Đề tài Nguồn quang laser trong thông tin quang

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG
=====***=====
sssss
CHUYÊN ĐỀ THÔNG TIN QUANG
ĐỀ TÀI: NGUỒN QUANG LASER TRONG THÔNG TIN QUANG
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Bùi Trung Hiếu
Sinh viên : Vũ Hồng Sơn
Lớp : H08_VT4
Nhóm : 12
1: giới thiệu
 Nguồn quang Laser ( Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation ) là một trong những phát minh khoa học quan trọng trong thế kỷ XX. Là một trong những thành phần không thể thiếu được trong hệ thống thông tin quang. Nguồn quang Laser có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang tương ứng và phát tín hiệu này vào trong sợi quang để thực hiện truyền dẫn thông tin. Các loại nguồn phát quang thường được sử dụng trong hệ thống thông tin quang là diode phát quang LED và diode Laser bán dẫn. Xuất phát từ tầm quan trọng trên em đã tìm hiểu về “ Nguồn quang Laser trong thông tin quang “ nhằm nêu lên tầm quang trọng của Laser đối với hệ thống thông tin quang. Trong thời gian nghiên cứu do thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi thiếu xót. Em kính mong thầy cô giúp đỡ để bài viết được tốt hơn.
 Em xin chân thành cảm ơn !
2: Nguyên lý hoạt động của Laser
 Laser “ Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation” Khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ kích thích.
 Hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng chính là : Hiện tượng bức xạ kích thích và hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong Laser.
+ Hiện tượng bức xạ kích thích đựơc miêu tả như sau :
Hình 1: Nguyên lý bức xạ kích thích
E1 năng lượng trạng thái nền (đất)
E2 năng luợng trạng thái kích thích 
 Hiện tượng bức xạ kích thích xảy ra khi một nguyên tử đang ở mức năng lượng trạng thái kích thích bị một photon có năng lượng hf = E2 - E 1 va đập vào và làm cho điện tử này dịch chuyển từ mức năng luợng kích thích (E2) xuống trạng thái năng luợng nền (E1) và phát ra một photon có năng lượng đúng bằng với năng lượng của photon ban đầu. Như vậy từ một photon ban đầu sau khi xảy ra hiện tưọng bức xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon ( photon kích thích ban đầu và photon mới được sinh ra ), các photon này sẽ tiếp tục va chạm với các nguyên tử khác ở trạng thái kích thích và sinh ra nhiều photon hơn nữa khi chúng va chạm. Các photon đựơc sinh ra có cùng pha cùng tần số, cùng hướng truyền và cùng phân cực do đó ánh sáng tạo ra có tính kết hợp.
 + Hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong Laser
 Trong hốc cộng hưởng ánh sáng được khuếch đại lên, quá trình này chỉ có những sóng ánh sáng có tần số thoả mãn điều kiện về pha thì mới đựơc khuếch đại lên và lan truyền đi.
3: Cấu tạo của Laser 
 Laser bao gồm ba bộ phận chính là: lớp tích cực, hốc cộng hưởng và nguồn bơm
+ Lớp tích cực : 
 Là một môi trường hoạt chất có khả năng khuếch đại ánh sáng khi đi qua nó, ngày nay có rất nhiều chất khí,rắn, lỏng, bán dẫn ... đã được dùng làm lớp tích cực của Laser. tuỳ theo hoạt chất tương ứng mà ta có từng loại Laser khác nhau.
Hoạt chất là chất bán dẫn như: GaSa, PbS, PbTc...về cơ bản những hoạt chất này phải là những chất phát quang.
 Lớp tích cực nằm giữa hai gương phản xạ và được kẹp giữa hai lớp bán dẫn PN, tạo thành một hốc cộng hưởng, chỉ có những sóng ánh sáng thoả mãn điều kiện cộng hưởng mới tạo thành sóng đứng và được khuếch đại lên, do đó ánh sáng được tạo bởi Laser là ánh sáng kết hợp.
 + Hốc cộng hưởng :
 Hốc cộng hưỏng là một phần không thể thiếu ở bất kỳ nguồn Laser nào, nó bao gồm một cặp phiến phẳng đặt song song nhau và được mài nhẵn tạo thành gương phản xạ. Một gưong có hệ số phản xạ rất lớn cỡ 99,9% và chiếc gương còn lại có hệ số phản xạ thấp hơn làm nhiệm vụ phản xạ ánh sáng và cho một phần ánh sáng truyền qua nó. giữa hai gương là lớp tích cực.
Yêu cầu đối với các gương phản xạ là tổn hao do vật liệu dùng làm bề mặt phản xạ là nhỏ nhất, Có tính chọn lọc và hệ số phản xạ cao.
Hình 2: Cấu trúc của một Laser diode sử dụng hốc cộng hưởng Fabry-perot
 Khi một sóng ánh sáng phản xạ trong lớp tích cực có thể tồn tại và được khuếch đại trong hốc cộng hưỏng khi nó thoả mãn điều kiện về pha của sóng ánh sáng, khi đó sóng ánh sáng phải hình thành nên sóng đứng giữa hai mặt phản xạ của hốc cộng hưởng.
Hình 3: Sự phản xạ nhiều lần của photon trong hốc cộng hưởng Fabry-perot
các sóng đứng này chỉ tồn tại tại các tần số mà khoảng cách giữa hai mặt phản xạ bằng bội số nửa bước sóng.
L = q(2n/l )
 l : bước sóng ánh sáng
 n : chiết suất của lớp tích cực 
 q : số nguyên ( q = 1, 2, 3,....)
Mỗi một bước sóng này tạo nên một mode sóng do Laser phát ra với khoảng cách giữa hai mode sóng kề nhau là: Δl = 2n/L
Hốc cộng hưởng có chức năng sau:
Thực hiện hồi tiếp dương
Như ta đã biết trong hốc cộng hưởng lớp tích cực có khả năng khuếch đại ánh sáng nhưng độ khuếch đại này không lớn vì chiều dài của lớp hoạt chất có hạn. Do đó để đạt được độ khuếch đại lớn cần phải tăng kích thứơc của tích cực lên rất nhiều lần. Chính nhờ hốc cộng hưởng này mà chiều dài của lớp tích cực được tăng lên.
Trong hốc cộng hưởng ánh sáng được phản xạ rất nhiều lần và đây chính là biện pháp làm tăng quãng đường đi của tia sáng, quá trình này được miêu tả như sau: 
Giả sử, có sự dịch chuyển tự phát của một nguyên tử nào đó trong hốc cộng hưởng xuất hịên một sóng ánh sáng, ánh sáng này sẽ được khuếch đại lên do các dịch chuyển cưỡng bức khi nó đi qua lớp tích cực. Khi mới phản xạ một phần ánh sáng có thể bị mất do hấp thụ khoặc truyền qua nhưng phần lớn được phản xạ trở lại và tiếp tục được khuếch đại lên trên đường đi tới mặt phản xạ bên kia, tại đây cũng xảy ra quá trình tương tự như vậy. Sau rất nhiều lần phản xạ sẽ thu được dòng bức xạ có cường độ lớn, tuy nhiên khuếch đại ở đây không thể nào lớn vô cùng được nó phụ thuộc vào công suất của nguồn bơm.
Tạo ra bức xạ định hướng đơn sắc, kết hợp
Ánh sáng được phản xạ dọc theo trục của hốc cộng hưởng sẽ đi qua lớp tích cực nhiều lần và được khuếch đại lên. Những sóng ánh sáng này xác định công suất của nguồn laser, còn những sóng ánh sáng nào lan truyền dưới những góc lệch tương đối lớn so với trục hốc cộng hưởng thì sau một vài lần phản xạ sẽ thoát ra ngoài, vì vậy bức xạ hình thành ở của ra của hốc cộng hưởng sẽ có tính định hướng cao.
Nhờ có Hốc cộng hưởng mà ta có thể chọn lọc được các tần số dao dộng khác nhau để thu được bức xạ trong một dải phổ rất hẹp gần như đơn sắc.
Để ánh sáng được khuếch đại trong quá trình lan truyền và phản xạ qua lại trong hốc cộng hưởng là số điện tử ở trạng thái năng lượng kích thích (E2) phải lớn hơn số điện tử ở trạng thái năng lượng đất (E1). Điều này gọi là trạng thái nghịc đảo nồng độ và để có thể đạt được trạng thái nghịch đảo này ta cần cung cấp năng luợng từ bên ngoài đủ lớn để làm tăng số điện tử ở trạng thái năng lượng cao. Quá trình này được gọi là quá trình “bơm”.
+ Nguồn bơm
Là một bộ phận để cung cấp năng lượng để tạo ra sự nghịch đảo nồng độ tích luỹ trong hai mức năng lượng nào đó của lớp tích cực và duy trì sự hoạt động của Laser. 
 Có các phương pháp kích thích sau:
kích thích bằng ánh sáng hay bơm quang học, hoạt chất thu năng luợng bơm thông qua quá trình hấp thụ 
bơm dòng điện trong Laser bán dẫn, để có một môi trường khuếch đại trong diode Laser cần thực hiện nghịch đảo bằng cách bơm dòng điện hay là phân cực thuận cho diode Laser, quá trình nghịch đảo nồng độ là trong dải dẫn phải có một số lượng lớn các điện tử và trong vùng hoá trị cũng phải có một lượng lỗ trống tương ứng. Nếu trạng thái nghịch đảo nồng độ xuất hiện với tác dụng giam ánh sáng của hai lớp bán dẫn sẽ sinh ra một số bức xạ kích thích hay muốn Laser phát thì công suất bơm phải đủ lớn để tạo được trạng thái nghịch đảo nồng độ.
4: Tài liệu tham khảo
Cơ sở kỹ thuật Laser - GS.TS Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển
Kỹ thuật thông ting quang 1- Học viện công nghệ bưu chính viễn thông
Hệ thống thông tin quang 1 –Học viện công nghệ bưu chính viễn thông