tìm hiểu nguồn quang trong hệ thống thông tin sợi quang

Ưu điểm của những nguồn quang là kích thước nhỏ gọn, hiệu suất phát xạ cao, độ tin cậy đảm bảo, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương xứng với kíchthước lõi sợi và khả năng điều

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:

A LỜI NÓI ĐẦU 5

B NỘI DUNG 6

Chương I: Giới thiệu chung về nguồn quang 6

1.1 Khái niệm, chức năng. 6

1.2 Phân loại. 6

1.3 Các nguyên lý cơ bản của nguồn quang. 6

1.3.1 Nguồn quang sinh ra như thế nào? 6

1.3.2 Các nguyên lý biển đổi điện quang 7

Chương II: Tìm hiểu nguồn phát quang – LED 8

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động. 8

2.2 Phân loại. 9

2.3 Đặc tính kỹ thuật. 12

2.3.1 Thông số điện 12

2.3.2 Công suất phát 12

2.3.3 Góc phát quang 12

2.3.4 Hiệu suất ghép quang 14

2.3.5 Độ rộng phổ 14

2.3.6 Thời gian lên (Rise time) 15

2.3.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ 15

2.3.8 Đặc tính P-I của LED 15

2.3.9 Phổ của LED 17

2.3.10 Vật liệu nguồn phát 18

2.4 Mạch phát quang dùng LED. 19

2.4.1 Với tín hiệu đầu vào là tín hiệu analog 19

2.4.2 Với tín hiệu đầu vào là tín hiệu số 21

Chương III: Tìm hiểu nguồn phát quang Laser – LD 23

3.1 Cấu tạo. 23

3.2 Cấu trúc. 23

3.3 Nguyên lý hoạt động. 24

3.4 Các đặc tính kỹ thuật. 25

3.4.1 Thông số điện 25

3.4.2 Đặc tuyến P-I 25

3.4.3 Hiệu suất ghép quang 26

3.4.4 Điều kiện ngưỡng 26

3.4.5 Phương trình tốc độ 26

3.4.6 Trạng thái tĩnh, trạng thái động 27

3.5 Nhiễu trong LD. 27

3.5.1 Nhiễu lượng tử 27

3.5.2 Nhiễu thành phần 28

3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ. 28

3.7 Các nguồn LD đơn mode. 28

3.7.1 Laser hồi tiếp phân tán - DFB (Distributed Feedback) 28

3.7.2 Laser phản xạ phân tán - DBR (Distributed Reflector) 29

3.7.3 Laser quang sợi 29

3.7.4 Laser khả chính bước sóng 30

3.8 So sánh LD với LED. 30

C KẾT LUẬN 32

PHỤ LỤC 33

I Danh mục bảng biểu. 33

II Danh mục hình ảnh. 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

A LỜI NÓI ĐẦU.

Gắn liền cùng với sự phát triển của toàn nhân loại thì những hệ thống thông tinliên lạc lại ngày một quan trọng và không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi chúng

ta Và một trong những hệ thống thông tin quan trọng đó là “hệ thống thông tin sợiquang” Cùng với những tính năng ưu việt của cáp sợi quang, cùng với công nghệhiện đại, vật liệu chế tạo từ silicat (rẻ tiền, dễ kiếm) và dây truyền sản xuất đại trà

đã kéo theo giá thành của cáp sợi quang ngày càng rẻ nhiều hơn so với trước Chính

vì vậy hệ thống thông tin cáp quang hiện nay đang chiếm một ưu thế lớn trong toàn

hệ thống thông tin liên lạc hiện nay

Với sự phát triển nhanh chóng của hệ thống thông tin sợi quang, mạch phátquang trong hệ thống thông tin sợi quang là một phần vô cùng quan trọng, ảnhhưởng trực tiếp đến nguồn phát của thiết bị viễn thông Nhờ có hệ thống thông tinsợi quang mà các thiết bị thông tin quang được hoạt động Chính vì vậy, trong quátrình học môn “thông tin quang”, chúng em đã chọn đề tài “tìm hiểu nguồn quang”

để có thể hiểu rõ thêm về bộ phận quan trọng này của hệ thống thông tin sợi quang.Đây là một đề tài rất hay và bổ ích cho chúng em khi đã hỗ trợ chúng em tiếp thu vàhiểu thêm sâu sắc bài học trên lớp

B NỘI DUNG.

Chương I: Giới thiệu chung về nguồn quang.

1.1 Khái niệm, chức năng.

Nguồn quang là thiết bị phát quang, có chức năng chuyển đổi tín hiệu thông tinđầu vào là tín hiệu điện thành tín hiệu quang tương ứng và ghép vào trong sợi đểtruyền dẫn tín hiệu

Thành phần chủ yếu của bộ phát tín hiệu quang chính là các nguồn quang,thường được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn

Ưu điểm của những nguồn quang là kích thước nhỏ gọn, hiệu suất phát xạ cao,

độ tin cậy đảm bảo, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương xứng với kíchthước lõi sợi và khả năng điều chế trực tiếp tại các tần số tương đối cao

Sơ đồ bộ phát quang được biểu diễn trong hình sau:

Hình 1 1: Sơ đồ bộ phát quang.

1.2 Phân loại.

Có 2 loại nguồn quang cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin sợi quang hiệnnay là:

 Diode phát quang – LED (Light Emitting Diode).

 Laser bán dẫn – LD (Laser Diode).

1.3 Các nguyên lý cơ bản của nguồn quang.

1.3.1 Nguồn quang sinh ra như thế nào?

Khi điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao sang trạng thái năng lượng thấphơn, theo định luật bảo toàn năng lượng nó sẽ giải phóng một phần năng lượngđúng bằng độ chênh lệch giữa hai mức năng lượng Năng lượng này chính là “tínhiệu điện” và từ tín hiệu điện nhận được này qua bộ chuyển đổi năng lượng điện –quang ta sẽ được “tín hiệu quang” Đây chính là nguồn quang

1.3.2 Các nguyên lý biển đổi điện quang.

Nguyên lí biến đổi điện - quang trong hệ thống thông tin sợi quang được dựatrên ba hiện tượng:

 Hấp thụ (Absorption): là hiện tượng xảy ra khi có

một photon có năng lượng Ep = h.f bị hấp thụ bởi một điện tử

ở trạng thái năng lượng thấp E1 Quá trình này chỉ xảy ra khi

năng lượng Ep của photon bằng với độ chênh lệch năng

lượng giữa mức năng lượng cao E2 và mức năng lượng thấp

E1 của điện tử, tức là Ep = Eg = E2 – E1 Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽnhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao

 Phát xạ tự phát (Spontaneous Emission): là hiện

tượng xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ

mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp hơn E1 và

phát ra một năng lượng Eg = E2 – E1 dưới dạng một photon ánh

sáng Quá trình này xảy ra tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải làtrạng thái năng lượng bền vững của điện tử

 Phát xạ kích thích (Stimulated Emission): là hiện

tượng xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao

E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng Ep = h.f bằng với

độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và

trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Ep = Eg = E2 – E1) Khi

đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấphơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thíchban đầu Như vậy từ một photon ban đầu sau khi xảy ra hiện tượng phát xạ kíchthích sẽ tạo ra 2 photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) Photon mớiđược tạo ra có cùng tần số, cùng pha, cùng phân cực, cùng hướng truyền với photon

bị kích thích ban đầu Do vậy ánh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo ra cótính kết hợp

Chương II: Tìm hiểu nguồn phát quang – LED.

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.

Về cơ bản cấu tạo của LED được phát triển từ diode bán dẫn, hoạt động dựatrên tiếp giáp p-n được phân cực thuận Quá trình phát xạ ánh sáng xảy ra trongLED dưa trên hiện tượng phát xạ tự phát (hình 2.1) Trên thực tế thì LED có cấutrúc phức tạp hơn, gồm nhiều lớp bán dẫn để đáp ứng đồng thời các yêu cầu kỹthuật của một nguồn quang

Hình 2 1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED.

LED có cấu trúc dị thể kép có lớp bán dẫn p, n có độ rộng vùng cấm khác nhau,lớp bán dẫn p có độ rộng vùng cấm rộng ký hiệu là P, lớp bán dẫn n có động rộngvùng cấm ký hiệu là N Chọn 2 lớp P, N có độ rộng vùng cấm khác nhau để tạo rahàng thế lớn

Khi đặt hai lớp bán dẫn p và n kế nhau, thì tại lớp tiếp giáp p-n, các điện tử ởbán dẫn n sẽ khuyếch tán sang bán dẫn p để kết hợp với lỗ trống Kết quả là tại tiếpgiáp p-n tạo nên một vùng có rất ít các hạt mang điện (điện tử hay lỗ trống) nênđược gọi là vùng hiếm Lưu ý rằng p là chất bán dẫn có thừa lỗ trống (mang điệntích dương), n là chất bán có thừa điện tử (mang điện tích âm) nhưng cả hai bán dẫnnày đều trung hòa về điện.

Tại vùng hiếm, bán dẫn n mất đi một số các điện tử nên mang điện tích dương,còn bán dẫn p nhận thêm một số điện tích âm Điều này tạo nên một điện trường VDngăn không cho các hạt mang điện khuếch tán qua lại giữa bán dẫn p và n Khi phâncực thuận (V>VD) các điện tử trong bán dẫn n sẽ vượt qua vùng tiếp giáp p-n vàchạy về phía cực dương của nguồn điện (đồng thời các lỗ trống sẽ về phía cực âmcủa nguồn điện), tạo thành dòng điện chạy qua bán dẫn p-n Đây là nguyên lý hoạtđộng của diode bán dẫn Trong quá trình điện tử từ bán dẫn n chạy về điện cựcdương, các điện tử có thể gặp các lỗ trống tại bán dẫn p (bán dẫn có thừa lỗ trống).Khi đó, các điện tử và lỗ trống sẽ kết hợp với nhau tạo liên kết cộng hóa trị giữa cácnguyên tử trong bán dẫn

Xét về mặt năng lượng khi một điện tử kết hợp với lỗ trống có nghĩa là điện tửchuyển từ trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) sang trạng thái năng lượng thấp(vùng hóa trị) giống như hiện tượng phát xạ tự phát Khi đó, theo định luật bảo toànnăng lượng, bán dẫn sẽ phát ra một năng lượng bằng với độ chênh lệch năng lượnggiữa vùng dẫn và vùng hóa trị Nếu chất bán dẫn được sử dụng có dải cấm nănglượng trực tiếp thì năng lượng sẽ được phát ra dưới dạng photon ánh sáng, đâychính là nguyên lý phát xạ ánh sáng của diode phát quang LED

2.2 Phân loại.

Về cấu trúc, LED có thể được chia làm bốn loại:

 LED Planar (Planar LED)

 LED phát xạ mặt - SLED (Surface-emitting LED)

 LED phát xạ cạnh - ELED (Edge-emitting LED)

Trong bốn loại LED này, LED planar và LED dome không được sử dụngtrong thông tin quang vì cho dù có cấu tạo đơn giản (xem hình 2.2 và 2.3)

nhưng hai loại LED này có vùng phát quang rộng, ánh sáng phát ra không cótính định hướng để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang một cách hiệuquả Thay vào đó, hai loại LED này được sử dụng trong các ứng dụng hiển thị,quảng cáo trong các thiết bị điện tử, TV, đèn bảng hiệu…

Hình 2 2: Cấu trúc LED planar.

Hình 2 3: Cấu trúc LED dome.

LED phát mặt SLED (Surface-emitting LED) là loại LED có ánh sáng được

phát ra ở phía mặt của LED Hình 2.4 minh hoạ một loại SLED, được gọi làLED Burrus do cấu trúc của LED được chế tạo đầu tiên bởi Burrus và Dawson.Trong cấu trúc này, vùng phát xạ ánh sáng (vùng phát quang) của LED đượcgiới hạn trong một vùng hẹp bằng cách sử dụng một lớp cách điện để hạn chếvùng dẫn điện của tiếp xúc P Do đó, tại vùng tích cực của LED có mật độ dòng

trong sợi quang tại phía mặt tiếp xúc N Tại đây, tiếp xúc N và lớp nền N đượccắt bỏ đi một phần có kích thước tương ứng với sợi quang Bằng cách này sẽhạn chế được sự hấp thụ photon trong lớp N và tăng hiệu suất ghép ánh sángvào trong sợi quang Tuy nhiên, vẫn có một phần lớn năng lượng ánh sáng đượcphát ra ngoài vùng đặt sợi quang Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quangcủa SLED không cao, thấp hơn so với ELED.

Hình 2 4: Cấu trúc SLED.

Hình 2 5: Cấu trúc ELED.

LED phát xạ cạnh ELED (Edge LED) là loại LED có ánh sáng ở phía cạnhcủa LED (hình2.4) Trong cấu trúc này, các điện cực tiếp xúc (bằng kim loại) phủkín mặt trên và đáy của LED Ánh sáng phát ra trong lớp tích cực (active layer)rất mỏng Lớp tích cực này được làm bằng chất bán dẫn có chiết suất lớn đượckẹp giữa bởi hai lớp bán dẫn P và N có chiết suất nhỏ hơn Cấu trúc này hìnhthành một ống dẫn sóng trong ELED Do vậy, ánh sáng phát ra ở lớp tích cựcđược giữ lại và lan truyền dọc theo trong ống dẫn sóng này Kết quả là, ánh sáng

được phát ra ở hai đầu ống dẫn sóng, tức là phát xạ ở phía cạnh của LED Sợiquang sẽ được đặt ở một đầu của lớp tích cực để ghép ánh sáng vào Với đặcđiểm cấu trúc như vậy, ELED có vùng phát sáng hẹp và góc phát quang nhỏ do

đó có hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang lớn hơn so với SLED

2.3 Đặc tính kỹ thuật.

2.3.1 Thông số điện.

 Dòng điện tiêu biểu: từ 50mA đến 300mA

 Điện áp sụt trên LED: từ 1,5V – 2,5V

2.3.2 Công suất phát.

Là công suất tổng cộng do nguồn quang phát ra Công suất phát của LEDtrong khoảng 1- 3mW Đối với loại phát sáng cao (High - Randinnce) công suấtphát có thể lên đến 10mW

Các LED phát xạ mặt công suất phát cao hơn LED phát xạ cạnh với cùngdòng điện kích thích Nhưng điều đó không có nghĩa là sợi quang nhận được côngsuất quang từ LED phát xạ mặt cao hơn LED phát xạ cạnh

Hình 2 6: Công suất phát của SLED và ELED.

2.3.3 Góc phát quang.

Công suất ánh sáng do nguồn quang phát ra cực đại ở trục phát và giảm dầntheo góc hợp với trục Góc phát quang được xác định ở mức công suất quanggiảm một nửa (3dB) so với mức cực đại LED phát xạ mặt có góc phát quang lớnhơn so với LED phát xạ cạnh

Hình 2 7: Góc phát quang của SLED và ELED.

Hình 2 8: Góc phát quang của SLED, ELED và Laser.

Hình trên cho thấy SLED phát ra ánh sáng có dạnh Lambertian, nghĩa làphân bố công suất phát quang có dạng:

P = Po cosθvới θ là góc giữa hướng quan sát và trục vuông góc với mặt phát xạ Như vậy,một nửa mức công suất đạt được với θ = 600 Mặt bao của góc phát quang củaSLED có dạng hình nón 1200

Góc phát quang của ELED chỉ có dạng Lambertian theo hướng song songvới lớp tích cực (2θ = 1200) Ở hướng vuông góc với lớp tích cực, góc phátquang giảm đi chỉ còn 300 Như vậy, góc phát quang của ELED nhỏ hơn so vớiSLED.

 Góc theo phương ngang với lớp tích cực: 100

 Góc theo phương vuông góc với lớp tích cực: 300

2.3.4 Hiệu suất ghép quang.

Hiệu số ghép quang được tính bởi tỷ số công suất quang ghép vào sợi quangvới công suất phát quang tổng cộng của nguồn quang

Hiệu số ghép quang phụ thuộc vào kích thước vùng phát quang, góc phátquang của nguồn, góc thu nhận (NA) của sợi quang và vị trí đặt nguồn quang vàsợi quang

Hiệu suất ghép quang của LED phát xạ mặt khoảng 1 - 5% và của LED phát

xạ cạnh trong khoảng 5 - 15% Từ đó, tuy công suất phát của LED phát xạ mặtlớn hơn nhưng công suất đưa vào sợi quang của LED phát xạ cạnh lớn hơn(thường lớn hơn khoảng hai lần)

2.3.5 Độ rộng phổ.

Nguồn quang phát ra công suất cực đại ở bước sóng trung tâm và giảm dần

về hai phía Độ rộng phổ là khoảng bước sóng mà công suất quang không nhỏhơn phân nửa mức công suất đỉnh Thông thường LED có độ rộng phổ trongkhoảng 35 - 100nm

Độ rộng phổ của nguồn quang là một nguyên nhân gây nên tán sắc sợiquang, nhất là đối với các sợi quang đơn mode Tán sắc lớn sẽ làm hạn chế cự ly

và tốc độ bit truyền của tín hiệu quang trong sợi quang

Với độ rộng phổ lớn hơn (50 - 60nm) LED thường chỉ được sử dụng trongcác hệ thống truyền dẫn quang sử dụng sợi quang đa mode, cự ly truyền dẫnngắn và tốc độ bit truyền thấp

2.3.6 Thời gian lên (Rise time).

Thời gian lên là thời gian để công suất quang ở ngõ ra của nguồn quang tăng

từ 10% đến 90% mức công suất ổn định khi có xung dòng điện kích thích nguồnquang

Thời gian lên ảnh hưởng đến tốc độ bit của tín hiệu điều chế Muốn điều chế

ở tốc độ bit càng cao thì nguồn quang phải có thời gian chuyển càng nhanh Dảithông tối đa của tín hiệu điều chế phụ thuộc vào thời gian chuyển Thời gianchuyển của Laser rất nhanh (khoảng 1ns) so với LED (khoảng 2 - 50ns tùy loại)

2.3.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ.

Khi nhiệt độ thay đổi, chất lượng của nguồn quang bị ảnh hưởng Nó làmthay đổi các tính chất của nguồn quang như bước sóng phát quang và công suấtphát quang Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với Laser nhiều hơn là LED

Khi nhiệt độ môi trường tăng thì công suất phát giảm, tuy nhiên mức độ ảnhhưởng bởi nhiệt độ của LED không cao

 Ở bước sóng 850nm: độ ảnh hưởng là -1%/ ˚C

 Ở bước sóng 1300 và 1550nm: độ ảnh hưởng từ -2 đến -4%/ ˚C

2.3.8 Đặc tính P-I của LED.

Nguyên lý hoạt động của LED cho ta thấy rằng, số photon phát xạ phụ thuộcvào số điện tử (do dòng điện cung cấp) chạy qua vùng tiếp giáp pn, kết hợp với lỗtrống trong lớp bán dẫn p

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, không phải điện tử nào đi qua lớp bán dẫn p cũng kếthợp với lỗ trống và không phải quá trình kết hợp điện tử - lỗ trống (chuyển trạngthái năng lượng từ vùng dẫn sang vùng hóa trị) nào cũng tạo ra photon ánh sáng.Năng lượng được tạo ra này có thể duới dạng năng lượng nhiệt Do vậy, số photonđược tạo ra còn phụ thuộc vào hiệu xuất lượng tử nội ηint (internal quantumefficient) của chất bán dẫn Hiệu xuất ηint được định nghĩa là tỷ số giữa số photonđược tạo (Nph) ra trên số điện tử được dòng điện bơm vào LED (Ne)

ηint = Nph/NeCông xuất phát quang (năng lượng ánh sáng trên một đơn vị thời gian) của LED

có thể được xác định theo số photon phát xạ như sau:

P = E/t = Nph.Eph/t = (Ne.ηint.Eph)/t

Ngoài ra ta có cường độ dòng điện chạy qua LED:

I = Ne.e/tvới Ne là số điện tử do dòng điện cung cấp, e là điện tích của điện tử

Khi xảy ra quá trình phát xạ ánh sáng, năng lượng của photon phát xạ bằng với

độ chênh lệch năng lượng của điện tử khi ở vùng dẫn và vùng hóa trị

Eph là năng lượng của photon là độ chênh lệch năng lượng của điện tử khi ởvùng dẫn và vùng hóa trị

Suy ra mỗi quang hệ P-I giữa công xuất phát quang và dòng điện được xác địnhnhư sau:

P = [(ηint.Eph)/e].ITrong công thức trên, Eph có đơn vị là [J] Nếu Eph được tính bằng đơn vị [eV],thì công xuất phát quang là:

P(mW) = [( ηint.Eph(eV)].I(mA)Hiệu xuất lượng tử nội ηint phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng và cấutrúc của nguồn quang Do đó, đối với mỗi loại nguồn quang khác nhau sẽ có đặctuyến P-I khác nhau Công xuất phát quang tỷ lệ thuận với dòng điện cung cấp vàtrong trường hợp lý tưởng, đặc tuyến P-I thay đổi tuyến tính như hình sau:

Hình 2 9: Đặc tuyến P-I của LED.

2.3.9 Phổ của LED.

Trong thông tin quang, ánh sáng do nguồn quang phát ra không phải tại mộtbước sóng mà tại một khoảng bước sóng Điều này dẫn đến hiện tượng tán sắc sắcthể (chromatic dispersion) làm hạn chế cự ly là dung lượng truyền dẫn của tuyếnmạng Tính chất này của nguồn quang nói chung và LED nói riêng được giải thíchnhư sau:

 Các nguồn quang trong thông tin quang được chế tạo từ chất bán dẫn Do

đó các điện tử nằm trong một vùng năng lượng chứ không phải ở một mức nănglượng

 Các điện tử khi chuyển từ các mức năng lượng Ej trong vùng dẫn xuốngmức năng lượng Ei trong vùng hóa trị sẽ tạo ra photon có bước sóng

 Do có nhiều mức năng lượng khác nhau trong các vùng năng lượng nên sẽ

có nhiều bước sóng ánh sáng được tạo ra

 Phân bố mật độ điện tử trong vùng dẫn và vùng hóa trị không đều nhau,dẫn đến công xuất phát quang tại các bước song không đều nhau

 Bước sóng có công xuất lớn nhất được gọi là bước sóng trung tâm Bướcsóng này thay đổi theo nhiệt độ do phân bố mật độ điện tử trong các vùng nănglượng thay đổi theo nhiệt độ

Hình 2 10: Nguồn quang bán dẫn phát ánh sáng trong một khoảng bước sóng.