Câu 1 : Vẽ sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin quang đơn hướng và hai hướng , nêu chức năng các khối và hoạt động truyền tin Trả lời: Sơ đồ khối tổng quát của một hệ hống thông tin quang đơn hướng Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin quang đơn hướng tiếp nhận kênh thoại Analog. *Chức năng các khối - Khối mã hoá/ giải mã: Chuyển đổi A/ D & D/A _ Mã digital được lập thích hợp với xung đơn cực - Khối điều chế & giải điều chế: Điều chế sóng mang với độ rộng băng tần và mức tín hiệu truyền dẫn thích hợp với đặc tính thiết bị ghép – Bộ giải điều chế tách sóng mang khôi phục tín hiệu. - Bộ ghép kênh và tách kênh: Kết hợp nhiều tín hiệu hoạc nhiều kênh tín hiệu thành một kênh tín hiệu trung gian sau đó được tách ra và khôi phục lại nhờ bộ tách kênh. Tại các vị trí khác nhau trên đường truyền( Các lớp khác nhau) Chức năng ghép và dung lượng ghép là khác nhau phù hợp với yêu cầu cung cấp cho thiết bị đầu cuối. - Nguồn quang: Cung cấp nguồn quang cho máy phát - Máy phát tín hiệu quang: chuyển đổi trực tiếp tín hiệu điện thành tín hiệu quang đưa tới sợi quang - Sợi quang: Là môi trường truyền dẫn tín hiệu quang - Máy thu tín hiệu quang: khuếch đại tín hiệu thu được và khôi phục tín hiệu thu được( Tách quang) * Hoạt động: Tín hiệu Analog được điều chế và mã hoá sau đó đưa tới bộ tách kênh tín hiệu được đưa tới máy phát và được chuyển đổi thành tín hiệu quang sau đó được đưa lên đường truyền ( Sợi quang) Máy thu tín hiệu quang thực hiện khôi phục lại tín hiệu điện tách kênh , giải điều chế & giải mã để khôi phục lại tín hiệu ban đầu. *Hệ thống thông tin quang 2 hướng Chức năng: Tương tự như phần đơn hướng nhưng sử dụng đồng thời các bộ thu phát đồng thời cả 2 hướng của đường truyền. Đối với những tuyến quang cự ly dài ta phải lắp thêm trạm lặp để tái tạo và khuếch đại tín hiệu đủ lớn để truyền tín hiệu đi xa. Câu 2: Cho biết ưu nhược điểm của hệ thống TTQ *Ưu điểm của hệ thống thông tin quang: - Suy hao truyền dẫn thấp, tốc độ truyền dẫn rất cao(>1Gbit/s). - Có kích thước và trọng lượng nhỏ và nhẹ,vận chuyển và thi công dễ dàng,cuộn cáp dài. Bán kính cong cho phép bé - Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có, giá thành rẻ,tiết kiệm tài nguyên kim loại. - Sợi có tính cách điện tốt. Cáp sợi quang phi kim loại không dẫn điện và không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ nên có thể đi gần đường dây điện lực,không bị sét đánh và không bị ảnh hưởng của can nhiễu từ bên ngoài. - Tránh được xuyên âm; Có tính bảo mật tín hiệu thông tin. Tin cậy và linh hoạt. - Băng tần truyền dẫn rất lớn. nâng cấp tốc độ bit dễ dàng. *Nhược điểm : - Sợi khó hàn nối cần có thiết bị chuyên dung . - Sợi nhạy cảm với hơi ẩm và nước thấm vào bên trong cáp. - Nhạy cảm với bức xạ ion - Hạn chế sử dụng tín hiệu analog do đặc tính P-I của Laser không tuyến tính. - Không thích hợp với tín hiệu ba mức(+1,0,-1) - Hiệu suất ghép nối nguồn quang-sợi và công suất phát của nguồn quang thấp. - Đòi hỏi côngnghệ cao trong chế tạo laser và diode và sợi. Câu 3: Trình bày cấu tạo chung và phân loại sợi quang? Trả lời: 1, Cấu tạo: sợi quang có cấu trúc dạng hình trụ, chế tạo từ vật liệu dẫn quang gồm có 2 lớp: + Lớp lõi: có dạng hình trụ tròn, bán kính a, chiết suất n 1 . + Lớp vỏ: có dạng hình ống, đồng tâm với lõi, đường kính d, bán kính n 2 (n 2 < n 1 ). 2, Phân loại: a, Phân loại theo chỉ số chiết xuất: + Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI: là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc : ở đây n 1 không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Sợi SI thường xảy ra hiện tượng tán sắc nên không thể dùng để truyền tín hiẹu tốc đọ cao, cự ly dài. + Sợi quang có chiết suất giảm dần ( GI): Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi là 1 hàm theo bán kính : n1= n(r) Thường n(r) là hàm bậc 2. vì chiết suất lõi thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần. Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng lại có vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng lại có vận tốc truyền nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất . Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI. b, Phân loai theo mode truyền + Sợi đa mode (MM): Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125µm) là: -Đường kính lõi: d = 2a = 50µm -Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125µm -Độ chênh lệch chiết suất: ∆= 0,01 = 1% 1 n 2 Vỏ n 2 Lõi n 1 n 1 a d 1 n C V = n 2 b ) S ợ i G I a ) S ợ i S I n 1 n 2 n 2 n 1 1 2 5 µ m 1 2 5 µ m 5 0 µ m 5 0 µ m S ự t r u y ề n á n h s á n g t r o n g s ợ i G I n 2 n 2 n 2 n 1 n 2 n 1 > n 2 n 2 n 2 n I ( t ) -Chiết suất lớn nhất của lõi: n1 1,46 Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần. + Sợi đơn mode ( SM ): Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền được trong sợi thì sợi được gọi là đơn mode. Trong sợi chỉ truyền một mode sóng nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc. Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là: Đường kính lõi d = 2a =9µm ÷ 10µm Đường kính lớp bọc:D = 2b = 125µm Độ lệch chiết suất: ∆ = 0,003 = 0,3% Chiết suất lõi: n 1 = 1,46 c, Phân loại theo vật liệu chế tạo sợi quang: - Sợi thuỷ tinh: suy hao bé nhưng dễ gãy, ứng dụng trong viễn thông. - Sợi chất dẻo: suy hao lớn nhưng dễ uốn, ứng dụng trong y tế. - Sợi có lõi bằng thuỷ tinh, vỏ bằng chất dẻo. Câu 4: Trình bày về sự lan truyền ánh sáng trong các sợi quang: quỹ đạo các tia trong sợi MM-SI, MM-GI, khẩu độ số, số lượng mode truyền. Trả lời: -Xét cấu trúc sợi quang: + Kích thước: 2.a ≈ 50 µm; d ≈ 125µm + Chiết suất lõi và vỏ: n 1 không đổi, n 2 không đổi, n 2 < n 1 Sự lan truyền ánh sáng trong sợi: Quỹ đạo các tia sáng truyền trong lõi sợi MM-SI + 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. -Cấu tạo sợi MM-GI: + Kích thước: 2.a ≈ 50 µm; d ≈ 125µm Chiết suất lõi thay đổi phụ thuộc vào bán kính r: n 1 = n(r) Có nhiều dạng hàm khác nhau, tuy nhiên các sợi quang trong viễn thông thường sử dụng hàm bậc 2 (Parabol). r = 0 --> n 1 cực đại r tăng --> n 1 giảm r = a --> n 1 = n 2 + Chiết suất lõi và vỏ: n 1 thay đổi n 1 = n(r), n 2 không đổi, n 2 < n 1 Sự lan truyền ánh sáng trong sợi: + Quỹ đạo của các tia sáng lan truyền có dạng đường cong + Truyền nhiều mode + Tán sắc nhỏ hơn sợi SI Trình bầy khái niệm, giải thích ý nghĩa khẩu độ số (NA) của sợi MM-SI -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 Viết công thức tính NA cho sợi MM-SI Sợi MM-SI có: n 1 chiết suất lõi không đổi, n 2 chiết suất vỏ không đổi. - Công thức tính NA: 2 2 2 1 nnNA −= - NA không phụ thuộc vào bán kính r. Khẩu độ số (NA) của sợi MM-GI -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 Viết công thức tính NA cho sợi MM-GI Sợi MM-GI có: n 1 chiết suất lõi thay đổi một cách từ từ n 1 =n(r) , n 2 chiết suất vỏ không đổi. - Công thức: ( ) 2 2 2 nrnNA −= -NA phụ thuộc vào bán kính r. Tại tâm (r = 0) NA đạt giá trị lớn nhất. Số lượng mode truyền: -Số lượng mode truyền trong sợi MM-SI 2π 2 a 2 M= ( n 1 2 – n 2 2 ) λ 2 -Số lượng mode truyền trong sợi MM-GI π 2 a 2 M= ( n 1 2 - n 2 2 ) λ 2 Câu 5 Khái niệm suy hao trong sợi quang, cho biết các nguyên nhân gây suy hao và vẽ đặc tính suy hao? Trả lời: a/ Khái niệm: Suy hao là hiện tượng công suất ánh sáng giảm dần khi ánh sáng lan truyền trong sợi quang. )(lg10 dB P P A in out −= Suy hao trên 1 km: (dB/km) L A P P L a in out =−= lg. 10 b/ Các nguyên nhân gây suy hao: - Do hấp thụ: + Do vật liệu chế tạo sợi quang (SiO 2 ) hấp thụ ánh sáng và chuyển hoá thành nhiệt năng. 2 Sợi quang L (km) P in P out a d/2 a d/2 r n n 1 n 2 Vỏ phản xạ Lõi Lõi n 1 Vỏ phản xạ n 2 a d/2 a d/2 r n n 1 n 2 Vỏ phản xạ Lõi n 2 n 1 θ n 2 n 1 = n(r) d/ 2 d/2 a -a 0 n r b ) S ợ i G I a ) S ợ i S I n 1 n 2 n 2 n 1 1 2 5 µ m 1 2 5 µ m 5 0 µ m 5 0 µ m S ự t r u y ề n á n h s á n g t r o n g s ợ i G I n 2 n 2 n 2 n 1 n 2 n 1 > n 2 n 2 n 2 n I ( t ) + Do các tạp chất ở bên trong sợi quang còn sót lại trong quá trình chế tạo, bao gồm các ion kim loại (Fe, Cu .) và đặc biệt là ion nước (OH - ), các ion này gây ra các đỉnh suy hao tại các bước sóng 1400nm, 1100nm và 750nm. + Do các điện tử hấp thụ ánh sáng để nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao. - Do tán xạ: chủ yếu do tán xạ Rayleigh + Tán xạ Rayleigh do các khiếm khuyết rất nhỏ trong quá trình chế tạo sợi gây ra. + Tán xạ Raman. - Do khi đường kính lõi thay đổi hoặc sợi quang bị uốn cong. c/ Đặc tuyến suy hao: Trên đặc tuyến suy hao, ta nhận thấy có 3 vùng bước sóng có suy hao thấp là tại 850nm, 1300nm và 1550nm, đây còn được gọi là 3 cửa sổ suy hao thấp. Các hệ thống thông tin quang thường sử dụng bước sóng tại 3 vùng này. 1550nm suy hao nhỏ --> dùng cho liên tỉnh. 1300nm suy hao vừa --> dùng cho nội tỉnh. 850nm suy hao lớn --> dùng trong ngành công nghiệp điện tử phục vụ sinh hoạt của con người (VD: đầu đọc CD .). Câu 6: Khái niệm tán sắc trong sợi quang, cho biết các nguyên nhân gây tán sắc và ảnh hưởng của tán sắc? Trả lời: a/ Khái niệm: Tán sắc là hiện tượng làm cho độ rộng xung ánh sáng bị thay đổi khi ánh sáng lan truyền trong sợi quang. (ps) t TR ττΔ −= b/ Các nguyên nhân gây ra tán sắc: - Tán sắc mode: Các xung ánh sáng lan truyền trong sợi quang có năng lượng được mang đi nhờ nhiều mode khác nhau, do các mode này có thời gian lan truyền khác nhau nên tới đầu thu tại các thời điểm khác nhau và làm cho xung ánh sáng bị giãn rộng. Tán sắc này chỉ tồn tại trong sợi đa mode. - Tán sắc vật liệu: Do chiết suất của vật liệu chế tạo ra sợi quang thay đổi phụ thuộc vào bước sóng: n 1 = n(λ) hơn nữa nguồn quang lại phát ra nhiều bước sóng, các bước sóng khác nhau sẽ có vận tốc lan truyền trong sợi quang là khác nhau: )( )( λ λ n c v = chúng sẽ đến đầu thu tại các thời điểm khác nhau và gây ra hiện tượng giãn xung. Tán sắc loại này tồn tại ở tất cả các loại sợi quang. - Tán sắc ống dẫn sóng: Chỉ tồn tại ở trong sợi đơn mode do đường kính lõi của sợi đơn mode rất nhỏ nên năng lượng ánh sáng lan truyền ở cả lõi và ở ngoài vỏ. Sợi đơn mode có chiết suất vỏ n 2 nhỏ hơn chiết suất lõi n 1 , do đó thành phần lan truyền ngoài vỏ sẽ đi nhanh hơn thành phần ánh sáng lan truyền trong lõi. Hiện tượng này cũng gây ra giãn xung ánh sáng. - Tán sắc mode phân cực: Xét trong sợi đơn mode, ánh sáng lan truyền dưới dạng các mode phân cực trên 2 mặt phẳng vuông góc với nhau (xOz và yOz: với z là hướng truyền dẫn). Nếu sợi quang được chế tạo 1 cách hoàn hảo (nghĩa là chiết suất trên 2 mặt phẳng n xOz = n yOz ) thì sẽ không xảy ra tán sắc. c/ ảnh hưởng của tán sắc: Tán sắc làm giãn xung gây ra sự chồng lấn giữa các xung làm hạn chế tốc độ bit và cự ly truyền dẫn. Câu 7: Trình bày cấu tạo và nguyên lý phát quang của LED cấu trúc dị thể kép. Các loại LED được sử dụng trong TTQ? Trả lời: Dị thể được tạo từ các vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm khác nhau. Dị thể kép bao gồm nhiều dị thể. Hình vẽ dưới là LED có cấu trúc dị thể kép được cấu tạo từ 3 lớp bán dẫn (loại P, vùng nghèo và loại N). Vùng nghèo được chế tạo từ bán dẫn có năng lượng vùng cấm nhỏ hơn so với năng lượng vùng cấm của bán dẫn P và bán dẫn N để giam hãm điện tử và lỗ trống trong vùng nghèo, khi đó số lượng photon ánh sáng tạo ra sẽ lớn hơn. Chiết suất của vật liệu chế tạo ra vùng nghèo lớn hơn chiết suất bán dẫn P và bán dẫn N để nhằm mục đích định hướng ánh sáng về phía sợi quang. Nguyên lý hoạt động: + Cấu tạo: Hình vẽ tren là LED có cấu trúc dị thể kép được cấu tạo từ 3 lớp bán dẫn P, n , N. Vật liệu cú giải cấm bộ ký hiệu là n (lớp hoạt tớnh) được kẹp ở giữa, giải cấm lớn hơn là bán dẫn loại P, N. Do giải cấm khác nhau nên tại tiếp giáp có bước nhẩy của dải hoá trị. Nhờ hàng rào thế tại tiếp giáp dị thể mà các điện tử và lỗ trống bị giam hóm trong lớp hoạt tớnh. Mặt khỏc, do dải cấm lớn cú chiết xuất bộ hơn chiết xuất của lớp hoạt tính nên hỡnh thành một khoang chứa cỏc Photon, đồng thời định hướng ánh sáng về phía sợi quang. Nguyờn Lý Hoạt Động. + Khi có điện trường ngoài kích thích các điện tử hấp thụ năng lượng và nhẩy từ vùng năng lượng E L (dải hoá trị) qua dải cấm lên vùng năng lượng E H. (dải dẫn). Điện tử từ vùng N vượt qua hàng rào thế năng vào vùng n (vùng tích cực), đồng thời lỗ trống đi từ vùng P vượt qua hàng rào thế năng vào vùng n (vùng tích cực). Điện tử đang ở mức năng lượng cao E H dưới lực hút của hạt nhân nguyên tử nên có xu hướng quay về trạng thái ban đầu E L , khi điện tử từ mức năng lượng cao E H quay về mức năng lượng thấp E L (điện tử và lỗ trống tái kết hợp với nhau) sẽ phát ra một photon ánh sáng. + Photong ánh sáng có bước sóng: ∆E= E H - E L = h.f = h.c / ë + Tuỳ vào vật liệu làm bán dẫn P, n, N ( E H , E L khác nhau làm ∆E khác nhau ) nên ánh sáng phát ra có bước sóng ë khác nhau. 3 Hấp thụ do OH - Hấp thụ cực tím Tán xạ Rayleigh Suy hao tổng Hấp thụ hồng ngoại 85 0 1300 1550 λ (nm) a (dB/km) Sợi quang L (km) τ T τ R z x y xOz yOz P - N E ngo ià Vùng dẫn Vùng hoá trị Vùng nghèo + E g P Vùng cấm + - E - - - - - + ++++ E g N E g h f H ng r o thà à ế n + Vỡ E H và E L là dải năng lượng nên ánh sáng phát ra gồm nhiều bước sóng khác nhau. + Ánh sáng LED phát ra là ánh sáng không kết hợp. Có 2 loại LED sử dụng trong TTQ - phát xạ mặt SLED - phát xạ cạnh ELED Câu 8: Trình bày nguyên lý phát quang và các tham số cơ bản của LED Trả lời: Cấu trúc cơ bản của LED là lớp tiếp giáp P-N. Khi có điện trường ngoài kích thích các lổ trống ở bán dẩn P và các điện tử ở bán dẩn N nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẩn và trôi về miền tiếp giáp ( vùng nghèo ) tại đây điện tử và lổ trống kết hợp với nhau và bức xạ ra một photon . Để có số photon bức xạ lớn người ta sử dụng cấu trúc dị thể kép tức là thêm 2 hay nhiều lớp vật liệu có độ rộng giải cấm lớn tạo nên hàng rào dị thể khi đó mật dộ điện tử và lổ trống tại miền tiép giáp tăng lên rất cao chúng kết hợp với nhau cho công suát áng sáng lớn. Các tham số cơ bản của LED a/ Đặc tuyến phát xạ: + Đặc tuyến phát xạ ở đoạn đầu có dạng tuyến tính, tức là khi dòng điện kích thích tăng thì công suất phát của LED tăng. Đoạn sau là đoạn bão hoà, khi dòng tăng thì công suất bị bão hoà (không tăng nữa). + Khi nhiệt độ làm việc (T) của LED tăng + Độ dốc của đặc tuyến phát xạ của LED không lớn. + Công suất phát của LED nhỏ. b/ Đặc tuyến phổ: + Phổ phát xạ của LED là phổ đặc, có dạng hình chuông, có công suất phát lớn nhất tại bước sóng làm việc λ 0. + Độ rộng phổ ∆λ được lấy ở mức một nửa công suất, ∆λ tương đối lớn --> tán sắc nhiều. c/ Các tham số khác: + λ 0 ở 850nm và 1300nm. + Độ rộng chùm sáng LED phát ra lớn --> tính định hướng kém --> hiệu suất ghép ánh sáng giữa LED và sợi quang kém. + ánh sáng LED phát ra là ánh sáng không kết hợp, do đó công suất phát nhỏ. Câu 9: Vẽ sơ đồ và trình bày nguyên lý hoạt động mạch phát dùng LED với tín hiệu đưa vào điều chế là tín hiệu tương tự, tín hiệu số? Trả lời: Tín hiệu tương tự Chức năng linh kiện: -R1, R2 tạo thành cầu phân áp, ổn định điểm làm việc tỉnh cho Trandistor -LED: biến tín hiệu điện thành tín hiệu quang -R3 ổn định nhiệt cho Trandistor Nguyên lý: Khi có tín hiệu xoay chiều đặt vào giữa cực gốc và cực phát của Trandistor làm thay đổi điện áp phân cực thuận tiếp giáp BE, lớp tiếp tiếp giáp BE phân cực thuận mạnh hay yếu tùy thuộc vào điện áp tín hiệu nên dòng cực phát Ie thay đổi theo điện áp tín hiệu dẩn đến dòng Ic = áIe cũng thay đổi theo qui luật của điện áp tín hiệu vào. Như vậy công suất áng sáng do LED phát ra cũng thay đổi theo qui luật của điện áp tín hiệu vào. Tín hiệu số Chức năng linh kiện: R1,R2 tạo thành cầu phân áp, ổn định điểm làm việc tỉnh cho,R4: điện trở tải LED: biến tín thiệu điện thành tín hiệu quang Nguyên lý: Trandistor làm việc như một khóa điện tử khi tín hiệu vào ở mức cao Trandistor thông có dòng Ic chạy từ +V qua tiếp giáp EC về đất nên có dòng qua LED ( LED sáng ), khi tín hiệu vào ở mức thấp Trandistor tắt không có dòng từ +V chạy qua R4 qua tiếp giáp EC nên LED tắt. Như vậy LED sẽ tắt và sáng theo qui luật của tín hiệu số ở đầu vào. Câu11: Vẽ sơ đồ khối mạch phát dùng LASER có ổn định công suất và ổn định nhiệt độ, trình bày nguyên lý hoạt động của mạch? Trả lời: Do Laser rất nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ nên các mạch phát dùng Laser phải luôn luôn gắn liền với các mạch ổn định công suất và ổn định nhiệt độ. Hình vẽ dưới đây là sơ đồ khối mạch phát dùng LASER có ổn định công suất và ổn định nhiệt độ. 4 R 1 R 2 R 3 LE D +V ∼ I B I C T Sợi quang T l m vià ệc ở chế độ k/đại P(mW ) I(mA) P(mW ) t I v oà t P ra I b (I b + I s )β I s P O O O R 1 R 2 R 3 LE D +V T Sợi quang T l m vià ệc ở chế độ khoá (thông/tắt) R 4 P(mW) I(mA) P(mW) t I v oà t I b O O O 1 10 0 1 1 0 0 - + P - - + + N E ngo ià Vùng dẫn Vùng hoá trị Vùng nghèo + E g Vùng cấm - + - + - + - + - E T 2 T 1 T 3 P(mW) I(mA) I KT T 1 < T 2 < T 3 1 0,5 λ 0 ∆λ P/P 0 λ (nm) P 0 : Công suất phát xạ cực đại (max = 1) ∆λ : độ rộng phổ P - N E ngo ià Vùngdẫn Vùng hoá trị Vùng nghèo + E g P Vùngcấ mm + - E - - - - - + ++++ E g N E g h f H ng r o dà à ị thẻ n Nguyên lý hoạt động: Tín hiệu đầu vào được đưa qua mạch AGC có khả năng tự động điều chỉnh hệ số k/đại, đầu ra của AGC có dòng I S là dòng tín hiệu, dòng thiên áp I b từ mạch thiên áp sẽ được cộng với dòng tín hiệu rồi đưa vào điều chế cường độ sáng của Laser. Nếu tín hiệu đầu vào là bit 0 thì công suất đầu ra của LD là P b (c/s ánh sáng nền) rất nhỏ. Còn nếu tín hiệu đầu vào là bit 1 thì công suất đầu ra của LD đạt giá trị cực đại (hình vẽ dưới). a/ ổn định công suất: ánh sáng phát ra từ Laser phần lớn được đưa vào sợi quang, một phần nhỏ thông thường được lấy từ gương phụ của Laser và đưa tới bộ tách quang PD để chuyển từ quang thành điện. Dòng điện này sẽ được sử dụng làm cơ sở để giám sát và ổn định công suất phát của Laser. + Nếu P ra ↑→I P ↑→ mạch ổn định giảm dòng I b hoặc điều khiển mạch AGC để giảm hệ số k/đại (I S ) → P ra ↓. + Ngược lại, nếu P ra ↓→I P ↓→ mạch ổn định tăng dòng I b hoặc điều khiển mạch AGC để tăng hệ số k/đại (I S ) → P ra ↑. b/ ổn định nhiệt độ: Trong khối LD có 1 điện trở nhiệt và 1 bộ phận làm mát. Khi nhiệt độ Laser thay đổi sẽ làm cho điện trở nhiệt có giá trị thay đổi, điện trở nhiệt được gắn liền với 1 mạch điện sẽ làm cho dòng điện thay đổi. Dòng điện này được đưa vào 1 bộ so sánh và cho ra dòng điện giám sát. Nhiệm vụ của mạch ổn định nhiệt độ là căn cứ vào giá trị của dòng điện giám sát để điều khiển bộ phận làm mát ổn định nhiệt độ của Laser. Câu 13: Trình bày cấu tạo và nguyên lý tách sóng quang của photodiode PIN (PIN-PD)? Trả lời: Cấu trúc cơ bản: - Nguyên lý hoạt động: Khi các photon đi vào lớp P+ có mức năng lượng lớn hơn độ rộng của dải cấm, sẽ sinh ra trong miền P+, I, N+ các cặp điện tử và lỗ trống (chủ yếu ở lớp I). Các điện tử và lỗ trống trong miền I vừa được sinh ra bị điện trường mạnh hút về hai phía ( điện tử về phía N+ vì có điện áp dương, lỗ trống về miền P+ vì có điện áp âm). Mặt khác, các điện tử mới sinh ra trong miền P+ khuếch tán sang miền I nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp P+I, rồi chạy về phía N+ vì có điện áp dương và lỗ trống mới sinh ra trong miền N+ khuếch tán sang miền I nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp N+I, rồi chạy về phía về miền P+ vì có điện áp âm. Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện và trên tải một điện áp. Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo ra dòng điện ngoài, vì chúng được sinh ra ở miền P+ và N+ ở cách xa các lớp tiếp giáp P+I và N+I không được khuếch tán vào miền I (do ở khoảng cách xa hơn độ dài khuếch tán của động tử thiểu số), nên chíng lại tái hợp với nhau ngay trong các miền P+ và N+. Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào sẽ sinh ra một cặp điện tử và lỗ trống và giá trị trung bình của dòng điện ra tỷ lệ với công suất chiếu vào. Nhưng thực tế không phải như vậy, vì một phần ánh sáng bị tổn thất do phản xạ bề mặt. Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bước sóng. Vì vậy, lớp P+ không được quá dầy. Miền I càng dầy thì hiệu suất lượng tử càng lớn, vì xác suất tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống tăng lên theo độ dầy của miền này và do đó các photon có nhiều khả năng tiếp xúc với các nguyên tử hơn. Tuy nhiên, trong truyền dẫn số độ dài của sung ánh sáng đưa vào phải đủ lớn hơn thời gian trôi Td cần thiết để các phần tử mang điện chạy qua vùng trôi có độ rộng d của miền I. Do đó, d không được lớn quá vì như thế tốc độ bit sẽ bị giảm đi. Khi bước sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua bán dẫn cũng tăng lên, ánh sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Do đó, với các vật liệu phải có một bước sóng tới hạn. Câu 14: Cho biết cấu tạo, nguyên lý tách sóng quang và bội của PhotoDiode quang thác APD Trả lời: Cấu trúc cơ bản của APD : Sơ đồ phân bố điện trường theo các lớp - Nguyên lý hoạt động: Do APD được đặt một điện áp phân cực ngược rất lớn, tới hàng trăm vôn, cho nên cường độ điện trường ở miền điện tích không gian tăng lên rất cao. Do đó, khi các điện tử trong miền I di chuyển đến miền thác PN+ chúng được tăng tốc, va chạm vào các nguyên tử giải phóng ra các cặp điện tử và lỗ trống mới, gọi là sự ion hoá do va chạm. Các phần tử thứ cấp này đến lượt mình lại tạo ra sự sự ion hoá do va chạm thêm nữa, gây lên hiệu ứng quang thác và làm cho dòng điện tăng lên đáng kể. Thông qua hiệu ứng quang thác này mà với cùng một số lượng photon tới, APD 5 Sợi quang ổn định t o LDPD Mạch thiên áp AG C I S I b I p T/h v oà P(mW) I(mA) P(mW) t I v oà t I b O O O 1 10 0 1 1 0 0 1 P b P b I b + I s I ng P b : công suất ánh sáng nền P + N + I Điện cực Điện cực vòng Lớp chống phản xạ ánh sáng tới (a) (b) (c) E E E c E v E g Hình : Cấu tạo của PIN-Photodiode (a), sơ đồ phân bố dải năng lượng (b) v sà ơ đồ phân bố điện trường (c) Điẹn cực vòng P P P + N + I Điện cực Điện cực vòng Lớp chống phản xạ ánh sáng tới E giải phóng ra các điện tử nhiều hơn rất nhiều lần so với PIN-Photodiode. Câu 15 Trình bày các loại nhiễu trong máy thu tín hiệu quang ? Trả lời: Trong máy thu tín hiệu quang, nhiễu nổ và nhiễu nhiệt là 2 nguyên nhân chính gây ra sự thăng giáng dòng điện, ngay cả khi công suất tín hiệu thu được không đổi. )()( tiItI += I : giá trị trung bình của I i(t) : i nhiễu a/ Nhiễu nổ: - Dòng điện trong máy thu tín hiệu quang là dòng các điện tử được tạo ra tại các thời điểm ngẫu nhiên. Với P in = const, ta có: I(t) = I P + i S (t) I(t): dòng điện trong máy thu I P : dòng trung bình (I P = R.P in ) i S (t): dòng thăng giáng do nhiễu nổ gây ra. Nhận xét: + i S (t) là 1 quá trình ngẫu nhiên + Dòng nhiễu trung bình bình phương: BIei P S 2 2 = B: băng tần nhiễu hiệu dụng e: điện tích của điện tử - Nhiễu nổ được chia làm 3 loại: + Nhiễu lượng tử: là nhiễu nổ do chính dòng tách quang gây ra. = = − = + + .B.P.M h.f η.e 2e. .B.P h.f η.e 2e. APD víi.I.2e.M PDPIN víi.B2e.I in x2 in P x2 P 2 S B i + Nhiễu dòng tối: là nhiễu do dòng rò của PD gây ra. = + APD .B víi.I2e.M PD- PIN.B víi2e.I i d x2 d 2 d + Nhiễu do ánh sáng nền: là do công suất ánh sáng nền gây ra. = + APD .B víi.P.M h.f .eη 2e. PD- PIN.B víi.P h.f .eη 2e. i B x2 B 2 b P B : công suất ánh sáng nền M: hệ số bội của APD. x: hệ số tạp âm của APD (0≤x≤1) b/ Nhiễu nhiệt: Nguyên nhân: tại 1 nhiệt độ nhất định, điện tử chuyển động ngẫu nhiên trong vật dẫn. Nếu vật dẫn là 1 điện trở thì sự chuyển động ngẫu nhiên của điện tử sẽ làm cho giá trị của điện trở thay đổi và làm cho dòng điện chạy qua điện trở bị thăng giáng. L n R BTk i 4 2 = k: Hằng số Boltzman T: Nhiệt độ tuyệt đối R L : điện trở tải B: độ rộng băng tần - Nhiễu nhiệt khi có tính đến cả mạch tiền k/đại có giá trị như sau: F R BTk i L n . 4 2 = với F là hệ số nhiễu do mạch tiền k/đại gây ra. 6 I(t) I t i(t) . nhẹ,vận chuyển và thi công dễ dàng,cuộn cáp dài. Bán kính cong cho phép bé - Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có, giá thành rẻ,tiết kiệm tài nguyên kim loại mức(+1,0,-1) - Hiệu suất ghép nối nguồn quang-sợi và công suất phát của nguồn quang thấp. - Đòi hỏi công nghệ cao trong chế tạo laser và diode và sợi. Câu