Bài tập lớn môn kỹ thuật thông tin quang Đề tài nghiên cứu về nguồn phát quang laser Ứng dụng trong httt quang

I, Tóm tắtNghiên cứu về các nguồn phát quang Laser trong hệ thống quang tập trung vào việc phát triển và tối ưu hóa các loại Laser để sử dụng trong các ứng dụng quang học như viễn thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

Đề tài: NGHIÊN CỨU VỀ NGUỒN PHÁT QUANG LASER ỨNG DỤNG

TRONG HTTT QUANG

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Đức Toàn

Sinh viên thực hiện: Hoàng Ngọc Hùng (211406309) Lớp học phần: Kỹ thuật Điện tử - viễn thông 1

Hà Nội – 2024

I, Tóm tắt

Nghiên cứu về các nguồn phát quang Laser trong hệ thống quang tập trung vào

việc phát triển và tối ưu hóa các loại Laser để sử dụng trong các ứng dụng quang học

như viễn thông quang học, y học, khoa học vật liệu, và công nghệ lập trình lượng tử

Điều này bao gồm việc nghiên cứu về cấu trúc, tính chất và hiệu suất của các loại

Laser, cũng như phát triển các phương pháp điều chỉnh và kiểm soát chúng để đáp ứng

yêu cầu của các ứng dụng cụ thể

Tóm lại, nghiên cứu về các nguồn phát quang Laser trong hệ thống thông tin

quang là một lĩnh vực quan trọng, nhằm nâng cao hiệu suất và khả năng truyền thông

của hệ thống, đồng thời khám phá và áp dụng các tính năng của Laser để phát triển các

ứng dụng quang học đa dạng

II, Giới thiệu

Nghiên cứu về các nguồn phát quang Laser và ứng dụng chúng trong hệ thống

quang là một lĩnh vực quan trọng trong lĩnh vực quang học hiện đại Mục tiêu của

nghiên cứu này là phát triển và tối ưu hóa các loại Laser để chúng có thể được tích hợp

vào hệ thống quang, cung cấp các tín hiệu quang học với hiệu suất cao và đáng tin cậy

Nguồn phát quang Laser là một thiết bị có khả năng tạo ra ánh sáng tương tự với

các tính chất đặc biệt Nó hoạt động bằng cách kích thích các phân tử hoặc nguyên tử

trong chất phát quang để chuyển đổi năng lượng và phát ra ánh sáng có đặc tính đặc

biệt Ánh sáng Laser có một bước sóng chất lượng cao, hướng đi đồng nhất và độ tập

trung cao Điều này làm cho nguồn phát Laser trở thành một công cụ quan trọng trong

nhiều ứng dụng, bao gồm truyền thông quang, y học, khoa học và công nghệ

Có 3 loại laser đó là : Laser thể rắn, laser thể khí và laser bán dẫn Ngày nay ,

với sự phát triển vượt bậc về công nghệ vi điện tử và bán dẫn có kích thước nhỏ, có

tuổi thọ cao, có năng lượng tiêu thụ rất bé, phù hợp với vi mạch hóa hệ thống Vì vậy,

hiện nay trong thông tin sợi quang chủ yếu sử dụng các laser bán dẫn làm nguồn

quang Laser bán dẫn được chia thành hai loại cơ bản là: Laser đa mode và laser đơn

mode:

Laser đa mode: tuỳ theo cấu trúc mà người ta chia Laser đa mode thành các

loại như: Laser đa mode cấu trúc dị thể kép, laser đa mode điều khiển nhờ chiết

suất, laser đa mode điều khiển nhờ khuếch đại

Loại đơn mode có các loại

+) Laser BH

+) Laser hồi tiếp phân bố

+) Laser điều hưởng

+) Laser phát xạ mặt có hốc cộng hưởng thẳng

Ở đây, chúng ta nghiên cứu về loại laser đơn mode, đặc biệt tập trung vào “Laser

hồi tiếp phân bố (DFB laser và DBR laser)” và “Laser phát xạ mặt có hốc cộng hưởng

(VCSELs)”

Ứng dụng của các nguồn phát quang Laser trong hệ thống quang rất đa dạng,

bao gồm viễn thông quang học, trong đó Laser được sử dụng để truyền dẫn dữ liệu ở

tốc độ cao qua sợi quang; trong y học, với các ứng dụng như phẫu thuật Laser và chẩn

đoán hình ảnh y khoa; trong khoa học vật liệu, để nghiên cứu và sản xuất các vật liệu

có tính chất đặc biệt; và trong các hệ thống lập trình lượng tử, để tạo ra và kiểm soát

các trạng thái lượng tử

Tổng quan này chỉ ra rằng nghiên cứu về các nguồn phát quang Laser và ứng

dụng của chúng trong hệ thống quang đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển

công nghệ và ứng dụng quang học hiện đại

III, Nội dung nghiên cứu

Mode laser là số sóng dừng tồn tại trong buồng cộng hưởng Laser Mà mỗi sóng

dừng lại tương ứng với một tần số xác định Nếu đầu ra laser chỉ phát ra một tần số (hoặc

bước sóng) duy nhất thì đó là sự phát đơn mode

1, Cấu tạo của DFB laser

Cấu trúc của một laser hồi tiếp phân bố DFB bao gồm một hệ thống gương

phản chiếu và một khu vực hoạt động chứa chất làm phát quang Khu vực hoạt động

thường có một khe dài nhỏ tạo ra sóng dọc, đồng thời cung cấp cơ chế phản hồi cần

thiết để tạo ra sóng hồi tiếp Một kết cấu phát quang tương đối dài có thể được tạo ra

trong khe này bằng cách điều chỉnh độ rộng của khe

Trong laser DFB lớp gợn sóng cách tử để chọn lọc bước sóng được bố trí trên

toàn bộ lớp hoạt tính Các cách tử gợn sóng được khắc ngay vào trong các lớp cạnh

miền hoạt tính, tương đương với sự chế tạo ra sự thay đổi chiết suất theo chu kỳ

Người ta tránh khắc cách tử gợn sóng trực tiếp vào miền hoạt tính vì nó sẽ có thể làm

tăng mức độ tái hợp không phát xạ

Hình 1: Cấu trúc DFB laser

Laser này sử dụng cấu trúc với lớp tích cực là InGaAsP, lớp nền và các lớp xung

quanh là InP Để phản hồi tốt, chu kỳ cách tử D phải thỏa mãn điều kiện bước sóng

Bragg:

D= γ

2 n e sinθ

Với chu kỳ D phù hợp, bước sóng dao động trong laser hồi tiếp phân bố DFB là:

γ=γ B ±

γ B2

(m+1

2)

4 n r L e

Trong đó: m là bậc của mode

L e là độ dài hiệu dụng của cách tử gợn sóng

Nếu cấu trúc này hoàn toàn đối xứng, thì 2 đỉnh này đồng thời được phát

2,Nguyên lí hoạt động của DFB laser

Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo ra trong vùng tích cực

phản xạ nhiều lần tại cách tử (khác với laser FP chỉ phản xạ tại hai mặt phản xạ của hốc

cộng hưởng) Tại mỗi đoạn dốc của cách tử, một phần năng lượng ánh sáng bị phản xạ

Tổng hợp năng lượng ánh sáng phản xạ tại mỗi cách tử này trong laser làm cho phần lớn

ánh sáng trong laser được phản xạ có bước sóng thỏa mãn điều kiện Bragg Kết quả là,

laser DBF chỉ phát xạ ra ánh sáng có bước sóng λBB thỏa điều kiện Bragg (khác với laser

FB có nhiều bước sóng ánh sáng thỏa điều kiện phản xạ trong hốc cộng hưởng)

Quá trình cộng hường và chọn lọc tần số xảy ra trong laser DFB được thực hiện

nhờ cấu trúc cách từ Bragg đặt ở bên cạnh, dọc theo vùng tích cực của laser Sóng ánh

sáng phát xạ trong laser truyền dọc theo vùng tích cực và phát xạ tại mỗi đoạn dốc cùa

cách tử Điều kiện để sự phản xạ và cộng hưởng có thể xảy ra là bước sóng ánh sáng phải

thỏa mãn điều kiện Bragg:

Hình 2: Phản xạ tại cách tử Bragg

Công thức:

γ B=2 A neff

Trong đó: A là chu kỳ cùa cách tử Bragg

n eff= n.sinθ

n là chiết suất của cách tử

θ là góc phản xạ cùa ánh sáng

3, Ứng dụng của DFB laser

DFB laser chỉ phát xạ ra một mode sóng có độ rộng phổ rất hẹp khoảng (0,1 ÷ 0,2nm) so với laser có cấu trúc cổ điển (khoảng 2nm) Ngoài ra bức xạ này cũng không nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ của dòng điều khển Với đặc điểm như vậy, laser DFB đã và đang được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang có cự ly truyền dẫn dài và tốc độ bít truyền cao

Các laser DFB thường hoạt động tại bước sóng λBB= 1 m Do tính chất chọn lọc mode, DFB laser có khả năng phát ra tín hiệu quang đơn mode DFB laser có hiệu suất cao với dải nhiệt độ rất rộng nên thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong kiến trúc mạng PON đặc biệt là phía OLT DFB laser (không có bộ phận làm mát) thường có dòng ngưỡng thấp, dải nhiệt độ hoạt động rất rộng, tỷ số nén mode cạnh cao (thông thường là 40 dB) và đáp ứng nhanh ( 0.12 ns thời gian lên và xuống lấy trong khoảng biên độ từ 20-80%)

Bên cạnh đó , còn những ứng dụng thực tế vào cuộc sống như sau:

tích tiếp xúc nhỏ, dễ điều khiển và có thể kiểm soát độ sâu dễ dàng Ngoài

ra, tia laser cũng có thể giúp phục hồi thị giác cho những trường hợp cận thị hoặc kết hợp với sợi quang học để chữa các bệnh về võng mạc, chẩn đoán ung thư,…

như như một phương pháp tái tạo bề mặt da, làm da săn chắc, điều trị các tổn thương liên quan đến sắc tố da như nám và tàn nhang, đồi mồi,… Khi bác sĩ đưa chùm tia laser lên da, các bước sóng cao sẽ tác động đến tầng da sâu nhất, từ đó có thể loại bỏ các hắc sắc tố trên da, giúp cho làn da trở nên mịn màng và tươi trẻ

 Trong ngành khoa học công nghệ, tia laser được sử dụng trong nghiên cứu

chuyển động Brown của các hạt Ngoài ra, máy bắn laser còn có khả năng

đo được các chất gây ô nhiễm không khí

định khoảng cách đến đối tượng Bên cạnh đó, máy bắn tia laser cũng được

sử dụng như một đèn chiếu sáng bí mật để theo dõi đối tượng khi trinh sát ban đêm với độ chính xác cao

thạch anh, thủy tinh, đá quý,… Ngoài ra, trong ngành bán hàng thì các loại súng laser được sử dụng để quét mã vạch của sản phẩm Còn trong xây dựng thì tia laser được tích hợp trong các thiết bị đo đạc như máy cân bằng laser, máy đo khoảng cách laser,…

4, So sánh với các nguồn khác (DBR laser, VCSEL, )

 Sự giống nhau:

Dù có những khác biệt trong nguyên lý hoạt động, cấu trúc và ứng dụng, DFB laser, DBR laser và VCSEL cũng có một số điểm giống nhau:

của các thiết bị laser bán dẫn, trong đó một lớp chất bán dẫn được kích thích

để phát ra ánh sáng

 Phản hồi quang học: Cả DFB laser và DBR laser đều sử dụng phản hồi

quang học từ các cấu trúc phản chiếu hoặc khe phân bố để tạo ra sóng ánh sáng hồi tiếp VCSEL cũng sử dụng phản hồi từ gương phản chiếu phẳng để tạo ra sóng ánh sáng

dụng rộng rãi trong các ứng dụng truyền thông quang học, cảm biến và thiết

bị điện tử Chúng đều cung cấp các giải pháp cho việc truyền dẫn dữ liệu, đo lường và cảm biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau

có thể tích hợp dễ dàng trong các hệ thống phức tạp, với kích thước nhỏ và tiêu thụ điện năng thấp, giúp tối ưu hóa hiệu suất và chi phí của các ứng dụng

 Sự khác nhau

Cấu trúc Một grating phân

tán phân bố trên chiều dài của lớp phát xạ

Hai grating phản xạ phân tán phân bố ở hai đầu của lớp phát

xạ

Cấu trúc phát xạ ngang dọc, sử dụng gương phản xạ phân tán phân bố ở hai

đầu

Đặc điểm Sự ổn định cao, dễ Điều chỉnh dải Kích thước nhỏ, chi

điều chỉnh bước sóng

hoạt động ổn định

Bước sóng Đơn bước sóng Đa bước sóng Đa bước sóng

Nguyên lí hoạt động Phản hồi phân bố từ

khe phân bố

Phản chiếu phân bố

từ grating phân bố

Phản hồi phân bố từ gương phản chiếu

phẳng

Hiệu suất Cao Trung bình đến cao Trung bình đến cao

Độ ổn định Cao Trung bình Trung bình Ứng dụng Các ứng dụng cần

yêu cầu độ chính xác và ổn định cao như truyền dẫn quang học, cảm biến, và giao tiếp quang học

Các ứng dụng với yêu cầu điều chỉnh dải bước sóng lớn hơn, như là giao tiếp quang học và điều chỉnh dải bước sóng cho các ứng dụng trong y học

Các ứng dụng trong mạng máy tính, giao tiếp quang học ngắn khoảng cách, cảm biến, và thiết

bị di động

Mặc dù có sự khác biệt trong cấu trúc và hoạt động, cả DFB, DBR và VCSEL đều đóng góp quan trọng vào việc cải thiện hiệu suất và khả năng ứng dụng của hệ thống thông tin quang Sự đa dạng của các loại laser này mang đến những lựa chọn linh hoạt và hiệu quả cho các ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực truyền thông và công nghệ quang học

Một số hình ảnh về các nguồn khác:

Hình 3: Cấu trúc DBR laser

Hình 4: Cấu trúc VCSEL

IV, Kết luận về kết quả và đề xuất ứng dụng

Kết luận của bài báo cáo về nghiên cứu nguồn phát quang laser ứng dụng trong

hệ thống thông tin quang cho thấy rằng công nghệ laser bán dẫn đã đạt được những

tiến bộ đáng kể trong việc cung cấp nguồn phát quang ổn định và hiệu suất cao Các loại laser như DFB, DBR và VCSEL đều cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao, chính xác

và tin cậy Sự linh hoạt của các loại laser này giúp chúng đáp ứng được nhiều ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực truyền thông quang học và các ngành công nghệ liên quan

Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng laser bán dẫn có thể được sử dụng hiệu quả trong truyền thông quang học tốc độ cao, đặc biệt là trong mạng cáp quang và liên kết quang học trong các hệ thống máy tính VCSEL có thể đóng góp vào các kết nối ngắn khoảng cách trong thiết bị điện tử và trung tâm dữ liệu nhờ kích thước nhỏ gọn và chi phí sản xuất thấp

Ngoài ra, các ứng dụng tiềm năng khác bao gồm việc sử dụng laser trong cảm biến quang học để đo lường nhiệt độ, áp suất và độ dịch chuyển trong môi trường Laser cũng có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y tế, ví dụ như phẫu thuật laser và chẩn đoán y tế

Nhìn chung, nguồn phát quang laser bán dẫn cho hệ thống thông tin quang tiếp tục mở ra nhiều cơ hội cho sự phát triển của công nghệ truyền thông và cảm biến, đồng thời mang lại các giải pháp mới và hiệu quả cho nhiều lĩnh vực khác nhau

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1], Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang – TS Nguyễn Đức Toàn(Chủ biên)

[2], Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang - Đào Huy Du(Chủ biên)