Quang điện tử bán dẫn sợi quang học

CẤU TẠO SỢI QUANG HỌC
Cáp quang gồm các phần
sau:
* Core : Trung tâm phản
chiếu của sợi quang nơi ánh
sáng đi
* Cladding : Vật chất
quang bên ngoài bao bọc lõi mà
phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi.
* Buffer coating : Lớp
phủ dẻo bên ngoài bảo vệ sợi
không bị hỏng và ẩm ướt
* jacket: Hàng trăm hay
hàng ngàn sợi quang được đặt
trong bó gọi là Cáp
quang.Những bó này được bảo
vệ bởi lớp phủ bên ngoài của
cáp được gọi là jacket.
Phân loại sợi quang học
Phân loại theo vật liệu điện môi
Sợi quang thạch anh
Sợi quang thủy tinh đa vật liệu
Sợi quang bằng nhựa
Phân loại theo mode lan truyền
Sợi quang đơn mode
Sợi quang đa mode
Phân loại theo phân bố chiết
suất khúc xạ
Sợi quang chiết suất bậc
Sợi quang chiết suất biến đổi

đều
Sự suy hao tín hiệu
•
Suy hao do hấp thụ: 



 !"#$%#$&#'(
)*+, /
•
Suy hao do tán xạ Rayleigh:
0123
*41
05%%6
)789& :3
;<
•
Suy hao bức xạ do bị bẻ
cong:
α
(dB/km)
5
4
3
2
1
0,4

0,25
0 0,8 1 1,2 1,41,3 1,55
λ (µm)
Sự truyền dẫn quang trong sợi quang học
Sự tán sắc đường truyền
Nguyên nhân: do chùm tia sáng truyền theo
nhiều đường khác nhau trong lõi cáp
quang rộng.
Xét hai tia sáng đi vào với góc và góc
Truyền đi với cùng vận tốc
Đối với tia truyền thẳng:
Đối với tia ngoài cùng:
0
θ
=
A
θ
1r
c
v
n
=
1
.
r
a
n l
l
t
v c

= =
2
1 1
2
1 2
. .
.sin .
r r
e
c r
n l n l
t
c n c
φ
= =
• Độ chênh lệch thời gian:
•
Độ tán sắc đường truyền được tính bằng độ mở rộng
thời gian trên một đơn vị chiều dài:
• Độ rộng băng thông (tốc độ đường truyền):
1
2
. .
.
r r
mp a e
r
n l n
n c
τ τ τ

∆
= − =
1
2
.
.
mp
r r
r
n n
l n c
τ
∆
=
2
1
.
.
2 .
r
r r
n c
f l
n n
∆ =
∆
Sự tán s ắc đư ờ ng
truyền
•

Nguyên nhân: do chùm tia sáng truy n theo nhi u đ ng ề ề ườ
khác nhau trong lõi cáp quang r ng.ộ
Xét hai tia sáng đi vào v i góc và góc ớ
Truy n đi v i cùng v n t c ề ớ ậ ố
Đ i v i tia truy n th ng: ố ớ ề ẳ
Đ i v i tia ngoài cùng: ố ớ
0
θ
=
A
θ
1r
c
v
n
=
1
.
r
a
n l
l
t
v c
= =
2
1 1
2
1 2
. .

.sin .
r r
e
c r
n l n l
t
c n c
φ
= =
•
Độ chênh lệch thời gian:
•
Độ tán sắc đường truyền được tính bằng độ mở rộng
thời gian trên một đơn vị chiều dài:
•
Độ rộng băng thông (tốc độ đường truyền):
1
2
. .
.
r r
mp a e
r
n l n
n c
τ τ τ
∆
= − =
1
2

.
.
mp
r r
r
n n
l n c
τ
∆
=
2
1
.
.
2 .
r
r r
n c
f l
n n
∆ =
∆
•
Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi cáp quang, vận
tốc ánh sáng cũng như chiết xuất của quang sợi là một hàm
số của bước sóng ánh sáng tín hiệu
•
Vận tốc pha:
•
Vận tốc nhóm:

•
Ta có chiết suất pha, chiết suất nhóm:
•
Từ đó ta được vận tốc nhóm:
p
v
k
ω
=
d
g
dk
v
ω
=
r
p
c
n
v
=
r
g
c
N
v
=
. /
g
r r r

c c
v
N n dn d
λ λ
= =
−
Sự tán s ắc vật liệu
Hình 1. Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong
quang sợi đơn một thông thường
Đ i v i các b c sóng trong ph m vi 1550nm thì tán s c v t ố ớ ướ ạ ắ ậ
li u là nguyên nhân chính gây nên hi n t ng tán s c ệ ệ ượ ắ
Trên th c t không th có m t ngu n sáng đ n s c tuy t đ i, ự ế ể ộ ồ ơ ắ ệ ố
m i ngu n sáng đ u có m t đ r ng ph nh t đ nh.ọ ồ ề ộ ộ ộ ổ ấ ị
Các thành ph n b c sóng dài h n c a xung s chuy n ch m ầ ướ ơ ủ ẽ ề ậ
h n các thành ph n b c sóng ng n h n. Nh v y, sau m t ơ ầ ướ ắ ơ ư ậ ộ
quãng đ ng truy n đ dài, đ r ng xung s b kéo giãn ra t i ườ ề ủ ộ ộ ẽ ị ớ
m c hai xung k ti p nhau s b chèn lên nhau . H u qu là ứ ế ế ẽ ị ậ ả
thi t b đ u thu s không th phân bi t đ c 2 xung riêng ế ị ở ầ ẽ ể ệ ượ
bi t. ệ
Đ chênh l ch th i gian truy n sóngộ ệ ờ ề
•
Xét 1 xung có b c sóng di chuy n quãng đ ng l trong s i dây ướ ể ườ ợ
•
L y đ o hàm t theo b c sóng ấ ạ ướ
•
Khi đó ta đ c đ chên l ch th i gian truy n sóng: ượ ộ ệ ờ ề
2
2
r
d n

t l
c d
λ
λ λ
∆
= −
∆
2 2
2
í
2 2
r r
d p
d n d nl l
c d c d
τ λ λ γλ
λ λ
= − ∆ = −
λ
( )
r
r
g
dnl l
t n
v d c
λ
λ
= = −
•

Gọi Ym là đại lượng đặc trưng cho tán xạ vật liệu:
2
2
2
r
m
d n
Y
d
λ
λ
=
•
Độ rộng băng thông:
í
.
4 4
d p m
l c
f l
Y
τ γ
∆ = =
D ng xung t ng ạ ổ
2 2 2 2
í
( )
tot in mp d p
τ τ τ τ
= + +

T in: độ rộng xung ban đầu trước khi đi vào dây
T mp: độ rộng xung do sự tán sắc đường truyền
T dip : độ rộng xung do sự tán sắc vật liệu
Với vật liệu một đường truyền thì T mp=0
Tán s c ng d n sóngắ ố ẫ
• Xu t hi n do h ng s lan truy n ph thu c không ấ ệ ằ ố ề ụ ộ
tuy n tính vào v n t c ( b c sóng) trong ng d n ế ậ ố ướ ố ẫ
quang
• Tán s c s c th bao g m tán s c v t li u và tán ắ ắ ể ồ ắ ậ ệ
s c ng d n sóngắ ố ẫ
• Ngu n quang là Led, đ c tính ph r ng, ho t đ ng ồ ặ ổ ộ ạ ộ
b c sóng 850nm tán s c v t li u là ch y uở ướ ắ ậ ệ ủ ế
• Ngu n quang là laser diod, ho t đ ng t i b c ồ ạ ộ ạ ướ
sóng 1300nm tán s c đ ng truy n đóng vai trò ắ ườ ề
ch đ oủ ạ
Một số giải pháp khắc phục hiện tượng tán sắc đang được áp
dụng hiện nay trên thế giới là sử dụng :
Cáp quang thông tin có độ tán sắc tối thiểu (dispersion-shifted
fibers)
Cáp quang có khả năng bù độ tán sắc (dispension-compensating
fibers).
Nhược điểm : chi phí lớn do giá thành cáp quang đặc biệt này đắt
hơn nhiều so với cáp quang thông tin thông thường. Ngoài ra
phải tính đến chi phí để thay thế toàn bộ các cáp quang thông
thường đã lắp đặt trước đó hoặc lắp đặt thêm những đoạn cáp
quang bù tán sắc khá dài (cỡ vài km cáp quang bù tán sắc để bù
cho vài chục km cáp quang thường)
Cách kh c ph c hi n t ng tán ắ ụ ệ ượ
s cắ

Phương pháp bù độ tán sắc trong mạng thông tin
quang tốc độ cao dùng quang sợi cách tử Bragg chu
kỳ thay đổi tuyến tính
Hình 3. Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi
Hình 4. Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bagg
chu kỳ thay đổi tuyến tính