6, 7 ,8 Tốc độ cổng COMM.
2.4.1 Giới thiệu chung
Nhằm giúp nhân viên khai thác kỹ thuật tiếp cận thiết bị một cách
dễ dàng, trong tài liệu này chúng tôi sẽ đề cập một cách khái quát về công nghệ và nguyên lý của các bộ phát và thu tín hiệu quang trong truyền dẫn thơng tin.
Các nguồn phát tín hiệu quang
Có hai loại linh kiện phát quang đ−ợc sử dụng trong các bộ biến đổi quang điện, đó là đi-ốt phát quang - LED (Light Emitting Diode) và la-de đi-ốt - LD (Laser Diode). LED có cơng suất phát xạ thấp hơn nên th−ờng sử dụng cho truyền dẫn quang cự ly ngắn và truyền trên cáp quang đa mốt (th−ờng là các đ−ờng kết nối tới đầu cuối hoặc mạng cục bộ), cịn LD có cơng suất phát xạ cao hơn nên đ−ợc dùng trong các thiết bị đ−ờng trục. Thông th−ờng, đối với các hệ thống thơng tin quang có tốc độ bit cỡ xấp xỉ 100 Mbit/s hoặc nhỏ hơn thì nguồn phát quang chủ yếu là các LED. Do không cần sử dụng các mạch ổn định nhiệt và ổn định quang nên LED có mạch điều khiển đơn giản hơn LD. Mặt khác, LED dễ chế tạo và rẻ hơn LD nên đ−ợc sử dụng rộng rãi hơn. Các bộ biến đổi quang điện sẽ đ−ợc giới thiệu d−ới đây đều sử dụng các LED để làm nguồn quang. Do vậy phần này không đề cập đến LD mà chỉ đề cập đến nguyên lý hoạt động của các LED.
LED phát quang nh− thế nào? Để hiểu rõ đ−ợc cơ chế phát xạ ánh
sáng của đi-ơt phát quang, ta tìm hiểu cấu trúc của nó. Cấu trúc đơn giản của tất cả các LED đều có dạng bán dẫn p - n. Nguyên lý phát xạ ánh sáng của LED đ−ợc mô tả nh− trong hình vẽ 2.4-1.
Để có thể sử dụng trong các ứng dụng về truyền dẫn quang, LED phải có cơng suất phát xạ và thời gian phản ứng nhanh. Công suất phát xạ t−ơng quan với độ chói của xung ánh sáng. Độ chói cao rất cần thiết để ghép một cách hồn tồn các mức cơng suất quang vào sợi quang. Thời gian phản ứng là thời gian trễ giữa thời điểm tác dụng của một xung dòng điện và thời điểm bắt đầu phát quang. Độ trễ thời gian này là hệ số giới hạn băng thông của thiết bị phát quang. Thời gian trễ càng nhỏ thì băng thơng của thiết bị, hay tốc độ điều chế nguồn quang, càng lớn.
Hình 2.4-1 Nguyên lý phát xạ ánh sáng của LED
ánh sáng mà LED phát ra là loại ánh sáng có b−ớc sóng trong dải cận hồng ngoại và một phần ở vùng nhìn thấy (vùng ánh sáng đỏ). Do vậy nếu thiết bị phát quang có tốc độ bit thấp (cỡ 10 Mb/s) và có nguồn quang
là LED thì có thể nhận biết đ−ợc tín hiệu quang phát ra ở đầu ra giao diện quang.
Các thiết bị thu quang
Thiết bị thu quang (còn gọi là bộ tách quang - PD - Photo Detector), thực chất là một phô-tô đi-ôt (photodiod), biến đổi tín hiệu quang nhận đ−ợc thành tín hiệu điện.
Bộ tách quang bán dẫn thông dụng nhất là loại pin Photodiod đ−ợc biểu diễn bằng sơ đồ t−ơng đ−ơng sau (hình vẽ 2.4-2).
Hình 2.4-2 Sơ đồ t−ơng đ−ơng bộ tách quang.
Thiết bị tách quang này có cấu trúc bán dẫn, gồm các miền p (positive-miền d−ơng) và n (negative - miền âm) đ−ợc phân chia bởi miền i (intrinsic - miền bên trong) đ−ợc kích hoạt nội tại rất nhẹ nên còn gọi là
miền nghèo (needy region) hay miền kiệt (depletion region). Khi hoạt
động, miền i tạo một thiên áp ng−ợc (reverse bias voltage) đủ lớn để triệt các hạt mang điện, làm thành một "hàng rào điện thế" (voltage band-gap) ngăn không cho các electron từ dải cấm (valence band) dịch chuyển sang dải dẫn (conduction band). Mức năng l−ợng của "hàng rào" này phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn cấu thành nên photodiod.
Khi có tia sáng chiếu tới bề mặt photodiod, giả sử có một photon bất kỳ có năng l−ợng lớn hơn hoặc bằng năng l−ợng "hàng rào " của vật liệu bán dẫn thì photon có thể trao năng l−ợng của nó cho một electron và
chuyển electron đó từ dải cấm sang dải dẫn để trở thành một electron tự do. Do có thiên áp nên electron di chuyển về cực n của bán dẫn. Tại vị trí tr−ớc đó của electron sẽ có một khoảng trống mang điện tích ng−ợc với điện tích của electron, hay nó mang điện tích d−ơng, và đ−ợc gọi là "lỗ trống" (hole). Trái với electron, lỗ trống sẽ di chuyển về cực p. Nh− vậy, hiện t−ợng trên đã làm sinh ra các cặp electron - lỗ trống tự do tại hai cực của photodiod. Mỗi photon của chùm ánh sáng tới sẽ tạo ra một cặp electron - lỗ trống, do vậy các hạt này đ−ợc gọi là các "hạt mang quang" (photocarriers).
Bộ tách quang thông th−ờng đ−ợc thiết kế sao cho các hạt mang quang này đ−ợc sinh ra chủ yếu ở miền nghèo, do vậy tại miền này phần lớn ánh sáng tới đ−ợc hấp thụ một cách hoàn toàn. Điện tr−ờng cao xuất hiện ở miền nghèo do các hạt mang quang phân chia và đ−ợc tập trung tại mặt ghép đã đ−ợc thiên áp ng−ợc, biến miền này trở thành miền dẫn và trong mạch ngồi có dịng điện. Do t−ơng quan với ánh sáng tới nên dòng điện này đ−ợc gọi là "dòng quang" (photocurrent).
Đối với các hệ thống tách quang đòi hỏi độ nhạy quang cao và cơng suất dịng điện đầu ra lớn thì ng−ời ta không dùng loại pin photodiod mà dùng đi-ốt quang thác APD (Avalanche Photodiod). Các APD thực hiện nhân nội tại "dịng quang" tín hiệu sơ cấp tr−ớc khi "chạm trán" với tạp âm nhiệt trong mạch thu làm cho độ nhậy quang tăng lên rất nhiều.
Để thực hiện đ−ợc phép nhân hạt này (nhân "dòng quang" thực chất là làm tăng số l−ợng các "hạt mang quang") thì các hạt mang quang đ−ợc sinh ra phải đi qua một vùng có điện tr−ờng rất lớn. Trong vùng điện tr−ờng cao nh− vậy, các electron hoặc lỗ trống có thể đ−ợc tăng mức năng l−ợng đủ lớn để làm ion hoá các electron trên biên miền cấm bằng cách va đập vào chúng. Phép nhân hạt mang quang theo kiểu cơ khí này đ−ợc gọi là sự ion hố do va đập (impact ionization). Các hạt mang quang mới sinh ra do q trình ion hố cũng bị ảnh h−ởng của tr−ờng điện từ cao nên cũng đ−ợc tăng đủ mức năng l−ợng để tiếp tục thực hiện sự va đập với các electron khác. Do mỗi hạt bị va đập sinh ra hai hạt mang quang nên số l−ợng hạt sinh ra tăng lên rất nhanh theo cấp số nhân. Hiện t−ợng này gọi là hiệu ứng thác lũ (avalanche effect). Nếu tr−ờng điện từ thấp hơn điện áp đánh thủng của đi-ốt thì số l−ợng hạt tạo ra là giới hạn. Ng−ợc lại
nếu tr−ờng điện từ cao hơn điện áp đánh thủng của đi-ốt thì số l−ợng hạt tạo ra có thể là vơ hạn.
Thông th−ờng, giá trị điện tr−ờng đ−ợc điều chỉnh ở mức nhỏ hơn điện áp đánh thủng của đi-ôt cỡ 5 đến 10 % và dòng quang sơ cấp đ−ợc nhân lên với hệ số nhân trung bình cỡ khoảng 40 đến 60 lần.
Thiết bị biến đổi quang - điện
Một bộ biến đổi quang - điện đơn giản có cấu tạo bao gồm phần linh kiện phát quang, phần linh kiện tách quang và mạch điện điều khiển. Mạch điện này vừa có nhiệm vụ điều biến nguồn quang, khuếch đại tín hiệu điện sau bộ tách quang và thực hiện các chức năng giúp cho hệ thống hoạt động một cách đồng bộ. Ngồi ra cịn có mạch ổn định nguồn, mạch giám sát và chỉ thị trạng thái hoạt động của thiết bị v.v...
Các thiết bị biến đổi quang - điện hiện nay đang dùng trên mạng truyền số liệu quân sự phần lớn là sản phẩm của hãng Black Box
Corporation (Hoa Kỳ).