Báo cáo Thực tập Giới thiệu tổng quan về thông tin quang

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU . 1

CHƯƠNGI: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG . 2

I. Giới thiệu về thông tin quang . 2

1.Khái quát chung . 2

2. Cấu trúc và các thành phần chính trong HTTTQ . 4

II. SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA HTTTQ . 6

1. Các chức năng của hệ thống thông tin quang . 6

2. Ưu nhươc điểm của hệ thống thông tin quang . 8

CHƯƠNG II: SỢI QUANG VÀ SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SƠI QUANG

1.Bản chất của ánh sáng . 10

2.Nguyên lý truyền dẫn ánh sang . 10

3.Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang . 11

a.Khẩu độ số NA . 11

b.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI) . 12

c.Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI) . 13

d.Sợi đa mode . 14

e.Sợi đơn mode . 15

4. Cấu trúc các loại sợi dẫn quang . 15

5.Suy giảm tín hiệu trên sợi dẫn quang . 17

a. Suy hao do hấp thụ . 20

b. Suy hao do tán xạ . 21

c. Suy hao do sợi bị uốn cong . 23

 

CHƯƠNG III: CÁP QUANG . 24

1. Khái quát chung . 24

2. Các phần tử của cáp . 24

a. Lõi cáp . 25

b. Thành phần gia cường . 25

c. Vỏ cáp . 26

3. Các loại cáp và ứng dụng . 27

a. Cáp treo . 27

b. Cáp treo trong cống . 28

c. Cáp trôn trực tiếp . 28

d. Cáp đặt trong nhà và cáp nhảy . 28

e. Cáp ngập nước và thả biển . 28

CHƯƠNG IV: PHẦN TỬ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN QUANG- QUANG ĐIỆN .

I. Phần biến đổi điện quang . 29

1. Các chức năng chung . 29

2. Điôt phát quang LED . 35

3. Điôt Laser . 37

II. Phần biến đổi quang điện . 40

1. Nguyên lý cơ bản của các bộ tách sóng quang . 40

2. Bộ tách sóng photodiot PIN . 41

3. Photodiot thác . 44

4. Cấu hình bộ thu quang . 46

5. Các mạch khuyếch đại cuả bộ thu quang . 47

 

 

 

 

 

 

doc50 trang | Chia sẻ: maiphuongdc | Ngày: 17/12/2013 | Lượt xem: 1592 | Lượt tải: 22download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Báo cáo Thực tập Giới thiệu tổng quan về thông tin quang, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
n quang Nhìn chung, trên sợi dẫn quang có chứa nhiều vết rạn nứt có sự phân bố ngẫu nhiên cho nên lực gãy đứt phải được xác định theo thống kê. Nếu gọi F(d,L) là xác suất tích lũy, L là chiều dài sợi bị giới hạn dưới một ứng suất d, và giả thiết rằng các vết nứt là độc lập được phân bố ngẫu nhiên trên sợi dẫn quang và sự gãy đứt sẽ xảy ra ở vết nứt nghiêm trọng nhất, thì ta có: F(d,L) = 1 - e-LN(d) với N(d) số tích lũy các vết nứt trên một đơn vị độ dài có một sức bền nhỏ hơn d. Ngược lại, độ mỏi lại liên quan đến sự lớn dần của các vết nứt có trên sợi dẫn quang dưới tác động của độ ẩm và ứng suất căng. Sự lớn dần của vết nứt làm cho sợi bị đứt ở một ứng suất thấp kém so với ứng suất dùng để kiểm tra độ bền của sợi. Vết nứt như ví dụ trên sẽ cắt thông qua sợi dây do sự ăn mòn của vật liệu sợi tại đầu mút vết nứt. Nguyên nhân thứ nhất là sự xuất hiện của nước từ môi trường ngoài xâm nhập vào, nó làm giảm sự liên kết phân tử SiO2 trong thuỷ tinh. Tốc độ của phản ứng sẽ tăng khi sợi chịu sự tác động của ứng suất đặt vào nó. Nhưng theo thực nghiệm thì sự mỏi tĩnh học sẽ không xảy ra nếu như mức ứng xuất nhỏ hơn xấp xỉ 0,20 sức bền. Trong thực tế các loại vỏ bọc dùng trong sợi dẫn quang hiện nay có khả năng để bảo vệ chống lai sự ăn mòn của môi trường ngoài, một yếu tố quan trọng nữa là độ mỏi động. Khi các sợi dây quang đặt vào trong đường ống cáp ,nó phải chịu ứng xuất lặp đi lặp lại do tác động của dây cáp lên. Cáp bị dâng là do những cọ sát giữ cáp và đường ống hoặc dụng cụ dẫn cáp trong các bể cáp ở các tuyến cáp đi lượn vòng. Cáp treo cũng chịu các ứng xuất tăng lên do các tác động của gió . Vật liệu chế tạo sợi quang bao gồm các loại sau : - Sợi thuỷ tinh :Chủ yếu dùng dioxit Silic (SiO2). - Sợi thuỷ tinh Halogen :Là thuỷ tinh thuộc họ Halogen từ các nguyên tố nhóm VII của bảng hệ thống tuần hoàn . - Sợi thuỷ tinh tích cực :Là sự kết hợp các nguyên tố đất hiếm vào sợi thụ động bình thường thuỷ tinh: - Các loại sợi vỏ chất dẻo :Vỏ thường được chế tạo từ hỗn hợp Pôlime có chỉ số chiết suất hoá bởi dioxit Silic. - Sợi chất dẻo : Là loại sợi sợi chiết xuất phân bậc có lõi và vỏ phản xạ hoàn toàn được cấu tạo từ vật liệu chất dẻo . 6. Suy giảm tín hiệu trên sợi dẫn quang: a. Suy hao do hấp thụ: - Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại: Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng. Các tạp chất thường gặp là Sắt (Fe), Đồng (Cu), Mangan (Mn), Chromium (Cr), Cobal (Co), Niken (Ni). Mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó. Với nồng độ tạp chất một phần triệu (10-6) thì độ hấp thụ của vài tạp chất như trên. Hình2-8: Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1 dB/Km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỉ (10-9). - Sự hấp thụ của ion OH: Sự có mặt của các ion OH trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ đáng kể. Đặc biệt, độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm, 1400nm. Như vậy độ ẩm cũng là một trong những nguyên nhân gây suy hao của sợi quang. Trong quá trình chế tạo nồng độ của các ion OH trong lõi sợi được giữ ở mức dưới một phần tỉ để giảm độ hấp thụ của nó. Hình2-9: Độ hấp thụ của ion OH(với nồng độ 10-6) - Sự hấp thụ bằng cực tím và hồng ngoại: Ngay cả khi sợi quang và thuỷ tinh có độ tinh khiết cao sự hấp thụ vẫn xảy ra. Bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím và vùng hồng ngoại. Độ hấp thụ thay đổi theo bước sóng, sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các bước sóng dài trong thông tin quang. Hình2-10: Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại b. Suy hao do tán xạ - Tán xạ Rayleigh: Nói chung khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp những chỗ không đồng nhất sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ. Những chỗ không đồng nhất sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ. Những chỗ không đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xếp của các phần tử thuỷ tinh, các khuyết tật của sợi như bọt không khí, các vết nứt ... khi kích thước của vùng không đồng nhất vào khoảng một phần mười bước sóng thì chúng trở thành những nguồn điểm để tán xạ. Các tia sáng truyền qua những chỗ không đồng nhất này sẽ toả ra nhiều hướng. Chỉ một phần năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần còn lại truyền theo hướng khác, thậm chí truyền ngược về phía nguồn quang. Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng (l-4) nên giảm rất nhanh về bước sóng dài. ở bước sóng 850nm suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silica khoảng 1 đến 2 db/km và ở bước sóng 1300nm suy hao chỉ khoảng 0,3db/km. ở bước sóng 1550nm suy hao này còn thấp hơn nữa. Cần lưu ý rằng tán xạ Rayleigh là một nguyên nhân gây suy hao cho sợi quang nhưng hiện tượng này lại được ứng dụng để đo lường trong các máy đo quang dội. Hình2-11:Suy hao do tán xạ Rayleigh - Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc không hoàn hảo: Khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc tia sáng sẽ bị tán xạ. Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau. Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp bọc và bị suy hao dần. c. Suy hao do sợi bị uốn cong: - Vi uốn cong: Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi cũng tăng lên. Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi qua những chỗ vi uốn cong đó. Một cách chính xác hơn, sự phân bố trường bị xáo trộn khi đi qua những chỗ vi uốn cong và dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi. Đặc biệt sợi đơn mode rất nhạy cảm với những chỗ vi uốn cong, nhất là về phía bước sóng dài. - Uốn cong khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng. Dĩ nhiên không thể tránh được việc uốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo và lắp đặt. Song nếu giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính tối thiểu cho phép thì suy hao do uốn cong không đáng kể. Bán kính uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất đề nghị thông thường từ 30mm đến 50mm. Hình2-12: Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R Chương III: Cáp quang 1.Khái quát chung: Để đưa được sợi dẫn quang vào sử dụng trong môi trường thực tế của mạng lưới viễn thông, các sợi cần phải kết hợp lại thành cáp với môi trường lắp đặt. Cấu trúc của cáp sợi quang rất đa dạng và khác nhau ở nhiều điểm, tuỳ thuộc vào các điều kiện cụ thể và dựa vào môi trường đặt cáp mà cpá quang cũng có các tên như cáp kim loại là: - cáp chôn trực tiếp dưới đất - cáp kéo trong cống - cáp treo ngoài trời - Cáp đặt trong nhà - Cáp nối giữa các thiết bị - Cáp ngập nước - Cáp thả biển... Đối với từng loại cáp khác nhau sẽ có thiết kế khác nhau, nhưng các nguyên lý cơ bản về thiết kế đều phải có trong mọi loại cáp. Đặc thù về cấu trúc sợi quang có được là do có đặc tính cơ học của sợi thuỷ tinh. Một đặc tính cơ học quan trọng là tải trọng quanh trục cho phép lớn nhất trên cáp vì yếu tố này sẽ xác định độ dài của cáp được đặt. 2. Các phần tử của cáp: Cũng như cáp kim loại ,cáp quang c ũng có những yêu cầu ,đặc điểm cần phải đáp ứng trước hết lớp vỏ bao bên ngoài để bảo vệ sợi quang khỏi ảnh hưởng của môi trường như côn trùng, độ ẩm, nhiệt độ hoặc các lực cơ học tác động. Cáp cần đáp ứng các yêu cầu sau: - Không bị ảnh hưởng nhiễu điện tử. - Không thấm nước, lọc nước. - Chống được các ảnh hưởng của tác động cơ học như va chạm, lực kéo, lực nén, uốn cong .... - ổn định nhiệt khi nhiệt độ thay đổi. - ít bị bão hoà ,có thời gian làm việc lâu. - Trọng lượng nhỏ và kích thước bé. Cấu tạo của cáp quang gồm: a. Lõi cáp : Các sợi cáp đã được bọc chặt nằm trong cấu trúc lỏng ,cả sợi và cấu trúc lỏng hoặc rãnh kết hợp với nhau tạo thành lõi cáp .Lõi thường bao quanh phần tử gia cường của cáp. Các thành phần tạo rãnh hoặc các ống bọc thường được làm bằng chất dẻo. Bảng 3-1: Các đặc tính vật liệu dùng làm lõi : Vật liệu Lực căng (KG/mm2) Độ giảm dài phá huỷ cáp (90) Module young (KG/mm2. 102) Giảm nhiệt 10-5/0C Sợi quang 500 5 71 0,05 Nylon 5,6 á 6,5 300 1,3 á 2,4 20 Polyethylene: Mật độ cao 2,1 á 3,8 15 á 100 0,4 á 0,7 11 á 13 Polyethylene: Mật độ thấp 0,7 á 1,4 90 á 650 0,1 á 0,24 10 á 22 Polypropylene 3,3 á 4,2 200 á 700 1,1 á 1,4 8 á 9,5 Polyvinilehlo Rride (PVC) 0,7 á 0,24 200 á 400 0,1 7 á 21 Fluoroethylen Propylene (FEP) 2 á 3,2 250 á 330 0,35 8,3 á 10,5 Plybuthylen Terephthalete (PBT) ~ 6 200 2,5 6 á 9 b. Thành phần gia cường: là các phần tử tạo cho cáp có lực cơ học cần thiết để chịu được căng và co đặc biệt là bảo đảm tính ổn định cho cáp. Các vật liệu có Modul Young cao thường được sử dụng làm thành phần gia cường .Ngoài ra,yêu cầu vật liệu gia cường là phải nhẹ ,có độ mềm dẻo .Đay là các đặc tính quang trọng quá trình lắp đặt kéo cáp trong cống .Thành phần gia cường là kim loại hay phi kim .Nó có thể được đặt ở tâm cáp hoặc phân bố ở các lớp ngoài đồng tâm với cáp . Bảng 3-2: Các đặc điểm của vật liệu thành phần gia cường. Vật liệu Trọng lượng riêng Modul young (KG/mm2) ứng suất thu được (KG/mm2) Độ giãn dài thu được (90) ứng suất phá vỡ (KG/mm2) Độ giãn dài gãy đứt (90) - Sợi thép - Sợi cacbon - Sợi chất dẻo pha thủy tinh (GFRP) - Kevlav 49 - Kevlav 29 7,86 1,5 2,48 1,44 1,44 20 . 103 10-20.103 9 . 103 13 . 103 6 . 103 40 – 150 150 – 200 300 300 70 0,2 – 1 1 - 1,5 3 2 1,2 50 – 300 150 – 200 300 300 300 20 - 25 1,5 2,4 2 4 Các thành phần kim loại thường là thép vì thép có modul Young cao,hệ số giãn nở nhiệt thấp. Thép là vật liệu không đắt nhưng cần phải bảo vệ chống ăn mòn và chống phóng điện khi có điện áp trên nó. Dùng thép làm thành phần gia cường sẽ không hợp với các loại thép có yêu cầu có tính mền dẻo cao. Các thành phần gia cường phi kim loại thường là các sợi dẻo pha thuỷ tinh hoặc sợi aramid.Các sợi aramid không có hiệu quả trong việc chống hiệu ứng co, vì vậy thường được đặt ở phần ngoài của cáp. Modul Young của sợi aramid rất cao, trọng lượng rất thấp cho nên nó cạnh tranh với cả thép.Các loại cáp sợi quang chỉ sử dụng các thành phần gia cường là chất dẻo hoặc sợi aramid gọi là cáp phi kim loại, cáp này có trọng lượng nhỏ và không nhạy cảm với ảnh hưởng của trường điện. Các sợi cácbon cũng có thể làm gia cưòng cho cáp nhưng giá thành cao nên chưa được sử dụng rộng rãi. c.Vỏ cáp: Vỏ cáp sợi quang có chức năng cơ bản là bảo vệ cáp và có tính chất quyết định tuổi thọ của cáp .Vỏ cáp có thể được bọc đệm để bảo vệ lõi cáp khỏi bị các tác động của ứng xuất cơ học và môi trường bên ngoài .Vật liệu chế tạo vỏ ngoài cáp thường là PVCpolyetylen và Polyurthane và pôlyurethane. Trong các vật liệu này, PVC có các đặc tính cơ học tốt, rất mềm dẻo và chậm bắt lửa, nhưng lại dễ hút ẩm. Pôlyêthylen có độ hút ẩm thấp hơn PVC khoảng 100 lần, có đặc tính cơ học và hoá học cao nhưng lại dễ cháy và ít mềm dẻo hơn PVC. Pôlyurethan có độ ma sát thấp cho nên rất phù hợp cho cáp kéo trong ống.Còn pôlyurethan thường làm vỏ bọc trong của cáp vì nó rất mềm, nó không được sử dụng làm vỏ bọc ngoài vì có hệ số ma sát cao, các đặc tính cơ học thấp. Vỏ bọc,kim loại của cáp thường là các băng thép nhẵn hoặc các sợi thép xếp thành hình vỏ bọc. Các vỏ này thường dùng cho các loại cáp chôn trực tiếp để bảo vệ chống các ứng suất cơ học,gặm nhấm, chống sự phá huỷ của côn trùng và các sinh vật. Cấu tạo chung của cáp . 1 1 1 2 2 3 3 3 2 2 1. Phần tử gia cường 2. Lõi cáp 3. Vỏ bọc PVC Ưu điểm của cáp quang vì là phi kim không có hiện tượng cảm ứng điện từ nên có thể lắp đặt cạnh các đường của điện lực và nơi khác. Vật liệu chế tạo rẻ, tiêu hao nhỏ dưới 1ds/km dải tần truyền dẫn rộng, tốc độ truyền dẫn cao đạt đến hàng chục Gbit/s... Ngoài ra cáp quang còn có một số nhược điểm về tính chất và kỹ thuật đó là vì thành phần lõi là sợi quang rất giòn, dễ gãy do tác động giãn nở kéo dài. Còn về phương diện truyền nóng thì nếu cáp uốn cong ngoài yêu cầu cho phép thì sẽ dẫn đến sự suy hao thông tin truyền trong cáp... Ngoài ra ưu nhược điểm của cáp quang còn phụ thuộc vào sự phân loại sử dụng cáp theo yêu cầu kỹ thuật như cáp truyền dẫn đường dài, nội hạt hay là trên mạng trung kế... và theo yêu cầu về địa lý như cáp chôn trong cống, cáp thả dưới nước... 3.Các loại cáp và ứng dụng : Thiết kế và lựa chọn cáp sợi quang chủ yếu phụ thuộc vào môi trường lắp đặt. Có rất nhiều nhà chế tạo cáp cho ra các chủng loại cáp rất đa dạng,nhưng nhìn chung sản phẩm cáp sợi quang được phân ra các loại chính sau đây: a.Cáp treo Cáp treo có thể có cấu tạo ôm sát vào thành phần gia cường kim loại hoặc phi kim loại độc lập, hoặc dưới dạng tự chịu lực. Cáp ở trường hợp thứ nhất thường dùng cho môi trường có băng tuyết và gió, có cự ly dài. Tường hợp thứ hai là cáp tự chịu lực, cáp chịu ảnh hưởng của ứng suất cơ học và nhiệt độ. Cáp tự chịu lực đòi hỏi có sức bền cao và cần phải ở dạng cấu trúc bọc lỏng để sợi có khoảng tự do lớn hơn. b.Cáp treo trong cống Cáp treo trong cống phải chịu được lực kém và xoắn, có trọng lực nhẹ để dễ đặt và phải rất mền dẻo để vượt qua các chướng ngại trong khi lắp đặt. Loại cáp này cũng phải chịu được ẩm và nước vì trong cống cáp thường hay đọng nước. Chính vì vậy trong cấu trúc của cáp thường có chất độn jelly và thành phần chống ẩm bằng kim loại. Trong trường hợp cáp không được độn đầy thì cần phải có hệ thống bơm hơi cho cáp. Lớp bọc thép đôi khi cũng đươc sử dụng vào loại cáp này để chống gặm nhấm và côn trùng. Cáp kéo trong cống có ở tất cả các dạng cấu trúc bọc chặt, bọc lỏng trong ống, bọc lỏng bằng khe dưới dạng băng hoặc bó sợi. c.Cáp trôn trực tiếp. Các đặc điểm của cáp trôn trực tiếp tượng tự như cáp kéo trong cống vừa xét ở trên nhưng có bảo vệ tốt hơn thể hiện ở một số điểm là cáp trôn thương phải có lớp vỏ bọc lim loại tốt để tránh sự phá huỷ do đào bới đất hoặc các tác đông khác trong đất. Vỏ bộc thép bên ngoài gồm các sợi thép hoặc các băng thép. Vỏ bọc ngoài lớp thép này là vỏ chất dẻo. Cáp chôn trực tiếp cũng có đủ các dạng cấu ytúc bọc chặt, lỏng trong ống và khe, dạng băng và bó sợi. d. Cáp đặt trong nhà và cáp nhảy. Loại cáp này thường có số sợi dẫn quang ít, các đặc tính chủ yếu là: kích thước bên ngoài nhỏ, mềm dẻo, cho phép uốn cong, dễ dàng thao tác và hàn nối. Cáp cần có đặc tính chống gặm nhấm tốt. Vì loại cáp này thường bám sát tường nhà và thiết bị cho nên nó phải bảo đảm không dẫn lửa, không phát ra khí độc trong phòng. Cấu trúc loại cáp này thường ở dạng bọc chặt để bảo đảm kích trước nhỏ và chắc. e. Cáp ngập nước và thả biển Cáp ngập nước sử dụng để thả qua sông hoặc qua khu vực có nước ngập cạn, đồng lầy..., vì vậy loại cáp này cần phải đáp ứng các yêu cầu sau: + Tính chống ẩm và chống thấm nứoc tại các vùng có áp suất đặc biệt lớn. + Có khả năng chống sự dẫn nước dọc theo cáp + Có khả năng chịu được sự kéo khi lắp đặt và sửa chữa cáp. + Chống lại được các áp lực thống kê. + Cho khả năng hàn nối sửa chữa dễ dàng. + Có cấu trúc tương thích với cáp đặt trên đất liền. Cấu trúc của cáp thả biển đòi hỏi rất phức tạp. Có thể xem đây là cáp đặc chủng vì nó đòi hỏi nhiều yêu cầu còn khắt khe hơn loại cáp ngập nước ở trên nhiều lần.Ngoài các yếu tố trên, cáp thả biển còn phải chịu tác động đặc biệt khác như khả năng thâm nhập của nước biển, sự phá hoại của các đọng vật dưới biển, sự cọ sát của tàu thuyền... Chương iv: phần tử chuyển đổi điện quang-quang điện I. Phần biến đổi điện quang: * Các chức năng chung: Linh kiện biến đổi quang điện được đặt ở hai đầu sợi quang, có hai loại linh kiện quang điện : - Linh kiện biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu quang, được gọi là nguồn quang linh kiện này có nhiệm vụ phát ra ánh sáng có công suất tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó. Năng lượng điện tử Tái hợp điện tử và lỗ trống Dòng lỗ trống hv = 820 nm - 1,51eV + Vùng tích cực Vùng dẫn sóng - Linh kiện biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện. Còn gọi là linh kiện tách sóng quang,(hay linh kiện thu quang). Linh kiện này cí nhiệm vụ ngược lại so với nguồn quang, tức là tạo ra dòng điện có cường độ tỷ lệ với công suất quang chiếu vào nó. Chất lượng của các linh kiện biến đổi quang điện và chất lượng của sợi quang quyết định cự ly, dung lượng và chất lượng của tuyến truyền dẫn quang. Điôt phát quang LED a. Cấu trúc của LED. Cấu trúc của LED (Light - EmittinPg Diode) là một loại nguồn phát quang cho các hệ thống có tốc độ bit dưới 200 Mbit/s sử dụng sợi đa Mode. Tuy nhiên ngày nay trong phòng thí nghiệm người ta có thể sử dụng ở cả tốc độ bít tới 565Mbít/s do có sự cải tiến công nghệ cao. Để sử dụng tốt trong các hệ thống thông tin quang, LED phải có công suất bức xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao. Sự bức xạ của nó là công suất quang phát xạ theo góc trên một đơn vị diện tích của bề mặt phát và được tính bằng Watt. Chính công suất bức xạ cao sẽ tạo điều kiện cho việc ghép giữa sợi dẫn quang và LED dễ dàng và đưa ra được công suất phát ra từ đầu sợi lớn. Có hai loại: cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi là cấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể kép ( không thuần nhất).Tuy nhiên trong quá trình khảo sát và tiến hành nghiên cứu và điều tra, người ta thấy cấu hình dị thể kép mang lại hiệu quả nhất và được ứng dụng nhiều nhất. Vùng chiết suất thấp Vùng chiết suất cao Vùng chiết suất cao Suy hao Vùng tích cực Dải kim loại Cổng phát -200 00 200 -100 00 100 -100 00 100 Cấu trúc của dị thể kép có hai lớp hợp kim khác nhau ở mỗi bên của vùng bán dẫn tích cực, đây cũng là cấu trúc được triển khai rất sớm trước khi nghiên cứu Laser. Với cấu trúc này, các hạt mang và trường quang đều được giữ ở trong lớp tích cực nằm ở trung tâm. Sự khác nhau về dải cấm của các lớp lân cận Hình 4-1: Cấu trúc dị thể kép tiêu biểu sẽ giới hạn các hạt mang điện tích. Trong khi đó tồn tại sự khác về chỉ số chiết suất của các lớp lân cận lại giới hạn trường quang tới lớp tích cực ở trung tâm. Điều này tạo ra sự phát xạ cao rất có hiệu quả. ở đây, các tham số khác có ảnh hưởng tới đặc tính của thiết bị là sự hấp thụ ánh sáng trong vùng tích cực ( Tự hấp thụ ), sự tái kết hợp hạt mang phun vào và độ dầy của lớp tích cực. LED có hai loại cấu trúc được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang là cấu trúc phát mặt ( LED phát mặt )và cấu trúc phát cạnh ( LED phát cạnh ). Đối với phát mặt thì mặt phẳng của vùng phát ra ánh sáng vuông góc với trục của sợi dẫn quang. Vùng tích cực thường có dạng phiến tròn, đường kính khoảng 50 mm và độ dày khoảng 2,5 mm. Mẫu phái chủ yếu là đẳng hướng với độ rộng chùm phái khoảng 1200. Mẫu đẳng hướng này còn được gọi là mẫu lambertian, khi quan sát từ bất kì hướng nào thì độ rộng của nguồn phát cũng ngang bằng nhau nhưng công suất lại giảm theo hàm cosq với q là góc hợp giữa hướng quan sát với pháp tuyến của bề mặt. Cống suất này giảm xuống 50% so với đỉnh khi q = 60°. LED phát cạnh có cấu trúc gồm một vùng tiếp giáp tích cực có vai trò là nguồn phát ánh sáng không kết hợp, và hai lớp dẫn.Cả hai lớp dẫn đều có chiết suất thấp hơn chỉ số chiết suất của vùng tích cực nhưng lại cao hơn chỉ số chiết suất của các vật liệu bao quanh. Cấu trúc này hình thành một kênh dẫn nóng để hướng sự phát xạ ánh sáng về phía lõi sợi. Để tương quan với lõi sợi dẫn quang có đường kính nhỏ từ 50 á 100 mm, các dải tiếp xúc với LED phát cạnh phải rộng từ 50 á 70 mm. Độ dài của các vùng tích cực thường là 100 á 150 mm. Mẫu phát của LED phát cạnh có định hướng tốt hơn so với LED phát mặt. Si02 Si02 Phiến tỏa nhiệt Vật liệu bao phủ Kim loại hóa Chất nền Lớp cấu trúc dị thể kép Sợi quang Giếng khắc hình tròn Các lớp hạn chế Hình 4-2: Cấu trúc LED phát mặt Giải tiếp xúc Miền hoạt tính Kim loại Chất nền Tỏa nhiệt Lớp dẫn ánh sáng Lớp Si02 cách điện Các lớp dị thể kép ánh sáng ra kết hợp Hình 4-3: Cấu trúc LED phát cạnh b. Vật liệu của nguồn phát quang: các vật liệu bán dẫn được dùng cho lớp tích cực của nguồn phát quang trong các hệ thống thông tin quang phải có dải cấm trực tiếp. Trong bán dẫn có dải cấm trực tiếp, các điện tử và lỗ trống có thể tái kết hợp trực tiếp qua dải cấm mà không cần qua phần tử thứ ba để bảo tồn động lượng. Chỉ có vật liệu dải cấm trực tiếp mới có sự tái kết hợp đủ lớn để đưa ra được mức phát quang thoả đáng. Trong thực tế không tồn tại bán dẫn đơn phân tử cho các dải cấm trực tiếp, mà vật liệu dải cấm trực tiếp chỉ có thể tạo ra từ các hỗn hợp ghép phân tử. Bảng 4-1: Đặc tính dải cấm và bước sóng của các vật liệu ghép Loại vật liệu Tên vật liệu Dải cấm Bước sóng Các vật liệu hai thành phần GaP (Gali - Phốt pho) GaAs (Gali - Asên) AlAs (Nhôm - Asen) InP (Inđi - Phốt pho) InAs (inđi - Asen) 2,24 eV 2,09 eV 1,42 eV 1,33 eV 0,34 eV 0,55 mm 0,59 mm 0,87 mm 0,93 mm 3,6 mm Vật liệu 3 và 4 thành phần AlGaAs (Nhôm-Gali-Asen) InGaAsP(Inđi-Gali-Asen) 1,42 á 1,6 eV 0,74 á 1,13 eV 6,77 á 0,87 mm 1,1 á 1,67 mm c. Điot phát quang LED cho các hệ thống thông tin quang: Khi công nghệ thông tin quang chưa được phát triển, điot quang thường dùng cho các sợi dẫn quang đa mode. Nhưng chỉ sau một thời gian ngắn, khi mà các hệ thống thông tin quang được triển khai khá rộng rãi, các sợi dẫn quang đơn mode được áp dụng vào các hệ thống thông tin quang là chủ yếu thì LED cũng đã có dưới dạng sản phẩm là các modul có sợi dẫn ra ( Pigtail ) là sợi dẫn quang đơn mode. Vì vậy ở đây ta cũng chỉ chủ yếu xem xét LED cho các hệ thống thông tin quang sợi đơn mode. Các điot phát quang dùng cho sợi đơn mode SMF ( Single Mode Fibre ) là các nguồn phát hấp dẫn đối với mạng nội hạt và các tuyến có cự ly ngắn khác vì nó có giá thành rẻ. Công suất quang đầu ra của nó ít phụ thuộc vào nhiệt độ và thường chúng có mạch điều khiển đơn giản. d. Đặc tính ứng dụng của các diot phát quang: Có hai dạng cấu trúc của LED sẵn có là phát mặt và phát cạnh. Quá trình đóng thành sản phẩm modul khá đơn giản và điều này giúp cho chi phí về giá thành thấp. Loại diot phát cạnh ELED còn phải bảo đảm độ tin cậy để duy trì chất lượng thông tin tốt. Các mức công suất thường ghép với ELED nằm trong khoảng từ 2 á 10 mm ở điều kiện nhiệt độ phòng. Có một số loại đặc biệt có thể tạo ra công suất lớn hơn do có sự phát xạ cực khoẻ. Tuy nhiên công suất thêm này cũng bị ràng buộc với điều kiện nhiệt độ thay đổi. Tốc độ điều biến phụ thuộc vào cấu trúc của nguồn phát LED và điều kiện điểu khiển. Các thiết bị ở thị trường hiện nay đạt tốc độ 200 mbit/s còn thiết bị thực nghiệm cho ELED thì cao hơn đạt 565 mbit/s đến 1,2 Gbit/s. Loại LED phát mặt sử dụng với sơi đơn mode có ưu điểm đó là liên kết đơn giản nhưng công suất phát ra tương đối thấp, khoảng 1,5 mW khi làm việc ở tốc độ 565 mbit/s và dải phổ rộng. Thực tế sử dụng LED với sợi dẫn quang đơn Mode đã thu được kết quả khá khả quan. Thực nghiệm độ dài tuyến đạt tới 9,6 Km ở tốc độ 2 Gbit/s và 100 Km với độ 16 mbit/s. Độ dài tuyến bị giới hạn vì quý công suất và tán sắc gây ra do độ rộng phổ của LED. Tuy nhiên, các tuyến thông tin trên thực tế thì sự sai số về công nghệ chế tạo cũng như sự thay đổi nhiệt độ đối với bước sóng trung tâm của LED,độ rộng phổ cho tán sắc sợi, sự thay đổi suy hao. Như vậy cả hai loại LED phát cạnh và phát mặt đều có thể sử dụng cho các hệ thống thông tin quang sợi đơn mode. Chúng có ưu điểm dễ dàng nhận thấy là giá thành thấp và độ tin cậy cao. Các ưu điểm này có thể phù hợp với các giải pháp xây dựng mạng nội hạt và các tuyến thông tin quang có cự li vài km tốc độ trung bình và thấp một cách có hiệu quả. Bảng4-2: Các đặc tính ELED tiêu biểu - Công suất ra đối với sợi đơn Mode SMF (250C, dòng điều khiển 150 mA) - Thời gian lên/xuống - Độ rộng phổ nửa công suất (250) - Hệ số nhiệt độ công suất đầu ra - Sự thay đổi bước sóng trung tâm theo t0 - Độ giãn phổ 2 á 10 mW 3 ns max 80 á100 nm 1,2% / 0C 0,5 á 0,8 nm/ 0C 0,4 nm/ 0C 2. Điôt Laser: có nhiều dạng với đủ mọi kích thước từ nhỏ như hạt thóc đến rất lớn. Chúng có ở dạng khí, lỏng, tinh thể hoặc bán dẫn. Đối với các hệ thống thông tin quang chủ yếu dùng Laser bán dẫn và thường là điot Laser (LD). Về cơ bản nguyên lý hoạt động của các loại Laser là như nhau thông qua ba quá trình mấu chốt, đó là hấp thụ photon, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích. Với năng lượng trạng thái nếu là E1 và E2 là năng lượng trạng thái kích thích theo định luật Plank thì sự chuyển dịch giữa hai trạng thái này có liên quan đến quá trình hấp thụ hoặc phát xạ của các photon có năng lượng hv12 = E2 - E1. Bình thường hệ thống ở trạng nền ( đất ). Khi một photon có năng lượng hv12 tác động vào hệ thống thì một điện tử ở trạng thái E1 có thể hấp thụ năng lượng photon và được kích thích lên trạng thái E2. Vì đây là trạng thái không bền vững nên điện tử sẽ nhanh chóng quay lại trạng thái ban đầu, vì thế phát ra một photon có năng lượng hv12. hv12 E2 E1 hv12 hv12 E2 E1 E2 E1 (Phát xạ kích thích) (Phát xạ tự phát) (Hấp thụ) Hình4.4: Ba quá trình chuyển dịch trong hoạt động của Laser Điều này xảy ra mà không có sự kích thích bên ngoài nào và được gọi là phát xạ tự phát. Phát xạ này đẳng hướng, có pha ngẫu nhiên và xuất hiện như một đầ

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docTTQuang50.DOC