Đồ án Hệ thống thông tin quang

MỤC LỤC

 

Ch­¬ng1: KH¸I QU¸T VÒ TH¤NG TIN QUANG 1

I. Kh¸i qu¸t 1

II. HÖ thèng truyÒn dÉn quang 1

III. Ph¹m vi øng dông cña kÜ thuËt truyÒn dÉn quang 2

IV. C¸c ph­¬ng ph¸p ghÐp kªnh 3

 

1. GhÐp kªnh tÝn hiÖu ®iÖn PCM vµ tÝn hiÖu quang theo thêi gian 3

2.GhÐp kªnh theo b­íc sãng 4

3. Ph­¬ng ph¸p ghÐp luång rÏ h­íng 5

V. Ph©n lo¹i c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn quang 6

1. Ph©n lo¹i theo d¹ng tÝn hiÖu ®iÖn 6

2.Theo ph­¬ng ph¸p ®iÒu biÕn vµ gi¶i ®iÒu biÕn tÝn hiÖu biªn 6

3. Theo tèc ®é vµ cù li truyÒn dÉn 7

VI. C¸c thÕ hÖ ph¸t triÓn cña hÖ thèng truyÒn dÉn quang 8

1. ThÕ hÖ thø nhÊt 8

2.ThÕ hÖ thø hai 8

3. ThÕ hÖ thø ba 8

4. ThÕ hÖ thø t­ 9

5. Xu thÕ ph¸t triÓn cña hÖ thèng truyÒn dÉn quang t­¬ng lai 9

VII. ¦u ®iÓm cña kÜ thuËt truyÒn dÉn quang 10

VIII. Nh­îc ®iÓm 11

Ch­¬ng 2: Sîi quang 12

I. Nguyªn lÝ truyÒn dÉn ¸nh s¸ng, cÊu t¹o vµ ph©n lo¹i 12

1. Nguyªn lÝ 12

2.CÊu t¹o 12

3. Ph©n lo¹i sîi quang 13

II. C¸c ®Æc tÝnh vµ tham sè cña sîi quang 16

1. Sù lan truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang 16

2.Sù lan truyÒn c¸c mèt trong sîi quang 19

III. Suy hao 19

1. HÊp thô tÝn hiÖu trong sîi dÉn quang 20

2. Suy hao do t¸n x¹ 21

3. Suy hao do uèn cong sîi 21

IV. T¸n x¹ trong sîi quang 22

1. hiÖn t­îng vµ nguyªn nh©n ¶nh h­ëng 22

2. Ph©n lo¹i t¸n x¹ 23

3. Mèi quan hÖ gi÷a t¸n x¹ víi ®é réng b¨ng truyÒn dÉn vµ tãc ®é truyÒn dÉn bit. 23

4. HiÖn t­îng t¸n x¹ vËt liÖu 24

5. HiÖn t­îng t¸n x¹ mèt 26

6. HiÖn t­îng t¸n x¹ mÆt c¾t 27

7. HiÖn t­îng t¸n x¹ sîi dÉn quang 28

8. ¶nh h­ëng cña sù trén mèt vµo t¸n x¹ mèt trong sîi ®a mèt 28

9. kÕt luËn 29

V. So s¸nh c¸c lo¹i sîi dÉn quang 29

Ch­¬ng 3: C¸P QUANG 31

I. §Æc ®iÓm, yªu cÇu cña c¸p quang 31

II. Ph©n lo¹i c¸p quang 32

1.Theo cÊu tróc 32

2. Ph©n lo¹i theo môc ®Ých sö dông 32

3. Theo ®iÒu kiÖn l¾p ®Æt 32

III.CÊu t¹o c¸p quang 33

1. B¶o vÖ sîi tr­íc khi bÖn c¸p 33

2.BÖn lâi c¸p 33

3. B¶o vÖ ruét c¸p 34

4.Vá c¸p 34

5.ChÊt lµm ®Çy 34

6. C¸c líp gia c­êng ®Æc biÖt 34

IV. Mét sè lo¹i c¸p quang theo môc ®Ých sö dông 34

1. C¸p sö dông trªn m¹ng néi h¹t vµ n«ng th«n 34

2.C¸p trªn m¹ng trung kÕ 35

3. C¸p trªn m¹ng truyÒn dÉn ®­êng dµi 36

4. C¸p treo 37

5. C¸p th¶ d­íi n­íc 37

V. C¸c th«ng sè kÜ thuËt cña c¸p quang 38

Ch­¬ng 4: Bé BIÕN §æI QUANG §IÖN 40

I. Sù bøc x¹ ¸nh ¸ng kÕt hîp vµ nguyªn lÝ laser 40

II. Nguyªn lÝ bøc x¹ ¸nh s¸ng do t¸i hîp trong b¸n dÉn 40

1.Nguyªn lÝ 40

2.MiÒn ho¹t tÝnh cña líp tiÕp gi¸p p-n 42

iii. CÊu t¹o diot ph¸t quang vµ diot laser 42

1.Yªu cÇu chung 42

2. Diot LED, LD cã cÊu tróc dÞ thÓ kÐp 42

IV. C¸c ®Æc tÝnh bøc x¹ cña diot LED, LD 44

1.§Æc tÝnh bøc x¹ 44

2.Tr­êng bøc x¹ vµ hiÖu suÊt ghÐp 44

3. Phæ bøc x¹ 45

4. ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é 46

V. §iÒu biÕn c¸c nguån quang 48

1. §Þnh nghÜa vµ ph­¬ng thøc ®iÒu biÕn 48

2. §Æc ®iÓm ®iÒu biÕn 49

3. §Æc tuyÕn ®iÒu biÕn tÜnh 50

4. §Æc truyÕn ®iÒu biÕn ®éng 50

5. ¶nh h­ëng cña ®iÒu biÕn ®Õn phæ bøc x¹ 54

Ch­¬ng 5: Bé BIÕN §æI QUANG §IÖN 55

I. Nguyªn lÝ biÕn ®æi ®iÖn quang 55

1.C¸c nguyªn lÝ t¸ch quang 55

2.Nguyªn lÝ chuyÓn ®æi quang ®iÖn t¹i líp tiÕp gi¸p p-n 55

II. C¸c lo¹i diot quang 57

1.C¸c yªu cÇu c¬ b¶n 57

2.Diot PIN(p-i-n) 57

3.Diot quang th¸c APD 59

4. C¸c ®Æc tr­ng vµ tham sè c¬ b¶n 60

III. C¸c ®Æc tÝnh gi¶i ®iÒu cña ®iot quang 61

1. C¸c ph­¬ng ph¸p thu vµ gi¶i ®iÒu quang 61

2. §Æc tÝnh d¶i ®iÒu tÜnh 62

3. §Æc tuyÕn d¶i ®iÒu ®éng 62

IV. So s¸nh c¸c lo¹i diot quang 63

Ch­¬ng 6 : HµN NèI Vµ B¶O VÖ SîI QUANG 64

I. C¸c biÖn ph¸p b¶o vÖ sîi quang 64

1. §é s©u ch«n c¸p 64

2. Chèng mèi vµ chuét 64

3. Chèng ¶nh h­ëng cña sÐt 65

II. Hµn nèi vµ b¶o vÖ sîi 66

1. Yªu cÇu kÜ thuËt 66

2. C¸c ph­¬ng ph¸p hµn nèi sîi quang 68

3. Baá vÖ mèi nèi 71

CH¦¥NG 7 : THIÕT KÕ M¹NG TH¤NG TIN QUANG 73

I . §Æt vÊn ®Ò 73

II. C¸c tham sè thiÕt kÕ hÖ thèng 73

III. Nguyªn t¾c lùa chän tèc ®é tÝn hiÖu ,b­íc sãng c«ng t¸c,s¬i quang ,thiÕt bÞ ®Çu cuèi quang 75

IV. C¸c th«ng sè cÇn thiÕt cho viÖc thiÕt kÕ tuyÕn th«ng tin quang 76

1 . C«ng suÊt quang yªu cÇu ( ®é nh¹y thu ) 76

2. C¸c ¶nh h­ëng 80

3. Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c bé lÆp cña hÖ thèng sîi quang 82

T¸n x¹ trong sîi quang 86

5.C¸c tham sè cña linh kiÖn t¸ch quang 87

6. Quan hÖ gi÷a nhiÔu vµ BER 88

V. ThiÕt kÕ hÖ thèng 89

1. Thñ tôc thiÕt kÕ 90

2. Sù lùa chän tèi ­u cña hÖ thèng 91

Tµi liÖu tham kh¶o 92

Môc lôc 93

 

 

doc105 trang | Chia sẻ: maiphuongdc | Ngày: 03/12/2013 | Lượt xem: 980 | Lượt tải: 3download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đồ án Hệ thống thông tin quang, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Đặc điểm là cần số lượng mạng cáp rất lớn. Đáp ứng được các yêu cầu riêng cho điều kiện cụ thể. Mạng cáp thuê bao càn rẽ nhiều nhánh, nên cần loại cáp nhỏ Ýt sợi để phân phối cho các cáp rất lớn. Phải xây dựng theo các mẫu thống nhất để dễ nối rẽ nhánh dễ dàng. Đơn vị chuẩn là con, nỗi đơn vị có 10 sợi quang. 10 sợi này đặt trong ống đệm lỏng. Chất nhờn độn làm đày để chống nước lọt vào cvà tăng cường đặc tính cơ học cho cáp. Người ta chế tạo cáp có số lượng lớn bằng cách xoắn các đơn vị con với nhau. Hoặc trước tiên tạo ra các đơn vị chủ gồm 5 đơin vị con với đủ các thành phần là cáp 50 sợi. Rồi tạo cáp lớn hơn bằng cách xoắn các đơn vị chủ thành ruột cáp. Chất nhờn làm đầy chống lọt nước vào và tăng đặc tính cơ học cho sợi Nếu trên mạng có thiết bị lặp, thiết bị ghép kênh, thì đung cáp đồng cấp nguồn riêng chứ không đưa dây đồng vào cáp quang, nhờ đó giảm được số lượng chủng loại cáp. 2.Cáp trên mạng trung kế Xu thế của mạng trung kế giữa các tổng đài diện thoại là tạo ra các đường truyền digital, có tiêu hao nhá, dung lượng truyền dẫn lớn. Thực tế cũng là mạng cáp dùng cho mạng đường dài. Sử dụng cáp đa mốt GI hơn cáp đơn mốt SM vì giá thành thấp và cự li truyền dẫn không quấ dài nên tiêu hao và tán xạ truyền dẫn không quá ngặt nghèo. Cáp quang sử dụng ở mạng trung kế cũng là cáp quang sử dụng opử mạng đường dài. Người ta sử dụng cáp đa mốt GI hơn là cáp đơn mốt SM vì giá thành sản xuất và cự li truyền dẫn không quá dài nên tiêu hao về tán xạ truyền dẫn khong quá ngặt ngèo. Mạng digital nở các thành phố lớn liên quan đến nhiều yếu tố khác nhau: Số mạng trung kế, diều kiện lắp đặt, khỏang cách giữa các tổng đài, diều kiện bảo dưỡng. Đặt dây kim loại vào để cấp nguồn là không nên, vì trạm lặp cấp nguồn tại chỗ, còn cáp đi qua được các nguồn sét đánh, điện lực dễ bị hư hại. Cáp của hãng NTT của Nhật. Cáp gồm 24 sợi đặt trong 4 nhóm 6 sợi và được quấn xen trong các nhóm gia cường rỗng quanh lõi thép gia cường thành ruột cáp. Từ hai sợi cáp với 24 sợi dây quang ghép quấn thành 1 cáp với 48 sợi quang. Hãng ASS&SIP của Italia tên là cos3/foster. Trong thành phần ruột cáp, ngoài sợi quang, phần tử gia cường, chất làm đầy, bao bọc còn có các dây làm chức năng phụ. 4 dây cấp nguồn. 2 đôi dây liên lạc nghiệp vụ. 2 sợi dây cảnh báo cho nước rò vào. Ngoài ra cáp cấu thành từ các băng dẹp, mỗi cáp dẹp có 12 sợi quang(của Mỹ) và cáp có 7 đơn vị con tạo thành sợi cáp với 70 sợi quang( của Pháp). 3. Cáp trên mạng truyền dẫn đường dài Là kết nối cho các vùng xa nhau tới hàng trăm km. Cáp trên mạng trung kế đáp ứng các yêu cầu sau: Có khoảng cách trạm lặp lớn để giảm thiết bị trung gian Có độ rộng băng thông rất lớn, để có dung lượng truyền dẫn lớn. Giá thành chế tạo thành cáp thấp. Kích thước cáp nhỏ để giảm nhỏ cống cáp Xuyên âm rất Ýt Chống can nhiễu Ýt. Hoàn toàn cách điện. Chính vì vậy mà không cần tăng nhiều sợi, do đó dường kính nhỏ. Cáp quang hiện nay phổ biến từ 6à12 sợi đường kính khoảng 20mm. ở việt nam hiện nay sử dụng cáp của hãng pirreli(Italia) có 8 sợi quang đa mốt sử dụng trên truyền thông tin đường trục bắc_ nam ở việt nam. 4. Cáp treo Sử dung ở nhiều nơi, ở mạng thuê bao nông thôn hoặc ở vùng đầm lầy ao hồ. Cáp phải chịu tác động cơ học lớn. Với cáp trọng lượng lớn thì quang sợi cáp Người ta bó bằng các sợi cáp mạch xoắn và phải có hệ thống treo vững trắc. Cáp có 4 sợi, được nhần biết bằng màu: sợi 1là xanh da trời, sợi 2 là vàng, sợi 3 là xanh lá cây,sợi 4 là đỏ. Dây treo chế tạo từ sợi thủy tinh tổng hợp phải có cường độ chịu lực lớn để thỏa mãn các yêu cầu trên. Đường kính cáp: 1,5mm, lực căng cho phép0,3kN Đường kính dây treo:8, 9 và 10mm với cường độ căng tương ứng là 17, 21, 37kN. Bán kính uốn cong nhỏ nhất là 50xD, D là đường kính dây treo 5. Cáp thả dưới nước Thường là cáp biển dùng các hệ thống thông tin xuyên đại dương từ nước này sang nước khác hoặc giữa đất liền sang hải đảo,… Do vậy cáp đơn mốt ở bước sóng 1300nmà1500nm được lựa chọn. Cáp phải chịu tác đông cơ học lớn và trong ruột nó phải luôn khô. Khi thiết kế cần có các yêu cầu sau: Các sợi quang phải dược bọc trong một ống nhôm hoặc đồng và được bao bọc bằng các sợi thép quấn xung quanh, để tăng khả năng chịu lực cho cáp. Bên ngoài các dây thép xoắn được bao bọc băng ống nhôm hoặc đồng và ngăn không cho hơi nước xâm nhập vào qua chất cách điện bảo vệ bên ngoài. Có đặt dây dẫn để cấp nguồn cho các trạm lặp. Căn cứ vào điện áp cung cấp lớn nhất đẻ tính toán chế tạo lớp Poli -ê-ti-len đầy để ngăn cách các dây dẫn điện với nước biển. Bên ngoài lớp bọc ngăn cách còn có lớp vỏ dày làm bằng nhựa để bảo vệ. Nếu cáp thả ở vùng nước nông thì ben ngoài còn được bọc một hoặc nhiều lớp thép mạ. V. Các thông số kĩ thuật của cáp quang Gới thiệu cấu trúc phần ruọt cáp, số lượng sợi quang, cách bện cáp, bảo vệ ruột cáp,cấu trúc phần vỏ bảo vệ. Các hãng còn giới thiệu chi tiết chất độn, loại sợi tơ, quy cách các vỏ bảo vệ, các lớp vỏ bảo vệ đặc biệt... Kích thước và trọng lượng cáp bao gồm các thông số: Đường kính bên ngoài cáp (mm). Trọng lượng mỗi km cáp (Kg). Độ dài cung cấp của cuộn cáp (m). Các đặc tính cơ học, bao gồm các thông số: Lực kéo lớn nhất không làm dãn cáp (kg). Bán kính úon cong nhỏ nhất (cm). Lực va trạm cho phép, không làm đứt sợi hoặc không làm tăng tiêu hao sợi quang. Lực nén cáp (trên đoạn 100m) cho phép (kg). Dải nhiệt dộ công tác ( độ c). Cường độ cách điẹn trên 1 chiều dài vỏ thép quấn và lõi chịu lực bằng thép nếu có (kV). Đặc tính của sợi quang chế tạo cáp, bao gồm: Tiêu hao ở bước sóng công tác (l) (dB/km). Tiêu hao truyền dẫn trung bình ởbước sóng l, được đo trên một đoạn lặp. Bước sóng giới hạn của cáp thực tế lgg(nm). Tiêu hao trong dải bước sóng l1- l2 quanh bước sóng công tác l . Đặc tính cơ học của sợi quang có lớp phủ bao gồm: Lực căng cho phẻptong 1 giây (g). Bán kính uốn cong nhỏ nhất. Độ mở DN. Biến thiên của đường bao chiết suất. Kích thước của sợi bao gồm: Đường kính trường mốt (mm). Đường kính vỏ sợi (mm). Độ lệch của vỏ sợi (%). Độ tập trung của trường mốt(mm). Lớp vỏ bảo vệ: vật liệu và đường kính (mm). Chương 4: Bộ BIếN ĐổI QUANG ĐIệN I. Sự bức xạ ánh áng kết hợp và nguyên lí laser Mạch dao động là gồm một bộ khuếch dại cộng và một mạch hồi tiếp đồng pha. Một quá trình dao đông nhẫu nhiên của một tần số dao động mong muốn nào đó xuất hiện trong mạch dao động được sử dụng tạo ra chuỗi tác động dây chuyền. Một phần năng lượng dao động đồng pha trở về mặch dao động. Vậy trong mạch dao đông có tự khuếch đại, nhờ dó dao động tự khuếch đại. Nhờ đó nhận được dao động liên tục, ổn đinh và hoàn toàn kết hợp. Nhờ thế đạt được các dao động ngẫu nhiên và kết hợp. Dựa vào nguyên lí này tạo ra nguồn bức xạ ánh sáng kết hợp. Laser thể rắn có ưu điểm là tạo ra ánh sáng có độ kết hợp cao, nhưng có nhược điểm: Khả năng điều biến khó ,kồng kềnh, tuổi thọ thấp. Hiện nay người ta chế tạo ra laser bán dẫn rất tốt. II. Nguyên lí bức xạ ánh sáng do tái hợp trong bán dẫn 1.Nguyên lí Laser bán dẫn có cùng nguyên lí với laser rắn và khí, đó là khi điện tử chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp sẽ giải pháng phần năng lượng ra dưới dạng bức xạ photon. Quá trình laser, quá trình bức xạ kích thích sẽ xuất hiện khi hệ số khuếch đại trong bộ cộng hưởng quang lớn hơn tổn hao bức xạ. Trước khi có bức xạ ánh sáng, bán dẫn cần phải được kích thích,tức là phá vỡ sự cân bằng nhiệt, có thể thực hiện được nhờ chiếu ánh sáng ngoài hoặc khuếch tán các phần tử mang điện tích qua một vùng không gian đồng nhất chẳng hạn lớp tiếp giáp p-n. Không chiếu ánh sáng lạ vào lại dùng dòng điện, bằng một diện áp phân cực thuận vào lớp tiếp giáp p-n để tạo ra việc chuyển đổi chiếm các dải năng lượng. d¶i dÉn vïng cÊm EC d¶i ho¸ trÞ l=hc/Ec CÊu tróc d¶i n¨ng l­îng Khi có dòng phân cực thuận thì các diện tử ở dải hoá trị nhận được năng lượng sẽ chuyển sang vùng cấm EC để lên dải dẫn Ed và dừng ở đó là trạng thái ổ định. Vậy bán dẫn đã được kích thích và chứa năng lượng tại lỗ trống. Khi nguyên tử chuyển từ trang thái bị kích thích về trạng thái cũ, điện tử chuyển từ mức năng lượng cao của dải dẫn về mức thấp của dải hóa, để tái hợp với lỗ trống, và năng lượng bức xạ ra dưới dạng photon. ¸nh s¸ng kÝch thÝch kÝch thÝch ph¸t x¹ kÝch thÝch ¸nh s¸ng kÝch thÝch Bé céng h­ëng quang ¸nh s¸ng ra E1 E2 qu¸ tr×nh vïng n¨ng l­îng N¨ng l­îng kÝch thÝch 22. 2.Miền hoạt tính của lớp tiếp giáp p-n Khi chưa đặt điện áp phân cực thuận vào( hình a) thì tại lớp tiếp giáp p-n không xảy ra tái hợp điện tử trong miền n với lỗ trống trong miền p. Dở mức Fecmi không thể có năng lượng nào vượt qua hàng rào thế năng được Khi đặt điện áp phân cực thuận vào(hình b) thế cân bằng bị phá vỡ . Các điện tử dễ dàng đi qua lớp tiếp giáp, các điện tử ở miền n và lỗ trồng ở miền p sẽ tái hợp với nhau trong miền hoạt tính để bức xạ ra các photon. Tần số và dải sóng bước ra được xác định qua độ trênh lệch dải năng lượng Epn giữa dải hoá và dải dẩn của vật liệu bán dẫn. III. Cấu tạo diot phát quang và diot laser 1.Yêu cầu chung Diot LED bức xạ ánh sáng đẳng hướng, nên khả năng ghép vào sợi quang là rất thấp. Để tăng hiệu suất thì phải có cấu trúc bức xạ ánh sáng ra một hướng hoặc là vuông góc với tiếp giáp p-n. Nếu thu hẹp miền hoạt tính thì tập chung các phần tử tích điện để tăng Nếu hiệu thu suất, lại tạo ra lớp dẫn quang hẹp để tập chung các photon. Bên cạnh đó cần ngăn chặn sự hấp thụ photon tring lớp tiết giáp n. Các diot laser do có bộ cộng hưởng quang và có dòng cung cấp lớn hơn dòng ngưỡng nên ánh sáng tập hợp với công suất lớn, góc bức xạ nhỏ. Bộ cộng hưởng quang kháp kín theo chiều dọc nên LD bức xạ ánh sáng ra một cửa nhỏ nên dễ ghép vào sợi quang. Thực tế có nhiều phương pháp chế tạo LED,LD khác nhau. 2. Diot LED, LD có cấu trúc dị thể kép Tạo cấu tạo tạo nhiều lớp phức tạp để thu hẹp miền hoạt tính vật liệu sử dụng cho các lớp p và n là GaPs và AlGaPs và AlGaAs có hệ số dãn nở giống nhau. Líp P-AlGaAs có độ rộng dải cấm lớn, tạo ra ngưỡng điện thế để ngăn khoomg cho di chuyển điện tử về diện cực p và nằm lại trong miền hoạt tính. Líp n-AlGaAs cũng tạo ra ngưỡng điện thế để lỗ chống kgoong di chuyển sang vùng N, tập chung ở miền hoạt tính là p-GaAs. Nên nhờ vậy chúng tập chung nhiều phần tử tích điện trong miền hoạt tính để tái tạo với nu và phát ra ánh sáng trong miền đó . LED, LD có dặc tính điện giống nhau, nhưng đặc tính quang khác nhau. LD bức xạ ánh sáng kết hợp từ bên cạnh của hoạt tính p-GaAs, còn LED thì bức xạ ánh sáng không kết hợp theo phương vuông góc với hướng này. LD ở vùng bước sóng 800à900nm, vật liệu GaAs không chứa Al, có chiết suất khoảng 3,6à3,7. Nên bề mặt phản xạ có hệ số phản xạ 32%. Chiết suất n của lớp p-GaAs,lớn hơn chiết suất của 2 líp AlGaAs hai bên nên ánh sáng sinh do tái tạo không bị tán xạ sang hai líp AlGaAs năm lại trong líp p-GaAs, giống hư trong một ống dẫn sóng đưa đến hai sườn bên của p-GaAs sẽ phản xạ lại 32%. Quá trình này lặp lại nhiều lần. Bộ cộng hưởng tăng cường cho ánh sáng phát xạ do kích thích. Nh­ thế ánh sáng cũ xếp chồng với ánh sáng mới sinh do tái hợp của các phần tử tích điện, đồng pha với nhau trên cùng hướng lan truyền, nó nằm trong p-GaAs, một phần ánh sáng bức xạ ra ngoài. LED phát xạ ánh sáng không kết hợp cũng từ lớp p-GaAs ở giữa giống LD, nhưng phát theo mọi phương. Do GaAs có chiết suất lớn, nên góc gới hạn của phản xạ toàn phần là 16o, vì thế ánh sáng chỉ bức xạ ra không khí trong phạm vi một hình nón có góc đỉnh là 320, do có góc mở AN=0,2. Góc nhận ánh sáng là 70, do đó ánh sáng từ LED vào sợi quang rất Ýt. Để nâng cao hiện suất ghép ánh sáng ta cóp các biện pháp sau: Làm điện cực p có đường kính nhỏ khoảng 50mm để hạn chhes kích thước tái hợp của phần tử điện tích,nên áng sáng trong p-GaAs bữ xạ ra ở chỗ đối diện với sợi quang. Ngoài việc chế tạo điện cực p nhỏ người ta còn dùng thấu kính để ghép ánh sáng vào sưọi quang. Cắt sâu 1 một lỗ vào n-GaAs tạo ra một cửa sổ để dẫn sợi quang vào, nhoè đó sợi quang tiếp xúc gần với lớp p-GaAs phát xạ ánh sáng, tránh hiện tượng hấp thụ photon trong líp n-GaAs dầy. Loại này là loại Burrus Loại diot phát quang cạnh ELED có đặc tính phát xạ khác với diot LED phát xạ mặt ánh sáng không kết hợp trong miền hoạt tính được phát xạ ra theo chùm nhỏ ở một bên rìa miền này giống như chùm bức xạ của diot laser. IV. Các đặc tính bức xạ của diot LED, LD 1.Đặc tính bức xạ Biểu thi sự phụ thuộc của công suất ánh sáng bức xạ vào dòng diện cung cấp( hình b, c). Với diot LED công suất ánh sáng cung cấp gần nh­ tỉ lệ tuyến tính với dòng điện. Nếu dòng điẹn quá lớn thì do tác động của nhiệt độ, đặc tính bức xạ mất đặc tính tuyến tính. Do đó diot LED không thể bằng dòng điều khiển lên quá lớn. Với LD có dòng ngưỡng, nên dòng điều khiển dòng ngưỡng thì công suất ánh sáng ra tăng quá nhanh. Quan hệ tuyến tính bị phá vỡ nếu mất ổn định của phân bố trường xa, trường gần. 2.Trường bức xạ và hiệu suất ghép Sự phân bố công suất bức xạ của nguồn quang được đặc trưng ở sự phân bố trường xa, trường gần và mật độ bức xạ. Thực tế đại lượng đặc trưng là công suất ánh sáng có thể ghép vào sợi quang, được xác định theo công suất bức xạ tổng cộng và hiệu suất ghép vào sợi. Hiệu suất ghép phụ thuộc vào sợi quang, đặc tính bức xạ của LED và LD. Cương độ trường bức xạ trên một mặt phẳng bức xạ L0=L=const, có bán kính rS là I0=L0..rS2.p. Góc mở hướng bức xạ trong mặt phẳng là g, có góc mở không gian f thì cường độ trường gần đúng là I=I0.cosg. Lấy tích phân của trường xa trên không gian bức xạ hình nón thì công suất bức xạ tổng cộng là PS=L0(rS.p)2=p.I0. Công suất ánh sáng tối đa ghép vào sợi là Pin= p.q.L.FK.AN2 với L:mật độ bức xạ, FK: tiết diên ruột của sợi quang, AN: độ mở của sợi quang , q =1( sợi SI) và q=0,5(GI) Hiệu suất ghép ánh sáng là h=q.AN2.FK/FLED. Với FLED là diện tích bức xạ của miền hoạt tính của LED. 3. Phổ bức xạ n ChiÕt suÊt (c) DW W N¨ng l­îng D¶i dÉn D¶i ho¸ (b) (a) LED ph¸t x¹ mÆt §iÖn cùc ¸nh S¸ng sîi quang LED Dl LED LD Độ rộng phổ bức xạ của nguồn xác định giá trị tán xạ vật liệu trong sợi quang, ảnh hưởng đến đặc truyến truyền dẫn của thông tin quang. Các nguồn bức xạ ra công suất không phải là chỉ 1 bước sóng, mà năng lượng phân bố trên vùng bước sóng l1->l2. Được đặc trưng bởi hàm mật độ Pa thể hiện sự phân bố công suất ánh sáng theo bước sóng. Phổ bức xạ của LD không là liên tục mà xuất hiện nhiều dải hẹp nằm cách nhau dl đây là phổ vạch và hầu nh­ không đổi . Nếu độ dài bộ cộng hưởng là Lr, chiết suất miền hoạt tính là nF thì bước sóng trong vật liiệu bán dẫn là l/nK. Thì điều kiện cộng hưởng là dl=l2/2.nK.Lr. 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ Khi nhiệt độ môi trường thay đổi thì đặc tính bức xạ của chúng bị ảnh hưởng cả về công suất lẫn phổ bức xạ. a. Công suất: khi nhiệt độ tăng thì đặc tính bức xạcủa LED&LD giảm. 200C 300C a)LED P I T 200C 500C T P I b)LD Nhiệt độ tăng thì đặc tính bức xạ của LED sẽ phẳng hơn, còn đặc tính bức xạ của LD sẽ dịch chuyển về phía dòng ngưỡng nhiều hơn. Ban đầu nhiệt độ chưa cao thì đặc tính hầu như song song với nhau, khi nhiệt độ tăng thì đặc tính bị nghiêng hơn (hình b). LED&LD chế tạo từ vật liệu liên kết bốn InGaAsP cho các bước sóng dài 1,3 và 1,55mm. Hiện nay rất nhạy với nhiệt độ so với loại chế tạo từ vật liệu GaAlAs cho bước sóng ngắn 0,85mm. Sự phụ thuọc của dòng ngưỡng ing của LD thể qua công thức ing(T+DT)= ing(T).eDT/To. T: nhiệt độ ban đầu, DT nhiệt độ gia tăng, To: nhiệt độ phụ thuộc vào vật liệu. b. Phổ bức xạ: Khi nhiệt độ thay đổi 1oC thì phổ bức xạ LD dịch chuyển đi vài phần mười(nm) thay đổi bước sóng bước xạ. Một tần số cộng hưởng của bộ cộng hưởng dịch chuyển sang một tần số lân cận, làm cho phổ bức xạ ra không ổn định. c. Biện pháp ổn nhiệt: Cần có các biẹn pháp ổn định để giữ cho công suất bức xạ và bước sóng chỉ biến động trong giới hạn nhỏ. Phương pháp hữu hiệu là điều chỉnh tự động các đại lượng này. Lấy tín hiệu điều khiển điều chỉnh từ chính công suất bức xạ ra. Loại diot laser chế tạo hiện nay có sẵn mạch điều chỉnh, chế tạo chung trong một môdum Được chế tạo có sẵn 1 đoạn sơi quang để dẫn ánh sáng ra. Phôto điot M đóng vai trò như một phần tử giám sát, nó chuyển thành tín hiệu điện, qua khuếch đại để ra điều chỉnh điểm công tác LD. Sợi dây náng T giám sát nhiệt độ của LD và phần tử làm mát P được điều chỉnh qua tíb\n hiệu thăm dò của T, để giữ nhiệt độ không thay độ. T&P được đấu nối với mạch điện điều chỉnh bên ngoài. Ngoài ra còn có các phần tử phụ thực hiện chức năng phụ giám sát bức xạ, điều chỉnh công suất và bức xạ. V. Điều biến các nguồn quang 1. Định nghĩa và phương thức điều biến a. Định nghĩa: Quá trình điều biến các nguồn quang là làm thay đổi nguồn bức xạ theo thời gian nhờ một tín hiệu điện, thường là tín hiệu có Ých. Luồng bức xạ quang là tải tin. Tin tức điều khiển biên độ, tần số, hoặc pha của tải tin. Trong thông tin quang tín hiệu tin tức điều khiển cường độ bức xạ của nguồn quang, gọi là điều biến cường độ hoặc điều biến pha. Bøc x¹ ®iÒu biÕn b. Các phương thức điều biến: Diều biến trực tiếp và gián tiếp gọi là điều biến ngoài. Bøc x¹ ®iÒu biÕn Nguån quang TÝn hiÖu ®iÖn §iÒu biÕn quang Nguån quang §iÒu ®iÕn trùc tiÕp §iÒu ®iÕn gi¸n tiÕp Trong điều biến trực tiếp: Dùng tín hiệu điện vào điều khiển dòng điện diot để thay đổi cường độ bức xạ ra. Cường độ bức xạ được điều khiển trực tiếp bằng tín hiệu điện. Phương thức này đang được phổ biến. Điều biến gián tiếp: Sử dụng một nguồn bức xạ quang có sẵn, đưa tín hiệu điện vào điều biến với tải tin quang trong bộ điều biến quang bên ngoài. Nên tín hiệu điện mang tin có thể tác động vào cường độ hoặc vào pha của tải tin quang. Ta tập chung nghiên cứu vào phương pháp điều biến trực tiếp. 2. Đặc điểm điều biến Trong điều biến Analog chon điểm công tác AK trên đặc tuyến. Đặc tuyếnđiều biến của LED và LD khác nhau vì đặc tuyến công tác, thể hiện mối quan hệ giữa công suất ánh sáng và dòng điện kích thích. ánh sáng ra cửa LED tăng tỉ lệ đều với dòng điện cung cấp. Với dòng lớn thì đặt chế độ bão hòa nên đặc tuyến bị uốn cong một chút, công suất ra mới tăng chập. P P I LED LD I C¸c ®Æc tuyÕn bøc x¹ cña LED vµ LD LD có đặc tuyến gãy. Bên dưới dòng ngưỡng công suất ánh sáng ra bé và tăng rất Ýt khi dòng điện tăng. Bên trên dòng ngưỡng LD làm việc ở chế độ laser. Dòng điện tăng thì công suất ánh sáng tăng nhanh. Trong điều biến Analog này gây méo tín hiệu, tín hiệu riêng rẽ trong chùm tín hiệu sẽ ảnh hưởng lẫn nhau. Nên Ýt sử dụng điều biến Analog. Trong thông tin quang người ta chú trọng truyền dẫn tín hiệu số. Trên đặc tuyến công tác chọn điểm công tác Ad . Với LD thì Ad nằm dưới dòng ngưỡng hoặc kề sát trên dòng ngưỡng này. Với LED thì chọn điểm công tác tại gốc tạo độ hoặc một điểm bất kì trên đặc tuyến (hình trên). Trong thông tin điện, ngày càng nhiều phương pháp truyền dẫn tất cả các dạng thông tin dưới dạng tín hiệu digital. Vì vậy kết hợp đặc tuyến điều biến của LD và LED thì hệ thống truyền dẫn quang thích hợp hơn. 3. Đặc tuyến điều biến tĩnh Phản ánh mối quan hệ giữa công suất bức xạ PS và dòng điện đưa vào iS . iS gồm dòng một chiều iSOvà dòng xoay chiều iS(t). Với LED thì đặc tuyến tăng dần theo quan hệ gần nh­ tuyến tính. Dòng điện khá lớn thì do ảnh hưởng nhiệt độ mới xuất hiệ phi tuyến. Với LD thì ngược lại, người ta thường sử dụng đopạn công tác bên trên dòng ngưỡng iig. Công suất bức xạ tăng nhanh, bắt đầu quá trình laser trong diot, bên dưới iig thì LD như LED. PS(t)= SS.iS(t). với SS=().iSO [mW/mA]. Với LD thì SS= 500mW/mA ; với LED thì SS=5--> 50mW/mA. Khi thiết kế chú ý đến hệ số điều khiển zS với analog thì zS=, Preff là trị hiệu dụng của Ps. Với digital zS== với PS1, PS0 là công suất bức xạ cho các mức logic "0" và "1". 4. Đặc truyến điều biến động a. Điot LED iD CD iS RD a F/fg 1 1/ bn S¬ ®å t­¬ng ®­¬ng cña LED víi dßng ®iÒu biÕn nhá §Æc tuyÕn biªn ®é cña ®é dèc ®iÒu biÕn cña diot LED Có PS(f)= Ss(f).iS(f) Thực chất Ps được xác định theo dòng điện iR chảy qua thuần trở RD: PS(f)= Ss(f).iS(f). Từ quan hệ của mạng hai cực CD-RD có giá trị iR(f): iR(f)= với fg=, fg là tần số cắt hay tầb số giới hạn. Từ trên có Ss(f)= nên giá trị tuyệt đối của biên độ là : Ss*=//= . Đặc tuyến biên độ của S*s được biểu diễn ở hình b. Từ Ps(f)= Ss(f).iS(f) biến đổi Frurier với t >=0 sẽ có đáp ứng xung hS(t)=.e-t/ts. Với zS= RD.CD. Với tín hiệu kích có dạng xung nhảy iS thì Ss(t)= Ss.iS(1- e-t/ts). Đặc tuyến của hàm đáp ứng xung chuẩn hóa h*S(t) và đáp ứng xung kích thích S*S(t). Thời gian xác lập của đáp ứng xung zS= RD.CD Thời gian xác lập của đáp ứng kích thíchtừ 10%-->90% giá trị cuối cùng (hình b) là tA=2,2. RD.CD. Nó có hạn chế do thời gian xác lập đáp ứng, tần số công tác càng cao thì càng bị hạn chế vì zS, tA tăng theo CD t t h*S(t) S*S(t) §Æc tÝnh x¸c lËp cña LED zS= RD.CD zS= RD.CD d*S do/f0 LS b. Điot LD. 10 O,05 O,1 iR=PS CP iS O,2 f/f0 1 Sù phô thuéc cña ®é c©u ®iÒu biÕn vµo tÇn sè S¬ ®å t­¬ng t­¬ng LD,víi dßng ®iÒu khiÓn nhá vµvíi dßng ban ®Çubªn trªn dßng ng­ìng Có giá trị fo= và =. Thành phần dòng chảy trên RD để xác định công suất là iR(f)= Với độ sâu điều biến là Ss(f)=. Hàm chuẩn hóa Ss*= có giá trị tuyệt đối của biên độ là : Ss*=//=. Khi do/fo<1/thì đỉnh cộnh hưởng tại tần số fch=fo. Khi do/fo<<1 thì gần đúng fch=fo=1/2p. Khi do=0 đáp ứng xung của dao động tắt dần: hS(t)=.e-2pdT.sin2pfST. Với tần số dao động là fs=. Khi do/fo<=1 thì fs=fo dao động tắt dần quanh giá trị xác lập: Ss(t)=Ss.iS(1-2-2p.do.T.cos2pfot. do/fo=0,05 do/fo=0,2 h*S(t) t S*S(t) t §¸p øng xung chuÈn hãa h*S(t) §¸p øng xung chuÈn hãa S*S(t) Đáp ứng xungvà đáp ứng kích thíchcó tính dao động mạnh khi chưa xác lập, là do tăng đỉnh cộng hưởng của độ dốc điều biến, gọi là dao động tích thóat của LD. Nó ảnh hưởng xấu khi truyền dẫn khi truyền dẫn tín hiệu băng rộng, do đó cần duy trì đỉnh dao động càng bé càng tốt. 5. ảnh hưởng của điều biến đến phổ bức xạ Một nguồn bức xạ có phổ Pl được điều biến với tín hiệu điện, ởđàu ra bộ điều biến phổ bị dãn rộng, làm dãn rộng phổ bức xạ. Nguồn bức xạ vạch phổ đơn sắclo, tín hiệu cóđộ rộng băng bN, phổ điều biến sẽ dãn rộng có giá trị Dl. Từ f= c/l có //=.Có //= Độ dãn rộng phổ tương đối là =.2bN. Pl Dl l ¶nh h­ëng cña ®iÒuy biÕn phæ lªn bøc x¹ lo Giả sử bN=1.109Hz, l. =900nm, c=3.108m/s. thì phổ dãn rộng tương đối là : =6.10-6. Chương 5: Bộ BIếN ĐổI QUANG ĐIệN I. Nguyên lí biến đổi điện quang 1.Các nguyên lí tách quang Các linh kiện được chia làm hai nhóm: Nhóm 1: Biến đổi quang năng thành nhiệt, để chuyển đổi tiếp giáp thành tín hiệu điện. loại này Ýt được sử dụng. Nhóm 2: Biến đổi lượng tử ánh sáng thành tín hiệu điện, gọi là tách quang lượng tử. Các bộ tách quang dược chia thành linh kiện sử dụng hiệu ứng quang ngoại, nội. Hiệu ứng quang ngoại: Quá trình phát xạ các điện tử từ vật rắn vào không gian khi có tác động của lượng tử ánh sáng. Các linh kiện này là tế bào quang điện chân không hoặc có bộ nhận quang điện. Nó có nhược điểm là kích thước lớn, điện áp cung cấp là trăm vôn cà hiệu suất lượng tử hoá là rất thấp ở các bước sóng dài. Hiệu suất quang nội: Là quá trình tạo ra các phần tử mang diện trong chất rắn, tạo ra các cặp điện tử – lỗ trống trong bán dẫn. Các linh kịen này gồm điện trở quang, photon diot,transsitor quang và thisistor quang. Hiện nay sử dụng chủ yếu diot PIN và diot quang thác APD. Hiệu ứng quang nội xảy ra ở vùng lân cận 1 lớp tiếp giáp p-n. 2.Nguyên lí chuyển đổi quang điện tại lớp tiếp giáp p-n Quá trình xảy ra ngược với diot LED và LD do ảnh hưởng của điện áp thuận đặt vào mà các diện tử và lỗ trống tái hợp với nhau để bwscxaj ra các photon. ở tiếp giáp p-n diot thu quang có đặt điện áp phân cực ngược khi chưa có tác động của ánh sáng vào thì trong diot thu quang chưa có dòng điện, chỉ xuất hiện các dòng tối hoặc dòng rò rất nhỏ, vì diot hoàn toàn bị khoá. Khi ánh sáng tác dộng vào năng lượng hf của photon được trao cho các điện tử để nâng điện tử ở dải hoá lên dải dẫn. D¶i ho¸ Ef Møc fermi Eh d¶i ho¸ hf d E Nguyªn t¾c t¹o c¸c cÆp lç trèng-®iÖn tö cña tiÕp gi¸p p-n Tại chính tiếp giáp p-n sinh ra miền điện tích không gian do chính điẹn áp phân cực ngược đặt vào, đó là một điện trường. Các điện tử-lỗ trống mới sinh ra ở vùng điện tích không gian là phần điện tử tiểu số. Do tác động của điện trường của miền điện tích không gian, các điện tử từ vùng tiểu số p sang vùng n và lỗ trống tiểu số từ miền n sang p . Nh­ vậy mạch ngoài chảy theo dòng quang điện. Tần số và cường độ của dòng điện này do cường độ và tần số của ánh sáng quyết định. Độ rông của miền điện tích không gian và tố độ trôi của các điện tử mang dòng tiểu số quyết định thời gian trôi của chúng. Do đó khi sử dụng để truyền dẫn với tốc độ cao, xung ánh sáng rất hẹp. II. Các loại diot quang 1.Các yêu cầu cơ bản Các diot quang hoạt động gắn

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docthong tin quang.doc