Tóm tắt bài giảng môn học Quang điện tử và Quang điện

Tóm tắt bài giảng môn học Quang điện 
tử và Quang điện 
TÓM TẮT BÀI GIẢNG MÔN HỌC 
QUANG ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN 
(Optoelectronic and Photoelectronic Devices) 
 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ QUANG ĐIỆN TỬ 
 § 1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 
 1)Tia (Ray): 
+ Đường truyền của 1 tia bức xạ (beam of radiation) điện từ (invisible, 
ultraviolet, visible, infrared) 
+ Thường được biểu diển bởi một mũi tên hay đường thẳng, chỉ thị đường không 
gian mà bức xạ sẽ đi qua. 
+ Chùm bức xạ phân kỳ (expanding beam) được mô tả bởi nhiều tia (ray). 
 2) chiết suất và phản xạ: 
 * Chiết xuất của môi trường: n = c/v với c: vận tốc ánh sang trong chân 
không; v: vận tốc truyền sóng trong môi trường đang xét. 
 * Góc khúc xạ: θ=φ sin
'
sin
n
n , với n: chiết xuât của môi trường chứa tia tới; 
n’: chiết xuât của môi trường khúc xạ.
 * Với liquid or glass: n = 1.3 – 1.8 
Glass: n = 1.47 – 1.7; thủy tinh tinh khiết (grown glass) n = 1.51; (thủy tinh 
quang học n = 1.53) 
 * Tinh thể và bán dẫn: n > 1.8 
 * Đa phản xạ nội: (multiple internal reflection): giữ hai mặt song song của 
một môi trường, có một số đặc trưng sau: 
+ Khoảng cách tách các tia phản xạ lần một và lần2 (2 lần liên tiếp) d phụ thuộc 
góc tới và chiều dày của môi trường, ví dụ : thuỷ tinh quang học (n=1,5) dày 1 cm 
có d 0,73cm khi góc tới ≈ θ ≈40o và d↓ khi θ ↓ . 
 1
+ Cường độ tia phản xạ và tia truyền qua:
- Tỷ số cường độ tia phản xạ lần 1 tia tới: 2
2
0
1
)1'(
)1'(
+
−==
n
n
I
Ir r , khi θ <400 với thủy 
tinh. 
- Giả thiết hầu hết năng lượng phản xạ tập trung ở các chùm tia phản xạ Ir1 và Ir2 
thì năng lượng chùm tia phản xạ cho bởi 3222 rrrr +−≈ 
với r : tỉ số phản xạ hiệu dụng tổng (net effective reflected ratio) 
- Khi đó số truyền qua: T = IT1/I0 = 1- r 
Ví dụ: Cho n= 1, n = 1.52, ′ θ = 0 ,tìm r , T, và tính lỗi gần đúng. 
3) Gương và bộ phản xạ lùi (retro_reflector) 
* Gương: 
- Là linh kiện quang phản xạ hầu hết bức xạ tới. 
- Có 1 mặt được mài bóng và được phủ một lớp vật liệu phản xạ ở vùng bước 
sóng quan tâm. Với ánh sáng khả kiến, thường dùng bề mặt phủ bạc hoặc nhôm; với 
vùng hồng ngoại thường dùng mặt phủ vàng. Các loại gương đặc biệt có phủ diện 
môi . 
- Các hệ gương quang học tường gọi là các gương mặt thứ nhất, lớp phản xạ ở 
trên mặt hướng vè phía nguồn. 
- Các gương ôtô, phòng tắm là gương mặt thứ hai: mặt phản xạ ở phía khác của 
tia tới, khi đó có hai sự phản xạ từ mặt glass và từ mặt phủ sau. 
* Bộ phản xạ lùi (retro-reflector) 
- Là linh kiện quang luôn phản xạ tia bức xạ về chính đường tới của nó 
- Thường được sử dụng trong các hệ đo không tiếp xúc (non-contact), khi bộ thu 
và nguồn phát cách xa vật thể cần theo rõi. 
- Có dạng kim tự tháp, nhưng chỉ có 3 mặt, mặt đáy hình tròn, còn gọi là comer 
cubes. 
 2
- Tia tới đi vào mặt đáy và bị đa phản xạ nội từ 3 mặt tam giác, rời ra khỏi mặt 
đáy theo đường song song với tia tới. 
- Các mặt tam giác có thể được phủ vật liệu phản xạ hoặc dùng hiện tượng phản 
xạ nội toàn phần (góc tới hạn =420 với chiết suất 1,5). 
 _________________________________________ 
§1.2. CÁC DỤNG CỤ GIAO THOA VÀ NHIỄU XẠ 
1) Các dạng phân cực sóng: phân loại tuỳ theo kiểu dao động của vector cường 
độ điện trường; có các dạng sau (dựa vào vết đầu nút của E
r
) 
- Phân cực thẳng: dao động (trong mặt phẳng y) theo phương cố định so với trục 
y, z, sóng lan truyền theo trục x. 
- Phân cực tròn 
- Phân cực elip 
- Phân cực ngẫu nhiên (từ các vật nóng sáng): là hỗn hợp các dạng phân cực 
* Các hiện tượng quang học phụ thuộc vào tương tác điện trường với các cấu 
phần quang học, do đó từ trường thường không cần quan tâm. 
* Tần số màu sắc; biên độ điện trường độ sáng → →
* Tần số sóng không bị thay đổi, nhưng biên độ và dạng phân cực có thể bị ảnh 
hưởng bởi các hiệu ứng truyền qua và phản xạ 
* Bước sóng là thông số rất quan trọng: 
 λ = v/f 
2)Tán sắc: (chromatic dispersing) 
-Lăng kính tán sắc cho phép quan sát sự thay đổi của góc khúc xạ theo tần số. 
Các khái niêm cần nắm: Qui luật tán sắc, sai sắc dọc, sai sắc đứng. 
3)Nhiễu xạ qua khe hẹp: Khi chiếu ánh sáng đơn sắc qua khe hẹp sẽ tạo ra ảnh 
với dạng khe có cường độ phân bố về 2 phía của 2 mép khe trung tâm. 
* Các đặc trưng quan trọng là: 
-Vị trí của các ảnh (cực tiểu-vân) 
-Khoảng cách của các cực tiểu 
 3
+Vị trí cực tiểu: 
Dsinα = mλ, với m nguyên, D là độ rộng khe hẹp 
+Nếu khoảng cách từ khe tới vị trí y trên màn quan sát xấp xỉ khoảng cách từ khe 
tới màn quan sát H sinα →≈ R ≈ y/R , sai số <2% với α < 200
Khi đó 
 y ≈mλR/D 
=>Khoảng cách vân: 
 ∆y = λR/D 
=>Độ rộng vân trung tâm: 
 W = 2y|m = 1 = 2 λR/D 
 Độ rộng cường độ 
2
1 của vân trung tâm: 
 W1/2 = 0.89 λR/D 
* Với nhiễu xạ qua lỗ hẹp: Công thức tìm các cực tiểu tương tự như khe hẹp 
nhưng chỉ số nguyên m được thay bởi các chỉ số m không nguyên. Vị trí vân tối: 
 r = mλR/D, tính từ tâm, với D là đường kính lỗ hẹp, R là khoảng cách đến màn 
thu. 
Đường kính vân tối d = 2r 
* Cách tử nhiễu xạ: Kết hợp hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp. 
+Với trường hợp 2 khe độ rộng D, cách nhau đoạn = a 
→Cực tiểu giao thoa cho bởi: 
asinθ = (m + ½)λ, hay 
ay/R = (m + ½)λ 
→Khoảng cách 2 vân tới liên tiếp: 
 ∆y = λR/a 
 ____________________________________ 
 4
§ 1.3. CÁC LỚP PHỦ VÀ CÁC DỤNG CỤ 
1) Các lớp phủ: là các lớp vật liệu phủ trên bề mặt của các cấu phần quang học, 
nhằm tăng cường hoặc cố định các đặc trưng truyền qua và phản xạ. 
- Hiệu quả của lớp phủ thay đổi theo bước sóng, góc tới và dạng phân cực của 
sóng đến. 
- Các đặc trưng quan trọng của lớp phủ là chiều dày và độ đồng nhất. 
- Đặc điểm cơ học: rất dể bị phá huỷ, do đó thường được làm sạch nhờ thổi khí 
khô áp suất thấp hoặc dòng nước khử ion, cồn hoặc thuốc tẩy nhẹ. 
* Lớp phủ tăng truyền qua (hay chống phản xạ): giảm phản xạ ở biên giữa không 
khí và thuỷ tinh cải thiện độ nét của ảnh (nhờ hạn chế ảnh ảo do đa phản xạ). 
Thường dùng MgF
→
2 cho vùng khả kiến (có chiết suất khoảng 1,38 ở 550 nm) với độ 
dày
4
1 λ, để cho trễ pha giữa sóng phản xạ lần thứ nhất (biên không khí /lớp phủ ) và 
sóng phản xạ lần 2 (biên lớp phủ / thuỷ tinh ) = π . Khi đó biên độ sóng phản xạ sẽ 
triệt tiêu và có thể coi biên độ sóng truyền qua đạt 100%. Áp dụng cho thấu kính, 
lăng kính và bộ phân cực. 
Hệ số phản xạ lúc này là: 
22
0
22
0
)(
)(
cg
cg
nnn
nnn
r +
−= , với n0: chiết suất không khí; ng: chiết suất thủy tinh; nc: chiết 
suất lớp phủ. 
Ví dụ: cho ng =1.5, nc(MgF2) = 1.38, Æ r = 1.4% với bước sóng 400-700 nm 
* Có thể dùng nhiều lớp phủ chống phản xạ để giảm r đến <0,3%. 
* Multilayer coating có thể được thiết kế để làm việc trong dải rất rộng của bước 
sóng hoặc để đạt được hệ số truyền qua tối đa ở một bước sóng xác định. 
* Hệ số phản xạ tăng theo góc tới. Các góc tới có thể chấp nhận cho lớp phủ 
chống phản xạ là < 30o. 
* Các lớp phủ tăng phản xạ (dùng cho gương phản xạ ) : 
- Có thể phủ trên mặt trước hoặc mặt trong của gương. 
- Có thể là kim loại hoặc điện môi (Transparent oxides) 
 5
- Thường dùng lớp phủ điện môi có chiều dày 
2
λ để phủ lên lớp phủ kim loại 
(chống oxi hoá và tăng độ bền) 
- Chiều dày 
2
λ nhằm đạt trễ pha 2π của 2 lần phản xạ. 
- Thường dùng nhôm, bạc, vàng (nhôm+điện môi cho vùng cực tím; bạc có hệ số 
phản xạ > 95% và vàng > 98% trong vùng khả kiến và hồng ngoại 
3) Các bộ lọc quang học 
a) Transmission bandpass interference filters: 
- Bộ lọc giao thoa thông dải, cấu tạo từ tổ hợp nhiều lớp điện môi. 
- Cấu trúc điển hình gồm dãy luân phiên các lớp low index và high index có 
chiều dày λ/4 đóng vai trò các reflect stacks xen kẽ các lớp rỗng dày λ/2 và các lớp 
coupling. 
* Lớp phân cách (Lớp trống) 
2
λ + các lớp λ
4
1 có tác dụng sao cho các tia phản 
xạ nội trong lớp trống ra khỏi lớp sẽ đồng pha với sóng đến tại bước sóng mong 
muốn. 
* Độ rộng băng 50% điển hình là 10-15 nm quanh tần số trung tâm. 
* Nhược điểm: tổn hao cao, hệ số suy hao tại tần số mong muốn khoảng 70% 
trong miền khả kiến, và còn cao hơn ở vùng cực tím. 
b) Edge filter: thay đổi rất nhanh từ truyền qua đến phản xạ tại một bước sóng 
xác định. 
- Tùy thuộc vào cấu trúc, có thể truyền qua một dải khá rộng trên hoặc dưới bước 
sóng biên xác định. 
c) Bộ lọc hấp thụ: Điều khiển hệ số truyền qua nhờ hấp thụ bức xạ ở các bước 
sóng không mong muốn. Có thể dùng kính màu hoặc các bộ lọc hấp thụ nhiệt (cần 
chú ý vấn đề quá nhiệt) 
 6
d) Neutral density filter: là bộ suy giảm tia sử dụng mặt phản xạ để điều khiển hệ 
số truyền qua, thường dùng ở vùng khả kiến và có hệ số suy hao gần như không đổi 
cho cả vùng. Hệ số suy hao: D=log10
T
1 
________________________ 
§ 1.4. CÁC BỘ PHÂN CỰC 
1) Phương pháp 
- Quá trình phản xạ có thể làm thay đổi dang phân cực sóng. 
- Các tia phản xạ chính là các tia tái bức xạ do dao động của các hạt tải điện tại bề 
mặt phản xạ. Các hạt tải này bị kích thích bởi điện trường tia tới. 
- Kim loại có rất nhiều điện tử tự do trên bề mặt, chúng có thể chuyển động theo 
mọi hướng song song với bề mặt, do đó có thể tái bức xạ tự do theo mọi hướng 
trong vùng khả kiến . 
- Với thuỷ tinh một số hướng điện trường gây dao động hạt tải tại bề mặt, do đó 
tái bức xạ tia phản xạ, còn một số hướng khác sẽ không gây dao động và chỉ truyền 
qua. 
-Hầu hết điện trường được định hướng theo các góc vừa gây phản xạ vừa tạo 
truyền qua. 
* Mặt phân cực của sóng phân cực thẳng: tạo bởi trục y và tia phản xạ (trục y 
vuông góc mặt phản xạ). Xét trường hợp mặt phân cực chứa trục x: 
a) Nếu vector điện trường E vuông góc với mặt phân cực Æ // trục z (gọi là phân 
cực s) Æ toàn bộ vector E đến bề mặt cùng một lúc Æ gây dao động cực đại trên bề 
mặt Æ phản xạ mạnh. 
b) Nếu vector E // mặt phân cực (gọi là phân cực p) Æ E đến bề mặt từng phần 
Ægây dao động tối thiểu Æ phản xạ yếu, truyền qua mạnh. 
c) Nếu E tạo góc 0 < θ < 90o với mặt phân cực: 
 E = Ep + Es 
* Góc Brewster:( David Brewster) 
 7
-Với bất kỳ mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất n0, n1, tồn tại một 
góc tới mà tại đó hệ số phản xạ của thành phần phân cực p bằng không. Tại góc tới, 
tia phản xạ và tia khúc xạ vuông góc với nhau, gọi là góc Brewster, B. Tại góc B tia 
phản xạ bị phân cực s hoàn toàn . Nếu tia tới phân cực ngẫu nhiên và góc tới bằng 
góc B, tia phản xạ sẽ phân cực s và tia truyền qua có cả thành phần phân cực s và p. 
B = tg-1 (n1/n0), với thủy tinh quang học B ≈ 57o. 
2/ Bộ phân cực 
* Brewster Window: là dạng đơn giản nhất trong các bộ phân cực, là tấm mỏng 
có 2 mặt song song đặt ở góc B so với tia tới. Khoảng 14% vector phân cực s bị 
phản xạ trên bề mặt và gần như toàn bộ vector phân cực p sẽ truyền qua. 
* Lưới dây song song: đặt rất gần nhau so với bước sóng (bước sóng phải lớn ) 
- Vector điện trường E
r
song song dây sẽ bị “khoá” (blocked). 
- Vector điện trường E
r
 vuông góc dây sẽ “cho qua” (passed). 
- Thường dùng tấm Polyvinyl, khi đó các chuỗi cao phân tử song song đóng vai 
trò lưới dây. 
* Bộ phân cực tinh thể (hay lưỡng chiết): dùng các tinh thể có vận tốc truyền 
sóng phân cực s và phân cực p khác nhau → chiết suất sẽ khác nhau với hai dạng 
phân cực → góc khúc xạ khác nhau, tạo ra 2 tia : 
O-Ray: Khúc xạ mạnh (tia thường) 
E-Ray : khúc xạ yếu (tia dị thường) 
-Quang trục của tinh thể phương tia tới mà tia O và tia E có cùng chiết suất → 
không tách. 
≡
 _________________________________________ 
 8
§1.5 BỨC XẠ VÀ BỨC XẠ KẾ 
1/ Các nguồn bức xạ 
-Nguồn đơn sắc: Lasers, LE Ds 
-Nguồn phổ liên tục: Đèn nóng sáng 
-Nguồn phổ vạch: đèn hồ quang 
* Incoherent or noise sources: Đèn nóng sáng; LEDS; Đèn hồ quang. 
→không có quan hệ pha cố định giữa các sóng bức xạ 
* Coherent sources: Laser khí hoặc laser bán dẫn. 
* Đèn hồ quang: Hồ quang hình thành giữa các điện cực trong khí hiếm khi áp 
đặt điện thế ban đầu lớn. Khi dòng ion được thiết lập trong hồ quang, điện áp giảm 
mạnh và hồ quang được duy trì. Phổ phát xạ phụ thuộc loại khí. 
-Khi dòng hồ quang đi qua khí, các điện tử trong các ion khí sẽ thay đổi mức 
năng lượng và phát xạ photon có bước sóng cho bởi: 
λ = hc/∆E = 1.24 x 103 (eV.nm)/ ∆E, 
với ∆E là chênh lệch năng lượng giữa các mức được phép, phụ thuộc vào các 
nguyên tố Æ bước sóng bức xạ bởi mỗi nguyên tố là cố định. 
*Đèn huỳnh quang: là trường hợp riêng của đèn hồ quang, khi ống đèn được phủ 
bột huỳnh quang (chủ yếu là phosphor). Bột huỳnh quang sẽ tái bức xạ trong vùng 
khả kiến khi bị chiếu xạ bởi năng lượng tại các bước sóng ngoài vùng khả kiến. 
Trong đèn huỳnh quang, hồ quang được tạo ra trong hơi thuỷ ngân. Hơi thuỷ ngân 
phát xạ photon ở vùng khả kiến và cực tím. Các tia cực tím sẽ tạo ra huỳnh quang. 
-Với cùng 1 điện năng cung cấp, đèn huỳnh quang phát xạ năng lượng cao hơn 
đèn nóng sáng 
*Các vùng bức xạ:
Extreme UV (ultraviolet) 10 – 200 (nm) 
Far UV 200 - 300 
Near UV 300 – 380 
Visible 380 - 770 
Near IR (infrared) 770 –1500 
 9
Middle IR 1500 – 6000 
Far IR 6000 – 40000 
Far- Far IR 40000 – 1000 000 
2) Các khái niệm cơ bản: 
- Radiant energy (năng lượng bức xạ): Qe Joule (J) 
- Radiant Flux (dòng bức xạ) Φe = (dQe/dt)|qua diện dA Watt (W 
- Flux density (mật độ dòng quang tới / đvdt) còn gọi là irradiance (độ rọi năng 
lượng): He = d Φe/dA (W/m2) 
- Radiant Emittance (độ trưng năng lượng) là mật độ dòng kích thích trên bề mặt 
của nguồn được kiểm tra: Me = d Φe/dA (W/m2) 
- Radiant Intensity (cường độ bức xạ): Ie = d Φe/dω (W/sr), 
với dω = dA/R2 Steradian (sr) 
Chú ý trường hợp nguồn điểm đẳng hướng: 
 Ie = Φe/4π = HeR2. 
- Radiance (công suất bức xạ trên đơn vị góc đặc và trên đơn vị diện tích) 
 Lλ = d Φe/dωdAcosθ (W/sr.m2) 
- Spectral Radiant Power (công suất bức xạ trên đơn vị bước sóng): 
 Φλ = dQe/dλ (W/nm) 
- Spectral Emittance (phổ kích thích, độ rọi phổ) 
 Wλ = dMe/ dλ (W/m2.nm) 
- Spectral Radiant Intensity: Iλ = dIe/ dλ (W/sr.nm) 
- Spectral Radiance: Lλ = dLe/ dλ (W/sr.m2.nm) 
3) Nóng sáng và vật đen (Incandescent and Blackbodies) 
- Các chất rắn và chất lỏng bức xạ ánh sáng khả kiến khi nhiệt độ ≥ 500oc 
- Bề mặt hấp thụ toàn bộ năng lượng bức xạ đến một cách lý tưởng gọi là vật đen 
-Vật bức xạ nóng sáng có đặc trưng tương tự như vật đen 
-Bản chất bức xạ từ vật đen được nghiên cứu bởi Max Planck: Năng lượng bức 
xạ từ vật đen phân bố trong khoảng tần số rộng, theo dạng toán học xác định và thay 
đổi theo nhiệt độcủa vật đen 
 10
- Độ trưng năng lượng tổng cộng Me ≡ diện tích giới hạn bởi đường phân bố 
năng lượng theo bước sóng : 
 , ∫
λ
λ
λ λ=∆
2
1
dWM e
với Wλ = C1λ-5/(eC2/λ- 1), trong đó C1 = 3.74 x 10-16W.m2, 
C2 = 1.4385 x 10-2m.K 
-Độ rọi năng lượng tổng cộng: 
 , với σ = 5.672 x 104
0
TdWM e σ=λ=∆ ∫
∞
λ
-8 (W/m2K4) 
Æ Tính được bước sóng ứng với độ rọi phổ cực đại 
Æ Tính được độ rọi năng lượng của nguồn có diện tích A 
* Nóng sáng của vật thể thực
- Vật thể thực không bức xạ nhiều công suất như vật đen ở cùng một nhiệt độ 
- Tỷ s ... t kế để chịu tải điện dung. 
- Diện tích của mỗi phần tử xác định giá trị trở và điện dung. Giá trị trở giảm và 
điện dung tăng khi diện tích tăng. Giá trị điện trở sheet và diện dung sheet tiêu biểu: 
3400 pF/in2, 44MΩ.in2. 
Ví dụ: tính dòng cung cấp cho phần tử hiển thị tinh thể lỏng biết diện tích = 0.032 
in2, điện áp = 5 Vrms, tần số = 60 Hz. 
- Thường dùng 7 segment cho 1 ký tự, và ít nhất 4 ký tự Æ 28 segments. 
* Quá trình phân cực: Phân cực của bức xạ gây bởi tương tác của bức xạ với 
các phân tử. Nếu vector phân cực của phân tử và vector cường độ trường nằm trong 
cùng một mặt phẳng thì vector cường độ trường của bức xạ sẽ có xu hướng định 
hướng theo các phân tử. Nếu vector phân cực của phân tử // với vector vận tốc của 
bức xạ thì sẽ không có tương tác. 
 46
- Khi thế phân cực = 0, vector phân cực của các phân tử se quay từ từ 1 góc 90o 
giữa 2 bản cực Æ gây ra sự quay của vector trường của bức xạ. 
- Khi V > Vc, vector phân cực của các phân tử sẽ định hướng theo điện trường áp 
đặt. 
- Khi V > Vsat, vector phân cực của các phân tử sẽ định hướng đồng loạt theo điện 
trường áp đặt Æ không có tương tác xảy ra. 
- Các đèn điện phát quang được dùng ở dạng phẳng, nhiệt độ làm việc thấp, bức 
xạ khuếch tán. Một số tính năng quan trọng: 
+ Kích thước: chiều dày một vài phần mười in, nhiều dạng chữ nhật và tròn, 
tiện dùng cho việc hiển thị. 
 + Nhiệt độ làm việc: gần nhiệt độ môi trường 
 + Tính đồng nhất của độ sáng: nguồn sáng khếch tán đồng nhất, gần như đèn 
Lambert lý tưởng. 
- Các linh kiện này chứa lớp phosphor dielectric kẹp giữa 2 bản điện cực, một 
trong 2 bản là polymer trong suốt, bản còn lại mờ đục và được phủ màng kim loại 
mỏng. Lớp điện môi phoshor gồm các hạt phosphor rất mịn, nhúng trong vật liệu 
liên kết trong suốt và được cách ly với nhau. 
- Khi áp đặt dòng xoay chiều qua linh kiện, vật liệu phosphor bị kích thích bởi 
điện trường và gây bức xạ. Với mạch ngoài, đèn điện phát quang tương đương một 
tải gồm tụ // trở Æ dòng tăng theo tần số. Các đèn thương mại hoạt động ở 115 V ac 
60 Hz và 11 V ac 400 Hz và sáng gấp 3 lần ở 400 Hz so với ở 60 Hz. Bức xạ giảm 
rất nhanh theo điện áp và gần như bằng không ở khoảng 40-60 V ac. 
 47
§5.3 PHOTOTRANSISTORS VÀ OPTO-ISOLATORS 
1) Phototransistors. 
- Là transistor có dòng base gây bởi bức xạ tới và do đó dòng C-E cũng phụ 
thuộc bức xạ tới. Chuyển tiếp C-B hoạt động như photodiode và chuyển các photon 
thành các hạt tảI, tạo ra dòng base gây bởI photon, Ip. Dòng này gây ra dòng 
collector: 
 IC = HFE x Ip
- Đôi khi tiếp xúc điện được lấy ra từ miền base, khi đó có thêm thành pgần dòng 
IB: 
IC = HFE (IB + Ip) 
- Phototransistor có thể được dùng như một bộ khuếch đại tuyến tính, nhưng 
thường dùng như một chuyển mạch . Tốc độ chuyển mạch thường 10µs hoặc hơnÆ 
dùng làm detector trong các hệ thống chậm. 
- Có một số cấu hình linh kiện: 
+ Single phototransistor per package vớI simple lens ỏ window 
+ Photo-Darlington (gồm 1 phototransistor và một transistor thông thường) 
+ Photon-coupled isolator, chứa IRED và một detector như phototransistor, 
photo-Darlington hoặc photodiode. 
- So với photodiode, phototransistor có độ lợi dòng HFE lớn. Dòng C-E lớn hơn 
so với planar diffused photodiode với cùng diện tích tích cực. Phototransistor và 
APD đều sử dụng quấ trình nhân số hạt tải phát sinh do photonÆ tăng dòng. 
2) Đặc tả của Phototransistor. 
- Data sheet điển hình sẽ cho biết điều kiện làm việc tối đa: áp, dòng, mức công 
suất, và nhiệt độ phá hỏng linh kiện. 
- Voltage rating: có một số chỉ số đặc biệt, ví dụ V(BR)CEO với BR chỉ reverse 
breakdown voltages 
Rating meaning 
VCEO Điện áp E-C với cực base open hoặc base-emitter junction 
 bị che tối. 
 48
VCBO Điện áp base-collector với cực E open 
VEBO Điện áp base-emittor khi cực C open, ở thiên áp ngược 
- Các đặc trưng quang trong data sheet gồm đáp ứng dòng của phototransistor: 
dòng collector IL khi đáp ứng với một mật độ dòng bức xạ đến, và dòng tối. Nguồn 
dòng quang là một đèn có nhiệt độ màu gần 2870 K, đôi khi là đèn đơn sắc hoặc 
LED hoặc IRED. 
- Đáp ứng dòng thường không tuyến tính Æ cần được đặc tả bởi đường cong đáp 
ứng. 
- Đáp ứng phổ và đáp ứng góc cũng có trong data sheet. Đáp ứng phổ của 
phototransistor gần tương tự với photodiode của cùng loại vật liệu. 
2) Optoisolator 
- Các linh kiện được mounted trong một case cho phép dễ dàng kết nối với mạch 
in. Thường có 2 transistor mounted trong case và nối với nhau theo kiểu Darlington 
sao cho chuyển tiếp base-emitter của transistor đầu tiên (là phototransistor) nhận bức 
xạ và emitter của nó được đua vào base của transistor thứ hai Æ gain dòng collectỏ 
lớn, tuy nhiên, đáp ứng chậm hơn khi dùng 1 transistor. 
- Thay cho một cặp Darlington, một opto-isolator có thể có một phototransistor 
hoặc một photodiode làm nhiệm vụ phần tử detector. Nguồn thường là GaAs IRED. 
Một xung điện áp áp đặt qua IRED gây ra xung photon đẻ ghép với detectorÆ 
thường ứng dụng trong y sinh và điều khiển công nghiệp 
- Đặc trưng cách li của linh kiện thường biểu thị theo 3 cách: điện trở, điện dung 
và thế đánh thủng, đươc đo giữa IRED và detector. 
- Tùy theo cách nhìn nhận mà linh kiện có thể được coi là mạch ghép tín hiệu 
quang hoặc mạch cách li điện. 
- Vấn đề nhiệt: opto-isolator có chứa 2 nguồn nhiệt: IRED và detector Æ ngoài 
sự tự nung nhiệt đơn giản do tổn hao công suất riêng lẻ, chúng còn làm nóng lẫn 
nhau. Nhiệt năng sẽ truyền từ bán dẫn nóng hơn sang bán dẫn nguội hơn. Người 
thiết kế cần giữ cả 2 bán dẫn dưới nhiệt độ cho phép theo phương trình sau: 
 ∆T = θ(PH + KPC) 
 49
với ∆T: chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường và nhiệt độ hoạt đọng cực đại 
 cho phép 
 θ: Trở nhiệt giữa junction-to-ambient 
 PH: công suất tổn hao lớn nhất, bán dẫn nóng nhất 
 K: hệ số ghép nhiệt 
 PC: công suất tổn hao của bán dẫn nguội hơn 
- Thường 2 linh kiện không tổn hao công suất giống nhau Æ cần biết trước bán 
dẫn nào nóng hơn. 
- Phương pháp đánh giá tổn hao trung bình cho IRED: 
 + Khi dòng, áp không đổi: P = IdVd
 + Chế độ xung: lấy trung bình P = VCEIc khi biết độ rộng xung và tần số làm 
việc. 
CHƯƠNG VI 
CÁP QUANG 
§ 6.1 TRUYỀN SÓNG TRONG CÁP SỢI QUANG 
- Năng lượng điện từ bị “nhốt” trong lõi sợi quang nhờ cơ chế phản xạ và khúc xạ 
- Khi năng lượng có thể lan truyền theo nhiều đường khác nhau trong sợi quang 
thì sợi quang được gọi là sợi đa mode 
- Nếu chỉ có một đường truyền năng lượng khả dĩ (dọc theo trục giữa), sợi quang 
gọi là sợi đơn mode. 
- Lõi sợi quang thường có dạng ống tiết diện tròn; chiết suất lõi n1> chiết suất lớp 
bảo vệ n2
- Lan truyền đa mode có thể đượ mô hình hoá nhờ hiện tượng phản xạ nội toàn 
phần, khi góc tới của tia tới làm với pháp tuyến của mặt phân cách lõi/lớp bảo vệ 1 
góc góc tới hạn θ≥ c (các tia không phản xạ toàn phần sẽ mất dần năng lượng và suy 
giảm nhanh) 
 sinθc = n2/n1 
- Nguồn năng lượng đưa vào sợi quang từ môi trường ngoài có chiết suất n0
-Góc vào của một tia sẽ xác định góc tới của nó với mặt phân cách lõi/ vỏ của cáp 
sợi quang. Góc vào tương ứng với góc tới hạn θc được gọi là góc được phép 
(acceptance angle) 
 n0sinθa = n1sin(90o – θc) 
hay sinθa = (n12 – n22)1/2/n0 
 = (n12 – n22)1/2 khi môi trường vào là không khí. 
với θa < 20o có thể tính gần đúng: 
 θa ≈ (n12 – n22)1/2
 θc = π/2 - θa/n1
* Góc lan truyền cực đại θp: 
Là góc lớn nhất trong sợi quang, so với trục giữa, vẫn gây ra phản xạ toàn phần 
 θp = 90o – θc
 θp ≈ (n12 – n22)1/2/n1
 50
 51
* Khẩu độ số (numerical apecture- NA) ≡ sinθa 
Với cáp quang dùng trong thông tin quang, θa nhỏ Æ NA ≈ θa ( rad ) 
* Có 3 loại sợi quang cơ bản : 
 + Sợi chiết suất bước (step-index fiber): thay đổi đột biến chiết suất lõi và vỏ. 
 + Sợi chiết suất thay đổi từ từ (graded-index fiber) 
 n(r) = n0[1- (n12 – n22)/n02(r/r0)2]1/2, với 0 < r < r0 
Chiết suất giảm dần từ tâm ra biên phân cách với vỏ (n2) 
 + Step- index- multimode fiber: 
 - đường kính lõi 50 Æ1000 µm 
 - 0.2 ≤ NA ≤ 0.5 
 - đường kính ngoài từ 125 ÷ 1100 µm 
 + Graded - index - multimode fiber : 
 - đường kính lõi 50 ÷ 100 µm 
 - 0.2 ≤ NA ≤ 0.3 
 - đường kính ngoài từ 125 ÷ 150 µm 
 Æthông tin khoảng cách xa 
 + Single mode fiber: 
 - đường kính lõi: 4 ÷ 10 µm 
 - 0.1 ≤ NA ≤ 0.15 
 - đường kính ngoài từ 75 ÷ 125 µm 
 Æ long-distance communication 
- Các xung công suất được tải dọc theo các đường khác nhau sẽ tới đầu cuối tại 
những thời điểm khác nhau ( mode trục tới trước tiên, mode ứng với góc NA đến sau 
cùng) Ætrễ mode . 
- Do trễ mode, xung dòng tổng thu được sẽ rộng hơn xung bức xạ gốc. 
Æquá trình mở rộng xung này xung này gọi là méo mode (modal distortion ). 
ÆGraded - index fiber có méo mode nhỏ hơn so với step-mode fiber. 
- Biên độ xung truyền qua cáp bị suy giảm do hấp thụ, tán xạ và bức xạ. 
- Cơ chế tổn hao hấp thụ: chuyển đổi năng lượng bức xạ thành nhiệt năng, phụ 
thuộc vật liệu và tạp chất. 
- Cơ chế tổn hao tán xạ : các tia năng lượng bị lệch khỏi đường truyền mong 
muốn, do phản xạ từ defect và tán xạ Rayleigh bởi vật liệu. Tán xạ Rayleigh do 
tương tác sóng điện từ bức xạ với các điện tử của vật liệu, các điện tử này sẽ hấp thụ 
và tái bức xạ sóng Æ gây ra dời pha so với tín hiệu gốc. Một phần năng lượng bị 
thoát ra ngoài do bức xạ tán xạ, tổn hao tán xạ ~ λ -4. 
- Tổn hao bức xạ: năng lượng thoát ra khỏi sợi quang khi vi phạm góc tới hạn do 
cáp bị bẻ cong quá nhiều, do thay đổi đường kính lõi và thay đổi chiết suất. 
 ____________________________________________ 
§ 6.2 CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN 
1) Các thông số cơ bản:
* Khoảng cách giữa các góc được phép (hay góc tách được phép): 
 ∆θ = λ / d = λ0 / n1d (rad) 
với d: đường kính sợi quang 
 n1: chiết suất lõi sợi quang 
 λ0: bước sóng trong không gian tự do 
* Số mode có thể tồn tại trong sợi quang phụ thuộc θ∆ và góc tới lan truyền, với 
cáp tròn: 
 n = (πT)2/2 
với T = θp / ∆θ 
 θp: góc lan truyền cực đại 
 n: số mode khi πT > 2.405 
* Thông số V (hay tần số chuẩn hoá), khi π T < 2,405: 
V = πT =π 2r[(n12 – n22)1/2] / λ0
với r: bán kính lõi sợi quang 
 n2: chiết suất vỏ 
2) Méo mode và tán sắc 
 52
Gọi t0: trễ trục với khoảng cách L 
 tm: trễ dọc theo đường truyền ứng với θp
Æ t0 = n1L / c 
 tm = n1L / c.cos θp
 ∆t = tm – t0 = (Ln1/c)(n1 – n2)/n2
* Hiện tưọng tán sắc xảy ra khi nguồn bức xạ nhiều bước sóng trong một khoảng 
λ∆ , khi đó xung tín hiệu sẽ bị mở rộng 1 lượng: 
 t = K(λ).∆λ.L 
với K(λ): hệ số tán sắc, phụ thuộc vật liệu và bước sóng. 
 L: chiều dài cáp sợi quang 
3) Công suất thu 
-Công suất bức xạ sẽ ra khỏi ống dẫn sóng theo 1 hình nón tương tự như qua lỗ 
hẹp . 
-Khi khoảng cách giữa đầu thu và miệng sợi quang giảm, kích thước vệt chiếu từ 
miệng sẽ đạt tới đưòng kính lõi sợi quay. Nếu diện tích đầu thu nhỏ hơn diện tích vệt 
chiếu, thì tỷ số dòng bức xạ thu được /dòng rời khỏi sợi quay = tỷ số diện tích: 
 θe / θ0 = (Dd / Dc)2(NAdet / NAfiber)2
với NAdet: khẩu độ số đầu thu 
 NAfiber: khẩu độ số sợi quang 
 θe: dòng bức xạ đến đầu thu 
 θ0: dòng bức xạ rời khỏi miệng sợi quang 
 Dd: đường kính miệng đầu thu 
 Dc: đường kính lõi sợi quang 
4) Độ rộng băng: 
 BW = 0.35 / T 
với T = (t12 – t22)1/2
 T: hệ số mở rộng xung 
 t2: độ rộng xung đầu ra sợi quang 
 t1: độ rộng xung đầu vào sợi quang 
 53
 54
 § 6.3 COMMUNICATIONS LINKS 
1) Thiết bị 
Một tuyến thông tin quang bao gồm một nguồn, một đầu thu và cáp quang kết nối 
tuyến. Nguồn có thể là LED, IRED hoặc laser diode. Nguồn có thể được điều chế 
với tín hiệu tương tự, nhưng thường được kích bởi các xung số. 
Detector thường dùng PIN hoặc APD. Tuyến thông tin có thể xem là thông tin 
khoảng cách ngắn, trung bình hoặc xa. Thông tin khoảng cách ngắn thường trong 
phạm vi vài m và dùng cho: 
- Thiết bị điều khiển quá trình và thiết bị công nghiệp 
- Cảm biến y tế, đưa vào cơ thể bệnh nhân và nối với thiết bị ghi 
- Máy tính và thiết bị ngoại vi 
- Các cấu phần có độ chính xác cao cho mục đích quảng cáo 
Hệ thống khoảng cách trung bình thường lớn hơn vài m và dưới 1 km, còn gọi là 
mạng LAN, thường dùng sợi thủy tinh đa mode (băng rộng và tổn hao thấp) hoặc 
plastic đa mode. Nguồn điển hình là IRED hoạt động ở bước sóng 850 nm. Khẩu độ 
số thường từ 0.2 ÷ 0.5 và đường kính lõi 50 ÷ 100 µm để tiện cho việc ghép với bức 
xạ từ IRED. Đường kính lõi lớn hơn sẽ giảm chi phí lắp đặt, kết nối, nhưng độ rộng 
băng giảm. 
Hệ thống khoảng cách xa dễ thiết kế hơn do yêu cầu hạn chế sự lựa chọn cấu 
phần. Hệ thống khoảng cách xa dùng để tải dữ liệu băng rộng và có thể dùng sợi 
chiết suất graded. Ở khoảng cách rất xa thì chỉ dùng sợi đơn mode để bảo đảm độ 
rộng băng và mức tổn hao cho phép. Có thể dùng nguồn communication-grade laser 
diode hoặc edge-emitting IRED để ghép năng lượng vào các sợi quang này. 
Kỹ thuật hàn cáp sợi quang thường được dùng hơn so với các bộ đấu nối cơ để 
bao đảm tổn hao thấp và độ ổn định cao. 
2) Các cấu trúc ống dẫn sóng và các linh kiện khác 
Integrated optics là các ống dẫn sóng và các cấu phần quang được tích hợp trên 
các đế vật liệu dùng kỹ thuật tương tự mạch tích hợp bán dẫn. Các linh kiện tích hợp 
 55
quang thường là các bộ tách tín hiệu, các bộ dời pha, các bộ điều chế và các bộ 
chuyển mạch. Tất cả các linh kiện tích hợp quang đều dùngcác cấu trúc ống dẫn 
sóng được tạo bởi các đường dẫn của vật liệu có chiết suất lớn hơn chiết suất của vật 
liệu đế. Các ống dẫn sóng hoạt động tương tự cáp sợi quang và được xem xét như 
các bộ tách hoặc ghép tín hiệu. 
Bằng cách điều khiển tiết diện ống dẫn sóng, chiết suất của vật liệu, khoảng cách 
giữa các lõi và chiều dài của miền ghép, sẽ thiết lập được tỷ phần ghép năng lượng. 
Các thông số của bộ ghép quang: 
Thông số Bộ ghép 4 cổng Bộ ghép N-part
Tỷ số ghép P2 / (P2 + P3) PN / Po
Tổn hao dư thừa P2 + P3 / P1 Po / Pi
Tổn hao chèn P2 / P1 PN / Pi
Độ đồng nhất P2 / P3 Ph / Ps
Độ định hướng P4 / P1 Px / Pi
Trong đó: PN: công suất ra khỏi cổng N bất kỳ 
 Pi: công suất vào tổng 
 Po: công suất ra tổng 
 Ph: công suất ra lớn nhất 
 Ps: công suất ra nhỏ nhất 
 Px: công suất ra cổng không ghép 
Quá trình ghép dùng mạng 4 cổng có thể kết hợp với hiệu ứng quang điện 
(electro-optic effect) để tạo ra các chuyển mạch quang. Các vật liệu có hiệu ứng 
quang điện sẽ thay đổi chiết suất khúc xạ khi có mặt điện trường do áp đặt điện áp. 
Sự kết hợp của điện áp thiên áp và điện áp chuyển mạch sẽ xác định đầu ra truyền 
bức xạ. 
Các vật liệu tinh thể (chẳng hạn GaAs) có hiệu ứng quang điện. Vật liệu đế: 
LiNbO có hiệu ứng quang điện rất mạnh. Thế chuyển mạch cỡ 5—10V. Hệ số định 
hướng cỡ 100:1 đến 3000:1. 
 56
Chiết suất của vật liệu ảnh hưởng đến vận tốc truyền sóng Æ thay đổi chiết suất 
có thể thay đổi pha tương đối. Các bộ di pha và điều chế pha cấu tạo từ một ống dẫn 
sóng đặt trong tinh thể quang điện, giữa 2 điện cực. Lượng di pha phụ thuộc độ lớn 
điện áp và chiều dài ống dẫn sóng.