Tài liệu Lý thuyết ôn tập thông tin quang

Phèeng – TBT CHƢƠNG I – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1. Sơ đồ khối hệ thống 2. Ƣu – nhƣợc điểm của 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 và trọng lượng nhẹ 4, Không bị can nhiễu điện từ 3, Phát triển các cấu kiện quang – điện chuyên biệt 5, Không gây xuyên âm 4, Thiết kế và sản xuất sợi quang đặc biệt 6, Bảo mật cao (Do phải chịu nhiều tác động ngoài) 3. Quá trình hấp thụ và phát xạ. Ánh sáng kết hợp và không kết hợp - - Nếu 1 photon có năng lượng E = hf bằng năng lượng dải cấm Eg = E2 – E1 thì năng lượng photon bị hấp thụ bởi nguyên tử => nguyên tử chuyển từ mức nền lên mức kích thích. Năng lượng ánh sáng bị hấp thụ nên ánh sáng mất đi, đây là quá trình hấp thụ. Các nguyên tử có xu hướng trở về mức nền => quá trình phát xạ Phèeng – TBT Tự phát Kích thích Photon có pha và hướng ngẫu nhiên Cùng pha và tần số với ánh sáng kích thích ứng dụng trong LED ứng dụng LD  Ánh sáng không kết hợp  Ánh sáng kết hợp - N1, N2 là mật độ hạt tải ở mức năng lượng nền và mức năng lượng kích thích. - Đảo lộn mật độ  N2 > N1 hay E2 – E1 > Eg. Đây là điều kiện tiên quyết của LD CHƢƠNG II – SỢI QUANG 1. Ƣu điểm của sợi quang so với cáp kim loại 2. Cấu tạo và phân loại a. Cấu tạo (vẽ hình) - Cấu tạo hình trụ tròn gồm lớp vỏ và lớp lõi, chế tạo từ vật liệu trong 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 - Ngoài ra, theo đặc tính còn có : + Sợi dịch tán sắc (DSF) : tán sắc thay đổi so với sợi chuẩn + Sợi bù tán sắc (DCF) : bù ảnh hưởng của tán sắc và duy trì sự phân cực của tín hiệu. 3. Lan truyền ánh sáng trong các loại sợi quang a. Quỹ đạo các tia SM ; MMSI ; MMGI Phèeng – TBT SI SM MMSI Chỉ truyền duy nhất mode LP01 Tia sáng dọc theo trục sợi MMGI Ánh sáng lan truyền trên nhiều tia sáng với các góc lan Sợi truyền nhiều truyền khác nhau = > tán sắc mode làm méo dạng mode xung quang Gồm tia kinh Do chiết suất lõi không đổi nên các tia sáng chỉ đi tuyến và tia trong lõi và bị phản xạ tại tiếp giáp giữa lõi và vỏ tạo nghiêng (dạng nên quỹ đạo zig zag hình sin xoắn quanh trục sợi) Tia kinh tuyến bị giam hãm trong mp đi qua trục tâm sợi Tia xiên đi theo quỹ đạo xoắn ốc dọc theo sợi b. Khẩu độ số - Khái niệm : xác định góc tiếp cận ánh sáng cực đại của sợi quang. - Ý nghĩa : ảnh hưởng đến hiệu suất ghép cặp công suất quang của sợi. - Công thức : c. Mode truyền - Ý nghĩa : Theo lý thuyết tia Theo lý thuyết truyền sóng Cho biết họ tia sáng ứng với một Là nghiệm của hệ phương trình sóng xác định kiểu góc lan truyền cho phép xác định phân bố trường điện từ lan truyền trong sợi quang Mode dẫn Phân loại : Mode bức xạ Mode dò Truyền ánh Bị bức xạ ra Bị giam hãm trong lõi sáng trong sợi ngoài vỏ Dễ suy hao do bức xạ công suất khỏi lõi khi lan truyền Công thức tính : d. Tần số chuẩn hóa : - Ý nghĩa : xác định số lượng mode và đặc tính truyền dẫn của sợi quang. - Phèeng – TBT - Công thức tính : 4. Suy hao a. Khái niệm: sự suy giảm công suất quang trung bình trong sợi quang khi lan truyền. b. Các loại suy hao: - Do hấp thụ: Hấp thụ ngoài Hấp thụ thuần - Các hợp chất kim loại chuyển tiếp như Cu, Fe, Ni, Mn, Cr hấp thụ mạnh trong dải bước sóng từ 0,6 – 1,6 µm - Ion OH do sự có mặt của hơi nước trong quá trình chế tạo sợi => gây hấp thụ tại 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 giữa các liên kết dao động và trường quang Do tán xạ: do  thay đổi vi mô về mật độ trong vật liệu tạo sợi  thăng giáng thành phần  các khuyết tật hay cấu trúc không đồng nhất -  sự thăng giáng mật độ => thăng giáng ngẫu nhiên của chiết suất cỡ < λ = > tán xạ Rayleigh Uốn cong: Do uốn cong vĩ mô Bán kính cong lớn hơn đường kính sợi Do uốn cong vi mô Bán kính cong nhỏ hơn đường kính sợi Tại vị trí cong, một số tia có góc thay đổi Do quá trình sản xuất sợi không đồng đều > góc tới hạn => khúc xạ và do bện sợi với lực tác động không đều. Theo quan điểm trường mode: do đuôi Để giảm suy hao: bọc đệm sợi và chọn V trường quang bức xạ ra ngoài 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 5. Tán sắc a. Khái niệm: hiện tượng các thành phần tín hiệu quang (mode, bước sóng, trạng thái phân cực) có vận tốc lan truyền khác nhau dẫn đến xung quang dãn rộng về thời gian gây nhiễu ISI. b. Các loại tán sắc: - Tán sắc mode: Do sợi truyền nhiều mode; mỗi mode có tốc độ lan truyền khác nhau (có hằng số lan truyền khác nhau) => lệch thời gian truyền giữa các mode MMGI có chiết suất lõi thay đổi => giữa các mode có sự bù trừ về quãng đường và tốc độ lan truyền => trễ thời nhỏ nhất, tán sắc ít. Phèeng – TBT - Tán sắc vận tốc nhóm (GVD): do sự phụ thuộc của vận tốc nhóm vào tần số gây mở rộng xung, có tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc vật liệu Tán sắc ống dẫn sóng Do sự phụ thuộc của chiết suất vật liệu vào tần số (hay λ) mà ánh sáng nguồn quang gồm nhiều bước sóng khác nhau dẫn đến thời gian lan truyền khác nhau. Do sự phụ thuộc của hằng số lan truyền vào cấu trúc sợi quang (tham số V) Phần công suất tại mỗi thành phần phổ thẩm thấu ra ngoài vỏ có chiết suất nhỏ hơn khác nhau => tốc độ nhóm khác nhau - Tán sắc bậc cao: Do D cũng là 1 hàm của bước sóng => các thành phần phổ có D khác nhau - Tán sắc mode phân cực (PMD): sợi SM có 2 mode phân cực trực giao ; sợi thực tế không hoàn hảo => mỗi mode có chiết suất mode khác nhau c. Ảnh hưởng: - Gây méo dạng xung quang dẫn tới ISI, hạn chế tốc độ truyền trong sợi CHƢƠNG III 1. Sơ đồ khối và chức năng - Chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang vào sợi để truyền dẫn. 2. Tiếp giáp p – n và cấu trúc dị thể a. Tiếp giáp p – n: - Hình thành từ bán dẫn p và n Khi chưa đặt điện áp phân cực => các hạt tải đa số khuếch tán qua lớp tiếp giáp => tạo hàng rào thế. - Trạng thái cân bằng thiết lập, các điện tử và lỗ trống bị các liên kết đồng hóa trị giữ lại nên không còn hạt tải điện tự do => vùng nghèo hay vùng điện tích không gian. Phèeng – TBT Phân cực ngược Phân cực thuận Vùng nghèo được mở rộng, các điện tử và Vùng nghèo hẹp lại, hay hàng rào thế hạ lỗ trống khó gặp nhau để tái hợp phát ra thấp xuống => dễ tái hợp tạo ánh sáng ánh sáng. Sử dụng cho chế tạo photodiode Điện trường tạo điều kiện cho các hạt thiểu số qua lớp tiếp giáp tạo dòng dò - b. Cấu trúc đồng thể và dị thể Cấu trúc đồng thể : các hạt tải không bị giam hãm => hiệu suất phát xạ kém. Cấu trúc dị thể kép: 3 lớp cơ bản  Lớp bán dẫn mỏng ở giữa lớp p và n có Eg nhỏ (lớp tích cực)  Hai lớp bên có Eg lớn hơn (lớp hạn chế)  Ưu điểm: giam hãm hạt tải tải lớp tích cực (xảy ra tái hợp tại đây), giam hãm photon, quyết định số mode quang phát xạ 3. Nguồn quang bán dẫn LED LD Cấu tạo Cấu trúc dị thể kép Bộ cộng hưởng trong một môi Có LED phát xạ mặt và LED phát xạ trường khuếch đại (tích cực) cạnh LD bán dẫn sử dụng cấu trúc dị thể kép Nguyên lý Dựa trên cơ chế phát xạ tự phát Dựa trên phát xạ kích thích Khi phân cực thuận cho LED sẽ có dòng bơm qua LED làm cho các điện tử đang tập trung ở vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn Phát xạ kích thích chiếm ưu thế khi thỏa mãn đảo lộn mật độ => vùng tích cực trở thành môi trường khuếch đại quang Dưới tác dụng của điện trường phân Quá trình hồi tiếp quang thực hiện cực thuận, các cặp điện tử và lỗ trong một hộp cộng hưởng hình trống tái hợp với nhau và phát xạ ánh thành bởi 2 gương phản xạ Phèeng – TBT sáng Đặc điểm Ánh sáng phát ra là ánh sáng không Ánh sáng phát ra là ánh sáng kết hợp kết hợp Hoạt động lazer chỉ xảy ra khi có Độ rộng chùm sáng phát xạ lớn => dòng bơm, dòng ngưỡng hiệu suất ghép nối với sợi quang nhỏ Đặc Tốc độ tại hợp bức xạ và không bức tính P – xạ bằng với tốc độ bơm hạt tải I Tỉ lệ tuyến tính theo I, bão hòa ở (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 không lớn, dạng tuyến tính Khi dòng > ngưỡng thì độ dốc đường đặc tuyến tăng nhanh Dòng tăng => công suất tăng Dòng tăng, công suất phát tăng Nhiệt độ tăng, công suất phát giảm, dòng ngưỡng tăng Đặc Thể hiện sự phân bố mật độ công Phổ vạch tính phổ suất phát của LED theo bước sóng. Hẹp (vẽ Phụ thuộc hiệu năng của 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 bằng R - Bít 1: LED sáng Bít 0: LED tắt CHƢƠNG IV 1. Sơ đồ khối và chức năng bộ thu quang 2. Diode thu quang a. Các tham số cơ bản - 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 và 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 đi qua thì sinh ra cặp e – p + Dưới điện trường đặt vào, p đi từ bán dẫn n lên bán dẫn p và e di chuyển ngược lại PIN Cấu tạo Gồm 3 lớp, lớp I xen giữa và >> pn Nguyên Khi một photon có E ≥ Eg đi tới, lý tách photon này bị hấp thụ và kích thích 1 sóng điện tử nhảy lên từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, quá trình này tạo các cặp e (vẽ -p hình) APD 4 lớp, bổ sung 1 lớp giữa lớp I và n+ là lớp có điện trở suất cao tạo vùng x Quá trình ion hóa do va chạm Ánh sáng qua lớp p+ (mỏng) bị hấp thụ tại lớp i Phân cực ngược nên lỗ trống di chuyển về phía p+ và điện tử di Dưới tác động của điện trường đặt chuyển ngược lại vào lớp I, các e – p này trôi ra lớp ngoài tạo dòng tách quang (do lớp I Miền nhân có điện trường lớn có trở kháng cao) => các e – p được tăng tốc => va đập tạo các cặp e – p thứ cấp Phèeng – TBT => hiêu ứng thác Quá trình này làm tăng dòng tách quang và tăng độ nhạy APD. Dòng tách quang là dòng e – p di chuyển ra ngoài Nâng Cấu trúc dị thể kép: Loại bỏ dòng cao tính khuếch tán năng 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 và điện trở nội nối tiếp