Bài giảng kỹ thuật thông tin quang chương 3 bộ phát quang

Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện• Mức năng lượng Energy Level: Biểu đồ mức năng lượng energy level diagram: E3 E4 Năng lượng EeV Trạng thái nền ground state • Biểu diễn trạng t

Trang 1

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

Fundamental of Optical Fiber Communications

Bộ môn: ộ Thông Tin Quang – Khoa Viễn thông 2 g Q g g

Email: emdvv@ptit.edu.vn , pqhop@ptithcm.edu.vn

Trang 2

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG 3

B Ộ PHÁT QUANG

Trang 3

NỘI DUNG CHƯƠNG 3

• Nguyên lý chung về biến đổi quang điện Nguyên lý chung về biến đổi quang điện

Trang 4

Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện

• Mức năng lượng (Energy Level):

• Hat nhân: điện tích dương

• Các điện tử: điện tích âm

– Quay quanh hạt nhân theo các quỹ Q y q ạ q ỹ đạo ổn định

– Mang một mức năng lượng nhất định

Trang 5

Biểu đồ mức năng lượng (energy level diagram):

E3

E4

Năng lượng E(eV)

Trạng thái nền (ground state)

• Biểu diễn trạng thái năng lượng của điện tử trong một nguyên tử

• Các mức năng lượng này không liên tục Æ rời rạc nhau

Trang 6

Hàm phân bố Boltzmann: Năng lượng E

ΔE : độ chênh lệch năng lượng giữa E và E ;

exp(-ΔEi/kBT)

Ei ]

/[0

T k E i

B i

e N

ΔEi: độ chênh lệch năng lượng giữa Eivà E0;

kB: hằng số Boltzmann (1,38.10-23 (J/oK)) T: nhiệt độ tuyệt đối (oK)

Mật độ điện tử

E0

Ni N0

• Phân bố mật độ điện tử ở các trạng thái năng lượng khác nhau

• Khi “cân bằng về nhiệt”

Trang 7

Nhận xét:

• Ni > Nj (với i<j) Æ mật độ điện tử ở trạng thái nền là lớn nhất.

• T = 0oK: tòan bộ điện tử ở trạng thái nền

• T > 0oK: điện tử hấp thụ năng lượng nhiệt Æ thay đổi trạng thái ệ p ụ g ợ g ệ y ạ g năng lượng Æ chuyển từ E0 lên các mức năng lượng cao hơn

• Số điện tử ở các mức năng lượng kích thích tăng lên khi To tăng

• Trạng thái nền là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử Trạng thái nền là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử

– Xu hướng chuyển về các trạng thái năng lượng thấp – Thời gian sống (lifetime) của điện tử

• Khi điện tử chuyển từ E ÆE (với i<j): giải phóng một phần năng

• Khi điện tử chuyển từ EjÆEi (với i<j): giải phóng một phần năng lượng bằng đúng độ chênh lệch giữa hai mức năng lượng

Trang 8

• Nguyên lý biến đổi quang điện:

Linh kieän thu quang

(Photo detector)

LED

(Light Emitting Diode) (Light Amplification Laser

by Stimulated Emission of Radiation)

Trang 9

• Nguyên lý biến đổi quang điện:

a Hiện tượng hấp thụ và phát xạ tự phát b Hiện tượng phát xạ kích thích

Trang 10

Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo

ra một cách ngẫu nhiên theo thời gian và không gian

Æ Ánh sáng LED không có tính kết hợp

Trang 11

• Nguồn quang bán dẫn ( Semiconductor Light Source)

Nguồn quang: là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tín

hiệu ánh sáng có công suất tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó.

Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang:

• Diode phát quang LED (Light Emitting Diode)

• Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Trang 12

Được sử dụng trong thông tin quang vì có thể đáp ứng

được các yêu cầu:

• Kích thuớc nhỏ tương ứng với sợi quang

• Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác ậ ệ ệ g ộ

• Bước sóng phù hợp với vùng bước sóng hoạt động của sợi quang

• Điều chế tín hiệu một cách đơn giản trên dải tần rộng trải dài từ tần số âm thanh tới dải tần gigahezt

tần số âm thanh tới dải tần gigahezt.

• Hiệu suất ghép quang cao

• Độ rộng phổ hẹp

• Duy trì mức công suất ngõ ra ổn định

• Giá thành thấp và có độ tin cậy cao

Trang 13

• Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source)

Chất bán dẫn được sử dụng cần phải có

• Dải cấm năng lượng trực tiếp

• Độ rộng của dải cấm năng lượng phù hợp để tạo ra ánh sáng có bước sóng nằm trong vùng bước sóng hoạt động của TTQ

Æ Vật liệu nhóm IV (Si, Ge,…) không thỏa điều kiện

Bước sóng của ánh sáng do nguồn quang phát ra chỉ phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang

thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang

Trang 14

• Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source)

(a) Dải cấm năng lượng trực tiếp (b) Dải cấm năng lượng gián tiếp (a) Dải cấm năng lượng trực tiếp (b) Dải cấm năng lượng gián tiếp

Trang 15

Kết hợp vật liệu nhóm III (Ga, Al, …) và nhóm V (As, P,

In, …)

InGaAsP

AlGaAs GaAs/InP

GaAs GaAsP

0,5 0,6 0,7 0,85 1,0 1,3 1,55 λ(μm)

Bước sóng ánh sáng phát xạ của một số loại bán dẫn

nhóm III kết hợp với nhóm V nhóm III kết hợp với nhóm V

Trang 16

• Vùng năng lượng (Energy Band):

E

Vuøng daãn(Conduction band)

Trong chất bán dẫn:

• Các mức năng lượng rất gần nhau Æ vùng năng lượng

• Hai vùng năng lượng tách biệt nhau: vùng hóa trị (valence band)

và vùng dẫn (conduction band)

Trang 17

• Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Hoạt động dựa trên tiếp giáp pn phân cực thuận và hiện

tượng phát xạ tự phát

V+ - I

-

++

+

Vùng hiếm (Depletion region)

V>V Phát xạ tự phát

- - - -

-

-+ + + + + + + + +

+

- V

+ photon

Trang 18

• Đặc tính P-I của LED:

Mối quan hệ giữa công suất phát quang và dòng điện:

• Công suất quang:

Trang 19

c uẩ óa1

Trang 20

• Đặc tính phổ của LED:

Nguồn quang bán dẫn: vùng năng lượng

Các photon được tạo ra có bước sóng:

Nhiều mức NL Æ nhiều bước sóng ás được tạo ra.

Công suất phát quang tại các bước sóng khác nhau

( )

j

ij

E eV

Công suất phát quang tại các bước sóng khác nhau

không đều nhau

Bước sóng trung tâm:

• Công suất lớn nhất

• Thay đổi theo nhiệt độ

Trang 22

• Cấu trúc của LED:

Cấu trúc LED Burrus

Trang 23

• Cấu trúc của LED:

LED phát xạ cạnh (ELED)

Trang 24

• Cấu tạo laser Fabry – Perot:

Trang 25

Ánh sáng phát ra và được giữ trong lớp tích cực

Ánh sáng của laser phát ra ở phía cạnh, giống như ELED

Hai lớp phản xạ ở hai đầu lớp tích cực có hspx R<1

Æ hốc cộng hưởng Fabry-Perot

Anh sáng được đưa ra ngoài qua một phần được cắt

nhẵn của một mặt phản xạ

Trang 26

Æ số sóng ánh sáng do laser Fabry-Perot phát xạ bị giới hạn

Æ giảm độ rộng phổ của laser so với LED

Trang 27

• Hốc cộng hưởng Fabry-Perot:

a) Hốc cộng hưởng

Fabry-Perot

b) Không cộng hưởng c) Cộng hưởng

Sĩng ánh sáng cĩ thể tồn tại và khuếch đại được trong hốc cộng hưởng của laser Fabry-Perot nếu:

λ Với n: chiết suất của lớp tích cực q = 1 2 3

n

c L

Trang 28

• Độ khuếch đại quang:

Lớp phản xạ có hệ số phản xa R1

R1 (1-R1)P(2L) Lớp tích cực (active layer)

co hệ so phan xạ R1

có hệ số phản xạ R2

• P’(0) ≥ P(0)

Ỉ R11.R22.e(g-α).2L ≥ 1 Ỉ g ≥ α + (1/2L).ln(1/R g ( / ) ( / 11.R22) )

Trang 29

• Độ khuếch đại quang:

Điều kiện để ánh sáng được khuếch đại trong quá trình

lan truyền và phản xạ qua lại giữa hai hốc cộng hưởng:

• g ≥ α + (1/2L).ln(1/R 1 R 2 )

• Nspontaneous + Nstimulated > Nabsorption

Æ trạng thái nghịch đảo mật độ ( population inversion )

Æ bơm (Pumping)

Laser bán dẫn: nguồn bơm là dòng điện

Dòng ngưỡng: d òng điện tối thiểu để đạt được trạng thái nghịch đảo nồng độ

Trang 30

• Đặc tính phổ của Laser Fabry-Perot:

Dải thông điều chế

Ỉ laser đa mode MLM (Multi Longitudinal Mode)

Trang 31

• Phương trình tốc độ của laser (rate equations):

Dns

n J

Biểu diễn sự thay đổi theo thời gian của mật độ điện tử

ph sp

Trang 32

• Đặc tính điều chế của laser:

(a) Điều chế tín hiệu số (b) Điều chế tín hiệu tương tự

Trang 33

• Nhiễu trong Laser:

Xảy ra khi tín hiệu quang phát ra không ổn định (khi

điều kiện hoạt động của laser không thay đổi) về:

• Công suất phát quang

• Bước sóng phát quang g p q g

• Độ rộng phổ

â

Phân loại:

• Sự không ổn định của nguồn quang ự ô g ổ đị ủa guồ qua g

mode

Trang 34

CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA NGUỒN QUANG

• Đặc tuyến P-I của nguồn quang:

Công suất phát quang: công suất tổng cộng mà nguồn

há

quang phát ra

Đặc tuyến P-I của SLED, ELED và Laser:

LASER P(mW)

10

SLED ELED

Trang 35

Trang 36

• Hiệu suất ghép quang:

Tỷ số giữa công suất quang ghép vào sợi quang P opt trên

công suất phát quang của nguồn quang P s

opt

P P

• Laser: + 60% đối với sợi quang đơn mode (SMF)

+ 90% đối với sợi quang đa mode (MMF)

Trang 37

• Hiệu suất ghép quang:

Hiệu suất ghép quang phụ thuộc:

• Kích thước vùng phát quang

• Góc phát quang của nguồn quang

• Góc thu nhận (hay NA) của sợi quang ậ ( y ) ợ q g

• Vị trí tương đối giữa nguồn quang và sợi quang

• Bước sóng ánh sáng

Trang 38

• Laser Fabry Perot (MLM laser): 2-4nm

• Nguồn quang bán dẫn đơn mode (SLM): <0 1 nm Nguồn quang bán dẫn đơn mode (SLM): <0.1 nm

Trang 39

• Thời gian lên (rise time):

là thời gian để cơng suất quang ở ngõ ra của nguồn

quang tăng từ 10% đến 90% mức cơng suất ổn định

Công suất tương đối

Trang 40

• Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Làm thay đổi các tính chất của nguồn quang:

• Bước sóng phát quang

• Công suất phát quang.

Xảy ra nhiều hơn với laser hơn là LED Xảy ra nhiều hơn với laser hơn là LED

Công suất quang (mW)

Nhiệt độ tăng

I (20 o C) I (50 o C) I (80 o C)

I th (20 C) I th (50 C) I th (80 C)

Trang 41

LASER Bán Dẫn Đơn Mode

• Laser hồi tiếp phân bố (DFB):

Distributed Feedback Laser (DFB laser)

Trang 42

• Laser hồi tiếp phân bố (DFB):

Quá trình cộng hưởng và chọn lọc tần số được thực hiện

Trang 43

• Laser phản xạ Bragg phân bố (DBR)

Distributed Bragg Reflector Laser (DBR laser)

Cách tử Bragg được đặt ở hai đầu vùng tích cực, đóng vai trò như gương phản xạ của hốc cộng hưởng

Chỉ có một bước sóng thỏa điều Bragg mới có thể phản

xạ lại và cộng hưởng trong vùng tích

Trang 44

• Laser bán dẫn hốc cộng hưởng ghép (Coupled

Cavity Semiconductor Laser)

(a) Laser hốc cộng hưởng ngoài (external cavity laser) (b) Hệ số phản xạ phụ thuộc bước sóng

(c) Phổ của laser

Trang 45

• Laser bán dẫn hốc cộng hưởng ghép (Coupled

Cavity Semiconductor Laser)

Laser hốc cộng hưởng cắt (cleaved-cavity laser) Laser hốc cộng ngoài

(external cavity laser)

Trang 47

Bộ Phát Quang

• Sơ đồ khối bộ phát quang:

Trang 48

• Mạch phát điều biến cường độ:

Kết hợp của mạch điều khiển và mạch điều chế tín hiệu

Trang 49

• Mạch phát điều biến cường độ:

Trang 50

• Bộ điều biến ngoài:

Điều chế tín hiệu quang được thực hiện bởi bộ điều chế

ngòai (external modulator).

Ánh sáng do laser phát ra dưới dạng sóng liên tục CW (continuous wave)

Trang 51

• Bộ điều biến ngoài:

Khắc phục được các nhược điểm của kỹ thuật điều chế

Định dạng
Số trang	51
Dung lượng	1,15 MB