Công nghệ thông tin sợi quang sdh ng nghệ thông tin sợi quang sdh

Để dễ dàng nhận thấy quỏ trỡnh tiếp nhận và truyền ỏnh sỏng trong sợi dẫnquang, ta xột về cơ cấu lan truyền ỏnh sỏng trong sợi dẫn quang đa mode cú chỉ sốchiết suất phõn bậc vỡ kớch thướ

LỜI NểI ĐẦU

Chỳng ta đang bước vào thế kỷ 21 - kỷ nguyờn của xó hội thụng tin ở

đú, vai trũ của thụng tin và kiến thức trở thành yếu tố quyết định sự thànhcụng của mỗi ngành, mỗi quốc gia Cụng nghệ điện tử - viễn thụng ngày naycàng cú vai trũ quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và phục vụđời sống của con ngwời Cựng với sự phỏt triển của cỏc ngành khoa họckhỏc, cụng nghệ điện tử - viễn thụng đang cú sự phỏt triển vượt bậc, nú thực

sự là một mũi nhọn quan trọng trong cụng cuộc cụng nghiệp hoỏ và hiện đạihoỏ đất nước Trong cụng nghệ điện tử - viễn thụng kỹ thuật thụng tin cỏpsợi quang là lĩnh vực cũn mới mẻ nhưng đó kết hợp được những thành tựukhoa học và cụng nghệ tiờn tiến trờn thế giới Hiện nay kỹ thuật thụng tin cỏpsợi quang đó được ứng dụng rộng rói trờn toàn thế giới

Kỹ thuật thụng tin cỏp sợi quang cú thể tạo ra hệ thống truyền dẫn đakờnh đồng thời từ lĩnh vực chuyển mạch điện tử chuyển sang chuyển mạchquang Kỹ thuật truyền dẫn SDH cú rất nhiều ưu thế so với kỹ thuật PDH trư-

ớc đú Đú là quỏ trỡnh ghộp kờnh đơn giản, linh hoạt và giảm được đỏng kểlượng thiết bị trờn -mạng Kỹ thuật SDH cung cấp cỏc giao diện tốc độ lớncho cỏc dịch vụ trong tương lai đồng thời vẫn hoàn toàn tương thớch với mọigiao diện PDH đang tồn tại SDH tạo ra cỏc khả năng quản lý tập trung thốngnhất làm thay đổi hoàn toàn quan niệm về hệ thống trưúc đú

Đợc sự giỳp đỡ tận tỡnh của thầy giỏo Thỏi Vĩnh Hiển cựng với sự

cố gắng của bản thõn trong quỏ trỡnh thực hiện nờn đồ ỏn của em đó đượchoàn thành

Em xin chõn thành cảm ơn cỏc thầy, cụ giỏo trong trường đó giỳp đỡ

em hoàn thành cụng việc của mỡnh

Vỡ thời gian cú hạn chắc chắn đồ ỏn của em cũn nhiều thiếu sút Vậy

em mong được sự đúng gúp chỉ bảo của cỏc thầy, cụ và cỏc bạn

Hà Nội, ngày 10 thỏng 10 năm 2003

Sinh viờn Nguyễn Thế Mạnh

E/O O/E

O/E E/O

PĐT PĐT

PHẦN I

CỄNG NGHỆ THỄNG TIN SỢI QUANG

******

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THỄNG TIN QUANG

1.1 Khỏi quỏt chung

Từ xưa để thụng tin cho nhau, con người đó biết sử dụng ỏnh sỏng để bỏohiệu, qua thời gian dài của sự phỏt triển lịch sử nhõn loại, cỏc hỡnh thức thụng tinngày càng được phỏt triển phong phỳ và đó trở thành cỏc hỡnh thức thụng tin hiệnđại như ngày nay Ở trỡnh độ phỏt triển thụng tin bậc cao cỏc hệ thống thụng tinquang đó nổi lờn và là hỡnh thức thụng tin tiờn tiến bậc nhất, nú đó được triển khaihầu hết trờn thế giới và đủ mọi cấu hỡnh linh hoạt ở cỏc cự ly và tốc độ truyền dẫnkhỏc nhau, đảm bảo chất lượng viễn thụng tốt nhất

1.2 Cấu trỳc và cỏc thành phần chớnh trong tuyến truyền dẫn quang

Hệ thống thụng tin quang là hệ thống truyền tin thụng qua sợi quang Tớnhiệu thụng tin được chuyển thành ỏnh sỏng và ỏnh sỏng được truyền qua sợiquang Tại nơi nhận, ỏnh sỏng được biến đổi trở lại thành thụng tin ban đầu

T/h vào T/h ra

NTH SQ NTH

Hỡnh 1.1 Sơ đồ tổng quỏt hệ thống thụng tin quang

- NTH: Nguồn tớn hiệu bao gồm tiếng, núi, hỡnh ảnh, số liệu, văn bản

- PĐT: Phần đIện tử: là nơI xử lý nguồn tin tạo ra cỏc tớn hiệu điện đưa vàocỏc hệ thống truyền dẫn

- E/O: Bộ biến đổi điện quang gọi là nguồn quang cú nhiệm vụ phỏt ra ỏnhsỏng cú cụng suất tỉ lệ với dũng điện chạy qua nú

- SQ: Sợi quang để truyền ỏnh sỏng nhỡn thấu được và tia hồng ngoại

- O/E:Bộ biến đổi quang điện gọi là linh kiện tỏch súng quang (thu quang) lànơi tiếp nhận ỏnh sỏng từ sợi quang đưa vào và biến đổi thành tớn hiệu điệnnhư khi phỏt

Chất lượng của cỏc linh kiện biến đổi quang - điện, điện - quang và chấtlượng sợi quang quyết định cự ly, dung lượng cũng như chất lượng của toàn tuyếntruyền dẫn quang

Quỏ trỡnh chuyển tiếp tớn hiệu do bị suy hao nờn phải cú cỏc trạm lắp,năng lực truyền dẫn của hệ thống thụng tin quang là truyền dẫn ở dải tần rất rộng

quyết định độ dài của tuyến là suy hao sợi quanh theo bước súng Đặc tuyếnsuy hao của sợi quang theo bước súng tồn tại 3 vựng mà tại đú cú suy haothấp nhất là cỏc vựng cú bước súng này được gọi là cửa sổ thứ nhất, thứ hai

và thứ ba tương ứng, cỏc hệ thống thụng tin quang hiện nay chủ yếu hoạt động ởcửa sổ thứ hai và ba vỡ suy hao ở cỏc cửa sổ này rất nhỏ

CHƯƠNG 2

SỢI QUANG

2.1 Nguyờn lý phản xạ.

2.1.1 Chiết suất của mụi trường.

Chiết suất của một mụi trường trong suốt được xỏc định bởi tỷ số của vậntốc ỏnh sỏng trong chõn khụng và vận tốc ỏnh sỏng trong mụi trường ấy

n: chiết suất của mụi trườngc: vận tốc ỏnh sỏng trong chõn khụng.

v: vận tốc ỏnh sỏng trong mụi trường

Vỡ v  c nờn n  1

Chiết suất của khụng khớ n=1,00029

Chiết suất của nước n=1,333

Chiết suất của thuỷ tinh n=1,48

2.1.2 Nguyờn lý phản xạ toàn phần.

Nguyờn lý cơ bản của truyền dẫn ỏnh sỏng dựa vào hiện tượng phản xạ toànphần của tia sỏng tại mặt phõn cỏch giữa hai mụi trường, khi đú tia sỏng đi từ mụitrường cú chiết suất cao hơn sang mụi trường cú chiết suất thấp hơn

P P

(1) 

Theo định luật khỳc xạ Snell ta cú:

n1 sin = n2 sin (1)

Khi gúc  = T tức là tia tới (1) dịch tới vị trớ (2) lỳc này tia khỳc xạ khụng

đi vào mụi trường 2 nữa mà đi song song với giải phõn cỏch giữa 2 mụi trường do

đú gúc khỳc xạ:  = T = 900

Theo (1) thỡ ta cú:

n = c/v

Khi cho tia tới đến gúc tới  > T thỡ tia sẽ bị phản xạ tại mặt phõn cỏch trởlại mụi trường 1, gọi gúc T là gúc tới hạn Độ lớn của gúc tới hạn phụ thuộc vào

độ lệch chiết suất của hai mụi trường

Điều kiện để cú phản xạ toàn phần là:

- Cỏc tia sỏng phải đi từ mụi trường chiết quang hơn (n1) sang mụi trườngkộm chiết quang hơn (n2)

- Gúc tới lớn hơn gúc tới hạn

2.1.3 Truyền ỏnh sỏng trong sợi quang.

Để dễ dàng nhận thấy quỏ trỡnh tiếp nhận và truyền ỏnh sỏng trong sợi dẫnquang, ta xột về cơ cấu lan truyền ỏnh sỏng trong sợi dẫn quang đa mode cú chỉ sốchiết suất phõn bậc vỡ kớch thước lừi của sợi này lớn hơn nhiều so với bước súngỏnh sỏng mà ta xột Để đơn giản ta chỉ xột một tia sỏng đặc trưng thuộc về loại tiatương hợp thể hiện là mode sợi

Cú hai loại tia cú thể truyền trong sợi dẫn quang là:

 Cỏc tia kinh tuyến là cỏc tia xỏc định cỏc mặt phẳng kinh tuyến với trục sợi cúhai loại tia kinh tuyến là:

- Tia biờn là tia tồn tại trong lừi sợi và truyền theo hướng dọc theo trục lừisợi

- Tia ngoài biờn là tia khỳc xạ ra ngoài lừi sợi

 Cỏc tia nghiờng cú số lượng nhiều gấp bội tia kinh tuyến nú khụng xỏc địnhmột mặt phẳng đơn thuần nào, cỏc tia này truyền theo từng đoạn xoắn ốc dọctheo sợi Cỏc tia này cú đường đi dài hơn và thường bị suy hao lớn hơn

Nhỡn chung việc đi vào phõn tớch loại tia nghiờng là khụng cần thiết vỡ núkhụng phản ỏnh về cỏc tia lan truyền trong sợi Vỡ vậy chỉ xem xột cỏc tia kinhtuyến mới cú ý nghĩa cho mục đớch này

Tuy nhiờn cỏc tia nghiờng cũng gúp phần vào kết luận quỏ trỡnh tiếp nhận cỏctia sỏng và suy hao tớn hiệu của sợi dẫn quang

Cỏc tia kinh tuyến được thể hiện trong hỡnh dưới là xột cho loại sợi đa modechỉ số chiết suất phõn bậc

Hỡnh 2.2 Tia kinh tuyến biểu hiện quỏ trỡnh tiếp nhận và lan truyền ỏnh sỏng

trong sợi đa mode chiết suất phõn bậc

Cỏc tia sỏng đi vào sợi dẫn quang từ mụi trường cú chiết suất n và hợp vớitrục sợi một gúc o Cỏc tia này đập vào ranh giới vỏ và lừi dưới một gúc  vớiphỏp tuyến của ranh giới Nếu gúc  lớn hơn gúc nào đú để đảm bảo tia đú bị phản

xạ toàn phần thỡ tia kinh tuyến sẽ đi theo đường zich rắc dọc theo lừi sợi và đi quatrục của sợi sau mỗi lần phản xạ

Theo định luật Snell thỡ gúc min tạo ra sự phản xạ toàn phần sẽ được xỏcđịnh:

Trong đú : c là gúc tới hạn

Do vậy cỏc tia cú gúc vào o < omax thỡ sẽ bị phản xạ toàn phần bờntrong tại ranh giới lừi vỏ sợi dẫn quang

Phương trỡnh (2) cũng xỏc định khẩu độ số NA của sợi cú chỉ số chiết suấtphõn bậc đối với cỏc tia kinh tuyến

Với  là sự khỏc nhau về chỉ số chiết suất lừi vỏ

Sợi chiết suất phõn bậc trong thực tế n1=1,48

N2 thường chọn  vào khoảng 0,01

Cỏc giỏ trị nằm trong khoảng 13% đối với sợi đa mode

0,21% đối với sợi đơn mode

Vế phải của phương trỡnh là giỏ trị cho cỏc trường hợp và <1 Vỡ khẩu độ

số cú liờn quan đến gúc vào lớn nhất cho nờn nú thể hiện sự tiếp nhận ỏnh sangư

(3)

(2)

Bảng kớch thước sợi và khẩu độ tương ứng

Đường kớnh lừi sợi

125125125140

0,19  0,250,27  0,310,25  0,300,25  0,30

2.2 Phõn bố chiết suất trong sợi quang.

2.2.1 Sợi quang cú chiết suất nhảy bậc (Sợi SI: Step-Index).

Đõy là sợi cú cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lừi và lớp bọc khỏcnhau một cỏch rừ rệt như hỡnh bậc thang Cỏc tia sỏng đi từ nguồn quang phúngvào đầu sợi với cỏc gúc tới khỏc nhau sẽ truyền theo những đường khỏc nhau

n

Hỡnh 2.3 Sự truyền ỏnh sỏng trong sợi (SI)

Cỏc tia sỏng truyền trong lừi sợi với cựng vận tốc (vỡ V = C/n1, n1= Const)khi đú chiều dài đường truyền khỏc nhau nờn thời gian truyền sẽ khỏc nhau trờncựng chiều dài sợi quang Điều này dẫn đến một hiện tượng: Khi đưa một xungỏnh sỏng vào đầu sợi lại nhận được xung ỏnh sỏng rộng hơn ở đầu cuối Đõy làhiện tượng tỏn sắc (dispersion)

Do cú độ tỏn sắc lớn nờn sợi SI khụng thể truyền tớn hiệu số cú tốc độ caoqua cự ly dài được Nhược điểm này cú thể được khắc phục trong loại sợi cú chiếtsuất giảm dần

n2

2.2.2 Sợi quang cú chiết suất giảm dần (Sợi GI: Graded-Index)

Sợi GI cú dạng phõn bố chiết suất lừi hỡnh parabol

Hỡnh 2.4 Sự truyền ỏnh sỏng trong sợi GI

Đường truyền của cỏc tia sỏng trong sợi GI khụng bằng nhau, cỏc tia truyền

xa trục cú đường truyền dài hơn, vận tốc truyền lớn hơn cỏc tia truyền gần trục.Tia truyền dọc theo trục cú đường truyền ngắn nhất và đi với vận tốc nhỏ nhất vỡchiết suất ở trục là lớn nhất Nếu chế tạo chớnh xỏc sự phõn bố chiết suất thỡđường đi của cỏc tia sỏng cú dạng hỡnh sin và thời gian truyền của cỏc tia nàybằng nhau Độ tỏn sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

2.2.3 Sự lan truyền ỏnh sỏng trong sợi đơn mode:

n

Hỡnh 2.5 Sự lan truyền ỏnh sỏng trong sợi SI - SM

Vỡ chỉ cú một mode súng truyền trong sợi nờn độ tỏn sắc do nhiều đườngtruyền bằng khụng và sợi đơn mốt cú dạng phõn bố chiết suất nhảy bậc ở bướcsúng  = 1300nm độ tỏn sắc của sợi đơn mode rất thấp ( 0) do đú dải thụng củasợi đơn mốt rất rộng Hiện nay sợi đơn mode đang dược dựng phổ biến

2.2.4 Sự lan truyền của cỏc mode trong sợi quang

Một mode là một trạng thỏi dao động điện từ Cỏc mốt của súng điện từ cú

n 2

n 2

n 1

thể chia ra: Mode lừi với tổn hao thấp, mode vỏ với tổn hao cao, cỏc mode rũ cúđặc tớnh của cả hai loại mode trờn Khi đưa ỏnh sỏng vào sợi quang, năng lượngphần lớn tập trung trong ruột sợi, phần năng lượng rũ ra vỏ tạo ra cỏc mode rũ vàmode vỏ bị dập tắt ngay Người ta chỉ quan tõm tới cỏc modes được truyền dẫntrong ruột sợi.

Đặc tớnh của cỏc mode lan truyền :

- Mỗi một mode cú một sự phõn bố cường độ điện trường đặc trưng trờnmặt cắt ngang của sợi quang và khụng đổi dọc theo trục của sợi khi lantruyền

- Cỏc mode hoàn toàn độc lập với nhau

- Mỗi một mode cú tốc độ lan truyền riờng

- Mỗi mode tồn tại một bước súng nhất định của nguồn sỏng: <G (G làbước súng giới hạn)

2.3 Sợi quang đa mode và đơn mode

2.3.1 Đặc điểm

Đặc điểm của sợi đa mode là truyền dẫn đồng thời nhiều mode Sợi đa mode

cú đường kớnh ruột dk khỏ lớn cũn sợi đơn mode thỡ dk rất nhỏ Nếu hiểu mode làcỏc tia sỏng thành phần được truyền dẫn theo cỏc đường đú khỏc nhau, cũn trongsợi dơn mode chỉ cú một mode là tia chạy song song với trục của sợi Nếu cho vàođầu sợi một xung rất hẹp thỡ ở đầu ra sợi đa mode và đơn mode nhận được cỏcxung bị biến dạng khỏc nhau

Theo sự biến thiờn của chiết suất trong ruột sợi thỡ người ta chia ra sợi cúchiết suất bậc SI (Step Index) và sợi cú chiết suất biến thiờn GP (Graded Index)

Trong sợi SI chiết suất n1 khụng thay đổi và vỡ n1>n2 nờn tại mặt phõn cỏch

vỏ ruột chiết suất cú bước nhảy

Trong sợi GI chiết suất n1 của ruột đạt giỏ trị lớn nhất tại tõm ruột và giảmdần cho đến mặt phõn cỏch vỏ ruột thỡ bằng giỏ trị n2 của vỏ

Sợi đơn mode được gọi là sợi SI

2.3.2 Phõn loại

Cú nhiều cỏch phõn loại nhưng chủ yếu phõn theo phương thức truyền dẫntrong sợi:

- Sợi đa mode : MM (MultiModes)

- Sợi đơn mode: SM (Single Mode)

n1 n2

SI - MM

125m125m

n

Hỡnh 2.6 Biểu diễn triết suất bậc SI-MM trong sợi đa mode.

2.3.3 Cỏc loại sợi quang

a Sợi đa mode

Cú đường kớnh lừi và khẩu độ số lớn nờn thừa số v và số mode cũng lớn

Hỡnh2.7 Cỏc loại sợi quang

b Sợi đơn mode

Khi giảm kớch thước lừi sợi chỉ cú một mode súng cơ bản truyền được trongsợi thỡ gọi là đơn mode

Chiết suất n2 chiết suất n1

Hỡnh2.8 Sợi đơn mode

2.4 Tiờu hao truyền dẫn trong sợi quang.

Khi ỏnh sỏng lan truyến trong sợi quang cụng suất bị suy giảm ỏnh sỏng bịtổn hao

Hệ số suy hao:

a = -10lg P 2 /P 1 [dB] (*)

P1: cụng suất ỏnh sỏng đầu sợi quang

P2: cụng suất ỏnh sỏng cuối sợi quang

Trong quỏ trỡnh truyền súng thỡ cụng suất ỏnh sỏng bị suy hao dọc theochiều dài của sợi quang theo một qui luật hàm số mũ

PL = P1.10-L/10 (**)

PL: cụng suất giảm theo chiều dài

: suy hao trờn 1 km sợi gọi là suy hao riờngL: chiều dài sợi quang

Từ cụng thức (*) (**) ta cú

a[dB]

 = L[km]

P2

§å ¸n tèt nghiÖp C«ng nghÖ th«ng tin sîi quang & sdh

Hỡnh 2 9 Sự suy giảm cụng suất quang trong sợi quang đồng nhất

Tiờu hao riờng của sợi quang là đại lượng phụ thuộc bước súng cụng tỏc.Nguyờn nhõn của tổn hao quang trong quỏ trỡnh truyền dẫn trong sợi là:

2.4.1 Suy hao do hấp thụ.

 Sự hấp thụ của tạp chất kim loại

Trong thuỷ tinh thụng thường cỏc tạp chất kim loại là một trong những nguồnhấp thụ năng lượng ỏnh sỏng đú là cỏc ion sắt, Đồng, Mangan (Mn), Crom(Cr), coban (Co)

Mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tập chất và bướcsúng ỏnh sỏng truyền qua nú

Để cú được sợi quang cú độ suy hao dưới 1dB/km cần phải cú thuỷ tinh thậttinh khiết với nồng độ tạp chất khụng quỏ một phần tỷ (10-9)

 Sự hấp thụ của ion OH

Sự cú mặt của cỏc ion OH trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụđỏng kể Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở cỏc bước súng gần 950nm, 1240nm và1400nm

Vậy độ ẩm cũng là một trong những nguyờn nhõn gõy suy hao của sợi quang.Trong quỏ trỡnh chế tạo nồng độ của cỏc ion OH trong lừi sợi được giữ ở mứcdưới một phần tỷ để giảm độ hấp thụ của nú

 Sự hấp thụ bằng cực tớm và hồng ngoại

Thuỷ tinh được chế tạo cú độ tinh khiết cao nhưng sự hấp thụ ỏnh sỏng trongvựng cực tớm và hộng ngoại Sự hấp thụ trong vựng hồng ngoại gõy trở ngạicho khuynh hướng sử dụng cỏc bước súng dài trong thụng tin quang

2.4.2 Suy hao do tỏn xạ.

 Tỏn xạ Rayleigh: xuất hiện do ảnh hưởng của cỏc chỗ khụng đồng nhất cũn sútlại trong giai đoạn làm nguội sợi trong quỏ trỡnh nấu chảy thuỷ tinh để kộo

Khi kớch thước của vựng khụng đồng nhất vào khoảng một phần mười bướcsúng thỡ chỳng trở thành những nguồn điểm dễ tỏn xạ Cỏc tia sỏng truyền quanhững chỗ khụng đồng nhất này sẽ toả ra nhiều hướng Chỉ một phần nănglượng ỏnh sỏng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần cũn lại truyền theo hướngkhỏc thậm chớ truyền ngược về phớa nguồn quỏng

Độ suy hao của tỏn xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước súngtheo cụng thức:

tx () =  tx (o)( o /) 4

với tx (o): hệ số tỏn xạ tại bước súng mầu o xỏc định theo vật liệu Đối vớithuỷ tinh thạch anh thỡ cú

o = 1àm tx (o)  0,8dB/km

Ở bước súng 850nm suy hao do tỏn xạ Reyleigh của sợi silica khoảng 12 dB/

km và bước súng 1300nm suy hao chỉ khoảng 0,3dB/km ở bước súng 1550nmsuy hao cũn thấp hơn nữa

Lưu ý: Tỏn xạ Reyleigh là một nguyờn nhõn gõy suy hao cho sợi quang

nhưng hiện tượng này lại đựoc ứng dụng để đo lường trong cỏc mỏy đo quang dội

 Tỏn xạ do mặt phõn cỏch giữa lừi và lớp bọc khụng hoàn hảo: Khi tia sỏngtruyền đến những chỗ khụng hoàn hảo giữa lừi và lớp bọc tia sỏng sẽ bị tỏn xạ.Lỳc đú một tia tới sẽ cú nhiều tia phản xạ với cỏc gúc phản xạ khỏc nhau.Những tia cú gúc phản xạ nhỏ hơn gúc tới hạn sẽ khỳc xạ ra lớp bọc và bị suyhao dần

2.4.3 Suy hao do sợi bị uốn cong.

 Vi uốn cong sợi quang bị chốn ộp tạo nờn những chỗ uốn cong nhỏ thỡ suy haocủa sợi cũng tăng lờn sự suy hao này xuất hiện do tia sỏng bị lệch trục khi điqua những chỗ vi uốn cong đú Một cỏch chớnh xỏc hơn sự phõn bố trường bịxỏo trộn khi đi qua những chỗ vi uốn cong và dẫn tới sự phỏt xạ năng lượng rakhỏi lừi sợi

trỡnh chế tạo và lắp đặt Song nếu giữ cho bỏn kớnh uốn cong lớn hơn một bỏnkớnh tối thiểu cho phộp thỡ suy hao do uốn cong khụng đỏng kể Bỏn kớnh uốncong tối thiểu do nhà sản xuất đề nghị thụng thường từ 30mm đến 50mm.

Đặc tuyến suy hao : Đặc tuyến suy hao của sợi quang khỏc nhau tuỳ theo loại sợi.

Một đặc tuyến điển hỡnh của loại sợi đơn mode

Popt [dB/Km]

Hỡnh 2.10 Đặc tuyến suy hao của sợi quang

Đặc tuyến suy hao của sợi quang cú 3 vựng bước súng cú suy hao thấp gọi là

3 cửa sổ suy hao

- Cửa sổ thứ nhất ở bước súng 850nm: là bươc súng cú suy hao thấp nhấtđối với những sợi quang được chế tạo trong giai đoạn đầu Suy hao trungbỡnh ở bước súng này từ 2  3 dB/km  hiện nay khụng dựng

- Cửa sổ thứ hai ở bước súng 1300nm: suy hao ở bước súng này tương đốithấp khoảng 0,3  0,5 dB/km, ở bước súng nàyđộ tỏn sắc rất tương đốithấp nờn được sử dụng rộng rói hiện nay và được dựng cho cự ly gần

- Cửa sổ thứ ba ở bước súng 1550nm: cho đến nay suy hao ở bước súngnày là thấp nhất cú thể dưới 0,2dB/km Trong những sợi quang bỡnhthường độ tỏn sắc ở bước súng 1550nm lớn hơn so với bước súng1300nm Nhưng với loại sợi cú dạng phõn bố chiết suất đặc biệt cú thểgiảm độ tỏn sắc ở bước súng 1550nm Lỳc đú sử dụng cửa sổ thứ ba sẽ

cú được cả hai ưu điểm là suy hao thấp và tỏn sắc nhỏ Bước súng1500nm được sử dụng rộng rói trong tương lai nhất là trong cỏc tuyếnquang thả biển

2.5 Tỏn sắc trong sợi quang.

850 1300 1500 1500 

nm

40,40,25

Tỏn sắc tổng cộng

Tỏn sắc sắc thể

Tỏn sắc ống dẫn súng

Tỏn sắc vật liệu

Tỏn sắc Mode

Sợi đa mod

e

Sợi đơn mode

Khi cỏc xung quang được truyền dẫn trong sợi quang thỡ nú bị biến đổihỡnh dạng và độ rộng xung tăng do đố chỳng bị gối lờn cỏc xung bờn cạnh làmhạn chế khả năng truyền dẫn của sợi quang và làm mộo dạng tớn hiệu Sự biếndạng này gõy ra bởi đặc tớnh tỏn sắc của sợi quang nú ảnh hưởng rất lớn đến chấtlượng truyền dẫn cụ thể là:

- Khi truyền tớn hiệu Digital cỏc xung điện bị gión làm mộo tớn hiệu

- Khi truyền tớn hiệu analog thỡ ở đầu thu biờn độ tớn hiệu bị giảm nhỏ và cúhiện tượng dịch pha nờn độ rộng bằng tấn truyền dẫn của sợi quang bị giảm

Cỏc nguyờn nhõn gõy tỏn sắc

Sợi quang đa mode cú đầy đủ cỏc thành phần của tỏn sắc

Cũn sợi đơn mode chỉ cú tỏn sắc sắc thể

đo khỏc nhau và do đú cú thời gian lan truyền khỏc nhau

Với loại sợi đa mode (MM) cú chiết suất nhảy bậc (SI) thời gian truyềnchờnh lệch giữa tia dài nhất và tia ngắn nhất (H1.1.12) được tớnh

n2

1 1 n1

2

L

Hỡnh 2.12 So sỏnh tia ngắn và dài nhất trong sợi SI

Tia 1: tia dài nhất cú độ dài

Tia 2: tia ngắn nhất cú độ dài d2 = L

Thời gian truyền của tia 1

v = c/n1 vận tốc ỏnh sỏng trong lừi sợi

Mà Cos1= Sinc = n2/n1

Nờn ta cú

Thời gian truyền của tia 2

Thời gian chờnh lệch giữa hai đường truyền là:

Trong đú

Thời gian chờnh lệchtrờn mỗi km sợi cũng chớnh

là độ trải xung do tỏn sắc mode

d 1= L Cos θ 1

t 1= d 1

V =

L Cos θ 1 C

Tổng quỏt: Độ tỏn sắc mode phụ thuộc vào dạng phõn bố chiết suất của sợi

đa mode thụng qua số mũ g trong biểu thức hàm chiết suất

n1[1-  (r/n)g] r  an(r) = n2 a  r  b

2.5.2 Tỏn sắc sắc thể.

 Tỏn sắc chất liệu

Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bước súng nờn vận tốc truyền của ỏnhsỏng cú bước súng khỏc nhau cũng khỏc nhau Đú là nguyờn nhõn gõy nờn tỏnsắc chất liệu

Về mặt toỏn học tỏn sắc chất liệu được xỏc định bởi

Trong đú: : bước súng

c: vận tốc ỏnh sỏng trong chõn khụng

n(): chiết suất của lừi sợi

Về ý nghĩa vật lý: tỏn sắc chất liệu cho biết mức đọ nới rộng xung của mỗi

nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang Đơn vị của độ tỏn sắc do chấtliệu M là ps/nm.km

Ở bước súng 850nm độ tỏn sắc do chất liệu khoảng 90  120 ps/nm.km

Nếu sử dụng nguồn quang là LED cú bề rộng phổ  = 50nm thỡ độ nớirộng xung khi truyền qua mỗi km là

Ở bước súng 1500nm độ tỏn sắc do chất liệu khoảng 20ps/nm.km

 Tỏn sắc do tỏc dụng của ống dẫn súng (Dwg) Sự phõn bố năng lượng trong sợiquang phụ thuộc vào bước súng Sự phõn bố này gõy nờn sự tỏn sắc ống dẫn

Dmat= M=− λ

c ×

d2n ( λ )

dλ2

1550 1400

1300

súng

Tỏn sắc ống dẫn súng rất nhỏ chỉ chỳ ý với sợi đơn mode

Độ tỏn sắc tổng cộng

Với Dchr = Dmat + Dwg Trong đú: Dt: độ tỏn sắc tổng cộng (nếu là sợi đa mode) Dmod: tỏn sắc mode (chỉ cú trong sợi đa mode) Dchr: độ tỏn sắc sắc thể (độ tỏn sắc tổng trong sợi đơn mode) Dmat: độ tỏn sắc chất liệu Dwg: độ tỏn sắc ống dẫn súng Đồ thị tỏn sắc M [ ps/nm.Km ]

12

8

4

1

2 [nm]

Hỡnh2.13 Tỏn sắc sắc thể của cỏc loại sợi

1 Sợi G652

2 Sợi dịch tỏn sắc G653

3 Sợi san bằng tỏn sắc

2.6 Linh kiện biến đổi quang điện - điện quang

Tổng quỏt:

Linh kiện biến đổi quang điện - điện quang được đặt ở hai đầu sợi quang và

cú hai loại:

D t = √ D mod 2 + D chr 2

- Linh kiện biến đổi tớn hiệu điện sang tớn hiệu quang (E/O - ElectricOptical) được gọi là nguồn quang Linh kiện này cú nhiệm vụ phỏt ra ỏnhsỏng cú cụng suất tỉ lệ với dũng điện chạy qua nú.

- Linh kiện biến đổi tớn hiệu quang sang tớn hiệu điện (O/E - OpticalElectric) được gọi là linh kiện thu quang hay cũn gọi là linh kiện tỏch súngquang Linh kiện này cú nhiệm vụ ngược lại so với nguồn quang

Chất lượng cỏc linh kiện này và chất lượng sợi quang quyết định cự ly, dunglượng, chất lượng của toàn tuyến truyền dẫn

2.6.1 Cỏc yờu cầu kỹ thuật của linh kiện quang điện:

a) Đối với nguồn quang :

- Bước súng ỏnh sỏng phỏt ra: Do độ suy hao của ỏnh sỏng truyền trờn sợiquang phụ thuộc vào bước súng của ỏnh sỏng Cú 3 bước súng thụngdụng là 850,1300 và 1550nm Do vậy ỏnh sỏng do nguồn quang phỏt racũng phải cú bước súng phự hợp

- Cụng suất phỏt: Cự ly thụng tin phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đúcụng suất phỏt của nguồn quang là một yếu tố chớnh Cụng suất phỏtcàng lớn thỡ cự ly thụng tin càng xa

- Độ rộng phổ: ỏnh sỏng mà cỏc nguồn quang thực tế phỏt ra khụng phảichỉ cú bước súng duy nhất mà gồm một khoảng bước súng Khoảng bướcsúng này càng rộng thỡ độ tỏn sắc chất liệu càng lớn và do đú làm hạnchế giải thụng của tuyến truyền dẫn quang Như vậy độ rộng phổ củanguồn quang càng hẹp càng tốt

- Gúc phúng ỏnh sỏng: Đường kớnh lừi sợi quang rất nhỏ, nếu kớch thướcnguồn quang lớn và gúc phúng súng ỏnh sỏng rộng thỡ cụng suất quangvào lừi sợi sẽ rất thấp Do vậy nguồn quang cú vựng phỏt sỏng càng hẹpcàng tốt

- Thời gian chuyển: Để truyền được tớn hiệu số cú tốc độ bớt càng cao thỡthời gian chuyển trạng thỏi của nguồn quang càng nhanh càng tốt

- Độ ổn định: Cụng suất quang mà cỏc nguồn quang thực tế phỏt ra cú phụthuộc vào nhiệt độ mụi trường, vào thời gian sử dụng và cường độ ỏnhsỏng xung quanh Để đảm bảo độ trung thực của tin tức thỡ cụng suất donguồn quang phỏt ra phải ổn định

- Thời gian sử dụng lõu, Giỏ thành hạ

Hỡnh 2.14 Độ hấp thụ của cỏc tạp chất kim loại

b) Đối với linh kiện tỏch súng quang

- Bước súng: Nhạy đối với bước súng hoạt động của hệ thống (850,1300

và 1550nm)

- Độ nhạy: Càng cao càng tốt Tức là cú khả năng tỏch được cỏc tớn hiệuquang thật nhỏ với giỏ trị BER cho phộp

- Đỏp ứng nhanh: Để cú thể làm việc trong hệ thống cú tốc độ bớt cao

- Dũng tối nhỏ: Khi chưa cú ỏnh sỏng chiếu vào nhưng linh kiện tỏch súngquang vẫn cú dũng điện nhiễu chạy qua, dũng điện này càng nhỏ càngtốt

Lớp chống phản xạLớp tiếp xỳc

PLớp cỏch điện (AL2O3)

Lớp N-GaAs(nền)Tiếp xỳc N

Lớp P-GaAs (khuếch tỏn)

+ Điốt phỏt quang LED (Light Emitting Diode)

+ Điốt Laser LD (Laser Diode)

Hai linh kiện này đều phỏt triển từ Diode bỏn dẫn tức là phỏt triển từ tiếpgiỏp của bỏn dẫn P và N

Mỗi chất bỏn dẫn đều cú bề rộng khe năng lượng Eg khỏc nhau Mà Egquyết định bước súng của ỏnh sỏng phỏt ra:

 - bước súng ỏnh sỏng phỏt ra, đơn vị: àm

Từ cụng thức trờn ta thấy muốn nguồn quang phỏt ra ỏnh sỏng cú bước súngdài phải dựng bỏn dẫn cú bề rộng khe năng lượng hẹp

3.2 LED

3.2.1 Cấu tạo và phõn loại

 LED tiếp xỳc mặt GaAs

Đõy là loại cú cấu trỳc đơn gản nhất (hỡnh 3.1) dựng bỏn dẫn GaAs với nồng

độ khỏc nhau để làm lớp nền loại N và lớp phỏt sỏng loại P Lớp P dầy khoảng200m, ở mặt ngoài của lớp P cú phủ một lớp chống phản xạ để ghộp ỏnh sỏngvào sợi quang Bước súng phỏt của LED GaAs trong khoảng 880 đến 950nm

Tiếp xỳc N Lớp N- - GaAs (lớp nền) Vựng phỏt sỏng

Lớp N - GaAs Lớp P - AlGaAs (lớp tớc cực) Lớp P+ - AlGaAs

Lớp cỏch điện AL2O3 Lớp tiếp xỳc P (đường kớnh nhỏ)

Lớp chống phản xạ Tiếp xỳc N

Lớp N-InP (lớp nền) Vựng phỏt sỏng Lớp P-InGaAsP Lớp P+-InP

Hỡnh 3.1 Cấu trỳc LED tiếp xỳc mặt

 LED Burrus

LED Burrus được chế tạo theo cấu trỳc nhiều lớp (Heterostructure) bao gồmcỏc lớp bỏn dẫn N và P với bề dày và nồng độ khỏc nhau (hỡnh 3.2) Vựngphỏt sỏng của LED Burrus tương đối hẹp, bề mặt cú khoột lỗ để đưa sợi quangvào gần vựng phỏt sỏng

Bước súng của LED Burrus dựng bỏn dẫn AlGaAs/GaAs như (hỡnh I.2.5)trong khoảng 800 đến 850nm Nếu dựng bỏn dẫn InGaAsP/InP thỡ bước súngphỏt ra dài hơn

Hỡnh 3.2 Cấu trỳc LED Burrus

 LED phỏt bước súng dài

Một loại LED phỏt súng dài (1300 và 1550nm) dựng bỏn dẫn InGaAsP/InP cúcấu tạo như trờn (hỡnh 3.3) Tương tự như LED Burrus, loại này cũng cú cấutrỳc nhiều lớp (Heterostructure) và cú đường kớnh vạch tiếp xỳc P nhỏ (25 đến30m) nờn cú vựng phỏt sỏng hẹp Điểm khỏc biệt so với LED Burrus là thay

vỡ khoột lỗ để ghộp ỏnh sỏng vào sợi quang, ở đõy dựng lớp nền InP cú dạngmột thấu kớnh để ghộp ỏnh sỏng vào sợi quang

Tiếp xỳc N

Tiếp xỳc P Cỏch điện SiO2

Hỡnh 3.3 LED phỏt xạ bước súng dài

 LED phỏt xạ rỡa: (ELED: Edge Light Emitting Diode)

LED phỏt xạ rỡa cú cấu tạo khỏc với cỏc LED thụng thường (hỡnh 3.4) Cỏcđiện cực tiếp xỳc băng kim loại phủ kớn mặt trờn và đỏy của ELED Do đú ỏnhsỏng khụng thể phỏt ra phớa hai mặt được mà bị giữ trong vựng tớch cực cúdạng vạch hẹp Lớp tớch cực rất mỏng, bằng vật liệu cú chiết suất lớn kẹp giữahai lớp P và N cú chiết suất nhỏ hơn Cấu trỳc như vậy tương tự cấu trỳc củasợi quang, trong đú lớp tớch cực cú chiết suất lớn tương đương với lừi cũn hailớp P và N cú chiết suất nhỏ hơn tương đương với lớp bọc (cladding) hay tươngđương với một ống dẫn súng (Waveguide) ỏnh sỏng phỏt ra ở cả 2 đầu ống dẫnsúng này, một trong hai đầu được nối với sợi quang

Cấu trỳc này cú ưu điểm vựng phỏt sỏng hẹp và gúc phỏt sỏng nhỏ nờn hiệusuất ghộp ỏnh sỏng vào sợi quang cao Tuy nhiờn khi hoạt động nhiệt độ ELEDtăng khỏ cao nờn đũi hỏi phải giải nhiệt

Hỡnh 3.4 LED phỏt xạ rỡa (ELED)

Cấu trỳc LED càng phức tạp thỡ cụng suất phỏt càng cao và giỏ thành càngtăng, gúc phỏt sỏng càng hẹp thỡ thời gian chuyển càng nhanh

3.2.2 Đặc tớnh kỹ thuật.

P(mW) 10

5

0 100 200 300 400 500

LED(phỏt xạ mặt)ELED(phỏt xạ rỡa)

Cỏc đặc tớnh kỹ thuật của LED phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo của chỳng.Ngoài ra, theo đà phỏt triển của cụng nghệ bỏn dẫn, chất lượng của LED ngày càngđược nõng cao hơn ở đõy chỉ giới thiệu những đặc tớnh kỹ thuật chung của LED

Hỡnh 3.5 Cụng suất phỏt của LED và ELED

 Gúc phỏt quang

Cụng suất ỏnh sỏng do cỏc nguồn quang phỏt ra cực đại ở trục phỏt quang vàgiảm dần theo gúc hợp với trục Gúc phỏt quang được xỏc định ở mức cụngsuất quang giảm một nửa (3dB) so với mức cực đại LED phỏt xạ mặt cú gúcphỏt quang lớn hơn so với LED phỏt xạ rỡa (H 3.6)

Cụng suất tương đối

1.0

0.5

0

900 450 00 450 900

0 gúc phỏt30

01200

Phỏt xạ mặt (Surtace Emiter) Phỏt xạ rỡa (Edge Emiter)

Hỡnh 3.6 Gúc phỏt quang của LED và ELED

 Hiệu suất ghộp quang

Hiệu suất ghộp quang được tớnh bởi tỷ số cụng suất quang ghộp vào sợi quangvới cụng suất phỏt quang tổng cộng của nguồn quang

Hiệu suất ghộp phụ thuộc vào kớch thước vựng phỏt quang, gúc phỏt quang củanguồn, gúc thu nhận (NA) của sợi quang và vị trớ đặt nguồn quang và sợiquang (H3.7)

Hỡnh 3.7 Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghộp

Hiệu suất ghộp của LED phỏt xạ mặt trong khoảng 1  5% và LED phỏt xạrỡa trong khoảng 5  15% Từ đú, tuy cụng suất phỏt của LED phỏt xạ mặt lớnhơn nhưng cụng suất đưa vào sợi quang của LED phỏt xạ rỡa lại lớn hơn (thườnglớn hơn khoảng hai lần)

40nm

Hỡnh 3.8 Độ rộng phổ của LED

Thụng thường LED cú độ rộng phổ trong khoảng 35  100mm

 Thời gian chuyển lờn (Rise time)

Là khoảng thời gian để cụng suất ra tăng từ 10% đến 90% mức cụng suất ổnđịnh khi cú xung dựng điện kớch thớch nguồn quang

Thời gian chuyển của nguồn quang cú ảnh hưởng đối với tốc độ bit của tớn hiệuđiều chế Muốn điều chế ở tốc độ càng cao thỡ nguồn quang phải cú thời gianchuyển càng nhanh Dải thụng tối đa của tớn hiệu điều chế phụ thuộc vào thờigian chuyển theo cụng thức gần đỳng:

B = 0,35/t

Trong đú: B: Dải thụng của tớn hiệu điều chế, đơn vị Mhz

t: thời gian chuyển của nguồn quang, đơn vị sThời gian chuyền của LED trong khoảng:

- 5  50 ns: đối với LED phỏt xạ thấp

- 2  20 ns: đối với LED phỏt xạ cao

 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi nhiệt độ mụi trường tăng thỡ cụng suất phỏt của LED giảm Tuy nhiờnmức độ ảnh hưởng bởi nhiệt độ của LED khụng cao:

Tớn hiệu điều chế

Q+V

Mạch phỏt quang dựng LED đơn giản nhất như trờn (H 3.9)

Hỡnh 3.9 Mạch phỏt quang đơn giản nhất

Khi cú tớn hiệu điều chế (dạng analog hoặc digital) đưa vào cực nền củatransistor Q dũng điện quang LED thay đổi theo tớn hiệu điều chế và do đú cường

độ ỏnh sỏng do LED phỏt ra cũng thay đổi theo tớn hiệu điều chế

Một mạch phỏt quang dựng LED cú đỏp ứng nhanh và cụng suất lớn nhưtrờn (H 3.9) Trong đú Q1 làm nhiệm vụ khuếch đại và phối hợp trở khỏng Q2 và

Q3 được mắc song song để tăng dũng kớch thớch LED

3.3 LASER

3.3.1 Cấu tạo và nguyờn tắc hoạt động.

Laser bỏn dẫn hoạt động theo nguyờn lý phỏt xạ kớch thớch Cấu tạo của núgần gũi với cấu tạo của LED phỏt xạ rỡa (ELED) Điểm khỏc biệt cơ bản là trongLaser cú hai mặt phản xạ ở hai đầu lớp tớch cực tạo nờn một hốc cộng hưởngquang (H 2.10) Phần ỏnh sỏng phỏt ra theo chiều dọc của hốc cộng hưởng sẽ bịphản xạ qua lại giữa hai mặt phản xạ Trong quỏ trỡnh di chuyển theo chiều dọccủa hốc ỏnh sỏng kớch thớch cỏc điện tử kết hợp với lỗ trống để phúng ra cỏc

Bỏn dẫn loại PLớp tớch cựcBỏn dẫn loại NMặt phản xạ

Lớp tớc cực(InGaAsP)(2m x 0,2m x 300m)

photon mới Phần ỏnh sỏng thoỏt ra theo cỏc phương khỏc bị thất thoỏt dần Nhưvậy chỉ cú phần ỏnh sỏng phỏt ra theo chiều dọc mới được khuếch đại

Mặt sau của Laser được phủ một lớp phản xạ cũn mặt trước được cắt nhẵn

để một phần ỏnh sỏng phản xạ chiếu ra ngoài

Hỡnh 3.10 Nguyờn lý cấu tạo LASER bỏn dẫn

Nhằm tăng hiệu quả phỏt xạ, cỏc Laser thực tế cú cấu trỳc phức tạp hơn.Chẳng hạn loại Laser cú cấu trỳc nhiều lớp chụn, cũn gọi là Laser BH (BuriedHeterostructure), cú cấu tạo như trờn Hỡnh 3.11 Vựng phỏt sỏng của Laser BH rấthẹp (2m  0,2m) nờn hiệu suất ghộp ỏnh sỏng vào lừi sợi quang rất cao

Hỡnh 3.12 Đặc tuyến phỏt quang của LED và LASER

Dũng điện ngưỡng của Laser thay đổi theo nhiệt độ Đối với những Laserđời cũ, dũng điện ngưỡng cú giỏ trị từ 50mA đến 100mA Đối với những Laser đờimới dũng ngưỡng chỉ trong khoảng 10mA đến 20mA

- Dũng điện kớch thớch: từ vài chục đến vài trăm mA tựy theo loại

Gúc phỏt sỏng của Laser theo phương ngang của lớp tớch cực chỉ trong khoảng

từ 5o  10o, cũn theo phương vuụng gúc với lớp tớch cực gúc phỏt cú thể lờnđến 40o Như vậy mặt bao của gúc phỏt khụng phải là mặt nún trũn xoay mà làmặt nún cú đỏy hỡnh ellip

 Hiệu suất ghộp

LASER cú vựng phỏt sỏng nhỏ và gúc phỏt sỏng hẹp nờn hiệu suất ghộp ỏnhsỏng vào sợi quang cao

Trung bỡnh hiệu suất ghộp của LASER trong khoảng

- 30%  50%: đối với sợi đơn mode (SM)

- 60%  90%: đối với sợi đa mode (MM)

Hiệu suất ghộp của LED và LASER thay đổi theo khẩu độ số (NA) của sợiquang như trờn (Hỡnh 3.13).

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

0 3 6 9 12 15 18

100 50

20 10

5

0

Hiệu suất ghộp()

LASER

ELED

LED

Suy hao ghộp(LdB)

NA

Hỡnh3.13 Hiệu suất ghộp của nguồn quang

Để tăng hiệu suất ghộp, người ta cú thể tạo thờm cỏc chi tiết phụ giữa nguồnquang và sợi quang như đặt thờm thấu kớnh giữa nguồn quang và sợi quang, tạođầu sợi quang cú dạng mặt cầu,

 Độ rộng phổ

Dạng phổ phỏt xạ của LASER là tổng hợp đặc tuyến khuyếch đại (do bề rộngkhe năng lượng thay đổi) và đặc tuyến chọn lọc của hốc cộng hưởng (phụ thuộcchiều dài hốc) như trờn(Hỡnh 3.14)

So với LED thỡ phổ phỏt xạ của LASER rất hẹp, trong khoảng từ 1 đến 4nm.Dạng phổ như trờn H.I.2.18b gồm nhiều vạch rời rạc nờn được gọi là phổ củaLASER đa mode

Người ta cú khuynh hướng chế tạo LASER cú phổ ngày càng hẹp để giảm tỏnsắc chất liệu khi sử dụng bước súng 1550nm, và trong tương lai cú thể sử dụngrộng rói kỹ thuật ghộp kờnh theo bước súng (WDM)

Vựng dẫn

Khe năng lượng Vựng hoỏ trị

Năng lượng photon

E

Ec

Ev

0Đặc tuyến khuếch đại

Đặc tuyến chọn lọc (2D=N)

a)

0Phổ phỏt xạ

Hỡnh 3.14 Phổ phỏt xạ của LASERa) Sự hỡnh thành



Điều khiển

1

Điều khiển 2

c)

0,1nm

b) 1550 (nm) Lớp tớch cực

Lớp hướng dẫn (gợn súng) Lớp nền

a)

Gương phản xạ

d)

- Laser hốc ghộp C - cubed or C3 (Cleaved-Coupled-Cavity): Hai chip Laserrời được ghộp quang với nhau nhưng cỏch ly về điện để đạt được sự giớihạn bước súng phỏt

- Laser hốc ngoài (External Cavity): là loại Laser cú mặt phản xạ bờn ngoàithay vỡ trỏng mặt phản xạ trong Laser thụng thường

Hỡnh 3.15 Nguyờn lý cấu tạo Laser đơn tần (Single-Frequency Laser)

a Laser DFB (Distributed Feedback)

b Phổ của Laser DFB

c Laser C3 (Cleaved-Coupled-Civity)

d Laser External Cavity

 Thời gian chuyển lờn

Thời gian để cụng suất quang tăng từ 10% đến 90% mức cụng suất xỏc lập củaLaser rất nhanh, thụng thường khụng quỏ 1ns

 Ảnh hưởng nhiệt độ

Khi nhiệt độ thay đổi thỡ dũng ngưỡng của Laser thay đổi (H.3 16) và do đúcụng suất quang phỏt ra cũng thay đổi Khi nhiệt độ tăng thỡ dũng ngưỡng cũng

tăng (đặc tuyến dịch về phớa phải) Nếu nhiệt độ tăng cao thỡ dũng ngưỡngtăng theo dạng hàm mũ của sự gia tăng nhiệt độ (T) đồng thời độ dốc của đặctuyến cũng giảm.

Trung bỡnh, độ gia tăng dũng ngưỡng theo nhiệt độ vào khoảng +1%/oC

Ngoài ra khi nhiệt độ thay đổi thỡ bước súng phỏt cũng thay đổi, nhưng mức độảnh hưởng rất thấp

3.3.3 Mạch phỏt quang dựng Laser.

 Cỏc thụng số kỹ thuật của Laser chịu ảnh hưởng của nhiệt độ khỏ nhiều nờnLaser thường được chế tạo dưới dạng module Module Laser bao gồm Laser vàcỏc thành phần phụ khỏc như bộ phận thăm dũ cụng suất phỏt tạo thành mạchhồi tiếp để điều chỉnh dũng kớch thớch, nhiệt độ

Sơ đồ khối tổng quỏt của một mạch phỏt quang dựng Laser như trờn (Hỡnh3.16) Trong đú

- Giao tiếp điện: là cỏc điện cực để nối với mạch điện bờn ngoài, nơi nhậntớn hiệu điện

- Giao tiếp quang: nơi tiếp xỳc giữa module Laser và sợi quang Giữanguồn quang và sợi quang cú thể đặt thờm một thấu kớnh để tăng hiệusuất ghộp quang

- Mạch kớch thớch: Mạch điện cung cấp dũng điện kớch thớch cho nguồnquang Mức độ phức tạp của mạch phụ thuộc cỏc yờu cầu của mỏy phỏtquang

- Mạch xử lý tớn hiệu điện: biến đổi tớn hiệu điện sang dạng thớch hợp đểđưa vào mạch kớch thớch

- Mạch thăm dũ quang: cú tỏc dụng thu một phần tớn hiệu quang đổi radạng điện hồi tiếp về mạch kớch thớch nhằm giữ cho cụng suất quangphỏt ra ổn định Photo diode trong mạch thăm dũ

quang thường nhận ỏnh sỏng phỏt ra từ phớa sau của Laser

- Mạch thăm dũ và điều khiển nhiệt độ: cú tỏc dụng ổn định nhiệt độ cho Laser

Giao tiếpđiện

Xử lý điện

Mạch kớch thớch

Giảinhiệt

Thăm dũquang

Giao tiếpquang

Nguồn quang

Thăm dũ nhiệt

Sợi quang

Hỡnh 3.16 Sơ đồ tổng quỏt của mỏy phỏt quang

Bỏn dẫnP Vựng Bỏn dẫn N

hh

E

Ec

Ev

Vựng trụi

- PIN: loại diode thu quang gồm ba lớp bỏn dẫn P, I và N Trong đú P và N làhai lớp bỏn dẫn cú pha tạp chất cũn I (Intrinsic) là lớp bỏn dẫn khụng phatạp chất hoặc pha với nồng độ rất thấp

- APD (Avalanche Photo Diode): loại dicde thu quang hoạt động trong chế độthỏc lũ

Ngoài ra cũn cú transistor quang (Phototransistor) cũng cú khả năng biến đổitớn hiệu quang sang tớn hiệu điện nhưng cú thời gian đỏp ứng chậm nờn ớt được

sử dụng Nếu cú cũng chỉ xuất hiện trong cỏc hệ thống cú cự ly ngắn và tốc độchậm

Cỏc linh kiện tỏch súng quang hoạt động theo nguyờn tắc của một tiếp giỏp

PN phõn cực ngược Quỏ trỡnh tạo ra cỏc hạt dẫn điện do cỏc photon kớch thớchđược minh hoạ trờn (H 4.1)

Hỡnh 4.1 Nguyờn lý tạo điện tử và lỗ trống của tiếp giỏp PN

phõn cực ngược

h

Tiếp xỳc (kim loại

Dưới tỏc dụng của điện trường bờn ngoài (phõn cực ngược) điện tử là hạt tảiđiện thiểu số bờn P chuyển qua lớp N và cỏc lỗ trống là hạt tải điện thiểu số bờn Nchuyển qua lớp P tạo thành dũng quang điện trờn mạch ngoài Số lượng của cỏchạt tải điện được tạo ra phụ thuộc vào năng lượng mà cỏc photon cung cấp nờnquy luật biến thiờn của dũng quang điện do cường độ ỏnh sỏng kớch thớch quyếtđịnh

4.2 Diode thu quang PIN.

Cấu tạo của diode PIN gồm ba lớp bỏn dẫn P-I-N, trong đú lớp I (Intrinsic)

là lớp bỏn dẫn khụng pha tạp chất hoặc pha với nồng độ rất thấp (Hỡnh 4.2) Quỏtrỡnh hấp thụ photon để tỏch ra cỏc điện tử và lỗ trống xảy ra trong lớp I Do đúlớp I càng dày thỡ hiệu suất lượng tử càng cao nhưng đồng thời thời gian trụi củađiện tử sẽ càng chậm Điều này làm giảm khả năng hoạt động với tốc độ cao củaPIN

Bề dày lớp P phụ thuộc khả năng thõm nhập của ỏnh sỏng vào bỏn dẫn ỏnhsỏng cú bước súng càng dài thỡ khả năng thõm nhập vào bỏn dẫn càng lớn

Hỡnh 4.2 Cấu tạo Diode thu quang PIN

4.3 Diode thu quang APD (Avalanche Photo Diode)

Ứng dụng hiệu ứng nhõn điện tử trong bỏn dẫn, người ta chế tạo APD gồm4lớp P+ P- PN- (Hỡnh 4.3a) Trong đú P+ và N- là hai lớp bỏn dẫn cú nồng độ tạpchất cao cũn P- là lớp bỏn dẫn cú nồng độ tạp chất thấp (thay vị trớ lớp I của PIN)

Điện trường

E

P+

c)Photon

N-Hỡnh 4.3 Diode APD

a) Cấu tạob) Phõn bố điện trườngc) Quỏ trỡnh nhõn điện tử

Dưới tỏc dụng của nguồn phõn cực ngược, sự phõn bố cường độ điện trườngtrong cỏc lớp bỏn dẫn như trờn (Hỡnh 4.3b) Trong đú điện trường trong vựng tiếpgiỏp PN- cao nhất, quỏ trỡnh nhõn điện tử xảy ra trong vựng này Vựng này cũnđược gọi là vựng “thỏc lũ”

Khi cú ỏnh sỏng chiếu vào, cỏc photon bị hấp thụ trong lớp P- và tạo ra cỏccặp điện tử - lỗ trống Lỗ trống di chuyển về phớa lớp P+ nối với cực õm củanguồn; cũn điện tử di chuyển về phớa tiếp giỏp PN- Điện trường cao trong vựngtiếp giỏp PN- sẽ tăng tốc cho điện tử Điện tử va chạm vào cỏc nguyờn tử của tinhthể bỏn dẫn tạo ra cỏc cặp điện tử - lỗ trống mới (gọi là sự ion húa do va chạm).Cỏc điện tử thứ cấp mới được tạo ra lại cú khả năng gõy ra sự ion húa do va chạm.Quỏ trỡnh tiếp diễn và số lượng cỏc hạt tải điện tăng lờn rất lớn (Hỡnh 4.3c)

4.4 PIN – FET.

ngược nhau khụng giống như hai loại nguồn quang LED và LASER Đặc tớnh kỹthuật của LASER tốt hơn LED về nhiễu mặt trong khi APD chỉ hơn PIN về độnhạy và tốc độ làm việc Cỏc hạn chế của APD là.

- Chế độ làm việc kộm ổn định nờn cần mạch điện phức tạp

- Dũng nhiễu lớn Điện ỏp phõn cực cao và yờu cầu độ ổn định cao

- Giỏ thành cao

Do những đặc tớnh trờn mà cả APD và PIN đều tồn tại song song

Cú thể giữ được cỏc ưu điểm của PIN và khắc phục cỏc nhược điểm của núbằng cỏch dựng kết hợp PIN với một Transistor trường (FET) trong mạch tiềnkhuyếch đại Hai linh kiện kết hợp này được gọi là PIN - FET, chỳng được sửdụng khỏ phổ biến trong hệ thống thụng tin quang hiện nay Độ nhạy của PIN -FET cú thể so sỏnh được với APD

Kết luận :

- LED và LD cú đặc tớnh hầu như giống nhau nhưng cú đặc tớnh quanghoàn toàn khỏc nhau

- LD bức xạ ỏnh sỏng kết hợp với cụng suất lớn, gúc bức xạ nhỏ do cú bộcộng hưởng quang và cú dũng cung cấp lớn hơn dũng ngưỡng nờn dễghộp vào sợi quang LD phải cú cấu tạo sao cho cú khả năng tập trungcỏc phần tử tớch điện và cỏc photon lớn để hạ thấp dũng ngưỡng Giảmbớt dũng cung cấp sẽ giảm được cụng suất tổn hao vụ ớch

- LD cú một dũng ngưỡng, nếu dũng điều khiển cũn nhỏ hơn dũng ngưỡngthỡ LD cụng tỏc như một ELED Nếu dũng điều khiển lớn hơn dũngngưỡng thỡ cụng suất ỏnh sỏng ra tăng tuyến tớnh khỏ nhanh

- LED bức xạ ỏnh sỏng đẳng hướng nờn khả năng ghộp vào sợi quang rấtthấp Để tăng hiệu suất thỡ LED phải cú cấu tạo sao cho khi bức xạ raỏnh sỏng về một hướng hoặc vuụng gúc với tiếp giỏp P - N (Diode bức

xạ mặt) hoặc bức xạ trờn một cạnh của mặt cắt ngang (Diode bức xạ cạnh

- ELED)

- Khi nhiệt độ mụi trường tăng thỡ thỡ cụng suất bức xạ ra của LED và LDgiảm Nhiệt độ tăng thỡ đặc tuyến bức xạ của LED sẽ giảm hơn, cũn đặctuyến của LD thỡ dịch chuyển về phớa dũng ngưỡng lớn hơn Khi nhiệt

độ cũn chưa quỏ cao thỡ cỏc đường đặc tuyến hầu như cũn song song vớinhau, khi nhiệt độ tăng cao thỡ đặc tuyến bị nghiờng hơn

LED và LD chế tạo từ vật liệu liờn kết InGAsP Arsenic-Phosphorus) Cho cỏc bước súng dài 1,3 và 1,55m Vật liệu

(Indium-Gallium-GaAlAs (Gallium-Aluminium-Arsenic) cho bước súng ngắn 0,85m.