Đề cương ôn tập thông tin sợi quang

Trình bày cấu tạo và nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi đa mode chiết suất bậc MM-SI theo phương pháp quang hình.. Trình bày các nguyên nhân gây ra suy hao và vẽ đặc tính suy hao của sợ

I Sợi quang

1 Trình bày những ưu điểm cơ bản của sợi quang so với cáp kim loại:

 Suy hao truyền dẫn nhỏ

 Băng tần truyền dẫn lớn

 Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

 Kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, chế tạo từ vật liệu có sẵn, độ tin

cậy cao

Kỹ thuật thông tin sợi quang

I Sợi quang

2 Trình bày cấu tạo chung và phân loại sợi quang

 Vẽ được cấu trúc sợi

 Mô tả hình vẽ

 Phân loại sợi:

- theo chiết suất,

- theo mode truyền,

- theo vật liệu chế tạo

3 Nêu khái niệm về khẩu độ số của sợi quang và viết công thức khẩu độ số của sợi đa mode chiết suất bậc (MM-SI) và chiết suất biến đổi (MM-GI):

 Trình bầy khái niệm, giải thích ý nghĩa khẩu độ số (NA)

+ Khẩu độ số NA được xác định bằng sin của góc nhận ánh sáng cực đại

+ Đặc trưng cho khả năng ghép giữa nguồn quang và sợi quang

 Công thức tính NA của sợi đa mode chiết suất bậc (MM-SI) :

2

1 n n

n

I Sợi quang

4 Viết công thức tính số lượng mode lan truyền trong sợi quang đa mode chiết suất bậc MM-SI và chiết suất biến đổi MM-GI Số lượng mode truyền trong sợi phụ thuộc vào các tham số nào cho mỗi loại?

 Công thức tính tham số V: V = 2..a.NA/

 Số mode của sợi SI: M = V 2 /2

 Số mode của sợi GI: M = V 2 /4

 Số mode phụ thuộc vào các tham số:

- a: đường kính lõi

- : bước sóng ánh sáng

- NA là khẩu độ số của sợi quang

5 Trình bày điều kiện đơn mode Viết biểu thức tính bước sóng cắt

 Điều kiện đơn mode: Tần số chuẩn hóa V của sợi quang nhỏ hơn tần số cắt thứ nhất Vc1 = 2,405

V c

c 2 .

 

I Sợi quang

6 Nêu khái niệm về mode ánh sáng, phân loại mode ánh sáng

- Khái niệm mode:

+ Nghiệm riêng của hệ phương trình Maxwell trong điều kiện biên xác định

+ Biểu diễn dạng phân bố điện từ trường không đổi lan truyền trong lõi sợi

- Phân loại: Mode truyền dẫn, mode phát xạ, mode dò

7 Nêu khái niệm về suy hao của sợi quang Viết biểu thức tính hệ số suy hao

 Suy hao là sự suy giảm công suất ánh sáng khi lan truyền qua sợi

quang

 Hình vẽ cho phép tính suy hao

 Biểu thức: Pin = Poutexp(-αL)

 Hệ số suy hao:

) P

P log(

L

10 )

km / dB (

out

in





9 Trình bày đặc điểm về hệ số tán sắc của sợi quang dịch tán sắc DSF, sợi quang bù tán sắc DCF và sợi quang tán sắc phẳng

 Các sợi quang này có phân bố chiết suất khác nhau  đặc điểm tán sắc khác nhau

 Sợi dịch tán sắc: có tán sắc nhỏ nhất tại cửa số bước sóng 1550nm

 Sợi bù tán sắc: có hệ số tán sắc âm

 Sợi tán sắc phẳng: có hệ số tán sắc xấp xỉ 0 tại một vùng bước sóng

 Về tán sắc:

+ Tán sắc sợi đa mode lớn hơn tán sắc sợi đơn mode + Nguyên nhân: do sợi đa mode có thêm thành phần tán sắc mode

11a Trình bày cấu tạo và nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi đa mode chiết suất bậc (MM-SI) theo phương pháp quang hình

Cấu tạo sợi MM-SI:

+ Hình vẽ mặt cắt chiết suất + Kích thước 2.a  50 m; d  125m + Chiết suất lõi và vỏ: n 1 không đổi, n 2 không đổi, n 2 < n 1

Sự lan truyền của ánh sáng trong sợi:

+ Hình vẽ sự lan truyền các tia sáng + Tia sáng lan truyền có dạng các đường gấp khúc do phản xạ toàn phần

+ Truyền đa mode, tán sắc lớn, do chênh lệch thời gian lan truyền giữa các mode

 Sự lan truyền của ánh sáng trong sợi:

+ Hình vẽ sự lan truyền các tia sáng + Tia sáng lan truyền có dạng đường cong + Truyền đa mode, tán sắc nhỏ hơn tán sắc sợi MM-SI

12 Hãy tính tán sắc mode của sợi đa mode chiết suất bậc dựa theo nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi theo phương pháp quang hình

 Sự lan truyền của ánh sáng trong sợi MM-SI:

+ Hình vẽ sự lan truyền các tia sáng + Xác định được tia có quãng đường truyền ngắn nhất: truyền dọc theo trục sợi

+ Xác định được tia có quãng đường truyền dài nhất: tương ứng với tia

có góc vào đầu sợi bằng NA

 Tính tán sắc mode

+ Viết biểu thức thời gian truyền của tia ngắn nhất + Viết biểu thức thời gian truyền của tia dài nhất + Tán sắc mode bằng hiệu thời gian truyền

I Sợi quang

13 Trình bày các nguyên nhân gây ra suy hao và vẽ đặc tính suy hao của sợi đơn mode tiêu chuẩn

 Khái niệm suy hao trong sợi quang:

Khi ánh sáng lan truyền trong sợi quang, công suất ánh sáng giảm dần

 Các nguyên nhân gây ra suy hao:

+ Suy hao do hấp thụ

- Suy hao do vật liệu chế tạo sợi quang (SiO 2 ) hấp thụ ánh sáng

- Suy hao do tạp chất: ion kim loại (Fe + , Cu + …) và ion OH -

- Suy hao do hấp thụ IF, hấp thu UV + Suy hao do tán xạ

- Tán xạ Rayleigh: do các khiếm khuyết rất nhỏ trong quá trình chế tạo

- Suy hao do đường kính lõi thay đổi, do uốn cong…

 Vẽ đặc tuyến suy hao sợi

+ Hình vẽ + Chú thích đầy đủ

14 Trình bày các loại tán sắc trong sợi quang đơn mode và nêu ảnh hưởng của tán sắc

 Khái niệm tán sắc trong sợi quang:

Khi ánh sáng lan truyền trong sợi quang, độ rộng xung ánh sáng thay đổi

 Các loại tán sắc trong sợi đơn mode:

+ Tán sắc vật liệu: do chiết suất lõi sợi quang phụ thuộc bước sóng n

= n() mà ánh sáng nguồn quang phát ra bao gồm nhiều bước sang dẫn đến thời gian lan truyền của các bước sóng sẽ khác nhau gây

ra tán sắc

+ Tán sắc ống dẫn sóng: do ánh sáng lan truyền trong cả lõi và vỏ sợi quang Thành phần lan truyền ngoài vỏ đi nhanh hơn Ảnh hưởng chủ yếu trong sợi SM

+ Các vùng năng lượng: vùng hóa trị, vùng dẫn, dải cấm

Bán dẫn loại p: nồng độ lỗ trống nhiều hơn nồng độ điện tử

Bán dẫn loại n: nồng độ lỗ trống ít hơn nồng độ điện tử

2 Trình bày quá trình phân cực thuận và phân cực ngược cho tiếp giáp p-n

Khi chưa phân cực

+ Hình vẽ tiếp giáp p - n + Quá trình dịch chuyển của điện tử và lỗ trống

Khi phân cực thuận

+ Hình vẽ tiếp giáp p-n, dương nguồn nối với p, âm nguồn nối với n + Sự xuất hiện của điện trường ngoài

Khi phân cực ngược

+ Hình vẽ tiếp giáp p-n, âm nguồn nối với p, dương nguồn nối với n + Sự xuất hiện của điện trường ngoài

II Một số vấn đề vật lý cơ bản

3 Tính tần số ánh sáng và năng lượng photon tương ứng với bước sóng 1310nm Cho biết hằng số Plank h=6,625.10-34 J.s và vận tốc ánh sáng trong chân không c=3.108 m/s

 Tính tần số ánh sáng: f = c/ (chuyển về cùng đơn vị)

 Tính năng lượng photon: E = h.f

4 Trình bày khái niệm về cấu trúc dị thể, cấu trúc dị thể kép

Cấu trúc dị thể:

+ Hình vẽ tiếp giáp p - n + Năng lượng dải cấm của bán dẫn p và bán dẫn n khác nhau

Cấu trúc dị thể kép

+ Hình vẽ cấu trúc dị thể kép + Cấu trúc dị thể kép gồm hai cấu trúc dị thể liên tiếp

II Một số vấn đề vật lý cơ bản

5 Giải thớch hiện tượng đảo mật độ xuất hiện trong quỏ trỡnh phỏt xạ của LD

- Đặt một điện thế phân cực thuận (có chiều dòng điện hớng từ lớp p sang lớp n)

- Khi đó, các điện tử từ lớp n bị kéo về cực dơng và chuyển dời vào vùng hoạt chất, trong khi đó các lỗ trống ở lớp p bị kéo về cực âm và cùng chuyển dời vào vùng hoạt chất

- Các điện tử và lỗ trống chuyển dời vào vùng hoạt chất bị giam trong lớp hoạt chất này và do hàng rào dị thể Từ đó tạo nên đảo lộn mật độ

6 Hãy giải thích các quá trình hấp thụ và phát xạ ánh sáng (phát xạ tự phát và phát xạ kích thích) Cho biết thế nào là ánh sáng kết hợp và ánh sáng không kết hợp

+ Điện tử ở mức năng lượng cao E 2 sau một thời gian tồn tại sẽ nhảy về mức năng

lượng thấp hơn E 1 , phát ra photon ánh sáng có năng lượng bằng E 2 – E 1 , có pha và hướng ngẫu nhiên

Quá trình phát xạ kích thích:

+ Vẽ hình mô tả quá trình phát kích thích

+ Photon ánh sáng kích thích một điện tử đang ở mức năng lượng cao E 2 làm cho điện

tử nhảy về mức năng lượng thấp hơn E 1 , phát ra photon ánh sáng thứ cấp có cùng pha, cùng tần số với ánh sáng kích thích

II Một số vấn đề vật lý cơ bản

7 Trỡnh bày nguyờn lý phỏt xạ ỏnh sỏng của tiếp giỏp p-n

 Vẽ được hỡnh mụ tả quỏ trỡnh phỏt xạ ỏnh sỏng và chỳ thớch đầy đủ

 Nguyờn lý phỏt xạ ỏnh sỏng:

+ Khi chưa cấp nguồn phõn cực:

+ Khi có điện trờng ngoài tác động, các điện tử dịch chuyển từ bán dẫn n sang p và ngợc lại lỗ trống dịch chuyển từ p sang n

Trong quá trỡnh dịch chuyển, lỗ trống và điện tử tái hợp với nhau và giải phóng ra năng lợng ánh sáng dới dạng sóng điện từ

+ Photon ỏnh sỏng cú bước súng: BX = h.c / (Ec – Ev)

8 Trình bày nguyên lý chuyển đổi quang điện của tiếp giáp p-n

Vẽ được hình mô tả quá trình chuyển đổi quang điện và chú thích đầy đủ

Nguyên lý chuyển đổi quang điện:

+ Khi chưa có ánh sáng chiếu vào: có dòng tối + Khi có ánh sáng chiếu vào: photon bị hấp thụ sinh ra cặp lỗ trống - điện tử, dưới tác động của điện trường ngoài điện tử chuyển động về phía n và lỗ trống chuyển động về phía p tạo thành dòng điện trong mạch

+ Kích thước vùng nghèo nhỏ nên hiệu suất chuyển đổi O/E thấp

 Công suất ánh sáng bức xạ của LED

Công suất ánh sáng bức xạ của LED được xác định theo công thức:

là độ dốc của đặc tuyến tính P – I của LED tại điểm công tác (P0P, I0P) của LED (sẽ trình bầy ở nội dung sau) Trong thực tế, HP-LED = 1- 50 w/mA

) ( )

PPLED  P  PLED D

D I D I

D

LED P LED

P

dI

dP H

0





 Trong đó:

iD (t) là dòng điện điều khiển (tín hiệu truyền dẫn) LED

 Phân bố hình học ánh sáng bức xạ của LED

Phân bố hình học cường độ ánh sáng phát xạ của LED phát xạ mặt (a) và LED phát xạ cạnh(b)

Sợi quang

LED LED phát

xạ cạnh

Sợi quang

1 Trình bày các đặc tính và tham số cơ bản của LED (tiếp theo)

 Đặc tuyến tĩnh phát xạ ánh sáng của LED

Đặc tuyến tĩnh phát xạ ánh sáng của LED là mối quan hệ giữa công suất

ánh sáng phát xạ và dòng điều khiển của LED

- I tăng và < IBh-LED => P tăng tuyến tính

với sự tăng của I,

- I = IBh-LED => P đạt giá trị cực đại =>

Sự phát xạ ở trạng thái bão hoà,

- I tăng và > IBh-LED => P giảm với sự

tăng của I

3 Vẽ sơ đồ và trình bày nguyên lý của mạch phát dùng LED với tín hiệu đưa vào điều chế là tín hiệu tương tự

 Vẽ được sơ đồ mạch, chú thích đầy đủ các linh kiện trên mạch

 Giải thích chức năng các phần tử: R1, R2: làm nhiệm vụ phân áp, R3 làm nhiệm vụ ổn nhiệt

 Trình bày nguyên lý hoạt động:

+ Transistor làm việc ở chế độ khuếch đại + Hoạt động của LED tắt, sáng theo tín hiệu đầu vào

 Vẽ dạng sóng tín hiệu vào, ra theo đặc tuyến phát xạ

III Phát quang

4 Vẽ sơ đồ và trình bày nguyên lý của mạch phát dùng LED với tín hiệu đưa vào điều chế là tín hiệu số

 Vẽ được sơ đồ mạch, chú thích đầy đủ các linh kiện trên mạch

 Giải thích chức năng các phần tử: R1, R2: làm nhiệm vụ phân áp, R3 làm nhiệm vụ ổn nhiệt

 Giải thích chức năng của mạch tăng tốc RC

 Trình bày nguyên lý hoạt động:

+ Transistor làm việc ở chế độ thông, tắt + Khi tín hiệu đầu vào là bit 1

+ Khi tín hiệu đầu vào là bit 0

5 Vẽ cấu trúc và cho biết nguyên lý hoạt động của Laser phản xạ Bragg phân tán (DBR)

- Vẽ và chú thích được cấu trúc của Laser DBR

- Chỉ rõ vị trí đặt cách tử Bragg, chu kì cách tử đều

- Trình bày nguyên lý hoạt động:

+ Ánh sáng được tạo ra trong vùng tích cực

+ Cách tử phản xạ phân tán Bragg có chiều dài ngắn đóng vai trò bộ phản xạ chọn lọc lọc tần số thay thế cho buồng cộng hưởng Fabry-Perot

+ Cấu trúc cách tử nằm hai bên vùng hoạt tính có tác dụng như hai gương phản xạ với các bước sóng B thoả mãn điều kiện phản xạ

B

eff

n 2 2 m 2

III Phát quang

6 Vẽ cấu trúc và cho biết nguyên lý hoạt động của Laser phản hồi phân tán

(DFB)

- Vẽ và chú thích được cấu trúc của Laser DFB

- Chỉ rõ vị trí đặt cách tử Bragg, chu kì cách tử đều

- Trình bày nguyên lý hoạt động:

+ Ánh sáng được tạo ra trong vùng tích cực

+ DFB sử dụng hiện tượng phản xạ Bragg để nén các mode bên và chọn lọc tần

trình bày hoạt động của mạch

- Vẽ đúng sơ đồ khối

- Nêu chú thích đầy đủ

- Nguyên lý chuyển tín hiệu đầu vào thành tín hiệu quang:

+ Tín hiệu được đưa qua mạch khuếch đại AGC rồi cộng với dòng thiên áp để đưa vào điều chế LD

+ Công suất ánh sáng LD phát ra phần lớn được ghép vào sợi quang, một phần nhỏ đưa tới

PD để giám sát công suất phát

- Nguyên lý ổn định công suất

+ PD chuyển công suất ánh sáng nhận được từ LD thành dòng tách quang

+ Nếu công suất phát thay đổi (lớn hoặc nhỏ hơn giá trị danh định) thì dòng tách quang sẽ thay đổi

+ Sự thay đổi của dòng tách quang sẽ được đưa trở lại để điều chỉnh mạch thiên áp và mạch AGC để ổn định công suất phát

III Phát quang

8 Trình bày cấu tạo và nguyên lý phát quang của LED cấu trúc dị thể kép

- Vẽ và chú thích đầy đủ cấu trúc của LED

- Vẽ phân bố năng lượng và chiết suất tương ứng với cấu trúc LED

- Mô tả cấu trúc dị thể kép:

+ Gồm các lớp bán dẫn có độ rộng dải cấm khác nhau

+ Giúp giam hãm điện tử, lỗ trống và photon trong vùng tích cực

- Trình bày nguyên lý hoạt động:

+ Khi chưa có điện áp phân cực thuận:

+ Đặt điện áp phân cực thuận lên LED:

Khi đó, các điện tử từ lớp n bị kéo về cực dương và chuyển dời vào vùng hoạt chất, trong khi đó các lỗ trống ở lớp p bị kéo về cực âm và cùng chuyển dời vào vùng hoạt chất

Các điện tử và lỗ trống chuyển dời vào vùng hoạt chất bị giam trong lớp hoạt chất này và do hàng rào dị thể Từ đó tạo nên đảo lộn mật độ

Các điện tử và lỗ trống bị giam trong với mật độ rất cao tái hợp tự nhiên với nhau để phát ra ánh sáng tự nhiên (a/s không kết hợp)

Trên cơ sở tái hợp, các điện tử và lỗ trống trong lớp hoạt chất phát ra ánh sáng tự nhiên Quá trình phát xạ đó gọi là phát xạ tự nhiên

9 Vẽ cấu trúc và trình bày nguyên lý hoạt động của Laser bán dẫn có

khoang cộng hưởng Fabry-Perot

- Vẽ cấu trúc laser có khoang cộng hưởng Fabry-Perot, chú thích đầy đủ

- Nguyên lý hoạt động:

- Hấp thụ photon và phát xạ kích thích

Khi ánh sáng phát ra trong quá trỡnh trở về trạng thái E1 với năng lợng E2- E1 tiếp tục kích thích một điện tử khác đang ở trạng thái kích thích

Điện tử này hấp thụ năng lợng ánh sáng tới và trong quá trỡnh trở về trạng thái E1 nó sẽ giải phóng ra một năng lợng ánh sáng dới dạng sóng điện từ với độ lớn lớn hơn nhiều độ lớn E2- E1 (năng lợng phát xạ tự phát)

Đó chính là quá trỡnh phát xạ kích thích hay phát xạ cỡng bức và ánh sáng đợc giải phóng ra trong trờng hợp này là ánh sáng phát xạ kích thích

Đồng thời, ánh sáng phát xạ kích thích của Laser còn liên tục có bớc sóng đơn ánh sáng phát

- Nguyờn lý hoạt động của Laser bỏn dẫn cú khoang cộng hưởng Fabry-Perot

9 Vẽ cấu trỳc và trỡnh bày nguyờn lý hoạt động của Laser bỏn dẫn cú khoang cộng

hưởng Fabry-Perot (tiếp)

10 Vẽ sơ đồ khối cơ bản của bộ phát quang và cho biết chức năng các khối

- Vẽ được sơ đồ khối của máy phát quang

- Chức năng nguồn quang: chuyển đổi E/O

- Chức năng bộ điều khiển (kích thích)

- Chức năng bộ điều chế

- Chức năng bộ ghép quang

IV Thu quang

1 Trình bày cấu tạo và nguyên lý tách sóng quang của photodiode PIN

- Vẽ và chú thích đầy đủ cấu trúc của PIN

- Mô tả cấu trúc dị thể kép:

- Trình bày nguyên lý hoạt động:

+ Khi chưa có điện áp phân cực

+ Đặt điện áp phân cực ngược lên PIN

+ Khi chưa có ánh sáng chiếu vào: trong mạch có dòng tối

+ Khi có ánh sáng chiếu vào: photon ánh sáng bị hấp thụ tạo thành cặp điện tử - lỗ trống

+ Các cặp điện tử - lỗ trống tạo ra trong lớp p và n hầu như không tham gia tạo dòng điện

+ Các cặp điện tử - lỗ trống tạo ra trong vùng nghèo dưới tác dụng của điện trường ngoài chuyển động ra mạch ngoài tạo thành dòng tách quang