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

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀ I GIẢ NG BÀ I GIẢ NG KỸ THU Ậ T THÔNG TIN QUANG KỸ THU Ậ T THÔNG TIN QUANG Fundamental of Optical Fiber Communications Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp B ộ môn: Thôn g Tin Q uan g –Khoa Vi ễ n thôn g 2 ộ gQg g Email: emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 3 B Ộ PHÁT QUANG B Ộ PHÁT QUANG www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 2 NỘI DUNG CHƯƠNG 3 • Nguyên lý chung về biến đổi quang điện Nguyên lý chung về biến đổi quang điện • LED • Laser diode (LD) • Laser diode (LD) • Các đặc tính kỹ thuật của nguồn quang á ồ á ẫ • C á c n g u ồ n laser b á n d ẫ n đơn mode • Bộ phát quang www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 3 Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện • Mứcnăng lượng (Energy Level):  Tính chấthạtcủa ánh sáng: • E ph = h f h: hằng s ố Plank (h= 6,625x10 -34 J.s) f : tầnsố của photon ánh sáng • E ánh sáng = N ph x E ph N ph : s ố p hoton ánh sáng ph ph ph p  Tính lượng tử của vật chất: • Hat nhân: điệntíchdương • Các điệntử: điệntíchâm – Q ua y q uanh h ạ t nhân theo các q u ỹ Qy q ạ q ỹ đạo ổn định – Mang mộtmứcnăng lượng nhất định www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 4 Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện • Mứcnăng lượng (Energy Level):  Biểu đồ mứcnăng lượng (energy level diagram): E 3 E 4 Năng lượng E(eV) Trạng thái nền (ground state) E 1 E 0 E 2 Dải cấm năng luợng (energy gap) ΔE ij =E j - E i • Biểudiễntrạng thái năng lượng của điệntử trong mộtnguyêntử • Các mứcnăng lượng này không liên tục Æ rờirạc nhau www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 5 Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện • Mứcnăng lượng (Energy Level):  Hàm phân bố Boltzmann: Năn g lư ợ n g E Δ E : độ chênh lệch năng lượng giữa E và E ; ex p( - Δ E i /k B T ) E i ]/[ 0 TkE i Bi eNN Δ− ×= Δ E i : độ chênh lệch năng lượng giữa E i và E 0 ; k B : hằng số Boltzmann (1,38.10 -23 (J/ o K)) T: nhiệt độ tuyệt đối( o K). Mật độ điện tử E 0 N i N 0 • Phân b ố mật độ điệntửở các trạng thái năng lượng khác nhau • Khi “cân bằng về nhiệt” www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 6 Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện • Mứcnăng lượng (Energy Level):  Nhậnxét: • N i > N j (vớii<j) Æ mật độ điệntửở trạng thái nềnlàlớnnhất. • T = 0 o K: tòan bộđiệntửở trạng thái nền • T > 0 o K: đi ệ ntử hấ p th ụ năn g lư ợ n g nhi ệ t Æ tha y đổitr ạ n g thái ệ p ụ g ợ g ệ y ạ g năng lượng Æ chuyểntừ E 0 lên các mứcnăng lượng cao hơn • Sốđiệntửở các mứcnăng lượng kích thích tăng lên khi T o 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 chuyểnvề các trạng thái năng lượng thấp – Thờigiansống (lifetime) của điệntử • Khi điện tử chuyển từ E Æ E ( với i <j): giải phóng một phần năng • Khi điện tử chuyển từ E j Æ E i ( với i <j): giải phóng một phần năng lượng bằng đúng độ chênh lệch giữahaimứcnăng lượng www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 7 Ngun Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện • Ngun lý biến đổi quang điện: Hấp thụ (Absortion) Phát xạ tự phát (Spontaneous emission) Phát xạ kích thích (Stimulated emission) Biến đổi quang -điện Biến đổi điện - quang Biến đổi điện - quang Linh kiện thu quang (Photo detector) LED (Light Emitting Diode) Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 8 Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện • Nguyên lý biến đổi quang điện: a. Hiện tượng hấp thụ và phát xạ tự phát b. Hiện tượng phát xạ kích thích www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 9 Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện • Ánh sáng kết hợp (Coherent Light)  Các photon do hiện tượng phát xạ kích thích phát ra có: • Cùng pha • Cùng tần số • Cùn g p hân c ự c gp ự • Cùng hướng truyền Æ Ánh sáng laser có tính kết hợp (coherent)  Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra mộtcáchngẫu nhiên theo thời gian và không gian ra một cách ngẫu nhiên theo thời gian và không gian Æ Ánh sáng LED không có tính kết hợp www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 10 [...]... NGUỒN QUANG • Đặc tuyến P-I của nguồn quang: Cơng suất phát quang: cơng suất tổng cộng mà nguồn quang phát ra há Đặc tuyến P-I của SLED, ELED và Laser: P(mW) LASER 10 SLED ELED 5 I(mA) 0 www.ptit.edu.vn Ith 100 200 GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 34 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA NGUỒN QUANG • Góc phát quang: Được xác định ở mức cơng suất quang. .. một nữa (3dB) so với mức cực đ i ứ ự đại SLED LASER ELED www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 35 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA NGUỒN QUANG • Hiệu suất ghép quang: Tỷ số giữa cơng suất quang ghép vào sợi quang Popt trên cơng suất phát quang của nguồn quang Ps ơ ấ há ủ ồ η= Popt Ps Hiệu suất ghép quang của một số loại nguồn quang: •... suất phát quang • Bước sóng phát quang gp q g • Độ rộng phổ Phân loại: â • • • • Nhiễu lượng tử (quantum noise) Sự khơng ổn định của nguồn quang ự ơ g ổ đị ủa guồ qua g Sự phản xạ của ánh sáng vào nguồn quang Nhiễu thành phần (partition noise) trong các nguồn quang đa mode www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 33 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT... thời gian www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 31 LASER • Đặc tính điều chế của laser: (a) Điều chế tín hiệu số www.ptit.edu.vn (b) Điều chế tín hiệu tương tự GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 32 LASER • Nhiễu trong Laser: Xảy ra khi tín hiệu quang phát ra khơng ổn định (khi... PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 13 Ngun Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện • Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source) (a) (a) Dải cấm năng lượng trực tiếp www.ptit.edu.vn (b) Dải cấm năng lượng gián tiếp (b) GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 14 Ngun Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện • Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor... trúc của LED: Ánh sáng phát xạ Ánh sáng phát xạ bán dẫn p điện cực tiếp xúc bán dẫn n n p điện cực tiếp xúc Cấu trúc LED planar www.ptit.edu.vn Cấu trúc LED dome GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 21 LED • Cấu trúc của LED: Cấu trúc LED Burrus www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG... MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 22 LED • Cấu trúc của LED: LED phát xạ cạnh (ELED) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 23 LASER • Cấu tạo laser Fabry – Perot: www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 24 LASER • Cấu tạo laser Fabry – Perot: Cấu trúc... www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 29 LASER • Đặc tính phổ của Laser Fabry-Perot: Dải thông đieu chế điều che λ Đặc tuyếán khuếách đại λ0 λ Đặc tính chọn lọc tần số của hốc cộng hưởng λ Phổ của Laser Fabry-Perot www.ptit.edu.vn laser đa mode MLM (Multi Longitudinal Mode) ( g ) GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG. .. www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 16 LED • Cấu tạo và ngun lý hoạt động: Hoạt động dựa trên tiếp giáp pn phân cực thuận và hiện tượng phát xạ tự phát há há I V - + p Vùng hiếm (Depletion region) - - Phát xạï tựï phát p + photon Ec Eph = hν E g = E c - Ev Ev www.ptit.edu.vn - - E + + + + + + + + + + + V>VD n - VD + + Lỗ trống - Điện tử + GIẢNG... www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 18 LED • Đặc tính phổ của LED: E Vùng dẫn (Conduction band) ( ) 1 λ1 3 λ2 Cơng suất c uẩ óa chuẩn hóa λ4 0.5 Δλ Vùng hoá trò (Valence band) λp λijj ( μ m) = www.ptit.edu.vn 1, 24 Eij (eV ) V λ(nm) Với Eij = Ej - Ei GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN . p hỏ tx t p hỏ t V + - I - - - + + + Vuứng hieỏm (Depletion region) V>V Phaựt xa ù tử ù p haựt p n - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + - V + - photon V>V D ùùp - + V D E Loó. tính kỹ thuật của nguồn quang á ồ á ẫ • C á c n g u ồ n laser b á n d ẫ n đơn mode • Bộ phát quang www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG. Thôn g Tin Q uan g –Khoa Vi ễ n thôn g 2 ộ gQg g Email: emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 3 B Ộ PHÁT QUANG B Ộ PHÁT QUANG www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: