Giáo trình Thông tin quang: Phần 2 - CĐ Kỹ Thuật Cao Thắng

(NB) Giáo trình Thông tin quang: Phần 2 gồm có 3 chương tiếp phần 1 gồm các nội dung chính được trình bày như sau: Bộ thu quang; Khuyếch đại quang; Hệ thống thông tin quang. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung của giáo trình.

CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG CHƯƠNG BỘ THU QUANG Bộ thu có chức nhận tín hiệu quang, chuyến tín hiệu quang thành điện, xử lý khơi phục dạng tín hiệu Trong chương trình cấu trúc tổng quát thu quang số, mạch tiền khuếch đại, khảo sát nhiễu thu quang, đánh giá chất lượng hệ thống quang 4.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 4.1.1 Độ đáp ứng phần tử chuyển đổi quang - điện Photodiode cần phải có tốc độ đáp ứng nhanh để hoạt động với tín hiệu tốc độ cao Nếu ngõ photodiode không theo kịp với thay đổi dạng tín hiệu quang ngõ vào dạng xung ngõ bị méo.Điều ảnh hưởng đến chất lượng tuyến lỗi bit Tốc độ đáp ứng photodiode đo theo thời gian lên tín hiệu ngõ ra, từ 10% đến 90% giá trị đỉnh tín hiệu ngõ ngõ vào photodiode chuyển sang vừa chuyển trạng thái on Tương tự tín hiệu ngõ chuyển xuống từ 90% đến 10% giá trị đỉnh, gọi thời giang xuống Thời gian lên thời gian xuống minh họa hình 4.1 Thời gian lên thời gian xuống phụ thuộc vào nhân tố mức độ hấp thụ ánh sáng sóng đó, độ rộng vùng hiếm, thay đổi giá trị điện dung, thay đổi giá trị điện trở photodiode Hình 4.1 Đáp ứng photodiode với xung ánh sáng biểu diễn thời gian lên 10 % đến 90% thời gian xuống 90% đến 10% 45 CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG 4.1.2 Thời gian đáp ứng phần tử chuyển đổi quang - điện Tốc độ đáp ứng hay băng thông photodiode phụ thuộc vào ba yếu tố: thời gian vượt khỏi vùng (gọi thời gian trôi) hạt mang điện tạo từ photon tới vùng này, đáp ứng tần số xác định thời RC (phụ thuộc vào điện dung diode), khuếch tán hạt mang điện khỏi vùng Thời gian hạt mang điện vượt khỏi vùng có chiều dài w xác định theo biểu thức sau: (4.1) Với vd vận tốc trôi hạt mang điện w nhỏ τt nhỏ bị giới hạn đến thời gian trơi Ngược lại, w nhỏ làm giới hạn hiệu suất lượng tử Chúng ta xét ví dụ photodiode PIN Si có độ rộng lớp I 20µm, vận tốc trơi hạt electron 105m/s Do đó, thời gian để vượt qua vùng I 200ps Còn vật liệu chế tạo PIN InGaAs có độ rộng lớp I 5µm thời gian trơi 50ps Các giá trị tính tương ứng với thời gian chuyên lên photodiode Bên cạnh đó, điện dung photodiode đóng vai trò đáng kể Nếu diện tích diode A vùng có độ rộng w điện dung mối nối là: Trong ε số điện mơi chất bán dẫn Trong mạch hình 4.1, tốc độ đáp ứng xác định thời RC Do thời gian lên (10%-90%) là: (4.2) Trong công thức trên, giảm w để giảm thời gian trơi làm tăng thời gian lên điện dung Chúng ta cân hai đại lượng cách giảm điện trở RL Băng thông photodiode xác định RL Cd sau: (4.3) Rõ ràng để có thời gian lên nhỏ, photodiode phải có diện tích A nhỏ, độ rộng vùng w lớn điện trở tải RL nhỏ 4.2 CÁC PHẦN TỬ CHUYỂN ĐỔI QUANG - ĐIỆN BÁN DẪN 4.2.1 Photodiode p - n Photodiode P-N mối nối P-N hoạt động chế độ dòng phân cực ngược, minh họa hình 4.1 Ánh sáng tới phải lọt vào vùng mối nối P-N Ánh sáng hấp thụ vùng phân phối lượng cho vật liệu Nếu lượng hấp thụ đủ lớn cặp điển tử -lỗ trống tạo Sự phân cực ngược mối nối P-N tạo điện trường lớn vùng hiếm, điện trường làm cho cặp điện tử-lỗ trống di chuyển khỏi vùng mạch tạo 46 CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG thành dòng điện Dòng điện say qua điện trở tải RL để chuyển thành điện áp Vout Tín hiệu qua tần để xử lý Số lượng cặp điện tử-lỗ trống tạo giây phụ thuộc tuyến tính với cơng suất trường ánh sáng tới, cường độ dòng điện mạch ngồi tỉ lệ với cơng suất ánh sáng tới Hình 4.2 Sơ đồ photodiode P-N 4.2.2 Photodiode PIN Cấu tạo diode PIN gồm ba lớp bán dẫn, lớp I (Intrinsic) lớp bán dẫn không pha tạp chất pha tạp chất nên khơng có điện tử tự nên có diện trở lớn Và lớp nằm hai lớp P N Lớp I đóng vai trò giống vùng mối nối P-N có chiều dài lớn nhằm tăng hiệu suất hấp thụ photon tới Hình 4.3 Sự phân bố lượng điện trường lớp bán dẫn PIN Bởi lớp I rộng nên xác suất tiếp nhận photon lớp cao hấp thụ photon lớp nhiều so với hai lớp P N Như lớp I dày hiệu suất lượng tử cao Tuy nhiên thời gian trơi điện tử lớn 47 CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG nên làm giảm khả hoạt động tốc độ cao PIN Khả thâm nhập ánh sáng phụ thuộc vào bề dày lớp P Ánh sáng có bước sóng dài dễ thâm nhập vào bán dẫn Ví dụ: Hãy xác định cơng suất nhỏ phát PIN diode, có R = 2Ohm ID =1nA Giả sử phân biệt diện cơng suất quang dòng tín hiệu tạo với dòng tối Do đó: P = I2p.R = 2nW 4.2.3 Photodiode APD APD tách sóng mối nối bán dẫn, có độ lợi nội (internal gain) độ lợi nội làm tăng đáp ứng so với PN photodiode hay PIN photodiode Người ta chế tạo ADP gồm bốn lớp: P+ π P N+ P+ N+ hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao, nên điện trở hai vùng nhỏ, áp rơi nhỏ Π vùng có nồng độ tạp chất gần tinh khiết Nó giống lớp I PIN Hầu tất photon bị hấp thu vùng này, tạo cặp lỗ trống - điện tử tự Hình 4.4 Sự phân bố lượng điện trường lớp bán dẫn Sự nhân dòng theo chế thác lũ diễn sau: Dưới tác dụng nguồn phân cực ngược, phân bố cường độ điện trường lớp bán dẫn hình 4.4 Trong trường vùng tiếp giáp PN+ cao nhất, q trình nhân điện tử xảy vùng Vùng gọi vùng “thác lũ” Khi có ánh sáng chiếu vào, photon bị hấp thụ lớp π, tạo cặp e-p (electron-lỗ trống) Dưới định hướng điện trường ngoài, lỗ trống di chuyển phía P+ (nối cực âm nguồn) điện tử di chuyển phía tiếp giáp PN+ Điện trường cao vùng tiếp giáp PN+ tăng tốc cho điện tử Khi điện tử đập vào nguyên tử tinh thể bàn dẫn tạo thêm cặp điện tử lỗ trống Những hạt mang điện gọi hạt mang điện thứ cấp (secondary charge) Những hạt mang điện thứ cấp thân 48 CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG tăng tốc tạo nhiều hạn mang điện thứ cấp khác Quá trình tiếp diễn số lượng hạt mang điện tạo nhiều Quá trình gọi trình nhân thác lũ 4.3 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG Trong đặc tính kỹ thuật chất lượng nhiễu thu quang, người ta thường sử dụng tỉ số tín hiệu nhiễu SNR (signal-to-noise) Tín hiệu cơng suất tín hiệu, nhiễu cơng suất nhiễu, hai đại lượng giả sử dòng chúng chảy giá trị điện trở chuẩn SNR biểu diễn sau: (4.4) 4.3.1 Nhiễu nổ Nhiễu nổ tạo thực tế dòng photon tạo bao gồm hạt mang điện tạo cách ngẫu nhiên theo thời gian Tính thống kê trình ngẫu nhiên tuân theo luật phân bố Poisson Như vậy, công suất quang đến thu khơng đổi dòng photo tạo sau: Với Ip=RPin dòng trung bình is(t) thăng giáng dòng nhiễu nổ gây Về mặt tốn học, is(t) q trình ngẫu nhiên dừng tuân theo luật thống kê Poisson (thường xấp xỉ luật thống kê Gauss) Hàm tự tương quan is(t) mật độ phổ công suất Ss(f) quan hệ với theo định lý Weiner-Khinchin sau: Mật độ phổ công suất nhiễu nổ Ss(f) số Ss(f)=qIp Lưu ý rằng, Ss(f) độ phổ cơng suất phía (bao gồm thành phần tần số âm) Nếu xét đến thành phần tần số dương, mật độ phổ công suất phía 2qIp Thay vào phương trình ta có phương sai nhiễu nổ tính theo công thức sau: Với ∆f băng tần nhiễu hiệu dụng thu Giá trị xác ∆f phụ thuộc vào thiết kế thu Vì dòng tối Id tạo nhiễu nổ Nên ta thay Ip Ip+Id phương sai nhiễu nổ tổng tính theo cơng thức sau: (4.5) Giá trị giá trị hiệu dụng (rms) dòng nhiễu tạo nhiễu nổ 49 CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG 4.3.2 Nhiễu nhiệt Nhiễu nhiệt sinh chuyển động nhiệt ngẫu nhiên điện tử bên điện trở tải gây nên thăng giáng dòng Nhiễu gọi nhiễu Nyquist hay nhiễu Johnson Với đóng góp nhiễu nhiệt, phương trình viết lại sau: Với iT(t) thăng giáng dòng nhiễu nhiệt gây ra.Về mặt tốn học, nhiễu nhiệt coi trình ngẫu nhiên dừng tuân theo luật phân bố Gauss với mật độ phổ không phụ thuộc vào tần số f lên đến 1THz (gần giống nhiễu trắng) tính theo cơng thức sau: Với kB số Bolzman, T nhiệt độ tuyệt đối, RL điện trở tải Cũng giống nhiễu nổ, ST(f) mật độ phổ hai phía Hàm tự tương quan iT(t) tính theo cơng thức, ta thay is(t) công thức iT(t) Thay vào phương trình ta có phương sai nhiễu nhiệt tính theo cơng thức sau: Với ∆f băng tần nhiễu hiệu dụng thu Lưu ý rằng, khác với phương sai nhiễu nổ, phương sai nhiễu nhiệt không phụ thuộc vào dòng trung bình Ip Phương trình tính đến nhiễu nhiệt tạo điện trở tải Mạch thu, thực tế gồm nhiều phần tử điện khác Các thành phần góp phần tạo nhiễu Để đơn giản, người ta đưa thêm vào công thức, hệ số nhiễu khuếch đại, viết lại sau: (4.6) Vì is(t)và iT(t) trình ngẫu nhiên độc lập gần đùng q trình ngẫu nhiên Gauss nên phương sai nhiễu tổng (bao gồm nhiễu nổ nhiễu nhiệt) tính theo cơng thức sau: (4.7) BÀI TẬP CHƯƠNG Câu 1: Các đặc tính độ đáp ứng thời gian đáp ứng ảnh hưởng đến tính thu quang nào? Câu 2: Trình bày cấu trúc phần tử thu quang Photodiode P-N 50 CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG Câu 3: Trình bày cấu trúc phần tử thu quang Photodiode PIN APD Câu 4: Hãy so sánh đặc tính chuyển đổi quang-điện Photodiode sử dụng thu quang? Câu 5: Nhiễu có tác động thu quang? Câu 6: So sánh tác động loại nhiễu nổ nhiễu nhiệt Câu 7: Hãy xác định công suất nhỏ phát PIN diode, có R = 1Ohm ID =3nA Câu 8: Hãy xác định cơng suất nhỏ phát APD diode, có R = 0.5Ohm ID =2nA Câu 9: Hãy xác định dòng phát PIN diode, có R = 1Ohm PD =10nW Câu 10: Cho vận tốc trôi Vd=105 m/s, độ rộng W=200ps Xác định thời gian vượt qua vùng 51 CHƯƠNG 5: KHUYẾCH ĐẠI QUANG CHƯƠNG KHUYẾCH ĐẠI QUANG Trang bị cho sinh viên: Kiến thức khuếch đại quang 5.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 5.1.1 Phổ độ rộng băng tần khuếch đại quang Phổ độ lợi EDFA trình bày hình tính chất quan trọng EDFA xác định kênh tín hiệu khuếch đại hệ thống WDM Hình dạng phổ khuếch đại phụ thuộc vào chất sợi quang, loại tạp chất (Ge, Al) nồng độ tạp chất pha lõi sợi quang Hình 5.1 cho thấy phổ độ lợi EDFA có lõi pha Ge rộng Tuy nhiên, phổ độ lợi không phẳng Điều dẫn đến việc hệ số khuếch đại khác bước sóng khác Nếu độ lợi kênh tín hiệu khơng đồng nhất, sau qua nhiều tầng EDFA, sai số độ lợi tích luỹ tuyến tính đến mức tới đầu thu kênh bước sóng có độ lợi cao làm cho đầu vào máy thu tải Ngược lại, kênh tín hiệu có độ lợi nhỏ tỉ số SNR không đạt yêu cầu Sự làm phẳng độ lợi cần thiết để loại bỏ khuếch đại méo tín hiệu qua EDFA đường truyền ghép tầng Hình 5.1 Phổ hấp thụ (absorption spectrum) phổ độ lợi (gain spectrum) EDFA có lõi pha Ge Một số biện pháp sử dụng để khắc phục không phẳng phổ độ lợi: 52 CHƯƠNG 5: KHUYẾCH ĐẠI QUANG + Chọn lựa bước sóng có độ lợi gần WDM làm việc dải sóng băng C (1530 - 1565 nm) Trong dải bước sóng chọn 40 bước sóng làm bước sóng cơng tác WDM Các bước sóng có độ lợi gần + Công nghệ cân độ lợi: dùng cân (equalizer) hấp thụ bớt công suất bước sóng có độ lợi lớn khuếch tăng cơng suất bước sóng có độ lợi nhỏ + Thay đổi thành phần trộn sợi quang: dùng sợi quang trộn thêm nhôm, photpho nhôm hay flo với erbium tạo nên khuếch đại có băng tần mở rộng phổ khuếch đại phẳng Ngoài ra, phổ độ lợi EDFA phụ thuộc vào chiều dài sợi EDF Lý trạng thái nghịch đảo nồng độ thay đổi dọc theo chiều dài sợi quang công suất bơm thay đổi Bộ khuếch đại EDFA hoạt động băng C (1530-1565 nm) Tuy nhiên, độ lợi sợi pha tạp có trải rộng đến khoảng 1605 nm Điều kích thích phát triển hệ thống hoạt động băng L từ 1565 đến 1625 nm Nguyên lý hoạt động EDFA băng L giống EDFA băng C Tuy nhiên, có khác việc thiết kế EDFA cho băng C băng L Các phần tử bên khuếch đại quang cách ly (isolator) ghép (coupler) phụ thuộc vào bước sóng nên chúng khác băng C băng L Sự so sánh tính chất EDFA băng C băng L thể bảng 5.1 Bảng 5.1 Bảng so sánh EDFA hoạt động băng C băng L Tính chất Băng C Băng L Độ lợi Phổ độ lợi Nhiễu ASE Cao Nhỏ khoảng lần Ít phẳng Bằng phẳng Thấp Cao Hình 5.2 Cấu hình khuếch băng L làm phẳng độ lợi khoảng bước sóng 1570nm - 1610nm với thiết kế hai tầng 53 CHƯƠNG 5: KHUYẾCH ĐẠI QUANG Hình 5.2 trình bày cấu trúc khuếch đại băng L làm phẳng độ lợi khoảng bước sóng 1570nm - 1610nm với thiết kế hai tầng [3] Tầng bơm bước sóng 980nm hoạt động EDFA truyền thống (sợi quang dài 20 30nm) có khả cung cấp độ lợi khoảng bước sóng 1530 - 1570 nm Ngược lại, tầng thứ hai có sợi quang dài 200m bơm hai chiều sử dụng laser 1480nm Một isolator đặt hai tầng cho phép nhiễu ASE truyền từ tầng thứ sang tầng thứ ngăn ASE truyền ngược tầng thứ Với cấu trúc nối tiếp vậy, khuếch đại hai tầng cung cấp độ lợi phẳng vùng băng thông rộng trì mức nhiễu thấp 5.1.2 Nhiễu khuếch đại quang Giống khuếch đại điện, khuếch đại quang tạo nhiễu Nguồn nhiễu khuếch đại quang phát xạ tự phát Vì phát xạ tự phát kiện ngẫu nhiên, pha photon phát xạ tự phát ngẫu nhiên Nếu photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyền photon tín hiệu, chúng tương tác với photon tín hiệu gây nên dao động pha biên độ Bên cạnh đó, lượng phát xạ tự phát tạo khuếch đại chúng truyền qua khuếch đại phía ngõ Do đó, ngõ khuếch đại cơng suất quang thu Pout bao gồm công suất tín hiệu khuếch đại cơng suất nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission) Pout = G.Pin + PASE (5.1) Ảnh hưởng nhiễu khuếch quang biểu diễn hệ số nhiễu NF (Noise Figure), mô tả suy giảm tỷ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) nhiễu khuếch đại thêm vào Hệ số NF cho công thức sau: (5.2) Trong đó, SNRin, SNRout tỷ số tín hiệu nhiễu ngõ vào ngõ khuếch đại Hệ số nhiễu NF khuếch đại nhỏ tốt Giá trị nhỏ NF đạt 3dB Những khuếch đại thỏa mãn hệ số nhiễu tối thiếu gọi hoạt động giới hạn lượng tử Ngoài bốn thơng số kỹ thuật nêu trên, khuếch đại quang đánh giá dựa thông số sau: + Độ nhạy phân cực (Polarization sensitivity) phụ thuộc độ lợi khuếch đại vào phân cực tín hiệu + Ảnh hưởng nhiệt độ độ lợi băng thông độ lợi + Xuyên nhiễu (crosstalk) 5.1.3 Ứng dụng khuếch đại quang Khuếch đại quang ứng dụng các hệ thống truyền dẫn quang khuếch đại nhằm làm tăng công suất tín hiệu quang đường truyền, khắc phục suy hao sợi quang mối hàn, nối xảy đường truyền Tùy theo vị trí lắp đặt, khuếch đại tuyến truyền dẫn quang chia làm ba loại: 54 CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG khơng ~ 1ps/(nm.km) Nhìn chung, hệ thống bị giới hạn suy hao tốc độ bit lên đến 1Gb/s bị giới hạn tán sắc tốc độ bit cao Với hệ thống sử dụng sợi đơn mode hoạt động vùng bước sóng 1,55μm: Các hệ thống thơng tin quang thê hệ thứ thứ hoạt động vùng 1,55μm, vùng có suy hao nhỏ Tuy nhiên,với với sợi quang đơn mode chuẩn, vùng tán sắc lớn (~ 16 ps/nm.km) Để khắc phục vấn đề cần sử dụng laser bán dẫn đơn mode dọc 6.2.2 Các nguồn bù công suất thiết kế hệ thống thông tin quang Độ nhạy máy thu quang hệ thống thông tin quang bị ảnh hưởng số tượng vật lý mà kết hợp với sợi tán sắc sợi quang làm suy giảm SNR mạch định mạch thu Các tượng làm suy giảm độ nhạy thu là: nhiễu mode, dãn xung tán sắc giao thao ký tự, nhiễu cạnh tranh mode, chirp tần số, nhiễu phản xạ Trong phần xem xét chất lượnghệ thống bị ảnh hưởng tán sắc sợi quang có xét đến thiệt thòi cơng suất tượng gây Bù công suất nhiễu mode: Nhiễu mode xuất hệ thống sử dụng sợi quang đa mode Nguồn gốc nhiễu mode tóm lược sau Sự giao thoa mode lan truyền sợi quang đa mode tạo mẫu Sparkle tách sóng quang Sự không đồng phân bố cường độ mẫu Sparklekhông ảnh hưởng tới chất lượng thu chất lượng thu liên quan đến tổng cơng suất quang đến thu,tuy nhiên mẫu Sparkle dao động theo thời gian, dẫn đến dao động cơng suất thu làm giảm SNR Sự dao động gọi nhiễu mode Hình 6.8 Công suất giảm nhiễu mode Nhiễu mode xảy sợi đa mode dao động học vi uốn Ngoài ra, mối hàn connector hoạt động lọc không gian.Bất kỳ thay đổi theo thời gian lọc chuyển thành dao động mẫu sparkle làm tăng nhiễu mode Nhiễu mode bị ảnh hưởng nhiều độ rộng phổ 67 CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG nguồn quang Δν độ giao thoa mode xuất thời gian kết hợp (Tc≈ 1/Δν) lớn thời gian trễ ΔT Đối với máy phát sử dụng LED(Δν≈ 5THz) điều kiện khơng thỏa mãn Phần lớn hệ thống thông tin quang sử dụng sợi đa mode sử dụng nguồn quang LED để giảm nhiễu mode Nhiễu mode trở nên nghiêm trọng sử dụng nguồn quang laze bán dẫn với sợi quang đa mode Để đánh giá độ nhạy thu bị suy giảm nhiễu mode, người ta tính tốn BER có thêm ảnh hưởng nhiễu mode Nhiễu mode phụ thuộc phổ mode dọc lasẻ bán dẫn Dễ nhận thấy, mức độ thiệt thòi cơng suất giảm số lượng mode dọc tăng Nhiễu mode xuất hệ thống sử dụng sợi quang đơn mode hai connect hay mối hàn đoạn sợi ngắn Một mode bậc cao kích thích điểm sợi cáp bị gián đoạn (ví dụ mối hàn đầu tiên) sau chuyển đổi lại thành mode conector hay mối hàn thứ hai Vì sợi đơn mode, mode bậc cao truyền xa được, nên ảnh hưởng nhiễu mode loại bỏ đảm bảo khoảng cách mối hàn, connector lớn 2m Nói tóm lại, nhiễu mode khơng phải vấn đề đói với hệ thống thơng tin quang sử dụng sợi đơn mode hệ thống thiết kế cẩn thận Tham số M tổng số mode dọc mà cơng suất vượt 10% công suất đỉnh Bù công suất tán sắc: Việc sử dụng sợi đơn mode hệ thống thông tin quang giúp tránh gần hết vấn đề tán sắc mode nhiễu mode Tuy nhiên, tán sắc vận tốc nhóm giới hạn tích BL ảnh hưởng tán sắc làm xung bị dãn khỏi khe thời gian xung Bên cạnh đó, dãn xung tán sắc gây làm suy giảm độ nhạy thu Dãn xung tán sắc ảnh hưởng tới chất lượng thu theo hai cách sau: + Thứ nhất, phần lượng xung bị trải rộng khỏi khe bit gây giao thoa ký tự(ISI) Trong thực tế, hệ thống thiết kế để tối thiểu ảnh hưởng ISI + Thứ hai, lượng xung khe bit bị giảm xung quang bị dãn Điều làm giảm SNR mạch định Để trì chất lượng hệ thống, u cầu cơng suất trung bình đến thu phải lớn Đây nguồn gốc thiệt thòi cơng suất giãn xung gây (δd) + Việc tính tốn xác giá trị δd khó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ví dụ dạng xung thu Nếu xung có dạng Gauss, độ thiệt thòi cơng suất δd (tính theo dB) tính theo cơng thức sau: (6.8) Trong đó, fb hệ số dãn xung 68 CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG BÀI TẬP CHƯƠNG Câu 1: Nêu phần tử hệ thống thông tin quang tương tự Câu 2: Giải thích q trình điều chế laser tín hiệu tương tự Câu 3: Sự phụ thuộc tỉ số CNR vào mức công suất quang thu nào? Câu 4: Cho biết yêu cầu hệ thống nói chung cần thiết cho việc phân tích tuyến Câu 5: Trình bày phần tử hệ thống thông tin quang số Câu 6: So sánh công nghệ AON công nghệ PON Câu 7: Trình bày mối quan hệ tốc độ bit B cự ly truyền dẫn L Câu 8: Hệ thống thông tin quang bị giới hạn suy hao tán sắc nào? Câu 9: Trình bày giải pháp nguồn bù công suất thiết kế hệ thống thông tin quang Câu 10: Cho công suất phát trung bình Ptr 200W, độ nhạy thu Prec =135W suy hao trung bình sợi quang αf=0,4 dB/km Xác định khoảng cách truyền dẫn lớn Câu 11: Cho cơng suất phát trung bình Ptr 600W, độ nhạy thu Prec =300W suy hao trung bình sợi quang αf=0,2 dB/km Xác định khoảng cách truyền dẫn lớn 69 ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP TỔNG QUÁT VỀ HỌC PHẦN: Học phần THÔNG TIN QUANG (OPTICAL COMMUNICATION) trang bị cho người học kiến thức phần tử cấu thành hệ thống thông tin sợi quang; tham số, nguyên lý vận hành cấu hình mạng ứng dụng; thiết kế hệ thống giới thiệu phần kiến thức tổng hợp CHUẨN ĐẦU RA CỦA HỌC PHẦN: Người học kiểm tra đạt chuẩn đầu học phần sau: TT CHUẨN ĐẦU RA CỦA HỌC PHẦN (CĐR HP) CĐR CTĐT Nhận biết cấu tạo, ký hiệu hệ thống thơng tin quang 2,8 Giải thích phân tử thơng tin quang 2,8 Tính toán kiểm tra phân tử quang thơng tin quang 2,8 Phân tích hoạt động mạng thông tin quang 2,8 Thiết kế hệ thống thông tin quang 2,8 HƯỚNG DẪN CÁC ĐIỂM ƠN TẬP CHÍNH: Đây học phần chun ngành nên kiến thức vận dụng nhiều để giải thích tín hiệu quang q trình truyền dẫn tín hiệu quang thực tế Khi học chương, mục sinh viên cố gắng nắm bắt ý chính, xem ví dụ làm tập để từ phân tính hệ thống thơng tin quang thực tế Cụ thể chương: Chương 1: Khái quát tín hiệu quang truyền dẫn quang, ưu nhược điểm thông tin quang 70 Chương 2: Cấu tạo sợi quang, phân loại sợi quang để so sánh khác trình phân loại sợi quang Chương 3: Cấu trúc phát quang, giải thích phát quang so sánh loại phát quang Chương 4: Cấu trúc thu quang, giải thích thu quang phần tử chuyển đổi quang - điện thông dụng Chương 5: Cấu trức khuếch đại quang, giải thích khuếch đại quang Chương 6: So sánh loại hệ thống thông tin quang tương tự hệ thống thông tin quang số NỘI DUNG KIỂM TRA - ĐÁNH GIÁ: Bài kiểm tra số 1: Hình thức: Tự luận trắc nghiệm Nội dung: - Trình bày mơ hình hệ thống thơng tin sợi quang - Trình bày cấu tạo sợi quang - Tính tốn phát quang Bài kiểm tra số 2: Hình thức: Tự luận trắc nghiệm Nội dung: - Trình bày phần tử chuyển đổi quang – điện - Trình bày thu phát quang - Tính tốn thu quang 71 Bài kiểm tra số 3: Hình thức: Tự luận trắc nghiệm Nội dung: - Trình bày khuếch đại quang - Trình bày hệ thống thơng tin quang Bài thi kết thúc mơn học: Hình thức: Tự luận trắc nghiệm Nội dung: - Trình bày cấu tạo sợi quang, thu phát quang - Tính tốn thu phát quang - Trình bày khuếch đại quang hệ thống thơng tin quang CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP KIỂM TRA - ĐÁNH GIÁ: - Các ví dụ tập chương - Các câu hỏi trắc nghiệm tham khảo 72 CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM Câu 1: Sóng điện từ phẳng sóng A- Có phương truyền thẳng B - Có mặt đồng biên đồng pha mặt phẳng C- Có véc tơ phân cực nằm mặt phẳng D- Có véc tơ E, H nằm mặt phẳng Câu 2: Mặt sóng tập hợp điểm A- Có biên độ véc tơ E,H B- Có phân cực giống C- Có giá trị pha tức thời giống D- Đồng biên đồng pha Câu 3: Sóng điện từ ngang (TEM) sóng có A- Phương truyền ngang B- Mặt sóng vng góc với phương truyền sóng C- Véc tơ E,H vng góc D- Véc tơ E,H vng góc vng góc phương truyền Câu 4: Điều kiện chiết suất để truyền ánh sáng ống dẫn sóng điện mơi phẳng có ba lớp nc, nf, ns A- nf > ns > nc B- nf > ns = nc B- nf > nc > ns D- nf < ns < nc Câu 5: Điều kiện góc tới  để truyền ánh sáng ống dẫn sóng điện mơi phẳng có ba lớp A -  > s > c B- s >  > c c >  > s D-  < s = c C- Câu 6: Điều kiện đẻ tạo thành sóng đứng ngang ống dẫn sóng phẳng A- h.cos = B- h.cos = /4 C- h.cos = ( 2N + 1)./4 D- h.cos = N/2 Câu 7: Để thoả mãn điều kiện biên truyền sóng ống dẫn sóng phẳng A- Phải có sóng điện từ ngang theo phương x B - Phải có sóng phân cực ngang C - Phải có sóng đứng ngang theo phương x D - Phải có sóng truyền ngang theo phương x Câu : Với ống dẫn sóng có kích thước xác định A - Có thể có tối đa mode dẫn sóng B - Có thể có nhiều mode dẫn sóng 73 C - Sẽ có số mode dẫn sóng xác định D - Sẽ có số mode sóng lớn xác định Câu 9: Khái niệm sợi quang đơn mode A - Chỉ xác định kích thước sợi B - Chỉ xác định tần số công tác sợi quang C - Xác định kích thước bước sóng D - Xác định theo số mode sóng truyền sợi Câu 10: Bước sóng cắt bước sóng A - Nhỏ mà sợi quang làm việc sợi đơn mode B - Lớn mà sợi quang làm việc sợi đơn mode C - Lớn mà sợi quang khơng làm việc D - Nhỏ mà sợi quang làm việc sợi đa mode Câu 11: Tín hiệu đường truyền quang là: A-Sóng điện từ B-Ánh sáng nhìn thấy C-Dãy xung Laser điều chế D-Sóng hồng ngoại Câu 12: Ánh sáng truyền sợi quang do: A-Sợi quang suốt B-Sợi quang có suy hao thấp C-Tính chất phản xạ tồn phần ánh sáng D-Sợi quang có hai lớp Câu 13: Đường truyền quang có băng thơng rộng vì: A-Tín hiệu quang có băng thơng rộng B-Tín hiệu quang có băng thơng rộng C-Tần số sóng mang quang lớn D-Đặc tính suy hao theo tần số sợi quang Câu 14: Tín hiệu sợi quang khơng bị ảnh hưởng điện từ trường ngồi do: A-Tín hiệu quang ánh sáng B-Sợi quang hồn tồn khơng mang điện tích C-Sợi quang có hai lớp D-Sợi quang cách điện tốt Câu 15: Quan hệ tương đối suy hao loại đường truyền là: A-Sợi quang đa mode>Sợi quang đơn mode>Cáp đồng trục>Cáp song hành B-Sợi quang đơn mode>Cáp đồng trục>Sợi quang đơn mode>Cáp song hành C-Cáp song hành>Cáp đồng trục>Sợi quang đa mode>Sợi quang đơn mode D-Cáp song hành>Cáp đồng trục>Sợi quang đa mode>Sợi quang đơn mode Câu 16: Các trạm lặp đường truyền quang có tác dụng: A-Khuyếch đại quang B-Khuyếch đại tái sinh miền quang 74 C-Khuyếch đại tín hiệu điện D-K.đại tái sinh tín hiệu miền điện Câu 17: Bộ biến đổi điện quang E/O có tác dụng: A-Biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang có điều chế B-Biến đổi tín hiệu điện thành sóng mang quang C-Biến đổi tín hiệu điện thành lượng quang D-Biến đổi sóng mang điện thành sóng mang quang Câu 18: Phát biểu sai: A-Bộ điều chế biến điệu trực tiếp tín hiệu quang có kết cấu đơn giản B-Bộ điều chề biến điệu gián tiếp thường áp dụng cho hệ thống nhiều kênh quang C-Bộ điều chế biến điệu trực tiếp thường áp dụng cho hệ thống nhiều kênh quang D-Bộ điều chế biến điệu trực tiếp thường áp dụng cho hệ thống kênh quang Câu 19: Bộ biến đổi quang điện O/E có tác dụng: A-Biến đổi lượng ánh sáng thành lượng điện B-Biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điên C-Biến sóng mang quang thành sóng mang điện D-Biến tín hiệu quang thành sóng mang điện Câu 20: Sợi quang đa mode sợi quang: A-Cho phép truyền nhiều bước sóng quang lúc B-Có nhiều kiểu truyền bước sóng quang C-Có thể truyền tất tần số vùng ánh sáng D-Có nhiều kiểu truyền với bước sóng Câu 21: Phát biểu sai: A-Sợi quang đơn mode truyền bước sóng B-Sợi quang đơn mode đamode với bước sóng khác C-Sợi quang đơn mode có kiểu truyền sóng D-Sợi quang đơn mode ứng với vùng bước sóng định Câu 22: Trong sợi quang đa mode: A-Ánh sáng có mode bậc thấp lan truyền trục sợi quang B-Ánh sáng có mode bậc cao lan truyền phía trục sợi quang C-Phân bố ánh sáng không phụ thuộc vào mode truyền 75 D-Phân bố ánh sáng bình đẳng mode truyền Câu 23: Hiệu suất ghép nối ánh sáng vào sợi quang phụ thuộc vào A-Bề mặt ghép nối B-Khẩu độ số góc chiếu sáng C-Khẩu độ số đường kính lõi sợi quang D-Đường kính lõi sợi quang góc chiếu sáng Câu 24: Băng tần sợi quang phụ thuộc vào: A-Phân bố suy hao theo bước sóng B-Phân bố tán sắc theo bước sóng C-Băng tần tín hiệu truyền D-Phân bố suy hao tán sắc theo bước sóng Câu 25: Các cửa sổ truyền dẫn quang xác định chủ yếu A-Trên sở suy hao sợi quang theo bước sóng B-Dựa vào băng tần tín hiệu truyền C-Dựa vào số bước sóng truyền lúc D-Theo đặc tính tần số Laser phát quang Câu 26:Dải tần khuyếch đại Laser bán dẫn phụ thuộc chủ yếu vào A-Chất liệu cấu tạo mặt ghép bán dẫn B-Dải tần số tín hiệu quang kích thích C-Nồng độ hạt tải bơm vào mặt ghép D-Kích thước tinh thể Laser Câu 27: Nghịch đảo tích lũy mật độ khuyếch đại quang sợi EDFA do: A-Vật liệu sợi EDFA B-Quá trình phân rã khơng xạ ion Er C-Kích thích tín hiệu quang vào k.đại D-Năng lượng Laser bơm vào khuyếch đại Câu 28: Bước sóng Laser bơm phải: A-Trùng với bước sóng tín hiệu quang vào B-Gần bước sóng tín hiệu quang vào C-cách xa bước sóng tín hiệu quang vào D-Được lựa chọn tùy ý Câu 29: Độ khuyếch đại EDFA phụ thuộc vào: A-Công suất Laser B-Chiều dài đoạn sợi EDFA C-Công suất bơm Laser chiều dài đoạn k.đại D-Dải tần tín hiệu quang vào Câu 30: Bộ ghép bước sóng WDM khuyếch đại EDFA có tác dụng A-Ghép ánh sáng tín hiệu ánh sáng bơm vào sợi EDF B-Ghép tín hiệu quang vào với C-Ghép Laser bơm thuận nghịch với D-Ghép ánh sáng tín hiệu Laser bơm vào sợi quang Câu 31: Phát biểu sai: A-Bộ tách sóng quang phần tử quan trọng máy thu quang 76 B-Khuyếch đại máy thu quang khuyếch đại điện dải rộng C-Mạch cân máy thu quang có tác dụng ổn định tần số D-Xung Clock có tác dụng khơi phục tín hiệu số ban đầu Câu 32: Tham số quan trọng máy thu quang A-Tỷ số tín/tạp hay tỷ số bít lỗi BER B-Mức công suất thu đầu vào C-Mức công suất thu đầu D-Hiệu suất biến đổi quang điện Câu 33: Phát biểu sai A-Ghép kênh quang theo tần số OFDM thực chất ghép kênh theo bước sóng B-Kỹ thuật ghép kênh OFDM sử dụng rộn rãi C-Ghép kênh OFDM cho số lượng kênh ghép lớn D-Ghép kênh OFDM cho phép sử dụng băng tần lớn sợi quang Câu 34: Phát biểu A-Thiết bị ghép kênh WDM mang tính thuận nghịch B-Kỹ thuật ghép kênh WDM cho số lượng kênh quang lớn C- Ghép kênh WDM áp dụng cho sợi đa mode D-Ghép kênh WDM áp dụng cho sợi đơn mode Câu 35: Phát biểu sai: A-Thiết bị ghép kênh theo bước sóng WDM có tính thuận nghịch B-Phần tử ghép sợi WDM có hai đầu vào hai đầu C-Phần tử ghép sợi WDM thực chất lọc quang D-Các lọc quang cho ánh sáng qua vùng bước sóng Câu 36: Yếu tố phải giải thiết kế hệ thống thông tin A- Tính tốn quỹ cơng suất tồn tuyến B- Tính tốn dung lượng tuyến C-Lựa chọn cấu hình tuyến D-Tính tốn lượng méo cho phép Câu 37: Tính tốn quỹ cơng suất hệ thống để tìm : A-Lượng dự trữ công suất cho phép B-Chiều dài khoảng lặp với th số chọn C-Công suất tiêu hao toàn tuyến D-Độ nhậy máy thu Câu 38: Quỹ thời gian lên hệ thống cho biết: A-Thời gian truyền toàn tuyến B-Lượng méo xung cho phép C-Tốc độ truyền cho phép hệ thống D-Thời gian giữ chậm hệ thống Câu 39: Các lựa chọn thiết bị thiết kế hệ thống thông tin quang là: A-Sợi quang; Thiết bị phát; Thiết bị khuyếch đại 77 B-Sợi quang; Thiết bị thu; Thiết bị trạm lặp C-Thiết bị phát; Thiết bị thu; Thiết bị trạm lặp D-Sợi quang; Thiết bị phát; Thiết bị thu Câu 40: Các yêu cầu ban đầu thiết kế tuyến thông tin quang là: A-Dung lượng truyền, công suất phát, độ nhậy thu B-Cự ly truyền, tốc độ truyền, tỉ số lỗi bít BER C-Cự ly truyền, băng tần làm việc, độ nhậy thu quang D-Công suất phát, tỉ số lỗi bít BER, độ nhậy thu quang Câu 41: Điều kiện để có đảo mật độ trạng thái là; A-Bán dẫn P-N phải pha tạp có phân cực B-Bán dẫn P-N pha tạp đến mức suy biến mặt ghép có phân cực thuận đủ lớn C-Mặt ghép P-N có phân cực thuận lớn D-Bán dẫn P-N pha tạp suy bién không phân cực Câu 42:Hệ số khuyếch đại Laser phụ thuộc vào: A-Nồng độ tạp chất chất bán dẫn B-Công suất tín hiệu quang đầu vào C-Nồng độ hạt tải (dòng bơm) D-Kích thước tinh thể bán dẫn Câu 43: Bước sóng cắt bước sóng A - Nhỏ mà sợi quang làm việc sợi đơn mode B - Lớn mà sợi quang làm việc sợi đơn mode C - Lớn mà sợi quang khơng làm việc D - Nhỏ mà sợi quang làm việc sợi đa mode Câu 44: Mức lượng Fecmi A - Mức lượng trung bình hạt mang điện chất rắn B - Thế hoá học điện tử chất rắn C - Mức lượng tối thiểu điện tử vật chất D - Động điện tử chất rắn Câu 245: Chất bán dẫn có A - Duy mức lượng B - Hai mức lượng C - Ba mức lượng D - Nhiều mức lượng Câu 46: Đảo mật độ trạng thái tượng mà vùng khơng gian chất bán dẫn có A - Mật độ hạt dẫn điện thấp B - Các hạt mang điện trái dấu 78 C - Các hạt dẫn điện với mật độ lớn D - Các hạt mang điện chuyển động Câu 47: Diode phát quang (LED) sử dụng chủ yếu để làm A- Phần tử tách sóng quang B - Phần tử chỉnh lưu C - Nguồn phát quang D - Phần tử tách sóng tín hiệu điện Câu 48: Diode phát quang (LED) làm việc A- Q trình hấp thụ phơton mặt ghép P-N B - Phát xạ phôton mặt ghép P-N C - Khuyếch đại phôton mặt ghép D- Phát xạ điện tử mặt ghép Câu 49: Khuyếch đại Laser linh kiện quang làm việc theo nguyên tắc A- Khuyếch đại điện tử mặt ghép B - Hấp thụ phôton mặt ghép C - Phát xạ phôton mặt ghép D - Khuyếch đại phôton mặt ghép Câu 50: Laser thực chất A - Một dao động ánh sáng cưỡng B - Một khuyếch đại ánh sáng C - Thiết bị phát xạ phôton D - Một dao động điện từ Câu 51: Cường độ ánh sáng LED A - Tỉ lệ nghịch với dòng điện cung cấp B - Khơng phụ thuộc vào cường độ dòng điện cung cấp C - Tỷ lệ thuận với dòng điện cung cấp D - Tỷ lệ thuận với dòng điện cung cấp giới hạn Câu 52: Dao động ánh sáng hộp cộng hưởng Laser A - Sóng điện từ ngang B - Sóng ánh sáng phân cực C - Sóng ánh sáng khơng phân cực D -Dao động sóng đứng Câu 53: Phát biểu sai A-Khuyếch đại EDFA theo cấu hình bơm xi cho đặc tính nhiễu thấp B-Khuyếch đại EDFA theo cấu hình bơm ngược cho cơng suất đầu cao C-Người ta thường kết hợp hai cấu hình ghép EDFA thực tế D-Cấu hình bơm xi EDFA cho đặc tính suy hao phẳng băng tần Câu 54: Sử dụng bước sóng bơm λ =1480 nm EDFA A-Cho hiệu suất cơng suất cao B-Đòi hỏi tần số cơng tác Laser có độ xác cao C-Thường dùng cho hệ thống băng tần hẹp D-Cho công suất bơm thấp Câu 55: Sử dụng bước sóng bơm λ = 980 nm EDFA A-Cho cơng suất khuyếch đại cao B-Cho đặc tính nhiễu tốt 79 C-u cầu tính xác tần số khơng cao D-Thường dùng cho hệ thống kênh Câu 56: Trong hệ thống thơng tin quang Coheren: A-Tín hiệu quang trộn với tín hiệu dao động nội trước đến tách sóng B-Tín hiệu quang đưa thẳng đến tách sóng C-Tín hiệu sóng mang trộn với dao động nội D-Các tín hiệu quang có bước sóng khác trộn với Câu 57: Phát biểu đúng: A- Thông tin quang Coheren có tác dụng tăng dải tần cơng tác B-Lợi ích TT quang Coheren làm tăng tỷ số tín / tạp C-Thơng tin quang Coheren áp dụng rộng rãi mạng viễn thông D-Thông tin quang Coheren có cấu trúc đơn giản giá thành hạ Câu 58: Phát biểu sai: A-TT quang Coheren có ưu điểm hệ thống thu đổi tần B-Tỉ số SNR đầu máy thu quang Coheren cải thiện C-Khác biệt TTquang Coheren so với TTquang thường chủ yếu phần máy thu D-Thơng tin quang Coheren sử dụng sóng mang quang không cần độ ổn định cao Câu 59: Trong TT quang Coheren, Laser dao động nội : A-Có cấu tạo giống Laser phần phát B-Có cấu tạo giống Laser phần phát tần số điều chỉnh C-Làm việc tần số cố định D-Làm việc tần số khác xa tần số sóng mang quang tín hiệu thu Câu 60: Phát biểu đay sai: A-Tách sóng Heterodyne cho trung tần khác khơng B-Tách sóng Heterodyne cho trung tần với tần số sóng mang quang C-Trong tách sóng Homodyne, tần số dao động nội trùng với tần số sóng mang quang D-Tách sóng Homodyne cho trung tần không 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Quốc Cường, Đỗ Văn Việt Em, Phạm Quốc Hợp, Kỹ thuật thông tin quang1, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng, 2009 [2] Vũ Văn San, Hệ thống thông tin quang, Nhà xuất Bưu điện, 2004 [3] Cao Hồng Sơn, Cao Phán, Cơ sở kỹ thuật thơng tin quang, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông, 2001 [4] Rajiv Ramaswami and Kumar N Sivarajan, Optical Networks: A practical perspective, Morgan Kaufmann Publishers, 2nd edition, 2002 [5] Wayne D Grover, Mesh-based Survivable Networks: Options and Strategies for Optical, MPLS, SONET and ATM Networking, Prentice Hall, 2003 [6] Biswanath Mukherjee, Optical WDM Networks, Springer, 2006 81 ... – PN = – ( -2 2 ) = 28 dB Tại ngõ vào khuếch đại thứ 2, ta có: Cơng suất nhiễu PN(1)’ = -2 2 dBm – 30dB = - 52dBm Cơng suất tín hiệu: Ps (2) = -2 4 dBm Tỉ số SNR = Ps – PN = -2 4 – (- 52) = 28 dB Tại khuếch... ĐẦU RA CỦA HỌC PHẦN (CĐR HP) CĐR CTĐT Nhận biết cấu tạo, ký hiệu hệ thống thơng tin quang 2, 8 Giải thích phân tử thơng tin quang 2, 8 Tính tốn kiểm tra phân tử quang thông tin quang 2, 8 Phân tích... dung: - Trình bày phần tử chuyển đổi quang – điện - Trình bày thu phát quang - Tính tốn thu quang 71 Bài kiểm tra số 3: Hình thức: Tự luận trắc nghiệm Nội dung: - Trình bày khuếch đại quang - Trình