Thiết kế và xây dựng bộ điều khiển hệ thống Camera đa kênh ghép nối với máy tính

Đ ối với các chất bán dẫn chuyển dịch rực tiếp, khi các giá trị hằng s ố khác nhau được gán vào phương trình 3 thì hệ s ố hấp thụ trở thành: Sự sinh ra cặp điện từ -lỗ trống 11 hờ sự d

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA HÀ N Ộ I

K H O A C Ô N G N G H Ê

Nguyễn Như Thưởng

TH IẾT KÊ VÀ XÂY D Ự N G BỘ DIÊU K H IỂN

HÊ TH Ố N G C A M E R A Đ A K Ê N H G H É P NỐI VỚI M Â Y TÍNH

C h u y ê n n g à n h : KỸ THUẬT v ô TUYỂN ĐIỆN TỬ

VÀ THÔNG TIN LIÊN LẠC

M ã s ô : 2.07.00

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

M Ở Đ Ẩ U

M Ụ C L Ụ C

CHƯƠNG I : TỔNG Q U A N VỀ HỆ TIỈỔNCỈ TIN Q U A N G

1.1 M ộ t s ô ưu đ i ể m c ủ a k ỹ t h u ậ t t r u y ề n dần q u a n g :

1.2 C ấ u tr ú c hệ t h ố n g t h ô n g tin sợi q u a n g :

1.3 C á c đ ặ c tín h t r u v ề n d ẫ n c ủ a sợi q u a n g :

1.3.1 Độ suy hao:

a) Suy hao hấp th ụ :

b) Suy hao do tán x ạ :

c) Suy hao do bị uốn c o n g :

d) Suy hao do hàn nối, lắp g h é p sợi với thiết bị phát qu an g :

1.3.2 Độ tán sắc:

a) Tán sắc m o d e

b) Tán sắc bước s ó n g :

CHƯƠNG 2: BỘ THU Q U A N G

2 1 S ự h ấ p th ụ á n h s á n g t r o n g c h ấ t bán d ầ n

2 2 B ộ tá c h s ó n g q u a n g d ầ n

2 3 Hộ th u q u a n g p - i - n

2 4 íỉộ th u q u a n g t h á c (AIM) - A v a l a n c h e P h o t o D e t e c t o r )

2 5 N h iè u và giới h ạ n đ o

CHƯƠNG 3: B Ộ PIIÁT Q U A N G - L A S i R I M O D I'

3 1 C á u tr ú c c ủ a L a s e r

3 2 H iệ u s u ấ t lư ợ n g tử t r o n g và n g o à i

3 3 H iệ u s u ấ t n ă n g l ư ợ n g

3 4 C á c tín h c h ấ t đ ộ n g c ủ a la s e r t iê m c h í c h

3 5 Đ iề u c h ế b iên đ ộ

3.5.1 Điều chế tíu hiệu lớn:

3.5.2 Điểu chế tín hiệu nhỏ:

3 6 Ả n h h ư ở n g c ủ a n h i ệ t d ộ tới l a s e r

3.6.1 Ánh hưởng cùa nhiệt độ tới dòng ngưỡng

3.6.2 Ảnh hưỏìig của nhiệt độ tới tần số phát x ạ

CHƯƠNG 4: TĨIIẾT KẾ HỆ TIIỔ N G Đ i ề u KIIlỂN T ổ HỢP CAM M IA

4 1 ( ỉ i ớ i t h iệ u h ệ t h ô n g

4 2 M õ tá so b ộ hệ t h ô n g đ i ề u k h iê n c a m e r a

4.2.1 Yêu cẩu của hệ thống

4.2.2 Cổng Mối tiếp RS-232 và khuôn mẫu tín hiệu từ máy tính:

4 2 2 1 Lý do sử dụng c ổ n g nối tiếp: .

5

5

5

9

9

9 10 10 10 II

I 1

I I 12 12 13 16 19 22

27

27 30 31 32 34

.37 38

39

.39

.40 42

42 44

.44 44 44

MỎ ĐẦU

Từ xa xưa con người đã m ơ ước truyền được hình ánh và âm thanh

từ nơi này đến nơi khác Sự tìm ra tính chất cách điệu cua s e l e n d o nhà bác học T lm ỵ Đ iể u Berzlius năm 1817 và sự phát hiện ra lính chất nhạy sá n g

c ú a se ie n kh oán g tháng 5 năm 1873 c h o thấy khả năng b iến đổi ánh sá n g

từ m ột hình ảnh thành tíu hiệu đ iệ n Đ ế n năm 1892, khi E lster và G e ite l

c h ế tạo ra tế bào q u ang điện thì ứng d ụ n g này mới được đưa vào sử d ụ ng

T h ô n g tin hình ánh là m ột lĩnh vực rất quan trọng, c ó đặc thù riên g , đan g được phát triển mạnh m ẽ T h ô n g tin hình ảnh được hiểu là quá trình phân tích ảnh (tạo tín hiệu hình ảnh ), g h i, xử lý, lưu, truyền - phát s ó n g , b iể u

d iễn và thu nhận hình anh ( t ố n g hợp hình ánh) Hình ánh là m ột d ạ n g

th ông tin đặc b iệ t, thích hợp đối với c o n người.

K hác với th ông tin hữu tu yến và vô tuyến truyền th ô n g , th ô n g tin

q u ang truyền dẫn th ông tin qua sợi quang: T h ô n g tin được b iế n đổi thành tín hiệu ánh sá n g và truyền đi trong sợi thu ý tinh theo n g u y ê n lý phán xạ toàn phần N hư vậy, m ôi trường truyền dẫu củ a th ò n g tiu q u a n g là sợi

q u ang và dạng tín hiệu truyền đi trong sợi là ánh sá n g

Hệ thống thông tin q u a n g c ó m ột s ố ưu đ iể m s o với c á c hệ th ố n g thông tin sứ d ụ n g cáp đ ổ n g c ổ đ iể n CỈO sử dụng đặc tính c ủ a sợ i q u a n g , linh kiện thu q u a n g , phát qu an g.

Sợi cáp q u a n g c ó c á c đặc đ iể m chù y ế u sau:

- Suy hao thấp hơn hẳn so với cáp đ ồ n s c ổ điển

- Đ ộ rộng băng: Cáp q u a n g c ó thể truyển tái tín h iệu c ó tần s ố c a o hơn rất nhiều so với cáp đ ồ n g

- Đ ư ờ n g kính sợi nh ỏ, trọng lượng nhẹ.

- Đ ặc lính cách điệu: bởi vì thủy tinh k h ô n g dần đ iệ n , do vạy cáp sợi quang k h ông chịu ánh hưởng của điện - lừ trường bèn n g o à i, đặc tính này có m ột ưu th ế rất lớn trong m ột s ố c á c ứng d ụ n g cụ thể.

- Tiết k iệm tài n gu y ên : Thạch anh là n g u y ên liệu c h ín h đê sán xuất sợi qu ang, so với kim lo ạ i, n gu ồn n g u y ê n liệu này dổi d ào hơn Hơn nữa,

L u ậ n văn (hạc sỹ k h o a học T r a n g I

Đ ặ c thù cua hệ th ống th ô n g tin q u a n g là sứ dụ ng tín hiệu q u a n g đế truyền th ông liu V iệ c phát m inh và ứng đ ụ n g Laser làm n g u ồ n q u a n g đã

m ở ra một thời kỳ mới c ó ý n g h ĩa to lớn trong lịch sử kỹ thuật th ô n g till

q u a n g sứ sụ n g dái tần s ố ánh s á n g Đ ó là m ột n g u ồn sá n g lý tưởng: Đơn

s ắ c , c ô n g suất lớn, tính định hướng c a o , độ su y hao và tán s á c thấp ch o phép tăng hiệu quá sử d ụ n g , k h o ả n g cá ch truyền dẫn và độ tin c ậ y .

Hiện nay cáp q u a n s k h ô n g những được sử d ụ n g trong th ô n g till

q u an g sợi mà cò n đan g được n g h iê n cứu sử d ụ n g rộng rãi trono c á c hệ

th ố n g đ iều khiển và xử lý tíu h iệu Sử d ụ n g cá p q u an g c ó ưu th ế rõ rệt trong v iệc tránh nhiễu do từ (rường, d u n g lượng truyền dẫn lớn vói lỗi truyền thu nhỏ, b í mật th ô n g tin được b ảo đám cự ly truyền thu dài an toàn trong c á c môi trường dễ c h á y nổ và g iá m thiếu được s ố lượng các thiết bị điện tử đi k è m , tăng tính ổn định của hệ th ố n g C á c hệ th ốn g truyền thu tín hiệu hình ảnh từ c á c cam era hiện nay đã đ ư ợ c cáp q u ang hóa để đâm b áo chất lượng hình ảnh trêiì đ ư ờ n g truyền dài tới trung tâm

xứ lý có ý ngh ĩa cá về mặt c ô n g ngh ệ và kinh tế.

Cụm cả n g Hàng k h ô n g m iền Bắc là một doanh n g h iệ p c ô n g ích hoạt

đ ộ n g trong ngành Hàng k h ô n g dân dụ n g Hiên tại, nhà ga hành khách

q u ố c tế TI do Cụm cả n g là ch ủ đầu tư đã được đưa vào sử đ ụ n g , đày là một nhà ga hành khách lớn và hiện đại nhất trong khu vực Đ ô n g Nam Á

Do đặc thù của ngành H àng k h ô n g dân dụng là m ộ t ngành kinh tế đặt độ

an toàn là yếu tố q u yết định đầu tiên c h o nên v iệ c đám b ảo an ninh, an toàn ch o m ỗi ch u y ên bay và c h o toàn bộ khu vực nhà ga hành khách luôn được lãnh đạo và toàn thể cán bộ c ô n g nhân viên ngành hàn g k h ô n g đặt lên hàng đầu.

Hiện tại, nhà ga hành k h ách TI đan g trang bị m ột hệ th ố n g g ồ m 130 cam era đặt tại tất cả khu vực trong và ngoài nhà ga N ếu chi cần quan tâm đến vấn đề giám sát an ninh và đ iề u hành trong khu vực nhà ga thì với 130 cam era này hoàn toàn c ó thể đáp ứng được c á c yêu cầu củ a lực lượng an ninh và điều hành Vấn đề đật ra ừ đây ch ín h là v iệ c đưa c á c thông till, hình ánh đó đến ch ỏ trực điều hành củ a bail giám đ ố c và c á c khu vực có liên quan m à vị trí lại k h ô n g nam trong khu vực ga như C ụ c X uất nhập

canh - Bộ c ô n g an c ó trung tâm đặt tại Hàng Bài - Hà Nội Chính từ yêu cầu này, bán luận văn xin được đưa ra giái pháp đối vứi hệ thống điều

k h iến , truyền tín hiệu hình ảnh từ cam era sử dụng cáp quang để c ó thể đáp ứng được c á c yêu cầu về k h o ả n g cá ch cũng như chất lượng hình ánh giái

q u yết được vấn đề điều kh iển toàn bộ hệ thống một cách đơi) gián và chính xác bằng phán m ềm lập trình c h o m áy tính.

L u ậ n văn thạc XV k h o a học T r a n g 4

C h ư ơ n g I: T ó m ỉ q u a n vè hệ t h o n g tin q u a n g

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỂ HỆ THÔNG TIN QUANG

1.1 M Ộ T S Ổ ƯU Đ I Ể M C Ủ A K Ỹ T H U Ậ T T R U Y Ể N d a n Q U A N G :

So với c á c hệ th ống truyền dẫn bằn g cáp kim lo ạ i, th ô n g tin cáp

q u ang có ưu đ iểm nổi trội hưu han, đó là:

• Sợi q u ang Iihỏ và nhẹ hơn cáp kim loại (đ ư ờn g k ín h sợi q u ang

c ỡ 0 125nm , nhỏ hơn rất nhiều so với cáp đ ồ n g ).

• Sợi q u ang được c h ế tạo từ thuỷ tinh thạch anh là chất hoàn toàn cá ch điện nên k h ô n g sợ ch ập m ạ ch , là m ô i trường trung tính với ảnh hưởng của nước, axit, k iề m nên k h ô n g bi ăn

m òn N g a y cá khi lớp vỏ báo vệ bên n goài bị hư h ó n g nhưng sợi tliuỷ tinh còn tốt thì vẫn đám b áo truyền tin tốt.

• Tíu hiệu truyền trong sợi q u an g k h ô n g bị ảnh h ư ở n g của điện

từ trường bên n goài nên c ó thể sử d ụ n g c h o c á c hệ th ô n g tin ớ những nơi c ó n h iễu điện từ (rường mạnh nhu' trong c á c nhà

m áy đ iện mà k h ô n g cần c h e chắn ánh hưởng điện từ.

• Ti êu hao nh ỏ, k h ô n g phụ th uộc tần s ố tín hiệu Irong dải tần rộng c h o phép truyền dẫn b â n g rộng và tốc độ c a o s o với cáp

k im loại với c ù n g ch i phí xây dựn g m ạn g.

• Vì su y hao nhỏ nên c h o phép đạt cự ly k h o á n g lặp lớn so với cáp kim loại N gư ời ta tính toán rằng nếu c h ế tạo được

I OO.OOOkm/nãm thì g iá thành hệ truyền dẫn q u a n g ch ỉ b ằ n g 1/10 g iá thành hệ truyền dãn kim loại với c ù n g m ột năng lực truyền dẫn.

1.2 C Ấ U T R Ú C H Ệ T H Ố N G T H Ô N G T I N S Ợ I Q U A N G :

Từ năm I 9 6 0 , laser được phát hiện đã m ở ra m ột ký n g u y ê n mới trong lĩnh vực th ôn g tin và I1Ó thực sự trở thành điểm m ố c 1 ich sử của ngành truyền th ông Đ ể truyền tin dưới dạng ánh sá n g lan truyền trong một sợi q u ang thì phải c ó hệ th ố n g truyền th ô n g q u an g h ọ c C ũ n g g i ố n g

( ' h ư ơ n g ! : T ốn g (¡ 11(111 vê hệ th òn g tin t/nơnỉỉ

như c á c hệ th ống k h ác, hệ th ống này bao gồm một s ố các bộ phận riêng rẽ

g h é p với nhau theo một phương thức để chúng có thể thực hiệu được các yêu cầu đặt ra cùa hệ th ống Vì vậy, để truyền tin chính xác và bí mật bằn g sợi q u ang thì c á c bộ phận trong hệ thống nhất thiết phải tương thích

sa o c h o hoạt động của mồi bộ phận lãng cường cho nhau chứ không làm

su y g iá m hoạt độn g của toàn hệ th ống.

Hình I chi ra c á c bộ phận c ơ bản của hệ thống truyền thông bằng sợi q u an g (c h o cá tín hiệu s ố và tín hiệu tương tự) Thiết bị E/O bao gồm một bộ mã hoá thông tin ho ặ c m ạch định dạng tín hiệu, một bộ điều c h ế hoặc m ột táng điều k h iển điện tử đê điều khiển nguồn quang Ánh sáng phát ra từ n gu ồn quang được đưa vào cáp quang, cáp này được dùng làm phương tiện truyền ánh sá n g Tại bộ thu, ánh sáng được biến đổi ngược lại thành tín hiệu điện nhờ m ột bộ thu quang Sau đó, tín hiệu điệu này được khuếch đại trước khi giải mã hoặc gia i điều c h ế để thu được thông tin ban đầu.

Televition

Hình i Các bộ phận cơ bàn ( lia một hệ tlion í; thôn {ị tin soi I/UÚIIIỊ

Đ ế các bộ phận này c ó thể kết hợp vói nhau một cách tốt nhất thành

hệ th ống th ông tin sợi q u an g thì cần phải xem xét sự ảnh hưởng của từng

bộ phận, rồi sau đó phải đánh g iá hoạt động của toàn bộ hệ thống Hơn nữa, đê tối ưu hoá hệ th ốn g trong các ứng dụng thì cần phải biết đặc tính của các linh kiện dê đảm b ảo k h ôn g làm ánh hương tới hoạt động của các linh kiện khác Trong hệ th ống th ông tin quang, các linh kiện điện tử đ ón g một vai trò quan trọng, tuỳ theo c á c bộ phận quang được sử dụng, nhà

ĩelephon»

Bó t«.Nn<jA

Míĩv tinh (HỈ I iỏii Nrt 'itiaiKi

Ch ư ơn g I : T ổn g quan về hệ th á n g Íi/I quang

thiết k ế hệ thống có thê lựa chọn thêm các bộ phận đê cải tiến hoạt động của hệ thống.

Bộ phát và bộ tlui quang đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống thông tiu quang.

* B ộ p h á t q u a n g :

Bộ phát có nhiệm vụ chuyên đổi tín hiệu đầu vào thành tín hiệu quang tương dirons và đưa vào lõi sợi quang làm thành m ột kênh truyền thông Thành phần chính của bộ phát là một nguồn quang N guốn quang trong bộ phát phái thoả mãn những yêu cầu kỹ thuật:

- Bước só n g của ánh sáng phát ra: Vì độ suy hao của ánh sáng truyền dẫn trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, thấp nhất ở

3 cửa sổ 85 0 n m , I3 00n m , 1550nm Do đó nguồn quang nên phát ánh sáng

có bước són g phù hợp với 3 cứa sổ này.

- Công suất phát: Cự ly thông tin được quyết định bởi c ô n g suất quang đưa vào đầu sợi Do đó nguồn quang phải có cô n g suất càng lớn càng tốt.

- Đ ộ rộng phổ: Ánh sáng của các nguồn quang phát ra thực tế không đơn sắc mà gồm một dải bước só n g xác định Khoáng này cà n g rộng thì độ lán sắc vật liệu càng lớn và do đó, làm hạn c h ế dai Ihông của tuyến truyền dẫn quang vì vậy độ rộng phổ của nguồn quang cà n g hẹp càng tốt.

- Góc phát ánh sáng: Nhu' đã biết đường kính lõi sợi quang rất nhỏ (vài đến vài chục ụ m ) nên nếu kích tlurớc nguồn quang lớn và g ó c phát quang rộng thì rất khó đưa ánh sáng vào sợi với hiệu suất cao Mặt khác, điếu kiện phản xạ toàn phần cũ n g giới hạn g ó c tới của ánh sáng vào đầu sợi quang đế ánh sáng có thể truyền đi trong sợi Do đó, nguồn quang phải

có vùng phát sáng và g ó c phát sán g càng hẹp càng tốt.

- Thời gian đáp ứng: Đ ể có thể răng dung lượng đường truyền (truyền till hiệu s ố đi với tốc độ bít cao) thì thời gian ch u yển trạng thái của nguồn quang phải nhỏ.

- Đ ộ 011 định: Công suất quang của các nguồn quang thực lế phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường làm việc, vào thời gian sử dụng và đôi khi

Ch ươn ự / : Tốn Q quan về hệ tho n g (in q u an g

C Ò I ) phụ I h LI ộc vào cường độ ánh sáng xu n g quanh Đ ê đám báo độ trung tliực cua thông tiu, cô n g suất của nguồn quang càng ổn định càng tốt.

- Ngoài ra nguồn quang phái bều và có đ ơ n giá thấp.

N guồn quang thông thường là diod e bán dẫn hoạt đ ộ n g trên nguyên

lý biến đối quang điện: LED (Li^ht Em itting D io d e), LD (Laser D iode) với những ưu điểm nổi bât sẵn có như kích thước nhỏ, độ tin cày cao Tuv nhiêu ánh sáng LED ít được sử dụng trong thông tiu quang vì những nhược điểm: Kém đơn sắc, có pha ngẫu nhiên, cô n g suất phát nhỏ, độ rộng phố IỚI1 Ánh sáng laser ưu việt ho'11 hẳn ở tính định hướng phát xạ, độ đơn sắc ca o , cô n g suất phát lớn D o đó, đối với các hệ thõng tin quans, thực tiễu, các nguồn phát laser chú yếu là laser bán dẫn.

* Hộ thu q u a n g :

Bộ thu quang có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện, khỏi phục lại dạng tín hiệu đã truyền đi Thành phần chính của I1Ó là một ph otodiod e với yêu cầu kỹ thuật tương thích với nguồn quang Đ ó là:

- Nhạv với bước sóng của 3 cửa sổ 850n m , 1300m n , I5 5 0 n m vì ở đó ánh sá n g phát ra có độ suy hao thấp.

- Đáp ứng nhanh để c ó thể làm v iệc với những hệ thống tốc độ cao.

- Dòng tối nhó (d òng dò chạy qua khi chưa có ánh sá n g chiếu vào).

- Tạp âm càng thấp cà n g tốt, đảm báo tỉ s ố tín hiệu/tạp âm (BER< lí)-*’).

- Đ ộ tin cậy cao, giá thành rẻ.

C h ư ơ n g I : T ohịị q u a n vé hệ t h o n g tin q u a n g

1.3 C Á C Đ Ặ C T Í N H T R U Y Ề N D A N c ủ a s ợ i Q U A N G :

Á nh sán g truyền đi trong sợi q u a n g sẽ bị su y hao và táu sắc làm

g iả m chất lượng đường truyền.

1 3 1 f ) ộ s u v h a o :

Đ ộ suy hao ánh hưởng trực tiếp đến tốc độ truyền dẫn và k h o á n g cách trạm lặp của hệ th ô n g tin qu ang X á c định độ su y hao đ ể xác định

c ô n g suất lan truyền trong sợi nếu su y hao IIhò thì k h o ả n g c á ch truyền dẫn

sẽ được tăng lên.

Đ ộ suy hao c ủ a sợi q u an g được tính bằng c ô n g thức:

N g u y ê n nhân g â y ra su y hao c ó thè ch ia làm 2 loại:

* Suy hao thuần tuý sợi q u an g

* Suy hao phụ do lắp đặt và vận hành hệ th ốn g.

a) Suy han hấp thụ:

Trong tluiỷ tinh làm sợi q u a n g c ó một s ố tạp chất như T e, M u, Cu,

Co, Ni Đ ây là cá c n gu ồn hấp thụ năng lượng ánh s á n g với mức đ ộ khác nhau tuỳ từng loại, từng n ồ n g đ ộ và phụ thuộc vào bước s ó n g truyền qua nó.

Sự có mặt c ủ a c á c ion O H - trong sợi q u ang (do độ ẩm g â y ra) c ũ n g

g â y suy hao hấp thụ đ á n g k ể N g a y c á khi thuỷ tinh tinh k h iế t và thực sự được c h ố n g ẩm thì sợi q u a n g vẫn có hấp thụ xày ra trong v ù n g cự c tím và hổng; n goại Sự hấp thụ trong v ù n g h ồ n g ngoại g â y trứ n gại ch o v iệ c sử dụng các bước s ó n g dài.

L u ậ n vân thạc S'Ỹ k h o a h ọc T r a n g 9

C h ư ơ n g I : T o n ự q u a n vé hệ Ihó/Iự tin quaníỊ

Ta thấy rang 3 vùn g c ó bước s ó n g suy hao Ihấp, gọ i là 3 cứa số Đ ó

là:

Cứa sổ 8 5 0 m n : Có su y hao thấp nhất đối vói những sợi q u a n g c h ế tạo trong giai đoạn đầu (c ỡ 2 - 3 d B /k m ) nhưng với k ỹ thuật h iện Iiay su y hao đó chưa phái là thấp nhất.

Cửa sổ 1 3 0 0 n m ; Có s u y hao 0 , 4 - 0 ,5 d B /k m , đặc biệt khi đó độ tán sác là rất thấp nên bước s ó n g này được sử d ụ n g khá rộng rãi.

Của sổ 1 5 5 0 n m : Có s u y hao c ỡ 0 ,2 d B /k m , thấp hơn cửa số 1300nm nhưng độ tán sắc lại ca o hơn.

b) Suy han do tán xạ:

Tán xạ R a y le ig h : s ó n g đ iệ n từ trong m ôi trường đ iệ n m ôi k h ô n g đồn g nhất ( c ỡ 1/10 bước s ó n g ) x á y ra hiện tượng tán xạ ánh sáng: Các tia sáng đi tới sẽ toá ra nhiều hướng, m ột phần tiếp tục truyền th eo hướng cũ, một phần truyền theo c á c hướng k h ác, thậm c h í ngược lại hướng cũ.

c) Suy hao do bị uốn cong:

- Vi uốn co n g : khi sợi q u a n g bị ch è n ép (trong quá trình đưa vào vỏ

đ ệm ) sẽ tạo lên những c h ỗ uốn c o n g đù rất nhỏ (vào k h o ả n g vài |jm ) cũ n g

g â y nên xáo trộn phân b ố trường dẫu đến phát xạ năng lượng ra khỏi lõi.

- U ố n co n g : Khi c h ế tạo và lắp đật, sợi q u ang k h ô n g tránh khỏi những c h ỗ bị uốn c o n g Báĩi kính UỐI1 cotig c à n g nhỏ thì s u y hao cà n g tăng Các nhà sán xuất đề ra g i á trị bán kính uốn c o n g tối đa c ữ 4 0 m m thì suy hao mới k h ô n g đ án g kể.

(!) Suy hao do hàn nối, lắp ghép sợi với thiết bị phát quang:

Vì đường kính cu a sợi q u a n g là rất nhỏ nên khi hàn nối hoặc g h é p Mối với các linh kiệu thu phát q u a n g chíínơ k h ô n g hoàn toàn đ ồ n g trục với nhau, ch ú n g k h ô n g được gắn với nhau hoàn toàn và đ ồ n g nhất liên một phần ánh s á n e bị lọt ra n goài g â y s u y hao.

¡yiiận văn th ạ c sỹ k h o a hoc T r a n g 10

Ch ư ơn g I : Tổn ự (¡non về hệ IhoníỊ tin q u a n g

1 3 2 Đ ộ tán sác:

tì) Tán sắc mode.

Trong các sợi quang đa m ode, tốc độ lan truyền cúa các m od e là khác nhau Đày là nguyên nhân gây liên hiện tượng m éo xung Hiện tượng này gọi là tán sắc m ode, nó làm khoáng cách giữa các xung ngắn hơn so với lúc truyền Trong các sợi quang đa m ode đày là ngu yên nhàn chính làm cho độ rộng băng truyền bị giới hạn.

b) Tán sắc bước sóng:

Trong môi trường đồng nhất, chiết suất khúc xạ của môi trường biến đổi theo bưóc só n g , khi đó tốc độ truyền dẫn cũ n g biến đối theo bước són g Đ ầy là một yếu tố giới hạn độ rộng băng truyền g iố n g như trong tán sắc m ode và I1Ó được gọi là tán sắc vật liệu.

Khi chiết suất khúc xạ giữa lớp lõi và lớp vỏ của sợi quang khác nhau chút ít thì hiện tượng phản xạ toàn phần tại bề mặt biên k h ôn g hoàn toàn g iố n g như hiện tượng phan xạ toàn phần trên mật gương mà có thêm thành phần thẩm thấu ánh sá n g qua lớp vỏ Mức độ thẩm thấu này cũng biến đổi theo bước só n g , độ dài của đường truyền thay đổi (heo bước sóng Hiện tượng này được gọi là tán sắc cấu trúc Tán sắc vật liệu và tán sắc cấu trúc được gọi chung là tán sắc bước sóng.

Nói chung, độ lớn của tán sắc m ode » tán sắc vật liệu > tán sắc cấu trúc Bởi vậy, trong hầu hết các trường hợp sợi quang đa m o d e, độ rộng băng truyền bị giới hạn hầu như chi do nguyên nhân tán sắc m o d e, táu sắc bước són g chỉ có một g iá trị rất nhỏ Trong sợi đơn m od e thì tán sác bước só n g là chủ yếu khi đó ta phái chọn những bước s ó n g sao ch o ánh hưởng của tán sắc vật liệu là nhỏ Iìhất.

I.UIỊÌI vùn tliạc sỹ khoa hoc T r a n g I I

ChươniỊ 2: Bó thu quatiíỊ

CHƯƠNG 2

BỘ THU QUANG

2 1 S ự H Ấ P T H Ụ Ả N H S Á N G T R O N G C H Ấ T B Ả N D A N

Khi ánh sáng chiếu vào một chất bán dầu, 11 ó có thè giái phóng điện

tử ở vùng hoá trị và chuyển điện tử đó đến vùng dẫn Quá trinh này được gọi là sự hấp thụ photon Muốn chuyển một điệu tử từ vùng hoá trị đầy lên vùng dẫn còn trống thì năng lượng của photon cu n g cấp cho điệu tử tối thiểu cũng phải báng độ rộng vùng cấm chất báu dẫn.

Đ ối với các chất bán dẫn c ó sự chuyển dịch trực tiếp, hệ s ố hấp thụ như sau:

p0 là xung lượng nguyên tố cho phép sự dịch ch u yển xảy ra.

Đ ối với các chất bán dẫn chuyển dịch (rực tiếp, khi các giá trị hằng

s ố khác nhau được gán vào phương trình 3 thì hệ s ố hấp thụ trở thành:

Sự sinh ra cặp điện từ -lỗ trống 11 hờ sự dịch chuyển của điệu tử từ vùng này đến vùng khác (có nghĩa là một điện tử được chuyển từ vùng hóa trị đến vùng dẫn) không phái là cách duy nhất đê phát hiện photon Trong các bộ thu “ pha tạp” , một chất bán dẫn được kích hoạt bằng một chất pha tạp đặc biệt Các bộ thu “ pha tạp” tạo ra một loại bộ thu quan trọng cỉìing trong việc phát hiện các bức xạ có bước só n g đài Các bộ thu “ pha lọp” có thế hoạt độim với bước só n g nhỏ hưu 120j.tm ờ nhiệt độ thấp b a n s cách sử

Chư ơng 2: Họ íliu qua ng

dụng các châì pha tạp trong Ge hoặc Si Hệ sô hấp thụ đối với sự hấp thụ pha tạp dù sao cũng khá nhỏ ( ~ 1 0 c m '1).

Khi ánh sáng ch iếu vào một chất bán dẫu và sinh ra các cặp điện tử

- lồ trống, hoạt động của bộ thu phụ thuộc vào việc thu nhận các phần tử tái điện này, vì vậy phụ thuộc vào sự thay đối độ dẫn điện cùa vật liệu hoãc sinh ra một tín hiệu điện thế Nếu không có điên trường hoặc gradient hút, các điện tử - lỗ trống sẽ tái hợp với nhau và không sinh ra được tín hiệu Một đặc tính quan trọng đặc trưng bởi độ nhạy cua nó, tạo

ra liòng điện bởi một côn g suất tín hiệu quang nào đó Rph được định nghĩa như sau:

Trong đó, ¡1 là dòng quang điện được tạo ra trong thiết bị có diện tích A, J ! là mật độ d òn g photon, Popc ô n g suất tín hiệu quang.

Đ ê thu được các cặp điệu tứ - lổ trống sinh ra cần phai có điện trường Điệu tnrờng này có thể được tạo ra bằng cách sứ dụng lớp tiếp xúc cùa chất hán dẫn hoặc sử dụng một diode p-n Phương pháp đấu cho ta bộ thu quang dẫn, trong đó các cặp điện tử - lổ trống làm thay đổi độ dẫn của chất bán dẫn D iode p-n (hay p-i-n) được sứ dụng rộng rãi như một bộ thu

và khai thác điện trường tiếp xúc ở lớp tiếp giáp có S Ừ dụng sự phân cực ngược để thu điện tử và lỗ trống.

Đ ộ nhạy của bộ thu phụ thuộc nhiều vào bước són g của photon Nếu bước sóng của photon lớn hơn bước só n g giới hạn trên thì sẽ không có sự hấp thụ photon và d òn g quang điện sẽ không được sinh ra Khi bước s ó n g nhò hơn X, thì năng lượng photon sẽ lớn hơn năns lượng vùng cấm và năng lượng thừa sẽ được toả ra dưới dạng nhiệt Vì vậy, mặc dù năng lượng photon có lớn hơn năng lượng vùng cấm , thì vẫn chì tạo ra cù n g một số cập điện tứ - lỗ trống, khi đó, độ Iihạy bắt đầu giảm.

Ngoài các diod e ra, các transistor cũng cỏ thể được dùng để phát hiện các till hiệu quang Các transistor quang được sử dụng rộng rãi trong

cô n g nghệ quang điện tứ Các transistor quang có hệ s ố khuếch đại cao nhờ hệ số khuếch đại của transistor.

2.2 BỘ T Á C H S Ó N G Q U A N G D Â N

Ch ư ơn g 2: Họ Ihu qua ng

Bộ tách só n g quang dẫn là một trong Iiliữnạ bộ thu đơn giản nhất,

khi ánh sáng có bước só n g thích hợp chiếu vào chất hán dẫn, thì các cặp

điện tử- lỗ trống được hình thành và bị hút bởi điện trường, làm thay đối

độ dẫn điện của vật liệu Trường điện từ sẽ làm dịch chuyển các điệu lử và

lỗ trống theo hai hướng ngược nhau và tạo ra dòng điện Các hạt tái giữ

nguyên trong hệ thống cho đến khi chúng tái hợp hoặc bị thu nhận tại tiếp

điếm Hãy xem xét trường hợp sau: nếu ta có một càu trúc 11-i-n có tốc độ

lái hợp là R ưh, tốc độ này bằng tốc độ phát quang:

Re h - — - Gị

(6 )

ơ đây Tp là thời gian tái hợp của các hạt tái thừa Giá sử rằng chúng

ta có một thiết bị loại n được kích thích mà ỏ' đó các điện tử chi phối độ

dẫu Nếu không có ánh sáng ch iếu vào thì độ dẫn điện là:

trong đó Gị là tốc độ sinh ra các cập điện tử- lỗ trống Sự thay đổi

độ dán điện của các chất dưới tác dụng của tíu hiệu quang gọi là suất

quang dẫn và được tính bằng cô n g thức (6).

( 1 0 ) Nếu tác dụng một trường điện từ E thì mật độ cỉòng là:

C h ư tm q 2: lỉộ thu í/11(111 ự

jll,,E và j.ipE t ượng t rư n g c h o tốc độ c ù a điận tử và lỗ t r ố n g và cổ (hể

k h ô n g tăng t u yế n tính với c ư ờ n g đ ộ đ i ệ n tr ườn g 0 đi ện (rường c a o , n nE và

HpE là c ác vận tốc bão h o à k h ô n g p hụ t h u ộ c vào t rư ờ ng Th ời g i a n dịch

c h u y ể n các đ i ệ u lử t rong thiết bị đ ượ c đ ị n h n g h ĩa n h ư sau:

Thay ị.inE= — Dòng quang điện trở thành:

L uậ n văn (hạc vỹ khoa liọc T r a n g 15

t = I« + (|

MỘI (liọn lừ (lược pl um 111 lừ

liếp <1 lõm k h á c lie (lu y tri ilìệ n I It'll I ru 11 g hoà;

I = to + 11 + íỉt

Hình 3 Gián đổ chi ra cách tạo hệ sô kliuếch đại trong detector n-i-n nhờ vài "sự dịch chuyển vồng tròn" một diệu tử có thể tạo ra trước khi tái hợp với lổ trấnq tại tiếp điểm lioặc troniỊ miền i chất bán dẫn.

Nếu Tị, lớn và tIr nhỏ thì Gph lớn Với các thiết bị làm bằng Si (có Tị> rất lớn) thì hệ s ố khuếch đại có thể đạt được lớn hơn 1000 Tuy nhiên, hệ

s ố khuếch đại cũng có thê bị Ihay đổi khi lốc đô thay đ ổi, do tốc độ được điểu khiến bởi T| chứ không phải tlr Vì vậy, độ khuếch đại trong băng tần

là một hằng số Bêu cạnh ưu điểm là bộ thu quang dẫn có thể tạo ra một hệ

s ố khuếch đại lớn, thì nó CÒI1 có nhược điểm là dòng nhiều trong bộ thu khi chưa có ánh sáng chiếu vào.

IỊ = e/iịcỈỊ (x)dx

0 đây w là độ rộng của vùng nghèo Trong phần này chún g ta sẽ tính đến hiện tượng là: khi các photon xâm nhập vào vật chất thì mật độ ciĩa nó sẽ giảm do sự hấp thụ T ốc độ sinh ra các phần lử tải điện ở điểm X

I, = e A ộ o( 0 ) ( I - R ) [ I - e x p ( - a W ) ] ( 2 0 ) Hiệu suất của bộ thu tỷ lệ giữa mậl độ dòng quang điện và dòn g tối là:

dct= 1 - r = (l-R )[l-e xp (-a \V )]

Muốn có hiệu suất cao thì R phải nhỏ và vv phải dài Nhưng nếu w

quá dài thì thời gian dịch chuyển của điện tử để điều khiển tốc độ của thiết

bị lớn VÌ1 làm giảm tốc độ của thiết bị Các thiết bị tốc độ cao có w cỡ <

I |,im và có thể hoạt động ở tốc độ trên 10 GHz.

Ch ươn {Ị 2: liọ thu (¡nang

Khi đã c h ọ n x o n g vật liệu, vấn đề quan trọng trong thiết kế thiết bị

a) Làm g iảm độ phán xạ trên bề mặt: điểu này thường được xử lv bằng phương pháp phủ lớp c h ố n g phản xạ, cách này có thể làm giảm độ liêu hao do phán xạ c ó khi lừ 40% x u ố n g còn 2-3%.

b) Làm tăng sự hấp thụ ở vù n g n g h èo: để hiệu suất của bộ thu cao thì sự hấp thụ ở vùng su y g iá m phải c à n g lớn càng tốt Tuy nhiên, việc tàng độ rộng củ a vùng su y g iá m k h ô n g phải lúc nào cũ n g tốt cho tốc độ Người ta thường sử dụng c á c g ư ơ n g kim loại để tăng độ dài tương tác quang học của thiết bị b ằ n g cá ch bắt cá c chùm sáng phản xạ nhiều lần trong thiết bị.

c) Giám sự tái hợp củ a c á c hạt tá i: để tăng hiệu suất của thiết bị thì cần phải giảm sự tái hợp c á c hạt tải ở vùng ngh èo x u ố n g càng nhó càng lốt Đ ê làm được điều này cần phái sử dụ ng vật liệu có độ tinh khiết cao nhằm loại bỏ c á c tâm tái hợp.

cl) Giám thời gian d ịch ch u y ến : Đ é c ó tốc độ cao, thời gian dịch chuyến phái là tối thiểu điều đó có n gh ĩa là vùng ngh èo cà n g hẹp càng tốt là:

ỉ.nặn văn thạc sỹ k h o a học T r a n g I 8

C h ư ơn g 2: liọ lim q u an g

Ngoài ra, đáp ứng thời gian được điều khiển bằng các thông s ố của mạch Giả sử lối ra của diode được đưa vào bộ khuếch đại Đ iện dung của

d iod e trong trường hợp phân cực ngược là:

trong đó, w là độ rộng vùng nghèo của thiết bị; A là diện tích của

d iod e Diode có điện trở R s và độ dẫn G D Đ ể có đáp ứng tầu s ố cao thì điện dung và điện trở phải là tối thiếu, điều đó có nghĩa là phái giảm diện lích A, vì nếu w tăng quá nhiều thì sẽ bị hạn c h ế về hiệu ứng thời gian dịch chuyển.

Nếu điện dung và điện trở là tối ưu thì thời gian dịch ch u yến được điểu khiển bời độ rộng của vùng nghèo và vận tốc bão hoà, và được tính bằng cô n g thức:

Quá trình thác lũ là quá trình một điện từ hoặc lỗ trống có năng lượng cao tạo liên một cặp điện tử- lỗ trống Thường thì quá trình này xuất hiện ở điện trường cao hạn c h ế đặc tính của các thiết bị, nhưng trong các

A PD thì 11Ó được dùng để nhân các phẩn tử tải điện sinh ra bởi một photon.

Đế tạo ra quá trình thác lũ thì điện tử g ố c phải có năng lượng lớn hơn Iiăug lượng cùa độ rộng vùng cấm do cá hai định luật bảo toàn năng lượng và độn g lượng Hệ s ố ion hoá đối với điện tử- lỗ trống được biểu thị bằng a mip và P„,,p

C hư ơ ng 2: fíộ thu (Ịnang

Chính nhờ có sự nhân các phần tứ tai điệu lên mà A P D c ó hệ sô khuếch đại rất cao và vì vây nó được sứ dụng rộng rãi trong các hệ Ihống thông tin quang Tuy nhiên, do quá trình nhân là ngẫu nhiêu nên thiết bị tirơng đối nhiễu Đ ộ nhiễu phụ thuộc vào hệ số nhân các phần từ lái điện

và tý số a imp/(3jtnp Một số hệ thống vật liệu bao gồm Ge, Si và rất nhiều hợp chất bán dẫn III-V được sử dụng trong các bộ thu quang 0 phần tiếp theo chúng ta sẽ tháo luận về một s ố vấn đề thiết k ế đối với các APD.

C á c giái p h á p th iế t k ế A P I).

Cũng Iilur trong bộ thu p-i-n, vấn đề đầu tiên đối với việc thiết k ế

A PD là vùng nghèo phải đù dày đế cho phép hấp thụ tín hiệu quang Vùng này phái có độ dày ~ l/cc (tưo) và nằm trong khoáng I (.1111 đối với chất báu dẫn dịch chuyển trực tiếp đến vài chục Ị.un đối với các vật liệu dịch chuyên gián tiếp Giữa vùng thác lũ và vùng hấp thụ nói chun g luôn giữ một khoảng cách (đặc biệt nếu độ dày vùng hấp thụ > l ụ m ) , bởi vì việc duy trì một điện trường cao k h ôn g đổi qua vùng rộng là rất khó Trường điệu từ chủ yếu có giá trị > l( F V /c m được sử dụng cho quá trình thác lũ Nếu trường này không đồn g nhất thì dao động điện tích cục bộ có thế khó điều khiển và dự đoán đầu ra.

Một cấu trúc quan trọng của A PD là cấu trúc “ vươn qua” (reach through) Người ta thiết k ế như vậy đê điện trường ở vùng hấp thụ đủ lớn làm tất cả các phần tử tải điện dịch chuyển với vận tốc bão hoà (v s(h) và vs(e)) Ca điện tử hoặc lỗ trống đều có thè được chọn để thâm nhập vào vùng thác lũ Quá trình thác lũ được bắt đầu bằng việc một phần tử tái điện có hằng số ÍOI) hoá do va chạm cao để tối ưu hoá đáp ứng thời gian của thiết bị.

Trong APD, hê s ố khuếch đai dòng không chi phu thuộc nhiều vào thiên áp đặt lên nó mà còn phụ thuộc nhiều vào dao động nhiệt Vì vậy,

Ch ư ơn g 2: lì ọ (hu qu an g

v iệc hạ thấp nhiệt độ xu ốn g là rất quan trọng đối với các thiết bị này.

Oxide

rt-type guard ring Photons

Hình 5

(</) Sơ đồ của hộ thu Al}D loại reach through.

(I)) Mặt cắt của APD chỉ rõ VÍIIIÌỊ hoá trị vùng hấp thụ Tro/IÍỊ CÚII trúc Iiày, rúc điện tử sẽ lù yếu tô iịúy ra sư mở đầu cho quá trìnli nhân (c) Đồ tliị cườnẹ độ điện tnỉờniỊ ( lía APD Điện trurìiìíỊ mạnh ở lớp tiếp ỳáp II*p sẽ (Ị(ĩy rư (¡UÚ ti ìnli tliác lít.

2 5 N H I Ề U VÀ G I Ớ I H Ạ N Đ O

Để đánh giá chất lượng của các bộ thu quang thì ta phải phát triển các bộ đánh giá các 1 hông s ố của bộ thu T hòng s ố quan trọng nhất của bộ thu là thông số của nguồn bức xạ yếu nhất I1Ó có thể thu được.

I = D ò n g t r u n g bin h, a = D ò n g d iè n ti c h t r u n g b inh

Ch ư ơn g 2: ỉiộ Hui ¡¡nang(h) Xác suât fini N điện tử di qua diện tích A tì oui’ khoang thòi [>¡<111 pt Dòiìíị hạt trung hình là a, \>¡á trị trniìíị bình día hạt le) N —a pt;

(c) Sơ (lồ của (lòm> điện trong thiết bị Thông ké sự biên đối kct </H(í trong nhi í'II trong dòm; điện.

Tín hiệu quang phái phát ra một dòng tín hiệu lớn hơn nhiễu cua thiết bị Các điệu tử tạo ra dòng trong thiết bị là các hạt rời rạc m ang điện tích rời rạc Khi có dòng chạy trong thiết bị thì các điện tử được phân phối theo năng lượng và động lượng của m ột s ố hàm phân phối Kếl quả là lất

cả cá c điện tử sẽ không định ch u y ển với một năng lượng và vận tốc xác định Vì vậy, nếu một thiết bị định vị ờ một điện cực và đếm s ố điện tử đến trong khoáng thời gian At thì s ố này sẽ không phái là hằng số , điều này được chỉ ra trên hình 7 K hoản g thời gian At càng ngắn thì sự khác nhau này càng lớn.

Giá sử rằng sự khác nhau về s ố lượng các điện tử đến trong kh oáng thời gian At được phân bố theo hàm Poisson T heo phân b ố thống kê, nếu aÀt là trung bình cứa s ố các hạt đến t r o n o kh oảng thời gian At thì xác suất nhận được N hạt trong khoáng thời gian At là (vì N rất lớn):

C h ư ơn g 2: Hộ lỉm qtitìtìỊỊ

Tín hiệu trung bình trong thiết bị là N(=aAi). Một thông s ố quan Irọng của thiết bị là tỷ s ố giữa tín hiệu phát ra và tạp ngẫu nhiên Tì s ố tín hiệu/ tạp (S N R ) cùa nhiễu sinh ra do phát xạ là:

Từ phương trình (2 7 ) thấy, SNR tăng thì khoảng thời gian quan sát

At tăng Ta có độ rộng dải cùa thiết bị f là:

I1Ó đối với tín hiệu quang và được khuếch đại lên Bộ khuếch đại này cũ n g

tự gây ra nhiễu Nguồn nhiễu khác là ồn nhiệt liên quan tới hức xạ của vật đen 0 nhiệt độ T, theo ]ý thuyết phát xạ vật đen của Planck, bức xạ toàn phán sẽ tồn tại theo hàm phân phối:

C h ư ơ ng 2: Hộ thu (Ịuaĩiq

Ánh hưởng của nhiễu này được phàn ánh bởi tỷ sô lỏi bit (BER) trong hệ truyền thông số Coi rằng hệ thống hoạt đ ộ n g với tốc độ B bit/sec Giá sử có N photon chiếu tói khi bit dữ liệu là 1 và k h ô n g c ó photon nào khi hit dữ liệu là 0 Tỷ s ố này được tính bởi phương trình 27

củ a một phần trong I/BER Trong các hệ thống thông tin quang người ta đòi hỏi BER a 10 ' Đ iều này đòi hỏi một năng lượng tối thiểu trong xung quang.

C ông suất quang học cần thiết ờ dài tần f được tính từ phương trình35.

cũ n g bị khuếch đại Sự ảnh hưởng của việc nhân các hạt tải là nhiễu tống

c ộ n g trong thiết bị được xác định bởi dòn g nhiễu tính theo c ô n g thức sau:

trong đó, M là hệ s ố nhàn hạt tái và F„ là hệ s ố nhiễu Nếu như việc nhâu hạt tài xuất phát là điện tử, ch ú n g ta tính F„ từ F., hệ số nhiễu có dạng:

( hiíonq 2: Hộ Ihn qu a n g

( 3 8 ) Nhưng nếu như việc nhân hạt tái xuất phát là lỗ trống thì ta có

Fk = M

( 3 9 ) Trong đó k là tỷ s ố ß nII|,/(Ximp của hê s ố ion hoá của điên tử và lỗ trống M C(M|,) là hệ s ố nhân điện tử (lổ trống) Nếu chún g ta coi v iệc nhân xuất phát là điện tử, đế M e lớn, ta có:

Như vậy ở phần này ta đã tìm hiểu về cấu tạo, ngu yên lý làm việc của bộ thu quang, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượnơ của bộ thu, phần tiếp theo sẽ là nguyên lý làm v ièc, cấu tao cúa bô phát quang Trong hè thống thông tin quang thì đây là hai linh kiện chủ yếu nhất cấu thành nên toàn bộ hệ thống.

ỈAiụtt ván thạc sỹ kh o a học T r a n g 2 6

( 4 0 )

ChươHíỊ 3: lió p h á t q u a n g - ỉ Al se r diode

CHƯƠNG 3

BỌ PHAT QUANG - LASER DIODE

3 1 C Ả U T R U C C U A L A S E R

Cá LED và laser bán dẫn đều sử d ụ n g m ột lớp tiếp g iá p p-11 thuận

c h o d ò n g điện tử và d ò n g lỗ trống đi qua và phát ra ánh s á n g , đặc biệt cấu trúc củ a laser bán dẫn được thiết k ế sa o c h o tạo ra các h ốc q u a n g c h o phép tạo ra c á c photon H ốc q u an g thực chất là các h ốc c ộ n g hướng m à tại đó

nó c h o phép c á c photon phàn x ạ n h iều kill Do vậy, khi c á c photon được phát ra chỉ c ó m ột phần nhỏ ph oton thoát ra khỏi hốc q u an g phần 1ỚI1 bị phản xạ nhiều lầu trong đó và làm c h o mật độ của ph oton trong h ố c c ộ n g hưởng tăng lên.

Hìnli 8 ch ì ra m ật độ d ò n g ph oton như m ột hàm củ a mật độ d ò n g điện đi qua laser d io d e Phát x ạ q u an g từ một laser d io d e thể hiệu sự thay đổi khá đột ngột trong khi hoạt đ ộ n g ờ trên ngưỡn g và dưới n gư ỡ n g Đ iề u

k iện ngưỡng th ô n g thường được định n gh ĩa như là đ iều k iện mà tại đó

k h uếch đại của hốc c ộ n g h ư ở n g vượt qua mất mát d o h ốc c ộ n g hưởng đối với lất cả các ph oton, n gh ĩa là:

Tại điếm trên ngưỡng, xuất hiện mật độ dòn g photon c a o là nguyên

nhân để phát xạ c ưỡng bức là chủ yếu.

Trong các laser có chất lượng c ao thì (X|OSS« I O cm 1 và tổn hao do

phán xạ đ ón g g ó p một phần tương tự Một định nghĩa khác (rong laser đó

là điều kiện trong suốt khi ánh s áng k h ô n g bị hấp thụ hay khuếch đại:

r'ỊỊựteo) = 0

(42)

Khi lớp tiếp giáp p-n trong laser bán dẫn được định thiên thuận,

điện tử và lỗ trống được phun vào trong vùng tích cực của laser Nhưng

điệu tử và lỗ trống này được kết hợp với nhau tạo ra photon Từ hình 8 c ho

thấy, khi dòng phân cực thuận nhỏ, s ố lượng điện tứ và lỗ trống nhỏ nên

độ khuếch đại của thiết bị quá bé để vượt qua mất mát do hốc c ộ n g hưởng

Các photon dược phát xạ hoặc bị hấp thụ trong hốc c ộ n g hưởng hoặc mất

mát ở bêu ngoài Do vậy, trong c h ế độ này các photou kh ông được tăng

cường trong hốc c ộ n g hưởng Tuy nhiên, khi dò ng thiên áp thuận tăng lên

s ố hạt lải được phun v ào trong vùng tích cực của laser tăng lên c h o đến khi

điều kiện ngưỡng được thoa mãn Số lượng photon trong b u ồ n g c ộ n g

hưởng được tăng lên Khi lớp tiếp giáp được định thiên quá mức ngưỡng

thì sụ phát xạ kích thích bắt đầu xảy ra và đây chính là sự phát xạ chính

Công suất ánh s áng phát ra trong mo d e này rất mạnh.

0 phía dưới ngưỡng, laser hoạt độ ng thực chất như một L ED ngoại trừ có tốn hao trong hốc c ộ n g hưởng c ao hơn trong laser đi od e vì các

photon không thể thoát khỏi vùng tiếp giáp do các gương Nếu p u,ss là phần

photon không thể phát ra khỏi vùng tiếp giáp thì c ô n g suất d ò n g phát ra

Trong đó: A là diện tích của hốc c ộ n g hưởng, cỉ|as là độ dầy của lớp

tích cực nơi xáv ra tái hợp I là d ò n g điện đi qua laser Ipi, khá nhỏ do p|0Si

lớn.

Khi mật độ d òn g hạt tải đú lớn thoá mãn điều kiện ngưỡng, các photon được tạo ra trong hốc c ộ n g hường có mật độ tăng Tất nhiên trong lất cả các mod e quang học của hốc c ộ n g hưởng thì chi c ó mội hoặc hai

m o d e có hệ s ố khuếch đại cao nhất tại đỉnh của đường c o ng Mật độ photon trong hốc c ộ n g liirởng bắt đầu tăng nhanh Kết quá là quá trình phát xạ kích thích bắt đầu tăng Tốc độ phát xạ kích thích c ó quan hệ với rốc độ phát xạ tự phát như sau:

KÍƯÌCO) = ỈV^ỢưoVt^ựìũ))

( 4 4 )

Trong đó II hỢuư) là mật độ dò ng photon trong m od e này.

Đ ê nghiên cứu tính chất c ủa laser tại vùng ngưỡng và trên ngưỡng,

ta thiết lập mối quan hệ đơn giản giữa mật độ dò ng bơm, thời gian phát xạ, hướng c ủa vùng tích cực nơi xảy ra quá trình tái hợp và mật độ hạt tải

Trong đó: T Ụ ) là mật độ d ò n g phim phụ thuộc vào tuổi thọ phát

xạ Nếu giả sư hiệu suất phát xạ bằng I , từ hai kết quá trên ta có:

Khi đó cường độ chùm sáng lối ra được xác định (11=11,1,):

c ô n g thức ( 47 ) ta thấy muốn c h o c ô n g suất quang cao thì í7/(iĩ phái tăng lên Nlur vậy, tuỳ thuộc vào các líns dụng người ta thiết k ế các laser cho phù

hợp.

3.2 HIỆU SUẤT LƯỢNG TỬ TRONG VÀ NGOÀI

Hiệu suất lượng tứ là s ô lượng photon trung bình được sinh ra khi một cặp điện tứ-lồ trống được bơm vào vùng tiếp giáp Hiệu suất của Iiliững photon sinh ra trong vùng tích cực được gọi là hiệu suất lượng tử trong r i i n i , nó phụ thuộc vào vật liệu của vùng tích cực và c ác vùng lân cận

Đ ố i với laser G a A s n.m c hi ế m kh oảng 65% đến 100% Hiệu suất lượng tử ngoài, n ox1, là hiệu suất sinh ra các photon tại vùng ngoài Tỉ lệ r|L xl/ r | mi được xác định theo c ô n g thức sau:

H ình 9 Đ ặ c tn n iíỊ P ! của la se r tiêm c lìíc li

Hiệu suất lượng tử ngoài c ó thể xác định được từ đặc tính P1 của

laser Xét hai điểm (/„, P a) và (¡I,, p h) trên đường cotig PI với Ịa và /,, > Ilh

(hình 9) Tại điểm /„, s ố lượng điện tử bom vào vùng tích cực trong một

g i â y là ¡ J e Nếu s ố lượng photon sinh ra trong một gi ây là p J h f thì ta có:

c họn ¡I, bằng /,/, thì P/,^0 và ta có:

g p

3.3 HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG

Tại lliế một c hiề u dc hoặc tại tần s ố thấp, tính chất điệu của laser tiêm c hí ch (ILD) c ó thể được x e m g i ố n g như một d io d e lý tưởng nối tiếp với điệu trở Rs R s đặc trưng cho điện trử c ủa chất bán dẫn và các nối điện

Đi ệu thế rơi trên di od e lý tướng là E j e Hiệu suất năng lượng, r| cúa laser

là tỉ s ố của c ô n g suất qu ang lôi ra và c ô n g xuất điện lối vào và được xác định:

r

e

Mà c ô n g suất lối ra phụ thuộc trực tiếp vào 110XI và /-/,,, do vậy ta có:

Hình 10 Sơ đ ồ tìíơn ỊỊ dương của laser,

a) Sơ đ ồ tương đương D C

h) Sơ đ ổ tương điỉơiiíỊ AC

3.4 CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG CỦA LASER TIÊM CHÍCH.

Phương trình mô tả sự thay đổi mật độ điện tử N trong vùng tích cực

khi kh ông c ó photon và d òn g bơm là:

dN_ _N_

Trong đó: Te là thời gian s ố n g của điệu từ bao gồtn cả các điện tử tái hop với lỗ trống có bức xạ và kh ô ng bức xạ.

Số lượng điện tử bơm vào vùng tích cực trong một g i â y là: ỉsd/e

T h ô n g thường độ dày của vùng tích cực c ỡ vài phần mười c ủa ụm, g iá sử

c ác điện tử phân b ố g i ố n g nhau trong vùng tích cực có độ dày H' Khi đó ta cổ:

Đ â y chính là giới hạn bơm c ho laser tiêm c híc h.

Giii sử, trong laser chi có một mo de dài và một m o d e n gan g thì mật

dộ photon tương ứng với m od e này là 0 ò f , trong đó ồ f là dô dầy của phổ

bức xạ Sự hấp thụ và sự phát xạ kích thích của photon trong một đơn vị

thể tích tỷ lệ với 0 ỗ f và nó c ũng chính là hàm của mật độ điện tử N. Do

đó, chúng ta có thể biểu diễn hiệu ứng hấp thụ và phát xạ kích thích là

ạ ( N) <06/, í' ( N) là hàm c ủ a mật độ điệu tử Khi đó, sự thay đổi theo thời gian của mât đỏ điên tử trong chất bán dẫn như sau:

(JN ,J „ N

Nế u k h ôn g xét đến tác đ ộ n g của điệu tứ thì sự thay đối theo thời

g ian cua mật độ photon 0 ỗ f trong hốc c ộ n g hưởng thụ đ ộn g là:

a + In

Nói một cách chính x á c, Tpị, c ũn g thay đổi theo mật độ điện tử N, bời vì a biến đổi theo N do hấp thụ hạt tải tự đo Tuy nhiên, để c ho đơn

g iản thì s ự phụ thuộc của Xpị, vào N được bỏ qua.

Cấu hình điều c h ế biên độ trực tiếp trong laser tiêm chích được dùng phổ biến trong truyền thông số Đ ể tìm tính chất quá độ của laser,

c h ún g ta xét tín hiệu lối ra khi dò ng bơm là một x u n g vuông Hình I I biểu diễn c ô n g suất quang ra khi d òn g bơm là xung vuông Ta thấy, khi dòn g bơm đột ngột được bật lên ánh s áng lối ra một thời gian trễ là t0ll, xun g lối

có đường bao dạng sin Nếu mật độ dòn g bơm bao g ồ m thành phần một

c hi ều /,) và thành phần biến đổi theo thòi gian ỉ/(t), tương ứng với đòng một c hiề u I0 và d òn g x o a y c hi ều ỉ¡(t) đảm bảo k h ô n g c ó đoạn dưới ngưỡng

hay vượt s a n s vùng bão hoà thì ánh s á ng lối ra c ũ n g c ó thành phần biến

đổi theo thời gian tương ứng Nếu dòng bơm lần lượt là I J t ) và ỉ h(t) thì

c ô n g suất lối ra tương ứng là p j t ) và p h(t), phần thấp của P ,(t) và P h(t) bị

méo Tuy nhiên, lối ra của điều c h ế biêu độ sẽ kh ô ng bị m é o nếu laser

được định thiên phù hợp ( d òn g Ir(t) và c ô n g suất p,.(t) tương ứng) Đ ế xác

định đáp ứng tần s ố trong điều c h ế biên độ ta viết một độ d ò n g bơm như sau:

J ( t) = J (, + J ,e'

( 6 0 )

Trong đó: (Om là tần s ố g ó c và (ở„ ,-2 n fm Nế u giá sứ rằng /,) lớn hơn

rất nhiều s o với I.//I và thì:

N ( t ) = N„ + N ,e

( 6 1 ) ( 6 2 ) Trong đó: N| và 0 | Ô f là những đại lượng phức c ó biên độ nhỏ sao

c h o N<1» I Nịl và O 0ô f » I O | 5 f I.

Hình 13 Đ iều chê biên đ ộ trực tiếp

Đ ể tìm kết quá gần đ ú n g c ủ a hai phương trình trêu ta xét:

Tỷ sô (P ị Ổ Ị U I là đáp ứng tần số điều chế biên độ trực tiếp của laser tiêm chích Đê xác định hiệu ứng của điều chế trực tiếp người ta thay đối dòng bơm cho laser Xét trường hợp đặc biệt y=0, khi đó (68) trở thành:

Từ công thức (71) colll0 độc lập với Te/tpi, và J0/Jlh, và ta có thẻ viết lại

nó như sau:

,,2 mil =Ì L u - ì (-Al "'/A/ x = £ j ^ Æ

Từ công thức (72) ta thấy co,ll0 thay đổi tuyến tính so với 0 ()ổ f và nó

tỷ lệ với công suất quang trung bình của laser, điều này có nghĩa là đáp