Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang: Phần 2

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang: Phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như Bộ phát quang; Thiết bị thu quang; Thiết kế hệ thống thông tin quang. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang: Phần 2 Chương 3 BỘ PHÁT QUANG3.1. GIỚI THIỆU Thiết bị phát quang là một trong các thành phần quan trọng nhấtcùa hệ thống thông tin quang. Đây là bộ biến đổi quang duy nhất sửdụng hiệu ứng điện/quang cho phép biến đổi trực tiếp tín hiệu điệnthành tín hiệu quang mà không qua bất kỳ một bộ biến đổi trung giannào, sau đó phát tín hiệu quang vào trong sợi quang để thực hiện truyêndẫn thông tin. Thành phần chù yếu của thiết bị phát quang là nguồn phátquang, hay còn gọi là nguồn quang. Các nguồn quang được sử dụng trong hệ thống thông tin quangchủ yếu bao gồm: Laser Diode và Diode phát quang (Light EmittingDiode - LED). Cả hai loại này đều có cấu trúc dị thể kép. Các miền dị thể kép gồm các lớp bán dẫn ghép với nhau có các dàinăng lượng khác nhau. Chỉ có cấu trúc này mới tương thích với các sợiquang được ứng dụng. Các Laser Diode và LED đều có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ,tiêu hao năng lượng thấp và tuồi thọ cao. Hiệu suất cao và có dài bướcsóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương ứng với kích thước lõi sợi. Việc xem xét nghiên cứu một cách chi tiết về cấu trúc, đặc tínhcủa các nguồn quang nhàm mục đích đánh giá được vai trò của nguồnquang trong hệ thống; và từ đó thấy hết được các yếu tố ành hưởng cùanguôn quang tới quá trình truyền dẫn ánh sáng trong hệ thống thông tinquang. Đồng thời, để lựa chọn được các nguồn quang phù hợp với mộthệ thống được thiết kế. Một số yêu cầu đối với nguồn quang đó là: - Có kích thước nhò tương ứng với sợi quang để có thề ghép ánhsáng vào trong sợi quang. Điều kiện lý tưởng, thì ánh sáng ờ đầu ra cùanguồn quang phải có tính định hướng cao. 105 - Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác đẽ làm giảmsự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu. Điều kiện lý tưởng, thì nguồn quangphải tuyến tính. - Phát ra ánh sáng có vùng bước sóng phù hợp với vùng bướcsóng mà sợi quang có suy hao và tán sắc thấp. Đồng thời linh kiện thuquang cũng hoạt động hiệu quả tại bước sóng này. - Công suất đù lớn và duy trì mức công suât ngõ ra ôn định,không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài. - Độ rộng phổ hẹp để giảm tán sác trong sợi quang. - Có khả năng điều chế tín hiệu một cách đơn giàn trên dài tânrộng, từ tần số âm thanh tới dài tần GHz. - Khả năng ghép ánh sáng vào sợi tốt để giảm suy hao ghép từnguồn quang vào sợi. - Giá thành thấp, độ tin cậy cao để cạnh tranh với các kỹ thuậttruyền dẫn khác. Ta thấy rang, loại nguồn quang được sừ dụng trong thông tinquang là các loại nguồn quang bán dẫn, vì nó có thể đáp ứng được cácyêu cầu trên. Vì vậy, cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của nguồnquang được trinh bày trong phần này sẽ là nguồn quang bán dẫn.3.2. NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA BỘ PHÁT QUANG3.2.1. Các khái niệm cơ bản Bất kỳ một nguyên từ nào cũng có ba quá trình cơ bàn xảy ra giữacác mức trạng thái năng lượng cùa chúng đó là quá trình: hấp thụ, bứcxạ tự phát và bức xạ kích thích như hình 3.1 dưới đây. E; hf hf VMA* VW W E; at H áp thụ b )B ử c xạ tự p h á t C) B ưc xạ kích thích Hình 3.1. Ba quá trình cơ bản xảy ra giữa các trạng thái năng lượng cúa nguyên tử106 Ở đây các mức năng lượng Ei và E 2 tương ứng là trạng thái nănglượng thấp và trạng thái năng lượng cao của nguyên tử. - Quá trình hấp thụ: xảy ra khi một photon có năng lượng h f ,bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao vàtrạng thái năng lượng thấp của điện từ (Eg = E 2 - E |), bị hấp thụ bởi mộtđiện tử ở trạng thái năng lượng thấp. Khi đó diện tử sẽ nhận năng lượngtừ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao. - Hiện tượng phát xạ tự phát: xảy ra khi một điện tử chuyển trạngthái năng lượng từ mức cao E2 xuống mức thấp E| và phát ra một nànglượng Eg = hf dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình này xảy ra mộtcách tự nhiên vì E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điệntò. Vì vậy, sau một khoảng thời gian sống của điện tử ở mức cao, các điệntừ sẽ tự động trờ về trạng thái năng lượng thấp (trạng thái bền vũng). - Hiện tượng phát xạ kích thích: xảy ra khi một điện tử đang ởtrạng thái năng lượng cao E 2 bị kích thích bởi một photon có nănglượng hfbang với mức năng lượng Eg. Khi đó điện tử sẽ chuyển từtrạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp và tạo ramột photon có năng lượng bằng với photon kích thích ban đầu. Chúngcó cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số.3.2.2. Nguyên lý bức xạ ánh sáng không kết hợp Theo mẫu nguyên tử Bohr, các điện tử mang điện tích âm quay xungquanh hạt nhân mang điện tích dương với các quỹ ...