Bài Tiểu Luận - 1 - Nguồn quang và các mạch phát quang LỜI NÓI ĐẦU Trong xu thế phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, mạng Internet ngày một phát triển và trở thành một phần không thể thiếu trong mọi hoạt động của đời sống con người. Các dịch vụ của mạng Internet ngày nay rất đa dạng và phong phú đáp ứng kịp thời các yêu cầu và đòi hỏi ngày càng cao của người sử dụng. Có được kết quả này là do mạng Internet đã sử dụng cáp sợi quang vào việc truyền tải dữ liệu. Với những tính năng ưu việt của cáp sợi quang, cùng với công nghệ hiện đại, vật liệu chế tạo từ silica (rẻ, dễ kiếm) và dây truyền sản xuất đại trà đã kéo theo giá thành của cáp sợi quang ngày càng rẻ đi rất nhiều so với trước đây. Có thể nói việc sử dụng cáp sợi quang vào trong viễn thông nói chung và trong mạng Internet nói riêng đã tạo nên cuộc cách mạng làm thay đổi lớn mạng viễn thông hiện tại. Với việc phát triển thông tin quang, mạch phát quang trong thông tin là một phần quan trọng, ảnh hưởng đến nguồn phát của thiết bị viễn thông.Nhờ có hệ thống này mà thiết bị thông tin quang được hoạt động và từ đó có thể biến đổi thành tín hiệu điện, các kĩ thuật trong tín hiệu điện như mã hóa, điều chế, lượng tử vv sẽ được sử dụng trong giai đoạn này trước khi được biến đổi lại thành tín hiệu quang làm cho chất lượng, dung lượng đường truyền và sự bảo mật trên đường truyền được đảm bảo. Trong quá trình học tập và tìm hiểu về môn quang, dưới sự chỉ bảo tận tình thầy cô giáo trong trường, sự giúp đỡ của bạn bè trong lớp và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy Cao Hồng Sơn chúng em đã có những kiến thức và hiểu biết cơ bản về hệ thống thông tin quang. Với những kiến thức đã học được chúng em xin trình bày một bài viết ngắn gọn về “mạch phát quang trong LED, Laser, kích thích tín hiệu tương tự và số”. Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của thầy Đặng Văn Hiếu cùng các thầy, cô trong khoa và các bạn sinh viên lớp K2dtvt đã giúp nhóm em hoàn thành bài này. Khoa điện tử viễn thông Trường CĐ Bách nghệ Tây Hà Bài Tiểu Luận - 2 - Nguồn quang và các mạch phát quang MỤC LỤC Danh mục hình vẽ …………………………………………… 3 Chương I: Giới thiệu về nguồn phát quang trong thông tin quang ….4 1.1 Các dải năng lượng……………………………………………… 4 1.2 Nguồn quang bán dẫn…………………………………………… 5 Chương II : Nguồn quang trong thông tin quang………………… …….9 2.1 Nguồn phát quang LED:…………………………………………… 9 2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED:……………………… 10 2.1.2. Cấu trúc và các đặc tính của LED …………………………….….10 2.1.2.1 Cấu trúc của LED………………………………….…………….10 2.1.2.2 Đặc tính P-I của LED……………………………………… ….11 2.1.2.3. Đặc tính phổ của LED………………………………………… 13 2.1.3. Mạch phát quang dùng LED…………………………… ………15 2.1.3.1. Mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu analog…………………………………………………….….16 2.1.3.2. Mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu số……………………………………………………………16 2.2.Nguồn phát LASER…………………………………………………18 2.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser……………………………………… 18 2.2.2.Các đặc tính kĩ thuật của Laser Diode:……………………… …20 2.2.2.1 Công suất phát:…………………………………………………20 2.2.2.2 Thông số điện:………………………………………….………21 2.2.2.3. Góc phát quang:…………………………………………….22 2.2.3 .Mạch phát quang dùng Lazer Diode:………………….……… 23 2.2.2.5Độ rộng phổ:……………………………………………… …24 2.2.2.6 Nhiễu trong Laser:………………………………….……….25 2.2.2.4 Hiệu suất ghép quang:………………………………………26 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô tả thiết bị phát quang………………………………4 Khoa điện tử viễn thông Trường CĐ Bách nghệ Tây Hà Bài Tiểu Luận - 3 - Nguồn quang và các mạch phát quang Hình 1.2. Mô tả các mức năng lượng……………………………5 Hình 1.3. Mô tả quá trình hấp thụ……………………………….5 Hình 1.4. Mô tả quá trình phát xạ…………………………….…6 Hình 1.5. (a). Dải cấm năng lượng trực tiếp (b). Dải cấm năng lượng gián tiếp………………………………… 8 Hình 1.6. Bước sóng ánh sáng phát xạ của một số loại bán dẫn nhóm III kết hợp với nhóm V ………………………………….9 Hình 2.1 – Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED………….10 Hình 2.2. Cấu trúc LED Burrus……………………………… 12 Hình 2.3. LED phát xạ cạnh (ELED)………………………….13 Hình 2.4. Đặc tính P – I của LED……………………………….14 Hình 2.5 . nguồn quang bán ……………………………………… …15 Hình 2.6. Đặc tính phổ của LED……………………………………….……16 Hình 2.7. Sơ đồ khối mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu analog…………………………………… 16 Hình 2.8. Mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu số……………………………………… ….18 Hình 2.9. Cấu trúc của laser Fabry-Perot………………….….19 Hình 2.10. (a). Điều chế tín hiệu số và (b). Điều chế tín hiệu tương tự …20 Hình 2.11. (a). Điều chế tín hiệu số và (b). Điều chế tín hiệu tương tự… 21 Hình 2.12 – Phụ thuộc của laser vào dòng điện………………………… 22 Hình 2.13: Góc phát quang của SLED, ELED và Laser ……………… 23 Hình 2.14. Ghép ánh sáng từ nguồn quang vào trong sợi quang……… 24 Hình2.15 - Độ rộng phổ phát xạ của lazer…………………………………25. Hình 2.16 – Nhiễu thành phần trong nguồn quang đa mode………………26 Hình 2.17 – Mạch phát quang dùng Lazer Diode…………………………27 Khoa điện tử viễn thông Trường CĐ Bách nghệ Tây Hà Bài Tiểu Luận - 4 - Nguồn quang và các mạch phát quang CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN PHÁT QUANG TRONG THÔNG TIN QUANG Hình 1.1 Mô tả thiết bị phát quang Thiết bị phát quang có chức năng biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và phát tín hiệu quang vào sợi quang để thựchiệntruyềndẫn thông tin. Thành phầnchủ yếulà nguồn phát quang, có 2 loại: Điốt phát quang LED Light-emitting diode Điốt laze bán dẫnLD Laser Diode 1.1 Các dải năng lượng Electron tồn tại ở các mứcnăng lượng riêng biệt trong một nguyên tử. Các mức năng lượng tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt bên ngoài có mức năng lượng cao hơn electron ở phía trong. Electron có tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron có thể nhảy tử mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại. Theo giả thuyết của Albert Einstein , các quá trình này có thể sinh ra hay hấp thụ các tia sáng Æ Bước sóng của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức. Khoa điện tử viễn thông Trường CĐ Bách nghệ Tây Hà Bài Tiểu Luận - 5 - Nguồn quang và các mạch phát quang Hình 1.2. Mô tả các mức năng lượng 1.1.1 QUÁ TRÌNH HẤP THỤ E1 = EV = năng lượng vùng hóa trị E2 = EC = năng lượng vùng dẫn Eg = EC –EV = năng lượng dảitrống Quá trình hấpthụ: khi ánh sáng tớicó năng lượng photon →photon sẽ bị nguyên tử hấpthụ, nguyên tử nhảytừ E1 lên E2 và đượccoi đang ở trạng thái kích thích. Hình 1.3. Mô tả quá trình hấp thụ Khoa điện tử viễn thông Trường CĐ Bách nghệ Tây Hà Bài Tiểu Luận - 6 - Nguồn quang và các mạch phát quang 1.1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT XẠ Các nguyên tửở mứcE2 thường có xu hướng quay về mứcE1, và phát ra photon. Quá trình phát xạ tự phát: Photon phát ra có hướng ngẫu nhiên và không có quan hệ về pha giữa chúng Quá trình phát xạ kích thích: Khi có photon đập vào nguyên tửở trạng thái kích thích → phát ra photon có cùng tầnsố và pha theo các photon tín hiệu ánh sáng tới. Hình 1.4. Mô tả quá trình phát xạ 1.2 Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source) Nguồn quang là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng có công suất tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó. Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang: - Diode phát quang LED (Light Emitting Diode) - Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Các yêu cầu đối với một nguồn quang sử dụng trong hệ thống thông tin quang là : - Có kích thuớc nhỏ tương ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang. Lý tưởng, ánh sáng ở ngõ ra của nguồn quang phải có tính định hướng cao. - Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu. Lý tưởng, nguồn quang phải tuyến tính. - Phát ra ánh sáng có bước sóng phù hợp với vùng bước sóng mà sợi quang có suy hao thấp và tán sắc thấp, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bước sóng này. - Có khả năng điều chế tín hiệu một cách đơn giản (ví dụ như điều chế trực tiếp) trên dải tần rộng trải dài từ tần số âm thanh tới dải tần gigahezt. - Hiệu suất ghép quang tốt để giảm suy hao ghép từ nguồn quang vào trong sợi quang. Khoa điện tử viễn thông Trường CĐ Bách nghệ Tây Hà Bài Tiểu Luận - 7 - Nguồn quang và các mạch phát quang - Độ rộng phổ hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang - Duy trì mức công suất ngõ ra ổn định và không bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố môi trường bên ngoài. - Giá thành thấp và có độ tin cậy cao để cạnh tranh với các kỹ thuật truyền dẫn khác. Loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang là các loại nguồn quang bán dẫn vì có thể đáp ứng được các yêu cầu trên. Vì vậy, cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của nguồn quang (cũng như linh kiện thu quang) được trình bày trong phần này là các nguồn quang bán dẫn. Tuy nhiên, không phải chất bán dẫn nào cũng được sử dụng để chế tạo nguồn quang trong thông tin quang. Để có thể được sử dụng trong thông tin quang, các chất bán dẫn cần phải có dải cấm năng lượng trực tiếp và độ rộng của dải cấm năng lượng phù hợp sao cho có thể tạo ra ánh sáng có bước sóng nằm trong vùng bước sóng hoạt động của thông tin quang. Khi xảy ra quá trình phát xạ ánh sáng, năng lượng của photon phát xạ bằng với độ chênh lệch năng lượng của điện tử khi ở vùng dẫn và vùng hóa trị. Do đó, năng lượng của photon: E ph = hc/λ = E g với E g là độ chênh lệch năng lượng của điện tử khi ở vùng dẫn và vùng hóa trị. Khi đó, ánh sáng được phát xạ có bước sóng: λ = h.c/E g Do mỗi loại vật liệu khác nhau sẽ có phân bố các vùng năng lượng khác nhau nên có thể nói rằng bước sóng của ánh sáng do nguồn quang phát ra chỉ phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang. Trong thông tin quang, ánh sáng chỉ được sử dụng tại 3 cửa sổ bước sóng 850nm, 1300nm và 1550nm nên vật liệu bán dẫn được sử dụng để chế tạo nguồn quang phải có dải cấm năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị phù hợp với các cửa sổ bước sóng hoạt động này. Khoa điện tử viễn thông Trường CĐ Bách nghệ Tây Hà Bài Tiểu Luận - 8 - Nguồn quang và các mạch phát quang Hình 1.5. (a). Dải cấm năng lượng trực tiếp (b).Dải cấm năng lượng gián tiếp Hình 1.5 biểu diễn mối quan hệ giữa năng lượng và động lượng (hay vector sóng) của điện tử tại vùng dẫn và vùng hóa trị của hai loại bán dẫn có dải cấm trực tiếp (hình 1.5a) và dải cấm gián tiếp (hình 1.5b). Qua đó cho thấy: - Đối với dải cấm trực tiếp, phần đáy (có năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm đối diện với phần đỉnh (có năng lượng cao) của vùng hóa trị. Do đó, các điện tử ở hai vùng này có động lượng bằng nhau. - Đối với dải cấm gián tiếp, phần đáy (có năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm cách xa so với phần đỉnh (có năng lượng cao) của vùng hóa trị. Do đó, các điện tử ở hai vùng này có động lượng không bằng nhau bằng nhau. Điều kiện để quá trình phát xạ photon xảy ra hiệu quả trong bán dẫn là khi xảy ra phát xạ photon, động lượng (hay vector sóng) của điện tử (nằm ở vùng dẫn) phải bằng động lượng của lỗ trống (nằm ở vùng hóa trị) [1], [3]. Khi đó, động lượng của điện tử được bảo tòan. Như vậy có thể thấy rằng, điều kiện về bảo tòan động lượng khi xảy ra quá trình biến đổi quang điện chỉ đạt được với các chất bán dẫn có dải cấm trực tiếp. Khi đó, năng lượng được phát ra khi các điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) sang trạng thái năng lượng thấp (vùng hóa trị) sẽ tạo ra các photon. Với hiệu suất phát xạ ánh sáng (phát xạ tự phát và phát xạ kích thích) lớn, các chất bán dẫn có dải cấm trực tiếp có thể tạo ra các nguồn quang có công suất phát quang lớn, hiệu quả. Khoa điện tử viễn thông Trường CĐ Bách nghệ Tây Hà Bài Tiểu Luận - 9 - Nguồn quang và các mạch phát quang Ngược lại, đối với các chất bán dẫn có dải cấm năng lượng gián tiếp, các năng lượng được tạo ra do quá trình chuyển trạng thái năng lượng của điện tử sẽ phát ra dưới dạng phonon, không phát xạ (nonradiation). Năng lượng này có thể là năng lượng nhiệt hay dao động của các phân tử. Như vậy, chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo nguồn quang cần phải có: dải cấm trực tiếp và năng lượng chênh lệch giữa vùng dẫn và vùng hóa trị phải phù hợp để có thể tạo ra bước sóng nằm trong các cửa sổ bước sóng hoạt động trong thông tin quang. Thực tế cho thấy rằng, các bán dẫn thông thường thuộc nhóm IV như Si, Ge,… không thỏa hai điều kiện trên. Vật liệu bán dẫn được dùng để chế tạo nguồn quang trong thông tin quang được tạo ra bằng cách kết hợp các vật liệu nhóm III (Ga, Al, …) và nhóm V (As, P, In, …) như GaP, GaAsP, AlGaAs, GaAs, InP, InGaAsP … InGaA sP GaAs/InP AlGaAs GaAsP GaAs 0,5 0,6 0,7 0,85 1,0 1,3 1,55 λ(μm) Hình 1.6. Bước sóng ánh sáng phát xạ của một số loại bán dẫn nhóm III kết hợp với nhóm V Hình 1.6 cho thấy: để tạo ra nguồn quang có bước sóng 850nm người ta sử dụng bán dẫn AlGaAs, GaAs hay InP. Bán dẫn InGaAsP được sử dụng để chế tạo nguồn quang phát ra ánh sáng tại cửa sổ bước sóng 1300nm và 1550nm. Giá trị của bước sóng được thay đổi bằng cách thay đổi tỷ lệ giữa các chất kết hợp trong bán dẫn này In 1-x Ga x As 1-y P y . Khoa điện tử viễn thông Trường CĐ Bách nghệ Tây Hà Bài Tiểu Luận - 10 - Nguồn quang và các mạch phát quang CHƯƠNG II : NGUỒN QUANG TRONG THÔNG TIN QUANG 2.1 Nguồn phát quang LED: 2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED: Về cơ bản cấu tạo của LED được phát triển từ diode bán dẫn, hoạt động dựa trên tiếp giáp pn được phân cực thuận. quá trình phát xạ ánh sang xẩy ra trong LED dưa trên hiện tượng phát xạ tự phát (hình 1) trên thực tế thì LED có cấu trúc phức tạp hơn, gồm nhiều lớp bán dẫn để đáp ứng đồng thời các yêu cầu kỹ thuật của một nguồn quang. Hình 2.1 – Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED + LED có cấu trúc dị thể kép có lớp bán dẫn p,n có độ rộng vùng cấm khác nhau, lớp bán dẫn p có độ rộng vùng cấm rộng ký hiệu là P, lớp bán dẫn n có động rộng vùng cấm ký hiệu là N. + Chọn 2 lớp P,N có độ rộng vùng cấm khác nhau để tạo ra hàng thế lớn Khoa điện tử viễn thông Trường CĐ Bách nghệ Tây Hà [...]... Nguồn quang và các mạch phát quang Hình 2.10 (a) Điều chế tín hiệu số và (b) Điều chế tín hiệu tương tự Một cách lý tưởng, tín hiệu quang ở ngõ ra của laser phải có dạng giống và thay đổi tức thời theo thời gian với tín hiệu điện ở ngõ vào Tuy nhiên, trên thực tế, luôn có thời gian trễ để tín hiệu quang đáp ứng với dòng điện ngõ vào và tín hiệu bị méo dạng do đặc tính động của laser như đã trình bày trong. .. nhỏ so với ICBo nên có thể coi IBEo = 0 Như vậy mạch cực E của tranzitor coi như hở mạch, do đó không có dòng điện chạy qua LED, làm cho LED tắt, không phát ra tín hiệu quang và công suất phát của LED là cực tiểu 2.1.3.2 Mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu số Sơ đồ khối mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu số trong hình 3.2 ở trên bao gồm các thành phần cơ... mà không dùng tín hiệu analog (vì tín hiệu analog sẽ làm méo dạng tín hiệu ở phía thu) Cho tín hiệu điều chế Vs là tín hiệu số đi vào mạch điện Tín hiệu số V s tại đầu vào là tín hiệu nhị phân bao gồm có 2 mức là 1 và 0 Bởi vì công suất phát của LD phụ thuộc vào nhiệt độ (nhiệt độ tăng thì công suất phát giảm, và ngược lại nhiệt độ giảm thì công suất phát tăng), vì vậy muốn công suất phát của LD không... Ps P η = opt Ps Hiệu suất ghép quang phụ thuộc vào [6]: - Kích thước vùng phát quang - Góc phát quang của nguồn quang - Góc thu nhận (hay NA) của sợi quang - Vị trí tương đối giữa nguồn quang và sợi quang - Bước sóng ánh sáng Hình 2.14 Ghép ánh sáng từ nguồn quang vào trong sợi quang Hiệu suất ghép quang của một số loại nguồn quang: - SLED: 1-5% - ELED: 5-15% - Laser: + 60% đối với sợi quang đơn mode... tử tuyến tính trong mạch, nó không có khả năng biến đổi tín hiệu đầu vào, mà nó chỉ làm việc như một khóa điện tử; R1 và R2 là hai điện trở phân áp dùng để định thiên cho mạch vào của tranzitor; cổng NAND là cổng logic (có chức năng cộng 2 tín hiệu số đầu vào của nó để tạo ra tín hiệu số đầu ra theo quy luật: 0+0=1, 0+1=0, 1+0=0, 1+1=0); nguồn phát quang LED có chức năng phát ra tín hiệu quang để truyền... dẫn GaAs phát ra ánh sáng có độ rộng phổ hẹp hơn 1,7 lần sao với LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP Hình 2.6 Đặc tính phổ của LED 2.1.3 Mạch phát quang dùng LED 2.1.3.1 Mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu analog Khoa điện tử viễn thông Trường CĐ Bách nghệ Tây Hà Bài Tiểu Luận - 16 - Nguồn quang và các mạch phát quang H +V R1 VS LED C t R2 RE ình 2.7 Sơ đồ khối mạch phát quang dùng... rộng phổ phát xạ của lazer 2.2.2.6 Nhiễu trong Laser: Nhiễu trong laser xảy ra khi tín hiệu quang phát ra không ổn định về công suất phát quang, bước sóng phát quang Nguyên nhân gây ra nhiễu là: Nhiễu lượng tử là: Nhiễu được tạo ra ngẫu nhiên trong quá trình phát xạ photon ánh sáng Nhiễu lượng tử làm cho công suất phát quang ở đầu ra không ổn định Nó phụ thuộc vào: + Tần số điều chế của tính hiệu quang: ... nguồn quang nào phát ra thì lớn hơn vì còn phụ thuộc vào hiệu suất ghép quang Yêu cầu đối với một nguồn quang lý tưởng là đặc tuyến P-I phải là đường thẳng, tức là công suất phát quang và dòng điện kích thích phải có quan hệ tuyến tính Khi đó, tín hiệu ánh sáng do nguồn quang được tạo ra không bị méo dạng so với tín hiệu điện Tuy nhiên, trên thực tế sự tuyến tính trong đặc tuyến P-I chỉ xảy ra tương. .. quang SLED, ELED và Laser trên hình 9 cho thấy: - Laser chỉ hoạt động ở chế độ phát xạ kích thích khi dòng điện kích thích lớn hơn dòng điện ngưỡng Ith - So với LED, Laser có công suất phát quang lớn hơn với cùng một dòng điện kích thích (với điều kiện I>Ith) - SLED có công suất phát quang lớn hơn ELED với cùng một dòng điện kích thích Tuy nhiên, điều này chưa quyết định ánh sáng truyền trong sợi quang. .. độ ngắt); R 1 và R2 là hai điện trở phân áp dùng để định thiên cho mạch vào của tranzitor; tụ điện C có chức năng loại bỏ thành phần một chiều tại đầu vào của tranzitor, chỉ cho thành phần xoay chiều đi qua nó; nguồn phát quang LED có chức năng phát ra tín hiệu quang để truyền đi trên sợi quang Cho tín hiệu điều chế Vs là tín hiệu analog đi vào mạch điện, điện áp đặt lên lối vào của mạch điện có 2 . Nguồn quang và các mạch phát quang H ình 2.7. Sơ đồ khối mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu analog Sơ đồ khối mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu. quang và công suất phát của LED là cực tiểu. 2.1.3.2. Mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu số Sơ đồ khối mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu số trong hình. quang. Hình 2.8. Mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu số Cho tín hiệu điều chế V s là tín hiệu số đi vào mạch điện, tín hiệu V s có hai mức giá trị là mức 1 (mức cao) và mức 0