chuong1

Chương 1: Hệ thống thông tin quang
CHƯƠNG 1:
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Trong sự phát triển của mạng viễn thông Việt Nam nói riêng và trên toàn
thế giới nói chung, thông tin quang đã có những đóng góp rất quan trọng về cả qui
mô phát triển cũng như nâng cao chất lượng toàn mạng. Hệ thống thông tin bằng
cáp sợi quang là hệ thống truyền dẫn với kỹ thuật và công nghệ tiên tiến, cho phép
tạo ra các tuyến truyền dẫn dài, với dung lượng rất lớn, cấu trúc hệ thống linh hoạt,
độ tin cậy cao Thông tin quang sẽ đáp ứng nhu cầu phát triển mạng truyền dẫn
phục vụ cho sự phát triển đa dạng các dịch vụ viễn thông đòi hỏi tốc độ cao, đặc
biệt phục vụ cho sự phát triển đột phá Internet tốc độ cao và các dịch vụ IP.
Trong chương này trình bày các thành phần của một tuyến truyền dẫn
quang; cấu tạo, đặc điểm, suy hao tín hiệu của sợi quang; nguyên lý, đặc tính, các
tham số của thiết bị phát quang và thiết bị thu quang.
1.1. Hệ thống thông tin quang:
1.1.1 Các thành phần chính của một tuyến thông tin quang:
Các thành phần chính của tuyến thông tin quang gồm có thiết bị phát
quang, cáp sợi quang và thiết bị thu quang:
+ Thiết bị phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các
mạch điện điều khiển liên kết với nhau.
+ Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và lớp vỏ bọc xung quanh để
bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài.
+ Thiết bị thu quang được cấu tạo từ bộ tách sóng quang và các mạch
khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành.
1
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
Ngoài các thành phần chủ yếu trên, tuyến thông tin quang còn có các bộ
ghép nối quang (connector), các mối hàn, các bộ chia quang và trạm lặp; ở các
tuyến thông tin quang hiện đại còn có thể có các bộ khuếch đại quang, thiết bị bù
tán sắc và các trạm xen rẽ kênh. Các thành phần chủ yếu của tuyến thông tin quang
sẽ được trình bày ở các phần sau.
1.1.2. Các ưu điểm của hệ thống thông tin quang:
Độ rộng băng tần lớn (khoảng 15THz ở 1550nm) và suy hao thấp (0,2-0,25
dB/km ở bước sóng 1550nm).
Sợi quang không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.
Tính an toàn và tính bảo mật cao do không bị dò sóng điện từ như cáp kim
loại.
Sợi quang có kích thước nhỏ, không bị ăn mòn bởi môi trường axit, kiềm,
nước, nên có độ bền cao.
Vật liệu chế tạo sợi quang có sẵn trong tự nhiên.
Hệ thống truyền dẫn quang có khả năng nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bit cao
hơn bằng cách thay đổi bước sóng công tác và kỹ thuật ghép kênh.
Bên cạnh những ưu điểm trên, hệ thống thông tin quang còn có nhược
điểm sau:
2
Mạch điều
khiển
Nguồn phát
quang
Thu quang
Phát quang
THIẾT BỊ PHÁT QUANG
mạch điện
Khuếch đại
quang
Tách sóng
quang
Chuyển đổi
tín hiệu
TRẠM LẶP
THIẾT BỊ THU QUANG
Bộ nối
quang
Mối
hàn
Xen rẽ kênh
Tín hiệu
điện vào
Tín hiệu
điện ra
Bù tán
sắc
Các t/bị khác
Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
- Các bộ phận biến đổi quang - điện đắt tiền, khó chế tạo, khả năng ghép
nối với sợi quang khó khăn.
- Việc ghép nối sợi quang đòi hỏi thiết bị cơ khí có độ chính xác cao. Các
khớp của đầu ghép nối không tương hợp hay có vết nứt trên sợi quang là nguyên
nhân gây ra suy hao.
- Việc ghép các kênh truyền quang học gặp nhiều khó khăn.
1.2 Sợi quang:
1.2.1 Đặc điểm của ánh sáng:
Ánh sáng truyền thẳng trong môi trường chiết suất đồng nhất. Hiện tượng
phản xạ và khúc xạ ánh sáng xảy ra khi ánh sáng truyền qua mặt phân cách giữa
hai môi trường có chỉ số chiết suất khác nhau, tia sáng nào khi tới mặt phân cách
giữa hai môi trường mà quay trở lại môi trường ban đầu đó là tia phản xạ, còn tia
sáng nào đổi hướng đi qua mặt phân cách vào môi trường khác đó là tia khúc xạ.
Theo định luật Snell ta có quan hệ:
n
1
sin φ
1
= n
2
sin φ
2
(1.1)
- n
1
: chỉ số chiết suất môi trường thứ nhất;
- n
2
: chỉ số chiết suất môi trường thứ hai;
- φ
1
: góc hợp bởi tia tới với pháp tuyến mặt phân cách giữa n
1
và n
2
;
- φ
2
: góc hợp bởi tia khúc xạ với pháp tuyến mặt phân cách giữa n
1
và n
2
;
n
2
n
1
Hình 1.2: Góc tới (φ
1
) và góc phản xạ (φ
3
) bằng nhau. Giả sử n
1
>n
2
, thì φ
1
<
φ
2
và tỷ lệ với nhau, tăng φ
1
sao cho φ
2
=π/2 khi đó nếu tiếp tục tăng φ
1
thì không
còn tia khúc xạ khi đó xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. Hiện tượng phản xạ
toàn phần chỉ xảy ra khi tia sáng đi từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn hơn sang
3
φ
2
φ
1
φ
3

Tia khúc xạ
n
2
< n
1
Tia phản xạ
Tia tới
Hình 1.2
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
môi trường có chỉ số chiết suất nhỏ hơn và góc tới (φ
1
) phải lớn hơn góc tới hạn
(φ
c
). Theo định luật Snell φ
c
được xác định như sau:
* Khẩu độ số NA=n.Sin
θ
0 max
(n: chiết môi trường bên ngoài,
θ
0 max
: góc vào
sợi quang lớn nhất) : Thể hiện sự tiếp nhận ánh sáng và khả năng tập trung ánh
sáng vào sợi quang do đó cho phép ta tính toán hiệ quả quá trình ghép nguồn sáng
vào sợi quang.
1.2.1 Cấu trúc của sợi quang:
Sợi quang có cấu trúc như một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang,
tức là có dạng hình trụ và chức năng dẫn sóng ánh sáng lan truyền theo hướng
song song với trục của nó. Cấu trúc cơ bản gồm một lõi hình trụ làm bằng vật liệu
thủy tinh có chỉ số chiết suất n
1
lớn và bao quanh lõi là một vỏ phản xạ hình ống
đồng tâm với lõi và có chiết suất n
2
> n
1
. Lớp vỏ phản xạ mặc dù không là môi
trường truyền ánh sáng nhưng nó là môi trường tạo ra ranh giới với lõi và ngăn
chặn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài, tham gia bảo vệ lõi và gia cường thêm độ bền
của sợi.
Sự lan truyền ánh sáng dọc theo sợi quang được mô tả dưới dạng các sóng
điện từ truyền dẫn được gọi là cac mode trong sợi. Đặc điểm của các mode truyền
trong sợi quang:
- Mỗi một mode truyền là một mẫu các đường trường điện và trường từ
được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng.
- Các mode hoàn toàn độc lập với nhau.
- Mỗi mode có tốc độ lan truyền riêng và có bước sóng xác định.
4
)90,(
0
221
1
2
=>=
φφ
nn
n
n
Sin
c
1
21
1
2
2
2
1max0
,2.
n
nn
nnnSinnNA
−
=∆∆=−==
θ
n
1
: Chiết suất lõi sợi quang
n
2
: Chiết suất vỏ sợi quang
(1.3)
(1.2)
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
1.3 Phân loại sợi quang:
1.3.1 Phân loại sợi quang theo chỉ số chiết suất:
Việc phân loại sợi dẫn quang phụ thuộc vào sự thay đổi thành phần chiết
suất của lõi sợi, được chia làm ba loại sợi quang thông dụng như sau:
1.3.1.1 Sợi quang có chiết suất phân bậc (Sợi SI: Step-Index):
Đây là loại có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi và khác nhau rõ rệt với
chiết suất lớp vỏ phản xạ. Các tia sáng từ nguồn sáng truyền vào sợi quang với góc
tới khác nhau sẽ truyền theo những đường truyền khác nhau, tức là truyền cùng
vận tốc nhưng thời gian đến cuối sợi sẽ khác nhau. Do đó khi đưa một xung ánh
sáng vào đầu sợi do hiện tượng tán sắc ánh sáng nên cuối sợi nhận được một xung
ánh sáng rộng hơn. Loại sợi này có độ tán sắc lớn nên không thể truyền tín hiệu số
tốc độ cao và cự ly quá dài.
1.3.1.2 Sợi quang có chiết suất giảm dần (Sợi GI: Gradien-Index):
Sợi GI có phân chiết suất hình Parabol, chỉ số chiết suất của lõi không đều
nhau, mà nó thay đổi một cách liên tục giảm dần từ tâm lõi ra ranh giới phân cách
lõi - vỏ, nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần. Độ tán sắc của GI nhỏ hơn
nhiều so với sợi SI
Hình 1.4 Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI: Gradien-Index)
5
Hình 1.3 Sợi quangđa mode chỉ số chiết suất phân bậc (SI:Step Index)
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
1.3.2 Phân loại theo mode truyền dẫn:
1.3.2.1 Sợi đa mode (MM: Multi Mode):
Sợi đa mode là sợi truyền dẫn đồng thời nhiều mode sóng khác nhau, có thể
là đa mode có chiết suất phân bậc hoặc chiết suất giảm dần.
Cấu trúc của sợi đa mode: đường kính lõi a=50µm, đường kính lớp bọc
125µm, độ lệch chiết suất ∆=0,01, chiết suất lõi n=1,46.
Tần số chuẩn hóa V (hay còn gọi là tham số V) xác định như sau:
Tần số mode M đi vào được xác định (gần đúng)
1.3.2.2 Sợi đơn mode (SM: Single Mode):
Sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất phân bậc và chỉ truyền một mode
sóng trong sợi, do đó độ tán sắc xấp xỉ bằng không.
Thông số cấu trúc của sợi đơn mode: đường kính lõi (a=9-10µm), đường
kính lớp bọc 125µm, độ lệch chiết suất ∆=0,003, chiết suất lõi n=1,46.
Đường kính trường mode MFD (Mode Field Diameter): là một hàm của
bước sóng cho các loại đơn mode khác nhau, nó biểu thị sự phân bố tập trung
trong không gian của cường độ trường mode cơ bản.
Bước sóng cắt là bước sóng nhỏ nhất tại đó sợi quang làm việc như sợi đơn
mode.
Gọi λ
c
: bước sóng cắt trên đoạn sợi chưa bọc cáp.
6
( )
nmnaNAaV 850382
2

2
1
=≈∆==
λ
λ
π
λ
π
( )
( )
726
2
.2
2
2
2
2
1
2
22
≈=−=
V
nn
a
M
λ
π
Hình 1.5 Sợi quangđơn mode (SM:Single Mode)
(1.4)
(1.5)
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
λ
cc
: bước sóng cắt trên đoạn sợi đã bọc thành cáp.
Sợi quang hoạt động ở chế độ đơn mode khi λ>λ
c
. Các giá trị λ
c
, λ
cc
thỏa
mãn:
1100nm<λ
c
<1280nm
λ
cc
<1270nm
1.4 Các đặc tính của sợi dẫn quang:
Sợi quang ứng dụng trong viễn thông có 2 đặc tính cơ bản:
- Đặc tính vật lý: mặt cắt, chỉ số khúc xạ, lực căng, kích thước.
- Đặc tính truyền dẫn: suy hao, tán sắc, bước sóng cắt.
1.4.1 Suy hao tín hiệu trong sợi quang:
Khi truyền tín hiệu từ phía phát đến phía thu thì sẽ bị suy hao và méo tín
hiệu, đây là 2 yếu tố quan trọng. Nó tác động vào quá trình thiết kế hệ thống, xác
định khoảng cách và tốc độ truyền dẫn cũng như cấu hình của hệ thống thông tin
quang.
Suy hao tín hiệu thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao (α) và được
xác định bằng tỷ số giữa công suất quang đầu ra P
out
của sợi dẫn quang dài L với
công suất quang đầu vào P
in
:
L: [km]
α: được tính bằng dB/km
1.4.1.1 Suy hao hấp thụ trong sợi quang:
7
2
2
2
1
2
nn
v
a
C
−=
π
λ








=
out
in
P
P
L
log
10
α
[ ]
dB
P
P
out
in








log.10
(1.6)
(1.7)
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
+ Hấp thụ do tạp chất:
Trong thủy tinh thông thường có các tạp chất như nước và ion sắt, crôm,
đồng, ion OH. Các tạp chất này gây ra sự suy hao rất lớn và đặc biệt liên kết OH
hấp thụ ánh sáng nên gây ra suy hao rất lớn đến vài nghìn dB/km. Để giảm suy
hao, người ta chế tạo sợi quang sao cho các sự tập trung ion OH rất nhỏ để suy hao
0,2dB/km tại bước sóng 1550nm.
+ Hấp thụ vật liệu:
Do các liên kết nguyên tử của vật liệu sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài
gọi là hấp thụ vật liệu.
+ Hấp thụ điện tử:
Trong vùng cực tím ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích thích các
điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn. Vì vậy cũng gây ra
sự suy hao nhỏ ở cửa sổ đường truyền.
1.4.1.2 Suy hao do tán xạ Rayleigh:
Tán xạ Rayleigh là hiện tượng ánh sáng bị tán xạ theo các bước sóng khác
nhau, khi nó gặp phải một vật có kích thước không quá nhỏ so với bước sóng của
nó. Nguyên nhân do quá trình chế tạo có sự không đồng nhất về mật độ vật liệu và
sự thay đổi thành phần oxit (P
2
O
5
, SiO
2
, GeO
2
).
1.4.1.3 Suy hao uốn cong (suy hao bức xạ):
Đây là suy hao ngoài bản chất của sợi, sợi dẫn quang khi bị uốn cong gây ra
hiện tượng phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi. Có 2 loại uốn cong:
- Uốn cong vĩ mô: là uốn cong là uốn cong có bán kính uốn cong lớn hơn
hay bằng đường kính sợi khi ta uốn sợi theo một góc nào đó.
- Vi uốn cong: Trong lúc sợi được tạo thành cáp, sợi có thể bị uốn cong một
cách ngẫu nhiên.
1.4.2 Méo tín hiệu trong sợi dẫn quang:
Tán sắc làm cho các xung ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị dãn rộng
ra và điều này gây nên méo tín hiệu. Khi xung bị dãn quá sẽ có thể gây ra hiện
8
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
tượng phủ chờm các xung kề nhau, phủ chờm đến một mức nào đó thiết bị thu
quang sẽ không phân biệt được các xung này nữa và sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu. Như
vậy đặc tính tán sắc đã hạn chế dung lượng truyền dẫn của sợi.
Trong thông tin sợi quang, tán sắc trong sợi được chia ra làm các loại như
sau:
1.4.2.1 Tán sắc mode:
Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, nó tồn tại trên các sợi đa
mode vì các mode trong sợi sẽ lan truyền theo các đường đi khác nhau, do đó thời
gian lan truyền khác nhau. Các sợi đơn mode không có tán sắc mode.
1.4.2.2 Tán sắc vật liệu:
Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng và do sự thay đổi về chỉ số chiết
suất của vật liệu lõi tạo nên. Nó làm cho bước sóng luôn phụ thuộc vào vận tốc
nhóm của bất kỳ mode nào.
1.4.2.3 Tán sắc dẫn sóng:
Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng
ở trong lõi, vì vậy còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng ở
trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode
β là một hàm số của a/α, nó thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại cần
quan tâm trong sợi đơn mode.
1.5 Bộ phát quang:
1.5.1 Nguyên lý phát xạ ánh sáng:

a) Cân bằng nhiệt b) Hấp thụ c) Phát xạ tự phát d) Phát xạ cưỡng bức
Hình 1.6 Nguyên lý phát xạ ánh sáng
Giả sử có một electron đang nằm ở mức năng lượng thấp E
1
và không
electron nào nằm ở mức năng lượng E
2
(hình a). Khi đó có một mức năng lượng
9
E2
E1 E1 E1 E1
E2 E2 E2
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
bằng với mức năng lượng chênh lệch E
2
- E
1
cấp cho electron này thì electron nhảy
lên mức năng lượng E
2
sau khi hấp thụ năng lượng (hình b). Việc cung cấp năng
lượng gọi là kích thích. Trạng thái E
2
là không bền vững nên electron sẽ nhanh
chóng quay về trạng thái E
1
và phát ra photon có năng lượng:
Hiện tượng này gọi là phát xạ ánh sáng đó gọi là phát xạ tự phát (hình b).
Trong khi electron vẫn ở mức năng lượng E
2
, nếu có một photon có năng
lượng hv
12
đập vào, thì electron sẽ rời khỏi mức năng lượng E
2
xuống mức năng
lượng thấp E
1
, đồng thời phát ra photon có năng lượng hv
12
. Hiện tượng này gọi là
phát xạ tự kích (hình d).
Cơ chế phát xạ của chất bán dẫn:
Cơ chế phát xạ ánh sáng trong chất bán dẫn là nhờ khả năng tái hợp bức xạ
phát quang của các hạt bán dẫn ở trạng thái kích thích. Ở điều kiện cân bằng nhiệt,
mật độ các electron được kích thích rất nhỏ nên các photon tới đều bị hấp thụ và
phát xạ kích thí hầu như không xảy ra. Nó chỉ vượt qua sự hấp thụ khi nào tích lũy
trạng thái kích thích lớn hơn ở trạng thái bền, điều này gọi là nghịch đảo tích lũy
và thực hiện bằng kỹ thuật bơm.
1.5.2 Diode phát quang LED (Light Emitting Diode):
Có hai kiểu cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi là cấu trúc tiếp giáp thuần
nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể kép (không đồng nhất). Qua thực tế và nghiên cứu
thì cấu trúc dị thể kép có hiệu quả, được sử dụng nhiều nhất.
1.5.2.1 Cấu tạo: Gồm các lớp bán dẫn p và n của miền hoạt tính, khi hoạt động
được phân cực thuận, như hình vẽ:
10
1212
EEhv
−=
Loại n Loại p
- - - -
- - - -
- - - -
Loại n Loại p
- - -
- - -
- - -
Tiếp giáp pn Vùng nghèo Electron
khuếch tán
Vùng ngèo hẹp lại
(1.8)
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
a) Tiếp giáp pn b) Phân cực thuận
Hình 1.7 cấu trúc LED
1.5.2.2 Hoạt động:
Khi có điện áp phân cực thuận đặt vào lớp tiếp giáp pn thì cân bằng điện
tích bị phá vỡ, các electron dễ dàng đi qua miền tiếp giáp, các điện tích từ miền n
và các lỗ trống ở vùng p sẽ kết hợp với nhau tại miền hoạt tính, bức xạ ra photon.
Quá trình bức xạ ánh sáng xuất hiện. Trong thông tin quang có 02 loại LED được
sử dụng:
- Cấu trúc LED phát mặt (SLED: Surface Emitting Led).
- Cấu trúc LED phát cạnh (ELED:Edgle Emitting Led).
11
Nguồn ngoài
Phiến tỏa nhiệt
Kim loại hóa (điện cực)
SiO
2
SiO
2
Sợi quang
Vật liệu bao
Kim loại hóa
Chất nền
Lớp cấu trúc dị
thể kép
Giếng khắc
hình tròn
Các lớp
giam
Hình 1.8 Cấu trúc của LED phát mặt
Kim loại hóa
 Lớp SiO
2
cách ly
Các lớp dị thể kép
Ánh sáng
ra kết hợp
Lớp dẫn ánh
sáng
Chất nền
Kim loại hóa
Tỏa nhiệt
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
1.5.3 Cấu trúc Laser Diode (LD):
1.5.3.1 Cấu tạo: Gồm các lớp bán dẫn p và lớp n của miền hoạt tính và lớp hoạt
chất. Lớp hoạt chất này là một cặp phiến phẳng - là gương phản xạ được đặt qua
vào nhau để phản xạ ánh sáng bức xạ hay còn gọi là hốc cộng hưởng (Fabry-Frot).
1.5.3.2 Hoạt động: Khi có một lớp điện áp phân cực được đặt vào lớp tiếp giáp thì
các electron sẽ được bơm vào, lớp hoạt chất được kích thích, sau đó tái hợp với
các lỗ trống có điện tích dương tại đó, đồng thời sinh ra năng lượng dưới dạng
quang và nhiệt. Hốc cộng hưởng (Fabry-Frot) tạo ra sự tương tác giữa photon và
electron diễn ra nhiều lần và có thể tạo ra công suất quang lớn.
Có 02 loại diode laser: diode laser đa mode và diode laser đơn mode:
- Diode laser đa mode thông thường sẽ cho đa phổ nhưng làm việc không
ổn định ở tốc đọ cao.
- diode laser đơn mode có đọ rộng phổ hẹp, hoạt động dựa theo nguyên lý
bộ phản xạ cách tử Bragg. Chúng đáp ứng tốt yêu cầu làm việc ổn định ở các hệ
thống thông tin có tốc độ cao và cự ly truyền dẫn xa.
1.5.4 So sánh LED và LD:
- LED có chi phí thấp hơn LD.
12
Hình 1.9 Cấu trúc dị thể kép của LED phát cạnh
Bán dẫn loại p
Lớp hoạt chất
Bán dẫn loại n
Điện cực
Hình 1.10: Cấu trúc LD
Mặt phát xạ
Ánh sáng
(-)
(+)
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
- LED có cấu trúc đơn giản hơn LD.
- LED bức xạ ánh sáng đúng hướng, góc mở bức xạ lớn nên khả năng ghép
vào sợi quang thấp.
- LD có ánh sáng bức xạ lớn, góc mở bức xạ bé (tạo một phổ vạch). Do đó
khả năng ghép vào sợi quang tốt.
1.6 Bộ thu quang:
1.6.1 Nguyên lý cơ bản của bộ thu quang:
Bộ thu quang có chức năng chính là biến đổi tín hiệu quang thu được thành
tín hiệu điện, rồi khuếch đại và hồi phụ trở lại thành tìn hiệu cùng dạng ở đầu vào
thiết bị phát quang.
Bộ biến đổi quang điện thường là bộ tách sóng photondiode. Trong thông
tin quang bộ tách sóng quang phải thỏa mãn yêu cầu về độ nhạy thu cao, tốc độ
nhanh, tạp âm thấp và bước sóng hoạt động phù hợp. Những bộ tách sóng quang
bán dẫn được sử dụng là vì có kích thước nhỏ, vật liệu phù hợp, độ nhạy cao, thời
gian đáp ứng nhanh.
Có 02 loại photondiode được dùng là photondiode PIN và photondiode thác
APD.
1.6.2 Bộ tách sóng photondiode PIN (Passive Intricsic Negative):
Cấu trúc cơ bản của PIN gồm các vùngbán dẫn p, n ở giữa là một lớp tự
dẫn i rất mỏng. Khi diode PIN được phân cực ngược thì diode không có dòng, chỉ
có dòng ngược rất nhỏ gọi là dòng tới. Khi đó ánh sáng đi vào photondiode nếu
một photon sinh ra tại lớp p, i, n một cặp điện tử và lỗ trống. Các điện tử thì bị hút
về miền n vì có điện áp dương, còn các lỗ trống thì về phía miền p có điện áp âm
nhờ điện trường ngoài. Tất cả các phần tử mang điện này sinh ra ở mặt ngoài một
dòng điện và điện áp.
Quá trình phát ra các cặp điện tử và lỗ trống còn gọi là hạt mang quang
(hình 1.11).
13
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
Luồng dòng tạo ra trên tải gọi là photon, tần số và cường độ dòng này phụ
thuộc vào ánh sáng đầu vào. Tuy nhiên độ dài của xung ánh sáng đưa vào phải đủ
lớn hơn thời gian trôi t
d
cần thiết để các phần tử mang điện chạy qua vùng trôi với
độ rộng d (trong miền i).
V
s
: Tốc độ trôi bão hòa
1.6.3 Diode quang thác APD (Avalanche Photodiode):
Cấu trúc gồm lớp bán dẫn p, n và lớp bán dẫn yếu p-n
+
còn gọi là miền
thác, cường độ điện trường trong miền này rất lớn, ở đây xảy ra quá trình nhân
điện tử.
14
s
d
v
d
t
=
smV
s
/1010
54
÷=
(1.9)
Lỗ trống i Điện tử
P ⊕ ← → - n
n
⊕
Lỗ trống Vùng hóa trị
Vùng nghèo
Vùng cấm
hv ≥ E
g
I
p
R
L
: Điện
trở tải
Tín hiệu ra
Vùng dẫn
- Điện tử
Hình 1.11: Sơ đồ vùng năng lượng của photodiode PIN
p
+
i P
R
L
n
+

Xem chi tiết: chuong1