Tiểu luận một số Đặc Điểm của sợi quang (thông tin quang)

CÓ MẤY LOẠI TÁN SÁC TRONG SỢI QUANG Ở vào đầu sợi quang các xung ánh sáng được phân giải tốt nhưng ở đầu ra chúng bị mở rộng và có thể chông lên nhau dẫn tới đầu thu sẽ không phân giải n

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ==================

TIỂU LUẬN

MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA SỢI QUANG

(Thông tin quang)

Giảng viên hướng dẫn: Trần Thu Trang Học viên thực hiện: Bùi Thanh BÍCH

Thái Bình, tháng 11/2021

Mục lục Trang

PHẦN I TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG LÀ GÌ? CÓ MẤY LOẠI

TÁN SÁC TRONG SỢI QUANG

3

I Sự tán sắc trong sợi quang 3

II Các loại tán sắc trong sợi quang 3 PHẦN II TRÌNH BÀY CÁC HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC TRONG SỢI

PHẦN III NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LED VÀ LAZE BÁN

DẪN

11

MỞ ĐẦU

Ngày nay các hệ thống thông tin hiện đại ngày càng được mở rộng và nhu cầu trao đổi thông tin giữa các quốc gia, châu lục ngày càng gia tăng Nó đòi hỏi cần phải có một cách thức truyền tín hiệu nhanh , hiệu quả để đáp ứng được sự phát triển không ngừng đó.  Hệ thống thông tin quang là hệ thống thông tin mà trong

đó tín hiệu được truyền dẫn dưới dạng ánh sáng Môi trường truyền dẫn là các sợi quang Sợi quang chính là giải pháp được chọn vì nó có rất nhiều ưu điểm: tốc

độ truyền dẫn nhanh, băng thông lớn, ít suy hao, sợi quang nhỏ nhẹ, độ bền cao thông tin quang đảm nhận vai trò truyền dẫn xuyên lục địa, mạng đường trục quốc gia, đường trung kế Hệ thống thông tin sợi quang còn được ứng dụng trong y tế, truyền số liệu, truyền hình Tuy hệ thống thông tin sợi quang có rất nhiều ưu điểm nhưng nó vẫn tồn tại nhiều nhược điểm cần phải khắc phục như: suy hao và đặc biệt là tán sắc

Trong tiểu luận này nhóm chúng em trình bày về “Một số đặc điểm của sợi quang”

PHẦN I TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG LÀ GÌ? CÓ MẤY LOẠI TÁN SÁC TRONG SỢI QUANG

Ở vào đầu sợi quang các xung ánh sáng được phân giải tốt nhưng ở đầu ra chúng bị

mở rộng và có thể chông lên nhau dẫn tới đầu thu sẽ không phân giải nổi hai xung

Sự mở rộng xung ánh sáng trong sợi quang sẽ giới hạn tốc độ truyền số liệu Tán sắc thấp có nghĩa là tốc độ số liệu cao vì các xung truyền đi có thể gần sát nhau hơn

và ít có sự chồng phù ở lối ra

II Các loại tán sắc trong sợi quang

Tán sắc mode: chỉ xảy ra ở sợi đa mode

Tán sắc màu: xãy ra ở tất cả các loại sợi quang Tán sắc sắc thể bao gồm:

Tán sắc vật liệu

Tán sắc ống dẩn sóng

Bên cạnh đó, trong sợi đơn mode phải xét tới tán sắc mode phân cực Đây là loại tán sắc vô vùng quang trọng trong hệ thống thông tin tốc độ cao

PHẦN II: TRÌNH BÀY CÁC HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG

PHẦN III NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LED VÀ LAZE BÁN DẪN

Ánh sáng phát ra từ LED là ánh sáng bức xạ tự phát hay huỳnh quang trong khi tia laser là bức xạ cưỡng bức Để có được dao động laser (hay bộ dao động quang với tần số dao động rất cao, f ~ 1014 Hz) khi độ khuếch đại quang lớn hơn độ mất mát cần có sự phản hồi quang Sự phản hồi quang được thực hiện bằng các gương phản xạ tạo thành buồng cộng hưởng quang (hay còn gọi là buồng cộng hưởng Fabry-Perot) giúp cho ánh sáng bức xạ cưỡng bức được phản xạ và đi lại nhiều lần trong buồng cộng hưởng làm tăng độ khuếch đại quang Kết quả là độ khuếch đại quang luôn lớn hơn sự mất mát quang Do sự phản xạ trên các mặt gương nên trong buồng cộng hưởng quang tồn tại hai sóng là sóng tới và sóng phản xạ Khi các sóng này cùng pha, chúng giao thoa với nhau và trường tổng sẽ lớn hơn các trường của sóng thành phần, khi các sóng này ngược pha 1800 chúng triệt tiêu lẫn nhau Kết quả là ta có sóng đứng ở trạng thái dừng trong buồng cộng hưởng như trên hình 4.4 khi đảm bảo điều kiện cộng hưởng:

với L là độ dài buồng cộng hưởng, m là số nguyên dương và  là bước sóng lan truyền trong chân không và n là chiết suất của vật liệu buồng cộng hưởng Hay nói

cách khác, bước sóng cộng hưởng sẽ là

với  là tần số trung tâm và  là bước sóng trung tâm tương ứng trong chân

không Tuy nhiên, trong trường hợp này cần tính đến cả độ mất mát ngoại là các mất mát quangtrên các gương phản xạ Một phần của ánh sáng phản xạ đi qua các gương phản xạ ra ngoài tạo thành tia laser Người ta cũng có thể thực hiện sự phản hồi quang bằng cấu trúc cách tử Trong laser bán dẫn Fabry-Perot (FP) các gương phản xạ được tạo bởi chính các mặt tách tinh thể của chip laser với hệ số phản xạ R

~ 30 %, còn trong các laser bán dẫn đơn tần DFB hay DBR phản hồi quang được thực hiện bằng cách tử tạo bởi sự phân bố chiết suất tuần hoàn dọc theo hay ở hai đầu vùng tích cực

Trong LED và LD, sự kích thích là việc bơm dòng điện vào LED, LD khi chúng được phân cực thuận Trường hợp đơn giản nhất là LED và LD có cấu trúc chuyển tiếp đơn: lớp bán dẫn loại p (giàu lỗ trống) và loại n (giàu điện tử) được làm cho tiếp xúc tạo nên chuyển tiếp p-n (Hình 4.5)

Ánh sáng (hay photon) phát ra có bước sóng tuỳ thuộc vào độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn:

Năng lượng vùng cấm Eg phụ thuộc vào thành phần của vât liệu.

Các laser diode đơn chuyển tiếp được phát minh lần đầu tiên vào năm 1962 có dòng ngưỡng cao và chỉ hoạt động được ở chế độ xung hay ở nhiệt độ thấp Vì vậy, trên thực tế, các LED và LD đang sử dụng có cấu trúc dị chuyển tiếp kép Hình 4.6 trình bày sơ đồ cấu tạo, giản đồ năng lượng, phân bố chiết suất và cường độ ánh sáng trong laser cấu trúc dị chuyển tiếp kép AlGaAs/GaAs Ta thấy khi phân cực thuận cho chuyển tiếp điện tử được tiêm vào vùng tích cực từ phía bán dẫn loại n

và lỗ trống được tiêm vào từ phía bán dẫn loại p Tại vùng tích cực, hạt tải được giam giữ nhờ các rào thế của chuyển tiếp nên có thể dễ đạt được điều kiện đảo mật

độ trạng thái ở một dòng bơm nhất định Tuy nhiên, để dễ đạt được điều kiện đảo mật độ trạng thái, các lớp vỏ loại p và loại n ở hai phía lớp tích cực trong cấu trúc laser bán dẫn được pha tạp mạnh và trở thành bán dẫn suy biến: các mức Fermi cho điện tử và lỗ trống dịch sâu vào trong vùng dẫn và vùng hoá trị khi có thiên áp thuận lên chuyển tiếp p-n Khi mật độ hạt tải bơm vào vùng tích cực vượt quá một

giá trị xác định gọi là mật độ hạt tải trong suốt (nghĩa là khi đó không có sự hấp thụ

và sự bức xạ) điều kiện đảo mật độ trạng thái xảy ra và trong vùng tích cực có sự

khuếch đại quang với hệ số khuếch đại g(E) như đã nói tới ở trên Lớp tích cực có

thể có chiết suất cao hơn các lớp xung quanh từ vài phần mười của % tới vài % nên ánh sáng laser được giam giữ trong vùng tích cực, tuy nhiên, một phần ánh sáng nằm trong các lớp vỏ vì ở đây ta có cấu trúc dẫn sóng quang phẳng điện môi

PHẦN IV: CÁC TÍNH CHẤT CỦA LED

Công suất quang lối ra là tính chất quan trọng của LED và các nguồn phát quang khác vì đó là yếu tố chính quyết định khoảng cách truyền dẫn Công suất quang lối

ra của các LED dùng trong thông tin là từ vài µw đến vài chục µw được ghép vào trong sợi quang do hiệu suất ghép nối giữa LED và sợi quang nhỏ Công suất quang lối ra của LED phụ thuộc tuyến tính vào dòng bơm như trên hình 4.11

Hiệu suất hoạt động của LED là số đo khả năng biến đổi công suất điện lối vào thành công suất quang lối ra Hiệu suất quang của LED phụ thuộc vào nhiều yếu tố Yếu tố thứ nhất là tỉ số giữa chuyển mức bức xạ và chuyển mức không bức xạ xảy

ra trong vật liệu ở lớp tích cực Tái hợp không bức xạ xảy ra trên các khuyết tật của tinh thể, nhất là ở biên giữa lớp tích cực và các lớp xung quanh Tỉ lệ giữa tái hợp bức xạ và tái hợp không bức xạ tăng lên khi mật độ dòng bơm ở vùng tích cực cao

và khi giảm được các khuyết tật biên nhờ sự tạo các lớp epitaxi một cách cẩn thận Yếu tố thứ hai là lượng ánh sáng bị hấp thụ trong vùng tích cực, sự tự hấp thụ xảy

ra đáng kể khi vùng tích cực được pha tạp mạnh, giảm sự tự hấp thụ bằng cách làm lớp tích cực mỏng Yếu tố thứ ba là sự mất mát do phản xạ ở bề mặt bán dẫn-không khí (mất mát Fresnel)

Độ rộng phổ quang cũng là tính chất quan trọng của LED và các nguồn phát

quang khác vì tốc độ truyền dẫn phụ thuộc vào độ rộng phổ do hiệu ứng tán sắc của sợi quang Độ rộng phổ hẹp cho phép truyền dẫn ở tốc độ cao hơn Độ rộng phổ quang của LED  có thể xác định gần đúng bởi công thức [1]:

với ’ là bước sóng hoạt động chuẩn hoá của LED tính theo µm và (kT)’ là tích của hằng số Boltsman và nhiệt độ của chuyển tiếp p-n tính theo eV Ta thấy độ rộng phổ của LED tỉ lệ với 2 nên các LED hoạt động ở vùng sóng dài có độ rộng phổ lớn hơn các LED hoạt động ở vùng sóng ngắn Độ rộng phổ điển hình từ vài đến vài chục nm đối với LED GaAlAs và vào khoảng 100 nm đối với LED InGaAsP phát mặt, trong khi đó độ rộng phổ là 60 ÷ 80 nm cho LED InGaAsP phát cạnh

Đầu thu quang (PD) sẽ thu công suất quang phát ra của LED, biến nó thành

dòng điện và dòng điện này tỉ lệ với công suất quang Công suất điện Pelect của đầu thu quang tỉ lệ với bình phương dòng điện, hay bình phương của công suất quang (Pelect ~

Thành phần tái hợp bức xạ trong thời gian sống của hạt tải phụ thuộc vào mật

độ hạt tải trong vùng tích cực Khi dòng bơm thấp tái hợp không bức xạ là chính, thời gian sống tái hợp bức xạ không phụ thuộc vào dòng bơm và chỉ phụ thuộc

tuyến tính vào mức độ pha tạp ở vùng tích cực, khi dòng bơm lớn nó tỉ lệ với d (d-

bề dày vùng tích cực) và tỉ lệ nghịch với J (J- mật độ dòng ở vùng tích cực) Để cải

thiện băng thông biến điệu của LED cần giảm thời gian sống của hạt tải, khi dòng bơm nhỏ cần tăng mức pha tạp, khi dòng bơm lớn cần giảm độ dày vùng tích cực

và và tăng mật độ dòng ở vùng tích cực

Một cách tính băng thông biến điệu khác là tính theo thời gian nâng (rise time) của xung quang của LED Thời gian này phụ thuộc vào điện dung Cs của vùng tích cực (nếu ta bỏ qua các điện dung ký sinh khác), (Cs ~ 350÷1000 pF cho LED) Nếu thời gian xuống (fall time) của xung quang là không đáng kể so với thời gian nâng

ta có tốc độ biến điệu cực đại gần đúng bằng nghịch đảo của thời gian nâng

Keisher [4] đưa ra biểu thức thời gian nâng (thời gian cần thiết để xung quang chuyển từ mức 10% đến 90% công suất đỉnh xung)

với Ip là dòng xung điện bơm, q là điện tích điện tử, k là hằng số Bolsman và T là nhiệt độ chuyển tiếp Thời gian nâng tr giảm nếu tăng dòng bơm xung và giảm điện dung vùng tích cực Cs LED phù hợp cho các hệ thống thông tin quang dùng sợi

đa mode với tốc độ truyền  50Mb/s

\PHẦN V: BÀI TẬP Bài 1: Hãy xem xét một sợi quang có bán kính lõi 25 µm, chiết suất lõi n1 = 1,48 và độ chênh lệch chiết suất tương đối %.

a) Nếu , tính tần số chuẩn hóa V và số mode M lan truyền trong sợi

quang này ?

b) Tính phần trăm suy hao công suất do chùm sáng đi ra ngoài ?

Bài làm:

a) Công thức tính tham số(tần số chuẩn hóa):

Số mode sợi đa mode nhảy bậc

b) PV là công suất quang trong vỏ sợi

PL là công suất quang trong lõi sợi

Phần trăm suy hao công suất do chùm sáng đi ra ngoài

Bài 2: Xác định tần số chuẩn hóa V ở 820 nm đối với một sợi quang chiết suất

nhảy bậc có bán kính lõi 25 µm, n1 = 1,48 và n2 = 1,46 ?

a)Có bao nhiêu mode lan truyền trong sợi quang này ở 820 nm, 1320 nm và 1550 nm?

b)Tính phần trăm dòng công suất quang trong lớp vỏ trong mỗi trường hợp.

Bài làm a) Ta có n1 là chiết suất lõi

: chiết suất tỉ đối

a: bán kính lõi

: bước sóng

Độ khẩu số

Công thức tính tham số(tần số chuẩn hóa)

Số mode sợi đa mode nhảy bậc

Đường kính lõi sợi: d=2a= 60

b) Số moed của sợi đa mode chiết suất nhảy bậc

- Ở bước sóng 1320 nm ta có

- Ở bước sóng 1550 nm ta có

 

Bài 3 : Tìm bán kính lõi sợi quang đơn mode, chiết suất nhảy bậc hoạt động ở bước sóng 1320 nm, với n1 = 1,48 và n2 = 1,478 Tìm khẩu độ số và góc tiếp nhận lớn nhất max của sợi quang này ?

Đối với sợi quang đơn mode, chúng ta cần cố V ≤ 2,405

Bán kính lõi sợi đơn mode a được xác định như sau:a

a = a =P(1+r n)nt

n21/2 (1,32m).2,40

5

Khẩuđộsốcủasợiquang:

NAn2n21/2

0,077

Góptiếpnhậnlớnnhấtcủasợiquang:

 

 max

arcsinNA4,4o

Bướcsóngcắtcủasợiquangnày:

2a

NA2.6,55m

.0,0771,316m

Bằngsựlỗlựclàmviệcnhóm,chúngemđãhoànthànhtiểuluậncủamình.Tuynhiêncũngkh ôngtránhkhỏithiếusót.Kínhmongbạnđọcđónggópýkiếnđểchúngtôichỉnhsửachotiểulu ậnđượchoànthiệnhơn

Xintrântrọngcảmơnsựgiúpđỡcủacôgiáohướngdẫnđãgiúpchúngemhoànthànhtiểuluận

!

TÀILIỆUTHAMKHẢO

GiáotrìnhThôngtinquang,TSVũXuânHòa,trườngĐHKhoaHọc-đhTháiNguyên

PHỤLỤC

ST

T

hanh

HvVũVănViễn

2 Phần1:Phânloạitánsắctrongsợiquang HvĐỗThịBích HvBùiThanhT

hanh

3 Phần2:Cáchiệntượngtánsắctrongsợiqua

ng

HvBùiThanhT hanh

HvVũVănViễn

4 Phần3:NguyênlýhoạtđộngcủaLEDvàLA

ZEbándẫn

HvVũVănViễn HvĐỗThịBích

5 Phần4:CáctínhchấtcủaLED HvBùiThanhT

hanh

HvĐỗThịBích

hanh

hanh

HvVũVănViễn

1