linh kiện biến đổi điện quang-quang điện

tổng quan về thông tin quang
[[[[ ơ
Chơng I
hệ thống thông tin sợi quang
I. Hệ thống thông tin sợi quang
1. Cấu trúc hệ thống thông tin quang
Hình vẽ 1.1 biểu thị cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang nói chung
tín hiệu điện từ máy điện thoại các thiết bị đầu cuối, số liệu fax đa đến đợc
biến đổi sang tín hiệu quang, qua một bộ biến đổi điện - quang (E/O) (Các tín
hiệu điện 1 và 0 đợc biến đổi ra ánh sáng có dạng: có và không) và
sau đó đợc gửi vào cáp quang các tín hiệu truyền qua sợi quang công suất bị
giảm và dạng sóng (độ rộng xung) bị dãn ra. Sau đó tới bộ biến đổi quang -
điện (E/O) tại đầu kia của sợi quang. Tại bộ biến đổi quang - điện, tín hiệu
quang thu đợc, đợc biến đổi thành tín hiệu điện, khôi phục lại nguyên dạng tín
hiệu của máy điện thoại, số liệu fax đã gửi đi, tín hiệu sau khi đã đợc khôi
phục đợc truyền tới các thiết bị đầu cuối của chặng truyền dẫn.
Bộ biến đổi quang E/O thức chất là linh kiện phát quang nh là Laser diode, và
bộ biến đổi quang điện O/E là photo diode. Khi khoảng cách truyền dẫn lớn
cần thiết phải có các trạm lặp, các trạm này biến đổi tín hiệu quang thu đợc
thành tín hiệu quang.
2. Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang
Vào những năm 1960 việc phát ra laser để làm nguồn quang, đã mở ra một thời
kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số
của ánh sáng. Theo lý thuyết thì nó cho phép con ngời thực hiện thông tin với l-
ợng kênh rất lớn vợt gấp nhiều lần các hệ thống vi ba hiện có. Hàng loạt các

1
Điện thoại
Điện thoại
Số liệu
Fax

Tivi
Số liệu
Fax
Tivi
<Tín hiệu điện>
<Tín hiệu điện>
Khuếch đại
Lặp đ ờng dây
Hình 1.1. Cấu hình của hệ thống thông tin sợi quang
E
O
PDH
SDH
PDH
SDH
E
O
O
E
E
O
E
X
A
E
X
B
Hệ thống thông tin cáp sợi quang
Hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang
<Tín hiệu quang >

Bộ biến
đổi điện
quang
Bộ biến
đổi quang
điện
thực nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển, mặc dù đã thu đợc một số kết
quả, nhng những chi phí cho các công việc này là quá lớn. Kinh phí chi cho
việc sản xuát các thành phần để vợt qua các cản trở do điều kiện thời tiết (ma,
sơng mù ) gây ra là rất tốn kém nên cha thu hút đợc sự chú ý của mạng lới.
Một hớng nghiên cứu khác cùng thời gian này đã tạo đợc hệ thống thông tin có
độ tin cậy cao hơn thông tin qua khí quyển nói ở trên là sự phát minh ra sợi dẫn
quang. Các sợi dẫn quang lần đầu tiên đợc chế tạo mặc dù có suy hao rất lớn
khoảng 1.000dB/km. Đã tạo ra một mô hình hệ thống có xu hớng linh hoạt
hơn.
Năm 1966 kao, Hock man, và Werts đã nhận thấy rằng suy hao của sợi dẫn
quang chủ yếu là do tạp chất có trong vật liệu chế tạo sợi gây lên và nhận định
rằng có thể làm giảm suy hao của sợi và chắc chắn tồn tại một điểm nào đó
trong dải bớc sóng truyền dẫn quang có suy hao nhỏ. Những nhận định này đã
đợc sáng tỏ khi Kapron, Keck và Manver chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có
suy hao 20dB/Km vào năm 1970 - suy hao này nhỏ hơn nhiều so với thời điểm
đầu chế tạo sợi và cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn tơng đơng với các hệ thống
truyền dẫn bằng cáp đồng với sự cố gắng không ngừng của các nhà nghiên cứu,
các sợi quang có suy hao nhỏ lần lợt ra đời.
Cho tới năm 1980 các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã đợc phổ biến
khá rộng với vùng bớc sóng làm việc 1.300nm cho tới nay sợi dẫn quang đã đạt
tới sự suy hao rất nhỏ, suy hao 0,154dB/Km tại bớc sóng 1.550nm, đã cho thấy
sự phát triển vợt bậc của công nghệ sợi quang trong hơn hai thập kỷ qua giá trị
suy hao này đã gần đạt tới tính toán lý thuyết cho các sợi đơn mode là
0,14dB/Km. Cùng với công nghệ chế tạo các nguồn phát và thu quang, sợi dẫn

quang đã tạo ra hệ thống thông tin quang với nhiều u điểm trội hơn hẳn so với
các hệ thống thông tin cáp kim loại.
II. Truyền dẫn cơ bản
Sợi quang truyền dẫn thông tin bằng ánh sáng chạy dọc theo các sợi trong suốt
tạo bởi thuỷ tinh thạch anh (SiO
2
). Một nguồn sáng đợc chế (LD hay LED)
theo một cách thức thể hiện các tín hiệu các tín hiệu thông tin đầu vào. ánh
sáng điều chế đợc đa vào sợi quang để đa đi. tại đầu kia bộ giải điều chế
quang nhận đợc ánh sáng giải điều chế đó, biến đổi nó trở về một tín hiệu
giống hệt tín hiệu ban đầu ra ở đầu kia của sợi quang.

2
Tín hiệu số
Tín hiệu số
Tín hiệu điện
đầu vào
Bộ điều
chế nguồn
sáng
Hệ thống truyền
dẫn sợi quang
Bộ giải
điều chế
Tín hiệu điện
đ ợc tái tạo
ánh sáng t ơng tự
Tín hiệu t ơng tự
Tín hiệu t ơng tự
ánh sáng số

ánh sáng số
A/D
Tín hiệu t
ơng tự
D/A
Tín hiệu t
ơng tự
(a)
(b)
(c)
Hình 1.2 Các kỹ thuật truyền dẫn sợi quang
E
O
O
E

a/ Điều chế số b/ Điều chế tơng tự c/ Điều chế số có biến đổi A/D
Kỹ thuật truyền dẫn ánh sáng có thể chia làm 3 loại:
Điều chế số (digital): thực hiện các biến đổi tín hiệu số ở đầu vào thành một
chuỗi xung ánh sáng đợc mã hoá tơng tự theo kiểu có hoặc không (hình
1.2a) kiểu điều chế này rất phù hợp với truyền dẫn các số liệu máy tính.
Điều chế tơng tự (analog): nh tiếng nói, âm nhac có chu kỳ và biên độ
thay đổi. Điều chế tơng tự biến đổi tín hiệu này thấy một tín hiệu quang có
cờng độ ánh sáng thay đổi một cách tơng tự nh tín hiệu điện đầu vào (hình
1.2b).
Điều chế kết hợp: Các tín hiệu tơng tự đợc biến đổi thành tín hiệu số. Sử
dụng bộ biến đổi A/D trớc khi điều chế ánh sáng. Tại đầu thu tín hiệu ánh
sáng sẽ đợc biến đổi về tín hiệu số nhờ bộ gửi điều chế quang. Sau đó qua
bộ D/A sẽ biến đổi tín hiệu này trở lại tín hiệu dang tơng tự đầu vào (hình
1.2c)

Các kỹ thuật truyền dẫn này chỉ cho ta thấy việc truyền dẫn thông tin theo một
hớng. trong thực tế các hệ thống đều yêu cầu truyền thông đồng thời hai chiều.
Vì vậy một bộ gồm các thiết bị điều chế và giải điều chế giống hệt nh bộ thiết
bị dùng cho một hớng nh trên hình 1.2, nhằm tạo ra một hệ thống thông tin 2
chiều với đầy đủ chức năng.
III. Đặc điểm của thông tin quang
Hệ thống thông tin quang có một số u điểm sơ với các hệ thống sử dụng cáp
đồng cổ điển do sử dungj các đặc tính của sợi quang, linh kiện thu quang, phát
quang:
Sợi cáp quang có các đặc điểm chủ yếu sau:
Suy hao thấp sơ với cáp song hành kim loại, hoặc cáp đồng trục. Cho phép
kéo dài cự ly các trạm tiếp vận.
Độ rông băng tần truyền dẫn rất lơn, làm cho dung lợng truyền dẫn của
tuyến rất lớn.

3
Đờng kính sợi nhỏ, trọng lợng nhẹ so với cáp đồng.
Đặc tính cách điện: bởi vì thuỷ tinh không dẫn điện, do vậy cáp sợi quang
không bị ảnh hởng của điện từ trờng bên ngoài điện cao thế, sóng vô tuyến
Nguyên liệu chế tạo chủ yếu là thạch anh, nên so với kim loại, nguồn
nguyên liệu này dồi dào hơn, và chỉ cần số lợng nhỏ đã sản xuất đợc đoạn
cáp quang dài do đó tiết kiệm đợc nhiều tài nguyên.
Các linh kiện thu và phát quang có những u điểm sau:
Có khả năng điều chế tốt độ cao nên sử dụng trong truyền dẫn tốc độ cao và
băng rộng.
Kích thớc nhỏ, hiệu suất biến đổi quang - điện cao.
Cho phép suy hao giữa máy phát và máy thu lớn vì các linh kiện có khả
năng phát xạ công suất quang lớn, và độ nhạy máy thu cao, lên đảm bảo
chất lợng truyền dẫn.
Do có những u điểm trên mà thông tin quang đợc áp dụng rộng rãi trên mạng l-

ới:
+ Các tuyến đờng trục quốc gia.
+ Các đờng trung kế
+ Các tuyến cáp thả biển liên quốc gia.
+ Đờng truyền số liệu.
+ Mạng lới truyền hình
Hệ thống thông quang đáp ứng cả các tín hiệu tơng tự (anolog) và số (Digital),
chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng,
đáp ứng mọi yêu cầu của mạng số hoá liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lợng cáp
quang hiện nay đợc lắp đặt trên thế giới với số lợng rất lớn, ở mọi tốc độ truyền
dẫn với các cự ly khác nhau, có cấu trúc mạng rất đa dạng. Ngoài ra chúng còn
có các u điểm nh độ tin cậy cao và dễ bảo dỡng. Vì sợi quang là một phơng
tiện truyền dẫn đồng nhất và không gây ra hiện tợng pha đinh, chịu đợc độ ẩm
khắc nghiệt.
Hệ thống thông tin quang có tính bảo mật cao vì sợi quang không thể bị trích
để lấy trộm thông tin bằng các phơng tiên thông thờng và rất khó lấy thông tin
ở tín hiệu quang. Chúng còn có tính linh hoạt và tính mở rộng.
Các nhợc điểm:
Bộ biến đổi điện - quang: tín hiệu điện trớc khi đa vào quang phải đợc biễn
đổi thành sóng ánh sáng (có bớc sóng 850, 1300, 1550mm) việc biến đổi
này đợc truyền trên sợi quang. Tại đầu thu tín hiệu quang phải đợc biến đổi

4
trở về tín hiệu ban đầu. Chi phí sản xuất thiết bị điện tử biến đổi tín hiệu cần
phải xem xét trong tất cả các ứng dụng.
Đờng truyền thẳng: cáp quang cần có đờng đi thẳng.
Yêu cầu lắp đặt đặc biệt vì cấu tạo của sợi quang chủ yếu bằng thuỷ tinh
silic, nên yêu cầu phải có những kỹ thuật đặc biệt khi xây dựng và lắp đặt
các tuyến cáp quang.
Sửa chữa hàn nối phức tạp phải cần có kỹ thuật cao và thiết bị phù hợp.

Chơng II
Lý thuyết chung về sợi quang
I. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
1. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
Khi cho một tia sáng từ môi trờng có chiết suất n
1
sang môi trờng có chiết suất
n
2
. Tia sáng hợp với pháp tuyến p của mặt phân cách giữa hai môi trờng một
góc (góc tới) khi sang môi trờng có chiết suất n
2
tia sáng bị khúc xạ và hợp
với pháp tuyến p một góc khúc xạ . Theo định luật khúc xạ ta có quan hệ của
góc và các chiết suất n
1
và n
2
tuân theo phơng trình:

sinsin
21
nn
=
Nếu n
1
< n
2
thì > : tia khúc xạ gẫy về phía gần pháp tuyến.
Nếu n

1
> n
2
thì < : tia khúc xạ gẫy về phía xa pháp tuyến.

5
tia tới
tia phản xạ
mặt ngăn cách
p (pháp tuyến)


n
1
n
2
tia khúc xạ

tia tới 2
tia phản xạ 1
mặt ngăn cách
p (pháp tuyến)
n
1
n
2



tia phản xạ 2

Hình 2 .1a- Hiện t ợng
khúc xạ và phản xạ
Hình 2 .1b- Hiện t ợng
phản xạ toàn phần
tia tới 1
Hình 2.1a và 2.1b là các đặc tính của ánh sáng giữa mặt fẳng biên của hai môi tr ờng.
Trờng hợp n
1
> n
2
nếu tăng thì tăng theo và luôn lớn hơn khi =90
0
,
tức là tia khúc xạ song song với mặt tiếp giác thì góc đợc gọi là góc tới
hạn
0
. Lúc này không còn hiện tợng khúc xạ nữa, chỉ còn tia phản xạ, hiện
tợng này gọi là phản xạ toàn phần.
Dựa vào định luật khúc xạ (công thức snell) với = 90
0
ta tính đợc góc tới hạn

c
.
2
1
sin
n
n
c

=

ứng dụng hiện tợng phản xạ toàn phần, sợi quang đợc chế tạo gồm 1 lõi (core)
bằng thuỷ tinh có chiết suất n
1
và lớp bọc (clading) bằng thuỷ tinh có suất n
2
và
n
1
> n
2
. ánh sáng trong lõi sợi quang sẽ đợc phản xạ toàn phần trên mặt tiếp
giáp giữa lõi và lớp bọc. Do đó ánh sáng có thể truyền đợc trong sợi với cự ly
dài.
2. Khẩu độ số (Nunmerical Aperture)
Sự phản xạ toàn phần trong lợi quang chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc
tới ở đâuf sợi nhỏ hơn góc giới hạn
max
. Sin của góc giới hạn này gọi là khẩu
độ số. Ký hiệu là NA: NA = sin
max
Tại điểm A đối với tia 2: áp dụng công thức Snell:
n
0
sin
max
= n
1
s(90

0
=
c
)
mà chiết xuất của không khí n
0
=1
1.sin
max
= n
1
sin
c
= n
1

=
)(1
2
1
2
2
nn
vì sin
c
=n
2
/n
1

6
n
2
n
1
n
r
Lớp bọc (clading) n
2
Lõi (core) n
1
Lớp bọc (clading) n
2
Hình 2.2- Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
n
2
n
1
n
2
0
c
=90
0
2
3
3
2
max
1

Hình 2.3- Đ ờng truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau
A
do đó NA=sin
max
=
2
1
2
2
nn
=n
1
2
Trong đó =
1
21
2
1
2
2
2
1
2 n
nn
n
nn
=

Độ lệch chiết xuất tơng đối có giá trị khoảng từ 0,002 đến 0,13 (tức là từ 0,2
đến 1,3%).

Ví dụ: sợi quang có n
1
=1,05; n
2
=1,485 thì
=
1
21
2
1
2
2
2
1
2 n
nn
n
nn
=

=0,01=1%
NA=sin
max
=
2
1
2
2
nn
=0,21 suy ra

max
=12
0
Từ công thức tính sin
max
=
2
1
2
2
nn
ta thấy giá trị cực đại
max
đợc gọi là góc
đón ánh sáng của sợi quang: góc này chỉ phụ thuộc vào chiết suất giữa lớp lõi
và lớp bọc.
3. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang loại đa mode và
đơn mode
Một mode truyền sáng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng, trong sợi
khi truyền trong sợi ánh sáng đi theo nhiều đờng, trạng thái ổn định này gọi là
những mode. Có thể hình dung gần đúng một mode ứng với 1 tia sáng.
Khi sợi quang mà có nhiều tia sáng có các góc khác nhau đi qua do vậy chúng
đợc gọi là sợi quang đa mode (MM) Multi - Mode.
Sợi quang đa mode có chiết suất bậc (SI):
Là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhau
rõ rệt nh hình bậc thang.
Khi tia sáng đi vào lõi của sợi quang theo một góc nào đó thì nó sẽ đợc lan
truyền trong lõi theo phơng thức phản xạ toàn phần (hình 2.4a) các tia sáng
truyền trong lõi sợi có cùng vận tốc mà chiều dài đờng truyền khác nhau nên
thời gian truyền sẽ khác nhau, trên cùng chiều dài sợi. Điều này dẫn đến hiện t-

ợng: khi đa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi thì lại nhận đợc xung ánh sáng
rộng hơn ở cuối sợi. Đây là hiện tợng tán sắc do đó độ tán sắc lớn nên sợi đa
mode có chiết suất bậc không thể truyền tín hiệu có tốc độ cao qua cự ly dài đ-
ợc. Đây là nhợc điểm mà ta có thể khắc phục trong loại sợi có chiết suất giảm
dần.
Sợi quang đa mode chiết suất giảm dần (GI):

7
n
2
n
1
n
r
Xung
vào
Xung ra
Hình 2.4a- Sợi quang đa mode có chiết suất bậc
Xung ra
Để giảm độ sai lệch về thời gian của loại sợi đa mode chỉ số chiết suất bậc loại
sợi đa mode chiết suất giảm dần có hệ số khúc xạ lớn nhất tại lõi của nó và có
độ khúc xạ nhỏ hơn về phía lớp bọc sợi quang. Điều này có nghĩa là sự phân bố
hệ số kúc xạ có hình chuông. Khi đó các tia sang đi thẳng trong sợi, do có hệ
số khúc xạ lớn nhất nên vân tốc lan truyền là nhỏ nhất, vì vận tốc ánh sáng lan
truyền phụ thuộc vào hệ số chiết suất: V = c/n.
Những tia sáng bị uốn cong ra phía vỏ có hệ số chiết suất nhỏ hơn nên vận tốc
lớn hơn. Nh vậy đã làm giảm thời gian trễ giữa các tia. Vì vậy có thể truyền
một lợng thông tin (MHz-km) gấp nhiều lần so với loại sợi đa mode chiết suất
bậc.
Sợi có đờng kính lõi 50àm và đờng kính có 125àm (50/125) và NA nhỏ (0,18

đến 0,24) loại này đã đợc sử dụng rộng rãi trong mạng viễn thông và đợc
CCITT tiêu chuẩn hoá.
Sợi đơn mode(SM):
Khi đờng kính lõi giảm xuống và độ sai lệch về hệ số khúc xạ giữa lớp lõi và
lớp bọc giảm đi nh hình 2.4.c thì chỉ còn các tia sáng thẳng mới có thể lan
truyền đợc đây chính là sợi quang đơn mode. Ưu điểm của sợi đơn mode là
băng tần lớn hơn do không có tán sắc mode. Nhân tố ảnh hởng chủ yếu đến
băng tần của sợi đơn mode là tán sắc thể. tán sắc này có giá trị 0 tại vùng lân
cận của bớc sóng 1,3àm. Vì vậy khi các nguồn quang phát ra xung ánh sang
tại một nửa biên độ hẹp thì độ rộng băng tần tổng của sợi đơn mode lớn gấp
3 lần trở lên so với bề rộng băng tần của sợi đa mode Graded. Sợi đơn mode có
đờng kính lõi là 9-10àm đờng kính vỏ 125àm và NA khoảng 0,11 đã đợc
CCITT chuẩn hoá.

8
n
2
n
1
n
r
Xung vào
Xung ra
Hình 2.4b- Sợi quang đa mode chiết suất giảm dần
Xung ra
n
2
n
1
n

r
Xung vào
Xung ra
Hình 2.4c- Sợi quang đơn mode
Xung ra
II. Các đặc tính của sợi quang
Các đặc tính của sợi quang cần quan tâm cho ứng dụng viễn thông có thể chia
làm hai lĩnh vực: các đặc tính vật lý và các đặc tính truyền dẫn, các đặc tính
truyền dẫn gần suy hao, tán sắc, bớc sóng cắt. Còn các đặc tính vật lý gồm mặt
cắt khúc xạ, kích thớc, lực căng
1. Suy hao của sợi quang
Suy hao trong sợi quang là một trong những thông số quan trọng của đờng
truyền dẫn. Để xác định tốc độ truyền dẫn và khoảng cách lập trạm lặp của hệ
thống thông tin sợi quang, có hai tham số phải nghiên cứu đó là suy hao quang
và độ rộng băng tần truyền dẫn. Độ suy hao quang để xác định suy hao công
suất ánh sáng lan truyền trong sợi quang. Nếu suy hao nhỏ hơn thì cho phép
khoảng cách truyền dẫn tín hiệu lớn hơn.
Suy hao quang có thể tạm chia thành hai loại, thứ nhất là suy hao thuần tuý sợi
quang, thứ hai là suy hao phụ khi lắp đặt và vận hành hệ thống. Bao gồm suy
hoa hấp thụ, suy hao tán xạ Rayleight suy hoa tán sắc do không đồng nhất cấu
trúc. Suy hao trong quá trình vận hành mạng bao gồm suy hao uốn cong, suy
hoa hàn nối và suy hao ghép nối của cáp sợi quang và các linh kiện thu và phát
quang.
Độ suy hao của sợi đợc tính:
A(dB)=10lg
2
1
P
P
Trong đó P

1
=P
(0)
công suất đa vào đầu sợi
P
2
=P
(L)
công suất ở cuối sợi
Hệ số suy hao trung bình:

)(
)(
)/(
kmL
dBA
kmdB
==

a. Suy hao do hấp thụ
Sự hâp sthụ ánh sáng do các yếu tố nh: cấu trúc nguyên tử của vật liệu sợi
quang silic dĩoyt không hoàn chỉnh, các nguyên tử của vật liệu không tinh
khiết (hấp thụ) và các nguyên tử tạo nên vật liệu sợi quang (tự hấp thụ). Suy
hao do cấu trúc nguyên tử có khuyết tật gây ra có thể bỏ qua, nhng sự không
tinh khiết của sợi quang là nguyên nhân chủ yếu của suy hao do các tạp chất
kim loại nh đồng (Cu), sắt (Fe), cacbon (CO) và độ ẩm.
Độ ẩm là một trong những nguyên nhân gây suy hao sợi quang. Sự có mặt của
các ion OH trong sợi quang cũng tạo ra độ suy hao hấp thụ đáng kể. Đặc biệt
độ hấp thụ tăng vọt ở các bớc sóng gần 950nm, 1240nm và 1400nm.
Sự hấp thụ do vật liệu là do dao động của các tia hồng ngoại và tia cực tím gây

ra, nó không thành vấn đề tại bớc sóng gữa 0,8àm và 1,7àm.

9
b. Suy hao do tán xạ.
Tán xạ Rayleight là 1 hiện tợng mà ánh sáng bị tán xạ theo các hớng khác nhau
khi nó gặp phải ọt vật nhỏ có kích thớc không quá lớn so với bớc sóng của ánh
sáng.
Tiêu hao tán xạ Rayleight xuất hiện do ảnh hởng của các chỗ không đồng nhất
còn sót lại trong giai đoạn làm nguội sợi, trong quá trình nóng chẩy thuỷ tinh
để kéo thành sợi. ảnh hởng của nó phụ thuộc vào công nghệ chế tạo và vật liệu
chế tạo sợi. Kích thớc các chỗ không đồng nhất nhỏ hơn bớc sóng ánh sáng
vùng hồng ngoại. Độ suy hao của tán xạ rayleight giảm nhanh về phía có bớc
sóng dài nó có ảnh hởng đáng kể ở bóc sóng nhỏ. Ngoài ra mặt phân cách giữa
lớp bọc và lớp lõi không hoàn hảo cũng gây ra tán xạ.
c. Suy hao tán xạ do cấu trúc sợi quang không đồng nhất
Các sợi quang thực tế không thể có tiết diện mặt cắt ngang tròn lý tởng và cấu
trúc hình trục đều dọc suốt vỏ và lõi sợi. Tại bề mặt biên giữa lõi và vỏ sợi đổi
chỗ có sự gồ ghề và nhẵn. Những chỗ gồ ghề nh vậy trên bề mặt biên gây lên
ánh sáng tán xạ và một vài chỗ phát xạ ánh sáng ra ngoài. Những chỗ không
bằng phẳng này gây nên suy hao quang nó làm tăng suy hao quang. Bởi vì có
các phản xạ bất bình thờng đối với ánh sáng lan truy. Loại suy hao này ngời ta
gọi chúng là suy hao do cấu trúc không đồng nhất của sợi quang.
d. Suy hao bức xạ gây nên do bị uốn cong
Các suy hao bức xạ gây lên do bị uốn cong các suy hao sinh ra khi sợi bị uốn
cong với một sợi quang bị uốn cong, các tia ánh sáng có các góc tới vợt quá
góc giới hạn bị phát xạ ra ngoài vỏ gây nên suy hao. Bởi vậy trong việc thiết kế
tuyến thông tin sợi quang phải chú ý đến việc giữ bán kính cong lớn.
e. Suy hao vi cong
Khi sợi quang chịu những lực nén không đồng nhất thì trục của sợi quang bị
uốn cong đi 1 lợng nhỏ, làm tăng suy hao sợi quang. Suy hao này gọi là suy

hao cong vi lợng. Do đó khi sản xuất ngời ta chú ý để cấu trúc sợi có bảo vệ
chống các áp lực tác động từ bên ngoài.
g. Suy hao do hàn nối
Nếu lõi của hai sợi không gắn đợc với nhau thật hoàn hảo và đồng nhất thì một
phần của ánh sáng đi ra khỏi sợi này sẽ không vào sợi kia hoàn toàn và bị phát
xạ ra ngoài gây nên suy hao. Nguyên nhân chính của suy hao này là việc
không dòng đồng trục hai sợi trên hình 2.5 do vậy tạo nên suy hao rất lớn. Nếu
có 1 khe nhỏ tồn tại tại chỗ nối thì chính khe này tạo nên suy hao phản xạ.
h. Suy hao ghép nối sợi quang giữa sợi và các linh kiện thu, phát quang
Điều kiện để ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang đợc xác
định bằng khẩu độ số NA, khi ghép nối vào sợi quang thì Laser có các đặc
điểm về suy hao tốt hơn ngay cả khi sử dụng thấu kính để tập trung chùm sáng.

10
góc lệch
Hình 2 .5a- Bề mặt không nhẵn
Hình 2 .5b- khoảng cách giữa hai bề mặt
i. Đặc tuyến suy hao
Với mong muốn suy hao càng thấp càng tốt, hiện nay đã chế tạo đợc loại sợi
quang mà đặc tuyến suy hao của nó gồm ba bớc sóng có suy hao thấp (gọi là 3
cửa sổ suy hao).
1987
+ Cửa sổ thứ nhất ở bớc sóng 850nm với mức suy hao trung bình ở bớc sóng
này từ 2 ->3dB/km. Độ suy hao này cha phải là thấp nên ngày nay bớc sóng
850nm ít đợc dùng.
+ Cửa sổ thứ hai 1300nm: suy hao ở bớc sóng này bé hơn nhiều so với suy hao
ở bớc sóng 850nm. Độ suy hao đạt từ 0,4->0,5dB/km. Cộng thêm độ tán sắc rất
thấp nên bớc sóng này đợc sử dụng rộng rãi.

11

1990
0,8 1

1,2

1,4

1,6
(nm)
0,25
0,4
1,0
2,0
5
Hình 2 .6- Các đặc tính suy hao theo b ớc sóng của sợi quang
+ Cửa sổ thứ ba ở bớc sóng 1550nm: cho đến nay bớc sóng này có suy hao thấp
có thể đến 0,2dB/km. Nhng với sợi quang này có độ tán sắc cao hơn so với bớc
sóng 1300nm. Tuy nhiên nhợc điểm này đã đợc khắc phục vì hiện nay có loại
sợi quang có dạng phân bố chiết suất đặc biệt làm giảm tán sắc ở bớc sóng
1500nm.
2.Tán sắc trong sợi quang
2.1 Hiện tợng nguyên nhân và ảnh hởng
Khi truyền dẫn các tín hiệu digital qua sợi quang xuất hiện hiện tợng dãn rộng
các xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong một số trờng hợp các xung lân cận
đè lên nhau, khi đó không phân biệt đợc các xung với nhau nữa, gây méo tín
hiệu khi tái sinh. Hiện tợng dãn xung đợc gọi là hiện tợng tán xạ. Nguyên nhân
chính của hiện tợng này là trong sợi quang tồn tại các thời gian khác nhau cho
các thành phần ánh sáng phát đi đồng thời.
Tán xạ có ảnh hởng đến chất lợng truyền dẫn nh sau:
Khi truyền tín hiệu digital, trong miền thời gian nó gây ra sự dãn rộng xung

ánh sáng.
Khi truyền tín hiệu analog thì ở đầu thu biên độ bị giảm nhỏ và có hiện tợng
dịch pha, độ rộng băng truyền dẫn của sợi bị giảm nhỏ.
2.2 Tán sắc mode
Hiện tợng này chỉ xuất hiện ở loại sợi đa mode. Các thành phần ánh sáng lan
truyền nhờ các mode riêng rẽ với thời gian khác nhau, nên có sự chênh lệch về
thời gian, sinh ra méo xung ở đầu thu.
Thời gian truyền chênh lệch giữa tia dài nhất và tia ngắn nhất đợc tính nh sau:
Tia 1: tia dài nhất có độ dài d
1
=L/cos
1
Tia 2: tia ngắn nhất có độ dài d
2
=L
+ Thời gian truyền của tia 1:
1
11
1
/
cos/
nC
L
V
d
t

==
Với V=C/n
1

là vận tốc ánh sáng trong lõi sợi.

12
L

1
1
2
Hình 2.7. So sánh tia dài nhất và ngắn nhất trong sợi đa mode
Mà cos
1
=sin
c
=
1
2
n
n
Nên t
1
=
2
2
1
Cn
Ln
+ Thời gian truyền của tia 2:
C
Ln
nC

L
V
D
t
1
1
12
2
/
===
+ Thời gian chênh lệch giữa hai đờng truyền:
Thời gian chênh lệch trên mỗi km sợi chính là độ trải xung do tán sắc mode:
Ví dụ: Với sợi chiết suất nhảy bậc (SI) có n
1
=1,458 và D=1% độ tán sắc mode
là:
Đối với sợi chiết suất giảm dần (GI) độ trải xung do tán sắc mode nhỏ hơn so
với sợi có chiết suất nhẩy bậc (SI):
Độ dải xung quan mỗi km sợi hay độ tán sắc mode:
Ví dụ: sợi GI với n
1
=1,458 và =1% có độ tán sắc mode là:
d
mode
=0,061 ns/km

13
kmnskmd
skm
L

t
d /6,48/10.6,4801,0
/10.3
458,1
9
5
mod
==ì=

=
8
2
1
mod

ì=

=
C
n
L
t
d
e
8
2
1

=
n

C
L
t
2
12
1
2
12
1
1
2
2
1
21
n
nn
n
C
L
t
n
nn
n
C
L
C
Ln
Cn
Ln
ttt

==









===
với
Nh vậy tán sắc mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất của sợi quang.
2.3 Tán sắc sắc thể
Vì ánh sáng do các nguồn sáng nh laser hay diot phát quang tạo ra có độ rộng
bớc sóng hữu hạn không giống ánh sáng đơn sắc lý tởng. Tán sắc thể gồm tán
sắc chất liệu và tán sắc ống dẫn sóng.
a. Tán sắc chất liệu
Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bớc sóng, nên vân tốc truyền của ánh
sáng có bớc sóng khác nhau cũng khác nhau. Đó là nguyên nhân gây nên tán
sắc chất liệu. tán sắc chất liệu đợc xác định:
Trong đó: : là bớc sóng
C: là vận tốc ánh sáng trong chân không
n(): là chiết suất của lõi sợi
Tán sắc chất liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm. Bề rộng phổ
nguồn quang mỗi km sợi quang. Đơn vị của tán sắc chất liệu M(ps/nm.km)
ở bớc sóng 850nm thì M khoảng 90->120ps/nm.km nếu sử dụng nguồn quang
là LED có bề rộng phổ = 50nm thì độ rộng xugn khi truyền qua mỗi km là:
D

matt
= M x
D
matt
= 100ps/nm . km x50nm = 5ns/km
Còn nếu nguồn quang nguồn quang là laser diode có = 3nm thì độ nới rộng
xung chỉ khonảg 0,3ns/km.
ở bớc sóng 1,3àm tán sắc chất liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng, nhng ngợc dấu
nên tán sắc sắc thể 0. Do đó bớc sóng này thờng đợc chọn cho các đờng
truyến tốc độ cao. ở bớc sóng 1550nm độ tán sắc chất liệu khoảng
20ps/nm.km.

14
kms
skmL
L
d
e
/10.061,0
8
01,0
/15.3
458,1
9
2
5
mod

=ì=

=
( )
2
2


d
nd
C
Md
mat
ì==
b. Tán sắc ống dẫn sóng
Với các bớc sóng khac nhau gây ra sự phân bố năng lợng trong sợi quang là
khác nhau. Sự phân bố này gây nên sự tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc ống dẫn
sóng rất nhỏ chỉ đáng chú ý với sợi đơn mode.
c. Độ tán sắc tổng cộng
Độ tán sắc tổng cộng đợc tính theo công thức:
Trong đó:
D
t
: độ tán sắc tổng cộng (nếu là sợi đa mode)
D
mod
: độ tán sắc mode (chỉ có trong sợi đơn mode)
D
chr
: độ tán sắc thể (tán sắc tổng cộng trong sợi đơn mode-Dchramatic)
D
mat

: độ tán sắc chất liệu-Dwaterial
D
wg
: độ tán sắc ống dẫn sóng-Dwavequide

15
16
12
8
4
0
-4
-8
-12
-16
1200 1300 1400 1600
(NM)
d
mat
d
chv
=d
mat
+d
wg
Hình 2.8- Tán sắc chất liệu (d
mat
), tán sắc ống dẫn
sóng (d
wg

) tán sắc thể (d
chv
) thay đổi theo b ớc sóng
D
wg
lớp bọc
lõi
1
2 < 1
22
mod chrt
DDD
+=
wgmatchr
DDD
+=
d. Dải thông sợi quang
Dải thông BSC là tần số điều chế mà tại đó công suất quang giảm đi 50%. Nói
một cách tổng quát dải thông sợi quang tỷ lệ nghịch với độ tán sắc tổng cộng:
Với B là dải thông đơn vị là GHz; D
t
là tán sắc tổng cộng đơn vị là ngời sử
dụng
Vì tán sắc phụ thuộc vào bớc sóng của ánh sáng nên dải thông cũng thay đổi
theo bớc sóng.
III. Cấu trúc cáp sợi quang
Sợi quang đợc phân chia thành 4 nhóm dựa trên vật liệu cấu tạo chung:
Sợi silica (SiO
2
) silica fibers

Sợi hợp chất thuỷ tinh (Multi - component glass fibers)
Sợi có lớp bọc bằng plastic - clad fibers)
Sợi plastic (plastic fbers)
Hầu hết các sợi dùng trong viễn thông là sợi silica.
1. Cấu trúc sợi quang
Thành phần chính của sợi quang gồm lõi 9 (core) và lớp bọc (cladding). Trong
viễn thông dùng loại sợi có cả hai lớp trên bằng thuỷ tinh. Lõi để ánh sáng và
lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi
và lớp bọc.
Để bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác dụng do điều kiện bên ngoài sợi quang
còn đợc bọc thêm vài lớp nh:
1.1 Lớp phủ (primary coating)

16
Lớp vỏ
(secondary
coating)
Lớp phủ
(primary
coating)
(
Lớp bọc
(cladding)
Lõi
(core)
0.9nm
nnmà
m
250 àm
125 àm

10(50) àm
Hình 2.9- Cấu trúc cáp sợi quang
t
D
0,44
B
=
Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang:
Chống lại sự thâm nhập của nớc.
Tránh sự trầy sớc gây nên những vết nứt.
Giảm ảnh hởng của vi uốn cong.
Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia truyền
trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thể xẩy ra trên mặt giao
tiếp giữa lớp bọc và lớp phủ. Ví dụ: lõi có n
1
= 1,48 lớp bọc có n
2
= 1,46, lớp
phủ có 1,52. Lớp phủ có thể nhuộm màu hoặc có thêm vòng đánh dấu, khi sợi
cần ghép ánh sáng nhất thiết phải tẩy sạch lớp phủ thông thờng đờng kính của
lớp phải là 250 àm và sợi có lớp bọc là 125àm.
1.2 Lớp vỏ (secondary coating)
Lớp vỏ có tác dụng tăng cờng sức chịu đựng của sợi quang trớc các tác dụng cơ
học và nhiệt độ, có các lớp vỏ sau:
Dạng ống đệm lỏng: ống đệm lỏng thờng có hai lớp: lớp trong có hệ số ma sát
nhỏ để sợi quang di chuyển tự do trong đó khi cáp bị kéo căng hay co lại - lớp
ngoài che chở sợi quang trớc ảnh hởng của lực cơ học. Đờng kính ống đệm lớn
hơn đờng kính của sợi quang.
Đối với cáp trong nhà thì bên trong ống đệm lỏng không cần chất nhồi, nhng
với cáp ngoài trời thì bơm thêm chất nhồi trong ống đệm. Chất nhồi có các tính

chất sau:
+ Có tác dụng ngăn ẩm
+ Có tính nhớt, không tác dụng hoá học với các thành phần khác củ cáp.
+ Không đông đặc nóng chảy trong nhiệt độ làm việc.
+ Dễ tẩy sạch khi hàn nối và khi cháy.
ống đệm lỏng cũng đợc nhuộm mầu để đánh dấu. ống đệm lỏng có nhiều u
điểm nên đợc dùng trong các đờng truyền dẫn chất lợng cao và trong điều kiện
môi trờng thay đổi nhiều.

17
1.2-2mm
0.9mm
Sợi quang
Lớp phủ
ống đệm
Chất nhồi
Lớp vỏ
Lớp đệm mềm
Hình 2.10a- ống đệm lỏng
Hình 2.10b- Đệm tổng hợp
Dạng đệm khít: Để bảo vệ sợi quang dới tác dụng của các điều kiện bên ngoài
là bọc một lớp vỏ ôm sát lớp phủ. Phơng pháp này làm giảm đợc kích thớc và
trọng lợng của cáp. Nhng sợi quang bị ảnh hởng trực tiếp của lực kéo căng. Để
giảm sự ảnh hởng này ngời ta thêm một lớp đệm mền giữa lớp phủ và lớp vỏ.
Hình thức này đợc gọi là cấu trúc đệm tổng hợp (Coposite buffer).
Dạng băng dẹp: Cấu trúc băng dẹp cũng là một dạng vỏ đệm khít nhng vỏ bọc
nhiều sợi quang. Số sợi trong 1 băng có thể lên đến 12 sợi, độ rộng của băng
tuỳ thuộc số sợi trong băng.
Cấu trúc băng dẹp đợc dùng trong cáp có số sợi nhiều vì kích thớc mỗi băng
nhỏ nên có thể thu xếp đợc nhiều băng trong ruột cáp. Nhợc điểm cấu trúc này

giống nh cấu trúc đệm khít. Tức là sợi quang chịu ảnh hởng trực tiếp của lực
kéo căng.
1.3 Cấu trúc tổng quát của cáp sợi quang
Sợi quang: các sợi quang đã đợc bọc lớp phủ và lớp vỏ xắp xếp theo một thứ tự
nhất định. Lớp vỏ có thể là dạng đệm lỏng, đệm khít, đệm tổng hợp hay băng
dẹp.
Thành phần chịu lực: bao gồm phần chịu lực trung tâm và thành phần chịu lực
bên ngoài.
Chất nhồi: để làm đầy ruột cáp.
Vỏ cáp: để bảo vệ ruột cáp.
Lớp gia cờng: để bảo vệ sợi cáp trong những điều kiện khắc nghiệt.
2. Phân loại cáp sợi quang
Có nhiều thành phần loại cáp sợi quang
Phân loại theo chỉ số chiết suất:
Sợi có chiết suất bậc.
Sợi có chiết suất thay đổi.

18
Vỏ cáp
Thành phần chịu lực ngoài
Lớp đệm nhựa ( PE )
Băng quấn ( plastic )
Thành phần chịu lực trung tâm
ống đệm lỏng
Sợi quang
Hình 2.12- Cấu trúc tổng quát cáp quang
Phân loại theo mode:
Sợi đa mode
Sợi đơn mode
Phân loại theo cấu trúc vật liệu:

Sợi thuỷ tinh.
Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ chất dẻo.
Phân loại theo hình thức cấu tạo:
Cáp có cấu trúc ống
Cáp có cấu trúc băng dẹp.
Phân loại theo lĩnh vực sử dụng:
Cáp ngoài trời: gồm cáp treo, cáp chôn trực tiếp hoặc cáp kéo trong ống.
Cáp trong nhà dùng làm cáp phân phối, dây nhẩy
Cáp đặc biệt: cáp thả biển, cáp dùng cho điện lực, trong máy bay
3. Hàn nối cáp sợi quang
Do những hạn chế về kỹ thuật chế tạo, phơng tiện chuyên chở, phơng pháp lắp
đặt nên chiều dài của các cuộn cáp nói chung có hạn. Khoảng cách giữa hai
trạm thông tin quang thờng dài hơn chiều dài của cuộn cáp nên cần phải nối
các sợi giữa hai cuộn cáp với nhau. Ngoài ra ở mỗi trạm thông tin quang, sợi
quang cần phải nối với các linh kiện phát và thu quang.
3.1 Các yêu cầu chính của một mối nối
Suy hao hàn nối thấp và ổn định để gia tăng cự ly tối đa của các trạm lặp.
Độ tin cậy cao: các hệ thống thông tin quang hiện nay hoạt động với dung lợng
lớn. Sự gián đoạn do bất kỳ mối nối nào gây nên cũng dẫn đến sự gián đoạn
một số lợng kệnh rất lớn.
Kích thớc mối nối hoàn chỉnh gọn: yêu cầu này chỉ đặt ra đối với việc hàn nối
các sợi cáp chứa nhiều sợi quang (hàng trăm sợi).
Cuối cùng giá thành hàn nối càng thấp càng tốt, yêu cầu này phụ thuộc vào kỹ
thuật hàn nối.
3.2 Các yếu tố ảnh hởng đến suy hao mối nối
Chất lợng mặt cắt đàu sợi quang
Vị trí tơng đối giữa hai đầu sợi quang

19
Thông số của hai sợi

3.3 Các phơng pháp han nối sợi quang
Các sợi quang có thể đợc nối với nhau, và mỗi hình thức. Hàn nối có đặc điểm
của nó và đợc sử dụng trong các điều kiện thích hợp. Có các hình thức hàn nối
sau:
Hàn kết dính: thực hiện bằng nhân công nên suy hao cao và chỉ dùng với sơi đa
mode, ngày nay ít đợc dùng.Hàn bằng ống nối đàn hồi: Hàn bằng phơng pháp
này độ suy hao không cao, nhng kém ổn định suy hao mối nối vào khoảng
0,25dB đối với sợi đa mode, và 0,5dB đối với sợi đơn mode. Thời gian thực
hiện mối nối theo phơng pháp này rất nhanh nên đợc dùng để nối sợi tạm thời,
khi sửa chữa khẩn cấp, hoặc dùng để nối giữa dây đo thiết bị đo đối với sợi
quang có đầu cuốn để hở.
Phơng pháp hàn nóng chảy: Chất lợng của mối hàn nóng chảy phân lớp do
máy hàn quyết định, độ suy hao của mối hàn rất thấp và ổn định. Với sợi đa
mode suy hao mối hàn trung bình là 0,03dB, sợi đơn mode là 0,06dB. Loại này
phù hợp với các loại cáp có cấu trúc băng hẹp.
Phơng pháp khớp nối (connector): Khớp nối là một mối nối sợi quang, có thể
tháo lắp nhiều lần. Độ suy hao lớn, giá thành cao hơn vì các thực hiện phác tạp
hơn. Tuy vậy vẫn không thể dùng mối hàn cố định để thay thế khớp nối nơi
giao tiếp giữa sợi quang và các thiét bị đầu cuối quang hoặc giữa sợi quang bên
ngoài với sợi quang trong trạm nên ta phải dùng phơng pháp khớp nối
(connector).

20
Chơng III
Linh kiện biến đổi điện quang - quang điện
Linh kiện biến đổi quang điện, điện quang đợc đặt ở 2 đầu sợi quang. Có
hai loại linh kiện biến đổi là:
Linh kiện biến đổi từ tín hiệu điện sang tín hiệu quang, đợc gọi là nguồn
quang, phát ra ánh sáng trong vùng tia hồng ngoại có = 800 đến 1600nm
ánh sáng có công suất tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó

Linh kiện biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện, gọi là linh kiện tách
sóng quang (linh kiện thu quang). Linh kiện này có nhiệm vụ ngợc lại so
với nguồn quang, tức là tạo ra dòng điện có cờng độ tỷ lệ với công suất
quang chiếu vào nó
I. Nguyên lý biến đổi
1. Khái niệm về bán dẫn
Bán dẫn thuần: Bán dẫn cha bị pha tạp gọi là bán dẫn thuần, ví dụ Ge, Si các
chất bán dẫn này có cấu trúc năng lợng nh hình. ở nhiệt độ thấp bán đẫn không
dẫn điện (chất điện môi)Khi nhiệt độ tăng thì bán dẫn trỏ thành chất dẫn điện.
Khi đó các điện tử vùng hoá trị vợt qua vùng cấm đi vào vùng dẫn. Để lại trong
vùng hoá trị các lỗ trống.
Bán dẫn tạp: Nếu pha trộn nhiều bán dẫn thuần với nhau sẽ đợc một bán dẫn
tạp, nếu khi pha trộn nhận đợc bán dẫn tạp có nồng độ
Các điện tử lơn hơn nồng độ các lỗ trống thì gọi là bán dẫn n. Ngợc lại nếu
nồng độ lỗ trống cao hơn nồng độ điện tử gọi là bán dẫn p
2. Nguyên lý biến đổi
Thông thờng các điện tử tập trung phần lớp ở vùng hoá trị có mức năng lợng
thấp. Khi ta cung cấp cho các điện tử đó một mức năng lợng bằng với mức
năng lợng chênh lệch giữa mức công suất E
c
-E
v
thì điện tử sẽ chuyển lên vùng

21
Vùng
dẫn
Vùng
cấm
Vùng hoá trị

E
o
E
c
E
V
Năng l ợng các điện tử
dẫn. Nh vậy một photon (có năng lợng thích hợp ). Bức xạ vào chất bán dẫn sẽ
tạo ra một điện tử và một lỗ trống còn photon biến mất hiện tợng này gọi là sự
hấp thụ, đợc ứng dụng trong photon diode để làm các linh kiện tách sóng
quang.
Nếu trong vùng dẫn có số điện tử nhiều hơn mức cân bằng, thì điện tử thừa sẽ
rơi xuống vùng hoá trị một cách tự phát để kết hợp với lỗ trống, trong quá trình
chuyển từ mức năng lợng cao xuống mức năng lợng thấp, năng lợng chênh lệch
đợc bức xạ ra dới năng lợng thấp, năng lợng chênh lệch đợc bức xạ dới dạng
photon. Hiện tợng xảy ra sự phát xạ tự phát, đợc ứng dụng trong diode phát
quang (LED) dùng làm nguồn quang.
Khi các photon đợc phát ra do quá trình tái hợp điện tử và lỗ trống lại kích
thích các điện tử đang ở mức năng lợng cao chuyển xuống mức năng lợng thấp
và phát ra photon mới. Quá trình cứ tiếp diễn và số lợng photon phát ra rất lớn.
Hiện tợng này đợc ứng dụng trong quá trình phát xạ tự kích có cùng bớc sóng
và cùng pha.
II. Linh kiện phát quang
1. Nguyên lý chung
Có hai loại linh kiện đợc dùng làm nguồn quang hiện nay là:
Diode phát quang LED (light emiting diode)
Diode laser LD
Cả hai linh kiện này đều phát triển từ tiếp giáp của bán dẫn p và bán dẫn n.
Các đặc tính kỹ thuật của nguồn quang phát ra phụ thuộc vật liệu chế tạo ra
nguồn quang.

Mỗi chất bán dẫn có bề rộng khe năng lợng Eg khác nhau. Eg sẽ quyết định b-
ớc sóng ánh sáng theo công thức sau:

22
Với hV: là photon là điện tử o là ô trống




E
c


E
v


hV
E
g
Vùng dẫn
Vùng cấm
Vùng hoá
trị
a. Hấp thụ
b. Phát xạ tự phát
c. Phát xạ kích thích
hV
hV

C
hhVEg
==
Eg
1,24
Eg
hc
==

Trong đó h=6,625.10
-34
JS: hằng số plank
Với c=300.000km/s vận tốc ánh sáng trong chân không
Eg: Bề rộng khe năng lợng đơn vị là eV
V: tần số ánh sáng phát ra, đơn vị là Hz
: Bớc sóng ánh sáng phát ra, đơn vị àm.
2. Các yêu cầu kỹ thuật của nguồn phát quang
Bớc sóng phát ra: phải phù hợp với các bớc sóng thông dụng 850nm, 1300nm,
1550nm.
Công suất phát: công suất phát càng lớn thì cự ly thông tin càng đợc xa.
Độ rộng phổ ánh sáng: nguồn quang phát ra là 1 khoảng bớc sóng. Nếu khoảng
bớc sóng càng lớn thì độ tán sắc chất liệu càng lớn làm hạn chế dải thông của
tuyến truyền dẫn quang. Vậy độ rộng phổ nguồn phát quang càng hẹp càng tốt.
Góc phóng ánh sáng: càng nhỏ càng tốt
Độ ổn định: yêu cầu công suất quang đợc phát ra phải ổn định để đảm bảo độ
trung thực của tin tức.
Thời gian chuyển lên: là thời gian chuyển trạng thái nguồn quang càng nhanh
để có thể truyền đợc tín hiệu có tốc độ cao.
Thời gian sử dụng nguồn quang: dài
Giá thành hạ

3. Diode phát quang LED (light emiting diode)
Diode phát quang LED là một loại nguồn phát quang dùng rất phù hợp cho các
hệ thống thông tin quang, có tốc độ bình thờng không quá 200Mbit/s. Sử dụng
sợi đa mode để có thể sử dụng tốt LED phải có công suất bức xạ cao, thời gian
đáp ứng nhanh và hiệu suất lợng tử cao. Có hai kiểu cấu trúc LED đợc sử dụng
rộng rãi.
a. Cấu trúc LED phát xạ mặt

23
50
Nhựa gắn
Kim loại
Lớp tiếp xúc
p - GaAs
n - GaAlAs
p
-
- GaAlAs
p
+
- GaAs
Chất điện môi
Lớp kim loại
toả nhiệt
Lớp tiếp xúc
Lớp hoạt tính
Lớp hạn chế
Lớp hạn chế
50àm
Hình 3.3 LED phát xạ có b ớc sóng 0,85

à
m
Lớp hoạt tính p-GaAs là một vòng tròn nhỏ có đờng kính 50àm nằm ở
phía trên và phía dới của lớp hoạt tính là lớp hạn chế n-AlGaAs có độ rộng giải
cấm lớn, lớp túc xúc n là vật liệu làm nền n-GaAs. Còn lớp tiếp xúc về phía p là
p- GaAs có độ rộng vùng cấm bé, lớp nền n-GaAs trong vùng đặt sợi quang có
dạng lõm để giảm bề dầy vật liệu hấp thụ ánh sáng phóng vào lõi sợi.
b. Cấu trúc của LED phát xạ cạnh
LED phát xạ cạnh có cấu tạo khác với LED thông thờng. Các điện cực bằng
kim loại phủ kín mặt trên và đáy của LED. Do đó ánh sáng không thể phát ra
hai mặt đợc, mà bị giữ trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp. Lớp tính cực rất
mỏng có chiết suất lớn bị kẹp giữa hai lớp p và n có chiết suất nhỏ hơn. ánh
sáng đợc phát ra ở cả hai đầu và một trong hai đầu đợc nối với sợi quang.
Cấu trúc này có u điểm và vùng phát sóng hẹp, và góc ánh sáng nhỏ nên hiệu
suất ghép ánh sáng và sợi quang cao. Tuy nhiên hạn chế là khi hoạt động nhiệt
độ LED tăng khá cao, nên đòi hỏi phải giải nhiệt.
Các đặc tính kỹ thuật của LED
Thông số điện:
Dòng điện hoạt động tiêu biểu từ 50 mA đến 300 mA
Điện áp sụt trên LED từ 1,5 V đến 2,5 V
Công suất phát quang
Là công suất tổng cộng mà nguồn phát quang phát ra. Công suất phát của LED
từ 1 đến 3 mW. Đối với loại phát sáng cao công suất có thể lên tới 10mW.

24
n GaAs ( Lớp nền)
Lớp tiếp xúc
Lớp hạn chế
Lớp hoạt
tính

Lớp hạn chế
Lớp tiếp xúc
Điện môi
P
+
- GaAs
P-AlGaAs
n-AlGaAs
(hoặc GaAs)
Kim loại
n-AlGaAs
n-GaAs
Hình3.4. LED phát xạ cạnh
Các LED phát xạ mặt có công suất phát cao hơn LED phát xạ rìa với cùng kích
thích. Nhng không có nghĩa là sợi quang nhận đợc công suất quang từ LED
phát xạ mặt cao hơn so với phát xạ cạnh.

25