Ttq1 chuong 3

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNGBÀI GIẢNG

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANGKỸ THUẬT THÔNG TIN QUANGFundamental of Optical Fiber Communications

Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc HợpBộ môn: Thông Tin Quang – Khoa Viễn thông 2ộ g Q g gEmail: [email protected], [email protected]

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG 3

BỘ PHÁT QUANGBỘ PHÁT QUANG

www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 2

NỘI DUNG CHƯƠNG 3

• Nguyên lý chung về biến đổi quang điệnNguyên lý chung về biến đổi quang điện• LED• Laser diode (LD)• Laser diode (LD)• Các đặc tính kỹ thuật của nguồn quang

á ồ á ẫ• Các nguồn laser bán dẫn đơn mode• Bộ phát quang


Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện

• Mức năng lượng (Energy Level):Tính chất hạt của ánh sáng:

• Eph = hf h: hằng số Plank (h= 6,625x10-34J.s)f : tần số của photon ánh sáng

• Eánh sáng = Nph x Eph Nph: số photonánh sáng ph ph ph p

Tính lượng tử của vật chất:• Hat nhân: điện tích dương• Các điện tử: điện tích âm

– Quay quanh hạt nhân theo các quỹQ y q ạ q ỹđạo ổn định

– Mang một mức năng lượng nhất định



• Mức năng lượng (Energy Level):Biểu đồ mức năng lượng (energy level diagram):

E3

E4

Năng lượng E(eV)

Trạng thái nền (ground state)

E1

E0

E2 Dải cấm năng luợng (energy gap) ΔEij=Ej - Ei

• Biểu diễn trạng thái năng lượng của điện tử trong một nguyên tử• Các mức năng lượng này không liên tục rời rạc nhau



• Mức năng lượng (Energy Level):Hàm phân bố Boltzmann: Năng lượng E

ΔE : độ chênh lệch năng lượng giữa E và E ;

exp(-ΔEi/kBT)

Ei ]/[

0TkE

iBieNN Δ−×=

ΔEi: độ chênh lệch năng lượng giữa Ei và E0;kB: hằng số Boltzmann (1,38.10-23 (J/oK))T: nhiệt độ tuyệt đối (oK).

Mật độ điện tử

E0

Ni N0

• Phân bố mật độ điện tử ở các trạng thái năng lượng khác nhau• Khi “cân bằng về nhiệt”



• Mức năng lượng (Energy Level):Nhận xét:

• Ni > Nj (với i<j) mật độ điện tử ở trạng thái nền là lớn nhất.• T = 0oK: tòan bộ điện tử ở trạng thái nền• T > 0oK: điện tử hấp thụ năng lượng nhiệt thay đổi trạng tháiệ p ụ g ợ g ệ y ạ g

năng lượng chuyển từ E0 lên các mức năng lượng cao hơn• Số điện tử ở các mức năng lượng kích thích tăng lên khi To tăng• Trạng thái nền là trạng thái năng lượng bền vững của điện tửTrạng thái nền là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử

– Xu hướng chuyển về các trạng thái năng lượng thấp– Thời gian sống (lifetime) của điện tử

• Khi điện tử chuyển từ E E (với i<j): giải phóng một phần năng• Khi điện tử chuyển từ Ej Ei (với i<j): giải phóng một phần nănglượng bằng đúng độ chênh lệch giữa hai mức năng lượng



• Nguyên lý biến đổi quang điện:

Haáp thuï(Absortion)

Phaùt xaï töï phaùt(Spontaneous emission)

Phaùt xaï kích thích(Stimulated emission)

Bieán ñoåi quang -ñieän Bieán ñoåi ñieän - quang Bieán ñoåi ñieän - quang

Linh kieän thu quang(Photo detector)

LED(Light Emitting Diode)

Laser(Light Amplification

by Stimulated Emission of Radiation)



• Nguyên lý biến đổi quang điện:

a. Hiện tượng hấp thụ và phát xạ tự phát b. Hiện tượng phát xạ kích thích



• Ánh sáng kết hợp (Coherent Light)Các photon do hiện tượng phát xạ kích thích phát ra có:

• Cùng pha• Cùng tần số• Cùng phân cựcg p ự• Cùng hướng truyền

Ánh sáng laser có tính kết hợp (coherent)

Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra một cách ngẫu nhiên theo thời gian và không gianra một cách ngẫu nhiên theo thời gian và không gian

Ánh sáng LED không có tính kết hợp



• Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source)Nguồn quang: là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tínhiệ á h á ó ô ấ ỷ lệ ới dò điệ hhiệu ánh sáng có công suất tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó.Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tinCó hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang:

• Diode phát quang LED (Light Emitting Diode)L (Li ht A lifi ti b Sti l t d E i i f R di ti )• Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)



• Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source)Được sử dụng trong thông tin quang vì có thể đáp ứngđ á ê ầđược các yêu cầu:

• Kích thuớc nhỏ tương ứng với sợi quang• Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xácậ ệ ệ g ộ• Bước sóng phù hợp với vùng bước sóng hoạt động của sợi quang• Điều chế tín hiệu một cách đơn giản trên dải tần rộng trải dài từ

tần số âm thanh tới dải tần gigahezttần số âm thanh tới dải tần gigahezt.• Hiệu suất ghép quang cao• Độ rộng phổ hẹp

D t ì ứ ô ất õ ổ đị h• Duy trì mức công suất ngõ ra ổn định• Giá thành thấp và có độ tin cậy cao



• Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source)Chất bán dẫn được sử dụng cần phải có

• Dải cấm năng lượng trực tiếp• Độ rộng của dải cấm năng lượng phù hợp để tạo ra ánh sáng có

bước sóng nằm trong vùng bước sóng hoạt động của TTQ

Vật liệu nhóm IV (Si, Ge,…) không thỏa điều kiện

Bước sóng của ánh sáng do nguồn quang phát ra chỉ phụthuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quangthuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang.



• Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source)

(a) Dải cấm năng lượng trực tiếp (b) Dải cấm năng lượng gián tiếp


(a). Dải cấm năng lượng trực tiếp (b). Dải cấm năng lượng gián tiếp


• Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source)Kết hợp vật liệu nhóm III (Ga, Al, …) và nhóm V (As, P, I )In, …)

InGaAsP

AlGaAs

GaAs/InP

GaAs

GaAsP

0,5 0,6 0,7 0,85 1,0 1,3 1,55 λ(μm)

Bước sóng ánh sáng phát xạ của một số loại bán dẫn nhóm III kết hợp với nhóm V


nhóm III kết hợp với nhóm V


• Vùng năng lượng (Energy Band):E

Vuøng daãn(Conduction band)

Vuøng hoaù trò

Dải cấm năng lượng (Energy band gap)

Trong chất bán dẫn:

g ò(Valence band)

Trong chất bán dẫn:• Các mức năng lượng rất gần nhau vùng năng lượng• Hai vùng năng lượng tách biệt nhau: vùng hóa trị (valence band)

à ù dẫ ( d i b d)và vùng dẫn (conduction band).


LED

• Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:Hoạt động dựa trên tiếp giáp pn phân cực thuận và hiện

há hátượng phát xạ tự phátV+ - I

--- ++

+

Vuøng hieám(Depletion region)

V>VPhaùt xaï töï phaùt

p n

- -

-- -- -

--

-

++++++++++- V

+ -

photon

V>VDï ï p

-

+ VD

E Loã troáng+

Ñieän töû-Eph = hν

Ev

Ec -

+

Eg = Ec - Ev


+

LED

• Đặc tính P-I của LED:Mối quan hệ giữa công suất phát quang và dòng điện:

• Công suất quang:P = E/t = Nph.Eph /t= (Ne.ηint.Eph)/t

• Hiệu suất lượng tử nội: P(mW)ệ ợ g ộηint = Nph / Ne

• Dòng điện:I = N e/t

P(mW)

10

I = Ne.e/t

P = [(ηint.Eph)/e].I

5

• Nếu Eph được tính bằng đv (eV): P(mW) = [(ηint.Eph(eV)].I(mA)

I(mA)

100 2000

ph ợ g ( ) ( ) [(ηint ph( )] ( )


LED

• Đặc tính phổ của LED:

E

Vuøng daãn (Conduction band)

E

Công suất chuẩn hóa( )

λ1 λ2 λ3 λ4

Δλ

c uẩ óa1

0.5

Vuøng hoaù trò (Valence band)

λp λ(nm)

1, 24( )( )ij m

E Vλ μ = Với Eij = Ej - Ei


( )jijE eV ij j i

LED

• Đặc tính phổ của LED:Nguồn quang bán dẫn: vùng năng lượngCác photon được tạo ra có bước sóng:

1,24( )( )ij m

E Vλ μ = Với Eij = Ej - Ei

Nhiều mức NL nhiều bước sóng ás được tạo ra.Công suất phát quang tại các bước sóng khác nhau

( )jijE eV

Công suất phát quang tại các bước sóng khác nhaukhông đều nhauBước sóng trung tâm:

• Công suất lớn nhất• Thay đổi theo nhiệt độ


LED

• Cấu trúc của LED:

Ánh sáng phát xạ Ánh sáng phát xạ

bán dẫn p điện cực tiếp xúc

n

p

bán dẫn n điện cực tiếp xúc

p

Cấu trúc LED planar Cấu trúc LED dome


LED


Cấu trúc LED Burrus


LED


LED phát xạ cạnh (ELED)


LASER

• Cấu tạo laser Fabry – Perot:


LASER

• Cấu tạo laser Fabry – Perot:Cấu trúc nhiều lớp bán dẫn p, nLớp tích cực (active layer):

• Rất mỏng• Có chiết suất lớn kẹp giữa hai lớp P và N có chiết suất nhỏ hơnCó chiết suất lớn kẹp giữa hai lớp P và N có chiết suất nhỏ hơn.ống dẫn sóng.

Ánh sáng phát ra và được giữ trong lớp tích cựcÁnh sáng của laser phát ra ở phía cạnh, giống như ELEDHai lớp phản xạ ở hai đầu lớp tích cực có hspx R<1

hố ộ hưở F b P thốc cộng hưởng Fabry-PerotAnh sáng được đưa ra ngoài qua một phần được cắtnhẵn của một mặt phản xạnhẵn của một mặt phản xạ


LASER

• Nguyên lý hoạt động:Hiện tượng phát xạ kích thích:

• Tạo ra sự khuếch đại ánh sáng trong Laser• Ánh sáng kết hợp

Hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh khi lan truyềnHiện tượng cộng hưởng của sóng ánh khi lan truyềntrong laser:

• Quá trình chọn lọc tần số (hay bước sóng) ánh sáng.Chỉ hữ ó á h á ó tầ ố thỏ điề kiệ ề h ủ• Chỉ những sóng ánh sáng có tần số thỏa điều kiện về pha củahốc cộng hưởng thì mới có thể lan truyền và cộng hưởng tronghốc cộng hưởng được.ố ó á h á d l F b P t hát bị iới hsố sóng ánh sáng do laser Fabry-Perot phát xạ bị giới hạn

giảm độ rộng phổ của laser so với LED.

www.ptit.edu.vnGIẢNG VIÊ

N: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Trang 26

LASER

• Hốc cộng hưởng Fabry-Perot:

a) Hoác coäng höôûng Fabry-Perot

b) Khoâng coäng höôûng c) Coäng höôûng

Sóng ánh sáng có thể tồn tại và khuếch đại được tronghốc cộng hưởng của laser Fabry-Perot nếu:

λ

Với n: chiết suất của lớp tích cực q = 1 2 32λ⋅=

nqL

nc

Lqf ⋅=

2Với n: chiết suất của lớp tích cực, q = 1,2,3, …


LASER

• Độ khuếch đại quang:Lôùp phaûn xạ

coù heä soá phaûn xa R1Lôùp phaûn xạ

ù h ä á h û R

R1P(L)R1P(2L)

R2R1P(2L)

(1-R1)P(L)

R1 (1-R1)P(2L) Lôùp tích cöïc (active layer)

co heä so phan xaï R1coù heä soá phaûn xaï R2

P(0) P(L)

1 ( ) ( ) ( )

P(z) = P(0) exp[(g-α)z]

• P’(0) = R1.R2.P(2L) = P(0).R1.R2.e(g-α).2L

0 Lz

( ) ( ) p[(g ) ]

• P’(0) ≥ P(0)

R1.R2.e(g-α).2L ≥ 1 g ≥ α + (1/2L).ln(1/R1.R2) 1 2 g ( / ) ( / 1 2)


LASER

• Độ khuếch đại quang:Điều kiện để ánh sáng được khuếch đại trong quá trình l ề à hả l i iữ h i hố ộ h ởlan truyền và phản xạ qua lại giữa hai hốc cộng hưởng:

• g ≥ α + (1/2L).ln(1/R1.R2)• N + N > N• Nspontaneous + Nstimulated > Nabsorption

trạng thái nghịch đảo mật độ (population inversion)bơm (Pumping)bơm (Pumping)

Laser bán dẫn: nguồn bơm là dòng điệnDòng ngưỡng: dòng điện tối thiểu để đạt được trạng thái nghịch đảo nồng độ


LASER• Đặc tính phổ của Laser Fabry-Perot:

Daûi thoâng ñieàu cheá

á á

ñieu che

λ0

λ Ñaëc tuyeán khueách ñaïi

λ Đặc tính chọn lọc tần số của hốc cộng hưởng

λ

laser đa mode MLM (Multi Longitudinal Mode)Phổ của Laser Fabry-Perot


( g )

LASER• Phương trình tốc độ của laser (rate equations):

DnsnJdn−−= Dns

eddt sp

=τ

snDnsds ζ+

Biểu diễn sự thay đổi theo thời gian của mật độ điện tửà ậ ộ

phsp

Dnsdt ττ

ζ−+=

và mật độ photonTính chất và đáp ứng của laser theo thời gian có thểđược xác định:được xác định:

• Trạng thái tĩnh (steady-state): dn/dt=0 và ds/dt=0• Trạng thái động (dynamic-state): dòng điện kích thích thay đổi

theo thời giantheo thời gian


LASER

• Đặc tính điều chế của laser:

(a). Điều chế tín hiệu số (b). Điều chế tín hiệu tương tự


LASER

• Nhiễu trong Laser:Xảy ra khi tín hiệu quang phát ra không ổn định (khiđiề kiệ h độ ủ l khô h đổi) ềđiều kiện hoạt động của laser không thay đổi) về:

• Công suất phát quang• Bước sóng phát quangg p q g• Độ rộng phổ

âPhân loại:• Nhiễu lượng tử (quantum noise)• Sự không ổn định của nguồn quangự ô g ổ đị ủa guồ qua g• Sự phản xạ của ánh sáng vào nguồn quang• Nhiễu thành phần (partition noise) trong các nguồn quang đa

modemode


CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA NGUỒN QUANG

• Đặc tuyến P-I của nguồn quang:Công suất phát quang: công suất tổng cộng mà nguồn

háquang phát raĐặc tuyến P-I của SLED, ELED và Laser:

LASERP(mW)

10

SLED

ELED 5

Ith

I(mA)

100 2000



• Góc phát quang:Được xác định ở mứccông suất quang giảmmột nữa (3dB) so vớiứ ự đ imức cực đại SLED

ELED

LASER

ELED



• Hiệu suất ghép quang:Tỷ số giữa công suất quang ghép vào sợi quang Popt trênô ấ há ủ ồ Pcông suất phát quang của nguồn quang Ps

optPP

η =

Hiệu suất ghép quang của một số loại nguồn quang:• SLED: 1-5%

sP

• ELED: 5-15%• Laser: + 60% đối với sợi quang đơn mode (SMF)

+ 90% đối với sợi quang đa mode (MMF)+ 90% đối với sợi quang đa mode (MMF)



• Hiệu suất ghép quang:Hiệu suất ghép quang phụ thuộc:

• Kích thước vùng phát quang• Góc phát quang của nguồn quang• Góc thu nhận (hay NA) của sợi quangậ ( y ) ợ q g• Vị trí tương đối giữa nguồn quang và sợi quang• Bước sóng ánh sáng



• Độ rộng phổ:Là khoảng bước sóng mà công suất quang không nhỏh hâ ữ ứ ô ấ đỉ hhơn phân nữa mức công suất đỉnh

Công suất chuẩn hóa

1

Δλ

1

0.5

Độ rộng phổ của một số loại nguồn quang

λp λ(nm)

• LED: 50-60nm• Laser Fabry Perot (MLM laser): 2-4nm• Nguồn quang bán dẫn đơn mode (SLM): <0 1 nmNguồn quang bán dẫn đơn mode (SLM): <0.1 nm



• Thời gian lên (rise time):là thời gian để công suất quang ở ngõ ra của nguồn

ă ừ 10% đế 90% ứ ô ấ ổ đị hquang tăng từ 10% đến 90% mức công suất ổn định

Coâng suaát töông ñoái

0 1

0.9 1

t

ảnh hưởng đến tốc độ bit của tín hiệu điều chế.

0.1tr

t

Thời gian lên của Laser (không quá 1 ns) rất nhanh so với LED (2–50 ns tùy loại)

Sử dụng trong các hệ thống thông tin quang tốc độ caoSử dụng trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao



• Ảnh hưởng của nhiệt độ:Làm thay đổi các tính chất của nguồn quang:

• Bước sóng phát quang• Công suất phát quang.

Xảy ra nhiều hơn với laser hơn là LEDXảy ra nhiều hơn với laser hơn là LED

Công suất quang (mW)

Nhiệt độ tăng

I (20oC) I (50oC) I (80oC)


Ith (20 C) Ith (50 C) Ith (80 C)

LASER Bán Dẫn Đơn Mode

• Laser hồi tiếp phân bố (DFB):Distributed Feedback Laser (DFB laser)



• Laser hồi tiếp phân bố (DFB):Quá trình cộng hưởng và chọn lọc tần số được thực hiệnhờ ấ ú á h ử B đặ ở bê h d hnhờ cấu trúc cách tử Bragg đặt ở bên cạnh, dọc theo

vùng tích cực của laser.Chỉ phát xạ ánh sáng có bước sóng λB thỏa đk Bragg:Chỉ phát xạ ánh sáng có bước sóng λB thỏa đk Bragg:

λB = 2.Λ.neffVới Λ: chu kỳ của cách tử Bragg, neff = n.sinθ, n: chiết suất của

á h ử ó hả ủ á h ácách tử, θ: góc phản xạ của ánh sáng

laser DFB chỉ phát ra một mode sóng có độ rộng phổ rấtlaser DFB chỉ phát ra một mode sóng có độ rộng phổ rấthẹp so với laser FP



• Laser phản xạ Bragg phân bố (DBR)Distributed Bragg Reflector Laser (DBR laser)

Cách tử Bragg được đặt ở hai đầu vùng tích cực, đóngvai trò như gương phản xạ của hốc cộng hưởngChỉ có một bước sóng thỏa điều Bragg mới có thể phảnxạ lại và cộng hưởng trong vùng tích



• Laser bán dẫn hốc cộng hưởng ghép (CoupledCavity Semiconductor Laser)

(a) Laser hốc cộng hưởng ngoài (external cavity laser)(b) Hệ số phản xạ phụ thuộc bước sóng


(c) Phổ của laser


• Laser bán dẫn hốc cộng hưởng ghép (CoupledCavity Semiconductor Laser)

Laser hốc cộng hưởng cắt (cleaved-cavity laser)

Laser hốc cộng ngoài(external cavity laser)


Bộ Phát Quang

• Các thành phần của một bộ phát quang:Nguồn quangBộ ghép tín hiệu quangMạch điều chế tín hiệuM h điề khiể ô ấtMạch điều khiển công suất


Bộ Phát Quang

• Sơ đồ khối bộ phát quang:


Bộ Phát Quang

• Mạch phát điều biến cường độ:Kết hợp của mạch điều khiển và mạch điều chế tín hiệu


Bộ Phát Quang

• Mạch phát điều biến cường độ:

Mạch điều khiển Mạch điều chế tín hiệu


Bộ Phát Quang

• Bộ điều biến ngoài:Điều chế tín hiệu quang được thực hiện bởi bộ điều chế

ò i ( l d l )ngòai (external modulator).Ánh sáng do laser phát ra dưới dạng sóng liên tục CW(continuous wave)(continuous wave)


Bộ Phát Quang

• Bộ điều biến ngoài:Khắc phục được các nhược điểm của kỹ thuật điều chế

iếtrực tiếp: • Băng thông điều chế không bị giới hạn bởi tần số dao động tắt

dần của laser diode• Không xảy ra hiện tượng chirp đối với tín hiệu quang vì laser được kích thích bởi dòng điện ổn định

• Không bị giới hạn bởi công suất phát quangg ị g ạ g p q g

Phân loại: • Mach-Zehnder Modulator (MZM)

El t b ti M d l t (EA)• Electroabsorption Modulator (EA)


Documents

Ttq1 chuong 3