www.tinhgiac.com de tai nghien cuu nguon quang trong he thong thong tin quang

Trang 1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRUONG DH CONG NGHE THONG TIN VA TRUYEN THONG

- ell aeG -

BAO CAO TIEU LUAN

DE TAI NGHIEN CUU:

Trang 2

Báo cáo- 2- Nguồn quang trong hệ thống thông tin quang

Trang 3

Nội dung

09090627 10001187 4

Ô;0.::.0 0P — 3

GIỚI THIỆU VỀ NGUÔN PHÁT QUANG TRONG THÔNG TIN QUANG 5

1.1, Cac dai mang LUO 000 aa 5

1.1.1 Quá trình hấp thụ năng lượng - - xxx TT TT HH TT nrưư 7 Photon sẽ bị nguyên tử hấpthụ, nguyên tử nhảy từ E1 lên E2 và được coi đang ở trạng thái KGCH thich, ““Ụ 7

1.1.2 Qua trinh phat Xai 7

1.2 Nguồn quang ban dan (Semiconductor Light Source) .c.cccccccccscsssesessesseeeeeee 7 0/0: 00005 —— 12

60/9089) 1 ãăăăăă 3 12 2.1 Nguồn phát quang LED: . tk SE 1 11919111 1 8211811111111 1111111 1e 0 12 2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED: 6 St cv cckxez 12 2.1.2 Cấu trúc và các đặc tinh cha LED sử dụng trong thông tin quang 13

2.1.3 Mạch phát quang dùng LED Q1 99H HH ng ko 18 2.2.Nguôn phát LASER - SH 111111211111 111101511111 0111010111111 1 1111111 20 2.2.1 Câu tạo và nguyên lý hoạt động của LLas€r - - cv cerxez 20 2.2.2.Các đặc tính kĩ thuật của Laser Diodc: ‹ .- ccccc ccSS ca 23 2.2.3 Mạch phát quang dùng Lazer IDIode -‹‹c-c c1 n1 1 1 11353 se, 29 IV.900)2909:7.2),/84:7 101 32

Trang 4

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xu thế phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, mạng Internet ngày một

phát triển và trở thành một phần không thẻ thiếu trong mọi hoạt động của đời sống con

người Các dịch vụ của mạng Internet ngày nay rất đa dạng và phong phú đáp ứng kịp thời các yêu cầu và đòi hỏi ngày càng cao của người sử dụng Có được kết quả này là do mạng

Internet đã sử dụng cáp sợi quang vào việc truyền tải dữ liệu Với những tính năng ưu việt của cắp sợi quang, cùng với công nghệ hiện đại, vật liệu chế tạo từ silica (rẻ, dễ kiếm) và dây

truyền sản xuất đại trà đã kéo theo giá thành của cáp sợi quang ngày càng rẻ đi rất nhiều so

với trước đây Có thể nói việc sử dụng cáp sợi quang vào trong viễn thông nói chung và trong mạng Internet nói riêng đã tạo nên cuộc cách mạng làm thay đôi lớn mạng viễn thông hiện tại

Với việc phát triển thông tin quang, mạch phát quang trong thông tin là một phần

quan trọng, ảnh hưởng đến nguồn phát của thiết bị viễn thông.Nhờ có hệ thống này mà thiết bị thông tin quang được hoạt động và từ đó có thê biến đỗi thành tín hiệu điện, các kĩ thuật

trong tín hiệu điện như mã hóa, điều chế, lượng tử vv sẽ được sử dụng trong giai đoạn này

trước khi được biến đổi lại thành tín hiệu quang làm cho chất lượng, dung lượng đường

truyền và sự bảo mật trên đường truyền được đảm bảo Trong quá trình học tập và tìm hiểu về môn thông tin quang, đưới sự chỉ bảo của thầy cô giáo trong và sự giúp đỡ của bạn bè

trong lớp, chúng em đã có những kiến thức và hiểu biết cơ bản về hệ thống thông tin quang

Với những kiến thức đã học được chúng em xin trình bày một bài viết ngắn gọn về “nguồn

quang trong hệ thống thông tin quang”

Trang 5

Bài Tiểu Luận -5- Neuén quang va cac mach phat quang Chương 1 GIOI THIEU VE NGUON PHAT QUANG TRONG THONG TIN QUANG Thiết bị phát quang có chức năng biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và phát tín hiệu quang vào sợi quang để

thực hiện truyền dẫn thông tin Thành phần chủ yếu là nguồn phát quang, có 2 loại: Điốt phát quang LED Light-emitting diode Didt laze ban danLD Laser Diode

Hinh 1.1 M6 ta thiét bi phat quang

1.1 Cac dai nang lượng

Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử Các mức năng

lượng tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt cua electron xung quanh hạt bên ngoài có mức nang lugng cao hon electron ở phía trong.Electron có tác động vật ly hay hóa học từ bên

ngoài, các hạt electron có thê nhảy tử mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại Theo giả thuyết của Albert Einstein , các quá trình này có thể sinh ra

Trang 6

Bài liêu Luận

HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Absorption Incoming photon is absorbed by the atom Nucleus ^ # Electron ——£@ Incoming photon is absorbed by the atom ` © J ~ # ` - P N / 4 Lower x

-6- Neuén quang va cac mach phat quang

Trang 7

Bài Tiểu Luận -7- Neuén quang va cac mach phat quang

1.1.1 Quá trình hấp thụ năng lượng

Phofon sẽ bị nguyên tử hắpthụ, nguyên tử nhảy từ E1 lên E2 và được coi đang ở trạng thái kích thích z | hy | L\ ALLS mm O E — 1

Hinh 1.3 M6 ta qua trinh hap thu

1.1.2 Qua trinh phat xa

Trang 8

Bài Tiểu Luận -8- Nguồn quang và các mạch phát quang

Nguồn quang là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng có công

suât tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó

Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang: e Diode phat quang LED (Light Emitting Diode)

e Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Các yêu câu đối với một nguôn quang sử dụng trong hệ thống thông tin quang là :

e Có kích thuớc nhỏ tương ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong

sợi quang Lý tưởng, ánh sáng ở ngõ ra của nguồn quang phải có tính định hướng

cao

e Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và ——_ nhiễu lên tín hiệu Lý tưởng, nguồn quang phải tuyến tính

e Phát ra ánh sáng có bước sóng phù hợp với vùng bước sóng mà sợi quang có suy

hao thấp và tán sắc thấp, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bước sóng này

e Có khả năng điều chế tín hiệu một cách đơn giản (ví dụ như điều chế trực tiếp)

trên đải tần rộng trải dài từ tần số âm thanh tới dải tần gigahezt

e Hiéu suat ghép quang tốt để giảm suy hao ghép từ nguồn quang vào trong sợi

quang

e_ Độ rộng phô hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang

se Duy trì mức công suât ngõ ra ôn định và không bị ảnh hưởng nhiêu bởi các yêu

tô môi trường bên ngoài

s_ Giá thành thấp và có độ tin cậy cao để cạnh tranh với các kỹ thuật truyền dẫn khác

Loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang là các loại nguồn quang

bán dẫn vì có thể đáp ứng được các yêu cầu trên Vì vậy, cấu tạo cũng như nguyên lý

hoạt động của nguồn quang (cũng như linh kiện thu quang) được trình bày trong phần

này là các nguồn quang bán dẫn

Trang 9

bán dẫn cần phải có dải cam năng lượng trực tiếp và độ rộng cua dai cam năng lượng phù hợp sao cho có thể tạo ra ánh sáng có bước sóng nằm trong vùng bước sóng hoạt

động của thông tin quang

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 Do đó, năng

lượng của photon:

Eph = hc/À= Eg

voi Eg là độ chênh lệch năng lượng của điện tử khi ở vùng dẫn và vùng hóa trị Khi đó, ánh sáng được phát xạ có bước sóng:

A= h.c/Eg

Do mỗi loại vật liệu khác nhau sẽ có phân bố các vùng năng lượng khác nhau nên có thể nói răng bước sóng của ánh sáng do nguồn quang phát ra chỉ phụ thuộc vào vật liệu

chế tạo nguồn quang

Trong thông tin quang, ánh sáng chỉ được sử dụng tại 3 cửa số bước sóng

850nm, 1300nm và 1550nm nên vật liệu bán dẫn được sử dụng để chế tạo nguồn

quang phải có dải cắm năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị phù hợp với các cửa

số bước sóng hoạt động này

Trang 10

Bài Tiểu Luận - 10 - Nguồn quang và các mạch phát quang

Hình 1.5 biểu diễn mối quan hệ giữa năng lượng và động lượng (hay vector

sóng) của điện tử tại vùng dẫn và vùng hóa trị của hai loại bán dẫn có dải câm trực tiếp

(hinh 1.5a) va dai cam gián tiếp (hình 1.5b) Qua đó cho thấy:

e_ Đối với dải câm trực tiếp, phân đáy (có năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm đối

điện với phần đỉnh (có năng lượng cao) của vùng hóa trị Do đó, các điện tử ở hai

vùng này có động lượng bằng nhau

e_ Đối với dải cấm gián tiếp, phần đáy (có năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm cách xa so với phần đỉnh (có năng lượng cao) của vùng hóa trị Do đó, các điện tử ở hai vùng này có động lượng không bằng nhau bằng nhau

Điều kiện để quá trình phát xạ photon xảy ra hiệu quả trong bán dẫn là khi xảy ra

phát xạ photon, động lượng (hay vector sóng) của điện tử (nằm ở vùng dẫn) phải bằng

động lượng của lỗ trông (nằm ở vùng hóa trị) [I], [3] Khi đó, động lượng của điện tử

được bảo tòan

Như vậy có thê thấy rằng, điều kiện về bảo tòan động lượng khi xảy ra quá trình

biến đổi quang điện chỉ đạt được với các chất bán dẫn có dải cắm trực tiếp Khi đó, năng

lượng được phát ra khi các điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) sang

trạng thái năng lượng thấp (vùng hóa trị) sẽ tạo ra các photon Với hiệu suất phát xạ ánh

sáng (phát xạ tự phát và phát xạ kích thích) lớn, các chất bán dẫn có dải cắm trực tiếp có

thể tạo ra các nguồn quang có công suất phát quang lớn, hiệu quả

Ngược lại, đối với các chất bán dẫn có dai cấm năng lượng gián tiếp, các năng lượng được tạo ra do quá trình chuyển trạng thái năng lượng của điện tử sẽ phát ra dưới dạng phonon, không phát xạ (nonradiation) Năng lượng này có thê là năng lượng nhiệt hay dao động của các phân tử

Như vậy, chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo nguồn quang cần phải có: dải cắm trực tiếp và năng lượng chênh lệch giữa vùng dẫn và vùng hóa trị phải phù hợp dé có thể tạo ra bước sóng nằm trong các cửa số bước sóng hoạt động trong thông tin quang

Thực tế cho thấy rang, các bán dẫn thông thường thuộc nhóm IV như Sị,

Œe, không thỏa hai điều kiện trên Vật liệu bán dẫn được dùng để chế tạo nguồn quang trong thông tin quang được tạo ra bằng cách kết hợp các vật liệu nhóm III (Ga, Al, .) va nhom V (As, P, In, .) nhu

Trang 11

Bài Tiểu Luận -ll- Nguồn quang và các mạch phát quang InGaAsP GaAs/InP AlGaAs ; GaAsP 3 ! ! GaAs ! ! ! 0,5 0,6 0,7 0,85 1,0 1,3 1,55 (um)

Hinh 1.6 Bước song anh sang phát xạ của một số

loại bán dân nhóm III kêt hợp với nhóm ƒ

Hình 1.6 cho thây: đê tạo ra nguồn quang có bước sóng 850nm người ta sử dụng

bán dẫn AlGaAs, GaAs hay InP Bán dẫn InGaAsP được sử dụng để chế tạo nguồn

quang phát ra ánh sáng tại cửa số bước sóng 1300nm và 1550nm Giá trị của bước

sớng được thay đổi bằng cách thay đổi tỷ lệ giữa các chất kết hợp trong bán dẫn này

Trang 12

Chương 2

NGUON QUANG

2.1 Nguồn phát quang LED:

2.1.1 Câu tạo và nguyên lý hoạt động của LED:

Về cơ bản cấu tạo của LED được phát triển từ diode bán dẫn, hoạt động dựa trên tiếp

giáp pn được phân cực thuận quá trình phát xạ ánh sang xây ra trong LED dưa trên hiện

tượng phát xạ tự phát (hình 1) trên thực tế thì LED có cầu trúc phức tạp hơn, gồm nhiều lớp

Trang 13

Hinh 2.1 Cau tao va nguyên lý hoạt động của LED

LED có cấu trúc dị thể kép có lớp bán dẫn p,n có độ rộng vùng cắm khác nhau, lớp bán

dẫn p có độ rộng vùng cắm rộng ký hiệu là P, lớp bán dẫn n có động rộng vùng cắm ký hiệu là N Chọn 2 lớp P,N có độ rộng vùng cắm khác nhau đề tạo ra hàng thế lớn

Khi đặt hai lớp bán dẫn p và n kế nhau, thì tại lớp tiếp giáp pn, các điện tử ở bán dẫn n sẽ khuyếch tán sang bán dẫn p đề kết hợp với lỗ trông kết quả là tai tiếp giáp pn tạo nên một

vùng có rất it các hạt mang điện (điện tử hay lỗ trồng) nên được gọi là vùng hiém Luu y

rang p là chất bán dẫn có thừa lỗ trống (mang điện tích dương), n là chất bán có thừa điện tử

(mang điện tích âm) nhưng cả hai bán dẫn này đều trung hòa về điện

Tại vùng hiếm, bán dẫn n mắt đi một số các điện tử nên mang điện tích dương, còn bán

dẫn p nhận them một số điện tích âm Điều này tạo nên một điện trường VD ngăn ko cho các

HạtTnang điẹn khuyếch tán qua lại giữa bán dẫn p và n Khi phân cực thuận (V>VD) các điện tử trong bán dẫn n sẽ vượt qua vùng tiếp giáp pn và chạy về phí cực dương của nguồn

điện ( đồng thời các lỗ trống sẽ về phía cực âm của nguồn điện), tạo thanh dòng điện chạy

qua bán dẫn pn Đây là nguyên lý hoạt động của diode bán dẫn Trong quá trình điện tử từ

bán dẫn n chạy về điện cực dương, các điện tử có thể gặp các lỗ trông tại bán dẫn p (bán dẫn có thừa lỗ trống) Khi đó, các điện tử và lỗ trông sẽ kết hợp với nhau tạo liên kết cộng hóa trị

giữa các nguyên tử trong bán dẫn

Xét về mặt năng lượng khi một điền tự kết hợp với lỗ trông có nghĩa là điện tử chuyển

từ trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) sang trạng tháy năng lượng thấp (vùng hóa trị)

giống như hiện tượng phát xạ tự phát Khi đó, theo định luật bảo toàn năng lượng, bán dẫn

sẽ phát ra một năng lượng bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị

Nếu chất bán dẫn được sử dụng có dải cắm năng lượng trực tiếp thì năng lượng sẽ được

phát ra dưới dạng photon anh sáng, đây chính là nguyên lý phát xạ ảnh sáng của diode phát

quang LED

2.1.2 Cầu trúc và các đặc tính của LED sử dụng trong thông tin quang > Cấu trúc của LED

Về cấu trúc, LED có thê được chia làm 2 loại

Trang 14

e LED phat xa ria ELED (edge LED)

LED phat xa mat SLED (Surface LED) la loai LED co anh sang được phát ra ở

phía mặt của LED Hình 2.2 minh hoạ một loại SLED, được gọi là LED Burrus do cầu

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 được giới hạn trong một vùng hẹp bang cách sử dụng một lớp cách điện để hạn chế vùng dẫn điện của tiếp xúc P Do đó, tại

vùng tích cực của LED có mật độ dòng điện cao dẫn đến hiệu suất phát quang lớn Ánh sáng của SLED được đưa vào trong sợi quang tại phía mặt tiếp xúc N Tại đây,

tiếp xúc N và lớp nền N được cắt bỏ đi một phần có kích thước tương ứng với sợi

quang Băng cách này sẽ hạn chế được sự hấp thụ photon trong lớp N và tăng hiệu suất ghép ánh sáng vào trong sợi quang Tuy nhiên, vẫn có một phần lớn năng lượng ánh sáng được phát ra ngoài vùng đặt sợi quang Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang của SLED không cao, thấp hơn so với ELED ——— Tiếp xúc N ca Lớp N : GaAs (lớp nên) Vang phatséng = Léa N- AlGaAs | oA” Lớp P - AlGaAs (lớp tích cực) Lép F* AlGaAs - Lớp cách điện - AlzO; Tiếp xúc P (đường kính nhỏ)

Hình 2.2 Cấu trúc LED Burrus

LED phát xạ cạnh ELED (Edge LED) là loại LED có ánh sáng ở phía cạnh của LED (hình2.4) Trong cẫu trúc này, các điện cực tiếp xúc (bằng kim loại) phủ kín 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 được kẹp giữa bởi hai lớp bán dẫn P

Trang 15

Bài Tiểu Luận -15- Neuén quang va cac mach phat quang Tiếp xúc P Cách điện SiO, Vùng phát sáng (lớp thự) £ Lớp P- A1ƠaA§ Lớp P- AiGaAs „ Lép N- A1GaAs » Lép.N- GaAs ˆ "Tiếp xúc Ñ Hình 2.3 LEID phát xạ cạnh (ELED)

> Dac tinh P-I cia LED

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

dẫn p

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, không phải điện tử nào đi qua lớp bán dẫn p cũng kết hợp với

lỗ trống và không phải quá trình kết hợp điện tử lỗi trống (chuyến trạng thái năng lượng từ vùng dẫn sang vùng hóa trị) nào cũng tạo ra photon ánh sáng Năng lượng được tạo ra này

có thể đuới dạng năng lượng nhiệt do vậy, sô photon được tạo ra còn phụ thuộc vào hiệu

xuất lượng tử nội rịm; (internal quantum efficient) của chất bán dẫn Hiệu xuất nịint đựoc định nghĩa là tỷ số giữa số photon được tạo (Nm) ra trên số điện tử được dòng điện bơm vào LED

(Ne)

Nlint = Non/Ne

Công xuất phát quang (năng lượng ánh sáng trên một đơn vị thời gian) của LED cé thé được xác định theo số photon phát xạ như sau:

P=E/tENmn.Epw/fC(N.Tiim.Epn)/E

Ngoài ra ta có cường độ dòng điện chạy qua LED: I=N,.e/t

Với N, là số điện tử do dòng điện cung cấp, e là điện tích của điện tử

Khi xây ra quá trình phát xạ ánh sáng, năng lượng của photon phát xạ băng với độ chênh

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

Trang 16

Bài Tiểu Luận - l6 - Nguồn quang và các mạch phát quang

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

P=[(Nint-Epn)/e].1

Trong công thức trên, Eph có don vi 1a (j) néu Eph được tính bằng đơn vị (eV), thì công

xuất phát quang là:

P(mW)=[( nmi.Epn(eV) ].ImA)

Hiệu xuất lượng tử nội rịint phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng và cầu trúc của nguồn quang Do đó, đối với mỗi loại nguồn quang khác nhau sẽ có đặc tuyến P-I khác

nhau Công xuất phát quang tỷ lệ thuận với dòng điện cung cấp và trong trường hợp lý

tưởng, đặc tuyến P-I thay đối tuyến tính như hình sau: P (mW) 10 I (mA) 100 200 Hình 2.4 Đặc tính P — I của LED

> Dic tinh phi cđa LED

Trong thơng tin quang, ánh sáng do nguồn quang phát ra không phải tại một bước song

mà tại một khoảng bước song Điều này dẫn đến hiện tượng tán sắc sắc thể (chromatic

dispersion) lam hạn chế cự ly là dung lượng truyền dẫn của tuyến mạng tính chất này của nguôn quang nói chung và LED nói riêng được giải thích như sau:

e_ Các nguồn quang trong thông tin quang được chế tạo từ chất bán dẫn do đó các điện tử

Trang 17

e_ Các điện tử khi chuyển từ các mức năng lượng Ej trong vùng dẫn xuống mức năng lượng Ei trong vung hoa trị sẽ tạo ra photon có bước song

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

sóng ánh sáng được tạo ra

e 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

e_ Bước sóng có công xuất lớn nhất được gọi là bước sóng trung tâm Bước sóng này thay đổi theo nhiệt độ do phân bố mật độ điện tử trong các vùng năng lượng thay đổi theo nhiệt độ Vang din ung dan —= _—— ——_ —_ LO / hi A2 À4 À4 ZX — xä —~ N — Vùng ung cam cá —> a —_— —_ Hình 2.5 Nguồn quang bán dẫn phát ra ánh sáng trong một khoảng bước sóng

Độ rộng của phô quang được định nghĩa là khoảng bước sóng do nguôn quang phát ra có công xuất băng 0,5 lần công xuất đỉnh (hay giảm 3dB)

Trang 18

50-60nm LED được chế tạo bằng bán dan GaAs phát ra ánh sáng có độ rộng phố hẹp hơn

Trang 19

Bài Tiểu Luận - J9 - Nguồn quang và các mạch phát quang

điều chế là tín hiệu analog

Sơ đồ khối mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu analog trong

hình 3.1 ở trên, bao gồm các thành phân cơ bản sau: tranzitor lưỡng cực loại NPN làm việc

như một phân tử tuyến tính trong mạch điện, nó không có khả năng biến đổi tín hiệu điện mà

nó chỉ làm việc như một khóa điện tử trong mạch (khóa đóng là khi tranzitor dẫn bão hòa,

khóa hở là khi tranzitor ở chế độ ngắt); Rị và R; là hai điện trở phân áp dùng dé định thiên

cho mạch vào của tranzitor; tụ điện C có chức năng loại bỏ thành phân một chiều tại đầu vào

của tranzitor, chỉ cho thành phần xoay chiều đi qua nó; nguồn phát quang LED có chức năng phát ra tín hiệu quang dé truyền đi trên sợi quang

Cho tín hiệu điều chế V; là tín hiệu analog đi vào mạch điện, điện áp đặt lên lối vào của

mạch điện có 2 giá trị là mức cao và mức thấp Trong mạch điện, tranzitor hoạt động như

một khóa điện tử, nó chỉ hoạt động ở chế độ ngặt (tranzitor đóng) và chế độ dẫn bão hòa

(tranzitor thông), do đó tại đầu vào của tranzitor:

Khi V, mang giá trị dương, tranzitor thông (tranzitor hoạt động ở chế độ dẫn bão hòa),

bởi vì khi đó tranzitor có điện trở rất nhỏ và có dòng điện rất lớn qua LED, làm cho LED

sáng và phát ra tín hiệu quang với công suất phát của LED là cực đại

Khi V, mang gia tri 4m, tranzitor tat (tranzitor hoạt động ở chế độ ngất), bởi vì khi đó

tranzitor có điện trở rất lớn và qua tranzitor chỉ có dòng điện ngược rất nhỏ của tiếp giáp góp

là Icpo (lcgo ~ 0) Còn dòng điện ngược của tiếp giáp phát lppo rất nhỏ so với logo nên có thể coi Ipg, = 0 Như vậy mạch cực E của tranzItor coi như hở mạch, do đó không có dòng điện

chạy qua LED, làm cho LED tắt, không phát ra tín hiệu quang và công suất phát của LED là

cực tiểu

> Mach phat quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu số

Sơ đồ khối mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu số trong hình 3.2

ở trên bao gồm các thành phân cơ bản sau: tranzItor lưỡng cực loại NPN hoạt động như một

phân tử tuyến tính trong mạch, nó không có khả năng biến đổi tín hiệu đầu vào, mà nó chỉ làm việc như một khóa điện tử; R1 và R2 là hai điện trở phân áp dùng để định thiên cho

mạch vào của tranzitor; công NAND là cổng logic (có chức năng cộng 2 tín hiệu số đầu vào của nó để tạo ra tín hiệu số đầu ra theo quy luat: 0+0=1, 0+1=0, 1+0=0, 1+1=0); nguồn phát

Trang 20

Bài Tiểu Luận - 20 - Nguồn quang và các mạch phát quang +V R R¿ NAND Vs | t No LED R¿

Hình 2.8 Mạch phát quang dùng LED với tín hiệu

điêu chê là tín hiệu sô

Cho tín hiệu điêu chê V/ là tín hiệu sô đi vào mạch điện, tín hiệu Vị có hai mức giá trị là mức l (mức cao) và mức 0 (mức thấp):

Khi V,= 0, sau khi V, đi qua công NAND thì V, = 1 (mic cao) lam cho tranzitor thong, do đó dòng điện sẽ qua tranzitor mà không có dòng qua LED làm cho LED tắt, không phát

ra tín hiệu quang và công suất phát của LED là cực tiểu

Khi V, = 1, sau khi V, đi qua công NAND thì V, = 0 (mức thấp) làm cho tranzitor tắt, do đó không có dòng qua tranzitor và khi đó sẽ có dòng điện qua LED, làm cho LED sang, phat ra tín hiệu quang với công suất phát của LED là cực đại

2.2.Nguồn phát LASER

(LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION)

2.2.1 Câu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser

Vệ cơ bản, cầu tạo của laser có các đặc điêm sau:

e Cau tric nhiêu lớp bán dân p, n

Trang 21

Bài Tiểu Luận - 2]- Nguồn quang và các mạch phát quang

e Lớp tích cực rất mỏng, làm bằng vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa hai lớp P và N có chiết suất nhỏ hơn Câu trúc này tạo thành ống dẫn sóng

e© Ánh sáng của laser phát ra ở phía cạnh, giỗng như LED phát xạ cạnh (ELED)

e Ở hai đầu lớp tích cực là hai lớp phản xạ với hệ số phản xạ R <1 Cấu trúc này

tạo thành hốc cộng hưởng Fabry-Perot Ánh sáng được tạo ra và phản xạ qua lại

trong hốc cộng hưởng này Loại laser có cấu trúc hốc cộng hưởng Fabry-Perot này được gọi là laser Fabry-Perot

se Anh sáng được đưa ra ngoài qua một phân được cắt nhăn của một mặt phản xạ Mặt phản xạ + l+ Bán dẫn loại P Lớp tích cực Bán dẫn loại N

Hình 2.9 Cấu trúc của laser Fabry-Per * Nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng:

e Hiện tượng phát xạ kích thích: tạo ra sự khuếch đại ánh sáng trong Laser Khi

xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích, photon ánh sáng kích thích điện tử ở vùng

dẫn tạo ra một photon thứ hai Hai photon này tiếp tục quá trình phát xạ kích thích dé tao ra nhiéu photon hơn nữa theo cấp số nhân Cac photon này được tạo ra có tính kết hợp (cùng tần số, cùng pha, cùng hướng và cùng phân cực)

Như vậy, ánh sáng kết hợp được khuếch đại

Trang 22

Bài Tiểu Luận - 22- Nguồn quang và các mạch phát quang

(hay bước sóng) thỏa điều kiện về pha của hốc cộng hưởng thì mới có thể lan truyền và cộng hưởng trong hốc cộng hưởng được Như vậy, số sóng ánh sáng (có bước sóng khác nhau) do laser Fabry-Perot phát xạ bị giới hạn, làm giảm độ rộng phố laser so với LED

* Đặc tính điều chế của laser: co

Có hai phương pháp điêu chê tín hiệu sử dụng laser: điêu chê sô và điêu chê

tương tự Trong điều chế số, mức logic 0 và mức logic 1 được biểu diễn bởi chu kỳ tối và

sáng của tín hiệu quang Để đạt được điêu này, dòng điện kích thích sẽ thay đổi theo tín hiệu thông tin từ giá trị dưới mức ngưỡng đến giá trị trên mức ngưỡng (hình 2I1.a) Trong kỹ thuật điều chế tương tự, dòng điện kích thích thay đổi trong khoảng tuyến tính của đặc tuyến P-I để tránh làm méo dạng tín hiệu quang ở ngõ ra (hình 21.b) Điều

này đạt được bằng cach su dung dong phan cyc DC, Ib, cung voi dong tin hiệu điện Pimyy: mv 1 gM outpul pLises -1g"l Sulour s gna: “TTT trItu^| I, _“X I, terms! L =~ đợc 0 C Electnz npur Sigral Ti

Flectnc mpul ou ses

Hinh 2.10 (a) Diéu chế tín hiệu số và (b) Điều chế tín hiệu tương tự

Một cách lý tưởng, tín hiệu quang ở ngõ ra của laser phải có dạng giông và thay

đối tức thời theo thời gian với tín hiệu điện ở ngõ vào Tuy nhiên, trên thực tế, luôn có

thời gian trễ để tín hiệu quang đáp ứng với dòng điện ngõ vào và tín hiệu bị méo dạng do đặc tính động của laser như đã trình bày trong phân trên Điều này làm hạn chế tốc độ

điều chế (hay tốc độ bif) của tín hiệu khi sử dụng dòng tín hiệu điện điều chế trực tiếp

laser (kỹ thuật điều chế theo cường d6 IM (Intensity Modulation))

Đặc tính động của laser cho thấy rằng khi sử dụng kỹ thuật điều chế theo cường

độ IM, giới hạn trên của tốc độ điều chế của laser được xác định bởi tần số dao động

Trang 23

or = DZ.mth.s0= (Ds0)/rph = (1/⁄ph)(vgs0/n) (3)

Do s0/n là hiệu suất lượng tử nội, phương trình (3) cho thấy rằng œr phụ thuộc vào thời gian sống của photon và phụ thuộc vào độ lợi (cũng như công suất) của laser Do

đó, phương trình (3) có thể viết lại như sau:

Or = (MP)/tph (4)

Với M là hăng số, P là công suất phát quang của laser

Phương trình (4) cho thấy răng, tần số điều chế càng cao khi công suất phát quang của

laser càng lớn và thời gian sống của photon càng ngắn 2.2.2.Các đặc tính kĩ thuật của Laser Diode:

> Công sulit phát:

Công suất phát quang là công suất tông cộng mà nguồn quang phát ra Công suất phát quang của nguôn quang thay đổi theo dòng điện kích thích và được biêu diễn băng đặc tuyến P-I P(mW) LASER Ạ 10 SLED 3 ELED 0 I(mA) It La 200 —>y

Hình 2.11 Đặc tuyến P-I của 3 loại nguồn quang: SLED, ELED và Laser

Đặc tuyến P-I của 3 loại nguồn quang SLED, ELED và Laser trên hình 9 cho thấy:

e Laser chỉ hoạt động ở chế độ phát xạ kích thích khi dòng điện kích thích lớn hơn

dòng

se điện ngưỡng lth

Trang 24

thích

e_ (với điều kiện I>lth)

e SLED có công suất phát quang lớn hơn ELED với cùng một dòng điện kích thích Tuy nhiên, điều này chưa quyết định ánh sáng truyền trong sợi quang do loại nguồn quang nào phát ra thì lớn hơn vì còn phụ thuộc vào hiệu suất ghép quang

e Yéu cầu đối với một nguồn quang lý tưởng là đặc tuyến P-I phải là đường thẳng, tức là công suất phát quang và dòng điện kích thích phải có quan hệ tuyến tính

Khi đó, tín hiệu ánh sáng do nguôn quang được tạo ra không bị méo dạng so với tín hiệu điện Tuy nhiên, trên thực tế sự tuyến tính trong đặc tuyến P-I chi xảy ra

Trang 25

Bài Tiểu Luận - 25- Nguồn quang và các mạch phát quang

Khi kích thích bằng dòng điện nhỏ thì điôt laze hoạt động ở chế độ phát xạ tự phát và vì vậy nó phát ra công suất thấp Khi kích thích băng dòng điện lớn thì điôt laze hoạt động ở

chế độ kích thích nên công suất quang tăng nhanh tương ứng theo dòng Dòng điện ngưỡng

của LD thay đổi theo nhiệt độ Đối với những điôt laze cũ thì dòng điện ngưỡng có giá trị

50mA+100mA Đối với những điôt laze loại mới thì dòng điện ngưỡng có giá trị 10mA+20mA.Dòng điện kích thích từ vài chục đến vài trăm mA.Điện áp sụt trên điôt laze từ

1,5V+2,5V

> Góc phát quang:

Công suất ánh sáng do nguồn quang phát ra cực đại ở trục phát và giảm dân theo góc hợp với trục Góc phát quang được xác định ở mức công suất quang giảm

một nữa (3dB) so với mức cực đại Công suất tương đối SLED LASER ELED w-1 ym Far-field £Ahe“n

Trang 26

P =P0.cosô0

với 9 là góc giữa hướng quan sát và trục vuông góc với mặt phát xạ Như vậy, một nữa

mức công suât đỉnh đạt được với 0=600, Mặt bao của góc phát quang của SLED có

dạng hình nón 120°

Góc phát quang của ELED chỉ có dạng Lambcrtian theo hướng song song với lớp tích cực (20=1209) Ở hướng vuông góc với lớp tích cực, góc phát quang giảm đi

chỉ còn 300 Như vậy, góc phát quang của ELED nhỏ hơn so với SLED

Anh sáng laser phát ra không có dạng Lambcrtian Thay vào đó, mặt bao góc phát quang của Laser có mặt nón có đáy hình elip với:

e_ Góc theo phñlng ngang vñi lPlp tích cñlc: 109 ——s Góc theo philing vuông góc vi lữp tích cñlc: 309

So với LED, Laser có góc phát quang nhỏ, đồng thời công suất phát quang lớn, do

đó mật độ năng lượng ánh sáng do laser phát ra lớn rất nhiều so với LED Năng lượng ánh

sáng được tập trung Vì vậy, cường độ ánh sáng do laser phát ra rất mạnh có thể gây hại

mắt Do đó, các cảnh báo nguy hiểm của ánh sắng laser phải được thực hiện tại các thiết

bị quang có nguồn phát laser > Hiệu suất ghép quang:

Hiệu suất ghép quang là tỷ số giữa công suất quang ghép vào sợi quang Popt trên

công suât phát quang của nguôn quang Ps

n= opt — P

Ps

Hiệu suất ghép quang phụ thuộc vào : e Kích thước vùng phát quang e_ Góc phát quang của nguồn quang se Góc thu nhận (hay NA) của sợi quang

Trang 27

Bài Tiểu Luận - 27- Nguồn quang và các mạch phát quang Vùng phát sáng Lớp học Điều chỉnh _- Ñ cố cố nguồn và sợi ' NGUỒN QUANG Lõi sợi ` w s -

đóc phát của nguồn Góc thu nhận cửa sợi

Hình 2.14 Ghép ánh sáng từ nguồn quang vào trong sợi quang Hiệu suất ghép quang của một số loại nguồn quang:

e SLED: 1-5% e ELED: 5-15%

e Laser: + 60% đối với sợi quang đơn mode (SMF) e 90% déi voi soi quang da mode (MMF)

So sánh hiệu suất ghép quang giữa SLED và ELED, ta thấy rằng, dù SLED có công suất phát quang lớn hơn so với ELED nhưng do hiệu suất ghép quang thấp nên công suất ánh sáng thực sự có ích (công suất ánh sáng truyền trong sợi quang) thấp hơn so với ELED

> Độ rộng pho:

e Dang phé phát xạ của điôt laze là sự tổng hợp đặc tuyến của đặc tuyến khuyếch đại do bề mặt rộng khe năng lượng thay đổi và đặc tuyến chọn lọc của hốc cộng hưởng

quang phụ thuộc vào chiều dài hốc

e Phố phát xạ của điôt laze rất hẹp so với LED, chỉ khoảng Inm+4nm

e Dang phé gém nhiều vạch rời rạc nên được gọi là phố càng hẹp để giảm tán sắc chất

liệu khi sử dụng bước sóng 1550nm

Trang 28

i Ị (v)

Hình2.15 - Độ rộng phố phát xạ của lazer

> Nhiéu trong Laser:

Nhiễu trong laser xảy ra khi tín hiệu quang phát ra không 6n định về công suất phát

quang, bước sóng phát quang

Nguyên nhân gây ra nhiễu là:

Nhiễu lượng tử là: Nhiễu được tạo ra ngẫu nhiên trong quá trình phat xa photon ánh sáng Nhiễu lượng tử làm cho công suất phát quang ở đầu ra không ôn định Nó phụ thuộc vào:

e_ Tân số điều chế của tính hiệu quang: tần số càng cao ảnh hưởng càng lớn

e_ Nguồn quang đa mode hay don mode: ảnh hưởng nhiều hơn đối với laser đa mode

e Dòng điện phân cực: nhiễu giảm khi dòng điện phân cực lớn hơn dòng ngưỡng của

laser

Sự không ổn định của nguồn quang :

se _ Nguồn quang chất lượng kém hoặc do suy giảm theo thời gian sử dụng

e_ Đặc (tính kỹ thuật của nguồn quang thay đôi khi dòng điện cung cấp thay đôi

Trong laser đơn mode, khi dòng điện tăng lên thì tần số ánh sáng của mode phát xạ tăng

lên Tần số sẽ chuyển dịch từ 100MHz-IGHz/ 1mA dòng điện kích thích Hiện tượng này

còn được gọi là chirp

Sự phản xạ của ảnh sáng vào nguồn quang: ánh sáng phản xạ ngược về tại các connector Do mối hàn, tán xạ Rayleigh xảy ra trong sợi quang .Tại đó ánh sáng phản xạ

được khuếch đại trong vùng tích cực và phát xạ ra ngoài laser cùng với tín hiệu quang, gây

Trang 29

Nhiễu thành phẩn: xảy ra trong nguồn quang đa mode, khi các mode phát ra không ổn định Sự thay đôi của nhiệt độ làm ảnh hưởng phân bố công suất giữa các mode đọc

Cường độ tương

0.82 Bước sóng (um) 0,82 Bước sóng (um)

Hình 2.16 — Nhiễu thành phần trong nguồn quang da mode

2.2.3 Mạch phát quang dùng Lazer Diode +V LD PD X ^ rc 1 Bo loc Ip LÔNG thong thap ` TEC — T NAND Vs Bộ chuyén mach dong t

Hinh 2.17 — Mach phat quang ding Lazer Diode

Mach phát quang ding Lazer Diode trong hình 3.3 bao gồm các thành phan cơ bản sau: Cổng NAND là công logic (dùng để cộng logic các tín hiệu ở đầu vào của nó để tạo ra

tín hiệu đầu ra theo quy tắc: 0+0=0, 1+0=0, 0+1=0, 1+1=0); bộ lọc thông thấp dùng để ốn

định công suất phát của Lazer khi tín hiệu giảm; khối điều khiến Is có chức năng cấp dòng

Trang 30

như một khóa điện tử K; Lazer Diode (LD) dùng để phát ra tín hiệu quang để truyền đi trên sợi quang; PhotoDiode (PD) là diode tách quang có chức năng thu tín hiệu quang từ LD;

TEC là bộ điều khiển nhiệt điện có chức năng điều khiến nhiệt độ của LD (trong TEC có pin

nhiệt điện và LD được gan trên bề mặt của pm này); T là bộ cảm ứng nhiệt có chức năng phát hiện ra sự thay đôi nhiệt độ của LD

Do đặc tính P — I (đặc tuyến phát xạ) của LD là đường gãy khúc, trong thực tế thì nó là

đường cong Vì vậy, chúng ta chỉ sử dụng tín hiệu số để điều chế cường độ ánh sáng của LD,

mà không dùng tín hiệu analog (vì tín hiệu analog sẽ làm méo dạng tín hiệu ở phía thu)

Cho tín hiệu điêu chế V; là tín hiệu số đi vào mạch điện Tín hiệu số V; tại đầu vào là tín

hiệu nhị phân bao gồm có 2 mức là I và 0 Bởi vì công suất phát của LD phụ thuộc vào nhiệt

độ (nhiệt độ tăng thì công suất phát giảm, và ngược lại nhiệt độ giảm thì công suất phát

tăng), vì vậy muốn công suất phát của LD không giảm khi nhiệt độ tăng thì phải dùng mạch ôn định nhiệt độ

Khi nhiệt độ của LD tăng thì bộ cảm ứng nhiệt T sẽ nhận biết được sự thay đỗi nhiệt độ

của LD, và nó sẽ thông báo thông tin về nhiệt độ của LD tăng cho pin nhiệt điện thông qua

dong một chiêu bơm cho pin nhiệt điện theo một chiều định trước Do đó, nhiệt độ của LD

càng tăng thì dòng bơm càng lớn và khi đó nhiệt độ của pin nhiệt điện càng giảm làm cho nhiệt độ của LD cũng giảm theo Khi nhiệt độ của LD giảm xuống quá thấp thì dòng bơm

qua pin nhiệt điện sẽ đôi chiều làm cho nhiệt độ của pin lại tăng lên, và đồng thời cũng làm

tăng nhiệt độ của LD Tuy nhiên, mạch én định nhiệt độ cũng chỉ giữ cho nhiệt độ của LD thay đổi trong một phạm vi nhất định, mà nó không thê giữ được nhiệt độ của LD được ổn định hoàn tồn Vì vậy mà cơng suất phát đầu ra của LD vẫn thay đổi Do đó, ngoài mạch én

định nhiệt độ cho LD thì chúng ta cũng cần phải sử dụng mạch ổn định công suất phát cho LD để cho công suất phát đầu ra của LD được ôn định khi nhiệt độ của LD thay đổi

Trong mạch ôn định công suất phát cho LD, thì ta gắn sợi quang vào một phía của LD

qua gương phan xa R,; = 0,3 Diode tách quang PD được gắn với LD qua gương phan xạ R¿

= 0,7 Khi nhiệt độ của LD tăng thì sẽ làm cho mức công suất phát của LD sẽ giảm, nên phần công suất ánh sáng chiếu vào PD giảm, dẫn đến dòng tách quang cũng giảm theo

Dòng tách quang này sẽ được đưa vào khối điều khiến Iạ để làm tăng dòng định thiên cho

Trang 31

Bài Tiểu Luận -3]- Nguồn quang và các mạch phát quang

quang này sẽ được đưa vào khối điều khiến I; để làm giảm dòng định thiên cho LD Khi

dòng định thiên giảm thì cũng sẽ làm cho công suất phát của LD giảm theo Như vậy, công

suất phát của LD sẽ được Ổn định

Ngoài ra, trong mạch còn có bộ lọc thông thấp có chức năng Ơn định cơng suất phát của

LD khi tín hiệu đầu vào giảm Khi tín hiệu đầu vào giảm, thì tín hiệu cũng sẽ đi qua bộ lọc thông thấp và đi vào trong khối điều khiến Iạ, và làm tăng dòng định thiên lạ Do đó, mức

Trang 32

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] J M Senior, Optical Fiber Communications Principles and Practice, Second

edition, Prentice Hall, 1993

[2] J Gowar, Optical Communication Systems Second edition, Prentice-Hall, 1993

[3] Vũ Văn San, Hệ thống Thông Tin Quang tập 1, Nhà xuất bản Bưu Điện, 7-2003

Trang 33

Định dạng
Số trang	33
Dung lượng	6,09 MB