đề cương và đáp án CSKT THÔNG TIN QUANG

CSKT THễNG TIN QUANG MC LC Cõu 1: Tng quan v h thng thụng tin quang: S h thng v chc nng - B phỏt quang cú vai trũ chuyn i tớn hiu in thnh dng tớn hiu quang v a tớn hiu quang vo si truyn dn - B thu quang: chuyn i tớn hiu quang thu c ti u tớn hiu quang thnh tớn hiu in * u im: Suy hao thp :suy hao thp cho phộp lan truyn di hn Di thụng rng:Si quang cú bng thụng rng cho phộp thit lp h thng truyn dn s tc cao Hin , bng tn ca si quang cú th lờn n hng THz Trng lng nh :Trng lng ca cỏp quang nh hn cỏp ng Cỏp quang cú trng lng nh cho phộp lp t d dng hn Kớch thc nh :Cỏp si quang cú kớch thc nh s d dng cho vic thit k mng cht hp v khụng gian lp dt cỏp Khụng b can nhiu súng in t v in cụng nghip Tớnh an ton :Vỡ si quang l cht in mụi nờn nú khụng dn in Tớnh bo mt :si quang rt khú trớch tớn hiu vỡ nú khụng bc x in t nờn khụng th b trớch ly trm thụng tin bng cỏc phng tin in thụng thng nh s dn in b mt hay cm ng in t Tớnh linh hot :Cỏc h thng thụng tin quang u kh dng cho haausf ht tcacs dng thụng tin s liu v video * Nhc im: Vn bin i in -Quang Trc a mt tớn hiu thụng tin in vo si quang, tớn hiu in ú phi c bin i thnh súng ỏnh sỏng Dũn , d gy Si quang s dng vin thụng c ch to t thy tinh nờn dũn v d gy , hn na kớch thc nh nờn vic hn ni gp nhiu khú khn Mun hn ni cn cú thit b chuyờn dng Vn sa cha Cỏc quy trỡnh sa cha ũi hi phi cú nhúm k thut viờn cú k nng tt cựng cỏc thit b thớch hp Vn an ton lao ng Cõu 2: Si quang: Cu to v phõn loi si quang Cấu trúc sợi quang: - Lp lừi (core): cú cu trỳc dng hỡnh tr, cú tỏc dng truyn ỏnh sỏng dc theo trc ca si - Lp v (Cladding): Cú cu trỳc hỡnh tr ng tõm v bao quanh lp lừi, cú tỏc dng giam gi ỏnh sỏng lp lừi - Lp v bc (Buffer Coating): Cú tỏc dng bo v lừi v gia cng thờm bn ca si o Phõn loi Phõn loi si theo ch - Sợi có số chiết suất phân bậc - Sợi có số chiết suất Gradien s chit sut Phân loại theo mode - Sợi đơn mode truyền dẫn - Sợi đa mode tinh Phân loại theo cấu trúc - Sợi lõi thủy tinh, vỏ thuỷ dẻo - Sợi lõi thủy tinh, vỏ chất vật liệu - Sợi lõi chất dẻo, vỏ chất dẻo *Lan truyn ỏnh sỏng cỏc loi si quang: Qu o cỏc tia (xột theo phng phỏp quang hỡnh), Khu s, s lng mode truyn, iu kin truyn n mode a.Khỏi nim khu s: L i lng th hin ln ca gúc ghộp ỏnh sỏng vo si quang ỏnh sỏng cú th truyn i c bng hin tng phn x ton phn Ký hiu NA (Numerical Aperture) NA = sinmax 2 NA = (n n ) n1 Vi: n1: chit sut lừi si quang; n2: chit sut lp bc si quang; : chờnh lch chit sut tng i = (n1-n2)/n1 b S lng mode truyn, iu kin n mode: - V2 N ( ) i vi si chit sut bc, s lng mode c xỏc nh theo cụng thc - i vi si chit sut Gradien, s lng mode c xỏc nh theo cụng thc: V2 N ( 2) S lng mode ph thuc vo tn s chun húa V ca si quang *iu kin n mode ca si quang Vựng n mode l vựng ch truyn nht mt mode dn v c gii hn bi súng LP11 tng ng vi iu kin tn s ct chun húa Vcl = 2,405, ú tng ng bc súng ct c1 iu kin n mode ca si quang c xỏc nh bi cụng thc : 2a V= (n12 n2 ) 2,405 T iu kin trờn ngi ta cú th ch to si n mode theo yờu cu bng cỏch chn a, n1 v n2 thớch hp tha iu kin Cõu 3: Suy hao: khỏi nim, cỏc loi suy hao, c tuyn suy hao *Khỏi nim: Suy hao l tham s th hin s tn tht cụng sut ỏnh sỏng si quang Biu thc: cụng sut Pout cui si quang cú chiu di L cú liờn h vi cụng sut vo thụng qua h s suy hao Pout = Pine-L n v: Cú hai loi n v cho h s suy hao - n v tuyn tớnh: m-1 - n v logarit: dB/km Thụng thng, suy hao c tớnh theo n v l dB/Km, vỡ vy suy hao dB dB/Km cú ngha l t s Pout trờn Pin i vi L = Km tha 10 log10 Pout = dB Pin hoc dB = (10 log10 e) 4.343 suy hao si c quy c giỏ tr tin s dng, dng ú tng quỏt h s suy hao c xỏc nh bng cụng thc nh sau: Pin 10 (dB / km) = log( ) L Pout *cỏc loi suy hao: Cỏc nguyờn nhõn gõy suy hao : - Suy hao hp th: gm hp th ngoi: s cú mt ca cỏc ion cht v hp th thun: chớnh thy tinh to nờn si - Suy hao tỏn x tuyn tớnh: s thay i vi mụ v mt vt liu ch to si, s thng giỏng cỏc thnh phn, cỏc khuyt tt hoc cu trỳc khụng ng nht - Suy hao un cong: un ocng v mụ: bỏn kớnh un cong ln hn ng kớnh lừi si, vi un cong: bỏn kớnh un cong nh hn ng kớnh si Cỏc suy hao khỏc: hn ni, mụi trng chiu x Tng hp cỏc nguyờn nhõn gõp suy hao trờn v loi tr suy hao un cong, ta cú c c tuyn suy hao ca si quang theo tn s (bc súng) cú vựng cú bc song suy hao thp ú l ti 850, 1300, 1550nm õy cũn c gi l ca s suy hao thp - 1550nm suy hao nh, dung cho liờn tnh - 1300nm suy hao va, dung cho ni tnh - 850nm suy hao ln, dung ngnh cụng nghip in t - - *Tỏn sc si quang: khỏi nim, cỏc loi tỏn sc v nh hng *Tỏn sc si quang: l hin tng cỏc thnh phn ca xung tớn hiu lan truyn si quang vi khong thi gian khỏc dn n dón xung ti u thu *nh hng: i vi tớn hiu tng t: mộo dng tớn hiu i vi tớn hiu s: cỏc xung chng lờn dn n thu li Trong thụng tin quang s, tỏn sc gõy dón rng cỏc xung quang v khin cỏc xung lõn cn cú th chng chp lờn Kt qu l biờn ca cỏc xung ỏnh sỏng s b sai lch *H s tỏn sc: n v : ps/nm/km í ngha ca n v ny nh sau : Vi mt si quang cú h s tỏn sc X ps/nm/km, nu ta truyn u phỏt hai bc súng cú khong cỏch vi nm, ú vi mi km truyn qua, hai bc súng ny s gión cỏch v mt thi gian *Cỏc loi tỏn sc : Tỏn sc mode Tỏn sc tc nhúm: gm tỏn sc vt liu v tỏn sc ng dón súng Tỏn sc mode phõn cc Cõu 4: B phỏt quang: *S v chc nng: D liu t ngun phỏt bờn ngoi c a vo b phỏt quang thụng qua n v bin i d liu nh tớn 10 + PD chuyn cụng sut ỏnh sỏng nhn c t LD thnh dũng tỏch quang + Nu cụng sut phỏt thay i (ln hoc nh hn giỏ tr danh nh) thỡ dũng tỏch quang s thay i + S thay i ca dũng tỏch quang s c a tr li iu chnh mch thiờn ỏp v mch AGC n nh cụng sut phỏt - Nguyờn lý n nh nhit : +Khi nhit LD thay i s lm in tr nhit gn LD thay i, dn n giỏ tr dũng in giỏm sỏt nhit a v mch n nh nhit thay i + LD c gn trờn b phn lm mỏt Peltier, mch n nh nhờt s iốu khin thay i nhit ca b phn Peltier dn n n nh c nhit cho LD 59 Cõu hi 3.11: Trỡnh by nguyờn nhõn gõy nhiu n b thu quang v xỏc nh t s SNR ti u b thu trng hp b gii hn bi nhiu n - Nguyờn nhõn: quỏ trỡnh lng t húa in tớch thnh cỏc ht q hoc tng ng vi quỏ trỡnh lng t húa nng lng ỏnh sỏng thnh cỏc ht photon - T s SNR SNR== ú: R l ỏp ng ca diode thu quang, Pin l cụng sut vo, q l in tớch ca in t, l hiu sut lng t, l bng tn ca b thu quang Cõu hi 3.12: Trỡnh by nguyờn nhõn gõy nhiu nhit b thu quang v xỏc nh t s SNR ti u b thu trng hp b gii hn bi nhiu nhit - Trong Photodiode luụn tn ti: in tr lp chn v in tr ti Nhiu nhit ca Photodiode l nhiu xut hin in tr lp chn, in tr ti, chuyn ng nhit ca cỏc in t in tr to - T s SNR: SNR= ú: R l ỏp ng ca diode thu quang, Pin l cụng sut vo, q l in tớch ca in t, l hiu sut lng t, l bng tn ca b thu quang, l in tr ti, T l nhit tuyt i, Fn h s nhiu 60 Cõu hi 3.15: Xột mt APD InGaAs cú h s nhiu tri x 0,7 v c phõn cc cú h s nhõn M = 10 Bit dũng ti khụng c nhõn thỏc Id = 10 nA v rng bng tn hot ng l 700 MHz Hóy xỏc nh: a/ Dũng nhiu APD khụng cú tớn hiu quang b/ Mc cụng sut quang ti thiu t SNR bng 10 dB bit ỏp ng ti M = l 0,8 A/W v gi thit khụng xột nhiu nhit 61 cõu hi im : Cõu hi 4.1: Trỡnh by cu to v nguyờn lý phỏt quang ca LED cu trỳc d th kộp Nguyờn lớ phỏt quang + in trng ngoi kớch thớch in t nhy t vựng nng lng E1 lờn E2 xy hin tng o mt + in t i t vựng n vo vựng tớch cc tỏi kt hp vi l trng (tr v mc nng lng E1) v phỏt photon + Phỏt x t phỏt nh sỏng LED phỏt l ỏnh sỏng khụng kt hp + Photon ỏnh sỏng cú bc súng: E = E2 E1 = h.f = h.c/ + Bc súng phỏt ph thuc vt liu bỏn dn + Vỡ E1 v E2 l di nng lng nờn ỏnh sỏng phỏt gm nhiu bc súng khỏc 62 Cõu hi 4.2: Trỡnh by cu to v nguyờn lý tỏch súng quang ca photodiode PIN Cu to : Nguyờn tc bin i quang-in ca PINPhotodiode da vo nguyờn lý bin i quang-in ca lp tip giỏp p-n c phõn cc ngc Do ú, cu to ca PIN-Photodiode ch yu da trờn tip giỏp p-n gm bỏn dn loi tt l P+ v N+ Tuy nhiờn, cú th hot ng ti cỏc bc súng di m ti ú ỏnh sỏng thõm nhp sõu hn vo vt liu bỏn dn thỡ in tớch khụng gian rng l rt cn thit thc hin iu ú, ngi ta thờm vo gia tip giỏp p-n mt lp mng bỏn dn yu loi n hay mt lp t dn I (Intrisic) + Trờn b mt ca lp bỏn dn P l mt in cc vũng ( gia cho ỏnh sỏng thõm nhp vo I) ng thi trờn lp bỏn dn P+ cú ph mt lp mng cht chng phn x trỏnh tn hao ỏnh sỏng vo in ỏp phõn cc ngc cho photodiode khụng cú dũng in (ch cú th cú mt dũng ngc rt nh, gi l dũng in ti) nguyờn lớ tỏch súng quang : 63 Khi cha cú ỏnh sỏng chiu vo, mch ch cú dũng ti ( dũng rũ PD gõy ra) cú giỏ tr nh Khi cú ỏnh sỏng chiu vo : o photon ỏnh sỏng b hp th to thnh cp in t - l trng o Cỏc cp in t - l trng to lp p v n hu nh khụng tham gia to dũng in o Cỏc cp in t - l trng to vựng nghốo di tỏc dng ca in trng ngoi chuyn ng mch ngoi to thnh dũng tỏch quang o in ỏp trờn ti Ura = I.RL Cõu hi 4.3: Trỡnh by cu to v nguyờn lý tỏch súng quang ca photodiode thỏc APD Cu to : Gm lp b sung thờm lp bỏn dn gia lp i v n+ to cựng thỏc, trung in trng cng ln + in trng cao vựng tip giỏp p-n vựng nhõn APD cũn cú mt lp bỏn dn yu P c xen gia lp I v lp N+ Bờn trỏi lp I 64 b gii hn bi lp P+, cũn bờn phi lp I b gii hn bi tip giỏp PN+ in ỏp phõn cc ngc t vo APD rt ln, ti hng trm vụn Trong vựng I, in trng tng chm, nhng tip giỏp PN+ in trng tng rt nhanh Lp tip giỏp PN+ gi l thỏc, õy xy quỏ trỡnh nhõn in t Nguyờn lớ tỏch súng quang Khi cha cú ỏnh sỏng chiu vo : mch ch cú dũng ti ( dũng rũ PD gõy ra) cú giỏ tr nh Khi cú ỏnh sỏng chiu vo : o photon ỏnh sỏng b hp th to thnh cp in t - l trng o Cỏc cp in t - l trng to lp p v n hu nh khụng tham gia to dũng in o in t, l trng to vựng tớch cc (i): in t chuyn ng v phớa n, l trng chuyn ng v phớa p in t i ngoi sang phớa p v to thnh dũng in mch ( dũng tỏch quang) Nguyờn lý bi : + o in t, l trng to i qua tip giỏp p-n s c gia tc, chỳng cú ng nng ln chỳng s va p vi cỏc nguyờn t v to cỏc cp in t , l trng mi h s bi : M = Ibi/IPIN 65 Cõu hi 4.5: Trỡnh by cỏc loi nhiu b thu quang Nhiu lng t Khỏi nim :Do quỏ trỡnh ion húa l quỏ trỡnh ngu nhiờn Cụng thc : Nhiu dũng ti Khỏi nim :Do dũng rũ ca PD gõy Cụng thc : Nhiu ỏnh sỏng nn Khỏi nim :Do cụng sut ỏnh sỏng nn PE gõy Cụng thc : Nhiu nhit Khỏi nim :Do cụng sut ỏnh sỏng nn PE gõy Cụng thc : 66 Cõu hi 4.6: V cu trỳc v trỡnh by nguyờn lý hot ng ca Laser bỏn dn cú khoang cng hng Fabry-Perot Cu to : - - - - Cu trỳc c bn ca LD gm nhiu lp bỏn dn khụng ng nht to thnh cu trỳc d th kộp v c cu to di dng khoang cng hng Fabry Perot Khoang cng hng l mt hỡnh hp ch nht sỏu mt cú kh nng giam hóm photon v cỏc ht ti in Khoang cng hng cú kớch thc rt nh, di t 250 n 500 àm, rng t n 15 àm v dy t 0,1 n 0,2 àm Hai tip giỏp d th kộp nm phớa di v phớa trờn lp hot tớnh v chit sut ca hai lp hn ch nh hn chit sut lp hot tớnh ó to kh nng giam hóm photon v ht ti in theo chiu ngang b sung kh nng giam hóm ca hai mt bờn thỡ cnh hc c ct nhỏm Cũn ti hai cnh theo chiu dc ca khoang s t hai gng cú mt phn x quay vo võy ly khoang cng hng 67 Hai gng ny cú phn x rt cao, lờn ti 99% lm gim rng ph Nguyờn lớ hot ng + LD l mt ngun t kớch, cng nh cỏc mỏy phỏt súng in t thụng thng LD cú: Mụi trng khuch i ST: mụi trng nghich o nng bng cỏch bm dũng in(phõn cc thun cho LD) Hi tip dng:c to nh gng phn x + Khoang cng hng: Ch cú súng tha iu kin cng hng thỡ mi c khuch i iu kin cng hng: súng ti v súng phn x ng pha m = 2.nL/m (m: s nguyờn, n chit sut ) Khong cỏch gia hai mode súng k nhau: = m - m+1 + Photon ỏnh sỏng c to vựng tớch cc, quỏ trỡnh chuyn ng nú s kớch thớch cho cỏc in t ang trng thỏi kớch thớch nhy tr v mc nng lng thp v phỏt x photon ỏnh sỏng(phỏt x kớch thớch) + Khi ỏnh sỏng ti hai gng phn x mt phn nng lng ỏnh sỏng s i ngoi, phn cũn li phn x tr li v tip tc to hin tng phỏt x kớch thớch + ỏnh sỏng LD phỏt l ỏnh sỏng kt hp - 68 Cõu hi 4.7: Trỡnh by cỏc nguyờn nhõn chớnh gõy suy hao v v c tớnh suy hao ca si n mode tiờu chun - Khỏi nim suy hao si quang: + Khi ỏnh sỏng lan truyn si quang, cụng sut ỏnh sỏng gim dn - Cỏc nguyờn nhõn gõy suy hao: + Suy hao hp th o Suy hao vt liu ch to si quang (SiO 2) hp th ỏnh sỏng + + o Suy hao cht: ion kim loi (Fe , Cu ) v ion OHo Suy hao hp th IF, hp thu UV + Suy hao tỏn x o Tỏn x Rayleigh: cỏc khim khuyt rt nh quỏ trỡnh ch to o Suy hao ng kớnh lừi thay i, un cong - c tớnh suy hao si n mode chun Nhn xột c tuyn: giỏ tr suy hao ph thuc bc súng, vựng ca s cú bc súng suy hao thp l 850nm, 1310nm v 1550nm 69 BI TP BI 1: Tớnh khu s ca si quang SI cú cỏc tham s nh sau (gi thit si quang cú ng kớnh lừi ln cú th ỏp dng lý thuyt tia tớnh): - Chit sut lừi: 1,5 - Chit sut v phn x: 1,47 Tr li: NA===0,299 Cho si quang cú cỏc tham s sau: h s mt ct chit sut (g) = 2; ng kớnh lừi (2a) = 50 àm; khu s (NA) = 0,2 ti = àm Tớnh toỏn s mode lan truyn si Tr li: S lng mode truyn l: N= Ta li cú: NA=n1= Suy ra: N= = ==247 (mode) 70 BI 2: Tớnh bc súng ct ca si quang SI cú cỏc tham s nh sau: - Chit sut lừi si: 1,46 - Bỏn kớnh lừi: 4,5àm - lch chit sut tng i: 0,25% Tr li: , a= 4,5 m , = 1,46 , Vcut =2,405 = =1,21(m) BI 3: Tớnh tr v thi gian gia mode nhanh nht v mode chm nht ti u ca mt tuyn thụng tin quang di km cú cỏc thụng s si quang nh sau: - Chit sut lừi: 1,5 - lch chit sut tng i: 1% Tr li: Ta cú: n2=1,49 -7 =3,02x10 (s) Tớnh h s suy hao ca si quang (theo dB/km), bit: - Cụng sut ti u vo si: 10 mW - Cụng sut ti u si: 0,1mW - C ly truyn dn: 100 km Tr li: Pin=10mW = 10log(10) = 10 (dB) Pout = 0,1mW = 10log(0,1)= -10 (dB) = (dB/km) BI 4: InGaAs cú nng lng di cm l 1,43 eV Xỏc nh bc súng m bc súng ca tớn hiu quang n ln hn bc súng ny thỡ photodiode ch to t vt liu ú ngng hot ng Tr li: 71 Eg=1,43 eV Ta cú Eg= = = = 8,69x10-7(m) = 0,869 (m) BI 5: Mt photodiode cú hiu sut lng t l 65% photon cú nng lng l 1,5ì10-19J i n nú Xỏc nh bc súng hot ng ca photodiode - Tớnh toỏn cụng sut quang n yờu cu t c dũng photon l 2,5àA vi photodiode trờn Tr li: BI 6: Mt photodiode PIN, trung bỡnh c photon n ti bc súng 0,8 àm thỡ to cp in t-l trng Gi thit rng, tt c cỏc in t ny u c i n mch ngoi Tớnh: - Hiu sut lng t ca thit b - Nng lng di cm ln nht cú th ca vt liu bỏn dn ch to photodiode - Giỏ tr dũng photo trung bỡnh to cụng sut quang thu c l 10-7W - S photon tng ng to ti bc súng ú BI 7: Mt photodiode PIN, cú hiu sut lng t l 50% ti bc súng 0,9 àm Tớnh: - ỏp ng ti bc súng 0,9 àm - Cụng sut quang thu c nu dũng photo trung bỡnh thu c l 10-6A - S photon tng ng thu c ti bc súng ú - 72 BI 8: Mt photodiode APD, cú hiu sut lng t l 80% ti bc súng 0,9 àm Khi cú AS n cú cụng sut l 0,5 àW, nú to dũng photon 11àA (sau quỏ trỡnh nhõn) Xỏc nh h s nhõn ca thit b BI 9: B thu quang s dng photodiode p-i-n Si cú hiu sut lng t 60% hot ng ti bc súng 0,9 àm Dũng ti ca thit b ti im lm vic l nA v in tr ti l k Cụng sut quang n ti bc súng ny l 200nW v bng tn nhiu hiu dng ca b thu l 5MHz - So sỏnh nhiu n to photodiode vi nhiu nhit in tr ti ti nhit 20oC - Tớnh SNR ti u ca b thu vi h s nhiu khuch i (Fn) l dB BI 10: B thu quang s dng APD Si (x=0,3) cú bng tn nhiu hiu dng l 50MHz, in tr ti l 600 Dũng photo trung bỡnh c to trc khuch i (nhõn) l 10-7 A; nhit ca b thu l 18O C Xỏc nh SNR M=1 v M=Mopt (B qua nh hng ca dũng ti v Fn=1) 73