Quang điện tử và thông tin quang sợi -Chương 1

Chia sẻ: Doan Quang Vinh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

82
lượt xem 26
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

QĐT là ngành học liên quan đến sự tương tác của các quá trình điện tử với ánh sáng và các quá trình quang học. - Các linh ki?n trong đó có sự chuyển đổi năng l-ợng : điện sang ánh sáng và ng-ợc lại đ-ợc gọi là linh kiện quang điện tử

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Quang điện tử và thông tin quang sợi -Chương 1

quang ®iÖn tö vμ quang th«ng tin quang sîi VLKT 2007
Më ®Çu - Q§T lµ ngµnh häc liªn quan ®Õn sù t−¬ng t¸c cña c¸c qu¸ tr×nh ®iÖn tö víi ¸nh s¸ng vµ c¸c qu¸ tr×nh quang häc. - C¸c linh kiện trong ®ã cã sù chuyÓn ®æi n¨ng l−îng : ®iÖn sang ¸nh s¸ng vµ ng−îc l¹i ®−îc gäi lµ linh kiÖn quang ®iÖn tö
Devices for Optical Communications
♦ Mét hÖ th«ng tin sîi quang gåm ba bé phËn chÝnh: bé ph¸t, kªnh truyÒn tin vµ bé thu. Bé ph¸t: + Bé ®iÒu biÕn (modulator) cã hai chøc n¨ng: - ChuyÓn c¸c b¶n tin ®iÖn sang d¹ng thÝch hîp - Ghi tÝn hiÖu lªn sãng mang cña nguån sãng mang. Cã hai d¹ng ®iÒu biÕn: ®iÒu biÕn t−¬ng tù (analog) vµ ®iÒu biÕn sè (digital) + Nguån sãng mang (carrier source) dïng hai lo¹i nguån LED (light emitting diode) vµ LD (laser diode) Kªnh truyÒn tin (information channel) cã chøc năng ®−a tÝn hiÖu tõ bé ph¸t ®Õn bé thu : Sîi quang ; Bé khuÕch ®¹i quang; Bé lÆp (cho hÖ truyÒn sè). Bé thu + Bé t¸ch sãng (detector) : t¸ch th«ng tin ®· ®−îc truyÒn ®i ra khái sãng mang ( dïng photodiode) + Bé khuÕch ®¹i + Bé xö lý
♦§é réng b¨ng (band width) cña c¸c b¶n tin kh¸c nhau: TiÕng nãi 4KHz Kªnh ®iÖn tho¹i ®¬n. ©m nh¹c 10KHz §µi ph¸t AM. ©m nh¹c 200KHz §µi ph¸t FM. TruyÒn hình ®µi truyÒn hình 6MHz ♦Khi tÝn hiÖu t−¬ng tù (analog signals) ®−îc truyÒn ®i theo kÜ thuËt sè tèc ®é bit phô thuéc vµo tÇn suÊt lÊy mÉu (sample) vµ d¹ng m· ho¸ . Lý thuyÕt lÊy mÉu (sampling theoreme) : mét tÝn hiÖu t−¬ng tù cã thÓ ®−îc truyÒn ®i nguyªn vÑn nÕu ®−îc lÊy mÉu víi tÇn suÊt Ýt nhÊt b»ng 2 lÇn tÇn sè cao nhÊt chøa trong tÝn hiÖu ♦§Ó biÓu diÔn c«ng suÊt tØ ®èi dïng Decibels: dB = 10 log10 P2/P1 P2 > P1 → dB cã gi¸ trÞ (+) khuÕch ®¹i P2 < P1 → suy hao dB cã gi¸ trÞ (-) §Ó biÓu diÔn c«ng suÊt tuyÖt ®èi, lÊy P1 = 1mW lµm chuÈn. P2 tÝnh b»ng dBm = 10 log10 P2 (mW).
Ch−¬ng 1 Linh kiÖn dÉn sãng quang vµ sîi quang 1.1 Sãng ®iÖn tõ. 1.1.1 HÖ ph−¬ng tr×nh Maxwell. 1. CÆp ph−¬ng trình Maxwell thø nhÊt: ®Þnh luËt cảm øng ®iÖn tõ vµ sù kh«ng tån t¹i cña mét nguån tõ tr−êng nh− tõ tÝch ε = ⎡∇ ×ε ⎤ = − ∂∂Β rot ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ (1.1) t ( ) divΒ = ∇ ⋅ Β = 0 (1.2) 2. CÆp ph−¬ng tr×nh Maxwell thø hai: chØ ra mèi liªn quan gi÷a tõ tr−êng vµ dßng ®iÖn dÞch, dßng ®iÖn dÉn vµ nguån gèc cña vect¬ c¶m øng ®iÖn D lµ ®iÖn tÝch: ∂D (1.3) rotH = ⎡∇ × Η ⎤ = J + ⎣ ⎦ ∂t (1.4) divD = (∇.D ) = ρ
C¸c ph−¬ng tr×nh Maxwell d−íi d¹ng vi ph©n tr×nh bµy theo kiÓu ph−¬ng tr×nh v« h−íng, theo thµnh phÇn cña vect¬: ∂ε y ∂εz ∂Bx − =− ∂t ∂y ∂z ∂Bx ∂By ∂Bz ∂εx ∂εz + + =0 ∂By (1.5) (1.6) ∂x ∂y ∂z − =− ∂z ∂x ∂t ∂ε y ∂ε x ∂Bz − =− ∂x ∂y ∂t ∂H z ∂H y ∂D − = jx + x ∂y ∂z ∂t ∂Dx ∂Dy ∂Dz =ρ + + (1.7) (1.8) ∂Dy ∂H x ∂H z ∂x ∂y ∂z − = jy + ∂z ∂x ∂t ∂H y ∂H x ∂D − = jz + z ∂x ∂y ∂t ε D = ε 0ε (1.9) B = μ0 μ H (1.10) ε J =σ (1.11)
1.1.2 Ph−¬ng tr×nh sãng ®èi víi tr−êng ®iÖn tõ. Tõ c¸c ph−¬ng tr×nh Maxwell, chøng minh sù tån t¹i cña sãng ®iÖn tõ. Xét m«i tr−êng ®ång nhÊt, trung hoµ (ρ = 0) vµ kh«ng dÉn ®iÖn. ⎡∇ ⎡∇ × ε ⎤ ⎤ = − μμ ⎡∇ × ∂H ⎤ rot.rot.ε = 0⎢ ⎥ ⎣⎣ ⎦⎦ (1.12) ∂t ⎦ ⎣ ε + ∂ ε + ∂ ε = εμ∂ ε 2 2 2 2 ∂ 2 2 2 2 2 ∂x ∂y ∂z c ∂t (1.13) ∂ 2 H ∂ 2 H ∂ 2 H εμ∂ 2 H + + 2= 2 2 ∂x ∂y ∂z c ∂t 2 2 (1.14) Hai ph−¬ng trình 1.13 vµ 1.14 lµ hai ph−¬ng trình sãng ®iÓn hình. BÊt cø mét hµm nµo thoả m·n ph−¬ng trình ®ã ®Òu diÔn tả mét sãng, trong ®ã căn bËc hai cña ®¹i l−îng nghÞch ®ảo cña hÖ sè cña ®¹o hµm bËc hai theo thêi gian lµ vËn tèc pha cña sãng
1.1.3 Sãng ®iÖn tõ ph¼ng. XÐt mét sãng ®iÖn tõ ph¼ng, lan truyÒn trong m«i tr−êng trung hoµ ®ång chÊt, kh«ng dÉn ®iÖn lan truyÒn theo ph−¬ng x ( trôc x vu«ng gãc víi mÆt sãng) ∂ε y ∂εz ∂H y ∂H z ∂H x ∂B x ∂H x 0 = μμ0 = μμ = − μμ = μμ 0 (1.15) =0 ∂x ∂t ∂x ∂t ∂t ∂x ∂x 0 0 ∂εx ∂ε y ∂εz ∂ε ∂H y ∂H z ∂D x 0 = εε0 = εε0 = εε 0 x = 0 = −εε 0 (1.16) ∂t ∂x ∂t ∂x ∂t ∂x ∂x Thµnh phÇn εx vµ H x kh«ng phô thuéc vµo thêi gian vµ kh«ng gian. C¸c vect¬ ε vµ H vu«ng gãc víi ph−¬ng truyÒn sãng vµ sãng ®iÖn tõ lµ sãng ngang ∂ ε y εμ∂ ε y 2 2 ∂ 2 H z εμ∂ 2 H z (1.17) Ph−¬ng trình sãng ®iÖn tõ ph¼ng: = = ∂x c 2 ∂t 2 2 2 2 2 ∂x c ∂t NghiÖm PT: εy = εm cos ( ωt − Kx + α1 ) - ω lµ tÇn sè sãng, (1.18) - K lµ sè sãng = , H z = H m cos (ωt − Kx + α 2 ) (1.19) - v lµ tèc ®é, - α1, α2 lµ pha ban ®Çu t¹i ®iÓm x = 0.
Tõ 1.15, 1.16, 1.18 vµ 1.19 : Kεm sin ( ωt − Kx + α1 ) = μμ0ωH m sin ( ωt − Kx + α 2 ) KH m sin ( ωt − Kx + α1 ) = εε0ωεm sin ( ωt − Kx + α 2 ) ĐÓ nghiÖm ®óng c¸c ph−¬ng trình nµy, cÇn phải thoả m·n c¸c ®iÒu kiÖn sau: α1 = α 2 ; Kεm = μμ 0ωH m ; εε 0ωεm = KH m εε 0 ε εm = μμ 0 H m 2 2 Biªn ®é liªn hÖ víi nhau bëi hÖ thøc εm εε0 = H m μμ0 E Đèi víi sãng lan truyÒn trong ch©n kh«ng εm μ0 −7 H 9 = = 4π ⋅10 ⋅ 4π ⋅ 9 ⋅10 Ω = 120πΩ ≅ 377Ω ε0 Hm
1.1.4 C¸c ®Æc tr−ng cña sãng ®iÖn tõ. 1. Sãng ®iÖn tõ ®−îc m« t¶ trªn cã d¹ng: i( ωt − Kx ) ε = εm cos ( ωt − Kx ) ε = εme (ωt − Kx) lµ pha cña sãng 2. Vect¬ vu«ng gãc víi mÆt sãng (mÆt ®ång pha) lµ tia s¸ng. ε = εm cos ( ωt − Kx ) = εm cos ⎛ 2π t − 2π x ⎞ - Tr−êng hîp ⎜ ⎟ λ ⎝T ⎠ Khi t tăng lªn ®iÓm cã pha cè ®Þnh sÏ tiÕn theo chiÒu d−¬ng cña x. Nh− vËy sãng lan truyÒn theo chiÒu d−¬ng cña trôc x ε = εm cos ( ωt + Kx ) - Tr−êng hîp Sãng lan truyÒn theo chiÒu ©m cña trôc x ε = εm cos ( ωt ± Kx ) 3. C¸c sãng d¹ng ®Òu lµ sãng ph¼ng và mÆt sãng (mÆt ®ång pha), ®Òu lµ mÆt ph¼ng vu«ng gãc víi ph−¬ng truyÒn sãng
- C¸c ®iÓm cã to¹ ®é thoả m·n ®iÒu kiÖn t¹i thêi r2 ®iÓm t cho tr−íc pha cña sãng : (ωt − Kr ) = const θ1 k θ2 phải n»m trªn mÆt ph¼ng vu«ng gãc víi K . r1 (K ⋅ r ) = K ⋅ r ⋅ cos θ = OA ⋅ K = const → (ωt − Kr ) = const 5. MËt ®é n¨ng l−îng cña sãng ®iÖn tõ : ε0ε μ0 H 2 2 ( ) = εD + HB 1 E =E +E = + den E M 2 2 2 D = τ0 ε; B = μ0 H (ε ) (ε )( )( ) H μ0 = τ0μ0 εH = εH 1 1 1 Eden = τ0 τ0 + H μ0 2 2 C - MËt ®é dßng năng l−îng S = Eden ⋅ C = ε ⋅ H - Vect¬ mËt ®é dßng năng l−îng ®−îc gäi lµ vect¬ Poynting S = ⎡ε x H ⎤ ⎣ ⎦
NÕu sãng ®iÖn tõ lan truyÒn theo ®−êng vu«ng gãc víi mÆt ph©n c¸ch cña hai vËt liÖu: -Thành thµnh phÇn vu«ng gãc (theo trôc z) cña vµ ë ph©n B D biªn: () () () () ⎡D z+ − D z− ⎤ z = σ s ; ⎡B z+ − B z− ⎤ z = 0 ˆ ˆ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ - Thµnh phÇn song song () () () () ⎡ ε z+ − ε z− ⎤ z = 0; ⎡ H z + − H z− ⎤ z = J ˆ ˆs ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ Z+ lµ kÝ hiÖu ®iÓm phÝa trªn mÆt ph©n biªn. Z- lµ kÝ hiÖu ®iÓm phÝa d−íi mÆt ph©n biªn. σs lµ mËt ®é ®iÖn tÝch bÒ mÆt.
1.1.5 Ph©n cùc ¸nh s¸ng -Chóng ta xÐt mét sãng ®iÖn tõ ph¼ng ®¬n s¾c lan truyÒn theo trôc z. -Ph−¬ng ph©n cùc ®−îc x¸c ®Þnh qua vect¬ c−êng ®é ®iÖn tr−êng εx = A x cos ( ωt − Kz + δx ) 1 εy = A y cos ( ωt − Kz + δy ) 2 cos(ωt − Kz + δ x ) = cos(ωt − Kz ) cos(δ x ) − sin (ωt − Kz )sin (δ x ) cos (ωt − Kz + δ y ) = cos (ωt − Kz ) cos (δ y ) − sin (ωt − Kz )sin (δ y ) cos 2 (ωt − Kz + δ x ) + cos 2 (ωt − Kz + δ y ) − 3 2 cos δ ⋅ cos (ωt − Kz + δ x ) cos (ωt − Kz + δ y ) = sin δ 2 δ = (δ x − δ y ) ⎛ εx ⎞ ⎛ ε y ⎞ 2 2 cos δ εx ε y = sin δ 2 4 ⎟ +⎜ ⎟ −2 ⎜ ⎝ Ax ⎠ ⎜ Ay ⎟ AxAy ⎝ ⎠ Ph−¬ng trình nµy biÓu diÔn mét elip, sãng ¸nh s¸ng nãi chung ph©n cùc elip