hệ thống thông tin quang kết hợp

MỤC LỤC Nội dung Trang LỜI NÓI ĐẦU 3 CHƯƠNG I. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN 4 1.1. Phân bố động các vùng năng lượng 4 1.1.1. Khái quát chung 4 1.1.2. Chất dẫn điện và chất bán dẫn 5 1.2. Điện tử trên quỹ đạo hạt nhân 5 1.2.1. Khái quát chung 5 1.2.2. Mẫu nguyên tử của BOHR 5 1.3. Tiếp giáp P-N 7 1.3.1. Khái quát chung 7 1.3.2. Sự hình thành tiếp giáp P-N 7 1.3.3. Dòng tiếp xúc và giản đồ năng lượng 8 1.4. Phân cực cho tiếp giáp P-N 11 1.4.1. Phân cực ngược cho tiếp giáp P-N 11 1.4.2. Phân cực thuận cho tiếp giáp P-N 13 1.5. Sự bức xạ ánh sáng ở chất bán dẫn 15 1.5.1. Khái niệm 15 1.5.2. Sự bức xạ ánh sáng tự phát và cưỡng bức 15 1.5.3. Điều kiện để có bức xạ trong bán dẫn 17 1.5.4. Cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép 17 CHƯƠNG II: CẤU TRÚC CỦA CÁC PHẦN TỬ ĐIỆN QUANG SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 20 2.1. Diode laze phun 20 2.1.1. Nguyên lý hoạt động của diode laze phun 20 2.1.2. Laze Fabry –perot 23 2.1.3. Laze đơn mot 28 2.2. Diode tách sóng quang 33 CHƯƠNG III. HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 36 3.1. Giới thiệu chung 36 3.1.1. Khái niệm về thông tin quang Coherent 36 1 3.1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang Coherent 37 3.1.3. Các dạng điều chế quang Coherent 38 3.2. Máy thu quang Coherent 44 3.2.1. Các nguyên lý tách sóng 44 3.2.2. Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang Coherent 47 3.2.3. Tách sóng Heterodyne đồng bộ 49 3.2.4. Tách sóng quang Heterodyne không đồng bộ 50 3.2.5. Tách sóng quang Homodyne 51 3.2.6. Vòng khóa pha trong máy thu quang Coherent 52 3.3. Tỉ số lỗi bit ( BER ) trong hệ thống thông tin quang Coherent 53 3.3.1. Nhiễu trong máy thu quang Coherent 53 3.3.2. Tách sóng quang Heterodyne ASK 55 3.3.3. Tách sóng quang Heterodyne FSK 58 3.3.4. Tách sóng quang Heterodyne PSK 60 3.3.5. Tách sóng quang Homodyne ASK và PSK 62 3.3.6. So sánh độ nhạy của các hệ thống Coherent 63 Kết luật đồ án 65 Tài liệu tham khảo 66 Thuật ngữ chữ viết tắt 67 2 LỜI NÓI ĐẦU Gắn liền với sự phát triển nhân loại thông tin liên lạc đã trở nên hết sức quan trọng ,không thể thiếu trong đời sống con người và phát triển của xã hội.Và để đáp ứng được nhu cầu của con người ngày càng cao , thông tin quang ra đời ,phát triển với nhịp độ rất nhanh có những tính năng ưu việt vượt bậc hơn hẳn những hệ thống thông tin hữu tuyến trước nó.Sự ra đời của thông tin quang cũng góp phần rất lớn vào sự hoàn thiện mạng lưới viễn thông ,với khả năng truyền dẫn lớn ,tốc độ cao, cự ly dài , độ suy hao nhỏ , không bị ảnh hưởng của sóng điện tử xuyên âm…Vấn đề đặt ra là trong hệ thống thông tin quang có nhiều hệ thống thông tin quang khác nhau, các phần tử quang xử dụng cũng khác nhau ,nên ta phải biết chúng khác nhau thế nào để xử dụng hợp lý ,triệt để nhất Trong khuôn khổ thời gian có hạn nên trong đồ án này, em tìm hiểu một cách chung nhất về các phần tử quang trong hệ thống thông tin quang kết hợp, đồng thời lĩnh vực này còn mới.Nên không tránh khỏi những thiếu sót.Em rất mong được sự đánh giá , đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn bè. 3 CHƯƠNG I CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN 1.1. PHÂN BỐ ĐỘNG CÁC VÙNG NĂNG LƯỢNG 1.1.1. Khái quát chung. Mỗi điện tử đều có mức năng lượng riêng và năng lượng của điện tử có thể thay đổi theo các yếu tố của môi trường song sự thay đổi năng lượng của điện tử biểu hiện theo từng mức và không liên tục. Do vậy không có điện tử nào có năng lượng giống năng lượng của điện tử lân cận Khảo sát các mức năng lượng của điện tử ta thấy khi năng lượng của điện tử nhỏ hơn mức hóa trị thì chúng chiếm chỗ trên quỹ đạo hạt nhân. Và khi năng lượng của nó đủ lớn đạt tới mức dẫn thì chúng bứt khỏi quỹ đạo của hạt nhân để trở thành điện tử tự do chúng chuyển lên mức dẫn. Khoảng chênh lệch giữa vùng dẫn và vùng hóa trị gọi là vùng cấm. Trong vùng cấm không có các điện tử tự do. Do vậy khi một điện tử có năng lượng lớn hơn mức hóa trị thì chúng sẽ xâm nhập vào cùng cấm tại đó hoặc nhận năng lượng tiếp tục để chuyển vào vùng dẫn, hoặc chuyển hóa năng lượng dư thừa để chuyển trở lại vào vùng hóa trị. Có những điện tử tuy năng lượng của nó xấp xỉ mức dẫn tuy chưa đủ lớn để bứt khỏi quỉ đạo quanh hạt nhân vì vậy chúng chiếm chỗ trong vùng cấm gần mức dẫn. Ranh giới giữa các điện tử có năng lượng hóa trị trong vùng cấm với các điện tử có năng lượng dẫn trong vùng cấm gọi là mức Fecmi. Hình 1.1.Các mức năng lượng của điện tử. 4 Vùng hoá trị Vùng Dẫn Vùng Cấm Mức Fecmi E 1.1.2. Chất dẫn điện và chất bán dẫn. Theo tính chất dẫn điện người ta chia vật chất thành 3 nhóm chính trên cơ sở của khả năng dẫn điện. a. Chất dẫn điện: Bao gồm kim loại và một số hợp chất điển hình của nó có điện trở suất nhỏ ς < 10 -4 Ωcm b. Chất cách điện là những chất có điện trở suất lớn ς > 10 7 Ωcm c. Chất bán dẫn điện là những chất có điện trỏ suất 10 -4 Ωcm <ς < 10 7 Ωcm. Trong đó chất bán dẫn là những chất được sử dụng để chế tạo các dụng cụ điện tử và vi mạch điện tử.Người ta thường sử dụng các loại bán dẫn Ge, Si, Ga, As, và một số chất bán dẫn khác như Se, Ti, hoặc một số loại Oxyt, Cacbon, Sulfua để chế tạo các linh kiện bán dẫn và vi mạch. 1.2. ĐIỆN TỬ TRÊN QUỸ ĐẠO HẠT NHÂN. 1.2.1. Khái quát chung. Ta đã biết rằng vật chất được cấu tạo bởi rất nhiều các phần tử giống nhau về tính chất vật lý và hóa học gọi là phân tử. Như vậy là phân tử là phần tử nhỏ nhất của một chất tinh khiết mà vẫn đảm bảo được đầy đủ các tính chật lý-hóa học của chất đó. Một phân tử được cấu tạo bởi một số phần tử nhỏ gọi là nguyên tử Ví dụ một giọt nước nguyên chất gồm nhiều phân tử nước H 2 O. và một phân tử nước nguyên chất gồm 2 nguyên tử hydro và một nguyên tử Oxy 1.1.2. Mẫu nguyên tử của BOHR. Cấu tạo của nguyên tử gồm 1 hạt nhân ở giữa và một số điện tử quay xung quanh hạt nhân. Hạt nhân mang điện tích dương bao gồm Proton va Notron . Proton có khối lượng nặng gấp 1800 lần khối lượng của điện tử và có điện tích dương. Nơtron có khối lượng bằng proton nhưng không mang điện tích (trung hòa về điện) Điện tử có điện tích âm. Nguyên tử trung hòa về điện là hạt nhân có điện tích bằng điện tích của tất cả các điện tử quay xung quanh. 5 Số lượng điện tử của mỗi chất đều có ghi trong bảng tuàn hoàn Mendeleef. Các điện tử được sắp xếp theo từng lớp. từ trong ra có các lớp K, L, M, N. Số lượng điện tử lớn nhất của mỗi lớp là lớp K = 2 (2.1 2 ), L = 8 ( 2.2 2 ), M = 18 ( 2.3 2 ), N = 32 ( 2.4 2 ) … Các điện tử sắp xếp theo qui luật chừng nào lớp trong đủ điện tử thì mới sắp xếp ra lớp ngoài. Nên thường lớp ngoài cùng không đủ số lượng điện tử lớn nhất theo qui định . Các điện tử ở lớp ngoài cùng đóng vai trò quan trọng việc liên kết với các nguyên tử khác và chi phối khả năng dẫn điện của nó. Các điện tử lớp ngoài cùng này thường gọi là điện tử hóa trị. Số lượng điện tử ở lớp ngoài cùng này chính bằng hóa trị của chất đó. Ví dụ cấu tạo nguyên tử của Ge, Si. Hình 1.2.Cấu tạo nguyên tử của vật chất. Mối liên kết giữa hạt nhân và các điện tử ở lớp trong là bền vững hơn rất nhiều so với các điện tử ở lớp ngoài. Càng xa hạt nhân thì mối liên kết càng lỏng lẻo. Tính chất dẫn điện và liên kết chủ yếu do các điện tử lớp vỏ ngoài cùng quyết định. Nếu vì một nguyên nhân nào đó nguyên tử có thêm hoặc mất đi một điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng thì trạng thái trung hòa sẽ trở thành trạng thái Ion hóa. Nếu mất điện tử chúng sẽ trở thành Ion dương. Ngược lại nếu thêm điện tử nó sẽ trở thành ion âm Việc liên kết giữa các nguyên tủ trong phân tử có hai loại: 6 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Ge - - Ge - - - - - - C - - - - - - C + Liên kết ion + Liên kết cộng hóa trị. 1.3. TIẾP GIÁP P-N. 1.3.1. Khái quát chung. Khi cho 2 khối bán dẫn loại P và loại N tiếp xúc đơn tinh thể với nhau thì miền tiếp giáp giữa 2 khối bán dẫn loại P và loại N được gọi là chuyển tiếp P-N lớp chuyển tiếp P-N này là cơ sở của hầu hết các dụng cụ bán dẫn. Chuyển tiếp P-N được hình thành bằng 2 loại tiếp xúc cơ bản. + Chuyển tiếp mặt: Diện tích tiếp xúc 2 đơn tinh thể lớn. + Chuyển tiếp điểm: Diện tích tiếp xúc giữa 2 đơn tinh thể nhỏ. Hình 1.3. Chuyển tiếp mặt và chuyển tiếp điểm. 1.3.2. Sự hình thành tiếp giáp P-N. Khi có tiếp xúc đơn tinh thể giữa 2 bán dẫn loại N và loại P do mật độ điện tử bên N rất lớn, còn nồng độ lỗ trống bên khối bán dẫn loại P lớn hơn phía bên N, nên khi tiếp xúc với nhau do sự chênh lệch về mật độ các hạt tải cơ bản nên sẽ có sự khuếch tán của các hạt tải cơ bản từ miền này sang miền kia (Cụ thể là điện tử từ N sang P và lỗ trống từ P sang N) tạo thành dòng khuếch tán qua lớp chuyển tiếp cụ thể ở đây là: 7 P N Chuyển tiếp Chuyển tiếp P Dây W N Tiếp mặt Tiếp điểm + Điện tử từ miền N khuếch tán sẽ khuếch tán sang P tạo thành dòng khuếch tán nkt J + Lỗ trống từ miền P sẽ khuếch tán sang miền N tạo thành dòng khuếch tán lỗ trống pkt J Khi rời bán dẫn gốc các hạt tải cơ bản để lại trong vùng biên giới giữa 2 miền bán dẫn N và P các nguyên tử đã Ion hóa (cụ thể các Ion dương bên miền bán dẫn N và các Ion âm bên bán dẫn loại P) các Ion này liên kết với mạng tinh thể, vì được giữ cố định nên chúng tạo thành điện trường nội định xứ trong miền biên giới và có hướng từ N sang P. Điện trường này có xu hướng cản trở dòng khuếch tán của các hạt cơ bản. Như vậy ở vùng biên giới giữa 2 bán dẫn N và P xuất hiện một hàng rào điện thế cản trở sự khuếch tán của các hạt tải cơ bản có chiều từ N sang P. Hàng rào điện thế này tạo nên một điện trường hướng từ N sang P gọi là điện trường tiếp xúc. Phần bán dẫn biên giới giữa hai hàng rào điện thế rất nghèo các hạt tải điện được gọi là miền điện tích không gian. Hay còn gọi là miền nghèo 1.3.3. Dòng tiếp xúc và giản đồ năng lượng. Khi đặt 2 loại bán dẫn loại P và N tiếp xúc đơn tinh thể với nhau vì có sự chênh lệnh về mật độ các hạt tải điện nên tại bề mặt tiếp giáp sẽ có 1 gradian mật độ. x p d d và x n d d Chính Gradian mật độ này tạo nên dòng khuếch tán, ta biết độ lớn của dòng khuếch tán là: (1.1) x p p x n nktpktnkt d d Dq d d DqJJJ p n −=+= 8 Tùy theo từng loại bán dẫn mà chúng có độ lớn của điện trường tiếp xúc khác nhau.E tx = 0.3V đối với Ge, E tx = 0.6V đối với Si - + - + E tx Miền điện tích không gian ktn J : Dòng khuếch tán điện tử ktp J : Dòng khuếch tán lỗ trống n D : Hệ số khuếch tán điện tử p D : Hệ số khuếch tán lỗ trống Hình 1.4. Giản đồ năng lượng của tiếp giáp. Kết quả là bên N tích điện dương còn bên P sẽ tích điện âm lúc này chúng sẽ tạo nên một điện trường E hường từ N sang P. 9 + + + + - - - - NP E tx E E CP E FP E CN E FN x U x φ K E E CP E VP x E CN E VN E F Mặt khác khi xuất hiện điện trường thì dưới tác dụng của điện trường này chúng sẽ sinh ra dòng điện cuốn. dòng điện cuốn này sẽ là dòng cuốn của các hạt tải không cơ bản nghĩa là lỗ trống từ N sang P còn điện tử từ P sang N công thức tính mật độ dòng cuốn sẽ là: (1.2) Jc = Jcn + Jcp = txnp Enq µ + txpn Epq µ cpcn JJ , : là dòng cuốn điện tử, lỗ trống :, pn µµ là độ linh động của điện tử và lỗ trống Từ phân tích trên ta thấy dòng khuếch tán do các hạt tải điện đa số tạo thành, còn dòng cuốn do các hạt thiểu số tạo thành. Hai dòng này sẽ ngược nhau tại miền tiếp giáp. Như vậy mật độ dòng tổng qua miền tiếp giáp P-N là tổng của dòng khuếch tán và dòng cuốn. (1.3) ckt JJJ += Σ = txpntxnp x p p x n n EpqEnq d d Dq d d Dq p n µµ ++− Khi không có điện trường ngoài thì ở trạng thái cân bằng động dòng qua tiếp giáp sẽ bằng không hay nói cách khác là: (1.4) 0 =++−= Σ txpntxnp x p p x n n EpqEnq d d Dq d d DqJ p n µµ Từ công thức trên ta có thể tính được điện trường tiếp xúc là: (1.5) 10 [...]... CHƯƠNG II CẤU TRÚC CỦA CÁC PHẦN TỬ ĐIỆN QUANG SỬ DỤNG TRONG HỆ THÔNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 2.1 DIODE LAZE PHUN (ILD) Diode laze phun bán dẫn là nguồn phát quang dung chủ yếu trong hệ thống thông tin quang sợi có độ rộng dải tần lớn hơn 200Mhz và trong các hệ thống thông tin quang sợi đường dài ,có tốc độ lớn So với Led ,diode laze phun có các ưu điểm sau : -Công suất quang ghép vào sợi lớn hơn nhiều ,độ... SÓNG QUANG Diode tách sóng quang là phần tử cơ bản của máy thu trong hệ thống tin quang sợi Nó có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang truyền dẫn dọc sợi quang từ máy phát về dạng tín hiệu điện Diode tách sóng quang làm việc dựa trên hiệu ứng quang điện.Diode tách sóng quang dùng trong hệ thống thông tin quang sợi phải đáp ứng các yêu cầu sau : -có độ nhậy cao,phản ứng thời gian nhanh ,tạp âm thấp ,độ tin. .. trong hệ thống thông tin quang sợi đơn mot hạn chế được tạp phân mot và tăng đáng kể tích khoảng cách và tốc độ bit so với dùng laze Febrypero đa mot 27 2.1.3 Laze đơn mot Laze bán dẫn phun công tác trong chế độ chỉ có một mot dọc và một mot ngang gọi là laze đơn mot.Laze đơn mot đựoc dùng trong hệ thống thông tin có tốc độ bít lớn khoảng cách xa,đặc biệt là trong hệ thống thông tin quang kết hợp Chúng... của một số chất bán dẫn để chế tạo diode quang 35 CHƯƠNG III HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 3.1.1 Khái niệm về thông tin quang Coherent Tách sóng trực tiếp tín hiệu quang đã điều chế cường độ cơ bản là quá trình đếm số lượng hạt photon đến bộ thu Quá trình này bỏ qua pha và sự phân cực của sóng mang được tạo ra từ linh kiện quang Hệ thống IM/DD sử dụng bộ thu tách sóng trực... thời giá trị của RIN rất nhạy với sóng phản xạ tại chỗ tiếp xúc giữa không khí và sợi hoặc tại các chỗ bất đồng nhất chiết suất của sợi quang. Vì vậy trong các hệ thống thông tin quang nhất là với hệ Coherent để khử sự phản xạ ta dùng bộ cách ly quang giữa laze và sợi quang Thăng giáng về pha của laze sẽ làm cho độ rộng đường phổ của nó có giá trị hữu hạn.Và người ta chỉ ra rằng độ rộng đường phổ của... Khái niệm Các nguồn phát quang bán dẫn dùng trong hệ thống quang điện làm việc trên nguyên lý cơ bản của bức xạ ánh sáng do tái hợp giữa điện tử và lỗ trống trong vùng chuyển tiếp p-n của chất bán dẫn.Vùng này còn được gọi là vùng hoạt tính hay vùng tái hợp của các phần tử điện quang 1.5.2 Sự bức xạ ánh sáng tự phát và cưỡng bức Từ lý thuyết vật lý chất bán dẫn chũng ta biết đc tinh thể chất bán dẫn các... tạo ra từ bộ tách sóng quang và bộ tiền khuếch đại cao Do đó độ nhạy của hệ thống tách sóng theo qui luật bình phương nhỏ hơn độ nhạy của hệ thống sử dụng tách sóng theo giới hạn nhiễu lượng tử từ 10dB đến 20dB Do đó, để tăng độ nhạy của bộ thu quang chúng ta có thể sử dụng kỹ thuật tách quang Coherent (như tách sóng Heterodyne và Homodyne).Đối với tách sóng trực tiếp, tín hiệu quang được chuyển đổi... hiện tượng ảnh hưởng đến đặc tính công tác của diode laze phun phát sinh trong khi ứng dụng nó vào hệ thống thông tin quang sợi tốc độ cao tương tự và số.Các hiện tượng đó gọi là tạp vết và tạp phân mode +) Tạp vết của laze phun xuất hiện trong sợi quang đa mot do có nhiều mot được truyền trong một sợi quang. Do các mot khi truyền dọc sợi có sự đồng bộ về pha tương đối được duy trì nên tại một tiết diện... tự phát Ánh sáng truyền trong nó dọc theo trục Z của vùng hoạt tính có cuờng độ trường quang phân bố theo quy luật hàm mũ (2.1) I ( Z ) = I 0 exp[(Γ g (λ ) − α th ) Z ] Ở đây Γ là hệ số gọi là thừa số giam quang ,thường Γ ≈ 0.3-0.5 α th là hệ số tiêu hao hiệu dụng quang trong hộp cộng hưởng FP Hệ số khuyếch đại quang của vùng hoạt tính phụ thuộc vào mật độ các hạt dẫn được phun N (1/cm3) và vào bứơc... tạp hơn.Ngày nay ILD được dùng hầu hết trong các hệ thống thông tin quang sợi 2.1.1.Nguyên lý hoạt động của diode laze phun Nguyên lý hoạt động của ILD cơ bản dựa trên sự bức xạ ánh sáng cưỡng bức trong vùng hoạt tính của chuyển tiếp dị thể kép bán dẫn Để có sự hoạt động của ánh sáng Laze ,cấu trúc của ILD phải đạt được các điều kiện sau: +) Sự phản hồi quang của ánh sáng bức xạ cưỡng bức trong vùng . tách sóng quang 33 CHƯƠNG III. HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 36 3.1. Giới thiệu chung 36 3.1.1. Khái niệm về thông tin quang Coherent 36 1 3.1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang. PHẦN TỬ ĐIỆN QUANG SỬ DỤNG TRONG HỆ THÔNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 2.1. DIODE LAZE PHUN (ILD). Diode laze phun bán dẫn là nguồn phát quang dung chủ yếu trong hệ thống thông tin quang sợi có độ. càng cao , thông tin quang ra đời ,phát triển với nhịp độ rất nhanh có những tính năng ưu việt vượt bậc hơn hẳn những hệ thống thông tin hữu tuyến trước nó.Sự ra đời của thông tin quang cũng