hợp chế tạo từ Si, hiệu điện hợp chế tạo từ Si, hiệu điện thế ra quãng 0,5 V. Mặc dù thế ra quãng 0,5 V. Mặc dù dòng dòng ttăăng lênng lên theo theo đđộ chiếu ộ chiếu sáng, nhưng thế cuối phụ sáng, nhưng thế cuối phụ thuộc rất yếu vào ánh sáng thuộc rất yếu vào ánh sáng đđi tới tế bào. Tế bào Si tạo i tới tế bào. Tế bào Si tạo ra dòng tối đa 2 A khi chiếu ra dòng tối đa 2 A khi chiếu 1000W/m1000W/m22.. Optoelectronics 146College of Technology

Có những mất mát do điện trở vì chuỗi điện Có những mất mát do điện trở vì chuỗi điện trở, và điện trở sun. Tuy nhiên, nhiều hiệu ứng làm trở, và điện trở sun. Tuy nhiên, nhiều hiệu ứng làm thay thay đđổi số lượng này của công suất, và được định ổi số lượng này của công suất, và được định nghĩa bằng một thành phần gọi là hệ số lấp đầy FF:nghĩa bằng một thành phần gọi là hệ số lấp đầy FF:

(3.1.4)(3.1.4)

Ví dụ 3.1.1Ví dụ 3.1.1.. Cho một tế bào năng lượng mặt trời silic đơn tinh Cho một tế bào năng lượng mặt trời silic đơn tinh thể tiêu biểu, chúng ta tìm thấy xấp xỉ, thể tiêu biểu, chúng ta tìm thấy xấp xỉ, VVococ = 0.588 V, = 0.588 V, JJscsc = 35 = 35 mA/cmmA/cm22 và FF = 0.8. Như vậy một tế bào 100 cmvà FF = 0.8. Như vậy một tế bào 100 cm22 thì có khả thì có khả nnăăng phát sinh xấp xỉ 1.6 oát. ng phát sinh xấp xỉ 1.6 oát.

scoc

mpmp

IVIV

=FF


Hình 3.1.6. Tế bào quang điện (PV), mô đun, panel và chuỗi. Các Hình 3.1.6. Tế bào quang điện (PV), mô đun, panel và chuỗi. Các tế tế bào quang điện được nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo ra tbào quang điện được nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo ra thế, hế, dòng hoặc công suất lớn hơn. Các modun quang điện được bịt kín dòng hoặc công suất lớn hơn. Các modun quang điện được bịt kín bởi các tấm mỏng bảo vệ chống sự phá hoại của môi trường chính lbởi các tấm mỏng bảo vệ chống sự phá hoại của môi trường chính là à các khối xây dựng nền tảng của hệ thống quang điện. Nhiều modun các khối xây dựng nền tảng của hệ thống quang điện. Nhiều modun nối lại với nhau thành panel nối lại với nhau thành panel –– các đơn vị để lắp đặt. Chuỗi PVcác đơn vị để lắp đặt. Chuỗi PV


Hình 3.1.7. Sơ đồ sử dụng thiết bị Hình 3.1.7. Sơ đồ sử dụng thiết bị quang quang đđiện, từ đầu vào là NL mặt iện, từ đầu vào là NL mặt trời, dự trữ, biến đổi từ DC thành AC trời, dự trữ, biến đổi từ DC thành AC cho cho đđến đầu sử dụng.ến đầu sử dụng.

3838


3.2 Phổ năng lượng của mặt trời.3.2 Phổ năng lượng của mặt trời.Mặt trời Mặt trời –– là lò phản ứng hạt nhân nóng chảy, cách Trlà lò phản ứng hạt nhân nóng chảy, cách Trái ái đđất của ất của chúng ta 151 triệu km. chúng ta 151 triệu km. TrTrưước khi ớc khi đđi vào khí quyểni vào khí quyển, sự bức xạ c, sự bức xạ của mặt trời ủa mặt trời là là 1367W/m1367W/m22, , đđịnh nghĩa như- AM0, hoặc khối lượng không ịnh nghĩa như- AM0, hoặc khối lượng không khí zero (air mass zero). khí zero (air mass zero). Bức xạ của Mặt trời tới chúng ta đã Bức xạ của Mặt trời tới chúng ta đã bịbị các loại khí như các loại khí như COCO22, h, hơơi ni nưước và ozone hấp thụớc và ozone hấp thụ. . →→ Trên mTrên mặtặt Trái đất, xấp xỉ Trái đất, xấp xỉ 1000 W/m1000 W/m22 n năăng lng lưượng của ợng của những photon từ mặt trời sẵn sàng cho việc chuyển đổi những photon từ mặt trời sẵn sàng cho việc chuyển đổi thành công suất điện lúc buổi trưa. Trên bề mặt của Trái thành công suất điện lúc buổi trưa. Trên bề mặt của Trái đđất, khi mặt trời trực tiếp chiếu đỉnh đầu, sự bức xạ xuyên ất, khi mặt trời trực tiếp chiếu đỉnh đầu, sự bức xạ xuyên qua khí quyển không mây được đặt là AM1. qua khí quyển không mây được đặt là AM1. Optoelectronics 150College of Technology

Từng địa điểm trên Trái đất được Mặt trời Từng địa điểm trên Trái đất được Mặt trời chiếu sáng ít nhất cũng một khoảng thời gian trong chiếu sáng ít nhất cũng một khoảng thời gian trong một năm. Lượng bức xạ của mặt trời tại từng “điểm” một năm. Lượng bức xạ của mặt trời tại từng “điểm” của mặt đất thay đổi, phụ thuộc vào: của mặt đất thay đổi, phụ thuộc vào: •• Vị trí địa lýVị trí địa lý•• Thời gian trong ngày Thời gian trong ngày •• MùaMùa•• Phong cảnh tại chỗ Phong cảnh tại chỗ •• Thời tiết tại chỗ Thời tiết tại chỗ Bởi Trái đất tròn, ánh sáng Mặt trời tới mặt đất tại các Bởi Trái đất tròn, ánh sáng Mặt trời tới mặt đất tại các góc khác nhau từ 0º (tại chân trời) đến 90º (trực tiếp góc khác nhau từ 0º (tại chân trời) đến 90º (trực tiếp đđỉnh đầu). Khi ánh sáng mặt trời vuông góc, mặt đất ỉnh đầu). Khi ánh sáng mặt trời vuông góc, mặt đất thu thu đưđược năng lượng là lớn nhất.ợc năng lượng là lớn nhất.


HHìình 3.2.1. (a)nh 3.2.1. (a) BBức ức xạ từ mặt trời. (b) xạ từ mặt trời. (b) Bức xạ của mặt trời Bức xạ của mặt trời tới chúng ta đã bị tới chúng ta đã bị giảm đi so với mức giảm đi so với mức bên ngoài khí quyển bên ngoài khí quyển Trái đất do sự hấp Trái đất do sự hấp thụ của các loại khíthụ của các loại khí


BBứức xc xạạ MMặặt trt trờời khui khuếếch tch táán vn vàà trtrựực tic tiếếppBởi ánh sáng Mặt trời đi qua khí quyển, nên một phần Bởi ánh sáng Mặt trời đi qua khí quyển, nên một phần của nó bị hấp thụ, tán xạ và phản xạ bởi:của nó bị hấp thụ, tán xạ và phản xạ bởi:

Các phân tử không khí, Hơi nước, Mây, Bụi Các phân tử không khí, Hơi nước, Mây, Bụi Các chất gây ô nhiễm, Lửa đốt rừng , Núi lửa Các chất gây ô nhiễm, Lửa đốt rừng , Núi lửa

ĐưĐược gọi là bức xạ mặt trời khuếch tán. Bức xạ mặt ợc gọi là bức xạ mặt trời khuếch tán. Bức xạ mặt trời đi đến được mặt đất không bị khuếch tán được gọi trời đi đến được mặt đất không bị khuếch tán được gọi là bức xạ mặt trời trực tiếp. Tổng của cả hai loại bức là bức xạ mặt trời trực tiếp. Tổng của cả hai loại bức xạ nói trên được gọi là bức xạ mặt trời toàn thể. Các xạ nói trên được gọi là bức xạ mặt trời toàn thể. Các đđiều kiện của khí quyển có thể giảm chùm bức xạ mặt iều kiện của khí quyển có thể giảm chùm bức xạ mặt trời trực tiếp quãng 10% và những ngày trời trong và trời trực tiếp quãng 10% và những ngày trời trong và khô, và quãng 100% vào những ngày không quang khô, và quãng 100% vào những ngày không quang đãđãng, nhiều mây. ng, nhiều mây.

3939


ĐĐo o đđạạc:c:

ĐĐo o đđạc NL mặt trời thường được thể hiện như tổng ạc NL mặt trời thường được thể hiện như tổng bức xạ trên mặt nằm ngang, hoặc tổng bức xạ trên bề bức xạ trên mặt nằm ngang, hoặc tổng bức xạ trên bề mặt được mặt trời chiếu sáng.mặt được mặt trời chiếu sáng.Dữ liệu bức xạ của các hệ thống điện mặt trời (PV) Dữ liệu bức xạ của các hệ thống điện mặt trời (PV) ththưường được biểu diễn bằng kW.h/mờng được biểu diễn bằng kW.h/m22. . ĐĐánh giá trực ánh giá trực tiếp có thể bằng W/mtiếp có thể bằng W/m22..Dữ liệu bức xạ đối với hệ thống đun nước nóng hoặc Dữ liệu bức xạ đối với hệ thống đun nước nóng hoặc ssưưởi thường được đo bằng các đơn vị đo nhiệt của ởi thường được đo bằng các đơn vị đo nhiệt của Anh (BTU/ftAnh (BTU/ft22))


3.3 3.3 Hiệu suất hoạt độngHiệu suất hoạt động..

( )( ) λλλ dhcAPin /0∫∞

Φ=

Con số để đánh giá hoạt động của tế bào năng lượng Con số để đánh giá hoạt động của tế bào năng lượng mặt trời là hiệu suất biến đổi mặt trời là hiệu suất biến đổi ηη, , đưđược định nghĩa như:ợc định nghĩa như:

Công suất đầu vào Công suất đầu vào PPinin bằng:bằng:

AA là diện tích của thiết bị, là diện tích của thiết bị, ΦΦ((λλ) là thông lượng photon ) là thông lượng photon đđến/cmến/cm22.s. .s. trên 1trên 1 đơ đơn vị độ rộng dải, tại bước sóngn vị độ rộng dải, tại bước sóng λλ, và , và hchc //λλlà năng lượng của mỗi photon. là năng lượng của mỗi photon.

(3.3.1)(3.3.1)

(3.3.2)(3.3.2)

in

mpmp

PIV

=η


Công suất đầu ra được cho bằng:Công suất đầu ra được cho bằng:

(3.3.3)(3.3.3)Trong Trong đđó hệ số lấp đầy FF được cho xấp xỉ gần bằng:ó hệ số lấp đầy FF được cho xấp xỉ gần bằng:

(3.3.4)(3.3.4)

Với:Với: (3.3.5)(3.3.5)

Trong Trong đđó ó nn là hệ số độ lý tưởng của điôt. Từ đây, hệ số là hệ số độ lý tưởng của điôt. Từ đây, hệ số lấp đầy chỉ là một hệ số trong việc xác định điện áp lấp đầy chỉ là một hệ số trong việc xác định điện áp mạch hở mạch hở VVococ. .

( )1

72.0lnFF++−

≈oc

ococ

vvv

TnkeVvB

ococ =

scocmpmpout IVIVP FF==


Hiệu suất biến đổi Hiệu suất biến đổi ηη = = PPoutout//PPinin. .

Ta có thể tính toán hiệu suất cực đại lý thuyết cho các Ta có thể tính toán hiệu suất cực đại lý thuyết cho các loại vật liệu bán dẫn khác nhau. Bởi loại vật liệu bán dẫn khác nhau. Bởi IIscsc giảm khi giảm khi EEgg

ttăăng, và ng, và VVococ t tăăng khi ng khi EEgg t tăăng và hệ số lấp đầy thay đổi ng và hệ số lấp đầy thay đổi theo theo VVococ, hiệu suất sẽ thể hiện giá trị cực đại, xuất hiện , hiệu suất sẽ thể hiện giá trị cực đại, xuất hiện tại một giá trị vùng cấm xấp xỉ 1.5 eV. tại một giá trị vùng cấm xấp xỉ 1.5 eV.

Sử dụng những tham số thiết bị hợp lý cho những tế Sử dụng những tham số thiết bị hợp lý cho những tế bào năng lượng mặt trời chuyển tiếp đơn, người ta tính bào năng lượng mặt trời chuyển tiếp đơn, người ta tính toán được hiệu suất cực đại lý thuyết bằng 29 %. toán được hiệu suất cực đại lý thuyết bằng 29 %.

4040


HHìình 3.3.1. Cnh 3.3.1. Cáác hc hệệ ssốố hihiệệu du dụụng lý thuyng lý thuyếết tt tốối i đđa cho ca cho cáác loc loạại ti tếế bbàào o quang quang đđiiệện khn kháác nhau tc nhau tạại ci cùùng ng đđiiềều kiu kiệện tiêu chun tiêu chuẩẩn n -- bbứức xc xạạ mmặặt t trtrờời chii chiếếu 1000W/mu 1000W/m22 khi nhikhi nhiệệt t đđộộ ccủủa ta tếế bbàào lo làà 2525ooC)C)


NhNhữững bng bảản chn chấất git giớới hi hạạn lên hin lên hiệệu suu suấấtt

•• Chất bán dẫn hoặc các loại kết hợp chỉ phù hợp với Chất bán dẫn hoặc các loại kết hợp chỉ phù hợp với những dải phổ nhất định.những dải phổ nhất định.

•• Những mất mát quang học, ví dụ như: bề mặt tế bào Những mất mát quang học, ví dụ như: bề mặt tế bào bị che bóng bởi lớp thủy tinh bảo vệ, sự phản xạ của bị che bóng bởi lớp thủy tinh bảo vệ, sự phản xạ của các tia tới tế bào.các tia tới tế bào.

•• Những mất mát do điện trở của chất bán dẫn và các Những mất mát do điện trở của chất bán dẫn và các cáp nối.cáp nối.

•• Ảnh hưởng của các chất tạp, hiệu ứng bề mặt, khuyết Ảnh hưởng của các chất tạp, hiệu ứng bề mặt, khuyết tật của tinh thể….. Cũng đóng góp lớntật của tinh thể….. Cũng đóng góp lớn


CCáác hc hưướớng tng tăăng hing hiệệu suu suấấtt..

•• Cấu trúc bề mặt để giảm mất mát do phản xạCấu trúc bề mặt để giảm mất mát do phản xạ: ví dụ : ví dụ nhnhư ư làm bề mặt của tế bào cấu trúc hình tháp, ánh sáng làm bề mặt của tế bào cấu trúc hình tháp, ánh sáng tới có thể va đập bề mặt vài lần.tới có thể va đập bề mặt vài lần.

•• Vật liệu mớiVật liệu mới: GaAs, CdTe, CuInSe: GaAs, CdTe, CuInSe22 (thế hệ vật liệu (thế hệ vật liệu thứ hai).thứ hai).

•• Tế bào nhiều tầng hoặc chồng lên nhauTế bào nhiều tầng hoặc chồng lên nhau: : đđể có thể ể có thể dùng dải phổ rộng của bức xạ mặt trời, các loại vật dùng dải phổ rộng của bức xạ mặt trời, các loại vật liệu bán dẫn khác nhau thích hợp với các dải phổ khác liệu bán dẫn khác nhau thích hợp với các dải phổ khác nhau, xếp chồng lên nhau.nhau, xếp chồng lên nhau.


•• Các tế bào làm thành bộ tập trungCác tế bào làm thành bộ tập trung: dùng hệ thống : dùng hệ thống thấu kính và gương để hội tụ ánh sáng. Cùng với hệ thấu kính và gương để hội tụ ánh sáng. Cùng với hệ thống trượt để đi theo mặt trời, thu được NL tối đa. thống trượt để đi theo mặt trời, thu được NL tối đa.

••Các tế bào dùng các lớp biến đổi MISCác tế bào dùng các lớp biến đổi MIS: t: trrưường điện ờng điện bên trong không dùng chuyển tiếp bên trong không dùng chuyển tiếp pp--nn nữa mà dùng nữa mà dùng chuyển tiếp của một lớp oxyt mỏng tiếp giáp với bán chuyển tiếp của một lớp oxyt mỏng tiếp giáp với bán dẫn.dẫn.

•• Tế bào GratzelTế bào Gratzel: Các tế bào dùng chất lỏng điện hóa : Các tế bào dùng chất lỏng điện hóa với TiOvới TiO22 làm chất điện phân và chất màu để tăng khả làm chất điện phân và chất màu để tăng khả nnăăng hấp thụ ánh sáng.ng hấp thụ ánh sáng.

4141


3.4 Các vật liệu cho pin mặt trời, 3.4 Các vật liệu cho pin mặt trời, thiết bị và hiệu suất.thiết bị và hiệu suất.

Có 3 loại tế bào cơ bản, được phân biệt với nhau bởi Có 3 loại tế bào cơ bản, được phân biệt với nhau bởi loại tinh thể được sử dụng để chế tạo chúng: đơn tinh loại tinh thể được sử dụng để chế tạo chúng: đơn tinh thể, đa tinh thể và vô định hình.thể, đa tinh thể và vô định hình.

5-7quãng 13 Silic vô định hình

13-15quãng 18 Đa tinh thể Silic

14-17quãng 24Đơn tinh thể Silic

Hiệu suất của tế bào đã được sản suất

(%)

Hiệu suất trong PTN (%)Vật liệu


Nếu màng mỏng silic lắng đọng trên thủy tinh hay các Nếu màng mỏng silic lắng đọng trên thủy tinh hay các vật liệu nền khác, tạo nên tế bào vô định hình hay lớp vật liệu nền khác, tạo nên tế bào vô định hình hay lớp mỏng. Độ dày màng mỏng nhỏ hơn 1 mỏng. Độ dày màng mỏng nhỏ hơn 1 µµm.m. Giá thành Giá thành của loại này còn thấp nữa, bởi giá thành của vật liệu của loại này còn thấp nữa, bởi giá thành của vật liệu thấp. Tuy nhiên hiệu suất của tế bào vô định hình thấp thấp. Tuy nhiên hiệu suất của tế bào vô định hình thấp hhơơn nhiều so với hai loại kia. Do vậy chúng được dùng n nhiều so với hai loại kia. Do vậy chúng được dùng chủ yếu cho các thiết bị cần công suất thấp, ví dụ như chủ yếu cho các thiết bị cần công suất thấp, ví dụ như đđồng hồ, máy tính tay hoặc làm vật liệu phía ngoài.ồng hồ, máy tính tay hoặc làm vật liệu phía ngoài.


HHìình 3.4.1. Vnh 3.4.1. Vậật lit liệệu cho tu cho tếế bbàào NL mo NL mặặt trt trờời vi vàà phphổổ ccủủa Ma Mặặt trt trờờii


HHìình 3.4.2. Tnh 3.4.2. Tếế bbàào NL mo NL mặặt trt trờời i đưđượợc chc chếế ttạạo do dưướới di dạạng (a) tng (a) tấấm m phphẳẳng hong hoặặc dc dưướới di dạạng (b) cng (b) cáác bc bộộttậập trung; (c)Tp trung; (c)Tếế bbàào NL mo NL mặặt trt trờời i ttừừ silic silic đơđơn tinh thn tinh thểể vvàà ( (d)d) đ đa a tinh thtinh thểể..

(a)(a)

(b)(b)

(c)(c)

(d)(d)

4242


HHìình 3.4.3. Thnh 3.4.3. Thếế hhệệ vvậật t liliệệu thu thứứ 3 (a) T3 (a) Tếế bbàào o NL mNL mặặt trt trờời i đưđượợc chc chếếttạạo to từừ ccáác chc chấất ht hữữu cu cơ ơ -- llàà nhnhữững vng vậật lit liệệu ru rẻẻvvàà ddễễ chchếế ttạạo. (b) Co. (b) Cáác c ttếế bbàào quang o quang đđiiệện hn hóóa a ddùùng cng cáác chc chấất mt mààu u khkháác nhau, vc nhau, víí ddụụ nh như ư trong htrong hìình lnh làà hhợợp chp chấất t Ruthenium polypyRuthenium polypy--ridylridyl với nhóm với nhóm anchoring có độ dài anchoring có độ dài khác nhaukhác nhau

Hiệu suất Hiệu suất có thể đạt có thể đạt tới 50%!tới 50%!


3.5 Tiềm năng kinh tế và 3.5 Tiềm năng kinh tế và ttươương lai của quang điệnng lai của quang điện

Hình 3.4.1. Hình 3.4.1. Giản đồ giá Giản đồ giá của các thành của các thành phần trong hệ phần trong hệ thống quang thống quang đđiện và sự iện và sự giảm dần của giảm dần của giá theo thời giá theo thời gian.gian.


HHìình 3.nh 3.5.2.5.2. Đ Đồồ ththịị vvềề ssựự phpháát trit triểển cn củủa tha thịị tr trưườờng tng tếế bbàào NL mo NL mặặt trt trờời i theo ththeo thờời gian.i gian.


NhNhữững ng ứứng dng dụụng hing hiệện nay vn nay vàà ssựự phpháát trit triểểnn

Cho những năm 80 và đầu những năm 90 thị trường Cho những năm 80 và đầu những năm 90 thị trường chủ yếu cho PV là sử dụng NL điều khiển từ xa và các chủ yếu cho PV là sử dụng NL điều khiển từ xa và các sản phẩm tiêu dùng (đồng hồ, đồ chơi, máy tính). Tuy sản phẩm tiêu dùng (đồng hồ, đồ chơi, máy tính). Tuy nhiên từ giữa những năm 90 những cố gắng chủ yếu là nhiên từ giữa những năm 90 những cố gắng chủ yếu là phát triển xây dựng các panel PV tích phân cho những phát triển xây dựng các panel PV tích phân cho những ứng dụng nối với mạng lưới điện. Các tấm PV trên nóc ứng dụng nối với mạng lưới điện. Các tấm PV trên nóc nhà hiện nay đang điều khiển sự phát triển của thị nhà hiện nay đang điều khiển sự phát triển của thị trtrưường tại Nhật, Châu Âu và Mỹ. Hiện nay Nhật đang ờng tại Nhật, Châu Âu và Mỹ. Hiện nay Nhật đang có chương trình nhằm xây dựng 70,000 nhà “mặt có chương trình nhằm xây dựng 70,000 nhà “mặt trời”, lắp đặt 400MW PV năm 2000 và lắp đặt trời”, lắp đặt 400MW PV năm 2000 và lắp đặt 4600MW 4600MW nnăăm 2010. m 2010.

4343


Tại Châu Âu một vài nước ủng hộ việc xây Tại Châu Âu một vài nước ủng hộ việc xây dựng những ngôi nhà “mặt trời”, Nghị viện Châu Âu dựng những ngôi nhà “mặt trời”, Nghị viện Châu Âu đđề nghị sơ đồ 1,000MW. Tại Mỹ, có chương trình ề nghị sơ đồ 1,000MW. Tại Mỹ, có chương trình “Nóc nhà mặt trời”, với mục đích lắp đặt 1,000,000 “Nóc nhà mặt trời”, với mục đích lắp đặt 1,000,000 mái tại Mỹ năm 2010.mái tại Mỹ năm 2010.Tại Úc và Mỹ, sự hội nhập của chương trình Năng Tại Úc và Mỹ, sự hội nhập của chương trình Năng llưượng xanh, động viên người tiêu dùng chọn lựa NL ợng xanh, động viên người tiêu dùng chọn lựa NL tái tạo, một sự thúc đẩy đáng kể cho sự phát triển của tái tạo, một sự thúc đẩy đáng kể cho sự phát triển của ngành công nghiệp PV. Và Hy lạp đã xây dựng trạm ngành công nghiệp PV. Và Hy lạp đã xây dựng trạm đđiện lớn nhất thế giới tại Crete với công suất 50MW iện lớn nhất thế giới tại Crete với công suất 50MW nnăăm 2003. m 2003.


CCáác c ứứng dng dụụngng::

•• Hệ thống bảo vệ cathod (chống rỉ kim loại)Hệ thống bảo vệ cathod (chống rỉ kim loại)•• Hàng rào điện.Hàng rào điện.•• Chiếu sáng những vùng hẻo lánh.Chiếu sáng những vùng hẻo lánh.•• Hệ thống thông tin và điều khiển các vùng sâu & xa.Hệ thống thông tin và điều khiển các vùng sâu & xa.•• B Bơơm nm nưước.ớc.•• Đ Điện khí hóa nông thôn.iện khí hóa nông thôn.•• Hệ thống xử lý nước.Hệ thống xử lý nước.•• Hệ thống báo động.Hệ thống báo động.•• Hệ thống bảo quản vacxin và máu cho các vùng xa.Hệ thống bảo quản vacxin và máu cho các vùng xa.•• Quạt gió.Quạt gió.•• Satelite & ………….Satelite & ………….


HHìình 3.5.3. nh 3.5.3. CCáác c ứứng ng ddụụng khng kháác c nhau cnhau củủa ta tếếbbàào quang o quang đđiiệện. (a) tn. (a) tạại i trang trtrang trạại i ởởKabarriKabarri--MMỹỹ. . (b) h(b) hààng rng ràào o đđiiệện; (c) n; (c) chichiếếu su sááng ng nnơơi hi hẻẻo lo láánh; nh; (d) (d) bbơơm m nnưướớc; (e) cc; (e) cáác c ứứng dng dụụng ng khkháác & v.vc & v.v

(a)(a) (b)(b)

(c)(c) (d)(d) (e)(e)


ChChươương 4: Các linh kiện ng 4: Các linh kiện đđiện iện -- quang.quang.

4.1 Các nguyên lý điện4.1 Các nguyên lý điện--quang.quang.4.2 Các hiệu ứng điện 4.2 Các hiệu ứng điện –– quang của các môi quang của các môi

trtrưường không đẳng hướng.ờng không đẳng hướng.4.3 Các hiệu ứng điện quang của tinh thể lỏng.4.3 Các hiệu ứng điện quang của tinh thể lỏng.4.4 Các vật liệu quang khúc xạ.4.4 Các vật liệu quang khúc xạ.

4444


Hiệu ứng điện quang (EO)Hiệu ứng điện quang (EO) là sự thay đổi là sự thay đổi chiết suất dưới sự tác động của điện trường xoay chiều chiết suất dưới sự tác động của điện trường xoay chiều hoặc tần số thấp. Nếu điện trường áp vào vật liệu EO hoặc tần số thấp. Nếu điện trường áp vào vật liệu EO khôngkhông đ đẳng hướng biến đổi chiết suất và do vậy tác ẳng hướng biến đổi chiết suất và do vậy tác đđộng lên ánh sáng phân cực.ộng lên ánh sáng phân cực.HHìình 4.0.1. Mnh 4.0.1. Mộột t đđiiệện n trtrưườờng ng ổổn n đđịịnh nh ááp vp vàào o vvậật lit liệệu EO lu EO lààm thay m thay đđổổi chii chiếết sut suấất. Chit. Chiếết t susuấất lt lạại li lààm thay m thay đđổổi i ttáác c đđộộng cng củủa va vậật lit liệệu u lên lên áánh snh sááng ng đđi qua ni qua nóó. . BBởởi vi vậậy y đđiiệện trn trưườờng ng đđiiềều khiu khiểển n áánh snh sááng.ng.


Sự phụ thuộc của chiết suất vào điện Sự phụ thuộc của chiết suất vào điện tr trưường áp vào có hai dạng:ờng áp vào có hai dạng:

Chiết suất thay đổi tỷ lệ thuận với điện trường áp Chiết suất thay đổi tỷ lệ thuận với điện trường áp vào, trong trường hợp này được biết đến như vào, trong trường hợp này được biết đến như hiệu ứng hiệu ứng đđiệniện--quang tuyến tínhquang tuyến tính, hoặc là , hoặc là hiệu ứnghiệu ứng PockelsPockels..

Chiết suất thay đổi tỷ lệ với bình phương điện Chiết suất thay đổi tỷ lệ với bình phương điện trtrưường áp vào, trong trường hợp này được biết đến ờng áp vào, trong trường hợp này được biết đến nhnhư ư hiệu ứng điệnhiệu ứng điện--quang bậc haiquang bậc hai, hoặc là , hoặc là hiệu ứnghiệu ứngKerrKerr..

(Nếu (Nếu ∆∆nn = 10= 10--55 vvớới i d d = 10= 1055λλ→→ssựự ddịịch pha bch pha bằằng 2ng 2ππ.).)


Friedrich Pockels (1865Friedrich Pockels (1865--1913) 1913) Mô tả Hiệu ứng điện quang tuyến Mô tả Hiệu ứng điện quang tuyến

tính đầu tiên vào năm 1893.tính đầu tiên vào năm 1893.Phát minh Hiệu ứng điện quang Phát minh Hiệu ứng điện quang bậc hai đầu tiên vào năm 1875.bậc hai đầu tiên vào năm 1875.


Vật liệu có chiết suất thay đổi theo điện Vật liệu có chiết suất thay đổi theo điện trtrưường áp vào hữu dụng cho việc chế tạo ra các thiết bị ờng áp vào hữu dụng cho việc chế tạo ra các thiết bị quang học điều khiển bằng điện, ví dụ như:quang học điều khiển bằng điện, ví dụ như:

Thấu kính làm bằng vật liệu EO là Thấu kính làm bằng vật liệu EO là thấu kính có độ thấu kính có độ dài tiêu cự điều khiển đượcdài tiêu cự điều khiển được..

L Lăăng kính với khả năng điều khiển được hướng ánh ng kính với khả năng điều khiển được hướng ánh sáng được sử dụng làm sáng được sử dụng làm thiết bị quét quangthiết bị quét quang..

Ánh sáng đi qua tấm trong suốt có chiết suất điều Ánh sáng đi qua tấm trong suốt có chiết suất điều khiển được sẽ bị dịch pha có kiểm soát. Tấm trong khiển được sẽ bị dịch pha có kiểm soát. Tấm trong suốt đó có thể được dùng làm suốt đó có thể được dùng làm đđiều biến pha quangiều biến pha quang..

4545


::Tinh thể bất đẳng hướng, mà chiết suất của nó có Tinh thể bất đẳng hướng, mà chiết suất của nó có

thể thay đổi được dùng như bộ làm chậm sóng với sự thể thay đổi được dùng như bộ làm chậm sóng với sự đđiều khiển sự giữ chậm; nó cũng có thể được dùng để iều khiển sự giữ chậm; nó cũng có thể được dùng để thay thay đđổi phân cực của ánh sángổi phân cực của ánh sáng..

Bộ làm chậm sóng đặt giữa hai tấm phân cực vuông Bộ làm chậm sóng đặt giữa hai tấm phân cực vuông góc làm cho ánh sáng có thể truyền qua được. Cường góc làm cho ánh sáng có thể truyền qua được. Cường đđộ của ánh sáng truyền qua phụ thuộc vào độ chậm ộ của ánh sáng truyền qua phụ thuộc vào độ chậm pha.pha. Đ Độ truyền qua của thiết bị có thể điều khiển được ộ truyền qua của thiết bị có thể điều khiển được bằng điện, nên chúng có thể được dùng vào bằng điện, nên chúng có thể được dùng vào đđiều biến iều biến ccưường độ quang hoặc bộ đóng mở quangờng độ quang hoặc bộ đóng mở quang..


4.1 Các nguyên lý điện4.1 Các nguyên lý điện--quang.quang.

Hiệu ứng Pockel và hiệu ứng Kerr.Các bộ điều biến và công tắc điện-quang.Quét bước sóng.Bộ kết hợp định hướng.Điều biến ánh sáng theo không gian


Hiệu ứng Pockel và hiệu ứng Kerr.Hiệu ứng Pockel và hiệu ứng Kerr.Chiết suất của môi trường EO là hàm của Chiết suất của môi trường EO là hàm của nn((EE) của ) của đđiện trường áp vào. Do hàm này thay đổi theo iện trường áp vào. Do hàm này thay đổi theo EE ở một ở một mức độ không đáng kể, nên có thể khai triển thành mức độ không đáng kể, nên có thể khai triển thành chuỗi Taylor gần chuỗi Taylor gần EE = 0:= 0:

(4.1.1)(4.1.1)....21)( 2

21 +++= EaEanEn

Trong Trong đđó các hệ số triển khai là ó các hệ số triển khai là nn = = nn(0); (0); aa1 1 = = ((dndn//dEdE)|)|EE=0=0; ; aa22=(=(dd22nn//dEdE22)|)|EE=0=0. Do những lý do sẽ rõ . Do những lý do sẽ rõ ràng sau này, thường tiện hơn viết CT (4.1.1) với hai ràng sau này, thường tiện hơn viết CT (4.1.1) với hai hệ số mới: hệ số mới: ɽɽ = = -- 22aa11//nn33 vvàà ςς = = -- aa22//nn33..


Hai hệ số Hai hệ số ɽɽ vvàà ςς đư đượợc bic biếết t đđếến ln làà ccáác hc hệệ ssốốEO, nên:EO, nên:

nn((EE) = ) = nn -- ½½ɽɽnn33E E -- ½½ςςnn33EE22 + ….+ ….

Số hạng bậc hai và bậc cao hơn trong chuỗi này Số hạng bậc hai và bậc cao hơn trong chuỗi này ththưường có độ lớn nhỏ hơn nhiều bậc so với ờng có độ lớn nhỏ hơn nhiều bậc so với nn. Các . Các thành phần bậc cao hơn nữa có thể hoàn toàn yên tâm thành phần bậc cao hơn nữa có thể hoàn toàn yên tâm bỏ qua.bỏ qua.

ĐĐộ kháng điện ộ kháng điện ηη = = єє00//єє = 1/= 1/nn22, c, củủa môa môi tri trưườờng EO vng EO vààllàà hhààm cm củủa a EE. Tham s. Tham sốố ηη hhữữu du dụụng trong mô tng trong mô tảả ccáác c ttíính chnh chấất quang ht quang họọc cc củủa môa môi tri trưườờng khônng không g đđẳẳng ng hhưướớng. ng.

(4.1.2)(4.1.2)

4646


B Bưước thay đổi ớc thay đổi ∆∆ηη = (= (ddηη//dndn))∆∆nn = (= (--2/2/nn33)()(--½ ½ ɽɽnn33EE -- ½ ½ ςς nn33EE22) = ) = ɽɽEE + + ςς EE22, do vậy:, do vậy:

ηη((EE) ) ≈≈ ηη + + ɽɽ EE + + ςς EE22 ( (4.1.3)4.1.3)

Trong Trong đđó ó ηη = = ηη(0). Các hệ số EO (0). Các hệ số EO ɽɽ và và ςς đơ đơn giản là các n giản là các hệ số tỷ lệ của hai thành phần tương ứng của hệ số tỷ lệ của hai thành phần tương ứng của ∆∆ηη với với EEvà và EE22. .

Giá trị của Giá trị của ɽɽ và và ςς phụ thuộc vào hướng của điện phụ thuộc vào hướng của điện trtrưường áp vào và phân cực của ánh sáng. Ta sẽ xem ờng áp vào và phân cực của ánh sáng. Ta sẽ xem xét ở phần sau.xét ở phần sau.


HiHiệệu u ứứng Pockels:ng Pockels:

Trong rất nhiều vật liệu số hạng thứ ba trong CT Trong rất nhiều vật liệu số hạng thứ ba trong CT (4.1.3) (4.1.3) khôngkhông đ đáng kể so với số hạng thứ hai, do vậy:áng kể so với số hạng thứ hai, do vậy:

nn((EE) ) ≈≈ nn -- ½½ɽɽnn33 EE ( (4.1.4)4.1.4)

Môi Môi trtrưường được gọi là môi trường Pockels (hoặc tế ờng được gọi là môi trường Pockels (hoặc tế bào Pockels) bào Pockels) -- NHNH44HH22POPO44 (ADP); KH(ADP); KH22POPO44 (KDP); (KDP); LiNbOLiNbO33; LiTaO; LiTaO33 & CdTe. Hệ số & CdTe. Hệ số ɽɽ -- hệ số Pockels hệ số Pockels hoặc hệ số điệnhoặc hệ số điện--quang tuyến tính. quang tuyến tính.

Các giá trị đặc trưng của Các giá trị đặc trưng của ɽɽ nằm trong khoảng 10nằm trong khoảng 10--1212 đ đến 10ến 10--1010

m/V (1 m/V (1 –– 100 pm/V). Khi 100 pm/V). Khi EE = 10= 1066 V/m (10 kV áp lên tế bào có V/m (10 kV áp lên tế bào có đđộ dày 1 cm. Thì số hạng thứ hai trong (4.1.4) cỡ 10ộ dày 1 cm. Thì số hạng thứ hai trong (4.1.4) cỡ 10--66 -- 1010--44..


HHìình 4.1.1. Snh 4.1.1. Sựự phphụụ thuthuộộc cc củủa chia chiếết sut suấất vt vàào o đđiiệện trn trưườờng (ang (a) M) Môi ôi trtrưườờng Pockels; (bng Pockels; (b) M) Môi ôi trtrưườờng Kerr.ng Kerr.


HiHiệệu u ứứng Kerr:ng Kerr:

Nếu vật liệu đối xứng tâm, như trong trường hợp của Nếu vật liệu đối xứng tâm, như trong trường hợp của chất khí, chất lỏng hoặc một số tinh thể, chất khí, chất lỏng hoặc một số tinh thể, nn((EE) phải là ) phải là hàm đối xứng chẵn (h. 4.1.1b). Nên ta có:hàm đối xứng chẵn (h. 4.1.1b). Nên ta có:

nn((EE) = ) = nn -- ½½ςς nn33EE2 2 (4.1.5)(4.1.5)

Môi Môi trtrưường ờng –– môi trường Kerr (hoặc tế bào Kerr). môi trường Kerr (hoặc tế bào Kerr). Tham số Tham số ςς là hệ số Kerr hoặc hệ số điệnlà hệ số Kerr hoặc hệ số điện--quang bậc quang bậc hai. Giá trị đặc trưng của hai. Giá trị đặc trưng của ςς trong khoảng 10trong khoảng 10--1818 –– 1010--1414

mm22/V/V22 trong tinh thể và 10trong tinh thể và 10--2222 –– 1010--1919 trong chất lỏng. trong chất lỏng. Với Với EE = 10= 1066 V/m số hạng ½V/m số hạng ½ςςnn33EE22 trong (4.1.5) có bậc trong (4.1.5) có bậc 1010--66 --1010--22 trong tinh thể và 10trong tinh thể và 10--1010 --1010--77 trong chất lỏng.trong chất lỏng.

4747


Các bộ điều biến và công tắc điệnCác bộ điều biến và công tắc điện--quang.quang.BBộộ bibiếến n đđiiệệu pha:u pha:

Khi chùm ánh sáng đi qua tế bào Pockels có độ dài Khi chùm ánh sáng đi qua tế bào Pockels có độ dài LL, , đđiện trường áp vào iện trường áp vào EE, pha sẽ thay đổi , pha sẽ thay đổi φφ = = nn((EE) ) kk00LL = = 22ππnn((EE))LL//λλ00, trong , trong đđóó λλ00 llàà b bưướớc sc sóóng trong chân ng trong chân không. Thay không. Thay nn((EE) ta c) ta cóó::

Trong Trong đđóó φφ00 = 2= 2ππnLnL//λλ00..

0

3

0 λπϕϕ ELn

−≈ (4.1.6)(4.1.6)ɽɽ


Nếu điện trường áp vào thu được từ hiệu điện Nếu điện trường áp vào thu được từ hiệu điện thế thế VV qua hai mặt của tế bào cách nhau khoảng qua hai mặt của tế bào cách nhau khoảng dd, lúc , lúc đđó ó EE = = VV//dd, thì từ (4.1.6) ta có:, thì từ (4.1.6) ta có:

π

πϕϕVV

−= 0(4.1.7)(4.1.7)

ĐĐiiềều biu biếến phan pha

Trong Trong đđó:ó:(4.1.8)(4.1.8)

HiHiệệu u đđiiệện thn thếếnnửửa sa sóóngng

30

nLdV λ

π =ɽɽ

Tham số Tham số VVππ đư đượợc gc gọọi li làà hihiệệu u đđiiệện thn thếế nnửửa sa sóóngng –– hihiệệu u đđiiệện thn thếế ááp vp vàào lo lààm pha dm pha dịịch ch đđi i ππ. Ph. Phụụ thuthuộcộc vvàoào vvậtậtliliệuệu..


HHìình 4.1.2. (a) Bnh 4.1.2. (a) Bộộ đ điiềều biu biếến dn dọọc. Cc. Cáác c đđiiệện cn cựực cc cóó ddạạng ng vòngvòng đ đệệm hom hoặặc dc dảải, hoi, hoặặc lc làà chchấất dt dẫẫn n đđiiệện trong sun trong suốốt; (b) Bt; (b) Bộộ đ điiềều u bibiếến ngang; (c) Bn ngang; (c) Bộộ đ điiềều biu biếến sn sóóng chng chạạy ngang.y ngang.


Tốc độ mà bộ điều biến EO có thể hoạt động Tốc độ mà bộ điều biến EO có thể hoạt động bị giới hạn bởi hiệu ứng điện dung và bởi thời gian lan bị giới hạn bởi hiệu ứng điện dung và bởi thời gian lan truyền của ánh sáng qua vật liệu. Nếu truyền của ánh sáng qua vật liệu. Nếu EE((tt) t) thay hay đđổi ổi đđáng kể trong khoảng áng kể trong khoảng TT, sóng quang học lan truyền sẽ , sóng quang học lan truyền sẽ bị tác động của các trường điện khác nhau trong thời bị tác động của các trường điện khác nhau trong thời gian gian đđi qua tinh thể. Pha bị điều biến tại thời điểm i qua tinh thể. Pha bị điều biến tại thời điểm ttcủa sóng quang học sẽ tỷ lệ với giá trị trung bình của của sóng quang học sẽ tỷ lệ với giá trị trung bình của đđiện trường iện trường EE((tt) trong khoảng từ ) trong khoảng từ tt -- TT đ đến ến tt. Kết quả là . Kết quả là đđộ rộng dải điều biến giới hạn bởi thời gian truyền qua ộ rộng dải điều biến giới hạn bởi thời gian truyền qua sẽ bằng sẽ bằng ≈≈ 11//TT. .

4848


HHìình 4.1.3. Bnh 4.1.3. Bộộ đ điiềều biu biếến pha tn pha tíích phân quang sch phân quang sửử ddụụng ng hihiệệu u ứứng ng đđiiệện n –– quang .quang .

LiNbOLiNbO33


BBộộ llààm trm trễễ ssóóng ng đđộộng:ng:

Trong môi tTrong môi trrưường bất đẳng hướng có hai mode phân ờng bất đẳng hướng có hai mode phân cực thẳng vuông góc, lan truyền với các tốc độ khác cực thẳng vuông góc, lan truyền với các tốc độ khác nhau nhau cc00//nn11 và và cc00//nn22. Nếu môi trường Pockels, khi có . Nếu môi trường Pockels, khi có đđiện trường iện trường EE ổn định, thì hai chiết suất biến đổi phù ổn định, thì hai chiết suất biến đổi phù hợp với (4.1.4):hợp với (4.1.4): nn11((EE) ) ≈≈ nn11 -- ½½ɽɽ11nn11

33 EE

nn22((EE) ) ≈≈ nn22 -- ½½ɽɽ22nn2233 EE

Trong Trong đđó ó ɽɽ11 vàvà ɽɽ22 là các hệ số Pockels thích hợp. Sau là các hệ số Pockels thích hợp. Sau khi lan truyền một khoảng cách L hai mode nói trên có khi lan truyền một khoảng cách L hai mode nói trên có sự chênh nhau về pha.sự chênh nhau về pha.


Đ Độ trễ pha giữa sóng này và sóng kia bằngộ trễ pha giữa sóng này và sóng kia bằng

( ) ( )[ ]( ) ( )ELnnkLnnk

LEnEnk322

31102

1210

210

−−−=

−=Γ (4.1.9)(4.1.9)

ɽɽ ɽɽ

Nếu Nếu EE thu thu đưđược khi áp hiệu điện thế ợc khi áp hiệu điện thế VV giữa hai mặt giữa hai mặt của môi trường cách nhau của môi trường cách nhau dd, CT trên có thể viết gọn , CT trên có thể viết gọn ddưưới dạng:ới dạng:

π

πVV

−Γ=Γ 0

(4.1.10) (4.1.10) --ĐĐộộ trtrễễ phapha

322

31

0

nnLdV

rr1 −=

λπ

(4.1.11) (4.1.11) -- HiHiệệu u đđiiệện thn thếế trtrễễ nnửửa a

ssóóngng

Г0=k0(n1-n2)L - độ trễpha khi không có điện trường.


BBộộ đ điiềều biu biếến cn cưườờng ng đđộộ: s: sửử ddụụng bng bộộ bibiếến n đđiiệệu pha trong mu pha trong mộột giao thoa kt giao thoa kếế::

HHìình 4.1.4. Bnh 4.1.4. Bộộ đ điiềều biu biếến pha n pha đưđượợc c đđặặt trong mt trong mộột nht nháánh cnh củủa giao a giao thoa kthoa kếế MachMach--Zehnder cZehnder cóó ththểể đư đượợc dc dùùng nhng như ư mmộột bt bộộ đ điiềều biu biếến n ccưườờng ng đđộộ. . ĐĐộộ truytruyềền qua cn qua củủa giao thoa ka giao thoa kếế TT((VV) = ) = II00//IIii thay thay đđổổi theo i theo chu kchu kỳỳ ccùùng vng vớới hii hiệệu u đđiiệện thn thếế ááp vp vàào o VV. B. Bởởi li lààm vim việệc chc chỉỉ xung quanh xung quanh đđiiểểm m BB, nên thi, nên thiếết bt bịị hohoạạt t đđộộng nhng như ư mmộột bt bộộ đ điiềều biu biếến cn cưườờng ng đđộộ tuytuyếến n ttíính. Nnh. Nếếu u VV chuychuyểển gin giữữa a đđiiểểm m AA vvàà CC, thi, thiếết bt bịị hohoạạt t đđộộng nhng như ư mmộột bt bộộcông tcông tắắc quang.c quang.

π

πϕϕVV

−= 0

4949


C Cưườờng ng đđộộ áánh snh sááng truyng truyềền qua n qua II00 so vso vớới i chchùùm tm tớới i IIii::

22

21

21

0 coscos ϕϕ iii IIII =+=

VVớới i φφ==φφ11--φφ22 llàà ssựự khkháác nhau gic nhau giữữa hai sa hai sựự ddịịch chuych chuyểển n pha gipha giữữa hai nha hai nháánh khi nh khi áánh snh sááng ng đđi qua.i qua. Đ Độộ truytruyềền qua n qua ccủủa giao thoa ka giao thoa kếế bbằằng: ng: TT = = II00//IIii=cos=cos22((φφ/2)./2).Do bDo bộộ đ điiềều biu biếến pha nn pha nằằm trong nhm trong nháánh 1, phnh 1, phùù hhợợp vp vớới i (4.1.7) ta c(4.1.7) ta cóó φφ11==φφ1010--ππVV//VVππ, nên , nên φφ đư đượợc c đđiiềều khiu khiểển bn bởởi i hihiệệu u đđiiệện thn thếế ááp vp vàào o VV phphùù hhợợp vp vớới hi hệệ ththứức tuyc tuyếến tn tíính nh φφ==φφ11--φφ22==φφ00--ππVV//VVππ, trong , trong đđóó hhằằng sng sốố φφ00==φφ1010--φφ22 phphụụthuthuộộc vc vàào so sựự khkháác nhau cc nhau củủa quãa quãng ng đưđườờng quang hng quang họọc.c.


( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

π

πϕVVV

22cos 02

T(4.1.12)(4.1.12)

ĐĐộộ truytruyềền quan qua

ĐĐộ truyền qua của thiết bị bằng:ộ truyền qua của thiết bị bằng:

HHìình 4.1.5. Bnh 4.1.5. Bộộ đ điiềều biu biếến n ccưườờng ng đđộộ ttíích phân ch phân quang (hoquang (hoặặc bc bộộ công tcông tắắc c quang). Giao thoa kquang). Giao thoa kếếMachMach--Zehnder vZehnder vàà bbộộ đ điiềều u bibiếến pha EO n pha EO đưđượợc lc lààm sm sửửddụụng ng ốống dng dẫẫn sn sóóng quang ng quang llààm tm từừ vvậật lit liệệu, vu, víí ddụụ nh như ư LiNbOLiNbO33..


BBộộ bibiếến n đđiiệệu cu cưườờng ng đđộộ ssửử ddụụng bng bộộ llààm trm trễễgigiữữa hai ta hai tấấm phân cm phân cựực vuông gc vuông góóc:c:

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

Γ=

π

πVVV

22sin 02

T(4.1.13)(4.1.13)

ĐĐộộ truytruyềền quan qua

Nếu bộ làm trễ sóng nằm kẹp giữa hai tấm phân cực Nếu bộ làm trễ sóng nằm kẹp giữa hai tấm phân cực vuông góc, đặt nghiêng 45vuông góc, đặt nghiêng 4500 so với trục trễ, độ truyền so với trục trễ, độ truyền qua sẽ bằng qua sẽ bằng TT = sin= sin22((ГГ/2)./2). Đ Đốối vi vớới ti tếế bbàào Pockels, o Pockels, ááp p ddụụng công thng công thứức cho c cho ГГ ta cta cóó đ độộ truytruyềền qua:n qua:


HHìình 4.1.6. (a) Bnh 4.1.6. (a) Bộộ đ điiềều biu biếến cn cưườờng ng đđộộ ssửử ddụụng tng tếế bbàào o Pockels Pockels đđặặt git giữữa hai ta hai tấấm phân cm phân cựực vuông gc vuông góóc.; c.; (b)(b) Đ Độộ truytruyềền qua n qua quang theo hiquang theo hiệệu u đđiiệện thn thếế ááp vp vàào cho gio cho giáá trtrịị ГГ00; ; ĐĐểể hohoạạt t đđộộng tuyng tuyếến n ttíính tnh tếế bbàào co cóó thiên thiên ááp gp gầần n đđiiểểm B.m B.

5050


BBằằng cng cáách chch chọọn n ГГ00 = = ππ/2 v/2 vàà VV << << VVππ::

( )

( )π

π

π

ππ

VVV

dVd

VVV

V 2210

24sin

0

2

−=+≈

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

=

TT

T (4.1.14)(4.1.14)

NhNhư ư vậy vậy TT((VV) ) ththểể hihiệện n đđộộ nhnhạạy cy củủa ba bộộ đ điiềều biu biếến.n. Đ Độộtrtrễễ pha pha ГГ00 ccóó ththểể đ điiềều chu chỉỉnh honh hoặặc bc bằằng quang hng quang họọc hoc hoặặc c bbằằng ng đđiiệện.n.Tỷ số giữa cực đại và cực tiểu truyền qua được gọi là Tỷ số giữa cực đại và cực tiểu truyền qua được gọi là tỷ số tiêu hủy ( extinction).tỷ số tiêu hủy ( extinction).


Quét bước sóng.Quét bước sóng.Góc uốn lệch do lăng kính có góc đỉnh Góc uốn lệch do lăng kính có góc đỉnh αα vvàà chichiếết sut suấất t nn đưđưa vào là a vào là θθ ≈≈ ((nn--1)1)αα. S. Sựự thay thay đđổổi ti tăăng lên cng lên củủa chia chiếết t susuấất t ∆∆nn do do đđiiệện trn trưườờng ng EE ááp vp vàào gâo gây ra ty ra tươương ng ứứng vng vớới i ssựự thay thay đđổổi ti tăăng lên cng lên củủa ga góóc uc uốốn ln lệệch:ch:

dVnEnn 3

213

21 αααθ −=−=∆=∆ (4.1.15)(4.1.15)

ɽɽ ɽɽ

∆∆θθ thay thay đđổi ổi →→ áánh snh sááng tng tớới i đưđượợc quc quéét.t.ĐĐặặc trc trưưng cho bng cho bộộ ququéét lt làà đ độộ phân giphân giảải, nghi, nghĩĩa la làà ccáác vc vếết t không phkhông phụụ thuthuộộc nhau mc nhau màà nnóó ccóó ththểể ququéét.t.


HHìình 4.nh 4.1.7. 1.7. (a) (a) LLăăng kng kíính EO. Gnh EO. Góóc uc uốốn ln lệệch ch ∆∆θθ đư đượợc c đđiiềều khiu khiểển bn bởởi i đđiiệện trn trưườờng. (ng. (b) b) LLăăng kng kíính EO nh EO đđúúp.p.


Đ Độ phân kỳ của chùm tia quang học ộ phân kỳ của chùm tia quang học δθδθ ≈≈λλ00//DD. . ĐĐểể gigiảảm gm góóc nc nàày chy chùùm tia cm tia cầần rn rộộng nhng nhấất ct cóó ththểể. . ĐĐốối vi vớới hii hiệệu u đđiiệện thn thếế ccựực c đđạại i VV cho tr cho trưướớc tc tươương ng ứứng ng vvớới gi góóc quc quéét t ∆∆θθ, s, sốố l lưượợng ng đđiiểểm không phm không phụụ thuthuộộc bc bằằngng

( )DdVnN

//

0

321

λα

δθθ

=∆

≈ (4.1.16)(4.1.16)ɽɽ

Lắp Lắp αα ≈≈ LL//DD vvàà VVππ = (= (dd//LL)()(λλ00//ɽɽnn33) t) ta thu a thu đưđượợcc

πVVN

2≈ (4.1.17)(4.1.17)

→→ VV ≈≈ 22NVNVππ.. ĐĐóó llàà mmộột kt kếết qut quảả llààm nm nảản lòngn lòng. .

5151


HHìình 4.1.8. Công tnh 4.1.8. Công tắắc tc tắắt mt mởở vvịị trtríí ddựựa trên ba trên bộộ llààm m trtrễễ pha EO vpha EO vàà l lưưỡỡng ching chiếết.t.


HHìình 4.1.9. (a) Snh 4.1.9. (a) Sựự trao trao đđổổi công sui công suấất git giữữa hai a hai ốống dng dẫẫn sn sóóng song song ng song song kkếết ht hợợp yp yếếu, chu, chúúng ging giốống nhau vng nhau vàà ccóó ccùùng hng hằằng sng sốố lan truylan truyềền n ββ. T. Tạại i zz= 0 t= 0 tấất ct cảả NL trong NL trong ốống dng dẫẫn sn sóóng sng sốố 1. T1. Tạại i zz = = LL00 ttấất ct cảả NL chuyNL chuyểển n sang sang ốống dng dẫẫn sn sóóng sng sốố 22. (b) S. (b) Sựự phphụụ thuthuộộc cc củủa ta tỷỷ ssốố truytruyềền công sun công suấất t TT = = PP22((LL00)/)/PP11(0) trên tham s(0) trên tham sốố không phkhông phùù hhợợp pha p pha ∆∆ββLL00..

Bộ kết hợp định hướng.Bộ kết hợp định hướng.


Hai tham số điều khiển độ lớn của quá trình Hai tham số điều khiển độ lớn của quá trình kết hợp: kết hợp: •• Hệ số kết hợp Hệ số kết hợp CC (phụ thuộc vào kích thước, bước (phụ thuộc vào kích thước, bước sóng, và chiết suất).sóng, và chiết suất).•• Đ Độ không phù hợp của hằng số lan truyền ộ không phù hợp của hằng số lan truyền ∆∆ββ = = ββ11--ββ2 2 = 2= 2ππ∆∆nn//λλ00, trong , trong đđó ó ∆∆nn là sự khác nhau giữa chiết là sự khác nhau giữa chiết suất của các ống dẫn sóng. suất của các ống dẫn sóng. Nếu hai ống dẫn sóng giống nhau Nếu hai ống dẫn sóng giống nhau ∆∆ββ = 0 và = 0 và PP22(0) = 0, (0) = 0, thì tại khoảng cách thì tại khoảng cách z = z = LL0 0 = = ππ/2/2CC, , đưđược gọi là khoảng ợc gọi là khoảng cách truyềncách truyền hoặc hoặc đđộ dài kết hợpộ dài kết hợp, NL chuyển hoàn toàn , NL chuyển hoàn toàn từ ống dẫn sóng 1 sang ống dẫn sóng 2. Nghĩa là từ ống dẫn sóng 1 sang ống dẫn sóng 2. Nghĩa là PP11((LL00)=0 và )=0 và PP22((LL00)=)=PP11(0).(0).


Ống dẫn sóng có độ dài Ống dẫn sóng có độ dài LL00 và và ∆β∆β ≠≠ 0, t0, tỷỷ ssốốtruytruyềền công sun công suấất t TT = = PP22((LL00)/)/PP11(0) là hàm số của độ (0) là hàm số của độ không phù hợp pha không phù hợp pha ∆∆ββLL00::

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ∆+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

2/1202

2

121csin

2 πβπ L

T(4.1.18)(4.1.18)

sinc(sinc(xx) = sin () = sin (ππxx)/()/(ππxx). H). Hìình 4.1.9b lnh 4.1.9b làà đ đồồ ththịị ccủủa CT a CT nnàày: y: TTmaxmax = 1 t= 1 tạại i ∆∆ββLL00 = 0; gi= 0; giảảm khi m khi ∆∆ββLL00 t tăăng vng vàà tritriệệt t tiêu khi tiêu khi ∆∆ββLL00 = = ππ ; t; tạại i đđiiểểm nm nàày công suy công suấất quang t quang không chuykhông chuyểển sang n sang ốống dng dẫẫn sn sóóng 2.ng 2.

3

5252


HHìình 4.1.10. Bnh 4.1.10. Bộộ kkếết ht hợợp p đđịịnh hnh hưướớng EO tng EO tíích phân. Hich phân. Hiệệu u đđiiệện thn thếế ááp vp vàào V to V tạạo nêo nên n đđiiệện trn trưườờng ng EE ≈≈ VV//dd trong mtrong mộột t

ốống dng dẫẫn sn sááng vng vàà ––VV//dd trên trên ốống kiang kia

2∆n = - n3ɽ(V/d), → ∆βL0 = - (2π/λ0)n3ɽ(L0/d)V.


Hiệu điện thế Hiệu điện thế VV00 cần thiết để chuyển mạch cần thiết để chuyển mạch công suất quang là hiệu điện thế để |công suất quang là hiệu điện thế để |∆∆ββLL00|= |= ππ bbằằngng3

30

30

00

32

3n

dnL

dV λπ

λ C== (4.1.19)(4.1.19)

ɽɽ ɽɽ

LL00 = = ππ/2/2CC và và CC là hệ số kết hợp. Đây là là hệ số kết hợp. Đây là hiệu điện thế hiệu điện thế chuyển mạchchuyển mạch..Do |Do |∆∆ββLL00|= |= ππ V/VV/V00 PT (4.1.18) cho:PT (4.1.18) cho:3

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

2/12

0

22

3121csin

2 VVπ

T

(4.1.20)(4.1.20)Hiệu suất Hiệu suất kết hợpkết hợp


HHìình 4.1.11. Snh 4.1.11. Sựự phphụụ thuthuộộc cc củủa hia hiệệu suu suấất kt kếết ht hợợp p vvàào hio hiệệu u đđiiệện thn thếế ááp vp vàào o VV. Khi . Khi VV = 0, t= 0, tấất ct cảảcông sucông suấất quang kt quang kếết ht hợợp tp từừ ốống dng dẫẫn sn sóóng 1 sang ng 1 sang ốống dng dẫẫn sn sóóng 2; Khi ng 2; Khi VV = = VV00, t, tấất ct cảả công sucông suấất t ởởllạại trong i trong ốống dng dẫẫn sn sóóng 1.ng 1.


BBàài ti tậập 4.1.1p 4.1.1.. PT 4.1.19 cho thPT 4.1.19 cho thấấy ry rằằng thng thếế chuychuyểển mn mạạch ch VV00 ttỷỷllệệ vvớới bi bưướớc sc sóóng. Ging. Giảả thithiếết rt rằằng hing hiệệu u đđiiệện thn thếế ááp vp vàào o VV = = VV00 cho bcho bưướớc sc sóóng , nghng , nghĩĩa la làà hihiệệu suu suấất kt kếết ht hợợp p TT = 0 t= 0 tạại . i . NNếếu thay vu thay vàào o đđóó, s, sóóng tng tớới ci cóó b bưướớc sc sóóng ng λλ00, hãy v, hãy vẽẽ hihiệệu suu suấất t kkếết ht hợợp p TT llàà hhààm cm củủa . Gia . Giảả thithiếết rt rằằng hng hệệ ssốố kkếết ht hợợp p CCvvàà tham stham sốố ccủủa va vậật lit liệệu u nn vvàà ɽɽ llàà không phkhông phụụ thuthuộộc vc vàào bo bưướớc c ssóóng mng mộột ct cáách tch tươương ng đđốối.i.

0λ 0λ

00 λλ −

5353


ĐĐiều biến ánh sáng theo không gianiều biến ánh sáng theo không gian

HHìình 4.1.12. Bnh 4.1.12. Bộộ đ điiềều u bibiếến n áánh snh sááng theo ng theo không gian.không gian.

HHìình 4.1.12. Chunh 4.1.12. Chuỗỗi ci cóó khkhảả nnăăng ng đđịịnh nh đđịịa cha chỉỉ bbằằng ng đđiiệện cn củủa Ba Bộộ đ điiềều biu biếến EO n EO ddọọc.c.


BBộộ bibiếến n đđiiệệu EO u EO áánh snh sááng theo khônng theo không gian g gian đưđượợc c đđịịnh nh đđịịa cha chỉỉ bbằằng quang hng quang họọc:c:

HHìình 4.1.14. Bnh 4.1.14. Bộộ đ điiềều u bibiếến n áánh snh sááng theo ng theo không gian EO skhông gian EO sửửddụụng vng vậật lit liệệu quang u quang ddẫẫn n đđểể ttạạo ra phân bo ra phân bốốkhông gian ckhông gian củủa a đđiiệện n trtrưườờng ng đưđượợc sc sửử ddụụng ng đđểể đ điiềều khiu khiểển vn vậật lit liệệu u EO.EO.


HHìình 4.1.15. Bnh 4.1.15. Bộộ bibiếến n đđiiệệu quang hu quang họọc c đđọọc ra Pockels (PROM).c ra Pockels (PROM).

BBộộ bibiếến n đđiiệệu quang hu quang họọc c đđọọc ra Pockels :c ra Pockels :


PROM hoạt động như sauPROM hoạt động như sau::Trang bị thông tinTrang bị thông tin: Hiệu điện thế lớn (: Hiệu điện thế lớn (≈≈ 4 kV) 4 kV) ááp p

vvàào co cáác c đđiiệện cn cựực vc vàà ttụụ đ điiệện n đưđượợc nc nạạp (không cp (không cóó dòng dòng dò bdò bởởi tinh thi tinh thểể llàà chchấất t đđiiệện môi tn môi tốốt trong bt trong bóóng tng tốối).i).

ViViếếtt: : ÁÁnh snh sááng mng mààu xanh du xanh dươương vng vớới phân bi phân bốố c cưườờng ng đđộộ IIWW((xx,,yy) chi) chiếếu vu vàào tinh tho tinh thểể. K. Kếết qut quảả llàà mmẫẫu hu hìình nh không gian không gian GG((xx, , yy) ) ∝∝ IIWW((xx, , yy) ) đưđượợc tc tạạo nên, tho nên, thếế qua qua tinh thtinh thểể đã đã bbịị ththấấp p đđi ci cóó chchọọn ln lựựa, va, vàà đ điiệện trn trưườờng ging giảảm m đđi ti tỷỷ llệệ ttạại ti từừng vng vịị trtríí, nên , nên EE((xx, , yy) ) ∝∝ 1/1/GG((xx, , yy))∝∝ 1/ 1/ IIWW((xx, , yy). Do t). Do táác c đđộộng cng củủa hia hiệệu u ứứng EO, ching EO, chiếết sut suấất ct củủa BSO a BSO thay thay đđổổi vi vàà hhìình mnh mẫẫu không gian cu không gian củủa sa sựự thay thay đđổổi chii chiếết t susuấất t ∆∆nn((xx, , yy) ) ∝∝ 1/ 1/ IIWW((xx,,yy) ) đưđượợc tc tạạo ra vo ra vàà l lưưu tru trữữ trong trong tinh thtinh thểể..

5454


Đ Đọọcc: : ÁÁnh snh sááng ng đđỏỏ đ đồồng nhng nhấất t đưđượợc dc dùùng ng đđểể đ đọọc c ∆∆nn((xx, , yy) n) nhhư ư vvớới bi bộộ đ điiềều biu biếến cn cưườờng ng đđộộ EO bEO bìình nh ththưườờng. (xem hng. (xem hìình 4.1.6a) vnh 4.1.6a) vớới bi bộộ chia chchia chùùm tia phân m tia phân ccựực c đđóóng vai trò cng vai trò cáác tc tấấm phân cm phân cựực vuông gc vuông góóc. c.

XXóóaa: H: Hìình mnh mẫẫu cu củủa chia chiếết sut suấất t đưđượợc xc xóóa a đđi si sửử ddụụng ng áánh snh sááng chng chớớp chip chiếếu mu mààu xanh du xanh dươương. Tinh thng. Tinh thểể llạại i đưđượợc trang bc trang bịị thông tin bthông tin bằằng ng ááp thp thếế 4 kV, v4 kV, vàà vòng mvòng mớới i llạại tii tiếếp tp tụục.c.


BBộộ chuychuyểển n đđổổi quang hi quang họọc c không kkhông kếết ht hợợp p –– kkếết ht hợợp:p:

Trong bộ điều biến ánh sáng theo không gian định địa Trong bộ điều biến ánh sáng theo không gian định địa chỉ quang học, như PROM, ánh sáng được sử dụng để chỉ quang học, như PROM, ánh sáng được sử dụng để viết hình mẫu không gian vào bộ điều biến không cần viết hình mẫu không gian vào bộ điều biến không cần là kết hợp do vật liệu quang dẫn nhạy cảm với cường là kết hợp do vật liệu quang dẫn nhạy cảm với cường đđộ quang học. Hình mẫu quang học không gian (hình ộ quang học. Hình mẫu quang học không gian (hình ảnh) có thể được viết dùng ánh sáng không kết hợp, và ảnh) có thể được viết dùng ánh sáng không kết hợp, và đđọc dùng ánh sáng kết hợp. Quá trình biến đổi thời ọc dùng ánh sáng kết hợp. Quá trình biến đổi thời gian thực phân bố không gian của ánh sáng không kết gian thực phân bố không gian của ánh sáng không kết hợp tự nhiên thành phân bố không gian tỷ lệ của ánh hợp tự nhiên thành phân bố không gian tỷ lệ của ánh sáng kết hợp rất hữu dụng trong nhiều ứng dụng dữ sáng kết hợp rất hữu dụng trong nhiều ứng dụng dữ liệu quang và xử lý hình ảnh.liệu quang và xử lý hình ảnh.


4.2 Các hiệu ứng điện 4.2 Các hiệu ứng điện –– quang trong quang trong các môi trường không đẳng hướng.các môi trường không đẳng hướng.

Hiệu ứng Pockel và hiệu ứng Kerr.Hiệu ứng Pockel và hiệu ứng Kerr.Các bộ điều biến.Các bộ điều biến.


Quang hQuang họọc vc vềề tinh thtinh thểể: nh: nhắắc lc lạại mi mộột cht chúút t íít:t:

Các tính chất quang học của môi trường không đẳng Các tính chất quang học của môi trường không đẳng hhưướng được đặc trưng bởi việc xây dựng hình học cái ớng được đặc trưng bởi việc xây dựng hình học cái gọi là elipsoid chiết suất:gọi là elipsoid chiết suất:

,...3,2,1,,1 ==∑ jixxij

jiijη (4.2.1)(4.2.1)

Trong Trong đđóó ηηijij = = ηηjiji llàà ccáác yc yếếu tu tốố ccủủa tenxa tenxơ ơ khkhááng ng đđiiệện n ηη==єє00єє--11. C. Cáác trc trụục cc cơ ơ bbảản cn củủa ha hìình elipsoid lnh elipsoid làà ccáác trc trụục c quang hquang họọc chc chíính cnh củủa môa môi tri trưườờng; cng; cáác kc kíích thch thưướớc cc cơ ơ bbảản dn dọọc theo cc theo cáác trc trụục nc nàày ly làà ccáác chic chiếết sut suấất cht chíính nh nn11, , nn22, , nn33. (h. (hìình 4.2.1)nh 4.2.1)

5555


HHìình 4.2.1. Elipsoid nh 4.2.1. Elipsoid chichiếết sut suấất. Ct. Cáác tc tọọa a đđộộ((xx, , yy, , zz) l) làà ccáác trc trụục cc cơ ơ bbảản vn vàà nn11, , nn22, n, n33 llààccáác chic chiếết sut suấất cht chíính. nh. CCáác chic chiếết sut suấất ct củủa a mode trmode trựực giao vc giao vớới i ssóóng lan truyng lan truyềền theo n theo hhưướớng k lng k làà nnaa vvàà nnbb..


Hiệu ứng Pockel và hiệu ứng Kerr.Hiệu ứng Pockel và hiệu ứng Kerr.

HHìình 4.2.2. Elipsoid nh 4.2.2. Elipsoid chichiếết sut suấất bt bịị bibiếến dn dạạng ng khi ta khi ta ááp mp mộột t đđiiệện n trtrưườờng ng ổổn n đđịịnh.nh.

Khi một điện trường ổn định Khi một điện trường ổn định EE với các với các thành phần (thành phần (EE11, , EE22, , EE33) áp vào tinh thể, ) áp vào tinh thể, các yếu tố của tenxơ các yếu tố của tenxơ ηη thay thay đđổổi, nên i, nên ttừừng yng yếếu tu tốố trong 9 ytrong 9 yếếu tu tốố ηηijij trtrởở ththàành nh hhààm cm củủa a EE11, , EE22 vvàà EE33, ngh, nghĩĩa la làà ηηijij = = ηηijij((EE). K). Kếết qut quảả llàà elipsoid belipsoid bịị bibiếến dn dạạng. ng. Khi ta biKhi ta biếết ht hààm m ηηijij((EE) ta c) ta cóó ththểể xxáác c đđịịnhnhelipsoid chiết suất và các tính chất elipsoid chiết suất và các tính chất quang học tại bất kỳ điện trường quang học tại bất kỳ điện trường EEáp vào nào. Nhưng ….áp vào nào. Nhưng ….


Mỗi một yếu tố Mỗi một yếu tố ηηijij((EE) l) làà hhààm cm củủa 3 bia 3 biếến sn sốố EE= (= (EE11, , EE22, , EE33), m), màà ccóó ththểể khai trikhai triểển vn vàào chuo chuỗỗi Taylor i Taylor ttạại i EE = 0,= 0,

( ) ,∑∑ ++=l

llk

kijkk

kijkijij EEE ςηη E (4.2.1)(4.2.1)ɽɽ

ii, , jj, , kk, , ℓℓ = 1, 2, 3,..= 1, 2, 3,..Trong Trong đđóó ηηijij= = ηηjiji(0), (0), ɽɽijkijk = = ∂∂ηηijij//∂∂EEkk, , ςςijkijkℓℓ = = ½½∂∂22ηηijij//∂∂EEkkEEℓℓ, v, vàà ccáác c vi phânvi phân đư đượợc c đđáánh ginh giáá ttạại i EE = 0. PT (4.2.2) l= 0. PT (4.2.2) làà ttổổng qung quáá hhóóa a ccủủa (a (4.1.3), 4.1.3), trong trong đđóó ɽɽ đưđượợc thay bc thay bằằng 3ng 333 = 27 h= 27 hệệ ssốố ɽɽijkijk v vààςς đưđượợc thay bc thay bằằng 3ng 344 = 81 h= 81 hệệ ssốố ςςijkijkℓℓ. H. Hệệ ssốố ɽɽijkijk––ccáác hc hệệ ssốốEO tuyEO tuyếến tn tíính (Pockels). Chnh (Pockels). Chúúng tng tạạo nêo nên tenxn tenxơ ơ bbậậc 3. Cc 3. Cáác hc hệệssốố ςςijkijkℓℓ l làà ccáác hc hệệ ssốố EO bEO bậậc hai (Kerr). Chc hai (Kerr). Chúúng tng tạạo nên o nên tenxtenxơ ơ bậc 4. bậc 4.


SSựự đ đốối xi xứứng:ng:

Bởi Bởi ηη llàà đ đốối xi xứứng (ng (ηηijij = = ηηjiji), ), ɽɽ vvàà ςς kh không ông thay thay đđổổi khi i khi hohoáán vn vịị ccáác chc chỉỉ ssốố ii vvàà jj, ngh, nghĩĩa la làà ɽɽijkijk = = ɽɽjikjik vvàà ςςijkijkℓℓ = = ςςjikjikℓℓ. C. Cũũng nhng như ư vvậậy hy hệệ ssốố ςςijkijkℓℓ = = ½½ ∂∂22ηηijij//∂∂EEkk∂∂EEℓℓ kh không ông thay thay đđổổi khi hoi khi hoáán vn vịị kk vvàà ℓℓ (b(bởởi si sựự kh không ông thay thay đđổổi ci củủa a ththứứ ttựự vi phân), nên vi phân), nên ςςijkijkℓℓ = = ςςijijℓℓkk. B. Bởởi vi vìì ssựự đ đốối xi xứứng cng củủa a phphéép hop hoáán vn vịị nnàày 9 sy 9 sựự kkếết ht hợợp cp củủa a ii vvàà jj ttạạo nên 6 thay o nên 6 thay vvìì 9 c9 cáác yc yếếu tu tốố không phkhông phụụ thuthuộộc. Cc. Cũũng ging giảảm nhm như ư vvậậy y đđốối vi vớới ci cáác chc chỉỉ ssốố kk vvàà ℓℓ. B. Bởởi vi vậậy y ɽɽijkijk ccóó 6 x 3 y6 x 3 yếếu tu tốốkhông phkhông phụụ thuthuộộc, trong khi c, trong khi ςςijkijkℓℓ ccóó 6 x 6 y6 x 6 yếếu tu tốố. .

5656


aVí dụ: Cặp (i, j) = (3, 2) được gán cho I = 4

Bảng 4.2.1 Bảng tra cứu chỉ số I tương ứng với 1 cặp các chỉ số (i, j)a

3453

4262

5611

32i: 1j


ĐĐốối xi xứứng cng củủa tinh tha tinh thểể::

Sự đối xứng của tinh thể thêm vào những hạn chế cho Sự đối xứng của tinh thể thêm vào những hạn chế cho sự tiếp nhận của ma trận sự tiếp nhận của ma trận ɽ và và ς. Một vài yếu tố bằng 0, . Một vài yếu tố bằng 0, và một số khác bằng nhau, hoặc bằng nhau về độ lớn và một số khác bằng nhau, hoặc bằng nhau về độ lớn nhnhưưng ngng ngưược dấu nhau, hoặc liên quan với nhau thông ợc dấu nhau, hoặc liên quan với nhau thông qua những nguyên tắc khác nữa. Đối với tinh thể có qua những nguyên tắc khác nữa. Đối với tinh thể có tâmtâm đ đối xứng thì ɽ biến mất và chỉ còn hiệu ứng Kerr. ối xứng thì ɽ biến mất và chỉ còn hiệu ứng Kerr. CCáác gic giáá trtrịị ccủủa a ɽ và ɽ và ςς cho 32 nhcho 32 nhóóm tinh thm tinh thểể ta cta cóó ththểểttììm m đưđượợc trong mc trong mộột st sốố ssáách tham khch tham khảảo. Trong Bo. Trong Bảảng ng 4.2.2 v4.2.2 vàà 4.2.3 cho m4.2.3 cho mộột st sốố vvíí ddụụ tiêu bitiêu biểểu.u.

Optoelectronics 223College of Technology Optoelectronics 224College of Technology

HiHiệệu u ứứng Pockels:ng Pockels:

Có điện trường Có điện trường EE = (= (EE11, , EE22, , EE33),), đ để tìm các tính chất ể tìm các tính chất QH, cần:QH, cần:

Tìm các trục cơ bản và các chiết suất chính Tìm các trục cơ bản và các chiết suất chính nn11, , nn22, , và và nn33 khi không có khi không có EE..

Xác định các yếu tố của tenxơ kháng điện, sử dụngXác định các yếu tố của tenxơ kháng điện, sử dụng

ηηijij((EE) = ) = ηηijij((00) + ) + ΣΣkkɽɽijkijkEEkk

Trong Trong đđóó ηηijij((00) là ma trận đường chéo với các yếu tố ) là ma trận đường chéo với các yếu tố 1/1/nn11, 1/, 1/nn22 và 1/và 1/nn33..

5757


Viết phương trình cho elipsoid chiết suất biến dạngViết phương trình cho elipsoid chiết suất biến dạngΣΣijijηηijij((EE))xxiixxjj = 1= 1

Xác định các trục cơ bản của elipxoid chiết suất Xác định các trục cơ bản của elipxoid chiết suất biến dạng bằng cách đường chéo hóa ma trận biến dạng bằng cách đường chéo hóa ma trận ηηijij((EE), và ), và tìm các chỉ số chiết suất chính tương ứng tìm các chỉ số chiết suất chính tương ứng nn11((EE), ), nn22((EE) ) và và nn33((EE).).

Cho h Cho hưướng lan truyền ánh sáng, tìm các mode trực ớng lan truyền ánh sáng, tìm các mode trực giao và các chiết suất rương ứng bằng cách sử dụng giao và các chiết suất rương ứng bằng cách sử dụng elipsoid chiết suất.elipsoid chiết suất.


VVíí ddụụ 4.2.14.2.1.. Tinh thTinh thểể trigonal 3m (vtrigonal 3m (víí ddụụ: LiNbO: LiNbO33 vvàà LiTaOLiTaO33). ). Tinh thTinh thểể trigonal 3m ltrigonal 3m làà đơ đơn cn cựực (c (nn11 = = nn22 = = nn00, , nn33 = = nnee) v) vớới ma i ma trtrậận n ɽɽ cho trong Bcho trong Bảảng 4.2.2. Ging 4.2.2. Giảả thithiếết rt rằằng ng EE = (0, 0, = (0, 0, EE), ngh), nghĩĩa a llàà đ điiệện trn trưườờng chng chỉỉ ddọọc theo trc theo trụục quang hc quang họọc (hc (hìình 4.2.3), ta tnh 4.2.3), ta tììm m ththấấy elipsoid chiy elipsoid chiếết sut suấất bit biếến dn dạạng bng bằằng: ng:

( ) 111 23332

22

21132

0

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+ xE

nxxE

n e

rr (4.2.3)(4.2.3)

ĐâĐây là elipsoid xoay vòng, các trục cơ bản của nó không phụ y là elipsoid xoay vòng, các trục cơ bản của nó không phụ thuộc vào thuộc vào EE. Chiết suất bình thường và bất thường . Chiết suất bình thường và bất thường nn00((EE) và ) và nnee((EE) bằng:) bằng:

( ) EnEn 132

020

11 r+= ( ) EnEn ee

3322

11 r+=(4.2.4)(4.2.4)

(4.2.5)(4.2.5)

&&


HHìình 4.2.3. Snh 4.2.3. Sựự bibiếến n đđổổi ci củủa Elipsoid chia Elipsoid chiếết sut suấất ct củủa tinh tha tinh thểể trigonal trigonal 3m gây ra b3m gây ra bởởi i đđiiệện trn trưườờng dng dọọc theo trc theo trụục quang hc quang họọc. c.


Bởi các thành phần Bởi các thành phần ɽɽ1313EE và và ɽɽ3333EE trong CT (4.2.4) trong CT (4.2.4) và (4.2.5) thường là nhỏ, nên thường dùng phép gần đúng (1 + và (4.2.5) thường là nhỏ, nên thường dùng phép gần đúng (1 + ∆∆))--1/21/2 ≈≈ 11-- ½½∆∆, khi |, khi |∆∆| nh| nhỏỏ, thu , thu đưđượợc:c:

( )( ) EnnEn

EnnEn

eee 333

21

13021

00

r

r

−≈

−≈ 3(4.2.4)(4.2.4)

Ta Ta đđi i đđến kết luận rằng khi điện trường áp vào dọc theo trục ến kết luận rằng khi điện trường áp vào dọc theo trục quang học của tinh thể đơn trục, thì nó giữ nguyên đơn trục, quang học của tinh thể đơn trục, thì nó giữ nguyên đơn trục, nhnhưưng chiết suất của nó bị thay đổi theo CT (4.2.6) và (4.2.7) ng chiết suất của nó bị thay đổi theo CT (4.2.6) và (4.2.7) (Hình 4.2.3).Lưu ý sự giống nhau giữa các công thức này và (Hình 4.2.3).Lưu ý sự giống nhau giữa các công thức này và Ct gốc (4.2.4)Ct gốc (4.2.4)

5858


VVíí ddụụ 4.2.14.2.1.. Tinh thTinh thểể ttứứ didiệện (tetragonal) 42m (vn (tetragonal) 42m (víí ddụụ: KDP v: KDP vààADP). NhADP). Nhắắc lc lạại nhi nhữững bng bưướớc cho tinh thc cho tinh thểể đơ đơn trn trụục nc nàày vy vàà gigiảảthithiếết rt rằằng ng EE = (0, 0, = (0, 0, EE), ngh), nghĩĩa la làà đ điiệện trn trưườờng chng chỉỉ ddọọc theo trc theo trụục c quang hquang họọc (hc (hìình 4.2.4), ta tnh 4.2.4), ta tììm thm thấấy phy phươương trng trìình cho elipsoid nh cho elipsoid chichiếết sut suấất bt bằằng: ng: ( ) 12 21632

23

20

22

21 =+++ xEx

nx

nxx

e

r(4.2.8)(4.2.8)

Các trục cơ bản biến dạng thu được bằng cách quay hệ tọa độ Các trục cơ bản biến dạng thu được bằng cách quay hệ tọa độ 4545oo theo trục theo trục zz. Thay . Thay uu11 = (= (xx11 –– xx22)/ , )/ , uu22 = (= (xx11+ + xx22)/ , )/ , uu33 = = xx33 vào (4.2.8) ta thu được:vào (4.2.8) ta thu được:

2 2

( ) ( ) ( ) 123

23

22

22

21

21 =++

Enu

Enu

Enu


HHìình 4.2.4. Snh 4.2.4. Sựự bibiếến n đđổổi ci củủa Elipsoid chia Elipsoid chiếết sut suấất t đưđượợc tc tạạo ra bo ra bởởi i đđiiệện n trtrưườờng ng EE ddọọc theo cc theo cáác trc trụục quang hc quang họọc cc củủa tinh tha tinh thểể đơ đơn trn trụục c tetragonal 42m. tetragonal 42m.


với:với:

( )

( )( ) enEn

EnEn

EnEn

=

−=

+=

3

6320

22

6320

21

11

11

r

r

Dùng phép gần đúng (1 + Dùng phép gần đúng (1 + ∆∆))--1/21/2 ≈≈ 11-- ½½∆∆, thu , thu đưđược:ợc:( )( )( ) enEn

EnnEn

EnnEn

=

+≈

−≈

3

63302

102

63021

01

r

r3 (4.2.9)(4.2.9)

(4.2.4)(4.2.4)

(4.2.10)(4.2.10)

(4.2.11)(4.2.11)

NhNhư ư vậy tinh thể ban đầu vậy tinh thể ban đầu đơđơn trục trở thành lưỡng n trục trở thành lưỡng trục khi điện trường áp trục khi điện trường áp vào nó dọc theo hướng vào nó dọc theo hướng trục quang học.trục quang học.


VVíí ddụụ 4.2.34.2.3.. Tinh thTinh thểể llậập php phươương (cubic) 43m (vng (cubic) 43m (víí ddụụ: GaAs, : GaAs, CdTe vCdTe vàà InAs). CInAs). Cáác tinh thc tinh thểể nnàày y đđẳẳng hng hưướớng (ng (nn11 = = nn22 = = nn33 = = nn). Kh). Khôngông đ đáánh mnh mấất t đđi ti tíính chung, hnh chung, hệệ ttọọa a đđộộ ccóó ththểể chchọọn ln lựựa a sao cho sao cho đđiiệện trn trưườờng ng ááp vp vàào o đđi theo tri theo trụục c zz (h(hìình 4.2.5). Nhnh 4.2.5). Nhắắc lc lạại i ccũũng cng cáác bc bưướớc nhc như ư trên ta ttrên ta tììm thm thấấy phy phươương trng trìình cho elipsoid nh cho elipsoid chichiếết sut suấất bt bằằng: ng:

12 21412

23

22

21 =+

++ xExn

xxx r(4.2.12)(4.2.12)

CCũũng ging giốống nhng như ư vvíí ddụụ 4.2.2, c4.2.2, cáác trc trụục cc cơ ơ bbảản mn mớới thu i thu đưđượợc c bbằằng cng cáách quay hch quay hệệ ttọọa a đđộộ 4545oo theo trtheo trụục c zz. C. Cáác chic chiếết sut suấất cht chíính nh bbằằng:ng: ( )

( )( ) nEn

EnnEn

EnnEn

=

+≈

−≈

3

413

21

2

4121

1

r

r3(4.2.13)(4.2.13)(4.2.14)(4.2.14)(4.2.15)(4.2.15)

NhNhư ư vvậậy y đđiiệện trn trưườờng ng ááp vp vàào o llààm tinh thm tinh thểể ban ban đđầầu u đđẳẳng ng hhưướớng trng trởở ththàành tinh thnh tinh thểể llưưỡỡng trng trụục. (H4.2.5)c. (H4.2.5)

5959


HHìình 4.2.5. Snh 4.2.5. Sựự bibiếến n đđổổi ci củủa Elipsoid chia Elipsoid chiếết sut suấất t đưđượợc tc tạạo ra bo ra bởởi i đđiiệện n trtrưườờng ng EE vvàào tinh tho tinh thểể llậập php phươương (cubic) 43m. ng (cubic) 43m.


HiHiệệu u ứứng Kerr:ng Kerr:

Các tính chất quang học của môi trường Kerr có thể Các tính chất quang học của môi trường Kerr có thể xác định được bởi sử dụng quá trình giống hệ như cho xác định được bởi sử dụng quá trình giống hệ như cho môi môi trtrưường Pockels, ngoại trừ hệ số ờng Pockels, ngoại trừ hệ số ηηijij((EE) bây gi) bây giờờηηijij((EE) = ) = ηηijij((00) + ) + ΣΣkkℓℓ ςςijkijkℓℓEEkkEEℓℓ..

VVíí ddụụ 4.2.44.2.4.. Môi Môi trtrưườờng ng đđẳẳng hng hưướớng. Sng. Sửử ddụụng hng hệệ ssốố Kerr Kerr ςςIK IK trong Btrong Bảảngng 4.2.3 cho tinh th4.2.3 cho tinh thểể đ đẳẳng hng hưướớng, vng, vàà llấấy try trụục z dc z dọọc c theo theo đđiiệện trn trưườờng ng ááp vp vàào E, ta do E, ta dễễ ddààng tng tììm thm thấấy phy phươương trng trìình nh cho elipsoid chicho elipsoid chiếết sut suấất bt bằằng: ng:

( ) 111 23

2112

22

21

2122 =⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+ xE

nxxE

nςς

(4.2.16)(4.2.16)


Đâ Đây là phương trình của elipsoid quay tròn mà trục y là phương trình của elipsoid quay tròn mà trục quay là trục quay là trục zz. Các chiết suất chính . Các chiết suất chính nn00((EE) và ) và nnee((EE) ) đưđược xác ợc xác đđịnh từ:ịnh từ:

LLưưu ý rằng thành phần thứ hai trong hai CT trên nhỏ, nên u ý rằng thành phần thứ hai trong hai CT trên nhỏ, nên dùng phép gần đúng (1 + dùng phép gần đúng (1 + ∆∆))--1/21/2 ≈≈ 11-- ½½∆∆, khi |, khi |∆∆| <<1| <<1, thu , thu đưđược:ợc:

( )( ) 2

113

21

2122

10

EnnEn

EnnEn

e ς

ς

−≈

−≈ 3

( )

( )2

1122

21222

0

11

11

EnEn

EnEn

e

ς

ς

+=

+= (4.2.17)(4.2.17)

(4.2.18)(4.2.18)

(4.2.19)(4.2.19)

(4.2.20)(4.2.20)

NhNhư ư vvậậy khi y khi đđiiệện trn trưườờng ng EE ááp p vvàào môo môi tri trưườờng ng đđẳẳng hng hưướớng ng bibiếến nn nóó ththàành tinh thnh tinh thểể đơ đơn trn trụục, c, vvớới tri trụục quang hc quang họọc dc dọọc theo c theo hhưướớng cng củủa E. Ca E. Cáác chic chiếết sut suấất t nn00vvàà nnee hhààm gim giảảm theo m theo EE bbậậc hai.c hai.


Các bộ điều biến.Các bộ điều biến.

π

πϕϕVV

−= 0

BBộộ đ điiềều biu biếến pha:n pha:Các mode bình thường được đặc trưng bởi chiết suất Các mode bình thường được đặc trưng bởi chiết suất nn((EE) ) ≈≈ nn –– ½½ ɽɽnn33EE, trong , trong đđóó nn vvàà ɽɽ llàà chichiếết sut suấất vt vàà hhệệssốố Pockels thPockels thíích ch ứứng, vng, vàà EE = = VV//dd llàà đ điiệện trn trưườờng thu ng thu đưđượợc khi c khi ááp mp mộột t đđiiệện thn thếế VV qua khoqua khoảảng cng cáách ch dd. S. Sóóng ng lan truylan truyềền qua khon qua khoảảng ng LL, thay , thay đđổổi pha:i pha:

(4.2.21)(4.2.21)

Trong Trong đđó ó φφ00 = 2= 2ππnLnL//λλ00 vvàà ththếế nnửửa sa sóóngng 30

nLdV

rλ

π =

(4.2.22)(4.2.22)Các hệ số thích ứng ban đầu gọi là Các hệ số thích ứng ban đầu gọi là nn và và ɽɽ có thể có thể dễ dàng được xác định trong ví dụ sau đây.dễ dàng được xác định trong ví dụ sau đây.

6060


VVíí ddụụ 4.2.54.2.5.. Tinh thTinh thểể trigonal 3m (LiNbOtrigonal 3m (LiNbO33 vvàà LiTaOLiTaO33). Kh). Khi i đđiiệện trn trưườờng ng đđi di dọọc theo trc theo trụục quang hc quang họọc cc củủa loa loạại tinh thi tinh thểể đơ đơn n trtrụục nc nàày, tinh thy, tinh thểể vvẫẫn nguyên ln nguyên làà đơ đơn trn trụục vc vớới ci cũũng cng cáác trc trụục cc cơ ơ bbảản cn cũũ. (H. (Hìình 4.2.3). Cnh 4.2.3). Cáác chic chiếết sut suấất cht chíính nh đưđượợc tro bc tro bằằng cng cáác c công thcông thứức (4.2.6) vc (4.2.6) vàà (4.2.7). Tinh th(4.2.7). Tinh thểể ccóó ththểể ddùùng nhng như ư bbộộ đ điiềều u bibiếến pha trong mn pha trong mộột tt từừ hai lohai loạại sau i sau đâđây: y: •• ĐĐiiềều biu biếến dn dọọcc: N: Nếếu su sóóng quang hng quang họọc phân cc phân cựực thc thẳẳng ng đđi di dọọc c theo htheo hưướớng trng trụục quang hc quang họọc (// vc (// vớới i đđiiệện trn trưườờng), cng), cáác tham sc tham sốốththíích ch ứứng cho bng cho bộộ đ điiềều biu biếến pha ln pha làà nn = = nn00, , ɽɽ = = ɽɽ1313 vvàà dd = = LL. . ĐĐốối i vvớới LiNbOi LiNbO33, , ɽɽ1313 = 9,6 pm/V v= 9,6 pm/V vàà nn00 = 2,3 t= 2,3 tạại i λλ00 = 633 nm. PT = 633 nm. PT (4.2.22) cho ta (4.2.22) cho ta VVππ=5,41 kV, nên c=5,41 kV, nên cầần cn cóó 5 5,41 ,41 kV kV đđểể thay thay đđổổi i pha bpha bằằng ng ππ. .


•• BBộộ đ điiềều biu biếến ngangn ngang: N: Nếếu su sóóng lan truyng lan truyềền theo hn theo hưướớng x vng x vààphân cphân cựực theo hc theo hưướớng ng zz, c, cáác tham sc tham sốố ththíích ch ứứng lng làà nn = = nnee vvàà ɽɽ = = ɽɽ3333. . ĐĐộộ rrộộng ng dd nnóói chung không bi chung không bằằng ching chiềều du dàài i LL. . ĐĐốối vi vớới i LiNbOLiNbO33 ttạại i λλ00 = 633 nm, = 633 nm, ɽɽ33 = 30,9 pm/V, v33 = 30,9 pm/V, vàà nnee = 2,2, cho th= 2,2, cho thếếnnửửa sa sóóng ng VVππ = 1,9(d/L) kV. N= 1,9(d/L) kV. Nếếu u dd//LL = = 0,1, 0,1, ta thu ta thu đưđượợc c VVππ ≈≈190 V, th190 V, thấấp hp hơơn rn rấất nhit nhiềều so vu so vớới thi thếế nnửửa sa sóóng cng củủa ba bộộ đ điiềều biu biếến n ddọọc.c.


BBộộ đ điiềều biu biếến cn cưườờng ng đđộộ::

Hai mode trực giao của tế bào Pockels có chiết suất Hai mode trực giao của tế bào Pockels có chiết suất phụ thuộc vào điện trường áp vào khác nhau cho ta độ phụ thuộc vào điện trường áp vào khác nhau cho ta độ trễ phụ thuộc vào thế:trễ phụ thuộc vào thế:

π

πVV

−Γ=Γ 0 (4.2.23)(4.2.23)

Trong Trong đđóó ( )0

210

2λ

π Lnn −=Γ

( )322

311

0/nn

LdVrr −

=λ

π

(4.2.24)(4.2.24)

&&

(4.2.25)(4.2.25)Nếu tế bào đặt giữa hai tấm phân cực vuông góc, hệ Nếu tế bào đặt giữa hai tấm phân cực vuông góc, hệ thông hoạt động như bộ điều biến cường độ thông hoạt động như bộ điều biến cường độ (Sec.4.1B). (Sec.4.1B).


VVíí ddụụ 4.2.64.2.6.. Tinh thTinh thểể ttứứ didiệện (tetragonal) 42m (vn (tetragonal) 42m (víí ddụụ: KDP v: KDP vàà ADP). NADP). Nhhư ư trong vtrong víí ddụụ 4 4.2.2,.2.2, đ điiệện trn trưườờng chng chỉỉ ddọọc theo trc theo trụục c quang hquang họọc cc củủa tinh tha tinh thểể đơ đơn trn trụục nc nàày vy vàà bibiếến nn nóó ththàành lnh lưưỡỡng ng trtrụục. Cc. Cáác trc trụục cc cơ ơ bbảản mn mớới chi chíính lnh làà ccáác trc trụục nguyên bc nguyên bảản quay n quay đđi i 4545oo. Gi. Giảả thithiếếtt rrằằng cng cấấu hu hìình binh biếến n đđiiệệu du dọọc (c (dd//LL=1) =1) trong trong đđóóssóóng lan truyng lan truyềền dn dọọc theo trc theo trụục quang hc quang họọc. Hai mode trc. Hai mode trựực giao c giao ccóó chichiếết sut suấất cho theo công tht cho theo công thứức (4.2.9) vc (4.2.9) vàà (4.2.10). C(4.2.10). Cáác hc hệệ ssốốththíích hch hợợp p đđểể ssửử ddụụng trong (4.2.25) bng trong (4.2.25) bởởi vi vậậy y nn11 = = nn22 = = nn00, , ɽɽ11 = = ɽɽ6363, , ɽɽ22 = = --ɽɽ6363 vvàà d d = = LL nên nên ΓΓ00= 0 v= 0 vàà::

3063

0

2 nV

rλ

π = (4.2.26)(4.2.26)

ĐĐối với KDP ối với KDP λλ00 = 633 nm, = 633 nm, VVππ = 8,4 kV= 8,4 kV

6161


BBàài ti tậập 4.2.1p 4.2.1.. ADP ADP ĐĐiiềều biu biếến cn cưườờng ng đđộộ ssửử ddụụng hing hiệệu u ứứng ng Kerr. SKerr. Sửử ddụụng (4.2.19) vng (4.2.19) vàà ( (4.2.20)4.2.20) đ đểể xxáác c đđịịnh binh biểểu thu thứức cho c cho đđộộ ddịịch pha ch pha φφ, v, vàà đ độộ trtrễễ pha pha ΓΓ, trong b, trong bộộ đ điiềều biu biếến Kerr dn Kerr dọọc c llààm tm từừ vvậật lit liệệu u đđẳẳng hng hưướớng, lng, làà hhààm sm sốố ccủủa tha thếế ááp vp vàào o VV. T. Tíính nh ra bira biểểu thu thứức cho thc cho thếế nnửửa sa sóóng ng VVππ trong ttrong từừng trng trưườờng hng hợợp. p.


4.3 Các hiệu ứng điện quang của 4.3 Các hiệu ứng điện quang của tinh thể lỏng.tinh thể lỏng.

Các bộ giữ chậm và điều biến sóng.Điều biến ánh sáng theo không gian

Nematic LCNematic LCSmectic LCSmectic LC Cholesteric LCCholesteric LC


Trạng thái tinh thể lỏng là trạng thái của vật liệu, Trạng thái tinh thể lỏng là trạng thái của vật liệu, trong trong đđó các phân tử thon dài (thường có dạng điếu xì gà) có ó các phân tử thon dài (thường có dạng điếu xì gà) có trạng thái định hướng (giống tinh thể) nhưng thiếu trạng thái trạng thái định hướng (giống tinh thể) nhưng thiếu trạng thái đđịnh vị trí (giống chất lỏng). Có 3 loại (pha) tinh thể lỏng:ịnh vị trí (giống chất lỏng). Có 3 loại (pha) tinh thể lỏng:•• Trong tinh thể lỏng nematic các phân tử có thiên hướng song Trong tinh thể lỏng nematic các phân tử có thiên hướng song song với nhau nhưng vị trí của chúng là ngẫu nhiên.song với nhau nhưng vị trí của chúng là ngẫu nhiên.•• Trong tinh thể lỏng smestic các phân tử song song với nhau, Trong tinh thể lỏng smestic các phân tử song song với nhau, nhnhưưng tâm của chúng sắp xếp thành những lớp song song, mà ng tâm của chúng sắp xếp thành những lớp song song, mà trong trong đđó chúng có các vị trí ngẫu nhiên, cho nên chúng có ó chúng có các vị trí ngẫu nhiên, cho nên chúng có trạng thái vị trí chỉ trong một hướng.trạng thái vị trí chỉ trong một hướng.•• Trong pha cholesteric là biến dạng của pha nematic, khi đó Trong pha cholesteric là biến dạng của pha nematic, khi đó đđịnh hướng của các phân tử quay xoắn ốc xung quanh 1 trục.ịnh hướng của các phân tử quay xoắn ốc xung quanh 1 trục. Optoelectronics 244College of Technology

Tinh thể lỏng là trạng thái lỏng của vật liệu. Tinh thể lỏng là trạng thái lỏng của vật liệu. Các phân tử thay đổi định hướng khi tác động lên nó Các phân tử thay đổi định hướng khi tác động lên nó một lực nào đó. Ví dụ như, khi một tấm tinh thể lỏng một lực nào đó. Ví dụ như, khi một tấm tinh thể lỏng (LC)(LC) đư được đặt giữa hai tấm thủy tinh, định hướng của ợc đặt giữa hai tấm thủy tinh, định hướng của các phân tử thay đổi, nếu như các tấm đó bị chà sát; các phân tử thay đổi, nếu như các tấm đó bị chà sát; các phân tử sẽ tự định theo hướng chà sát.các phân tử sẽ tự định theo hướng chà sát.LC nematic xoắn là LC nematic khi tác động một lực LC nematic xoắn là LC nematic khi tác động một lực ngoài sẽ bị xoắn đi ngoài sẽ bị xoắn đi –– giống như trong pha cholesteric giống như trong pha cholesteric ––ví dụ như khi cho một lớp mỏng LC vào giữa hai tấm ví dụ như khi cho một lớp mỏng LC vào giữa hai tấm thủy tinh và đánh bóng theo hai chiều vuông góc. Loại thủy tinh và đánh bóng theo hai chiều vuông góc. Loại LC nematic xoắn có rất nhiều ứng dụng trong công LC nematic xoắn có rất nhiều ứng dụng trong công nghệ quang tử.nghệ quang tử.

6262

Optoelectronics 245College of Technology Optoelectronics 246College of Technology

Tính chất quang học của LC nematic xoắnTính chất quang học của LC nematic xoắnLC nematic xoắn là môi trường bất đẳng hướng không LC nematic xoắn là môi trường bất đẳng hướng không đđồng nhất họat động tại chổ giống như tinh thể đơn ồng nhất họat động tại chổ giống như tinh thể đơn trục, có trục quang học song song với định hướng của trục, có trục quang học song song với định hướng của phân tử. phân tử. ĐĐể cho việc nghiên cứu các tính chất QH thuận tiện ể cho việc nghiên cứu các tính chất QH thuận tiện bằng cách chia vật liệu thành các lớp mỏng vuông góc bằng cách chia vật liệu thành các lớp mỏng vuông góc với trục xoắn, từng lớp hoạt động như tinh thể đơn với trục xoắn, từng lớp hoạt động như tinh thể đơn trục, trục QH của chúng quay dần dần theo xoắn ốc.trục, trục QH của chúng quay dần dần theo xoắn ốc.Hiệu ứng tích lũy được của các lớp này lên sóng Hiệu ứng tích lũy được của các lớp này lên sóng truyền qua được xác định. Dưới những điều kiện nhất truyền qua được xác định. Dưới những điều kiện nhất đđịnh LC nematic xoắn tác động như bộ quay phân cực.ịnh LC nematic xoắn tác động như bộ quay phân cực.


Các bộ giữ chậm và điều biến sóng.Các bộ giữ chậm và điều biến sóng.CCáác tc tíính chnh chấất t đđiiệện cn củủa tinh tha tinh thểể llỏỏng nematic:ng nematic:

Hằng số điện môi Hằng số điện môi єє cho cho đđiện trường dọc theo hướng của phân iện trường dọc theo hướng của phân tử và tử và єє trong h trong hưướng vuông góc. Tinh thể lỏng mà có ớng vuông góc. Tinh thể lỏng mà có єє > > єє, , ((đơđơn trn trụục dc dươương) tng) thhưườờng ng đưđượợc chc chọọn cho cn cho cáác c ứứng dng dụụng EO.ng EO.Khi Khi đđiiệện trn trưườờng ng ổổn n đđịịnh (honh (hoặặc tc tầần sn sốố ththấấp) p) ááp vp vàào, co, cáác lc lưưỡỡng ng ccựực c đđiiệện quay vn quay vàào ho hưướớng mng màà NL NL đđiiệện tn tĩĩnh tnh tựự do ldo làà ttốối thii thiểểu, u, --½½ EE..DD = = -- ½ [½ [єєEE11

22 + + єєEE2222 + + єєEE33

22], (], (EE11, , EE22, , EE33 là các thành là các thành phần của phần của EE trong h trong hưướng của các trục cơ bản). Khi ớng của các trục cơ bản). Khi EE = (0,0,= (0,0,EE), ), thì NL = 1½thì NL = 1½єєEE22. Khi sự sắp xếp đã hoàn tất, trục của các . Khi sự sắp xếp đã hoàn tất, trục của các phân tử chỉ dọc theo điện trường (hình 4.3.1). Rõ ràng, đổi phân tử chỉ dọc theo điện trường (hình 4.3.1). Rõ ràng, đổi chiều của điện trường cũng làm quay phân tử. Trường xoay chiều của điện trường cũng làm quay phân tử. Trường xoay chiều tạo ra bởi thế ac cũng gây ra hiệu ứng như vậychiều tạo ra bởi thế ac cũng gây ra hiệu ứng như vậy


HHìình 4.3.1. Phân tnh 4.3.1. Phân tửửtinh thtinh thểể llỏỏng ng đơđơn cn cựực c ddươương quay vng quay vàà ssắắp p xxếếp vp vớới i đđiiệện trn trưườờng ng ááp vp vàào.o.

6363


CCáác bc bộộ llààm trm trễễ vvàà đ điiềều biu biếến tinh thn tinh thểểllỏỏng nematic:ng nematic:

Tế bào tinh thể lỏng nematic là một lớp mỏng nằm Tế bào tinh thể lỏng nematic là một lớp mỏng nằm giữa hai tấm thủy tinh song song và rubbed (chà xát?) giữa hai tấm thủy tinh song song và rubbed (chà xát?) sao cho các phân tử song song với nhau. Vật liệu lúc sao cho các phân tử song song với nhau. Vật liệu lúc này hoạt động như tinh thể đơn trục với trục quang này hoạt động như tinh thể đơn trục với trục quang học song song với định hướng của phân tử. Đối với học song song với định hướng của phân tử. Đối với sóng đi theo trục sóng đi theo trục zz, các mode trực giao phân cực thẳng , các mode trực giao phân cực thẳng theo htheo hưướng ớng xx và và yy. . HHưướng ớng xx là hướng song song với là hướng song song với đđịnh hướng của các phân tử. Các chiết suất bất thường ịnh hướng của các phân tử. Các chiết suất bất thường và bình thường là và bình thường là nnee và và nnoo. . ĐĐộ dày tế bào ộ dày tế bào dd, cho , cho đđộ trễ ộ trễ sóng sóng ΓΓ = 2= 2ππ((nne e -- nnoo))dd//λλ00..


HHìình 4.nh 4.3.2.3.2. Đ Địịnh hnh hưướớng phân tng phân tửử ccủủa ta tếế bbàào tinh tho tinh thểể llỏỏng (a) khi ng (a) khi không ckhông cóó đ điiệện trn trưườờng ng ổổn n đđịịnh nh ááp vp vàào; (b) Khi co; (b) Khi cóó đ điiệện trn trưườờng ng ổổn n đđịịnh nh ááp vp vàào. Tro. Trụục quang hc quang họọc nc nằằm dm dọọc theo hc theo hưướớng cng củủa ca cáác phân tc phân tửử..

(a)(a)

(b)(b)


Đ Điện trường iện trường EE dọc theo trục dọc theo trục zz, khi , khi đđủ lớn các ủ lớn các phẩn tử nghiêng đi theo điện trường. Góc nghiêng phẩn tử nghiêng đi theo điện trường. Góc nghiêng trong cân bằng trong cân bằng θθ ccủủa pha phầần ln lớớn cn cáác phân tc phân tửử llàà hhààm tm tăăng ng đđềều u đđềều theo u theo VV::

⎪⎩

⎪⎨

⎧

>⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−−

≤= −

cc

c

VVV

VVVV

,exptan22

,0

0

1πθ (4.3.1)(4.3.1)

VV-- là thế rms áp vào, là thế rms áp vào, VVcc –– thế tới hạn mà tại đó quá thế tới hạn mà tại đó quá trình nghiêng đi bắt đầu và trình nghiêng đi bắt đầu và VV00 là hằng số. Khi là hằng số. Khi VV –– VVcc = = VV00, , θθ ≈≈ 5050oo; khi ; khi VV –– VVcc t tăăng lênng lên v vưượợt ra ngot ra ngoàài i VV00, , θθtiệm cận 90tiệm cận 90oo, ( hình 4.3.3a)., ( hình 4.3.3a).


HHìình 4.3.3. (a) Snh 4.3.3. (a) Sựự phphụụthuthuộộc cc củủa ga góóc nghiêng c nghiêng θθvào thế rms chuẩn hóa. (b) vào thế rms chuẩn hóa. (b) Sự phụ thuộc của độ trễ Sự phụ thuộc của độ trễ chuẩn hóa chuẩn hóa ΓΓ//ΓΓmaxmax = [= [nn((θθ) ) ––nnoo]/(]/(nnee--nnoo) v) vàào tho thếế rms rms chuchuẩẩn hn hóóa khi a khi nnoo = 1,5, cho = 1,5, cho gigiáá trtrịị ccủủa a ∆∆nn = = nnee –– nnoo đưđượợc chc chỉỉ ra ra. . ĐĐồồ ththìì nnàày ty từừCT (4.3.1) vCT (4.3.1) vàà (4.3.2)(4.3.2)..

(a)(a)

(b)(b)

6464


Khi bỏ điện trường đi, các phân tử quay trở Khi bỏ điện trường đi, các phân tử quay trở lại định hướng cũ lại định hướng cũ →→ tinh thtinh thểể llỏỏng cng cóó ththểể xem nh xem như ư chchấất t llỏỏng cng cóó bbộộ nhnhớớ. C. Cáác mode trc mode trựực giao cc giao củủa sa sóóng quang ng quang lan truylan truyềền theo hn theo hưướớng ng zz phân cphân cựực thc thẳẳng theo trng theo trụục c xx, , yy→→ ccóó chichiếết sut suấất t nn((θθ) v) vàà nnoo..

( ) 2

2

2

2

2

sincos1

oe nnnθθ

θ+= (4.3.2)(4.3.2)

Bây giờ độ trễ bằng Bây giờ độ trễ bằng ΓΓ = 2= 2ππ[[nn((θθ) ) –– nnoo]]dd//λλ00. . ΓΓmaxmax = 2= 2ππ((nnee–– nnoo))dd//λλ00 khi ckhi cáác phân tc phân tửử không nghiêng (không nghiêng (θθ = 0), v= 0), vààgigiảảm dm dầần dn dầần vn vềề 0 khi g0 khi góóc nghiêc nghiêng ng đđạạt tt tớới 90i 90oo. (h. (hìình nh b)b)


Tế bào được dùng như:Tế bào được dùng như:•• Biến điệu pha điều khiển bằng thế: sóng truyền theo Biến điệu pha điều khiển bằng thế: sóng truyền theo trục trục zz, phân cực thẳng theo trục , phân cực thẳng theo trục xx →→ ccóó đ độộ ddịịch ch chuychuyểển pha n pha φφ = 2= 2ππnn((θθ))dd//λλ00..•• BBộộ llààm trm trễễ ssóóng ng đđiiềều khiu khiểển bn bằằng thng thếế: Khi phân c: Khi phân cựực c ccủủa sa sóóng nng nằằm tm tạại gi góóc 45c 45oo so vso vớới tri trụục c xx, trong m, trong mặặt t phphẳẳng ng xx--yy..•• BiBiếến n đđiiệệu cu cưườờng ng đđộộ đ điiềều khiu khiểển bn bằằng thng thếế: Khi b: Khi bộộ llààm m trtrễễ nnửửa sa sóóng (ng (ΓΓ = = ππ) ) đưđượợc c đđặặt git giữữa hai ta hai tấấm phân cm phân cựực c vuông gvuông góóc (tc (tạại i ±± 4545oo). C). Cũũng tng tươương tng tựự cho bcho bộộ llààm trm trễễ ¼¼ssóóng (ng (ΓΓ = = ππ/2)/2) đư đượợc c đđặặt git giữữa ga gươương vng vàà ttấấm phân cm phân cựực c ttạại 45i 45oo so vso vớới tri trụục c xx. (H. (Hìình 4.3.4)nh 4.3.4)


HHìình 4.3.4. Tnh 4.3.4. Tếế bbàào tinh tho tinh thểể llỏỏng cho ng cho đđộộ trtrễễ ΓΓ = = ππ/2 khi không c/2 khi không cóó đđiiệện n trtrưườờng ng ááp vp vààoo (tr(trạạng thng tháái i ““ttắắtt””) v) vàà ΓΓ = 0 khi c= 0 khi cóó đ điiệện trn trưườờng (trng (trạạng ng ththáái mi mởở). Sau khi ph). Sau khi phảản xn xạạ ttừừ g gươương vng vàà đ đi mi mộột vòng trong tinh tht vòng trong tinh thểể, , mmặặt pht phẳẳng phân cng phân cựực quay c quay đđi gi góóc 90c 90oo trong trtrong trạạng thng tháái ti tắắt nên t nên áánh nh ssááng bng bịị khkhóóa. Trong tra. Trong trạạng thng tháái i ““mmởở””, không c, không cóó ssựự quay vquay vàà do do đđóó áánh nh ssáángng phphảản xn xạạ không bkhông bịị khkhóóaa


Các giá trị đặc trưng của tế bào tinh thể lỏng đặt giữa haCác giá trị đặc trưng của tế bào tinh thể lỏng đặt giữa hai i tấm cửa sổ QH có phủ chống phản xạ. Các giá trị đặc trưng tấm cửa sổ QH có phủ chống phản xạ. Các giá trị đặc trưng dd = 10 = 10 µµm vm vàà ∆∆nn = = nnee-- nnoo = 0,1 = 0,1 –– 0 0,3.,3. Đ Độộ trtrễễ ΓΓ th thưườờng ng đưđượợc c đưđưa da dưướới di dạạng ng đđạại li lưượợng trng trễễ ρρ = (= (nnee –– nnoo))dd, , →→ ΓΓ = 2= 2ππρρ//λλ00. . ĐĐạại li lưượợng trng trễễ th thưườờng tiêu ng tiêu bibiểểu cu cỡỡ vvàài tri trăăm nm (vm nm (víí ddụụ = = 300 nm 300 nm ttươương ng ứứng vng vớới i đđộộ trtrễễ ππ ttạại i λλ00 = = 600 nm).600 nm).ThThếế ááp vp vàào tho thưườờng cng cóó ddạạng xung vuông vng xung vuông vớới ti tầần sn sốố trong khotrong khoảảng 10 ng 10 Hz Hz –– vvàài kHz. Hoi kHz. Hoạạt t đđộộng tng tạại ti tầần sn sốố ththấấp hp hơơn dn dẫẫn n đđếến hin hiệệu u ứứng ng đđiiệện n ccơ ơ phpháá vvỡỡ ssựự đ địịnh hnh hưướớng cng củủa phân ta phân tửử vvàà llààm gim giảảm thm thớới gian si gian sốống ng ccủủa thia thiếết bt bịị. C. Cao hao hơơn 100Hz dn 100Hz dẫẫn n đđếến tiêu hn tiêu hủủy công suy công suấất cao do t cao do đđiiệện n dung tdung tăăng lên. ng lên. VVcc tiêu bitiêu biểểu cu cỡỡ vvàài volt rms.i volt rms.Tinh thTinh thểể llỏỏng chng chậậm.m. Đ Độộ đ đááp p ứứng phng phụụ thuthuộộc vc vàào o dd, , đđộộ nhnhớớt ct củủa va vậật t liliệệu, nhiu, nhiệệt t đđộộ vvàà bbảản chn chấất ct củủa tha thếế ááp vp vàào o đđiiềều khiu khiểển. Thn. Thờời gian nâng i gian nâng ccỡỡ 10 ms n10 ms nếếu u VV ggầần n VVcc, nh, nhưưng ging giảảm m đđi xui xuốống vng vàài ms ti ms tạại i đđiiệện thn thếế cao cao hhơơn. Thn. Thớới giam suy gii giam suy giảảm không nhm không nhạạy vy vớới thi thếế llààm vim việệc nhc nhưưng cng cóó ththểểbbịị gigiảảm nm nếếu du dùùng tng tếế bbàào co cóó đ độộ ddàày nhy nhỏỏ h hơơn.n.

6565


BBộộ đ điiềều biu biếến tinh thn tinh thểể llỏỏng nematic xong nematic xoắắn:n:Tế bào tinh thể lỏng nematic xoắn là một lớp mỏng Tế bào tinh thể lỏng nematic xoắn là một lớp mỏng tinh thể lỏng nematic nằm giữa hai tấm thủy tinh song tinh thể lỏng nematic nằm giữa hai tấm thủy tinh song song và rubbed (chà xát?) sao cho định hướng của các song và rubbed (chà xát?) sao cho định hướng của các phân tử xoay xoắn ốc xung quanh trục vuông góc với phân tử xoay xoắn ốc xung quanh trục vuông góc với các tấm (trục xoắn). Ví dụ, nếu góc xoắn là 90các tấm (trục xoắn). Ví dụ, nếu góc xoắn là 90oo, phân , phân tử dọc theo trục x trên một tấm và dọc theo trục y trên tử dọc theo trục x trên một tấm và dọc theo trục y trên tấm kia. (hình 4.3.5a). Các lớp ngang của vật liệu hoạt tấm kia. (hình 4.3.5a). Các lớp ngang của vật liệu hoạt đđộng như tinh thể đơn trục với trục quang học quay ộng như tinh thể đơn trục với trục quang học quay xoắn ốc quanh trục xoắn. Nếu ánh sáng phân cực xoắn ốc quanh trục xoắn. Nếu ánh sáng phân cực thẳng đi theo hướng của trục xoắn thì mặt phẳng phân thẳng đi theo hướng của trục xoắn thì mặt phẳng phân cực quay cùng các phân tử, nên tế bào tác động như cực quay cùng các phân tử, nên tế bào tác động như một bộ quay phân cực.một bộ quay phân cực.


HHìình 4.3.5. Khi cnh 4.3.5. Khi cóó mmặặt mt mộột t đđiiệện trn trưườờng ng đđủủ llớớn, cn, cáác phân tc phân tửử ccủủa tinh a tinh ththểể llỏỏng nematic xong nematic xoắắn nghiên nghiêng ng đđi vi vàà đ đáánh mnh mấất t đđặặc tc tíính xonh xoắắn cn củủa a chchúúng.ng.

(a)(a) (b)(b)


Khi có một điện trường áp vào theo hướng Khi có một điện trường áp vào theo hướng của trục xoắn (hướng của trục xoắn (hướng zz) các phân tử nghiêng theo ) các phân tử nghiêng theo hhưướng của trường (hình 4.3.5b). Khi độ nghiêng là ớng của trường (hình 4.3.5b). Khi độ nghiêng là 9090oo, các phân tử đánh mất đặc tính xoắn của chúng , các phân tử đánh mất đặc tính xoắn của chúng (trừ những phân tử nằm cạnh bề mặt thủy tinh), nên (trừ những phân tử nằm cạnh bề mặt thủy tinh), nên tính chất quay mặt phẳng phân cực bị mất đi. Nếu bỏ tính chất quay mặt phẳng phân cực bị mất đi. Nếu bỏ đđiện trường, định hướng của lớp gần bề mặt tấm thủy iện trường, định hướng của lớp gần bề mặt tấm thủy tinh chiếm ưu thế, khả năng quay phân cực trở lại.tinh chiếm ưu thế, khả năng quay phân cực trở lại.Do công suất quay phân cực có thể tắt và mở nhờ bật Do công suất quay phân cực có thể tắt và mở nhờ bật hoặc tắt điện trường, có thể thiết kế tấm chắn sáng bởi hoặc tắt điện trường, có thể thiết kế tấm chắn sáng bởi đđặt tế bào với độ xoắn 90ặt tế bào với độ xoắn 90oo nằm giữa hai tấm phân cực nằm giữa hai tấm phân cực vuông góc. Hệ thống cho ánh sáng qua khi không có vuông góc. Hệ thống cho ánh sáng qua khi không có đđiện trường và chắn sáng khi điện trường áp vào iện trường và chắn sáng khi điện trường áp vào (h4.3.6)(h4.3.6) Optoelectronics 260College of Technology

HHìình 4.3.6. Công tnh 4.3.6. Công tắắc c tinh thtinh thểể llỏỏng nematic ng nematic xoxoắắn. (a) Khi không n. (a) Khi không ccóó đ điiệện trn trưườờng, tng, tếế bbàào o tinh thtinh thểể llỏỏng hong hoạạt t đđộộng nhng như ư bbộộ xoay xoay phân cphân cựực, c, áánh snh sááng ng đđi i qua. (b) Khi cqua. (b) Khi cóó đ điiệện n trtrưườờng, khng, khảả n năăng ng quay cquay củủa ta tếế bbàào o ngngưưng lng lạại vi vàà áánh snh sááng ng khôngkhông đ đi qua.i qua.

6666


Tế bào tinh thể lỏng cũng có thể hoạt động Tế bào tinh thể lỏng cũng có thể hoạt động trong trạng thái phản xạ (h 4.3.7). Góc xoắn ở đây là trong trạng thái phản xạ (h 4.3.7). Góc xoắn ở đây là 4545oo, một bên là gương và bên kia là tấm phản xạ., một bên là gương và bên kia là tấm phản xạ.HHìình 4.3.7. Công tnh 4.3.7. Công tắắc c tinh thtinh thểể llỏỏng nematic ng nematic xoxoắắn vn vớới gi góóc xoc xoắắn 45n 45oo đđảảm bm bảảo khi o khi đđi quanh i quanh mmộột vòng st vòng sựự quay quay phân cphân cựực c đđạạt 90t 90oo khi khi không ckhông cóó đ điiệện trn trưườờng ng (tr(trạạng thng tháái khi khóóa) va) vààkhông xoay phân ckhông xoay phân cựực c khi ckhi cóó đ điiệện trn trưườờng ng (tr(trạạng thng tháái mi mởở).).


Tinh thTinh thểể llỏỏng chng chứứa sa sắắt (ferroelectric):t (ferroelectric):

HHìình 4.3.8. Hai trnh 4.3.8. Hai trạạng thng tháái ci củủa ta tếế bbàào tinh tho tinh thểể llỏỏng chng chứứa sa sắắt.t.Trong pha smectic-C, định hướng phân tử nghiêng góc θ so với trực giao của lớp (trục x). Vật liệu có tính chất chứa sắt. Khi đặt gần giữa hai tấm thủy tinh, sự tương tác bề mặt cho phép chỉ hai trạng thái ổn định của định hướng phân tử tại góc ± θ.


ĐĐiều biến ánh sáng theo iều biến ánh sáng theo không giankhông gian

BBộộ hihiểển thn thịị tinh thtinh thểể llỏỏng:ng:

HHìình 4.3.9. Cnh 4.3.9. Cáác c đđiiệện n ccựực cc củủa LCD phâa LCD phân n đđooạạn bn bẩẩy thanh.y thanh.

Bộ hiển thị tinh thể lỏng (LCD) được cấu thành Bộ hiển thị tinh thể lỏng (LCD) được cấu thành bằng cách đặt các điện cực trong suốt có các bằng cách đặt các điện cực trong suốt có các hình khác nhau lên tấm thủy tinh của tế bào hình khác nhau lên tấm thủy tinh của tế bào tinh thể lỏng phản xạ (nematic, nematic xoắn, tinh thể lỏng phản xạ (nematic, nematic xoắn, hoặc chứa sắt). Khi hiệu điện thế áp vào điện hoặc chứa sắt). Khi hiệu điện thế áp vào điện cực cần thiết, dạng của các khoảng phản xạ và cực cần thiết, dạng của các khoảng phản xạ và không phản xạ hiện lên.không phản xạ hiện lên.


So sánh với các bộ hiển thị LED, ưu điểm cơ So sánh với các bộ hiển thị LED, ưu điểm cơ bản của LCDs là tiêu thụ NL rất thấp. Tuy nhiên LCD bản của LCDs là tiêu thụ NL rất thấp. Tuy nhiên LCD có những nhược điểm sau:có những nhược điểm sau:

Là các thiết bị thụ động điều biến ánh sáng đã tồn tại Là các thiết bị thụ động điều biến ánh sáng đã tồn tại chứ không phải là bức xạ ánh sáng của riêng chúng; chứ không phải là bức xạ ánh sáng của riêng chúng; nhnhư ư vậy chúng không hữu dụng trong bóng tối.vậy chúng không hữu dụng trong bóng tối.

Tinh thể lỏng nematic tương đối chậm.Tinh thể lỏng nematic tương đối chậm.Hiệu suất quang học bị giới hạn do sử dụng các tấm Hiệu suất quang học bị giới hạn do sử dụng các tấm

phân cực, chúng hấp thụ ít nhất là 50% ánh sáng tới phân cực, chúng hấp thụ ít nhất là 50% ánh sáng tới không phân cực.không phân cực.

Góc nhìn bị giới hạn; độ tương phản của ánh sáng Góc nhìn bị giới hạn; độ tương phản của ánh sáng đđiều biến bị giảm do góc tới/phản xạ tăng.iều biến bị giảm do góc tới/phản xạ tăng.

6767


BBộộ đ điiềều biu biếến n áánh snh sááng theo không gian bng theo không gian bằằng ng quang hquang họọc:c:

HHìình 4.3.10 Van nh 4.3.10 Van áánh snh sááng tinh thng tinh thểể llỏỏng dng dùùng bng bộộ đ điiềều biu biếến n áánh snh sááng ng theo không gian btheo không gian bằằng quang hng quang họọc.c.

CdSCdS

CdTe CdTe --


4.4 Các vật liệu quang khúc xạ*.4.4 Các vật liệu quang khúc xạ*.Các vật liệu quang khúc xạ thể hiện tính quang dẫn và Các vật liệu quang khúc xạ thể hiện tính quang dẫn và đđiệniện--quang, và có khả năng thu và lưu trữ phân bố quang, và có khả năng thu và lưu trữ phân bố ccưường độ QH dưới dạng không gian của sự thay đổi ờng độ QH dưới dạng không gian của sự thay đổi chiết suất.chiết suất.Vật liệu quang dẫn bình thường là các chất điện môi Vật liệu quang dẫn bình thường là các chất điện môi tốt trong bóng tối tốt trong bóng tối –– được dùng làm các đầu thu ánh được dùng làm các đầu thu ánh sáng.sáng.Các vật liệu quang khúc xạ khi được chiếu ánh sáng, Các vật liệu quang khúc xạ khi được chiếu ánh sáng, các hạt tải tự do được tạo ra từ các tạp chất các hạt tải tự do được tạo ra từ các tạp chất →→ di di chuyển chuyển →→ ttáái hi hợợp vp vớới ci cáác ion tc ion tạạp chp chấất tt tạại vi vịị trtríí khkháác c →→ttạạo nên o nên phân bố điện tích không gian không đồng nhất phân bố điện tích không gian không đồng nhất


HHìình 4.4.1. Ginh 4.4.1. Giảản n đđồồ NL cNL củủa LiNbOa LiNbO33, miêu t, miêu tảả ccáác quc quáá trtrìình (a) ion nh (a) ion hhóóa do quang, (b) khua do quang, (b) khuếếch tch táán, (c) tn, (c) táái hi hợợp, vp, vàà (d) t(d) tạạo o đđiiệện tn tííchch--không không gian, vgian, vàà phpháát sinh t sinh đđiiệện trn trưườờng. Cng. Cáác tâm tc tâm tạạp Fep Fe2+2+ ttáác c đđộộng nhng như ư ccáác c chchấất cho, trt cho, trởở ththàành Fenh Fe3+3+ khi ion hkhi ion hóóa, trong khi a, trong khi đđóó ccáác tâm Fec tâm Fe3+3+ ttáác c đđộộng nhng như ư ccáác bc bẫẫy, try, trởở ththàành Fenh Fe2+2+ sau khi tsau khi táái hi hợợp.p.

Các vật liệu Các vật liệu quang khúc xạ quang khúc xạ quan trọng là: quan trọng là: BaTiOBaTiO33, , BiBi1212SiOSiO2020, , LiNbOLiNbO33, KNbO, KNbO33, , GaAs và SBN.GaAs và SBN.


Lý thuyLý thuyếết quang kht quang khúúc xc xạạ đư đượợc c đơđơn gin giảản hn hóóa:a:

Ánh sáng Ánh sáng II((xx) chiếu vật liệu quang khúc xạ dọc theo ) chiếu vật liệu quang khúc xạ dọc theo trục trục xx →→ chiết suất thay đổi chiết suất thay đổi ∆∆nn((xx). S). Sẽẽ xxẩẩy ra: y ra:

Quang phQuang pháát sinht sinh (photogeneration): H(photogeneration): Hấấp thp thụụ photon photon ởở đ điiểểm m xx llààm m ee-- nhnhẩẩy ty từừ mmứức cho lên vc cho lên vùùng dng dẫẫn. Tn. Tốốc c đđộộion hion hóóa quang a quang GG((xx) t) tỷỷ llệệ ccảả vvớới ci cưườờng ng đđộộ quang, cquang, cảảvvớới mi mậật t đđộộ ssốố l lưượợng cng củủa ca cáác mc mứức cho chc cho chưưa ion ha ion hóóa.a.

( ) ( ) ( )xINNsxG DD+−= (4.4.1)(4.4.1)

Trong Trong đđó ó NNDD là mật độ donor, là mật độ donor, NNDD++ là mật độ donor bị là mật độ donor bị

ion hóa, và ion hóa, và ss là hằng số thiết diện ion hóa do quang.là hằng số thiết diện ion hóa do quang.

6868


Khuếch tánKhuếch tán: Do : Do II((xx) k) khônghông đ đồng nhất nên mật độ ồng nhất nên mật độ các các ee-- bị kích thích bị kích thích nn((xx) cũng không đồng nhất. Kết quả ) cũng không đồng nhất. Kết quả là, là, ee-- khuếch tán từ vị trí có mật độ cao sang chỗ mật khuếch tán từ vị trí có mật độ cao sang chỗ mật đđộ thấp.ộ thấp.

Tái hợpTái hợp: : ee-- tái hợp với tốc độ tái hợp với tốc độ RR((xx) tỷ lệ với mật độ ) tỷ lệ với mật độ nn((xx) của nó, và với mật độ các donor bị ion hóa) của nó, và với mật độ các donor bị ion hóa

( ) ( ) += DnR NxxR γ (4.4.2)(4.4.2)Mà Mà γγRR llàà hhằằng sng sốố. Trong cân b. Trong cân bằằng, tng, tốốc c đđộộ ttáái hi hợợp bp bằằng ng ttốốc c đđộộ ion hion hóóa do quang, a do quang, RR((xx) = ) = GG((xx) nên: ) nên:

( )( ) ( ) ++ =− DnRDD NxNNxsI γ (4.4.3)(4.4.3)

→→ ( ) ( )xIN

NNsxD

DD

R

n +

+−=γ

(4.4.4)(4.4.4)Optoelectronics 270College of Technology

ĐĐiện tích không gianiện tích không gian: Từng : Từng ee-- sau khi sau khi đưđược phát ợc phát sinh do photon sinh do photon đđể lại một ion dương. Khi ể lại một ion dương. Khi ee-- bị bắt (tái bị bắt (tái hợp), điện tích âm của nó trao đi tại các nút mạng khác hợp), điện tích âm của nó trao đi tại các nút mạng khác nhau. Dẫn đến, tạo nên phân bố điện tích không gian nhau. Dẫn đến, tạo nên phân bố điện tích không gian khôngkhông đ đồng nhất.ồng nhất.ĐĐiện trườngiện trường: : ĐĐiện tích không gian không đồng iện tích không gian không đồng

nhất phát sinh ra một điện trường phụ thuộc vào vị trí nhất phát sinh ra một điện trường phụ thuộc vào vị trí EE((xx), có thể xác định được bằng cách quan sát trong ), có thể xác định được bằng cách quan sát trong trạng thái ổn định mật độ dòng điện trôi và khuếch tán trạng thái ổn định mật độ dòng điện trôi và khuếch tán phải bằng nhau về biên độ và có dấu ngược nhau, nên phải bằng nhau về biên độ và có dấu ngược nhau, nên mật độ dòng tổng bị triệt tiêu, nghĩa là:mật độ dòng tổng bị triệt tiêu, nghĩa là:

( ) ( ) 0=−=dxdTkxExeJ n

eBne µµ (4.4.5)(4.4.5)µµee llàà đ độộ linh linh đđộộng cng củủa a ee--


→→ ( ) ( ) dxd

xeTkxE n

n

B 1= (4.4.6)(4.4.6)

Chiết suấtChiết suất: Do vật liệu là điện : Do vật liệu là điện -- quang, điện trường quang, điện trường nội nội EE((xx) biến dạng chiết suất theo:) biến dạng chiết suất theo:

( ) ( )xEnxn r321−=∆ (4.4.7)(4.4.7)

nn và ɽ là các giá trị thích hợp của chiết suất và hệ số và ɽ là các giá trị thích hợp của chiết suất và hệ số quang quang đđiện của môi trường.iện của môi trường.

Hệ thức giữa cường độ ánh sáng tới Hệ thức giữa cường độ ánh sáng tới II((xx) và kết quả của ) và kết quả của sự thay đổi chiết suất sự thay đổi chiết suất ∆∆nn((xx) c) cóó ththểể thu thu đưđượợc dc dễễ ddààng ng nnếếu ta giu ta giảả thithiếết rt rằằng tng tỷỷ ssốố((NNDD//NNDD

++--1) trong (4.4.4) g1) trong (4.4.4) gầần n nhnhư ư llàà hhằằng sng sốố, không ph, không phụụ thuthuộộc vc vàào o xx..


Trong tr Trong trưường hợp đó n(x) tỷ lệ với I(x), nên ờng hợp đó n(x) tỷ lệ với I(x), nên 4.4.6 cho:4.4.6 cho:

( ) ( ) dxdI

xIeTkxE B 1

= (4.4.8)(4.4.8)

Lắp hệ thức này vào (4.4.7), cho ta biểu thức của hàm Lắp hệ thức này vào (4.4.7), cho ta biểu thức của hàm số số thay thay đđổi chiết suấtổi chiết suất phụ thuộc vào tọa độ thay đổi phụ thuộc vào tọa độ thay đổi theo ctheo cưường độ:ờng độ:

( ) ( ) dxdI

xIeTknxn B 1

21 3r−=∆ (4.4.6)(4.4.6)

PT này có thể tổng quá hóa cho trường hợp hai chiều, PT này có thể tổng quá hóa cho trường hợp hai chiều, bởi nó điều khiển hoạt động của vật liệu quang khúc bởi nó điều khiển hoạt động của vật liệu quang khúc xạ như một thiết bị lưu trữ hình ảnh.xạ như một thiết bị lưu trữ hình ảnh.

6969


VVíí ddụụ 4.4.14.4.1.. Thu nhThu nhậận hn hìình dnh dạạng cng cưườờng ng đđộộ không gian không gian sinusoidsinusoid: Ta xem x: Ta xem xéét phân bt phân bốố c cưườờng ng đđộộ d dưướới di dạạng cng cáách tch tửử ccóóchu kchu kỳỳ ddạạng sinus ng sinus ΛΛ, , đđộộ t tươương phng phảản n mm, v, vàà c cưườờng ng đđộộ trung trung bbìình nh II00::

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Λ+=

xmIxI π2cos10(4.4.10)(4.4.10)

NhNhư ư trên hình 4.4.2. Lắp trên hình 4.4.2. Lắp II vào (4.4.8) và (4.4.9) ta thu được vào (4.4.8) và (4.4.9) ta thu được đđiện trường nội và phân bố chiết suấtiện trường nội và phân bố chiết suất

( ) ( )( )

( ) ( )( )Λ+

Λ∆=∆

Λ+Λ−

=

/2cos1/2sin

,/2cos1

/2sin

max

max

xmxnxn

xmxExE

πππ

π

(4.4.11)(4.4.11)( )max

321

max

max /2

Enn

meTkE B

r=∆

Λ= π


HHìình 4.nh 4.4.2.4.2. Đ Đááp p ứứng cng củủa va vậật lit liệệu quang khu quang khúúc xc xạạ ttớới i áánh snh sááng cng cóó hhìình nh ddạạng không gian sinusoid.ng không gian sinusoid.


Ví dụ, nếu Ví dụ, nếu Λ = 1µm, m = 1 và T = 300K, thì Emax = 1,6 x 105 V/m. Điện trường nội này tương đương với áp 1,6 kV qua vật liệu độ rộng 1 cm. Sự thay đổi chiết suất cực đại ∆nmax tỷ lệ thuận với độ tương phản m và hệ số điện- quang ɽ, ɽ, và tỷ lệ nghịch với chu kỳ không gianvà tỷ lệ nghịch với chu kỳ không gian Λ. Dạng hình của cách tử ∆n(x) hoàn toàn không nhạy với mức không đồng nhất của cường độ chiếu sáng I0.

Khi độ tương phản của hình ảnh m nhỏ, thành phần thứ hai của mẫu số trong (4.4.11) có thể bỏ qua. Điện trường nội và sự (4.4.11) có thể bỏ qua. Điện trường nội và sự thay thay đđổi chiết suất cũng có dạng sinusoid dịch đi 90ổi chiết suất cũng có dạng sinusoid dịch đi 90oo so với so với hình dạng của ánh sáng tới.hình dạng của ánh sáng tới.

( )Λ

∆≈∆xnxn π2sinmax

(4.4.6)(4.4.6)Xem hìnhXem hình


ỨỨng dng dụụng hing hiệệu u ứứng quang khng quang khúúc xc xạạ::

Hình ảnh Hình ảnh II((xx, , yy) có thể lưu trữ trong tinh thể quang ) có thể lưu trữ trong tinh thể quang khúc xạ dưới dạng phân bố chiết suất khúc xạ dưới dạng phân bố chiết suất ∆∆nn((xx,,yy). C). Cóó ththểểđđọọc hc hìình nh ảảnh bnh bằằng cng cáách dch dùùng tinh thng tinh thểể nh như ư bbộộ đ điiềều biu biếến n pha pha –– kh không ông gian gian đđểể mã hmã hóóa thông tin trên sa thông tin trên sóóng quang ng quang hhọọc phc phẳẳng ng đđồồng nhng nhấất tt táác c đđộng như sóng thử. Sự điều ộng như sóng thử. Sự điều biến pha có thể biến thành điều biến cường độ nếu đặt biến pha có thể biến thành điều biến cường độ nếu đặt tế bào trong giao thoa kế. tế bào trong giao thoa kế. Vật liệu quang khúc xạ được dùng cho holography Vật liệu quang khúc xạ được dùng cho holography thời gian thực. Do quá trình ghi nhận khá nhanh, quá thời gian thực. Do quá trình ghi nhận khá nhanh, quá trình ghi và tái tạo có thể xẩy ra đồng thời dùng hai trình ghi và tái tạo có thể xẩy ra đồng thời dùng hai sóng: sóng: quá trình trộn hai sóngquá trình trộn hai sóng..

7070


HHìình 4.4.3. Trnh 4.4.3. Trộộn hai sn hai sóóng dng dưướới di dạạng ng holography holography đđộộng.ng.

Các vật liệu quang khúc xạ do có thể ghi hình ảnh Các vật liệu quang khúc xạ do có thể ghi hình ảnh nên rất hấp dẫn cho sử dụng trong holography thời gian thực. nên rất hấp dẫn cho sử dụng trong holography thời gian thực. Sóng từ vật thể trộn ba chiều với sóng so sánh và cường độ Sóng từ vật thể trộn ba chiều với sóng so sánh và cường độ tổng của hai sóng này tạo nên dạng giao thoa hình sin, được tổng của hai sóng này tạo nên dạng giao thoa hình sin, được ghi nhận trong tinh thể quang khúc xạ dưới dạng thay đổi chiết ghi nhận trong tinh thể quang khúc xạ dưới dạng thay đổi chiết suất. Tinh thể này sau đó được dùng như mặt nạ pha tạo ảnh suất. Tinh thể này sau đó được dùng như mặt nạ pha tạo ảnh ba chiều. Hình ảnh sau đó ba chiều. Hình ảnh sau đó đưđược tái tạo khi chiếu ợc tái tạo khi chiếu sóng so sánh. Dùng như sóng so sánh. Dùng như cách tử nhiễu xạ 3 chiều, cách tử nhiễu xạ 3 chiều, tinh thể phản xạ sóng so tinh thể phản xạ sóng so sánh và tái tạo sóng vật sánh và tái tạo sóng vật thể.thể.

quang dien tu chuong23

Documents