VẬT LÝ LASER BẢN BÁO CÁO HỆ THÔNG TIN QUANG HỌC BẰNG SỢI QUANG

VẬT LÝ LASER BẢN BÁO CÁO HỆ THÔNG TIN QUANG HỌC BẰNG SỢI QUANG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG    MÔN HỌC VẬT LÝ LASER GVBM PGS TS Trần Minh Thái Tp HCM, Thá[.]

 -MÔN HỌC: VẬT LÝ LASER

GVBM: PGS.TS Trần Minh Thái

Tp.HCM, Tháng 11/2013

THÀNH VIÊN THỰC HIỆN:

1 Nguyễn Vũ Hoàng Trạch K1003511

2 Nguyễn Trần Duy Tín K1003418

MỤC LỤC

Trang

THÀNH VIÊN THỰC HIỆN: i

CHÚ THÍCH HÌNH ẢNH iii

I TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN QUANG HỌC 1

I.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 1

I.3 Ưu điểm 2

I.4 Nhược điểm 3

II HỆ THỐNG DẪN TRUYỀN QUANG ĐIỂN HÌNH 3

II.1 Bộ phát quang [1] 3

II.1.1 LED (Light Emitting Diode) 3

II.1.2 LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 6

II.2 Sợi quang [1, 2] 15

II.2.1 Một số tính chất vật lý của sóng ánh sáng truyền trong sợi quang 15

II.2.2 Cấu tạo sợi cơ bản sợi quang 16

II.2.3 Phân loại sợi quang 18

II.2.4 Phương trình lan truyền sóng trong sợi quang 20

II.3 Bộ thu quang [1] 24

III ỨNG DỤNG CỦA SỢI QUANG 28

III.1 Trong điện tử viễn thông [3, 4] 28

III.2 Ứng dụng sợi quang học y học 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

Hình 6: Cấu trúc laser Fabry-Perot

Hình 7: Phổ của Laser Fabry-Perot

Hình 8: Đường đặc tuyến P-I

Hình 9: Bộ điều chế ngoài

Hình 10: Ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất nhỏ sang môi trường có chiết suất lớn Hình 11: Cấu trúc cơ bản của sợi quang

Hình 12: Ánh sáng truyền dẫn bị giới hạn trong sợi quang

Hình 13: Góc nhận của sợi quang

Hình 14: Ánh sáng đi trong sợi GI

Hình 15: Ánh sáng truyền trong sợi đa mode (Sợi SI)

Hình 16: Ánh sáng truyền trong sợi đơn mode

Hình 17: Suy hao bên trong sợi quang

Hình 18: Ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị tán sắc

Hình 19: Photodiode P-N

Hình 20: Cấu trúc PIN gồm ba lớp: "P-type" - "I-Intrinsic" - "N-type"

Hình 21: Cấu tạo của PIN

I TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN QUANG HỌC

I.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang

Từ xa xưa loài người đã biết truyền tín hiệu, thông tin bằng khói, lửa … Qua quá trình phát triển các hình thức truyền thông tin ngày càng phát triển trở nên phong phú và hiện đại hơn Ngày nay, thông tin quang nổi lên như là một hệt hống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó được phát triển rất nhanh trên mạng lưới viễn thông ở nhiều quốc gia trên thế giới Thông tin quang là kỹ thuật truyền tin bằng ánh sang Tại máy phát, thông tin dưới dạng tín hiệu điện được chuyển thành tín hiệu ánh sang và phát vào đường truyền (sợi quang) Tại máy thu, tín hiệu quang sẽ được biến đổi ngược lại thành tín hiệu điện Về mặt nguyên tắc hệ thống thông tin quang cũng tương tự như các hệ thống thông tin khác bao gồm các thành phần cơ bản như:

Nguồn tín hiệu Thiết bị phát Môi trường  Thiết bị thu  Nơi tín hiệu đến Các hệ thống thông tin khác nhau phân biệt chủ yếu dựa vào môi trường truyền Đối với hệ thống thông tin quang, môi trường truyền chính là sợi quang Sự phát triển của hệ thống thông tin quang cũng gắn liền với sự ra đời của sợi quang Vào năm 1960 việc phát minh ra Laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kì mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng Đây có thể xem

là xuất phát điểm của sự ra đời các hệ thốngthông tin quang Sau năm 1960 các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới đã bắt đầu tiếnhành các hoạt động nghiên cứu và phát triển Các công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, tăng dải thông về laser bán dẫn được phát triển thành công

Dựa trên các công nghệ sợi quang và Laser bán dẫn giờ đây đã có thể gửi một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh, dữ liệu đến các địa điểm cách xa hàng 100km bằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần đến các bộ tái tạo Hiện nay, các hoạt động nghiên cứu nghiêm chỉnh đang được tiến hành trong lĩnh vực được gọi là photon học - Là một lĩnh vực tối quan trọng đối với tất cả các hệ thống thông tin quang, có khả năng phát hiện, xử lý, trao đổi và truyền dẫn thông tin bằng phương tiện ánh sáng Photon học có khả năng sẽ được ứng dụng rộng dãi trong lĩnh vực điện tử và viễn thông trong thế kỷ 21

I.3 Ưu điểm

Trong thông tin quang sợi quang, các ưu điểm sau của sợi quang được sử dụng một cách hiệu quả: độ suy hao truyền dẫn thấp và băng thông lớn Thêmvào đó, chúng

có thể sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng (nhỏ), không có xuyên

âm với các đường sợi quang bên cạnh và không chịu ảnh hưởng của nhiễm cảm ứng sóng điện từ Trong thực tế sợi quang là phương tiệntruyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất đang có hiện nay

Trước hết, dải thông rộng vì có băng thông rộng nên nó có thể truyền một khối lượng thông tin lớn như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu, và các tín hiệu hỗn hợp thông qua mộ thệ thống có cự ly đến 100 Ghz-km Tương ứng bằng cách sử dụng sợi quang, một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có thể được truyền đến những địa điểm cách xa hàng 100 km mà không cần đến các bộ tái tạo

Thứ hai, trọng lượng nhẹ, kích thước sợi quang nhỏ và không có xuyên âm Do vậy, có thể được lắp đặt dễ dàng ở các thành phố, tàu thủy, máy bay và các tòa nhà cao tầng không cần phải lắp thêm các đường ống và cống cáp

Thứ ba, vì sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi phí dẫn nên không chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và của xung điện từ Vì vậy, có thể sử dụng

để truyền dẫn mà không có tiếng ồn Điều đó có nghĩa là nó có thể lắp đặt cùng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi trường phản ứng hạt nhân

Thứ tư, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát và chất dẻo – là những thứ rẻ hơn đồng nhiều nên nó kinh tế hơn cáp đồng trục nhiều Giá thành của sợi quang sẽ giảm nhanh một khi công nghệ mới được đưa ra Ngoài ra, như đã đề cập ở trên, do đặc trưng là có độ tổn thất thấp giá thành lắp đặt ban đầucũng như giá thành bảo dưỡng và sửa chữa thấp bởi vì chúng cần ít các bộ tái tạo hơn

Ngoài những ưu điểm đã nêu trên, sợi quang có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi thọ dài và có khả năng đề kháng môi trường lớn Nó cũng dễ bảo dưỡng, sửa chữa và có độ tin cậy cao Hơn nữa, nó không bị rò rỉ tín hiệu và dễ kéo dài khi cần và có thể chế tạo với giá thành thấp Nhờ những ưu điểm này, sợi quang được sử dụng cho các mạng lưới điện thoại, số liệu/ máy tính, và phát thanh truyền hình (dịch vụ băng rộng) và sẽ được sử dụng cho ISDN, điện lực, các ứng dụng y tế và quân sự, cũng như các thiết bị

đo

I.4 Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm vượt trội như trên thì hệ thống thông tin quangcòn có những nhược điểm sau:

- Hiệu suất ghép nguồn quang vào sợi thấp

- Không thể truyền mã lưỡng cực

- Hàn nối sợi quang khó khăn, yêu cầu kỹ thuật cao

- Nếu có khí ẩm, nước lọt vào trong cáp thì sợi quang chóng bị lão hóa, suy hao tăng lên, mối hàn quang nhanh bị hỏng

Những nhược điểm này phần lớn mang tính khách quan và có thể giải quyết được bằng khoa học công nghệ Tuy nhiên với những ưu điểm vượt trội t h ì h ệ t h ố n g thông tin quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi và phát triển nhanh vì những lợi ích thiết thực trong cuộc sống con người

II HỆ THỐNG DẪN TRUYỀN QUANG ĐIỂN HÌNH

II.1 Bộ phát quang [1]

Vai trò của bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang này vào sợi quang để truyền tới phía thu

II.1.1 LED (Light Emitting Diode)

Về mặt cơ bản, cấu tạo của LED được phát triển từ diode bán dẫn, hoạt động tại lớp tiếp giáp pn được phân cực thuận và dựa vào hiện tượng phát xạ tự phát Nhưng để đáp ứng kỹ thuật của nguồn phát thì cần có những cấu tạo phức tạp hơn (nhiều lớp bán dẫn)

Khi đặt hai lớp này tiếp giáp với nhau, tại lớp tiếp giáp pn này các điện tử ở phần bán dẫn n sẽ khuếch tán sang phần bán dẫn p để liên kết với lỗ trống Do đó tại lớp tiếp giáp pn này có rất ít hạt mang điện (vùng hiếm) Chất bán dẫn loại p thừa lỗ trống, chất bán dẫn loại n thừa điện tử nhưng hai chất bán dẫn này đều trung hoà về điện

Tại vùng hiếm này, chất bán dẫn loại n mang điện tích dương do mất đi điện tử, còn chất bán dẫn loại p mang điện tích âm do nhận thêm điện tử Từ đó một điện trường V ngăn chặn không cho các hạt mang điện khuếch tán qua lại giữa hai chất bán dẫn

Khi phân cực thuận tức thì các điện tử trong bán dẫn loại n sẽ vượt qua vùng tiếp giáp và dịch chuyển về phía cực dương của nguồn điện cùng lúc đó các lỗ trống sẽ dịch

chuyển về phía cực âm của nguồn điện, lúc này làm xuất hiện dòng điện chạy qua bán dẫn pn Trong quá trình dịch chuyển đó các điện tử sẽ bắt cặp với lỗ trống tại chất bán dẫn p tạo thành liên kết cộng hoá trị trong chất bán dẫn Xét về mặt năng lượng thì đó

là sự chuyển tiếp từ nơi có năng lượng cao (vùng dẫn) sang nơi có năng lượng thấp hơn (vùng hoá trị) Nếu chất bán dẫn được sử dụng có dải cấm năng lượng thì năng lượng

sẽ được phát ra dưới dạng photon ánh sáng Cũng là nguyên lý phát xạ ánh sáng của diode phát quang LED

 Đặc tính phổ của LED

Ánh sáng do nguồn phát ra không phải là một bước sóng mà là khoảng bước sóng Điều này tạo thành hiện tượng tán sắc làm hạn chế cự ly và dung lượng truyền dẫn vì lý do như sau:

- Các nguồn quang chế tạo từ chất bán dẫn Có các điện tử nằm trong một vùng năng lượng chứ không phải là một mức năng lượng cụ thể

- Khi có sự nhảy mức năng lượng từ vùng dẫn xuống vùng hoá trị sẽ tạo ra photon

có bước sóng Có nhiều mức năng lượng khác nhau trong vùng năng lượng nên có nhiều bước sóng được tạo ra

- Mức phân bố điện tử trong hai vùng (dẫn và hoá trị) không đều nhau công suất phát quang của các bước sóng cũng không trùng nhau

- Phân bố mật độ điện tử trong vùng năng lượng cũng thay đổi theo nhiệt độ làm bước sóng thay đổi theo

Độ rộng phổ quang được xác định là khoảng bước sóng ánh sáng do nguồn quang phát ra giảm 3dB so với công suất đỉnh Nó phụ thuộc vào vật liệu làm nguồn quang

Hình 1: đặc tính phổ của LED

 Cấu trúc của LED

LED có thể được chia làm 4 loại: planar LED, dome LED, surface LED, edge LED

Hình 2: Planar LED

Hình 3: Dome LED

Planar LED và dome LED không được dùng cho thông tin quang vì có vùng quang rộng và độ định hướng không cao Surface LED có ánh sáng phát ra ở phía mặt của LED, vùng phát xạ ánh sáng của LED được giới hạn trong vùng hẹp bằng việc sử dụng lớp cách điện làm hạn chế vùng dẫn Vì thế tại vùng tích cực surface LED có mật

độ dòng điện cao dẫn đến công suất quang lớn, nhưng vì cách ghép nối ánh sáng vào sợi quang còn hạn chế (còn có năng lượng ánh sáng được phát ra ngoài vùng đặt sợi quang)

Hình 4: Surface LED

Edge LED là loại LED có ánh sáng ở phía cạnh của LED, ở cấu trúc này các điện cực tiếp xúc bằng kim loại phủ kín bề mặt trên và đáy của LED Tại lớp tích cực có ánh sáng rất mỏng, lớp này được làm bằng chất bán dẫn có chiết suất lớn được kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại P và N có chiết suất nhỏ hơn Do đó ánh sáng phát ra ở lớp tích cực này được giữ lại và lan truyền dọc trong ống dẫn sóng và ở phía cạnh của LED Sợi quang sẽ được đặt ở một đầu của lớp tích cực để ghép ánh sáng Edge LED cho ánh sáng hẹp, góc phát quang nhỏ và hiệu suất lớn hơn Surface LED

Hình 5: edge LED

II.1.2 LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của laser

Có nhiều lớp bán dẫn p, n

Ánh sáng phát ra và được giữ lại trong lớp tích điện

Lớp tích cực rất mỏng, làm bằng vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa hai lớp P và N

có chiết suất cực nhỏ tạo thành ống dẫn sóng

Ánh sáng của laser phát ra ở phía cạnh, giống như Edge LED

Ở hai đầu lớp tích cực là hai lớp phản xạ và hệ số phản xạ R<1 Tạo thành hốc cộng hưởng Fabry-Perot Ánh sáng được tạo ra và phản xạ qua lại trong hốc cộng hưởng này Loại Laser có hốc này gọi là Laser Fabry-Perot

Ánh sáng được đưa ra ngoài qua một phần được cắt nhẵn của một mặt phản xạ

Hình 6: Cấu trúc laser Fabry-Perot Nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng:

Hiện tượng phát xạ kích thích: tạo khuếch đại ánh sáng trong Laser Ở hiện tượng này photon ánh sáng kích thích điện tử ở vùng dẫn tạo ra một photon thứ hai và cứ thế hai photon này tiếp tục quá trình kích thích tạo ra nhiều hạt photon theo cấp số nhân

Và photon này có tính kết hợp tức là cùng pha, cùng tần số, cùng hướng, cùng phân cực tạo ánh sáng kết hợp

Hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong Laser: quá trình chọn lọc tần số (hay bước sóng) ánh sáng Theo đó, chỉ những sóng ánh sáng có tần số thoả điều kiện về pha của hốc cộng hưởng thì mới có thể lan truyền và cộng hưởng trong hốc cộng hưởng Như vậy số sóng ánh sáng do laser Fabry-Perot phát xạ bị giới hạn, làm giảm độ rộng phổ laser so với LED

 Hốc cộng hưởng Fabry-Perot

Được tạo bằng cách mài bóng và song song hai cạnh của lớp tích cực tạo thành hai gương phản xạ có hệ số phản xạ <100% Hốc cộng hưởng quang này, giống như một bộ dao động hơn là một bộ khuếch đại do quá trình hồi tiếp dương xảy ra khi sóng ánh sáng phản xạ đặt ở hai đầu hốc cộng hưởng Khi tín hiệu được phản xạ nhiều lần, khuếch đại quang xảy ra trong hốc cộng hưởng

Một sóng ánh sáng phát xạ trong lớp tích cực có thể tồn tại và được khuếch đại trong hốc cộng hưởng khi pha của sóng ánh sáng thoả điều kiện Khi đó, ánh sáng phải hình thành nên sóng đứng giữa hai mặt phản xạ của hốc cộng hưởng Tức là xảy ra cộng hưởng của sóng ánh sáng

Sóng ánh sáng có thể tồn tại và khuếch đại được trong hốc cộng hưởng của laser Fabry-Perot có bước sóng, với q là số nguyên

𝜆 = 𝑞 (2𝑛/𝐿) (1) Các bước sóng không liên tục nhau và được xác định bởi số nguyên q Mỗi bước sóng này tạo nên một mode sóng do laser phát ra với khoảng cách giữa hai mode sóng

kề nhau:

Δ𝜆 = 2 𝑛/𝐿 (2)

 Độ khuếch đại quang

Trong quá trình lan truyền trong hốc cộng hưởng, năng lượng của sóng ánh sáng chịu những ảnh hưởng như sau:

- Suy hao xảy ra trong hốc cộng hưởng do hiện tượng hấp thu photon, hiện tượng tán xạ ánh sáng…, được biểu diễn bởi hệ số suy hao alpha

- Độ lợi trong hốc do hiện tượng phát xạ kích thích, được biểu diễn bởi hệ số khuếch đại

- Suy hao xảy ra tại hai mặt phản xạ có R<1

Khi điện tử ở trạng thái năng lượng cao N2 (vùng dẫn) nhiều hơn số điện tử ở trạng thái năng lượng thấp N1 (vùng hoá trị) được gọi là trạng thái nghịch đảo mật độ

Ở bình thưởng tức là trạng thái cân bằng nhiệt, mật độ của điện tử tại các mức năng lượng khác nhau được phân bố theo phân bố Boltzmann (vùng N1 có số điện tử cao hơn so với số điện tử ở vùng cao N2)

Do đó, để có thể đạt được trạng thái nghịch đảo mật độ cần phải cung cấp năng lượng từ bên ngoài đủ lớn để làm tăng số điện tử ở trạng thái năng lượng cao, còng gọi

là quá trình bơm Tuỳ vào vật liệu chế tạo nguồn hay khuếch đại, có nhiều phương pháp bơm khác nhau như dùng ánh sáng, trường sóng vô tuyến tần số cao, dòng điện

… đối với laser bán dẫn, nguồn bơm là dòng điện

Dòng cung cấp càng lớn thì trạng thái nghịch đảo mật độ càng lớn, điều kiện để

có thể xảy ra quá trình khuếch đại ánh sáng được gọi là dòng ngưỡng Giá trị của nó phụ thuộc vào tính chất khuếch đại và suy hao của vật liệu bán dẫn và cấu trúc của hốc cộng hưởng

 Đặc tính phổ của Laser Fabry-Perot

Phổ của Laser Fabry-Perot là tổng hợp của phổ độ lợi khuếch đại của quá trình phát xạ kích thích xảy ra trong lớp tích cực của laser (phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo nguồn quang như phổ của LED) và đặc tính chọn lọc tần số của hốc cộng hưởng

Hình 7: Phổ của Laser Fabry-Perot

Ánh sáng ở ngõ ra của laser chỉ giới hạn trong các mode nằm trong độ rộng phổ của đường cong khuếch đại Ngoài ra, theo định nghĩa độ rộng phổ (3dB) của nguồn quang, chỉ các mode sóng nằm trong giới hạn 3dB mới cần được quan tâm Do các tần số cộng hưởng có giá trị phụ thuộc vào chiều dài L của hốc cộng hưởng, nằm theo trục dọc hốc cộng hưởng của laser nên các mode này đựợc gọi là các mode dọc Phổ của ánh sáng

do laser Fabry-Perot phát ra có nhiều mode nên loại laser này được gọi là laser đa mode MLM (Multi Longitudinal Mode)

 Đặc tính của Laser

Trạng thái tĩnh của Laser: Trạng thái tĩnh của laser được xác định khi mật độ điện tử và mật độ photon trong lớp tích cực không thay đổi theo thời gian. Khi hoạt động ở chế độ trên mức ngưỡng (I>Ith), mật độ điện tử ở trạng thái tĩnh ở vùng dẫn n, bằng với mật độ

điện tử ở mức ngưỡng Nguyên do là vì khi dòng điện kích thích tăng, mật độ điện tử ở vùng dẫn tăng sẽ làm tăng sự phát xạ kích thích Khi đó, các photon ở vùng dẫn sẽ bị kích thích và chuyển trạng thái năng lượng từ vùng dẫn sang vùng hóa trị, tạo ra các photon ánh sáng Kết quả là, dòng điện kích thích tăng sẽ tăng công suất phát quang nhưng không làm tăng mật độ điện tử ở vùng dẫn Hiện tượng này được gọi là Clamping Số photon được tạo ra ở chế độ phát xạ laser (I>Ith) tỷ lệ thuận với độ chênh lệch giữa mật độ dòng điện kích thích và mật độ dòng điện tại mức ngưỡng Mối quan

hệ này là tuyến tính

Trạng thái động của Laser: Trạng thái động của laser xảy ra khi dòng điện kích thích thay đổi theo thời gian Hoạt động điều chế tín hiệu nhỏ (dòng điện kích thích nằm trong khoảng tuyến tính của đặc tuyến P-I của laser) là trường hợp laser hoạt động

ở trạng thái này

Từ những nghiên cứu cho thấy: Có một khoảng thời gian trễ trước khi laser bắt đầu phát xạ ánh sáng sau khi xung điều chế được thực hiện (khoảng 1,5ns) Dao động tắt dần kéo dài khoảng 8ns trước khi mật độ photon đạt trạng thái ổn định

 Nhiễu trong Laser

Nhiễu trong laser xảy ra khi tín hiệu quang phát ra không ổn định về công suất phát quang, bước sóng phát quang cũng như độ rộng phổ khi điều kiện hoạt động của laser không thay đổi

Nhiễu lượng tử là loại nhiễu được tạo ra do sự ngẫu nhiên và rời rạc trong quá trình phát xạ photon ánh sáng Đây là bản chất tự nhiên của nguồn quang Nhiễu lượng

tử làm cho công suất phát quang ở ngõ ra bị dao động, không ổn định Nó phụ thuộc vào:

Tần số điều chế của tín hiệu quang

Nguồn quang đa mode hay đơn mode

Dòng điện phân cực

Sự không ổn định của nguồn quang xảy ra:

Nguồn quang chất lượng kém hoặc do suy giảm theo thời gian

Đặc tính kỹ thuật của nguồn quang thay đổi theo dòng điện cung cấp

Hình 8: Đường đặc tuyến P-I

Laser chỉ hoạt động ở chế độ phát xạ kích thích khi dòng điện kích thích lớn hơn dòng điện ngưỡng Ith

So với LED, Laser có công suất phát quang lớn hơn với cùng một dòng điện kích thích (với điều kiện I>Ith)

SLED có công suất phát quang lớn hơn ELED với cùng một dòng điện kích thích Tuy nhiên, điều này chưa quyết định ánh sáng truyền trong sợi quang do loại nguồn quang nào phát ra thì lớn hơn vì còn phụ thuộc vào hiệu suất ghép quang

Yêu cầu đối với một nguồn quang lý tưởng là đặc tuyến P-I phải là đường thẳng, tức là công suất phát quang và dòng điện kích thích phải có quan hệ tuyến tính Tức là tín hiệu ánh sáng do nguồn quang và tín hiệu điện không bị méo dạng

 Góc phát quang

Công suất ánh sáng do nguồn quang phát ra cực đại ở trục phát và giảm dần theo góc hợp với trục Góc phát quang được xác định ở mức công suất quang giảm một nữa (3dB) so với mức cực đại

Ánh sáng laser phát ra có mặt bao góc phát quang là hình nón có đáy hình elip với

- Góc theo phương ngang với lớp tích cực: 10o

- Góc theo phương vuông góc với lớp tích cực: 30o

So với LED, Laser có góc phát quang nhỏ, đồng thời công suất phát quang lớn, do

đó mật độ năng lượng ánh sáng do laser phát ra lớn rất nhiều so với LED Năng lượng ánh sáng được tập trung Vì vậy, cường độ ánh sáng do laser phát ra rất mạnh có thể gây hại mắt Do đó, các cảnh báo nguy hiểm của ánh sáng laser phải được thực hiện tại

các thiết bị quang có nguồn phát laser

 Hiệu suất ghép quang

Hiệu suất ghép quang là tỷ số giữa công suất quang ghép vào sợi quang Popt trên công suất phát quang của nguồn quang Ps

𝜂= Popt/Ps

Hiệu suất ghép quang phụ thuộc vào:

- Kích thước vùng phát quang

- Góc phát quang của nguồn quang

- Góc thu nhận của sợi quang

- Vị trí tương đối giữa nguồn quang và sợi quang

- Bước sóng ánh sáng

 Độ rộng phổ:

Nguồn quang phát ra công suất cực đại ở bước sóng trung tâm và giảm dần về hai phía Độ rộng phổ là khoảng bước sóng mà công suất quang không nhỏ hơn phân nữa mức công suất đỉnh

Độ rộng phổ của nguồn quang là một nguyên nhân gây nên tán sắc trong sợi quang, nhất là đối với các sợi quang đơn mode Tán sắc lớn sẽ làm hạn chế cự ly và tốc

độ bit truyền của tín hiệu quang trong sợi quang Do đó, yêu cầu về nguồn quang laser đơn tần có độ rộng phổ hẹp là rất cần thiết để tăng chất lượng của hệ thống thông tin quang Với đặc tính của một laser đa mode MLM có độ rộng phổ từ 2-4nm

Sơ đồ khối bộ phát quang điển hình được biểu diễn như hình trên Theo đó, một

bộ phát quang bao gồm: nguồn quang, bộ ghép tín hiệu quang, mạch điều chế tín hiệu

và mạch điều khiển công suất Tất cả các thành phần trên được đóng gói chung thành

bộ phát quang

Dữ liệu từ nguồn phát bên ngoài được đưa vào bộ phát quang thông qua đơn vị biến đổi dữ liệu nhờ tín hiệu xung kích (clock) Tại đây, dữ liệu được biến đổi về dạng phù hợp cung cấp cho mạch kích thích điều khiển dòng phân cực cho Laser

Đơn vị biến đổi dữ liệu (Data conversion unit) bao gồm bộ giải mã tín hiệu đường truyền, bộ biến đổi song song - nối tiếp và bộ sửa dạng tín hiệu Chức năng của bộ biến đổi dữ liệu là biến đổi tín hiệu điện ngõ vào song song về dạng mã thông dụng NRZ dạng nối tiếp và sửa dạng tin hiệu cung cấp cho mạch kích thích

Mạch phát điều biến cường độ trực tiếp: Mạch phát quang này là sự kết hợp của mạch điều khiển và mạch điều chế tín hiệu Hoạt động của mạch phát quang điều biến cường độ có thể được phân tích dựa trên hoạt động của mạch điều khiển và mạch điều chế tín hiệu.

Mạch điều khiển có chức năng biến đổi nguồn điện áp từ bộ biến đổi dữ liệu về dạng dòng điện cung cấp dòng phân cực cho Laser Chức năng này là cần thiết vì nguồn điện cung cấp cho laser dưới dạng điện áp hơn là dòng điện Dòng phân cực cho laser được tạo ra cần phải rất ổn định với dòng điện ngưỡng để có thể truyền tín hiệu dữ liệu không bị lỗi Tuy nhiên, giá trị tương đối của dòng phân cực và dòng điện ngưỡng thay

đổi phụ thuộc vào nhiệt độ Do vậy, dòng phân cực cần được điều khiển bởi tín hiệu hồi tiếp từ cảm ứng nhiệt

Khi nhiệt độ thay đổi, việc ổn định công suất quang ở ngõ ra của laser diode được thực hiện bởi tín hiệu hồi tiếp từ photodiode PD PD này thu ánh sáng từ laser phát ra và tạo ra dòng quang điện tỷ lệ với công suất phát quang của laser Vì vậy, khi công suất quang ngõ ra thay đổi, do sự thay đổi của nhiệt độ, dòng quang điện sẽ thay đổi làm cho dòng điện phân cực Ibias cũng thay đổi theo bù lại những thay đổi trong trong công suất quang quang của laser

Quá trình điều chế tín hiệu trong mạch phát điều biến cường độ được thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích từ mức phân cực đến mức cao nhất Quá trình điều chế được điều khiển bởi dòng phân cực qua Laser Chức năng chính của mạch là cung cấp dòng phân cực cực đại cho Laser

Quá trình điều chế, tín hiệu được thực hiện bằng cách thay đổi dòng kích thích chạy qua Laser Và được gọi là điều chế nội (internal modulation) hay điều chế trực tiếp (direct modulation) Nhưng cách này cho băng thông bị giới hạn bởi tần số dao động tắt dần của Laser diode, chỉ xảy ra với tín hiệu quang tăng độ độ rộng phổ, không áp dụng được trong các hệ thống thông tin quang đòi hỏi công suất phát quang lớn (>30mW)

Bộ điều chế ngoài

Hình 9: Bộ điều chế ngoài

Tín hiệu quang không thực hiện bên trong laser mà được thực hiện bởi một linh kiện quang bên ngoài gọi là bộ điều chế ngoài (external modulator) Ánh sáng do laser phát ra dưới dạng sóng liên tục CW (continuous wave) Do đó băng thông ở trường hợp này được bộ điều chế ngoài quyết định (không bị giới hạn bởi tần số dao động tắt dần

của laser diode), không bị giới hạn bởi công suất phát quang Ánh sáng phát là sóng liên tục có tần số và độ rộng phổ ổn định

II.2 Sợi quang [1, 2]

Sợi quang là môi trường thông tin đặc biệt có thể so sánh với các môi trường khác như cáp đồng hoặc không gian tự do Một sợi quang cung cấp một môi trường truyền dẫn suy hao thấp trên một dãi tần số rộng lớn ít nhất là 2.5 THz hay cao hơn với các loại sợi quang đặc biệt, dải thông của nó rộng hơn dải thông của cáp đồng hay bất cứ môi trường truyền dẫn nào

Sợi quang là sợi mảnh dẫn ánh sáng bao gồm 2 chất điện môi trong suốt khác nhau, một phần cho ánh sáng truyền trong đó gọi là lõi sợi, phần còn lại là lớp vỏ bao quanh lõi Sợi quang được cấu tạo cho ánh sáng được truyền dẫn chỉ trong lõi sợi bằng phương pháp sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần Bước sóng truyền trong sợi quang Bắt đầu nghiên cứu nguyên lý cơ bản của sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang, cấu tạo chi tiết hơn về sợi quang Phương trình sóng lan truyền và phân loại sợi quang

II.2.1 Một số tính chất vật lý của sóng ánh sáng truyền trong sợi quang

Chiết suất khúc xạ:

Ánh sáng có thể xem như một chùm tia sáng Các tia sáng lan truyền trong các môi trường khác nhau với vận tốc khác nhau Có thể xem các môi trường khác nhau cản trở sự lan truyền ánh sáng bằng các lực khác nhau

Chiết suất của một môi trường trong suốt n được xác định bởi tỷ số giữa vận tốc ánh sáng lan truyền trong chân không với vận tốc của ánh sáng lan truyền trong môi trường ấy

Từ định luật khúc xạ ánh sáng:

n1Sinθ1 = n2Sinθ2 (4) Kết hợp với n1<n2 suy ra θ1>θ2

Như vậy khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất nhỏ sang môi trường có chiết suất lớn hơn, tia khúc xạ lệch về phía gần pháp tuyến hay lệch xa mặt phân cách giữa 2 môi trường 1 và 2

Cho nên khi tăng góc tới θ1=θC<90˚ (hình b)

Và khi θ1>θC thì tia tới bị phản xạ toàn phần về môi trường 1 và được gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần

θC được gọi là góc tới hạn: SinθC=n2/n1

II.2.2 Cấu tạo sợi cơ bản sợi quang

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có 2 lớp:

+Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d=2a, làm bằng thủy tinh có chiết suất n1, được gọi là lõi (core) sợi

+Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc (cladding)

có đường kính D=2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2<n1