Một mạch phát quang điều biến cường độ được biểu diễn trên hình 3-8. Mạch phát quang này là sự kết hợp của mạch điều khiển ở hình 3-9 và mạch điều chế tín hiệu ở hình 3-10.
Hình 3.8. Mạch phát quang sử dụng LD điển hình
Hoạt động của mạch phát quang điều biến cường độ có thể được phân tích dựa trên hoạt động của mạch điều khiển và mạch điều chế tín hiệu.
CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG
Hình 3.9. Mạch kích thích
Mạch kích thích có chức năng biến đổi nguồn điện áp từ bộ biến đổi dữ liệu về dạng dòng điện cung cấp dòng phân cực cho laser. Chức năng này là cần thiết vì nguồn điện cung cấp cho laser dưới dạng điện áp hơn là dòng điện. Dòng phân cực cho laser được tạo ra cần phải rất ổn định với dòng điện ngưỡng để có thể truyền tín hiệu dữ liệu không bị lỗi. Do vậy, dòng phân cực cần được điều khiển bởi tín hiệu hồi tiếp từ cảm ứng nhiệt.
Hình 3.10. Mạch điều chế tín hiệu
Trong mạch kích thích hình 3.9, điện áp điều khiển, Vbias, là điện áp đầu vào của Opamp. Dòng điện chạy qua điện trở R chỉ phụ thuộc vào điện áp đầu vào mà không phụ thuộc vào điện trở tải, trong trường hợp này là laser diode. Do đó, bằng cách thay đổi Vbias, người ta có thể điều khiển được dòng phân cực Ibias.
CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG
Khi nhiệt độ thay đổi, việc ổn định công suất quang ở đầu ra của laser diode được thực hiện bởi tín hiệu hồi tiếp từ photodiode PD. PD này thu ánh sáng từ laser phát ra và tạo ra dòng quang điện tỷ lệ với công suất phát quang của laser. Vì vậy, khi công suất quang đầu ra thay đổi, do sự thay đổi của nhiệt độ, dòng quang điện sẽ thay đổi làm cho dòng điện phân cực Ibias cũng thay đổi theo bù lại những thay đổi trong trong công suất quang quang của laser.
Quá trình điều chế tín hiệu trong mạch phát điều biến cường độ được thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích từ mức phân cực đến mức cao nhất. Mạch điều chế tín hiệu được biểu diễn trên hình 3.10. Trong đó, quá trình điều chế được điều khiển bởi dòng phân cực qua laser. Chức năng chính của mạch là cung cấp dòng phân cực cực đại cho laser.
Trong mạch điều chế, dữ liệu phát được đưa vào cực gốc transistor Q1, cực B transistor Q2 được cố định bởi nguồn phân cực VBB. Khi tín hiệu đầu vào lớn hơn VBB, Q1 dẫn, Q2 tắt, dòng qua LD giảm làm LD ngưng phát sáng. Ngược lại, khi tín hiệu đầu vào nhỏ hơn VBB, Q1 tắt, Q2 dẫn, dòng qua LD tăng làm LD phát sáng.
Q3 đóng vai trò cung cấp nguồn dòng ổn định cho mạch vi sai Q1 và Q2. Q4 kết hợp với mạch hồi tiếp dùng khuếch đại thuật toán (Op-Amp) ổn định dòng qua LD dưới tác động của nhiệt độ cũng như cung cấp tín hiệu cho việc giám sát nhiệt độ làm việc của LD phục vụ công việc cảnh báo và bảo dưỡng cho bộ phát quang.
Trong kiểu điều chế trên, tín hiệu điều chế được thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích chạy qua laser. Kiểu điều chế này đươc gọi là điều chế nội hay điều chế trực tiếp. Ưu điểm của kiểu điều chế này là đơn giản. Tuy nhiên, hạn chế của kỹ thuật điều chế này là băng thông điều chế bị giới hạn bởi tần số dao động tắt dần của laser diode và hiện tượng chirp xảy ra đối với tín hiệu quang tăng độ rộng phổ của xung ánh sáng. Hiện tượng này xảy ra đối với laser DFB và vì vậy là yếu tố hạn chế nghiêm trọng đối với các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao (chủ yếu sử dụng laser DFB làm nguồn quang). Hơn nữa, kỹ thuật điều chế này cũng không áp dụng được trong các hệ thống thông tin quang đòi hỏi công suất phát quang lớn (>30mW) như các mạng truyền dẫn cự ly xa hay mạng truyền hình cáp vì việc chế tạo các mạch phát quang điều chế trực tiếp hoạt động ổn định khi điều chế tốc độ cao với dòng điện kích thích lớn (>100mA) trở nên phức tạp và khó khăn hơn nhiều. Những hạn chế trên có thể được khắc phục được khi sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài.
Ổn định nguồn quang:
Khác với LED, các mạch kích thích cho LD phải sử dụng mạch vòng điều khiển ổn định công suất quang do laser rất nhạy với sự thay đổi nhiệt độ. Nhiệt độ càng tăng, thì công suất phát quang của laser càng giảm. Do vậy trong mạch phát quang sử dụng LD thường có hai mạch vòng điều khiển. Mạch vòng thứ nhất là mạch vòng điều khiển dòng kích thích mà thông thường là điều khiển dòng phân cực ban đầu Ib thông qua một diode thu quang để giám sát công suất như mô tả ở phần trên. Mạch vòng thứ hai là mạch vòng ổn định nhiệt độ bao gồm một điện trở nhiệt (T) để giám sát nhiệt độ hoạt động của LD tạo ra dòng điều khiển pin Peltier để làm mát cho LD khi nhiệt độ hoạt động tăng cao như mô tả trong hình 3.11.
CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG
Hình 3.11. Mô-đun laser có hệ thống ổn định nhiệt.
BÀI TẬP CHƯƠNG 3
Câu 1: Hãy liệt kê các linh kiện quang sử dụng trong bộ phát quang.
Câu 2: Trình bày cấu trúc của LED.
Câu 3: Vẽ mạch phát sử dụng LED và giải thích nguyên lý hoạt động.
Câu 4: Các đặc tính phổ và đặc tính điều chế LED ảnh hưởng đến tính năng của bộ phát quang như thế nào?
Câu 5: Trình bày cấu trúc của Laser diode.
Câu 6: Trình bày các đặc tính của Laser diode.
Câu 7: Vẽ mạch phát sử dụng Laser diode và giải thích nguyên lý hoạt động.
Câu 8: So sánh các đặc tính giữa LED và Laser diode.
Câu 9: Tại sao Laser diode phải cần bộ 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 và công suất tại z = 2Km.