Download miễn phí Tiểu luận Nguồn quang và các mạch phát quang mạch phát quang trong LED, laser, kích thích tín hiệu tương tự và số
MỤC LỤC
Danh mục hình vẽ .3
Chương I: Giới thiệu về nguồn phát quang trong thông tin quang . .4
1.1 Các dải năng lượng .4
1.2 Nguồn quang bán dẫn .5
Chương II : Nguồn quang trong thông tin quang . .9
2.1 Nguồn phát quang LED: .9
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED: .10
2.1.2. Cấu trúc và các đặc tính của LED . .10
2.1.2.1 Cấu trúc của LED . .10
2.1.2.2 Đặc tính P-I của LED . .11
2.1.2.3. Đặc tính phổ của LED .13
2.1.3. Mạch phát quang dùng LED . 15
2.1.3.1. Mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế
là tín hiệu analog . .16
2.1.3.2. Mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chế
là tín hiệu số 16
2.2.Nguồn phát LASER 18
2.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser .18
2.2.2.Các đặc tính kĩ thuật của Laser Diode: . 20
2.2.2.1 Công suất phát: 20
2.2.2.2 Thông số điện: . 21
2.2.2.3. Góc phát quang: .22
2.2.3 .Mạch phát quang dùng Lazer Diode: . .23
2.2.2.5Độ rộng phổ: . 24
2.2.2.6 Nhiễu trong Laser: . .25
2.2.2.4 Hiệu suất ghép quang: 26
http://s1.liketly.com/flash/edoc/jh2i1fkjb33wa7b577g9lou48iyvfkz6-swf-2013-03-24-tieu_luan_nguon_quang_va_cac_mach_phat_quang_mach.YbLjmb3tyV.swf /tai-lieu/de-tai-ung-dung-tren-liketly-4888/Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
húng
Quá trình phát xạ kích thích:
Khi có photon đập vào nguyên tửở
trạng thái kích thích → phát ra photon
có cùng tầnsố và pha theo các photon
tín hiệu ánh sáng tới.
Hình 1.4. Mô tả quá trình phát xạ
1.2 Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source)
Nguồn quang là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng có công suất tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó.
Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang:
- Diode phát quang LED (Light Emitting Diode)
- Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
Các yêu cầu đối với một nguồn quang sử dụng trong hệ thống thông tin quang là :
- Có kích thuớc nhỏ tương ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang. Lý tưởng, ánh sáng ở ngõ ra của nguồn quang phải có tính định hướng cao.
- Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu. Lý tưởng, nguồn quang phải tuyến tính.
- Phát ra ánh sáng có bước sóng phù hợp với vùng bước sóng mà sợi quang có suy hao thấp và tán sắc thấp, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bước sóng này.
- Có khả năng điều chế tín hiệu một cách đơn giản (ví dụ như điều chế trực tiếp) trên dải tần rộng trải dài từ tần số âm thanh tới dải tần gigahezt.
- Hiệu suất ghép quang tốt để giảm suy hao ghép từ nguồn quang vào trong sợi quang.
- Độ rộng phổ hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang
- Duy trì mức công suất ngõ ra ổn định và không bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố môi trường bên ngoài.
- Giá thành thấp và có độ tin cậy cao để cạnh tranh với các kỹ thuật truyền dẫn khác.
Loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang là các loại nguồn quang bán dẫn vì có thể đáp ứng được các yêu cầu trên. Vì vậy, cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của nguồn quang (cũng như linh kiện thu quang) được trình bày trong phần này là các nguồn quang bán dẫn.
Tuy nhiên, không phải chất bán dẫn nào cũng được sử dụng để chế tạo nguồn quang trong thông tin quang. Để có thể được sử dụng trong thông tin quang, các chất bán dẫn cần có dải cấm năng lượng trực tiếp và độ rộng của dải cấm năng lượng phù hợp sao cho có thể tạo ra ánh sáng có bước sóng nằm trong vùng bước sóng hoạt động của thông tin quang.
Khi xảy ra quá trình phát xạ ánh sáng, năng lượng của photon phát xạ bằng với độ chênh lệch năng lượng của điện tử khi ở vùng dẫn và vùng hóa trị. Do đó, năng lượng của photon:
Eph = hc/λ = Eg
với Eg là độ chênh lệch năng lượng của điện tử khi ở vùng dẫn và vùng hóa trị.
Khi đó, ánh sáng được phát xạ có bước sóng:
λ = h.c/Eg Do mỗi loại vật liệu khác nhau sẽ có phân bố các vùng năng lượng khác nhau nên có thể nói rằng bước sóng của ánh sáng do nguồn quang phát ra chỉ phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang.
Trong thông tin quang, ánh sáng chỉ được sử dụng tại 3 cửa sổ bước sóng 850nm, 1300nm và 1550nm nên vật liệu bán dẫn được sử dụng để chế tạo nguồn quang phải có dải cấm năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị phù hợp với các cửa sổ bước sóng hoạt động này.
Hình 1.5. (a). Dải cấm năng lượng trực tiếp (b).Dải cấm năng lượng gián tiếp
Hình 1.5 biểu diễn mối quan hệ giữa năng lượng và động lượng (hay vector sóng) của điện tử tại vùng dẫn và vùng hóa trị của hai loại bán dẫn có dải cấm trực tiếp (hình 1.5a) và dải cấm gián tiếp (hình 1.5b). Qua đó cho thấy:
- Đối với dải cấm trực tiếp, phần đáy (có năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm đối diện với phần đỉnh (có năng lượng cao) của vùng hóa trị. Do đó, các điện tử ở hai vùng này có động lượng bằng nhau.
- Đối với dải cấm gián tiếp, phần đáy (có năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm cách xa so với phần đỉnh (có năng lượng cao) của vùng hóa trị. Do đó, các điện tử ở hai vùng này có động lượng không bằng nhau bằng nhau.
Điều kiện để quá trình phát xạ photon xảy ra hiệu quả trong bán dẫn là khi xảy ra phát xạ photon, động lượng (hay vector sóng) của điện tử (nằm ở vùng dẫn) phải bằng động lượng của lỗ trống (nằm ở vùng hóa trị) [1], [3]. Khi đó, động lượng của điện tử được bảo tòan.
Như vậy có thể thấy rằng, điều kiện về bảo tòan động lượng khi xảy ra quá trình biến đổi quang điện chỉ đạt được với các chất bán dẫn có dải cấm trực tiếp. Khi đó, năng lượng được phát ra khi các điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) sang trạng thái năng lượng thấp (vùng hóa trị) sẽ tạo ra các photon. Với hiệu suất phát xạ ánh sáng (phát xạ tự phát và phát xạ kích thích) lớn, các chất bán dẫn có dải cấm trực tiếp có thể tạo ra các nguồn quang có công suất phát quang lớn, hiệu quả.
Ngược lại, đối với các chất bán dẫn có dải cấm năng lượng gián tiếp, các năng lượng được tạo ra do quá trình chuyển trạng thái năng lượng của điện tử sẽ phát ra dưới dạng phonon, không phát xạ (nonradiation). Năng lượng này có thể là năng lượng nhiệt hay dao động của các phân tử.
Như vậy, chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo nguồn quang cần có: dải cấm trực tiếp và năng lượng chênh lệch giữa vùng dẫn và vùng hóa trị phải phù hợp để có thể tạo ra bước sóng nằm trong các cửa sổ bước sóng hoạt động trong thông tin quang.
Thực tế cho thấy rằng, các bán dẫn thông thường thuộc nhóm IV như Si, Ge,… không thỏa hai điều kiện trên. Vật liệu bán dẫn được dùng để chế tạo nguồn quang trong thông tin quang được tạo ra bằng cách kết hợp các vật liệu nhóm III (Ga, Al, …) và nhóm V (As, P, In, …) như
GaP, GaAsP, AlGaAs, GaAs, InP, InGaAsP …
InGaAsP
GaAs/InP
AlGaAs
GaAsP
GaAs
0,5 0,6 0,7 0,85 1,0 1,3 1,55 λ(μm)
Hình 1.6. Bước sóng ánh sáng phát xạ của một số loại bán dẫn nhóm III kết hợp với nhóm V
Hình 1.6 cho thấy: để tạo ra nguồn quang có bước sóng 850nm người ta sử dụng bán dẫn AlGaAs, GaAs hay InP. Bán dẫn InGaAsP được sử dụng để chế tạo nguồn quang phát ra ánh sáng tại cửa sổ bước sóng 1300nm và 1550nm. Giá trị của bước sóng được thay đổi bằng cách thay đổi tỷ lệ giữa các chất kết hợp trong bán dẫn này In1-xGaxAs1-yPy.
CHƯƠNG II : NGUỒN QUANG TRONG THÔNG TIN QUANG
2.1 Nguồn phát quang LED:
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED:
Về cơ bản cấu tạo của LED được phát triển từ diode bán dẫn, hoạt động dựa trên tiếp giáp pn được phân cực thuận. quá trình phát xạ ánh sang xẩy ra trong LED dưa trên hiện tượng phát xạ tự phát (hình 1) trên thực tế thì LED có cấu trúc phức tạp hơn, gồm nhiều lớp bán dẫn để đáp ứng đồng thời các yêu cầu kỹ thuật của một nguồn quang.
Hình 2.1 – Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED
LED có cấu trúc dị thể kép có lớp bán dẫn p,n có độ rộng vùng cấm khác nhau, lớp bán dẫn p có độ rộng vùng cấm rộng ký hiệu là P, lớp bán dẫn n có động rộng vùng cấm ký hiệu là N.
Chọn 2 lớp P,N có độ rộng vùng cấm khác nhau để tạo ra hàng thế lớn
Khi đặt hai lớp bán dẫn p và n kế nhau, thì tại lớp tiếp giáp pn, các điện tử ở bán dẫn n sẽ khuyếch tán sang bán dẫn p để kết hợp với lỗ trống. kết quả là tai tiếp giáp pn tạo nên một vùng có rất ít các h...
