II. Phân loại cáp quang:
4.3.Linh kiện biến đổi điện quang (E/O).
hoá Tái tạo và trễ Giải m∙ Lọc
4.3.Linh kiện biến đổi điện quang (E/O).
4.3.1. Nguyên lý chung:
Ngày nay có hai loại dùng làm linh kiện để chuyển đổi tín hiệu điện thành các tín hiệu quang là LED và laser. Các đặc tính kỹ thuật của nguồn
C32 VC32 AU32 C21 C11 C4 C12 C22 C31 TUG22 TUG21 VC21 TU21 VC11 TU11 VC12 TU12 VC22 TU22 TU32 VC4 AU4 STM1 STMN VC31 AU31 TU31 x 4 x 3 x 3 x 4 x 4 x 16 x 4
quang phần lớn phụ thuộc vào cấu tạo của chúng. Bớc sóng ánh sáng do nguồn quang phát ra phụ thuộc vào vật liệu chế tạo ra chúng.
Mỗi chất bán dẫn có bề rộng năng lợng Eg khác nhau mà Eg lại quyết định tần số nên quyết định bớc sóng ánh sáng phát ra:
Eg = h.v = λ c . h hay Ehc E1.(24ev) g g = = λ
Ta thấy: Bớc sóng ánh sáng phát ra tỉ lệ nghịch với bề rộng khe năng lợng của chất bán dẫn chế tạo. Vậy muốn có nguồn quang phát ra bớc sóng dài thì phải dùng chất bán dẫn có bề rộng khe năng lợng hẹp.
4.3.2 LED (Light Emiting Diode): a. Cấu tạo và phân loại:
Ngày nay đã có nhiều loại LED song ít đợc sử dụng vì phổ của LED quá rộng, dạn chế dung lợng và cự ly thông tin, nên chỉ sử dụng để truyền cự ly ngắn. Có các loại LED sau đây:
χχLED tiếp xúc mặt Gaas : Hạn chế từ Gaas với nồng độ khác nhau để tạo nên lớp N và P. Bớc sóng của LED Gaas khoảng 880ữ950 nm.
δδ Led Burrus : Có cấu trúc nhiều lớp bao gồm các lớp N và P có bề dày và nồng độ khác nhau. Vùng phát sóng của Led Burrus hẹp. Trên bề mặt của Led có khoét lỗ để đa sợi quang vào gần vùng phát sáng. Bớc sóng của Burrus khoảng từ 800ữ850 nm, Led này đợc chế tạo từ AlGaas/ Gaas.
εε Led phát bớc sóng dài: Dùng chất bán dẫn InGaas P/InP chế tạo. Loại Led này cũng có cấu trúc nhiều lớp, có vùng phát sáng hẹp. ở đây dùng lớp nền InP có dạng một thấu kính để ghép ánh sáng vào sợi quang. B- ớc sóng phát ra khoảng 1300ữ1550nm.
φφLed phát xạ cạnh ELED (edge Led): ELED có cấu tạo đặc biệt khác hẳn với các loại Led phát xạ mặt. Các điện cực tiếp xúc phải kín mặt trên và đáy của ELED. Vì vậy ánh sáng không thể phát ra phía hai mặt đợc mà đợc giữ trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp. Lớp tích cực mỏng, bằng vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa lớp P và N có chiết suất
nhỏ hơn. ánh sáng phát ra ở cả hai đầu, một trong hai đầu đợc nối với sợi quang.
Hình 4 8:– Cấu tạo của led phát xạ rìa ELED
Cấu trúc này có vùng phát sáng hẹp và góc phát sáng nhỏ nên hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao. Nhng khi hoạt động, nhiệt độ ELED tăng khá cao nên phải có giải nhiệt.
b. Đặc tính kỹ thuật của LED:
Thông số điện: Dòng điện hoạt động từ (50ữ30) m Điện áp sụt trên Led từ (1.5 ữ2.5)
Công suất phát quang: Là công suất tổng cộng mà nguồn phát quang ra. Công suất phát của LED từ (1 ữ3) mW
Góc phát quang: Công suất ánh sáng do các nguồn quang phát ra cực đại ở mục phát quang và giảm dần theo góc hợp với trục. Góc phát quang xác định ở mức công suất quang giảm một nửa (3dB) so với mức cực đại.
Hiệu suất ghép quang:
Đợc tính bởi tỷ số công suất quang ghép vào sợi quang với công suất phát quang tổng của nguồn quang. Hiệu suất ghép của Led phát xạ mặt khoảng (1
ữ5)% do đó tuy công suất phát của Led phát xạ mặt lớn hơn nhng công suất phát đa vào sợi quang của ELED lại lợi.
Miền hoạt tính Luồng ánh sáng bức xạ Điện cực n Điện cực P Cách điện AlGaAs GaAs AlGaAs GaAs p p n n
Độ rộng phổ: Nguồn quang phát ra công suất cực đại tại bớc sóng trung tâm, giảm dần về hai phía. Độ rộng phổ là khoảng bớc sóng trong đó cống suất không nhỏ hơn phần nửa công suất đỉnh.
Hình 4.9: Độ rộng phổ của Led
ảnh hởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng thì công suất bức xạ sẽ giảm.
4.3.3.Laser (Light Amplification by Stimulateol Emission of Radiation):
Có rất nhiều loại laesr nhng giới hạn ở đây chỉ tìm hiểu về 3 loại Laser chính là:
γγ Laser dịch thể kép chôn BH : Buried HeteroustructuRe.
ηηDiode phản hồi phân bố DFB : Distributed Feedback
ιι Laser FD : FabRy Pesot (Bộ cộng hởng quang)
a. Cấu tạo FP, BH và DFB: * Laser FP :
Là loại laser chế tạo theo nguyên lý bộ cộng hởng quang gồm có hai lớp bán dẫn P, N. Giữa có một lớp gọi là kích thích có một hạt photon bức xạ vào giữa hai lớp quá trình. Xảy ra nh sau: Khi một nguyên tử bị kích thích sẽ xảy ra quá trình giống nh phản ứng dây truyền trong các bộ dao động hồi tiếp. Nguyên tử bị bức xạ sẽ dao động và lan truyền đập vào nguyên tử thứ hai và cứ nh vậy. Nhờ gơng phản xạ một phần ở một đầu laser mà ánh sáng đợc dẫn ra một phần
Popt (mw)
1
0,5 40nm
800 900
nhỏ. Gơng còn lại của bộ cộng hởng là gơng phản xạ toàn phần (100) % . Hai g- ơng này phản xạ ở hai đầu laser tạo thành bộ cộng hởng quang.
Khoảng cách giữa hai gơng gọi là hộp cộng hởng quang. L = n
2
λ
Laser FP hiện nay ít đợc dùng do laser BH và DFB có những u việt hơn. Laser FP có đặc tính chọn lọc tần số. Chỉ có ánh sáng của các bớc sóng nào có thể tạo ra trong bộ cộng hởng phản ứng dây truyền chỉ phản xạ kích thích. Đây cũng là nguyên lý cơ bản của laser.
* Cấu tạo BH và DFB:
Hình 4 10:– Cấu trúc Laser BH và DFB b. Đặc tính kỹ thuật của Laser:
* Thông số điện:
Dòng điện kích từ vài chục đến vài trăm mA Điện áp sụt trên laser từ (1.5 ữ2.5) v
ϕϕKhi có dòng kích cho laser nhỏ, thì laser phát xạ tự phát nên công suất thấp. Khi đợc kích với dòng điện lớn, laser đợc kích thích lúc này công suất quang tăng nhanh theo dòng.
Công suất phát từ (1 ữ10) mW. Với laser ngày nay có thể đạt đợc 50mW.
Cách điện (SIO2) Tiếp xúc P Lớp N (InP) L ớp P (InP) Lớp N (InP) Lớp N (InP) Tiếp xúc N Lớp P + (InGaAsP) L ớp P (InP) Lớp nền Lớp hướng dẫn (gợn sóng) Lớp tích cực DFB BH Lớp tích cực(InGaAsP) (2àm x 0,2àm x 300àm)
Hình 4.11: Đặc tuyền phát quang của laser
Góc phát sáng theo phơng ngang của lớp tích cực chỉ khoảng 50- 100 còn theo phơng vuông góc với lớp tích cực góc phát có thể đạt 400.
Độ rộng phổ: Phổ của laser rất hẹp trong khoảng từ (1 ữ4)nm nên có độ tán sắc chất liệu giảm. Dạng phổ (nh hình vẽ 4.12) gồm nhiều vạch rời rạc.
Hình 4.12: Phổ phát xạ của BH a. Dạng hình thành P (mw) Laser LED Miền kích I (mA) I ngưỡng a) λ b) λ
b. Dạng thực tế
Hiệu suất ghép: Vì có cùng phủ sáng nhỏ và góc phát sáng hẹp nên đạt hiệu suất cao từ (30 - 90)%.
Còn phổ phát xạ của laser DBF thì hẹp hơn của BH
Hình 4.13: Phổ phát xạ của Laser DFB
Thời gian chuyển: Để công suất quang tăng từ (10 -90)% thì mức xác lập của laser rất nhanh, không quá 1ns.
ảnh hởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ thay đổi thì dòng ngỡng nhiệt của laser cũng thay đổi nên công suất phát quang cũng thay đổi khi mà dòng điện .
Ikích = const
Ta thấy khi nhiệt độ tăng thì dòng I ngỡng cũng tăng. Khi nhiệt độ thay đổi thì bớc sóng cũng thay đổi theo.