Lý thuyết ôn tập thông tin quang

Phèeng – TBT CHƢƠNG I – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Sơ đồ khối hệ thống Ƣu – nhƣợc điểm hệ thống Ưu điểm Nhược điểm 1, Suy hao thấp 1, Chi phí lắp đặt ban đầu lớn 2, Băng tần truyền dẫn rộng 2, Hàn nối khó khăn 3, Kích thước nhỏ trọng lượng nhẹ 4, Không bị can nhiễu điện từ 3, Phát triển cấu kiện quang – điện chuyên biệt 5, Không gây xuyên âm 4, Thiết kế sản xuất sợi quang đặc biệt 6, Bảo mật cao (Do phải chịu nhiều tác động ngồi) Q trình hấp thụ phát xạ Ánh sáng kết hợp khơng kết hợp - - Nếu photon có lượng E = hf lượng dải cấm Eg = E2 – E1 lượng photon bị hấp thụ nguyên tử => nguyên tử chuyển từ mức lên mức kích thích Năng lượng ánh sáng bị hấp thụ nên ánh sáng đi, trình hấp thụ Các ngun tử có xu hướng trở mức => trình phát xạ Phèeng – TBT Tự phát Kích thích Photon có pha hướng ngẫu nhiên Cùng pha tần số với ánh sáng kích thích ứng dụng LED ứng dụng LD  Ánh sáng không kết hợp  Ánh sáng kết hợp - N1, N2 mật độ hạt tải mức lượng mức lượng kích thích - Đảo lộn mật độ  N2 > N1 hay E2 – E1 > Eg Đây điều kiện tiên LD CHƢƠNG II – SỢI QUANG Ƣu điểm sợi quang so với cáp kim loại Cấu tạo phân loại a Cấu tạo (vẽ hình) - Cấu tạo hình trụ tròn gồm lớp vỏ lớp lõi, chế tạo từ vật liệu suốt Chiết suất lớp lõi n1 > n2 = chiết suất vỏ b Phân loại - Vật liệu chế tạo Số mode Mặt cắt chiết suất Thủy tinh Đơn mode SM Chiết suất bậc SI Nhựa Đa mode MM Chiết suất biến đổi GI - Ngồi ra, theo đặc tính có : + Sợi dịch tán sắc (DSF) : tán sắc thay đổi so với sợi chuẩn + Sợi bù tán sắc (DCF) : bù ảnh hưởng tán sắc trì phân cực tín hiệu Lan truyền ánh sáng loại sợi quang a Quỹ đạo tia SM ; MMSI ; MMGI Phèeng – TBT SI SM MMSI Chỉ truyền mode LP01 Tia sáng dọc theo trục sợi MMGI Ánh sáng lan truyền nhiều tia sáng với góc lan Sợi truyền nhiều truyền khác = > tán sắc mode làm méo dạng mode xung quang Gồm tia kinh Do chiết suất lõi không đổi nên tia sáng tuyến tia lõi bị phản xạ tiếp giáp lõi vỏ tạo nghiêng (dạng nên quỹ đạo zig zag hình sin xoắn quanh trục sợi) Tia kinh tuyến bị giam hãm mp qua trục tâm sợi Tia xiên theo quỹ đạo xoắn ốc dọc theo sợi b Khẩu độ số - Khái niệm : xác định góc tiếp cận ánh sáng cực đại sợi quang - Ý nghĩa : ảnh hưởng đến hiệu suất ghép cặp công suất quang sợi - Công thức : c Mode truyền - Ý nghĩa : Theo lý thuyết tia Theo lý thuyết truyền sóng Cho biết họ tia sáng ứng với Là nghiệm hệ phương trình sóng xác định kiểu góc lan truyền cho phép xác định phân bố trường điện từ lan truyền sợi quang Mode dẫn Phân loại : Mode xạ Mode dò Truyền ánh Bị xạ Bị giam hãm lõi sáng sợi vỏ Dễ suy hao xạ công suất khỏi lõi lan truyền Cơng thức tính : d Tần số chuẩn hóa : - Ý nghĩa : xác định số lượng mode đặc tính truyền dẫn sợi quang - Phèeng – TBT - Cơng thức tính : Suy hao a Khái niệm: suy giảm công suất quang trung bình sợi quang lan truyền b Các loại suy hao: - Do hấp thụ: Hấp thụ Hấp thụ - Các hợp chất kim loại chuyển tiếp Cu, Fe, Ni, Mn, Cr hấp thụ mạnh dải bước sóng từ 0,6 – 1,6 µm - Ion OH có mặt nước trình chế tạo sợi => gây hấp thụ 1.39, 1.24, 0.95 µm - Để mức suy hao nhỏ < 1dB/km, nồng độ tạp chất nên < 1ppb (10^-9) - - hấp thụ cực tím: liên quan đến kích thích điện tử - Hấp thụ hồng ngoại: tương tác liên kết dao động trường quang Do tán xạ:  thay đổi vi mô mật độ vật liệu tạo sợi  thăng giáng thành phần  khuyết tật hay cấu trúc không đồng -  thăng giáng mật độ => thăng giáng ngẫu nhiên chiết suất cỡ < λ = > tán xạ Rayleigh Uốn cong: Do uốn cong vĩ mơ Bán kính cong lớn đường kính sợi Do uốn cong vi mơ Bán kính cong nhỏ đường kính sợi Tại vị trí cong, số tia có góc thay đổi Do q trình sản xuất sợi khơng đồng > góc tới hạn => khúc xạ bện sợi với lực tác động không Theo quan điểm trường mode: đuôi Để giảm suy hao: bọc đệm sợi chọn V trường quang xạ sợi phù hợp (2- 2.4) - Nguyên nhân khác:  Do cấu trúc sợi chưa hoàn hảo  Do hàn nối  Do môi trường chiếu xạ c Đặc tuyến suy hao: Phèeng – TBT Tán sắc a Khái niệm: tượng thành phần tín hiệu quang (mode, bước sóng, trạng thái phân cực) có vận tốc lan truyền khác dẫn đến xung quang dãn rộng thời gian gây nhiễu ISI b Các loại tán sắc: - Tán sắc mode: Do sợi truyền nhiều mode; mode có tốc độ lan truyền khác (có số lan truyền khác nhau) => lệch thời gian truyền mode MMGI có chiết suất lõi thay đổi => mode có bù trừ quãng đường tốc độ lan truyền => trễ thời nhỏ nhất, tán sắc Phèeng – TBT - Tán sắc vận tốc nhóm (GVD): phụ thuộc vận tốc nhóm vào tần số gây mở rộng xung, có tán sắc vật liệu tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc vật liệu Tán sắc ống dẫn sóng Do phụ thuộc chiết suất vật liệu vào tần số (hay λ) mà ánh sáng nguồn quang gồm nhiều bước sóng khác dẫn đến thời gian lan truyền khác Do phụ thuộc số lan truyền vào cấu trúc sợi quang (tham số V) Phần công suất thành phần phổ thẩm thấu ngồi vỏ có chiết suất nhỏ khác => tốc độ nhóm khác - Tán sắc bậc cao: Do D hàm bước sóng => thành phần phổ có D khác - Tán sắc mode phân cực (PMD): sợi SM có mode phân cực trực giao ; sợi thực tế khơng hồn hảo => mode có chiết suất mode khác c Ảnh hưởng: - Gây méo dạng xung quang dẫn tới ISI, hạn chế tốc độ truyền sợi CHƢƠNG III Sơ đồ khối chức - Chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang đưa tín hiệu quang vào sợi để truyền dẫn Tiếp giáp p – n cấu trúc dị thể a Tiếp giáp p – n: - Hình thành từ bán dẫn p n Khi chưa đặt điện áp phân cực => hạt tải đa số khuếch tán qua lớp tiếp giáp => tạo hàng rào - Trạng thái cân thiết lập, điện tử lỗ trống bị liên kết đồng hóa trị giữ lại nên khơng hạt tải điện tự => vùng nghèo hay vùng điện tích không gian Phèeng – TBT Phân cực ngược Phân cực thuận Vùng nghèo mở rộng, điện tử Vùng nghèo hẹp lại, hay hàng rào hạ lỗ trống khó gặp để tái hợp phát thấp xuống => dễ tái hợp tạo ánh sáng ánh sáng Sử dụng cho chế tạo photodiode Điện trường tạo điều kiện cho hạt thiểu số qua lớp tiếp giáp tạo dòng dò - b Cấu trúc đồng thể dị thể Cấu trúc đồng thể : hạt tải không bị giam hãm => hiệu suất phát xạ Cấu trúc dị thể kép: lớp  Lớp bán dẫn mỏng lớp p n có Eg nhỏ (lớp tích cực)  Hai lớp bên có Eg lớn (lớp hạn chế)  Ưu điểm: giam hãm hạt tải tải lớp tích cực (xảy tái hợp đây), giam hãm photon, định số mode quang phát xạ Nguồn quang bán dẫn LED LD Cấu tạo Cấu trúc dị thể kép Bộ cộng hưởng mơi Có LED phát xạ mặt LED phát xạ trường khuếch đại (tích cực) cạnh LD bán dẫn sử dụng cấu trúc dị thể kép Nguyên lý Dựa chế phát xạ tự phát Dựa phát xạ kích thích Khi phân cực thuận cho LED có dòng bơm qua LED làm cho điện tử tập trung vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn Phát xạ kích thích chiếm ưu thỏa mãn đảo lộn mật độ => vùng tích cực trở thành môi trường khuếch đại quang Dưới tác dụng điện trường phân Quá trình hồi tiếp quang thực cực thuận, cặp điện tử lỗ hộp cộng hưởng hình trống tái hợp với phát xạ ánh thành gương phản xạ Phèeng – TBT sáng Đặc điểm Ánh sáng phát ánh sáng không Ánh sáng phát ánh sáng kết hợp kết hợp Hoạt động lazer xảy có Độ rộng chùm sáng phát xạ lớn => dòng bơm, dòng ngưỡng hiệu suất ghép nối với sợi quang nhỏ Đặc Tốc độ hợp xạ khơng tính P – xạ với tốc độ bơm hạt tải I Tỉ lệ tuyến tính theo I, bão hòa (vẽ dòng bơm cao hình) Nhiệt độ cao => độ đáp ứng giảm Đặc tuyến có dạng đường gấp khúc Đoạn đầu (dòng kích thích < ngưỡng) có độ dốc khơng lớn, dạng tuyến tính Khi dòng > ngưỡng độ dốc đường đặc tuyến tăng nhanh Dòng tăng => cơng suất tăng Dòng tăng, công suất phát tăng Nhiệt độ tăng, công suất phát giảm, dòng ngưỡng tăng Đặc Thể phân bố mật độ cơng Phổ vạch tính phổ suất phát LED theo bước sóng Hẹp (vẽ Phụ thuộc hiệu mạng hình) Phổ rộng => ảnh hưởng điều kênh LED phát quang (vẽ mạch) Analog Nguyên tắc: - ½ chu kỳ dương: LED sáng ½ chu kỳ âm: LED tối Digital Thay tụ C R - Bít 1: LED sáng Bít 0: LED tắt CHƢƠNG IV Sơ đồ khối chức thu quang Diode thu quang a Các tham số - Đáp ứng nguồn thu: R - Hiệu suất lượng tử: η = số cặp e – h/ tổng số photon - Độ rộng băng tần thu: B = Δf b APD PIN - Diode p – n Cấu trúc: tiếp giáp p – n phân cực ngược Độ rộng vùng nghèo phụ thuộc vào nồng độ pha tạp Phèeng – TBT - Nguyên lý: + Khi photon qua sinh cặp e – p + Dưới điện trường đặt vào, p từ bán dẫn n lên bán dẫn p e di chuyển ngược lại PIN Cấu tạo Gồm lớp, lớp I xen >> pn Nguyên Khi photon có E ≥ Eg tới, lý tách photon bị hấp thụ kích thích sóng điện tử nhảy lên từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, trình tạo cặp e (vẽ -p hình) APD lớp, bổ sung lớp lớp I n+ lớp có điện trở suất cao tạo vùng x Q trình ion hóa va chạm Ánh sáng qua lớp p+ (mỏng) bị hấp thụ lớp i Phân cực ngược nên lỗ trống di chuyển phía p+ điện tử di Dưới tác động điện trường đặt chuyển ngược lại vào lớp I, e – p trôi lớp ngồi tạo dòng tách quang (do lớp I Miền nhân có điện trường lớn có trở kháng cao) => e – p tăng tốc => va đập tạo cặp e – p thứ cấp Phèeng – TBT => hiêu ứng thác Quá trình làm tăng dòng tách quang tăng độ nhạy APD Dòng tách quang dòng e – p di chuyển ngồi Nâng Cấu trúc dị thể kép: Loại bỏ dòng cao tính khuếch tán Hộp cộng hưởng F – P: tăng hiệu suất lượng tử Sử dụng ống dẫn sóng quang: tăng hiệu suất lượng tử, giảm điện dung ký sinh điện trở nội nối tiếp ... tiếp cận ánh sáng cực đại sợi quang - Ý nghĩa : ảnh hưởng đến hiệu suất ghép cặp công suất quang sợi - Công thức : c Mode truyền - Ý nghĩa : Theo lý thuyết tia Theo lý thuyết truyền sóng Cho biết... xác định số lượng mode đặc tính truyền dẫn sợi quang - Phèeng – TBT - Công thức tính : Suy hao a Khái niệm: suy giảm cơng suất quang trung bình sợi quang lan truyền b Các loại suy hao: - Do hấp... không kết hợp  Ánh sáng kết hợp - N1, N2 mật độ hạt tải mức lượng mức lượng kích thích - Đảo lộn mật độ  N2 > N1 hay E2 – E1 > Eg Đây điều kiện tiên LD CHƢƠNG II – SỢI QUANG Ƣu điểm sợi quang