Giáo trình Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang

hi phóng vào sợi một xung ánh sáng hẹp và đo xung ở ngõ ra. Nguyên lý của ph−ơng pháp này đ−ợc trình bày ở hình 2‐43. Sợi tham khảo Sợi cần đo Bộ hiển thị Bộ trễ Máy hiện sóng xung Bộ tách sóng Photodiode Bộ phát xung laser Hình 2‐43: Nguyên lý đo đáp ứng xung. ở sơ đồ này ta có một xung ngắn từ bộ phát xung laser đ−ợc đ−a vào sợi (vài trăm ps) và đ−ợc tách ra bằng 1 photodiode tốc độ cao, rồi đ−a tín hiệu hiển thị trên bộ chỉ báo dao động lấy mẫu. Sau đó dạng xung này đ−ợc đ−a vào máy tính và vẽ ra giấy. Để khắc phục ảnh h−ởng của thiết bị đo ta phải sử dụng thêm một phép đo khác, sử dụng một sợi quang tham khảo dài vài mét. Đáp ứng xung đ−ợc đ−ợc đặc tr−ng bởi trị trung bình bình ph−ơng độ rộng xung s .  2 s = - ũ +Ơ Ơ -  dt t t h  P  . ). (  1  2 t 2 (2‐104) Trong đó: t=  1  P  h  t  t dt -Ơ +Ơ ũ  (  ).  . (t là độ trễ xung) (2‐105) Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Optical Fiber Communication 107 P=  dt t h  ). ( ũ +Ơ Ơ - (2‐106) Nếu xung đ−ợc gần đúng hoá d−ới dạng phân bố Gauss thì đáp ứng xung s có thể tính đ−ợc từ độ rộng xung  i s vào và độ rộng xung  0 s .  2 2  0  2  i s s s - = (2‐107) Độ tán xạ T cũng có thể tính đ−ợc từ độ rộng xung vào và xung ra:  2 2  0 .  1  i T T L  T - = (2‐108) Với L là chiều dài sợi Gọi hàm mô tả dạng xung quang đầu vào là P i (t) và đáp ứng xung của sợi đo và thiết bị đo là h(t) và h’(t). Khi đó ta có hàm mô tả của dạng xung đầu ra: ( ) ( ) ( ) ( ) t P t h t h t P  i * *  ' 0 = (2‐109) Đối với đoạn sợi chuẩn ( ằ2 m) ta có: ( ) ( ) ( ) t P t h t P  i * ' ' 0 = (2‐110) P 0 ’ (t) là công suất xung ra của đoạn sợi tham khảo, ở biểu thức (2‐ 109) không có mặt đáp ứng xung của đoạn sợi chuẩn vì nó ảnh h−ởng đến công suất ra rất bé nên có thể bỏ qua. Biến đổi Fourier của biểu thức (2‐109) và (2‐110) ta có: ( ) ( ) ( ) ( ) w w w w  i P H H P  . .  ' ' 0 = (2‐111) ( ) ( ) ( ) w w w  i P H P  . ' ' 0 = (2‐112) Nh− vậy ta có: ( ) w H =  ) ( '  ) (  0  0 w w  P  P Sơ đồ đo Nh− vậy hàm truyền đạt H(w ) của sợi quang có thể đ−ợc hiểu nh− tỷ số biến đổi Fourier của dạng xung đo ở đoạn sợi cần đo dài với dạng xung đo ở đoạn sợi chuẩn ngắn . Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 108 Optical Fiber Communication Từ hàm chuyển đổi H(w ) ta có độ rộng bằng B có thể xác định về l−ợng là bằng tần số thấp nhất mà tại đó biên độ của hàm chuyển đổi giảm một phần nhất định (khoảng 1/2) của giá trị tần số chuẩn . ở sơ đồ này, bộ tạo xung Laser phát ra các xung ngắn, qua bộ tách luồng nó đ−ợc chia làm 2 luồng. Một luồng qua vi thấu kính hội tụ, qua bộ trộn mode và đ−ợc ghép vào sợi quang cần đo. Một luồng qua thấu kính tới Camera thu hình, Camera này đ−ợc nối với màn hình giám sát, màn hình giám sát này cho phép ta quan sát đ−ợc điều kiện bơm năng l−ợng quang vào sợi Các xung ra từ đầu sợi đo đ−ợc tách bằng 1 photodiode tốc độ cao và đ−ợc hiển thị trên màn hình của thiết bị chỉ báo dao động. ở trong sơ đồ, bộ trễ dùng để tạo tín hiệu đóng mở bộ chỉ báo thời gian tại thời điểm thích hợp. Dạng xung đ−ợc đ−a đến máy tính và ghi vào băng từ, phép đo đ−ợc lặp lại với sợi tham khảo ngắn. Máy tính sẽ xử lý kết quả và cho biết độ tán xạ nh− theo các công thức. Hình 2‐44: Sơ đồ khối hệ thống đo đáp ứng xung. Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Optical Fiber Communication 109 Nếu dạng xung vào và ra của sợi quang gần giống với dạng Gauss, thì độ rộng băng của sợi tại giá trị suy giảm 3 dB công suất quang đ−ợc tính bằng: s  187 . 0 = B Hay:  T  B  441 . 0 = (2‐113) Với [B] = GHz, [s ] = ns, [T] = ns Tuy nhiên giá trị B trên đây chỉ là giá trị gần đúng, để có kết quả chính xác hơn ta phải tính chuyển đổi Fourier của các xung vào và ra, để từ đó tính ra B tại giá trị biên độ giảm 3 dB so với giá trị ở biên độ ở tần số zero. Trong khi đo để ấn định độ chính xác của máy đo thì chuỗi xung phát phải có độ rộng phù hợp với đáp ứng xung dự tính của sợi quang. Nếu độ rộng băng của sợi lớn, xung đo phải hẹp hơn nhiều so với đáp ứng xung của sợi và ng−ợc lại. 2.7.2.2 Ph−ơng pháp đo đáp ứng tần số Hàm truyền đạt của một sợi quang cũng có thể đ−ợc đo trực tiếp trong miền tần số. Nguyên lý của ph−ơng pháp quét tần số đ−ợc trình bày ở hình 2‐45. Nguồn quang có thể là Laser hoặc LED đ−ợc điều biến bằng một tín hiệu hình sin từ bộ tạo sóng quét. Tín hiệu quang đ−ợc bơm vào sợi đo và tín hiệu ra đ−ợc thu bằng 1 diode có thể là PIN hoặc APD, diode đ−ợc nối với bộ phân tích phổ, tần số tín hiệu từ bộ tạo sóng quét cũng đ−ợc trực tiếp vào bộ phân tích phổ. ( ) ( ) ( ) w w w  H H H  m  . 2 = (2‐114) ( ) ( ) w w  m H H = 1 (2‐115) Trong đó: H m (w ) Hàm truyền đạt của máy đo H 2 (w ) Hàm truyền đạt khi đo sợi dài H 1 (w ) Hàm truyền đạt khi đo sợi ngắn H(w ) Hàm truyền đạt của sợi cần đo Lấy (2‐114) chia cho (2‐115) ta đ−ợc: Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 110 Optical Fiber Communication ( ) w H =  ) (  ) (  1  2 w w  H  H (2‐116) Hàm truyền đạt có thể viết d−ới dạng: H(w) =  e H  . ) (v jf(v ) (2‐117) Trong đó: |H(w )| là đáp ứng biên độ và f(w ) là đáp ứng pha Sợi tham khảo Sợi cần đo Bộ phân tích phổ Bộ tạo sóng quét Bộ thu quang Nguồn Laser Hình 2‐45: Nguyên lý ph−ơng pháp quét tần số Nh− vậy, hàm truyền đạt của sợi quang có thể đ−ợc đo cả trong miền thời gian bằng ph−ơng pháp xung và cả trong miền tần số bằng ph−ơng pháp quét tần số. Tuỳ vào mức độ trang bị máy đo mà ng−ời ta chọn ph−ơng pháp đo thích hợp. Kỹ thuật miền thời gian đòi hỏi phải có các ph−ơng tiện để tạo và tách các xung hẹp. Một máy tính cũng cần đến để tính toán các biến đổi Fourier. Mặt khác đáp ứng pha là hoàn toàn tự động. Kỹ thuật miền tần số thì việc tính toán đơn giản hơn vì hàm truyền đạt có thể sử dụng bằng cách chỉ thực hiện các ph−ơng pháp chia hoặc phép trừ nếu đơn vị là dB. Trái lại việc khó thực hiện ở đây là phải có bộ tạo tín hiệu hoạt động ở dải tần đến hàng GHz. Khi ta đã đo độ rộng băng của sợi quang ta phải nhớ rằng nó bao gồm cả 2 loại: Độ méo mode và độ tán sắc. Độ rộng tổng có thể biểu diễn bằng biểu thức sau: Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Optical Fiber Communication 111  2 2  1 1  C M  T  B B  B + = (2‐118) Trong đó: B T : Độ rộng tổng đo đ−ợc B M : Độ rộng méo mode B C : Độ rộng băng tán sắc ( ) ( )  6 10 . . .  44 . 0 - D =  L D  MHz B C l l (2‐119) Trong đó: D(l): Hệ số tán sắc (méo sắc) (ps/ nm.km) Dl: Độ rộng đ−ờng gốc L: Độ dài của đoạn (km) Nếu cần, độ rộng mode B M (MHz) có thể thu đ−ợc nh− sau: Nếu nh− cả 2 đáp ứng băng cơ bản sợi mode và phổ của nguồn đều coi là dạng Gauss thì B M có thể tìm đ−ợc từ ph−ơng trình (2‐118) vì độ rộng băng của sợi đo đ−ợc B T đã biết và độ rộng băng B C có thể tính đ−ợc từ ph−ơng trình (2‐119). Sơ đồ đo. Đây là sơ đồ hệ thống đo đ−ợc xây dựng bởi phòng thí nghiệm truyền dẫn b−u điện Phần Lan. Nguồn quang là một diode laser CW GO‐ ANA hoạt động tại b−ớc sóng 857 nm (hay có thể là một laser khác hoạt động ở b−ớc sóng 1320 nm). Vì hàm chuyển đổi của sợi quang phụ thuộc mạnh vào điều kiện bơm. Bởi vậy khả năng tái tạo lại của phép đo là có chất l−ợng rất kém. Để tăng chất l−ợng phép đo, ng−ời ta phải sử dụng bộ ngẫu nhiên mode. Th−ờng ng−ời ta ghép nó vào đoạn sợi đuôi của laser và có thể dùng các loại sợi SI hoặc GI. Độ dài của đoạn sợi đa th−ờng là 2m. Để đo độ rộng băng ta chỉ cần quan tâm đến đáp ứng biên độ của hàm chuyển đổi chứ không quan tâm đến đáp ứng pha của nó. Do vậy ta có thể dùng bộ phân tích phổ để đo đáp ứng biên độ của sợi. Bộ phân tích phổ đ−ợc sử dụng ở đây là bộ phận phân tích phổ kiểu HP ‐ 8568A, Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 112 Optical Fiber Communication với dải tần 100 Hz đến 1500 MHz, trong hệ thống nó đ−ợc nối với bộ quét và đồng chỉnh cùng với bộ quét. Bộ quét có dải tần từ 0,5 ‐ 1500 MHz. Nguồn IEEE ‐ 488bus Vi thấu kính hội tụ Bộ phân tích phổ Máy tính Máy phát đồng chỉnh Nguồn Bộ tách quang Laser Hình 2‐46: Sơ đồ khối hệ thống đo quét tần số. Máy tính đ−ợc dùng ở đây là HP‐ 85 để điều khiển bộ phận tích phổ laser đ−ợc điều chế bằng tín hiệu hình sin lấy từ bộ phát đồng chỉnh, tín hiệu quang đ−ợc điều biến sẽ đ−ợc bơm vào sợi quang cần đo. Bộ phát tín hiệu quét đồng chỉnh quét dải tần chọn lọc và bộ phân tích phổ sẽ đo mức tín hiệu. Đáp ứng biên độ của sợi đo có đ−ợc là nhờ chia kết quả đo với sợi đo cho kết quả đo với sợi chuẩn. Độ rộng băng của sợi đo đ−ợc xác định là tần số thấp nhất mà tại đó biên độ của đáp ứng biên độ cuả sợi giảm 3 dB. Kết quả đo của cả 2 phép đo đều đ−ợc ghi lại trên máy tính và vẽ ra đáp ứng biên độ và độ rộng của băng sợi đó. Trong thực tế ta có một khó khăn là máy phân tích phổ không thể nối đồng chỉnh với bộ tạo sóng quét vì chúng ở 2 đầu khác nhau của 2 đoạn bằng bộ tạo sóng quét HP 6820 A với dải tần từ 10 ‐ 1300 MHz. Bộ tạo sóng quét này dùng ở chế độ chạy tự do với độ phân tích lớn, toàn bộ đáp ứng biên độ sẽ có đ−ợc sau 5‐8 phút l−u trữ. Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Optical Fiber Communication 113 Phạm vi dải tần của hệ thống đo này có thể hoạt động từ 10 ‐ 1200 MHz với cả hai miền b−ớc sóng là 850 nm ‐ 1300nm. Với hệ thống này có thể đo đ−ợc với các sợi có suy hao khoảng 20 ‐ 25 dB. Một trở ngại chủ yếu khi đo không đồng chỉnh là nó sẽ làn tăng thời gian đo và quan hệ dải động sẽ thấp, do đó yêu cầu bộ lọc trung tần IF trong máy phân tích phổ là phải có dải rộng nhằm hạn chế hai nh−ợc điểm trên. 2.7.2.3 Đo độ rộng băng của tuyến sợi quang. Bằng các ph−ơng pháp trên ta có thể tính đ−ợc độ rộng băng của các sợi riêng lẻ. Trong thực tế khi đo tại hiện tr−ờng, ta phải đo với các tuyến cáp gồm nhiều sợi riêng lẻ hàn nối với nhau. Nếu biết tất cả các hàm chuyển đổi của các sợi ta không thể tính hàm chuyển đổi của tuyến một cách đơn giản là nhân tất cả chúng với nhau. Vì kết quả này liên quan nhiều đến với hiện t−ợng phát sinh khi hàn nối cáp, mà ảnh h−ởng chủ yếu là do hiện t−ợng đảo mode. Ta có sự phụ thuộc của băng B vào độ dài của sợi có thể có trong biểu thức sau: B=B 1 .L ‐g1 (2‐120) Trong đó: B: độ rộng băng tần của sợi dài L km (MHz). B 1 : tích số độ rộng băng và độ dài hay chính là độ rộng băng của sợi dài 1km (MHz.km). L: độ dài sợi (km). g 1 : hệ số ghép nối độ rộng băng. Giá trị tiêu biểu của g 1 ở phạm vi 0,5‐1 phụ thuộc vào hiệu ứng đảo mode tại các mối hàn, vào tham số mặt cắt a, b−ớc sóng của độ rộng băng lớn nhất. Cũng có thể có các giá trị g 1 nhỏ hơn giới hạn trên, nói chung g 1 =1 với sợi GI ngắn và g 1 =0,5 với sợi rất dài. Độ rộng băng tổng của một phần sợi cơ bản có thể có đ−ợc từ công thức sau: B T = (ồB i ‐g ) ‐1/g (2‐121) ở đây B T: độ rộng băng tổng. B i: độ rộng băng sợi thứ i trong phần sợi. g: hệ số ghép nối độ rộng băng. Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 114 Optical Fiber Communication N: số l−ợng các sợi trong toàn tuyến. Ta có hệ số g tiêu biểu vào khoảng 0,5 ‐ 1 nó th−ờng đ−ợc các nhà sản xuất cung cấp cùng với sợi. Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Optical Fiber Communication 115 Ch−ơng 3 Nguồn quang Vai trò của nguồn quang là chuyển đổi tín hiệu điện ở đầu vào thành tín hiệu quang t−ơng ứng rồi sau đó gửi vào sợi quang nh− một kênh thông tin. Các nguồn quang (còn gọi là bộ biến đổi điện quang) chủ yếu sử dụng trong các hệ thống thông tin quang là các diode phát quang LED (Light Emiting Diode) và các Laser diode LD (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation diode) bán dẫn loại chích động tử có cấu trúc dị thể kép. Miền tiếp giáp dị thể gồm hai lớp bán dẫn ghép vào với nhau với các dải năng l−ợng khác nhau, các ph−ơng thức này là thích hợp với các hệ thống thông tin sợi quang bởi vì chúng có năng l−ợng phát sinh ra t−ơng xứng với các ứng dụng trong phạm vi rộng và chúng có thể đ−ợc điều chế trực tiếp bằng cách biến đổi dòng điện đầu vào. Các loại nguồn quang này có rất nhiều −u điểm, đó là kích th−ớc gọn nhẹ, hiệu suất và độ tin cậy cao, độ rộng phổ nhỏ và có thể điều chế trực tiếp tại các tần số t−ơng đối cao.. Mục đích của ch−ơng này là đ−a ra một cách nhìn tổng quát về LED và laser bán dẫn với những ứng dụng của chúng trong hệ thống thông tin quang. Các tham số của nguồn quang có quan hệ với các đặc tính của hệ thống thông tin quang là công suất quang, độ rộng phổ, mẫu bức xạ và khả năng điều chế. 3.1 Nguyên lý của laser 3.1.1 Sự bức xạ của ánh sáng không kết hợp: Theo mẫu nguyên tử Bohr, các điện tử mang điện tích âm quay xung quanh nhân nguyên tử mang điện tích d−ơng trên các quỹ đạo xác định. Bán kinh của các quỹ đạo này tỷ lệ với nhau theo bình ph−ơng của các số nguyên, tức là chúng có quan hệ 1:4:9.. . Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 116 Optical Fiber Communication Xét tr−ờng hợp đơn giản là nguyên tử Hyđrô chỉ có một điện tử xoay xung quanh hạt nhân trên quỹ đạo gần nhân nhất. Nếu nguyên tử hyđrô này đ−ợc cung cấp năng l−ợng ngoài, thì điện tử này sẽ chuyển lên quỹ đạo kế tiếp hoặc với quỹ đạo cao hơn. Để cho nguyên tử chuyển từ một quỹ đạo này sang một quỹ đạo khác kế tiếp thì phải cung cấp cho nó một năng l−ợng đúng bằng một l−ợng tử Plank là hf. Song các quỹ đạo cao hơn lại không phải là quỹ đạo bền vững cho điện tử, nó chỉ dừng lại ở đó trong một thời gian ngắn rồi lại quay trở về quỹ đạo gần nhân nhất theo cách thức nhẩy thẳng hoặc theo cách thức nhẩy từng nấc qua từng quỹ đạo một. Năng l−ợng điện tử đã hấp thụ đ−ợc từ tr−ớc bây giờ đ−ợc giải phóng ra theo các phần chẵn của l−ợng tử Plank. Hình 3‐1: Quá trình bức xạ ánh sáng của nguyên tử Hydro Năng l−ợng bức xạ ra ph−ơng trình Plank thì đ−ợc thể hiện d−ới dạng bức xạ ánh sáng ứng với một tần số xác định. Nhờ vậy mà ng−ời ta quan sát đ−ợc các vạch phổ rời rạc trong phổ bức xạ của các nguyên tử Theo Balmer thì tần số của các vạch phổ đ−ợc xác định theo ph−ơng trình:  )  1 1  (  2 2  m n  R f - = (3‐1) Với: m, n là các số nguyên R là hằng số phụ thuộc với vật chất bức xạ. Trên hình vẽ cho ta thấy mô hình mẫu nguyên tử Bohr và mô tả mức năng l−ợng của các quĩ đạo. L−ợng năng l−ợng cần thiết để điện tử Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Optical Fiber Communication 117 chuyển đổi quĩ đạo là Dw chính là bức xạ của một tần số xác định. Pha của các xung ánh sáng là ngẫu nhiên. Do vậy ánh sáng tổng hợp của một nguyên tử bức xạ ra có thể cùng tần số nh−ng có thể không cùng pha ở tại từng thời điểm nên là ánh sáng không kết hợp 3.1.2 Sự bức xạ ánh sáng kết hợp ‐ Nguyên lý Laser Trong các nguyên tử phức tạp trong mạng tinh thể thì nguyên lý các quan hệ của bức xạ ánh sáng là không thay đổi nh−ng không đơn giản nh− tr−ờng hợp của một nguyên tử Hyđrô độc lập, các nguyên tử cạnh nhau có ảnh h−ởng lẫn nhau. Do vậy các trạng thái năng l−ợng theo các quĩ đạo đã nêu ở trên có sự chênh lệch vì thế ng−ời ta dùng khái niệm dải năng l−ợng thay cho khái niệm mức năng l−ợng. Đồng thời việc chuyển dời của điện tử từ một mức năng l−ợng này sang một mức khác có thể bị cấm nhiều hoặc cấm ít hay cấm hẳn. Trong điều kiện bình th−ờng thì hầu hết các vật liệu đều hấp thụ ánh sáng hơn là bức xạ ánh sáng. Quá trình hấp thụ có thể đ−ợc biểu diễn trong hình 3‐2 (a), tại đó mức năng l−ợng E 1 và E 2 t−ong ứng với các trạng thái ổn định và trạng thái kích thích của các nguyên tử môi tr−ờng hấp thụ. Nếu năng l−ợng photon hf của ánh sáng tới có tần số f bằng với mức năng l−ợng chênh lệch E g = E 2 ‐E 1 thì photon sẽ bị nguyên tử hấp thụ, và cuối cùng sẽ nhảy lên trạng thái tích cực E 2 . Do xảy ra hiện t−ợng hấp thụ năng l−ợng nên ánh sáng tới sẽ bị suy giảm. Hình 3‐2: Ba quá trình cơ bản xảy ra giữa hai trạng thái của một nguyên tử: (a) Hấp thụ, (b) Phát xạ tự phát, (c) Phát xạ c−ỡng bức Các nguyên tử bị kích thích cuối cùng sẽ quay trở lại trạng thái ổn định thông th−ờng và nó sẽ phát xạ ra ánh sáng. Hiện t−ợng phát xạ ánh sáng có thể xảy ra theo hai quá trình cơ bản là phát xạ tự phát và phát xạ c−ỡng bức. Cả hai quá trình này đều đ−ợc mô tả trong hình 3‐2. E1 (a) hf E2 E1 (b hf E2 E1 (c) hf E2 hf hf Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 118 Optical Fiber Communication Trong tr−ờng hợp phát xạ tự phát, các photon sẽ đ−ợc phát ra theo các h−ớng ngẫu nhiên và giữa chúng không có mối quan hệ về pha nào. Quá trình phát xạ c−ỡng bức lại đ−ợc bắt đầu bởi một photon có sẵn. Điểm đáng chú ý của phát xạ c−ỡng bức đó là photon đã phát xạ sẽ t−ơng thích với photon đầu không những về năng l−ợng (hay tần số) mà còn về các đặc tr−ng khác nh− h−ớng truyền. Tất cả các laser bao gồm laser bán dẫn đều phát xạ ánh sáng thông qua quá trình phát xạ c−ỡng bức và đ−ợc gọi là phát xạ ánh sáng kết hợp. Ng−ợc lại, các LED lại phát xạ ánh sáng thông qua quá trình không kết hợp của phát xạ tự phát. Ta xét ví dụ tr−ờng hợp Laser Hồng ngọc (Laser Ruby). Các ion có ba mức năng l−ợng E 1 , E 2 , E 3 nh−ng trong đó mức năng l−ợng cơ bản E 1 và mức năng l−ợng E 2 là quan trọng. Một điện tử có thể dừng lại ở trạng thái năng l−ợng E 2 khoảng 1/100 sec, nếu so sánh với thời gian điện tử dừng ở trạng thái không ổn định vào khoảng 10 sec thì ta có thể phát biểu rằng điện tử nằm ở trạng thái mức năng l−ợng E 2 là hoàn toàn ổn định. Vì vậy điện tử coi nh− bị cấm từ mức năng l−ợng E 2 sang mức năng l−ợng E 1 . Điều này rất quan trọng cho hoạt động của Laser, mức năng l−ợng E 1 đ−ợc xem nh− là một kho chứa năng l−ợng. Khi chiếu một ánh sáng lạ thích hợp vào tinh thể có chứa các ion này thì các điện tử nhận đ−ợc năng l−ợng ngoài sẽ nhảy từ mức năng l−ợng cơ bản E 1 qua mức năng l−ợng E 3 rồi xuống mức năng l−ợng ổn định E 2 khi này coi nguyên tử đã đ−ợc kích thích, trong nguyên tử xảy ra sự chuyển đổi việc chiếm đóng các dải năng l−ợng. Các mức năng l−ợng thấp bình th−ờng đ−ợc chiếm giữ bởi nhiều điện tử giờ đây bị trống. Còn mức năng l−ợng E 2 lúc đầu có ít điện tử chiếm đóng thì bây giờ lại chứa đầy các điện tử (Quá trình này gọi là quá trình nghịch đảo tích luỹ). Trạng thái này của nguyên tử hầu nh− đ−ợc ổn định. Năng l−ợng cung cấp đ−ợc chứa lại. Đến đây nếu xảy ra quá trình bức xạ ngẫu nhiên của một nguyên tử bị kích thích nào đó sẽ xảy ra phản ứng dây chuyền: Nghĩa là, nếu một nguyên tử chuyển từ trạng thái E 2 về trạng thái E 1 sẽ bức xạ ra một dao động ngắn, dao động này lan truyền tác động vào nguyên tử thứ hai Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Optical Fiber Communication 119 trong mang tinh thể, tần số của dao động này đ−ợc xác định theo mức năng l−ợng chênh lệch giữa hai mức năng l−ợng E 1 và E 2 . Và nh− thế tất cả các ion trong mạng tinh thể và nằm ở trạng thái E 2 đều đ−ợc xem nh− điều h−ởng cho cùng một tần số hay một b−ớc sóng. Khi một ion đ−ợc một bức xạ nào đó kích thích thì sẽ lập tức nhảy về trạng thái E 1 và bức xạ ra dao động mới đồng pha. Quá trình này đ−ợc gọi là quá trình bức xạ kích thích hay bức xạ cảm ứng. Tần số và pha của các dao động kích thích hoàn toàn trùng với tần số và pha của các dao động cảm ứng. Vì thế ng−ời ta gọi là hiện t−ợng khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ c−ỡng bức (tức Laser‐ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Hình 3‐3: Nguyên lý bức xạ laser Nếu khi bức xạ đi qua mạng tinh thể mà có độ khuếch đại lớn hơn tổn hao do hấp thụ thì xuất hiện hiện t−ợng là từ một bức xạ ngẫu nhiên duy nhất đã dẫn đến và tạo ra một bức xạ ánh sáng liên tục trong tinh thể cho đến khi nào còn có các nguyên tử đ−ợc kích thích. Ng−ời ta tạo ra một bộ cộng h−ởng quang (hốc cộng h−ởng quang) bằng cách tạo ra hai g−ơng phản xạ ở hai đầu Laser để tạo ra các quá trình bức xạ đồng bộ về pha của tất cả các phần tử, và ánh sáng đ−ợc dẫn ra là ánh sáng kết hợp Nguyên lý cơ bản trên là nguyên lý cơ bản cho tất cả các loại Laser và đ−ợc gọi là nguyên lý Fary ‐ Perot. Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 120 Optical Fiber Communication 3.2 Nguyên lý bức xạ ánh sáng của Laser bán dẫn 3.2.1 Nguyên lý Laser bán dẫn cũng có cùng nguyên lý chung nh− tất cả các loại Laser khác. Đó là khi điện tử chuyển từ mức năng l−ợng cao xuống một mức năng l−ợng thấp sẽ giải phóng phần năng l−ợng chênh lệch d−ới dạng bức xạ photon (ánh sáng). Quá trình Laser tức là quá trình bức xạ kích thích xuất hiện khi hệ số khuếch đại trong bộ cộng h−ởng quang lớn hơn tổn hao bức xạ Tr−ớc khi cho bức xạ photon, thì chất bán dẫn cần phải đ−ợc kích thích, tức là phá vỡ sự cân bằng nhiệt hay còn gọi là tạo sự nghịch đảo mật độ tích luỹ trong chất bán dẫn. Để có đ−ợc điều đó có thể thực hiện bằng cách chiếu ánh sáng lạ hoặc dùng điện tr−ờng ngoài để khuếch tán các phần tử mang điện cơ bản qua một vùng không đồng nhất, ví dụ nh− một lớp tiếp giáp p‐n. Hình 3‐4: Nguyên lý bức xạ ánh sáng trong bán dẫn Đối với Laser bán dẫn thì ph−ơng pháp kích thích chủ yếu là dùng dòng điện chứ không dùng ph−ơng pháp chiếu ánh sáng lạ. Để tạo ra sự Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Optical Fiber Communication 121 chuyển đổi việc chiếm dụng các dải năng l−ợng, ng−ời ta đặt một điện áp phân cực thuận vào lớp tiếp giáp p‐n. B−ớc sóng bức xạ :  g E  c h. = l (3‐2) 3.2.2 Hiệu ứng trích động tử qua tiêp giáp p‐n. Các Laser bán dẫn dùng trong thông tin sợi quang chủ yếu hoạt động theo hiệu ứng trích động tử qua miền tiếp giáp p‐n vì các Laser hoạt động theo nguyên tắc hiệu ứng này có những −u điểm sau: ‐ Kích th−ớc và khối l−ợng nhỏ ‐ Tổn hao năng l−ợng ít ‐ Có thể điều khiển bức xạ dễ dàng nhờ dòng điện điều khiển (dòng bơm). ‐Đặc biệt đây là loại Laser duy nhất mà ở đó năng l−ợng điện đ−ợc biến đổi trực tiếp thành bức xạ quang kết hợp và đơn sắc. Để thấy rõ nguyên lý làm việc của Laser bán dẫn, Hãy nghiên cứu hiệu ứng chích động tử qua tiếp giáp p‐n. Khi cho hai khối bán dẫn loại suy biến khác loại tiếp xúc với nhau thì tại lớp tiếp xúc điều kiện nghịch đảo mật độ tích lũy đ−ợc thực hiện. Các phần tử mang điện cơ bản trong các chất bán dẫn sẽ khuếch tán từ miền nọ sang miền kia. Cụ thể là các điện tử sẽ đi từ bán dẫn n sang bán dẫn p, còn các lỗ trống chuyển động theo chiều ng−ợc lại. Tại miền tiếp giáp các điện tử và lỗ trống tái hợp với nhau và bức xạ ra các photon ở tần số chuyển dời. Xong quá trình trên chỉ xảy ra trong một khoảng thời gian rất ngắn. Sau đó cũng do quá trình khuếch tán các phần tử mang điện ban đầu, các điện tích khối đ−ợc hình thành ở hai phía của tiếp giáp p‐n (điện tích âm ở phía bán dẫn p, lỗ trống ở phía bán dẫn n) tạo ra một hàng rào thế năng có chiều cao là eU 0 với U 0 là độ lớn của tr−ờng tiếp xúc, có h−ớng Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 122 Optical Fiber Communication theo chiều từ bán dẫn n sang bán dẫn p. Hàng rào thế năng này ngăn cản sự khuếch tán của các phần tử mang điện cơ bản qua miền tiếp giáp p‐n. Đồng thời mức năng l−ợng Fecmi dịch chuyển, mức Fecmi của bán dẫn p đ−ợc dịch chuyển dần lên trên còn mức Fecmi của bán dẫn n dịch chuyển dần xuống phía d−ới so với vị trí ban đầu. Khi này điều kiện nghịch đảo mật độ tích luỹ ban đầu bị phá vỡ và cuối cùng toàn hệ trở về vị trí cân bằng và hai mức năng l−ợng Fecmi của hai chất bán dẫn nằm trên cùng một đ−ờng thẳng. Hình 3‐5: Giản đồ năng l−ợng ở điều kiện cân bằng Nh− vậy muốn tạo ra nghịch đảo mật độ tích luỹ trong tiếp giáp p‐n cần phải làm cho các mức Fecmi E fp , E fn cách xa nhau một khoảng lớn hơn độ rộng vùng cấm E g . Điều này có thể thực hiện đ−ợc bằng cách đặt một điện áp U theo chiều thuận lên tiếp giáp p‐n (cực d−ơng của nguồn điện nối với bán dẫn loại p còn cực âm của nguồn điện nối với bán dẫn n). Điện tr−ờng ngoài này có h−ớng ng−ợc chiều so với điện tr−ờng tiếp xúc và làm giảm chiều cao của hàng rào thế năng đi một l−ợng là eU. Khi này các điện tử có thể khuếch tán từ bán dẫn n sang bán dẫn p và các lỗ trống có thể khuếch tán từ bán dẫn p sang bán dẫn n. Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Optical Fiber Communication 123 Hai dòng động tử không cân bằng đ−ợc khuếch tán ng−ợc chiều nhau sẽ tham gia vào quá trình tái hợp và tạo thành bức xạ Laser. Hiện t−ợng này gọi là hiệu ứng chích động tử. Hình vẽ 3‐6 mô tả cấu trúc vùng năng l−ợng của tiếp giáp p‐n d−ới tác dụng của điện áp thuận t−ơng đối lớn. Trong tr−ờng hợp này mức chuẩn Fécmi E fn của miền n cao hơn đáy vùng dẫn của bán dẫn p và các điện tử có thể dễ dàng đi từ bán dẫn n sang bán dẫn p (điện tử đ−ợc chích vào bán dẫn p). Các điện tử đ−ợc chích vào sẽ tái hợp với các lỗ trống của vùng hoá trị và bức xạ ra photon. Quá trình chích các lỗ trống vào miền bán dẫn n cũng xảy ra hoàn toàn t−ơng tự.