Transcript Chuong3

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
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
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
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (1)
 Qu¸ tr×nh hÊp thô vµ ph¸t x¹:
. XÐt hÖ 2 møc ®¬n gi¶n: cã 3 qu¸ tr×nh c¬ b¶n
E2
E2
E2
hf
hf
E1
a) Quá trình hấp thụ
www.ptit.edu.vn
E1
b) Phát xạ tự phát
hf
E1
hf
hf
c) Phát xạ kích thích
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 4
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (2)
 TiÕp gi¸p P-N:
. H×nh thµnh tõ hai lo¹i b¸n dÉn lo¹i n vµ b¸n dÉn lo¹i p: Khi
cha ®Æt ®iÖn ¸p ph©n cùc  C¸c h¹t t¶i ®a sè khuyÕch
t¸n qua líp tiÕp gi¸p  H×nh thµnh hµng rµo thÕ
. Tr¹ng th¸i c©n b»ng thiÕt lËp  Vïng nghÌo (kh«ng cã h¹t
t¶i linh ®éng)
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 5
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (3)
 TiÕp gi¸p P-N:
. Ph©n cùc ngîc: Vïng nghÌo më réng ra, c¸c ®iÖn tö vµ c¸c
lç trèng khã gÆp nhau ®Ó t¸i hîp ph¸t ra ¸nh s¸ng  Sö
dông trong photodiode.
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 6
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (4)
 TiÕp gi¸p P-N:
. Ph©n cùc thuËn: Vïng nghÌo hÑp l¹i hay hµng rµo thÕ
thÊp xuèng  c¸c ®iÖn tö vµ c¸c lç trèng ®îc b¬m vµo
vïng nghÌo dÔ dµng t¸i hîp ph¸t ra ¸nh s¸ng.
. Quan hÖ gi÷a dßng ch¹y qua tiÕp gi¸p vµ thÕ ®Æt vµo:
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 7
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (5)
. CÊu tróc ®ång thÓ: c¸c h¹t t¶i kh«ng bÞ giam h·m  hiÖu
suÊt ph¸t x¹ kÐm.
. CÊu tróc dÞ thÓ kÐp: gåm 3 líp c¬
b¶n
- Líp b¸n dÉn máng ë gi÷a cã Eg nhá
(líp tÝch cùc)
- Hai líp b¸n dÉn p vµ n hai bªn cã Eg
lín h¬n (c¸c líp h¹n chÕ)
. ¦u ®iÓm:
- Giam h·m h¹t t¶i
- Giam h·m photon
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 8
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LED (1)
 CÊu tróc cña LED:
. CÊu tróc dÞ thÓ kÐp
. Dùa trªn c¬ chÕ ph¸t x¹ tù
ph¸t
. ¸nh s¸ng ph¸t ra lµ ¸nh
s¸ng kh«ng kÕt hîp cã ®é
réng phæ lín (30 - 60 nm)
. §é réng chïm s¸ng ph¸t x¹
lín  HiÖu suÊt ghÐp nhá
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 9
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LED (2)
 Mét sè lo¹i LED:
. LED ph¸t x¹ mÆt:
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 10
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LED (3)
 Mét sè lo¹i LED:
. LED ph¸t x¹ c¹nh:
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 11
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LED (4)
 §Æc tÝnh P-I cña LED:
. §é ®¸p øng cña LED:
(3.31)
. §êng ®Æc tÝnh P-I tØ lÖ theo I,
b·o hoµ ë dßng b¬m cao.
. NhiÖt ®é t¨ng  §é ®¸p øng gi¶m.
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 12
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LED (5)
 §Æc tÝnh phæ cña LED:
. Phæ cña LED liªn quan ®Õn phæ ph¸t x¹ tù ph¸t.
. §é réng phæ:
www.ptit.edu.vn
(3.33)
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 13
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LASER DIODE (LD) (1)
 CÊu t¹o c¬ b¶n cña LD:
. Laser: Bé céng hëng trong mét m«i trêng tÝch cùc
(khuyÕch ®¹i)
. Laser b¸n dÉn hay LD: cÊu tróc dÞ thÓ kÐp
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 14
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LASER DIODE (LD) (2)
 §iÒu kiÖn ngìng LD:
. Qu¸ tr×nh håi tiÕp quang: thùc hiÖn trong mét hép céng hëng
h×nh thµnh bëi 2 g¬ng ph¶n x¹.
. §é ph¶n x¹:
(3.43)
. Ngìng laser: c¸c photon sinh ra tõ ph¸t
x¹ kÝch thÝch bæ xung cho c¸c photon
bÞ mÊt ®i do suy hao  kh®¹i quang
ph¶i ®ñ lín ®Ó bï suy hao hép céng hëng  Ho¹t ®éng laser chØ x¶y ra khi
dßng b¬m > dßng ngìng.
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 15
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LASER DIODE (LD) (3)
 §iÒu kiÖn ngìng LD:
. Biªn ®é tÝn hiÖu quang sau mçi lé tr×nh
(3.44)
Trong ®ã: E0-biªn ®é tríc lé tr×nh, L-chiÒu dµi líp tÝch cùc
int-suy hao bªn trong hép céng hëng, k-sè sãng, R-hÖ sè ph¶n x¹
. §iÒu kiÖn ®Ó ph¸t x¹ laser: (1) biªn ®é sau mçi lé tr×nh ph¶i
lín h¬n biªn ®é ban ®Çu, (2) pha sau mçi lé tr×nh ph¶i kh«ng
®æi.
(3.45)
. T¹i ngìng:
(3.46)
. VÒ biªn ®é:
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 16
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LASER DIODE (LD) (4)
 §iÒu kiÖn ngìng LD:
. §iÒu kiÖn vÒ pha:
m-sè nguyªn  c¸c tÇn sè cña c¸c mode däc ph¸t x¹ laser.
(3.47)
. Gi¶ sö phæ k®¹i d¹ng Gauss:
(3.48)
(3.49)
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG
(3.50) TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 17
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LASER DIODE (LD) (5)
 §iÒu kiÖn ngìng LD:
. Do phæ k®¹i laser ®ñ réng
(~ 10 THz)  Tån t¹i nhiÒu
mode däc  Laser ®a mode
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG
(3.50) TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 18
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LASER DIODE (LD) (6)
 C¸c cÊu tróc cña LD:
CÊu tróc LD dÉn sãng khuyÕch ®¹i (a) d¶i oxide (b) d¶i tiÕp gi¸p
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG
(3.50) TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 19
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LASER DIODE (LD) (7)
 C¸c cÊu tróc cña LD:
CÊu tróc LD dÉn sãng chiÕt suÊt (a) dÉn sãng chiÕt suÊt
yÕu (b) dÉn sãng chiÕt suÊt m¹nh
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG
(3.50) TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 20
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LASER DIODE (LD) (8)
 C¸c cÊu tróc cña LD:
. Laser ph©n bè håi tiÕp (DFB): Qu¸ tr×nh håi tiÕp ®îc
thùc hiÖn bëi nhiÔu x¹ Bragg ghÐp cÆp c¸c sãng lan
truyÒn theo chiÒu thuËn ngîc.
GhÐp cÆp chØ x¶y ra ®èi víi mode tho¶ m·n ®iÒu kiÖn
Bragg:
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG
(3.50) TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 21
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LASER DIODE (LD) (9)
 C¸c cÊu tróc cña LD:
. Laser bé ph¶n x¹ Bragg ph©n bè (DFB): C¸ch tö Bragg
hai ®Çu ®îc sö dông nh g¬ng ph¶n x¹.
§é ph¶n x¹ ®¹t cùc ®¹i t¹i bíc sãng tho¶ m·n ®iÒu kiÖn
Bragg.
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG
(3.50) TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 22
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LASER DIODE (LD) (10)
 §Æc tÝnh cña LD:
. Tr¹ng th¸i tÜnh: §Æc tÝnh P-I
¶nh hëng cña nhiÖt ®é:
(3.74)
(3.75)
Th¨ng gi¸ng c«ng suÊt ph¸t x¹
theo nhiÖt ®é:
(3.76)
(3.77)
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 23
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
LASER DIODE (LD) (11)
 NhiÔu cña LD:
. C¸c nguån nhiÔu chÝnh tõ LD:
- NhiÔu v× sù håi tiÕp quang bªn ngoµi
- NhiÔu liªn quan ®Õn dao ®éng håi phôc
- NhiÔu v× nh¶y mode
- NhiÔu phÇn mode
- NhiÔu v× ph¸t x¹ tù ph¸t
- NhiÔu v× th¨ng gi¸ng do nhiÖt ®é vµ dßng b¬m
. NhiÔu cêng ®é t¬ng ®èi RIN:
Hai c¬ chÕ sinh nhiÔu c¬ b¶n:
- Ph¸t x¹ tù ph¸t (chiÕm u thÕ)
- NhiÔu nè (t¸i hîp ®iÖn tö-lç trèng)
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 24
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
CÁC NGUỒN LD ĐƠN MODE (1)
. Laser ghÐp cÆp hép
céng hëng:
Sù dÞch pha trong hép céng hëng ngoµi  ghÐp cÆp chØ
x¶y ra ®èi víi håi tiÕp ®ång pha
cho c¸c mode laser cã bíc sãng
trïng víi mét trong c¸c mode
däc.
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 25
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
CÁC NGUỒN LD ĐƠN MODE (2)
. Laser hép céng hëng ngoµi
. Laser hép céng hëng ph©n
chia ghÐp cÆp.
. Laser DBR nhiÒu phÇn.
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 26
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
BỘ PHÁT QUANG (1)
 Giíi thiÖu: Cã 2 lo¹i bé ph¸t quang
. §iÒu biÕn trùc tiÕp: LED or LD
. §iÒu biÕn ngoµi: LD + Bé ®iÒu chÕ ngoµi
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 27
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
BỘ PHÁT QUANG (2)
 GhÐp nèi nguån quang vµ sîi:
. §èi víi LED: Sö dông vi thÊu kÝnh: ~ 1 - 10 %
. §èi víi SLED: ~ 1 %, ELED: ~ 10 %
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 28
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
BỘ PHÁT QUANG (3)
 GhÐp nèi nguån quang vµ sîi:
. §èi víi LD: Sö dông vi thÊu kÝnh: ~ 40 - 90 %
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 29
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
BỘ PHÁT QUANG (4)
 M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn cêng ®é:
. M¹ch kÝch thÝch sö dông LED:
- §èi víi tÝn hiÖu t¬ng tù: Sö dông transistor lìng cùc, LED kÕt nèi víi cùc c
hoÆc e víi mét ®iÖn trë h¹n chÕ dßng. TÝn hiÖu ®iÒu biÕn ®a vµo cùc b.
Dßng ®iÒu biÕn: i(t) = Ib + Im.cost  P = Pb + Pm.cos t (3.118)
Vdc
m = Im/Ib - ®é s©u ®iÒu biÕn
(3.119)
 m’ = Pm/Pb - ®é s©u ®iÒu biÕn
(V1  V0 )
quang
Theo m¹ch: I b 
(3.120)
Ra  Rb
V1 
Ra
Vdc
Ra  Rb
Dßng ch¹y qua LED: Vdc  ic R e  vCE  vd
www.ptit.edu.vn
LED
Rb
Re
Vs
R1  (1  )R e
Trong ®ã: R1  R a R b
Ra
R
(3.121)
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 30
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
BỘ PHÁT QUANG (5)
 M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn cêng ®é:
. M¹ch kÝch thÝch sö dông LED:
- §èi víi tÝn hiÖu sè: Kh«ng cÇn ph©n cùc. sö dông transistor lìng
cùc, LED cã thÓ ®îc m¾c nèi tiÕp hoÆc song song. Tô C ®Ó t¨ng
tèc ®é ®iÒu biÕn.
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 31
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
BỘ PHÁT QUANG (6)
 M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn cêng ®é:
. M¹ch kÝch thÝch sö dông LD: Kh¸c víi LED, c¸c m¹ch kÝch thÝch
LD cÇn cã m¹ch vßng ®iÒu khiÓn æn ®Þnh c«ng suÊt ph¸t quang.
Dßng tÝn
hiÖu
M¹ch ®iÒu khiÓn
dßng kÝch thÝch
Sîi quang
PD
LD
T TEC
M¹ch ®iÒu khiÓn
dßng b¬m TEC
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Module LD
Trang 32
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
BỘ PHÁT QUANG (7)
 M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn cêng ®é:
. M¹ch kÝch thÝch sö dông LD:
www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1
Trang 33