Bài giảng môn Kỹ thuật thông tin quang - Chương 3: Bộ phát quang

Nội dung text: Bài giảng môn Kỹ thuật thông tin quang - Chương 3: Bộ phát quang

1. HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ TRUYỀN THÔNG SỢI QUANG Bộ môn: Thông tin quang - Khoa VT1 Năm biên soạn: 2010
2. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Nội dung 1 Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang 2 Sợi quang Chương 3 Bộ phát quang 4 Bộ thu quang 5 Một số vấn đề trong thiết kế truyền TTQ đơn kênh điểm – điểm www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 2
3. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG Tiếp giáp dị thể kép LED – Light Emitting Diode Laser diode – LD Các nguồn laser bán dẫn đơn mode Bộ phát quang www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 3
4. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (1) ❖ Quá trình hấp thụ và phát xạ: . Xét hệ 2 mức đơn giản: có 3 quá trình cơ bản E2 E2 E2 hf hf hf hf hf E1 E1 E1 a) Quá trình hấp thụ b) Phát xạ tự phát c) Phát xạ kích thích www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 4
5. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (2) ❖ Tiếp giáp P-N: . Hình thành từ hai loại bán dẫn loại n và bán dẫn loại p: Khi chưa đặt điện áp phân cực Các hạt tải đa số khuyếch tán qua lớp tiếp giáp Hình thành hàng rào thế . Trạng thái cân bằng thiết lập Vùng nghèo (không có hạt tải linh động) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 5
6. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (3) ❖ Tiếp giáp P-N: . Phân cực ngược: Vùng nghèo mở rộng ra, các điện tử và các lỗ trống khó gặp nhau để tái hợp phát ra ánh sáng Sử dụng trong photodiode. www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 6
7. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (4) ❖ Tiếp giáp P-N: . Phân cực thuận: Vùng nghèo hẹp lại hay hàng rào thế thấp xuống các điện tử và các lỗ trống được bơm vào vùng nghèo dễ dàng tái hợp phát ra ánh sáng. . Quan hệ giữa dòng chạy qua tiếp giáp và thế đặt vào: www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 7
8. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (5) . Cấu trúc đồng thể: các hạt tải không bị giam hãm hiệu suất phát xạ kém. . Cấu trúc dị thể kép: gồm 3 lớp cơ bản - Lớp bán dẫn mỏng ở giữa có Eg nhỏ (lớp tích cực) - Hai lớp bán dẫn p và n hai bên có Eg lớn hơn (các lớp hạn chế) . Ưu điểm: - Giam hãm hạt tải - Giam hãm photon www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 8
9. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (1) ❖ Cấu trúc của LED: . Cấu trúc dị thể kép . Dựa trên cơ chế phát xạ tự phát . ánh sáng phát ra là ánh sáng không kết hợp có độ rộng phổ lớn (30 - 60 nm) . Độ rộng chùm sáng phát xạ lớn Hiệu suất ghép nhỏ www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 9
10. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (2) ❖ Một số loại LED: . LED phát xạ mặt: www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 10
11. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (3) ❖ Một số loại LED: . LED phát xạ cạnh: www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 11
12. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (4) ❖ Đặc tính P-I của LED: . Độ đáp ứng của LED: (3.31) . Đường đặc tính P-I tỉ lệ theo I, bão hoà ở dòng bơm cao. . Nhiệt độ tăng Độ đáp ứng giảm. www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 12
13. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (5) ❖ Đặc tính phổ của LED: . Phổ của LED liên quan đến phổ phát xạ tự phát. . Độ rộng phổ: (3.33) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 13
14. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (1) ❖ Cấu tạo cơ bản của LD: . Laser: Bộ cộng hưởng trong một môi trường tích cực (khuyếch đại) . Laser bán dẫn hay LD: cấu trúc dị thể kép www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 14
15. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (2) ❖ Điều kiện ngưỡng LD: . Quá trình hồi tiếp quang: thực hiện trong một hộp cộng hưởng hình thành bởi 2 gương phản xạ. . Độ phản xạ: (3.43) . Ngưỡng laser: các photon sinh ra từ phát xạ kích thích bổ xung cho các photon bị mất đi do suy hao khđại quang phải đủ lớn để bù suy hao hộp cộng hưởng Hoạt động laser chỉ xảy ra khi dòng bơm > dòng ngưỡng. www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 15
16. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (3) ❖ Điều kiện ngưỡng LD: . Biên độ tín hiệu quang sau mỗi lộ trình (3.44) Trong đó: E0-biên độ trước lộ trình, L-chiều dài lớp tích cực int-suy hao bên trong hộp cộng hưởng, k-số sóng, R-hệ số phản xạ . Điều kiện để phát xạ laser: (1) biên độ sau mỗi lộ trình phải lớn hơn biên độ ban đầu, (2) pha sau mỗi lộ trình phải không đổi. . Tại ngưỡng: (3.45) . Về biên độ: (3.46) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 16
17. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (4) ❖ Điều kiện ngưỡng LD: . Điều kiện về pha: (3.47) m-số nguyên các tần số của các mode dọc phát xạ laser. . Giả sử phổ kđại dạng Gauss: (3.48) (3.49) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG(3.50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 17
18. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (5) ❖ Điều kiện ngưỡng LD: . Do phổ kđại laser đủ rộng (~ 10 THz) Tồn tại nhiều mode dọc Laser đa mode www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG(3.50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 18
19. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (6) ❖ Các cấu trúc của LD: Cấu trúc LD dẫn sóng khuyếch đại (a) dải oxide (b) dải tiếp giáp www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG(3.50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 19
20. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (7) ❖ Các cấu trúc của LD: Cấu trúc LD dẫn sóng chiết suất (a) dẫn sóng chiết suất yếu (b) dẫn sóng chiết suất mạnh www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG(3.50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 20
21. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (8) ❖ Các cấu trúc của LD: . Laser phân bố hồi tiếp (DFB): Quá trình hồi tiếp được thực hiện bởi nhiễu xạ Bragg ghép cặp các sóng lan truyền theo chiều thuận ngược. Ghép cặp chỉ xảy ra đối với mode thoả mãn điều kiện Bragg: www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG(3.50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 21
22. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (9) ❖ Các cấu trúc của LD: . Laser bộ phản xạ Bragg phân bố (DFB): Cách tử Bragg hai đầu được sử dụng như gương phản xạ. Độ phản xạ đạt cực đại tại bước sóng thoả mãn điều kiện Bragg. www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG(3.50) TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 22
23. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (10) ❖ Đặc tính của LD: . Trạng thái tĩnh: Đặc tính P-I ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ: (3.74) (3.75) Thăng giáng công suất phát xạ theo nhiệt độ: (3.76) (3.77) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 23
24. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (11) ❖ Nhiễu của LD: . Các nguồn nhiễu chính từ LD: - Nhiễu vì sự hồi tiếp quang bên ngoài - Nhiễu liên quan đến dao động hồi phục - Nhiễu vì nhảy mode - Nhiễu phần mode - Nhiễu vì phát xạ tự phát - Nhiễu vì thăng giáng do nhiệt độ và dòng bơm . Nhiễu cường độ tương đối RIN: Hai cơ chế sinh nhiễu cơ bản: - Phát xạ tự phát (chiếm ưu thế) - Nhiễu nố (tái hợp điện tử-lỗ trống) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 24
25. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CÁC NGUỒN LD ĐƠN MODE (1) . Laser ghép cặp hộp cộng hưởng: Sự dịch pha trong hộp cộng hưởng ngoài ghép cặp chỉ xảy ra đối với hồi tiếp đồng pha cho các mode laser có bước sóng trùng với một trong các mode dọc. www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 25
26. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CÁC NGUỒN LD ĐƠN MODE (2) . Laser hộp cộng hưởng ngoài . Laser hộp cộng hưởng phân chia ghép cặp. . Laser DBR nhiều phần. www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 26
27. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (1) ❖ Giới thiệu: Có 2 loại bộ phát quang . Điều biến trực tiếp: LED or LD . Điều biến ngoài: LD + Bộ điều chế ngoài www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 27
28. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (2) ❖ Ghép nối nguồn quang và sợi: . Đối với LED: Sử dụng vi thấu kính: ~ 1 - 10 % . Đối với SLED: ~ 1 %, ELED: ~ 10 % www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 28
29. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (3) ❖ Ghép nối nguồn quang và sợi: . Đối với LD: Sử dụng vi thấu kính: ~ 40 - 90 % www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 29
30. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (4) ❖ Mạch phát điều biến cường độ: . Mạch kích thích sử dụng LED: - Đối với tín hiệu tương tự: Sử dụng transistor lưỡng cực, LED kết nối với cực c hoặc e với một điện trở hạn chế dòng. Tín hiệu điều biến đưa vào cực b. Dòng điều biến: i(t) = I + I .cost P = P + P .cos t (3.118) b m b m Vdc m = Im/Ib - độ sâu điều biến (3.119) Ra LED m’ = Pm/Pb - độ sâu điều biến quang (V1 − V0 ) V Theo mạch: Ib = (3.120) s R1 + (1+ )R e R R Trong đó: a b R a R Rb Re R1 = V1 = Vdc R a + R b R a + R b Dòng chạy qua LED: Vdc = icRe + vCE + vd (3.121) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 30
31. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (5) ❖ Mạch phát điều biến cường độ: . Mạch kích thích sử dụng LED: - Đối với tín hiệu số: Không cần phân cực. sử dụng transistor lưỡng cực, LED có thể được mắc nối tiếp hoặc song song. Tụ C để tăng tốc độ điều biến. www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 31
32. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (6) ❖ Mạch phát điều biến cường độ: . Mạch kích thích sử dụng LD: Khác với LED, các mạch kích thích LD cần có mạch vòng điều khiển ổn định công suất phát quang. Dòng tín hiệu Mạch điều khiển dòng kích thích Sợi quang PD LD T TEC Mạch điều khiển Module LD dòng bơm TEC www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 32
33. BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (7) ❖ Mạch phát điều biến cường độ: . Mạch kích thích sử dụng LD: www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 33