Đang tải... (xem toàn văn)
TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG LÀ GÌ? CÓ MẤY LOẠI TÁN SÁC TRONG SỢI QUANGPHẦN II. TRÌNH BÀY CÁC HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG I. Tán sắc vật liệu II. Tán sắc dẫn sóng III. Tán sắc modePHẦN III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LED VÀ LAZE DÁN DẪNPHẦN IV: CÁC TÍNH CHẤT CỦA LED
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ================== TIỂU LUẬN MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA SỢI QUANG (Thông tin quang) Giảng viên hướng dẫn: Trần Thu Trang Học viên thực hiện: Bùi Thanh BÍCH Thái Bình, tháng 11/2021 Mục lục MỞ ĐẦU PHẦN I TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG LÀ GÌ? CĨ MẤY LOẠI TÁN SÁC TRONG SỢI QUANG I Sự tán sắc sợi quang Trang 3 II Các loại tán sắc sợi quang PHẦN II TRÌNH BÀY CÁC HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG I Tán sắc vật liệu II Tán sắc dẫn sóng III Tán sắc mode PHẦN III NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LED VÀ LAZE BÁN DẪN 11 PHẦN IV: CÁC TÍNH CHẤT CỦA LED 15 BÀI TẬP Bài tập Bài tập Bài tập KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 18 18 19 20 21 21 22 MỞ ĐẦU Ngày hệ thống thông tin đại ngày mở rộng nhu cầu trao đổi thông tin quốc gia, châu lục ngày gia tăng Nó địi hỏi cần phải có cách thức truyền tín hiệu nhanh , hiệu để đáp ứng phát triển khơng ngừng Hệ thống thơng tin quang hệ thống thơng tin mà tín hiệu truyền dẫn dạng ánh sáng Mơi trường truyền dẫn sợi quang Sợi quang giải pháp chọn có nhiều ưu điểm: tốc độ truyền dẫn nhanh, băng thông lớn, suy hao, sợi quang nhỏ nhẹ, độ bền cao thơng tin quang đảm nhận vai trị truyền dẫn xuyên lục địa, mạng đường trục quốc gia, đường trung kế Hệ thống thơng tin sợi quang cịn ứng dụng y tế, truyền số liệu, truyền hình Tuy hệ thống thơng tin sợi quang có nhiều ưu điểm tồn nhiều nhược điểm cần phải khắc phục như: suy hao đặc biệt tán sắc Trong tiểu luận nhóm chúng em trình bày “Một số đặc điểm sợi quang” PHẦN I TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG LÀ GÌ? CÓ MẤY LOẠI TÁN SÁC TRONG SỢI QUANG Ở vào đầu sợi quang xung ánh sáng phân giải tốt đầu chúng bị mở rộng chơng lên dẫn tới đầu thu không phân giải hai xung Sự mở rộng xung ánh sáng sợi quang giới hạn tốc độ truyền số liệu Tán sắc thấp có nghĩa tốc độ số liệu cao xung truyền gần sát có chồng phù lối II Các loại tán sắc sợi quang Tán sắc mode: xảy sợi đa mode Tán sắc màu: xãy tất loại sợi quang Tán sắc sắc thể bao gồm: Tán sắc vật liệu Tán sắc ống dẩn sóng Bên cạnh đó, sợi đơn mode phải xét tới tán sắc mode phân cực Đây loại tán sắc vô vùng quang trọng hệ thống thông tin tốc độ cao PHẦN II: TRÌNH BÀY CÁC HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG PHẦN III NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LED VÀ LAZE BÁN DẪN Ánh sáng phát từ LED ánh sáng xạ tự phát hay huỳnh quang tia laser xạ cưỡng Để có dao động laser (hay dao động quang với tần số dao động cao, f ~ 1014 Hz) độ khuếch đại quang lớn độ mát cần có phản hồi quang Sự phản hồi quang thực gương phản xạ tạo thành buồng cộng hưởng quang (hay gọi buồng cộng hưởng Fabry-Perot) giúp cho ánh sáng xạ cưỡng phản xạ lại nhiều lần buồng cộng hưởng làm tăng độ khuếch đại quang Kết độ khuếch đại quang lớn mát quang Do phản xạ mặt gương nên buồng cộng hưởng quang tồn hai sóng sóng tới sóng phản xạ Khi sóng pha, chúng giao thoa với trường tổng lớn trường sóng thành phần, sóng ngược pha 1800 chúng triệt tiêu lẫn Kết ta có sóng đứng trạng thái dừng buồng cộng hưởng hình 4.4 đảm bảo điều kiện cộng hưởng: với L độ dài buồng cộng hưởng, m số nguyên dương là bước sóng lan truyền chân không n chiết suất vật liệu buồng cộng hưởng Hay nói cách khác, bước sóng cộng hưởng với là tần số trung tâm là bước sóng trung tâm tương ứng chân khơng Tuy nhiên, trường hợp cần tính đến độ mát ngoại mát quangtrên gương phản xạ Một phần ánh sáng phản xạ qua gương phản xạ tạo thành tia laser Người ta thực phản hồi quang cấu trúc cách tử Trong laser bán dẫn Fabry-Perot (FP) gương phản xạ tạo mặt tách tinh thể chip laser với hệ số phản xạ R ~ 30 %, laser bán dẫn đơn tần DFB hay DBR phản hồi quang thực cách tử tạo phân bố chiết suất tuần hoàn dọc theo hay hai đầu vùng tích cực Trong LED LD, kích thích việc bơm dịng điện vào LED, LD chúng phân cực thuận Trường hợp đơn giản LED LD có cấu trúc chuyển tiếp đơn: lớp bán dẫn loại p (giàu lỗ trống) loại n (giàu điện tử) làm cho tiếp xúc tạo nên chuyển tiếp p-n (Hình 4.5) Ánh sáng (hay photon) phát có bước sóng tuỳ thuộc vào độ rộng vùng cấm chất bán dẫn: Năng lượng vùng cấm Eg phụ thuộc vào thành phần vât liệu Các laser diode đơn chuyển tiếp phát minh lần vào năm 1962 có dịng ngưỡng cao hoạt động chế độ xung hay nhiệt độ thấp Vì vậy, thực tế, LED LD sử dụng có cấu trúc dị chuyển tiếp kép Hình 4.6 trình bày sơ đồ cấu tạo, giản đồ lượng, phân bố chiết suất cường độ ánh sáng laser cấu trúc dị chuyển tiếp kép AlGaAs/GaAs Ta thấy phân cực thuận cho chuyển tiếp điện tử tiêm vào vùng tích cực từ phía bán dẫn loại n lỗ trống tiêm vào từ phía bán dẫn loại p Tại vùng tích cực, hạt tải giam giữ nhờ rào chuyển tiếp nên dễ đạt điều kiện đảo mật độ trạng thái dòng bơm định Tuy nhiên, để dễ đạt điều kiện đảo mật độ trạng thái, lớp vỏ loại p loại n hai phía lớp tích cực cấu trúc laser bán dẫn pha tạp mạnh trở thành bán dẫn suy biến: mức Fermi cho điện tử lỗ trống dịch sâu vào vùng dẫn vùng hố trị có thiên áp thuận lên chuyển tiếp p-n Khi mật độ hạt tải bơm vào vùng tích cực vượt giá trị xác định gọi mật độ hạt tải suốt (nghĩa khơng có hấp thụ xạ) điều kiện đảo mật độ trạng thái xảy vùng tích cực có khuếch đại quang với hệ số khuếch đại g(E) nói tới Lớp tích cực có chiết suất cao lớp xung quanh từ vài phần mười % tới vài % nên ánh sáng laser giam giữ vùng tích cực, nhiên, phần ánh sáng nằm lớp vỏ ta có cấu trúc dẫn sóng quang phẳng điện mơi PHẦN IV: CÁC TÍNH CHẤT CỦA LED Cơng suất quang lối tính chất quan trọng LED nguồn phát quang khác yếu tố định khoảng cách truyền dẫn Công suất quang lối LED dùng thơng tin từ vài µw đến vài chục µw ghép vào sợi quang hiệu suất ghép nối LED sợi quang nhỏ Công suất quang lối LED phụ thuộc tuyến tính vào dịng bơm hình 4.11 Hiệu suất hoạt động LED số đo khả biến đổi công suất điện lối vào thành công suất quang lối Hiệu suất quang LED phụ thuộc vào nhiều yếu tố Yếu tố thứ tỉ số chuyển mức xạ chuyển mức không xạ xảy vật liệu lớp tích cực Tái hợp không xạ xảy khuyết tật tinh thể, biên lớp tích cực lớp xung quanh Tỉ lệ tái hợp xạ tái hợp không xạ tăng lên mật độ dịng bơm vùng tích cực cao giảm khuyết tật biên nhờ tạo lớp epitaxi cách cẩn thận Yếu tố thứ hai lượng ánh sáng bị hấp thụ vùng tích cực, tự hấp thụ xảy đáng kể vùng tích cực pha tạp mạnh, giảm tự hấp thụ cách làm lớp tích cực mỏng Yếu tố thứ ba mát phản xạ bề mặt bán dẫn-khơng khí (mất mát Fresnel) Độ rộng phổ quang tính chất quan trọng LED nguồn phát quang khác tốc độ truyền dẫn phụ thuộc vào độ rộng phổ hiệu ứng tán sắc sợi quang Độ rộng phổ hẹp cho phép truyền dẫn tốc độ cao Độ rộng phổ quang LED có thể xác định gần công thức [1]: với ’ bước sóng hoạt động chuẩn hố LED tính theo µm (kT)’ tích số Boltsman nhiệt độ chuyển tiếp p-n tính theo eV Ta thấy độ rộng phổ LED tỉ lệ với 2 nên LED hoạt động vùng sóng dài có độ rộng phổ lớn LED hoạt động vùng sóng ngắn Độ rộng phổ điển hình từ vài đến vài chục nm LED GaAlAs vào khoảng 100 nm LED InGaAsP phát mặt, độ rộng phổ 60 ÷ 80 nm cho LED InGaAsP phát cạnh Đầu thu quang (PD) thu công suất quang phát LED, biến thành dịng điện dịng điện tỉ lệ với công suất quang Công suất điện Pelect đầu thu quang tỉ lệ với bình phương dịng điện, hay bình phương cơng suất quang (Pelect ~ Thành phần tái hợp xạ thời gian sống hạt tải phụ thuộc vào mật độ hạt tải vùng tích cực Khi dịng bơm thấp tái hợp khơng xạ chính, thời gian sống tái hợp xạ khơng phụ thuộc vào dịng bơm phụ thuộc tuyến tính vào mức độ pha tạp vùng tích cực, dịng bơm lớn tỉ lệ với d (dbề dày vùng tích cực) tỉ lệ nghịch với J (J- mật độ dịng vùng tích cực) Để cải thiện băng thông biến điệu LED cần giảm thời gian sống hạt tải, dòng bơm nhỏ cần tăng mức pha tạp, dòng bơm lớn cần giảm độ dày vùng tích cực và tăng mật độ dịng vùng tích cực Một cách tính băng thơng biến điệu khác tính theo thời gian nâng (rise time) xung quang LED Thời gian phụ thuộc vào điện dung Cs vùng tích cực (nếu ta bỏ qua điện dung ký sinh khác), (Cs ~ 350÷1000 pF cho LED) Nếu thời gian xuống (fall time) xung quang không đáng kể so với thời gian nâng ta có tốc độ biến điệu cực đại gần nghịch đảo thời gian nâng Keisher [4] đưa biểu thức thời gian nâng (thời gian cần thiết để xung quang chuyển từ mức 10% đến 90% công suất đỉnh xung) với Ip dịng xung điện bơm, q điện tích điện tử, k số Bolsman T nhiệt độ chuyển tiếp Thời gian nâng tr giảm tăng dòng bơm xung giảm điện dung vùng tích cực Cs LED phù hợp cho hệ thống thông tin quang dùng sợi đa mode với tốc độ truyền 50Mb/s \PHẦN V: BÀI TẬP Bài 1: Hãy xem xét sợi quang có bán kính lõi 25 µm, chiết suất lõi n1 = 1,48 độ chênh lệch chiết suất tương đối % a) Nếu 1320nm , tính tần số chuẩn hóa V số mode M lan truyền sợi quang ? b) Tính phần trăm suy hao cơng suất chùm sáng ngồi ? Bài làm: a) Cơng thức tính tham số(tần số chuẩn hóa): V 2 a 2 25.106 n1 2 1, 48 2.0, 01 25 1320.10 9 Số mode sợi đa mode nhảy bậc M V 252 312,5 2 b) PV công suất quang vỏ sợi PL công suất quang lõi sợi Phần trăm suy hao công suất chùm sáng PV 4 0, 075 7,5% PL M 312,5 Bài 2: Xác định tần số chuẩn hóa V 820 nm sợi quang chiết suất nhảy bậc có bán kính lõi 25 µm, n1 = 1,48 n2 = 1,46 ? a)Có mode lan truyền sợi quang 820 nm, 1320 nm 1550 nm? b)Tính phần trăm dịng cơng suất quang lớp vỏ trường hợp Bài làm a) Ta có n1 chiết suất lõi : chiết suất tỉ đối a: bán kính lõi : bước sóng Độ số NA n1 2 � 0, n1 2 � n1 0, 02 Cơng thức tính tham số(tần số chuẩn hóa) V 2 a 2 a n1 2 NA V2 M Số mode sợi đa mode nhảy bậc 2 �2 a � 2 a � � M � NA �� 1000 � 0, �� a 30.106 m 30 m 9 � �850.10 � � Đường kính lõi sợi: d=2a= 60 m V �2 a � M � NA � 2 � � b) Số moed sợi đa mode chiết suất nhảy bậc - Ở bước sóng 1320 nm ta có - Ở bước sóng 1550 nm ta có 2 2 6 � �2 a � �2 30.10 M � NA � � 0, � 408 9 � � �1320.10 � 6 � �2 a � �2 30.10 M � NA � � 0, � 296 9 � � �1550.10 � Bài : Tìm bán kính lõi sợi quang đơn mode, chiết suất nhảy bậc hoạt động bước sóng 1320 nm, với n1 = 1,48 n2 = 1,478 Tìm độ số góc tiếp nhận lớn max sợi quang ? Đối với sợi quang đơn mode, cần cố V ≤ 2,405 Bán kính lõi sợi đơn mode a xác định sau:a a= a V n n (1,32m).2,40 1/ 2 2 Khẩuđộsốcủasợiquang: 2 NA n n 1/20,077 Góptiếpnhậnlớnnhấtcủasợiquang: max NA o arcsin 4,4 n Bướcsóngcắtcủasợiquangnày: c 2a 2.6,55m NA 0,0771,316m Vc 2,405 KẾTLUẬN Bằngsựlỗlựclàmviệcnhóm,chúngemđãhồnthànhtiểuluậncủamình.Tuynhiêncũngkh ơngtránhkhỏithiếusót.Kínhmongbạnđọcđónggópýkiếnđểchúngtơichỉnhsửachotiểulu ậnđượchồnthiệnhơn Xintrântrọngcảmơnsựgiúpđỡcủacơgiáohướngdẫnđãgiúpchúngemhồnthànhtiểuluận ! TÀILIỆUTHAMKHẢO GiáotrìnhThơngtinquang,TSVũXnHịa,trườngĐHKhoaHọc-đhTháiNgun PHỤLỤC ST T Nộidung Hồnthiện ThẩmĐịnh Mởđầuvàkếtluận HvBùiThanhTha HvVũVănViễn Phần1:Phânloạitánsắctrongsợiquang nh HvĐỗThịBích Phần2:Cáchiệntượngtánsắctrongsợiquang nh HvBùiThanhTha HvVũVănViễn Phần3:NguyênlýhoạtđộngcủaLEDvàLAZE bándẫn Phần4:CáctínhchấtcủaLED nh HvVũVănViễn HvBùiThanhTha HvĐỗThịBích HvBùiThanhTha HvĐỗThịBích Bàitập1 nh HvĐỗThịBích Bàitập2 nh HvBùiThanhTha HvVũVănViễn Bàitập3 nh HvVũVănViễn HvBùiThanhTha HvĐỗThịBích ... thống thơng tin quang hệ thống thơng tin mà tín hiệu truyền dẫn dạng ánh sáng Mơi trường truyền dẫn sợi quang Sợi quang giải pháp chọn có nhiều ưu điểm: tốc độ truyền dẫn nhanh, băng thông lớn,... BÀI TẬP Bài tập Bài tập Bài tập KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 18 18 19 20 21 21 22 MỞ ĐẦU Ngày hệ thống thông tin đại ngày mở rộng nhu cầu trao đổi thông tin quốc gia, châu lục ngày gia tăng... TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG LÀ GÌ? CĨ MẤY LOẠI TÁN SÁC TRONG SỢI QUANG I Sự tán sắc sợi quang Trang 3 II Các loại tán sắc sợi quang PHẦN II TRÌNH BÀY CÁC HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG I Tán sắc