Nghiên cứu các đặc trưng của diode phát quang và diode laser ứng dụng trong thông tin quang

Trờng đại học vinh Khoa vật lý -------------------- Phan đức thuận nghiên cứu các đặc trng của diode phát quang và diode laser ứng dụng trong thông tin quang Luận văn tốt nghiệp đại học Chuyên ngành: quang học - quang phổ Vinh - 2006 4 Lời cảm ơn Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại khoa Vật lý - Trờng Đại học Vinh, tôi đã đợc các giảng viên trong cũng nh ngoài khoa truyền đạt nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu và cần thiết. Tôi xin đợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trớc tinh thần giảng dạy nhiệt tình, hết mình và đầy trách nhiệm của các thầy cô giáo. Luận văn này đợc thực hiện và hoàn thành nhờ thạc sĩ Nguyễn Văn Phú. Ngời thầy đã trực tiếp hớng dẫn tôi thực hiện bản luận văn này, đã cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu và sự giảng giải nhiệt tình trong suốt thời gian tôi làm luận văn. Nhân đây tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa Vật lý đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua. Gia đình, ngời thân và bạn bè là nguồn động viên, chỗ dựa cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu, xin cảm ơn những tình cảm quý báu và sự hỗ trợ lớn lao đó. Đó chính là động lực giúp tôi vợt qua khó khăn để có kết quả nh ngày hôm nay. Vinh, ngày 08 tháng 05 năm 2006 Sinh viên : Phan Đức Thuận 5 Phần mở đầu Chúng ta đang ở vào thế kỷ 21 kỷ nguyên của xã hội thông tin, trong đó vai trò của thông tin và kiến thức trở thành yếu tố quyết định sự thành công của mỗi ngành và mỗi quốc gia. Nhìn lại lịch sử phát triển của xã hội loài ngời thì thông tin đã có từ lâu bởi con ngời luôn tìm cách trao đổi với nhau bằng nhiều phơng thức. Thông tin quang cũng ra đời từ rất sớm trên các phơng tiện sơ khai nh là khả năng nhận biết của con ngời về chuyển động, hình dạng và màu sắc của sự vật qua đôi mắt, tiếp đến là dùng ánh sáng để báo hiệu (nh lửa, đèn hải đăng, đèn báo hiệu). Ngày nay với trình độ phát triển cao về thông tin thì hệ thống thông tin quang đã nổi lên và trở thành hệ thống thông tin tiên tiến vào hàng bậc nhất bởi nó có nhiều u điểm là dải thông rộng, khoảng cách đờng truyền dẫn lớn, tránh đợc các nhiễu điện từ, tính bảo mật cao. Loại hình này đã đợc triển khai nhanh trên mạng lới viễn thông của hầu hết các nớc trên thế giới với đủ loại cấu hình linh hoạt, tốc độ và cự ly truyền dẫn phong phú, chất lợng dịch vụ viễn thông đợc đảm bảo. Có thể nói, các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi nhọn cho các dịch vụ viễn thông cao cấp. Khác với thông tin vô tuyến và các loại thông tin hữu tuyến khác, thông tin quang là một hệ thống truyền tin bằng ánh sáng qua sợi quang. Hệ thống này đáp ứng tốt cho cả tín hiệu tơng tự (Analog Signal) và tín hiệu số (Digital Signal) với mọi tốc độ và cự ly khác nhau. Hiểu một cách đơn giản với tín hiệu tơng tự thì thông tin (âm thanh, hình ảnh, dữ liệu) đợc đa vào nguồn quang để đi ra sợi quang và từ sợi quang qua bộ tách sóng quang ta thu đợc thông tin cần truyền. Với tín hiệu số thì thông tin gốc đợc mã hoá chuyển tới nguồn quang đi 6 qua sợi quang vào bộ tách sóng quang để sau đó nhờ bộ giải mã ta lại thu đợc thông tin ban đầu. Xu hớng chung của các hệ thống thông tin quang là tín hiệu số, bởi tín hiệu số có nhiều u việt hơn tín hiệu tơng tự. Với tất cả hệ thống thông tin quang đều cần đến chuyển đổi điện quang (E/O). Có thể nói đây là linh hồn của hệ thống bởi thông tin gốc (data,video,voice) là tín hiệu điện trong khi đó đờng truyền là sợi quang thì tín hiệu truyền đi là ánh sáng. Chính vì vậy mà bộ biến đổi điện quang là bộ phận rất cần thiết và không thể thiếu đợc trong hệ thống thông tin quang. Trong bộ chuyển đổi điện quang thì nguồn phát sóng thờng dùng Diode phát quang (LED) và Diode laser bán dẫn (LD). Nguồn LED chỉ dùng cho những hệ thống yêu cầu công nghệ không cao đáp ứng cho các mạng nội hạt với tốc độ trung bình và cự li ngắn. Để truyền thông tin đi xa hơn thì ngời ta phải dùng đến Laser bán dẫn vì nó có nhiều u điểm mà LED không có đợc (ánh sáng đơn sắc, năng lợng cao). Laser bán dẫn là một linh kiện quan trọng trong hệ thống thông tin quang. Nhng để truyền đợc ánh sáng này qua sợi quang thì ta phải tạo ra các laser module (thực chất là ghép nối với sợi quang vào chip laser diode). Để cho các nguồn phát quang có chất lợng tốt, phù hợp với mục đích của mình thì ta phải nghiên cứu các đặc trng cơ bản của Diode phát quang (LED) và Diode laser bán dẫn (LD). Chính vì mục đích đó mà trong bản luận văn này chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu Các đặc trng của Diode phát quang và Diode laser ứng dụng trong thông tin quang Ngoài phần mơ đầu và kết luận, nội dung của luận văn gồm hai chơng. Chơng I: Tổng quan về thông tin quang và cáp sợi quang Trong chơng này chúng tôi trình bày một cách tổng quan về nguyên lý, cấu tạo, cách phân loại và tính chất của sợi quang cùng với điều kiện đảm bảo tối u quá trình truyền dẫn trong sợi quang. 7 Chơng II: Các đặc trng của Diode phát quang (LED) và Diode laser bán dẫn (LD) Trong chơng này chúng tôi trình bày các kiến thức cơ bản của Diode phát quang, khuếch đại laser và Diode laser bán dẫn nh: Sự khuếch đại, quá trình bơm, cấu trúc dị chất của laser bán dẫn. Bên cạnh đó chúng ta đi sâu tìm hiểu các đặc trng về công suất ra, phân bố phổ, phân bố không gian, ngỡng phát và các mode của laser diode. Trên cơ sở đó đa ra các biểu thức hiệu suất, độ nhạy và thời gian đáp ứng của LED. Do hạn chế về thời gian và trình độ, bản luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng tôi mong nhận đợc sự thông cảm và các góp ý của quý thầy, cô giáo và các bạn sinh viên. Mục lục Nội dung Trang Lời Mở đầu 1 Chơng I Tổng quan về thông tin quang và cáp sợi quang . 4 I. Nguyên lý tổ chức hệ thống truyền dẫn quang . 4 II. Cấu tạo và phân loại sợi quang . 7 1. Cấu tạo sợi quang 7 2. Phân loại sợi quang 8 2.1. Phân loại theo vật liệu 8 2.2. Phân loại theo mode lan truyền 8 2.3. Phân loại theo chiết suất 8 III. Điều kiện lan truyền mode dẫn truyền trong các sợi quang giật cấp 9 1. Điều kiện phản xạ toàn phần 9 2. Điều kiện giao thoa 10 3. Điều kiện biên 10 8 IV u điểm của kỹ thuật truyền dẫn quang . 10 Chơng 2. Các đặc trng của Diode phát quang và Diode laser 13 1. Quá trình hấp thụ photon, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích 13 2. Đảo lộn mật độ c trú và điều kiện để có đảo lộn mật độ c trú . 15 3. Diode phát quang, khuếch đại laser và diode laser (LD) 17 3.1. Diode phát quang LED 17 3.1.1. Cấu tạo của LED . 17 3.1.2. Các đặc trng của diode phát quang LED . 18 3.2. Khuếch đại laser bán dẫn . 27 3.2.1. Sự khuếch đại . 27 3.2.2. Quá trình bơm 33 3.2.3. Cấu trúc dị chất 35 3.3. Diode laser bán dẫn dạng phun . 39 3.3.1. Cấu tạo . 39 3.3.2. Ngỡng phát của laser 40 3.3.3. Đặc trng công suất của laser 42 3.3.4. Đặc trng I V 44 3.3.5. Đặc trng phổ bức xạ của laser diode. 45 3.3.6. Phân bố không gian 47 3.3.7. Các mode của laser diode 49 3.3.8. Lựa chọn mode và một số cấu trúc laser bán dẫn đặc trng 50 Kết luận . 54 Phụ lục . 55 Tài liệu tham khảo 59 9 Chơng I Tổng quan về thông tin quang và cáp sợi quang I. Nguyên lý tổ chức hệ thống truyền dẫn quang Cho đến nay, các hệ thống thông tin quang không còn đợc gọi là các hệ thống thông tin mới nữa, nó đã trải qua nhiều năm khai thác trên mạng lới với các cấu trúc khác nhau. Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang thờng phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết các quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hớng này. Theo quan niệm thống nhất nh vậy, ta có thể xem xét cấu trúc của tuyến truyền thông tin quang bao gồm các thành phần chính nh hình (1.a) 10 Hình 1.a: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang Các thành phần chính của tuyến gồm có thiết bị phát quang - còn gọi là bộ phát quang, cáp sợi quang và thiết bị thu quang - hay bộ thu quang. Thiết bị phát quang đợc cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trờng bên ngoài. Thiết bị thu quang đợc cấu tạo từ bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có bộ ghép quang (connector), các mối hàn, các bộ chia quang và các trạm lặp; ở các tuyến thông tin quang hiện đại còn có thể có các bộ khuếch đại quang, thiết bị bù tán sắc và các trạm xen rẽ kênh, tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. Trong tuyến truyền dẫn cáp sợi quang thông thờng gồm có hai thành phần cơ bản đó là hệ thống thông tin điện hình (1.b) và hệ thống thông tin quang hình (1.c) Trên sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống truyền dẫn quang cho trên hình (1.c). Chức năng của các phần tử của hệ thống có thể nhận biết sơ bộ nhờ so sánh với một hệ thống truyền dẫn tín hiệu điện cổ điển nh hình (1.b). Trong đó các phần tử của hai hệ thống là tơng đồng nhau. Hình1.b: Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin điện 11 Hình 1.c: Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang Nguồn tín hiệu thông tin là nh nhau, đều là các dạng thông tin thờng hiện nay nh tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn bản Phần điện tử là phần chung của hai hệ thống. Để xử lý nguồn tin tạo ra các tín hiệu điện đa vào các hệ thống. Để xử lý nguồn tin tạo ra các tín hiệu điện đa vào các hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu analog hoặc digital (điểm A) Bộ biến đổi điện quang (E/O) để thực hiện điều biến tín hiệu điện vào c- ờng độ bức xạ quang để cho phát đi, có chức năng nh bộ điều biến trên hình (1.b). Cũng nh thông tin điện, với phơng thức điều biến khác nhau, trong thông tin quang cũng có nhiều phơng pháp điều biến tín hiệu điều biến vào bức xạ quang. Các hệ thống hiện nay đang làm việc theo nguyên lý điều biến trực tiếp cờng độ ánh sáng, còn các hệ thống coherenec trong tơng lai thì áp dụng nguyên lý điều biến gián tiếp bằng cách điều pha hoặc điều tần các tia bức xạ coherenec là các bức xạ kết hợp. Tín hiệu phát ra (điểm C) trên hình (1.c) là tín hiệu quang, khác với tín hiệu ra (điểm C) trên hình (1.b) là các tín hiệu cao tần đợc điều biến về biên độ hoặc pha hoặc tần số. Sợi quang (SQ) để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã điều biến, có vai trò nh kênh truyền dẫn trên hình (1.b) . Bộ biến đổi quang điện (O/E) là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đa vào và biến đổi trở lại thành tín hiệu điện nh tín hiệu phát đi. Nó có vai trò nh bộ giải điều hình (1.b). Tín hiệu vào của hai bộ này (điểm D) khác dạng nhau (điện hoặc quang), nhng tín hiệu ra của chúng (điểm B) là tín hiệu điện giống nhau để đa vào phần tử điện tử, tách ra tín hiệu thu giống nh tín hiệu phát đi ở nguồn tin phát đi ở nguồn tin ban đầu. Bộ phận tải tin, trong hệ thống phát điện, tải tin là các sóng điện từ cao tần, trong hệ thống quang, ánh sáng là sóng điện từ có tần số cao (10 14 đến 10 15 ) Hz do vậy tải tin quang rất thuận lợi cho các tín hiệu băng rộng. Về vấn đề chuyển tiếp tín hiệu. Cũng nh ở hệ thống điện, tín hiệu truyền đa trên đờng truyền bị tiêu hao, nên sau một khoảng cách nhất định phải có trạm lặp khuếch đại (tín hiệu analog) hoặc tái sinh tín hiệu (digital). Hiện nay 12 cha thực hiện đợc khuếch đại hoặc tái sinh tín hiệu quang, nên tại các trạm khuếch đại không gian hoặc các trạm lặp phải thực hiện 3 bớc sau - Chuyển đổi tín hiệu từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện. - Sữa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh dới dạng điện. - Chuyển đổi tín hiệu điện đã đợc khuếch đại hoặc tái sinh tín hiệu quang để tiếp tục phát đi . Năng lực truyền dẫn của hệ thống đợc đánh giá qua hai đại lợng : - Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn đợc. - Cự ly trạm lặp hoặc độ dài đoạn chuyển tiếp. II. Cấu tạo và phân loại sợi quang 1. Cấu tạo sợi quang Sợi quang thờng có tiết diện tròn, đờng kính từ (100 ữ 400) à m gồm hai phần; phần lõi dẫn quang đặc có chiết suất n 1 , bán kính là a và đờng kính d k ; phần vỏ có chiết suất n 2 (n 2 > n 1 ) xung quanh lõi và có đờng kính là d m . Các tham số n 1 , n 2 , a quyết định đặc tính truyền dẫn, ngời ta gọi đó là các tham số cấu trúc. Hình 1.2: Cấu tạo sợi quang Ta có độ lệch chiết suất 21 nnn = và độ lệch chiết suất tơng đối : 2 1 2 2 2 1 1 21 1 2n nn n nn n n n td = = = (1.1) 13