Nguồn quan là những thiết bị thực hiện việc biến đổi tớn hệu điện quang rồi phỏt ra tớn hệu vào đường truyền.
* Những yờu cầu cơ bản của nguồn phỏt:
- Bước búng nguồn phỏt phự hợp với bước súng thụng dụng như: 850nm, 1300nm, 1550nm.
- Cụng suất phỏt sỏng được phỏt ra khụng chỉ một bước súng duy nhất là một khoảng bước súng, do vậy gõy nờn hiện tượng tỏn sắc lớn, do vậy độ rộng phổ hẹp càng tốt.
- Gúc phỏt sỏng càng nhỏ càng tốt.
- Thời gian truyền: Để truyền tốc cao thời gian chuyển trạng thỏi phải nhanh.
- Đổ ổn định: Mỏy phỏt quang phải cú cụng suất ổn định mới đảm bảo độ trung thực của T/h.
- Thời gian sử dụng cõn, giỏ thành hạ. b. Đối với linh kiện tỏch súng quang.
- Bước súng: Đối với bước súng hoạt động của hệ thống 850 nm, 1300nm 1550nm, phải nhạy.
- Độ nhạy: Càng cao càng tốt, tức là khả năng tỏch được cỏc tớn hiệu quang thật nhỏ với số lỗ bịt cho phộp độ nhạy càng cao thỡ cú thể mở rộng cự ly thụng tin.
- Đỏp ứng nhanh: Để cú thể làm việc trong hệ thống cú tốc độ bớt cao. - Dũng tốt nhỏ: khi chưa cú tỏch súng chiều vào nhưng linh kiện tỏch súng quag vẫn cú dũng điện tỏch súng nhiễu chạy qua. Dũng điện này càng nhỏ càng tốt.
- Tạp õm: tạp õm càng thấp càng tốt sẽ đảm bảo tỷ lệ tớn hiệu trờn tạp õm (S/N).
- Độ cậy cao, giỏ thành hạ. c. Nguyờn lý chung.
Cỏc linh kiện biến đổi quang điện -> điện quang dựng trong thụng tin quang hiện nay là cỏc linh kiện bỏn dẫn. Bỏn dẫn cú 2 mức
+ Mức húa trị + Mức dẫn điện.
Do đú năng lượng của điện tử chia làm 3 vựng + Vựng dẫn điện
+ Vựng cấm + Vựng hoỏ trị
+ E: năng lượng điện tử + Ec: Mức năng lượng dẫn + Ev: Mức năng lượng húa trị + Eg: Khe năng lượng
+ X: Khoảng cỏch vật chất.
+ Khi một photon bức xạ vào chất bỏn dẫn cung cấp năng lượng (E=h.v) cho một điện tử đang ở vựng húa trị thỡ điện tử sẽ chuyển lờn vựng dẫn photon biến mất điện từ sẽ để lại một cổ trống trong vựng hoỏ trị. Như vậy một photon (cú năng lượng thớch hợp) chiếu vào chất bỏn dẫn sẽ tạo ra một điện tử và một cổ trống cũn photon thỡ biến mất. Đú là hiện tưởng hấp thụ, được ứng dụng trong photon diode làm linh kiện thu quang.
+ Nếu vựng dẫn số điện tử nhiều hơn mức cõn bằng thỡ điện tử thừa sẽ rơi xuống vựng húa trị một cỏch tự phỏt để kết hợp với cổ trống.
Trong khi dịch chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, năng lượng chờnh lệch được bức xạ dưới dạng photon. Như vậy khi một điện tử kết hợp với một cổ trống cú thể làm bức xạ ra một photon đú là hiện tượng phỏt xạ tự phỏt được ứng dụng trong diode phỏt quang (LED) dựng làm nguồn quang.
+ Hiện tượng phỏt xạ kớch thớch. Là hiện tượng đặc biệt do ỏnh sỏng được phỏt ra trong quỏ trỡnh tỏi hợp điện tử và cổ trống lại kớch thớch cỏc điện tử đang
Eg E
Ec Ev
ở vựng dẫn cú mức cao năng lượng xuống vựng húa trị cú mức năng lượng thấp tại hợp với cỏc lỗ trống phỏt ra lượng ỏnh sỏng mới. Quỏ trỡnh tỏi hợp đủ lỗ trống xảy ra liờn tục làm cho năng lượng ỏnh sỏng phỏt ra rất lớn.
2.4.3. Nguồn quang.
a. Nguyờn lý chung.
Cú 2 loại được dựng làm nguồn quang
- Diode phỏt quang LED (lLight Emitting Diode) - Diode laser hay LD
Cả hai linh kiện đều phỏt triển từ Diode bỏn dẫn của loại P và N. Cỏc đặc
tớnh kỷ thuật của nguồn quang phần lớn phụ thuộc vào cấu tạo của chỳng, riờng
bươcsúng do nguồn quang phỏt ra phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang.
Mỗi chất bỏn dẫn cú bề rộng khe năng lượng Eg khỏc nhau. Mà Eg quyết định
tần số và do đú quyết định bước súng của năng lượng ỏnh sỏng phỏt ra theo cụng
thức.
Eg =Hv = hcλ
Hay
)
(
24
.
1
.
ev
g
E
Eg
c
h =
=
λ
Trong đú:
H: hằng số planck = 6,625.10-34T.s
C: Tốc độ ỏnh sỏng trong chõn khụng = 3.108m/s
Eg: Bề rộng khe năng lượng (đơn vị ev)
V: Tần số ỏnh sỏng phỏt ra (đơn vị Hz). 0 0 hv hv hv Vựng dẫn điện Khe năng lượng Vựng hoỏ trị
b. Diot LD
Tiếp xỳc bề mặt: Loại này dựng bỏn dẫn Ga As với nồng độ khỏc nhau để làm lớp nờn N và lớp phỏt sỏng loại P. Với P cú độ dày cỡ 250àm. Mặt ngoài
lớp phủ chống phản xạ để ghộp ỏnh sỏng vào sợi quang LED tiếp xỳc mặt cú bước súng cụng tỏc từ 880-950àm.
Cấu trúc LED tiếp xúc bề mặt - LED Burrus.
Đợc chế tạo theo cấu trúc nhiều lớp (Helerostruc ture) bao gồm các lớp bán dẫn loại N và P với bề mặt dày và nồng độ khác nhau. Với cấu trúc nhiều lớp và vạch tiếp xúc P có kích thớc nhỏ vùng phát sóng của diode này tơng đối hẹp. Ngoài bề mặt có khoét đợc để đa quang vào gần vùng ánh sáng.
Lớp P-Ga As(khuếch tỏn) Lớp tiếp xỳc Lớp tiếp xỳc P Lớp cỏch điện (Al2C3 Ánh sỏng Lớp chống phản xạ Lớp P-Ga As(khuếch tỏn) Lớp N- Ga As (nền)
Cấu trúc LED Burus Lớp tiếp xúc P (đờng kính nhỏ)
Bớc sóng của LED Burrus dùng bán dẫn ALGAAS/GAAS khoảng 800-8500
àm. Dựng In GAAS/InP thỡ bước súng phỏt ra dài hơn
- LED phỏt bước dài.
Một loại LED phỏt bước súng dài (1300mm và 1550mm) dựng bỏn dẫn In Ga ASP/InP. Dựng lớp nền InP dạng thấu. Kớnh để ghộp vào sợi quang.
LCD phỏt xạ rỡa: (ELED: Edge Light Emelting diode) Lớp tiếp xỳc (đường kớnh nhỏ) Lớp P- Al Ga As (lớp tớch cực) Vựng phỏt sỏng Lớp cỏch điện Lớp tiếp xỳc N Lớp N - Ga As (lớp nền ) Lớp N - Al Ga As Lớp P+ Al Ga As Vựng phỏt sỏng Lớp P+ - lua AsP Lớp tiếp xỳc N Lớp N - InP nền ) Lớp cỏch điện Al2O3 Lớp P-- lgna AsP Lớp chống phản xạ Lớp P+ - lgua AsP Lớp toả nhiệt
Cỏc điện cực tiếp xỳc bằng kim loại phủ kim mặt đỏy nờn ỏnh sỏng khụng thể phỏt ra phớa 2 mặt được mà bị giữ trong vựng tớch cực cú dạng vạch hẹp lớp tớch cực rất mỏng bằng thiết bị cú triết xuất lớn kộp giữa 2 lớp PN cú triết suất nhỏ hơn. Cấu trỳc như vậy giống như cấu trỳc sợi quang. Nờn khi một trong 2 đầu ống dẫn súng được nối với sợi quang thỡ vựng phỏt súng hẹp, gúc phỏt sỏng nhỏ nờn hiệu suất phộp ỏnh sỏng, vào sợi quang cao. Tuy nhiờn nú cũng cú hạn chế là khi hoạt động nhiệt độ của ELED tăng khỏ cao nờn đũi hỏi phải giải nhiệt.
c. Diot LESER (LD) + Cấu tạo
Một LD thụng thường được cấu tạo bằng 3 lớp hoạt động của lasser xảy ra ở vựng được ghộp bởi 2 lớp bỏn dẫn loại N và P được gọi là vựng hoạt chất.
Vựng này đúng vai trũ như một chất cộng hưởng. Khi đú dũng điện bơm từ phớa (+) đến (-) thỡ ỏnh sỏng lesser được phỏt ra theo hướng mũi tờn
Ánh sỏng cấu tạo Diode laser + Nguyờn lý: Bỏn dẫn loại N Lớp tớch cực Bỏn dẫn loại N Lớp tiếp xỳc P Cỏch điện Tiếp xỳc N Lớp P-AL Ga As Lớp P- Ga As Lớp P-AL Ga As Lớp P- Ga As
Trong hệ thống thụng tin quang, cỏc nguồn phỏt sỏng laser là cỏc laser bỏn dẫn thường là laser Diode (LD). Cỏc loại này cú thể khỏc nhau những nguyờn lý cơ bản là như sau: Hấp thụ photon phỏt xạ tự phỏt, phỏt xạ kớch thớch.
Hoạt động của laser gồm 2 quỏ trỡnh cơ bản. Quỏ trỡnh khuếch đại do phỏt xạ kớch thớch.
Quỏ trỡnh dao động dựa trờn đặc tớnh của hộp cộng hưởng cho ra phổ bước súng giới hạn hẹp đến mức tối đa.
Đõy cũng là điểm khỏc biệt giữa LED và LD làm LD cú đặc tớnh tốt hơn hẳn LED nhưng do cấu tạo cũng như hoạt động phức tạp hơn. Quỏ trỡnh phỏt xạ tự phỏt của LD giống LED. Tuy nhiờn mặt sau của LD được phủ một lớp phản xạ rất cao 99% cũn mặt trước được cắt để một phần bức xạ ra ngoài 1 phần ỏnh sỏng phỏt ra lan truyền như đang được khuyếch đại sẽ đập vào mặt gương phản xạ, một phần bức xạ ra ngoài, Một phản xạ lại hướng đột diện, ỏnh sỏng lại được phản xạ tương tự mặt gương đối diện. Bằng cỏch này trong khi lặp lại quỏ trỡnh phản hồi (1 phần ỏnh sỏng được khuyếch đại sẽ được kết hợp với ỏnh sỏng đầu vào, khuếch đại để vũng 1 lần nữa). Khi dũng vào đủ lớn năng lượng được khuếch đại bằng phỏt xạ cương bước trở nờn lớn hơn suy hao do điện tử hấp thụ ở vựng hoỏ trị và truyền qua bề mặt phản xạ. Tại thời điểm đú bắt đầu dao động và tạo ỏnh sỏng laser. Dũng tại đú gọi là dũng ngưỡng. Dũng ngưỡng phải nhỏ để trỏnh sự quỏ tải nhiệt cho chất bỏn dẫn khi hoạt động liờn tục ở cụng suất cao.
Xột về hốc cộng hưởng quang đơn giản cú thể xem gồm 2 mặt gương phẳng song song phản xạ ỏnh sỏng. Hốc cộng hưởng cú nhiệm vụ tạo ra một dao động cú tần số nhất định. Điều kiện để cho dao động đạt trạng thỏi bền là biờn độ phức, nghĩa là gồm độ lớn, pha của thành phần súng trở về 1 điểm phải đỳng với biờn độ và pha súng xuất phỏt nú.
2.4.4. Tỏch súng quang.
1. Nguyờn lý chung
Cỏc linh kiện tỏch súng quang hiện nay cũng là loại linh kiện bỏn dẫn. Cấu tạo của chỳng cũng phỏt triển từ tiếp giỏp PN. Cú 2 loại linh kiện tỏch súng
quang được sử dụng hiện nay:
- PIN: Loại diodethu quang gồm 3 lớp bỏn dẫn P1I và N trong đú P và N là 2 lớp bỏn dẫn cú pha tạp chất cũn (intrinsic) khụng pha tạp chất hoặc pha với nồng độ rất thấp.
- APD: (Avalanche photo diode) loại diode thu quang d cú độ nhạy và hoạt động ở tốc độ cao.
Nguyờn lý chung của chỳng về cơ bản giống nhau ở chỗ ỏnh sỏng đưa vào
miền tiếp giỏp P-N được phõn cực ngược tạo ra trong đú cỏc tạp chất điện tử là
trống để dịch chuyển nhờ điện trường ngạch tạo ra dũng quang đi
Sự hỡnh thành cỏc vựng khuếch tỏn điện tử và cổ trống của tiếp giỏp P và N khi phõn cực ngược. Dưới tỏc dụng của điện trường bờn ngoài điện tử là hạt tải điện thiểu số bờn P và N cổ trống là hạt tải điện thiếu số bờn N chuyển qua P tạo thành dũng quang điện trờn mạch ngoài. Cường độ ỏnh sỏng quyết định số lượng cỏc hạt tải điện được tạo ra.
2. Những thụng số cơ bản. a. Hiệu suất lượng tủ.
Là tỉ số giữa số điện tử được tạo ra và số lượng photon hấp thụ của chất bỏn dẫn. hiệu suất được viết bởi cụng thức.
Bỏn dẫn P Vựng hiểm Bỏn dẫn N
Photo
Vựng trời
Ev Ec
% 100 . n n ph e = η
Trong đú: ηlà hiệu xuất lương tử.
ne: là số lượng điện tử được tạo ra nph là số lương photon hấp thụ.
Mỗi chất bỏn dẫn chỉ nhạy với một khoảng bức súng ỏnh sỏng nhất định vỡ hiệu suất lượng tử của từng chất bỏn dẫn thay theo bước súng của ỏnh sỏng.
b. Đỏp ứng.
Là tỉ số giữa dũng quang điện sinh ra và cụng suất quang tỏc động vào chất bỏn dẫn. Đỏp ứng được viết bởi cụng thức:
R = oph ph I I Trong đú: R: Đỏp ứng cú đơn vị là A/W. Iph dũng quang điện cú đơn vị là A Ioph: Cụng suất quang cú đơn vị là W
R phụ thuộc vào hiệu suất lượng tử của vật liệu là λ hoạt động theo cụng thức 24 , 1 ) m ( . hc . e . R(A/ƯW =η λ=ηλà
Trong đú: e. Điện tớch điện tử là e = 1,6.10-9 (hay As) h: Hằng số planck: h= 6,625-10-34
c. Độ nhạy.
Đú là mức cụng suất ỏnh sỏng nhỏ nhất mà linh kiện thu quang (PIN) thu được với tỷ số lồi BER theo tiờu chuẩn CCIII, BER = 10-10. Độ nhạy càng cao cú khả năng tăng cự ly thụng tin.
d. Dải động.
Là khoảng cỏch chờnh lệch giữa mức cụng suất quang cao nhất và mức cụng suất quang thấp nhất mà linh kiện thu quang (PIN) thu được trong một giới hạn tỉ số lồi BER theo tiờu chuẩn.
Tạp õm trong cỏc linh kiện thu quang được thể hiện dưới dạng dũng điện tạp õm. Cỏc nguồn tạp õm đỏng kể của linh kiện thu quang là:
- Tạp õm nhiệt: Gõy ra do R tải và diode thu quang và trở khỏng của bộ khuếch đại đầu. Tạp õm nhiệt It phụ thuộc nhiệt độ, độ rộng bằng tạp õm, R tải hệ số tạp õm của bộ khuếch đại.
I2
t = 4KTR .B
Trong đú: K: Hằng số Bolizman 1,38 .10-38 J/0k T: nhiệt dộ tuyệt đối 0k
B: Bề rộng bằng (Hz) R: Điện trở tải (ohm) - Tạp õm lương tử:
Do biến động ngẫu nhiờn năng lượng của photon đập vào diode thu quang. Dũng tạp õm lượng tử Iq được tớnh bởi.
Iq2= 2.e.R.Popt.B = 2e.Iph.B
- Tạp õm dũng tời là dũng điện chạy qua PIN khi chưa cú ỏnh sỏng chiếu vào nú tạp õm do dũng tời được tớnh bởi cụng thức.
ID2 =2e.iD.B
ID là dũng tời của diode phỏt quang
3. Diot thu PIN
Cấu tạo của diode thu quang gồm 3 lớp bỏn dẫn P-I-N trong đú lớp I là lớp khụng pha tạp chất. Quỏ trỡnh hấp thụ phonton để tỏch ra cỏc điện tử và cổ trống xảy ra trong lớp I. Do đú lớp I càng dày thỡ hiệu suất lương tử càng cao nhưng thời gian trải điện tử sẽ càng chậm. Giảm khả năng làm việc với tốc độ cao của PIN.
Bề dày lớp P phụ thuộc khả năng thõm nhập của ỏnh sỏng và bỏn dẫn ỏnh sỏng cú λ dài thỡ khả năng thõm nhập càng lớn.
Cấu tạo của Mode thu quang PIN. Ta cú mạch tương đương: Trong đú: Iph: Dũng điện Vi = VT. ln= 1+IsId R: Đỏp ứng RS Id V1 V Iph = R. Popt
Vũng tiếp xỳc kim loại Cỏch điện (SiO2)
Lớp chống phản xạ P
I
N
Tiếp xỳc kim loại Ánh sỏng
RS: R nối tiếp
Id: Dũng qua diode VT = KTe = 26mv ở 3000K IS: Dũng bóo hũa của diode.
4. Diot thu APD.
Ứng dụng hiệu ứng nhận điện tử trong bỏn dẫn người ta chế tạo APD gồm 3 lớp là: P+, P-, PN-; Trong đú P+, PN- là hai lớp bỏn dẫn cú nồng độ tạp chất cao cũn P- là lớp cú nồng độ tạp chất thấp.
Dưới tỏc dụng của nguồn phõn cực ngược quỏ trỡnh nhõn điện tử xảy ra trong vựng tiếp giỏp PN- là cao nhất. Vựng này gọi là vựng thỏc lũ. Khi cú ỏnh sỏng chiếu vào cỏc photon được hấp thụ trong lớp P- và tạo ra cặp điện tử - lỗ trống. Lỗ trống di chuyển về phớa lớp P+ nối cực õm của nguồn cũn điện tử di chuyển về phớa tiếp giỏp PN-. Điện trở cao trong vựng PN- sẽ tăng tốc độ cho điện tử. Điện tử va chạm vào cỏc nguyờn tử của tinh thể bỏn dẫn tạo ra cỏc cặp điện tử và lỗ trống mới. Quỏ trỡnh tiếp diễn và số lượng cỏc hạt tải điện tăng lờn rất lớn. Như vậy trong APD dũng quang điện đó được nhõn lờn M lần với M là số điện tử thứ cấp phỏt sinh ứng với một điện tử sơ cấp.
Dũng quang điện do APD tạo ra sẽ là: Iph = R. M. Popt
Trong đú: M: hệ số nhõn R: Đỏp ứng (A/w)
Popt: Cụng suất quang (w)
Hệ số nhõn M thay đổi theo điện ỏp phõn cực ngược và cũng phụ thuộc nhiệt độ nờn việc giữ cho hệ số nhõn M ổn định rất khú khăn.
Ngoài ra, nếu vựng thỏc lũ càng rộng thỡ hệ số M cũng càng lớn. Nhưng lỳc
