Báo cáo Cơ sở thông tin quang

LỜI MỞ ĐẦU Khi cáp sợi quang được đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, nó đã chứng tỏ được những ưu thế đặc biệt. Các hệ thống thông tin quang với những ưu điểm về băng tần rộng. Cự ly thông tin xa, không bị ảnh hưởng của nhiễu sóng điện từ, khả năng bảo mật thông tin cao.... Do đó trên thế giới cũng như ở nước ta đang phát triển mạnh mạng thông tin đa dịch vụ ISDN. Hơn nữa chỉ có sợi quang mới đáp ứng được đa dịch vụ băng rộng B - ISDN và chế độ chuyển mạch tế bào ATM: các hệ thống thông tin quang không nhiễu đặc biệt phù hợp với tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục và trung kế mà còn cho tiềm năng to lớn trong mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng được các loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Trong phần này em xin trình bày các vấn đề về cơ sở thông tin quang bao gồm: - Khái niệm về thông tin quang - Cấu trúc chung của máy phát và máy thu.trong thông tin quang - Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang CHƯƠNG I: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1. Sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin quang Từ xa xưa con người đã biết dùng ánh sáng để truyền thông tin thông qua khả năng nhận biết của đôi mắt. Cho đến nay lịch sử phát triển của thông tin quang đã trải qua những bước phát triển và ngày càng được hoàn thiện qua những mốc thời gian sau: - 1791. CLAUDE CHAPE. Kỹ sư người Pháp đã phát minh và xây dựng một hệ thống điện báo quang. Hệ thống bao gồm một chuỗi các tháp và các đèn báo di động đặt trên tháp. - 1870. JOHN TYNDALL: Nhà vật lý người Anh đã chứng minh ánh sáng có thể truyền qua một vòi nước uốn cong. Thí nghiệm đã sử dụng nguyên lý phản xạ toàn phần. - Thông tin quang hiện đại được bắt đầu từ khi chế tạo loại Laser đầu tiên vào năm 1958. Đây là linh kiện phát ra tia sáng có cường độ mạnh và tính kết hợp cao nên có thể truyền đi xa. - 1960: Laser bán dẫn và Photodiote được thừa nhận vấn đề còn lại là môi trường truyền dẫn thích hợp. - 1970: Hãng Coring Glass warks chế tạo thành công sợi quang SI có suy hao nhỏ hơn 20 db/km ở bước sóng 633nm. - 1972: Loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4dB/km Vào thời gian này Laser bán dẫn có khả năng thực hiện dao động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo có tuổi thọ khá cao. Dựa vào công nghệ sợi quang, bán dẫn giờ đây đã có thể gửi một số lượng lớn các tín hiệu âm thanh, dữ liệu đến các điểm cách xa nhau hàng trăm km bằng một sợi quang có kích thước như một sợi tóc mà không cần bộ tái tạo. * Ưu điểm của thông tin sợi quang So với dây kim loại cùng trọng lượng và cự ly thì sợi quang có nhiều ưu điểm nổi bật: + Suy hao thấp ® kéo dài cự ly và giảm số trạm lặp + Băng thông rộng nên có thể truyền dẫn số tốc độ cao + Đường kính sợi nhỏ, trọng lượng nhẹ, dễ lắp đặt và chiếm ít diện tích+ Hoàn toàn cách điện + Sợi được chế tạo từ nguồn nguyên liệu phong phú trong tự nhiên (thuỷ tinh, thạch anh) + Ngoài ra nó còn có độ bảo mật thông tin cao, tuổi thọ dài. Dễ bảo dưỡng và có độ tin cậy cao. Hơn nữa dùng sợi quang rất kinh tế và hiệu quả. - Trong thông tin sợi quang được ứng dụng: + Mạng đường trục quốc gia + Đường trung kế + Đường cáp thả biển liên Quốc gia + Đường truyền số liệu + Phát thanh truyền hình + Dùng cho y tế - điện lực và phục vụ anh ninh quốc phòng. 2. Sơ đồ khái quát về hệ thống thông tin quang Sơ đồ khái quát về hệ thống thông tin quang 3. Nguyên lý truyền dẫn ánh sợi trong sợi quang. Hình 1: Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng với các góc tới khác nhau Nguyên lý cơ bản truyền dẫn ánh sáng dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách của hai môi trường khi nó đi từ môi trường loãng sang môi trường đặc hơn. Một tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường có chiết suất n2 < nl. Tia tới hợp với pháp tuyến của mặt phân cách giữa hai môi trường một góc q1. Khi góc tới còn nhỏ. Tại bề mặt phân cách giữa hai môi trường sẽ xảy ra hiện tượng khúc xạ. Tia khúc xạ hợp với pháp tuyến một góc khúc xạ q2. Quan hệ của các góc q1 và q2 với các chiết suất n1 và n2 tuân theo định luật khúc xạ: n1sin q1 = n2 sin q2 (1) Tăng dần góc tới khi tia tới đạt góc qc thì nó không đi vào môi trường q2 nữa mà bị khúc xạ chạy song song với mặt phân cách. Góc khúc xạ là q2=900. Theo (1) ta có: Sin qc = n2/nl (2) Cho tia tới với góc tới q > qc thì ta tới sẽ bị phản xạ hoàn toàn tại mặt phân cách trở lại môi trường 1. Do đó người ta gọi qc là góc tới hạn. Độ lớn của góc, tới hạn phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết suất giữa hai môi trường. Điều kiện có phản xạ toàn phần: - Chiết suất nl > n2 - Góc tới q lớn hơn góc tới hạn qc. 4. Cấu tạo cáp sợi quang Sợi gồm 1 lõi dẫn quang đặc có chiết suất n1, bán kính a đường kính dk và l lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh 1 vật có chiết suất n2<n với đường kính là dm. Các tham số nl, n2, a quyết định đặc tính truyền dẫn sợi quang. Người ta gọi đó là tham số cấu trúc từ nl, n2 Þ định nghĩa: - Độ lệch chiết suất: Dn = nl - n2. - Độ chênh lệch chiết suất tương đối. Hình 2: Cấu tạo sợi quang Hình 3 : Cấu tạo sợi cáp quang 5. Phân loại cáp sợi quang a. Phân loại theo cấu trúc Các sợi trong nhóm sợi quang phân bớ đối xứng theo hướng xoay vòng đồng tâm. Loại cấu trúc này hiện nay rất phổ biến. - Cáp có lõi trục có rãnh: Các sợi hoặc nhóm sợi được đặt trên các rãnh có sẵn trên một lõi cáp - Cáp có cấu trúc băng dẹp. Nhiều sợi cáp được ghép trên một băng và trong một cáp có nhiều băng xếp chồng lên nhau. - Cáp có cấu trúc đặc biệt: trong cáp có thể có các dây kim loại. b. Phân loại mục đích sử dụng - Cáp dùng trên mạng thuê bao nội hạt - Cáp trung kế giữa các tổng đài - Cáp đường dài c. Phân loại theo điều kiện lắp đặt - Cáp chôn trực tiếp - Cáp đặt trong cống - Cáp thả dưới nước - Cáp treo ngoài trời - Cáp dùng trong nhà 6. Dạng phân bố chiết suất trong sợi quang. Cấu trúc của sợi quang gồm 1 lõi bằng thuỷ tinh, có chiết suất lớn và một lớp bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn. Chiết suất của lớp bọc không đổi còn chiết suất của lõi nói chung là thay đổi theo bán kính . Sự biến thiên chiết suất theo bán kinh được viết dưới dạng tổng quát sau: với a > r; a £ r Trong đó: + n1: chiết suất lớn nhất ở lõi + n2: chiết suất lớp bọc + + a: bán kính lõi sợi + b: bán kính lớp bọc + g: số mũ quy định dạng biến thiên + r: khoảng cách tính từ trục đến điểm tính chiết suất Một số giá trị hay dùng của g: g = l: dạng tam giác g = 2: dạng parabol g = ¥: dạng nhảy bậc Hình 4: Các dạng phân bố chiết suất 7. Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc SI - MM Là sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn quay phóng vào đầu sợi quang với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường khác nhau. Các tia sáng truyền trong lõi với vận tốc v = n1 không đổi trong toàn bộ lõi sợi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền khác nhau. Vì nl > n2 của vỏ nên tại mặt phân cách vỏ ruột chiết suất có bước nhảy. Khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đáu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi. Do đó xảy ra hiện tượng tán sắc. Hình 5: Sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc SI - MM 8. Sợi quang đa mốt có chiết suất giảm dần (MM - GI). với a < r < b; a £ a Hình 6. Sự truyền ánh sáng trong sợi GI - MM quang đa mode chiết suất giảm dần. Vì chiết suất lõi thay đổi trên trục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần.. Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nên tốc độ cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng có vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại. Tia truyền dọc theo trục sợi có đường truyền ngắn nhất nhưng có vận tốc nhỏ nhất vì suất ở trục là lớn nhất. Độ tán sắc của sợi GI nhỏ so với sợi SI. Góc mở e ở đầu sợi GI cũng thay đổi theo bán kính r vì n1 là hàm biến thiên theo r. N1 = nl (r) sin q(r) = - Trên trục sợi: r = 0 thì q(0) = qmax r = a thì q(a) = 0 9- Sợi đơn mode có chiết suất bậc (SI - SM). Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền trong sợi thì gọi sợi là đơn mode. Do chỉ có một bước sóng truyền trong sợi nên độ tán sắc do đường truyền bằng O và sợi đơn mode có dạng chiết suất phân bố nhảy bậc. Các thông số của sợi đơn mode thông dụng. - Đường kính lõi: d = 2a = (9 ¸ 10) mm. - Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125 mm - Độ lệch chiết suất: D = 0,03 = 3% - Chiết suất lõi: n1 = 1,46 Độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode (kể cả loại GI). Đặc biệt ở bước sóng 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode, rất thấp. Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng. Vì kích thước sợi đơn mode rất nhỏ nên đòi hòi kích thước linh kiện quang điện cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác cao. Các yêu cầu này hiện nay công nghệ đáp ứng được. Do đó sợi đơn mode được dùng rất phổ biến. CHƯƠNG II: CÁC NGUYÊN NHÂN TỔN HAO TRONG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN QUANG Công suất truyền đi trong sợi quang cũng bị suy hao. Nó suy hao theo quy luật hàm số mũ tương đương với tín hiệu điện. Biểu thức tổng quát để tính độ tổn hao là: Trong đó: p2: công suất quang tại điểm xét pl: công suất đưa vào đầu sợi quang a: hệ số suy hao Suy hao tính hiệu trong truyền dẫn sợi quang có nhiều nguyên nhân. Ở đây ta chỉ xét một số nguyên nhân chủ yếu. 1. Suy hao do hấp thụ Khi chế tạo sợi quang cho dù tinh khiết đến mấy thì vẫn lẫn một số tạp chất (các tạp chất như kim loại, ion...). Nó giống như một mảnh vải đen có thể hấp thụ ánh sáng rất tốt. Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng 950nm; 1240 nm; 1440nm.. Hình 7: Độ hấp thụ các tạp chất kim loại Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1db cần có thuỷ tinh thật tinh khiết với đồng độ tạp chất không quá 10-8. Tuy nhiên thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tín và vùng hồng ngoại. Sự hấp thụ thay đổi theo từng bước sóng. Hình 8: 2. Suy hao do tán xạ Khi sóng điện từ truyền qua những chỗ không đồng nhất sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ. Khi kích thước của vùng đồng nhất khoảng một phần bước sóng thì chúng trở thành những nguồn điểm thách các tia sáng truyền qua chỗ này sẽ toả theo nhiều hướng. Một phần năng lượng của ánh sáng tiếp tục theo hướng cũ, phần còn lại truyền theo hướng ra xa nhau, có khi chúng còn truyền ngược trở lại nguồn quang. Cần chú ý đặc biệt đến hiện tượng tán xạ Rayleigh. Độ suy hao của loại tán xạ này tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng nên suy giảm rất nhanh ở bước sóng dài. Ở bước sóng 850nm suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi Silicat khoảng 1 ¸ 2dB/1km và bước sóng 1310nm suy hao chi khoảng 0,3 dB/km ở bước sóng 1550 nm độ suy hao này còn thấp nữa. 3. Suy hao do sợi bị uốn cong Khi sợi quang bị uốn cong, nó cũng làm tín hiệu suy hao đi một độ nhất định. Đặc biệt sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ bị uốn cong, nhất là về phía bước sóng dài. Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhở thì độ suy hao càng lớn. Thực tế, nếu hạn chế được độ cong của cáp trong bán kính cho phép thì độ suy hao này có thể bỏ qua. Hình 9: Suy hao do uốn cong cáp thay đổi theo bán kính cong Trong thông tin quang có 3 cửa sổ thông dụng + Cửa sổ thứ nhất ở bước sóng 850 nm: Bước sóng này được xem là bước sóng có suy hao thấp nhất với các sợi quang được chế tạo ở giai đoạn đầu. Suy hao ở bước sóng này ít sử dụng. Ngày nay bước sóng này ít sử dụng + Cửa sổ thứ 2 ở bước sóng 1310 nm. Suy hao ở cửa sổ này tương đối thấp. Khoáng 0,5 ¸ 0,4 dB/km. Đặc biệt ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp nên được sử dụng rộng rãi. + Cửa sổ thứ 3 ở bước sóng 1550 nm. Hiện nay, suy hao ở bước sóng này là thấp nhất có thể dưới 0,2 dB/km. Ưu điểm là tán sắc nhở và suy hao thấp. Tuy nhiên hiện nay bước sóng này ít được sử dụng nhưng trong tương lai sẽ được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là tuyến cáp quang biển. 4. Tán sắc trong thông tin quang Tương tự tín hiệu điện. Tín hiệu quang khi truyền qua sợi quang cũng bị méo dạng. Hiện tượng này gọi là tự tán sắc. Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệu Analog và làm xung bị chồng lấp trong tín hiệu Digital. Nó cũng làm hạn chế dải thông của đường truyền quang. Tán sắc trong thông tin quang có thể chia ra làm các loại: - Tán sắc mode - Tán sắc sắc thể (gồm tán sắc chất liệu và tán sắc dẫn sóng). Sợi đơn mode chỉ có tán sắc sắc thể. Tán sắc mode thực chất 1à do ảnh hưởng của nhiều đường truyền năng lượng của ánh sáng phân bố thành nhiều mode. Mỗi mode lại truyền với thời gian truyền khác nhau. Hình 10 * Tán sắc châu liệu: Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền của ánh sáng có bước sóng cũng thay đổi. Độ tán sắc này cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang. Đơn vị tính PS/nm.km Nếu dùng nguồn quang là LED với bề rộng phổ Dl = 50 nm thì độ nới rộng xung qua mỗi km là D = m. Dl = 100 PS/nm.km * 50nm = 5nm/km. Nếu nguồn quang là LD diote có Dl = 3nm thì độ nới rộng xung chỉ khoảng 0,3 nm/km. Ở bước sóng 1310 nm tán sắc chất liệu có giá trị bằng tán sắc ống dẫn sóng nhưng ngược dấu nên tán sắc sắc thể bằng không. Do đó bước sóng 1310 nm thường được chọn cho đường truyền tốc độ cao. Ở bước sóng 1550nm tán sắc chất liệu có giá trị khoảng 20 PS/nm.km. Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng Sự phân bố trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng chính điều này gân nên sự tán sắc ống dân sóng. Loại tán sắc này có giá trị nhỏ và chỉ đáng chú ý với sợi đơn mode. CHƯƠNG III: CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN QUANG VÀ QUANG ĐIỆN 1. Các bộ chuyển đổi điện quang Để thực hiện truyền thông tin quang bằng sợi quang, cần có các dụng cụ quang điện tử đặc biệt để phát, thu và xử lý các tín hiệu bức xạ truyền qua sợi quang. Trong các dụng cụ phát bức xạ mang thông tin vào sợi quang (nguồn quang) thì quan trọng nhất là diot phát sáng LED hay các diot laser LD. Dưới đây là các nguyên tắc cơ bản về hoạt động của chúng cũng như một số các thông số kỹ thuật. 2. Nguyên lý chung Cả 2 loại diot trên đều được phát triển từ diot bán dẫn, tức là từ tiếp giáp P-N. Các đặc tính kỹ thuật của nguồn quang phần lớn phụ thuộc vào cấu tạo của chúng. Riêng bước sóng của ánh dơ nguồn quang phát ra phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang. Mỗi chất bán dẫn có bề rộng khe năng lượng Eg khác nhau, mà Eg quyết định tần số và do đó quyết định bước sóng của ánh sáng phát ra theo công thức: Eg = hv = hc/l Trong đó: h = 6.625 * 10-34 J.s: hằng số Plan C = 3. 108 km/s; Vận tốc ánh sáng trong chân không Eg (ev): bề rộng khe năng lượng V (Hz): tần số ánh sáng phân ra lC (mm): bước sóng ánh sáng phát ra Từ công thức trên, ta thấy bước sóng ánh sáng phát ra tỷ lệ với bề rộng khe năng lượng của chất bán dẫn chế tạo nguồn quang. Như vậy muốn nguồn quang phát ra ánh sáng có bước sóng dài phải dùng chất bán dẫn có bề rộng khe năng lượng hẹp. Ví dụ: Bán dẫn Gallium Ansenide GaAS có Ag=1,43eV nên l=0,89mm Bán dẫn Indium phosphide Inp có Eg=l,35eV nên l = 0,92mm 3 Diot phát sáng Led. a. Cấu tạo và phân loại: Led tiếp xúc mặt GA As Đây là loại cấu trúc đơn giản nhất, dùng bán dẫn GaAs với nồng độ khác nhau để làm lớp nền loại N và lớp phát sáng loại P. Lớp P dày khoảng 200mm, ở mặt ngoài có phủ một lớp chống phản xạ để ghép ánh sáng vào sợi quang. Bước sóng phát ra của LED GaAs trong khoảng 880 đến 950nm._ - LED Burrus LED Burrus được cấu tạo theo cấu trúc nhiều lớp bao gồm các lớp bán dẫn loại N và P với bề dày và nồng độ khác nhau. Với cấu trúc nhiều lớp và mạch tiếp xúc P có kích thước nhỏ, vùng phát sáng của LED Burrus tương đối hẹp. Ngoài ra, bề mặt của LED còn khoét lỗ để đưa sợi quang vào gần vùng phát sáng. Bước sóng của LED Burrus dùng bán dẫn AlGaAs/ GaAs như trong hình trên, trong khoảng 800 đến 850nm. Nếu dùng bán dẫn InGaAs/ InP thì bước sóng phát ra sẽ dài hơn. - LED phát xạ ra ELED: ELED có cấu tạo khác với LED thông thường. Các điện cực tiếp xúc bằng kim loại phủ kín trên bề mặt và đáy của ELED. Do đó, ánh sáng không thể phát ra phía hai mặt được mà bị giữ trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp. Lớp tích cực rất mỏng, bằng vật liệu có chiết suất lớn, kẹp giữa hai lớp P và N có chiết suất nhỏ hơn. Cấu trúc như vậy tương tự cấu trúc sợi quang, trong đó lớp tích cực có chiết suất lớn tương đương lõi, hai lớp P và N có chiết suất nhỏ hơn tương đương với lớp bọc hay tương đương với một ống dẫn sóng. Ánh sáng phát ra từ một trong hai đầu ống dẫn sóng này được nối với sợi quang. Với cấu trúc như vậy. ELED có ưu điểm là vùng phát sáng hẹp, góc phát sáng nhỏ nên hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao. Tuy nhiên, nó có hạn chế là khi hoạt động, nhiệt độ ELED khá cao nên cần giải nhiệt tốt. Với cấu trúc của LED càng phức tạp, công suất phát sáng càng cao, góc ánh sáng càng hẹp. Tất nhiên kèm theo đó, giá thành cũng cao hơn. b. Đặc tính kỹ thuật - Thông số điện: Dòng điện hoạt động từ 50mA đến 300mA, điện áp sụt trên LED từ 15V đến 2,5V. - Công suất phát quang: Công suất phát của LED từ l đến 3 mw. Đặ biệt có loại có thể có công suất tới 10mV. Các LED phát xạ mặt có công suất phát cao hơn so với LED phát xạ và với cùng dòng điện kích thích. - Góc phát quang: Công suất ánh sáng do các nguồn quang phát ra cực đại ở trục phát quang và giảm dần theo góc hợp với trục. Góc phát quang được xác định ở mức công suất quang giảm một nửa so với cực đại. Góc phát quang của LED phát xạ mặt lớn hơn so với LED phát xạ rìa. - Hiệu suất ghép quang: Hiệu suất ghép quang được tính bởi tỷ số công suất quang ghép vào sợi quang với công suất phát quang tổng cộng của nguồn quang. Hiệu suất ghép phụ thuộc kích thước vùng phát quang, góc phát quang của nguồn, góc thu quang (Khẩu độ số) của sợi quang và vị trí đặt nguồn quang và sợi quang. - Độ rộng phổ: Nguồn quang phát ra công suất cực đại ở bước sóng trung tâm và giảm dần về hai phía. Độ rộng phổ là khoảng bước sóng mà trong đó công suất quang không nhỏ hơn nửa mức công suất đỉnh. Thường LED có độ rộng phổ trong khoảng 35 đến 100nm 4. Diod laser LD a) Cấu tạo: Cấu tạo LD tương ứng như ELED. Điểm khác biệt cơ bản là trong LD có hai mặt phản xạ ở hai đầu lớp tích cực tạo nên một hốc cộng hưởng sẽ bị phản xạ qua lại giữa hai mặt phản xạ. Trong quá trình di chuyển theo chiều dọc của hốc, ánh sáng kích thước các điện tử kết hợp với lỗ trống để phóng ra các photon mới. Hình: Cấu tạo Diod laser bán dẫn Để tăng hiệu quả phản xạ, thực tế các LD có cấu trúc phức tạp hơn. Ví dụ: Loại LD có cấu trúc nhiều lớp, còn gọi là Laser BH (Bums Heterostructune). Vùng phát sáng của loại BH rất hẹp (2mm x 0.2mm) nên hiệu suất ghép ánh sáng vào lõi sợi quang rất cao. b) Đặc tính kỹ thuật: + Thông số điện: Dòng điện ngưỡng: khi dòng điện kích thích cho LD có trị số nhỏ, LD hoạt động ở chế độ phát xạ tự phát nên công suất quang rất thấp. Khi được kích thích với dòng điện lớn, LD phát xạ ở chế độ kích thích công suất quang tăng nhanh theo dòng kích thích. Dòng điện ngưỡng của LD thay dổi theo nhiệt độ. Đối với những LD đời mới dòng điện ngưỡng chỉ khoảng 10mA đến 20mA. Dòng điện kích thích: từ vài chục đến và trăm mA theo từng loại Điện áp sụt trên LD: từ 1,5V đến 2,5V + Công suất phát: Công suất phát của LD từ 1 đến 10mw, đối với những Diode đời mới có thể lên đến 50mw hay hơn nữa. + Góc phát sáng: Góc phát sáng của LD theo phương ngang của lớp tích cực góc phát có thể đến 40 độ. Như vậy mặt bao của góc phát không phải là mặt nón tròn xoay mà là mặt nón hình líp. + Hiệu suất ghép: LD có vùng phát sáng nhỏ và góc phát sáng hẹp nên hiệu suất ghép vào sợi quang cao. Trung bình hiệu suất ghép của LD trong khoảng: - 30% - 50%: đối với sợi đơn mode (SM) - 60-90%: đối với sợi đa mode (MM) Hiệu suất ghép của LED và LD cũng thay đổi theo khẩu độ số (NA) của sợi quang. + Độ rộng phổ: Dạng phổ xạ của LD là tổng hợp đặc tuyến khuếch đại (do bề rộng khe năng lượng thay đổi) và đặt tuyến chọn lọc của hốc hưởng quang (phụ thuộc chiều dài hốc) so với LED thì độ phát xạ của LD rất hẹp, trong khoảng từ l đến 4nm. Người ta có khuynh hướng chế tạo LD có phổ ngày càng hẹp để giảm tán sắc chất liệu khi sử dụng bước sóng 1550nm và trong tương lại có thể sử dụng rộng rãi kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM). Có thể tạo ra LD có phổ rất hẹp được giọ là LD đơn tầng theo ba hướng. LD hồi tiếp phân bố DFB (Distributed Feedback) trong loại này mặt chuỗi gợn sóng trên lớp bán dẫn làm nền (thay thế cho các mặt phản xạ hai đầu) chỉ phản xạ những bước sóng nhất định vào tròng LD và gần như chỉ một bước sóng cộng hưởng khuếch đại. Phổ của LD DFB rất hẹp chỉ vào khoảng 0,1 đến 0,2nm. LD hốc ghép C - cubed hay C3 (cleaved coupled cavity): hai chíp LD được ghép quang với nhau nhưng cách ly về điện để tạo được giới hạn bước sóng phát LD hốc ngoài (external cavity): là loại LD có mặt phản xạ bên ngoài thay vì tráng mặt phản xạ trong LD thông thường. Hình: Cấu tạo Diod laser bán dẫn + Thời gian chuyển lên: Thời gian để công suất quang tăng từ 10% đến 90% mức công suất xác lập của LD rất nhanh, thông thường không quá 1nm. + Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ thay đổi thì dòng ngưỡng LD thay đổi và do đó công suất quang phát ra cũng thay đổi nếu giữ nguyên dòng điện kích thích. Khi nhiệt độ tăng thì dòng ngưỡng cũng tăng (đặc tuyến dịch về phía phải) nếu nhiệt độ tăng cao thì dòng ngưỡng cũng tăng theo hàm số mũ của sự gia tăng nhiệt (Dt) đồng thời độ dốc của đặc tuyến kia cũng giảm. Trung bình, độ gia tăng dòng ngưỡng theo nhiệt độ vào khoảng + l%/0C. Ngoài ra khi nhiệt độ thay đổi thì bước sóng phát cũng thay đổi nhưng mức độ ảnh hưởng rất thấp. Điều này không quan trọng đối với hệ thống thông tin quang hiện tại nhưng có thể phải lưu ý đối với hệ thống ghép kênh theo bước sóng trong tương lai. 5. Các bộ chuyển đổi quang điện 5.1. Nguyên lý biến đổi quang điện Các kinh kiện biến đổi quang điện sử dụng trong thông tin quang điện hiện nay là các linh kiện bán dẫn. Các linh kiện biến đổi quang điện hoạt động dựa trên ba hiện tượng sau đây: - Khi có một Photon bức xạ và chất bán dẫn, cung cấp năng lượng (E=hv) cho một điện tử đang ở trong vùng hoá trị thì điện tử sẽ chuyển lên vùng dẫn. Photon biến mất. Điện tử để lại trong một tổ trống trong vùng hoá trị, như vậy một Photon (có năng lượng thích hợp) chiếu vào chất bán dẫn sẽ tạo ra một điện tử và một tổ trống còn Photon thì biến mất. Hiện tượng này được gọi là sự hấp thụ, được ứng dụng trong các Photon Diod để làm các linh kiện tách sóng quang. - Nếu trong vùng dẫn có số điện tử nhiều hơn mức cân bằng thì điện tử thừa sẽ rơi xuống vùng hoá trị một cách tự phát để kết hợp với lỗ trống. Trong quá trình chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, năng lượng chênh lệch được bức xạ ra dưới dạng Photon. Như vậy khi một điện tử kết hợp với một lỗ trống có thể làm bức xạ ra một Photon. Hiện tượng này gọi là sự phát xạ tự phát, được ứng dụng trong các diod phát quang (LED) dùng làm nguồn quang. - Hiện tượng thứ ba được gọi là sự phát xạ kích thích, được ứng dụng trong các Laser Diode dùng làm nguồn quang. Hiện tượng này xảy ra khi các Photon mới. Quá trình cứ tiếp diễn và số lượng Photon phát ra rất lớn. Ánh sáng phát ra trong quá trình phát xạ kích thích có cùng bước sóng và cùng pha. Các dạng chuyển đổi quang điện trongg chất bán dẫn 5.2. Tách sóng quang: a) Nguyên lý chung: Các linh kiện tách sóng quang hiện nay cũng là loại linh kiện bán dẫn cấu tạo của chúng cũng phát triển từ tiếp giáp PN. Có hai loại linh kiện tách sóng quang được sử dụng hiện nay: - PIN: loại Diode thu quang gồm ba lớp bán dẫn P, I và N. Trong đó P và N là hai lớp bán dẫn có pha tạp chất còn I là lớp bán dẫn không pha tạp chất hoặc pha với nồng độ rất thấp. - APD: Loại Diode thu quang hoạt động trong chế độ thác lũ ngoài ra còn có transitor quang cũng có khả năng biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện nhưng có thời gian đáp ứng chậm nên ít được sử dụng. Nếu có chỉ xuất hiện trong các hệ thống có cự ly ngắn và tốc độ chậm. Về cơ bản, cấu tạo APN giống như PIN, trong đó lớp I của PN được thay bằng một lớp bán dẫn yếu là Sp, hai lớp còn lại vẫn là hai lớp bán dẫn tốt P+ và N+. Nền Sp là nơi sinh ra các cặp điện tử - lỗ trống bên trái Sp bị giới hạn bởi lớp P+ còn bên phải bị giới hạn lớp N+. Điện trường do điện áp phân cực ngược bên ngoài đặt vào thay đổi bời lớp tiếp giáp P-N+. Trong vùng Sp điện trường tăng chậm nhưng trong vùng P-N+ thì tăng nhanh. Lớp tiếp giáp P-N+ gọi là miền thác. Nguyên lý hoạt động của APD cơ bản giống PIN khi các điện tử trong miền Sp dịch chuyển đến miền thác P-N+ chúng có thể nhận thêm năng lượng tĩnh của dãy cấm, tăng tốc và va chạm vào các nguyên tử để tạo ra phần tử mang điện mới. Giữa hai quá trình va chạm có thời gian tự do là t. Để đánh giá khả năng làm việc của APD, người ta định nghĩa tích số độ khuếch đại và độ rộng băng là: MB = 1/2 pt. Nếu t = 1ps, MP = 160 GHZ. Cũng cần lưu ý rằng so với PIN, APD yêu cầu điện áp lớn hơn và phải rất ổn định, do đó chi phí đảm bảo chế độ công tác của Diode này cũng lớn hơn. b) Các đặc tính và tham số cơ bản: - Hiệu suất lượng tử hoá: Hiệu suất lượng tử hoá được định nghĩa là tỷ số điện tử được sinh ra trên số Pho ton được hấp thụ, thường các Diode có hiệu suất khoảng 60-80% đặc biệt