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.cost 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