Lý thuyết ôn tập thông tin quang

Ưu – nhược điểm của hệ thống 1, Suy hao thấp 2, Băng tần truyền dẫn rộng 3, Kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ 4, Không bị can nhiễu điện từ 5, Không gây xuyên âm 6, Bảo mật cao 1, Chi p

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1 Sơ đồ khối hệ thống

2 Ưu – nhược điểm của hệ thống

1, Suy hao thấp

2, Băng tần truyền dẫn rộng

3, Kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ

4, Không bị can nhiễu điện từ

5, Không gây xuyên âm

6, Bảo mật cao

1, Chi phí lắp đặt ban đầu lớn

2, Hàn nối khó khăn

3, Phát triển các cấu kiện quang – điện chuyên biệt

4, Thiết kế và sản xuất sợi quang đặc biệt (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

- Đảo lộn mật độ  N2 > N1 hay E2 – E1 > Eg Đây là điều kiện tiên quyết của

LD

CHƯƠNG II – SỢI QUANG

1 Ưu 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

Nhựa

Đơn mode SM

Đa mode MM

Chiết suất bậc SI 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

SI

Chỉ truyền

duy nhất

mode

LP01

Tia sáng

dọc theo

trục sợi

Ánh sáng lan truyền trên nhiều tia sáng với các góc lan truyền khác nhau = > tán sắc mode làm méo dạng xung quang

Do chiết suất lõi không đổi nên các tia sáng chỉ đi trong lõi và bị phản xạ tại tiếp giáp giữa lõi và vỏ tạo nên quỹ đạo zig zag

Tia kinh tuyến bị giam hãm trong mp đi qua trục tâm sợi

Tia xiên đi theo quỹ đạo xoắn ốc dọc theo sợi

Sợi truyền nhiều mode

Gồm tia kinh tuyến và tia nghiêng (dạng hình sin xoắn quanh trục 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

góc lan truyền cho phép xác định Là nghiệm của hệ phương trình sóng xác định kiểu phân bố trường điện từ lan truyền trong sợi quang

- Phân loại :

Truyền ánh

sáng trong sợi

Bị bức xạ ra ngoài vỏ

Bị giam hãm trong lõi

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

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:

Bán kính cong lớn hơn đường kính sợi

Tại vị trí cong, một số tia có góc thay đổi

> góc tới hạn => khúc xạ

Theo quan điểm trường mode: do đuôi

trường quang bức xạ ra ngoài sợi

Bán kính cong nhỏ hơn đường kính sợi

Do quá trình sản xuất sợi không đồng đều

và do bện sợi với lực tác động không đều

Để giảm suy hao: bọc đệm sợi và chọn V 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:

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

khác nhau dẫn đến thời gian lan

truyền khác nhau

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

CHƯƠNG 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

Phân cực ngược Phân cực thuận Vùng nghèo được mở rộng, các điện tử và

lỗ trống khó gặp nhau để tái hợp phát ra

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

Vùng nghèo hẹp lại, hay hàng rào thế hạ thấp xuống => dễ tái hợp tạo ánh sáng

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

Cấu tạo Cấu trúc dị thể kép

Có LED phát xạ mặt và LED phát xạ

cạnh

Bộ cộng hưởng trong một môi trường khuếch đại (tích cực)

LD bán dẫn sử dụng cấu trúc dị thể kép

Nguyên

lý

Dựa trên cơ chế phát xạ tự phát

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

Dưới tác dụng của điện trường phân

cực thuận, các cặp điện tử và lỗ

trống tái hợp với nhau và phát xạ ánh

Dựa trên phát xạ kích thích Phát xạ kích thích chiếm ưu thế khi thỏa mãn đảo lộn mật độ => vùng tích cực trở thành môi trường khuếch đại quang

Quá trình hồi tiếp quang thực hiện trong một hộp cộng hưởng hình thành bởi 2 gương phản xạ

tính P –

I

(vẽ

hình)

xạ bằng với tốc độ bơm hạt tải

Tỉ lệ tuyến tính theo I, bão hòa ở

dòng bơm cao

Nhiệt độ cao => độ đáp ứng giảm

Dòng tăng => công suất tăng

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 phát tăng Nhiệt độ tăng, công suất phát giảm, dòng ngưỡng tăng

Đặc

tính phổ

(vẽ

hình)

Thể hiện sự phân bố mật độ công

suất phát của LED theo bước sóng

Phụ thuộc hiệu năng của mạng

Phổ rộng => ảnh hưởng điều kênh

Phổ vạch Hẹp

LED phát quang (vẽ mạch)

Nguyên tắc:

- ½ chu kỳ dương: LED sáng

- ½ chu kỳ âm: LED tối

Thay tụ C bằng R

- Bít 1: LED sáng

- Bít 0: LED tắt

CHƯƠNG 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

- 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

Cấu tạo Gồm 3 lớp, lớp I xen giữa và >> pn 4 lớp, bổ sung 1 lớp giữa lớp I và n+

là lớp có điện trở suất cao tạo vùng x

Nguyên

lý tách

sóng

(vẽ

hình)

Khi một photon có E ≥ Eg đi tới,

photon này bị hấp thụ và kích thích 1

điện tử nhảy lên từ vùng hóa trị lên

vùng dẫn, quá trình này tạo các cặp e

-p

Dưới tác động của điện trường đặt

vào lớp I, các e – p này trôi ra lớp

ngoài tạo dòng tách quang (do lớp I

có trở kháng cao)

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 chuyển ngược lại

Miền nhân có điện trường lớn

=> các e – p được tăng tốc

=> va đập tạo các cặp e – p thứ cấp

Nâng

cao tính

năng

Cấu trúc dị thể kép: Loại bỏ dòng

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 và điện trở nội nối tiếp