Giáo trình Quang điện tử và Thông tin quang

Giáo trình Quang điện tử và Thông tin quang

CHƯƠNG Ι GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QUANG -ĐIỆN TỬ VÀ

THÔNG TIN QUANG SỢI

MỞ ĐẦU

Từ khi laser ra đời trong những năm 60 của thế kỷ XX, ngành Quang -điện tử

đã phát triển cực kỳ mạnh mẽ và có ứng dụng trong hầu hết các thiết bị từ quân

sự, công nghiệp cho đến dân dụng Tuy nhiên, lĩnh vực ứng dụng có hiệu quảnhất các kết quả nghiên cứu của quang -điện tử chính là thông tin và cảm biến Tại Việt nam, chuyên ngành quang-điện tử đã được nghiên cứu và giảng dạy tạimột số Viện nghiên cứu và tại các Trường Đại học từ những năm 60-70 của thế

kỷ trước Một số kết quả nghiên cứu về quang-điện tử tại Việt nam đã góp phầnđáng kể trong cuộc kháng chiến chống Mỹ cứu nước, trong việc triển khai cóhiệu quả cao mạng thông tin cáp quang và tiếp thu công nghệ cao từ bên ngoàitrong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá và hội nhập quốc tế hiện nay Mặc dù đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng ngành công nghiệp quang-điện tửhiện đại của Việt nam vẫn chưa được phát triển đúng với nhu cầu chung củaquốc gia, hầu hết các linh kiện quang -điện tử đều phải nhập từ bên ngoài làmcho gíá thành các thiết bị quang -điện tử chế tạo ở trong nước rất khó cạnh tranh trên thị trưòng Ngoài ra, kinh phí để duy trì và bảo hành các thiết bị quang-điện

tử , đặc biệt là các thiết bị thông tin quang hiện có, cũng còn rất cao

Giáo trình này trình bày cơ sở vật lý của các linh kiện quang -điện tử ứng dụng trong thông tin quang và cảm biến quang gồm: môi trường truyền dẫn tín hiệu quang, linh kiện phát tín hiệu quang, linh kiện thu và xử lý tín hiệu quang, thiết bị khuếch đại quang Ngoài ra, giáo trình trình bày sơ lược hệ thống truyềnthu tín hiệu quang là cơ sở để phát triển các linh kiện và thiết bị quang -điện tửứng dụng trong thông tinvà cảm biến

§1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin

Các mốc phát triển quan trọng :

 Năm 1866-1876: đường thông tin telex và telephone với tốc độ truyền thu cỡ vài chục KHz.

 Năm 1940: hệ thống cáp đồng trục có 300 đường thoại với tốc độ truyền thu 3MHz

Hạn chế của cáp đồng trục: suy hao tín hiệu phụ thuộc tần số, với tốc độ lớn hơn 10MHz suy hao tăng vọt

 Năm 1948: hệ thống viba (siêu cao tần) có sóng mang đến 4GHz với tốc độ bít đạt 100 Mb/s Hệ thống viba hiện đại có tốc độ bít 274Mb/s được lắp đặt năm 1975

Hạn chế của hệ thống viba: cần các trạm lặp trên khoảng cách ngắn, tốc

hệ số suy hao quang khoảng 1000 dB/km

o Laser bán dẫn được nghiên cứu chế tạo, dòng ngưỡng rất cao, nhiệt

độ làm việc thấp, thời gian sống ngắn

 Năm 1980: hệ thống thông tin quang đầu tiên được đưa vào hoạt động Bước sóng laser trong vùng 0.8μm (GaAlAs/GaAs), tốc độ bít 45Mb/s, khoảng cách lặp 10km Ý nghĩa để phát triển hệ thống nằm trong khoảng cách lặp lớn hơn hệ thống viba và do đó giảm giá thành lắp đặt và duy trì Trong những năm này, laser bán dẫn InGaAs/InP có bước sóng phát tại 1310 nm được chế tạo khá hoàn thiện Bước sóng 1310 nm có độ suy hao trong sợi quang khoảng 1dB/km (1980) và hệ số tán sắc cực tiểu là đối tượng nghiên cứu ứng dụng rất mạnh trong thời gian này cho hệ thống thông tin quang

 Đầu những năm 80 (1982-1983): hệ thống Thông tin quang thế hệ ІІ

sử dụng laser 1310 nm bắt đầu được sử dụng Thời gian đầu, tốc độ bít chỉ đạt 100Mb/s do sử dụng sợi đa mốt Khi sợi đơn mốt được đưa vào sử dụng, tốc độ bít đã được tăng lên rất cao Năm 1987, hệ thống thông tin quang 1310 nm có tốc độ bít 1,7Gb/s với khoảng cách lặp 50km đã trở thành hàng hoá thương mại

Hệ số suy hao trong sợi ~ 0,5dB/km t ại b ước sóng 1310 nm

 Năm 1990 hệ thống thông tin quang thế hệ ІІІ sử dụng laser bán dẫn bước sóng 1550 nm (Laser InGaAsP) có độ suy hao trong sợi quang cỡ 0,2dB/km đã được thương mại hoá Tốc độ bít đã đạt đến 2,5Gb/s và sau đó đã đạt đến 10Gb/s Tuy nhiên, hệ số tán sắc trong sợi quang tại bước sóng 1550 nm khá cao (16-18ps/km.nm), do đó hạn chế khoảng cách lặp của hệ thống 1550

nm mặc dù quỹ công suất quang còn bảo đảm dài hơn Đặc trưng khoảng cách lặp của thế hệ ІІІ là 60-70km tại tốc độ bít 2,5Gb/s Khi sử dụng các loại sợi quang bù tán sắc kiểu dịch tán sắc (DSF) hoặc làm phẳng tán sắc (DFF), khoảng cách lặp sẽ tăng lên hơn 100km

 Thế hệ thứ ІV của thông tin cáp quang là sử dụng khuếch đại quang để tăng khoảng cách lặp và ghép nhiều bước sóng trong một sợi quang để tăng tốc

độ bít trong một sợi quang

Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) có khả năng bù công suất cho suy hao quang trong các khoảng cách lớn hơn 100km EDFA được nghiên cứu thành công trong phòng thí nghiệm năm 1987 và trở thành thương phẩm năm 1990 Năm 1991 lần đầu tiên hệ thống thông tin quang có EDFA được thử nghiệm truyền tín hiệu số tốc độ 2,5Gb/s trên khoảng cách 21.000km và 5Gb/s trên khoảng cách 14.300km

Năm 1996 hệ thống thông tin cáp quang dưới biển có tốc độ 5Gb/s trên khoảng cách 11.300km sử dụng EDFA được đưa vào sử dụng, năm 1997 hệ thống Âu – Á có tên FLAG có tốc độ bít 5Gb/s và khoảng cách 27.000km đã đưa vào hoạt động Hệ thống cáp quang vòng quanh châu Phi (Africa One) có khoảng cách 35.000km cũng đã đước lắp đặt trong năm 1997

Sử dụng công nghệ ghép nhiều bước sóng trên một sợi quang (WDM) làm tăng dung lượng thông tin quang một cách đáng kể Khuếch đại quang EDFA có thể khuếch đại toàn bộ các bước sóng quang trong dải 1525-1575nm

mà không cần phải tách từng bước sóng Trong năm 1996 đã thử nghiệm tuyến

truyền dẫn 20 bước sóng quang với tốc độ bít của từng bước sóng là 5Gb/s trên khoảng cách 9100km Tốc độ bít của tuyến đã đạt 100Gb/s và BL là 910 (Tb/s)-km.

Trong năm 2000 hệ thống TPC-6 xuyên Đại Tây Dương có tốc độ bít 100Gb/s đã được đưa vào hoạt động

Có thể tổng kết rằng BL của hệ thống đã tăng rất nhanh tử 1Gb/s - km đến 900Tb/s – km chỉ trong vòng 25 năm

 Thế hệ thứ V của hệ thống thông tin quang dựa trên cơ sở giải quyết vấn đề tán sắc trong sợi quang Khuếch đại quang đã giải quyết rất hoàn hảo sự suy hao quang trong sợi nhưng không giải quyết được vấn đề tán sắc Rất nhiều phương án bù trừ tán sắc đã được phát triển và sử dụng, tuy nhiên sự giải quyết dứt điểm vấn đề tán sắc trong sợi quang sẽ dựa trên hiệu ứng Soliton quang Hiệu ứng Soliton quang là hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang Chúng dựa trên

cơ sở tương tác bù trừ tán sắc của các thành phần quang trong một xung quang cực ngắn được truyền trong sợi quang không có suy hao

Năm 1994 hệ Soliton thử nghiệm truyền tín hiệu 10Gb/s trên khoảng cách 35.000km và 15Gb/s trên khoảng cách 24.000km Năm 1996 hệ thống WDM

có 7 bước sóng truyền Soliton trên khoảng cách 9400km với tốc dộ bít 70Gb/s

Vấn đề của Soliton đang gặp phải hiÖn nay là nguồn phát tín hiệu quang với xung cực ngắn cỡ picô giây có độ ổn định cao chưa được hoàn thiện để sử dụng trong hệ thống

§2 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin

2.1 Hệ thống thông tin tín hiệu tương tự và tín hiệu số

 Tín hiệu tương tự: liên tục theo thời gian, biên độ thay đổi

 Tín hiệu số: giá trị gián đoạn, chỉ có 2 mức 0 và 1 → gọi là bit (binary digit) Mỗi bit có khoảng thời gian TB gọi là chu kỳ bit (hoặc bit slot)

B

B = TTín hiệu tương tự và số đều đặc trưng bởi băng tần của chúng Băng tần được đo bằng dung lượng phổ của tín hiệu và biểu thị vùng phổ tần số của tín hiệu

Tín hiệu tương tự có thể biến đổi thành tín hiệu số bằng kỹ thuật lấy mẫu trong khoảng thời gian của tín hiệu

Tốc độ lấy mẫu được xác định bằng băng tần Δf của tín hiệu tương tự Theo Nyquist, tần số lấy mẫu fs ≥ 2Δf Bước đầu của quá trình là lấy tương tự tại tần số bên phải Gía trị mẫu có thể lấy bất kỳ giá trị nào trong khoảng 0 ≤ A ≤ Amax,

gián đoạn, mỗi giá trị mẫu được lấy sẽ tương đương với một giá trị gián đoạn này

âm rms), ta sẽ có M > Amax/AN và Amax/AN là vùng động lực của tín hiệu

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm được tính bằng biểu thức:

SNR = 20 log10 max

N

A A

  (1.1)

trong đó Amax, AN là biên độ (dòng hoặc thế) của tín hiệu

Các giá trị mẫu có thể chuyển đổi thành các tín hiệu số (digital format) theo một kỹ thuật chuyển đổi thích hợp Trong thông tin quang sợi, kỹ thuật chuyển

Lấy mẫu

Dòng bít số

0 0 1 0 1

Tín hiệu Analog

t t t

Hình 1.1 Sơ đồ tốc độ lấy mẫu cho tín hiệu số

đổi phổ biến là điều chế xung mã hoá (PCM: Pulse-Code Modulation) Mã nhị phân được sử dụng để chuyển đổi giá trị mẫu thành bit “1” và “0” Số lượng bit

m cần thiết để mã hoá mỗi mẫu liên hệ với số mức của giá trị mẫu M theo quy luật sau:

Tín hiệu âm thanh điện thoại có tần số trong dải 0.3-3.4KHz, ta có Δf =

gian lấy mẫu 125μm) và mỗi mẫu được đặc trưng bởi 8 bit

Tín hiệu video: Δf = 4MHz ; SNR = 50dB Bmin= 66Mb/s

Trên thực tế tín hiệu hình số cần tốc độ bít 100Mb/s hoặc lớn hơn

2.2 Trộn kênh

Kênh thoại số hoạt động tại tốc độ bít là 64Kb/s, mỗi đường truyền quang

có thể truyền với tốc độ hàng trăm Mb/s vì vậy cần phải trộn kênh để truyền đồng thời nhiều kênh thoại Có 2 cách trộn kênh cơ bản: trộn theo phân chia thời gian (Time-Division multipexing: TDM) và trộn theo phân chia tần số (Frequency-Divíion multiplexing: FDM)

Trộn kênh theo TDM:

Nếu mỗi kênh thoại nén xung đến 3μs, ta có thể trộn 5 kênh theo kỹ thuật TDM ( xem hình 2).

Trộn kênh FDM: Mỗi kênh được truyền tải bằng tần số sóng mang riêng biệt FDM tích hợp với cả tín hiệu tương tự và số Nếu hiểu theo nghĩa rộng trong quang học FDM cũng là WDM tại phổ quang

TDM được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật có phân cấp (digital hierarchies) Hiện nay có các phương thức trộn kênh sau:

Bắc Mỹ và Nhật: trộn 24 kênh thoại với tốc độ 1,544Mb/s (DS-1)

Châu Âu: trộn 30 kênh thoại với tốc độ 2,048Mb/s

Tốc độ bít lớn hơn tích số lượng bít nhân với 64Kb/s là do phải nhồi thêm các bít kiểm tra để tách kênh tại đầu thu

15  s

3s Biên độ

Các tốc độ bít 1,544Mb/s ở Mỹ, Nhật và 2,048Mb/s ỏ Châu Âu là mức phân cấp

số І Các mức phân cấp tiếp theo nhận được bằng cách nhân với 4 từ các mức phân cấp gần kề

Thí dụ: Phân cấp ІІ:

DS-2 có tốc độ bít 6,321Mb/s Mỹ, Nhật và 8,448Mb/s Châu Âu

Các phân cấp bậc 5: 396Mb/s → Mỹ-Nhật vµ 565Mb/s → Châu Âu

Trong những năm 80, hệ thống tiêu chuẩn mới gọi là “Mạng quang đồng bộ” (Synchronous optical network–SONET) đã được thiết lập Tiêu chuẩn này dựa trên cơ sở cấu trúc đồng bộ khung cho các tín hiệu truyền TDM Khối xây dựng cơ sở của SONET có tốc độ bit 51,84Mb/s (OC-1 : Optical Carrier-1) và khối xây dựng cơ sở của SDH là 155,52Mb/s (STM-1: Synchronous Transport Module -1 )

Bảng 1 : Tốc độ bit của SONET/SDH

RZ→ xung quang đại diện cho bít “1” ngắn hơn bít slot và trở về 0 trước khi hết chu kỳ Băng tần gấp đôi tốc độ bít.

NRZ→ xung quang bao hết bit slot và không trở về “0” giữa các bít “1” liên tiếp Băng tần bằng tốc độ bit

RZ là phương thức điều chế tiện lợi cho hệ thống thông tin Soliton

Xét phương trình sóng quang trước khi điều chế:

E t r  eA r )  t   (1.5)

Er (t) - vectơ điện trường

er) - vectơ đơn vị của phân cực

A - biên độ

ωo - tần số sóng điện trường

Ta có thể chọn: điều chế theo biên độ A (Amplitude modulation-AM), điều

modulation-PM) Điều chế tín hiệu số có thể áp dụng: điều chế khoá dịch biên

độ (Amplitude Shift Keying-ASK) điều chế khoá dịch tần số (FSK) và điều chế khoá dịch pha (PSK) tương đương với dịch biên độ, tần số và pha của sóng mang giữa 2 mức của tín hiệu số nhị phân Kỹ thuật đơn giản nhất là thay đổi cường độ tín hiệu giữa hai mức, một mức trong đó là 0 → gọi là khoá tắt-mở (on-off Keying–OOK) Đa số hệ thống thông tin quang áp dụng OOK kết hợp với PCM

§3 Hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang gồm phần phát tín hiệu quang, môi trường truyền dẫn kênh quang và phần thu và xử lý tín hiệu quang

Môi trường truyền dẫn quang được chia làm 2 loại: Truyền trong sợi quang và truyền trong không gian Tuyến truyền dẫn quang chia ra 2 loại tuyến truyền dẫn đường dài và tuyến ngắn Sự phân chia này phụ thuộc vào khoảng cách tuyến dẫn Tuyến đường dài có dung lượng rất lớn gọi là đường trục (trunk line) và có các bộ lặp Tuyến ngắn áp dụng cho các tuyến nội hạt và nối giữa các thành phố

3.1 Các linh kiện của hệ thống thông tin quang

Phát quang: là nguồn phát quang gồm điốt phát quang (LED) hoặc laser bán

dẫn (LD) được ghép với bộ điều chế và bộ ghép kênh quang Điều chế điện quang được chia làm 2 loại: điều chế trực tiếp DIM (Direct Intensity Modulation) hặc điều chế làm 2 loại: điều chế ngoài EM (External Modulation).Công suất quang vào trong tuyến truyền dẫn là thông số quang trong cho thiết đường truyền quang Công suất quang thường được tính bằng mW hoặc bằng dBm:

P(dBm) = 10 log10( Pđo/1mW) (1.6)

Ta thấy: 1 mW tương ứng 0 dBm, và 1μW tương ứng với -30dBm

Thu quang: là các bộ thu quang bằng phôtôdiốt và chuyển đổi tín hiệu quang

thành tín hiệu điện ban đầu Bộ thu quang bao gồm bộ ghép kênh quang và linh

Phát tín hiệu quang

Môi trường truyền dẫn quang

Thu tín hiệu quang Tín hiệu raTín hiệu vào

Hình1 5 Sơ đồ khối đường truyền thông tin quang

kiện thu, photodiode và bộ giải điều chế Bộ giải điều chế được thiết kế thích hợp với phương thức điều chế của hệ thống Các phương thức FSK và PSK được áp dụng cho các hệ thống thông tin quang kết hợp, trong đó có các bộ heterodyne và homodyne Thông dụng nhất là các bộ giải điều chế trực tiếp “1”-

“0” gọi là điều chế cường độ với tách sóng trực tiếp (IM/DD)

Thông số quang trọng của bộ thu là đọ nhạy đầu thu (Receiver sesitivity) liên

dưới Gb/s, ~10-11 cho các hệ thống bậc Gb/s và có thể lên đến 10-14 cho các hệ thống dung lượng cực lớn Các thông số tạp âm của bộ thu ảnh hưởng đến chất lượng thông tin và BER Tạp âm nhiệt, tạp âm khuếch đại và tạp âm lượng tử là những thành phần ảnh hưởng lớn đến thông số của bộ thu quang

Các thành phần của hệ thống thông tin quang bao gồm:

học

bằng cấu hình sợi quang kiểu giao thoa kế

quang hoặc phối hợp sợi quang-điện trường

Các linh kiện và thành phần hệ thống thông tin quang sẽ lần lượt được nghiên cứu ở các chương sau

CHƯƠNG II

SỢI QUANG

Sợi quang là môi trường truyền dẫn quang lý tưởng dựa trên hiệu ứng phản

xạ toàn phàn trong sợi quang Sợi quang hiện đại có hệ số suy hao quang rất nhỏ trong các cửa sổ 0,85; 1,3 và 1,5μm như sau: ~ 3dB/km cho vùng 0,85μm ~ 0,4dB/km cho 1,3μm và 0,2dB/km cho 1,5μm Một số sợi quang đặc biệt có tính chất duy trì phân cực quang, khuếch đại tín hiệu quang hoặc bù trừ tách sắc quang

§1 Cấu trúc sợi quang theo quang hình

Sợi quang là các ống hình trụ có cấu trúc lõi dẫn quang và lớp bọc với chiết suất nhỏ hơn lớp lõi (n1> n2) Cấu trúc lõi-bọc của sợi quang được chia thành 2 loại:

- Chiết suất nhảy bậc (Step index)

- Chiết suất thay đổi tuần tự (Graded index)

1.1 Cấu trúc chiết suất nhảy bậc (Step-index)

định luật khúc xạ ta có:

nosinθi = n1sinθr (2.1)

trong đó no: chiết suất không khí

n1 : chiết suất lõi sợi quang

Trong sợi quang, tia sáng chỉ phản xạ toàn phần khi góc tới của nó đến biên phân cách lõi-bọc đáp ứng điều kiện:

Tia dẫn

Điều kiện phản xạ toàn phần: 2

1

arcsin

c

n n



và Δn = n1–n2 - độ lệch chiết suất tuyệt đối

NA =n1 (2Δ) 1/2 (2.7)

Từ (2.7) ta thấy Δ lớn sẽ cho hệ số ghép quang cao Tuy nhiên do tán sắc giữa các mốt trong sợi quang tăng cao khi NA tăng sẽ không có lợi cho truyền thông tin dạng số trong sợi Xét tán sắc giữa các mốt, ta thấy một xung ánh sáng

sẽ mở rộng trong quá trình truyền dẫn do quang trình của các tia khác nhau Từ hình vẽ ta thấy quang trình ngắn nhất do các tia có góc tới θi=0, và độ dài quang trình chính bằng độ dài sợi quang Quang trình dài nhất do các tia có góc tới θi

thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần tới hạn theo (2.4) Độ dài của quang trình này sẽ là

Thời gian trễ này làm xung quang bị dãn nở trong quá trình truyền trong sợi.

Tốc độ bít B và Δt liên hệ với nhau theo quy luật: Δt phải nhỏ hơn chu kỳbít (bit slot) của chuỗi xung :

Δt < TB trong đó TB 1

B

 , ta có Δt.B <1 (2.9)Vậy điều kiện tới hạn của giá trị tốc độ bit-khoảng cách lặp phải tuân thủ phương trình sau:

n c

Thí dụ: sợi quang là sợi thuỷ tinh với lớp bọc là không khí, ta có n1=1,5, n2=1

5 2

Để sợi quang có BL lớn, Δ<0,01 Thí dụ BL<100Mb/s-km khi = 2.10-3

Trong sợi quang còn tồn tại các tia xiên, tuy nhiên các tia xiên không ảnh hưởng đến kết quả của công thức (2.8)

1.2 Sợi quang chiết suất tuần tự (Graded-Index)

Ý tưởng: Nếu chiết suất giữa lõi sợi quang lớn và chiết suất giảm dần đến biênphân cách lõi / bọc thì tốc độ lan truyền của các tia thẳng và tia phản xạ lan truyền

sẽ khác nhau, do đó sẽ làm giảm độ lệch quang trình giữa các tia và làm tăng BL.Quy luật thay đổi n theo bán kính sợi được mô tả như sau:

với a - bán kính lõi sợi

Khi α lớn, sợi sẽ có cấu trúc chiết suất nhảy bậc, α = 2 sợi có chiết suất thay đổi dạng parabol

Hình 2.2 : Mặt cắt của sợiquang có cấu trúc chiết suât thay đổi tuần tự

Quỹ đạo của các tia biên được tính theo công thức:

2 2

n2

a

n2

n1

2 18

n t

§ 2 Truyền dẫn sóng trong sợi quang

(2.16)

Trong đó Er , Hr - vectơ điện và từ trường; Dr , Br vectơ cảm ứng của điện và từ trường.

0

D r   E P r  r ; B r  0H M r  r (2.17)

không Pr và Mr là véc-tơ phân cực cảm ứng của điện và từ trường Trong vật liệu SiO2 (vật liệu thuỷ tinh làm sợi quang)Mr 0 vì chúng không có các chất nhiễm từ

Phân cực cảm ứng điện Pr và véctơ điện trường Er có mối liên quan phi tuyến theo biểu thức:

 là tốc độ ánh sáng trong chân không.

Phân giải Fourier điện trường E r t , E r ,   E r t exp i t dt   , 

với hằng số điện môi ε phụ thuộc vào tần số ánh sáng  rs,  1 X r%r,  và



   (2.24)

2.2 Các mốt trong sợi quang

Các mốt trong sợi quang là các nghiệm riêng của phương trình (2.23) với các điều kiện biên phù hợp và có tính chất không thay đổi trong quá trình truyền dẫn Sợi quang giả thiết có cấu trúc chiết suất nhảy bậc, hình trụ đối xứng qua trục z Sử dụng toạ độ trụ cho phương trình (2.23) với các toạ độ ρ, ф và z ta có:

Từ (2.24), ta có: Z  exp  i z   với β là hằng số truyền dẫn

  exp im    m - số nguyên và trường có chu kỳ ф

Đưa đại lượng

0

n K



mỗi mốt trong sợi quang sẽ truyền với một chỉ số hiệu dụng n , và n2 <

n r < n1. Khi n n  2    0, các mốt truyền dẫn trong lớp bọc sẽ bị phân rã theo quy luật hàm mũ exponential

V là thông số chuẩn hoá (hoặc gọi là thông số V)

Hằng số truyền dẫn chuẩn hoá b được xác định như sau:

Số mốt truyền trong sợi quang có thể tính đuợc thông qua thông số V

đến điều kiện out-off (γ=0)

Giải điều kiện này trong sợi quang ta có V ≤ 2,405 cho điều kiện truyền mộtmốt

lượng quan trọng trong điều kiện truyền đơn mốt Sợi quang được thiết kế đơn mốt với bước sóng cắt λ> 1,2μm cho vùng sóng 1,3 - 1,6μm Lấy giá trị λ =1,2μm, n1= 1,45 và Δ = 5.10-3, ta có V < 2,405 khi a < 3,2μm Nếu a tăng lên đến 4 μm thì Δ giảm xuống 3.10-3

2.4 Hiệu ứng lưỡng chiết (Birefringence)

Do bán kính của sợi quang theo các trục X, Y không là hằng số dọc theo sợi quang, do đó các mốt phân cực theo X, Y bị thay đổi và sinh ra hiệu ứng lưỡng chiết khi ánh sáng truyền trong sợi quang Độ lưỡng chiết được xác định bằng:

X Y

giữa các thành phần phân cực vuông góc trong sợi quang Chu kỳ thay đổi công suất gọi là độ dài phách (Beat length):

IB

B





Hiệu ứng lưõng chiết suất ảnh hưởng lớn đến hệ thống thông tin quang kết hợp, trong đó bộ thu quang kết hợp phụ thuộc vào độ phân cực của tín hiệu thu

Trong đó W gọi là bán kính trường hay kích thước vệt sáng

Công thức gần đúng tính kích thước vệt sáng W theo V khi 1,2 < V < 2,4 là:

§3 Tán sắc trong sợi đơn mốt

Trong sợi đơn mốt tán sắc giữa các mốt gây ra do khác biệt quang trình của các tia bằng 0 Tuy nhiên các thành phần phổ khác nhau trong mét xung quang sẽ có tốc độ nhóm khác nhau, ta gọi là tán sắc tốc độ nhóm (GVD) hoặc tán sắc nội mốt hay là tán sắc sợi Tán sắc sợi bao gồm 2 thành phần: tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng Chúng ta sẽ xét trường hợp vận tốc nhóm tham gia vào tán sắc

Ta có sợi quang đơn mốt có độ dài L Thời gian để thành phần phổ có tần số ω

đi hết quãng đường là L là:

g

L t v

2 2

GeO2 Tán sắc dẫn sóng luôn có giá trị âm trong vùng bước sóng 0÷1,6μm Tổng của hai tán sắc này đã dịch λZD đến 1,31μm khi D = 0.

Tại bước sóng 1,55μm: D ≈ 15÷18ps/km.nm

sợi quang có λZD= 0 tại λ = 1,55μm và sợi quang loại này gọi là sợi dịch tán sắc (Dispersion Shìfted Fibers) Sợi quang có D rất nhỏ trong vùng từ 1,3 ÷ 1,6μm gọi là sợi tán sắc phẳng (Dispersion Flattened Fibers) và sợi quang có D âm trong vùng sóng này gọi là sợi bù tán sắc (Dispersion Compensating Fibers)

Một số hiệu ứng tán sắc bậc cao và tán sắc mốt phân cực tồn tại trong sợi quang nhưng ảnh hưởng của chúng không lớn trong giá trị BL.

Các hiệu ứng Chirp của xung Gauss khi độ rộng xung theo thời gian nhỏ sẽ ảnh hưởng đến băng tần và BER,

§4 Mất mát trong sợi quang

Hệ số suy hao trong sợi quang xác định bằng biểu thức:

in

P dB

DW

Hình 2.3 Hệ số tán sắc vật liệu D M ; tán sắc dẫn sóng và tán sắc tổng D

trong sợi quang thay đổi theo bước sóng

Hệ số suy hao sợi nhỏ nhất trong sợi quang SiO2 tính theo lý thuyết là α = 0,15 dB/km trên thực tế đã có sợi quang có α = 0,18dB/km tại λ = 1,55μm

* Hấp thụ do vật liệu : SiO2 hấp thụ mạnh tại λ<0,4 μm (hấp thụ vùng cực tím)

và hấp thụ mạnh tại λ>1,7μm (hấp thụ hồng ngoại) Một số tạp chất như Fe, Cu,

Co, Ni, Mn, Cr có hấp thụ mạnh tại vùng 0,6-1,6μm các loại tạp chất này đã được loại hầu như tuyệt đối ra khỏi vật liệu SiO2 để kéo sợi quang Tạp chấtOH‾ từ môi trường rất khó loại hết ra khỏi sợi quang OH‾ có các đỉnh hấp thụ

liệu SiO2 Một vài tạp chất GeO2, P2O5 và B2O3 để làm thay đổi chiết suất của sợi quang cũng gây ra hấp thụ quang phụ

* Tán xa Rayleigh: do phân bố không hoàn hảo của các mật độ phân tử của

chất trong toàn khối Tán xạ Rayleigh gây ra suy hao quang với hệ

C





phụ thuộc vào thành phần lõi sợi quang SiO2 Suy ra αR= (0,12÷0,16) dB/km tại

λ = 1,55 μm

* Một số hiệu ứng tán xạ trong sợi quang - hiệu ứng phi tuyến:

Tán xạ Raman và tán xạ Brillouin là các hiệu ứng tán xạ không đàn hồi của các photon năng lượng cao thành photon năng lượng thấp hơn và sinh ra phonon Tán xạ Raman – Có sự tham gia của phonon quang

Hấp thụ cực tím

Hấp thụ do không hoàn hảo của dẫn sóng

Tán xạ Rayleigh

Hấp thụ hồng ngoại SiO 2

Hình 2.4 Suy hao trong sợi quang thay đổi theo bước sóng

Tán xạ Brillouin - Có sự tham gia của phonon âm.

Hiệu ứng trộn 4 sóng (Four Wave Mixing Effect) là hiệu ứng phi tuyến có một tần số ánh sáng mới ra từ 3 tần số ánh sáng được truyền đồng hướng trong sợi quang:

ω4= ω1± ω2± ω3

Hiệu ứng này gây nhiễu trong các hệ thống thông tin quang đa bước sóng

§5 Chế tạo sợi quang và cáp quang

Pha tạp Ge2, P2O5 làm tăng chiết suất SiO2

Pha tạp B2O3 hoặc các Flourine làm giảm chiết suất SiO2

Thiết kế Proflie của chiết suất lõi bọc trong sợi quang là rất quan trọng Hiện nay đường kính lớp bọc sợi quang tiêu chuẩn là 125μm cho cả 2 loại sợi đa mốt

và đơn mốt

Chế tạo sợi quang chia làm 2 giai đoạn: Chế tạo phôi (Preform) và kéo sợi

Phôi sợi quang có cấu trúc lõi bọc giống như sợi quang sau này Phương pháp tạo phôi sợi quang trên phản ứng hóa học sau:

hoặc SiCl4  2 H O2 T18000C SiO2  4 HCl (Phản ứng thủy phân)Pha tạp GeO2 hoặc P2O5:

0 0

Phản ứng oxy hóa được áp dụng trong công nghệ MCVD (lắng đọng hoá học pha hơi cải tiến), và phản ứng thuỷ phân được áp dụng trong các công nghệ OVD hoặc VAD (lắng đọng pha hơi ngoài và lắng đọng pha hơi theo trục).Phương pháp MCVD bị hạn chế bởi bán kính của ống thạch anh làm khuôn cho phản ứng lắng đọng trong khi đó phương pháp OVD và VAD có bán kính và độ dài phôi tuỳ ý.

Các hạt SiO2 xốp sẽ được luyện thành thủy tinh (collapsion) trong dạng ống

trình tạo và luyện phôi

Quá trình kéo sợi quang sử dụng phương pháp nóng chảy vùng ở nhiệt độ lên

bằng phương pháp nhiễu xạ chùm laser khả kiến chiếu qua sợi quang Tháp kéo sợi quang phải đủ cao và tốc độ kéo sợi thích hợp sao cho sợi quang được kéo

đã đủ nguội đến nhiệt độ phòng khi cuốn vào ống cuộn sợi Trong quá trình kéo sợi người ta tiến hành bọc sợi bằng Polyetylen để bảo vệ sợi Đường kính của sợi tiêu chuẩn là 125μm và đường kính cả lớp vỏ bảo vệ là 250μm

Chế tạo cáp quang: Cáp bọc các sợi quang có nhiệm vụ bảo vệ các sợi quang trong lòng cáp trong quá trình lắp đặt và sử dụng Cáp có các tính năng chịu kéo căng, chịu được thay đổi nhiệt độ, chống ẩm và các hóa chất khác, chống va đập

và đặc biệt là chống các uốn cong sợi Cáp quang được chia thành các loại: cáp ngầm dưới biển, cáp chôn, cáp treo và loại cáp mềm Số lượng sợi quang trong một cáp có thể thay đổi từ 2 sợi đến hàng trăm sợi Đường kính cáp thường là 1÷1,5cm và cáp biển có đường kính lớn hơn Để tạo thành tuyến cáp dài, người

ta phải hàn nối các sợi quang và bảo vệ chỗ nối để tránh các tác nhân vật lý bên ngoài Thông thường các đoạn cáp có độ dài từ 2 đến 10 km Suy hao mối nối nhỏ hơn 0,1dB/mối khi hàn bằng máy hàn hiện đại

CHƯƠNG III

BỘ PHÁT QUANG

Vai trò của bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang vào sợi quang Linh kiện chính trong bộ phát quang là nguồn phát quang : hệ thống thông tin quang sợi thường sử dụng các bộ nguồn phát quang bán dẫn là điốt phát quang (LED) và laser bán dẫn (LD) Linh kiện phát quang bán dẫn có ưu điểm: kích thước rất nhỏ, hiệu suất chuyển đổi điện quang rất cao, rất bền, có vùng bước sóng phát thích hợp, kích thước chùm tia thích hợp với kích thước của sợi quang và có thể điều biến trực tiếp bằng dòng bơm với tần số khá cao

§1 Cơ sở lý thuyết của hấp thụ và phát quang trong vật chất

Trong điều kiện bình thường các vật liệu hấp thụ ánh sáng nhiều hơn là phát xạ Quá trình hấp thụ và phát xạ ánh sáng trong vật chất có thể giải thích bằng sơ đồ mức năng lượng: Giả sử ta có 2 mức năng lượng E1 và E2 với E2>E1

E1 gọi là trạng thái cơ së với E2 - trạng thái kích thích Khi photon có năng lượng hν = E2– E1 đi vào vật chất, nguyên tử sẽ hấp thụ nó và chuyển lên mức kích thích E2 Các nguyên tử ở mức kích thích E2 sẽ chuyển dời về mức cơ sở E1

và phát xạ photon Cơ chế phát xạ photon trong vật chất được chia làm 2 loại: phát xạ ngẫu nhiên (spontaneous emission) và phát xạ cưỡng bức

Phát xạ ngẫu nhiên (hay tự phát) phát ra các photon có hướng ngẫu nhiên

và không có liên hệ về pha giữa chúng Phát xạ cưỡng bức xảy ra khi có một photon có năng lượng phù hợp tương tác với nguyên tử ở trạng thái kích thước và phát xạ ra 2 photon giống hệt nhau về năng lượng và hướng truyền Các loại laser đều hoạt động trên nguyên lý phát xạ cưỡng bức Điốt phát quang phát xạ ánh sáng ngẫu nhiên

1.1 Phương trình tốc độ cho phát xạ và hấp thụ

Giả thiết ta có hệ nguyên tử 2 mức tương tác với ánh sáng Gọi N1 và N2 là mật độ nguyên tử tại mức E1 và E2 (cơ sở và kích thích): ρph(ν) là mật độ phổ của năng lượng chiếu xạ Tốc độ của phát xạ ngẫu nhiên, phát xạ cưỡng bức và hấp thụ có thể viết như sau:

Rspon=AN2 ; Rshim=BN2ρph(ν) ; Rabs=B’N1ρph(ν)

(3.1)

A, B, B’ là các hằng số Ở trạng thái cân bằng nhiệt, mật độ nguyên tử phân bố theo thống kê Boltzman:

1 2

trong đó : kB-hằng số Boltzman, T-nhiệt độ tuyệt đối của hệ nguyên tử

N1, N2 không phụ thuộc thời gian trong trạng thái cân bằng nhiệt, nghĩa là chuyển dời lên và xuống phải bằng nhau

AN2+ BN2ρph = B’N1ρph (3.3)

Từ biểu thức (3.2) và (3.3) ta có thể xác định mật độ phổ chiếu xạ ρph:

xạ vật đen tuyệt đối theo công thức Plank:

3 3

Biểu thức trên do Einstein tìm ra đầu tiên, và A,B gọi là hệ số Einstein

Một số hệ quả của công thức (3.1) đến (3.6):

- Nguồn phát xạ nhiệt hoạt động trên cơ chế Rspon lớn hơn cả hai Rshim và Rabs

thái đảo mật độ phân bố Trạng thái đảo mật độ phân bố không thể nào xảy ra trong điều kiện cân bằng nhiệt (xem 3.2).

1.2 Phát xạ và hấp thụ quang trong bán dẫn

Trạng thái đảo mật độ phân bố là điều kiện tiên quyết cho hoạt động của khuếch đại quang và laser Trong hệ nguyên tử, trạng thái đảo mật độ phân bố

có thể thực hiện với sơ đồ 3 và 4 mức năng lượng

Trong chất bán dẫn có cấu trúc vùng năng lượng gồm vùng dẫn và vùng hóa trị Cấu trúc vùng đơn giản nhất trong bán dẫn là cấu trúc parabol của vùng dẫn

và vùng hóa trị ( xem hình 3.2) Phát xạ ngẫu nhiên chỉ xảy ra khi mức năng lượng E2 lấp đầy và mức năng lượng E1 trống (lỗ trống)

Xác suất lấp đầy điện tử trong vùng dẫn và vùng hóa trị tuân theo phân bố Fermi-Dirac:

 

 

1 2

2

1 1

1

1 exp

1 exp

f C

B f V

E

C, Ef

Tốc độ phát xạ ngẫu nhiên tổng thể giữa 2 vùng là tổng các chuyển dời có thể giữa 2 vùng với năng lượng photon là:

ρcv không phụ thuộc vào E2 do đó ta đưa ra khỏi dấu tích phân trong (3.9)

Tương tự, tốc độ phát xạ cưỡng bức và hấp thụ trong bán dẫn sẽ là:

Điều kiện mật độ Rshim>Rabs khi so sánh (3.11) và (3.12), ta có

Khi áp đặt điện áp thuận đủ lớn vào chuyển tiếp p-n, mức fermi E f

C và E f

Vsẽ được tách vể hai phía và điện trường nội trong chuyển tiếp giảm đi Dòng điện qua chuyển tiếp tăng theo quy luật exponential với điện áp thuận:

và phát ra photon Chuyển tiếp p-n trình bày trong hình vẽ trên là chuyển tiếp đồng chất, nghĩa là chúng có cùng một nguồn gốc vật liệu bán dẫn Độ rộng vùng cấm của chúng giống nhau Trong chuyển tiếp đồng chất, độ rộng vùng nghèo cỡ khoảng 1÷10µm phụ thuộc vào độ dài khuếch tán của điện tử và lỗ trống trong bán dẫn và điện tử-lỗ trống tái hợp trong vùng khá rộng, làm giảm mật độ hạt tải tái hợp.

EV

Bán dẫn loại p

Vùng điện tích không gian (vùng nghèo)

Hình 3.3 Sơ đồ chuyển tiếp p-n khi không có thiên áp (a) và khí có thiên áp thuận (b)

g hoạt động

Vùng hóa trị

Loại n

Δn = n1 – n2 E

Chiết

suất

Khoảng cách

Loại p 0,2μm

Loại n

Ev

Efc Ec

Ec Efc hγ

Ev

Hình 3.4 Sơ đồ chuyển tiếp p-n có cấu trúc dị thể ở trạng thái cân bằng nhiệt không có thiên áp (trên) và khi có thiên áp thuận (dưới)

Để tăng mật độ hạt tải tái hợp nguời ta sử dụng chuyển tiếp dị chất junction) với cấu trúc giữa các lớp p và n có một lớp bán dẫn mỏng với độ rộng vùng cấm nhỏ hơn 2 lớp kẹp chung quanh Lớp bán dẫn mỏng ở giữa p và n có thể pha tạp hoặc không pha tạp giữ vai trò giam giữ hạt tải bơm trong vùng này khi có thiên áp thuận Các chất bán dẫn này có cấu trúc tinh thể (hằng số mạng) giống nhau, nhưng khác nhau về độ rộng vùng cấm.

Độ dày của vùng hoạt tính có thể kiểm soát được bằng công nghệ chế tạo, thông thường cỡ khoảng 0,1µm và dòng bơm sẽ tạo ra trong vùng mật độ hạt tải rất cao Cấu trúc của laser bán dẫn loại dị thể có thể có nhiều lớp và có cấu hình giam giữ hạt tải và chùm sáng bằng độ rộng vùng cấm và bằng chiết suất giữa các lớp Thông thường laser bán dẫn có 5 lớp hoặc nhiều hơn

§3 Chuyển dời không phát xạ

3.1 Hiệu suất phát xạ lượng tử nội

Một số điện tử hoặc lỗ trống trong bán dẫn tái hợp nhưng không có phát xạ photon Cơ chế tái hợp không phát xạ trong bán dẫn bao gồm tái hợp với bẫy tâm sâu hoặc khuyết tật mạng, tái hợp bề mặt hoặc tái hợp Auger Tái hợp Auger đóng vai trò quan trọng trong các nguồn phát quang bán dẫn trong vùng 1,3÷1,6µm Trên quan điểm hiệu suất phát xạ, các chuyển dời không phát xạ là

vô ích Hiệu suất lượng tử nội trong bán dẫn được xác định bởi:

trong đ ó : Rrr - tốc độ tái hợp phát xạ; Rnr- tốc độ tái hợp không phát xạ

Thời gian tái hợp phát xạ và không phát xạ ký hiệu là τrr và τnr và

rr rr

N R



nr

N R

Thời gian tái hợp phát xạ và không phát xạ trong các chất bán dẫn rất khác nhau

và phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn

Trong bán dẫn chuyển dời thẳng (đỉnh vùng hoá trị và đáy vùng dẫn ở hệ toạ

độ E-k trùng nhau):

τrr ≈ τnr , suy ra int

1 2

Silic (Si) và Gecmani (Ge) là hai chất bán dẫn có chuyển dời nghiêng điển

int 10

việc chế tạo các linh kiện phát quang, mặc dù chúng được dùng rất phổ biến trong các linh kiện điện tử Hai chất bán dẫn chuyển dời thẳng điển hình là

chủ yếu

Xét Rrr = Rstim + Rspontrong trường hợp tổng quát Đối với diode phát quang LED, Rstim không đáng kể so với Rspon ta có thể cho Rrr = Rspon đối với LED Thời gian sống của hạt tải τe là một thông số hữu ích để biểu thị thời gian tái hợp tổng của hạt tải khi không có tái hợp cưỡng bức τe được xác định là:

Rspon + Rnr = AnrN + BN2 + CN3 (3.18)

trong đó Anr là hệ số không phát xạ khi tái hợp với bẫy tâm sâu hoặc khuyết tật

B - hệ số tái hợp phát xạ ngẫu nhiên và C là hệ số Anger

Thời gian sống của hạt tải trở thành đại lượng phụ thuộc vào mật độ hạt tải:

τe-1 = Anr + BN + CN2

3.2 Vật liệu bán dẫn để chế tạo điốt phát quang và laser bán dẫn

Các loại bán dẫn chuyển dời thẳng đều có thể sử dụng để chế tạo điốt phát quang (LED) và laser bán dẫn (LD) bằng chuyển tiếp p-n Tuy nhiên, như đã xét

ở trên, cấu trúc dị thể kép có hiệu suất phát xạ rất cao do có mật độ hạt tải trong vùng hoạt tính cao Để chế tạo vật liệu có độ rộng vùng cấm thay đổi từ vật liệu gốc, nguyên tố có bán kính gần như bán kính nguyên tố gốc thay thế vào vị trícác nguyên tố trong mạng với yêu cầu hằng số mạng của các chất pha tạp không lệch quá 0,1% so với mạng gốc

Công nghệ chế tạo các vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm thay đổi hiện nay đã hoàn thiện cho hai loại vật liệu bán dẫn sau:

 GaAs được thay Ga bằng Al để tạo thành hợp chất GaxAl1-xAs - hằng số mạng không thay đổi nhưng độ rộng vùng cấm thay đổi

Độ rộng vùng cấm của vật liệu GaxAl1-xAs thay đổi theo công thức thực nghiệm sau:

hằng số mạng của InP Tỷ số x 0,45

mạng Độ rộng vùng cấm của bán dẫn 4 thành phần được tính bằng công thức thực nghiệm sau:

Eg(y) = (1,35 – 0,72y + 0,12y2) eV vớí 0 ≤ y ≤ 1 (3.20)

Vật liệu y = 1 ( In0,55Ga0,45As) phát xạ tại bước sóng λ ≈ 1,65µm (Eg = 0,75eV) Vật liệu này là vật liệu chủ yếu để chế tạo laser bán dẫn và LED trong vùng 1,0÷1,65µm

Để chế tạo các vật liệu bán dẫn này người ta sử dụng các phương pháp nuôi cấy màng epitaxy trên các đế vật liệu gốc Có 3 loại kỹ thuật nuôi cấy màng Epitaxy là: Epitaxy pha lỏng (LPE), Epitaxy pha hơi (VPE) và Epitaxy chùm phân tử (MBE) Kỹ thuật epitaxy pha hơi cải tiến (hay gọi là lắng đọng pha hơi hoá học từ kim loại hữu cơ – MOCVD) sử dụng kim loại alkali để tạo các hợp chất bán dẫn có vai trò quan trọng trong công nghiệp chế tạo laser bán dẫn thương mại hiện nay Kỹ thuật Epitaxy chùm phân tử là kỹ thuật chủ yếu để chế tạo các linh kiện phát quang với cấu trúc lượng tử (giếng lượng tử, dây lượng tử

và chấm lượng tử) MOCVD và MBE có thể kiểm soát độ dày của vùng đến 1nm (10 lớp nguyên tử)

§4 Điốt phát quang LED

Các đặc trưng cơ bản của điốt phát quang bán dẫn LED là :

+ Có cấu trúc chuyển tiếp p-n (đồng thể hoặc dị thể);

+ Ánh sáng phát xạ không kết hợp,;

+ Độ rộng phổ của phát xạ lớn (30÷60nm);

+ Góc tán xạ của chùm tia ra khỏi linh kiện lớn;

+ Có kích thước vệt sáng phù hợp với ghép nối vào sợi quang đa mốt hoặc đơn mốt

Các đặc trưng nêu trên khác với đặc trưng của laser bán dẫn sẽ được xem xét trong các phần sau