Để biến tớn hiệu điện thành tớn hiệu quang thường dựng LED ( Light Emitting Diode ) hoặc LD ( Laser diode ). Tớn hiệu quang từ nguồn quang phỏt ra sẽ được điều chế. Cú nhiều phương phỏp diều chế, trong hệ thống IM- DD thỡ tớn hiệu sẽ được điều chế cường độ ỏnh sỏng bằng dũng phõn cực cho LED hoặc LD. Những đặc trưng cơ bản của LED và LD khi điều chế cường độ cần được xõy dựng.
3.1.1.1. Tớnh phi tuyến của đặc tuyến cụng suất - dũng bơm.
Cường độ ỏnh sỏng ra khụng phải luụn luụn tỷ lệ bậc nhất với dũng phõn cực. Cả LED và LD đều cú đoạn phi tuyến của dặc tuyến. Với LED ta cú thể viết[53]:
Pra= a1I + a2I2 + a3I3 +...(3.1) (3.1) Đoạn phi tuyến này đối với LED là do bóo hoà khi dũng phõn cực lớn. Đối với LD thỡ cỏc đoạn phi tuyến xảy ra khi dũng phõn cực nhỏ hơn dũng điện ngưỡng và do chế độ thắt cổ chai ( Kink ) khi dũng phõn cực quỏ lớn. ( hỡnh 3.2 ) nếu cấu trỳc kiểu xọc.
0
0 Ps
PKink LD
Hỡnh 3.2. Đặc tuyến Ps = f( I ) của nguồn quang LED và LD.
Chúng ta sẽ chỉ sử dụng đoạn tuyến tớnh của đặc tuyến trong tớnh toỏn thiết kế sau này.
3.1.1.2 Băng tần của nguồn quang.
Băng tần làm việc tức là khoảng tần số làm việc lớn nhất của nguồn quang sẽ do cỏc hiện tượng vật lý xảy ra bờn trong nguồn quang quyết định, như thời gian khuếch tỏn của hạt tải qua mặt ghộp P-N, thời gian sống của cỏc photon hay thời gian tỏi hợp của cỏc hạt tải. Ngoài ra điện dung mặt ghộp và điện dung tạp tỏn cũng ảnh hưởng tới băng tần làm việc của nguồn quang. Người ta đỏnh giỏ ảnh hưởng của chỳng bằng thời gian tăng trưởng ( rise time ) của xung ỏnh sỏng.
Hỡnh 3.3 Đỏp ứng tần số của nguồn quang. Cú thể tham khảo cỏc giỏ trị sau [ 57 ]:
τLED≈ 2 ns ữ 10 ns τLD≈ 0,1 ns ữ 1 ns 1 10 100 1000 10000 KHz C ôn g su ất r a -3 0 L E D 85 0n m L E D 13 00 - 1 50 0n m MM-LD SM-LD
Thời gian tăng trưởng của xung sẽ ảnh hưởng quyết định tới quỹ thời gian trong quỏ trỡnh tớnh toỏn thiết kế tuyến truyền dẫn quang.
3.1.1.3. Tạp õm của nguồn quang.
Cú hai nguồn tạp õm chớnh của nguồn quang, đú là:
- Tạp õm cường độ: Số photon bức xạ ra biến đổi ngẫu nhiờn gõy nờn tạp õm cường độ. Tỷ số SNR sẽ tăng lờn khi cường độ bức xạ tăng và ngược lại sẽ giảm khi băng tần điều chế tăng.
- Tạp õm mode. Tạp õm mode được sinh ra do sự xỏo động của cường độ ỏnh sỏng ở trong và giữa cỏc mode do cú sự giao thoa giữa cỏc mode truyền trong sợi quang.
Tuy nhiờn, tạp õm mode này thường khỏ nhỏ so với những tạp õm khỏc trong hệ thống trừ một số ít mode. ở gần chế độ ngưỡng của LD khi ghộp với sợi quang đa mode. Núi chung, tạp õm nguồn quang thường rất nhỏ trong thụng tin số.
3.1.1.4. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ và già hoỏ.
Hỡnh 3-4. Sự phụ thuộc cụng suất bức xạ của LED(a) và LD(b) vào nhiệt độ.
Núi chung, bước súng phỏt, cụng suất bức xạ, hiệu suất biến đổi điện quang và dũng điện ngưỡng đối với LD luụn luụn phụ thuộc vào nhiệt độ và
I(mA) 250C 700C 20 60 100 140 160 1 2 Ps a I(mA) 900C 20 60 100 140 1 2 Ps 3 4 5 6 40 80 180 700C 300C 300C 100C b
thay đổi theo thời gian sử dụng. Người ta đặc biệt quan tõm tới dũng điện ngưỡng.
Trờn (hỡnh 3-4) biểu diễn sự phụ thuộc của cụng suất ra vào nhiệt độ. Trong đú cần quan tõm tới sự phụ thuộc của dũng điện ngưỡng vào nhiệt độ. Mối quan hệ đú được biểu diễn bằng quan hệ [58],[ 57 ]:
Jng( T ) = 2,5 Jngexp( T/120 )(3-2) (3-2) Trong đú Jng là mật độ dũng ngưỡng ở nhiệt độ thấp và được xỏc định bằng [58], [57]:
(3-3)
Vớ dụ ở nhiệt độ thấp mật độ dũng điện ngưỡng là 358 A/cm2 thỡ ở nhiệt độ 3000K giỏ trị đú là 11KA/cm2.
3.1.1.5. Hiệu ứng chirp Laser.
Chirping là hiệu ứng tấn số ỏnh sỏng do LD bức xạ ra thay đổi phụ thuộc vào nồng độ hạt tải trong miền hoạt tớnh của Laser, tức thay đổi theo dũng bơm. Hiệu ứng này càng rừ rệt khi dũng bơm vượt qua giỏ trị dũng ngưỡng Ing. Do đú cú thể gọi đú là quỏ trỡnh biến đổi tần số bức xạ do điều chế chiết suất của Laser. Hiện tượng Chirping được mụ tả bởi [58]:
(3-4) Trong đú:
- N(t): Là nồng độ hạt tải trong miền hoạt tớnh. : Là nồng độ hạt tải trong miền hoạt tính.
- n0 : Là chiết suất của miền hoạt tớnh khi N(t)=0.
- f0 : Là tần số bức xạ của LD ứng với mode dọc trong buồng cộng hưởng khi N(t) = 0.
- Γ : Là hệ số chỉ phần photons do bức xạ kớch thớch tạo ra quay trở lại gõy bức xạ kớch thớch; Γ thường từ 0,1 ữ 0,3.
Như vậy khi diode Laser làm việc, tần số phỏt của LD sẽ phụ thuộc vào N(t) và biến thiờn theo thời gian. Chớnh vỡ hiện tượng cú liờn quan đến sự biến đổi tần số bức xạ này mà người ta gọi là hiện tượng Chirping ( tiếng kờu chiờm chiếp ).
(3-5)
Vớ dụ với bước súng λ =1550nm, LD loại InGaAsP, n0=3,5; Γ = 0,5 và b = -6,17.10-21cm3 và N(t) = 2.1018cm-3 thỡ = 1,77.10-3. Tỷ số này tuy nhỏ so với f0 = λ/c = 1,94.1014Hz nhưng độ thay đổi của tần số lại rất lớn, cỡ 342 GHz tức là khoảng bằng độ rộng băng tần của tớn hiệu. Nờn hiệu ứng Chirp Laser sẽ rất quan trọng trong thiết kế hệ thống thụng tin quang.
3.1.1.6. Độ rộng phổ bức xạ của nguồn quang.
Độ rộng phổ của nguồn quang là tham số quan trọng vỡ nú gõy dón xung ỏnh sỏng, và làm hạn chế cự ly truyền dẫn. Việc phấn đấu nghiờn cứu chế tạo những nguồn quang cú độ rộng phổ hẹp luụn là mục tiờu của thụng tin quang. Ngày nay, trờn thế giới xuất hiện nhiều loại nguồn quang với những độ rộng phổ rất khỏc nhau. Nhiệm vụ của người thiết kế hệ thống thụng tin quang là phải lựa chọn ra được một loại nguồn quang phự hợp với yờu cầu của bài toỏn thiết kế và càng khụng phải là lỳc nào cũng chọn loại nguồn quang cú độ rộng phổ hẹp nhất.
Độ rộng phổ của nguồn quang phụ thuộc vào những nguyờn nhõn mở rộng vạch phổ, cú thể là mỏ rộng Lorentz, mở rộng Doppler.v.v.[ 16 ]
a.Tiết diện ngang của SLED.b.Cấu trỳc của ELED. b.Cấu trúc của ELED.
Hỡnh 3.5. Cấu tạo của SLED và ELED.
Núi chung, LED cú đường bao vạch phổ dạng hỡnh chuụng và độ rộng vạch phổ lớn, nờn chỉ thớch hợp dựng trong cỏc tuyến cự ly ngắn, tốc độ bit thấp. Độ rộng phổ bức xạ của LED thường vào khoảng 30 ữ 40 nm. Hiện nay
Sợi quang Nhựa Epoxy Lớp tiếp xúc Đế N P P Si02 Đế thoát nhiệt Lớp tiếp xúc SiO2 Đế thoát nhiệt
thường sử dụng chủ yếu hai loại LED trong thụng tin quang, đú là LED phỏt xạ mặt cũn gọi là SLED ( Surface light Emitting Diode ), hỡnh 3.5a và LED phỏt xạ cạnh gọi là ELED ( Edge light Emitting Diode ) hỡnh 3.5b.
Diode Laser núi chung cú độ rộng vạch phổ bức xạ nhỏ hơn nhiều so với LED vỡ Laser chỉ khuếch đại những bước súng thoả món điều kiện cộng hưởng của buồng cộng hưởng Laser [ 16 ], hỡnh 3.6. Đú là:
(3-6)
trong đú:n: Là chiết suất của bỏn dẫn trong buồng cộng hưởng. n : Là chiết suất của bán dẫn trong buồng cộng hởng.
L: Là chiều dài của buồng cộng hưởng. : Là chiều dài của buồng cộng hởng.
q: Là chỉ số mode dọc. : Là chỉ số mode dọc.
a.Phổ bức xạ của LED. b.Phổ bức xạ của LD khi I < Ing
c. Phổ bức xạ của LD khi I > Ing
Hỡnh 3.6. Phổ bức xạ của LED và LD.
LD cú thể khuếch đại mode cơ bản và những mode lõn cận nằm trong đường bao khuếch đại. Tập hợp cỏc mode này ta sẽ cú đường bao vạch phổ và cú thể xấp xỉ đường bao này bằng phõn bố Gauss[ 3 ]:
(3-7) Trong đú ∆ω là độ rộng của vạch phổ bức xạ.
3.1.1.7. Phõn loại diode Laser đang sử dụng.
Cú thể phõn loại diode Laser được dựng phổ biến nhất hiện nay thành hai loại: Diode Laser dựng BCH loại Fabry- Perot và diode Laser dựng phản xạ Bragg. ∆λ 0,5 ∆λ 0,5 0,5 λ λ λ
Diode Laser dựng BCH Fabry-Perot thường cú cấu trỳc xọc dị thể kộp ( Double Heterojunction ) thường gọi là cấu trỳc DH, giống cấu trỳc của LED trờn hỡnh 3.5. Loại điode Laser DH này thường cú vạch phổ khỏ hẹp, ∆λ ≈ 2 ữ 5 nm, nhỏ hơn nhiều so với LED. Nhược điểm cơ bản của LD cấu trỳc DH xọc là cú thể tồn tại những mode ngang ( transverse ) và mode bờn ( lateral ) làm xuất hiện hiện tượng thắt cổ chai, PKink trờn đặc tuyến Ps = f(I) của LD. Hiện tượng này làm hạn chế cụng suất ra của LD, cả trong chế độ xung và chế độ liờn tục. Mặt khỏc nú cũng gõy nờn hiện tượng Chirping làm ảnh hưởng đến tỏn xạ trong sợi quang. Do đú loại Laser này ít được sử dụng trong cỏc tuyến cú tốc độ cao, cự ly lớn.
Trường hợp lý tưởng là chỉ cú một mode cơ bản và một mode bờn tồn tại. Điều này giỳp khụng những LD cú vạch phổ hẹp mà cũn cho chựm sỏng song song, đường kớnh ngang rất nhỏ, sẽ nõng cao được hiệu suất ghộp ỏnh sỏng vào sợi quang và đặc biệt là sợi quang đơn mode. Điều kiện để cú một mode bờn chớnh là điều kiện đơn mode của sợi quang phẳng, khi đú chiều dày của lớp hoạt tớnh d phải rất nhỏ và được xỏc định bởi [31]:
(3-8) Trong đú n1, n2 là chiết suất của vựng hoạt tớnh và vựng xung quanh. Để thoả món điều kiện trờn, d thường rất nhỏ, cỡ < 1àm. Để LD hoạt động được ở chế độ đơn mode ngang cần khống chế được chiều rộng của lớp hoạt tớnh. Điều này rất khú khăn vỡ khống chế được dũng điện khuếch tỏn trong LD loại tiếp xỳc xọc khụng phải dẽ dàng. Để khắc phục những nhược điểm trờn, gần đõy người ta đó chế ra LD đơn mode. Với loại LD này yờu cầu tỷ số nộn mode SMSR ( Side mode Suppression ratio ) phải rất lớn, khi đú hầu như LD chỉ cũn phỏt một mode dọc. Tỷ số SMSR được xỏc định như sau [ 32 ]:
(3-9) Trong đú:
- ∆ωG : Là khoảng tần số trong đú cỏc mode được khuếch đại. - ∆ωL: Là khoảng cỏch cỏc mode dọc liờn tiếp.
- P0 : Là cụng suất của mode chớnh. - P1 : Là cụng suất của mode liền cạnh.
- τn : Là thời gian sống của photon. - Rsp : là tốc độ bức xạ tự phỏt.
Loại LD này thường cú khoảng cỏch giữa hai mode liờn tiếp rất nhỏ:
∆λq=λq- λq+1≈ 1nm, nhỏ hơn rất nhiều so với dải thụng đường cong khuếch đại. Tuy vậy sự thăng giỏng của tỷ số SMSR cũng sẽ gõy nờn tạp õm và gọi là tạp õm phõn bố mode. Do đú đối với LD đơn mode yờu cầu khụng những SMSR lớn mà cũn phải ổn định.
Để giảm dũng điện ngưỡng cho LD hoạt động ở chế độ đơn mode bờn ( Single Lateral mode ) thường sử dụng LD cú cấu trỳc dị thể chụn BH ( Buried Hetero structure ) (Hỡnh 3.7). Dũng điện ngưỡng của LD này chỉ cỡ 30 mA nờn điều kiện tỏa nhiệt dễ thực hiện hơn. Ngoài ra loại LD này cũn cho phộp đạt được hiệu suất ghộp ỏnh sỏng vào sợi quang rất cao.
Loại Laser được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trờn cỏc tuyến cự ly lớn và tốc độ bit cao là Laser hồi tiếp phõn bố DFB ( Distributed FeedBack ) hỡnh 3.8. Đú là loại Laser mà trong đú người ta dựng hiện tượng phản xạ Bragg thay cho loại BCH Fabry-perot truyền thống. Nhờ cú điều kiện phản xạ Bragg: (3.10) Hỡnh 3.7. Mặt cắt của LD dị thể chụn. n-GaAs Đế toả nhiệt N Aly Ga1-yAs Si02 Lớp tiếp xúc P-AlzGa1-zAs P-GaAs N-AlzGa1-zAs Lớp tiếp xúc D Lớp tiếp xúc Cách tử Vùng hoạt tính Dòng phân cực
Hỡnh 3.8. Mặt cắt của LD Loại DFB.
Mà tớnh chất chọn lọc bước súng rất cao, hầu như Laser chỉ phỏt ở một tần số, cũn gọi là Laser đơn tần.
Trong biểu thức ( 3.10 )
neff : Là chiết suất hiệu dụng của bỏn dẫn ( neff=3,4 đối với Laser InAsGaP, λ=1,55àm).
D: Là chu kỳ cỏch tử. : Là
chu kỳ cách tử.
m: Là bậc nhiễu xạ Bragg. : Là
bậc nhiễu xạ Bragg.
Nếu m = 1 thỡ λB = 2Dneff gọi là bước súng Bragg bậc một. Như vậy dựa vào chu kỳ D của cỏch tử cú thể lựa chọn bước súng làm việc cho Laser.
Diode Laser phản xạ phõn bố Bragg DBR (Distributed Bragg Reflector ) là một biến thể của laser DFB. Trong Laser DBR cỏc cỏch tử ngắn đúng vai trũ gương phản xạ chọn lọc tần số ( Hỡnh 3.9 ). Nhờ nú mà trong vựng hoạt tớnh tuy tồn tại nhiều mode nhưng chỉ cú một bước súng thoả món điều kiện Bragg và mới được khuếch đại lờn.
Hỡnh 3.9. Cấu trỳc của LD loại DBR.
Laser DBR cú thể đạt hệ số nộn rất cao, SMSR ≈ 30 ữ 35dB. Dũng điện ngưỡng của cả DFB và DBR chỉ cỡ 20mA. Độ rộng vạch phổ rất hẹp, chỉ cỡ 0,1 ữ o,5nm. Cần chỳ ý rằng, bước súng ỏnh sỏng do Laser DFB và DBR phỏt ra phụ thuộc vào chu kỳ D của cỏch tử, mà chu kỳ đú lại phụ thuộc vào nhiệt độ. Do đú ta cần phải ổn định nhiệt độ tốt cho cỏc loại Laser này và thường sử dụng cỏc bộ làm lạnh Peltier.
Hiện nay người ta đang tập trung nghiờn cứu loại diode Laser cú thể thay đổi được bước súng và chuyển đổi mode nhanh. Để thực hiện những chức năng này người ta chế ra diode Laser DFB hai ngăn (hỡnh 3.10).[13].
Vùng hoạt tính Phản xạ phân bố Bragg Phản xạ phân bố Bragg P N
Thay đổi bước súng được xỏc định bằng cỏch thay đổi chiết suất do thay đổi dũng hạt dẫn phúng vào ngăn hoạt tớnh:
(3.10)
Cú thể thay đổi =1% và cũng =1%, tức vào khoảng 10 ữ 15 nm, cũn khảng cỏch giữa hai mode dọc liờn tiếp chỉ cỡ 1,5 ữ 3nm.
Hỡnh 1.10. Cấu trỳc Laser DFB hai ngăn.
a/ Thay đổi bước súng theo dũng ib
b/ Thay đổi bề rộng phổ theo dũng ib
Hỡnh 3.11.Đặc tớnh của DFB hai ngăn.
Cấu trúc 2 ngăn này cú 2 điện cực riờng biệt. Ngăn thứ nhất cú nhiệm vụ thay đổi chiết suất để làm thay đổi bước súng phỏt. Ngăn thứ hai dựng để biến đổi tớn hiệu điện thành tớn hiệu quang như cỏc Laser thụng thường. Với cấu trỳc này điều khiển lựa chọn bước súng và điều khiển cụng suất bức xạ Laser hoàn toàn độc lập với nhau ( Hỡnh 3.11 )
Lớp tiếp xúc Lớp tiếp xúc Cách tử Vùng hoạt tính ia Dòng khuếch đại n P ib Dòng điều khiền b ớc sóng 0,2 0,4 0,6 0,8 1 ib/(ia+ib) a/ 1555 1556 1557 1558 1559 λ[nm] 5mW 1mW 5mW 1mW 0,2 0,4 0,6 0,8 1 ib/(ia+ib) b/ 20 15 10 5 ∆ν[MHz]
Trong đú ia cú mật độ lớn hơn mật độ dũng ngưỡng sẽ quyết định cụng suất ra, cũn dũng ib cú giỏ trị bộ hơn dũng ngưỡng sẽ quyết định bước súng phỏt, thực nghiệm đó đạt đươc khoảng điều chỉnh là 3,3nm với bề rộng phổ đạt 15MHz và cụng suất ra 1m .
Những loại diode Laser này sẽ rất thớch hợp trong cỏc hệ thống cần thay đổi bước súng như hệ thống ghộp kờnh theo bước súng, hệ thống toàn quang.v.v.
Hiện nay, người ta cũng theo hướng phỏt triển này đó nghiờn cứu cỏc loại diode Laser DFB ba ngăn.
Diode Laser VCSEL là Diode Laser phỏt xạ mặt cú buồng cộng hưởng đứng. VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) cú cấu trỳc như biểu diễn trờn hỡnh 3.12. [ 54 ]
Hỡnh 3.12. Cấu trỳc Laser VCSEL.
Hai gương phản xạ cú cấu trỳc nhiều lớp điện mụi cú chiết suất khỏc nhau giống như hệ thống gương nhiờự lớp phản xạ của Laser Helium-Neon. Gương ra phớa sau dạng bỏn mờ cú số lớp điện mụi ít hơn. Gương điếc phớa