HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀ
I
GIẢ
NG
BÀ
I

GIẢ
NG
KỸ
THU
Ậ
T THÔNG TIN QUANG
KỸ

THU
Ậ
T

THÔNG

TIN

QUANG
Fundamental of Optical Fiber Communications
Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp
B
ộ
môn: Thôn
g

Nguyên

lý

chung

về

biến

đổi

quang

điện
• LED
•
Laser diode (LD)
•
Laser

diode

(LD)
• Các đặc tính kỹ thuật của nguồn quang
á ồ á ẫ
• C
á
c n
g

x E
ph
N
ph
: s
ố
p
hoton
ánh
sáng
ph
ph
ph
p
 Tính lượng tử của vật chất:
• Hat nhân: điệntíchdương
• Các điệntử: điệntíchâm
–
Q
ua
y
q
uanh h
ạ
t nhân theo các
q
u
ỹ
Qy
q

i

• Biểudiễntrạng thái năng lượng của điệntử trong mộtnguyêntử
• Các mứcnăng lượng này không liên tục Æ rờirạc nhau
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 5
Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Mứcnăng lượng (Energy Level):
 Hàm phân bố Boltzmann:

Năn
g
lư
ợ
n
g
E
Δ
E
:
độ
chênh
lệch
năng
lượng
giữa
E
và

năng
lượng
giữa
E
i
và
E
0
;
k
B
: hằng số Boltzmann (1,38.10
-23
(J/
o
K))
T: nhiệt
độ tuyệt đối(
o
K).
Mật độ điện tử
E
0
N
i
N
0
• Phân b
ố
mật độ điệntửở các trạng thái năng lượng khác nhau

n
g
nhi
ệ
t Æ tha
y
đổitr
ạ
n
g
thái
ệ
p
ụ
g
ợ g
ệ
y
ạ g
năng lượng Æ chuyểntừ E
0
lên các mứcnăng lượng cao hơn
• Sốđiệntửở các mứcnăng lượng kích thích tăng lên khi T
o
tăng
•
Trạng
thái
nền
là

E
Æ
E
(
với
i
<j):
giải
phóng
một
phần
năng
•
Khi
điện
tử
chuyển
từ
E
j
Æ
E
i
(
với
i
<j):

giải
phóng

Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Nguyên lý biến đổi quang điện:
a. Hiện tượng hấp thụ và phát xạ tự phát b. Hiện tượng phát xạ kích thích
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 9
Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Ánh sáng kết hợp (Coherent Light)
 Các photon do hiện tượng phát xạ kích thích phát ra có:
• Cùng pha
• Cùng tần số
• Cùn
g

p
hân c
ự
c
gp ự
• Cùng hướng truyền
Æ Ánh sáng laser có tính kết hợp (coherent)
 Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo
ra mộtcáchngẫu nhiên theo thời gian và không gian
ra

một

cách


lệ
ới
dò
điệ
h
hiệ
u
á
n
h
s
á
ng c
ó
c
ô
ng su
ấ
tt
ỷ
lệ
v
ới
dò
ng
điệ
nc
h
ạyqua
nó.

(Li
g
ht

A
mp
lifi
ca
ti
on
b
y
Sti
mu
l
a
t
e
d

E
m
i
ss
i
on o
f

R
a

ệ
u đi
ệ
nn
g
õvàom
ộ
t cách chính xác
ậ
ệ
ệ
g
ộ
• Bướcsóngphùhợpvới vùng bướcsónghoạt động củasợi quang
• Điềuchế tín hiệumộtcáchđơngiảntrêndảitầnrộng trảidàitừ
tần
số
âm
thanh
tới
dải
tần
gigahezt
tần
số
âm
thanh

tới
dải

đị
n
h
• Giá thành thấpvàcóđộ tin cậycao
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 12
Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source)
 Chấtbándẫn đượcsử dụng cầnphảicó
• Dảicấmnăng lượng trựctiếp
• Độ rộng củadảicấmnăng lượng phù hợp để tạo ra ánh sáng có
bướcsóngnằm trong vùng bướcsónghoạt động củaTTQ
Æ Vậtliệu nhóm IV (Si, Ge,…) không thỏa điềukiện
 Bướcsóngcủa ánh sáng do nguồn quang phát ra chỉ phụ
thuộc
vào
vật
liệu
chế
tạo
nguồn
quang
thuộc
vào
vật
liệu
chế
tạo

Dải

cấm

năng

lượng

gián

tiếp
Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện
• Nguồn quang bán dẫn(Semiconductor Light Source)
 Kếthợpvậtliệu nhóm III (Ga, Al, …) và nhóm V (As, P,
I)
I
n, …
)

InGaAsP
AlGaAs
GaAs/InP
GaAs
GaAsP
0,5 0,6 0,7 0,85 1,0 1,3 1,55
λ
(
μ
m
)

(Energy band gap)

Trong
chất
bán
dẫn
:
gò
(Valence band)


Trong
chất
bán
dẫn
:
• Các mứcnăng lượng rấtgần nhau Æ vùng năng lượng
• Hai vùng năng lượng tách biệt nhau: vùng hóa trị (valence band)
à
ù
dẫ
(dibd)
v
à
v
ù
ng
dẫ
n
(

+
+
+
Vuứng hieỏm
(Depletion region)
V>V
Phaựt xa
ù
tử
ù

p
haựt
p
n
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+

= h

E
v
E
c
-
+
E
g
= E
c
- E
v
www.ptit.edu.vn
GING VIấN: VN VIT EM - PHM QUC HP
B MễN: THễNG TIN QUANG KHOA VIN THễNG 2
Trang 17
+

LED
• ĐặctínhP-I của LED:
 Mốiquanhệ giữacôngsuất phát quang và dòng điện:
• Công suất quang:
P = E/t = N
ph
.E
ph
/t= (N
e


10
I

=

N
e
.
e
/t

Æ P = [(η
int
.E
ph
)/e].I
5
• NếuE
ph
đư
ợ
ctínhbằn
g
đv
(
eV
)
: P
(

(
)] (
)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 18
LED
• Đặctínhphổ của LED:
E
Vuøng daãn
(
Conduction band
)

E

Công suất
c
h
uẩ
n h
óa
()
λ
1
λ
2
λ
3

www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 19
()
j
ij
E
e
V
ij
j
i
LED
• Đặctínhphổ của LED:
 Nguồn quang bán dẫn: vùng năng lượng
 Các photon đượctạoracóbướcsóng:
1, 24
()
()
i
j
m
EV
λμ
=
Với E
i
j
= E

khác
nhau
không đều nhau
 Bước sóng trung tâm:
• Công suấtlớnnhất
• Thay đổi theo nhiệt độ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 20
LED
• Cấu trúc của LED:

Ánh sán
g
p
hát x
ạ

Ánh sán
g
p
hát x
ạ
b
án dẫn
p

điện cực
tiếp xúc

www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 23
LASER
• Cấu tạo laser Fabry – Perot:
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 24
LASER
• Cấutạo laser Fabry – Perot:
 Cấu trúc nhiềulớpbándẫnp, n
 Lớptíchcực (active layer):
• Rấtmỏng
•
Có
chiết
suất
lớn
kẹp
giữa
hai
lớp
P
và
N
có
chiết
suất

Pt
Æ
hốc
c
ộ
n
g
hưở
n
g
F
a
b
r
y
-
P
ero
t
 Anh sáng được đưa ra ngoài qua mộtphần đượccắt
nhẵn
của
một
mặt
phản
xạ
nhẵn
của
một
mặt