HC VIN CNG NGH BU CHNH VIN THNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ TRUYỀN THÔNG SỢI QUANG Bộ môn: Thông tin quang - Khoa VT 1 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 VT 1 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 VT 1 Trang 3

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (1) v Qu¸ tr×nh hÊp thô vµ ph¸t x¹: . XÐt hÖ 2 møc ®¬n gi¶n: cã 3 qu¸ tr×nh c¬ b¶n E 2 E 2 hf hf E 1 a) Quá trình hấp thụ www. ptit. edu. vn E 1 b) Phát xạ tự phát hf E 1 hf hf c) Phát xạ kích thích BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT 1 Trang 4

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (2) v TiÕp gi¸p P N: . H×nh thµnh tõ hai lo¹i b¸n dÉn lo¹i n vµ b¸n dÉn lo¹i p: Khi ch a®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 VT 1 Trang 5

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (3) v TiÕp gi¸p P N: . Ph©n cùc ng îc: 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 VT 1 Trang 6

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG TIẾP GIÁP DỊ THỂ KÉP (4) v 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 VT 1 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 VT 1 Trang 8

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (1) v 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 VT 1 Trang 9

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (2) v Mét sè lo¹i LED: . LED ph¸t x¹ mÆt: www. ptit. edu. vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT 1 Trang 10

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (3) v Mét sè lo¹i LED: . LED ph¸t x¹ c¹nh: www. ptit. edu. vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT 1 Trang 11

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (4) v §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 VT 1 Trang 12

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LED (5) v §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 VT 1 Trang 13

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (1) v CÊu t¹o c¬ b¶n cña LD: . Laser: Bé céng h ëng trong mét m «i tr êng 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 VT 1 Trang 14

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (2) v §iÒu kiÖn ng ìng. LD: . Qu¸ tr×nh håi tiÕp quang: thùc hiÖn trong mét hép céng h ëng h×nh thµnh bëi 2 g ¬ngph¶n x¹. . §é ph¶n x¹: (3. 43) . Ng ìnglaser: 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 h ëng Ho¹t ®éng laser chØ x¶y ra khi dßng b¬m > dßng ng ìng. www. ptit. edu. vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT 1 Trang 15

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (3) v §iÒu kiÖn ng ìng. LD: . Biªn ®é tÝn hiÖu quang sau mçi lé tr×nh (3. 44) Trong ®ã: E 0 biªn ®é tr íclé tr×nh, L chiÒu dµi líp tÝch cùc int suy hao bªn trong hép céng h ëng, 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 ng ìng: . VÒ biªn ®é: www. ptit. edu. vn (3. 46) BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT 1 Trang 16

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (4) v §iÒu kiÖn ng ìng. 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 VT 1 Trang 17

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (5) v §iÒu kiÖn ng ìng. 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 VT 1 Trang 18

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (6) v 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 VT 1 Trang 19

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (7) v 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 VT 1 Trang 20

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (8) v 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 ng îc. 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 VT 1 Trang 21

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (9) v 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 ¬ngph¶n x¹. §é ph¶n x¹ ®¹t cùc ®¹i t¹i b ícsãng tho¶ m·n ®iÒu kiÖn Bragg. www. ptit. edu. vn BỘ MÔN: THÔNG (3. 50) TIN QUANG - KHOA VT 1 Trang 22

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (10) v §Æc tÝnh cña LD: . Tr¹ng th¸i tÜnh: §Æc tÝnh P I ¶nh h ëngcña 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 VT 1 Trang 23

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG LASER DIODE (LD) (11) v 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 c êng®é t ¬ng®èi RIN: Hai c¬ chÕ sinh nhiÔu c¬ b¶n: Ph¸t x¹ tù ph¸t (chiÕm uthÕ) NhiÔu nè (t¸i hîp ®iÖn tö lç trèng) www. ptit. edu. vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT 1 Trang 24

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CÁC NGUỒN LD ĐƠN MODE (1). Laser ghÐp cÆp hép céng h ëng: Sù dÞch pha trong hép céng h ëngngoµi ghÐp cÆp chØ x¶y ra ®èi víi håi tiÕp ®ång pha cho c¸c mode laser cã b ícsãng trïng víi mét trong c¸c mode däc. www. ptit. edu. vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT 1 Trang 25

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CÁC NGUỒN LD ĐƠN MODE (2). Laser hép céng h ëngngoµi . Laser hép céng h ëngph©n chia ghÐp cÆp. . Laser DBR nhiÒu phÇn. www. ptit. edu. vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT 1 Trang 26

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (1) v 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 VT 1 Trang 27

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (2) v 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 VT 1 Trang 28

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (3) v 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 VT 1 Trang 29

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (4) v M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn c êng®é: . M¹ch kÝch thÝch sö dông LED: §èi víi tÝn hiÖu t ¬ngtù: Sö dông transistor l ìngcùc, LED kÕt nèi víi cùc c hoÆc e víi mét ®iÖn trë h¹n chÕ dßng. TÝn hiÖu ®iÒu biÕn ® avµo 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 quang Theo m¹ch: (3. 120) www. ptit. edu. vn LED Rb Re Vs R Trong ®ã: Dßng ch¹y qua LED: Ra (3. 121) BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT 1 Trang 30

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (5) v M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn c êng®é: . M¹ch kÝch thÝch sö dông LED: §èi víi tÝn hiÖu sè: Kh «ng cÇn ph©n cùc. sö dông transistor l ìng cùc, LED cã thÓ ® îc m¾c nèi tiÕp hoÆc song. Tô C ®Ó t¨ng tèc ®é ®iÒu biÕn. www. ptit. edu. vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT 1 Trang 31

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (6) v M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn c êng®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 PD LD Sîi quang T TEC M¹ch ®iÒu khiÓn dßng b¬m TEC www. ptit. edu. vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT 1 Module LD Trang 32

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG BỘ PHÁT QUANG (7) v M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn c êng®é: . M¹ch kÝch thÝch sö dông LD: www. ptit. edu. vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT 1 Trang 33