Giáo trình Tông tin quang (Phần 1)

 về mặt năng lượng, khi một điện tử kết hợp với lỗ trống có nghĩa là điện tử 
chuyển từ trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) sang trạng thái năng lượng thấp 
(vùng hóa trị) giống như hiện tượng phát xạ tự phát. Khi đó, theo định luật bảo 
tòan năng lượng, bán dẫn sẽ phát ra một năng lượng bằng với độ chênh lệch giữa 
vùng dẫn và vùng hóa trị. Nếu chất bán dẫn được sử dụng có dải cấm năng lượng 
trực tiếp thì năng lượng sẽ được phát ra dưới dạng photon ánh sáng. Đây là nguyên 
lý phát xạ ánh sáng của diode phát quang LED (Light emitting diode). 
3.1.2. Đặc tính phổ của LED 
Trong thông tin quang, ánh sáng do nguồn quang phát ra không phải tại một bước 
sóng mà tại một khoảng bước sóng. Điều này dẫn đến hiện tương tán sắc sắc thể 
(chromatic dispersion) làm hạn chế cự ly và dung lượng truyền dẫn của tuyến quang. 
Tính chất này của nguồn quang nói chung và LED nói riêng được giải thích như sau: 
 + Các nguồn quang trong thông tin quang được chế tạo từ chất bán dẫn. Do đó, 
các điện tử nằm trong một vùng năng lượng chứ không phải ở một mức năng lượng. 
 + Các điện tử khi chuyển từ các các mức năng lượng Ej trong vùng dẫn xuống 
mức năng lượng Ei trong vùng hoá trị sẽ tạo ra photon có bước sóng: 
Do có nhiều mức năng lượng khác nhau trong các vùng năng lượng nên sẽ có 
nhiều bước sóng ánh sáng được tạo ra. 
Phân bố mật độ điện tử trong vùng dẫn và vùng hoá trị không đều nhau, dẫn đến 
công suất phát quang tại các bước sóng khác nhau không đều nhau. 
Bước sóng có công suất lớn nhất được gọi là bước sóng trung tâm. Bước sóng này 
thay đổi theo nhiệt độ do phân bố mật độ điện tử trong các vùng năng lượng thay 
đổi theo nhiệt độ. 
CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 
36 
Hình 3.2. Nguồn quang bán dẫn phát ra ánh sáng trong một khoảng bước sóng 
Độ rộng phổ nguồn quang được định nghĩa là khoảng bước sóng ánh sáng do nguồn 
quang phát ra có công suất bằng 0.5 lần công suất đỉnh (hay giảm 3 dB). 
Hình 3.3. Đặc tính phổ của LED 
Độ rộng phổ của LED phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo nguồn quang. Ánh sáng có 
bước sóng 1,3 µm do LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ 50-
60nm. LED được chế tạo bằng bán dẫn GaAs (λ=850nm) phát ra ánh sáng có độ 
rộng phổ hẹp hơn 1,7 lần so với LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP. 
3.1.3. Đặc tính điều chế của LED 
Đáp ứng điều chế của LED phụ thuộc vào đặc tính động của hạt tải và bị giới hạn bởi 
thời gian sống của hạt tải τc trong vùng tái hợp. Đáp ứng này có thể được xác định bằng 
việc sử dụng phương trình tốc độ đối với mật độ hạt tải N. Vì các điện tử và lỗ trống 
được bơm theo cặp và tái hợp theo cặp, nên ta chỉ cần xét phương trình tốc độ cho một 
loại hạt tải là đủ. Phương trình tốc độ bao gồm tất cả các cơ chế mà điện tử sinh ra và 
mất đi trong vùng tích cực. Đối với LED, phương trình tốc độ có dạng: 
CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 
37 
Trong đó số hạng cuối bao gồm cả quá trình tái hợp phát xạ và không phát xạ đặc trưng 
bởi thời gian sống của hạt tải τc. Xét tín hiệu dòng điện điều chế có dạng sin được biểu 
diễn dưới dạng: 
Với Ib là dòng phân cực, Im là dòng điều chế và ωm là tần số điều chế. Khi đó, nghiệm 
tổng quát của phương trình: 
Với 𝑁𝑏 = 𝜏𝑐𝐼𝑏 /𝑞𝑉, V là thể tích của lớp tích cực và Nm được xác định bởi: 
 (3.1) 
Công suất điều chế Pm tỉ lệ tuyến tính với . Vì thế hàm truyền đạt của LED 
 được định nghĩa như sau: 
 (3.2) 
Hình 3.4. Dạng đáp ứng tần của nguồn LED 
và quan hệ giữa các tham số điện và quang 
Băng thông điều chế 3dB f3dB được định nghĩa là tần số mà tại đó biên độ 
giảm đi 3dB hay giảm đi một nửa so với biên độ đỉnh. Kết quả thu được là: 
 (3.3) 
CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 
38 
Thông thường τc nằm trong khoảng 2 - 5 ns đối với các LED InGaAsP. Khi đó, băng 
thông điều chế tương ứng của LED nằm trong khoảng 50 - 140 MHz. Chú ý rằng biểu 
thức đưa ra băng tần quang của LED do là tần số tại đó công suất quang giảm 3 
dB. Băng thông điện tương ứng của LED là tần số mà tại đó giảm đi 3dB và 
được mô tả bởi biểu thức . Dạng đáp ứng tần và quan hệ giữa các tham số 
băng thông điện và quang được cho trong hình 3.4. 
3.1.4. Mạch phát sử dụng LED 
Tín hiệu điều chế là tín hiệu analog: 
Hình 3.5. Sơ đồ khối mạch phát quang LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu analog 
Khi Vs mang giá trị dương transistor dẫn LED sáng và phát ra tín hiệu quang; khi Vs 
mang giá trị âm transistor tắt do đó LED tắt và không phát ra tín hiệu quang. 
Tín hiệu điều chế là tín hiệu số: 
Hình 3.6. Sơ đồ khối mạch phát quang LED với tín hiệu điều chế là tín hiệu số 
CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 
39 
Cho tín hiệu điều chế Vs là tín hiệu số, có 2 mức giá trị: mức 1 (mức cao) và mức 0 
(mức thấp). Khi Vs = 0, qua cổng NAND lúc này Vs = 1 thì transistor dẫn do đó LED 
tắt, không phát ra tín hiệu quang. Khi Vs = 1, qua cổng NAND lúc này Vs = 0 thì 
transistor tắt do đó LED sáng, phát ra tín hiệu quang. 
3.2. LASER DIODE 
Đối với hệ thống thông tin sợi quang yêu cầu dung lượng truyền dẫn lớn thì nguồn 
quang Laser diode (LD) bán dẫn lại là sự lựa chọn tối ưu hơn so với LED. LD thường 
có thời gian đáp ứng nhỏ hơn 1 ns, độ rộng phổ hẹp và phát ánh sáng kết hợp nên rất 
phù hợp khi ghép nối vào các sợi quang có kích thước lõi nhỏ. 
3.2.1. Cấu trúc Laser diode 
Về cơ bản, cấu tạo của laser có các đặc điểm sau: 
 + Cấu trúc nhiều lớp bán dẫn p, n. 
 + Ánh sáng phát ra và được giữ trong lớp tích cực (active layer). 
 + Lớp tích cực rất mỏng, làm bằng vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa hai lớp P và N 
có chiết suất nhỏ hơn. Cấu trúc này tạo thành ống dẫn sóng. 
 + Ánh sáng của laser phát ra ở phía cạnh, giống như LED phát xạ cạnh (ELED). 
 + Ở hai đầu lớp tích cực là hai lớp phản xạ với hệ số phản xạ R <1. Cấu trúc này tạo 
thành hốc cộng hưởng Fabry-Perot. Ánh sáng được tạo ra và phản xạ qua lại trong hốc 
cộng hưởng này. Loại laser có cấu trúc hốc cộng hưởng Fabry-Perot này được gọi là 
laser Fabry-Perot (hình 3.7). 
 + Ánh sáng được đưa ra ngoài qua một phần được cắt nhẵn của một mặt phản xạ. 
Hình 3.7. Cấu trúc của laser Fabry-Perot 
Nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng: 
 + Hiện tượng phát xạ kích thích: tạo ra sự khuếch đại ánh sáng trong Laser. Khi 
xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích, photon ánh sáng kích thích điện tử ở vùng dẫn 
tạo ra một photon thứ hai. Hai photon này tiếp tục quá trình phát xạ kích thích để 
tạo ra nhiều photon hơn nữa theo cấp số nhân. Các photon này được tạo ra có tính 
kết hợp (cùng tần số, cùng pha, cùng hướng và cùng phân cực). Như vậy, ánh sáng 
kết hợp được khuếch đại. 
 + Hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh khi lan truyền trong laser: quá trình chọn 
lọc tần số (hay bước sóng) ánh sáng. Theo đó, chỉ những sóng ánh sáng có tần số 
CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 
40 
(hay bước sóng) thỏa điều kiện về pha của hốc cộng hưởng thì mới có thể lan 
truyền và cộng hưởng trong hốc cộng hưởng được. Như vậy, số sóng ánh sáng 
(có bước sóng khác nhau) do laser Fabry-Perot phát xạ bị giới hạn, làm giảm độ rộng 
phổ laser so với LED. 
3.2.2. Đặc tính của Laser diode 
Các đặc tính của Laser d iode được mô tả đầy đủ bởi các phương trình tốc độ xác 
định tương tác của các photon và các hạt mang trong vùng tích cực. Các phương 
trình tốc độ có thể được xác định bằng cách xem xét các hiện tượng vật lý khác 
nhau liên quan đến mật độ hạt tải Nc và mật độ photon Nph thay đổi theo thời gian 
trong vùng tích cực. Đối với một LD đơn mode, các phương trình tốc độ có dạng: 
Với: 
Trong đó G là tốc độ phát xạ kích thích thực và Rsp là tốc độ phát xạ tự phát trong 
mode phát xạ của laser, I là cường độ dòng điện phân cực cho LD, q = 1,6.10
-19 
C 
là điện tích điện tử, V là thể tích vùng tích cực, τc là thời gian sống của hạt mang, τph 
là thời gian sống của photon. Chú ý rằng Rsp nhỏ hơn nhiều tốc độ phát xạ tự phát 
tổng trong biểu thức: 
Vì phát xạ tự phát xảy ra ở mọi hướng trong một dải phổ rộng nhưng chỉ một phần 
nhỏ lan truyền dọc theo trục hộp cộng hưởng và phát xạ tại tần số laser để đóng góp 
vào trong biểu thức: 
Giữa Rsp và G quan hệ với nhau bởi Rsp=G.nsp, trong đó nsp được gọi là hệ số 
phát xạ tự phát và thường khoảng bằng 2 đối với các LD. Trong biểu thức: 
Với vg là vận tốc nhóm, vg là hệ số giam hãm và gm là hệ số khuyếch đại vật liệu tại 
mode phát xạ. 
Biểu thức: 
CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 
41 
Chỉ ra tốc độ thay đổi mật độ điện tử do được tạo ra hay mất đi trong vùng tích cực. Số 
hạng đầu vế phải cho thấy mật độ điện tử tăng lên do dòng điện ngoài được bơm vào 
vùng tích cực. Số hạng thứ hai mô tả tốc độ giảm mật độ điện tử do quá trình tái hợp 
điện tử và lỗ trống xảy ra qua phát xạ tự phát và quá trình tái hợp không phát xạ. Số 
hạng cuối cùng mô tả cho hiện tượng phát xạ kích thích. 
Biểu thức: 
Cho thấy tốc độ thay đổi mật độ photon trong vùng tích cực. Hai số hạng đầu mô tả sự 
tăng mật độ photon từ quá trình phát xạ kích thích và phát xạ tự phát tương ứng. Trong 
khi đó, số hạng cuối mô tả mật độ photon giảm do sự hấp thụ xảy ra trong vùng tích 
cực và do ánh sáng phát xạ ra ngoài laser. Quá trình này đặc trưng bởi τph là thời 
gian sống của photon tức là thời gian tồn tại của photon trong vùng tích cực. Nó quan 
hệ với hệ số suy hao khoang cộng hưởng αcav theo biểu thức: 
Với phương trình tốc độ, nhiều tính chất và đáp ứng của laser theo thời gian có thể 
được xác định. Bằng cách thay đổi các giá trị của dNc/dt và dNph/dt trong các biểu thức 
trên ta có được tính chất của laser ở trạng thái tĩnh (steady- state) và ở trạng thái động 
(dynamic-state) khi dòng điện kích thích thay đổi theo thời gian. 
3.2.3. Mạch phát sử dụng Laser diode 
Một mạch phát quang điều biến cường độ được biểu diễn trên hình 3-8. Mạch phát 
quang này là sự kết hợp của mạch điều khiển ở hình 3-9 và mạch điều chế tín hiệu ở 
hình 3-10. 
Hình 3.8. Mạch phát quang sử dụng LD điển hình 
Hoạt động của mạch phát quang điều biến cường độ có thể được phân tích dựa trên hoạt 
động của mạch điều khiển và mạch điều chế tín hiệu. 
CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 
42 
Hình 3.9. Mạch kích thích 
Mạch kích thích có chức năng biến đổi nguồn điện áp từ bộ biến đổi dữ liệu về dạng 
dòng điện cung cấp dòng phân cực cho laser. Chức năng này là cần thiết vì nguồn điện 
cung cấp cho laser dưới dạng điện áp hơn là dòng điện. Dòng phân cực cho laser được 
tạo ra cần phải rất ổn định với dòng điện ngưỡng để có thể truyền tín hiệu dữ liệu 
không bị lỗi. Do vậy, dòng phân cực cần được điều khiển bởi tín hiệu hồi tiếp từ cảm 
ứng nhiệt. 
Hình 3.10. Mạch điều chế tín hiệu 
Trong mạch kích thích hình 3.9, điện áp điều khiển, Vbias, là điện áp đầu vào của 
Opamp. Dòng điện chạy qua điện trở R chỉ phụ thuộc vào điện áp đầu vào mà không 
phụ thuộc vào điện trở tải, trong trường hợp này là laser diode. Do đó, bằng cách 
thay đổi Vbias, người ta có thể điều khiển được dòng phân cực Ibias. 
CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 
43 
Khi nhiệt độ thay đổi, việc ổn định công suất quang ở đầu ra của laser diode được thực 
hiện bởi tín hiệu hồi tiếp từ photodiode PD. PD này thu ánh sáng từ laser phát ra và tạo 
ra dòng quang điện tỷ lệ với công suất phát quang của laser. Vì vậy, khi công suất 
quang đầu ra thay đổi, do sự thay đổi của nhiệt độ, dòng quang điện sẽ thay đổi làm 
cho dòng điện phân cực Ibias cũng thay đổi theo bù lại những thay đổi trong trong 
công suất quang quang của laser. 
Quá trình điều chế tín hiệu trong mạch phát điều biến cường độ được thực hiện bằng 
cách thay đổi dòng điện kích thích từ mức phân cực đến mức cao nhất. Mạch điều 
chế tín hiệu được biểu diễn trên hình 3.10. Trong đó, quá trình điều chế được điều 
khiển bởi dòng phân cực qua laser. Chức năng chính của mạch là cung cấp dòng 
phân cực cực đại cho laser. 
Trong mạch điều chế, dữ liệu phát được đưa vào cực gốc transistor Q1, cực B 
transistor Q2 được cố định bởi nguồn phân cực VBB. Khi tín hiệu đầu vào lớn hơn 
VBB, Q1 dẫn, Q2 tắt, dòng qua LD giảm làm LD ngưng phát sáng. Ngược lại, khi tín 
hiệu đầu vào nhỏ hơn VBB, Q1 tắt, Q2 dẫn, dòng qua LD tăng làm LD phát sáng. 
Q3 đóng vai trò cung cấp nguồn dòng ổn định cho mạch vi sai Q1 và Q2. Q4 kết hợp 
với mạch hồi tiếp dùng khuếch đại thuật toán (Op-Amp) ổn định dòng qua LD dưới tác 
động của nhiệt độ cũng như cung cấp tín hiệu cho việc giám sát nhiệt độ làm việc của 
LD phục vụ công việc cảnh báo và bảo dưỡng cho bộ phát quang. 
Trong kiểu điều chế trên, tín hiệu điều chế được thực hiện bằng cách thay đổi dòng 
điện kích thích chạy qua laser. Kiểu điều chế này đươc gọi là điều chế nội hay điều chế 
trực tiếp. Ưu điểm của kiểu điều chế này là đơn giản. Tuy nhiên, hạn chế của kỹ thuật 
điều chế này là băng thông điều chế bị giới hạn bởi tần số dao động tắt dần của laser 
diode và hiện tượng chirp xảy ra đối với tín hiệu quang tăng độ rộng phổ của xung 
ánh sáng. Hiện tượng này xảy ra đối với laser DFB và vì vậy là yếu tố hạn chế nghiêm 
trọng đối với các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao (chủ yếu sử dụng laser DFB 
làm nguồn quang). Hơn nữa, kỹ thuật điều chế này cũng không áp dụng được trong 
các hệ thống thông tin quang đòi hỏi công suất phát quang lớn (>30mW) như các 
mạng truyền dẫn cự ly xa hay mạng truyền hình cáp vì việc chế tạo các mạch phát 
quang điều chế trực tiếp hoạt động ổn định khi điều chế tốc độ cao với dòng điện kích 
thích lớn (>100mA) trở nên phức tạp và khó khăn hơn nhiều. Những hạn chế trên có 
thể được khắc phục được khi sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài. 
Ổn định nguồn quang: 
Khác với LED, các mạch kích thích cho LD phải sử dụng mạch vòng điều khiển ổn 
định công suất quang do laser rất nhạy với sự thay đổi nhiệt độ. Nhiệt độ càng tăng, 
thì công suất phát quang của laser càng giảm. Do vậy trong mạch phát quang sử dụng 
LD thường có hai mạch vòng điều khiển. Mạch vòng thứ nhất là mạch vòng điều khiển 
dòng kích thích mà thông thường là điều khiển dòng phân cực ban đầu Ib thông qua 
một diode thu quang để giám sát công suất như mô tả ở phần trên. Mạch vòng thứ hai 
là mạch vòng ổn định nhiệt độ bao gồm một điện trở nhiệt (T) để giám sát nhiệt độ 
hoạt động của LD tạo ra dòng điều khiển pin Peltier để làm mát cho LD khi nhiệt độ 
hoạt động tăng cao như mô tả trong hình 3.11. 
CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 
44 
Hình 3.11. Mô-đun laser có hệ thống ổn định nhiệt. 
BÀI TẬP CHƯƠNG 3 
Câu 1: Hãy liệt kê các linh kiện quang sử dụng trong bộ phát quang. 
Câu 2: Trình bày cấu trúc của LED. 
Câu 3: Vẽ mạch phát sử dụng LED và giải thích nguyên lý hoạt động. 
Câu 4: Các đặc tính phổ và đặc tính điều chế LED ảnh hưởng đến tính năng của bộ phát 
quang như thế nào? 
Câu 5: Trình bày cấu trúc của Laser diode. 
Câu 6: Trình bày các đặc tính của Laser diode. 
Câu 7: Vẽ mạch phát sử dụng Laser diode và giải thích nguyên lý hoạt động. 
Câu 8: So sánh các đặc tính giữa LED và Laser diode. 
Câu 9: Tại sao Laser diode phải cần bộ ổn định nguồn quang? 
Câu 10: Bộ phát quang có A=2dB, P1= 100mW. Xác định P2. 
Câu 11: Bộ phát quang có P1= 5mW, P2=4mW, L=4Km. Xác định α và công suất tại z 
= 2Km.