intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Sợi quang và công nghệ SDH - Phần 1 Sợi quang - Chương 5

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

Thêm vào BST
Báo xấu
204
lượt xem 66
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Linh kiện biến đổi quang điện 5.1. Tổng quát: Linh kiện biến đổi quang điện đ-ợc đặt ở hai đầu sợi quang. Có hai linh kiện quang điện: + Linh kiện biến đổi từ tín hiệu điện sang tín hiệu quang, đ-ợc gọi l nguồn quang. Linh kiện n y có nhiệm vụ phát ra ánh sáng có công suất tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó. + Linh kiện biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện, còn gọi l linh kiện tách sóng quang (hay linh kiện thu quang). Linh kiện n y có nhiệm vụ ng-ợc lại so...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Sợi quang và công nghệ SDH - Phần 1 Sợi quang - Chương 5

  1. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn ch−¬ng V : Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn 5.1. Tæng qu¸t: Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn ®−îc ®Æt ë hai ®Çu sîi quang. Cã hai linh kiÖn quang ®iÖn: Linh kiÖn biÕn ®æi tõ tÝn hiÖu ®iÖn sang tÝn hiÖu quang, ®−îc gäi l nguån + quang. Linh kiÖn n y cã nhiÖm vô ph¸t ra ¸nh s¸ng cã c«ng suÊt tû lÖ víi dßng ®iÖn ch¹y qua nã. Linh kiÖn biÕn ®æi tÝn hiÖu quang sang tÝn hiÖu ®iÖn, cßn gäi l linh kiÖn + t¸ch sãng quang (hay linh kiÖn thu quang). Linh kiÖn n y cã nhiÖm vô ng−îc l¹i so víi nguån quang , tøc l t¹o ra dßng ®iÖn tû lÖ víi c«ng suÊt quang chiÕu v o nã. ChÊt l−îng cña linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn v chÊt l−îng sîi quang quyÕt ®Þnh cù ly, dung l−îng v chÊt l−îng cña tuyÕn truyÒn dÉn quang. ♦ Yªu cÇu kü thuËt cña linh kiÖn quang ®iÖn: a) §èi víi nguån quang: B−íc sãng cña ¸nh s¸ng ph¸t ra: - Møc ®é suy hao cña ¸nh s¸ng truyÒn trªn sîi quang phô thuéc v o b−íc sãngcña ¸nh s¸ng. Cã ba b−íc sãng th«ng dông l 850nm, 1300nm, 1550nm. Do ®ã ¸nh s¸ng do nguån quang ph¸t ra còng ph¶i cã b−íc sãng phï hîp. Thêi gian chuyÓn: - §Ó cã thÓ truyÒn ®−îc tÝn hiÖu sè cã tèc ®é bit c ng cao th× thêi gian chuyÓn tr¹ng th¸i cña nguån quang ph¶i c ng nhanh. _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 22- http://www.ebook.edu.vn
  2. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn C«ng suÊt ph¸t: - Cù ly th«ng tin phô thuéc v o nhiÒu yÕu tè trong ®ã c«ng suÊt ph¸t cña nguån quang l mét trong nh÷ng yÕu tè chÝnh. C«ng suÊt ph¸t c ng lín th× cù ly th«ng tin c ng xa. §é réng phæ: - ¸nh s¸ng m nguån quang thùc tÕ ph¸t ra kh«ng ph¶i l chØ cã mét b−íc sãng duy nhÊt m gåm mét kho¶ng b−íc sãng. Kho¶ng sãng n y c ng réng th× ®é t¸n s¾c chÊt liÖu c ng lín do ®ã l m h¹n chÕ d¶i th«ng cña tuyÕn truyÒn dÉn quang. Nh− vËy ®é réng phæ cña nguån quang c ng hÑp c ng tèt. Gãc phãng ¸nh s¸ng: - Nh− ta ® biÕt ®−êng kÝnh lâi cña sîi quang rÊt nhá nÕu kÝch th−íc cña nguån quang lín v gãc phong ¸nh s¸ng réng v c«ng suÊt ph¸t quang v o ®−îc lâi sÏ rÊt thÊp. Do ®ã nguån quang cã vïng ph¸t s¸ng v gãc ph¸t s¸ng c ng hÑp c ng tèt. §é æn ®Þnh: - C«ng suÊt quang m c¸c nguån quang thùc tÕ ph¸t ra Ýt nhiÒu phô thuéc v o nhiÖt ®é m«i tr−êng, thêi gian sö dông v ®«i khi cßn phô thuéc v o c−êng ®é s¸ng xung quanh. V× vËy c«ng suÊt do nguån quang ph¸t ra c ng æn ®Þnh c ng tèt. Thêi gian sö dông l©u, gi¸ th nh h¹. - b) §èi víi linh kiÖn t¸ch sãng quang: - B−íc sãng: Nh¹y ®èi víi b−íc sãng ho¹t ®éng cña hÖ thèng _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 23- http://www.ebook.edu.vn
  3. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn §é nh¹y: - Cã ®é nh¹y c ng cao c ng tèt. Tøc l kh¶ n¨ng t¸ch ®−îc c¸c tÝn hiÖu quang thËt nhá víi sè lçi (BER) trong ph¹m vi cho phÐp. Linh kiÖn t¸ch sãng quang c ng nh¹y th× c ng cã kh¶ n¨ng níi réng cù ly th«ng tin. - §¸p øng nhanh: §Ó cã thÓ l m viÖc trong hÖ thèng cã tèc ®é bit cao. - Dßng tèi nhá: Khi ch−a cã ¸nh s¸ng chiÕu v o nh−ng linh kiÖn t¸ch sãng quang vÉn cã dßng ®iÖn t¸ch sãng nhiÔu ch¹y qua. Dßng ®iÖn n y c ng nhá c ng tèt. - T¹p ©m: Cã t¹p ©m c ng thÊp c ng tèt ®Ó ®¶m b¶o tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m (S/N). - §é tin cËy cao , gi¸ th nh h¹. 5.2. Nguån quang: Nguyªn lý chung: 5.2.1. Cã hai lo¹i linh kiÖn ®−îc dïng l m nguån quang hiÖn nay l : - Diode ph¸t quang hay LED (Light Emitting Diode) - Diode Laser hay LD (Laser Diode) C¶ hai linh kiÖn trªn ®Òu ph¸t triÓn tõ diode b¸n dÉn, Tøc l tõ tiÕp gi¸p cña b¸n dÉn lo¹i P v lo¹i N. C¸c ®Æc tÝnh kü thuËt cña nguån quang phÇn lín phô thuéc v o cÊu t¹o cña chóng, riªng b−íc sãng do nguån quang ph¸t ra phô thuéc v o vËt liÖu chÕ t¹o nguån quang. Mçi chÊt b¸n dÉn cã bÒ réng khe n¨ng l−îng Eg kh¸c nhau. M Eg quyÕt ®Þnh tÇn sè v do ®ã quyÕt ®Þnh b−íc sãng cña _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 24- http://www.ebook.edu.vn
  4. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn n¨ng l−îng ¸nh s¸ng ph¸t ra theo c«ng thøc sau: C hC 1,24 hay: λ= E g = hv = h = λ E g E g (eV ) Trong ®ã: h = 6,625 . 10-34 j.s : H»ng sè Planck C = 300.000 Km/s : VËn tèc ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng Eg : bÒ réng khe n¨ng l−îng, ®¬n vÞ (eV) v : tÇn sè ¸nh s¸ng ph¸t ra, ®¬n vÞ Hz Tõ c«ng thøc trªn ta thÊy b−íc sãng cua ¸nh s¸ng ph¸t ra tû lÖ nghÞch víi bÒ réng khe n¨ng l−îng cña chÊt b¸n dÉn chÕ t¹o nguån quang. Do ®ã muèn nguån quang ph¸t ra ¸nh s¸ng cã b−íc sãng d i th× ph¶i dïng chÊt b¸n dÉn cã bÒ réng khe n¨ng l−îng hÑp. InGaAsP GaAs/InP AlGaAs GaAsP GaP 0,5 0,6 0,7 0,85 1 1,3 1,55 1,8 λ (nm) Ga : Gallium As : Arsenic In : Indium P : Phosphorus Al : Aluminium B−íc sãng ph¸t x¹ cña c¸c chÊt b¸n dÉn dïng trong th«ng tin quang _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 25- http://www.ebook.edu.vn
  5. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn 5.2.2. LED: a) CÊu t¹o v ph©n lo¹i: MÆc dï nguyªn lý ph¸t quang trong mèi nèi P N kh¸ ®¬n gi¶n song cÊu tróc cña c¸c ®Ìn LED phøc t¹p h¬n mét diode b¸n dÉn b×nh th−êng v× ph¶i ®¸p øng ®ång thêi c¸c yªu cÇu kü thuËt cña mét nguån quang. • LED tiÕp xóc mÆt GaAs: §©y l lo¹i cã cÊu tróc ®¬n gi¶n nhÊt, dïng b¸n dÉn GaAs víi nång ®é kh¸c nhau ®Ó l m líp nÒn lo¹i N v líp ph¸t quang lo¹i P. Líp P d y kho¶ng 200µm, ë mÆt ngo i cña líp P cã phñ mét líp chèng ph¶n x¹ ®Ó ghÐp ¸nh s¸ng v o sîi quang. B−íc sãng ph¸t cña LED GaAs trong kho¶ng tõ 880 ®Õn 950nm. Líp chèng ph¶n x¹ TiÕp xóc P Líp c¸ch ®iÖn Líp P-GaAs (khuÕch t¸n) Líp N-GaAs (nÒn) TiÕp xóc N CÊu tróc LED tiÕp xóc mÆt GaAs • LED Burrus: LED Burrus ®−îc chÕ t¹o theo cÊu tróc nhiÒu líp (Heterostructure) bao gåm c¸c líp b¸n dÉn lo¹i N v P víi bÒ d y v nång ®é kh¸c nhau. Víi cÊu tróc nhiÒu líp v v¹ch tiÕp xóc P cã kÝch th−íc nhá, Vïng ph¸t s¸ng cña LED Burrus t−¬ng ®èi hÑp. Ngo i ra trªn bÒ mÆt cña LED cã khoÐt mét lç ®Ó ®−a sîi quang v o gÇn vïng ph¸t s¸ng. B−íc sãng cña LED Burrus dïng b¸n dÉn AlGaAs / _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 26- http://www.ebook.edu.vn
  6. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn gaAs trong kho¶ng tõ 800 ®Õn 850nm. NÕu dïng b¸n dÉn InGaAsP / InP th× b−íc sãng ph¸t ra d i h¬n TiÕp xóc N Líp N - GaAs ( líp nÒn ) vïng ph¸t s¸ng Líp N - AlGaAs Líp P - AlGaAS ( líp tÝch cùc ) Líp P+ - AlGaAs Líp c¸ch ®iÖn Al2O3 TiÕp xóc P ( ®−êng kÝnh nhá ) CÊu tróc LED Burrus • LED ph¸t b−íc sãng d i: Mét lo¹i LED ph¸t b−íc sãng d i (1300nm v 1550nm) dïng b¸n dÉn InGaAsP / InP . T−¬ng tù nh− LED Burrus, lo¹i n y còng cã cÊu tróc nhiÒu líp v cã ®−êng kÝnh v¹ch tiÕp xóc P nhá (25 ®Õn 30µm) nªn cã vïng ph¸t s¸ng hÑp. §iÓm kh¸c biÖt so víi LED Burrus l thay v× khoÐt lç ®Ó ghÐp ¸nh s¸ng v o sîi quang, ë ®©y dïng líp nÒn InP cã d¹ng mét thÊu kÝnh ®Ó ghÐp ¸nh s¸ng v o sîi quang. Líp chèng ph¶n x¹ Líp P+ - InGaAsP TiÕp xóc N Líp N - InP ( líp nÒn ) Líp c¸ch ®iÖn Al2O3 Vïng ph¸t s¸ng Líp to¶ nhiÖt Líp P - InGaAsP TiÕp xóc P Líp P+ - InP ( φ 25 ÷ 30µm ) LED ph¸t b−íc sãng d i _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 27- http://www.ebook.edu.vn
  7. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn • LED ph¸t x¹ r×a: (ELED: Edge Light Emitting Diode) LED ph¸t x¹ r×a cã cÊu t¹o kh¸c víi LED th«ng th−êng, c¸c ®iÖn cùc tiÕp xóc (b»ng kim lo¹i) phñ kÝn mÆt trªn v ®¸y cña ELED. Do ®ã ¸nh s¸ng kh«ng thÓ ph¸t ra phÝa hai mÆt ®−îc m bÞ gi÷ trong vïng tÝch cùc cã d¹ng v¹ch hÑp. Líp tÝch cùc rÊt máng, b»ng vËt liÖu cã chiÕt suÊt lín kÑp gi÷a hai líp P v N cã ciÕt suÊt nhá h¬n. CÊu tróc nh− vËy t−¬ng tù cÊu tróc sîi quang. Hay nãi c¸ch kh¸c, t−¬ng ®−¬ng víi mét èng dÉn sãng. ¸nh s¸ng ph¸t ra ë c¶ hai ®Çu èng dÉn sãng n y, mét trong hai ®−îc nèi víi sîi quang. CÊu tróc n y cã −u ®iÓm l vïng ph¸t s¸ng hÑp v gãc ph¸t s¸ng nhá nªn hiÖu suÊt ghÐp ¸nh s¸ng v o sîi quang cao. Tuy nhiªn nã còng cã mét h¹n chÕ l khi ho¹t ®éng nhiÖt ®é cña ELED t¨ng kh¸ cao nªn ®ßi hái ph¶i ®−îc gi¶i nhiÖt. TiÕp xóc P Líp P - AlGaAs Vïng ph¸t s¸ng ( líp tÝch cùc ) Líp P - AlGaAs Líp N - AlGaAs C¸ch ®iÖn SIO2 Líp P - AlGaAs TiÕp xóc N LED ph¸t x¹ r×a (ELED) Cuèi cïng ph¶i ghi nhËn r»ng cÊu tróc cña LED c ng phøc t¹p th× c«ng suÊt ph¸t c ng cao, gãc ph¸t s¸ng c ng hÑp, thêi gian chuyÓn c ng nhanh. TÊt nhiªn, còng nh− mäi linh kiÖn kh¸c, cÊu tróc c ng phøc t¹p th× gia th nh sÏ c ng cao. b) §Æc tÝnh kü thuËt: C¸c ®Æc tÝnh kü thuËt cña LED phô thuéc rÊt nhiÒu v o cÊu t¹o cña chóng. Ngo i ra theo ® ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ b¸n dÉn, chÊt l−îng cña LED ng y _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 28- http://www.ebook.edu.vn
  8. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn c ng n©ng cao h¬n. • Th«ng sè ®iÖn: - Dßng ®iÖn ho¹t ®éng tiªu biªñ: tõ 50mA ®Õn 300mA - §iÖn ¸p sôt trªn LED: tõ 1,5V ÷ 2,5V • C«ng suÊt ph¸t: L c«ng suÊt tæng c«ng do nguån quang ph¸t ra. C«ng suÊt ph¸t cña LED tõ 1 ÷ 3mW. §èi víi lo¹i ph¸t s¸ng cao (High - Radinnce) c«ng suÊt ph¸t cã thÓ lªn ®Õn 10mW. C¸c LED ph¸t x¹ mÆt c«ng suÊt ph¸t cao h¬n LED ph¸t x¹ r×a víi cïng dßng ®iÖn kÝch thÝch. Nh−ng ®iÒu ®ã kh«ng cã nghÜa l sîi quang nhËn ®−îc c«ng suÊt quang tõ LED ph¸t x¹ mÆt cao h¬n LED ph¸t x¹ r×a. P(mW) LED (ph¸t x¹ mÆt) 10 ELED 5 (ph¸t x¹ r×a) 0 100 200 300 400 500 I(mA) C«ng suÊt ph¸t cña LED v ELED • Gãc ph¸t quang: C«ng suÊt ¸nh s¸ng do nguån quang ph¸t ra cùc ®¹i ë trôc ph¸t quang v gi¶m dÇn theo gãc hîp víi trôc. Gãc ph¸t quang ®−îc x¸c ®Þnh ë møc c«ng suÊt ph¸t quang gi¶m mét nöa (3dB) so víi møc cùc ®¹i. LED ph¸t x¹ mÆt cã gãc ph¸t quang lín h¬n so víi LED ph¸t x¹ r×a. _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 29- http://www.ebook.edu.vn
  9. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn C«ng suÊt t−¬ng ®èi 1 ph¸t x¹ mÆt ph¸t x¹ r×a 0,5 0 900 450 00 450 900 0 (gãc ph¸t) 300 1200 Gãc ph¸t quang cña LED v ELED • HiÖu suÊt ghÐp quang: HiÖu suÊt ghÐp quang ®−îc tÝnh bëi tû sè c«ng suÊt quang ghÐp v o sîi quang víi c«ng suÊt ph¸t quang tæng céng cña nguån quang. HiÖu suÊt ghÐp quang phô thuéc v o kÝch th−íc vïng ph¸t quang, gãc ph¸t quang cña nguån, gãc thu nhËn (NA) cña sîi quang v vÞ trÝ ®Æt nguån quang v sîi quang. HiÖu suÊt ghÐp cña LED ph¸t x¹ mÆt kho¶ng 1 ÷ 5% v LED ph¸t x¹ r×a trong kho¶ng 5 ÷ 15%. Tõ ®ã, tuy c«ng suÊt ph¸t cña LED ph¸t x¹ mÆt lín h¬n nh−ng c«ng suÊt ®−a v o sîi quang cña LED ph¸t x¹ r×a l¹i lín h¬n ( th−êng lín h¬n kho¶ng hai lÇn ). • §é réng phæ: Nguån quang ph¸t ra c«ng suÊt cùc ®¹i ë b−íc sãng trung t©m v gi¶m dÇn vÒ hai phÝa. §é réng phæ l kho¶ng b−íc sãng m trong ®ã c«ng suÊt quang kh«ng nhá h¬n ph©n nöa møc c«ng suÊt ®Ønh. Th«ng th−êng LED cã ®é réng phæ trong kho¶ng 35 ÷ 100 nm _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 30- http://www.ebook.edu.vn
  10. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn C«ng suÊt t−¬ng ®èi 1 ∆λ 0,5 40nm 0 800 850 900 B−íc sãng (nm) §é réng phæ cña LED • Thêi gian chuyÓn lªn (Rise time): L kho¶ng thêi gian ®Ó c«ng suÊt ra t¨ng tõ 10% ®Õn 90% møc c«ng suÊt æn ®Þnh khi cã xung dßng ®iÖn kÝch thÝch nguån quang. Thêi gian chuyÓn cña nguån quang cã ¶nh h−ëng ®Õn tèc ®é bit cña tÝn hiÖu ®iÒu chÕ, muèn ®iÒu chÕ ë tèc ®é c ng cao th× nguån quang ph¶i cã thßi gian chuyÓn c ng nhanh. Gi¶i th«ng tèi ®a cña tÝn hiÖu ®iÒu chÕ phô thuéc v o thêi gian chuyÓn. • ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é: Khi nhiÖt ®é m«i tr−êng t¨ng th× c«ng suÊt ph¸t gi¶m, tuy nhiªn møc ®é ¶nh h−ëng bëi nhiÖt ®é cña LED kh«ng cao: - ë b−íc sãng 850nm: ®é ¶nh h−ëng l -1% / 0C 0 - ë b−íc sãng 1300nm v 1550nm: ®é ¶nh h−ëng tõ -2% ®Õn -4% / C 5.2.3. LASER: a) CÊu t¹o v nguyªn t¾c ho¹t ®éng: Laser b¸n dÉn ho¹t ®éng theo nguyªn lý ph¸t x¹ kÝch thÝch. CÊu t¹o cña nã gÇn gòi víi cÊu t¹o cña LED ph¸t x¹ r×a (ELED). §iÓm kh¸c biÖt c¬ b¶n l trong _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 31- http://www.ebook.edu.vn
  11. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn Laser cã hai mÆtph¶n x¹ ë hai ®Çu líp tÝch cùc t¹o nªn mét hèc céng h−ëng quang. PhÇn ¸nh s¸ng ph¸t ra theo chiÒu däc cña hèc céng h−ëng sÏ bÞ ph¶n x¹ qua l¹i gi÷a hai mÆt ph¶n x¹. Trong qu¸ tr×nh di chuyÓn theo chiÒu däc cña hèc ¸nh s¸ng kÝch thÝch c¸c ®iÖn tö kÕt hîp víi c¸c lç trèng ®Ó phãng ra c¸c photon míi. PhÇn ¸nh s¸ng tho¸t ra theo c¸c ph−¬ng kh¸c bÞ thÊt tho¸t dÇn. nh− vËy chØ cã phÇn ¸nh s¸ng ph¸t ra theo chiÒu däc míi ®−îc khuÕch ®¹i. MÆt sau cña Laser ®−îc phñ mét líp ph¶n x¹ cßn mÆt tr−íc ®−îc c¾t nh½n ®Ó mét phÇn ¸nh s¸ng ph¶n x¹ cßn mét phÇn chiÕu ra ngo i. + MÆt ph¶n x¹ - B¸n dÉn lo¹i P Líp tÝch cùc B¸n dÉn lo¹i N ¸nh s¸ng Nguyªn lý cÊu t¹o LASER b¸n dÉn Nh»m t¨ng hiÖu qu¶ ph¸t x¹, c¸c Laser thùc tÐ cã cÊu tróc phøc t¹p h¬n ch¼ng h¹n lo¹i Laser cã cÊu tróc nhiÒu líp ch«n cßn gäi l Laser BH (Buried Heterostructure) cã vïng ph¸t s¸ng rÊt hÑp (2µm × 0,2µm) nªn hiÖu suÊt ghÐp ¸nh s¸ng v o lâi sîi quang rÊt cao. TiÕp xóc P Líp P + ( InGaAsP ) C¸ch ®iÖn ( SiO2 ) Líp P ( InP ) Líp N ( InP ) Líp P ( InP ) Líp tÝch cùc ( InGaAsP ) Líp N ( InP ) Líp N ( InP ) TiÕp xóc N _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 32- http://www.ebook.edu.vn
  12. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn b) §Æc tÝnh kü thuËt: • Th«ng sè ®iÖn: - Dßng ®iÖn ng−ìng: Khi dßng ®iÖn kÝch thÝch cho Laser cã trÞ sè nhá, Laser ho¹t ®éng ë chÕ ®é ph¸t x¹ tù ph¸t nªn c«ng suÊt ph¸t rÊt thÊp. Khi ®−îc kÝch thÝch víi dßng ®iÖn lín, Laser ho¹t ®éng ë chÕ ®é kÝch thÝch c«ng suÊt quang t¨ng nhanh theo dßng kÝch thÝch. P (mW) T1 T 2 >T 1 10 LASER T1 T 2 >T 1 5 LED 0 100 200 I(mA) Dßng ng−ìng Dßng ng−ìng cña Laser thay ®æi theo nhiÖt ®é. §èi víi nh÷nh Laser ®êi cò, dßng ng−ìng cã gi¸ trÞ tõ 50mA ÷ 100mA. Nh÷ng Laser ®êi míi dßng ng−ìng chØ trong kho¶ng 10mA ÷ 20mA. - Dßng ®iÖn kÝch thÝch: tõ v i chôc ®Õn v i tr¨m mA tuú theo lo¹i. - §iÖn ¸p sôt trªn Laser: tõ 1,5V ÷ 2,5V • C«ng suÊt ph¸t: C«ng suÊt ph¸t cña Laser tõ 1 ÷ 10mW, ®èi víi nh÷ng Laser ®êi míi cã thÓ lªn ®Õn 50mW hay h¬n n÷a. _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 33- http://www.ebook.edu.vn
  13. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn • Gãc ph¸t s¸ng: Gãc ph¸t s¸ng cña Laser theo ph−¬ng ngang cña líp tÝch cùc chØ trong kho¶ng 5 ÷ 100 , cßn theo ph−¬ng vu«ng gãc víi líp tÝch cùc gãc ph¸t cã thÓ lªn ®Õn 400 . Nh− vËy mÆt bao cña gãc ph¸t kh«ng ph¶i l mÆt nãn trßn xoay m l mÆt nãn h×nh elip • HiÖu suÊt ghÐp: Laser cã vïng ph¸t s¸ng nhá, gãc ph¸t s¸ng hÑp nªn cã hiÖu suÊt ghÐp ¸nh s¸ng v o sîi quang cao. - Trung b×nh hiÖu suÊt ghÐp cña Laser trong kho¶ng: 30% ÷ 50%: ®èi víi sîi ®¬n mode (SM) 60% ÷ 90%: ®èi víi sîi ®a mode (MM) §Ó t¨ng hiÖu suÊt ghÐp, ng−êi ta cã thÓ t¹o thªm c¸c chi tiÕt phô gi÷a nguån quang v sîi quang nh− ®Æt thªm thÊu kÝnh gi÷a nguån quang v sîi quang, t¹o ®Çu sîi quang cã d¹ng mÆt cÇu,... • §é réng phæ: D¹ng phæ ph¸t x¹ cña Laser l tæng hîp ®Æc tuyÕn khuÕch ®¹i (do bÒ réng khe n¨ng l−îng thay ®æi) v ®Æc tuyÕn chän läc cña hèc céng h−ëng quang ( phô thuéc v o chiÒu d i hèc). So víi LED th× phæ ph¸t x¹ cña Laser rÊt hÑp, trong kho¶ng tõ 1 ®Õn 4nm. D¹ng phæ gåm nhiÒu v¹ch rêi r¹c nªn ®−îc gäi l phæ cña Laser ®a mode. Ng−êi ta cã khuynh h−íng chÕ t¹o Laser cã phæ ng y c ng hÑp ®Ó gi¶m t¸n s¾c chÊt liÖu khi sö dông b−íc sãng 1550nm. V trong t−¬ng lai cã thÓ sö dông réng r i kü thuËt ghÐp kªnh theo b−íc sãng. _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 34- http://www.ebook.edu.vn
  14. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn P -3 ∆ λ = 1 - 4 nm 0 λ0 λ Phæ ph¸t x¹ cña LASER d¹ng thùc tÕ - Laser håi tiÕp ph©n bè DFB: thay thÕ cho c¸c mÆt ph¶n x¹ ë hai ®Çu l mét chuçi gîn sãng trªn líp b¸n dÉn l m nÒn chØ ph¶n x¹ nh÷ng b−íc sãng nhÊt ®Þnh do ®ã gÇn nh− chØ cã mét b−íc sãng ®−îc céng h−ëng v khuÕch ®¹i. Phæ cña Laser DFB rÊt hÑp chØ v o kho¶ng 0,1nm ®Õn 0,2nm. Phæ cña Laser DFB cã d¹ng: P 0 -3 < 0,1nm -20 1nm -25 λ0 λ - Laser hèc ghÐp C_cubed: hai chÝp Laser rêi ®−îc ghÐp quang víi nhau nh−ng c¸ch ly vÒ ®iÖn ®Ó ®¹t ®−îc sù giíi h¹n b−íc sãng ph¸t - Laser hèc ngo i (external Cavity): l lo¹i Laser cã mÆt ph¶n x¹ bªn ngo i thay v× tr¸ng mÆt ph¶n x¹ trong Laser th«ng th−êng. • Thêi gian chuyÓn lªn: Thêi gian ®Ó c«ng suÊt quang t¨ng tõ 10% ÷ 90% møc c«ng suÊt x¸c lËp _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 35- http://www.ebook.edu.vn
  15. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn cña Laser rÊt nhanh, th«ng th−êng kh«ng qu¸ 1ns. • ¶nh h−ëng nhiÖt ®é: Khi nhiÖt ®é thay ®æi dßng ng−ìng cña Laser thay ®æi do ®ã c«ng suÊt ph¸t ra còng thay ®æi nÕu gi÷ nguyªn dßng ®iÖn kÝch thÝch. Khi nhiÖt ®é t¨ng th× dßng ng−ìng còng t¨ng theo d¹ng h m mò cña sù gia t¨ng nhiÖt ®é. Trung b×nh, ®é gia t¨ng dßng ng−ìng v o kho¶ng +1%/0C. Ngo i ra khi nhiÖt ®é thay ®æi th× c«ng suÊt ph¸t ra còng thay ®æi, nh−ng møc ®é ¶nh h−ëng rÊt thÊp. T¸ch sãng quang: 5.3. 5.3.1. Nguyªn lý chung: C¸c linh kiÖn t¸ch sãng quang hiÖn nay còng l lo¹i linh kiÖn b¸n dÉn. CÊu t¹o cña chóng còng ph¸t triÓn tõ tiÕp gi¸p PN. Cã hai lo¹i linh kiÖn t¸ch sãng quang ®−îc sö dông hiÖn nay l : - PIN: lo¹i diode thu quang gåm ba líp b¸n dÉn P,I v N. Trong ®ã P v N l hai líp b¸n dÉn cã pha t¹p chÊt cßn I (Intrinsic) kh«ng pha t¹p chÊt hoÆc pha víi nång ®é rÊt thÊp. - APD (Avalanche Photo Diode): Diode thu quang cã ®é nh¹y v tèc ®é cao. - Ngo i ra cßn cã transistor quang (Phototransistor) cã kh¶ n¨ng biÕn ®æi tÝn hiÖu quang sang tÝn hiÖu ®iÖn nh−ng cã thêi gian ®¸p øng chËm nªn Ýt ®−îc sö dông. NÕu cã còng chØ xuÊt hiÖn trong c¸c hÖ thèng cã cù ly ng¾n v tèc ®é chËm. C¸c linh kiÖn t¸ch sãng quang ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c cña mét tiÕp gi¸p PN ph©n cùc ng−îc. _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 36- http://www.ebook.edu.vn
  16. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn Nh÷ng th«ng sè c¬ b¶n: 5.3.2. a) HiÖu suÊt l−îng tö: HiÖu suÊt l−îng tö ®−îc tÝnh bëi tû sè l−îng ®iÖn tö t¸ch ra v sè photon ®−îc hÊp thô. n η=n e ph Trong ®ã: η : HiÕuuÊt l−îng tö nph : sè l−îng photon hÊp thô ne : sè l−îng ®iÖn tö t¸ch ra Gi¸ trÞ lín nhÊt cña η l 1, tøc l mét photon ®−îc hÊp thô sÏ l m bøc x¹ nhiÒu nhÊt mét cÆp ®iÖn tö v lç trèng. Th«ng th−êng η nhá h¬n 1 v ®−îc tÝnh theo phÇn tr¨m (%). Trong nh÷ng tr−êng hîp ®Æc biÖt (cã hiÖu øng nh©n) mét photon ®−îc hÊp thô cã thÓ l m ph¸t sinh nhiÒu ®iÖn tö. b) §¸p øng: §¸p øng cña linh kiÖn t¸ch sãng quang l tû sè cña dßng ®iÖn sinh ra v c«ng suÊt quang ®−a v o. ne .e − Ie R= = Popt n ph .hV Trong ®ã: R: §¸p øng Ie: Dßng quang ®iÖn Popt: c«ng suÊt quang c) §é nh¹y: _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 37- http://www.ebook.edu.vn
  17. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn §é nh¹y cña linh kiÖn thu quang l møc c«ng suÊt quang thÊp nhÊt m linh kiÖn cã thÓ thu ®−îc v¬Ý mét tû sè lçi (BER) nhÊt ®Þnh. Theo tiªu chuÈn G956 cña CCITT, BER = 10-10 . §é nh¹y cña linh kiÖn thu quang phô thuéc lo¹i linh kiÖn t¸ch sãng quang v møc nhiÔu cña bé khuÕch ®¹i ®iÖn. Ngo i ra tèc ®é bit truyÒn dÉn c ng cao th× ®é nh¹y cña thiÕt bÞ thu c ng kÐm. d) D¶i ®éng: D¶i ®éng cña linh kiÖn thu quang l kho¶ng chªnh lÖch gi÷a møc c«ng suÊt cao nhÊt v møc c«ng suÊt thÊp nhÊt (tøc ®é nh¹y) m linh kiÖn cã thÓ thu ®−îc trong mét giíi h¹n tû sè lçi (BER) nhÊt ®Þnh. e) T¹p ©m: T¹p ©m trong c¸c linh kiÖn thu quang ®−îc thÓ hiÖn d−íi d¹ng dßng ®iÖn t¹p ©m. C¸c nguån t¹p ©m ®¸ng kÓ cña linh kiÖn thu quang l : - T¹p ©m nhiÖt: L t¹p ©m g©y ra do ®iÖn trë t¶i cña diode thu quang còng nh− trë kh¸ng v o cña bé khuÕch ®¹i ®Çu. T¹p ©m nhiÖt It phô thuéc nhiÖt ®é, b¨ng t¹p ©m, ®iÖn trë t¶i theo c«ng thøc: 4 KT I t2 = .B R Trong ®ã: K: h»ng sè Boltzman; 1,38 × 10-38 J/0K T: nhiÖt ®é tuyÖt ®èi, ®é K B: bÒ réng b¨ng, ®¬n vÞ Hz R: ®iÖn trë t¶i, ®¬n vÞ Ohm T¹p ©m nhiÖt cña m¸y thu quang cßn phô thuéc hÖ sè t¹p ©m cña bé khuÕch ®¹i. _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 38- http://www.ebook.edu.vn
  18. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn - T¹p ©m l−îng tö: Do biÕn ®éng ngÉu nhiªn n¨ng l−îng cña c¸c photon ®Ëp v o diode thu quang. Dßng t¹p ©m l−îng tö Iq ®−îc tÝnh bëi: I q2 = 2 e . R . P opt B = 2 e . I .B ph - T¹p ©m dßng tèi: Dßng ®iÖn nhiÔu do c¸c diode thu quang ph¸t ra khi kh«ng cã ¸nh s¸ng chiÕu v o còng g©y nªn t¹p ©m th¨ng gi¸ng. T¹p ©m do dßng tèi ®−îc tÝnh bëi c«ng thøc: I q2 = 2e.i D .B Trong ®ã : iD l dßng tèi cña diode ph¸t quang. Diode thu quang PIN: 5.3.3. CÊu t¹o cña diode thu quang PIN gåm ba líp b¸n dÉn P-I-N, trong ®ã líp I (Intrinsic) l líp b¸n dÉn kh«ng pha t¹p chÊt hoÆc pha víi nång ®é rÊt thÊp. Qu¸ tr×nh hÊp thô photon ®Ó t¸ch ra c¸c ®iÖn tö v lç trèng x¶y ra trong líp I . Do ®ã líp I c ng d y th× hiÖu suÊt l−îng tö c ng cao nh−ng ®ång thêi thêi gian tr«i cña ®iÖn tö sÏ c ng chËm. §iÒu n y l m gi¶m kh¶ n¨ng ho¹t ®éng víi tèc ®é cao cña PIN. BÒ d y líp P phô thuéc kh¶ n¨ng th©m nhËp cña ¸nh s¸ng v o b¸n dÉn. ¸nh s¸ng cã b−íc sãng c ng d i th× kh¶ n¨ng th©m nhËp v o b¸n dÉn c ng lín. ¸nh s¸ng Líp chèng ph¶n x¹ Vßng tiÕp xóc P ( kim lo¹i ) C¸ch ®iÖn ( SiO2 ) I TiÕp xóc ( kim lo¹i ) N CÊu t¹o cña diode thu quang PIN _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 39- http://www.ebook.edu.vn
  19. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn Diode thu quang APD: 5.3.4. øng dông hiÖu øng nh©n ®iÖn tö trong b¸n dÉn, ng−êi ta chÕ t¹o APD, trong ®ã P+ v N - l hai líp b¸n dÉn cã nång ®é t¹p chÊt cao cßn P - l líp cã nång ®é t¹p chÊt rÊt thÊp (thay thÕ vÞ trÝ líp I trong PIN) D−íi t¸c dông cña nguån ph©n cùc ng−îc, sù ph©n bè c−êng ®é ®iÖn tr−êng trong c¸c líp b¸n dÉn kh«ng ®Òu nhau, ®iÖn tr−êng trong vïng tiÕp gi¸p PN- cao nhÊt , qu¸ tr×nh nh©n ®iÖn tö x¶y ra trong vïng n y. Vïng n y cßn ®−îc gäi l vïng “ th¸c lò”. Khi cã ¸nh s¸ng chiÕu v o, c¸c photon bÞ hÊp thô trong líp P - v t¹o ra c¸c cÆp ®iÖn tö - lç trèng. Lç trèng di chuyÓn vÒ phÝa líp P+ nèi víi cùc ©m cña nguån; cßn ®iÖn tö di chuyÓn vÒ phÝa tiÕp gi¸p PN- , ®iÖn tr−êng cao trong vïng n y sÏ t¨ng tèc cho ®iÖn tö. §iÖn tö va ch¹m v o c¸c nguyªn tö cña tinh thÓ b¸n dÉn t¹o ra c¸c cÆp ®iÖn tö - lç trèng míi (gäi l sù ion ho¸ do va ch¹m). C¸c ®iÖn tö thø cÊp míi ®−îc t¹o ra l¹i cã kh¶ n¨ng g©y ra sù ion ho¸ do va ch¹m. Qu¸ tr×nh tiÕp diÔn v sè l−îng c¸c h¹t t¶i ®iÖn t¨ng lªn rÊt lín. TiÕp xóc N N- ( InGaAs ) N ( InGaAs ) N ( InP ) P ( InP ) P ( InP ) TiÕp xóc P ¸nh s¸ng CÊu t¹o APD Nh− vËy trong APD dßng quang ®iÖn ® ®−îc nh©n lªn M lÇn víi M l sè ®iÖn tö thø cÊp ph¸t sinh øng víi mét ®iÖn tö s¬ cÊp. _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 40- http://www.ebook.edu.vn
  20. phÇn 1. sîi quang Ch−¬ng V.Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn Dßng quang ®iÖn do APD t¹o ra sÏ l : Iph = R.M.Popt Trong ®ã : R : ®¸p øng (A/W) M : hÖ sè nh©n Popt : c«ng suÊt quang(W) HÖ sè nh©n M thay ®æi theo ®iÖn ¸p ph©n cùc ng−îc v còng phô thuéc nhiÖt ®é nªn viÖc gi÷ cho hÖ sè nh©n M æn ®Þnh rÊt khã kh¨n. Ngo i ra, nÕu vïng th¸c lò c ng réng th× hÖ sè M còng c ng lín. Nh−ng lóc ®ã thêi gian tr«i cña ®iÖn tö c ng chËm nªn tèc ®é ho¹t ®éng cña APD gi¶m. Gi¸ trÞ cña hÖ sè nh©n M tõ 10 ÷ 1000 lÇn. trªn thùc tÕ chØ chän ®iÓm ph©n cùc cho APD sao cho M = 50 ÷ 200 lÇn v× M c ng lín th× dßng nhiÔu cña APD còng c ng cao. §Æc tÝnh kü thuËt cña PIN v APD: - §é nh¹y: APD nh¹y h¬n PIN. §é nh¹y cña APD lín h¬n PIN tõ 5 ®Õn 15 dB Nh¹y (dBm) -30 -40 PIN -50 -60 APD -70 1 10 100 1000 Mb/s Tuy nhiªn nÕu dïng PIN kÕt hîp víi FET th× ®é nh¹y cña PIN - FET gÇn b»ng ®é nh¹y cña APD. _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 41- http://www.ebook.edu.vn
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí
65 tài liệu
2418 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2