Đồ án Ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM

h tái hợp giữa điện tử và lỗ trống tuân theo định luật bảo toàn năng lượng và bảo toàn xung lượng. Sự bức xạ ánh sáng do tái hợp xảy ra dễ hơn và với xác suất lớn hơn trong chất bán dẫn có vùng cấm loại trực tiếp, và khó xảy ra hơn và với xác suất nhỏ hơn trong chất bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp. 1-Bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp: là bán dẫn trong giản đồ vùng năng lượng của nó có đáy thấp nhất của vùng dẫn và đỉnh cao nhất của vùng hoá trị tương ứng với cùng một giá trị xung lượng p hoặc vecto sóng k của điện tử. Đại đa số các bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp đều là bán dẫn hợp chất như: GaAs, InP, AlGaAs, InGaAsP. Chúng là các chất chủ yếu để chế tạo ra các LED và LD. Hình 3.1.Dải cấm năng lượng trực tiếp 2-Bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp: là bán dẫn trong giản đồ vùng năng lượng của nó, có đáy thấp nhất của vùng dẫn và đỉnh cao nhất của vùng hoá trị ứng với các giá trị khác nhau của xung lượng p hay vector sóng k của điện tử. Các bán dẫn này có thể là bán dẫn đơn chất như Ge, Si hay hợp chất như AlAs, GaP. Chúng không dùng để chế tạo các nguồn phát quang. Hình 3.2. Dải cấm năng lượng gián tiếp Hệ số tái hợp của bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp lớn gấp hàng trăm lần đến hàng nghìn lần bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp. Các chất bán dẫn trong trạng thái bị kích thích từ bên ngoài thì có số điện tử nhỏ hơn nhiều so với số điện tử nằm ở trạng thái ổn định. Vì vậy, bức xạ tái hợp của nó là rất yếu và bị tổn hao lớn trong bản thân chất bán dẫn nên bức xạ tái hợp không phát sáng được ra ngoài. Để cho bức xạ tái hợp phát sáng được ra ngoài thì trong bán dẫn phải tạo được trạng thái nghịch đảo nồng độ điện tử, tức là nồng độ điện tử trong chất bán dẫn khi bị kích thích phải lớn hơn nồng độ điện tử trong chất bán dẫn ở trạng thái ổn định. Để tạo được trạng thái nghịch đảo nồng độ điện tử người ta phun các hạt dẫn bằng cách đặt vào lớp tiếp giáp P- N một điện áp thuận với thế năng thích hợp. Bình thường ở diode, phát xạ ánh sáng có thể xảy ra ở cả hai phía của diode rất thấp (do độ rộng vùng cấm EG và chiết suất của hai vùng P- N của chuyển tiếp có giá trị là xấp xỉ nhau). Tuy nhiên, nếu tập trung sự tái hợp các hạt đa số vào một vùng kích thích nhỏ thì mật độ công suất phát ra sẽ tăng lên. Ta có thể thực hiện điều đó băng cách hình thành một lớp tiếp giáp giữa hai chất bán dẫn có độ rộng dải cấm khác nhau (tiếp giáp dị thể), tạo ra hàng rào thế năng, hàng rào này ngăn cản các hạt dẫn sâu vào trong mạng tinh thể bán dẫn. Để “giam” cả điện tử và lỗ trống ta phải sử dụng hai lớp tiếp giáp dị thể, gọi là dị thể kép hay cấu trúc DH (Double- Heterojunction) lớp tiếp giáp dị thể có thể là dạng P- N , N-P hoặc P-P. Cấu trúc dị thể kép DH sẽ giam lỗ trống vào điện tử vào trong một lớp hoạt tính cực hẹp. Dưới điện áp phân cực thuận sẽ có một lượng lớn các hạt đa số được phun vào vùng hoạt tính. Tái hợp của hạt đa số sẽ diễn ra trong lớp hoạt tính kích thước nhỏ vì thế diode có hiệu suất phát quang cao. Một ưu điểm nữa của diode laser có cấu trúc DH là chiết suất trong vùng hoạt tính cao hơn vùng xung quanh, nên ánh sáng phát ra là một chùm tia hẹp có độ tập trung cao cũng giống như trong sợi quang chiết suất bậc SI. 3.2 Phân loại nguồn phát quang Nguồn phát quang là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng có công suất tỉ 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) Leser (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 thước 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, 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. Độ rộng phổ tần hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang. Duy trì mức công suất ngõ ra ổn định và không bị ảnh hưởng của các yếu tố 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. 3.3. Diode phát quang (LED) Hiện nay, người ta sử dụng chủ yếu hai loại LED trong các hệ thống thông tin cáp sợi quang là SLED phát xạ mặt (surface light emitting diode) và ELED phát xạ cạnh (Edge Light Emitting Diode). Cả hai loại này đều dùng cấu trúc dị thể kép để “giam” hạt đa số và ánh sáng vào một lớp hoạt tính. Loại LED Tần số điều chế lớn nhất(MHZ) Công suất ra (mW) Công suất phối ghép với sợi quang (mW) Phát xạ mặt 60 <4 <0.2 Phát xạ cạnh 200 <7 <1.0 Bảng 3.1. So sánh ELED và SLED Từ bảng trên ta thấy ELED ưu việt hơn loại phát xạ mặt về hiệu suất phối ghép và tần số điều chế. Vì vậy, LED phát xạ mặt chỉ được sử dụng trong tuyến thông tin có cự ly ngắn và có tốc độ thấp. Ngược lại ELED thường được sử dụng ở cự ly trung bình. Ánh sáng bức xạ của LED trải ra trong một vùng phổ rộng hơn rất nhiều so với LASER, do vậy chúng chỉ có thể phối ghép ánh sáng có hiệu quả và sợi đa mode có khẩu điều chế số lớn. 3.3.1. LED phát xạ mặt Hình 3.3 cho ta thấy cấu trúc điển hình của một led phát xạ mặt. Diode dị thể kép được hình thành trên nền của một chất bán dẫn loại N, ở phía trên của diode có khoét thêm một lỗ tròn. Hình 3.3. Cấu tạo của LED phát xạ mặt Trong cấu trúc đặc biệt này, ánh sáng được tạo ra ở vùng hoạt tính đi xuyên qua chất nền và đi vào lõi sợi quang đặt trong lỗ. Sợi quang được gắn bằng nhựa Eposy. Đáy của khối LED là bộ phận hạ nhiệt bằng vàng, tiếp xúc với diode bằng một khối tròn nhỏ, phần còn lại được cách điện với diode. Phần hạ nhiệt này tạo thành lớp tiếp xúc, nhờ đó dòng điện chạy qua lỗ của lớp cách điện. Dòng điện đi xuyên qua lớp bán dẫn loại P, hình thành một vùng hoạt tính dạng tròn kích thước nhỏ, với mật độ điện cỡ 2000A/cm2. Vì vậy tạo nên một chùm sáng có cường độ cực mạnh. Chỉ số chiết suất thay đổi qua các tiếp giáp dị thể làm cho một phần ánh sáng phát xạ quay về vùng hoạt tính, phần ánh sáng này có thể được hấp thụ hoặc đưa ra sợi quang, vì thế lượng ánh sáng thức tế ghép với sợi quang ít hơn so với lượng ánh sáng mà LED phát ra. Mặc dù đã có một vi thấu kính đặt trong giếng tại đỉnh của LED sẽ làm tăng hiệu suất ghép. Hiệu suất ghép còn phụ thuộc vào sai số lắp đặt thấu kính và sai lệch chỉnh tâm của sợi quang. Trong thực tế công suất phát xạ có thể đạt gấp 2 hoặc 3 lần nhờ một LED tương đương gồm 2 LED ghép đối đỉnh. 3.3.2. LED phát xạ cạnh Để giảm mất mát do hấp thụ trong lớp hoạt tính và làm cho chùm tia định hướng hơn, ta có thể lấy ánh sáng ra từ cạnh của led. Loại led này được gọi là led phát xạ cạnh (ELED). Cấu trúc như hình vẽ. Hình 3.4. Cấu trúc LED phát xạ cạnh Lớp hoạt tính được xác định bởi giới hạn của đường kẻ hẹp ở lớp tiếp xúc phía trên. Nhờ có tiếp giáp dị thể mà ánh sáng được giam trong vùng hoạt tính, điều đó làm cho hiệu suất, công suất và tính định hướng của nguồn sáng được tăng cao. Người ta phủ một lớp phản xạ tại đầu cuối của diode để làm tăng công suất ra. 3.3.3. Các đặc trưng kỹ thuật của LED Đặc tính phổ: sự phát xạ ánh sáng do dịch chuyển ngẫu nhiên của các điện tử qua dải cấm gọi là phát xạ tự phát. Trong thực tế dải dẫn và dải hoá trị có rất nhiều mức năng lượng khác nhau. Do sự tái hợp của các hạt có mức năng lượng khác nhau nên năng lượng phát xạ phát ra cũng nằm trong một phạm vi khá rộng. Mật độ phân bố điện tử cực đại ở mức năng lượng xấp xỉ Eg + KT/2 và của lỗ trống là ở năng lượng xấp xỉ Eg – KT/2, do đó hiệu năng lượng có giá trị trung bình là Eg + KT và độ lệch nằm giữa kT và 2 kT. Mặc dù độ lệch thực tế còn phụ thuộc vào lượng tạp chất pha vào, nhưng sự xấp xỉ trên là chấp nhận được. Năng lượng tái hợp trải rộng trong một dải nhất định nên các bước sóng phát xạ không phải là một giá trị nhất định mà trải rộng ra có dạng hình chuông. Bề rộng phổ ở mức nửa công suất gọi là độ rộng vạch phổ của nguồn. Như ta đã biết độ rộng vạch phổ lớn sẽ dẫn tới tán sắc vật liệu trong sợi quang lớn. Hầu hết các LED độ rộng vạch phổ cỡ 30nm và nếu chuyển sang miền tần số thì độ rộng tần là 1,3.1013 Hz, LED chỉ là nguồn quang có chất lượng thấp trong thông tin quang, do đó chúng chỉ được dùng trong các tuyến có dung lượng thấp, điều chế cường độ và cự ly ngắn. Dung lượng điều chế và hiệu suất chuyển đổi Đặc tuyến của công suất quang theo dòng điện điều khiển của LED là xấp xỉ tuyến tính. Nếu đặt một tín hiệu xoay chiều lên một thiên áp một chiều, ta có thể viết công suất quang đầu ra như sau: (3.3) Trong đó: p(0) là công suất ra chưa điều chế là hằng số thời gian của LED và mạch điều khiển Khi xét dải thông của sợi quang, ta thấy sự suy giảm 3dB trong công suất quang tương ứng với suy giảm 6dB trong công suất điện, vì vậy dải tần điện 3dB của LED là (Hz). Nếu mạch điều khiển được thiết kế tốt thì hằng số thời gian của LED sẽ trội hơn. Đó là thời gian tái hợp bức xạ và tái hợp không bức xạ cùng xảy ra thì cho bởi công thức: (3.4) Trong đó và là thời gian tái hợp bức xạ và không bức xạ. Để tạo ra thiết bị có tốc độ nhanh thì cả và đều phải được giữ ở giá trị thấp, đồng thời phải thoả mãn điều kiện nhằm đạt được hiệu suất cao. Ta hãy xét tới ảnh hưởng của thời gian tái hợp không bức xạ khi chế tạo các diode dị thể, sẽ có một sự sai lệch nhỏ trong mạng tinh thể của lớp tiếp giáp. Điều này tạ ra cái bẫy của mặt cái bẫy tại mặt phân giới giữa 2 chất và được đặc trưng bởi tốc độ tái hợp mặt, kí hiệu là S. d: là khoảng cách giữa 2 lớp dị thể. Vì và phụ thuộc vào d, nên d càng nhỏ thì hằng số thời gian càng nhỏ, khi rút ngắn d sẽ làm giảm nhanh hơn, do đó sự gia tăng tốc độ điều chế sẽ làm giảm hiệu suất. Tuy nhiên, do tỉ lệ nghịch với mà ta có thể rút ngắn bằng cách tăng mật độ dòng điện, nhưng khi tăng J thì nhiệt độ của LED khi làm việc sẽ cao làm ảnh hưởng tới tuổi thọ và độ tin cậy của nó. Hầu hết các LED đều làm việc với mức pha tạp cao và hiệu suất nội lượng tử chỉ đạt 50%. Mặc dù vậy hiệu suất ngoài (tính bằng công suất ghép sợi quang) thông thường nhỏ hơn 10%, nên nói chung LED là các nguồn quang có công suất nhỏ và hiệu suất thấp. 3.4. LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) Thông thường diode laser được sử dụng trong các tuyến cự li dài tốc độ cao (các tuyến này dùng sợi quang đơn mode SM). Nói chung yêu cầu đặt ra đối với diode laser trong thông tin quang là giảm thiểu độ rộng vạch phổ và hoạt động chế độ đơn mode và yêu cầu quan trọng là tăng hiệu suất thì cần phải giảm dòng điện ngưỡng. 3.4.1. Cấu trúc và nguyên tắc làm việc Không giống như LED (ánh sáng phát ra là do bức xạ tự phát), ánh sáng LASER được tạo ra bằng bức xạ kích thích. Bức xạ kích thích xảy ra khi một photon sơ cấp (hv)1 va đập vào một nguyên tử đã được kích thích và thay vì hấp thu photon này lại kích thích cho một điện tử dịch chuyển xuống qua dải cấm và sinh ra một photon mới gọi là photon thứ cấp (hv)2. Photon mới được tạo ra giống hệt photon ban đầu. Các photon này tiếp tục va chạm với các nguyên tử ở trạng thái kích thích khác trong mạng tinh thể và lại sinh ra nhiều photon hơn nữa khi chúng va chạm. Như vậy, mạng tinh thể bán dẫn đã khuếch đại những photon ban đầu tức những photon sơ cấp. Hình 3.5 a) Bức xạ tự phát b) bức xạ kích thích Để bức xạ kích thích có thể xảy ra, trong dải dẫn phải có một số lượng lớn các điện tử và trong dải hoá trị cũng phải có một lượng lỗ trống như vậy. Trạng thái gần ổn định này được gọi là trạng thái đảo đồng bộ. Trong diode laser nó là kết quả của sự phun một lượng lớn hạt đa số vào vùng hoạt tính có nồng độ pha tạp lớn. Nếu trạng thái đảo nồng độ xuất hiện với tác dụng giam ánh sáng của 2 lớp dị thể sẽ sinh ra một bức xạ kích thích. Tuy nhiên, để đảm bảo độ khuếch đại và điều kiện tự kích cho máy phát laser cần đặt môi trường bán dẫn vào trong buồng cộng hưởng quang học (là một hệ gồm 2 mặt phản xạ đối diện nhau, giữa 2 mặt này là hoạt chất). 3.4.2. Một số loại laser được sử dụng 3.4.2.1. Laser đa mode Fabry_Pero (F_P) Đây là loại laser bán dẫn có cấu trúc đơn giản được dùng phổ biến là nguồn phát cho thông tin quang. Nó được cấu tạo từ một chuyển tiếp dị thể kép dạng khối chữ nhật. Vùng hoạt tính có chiều dài là cạnh bên và độ dày. Do hộp cộng hưởng có chiều dài L và cạnh bên lớn hơn nhiều so với bước sóng nên trong hộp tồn tại nhiều mode dọc và kết hợp các biện pháp giam ánh sáng trong vùng hoạt tính của chuyển tiếp dị thể để trong LD chỉ tồn tại một mode bên và nhiều mode dọc. Nên có nhiều dạng LD đa mode chỉ chỉ cải tiến như loại điều khiển độ khuếch đại Gain – Guide, điều khiển chiết suất Index Guide, cấu trúc dị thể chọn BH. Độ rộng đường phổ của F – P LD cỡ nhỏ hơn nhiều so với LED, nên hiệu ứng tán sắc màu trong sợi quang sẽ giảm nhỏ nếu sử dụng LD này. Do đó F-P LD được sử dụng làm nguồn phát quang chính trong hệ thống thông tin cự ly trung bình với tốc độ cao. Các loại laser đa mode F-P có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, giá thành hạ, nhưng có nhược điểm là phát ra nhiều mode dọc có cường độ khác nhau, nên khi truyền trong sợi quang xuất hiện tạp phân mode làm tăng tạp âm dẫn đến làm giảm độ nhạy ở máy thu. 3.4.2.2. LASER đơn mode Các LASER này chỉ phát ánh sáng ở một tần số hay một mode dọc. Laser đơn mode có 2 ưu điểm so với laser đa mode là có độ rộng phổ rất hẹp nên giảm được sự tán sắc màu trong sợi quang và tạp phân mode. Vì vậy các laser đơn mode được dùng làm nguồn phát quang nhất là trong hệ thống kết hợp (Coherent). Để có được laser đơn mode đạt tỉ lệ nén biên độ giữa mode chính và các mode bên SMSR (Side Mode Suppession Ratio) rất lớn, khi đó trong nguồn quang hầu như chỉ còn tồn tại mode dọc chính. Laser có khoảng cách giữa mode dọc khoảng () nhỏ hơn rất nhiều so với đường cong khuếch đại, do đó công suất của các mode sẽ rất khác nhau, trong khi đó suy hao truyền dẫn giữa các mode lại không đáng kể. Tỉ số nén mode bên được đưa ra để xác định chế độ hoạt động của laser, nó được xác định bằng tỉ số công suất của mode chính P0 và công suất P1 của mode cạnh mode chính. Chỉ tiêu chất lượng của LD đơn mode được đánh giá bởi đại lượng gọi là tỉ số dập mode sau:. Về mắt cấu trúc có nhiều loại laser đơn mode, trong đó phổ biến là 2 loại sau: laser phân bố phản hồi DFB và laser dùng hộp cộng hưởng liên kết. a. Laser DFB (Distribued Feed Back) Ở laser này có sự phản hồi quang được thực hiện không phải ở 2 gương mà tiến hành trên cả chiều dài vùng hoạt tính của hộp cộng hưởng, gọi là sự phản hồi phân bố. Để tạo ra sự phản hồi phân bố, người ta tạo ra các bộ phản xạ cách tử có tính chọn lọc tần số gắn sát mặt của lớp hoạt tính của LASER. Đây là một lớp điện môi ống dẫn sóng làm từ vật liệu như lớp vỏ của chuyển tiếp có dạng gấp nếp để tạo ra chiết suất thay đổi chu kì dọc theo chiều dài. Sóng truyền dọc theo bước sóng nhất định gọi là bước sóng Bragg theo điều kiện Bragg như sau: (3.5) Ở đây: là bước sóng Bragg ne là chiết suất hiệu dụng của mode sóng k là bậc nhiễu xạ Bragg lc là chu kì cách tử Một dạng biến thế của laser DFB là laser phản xạ phân tán Bragg, DBR (Distributed Bragg Reflector) laser. Không giống như công nghệ được sử dụng trong laser DFB, trong laser DBR cáp cách tử chiều dài ngắn đóng vai trò bộ phản xạ chọn lọc tần số thay thế cho buồng cộng hưởng Fabry- Perot. Cấu trúc cách tử nằm ở hai bên vùng hoạt tính có tác dụng như hai gương phản xạ với các bước sóng thoả mãn điều kiện phản xa. Như vậy sẽ có nhiều mode trong vùng hoạt tính nhưng chỉ có một bước sóng được phản xạ trở lại và được khuếch đại. Cũng giống như laser DFB, laser DBR có hệ số nén mode rất cao, trên thị trường hiện nay tỉ số SMSR có thể lên tới. Dòng điện ngưỡng của hai loại laser này chỉ cỡ 20mA và độ rộng vạch phổ hết sức hẹp, nhỏ hơn 0.5nm. Do đó các tuyến cự ly xa, yêu cầu tốc độ cao thường sử dụng hai loại diode laser trên. b. Laser đơn mode cộng hưởng liên kết Một phương pháp đơn giản để chế tạo laser có thể điều chỉnh được bước sóng ánh sáng ra là sử dụng bộ chọn lọc bước sóng ngoài sẽ chọn lọc một mode sóng Fabry- perot duy nhất trong số các mode Fabry- Perot cùng tồn tại của laser bằng cách điều chính các tham số của bộ lọc. Điều chỉnh bộ lọc sẽ điều chỉnh được bước sóng chọn cho tới khi bước sóng chọn phù hợp với bước sóng của một mode sóng Fabry- Perot nào đó. Có rất nhiều cấu trúc của bộ lọc ngoài được áp dụng nhưng chủ yếu vẫn là phương pháp cách tử nhiễu xạ có cấu trúc như hình vẽ: Hình 3.6. Cấu trúc của bộ lọc ngoài Một trong những mặt cuối của laser được phủ một lớp chống phản xạ, chùm tia sáng đi ra từ mặt này được trực chuẩn khi tới cách tử nhiễu xạ. Cách tử nhiễu xạ đóng vai trò là gương phản xạ và bộ lọc bước sóng hẹp. Mọi thay đổi của cách tử nhiễu xạ đều dẫn đến thay đổi được sóng lựa chọn, khi quay góc nghiêng của cách tử ta sẽ điều chỉnh được một khoảng rộng bước sóng, khi thay đổi vị trí cách tử theo chiều dọc thì bước sóng chọn sẽ được vi chỉnh. Hiện nay, với công nghệ này giới hạn điều chỉnh được bước sóng có thể đạt được trong khoảng tại bước sóng. Laser dùng bộ chọn lọc bước sóng ngoài tuy có nhiều ưu điểm nhưng việc điều chỉnh cách tử đạt được độ chính xác cao là rất khó khăn. Cũng dựa vào sự chọn lọc và phản xạ của cách tử nhiễu xạ, thay thế việc phải thay đổi và di chuyển cách tử người ta dùng mảng hai chiều các sọc hoạt tính kết hợp với cách tử nhiễu xạ cố định được gọi là laser Magic (Multistripe Array Grating Intergrated Cavity). Các sọc hoạt tính này có thể được lựa chọn và ghép với sọc hoạt tính trung tâm ở chỉ một bước sóng. Số lượng bước sóng có thể lựa chọn phụ thuộc vào số sọc hoạt tính, với mô hình có 15 sọc hoạt tính thì khoảng thay đổi giữa các mode được chọn là 1.89nm. 3.4.3. Các đặc trưng của laser a) Đặc tính phổ của diode laser Trong trong diode laser chỉ một số sóng ánh sáng có bước sóng nhất định mới có thể lan truyền được trong buồng cộng hưởng. Điều kiện để truyền lan ánh sáng là sóng phản xạ và sóng tới phải đồng pha với nhau. Điều kiện truyền lan của sóng là pha của 2 sóng tại x=0 phải bằng nhau, nghĩa là: (3.6) Do vậy: (N là số tự nhiên) (3.7) Vì nên (3.8) L: là chiều dài hộp cộng hưởng n: là chiết suất vùng hoạt tính. Như vậy ta thấy rằng laser chỉ khuếch đại những bước sóng thoả mãn điều kiện ở trên. Mỗi bước sóng đó gọi là một mode dọc hay đơn giản là mode. Tập hợp đỉnh của các mode này sẽ tạo thành đường bao phổ bức xạ của diode laser. Từ biểu thức tính ta sẽ tìm được khoảng cách về mặt tần số giữa hai mode liên tiếp nhau. Phổ bức xạ của laser phụ thuộc rất nhiều vào dòng điện định thiên. Khi laser hoạt động ở chế độ dưới ngưỡng, bức xạ tự phát chiếm ưu thế và do đó độ rộng vạch phổ giống với LED. Tuy nhiên, nếu diode laser hoạt động ở chế độ lớn hơn chế độ ngưỡng thì độ rộng vạch phổ sẽ giảm xuống. Vạch phổ hẹp lại do tác động của buồng cộng hưởng và khuếch đại theo hàm mũ những mode đạt tới mức ngưỡng, đồng thời bỏ qua tất cả các mode khác. Ánh sáng ra độ rộng vạch phổ P (a) (b) độ rộng vạch phổ Ánh sáng ra (d) (c) Hình 3.7. Đồ thị phổ bức xạ của LASER Trong thực tế, các mode bên cạnh gần với mode cơ bản cũng được khuyến khích đại đáng kể do đó đầu ra bao gồm một số mode phụ thuộc vào đường cong khuếch đại. Tập hợp các mode này ta sẽ có một đường bao của vạch phổ và có thể xấp xỉ đường bao này bằng phân số Gauss: (3.9) Trong đó: là độ rộng vạch phổ của bức xạ laser. Kết quả trên cùng với phổ vạch làm cho phổ bức xạ có dạng như hình trên. Độ rộng vạch phổ đối với loại diode laser tiếp xúc sọc khá nhỏ chỉ khoảng 2 đến 5nm. Nếu diode laser hoạt động với dòng điện cao hơn rất nhiều so với mức ngưỡng, thì đường bao khuếch đại có thể dịch đi một chút để một trong những mode gần với bước sóng danh định chiếm ưu thế. Hiệu ứng này gọi là mode- hopping và nó làm gãy đường đặc tính công suất dòng điện. Nếu điều chế laser bằng cách biến đổi dòng điện điều khiển, mode- hopping có thể gây tác động xấu đến tuyến cáp tốc độ cao. Nếu tuyến đang hoạt động ở mức tán sắc bước sóng bằng 0 thì bất kỳ chirp của xung ánh sáng nào cũng sẽ làm biến đổi bước sóng hoạt động do đó gây ra hiện tượng giãn xung. Vì vậy, diode laser tiếp xúc sọc thông thường không được sử dụng trong các tuyến tốc độ cao. CHƯƠNG IV. NGUỒN THU QUANG 4.1. Khái quát về nguồn thu quang Nguồn quang sử dụng trong thông tin sợi quang là diode bán dẫn quang gọi là photo diode. Có hai loại photo diode được sử dụng phổ biến là photo diode PIN và và photo diode thác APD. Photo diode có nhiệm vụ thu và biến đổi tín hiệu quang từ máy phát truyền dọc sợi quang về dạng tín hiệu điện. Photo diode dùng trong hệ thống thông tin quang cần đáp ứng những yêu cầu sau: Có độ nhậy cao Đáp ứng thời gian nhanh Tạp âm thấp Độ tin cậy cao Giá thành hợp lý Kích thước phù hợp với kích thước lõi sợi quang. Photo diode làm việc dựa trên hiệu ứng quang điện của lớp chuyển tiếp bán dẫn P-N khi được cấp điên áp ngược (điện áp âm đặt lên lớp P). 4.2. Photo diode P-N 4.2.1. Cấu tạo và nguyên tắc tách sóng quang của photo diode P-N Photo diode P-N được cấu tạo từ một chuyển tiếp P-N từ bán dẫn như Si và được cấp một thiên áp ngược (hình 4.1) Do sự khuếch tán của điện tử và lỗ trống nên giữa hai lớp P-N của bán dẫn hình thành một lớp chuyển tiếp P- N có rất ít điện tích tự do được gọi là lớp nghèo với độ rộng là l và có một điện trường tiếp xúc Etx. Ở trạng thái cân bằng, điện trường này ngăn cản sự khuếch tán tiếp theo của các điện tử và lỗ trống qua lớp nghèo. Do đó trong diode không có dòng điện chạy qua. Sự tách sóng quang của photo diode được tiến hành như sau: Khi đặt một điện áp ngược và không có ánh sáng chiếu vào, do điện áp tạo điện trường ngoài cùng dấu với điện trường tiếp xúc Etx dẫn đến làm tăng độ rộng của lớp nghèo l do đó điện trường tổng trên lớp tiếp xúc ngăn cản các hạt dẫn đa số đi qua nó, nên trong diode không có dòng điện chạy qua. Tuy nhiên do trong bán dẫn tồn tại các hạt mang điện thiểu số mang điện và chúng dịch chuyển được qua lớp nghèo dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc nên trong diode tồn tại một dòng điện ngược rất nhỏ gọi là dòng tối It (cỡ 0,1-1nA ) Khi có ánh sáng với năng lượng của photon chiếu vào diode từ lớp P, trong các lớp P- N và nghèo khi hấp thụ năng lượng của photon các điện tử dịch chuyển lên vùng dẫn và tạo ra các lỗ trống ở vùng hoá trị. Kết quả là trong các lớp bán dẫn P và N đầu tiên sẽ khuếch tán đến lớp nghèo, rồi chuyển động trôi qua lớp này dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc theo hai hướng ngược nhau để đi đến các cực của anot và catot của diode. Còn các điện tử và lỗ trống tạo ra trong lớp nghèo thì chuyển động kéo theo qua nó để đi tới 2 cực của diode. Kết quả là trong diode xuất hiện một dòng điện ngược chạy qua gọi là dòng điện Ip. Dòng quang điện của photo diode có giá trị tỷ lệ với công suất quang chiếu vào theo biểu thức sau: (4.1) Trong đó: R (hay) gọi là độ nhạy hay đáp ứng của photo diode. Từ biểu thức trên ta thấy quy luật dòng quang điện của photo diode lặp lại đúng quy luật của ánh sáng chiếu vào, rõ ràng là photo đã làm được nhiệm vụ tách sóng tín hiệu quang để chuyển về dạng tín hiệu điện. 4.1.3. Các đặc tính kỹ thuật của photo diode P- N a. Độ nhạy R Độ nhạy của photo diode được biểu diễn qua hiệu suất lượng tử của nó theo biểu thức: (4.2) Ở đây: e=1,6.10-19C là điện tích của điện tử b. Hiệu suất lượng tử Hiệu suất lượng tử của photo diode được xác định bởi tỷ số tốc độ tạo điện tử trên tốc độ photon tới, có dạng: (4.3) Do hiệu suất lượng tử của photo diode được xác định qua hệ số hấp thụ ánh sáng mà hệ số hấp thụ ánh sáng của photo diode lại phụ thuộc vào bước sóng, nên cuối cùng hiệu suất lượng tử và độ nhạy R của photo diode cũng là hàm của bước sóng . Hình 4.1. Đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử Hình 4.1 biểu diễn các đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử phu thuộc vào bước sóng của các chất bán dẫn dung chế tạo photo diode như Si, Ge và InGaAs. Từ đồ thị ta thấy mỗi photo diode chỉ làm việc trong vùng. Bước sónggọi là bước sóng cắt. Tại vùng độ nhạy của photo diode. Khi đó ánh sáng chiếu vào có ứng với mức năng lượng của photon nên không đủ để kích các điện tử lên vùng dẫn, nên trong diode không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống, kết quả là không có dòng quang điện chạy qua diode. c. Đáp ứng thời gian của photo diode P-N Từ đồ thị hình 4.2 ta thấy photo diode làm từ Si làm việc thích hợp trong vùng bước sóng. Còn trong vùng bước sóng từ 1,3 đến 1,6µm thì dùng photo diode làm từ InGaAs hoặc Ge. Tuy nhiên do Ge có tạp âm lớn nên trong thực tế nó ít được sử dụng làm bộ thu quang. Đáp ứng thời gian c