Néi dung m«n häc Th«ng tin quang n©ng cao
PhÇn 1 : Tæng quan vÒ kü thuËt th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Hoµng V¨n Vâ
PhÇn 2: C¸c phÇn tö c¬ b¶n trong kü thuËt th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Hoµng V¨n Vâ
PhÇn 3: c¬ së kü thuËt th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Hoµng V¨n Vâ
PhÇn 4: hÖ thèng th«ng tin quang
Gi¶ng viªn: Vò TuÊn L©m
PhÇn 5: mét sè c«ng nghÖ quang tiªn tiÕn
Gi¶ng viªn: Vò TuÊn L©m
1
PhÇn 2: C¸c phÇn tö c¬ b¶n trong kü thuËt th«ng tin quang
1. Sîi quang
2. C¸c phÇn tö biÕn ®æi ®iÖn - quang
(ph¸t quang)
3. C¸c phÇn tö biÕn ®æi quang - ®iÖn
(thu quang)
2
BỘ PHÁT QUANG
1. Mô hình và chức năng của bộ phát quang
2. Một số yêu cầu đối với các phần tử phát quang
3. Một số khái niệm cơ bản
4. Các phần tử phát quang
5. Các bộ phát quang
3
1. Mô hình và chức năng của bộ phát quang
Mô hình bộ phát quang
Pp(t)
iD(t)
Bé ph¸t quang
• Chøc n¨ng:
BiÕn ®æi tÝn hiÖu vµo iD (t) thµnh tÝn hiÖu ¸nh s¸ng Pp (t) ®Ó ghÐp vµo sîi quang.
Qu¸ tr×nh nµy gäi lµ ®iÒu biÕn quang hay ®iÒu chÕ quang.
4
H×nh 3.1. M« h×nh bé ph¸t quang
2. Một số yêu cầu đối với các phần tử phát quang
Một số yêu cầu đối với các phần tử phát quang sử dụng trong kỹ thuật
thông tin quang:
- Ánh sáng được bức xạ ra phải có độ rộng phổ hẹp,
- Công suất ánh sáng phát xạ cao,
- Mật độ công suất lớn,
- Có khả năng điều chế trực tiếp,
- Hệ số biến đổi cao,
- Có khả năng điều chế với tín hiệu tốc độ cao (băng tần điều chế
lớn),
- Điều kiện ghép với sợi quang thuận tiện,
- Hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao.
5
2. Một số yêu cầu đối với các phần tử phát quang
Để đáp ứng các yêu cầu trên, trong kỹ thuật thông tin quang, người ta thường sử dụng các phần tử phát quang là:
- LED (Light Emitting Diode) và
- LD (Laser Diode).
Các phần tử phát quang LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode) là các phần tử phát quang bán dẫn
6
3. Một số khái niệm cơ bản
TiÕp gi¸p p-n:
B¸n dÉn n
B¸n dÉn p
Vïng ®iÖn tÝch kh«ng gian
C¸c phÇn tö ®a sè: e
C¸c phÇn tö ®a sè: p
E
Ec
Ef EV
E
H×nh 3.2. TiÕp gi¸p p-n vµ
7
gi¶n ®å n¨ng l îng khi kh«ng cã ®iÖn ¸p ngoµi t¸c ®éng
3. Một số khái niệm cơ bản
TiÕp gi¸p p-n:
B¸n dÉn n
B¸n dÉn p
Vïng ®iÖn tÝch kh«ng gian
-
+
C¸c phÇn tö ®a sè: e
C¸c phÇn tö ®a sè: p
E
Ec
E
Ef EV
H×nh 3.3. TiÕp gi¸p p-n vµ
8
gi¶n ®å n¨ng l îng khi cã ®iÖn ¸p ngoµi t¸c ®éng
3. Một số khái niệm cơ bản
TiÕp gi¸p p-n:
Khi một tiếp giáp p-n được tạo ra, các hạt tải đa số sẽ khuếch tán qua nó, tức là các điện tử trong lớp bán dẫn n được khuếch tán qua tiếp giáp và lấp đầy các lỗ trống trong lớp bán dẫn p và do vậy sẽ để lại lỗ trống trong lớp bán dẫn n của tiếp giáp.
Kết quả là một điện trường tiếp xúc hay một điện thế tiếp xúc sẽ xuất hiện tại vùng tiếp giáp. Điện trường này sẽ ngăn cản việc chuyển động tự do của các hạt tải cho đến khi cân bằng được thiết lập.
Tại vùng tiếp giáp lúc này sẽ không còn hạt mang điện tự do do các điện tử và lỗ trống đã bị giữ lại trong các liên kết đồng hóa trị. Khi đó, vùng tiếp giáp được gọi là vùng nghèo hoặc vùng không có điện tử tự do.
9
3. Một số khái niệm cơ bản
TiÕp gi¸p p-n:
Khi một điện thế ngoài được đưa vào tiếp giáp p-n, nếu cực dương của nguồn nối với bán dẫn n và cực âm nối với bán dẫn p thì tiếp giáp khi đó được phân cực ngược.
Dưới tác dụng của điện áp phân cực ngược, độ rộng lớp nghèo sẽ mở rộng ra ở cả hai phía lớp p và lớp n hay điện trường lớp tiếp giáp được tăng cường.
Điện trường tiếp giáp tiếp tục ngăn cản chuyển động của các hạt tải đa số nhưng lại trở thành điện trường thuận với các hạt tải thiểu số khi đi qua lơp tiếp giáp. Dòng của các hạt tải thiểu số tạo ra được gọi là dòng dò.
10
3. Một số khái niệm cơ bản
TiÕp gi¸p p-n:
Trong trường hợp cực dương của nguồn nối với bán dẫn p và cực âm nối với bán dẫn n thì tiếp giáp khi đó phân cực thuận.
Lúc này, điện trường tiếp giáp và điện trường ngoài sẽ ngược chiều nhau, nếu điện trường ngoài đủ lớn, sẽ phá vỡ liên kết cộng hóa trị tại lớp tiếp giáp và các hạt mang điện đa số sẽ được khuếch tán ồ ạt qua lớp tiếp giáp.
Đồng thời, các hạt tải đa số tái hợp với nhau và phát xạ ra ánh sáng.
11
3. Một số khái niệm cơ bản
Cấu trúc dị thể kép
Các hiện tượng vừa trình bày trên đây xảy ra với tiếp giáp giữa hai miền vật liệu p và n còn được gọi là tiếp giáp đơn.
Có một vấn đề với tiếp giáp đơn đó là hiện tượng tái hợp điện tử và lỗ trống xảy ra trong vùng nghèo khá rộng (~ 1 – 10 µm) do phụ thuộc vào chiều dài khuếch tán của điện tử và lỗ trống. Do vậy, các hạt tải không tập trung hết vào quanh lớp tiếp giáp nên không tạo ra được khả năng phát xạ lớn.
Giải quyết vấn đề này bằng cách đưa vào giữa hai lớp p và lớp n một lớp bán dẫn có năng lượng giải cấm nhỏ hơn năng lượng giải cấm của lớp p và lớp n hai bên. Lớp bán dẫn ở giữa có thể là bán dẫn không pha tạp hoặc có pha tạp ít tùy theo thiết kế, và nó đóng vai trò giam giữ các hạt tải trong trường hợp phân cực thuận.
Cấu trúc ba lớp như vậy được gọi là cấu trúc dị thể kép.
12
3. Một số khái niệm cơ bản Cơ chế phát xạ ánh sáng
Mét ®iÖn tö ë tr¹ng th¸i n¨ng l îng E1 ® îc kÝch thÝch bëi mét nguån n¨ng l îng (vÝ dô: dßng ®iÖn, ¸nh s¸ng,...) sÏ nh¶y lªn møc n¨ng l îng cao h¬n (E2).
E
E2
N¨ng l îng kÝch thÝch
¸nh s¸ng ph¸t ra
Qu¸ tr×nh hÊp thô
Qu¸ tr×nh ph¸t x¹
E1
§iÖn tö
Trong qu¸ tr×nh trë vÒ tr¹ng th¸i ban ®Çu nã sÏ gi¶i phãng ra mét n¨ng l îng ¸nh s¸ng d íi d¹ng sãng ®iÖn tõ ®óng b»ng n¨ng l îng mµ nã ®· hÊp thô.
13
H×nh 3.4. Qóa tr×nh ph¸t x¹ ¸nh s¸ng
3. Một số khái niệm cơ bản Cơ chế phát xạ ánh sáng
N¨ng l îng ¸nh s¸ng ph¸t x¹ E PX ® îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:
(2-1)
E PX = E2 - E1 = h. h lµ h»ng sè Planck (b»ng 6,625.10-34 J.s)
Trong ®ã:
B íc sãng cña ¸nh s¸ng ph¸t ra ® îc x¸c ®Þnh theo:
lµ tÇn sè ¸nh s¸ng ph¸t ra.
BX = c/ = h.c. / (E2 - E1) Trong ®ã: c lµ vËn tèc ¸nh trong kh«ng gian tù do ( b»ng 3.108 m/s)
14
(2-2)
3. Một số khái niệm cơ bản Cơ chế phát xạ ánh sáng
Ph¸t x¹ tù ph¸t
Mét ®iÖn tö ë tr¹ng th¸i n¨ng l îng E1 ® îc kÝch thÝch bëi mét nguån n¨ng l îng (vÝ dô: dßng ®iÖn, ¸nh s¸ng,...) sÏ nh¶y lªn møc n¨ng l îng cao h¬n E2.
Trong qu¸ tr×nh trë vÒ tr¹ng th¸i E1, nã sÏ gi¶i phãng ra mét n¨ng l îng ¸nh s¸ng d íi d¹ng sãng ®iÖn tõ cã ®é lín b»ng E2- E1.
HiÖn t îng ph¸t x¹ nµy gäi lµ ph¸t x¹ tù ph¸t vµ ¸nh s¸ng ® îc gi¶i phãng ra trong tr êng hîp nµy gäi lµ ¸nh s¸ng ph¸t x¹ tù ph¸t.
15
3. Một số khái niệm cơ bản Cơ chế phát xạ ánh sáng
Ph¸t x¹ tù ph¸t
E
E2
N¨ng l îng kÝch thÝch
¸nh s¸ng ph¸t ra
Qu¸ tr×nh hÊp thô
Qu¸ tr×nh ph¸t x¹
E1
§iÖn tö
16
H×nh 3.5. Qóa tr×nh ph¸t x¹ tù ph¸t
3. Một số khái niệm cơ bản Cơ chế phát xạ ánh sáng
Ph¸t x¹ kÝch thÝch
Khi ¸nh s¸ng ph¸t ra trong qu¸ tr×nh ®iÖn tö trë vÒ tr¹ng th¸i E1 víi n¨ng l îng E2- E1 tiÕp tôc kÝch thÝch mét ®iÖn tö kh¸c ®ang ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch.
§iÖn tö nµy hÊp thô n¨ng l îng ¸nh s¸ng tíi vµ trong qu¸ tr×nh ®iÖn tö nµy trë vÒ tr¹ng th¸i E1 nã sÏ gi¶i phãng ra mét n¨ng l îng sãng ®iÖn tõ d íi d¹ng ¸nh s¸ng.
Khi ®ã, c«ng suÊt ¸nh s¸ng bøc x¹ sÏ lín h¬n nhiÒu ®é lín E2- E1 (n¨ng l îng ph¸t x¹ tù ph¸t).
17
HiÖn t îng ph¸t x¹ nµy gäi lµ ph¸t x¹ kÝch thÝch hay ph¸t x¹ c ìng bøc vµ ¸nh s¸ng ® îc gi¶i phãng ra trong tr êng hîp nµy gäi lµ ¸nh s¸ng ph¸t x¹ kÝch thÝch.
3. Một số khái niệm cơ bản Cơ chế phát xạ ánh sáng
Ph¸t x¹ kÝch thÝch
E
E2
N¨ng l îng kÝch thÝch
Qu¸ tr×nh hÊp thô
¸nh s¸ng ph¸t ra
Qu¸ tr×nh ph¸t x¹
E1
Qu¸ tr×nh ph¸t x¹ kÝch thÝch
§iÖn tö
18
H×nh 3.6. Qóa tr×nh ph¸t x¹ kÝch thÝch
3. Một số khái niệm cơ bản
Nguyên lý phát xạ ánh sáng của lớp tiếp giáp p-n
Ec
E
a/s ph¸t x¹
Ef
E
Ev
t¸c Khi cã ®iÖn tr êng ngoµi ®éng, c¸c ®iÖn tö dÞch chuyÓn tõ b¸n dÉn n sang p vµ ng îc lç trèng dÞch chuyÓn tõ p l¹i sang n.
Trong qu¸ tr×nh dÞch chuyÓn, lç trèng vµ ®iÖn tö t¸i hîp víi nhau vµ gi¶i phãng ra n¨ng l îng ¸nh s¸ng d íi d¹ng sãng ®iÖn tõ
B¸n dÉn n
B¸n dÉn p
Vïng ®iÖn tÝch kh«ng gian
19
H×nh 3.7. TiÕp gi¸p pn vµ qu¸ tr×nh ph¸t x¹ a/s khi cã ®iÖn tr êng ngoµi t¸c ®éng
3. Một số khái niệm cơ bản
Phát xạ ánh sáng kết hợp và không kết hợp
Phát xạ ánh sáng không kết hợp
Trong phát xạ tự phát, ánh sáng phát xạ ra thường ngẫu nhiên, độc lập và không đồng pha với nhau. Ánh sáng phát xạ ra trong trường hợp này gọi là ánh sáng không kết hợp và sự phát xạ này gọi là phát xạ ánh sáng không kết hợp.
Phát xạ ánh sáng kết hợp
Các ánh sáng phát xạ (của Laser) có cùng pha theo mặt phẳng thẳng đứng với phương truyền sóng của chúng gọi là ánh sáng kết hợp không gian.
Ánh sáng phát xạ (của Laser) liên tục có bước sóng đơng hợp này gọi là ánh sáng kết hợp thời gian.
20
4. Các phần tử phát quang
Trong kỹ thuật thông tin quang, người ta thường sử dụng các phần tử phát quang là:
- LED (Light Emitting Diode) và
- LD (Laser Diode).
Các phần tử phát quang LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode) là các phần tử phát quang bán dẫn
21
4. Các phần tử phát quang
Trong kỹ thuật thông tin quang, người ta thường sử dụng các phần tử phát quang là:
- LED (Light Emitting Diode)
- LD (Laser Diode).
22
4. Các phần tử phát quang
4.1. Diode phát quang LED
Cấu trúc
Cấu tạo
Nguyên lý phát xạ ánh sáng
Công suất ánh sáng bức xạ
Các tích chất ánh sáng
Đặc tuyến tĩnh phát xạ ánh sáng
Đặc tính động
23
4.1. Diode phát quang LED
Cấu trúc
Nguyên tắc cấu trúc cơ bản của LED là sử dụng tiếp giáp bán dẫn pn.
Có 2 cấu trúc:
- Cấu trúc tiếp giáp pn thuần nhất (chỉ thuần tuý là lớp tiếp giáp pn): nguyên lý phát quang của LED trong trường hợp này hoàn toàn giống như nguyên lý phát quang của tiếp giáp pn.
- Cấu trúc tiếp giáp pn không thuần nhất (cấu trúc dị thể kép): sẽ
xét ở phần sau.
Trong kỹ thuật thông tin quang, người ta chủ yếu sử dụng LED có cấu trúc dị thể kép.
24
4.1. Diode phát quang LED
Cấu trúc
Cấu trúc dị thể kép:
Bên cạnh vùng tiếp giáp, người ta thêm 2 lớp hoặc nhiều lớp vật liệu có độ rộng giải cấm lớn, để chặn không cho các điện tử di chuyển về vùng p và lỗ trống di chuyển về vùng n.
Khi đó, các điện tích chủ yếu tập trung ở vùng tiếp giáp (vùng hoạt tính/vùng điện tích không gian) và làm cho mật độ điện tích ở vùng hoạt tính tăng lên rất cao. Chúng tái hợp với nhau và phát ra ánh sáng trong vùng hoạt tính với công suất lớn.
25
4.1. Diode phát quang LED
Cấu trúc
B¸n dÉn p
B¸n dÉn n
Vïng ®iÖn tÝch kh«ng gian
-
+
C¸c phÇn tö ®a sè: e
C¸c phÇn tö ®a sè: p
E
Cấu trúc dị thể kép và quá trình phát xạ ánh sáng của nó:
Hµng rµo dÞ thÓ
Ec
Hµng rµo dÞ thÓ
Ev
E
Ec
T¸i hîp
Hình 3.8. Cấu trúc dị thể kép
Ph¸t x¹ ¸nh s¸ng
và nguyên lý bức xạ ánh sáng
Ev
26
4.1. Diode phát quang LED
Cấu tạo
Trong kỹ thuật thông tin quang, người ta sử dụng LED có cấu trúc dị thể kép làm nguồn phát quang.
Đồng thời, LED có cấu trúc dị thể kép được chia làm 2 loại:
- LED phát mặt,
- LED phát cạnh.
27
4.1. Diode phát quang LED
Cấu tạo
Cấu tạo của LED phát mặt và ánh sáng bức xạ của nó được chỉ ra ở hình sau:
Sợi quang
Ánh sáng bức xạ
(a)
(b)
Hình 3.9. Cấu tạo của LED phát mÆt (a) và ánh sáng bức xạ của nó (b)
28
LED
4.1. Diode phát quang LED
Cấu tạo
Cấu tạo của LED phát cạnh và ánh sáng bức xạ của nó được chỉ ra ở hình sau:
(a)
Sîi quang
LED
Hình 3.10. Cấu tạo của LED phát c¹nh (a) và ánh sáng bức xạ của nó (b)
29
(b)
4. Các phần tử phát quang
4.1. Diode phát quang LED
Nguyên lý phạt xạ ánh sáng của LED có 3 quá trình và được mô tả ở sơ đồ sau:
Tái hợp
Đảo lộn mật độ
Phát xạ ánh sáng
Hình 3.11. Nguyên lý phát xạ ánh sáng của LED
30
Nguyên lý phát xạ ánh sáng của LED
4. Các phần tử phát quang
4.1. Diode phát quang LED
Nguyên lý phát xạ ánh sáng của LED
Quá trình tạo ra đảo lộn mật độ như sau:
Cấu tạo LED theo cấu trúc dị thể kép, độ chênh lệch mức năng lượng giữa lớp p - lớp hoạt chất - lớp n rất lớn, được gọi là hàng rào dị thể.
Đặt một điện thế phân cực thuận (có chiều dòng điện hướng từ lớp p sang lớp n). Khi đó, các điện tử từ lớp n bị kéo về cực dương và chuyển dời vào vùng hoạt chất, trong khi đó các lỗ trống ở lớp p bị kéo về cực âm và cùng chuyển dời vào vùng hoạt chất.
Các điện tử và lỗ trống chuyển dời vào vùng hoạt chất bị giam trong lớp hoạt chất này và do hàng rào dị thể. Từ đó tạo nên đảo lộn mật độ.
31
4. Các phần tử phát quang
4.1. Diode phát quang LED
Nguyên lý phát xạ ánh sáng của LED
Tái hợp:
Các điện tử và lỗ trống bị giam trong với mật độ rất cao tái hợp tự nhiên với nhau để phát ra ánh sáng tự nhiên.
Phát xạ ánh sáng:
Trên cơ sở tái hợp, các điện tử và lỗ trống trong lớp hoạt chất phát ra ánh sáng tự nhiên. Quá trình phát xạ đó gọi là phát xạ tự nhiên.
LED có cấu tạo đặc biệt để các ánh sáng phát ra hướng về một phía tạo điều kiện thuận lợi cho việc ghép với sợi quang.
32
4.1. Diode phát quang LED
Công suất ánh sáng bức xạ của LED
Công suất ánh sáng bức xạ của LED được xác định theo công thức:
Trong đó:
(3-2)
là độ dốc của đặc tuyến tính P – I của LED tại điểm công tác (P0P, I0P) của LED (sẽ trình bầy ở nội dung sau). Trong thực tế, HP-LED = 1- 50 w/mA.
iD (t) là dòng điện điều khiển (tín hiệu truyền dẫn) LED
33
(3-1)
Các tích chất ánh sáng của LED
Phổ công suất ánh sáng bức xạ của LED
Ánh sáng của LED là ánh sáng không kết hợp và phổ công suất ánh sáng bức xạ của LED có thể gần đúng bằng một hàm Gauss:
Bước sóng của ánh sáng phát xạ,
Công suất ánh sánh phát xạ của LED tại bước sóng ,
Bước sóng công tác,
Trong đó, : P : 0 : Po : Công suất ánh sánh phát xạ của LED tại 0 (gía trị cực
đại của công suất ánh sáng phát xạ),
:
Độ rộng phổ của ánh sáng phát xạ. Độ rộng phổ của ánh sáng phát xạ là chiều rộng của hình chữ nhật mà tích . Po bằng công suất bức xạ của LED. Giá trị đặc trưng của đối với LED là 30 ... 40 nm.
34
(3-3)
Các tích chất ánh sáng của LED
Phổ công suất ánh sáng bức xạ của LED
Phân bố phổ ánh sáng của LED được mô tả bởi hình sau:
P
o
P
Hình 3.12. Phân bố phổ ánh sáng của LED
35
0
Các tích chất ánh sáng của LED
Phân bố hình học ánh sáng bức xạ của LED
Phân bố hình học cường độ ánh sáng bức xạ của LED được mô tả bởi hình sau:
Sợi quang
Sợi quang
Hình 3.13. Phân bố hình học cường độ ánh sáng phát xạ của LED phát xạ mặt (a) và LED phát xạ cạnh (b)
36
LED phát xạ cạnh LED phát xạ mặt b) a)
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tuyến tĩnh phát xạ ánh sáng
Đặc tuyến tĩnh phát xạ ánh sáng của LED là mối quan hệ giữa công suất ánh sáng phát xạ và dòng điều khiển của LED.
P
Giải thích đặc tuyến P-I của LED:
I = 0
=>
P = 0
=>
P > 0 :
I 0
- I tăng và < IBh-LED => P tăng
tuyến tính với sự tăng của I,
O
I
- I = IBh-LED => P đạt giá trị cực đại => Sự phát xạ ở trạng thái bão hoà,
IBh-LED
- I tăng và > IBh-LED => P giảm với
sự tăng của I.
Hình 3.14. Đặc tuyến tĩnh phát xạ ánh
37
sáng của LED
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
Các yếu tố xác lập đặc tính động của LED
Sơ đồ điện tương đương của LED
Hàm truyền dẫn của LED
Hàm trọng lượng của LED
Hàm quá độ của LED
Tín hiệu ra của LED
Ảnh hưởng của đặc tính động của LED đến chất
lượng truyền dẫn
38
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
Các yếu tố xác lập đặc tính động của LED
Do cấu tạo của LED luôn tồn lại điện dung tiếp giáp của lớp p-n, điện dung của tải và điện dung ký sinh giữa LED với vỏ.
Khi LED hoạt động ở khu vực tần số thấp, điện dung tiếp giáp của lớp p-n, điện dung của tải và điện dung ký sinh giữa LED với vỏ có thể bỏ qua. Khi đó, công suất ánh sáng bức xạ của LED chỉ phụ thuộc vào cường độ dòng điều khiển và được xác định theo đặc tuyến tĩnh.
Khi LED hoạt động ở khu vực tần số cao, điện dung tiếp giáp của lớp p-n, điện dung của tải và điện dung ký sinh giữa LED với vỏ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến đổi điện–quang của LED. Khi đó, công suất ánh sáng bức xạ của LED không tuân theo đặc tuyến tĩnh của nó nữa, mà nó phụ thuộc không chỉ vào cường độ dòng điều khiển mà còn phụ thuộc vào cả tần số.
Đó chính là quá trình biến động của LED.
39
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
Sơ đồ điện tương đương của LED
Để thuận tiện cho việc nghiên cứu các đặc tính động của LED, người ta có thể đặc trưng quá trình biến đổi điện-quang động của LED bởi các sơ đồ điện tương đương của nó. Bằng lý thuyết và thực nghiệm, người ta đã xác định được sơ đồ điện tương đương của LED được chỉ ra ở hình 2.16.
ip iRD~ PP
Trong đó, ip là nguồn dòng đặc trưng cho dòng photo của LED; CD, RD là các đại lượng đặc trưng cho quá trình động của LED.
Đối với LED thì các giá trị đặc trưng RD = 3 – 5, CD = 1 nF.
Hình 3.15. Sơ đồ điện tương
đương của LED
40
CD RD
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
H*
P-LED
Hàm truyền dẫn của LED
1
Trong đó:
(3-4)
f/fg
Hình 3.16. Hàm truyền dẫn chuẩn hóa của LED
41
(3-5)
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
Hàm trọng lượng của LED
P-LED
1
g*
Trong đó: g*P-LED(t) là hàm chuẩn
hóa của hàm trọng lượng.
o
(3-6)
Hình 3.17. Hàm trọng lượng chuẩn hóa của LED
42
tD =RDCD
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
Hàm quá độ của LED
hP-LED
1
(3-7)
Hình 3.18. Hàm quá độ chuẩn hóa của LED
43
o
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động Tín hiệu ra
Truyền dẫn analog
(3-8)
Khi truyÒn dÉn analog th× tÝn hiÖu truyÒn dÉn lµ liªn tôc. §Ó ®¬n gi¶n, gi¶ thiÕt tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn cã d¹ng: ID (t) = I cost
Khi ch a cã t¸c ®éng cña ®Æc tÝnh ®éng
Khi ch a cã t¸c ®éng cña ®Æc tÝnh ®éng (tøc lµ LED ho¹t ®éng ë tÇn sè thÊp), tr¹ng th¸i cña LED lµ nh÷ng phÇn tö kh«ng nhí, qu¸ tr×nh biÕn ®æi ®iÖn •quang ® îc x¸c ®Þnh theo ®Æc tuyÕn tÜnh.
Khi ®ã, c«ng suÊt bøc x¹ cña LED ® îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
(3-9)
= P0 + P cos t
PP-LED-LD (t) = P0 + HP-LED . I cost
44
Trong ®ã: P0 = I0 . HP-LED lµ thµnh phÇn c«ng suÊt ¸nh s¸ng mét chiÒu cña c«ng suÊt bøc x¹ cña LED
=> NhËn xÐt: TÝn hiÖu ra cña LED kh«ng bÞ mÐo biªn ®é vµ mÐo pha
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
Tín hiệu ra
Truyền dẫn analog
Khi cã t¸c ®éng cña ®Æc tÝnh ®éng
C«ng suÊt bøc x¹ cña LED ® îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
(3-10)
(3-11)
(3-12)
=> NhËn xÐt: TÝn hiÖu ra cña LED bÞ mÐo biªn ®é vµ mÐo pha
45
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
Tín hiệu ra
Truyền dẫn digital
Khi truyÒn dÉn sè th× tÝn hiÖu truyÒn dÉn lµ nh÷ng chuçi xung nhÞ ph©n cã d¹ng:
(3-13)
(3-14)
46
T: chu kú chuçi xung, Td: ®é réng xung, bn = { 0,1 } tuú theo xung truyÒn dÉn lµ bit 0 hay bit 1.
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
Tín hiệu ra
Truyền dẫn digital
Khi ch a cã t¸c ®éng cña ®Æc tÝnh ®éng
Khi ®ã, ®¸p øng cña LED ®èi víi chuçi xung ®iÒu khiÓn sÏ b»ng tæng c¸c ®¸p øng cña tõng xung riªng lÎ. Tøc lµ:
(3-15)
(3-16)
(3-17)
=> NhËn xÐt: TÝn hiÖu ra cña LED kh«ng bÞ mÐo
47
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
Tín hiệu ra
Truyền dẫn digital
Khi cã t¸c ®éng cña ®Æc tÝnh ®éng
(3-18)
(3-20)
(3-19)
=> NhËn xÐt: TÝn hiÖu ra cña LED bÞ mÐo s ên tr íc vµ s ên sau
48
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
Ảnh hưởng của đặc tính động của LED đến chất lượng truyền
dẫn
Truyền dẫn analog
Khi dßng ®iÒu khiÓn cã d¹ng h×nh sin th× c«ng suÊt bøc x¹ cña LD sÏ xuÊt hiÖn c¸c mÐo biªn ®é vµ mÐo pha. C¸c mÐo nµy ® îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
Méo biên độ (3-22)
49
Méo pha (3-23)
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
Ảnh hưởng của đặc tính động của LED đến chất lượng truyền dẫn
TruyÒn dÉn digital
Khi dßng ®iÒu khiÓn lµ mét chuçi xung vu«ng th× c«ng suÊt bøc x¹
® îc bao gåm:
cña LED sÏ xuÊt hiÖn c¸c mÐo s ên tr íc vµ s ên sau. C¸c mÐo nµy
- MÐo do b¶n th©n xung thø n
xung thø n
50
- MÐo do xuyªn nhiÔu cña n-1 xung phÝa tr íc t¸c ®éng ®Õn
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
TruyÒn dÉn digital
Méo do bản thân xung thứ n gồm có:
- Méo trong khoảng thời gian [nT t nT+Td]
- Méo trong khoảng thời gian [nT+Td < t < (n+1)T]
Méo tổng của xung thứ n:
Méo tổng = Tổng của Méo do bản thân xung n và Méo do xuyên nhiễu
51
Ảnh hưởng của đặc tính động của LED đến chất lượng truyền dẫn
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
TruyÒn dÉn digital
* Méo do bản thân xung thứ n:
- Trong khoảng thời gian [nT t nT+Td]:
Ảnh hưởng của đặc tính động của LED đến chất lượng truyền dẫn
- Trong khoảng thời gian [nT+Td < t < (n+1)T]:
(3-24)
52
(3-25)
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
TruyÒn dÉn digital
* Méo do xuyên nhiễu của các xung phía trước đến xung thứ n
(3-26)
53
Ảnh hưởng của đặc tính động của LED đến chất lượng truyền dẫn
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
TruyÒn dÉn digital
* Méo tổng của xung thứ n:
- Trong khoảng thời gian [nT t nT+Td]:
(3-27)
- Trong khoảng thời gian [nT+Td < t < (n+1)T]:
(3-28)
54
Ảnh hưởng của đặc tính động của LED đến chất lượng truyền dẫn
4. Các phần tử phát quang
Trong kỹ thuật thông tin quang, người ta thường sử dụng các phần tử phát quang là:
- LED (Light Emitting Diode) và
- LD (Laser Diode).
55
4. Các phần tử phát quang
4.2. Diode phát quang LD
Cấu trúc
Cấu tạo
Nguyên lý phát xạ ánh sáng
Công suất ánh sáng bức xạ
Các tích chất ánh sáng
Đặc tuyến tĩnh phát xạ ánh sáng
Các nguồn nhiễu trong LD
56
Đặc tính động
4. Các phần tử phát quang
4.2. Diode phát quang LD
Cấu trúc
CÊu tróc c¬ b¶n cña LD:
Nguyªn t¾c cÊu tróc c¬ b¶n cña LD: còng lµ sö dông tiÕp gi¸p b¸n dÉn pn kÕt hîp víi khoang céng h ëng ¸nh s¸ng.
- Sö dông cÊu tróc dÞ thÓ kÐp (t ¬ng tù nh LED).
57
- Cã khoang céng h ëng ¸nh s¸ng
4. Các phần tử phát quang
4.2. Diode phát quang LD
Cấu trúc
Môc ®Ých cña khoang céng h ëng ¸nh s¸ng:
- Lùa chän mèt (tr¹ng th¸i sãng ¸nh s¸ng)
- T¹o ¸nh s¸ng Laser (¸nh s¸ng kÕt hîp d íi ®iÒu kiÖn bøc x¹ kÝch thÝch )
Nguyªn t¾c cÊu tróc cña khoang céng h ëng ¸nh s¸ng :
- ChØ khuÕch ®¹i c¸c sãng ¸nh s¸ng ch¹y theo ph ¬ng däc cña khoang
- C¸c sãng ¸nh s¸ng kh«ng ch¹y theo ph ¬ng däc cña khoang céng
céng h ëng,
58
h ëng sÏ bÞ hÊp thô.
4. Các phần tử phát quang
4.2. Diode phát quang LD
Cấu trúc
§iÒu kiÖn céng h ëng ¸nh s¸ng:
(3-29)
§Ó sãng ¸nh s¸ng ch¹y theo ph ¬ng däc cña khoang céng h ëng, ®iÒu kiÖn céng h ëng ¸nh s¸ng cña LD lµ:
Trong ®ã:
59
L : ChiÒu dµi cña khoang céng h ëng, n : ChiÕt suÊt cña vïng tÝch cùc, 0 : B íc sãng cña sãng ¸nh s¸ng øng víi tÇn sè céng h ëng, q : KÖ sè sãng (q lµ mét sè nguyªn).
4.2. Diode phát quang LD
Cấu trúc
Qu¸ tr×nh khuÕch ®¹i ¸nh s¸ng trong khoang céng h ëng ¸nh s¸ng cña LD
L
D
¸nh s¸ng ph¸t x¹
G ¬ng ph¶n x¹
KhuÕch ®¹i quang
G ¬ng cho qua thµnh phÇn sãng x¸c ®Þnh
H×nh 3.19. § êng ®i cña c¸c photon vµ qu¸ tr×nh khuÕch
60
®¹i ¸nh s¸ng trong khoang céng h ëng ¸nh s¸ng
4.2. Diode phát quang LD
Cấu trúc
CÊu tróc c¬ b¶n vµ tr¹ng th¸i sãng trong khoang céng h ëng cña LD:
Vïng kh«ng tÝch cùc
L
Vïng tÝch cùc
D
¸nh s¸ng ph¸t x¹
G ¬ng ph¶n x¹
C¸c sãng ®øng
G ¬ng cho qua thµnh phÇn sãng x¸c ®Þnh
H×nh 3.20. CÊu tróc c¬ b¶n vµ tr¹ng th¸i sãng trong khoang
61
céng h ëng ¸nh s¸ng cña LD
4.2. Diode phát quang LD
Cấu tạo
H×nh 3.21. quang.CÊu t¹o vµ ®Æc tÝnh ¸nh ¸nh s¸ng bøc x¹ cña LD
62
Trong kü thuËt th«ng tin quang, ng êi ta sö dông LD cã cÊu tróc dÞ thÓ kÐp ph¸t c¹nh vµ c«ng t¾c d¶i lµm nguån ph¸t quang.CÊu t¹o cña LD vµ ®Æc tÝnh ¸nh ¸nh s¸ng bøc x¹ ® îc chØ ra ë h×nh sau:
4.2. Diode phát quang LD
Cấu tạo
Cấu trúc cơ bản của LD gồm nhiều lớp bán dẫn không đồng nhất để tạo thành cấu trúc dị thể kép và được cấu tạo dưới dạng khoang cộng hưởng Fabry – Perot. Khoang cộng hưởng là một hình hộp chữ nhật sáu mặt có khả năng giam hãm photon và các hạt tải điện. Khoang cộng hưởng có kích thước rất nhỏ, dài từ 250 đến 500 µm, rộng từ 5 đến 15 µm và dày từ 0,1 đến 0,2 µm. Hai tiếp giáp dị thể kép nằm phía dưới và phía trên lớp hoạt tính và chiết suất của hai lớp hạn chế nhỏ hơn chiết suất lớp hoạt tính đã tạo ra khả năng giam hãm photon và hạt tải điện theo chiều ngang. Để bổ sung khả năng giam hãm của hai mặt bên thì cạnh hốc được cắt nhám. Còn tại hai cạnh theo chiều dọc của khoang sẽ đặt hai gương có mặt phản xạ quay vào nhau để vây lấy khoang cộng hưởng. Hai gương này có độ phản xạ rất cao, lên tới 99% để làm giảm độ rộng phổ.
63
4.2. Diode phát quang LD
Cấu tạo
CÊu t¹o cña mét sè lo¹i LD
Để cung cấp khả năng giam hãm photon của hai mặt bên có thể sử dụng một số các cấu trúc laser khác nhau:
- Laser dẫn sóng – khuếch đại,
- Laser dẫn sóng – chiết suất yếu và
- Laser dẫn sóng – chiết suất mạnh.
64
4.2. Diode phát quang LD
Cấu tạo
CÊu t¹o cña mét sè lo¹i LD
- Laser dẫn sóng – khuếch đại,
Hình 3.22 a). Lớp tiếp xúc P trên cùng là lối vào của dòng điện. Lớp oxit có tác dụng hướng luồng vào khe hẹp. Hình 3.22 b) mô tả laser có sử dụng kẽm khuếch tán vào vật liệu n để tạo ra dải tiếp xúc P nhằm hạn chế sự phân tán của luồn dòng theo chiều ngang. Miền có luồng dòng lớn lại có chiết suất thấp nên khả năng giam hãm photon của hai mặt bên theo chiều ngang của laser này là rất yếu, dẫn đến hầu hết là các mode ngang.
65
Hình 3.22. Laser dẫn sóng – khuếch đại,
4.2. Diode phát quang LD
Cấu tạo
CÊu t¹o cña mét sè lo¹i LD
Laser dẫn sóng – chiết suất yếu và Laser dẫn sóng – chiết suất mạnh.
66
H×nh 3.22. CÊu tróc LD dÉn sãng chiÕt suÊt: (a) dÉn sãng chiÕt suÊt yÕu, (b) dÉn sãng chiÕt suÊt m¹nh
4.2. Diode phát quang LD
Cấu tạo
CÊu t¹o cña mét sè lo¹i LD
Laser ph©n bè håi tiÕp (DFB): Qu¸ tr×nh håi tiÕp ® îc thùc hiÖn bëi nhiÔu x¹ Bragg ghÐp cÆp c¸c sãng lan truyÒn theo chiÒu thuËn ng îc.
H×nh 3.23. Laser ph©n bè håi tiÕp (DFB):
67
4.2. Diode phát quang LD
Cấu tạo
CÊu t¹o cña mét sè lo¹i LD
Laser ph¶n x¹ Bragg ph©n bè (DFR): C¸ch tö Bragg hai ®Çu ® îc sö dông nh g ¬ng ph¶n x¹.
68
H×nh 3.24. Laser ph¶n x¹ Bragg ph©n bè (DFR)
4.2. Diode phát quang LD
Cấu tạo
CÊu t¹o cña mét sè lo¹i LD
Laser ghÐp cÆp hép céng h ëng:
Sù dÞch pha trong hép céng h ëng ngoµi ghÐp cÆp chØ x¶y ra ®èi víi håi tiÕp ®ång pha cho c¸c mode laser cã b íc sãng trïng víi mét trong c¸c mode däc.
69
H×nh 3.25. Laser ghÐp cÆp hép céng h ëng)
4.2. Diode phát quang LD
Cấu tạo
CÊu t¹o cña mét sè lo¹i LD
Laser hép céng h ëng ngoµi
(a)
Laser hép céng h ëng ph©n chia ghÐp cÆp.
(b)
Laser DBR nhiÒu phÇn.
(c)
H×nh 3.26. Laser c«ng h ëng ngoµi (a), hép céng h ëng ph©n chia ghÐp cÆp (b),
70
Laser DBR nhiÒu phÇn
4.2. Diode phát quang LD
Cấu tạo
§Æc tÝnh ¸nh ¸nh s¸ng bøc x¹ ® îc chØ ra ë h×nh sau:
Rd Rn
71
H×nh 3.37. §Æc tÝnh ¸nh ¸nh s¸ng bøc x¹ cña LD
4.2. Diode phát quang LD
Nguyên lý phát xạ ánh sáng
Nguyªn lý ph¹t x¹ ¸nh s¸ng cña LD ® îc m« t¶ ë s¬ ®å sau:
§¶o lén mËt ®é Ph¸t x¹ tù ph¸t HÊp thô photon
Ph¸t x¹ ¸nh s¸ng Ph¸t x¹ kÝch thÝch
Céng h ëng ¸nh s¸ng
72
H×nh 3.38. Nguyªn lý ph¹t x¹ ¸nh s¸ng cña LD
4.2. Diode phát quang LD
Nguyên lý phát xạ ánh sáng
Quá trình tạo ra đảo lộn mật độ như sau:
CÊu t¹o LD theo cÊu tróc dÞ thÓ kÐp, ®é chªnh lÖch møc n¨ng l îng gi÷a líp p - líp ho¹t chÊt - líp n rÊt lín, ® îc gäi lµ hµng rµo dÞ thÓ.
§Æt mét ®iÖn thÕ ph©n cùc thuận (cã chiÒu dßng ®iÖn h íng tõ líp p sang líp n). Khi ®ã, c¸c ®iÖn tö tõ líp n bÞ kÐo vÒ cùc d ¬ng vµ chuyÓn dêi vµo vïng ho¹t chÊt, trong khi ®ã c¸c lç trèng ë líp p bÞ kÐo vÒ cùc ©m vµ cïng chuyÓn dêi vµo vïng ho¹t chÊt.
73
C¸c ®iÖn tö vµ lç trèng chuyÓn dêi vµo vïng ho¹t chÊt bÞ giam trong líp ho¹t chÊt nµy vµ do hµng rµo dÞ thÓ. Tõ ®ã t¹o nªn ®¶o lén mËt ®é.
4.2. Diode phát quang LD
Nguyên lý phát xạ ánh sáng
T¸i hîp vµ ph¸t x¹ tù ph¸t:
C¸c ®iÖn tö vµ lç trèng bÞ giam trong líp ho¹t chÊt víi mËt ®é rÊt cao t¸i hîp tù nhiªn víi nhau vµ ph¸t ra ¸nh s¸ng tù nhiªn.
HÊp thô photon, ph¸t x¹ kÝch thÝch vµ t¹o ¸nh s¸ng kÕt hîp:
- HÊp thô photon vµ ph¸t x¹ kÝch thÝch
Khi ¸nh s¸ng ph¸t ra trong qu¸ tr×nh trë vÒ tr¹ng th¸i E1 víi n¨ng l îng E2- E1 tiÕp tôc kÝch thÝch mét ®iÖn tö kh¸c ®ang ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch.
§iÖn tö nµy hÊp thô n¨ng l îng ¸nh s¸ng tíi vµ trong qu¸ tr×nh trë vÒ tr¹ng th¸i E1 nã sÏ gi¶i phãng ra mét n¨ng l îng ¸nh s¸ng d íi d¹ng sãng ®iÖn tõ víi ®é lín lín h¬n nhiÒu ®é lín E2- E1 (n¨ng l îng ph¸t x¹ tù ph¸t).
74
§ã chÝnh lµ qu¸ tr×nh ph¸t x¹ kÝch thÝch hay ph¸t x¹ c ìng bøc vµ ¸nh s¸ng ® îc gi¶i phãng ra trong tr êng hîp nµy lµ ¸nh s¸ng ph¸t x¹ kÝch thÝch.
4.2. Diode phát quang LD
Nguyên lý phát xạ ánh sáng
HÊp thô photon, ph¸t x¹ kÝch thÝch vµ t¹o ¸nh s¸ng kÕt hîp (tiếp theo):
- T¹o ¸nh s¸ng kÕt hîp
Nhê bé céng h ëng quang, nªn c¸c sãng ¸nh s¸ng ph¸t x¹ kÝch thÝch cña Laser ®ång pha víi nhau theo mÆt ph¼ng th¼ng ®øng víi ph ¬ng truyÒn sãng cña chóng. ¸nh s¸ng ph¸t x¹ ra trong tr êng hîp nµy lµ ¸nh s¸ng kÕt hîp kh«ng gian.
75
§ång thêi, ¸nh s¸ng ph¸t x¹ kÝch thÝch cña Laser cßn liªn tôc cã b íc sãng ®¬n. ¸nh s¸ng ph¸t x¹ ra trong tr êng hîp nµy lµ ¸nh s¸ng kÕt hîp thêi gian.
4.2. Diode phát quang LD
Nguyên lý phát xạ ánh sáng
Ph¸t x¹ ¸nh s¸ng:
-
Trªn c¬ së bé céng h ëng quang t¹o ra c¸c sãng ¸nh s¸ng ph¸t x¹ ®ång pha theo mÆt ph¼ng th¼ng ®øng víi ph ¬ng truyÒn sãng, LD bøc x¹ ra ¸nh s¸ng kÕt hîp theo kh«ng gian vµ kÕt hîp theo thêi gian.
- §ång thêi, LD ® îc cÊu t¹o ®Æc biÖt ®Ó c¸c ¸nh s¸ng ph¸t ra t¹o
76
thµnh bóp ¸nh s¸ng ®Ó ghÐp nèi ® îc víi sîi quang.
4.2. Diode phát quang LD
Công suất ánh sáng bức xạ của LD
Công suất ánh sáng bức xạ của LD được xác định theo công thức:
Trong đó:
(3-30)
là độ dốc của đặc tuyến tính P – I của LD tại điểm công tác (P0P, I0P) của LD (sẽ trình bầy ở nội dung sau). Trong thực tế, HP-LED 500 w/mA .
iD (t) là dòng điện điều khiển (tín hiệu truyền dẫn) LD
77
(3-31)
4.2. Diode phát quang LD
Các tích chất ánh sáng
Ph©n bè phæ ¸nh s¸ng ph¸t x¹ cña LD:
Do cã sù céng h ëng ¸nh s¸ng, nªn phæ ¸nh s¸ng cña LD gåm mét sè v¹ch phæ cã ®é lín giíi h¹n bëi ® êng ®Æc tÝnh céng h ëng cña LD (cã thÓ gÇn ®óng b»ng mét hµm Gauss, nh ng ®é réng phæ nhá h¬n cña LED rÊt nhiÒu) vµ c¸c v¹ch phæ c¸ch nhau mét ®o¹n:
(3-32)
78
§é réng phæ ¸nh s¸ng ph¸t x¹ cña LD lµ chiÒu réng cña h×nh ch÷ nhËt mµ tÝch . Po b»ng c«ng suÊt bøc x¹ cña LD (Po : C«ng suÊt ¸nh s¸nh ph¸t x¹ cña LD t¹i 0 - gÝa trÞ cùc ®¹i cña c«ng suÊt ¸nh s¸ng ph¸t x¹). Gi¸ trÞ ®Æc tr ng cña ®èi víi LD lµ 0,1 4 nm.
4.2. Diode phát quang LD
Các tích chất ánh sáng
P
Ph©n bè phæ ¸nh s¸ng ph¸t x¹ cña LD:
0
79
H×nh 3.39. Ph©n bè phæ ¸nh s¸ng cña LD
4.2. Diode phát quang LD
Các tích chất ánh sáng
Ph©n bè h×nh häc cña ¸nh s¸ng ph¸t x¹ cña LD:
Rd Rn
Rd
Rn
80
H×nh 3.40. Ph©n bè h×nh häc cña ¸nh s¸ng ph¸t x¹ cña LD
4.2. Diode phát quang LD
Các nguồn nhiễu ấnh sáng trong LD
C¸c nguån nhiÔu chÝnh tõ LD:
- NhiÔu v× sù håi tiÕp quang bªn ngoµi
- NhiÔu liªn quan ®Õn dao ®éng håi phôc
- NhiÔu v× nh¶y mode
- NhiÔu phÇn mode
- NhiÔu v× ph¸t x¹ tù ph¸t
- NhiÔu v× th¨ng gi¸ng do nhiÖt ®é vµ dßng b¬m
NhiÔu c êng ®é t ¬ng ®èi (RIN):
Hai c¬ chÕ sinh nhiÔu c¬ b¶n:
- Ph¸t x¹ tù ph¸t (chiÕm u thÕ)
81
- NhiÔu nè (t¸i hîp ®iÖn tö-lç trèng)
4.1. Diode phát quang LD
Đặc tuyến tĩnh phát xạ ánh sáng
Đặc tuyến tĩnh phát xạ ánh sáng của LD là mối quan hệ giữa công suất ánh sáng phát xạ và dòng điều khiển của LD.
P
Gi¶i thÝch ®Æc tuyÕn P-I cña LD:
Ph¸t x¹ KÝch thÝch
P = 0
Ph¸t x¹ tù ph¸t
- I = 0 => - I t¨ng vµ < Ing => P t¨ng rÊt chËm víi sù t¨ng cña I, sù ph¸t x¹ cña LD lµ ph¸t x¹ tù ph¸t,
O
I
- I tiÕp tôc t¨ng vµ < IBh-LD => P t¨ng rÊt nhanh vµ tuyÕn tÝnh víi sù t¨ng cña I, sù ph¸t x¹ cña LD lµ ph¸t x¹ kÝch thÝch. §©y chÝnh lµ ph¸t x¹ Laser.
Ing
IBh-LD
- I = IBh-LD => P ®¹t gi¸ trÞ cùc ®¹i =>
Sù ph¸t x¹ ë tr¹ng th¸i b·o hoµ,
H×nh 3.41. §Æc tuyÕn P-I cña LD - I tiÕp tôc t¨ng vµ > IBh-LED => P gi¶m
82
víi sù t¨ng cña I.
4.1. Diode phát quang LD
§iÒu kiÖn ng ìng LD:
Ng ìng laser: c¸c photon sinh ra tõ ph¸t x¹ kÝch thÝch bæ xung cho c¸c photon bÞ mÊt ®i do suy hao khuÕch ®¹i quang ph¶i ®ñ lín ®Ó bï suy hao hép céng h ëng Ho¹t ®éng laser chØ x¶y ra khi dßng b¬m > dßng ng ìng.
83
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Các yếu tố xác lập đặc tính động của LD
Sơ đồ điện tương đương của LD
Hàm truyền dẫn của LD
Hàm trọng lượng của LD
Hàm quá độ của LD
Tín hiệu ra
Ảnh hưởng của đặc tính động của LD đến chất lượng
truyền dẫn
84
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Các yếu tố xác lập đặc tính động của LD
Do cấu tạo của LD luôn tồn lại điện dung tiếp giáp của lớp p-n, điện dung của tải, điện cảm ký sinh của các dây nối và điện dung ký sinh giữa LD với vỏ.
Khi LD hoạt động ở khu vực tần số thấp, điện dung tiếp giáp lớp p-n, điện dung tải, điện cảm ký sinh các dây nối và điện dung ký sinh giữa LD với vỏ có thể bỏ qua. Khi đó, công suất ánh sáng bức xạ của LD chỉ phụ thuộc vào cường độ dòng điều khiển và được xác định theo đặc tuyến tĩnh.
Khi LED hoạt động ở khu vực tần số cao, điện dung tiếp giáp lớp p-n, điện dung tải, điện cảm ký sinh các dây nối và điện dung ký sinh giữa LD với vỏ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến đổi điện–quang của LD. Khi đó, công suất ánh sáng bức xạ của LD không tuân theo đặc tuyến tĩnh của nó nữa, mà nó phụ thuộc không chỉ vào cường độ dòng điều khiển mà còn vào cả tần số.
Đó chính là quá trình biến động của LD.
85
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Sơ đồ điện tương đương của LD
LD
ip
iRD PP
§Ó thuËn tiÖn cho viÖc nghiªn cøu c¸c ®Æc tÝnh ®éng cña LD, ng êi ta cã thÓ ®Æc tr ng qu¸ tr×nh biÕn ®æi ®iÖn-quang ®éng cña LD bëi c¸c s¬ ®å ®iÖn t ¬ng ® ¬ng cña nã. B»ng lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm, ng êi ta ®· x¸c ®Þnh ® îc s¬ ®å ®iÖn t ¬ng ® ¬ng cña LD ® îc chØ ra ë h×nh 3.42.
CD
RD
H×nh 3.42. S¬ ®å ®iÖn t ¬ng ® ¬ng cña cña LD
Trong ®ã: ip lµ nguån dßng ®Æc tr ng cho dßng photo cña LD. CD, LD, RD lµ l îng ®Æc tr ng cho qu¸ tr×nh c¸c ®¹i ®éng cña LD.
86
L u ý r»ng: s¬ ®å ®iÖn t ¬ng ® ¬ng cña LD chØ ®óng khi dßng ®iÒu khiÓn lín h¬n dßng ng ìng. §èi víi LD th× c¸c gi¸ trÞ dÆc tr ng RD = 2 , LD = 2 nH, CD = 5 nF.
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Hàm truyền dẫn của LD
(3-33)
Tõ s¬ ®å ®iÖn t ¬ng ® ¬ng, ta nhËn ® îc hµm truyÒn dÉn cña LD trong qu¸ tr×nh biÕn ®æi ®iÖn-quang ®éng nh sau:
Trong ®ã:
: h»ng sè suy hao dao ®éng,
87
: tÇn sè gãc ®Æc tr ng cña LD
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Hàm truyền dẫn của LD
víi §èi víi LD, khi sÏ xuÊt hiÖn céng h ëng víi tÇn sè
céng h ëng lµ:
(3-34)
§èi víi LD, khi /f0 << 1 th× tÇn sè céng h ëng fch cña LD sÏ gÇn b»ng tÇn sè ®Æc tr ng cña nã, tøc lµ:
88
(3-35)
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
H*
P-LD
/f0=
0,05
Hàm truyền dẫn của LD
0,1
1
0,2
§å thÞ m« t¶ hµm truyÒn dÉn cña LD ® îc chØ ra ë hØnh 2.29.
0
f/f0
89
H×nh 3.43. §å thÞ m« t¶ hµm truyÒn dÉn cña LD
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Tõ c«ng thøc (2-26) ta x¸c ®Þnh ® îc hµm träng l îng cña LD th«ng qua phÐp biÕn ®æi Fuorier ng îc nh sau:
Hàm trọng lượng của LD
(3-36)
Trong ®ã:
lµ tÇn sè gãc dao ®éng riªng cña LD
90
(3-37)
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Hàm trọng lượng của LD
g*
P-LD
§å thÞ m« t¶ hµm träng l îng cña LD ® îc chØ ra ë hØnh 2.29.
0
t
91
H×nh 3.45. §å thÞ m« t¶ hµm träng l îng chuÈn hãa cña LD
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Hàm quá độ của LD
Tõ c¸c c«ng thøc (2-6), (2-29) vµ sau mét sè biÕn ®æi to¸n häc, ta x¸c ®Þnh ® îc hµm qu¸ ®é cña LD theo c«ng thøc:
(3-38)
(3-39)
92
Trong ®ã:
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Hàm quá độ của LD
hP-LD
1
H×nh 4.46. §å thÞ m« t¶ hµm qu¸ ®é cña LD
0
t
93
§å thÞ m« t¶ hµm qu¸ ®é cña LD ® îc chØ ra ë hØnh 2.29.
4.1. Diode phát quang LD
Đặc tính động Tín hiệu ra
Truyền dẫn analog
(3-41)
Khi truyÒn dÉn analog th× tÝn hiÖu truyÒn dÉn lµ liªn tôc. §Ó ®¬n gi¶n, gi¶ thiÕt tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn cã d¹ng: ID (t) = I cost
Khi ch a cã t¸c ®éng cña ®Æc tÝnh ®éng
Khi ch a cã t¸c ®éng cña ®Æc tÝnh ®éng (tøc lµ LD ho¹t ®éng ë tÇn sè thÊp), tr¹ng th¸i cña LD lµ nh÷ng phÇn tö kh«ng nhí, qu¸ tr×nh biÕn ®æi ®iÖn - quang ® îc x¸c ®Þnh theo ®Æc tuyÕn tÜnh.
Khi ®ã, c«ng suÊt bøc x¹ cña LD ® îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
(3-42)
= P0 + P cos t
PP-LD (t) = P0 + HP-LD . I cost
94
Trong ®ã: P0 = I0 . HP-LD lµ thµnh phÇn c«ng suÊt ¸nh s¸ng mét chiÒu cña c«ng suÊt bøc x¹ cña LD
=> NhËn xÐt: TÝn hiÖu ra cña LD kh«ng bÞ mÐo
4.1. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Tín hiệu ra
Truyền dẫn analog
Khi cã t¸c ®éng cña ®Æc tÝnh ®éng
C«ng suÊt bøc x¹ cña LD ® îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
(3-43)
(3-44)
(3-45)
=> NhËn xÐt: TÝn hiÖu ra cña LD bÞ mÐo biªn ®é vµ mÐo pha
95
4.1. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Tín hiệu ra
Truyền dẫn digital
Khi truyÒn dÉn sè th× tÝn hiÖu truyÒn dÉn lµ nh÷ng chuçi xung nhÞ ph©n cã d¹ng:
(3-46)
(3-47)
96
T: chu kú chuçi xung, Td: ®é réng xung, bn = { 0,1 } tuú theo xung truyÒn dÉn lµ bit •0• hay bit •1•.
4.1. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Tín hiệu ra
Truyền dẫn digital
Khi ch a cã t¸c ®éng cña ®Æc tÝnh ®éng
Khi ®ã, ®¸p øng cña LD ®èi víi chuçi xung ®iÒu khiÓn sÏ b»ng tæng c¸c ®¸p øng cña tõng xung riªng lÎ. Tøc lµ:
(3-48)
(3-45)
(3-50)
=> NhËn xÐt: TÝn hiÖu ra cña LD kh«ng bÞ mÐo
97
4.1. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Tín hiệu ra
Truyền dẫn digital
Khi cã t¸c ®éng cña ®Æc tÝnh ®éng
(3-51)
98
(3-52)
4.1. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Tín hiệu ra
Truyền dẫn digital
Khi cã t¸c ®éng cña ®Æc tÝnh ®éng
(3-53)
Trong ®ã:
(3-54)
(3-55)
=> NhËn xÐt: TÝn hiÖu ra cña LD bÞ mÐo s ên tr íc vµ s ên sau
99
4.1. Diode phát quang LED
Đặc tính động
Ảnh hưởng của đặc tính động của LED đến chất lượng truyền
dẫn
Truyền dẫn analog
Khi dßng ®iÒu khiÓn cã d¹ng h×nh sin th× c«ng suÊt bøc x¹ cña LD sÏ xuÊt hiÖn c¸c mÐo biªn ®é vµ mÐo pha. C¸c mÐo nµy ® îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
Méo biên độ
(3-56)
100
Méo pha (3-57)
4.1. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Ảnh hưởng của đặc tính động của LED đến chất lượng truyền dẫn
TruyÒn dÉn digital
Khi dßng ®iÒu khiÓn lµ mét chuçi xung vu«ng th× c«ng suÊt bøc x¹
® îc bao gåm:
cña LED sÏ xuÊt hiÖn c¸c mÐo s ên tr íc vµ s ên sau. C¸c mÐo nµy
- MÐo do b¶n th©n xung thø n
xung thø n
101
- MÐo do xuyªn nhiÔu cña n-1 xung phÝa tr íc t¸c ®éng ®Õn
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Ảnh hưởng của đặc tính động của LD đến chất lượng truyền dẫn
TruyÒn dÉn digital
Khi dßng ®iÒu khiÓn lµ mét chuçi xung vu«ng th× c«ng suÊt bøc x¹
® îc bao gåm:
cña LD sÏ xuÊt hiÖn c¸c mÐo s ên tr íc vµ s ên sau. C¸c mÐo nµy
- MÐo do b¶n th©n xung thø n
xung thø n
102
- MÐo do xuyªn nhiÔu cña n-1 xung phÝa tr íc t¸c ®éng ®Õn
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
TruyÒn dÉn digital
Méo do bản thân xung thứ n gồm có:
- Méo trong khoảng thời gian [nT t nT+Td]
- Méo trong khoảng thời gian [nT+Td < t < (n+1)T]
Méo tổng của xung thứ n:
Méo tổng = Tổng của Méo do bản thân xung n và Méo do xuyên nhiễu
103
Ảnh hưởng của đặc tính động của LD đến chất lượng truyền dẫn
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
TruyÒn dÉn digital
* Méo do bản thân xung thứ n:
- Trong khoảng thời gian [nT t nT+Td]:
Ảnh hưởng của đặc tính động của LD đến chất lượng truyền dẫn
- Trong khoảng thời gian [nT+Td < t < (n+1)T]:
(3-58)
104
(3-59)
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
Ảnh hưởng của đặc tính động của LD đến chất lượng truyền dẫn
TruyÒn dÉn digital
* Méo do xuyên nhiễu của các xung phía trước dến xung thứ n :
(3-60)
105
4.2. Diode phát quang LD
Đặc tính động
* Méo tổng của xung thứ n:
- Trong khoảng thời gian [nT t nT+Td]:
Ảnh hưởng của đặc tính động của LD đến chất lượng truyền dẫn
- Trong khoảng thời gian [nT+Td < t < (n+1)T]:
(3-61)
106
(3-62)
5. Các bộ phát quang 5.1. Ghép nối nguồn quang và sợi
Yêu cầu ghép nối nguồn quang và sợi
Do lõi sợi rất nhỏ nên việc ghép nối nguồn và sợi, nên các phương pháp ghép phải tạo ra khả năng ghép công suất ánh sáng được ghép vào sợi càng lớn càng tốt.
Các phương pháp ghép nối nguồn quang và sợi
Để tránh được hiện tượng phản xạ ánh sáng tại miền ghép nối giữa nguồn và sợi quang có thể sử dụng có hệ số chiết suất bằng chiết suất của lõi sợi.
Một cách khác, đầu lõi sợi quang có thể được mài thành một
thấu kính lồi để hướng các tia sáng vào lõi sợi hoặc
Sử dụng một thấu kính lồi riêng tại điểm ghép nối nguồn và sợi
quang.
107
5. Các bộ phát quang 5.1. Ghép nối nguồn quang và sợi
§èi víi LED, sö dông vi thÊu kÝnh:
H×nh 3.47. GhÐp nèi LED sö dông vi thÊu kÝnh
108
5. Các bộ phát quang 5.1. Ghép nối nguồn quang và sợi
§èi víi LD, sö dông vi thÊu kÝnh
H×nh 3.48. GhÐp nèi LD sö dông vi thÊu kÝnh
109
5. Các bộ phát quang 5.2. M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn c êng ®é
M¹ch ph¸t sö dông LED
Vdc
Ra
LED
- §èi víi tÝn hiÖu t ¬ng tù:
Vs
R
Rb
Re
H×nh 3.49. M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn c êng ®é analog sö dông LED
110
Sö dông transistor l ìng cùc, LED kÕt nèi víi cùc c hoÆc e víi mét ®iÖn trë h¹n chÕ dßng. TÝn hiÖu ®iÒu biÕn ® a vµo cùc b.
5. Các bộ phát quang 5.2. M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn c êng ®é
M¹ch ph¸t sö dông LED
- §èi víi tÝn hiÖu sè:
cực
Đối với mạch kích thích sử dụng LED cho tín hiệu số không cần sử dụng các điện cho phân trở để transistor lưỡng cực. Vì tín hiệu số, tốc độ sườn xung thay đổi nhanh nên cần sử dụng thêm tụ C để tăng tốc độ điều biến.
H×nh 3.50. M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn c êng ®é digital sö dông
LED
111
5. Các bộ phát quang
5.2. M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn c êng ®é
M¹ch ph¸t sö dông LD
Kh¸c víi LED, c¸c m¹ch kÝch thÝch LD cÇn cã m¹ch vßng ®iÒu khiÓn æn ®Þnh c«ng suÊt ph¸t quang.
Dßng tÝn hiÖu
M¹ch ®iÒu khiÓn dßng kÝch thÝch
PD
LD
Sîi quang
T TEC
H×nh 3.51. M« ®un ®iÒu biÕn c êng ®é sö dông LD cã æn nhiÖt
112
M¹ch ®iÒu khiÓn dßng b¬m TEC Module LD
5. Các bộ phát quang 5.2. M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn c êng ®é
M¹ch ph¸t sö dông LD
113
H×nh 3.52. M¹ch ph¸t ®iÒu biÕn c êng ®é sö dông LD
