(NB) Giáo trình Thông tin quang gồm 6 chương và được chia thành 2 phần. Phần 1 sẽ gồm những nội dung chính sau: Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang; Sợi quang; Bộ phát quang...Mời các bạn tham khảo để biết thêm nội dung chi tiết.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG KHOA ĐIỆN TỬ - TIN HỌC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG LẠI NGUYỄN DUY HUỲNH THANH HỊA GIÁO TRÌNH THƠNG TIN QUANG (GIÁO TRÌNH DÙNG CHO HỆ CAO ĐẲNG NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG CHUYÊN NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG) TP HỒ CHÍ MINH, 09 - 2018 (LƯU HÀNH NỘI BỘ) MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 1.1 Mơ hình chung hệ thống thơng tin sợi quang 1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin sợi quang 1.1.2 Cấu hình hệ thống thông tin sợi quang 1.1.3 Ưu, nhược điểm hệ thống thông tin quang 1.2 Một số vấn đề quang vật lý kỹ thuật thông tin quang 1.2.1 Một số vấn đề ánh sáng 1.2.2 Vật liệu bán dẫn quang .8 1.2.3 Các hiệu ứng vật liệu quang .9 BÀI TẬP CHƯƠNG 10 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG 11 2.1 Cấu trúc phân loại sợi quang 11 2.1.1 Cấu tạo sợi quang .11 2.1.2 Phân loại sợi quang 12 2.2 Mơ tả q trình truyền ánh sáng sợi quang 14 2.2.1 Khái niệm mode tia sáng .14 2.2.2 Sợi quang đơn mode đa mode 14 2.3 Truyền sóng ánh sáng sợi quang 15 2.3.1 Tổng quan mode truyền .15 2.3.2 Phương trình sóng đặc trưng cho sợi quang .16 2.4 Tán sắc suy hao sợi quang .26 2.4.1 Tán sắc sợi quang 26 2.4.2 Suy hao sợi quang 31 BÀI TẬP CHƯƠNG 33 CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 34 3.1 LED .34 31.1 Cấu trúc LED 34 3.1.2 Đặc tính phổ LED 35 3.1.3 Đặc tính điều chế LED .36 3.1.4 Mạch phát sử dụng LED 38 3.2 Laser diode 39 3.2.1 Cấu trúc Laser diode 39 3.2.2 Đặc tính Laser diode 40 i 3.2.3 Mạch phát sử dụng Laser diode 41 BÀI TẬP CHƯƠNG 44 CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG 45 4.1 Các khái niệm 45 4.1.1 Độ đáp ứng phần tử chuyển đổi quang- điện 45 4.1.2 Thời gian đáp ứng phần tử chuyển đổi quang- điện 46 4.2 Các phần tử chuyển đổi quang- điện bán dẫn 46 4.2.1 Photodiode p -n 46 4.2.2 Photodiode PIN .47 4.2.3 Photodiode APD .48 4.3 Nhiễu thu quang 49 4.3.1 Nhiễu nổ 49 4.3.2 Nhiễu nhiệt .50 BÀI TẬP CHƯƠNG 50 CHƯƠNG 5: KHUYẾCH ĐẠI QUANG 52 5.1 Các khái niệm 52 5.1.1 Phổ độ rộng băng tần khuếch đại quang 52 5.1.2 Nhiễu khuếch đại quang .54 5.1.3 Ứng dụng khuếch đại quang 54 5.2 Một số vấn đề ứng dụng khuếch đại quang 55 5.2.1 Tiền khuếch đại quang 55 5.2.2 Tích luỹ nhiễu hệ thống quang cự li dài 56 BÀI TẬP CHƯƠNG 58 CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 59 6.1 Hệ thống thông tin quang tương tự 59 6.1.1 Tổng quan tuyến TTQ tương tự 59 6.1.2 Tuyến điểm nối điểm điểm nối đa điểm 62 6.2 Hệ thống thông tin quang số .64 6.2.1 Một số vấn đề thiết kế hệ thống thông tin quang 65 6.2.2 Các nguồn bù công suất thiết kế hệ thống thông tin quang 67 BÀI TẬP CHƯƠNG 69 ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP .70 CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO .81 ii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Kỹ thuật thông tin quang ngày sử dụng rộng rãi viễn thơng, truyền số liệu, truyền hình cáp, … Trong chương này, tìm hiểu đời phát triển thông tin quang, cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin quang, ưu điểm nhược điểm cáp sợi quang, lĩnh vực ứng dụng công nghệ thông tin sợi quang 1.1 MƠ HÌNH CHUNG CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN SỢI QUANG 1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin sợi quang Hình 1.1 biểu thị cấu hình hệ thống thơng tin quang Nói chung, tín hiệu điện từ máy điện thoại, từ thiết bị đầu cuối, số liệu Fax đưa đến E/O (chuyển đổi điện quang) để chuyển thành tín hiệu quang, sau gửi vào cáp quang Khi truyền qua sợi quang, cơng suất tín hiệu (ánh sáng) bị suy yếu dần dạng sóng bị rộng Khi truyền tới đầu bên sợi quang, tín hiệu đưa vào O/E (chuyển đổi quang điện) để tạo lại tín hiệu điện, khơi phục lại ngun dạng ban đầu mà máy điện thoại, số liệu Fax gửi Hình 1.1 Cấu hình hệ thống thơng tin quang 1.1.2 Cấu hình hệ thống thông tin quang Cấu trúc hệ thống thơng tin quang mơ tả đơn giản hình 1.2, gồm: Bộ phát quang, thu quang môi trường truyền dẫn cáp sợi quang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THƠNG TIN QUANG Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống thơng tin quang Trên hình 1.2 minh họa tuyến truyền dẫn quang liên lạc theo hướng Hình 1.3 minh họa tuyến truyền dẫn quang liện lạc theo hai hướng Hình 1.3 Minh họa tuyến truyền dẫn quang liện lạc theo hai hướng Như vậy, để thực truyền dẫn hai điểm cần có hai sợi quang Nếu cự ly thông tin dài tuyến có nhiều trạm lặp (Repeater) Cấu trúc đơn giản trạm lặp (cho hướng truyền dẫn) minh họa hình 1.4 Hình 1.4 Cấu trúc đơn giản trạm lặp quang + Khối E/O: phát quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện đưa đến, biến tín hiệu điện thành tín hiệu quang, đưa tín hiệu quang lên đường truyền (sợi quang) Đó chức khối E/O phát quang Thường người ta gọi khối E/O nguồn quang Hiện linh kiện sử dụng làm nguồn quang LED LASER + Khối O/E: tín hiệu quang truyền đến đầu thu, tín hiệu quang thu nhận biến trở lại thành tín hiệu điện đầu phát Đó chức khối O/E thu quang Các linh kiện sử dụng để làm chức PIN APD, chúng thường gọi linh kiện tách sóng quang (photodetector) + Trạm lặp: truyền sợi quang, cơng suất tín hiệu quang bị suy yếu dần (do sợi quang có độ suy hao) Nếu cự ly thơng tin q dài tín hiệu quang không đến đầu thu đến đầu thu với cơng suất thấp đầu thu khơng nhận biết được, lúc ta phải sử dụng trạm lặp (hay gọi trạm tiếp vận) Chức trạm lặp thu nhận tín hiệu quang suy yếu, tái tạo chúng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THƠNG TIN QUANG trở lại thành tín hiệu điện Sau sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín hiệu sửa dạng, chuyển đổi tín hiệu khuếch đại thành tín hiệu quang Và cuối đưa tín hiệu quang lên đường truyền để truyền tiếp đến đầu thu Như vậy, tín hiệu ngõ vào ngõ trạm lặp dạng quang, trạm lặp có khối O/E E/O 1.1.3 Ưu, nhược điểm hệ thống thông tin quang Ưu điểm: + Suy hao thấp Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền dài Nếu so sánh với cáp đồng mạng, khoảng cách lớn cáp đồng khuyến cáo 100 m, cáp quang khoảng cách 2000 m + Một nhược điểm cáp đồng suy hao tăng theo tần số tín hiệu Điều có nghĩa tốc độ liệu cao dẫn đến tăng suy hao công suất giảm khoảng cách lan truyền thực tế Đối với cáp quang suy hao khơng thay đổi theo tần số tín hiệu + Dải thơng rộng Sợi quang có băng thông rộng cho phép thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao Hiện nay, băng tần sợi quang lên đến hàng THz + Trọng lượng nhẹ Trọng lượng cáp quang nhỏ so với cáp đồng Một cáp quang có sợi quang nhẹ 20% đến 50% cáp Category có đơi Cáp quang có trọng lượng nhẹ nên cho phép lắp đặt dễ dàng + Kích thước nhỏ Cápsợi quang có kích thước nhỏ dễ dàng cho việc thiết kế mạng chật hẹp không gian lắp đặt cáp + Khơng bị can nhiễu sóng điện từ điện cơng nghiệp + Tính an tồn, sợi quang chất điện mơi nên khơng dẫn điện Bảng 1.1 So sánh cáp quang cáp đồng + Tính bảo mật Sợi quang khó trích tín hiệu Vì khơng xạ lượng điện từ nên khơng thể bị trích để lấy trộm thơng tin phương tiện điện thông thường dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, khó trích lấy thơng tin dạng tín hiệu quang + Tính linh hoạt Các hệ thống thơng tin quang khả dụng cho hầu hết dạng thông tin số liệu, thoại video CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Nhược điểm: + Vấn đề biến đổi Điện - Quang Trước đưa tín hiệu thơng tin điện vào sợi quang, tín hiệu điện phải biến đổi thành sóng ánh sáng + Dòn, dễ gẫy Sợi quang sử dụng viễn thơng chế tạo từ thủy tinh nên dòn dễ gẫy Hơn kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối gặp nhiều khó khăn Muốn hàn nối cần có thiết bị chuyên dụng + Vấn đề sửa chữa Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có nhóm kỹ thuật viên có kỹ tốt thiết bị thích hợp + Vấn đề an tồn lao động Khi hàn nối sợi quang cần để mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, khơng có phương tiện phát mảnh thủy tinh thể Ngồi ra, khơng nhìn trực diện đầu sợi quang hay khớp nối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền sợi chiếu trực tiếp vào mắt Ánh sáng sử dụng hệ thống thông tin quang ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận nên điều tiết có nguồn lượng này, gây nguy hại cho mắt 1.2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ QUANG VẬT LÝ TRONG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 1.2.1 Một số vấn đề ánh sáng Sóng điện từ: Ánh sáng sóng điện từ Hình 1.5 Sóng điện từ hình tĩnh Trong mơi trường khơng gian tự do, ánh sáng sóng điện từ ngang (TEM) Khái niệm ngang (transverse) có nghĩa hai véc tơ điện trường E từ trường H vng góc với phương truyền, trục z hình 1.5 Tần số: Ký hiệu f Đơn vị: Hz (Hertz), hay cps (cycle per second) Bước sóng: Ký hiệu: λ Đơn vị: m (µm, nm) Giữa tần số bước sóng có mối quan hệ sau: hay (1.1) Với c vận tốc ánh sáng chân không, c = 3.108 m/s Ví dụ: Ta xem quan hệ bước sóng tần số bảng 1.2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Bảng 1.2 Các băng sóng vơ tuyến + Vùng ánh sáng nhìn thấy được: chiếm dải phổ từ 380 nm đến 780 nm + Vùng hồng ngoại: chia làm phần: - Vùng hồng ngoại gần: 780 nm ÷ 1400 nm - Vựng hng ngoi gia: 1,4 àm ữ µm - Vùng hồng ngoại xa: µm ÷ mm Ánh sáng dùng thông tin quang: 800 nm ÷ 1600 nm (như nằm vùng hồng ngoại gần phần vùng hồng ngoại giữa) Ba bước sóng ánh sáng thơng dụng dùng hệ thống thông tin quang gọi cửa sổ quang: - Cửa sổ 1: λ1 = 850 nm - Cửa sổ 2: λ2 = 1300 nm - Cửa sổ 3: λ3 = 1550 nm - Cửa sổ 4: λ4 = 1625 nm Chiết suất khúc xạ (Refractive index): Ánh sáng xem chùm tia sáng Các tia sáng lan truyền môi trường khác với vận tốc khác Có thể xem mơi trường khác cản trở lan truyền canh sáng lực khác Điều đặc trưng chiết suất khúc xạ môi trường Chiết suất môi trường suốt (n) xác định tỉ số vận tốc ánh sáng lan truyền chân không với vận tốc ánh sánh lan truyền môi trường (1.2) Với n: chiết suất mơi trường, khơng có đơn vị v: vận tốc ánhsáng môi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG trường, (m/s) c: vận tốc ánh sáng chân khơng, (m/s) Ví dụ: Chiết suất vài mơi trường thơng dụng: Vì v ≤ c nên n ≥ - Khơng khí: n = 1,00029 =1,0 - Nước: n = 4/3 =1,33 - Thủy tinh: n = 1,48 Phản xạ, khúc xạ, phản xạ tồn phần: Ánh sáng truyền thẳng mơi trường đồng nhất, bị phản xạ khúc xạ biên ngăn cách hai môi trường đồng khác Như vậy, ba đặc điểm ánh sáng là: - Truyền thẳng - Phản xạ - Khúc xạ Tổng quát, tia sáng tới mặt ngăn cách hai môi trường, tia sáng bị tách làm hai phần: phần dội lại môi trường đầu (hiện tượng phản xạ), phần truyền tiếp qua môi trường hai Tia truyền tiếp bị lệch hướng truyền so với tia ban đầu (hiện tượng khúc xạ) Ðiều minh họa hình 1.6 Hình 1.6 Hiện tượng phản xạ khúc xạ ánh sáng Ðịnh luật phản xạ ánh sáng: phát biểu tóm tắt sau Tia phản xạ nằm mặt phẳng tới Góc phản xạ góc tới: Ðịnh luật khúc xạ ánh sáng: phát biểu tóm tắt sau Tia khúc xạ nằm mặt phẳng tới Góc khúc xạ góc tới liên hệ theo công thức Snell: (1.3) CHƯƠNG 2: SỢI QUANG Tán sắc tổng cộng: (2.17) Có thể thấy rõ ý nghĩa vật lý tán sắc màu so sánh lan truyền anh sáng qua lăng kính minh họa hình 2.14 với lan truyền ánh sáng sợi quang hình 2.15 Hình 2.14 Hiện tượng tán sắc Khi ánh sáng trắng truyền qua lăng kính bước sóng khác bị uốn cong với góc khác tạo thành tượng cầu vòng Đó tượng tán sắc Hình 2.15 Ánh sáng lan truyền sợi quang bị tán sắc 30 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG Tán sắc phân cực mode: Mặc dù ta gọi sợi quang đơn mode thực tế ln truyền mốt sóng gọi chung tên Các mode sóng điện từ phân cực tuyến tính truyền sợi quang mặt phẳng vng góc với Nếu chiết suất sợi quang không phương truyền hai mốt trên, tượng tán sắc phân cực mode xảy Sự khác số chiết suất gọi khúc xạ kép hay lưỡng chiết sợi (Birefringence) Hỉnh 2.16 Minh hoạ tán sắt phân cực mode Trên thực tế, số lan truyền phân cực thay đổi theo chiều dài sợi quang thời gian trễ đoạn sợi quang ngẫu nhiên có xu hướng khử lẫn Do tán sắc phân cực mốt tỉ lệ tuyến tính với bậc chiều dài sợi quang: (2.18) 2.4.2 Suy hao sợi quang Suy hao sợi quang đóng vai trò quan trọng việc thiết kế hệ thống, tham số xác định khoảng cách phía phát phía thu Ảnh hưởng tính sau: cơng suất ngõ Pout cuối sợi quang có chiều dài L có liên hệ với công suất ngõ vào sau: với α suy hao sợi quang Pout = Pin e-αL (2.20) Thường suy hao sợi gán giá trị dương tổng quát hệ số suy hao xác định cơng thức sau: (2.21) Các ngun nhân gây suy hao là: hấp thụ, tán xạ tuyến tính uốn cong 31 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG Suy hao hấp thụ: Bản chất ánh sáng hạt photon, mà sợi quang vật rắn có cấu trúc mạng tinh thể, nên iơn hay điện tử đầu nút mạng hấp thụ photon ánh sáng truyền qua sợi quang Sự hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng chất vật liệu hấp thụ tạp chất sợi hay vật liệu chế tạo sợi Cụ thể, q trình sản xuất sợi quang có nhiều tạp chất iôn kim loại (Fe,Cu, Cr…) ion OH- Các iôn gây nên đỉnh hấp thụ bước sóng 2,7µ m đỉnh sóng phụ 0,94µ m; 1,24µ m; 1,39µ m… gây ảnh hưởng đến sóng lan truyền sợi Bên cạnh đó, thân vật liệu làm nên sợi quang thủy tinh gây nên dải hấp thụ hấp thụ cực tím bước sóng λ < 0,4µ m hấp thụ hồng ngoại bước sóng λ >7µ m Tuy nhiên với cơng nghệ đại ngày nay, người ta giảm thiểu hấp thụ cách loại trừ tạp chất hình thành trình sản xuất (đặc biệt iôn OH-) Suy hao tán xạ: Tán xạ kết khuyết tật hay nhiễu lọan sợi cấu trúc vi mô sợi Tán xạ suy từ thay đổi cấu trúc phân tử nguyên tử thủy tinh hay từ thay đổi mật độ thành phần sợi Những thay đổi trình sản xuất sợi tạo Nó gây nên thay đổi chiết suất dẫn đến thay đổi phản xạ tia sáng nhũng điểm lõi sợi mà ta gọi tâm tán xạ Góc lan truyền tia sáng tới giao diện lõi vỏ có thay đổi làm thay đổi tia khúc xạ theo đường dẫn không xảy tượng phản xạ nội toàn phần (TIR), điều gây giảm lượng ánh sáng lan truyền dọc theo lõi sợi Có hai loại tán xạ là: tán xạ Rayleigh tán xạ Mie, tán xạ Rayleigh quan trọng Nguyên nhân không đồng thủy tinh thành phần mật độ Điều gây nên thăng giáng số chiết suất dẫn đến suy giảm cơng suất bước sóng theo cơng thức sau: (2.22) Với số C nằm dải 0,7÷ 0,9 dB/km phụ thuộc vào cấu trúc sợi Còn tán xạ Mie tán xạ xảy nơi không đồng nhất, điểm có khuyết tật cấu trúc sợi hay không đồng số chiết suất bọt khí tạo q trình sản xuất Tuy nhiên ta coi tán xạ Mie không đáng kể cách trọng tới trình sản xuất để giảm thiểu nguyên nhân gây tán xạ Những suy giảm tán xạ q trình tuyến tính, khơng gây dịch tần, bước sóng trước sau tán xạ không thay đổi Suy hao uốn cong sợi: Đây suy hao uốn cong thay đổi bán kính cong sợi Có hai loại suy hao uốn cong là: suy hao uốn cong cỡ nhỏ suy hao uốn cong cỡ lớn Suy hao uốn cong cỡ lớn xảy bán kính cong sợi giảm Ban đầu bán kính cong sợi lớn bán kính sợi Khi sợi bị uốn cong góc lan truyền thay đổi dẫn đến số tia sáng khơng đảm bảo điều kiện phản xạ toàn phần dẫn đến giảm số lượng tia sáng truyền lõi sợi Do bán kính cong giảm mức suy hao tăng Bán kính cong cho phép Rc = a/NA Trong thực tế yêu cầu bán kính 32 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG cong phải lớn bán kính cong cho phép để suy hao không vượt 0,1dB Suy hao uốn cong cỡ nhỏ uốn cong có bán kính cong nhỏ theo trục sợi xuất trình cài đặt, đo kiểm hay thiết lập có lực tác động lên sợi quang làm sợi bị méo dạng thay đổi góc lan truyền tia sáng Ánh sáng bị mát ngồi vỏ sợi Ngồi gây q trình ghép cặp mode BÀI TẬP CHƯƠNG Câu 1: Trình bày cấu tạo sợi quang Câu 2: Phân loại sợi quang Câu 3: Phân biệt sợi quang đơn mode đa mode Câu 4: Trình bày mode truyền sóng sợi quang Câu 5: Trình bày loại tán sắc sợi quang Câu 6: Trình bày loại suy hao sợi quang Câu 7: So sánh loại tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng, tán sắc mode phân cực tán sắc mode Câu 8: So sánh loại hấp thụ, tán xạ tuyến tính uốn cong Câu 9: Cho chiết suất lõi sợi quang n1=1.5, chiết suất lớp bọc sợi quang n2=1.485, độ số NA = 0.2 Xác định góc nhận ánh sáng Câu 10: Cho tần số chuẩn hóa V= 2.405, độ số NA=0.8, bán kính lõi sợi quang a= 50um Xác định bước sóng làm việc 33 CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG CHƯƠNG BỘ PHÁT QUANG Trang bị cho sinh viên: Kiến thức cấu tạo loại phát quang 3.1 LED 3.1.1 Cấu trúc LED Về bản, cấu tạo LED phát triển từ diode bán dẫn, hoạt động dựa tiếp giáp pn phân cực thuận Quá trình phát xạ ánh sáng xảy LED dựa tượng phát xạ tự phát (hình 3.1) Trên thực tế, LED có cấu trúc phức tạp hơn, gồm nhiều lớp bán dẫn để đáp ứng đồng thời yêu cầu kỹ thuật nguồn quang Hình 3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động LED 34 CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG Khi đặt hai lớp bán dẫn p n kế nhau, lớp tiếp giáp pn, điện tử bán dẫn n khuếch tán sang bán dẫn p để kết hợp với lỗ trống Kết là, lớp tiếp giáp pn tạo nên vùng có hạt mang điện (điện tử hay lỗ trống) gọi vùng (depletion region) Lưu ý: p chất bán dẫn có thừa lỗ trống (mang điện tích dương), n chất bán dẫn có thừa điện tử (mang điện tích âm) hai chất bán dẫn trung hòa điện Tại vùng hiếm, bán dẫn n số điện tử nên mang điện tích dương, bán dẫn p nhận thêm số điện tử nên mang điện tích âm Điều tạo nên điện trường VD ngăn không cho hạt mang điện khuếch tán qua lại bán dẫn n p Khi phân cực thuận (V > VD) cho bán dẫn pn hình 3.1, điện tử bán dẫn n vượt qua vùng tiếp giáp pn chạy phía cực dương nguồn điện (đồng thời lỗ trống phía cực âm nguồn điện), tạo thành dòng điện chạy qua bán dẫn pn Đây nguyên lý hoạt động diode bán dẫn Trong trình điện tử từ bán dẫn n chạy điện cực dương, điện tử gặp lỗ trống bán dẫn p (bán dẫn có thừa lỗ trống) Khi đó, điện tử lỗ trống kết hợp với tạo liên kết cộng hóa trị nguyên tử bán dẫn Xét mặt lượng, điện tử kết hợp với lỗ trống có nghĩa điện tử chuyển từ trạng thái lượng cao (vùng dẫn) sang trạng thái lượng thấp (vùng hóa trị) giống tượng phát xạ tự phát Khi đó, theo định luật bảo tòan lượng, bán dẫn phát lượng với độ chênh lệch vùng dẫn vùng hóa trị Nếu chất bán dẫn sử dụng có dải cấm lượng trực tiếp lượng phát dạng photon ánh sáng Đây nguyên lý phát xạ ánh sáng diode phát quang LED (Light emitting diode) 3.1.2 Đặc tính phổ LED Trong thông tin quang, ánh sáng nguồn quang phát khơng phải bước sóng mà khoảng bước sóng Điều dẫn đến tương tán sắc sắc thể (chromatic dispersion) làm hạn chế cự ly dung lượng truyền dẫn tuyến quang Tính chất nguồn quang nói chung LED nói riêng giải thích sau: + Các nguồn quang thông tin quang chế tạo từ chất bán dẫn Do đó, điện tử nằm vùng lượng mức lượng + Các điện tử chuyển từ các mức lượng Ej vùng dẫn xuống mức lượng Ei vùng hố trị tạo photon có bước sóng: Do có nhiều mức lượng khác vùng lượng nên có nhiều bước sóng ánh sáng tạo Phân bố mật độ điện tử vùng dẫn vùng hố trị khơng nhau, dẫn đến công suất phát quang bước sóng khác khơng Bước sóng có cơng suất lớn gọi bước sóng trung tâm Bước sóng thay đổi theo nhiệt độ phân bố mật độ điện tử vùng lượng thay đổi theo nhiệt độ 35 CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG Hình 3.2 Nguồn quang bán dẫn phát ánh sáng khoảng bước sóng Độ rộng phổ nguồn quang định nghĩa khoảng bước sóng ánh sáng nguồn quang phát có cơng suất 0.5 lần cơng suất đỉnh (hay giảm dB) Hình 3.3 Đặc tính phổ LED Độ rộng phổ LED phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo nguồn quang Ánh sáng có bước sóng 1,3 µm LED chế tạo bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ 5060nm LED chế tạo bán dẫn GaAs (λ=850nm) phát ánh sáng có độ rộng phổ hẹp 1,7 lần so với LED chế tạo bán dẫn InGaAsP 3.1.3 Đặc tính điều chế LED Đáp ứng điều chế LED phụ thuộc vào đặc tính động hạt tải bị giới hạn thời gian sống hạt tải τc vùng tái hợp Đáp ứng xác định việc sử dụng phương trình tốc độ mật độ hạt tải N Vì điện tử lỗ trống bơm theo cặp tái hợp theo cặp, nên ta cần xét phương trình tốc độ cho loại hạt tải đủ Phương trình tốc độ bao gồm tất chế mà điện tử sinh vùng tích cực Đối với LED, phương trình tốc độ có dạng: 36 CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG Trong số hạng cuối bao gồm q trình tái hợp phát xạ khơng phát xạ đặc trưng thời gian sống hạt tải τc Xét tín hiệu dòng điện điều chế có dạng sin biểu diễn dạng: Với Ib dòng phân cực, Im dòng điều chế ωm tần số điều chế Khi đó, nghiệm tổng quát phương trình: Với 𝑁𝑏 = 𝜏𝑐𝐼𝑏 /𝑞𝑉, V thể tích lớp tích cực Nm xác định bởi: (3.1) Công suất điều chế Pm tỉ lệ tuyến tính với Vì hàm truyền đạt LED định nghĩa sau: (3.2) Hình 3.4 Dạng đáp ứng tần nguồn LED quan hệ tham số điện quang Băng thông điều chế 3dB f3dB định nghĩa tần số mà biên độ giảm 3dB hay giảm nửa so với biên độ đỉnh Kết thu là: (3.3) 37 CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG Thông thường τc nằm khoảng - ns LED InGaAsP Khi đó, băng thơng điều chế tương ứng LED nằm khoảng 50 - 140 MHz Chú ý biểu thức đưa băng tần quang LED tần số cơng suất quang giảm dB Băng thông điện tương ứng LED tần số mà giảm 3dB mô tả biểu thức Dạng đáp ứng tần quan hệ tham số băng thông điện quang cho hình 3.4 3.1.4 Mạch phát sử dụng LED Tín hiệu điều chế tín hiệu analog: Hình 3.5 Sơ đồ khối mạch phát quang LED với tín hiệu điều chế tín hiệu analog Khi Vs mang giá trị dương transistor dẫn LED sáng phát tín hiệu quang; Vs mang giá trị âm transistor tắt LED tắt khơng phát tín hiệu quang Tín hiệu điều chế tín hiệu số: Hình 3.6 Sơ đồ khối mạch phát quang LED với tín hiệu điều chế tín hiệu số 38 CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG Cho tín hiệu điều chế Vs tín hiệu số, có mức giá trị: mức (mức cao) mức (mức thấp) Khi Vs = 0, qua cổng NAND lúc Vs = transistor dẫn LED tắt, khơng phát tín hiệu quang Khi Vs = 1, qua cổng NAND lúc Vs = transistor tắt LED sáng, phát tín hiệu quang 3.2 LASER DIODE Đối với hệ thống thông tin sợi quang yêu cầu dung lượng truyền dẫn lớn nguồn quang Laser diode (LD) bán dẫn lại lựa chọn tối ưu so với LED LD thường có thời gian đáp ứng nhỏ ns, độ rộng phổ hẹp phát ánh sáng kết hợp nên phù hợp ghép nối vào sợi quang có kích thước lõi nhỏ 3.2.1 Cấu trúc Laser diode Về bản, cấu tạo laser có đặc điểm sau: + Cấu trúc nhiều lớp bán dẫn p, n + Ánh sáng phát giữ lớp tích cực (active layer) + Lớp tích cực mỏng, làm vật liệu có chiết suất lớn kẹp hai lớp P N có chiết suất nhỏ Cấu trúc tạo thành ống dẫn sóng + Ánh sáng laser phát phía cạnh, giống LED phát xạ cạnh (ELED) + Ở hai đầu lớp tích cực hai lớp phản xạ với hệ số phản xạ R 30mW) mạng truyền dẫn cự ly xa hay mạng truyền hình cáp việc chế tạo mạch phát quang điều chế trực tiếp hoạt động ổn định điều chế tốc độ cao với dòng điện kích thích lớn (>100mA) trở nên phức tạp khó khăn nhiều Những hạn chế khắc phục sử dụng kỹ thuật điều chế Ổn định nguồn quang: Khác với LED, mạch kích thích cho LD phải sử dụng mạch vòng điều khiển ổn định cơng suất quang laser nhạy với thay đổi nhiệt độ Nhiệt độ tăng, cơng suất phát quang laser giảm Do mạch phát quang sử dụng LD thường có hai mạch vòng điều khiển Mạch vòng thứ mạch vòng điều khiển dòng kích thích mà thơng thường điều khiển dòng phân cực ban đầu Ib thông qua diode thu quang để giám sát cơng suất mơ tả phần Mạch vòng thứ hai mạch vòng ổn định nhiệt độ bao gồm điện trở nhiệt (T) để giám sát nhiệt độ hoạt động LD tạo dòng điều khiển pin Peltier để làm mát cho LD nhiệt độ hoạt động tăng cao mơ tả hình 3.11 43 CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG Hình 3.11 Mơ-đun laser có hệ thống ổn định nhiệt BÀI TẬP CHƯƠNG Câu 1: Hãy liệt kê linh kiện quang sử dụng phát quang Câu 2: Trình bày cấu trúc LED Câu 3: Vẽ mạch phát sử dụng LED giải thích nguyên lý hoạt động Câu 4: Các đặc tính phổ đặc tính điều chế LED ảnh hưởng đến tính phát quang nào? Câu 5: Trình bày cấu trúc Laser diode Câu 6: Trình bày đặc tính Laser diode Câu 7: Vẽ mạch phát sử dụng Laser diode giải thích nguyên lý hoạt động Câu 8: So sánh đặc tính LED Laser diode Câu 9: Tại Laser diode phải cần ổn định nguồn quang? Câu 10: Bộ phát quang có A=2dB, P1= 100mW Xác định P2 Câu 11: Bộ phát quang có P1= 5mW, P2=4mW, L=4Km Xác định α công suất z = 2Km 44 ... CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 1. 1 Mơ hình chung hệ thống thông tin sợi quang 1. 1 .1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin sợi quang 1. 1.2 Cấu hình hệ thống thơng tin sợi... 1. 1.3 Ưu, nhược điểm hệ thống thông tin quang 1. 2 Một số vấn đề quang vật lý kỹ thuật thông tin quang 1. 2 .1 Một số vấn đề ánh sáng 1. 2.2 Vật liệu bán dẫn quang .8 1. 2.3... 10 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG 11 2 .1 Cấu trúc phân loại sợi quang 11 2 .1. 1 Cấu tạo sợi quang .11 2 .1. 2 Phân loại sợi quang 12 2.2 Mô tả trình truyền