Bài giảng cơ sở truyền thông sợi quang chương 3 HV bưu chính viễn thông

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ TRUYỀN THÔNG SỢI QUANG Bộ môn: Thông tin quang - Khoa VT1 Năm biên soạn: 2010 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Nội dung Tổng quan kỹ thuật thông tin quang Sợi quang Chương Bộ phát quang Bộ thu quang Một số vấn đề thiết kế truyền TTQ đơn kênh điểm – điểm www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG Tiếp giáp dị thể kép LED – Light Emitting Diode Laser diode – LD Các nguồn laser bán dẫn đơn mode Bộ phát quang www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (1)  Quá trình hấp thụ phát xạ: Xét hệ mức đơn giản: có trình E2 E2 E2 hf hf E1 a) Quá trình hấp thụ www.ptit.edu.vn E1 b) Phát xạ tự phát hf E1 hf hf c) Phát xạ kích thích BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (2)  Tiếp giáp P-N: Hình thành từ hai loại bán dẫn loại n bán dẫn loại p: Khi chưa đặt điện áp phân cực ⇒ Các hạt tải đa số khuyếch tán qua lớp tiếp giáp ⇒ Hình thành hàng rào Trạng thái cân thiết lập ⇒ Vùng nghèo (không có hạt tải linh động) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (3)  Tiếp giáp P-N: Phân cực ngược: Vùng nghèo mở rộng ra, điện tử lỗ trống khó gặp để tái hợp phát ánh sáng ⇒ Sử dụng photodiode www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (4)  Tiếp giáp P-N: Phân cực thuận: Vùng nghèo hẹp lại hay hàng rào thấp xuống ⇒ điện tử lỗ trống bơm vào vùng nghèo dễ dàng tái hợp phát ánh sáng Quan hệ dòng chạy qua tiếp giáp đặt vào: www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (5) Cấu trúc đồng thể: hạt tải không bị giam hãm ⇒ hiệu suất phát xạ Cấu trúc dị thể kép: gồm lớp - Lớp bán dẫn mỏng có Eg nhỏ (lớp tích cực) - Hai lớp bán dẫn p n hai bên có Eg lớn (các lớp hạn chế) Ưu điểm: - Giam hãm hạt tải - Giam hãm photon www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (1)  Cấu trúc LED: Cấu trúc dị thể kép Dựa chế phát xạ tự phát ánh sáng phát ánh sáng không kết hợp có độ rộng phổ lớn (30 - 60 nm) Độ rộng chùm sáng phát xạ lớn ⇒ Hiệu suất ghép nhỏ www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (2)  Một số loại LED: LED phát xạ mặt: www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 10 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (6)  Các cấu trúc LD: Cấu trúc LD dẫn sóng khuyếch đại (a) dải oxide (b) dải tiếp giáp www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG (3.50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 19 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (7)  Các cấu trúc LD: Cấu trúc LD dẫn sóng chiết suất (a) dẫn sóng chiết suất yếu (b) dẫn sóng chiết suất mạnh www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG (3.50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 20 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (8)  Các cấu trúc LD: Laser phân bố hồi tiếp (DFB): Quá trình hồi tiếp thực nhiễu xạ Bragg ghép cặp sóng lan truyền theo chiều thuận ngược Ghép cặp xảy mode thoả mãn điều kiện Bragg: www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG (3.50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 21 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (9)  Các cấu trúc LD: Laser phản xạ Bragg phân bố (DFB): Cách tử Bragg hai đầu sử dụng gương phản xạ Độ phản xạ đạt cực đại bước sóng thoả mãn điều kiện Bragg www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG (3.50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 22 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (10)  Đặc tính LD: Trạng thái tĩnh: Đặc tính P-I ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ: (3.74) (3.75) Thăng giáng công suất phát xạ theo nhiệt độ: (3.76) (3.77) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 23 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (11)  Nhiễu LD: Các nguồn nhiễu từ LD: - Nhiễu hồi tiếp quang bên - Nhiễu liên quan đến dao động hồi phục - Nhiễu nhảy mode - Nhiễu phần mode - Nhiễu phát xạ tự phát - Nhiễu thăng giáng nhiệt độ dòng bơm Nhiễu cường độ tương đối RIN: Hai chế sinh nhiễu bản: - Phát xạ tự phát (chiếm ưu thế) - Nhiễu nố (tái hợp điện tử-lỗ trống) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 24 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CÁC NGUỒN LD ĐƠN MODE (1) Laser ghép cặp hộp cộng hưởng: Sự dịch pha hộp cộng hưởng ⇒ ghép cặp xảy hồi tiếp đồng pha cho mode laser có bước sóng trùng với mode dọc www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 25 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CÁC NGUỒN LD ĐƠN MODE (2) Laser hộp cộng hưởng Laser hộp cộng hưởng phân chia ghép cặp Laser DBR nhiều phần www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 26 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (1)  Giới thiệu: Có loại phát quang Điều biến trực tiếp: LED or LD Điều biến ngoài: LD + Bộ điều chế www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 27 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (2)  Ghép nối nguồn quang sợi: Đối với LED: Sử dụng vi thấu kính: ~ - 10 % Đối với SLED: ~ %, ELED: ~ 10 % www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 28 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (3)  Ghép nối nguồn quang sợi: Đối với LD: Sử dụng vi thấu kính: ~ 40 - 90 % www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 29 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (4)  Mạch phát điều biến cường độ: Mạch kích thích sử dụng LED: - Đối với tín hiệu tương tự: Sử dụng transistor lưỡng cực, LED kết nối với cực c e với điện trở hạn chế dòng Tín hiệu điều biến đưa vào cực b Dòng điều biến: i(t) = Ib + Im.cosωt ⇒ P = Pb + Pm.cos ωt m = Im/Ib - độ sâu điều biến (3.119) ⇒ m’ = Pm/Pb - độ sâu điều biến quang β(V1 − V0 ) Ib = Theo mạch: (3.120) R + (1 + β)R e Trong đó: R1 = RaRb Ra + Rb Dòng chạy qua LED: www.ptit.edu.vn (3.118) V1 = Ra Vdc Ra + Rb Vdc Ra LED Rb Re Vs R Vdc = i c R e + v CE + v d (3.121) BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 30 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (5)  Mạch phát điều biến cường độ: Mạch kích thích sử dụng LED: - Đối với tín hiệu số: Không cần phân cực sử dụng transistor lưỡng cực, LED mắc nối tiếp song song Tụ C để tăng tốc độ điều biến www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 31 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (6)  Mạch phát điều biến cường độ: Mạch kích thích sử dụng LD: Khác với LED, mạch kích thích LD cần có mạch vòng điều khiển ổn định công suất phát quang Dòng tín hiệu Mạch điều khiển dòng kích thích PD LD Sợi quang T TEC Mạch điều khiển dòng bơm TEC www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Module LD Trang 32 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (7)  Mạch phát điều biến cường độ: Mạch kích thích sử dụng LD: www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 33 [...]... ngoài www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 27 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (2)  Ghép nối nguồn quang và sợi: Đối với LED: Sử dụng vi thấu kính: ~ 1 - 10 % Đối với SLED: ~ 1 %, ELED: ~ 10 % www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 28 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (3)  Ghép nối nguồn quang và sợi: Đối với LD: Sử dụng... ngưỡng: (3. 45) Về biên độ: (3. 46) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 16 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (4)  Điều kiện ngưỡng LD: Điều kiện về pha: m-số nguyên ⇒ các tần số của các mode dọc phát xạ laser (3. 47) Giả sử phổ kđại dạng Gauss: (3. 48) (3. 49) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG (3. 50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 17 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG. ..BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (3)  Một số loại LED: LED phát xạ cạnh: www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 11 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (4)  Đặc tính P-I của LED: Độ đáp ứng của LED: (3. 31) Đường đặc tính P-I tỉ lệ theo I, bão hoà ở dòng bơm cao Nhiệt độ tăng ⇒ Độ đáp ứng giảm www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 12 BÀI GIẢNG... nhiều mode dọc ⇒ Laser đa mode www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG (3. 50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 18 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (6)  Các cấu trúc của LD: Cấu trúc LD dẫn sóng khuyếch đại (a) dải oxide (b) dải tiếp giáp www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG (3. 50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 19 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (7)  Các cấu trúc của LD: Cấu trúc... mode dọc www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 25 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CÁC NGUỒN LD ĐƠN MODE (2) Laser hộp cộng hưởng ngoài Laser hộp cộng hưởng phân chia ghép cặp Laser DBR nhiều phần www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 26 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (1)  Giới thiệu: Có 2 loại bộ phát quang Điều biến trực tiếp: LED... THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (5)  Đặc tính phổ của LED: Phổ của LED liên quan đến phổ phát xạ tự phát Độ rộng phổ: www.ptit.edu.vn (3. 33) BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 13 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (1)  Cấu tạo cơ bản của LD: Laser: Bộ cộng hưởng trong một môi trường tích cực (khuyếch đại) Laser bán dẫn hay LD: cấu trúc dị thể kép www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG... MÔN: THÔNG (3. 50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 20 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (8)  Các cấu trúc của LD: Laser phân bố hồi tiếp (DFB): Quá trình hồi tiếp được thực hiện bởi nhiễu xạ Bragg ghép cặp các sóng lan truyền theo chiều thuận ngược Ghép cặp chỉ xảy ra đối với mode thoả mãn điều kiện Bragg: www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG (3. 50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 21 BÀI GIẢNG... tính của LD: Trạng thái tĩnh: Đặc tính P-I ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ: (3. 74) (3. 75) Thăng giáng công suất phát xạ theo nhiệt độ: (3. 76) (3. 77) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 23 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (11)  Nhiễu của LD: Các nguồn nhiễu chính từ LD: - Nhiễu vì sự hồi tiếp quang bên ngoài - Nhiễu liên quan đến dao động hồi phục - Nhiễu vì nhảy... www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 31 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (6)  Mạch phát điều biến cường độ: Mạch kích thích sử dụng LD: Khác với LED, các mạch kích thích LD cần có mạch vòng điều khiển ổn định công suất phát quang Dòng tín hiệu Mạch điều khiển dòng kích thích PD LD Sợi quang T TEC Mạch điều khiển dòng bơm TEC www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA... sâu điều biến (3. 119) ⇒ m’ = Pm/Pb - độ sâu điều biến quang β(V1 − V0 ) Ib = Theo mạch: (3. 120) R 1 + (1 + β)R e Trong đó: R1 = RaRb Ra + Rb Dòng chạy qua LED: www.ptit.edu.vn (3. 118) V1 = Ra Vdc Ra + Rb Vdc Ra LED Rb Re Vs R Vdc = i c R e + v CE + v d (3. 121) BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 30 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (5)  Mạch phát điều biến cường độ: Mạch kích ...BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Nội dung Tổng quan kỹ thuật thông tin quang Sợi quang Chương Bộ phát quang Bộ thu quang Một số vấn đề thiết kế truyền TTQ đơn kênh điểm... MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 10 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (3)  Một số loại LED: LED phát xạ cạnh: www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 11 BÀI GIẢNG... 12 BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (5)  Đặc tính phổ LED: Phổ LED liên quan đến phổ phát xạ tự phát Độ rộng phổ: www.ptit.edu.vn (3. 33) BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 13