ghép kênh quang phân chia theo thời gian otdm

Cho tới đầu năm 1980, các hệ thống thông tin quang đã được phổ biến khá rộng rãi với vùng bước sóng làm việc là 1300nm và 1500nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của thông tin sợi quang

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO

THỜI GIAN OTDM

Giảng viên hướng dẫn : ThS TÔ VĂN TUẤN

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ DUYÊN

Lớp : CCK02- ĐT1

Khoá : 2007- 2010

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP PHÚC YÊN

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO

THỜI GIAN OTDM

Giảng viên hướng dẫn : ThS TÔ VĂN TUẤN

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ DUYÊN

Lớp : CCK02- ĐT1

Khoá : 2007- 2010

Vĩnh Phúc, tháng 05 năm 2010

LỜI NÓI ĐẦU

LỜI CẢM ƠN

CH ƯƠ NG I KHÁI QUÁT V H TH NG THÔNG TIN QUANG Ề Ệ Ố 1

1.1 T ng quan v h th ng thông tin quang ổ ề ệ ố 1

1.2 S ơ đồ kh i c a h th ng thông tin quang ố ủ ệ ố 3

1.2.1 Ch c n ng các kh i ứ ă ố 3

1.2.2 Các tham s c b n c a h th ng thông tin quang ố ơ ả ủ ệ ố 3

CH ƯƠ NG II CÁP S I QUANG Ợ 5

2.1 C u t o v phân lo i cáp s i quang ấ ạ à ạ ợ 5

2.1.1 C u t o cáp s i quang ấ ạ ợ 5

2.1.2 Phân lo i s i quang ạ ợ 5

2.2 C s lý thuy t truy n d n ánh sáng ở ở ế ề ẫ 6

2.2.1 C s lý thuy t ơ ở ế 7

2.2.2 Kh u i u ch s ẩ đ ề ế ố 8

2.2.3 Lý thuy t mode sóng ế 10

2.3 Các đặ c tr ng suy hao c a s i quang ư ủ ợ 11

2.3.2 Ph suy hao ổ 12

2.3.3 Đặ c tính tán s c c a s i quang ắ ủ ợ 14

CH ƯƠ NG III NGU N PHÁT QUANG Ồ 17

3.1 Nguyên lý b c x ánh sáng c a ch t bán d n ứ ạ ủ ấ ẫ 17

3.1.1 Nguyên lý b c x ánh sáng ứ ạ 17

3.1.2 Các ch t bán d n dùng ấ ẫ để ch t o ngu n phát quang ế ạ ồ 19

3.2 Phân lo i ngu n phát quang ạ ồ 21

3.3 Diode phát quang (LED) 22

3.3.1 LED phát x m t ạ ặ 23

3.3.2 LED phát x c nh ạ ạ 24

3.3.3 Các đặ c tr ng k thu t c a LED ư ỹ ậ ủ 24

3.4 LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) 26 3.4.1 C u trúc v nguyên t c l m vi c ấ à ắ à ệ 26

3.4.2 M t s lo i laser ộ ố ạ đượ ử ụ 27 c s d ng 3.4.2.1 Laser a mode Fabry_Pero (F_P) đ 27

3.4.2.2 LASER đơ n mode 28

3.4.3 Các đặ c tr ng c a laser ư ủ 30

CH ƯƠ NG IV NGU N THU QUANG Ồ 34

4.1 Khái quát v ngu n thu quang ề ồ 34

4.2 Photo diode P-N 34

4.2.1 C u t o v nguyên t c tách sóng quang c a photo diode P-N ấ ạ à ắ ủ 34

4.1.3 Các đặ c tính k thu t c a photo diode P- N ỹ ậ ủ 35

4.3.1 C u t o v nguyên lý l m vi c ấ ạ à à ệ 37

4.3.2 Tham s k thu t c a PIN ố ỹ ậ ủ 38

4.4 Photo diode thác APD 39

4.4.1 C u t o v nguyên lý l m vi c ấ ạ à à ệ 39

4.4.2 Các tham s k thu t c a APD ố ỹ ậ ủ 41

CH ƯƠ NG V GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO TH I GIAN Ờ 43

5.1 T ng quan v h th ng ghép kênh phân chia theo th i gian OTDM ổ ề ệ ố ờ 43

5.1.1 Nguyên lý ghép kênh trong h th ng OTDM ệ ố 43

5.1.2 Phát tín hi u trong h th ng OTDM ệ ệ ố 44

5.2 Gi i ghép v xen r kênh trong h th ng OTDM ả à ẽ ệ ố 45

5.2.1 Gi i ghép ả 45

5.2.2 Xen r kênh ẽ 48

5.2.3 Đồ ng b quang trong h th ng OTDM ộ ệ ố 49

5.3 Đặ c tính truy n d n c a OTDM ề ẫ ủ 50

5.4 B khu ch ộ ế đạ ợ i s i quang pha tr n ERBIUM (EDFA) ộ 51

5.4.1 Các c u trúc EDFA ấ 51

5.4.2 Lý thuy t khu ch ế ế đạ i trong EDFA .53

5.4.3 Yêu c u ầ đố ớ i v i ngu n b m ồ ơ 56

5.4.4 Ph khu ch ổ ế đạ 59 i 5.5 K t lu n ch ế ậ ươ 61 ng K T LU N Ế Ậ 62

DANH M C TÀI LI U THAM KH O Ụ Ệ Ả 63

BẢNG 2.1: Bảng kích thước hình học và độ chênh chiết suất ∆ của một số loại sợi quang chế tạo từ thủy tinh thạch anh

BẢNG 3.1: So sánh ELED và SLED

BẢNG 4.1: Các tham số kỹ thuật của photo diode PIN

BẢNG 4.2: Các thông số kỹ thuật APD

BẢNG 5.1: Bảng tóm tắt các phương pháp ghép kênh OTDM

HÌNH 2.3: Khẩu điều chế số

HÌNH 2.4: Phổ suy hao của sợi quang

HÌNH 2.4: Đồ thị biểu diễn đặc tính tán sắc của sợi quang

HÌNH 3.1: Dải cấm năng lượng trực tiếp

HÌNH 3.2: Dải cấm năng lượng gián tiếp

HÌNH 3.3: Cấu tạo của LED phát xạ mặt

HÌNH 4.1: Đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử η

HÌNH 4.2: Cấu tạo của photo diode quang

HÌNH 4.3: Cấu tạo của diode thác APD

HÌNH 5.1: Sơ đồ hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM ghép 4

kênh quang

HÌNH 5.2: Nguyên lý của bộ ghép kênh thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển

mạch phân cực quang

HÌNH 5.3: Cấu hình PLL quang để trích lấy clock

HÌNH 5.4: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA

HÌNH 5.5: Mặt cắt ngang của một sợi quang ion Erbium

HÌNH 5.6: Giản đồ năng lượng của ion Er3+

CÁC TỪ VIẾT TẮT

APD Avalanche Photo Diode Điốt tách sóng thác

APS Automatic Protection Switching Cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động

AS Absortion Spectrum Phổ hấp thụ

BUF Bandwidth Utilization Factor Hệ số sử dụng băng thông

CLP Counterdirectional Pumping Bơm ngược

CP Condirectional Pumping Bơm thuận

DH Double-Heterojunction Dị thể ghép cấu trúc

DSF Dispersion shifted Fiber Sợi quang dịch chuyển vị trí tán sắcEDF Erbium –Doped Fiber Sợi quang pha ion đất hiếm ErbiumEDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi

EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn

ErbiumFBGF Flouride-Based Glass Fiber Sợi thủy tinh Flouride

GI Gradexindex Sợi quang chiết suất biến đổi Gradien

ISI Inter symbol Interference Sự giao thoa giữa các kí hiệu

LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang

MaD Material Dispersion Tán sắc vật liệu

MGF Multicomponent Glass Fiber Sợi quang thủy tinh đa vật liệu

MM-GI Multimode Gradexindex Sợi quang đa mode biến đổi GradienMM-SI Multimade Stepindex Sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậcMoD Mode Dispersion Tán sắc mode

NC Nonradiative Cecay Phân rã không bức xạ

NOLM Norlinear-Loop-Mirror Gương vòng phi tuyến

OFDM Optical Frequency Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo tần sốOTDM Optical Time Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo thời gianOTN Optical Transport Network Mô hình mạng truyền tải quang

OWDM Optical Wave Division

PDH Plesiochronous Digital Hierarchy Phân cấp số cận đồng bộ

PDL Polarization Dependent Loss Suy hao do phân cực

PIN Positi Intrinsic Nagative Điốt PIN

PLL Phase-Locked-Loop Mạch khóa pha

SMF Sợi đơn mode tiêu chuẩn

SSR Sidelobe Suppression Ratio Tỉ lệ nén biên

WDM Wave Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức trong đó thông tin là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội Do đó, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa phương tiện trong đời sống kinh

tế - xã hội của từng quốc gia cũng như kết nối toàn cầu

Để đáp ứng được vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung lượng lớn Một giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn tốc

độ cao hay băng thông rộng, với dung lượng lớn và đa dịch vụ, đó là công nghệ truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao

Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao hay băng tần rộng, thì quá trình biến đổi điện – quang của các phần tử phát quang (LED, LD) và quá trình biến đổi quang – điện của các phần tử thu quang ( PIN, Photodiode, APD) không tuân theo đặc tuyến tĩnh của nó nữa, mà là hàm số của tần số (đó chính là quá trình biến đổi động của các phần tử phát và thu quang) Khi tốc độ truyền dẫn càng lớn và do đó tần số truyền dẫn của hệ thống càng cao, thì ảnh hưởng của quá trình biến đổi động của các phần tử phát

và thu quang đến chất lượng truyền dẫn càng lớn

Tuy nhiên, truyền dẫn thông tin quang luôn chứa đựng những tiềm năng vô cùng phong phú và luôn được cập nhật những thông tin mới Do đó để bao quát hết được vấn đề là một công việc hết sức rộng lớn Chính vì thế, chúng em đã chọn đề tài

“TRUYỀN DẪN QUANG” để làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp

Đề tài gồm 5 chương với nội dung như sau:

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Trong chương này, giới thiệu về hệ thống thông tin quang, những ưu nhược điểm của hệ thống

CHƯƠNG II CÁP SỢI QUANG

Trong chương này chúng em nghiên cứu về cấu tạo, phân loại sợi quang và các đặc tính riêng của từng loại

Chương này giới thiệu chung về nguyên lý phát quang, các nguồn thu quang Cấu tạo, nguyên tắc làm việc và các đặc trưng kĩ thuật của mỗi loại nguồn phát quang.CHƯƠNG IV NGUỒN THU QUANG

Nghiên cứu về nguyên lý của các thiết bị thu quang, các thiết bị dung trong thu tín hiệu quang

CHƯƠNG V: KĨ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG THEO THỜI GIAN OTDM

Giới thiệu về kĩ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, nguyên lý, những

ưu nhược điểm của hệ thống này

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ xung và phát triển rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô cũng như các bạn có quan tâm để hoàn thiện kiến thướcvề công nghệ này

LỜI CẢM ƠNTrước hết chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo ThS Tô Văn Tuấn người đã trực tiếp định hướng, giảng dạy và hướng dẫn tận tình cho chúng em từ các môn học cho đến khi hoàn thành đồ án tốt nghiệp.

Em xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô của trường Cao đẳng Công nghiệp Phúc Yên nói chung, quý thầy cô trong khoa điện tử- viễn thông nói riêng đã tận tình giảng dạy, trang bị những kiến thức bổ ích trong khoảng thời gian học tại trường

Em xin cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên, góp ý và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập và thực hiện đồ án

Em xin chân thành cảm ơn!

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Giảng viên hướng dẫn

(ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT Của giảng viên hướng dẫn nộp cho Hội đồng bảo vệ đồ án

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Đồ án, khoá luận được đánh giá (bằng điểm):

Điểm bằng số:

Điểm bằng chữ:

Giảng viên hướng dẫn

(ký và ghi rõ họ tên)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

……….

Giảng viên phản biện

(ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT Của giảng viên phản biện nộp cho Hội đồng chấm đồ án

Đồ án, được đánh giá (bằng điểm):

Điểm bằng số:

Điểm bằng chữ:

Giảng viên phản biện

(ký và ghi rõ họ tên)

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu của con người đối với thông tin ngày càng cao Để đáp ứng được nhu cầu đó đòi hỏi mạng viễn thông phải có dung lượng lớn, tốc độ cao, băng thông rộng …Mặt khác mấy năm gần đây do dịch vụ thông tin phát triển nhanh chóng, để thích ứng không ngừng với sự phát triển của dung lượng truyền dẫn thông tin, thì hệ thống thông tin quang ra đời đã khẳng định được chính mình

Với việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ mới

có ý nghĩa rất to lớn vào năm 1960 Bằng khuyến nghị của Kao và Jockham 1966 về việc chế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp Bốn năm sau, Kapron đã chế tạo ra được sợi quang trong suốt có độ suy hao đường dẫn khoảng 20dB/km Cho tới đầu năm

1980, các hệ thống thông tin quang đã được phổ biến khá rộng rãi với vùng bước sóng làm việc là 1300nm và 1500nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của thông tin sợi quang trong hai thập niên qua Ngày nay, cáp sợi quang đã tạo ra những triển vọng mới cho công nghệ truyền thông tốc độ cao cũng như việc hiện đại hóa mạng thông tin

và nhu cầu kết nối thông tin Với giá trị suy hao gần đạt tới giá trị suy hao 0,14dB/km của sợi đơn mode, từ đó cho ta thấy hệ thống thông tin quang có những điểm nổi bật hơn hệ thống cáp kim loại

Những ưu điểm nổi bật của hệ thống thông tin quang:

Dung lượng lớn: các sợi quang có khả năng truyền một lượng lớn thông tin Với công nghệ hiện nay trên hai sợi quang có thể truyền được đồng thời 60.000 cuộc đàm thoại, một cáp sợi quang đồng trục có khả năng với 10.000 cuộc đàm thoại mà một tuyến viba hay vệ tinh có thể mang được 2000 cuộc gọi đồng thời

Kích thước và trọng lượng nhỏ: so với một cáp đồng trục có cùng dung lượng thì cáp sợi quang có đường kính nhỏ hơn và khối lượng nhẹ hơn rất nhiều, do đó dễ lắp đặt chúng hơn, đặc biệt là các vị trí có sẵn dành cho cáp (như trong đường ống đứng trong các tòa nhà) ở đó khoảng không là rất ít

Chương I: Khái quát về hệ thống thông tin quang

Không bị nhiễm điện: truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễm diện từ (EMI) hay nhiễu tần số vô tuyến (RFI) và nó không tạo ra bất kỳ sự nhiễu nội tại nào Sợi quang có thể cung cấp một đường truyền “sạch” ở những vị trí khắc nghiệt nhất, các công ty điện lực sử dụng cáp quang dọc theo các đường dây cao thế để cung cấp nguồn thông tin rõ ràng giữa các trạm biến áp.Cáp sợi quang cũng không bị xuyên âm, thậm chí dù ánh sáng bị bức xạ ra một sợi quang thì nó không thể thâm nhập vào một sợi quang khác

Tính cách điện: sợi quang là một vật cách điện Sợi thủy tinh này loại bỏ nhu cầu về điện cho đường thông tin Cáp sợi quang là một chất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và có thể cho phép cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng dụng Có thể loại bỏ được nhiễu từ các dòng điện chạy cùng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây ra bởi sự phóng điện trên các đường dây thông tin như sét, những trục trặc về điện Đây là một phương pháp an toàn thường được dùng ở nhưng nơi cần cách điện

Tính bảo mật: cáp quang cung cấp độ bảo mật về thông tin cao Một thông tin quang không thể trích để lấy trộm thông tin bằng phương tiện điện thông thường như

sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ và rất khó trích lấy thông tin ở dạng thông tin quang Thậm chí nếu đã trích ra thông tin quang thì nó có thể bị phát hiện nhờ kỹ thuật công suất ánh sáng thu được ở đầu cuối, trong khi đó các tín hiệu vệ tinh

và viba có thể dễ dàng thu để giải mã được

Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: sợi quang là một phương tiện truyền dẫn đồng nhất và không gây hiện tượng pha đinh Những tuyến cáp quang được thiết kế thích hợp để chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm khắc nghiệt, thậm chí có thể hoạt động dưới nước

Tính linh hoạt: các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại, video,…Các hệ thống này đều có thể tương thích với các chuẩn RS232, RS422, V.35, Ethernet, FDDI, T1, T2, T3, SONET, thoại 2/4…

Tính mở rộng: các hệ thống sợi quang được thiết kế thích hợp để dẽ dàng mở rộng khi cần thiết

Sự tái tạo tín hiệu: công nghệ này cho phép thực hiện những đường truyền thông bằng cáp quang dài trên 70km trước khi cần tái tạo tín hiệu Khoảng cách này có thể tăng lên 150km nhờ sử dụng bộ khuếch đại LASER.

Với những ưu điểm vượt trội trên, hệ thống thông tin tạo ra sức hấp dẫn mạnh

mẽ cho các nhà khai thác viễn thông Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai

1.2 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang

Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang

1.2.1 Chức năng các khối

Hệ thống thông tin quang bao gồm các khối:

1 Khối dồn kênh /tách kênh (MUX/DEMUX) nhằm ghép các luồng tín hiệu có tốc độ thấp (2Mbit/s, 4Mbit/s, 140Mbit/s, 158Mbit/s….) thành luồng tín hiệu có tốc độ cao hơn và ngược lại

2 Khối phát có mạch điều khiển, nguồn quang thực hiện việc điều biến các tín hiệu điện thành các tín hiệu quang để truyền thông qua cáp sợi quang

3 Cáp sợi quang có nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu ánh sáng

4 Trạm lặp (Reqeater) hoặc bộ khuếch đại quang đối vói tuyến có cự ly dài

5 Khối thu quang gồm có photodiode để chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khối khuyếch đại và khôi phục tín hiệu

1.2.2 Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang

Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang gồm có:

Chương I: Khái quát về hệ thống thông tin quang

• Tỉ số tín trên tap điện S/N (SRN) hay quang OSNR

• Tỉ số lỗi bit BER (10−9 ÷10−12)

• Độ rộng băng tần điện BW (MHz) hay quang BWo (MHz)

• Đối với sợi quang: hệ số suy giảm riêng (dB/km), độ mở số NA, tích cự ly và tốc độ bit BxL (Mbit/skm)

• Đối với máy phát quang: công suất phát ghép vào sợi Pt (mW hay dBm), bước sóng làm việc, độ rộng phổ (nm), thời gian tăng trưởng phát (ns)

• Đối với máy thu quang: độ nhạy thu Pr min (mW hay dBm), bước sóng làm việc, thời gian tăng trưởng thu (ns), dải động của máy thu (dBm)

CHƯƠNG II CÁP SỢI QUANG

2.1 Cấu tạo và phân loại cáp sợi quang

2.1.1 Cấu tạo cáp sợi quang

Sợi quang có cấu tạo hình trụ, gồm hai lớp chính từ chất điện môi đồng tâm nhau Lớp trong gọi là lớp lõi (core), lớp ngoài là lớp vỏ (clading) Ngoài ra còn có lớp bảo vệ và vỏ bọc bên ngoài

Chất điện môi chủ yếu để chế tạo sợi quang phổ biến là thủy tinh thạch anh (SiO) hoặc chất dẻo tổng hợp Sợi quang thủy tinh thạch anh có tiêu hao thấp và đường kính nhỏ nên giá thành cao, còn sợi quang làm bằng chất dẻo có đường kính lớn hơn và tiêu hao lớn hơn, giá thành thấp

Chiết suất của lõi sợi quang là n1 lớn hơn chiết suất của vỏ sợi quang n2 Lớp clading là thủy tinh hay plastic, có nhiệm vụ bảo vệ cho ánh sáng truyền lại lõi Lớp vỏ bọc và bảo vệ bên ngoài là lớp vỏ nhựa PVC giúp bảo vệ core và cladding không bị bụi ẩm và trầy xước Lớp vỏ bảo vệ bên ngoài có ba lớp chính là vỏ bảo vệ bên ngoài, lớp áo giáp và lớp chịu lực

2.1.2 Phân loại sợi quang

Có nhiều cách phân loại sợi quang như phân loại theo vật liệu chế tạo, phân loại theo phân bố chiết suất, phân loại theo mode lan truyền

Phân loại theo vật liệu chế tạo gồm có sợi quang thạch anh, sợi quang làm bằng thủy tinh hỗn hợp và sợi quang làm bằng chất dẻo

Phân loại theo phân bố chiết suất có sợi quang chiết suất nhảy bậc SI (Step Index), sợi quang chiết suất biến đổi Gradien GI (Gradex Index)

Theo mode lan truyền: có sợi quang đơn mode (single mode), sợi quang đa mode (multi mode)

Phổ biến nhất người ta phân loại sợi quang theo lan truyền kết hợp với phân bố chiết suất Theo đó người ta phân sợi quang thành3 loại sau:

1 Sợi quang đa mode chiết suất bậc nhảy MM_SI Chiết suất của lớp vỏ lõi là

n1 và lớp vỏ là n2 đều là hằng số nhưng khác nhau, trong sợi có thể truyền đồng thời

Chương II: Cáp sợi quang

nhiều loại mode sóng (nhiều tia sóng) khác nhau với hằng số truyền riêngβ của mỗi

mode Với sợi làm bằng thủy tinh thạch anh thì chiết suất n1=1,5; n2=1,48

2 Sợi quang đa mode chiết suất biến đổi Gradien MM_GI Lõi sợi có chiết suất phân bố biến đổi là hàm số theo bán kính của lõi, với giá trị lớn nhất tại tâm là n1 và giảm dần theo bán kính đến giá trị n2, còn vỏ sợi có chiết suất cố định là n2

Trong sợi MM_GI truyền được đồng thời nhiều mode sóng, mỗi mốt sóng truyền theo các đường cong dạng hình sin có chu kỳ gặp nhau sau một khoảng nhất định Phân bố chiết suất của sợi GI theo quy luật sau:

Đường kính lõi

µm

Đường kính vỏµm

Đường kính vỏ bảo

Bảng 2.1 Bảng kích thước hình học và độ chênh chiết suất ∆ của một số loại sợi

quang chế tạo từ thủy tinh thạch anh

2.2 Cở sở lý thuyết truyền dẫn ánh sáng

Để cho đơn giản ta coi mặt phân chia hai môi trường là phẳng rộng vô hạn

Hình 2.1 Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sángKhi tia sóng truyền từ môi trường một đến mặt phân cách chia hai môi trường dưới góc ϕ1 (góc lập giữa tia tới và pháp tuyến n cuả mặt phân cách) thì tại mặt phân chia hai môi trường sẽ xuất hiện tia phản xạ quay trở lại môi trường một với góc phản

xạϕpx và tia khúc xạ 1’ đi tiếp và môi trường hai với góc khúc xạ làψ .

Theo định luật khúc xạ ta có hệ thức sau:

Vì n1>n2 nên ta cóψ >ϕ Vậy sẽ tồn tại trường hợp khi tia tới (tia 2) truyền với

góc tớiϕ0có giá trị

2

0<ϕ0 <Π để đạt được điều kiện:

Chương II: Cáp sợi quang

1sin

trường 1 trùng với tia phản xạ 3’ với góc phản xạϕ =px ϕ2 Hiện tượng trên gọi là sự

phản xạ toàn phần hai điều kiện để xảy ra sự phản xạ toàn phần là n1>n2, ϕ >t ϕ0 Do

sợi quang cấu tạo bởi 2 lớp chiết suất, lớp lõi kém hơn lớp vỏ n1>n2 nên khi tia sáng truyền vào lớp lõi lập với pháp tuyến mặt phân chia giữa lớp lõi và vỏ có góc tới lớn hơn góc tới hạn ϕ0 thì tia sáng sẽ bị phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt phân cách và

truyền dọc trong lõi sợi quang theo đường zích zắc mà không đi ra ngoài vỏ

Hình 2.2 Truyền ánh sáng trong sợi quangĐối với sợi quang GI, chiết suất lõi sợi biến đổi theo lõi sợi quang không theo đường thẳng zích zắc theo đường cong dạng hình sin với chu kỳ tập trung quanh trục lõi sợi quang Điều này được giải thích như sau: vận tốc truyền sóng trong trong lõi sợi

quang được xác định bởi công thức:

1

n

c

V ph = Tại vùng gần trục, do chiết suất lõi sợi

lớn nên vận tốc truyền của tia nhỏ nên quãng đường truyền ngắn còn vùng xa trục do chiết suất lõi nhỏ, nên vận tốc của tia lớn hơn và tia đi được quãng đường lớn hơn Kết quả là các tia truyền theo các đường cong có độ dài khác nhau nhưng sau cùng một khoảng thời gian sẽ gặp nhau theo chu kỳ

2.2.2 Khẩu điều chế số

Để đặc trưng về khả năng ghép lượng ánh sáng vào lõi sợi quang người ta đưa vào đại lượng gọi là khẩu độ số, kí hiệu là NA

Ta đã biết, để tia sáng đi vào lõi sợi quang và truyền dọc theo lỡi sợi cần thực hiện được điều kiện phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt phân chia giữa lõi và vỏ, nghĩa là phải có góc tới lớn hơn góc tới hạnϕ0.

Hình 2.3 Khẩu điều chế sốTrên hình vẽ ta thấy, tia tới 1 khi từ không khí vào lõi sợi lập với trục sợi một góc là θ >θmax, ứng với góc tới nhỏ hơn góc tới hạn ϕ <1 ϕ0 khi đến mặt phân chia sẽ khúc xạ ra vùng vỏ và bị tiêu hao, không truyền dọc theo sợi Tia tới 2 khi đi vào lõi sợi lập với trục sợi một góc θmax ứng với góc tới hạnϕ0 nên đến mặt giới hạn sẽ truyền

dọc theo mặt này Còn tia thứ 3 khi truyền từ ngoài không khí vào lõi sợi lập với trục sợi một góc θ <θmax sẽ ứng với góc tới lớn hơn góc tới hạn ϕ >3 ϕ0 nên sẽ phản xạ

toàn phần liên tiếp trên mặt phân chia và truyền dọc theo lõi sợi quang Do đó góc θmax

được gọi là góc tiếp nhận cực đại ánh sáng và khẩu độ số của sợi được định nghĩa là:

0 1 0

0 1

Chương II: Cáp sợi quang

1

2 1

0

2 1

n

n n

n

Khi tính khẩu điều chế số nhờ áp dụng định luật khúc xạ ta mới chỉ tính đến các tia sáng đến nằm trong mặt phẳng đi đi qua tâm sợi (mặt kinh tuyến) mà chưa tính đến các tia sáng đến sợi nằm lệch mặt phẳng này và truyền vào sợi theo các đường xoắn zích zắc Vì vậy, NA trong thực tế khác chút ít so với công thức tính theo lý thuyết đã cho

Trong thực tế các sợi quang có NA như sau:

- Các phương trình Mac-xoen cho trường điều hoà tần số ω:

j j

2 1

τ τ

τ τ

H H

E E

2 0 2 2

=+

∇

=+

∇

j j j

j j

E k n E

k n H







với điều kiện bờ như trên (2.14)

Ở đâyk0 =ω ε0µ0 là chỉ số của vùng lõi và vỏ

Việc tìm nghiệm của các phương trình sóng trong vùng lõi và vỏ sợi nói chung là rất khó, thường phải giải gần đúng.

Mỗi một nghiệm riêng của phương trình mô tả một dạng trường hay một mode sóng đang tồn tại trong sợi quang

Các mode sóng trong sợi quang có đặc tính như sau:

• Mỗi mode có hình ảnh phân bố trường riêng trong sợi

• Các mode là độc lập với nhau

• Mỗi mode có vận tốc và hằng số truyền riêng

• Mỗi mode có một bước sóng giới hạn xác định gọi là bước sóng cắt λc điều

kiện để mode sóng truyền lan được trong sợi là bước sóng làm việc của nó phải nhỏ hơn bước sóng cắtλ <λc.

Người ta tính được số mode sóng M trong sợi như sau:

1

NA a V

=

2

22

122

α

αλ

α

V

Ở đây V là tham số cấu trúc hay tầnsố chuẩn hoá của sợi quang

Điều kiện để trong sợi quang chỉ truyền lan một mode sóng (là sợi đơn mode) là:

405.22

Mode sóng cơ bản duy nhất truyền trong sợi quang đơn mode là mode dạng

HE11, nó có bước sóng cắt bằng vô cùng, hay tần số cắt bằng 0

2.3 Các đặc trưng suy hao của sợi quang

Sóng ánh sáng khi truyền dọc theo sợi quang bị suy giảm cường độ theo chiều dài sợi Đó là đặc tính vật lý vốn có của sợi quang gọi là sự suy hao

Nếu xét trên 1km chiều dài sợi quang, Pv là công suất tại cuối sợi quang thì lượng suy hao của ánh sáng trên đoạn sợi tính theo đơn vị dB có dạng là:

( )

Chương II: Cáp sợi quang

Suy hao do hấp thụ của các Ion OH có các đỉnh cực đại tại các bước sóng 94

λ ≥10 , suy hao do hấp thụ tử ngoại sẽ lớn tại vùng bước sóng λ<0.1µm.

Suy hao do tán xạ và bức xạ: khi truyền ánh sáng trong lõi sợi quang, gặp các chỗ bất đồng nhất về chiết suất trong sợi có kích thước lớn xấp xỉ bước sóng sẽ bị tán

xạ ra mọi phía và được gọi là tán xạ Rơlay dẫn đến suy hao Tán xạ này có hệ số suy hao tỉ lệ nghịch vớiλ4 Nên suy hao do tán xạ Rơlay sẽ giảm nhanh trong vùng bước sóngλ >1µm.

Ánh sáng truyền trong sợi còn bị suy hao do bức xạ ra ngoài vùng vỏ sợi khi

bị uốn cong quá mức Tại các chỗ uốn cong, điều kiện phản xạ toàn phần không thực hiện được, nên một lượng nhỏ ánh sáng từ lõi sợi khúc xạ ra vùng vỏ và gây nên suy hao do bức xạ Vì vậy, để giảm loại suy hao này các nhà chế tạo sợi quang điện quy định bán kính uốn cong cực đại cho phép, theo tiêu chuẩn là Rc cho từng loại sợi

Suy hao do kết nối: bao gồm suy hao do hàn nối sợi và suy hao do đầu nối dùng colector Suy hao tại mỗi mối hàn quy định không vượt qua 0.1dB/mối, và suy hao tại mỗi colector không vượt 1dB/c

2.3.2 Phổ suy hao

Vì các suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng làm việc nên suy hao tổng hợp của sợi được biểu thị là hàm của bước sóng gọi là phổ suy hao

Hình 2.4 Phổ suy hao của sợi quangHình 2.5 ở trên mô tả phổ suy hao của sợi quang trong các giai đoạn thời gian khác nhau

- Từ phổ suy hao trên ta thấy sợi quang có 3 vùng bước sóng có suy hao thấp cho phép truyền ánh sáng gọi là 3 cửa sổ truyền dẫn của sợi

+ Vùng cửa sổ 1: λ1 =0.8÷0.9µm bước sóng tâmλ10 =0.85µm, hệ số suy hao

Vùng cửa sổ 1 làm việc thích hợp với thế hệ thông tin quang thứ nhất, có tốc

độ bit thấp, cự ly khoảng lặp nhỏ, dùng sợi đa mode, các linh kiện thu phát có giá thành rẻ

+ Vùng cửa sổ 2:λ2 =1.27µm÷1.37µm, bước sóng tâm λ20 =1.3µm hệ số suy

hao α =0.35÷0.5dB / km

Cửa sổ này làm việc tương ứng với thế hệ thông tin quang thứ 2, dùng sợi đơn mode, có tốc độ bit lớn và cự li dài, sử dụng cho các vùng hoặc đồ thị, giá thành các linh kiện cao hơn so với thế hệ 1

+ Vùng cửa sổ 3:λ3 =1.5µm÷1.6µm, bước sóng tâm λ30 =1.55µm, hệ số suy

hao α =0.15µm÷0.25dB/km, là cửa sổ suy hao nhỏ nhất, sử dụng sợi đơn mode tiêu

chuẩn SMF hoặc sợi đơn mode dịch tán sắc DSF Vùng này làm việc thích hợp với hệ thông tin quang thứ 3, cho đường trục, tốc độ bit rất lớn, cự ly siêu dài, giá thành khá cao

Chương II: Cáp sợi quang

2.3.3 Đặc tính tán sắc của sợi quang

Sự tán sắc của sợi quang: khi ánh sáng truyền trong sợi quang ngoài bị suy hao còn bị mở rộng độ rộng xung quanh, hiện tượng trên gọi là sự tán sắc ánh sáng trong sợi quang Hình 2.6dưới mô tả sự tán sắc của sợi quang

Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn đặc tính tán sắc của sợi quang

Độ tán sắc trên một đơn vị độ dài sợi là:

Có các dạng tán sắc của sợi quang như sau: tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng

* Tán sắc mode

Tán sắc mode chỉ xảy ra trong sợi đa mode Tán sắc mode là do sự khác nhau

về thời gian truyền dọc sợi quang của các mode khác nhau Mỗi mode là một tia sóng

sẽ truyền theo các đường khác nhau trong sợi, nhưng ở cuối sợi các mode lại đến tại các thời điểm do đi trên những khoảng cách khác nhau còn được gọi là sự trễ mode Tán sắc mode dẫn đến làm giãn rộng xung quanh Tán sắc mode thể hiện ở sợi MM-SI mạnh hơn so với sợi MM- GI Để đặc trưng cho sự tán sắc, ta đưa vào đại lượng gọi là

hệ số tán sắc tính trên một đơn vị độ dài sợi, kí hiệu là D

Dùng lý thuyết quang hình ta tính được hệ số tán sắc mode theo biểu thức sau:+ Trong sợi MM- SI: ( )

c

n SI

n

c

V ph = ,

nh nh

1 −

= là chiết suất nhóm Rõ ràng là vận tốc pha và nhóm của sóng truyền trong lõi sợi là hàm của bước sóng Vì tín hiệu bao gồm nhiều thành phần phổ khác nhau, mỗi thành phần phổ truyền với vận tốc khác nhau, nên gây ra sự giãn rộng xung tín hiệu Tán sắc vật liệu phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn phát, do đó

nó còn được gọi là tán sắc màu Để giảm tải tán sắc vật liệu cần chọn nguồn phát có độ rộng phổ ∆λ hẹp Ta tính được hệ số tán sắc vật liệu theo biểu thức sau:

2 2 2

1

dn

d c cdr

n D

D vl

λλλ

λ

(ps/km.nm )

(2.25)

Trong sợi đa mode, hệ số tán sắc vật liệu là khá nhỏ so với tán sắc mode nên

có thể bỏ qua, nhưng trong sợi đơn mode thì lại là dạng tán sắc trội nhất Tại bước sóng λ =1.27µm đường chiết suất nhóm có độ dốc bằng 0, nên tại bước sóng này hệ số

tán sắc vật liệu bằng 0

* Tán sắc ống dẫn sóng (tán sắc đường truyền)

Là sự phụ thuộc của hằng số truyền của mode sóng và và tỉ số bán kính lõi sợi

Chương II: Cáp sợi quang

Tán sắc này cũng dẫn tới làm giãn độ rộng xung quanh truyền dọc sợi Tán sắc ống dẫn sóng trong sợi đa mode là khá nhỏ có thể bỏ qua Trong sợi đơn mode, tại vùng bước sóng λ <1µm nó cũng nhỏ so với tán sắc vật liệu và có thể bỏ qua Song tại

vùng bước sóng gần1.27µmthì tán sắc này lại được so sánh với tán sắc vật liệu và cần phải tính đến ảnh hưởng của nó

Hệ số tán sắc ống dẫn sóng đượ tính theo biểu thức:

2 2 2 2

n n

n k b

−

−

= β là hằng số truyền chuẩn hoá của mode sóng. (2.28)

Ta thấy rằng hệ số tán sắc vật liệu Dvl tăng theo bước sóng tăng, có giá trị từ âm sang dương đi qua giá trị 0 tại bước sóng bằng1.27µm Ngược hệ số tán sắc ống dẫn sóng Dods có giá trị âm và đường cong này giảm khi bước sóng tăng Vì vậy trong sợi đơn mode hiệu ứng tán sắc tổng hợp tại bước sóng làm việc ở vùng cửa sổ 1.3µm giảm đến gần bằng 0 Ta nhận thấy tán sắc ống dẫn sóng có hệ số tán sắc thay đổi theo bán kính lõi a, độ chênh lệch chiết suất ∆và dạng biến đổi chiết suất của lõi nên ta có thể chế tạo mọi sợi đơn mode điều chỉnh để làm cho hệ số tán sắc tổng hợp gần bằng 0 tại vùng cửa sổ làm việc1.55µm.Sợi quang này còn gọi là sợi đơn mode dịch tán sắc chỉ 2-3ps/km.nm

Ta cũng nhận thấy rằng hệ số tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn phát quang, nên nó cũng được gọi là tán sác mầu (Choromatio Dispersion)

CHƯƠNG III NGUỒN PHÁT QUANG

Vùng dưới gồm các mức năng lượng thấp hơn gọi là vùng hoá trị với mức đỉnh

ký hiệu là B (ev), vùng trên gồm các mức năng lượng cao hơn gọi là vùng dẫn với mức thấp nhất ký hiệu là Ec Vùng giữa hai vùng hoá trị và vùng dẫn không tồn tại mức gọi

là vùng cấm, ký hiệu là EG (band gap), nó có giá trị là:

EG=EC – EV (eu)Tuỳ theo trạng thái của chất bán dẫn, trong vùng năng lượng các điện tử có thể chiếm đầy hoàn toàn các mức, chiếm một số mức hoặc để trống hoàn toàn Trong điều kiện cân bằng nhiệt của chất bán dẫn đại đa số các điện tử nằm tại các mức trong vùng hoá trị, có rất ít điện tử nằm ở vùng dẫn Chất bán dẫn không phát xạ ánh sáng

Quá trình bức xạ ánh sáng do tái hợp của chất bán dẫn diễn ra theo 3 giai đoạn sau đây:

• Sự hấp thụ năng lượng từ bên ngoài gọi là nguồn bơm

• Sự dịch chuyển điện tử lên trạng thái kích thích

• Sự chuyển dich điện tử tái hợp

Quá trình bức xạ do tái hợp diễn ra như sau:

Chương III: Nguồn phát quang

Khi chất bán dẫn được cấp một năng lượng có mức lớn hơn năng lượng vùng cấm E>EG (gọi là nguồn bơm) thí dụ như tăng nhiệt độ, chiếu ánh sáng hoặc cấp điện

áp định thiên, thì một số điện tử nằm ở mức E1 trong vùng hoá trị (gọi là mức ổn định) hấp thụ được năng lượng cấp này sẽ dịch chuyển lên mức E2 thuộc vùng dẫn và tại vùng hóa trị hình thành các lỗ trống, số lỗ trống bằng số điện tử đã dịch chuyển lên vùng dẫn

Điện tử nằm ở mức E2 này gọi là điện tử ở trạng thái bị kích thích Vì trạng thái kích thích của điện tử là không ổn định, nên chúng sẽ bị hạt nhân nguyên tử hút quay trở về mức ổn định E1 trong vùng hoá trị

Khi điện tử dịch chuyển từ mức E2 về mức E1 để tái hợp với lỗ trống thì một năng lượng được giải phóng Nếu năng lượng giải phóng dưới dạng ánh sáng (photon) thì sự dịch chuyển tái hợp bức xạ Ánh sáng phát ra của dịch chuyển này được tính theo định luật Planck là:

là phonon) thì dịch chuyển gọi là dịch chuyển tái hợp không bức xạ Nếu một điện tử

từ trạng thái bị kích thích (từ mức E2) dịch chuyển trở về trạng thái ổn định (về mức

E1) một cách tự nhiên để tái hợp với một lỗ trống và bức xạ ra một photon ánh sáng, thì bức xạ ánh sáng như vậy được gọi là bức xạ tự phát (Spontaneous Emission) Ánh sáng của các photon bức xạ tự phát có bước sóng tính theo công thức trên nhưng có hướng và pha tuỳ ý, nên gọi là ánh sáng không kết hợp, nó có cường độ yếu Nếu một điện tử đang nằm ở trạng thái kích thích (mức E2) khi nhận được ánh sáng từ bên ngoài chiếu vào có năng lượng của photon là:

thì ngay lập tức dịch chuyển về mức ổn định E1 để tái hợp với một lỗ trống và bức xạ

ra một photon ánh sáng Bức xạ này gọi là bức xạ kích thích hay cưỡng bức (Stimulate

Emission) sự bức xạ ánh sáng kích thích của Eistein Ở đây v là tần số của photon chiếu vào được tính theo công thức trên Chúng có cùng hướng và đồng pha với nhau Nên ánh sáng bức xạ kích thích gọi là ánh sáng kết hợp Ánh sáng kết hợp có cường

độ mạnh hơn nhiều so với cường độ của ánh sáng tự phát Ánh sáng LED phát ra là ánh sáng tự phát, còn ánh sáng của diode laser LD phát ra là ánh sáng kích thích

3.1.2 Các chất bán dẫn dùng để chế tạo nguồn phát quang

Không phải mọi chất bán dẫn đều có thể bức xạ ra ánh sáng, mà chỉ có một số chất bán dẫn có các tính chất nhất định mới bức xạ ra ánh sáng

Quá trình tái hợp giữa điện tử và lỗ trống tuân theo định luật bảo toàn năng lượng và bảo toàn xung lượng

Sự bức xạ ánh sáng do tái hợp xảy ra dễ hơn và với xác suất lớn hơn trong chất bán dẫn có vùng cấm loại trực tiếp, và khó xảy ra hơn và với xác suất nhỏ hơn trong chất bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp

1-Bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp: là bán dẫn trong giản đồ vùng năng lượng của nó có đáy thấp nhất của vùng dẫn và đỉnh cao nhất của vùng hoá trị tương ứng với cùng một giá trị xung lượng p hoặc vecto sóng k của điện tử Đại đa số các bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp đều là bán dẫn hợp chất như: GaAs, InP, AlGaAs, InGaAsP Chúng là các chất chủ yếu để chế tạo ra các LED và LD

Hình 3.1.Dải cấm năng lượng trực tiếp

Chương III: Nguồn phát quang

2-Bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp: là bán dẫn trong giản đồ vùng năng lượng của nó, có đáy thấp nhất của vùng dẫn và đỉnh cao nhất của vùng hoá trị ứng với các giá trị khác nhau của xung lượng p hay vector sóng k của điện tử Các bán dẫn này có thể là bán dẫn đơn chất như Ge, Si hay hợp chất như AlAs, GaP Chúng không dùng

để chế tạo các nguồn phát quang

Bình thường ở diode, phát xạ ánh sáng có thể xảy ra ở cả hai phía của diode rất thấp (do độ rộng vùng cấm E và chiết suất của hai vùng P- N của chuyển tiếp có giá

Hình 3.2 Dải cấm năng lượng gián tiếp

trị là xấp xỉ nhau) Tuy nhiên, nếu tập trung sự tái hợp các hạt đa số vào một vùng kích thích nhỏ thì mật độ công suất phát ra sẽ tăng lên Ta có thể thực hiện điều đó băng cách hình thành một lớp tiếp giáp giữa hai chất bán dẫn có độ rộng dải cấm khác nhau (tiếp giáp dị thể), tạo ra hàng rào thế năng, hàng rào này ngăn cản các hạt dẫn sâu vào trong mạng tinh thể bán dẫn Để “giam” cả điện tử và lỗ trống ta phải sử dụng hai lớp tiếp giáp dị thể, gọi là dị thể kép hay cấu trúc DH (Double- Heterojunction) lớp tiếp giáp dị thể có thể là dạng P- N , N-P hoặc P-P.

Cấu trúc dị thể kép DH sẽ giam lỗ trống vào điện tử vào trong một lớp hoạt tính cực hẹp Dưới điện áp phân cực thuận sẽ có một lượng lớn các hạt đa số được phun vào vùng hoạt tính Tái hợp của hạt đa số sẽ diễn ra trong lớp hoạt tính kích thước nhỏ

vì thế diode có hiệu suất phát quang cao Một ưu điểm nữa của diode laser có cấu trúc

DH là chiết suất trong vùng hoạt tính cao hơn vùng xung quanh, nên ánh sáng phát ra

là một chùm tia hẹp có độ tập trung cao cũng giống như trong sợi quang chiết suất bậc

SI

3.2 Phân loại nguồn phát quang

Nguồn phát quang là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng có công suất tỉ lệ với dòng điện chạy qua nó.Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang

Diode phát quang LED (Light Emitting Diode)

Leser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Các yêu cầu đối với một nguồn quang sử dụng trong hệ thống thông tin quang là:

Có kích thước nhỏ tương ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang Lý tưởng ánh sáng ở ngõ ra của nguồn quang phải có tính định hướng cao

Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu Lý tưởng nguồn quang phải tuyến tính

Phát ra ánh sáng có bước sóng phù hợp với vùng bước sóng mà sợi quang có suy hao thấp và tán sắc, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bước sóng này

Chương III: Nguồn phát quang

Có khả năng điều chế tín hiệu một cách đơn giản (ví dụ như điều chế trực tiếp) Trên dải tần rộng trải dài từ tần số âm thanh tới dải tần Gigahezt

Hiệu suất ghép quang tốt để giảm suy hao ghép từ nguồn quang vào trong sợi quang

Độ rộng phổ tần hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang

Duy trì mức công suất ngõ ra ổn định và không bị ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài

Giá thành thấp và có độ tin cậy cao, để cạnh tranh với các kỹ thuật truyền dẫn khác

Loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang là các loại nguồn quang bán dẫn vì có thể đáp ứng được các yêu cầu trên

3.3 Diode phát quang (LED)

Hiện nay, người ta sử dụng chủ yếu hai loại LED trong các hệ thống thông tin cáp sợi quang là SLED phát xạ mặt (surface light emitting diode) và ELED phát xạ cạnh (Edge Light Emitting Diode) Cả hai loại này đều dùng cấu trúc dị thể kép để

“giam” hạt đa số và ánh sáng vào một lớp hoạt tính

có khẩu điều chế số lớn

3.3.1 LED phát xạ mặt

Hình 3.3 cho ta thấy cấu trúc điển hình của một led phát xạ mặt Diode dị thể kép được hình thành trên nền của một chất bán dẫn loại N, ở phía trên của diode có khoét thêm một lỗ tròn

Hình 3.3 Cấu tạo của LED phát xạ mặt

Trong cấu trúc đặc biệt này, ánh sáng được tạo ra ở vùng hoạt tính đi xuyên qua chất nền và đi vào lõi sợi quang đặt trong lỗ Sợi quang được gắn bằng nhựa Eposy Đáy của khối LED là bộ phận hạ nhiệt bằng vàng, tiếp xúc với diode bằng một khối tròn nhỏ, phần còn lại được cách điện với diode Phần hạ nhiệt này tạo thành lớp tiếp xúc, nhờ đó dòng điện chạy qua lỗ của lớp cách điện Dòng điện đi xuyên qua lớp bán dẫn loại P, hình thành một vùng hoạt tính dạng tròn kích thước nhỏ, với mật độ điện cỡ 2000A/cm2 Vì vậy tạo nên một chùm sáng có cường độ cực mạnh Chỉ số chiết suất thay đổi qua các tiếp giáp dị thể làm cho một phần ánh sáng phát xạ quay về vùng hoạt tính, phần ánh sáng này có thể được hấp thụ hoặc đưa ra sợi quang, vì thế lượng ánh sáng thức tế ghép với sợi quang ít hơn so với lượng ánh sáng mà LED phát

ra Mặc dù đã có một vi thấu kính đặt trong giếng tại đỉnh của LED sẽ làm tăng hiệu suất ghép Hiệu suất ghép còn phụ thuộc vào sai số lắp đặt thấu kính và sai lệch chỉnh tâm của sợi quang

Chương III: Nguồn phát quang

Trong thực tế công suất phát xạ có thể đạt gấp 2 hoặc 3 lần nhờ một LED tương đương gồm 2 LED ghép đối đỉnh

ta phủ một lớp phản xạ tại đầu cuối của diode để làm tăng công suất ra

3.3.3 Các đặc trưng kỹ thuật của LED

Đặc tính phổ: sự phát xạ ánh sáng do dịch chuyển ngẫu nhiên của các điện tử qua dải cấm gọi là phát xạ tự phát Trong thực tế dải dẫn và dải hoá trị có rất nhiều mức năng lượng khác nhau Do sự tái hợp của các hạt có mức năng lượng khác nhau nên năng lượng phát xạ phát ra cũng nằm trong một phạm vi khá rộng

Mật độ phân bố điện tử cực đại ở mức năng lượng xấp xỉ Eg + KT/2 và của lỗ trống là ở năng lượng xấp xỉ Eg – KT/2, do đó hiệu năng lượng có giá trị trung bình là

Hình 3.4 Cấu trúc LED phát xạ cạnh