Tài liệu Bài giảng kỹ thuật thông tin quang chương 3 học viện cn bưu chính viễn thông

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Fundamental of Optical Fiber Communications Giảng viên: Bộ ộ môn: Email: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp Thông g Tin Q Quang g – Khoa Viễn thông g2 [email protected], [email protected] KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 3 BỘ PHÁT QUANG www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 2 NỘI DUNG CHƯƠNG 3 • • • • • • Nguyên lý chung về biến đổi quang điện LED Laser diode (LD) Các đặc tính kỹ thuật của nguồn quang Các á nguồn ồ laser bán á dẫn ẫ đơn mode Bộ phát quang www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 3 Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện • Mức năng lượng (Energy Level): ƒ Tính chất hạt của ánh sáng: • Eph = hf • Eánh sáng = Nph x Eph h: hằng số Plank (h= 6,625x10-34J.s) f : tần số của photon ánh sáng Nph: số p photon ƒ Tính lượng tử của vật chất: • Hat nhân: điện tích dương • Các điện tử: điện tích âm – Quay Q yq quanh hạt ạ nhân theo các q quỹỹ đạo ổn định – Mang một mức năng lượng nhất định www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 4 Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện • Mức năng lượng (Energy Level): ƒ Biểu đồ mức năng lượng (energy level diagram): Năng lượng E(eV) E4 E3 E2 E1 E0 Dải cấm năng luợng (energy gap) ΔEij=Ej - Ei Trạng thái nền (ground state) • Biểu diễn trạng thái năng lượng của điện tử trong một nguyên tử • Các mức năng lượng này không liên tục Æ rời rạc 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 • Mức năng lượng (Energy Level): ƒ Hàm phân bố Boltzmann: Ni = N0 × e − [ ΔE i / k B T ] Năng lượng E exp(-ΔEi/kBT) Ei ΔEi: độ chênh lệch năng lượng giữa Ei và E0; kB: hằng số Boltzmann (1,38.10-23 (J/oK)) T: nhiệt độ tuyệt đối (oK). E0 Ni N0 Mật độ điện tử • Phân bố mật độ điện tử ở các trạng thái năng lượng khác nhau • Khi “cân bằng về nhiệt” www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 6 Nguyên Lý Chung Về Biến Đổi Quang Điện • Mức năng lượng (Energy Level): ƒ Nhận xét: • Ni > Nj (với i 0oK: điện ệ tử hấp p thụ ụ năng g lượng ợ g nhiệt ệ Æ thayy đổi trạng ạ g thái năng lượng Æ chuyển từ E0 lên các mức năng lượng cao hơn • Số điện tử ở các mức năng lượng kích thích tăng lên khi To tăng • Trạng thái nền là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử – Xu hướng chuyển về các trạng thái năng lượng thấp – Thời gian sống (lifetime) của điện tử • Khi điện tử chuyển từ EjÆEi (với iVD n - VD + + Loã troáng - Ñieän töû + GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 17 LED • Đặc tính P-I của LED: ƒ Mối quan hệ giữa công suất phát quang và dòng điện: • Công suất quang: P = E/t = Nph.Eph /t= (Ne.ηint.Eph)/t • Hiệu ệ suất lượng ợ g tử nội: ộ P(mW) ηint = Nph / Ne 10 • Dòng điện: I = Ne.e/t e/t 5 Æ P = [(ηint.Eph)/e].I I(mA) 0 100 200 • Nếu Eph được ợ tính bằng g đv ((eV): ) P(mW) ( ) = [(ηint.Eph(eV)] )].I((mA) 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 • Đặc tính phổ của LED: E Vuøng daãn ((Conduction band)) 1 λ1 λ3 λ2 Công suất cchuẩn uẩ hóa óa λ4 0.5 Δλ Vuøng hoaù trò (Valence band) λp λijj ( μ m) = www.ptit.edu.vn 1, 24 Eij (eV V) λ(nm) Với Eij = Ej - Ei GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 19 LED • Đặc tính phổ của LED: ƒ Nguồn quang bán dẫn: vùng năng lượng ƒ Các photon được tạo ra có bước sóng: λijj ( μ m) = 1, 24 Eij (eV V) Với Eij = Ej - Ei ƒ Nhiều mức NL Æ nhiều bước sóng ás được tạo ra. ƒ Công suất phát quang tại các bước sóng khác nhau không đều nhau ƒ Bước sóng trung tâm: • Công suất lớn nhất • 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