d) Suy hao do hàn nối, lắp g hép sợi với thiết bị phát quang :
3.4. Các tính chất động của laser tiêm chích
Phương trình mô tả sự thay đổi mật độ điện tử N trong vùng tích cực khi kh ông c ó photon và d òn g bơm là:
dN_ _N_
di T* ( 5 5 )
Trong đó: Te là thời gian s ố n g của điệu từ bao gồtn cả các điện tử tái hop với lỗ trống có bức xạ và kh ô ng bức xạ.
Số lượng điện tử bơm vào vùng tích cực trong một g i â y là: .ỉsd/e.
T h ô n g thường độ dày của vùng tích cực c ỡ vài phần mười c ủa ụm, g iá sử c ác điện tử phân b ố g i ố n g nhau trong vùng tích cực có độ dày H'. Khi đó ta cổ:
M s J
eschv ew (5 6)
Đ â y chính là giới hạn bơm c ho laser tiêm c híc h.
Giii sử, trong laser chi có một mo de dài và một m o d e n gan g thì mật dộ photon tương ứng với m od e này là 0 ò f, trong đó ồ f là dô dầy của phổ
Chương J: Bộ phát quang - Laser (ỉiode
bức xạ. Sự hấp thụ và sự phát xạ kích thích của photon trong một đơn vị thể tích tỷ lệ với 0 ỗ f và nó c ũng chính là hàm của mật độ điện tử N. Do đó, chúng ta có thể biểu diễn hiệu ứng hấp thụ và phát xạ kích thích là
ạ ( N) <06/, í' ( N) là hàm c ủ a mật độ điệu tử. Khi đó, sự thay đổi theo thời gian của mât đỏ điên tử trong chất bán dẫn như sau:
(JN ,J . . . . . „ N
di ew Te ( 5 7 )
Nế u k h ôn g xét đến tác đ ộ n g của điệu tứ thì sự thay đối theo thời g ian cua mật độ photon 0 ỗ f trong hốc c ộ n g hưởng thụ đ ộn g là:
dOỏT
dt ~ V. ( 5 8 )
Sự mất mát trong hốc c ộ n g hưởng và năng lượng truyền qua gương của hốc c ộ n g hưởng được g ộ p lại vào thời gian s ố n g c ủ a photon Tpi, :
11 r,,h r 1 1
a + In
2d R ] R 2 . (5 9)
Nói một cách chính x á c, Tpị, c ũn g thay đổi theo mật độ điện tử N, bời vì a biến đổi theo N do hấp thụ hạt tải tự đo. Tuy nhiên, để c ho đơn g iản thì s ự phụ thuộc của Xpị, vào N được bỏ qua.
Cấu hình điều c h ế biên độ trực tiếp trong laser tiêm chích được dùng phổ biến trong truyền thông số. Đ ể tìm tính chất quá độ của laser, c h ún g ta xét tín hiệu lối ra khi dò ng bơm là một x u n g vuông. Hình I I biểu diễn c ô n g suất quang ra khi d òn g bơm là xung vuông. Ta thấy, khi dòn g bơm đột ngột được bật lên ánh s áng lối ra một thời gian trễ là t0ll, xun g lối ra có thêm dao độn g tắt đần.
Khi đ òn g bơm đột n g ột bị ngắt ánh s áng lối ra c ũ n g bị trễ một thời gian.
Chương Hộ phát quang - Laser (liode
0 T i m e - 2 0 2 4 6 8
T i m e
Hình ì I . Đ áp ÍOií’ </NÚ độ (lia laser
J /Jt h
Hình 12. Thời I’ian bật ton của laser lủ hàm cửa dỏni> bơm
3.5. ĐIỂU C H Ế BIÊN ĐỘ
Ta thấy trong đường PI c ủa laser tiêm chích k h ôn g thẳng trong vùng hoạt động, nên lái laser bằng một d òn g hìuli sin thì ánh s á ng lối ra không có đường bao dạng sin. Nếu mật độ dòn g bơm bao g ồ m thành phần một c hi ều ./,) và thành phần biến đổi theo thòi gian .ỉ/(t), tương ứng với đòng một c hiề u I0 và d òn g x o a y c hi ều ỉ¡(t) đảm bảo k h ô n g c ó đoạn dưới ngưỡng hay vượt s a n s vùng bão hoà thì ánh s á ng lối ra c ũ n g c ó thành phần biến đổi theo thời gian tương ứng. Nếu dòng bơm lần lượt là I J t ) và ỉ h(t) thì c ô n g suất lối ra tương ứng là p j t ) và p h(t), phần thấp của P ,(t) và P h(t) bị méo. Tuy nhiên, lối ra của điều c h ế biêu độ sẽ kh ô ng bị m é o nếu laser được định thiên phù hợp ( d òn g Ir(t) và c ô n g suất p,.(t) tương ứng). Đ ế xác định đáp ứng tần s ố trong điều c h ế biên độ ta viết một độ d ò n g bơm như sau:
Ch ươn i* Rộ phát quang - ỉ . user (liode
J ( t) = J (, + J ,e'
( 6 0 ) Trong đó: (Om là tần s ố g ó c và (ở„ ,-2 n fm . Nế u giá sứ rằng ./,) lớn hơn rất nhiều s o với I.//I và thì:
N ( t ) = N„ + N ,e
0(t)<5F = + 0 ,ổ f e
( 6 1 ) ( 6 2 ) Trong đó: N| và 0 | Ô f là những đại lượng phức c ó biên độ nhỏ sao c h o N<1» I Nịl và O 0ô f » I O | 5 f I.
Hình 13. Đ iều chê biên đ ộ trực tiếp
Đ ể tìm kết quá gần đ ú n g c ủ a hai phương trình trêu ta xét:
[ m - N... \*>(íW = \ N n + N te ' ^ - N mm ) ( 00ổf + Q t f e 1™ = (N„ - N mtn )CD0ôf + [(/V„ - N mn yt>{Ôf + ỳ + N ^ ậ e ’^ ( 6 3 ) Từ đ ó ta có: 0 = z ; - * ' W ' - w...— w r* ( 6 4 )
ChươiMỊ 3: Họ phút <1IIÍIIIỊỊ - Laser diode
O = ( N„ - Nmm )0 „ ¿ 7 - + y — ,.\
tph r . (65)
Tương tự, ta c ũn g nhận được hai phương trình như sau:
’ é , - X ' k N» - N- * > < # +e w - —T ,c j o . * , # =+ g , [w , - N „ )<t>,<r+ /v,0„ạr]+ ^ _ * Æ T., X.... (66) (67) Ta có: o?, <*>„#■ + - ) éwA r , Trono đó: A = ■>(0„ + — -t-g,<I>0 ậ f ì 5 + 1 (*5 ? o 1 < • T, L * > J (68) + á r,(N 0 - N inmXá>',cỉ>0 # ' + — ) *■, (69) Tỷ sô (PịỔ Ị U I là đáp ứng tần số điều chế biên độ trực tiếp của laser tiêm chích. Đê xác định hiệu ứng của điều chế trực tiếp người ta thay đối dòng bơm cho laser. Xét trường hợp đặc biệt y=0, khi đó (68) trở thành:
Q | 8 f T phứ j 2mữ__________________ ( 7 0 ) e t r -<°l ) + M»( + r , Ả ) r . với mil r r 1) p h ■’ t h ( 7 1 )
Hình 14 biểu diễn (Ị>iổf/(.ỉ¡lew) là hàm của CDmTc, khi Y=0. Đường cong không thay đổi cho đến khi (0in đạt tới com0 . Khi .1 tăng, hay tỷ số T^/tph tăng, đinh co,n dịch chuyển về tần số cao.
Từ công thức (71) colll0 độc lập với Te/tpi, và J0/Jlh, và ta có thẻ viết lại nó như sau:
,,2 mil =Ì L u - ì(-Al "'/A/ x = £ j ^ Æ
w V (72)
Từ công thức (72) ta thấy co,ll0 thay đổi tuyến tính so với 0 ()ổ f và nó tỷ lệ với công suất quang trung bình của laser, điều này có nghĩa là đáp
ChươtiỊỊ Hò phát (ỊIUHIÍỊ - ÌAtser (lioile
ứng tấn s ố c u a điề u c h ế biên đ ộ trực tiếp tại lối ra cùa laser k h ô n g thay đối từ dc tới:
/ = ÍỈ!UÌL = _L L
2* T l)h (7 3)
/ „ l0 có thê được x e m là b ă n g tần điề u chế. Tu và Tph c ó độ lớn lầu hrợt c ỡ ns và ps do d ó flll0c ỡ G Hz .
í l '1f t f / ( j, / e w )
0.1 1 10 100 1000
Hình 14. Đ á p ìbiíỊ tần sô của ìaser troiiíỊ điều c h ế b iê n độ trực tiếp
Chùm tia s á n g lối ra c ủ a laser phai được điều c h ế để truyền những thông tiu hữu ích. Một p h ươ ng pháp đ iề u c h ế đơn giản nhất và quan trọng là đ i ề u c h ế trực liếp d ò n g đ iệ n đi qua laser. Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể người ta c h i a thành ba loại đi ề u c h ế sau:
3.5.1. Điều chê tín hiệu lổn:
Trong c á c h này, laser được “b ậ t ” và “ tắt” , nghĩa là d ò n g điện thay đổi từ g iá trị trêu n g ư ỡ n g x u ố n g dưới ngưỡng. Đáp ứng của laser trong cách điể u c h ế này rất c h ậ m ( » 1 0 ns) và cách này k h ô n g được dùng nhiều trong truyền thông. T r o n g c á c h này thì đáp ứng của một laser kh ông tốt hưu s o với đáp ứng c ủ a m ộ t L E D.
ChiCong 3: Ho pluit ijnang - Laser diode
3 . 5 . 2 . D i e n c h e t i n h i e u n h o :
Voi cach dien che näy laser diroc dinh thien befi möt d ö n g c a o hau ugiröng möt mürc du Ion vä möt d ön g x o ay chieu nhö. Giai phap näy cho phep laser c ö dap trug tan so c ao nhat, däi thöng dien che c ö the len toi 5 0 Ghz.
|-)ieu che xung mä:
Di en che xung mä diroc sü dung rat rong rai trong he thöng thöng tin q u an g hien dai. D ay la giai phap näm gifra hai giai phap dien c h e tin hieu Ion vä diöu che tin hieu nhö. Laser diroc dinh thien treu ugiröng vä möt d ö n g xung d ö n g nhö duoc dät väo läm cho dön g dien c hay tu gia tri c a o toi gia tri thap.
tin liicu I(in
T in liicu nlio
t)icu ehe xm ij2 mä
i'ii
Thcfi gian -»
Hi/ili /5. Bd loai dien che hien do tn/c tiep düng trong laser
Chươnự 3: ỉiọ pltút qnanq - ỉ.ascr lỉinde
Đáp ứng cúa một laser bị ảnh hưởng bởi cá các yếu tô bên 1 rong và yếu tố bên ngoài. Các yếu t ố bên ngoài có thê đẫn đến từ nhiều nguồn khác nhau. Một hạn c h ế quan trọng là do laser khi hoạt đ ộn g bị nóng lên. Nhiệt độ tăng là nguyên nhân làm suy giảm các thông s ố của laser như phố khuếch đại và d òn g ngưỡng.
Khi laser được định thiên tại c ô n g suất quá c ao sẽ làm c ho mặt g ươ ng và buồng c ộ n g hưởng bị thoái hoá nhanh. Do đó, laser làm việc phải có một giới hạn trên c ủ a dòng định thiên, đày chính là giới hạn an toàn cua laser. Giới hạn ngoài rất quan trọng I1Ó quyết định tới tốc độ của laser. Vì vậy, laser phải được thiết k ế sao cho trở kháng, dung k h án g và c ả m kháng của nó kh ông làm hạn c h ế đáp ứng của hệ thống.
3.6. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TỚI LASER.
Trong nhiều ứng dụng, ánh s á ng của laser phát ra phải được du y trì ổn định trong những điều kiện hoạt độ ng khác nhau. Đ ặc biệt trong những ứng dụng tốc độ cao laser làm việc ở c ô n g suất lớn. Kết quả là thiết bị sẽ bị nó ng thậm c hí có thể bị đánh hỏng do nhiệt độ tăng. Dưới đây đề c ập sự phụ thuộc của hai thông s ố quan trọng vào nhiệt độ đó là:
1) Anh hưởng của nhiệt độ tới d ò n g ngưỡng
2) Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tần s ố phát xạ 3.6.1. Ảnh hưởng c ủ a nhiệt độ tới dòng ngưỡng.
Khi nhiệt độ tăng làm cho dòn g ngưỡng tăng và c ô n g suất phát quang giam do ba nguyên nhân sau:
a) Nhiệt độ tăng là ng u yê n nhân làm cho hàm cận Fermi fc và f h bị "mờ "đi nhiều hơn. Kết quả là điều kiện đào lộn mật độ f L.+fh>I đòi hỏi mật độ d ò n s bơm cao hơn. N ó làm tăng dòn g ngưỡng. Hiệu ứng này xuất hiện trong tất cá các laser bán dẫn.
b) Nhiệt độ tăng là ngu yên nhân làm cho sự phân bố các điện tử, lồ trống bị trái ra các vùng năng lượng cao hơn. Kết quá là một phần lớn hơn điện tích bơm c ó thè tràn qua vùng hoạt đ ộ n g và cứ tiếp tục như vậy cho đến khi gặp lớp vỏ hoặc vùng tiếp xúc. D òn g đò phụ thuộc vào thiết kế
Chương J: liộ phát //mini’ - ¡.user diode
laser và có thê triệt dược băng cách sử dụng vùng hoạt động rộng hoặc cấu (rúc chí số chọn lọc (gradđeđ index structure) đối với laser hố lượng tử.
c) Nhiệt độ tăng íà nguyên nhân làm cho các điện tír và lỗ trống có năng lượng lớn hơn năng lượng ngưỡng cần thiết cho sự tái hợp Auger. Kết
hựp với sự gia tăng của mật độ dòng ngưỡng thì sự tái hợp Auger sẽ tăng theo hàm mil so với nhiệt độ. Quá trình Auger đặc biệt quan trọng đối với các vật liệu có khoáng trống hẹp.
Từ kết qua của ba nguyên nhân trên, nói chung, mật độ dòng ngưỡng của laser có thể được biếu diễn bởi công thức:
Jđ.Ợ) = J l exp(7V /;,)
(74) Giá trị T„ càng lớn càng tốt, với laser GaAs -120 K. Đối với các laser bước sóng dài (À=l,55|Lim) thì T0 nhỏ hơn (~ 50 K).
3.6.2. Anh hương của nhiệt độ tơi tần số phát xạ.
Khi nhiệt độ thay đổi tần sô phát xạ bị dịch chuyển. Có hai hiệu ứng điều khiển sự dịch chuyển này:
a) Sự thay đổi vùng cấm của chất bán dẫn là nguyên nhân làm cho toàn bộ phố dịch chuyển xuống V Ì 1 I 1 Í Ị năng lượng thấp hưu khi nhiệt độ
tăng. Vùng cấm cúa hầu hết các bán dẫn thay đối cỡ -0,5 meV/K. Đây chính là nguyên nhân làm cho phổ thav đổi từ 3-T-4 A°/K khi không có các yếu tố khác tác động vào. Mặc dù, sự phát xạ laser không chi phụ thuộc vào vị trí của đình phổ mà còn phụ thuộc nhiều vào mode Fabry-Perot rất gần với đình phố. Do vậy dẫn đến hiệu ứng thứ hai.
Chương .í: Họ phút quang - ỉ . user diode
Hình 16. Ảnh Iuíở/ÌÍỊ cùa nliiệt độ tới Laser
a) Phổ khuếch dại và m ode cộng lìiỉởiii> bị dịch do nliiệt độ. h) Bước sỏn\ị của laser bị dịch do nhiệt độ
b) Khi nhiệt độ thay đối làm c ho hốc c ộ n g hưởng của laser thay đổi và sự thay đổi chiết suất c ũ n g làm cho vị trí của c ác mo de c ộ n g hưởng
lệch đi. Mode c ộ n g hưởng được xác định bởi c ô n g thức:
ÍỊẦ = 2 L \ Ả , = —I </ ’ <7
( 7 5 ) Nếu độ dài hiệu dụng c ủa hốc c ộ n g hưởng tăng lên do nhiệt độ thì vị trí của mo de sẽ bị dịch c h u y ể n phụ thuộc vào sự dịch c h u yể n c ủ a phổ khuếch đại. Điể u này được chỉ ra trên hình 16. Đ ố i với hầu hết chất bán dẫn, bước s ó n g c ộ ng hưởng s ẽ bị thay đối tống c ộ n g kh oảng 1 A°/K.
Từ liai hiệu ứng trên, bước s ó n g phát xạ của laser Fabry-Perot có dang như trên sơ đồ 16. Bước s ó n g phát xa bị dich c h uy ê n kh oảng I A°/K cho đến khi mode gần kề trở nên gần đính hơn.
Clnểơnự 4 : Thiết kẽ hệ tliónq điêu khiên tó hợp Comerá
CHƯƠNG 4
T H I Ế T K Ế H Ệ T H Ố N G Đ I Ể U K H I Ể N T ổ H Ợ P C A M E R A
4.1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG
Đ ê xác định tốc độ truyền dẫn và k h oa ng cách trạm lặp của hệ thống thòng tin quang sợi, có hai tham s ố phải nghiên cứu là s uy hao qu ang và độ rộng băng truyền dẫn. Đối với hệ thống điều khiển c amera v iệc đưa vào phân tích, nghiên cứu để tính toán s u y hao quang và độ rộng băng truyền dần để tính khoảng cách đường truyền, độ nhạy ở đầu thu c ũn g như c ô n g suất ở đầu phát là rất cần thiết.
Đ o suy hao quang để xác đinh suy hao c ô n g suất ánh s á ng lan truyền trong sợi quang. Nếu s u y hao nhó hơn thì sẽ cho phép k h oả ng cách truyền dẫn tín hiệu lớn hơn.
Suy hao quang c ó thể tạm phân chia thành hai loại, thứ nhất là suy hao thuần tuý sợi quang, và thứ hai là các suy hao phụ khi lắp đặt và vận hành hệ thống bao g ồ m suy hao hấp thụ, suy hao tán xạ, s uy hao do tán sắc; suy hao trong quá trình vạn hành mạng bao g ồ m suy hao do uốn c ong , suy hao do hàn nối (bao g ồ m suy hao do tán xạ và phát xạ) và s u y hao ghép nối của cáp quang vào c á c linh kiện thu và phát quang.
Trong quá trình thiết k ế hệ thống, để cáp quang thành cáp truyền dẫn thôn? tin tốt thì phải thoả mãn c ác yêu cầu thiết k ế sau:
- Các đặc tính truyền dẫn của cáp phái ổ 11 định trong các môi trường nước, độ ẩm và ngoại lực bên ngoài bởi vì áp suất tác dụng vào sợi cáp không đều sẽ g ây ra suy hao vi c o n g, nước thấm vào cáp sẽ làm g i ả m khả năng c h ố n g lực căng của cáp.
- Cáp quang phải c ó khá năng vận hành lắp đặt tương tự như cáp kim loại thông thường. Đ ể sử dụng cáp quang rộng rãi trong lĩnh vực viễn thông tại c ác nơi lắp đặt cáp và hàn nối cáp phái dễ dàng thực hi ện Iihư cáp thông thường.
Chương 4: Thiết ké hệ (hông diếu khiến tó hợp Camera
- Các c ô ng việc báo dưỡng cáp sau khi lắp đặt phái dễ dàng. Tính ổn định c ao là rất quan trọng đế cáp quang c ó thể cung cấp được dung lượng truyền dẫn lớn. Đ ể đạt được điều này, yêu cầu đối vói cáp là dễ dàng định vị nơi hỏng, c h ố n g thấm 11 ước v.v...
Trong việc thiết k ế hệ thống, c ác yếu tô như chất lượng triiyền dẫn toàn hệ thống, dung lượng hệ thống và khoảng cách lặp lại là các yếu tố cơ bán chung. Trong phần này tôi xin trinh bày v iệc thiết k ế hệ thống thực tế trêu c ơ sở các yêu cầu này.
* Các thông sô cơ bản:
Trong thiết k ế hệ t hống truyền dẫn sợi quang, người ta chú ý đến các yếu tố cơ ban để lựa chọn là bước s ó ng hoạt độ ng , sợi quang, c ác linh kiện phát quang, linh kiện thu quang và c ác bộ ghép/t ách quang theo g ó c độ yêu cầu của hệ thống truyền dẫn, khoáng cách lập lại, dung lượng