Nghiên cứu công nghệ sợi quang mới trong hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang có các ưu điểm vượt trội như vậy bởi sợi quang chính là môi trường truyền dẫn của hệ thống Ngày nay, cùng với sự phát triển cao của khoa học- công nghệ nên sợi q

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới th.s Nguyễn Thanh Vân, là giáo viên hướng dẫn trực tiếp cho em, cô đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho em trong quá trình làm đồ án

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong ngành điện tử viễn thông trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã dạy dỗ, chỉ bảo tận tình cho chúng em có một nền móng kiến thức chuyên ngành vững chắc cùng sự hướng dẫn, giúp đỡ của các thầy

cô trong khoa Điện- Điện tử

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày 20 tháng 11 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Trần Thị Vân

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu công nghệ sợi quang mới trong hệ thống thông tin quang” của em là thành quả của sự tìm hiểu, chắt lọc của mình, không sao chép bất kỳ một công trình đồ án nào trước đây Nếu sai với lời cam đoan em xin hoàn toàn trách nhiệm và các hình thức kỷ luật của Khoa cũng như nhà trường

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 2

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang 2

1.1.1.Sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin quang 2

1.1.2 Ưu, nhược điểm của hệ thống thông tin quang: 3

1.1.3 Ứng dụng 5

1.2 Cấu trúc của hệ thống thông tin quang 5

1.2.1 Cấu trúc cơ bản 5

1.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang điều chế trực tiếp (IM/DD) 6

1.2.3 Hệ thống thông tin quang coherent 8

1.3 Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang 10

1.3.1.Tham số điện quang 10

1.3.2 Tham số quang 11

1.4 Các phần tử quang- điện trong hệ thống thông tin quang 11

1.4.1 Nguồn quang 11

1.4.2 Các phần tử tách sóng quang 13

CHƯƠNG II : SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG 16

2.1 Sợi quang 16

2.1.1.Cấu trúc của sợi quang 16

2.1.2.Nguyên lý truyền dẫn trong sợi quang 16

2.1.3 Phân loại 18

2.1.4 Phương thức truyền lan trong sợi quang và các loại sợi quang điển hình 18

2.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới truyền lan trong sợi quang 22

2.1.5.1 Suy hao 22

2.1.5.2 Tán sắc 24

2.1.5.3 Các hiệu ứng phi tuyến 27

2.2 Cáp quang 28

2.2.1 Cấu trúc của cáp quang 28

2.2.2 Phân loại 28

2.2.3.Một số loại cáp quang điển hình 29

CHƯƠNG III: CÔNG NGHỆ SỢI QUANG MỚI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 32

3.1 Giới thiệu chung về công nghệ sợi quang mới 32

3.2 Khái quát về sợi quang tinh thể (PCFs) 33

3.2.1 Sự ra đời của sợi quang tinh thể 33

3.2.2 Cấu trúc của sợi quang tinh thể 35

3.2.3 Cách thức truyền dẫn trong PCFs 35

3.2.4Phân loại và một số đặc tính cơ bản của sợi quang tinh thể 36

3.2.5 Phương pháp chế tạo sợi quang tinh thể 37

3.2.6 Ứng dụng của sợi PCFs 38

3.3 Một số sợi quang tinh thể điển hình 38

3.3.1 Sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao 38

3.3.2 Sợi quang tinh thể lõi chiết suất thấp 43

3.3.3 Sợi với những tính chất đặc biệt 44

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

KĐCS Khuếch đại công suất

SQ Sợi quang

KĐ Khuếch đại

SM Single mode -Sơi quang đơn mode

MM Multiple - Sợi quang đa mode

SI Step index - Chiết suất nhảy bậc

GI Graded Index - Chiết suất biến đổi

PCFs Photonic crystal fibers - Sợi quang tinh thể

GVD Group velocity dispersion – Tán xạ vận tốc nhóm

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang 5

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang điều chế trực

tiếp

7

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang coherent 9

Hình 2.6 Sự suy hao hấp thụ của ion OH ( với nồng độ 10 -6 ) 23

Hình 3.1 Mặt cắt của sợi quang tinh thể ( PCFs ) 35

Hình 3.2 Sợi PCFs lõi chiết suất cao với mạng lục giác 38

Hình 3.3

Đường tần số định mức 𝜦/𝝀của sợi PCFs có các tinh

thể quang mạng tam giác với d/ 𝜦 = 0.23 40

Hình 3.4

Suy hao do uốn cong sợi PCFs với mạng tinh

Hình 3.5 sợi quang tinh thể lõi chiết suất thấp 43

Hinh 3.7 PCFs lưỡng chiết cao 46

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống truyền dẫn thông tin quang là hệ thống thông tin đang được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực thông tin hiện nay, đặc biệt trong ngành điện tử viễn thông So với các hệ thống thông tin khác thì hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm hơn như : suy hao thấp, dải thông rộng, không chịu can nhiễu do sóng điện từ hay các yếu khác của môi trường bên ngoài Hệ thống thông tin quang có các ưu điểm vượt trội như vậy bởi sợi quang chính là môi trường truyền dẫn của hệ thống Ngày nay, cùng với sự phát triển cao của khoa học- công nghệ nên sợi quang cũng được nghiên cứu để phát triển lên một thế hệ sợi quang mới có nhiều ưu điểm vượt trội hơn nữa, để sợi quang sẽ là môi trường truyền dẫn lý tưởng nhất trong lĩnh vực truyền dẫn thông tin.Vì vậy, trong đề tài tốt nghiệp của mình, em sẽ đi sâu

tìm hiểu về : „’Công nghệ sợi quang mới trong hệ thống thông tin quang”

Đồ án tốt nghiệp của em gồm những nội dung như sau :

THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang

Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền tin tức từ nơi này đến nơi khác Khoảng cách từ nguồn tin ( nơi sinh ra tin tức ) tới bộ nhận tin ( đích mà tin được truyền tới) có thể gần, xa và rất xa Thông tin được truyền đi nhờ các sóng điện từ với các dải tần số khác nhau Hệ thống thông tin quang đã sử dụng sợi quang để truyền dẫn thông tin.Trong hệ thông thông tin quang thì thông tin cần truyền được truyền ở tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc vùng hồng ngoại gần của phổ sóng điện từ

1.1.1 Sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin quang

Trong lịch sử, con người đã biết sử dụng ánh sáng làm thông tin liên lạc như sử dụng lửa hay pháo sáng để báo hiệu trong quân đội

Năm 1790, một kỹ sư người Pháp đã sử dụng chuỗi các tháp được lắp đèn báo hiệu

và đây chính là một hệ thống điện báo quang

Năm 1854, nhà vật lý người Anh đã thí nghiệm và đưa ra được rằng trong môi trường điện môi là trong suốt thì ánh sáng có thể đi qua được

Tiếp theo, một người Mỹ đã phát minh ra hệ thống thông tin bằng ánh sáng – hệ thống photophone Hệ thống này đã có thể mang tiếng nói đi, nhưng chất lượng đường truyền kém do nguồn nhiễu quá lớn

Năm 1934, hệ thống thông tin quang được sáng chế ra bởi một kỹ sư người Mỹ.Thanh thủy tinh được dùng để truyền dẫn thông tin

Đến năm 1950, phát triển lên sợi quang hai lớp mà ánh sáng có thể truyền bên trong Sợi này tiếp tục được phát triển thành Fibrescope uốn cong ( đây là thiết bị

có khả năng uốn cong hình ảnh từ đầu đến cuối sợi ) Cùng với sự phát triển mạnh

của kỹ thuật bán dẫn bên cạnh các transistor và vi mạch thì photodiode có độ nhạy cao dùng trong các máy thu quang được chế tạo

Năm 1958, người ta lại phát minh ra Laser, đến năm 1960 Laser được đưa vào hoạt động thành công tạo nguồn phát quang có cường độ lớn và phổ đơn sắc Dung lượng hệ thống được tăng lên rất cao

Tiếp sau đó người ta lại tiếp tục nghiên cứu để chế tạo được sợi quang có độ suy hao nhỏ nhất Ban đầu, suy hao sợi quang từ α ≈ 1000 dB/Km, đến năm 1970 một xưởng thủy tinh ở Mỹ mới sản xuất được sợi SI có độ suy hao α < 20 dB/ Km với bước sóng λ= 633 nm, rồi đến sợi GI với α ≈ 4 dB / Km

Hiện nay, suy hao của sợi quang đã giảm đi rất nhiều α ≤ 0.2 dB/ Km với bước sóng λ = 1550 nm.Với sự phát triển của khoa học và công nghệ thì những thế hệ sợi quang mới sẽ có độ suy hao nhỏ hơn nữa sẽ tiếp tục ra đời

Ở Việt Nam, các đường thông tin được sử dụng như tuyến cáp quang trên đường dây 500KV Bắc - Nam đã đáp ứng nhu cầu thông tin cả về tốc độ và dung lượng

1.1.2 Ưu, nhược điểm của hệ thống thông tin quang:

 Sợi quang làm bằng thủy tinh, chất điện môi nên có độ đàn hồi cao, bền vững với môi trường, có thể dùng trong vùng phóng xạ, khu công nghiệp hóa chất,…

 Tính bảo mật : Do sợi quang không bức xạ năng lượng điện từ nên rất khó có thể trích được tín hiệu

 Tính linh hoạt : Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video

 Sợi quang có kích thước nhỏ gọn, tốn ít vật liệu,vật liệu chế tạo sẵn có,rẻ nên giá thành sản xuất thấp và lắp đặt thuận tiện, vận chuyển dễ dàng

Nhƣợc điểm:

 Đòi hỏi công nghệ chế tạo phức tạp

 Việc cấp nguồn cho trạm trung gian phải có đường riêng

 Sợi quang dòn và dễ gãy,khó đấu nối,khósử dụng cho những trường hợp riêng lẻ,…

1.1.3Ứng dụng

Hệ thống thông tin quang được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực viễn thông, truyền hình hay các dịch vụ tổng hợp như: viễn thông đường dài, quốc tế, truyền hình cáp;đường trung kế, truyền số liệu tốc độ cao hay đường cáp thả biển xuyên quốc gia,…

1.1 Cấu trúc của hệ thống thông tin quang

1.2.1 Cấu trúc cơ bản

Một hệ thống thông tin quang có cấu trúc cơ bản như sau :

Hình 1.1.cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang gồm ba thành phần cơ bản là phần phát quang, môi trường truyền dẫn và phần thu quang

Phần phát quang bao gồm nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển Nguồn phát quang tạo ra sóng mang tần số quang, có hai loại nguồn thường được

dùng là LED và LASER Để biến đổi tín hiệu sao cho phù hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin người ta dùng bộ điều khiển( hoặc là bộ điều chế ngoài hoặc là bộ kích thích)

Trong thông tin quang thì sợi quang chính là môi trường truyền dẫn, gồm có ba loại chính là : sợi đơn mode chiết suất nhảy bậc, sợi đa mode chiết suất nhảy bậc và sợi đa mode chiết suất biến đổi đều Sợi quang nào được sử dụng sẽ phụ thuộc vào từng hệ thống Do bị tác động của sợi quang và các tác động quang học khác của ánh sáng nên tín hiệu quang sẽ bị suy giảm Để khắc phục tình trạng này cần có các

bộ khuếch đại tín hiệu quang và các trạm lặp trên tuyến truyền dẫn để tái tạo lại các tín hiệu bị suy giảm trên đường truyền

Phần thuquang có nhiệm vụ là biến đổi tín hiệu quang thu được trở về dạng tín hiệu ban đầu Phần thu bao gồm phần tử tách sóng quang ( thường sử dụng các photodiode như PIN hoặc APD) và các mạch xử lý điện ( gồm các mạch

khuếch đai, lọc, mạch tái sinh)

Nguyên lý hoạt động: Tại phía phát tín hiệu thông tin cần truyền được

biến đổi thành tín hiệu điện và sauđó được đưa vào bộ phát quang Bộ phát quang

sẽ điều chế quang các tín hiệu điện trở thành các tín hiệu quang Có nhiều phương pháp điều chế khác nhau (có thể điều chế trực tiếp cường độ ánh sáng hoặc điều chế gián tiếp) Tín hiệu sẽ được ghép vào trong sợi quang và sau đó truyền đi.Trong quá trình truyền các tín hiệu bị suy giảm, các bộ khuếch đai quang cùng với trạm lặp sẽ khôi phục, tái tạo lại các tín hiệu Tín hiệu thu được sẽ được bộ thu quang tiếp nhận và biến đổi thành tín hiệu điện như tín hiệu phát ban đầu Tín hiệu điện sẽ được xử lý thành tín hiệu thông tin cơ bản cần truyền

1.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang điều chế trực tiếp (IM/DD)

Hình 1.2.Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang điều chế trực tiếp

Trong hệ thống này luồng bit được đưa vào điều chế trực tiếp sóng mang quang, đầu thu tín hiệu quang được tách sóng trực tiếp bằng các photodiode để lấy ra tín hiệu điện băng gốc

Các khối trong hệ thống bao gồm :

- Khối ghép kênh : là khối thực hiện ghép kênh tín hiệu theo phương pháp điều chế xung mã PCM

- Khối mã hóa : Biến đổi mã tín hiệu thành mã đường dây phù hợp với môi trường truyền dẫn sợi quang và thuận tiện cho khôi phục đồng hồ, giám sát, nâng cao khả năng sửa lỗi của hệ thống

- Khối nguồn kích thích: Nguồn quang thường dung là LED và LASER

 Trạm lặp : “ Do hiện tượng suy giảm và tán sắc tín hiệu trên đường

truyền nên cự ly truyền sóng bị hạn chế,nên trong hệ thống thông tin đường dài cần phải có trạm lặp hoặc trạm khuếch đại trung gian

Tách sóng

KĐ san bằng

Tách đồng hồ

Tách kênh

Trong hệ thống thông tin quang IM/DD trạm lặp bao gồm ba khối cơ bản như sau: Khối O/E biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện; Khối khuếch đại, sửa dạng tín hiệu; Khối E/O biến đổi tín hiệu điện đã được sửa dạng thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trong sợi

quang.”[1]

 Thiết bị đầu cuối:

- Bộ tách quang là các diode PIN hoặc APD, tại đây các xung quang được biến đổi thành các xung điện Khi hoạt động tách sóng các diode làm việc với

thiên áp ngược

- Khối khuếch đai san bằng làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu và san bằng để

nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở điểm quyết định

- Khối quyết định, giải mã tín hiệu đưa về dạng tín hiệu số vơi sdangj mã

tương ứng ở đầu ra của thiết bị ghép kênh phía phát

- Tín hiệu đồng hồ đồng bộ với phía phát để thực hiện tái sinh tín hiệu, giải mã

và tách kênh chính xác

1.2.3 Hệ thống thông tin quang coherent

a.Khái quát về hệ thống thông tin quang coherent:

Hệthống thông tin quang coherent là hệ thống thông tin quang kết hợp Trong hệ thống này đã tận dụng được khả năng truyền dẫn của sợi quang, sự đổi tần quang được sử dụng ở máy thu bằng cách trộn trường quang của bộ dao động nội với tín hiệu quang thu được.Hệ thống thông tin quang coherent có những ưu điểm hơn so với hệ thống thông tin quang IM/DD như sau:

 Nâng cao độ nhạy máy thu: Trong hệ thống IM/DD ở băng tần cao độ nhạy máy thu sẽ bị hạn chế, tần số càng cao thì độ nhạy máy thu càng giảm Trong

hệ thống coherent có sử dụng phương pháp Homodyne hoặc Heterdyne cho phép tăng khoảng cách giữa hai trạm lặp, tăng tốc độ truyền trong các tuyến

thông tin đường trục và tăng số kênh trong mạng nội hạt hoặc thuê bao Độ nhạy máy thu được nâng lên từ 15-20 dB so với thu trực tiếp

 Nâng cao khả năng truyền dẫn: Theo phương pháp ghép kênh theo tần số FDM các hệ thống thông tin quang coherent có dung lượn truyền dẫn rất lớn

 Nâng cao khả năng lựa chọn kênh: Khả năng chọn lọc kênh ở phía thu dựa trên nguồn thu có thể điều chỉnh được tín hiệu tới Như vậy có thể lựa chọn được kênh mong muốn trong nhiều kênh

 Kết hợp coherent với khuếch đại quang: Có thể tạo nên các tuyến thông tin

số có dung lượng đường truyền lớn và khoảng cách giữa hai trạm lặp được tăng lên ( có thể đạt 10.000 km), khả năng này được ứng dụng trong các tuyến trục và các tuyến cáp quang dưới biển

Ngoài những ưu diểm trên thì hệ thống thông tin quang coherent lại có những mặt hạn chế như: cấu trúc nguồn thu phức tạp dẫn đến sự đòi hỏi cao

về sự ổn định của Laser bán dẫn dùng làm nguồn phát dao động nội và nguồn phát tín hiệu, yêu cầu nghiêm ngặt về nhiệt độ, dòng nuôi, nhiễu pha,… và giá thành cao

b.Sơ đồ khối:

Hình 1.3.Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang coherent

Hệ thống thông tin quang coherent gồm:

Trộn quang

 Phần phát gồm laser bán dẫn, bộ điều chế tín hiệu và bộ khuếch đại công suất Laser bán dẫn hoạt động ở chế độ đơn mod có phổ hẹp

 Bộ điều chế: Thực hiện theo hai phương pháp tương ứng với dạng điều chế là bộ điều chế nội xạ của nguồn laser và bộ kích thích điều chế trường quang đã phát ra từ nguồn laser bằng các thiết bị thích hợp như: ASK, PSK hoặc BBSK

 Phần thu có cấu tạo phức tạp nhất, nó bao gồm bộ trộn quang, laser dao động nội, một photodiode, một bộ tiền khuếch đại, một bộ giả điều chế, bộ tự động điều chỉnh tần số Bộ trộn quang là một mạng 4 cổng như bộ ghép định hướng siêu cao tần, hai trường quang ở các cổng được trộn vào nhau và cộng tuyến tính ở hai cổng

ra của bộ trộn

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

1.3.1 Thamsố điện quang

 “Tỷsố tín hiệu điện trên nhiễu và tỷ số sóng mang trên nhiễu được đo và xác định về phía điện của hệ thống điện quang, đó chính là tỷ số của điện

áp, dòng điện hoặc công suất điện

Tham số tỷ số lỗi bit (BER) của hệ thống truyền dẫn số luôn được đo ở sau bộ tách sóng tương ứng với tham số điện S/N.” [1]

 “Độrộng băng tần điện (BW)elà khoảng tần số trong đó đáp ứng của tín hiệu như hệ số khuếch đại điện, các tỷ số dòng điện hay điện áp nằm trong giới hạn xác định.” [1]

 “Tỷ số tín hiệu và sóng mang trên nhiễu được đo và xác định ở cổng quang của hệ thống tương ứng chính là tỷ số công suất tín hiệu quang trung bình thu được trên Pr trên công suất nhiễu quang tương đương.”[1]

 “Độ rộng băng tần quang (BW)olà khoảng tần số mà tại đó các mức công suất quang nằm trong giới hạn xác định Thường người ta sử dụng độ rộng băng tần quang ở mức 3 dB là dải tần số điều chế ở đó công suất quang giảm đến 0.5 giá trị so với giá trị tần số bằng không.” [1]

1.3.2 Tham số quang

 Công suất yêu cầu tối thiểu của nguồn quang

 Độ tổn hao

 Độ rộng băng tần của tuyến

1.4 Các phần tử quang- điện trong hệ thống thông tin quang

1.4.1 Nguồn quang

Nguồn quang thường dùng là diode LED và diode LASER

a Diode LED

 Cấu trúc: Led thường có hai loại cấu trúc là cấu trúc tiếp giáp

thuần nhất và cấu trúc và cấu trúc tiếp giáp dị thể, trong đó trúc dị thể kép có hiệu quả và được ứng dụng nhiều hơn Người ta thường chế tạo lớp PN là hỗn hợp của các nguyên tố nhóm III và

V để tạo ra cấu trúc dị thể kép

 Nguyên lý hoạt động: dựa trên sự phân cực thuận cho tiếp giáp P–

N Khi phân cực thuận cho tiếp giáp thì sẽ xảy ra hiện tượng tái hợp giữa cặp điện tử và lỗ trống, đồng thời phát xạ ra photon Tuy nhiên không phải mọi sự tái hợp đều phát xạ ra photon mà còn có thể phát sinh nhiệt Với cấu trúc dị thể kép, khi đó vùng tiếp giáp được gọi là vùng tích cực có chiết suất lớn nhất, còn các lớp lân cận có tác dụng giam giữ điện tử trong vùng tích cực

 Phân loại: Có 2 loại là Led bức xạ mặt và Led bức xạ cạnh

b Diode Laser

Diode laser phun bán dẫn là nguồn phát quang dùng chủ yếu trong các hệ thống thông tin quang sợi có độ rộng dải tần lớn hơn 200 MHz và trong các hệ thống thông tin quang sợi đường dài, có tốc độ lớn So với LED, Diode laser phun

có ưu điểm là: Công suất ghép vào sợi lớn hơn nhiều, độ rộng đường phổ hẹp, phản ứng thời gian nhanh và độ rộng điều chế lớn Tuy nhiên cấu tạo của nó phức tạp, cần phải ổn định nhiệt cao

Nguyên lý hoạt động:Dựa trên sự bức xạ ánh sáng cưỡng bức trong vùng

hoạt tính của chuyển tiếp dị thể kép bán dẫn Khi cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép của nó đặt dưới thiên áp thuận, điện tử từ vùng N và lỗ trống từ vùng P phun vào vùng hoạt tính và chúng bị giam lại.Sự tái hợp bức xạ tự phát xảy ra trong vùng hoạt tính Ánh sáng bức xạ bị giam trong vùng hoạt tính sẽ phát đi mọi hướng Những photon bức xạ truyền dọc theo trục của vùng hoạt tính đi đến bề mặt phân cách giữa laser và không khí sẽ bị phản xạ tại đây và truyền dọc vùng hoạt tính nhiều lần Những photon này đập vào các nguyên tử vùng hoạt tính ở trạng thái kích thích làm cho chúng phát ra ánh sáng cưỡng bức có cùng tần số với ánh sáng đập vào Khi dòng bơm nhỏ hơn giá trị dòng ngưỡng thì các ánh sáng bức xạ cưỡng bức phát ra trong vùng hoạt tính bị hấp thụ hết trong nó, nên ánh sáng của laser phát ra ngoài là ánh sáng bức xạ tự phát tương tự như LED Khi dòng phun tăng vượt giá trị dòng ngưỡng, trong vùng hoạt tính xảy ra trạng thái “đảo mật độ” Sự bức xạ cưỡng bức chiếm ưu thế so với sự bức xạ trong vùng này Vùng hoạt tính của nó trở thành môi trường khuếch đại đối với ánh sáng bức xạ cưỡng bức khi chúng truyền và phản xạ nhiều lần tại các mặt cuối của laser gọi là các mặt gương Không gian vùng hoạt tính giữa hai gương tạo một hộp cộng hưởng Khi chiều dài của hộp cộng hưởng này đạt được điều kiện cộng hưởng thì trong diode laser xảy ra

quá trình dao động và ánh sáng bức xạ cưỡng bức được khuếch đại lớn hơn bị tổn

hao trong hộp cộng hưởng rồi được phát ra ngoài qua một gương của diode laser

Phân loại: có 2 loại dioed Laser là Laser Fabry – Perot và Laser đơn mode, trong

đó laser đơn mode lại được chia thành 2 loại chính là Lase phản hồi phân bố (DFB)

và Lase đơn mode cộng hưởng liên kết

“ Có dải từ 1,3 ÷1,5 m với các lớp bán dẫn, thiên áp ngược đặt vào diode PIN cùng trở tải và phân bố điện trường bên trong diode PIN.” [2]

 Nguyên lý hoạt động: Dựa trên hiệu ứng quang điện Khi chiếu một

photon có năng lượng lớn hơn vào vùng cấm vào bề mặt bán dẫn của photodiode thì quá trình hấp thụ photon xảy ra Khi hấp thụ một photon, một điện tử được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại trong vùng hóa trị một lỗ trống, lúc này photon đã tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống Cặp điện tử lỗ trống được sinh ra trong vùng nghèo, khi có điện trường đặt vào thì các điện tích sẽ được chuyển rời về hai cực, tạo ra dòng ở mạch ngoài ( dòng quang điện)

 Đặc điểm: Vùng I có điện trở cao, có thể thay đổi trong quá trình

chế tạo,hầu hết vùng nghèo là I Thành phần dòng quang điện chiếm ưu thế hơn so với dòng khuếch tán Để đạt được hiệu suất

lượng tử cùng với độ nhạy cao có thể chọn độ rộng vùng I lớn

b Diode thác APD

Diode APD hoạt động theo chế độ thác lũ

 Cấu tạo:Gồm các miền bán dẫn P+, I(𝜋), P, N+ Trong đó P+

,

N+ là các vùng có nồng độ pha tạp cao Các lớp PN có cấu trúc

dị thể kép

Hình 1.4 Cấu trúc của APD

 Nguyên lý hoạt động: APD cũng hoạt động dựa trên hiện tượng

hấp thụ như các photodiode khác để tạo ra các cặp điện tử - lỗ

trống và theonguyên lý khuếch đại dòng

Khi chưa có ánh sáng chiếu vào trong APD tồn tại dòng ngược rất nhỏ là dòng quang tối I(t), tuy nhiên dòng quang tối này có giá trị lớn hơn dòng quang tối trong PIN Khi chiếu ánh sáng có năng lượng hf vào trong APD thì toàn bộ ánh sáng sẽ được hấp thụ bởi miền I Dưới tác dụng của ánh sáng sẽ tạo ra các hạt mang điện và do cấu tạo của APD các hạt này sẽ di chuyển chủ yếu về miền N+ Các hạt dẫn này được gia tốc bởi bởi điện trường phân cực ngược mạnh giữa P và N+ nên xảy ra

hiệu ứng quang thác ( đánh thủng thác lũ ) ở tiếp giáp PN+, tạo nên dòng điện mạch ngoài có giá trị rất lớn Đặc trưng cho khả năng tạo nên dòng điện mạch ngoài có giá trị lớn người ta đưa

ra hệ số nhân : M = 𝐼𝑝𝑡𝑏𝐼

𝑡

 Đặc điểm: APD cũng có đặc trưng như một photodiode Sự ion

hóa do va chạm của các cặp điện tử - lỗ trống sơ cấp sinh ra trong vùng nghèo khi hấp thụ ánh sáng với mạng tinh thể trong vùng nhân thác để tạo các cặp điện tử - lỗ trống thứ cấp đã xảy

ra hiệu ứng nhân thác, do đó dòng quang điện được tăng cường rất lớn

CHƯƠNG II : SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG 2.1 Sợi quang

2.1.1 Cấu trúc của sợi quang

Để ánh sáng truyền được trong sợi quang thì sợi quang có thể coi như một ống dẫn sóng, như vậy ánh sáng có thể truyền dọc theo trục của sợi Yêu cầu của sợi quang là phải trong suốt đối với dải tần số làm việc, do đó sợi quang thường được chế tạo bằng thủy tinh thạch anh có chiết suất n = 1.5 hoặc bằng chất dẻo có độ tổn hao bé

Hình 2.1 Cấu trúc sợi quang

Sợi quang gồm hai lớp điện môi, với 𝑛1là chiết suất của lõi sợi và 𝑛2 là chiết suất của vỏ, trong đó n1> n2 Sợi quang có kích thước rất nhỏ Lõi sợi thường có đường kính khoảng từ 10 ÷ 50 𝜇𝑚 , còn vỏ có đường kính là 125𝜇𝑚 Để bảo vệ sợi quang, tránh những tác động cơ học lên sợi người ta bọc thêm một lớp chất dẻo bên ngoài, thường là polyme

2.1.2 Nguyên lý truyền dẫn trong sợi quang

 Cơ sở quang học

Khi ánh sáng truyền từ môi trường một có chiết suất n1 sang môi trường hai có chiết suất n2 mà gặp phải mặt ngăn cách thì ánh sáng sẽ bị tách ra làm hai phần khác nhau, một tia phản xạ lại môi trường một, một tia khác sẽ khúc xạ sang môi trường hai

Lõi sợi Vỏ sợi

Lớp vỏ bảo vệ

Hình 2.2 Sự phản xạ và khúc xạ của ánh sáng

- 𝛷1 : góc tới

- 𝛷2 : góc khúc xạ

Theo định luật Snell: “Tỷ lệ giữa sin góc tới và góc khúc xạ sẽ luôn là một

hằng số.” Tia khúc xạ và tia tới luôn nằm trong cùng mặt phẳng và sin góc khúc

xạ phụ thuộc vào sin của góc tới như sau: 𝑠𝑖𝑛𝛷 1

Khi góc tới lớn hơn góc tới hạn 𝛷o(𝛷o = n2/n1) nào đó ta sẽ chỉ nhận được tia phản xạ mà không nhận tia khúc xạ, hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần

Vậy để có thể xảy ra hiện tương toàn phần thì ánh sáng phải đi từ môi trường

có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất kém hơn, đồng thời góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn

 Nguyên lý truyền dẫn

Tia tới

Tia phản xạ

Tia khúc xạ

Ánh sáng truyền trong sợi quang áp dụng theo hiện tượng phản xạ toàn phần Trong lõi sợi quang ánh sáng sẽ phản xạ nhiều lần giữa phần tiếp giáp của lõi và vỏ để có thể truyền đi xa

Do sợi quang có đặc điểm cấu tạo là chiết suất của lõi sợi (n1 ) lớn hơn chiết suất của vỏ sợi (n2 ) nên chỉ cần góc ghép ánh sáng vào sợi lớn hơn góc tới hạn

- Theo kích thước hình học của lõi và vỏ sợi

- Theo phân bố chiết suất: Chiết suất nhảy bậc và chiết suất biến đổi đều

- Theo phương thức truyền lan ( mode sóng): Sợi đơn mode ( SM- Single Mode) và sợi đa mode ( MM- Multiple mode)

Người ta thường phân loại theo mode sóng

2.1.4 Phương thức truyền lan trong sợi quang và các loại sợi quang điển hình

 Mode sóng: là biểu diễn của hệ phương trình Mắc xoen của sóng

điện từ trong sợi quang

Thông thường mỗi một mode sóng là một tia sáng truyền trong sợi, các mode hoàn toàn độc lập với nhau và có một tốc độ truyền lan rộng Điều kiện mà các mode sóng đều phải tuân theo là λ> λg ( λg

là bước sóng giới hạn)

Ta có tần số chuẩn hóa giới hạn như sau:

V= k r1 NA = 2𝜋

𝜆 r1 NA Trong đó: k là hệ số pha

r1 làbán kính lõi

NA là khẩu độ số đặc trưng cho khả năng nhận được tia sáng

( NA = sin Φo với Φo là góc tới hạn)

 Với V < 2.405 thì ta có 1 mode → đơn mode SM

 Với V > 2.406 thì ta có nhiều mode → đa mode MM

a Sợi đơn mode ( SM – SI)

Hình 2.3 Ánh sáng truyền trong sợi đơn mode

Sợi đơn mode là sợi trong đó chỉ có một mode sóng cơ bản lan truyền, nhưng băng thông của sợi vẫn khá lớn Sợi đơn mode có lõi rất nhỏ ( 8 ÷ 10 𝜇𝑚), đường kính lớp vỏ bọc là 125 𝜇𝑚, khẩu độ số nhỏ NA = 0.13 ÷ 0.18, ánh sáng truyền trong sợi

sẽ có 20% bị khúc xạ ra bên ngoài vỏ Với loại sợi này dạng phân bố chiết suất nhảy bâc, không có tán sắc mode, vì vậy băng tần của sợi tăng lên do chỉ ghép một mode Nhưng sợi đơn mode lại có nhược điểm là khó ghép ánh sáng vào trong sợi

n2

n1

Sợi đơn mode được dùng trong các hệ thống đường trục với giá thành thấp

b Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc (MM – SI)

Hình 2.4.Ánh sáng truyền trong sợi MM - SI

Sợi đa mode là loại sợi truyền đồng thời nhiều mode sóng.Số mode sóng truyền được trong sợi phụ thuộc vào các thông số của sợi trong đó có tần số chuẩn hóa V Sợi MM – SI là loại sợi đa mode với cấu tạo đơn giản, kích thước khá lớn với đường kính lõi khoảng 50 𝜇𝑚 , đường kính vỏ bọc là 125 𝜇𝑚 Chiết suất giữa phần lõi sợi và vỏ bọc khác nhau rõ rệt tạo thành hình bậc thang, chiết suất của lõi lớn hơn của vỏ khoảng 10%, chiết suất lớn nhất của lõi là 1.46

Khẩu độ số của sợi : NA = n1(2∆)1/2